JP2008510375A - Ｏｆｄｍ−ｍｉｍｏ通信システムのシステム効率を改善するストリームレート単位制御（ｐｓｒｃ） - Google Patents

Abstract

送信機は、ユーザデータストリームを複数のサブストリームに分割する。次いで、送信機は、現在のチャネル状態に基づいて各サブストリームに関する変調方式および符号化速度を適応的に選択する。次に、選択された変調方式および符号化速度に従って、複数の副搬送波がサブストリームデータで変調され符号化される。変調された副搬送波はそれぞれ送信のために、１つまたは複数の送信アンテナに割り付けられる。送信に先立ち、各副搬送波の送信電力が、チャネル状態に基づいて調整される。適応変調符号化機能、副搬送波の割付け機能、および電力制御機能は、スループット、信号品質、およびシステム効率を最適化するように連繋を取って制御される。

Description

本発明は、無線通信システムに関する。本発明はより詳細には、無線通信システムのチャネルおよびシステム容量を改善する方法および装置に関する。

直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）とは、データストリームがより小さいサブストリームに分割され、それぞれ合計の使用可能伝送帯域幅よりも狭い帯域幅を有する副搬送波を使用して伝送されるデータ伝送方式を指す。ＯＦＤＭの効率は、副搬送波の直交性に由来する。すなわち、副搬送波は伝送中に互いに干渉しないように選択される。

複数無線入出力技術（Multiple-Input Multiple-Output：ＭＩＭＯ）とは、通信デバイスが複数のアンテナを利用して通信信号を送受信する無線送受信方式を指す。ＭＩＭＯシステムは、複数のアンテナの存在によって生み出される空間ダイバシティまたは空間多重化のオプションを利用している。さらに、ＭＩＭＯシステムは、例えば信号対雑音比（ＳＮＲ）などの信号品質を高め、データスループットを向上させる。

特にＭＩＭＯ通信システムでは実用上の理由から、符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）などの他の伝送方式よりもＯＦＤＭの方が好ましいこともある。例えばユーザデータがサブストリームに分割され、様々な副搬送波によって搬送されるときは、各副搬送波の有効データレートは、合計の送信データレートよりも低くなる。したがって、ＯＦＤＭ方式で送信されるデータのシンボル長（symbol duration）は、他の方式で送信されるデータのシンボル長よりも遥かに長くなる。シンボル長が長いほど、より長い遅延拡散が許容できるので好ましい。例えば、長いシンボル長で送信されるデータは典型的には、より短いシンボル長で送信されるデータよりもマルチパスの影響が少ない。したがって、ＯＦＤＭシンボルは、無線通信に共通の遅延拡散をさほど複雑な受信機を使用せずに克服することができる。

ＯＦＤＭタイプおよびＣＤＭＡタイプの伝送方式を採用する無線通信システムを含めた全てのタイプの無線通信システムを対象に続けられている取り組みは、特にデータ伝送中に使用可能なシステム資源を効率的に使用することである。ＭＩＭＯシステムでは複数のデータストリームが同時に送信されるので、この取り組みは益々重要になっている。

ＣＤＭＡ通信システムでシステム効率を改善するのに利用される従来の手法は、ストリームレート単位制御（ＰＳＲＣ）と呼ばれている。ＰＳＲＣは、特にＣＤＭＡシステムでの使用向けに設計された方式であり、この方式では帯域幅、送信電力、および他の資源は、送信機から見たチャネル状態に基づいて当該送信機に割り当てられる。複数の送信機および／または受信機を有するＣＤＭＡシステムでは、資源は送信アンテナ毎に同様の形で割り付けられる。しかしながら、ＯＦＤＭ−ＭＩＭＯ通信システムのシステム効率を改善するＰＳＲＣタイプの方式は存在しない。

したがって、ＯＦＤＭ−ＭＩＭＯ通信システムのシステム効率を改善する方法および装置を有することが望ましい。

本発明は、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）複数無線入出力技術（ＭＩＭＯ）無線通信システムのシステム効率を改善する方法および装置に関するものである。送信機側で、ユーザデータストリームが複数のサブストリームに分割される。次いで、送信機は、現在のチャネル状態に基づいて各サブストリームについて変調方式および符号化速度を適応的に選択する。次に、選択された変調方式および符号化速度に従って、複数の副搬送波がサブストリームのデータで変調され符号化される。次いで、変調された複数の副搬送波は送信のために、１つまたは複数の送信アンテナに割り付けられる。送信に先立ち、各副搬送波についての送信電力もまた、現在のチャネル状態に基づいて調整される。適応変調符号化機能、副搬送波の割付け機能、および電力制御機能が連繋を取って制御され、スループット、信号品質、およびシステム効率が最適化される。

本明細書では、無線送信／受信ユニット（ＷＴＲＵ）は、それに限定されないが、ユーザ機器、移動局、固定または移動加入者ユニット、ページャ、あるいは無線環境で動作可能な他の任意のタイプのデバイスを含む。本明細書で基地局という場合には、それに限定されないが、ノードＢ、サイトコントローラ、アクセスポイント、あるいは無線環境における他の任意のタイプのインターフェイス・デバイスを含む。

好ましい一実施形態では、ストリームレート単位制御（ＰＳＲＣ）方式は、ＯＦＤＭ−ＭＩＭＯ通信システムでの使用向けに適合される。このＰＳＲＣ方式は、例えば適応変調符号化（ＡＭＣ）および電力制御を含めた一般的なＣＤＭＡ技法をＯＦＤＭ−ＭＩＭＯシステムに適用して、システム効率を改善するものである。

本実施形態によれば、ＯＦＤＭ−ＭＩＭＯ送信機は、ユーザデータストリームを複数のより小さいサブストリームに分割する。次いで、送信機は受信機から供給されるフィードバック情報を使用して、複数の副搬送波のそれぞれのチャネル状態を判定する。別法として、送信機は、受信した信号に関する所定の品質メトリック（１つまたは複数）を測定することによってチャネル状態を判定することもできる。チャネル状態を判定することにより、送信機は、例えばチャネル内を信号が伝搬する際に個々のチャネルが当該信号の様々な伝送パラメータ（すなわち振幅や位相など）にどのような影響を及ぼすかを理解することが可能となる。以下でさらに説明するように、このような理解は、帯域幅、電力、および他のシステム資源を送信される副搬送波に適切に割り付けるのに役立つ。

チャネル状態が判定されると、送信機は、各副搬送波に関する変調方式および符号化速度を選択する。送信機はこれらの選択を行う際に、チャネル状態に適応する適応変調符号化（ＡＭＣ）技法を利用することが好ましい。例えば、送信機と受信機の間の通信リンクの信号対干渉雑音比（ＳＩＮＲ）が高い場合は、送信機は、より高いオーダの変調およびレート符号化を使用して、受信機に対するそれ自体のデータ伝送速度を適応的に増加させる。通信リンクのＳＩＮＲは変化することから、変調形式および符号化速度も同様に現在のチャネル状態に整合するように調整される。

次に、選択された変調方式および符号化速度に従って、副搬送波がデータサブストリームで変調される。送信機は任意選択で、伝送中の信号ダイバシティを保証するために、送信される複数の副搬送波に特定のサブストリームをマッピングすることもできる。このようにすれば、搬送波干渉によってデータが失われても受信機側で容易に復元することができる。

次いで、変調された各副搬送波は、それぞれ受信機への送信のために１つまたは複数の送信アンテナに割り付けられる。副搬送波は、任意の適切な割付け方式で送信アンテナに割り付けることができる。しかしながら、副搬送波は、当該副搬送波の伝送品質を最大化するアンテナ（１つまたは複数）に割り付けられることが好ましい。副搬送波を複数のアンテナに割り付けることにより、データ伝送の品質が高まり、したがって送信機と受信機の間の通信リンクの品質も高まる。しかしながら、このような品質の向上を得るにはスループットが犠牲になる可能性もあることに留意すべきである。多数の副搬送波が単一のアンテナに割り付けられる場合、または大量のデータが送信される場合は、特にそのことが言える。したがって、副搬送波は、所望の伝送品質と所望のスループットレベルの両方を考慮して送信のために割り付けられることが好ましい。

任意選択で、送信機は送信に先立ち、各副搬送波の送信電力を選択的に調整することもできる。送信電力が調整されると、送信機は、それ自体の複数の送信アンテナを介して受信機にデータサブストリームを無線送信する。

上述のＡＭＣ機能、副搬送波の割付け機能、および電力制御機能を集合的に用いると、データスループットが向上し、送信機の効率が高まり、無線通信システム全体の効率が高まる様式で、送信機がデータストリームを送信することが可能となる。送信機は任意選択で、最適な伝送品質および資源の割付けを保証するために、ＡＭＣ機能、副搬送波の割付け機能、および電力調整機能を同時にモニタするジョイントコントロール（joint control）のメカニズムを利用することもできる。このジョイントコントロールのメカニズムは、使用可能な資源、所望のスループットレート、および伝送品質要件を認識しており、したがってそれらの３つの間の調和したバランスが維持されることを保証する。

ここで図１を参照すると、ＯＦＤＭ−ＭＩＭＯ無線通信システムで使用されるストリームレート単位制御方式を示す流れ図１００が示されている。ＯＦＤＭ−ＭＩＭＯ通信システムで動作するように構成された送信機が、ユーザデータストリームを複数のより小さいサブストリームに分割する（ステップ１０２）。次に、送信機は、複数の副搬送波のそれぞれのチャネル状態を判定する（ステップ１０４）。これらのチャネル状態は、受信機から供給されたフィードバック情報を分析することによって判定され（ステップ１０４ａ）、あるいは、送信機は、それ自体が受信した信号に関する所定の品質メトリック（１つまたは複数）を測定することもできる（ステップ１０４ｂ）。チャネル状態が分かると（ステップ１０４）、送信機は、好ましくはＡＭＣ技法を使用して各サブストリームに関する変調方式および符号化速度を適応的に選択する（ステップ１０６）。この選択ステップ（ステップ１０６）は、チャネル状態が（副搬送波毎に）変化し、それに応じて選択される変調方式および符号化速度も変化する点で適応的である。

次に、選択された変調方式および符号化速度に従って副搬送波が生成され、データサブストリームで変調される（ステップ１０８）。送信機は任意選択で、伝送中の信号ダイバシティを保証するために、様々な副搬送波に冗長データビットを割り付けることもできる（ステップ１０８ａ）。この冗長性を用いると、例えば搬送波干渉によって失われたデータを受信機が容易に復元することが可能となる。

次いで、（ステップ１０８で）変調された各副搬送波は、それぞれの特定のアンテナからの各副搬送波の周波数応答に基づいて１つまたは複数の送信アンテナに割り付けられる（ステップ１１０）。副搬送波の割付けは、伝送品質と、単一または小数の特定のアンテナから多数の副搬送波が送信される場合に低下する恐れもあるデータスループットとのバランスを保つように行われることが好ましい（これは、副搬送波を複数のアンテナに割り付けることによって達成される）（ステップ１１０）。送信機は送信に先立ち、各副搬送波の送信電力を選択的に調整する（ステップ１１２）。送信電力が調整されると（ステップ１１２）、送信機は、それ自体の複数の送信アンテナを介して受信機にデータ変調された副搬送波を無線送信する（ステップ１１４）。

ＡＭＣ（ステップ１０６）、副搬送波の割付け（ステップ１１０）、および電力制御（ステップ１１２）の機能は好ましくは連繋を保って制御され、したがって送信機が使用可能な資源、伝送品質、およびデータスループットのバランスを保つことが可能となることに留意すべきある。

次に、図２を参照すると、ＰＳＲＣ伝送方式を実施するように構成されたＯＦＤＭ−ＭＩＭＯ送信機２００が示されている。この送信機は、直列／並列（Ｓ／Ｐ）プロセッサ２０２と、適応変調符号化（ＡＭＣ）デバイス２０４と、ダイバシティプロセッサ２０６と、副搬送波生成器／変調器２０８と、割付けプロセッサ（allocation processor）２１２と、チャネルアナライザ２１４と、電力制御装置２１６と、ジョイントコントローラ（joint controller）２１８と、複数の送信／受信アンテナ２２０_１、２２０_２、．．．２２０_ｎとを備える。

送信機２００側で受信されたユーザデータストリームは、Ｓ／Ｐプロセッサ２０２を介して複数のサブストリーム２０１_１．．．２０１_ｎに分割される。次いで、これらのサブストリーム２０１_１．．．２０１_ｎは、ＡＭＣプロセッサ２０４に送られ、現在のチャネル状態に従って、各サブストリーム２０１_１．．．２０１_ｎに関する変調方式および符号化速度が選択される。ＡＭＣプロセッサ２０４は、それ自体の変調および符号化の選択がチャネル状態の変化に応じて変化する点で適応的である。チャネル状態の情報は、チャネルアナライザ２１４からＡＭＣプロセッサ２０４に供給される。チャネルアナライザ２１４において、受信機（図示せず）から供給されたフィードバック情報が、副搬送波毎に分析される。別法として、チャネルアナライザ２１４は、送信機２００側で受信された信号に関する品質メトリック（１つまたは複数）を測定し、それによって副搬送波毎のチャネル品質を判定することもできる。

変調符号化方式が選択されると、ダイバシティプロセッサ２０６は、副搬送波生成器／変調器２０８によって生成された複数の副搬送波にいくつかのサブストリームを冗長的にマッピングする。チャネルアナライザ２１４から供給されるチャネル情報は、ダイバシティプロセッサ２０６がそれのマッピング機能に利用する。この冗長データマッピングは、必ずしも全てのサブストリームデータ２０１_１．．．２０１_ｎに必要なわけではないが、伝送中の信号ダイバシティを保証するのに役立ち、チャネル状態が悪いときおよび／または大量のデータが送信されるときは特に役立つものである。

次に、副搬送波生成器／変調器２０８は、選択された変調方式および符号化速度に従って副搬送波を変調し符号化する。次いで、変調された副搬送波２１１_１、２１１_２、．．．２１１_ｎは、送信のために割付けプロセッサ２１２を介して１つまたは複数のアンテナ２２０_１、２２０_２、．．．２２０_ｎに割り付けられる。割付けプロセッサ２１２は、チャネルアナライザ２１４から供給されたチャネル情報を利用して、どのアンテナ（１つまたは複数）が最良の周波数応答を有する副搬送波を提供し得るか判定する。

電力制御装置２１６は送信に先立ち、各副搬送波２１１_１、２１１_２、．．．２１１_ｎの送信電力を選択的に調整する。これらの調整は、チャネルアナライザ２１４から供給されるチャネル情報に基づいて行われる。この電力制御機能は、高品質の副搬送波上の電力資源を不必要に浪費することなく受信機側での受信が確実に行われることを保証するのに十分な電力で各副搬送波２１１_１、２１１_２、．．．２１１_ｎが送信されることを保証する。

レート制御、副搬送波の割付け、および電力制御の間の適当なバランスが保たれることを保証するために、ジョイントコントローラ２１８は、ＡＭＣデバイス２０４、割付けプロセッサ２１２、および電力制御装置２１６を同時にモニタし制御する。送信機２００は、これらのデバイス２０４、２１２、２１６を連繋を保って制御することにより、使用可能なシステム資源を効率的に利用しながらデータスループットおよび信号品質を最適化することができる。

本発明の諸特徴および諸要素を、特定の組合せの好ましい諸実施形態の形で説明してあるが、各特徴または要素は単独で（好ましい諸実施形態における他の諸特徴および諸要素を伴わずに）使用されてもよく、本発明の他の諸特徴および諸要素との様々な組合せの形であるいはそれらを伴わずに使用されてもよい。

システム効率を改善するために直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）複数無線入出力技術（ＭＩＭＯ）通信システムに適用されるストリームレート単位制御（ＰＳＲＣ）方式を示す流れ図である。 図１に示されるＰＳＲＣ方式を使用するように構成されたＯＦＤＭ−ＭＩＭＯ送信機を示す図である。

Claims (13)

1. 直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）複数無線入出力技術（ＭＩＭＯ）無線通信システムのシステム効率を改善する方法であって、
   送信機側で、
   （ａ）ユーザデータストリームを複数のサブストリームに分割するステップ、
   （ｂ）複数の副搬送波のそれぞれについて現在のチャネル状態を判定するステップ、
   （ｃ）前記複数のサブストリームのそれぞれについて変調方式および符号化速度を適応的に選択するステップ、
   （ｄ）選択された前記変調方式および符号化速度に従って、前記副搬送波を前記サブストリームで変調し、および符号化するステップ、
   （ｅ）前記副搬送波を送信のために送信アンテナに割り付けるステップ、および、
   （ｆ）前記サブストリームで符号化された副搬送波を送信するステップ
   を有し、
   前記ステップ（ｃ）および前記ステップ（ｅ）は互いのステップを考慮して実施されることを特徴とする方法。
2. 判定された前記チャネル状態に基づいて各副搬送波について送信電力を調整するステップをさらに有し、該ステップ並びに前記ステップ（ｃ）および（ｅ）は互いのステップを考慮して実施されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記ステップ（ｂ）は、前記送信機側で受信された信号に関する所定の品質メトリックを測定することを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記ステップ（ｂ）は、
   （ｂ１）受信機側で受信された信号に関する品質メトリックを測定するステップと、
   （ｂ２）該品質の測定に基づいて、フィードバック情報を前記送信機に送信するステップと、
   （ｂ３）該送信機側で、該フィードバック情報を分析し、および現在のチャネル状態を判定するステップと
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 判定された前記チャネル状態に基づいて、送信される副搬送波にサブストリームを割り付けるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 送信される複数の副搬送波にサブストリームが割り付けられることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記ステップ（ｅ）は一群の副搬送波を送信のために一群の送信アンテナに割り付けることを含み、該一群の副搬送波は少なくとも１つの副搬送波を含み、該一群の送信アンテナは少なくとも１つの送信アンテナを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. ＯＦＤＭ−ＭＩＭＯ無線通信システムにおいて動作するように構成された送信機であって、
   （ａ）データストリームを複数のサブストリームに分割するように構成された直列／並列（Ｓ／Ｐ）プロセッサ、
   （ｂ）現在のチャネル状態に基づいて前記複数のサブストリームのそれぞれについて変調方式および符号化速度を選択するように構成された適応変調および符号化（ＡＭＣ）デバイス、
   （ｃ）複数の副搬送波を生成し、選択された前記変調方式および符号化速度に従って該副搬送波をサブストリームデータで変調するように構成された副搬送波生成器／変調器、
   （ｄ）変調された副搬送波を送信のために少なくとも１つのアンテナに割り付けるように構成された割付けプロセッサ、
   （ｅ）現在のチャネル状態を判定し、該チャネル状態の情報を前記ＡＭＣデバイス、割付けプロセッサ、および電力制御装置に供給するように構成されたチャネルアナライザ、および、
   （ｆ）複数の副搬送波上の信号を受信／送信するように構成された複数の送信／受信アンテナ
   を備えることを特徴とする送信機。
9. 変調された前記副搬送波のそれぞれの送信電力を選択的に調整するように構成された電力制御装置をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の送信機。
10. チャネル状態の情報に基づいて複数の副搬送波にサブストリームデータをマッピングするように構成されたダイバシティプロセッサをさらに備え、前記チャネルアナライザはさらに、該ダイバシティプロセッサに前記チャネル状態の情報を供給するように構成されることを特徴とする請求項８に記載の送信機。
11. 前記チャネルアナライザはさらに、本送信機で受信された信号に関する品質メトリックを測定し、および該測定に基づいて現在のチャネル状態を判定するように構成されることを特徴とする請求項８に記載の送信機。
12. 前記チャネルアナライザはさらに、受信機から供給されたフィードバック情報を処理し、該フィードバック情報を分析し、および該分析に基づいて現在のチャネル状態を判定するように構成されることを特徴とする請求項８に記載の送信機。
13. 前記ＡＭＣデバイスと、前記割付けプロセッサと、前記電力制御装置とを連繋を取って制御するように構成されたジョイントコントローラをさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の送信機。

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