(57)【要約】      （修正有）【課題】ＭＩＭＯシステムのための受信機において受信機周波数オフセットに追従する改良された方法を提供する。【解決手段】周波数オフセットは、例えば位相ロックループ又は搬送波周波数発振器の誤差、及びサンプリングクロックレート誤差のような種々の受信機サブシステムにおける誤差又は不正確さによって引き起こされる。多くの受信機サブシステムによる周波数オフセットは、異なる周波数上の多くのチャネル又は副搬送波（例えばＯＦＤＭパイロットチャネル）における周波数オフセットを監視することによって推定される。これらのチャネル周波数オフセットは、好適には、各チャネル上の隣接するパイロットシンボル間の位相回転を検出することによって推定される。その後、それらは、精度に対応する推定値の品質パラメータに従って重み付けられる。品質パラメータの例は、各チャネルの実効的なＳＮＲ、又は位相回転の誤差分散である。【選択図】図８
2006238421.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる搬送波周波数上の複数のチャネルを受信するＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｉｎｐｕｔ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｏｕｔｐｕｔ）受信機のための周波数オフセットへ追従する方法であって、前記方法は、
複数の前記搬送波のそれぞれにおいて受信されたシンボル間の周波数シフトを推定することと、
前記各周波数シフト推定のための品質パラメータを決定することと、
それぞれの品質パラメータに基づいて重み付けられた前記搬送波周波数シフトに依存して前記周波数オフセットを計算することと
を備えた方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、
前記周波数シフトは、前記複数の搬送波の各々における二つ以上のシンボル間の位相回転を決定することによって決定される方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法において、
前記位相回転は、差分検出又はコヒーレント検出に従って決定される方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のうち何れか１項に記載の方法において、
前記品質パラメータは、その搬送波のための対応する周波数シフトの誤差分散に依存する方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法において、
前記誤差分散は、
【数１】
2006238421.tif 000051
であり、σ２はチャネル雑音分散である方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のうち何れか１項に記載の方法において、
前記品質パラメータは
【数２】
2006238421.tif 000052
に比例し、ｋはチャネルインデクスである方法。
【請求項７】
請求項１乃至６のうち何れか１項に記載の方法において、
前記受信機は、ＯＦＤＭ受信機であり、前記搬送波はパイロットサブチャネルである方法。
【請求項８】
請求項１乃至７のうち何れか１項に記載の方法において、
前記計算は、それぞれの品質パラメータによって重み付けられた前記搬送波周波数シフトの最小二乗ラインフィッティングを計算することを含む方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法において、
前記周波数オフセットは
【数３】
2006238421.tif 000053
に従って決定され、βは周波数オフセット、ＳＮＲｋは搬送波ｋについての周波数シフト推定値のための品質パラメータ、Δｆｋは搬送波ｋについての周波数シフト推定値である方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法において、
前記計算は、前記各搬送波のための周波数シフトを、前記受信機内の、受信した信号をデジタル化するアナログデジタル変換器のためのサンプリングクロックと、受信した信号の周波数をダウンコンバートするための位相ロックループとの組み合わせに割り当てることによって決定され、前記サンプリングクロック及び前記位相ロックループの周波数オフセットは、
【数４】
2006238421.tif 000054
の式に従って計算され、前記αはサンプリングクロック推定値であり、前記βは位相ロックループ推定値である方法。
【請求項１１】
コンピュータ上で実行される時、請求項１乃至１０のうち何れか１項に記載の方法を実行するコンピュータコードを備えたコンピュータプログラム製品。
【請求項１２】
異なる搬送波周波数上の複数のチャネルを受信するＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｉｎｐｕｔ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｏｕｔｐｕｔ）受信機のための周波数オフセットへ追従する装置であって、前記装置は、
複数の前記搬送波のそれぞれにおいて受信されたシンボル間の周波数シフトを推定する手段と、
前記各周波数シフト推定のための品質パラメータを決定する手段と、
それぞれの品質パラメータに基づいて重み付けられた前記搬送波周波数シフトに依存して前記周波数オフセットを計算する手段と
を備えた装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の装置において、
前記周波数シフト手段は、前記複数の搬送波の各々における二つ以上のシンボル間の位相回転を決定する手段を備えた装置。
【請求項１４】
請求項１２又は請求項１３に記載の装置において、
前記品質パラメータは、その搬送波のための対応する周波数シフトの誤差分散に依存している装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の装置において、
前記誤差分散は、
【数５】
2006238421.tif 000055
であり、σ２はチャネル雑音分散である装置。
【請求項１６】
請求項１２乃至１５のうち何れか１項に記載の装置において、
前記品質パラメータは
【数６】
2006238421.tif 000056
に比例し、ｋはチャネルインデクスである装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載の装置において、
前記周波数オフセットは
【数７】
2006238421.tif 000057
に従って決定され、βは周波数オフセット、ＳＮＲｋは搬送波ｋについての周波数シフト推定値のための品質パラメータ、Δｆｋは搬送波ｋについての周波数シフト推定値である装置。
【請求項１８】
請求項１７に記載の装置において、
前記計算は、前記各搬送波のための周波数シフトを、前記受信機内の、受信した信号をデジタル化するアナログデジタル変換器のためのサンプリングクロックと、前記受信した信号の周波数をダウンコンバートするための位相ロックループとの組み合わせに割り当てることによって決定され、前記サンプリングクロック及び前記位相ロックループの周波数オフセットは、
【数８】
2006238421.tif 000058
の式に従って計算され、前記αはサンプリングクロック推定値であり、前記βは位相ロックループ推定値である装置。
【請求項１９】
請求項１２乃至１８のうち何れか１項に記載の装置を備えたＯＦＤＭ受信機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線受信機における周波数オフセット誤差を推定し補正することに関し、限定される訳ではないが、特にＭＩＭＯ  ＷＬＡＮアプリケーションに関する。
【背景技術】
【０００２】
無線通信システムにおいて、送信された信号の搬送波周波数と、受信機の局部的に生成された搬送波周波数との僅かな周波数の差は、受信信号の精度に影響を及ぼすので、補正されるべきである。これら周波数オフセットは、一般に、局部発振器における温度変動のみならず、受信信号の搬送波周波数へ追従する受信機の位相ロックループにおける不正確さによって引き起こされる。もしこれら周波数オフセットが補正されないならば、データシンボルの推定における位相誤差が起こるであろう。これは、性能を低下させる。ますます重要さを増している無線技術は、例えば、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）であり、雑音下や急激に変化する環境下でもロバストであるよう、例えばＷＬＡＮに用いられている。ＯＦＤＭシステムは、一連のシンボルが、パケットの形態で、異なる副搬送波によって送信されるように（異なる搬送波周波数を持つ）多くの副搬送波上で同時に送信する。
【０００３】
ＯＦＤＭシステムでは、パケットプリアンブルが、受信機発振器信号と位相ロックループ追従とを調整し、僅かに異なる搬送波周波数を持つ送信機からの信号を正しく受信するために、粗い及び精細な搬送波周波数オフセット推定がなされるようにする。例えば、これは、Liu, Li, Stoica著、"A MIMO system with backwards compatibility for OFDM based WLANs"、ＳＰＡＷＣ  ２００３、１５−１８、２００３年６月、１３０−１４０ページ（非特許文献１）に記載されている。
【０００４】
初期推定が一旦知られると、チャネル条件における変化と、受信された搬送波周波数に対して影響を及ぼしうるその他の効果とを明らかにするために、周波数オフセットへの追従が、パケットの持続期間にわたって実行されることも可能である。パイロットシンボル、すなわち受信機が既知のシンボルは、搬送波周波数への追従を容易にするために、パケットのデータシンボルの間に挿入される。これを達成する様々な方法が知られている。
【０００５】
例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１ａのＯＦＤＭベースのＷＬＡＮ規格では、周波数オフセットに追従するために使用される専用のパイロットシンボルに対して４つの副搬送波が割り当てられる。連続した２つのＯＦＤＭシンボル間では、周波数オフセットが、各副搬送波上における位相回転として表れる。各パイロット副搬送波についてこの位相差を測定することによって、周波数オフセットを推定することができる（なぜなら、チャネルは不変であると仮定され、送信されたシンボルは知られているので、何れの位相変化も周波数オフセットによるからである）。
【０００６】
各副搬送波上の周波数オフセットは一般に、位相ロックループ（ＰＬＬ）において受信信号に追従するために使用される、受信機によって生成される搬送波周波数における誤差と、サンプリングクロック内の誤差との組み合わせによって引き起こされる。前者は、全ての副搬送波について一定の周波数シフトを引き起こす一方、後者は、帯域端に行くに従って比例して悪くなる。ＩＥＥＥ８０２．１１ａでは、４つのパイロットが副搬送波−２１、−７、＋７、及び＋２１上で使用される（２０ＭＨｚに亘る６４の副搬送波は、−３２から＋３１まで番号を付けられる）。各副搬送波上の周波数シフトが一旦推定されると、以下に示す連立方程式が得られる。  
Δｆ−２１＝−２１α＋β  
Δｆ−７＝−７α＋β  
Δｆ７＝７α＋β  
Δｆ２１＝２１α＋β  
ここで、αはサンプリングクロックオフセットであり、βは搬送波が生成した搬送波周波数オフセットである。知られているように、二つのオフセットのための最良の推定を得るために最小二乗ラインフィッティングを行うことができる。そして、これは、二つのオフセット成分について以下に示す推定を導く。  
【数９】
2006238421.tif 000003
【０００７】
周波数オフセット推定を達成するための別の方法は、V.S. Abhayawardhana, I.J. Wassell著、"Residual frequency offset correction for coherently modulated OFDM systems in wireless communication"、Vehicular Technology Conference、２００２年５月６日〜９日、ｖｏｌ  ２、７７７−７８１ページ（非特許文献２）に記載されている。これは、判定帰還を使って周波数オフセットに追従することを説明している。チャネル応答Ｈの推定は、それぞれの副搬送波からの復号されたトレーニングシンボルに基づいて各副搬送波毎に行われる。その後、これらの副搬送波のサブセットが選択される。これは、ある閾値よりも上のチャネル応答を持つ。残りの周波数推定の最尤推定値は、これら副搬送波のみを用いて得られる。
【０００８】
既存の無線システムのデータレートを増加させる方法として、ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）アレンジメントが、ますます研究されている。例えば、検討中のＷＬＡＮ規格ＩＥＥＥ８０２．１１ｎは、ＭＩＭＯ技術を使うことが期待されている。ＭＩＭＯは、別々のシンボルを同時に送信する送信機において複数のアンテナを使用することを含む。そして、これらシンボルは、複数の受信機アンテナを備えた受信機おいて順に受信される。送信されたシンボルを、受信機が、異なる受信アンテナから受信したシンボルの種々の組み合わせを用いて復元できるようにするために、送信機及び受信機において特別な処理が必要とされる。
【０００９】
ＭＩＭＯシステムは、本来、送信機と受信機との間の周波数オフセットを推定するタスクに、更に複雑なレイヤを追加するマルチパス信号伝播システムである。ＭＩＭＯシステムにおける周波数オフセット追従推定の例は、Oberli, Daneshrad著、“Maximum Likelihood Tracking Algorithms for MIMO-OFDM”、IEEE Communications Society ２００４年、ｖｏｌ  ４、２４６８−２４７２ページ、２００４年６月（非特許文献３）に記載されている。しかしながら、この取り決めは複雑であり、チャネルの知識を必要とするので、チャネル推定誤差に影響されやすくなる。
【００１０】
従って、特にＭＩＭＯシステムのための改良された周波数オフセット追従方法及び装置に対する必要性がある。
【非特許文献１】Liu, Li, Stoica著、"A MIMO system with backwards compatibility for OFDM based WLANs"、ＳＰＡＷＣ  ２００３、１５−１８、２００３年６月、１３０−１３４ページ
【非特許文献２】V.S. Abhayawardhana, I.J. Wassell著、"Residual frequency offset correction for coherently modulated OFDM systems in wireless communication"、Vehicular Technology Conference、２００２年５月６日〜９日、ｖｏｌ  ２、７７７−７８１ページ
【非特許文献３】Oberli, Daneshrad著、“Maximum Likelihood Tracking Algorithms for MIMO-OFDM”、IEEE Communications Society ２００４年、ｖｏｌ  ４、２４６８−２４７２ページ、２００４年６月
【発明の開示】
【００１１】
おおまかに言えば、本発明は、ＭＩＭＯシステムのための受信機における受信機周波数オフセットに追従する改良された方法を提供する。これら受信機に基づく周波数オフセット成分は、例えば位相ロックループのような様々な受信機サブシステムにおける誤差又は不正確さ、又は搬送波周波数発振器誤差、及びサンプリングクロックレート誤差によって引き起こされる。多くの受信機サブシステムのうちの各々による周波数オフセットは、異なる周波数の多くのチャネル（例えばＯＦＤＭパイロットチャネル）又は副搬送波における周波数オフセットを監視することによって推定される。これらチャネル周波数オフセットは、好適には、それぞれのチャネルにおける隣接するパイロットシンボル間の位相回転を検出することによって推定される。その後、それらは、正確さに対応している推定値の品質パラメータに従って重み付けられる。品質パラメータの一例は、それぞれのチャネルの実効的なＳＮＲであるか、又は好適には位相回転の誤差分散である。実施例では、品質パラメータは、  
【数１０】
2006238421.tif 000004
に等しいか、又は比例する。この重み付けられたチャネル周波数オフセットは、その後、一つ又は複数の受信機サブシステム周波数オフセット成分を決定するために使用される。例えば、最小二乗ラインフィッティング解析を実行することができる。
【００１２】
チャネルを重み付けることによって、受信機又は受信機サブシステムの周波数オフセット推定の精度を改善することができる。これによって、これらオフセットが、受信機によって補正されるようになる。これは、送信されたデータの復元を改善する。これは、周波数オフセットに対して特に影響されやすいＯＦＤＭベースのシステムには特に有益である。
【００１３】
実施例では、ＯＦＤＭ  ＭＩＭＯシステムの各パイロットチャネル上の位相回転を測定することによって周波数オフセットが決定される。各チャネルのための品質パラメータは、対応する位相回転の誤差分散を決定することによって取得される。ある仮定と近似とを行うことによって、ＭＩＭＯ受信機における誤差分散を決定することが可能となった。これらは、ＭＩＭＯ受信機における位相回転の精度又は品質を決定するための実用的な方法を提供する。単なるＳＮＲ、又はチャネル電力に関連するその他の幾つかのパラメータが、ＳＩＳＯ受信機に適切である一方、それはＭＩＭＯ受信機における信頼性又は品質の貧弱な手段である。その後、各チャネルに対する位相回転推定値は、受信機自身のための周波数オフセット推定値を決定するために、計算（例えば、最小二乗ラインフィッティング）に加えられる前に、それらの精度又は品質（すなわち、それらの誤差分散）に従って重み付けられる。各パイロット副搬送波から明らかな様々な周波数オフセットを重み付けることによって、その受信機周波数オフセット全体に対する寄与を、各副搬送波又はチャネル周波数オフセット推定値がどの程度正確に表れるかに依存して修正することができる。従って、相対的に単純な実施を用いながら、より正確な周波数オフセット推定がＭＩＭＯシステムにおいて達成される。
【００１４】
特に、一つの局面では、請求項１に従って、ＭＩＭＯ受信機のために、周波数オフセットを推定する方法が提供される。
【００１５】
各チャネルから周波数オフセット成分を決定するために様々な方法を用いることができる。好適な方法は、差分位相推定、すなわちコヒーレントな位相推定を含む。後者がより正確である一方、前者は、チャネル推定不正確さに対してより堅固である。位相回転は、パイロット副搬送波上の隣接する又は様々なシンボルの間で決定される。あるいは、例えば規則的なトレーニングシーケンスのように、専用ではないパイロットチャネル内のパイロットシンボルが使用されるかもしれない。
【００１６】
差分位相回転推定のために、誤差分散は、  
【数１１】
2006238421.tif 000005
と表すことができる。ここでσ２はチャネル雑音分散である。従って、各チャネル周波数オフセット寄与を重み付けるために使用される品質パラメータは、  
【数１２】
2006238421.tif 000006
に比例しうる。ここで、ｋはチャネルである。実施例では、この計算が、それぞれの品質パラメータによって重み付けられた搬送波周波数シフトの最小二乗ラインフィッティングを計算することを含む一方、その他の計算も代わりに使用されうる。
【００１７】
受信機周波数オフセットは、全体的に決定されるか、又は受信機の別々の下位成分に起因する。この実施例は、アナログデジタル変換器のためのサンプリングクロックからと、ダウンコンバート位相ロックループからとの寄与を決定する方法を提供する。
【００１８】
特に、別の局面では、請求項１２に従って、ＭＩＭＯ受信機のために、周波数オフセットを推定する装置が提供される。また、定められた方法を実施するためのコンピュータプログラムも提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
実施例は、例のみの目的であって、限定することを意図していない添付図面を参照して説明される。
【００２０】
図１は、送信機Ｔｘ、受信機Ｒｘ、及びエアインタフェースチャネルＨを有する無線通信システムを示す。送信機では、送信されるシンボルを生成するために、知られているように、情報信号又はデータが、搬送波周波数によって掛け合わされる。搬送波信号は、局部発振器２Ｔｘによって生成される。送信機は、その他の信号処理に用いるための局部システムクロック３Ｔｘも備えている。送信されたシンボルｘは、エアインタフェースチャネルＨを通って移動し、受信機Ｒｘによって、チャネルＨ及び雑音の効果によって変えられたシンボルｒとして受信される。この受信されたシンボルｒは、オリジナルのデータ信号を復元するために、搬送波周波数によって再び掛け合わされる。
【００２１】
この搬送波信号は、局部発振器２Ｒｘによって生成される。受信機は、その他の信号処理に用いるための局部システムクロック３Ｒｘも備えている。送信機と受信機との間の位相差又は同期の欠如は、受信機Ｒｘにおいて局部的に生成された搬送波周波数（２Ｒｘ）を調節し、到来する受信シンボルの周波数（２Ｔｘ）に一致させる位相ロックループＰＬＬ４を用いることによって大部分解決することができる。しかしながら、送信機（２Ｔｘ）によって生成された搬送波信号と、受信機（２Ｒｘ）によって生成された搬送波信号との間の周波数オフセットは信号復元の品質を下げるので、これらの補正のためにもまた様々なメカニズムが使用される。同様に、送信機Ｔｘの局部クロック３Ｔｘと、受信機Ｒｘの局部クロック３Ｒｘとの間の周波数オフセットも、受信機におけるシンボルの復元処理に悪影響を及ぼすので、注意を要する。
【００２２】
図２は、単一の副搬送波のためのＯＦＤＭ受信機の一部を示す。この受信機は、ＯＦＤＭ信号における各副搬送波のための並列受信チェーンを備えている。これらそれぞれは、局部クロック１１と、アナログデジタル変換器１２と、一般には２つの位相ロックループ１３ｒｉ，１３ｉｂとを備えている。位相ロックループ１３ｒｉ及び１３ｉｂは、無線から到来する信号を中間周波数へダウンコンバートする乗算器１４ｒｉ、及び中間周波数からの信号をベースバンド周波数へダウンコンバートする乗算器１４ｉｂを備えている。ベースバンド信号は、更なるデジタル処理のためにＡＤＣ１２によってデジタル化される。局部クロック１１は、ＡＤＣ１２へそのサンプリング周波数のために、ＰＬＬ１３へそれらの発振器のために入力を与えることが見てわかる。
【００２３】
ＯＦＤＭシステムでは、周波数オフセットの２つの主要な原因がある。第１は、送信機と受信機との間の搬送波周波数におけるミスマッチである。受信機が無線周波数（ＲＦ）信号をベースバンドにダウンコンバートするとき、もしも搬送波周波数が正しくないのであれば誤差が発生する。この誤差は、ベースバンド信号の全体を周波数においてシフトさせ、全ての副搬送波にわたって不変の周波数誤差であることを明らかにする。その他の誤差は、サンプリングクロック１１の周波数が正しくない時である。この場合、副搬送波を横切って次第に悪化する周波数誤差が発生するであろう。これらの効果は、サンプリングレート周波数オフセット誤差（α）と、“ＰＬＬ”誤差又は周波数オフセット（β）との効果をそれぞれ示す図３ａ及び図３ｂに例示されている。
【００２４】
これらの効果に対する補正のために、周波数誤差への追従を可能にし、もってそれらのための補正を可能にするパイロットシンボルが適用される。通常、周波数オフセット追従のために使用される既知のシンボルに対して幾つかの副搬送波が用いられている。一例であるＩＥＥＥ８０２．１１ａシステムからのＯＦＤＭ信号が図４に例示されている。これらのパイロット（すなわち、既知の副搬送波上の既知のシンボル）は、追従のためにのみ使用され、より粗い推定が、既になされていたと仮定される。
【００２５】
図５は、ＩＥＥＥ８０２．１１ａからのＯＦＤＭ信号又はパケットの別の表現を示している。各パケットの始まりには、ショートプリアンブルとロングプリアンブルとが存在する。粗い周波数オフセット推定は、フレームエッジ検出、時間同期、及び自動利得制御のためにも用いられるショートプリアンブルを用いることによって取得される。そして、初期周波数オフセット推定の微調整が、チャネル推定のためにも用いられるロングプリアンブルを用いて行われる。
【００２６】
パケットのデータ部分には、既知のパイロットシンボルが、専用の副搬送波に挿入される（図４において黒で記す）。これらのシンボルは、周波数オフセットにおけるあらゆる変化に追従し、更には推定をより良くするために使用される。これらのパイロットシンボルは、以下、ｘｋによって示される。知られているように、同じ副搬送波上の２つの連続した受信信号又はシンボル（例えば、ｘｋとｘｋ＋１）間の位相差を観察することによって、周波数オフセットを検出することができる。周波数オフセットのない無雑音の場合、この位相差はヌルであるはずである。
【００２７】
上述したように、各副搬送波上の周波数オフセットは、局部的に生成された搬送波周波数における誤差（β）と、サンプリングクロックにおける誤差（α）との組み合わせによって引き起こされる。前者は、全ての副搬送波に一定の周波数シフトを引き起こす一方、後者は、帯域端部に向かって比例して悪くなる。ＩＥＥＥ８０２．１１ａでは、パイロット副搬送波は、チャネル又は副搬送波−２１、−７、＋７、＋２１にある（２０ＭＨｚに亘る６４の副搬送波は、−３２から＋３１まで番号を付けられる）。従って、各副搬送波における周波数シフト推定は、以下に示すような上述した誤差に関連付けられる。  
Δｆ−２１＝−２１α＋β  
Δｆ−７＝−７α＋β  
Δｆ７＝７α＋β  
Δｆ２１＝２１α＋β
好適には、最小二乗ラインフィッティングが、以下に示すようなサンプリングクロック誤差（α）及び搬送波周波数誤差（β）のための推定を提供するために適用される。  
【数１３】
2006238421.tif 000007
【００２８】
しかしながら、最小二乗ラインフィッティング、又は平均二乗誤差（ＭＳＥ：ｍｅａｎ  ｓｑｕａｒｅｄ  ｅｒｒｏｒ）は、全ての観察、すなわち各副搬送波における推定された周波数シフト、が等しい重要度を持っていると暗黙的に仮定している。しかし、周波数選択チャネルでは、幾つかの副搬送波が、フェージングによって減衰されるので、推定に多く寄与する訳ではない。
【００２９】
本実施例は、測定されたそれぞれのチャネル（例えば、パイロット副搬送波）のために、チャネル周波数オフセット推定の精度に対応するそのチャネルの品質パラメータに従って、周波数オフセット推定値（例えば、隣り合う受信シンボル間の位相回転）を重み付ける方法を提供する。例えば、フェージングによって大いに減衰した副搬送波は、強く受信されたものよりも低い重みが与えられる。
【００３０】
単一入力単一出力（ＳＩＳＯ：ｓｉｎｇｌｅ  ｉｎｐｕｔ  ｓｉｎｇｌｅ  ｏｕｔｐｕｔ）システムでは、適切な品質パラメータは、各チャネルの信号対雑音比（ＳＮＲ）である。これはチャネル電力に比例しているので、それぞれのチャネルに対してこれを測定し、それに応じて、対応するチャネル周波数オフセット推定値を重み付けることによって、容易に実施することができる。しかしながら、たとえばＳＮＩＲのようなその他の適切な性能パラメータも使用されることが可能である。
【００３１】
しかしながらＭＩＭＯシステムでは、（ＳＮＲが依存している）チャネル電力  
【数１４】
2006238421.tif 000008
は、信頼性の低い測定値である。これは、ＭＩＭＯでは、信号がどのように合成されているのかが、それぞれのチャネル電力よりもより重要だからである。例えば、もしも二つの異なるアンテナから送信された二つのパイロットシンボルが破壊的に合成された場合、個々のチャネルがどれくらい強いのかは問題ではなく、信頼性の低い測定値を与えるだろう。説明するための簡単な例は、パイロットｘ１＝１，ｘ２＝１であり、チャネルｈ１＝１，ｈ２＝−１である。この場合、受信信号はｈ１＊ｘ１＋ｈ２＊ｘ２＝０であるが、チャネル電力はｈ１＊ｈ１＋ｈ２＊ｈ２＝２となる。これは、受信信号がヌルであるという事実を反映していない。従って、ＭＩＭＯシステムにおける受信機周波数オフセットを改善するために、チャネル周波数オフセット推定値を重み付ける別の方法が必要とされる。
【００３２】
Ｍ個の送信アンテナとＮ個の受信アンテナとを備えたシステムでは、時間ｔと時間ｔ＋１における副搬送波ｋ上の入力−出力関係は、  
【数１５】
2006238421.tif 000009
の通り記述される。ここで、  
【数１６】
2006238421.tif 000010
は、受信された信号、  
【数１７】
2006238421.tif 000011
は、チャネル、  
【数１８】
2006238421.tif 000012
は、送信されたパイロット、  
【数１９】
2006238421.tif 000013
は、雑音であり、Ｃは、複素数の組又は行列、φｋは、ｒｋ、ｔ及びｒｋ，ｔ＋１におけるｘｋの間の位相差である。説明を簡単にするために、ここでは、連続したパイロットシンボルが同じ（ｘｋ）であるが、知られているように、この場合である必要は無い。シンボルが知られているか、あるいは予測される限り、周波数オフセットによる位相回転を得るために、知られた適切な変更がなされうる。
【００３３】
各パイロット副搬送波における周波数オフセットを推定するために（よって、後に補償されるようになる）、知られているように、  
【数２０】
2006238421.tif 000014
を最小化することによって、位相回転を推定することができる。この差分推定は、チャネルの知識を必要とせず、より簡単で、チャネル推定誤差に対してより堅固になることに留意されたい。
【００３４】
コスト関数  
【数２１】
2006238421.tif 000015
は、平方  
【数２２】
2006238421.tif 000016
を、展開することによって最小化することができる。これは、  
【数２３】
2006238421.tif 000017
のときに最小化されることが見てわかる。ここでａｒｇ（）は、複素数の引数である。位相推定値は、  
【数２４】
2006238421.tif 000018
である。中及び高のＳＮＲでは、最終項はとても小さく、捨てることができるので、  
【数２５】
2006238421.tif 000019
となる。雑音項  
【数２６】
2006238421.tif 000020
は、分散  
【数２７】
2006238421.tif 000021
を持っている。ここでチャネル雑音分散は  
【数２８】
2006238421.tif 000022
であり、Ｅ｛｝は、ランダムな変数の期待値である。ａｒｇ（）関数は、非線形であるが、いくつかの近似を行うことによって、位相推定における誤差を見つけることができる。ａｒｇ（）関数  
【数２９】
2006238421.tif 000023
は、ａｔａｎ（）関数のＴａｙｌｏｒ級数展開  
【数３０】
2006238421.tif 000024
を切り捨てることによって近似することができる。よって、位相推定値  
【数３１】
2006238421.tif 000025
は、
【数３２】
2006238421.tif 000026
のように近似することができる。位相オフセット推定値の平均二乗誤差（ＭＳＥ）は、  
【数３３】
2006238421.tif 000027
となる。
【００３５】
従って、この位相差又は回転推定値は、（大まかには）平均位相差φと誤差分散  
【数３４】
2006238421.tif 000028
とを持つガウシアン分布変数である。言い換えると、特定のチャネル位相回転推定値の誤差分散は、おおよそ、チャネル行列とパイロット行列との積の平方規格化値によって除されたチャネル雑音分散である。この分散は、この推定値（φ）がどの程度信頼性があるかの尺度であり、従って、各パイロットチャネル周波数推定値を重み付けるための品質パラメータとして使用することができる。チャネル雑音のために個々のパイロット副搬送波における位相推定値は、ランダム値である。それは実際の位相と同じ平均を持つが、その分散は、  
【数３５】
2006238421.tif 000029
によって決定される。この分散を決定することができるので、それは、それらの変動に従って、個々のチャネル位相又は周波数推定値を重み付けることによって、受信機周波数オフセットのより良い推定値を生成するために使用することができる。
【００３６】
従って、合成される時には、個々のチャネルオフセット推定値は、（それらの変動に従って）強度又は精度によって重み付けられる。小さな誤差分散を持つ推定値は、大きな分散を持つものよりもより信頼性が高い。これらが異なる誤差分散を持つ理由は、周波数選択チャネルでは、パイロット副搬送波は異なるチャネルを持つからである。よって、誤差分散  
【数３６】
2006238421.tif 000030
は異なるであろう。大きな重みを、正確な推定値（小さな分散）に割り当てることによって、それらは、受信機周波数オフセット全体のためのより良い推定値を生成するために効率的に合成される。パイロット副搬送波上の「実効的なＳＮＲ」を  
【数３７】
2006238421.tif 000031
と定義することによって、これらＳＮＲは重みとして自然な選択である。なぜなら、それらは、分散が小さいときには大きいからである。
【００３７】
言い換えると、各パイロット副搬送波上の実効的なＳＮＲ又は品質パラメータは  
【数３８】
2006238421.tif 000032
に比例し、よって、重みとして使用することができる。これはＭＮ個の全てのサブチャネルからの電力を単に合計すること  
【数３９】
2006238421.tif 000033
とは異なることに留意されたい。また、単一アンテナの場合、  
【数４０】
2006238421.tif 000034
すなわち、チャネル電力に比例していることに留意されたい。
【００３８】
パイロット副搬送波ｋ上の推定値がいったん取得されると、最終的な推定値は、重み付けられた平均として計算される。ここで、ｋ番目の重みは  
【数４１】
2006238421.tif 000035
である。
【００３９】
以下の説明を簡単にするために、実効的な“ＳＮＲ”又は誤差分散品質パラメータは、簡単にＳＮＲｅｑと称され、実施例においては  
【数４２】
2006238421.tif 000036
に等しい。
【００４０】
これによって、個々の推定値が重み付けられるようになるので、最小二乗フィッティングの利点を最大にするために、好適には、各副搬送波のＳＮＲｅｑが使用される。一つの方法は、誤差  
【数４３】
2006238421.tif 000037
を最小にすることである。ここでＳＮＲｅｑｋは、副搬送波ｋにおけるＳＮＲｅｑ、Δｆｋは、副搬送波ｋにおける周波数シフト、αは、サンプリングクロック誤差、βは、搬送波周波数誤差である。これは、各副搬送波上の推定された位相オフセットを通ったラインにフィットする（なぜなら、位相オフセットは、副搬送波インデクスに線形的に依存するからである）。この技術は、重み付けられた直線回帰と呼ばれ、最適解は、  
【数４４】
2006238421.tif 000038
である。
【００４１】
複数アンテナシステムにおいてＳＮＲｅｑ重み付けを用いた性能改善は、図６及び図７を見てわかる。テストされたこのシステムは、２つの送信アンテナと２つの受信アンテナとを用い、送信されたパイロットは、パイロット副搬送波を示すｋ＝−２１，−７，７，２１と、送信アンテナを示すｍ＝１，２のときｘｋ，ｍ＝１／√２であった。このシミュレーションは、変化する送信アレイ方向付けを持つＩＥＥＥ８０２．１１ｎチャネルモデルＦを用いて行われ、ＳＮＲｅｑは５ｄＢであった。搬送波周波数誤差とサンプリングクロック誤差との平均二乗誤差（ＭＳＥ）は、それぞれ図６及び図７に示される。見てわかるように、この実施例のＳＮＲｅｑ重み付けアルゴリズムを用いることによって、実質的な利得がある。
【００４２】
この実施例は、重み付けられた直線回帰を用いることによって、サンプリングクロックオフセット、及び／又は搬送波周波数オフセットの推定を説明する。重み付けとして、異なるパイロット副搬送波についてのＳＮＲｅｑを用いることによって、改善された線形フィッティングが実現され、これによって、オフセット誤差の減少が達成される。
【００４３】
曲線フィッティングを行うための幾つかその他の技術が存在することを留意されたい。それらの全ては、ＳＮＲｅｑ（又は幾つかその他の）品質パラメータ重み付けを用いることによって高められる。
【００４４】
代替実施例では、複雑さを低減した技術は、サンプリングクロックオフセットα（多くのシステムにおいてどちらかといえば小さい）を無視し、搬送波周波数オフセットのみを推定する。α＝０と設定することによって、  
【数４５】
2006238421.tif 000039
を得る。
【００４５】
例として、ＳＮＲｅｑ１＝１及びＳＮＲｅｑ２＝２を考える。この場合、  
【数４６】
2006238421.tif 000040
である。理解されるように、パイロット副搬送波２についての推定は、高い“ＳＮＲ”（ＳＮＲｅｑ）すなわち低い分散のために、大きな重みを得る。
【００４６】
各ＳＮＲｅｑを用いてパイロット副搬送波を重み付けることによって、周波数選択フェージングに対してより堅固であり、複数アンテナの場合、ヌルをビーム形成するより良い周波数オフセット推定値を構築することができる。その後、知られているように、これらの周波数オフセットのための補正を行うことができる。一般に、受信機は、周波数オフセットに対応している位相を調整することによって、データシンボルを補正するであろう。搬送波周波数オフセットとサンプルクロックオフセットとを低減することができるように、推定された周波数オフセットを、ＰＬＬを経由して発振器にフィードバックすることも可能である。
【００４７】
更なる実施例は、各パイロットチャネルのための周波数を決定する代わりの方法を使用するかもしれない。同様に、（ＳＮＲｅｑに対する）代わりの性能パラメータを使用することも可能である。また、搬送波周波数オフセット及び／又はサンプリングオフセットを得るために代わりの推定技術を用いることも可能である。
【００４８】
これらの方法は、特に、複数の送信／受信アンテナを備えたＯＦＤＭシステム、特にＷＬＡＮシステムに適している。しかしながら、その他のシステムもまた、当該技術分野における熟練者に知られるように、位相回転分散に対する計算を単に補正することによって、これから利点を得ることができる。
【００４９】
図８を参照して、実施例に従って、受信機を操作する方法が説明される。この方法は、ＭＩＭＯ環境、特にＷＬＡＮに基づくＯＦＤＭのために実施することができる。周波数オフセット追従を容易にするために、パイロットシンボルが抽出される。このパイロットシンボルは、例えば、知られた時間スロットにおいて、データストリーム内に挿入されるか、又は、例えばＯＦＤＭシステム内の副搬送波のような専用チャネルによって提供される。
【００５０】
隣接するパイロットシンボル間の位相回転又は位相差が、良く知られているようにして決定される。これは、対応するチャネルのための周波数シフト又はオフセット推定値Δｆを与える。上述したように、品質パラメータは、各チャネル周波数オフセット推定値Δfについて決定される。好適な実施例では、これは各推定値Δｆの誤差分散  
【数４７】
2006238421.tif 000041
である。低い誤差分散は、高い品質又は精度の推定値を示し、一方、高い分散は、低い品質又は精度の推定値を示す。従って、各推定値は、その品質に従って重み付けられることができ、一つの実施では、誤差分散の逆数によって乗じられる品質パラメータ又は実効的なＳＮＲ  
【数４８】
2006238421.tif 000042
である。更なる代替例では、各推定値は、その  
【数４９】
2006238421.tif 000043
、又はｋ番目の重みが  
【数５０】
2006238421.tif 000044
である等価信号強度に従って単純に重み付けられる。
【００５１】
チャネル周波数シフト推定値が一旦重み付けられる（例えば、  
【数５１】
2006238421.tif 000045
）と、上述したように、受信機のための周波数オフセット推定値（位相ロックループ搬送波成分のみであるか、又はそれにサンプリング誤差を加えたものであるかの何れか）を取得するために、複数のチャネル推定値（例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ仕様では４つの専用パイロットチャネル）を用いて、平均二乗誤差計算（又はその他の方法）を実行することが可能である。
【００５２】
この方法は、周波数オフセット追従機能を実行するために定期的に行われ、その後、これに対する補正を上述したように行うことができる。ＩＥＥＥ８０２．１１ａプロトコルは、各パイロットチャネルのための周波数オフセットを導くために一度に４つのシンボルを用いるが、任意の数を用いることも可能であろう。
【００５３】
図９には、実施例に従ったＭＩＭＯ  ＯＦＤＭ受信機のためのアーキテクチャが示されている。この例では、２つのアンテナを持つ受信機が示されているが、任意の数の複数のアンテナが使用されうる。各アンテナ２０ａ及び２０ｂは、それぞれＲＦサブシステム２１ａ及び２１ｂに接続されている。知られているように、ＲＦサブシステムは、ＲＦ信号をベースバンドにダウンコンバートし、ＰＬＬを用いて、搬送波周波数への追従を続けるように試みる。ベースバンド出力は、デジタルＯＦＤＭシンボルストリームを提供するために、それぞれのアナログデジタル変換器２２ａ及び２２ｂによってサンプリングされる。知られているように、直列並列変換器と、マッチトフィルタリング及びその後のシリアライゼーションとが、高速フーリエ変換機能２３ａ及び２３ｂを用いて実施される。パイロット副搬送波は、周波数オフセット追従及びその他の目的のためにそれぞれのパイロット抽出器２４ａ及び２４ｂによって抽出される。これは、本議論の範囲を超えている。知られているように、もともと送信されたシンボルを復元するために、各アンテナ受信チェーンからのデータサブチャネルがその後ＭＩＭＯデコーダ２５に供給される。
【００５４】
図８の方法は、この抽出されたパイロット副搬送波を用いて、受信機の周波数オフセットを推定するために用いられる。抽出器２４ａ及び２４ｂによって抽出された各受信アンテナチェーンからのそれぞれのパイロット副搬送波は、この用途のために単純に結合される。結合された抽出されたパイロット副搬送波からのパイロットシンボルは、その後、機能ブロック２６において、周波数オフセットによる位相シフトを推定するために使用される。この好適な方法は、上述したように隣接するパイロッシンボル間の位相回転を測定するためのものである。しかしながら、その代わりに、一つ又は複数のその他のパイロットシンボルによって分離されたシンボル間の位相シフトが使用されうる。
【００５５】
それぞれの合成副搬送波信号の位相回転の誤差分散もまた、上述したように、機能ブロック２７において測定される。これらの値は、その後、受信機周波数オフセットのための上述した最小二乗ラインフィッティング推定方法を実施する機能ブロック２８に供給される。これは、ＲＦブロック２１におけるＰＬＬ搬送波周波数、及び／又はＡ／Ｄ２２サンプリングレートを調整するために使用される。
【００５６】
更に代わりの実施例では、各副搬送波のための位相回転を決定するために、コヒーレントな推定値を用いることができる。従って、  
【数５２】
2006238421.tif 000046
を最小化する代わりに、コヒーレントな推定値を用いて（すなわち、チャネル知識を用いて）、  
【数５３】
2006238421.tif 000047
が最小化される。これは良く知られた代替方法であり、より正確な推定値を与えるが、チャネル知識（すなわちＨ）を必要とする。これは、チャネル推定における不正確さにより影響されやすいこと、言い換えれば、チャネル推定のためのより高い正確さを必要とすることを意味している。
【００５７】
差分推定のために示された類似の数学的推論を用いることによって、コヒーレントな推定に基づいた等価ＳＮＲ又は分散は、  
【数５４】
2006238421.tif 000048
又は  
【数５５】
2006238421.tif 000049
に比例しており、副搬送波位相回転推定値を重み付けるために同様に用いることができることも示すことができる。より具体的には、コヒーレントな推定について、  
【数５６】
2006238421.tif 000050
を示すことができる。
【００５８】
位相回転推定値とそれらの分散が一旦得られると、受信機のための周波数オフセット推定値を得るために、以前に記載された同じ最小二乗ラインフィティング式を用いることができる。
【００５９】
この分散はまたチャネル知識も必要とする一方、コヒーレントな推定値を用いた位相回転推定値ほどチャネル推定値における不正確さに対して敏感ではないことに留意されたい。
【００６０】
適切な受信機周波数オフセット計算における値を重み付けるために、推定値における変動又は精度を使用することができる場合、その他の位相回転方法も代わりに使用されうることが認められよう。
【００６１】
また、この実施例が、専用のパイロット副搬送波を用いたＯＦＤＭベースのシステムに関して記載されている一方、トラフィックチャネルに組み込まれたパイロットシンボルを用いたシステムもまた、上述した方法及び装置から利益を得るかもしれない。当該技術分野における熟練者には知られることになるであろう適切なパイロットシンボル抽出によって、パイロットシンボル間の位相回転を推定し、その推定精度又は分散に従って重み付けを行い、受信機のための周波数オフセットを推定するために、異なる副搬送波からの重み付けられた回転推定を用いる上述した方法が実施されうる。
【００６２】
ＭＩＭＯベースのシステムに関して実施例が説明された一方、上述した方法は、ＳＩＳＯ、ＭＩＳＯ，及びＳＩＭＯベースのシステムにも適用されうる。各場合において、各副搬送波のために推定された位相シフトの分散は、受信機のための周波数オフセットの全体の推定における寄与を重み付けるために用いられる。簡単なＳＮＲ測定がＳＩＳＯシステムのためになされうる一方、上述した実施例について記載されたように、等価なＳＮＲｅｑ又は分散の決定が代わりに使用されうる。
【００６３】
一般に、これらの技術は、例えばＡＳＩＣのようなハードウェアに組み込まれたアルゴリズム又はソフトウェア内で実施されるであろう。
【００６４】
熟練者であれば上述した装置及び方法は、例えばディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭのような搬送波媒体、例えば読取専用メモリのようなプログラムされたメモリ（ファームウェア）、又は、例えば光又は電気信号媒体のようなデータ媒体上のプロセッサ制御コードとして組み込まれうる。多くのアプリケーションのために、本発明の実施例は、ＤＳＰ（デジタル信号プロセッサ）、ＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）、又はＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）上に実装されるであろう。従って、コードは、従来のプログラムコード又はマイクロコード、あるいは例えばＡＳＩＣ又はＦＰＧＡの設定又は制御のためのコードを備えうる。このコードは、例えば再プログラム可能なロジックゲートアレイのような再設定可能な装置を動的に設定するためのコードも備えうる。同様に、このコードは、例えばＶｅｒｉｌｏｇ（登録商標）又はＶＨＤＬ（Very high speed integrated circuit Hardware Description Language：超高速集積回路設計用ハードウェア記述言語）のようなハードウェア記述言語のためのコードを備えうる。熟練者であれば理解するように、このコードは、互いに通信している複数の接続された要素間で配信される。適切な場合には、この実施例は、アナログハードウェアを設定するために、フィールド（再）プログラム可能なアナログアレイ又は類似のデバイス上で動作するコードを用いても実施されうる。
【００６５】
熟練者であれば、これらに関連して記述された種々の実施例及び具体的な特徴も、一般に上記の教示に従って、その他の実施例又は具体的に記述された特徴と自由に組み合わせることが可能であろう。また熟練者であれば、種々の変形及び部分修正も添付した特許請求の範囲のスコープから逸脱することなく、記載された具体例のためになさうることも認識するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】図１は、ＭＩＭＯ無線通信システムを例示する。
【図２】図２は、ＯＦＤＭ受信機の一部をより詳細に説明する。
【図３ａ】図３ａは、ＰＬＬによるＯＦＤＭパイロット副搬送波上への周波数オフセットの効果を示す。
【図３ｂ】図３ｂは、受信機のクロックによるＯＦＤＭパイロット副搬送波上への周波数オフセットの効果を示す。
【図４】図４は、ＯＦＤＭ信号におけるパイロット副搬送波を例示する。
【図５】図５は、ＯＦＤＭ信号のプリアンブルを例示する。
【図６】図６は、搬送波周波数誤差の平均二乗誤差を示す。
【図７】図７は、サンプリングクロック誤差の平均二乗誤差を示す。
【図８】図８は、実施例のフロー図を示す。
【図９】図９は、実施例に従った受信機のアーキテクチャを例示する。
【図１】
2006238421.tif 000059
【図２】
2006238421.tif 000060
【図３ａ】
2006238421.tif 000061
【図３ｂ】
2006238421.tif 000062
【図４】
2006238421.tif 000063
【図５】
2006238421.tif 000064
【図６】
2006238421.tif 000065
【図７】
2006238421.tif 000066
【図８】
2006238421.tif 000067
【図９】
2006238421.tif 000068
【外国語明細書】
2006238421000001.pdf