JP2001203527A - Imt−2000コード分割多重無線通信用スマートアンテナ - Google Patents
Imt−2000コード分割多重無線通信用スマートアンテナInfo
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Abstract
度フェージング環境及び/または一群の干渉ユーザー下
で、高性能低費用のスマートアンテナを提供。 【解決手段】スマートアンテナシステムで使用するため
のものであり、ラグランジュかけ算器なしに、最大出力
電力標準に基づいて、チャネル推定及びデータシンボル
復調のため、受信機の前端の代りに擬似雑音(PN)逆拡散
の後印加される加重ベクトルを生成するための方法にお
いて、初期加重ベクトルw(0)及び初期固有値λ(0)を設
定するステップと、新しいポスト-PNプロセシングデー
タy(k)を受信するステップと、スナップショットインデ
ックスkで加重ベクトルw(k)を更新するステップを含
む。
Description
特にコード分割多重接続無線通信のためのスマートアン
テナの開発に関する。
al systems for Mobile communications(GSM)及び時間
分割多重接続(TDMA)基盤セルラーシステム(cellular sy
stems)のためのものであり、次のような理由のため、直
接拡散(DS: direct sequence)コード分割多重接続(CDM
A)システムに適合しない。
ユーザーは、共同チャネルを有しており、その数は、ア
ンテナの数を容易に超えることができた。また、多重経
路電波と夫々の送信経路が多様な遅延時間を有する直接
経路、反射経路、回折経路とを含むことができるという
事実のため、複雑なアレイは定義されることが困難であ
る。従って、方向-finding基盤ビーム形成技術は、適用
することが困難であり得る。また、いかなるトレーニン
グ(training)や基準信号も移動局と基地局との間のリン
クに存在しない。従って、基準信号基盤技術は、使用で
きない。
ラインド技術(blind technique)を利用する適応アンテ
ナアレイとに定義し得る。スマートアンテナは、トレー
ニング信号や以前空間情報を要求しない。最近、ベクト
ルチャネル及び相応される適応ビーム形成器(adaptive
beamformer)を推定するための技術がCDMA無線システム
のために開発されてきた。この技術で、コード-フィル
タリング(code-filtering)は、夫々のフィンガー(finge
r)(システムで多重経路構成要素を所望のユーザー信号
から分離させる並列受信機)のためのそれぞれのアンテ
ナで実行される。前、後相関関係アレイ共分散行列の固
有構造は、チャネルベクトルを推定し、対応する適応ビ
ーム形成器を誘導することに用いられる。このような技
術は、レイクフィンガー(RAKE finger)を使用する多重
経路電波の場合にまで拡張される。結局、全体受信機構
造は、ビーム形成器-レイク(Beamformer-RAKE)と呼ばれ
る。ビーム形成器-レイクは、夫々のユーザーのフィン
ガーのため、拡散されたコードに対する完壁な情報を有
していると仮定するが、いかなるトレーニング信号も要
求しないため、ビーム形成器-レイクは、ブラインド技
術である。ビーム形成器-レイクは、信号電波に対する
いかなる仮定も要求しないため、多様な電波設定に適す
る。
境が随時変わる時、適応ビーム形成器は、変化する環境
と調和を成すため、加重ベクトル(weight vector)を絶
え間なく更新する。Ayman F. Naguibの論文(Ayman F.Na
guib、 Arogyaswami Paulraj、"Performance of Wirele
ss CDMA with M-ary Orthogonal Modulation and Cell
Site Antenna Arrays、" IEEE Journal on Selected Ar
eas in Communications、 Vol.14、No.9、 pp.770-178
3、 1996年12月)に開示された適応アルゴリズムは、一
般化された固有ベクトルと固有価値探索(finding)とに
基づいており、信号対-干渉-雑音電力比(SINR0)を最
大化するように設計されている。Ayman F.Naguibの論文
で提案されたスマートアンテナを別の従来のスマートア
ンテナと比較してみると、ビットエラー率(BER)は、相
当に改善されているが、極めて多い量の演算を必要とす
るため、実際分野で適用するのは極めて難しい。過度な
演算は、アンテナアレイ出力のためのMxM自動共分散行
列の固有値及び固有ベクトルの計算によるものである。
amの論文(Maggie Dunham etal。、"Tetherless T3 and
Beyond、"Interim Report、 National Science Found
ation Workshop on November 19-20、1998、http://ww
w.cudenver.edu/public/engineer/T3-Workshop/T3Repor
t-12-98.htmlで見出せる)で言及されたことのように、
‘ファーストプロトコル/アルゴリズム(Fast Protocols
/Algorithms)'は、“時間的に空間的に多様に変わるチ
ャネル(temporally-spatially varying channels)"を
必要とする。最大SINR0の代りに最大出力電力に基づい
て計算回数を相当に減少させる簡単なスマートアンテナ
が、shimなどの論文(D. Shim and S.Choi、"A New Bli
nd Adaptive Algorithm Based on Lagrange's Formula
for a SmartAntenna System in CDMA Mobile Co
mmunications、" IEEE Vehicular Technology
Conference、pp.1160-1164、 Ottawa、 1998年5月)及
びSongなどの論文(Yoo S.song and Hyuck M.Kwon、 "
Simple Analysis of a Simple Smart Antenna
for CDMA Wireless Communications、" IEEE Ve
hicular Technology Conference、 Houston、 T
X、 pp.254-258、 1999年5月16-20日)(Yoo S.song an
d Hyuck M.Kwon、 "Analysis of a Simple Smart
Antenna for Code Division Multiple Ac
cess Wireless Communications、" IEEE Journal on
Selected Area in Communications、 1999年6月)から導
入された。
論文での結果と類似の動作を示す。しかし、Shimなどの
論文では、最大出力標準は、ラグランジュ(Lagrange)か
け算器方式を適用しており、少し高い演算ロード(〔Son
gなどの4Mと比較して5.5M〕を導入している。もし、拡
散スペクトル処理利得(processing gain)が、非常に高
ければ(例えば、IS-95CDMAシステムで21dB)、最大出力
電力標準は、適応可能であり、効果的なアンテナ加重ベ
クトルを算出し得る。受信された多重経路の強度は、実
際には同一でない可能性もある。このようなアルゴリズ
ムの短所は、もしPN逆拡散の後に所望しない信号の電力
が強いか、または信号対干渉入力比(SIR i)が低ければ、
弱い経路信号に対する最適加重ベクトルが所望しないユ
ーザー、または強い経路信号方向を捜し出すことができ
る。
いSIRi動作は、高いSIRiよりさらに重要である。従っ
て、SINRを最大化することのみならず、より小さい演算
ロードを有するスマートアンテナアルゴリズムの開発が
好ましい。本明細書には、このような二つのスマートア
ンテナアルゴリズムが開示されており、Naguibなどの論
文における固有ベクトル探索機能を有する既存のスマー
トアンテナと比較されており、その一つでは、Songなど
の論文で提案された最大出力電力標準に基づいている。
4個のアルゴリズムの中、2個のみがスナップショット
(Snap shot)当たり4M計算量(order)程の演算ロードを
要求する。ここで、Mは、基地局におけるセクター内の
アンテナの数である。他のアルゴリズムは、4M+2M2計算
量ほどの演算ロードを要求しており、最大SINR0標準に
基づいている。3個のアルゴリズム共に、固有値と固有
ベクトルに対するいかなる演算も要求しない。3個のス
マートアンテナ加重ベクトルは、時間分割多重接続(TDM
A)システムと周波数分割多重接続(FDMA)システムとを越
えて、DS-CDMAシステムのこの点を開発するため、Nagui
bなどの論文のように、ポスト-PNプロセシング後に適用
される。ビットエラー率(BER)対ユーザーの数が分析さ
れ、シミュレート(simulate)される。
ナは、一般化されたた固有ベクトル探索により、M2より
多くの計算量を要求し、具現が難しくて費用が多く消耗
される。均等強度ジェイクフェージングチャネル(Jake
fading channel)及び非均等強度ジェイクフェージング
チャネル全てに適用される。また、散乱(scattered)干
渉モデル及び一群の(cluster)干渉モデル共に、考慮さ
れる。
相互擬似雑音(cross pseudo noise)拡散及び逆拡散、ま
たパイロット-補助(pilot-aided)チャネルの推定は、IS
-95コード分割多重接続(CDMA)無線通信システムと異な
るいくつかの重要な特性を有している。このような異な
る特性は、本発明に含まれている。
簡単なスマートアンテナアルゴリズムが未来の超高速高
性能低費用DS CDMA無線通信システムのために提示され
ており、固有ベクトルを探索する従来のスマートアンテ
ナと比較される。二つのスマートアンテナのみがスナッ
プショット当たり4M計算量の演算ロードを要求してい
る。
の命令演算ロードを要求している。それらの中で2個
は、従来のアルゴリズムとして最大信号対干渉プラス雑
音の出力比(SINR0)に基づいている。
間的に、空間的に変化するチャネルのためのものであ
る。
固有ベクトル探索により、M2より多くの計算量を要求
し、具現が難しくて費用が多く消耗される。
ake fading channel)及び非均等強度ジェイクフェージ
ングチャネル共に適用される。
群の(cluster)干渉モデル共に、考慮される。
ビット(コードシンボル)エラー率(BER)が分析され、シ
ミュレートされ、従来の技術とも比較される。
ンテナが、非均等強度フェージング環境及び/または一
群の干渉ユーザー下で、従来技術にかかるアンテナより
よく遂行することが観察される。
NR標準に基づいた2M2+4M計算量を有する他の簡単なスマ
ートアンテナアルゴリズムは、考慮された4個のスマー
トアンテナの中から最も最上の性能を示す。
いられたMATLABプログラムソースコードを提供する。
成3に基づいた複雑なPN拡散を示す。
準案(TIA、Interim V&V Text for CDMA2000 Physical l
ayer (Revision 8.3)、1999年3月16日)に詳細に説明さ
れている。
ームdni(k)は1であり、トラフィックチャネルで入力デ
ータストリームdnq(k)は、±1のランダムシーケンスで
ある。ここで、kは、コードシンボルインデックスを示
す。
クトル適用比率(すなわち、スナップショット比率)と同
一であると仮定される。
ック(specification)によれば、逆方向トラフィックチ
ャネルの振幅の平方根8倍が選択される。
ルとには、直交ウォルシュ(Walsh)コードbn I(i)=1及びb
n Q(i)=±1選択的なシーケンスがかけられる。
1-16)を利用してan(i)=an I(i)+jan Q(i)でPN拡散され
る。PN拡散信号は、[A0dn I(k)bn I(i)+jdn Q(k)bn Q(i)]
(an I(i)+jan Q(i)) = [A0+jdn Q(k)bn Q(i)] (an I(i)+jan Q
(i))で表す。ここで、i及びkは、各々チップ及びコード
シンボル(あるいはスナップショット)インデックスを示
す。
(f)(17、18)の次の等価低域通過(lowpass)I及びQ成分
は、sn I(t)+ jsn Q(t)で示す。
介してユーザーnから伝送された信号sn(t)は、次のよう
に示すことができる。
モデルは、与えられた移動速度と搬送波周波数に対する
夫々の多重経路のため用いられる。ジェイクフェージン
グモデルの詳細な内容は、Jakeの論文(W.C.Jakes、 Jr.
Ed.、 Microwave Mobile Communications、Wiley、197
4)に説明されている。
マートアンテナプロセッサを有する受信機を示す全体
ブロック図である。
tion of arrival angle、以下‘DOA'という)は、独立的
なランダム変数であり、また同じ移動ユーザーからのL
個の多重経路信号のDOAは、独立的であると仮定する。
は、λ/2となるように選択される。ここで、λは、与え
られた搬送波周波数fc及び光束c=3×108m/sのためのc/f
cと同じ波長である。
方向からでも、同じ応答を有すると仮定する。
れ、M個のアンテナ出力信号は、空間位相のためe-j2(
(m-1)(dsin()/( = e-j((m-1) sin(, m=1, ... ,Mを除い
ては、同一である。
イ模型に応じて角度θでアレイに到達する。アンテナア
レイ応答ベクトルa(θ)は、次のように示すことができ
る。
のように示すことができる。
々多重経路遅延、振幅、位相及びユーザーnからの1番目
経路の入射角であり、nm(t)は、両面電力スペクトル密
度N0/2を有する熱雑音である。より低い場合1=1、 …、
L、 m=1、 、M及びn=1、...Nは、フィンガー(また
は、経路)、アンテナ、移動ユーザーに対するインデッ
クスを各々示している。
ローカルミキサー(local mixer)(30-1、 ...、 30-M、3
1-1、 ...、 31-M)により個別的に下方周波数変換され
る。ローカルミキサー(30-1、 ...、30-M、31-1、
...、 31-M)からの位相歪曲が同一のようにローカルミ
キサーが測定される。
an)の独立的なベースバンド熱雑音に夫々のアンテナ出
力でのI及びQ成分が加わる。
(f)、またはティラックデルタインパルス(Dirac delta
impulse)が用いられる。二つの相互異なるベースバンド
フィルタを用いることによって、BERの差は微々たるも
のとなる。
ップ間隔Tcごとにサンプリングされて、x1、m(i)に示さ
れる。ここで、iは、チップインデックスを示す。
され、ユーザーインデックスは、表記の簡潔さのため、
省略される。
ム整数(各々Tcと10Tcとを含む)となるように選択され
る。これは、Tcが1/1.2288 M=0.813μsであり、シンボ
ル比率が19.2kspsである時の実際多重経路遅延を示す。
を提供する場合、逆拡散部(37、39)を介して受信された
サンプルは、an(i)=an I(i-δ1)+jan Q(i-δ1)に複素数PN
逆拡散される。
す。
Q(i)で表現される。
アンテナプロセッサ38は、フリーPNプロセシングベクト
ルx l(i)=(xl、m=1(i)、...、 xl、m=M(i))T及びポスト-PN
プロセシングベクトルy l(i)=(yl、m=1(i)、...、 yl、
m=M(i))T、k番目のスナップショットに対してi=(k-1)
G、 ...、kGを取る。ここで、Gは、シンボル当たりPNチ
ップの数字であり、処理利得(64と同一)という。
ロセッサ38は、フィンガー1のための加重ベクトルwl(k)
=(wl、m=1(k)、 ...、wl、m=M(k))Tを発生させる。
ータシンボル復調のための受信機前端の代りにPN逆拡散
部(37、39)の後、印加される。
のパイロットチャネル推定部(42、44)において、パイロ
ット補助チャネル推定は、次のように示す。
推定ウィンドウでのチップの数である。
算器(40、41)から出力された加重PN逆拡散信号yl、m(i)w
l、m *(k)は、かけ算器(45、46)でウォルシュコード発生
器43により発生されたウォルシュコードの共役複素数bl
*(i)=b*(i-δ1)及びチャネル推定
間に累積される。
され、次のように示す。
0)で各々m及び1に対して遂行され、次のように示す。
復調器(Viterbi soft decisiondecoder)151、または軟
式判定復調器152に提供され得る。
シンボル(ビット)エラー確率を分析及びシミュレートす
る。
は、フリーPNプロセシングデータx1(i)とポスト-PNプロ
セシングデータy1(i)の自動-相関行列Rxx(k)及びRyy(k)
を要求する。
行列Rxx(k)及びRyy(k)を各々どのように適合に推定する
のかを示す。
ように表し得るである。
m(i)は、Ryy(k)を推定するためのシンボル間隔の間、合
算される。
れ、パイロットチャネル情報は、直交ウォルシュコード
によって合算された後、通過される。
することができる。
ズムを説明する。その中の2個のスマートアンテナは、
新しく発明されたものであり、その一つは、Songなどに
より最近、発明された。また、残り一つは、Naguibなど
の論文に記載された最大SINR出力標準に基づいて、発明
者により変形されたスマートアルゴリズムである。
力に基づいたスマートアンテナ。図6は、Yoo S.Song及
びHyuck M.Kwonにより発明されたスマートアンテナの動
作フローチャートとして、SINRを最大化する代わりに
B.Yangの論文(B.Yang、"An Extended of Signal Proce
ssing Letter、 vol.2、 no.9、 pp.179-182、 1995年9
月)に開示されたデフレーションを利用した写像近似副
空間追跡(PASTd:projection approximation subspace
tracking with deflation)を使用することによって、
平均自乗エラー(MMSE: mean square error)を最小化す
る。
最適アレイ加重ベクトルw(k)は、SINRが充分である時、
ステップ51及び52でy(k)自動相関行列の主要な固有ベク
トルに接近する。
用関数は、次のように示すことができる。
さのため、省略する。
れた加重ベクトルw(k)は、次のように表現することがで
きる。
であり、*は、共役演算、λ(k)は、自動-共分散行列Ry
y(k)の固有値であり、w1(k)は、w(k)の第一番目の要素
であり、ステップ53でz(k)は、アレイ出力である。
定される。固有値λ(k)は、次のように更新される。
され、初期固有値λ(0)は、Mに設定される。
利用することにより、既存のアルゴリズムより極めて小
さなスナップショッ当たり4Mの演算周期のみが必要とな
る。
演算は、恒等行列ではないとしても、y(k)からy(k)への
恒等写像となり、加重ベクトルが最適となる時、すなわ
ち、加重ベクトルw(k)が到達チャネルベクトルa(k)に比
例するならば、平均自乗エラーE[||y(k)-w(k)wH (k)y(k)
||2]は、0となることに注目すべきである。
最適化と何ら関係がないし、第二番目と第三番目との項
の和は、−wH(k)Ryy(k)w(k)=−|z(k)|2となり、-w H(k)w
(k)=1である場合、負数の(negative)アレイ出力|z(k)|2
となる。すなわち、加重ベクトルw(k)が数式(9)で費用
関数を最小化すれば、アレイ出力電力z(k)は、最大とな
る。
イ出力電力を附与するのにおいて、優位を占めることが
でき、加重ベクトルのビームパターンが所望するユーザ
ー信号の方向を追跡できるように許すことを大概充足さ
せるため、このアルゴリズムは、2G、または3G CDMAシ
ステムにおいて効果的である。
の数が少ない場合、PN逆拡散の後、所望しないユーザー
信号の電力が強ければ、最適加重ベクトルが所望しない
ユーザー信号方向を捜し出すことができるということで
ある。Shim et al.の論文でも、最大アレイ出力電力標
準の一種類が使用され、本発明における結果と類似の性
能を示している。
出力電力標準は、ラグラジュかけ算器方式を使用し、4M
でなく5.5Mである少し大きいビット演算ロードを導入し
ている。
基づいたスマートアンテナ 図7は、Naguib et al.の論文における最大SINR出力標準
に基づき、発明者により変形されたスマートアルゴリズ
ムのフローチャートを示す。
ーに対するポスト-PN相関信号ベクトルyは、スナップシ
ョットkにおいて、次のように表すことができる。
みのユーザー信号ベクトルであり、i(k)は、M×1 PN-拡
散干渉信号ベクトルであり、n(k)は、M×1熱雑音ベクト
ルであり、v(k)=i(k)+n(k)は、干渉及び雑音ベクトルで
ある。
ーム形成器の出力におけるSINRは、次のように表すこと
ができる。
は、次のように表すことができる。
列、フリーPN逆拡散アレイサンプルベクトル、M×1 y
(k)のRyy(k)=M×M自動相関行列、ポスト-PN逆拡散アレ
イサンプルベクトル、及びv(t)は、所望しない信号であ
る。数式16において、定数ζは、ビーム形成器SINR出力
に影響を及ぼさない。Naguib et al.の論文で、チャネ
ルベクトルa(k)は、一般化された固有値問題点の主な固
有ベクトルとして推定される。
ネルベクトルa(k)が、次の数式を満足させるため、行列
Ryy(k)−Rxx(k)の最大固有値を有する固有ベクトルとし
て簡単に推定される。
た加重ベクトルが、出力SINRを最大化することも容易に
分かる。
けるスマートアンテナアルゴリズムが、スナップショッ
ト当たりM2以上の計算量を有する反面、数21式を使用
するスマートアンテナの演算ロードは、スナップショッ
ト当たりM2の計算量である。
Golub et al.の著書(G.H.Goluband C.F.Loan、 Mat
rix Computations、Baltimore and London、 Johns H
opkins University Press、 second edition、1989)に
記載された電力方式繰り返しと共に、夫々のユーザーフ
ィンガーのため、Naguibなどの論文で使用される。R
xx(k)ハット, Ryy(k)ハット, Rzz(k)ハットに対する時
間-更新数式は、次のように表すことができる。
基づいたスマートアンテナ 図8は、Naguibなどの論文における最大SINR標準に基づ
いて、同じ発明者により発明された簡略化されたスマー
トアルゴリズムを示す。
MAやFDMAでないDS-CDMAシステムの長所を開発するた
め、Naguibなどの論文のように、ポスト-PNプロセシン
グの後に適用される。
レイサンプルベクトルx(k)の自動相関行列Rxx(k)は、通
常的に現在のスナップショット間隔におけるサンプルを
利用して獲得し得る。
(k)に関してSINRの傾斜ベクトル▽(k)を取ることによっ
て繰り返し的に更新することができる。
い最適加重ベクトルは、次のように獲得されることがで
きる。
ル当たりチップの数と同じPN処理利得であり、z(k)は、
アレイ出力である。
固有値や固有ベクトルの演算、行列の逆関数計算も要求
しなく、スカラーとベクトルとのかけ算(multiplicatio
n)及び行列とベクトルとの積(product)だけを要求す
る。
出力z(k)を得るための全体演算ロードは、スナップショ
ット当たり2M2+4Mであり、これは、Naguibなどの論文に
おける既存のアルゴリズムの演算ロードよりはるかに小
さい。
に基づいた、さらに簡略化されたスマートアンテナ 図9は、数26式のようなRxx(k)の近似値を取ることに
よって、数7式、数25式の簡略化を示す。
に定義することによって通常的に有効である。
25式は、次の通りである。
は、いかなる固有値や固有ベクトルの演算、行列の逆関
数、行列とベクトルとの積(product)も要求しなく、単
にスカラーとベクトルとのかけ算(multiplication)だけ
を要求する。
いて簡略化されたアルゴリズムを有するアレイ出力z(k)
を得るための全体演算ロードは、既存のアルゴリズムの
演算ロードよりはるかに小さなスナップショット当たり
4Mの計算量を有する。
ナップショット(シンボル)比率に比べて低い場合、スマ
ートアンテナ加重ベクトル更新プロセスに影響を及ぼさ
ないのであるが、これは、大部分の実際適用において事
実である。
更新プロセシングに影響を及ぼす。このような事実は、
以下で証明される。
トルは、チャネルベクトルa(k)に比例し、次のように表
すことができる。
ポスト-PN逆拡散信号y(k)は、次のように表すことがで
きる。
すことができる。
テナプロセッサのため、取られるならば、数1式で更新
された加重ベクトルは、次のように表すことができる。
記数式の右側は、共役かけ算によりフェージング位相φ
(k)と独立である。このような事実は、シミュレーショ
ンに有用である。
n(k)が連続的に変化されるとしても、スナップショット
間隔で所望しない信号全体の位相は、均一ランダム変数
(uniform random variable)でモデリング(modeling)で
きる。このような事実は、シミュレーション時間を減少
させるのに有用である。
がθ1である場合、スマートアンテナにより獲得された
干渉に反する抑圧利得を示す。このような内容は、Yoo
S.Song及びHyuck M.Kwonの論文に詳細に説明されてい
る。
であり、抑圧された干渉出力電力は、スマートアンテナ
がない場合の干渉電力がI=(N-1)Pである場合、スマート
アンテナを使用すれば、GaVg(θ1)となる。
すなわち、実数成分GaVgに対する角度利得、虚数成分G
aVg、Imに対する角度利得及び実数成分と虚数成分角度利
得の和GaVgを示している。
K: quadrature phase shift keying)の代わりにバイナ
リ-位相シフトキー(BPSK: binary phase shift keying)
であれば、ビット決定が失敗成分に基づいたため、実数
成分角度利得GaVg、Reが使用されるべきである。
とのようなQPSKであれば、実数成分及び虚数成分角度利
得の合計GaVgが使用されるべきである。
ナアレイが適用される場合、有効出力熱雑音電力は、M
により減少されることをYoo S.Song及びHyuck M.Kwonの
論文で分かる。ρcは、第1番目の多重経路の平均出力SI
NRを表す。
きる。
平均電力である。
理なしに使用されるならば、SINR改善は、単に熱雑音に
対してのみ獲得し得る。干渉に対するいかなる空間抑圧
利得もない。
る;熱雑音がないと仮定しよう。次いで、あらゆるアン
テナは、同じ干渉信号を受信する。従来のアレイアンテ
ナは、信号と干渉電力全部を因数Mほど増加させる。従
って、アレイアンテナの適用が信号対-干渉出力電力比
を改善させない。これから、いかなる干渉もないと仮定
し、単に独立的な熱雑音のみがそれぞれのアンテナに付
加されると仮定しよう。すると、信号出力電力は、因数
Mほど増加される。
合、スマートアンテナのない従来のアレイアンテナに対
して、次のように表すことができる。
g)受信機は、スマートアンテナの後に使用され、独立的
な雑音がそれぞれのダイバーシチ(diversity)チャネル
に付加される。
SINRsの和である。J.S.Lee及びL.E.Millerの著書(J.S.L
ee、L.E.Miller、"CDMA System Engineering Handboo
k、Artech House Publishers、 1998)959ページに記載
されたことのように、L個の独立的なレイリー(Rayleig
h)フェージング経路下で全体BER数式は、スマートアン
テナプロセッサを使用するCDMAに適用されることがで
き、次のように表すことができる。
シンボルエラー確率であり、次のように表すことができ
る。
の多重経路を有しており、望みのユーザー信号におい
て、他の多重経路は、干渉として取り扱われると仮定す
る。従って、数11式において、m番目のアンテナでの
受信信号は、次のように近似化される。
=1,1=1)からの望みのフィンガー信号を示す。高速シミ
ュレーションのため、干渉Aすなわち数式37における
第2番目の項は、次のように簡略化される。
ランダムプロセスであり、θ(t)は、-π/2からπ/2まで
均一に分配されたランダムプロセスである。単位時間t
は、PNチップ間隔により設定される。
することによって、他の信号の数(N-1)が各々10、30、7
0ある場合、アンテナアレイの2番目の要素における実
際干渉モデルに対する実数成分及び虚数成分の平均及び
分散を示す。水平軸は、フレームインデックス(frame i
ndex)を示す。
実際モデルに対する実数成分及び虚数成分の和を示す。
各々10、30、70である場合、数38式の右側を使用する
ことによって、アンテナアレイの2番目の要素における
簡略化された干渉モデルに対する実数成分及び虚数成分
の相応平均及び分散を示す。
簡略化されたモデルに対する実数成分の分散と虚数成分
との分散の和を示す。簡略化された干渉モデルのサンプ
ルが白色ガウスモデルによって相関性がないのに対し、
実際干渉モデルのサンプルは、ユーザー等の絶え間ない
動きにより相関されることが観測される。
と分散とそれらの差を示す。他の信号の数が増加すれ
ば、両モデル間の分散の差は減少される。
に対する信号の数(N)対シミュレーションBER結果を示
す。
アンテナとL=2均等強度ジェイクフェージング多重経
路、すなわちαl=1 2バー=αl=2 2バー=0.5である場合、5
0km/hと同じ移動速度であると仮定する場合の比較を示
す。ビットエネルギ対熱雑音プラス密度比(Eb/N0)が20d
Bとなるように選択される。ラグランジュかけ算器なし
に最大出力電力標準が使用される。実際干渉モデルと簡
略化された干渉モデルとの間のBER差は、微々たるもの
であり、両方とも理論上のBER結果に近い。
イロット-補助チャネル推定によるBER下落を示す。ラグ
ランジュかけ算器なしに、最大出力電力標準が使われ
る。3個のユーザーの数N対BER曲線が図示される。
定する数式(35)及び(37)を使用する理論上のBER結
果であり、(b)完壁なチャネル情報αl(i)ejψi(i)を
有するシミュレーションBERであり、(c)図1におけるパ
イロット-補助チャネル推定を有するシミュレーションB
ERである。
々たるものであることが観察される。
力電力標準に基づいたスマートアンテナとして、M=3ア
ンテナが使用された。
るチップの数Npは、128に選択される。
対熱雑音入力比Eb/N0は、20dBに設定される。
路、すなわち、αl=1 2バー=αl=2 2バー=0.5である時、
移動速度が50km/hであると仮定してシミュレートされ
る。
る場合、N-1個の他のユーザー入射角は、線形的に変わ
ると仮定される。すなわち、数式(40)において、左側の
実際干渉モデルが使用される。
渉は、入射角が均一に分布され、ゼロ(0)平均を有する
ガウス変数幅と与えられた干渉電力(N-1)とを有してシ
ミュレートされる。すなわち、数式(40)の右側の簡略化
された干渉モデルが使用される。
角モデルと全体他のユーザーのためのランダム入射角モ
デル間のBER差は、N>30である場合、無視できる。
ト当たり0.01゜ずつ線形的に変わる。
ーションの間、続いて使用された。
イク多重経路フェージング下で使用される場合、4個の
スマートアンテナに対する相応するシミュレーションBE
R結果を示す。
のスマートアンテナと(数34式、数35式を使用する)
従来のアレイアンテナBER結果を比較のため、示され
る。
一に分布される。
ズムがほとんど同一に遂行されることがわかる。
基づいた簡略化されたアンテナの性能が最も悪い。
R結果は、理論的なことに近い、従来のアレイアンテナ
と比較して相当な性能改善を示している。
均等強度ジェイク多重経路フェージング下で3×10-2BER
で単に10個のユーザーのみを支援できる反面、M=3スマ
ートアンテナプロセシングを有するCDMAは、24個のユー
ザーを支援し得る。
相応するシミュレーション及び理論的BER結果を示す。
合、4個のスマートアンテナアルゴリズムに相応するシ
ミュレーションBER結果を示す。
性能が改善されたことが分かる。
2均等強度ジェイク多重経路フェージング下で、3×10-2
BERにおいて、単に10個のユーザーのみを支援し得るの
に対し、M=10スマートアンテナプロセシングを有するCD
MAは、57個のユーザーを支援し得る。
相応するシミュレーション及び理論的BER結果を示す。
びαl=2 2バー=0.1を有する非均等強度多重経路下におい
て、スマートアンテナアルゴリズムに相応するシミュレ
ーションBER結果を示す。
3、L=1)及び(M=3、L=2)を有する均等強度に関する。
は、比較のため、図示される。
スマートアンテナシミュレーションBER結果全部がL=1経
路フェージング及び理論上のスマートアンテナBER結果
に近接していることが分かる。これは、弱い経路フィン
ガーと比較してみれば、強度0.9を有する強い経路から
のフィンガー出力が優勢であるため合理的である。
て、ラグランジュかけ算器なしに、数1式、数17式を
使用する最大出力電力標準に基づいたスマートアンテナ
が他のスマートアルゴリズムより、少し優秀であること
が観察される。
有ベクトル探索を有し、数5式、数20式〜数22式、
数24式を使用する最大SINR標準に基づいたスマートア
ンテナは、他のスマートアルゴリズムよリ、少し優秀で
ある。
更新、すなわち、スナップショット当たり一つのシンボ
ルを使用するのに対し、固有ベクトル探索を有する最大
SINR標準に基づいたスマートアンテナアルゴリズムは、
スナップショット当たり8個のシンボルを取る。
及びαl=2 2バー=0.1を有する非均等強度多重経路下にお
いて、スマートアンテナアルゴリズムに相応するシミュ
レーションBER結果を示す。
有ベクトル探索なしに数7式、数25式を使用する最大
出力電力標準に基づいたスマートアンテナが他のスマー
トアルゴリズムより、少し優秀であることが観察され
る。
するシミュレーション及び理論上のBER結果を示す。
域内に位置し、ユーザーの入射角が25゜から±5゜内で
あると仮定することにより、M=3に対する相応するシミ
ュレーションBER結果を示す。4個のスマートアンテナア
ルゴリズムは、αl=1 2バー=0.9及びαl=2 2バー=0.1有す
る非均等強度多重経路下において考慮される。
アルゴリズムがない従来のアンテナの比較のため、示
す。
のスマートアンテナBER結果が、均等強度フェージング
に対して示される。
式〜数24式を使用する最大SINR標準に基づいたスマー
トアンテナは、ユーザーの数が増加することによって、
L=1である理論的なスマートアンテナBER結果及び(M=3、
L=2)を有する従来のアンテナより悪い可能性もあり得
る。
使用する最大SINR標準に基づいたスマートアンテナは、
他のアルゴリズムより、優秀なBER結果を導くことがで
きる。
領域内に位置し、ユーザー等の入射角が25゜から±5゜
内と仮定することにより、M=10に対し相応するシミュレ
ーションBER結果を示す。
〜数24式を使用する最大SINR標準に基づいたスマート
アンテナは、(M=10、L=2)を有する従来のアンテナより
悪い可能性もありえる。
は、最上である。
するシミュレーション及び理論的BER結果を示す。
0゜から60゜の間で線形に変わり、あらゆる干渉入射角
が25゜から±5゜内にある場合、弱い経路と強い経路に
対するアンテナ追跡角度の相応行為を各々示す。
準に基づいたスマートアルゴリズムと固有ベクトル探索
なしに、最大SINR出力標準に基づいたスマートアルゴリ
ズム全部が使用される。
が固有ベクトルを有する最大SINRに基づいた他の創造的
なアルゴリズムより、優秀なBER結果を導くことができ
るのかを示す。
最大SINRに基づいた創造的なアルゴリズムの角度追跡能
力が干渉信号の入射角が所望する信号の入射角、すなわ
ち、図16と17において、2000から3000までのスナップシ
ョットインデックスに近い場合、固有ベクトル探索を有
したものより優秀であることを示す。
探索を有するもう一つの創造的なアルゴリズムが、いか
なる収束パラメーターも使用しない反面、固有ベクトル
探索がない創造的なアルゴリズムが、小さな収束パラメ
ーターμ=0.0001を適用し、加重ベクトルの更新増加量
が小さいためである。
果角度は、追跡から抜け出ることができる。
ク構成によって移動送信機と基地局受信機で使用され
る。その上、パイロットチャネルは、CDMA2000逆方向リ
ンクで説明されたことのように使われた。
多重経路フェージング下において、M=3アンテナのスマ
ートアンテナにおいてシンボル当たり128個のチップで
ある場合、パイロットチャネルによるBER下落は、完壁
なチャネル推定を有するBERと比較して、微々たるもの
であることが観察される。
ズムは、交差PN拡散及び逆拡散を有するパイロット-補
助CDMAシステムに対して使われた;(1)ラグランジュか
け算器なしに、最大出力電力標準に基づいたスマートア
ンテナ、(2)Naguibの論文のように少ない演算を要求す
るが、等価BERの固有ベクトル探索を有する最大出力SIN
R標準に基づいたスマートアンテナ、(3)固有ベクトル探
索なしに最大出力SINR標準に基づいたスマートアンテ
ナ、及び(4)固有ベクトル探索なしに最大出力SINR標準
に基づいたさらに簡略化されたスマートアンテナ。
等強度多重経路フェージングは、ジェイクモデルを有す
ることが使われた。また、一群の干渉ユーザー及び散在
した干渉ユーザー全部が考慮された。理論的及びシミュ
レーションBER結果全部が比較のため獲得された。
大出力電力標準に基づいたスマートアンテナと固有ベク
トル探索なしに最大出力SINR標準に基づいたスマートア
ンテナが全部がほかアンテナより優秀に遂行される。
チャネルが非均等強度フェージングである場合、3個の
創造的なスマートアンテナアルゴリズムのBER性能がNag
uibの論文におけるBER性能よりさらに優秀であることが
わかる。
ナップショット当たり演算ロードは、既存のことより相
当に小さい。従って、3個の創造的なスマートアンテナ
アルゴリズムは、合理的かつ実際的な演算ロードを有す
し、容量を増加させる3G及び未来のCDMAシステムのため
に勧告される。
素数PN-拡散を示すブロック図。
ロセッサを有する受信機の全体ブロック図。
ックチャネル用複素数PN-逆拡散を示す図面。
(k)の自動-相関行列推定器Rxx(k)を示す図面。
(k)の自動-相関行列推定器Ryy(k)を示す図面。
range)かけ算器なしに、最大出力標準に基づいたスマー
トアンテナの動作を示すフローチャート。
を有する最大SINR標準に基づいたスマートアンテナの動
作を示すフローチャート。
索なしに、最大SINR標準に基づいたスマートアンテナの
動作を示すフローチャート。
索なしに最大SINR標準に基づいたさらに簡略化されたス
マートアンテナの動作を示すフローチャート。
め、使用される場合、アンテナアレイベクトルの2番目
要素の実数及び虚数成分の平均及び分散を平均及び分散
を示すグラフ。
め、使用される場合、アンテナアレイベクトルの2番目
要素の実数及び虚数成分の平均及び分散を示すグラフ。
使用される場合、アンテナアレイベクトルの2番目要素
の実数及び虚数成分の平均及び分散を示すグラフ。
め、使用される場合、アンテナアレイベクトルの2番目
要素の実数及び虚数成分の和を示すグラフ。
ーのため、使用される場合、アンテナアレイベクトルの
2番目要素の実数及び虚数成分の平均及び分散を示すグ
ラフ。
ーのため、使用される場合、アンテナアレイベクトルの
2番目要素の実数及び虚数成分の平均及び分散を示した
グラフ。
ーのため、使用される場合、アンテナアレイベクトルの
2番目要素の実数及び虚数成分の平均と分散を表したグ
ラフ。
際干渉モデルに対する信号の数Nを示すグラフ。理論上
のスマートアンテナBER結果は、M=3アンテナである場
合、L=2均等強度ジェイクフェージング多重経路、移動
速度=50km/h、Eb/N0=20dBを示す。ラグランジュかけ算
器なしに、最大出力電力標準が使用される。
-補助チャネル推定を採択することによって、BER低下を
示すグラフ。均等強度多重経路フェージング、M=3アン
テナ、L=2経路、Eb/N0=20dBを仮定する。
ンテナ、L=2経路、Eb/N0=20dBという仮定下で、スマー
トアンテナに対するBER結果を示すグラフ。
ンテナ、L=2経路、E b/N0=20dBという仮定下で、スマー
トアンテナに対するBER結果を示すグラフ。
する非均等強度多重経路フェージング下において、スマ
ートアンテナに対するBER結果を示すグラフ。M=3アンテ
ナ、L=2経路、Eb/N0=20dBを仮定する。
する非均等強度多重経路フェージング下でスマートアン
テナに対するBER結果を示したグラフ。M=10アンテナ、L
=2経路、Eb/N0=20dBを仮定する。
バー=0.1を有する非均等強度多重経路フェージング下に
おいて、スマートアンテナに対するBER結果を示すグラ
フ。M=3アンテナ、L=2経路、Eb/N0=20dBを仮定する。
l=2 2バー=0.1を有する非均等強度多重経路フェージング
下において、スマートアンテナに対するBER結果を示す
グラフ。M=10アンテナ、L=2経路、Eb/N0=20dBを仮定す
る。
バー=0.1を有する非均等強度多重経路フェージング下に
おいて、スマートアンテナに対する弱い経路の角度追跡
動作を示す図面。M=3アンテナ、L=2経路、Eb/N0=20dBを
仮定する。
バー=0.1を有する非均等強度多重経路フェージング下に
おいて、スマートアンテナに対する強い経路の角度追跡
動作を示す図面。M=3アンテナ、L=2経路、Eb/N0=20dBを
仮定する。
を示す表。
表した表。
=20dB下におけるBERを示す表。
N0=20dB下におけるBERを示す表。
N0=20dB及び一群の干渉下におけるBERを示す表。
トチャネル推定ブロック 43 ウォルシュコード発生器 151 ビーター比軟式判定ブロック 152 硬式判定ブロック復調ビット
Claims (10)
- 【請求項1】 スマートアンテナシステムで使用するた
めのものとして、ラグランジュかけ算器なしに、最大出
力電力標準に基づいて、チャネル推定及びデータシンボ
ル復調のため、受信機の前端の代りに擬似雑音(PN)逆拡
散の後印加される加重ベクトルを生成するための方法に
おいて、 初期加重ベクトルw(0)及び初期固有値λ(0)を設定する
ステップと、 新しいポスト-PNプロセシングデータy(k)を受信するス
テップと、 スナップショットインデックスkで加重ベクトルw(k)を 【数1】 下記のように更新するステップとを含み、 ここで、▽(k)は、 【数2】 で費用関数のMx1傾斜ベクトルであり、*は、共役演
算、λ(k)は、自動-共分散行列Ryy(k)の固有値であり、
w1(k)は、w(k)の第一番目の要素であり、z(k)は、(12)
のようなアレイ出力であり、ここでHは、共役置換を示
す加重ベクトル生成方法。 - 【請求項2】 初期加重ベクトルw(0)が(1、 ...、 l)T
に設定されれば、固有値λ(k)は、 【数3】 のように更新され、ここで、喪失係数fは、0.9に設定さ
れ、初期固有値λ(0)は、Mに設定される請求項1に記載
の加重ベクトル生成方法。 - 【請求項3】 最適アレイ加重ベクトルw(k)は、SINRが
十分である場合、y(k)の自動相関行列の固有ベクトルに
近接し、費用関数は、 【数2】 の通りであり、ここで、trは、追跡演算であり、Ryy(k)
は、自動相関行列である請求項2に記載の加重ベクトル
生成方法。 - 【請求項4】 自動相関行列は、 【数4】 である請求項3に記載の加重ベクトル生成方法。
- 【請求項5】 加重ベクトルw(k)が到達チャネルベクト
ルa(k)に比例すれば、加重ベクトルが最適である時、平
均自乗エラーE[||y(k)-w(k)wH (k)y(k)||2]は、ゼロ(0)
となる請求項4に記載の加重ベクトル生成方法。 - 【請求項6】 加重ベクトルw(k)が費用関数を最小化さ
せれば、アレイ出力z(k)の電力が最大となる請求項5に
記載の加重ベクトル生成方法。 - 【請求項7】 スマートアンテナシステムに用いられる
ためのものとして、最大信号対干渉-プラス雑音出力電
力比(SINRo)標準に基づいて、チャネル推定及びデータ
シンボル復調のため、受信機の前端の代りに擬似雑音(P
N)逆拡散の後に印加される加重ベクトルを生成するため
の方法において、 新しいポスト-PNプロセシングベクトルy(i)と新しいポ
スト-PNプロセシングベクトルx(i)とを受信するステッ
プと、 スナップショットkでユーザーのフィンガーに対するポ
スト-PN相関信号ベクトルyをy(k)=s(k)+i(k)+n(k)=s(k)
+v(k)のように設定するステップ(ここで、s(k)は、フ
ェージングチャネルを介したM×l個の所望のユーザー信
号ベクトルであり、i(k)は、M×l個のPN-拡散干渉信号
ベクトルであり、n(k)は、M×l個の熱雑音ベクトルであ
り、v(k)=i(k)+n(k)である)と、最適加重ベクトルw(k)
を次のように計算するステップと、 【数5】 であり、 Gは、PN拡散処理利得であり、Rxx(k)は、M×1 x(i)のM
×M自動相関行列及びフリーPN逆拡散アレイサンプルベ
クトルであり、Ryy(k)は、M×1 y(k)のM×M自動相関行
列及びポスト-PN逆拡散アレイサンプルベクトルであ
り、a(k)は、チャネルベクトルであり、加重ベクトルを
生成する加重ベクトル生成方法。 - 【請求項8】 上記チャネルは、チャネルベクトルa(k)
が 【数6】 により獲得されるため、行列Ryy(k)-Rxx(k)の最大固有
値を有する固有ベクトルに推定される請求項7に記載の
加重ベクトル生成方法。 - 【請求項9】 スマートアンテナシステムに,用いられる
ためのものとして、 最大信号対干渉-プラス-雑音出力電力比(SINRo)標準に
基づいて、チャネル推定及びデータシンボル復調のた
め、受信機の前端の代りに擬似雑音(PN)逆拡散の後に印
加される加重ベクトルを生成するための方法において、 初期加重ベクトルw(0)及び分散パラメーターを設定する
ステップと、 新しいポスト-PNプロセシングベクトルy(i)及び新しい
ポスト-PNプロセシングベクトルx(i)を受信するステッ
プと、 現在スナップショット間隔にサンプルに基づいてフリー
PN逆拡散アレイサンプルベクトルx(k)の自動相関行列Rx
x(k)を獲得するステップと、w (k)に対して、信号対雑音比(SINR)の傾斜ベクトル▽
(k)を取ることによって、最適加重ベクトルを繰り返し
的に更新するステップとを含み、 新しい最適加重ベクトルは、 【数7】 により獲得され、ここで、μは、収束パラメーターであ
り、Gは、シンボル当たりチップの数と同じPN処理利得
であり、z(k)は、アレイ出力であり、D(k)=Gw H(k-1)Rxx
(k)w(k-1)-|z(k)|2加重ベクトルを生成する加重ベクト
ル生成方法。 - 【請求項10】 Rxx(k)の近似値がRxx(k)=x(k)x(k)Hであ
り、スカラーg(k)がg(k)=w H(k-1)x(k)であり、新しい最
適加重ベクトルが 【数8】 と、C(k)=fC(k-1)+G|g(k)|2-|z(k)|2により獲得され、f
は、喪失因数である請求項9に記載の加重ベクトル生成
方法。
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