JP2006522505A - マルチ・アンテナ送信のための方法および装置 - Google Patents

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Abstract

多入力多出力(MIMO:multiple-input, multiple-output )通信システムにおけるマルチ・アンテナ送信のための方法および装置。本発明の好ましい実施形態によれば、低減された数の送信重み行列が、送信器にフィード・バックされる。次に、各送信重み行列が、複数の副搬送波に適用される。各送信重み行列は、複数の副搬送波に適用されるため、送信器にフィード・バックされる重み行列の量は、極めて低減される。

Description

本発明は、通信システムに関し、より詳細には、通信システムにおけるマルチ・アンテナ送信のための方法および装置に関する。
図1に、直交周波数分割多重(OFDM:Orthogonal Frequency Division Multiplexing)システムにおいて実施される従来技術の多入力多出力(MIMO:Multiple-Input-Multiple-Output)送信方式を例示する。図1のシステムにおいて、送信器102は、複数のアンテナ104を用いて、複数のOFDM副搬送波に渡る複数のデータ・ストリームを、1つまたは複数の受信器101へ送信する。複数のデータ・ストリームを、s(k)と示す。ここでインデックスiは、ストリーム番号(1≦i≦N)を示し、インデックスkは、副搬送波(1≦k≦N)を示す。ここでNは、副搬送波の数であり、N≧1は、副搬送波当たりのデータ・ストリームの数である。Mtx個の送信アンテナ104のそれぞれに供給される信号は、逆高速フーリエ変換(IFFT:Inverse Fast Fourier Transform)108、サイクリック・プレフィックス挿入機器(Cyclic Prefix Insertion Device)107、およびパラレル−シリアル・コンバータ(Parallel to Serial Converter)106によって生成される。OFDM送信技術では、占められた周波数バンド幅を分割して、N個の直交する副搬送波にする。なおIFFTへの各入力は副搬送波に対応し、IFFTの各入力に供給される信号は、対応する副搬送波を占めると言う。各IFFTへのN個の入力は、副搬送波と呼ばれる。また従来技術の単一送信アンテナOFDMシステムでは、符号化変調(すなわち、QAMまたはPSK)シンボルが通常、IFFTの副搬送波入力に、副搬送波当たり1つのシンボルで、または同様な意味合いで、副搬送波当たり1つのデータ・シンボル・ストリームで、供給される。しかし、図1に示した従来技術のMIMO OFDMシステムでは、代わりに、与えられた副搬送波(たとえばk番目)上において、複数のストリームに対するN個のシンボルが、最初に、N個の入力およびMtx個の出力(ここで、Mtxは送信アンテナの数)を有するマルチ・ストリーム送信ビームフォーマ105に供給される。次に、各ビームフォーマ105のMtx個の出力(x(k)と示される(1≦m≦Mtx,1≦k≦N))が、Mtx個のIFFT108上のそれらの個々の副搬送波入力に供給される。従来技術のMIMO−OFDM送信器102の一実施形態では、ストリームの数Nは送信アンテナの数Mtxに等しく、各副搬送波(たとえばk番目)上では、k番目の副搬送波に対するi番目のデータ・ストリームが、i番目の送信アンテナのk番目の副搬送波入力に供給されており、マルチ・ストリーム送信ビームフォーマ105は用いられていない。しかし、IFFT副搬送波入力の前にビームフォーマ105を用いた場合には、より良好な性能が得られることが多い。
図2に、送信器102のMtx個のIFFT108上における各副搬送波の入力の前に用いられる従来技術のマルチ・ストリーム送信ビームフォーマ105を、より詳細に例示する。図2に示したように、送信器102の各マルチ・ストリーム送信ビームフォーマ105では、Mtx×Nの行列V(k)=(v (k),v (k),…,v Ns(k))によって示される送信アンテナ・アレイ重みを用いている。ここで、Mtxは、送信アンテナの数であり、Nは、k番目の副搬送波上で送出されるデータ・ストリームの数である。またV(k)のi番目の列は、k番目の副搬送波上のi番目のデータ・ストリームに対するMtx個の重み係数を含むMtx×1の列ベクトルv (k)によって示される。V(k)に対する適切な値を計算するために、送信器102は一般に、送信アンテナ104と受信器101上の1つまたは複数の受信アンテナとの間のチャネル応答についての何らかの情報を必要とする。
図1に戻って、受信器101は、ダウンリンク・チャネル応答を測定する。また受信器101は、送信アンテナ・アレイ重み(V(k)=(v (k),v (k),…,v Ns(k))、ここで、kは副搬送波であり、Nは、各副搬送波データ・ストリームに適用される副搬送波当たりのデータ・ストリームの数である)を計算するために送信器102が用いるべき情報を送り返すことを担っている。通常、この送り返される情報は、送信重みベクトルもしくは可能な重みベクトルのコードブックへのインデックス、または同様の技術に基づく他の情報から構成される。次に、N個のデータ・ストリームに重みベクトルV(k=1)〜V(k=N)を掛けて、複数のストリームを受信器101に効果的に送出する。
明らかなように、このようなシステムでは、送信器102には、送信アレイと受信アレイとの間の行列周波数応答が分かっている必要がある。このことは、急速に変化する周波数選択性ブロードバンド・チャネルにおいて問題を引き起こす可能性がある。問題はたとえば、OFDMを用いるモバイル通信システムにおいて直面するチャネルの形式などである。特に、フィードバック・ベースの送信アレイ・システム、たとえば図1に例示したものにおいては、最適な性能が得られるように、送信重みベクトルを、送信器102にフィード・バックするとともに、時間および周波数に渡って起こるチャネル変化を追跡するように更新する必要がある。残念ながら、チャネル応答の完全な追跡を可能にするメカニズムには、受信器と送信器との間の禁止レベルのフィード・バックが必要となる場合がある。したがって、送信器が使用すべきチャネル情報を送り返すときに、禁止レベルのフィード・バックを必要としない通信システムにおけるマルチ・アンテナ送信のための方法および装置が、必要とされている。
本明細書においては、前述した必要性に対処するために、送信のための方法および装置を提供する。本発明の好ましい実施形態によれば、低減された数の送信重みベクトルが、送信器にフィード・バックされる。次に、各送信重みベクトルを複数の副搬送波に適用する。各送信重みベクトルは、複数の副搬送波に適用されるため、送信器にフィード・バックされる重みベクトルの量は、極めて低減されている。
複数の副搬送波に適用すべき送信重みベクトルを得るために、周波数バンド幅を副搬送波ブロックの組にパーティショニングすることが行なわれる。最適化された送信重みベクトルの組が、送信アレイと受信器上の1つまたは複数のアンテナとの間の行列チャネル周波数応答に対する推定値に基づいて、各副搬送波ブロックに対して計算される。最適化された送信重みベクトルの計算は、フィードバック・チャネルの可用性に依存して、送信器または受信器において行なうことができる。
フィードバック・チャネルが利用できる場合には、受信器は、送信器と受信器との間のチャネル応答を測定することができ、最適化された送信重みベクトルの組を、周波数バンドに渡る各副搬送波に対してではなく、各副搬送波ブロックに対して、計算することができる。次に、各副搬送波ブロックに対するこれらの重みベクトル(周波数バンドに渡るあらゆる副搬送波に対するものではない)を、フィードバック・チャネルを介して送信器へ送り返す。あるいは、各副搬送波ブロックに適用すべき送信重みの組を、送信器が計算または推測することを可能にする情報を、送信器へ送り返すことができる。次にデータを、送信器から受信器に、それらの送信重みまたはそれらの送信重みの何らかの関数を用いる送信アレイによって送信する。
フィードバック・チャネルが利用できない場合には、送信器は、受信器と送信器との間のチャネル(アップリンク・チャネル)のチャネル周波数応答を測定し、受信器と送信器との間の測定されたチャネル応答に基づいて、送信器と受信器との間のチャネル応答を決定する。次に、送信器は、各副搬送波ブロックに対する送信重みベクトル(周波数バンドに渡る各副搬送波に対するものではない)の組を計算する。この結果、周波数バンドに渡る各副搬送波に対して送信重みベクトルの組を計算しなければならない従来技術と比べて、計算が簡略化される。次にデータを、送信器から受信器に、それらの送信重みまたはそれらの送信重みの何らかの関数を用いる送信アレイによって送信する。
前述した方法によって、周波数バンドに渡るあらゆる副搬送波に対する重みベクトルの組を単純に送り返す方法と比較して、必要なフィード・バックにおいて実質的な節約が得られる。
本発明には、マルチ・アンテナ送信のための方法が含まれる。本方法は、送信器から送信された複数の副搬送波を受信器において受信するステップと、副搬送波を複数の副搬送波ブロックにグループ分けするステップであって、各副搬送波ブロックにはK個の副搬送波が含まれるステップと、各副搬送波ブロックに対して単一の重みMtx×Nの行列V を計算するステップと、を含む。そして、副搬送波ブロックに対する重み付けベクトルを、送信器に送信する。
本発明には、マルチ・アンテナ送信のための方法が、さらに含まれる。本方法は、複数の副搬送波を受信するステップと、副搬送波を複数の副搬送波ブロックにグループ分けするステップであって、複数の副搬送波ブロックのそれぞれはK個の副搬送波を備える、ステップと、複数の副搬送波ブロックのそれぞれに対して、単一のMtx×Nの重み行列V を計算するステップと、を備える。副搬送波ブロック内のすべての副搬送波は、V を用いて重み付けされる。
本発明にはさらに、複数の副搬送波を入力とし、複数のMtx×Nの重み行列V を出力する適応性重み制御器を備える装置であって、K個の副搬送波を備える副搬送波ブロックに対して単一の重み付けベクトルが計算される、装置が含まれる。
本発明の好ましい実施形態では、図1で説明したものと同様のOFDMシステムを用いる。通信システム100では、OFDM通信システム・プロトコルを用いているが、本発明の代替的な実施形態においては、他のシステム・プロトコルを用いてもよい。このような他のシステム・プロトコルには、以下のものが含まれる(しかしこれらに限定されない)。サイクリック・プレフィックス(CP:Cyclic Prefix )を有する周波数ドメイン・イコライズド・シングル・キャリア・システム(サイクリック・プレフィックス・シングル・キャリアと言われる)、サイクリック・プレフィックスを有する符号分割多重接続システム(サイクリック・プレフィックスCDMAと言われる)、マルチ・キャリアCDMAシステム、および拡散OFDMシステム。その結果、本発明は、OFDMシステム、CPシングル・キャリア・システム、CP−CDMAシステム、および他の任意の同様のシステムまたはハイブリッド・システムにおいて、適用可能であり効果的である。
当業者であれば認めるように、OFDMシステムでは、利用可能なバンド幅が非常に多くの狭い周波数バンド(副搬送波)に分割され、データは副搬送波上で並行して送信される。各副搬送波では、占められた周波数バンドの異なる部分を用いる。複数の送信アンテナを有するOFDMシステムでは、副搬送波上で送信すべき信号は、逆高速フーリエ変換(IFFT)ブロック108の入力に供給される。ブロック107では、次に、サイクリック・プレフィックスが、IFFTブロック108の出力に付加され、結果として生じる信号は次に、ブロック106においてパラレルからシリアルに変換される。図1のMIMOシステムでは、マルチ・ストリーム送信ビームフォーミングを用いている。それによって、1つのOFDMシンボル間隔(またはボー間隔)内で送出すべきデータが、N個の副搬送波によってNシンボル・ストリームの行列に分割され、それによって、Nシンボルは、N個の副搬送波のそれぞれに送信されることになる。与えられた各副搬送波上で送信すべきNシンボルは、最初にマルチ・ストリーム送信ビームフォーマ105に送られる。そこでNシンボルは、重み付けおよび合計された後、複数のアンテナによってその副搬送波上で送信される。
図2に、副搬送波上で送信すべきN個のシンボルに対して重み付けし合計するマルチ・ストリーム送信ビームフォーマのブロック・ダイアグラムを示す。図2に示したように、k番目の副搬送波(または周波数)上で送信すべきN≧1個のデータ・ストリームを、s(k),s(k),…,sNs(k)(1≦k≦N)と示す。副搬送波k上で複数の送信アンテナに渡って送信すべき重み付けされおよび合計された信号を、x(k),x(k),…,xMtx(k)(1≦k≦N)と示す。特に、各データ・ストリーム/アンテナの組み合わせは、それに付随する特定の重みを有する。k番目の副搬送波に対して、このビームフォーミング・プロセスは、以下のように数学的に表わされる。
Figure 2006522505
ここで、X(k)=[x(k),x(k),…,xMtx(k)](Tは転置演算子)は、IFFTのk番目の副搬送波入力に供給される信号のMtx×1のベクトルであり、V(k)は、重み係数のMtx×Nの行列であり、V(k)=(v (k),v (k),…,v Ns(k))によって与えられる。ここで、V(k)のi番目の列は、k番目の副搬送波上のi番目のデータ・ストリームに対するMtx重み係数を含むMtx×1の列ベクトルv (k)(すなわち、v (k)=[v1i(k),…,vMtxi(k)])によって示される。N×1のベクトルS(k)は、S(k)=[s(k),s(k),…,sNs(k)]として与えられる。なおシステムの時間依存性(すなわち、OFDM−シンボル間隔)は、簡単化のために省略した。
図3に、1つまたは複数の受信アンテナ304からなる受信器300のブロック・ダイアグラムを示す。各受信アンテナ上で受信された信号は、最初に、ベース・バンドサンプル値信号ストリームに変換され(ベース・バンドへのこの変換は、図示しないが、当該技術分野において知られている)、次に、シリアルからパラレルへ変換される(306)。ブロック307では、サイクリック・プレフィックスが除去され、残りのサンプルは、ブロック308において、高速フーリエ変換(FFT)によって周波数ドメインに変換される。i番目の受信アンテナの後ろにあるFFT308のk番目の副搬送波出力上の信号を、y(k)と示す(1≦i≦Mrxおよび1≦k≦N)。ここで、Mrxは受信アンテナ304の数であり、Nは副搬送波の数である。次に、k番目の副搬送波(1≦k≦N)上の信号が、Mrx個の入力およびN個の出力を有するマルチ・ストリーム受信結合器310に供給される。ここで、N個の出力、z(k),…,zNs(k)のそれぞれは、k番目の副搬送波上のN送信データ・ストリームの1つを再生するためのものである。
図4に、各副搬送波kに対して用いるマルチ・ストリーム受信結合器310のブロック・ダイアグラムを示す。図4に示したように、マルチ・ストリーム受信結合器の各出力は、Mrx個の受信アンテナから受信したMrx個の信号を重み付けし、合計することによって形成される。k番目の副搬送波に対するi番目の受信アンテナのj番目のストリームに対する重み係数は、wij(k)と示される。副搬送波kに対するマルチ・ストリーム結合器の出力は、1≦j≦Nおよび1≦k≦Nに対して、z(k)と示される。
数学的に、k番目の副搬送波に対する受信器の動作は、以下のようになる。
Figure 2006522505
ここで、Hは共役転置演算子であり、z(k)=[z(k),z(k),…,zNs(k)]は、副搬送波kに対する結合器出力のN×1のベクトルであり、Y(k)=[y(k),y(k),…,yMrx(k)]は、副搬送波k上で受信した信号のMrx×1のベクトルでり、W(k)は、重み係数のMrx×Nの行列である。ここで、W(k)=[w (k),w (k),…,w Ns(k)]であり、W(k)のi番目の列は、k番目の副搬送波上のi番目のデータ・ストリームを受信するためのMrx個の重み係数を含むMrx×1の列ベクトルw (k)によって示される(すなわち、w (k)=[w1i(k),…,wMrxi(k)])。受信された信号ベクトルY(k)は、以下の式を満たす。
Figure 2006522505
ここで、H(k)は、副搬送波kに対するMrx×Mtxチャネル行列であり、N(k)は、副搬送波kに対する受信器ノイズのM×1のベクトルであり、X(k)は、副搬送波kに対するMtx×1の送信信号ベクトルである。この解析において、(3)における時間依存性は、簡単化のために省略した。
以下の説明では、Mtx×N個の送信重み係数V(k)およびMrx×N個の受信重み係数W(k)を、前述の送信方式に対して、OFDMシステムのダウンリンクで用いたときに、どのように計算できるかについて数学的な説明を行なう。本文では最初に、1つの送信ストリームの場合を扱う(N=1)。これは、最大比送信(MRT:Maximal Ratio Transmission)方式または送信適応性アレイ(TXAA:transmit adaptive array )方式と言われる。その後で、複数のストリーム(N>1)の場合について説明する。
OFDMダウンリンクに対する周波数ドメイン単一ストリームMRT/TXAA方式では、データ・シンボル・ストリームは、X(k)=V(k)s(k)に従って各副搬送波上で「ビームフォーム」される。ここで、V(k)は、k番目の副搬送波に対するMtx×1のビームフォーミング・ベクトルであり、s(k)は、k番目の副搬送波に対する単位平均パワーのデータ・シンボル(すなわち、PSK/QAM)である。このようなシステムでは、基地局における送信アレイには一般的に、送信アレイと受信アレイとの間のMrx×Mtxの行列チャネル応答H(k)が分かっている必要がある。また加入者対基地フィード・バック技術を用いて、基地が、チャネル応答H(k)を推測することを、あるいは他の場合には、Mtx×1の送信重みベクトルV(k)を直接推測することを助ける情報を、基地局に提供することができる。加入者対基地フィード・バック方式では、受信器(加入者)101は、OFDMバンド幅に渡る行列チャネル応答を測定する。また加入者は、基地局(送信器102)に適切な組の情報を戻して、その情報により、基地局が、その周波数ドメイン送信ビームフォーミング重みを計算することができるようにすることを担う。
単一ストリーム・ストラテジの場合、副搬送波k上の受信データは、以下によって与えられる。
Figure 2006522505
線形の受信アレイ結合の場合、受信器は、各副搬送波に対して以下の信号を計算する。
Figure 2006522505
送信重みベクトルおよび受信重みベクトルは、以下のように選択することができる。副搬送波kに対しては、Mrx×Mtxのチャネル行列の特異値分解は、以下のようになる。
Figure 2006522505
ここで、U (k)はMrx×Mrxのユニタリ行列であり、Z (k)はMtx×Mtxのユニタリ行列であり、S (k)は、対角線(SH,1,…,SH,rH)によって与えられる左上のr×r部分を除いてすべてゼロのMrx×Mtxの行列である。ここで、rは、H(k)のランクである(r≦min(Mtx,Mrx))。受信アレイ出力のk番目の副搬送波に対するSNRを最大にすることには、以下に従ってMtx×1の送信重みベクトルV(k)を選択することが伴う。
Figure 2006522505
ここで、Z H1(k)は、Z (k)の第1の列である。次に、受信重みベクトルを、以下に従って選択する。
Figure 2006522505
ここで、αは、信号対ノイズ比(SNR:Signal to Noise Ratio )の受信後の結合に影響しないスカラー定数である。この定数は、受信重みベクトルに対してMMSE解を与えるように選択することができ、結果は以下のようになる。
Figure 2006522505
ここで、σは受信器ノイズ変動であり、σ は、送信されたシンボル群(1であると仮定されている)におけるパワーである。前述した説明の意味は、送信および受信重みベクトルは、チャネル行列H(k)における任意の副搬送波依存性の変化を追跡するように選択しなければいけない、ということである。
1つの受信アンテナを用いた場合(H(k)は1×Mtx)、k番目の副搬送波上での最大のSNRは、以下のように示すことができる。
Figure 2006522505
なお、2つの送信アンテナおよび1つの受信アンテナの場合、この量は(12)の値の2倍である。その結果、この場合には、TXAAは、アラモーチ(Alamouti)法の場合よりも3dBだけ良好である。アラモーチ法は、当該技術分野において知られている(次の段落における参考文献を参照のこと)。一般的に、TXAAに対するSNRは、以下のようになる。
Figure 2006522505
ここで、λは、H^H(k)H(k)の最大固有値である。
上述の送信方式と比較した場合、エス.エム.アラモーチ(S. M. Alamouti)によって説明される送信方式、「無線通信に対する簡単な送信ダイバーシティ技術(A simple transmit diversity technique for wireless communications )」IEEEジャーナル、通信における選り抜きの分野(IEEE Journal on Select Areas in Communications)、第16巻、第1号(1998年10月)は、2つの周波数ドメイン・シンボルを、2つのOFDMシンボル間隔および1つの副搬送波に渡ってアラモーチ・エンコーディングすることによって、OFDMに容易に拡張される。静的なチャネル、単位パワーの送信シンボル、Mtx=2の送信アンテナ、およびMrx=1の受信アンテナを仮定すると、アラモーチ方式の場合のk番目の副搬送波に対して予想されるSNRは、以下によって与えられる。
Figure 2006522505
ここで、H(k)は、副搬送波kに対するMrx×Mtxのチャネル行列である。なお、2つの送信アンテナおよび1つの受信アンテナの場合、この量は(10)の値の半分となり、アラモーチはTXAAよりも3dBだけ悪くなる。2つ以上の受信アンテナを用いた場合、SNR表現は、以下のようになる。
Figure 2006522505
ここで、λおよびλは、H^H(k)H(k)の2つの固有値である。
なお、2×MrxのTXAA方式を伴う副搬送波当たりのSNRは、H^H(k)H(k)の最大固有値に比例しているが、一方、(13)から、2×Mrxのアラモーチを伴うSNRは、H^H(k)H(k)の2つの固有値の平均値に比例している。その結果、送信器および受信器の両方における完全なチャネル知識を有する2×Mrx構成では、アラモーチ方式のSNRは、TXAAよりも0〜3dBだけ悪い。実際の差異は、H^H(k)H(k)の固有値によって決定される。
マルチ・ストリームの場合(すなわち、N>1)(その他の場合には、MIMOまたは空間マルチプレキシング・ストラテジとして知られている)には、(1)、(2)、および(3)の関係によって、送信データと受信データとの間の関係が規定される。受信重み行列に対するMMSE解は、以下の式により、任意のMtx×Nの送信重み行列V(k)の項において見出すことができる。
Figure 2006522505
ここで、R は、送信されたストリームの共分散行列であり(R =E[S(k)S^H(k)])、これは、独立したストリームの場合には、ストリームのパワーが対角線に沿って配置された対角行列である。送信および受信重みを選択する1つの方法は、以下の通りである。
(6)の関係を用いて、Mtx×Nの送信重み行列V(k)を、右側の非正則行列Z (k)に等しくなるように選択することができる。そして、受信重み行列を、U (k)S −1(k)に等しくなるように選択することができる。この場合、マルチ・ストリーム受信結合器出力ベクトルZ(k)は、Z(k)=S(k)+S −1(k)U (k)N(k)によって与えられる。その結果、チャネルは、送信アレイへの入力と受信アレイへの入力との間のパラレル非干渉空間チャネルに効果的に「対角化」されており、またマルチ・ストリーム受信器結合器出力ベクトルは、N×1の送信マルチ・ストリーム・シンボル・ベクトルS(k)にノイズを加えたものに等しい。チャネルを対角化するこの基本的な考え方についての他の変形を、たとえば全てのストリームの出力の平均2乗誤差を等しくさせるようにデザインされる他の変形以外に、実施することができる。
前述した解析で示したように、送信および受信重み行列は、副搬送波kに渡るチャネル行列H(k)の瞬時値に依存している(ここで、H(k)の時間依存性は、簡単化のために解析から省いていた)。前述したように、送信器適応性重み制御器103は、受信器101から送り返される情報に基づいて、各副搬送波kに対するMtx×Nの重み行列V(k)を計算してもよい。通常、この送り返される情報は、送信重み行列もしくは可能な重み行列のコードブックへのインデックス、または同様の技術に基づく他の情報から構成される。
前述したように、チャネル応答の完全な追跡を可能にするフィードバック・メカニズムは、受信器101からの禁止レベルのフィード・バックを必要とする場合がある。この問題に対処するために、本発明の好ましい実施形態においては、複数の副搬送波k=1,2,…,Nを、ブロックに分割する。ここで、各ブロックに付随するマルチ・ストリーム送信ビームフォーミング・プロセスでは、ブロック内のあらゆる副搬送波に対して、同じMtx×Nの重み行列V を用いることが意図されている。受信器101からフィード・バックされる情報には、N個すべての副搬送波に対する情報ではなくて、副搬送波の各ブロックに対する情報が含まれている。そのため、送信器102にフィード・バックすべきデータの量を極めて最小限にすることができる。たとえば、N個の副搬送波を含む従来技術のシステムでは、各副搬送波/アンテナの組み合わせに対して適切な重みが使用できるように、フィード・バックすべきN個すべての副搬送波に対して送信重み行列が必要である。N個のOFDM副搬送波のそれぞれに対して異なるMtx×Nの重み行列V(k)をフィード・バックしなければならないことを回避するために、周波数ドメインは、それぞれK個の副搬送波からなる多くのブロックに分割される。K個の副搬送波からなる各ブロックに対して、送信アレイには、ブロックのそれらK個の副搬送波に渡って使用するために、1つのMtx×Nの送信重み行列V のみが設けられている。フィードバック・チャネルを用いるときには、受信器101は、各ブロックに対して1つのMtx×Nの送信重み行列のみをフィード・バックするため、フィード・バックの量が大きく低減される。
前述の説明では、副搬送波を副搬送波ブロックにパーティショニングして、送信器102にフィード・バックされる情報を大きく減らすことについて詳述した。以下の説明では、副搬送波上で1つのデータ・ストリームのみが送信される(すなわちN=1の)周波数選択性チャネル内のOFDM副搬送波のブロックに渡って適用すべき単一のMtx×Nの送信重み行列(またはベクトル(N=1のとき))を計算する方法について詳述する。その後で、マルチ・ストリームの場合(N>1)への拡張について説明する。
送信共分散行列に基づく周波数ドメイン固有ビームフォーミング
前述したように、あらゆるOFDM副搬送波kに対して異なるV(k)をフィード・バックしなければならないことは、回避することが望ましい。本発明の好ましい実施形態においては、周波数ドメインを、それぞれK個の副搬送波からなる多くのブロック(B個のブロック)に分割する(ここで、B個のブロックが周波数ドメイン内でオーバーラップしていないならば、B=N/Kである。なお他のオーバーラップするブロック割り当ても可能である)。K個の副搬送波からなる各ブロックに対して、送信アレイには、それらK個の副搬送波に渡って用いるために、1つのMtx×1(すなわちN=1)の送信重みベクトルのみが設けられている。したがって当面の問題は、与えられたブロックのK個の副搬送波に渡って適用すべき送信重みベクトルを、どの程度最良に計算するか、ということである。この場合、与えられたブロックのk=1,…,Kに対する受信アレイにおいて受信されるデータは、以下の通りである。
Figure 2006522505
ここで、V は、ブロックの副搬送波1〜Kにおいて適用されるMtx×1の送信重みベクトルである。簡単な方法は、送信重みベクトルが副搬送波ブロックのすべての副搬送波に渡って適用される副搬送波のブロックの中間点におけるチャネル行列に基づいて、送信重みベクトルを計算することである。しかし、本発明の好ましい実施形態においては、送信重みベクトルは、送信重みベクトルに対する単位パワーの制約を受けるK個の副搬送波のサブ・ブロックに渡って平均化されるノイズのない受信信号パワーを最大にするように選択される。以下の量を最大にするV を選択することが目標となる。
Figure 2006522505
ここで、Y(k)は受信信号であり、Eは期待値演算子(信号およびノイズに対する期待値)であり、Kは特定の副搬送波ブロック内の副搬送波の数である。期待値は、(15)におけるY(k)に対する表現における信号項に対するものであることに注意されたい。(15)を(16)に代入して、以下のように期待値の結果を得る。
Figure 2006522505
(17)の表現を最大にする単位ノルムV を選択することには、Mtx×1の送信重みベクトルV を、制約V =1の下、以下の量の最大固有値に対応する固有ベクトルとして選択することが伴う。
Figure 2006522505
tx×Mtxの行列R HKは、本質的に、K個の副搬送波のバンド幅上で平均化される送信チャネル共分散行列であるものの推定値である。なお受信器ノイズ電力は、V に対するこの解の一部とはならないが、この解によって、周波数ブロックに渡って平均化されるSNRの受信後の結合も最大になる。次に受信重みベクトルを、(14)に従って選択することができる(ただし、特定の副搬送波ブロック内のすべてのkに対して、V(k)をV に置換した後で)。受信器には、周波数ブロックの各副搬送波上における、チャネル行列H(k)および送信重みベクトル(または同様な意味合いで、それらの積H(k)V 、またはより一般的にH(k)V(k)の値)の推定値を与えなければならない。
またこの固有ビームフォーミング・アプローチを、マルチ・ストリーム(MIMO)ストラテジに拡張することが、N個の送信重みベクトル(Mtx×Nの重み行列V によって示される)を、チャネルの送信器共分散行列(たとえば(18))のN個の最大固有値に対応するN個の固有ベクトルとして選択することによって、可能となる。より一般的には、N個の送信重みベクトルを、チャネルの送信器共分散行列(たとえば(18))のN個の最大固有値に対応するN個の固有ベクトルの関数として選択することができる。ここで関数は、線形変換または何らかの他の適切な変換とすることができる。次に、受信重み行列を、(14)に従って選択することができる。受信器には最終的に、周波数ブロックの各副搬送波上における、チャネル行列H(k)および送信重み行列V(k)(または同様な意味合いで、それらの積H(k)V またはより一般的にはH(k)V(k)の値)の推定値を与えなければならない。(18)の送信共分散行列の推定値に基づく他の送信ストラテジも、用いることができる。
図3は、本発明の好ましい実施形態による図1の受信器101のブロック・ダイアグラムである。前述したように、受信器101は、Mrx個のアンテナが受信したN個の副搬送波のそれぞれに適用される受信重みベクトルW(k)=(w (k),w (k),…,w Mrx(k))によって動作する。パイロット・トレーニング・シーケンスの間、適応性重み制御器303は、N個すべての副搬送波Y(k=1),Y(k=2),…,Y(k=N)の無線送信を受信する。前述したように、各副搬送波kに対して、Y(k)=H(k)X(k)+N(k)である。パイロット・シーケンスは先見的に分かるため、X(k)も分かる。適応性重み制御器303は、Y(k)およびX(k)の両方が分かれば、各副搬送波kに対してH(k)を計算する。各副搬送波に対するH(k)が分かれば、適応性重み制御器303は次に、K個の副搬送波の各ブロックに対する送信共分散行列R HK(式(18))を計算する。N個の副搬送波を、それぞれK個の副搬送波を含む複数のブロックに分割することを実施することは、送信器102および受信器101の両方に分かっている。次に、受信器101は、副搬送波ブロックのそれぞれに対するV の値を、制約V =1の下、以下の量の最大固有値に対応する固有ベクトルとして選択する。
Figure 2006522505
tx×Mtxの行列R HKは、本質的に、K個の副搬送波のバンド幅上で平均化される送信チャネル共分散行列であるものの推定値である。なお受信器ノイズ電力は、V に対するこの解の一部とはならないが、この解によって、周波数ブロックに渡って平均化されるSNRの受信後の結合も最大になる。
図5に、フィードバック・モードの動作における本発明の動作を例示するフロー・チャートを示す。このモードでは、送信器102は、基地局であり、受信器101は、加入者機器またはモバイル機器である(プロセスは、送信器が加入者機器であって受信器が基地局の場合にも適用される)。
プロセスはブロック504から始まる。ここでは、基地局が、パイロット信号を、すべての送信アンテナから加入者機器に送信する。ブロック506では、加入者は、パイロット信号(チャネルによって壊されている)を受信し、また加入者は、送信されたパイロット信号の先見的な知識を用いて、すべての副搬送波kに渡るMrx×Mtxのチャネル行列H(k)の行列周波数応答を推定する(他のチャネル推定値技術も可能であり、パイロット信号の使用を伴わない技術であっても可能である)。ブロック508では、加入者は、複数の副搬送波ブロックのそれぞれに対して、Mtx×Mtxのダウンリンク空間共分散行列R HKを計算する(各ブロックは、K個の副搬送波を有し、各副搬送波ブロックに対して1つのR HKが計算される)。ブロック510では、加入者が、各副搬送波ブロックに対する各ダウンリンク空間共分散行列の固有分解を計算して、各副搬送波ブロックに対するN個の送信重みベクトルの組を生成する。ブロック512では、加入者は、B×N個のMtx×1の重みベクトルの組(Mtx個の送信アンテナを有するB個の副搬送波ブロックのそれぞれに対してN個の重みベクトル)を、フィードバック・チャネル上で基地局に返信する。これらの重みベクトルは、フィードバック・チャネルに渡る送信に対してエンコードされる。エンコードは、その基地局が、各副搬送波ブロック上に適用される実際のN個の重みベクトルを決定できるように行なわれる。ブロック514では、基地局が、フィード・バック送信をデコードし処理する。その結果、加入者が基地局に伝えた各副搬送波ブロックに対するN個の重みベクトルが得られる。本発明の一実施形態においては、各周波数副搬送波ブロックにおいて、基地は、副搬送波ブロックに対するN個の重みベクトルを、副搬送波ブロック内のすべての副搬送波に、単純に適用する(フロー・チャートのブロック516に示す)。他の実施形態においては、ブロック514における基地局は、これらのB×N個の重みベクトルをさらに処理する。この処理は、すべての副搬送波に渡って重みベクトルを補間して、利用可能な周波数バンド(副搬送波ブロック当たり1つだけではない)に渡るN個の副搬送波のそれぞれに対してN×N個の送信重みベクトルを生成することによって行なう。どちらの実施形態の場合も、ブロック516において、基地局は、計算された送信重みベクトルに基づいてN個の副搬送波のそれぞれ上でN個のデータ・ストリームを送信する(N個の副搬送波に渡って副搬送波当たりN個のデータ・ストリーム)。
代替的なモードの動作では、ブロック508が、B個のブロックのそれぞれに対するダウンリンク空間共分散行列を、前述したものとわずかに異なる仕方で計算する。副搬送波ブロック内の副搬送波の1つ(たとえば副搬送波k)(好ましくはブロックの中央部の副搬送波)におけるチャネル応答、またはブロック上で平均したチャネルの平均値を用いて、ダウンリンク空間共分散行列を計算して、R HK=H(k)(k)が求まり(より多くの計算を伴う(18)にはよらない)、およびこの空間共分散行列の固有分解をブロック510で計算して、副搬送波ブロックに対するN個の重みベクトルを生成する。ブロック512では、B×N個の重みベクトルを、前述したようにエンコードされた形態で基地局にフィード・バックする。ブロック514では、フィード・バック情報が基地局によってデコードされて、B×N個の重みベクトルが生成される。前述したように、次に基地は、任意に、これらのB×N個の重みベクトルを補間して、利用可能な周波数バンド(副搬送波ブロック当たり1つだけではない)に渡るN個の副搬送波のそれぞれに対するN×N個の補間された送信重みベクトルを生成する。他の実施形態においては、加入者は、ブロックの中央部の副搬送波におけるチャネル(または代替的にブロック上の平均チャネル)だけを、基地局にフィード・バックする(ブロック512)。次に基地局は、固有分解R HK=H(k)(k)を計算して、送信重みベクトルを決定する(ブロック514)。この実施形態においては、基地が重みベクトルを計算するため、加入者における計算の複雑さが低減される(したがってバッテリ・パワーが節約される)。
図6に、フィードバック・チャネルが利用できないか、あるいは単に用いられていない動作モードにおける本発明の動作を例示するフロー・チャートを示す。図6では、送信器102は基地局であり、受信器101は加入者機器またはモバイル機器であるが、プロセスは、送信器が加入者機器であって受信器が基地局の場合にも適用される。プロセスは、ブロック604から始まる。ここでは、基地局が、加入者からパイロット信号(チャネルによって壊されている)を受け取る。またプロセスは、ブロック606において、受け取ったパイロット信号に基づいて、アップリンク(加入者対基地)行列チャネル応答を計算する(他のチャネル推定技術も可能であり、パイロット・シンボルを必要としない技術であっても可能である)。次に基地局は、加入者対基地チャネル応答から、基地局から加入者機器へのチャネル・ゲインを決定する(相反性仮定、または送信および受信ハードウェアの知識に基づく他の同様の仮定を介して)。この決定によって、各副搬送波kに対するMtx×Mtxのチャネル行列H(k)(基地局と加入者との間)の推定値が生成される。次にブロック608において、基地局は、複数の副搬送波ブロックのそれぞれに対して式(18)に従って、送信空間共分散行列を計算する。各副搬送波ブロックには、K個の副搬送波が含まれる(異なる空間共分散行列は一般に、副搬送波ブロック内の副搬送波kに対するチャネル行列H(k)の値に依存して、異なる副搬送波ブロックに対して計算される)。次にブロック610において、基地局は、ブロック608で計算されたB個の空間共分散行列のそれぞれに対して固有分解を計算して、B×N個の送信重みベクトル(B個の副搬送波ブロックのそれぞれに対してN個の送信重みベクトル)を生成する。ブロック612では、各副搬送波ブロックに対して、基地局が、副搬送波ブロック内の各副搬送波に対して実際の送信重みベクトルを計算して、そのブロックに対するN個の送信重みベクトルが求まる。これは、ブロック610における固有分解から計算される。(言い換えれば、N個の送信重みベクトルは、副搬送波ブロックの副搬送波に渡って固定されている)。他の実施形態(図5で説明したものと同様である)においては、ブロック610における固有分解から生成されるN個の送信重みベクトルを次に、バンドのすべての副搬送波に渡って補間して、利用可能な周波数バンド(副搬送波ブロック当たり1つだけではない)に渡るN個の副搬送波のそれぞれに対して、N×N個の補間された送信重みベクトルを生成する。
代替的なモードの動作では、ブロック610が、B個のブロックのそれぞれに対するダウンリンク空間共分散行列を、前述したものとわずかに異なる仕方で計算する。副搬送波ブロック内の副搬送波の1つ(たとえば副搬送波k)(好ましくはブロックの中央部の副搬送波)におけるチャネル応答、またはブロック内のすべての副搬送波上で平均したチャネルの平均値を用いて、ダウンリンク空間共分散行列を計算して、R HK=H(k)(k)が求まり(より多くの計算を伴う(18)にはよらない)、およびこの空間共分散行列の固有分解を、ブロック510で計算して、副搬送波ブロックに対するN個の重みベクトルを生成する。次に、B個のブロックのそれぞれに対するこれらのN個の重みベクトルを、バンド幅に渡って補間して、利用可能な周波数バンド(副搬送波ブロック当たり1つだけではない)に渡るN個の副搬送波のそれぞれに対するN×N個の送信重みベクトルを生成する。
本発明を、特に、特定の実施形態を参照して図示しおよび説明してきたが、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書において、形態および詳細における種々の変化を行なってもよいことが、当業者によって理解される。たとえば、前述の説明では、副搬送波の各ブロックに同じ数の副搬送波kが含まれた場合について、詳しく述べた。代替的な実施形態においては、副搬送波の各ブロックは、K(b=1,…,B、ここでBは副搬送波ブロックの総数)と指定される異なる数の副搬送波を含むことができる。なお、K≧1であり、また少なくとも1つのKは厳密に1よりも大きい。さらに、前述の説明では、各副搬送波ブロックに異なる副搬送波が含まれている場合(すなわち、非オーバーラッピング副搬送波ブロック)について詳述した。代替的な実施形態においては、副搬送波のブロックは、互いに部分的にオーバーラップしていてもよい。このような変形は添付の特許請求の範囲に含まれることが意図されている。
尚、国際出願の英文明細書中にJISコードで表記できない箇所があったため、この翻訳文では代替表記を使用した。具体的には、ベクトル又は行列を表すX(k),Y(k),V(k)等の文字は、国際出願の明細書では、
Figure 2006522505
のようにボールド体で表現されていたが、便宜上、翻訳文ではを付けて表現した。
適応性フィード・バックおよびマルチ・キャリア送信ビームフォーミングを用いる通信システムのブロック・ダイアグラム。 図1の通信システムにおいて用いるマルチ・ストリーム送信ビームフォーマのブロック・ダイアグラム。 本発明の好ましい実施形態による図1の受信器のブロック・ダイアグラム。 図3の受信器において用いるマルチ・ストリーム受信結合器のブロック・ダイアグラム。 フィードバック・モードにおいて動作するときの本発明の好ましい実施形態による図1の通信システムの動作を示すフロー・チャート。 本発明の好ましい実施形態による図1の通信システムの動作を示すフロー・チャート。

Claims (10)

  1. マルチ・アンテナ送信のための方法であって、
    送信器から送信された複数の副搬送波を受信器において受信するステップと、
    前記複数の副搬送波を複数の副搬送波ブロックにグループ分けするステップであって、該複数の副搬送波ブロックのそれぞれはK個の副搬送波を備える、ステップと、
    前記複数の副搬送波ブロックのそれぞれに対して、単一の重み行列V を計算するステップと、
    を備える方法。
  2. 請求項1に記載の方法であって、更に、
    前記複数の副搬送波ブロックに対する重み行列を前記送信器に送信するステップを備える方法。
  3. 請求項1に記載の方法において、
    前記V を計算するステップは、以下の量、
    Figure 2006522505
    (ここで、Y(k)=H(k)V s(k)+N(k)であり、H(k)は、前記送信器と前記受信器との間の行列チャネル応答であり、N(k)は受信ノイズであり、Eは期待値演算子である)を最大にするようにV を選択するステップを備える、方法。
  4. 請求項1に記載の方法において、
    前記V を計算するステップは、以下の量、
    Figure 2006522505
    (ここで、H(k)は前記送信器と前記受信器との間の行列チャネル応答であり、Y(k)=H(k)V (k)+N(k)である)の固有ベクトルの関数となるようにV を選択するステップを備える方法。
  5. 請求項1に記載の方法において、
    前記重み行列を前記送信器に送信するステップは、前記重み行列を前記送信器に送信して、前記送信器が、前記副搬送波ブロック内のすべての副搬送波を、前記重み行列を用いて重み付けするようにするステップを備える、方法。
  6. 請求項1に記載の方法であって、更に、
    前記送信器が前記重み行列を受信するステップと、
    前記副搬送波ブロック内のすべての副搬送波を、前記重み行列を用いて重み付けするステップと、
    を備える方法。
  7. 装置であって、
    複数の副搬送波を入力とし、複数の重み行列V を出力する適応性重み制御器を備え、
    K個の副搬送波を備える副搬送波ブロックに対して、単一の重み行列が計算される、装置。
  8. 請求項7に記載の装置において、
    前記適応性重み制御器は、以下の量、
    Figure 2006522505
    (ここで、Y(k)=H(k)V s(k)+N(k)であり、H(k)は、送信器と受信器との間の行列チャネル応答であり、N(k)は受信ノイズであり、Eは期待値演算子である)を最大にするようにV を選択する、装置。
  9. 請求項7に記載の装置において、
    前記適応性重み制御器は、V が、以下の量、
    Figure 2006522505
    (ここで、H(k)は送信器と受信器との間の行列チャネル応答である)の最大固有値に対応する固有ベクトルとなるようにV を選択する、装置。
  10. 請求項7に記載の装置において、
    前記複数の副搬送波のそれぞれは、異なる周波数で送信される、装置。
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