(57)【要約】  送信機（Ｔｘ１、Ｔｘ２）は、少なくとも第１（ｓ’１）および第２（ｓ’２）の信号を同時に送信するように構成される。第１の信号（ｓ’１）は第１の変調コンステレーションに従って変調され、第２の信号（ｓ’２）は第２の変調コンステレーションに従って変調される。少なくとも第１（ｓ’１）と第２（ｓ’２）の同時送信信号の間の相関を防止するため、送信機は、第１の変調コンステレーションの変更によって、少なくとも第１の信号を事前符号化するように構成される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも第１および第２の信号を同時に送信するための送信機であって、前記第１の信号は第１の変調コンステレーションに従って変調され、前記第２の信号は第２の変調コンステレーションに従って変調され、前記送信機は、前記少なくとも第１と第２の同時送信信号の間の相関を防止するため、前記第１の変調コンステレーションの変更によって、少なくとも前記第１の信号を事前符号化するように構成される送信機。
【請求項２】
少なくとも前記第１の信号の前記事前符号化が、前記第１の変調コンステレーションの第１の角度による回転を備える、請求項１に記載の送信機。
【請求項３】
少なくとも前記第１の信号の前記事前符号化が、前記第１の変調コンステレーションの次数の変更を備える、請求項１に記載の送信機。
【請求項４】
前記事前符号化が、同時送信信号の数の変更をさらに備える、請求項３に記載の送信機。
【請求項５】
前記少なくとも第１および第２の同時送信信号の受信機からの第１の信号の受信の後で、少なくとも前記第１の信号を事前符号化するように構成される、請求項１に記載の送信機。
【請求項６】
少なくとも前記第１の信号の前記事前符号化について受信機に通知するため、前記少なくとも第１および第２の同時送信信号の受信機に第２の信号を送信するように構成される、請求項１に記載の送信機。
【請求項７】
前記第１および第２の変調コンステレーションが、多値ＱＡＭ変調コンステレーションである、請求項１、２、３、および４に記載の送信機。
【請求項８】
送信機から少なくとも第１および第２の信号を同時に受信するための受信機であって、前記第１の受信信号は第１の変調コンステレーションに従って変調され、前記第２の受信信号は第２の変調コンステレーションに従って変調され、少なくとも前記第１の受信信号は、前記少なくとも第１と第２の同時受信信号の間の相関を防止するため、前記第１の変調コンステレーションの変更を通して事前符号化される受信機。
【請求項９】
前記第１の受信信号の前記事前符号化が、前記第１の変調コンステレーションの回転を備える、請求項８に記載の受信機。
【請求項１０】
前記第１の受信信号の前記事前符号化が、前記第１の変調コンステレーションの次数の変更を備える、請求項８に記載の受信機。
【請求項１１】
前記事前符号化が、同時受信信号の数の変更をさらに備える、請求項８に記載の受信機。
【請求項１２】
前記受信機が、前記送信機に第１の信号を送信するように構成され、前記送信機が、その第１の信号に応答して、少なくとも前記第１の信号を事前符号化するように構成される、請求項８に記載の受信機。
【請求項１３】
前記受信機が、少なくとも前記第１の信号を事前符号化した前記送信機に応答して、前記送信機から第２の信号を受信するように構成される、請求項８に記載の受信機。
【請求項１４】
前記第１および第２の変調コンステレーションが、多値ＱＡＭ変調コンステレーションである、請求項８、９、１０、および１１に記載の受信機。
【請求項１５】
請求項１に記載の送信機を備える送受信機。
【請求項１６】
請求項８に記載の受信機をさらに備える、請求項１５に記載の送受信機。
【請求項１７】
請求項１に記載の送信機を備える無線装置。
【請求項１８】
請求項１に記載の送信機を備える電気通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも第１および第２の信号を同時に送信するように構成される送信機に関する。本発明はさらに、第１および第２の信号を同時に受信するように構成される受信機に関する。さらに、本発明は、そのような送信機を備える送受信機、無線装置、および電気通信システムに関する。
【０００２】
本発明は、その応用を、多入力多出力（ＭＩＭＯ）技術を使用する無線電気通信またはデータ通信システムまたは装置に見出す。本発明は特に、より高次の変調方式を必要とし、送信媒体がランダムな性質を有する、電気通信またはデータ通信システムに適する。その例は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ装置、無線ＬＡＮ装置、および移動電話または携帯情報端末などの無線装置である。
【背景技術】
【０００３】
そのような電気通信システムが、米国特許出願第ＵＳ−２００２／０１８１５０９Ａ１号に開示されている。データ源から到来するデータを、その後に複数の送信アンテナによって無線チャネルを介して送信される複数の並列データ・ストリームに符号化する送信機を備える、多入力多出力電気通信システムが示されている。さらに、電気通信システムは、複数のデータ・ストリームを受信するための複数の受信アンテナを含む受信機を備える。受信機はさらに、複数のデータ・ストリームを単一の（デジタル）データ・ストリームに一本化するための復号器を含む。そのようなＭＩＭＯシステムは一般に、多散乱（ｒｉｃｈ−ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）環境では良好に動作するが、低散乱（ｌｏｗ−ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）環境では動作不良を起こしやすい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、低散乱環境におけるＭＩＭＯシステムの性能を改善する送信機を提供することである。この目的のため、少なくとも第１および第２の信号を同時に送信するための送信機であって、第１の信号は第１の変調コンステレーション（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ）に従って変調され、第２の信号は第２の変調コンステレーションに従って変調され、少なくとも第１と第２の同時送信信号の間の相関を防止するため、送信機は、第１の変調コンステレーションの変更によって、少なくとも第１の信号を事前符号化（ｐｒｅ−ｃｏｄｅ）するように構成される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、通信チャネルが送信信号の直交性を保証する、見通し外シナリオ（ｎｏｎ−ｌｉｎｅ−ｏｆ  ｓｉｇｈｔ  ｓｃｅｎａｒｉｏ）におけるような多散乱環境では良好に動作するという洞察に基づいている。しかし、見通し内シナリオ（ｌｉｎｅ−ｏｆ−ｓｉｇｈｔ  ｓｃｅｎａｒｉｏ）などの低散乱環境では、符号化データ・ストリーム間の直交性が完全に失われることがあり得る。または言い換えれば、データ・ストリームは、相関をもつようになることがある。その結果、受信機は、同時送信データ・ストリームを区別することができず、送信信号の検出が、部分的に失敗するかもしれない。本発明はさらに、システムの観点からは、並列ストリームの直交性が通信チャネルの挙動によって提供されるか、あるいは送信機自体によって提供されるかは重要ではないという洞察に基づいている。したがって、ベースバンド信号を事前符号化することによって、通信チャネルではなく、送信機が直交性を提供する。これは、不利な伝播条件下にあってさえもＭＩＭＯシステムが動作を維持できるという利点を提供する。
【０００６】
本発明による送信機の一実施形態では、少なくとも第１の信号の事前符号化は、第１の変調コンステレーションの第１の角度による回転を備える。少なくとも２つの同時送信信号の各々は、変調コンステレーションに従って符号化され、すなわち、ビットがシンボルにマッピングされる。受信機側では、これらの２つの変調コンステレーションが合併して、第１および第２の変調コンステレーションの次数の和に等しい次数をもつ単一の変（復）調コンステレーションになる。しかし、不利な送信条件の間、送信信号は相関をもつようになる。その結果、受信機での変（復）調コンステレーションは、重なり合う点を示す。したがって、変（復）調コンステレーションの次数は損なわれ、受信機はもはや同時送信信号を正しく復調できないかもしれない。変調コンステレーションの少なくとも一方を回転することによって、少なくとも２つの同時送信信号の間の必要な直交性を提供するのは、チャネルではなくて送信機である。その結果、少なくとも２つの送信信号の変調コンステレーションが合併して、重なり合う点をもたない単一の変（復）調コンステレーションになる。このようにして、少なくとも２つの同時送信信号の正しい復調が、貧弱な伝播条件下であってさえも、保証されることができる。
【０００７】
本発明による受信機のまた別の実施形態では、少なくとも第１の信号の事前符号化は、第１の変調コンステレーションの次数の変更を備える。貧弱な受信条件下では、一定のデータ速度を維持することができないかもしれない。そのような状況では、送信機は、少なくとも第１の信号の達成可能ビット・レートを下げるため、少なくとも第１の信号の変調コンステレーションの次数を下げることを検討することができる。しかし、伝播条件が改善した場合、変調コンステレーションの変調の次数は、再び上げられることができる。
【０００８】
本発明による送信機のさらに別の実施形態では、事前符号化はさらに、同時送信信号の数の変更を備える。変調コンステレーションは、ビット・ストリームをシンボルにマッピングするために使用され、したがって、変調コンステレーションの次数の変更は、最大達成可能ビット・レートに対する結果を有する。例えば、変調コンステレーションの次数の引き下げは、その結果、自動的に最大達成可能ビット・レートの低下の原因となり、一方、次数の引き上げは、最大達成可能ビット・レートの増加の原因となる。当業者に明らかなように、ＭＩＭＯ送信機は、単一のデータ・ストリームを同時に送信される複数の（並列）データ・ストリームに符号化するように構成される。原理的に、（並列）データ・ストリームの数、したがって同時送信信号の数は、必要なビット・レートに依存させることができる。したがって、送信信号の数を変更することが、変調コンステレーションの次数を変更することの影響を相殺することができる。例えば、少なくとも１つのコンステレーション図の次数の引き下げは、送信信号の数を増加させることによって相殺されることができ、もちろん、その逆も同様である。
【０００９】
本発明による送信機の別の実施形態では、送信機は、少なくとも第１および第２の同時送信信号の受信機からの第１の信号の受信の後で、少なくとも第１の信号を事前符号化するように構成される。受信機だけが同時送信信号が相関をもたずに保たれているかどうかを決定できることは、当業者であれば理解されよう。第１の信号を送信機に送信することによって、受信機は、受信信号の品質について送信機に知らせる。信号は、例えば、送信信号の少なくとも１つを事前符号化するための送信機への命令を備えることができ、あるいはビット誤り率（ＢＥＲ）などの適切な品質インジケータを備えることができる。第１の信号は、独立に送信される（無線）信号であることができ、あるいは送信機と受信機の間で通信リンクを確立し維持するために使用される（既存の）通信プロトコルに組み込まれることができる。
【００１０】
本発明による送信機の一実施形態では、送信機は、少なくとも２つの信号のうちの少なくとも第１の信号の事前符号化について受信機に通知するため、少なくとも第１および第２の同時送信信号の受信機に第２の信号を送信するように構成される。受信機が事前符号化の詳細について知らされない場合、受信機が事前符号化信号を自動的に復号できないことは、当業者であれば理解されよう。代替として、第２の信号は、例えば、第１の信号の受信に対する肯定応答を備えることができる。第２の信号は、独立に送信される（無線）信号であることができ、あるいは代替として送信機と受信機の間で通信リンクを確立し維持するために必要とされる（既存の）通信プロトコルに組み込まれることができる。第１および第２の信号に含まれるメッセージのフォーマットが、送信機および受信機に組み込まれるインテリジェンスに大きく依存することは、当業者には明らかであろう。
【００１１】
本発明による上記およびその他の態様は、以下の図面によって明らかにされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、従来技術による２×２多入力多出力電気通信システムを示す。電気通信システムは、いわゆる変調コンステレーションを使用してビット・ストリームｄ１およびｄ２をシンボルにマッピングする信号処理手段１４を備える。ＱＰＳＫコンステレーションの一例が、図２に示される。ＱＰＳＫを使用すると、ビットは、以下の規則の組に従って、ペア毎にシンボルにマッピングされる。
００  →  （１＋ｊ）／√２、またはｅｘｐ（ｊφ１）
０１  →  （−１＋ｊ）／√２、またはｅｘｐ（ｊφ２）
１１  →  （−１−ｊ）／√２、またはｅｘｐ（ｊφ３）
１０  →  （１−ｊ）／√２、またはｅｘｐ（ｊφ４）
【００１３】
したがって、各シンボルは、Ｉ−Ｑ平面内の（正規化）ベクトルとして、またはｅｘｐ（ｊφｘ）として表現されることができる。マッピング操作によって、ビット・ストリームｄ１、ｄ２は、信号ｓ１およびｓ２に変換される。各信号ｓ１、ｓ２は、ＲＦ部１２によって、信号ｓ’１およびｓ’２に変調され、その後、システムの受信側に送信される。送信機Ｔｘ１、Ｔｘ２と受信機Ｒｘ１、Ｒｘ２の間の通信チャネルの挙動のため、信号ｓ’１およびｓ’２は、ｒ’１およびｒ’２として受信される。各受信機Ｒｘ１、Ｒｘ２は、信号ｒ’１、ｒ’２をｒ１、ｒ２に復調するＲＦ部１１を備える。送信信号Ｓ＝（ｓ１、ｓ２）と受信信号Ｒ＝（ｒ１、ｒ２）の間の関係は、Ｒ＝Ｈ．Ｓによって与えられ、ここで、Ｈ＝（ｈ１１、ｈ１２；ｈ２１、ｈ２２）は通常、伝達行列と呼ばれる。伝達行列Ｈに属する係数ｈｉｊは、送信機と受信機の間の通信チャネルの挙動を定義する。例えば、係数ｈ１１は、アンテナ１０と１６の間の通信チャネルに関係し、係数ｈ１２は、アンテナ１０と１５の間の通信チャネルに関係する。その結果、信号ｒ１、ｒ２は、ｒ１＝ｈ１１．ｓ１＋ｈ１２．ｓ２およびｒ２＝ｈ２１．ｓ１＋ｈ２２．ｓ２として表現されることができる。Ｈは当業者によって容易に導出され得るので、受信機の信号処理手段１３は、関係Ｓ＝Ｒ．Ｈ１を使用して、送信信号の推定を容易に行うことができる。話を簡単にするため、受信信号Ｒへの雑音ベクトルの追加を生じさせる付加雑音の影響は無視された。送信信号が受信側で推定されると、推定送信信号ｒ１、ｒ２のシンボルをビット・ストリームｄ’１およびｄ’２に変換するため、送信信号は逆マッピング（ｄｅ−ｍａｐ）される。適切な動作条件の間、ビット・ストリームｄ’１およびｄ’２は、元の送信ビット・ストリームｄ１およびｄ２に一致する。当業者に明らかなように、伝達行列の逆行列が求められる場合、すなわちＤＥＴ（Ｈ）＜＞０の場合にだけ、送信信号を取り出すことができる。当業者であれば、数学的要件ＤＥＴ（Ｈ）＜＞０の中に、送信機Ｔｘ１、Ｔｘ２と受信機Ｒｘ１、Ｒｘ２の間の通信チャネルは相関をもたずにあり続けなくてはならないという必須条件、または言い換えると、送信信号ｓ１およびｓ２は伝播中に直交性を保たなければならないという必須条件を認めるであろう。ＭＩＭＯシステムは多散乱環境では
良好に動作するが、例えば見通し内環境などではうまく動作しないことがあることはよく知られている。これは、図３および図４によって、より詳しく説明される。図３および図４はｒ１だけに関係するが、説明される結果はｒ２にも有効であることは、当業者には明らかであろう。信号ｓ１およびｓ２はコンステレーション３０および３１に従ってＱＰＳＫ符号化されることが仮定される。ＱＰＳＫコンステレーションは、４個の可能なシンボルを使用してビット・ストリームｄ１、ｄ２を符号化するので、ｒ１が最大１６個のシンボルを引き受けることができることは明らかである。図３の例は、ｈ１１＝１およびｈ１２＝ｅｘｐ（−ｊπ／４）である多散乱環境に対応する。したがって、ｒ１はｒ１＝ｓ１＋ｅｘｐ（−ｊπ／４）．ｓ２に等しい。ｈ１２のため、アンテナ９からアンテナ１６に送信される信号は、４５度の位相シフトを受けて、送信信号ｓ１とｓ２の間の必要な直交性を提供する。ｓ１およびｓ２のＱＰＳＫコンステレーションを仮定すると、受信機Ｒｘ１は、図３の（回転１６ＱＡＭ）コンステレーション３０に示される１６個のシンボルのどれでも検出することができる。
【００１４】
図４は、伝播チャネルがどのような位相シフトも提供しない（ｈ１１＝ｈ１２＝１）、例えば見通し内状態の間など、最悪状況に対応する。その結果、ｒ１はｒ１＝ｓ１＋ｓ２になる。やはり、ｓ１およびｓ２に対してＱＰＳＫコンステレーションを仮定すると、ｒ１は図４０に示されるシンボルのいずれかを引き受けることができる。通信チャネルの挙動のため、図４０のシンボルのいくつかは、重なり合う点（白抜きの円）になり、その結果、受信機は１６個のシンボルのうち４個だけしか誤りなく検出することができない。シンボルの重なり合いは、ｓ１＝１＋ｊ、ｓ２＝−１−ｊである場合ばかりでなく、ｓ１＝−１−ｊ、ｓ２＝１＋ｊである場合も、ｒ１が０に等しくなる例によって、容易に例示されることができる。本発明によれば、通信チャネルの弱点は、少なくとも１つの送信信号を事前符号化することによって、容易に克服されることができる。システムの観点からは、チャネルまたはマッピング・プロセスのどちらによって直交性が提供されるかは問題ではないので、この事前符号化は、例えば、少なくとも１つのコンステレーションを回転することによって達成されることができる。例えば、これは、コンステレーション５０が４５度だけ回転された図５に示される。基本的に、これは、ｒ１がｒ１＝ｈ１１．ｓ１＋ｈ１２．ｅｘｐ（−ｊπ／４）．ｓ２になるように、ｓ２のマッピング・シンボルにｅｘｐ（−ｊπ／４）を乗じることに相当する。ｈ１１＝ｈ１２＝１として式を整理すると、式は、図３に示された例に相当するｒ１＝ｓ１＋ｅｘｐ（−ｊπ／４）．ｓ２に等しくなる。与えられた例は２×２システムに関係するが、より大きなＮ×Ｍシステムに本発明が容易に拡張され得ることは、当業者には明らかであろう。受信機は受信信号ｒ１とｒ２の間の相関レベルを検出できるに過ぎず、一方、送信機は変調コンステレーションを回転できるに過ぎないので、明らかに、本発明は、送信機と受信機の間の同期を必要とする。電気通信システムに応じて、コンステレーションを回転するためのイニシアチブは、どちらの側が握ることもできる。例えば、許容不可能な相関レベルを検出した後に、受信機が送信機にコンステレーションを回転するように命令することが可能か、または送信機にビット誤り率などの品質インジケータを単に送信することが可能であり、その場合、送信機は、コンステレーションを回転するかどうかを自律的に決定することができる。例えば、受信機から送信機への命令は、角度を一定のステップ・サイズずつ増減するコマンドを備えることができ、またはある（与えられた）角度だけ回転する命令を備えることができる。同様に、送信機は、（今から行う）回転について、受信機に通知または肯定応答を返さなければならない。例えば、ある種のハンドシェーク・プロトコルで受信メッセージの受信に肯定応答を返すことによって、または今から行うコンステレーションの変更について受信機に通知することによってである。システムの要件および／または将来性に応じて、送信機と受信機の間の様々な適切なプロトコルが考案され得ることは、当業者には明らかであろう。送信機と受信機の間のメッセージは、適切な、しかし任意の技法を使用して交換されることができ��。例えば、送信機と受信機の間の既存のプロトコルにメッセージを埋め込むことによって、または送信機と受信機の間の専用通信リンクを確立することによってである。
【００１５】
事前符号化のための別の選択肢は、ｓ１およびｓ２の変調コンステレーションの次数を、例えばＱＰＳＫからＢＰＳＫに下げることである。図６に示されるようにＢＰＳＫコンステレーションは、２進数の０および１をマッピングするための値＋１および−１をもつ。ｒ１について同じ関係、すなわちｒ１＝ｓ１＋ｓ２を仮定すると、ｒ１の４個の可能なシンボルから、２個のシンボルが重なり合うことが明らかである。しかし、正しいシンボルを検出する可能性はまだ５０％であり、一方、ＱＰＳＫを用いた場合は、１６個の可能なシンボル値のうち４個（２５％）しか正しく検出されることができない。したがって、次数を下げることは、シンボルのより容易な検出を可能にする。次数がより低い変調は一般により低い信号対雑音比を必要とするので、次数がより高いコンステレーションの次数を下げることは、電気通信システムの通信範囲（ｃｏｖｅｒａｇｅ）を大きくする。さらに、コンステレーションの次数を下げることは、電気通信システムの低下されたデータ・スループットに帰着する。したがって、本発明によれば、ＭＩＭＯシステムの達成可能なスループットを高めるため、または維持するために、必要に応じて、３以上のアンテナを介してデータを送信することが可能である。可能な実施が図７に示される。図７では、マルチプレクサ７３が送信機Ｔｘ１からＴｘｎの前方に置かれ、受信機の後方にはデマルチプレクサ７４が置かれる。このようにして、データ・ストリーム７５は、サブ・ストリームｘ１からｘｎに都合よくマッピングされることができる。それらのｘ１からｘｎサブ・ストリームの各々は、その後、送信機Ｔｘ１からＴｘｎから送信され、受信機Ｒｘ１からＲｘｎによって受信される。そこで、サブ・ストリームｘ１からｘｎは、サブ・ストリームｙ１からｙｎに逆マッピングされ、マルチプレクサ７４によって単一のデータ・ストリーム７６に多重化され戻される。明らかに、マルチプレクサ７３によって、データ・ストリーム７５は、必要に応じた数のデータ・ストリームに都合よく分割されることができる。
【００１６】
上で述べられた実施形態は本発明を限定するものではなく、むしろ例示するものであり、当業者であれば、特許請求の範囲の範囲から逸脱することなく、多くの代替実施形態を考案できることに留意されるべきである。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という語は、請求項に列挙された要素またはステップ以外の要素またはステップの存在を排除しない。要素の前に置かれた「１つの（ａ／ａｎ）」という語は、複数のそのような要素の存在を排除しない。いくつかの手段が互いに異なる従属請求項で説明されるという単なる事実は、これらの手段の組合せが有利に使用され得ないことを示さない。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来技術による多入力多出力電気通信システムを示した図である。
【図２】従来技術のＱＰＳＫ変調コンステレーションを示した図である。
【図３】ＭＩＭＯシステム技術の従来技術の変調コンステレーションを示した図である。
【図４】通信チャネルを相関させるＭＩＭＯシステムの従来技術の変調コンステレーションを示した図である。
【図５】少なくとも１つのコンステレーションがある角度回転させられた、本発明による変調コンステレーションを示した図である。
【図６】ＢＰＳＫ変調コンステレーションを示した図である。
【図７】本発明による電気通信システムを示した図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2007510329.tif 000007
【図６】
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【図７】
2007510329.tif 000009
【国際調査報告】
2007510329.tif 000010
2007510329.tif 000011
2007510329.tif 000012