(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信側について、２以上のアンテナから各々送信すべき変調シンボルｘ1〜ｘnを、シンボル繰り返し行列を用いて、各アンテナが各送信繰り返しタイミングで送信すべき信号に変換する変換段階と、変換された信号を各アンテナから各送信繰り返しタイミングで送信する送信段階とを有する時空間ブロック符号方法にあって、
前記変換段階が、所要ビット誤り率から要求される信号対雑音比に基づいて、前記シンボル繰り返し行列による前記送信繰り返しタイミングの数を、適切な回数に、及び駆動させる前記アンテナの数を、適応的に変化させることを特徴とする、時空間ブロック符号を用いた適応符号化方法。
【請求項２】
前記変換段階が、送信側について、４本のアンテナから各々送信すべき信号ｘ1〜ｘ4を、シンボル繰り返し行列
【数１】
0004078848.tif 000018
を用いて（列方向は各アンテナであり、行方向は送信繰り返しタイミングであり、*は複素共役である）、各アンテナが各送信繰り返しタイミングで送信すべき複数の信号に変換するものである時空間ブロック符号方法にあって、
前記変換段階が、所要ビット誤り率から要求される信号対雑音比に基づいて、
【数２】
0004078848.tif 000019
、
【数３】
0004078848.tif 000020
又は
【数４】
0004078848.tif 000021
のシンボル繰り返し行列に、適応的に変化させることを特徴とする請求項１に記載の時空間ブロック符号を用いた適応符号化方法。
【請求項３】
送信側について、前記送信すべき変調シンボルの変調方法を変化させる変調段階を、前記変換段階の前段階に有することを特徴とする請求項１から２のいずれか１項に記載の時空間ブロック符号を用いた適応符号化方法。
【請求項４】
前記信号対雑音比は、受信側で測定された信号対雑音比を受信したものであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の時空間ブロック符号を用いた適応符号化方法。
【請求項５】
前記信号対雑音比は、送信側で測定された信号対雑音比であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の時空間ブロック符号を用いた適応符号化方法。
【請求項６】
送信側において、各アンテナで送信すべき変調シンボルをアンテナ間でインターリーブするターボ符号段階を有し、
受信側において、受信した信号を送信で使用したものの逆の動作をするデインターリーブする段階を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の時空間ブロック符号を用いた適応符号化方法。
【請求項７】
２以上のアンテナから各々送信すべき変調シンボルｘ1〜ｘnを、シンボル繰り返し行列を用いて、各アンテナが各送信繰り返しタイミングで送信すべき信号に変換する変換手段と、変換された信号を各アンテナから各送信繰り返しタイミングで送信する送信手段とを有する時空間ブロック符号の送信装置にあって、
前記変換手段が、所要ビット誤り率から要求される信号対雑音比に基づいて、前記シンボル繰り返し行列による前記送信繰り返しタイミングの数を、適切な回数に、及び駆動させる前記アンテナの数を、適応的に変化させることを特徴とする、時空間ブロック符号を用いて適応符号化した送信装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動通信システムにおいて、伝搬路状態に応じて符号化方法を変化させる適応符号化方法及び送信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
無線通信において、複数の送受信アンテナを使用して通信を行うＭＩＭＯ(Multi-Input/Multi-Output)技術が注目されている。複数の送信アンテナを用いて、同じ周波数帯域内に異なる信号を同時に送信する時空間符号化は、空間ダイバーシチと時間ダイバーシチとの両方の効果を利用することにより、フェージングによる特性の劣化を抑えることが可能である。ここで、送信シンボルを線形変換した信号を繰り返し送信する時空間ブロック符号が考案されており、フェージング環境下で良好な特性を示している（参考文献：Vahid Tarokh et al., "Space-Time Block Coding for Wireless Communications : Performance Results", IEEE J. SAC, March 1999）。
【０００３】
図１は、従来の時空間ブロック符号方法による送信装置の構成図である。
【０００４】
図１によれば、送信すべき情報ビット列をPSK(Phase Shift Keying)/QAM(Quadrature Amplitude Modulation)変調装置へ通知し、マッピングを行う。その後、時空間ブロック符号化を行い、各アンテナから送信する。このとき、時空間ブロック符号の符号化は行列によって表現される。その一例を、以下の式（１）に表す。
【０００５】
【数５】
0004078848.tif 000002
【０００６】
式（１）の行列は、２本のアンテナを用いて、シンボル繰り返し回数を２回として送信するものである。ｘ1及びｘ2は、PSK/QAM変調器からの出力シンボルであり、複素数により表現される。行列の列方向が送信するアンテナを示し、その行方向が送信するタイミングを示す。式（１）では、まず１本目のアンテナからｘ1が送信され、同時に２本目のアンテナからｘ2が送信される。その次のタイミングで、１本目のアンテナから−ｘ2*が送信され、同時に２本目のアンテナからｘ1*が送信される。尚、*は、複素共役を表す。
【０００７】
送信された信号がフェージング通信路を経て受信機に到達したときの受信信号が、以下の式（２）に表されている。
【０００８】
【数６】
0004078848.tif 000003
【０００９】
ここで、ｃitは、送信アンテナiから時間tに送信された変調シンボルであり、ｄjtは時間tにおけるアンテナjでの受信信号である。これらは、式（１）におけるｘ1及びｘ2に相当する。αi,jtは、時間tにおける送信アンテナiから受信アンテナjへの伝播路のフェージング状態を示す。ηjtは、時間tおけるアンテナjの受信機熱雑音である。このような伝搬環境が想定された場合、受信信号に対して、以下の式（３）を最小にするような、Ｓ1及びＳ2が送信された信号であると推定される。
【００１０】
【数７】
0004078848.tif 000004
【００１１】
例えば、４本のアンテナを使用する時空間ブロック符号方法は、以下の式（４）の行列によって表される。この場合、シンボル繰り返し回数は、８回である。
【００１２】
【数８】
0004078848.tif 000005
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
送信電力制御による通信品質の補償を行わないシステムの場合、移動通信環境下で使用すると、受信装置側での信号対雑音比は常に変化する。このような場合、伝搬環境に応じて符号化方法を変化させる適応符号化方法が有効となる。ここで、時空間ブロック符号は、周波数利用効率が使用するPSK/QAM変調の周波数利用効率にのみ依存する。このため、従来の時空間ブロック符号では、符号化率が固定されており、伝搬環境が変動する移動通信環境下ではスループットが最適化されない。
【００１４】
そこで、本発明は、上記の問題を解決し、移動通信システムにおいて、通信品質状態に応じて時空間ブロック符号の符号化率を変化させ、より高い周波数利用効率を提供する適応符号化方法及び送信装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の適用対象は、送信側について、２以上のアンテナから各々送信すべき信号ｘ1〜ｘnを、シンボル繰り返し行列を用いて、各アンテナが各送信繰り返しタイミングで送信すべき信号に変換する変換段階と、変換された信号を各アンテナから各送信繰り返しタイミングで送信する送信段階とを有する時空間ブロック符号方法である。
【００１６】
これに対し、本発明の時空間ブロック符号を用いた適応符号化方法によれば、変換段階が、回線の通信品質情報に基づいて、シンボル繰り返し行列による送信繰り返しタイミングの数を、適応的に変化させることで、より高い周波数利用効率を提供することを特徴とする。
【００１７】
より具体的には、本発明の適用対象は、時空間ブロック符号方法の変換段階は、送信側について、４本のアンテナから各々送信すべき信号ｘ1〜ｘ4を、シンボル繰り返し行列
【数９】
0004078848.tif 000006
を用いて（列方向は各アンテナであり、行方向は送信繰り返しタイミングであり、*は複素共役である）、各アンテナが各送信繰り返しタイミングで送信すべき複数の信号に変換するものである。
【００１８】
これに対し、本発明の時空間ブロック符号を用いた適応符号化方法によれば、変換段階が、回線の通信品質情報に基づいて、
【数１０】
0004078848.tif 000007
、
【数１１】
0004078848.tif 000008
又は
【数１２】
0004078848.tif 000009
のシンボル繰り返し行列に、適応的に変化させることを特徴とする。
【００１９】
本発明の他の実施形態によれば、送信側について、駆動させるアンテナの数を、回線の通信品質情報に基づいて、適応的に変化させる段階を更に有することも好ましい。
【００２０】
本発明の他の実施形態によれば、送信側について、送信すべき信号の変調方法を変化させる変調段階を、変換段階の前段階に有することも好ましい。
【００２１】
本発明の他の実施形態によれば、通信品質情報は、受信側で測定された通信品質情報を受信したものであることも好ましい。
【００２２】
本発明の他の実施形態によれば、通信品質情報は、送信側で測定された通信品質情報であることも好ましい。
【００２３】
本発明の他の実施形態によれば、送信側において、各アンテナで送信すべき信号をアンテナ間でインターリーブするターボ符号段階を有し、
受信側において、受信した信号を送信で使用したものの逆の動作をするデインターリーブする段階を有することも好ましい。
【００２４】
また、本発明の適用対象は、２以上のアンテナから各々送信すべき変調シンボルｘ1〜ｘnを、シンボル繰り返し行列を用いて、各アンテナが各送信繰り返しタイミングで送信すべき信号に変換する変換手段と、変換された信号を各アンテナから各送信繰り返しタイミングで送信する送信手段とを有する時空間ブロック符号の送信装置にあってもよい。
【００２５】
これに対し、本発明の時空間ブロック符号を用いて適応符号化した送信装置によれば、変換手段が、回線の通信品質情報に基づいて、シンボル繰り返し行列による送信繰り返しタイミングの数を、適応的に変化させることで、より高い周波数利用効率を提供することを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下では、図面を用いて、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２７】
本発明の適応符号化方法は、基本的に、時空間ブロック符号のシンボル繰り返し回数を変化させることにより、通信品質に応じた符号化率を提供しようとするものである。従来の時空間ブロック符号方法である前述の式（４）によれば、４つのPSK/QAM変調シンボルを同時に送信するため、その周波数利用効率は、使用するPSK/QAM変調シンボルの周波数利用効率の半分となる。これに対し、本発明は、シンボル繰り返し回数を減少させることにより、周波数利用効率を増加させようとするものである。
【００２８】
但し、このようにシンボル繰り返し回数を減少させることにより、誤り率特性が劣化することは自明のことである。従って、信号対雑音比の小さな劣悪な通信品質環境下においては、シンボル繰り返し回数を多くし、必要とされる誤り率を満たす通信状態を提供する。一方で、信号対雑音比の良好な通信品質環境下においては、シンボル繰り返し回数を減らし、伝送速度を高める。
【００２９】
更に、各シンボルの変調度を適応的に変化させることによって、より細かく通信状態に応じた適応制御も可能である。また、本発明によれば、当然のごとく、アンテナ数が２本又は３本の時空間ブロック符号にも適用可能である。これにより、アンテナ数の異なる時空間ブロック符号を組み合わせた適応符号化を行うことができる。
【００３０】
図２は、本発明による送信装置及び受信装置の構成図である。
【００３１】
図２によれば、送信装置について、送信すべき信号を時空間ブロック符号化し、複数のアンテナを用いて送信する。このとき、そのシンボル繰り返し回数を、伝搬路の信号対雑音比に応じて変化させる。従って、受信装置は、測定した信号対雑音比の情報を送信装置へ送信し、該送信装置は、その信号対雑音比に基づいて、時空間ブロック符号のシンボル繰り返し回数を制御する。
【００３２】
尚、送信装置において測定した信号対雑音比に基づいて、シンボル繰り返し回数を制御するものであってもよい。また、時空間ブロック符号化を行う前段で、誤り訂正符号化した送信すべき信号に、PSK/QAM変調を行うものであってもよい。
【００３３】
例えば、本発明の時空間ブロック符号の送信行列は、式（５）に示すようなものである。この場合、シンボル繰り返し回数を８回から４回、２回、１回と減らすことで、式（６）〜（８）に示すような送信行列が与えられる。８回繰り返しの時空間ブロック符号に対して、２倍、４倍及び８倍の周波数利用効率が得られるため、各送信シンボルにQPSK(Quadrature Phase Shift Keying)を使用したとすると、それぞれ１、２、４、８[b/s/Hz]の周波数利用効率となる。
【００３４】
【数１３】
0004078848.tif 000010
【数１４】
0004078848.tif 000011
【数１５】
0004078848.tif 000012
【数１６】
0004078848.tif 000013
【００３５】
尚、式（５）〜（７）は、勿論、本発明の一例であるが、発明者らのシミュレーション結果により、最適なものとして選択された組み合わせ行列である。
【００３６】
ここで、伝搬環境が、前述した式（２）により与えられるものであると仮定し、受信装置においては、以下に示す式（９）〜（１２）に従って復号を行う。それぞれ、式（５）に式（９）が対応し、式（６）に式（１０）が対応し、式（７）に式（１１）が対応し、式（８）に式（１２）が対応する。送信装置及び受信装置の間に伝搬損失がある場合には、フェージング変動に含めて計算を行う。また、式（９）については、従来の時空間ブロック符号化の復調を用いて、計算量を減らすことも可能である。
【００３７】
【数１７】
0004078848.tif 000014
【数１８】
0004078848.tif 000015
【数１９】
0004078848.tif 000016
【数２０】
0004078848.tif 000017
【００３８】
図３は、本発明の適応符号化方法について、繰り返し回数による誤り率特性を示すグラフである。図３によれば、所要ビット誤り率から要求される信号対雑音比を求め、それらを閾値として送信に使うシンボル繰り返し回数を決定する。ここで、送信回数を変化させる前に、受信装置側へ送信回数を伝えることが必要となる。
【００３９】
SNR＜SNRTH1      :シンボル繰り返し回数を８回とする
SNRTH1≦SNR＜SNRTH2:シンボル繰り返し回数を４回とする
SNRTH2≦SNR＜SNRTH3:シンボル繰り返し回数を２回とする
SNRTH3≦SNR      :シンボル繰り返し回数を１回とする
【００４０】
更に、前述の実施形態に加えて、送信アンテナ数の異なる時空間ブロック符号を用いて行う適応符号化を考える。
【００４１】
前述の式（１）に示した２本の送信アンテナの時空間ブロック符号と、そのシンボル繰り返し回数を１回に減らした送信行列と、式（５）〜（８）にて示される適応符号化方法とを用いて、適応符号化を行う。各アンテナにおける送信電力が一定であるとすると、送信電力が４本の場合に対して、送信アンテナが２本の場合は、総送信電力が半分となる。これにより、送信機の消費電力および他局への干渉を半分にすることができる。
【００４２】
各符号化方法の周波数利用効率は、変調方法にQPSKを使用した場合、以下のように与えられる。
４本送信アンテナ  ８回シンボル繰り返し  １[b/s/Hz]
４本送信アンテナ  ４回シンボル繰り返し  ２[b/s/Hz]
４本送信アンテナ  ２回シンボル繰り返し  ４[b/s/Hz]
４本送信アンテナ  １回シンボル繰り返し  ８[b/s/Hz]
２本送信アンテナ  ２回シンボル繰り返し  ２[b/s/Hz]
２本送信アンテナ  １回シンボル繰り返し  ４[b/s/Hz]
【００４３】
図４は、本発明によりアンテナ数を変化させた場合の、繰り返し回数による誤り率特性を示すグラフである。
【００４４】
図４中における括弧内の数字(M,N)は、送信アンテナ数とシンボル繰り返し回数を示している。
SNR＜SNRTH1      :アンテナ数を４本、シンボル繰り返し回数を８回とする
SNRTH1≦SNR＜SNRTH2:アンテナ数を４本、シンボル繰り返し回数を４回とする
SNRTH2≦SNR＜SNRTH3:アンテナ数を２本、シンボル繰り返し回数を２回とする
SNRTH3≦SNR＜SNRTH4:アンテナ数を４本、シンボル繰り返し回数を２回とする
SNRTH4≦SNR＜SNRTH5:アンテナ数を２本、シンボル繰り返し回数を１回とする
SNRTH5≦SNR      :アンテナ数を４本、シンボル繰り返し回数を１回とする
【００４５】
図４によれば、送信アンテナ数が４本でシンボル繰り返し回数が４回と、送信アンテナ数が２本でシンボル繰り返し回数が２回の場合など、同じ周波数利用効率を示す符号化が存在する。この場合、送信アンテナ数を２本とすることで送信電力が半分になり消費電力や他局への干渉が半分にできるため、受信側で高い信号対雑音比が得られている場合にはアンテナ数を減らすことが有効である。また、各アンテナの信号対雑音比が送信側で分かる場合には、４本のアンテナのうち最も良い伝搬環境を持つ２本のアンテナを選んで送信することも可能である。
【００４６】
更に、前述の実施形態に加えて、各送信シンボルの変調度を変化させることも好ましい。例えば、通信環境の劣悪な場合、繰り返し回数を８回とし、BPSK又はQPSKなどの変調度の低い信号を使用することで必要な信号対雑音比を達成する。通信環境が改善してきた場合には、より多値な変調を使用することで送信レートを増加させ、更に送信環境が良好な場合においてはシンボル繰り返し回数を減らしていくことで送信レートを上げることが可能になる。
【００４７】
SNR＜SNRTH1      :シンボル繰り返し回数を８回とし、BPSKで送信
SNRTH1≦SNR＜SNRTH2:シンボル繰り返し回数を８回とし、QPSKで送信
SNRTH2≦SNR＜SNRTH3:シンボル繰り返し回数を８回とし、８PSKで送信
SNRTH3≦SNR＜SNRTH4:シンボル繰り返し回数を８回とし、１６QAMで送信
SNRTH4≦SNR＜SNRTH5:シンボル繰り返し回数を４回とし、１６QAMで送信
SNRTH5≦SNR＜SNRTH6:シンボル繰り返し回数を２回とし、１６QAMで送信
SNRTH6≦SNR      :シンボル繰り返し回数を１回とし、１６QAMで送信
【００４８】
前述した本発明による時空間ブロック符号を用いた適応符号化方法及び送信装置の種々の実施形態によれば、本発明の技術思想及び見地の範囲の種々の変更、修正及び省略は、当業者によれば容易に行うことができる。前述の説明はあくまで例であって、何ら制約しようとするものではない。本発明は、特許請求の範囲及びその均等物として限定するものにのみ制約される。
【００４９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、劣悪な通信品質環境下においては、シンボル繰り返し回数を多くし、必要とされる誤り率を満たすべく動作し、良好な通信品質環境下においては、シンボル繰り返し回数を減らし、周波数利用効率を高めることができる。
【００５０】
また、本発明によれば、各シンボルの変調度を適応的に変化させることによって、より細かく通信状態に応じた適応制御も可能である。
【００５１】
更に、本発明によれば、アンテナ数の異なる時空間ブロック符号を組み合わせた適応符号化を行うことができるので、同じ周波数利用効率を達成しながら送信電力及び他局への干渉を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の時空間ブロック符号方法による送信装置の構成図である。
【図２】本発明による送信装置及び受信装置の構成図である。
【図３】本発明の適応符号化方法について、シンボル繰り返し回数による誤り率特性を示すグラフである。
【図４】本発明によりアンテナ数を変化させた場合の、シンボル繰り返し回数による誤り率特性を示すグラフである。
【図１】
0004078848.tif 000022
【図２】
0004078848.tif 000023
【図３】
0004078848.tif 000024
【図４】
0004078848.tif 000025