JP4070073B2 - 送信ゲイン関数を得る方法および送信/受信デバイス - Google Patents
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Description
この発明は一般に、送信モードのゲイン関数(function)を得る方法に関する。より具体的には、この発明は移動通信システム内で基地局に関して送信モードでアンテナゲインを得る方法に関する。この発明は、受信モードのアンテナゲインから送信モードのアンテナゲインを得ることを可能にする。
【0002】
チャネルの形成または干渉する信号の除去は、狭帯域アンテナ処理の分野ではよく知られている。各々は一般には線形で均一な(すなわち、一定のピッチをともなう)アンテナのアレイおよび信号重み付けモジュールを使用する。
【0003】
より詳しくは、受信モードでチャネルを形成したい場合、異なるアンテナによって受信された信号は複素係数の組によって重み付けられてから加算される。逆に、送信モードでチャネルを形成したい場合、送信される信号は複素係数の組によって重み付けられ、こうして得られた信号は異なるアンテナによって送信される。
【0004】
図1は、送信および受信におけるアンテナゲインを得るための既知のデバイスを示す。このデバイスはアンテナのアレイ(100)、(101)、・・・、(10N-1)、送信重み付けモジュール(11)および受信重み付けモジュール(15)を備える。
【0005】
異なるアンテナによって受信された信号(xi)、i=0・・・N−1は、複素係数(bui)、i=0,・・・,N−1の組によって、(130)、(131)、・・・(13N-1)において重み付けられてから、(14)において加算されて信号Ruを与える。
【0006】
逆に、送信される信号Sdは、複素係数(bdi)、i=0,・・・,N−1の組によって(120)、(121)、・・・、(12N-1)として重み付けられてから、異なるアンテナによって送信される。
受信される信号のベクトルと重み付け係数のベクトルがそれぞれ、
【0007】
【数10】
【0008】
と示される場合、次式のように書くことができる。
【0009】
【数11】
【0010】
受信モードの複素ゲイン(complex gain)(またはアンテナの複素ゲイン関数)は、次式のように書くことができる。
【0011】
【数12】
【0012】
は、ピッチdをともなう均一な線形アレイに関する連続するアンテナ間の動作における差であり、λおよびfはそれぞれ、問題の平面波の波長と周波数であり、
【0013】
【数13】
【0014】
は、θiが基準軸とインデックスiのアンテナへの垂線との間の角、Rはアレイの曲率の半径、Δθはアレイ内の2つの連続するアンテナの間の角度の差であるである円形アレイに関する。
【0015】
同様に、送信における複素ゲイン(または複素ゲイン関数)は次式のように書くことができる。
【0016】
【数14】
【0017】
は方向θで送信される平面波に対応するベクトルxバーである。受信モードにおける重み付けベクトルおよび送信モードにおける重み付けベクトルはそれぞれ、buバーおよびbdバーと呼ばれる。
【0018】
アンテナのアレイが所与の周波数で受信モードで機能しているとき、有名な方法はウィーナ濾波方法であるが、いくつかの異なる既知の方法が、信号ノイズ比を最大にする重み付けベクトルbuバーを決定することを可能にする。移動通信システムでは、基地局のアンテナのアレイは複数の移動端末によって送信された信号を受信する。
【0019】
CDMA(符号分割多元接続)モードにおける送信のコンテキストでは、異なる移動端末によって送信された信号は、送信においては直交符号の使用によって分離され、受信においてはこれらの符号に適合するフィルタの使用によって分離される。
【0020】
しかし実際には、受信された異なる信号の分離は完全ではない。したがって、所与の移動端末とその移動端末にサービスを提供する基地局との間のアップリンクに関しては、最大化される基準は、信号と、ノイズプラス干渉の比であり、干渉は他の移動端末によって送信される信号が原因で生じる。
【0021】
同様に、基地局と所与の移動端末との間のダウンリンクは、バックグラウンドノイズによって妨害されるのみならず、この基地局によって他の移動端末に送信される信号が原因で生じる干渉によっても妨害される。アップリンクチャネルと基地局における干渉の密度を推定することによって、受信モードにおける重み付けベクトルbuバーを最適化するのは比較的容易であるのに対し、送信モードの重み付けベクトルbdバーの最適化に関しては非常に困難である。
【0022】
これは、ダウンリンクチャネルと干渉の密度の推定を基地局において直接行うことは不可能であり、この情報を移動端末が送信することが必要であるためである。しかしこの情報の送信はアップリンク上の伝達リソースを消費し、このことが欠点になる可能性があり、特にたとえば移動端末が高速で移動しているときなど、チャネル送信機能に急速な変動がある場合には欠点である。
【0023】
この発明の目的は、送信重み付けベクトルbdバーを決定し、ダウンリンク上で信号と、ノイズプラス干渉の比を最適化し、アップリンク上で少量の情報の送信しか必要としない方法を提案することである。
【0024】
この目的のために、この発明は、アンテナのアレイと、重み付けベクトルと呼ばれるN個の複素係数のベクトル(bバー)によって受信された信号または送信される信号を重み付けすることによって送信ゲイン関数を得る方法によって定義され、Nはアレイ内のアンテナの数であり、アレイはダウンリンクチャネルと呼ばれる送信チャネル上でダウンリンク送信信号(Sd)を通信端末に送信し、端末はアップリンクチャネルと呼ばれる送信チャネル上でアップリンク送信信号(Su)をアレイに送信し、アップリンクチャネルはアップリンク干渉(Iu)と呼ばれる第1の等方性ノイズ(isotropic noise)(N)および/または第1の指向性ノイズ(directional noise)によって妨害され、ダウンリンクチャネルはダウンリンク干渉(Id)と呼ばれる第2の等方性ノイズ(N’)および/または第2の指向性ノイズによって妨害され、第1の重み付けベクトル(buバー)は、アレイによる受信のときに、端末から受信された信号と、アップリンクチャネルを妨害するノイズプラス干渉の比((C/I+N)u)を最大化するように決定されており、端末による受信のときに、ネットワークから受信された信号と、ダウンリンクチャネルを妨害するノイズプラス干渉の比((C/I+N)d)を最大化する第2の重み付けベクトル(bdバー)は、第1の等方性ノイズのパワーおよび/または第1の指向性ノイズのパワーの関数である第1のノイズマトリックス(Du)と、第2の等方性ノイズのパワーおよび/または第2の指向性ノイズのパワーの関数である第2のノイズマトリックス(Dd)を含むマトリックスの積の形で、第1の重み付けベクトルから計算される。
【0025】
実施の形態1によれば、第1の重み付けベクトル(buバー)は、アレイの第1の動作周波数(fu)に関して得られ、第2の重み付けベクトル(bdバー)は、アレイの第2の動作周波数(fd)に関して得られる。
【0026】
有利には、ゲイン関数はM個の異なる方向(k)でとったゲイン関数のM個の複素サンプル(complex sample)の、ゲインベクトル(Gバー)と呼ばれるベクトルによって表され、ゲインベクトルは重み付けベクトル(bバー)とアレイの動作周波数に依存する変換マトリックスの積として表され、第2の重み付けベクトルbdバーは、次式によって第1の重み付けベクトルbuバーから得られる。
【0027】
【数15】
【0028】
上式で、Huは周波数(fu)における変換マトリックス、H+ dは周波数(fd)における変換マトリックスであるマトリックスHdの疑似逆マトリックス(pseudo inverse matrix)、Duは第1のノイズマトリックス、Ddは第2のノイズマトリックスである。
【0029】
第1のノイズマトリックスは大きさがMxMで成分が
【0030】
【数16】
【0031】
の対角マトリックスとして表すことができる。上式で、σ2 ukは方向θkのアップリンク干渉のパワー、Iuはアップリンク干渉の合計のパワー、N0は
【0032】
【数17】
【0033】
である。なお、Guバーは後述する受信ゲインベクトルであり、ベクトルbuバーで重み付けされた場合に、アップリンク内のアレイにより生成されるゲイン関数である。
同様に、第2のノイズマトリックスは大きさがMxMで成分が
【0034】
【数18】
【0035】
の対角マトリックスとして表すことができる。上式で、σ2 dkは方向θkのダウンリンク干渉のパワー、N’0は第2の等方性ノイズのパワーであり、
【0036】
【数19】
【0037】
が成立する。上式で、CdバーはM個の方向でとったダウンリンクチャネルの送信関数の関数のサンプルから成るベクトルであり、Idはダウンリンク干渉の合計のパワーである。
【0038】
アレイが複数のダウンリンクチャネル上で複数の送信信号を複数の通信端末に送信し、これらの通信端末から複数のアップリンクチャネル上を送信される複数の送信信号を受信し、さらに複数の端末jに関連する各ダウンリンクチャネルjが第2の重み付けベクトルbdバー(j)に関連づけられる場合、ダウンリンクチャネルjに関連する第2のノイズマトリックスは大きさがMxMで成分が
【0039】
【数20】
【0040】
の対角マトリックスである。上式で、σ2 dk(j)はkの方向のダウンリンクチャネルjに関するダウンリンク干渉のパワー、γd(j)はダウンリンクチャネルj上のパワー送信を特徴づける係数、N’0は第2の等方性ノイズのパワー、Idはダウンリンク干渉の合計のパワーである。
【0041】
方向θkのダウンリンク干渉のパワーσ2 dk(j)は、jとは異なるダウンリンクチャネルj’上を送信される信号のパワーSd(j’)にしたがって次式によって推定される。
【0042】
【数21】
【0043】
上式で、βd(j)はダウンリンクチャネルjの直交係数(直交性を特徴づける係数)であり、gdk(j’)はダウンリンクチャネルj’に関連する
【0044】
【数22】
【0045】
である。なお、Gdバーは後述する送信ゲインベクトルである。
有利には、係数βd(j)はアップリンクチャネルjの直交性を特徴づける係数から推定される。周知のように、アップリンクチャネルjの直交性を特徴づける係数(0〜1)は、同時送信される直交のCDMA(符号分割多元接続)信号が、複数パスのチャネルに関して、受信後には直交でないこと(直交性の損失量)を反映し、チャネル特性に依存する。
【0046】
係数γd(j)は関連するアップリンクチャネル上を端末jによってアレイに送信することができる。
【0047】
この発明はまた、上記に開示された方法を実施するように構成されたデバイスによっても定義される。
【0048】
この発明の上記の特徴および他の特徴は、付随する図面に関連して次に与えられる説明を読むことによって、さらに明らかになる。
【0049】
この発明の基礎にある第1の一般的な考え方は、送信ゲイン関数および受信ゲイン関数をサンプリングして、送信ゲインベクトルおよび受信ゲインベクトルを構成するということである。次に示すように、信号と、ノイズプラス干渉の比の点で最適な重み付けベクトルは、マトリックス等式にしたがって送信ゲインベクトルと受信ゲインベクトルから得ることが可能である。
【0050】
この発明の基礎にある第2の一般的な考え方は、それ自体が最適であると仮定される受信ゲイン重み付けベクトルにしたがって得られる信号と、ノイズプラス干渉の比の点で最適な送信重み付けベクトルを得ることである。
【0051】
まず、重み付けベクトルは対応するゲイン関数の一連のサンプルから得られることを示す。
【0052】
まず、ピッチdの間隔で配置され周波数fで動作するN個のアンテナによって形成される線形で均一のアレイを考える。アンテナゲイン関数G0(θ)は、
【0053】
【数23】
【0054】
この関数は、
【0055】
【数24】
【0056】
であるようなゼロ以外の整数、すなわち、sinθk=k.c/Nfdの等式に関して、θkの方向を有するとき、この方向では、ψk=2kπ/Nの値に関してはゼロを有する。ゲイン図の中の2つの連続するゼロの間の位相差は一定であり、Δψ=2π/Nに等しい。図の2つの連続するゼロの間の角度の差は、逆正弦の項(term)で変化し、逆正弦関数の導関数は[−1,1]で増加するので、第1のゼロと第2のゼロとの間の角度の差に関して最小である。したがって、アンテナの個数Nが十分に大きい場合には、Δθmin=c/Nfdによって拘束(bound)される。使用される周波数はf0より小さく、f0はアレイの自然周波数であると仮定される。なお、周知のように、アレイの自然周波数は、アンテナアレイの要素間距離(たとえば、アレイ形式に依存した「λ」または「λ/2」)を決定する波長λ(=c/f)に対応した周波数を意味する。ここから、関数G0(θ)のスペクトラムは1/Δθmin=N/2によって拘束されるサポート(support)を有すると結論することが可能である。
【0057】
より一般的には、G(θ)を重み付けベクトルbバーによって得られるアンテナゲイン関数とする。Gはアンテナの複合重み付け分布(complex weighting distribution)のフーリエ変換(FT)(受信の場合)または逆フーリエ変換(送信の場合)として表すことが可能である。すなわち、
【0058】
【数25】
【0059】
であり、この式から、
【0060】
【数26】
【0061】
が得られる。関数b(x)はN.dによって拘束され、関数BまたはB’の2つのゼロの間の差は最小でλ/N.dであるので、2/Nもゼロの間の差である。逆正弦関数の導関数の増加を考えると、関数Gの2つのゼロの間の最小の差は2/Nである。したがって、関数Gは、N/2によって拘束されるスペクトラムを有する。
【0062】
シャノンのサンプリング定理によれば、サンプリングがナイキスト頻度より高い頻度、たとえばNで実行された場合に、上記のことから関数G(θ)を再構成することが可能であると結論づけられる。言い換えれば、角範囲[−π/2,π/2]に関しては、最小でM>π.Nサンプルが必要であり、この式でMは整数である。実際には、K.N個のサンプルがとられ、KはK≧4の整数である。
【0063】
円形のアレイの場合では、1/Δθmin=Nであり角範囲が[−π,π]であることが示され、M(M>π.Nで、Mは整数)個の、角度が等しく配分された(equidistributed)サンプルもまた関数G(θ)を十分に再構成できる。
【0064】
任意のゲイン関数G(θ)のサンプリングの一般的な場合では、サンプリングの前にまず、アンチエイリアシングフィルタによってG(θ)を濾波することが必要である。すると、濾波された図を再構成するためには、全角度範囲に渡って濾波された図のM個のサンプルをとると十分である。
【0065】
必要であればアンチエイリアシング濾波によって濾波されている可能性もあるゲイン関数のサンプルはgk、k=0,・・・,M−1と示され、すなわち、gk=G’(θ)kである。上式で、θkのインスタンスは[−π/2,π/2]または[−π,π]に渡って等しく配分されたM個の角であり、G’は、基準の複合図(reference complex diagram)の濾波されたバージョンであると仮定される。
【0066】
次に、ベクトル
【0067】
【数27】
【0068】
を作成するCM内のCNの線形の応用(linear application)hf sを定義することが可能である。上式で、
【0069】
【数28】
【0070】
は任意の重み付けベクトルbバーに対応する。hf sによるCNの像は、最大でNに等しい大きさの、CMのベクトルサブスペースであり、これはImfと示される。たとえば正準基底(canonical base)などCNのベース(base)とCMのベースが選択されると、最大でランクNであり、大きさがMxNのマトリックスHfによって線形の応用hf sを表すことが可能である。
【0071】
Gバーをサンプリングされたゲイン関数に対応する任意のゲインベクトルと仮定する。所定のメトリック(metric)の意味で、
【0072】
【数29】
【0073】
が可能な限りに近いようなベクトルbバーを探す。CMに関してユークリッドノルム(norm)、すなわち、
【0074】
【数30】
【0075】
をノルムとしてとる。これが存在する場合、求めるベクトルbバーは、
【0076】
【数31】
【0077】
である。上式で、GpバーはベクトルGバーのImf上への直交の投影である。マトリックスHfがランクNである場合、求めるベクトルbバーは存在し、次式のように書くことができる。
【0078】
【数32】
【0079】
上式で、
【0080】
【数33】
【0081】
はマトリックスHfの疑似逆マトリックスであり、Hf *TはマトリックスHfの共役転置作用素(conjugate transpose)である。
【0082】
マトリックスHfを表すために、開始スペースのベースと到着スペースのベースが一致することが必要である。CMのベースとして正準基底を選択し、CNのベースとして、周波数fの平面波の記述に適合するベースを選択することが可能である。
【0083】
【数34】
【0084】
であり、θkのインスタンスが間隔[−π/2,π/2]に属する異なるベクトル
【0085】
【数35】
【0086】
を考える。ベクトルekバーは、方向θkでビームを形成できるアレイの重み付けベクトルである。ベクトルekバーは、CNの正準基底のekバーのインスタンスの座標軸の行列式がゼロ以外の場合、ベースを形成する。この行列式は、
【0087】
【数36】
【0088】
に等しく、ψk=πηsinθkであるヴァンデルモンドの行列式である。この行列式は、sinθp−sinθq=2/ηであるような2つの角θpおよびθqがある場合、そしてその場合のみ、相殺される。
【0089】
言い換えれば、η<1では、N個のベクトルekバーは常にベースを形成し、η=1に関しては、θp=−θq=π/2の場合のみが除外される。たとえば方向は、等しく分布するように、すなわち、θk=kπ/N、k=−(N−1)/2,・・・,0,・・・,(N−1)/2であるように選択される。この場合、マトリックスHfはその成分として、
【0090】
【数37】
【0091】
を有する。
別法としては、
【0092】
【数38】
【0093】
であるような、周波数fに適合し、ベクトルe’kバーによって形成される別のベースを開始ベースとして選択することも可能である。
【0094】
【数39】
【0095】
の場合にこれらのベクトルは存在し、この場合、ベクトルe’kバーは、直交であるという利点を有するベースを形成する。
【0096】
別法としては、開始ベースとしてCNの正準基底を選択することも可能であり、これは周波数に依存しないという利点を有する。この場合、このベースで表されるマトリックスH’fは、次式のように書かれる。
【0097】
【数40】
【0098】
上式で、Tは正準基底内のekバーの座標軸のマトリックスであり、すなわち、Tpp ’=exp(jπpsin(p’/N))である。上記から、このマトリックスはゼロではないヴァンデルモンド行列式を有し、したがって裏返すことはできない(reversible)ことが分かる。
【0099】
次に、第1の周波数f1、f1≦f0において得られるゲイン関数を概算し、このゲイン関数に関するサンプルのベクトルを
【0100】
【数41】
【0101】
と示すと仮定する。第2の動作周波数をf2、f2≦f0とする。マトリックスHf2がランクNである場合、G1バーはCMに属し、
【0102】
【数42】
【0103】
のImf2上への投影であるようなベクトルb2バーを見つけることが可能である。ベクトルb2バーは、マトリックス等式
【0104】
【数43】
【0105】
によって得られる。
この等式は特に、第2の動作周波数において、第1の動作周波数で得られ、基準と呼ばれるサンプリングされたゲイン図に可能な限り近いサンプリングされたゲイン図を得ることを可能にする。
【0106】
等式(10)は、FDD(周波数分割二重)モードで動作する移動通信システムにおける基地局のアンテナのアレイに有利に適用される。このようなシステムでは、周波数fdはダウンリンク上で使用され、fdとは異なる周波数fuがアップリンク上で使用される。等式(10)は、ついで、受信時の重み付けベクトルbuバーから、送信時の重み付けベクトルbdバーを直接得ることを可能にし、
【0107】
【数44】
【0108】
である。上式で、Hd=HfdおよびHu=Hfuであることがすでに示された。
【0109】
すでに見たように、等式(11)は、受信周波数fdで得られた基準図に可能な限り近いサンプリングされたゲイン図を送信周波数fuで得ることを可能にする。しかし、干渉プロファイル、すなわち、干渉のパワーの角分布が、ダウンリンクチャネル上とアップリンクチャネル上で必ずしも同じであるとは限らない。
【0110】
これは、干渉するソースの方向は必ずしも送信と受信とで同一ではないためである。この結果、受信ゲイン図が受信干渉プロファイルに関して最適であっても、送信干渉プロファイルに関して必ずしも最適であるとは限らない。後に示すように、送信干渉プロファイルと受信干渉プロファイルが異なる場合、等式(11)を変更してこの差を考慮しなければならない。
【0111】
図2は、アップリンクチャネル(20)、アンテナのアレイ(22)、および受信重み付けモジュール(23)からなるアセンブリを描く。ノイズの効果は干渉する信号による指向性ノイズIuバーと、(24)において等方性中心白色ガウスバックグラウンドノイズ(isotropic centred white Gaussian background noise)Nの追加(21)によって表されている。
【0112】
ゲイン関数をゲインベクトルによって表すことができるように、チャネルは、方向θk、k=0,・・・,M−1のチャネルの送信関数の角サンプリングとして定義され、
【0113】
【数45】
【0114】
と示される次元ベクトル(dimension vector)に沿って伝播する信号の減衰の係数、ψukは入射信号の偏光である。
基地局によって受信された信号Ruは、次式のように書くことができる。
【0115】
【数46】
【0116】
上式で、Guバーは受信ゲインベクトル、Suは移動端末によって送信された信号である。
信号と、ノイズプラス干渉の比は、
【0117】
【数47】
【0118】
である。上式で、Puは信号Suのパワー、N0はバックグラウンドノイズのパワーである。また、
【0119】
【数48】
【0120】
は、成分が標準化された中心ガウスランダム変数N(0,σuk 2)に同化される(assimilate)標準化されたベクトル、すなわち、
【0121】
【数49】
【0122】
は、指向性ノイズの合計のパワー(すなわち、アップリンクチャネル上の干渉の合計パワー)である。数式(13)では、等方性ノイズは指向性ノイズからは独立していると仮定されている。
等式(13)はついで、次式のように書くことができる。
【0123】
【数50】
【0124】
に関しても最大である。
受信重み付けベクトルbuバーは、チャネル上の信号と、ノイズプラス干渉の比の最大化という意味で最適であり、次式のように表すことができる。
【0125】
【数51】
【0126】
図3は、ダウンリンクチャネル(30)、アンテナのアレイ(32)および送信重み付けモジュール(33)からなるアセンブリを描く。ノイズの効果は干渉する信号による指向性ノイズIdバーの(31)における追加と、中心化された等方性白色ガウスバックグラウンドノイズN’による(34)における追加によって表されている。
【0127】
アップリンクチャネルの場合と同様に、ダウンリンクチャネルは方向θk、k=0,・・・,M−1のこのチャネルの送信関数の角サンプリングとして定義され、
【0128】
【数52】
【0129】
と示される次元Mのベクトルによってモデリングすることができる。このベクトルはM個の非ゼロの係数の中からP’を有し、ここでP’はチャネルの伝播パスの数である。これらのP’係数cdk’に関して、cdk’=αdk’.exp−j(2πfd.Ldk’/c+ψdk’)である。上式で、Ldk’は関連するパスの長さ、αdk’はこのパス上を伝播する信号の減衰の係数、ψdk’は、入射信号の偏光である。
【0130】
移動端末によって受信された信号Rdは、次式のように書くことができる。
【0131】
【数53】
【0132】
上式で、Gdバーは送信ゲインベクトル、Sdは基地局によって送信された信号である。
また、信号とノイズプラス干渉の比は、
【0133】
【数54】
【0134】
である。上式で、Pdは信号Sd ’のパワー、N’0はバックグラウンドノイズのパワーである。また、
【0135】
【数55】
【0136】
は、成分が標準化された中心ランダムガウス変数N(0,σdk 2)に同化される標準化されたベクトルであり、すなわち、
【0137】
【数56】
【0138】
は、指向性ノイズの合計パワー(すなわち、ダウンリンクチャネル上の干渉の合計パワー)である。等式(18)の中では、等方性ノイズは指向性ノイズから独立していたものと仮定されていた。
等式(18)はまた、次式のように書くことも可能である。
【0139】
【数57】
【0140】
等式(19)は、
【0141】
【数58】
【0142】
に関しても最大である。
送信重み付けベクトルbdバーはダウンリンクチャネル上の信号と、ノイズプラス干渉の比の最大化という意味で最適であり、次式のように表すことができる。
【0143】
【数59】
【0144】
ダウンリンクチャネルの送信関数がアップリンクチャネルの送信関数と同じである、すなわち、
【0145】
【数60】
【0146】
と仮定される場合、等式(16)および(21)から、最適重み付けベクトルbdバーとbuバーとの間の関係を導出することが可能である。
【0147】
【数61】
【0148】
Dd=Du -1のとき、等式(11)は等式(22)の特別なケースであることに注意されたい。これは、アップリンクチャネル上のノイズとダウンリンクチャネル上のノイズが等方性ノイズのみで成る場合に特にあてはまる。
【0149】
マトリックスDuは、方向θkにおけるノイズのパワーと干渉を測定することにより、基地局において推定することが可能である。他方、マトリックスDdはそれほど容易には推定できない。
【0150】
マトリックスDuは、たとえば、移動端末が沈黙している間などに、方向θkにおけるノイズのパワーと干渉を測定することにより、基地局において推定することが可能である。他方、マトリックスDdはそれほど容易には推定できない。
【0151】
【数62】
【0152】
であると考える。
係数γdは、移動端末によって推定され、アップリンクチャネル上で基地局に送信することができる。係数γdは時間と共にゆっくりとしか変化しないので、このパラメータに関して送信される情報の量は少ない。
【0153】
有利には、パワー送信係数(パワー送信を特徴づける係数γ d )は周波数に依存せず、ダウンリンクチャネルとアップリンクチャネルに関して同じであり、すなわち、
【0154】
【数63】
【0155】
Γの値は、たとえばパワー制御ループにおいて基地局によって直接推定することが可能である。
【0156】
また、方向θkの干渉のパワー、すなわち、Id.σ2 dkは、たとえば目的とする移動端末TSj0とは別の移動端末TSjに向けられた方向θkの信号の送信から生じるという事実を示すことにより、推定することも可能である。一方では移動端末TSjに向けられた信号に関する送信ゲイン図と他方では移動端末TSj0に向けられた信号に関する送信ゲイン図が重なっており、これらの信号の間に直交性がないことにより、方向θkの移動端末TSjによる干渉パワーは次式のように書くことが可能である。
【0157】
【数64】
【0158】
上式で、かっこの間のインデックスは異なるダウンリンクチャネル(すなわち、異なる移動端末に向けられたチャネル)に関連する量を区別するために追加されたものである。上式で、βd(j0)は、TSj0に向けられたダウンリンクチャネルの直交係数(orthogonality coefficient)、Sd(j)は、端末TSjに向けられた送信信号のパワー、gdk(j)はTSjへ向けられた送信に関連するゲインベクトルGdバー(j)の第kの係数である。
【0159】
ダウンリンクチャネルの直交係数、βd(j0)がアップリンクチャネルの直交係数βu(j0)とほとんど同じと仮定される場合、上記の3つの量は、移動端末から情報を戻す必要なく基地局において入手可能である。上記から分かるように、係数(パワー送信係数)γd(j0)はTSj0からアップリンクチャネル上で基地局に送信されるか、またはTSj0によって直接推定される。したがって、伝送リソースの点では、マトリックスDdをわずかな追加コストで得ることが可能である。
【0160】
等式(24)の中で時間と共に急速に変化する傾向のある唯一の量は、送信信号のパワーSd(j)である。DS−CDMAモードの送信の場合では、たとえば、これらのパワー値を各送信スロットにおいて更新することが可能である。
【0161】
等式(22)は、ダウンリンクチャネルの送信関数とアップリンクチャネルの送信関数が等しい、すなわち、
【0162】
【数65】
【0163】
という最初の仮定の下で得られたことに注意されたい。
この同一性が満足されない場合、等式(22)によって与えられるベクトルbdバーは最適ではない、すなわち、信号とノイズプラス干渉に最良の比を与えないということである。
【0164】
得られる比は等式(18)、(20)から、次の形式で表される。
【0165】
【数66】
【0166】
次にアップリンクチャネルの送信関数とダウンリンクチャネルの送信関数はランダム関数であると仮定すると、次式が与えられる。
【0167】
【数67】
【0168】
等方性ノイズを無視すると、等式(26)の分子は次式のように書くことができる。
【0169】
【数68】
【0170】
を仮定すると、すなわち、
−cdkの位相の分布と振幅の分布は独立しており、cuk ’についても同様である。
−異なる方向に関連するアップリンクチャネルのパスとダウンリンクチャネルのパスは統計的に相関性のない(decorrelated)長さLdkおよび長さLdk ’を有し、等式(26)の分子は次のように書かれる。
【0171】
【数69】
【0172】
最適の場合では、伝播パスがアップリンクチャネルとダウンリンクチャネルに関して同一であると仮定される場合、
【0173】
【数70】
【0174】
である。
この等式は、ついで、次のように書くことができる。
【0175】
【数71】
【0176】
これは、最適の場合と比較した場合の性能の損失を表す。
【0177】
図4は、この発明の実施の形態1によるデバイスの例を示す。簡単にするために、1台の移動端末との単一の通信の処理が描かれている。基地局に設置されているデバイスは、アンテナのアレイ(400)、(401)、・・・、(40N-1)を備え、このアンテナのアレイはデュプレクサによって、第1の重み付けベクトルbuバーによって異なるアンテナによって受信された信号に重み付けする第1の受信重み付けモジュール(45)と、第2の重み付けベクトルbdバーによって送信される信号を重み付けする第2の送信重み付けモジュール(41)に結合されている。
【0178】
このデバイスが複数の移動端末とのいくつかの通信を管理するとき、モジュール(41)と同一の他の重み付けモジュール(45)は、これらと並列に提供されなければならない。アンテナのN個の出力は、それ自体既知の方法で最適な重み付けベクトルbuバーを推定するモジュール(46)に向けられている。
【0179】
ノイズパワーマトリックスのエスティメータ(estimator)(43)および(44)は、それぞれマトリックスDu 2とDd 2を推定する。マトリックスDu 2とDd 2は、等式(22)にしたがってベクトルbuバーからベクトルbdバーを計算するマトリックス計算モジュール(42)に供給される。ついでベクトルbdバーは、重み付けモジュール(41)に送信される。
【0180】
マトリックスDd 2は等式(23)によって(44)の中で数値を求められる。このために、推定モジュール(44)は、状況にしたがって係数(結合係数)γdまたはΓの推定値、方向θkの干渉パワーσ2 dkおよび、合計パワーIdを受信する。値σ2 dkは、有利には、問題の移動端末(j0)以外の移動端末に向けられた送信信号Sd(j)、j≠j0の値と、これらに関連するゲインベクトルGdバー(j)、j≠j0の値を使用して、等式(24)から計算される。
【0181】
上記のデバイスは機能モジュールの形態で概念的に描かれたが、言うまでもなく、この目的のためにプログラミングされたプロセッサによって、または複数の専用プロセッサによって、実行された種々の関数を実行することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 アンテナゲイン関数を得るための既知のデバイスを示す概略図である。
【図2】 移動通信システム内のアップリンク送信チャネルを示す概略図である。
【図3】 移動通信システム内のダウンリンク送信チャネルを示す概略図である。
【図4】 この発明の実施の形態による、アンテナゲイン関数を得るためのデバイスを示す概略図である。
Claims (10)
- アンテナのアレイによって送信ゲイン関数を得る方法において、
受信された信号または送信される信号は、重み付けベクトルと呼ばれるN個の複素係数のベクトル(bバー)によって重み付けられ、Nは前記アレイ内のアンテナの数であり、
前記アレイは、ダウンリンクチャネルと呼ばれる送信チャネル上でダウンリンク送信信号(Sd)を通信端末に送信し、
前記通信端末は、アップリンクチャネルと呼ばれる送信チャネル上でアップリンク送信信号(Su)を前記アレイに送信し、
前記アップリンクチャネルは、アップリンク干渉(Iu)と呼ばれる第1の等方性ノイズ(N)および/または第1の指向性ノイズによって妨害され、
前記ダウンリンクチャネルは、ダウンリンク干渉(Iu)と呼ばれる第2の等方性ノイズ(N’)および/または第2の指向性ノイズによって妨害される方法であって、
第1の重み付けベクトル(buバー)は、前記アレイによる受信の際に、前記端末から受信された信号と、前記アップリンクチャネルを妨害するノイズプラス干渉との比((C/I+N)u)を最大化するように決定されており、
前記端末による受信の際に、ネットワークから受信された信号と、前記ダウンリンクチャネルを妨害するノイズプラス干渉との比((C/I+N)d)を最大化する第2の重み付けベクトル(bdバー)は、前記第1の等方性ノイズのパワーおよび/または前記第1の指向性ノイズのパワーの関数である第1のノイズマトリックス(Du)と、前記第2の等方性ノイズのパワーおよび/または前記第2の指向性ノイズのパワーの関数である第2のノイズマトリックス(Dd)とを含むマトリックスの積の形で前記第1の重み付けベクトルから計算されることを特徴とする送信ゲイン関数を得る方法。 - 前記第1の重み付けベクトル(buバー)は、前記アレイの第1の動作周波数(fu)に関して得られ、
前記第2の重み付けベクトル(bdバー)は、前記アレイの第2の動作周波数(fd)に関して得られることを特徴とする請求項1に記載の送信ゲイン関数を得る方法。 - ゲイン関数は、M個の異なる方向(k)でとった前記ゲイン関数のM個の複素サンプルの、ゲインベクトル(Gバー)と呼ばれるベクトルによって表され、
前記ゲインベクトルは、重み付けベクトル(bバー)と前記アレイの前記動作周波数に依存する変換マトリックスの積として表され、
前記第2の重み付けベクトルbdバーは、次式によって前記第1の重み付けベクトルbuバーから得られ、
- 前記アレイは、複数のダウンリンクチャネル上で複数の送信信号を複数の通信端末に送信し、前記通信端末から複数のアップリンクチャネル上を送信される複数の送信信号を受信し、
前記複数の端末jに関連する各ダウンリンクチャネルjは、第2の重み付けベクトルbdバー(j)に関連づけられ、
前記ダウンリンクチャネルjに関連する前記第2のノイズマトリックスは、大きさがMxMで成分が
- 前記係数βd(j)は、前記アップリンクチャネルjの直交性を特徴づける係数から推定されることを特徴とする請求項7に記載の送信ゲイン関数を得る方法。
- 前記係数γd(j)は、前記関連するアップリンクチャネル上を前記端末jによって前記アレイに送信されることを特徴とする請求項6から請求項8までのいずれかに記載の送信ゲイン関数を得る方法。
- 移動通信システム内の基地局のための送信/受信デバイスであって、
N個のアンテナのアレイ(400、401、・・・、40N−1)と、
第1の重み付けベクトル(buバー)によって、前記アレイによって受信された信号を重み付けする手段(45)と、
第2の重み付けベクトル(bdバー)によって、前記アレイによって送信される信号を重み付けする手段(41)と、
受信時の信号とノイズおよび/または干渉の比を最大化する第1の重み付けベクトルを決定する手段(46)と、
請求項1から請求項9までのいずれかによる方法を実施するように構成された送信ゲイン関数を得る手段(42、43、44)と
を備え、
前記送信ゲイン関数を得る手段は、前記第2の重み付けベクトル(bdバー)を、前記信号を重み付けする前記手段(41)に供給する送信/受信デバイス。
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