JP2009518926A

JP2009518926A - 適応ガード・インターバルを備えた単一キャリア・ブロック送信のためのシステム、装置及び方法

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Publication number: JP2009518926A
Application number: JP2008543976A
Authority: JP
Inventors: セイエディ−エス−ファハニ，セイエド−アリレザ; ガダム，ヴァサント; ビルー，ダグナチュウ
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2005-12-08
Filing date: 2006-12-05
Publication date: 2009-05-07
Anticipated expiration: 2026-12-05
Also published as: US20080310519A1; WO2007066293A2; CN101326752A; EP1961142A2; CN101326752B; EP1961142B1; US10090963B2; WO2007066293A3; JP5111392B2

Abstract

本発明のシステム、装置及び方法は、周波数領域等化を可能にし、よって、ＯＦＤＭの利点の多くを有する一方、高ＰＡＲＲ、及び高分解能ＡＤＣに対する必要性などの欠点を有しない、マルチパス・チャネルを介した通信により、ガード・インターバルを備えた単一キャリア・ブロック送信を提供する。単一キャリア通信においてガード・インターバルを使用すると、信号の検出の複雑度を低くすることが可能になるが、帯域効率が低下する。本発明は、ガード・インターバル長を適応的に調節することにより、帯域効率を向上させる。更に、帯域効率の向上以外に時間領域等化及び周波数領域等化を可能にすることにより、受信器の設計における柔軟性を高くすることが本発明によって可能になる。

Description

本発明は、ディジタル通信システムにおける単一キャリア・ブロック送信のための適応長ガード・インターバルのシステム、装置及び方法に関する。

直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）システムや他のマルチキャリア・システム、及び単一キャリア・ブロック送信（ＳＣＢＴ）において、ガード・インターバル（ＧＩ）はしばしば、各ブロックの前に使用される。このガード・インターバルは、ブロックの最後の部分の複製で埋められる（巡回プレフィックス（ＣＰ）として知られている）か、又は、ゼロで埋められる（ゼロ・パディング（ＺＰ）として知られている）。ＣＰが使用された場合、受信器側で、シンボルのこの部分は単に廃棄される。ＺＰが使用された場合、チャネル遅延が理由でＺＰに流出した信号部分がデータ・シンボルの最初に付加される。

ＣＰ及びＺＰは以下の重要な利点を達成する。

●シンボル間干渉（ＩＳＩ）を除去する：ＣＰ又はＺＰの長さが最大チャネル遅延よりも長い場合、ＩＳＩは避けられる。

●キャリア間干渉（ＩＣＩ）を避ける：ＣＰ又はＺＰが使用されない場合、ＯＦＤＭトーンの遅延バージョンは切り捨てられる。よって、ＯＦＤＭシンボルは、前述のトーンのサイクルを部分的に含むことになる。その結果、トーンはもう直交でなく、ＩＣＩがもたらされる。

●ブロック処理を可能にする：ＣＰ又はＺＰが使用された場合、事実上、チャネル・インパルス応答の、データでの巡回畳み込み（通常の畳み込みではない）を行う。これにより、信号のブロック処理が可能になる。

ＧＩの使用の主たる欠点は、その帯域の非効率性である。ＧＩの長さがＮ_ＧＩサンプルの場合、システムの帯域効率は、（Ｎ／（Ｎ＋Ｎ_ＧＩ））分の１に削減される。ここで、Ｎは、ＳＣＢＴシステムにおけるブロック長であるか、又はＯＤＦＭシステムにおけるサブキャリアの数（ＯＦＤＭブロックの長さ）である。

よって、ＧＩの特定の修正形式が、ＣＰ及びＺＰに対する正の効果を実現することが可能であるように帯域効率に対するその影響を緩和するために必要である。

本発明のシステム、装置及び方法は、帯域を効率的に利用する適応長ＧＩを有する単一キャリア送信を提供する。通常、ＧＩは、最悪の場合の（最長の）チャネル・インパルス応答よりも長くなるよう企図される。システムの帯域効率を向上させるために、単一キャリア・システムにおけるＧＩ長は、実際のチャネル・インパルス応答長に応じて、本発明のシステム、装置及び方法によって適合される。

ＧＩを備えたＳＣＢＴシステムは、マルチパスとの対処においてＯＦＤＭシステムの利点を有する一方、ＯＦＤＭシステムの欠点の一部（すなわち、高いピーク電力対平均電力比（ＰＡＰＲ）、及び高分解能アナログ・ディジタル変換（ＡＤＣ）に対する必要性）を有しない。ＧＩを備えたＳＣＢＴシステムは、高いレートのチャネル符号が使用される（か、又は符号化が使用されない）場合、ＯＦＤＭシステムを性能の点でしのぐ。

以下の説明を限定の目的ではなく例証の目的で記載しているということが、当業者によって分かるものとする。本発明の趣旨及び特許請求の範囲の範囲内に多くの変形が存在するということを当業者は理解しているものである。既知の機能及び構造の不必要な詳細は、本発明を分かりにくくすることがないように本願の記載から割愛し得る。このことに照らして、本発明の効果を明らかにする目的でのみ、ＭＢ−ＯＦＤＭＵＷＢシステムのパラメータと同様なパラメータを使用しているが、当業者は前述の記載を何れのＳＣＢＴシステムにも容易に適用することが可能である。

好ましい実施例では、ＧＩを備えたＳＣＢＴシステムは、ＣＰ又はＺＰが先行する、長さＮのシンボル（例えば、ＱＡＭやＰＳＫ）のブロックを有するシステムである。前述のシステムは、Ｎ×Ｎフーリエ・マトリクスを拡散（符号）マトリクスとして用いた場合、完全な周波数領域の拡散を備えたＯＦＤＭシステムと同等である。数学的には、拡散ＯＦＤＭシステムからの送信信号は、

として記述することが可能である。
ここで、ｘは情報シンボルのＮ×１ベクトルであり、ＣはＮ×Ｎ拡散マトリクスであり、Ｆ^−１は逆フーリエ変換マトリクス（やはりＮ×Ｎ）である。マトリクスＰはＧＩをもたらし、サイズは（Ｎ＋Ｎ_ＧＩ）×Ｎであり、ここで、Ｎ_ＧＩはＧＩ長である。ＣＰの場合、Ｐマトリクスは

であり、ＺＰの場合、Ｐマトリクスは

である。ＧＩを備えたＳＣＢＴシステムは、拡散マトリクスがフーリエ・マトリクスである（すなわち、Ｃ＝Ｆである）場合、上記形式の特殊なケースである。前述のケースの場合、
ｓ＝Ｐｘ
である。これは、シンボル・ベクトルｘの単純な送信にＧＩが先行することを意味する。

好ましい実施例では、本発明のシステム、装置及び方法は、帯域の非効率性を解消する。ＯＦＤＭシステムと同様に、ＧＩを使用すると、帯域が非効率になってしまう。本発明の好ましい実施例により、前述のＳＣＢＴシステムが、ＧＩを備えた単一キャリア送信の利点を維持しながら、チャネル・インパルス応答の長さの関数として、考えられる最高の帯域効率に適合することが可能になる。

好ましい実施例では、本発明のシステム、装置及び方法により、アンテナ利得の使用における柔軟性が与えられる。使用されるアンテナ利得（ビーム幅）に基づいて、異なる利得を備えた別々のアンテナがアプリケーション要件に基づいて必要なシステムでは、種々のマルチパス・レベルを観測することになる。前述のシステムは、フラット・チャネルを利用するには柔軟でなければならない一方、同時に、低い複雑度で、マルチパス・チャネルに対処することができなければならない。非常に高い利得のアンテナが使用される場合、ビームは強くフォーカスされる。よって、存在するマルチパスは非常に少ないか、又は全くない。この場合、複雑度が低く、帯域効率がより高いことが理由で、伝統的な単一キャリア・システムが効果的である。低利得（広角）アンテナが使用される場合、マルチパスが避けられず、したがって、ＧＩ及び周波数領域等化を備えたシステムは、より低い複雑度で、良好な性能を提供することが可能である。

好ましい実施例では、本発明のシステム、装置及び方法は、受信器の設計における柔軟性を提供する。通常、ＧＩを備えたＯＦＤＭシステム又はＳＣＢＴシステムでは、周波数領域受信器を使用しなければならない。一方、ＧＩなしの単一キャリアを送信のために使用する場合、時間領域受信器（ＲＡＫＥ受信器）を使用しなければならない。本発明の好ましい実施例は、受信器の設計において完全な柔軟性を提供する。

好ましい実施例では、本発明のシステム、装置及び方法は、Ｎ個のシンボルのブロックを送信し（単一キャリア送信）、続いて適応長ＧＩを送信する。送信されるシンボルは、符号化情報データ、非符号化情報データ、既知データ（パイロット・シンボル）のうちの何れかを含み、空き状態にする（ゼロに等しくなるようにセットする）ことが可能である。更に、別の実施例では、各シンボルは、所望のスペクトル形状をもたらすためにパルス形状であり得る。

好ましい実施例では、ＧＩ長は、チャネル・インパルス応答長及び受信器の設計機能のうちの少なくとも１つに応じて適応的に調節される。これは、開ループ又は閉ループで行うことが可能である。

次に図１Ａを参照すれば、開ループを含む好ましい実施例では、受信パケットからのチャネルの推定に基づいて、送信器は、チャネル・インパルス応答長を推定し、ＧＩ長を相応に設定する。ＧＩについて求められた長さは、事前に、又はパケット・ヘッダ内のフィールドを使用して受信器に通信される。

次に図１Ｂを参照すれば、閉ループを含む第１の別の好ましい実施例では、リンク設定中に、かつ、リンクが設定された後に周期的に、受信器１０１は、ＧＩ１１４の長さを判定し、ＡＣＫ内又は戻りパケット・ヘッダ内のフィールドを使用して前述の判定を送信器１０２に通知する。受信器の判定は、それ自身の設計１１１．１、及び受信器１１１によるチャネル推定に基づいた現在のチャネル・インパルス応答長を有する群から選択される要因の少なくとも１つに基づく。例えば、時間領域受信器（ＲＡＫＥ受信器）は、ゼロのＧＩ長を要求し得る。これにより、単純な単一キャリア送信手法がもたらされる。

一方、次に図１Ｃを参照すれば、第２の別の好ましい実施例では、周波数領域等化１１０を使用する受信器は、適切なＧＩ長を、観測されたチャネル・インパルス応答長１１１の関数として選ぶ。図１Ｃは、周波数領域受信器１０１と、フィードバック・チャネル１１５（別個のチャネルであるか、又は通常の通信チャネル１０３の戻りパケット又はＡＣＫパケットを使用する）とを有するシステムの閉ループの別の好ましい実施例を示す。受信器１０１は、チャネル１１１を周期的に推定し、新たなＧＩ長Ｎ_ＧＩ１１４を判定し、
フィードバック・チャネル１１５、及び通常の通信チャネル１０３の少なくとも一方を介して送信器１０２に新たなＧＩ長Ｎ_ＧＩを戻り／ＡＣＫパケットにおいて送信する。その後、新たなＧＩ長が受信されるまで、送信器は、各ＯＦＤＭシンボルの前に、長さＮ_ＧＩのＧＩを付加する。

好ましい実施例では、ＧＩの適切な長さは、チャネルの時間領域推定（インパルス応答）から判定される。時間領域チャネル推定から判断して、好ましい実施例では、チャネル電力の所定の割合を含むＧＩ長を選ぶ。例えば、図２は、前述の方法の好ましい実施例を示す。チャネル電力の９９％がＧＩ内に含まれていることが望ましいと仮定すれば、ＧＩの適切な長さは、約２９ｎｓとなる。

より単純な方法の別の好ましい実施例は、所定の閾値に基づいてＧＩの長さを選択する。図３は、この別の方法の好ましい実施例を示す。ここでは、閾値は、チャネル・インパルス応答のピーク値を２０ｄＢ下回るよう選ばれる。ＧＩの長さが次いで、閾値よりも大きな値を有するインパルス応答の部分全てがＧＩ内に収まるように選択される。（同じチャネルの場合）この方法は、約３０ｎｓのＧＩ長をもたらす。

帯域効率の向上を示すために、ＭＢーＯＦＤＭＵＷＢシステム及びＣＭ１チャネル・モデルのパラメータと同様なパラメータを用いて例を示す。単一キャリア・システムの場合の、帯域効率の向上も同様である。（電力の９９％という）電力のパーセンテージの手法を用いれば、ＣＭ１チャネル・モデルの２０００の実現に必要なＧＩの平均長は２４．８８ｎｓに等しくなる（図４参照）。これは、７０．０８ｎｓのＭＢ−ＯＦＤＭ技術仕様における固定ＧＩ長との比較においてである。このことが意味するのは、適応的ＧＩ手法を使用することにより、このシステムの帯域効率が、（２４２．４２＋７０．０８）／（２４２．４２＋２４．８８）＝１．１７倍に増え、これにより、データ・レートが１７％増加する。例えば、４８０Ｍｂ／ｓのデータ・レートは５６０Ｍｂ／ｓに増加させることが可能である。

本発明のシステム、装置及び方法は、ＧＩシステムを備えたＳＣＢＴの帯域効率を向上させ、高レート通信（マルチパスが相当なものであり得るものであり、帯域効率が非常に重要である）に特に適切である。

本発明は、非常に高いデータ・レートが理由で、６０ＧＨｚシステムにおける使用に特にふさわしく、別々のアプリケーション用に異なるアンテナ利得を有するシステムにおける使用にも特にふさわしい。

更に、本発明は、受信器の設計において柔軟であることを可能にするので、標準化活動において特にふさわしい。

本発明の好ましい実施例を例証し、説明してきたが、本明細書及び特許請求の範囲記載のシステム、装置及び方法が例証的であり、種々の変更及び修正を行うことができ、本発明の真の趣旨から逸脱しない限り、その構成要素を均等物で置き換えることができるということを当業者は理解するであろう。更に、多くの修正を行って本発明の教示を、その中心的な範囲から逸脱しない限り、特定の同期化状況に適合ことができる。したがって、本発明が、本発明の実施に想定される最良の態様として記載した特定の実施例に限定されない一方、本発明が、特許請求の範囲記載の範囲内に収まる実施例全てを含むことが想定される。

適応的ＧＩを備えた単一キャリア・ブロック送信システムを示すシステム・ブロック図である。適切なＧＩ長を総チャネル電力の割合に基づいて求める方法を示す図である。閾値を用いて適切なＧＩ長を求める方法を示す図である。ＣＭ１チャネル・モデルの場合の、９９％電力手法から得られるＧＩ長を示す図である。

Claims

長さＮのシンボル・ブロックを有する単一キャリア・ブロック送信のためのシステムであって、
それによって送信される各シンボル・ブロック前の所定の長さＮ_ＧＩのガード・インターバル（ＧＩ）を送信する送信器と、
前記送信器によって送信され、受信器により、シンボル・ブロックそれぞれの前に受信される前記長さＮ_ＧＩの前記ＧＩを除去する受信器とを備え、
前記ＧＩの前記長さＮ_ＧＩは、前記送信器及び前記受信器の一方によって周期的に判定され、帯域効率に対する前記ＧＩの影響が削減されるように、前記長さＮ_ＧＩとしてそれによって使用されるために前記受信器及び前記送信器それぞれに送出されるシステム。
請求項１記載のシステムであって、前記送信器は、前記ＧＩの前記長さＮ_ＧＩを、受信パケットからのチャネル・インパルス応答の推定に基づいて判定するシステム。
請求項１記載のシステムであって、チャネル・インパルス応答の推定があれば、前記ＧＩの前記長さＮ_ＧＩが、チャネル電力の所定の割合を含むよう選択されるシステム。
請求項１記載のシステムであって、チャネル・インパルス応答の推定があれば、前記ＧＩの前記長さＮ_ＧＩが、閾値の所定の関数に基づいて選択されるシステム。
請求項４記載のシステムであって、前記所定の関数は、前記ガード・インターバルの外に位置する、前記チャネル・インパルス応答の一部分が、前記閾値よりも大きな振幅を有しない値に等しいシステム。
請求項１記載のシステムであって、前記受信器は、専用フィードバック・チャネル、及び、その間の通常のチャネルを介して送出されるＡＣＫ又は戻りパケット・ヘッダ内のフィールドの少なくとも一方を用いて前記ＧＩの前記判定された長さＮ_ＧＩを判定し、前記送信器に送出するシステム。
請求項６記載のシステムであって、チャネル・インパルス応答の推定があれば、前記ＧＩの前記長さＮ_ＧＩは、チャネル電力の所定の割合を含むよう選択されるシステム。
請求項６記載のシステムであって、チャネル・インパルス応答の推定があれば、前記ＧＩの前記長さＮ_ＧＩは、閾値の所定の関数に基づいて選択されるシステム。
請求項８記載のシステムであって、前記所定の関数は、前記ガード・インターバルの外に位置する、前記チャネル・インパルス応答の一部分が、前記閾値よりも大きな振幅を有しない値に等しいシステム。
請求項１記載のシステムであって、前記受信器は、受信パケットからのチャネル・インパルス応答の推定、及び前記受信器の設計を有する群から選択される手法に基づいて前記ＧＩの前記長さＮ_ＧＩを判定するシステム。
請求項１０記載のシステムであって、前記受信器は、専用フィードバック・チャネル、及び、その間の通常のチャネルを介して送出されるＡＣＫ又は戻りパケット・ヘッダ内のフィールドの少なくとも一方を用いて前記ＧＩの前記判定された長さＮ_ＧＩを前記送信器に送出するシステム。
請求項１０記載のシステムであって、チャネル・インパルス応答の推定があれば、前記ＧＩの前記長さＮ_ＧＩは、チャネル電力の所定の割合を含むよう選択されるシステム。
請求項１０記載のシステムであって、チャネル・インパルス応答の推定があれば、前記ＧＩの前記長さＮ_ＧＩは、閾値の所定の関数に基づいて選択されるシステム。
請求項１３記載のシステムであって、前記所定の関数は、前記ガード・インターバルの外に位置する、前記チャネル・インパルス応答の一部分が、前記閾値よりも大きな振幅を有しない値に等しいシステム。
請求項１記載のシステムであって、前記受信器は、観測されたチャネル・インパルス応答長の関数として前記ＧＩの適切な長さＮ_ＧＩを判定し、前記チャネル・インパルス応答の推定を用いて受信信号を等化し、送信データを検出する周波数領域等化モジュールを更に備えるシステム。
請求項１５記載のシステムであって、前記受信器は、その間の専用フィードバック・チャネル、及び、その間の通常のチャネルを介して送出されるＡＣＫ又は戻りパケット・ヘッダ内のフィールドの少なくとも一方を用いて前記ＧＩの前記判定された長さＮ_ＧＩを送出するシステム。
請求項１６記載のシステムであって、チャネル・インパルス応答の推定があれば、前記ＧＩの前記長さＮ_ＧＩは、チャネル電力の所定の割合を含むよう選択されるシステム。
請求項１６記載のシステムであって、チャネル・インパルス応答の推定があれば、前記ＧＩの前記長さＮ_ＧＩは、閾値の所定の関数に基づいて選択されるシステム。
請求項１８記載のシステムであって、前記所定の関数は、前記ガード・インターバルの外に位置する、前記チャネル・インパルス応答の一部分が、前記閾値よりも大きな振幅を有しない値に等しいシステム。
長さＮのシンボルのブロックを有する単一キャリア・ブロック送信のための方法であって、
前記単一キャリア送信の送信器及び受信器の一方により、チャネル・インパルス応答の推定を用いた前記送信器、及び、チャネル・インパルス応答の推定、及び前記受信器の設計を有する群から選択される手法を用いた前記受信器により、長さＮ_ＧＩを周期的に判定する工程と、
長さＮ_ＧＩとしてそれによって用いるために前記受信器及び前記送信器それぞれに前記判定された長さを送出する工程とを備え、
前記送信器は、それによって送信される各ブロック前に前記長さＮ_ＧＩのガード・インターバル（ＧＩ）を前記受信器に送信し、
前記受信器は、前記受信器によって各ブロック前に受信される前記長さＮ_ＧＩの前記送信されたＧＩを除去する方法。
請求項２０記載の方法であって、チャネル電力としてのチャネル・インパルス応答の推定があれば、前記チャネル電力の所定の割合、並びに、閾値及び前記チャネル電力の所定の関数を有する群から前記ＧＩの前記長さＮ_ＧＩを選択する工程を更に備える方法。
請求項２１記載の方法であって、前記所定の関数は、前記ガード・インターバルの外に位置する、前記チャネル・インパルス応答の一部分が、前記閾値よりも大きな振幅を有しない値に等しい方法。
請求項２１記載の方法であって、専用フィードバック・チャネル、及び、その間の通常のチャネルを介して送出されるＡＣＫ又は戻りパケット・ヘッダ内のフィールドの少なくとも一方を用いて前記ＧＩの前記判定された長さＮ_ＧＩを前記受信器と前記送信器との間でやりとりする工程を更に備える方法。
請求項２３記載の方法であって、前記受信器が、観測されたチャネル・インパルス応答長の関数として前記ＧＩの前記適切な長さＮ_ＧＩを判定した場合、周波数領域等化モジュールが、前記チャネル・インパルス応答の推定を用いて受信信号を等化し、送信データを検出する方法。
長さＮのシンボル・ブロックを有する単一キャリア・ブロック送信システムのための受信器であって、
送信器から受信される各ブロック前の所定の長さＮ_ＧＩのＧＩを除去するＧＩ除去モジュールを備え、
前記ＧＩの前記長さＮ_ＧＩは、前記送信器及び前記受信器の一方によって周期的に判定され、よって、前記長さＮ_ＧＩとして用いて帯域効率に対する前記ＧＩの影響を削減するために前記送信器及び前記受信器それぞれに送出される受信器。
請求項２５記載の受信器であって、前記チャネル・インパルス応答を推定するチャネル推定モジュールを含み、それに基づいて前記ＧＩの前記長さＮ_ＧＩを周期的に判定するＧＩ長判定モジュールを含むよう更に構成される受信器。
請求項２６記載の受信器であって、前記ＧＩ長判定モジュールの応答は、推定チャネル・インパルス応答の所定の割合として前記ＧＩの前記長さＮ_ＧＩを判定する受信器。
請求項２６記載の受信器であって、前記ＧＩ長判定モジュールの応答は、所定の閾値の所定の関数として前記ＧＩの長さＮ_ＧＩを判定する受信器。
請求項２８記載の受信器であって、前記所定の関数は、前記ガード・インターバルの外に位置する、前記チャネル・インパルス応答の一部分が、前記閾値よりも大きな振幅を有しない値に等しい受信器。
請求項２９記載の受信器であって、専用フィードバック・チャネル、及び、その間の通常チャネルを介して送出されるＡＣＫ又は戻りパケット・ヘッダ内のフィールドの少なくとも一方を用いて前記ＧＩの前記判定された長さＮ_ＧＩを前記送信器に送出する受信器。
請求項２５記載の受信器であって、受信パケットからのチャネル・インパルス応答の推定、及び前記受信器の設計を有する群から選択される手法に基づいて前記ＧＩの前記長さＮ_ＧＩを判定する受信器。
請求項３１記載の受信器であって、前記チャネル・インパルス応答の推定を用いて受信信号を等化し、送信データを検出する周波数領域等化モジュールを更に備える受信器。