WO2007061015A1

WO2007061015A1 - マルチアンテナ通信システムにおけるマルチパイロット生成方法及び検出方法

Info

Publication number: WO2007061015A1
Application number: PCT/JP2006/323363
Authority: WO
Inventors: Zheng Zhao; Jifeng Li
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2005-11-24
Filing date: 2006-11-22
Publication date: 2007-05-31
Also published as: CN1972269A; EP1940067A4; CN101283535B; US8073070B2; JPWO2007061015A1; US20090268836A1; CN101283535A; JP4981682B2; EP1940067A1

Abstract

　本発明はマルチアンテナ通信システムにおけるマルチパイロット生成方法及び検出方法を提供する。この方法では、送信側で第１のプリアンブルシーケンスと第３のプリアンブルシーケンスとを重畳して、第２のプリアンブルシーケンスを生成し、シリアル／パラレル変換されてから第１のプリアンブルシーケンスと第２のプリアンブルシーケンスとを複数のアンテナより空間分割で順次送信する。そして、受信側では、第１のプリアンブルシーケンスと第２のプリアンブルシーケンスとを複数のアンテナにより受信し、空間分割処理により第２のプリアンブルシーケンスから第３のプリアンブルシーケンスを分離し、第１のプリアンブルシーケンスと分離した第３のプリアンブルシーケンスを利用してパイロットの関連処理を行う。

Description

マルチアンテナ通信システムにおけるマルチパイロット生成方法及び検出方法

技術分野

[0001] 本発明は、マルチアンテナ通信システムにおけるマルチパイロット生成方法及び検出方法に関する。

背景技術

[0002] 直交周波数分割多重 (Orthogonal Frequency Division Multiplex: OFDM)システムと MIMO (Multiple Input Multiple Output)は将来の無線通信におけるコア技術である。 OFDMシステムと MIMOシステムとを融合することにより、周波数スベクトルの効率を有効に向上させ、システムの簡易化を実現することができる。 MIMOシステムでは、同時に複数の無線物理チャネルによりデータを伝送するため、プリアンブルシーケンスの生成が周波数領域、空間領域及び時間領域において同時に行われるので、 SISO (Single Input Single Output)システムより複雑である。

[0003] 無線通信システムでは、パイロットとトレーニングシーケンスが非常に重要な役割を持っている。この無線通信システムでは、チャネル推定用、タイミング同期用及び周波数オフセット推定用（非特許文献 1)など多種のパイロットを生成し、それぞれのプリアンブルシーケンスの生成方法が異なっており、それぞれ異なるチャネルリソースを使用する。同期、周波数オフセット及びチャネル推定の精度を保証するために、同じ長さのプリアンブルシーケンスとデータシーケンスにとって、パイロットがより多くのリソースを使用することになる。例えば、パイロットエネルギーがデータエネルギーより高いため、 OFDM通信システムでは、ショートトレーニングシーケンスのキャリア間隔が正常シンボルのサブキャリア間隔の 4倍である。

[0004] MIMOシステムについては、大多数の研究がチャネル推定を行う際のプリアンブルシーケンスの生成に注目している。それらの研究は、 MIMOチャネル環境を対象として、チャネル推定用プリアンブルシーケンスの生成方式を確定し、それによりプリアンブルシーケンスの最適解を得るというものである。一方、周波数オフセットの除去について、一般的には SISOシステムの周波数オフセット除去法 (非特許文献 2)を使用する。図 1は、 IEEE802.i lプロトコルにおけるパイロットの構成を示す。 IEEE802.i lプロトコルでは、周波数オフセット除去用パイロットとチャネル推定用パイロットがそれぞれ異なるシンボルリソースを使用するため、チャネル推定用パイロットに 8msのロングプリアンブルシーケンスが用意され、 10個のショートプリアンブルシーケンスに 4つの周波数オフセット推定用トレーニングシーケンスが含まれて、る。

特干文献 1 : Ricnard van Nee、 Ramjee Prased OFDM wireless multimedia communi cations, Boston, London: Artech House, 2000"

非特許文献 2 : IEEE C802.16e- 04/ 192, "Preamble design to improve MIMO support" , 2004.6.26

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] しかしながら、上述した MIMOシステムでは、 2種類のプリアンブルシーケンスを別々に生成するため、 2つのパイロットにそれぞれリソースを分配しなければならず、その分多くのリソースを必要とするという問題がある。

[0006] 本発明の目的は、システムのリソースを節約するマルチパイロット生成方法及び検出方法を提供することである。 ·

課題を解決するための手段

[0007] 本発明のマルチアンテナ通信システムにおけるマルチパイロット生成方法は、第 1 のプリアンブルシーケンスを生成するステップと、前記第 1のプリアンブルシーケンスと第 3のプリアンブルシーケンスとを重畳して、第 2のプリアンブルシーケンスを生成するステップと、前記第 1のプリアンブルシーケンスと前記第 2のプリアンブルシーケンスとをシリアル Zパラレル変換し、第 1のプリアンブルシーケンスと第 2のプリアンプルシーケンスとを複数のアンテナ力空間分割により順次送信するステップと、を具備するようにした。

[0008] 本発明のマルチアンテナ通信システムにおけるマルチパイロット検出方法は、複数のアンテナから送信された第 1のプリアンブルシーケンスと、前記第 1のプリアンブルシーケンス及び第 3のプリアンブルシーケンスが重畳された第 2のプリアンブルシーケンスとを複数のアンテナにより受信するステップと、空間分割処理により前記第 2のプリアンブルシーケンスから第 3のプリアンブルシーケンスを分離するステップと、を具備するようにした。

発明の効果

[0009] 本発明によれば、システムのリソースを節約することができる。

図面の簡単な説明

[0010] [図 1]IEEE802.11プロトコルにおけるパイロットの構成を示す図

[図 2]パイロット信号とデータ信号とのマッピングパターンを示す図

[図 3]パイロット信号とデータ信号とのマッピングパターンを示す図

[図 4]本発明の実施の形態に係る OFDM— MIMO送信装置のシステムモデルを示すブロック図

[図 5]本発明の実施の形態に係る OFDM— MIMO受信装置のシステムモデルを示すブロック図

[図 6]V-BLASTのシステムモデルを示すブロック図

[図 7A]第 1のプリアンブルシーケンスの送信方法を示す図

[図 7B]第 2のプリアンブルシーケンスの送信方法を示す図

[図 8]本発明の実施の形態に係る MIMOシステムにおけるパイロットの構成を示す図

[図 9]既存の MIMOシステムにおけるパイロットの構成を示す図

[図 10]IEEE802.11プロトコルにおける SISOシステムのパイロットの構成を示す図発明を実施するための最良の形態

[0011] 以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

[0012] (実施の形態）

OFDMシステムでは、それぞれのキャリアが同時にパイロットを送信することができる。また、一部のキャリアがパイロット信号を送信し、その他のキャリアがデータ信号を送信することもできる。図 2と図 3は、パイロット信号とデータ信号とのマッピングパターンを示す。図 2と図 3では、黒塗りの丸力パイロット信号を表し、丸がデータ信号を表す。横軸が時間軸を示し、縦軸がキャリアを示す。図 2では、全てのキャリアがパイロット信号を送信するか、全てのキャリアがデータ信号を送信する場合を示している。図 3 では、パイロット信号とデータ信号が各時間とキャリアに点在する場合を示しており、このような構成を時間周波数パイロット構成と呼ぶ。

[0013] 本発明の実施の形態では、 IEEE802.ilプロトコル及び 3GPPに基づき、マルチアンテナ通信システムを対象とし、同時に複数のノィロットを生成する場合について説明する。この場合において、第 1のプリアンブルシーケンスを推定用パイロット、すなわち、ロングプリアンブルシーケンスとする。既存の方法との相違点は、第 2のプリアンブルシーケンスが第 1のプリアンブルシーケンスを重複するのではなぐ第 2のプリアンブルシーケンスに SZP変換後の周波数オフセット除去用パイロット、すなわち、ショートプリアンブルシーケンスを含めることである。そして、受信側で時空間処理により、第 1及び第 2のプリアンブルシーケンスからチャネル推定用パイロット（ロングプリアンブルシーケンス）と周波数オフセット除去用パイロット（ショートプリアンブノレシーケンス、すなわち、第 3のプリアンブルシーケンス）とに分離し、それぞれこれらのチャネル推定用パイロット（ロングプリアンブルシーケンス）と周波数オフセット除去用パイロット (ショートプリアンプノレシーケンス）とを利用して、チャネル推定及び周波数オフセット検出を行う。

[0014] 本発明の実施の形態に係る OFDM— MIMO送信装置 100のシステムモデルを図 4 に示す。図 4に示すように、 OFDM— MIMO送信装置 100は、アンテナ毎に送信処理部 101— 1〜： L01— Kを備え、各送信処理部 101は IFFT部 102、 CP挿入部 103、 PZS変換部 104を備えている。

[0015] IFFT部 102は、入力された送信データに IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) 処理を施し、 IFFT処理を施した送信データを CP挿入部 103に出力する。

[0016] CP揷入部 103は、 IFFT部 102から出力された送信データに長さ Lの CP (Cyclic P refix)を挿入し、 CPを挿入した送信データを PZS変換部 104に出力する。

[0017] PZS変換部 104は、 CP挿入部 103から出力された送信データに PZS (パラレル Zシリアル)変換処理を施し、 PZS変換を施した送信データをアンテナから送信する

[0018] また、本発明の実施の形態に係る OFDM— MIMO受信装置 200のシステムモデルを図 5に示す。図 5に示すように、 OFDM— MIMO受信装置 200は、 OFDM -MIMO 送信装置 100の各アンテナから送信され、雑音が混ざった信号を受信する。ここで、受信した信号に混ざった雑音をホワイトガウスノイズとする。

[0019] SZP変換部 201は、受信した信号が入力され、受信信号に SZP変換を施し、 SZ

P変換を施した受信信号を CP除去部 202に出力する。

[0020] CP除去部 202は、 SZP変換部 201から出力された受信信号力も CPを除去し、 C

Pを除去した受信信号を FFT部 203に出力する。

[0021] FFT部 203は、 CP除去部 202から出力された受信信号に FFT処理を施すことにより、 1つのシンボルブロックにおいて受信ベクトルが得られる。

[0022] 以下、 IEEE802.ilプロトコルにおける MIMOシステムのパイロットの生成について詳細に説明する。

[0023] 図 6に示すように、 V— BLASTシステムでは、プリアンブルシーケンスが SZP変換され、スケーラブル変調 Z符号化器にぉ、て MIMOシステムのプリアンブルシーケンスが生成され、複数のアンテナからそれぞれ送信される。

[0024] IEEE802.ilプロトコルでは、チャネル推定に用いられる 2つのプリアンブルシーケンスが用意されている。この 2つのプリアンブルシーケンスが重複して送信される。図 7 Aは、第 1のプリアンブルシーケンス（ロングプリアンブルシーケンス）の送信方法を示す。ロングプリアンブルシーケンスが S/P変換され、それぞれのアンテナ力も送信されて、 MIMOシステムのチャネル推定に使用される。アンテナも送信されるシーケンスは次式（1)に示される。

[数 1] i ' ' " システムは N本の送信アンテナがあるため、受信される信号は次式（2)に示される。

[数 2]

R = is s_Ti … s^ JH + N! = SH + N! - · - ( 2 )

[0025] Hは送信アンテナ力受信アンテナまでのチャネルフェージングであり、その i行目、 j列目の要素は送信アンテナ iから受信アンテナ jまでのフェージングを示す。 Nは受信アンテナが受信した雑音であり、ゼロ平均値ガウス分布により、各アンテナが受信した雑音信号が互いに独立する。

[0026] 第 2のプリアンブルシーケンスは、周波数オフセット除去用パイロット（ショートプリアンブルシーケンス、すなわち、第 3のプリアンブルシーケンス）を第 1のプリアンブルシ一ケンス（ロングプリアンブルシーケンス）に重畳して形成される。周波数オフセット除去用パイロットの生成には既存技術を適用し、その長さはアンテナの本数に対応するものとする。

[0027] 図 7Bは、第 2のプリアンブルシーケンスの送信方法を示す。まず、長さが Nの周波数オフセット除去用プリアンブルシーケンス（ショートプリアンブルシーケンス）（s , s

tl t2

, · · · , s )を S/P変換してから、 S/P変換後の周波数オフセット除去用ノィロットと s tN

ZP変換後のロングプリアンブルシーケンスとを乗算する。すなわち、第 3のプリアンブルシーケンスを第 1のプリアンブルシーケンスに重畳する（図 8を参照）。第 2のプリアンブルシーケンスにお!/、ては、アンテナも送信されるシンボルシーケンスは次式 (3)に示され、受信信号は式 (4)に示される。

[数 3]

S Ti ~ ^ ti ^Ti · · · ( 3ノ画

R = [s'n s*_r2 … ¾ν]Η + Ν₂ · · · )

[0028] 第 1のプリアンブルシーケンス及び第 3のプリアンブルシーケンスの送信シンボルを利用して、第 2のプリアンブルシーケンスは次式（5)のように示すことができる。

[数 5]

R 二 8ΦΗ + Ν₂ · · · ( 5 ) ただし、 Φは式 (6)に示す通りである。

[数 6]

[0029] 式（6)の対角行列 Φを求めるためには、周知のように、行列 Sの行数が列数より多くなければならない。つまり、送信アンテナの数は受信アンテナの数より多くなければならない。

[0030] 以下、 IEEE802.ilプロトコルにおける MIMOシステムによる第 2のプリアンブルシーケンス検出方法について説明する。

[0031] 式（2)と式（5)から明らかなように、両者の間は 1つの対角要素の差がある。 R〜に R の逆行列 R^_1を右掛けすると、次式（7)が得られる。

[数 7]

Y = SR^_1 = SOS^_1 + N · · · ( 7 )

[0032] チャネル推定用プリアンブルシーケンス s (ロングプリアンブルシーケンス）が既知であるため、 Yから対角行列 Φを得ることにより、周波数オフセット除去用プリアンブルシーケンス S (ショートプリアンブルシーケンス）を分離することができる。そして、この周波数オフセット除去用プリアンブルシーケンスを利用して、周波数オフセットを推定する。第 2のプリアンブルシーケンスを利用してチャネル推定を行う際、プリアンブルシーケンスを S Φに修正する。

[0033] ここで、本発明の原理を分かりやすくするために、図 8に示す本実施の形態におけるパイロットの構成と、図 9に示す既存の MIMOシステムにおけるプリアンブルシーケンスの構成とを比較する。ただし、両方とも図 10に示された SISOシステムにおけるパィロット構成により得られるものである。

[0034] OFDMシステムでは、ショートプリアンブルシーケンスを使用して周波数オフセットを大まかに推定する。ロングプリアンブルシーケンスを使用しない理由は、周波数オフセットの推定範囲を拡大するためである。図 8と図 9との比較から明らかなように、図 8 のショートプリアンブルシーケンスの長さを増加しないため、周波数オフセットの推定範囲を縮小することはない。

[0035] 以下、 3GPPに基づく MIMOシステムにおけるパイロットの生成について説明する。

[0036] 3GPPプロトコルでは、パイロット構成の大半は図 3に示すような時間周波数構成である。 V-BLASTシステムは空間多重を使用することにより、パイロットの伝送レートを向上させた。そして、プリアンブルシーケンスを時間領域にて重複送信することができる。本実施の形態によれば、第 2のプリアンブルシーケンスを送信する前に、 IEE E802.llプロトコルにおける MIMOシステムによるパイロット生成と同様に、 S/P変換された周波数オフセット除去用プリアンブルシーケンス（ショートプリアンブルシーケンス、すなわち、第 3のプリアンブルシーケンス）と S/P変換されたロングプリアンブルシーケンス（第 1のプリアンブルシーケンス）とを乗算する。すなわち、第 3のプリアンブルシーケンスを第 1のプリアンブルシーケンスに重畳する。第 1のプリアンブルシーケンスでは、 j番目のキャリアにてアンテナも送信されるシンボルシーケンスは次式 (8)に示される。

[数 8]

~^sTi ' ' ' ( 8 )

このため、第 2のプリアンブルシーケンスにてアンテナ iから送信されるシンボルシーケンスは次式（9)に示される。ただし、 j番目のキャリアにおけるものとする。

[数 9] s Ti ^{= s}ti^sTi,j · · · ( 9 ,

[0037] 第 1のプリアンブルシーケンスは、受信側でフーリエ変換され、 j番目のキャリアにて受信した信号は次式（10)に示される。

[数 10]

Rゾ =1 U H2 … ^j jH = Sゾ H , · ' （1 0 ) Hは送信アンテナ力も受信アンテナまでのサブキャリア jでのフェージングを示し、 i 行目、 k列目の要素が送信アンテナ iから受信アンテナ kまでの間のフェージングを表し、 N はフーリエ変換後の受信アンテナが受信した j番目のキャリアでの雑音信号で

]. 1

あり、ゼロ平均値ガウス分布により、各アンテナでの雑音信号が互いに独立する。 S

j はサブキャリア jにて各アンテナから送信されるシンボルシーケンスである。

[0038] 前述の送信方法によれば、第 2のプリアンブルシーケンスにて受信した信号は次式

(11)によって示される。

[数 11]

TNJ 2,ゾ ( 1 1 ) 第 1のプリアンブルシーケンス及び第 3のプリアンブルシーケンスを利用して、第 2 のプリアンブルシーケンスを次式（12)のように示すことができる。ただし、 Φは式（13 )である。

[数 12]

R_;- = Sゾ ΦΗゾ + N₂,ゾ · · * ( 1 2 )

[数 13]

5 t_; l 0 0

0 s_t2

Φ = ( 1 3 )

' · . 0

0 ^{0 s}tN

[0039] 式（13)の対角行列 Φを求めるためには、行列 Sの行数が列数より多くなければならない。すなわち、送信アンテナの数が受信アンテナの数より多くなければならない。

[0040] 以下、 3GPPにおける ΜΙΜΟシステムによる第 2のプリアンブルシーケンス検出方法について説明する。

[0041] 式（10)及び式（12)力明らかなように、両者の間は 1つの対角要素の差があり、 R 〜に Rの逆行列 R ^_1を右掛けすると、式（14)が得られる。 [数 14]

Y = fi _/.R _/—¹ = Sj S,¹ + N · · · ( 1 4 )

[0042] チャネル推定用プリアンブルシーケンス Sを利用すると、 Yから対角行列 Φが得られるため、周波数オフセット推定用プリアンブルシーケンス S (第 3のプリアンブルシーケンス)を分離することができる。そして、分離したシーケンスを利用して周波数ォフセットを推定する。ここでは、第 2のプリアンブルシーケンスを使用してチャネルを推定する際、プリアンブルシーケンスを S Φに修正する。

[0043] このように本実施の形態によれば、現在の OFDMシステム IEEE802.ilプロトコルによる SISOシステムにおけるパイロット生成の構成及び現在作成中の 3GPPに基づき、 V-BLASTシステムにおいてショートプリアンブルシーケンスとロングプリアンブルシーケンスとを同時に送信し、 V-BLASTシステムのマルチアンテナが有する空間識別機能を利用して、ショートプリアンブルシーケンスとロングプリアンブルシーケンスとに区別することによって、無線リソースを節約することができる。

[0044] また、チャネル推定用の第 2のプリアンブルシーケンスは従来方法と違って、第 1のプリアンブルシーケンスを重複するのではなぐ本発明はマルチアンテナの空間特性を利用して、第 1のプリアンブルシーケンス以外、第 2のプリアンブルシーケンスにも周波数オフセット除去用情報 (第 3のプリアンブルシーケンス)含ませて、空間分割処理により、 2つのプリアンブルシーケンスからチャネル推定用パイロットと周波数オフセット除去用ノィロットを抽出するため、パイロットの数を減少し、無線リソースの使用効率を向上させることができる。

[0045] なお、本実施の形態では、第 1のプリアンブルシーケンスがロングプリアンブルシーケンスであり、第 3のプリアンブルシーケンスがショートプリアンブルシーケンスである場合について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、第 1のプリアンブルシーケンスがショートプリアンブルシーケンスであり、第 3のプリアンブルシーケンスがロングプリアンブルシーケンスであってもよ！/、。

[0046] 本明細書は、 2005年 11月 24日出願の中国出願番号 200510128636.5の中国出願に含まれる明細書、図面および要約書の開示内容は、全て本願に援用される。産業上の利用可能性

本発明のマルチアンテナ通信システムにおけるマルチパイロット生成方法及び検出方法は、各種セルラ方式における高速無線通信システム及び高スループット量の無線ローカルネットワークシステムに適用することができ、特に、マルチアンテナを採用する IEEE802.ilプロトコルにおけるパイロット、例えば、 OFDM— MIMOシステムにおけるパイロットの生成に適用することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 第 1のプリアンブルシーケンスを生成するステップと、

前記第 1のプリアンブルシーケンスと第 3のプリアンブルシーケンスとを重畳して、第 2のプリアンブルシーケンスを生成するステップと、

前記第 1のプリアンブルシーケンスと前記第 2のプリアンブルシーケンスとをシリアル /パラレル変換し、第 1のプリアンブルシーケンスと第 2のプリアンブルシーケンスとを複数のアンテナ力空間分割により順次送信するステップと、

を具備するマルチアンテナ通信システムにおけるマルチパイロット生成方法。

[2] 前記第 1のプリアンブルシーケンスは、ロングプリアンブルシーケンスである請求項

1に記載のマルチアンテナ通信システムにおけるマルチノィロット生成方法。

[3] 前記第 3のプリアンブルシーケンスは、ショートプリアンブルシーケンスである請求項 1に記載のマルチアンテナ通信システムにおけるマルチノィロット生成方法。

[4] 前記ロングプリアンブルシーケンスは、チャネル推定用のプリアンブルシーケンスを含む請求項 2に記載のマルチアンテナ通信システムにおけるマルチノィロット生成方法。

[5] 前記ショートプリアンブルシーケンスは、周波数オフセット除去用のプリアンブルシ一ケンスを含む請求項 3に記載のマルチアンテナ通信システムにおけるマルチパイロット生成方法。

[6] 前記第 2のプリアンブルシーケンスは、シリアル/パラレル変換後の第 1のプリアンブルシーケンスとシリアル/パラレル変換後の第 3のプリアンブルシーケンスとの時間領域における乗算結果である請求項 1に記載のマルチアンテナ通信システムにおけるマルチパイロット生成方法。

[7] 前記第 2のプリアンブルシーケンスは、シリアル/パラレル変換後の第 1のプリアンブルシーケンスとシリアル/パラレル変換後の第 3のプリアンブルシーケンスとの時間領域及び周波数領域における乗算結果である請求項 1に記載のマルチアンテナ通信システムにおけるマルチパイロット生成方法。

[8] 複数のアンテナ力送信された第 1のプリアンブルシーケンスと、前記第 1のブリアンブルシーケンス及び第 3のプリアンブルシーケンスが重畳された第 2のプリアンブルシーケンスとを複数のアンテナにより受信するステップと、

空間分割処理により前記第 2のプリアンブルシーケンス力第 3のプリアンブルシーケンスを分離するステップと、

を具備するマルチアンテナ通信システムにおけるマルチパイロット検出方法。

[9] 前記第 1のプリアンブルシーケンスは、ロングプリアンブルシーケンスである請求項

8に記載のマルチアンテナ通信システムにおけるマルチノィロット検出方法。

[10] 前記第 3のプリアンブルシーケンスは、ショートプリアンブルシーケンスである請求項 8に記載のマルチアンテナ通信システムにおけるマルチノィロット検出方法。

[11] 前記ロングプリアンブルシーケンスは、チャネル推定用のプリアンブルシーケンスを含む請求項 9に記載のマルチアンテナ通信システムにおけるマルチノィロット検出方法。

[12] 前記ショートプリアンブルシーケンスは、周波数オフセット除去用のプリアンブルシ一ケンスを含む請求項 10に記載のマルチアンテナ通信システムにおけるマルチパイロット検出方法。

[13] 前記第 1のプリアンブルシーケンスと前記第 3のプリアンブルシーケンスとを利用して、チャネル推定処理及び周波数オフセット除去処理を行うステップを具備する請求項 8に記載のマルチアンテナ通信システムにおけるマルチノィロット検出方法。