JP2009527184A - チャネル相関の利用が改善されたマルチアンテナ通信の方法 - Google Patents

Abstract

アラモウチ・コードのいくつかの利点を提供するが、所与の量のアンテナ相関のために高められた性能を提供するように適応されることができる、ＭＩＭＯ送信方式が提供される。複素スカラ入力シンボルのブロックが、２つ以上のアンテナのアレイから時空信号行列として送信されるブロック−コード行列にマップされる。ブロック−コード行列は、入力データを特定の分散行列と結合することによってアセンブルされる。分散行列はそれぞれ、送信アンテナ・アレイによるビーム形成動作の程度に関する調整可能なパラメータによって部分的に決定される。

Description

本発明は、複数のアンテナを使用する無線通信の方法に関する。

少なくとも理論的には、送信機で、受信機で、またはアンテナおよび受信機で、複数のアンテナを利用することによって無線通信システムの容量が増大されることができることはずっと前から知られている。

様々なマルチアンテナ・システムが考えられてきた。それらの中には、「多入力多出力」（ＭＩＭＯ）システムと呼ばれ類のシステムがある。典型的なＭＩＭＯシステムでは、メッセージ情報のブロックの送信が、２つ以上のアンテナのアレイを通して、および「送信シンボル間隔」または「チャネル使用」と呼ばれることもある２つ以上の個別の時間間隔にわたって配信されることができる。

前述の複数のアンテナを通しての配信は、送信される信号を「空間」を横切って配信することとみなされてもよく、複数の時間間隔にわたっての配信は、送信される信号を「時間」を横切って配信することとみなされてもよい。送信されるべき信号は、したがって「時空」信号行列と呼ばれる行列によって表される。

１つの一般的な表記形式では、典型的な時空信号行列はＴｘＭであり、その場合、Ｔの行はそれぞれ別個の送信シンボル間隔を表し、Ｍの列はそれぞれ別個の送信アンテナを表す。各行の中では、Ｍの列位置のそれぞれでの入力は搬送波上に変調され、その行に対応する送信信号間隔の間にそのそれぞれのアンテナから送信されるべきベースバンド−レベルの信号値を表す複素数である。

時空信号行列の各行は、「送信シンボル・ベクトル」と呼ばれる。各送信シンボル・ベクトルは、複素数値入力を含む行ベクトルとみなされてもよい。特定のコーディング方式によっては、これらの複素数値入力は、例えば、シンボル・コンステレーションからのスカラ・シンボル、またはそのようなシンボルの和でもよい。

アラモウチ（Ａｌａｍｏｕｔｉ）時空コードは、非常に好意的な注目を受けてきた特定のＭＩＭＯコーディング方式である。アラモウチ・コードは、それぞれの送信アンテナからの信号が相関関係にない場合に最もよく機能する。

マルチアンテナ送信を利用する他のやり方は、よく知られているビーム形成法によってである。ビーム形成は、それぞれの送信アンテナからの信号間に強い相関関係がある場合に最もよく機能する。

ＭＩＭＯシステムの送信アンテナ間の相関関係があまり大きくない中間状況では、システム性能を改善する機会が残っている。

我々は、アラモウチ・コードのいくつかの利点を提供するが、所与の量のアンテナ相関のために高められた性能を提供するように適応されることができる、新しい方法を考案した。

１つの広い態様では、我々の方法は、複素スカラ入力シンボルのブロックをブロック−コード行列Ｓにマップするステップを含む。行列Ｓは分散行列の加重和であり、分散行列は、各入力シンボルのためのＡ行列およびＢ行列からなり、各Ａ行列および各Ｂ行列のための重みは、それぞれ、対応する入力シンボルの実数部および虚数部から得られる。本方法は、行列Ｓを２つ以上の送信シンボル間隔の間に２つ以上のアンテナのアレイから時空信号行列として送信するステップをさらに含む。各Ａ行列および各Ｂ行列は、送信アンテナ・アレイによるビーム形成動作の程度に関する調整可能なパラメータによって部分的に決定される。

他の広い態様では、我々の方法は、２つ以上の送信アンテナのアレイから２つ以上の受信アンテナのアレイ上で受信された時空信号から複素スカラ入力シンボルのブロックをデコードするステップを含む。本方法は、送信アンテナ・アレイによるビーム形成動作の程度に関する調整可能なパラメータの値αを取得するステップ、およびブロックに属する個々の複素スカラ・シンボルを回復するために値αを使用するステップを含む。

我々の方法は、線形分散コードとして知られている１つのタイプのＭＩＭＯコーディング方式を含む。線形分散コードが使用される場合、時空信号行列Ｓは「ブロック−コード行列」と呼ばれる。ブロック−コード行列Ｓは、例えば、数式、

によって、分散行列Ａ_ｑおよびＢ_ｑ、ｑ＝１、…、Ｑ、の加重和として、Ｑ≧１の複素スカラ入力シンボルｓ_１、…、ｓ_Ｑから構成される。上記数式では、

および

が、それぞれ、ｘの実数部および虚数部を示し、ｊ^２＝−１である。コードは、Ａ行列およびＢ行列、すなわち、分散行列Ａ_ｑおよびＢ_ｑを指定することにより定義される。

我々の新しい方法の一例示的実施形態では、２つの送信アンテナがあり、Ｑ＝２であり、分散行列は、第１送信アンテナに関する第２送信アンテナの可変位相シフトｅ^ｊφを含み、分散行列は、コード適応パラメータαをさらに含む。以下で見られるように、パラメータαは、送信アンテナ・アレイによってどれほどのビーム形成動作が示されるかの測度を表す。

我々の例示的分散行列は、

によって定義される。

αの可能な値の範囲は、０≦α≦１である。極端な場合には、コードはよく知られているアラモウチ・コード（α＝０）まで、またはビーム形成方式（α＝１）まで次元が下がる。

すなわち、ｘ^＊はｘの複素共役を表すとし、

と定義し、

と定義する。その場合、αの極値に関しては、Ｓは下記まで次元が下がる。

無線送信がスペクトル効率と電力効率との間のトレードオフによって制限されることは、情報理論からよく知られている。概略的に言えば、スペクトル効率は、利用可能帯域幅当たりの最大サポート可能データ・レートであり、電力効率は、送信時に消費されるのに必要なビット当たりのエネルギである。送信方式は、所与の電力効率でデータ・レートを上げることによって、所与のデータ・レートで送信時に消費されるエネルギを減らすことによって、または、上記２つの何らかの組合せによって、改善されることができる。

Ｒは、外部コードのコード・レートを表すとし、Ｅ_ｂ／Ｎ_０は、雑音電力密度当たりの、ビット当たりのエネルギを表すとする。対（Ｒ，Ｅ_ｂ／Ｎ_０）は前述のトレードオフを制御する。すなわち、各対（Ｒ，Ｅ_ｂ／Ｎ_０）は、外部コード内に、ある種のブロック・エラー・レートを生じさせることになる。送信方式の様々なパラメータを調整することによって、所与のブロック・エラー・レートに対してＲを最大化すること、または、Ｒの所与の値に対してＥ_ｂ／Ｎ_０を最小化すること、あるいは、この対のための何らかの最適値を達成することが可能である。

この事例では、このようなやり方で調整されることができるパラメータは、αおよびｅ^ｊφである。

位相シフトφは、ビームの方向および形状に影響を与えるので、我々の送信方式のビーム形成成分にとっては非常に重要である。単一ユーザ環境では、すなわち、干渉がない場合には、φの「良好な」選択は、受信アンテナにおいて受信されたエネルギを最大化する選択である。

より詳細には、受信された信号は２つ以上の送信信号の重畳である。ビーム形成にとって最適の場合には、課された位相シフトφがなければ、それぞれの送信アンテナから受信される信号は、受信アンテナにおいては、伝搬遅延の違いによって生じる位相シフトによってのみ異なるであろう。最適のφは、この位相シフトを補償し、受信アンテナにおける２つの送信信号のコヒーレント結合につながり、それによって、受信されたエネルギを最大化する。

φにとっての最適値は、送信アンテナ・アレイの照準から見られるユーザの角度位置に依存する。モバイル・ユーザでは、ユーザの角度位置が変わるにつれて、φの値を適応させることが望ましい。

この点で、我々の送信方式は、その利用形態において、ダウンリンクのみに限定されるのではなく、アップリンクにおいても利用されることができることに留意されたい。さらに、受信機は単一アンテナまたはマルチアンテナ・アレイを有してもよいことにも留意されたい。

我々の送信方式が、例えばダウンリンク送信に適用された場合、信号対干渉雑音比（ＳＩＮＲ）に、およびアップリンク内の受信された信号の共分散行列に依存する、αの最適値があるであろう。アップリンク上で受信するアンテナが、ダウンリンク上で送信するアンテナと同一であるかまたは同等である場合、アンテナ信号間の相関関係は、アップリンクで測定され、ダウンリンクにおける送信方式に適用されることができる。

φの値を取得するために様々な方法が利用可能である。例えば、ユーザの角度位置を識別するために、または、アップリンクでは、ユーザに関する基地局の角度位置を識別するために、様々なよく知られているトラッキング・アルゴリズムのいずれかが使用されることができる。

コード適応パラメータαは、最初に、範囲（０，１）内の値、例えば０．５と推定されることができる。最初の推定値は、例えば受信機によって提供されるフィードバック情報を使用することができる反復推定手順を使用してリファインされることができる。パラメータαは、通常、比較的ゆっくりと変わり、したがって、有用な推定値を取得することは、一般に、過度の量のネットワーク・オーバヘッドを必要とする可能性はないであろう。一般に、αを最適化しようと試みる前にφの少なくとも最初の値を取得することが好ましい。

したがって、図１に関して、１つの有用な送信手順は、φの値を取得するステップ（ブロック１０）およびαの値を取得するステップ（ブロック２０）、それらの値を使用して分散行列を計算するステップ（ブロック３０）、分散行列および入力データのブロックを使用してブロック−コード行列を構成するステップ（ブロック４０）、ならびにブロック−コード行列を送信するステップ（ブロック５０）を含むであろう。任意選択で、受信機からフィードバック情報が取得され（ブロック６０）、ブロック３０〜５０で示されたステップのさらなる繰り返しの前にαの推定値をリファインするために使用される（ステップ７０）こともできる。

前述のように送信された信号を受信するために、各送信アンテナと各受信アンテナとの間の信号伝搬のためのチャネル係数の知識を組み込むやり方で最小平均二乗推定（ＭＭＳＥ）を利用することが有用である。それぞれの送信アンテナと受信アンテナとの間のチャネル係数を推定し通知するための方法は、よく知られており、本明細書で詳細に説明される必要はない。ｅ^ｉφの推定値は、この値はチャネル係数に組み込まれるように処理されることができるので、固有に推定されることができる。αの明示的な値は、受信機によって有利に取得される。これは、例えば、送信機からの明示的なシグナリングによって、またはブラインド反復推定手順によって行われることができる。

広線形最小平均二乗推定（ＷＬ−ＭＭＳＥ）として知られているＭＭＳＥのタイプが、この点で特に有用である。ＷＬ−ＭＭＳＥは、送信される信号が循環的でない場合に、すなわち信号が回転的に可変である場合に利用可能な補足情報を使用することによって複素信号の推定を改善するように設計されている。上記議論から理解されるであろうように、そのような補足情報は、少なくともαの比較的小さな値では、我々の送信方式で利用可能であり得る。

ＷＬ−ＭＭＳＥ検出器は、よく知られている。非常に簡単に言えば、スカラ・ランダム変数ｙは、ランダム・ベクトルｘによって表される観察結果から推定されるものである。ｙの推定値は

と呼ばれる。ＷＬ−ＭＭＳＥの問題は、推定値

が、最小平均二乗誤差を生じるようなベクトルｕおよびｖを見つけることである。上記数式では、Ｕ^ＨはＵのエルミート共役を表し、Ｖ^ＨはＶのエルミート共役を表す。

解は、
Ｕ＝［Γ−ＣΓ^−１＊Ｃ^＊］^−１［Ｐ−ＣΓ^−１＊Ｓ^＊］
Ｖ＝［Γ^＊−Ｃ^＊Γ^−１Ｃ］^−１［Ｓ^＊−Ｃ^＊Γ^−１Ｐ］
Γ＝Ｅ［ｘｘ^Ｈ］
Ｃ＝Ｅ［ｘｘ^Ｔ］
Ｐ＝Ｅ［ｘｙ^Ｈ］
Ｓ＝Ｅ［ｘｙ^Ｔ］
によって与えられる。

上記数式では、Ｅ［・］は期待値を表し、ｘ^Ｔはｘの転置行列である。

我々の送信方式に利用されるようなＷＬ−ＭＭＳＥ受信機では、チャネル係数ならびにパラメータαおよびφは、当業者によってよく理解されるであろうやり方で、相関行列Γ、Ｃ、Ｐ、およびＳの定義に組み込まれるであろう。受信された信号がＷＬ−ＭＭＳＥ受信機内で処理される場合、元のデータのブロックは、クロス相関行列ＰおよびＳを介してブロック−コード行列から固有に回復される。

したがって、図２に関して、１つの有用な受信手順は、チャネル係数を取得するステップ（ブロック８０）およびαを取得するステップ（ブロック９０）、相関行列Γ、Ｃ、Ｐ、およびＳを計算するステップ（ブロック１００）、ならびにＷＬ−ＭＭＳＥ受信機プロセスを利用するステップ（ブロック１１０）を含むであろう。

我々の送信方法の性能を試験するために数値シミュレーションを行った。我々のモデルでは、２つの送信アンテナおよび２つの受信アンテナがあり、Ｑ＝２であり、変調はＱＰＳＫであった。我々は以下の仮定を行った。無線チャネルは非分散型であった、すなわち、我々はフラット・フェージング・チャネルを仮定し、雑音成分が加法性白色ガウス雑音（ＡＷＧＮ）としてモデル化された。１つのよく知られている性能の測度は、ギラガー（Ｇａｌｌａｇｅｒ）・エラー指数Ｅｒ（Ｒ）であり、この場合、Ｒはコード・レートであり、ｒは１９９５年にＶ．Ａ．Ａａｌｏによって紹介された負の指数相関モデルの相関係数である。この指数は、分析を特定のフォワードエラー訂正コードに限定しない送信の信頼性の測度として知られている。ギラガー（Ｇａｌｌａｇｅｒ）・エラー指数の特別の事例は、いわゆるカットオフ・レートＥ_０（１）である。カットオフ・レートは、Ｅ_ｒ（Ｒ）≧Ｅ_０（１）−Ｒという意味でギラガー（Ｇａｌｌａｇｅｒ）・エラー指数の下限として使用されることができる。図３は、図で見られるように一番上のプロットから一番下のプロットまで順番に、（１．０，２．４０ｄＢ）、（０．８，０．５８ｄＢ）、（０．６，−１．２９ｄＢ）、および（０．４，−３．６０ｄＢ）である、４つの異なる（Ｒ，Ｅ_ｂ／Ｎ_０）対のそれぞれのためのカットオフ・レート対コード適応パラメータαのプロットを示す。どの事例においても最適のアルファは０と１との間にあることが分かり、したがって、このことは、新しい方式がビーム形成とアラモウチ・コードのいずれよりも有利であることを実証するであろう。

本発明の一実施形態で説明される送信方法を示す簡略化された流れ図である。 本発明の一実施形態で説明される受信方法を示す簡略化された流れ図である。 数値シミュレーションによる我々の新しい方法の性能のいくつかの態様を示すグラフである。

Claims (2)

1. 複素スカラ入力シンボルのブロックを、分散行列の加重和として構成されたブロック−コード行列Ｓにマップするステップを含み、その場合、前記分散行列が、各入力シンボルのためのＡ行列およびＢ行列からなり、各Ａ行列および各Ｂ行列のための重みが、それぞれ前記対応する入力シンボルの実数部および虚数部から得られ、および、
   ２つ以上の送信シンボル間隔の間に２つ以上のアンテナのアレイから時空信号行列として前記行列Ｓを送信するステップを含む通信方法であって、
   各Ａ行列および各Ｂ行列が、前記送信アンテナ・アレイによるビーム形成動作の程度に関する調整可能なパラメータによって部分的に決定されることを特徴とする通信方法。
2. ２つ以上の送信アンテナの送信アンテナ・アレイから受信された時空信号からの複素スカラ入力シンボルのブロックをデコードするステップを含む通信方法であって、
   前記送信アンテナ・アレイによるビーム形成動作の程度に関する調整可能なパラメータの値αを入手するステップ、および
   前記値αを使用して前記ブロックに属する個々の複素スカラ・シンボルを回復するステップを特徴とする通信方法。

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