JP2005151580A - 多入力多出力(mimo)通信リンクのパフォーマンスの評価 - Google Patents

多入力多出力(mimo)通信リンクのパフォーマンスの評価 Download PDF

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Abstract

【課題】特定のリンクのパフォーマンスを正確に特徴付けるのは困難である。こうしたパフォーマンスは、従来からフレーム誤り率に関連して評価されてきた。
【解決手段】通信ネットワーク内の選択された通信リンクについて、フレーム誤り率(FER)を評価する方法。リンクは、1つの基地局またはモバイル・ユーザ端末を備えるMIMO送信機およびもう1つの基地局またはモバイル・ユーザ端末を備えるMIMO受信機との間に存在する。この方法は、1つの基地局またはモバイル・ユーザ端末を備えるMIMO送信機と、もう1つの基地局またはモバイル・ユーザ端末を備えるMIMO受信機の間のリンク、所定の時間にわたる複数の瞬間でモバイル・ユーザ端末のMIMOチャネルの瞬間チャネル容量値を決定する工程と、前記値を処理して瞬間チャネル容量値のどれかが所定の確率で下回るチャネル容量レベルを決定する工程と、さらにFER対前記チャネル容量レベルの所定の較正データをルックアップしてFERの値を提供する工程を含む。
【選択図】図4

Description

本発明は無線通信に関し、特に無線通信ネットワークにおいて通信リンクのフレーム誤り率を評価する方法に関する。
通信ネットワークでは、1つの基地局と1つのモバイル・ユーザ端末との通信リンクのパフォーマンスが向上しても、それに応じてネットワーク全体のパフォーマンスが向上するとは限らない。したがって、たとえばモバイル・ユーザ端末と基地局の間に多入力多出力(MIMO:Multiple Input Multiple Output)信号方式を導入することによる全体的なパフォーマンス向上を評価するには、基地局とモバイル・ユーザ端末とを接続するリンクの大規模なサンプルについてパフォーマンス向上を評価する必要がある。
S.M.Alamouti、「A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications」、IEEE Journal on Selected Areas in Communication、 Vol.16、 No.8、1451〜1458頁 (1998年10月)
特定のリンクのパフォーマンスを正確に特徴付けるのは困難である。こうしたパフォーマンスは、従来からフレーム誤り率で表して評価されてきた。フレーム誤り率(確率)は、フレーム誤り率(比率)あるいはFER(frame error rate)とも呼ばれており、すべての送信チャネルの状態を平均した信号対干渉雑音比(SINR)の関数として表される。干渉とは、もちろん他のセルからの妨害信号を意味し、雑音は熱雑音である。フレーム誤り率(FER)は、受信フレームに少なくとも1つのエラーが含まれる確率、つまり少なくとも1つの受信ビットが送信されたものと異なる確率である。FER対SINRの較正曲線を生成し、これを使用してリンク・レベルのパフォーマンスを評価する。この方法は、コーディング・ブロックの継続時間のような単位時間にわたって多くのチャネル状態が発生する回線交換方式による音声中心の無線ネットワークに適している。
しかし、多くのデータ・アプリケーションを実行する無線ネットワークでは、一般に、パケット交換呼出しのバースト特性によって、コーディング・ブロックの継続時間内に少数のチャネル状態しか発生しないことが知られている。したがって、コーディング・ブロックの送信中に発生するすべてのチャネル状態についてFERの平均をとっても、受信機のパケット交換呼出しのパフォーマンスを表すには不十分であると考えられていた。たとえば、複数の送信アンテナと受信アンテナとの間に何らかの空間的相関が発生する場合に、単純なスカラーのSINRはMIMOのシナリオを特徴付けるのに適した変数ではないことも知られていた。そこで、MIMOチャネル容量を決定し、これを使用してフレーム誤り率を表すことにより、パケット無線システムにおいて1つのモバイル・ユーザ端末のシステム・レベルのパラメータが通信リンク・レベルのパフォーマンスに関連付けられる第2の方法が開発された。
本発明の実施形態は、無線通信ネットワーク内の通信リンクでフレーム・エラーが発生する確率(FER)を評価する方法である。リンクは、1つの基地局またはモバイル・ユーザ端末を備えるMIMO送信機と、もう1つの基地局またはモバイル・ユーザ端末を備えるMIMO受信機とのリンクである。この方法は、所定の時間にわたる複数の瞬間で、モバイル・ユーザ端末のMIMOチャネルの瞬間チャネル容量値を決定する工程と、その値を処理して瞬間チャネル容量値のどれかが所定の確率で下回るチャネル容量レベルを決定する工程と、さらにフレーム誤り率(FER)対チャネル容量レベルの所定の較正データから前記レベルをルックアップし、FERの値を提供する工程とを含む。
例示的な実施形態では、フェージング・チャネル(非ゼロ・ドップラー・シフト)を備えるMIMOシステムにおいて特定のリンクのパフォーマンスを評価する方法を提供する。具体的には、高レベルのパラメータすなわち基地局にリンクするモバイル・ユーザ端末のチャネル行列および平均信号対雑音比(Eb/No)を、リンク・レベルのパフォーマンスの指標であるフレーム誤り率(FER)に変換することによる。この方法は、MIMOチャネルの時間の変化に敏感な高速フェージング・チャネル(非ゼロ・ドップラー)に適している。
本発明の別の実施形態は、1つの基地局またはモバイル・ユーザ端末を備えるMIMO送信機と、もう1つの基地局またはモバイル・ユーザ端末を備えるMIMO受信機を備える無線通信ネットワークに関連する。このネットワークには、所定の時間にわたる複数の瞬間でモバイル・ユーザ端末のMIMOチャネルの瞬間チャネル容量値を決定し、さらにその値を処理して瞬間チャネル容量値のどれかが所定の確率で下回るチャネル容量レベルを決定するように動作するプロセッサが含まれる。このネットワークには、フレーム誤り率(FER)をチャネル容量レベルに関連付ける事前指定の較正データを格納するルックアップメモリ、および決定したチャネル容量レベルに対応するFERに比例する指標を提供するように動作するインディケータも含まれる。
ここで、例として添付の図面に関連付けながら本発明の1つの例示的な実施形態について説明する。
説明を簡単にするために、既知の方法の例について説明し、次に本発明による方法の例について説明する。これは比較しやすくするためである。
前述した第2の既知の方法では、パケット無線システム内のモバイル・ユーザ端末に関するシステム・レベルのパラメータが、変数Cによって通信リンク・レベルのパフォーマンスに関連付けられる。変数Cを使用して、事前に計算された較正データからフレーム誤り率による受信機のパフォーマンスを推定する。
例として、多入力多出力(MIMO)システムについて考察する。MIMOの技術は周知であり、読者はたとえばS.M.Alamoutiの「A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications」、IEEE Journal on Selected Areas in Communication、Vol.16, No.8)の1451〜1458頁(1998年10月)を背景として参照されたい。
MIMOシステム12を図2に示す。このシステムには、N個の送信アンテナ16を備えるMIMO送信機14およびM個の受信アンテナ20を備えるMIMO受信機18が含まれる。送信機14は、基地局とモバイル・ユーザ端末のいずれかである。対応するMIMO受信機18も、別の基地局とモバイル・ユーザ端末のいずれかである。送信されるデータ・ブロックがコード化され、変調されて複合的記号群が提供される。次に、個々の送信アンテナに対して信号成分に関する何らかの空間的重み付けを行う空間時間コード化と呼ばれる技術を適用した後、各記号が送信アンテナ16にマップされる(空間多重化と呼ばれる処理)。空中すなわち無線チャネルを介して送信された後、それぞれの受信アンテナ20で受信された信号に対して、逆多重化、重み付け、復調、およびデコードが行われ、送信データが回復される。
このMIMOシステム12では、無線パケットはビット・エネルギーであるエネルギーN、Eの付加的なホワイト・ガウス・ノイズがある状態で、N×Mのチャネル行列Hを経由して受信される。具体的には、特定の通信リンクにおけるフレーム誤り率(FER)はチャネル行列H、干渉チャネル行列H...H、熱雑音エネルギーNから導き出せる。構造化された(系統的な)干渉がないと仮定する場合は、H...Hは考慮しない。
MIMOシステム12のコンピュータ・シミュレーションは、特に送信されたフレーム22が選択されたHについて、選択された平均信号対雑音比(Eb/No)で受信される範囲に限定して何度も実行され、瞬間的な雑音は平均値を中心にガウス分布に従って時間の経過とともに不規則に変化した。シミュレーションごとに、シミュレートされた受信フレーム24とシミュレートされた送信フレーム22を比較することで、シミュレートされた受信フレームの少なくとも1つのエラーが含まれる部分を数えることができ、その結果フレーム誤り率(FER)の値が得られた。
次の工程で、FER値が関連するチャネル容量Cを決定した。このために、次のようにFERを変数Cの関数と仮定した。
Figure 2005151580
この数式からFER(C)という形の較正曲線が得られるが、
C=C(H,Eb,No) (2)
はスカラー変数である。CはMIMOチャネルHのチャネル容量であり、MIMOチャネル行列Hから次の数式で求められる
Figure 2005151580
(これは、いわゆるシャノン(Shannon)の容量公式をMIMOの場合に拡張したものである)。Cは、N個の送信アンテナ、M個の受信アンテナ、Eb/Noの平均信号対雑音比をもつMIMOチャネルHのチャネル容量を、1Hzあたり、1秒あたりのビット数(bps/Hz)で表したものである。
このように、前述のシミュレーションからCに対するFERのデータをさまざまな平均信号対雑音比について求めた。これらのデータはルックアップデータ、つまりCの値を決定することで実際のMIMOシステムのFERを推定するために使用する較正データである。
変数Cを使用して実際のネットワーク・リンクのFERを決定する方法を図3に示す。たとえば、モバイル・ユーザ端末が受信するはずの信号、すなわちパイロット信号がそのモバイル・ユーザ端末にどのように受信されるかをある一定の間隔で(たとえば1スロットに1回)サンプリングすると、対象となるモバイル・ユーザ端末のさまざまな時間における一連の「瞬間」的なチャネル行列Hが得られる。
対象となるモバイル・ユーザ端末のこうした「瞬間」的なチャネル行列Hのそれぞれについて、対象となる特定のモバイル・ユーザ端末の媒介変数Cがプロセッサ26で数式(3)を使用して計算される。次に、事前に計算され、メモリ28に格納されたリンク・レベルのFER対CおよびEb/No較正データをルックアップすることにより、この変数Cの値を使用してそのリンクのFERを推定する。この作業は、対象となるリンクごとに行われる。
例示的な方法
既知の方法は、瞬間的なシステム・レベルのパラメータに基づいているので、特定のモバイル・ユーザ端末へのリンクについて変数Cの値がいわゆるマルチパスや他の高速フェージングの特性を考慮せずに求められることを発明者は理解した。静的な付加的ホワイト・ガウス・ノイズ(AWGN)チャネルのような静的なチャネル、すなわちフェージングのないチャネルではこのチャネル容量変数Cは正確であるが、高速フェージング・チャネルでは正しくない。高速フェージングは連続するチャネル・サンプル間の位相の差に関連するので、フェージング(すなわちドップラー・シフト効果)を考慮するには、変数Cを採用してタイムスロットやフレーム内のチャネルの変化に依存する変数を作成する必要があると発明者は理解した。換言すれば、変数は特定の期間内、すなわちコーディング・ブロックの送信時間内でさまざまに変化するMIMOチャネル行列の瞬間的な状態の関数であることが要求された。このことについては以下に詳しく説明し、本発明による方法を明らかにする。
較正データの生成
MIMOシステムは、図2で示すように、N個のアンテナ16を備えるMIMO送信機14とM個の受信アンテナ20を備えるMIMO受信機18を備えており、無線パケットはビット・エネルギーであるエネルギーN、Eの付加的なホワイト・ガウス・ノイズのある状態で、N×Mのチャネル行列Hを経由して受信されると考えられていた。特定のモバイル・ユーザ端末のフレーム誤り率(FER)は、ユーザのチャネル行列H、干渉チャネル行列H...H、瞬間的熱ノイズ・エネルギーNに関連する。構造化された(系統的な)干渉がないと仮定する場合は、H...Hを考慮しない。
MIMOシステム12のコンピュータ・シミュレーションは、シミュレートされた送信フレーム22が選択されたHについて選択された平均信号対雑音比(Eb/No)で受信される範囲に限定して何度も実行され、瞬間的な雑音(No)は平均値を中心にガウス分布にしたがって時間の経過とともに不規則に変化した。シミュレーションごとに、シミュレートされた受信フレーム24とシミュレートされた送信フレーム22を比較することで、シミュレートされた受信フレームの少なくとも1つのエラーが含まれる部分を数えることができ、その結果フレーム誤り率(FER)の値が得られた。
次の工程で、FER値に関連するチャネル容量Cを決定した。このために、FERを次のようなチャネル容量Cの関数と仮定した。
Figure 2005151580
ただし、チャネル容量Cの瞬間的な値はMIMOチャネル行列Hから次の数式で求められる。
Figure 2005151580
(これは、いわゆるシャノン(Shannon)の容量公式をMIMOの場合に拡張したものである)。Cは、N個の送信アンテナ、M個の受信アンテナ、Eb/Noの平均信号対雑音比をもつMIMOチャネルHのチャネル容量を、1Hzあたり、1秒あたりのビット数(bps/Hz)で表したものである。
ここに、既知の方法との重要な相違がある。すなわち、高速フェージング(ドップラー)を考慮するために、シミュレーションの結果から、対象となる期間内(たとえばコーディング・ブロック)におけるCの確率関数Cを決定した。これは、変数Cの瞬間値の累積密度関数(CDF)から得られたものなので、コーディング・ブロック時間における変数Cの変動を反映していると見なすことができる。このCは以下の数式で表される。
Figure 2005151580
この数式は、Cが確率aのレベルCより小さくなるようなCの値がCであることを意味する。Cに関する累積密度関数は図5に示す形で表され、Cは選択したaの値に依存する。使用する場合は、aの1つの値を選択してCの値を生成する。高ドップラーの場合(図5の符号34)は、aの任意の値、たとえば0.3、0.5、あるいは0.7に適している。低ドップラーの場合(図5の符号36)は、図5に示すように、CDF、したがってCがCの変化に非常に敏感なので、aが0.5かそれに近い値のときに最適である。
さまざまな瞬間的雑音Noのそれぞれについて、さまざまなチャネル行列Hを使用して何度もシミュレーションした結果、さまざまな平均信号対雑音比(Eb/No)についてFER対Csが決定した。十分な回数のシミュレーションを行ってルックアップ・テーブルすなわち較正曲線を生成したので、これを使用してCsとEb/Noの特定の組合せからFERを読み取ることができる。
較正データの使用
セルのネットワークは、図1に示すように、各セル4に少なくともいくつかのモバイル・ユーザ端末2を備えると考えられる。各セル4では、1つの基地局6が稼動する。このネットワーク1の瞬間的な状態は、モバイル・ユーザ端末および基地局間のすべてのリンクに対応するすべてのチャネル行列で表される。
モバイル・ユーザ端末が受信するはずの信号、つまりパイロット信号がそのモバイル・ユーザ端末にどのように受信されるかをある一定の間隔で(例えば1スロットに1回)サンプリングすると、対象となるモバイル・ユーザ端末のさまざまな時刻における一連の「瞬間」的なチャネル行列Hが得られる。
MIMOリンクを含む実際のネットワーク内のモバイル・ユーザ端末に関するシステム・レベルのパラメータ(チャネル行列H、平均信号対雑音比Eb/No)から、リンク・レベルのパフォーマンス(FERに関連する)を決定する方法の概略を図4に示す。対象となるモバイル・ユーザ端末のこうした「瞬間的」なチャネル行列Hの数式(5)のそれぞれについて、変数C値がプロセッサ30で評価される。この処理は、特定の期間すなわちコーディング・ブロックの間に繰り返し行われ、変数Cの値が収集され、対象となる期間における対象となるリンク(対象となるモバイル・ユーザ端末)の変数Cがプロセッサ30で数式(6)を使用して推測される。次に、このCの値を使用して、CおよびEb/Noのデータに対して事前に計算されたFER、すなわちメモリ32に格納されたさまざまなEb/Noに対するフレーム誤り率対Cの曲線をルックアップしてFERを推定する。FERの値は、メモリ32の出力ポート33に提供される(適切な場合は、Csの関数であるFERの較正データとEb/Noの間で補間が行われる)。Cは高速フェージング(すなわちドップラー)の関数なので、特定のリンクのパフォーマンスを評価する場合に高速フェージングに適切に対処できる。プロセッサ30および出力ポートを伴うルックアップ・テーブル32は基地局にあるが、他の実施形態(図示せず)では、たとえば基地局のコントローラや他のノードなど、ネットワークのどこにあってもよい。
無線通信ネットワークのMIMOリンクのそれぞれについて、あるいは代表としてまたは特に重要なものとして選択したリンクについて、前述の方法でFERが決定する。結果として得られた一連のFER値はシステム全体のパフォーマンスを表すので、たとえばネットワーク機器のアップグレードに有効である。
ドップラー・シフトが増大すると、すなわち高速フェージングが増大すると、数式(4)で指定するCDF関数の傾きの絶対値が減少する。換言すれば、ドップラーが増大するとインタリーブ・ブロック中の変数Cの変動が増大する。したがって、数式(4)で指定されるCは、確率a<0.5なら総ドップラー・シフト量の減少関数であり、a>0.5なら総ドップラー・シフト量の増加関数である。a=0.5の場合は、媒介変数Cは対象となる期間(たとえばコーディング・ブロック)にわたる瞬間的な変数の平均と等しくなる。
変数Cは、チャネルが静的な場合、すなわちドップラー・シフトが0の場合は、既知の方法(前述し、図3に示す)と後方互換である(同じ結果になる)。これは、この場合は瞬間的な変数Cが定数のままなので、確率aの任意の値についてCは定数値Cに等しいためである。
複数のセルを含むモバイル通信用ネットワーク(先行技術)を示す図である。 MIMO送信機およびMIMO受信機(先行技術)を示す図である。 FERの決定(先行技術)を示す図である。 好ましい実施形態におけるFERの決定を示す図である。 低ドップラー・シフトと高ドップラー・シフトのシナリオによるチャネル容量Cの累積密度関数のグラフを示す図である。

Claims (9)

  1. 無線通信ネットワークにおいて選択された通信リンクのフレーム誤り率(FER)を評価する方法であって、前記リンクが1つの基地局またはモバイル・ユーザ端末を備えるMIMO送信機ともう1つの基地局またはモバイル・ユーザ端末を備えるMIMO受信機との間に存在し、所定の時間にわたる複数の瞬間で、モバイル・ユーザ端末のMIMOチャネルの瞬間チャネル容量値を決定する工程、前記値を処理して瞬間チャネル容量値のどれかが所定の確率で下回るチャネル容量レベルを決定する工程、さらにFER対前記チャネル容量レベルの所定の較正データから前記レベルをルックアップしてFERの値を提供する工程を含む方法。
  2. 前記所定の確率が0.5であり、したがって前記選択されたチャネル容量レベルが所定の期間における前記瞬間チャネル容量値の平均である、請求項1に記載の方法。
  3. FER対チャネル容量レベルの前記所定の較正データが、さまざまなチャネル行列の状態と信号対雑音比のさまざまな平均を伴うMIMO送信機とMIMO受信機の数学モデルによって提供される、請求項1に記載の方法。
  4. 所定の期間中にモバイル・ユーザ端末で経験された平均信号対雑音比を評価する工程及び、これを使用してFERを評価する工程を含み、前記所定の較正データがチャネル容量レベルと平均信号対雑音比の両方の関数として表されるFERである、請求項1に記載の方法。
  5. 個々の瞬間チャネル容量値を、前記リンクのチャネル行列の状態及び、その時点で前記リンクで経験された前記平均信号対雑音比とを含むパラメータから計算する工程を含む、請求項1に記載の方法。
  6. 通信ネットワークの少なくとも一部のシステム・レベル・パフォーマンスを示す一連のFERの値を提供する方法であって、前記少なくとも一部が基地局とモバイル・ユーザ端末とのMIMO通信リンクを含み、所定の時間にわたる複数の瞬間で、モバイル・ユーザ端末のMIMOチャネルの瞬間チャネル容量値を決定する方法を使用して前記通信リンクの少なくとも一部のそれぞれについてフレーム誤り率を評価する工程、前記値を処理して瞬間チャネル容量値のどれかが所定の確率で下回るチャネル容量レベルを決定する工程、さらにFER対前記チャネル容量レベルの所定の較正データをルックアップしてFERの値を提供する工程を含む方法。
  7. MIMO送信機、MIMO受信機プロセッサーを備える無線通信ネットワークであって、
    該MIMO送信機は1つの基地局またはモバイル・ユーザ端末を備え、該MIMO受信機はもう1つの基地局またはモバイル・ユーザ端末を備え、該プロセッサは所定の時間にわたる複数の瞬間でモバイル・ユーザ端末のMIMOチャネルの瞬間チャネル容量値を決定し、前記値を処理して任意の前記瞬間チャネル容量値が所定の確率で下回るチャネル容量レベルを決定するように動作し、該ネットワークはさらに、フレーム誤り率(FER)とチャネル容量レベルに関連する所定の較正データを格納するルックアップメモリ及び、前記決定したチャネル容量レベルに対応する前記FERに比例する指標を示すように動作するインディケータを備えるネットワーク。
  8. プロセッサを備える無線通信のステーションであって、該プロセッサは、
    1つの基地局またはモバイル・ユーザ端末を備えるMIMO送信機ともう1つの基地局またはモバイル・ユーザ端末を備えるMIMO受信機との間のフレーム誤り率(FER)を評価し、所定の時間にわたる複数の瞬間でモバイル・ユーザ端末のMIMOチャネルの瞬間チャネル容量値を決定し、前記値を処理して瞬間チャネル容量値のどれかが所定の確率で下回るチャネル容量レベルを決定するように動作する無線通信のステーションであって、該ステーションは、さらに、FER対チャネル容量レベルの所定の較正データを格納するルックアップメモリ及び、前記決定したチャネル容量レベルに対応する前記FERの値を示すインディケータを備えるステーション。
  9. 基地局である、請求項8に記載のステーション。
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