特許 5680337 ＭＵ−ＭＩＭＯＯＦＤＭＡのための周波数オフセットおよびチャネル応答の同時推定のための方法および装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5680337

(24)【登録日】2015年1月16日

(45)【発行日】2015年3月4日

(54)【発明の名称】ＭＵ−ＭＩＭＯＯＦＤＭＡのための周波数オフセットおよびチャネル応答の同時推定のための方法および装置

(51)【国際特許分類】

   H04J 99/00 20090101AFI20150212BHJP

   H04J 11/00 20060101ALI20150212BHJP

   H04J 1/00 20060101ALI20150212BHJP

   H04W 16/28 20090101ALI20150212BHJP

   H04W 72/04 20090101ALI20150212BHJP

【ＦＩ】

   H04J15/00

   H04J11/00 Z

   H04J1/00

   H04W16/28 130

   H04W72/04 133

【請求項の数】10

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2010-121084(P2010-121084)

(22)【出願日】2010年5月27日

(65)【公開番号】特開2010-279037(P2010-279037A)

(43)【公開日】2010年12月9日

【審査請求日】2013年5月27日

(31)【優先権主張番号】12/474,344

(32)【優先日】2009年5月29日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】508243639

【氏名又は名称】エルエスアイ コーポレーション

(74)【代理人】

【識別番号】100087642

【弁理士】

【氏名又は名称】古谷 聡

(74)【代理人】

【識別番号】100082946

【弁理士】

【氏名又は名称】大西 昭広

(74)【代理人】

【識別番号】100121061

【弁理士】

【氏名又は名称】西山 清春

(72)【発明者】

【氏名】カメラン アザデット

(72)【発明者】

【氏名】サマー ヒジャズィ

(72)【発明者】

【氏名】アルバート モリナ

(72)【発明者】

【氏名】ラモン サンチェツ

【審査官】 羽岡 さやか

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−０９８８６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００９／０２２７０９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 MICHELE MORELLI，Synchronization Techniques for Orthogonal Frequency Division Multiple Acess (OFDMA): A Tutorial Review，Proceedings of the IEEE ，２００７年 ７月，Volume:95, Issue:7，P.1394-1427

【文献】 Taiwan Tang，Joint Frequency Offset Estimation and Interference Cancellation for MIMO-OFDM systems，Vehicular Technology Conference,2004. VTC2004-FALL. 2004 IEEE 60th，２００４年 ９月２６日，Volume:3，P.1553-1557

【文献】 Yonghong Zeng，Estimation of Time Delay, Frequency Offset and Channel for Asynchronous Multiuser MIMO with Multipath，Vehicular Technology Conference,2007. VTC2007-Spring. IEEE 65th，２００７年 ４月２２日，P.1455-1459

【文献】 鷹取泰司，上りリンクマルチユーザＭＩＭＯシステムにおける周波数オフセットの影響を軽減する指向性制御方，電子情報通信学会技術研究報告 アンテナ・伝搬，２００６年１０月１２日，103(302)，P.69-74

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０４Ｊ ９９／００

Ｈ０４Ｊ １／００

Ｈ０４Ｊ １１／００

Ｈ０４Ｗ ４／００−９９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の周波数資源に関して周波数オフセットおよびチャネル応答を推定するための方法であって、
前記周波数資源のうちの所与の１つを共用するユーザのセットに関して前記チャネル応答を反復して推定し、
前記セット内の前記ユーザに関して前記周波数オフセットを反復して推定することとを含み、前記セット内にないユーザの前記チャネル応答および周波数オフセットは、それらの最新の更新値で維持される、方法。

【請求項2】

ユーザの前記チャネル応答は、最初は理想チャネル応答である、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

ユーザの前記周波数オフセットは、最初はほぼゼロである、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記周波数資源はＭＵ−ＭＩＭＯ通信システムによって提供される、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記反復は、予め定義された閾値が満たされたときと、予め定義された数の反復に到達したときの１つまたは複数のときとに停止する、請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記周波数オフセットは第１のアンテナに関して決められ、前記決められた周波数オフセットは少なくとも１つの別のアンテナに関して使用される、請求項１に記載の方法。

【請求項7】

前記チャネル応答を推定する前記ステップおよび前記周波数オフセットを推定する前記ステップは事実上同時に実行され、前記セット内の前記ユーザのすべてに関する前記チャネル応答および前記周波数オフセットが、一緒に推定される、請求項１に記載の方法。

【請求項8】

周波数領域において空間交互射影期待値最大化（ＳＡＧＥ）アルゴリズムを利用する、請求項１に記載の方法。

【請求項9】

複数の周波数資源に関して周波数オフセットおよびチャネル応答を推定するためのシステムであって、
メモリと、
前記メモリに接続された少なくとも１つのプロセッサとを含み、前記プロセッサは、
前記周波数資源のうちの所与の１つを共用するユーザのセットに関して前記チャネル応答を推定し、
前記セット内の前記ユーザに関して前記周波数オフセットを推定する、ように動作し、前記セット内にないユーザの前記チャネル応答および周波数オフセットは、それらの最新の更新値で維持される、システム。

【請求項10】

前記チャネル応答および前記周波数オフセットの前記推定は、事実上同時に行われ、前記セット内の前記ユーザのすべてに関する前記チャネル応答および前記周波数オフセットが、一緒に推定される、請求項９に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、周波数オフセットおよびチャネル応答推定に関し、より具体的には、ロング・ターム・エボリューション通信システムなど、一般化搬送波割当方式（ＣＡＳ）を用いたマルチユーザ多入力多出力（ＭＵ−ＭＩＭＯ）通信環境に関する。

【背景技術】

【0002】

直交周波数分割多元接続（ＯＦＤＭＡ）方式は、複数のブロードバンドアクセス技術の重要な部分である。ロング・ターム・エボリューション、すなわち第４世代移動体通信のための規格は、アップリンクにおけるシングルキャリア周波数分割多元接続（ＳＣ−ＦＤＭＡ）、すなわちＯＦＤＭＡシステムのものと同様の性能および本質的に同じ全体構造を有するが、よりよいピーク対振幅パワー比を有する新規のシングルキャリア多元接続方式を利用する。ＭＵ−ＭＩＭＯ方式と組み合わされた場合、ＳＣ−ＦＤＭＡは、非常に高いデータ伝送速度と非常に良好なスペクトル効率を実現し、複雑さを抑えることができる。

【0003】

ＯＦＤＭＡはチャネル推定および等化作業を容易にするが、時間および周波数同期の厳しい必要条件が重要な問題になる。時間同期は、サイクリック・プレフィックス（ＣＰ）の挿入によって非常に簡略化されうる。送信機と受信機との間の周波数オフセットは、副搬送波間の直交性を破壊し、その結果、その性能を顕著に劣化させる可能性があり簡単な解決策がない搬送波間干渉（ＩＣＩ）を引き起こす。

【0004】

アップリンクにおける周波数オフセットの推定および補正のためのいくつかの方式が提案され示唆されてきた。例えば、Ｍｉｃｈｅｌｅ Ｍｏｒｅｌｌｉら、「Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ （ＯＦＤＭＡ）： Ａ Ｔｕｔｏｒｉａｌ Ｒｅｖｉｅｗ」、Ｐｒｏｃ． ｏｆ ＩＥＥＥ、Ｖｏｌ． ９５、Ｎｏ． ７（２００７年７月）は、時間領域空間交互射影期待値最大化（ＴＤ−ＳＡＧＥ）に基づく反復アルゴリズムについて記述している。開示された時間領域手法は、効果的ではあるが、それぞれ異なるユーザの周波数分離、または、たいていのチャネル推定法は周波数領域において実施されるという事実を利用していない。

【0005】

アップリンクにおける周波数オフセットを推定し補正する作業をかなり複雑にする２つの曲面がある。第１に、搬送波割当方式（ＣＡＳ）は、利用可能な副搬送波を各ユーザに影響を与えるそれぞれ異なるチャネル条件に基づいてそれぞれ異なるユーザに自由に分配するための柔軟性が「マルチユーザ・ダイバーシチ」の形態を提供するので、チャネルの容量を最大化する際に重要な役割を務める。一般化ＣＡＳは、最大ダイバーシチ利得を提供するが周波数オフセット推定を複雑にもするほとんど制約のない搬送波割当手順を可能にする。さらに、アップリンクにおいては、基地局にアクセスする各モバイル・ユーザは、それぞれ異なる量の周波数オフセットの影響を受けることになる。

【0006】

したがって、ＭＵ−ＭＩＭＯ ＯＦＤＭＡ通信システムのための周波数オフセットおよびチャネル応答の同時推定のための方法および装置の必要が存在する。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】Ｍｉｃｈｅｌｅ Ｍｏｒｅｌｌｉ外、「Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ （ＯＦＤＭＡ）： Ａ Ｔｕｔｏｒｉａｌ Ｒｅｖｉｅｗ」（Ｐｒｏｃ．ｏｆ ＩＥＥＥ、Ｖｏｌ．９５、Ｎｏ．７（２００７年７月）

【発明の概要】

【0008】

一般に、ＭＵ−ＭＩＭＯ通信システムなどの通信システムのための周波数オフセットおよびチャネル応答の同時推定のための方法および装置が提供される。本発明の一態様によれば、複数の周波数資源に関して周波数オフセットおよびチャネル応答を推定するための反復方法が提供される。周波数資源のうちの所与の１つを共用するユーザのセットに関してチャネル応答が推定される。さらに、セット内のユーザに関して周波数オフセットが推定され、セット内にないユーザのチャネル応答および周波数オフセットは、それらの最新の更新値で維持される。最初は、ユーザのチャネル応答は、理想チャネル応答でよく、周波数オフセットは、ほぼゼロでよい。

【0009】

反復は、予め定義された閾値が満たされたときに、または予め定義された数の反復に到達したときに、任意選択で停止することができる。周波数オフセットは、第１のアンテナに関して任意選択で決められ、次いで、決められた周波数オフセットは、少なくとも１つの別のアンテナに関して使用される。チャネル応答を推定するステップおよび周波数オフセットを推定するステップは、同時に任意選択で実行される。一例示的実施形態では、開示された方法は、周波数領域において空間交互射影期待値最大化（ＳＡＧＥ）アルゴリズムを利用する。

【0010】

本発明、ならびに本発明のさらなる特徴および利点のより完全な理解は、以下の詳細な説明および図面を参照することにより得られるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明が動作することができる例示的通信環境を例示する図である。

【図2】例示的一般化搬送波割当方式を例示する図である。

【図3】本発明の特徴を組み込んだ周波数オフセットおよびチャネル応答推定プロセスの例示的実施形態を説明する流れ図である。

【図4】ｆ（γ，ε_ｍ，ｆ）、周波数誤差指数関数のＦＦＴを例示するグラフである。

【図5】キャンセルされた成分の数の関数として、この結果によって課される信号対雑音比（ＳＮＲ）リミットを例示するグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本発明は、周波数領域における空間交互射影期待値最大化（ＳＡＧＥ）アルゴリズムによる一般化周波数割当方式を用いた例示的ＭＵ−ＭＩＭＯ ＯＦＤＭＡアップリンクのための周波数オフセットおよびチャネル応答の同時推定のための方法および装置を提供する。本発明は、周波数オフセット補正方式はチャネル応答の知識を必要とし、逆の場合も同じであることを認識している。したがって、周波数オフセットおよびチャネル応答両方の同時推定のための効率のよい方法が提供される。チャネルおよび周波数推定値は、アップリンク・フレーム内の各ユーザによって周期的に送信されるトレーニング・ブロックを使用して得られる。

【0013】

図３に関連して以下でさらに論じられるように、例示的アルゴリズムは、反復およびサイクルから成る。反復は、いくつかのサイクルを備える。各サイクルでは、同じ周波数資源（ＭＵ−ＭＩＭＯ）を共用するユーザのセットに関してチャネル応答が推定（および更新）され、その他のユーザのチャネルおよび周波数オフセットをそれらの最新の更新値で保持する。次いで、その他のすべてのユーザに関してチャネルおよび周波数オフセットの最新の推定値を仮定して、セット内のこれらのユーザのそれぞれに関して周波数オフセットが推定される。第１の反復では、アルゴリズムは、前に算出された推定値を、古いユーザに関しては開始点、新しいユーザに関しては理想チャネル応答とみなし、周波数誤差はないとみなす。反復は、プログラムされた更新数に到達したときに停止する。一般に、周波数誤差は、ＭＵ−ＭＩＭＯの場合、１つの受信アンテナに関してのみ推定されてよく、次いで、その推定値は、その他のアクティブ・アンテナに関して使用されてよい。

【0014】

図１は、本発明が動作することができる例示的通信環境１００を例示する。図１に示されているように、例示的通信環境１００は、一般化周波数割当方式を用いたＭＵ−ＭＩＭＯ ＯＦＤＭＡアップリンクである。他の変形形態では、本発明は、当業者には明らかであろうように、ＳＣ−ＦＤＭＡシステム、ならびにシングルユーザ（ＳＵ）ＭＩＭＯなどの他のＭＩＭＯ方式おいて適用されうる。例示的通信環境１００は、基地局１１０および複数のユーザ機器（ＵＥ）デバイス１２０−１から１２０−Ｎ_ＵＥまでを備える。基地局１１０は、複数の受信アンテナ１３０−１から１３０−Ｎ_ＲＸまでを有する。以下の数学的記述では、アンテナの数はまた、Ａと表されることが留意される。一般に、図１に示されているように、各ＵＥ１２０は、対応する周波数割当（ＣＡ）、周波数誤差、εを使用して、およびアンテナの送信機／受信機ペアごとに異なる特定のチャネル応答、Ｈによって送信する。

【0015】

図２は、例示的一般化周波数割当方式２００を例示する。図２の例示的方式２００では、１０のユーザ（それぞれ異なる塗りつぶしパターンを有する）は、４つの空間次元、Ｍ１からＭ４まで、および１０の周波数帯域、Ｆ１からＦ１０までを共用する。したがって、図２に示されているように、複数のユーザは、同じ周波数チャネルを共用することができる。周波数誤差、εは、ユーザごとに異なってよい。さらに、図２に示されているように、複数の周波数帯域が所与のユーザに割り当てられた場合、それらは連続していなくてよい。

【0016】

仮定
示されている実際の値は、単にＬＴＥのための典型的な構成を例示するものであることが留意される。Ｆの割り当てられた周波数帯域があり、ｆ＝０、・・・、Ｆ−１。
周波数帯域ごとにＭ_ｆのユーザがあり、０≦ｍ≦Ｍ_ｆ−１。周波数帯域割当ごとに最大４つのユーザがあってよく、Ｍ_ｆ≦４。
Ｓ_ｍｆ（ｎ）は、ユーザｍおよび帯域ｆの副搬送波である。それぞれ異なる割り当てられた周波数帯域は、重なり合っていてはならない。
高速フーリエ変換（ＦＦＴ）サイズ、Ｎ、ここで、Ｎは、通常、１０２４に等しい。
Ａの受信アンテナがあり、α＝０．．Ａ−１。

【0017】

方程式
受信アンテナαにおける信号は、

【数1】

によって与えられ、式中、ε_ｍ、ｆは、副搬送波間隔に対して正規化された帯域ｆのユーザｍに関する周波数誤差であり、Ｌは、すべてのユーザにわたる最大チャネル長であり、ｓ_ｍ，ｆは、Ｓ_ｍ，ｆのＩＦＦＴである。

【0018】

周波数領域においては、サイクリック・プレフィックス抽出およびＦＦＴの後に、副搬送波ｎごとに、

【数2】

式中、

【数3】

は、周波数誤差指数関数

【数4】

のＦＦＴであり、（・）_ＮはモジュロＮインデクシングを表す。

【0019】

キャンセルされたＩＣＩ成分の数は、±Ｎ_ＩＣＩに限定されうる。帯域の両端に周波数ガード帯域があると仮定すると、通常、循環畳み込みを実行する必要がなく、サブインデックスＮは、以下のように落されうる。

【数5】

【0020】

図３は、本発明の特徴を組み込んだ周波数オフセットおよびチャネル応答推定プロセス３００の例示的実施形態を説明する流れ図である。一般に、周波数オフセットおよびチャネル応答推定プロセス３００は、すべてのユーザに関してε_ｍ，ｆおよびＨ_ｍ，ｆを一緒に推定する。周波数オフセットおよびチャネル応答推定プロセス３００は、通常、図１の基地局１１０においてプロセッサによって実行される。

【0021】

図３に示されているように、周波数オフセットおよびチャネル応答推定プロセス３００は、反復の数を追跡するためにカウンタ、ｊを利用し、割り当てられた周波数帯域を追跡するためにカウンタ、ｆを利用し、所与の周波数帯域内のユーザを追跡するためにカウンタ、ｍを利用する。

【0022】

どのスロットにおいても、復調基準信号（ＤＭＲＳ）など、ステップ３１０中のトレーニング・ブロックの到着時に、
１． アンテナα＝０に関して。以下のアルゴリズムのｊ＝０．．Ｊ−１の反復を行う。
ａ． すべての割り当てられた周波数帯域ｆｉ＝０．．Ｆ−１に関して
ｉ． 周波数帯域のすべての副搬送波にわたってｎに関して計算する。

【数6】

式中、

【数7】

（以下、「ε＾_ｍ、ｆ」と表記する。他の変数についても同じ）は、ε_ｍ，ｆの最も新しく推定された値であり、Ｈ＾_ｍ、ｆは、Ｈ_ｍ，ｆの最も新しく推定された値である。第１の反復において、新しいユーザは、ステップ３１５中に、ε＾_ｍ，ｆ＝０及びＨ＾_ｍ，ｆ＝０を有することも留意される。ｎの値に関するＨ＾_ｍ，ｆ（ｎ）＝０は割り当てられた周波数帯域外である。
ｉｉ．

【数8】

を使用して、この帯域のすべてのＭＵ−ＭＩＭＯユーザ、

【数9】

（ｍ＝０、・・・Ｍ_ｆ−１）に関してステップ３２０中にチャネル応答を推定する。次いで、チャネル応答は、すべてのＭＵ−ＭＩＭＯユーザ、

【数10】

（ｍ＝０、・・・、Ｍ_ｆ−１）に関してステップ３３０中に更新される。
ｉｉｉ ｍｉ＝０．．．Ｍ_ｆ−１に関して、この周波数帯域のすべての副搬送波、および隣接する帯域のどちらか一方上のＮ_ＩＣＩ副搬送波にわたってｎに関して計算する。

【数11】

式中、ε＾_ｍ．ｆは、ε_ｍ，ｆの最も新しく推定された値であり、Ｈ＾_ｍ，ｆは、Ｈ_ｍ，ｆの最も新しく推定された値である。ステップ３４０中に、以下の式、

【数12】

を最大化するε＾_{ｍｉ，ｆｉ}の値を探索する。次いで、周波数オフセットは、すべてのユーザに関してステップ３５０中に更新される。アンテナα＝１．．Ａ−１に関して、アンテナα＝０からの周波数誤差推定値が使用され、チャネル応答が推定される。

【0023】

図４は、ｆ（γ，ε_ｍ，ｆ）、周波数誤差指数関数のＦＦＴを例示し、図５は、キャンセルされたｆ（γ，ε_ｍ，ｆ）の成分の数の関数として、この結果によって課される信号対雑音比（ＳＮＲ）リミットを例示する。図４および図５に示されているように、通常、少数の寄与をキャンセルするだけで十分である。ＳＮＲリミットは、約２３．６ｄＢなので、例えば、各搬送波の各サイド上の１１の成分をキャンセルすれば十分でありうる。これは、同じブロック内の他の副搬送波からの、および隣接するブロック上の副搬送波の干渉だけが、キャンセルされる必要があろうことを意味する。

【0024】

結論
本発明の例示的実施形態は、デジタル論理ブロックに関して説明されてきたが、当業者には明らかであろうように、様々な機能は、ソフトウェア・プログラムでの、回路要素またはステート・マシンによるハードウェアでの、あるいはソフトウェアおよびハードウェア両方の組合せでの処理ステップとしてデジタル領域において実行されてよい。そのようなソフトウェアは、例えば、デジタル信号プロセッサ、マイクロコントローラ、または汎用コンピュータにおいて利用されうる。そのようなハードウェアおよびソフトウェアは、集積回路の中に実装された回路の中で実施されてよい。

【0025】

したがって、本発明の諸機能は、方法およびそれらの方法を実施するための装置の形態で実施されうる。本発明の１つまたは複数の態様は、例えば、記憶媒体に記憶されるか、機械にロードされ、かつ／またはそれによって実行されるか、あるいは何らかの伝送媒体を介して伝送されるプログラム・コードの形態で実施されてよく、プログラム・コードがコンピュータなどの機械にロードされ、それによって実行される場合、その機械は本発明を実施するための装置になる。汎用プロセッサ上で実行された場合、プログラム・コード・セグメントは、プロセッサと結合して特定の論理回路に類似した動作をするデバイスを提供する。

【0026】

本明細書で示され説明された諸実施形態および変形形態は単に本発明の原理を例示するものであって、様々な変更形態が本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく当業者によって実施されてよいことが理解されるべきである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】