JP2007159130A

JP2007159130A - 分散型アンテナ移動通信システムにおける上り受信方法及び装置

Info

Publication number: JP2007159130A
Application number: JP2006323325A
Authority: JP
Inventors: Zhan Zhang; 戰張; Zhengang Pan; 振崗潘; Hidetoshi Kayama; 英俊加山; Arashi Chin; 嵐陳; En O; 炎王; Shoko Yu; 肖虎尤
Original assignee: NTT Docomo Inc
Current assignee: NTT Docomo Inc
Priority date: 2005-11-30
Filing date: 2006-11-30
Publication date: 2007-06-21
Also published as: CN1980088B; CN1980088A

Abstract

【課題】一般分散型アンテナシステムに応用される固有ビーム選択受信方法及び装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る装置は少なくとも二つの分散型無線アクセスユニットを有し、各分散型無線アクセスユニットは少なくとも二つのアンテナを有し、さらに、各分散型無線アクセスユニットに対応するベースバンドデータの共分散マトリックスを計算し、該共分散マトリックスに対して固有値分解を行って固有ベクトルマトリックスを取得する共分散マトリックス計算と固有値分解モジュールと、前記共分散マトリックスと前記固有ベクトルマトリックスを利用して投影値を計算する投影値計算モジュールと、数値が大きい特定の数の投影値と対応する固有ベクトルを選択する固有ベクトル選択モジュールと、前記選択された固有ベクトルを重み付けベクトルとして、ベースバンドデータに対して重み付け演算を行って一つの合成信号を形成する合成信号形成モジュールとを含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、分散型アンテナ移動通信の上り受信方法に関し、一般分散型アンテナシステム（GDAS）における移動通信の上り受信方法に関する。

通信技術の発展と高速データ通信の要求につれ、MIMO(マルチ入力・マルチ出力)に基づく技術が応用されている。MIMOにおいて、複数の異なるデータストリームは異なるアンテナを通じて送信され、受信側において複数のアンテナを通じてこれらのデータを受信して変調を行う。このような多重化に基づく空間多元接続方式は周波数利用効率を数倍に向上させることができる。しかし、次の三つの重要な要素がMIMO性能の向上を制限する。第一に、一般の移動通信において、上りで受信された信号には空間相関性が存在する。第二に、将来の移動通信においてスペクトラム資源の制限が通信システムを高周波数で稼動させ、システムのパスロスが大きくなり、特に信号のキャリア周波数が3GHzより高い際、システムのパスロスがさらに大きくなり、MIMOシステムを含む移動通信システムの設計に悪い影響を与える。第三に、移動通信システムにおいて、シャドーイング減衰があるので、移動端末がシャドーイング減衰の激しい所に位置する際、MIMOシステムの信号対雑音比（SIN）を低下させ、誤り率（BER）を増加させる。

パスロスとシャドーイング減衰からの影響を克服し、アンテナと移動端末の距離をできるだけ短くするため、分散型アンテナシステム（DAS）という技術が応用される。空間で分散され、かつ一定の距離を有する複数のアンテナの送受信信号をまとめて処理することによって、空間多重化とマクロダイバーシティ（Macro Diversity）とマイクロダイバーシティ（Micro Diversity）と低いパスロスとの効果を取得することができる。

一般（Generalized）分散型アンテナシステムにおいて、図１を参照すると、各分散型無線アクセスユニット（RAU）に、アンテナユニットにより構成された複数のアンテナアレイがあり、複数の分散型無線アクセスユニットのすべてのアンテナアレイの受信信号は光ファイバー或いは同軸ケーブルを通じて送受信基地局へ送信され、まとめて処理される。なお、MTは移動局であるが、アンテナの数が非常に多いため、基地局で処理されるデータの量が非常に大きくなり、基地局装置のハードウエア設計に影響を与えるとともに、装置の処理能力によりアンテナの数も制限される。これによって、システム性能の向上も制限されることになる。

本発明の目的は、一般（Generalized）分散型アンテナシステムに応用される固有ビーム選択受信方法及び装置を提供することであって、MIMO、スマートアンテナとDASのメリットを融合するとともに、システムの演算量を減少させることができ、それによって、処理スピードを向上させることができ、システム需要の複雑さを抑えることもできる。本発明の目的を達するために、以下の技術方案を採用する。

本発明は、移動通信システムにおける上り受信方法を提供し、該システムは少なくとも二つの分散型無線アクセスユニットを有し、各分散型無線アクセスユニットは少なくとも二つのアンテナを有し、前記受信方法は合成信号形成方法を含み、前記合成信号形成方法は、
各分散型無線アクセスユニットにおいてベースバンドデータの共分散マトリックスを計算するステップ（１）と、
前記共分散マトリックスに対して固有値分解を行って固有ベクトルマトリックスを取得するステップ（２）と、
前記共分散マトリックスと固有ベクトルマトリックスを利用して投影値を計算するステップ（３）と、
数値が大きい特定の数の投影値に対応する固有ベクトルを選択して、合成信号形成の重み付けベクトルとするステップ（４）と、
ベースバンドデータと前記重み付けベクトルを利用して合成信号を形成するステップ（５）とを含む。

前記ステップ（１）とステップ（２）の間には、さらに共分散マトリックスを反復更新するステップを含んでもよい。

前記ステップ（２）とステップ（３）の間には、さらに前記固有ベクトルマトリックスを記憶し、該情報を遅延させて利用するステップを含んでもよい。

を利用して前記共分散マトリックスを計算する。ここで、R_i(k)は分散型無線アクセスユニットiの第kデータブロックでの共分散マトリックスであり、Hはマトリックス或いはベクトルの共役転置を示し、x_i(j,k)は分散型無線アクセスユニットiの第kデータブロックでの第jサンプルの列ベクトル出力であり、Jは現在のデータブロックの共分散マトリックスを計算するために必要なサンプル数である。

を利用して前記投影値を計算する。ここで、

は第m番目の分散型無線アクセスユニットにおける第kデータブロックの共分散マトリックスと第k-1データブロックの反復共分散マトリックスの第l列固有ベクトルマトリックスから得られる投影値であり、u_ml(k-1)は第k-1データブロックに対応する反復共分散マトリックスの第l列固有ベクトルであり、R_m(k)は分散型無線アクセスユニットmの第kデータブロックでの共分散マトリックスであり、Hはマトリックス或いはベクトルの共役転置を示す。

を利用して共分散マトリックスを反復更新する。ここで、β_iは重み付け係数であり、R_i(k)は分散型無線アクセスユニットiの第kデータブロックでの共分散マトリックスである。

また、本発明は無線受信システムを提供する。該無線受信システムは少なくとも二つの分散型無線アクセスユニットを有し、各分散型無線アクセスユニットは少なくとも二つのアンテナを有し、前記無線受信システムは、
各分散型無線アクセスユニットにおいてベースバンドデータより共分散マトリックスを計算し、該共分散マトリックスに対して固有値分解を行って固有ベクトルマトリックスを取得する共分散マトリックス計算と固有値分解モジュールと、
前記共分散マトリックスと前記固有ベクトルマトリックスを利用して投影値を計算する投影値計算モジュールと、
数値が大きい特定の数の投影値と対応する固有ベクトルを選択する固有ベクトル選択モジュールと、
前記固有ベクトル選択モジュールで選択された固有ベクトルを重み付けベクトルとしてベースバンドデータに対して重み付け演算を行って合成信号を形成する合成信号形成モジュールとを含む。

前記共分散マトリックス計算と固有値分解モジュールは、ベースバンドデータに基づいて現在のデータブロックの共分散マトリックスを計算した後、共分散マトリックスに対して反復更新を行う。

前記共分散マトリックス計算と固有値分解モジュールは、固有値分解を行った後、取得した固有ベクトルマトリックスを記憶し、該情報を遅延させて利用する。

以上から分かるように、本発明は、各RAUの受信アレイの共分散マトリックスに対して反復更新を行うことを含む。まず、各RAUの現在のデータブロックのアレイ出力を時間的に平均を出した共分散マトリックスを計算し、その後、前の一つのデータブロックにより算出された共分散マトリックスと現在のデータブロックにより算出された共分散マトリックスに対して重み付けを行って合計を計算することによって、各RAUの共分散マトリックスに対する反復更新を完成する。移動端末から各RAUまでの空間方向上の到達角と角度の拡張は変化が遅いため、共分散マトリックスに対して反復更新を行うことで有効的に時変チャネルを追跡することができる。

さらに、本発明は、各RAUの受信アレイの共分散マトリックスに対して固有値分解を行い、該情報を遅延させて記憶することを含む。すべてのRAUで算出された共分散マトリックスに対して固有値分解を行い、すべての固有ベクトルと固有値を記憶する。これらの固有ベクトルは次のデータブロックまで遅延され、ビーム形成の重み付けベクトルとして利用される。固有値分解の結果が次のデータブロックで使用されるため、計算のリアルタイム性の要求が低くなる。本発明の一つのメリットは、トレーニングシーケンスとデータの両方を使用して共分散マトリックスを求めることができるため、データの高効率伝送に役に立つ。

本発明は、一般（Generalized）分散型アンテナシステムの上り受信ベースバンド信号処理に対して提供され、システムのリアルタイム性を考えて、システムの自由度を抑え、システム全体の性能要求を考え、ビーム形成の効率を向上させ、演算の量を抑え、システムの複雑さを抑えた。これによって、デバイスのコストを節約し、容量を増やすことができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明することによって、本発明のその他の特徴と目的と効果を更に明らかにし、容易に理解できるようにする。

すべての図面において、同じ符号は同じか相似か或いは相応の特徴と機能を持つという意味を表わす。

図３は、ブロック図と数学公式により、反復方法で共分散マトリックスを計算するプロセスと該マトリックスに対して固有値分解を行うプロセスを示す。本実施例において、二つのRAU（RAU1とRAU2）を有し、各RAUが３本のアンテナ或いはアンテナサブアレイを有することを例として説明する。移動局は二つの送信アンテナを有し、異なるアンテナは異なるデータを送信する。一つのデータを送信するのに時間的に１００個のサンプルがあり、各サンプルは二つの異なる信号が空間多重（Spatial Multiplexing）されて構成される。トレーニングシーケンスの長さはサンプル１とサンプル２の２個のサンプルに対応する。その他の９８個のサンプルは未知の情報データを送信するのに用いられ、サンプル３からサンプル１００までのサンプルに対応する。もちろん、本発明は上記の場合の移動局に限られるものではなく、いずれかの移動局から送信されたいずれかのデータは全部本発明に適する。

本発明を実施する第一ステップは反復方法で共分散マトリックスを計算し、該マトリックスを固有値分解することである。

まず、ベースバンドデータストリームを共分散マトリックス計算と固有値分解モジュールに入力し、該モジュールにおいて

を利用して現在のデータブロックの共分散マトリックスを計算する。公式において、R_i(k)は分散型無線アクセスユニットiの第kデータブロックでの共分散マトリックスであり、数学符号Hはマトリックス或いはベクトルの共役転置を示し、この例において、x_i(j,k)はRAUiの第kデータブロックでの第jサンプルの列ベクトル出力であり、RAU１に対して計算するときに、i=１であり、Jは現在のデータブロックの共分散マトリックスを計算するために必要なサンプル数であり、ここでは１００である。

以上は共分散マトリックスの形成プロセスである。これから共分散マトリックスの反復更新プロセスについて説明する。

を利用して共分散マトリックスを反復更新し、そのうち、β_iを0.1、或いは具体的な場合により規定した値に設定する。

最後、

を利用して、現在のデータブロックの共分散マトリックスに対して固有値分解を行う。ここで、U_i(k)は第kデータブロックに対応する反復共分散マトリックスの固有ベクトルマトリックスであり、本例において、３列の固有ベクトルを取得し、各固有ベクトルは３個の元素を有する。この３列の固有ベクトルを記憶し、該情報を遅延させて次のデータブロックで使用し、当然、固有ベクトル遅延させないでリアルタイム計算を行う際にも本発明の方法を利用することができる。

RAU2のパラメーター計算方法もRAU1のパラメーター計算方法と同じである。

本発明を実施する第二ステップは、投影値計算とソーティングである。該ステップは投影値計算モジュールで行われ、該投影値計算モジュールは共分散マトリックス計算と固有値分解モジュールにより算出された反復共分散マトリックスと該反復共分散マトリックスの固有ベクトルマトリックスデータを受信する。以下に、計算のプロセスについて詳しく説明する。

図４は、M個のRAUを有し、各RAUがL個のアンテナを有する際の投影値計算とソーティングのブロック図と数学公式を示す。前記投影値計算モジュールは、

を利用して前記投影値を計算し、そのうち、

は第m番目の分散型無線アクセスユニットにおける第kデータブロックの共分散マトリックスと第k-1データブロックの反復共分散マトリックスの第l列固有ベクトルマトリックスから得られる投影値であり、u_ml(k-1)は第k-1データブロックに対応する反復共分散マトリックスの第l列固有ベクトルであり、R_m(k)は分散型無線アクセスユニットmに対応する共分散マトリックスであり、Hはマトリックス或いはベクトルの共役転置を示す。

すべてのRAUの算出された投影値をまとめて、前のN個の大きい投影値と対応する固有ベクトルを選択する。本実施例において、ソーティング方式を利用して前のN個の大きい投影値と対応する固有ベクトルを選択するが、先にソーティングしないで、直接大きさを比較して、毎回一番大きい一つを選択し、これから残された投影値のうちから一番大きいものを選択し、このようにN回の選択を行ってもよい。ここで、Nは、具体的なシステムの複雑程度で確定されてもよい。

本実施例においてこのステップは、二つのRAUの6個の投影値計算を完成し、その中から一つまたは複数の一番大きい投影値と対応する固有ベクトルとを取り出す。

以上に投影のプロセスを説明した。これからは前記投影の物理の意義について説明する。GDASにおいて、各RAUが受信した信号方向は空間上に一定の角度拡張があり、この角度拡張はゆっくり変化しているので、隣接するデータブロックは空間上に相関性がある。したがって、RAUを利用してベースバンドデータを前記固有ベクトルまで投影し、各アンテナ或いはアンテナサブアレイの主な信号の固有を抽出する。これによって、システム容量の損失が非常に小さくなり、同時にアレイのゲインを取得した。なお、遅延された固有ベクトルを利用して投影値を計算することによって、リアルタイム演算に対するスピードの要求を抑えることができた。

本発明の第三ステップは合成信号形成である。

本実施例において、もし第二ステップで、前のデータブロックにおいて例えば二つの固有ベクトルを合成信号形成の重み付けベクトルとして選択したとすれば、二つの合成信号を形成することになる。ここで、RAU1とRAU2がちょうどそれぞれに一つの合成信号を形成した場合を例として、合成信号形成のプロセスを説明する。

まず、RAU1の合成信号形成の原理とプロセスを説明する。現在のデータブロックの時間サンプルでの第一データ、即ちサンプル1はRAU1で三つのベースバンドデータ出力を形成し、RAU1の第1、第2、第3のベースバンド情報データのそれぞれに、対応する前記ステップで選択された固有ベクトルの第1、第2、第3の元素の共役をかけ、それらの積を加えてRAU1の合成信号の出力を取得する。該合成信号形成のプロセスは合成信号形成モジュールで完成される。RAU2も同様な方法を用いて、合成信号の出力を形成する。本発明の前記採用されたすべての計算公式は、本領域の技術者にとっては明らかである。

これから、合成信号形成に基づくチャネル推定とシンボル復調について簡単に説明する。

チャネル推定ユニットにおいて、トレーニングシーケンスと対応する合成信号の出力はMMSE方法に用いられ合成信号を形成した後のチャネルパラメーターを算出することができる。シンボル検出ユニットにおいて、前記チャネルパラメーターを代表的なZF(zero forcing)アルゴリズムとMMSE(Minimum Mean Square Error)アルゴリズムとSUC（Successive Cancellation）アルゴリズムとOSUC (Ordered SUC)アルゴリズムとML(maximum likelihood)アルゴリズムのいずれかと結合して最終のシンボル検出を完成し、多重された送信信号を分離し、これによって情報シンボル復調プロセスを完成した。前記チャネル推定とシンボルの復調方法は、全部従来の技術で通常採用される方案である。

すべての受信アンテナを使用する従来の技術に比べて、本発明の分散型アンテナシステムに基づく合成信号の選択受信技術は、演算量を低下させた。特にRAUの数と分散型アンテナアクセスユニットRAUのアンテナの数とが増加するときに、演算量を何倍も節約することができる。

以上は本発明の実施形態に過ぎない。この技術分野の通常の技術者にとって、本発明の原理を逸脱しない範囲内で適宜変形して実施することができ、これらの変形が本発明の保護範囲に属することは明らかである。

一般（Generalized）分散型アンテナシステムを用いる移動通信システムの構成を示す図である。本発明において一般分散型アンテナシステムに応用される合成信号形成システムの構成を示す図である。本発明における共分散マトリックス計算と固有値分解モジュールでの実施フローチャートである。本発明における投影値計算とソーティングフローチャートである。

符号の説明

RAU…分散型アンテナアクセスユニット、MT…移動局

Claims

少なくとも二つの分散型無線アクセスユニットを有する移動通信システムにおける上り受信方法であって、前記分散型無線アクセスユニットのそれぞれは少なくとも二つのアンテナを有し、前記受信方法は合成信号形成方法を含み、
該合成信号形成方法は、
各分散型無線アクセスユニットにおいてベースバンドデータより共分散マトリックスを計算するステップ（１）と、
前記共分散マトリックスに対して固有値分解を行って固有ベクトルマトリックスを取得するステップ（２）と、
前記共分散マトリックスと固有ベクトルマトリックスを利用して投影値を計算するステップ（３）と、
数値が大きい特定の数の投影値に対応する固有ベクトルを選択して一つの合成信号形成の重み付けベクトルとしているステップ（４）と、
ベースバンドデータと前記重み付けベクトルを利用して一つの合成信号を形成するステップ（５）とを含むことを特徴とする移動通信システムにおける上り受信方法。
前記ステップ（１）とステップ（２）の間には、共分散マトリックスを反復更新するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の移動通信システムにおける上り受信方法。
前記ステップ（２）とステップ（３）の間には、前記固有ベクトルマトリックスを記憶し、該情報を遅延させて利用するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の移動通信システムにおける上り受信方法。
前記ステップ（２）とステップ（３）の間には、前記固有ベクトルマトリックスを記憶し、該情報を遅延させて利用するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の移動通信システムにおける上り受信方法。
を利用して前記共分散マトリックスを計算し、ここで、R_i(k)は分散型無線アクセスユニットiの第kデータブロックでの共分散マトリックスであり、Hはマトリックス或いはベクトルの共役転置を示し、x_i(j,k)は分散型無線アクセスユニットiの第kデータブロックの第jサンプルの列ベクトル出力であり、Jは現在のデータブロックの共分散マトリックスを計算するために必要なサンプル数であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の移動通信システムにおける上り受信方法。
を利用して前記投影値を計算し、ここで、

は第m番目の分散型無線アクセスユニットにおける第kデータブロックの共分散マトリックスと第k-1データブロックの反復共分散マトリックスの第l列固有ベクトルマトリックスから得られる投影値であり、u_ml(k-1)は第k-1データブロックに対応する反復共分散マトリックスの第l列固有ベクトルであり、R_m(k)は分散型無線アクセスユニットmの第kデータブロックでの共分散マトリックスであり、Hはマトリックス或いはベクトルの共役転置を示すことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の移動通信システムにおける上り受信方法。
を利用して共分散マトリックスを反復更新し、ここで、β_iは重み付け係数であり、R_i(k)は分散型無線アクセスユニットiの第kデータブロックでの共分散マトリックスであることを特徴とする請求項２に記載の移動通信システムにおける上り受信方法。
分散型アンテナ無線受信システムであって、無線受信システムは少なくとも二つの分散型無線アクセスユニットを有し、各分散型無線アクセスユニットは少なくとも二つのアンテナを有し、
前記無線受信システムは、
各分散型無線アクセスユニットにおいてベースバンドデータより共分散マトリックスを計算し、前記共分散マトリックスに対して固有値分解を行って固有ベクトルマトリックスを取得する共分散マトリックス計算と固有値分解モジュールと、
前記共分散マトリックスと前記固有ベクトルマトリックスを利用して投影値を計算する投影値計算モジュールと、
数値が大きい特定の数の投影値に対応する固有ベクトルを選択する固有ベクトル選択モジュールと、
前記固有ベクトル選択モジュールで選択された固有ベクトルを重み付けベクトルとしてベースバンドデータに対して重み付け演算を行って合成信号を形成する合成信号形成モジュールとを含むことを特徴とする分散型アンテナ無線受信システム。
前記共分散マトリックス計算と固有値分解モジュールにおいて、ベースバンドデータに基づいて現在のデータブロックの共分散マトリックスを計算した後、さらに共分散マトリックスを反復更新することを特徴とする請求項８に記載の分散型アンテナ無線受信システム。
前記共分散マトリックス計算と固有値分解モジュールは、固有値分解を行った後、取得された固有ベクトルマトリックスを記憶し、該情報を遅延させて利用することを特徴とする請求項８に記載の分散型アンテナ無線受信システム。
前記共分散マトリックス計算と固有値分解モジュールは、固有値分解を行った後、取得された固有ベクトルマトリックスを記憶し、該情報を遅延させて利用することを特徴とする請求項９に記載の分散型アンテナ無線受信システム。
前記共分散マトリックス計算と固有値分解モジュールは、

を利用して前記共分散マトリックスを計算し、ここで、R_i(k)は分散型無線アクセスユニットiの第kデータブロックでの共分散マトリックスであり、Hはマトリックス或いはベクトルの共役転置を示し、x_i(j,k)は分散型無線アクセスユニットiの第kデータブロックでの第jサンプルの列ベクトル出力であり、Jは現在のデータブロックの共分散マトリックスを計算するために必要なサンプル数であることを特徴とする請求項８から１１のいずれかに記載の分散型アンテナ無線受信システム。
前記投影値計算モジュールは、

を利用して前記投影値を計算し、ここで、

は第m番目の分散型無線アクセスユニットにおける第kデータブロックの共分散マトリックスと第k-1データブロックの反復共分散マトリックスの第l列固有ベクトルマトリックスから得られる投影値であり、u_ml(k-1)は第k-1データブロックに対応する反復共分散マトリックスの第l列固有ベクトルであり、R_m(k)は分散型無線アクセスユニットmの第kデータブロックでの共分散マトリックスであり、Hはマトリックス或いはベクトルの共役転置を示すことを特徴とする請求項８から１１のいずれかに記載の分散型アンテナ無線受信システム。
前記共分散マトリックス計算と固有値分解モジュールは、

を利用して共分散マトリックスを反復更新し、ここで、β_iは重み付け係数であり、R_i(k)は分散型無線アクセスユニットiの第kデータブロックでの共分散マトリックスであることを特徴とする請求項９に記載の分散型アンテナ無線受信システム。