JP2018505605A - アンテナアレイからの信号を変換及び合成する方法 - Google Patents

Abstract

アンテナアレイによる処理のために出力される信号の数を減少させる方法及びアンテナアレイが開示される。その方法は、複数のアンテナ要素で少なくとも１つのユーザ機器からの信号を受信するステップ、信号を少なくとも１つの異なる領域に変換してスパース信号を生成するステップ、信号の少なくとも一部を合成して間引きスパース信号を形成するステップ、及び間引きスパース信号を信号処理回路に出力するステップを備える。【選択図】 図３Ｂ

Description

本発明は、アンテナに関し、特に多入力多出力アンテナなどのアンテナアレイに関する。

多入力多出力ＭＩＭＯアンテナなどのアンテナアレイが知られ、無線通信システム内で採用され、基地局などのネットワークノードとユーザ機器の間の通信におけるデータスループットを向上させてきた。

ユーザ機器とネットワークノードの間で無線チャネルを介して送信される信号は通常、ネットワークノード受信機に到達する前に、例えば反射に起因して多数の伝搬経路を通過することが予想される。これらの経路上で搬送される信号は各々、異なる時間、電力、位相で受信機に到達する。同様に、ＭＩＭＯ内の複数のアンテナ要素は、若干異なる時間、電力及び位相で同じ送信元から信号を受信することになる。

アンテナアレイ内のアンテナ要素は物理的に分離され、従来は、そのようなネットワークノードに到達する信号の復号は、受信信号があまり緊密に相関していないものとして復号されていた。

これらのアンテナアレイが大型化するにつれて、各アンテナ要素で受信される信号を処理するのに必要となる信号処理及び送受信機数も多くなる。またさらに、アンテナ要素数が増加してこれによって１つ以上の性能の劣化したアンテナにおける故障の可能性が増加するにつれて、必要となる送受信機数が増加する。さらに、異なるアンテナ要素における信号間の干渉を軽減するために、アンテナ要素のための高価な絶縁及びケーシングが従来から用いられて、受信信号間の相関を増加させる結合を軽減してきた。

性能の向上及びコストの低減の少なくとも１つをアンテナアレイに与えることが望ましい。

本発明の第１の態様は、アンテナアレイの複数の要素で受信された信号に対して実行される方法であって、前記信号を少なくとも１つの異なる領域に変換してスパース信号（Ｓｐａｒｓｅ Ｓｉｇｎａｌ）を生成するステップ、前記信号の少なくとも一部を合成して間引き信号を形成するステップ、及び前記間引きスパース信号を出力するステップを備える方法を提供する。

本発明の発明者らは、アンテナアレイの各アンテナ要素で受信された信号は相互に独立していないが非常に緊密に相関し得ることが多いことを認識した。従来は、これは問題視されていたが、そのようなデータは他の領域に変換された場合に疎らであり、信号データを処理するのにそのような圧縮センシング技術が使用され得ることを認識した。圧縮センシング技術を用いることが可能であれば、減少した量のデータを用いて未確定のシステムに対する解決手段を見つけることが可能になる。この認識によって、アンテナ要素から受信された信号を合成及び変換して、その後に処理回路に出力され得る間引かれたスパース信号を生成することが可能となり、これらの疎らな性質によってそれらは圧縮センシング技術に適したものとなり、チャネル状態情報が導出され、これによって元の信号が間引き入力信号から特定可能となる。これに関して、スパース信号は、信号の項又は係数の多くはゼロであるものとして要約して表され得るものである。

処理のためにより少ない信号しか出力しないことによって、信号を処理する処理部のサイズ及び電力の要件が軽減され得る。またさらに、処理部の前段の構成要素数も軽減され得るので、信頼性が高まる。より少ないデータしかファイバに導入されないので、ネットワーク容量も増加することになる。

領域の変換に関して、これは、時間領域から周波数領域及び／又は角度領域への変換を含み得る。変換はアンテナ要素で受信された信号を合成するための回路を用いて行われ得るものであり、その回路はアンテナ要素自体において起こり得る領域変換を考慮して設計される。代替的に、合成及び変換は、送受信機の下流側で、受信無線周波信号から伝達されたデジタル信号に対して行われ得る。そのような場合、変換及び合成ステップは、システムに変化が起こるにつれてこれらの変化に対応するように合成及び変換が変更され得るように構成可能であればよい。

なお、既存の無線システムにおいてハードウェア及びＲＦチェーンの複雑さを軽減するために疎性技術が使用されてきたが、これは、例えば周波数信号における超広帯域信号の疎性を検出することができる狭帯域受信機の設計におけるものであった。同様の手法が、符号の次元、すなわち、ＣＤＭＡ／レイク受信機アーキテクチャについても利用されてきた。

ＭＩＭＯの分野において、ＭＩＭＯでの最小二乗法（ＬＳ）及び大規模ＭＩＭＯなどの従来的な手法は、充分な散乱環境を前提とし、間引かれた送受信機での高解像度信号についての厳しい制約を課すものである。
−チャネル推定及びデータ検出性能、その他ハードウェアのコスト及び複雑さが悪化する。

ある実施形態では、前記方法は、複数の送受信機を用いて前記信号を形式変換するステップをさらに備える。

アンテナアレイで受信された信号は、送受信機を用いて形式変換され得る。信号を形式変換するステップが信号の変換及び合成のステップの後に行われる場合には、従来のアンテナアレイでの場合よりも送受信機に送信される信号数は減少するので、必要となる送受信機数は減少する。

既存の圧縮センシング技術は、この分野では送受信機数を減少させるのに空間領域に使用されてこなかった。実施形態は、（空間的に）疎な拡散環境を利用して送信信号を効果的に再構築するのに圧縮センシングを用いることによって、これに対処した。

ある実施形態では、前記信号の少なくとも一部を合成するステップ及び前記信号を変換するステップは、単一のステップとしてともに実行される。

信号を合成及び変換するステップはいずれかの順序で別個のステップとして実行され得るが、多くの場合、それらは単一のステップとして実行され、合成及び変換はともに実行される。

ある実施形態では、前記信号を合成及び変換するステップは、前記信号を前記複数の送受信機において形式変換する前に実行される。

ある場合では、信号を合成及び変換するステップは、それらが未だアナログＲＦ信号である場合に実行されてもよく、それは変換と合成を与える経路長及び合成のタイプを選択してアナログ回路を用いて実行され得る。信号を形式変換する前に合成及び変換のステップが実行される場合には、間引かれた送受信機が必要となるので、そのような構成は軽減されたハードウェア要件において有利となる。

他の実施形態では、前記信号を形式変換するステップは前記信号をデジタル信号に形式変換するステップを備え、前記合成及び変換するステップはこのステップに続いて実行される。この場合、必要となる送受信機数は多くなる。この場合、合成及び変換するステップはデジタルデータに対して実行される。

いずれの場合においても、それは、前記信号を変換行列に乗算するステップを備え、前記変換行列は前記アンテナ数に等しい１つの次元、及び前記間引かれたスパース信号に等しい、より少ない次元を有する。

合成及び変換するステップが特に変換行列を用いてデジタル信号に対して実行されることの効果は、これによって、おそらくは新たなユーザ機器の到来、ユーザ機器の移動又は送受信機の故障に起因してチャネル状態が変化したと判定される場合には異なる組合せの信号が選択されてチャネル状態を改善するように変換行列が変更されるように再構成が可能となることにある。変換行列などの構成可能な回路を用いて信号の変換及び合成がデジタル的に実行されるにつれて、これらの変化にシステムを適合させることが順当である。

ある実施形態では、前記合成するステップは、前記アンテナ要素の全部又は実質的に全部からの信号各々が前記間引かれたスパース信号に対して同等量寄与するように、前記複数のアンテナ要素からの信号をランダム又は準ランダム的に合成するステップを備える。

高品質チャネル状態推定に使用され得る間引き信号を与えるために、各アンテナ要素からの信号が同等の重要度又は重み付けを与えられれば有利である。しかし、状況によっては、送受信機がその機能を失い、そのように１又は２個のアンテナ要素が考慮されなくなる場合がある。このような場合、他のアンテナ要素からの信号の組合せがこれを考慮することができ、その信号が合成されて、それでも高品質信号推定を与え得る間引かれた組の信号を生成することができる。同等量の寄与に関して、これは、高品質チャネル状態を与える組合せが選択されるように、チャネル状態測定値との関係で決定され得る。

ある実施形態では、方法は、前記間引かれたスパース信号を処理するステップをさらに備え、推定されたチャネル状態情報との関係で、前記少なくとも１つのユーザ機器によって送信された信号を導出する。

ユーザ機器によって送信された信号は、後述するようにプロセッサがそれ自体で導出し得るチャネル状態情報を用いて、これらのスパース信号から導出され得る。

ある実施形態では、方法は、前記複数のアンテナ要素において少なくとも１つのユーザ機器から受信された少なくとも１つの所定のパイロット信号について本発明の前記第１の態様の方法の前記ステップ実行するステップ、並びに圧縮センシング技術に基づく再構築アルゴリズムを用いて前記プロセッサに出力された前記間引かれたスパース信号及び前記所定のパイロット信号を解析して前記チャネル状態情報を生成するステップを備える。

プロセッサに出力された信号の疎性のために、圧縮センシング技術に基づく再構築アルゴリズムは、アンテナ要素において受信された信号が既知である場合にチャネル状態情報を生成するのに使用され得る。そのようなチャネル状態情報が導出されると、アンテナアレイから出力される更なるスパース信号がそれらを生成したユーザ機器信号を導出するのにこのチャネル状態情報を用いて解析され得るように、これはテンプレートとして使用され得る。

ある実施形態では、方法は、前実施形態で説明したステップを周期的に実行することによって更新チャネル状態情報を周期的に生成するステップをさらに備える。

チャネル状態情報は所定パイロット信号を用いて周期的に更新され、このようにして、状況が変化するにつれて、チャネル状態情報がこれを反映し、ユーザ機器によって送信された信号の正確な推定値が決定され得る。

ある実施形態では、前記再構築アルゴリズムは、前記信号を送信する無線チャネルの合成効果及び前記信号におけるアンテナ要素間の結合効果を、前記結合効果が前記チャネル状態情報によって補償されるように推定する。

パイロット信号から特定されるチャネル状態情報は、信号を送信している無線チャネルの合成効果及びアンテナ要素間で発生する結合効果を含み得る。このように、結合効果はチャネル状態情報に反映されるので、従来の場合のようにアンテナ要素間の結合を低減する必要はない。これによって、個々の要素を遮断するのにこれまで使用されていたいかなる絶縁及びケーシングも不要となるので、ハードウェアの節約となる。実際に、ある場合では、アンテナ要素間の結合は、それが信号間の相関を増加させるのでチャネル状態推定値を向上させることができ、したがって変換信号の疎性を増加させ、再構築アルゴリズムを向上させることになり得る。したがって、再構築アルゴリズムを向上させること及びアンテナアレイのコストを低減することを両立する効果がある。

ある実施形態では、前記再構築アルゴリズムは、不完全性が前記チャネル状態情報によって補償されるように、前記複数のアンテナ要素から前記送受信機まで及びそれを含む要素における不完全性の効果をさらに推定する。

再構築アルゴリズムはまた、アンテナの無線周波経路における要素の不完全性の効果を推定することができ、ここでも、これによって、アンテナアレイによって受信された信号の信号推定の精度を低下させることなく、不完全性のあるより安価な構成要素を使用することができる。

ある実施形態では、方法は、前記チャネル状態情報の変化を検出したことに応じて、前記変換及び合成ステップの少なくとも１つを修正するステップをさらに備える。

チャネル状態情報の変化がこのチャネル状態情報の周期的更新において検出される場合、特に、このチャネル状態に劣化がある場合には、アンテナ要素からの信号の異なる合成及び変換が実行されるように合成及び変換ステップを修正することが有利となり得る。そのような変化の効果は、所定のパイロット信号が入力信号を供給しつつ出力信号を検出することから特定され、改善されたチャネル状態が得られるまで変化が行われ得る。このように、ユーザ機器が移動する場合、又は送受信機が正常に機能しなくなり得る場合には、システムは、これを考慮するように更新されることができ、信号推定の品質が改善され、又はこれらの効果によって少なくとも無用に低減されないことになる。

本発明の第２の態様は、コンピュータによって実行されると、本発明の第１の態様による方法を実行するように前記コンピュータを制御するように動作可能なコンピュータプログラムを提供する。

本発明の第３の態様は、少なくとも１つのユーザ機器から信号を受信するように構成された複数のアンテナ要素、前記信号を少なくとも１つの異なる領域に変換してスパース信号を生成するように動作可能な変換ロジック、前記信号の少なくとも一部を合成して間引き信号を形成するように動作可能な合成ロジック、及び前記間引きスパース信号を出力するように動作可能な出力回路を備えるアンテナアレイを提供する。

ある実施形態では、前記アンテナアレイは信号処理回路をさらに備え、該信号処理回路は、チャネル状態情報を用いて前記間引きスパース信号を処理して前記少なくとも１つのユーザ機器によって送信された信号を導出するように動作可能である。

信号処理回路に送信された間引きスパース信号のために、小型かつ低消費電力の信号処理回路が使用され得る。

ある実施形態では、前記信号処理回路は、所定のパイロット信号が前記複数のアンテナ要素で受信されることに応じて、前記チャネル状態情報を生成するのに圧縮センシング技術に基づく再構築アルゴリズムを用いて前記プロセッサに出力される前記間引きスパース信号及び前記所定のパイロット信号を解析するように動作可能である。

ある実施形態では、前記変換及び合成ロジックが単一のユニットとして提供される一方で、他の実施形態ではそれらは異なるユニットのロジックとして形成される。これに関して、ロジックは、ソフトウェア又はハードウェア回路であればよい。

ある実施形態では、前記変換及び合成ロジックは、前記複数の送受信機数が前記間引き信号に対応する前記間引き数からなるように、前記アンテナ要素と前記送受信機の間に配置される。

ある実施形態では、アンテナ要素は、前記アンテナの中央動作周波数の波長の０．７５よりも大きい間隔で配置される。

信号の疎性のために、圧縮センシング技術が使用可能であり、そのように減少した頻度の検知が使用可能となる。これは、従来提供されるものよりもさらに間隔をあけられたアンテナ要素を利用することによって反映され得る。これに関して、従来のアンテナ要素は、ナイキスト要件を充足するために波長の半分以下の間隔を有し得る。

更なる詳細かつ好適な態様が、付随する独立請求項及び従属請求項に記載される。従属請求項の構成は、独立請求項の構成に適宜に、及び請求項に明記されるものとは異なる組合せで、組み合わせられ得る。

装置の構成が機能を与えるように動作可能なものとして記載される場合、これはその機能を与え、又はその機能を与えるように適合若しくは構成された装置構成を含むことが分かるはずである。

本発明の実施形態が、添付図面を参照してここにさらに記載される。

実施形態によるＭＩＭＯ及び関連する処理回路を示す。 図１のものに対する代替の実施形態を示す。 大規模ＭＩＭＯアレイで動作し、間引かれた送受信機に接続されたＲＦ変換行列を示す。 大規模ＭＩＭＯアレイから送受信機を介して出力されるデジタル信号に作用する変換行列を示す。 疎性を利用することができるジョイント角遅延空間におけるアンテナアレイ設定のモデル化を模式的に示す。 実施形態によるＭＩＭＯに対するチャネル状態情報を生成する方法におけるステップを説明するフロー図を示す。 実施形態によるＭＩＭＯでの間引きスパース出力信号から入力信号を導出する方法におけるステップを説明するフロー図を示す。 実施形態によるＭＩＭＯについてのチャネル状態情報を周期的に更新する方法におけるステップを説明するフロー図を示す。

実施形態をより詳細に記載する前に、まず概観を与える。

実施形態は、処理されるべき信号、及び場合によっては送受信機数、すなわち、ＭＩＭＯシステム、特に大規模ＭＩＭＯシステムなどのアンテナアレイにおいて必要となるハードウェアチェーン並びに結果的にハードウェア全体の複雑さ及び消費電力を、そのような大規模ＭＩＭＯシステムの性能を低下させることなく、減少させることを目的とする。

これを行うために、大規模ＭＩＭＯ無線チャネルを特徴付け、サブナイキスト空間サンプリングを可能とし、間引かれた送受信機を用いてチャネル推定を実行するのに、通常は非常に多くのアンテナ及び送受信機を要していた疎性技術を用いることを検討する。

全体の複雑さを低減するハードウェア設計並びに信号の高解像度推定値を復号及び再構築する信号処理アルゴリズムの双方に着目する。

これに関して、発明者らは、ＭＩＭＯなどのアレイにおける複数のアンテナ要素で受信される信号間には顕著な相関があるはずであること、及び時間領域から周波数領域などのように他の領域に変換された場合のようなデータはスパースデータのセットを与えるであろうことを認識した。スパースデータのセットは、等式がある場合よりも多くの未知数がある場合でも圧縮センシング技術を用いて解かれ得る。したがって、異なるアンテナ要素からの信号を合成及び変換する技術が使用され、これらは、疎らであるので圧縮センシング技術を用いて解析され得る間引き信号を生成する。このように、データの疎な性質のためにデータの疎な性質を利用する圧縮センシング処理技術を用いて元の信号を導出するためにも使用され得る間引き信号データが、信号プロセッサに供給される。

これに関して、元の信号を導出することを可能とするために、信号が伝搬するチャネルについてのチャネル状態情報が導出される必要がある。これは、既知のパイロット信号を入力信号として用いて、アンテナからの合成及び変換された信号との関係でこれらを解析して行われる。再構築アルゴリズムを用いる圧縮センシング技術は、好適な場合において、ユーザ機器からアンテナへの信号経路だけでなくアンテナ要素間の結合及びアンテナ内の無線周波信号経路における不完全性も反映するチャネル状態情報を導出するのに使用される。そして、このチャネル状態情報は、アンテナによって出力される間引きスパース信号から元の信号を導出するのに使用可能である。ある実施形態ではチャネル状態情報が、ある場合では合成及び変換ロジックが、環境及びアンテナ自体の変化を反映するように周期的に更新される。

図１は、実施形態による多入力アンテナアレイ１０を模式的に示す。複数のアンテナ要素２０で受信される無線周波信号は、合成及び変換ロジック３０において合成及び変換され、間引きスパース信号が出力される。合成及び変換ロジックは、様々な受信信号を異なる態様で合成し、ただし好ましくは、各アンテナ要素で受信される信号は送受信機４０に送信される間引き信号の少なくとも１つに寄与することになる。このロジックは、単に異なる経路長及び異なる合成要素を有する回路を備えていればよく、又は図３Ｂに示すような変換行列を反転するように形成されてもよい。この時点での受信アナログ信号を合成することによって、必要となる送受信機数が減少し、電力及びハードウェアコストの双方の節約となる。

これに関して、従来のシステムでは、送受信機は、各アンテナ要素に対して必要となっていたが、各アンテナ要素から受信される入力信号数よりも出力信号数が少なくなるように合成及び変換ロジックが受信入力信号を合成することに起因して、より少ない送受信機しか必要とならない。またさらに、これによって、より少ない信号が処理部５０に送信されることになり、信号経路がより少なくなり、処理容量要件が軽減されることになる。

図２は、変換及び合成ロジック３０が送受信機４０の後に配置された多入力アンテナの代替実施形態を示す。したがって、この場合、各アンテナ要素に対して送受信機があり、これらが受信ＲＦアナログ信号をその後に変換及び合成ロジック３０によって処理されるデジタル信号に形式変換する。このロジックは、回路であってもよいし、間引き信号をＣＰＵに送信する前に信号を変換及び合成するためのソフトウェアアルゴリズムであってもよい。これに関して、アルゴリズムは、以下に詳述するように信号を変換及び合成する変換行列Ｔの形式をとり得る。変換行列は、単一の行列Ｔであってもよいし、一方が他の領域への変換を実行して他方が合成ステップを実行する２つの行列であってもよい。図３Ａは、複数の送受信機から出力されるデジタル信号で動作する単一の変換行列を模式的に示す。行列は、信号を変換及び合成することによって、デジタル信号数をＮからＰに減少させる。

図３Ｂは、この行列を、行列がＲＦ信号で動作し、且つ減少した送受信機が必要となる図１の構成と同様の構成における変換及び合成ロジックとして模式的に示す。

図４は、疎性を利用するジョイント角遅延空間におけるモデル化アンテナアレイを模式的に示し、より詳細を後述するように、各ユーザｋに対するチャネルＨを模式的に示す。

一実施形態では、Ｎ個のＭＩＭＯアンテナ要素で動作して、それらをＰ本のＲＦ信号経路に形式変換するＰ×ＮのＲＦ変換行列Ｔが提案され、それは、図３に示す受信信号ｙのＰ×１のベクトルを得るようにその後にデジタルベースバンドにダウンコンバートされ、サンプリングされ、後段処理される。通常は、
Ｎ≫Ｐ、Ｎ≒４Ｐ、
である。

変換行列Ｔは、ランダムＲＦ行列又はＮ個の信号をＰ個の信号に変換するフィーダーネットワークとしてみることができる。アンテナ間の結合、異なるＲＦ成分間の振幅、周波数及び位相オフセットなどの物理的ＲＦ障害も考慮され、間引きＰ信号で補償される。

続いて、受信信号の高解像度推定値を得るのに、ジョイント角遅延領域における無線チャネルの疎な性質を利用する圧縮センシングツールとともにＰ次元信号を使用することを提案する。

この無線信号の高解像度推定値は、高解像度チャネル状態情報（ＣＳＩ）を得ること、あるいは減少した送受信機を有する大規模ＭＩＭＯアレイにおける弱い信号の受信を改善するのに使用され得る。この設定は、ＲＦ及びデジタルチェーンのエネルギー消費全体を低減するのに役立つことにもなる。

モデル：
周波数選択的で複数経路の環境を介して任意のユーザ機器又はスモールセルからの信号を放射及び受信する
個のアンテナからなる大規模ＭＩＭＯ設定を検討する。簡略化のため、ＵＥは、１つのアンテナ要素を用いて送信する。ＫをＵＥの数とし、Ｌを種々の複数経路の遅延拡散に起因するそれらの無線チャネルの次数とする。記載の簡略化及び統一のため、大規模ＭＩＭＯアンテナ設定の行又は列を積み重ね、それらをＮ×１のベクトルとして示す。アレイの幾何形状は任意（すなわち、線形、平面、不均等など）であればよく、アンテナアレイ応答全体に含まれ得る。

記載の簡略化のため、送信アンテナは無指向性であるものとし、以降の説明では省略するものとする。無線チャネルの次数はＬ＝［Ｗτｍａｘ］＋１であり、Ｗは帯域幅であり、τ_ｍａｘは最大時間遅延拡散に対応する。大規模ＭＩＭＯ設定の導入に起因する全体の自由度は、Ｄ＝ＮＬである。

この冗長度を特徴付けるために、離散時間空間時間的な無線チャネルは、次数ＬのＮ×１ベクトル：
を用いてジョイント角遅延空間で表され、Ａ_Ｒは到来角θ_ｒについての受信機におけるアンテナアレイ応答である。ジョイント角遅延空間は、無線チャネルが遅延拡散したものを空間的にサンプリングする解像度Ｒによって特徴付けられる。アンテナアレイモデルをＫ人のユーザに拡張すると、無線チャネル全体は、Ｎ×ＫＬ行列：
を用いて表される。

全ユーザから任意のｍに対する時刻ｔ＝ｍＴｔ∈［ｏ，Ｔ］における送信信号が、ＭＩＭＯアレイで受信され、Ｎ×１ベクトルｘ［ｍ］：
として積み重ねられ、ｓ^（ｋ）［ｍ］は時刻ｔ＝ｍＴにおけるユーザ信号に対応し、
は付加的ノイズを含むＮ×１ベクトルである。

設定：
設定全体のハードウェアの複雑性を軽減するとともに送受信機数を減少させるために、我々は、Ｎ個のＭＩＭＯアンテナ要素で動作してそれらをＰ個のＲＦ信号経路に形式変換するＰ×ＮのＲＦ変換行列Ｔを導入することを提案し、それらはその後にデジタルベースバンドにダウンコンバートされ、サンプリングされ、受信信号ｙのＰ×１ベクトル：
を得るように後段処理される。

上記変換行列Ｔは、増加した次元から減少した次元へのフィーダーネットワーク変換信号として見ることができる。しかし、これは、バトラー行列におけるような直交ビーム又は特定のビームのセットを生成するようには設計されていない。これは、散乱環境の疎性を利用してアンテナアレイにおける信号の線形合成を取得しつつ送受信機数を減少させるように設計されたランダム行列である。

実際に、大きなＭＩＭＯアレイは、アンテナ要素間に、相互に接近して積み重ねられる場合に顕著な結合を導入することになる。結合は、角度において疎性をカバーするが時間においてはカバーせず、簡略化のため、チャネル行列Ｈ全体で動作するＮ×Ｎブロックの三重対角行列Ｍとしてモデル化され得る。標準的なシステムでは、アンテナ要素は、表面波の伝搬を最小化して結合を抑制するために、絶縁され、ケースに入れられる。したがって、標準的なシステムでは、それらは、アイデンティティ行列Ｍ_標準＝Ｉとして近似され得る。これらのすべての変化によって通常は、ＭＩＭＯアレイの設計及び製造コストが増加する。我々は、式全体のうちのこの結合項を明示的に検討し、全体無線チャネル＋結合係数を推定することによって、この問題を緩和する。信号モデルは、結合行列Ｍを
として含んで記述され得る。

ＲＦ｛．｝によって示すＲＦチェーンは、不完全性、非線形性及び損失を受ける。通常、これらの項は、既存のシステムにおいて推定及び校正されなければならず、Ｎが増加するとそれらの複雑さは増加する。障害は、変換行列Ｔの出力で動作するＰ×Ｐ対角行列Ｒとしてモデル化され得る。

ハードウェアの複雑さを軽減するために、我々は、これらの成分を個別に推定することを控える。

方法−圧縮センシングＣＳに基づく高解像度チャネル推定：
減少した次元の変換Ｔとの組合せで使用された場合の無線チャネルＨ、結合行列Ｍ及び不完全性行列Ｒの合成効果を実質的に推定することが望ましい。なお、各項及び全項を個々に推定する必要はなく、これらの項の合成された推定は、続いて検出アルゴリズムを適用して所望のユーザからの信号を推定するのに充分である。この目的のため、我々は、大規模ＭＩＭＯアレイが所与のユーザからのパイロット信号の知識を有するものと仮定して、それらを適用して無線チャネルを推定する。

ユーザｋから送信され、観測間隔ｔ∈［ｏ，Ｔ］内で観測されたパイロット信号
を検討する。離散サンプルｓ（ｋ）［１］、・・・、ｓ（ｋ）［Ｍ］は、パイロットシーケンスに対応する。大規模ＭＩＭＯアレイは、Ｋ人のユーザすべてからのそのようなシーケンスを
として観測する。

観測間隔全体に対するこれらの信号を積み重ねると、
となる。

パイロット信号は、ｉ．ｉ．ｄベクトルのランダムな集合から導かれるものとし、相互に相関していない。観測間隔Ｍ≧ＬＫについて、Ｓは、全行ランクのフラット行列である。したがって、Ｓの有効な疑似転置があり、
を用いて上式を後ろから乗算し、瞬間におけるノイズ項を無視する：
クロネッカー積アイデンティティ
を上式に適用すると、
となる。

ＣＳに基づく設定では通常、スパース信号はランダムに予測され、信号はこのランダム予測から再構築される。上式において、Φは、基底追跡（Ｂａｓｉｓ Ｐｕｒｓｕｉｔ）、ラッソ再構築又はＤａｎｔｚｉｇセレクタに基づくＣＳ技術：
に通常みられるランダム予測行列としてみることができる。

代替的に、それらは、直交マッチング追跡又は［８］に記載される類似のアルゴリズムなどのグリーディアルゴリズムとの組合せにおいて使用され得る。簡略化のため、上記最適化は、θ_ＣＳ＝ＣＳ（Φ、ｙ、閾値＝ε）として表される。

我々の大規模ＭＩＭＯアレイ及び変換行列設定：ＴＡ_Ｒは、このランダム変換、すなわち、疎な無線チャネルＨで動作するΦ＝Ｔとして見ることができる。残余の項を上式に代入すると、パイロット
となる。

図５は、多入力／多出力アンテナについてのチャネル状態情報を生成するための方法のステップを概略的に説明するフロー図を示す。この実施形態では、所定のパイロット信号がアンテナ要素で受信され、これらの信号がＰ×Ｎ変換行列によって乗算されてＰ個の出力信号を生成し、ＰはＮよりも小さく、このように信号数が低減される。この変換行列はまた、生成される信号が疎となるように、信号の領域を変換する。信号の経路、すなわち無線チャネルの合成効果、アンテナ要素間の結合及び無線周波数成分における不完全性の推定値を生成するように、出力及び入力信号の解析が行われる。これから、各信号チャネルに対してチャネル状態情報が生成及び記憶される。

図６は、図５の方法によって決定された状態情報を用いて処理回路で受信された間引きスパース出力信号から入力信号を再構築する多入力／多出力アンテナの処理回路で実行される方法のステップを示す。

Ｎ個のアンテナ要素からの信号が受信され、これらの信号がＰ×Ｎ変換行列によって乗算されてＰ個の出力スパース信号を生成する。そして、記憶されたチャネル状態情報が用いられてＰ個のスパース出力信号から入力信号を生成する。

図７は、アンテナを囲む環境の変化を補償するために、チャネル状態情報を周期的に更新するための方法のステップを示す。したがって、周期的に、所定のパイロット信号がＮ個のアンテナ要素で受信され、これらの信号が変換行列によって乗算されて間引きスパース信号を生成する。そして、無線チャネルの合成効果、アンテナ要素の結合及び無線チャネル要素における不完全性が、Ｐ個の出力信号を既知の入力信号と比較することによって考慮され、各信号チャネルに対するチャネル状態情報が生成される。このチャネル状態情報が以前に記憶された情報と大きく異なるかが判定される。

これに関して、場合によっては、問題は、それが異なるかではなく、チャネル状態がより悪いかであり、良い方向への変化が変換行列の修正をトリガしないようにすることである。変化が顕著である（又は顕著に悪い）と考えられる場合には変換行列が修正され、以前に受信されたものと同等か又は以前に受信されたものよりも良いチャネル状態情報が見つかるまで手順が反復される。この時点で、更新チャネル状態情報が、修正変換行列として記憶される。

この手順は、システムが環境及びアンテナ自体の変化に応答することができるように周期的に実行される。これに関して、例えば送受信機の１つが故障し、又はその性能が劣化したとした場合には、変換行列の修正によってこれが補償されることを可能とし、アンテナの性能は以前にそうであったものと同等のレベルのままとなり得る。

当業者であれば、種々の上記方法のステップはプログラムされたコンピュータによって実行され得ることを直ちに認識するはずである。ここで、ある実施形態は、プログラム記憶装置、例えば、機械又はコンピュータ可読であり、命令の機械実行可能又はコンピュータ実行可能プログラムを符号化するデジタルデータ記憶媒体にも及ぶことが意図され、前記命令は上述した方法のステップの一部又は全部を実行する。プログラム記憶装置は、例えば、デジタルメモリ、磁気ディスク及び磁気テープなどの磁気記憶媒体、ハードドライブ、又は光学的に可読なデジタルデータ記憶媒体であってもよい。実施形態は、上述した方法の前記ステップを実行するようにプログラムされたコンピュータにも及ぶものとする。

「プロセッサ」又は「ロジック」として符号が付されたいずれかの機能ブロックを含む、図示した種々の要素の機能は、専用ハードウェアと適切なソフトウェアとの関連でソフトウェアを実行することができるハードウェアの使用によって提供され得る。プロセッサによって提供されると、機能は単一の専用プロセッサによって、単一の共有プロセッサによって、又はその一部が共有され得る複数の個別のプロセッサによって提供され得る。さらに、用語「プロセッサ」、「コントローラ」又は「ロジック」の明示的使用は、ソフトウェアを実行することができるハードウェアを排他的に言及するものと解釈されるべきではなく、限定することなく、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）ハードウェア、ネットワークプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、ソフトウェアを記憶するための読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び不揮発性ストレージを含み得る。従来的及び／又はカスタムの他のハードウェアも含まれ得る。同様に、図に示す任意のスイッチは、概念的なものに過ぎない。それらの機能は、プログラムロジックの動作を介して、専用ロジックを介して、プログラム制御及び専用ロジックの相互作用を介して、又は手動でも実行され得るものであり、特定の技術が、文脈からより具体的に理解されるような実施例によって選択可能である。

当業者であれば、いずれのブロック図も発明の原理を具現化する説明的な回路の概念的な視点をここに表すことが分かるはずである。同様に、そのようなコンピュータ又はプロセッサが明示的に示されるか否かにかかわらず、いずれのフローチャート、フロー図、状態遷移図、疑似コードなどはコンピュータ可読媒体で実質的に表現されてコンピュータ又はプロセッサによって実行され得る種々の処理を表す。

説明及び図面は、発明の原理を説明するに過ぎない。したがって、当業者であれば、ここに明示的に記載又は図示されないが、発明の原理を具現し、精神及び範囲内に含まれる種々の構成を考案できるはずであることが分かる。またさらに、ここに記載されるすべての例は、発明者が寄与した発明の原理及び概念を読者が理解して技術を深めるのを補助する教育的目的のみのために存在することが原理的に明記されるものであり、そのような具体的に記載された例及び条件に限定されないものとして解釈されるべきである。さらに、発明の原理、態様及び実施形態とその具体的実施例をここに記載するすべての記述は、その均等物を包含するものである。

Claims (15)

1. アンテナアレイの複数の要素で受信された信号に対して実行される方法であって、
   前記信号を少なくとも１つの異なる領域に変換してスパース信号を生成する、変換するステップ、
   前記信号の少なくとも一部を合成して間引きスパース信号を形成する、合成するステップ、及び
   前記間引きスパース信号を出力するステップ、
   を備える、方法。
2. 複数の送受信機を用いて前記信号をアナログ信号からデジタル信号に形式変換するステップをさらに備える、請求項１に記載の方法。
3. 前記合成するステップ及び前記信号を変換するステップが、前記複数の送受信機を用いて前記スパース信号をアナログ信号からデジタル信号に形式変換する前に、単一のステップとしてともに実行される、請求項２に記載の方法。
4. 前記合成するステップ及び前記変換するステップが単一のステップとして実行され、該単一のステップが、前記信号に変換行列を乗算するステップを備え、前記変換行列が、前記アンテナ数に等しい１つの次元及び前記間引きスパース信号数に等しい、より小さい次元を有する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記合成するステップが、前記アンテナ要素のすべて又は１つ若しくは２つを除くすべてからの信号の各々が前記間引きスパース信号の量に寄与するように、前記複数のアンテナ要素からの信号をランダム又は準ランダムな態様で合成するステップを備える、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記間引きスパース信号を推定チャネル状態情報との関連で処理して前記少なくとも１つのユーザ機器によって送信された信号を導出するステップ、
   を更に備える、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記複数のアンテナ要素で少なくとも１つのユーザ機器から受信された少なくとも１つの所定のパイロット信号について、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法のステップを実行するステップ、及び
   圧縮センシング技術に基づく再構築アルゴリズムを用いて、前記プロセッサに出力された前記間引きスパース信号及び前記所定パイロット信号を解析して前記チャネル状態情報を生成するステップ、
   をさらに備える、請求項６に記載の方法。
8. 請求項７に記載のステップを周期的に実行することによって更新チャネル状態情報を周期的に生成するステップを備える、請求項７に記載の方法。
9. 前記再構築アルゴリズムが、前記信号を送信する無線チャネルの合成効果及び前記信号におけるアンテナ要素間の結合効果を、前記結合効果が前記チャネル状態情報によって補償されるように推定する、請求項７又は８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記再構築アルゴリズムが、前記複数のアンテナ要素から前記送受信機までの不完全性の効果及び前記送受信機を含む要素における該不完全性の効果を、該不完全性が前記チャネル状態情報によって補償されるようにさらに推定する、請求項２及び８又は９に記載の方法。
11. 前記チャネル状態情報の変化を検出したことに応じて、前記変換するステップ及び前記合成するステップの内の少なくとも一方を修正するステップを備える、請求項８乃至１０のいずれか一項に記載の方法。
12. コンピュータによって実行されると、前記コンピュータを制御して請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の方法を実行させるように動作可能なコンピュータプログラム。
13. アンテナアレイであって、
    少なくとも１つのユーザ機器からの信号を受信するように構成された複数のアンテナ要素、
    複数の送受信機、
    前記信号を少なくとも１つの異なる領域に変換してスパース信号を生成するように動作可能な変換ロジック、
    前記信号の少なくとも一部を合成して間引きスパース信号を形成するように動作可能な合成ロジック、及び
    前記間引きスパース信号を出力するように動作可能な出力回路、
    を備える、アンテナアレイ。
14. チャネル状態情報を用いて前記間引きスパース信号を処理して前記少なくとも１つのユーザ機器によって送信された信号を導出するように動作可能な信号処理回路をさらに備える、請求項１３に記載のアンテナアレイ。
15. 前記信号処理回路が、所定のパイロット信号が前記複数のアンテナ要素で受信されたことに応じて、前記プロセッサに出力された前記間引きスパース信号及び前記所定のパイロット信号を圧縮センシング技術に基づく再構築アルゴリズムを用いて解析して前記チャネル状態情報を生成するように動作可能である、請求項１４に記載のアンテナアレイ。