JP4981682B2 - 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 - Google Patents

Description

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。

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。

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。

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、IEEE802.11プロトコルにおけるパイロットの構成を示す。IEEE802.11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いる。
Richard van Nee、Ramjee Prased"OFDM wireless multimedia communications, Boston, London: Artech House, 2000" IEEE C802.16e-04/192,"Preamble design to improve MIMO support", 2004.6.26

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。

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。

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／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から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。

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。

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。

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。

（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、黒塗りの丸が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。

本発明の実施の形態では、IEEE802.11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、同時に複数のパイ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く、第２のプリアンブルシーケンスにＳ／Ｐ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（ショートプリアンブルシーケンス）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。

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１０１−１〜１０１−Ｋを備え、各送信処理部１０１はＩＦＦＴ部１０２、ＣＰ挿入部１０３、Ｐ／Ｓ変換部１０４を備えている。

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。

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

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

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。

Ｓ／Ｐ変換部２０１は、受信した信号が入力され、受信信号にＳ／Ｐ変換を施し、Ｓ／Ｐ変換を施した受信信号をＣＰ除去部２０２に出力する。

ＣＰ除去部２０２は、Ｓ／Ｐ変換部２０１から出力された受信信号からＣＰを除去し、ＣＰを除去した受信信号をＦＦＴ部２０３に出力する。

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。

以下、IEEE802.11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。

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Ｓ／Ｐ変換され、スケーラブル変調／符号化器において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。

IEEE802.11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７Ａ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から送信されて、MIMOシステムのチャネル推定に使用される。アンテナｉから送信されるシーケンスは次式（１）に示される。

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。

Ｈは送信アンテナから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_１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。

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のプリアンブルシーケンス（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。

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_ｔ１，ｓ_ｔ２，…，ｓ_ｔＮ）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パイロットとＳ／Ｐ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いては、アンテナｉから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。

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。

ただし、Φは式（６）に示す通りである。

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。

以下、IEEE802.11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。

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。

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_ｔ（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ＳΦに修正する。

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イロット構成により得られるものである。

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。

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。

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、IEEE802.11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ｉから送信されるシンボルシーケンスは次式（８）に示される。

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。

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。

Ｈ_ｊは送信アンテナから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_ｊ，ｉ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。

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。

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。

式（１３）の対角行列Φを求めるためには、行列Ｓ_ｊ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。

以下、3GPP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。

式（１０）及び式（１２）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り、Ｒ^〜 _ｊにＲ_ｊの逆行列Ｒ_ｊ ^−１を右掛けすると、式（１４）が得られる。

チャネル推定用プリアンブルシーケンスＳ_ｊ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_ｔ（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オ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_ｊΦに修正する。

このように本実施の形態によれば、現在のOFDMシステムIEEE802.11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。

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く、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パイ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。

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い。

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。

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IEEE802.11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。

IEEE802.11プロトコルにおけるパイロットの構成を示す図 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 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 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 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 V-BLASTのシステムモデルを示すブロック図 第１のプリアンブルシーケンスの送信方法を示す図 第２のプリアンブルシーケンスの送信方法を示す図 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 既存のMIMOシステムにおけるパイロットの構成を示す図 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

Claims (13)

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から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パイロット生成方法。
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パイロット生成方法。
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パイロット生成方法。
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ー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パイロット検出方法。
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パイロット検出方法。
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パイロット検出方法。
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ー
    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パイロット検出方法。

Images