JP2008505544A - Mimo通信システムにおいて送信ダイバシティをステアリングするための空間フィルターマトリックスの効率的な計算 - Google Patents
Mimo通信システムにおいて送信ダイバシティをステアリングするための空間フィルターマトリックスの効率的な計算 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】MIMOチャンネルに対するチャンネル応答マトリックスはチャンネルが比較的伝送スパンのレンジに亘って静的である場合高く相関づけることができる。この場合初期空間フィルターマトリックスは1つのチャンネル応答マトリックスに基づいて導くことができる。そして各伝送スパンに対する空間フィルターマトリックスは初期空間フィルターマトリックスおよびその伝送スパンに対して使用されるステアリングマトリックスに基づいて計算することができる。MIMOチャンネルが静的ではなく急激にも変化しない場合は、チャンネル応答マトリックスは部分的に相関され得る。この場合空間フィルターマトリックスは1つの伝送スパンに対して導くことができる。
【選択図】図4
Description
受信エンティティによる空間的処理のために使用される空間フィルターマトリックス(spatial filter matrix)を効率的に計算する技術がここに示される。以下に示すように、送信エンティティは“フルチャンネル状態情報”(”full-CSI”;full channel state information)または“部分的−CSI”(“partial-CSI”)のいずれかを使用するMIMOチャンネルを経由してデータを送信することができる。送信エンティティは改善された実行のためにさらにステアリング送信ダイバシティ(STD;steering transmit diversity)を使用することができる。送信エンティティ(transmitting entity)は、STDを使用し、有効なチャンネル全体を観測しそしてデータ伝送が長期の期間 “バッド”チャンネルリアリゼーション(”””bad” channel realization)にはまりこまないように、空間的処理を異なるステアリングマトリックス(steering matrix)を用いて実行する。受信するエンティティは、full-CSIまたは部分的−CSI伝送の何れかに対し、そしてステアリング送信ダイバシティに対し、補完的な受信機空間処理(receiver spatial processing)を実行する。MIMOチャンネルが比較的静的(static)であるかまたは急激な変化がない場合は、受信機空間処理のために使用される空間フィルターマトリックスは効率的に計算することができる。
用語“典型的”、はこの中では“見本、実例あるいは例証として有効”を意味するために使用される。この中に“典型的”と記述された何れの実施例も他の実施例に勝って選定されあるいは有利なものと解釈する必要はない。
フル−CSI(full channel state information)伝送に関し、H(m)に関するNs個の固有値を得るためにH(m)の相関マトリックス(correlation matrix)について固有値分解(eigenvalue decomposition)が実行される。そしてそれは次のように示される。
ここでR(m)は、H(m)に関するNT×NT相関マトリックスであり、
E(m)は、その列がR(m)の固有ベクトルであるNT×NTユニタリマトリックス(unitary matrix)であり、
Λ(m)は、R(m)の固有値のNT×NT対角マトリックス(diagonal matrix)であり、そして
“H”は共役転置(conjugate transpose)を示す。
ここでs(m)は、伝送スパンmにおいて送られるべき、NS個にいたるデータシンボルを有するNT×1ベクトであり、
V(m)は、伝送スパンmに関するNT×NTステアリングマトリックスであり、
E(m)は、伝送スパンmに関する固有ベクトルのマトリックスであり、そして
X f(m)は、伝送スパン(m)にあるNT個の送信アンテナから送信されるべきNT個の送信シンボルを有するNT+1個のベクトルである。
=H(m)・E(m)・V(m)・s(m)+n(m),
=H f_eff(m)・s(m)+n(m) 式(4)
ここでr f(m)は、伝送スパンm内におけるNR個の受信アンテナを経由して取得された、NR個の受信されたシンボルを有するNR×1ベクトルであり、
n(m)は伝送スパンmに関するノイズベクトルであり、そして
H f_eff(m)は、NR×NTの“有効な”MIMOチャンネル応答マトリックスであり、そのMIMOチャンネル応答マトリックスはステアリング送信ダイバシティを使ったフル−CSI伝送に対するデータベクトルs(m)によって観測され、そしてそれは、
H f_eff(m)=H(m)・E(m)・V(m) 式(5)
である。
n f(m)は、受信機空間的処理後のポストディテクションノイズ(post-detection noise)である。
・H H f_eff(m)
式(8)
空間フィルターマトリックスM f_mmse(m)は、空間フィルターからのシンボル推定(symbol estimate)とs(m)内のデータシンボルとの間の平均2乗エラーを最小にする。
ステアリング送信ダイバシティを用いた部分的−CSI伝送に関して、送信エンティティは次のように空間的処理を実行する。
ここでx p(m)は伝送スパンmに対する伝送データベクトルである。式(10)に示されるように、s(m)中の各データシンボルは、それぞれのV(m)の列とともに空間的に拡散される。NT個の拡散シンボルはV(m)がそこでNT個の送信アンテナから送信された増加に起因するものである。
=H(m)・V(m)・s(m)+n(m),
=H p_eff(m)・s(m)+n(m) 式(11)
ここでr p(m)は伝送スパンmに対して受信されたシンボルベクトルである。そして
H p_eff(m)は、ステアリング送信ダイバシティを有する部分的−CSI
伝送に関するs(m)により観察されたNR×NT個の効果なMIMOチャンネル
応答マトリックスである。そしてそれは、
H p_eff(m)=H(m)・V(m) 式(12)
である。
H H p_eff(m)=R -1 p_eff(m)・H H p_eff(m)
式(13)
受信エンティティはCCMI空間的処理を次のように実行することができる。
H p_eff(m)+σ2・I] -1・H H p_eff(m)
式(15)
部分的−CSI伝送に関する式(15)は、フル−CSI伝送に関する式(8)と同じ形を有する。しかしながら、部分的−CSI伝送に関する式(15)においては(H H f_eff(m)の代わりに)H H p_eff(m)が使用される。
ステアリング送信ダイバシティを用いて、異なったステアリングマトリックスV(m)はデータ伝送によって観察される有効なMIMOチャンネルをランダム化するための異なる伝送スパンに対して使用することができる。このことはそこで特性を改善することができる。なぜならデータ伝送が“悪い(bad)”MIMOチャンネルの実現を長期間にわたって観測しないからである。伝送スパンは単一キャリアMIMOシステムに対するシンボル期間、あるいは多キャリアMIMOシステムに対するサブバンドに対応することができる。
フル相関の場合、MIMOチャンネルに対するチャンネル応答マトリックスは、関心(interest)のある伝送スパンインデックス、例えばm=1...Mに関し、ここでMは1よりも大きい任意の整数値であり、の範囲にわたって固定される。したがって、H(1)=H(2)=...=H(M)=Hとなる。
を有する空間フィルターマトリックスM fcsi(m)は次のように表示される。
空間フィルターマトリックスM fcsi(m)はそこで次のように計算される。
M fcsi(m)=V H(m)・M fcsi_base 式(18)
ここでM fcsi_base=Λ -1・E H・H Hは、基本空間フィルターマトリックス(base spatial filter matrix)であり、そしてそれはステアリング送信ダイバシティのないフル−CSI技術に関する空間フィルターマトリックスである。基本空間フィルターマトリックスM fcsi_baseは、チャンネル応答マトリックスHが固定されているため、伝送スパンmの関数ではない。式(18)は、各伝送スパンmに対する空間フィルターマトリックスM fcsi(m)が、その伝送スパンに対して使用されるステアリングマトリックスV H(m)に基本空間フィルターマトリックスM fcsi_baseを予め乗算することによって得られるということを示している。
M fcsi(m)=W 1(m)・M fcsi(1) 式(19)
ここでM fcsi(1)=V H(1)Λ -1・E H・H Hであり、W 1(m)=V H(m)・V(1)である。式(19)は、各伝送スパンmに対する空間フィルターマトリックスM fcsi(m)がマトリックスW 1(m)に伝送スパン1に関する空間フィルターマトリックスM ccmi(1)を予め乗算することによって得られるということを示している。m=2...Mに関するマトリックスW 1(m)はユニタリマトリックスであり、その各々は2つのユニタリステアリングマトリックスV(m)とV(1)を予め乗算することによって得られる。マトリックスW 1(m)は予め計算されメモリに貯えることができる。
・H H f_eff(m)
=[V H(m)・E H・H H・H・E・V(m)
+σ2・I]-1・V H(m)・E H・H H
=V H(m)・[E H・H H・H・E+σ2・I]-1・E H・H H
式(20)
式(20)は(A・B)-1=B -1・A -1およびV・V H=Iの性質を用いて導かれる。式(20)の第2の式の中にある括弧内の項は次のように示される。
=[V H(E H・H H・H・E+σ2・V・I・V H)・V]
=[V H(E H・H H・H・E+σ2・I)・V]
ここで“(m)”は明確化のために除かれている。上記第2の式中にある項の逆数(inverse)はそこで次のように表現される。
=[V H(E H・H H・H・E+σ2・I)-1・V]
ここでは、V H=V -1である。
M f_mmse(m)=V H(m)・M f_mmse_base 式(21)
ここでM f_mmse_base=[E H・H H・H・E・+σ2・I]-1・E H・H Hである。フル−CSI技術と同様に、伝送スパンmに関する空間フィルターマトリックスM f_mmse(m)は、ステアリングマトリックスV H(m)で基本空間フィルターマトリックスM f_mmse_baseを予め乗算することによって得られる。空間フィルターマトリックスM f_mmse(m)はまた次のように計算される。
M f_mmse(m)=W 1(m)・M f_mmse(1) 式(22)
ここでM f_mmse(1)=V H(1)[E H・H H・H・E・+σ2・I]-1・E H・H H。
H H p_eff(m)
=[V H(m)・H H・H・V(m)]-1・V H(m)・H H
=[V H(m)・R・V(m)]-1・V H(m)・H H
=V -1(m)・R -1・[V H(m)]-1・V H(m)・H H
=V H(m)・R -1・H H
式(23)
ここで、V(m)はユニタリマトリックスであるので、[V H(m)]-1=V(m)である。
M ccmi(m)=V H(m)・M ccmi_base 式(24)
ここではM ccmi_base=R -1・H H。空間フィルターマトリックスM ccmi(m)はまた次のようにして計算することができる。
M ccmi(m)=W 1(m)・M ccmi(1) 式(25)
ここではM ccmi(1)=V H(1)・R -1・H H。
・H H p_eff(m)
=[V H(m)・H H・H・V(m)+σ2・I]-1・V H(m)・H H
=V H(m)・[H H・H+σ2・I]-1・ H H
式(26)
式(26)は上記(20)式と類似の方法で導くことが可能である。
M p_mmse(m)=V H(m)・M p_mmse_base
式(27)
ここでM p_mmse_base=[H H・H+σ2・I]-1・H H。空間フィルターマトリックスM p_mmse(m)はまた次のようにして計算することができる。
M p_mmse(m)=W 1(m)・MM p_mmse(1)
式(28)
ここでM p_mmse(1)=V H(1)・[H H・H+σ2・I]-1・H H。
部分的相関(partial correlation)の場合、MIMOチャンネルに対するチャンネル応答マトリックスは、関心をもつインデクスの伝送スパンの範囲について端から端までフルに相関された場合よりも小さい。この場合、伝送スパンlに対して計算された空間フィルターマトリックスは、他の伝送スパンmに対する空間フィルターマトリックスの計算を容易にするために使用することができる。
基本空間フィルターマトリックスM x_base(l)は、続いて伝送スパンm(例えば、m=l±1)に関する基本空間フィルターマトリックスM x_base(m)を導くために使われる。M x_base(m)は、M x_base(m)に対する最終解を得るために、例えばM x_base(l)に関する計算のセットを繰り返し実行する繰り返し過程またはアルゴリズムを用いることによって計算することができる。MMSE解を計算するための繰り返し過程(例えば適応性(adaptive)MMSEアルゴリズム、グラジエントアルゴリズム、格子アルゴリズム(lattice algorithm)、等)は当業界において知られ、この中には記述されない。伝送スパンmに対する空間フィルターマトリックスM x_base(m)は次のように計算することができる。
この実施例に対する処理の順序は、M x(l) → M x_base(l) →→ M x_base(m)→M x(m)のようにすることができ、ここで“→”は直接の計算を意味し、そして“→→”は可能性のある反復計算を意味する。基本空間フィルターマトリックスM x_base(l)およびM x_base(m)はステアリングマトリックスを含まないが、一方空間フィルターマトリックスM x(l)およびM x(m)は、伝送スパンlおよびmに対して用いられるステアリングマトリックスV(l)およびV(m)をそれぞれ含む。
ステアリングマトリックス(または送信マトリックス)のセットは送信ダイバシティをステアリングするために発生させられそして使用されることができる。これらのステアリングマトリックスはi=1...Lに対して{V}あるいはV(i)として表示され、ここでLは1より大きい任意の整数とすることができる。各ステアリングマトリックスV(i)はユニタリマトリックスである必要がある。この条件は、V(i)を使って同時に送信されたNT個のデータシンボルが、V(i)を用いて空間的に分散した後で、同じ電力を所有し互いに直交していることを確実にする。
図6はMIMOシステム600におけるアクセスポイント610およびユーザ端末650のブロック線図を示す。アクセスポイント610はデータ送信および受信のために使用されるNap個のアンテナを備え、そしてユーザ端末650はNut個のアンテナを備えており、Nap>1およびNut>1である。
Claims (38)
- 無線多入力、多出力(MIMO)通信システムにおける空間フィルターマトリックスを導く方法であって、
初期空間フィルターマトリックスを決定し、そして
初期空間フィルターマトリックスに基づき複数の伝送スパンに対する複数の空間フィルターマトリックス、および複数の伝送スパンに使用される複数のステアリングマトリックスを導くこと、
を含む方法。 - 初期空間フィルターマトリックスは、MIMOチャンネルに関するチャンネル応答マトリックスに基づき決定される請求項1の方法。
- 複数の伝送スパンの各々に対する空間フィルターマトリックスは、初期チャンネル応答マトリックスおよび伝送スパンに使用されるステアリングマトリックスに基づき導かれる請求項2の方法。
- 初期空間フィルターマトリックスは、さらに複数の伝送スパンのうちの1つに対するステアリングマトリックスに基づいて決定される請求項2の方法。
- 複数の伝送スパンの各々に対する空間フィルターマトリックスは、初期チャンネル応答マトリックス、初期空間フィルターマトリックスを決定するために使用されるステアリングマトリックス、そして伝送スパンに対して使用されるステアリングマトリックスに基づき導かれる請求項3の方法。
- データはMIMOチャンネルの直交空間的チャンネル上に送信され、そして、初期チャンネル応答マトリックスはフルチャンネル状態情報(full−CSI)技術に従って決定される請求項1の方法。
- データはMIMOチャンネルの直交空間的チャンネル上に送信され、そして、初期チャンネル応答マトリックスは最小平均2乗誤差(MMSE)技術に従って決定される請求項1の方法。
- データはMIMOチャンネルの空間的チャンネル上に送信され、そして、初期チャンネル応答マトリックスはチャンネル相関マトリックスインバージョン(CCMI)技術に従って決定される請求項1の方法。
- データはMIMOチャンネルの空間的チャンネル上に送信され、そして、初期チャンネル応答マトリックスは最小平均2乗誤差(MMSE)技術に従って決定される請求項1の方法。
- 複数のステアリングマトリックスは送信ダイバシティを実現するためにデータを空間的に処理するため送信エンティティによって使用される請求項1の方法。
- 複数のステアリングマトリックスのエレメントは+1、−1、+J、および−Jを含むセットのメンバーであり、ここでJは−1の平方根である請求項1の方法。
- 複数の伝送スパンは複数のシンボル期間に対応する請求項1の方法。
- 複数の伝送スパンは複数の周波数サブバンドに対応する請求項1の方法。
- さらに複数の空間フィルターマトリックスを使用して複数の伝送スパンに関して受信されたシンボルについて空間的処理を実行することを含む請求項1の方法。
- 無線他入力、他出力(MIMO)通信システムにおける装置であって、
初期空間フィルターマトリックスおよび複数の伝送スパンに対して使用される複数のステアリングマトリックスに基づき、初期空間フィルターマトリックスを決定し、そして複数の伝送スパンに対する複数の空間フィルターマトリックスを導くように動作する処理装置と、そして
複数のステアリングマトリックスを記憶するように動作するメモリと
を含む装置。 - 初期空間フィルターマトリックスはMIMOに対するチャンネル応答マトリックスに基づいて決定され、そして複数の伝送スパンの各々に対する空間フィルターマトリックスは初期チャンネル応答マトリックスおよび伝送スパンに対して使用されるステアリングマトリックスに基づき導かれる請求項15の装置。
- 初期チャンネル応答マトリックスはフルチャンネル状態情報(full−CSI)技術、最小平均2乗誤差(MMSE)技術、あるいはチャンネル相関マトリックスインバージョン(CCMI)に従って決定される請求項15の装置。
- 複数のステアリングマトリックスのエレメントは+1、−1、+j、および−jを含むセットのメンバーであり、ここでjは−1の平方根である、請求項15の装置。
- 複数の空間フィルターマトリックスによって複数の伝送スパンに関して受信されたシンボルについて空間的処理を実行するように動作する空間的処理装置をさらに含む請求項15の装置。
- 無線多入力、多出力(MIMO)通信システムにおける装置であって、
初期空間フィルターマトリックスを決定する手段と、そして
初期空間フィルターマトリックスおよび複数の伝送スパンに対して使用される複数のステアリングマトリックスに基づき、複数の伝送スパンに関する複数の空間フィルターマトリックスを導く手段と
を含む通信システム。 - 初期空間フィルターマトリックスはMIMOチャンネルに対するチャンネル応答マトリックスに基づいて決定され、そして、複数の伝送スパンの各々に対する空間フィルターマトリックスは初期チャンネル応答マトリックスおよび伝送スパンに対して使用されるステアリングマトリックスに基づいて導かれる請求項20の装置。
- 初期チャンネル応答マトリックスは、フルチャンネル状態情報(full−CSI)技術、最小2乗平均誤差(MMSE)技術、またはチャンネル相関マトリックスインバージョン(CCMI)技術に従って決定される請求項20載の装置。
- 複数のステアリングマトリックスのエレメントは+1、-1、+j、そして-jを含むセットのメンバであり、ここでjは-1の平方根である、請求項20記載の装置。
- さらに複数の空間フィルターマトリックスにより複数の伝送スパンに対して受信されたシンボルについて空間的処理を実行するための手段をさらに含む請求項20記載の装置。
- 無線多入力、多出力(MIMO)通信システムにおいて空間フィルターマトリックスを導く方法であって、
第1の伝送スパンに対する第1の空間フィルターマトリックスを導き、
第1の空間フィルターマトリックスに基づき、第2の伝送スパンに対する第1の初期空間フィルターマトリックスを決定し、そして
第1の初期空間フィルターマトリックスに基づき、第2の伝送スパンに対する第2の空間フィルターマトリックスを導く、
ことを含む方法。 - 第1の空間フィルターマトリックスを決定することは、第1の伝送スパンにおけるMIMOチャンネルに対して得られたチャンネル応答マトリックスに基づき、そしてさらに受信機空間的処理技術に従って導かれる請求項25の方法。
- 第1の初期空間フィルターマトリックスを決定することは、第1の伝送スパンに対して使用される第1のステアリングマトリックスを除去するために第1の空間フィルターマトリックスを処理することを含み、そして、第1の初期空間フィルターマトリックスは除去された第1のステアリングマトリックスを有する第1の空間フィルターマトリックスと等しい請求項25載の方法。
- 第1の初期空間フィルターマトリックスを決定することは、第1の空間フィルターマトリックスを第1の伝送スパンに対して使用される第1のステアリングマトリックスを除去するために、そして第2の伝送スパンに対して使用される第2のステアリングマトリックスを含めるために処理することを含み、そして、第1の初期空間フィルターマトリックスは第1のステアリングマトリックスが除去されそして第2のステアリングマトリックスが含まれる第1の空間フィルターマトリックスと等しい請求項25の方法。
- 第2の空間フィルターマトリックスは、第2の空間フィルターマトリックスに対する最終解を得るために、繰り返し的に計算の組み合わせを実行する繰り返し的過程を第1の初期空間フィルターマトリックスについて使用して導かれる請求項25の方法。
- さらに、第3の伝送スパンに対する第2の初期空間フィルターマトリックスを第2の空間フィルターマトリックスに基づき決定し、そして
第3の伝送スパンに対する第3の空間フィルターマトリックスを第2の初期空間フィルターマトリックスに基づき導くこと
を含む請求項25の方法。 - ここで第1および第2の伝送スパンは2つの異なるシンボル期間に該当する請求項25の方法。
- ここで第1および第2の伝送スパンは2つの異なる周波数サブバンドに該当する請求項25記載の方法。
- 無線多入力、多出力(MIMO)通信システムにおける装置であって、
第1の伝送スパンに対する第1の空間フィルターマトリックスを導き、
第1の空間フィルターマトリックスに基づき第2の伝送スパンに対する第1の初期空間フィルターマトリックス決定をし、そして
第1の初期空間フィルターマトリックスに基づき第2の伝送スパンに対する第2の空間フィルターマトリックスを導く
ように動作する処理装置を含む装置。 - ここで処理装置は、第1の空間フィルターマトリックスを第1の伝送スパンに対して使用された第1のステアリングマトリックスを除去するために処理するように動作し、そして、第1の初期空間フィルターマトリックスは第1のステアリングマトリックスが除去された第1の空間フィルターマトリックスと等しい
請求項33の装置。 - ここで処理装置は、さらに第2の空間フィルターマトリックスに基づいた第3の伝送スパンに対して第2の初期空間フィルターマトリックスを決定するように動作し、そして、第3の伝送スパンに対して、第3の空間フィルターマトリックスを第2の初期的空間フィルターマトリックスに基づいて導くように動作する請求項33記載の装置。
- 無線多入力、多出力(MIMO)通信システムにおける装置であって、
第1の伝送スパンに対する第1の空間フィルターマトリックスを導く手段と、
第1の初期空間フィルターマトリックスを第2の伝送スパンに対して第1の空間フィルターマトリックスに基づいて決定する手段と、
第2の空間フィルターマトリックスを第2の伝送スパンに対して第1の初期空間フィルターマトリックスに基づき導く手段と
を含む装置。 - 第1の初期空間フィルターマトリックスを決定する手段は、
第1の伝送スパンに対して使用された第1のステアリングマトリックスを除去するために第1の空間フィルターマトリックスを処理する手段を含み、そして、第1の初期空間フィルターマトリックスは除去された第1のステアリングマトリックスを有する第1の空間フィルターマトリックスと等しい請求項36記載の装置。 - 第3の伝送スパンに対する第2の初期空間フィルターマトリックスを第2の空間フィルターマトリックスに基づいて決定するための手段と、第3の空間フィルターマトリックスを導出するための手段とをさらに含む請求項36記載の装置。
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