JP4927976B2 - 広帯域mimo/misoシステムのためのビーム−ステアリング及びビーム−フォーミング - Google Patents
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Description
ここで、y(k)は、k番目のサブバンドに対してNR個の受信アンテナを介して受信されたシンボルに対する、NR個のエントリ(entry)、i∈{1,...,NR}に対する{yi(k)}、を有するベクトル(すなわち、“受信された”ベクトル)であり; x(k)は、k番目のサブバンドに対してNT個の送信アンテナから送信されたシンボルに対する、NT個のエントリ、j∈{1,...,NT}に対する{xj(k)}、を有するベクトル(すなわち、“送信”ベクトル)であり;
H(k)は、エントリ、i∈{1,...,NR}及びj∈{1,...,NT}に対する{hij(k)}、を有する(NR×NT)チャネル応答行列であり、これは、k番目のサブバンドに対してNT個の送信アンテナからNR個の受信アンテナへの複素利得であり;及び
n(k)は、ゼロ平均及びΛ n=σ2 Iの共分散(covariance)行列を有する、k番目のサブバンドに対する付加的なホワイト・ガウシアン・ノイズ(AWGN)である、ここで、Iは、アイデンティティ(identity)行列であり、σ2は、ノイズ分散である。
R(k)=E(k)D(k)E H(k)、 k∈{1,...,NF}に対して 式(2)
ここで、E(k)は、(NT×NT)の単位行列であり、その列はR(k)の固有ベクトルであり;及び
D(k)は、R(k)の固有値に対応する対角線上のエントリを有する(NT×NT)の対角行列である。
y(k)=h(k)x(k)+n(k), k∈{1,...,NF}に対してここで、y(k)は、k番目のサブバンド上で受信されたシンボルを表し;
x(k)は、k番目のサブバンドに対してNT個の送信アンテナから送信されたシンボルに対するNT個のエントリを有するベクトルであり;
h(k)は、エントリ、j∈{1,...,NT}に対して{hj(k)}、を有する(1×NT)のチャネル応答ベクトルであり、これは、k番目のサブバンドに対する1個の受信アンテナへのNT個の送信アンテナから複素利得であり;及び
n(k)は、k番目のサブバンドに対する付加的なホワイト・ガウシアン・ノイズ(AWGN)である。
ビーム−フォーミング技術は、この固有モードに対する固有ベクトルを用いて変調シンボルを事前調整することによって1個の(例えば、主)固有モード上でデータを送信する。MIMO−OFDMシステムに対して、ビーム−フォーミングは、そのサブバンドについて得られた固有ベクトルを使用して各サブバンドに対して実施される。
e 1(k)=[e 1,1(k)e 1,2(k)...e 1,NT(k)]T, k∈{1,...,NF}に対して 式(3)
ここで“T”は、転置を表す。
x(k)=(P(k))1/2 e 1(k)s(k)、
k∈{1,...,NF}に対して 式(4)
ここで、s(k)は、k番目のサブバンドにおいて送信されるべき変調シンボルであり; (P(k))1/2は、k番目のサブバンドに割り当てられた送信出力P(k)に基いて導出されたスケーリング値であり;
x(k)は、k番目のサブバンドに対するNT個の事前調整されたシンボルを有する送信ベクトルである。
x i(n)=[e1,i(1)s〜(1)e1,i(2)s〜(2)...e1,i(NF)
s〜(NF)]T, k∈{1,...,NF}に対して 式(3)
ここで、s〜(k)は、縮尺された変調シンボルであり、s〜(k)=(P(k))1/2s(k)として与えられる。
ビーム−ステアリング技術は、変調シンボルをこの固有モードに対する“規格化された”ステアリング・ベクトルを用いて事前調整することによって主固有モード上でデータを送信する。ビーム−ステアリングも、MIMO−OFDMシステムに関する各サブバンドに対して実施される。
x(k)=(P(k))1/2 e 〜(k)s(k),
k∈{1,...,NF}に対して 式(6)式(5a)及び(5b)に示されたように、各サブバンドに対する規格化されたステアリング・ベクトルe 〜(k)の要素は、等しい強度を有するが、おそらく異なる位相を有する。ビーム−ステアリング技術は、同じ強度であるがおそらく異なる位相を有するx(k)の要素を用いて、各サブバンドに対して1個の送信ベクトルx(k)を発生させる。
D(k)=e 〜H(k)H H(k)H(k)e 〜(k)、及び 式(8) n^(k)は、ゼロ平均及びσ2D(k)のノイズ変動を有するAWGNである。
γbs(k)=P(k)D(k)/σ2, ∈{1,...,NF}に対して 式(9)
k番目のサブバンドに対するスペクトル効率は、能力に対して連続的に、単調に増加する対数関数に基づいて算出されることがあり、次式の通りである:
Cbs(k)=log2(1+γbs(k)),
k∈{1,...,NF}に対して 式(10)スペクトル効率は、ヘルツ当りのビット/秒(bps/Hz)の単位で与えられる。MIMO−OFDMシステムのNF個のサブバンドに関する中間の(平均の)スペクトル効率は、それから次式として表される:
全てのNT個の送信アンテナ対する全送信出力が、特定の値Ptotalに制限されるのであれば、ビーム−フォーミング技術は、ビーム−ステアリング技術より良い結果を提供することができる。これは、全送信出力が主固有モードに対する固有ベクトルe 1(k)に基づいてNT個の送信アンテナにわたって、より最適に分配されることができるためである。しかしながら、各送信アンテナに対して利用可能な送信出力が(例えば、Ptotal/NTに)制限されるならば、ビーム−ステアリング技術は、ビーム−フォーミング技術より良い結果を達成することができるはずである。これは、ビーム−ステアリング技術が、各送信アンテナに対して利用可能な出力の全てをより十分に使用することができるためである。
同じ量の送信出力が各サブバンドに対して使用されるのであれば、ビーム−ステアリングは、NF個のサブバンドに対して異なる受信されたSNRに帰結する可能性がある。スペクトル効率を最大にするために、異なるコーディング及び変調スキームは、それから、サブバンドに対して達成されたSNRに依存して各サブバンドに対して使用されることができる。しかしながら、各サブバンドに対して別々にコード化すること及び変調することは、送信機及び受信機の両者の複雑さを著しく増加させることがある。一方で、同一のコーディング及び変調スキームが全てのサブバンドに対して使用されるのであれば、受信されたSNRの変動に依存して、NF個のサブバンドに対するエラー・レートにおいて著しい変動がある可能性がある。
P(k)=αkPtotal/NTNF、 k∈{1,...,NF}に対して 式(12)
ここで、αkは、全チャネル反転出力割当てに対して使用されたスケーリング因子である。k番目のサブバンドに対するスケーリング因子は、次式として表されることができる: αk=b/|D(k)|、 式(13)
ここで、bは、規格化因子であり、次式として表されることができる:
選択的チャネル反転スキームは、使用するために選択されたサブバンドがほぼ等しい受信されたSNRを達成するように、全送信出力Ptotalを分配する。これは、データ送信に対して使用するためにNF個のサブバンドの全て若しくは1個のサブセットだけを初めに選択することによって実施されることができる。チャネル選択は、特定のしきい値よりも下になる低いSNRを有する悪いサブバンドの削除に帰結する可能性がある。このしきい値は、下記に説明されるように、スペクトル効率を最大にするように選択されることができる。全送信出力Ptotalは、それから、選択されたサブバンドだけにわたって分配されて、その結果、それらの受信されたSNRがほぼ等しくなる。
γ^(λ)=B(λ)Ptotal/σ2NT 式(21)
式(21)に対して、全送信出力Ptotalは、λ個のベスト・サブバンドの間に割り当てられ、その結果、等しい受信されたSNRを達成する。
C(λ)=λlog2(1+γ^(λ)) 式(22)
スペクトル効率C(λ)は、λ∈{1,...,NF}に対して、λの各値に対して算出され、アレイ中に記憶されることがある。C(λ)の全てのNF個の値が選択されたサブバンドのNF個の可能性がある組み合わせに対して算出された後で、スペクトル効率のアレイは、トラバースされ、そしてC(λ)の最大値が決定される。最大のC(λ)に対応するλの値、λmax、は、評価されようとしているチャネル状態に対する最大のスペクトル効率に帰結するサブバンドの数である。
ρ=G(λmax)/Lavg 式(23)
ここで、Lavgは、式(19)に示されたように決定される。しきい値ρLavgは、そのようにしてD(λmax)に等しく設定されることができる、D(λmax)は、スペクトル効率を最大にするサブバンドのグループ中の最悪のサブバンドの利得である。チャネル選択に対して使用されたしきい値も、ある種の他の基準に基づいて設定される可能性がある。
ウォータ・フィリング・スキームは、サブバンドにわたって全送信出力を最適に分配するために使用されることがあり、その結果、全送信出力がPtotalに制限されることの制約の下で、全体のスペクトル効率は、最大にされる。ウォータ・フィリング・スキームは、NF個のサブバンドに出力を分配して、その結果、ますます高い利得を有するサブバンドは、全送信出力のますます大きな割合を受ける。所定のサブバンドに割り当てられた送信出力は、サブバンドの受信されたSNRによって決定される。サブバンドの受信されたSNRは、ビーム−ステアリング技術に対して式(9)に示されたように、サブバンドの利得に依存する。ウォータ・フィリング・スキームは、十分に小さな受信されたSNRを有するサブバンドにゼロの送信出力を割り当てることができる。
各サブバンドに対するスペクトル効率Cは、その後、式(10)に示されたように算出されることができ、そして、全てのNF個のサブバンドに対する平均スペクトル効率は、式(11)に示されたように算出されることができる。
均一出力割当てスキームは、全てのNF個のサブバンドにわたって均一に全送信出力Ptotalを分配する。各サブバンドに対して割り当てられた送信出力Pu(k)は、次式として表されることができる:
Pu(k)=Ptotal/NTNF, k∈{1,...,NF}に対して 式(26)
均一出力割当ても、NF個のサブバンドに対して異なる受信されたSNRに帰結する可能性がある。異なるコーディング及び変調スキームは、その後、自身の受信されたSNRに基づいてそれらのサブバンドに対して使用されることができる。MIMOシステムが大きなダイバーシティ順を有するのであれば、全及び選択的チャネル反転スキームは、均一出力スキームに対して優位性を提供しない。MIMOシステムが大きなダイバーシティ順を有するのであれば、その後、NF個のサブバンドに対するNF個の最大の固有値は、広範に変化する可能性がない。その場合には、全および選択的チャネル反転スキームの性能は、均一出力スキームの性能と同様であるはずである。
図2は、MIMO−OFDMシステム200中の送信機システム210及び受信機システム250の1実施形態のブロック図である。
s〜 k=sk(P(k))1/2
各増倍器442に対するスケーリング値(P(k))1/2は、関係付けられたサブバンドに割り当てられた送信出力P(k)によって決定される。縮尺された変調シンボルs〜 kの各サブスト−ムは、その後、それぞれのビーム−ステアリング・ユニット450に与えられる。
xi(k)=e〜 i(k)s〜 k、 i∈{1,...,NT}に対して
各ビーム−ステアリング・ユニット450は、NT個の送信アンテナに対するNT個のコンバイナ460aから460tへ、i∈{1,...,NT}に対するNT個の事前調整されたシンボルxi(k)を与える。
Claims (27)
- 広帯域多元入力チャネルを介しての送信のためのデータを処理する方法、該方法は下記を具備する:
複数のサブバンドのそれぞれに対するステアリング・ベクトルを取得すること、ここで、各ステアリング・ベクトルは複数の送信アンテナに対する複数の要素を含む;及び
サブバンドに対するステアリング・ベクトルを用いて各サブバンド上に送信されるべき変調シンボルを事前調整すること、
ここで、各送信アンテナに対して利用可能な送信出力は制限され、各送信アンテナに関して利用可能な出力の全てを充分に使用可能とするために、各ステアリング・ベクトルは関係付けられたサブバンドに関するビーム・ステアリングを達成する結果、各ステアリング・ベクトルの要素は等しい強度を有する、なお、前記ビーム・ステアリングを前記達成することは、全ての要素が等しい強度を有するように各送信ステアリングベクトルを正規化し、その結果、固有ベクトルの位相情報だけを使用することを備える。 - 請求項1の方法、ここで、各ステアリング・ベクトルは、関係付けられたサブバンドに関するビーム−ステアリングを達成する。
- 請求項1の方法、ここで、各ステアリング・ベクトルの要素は、等しい強度を有する。
- 請求項1の方法、ここで、各ステアリング・ベクトルは、関係付けられたサブバンドに関するビーム−フォーミングを達成する。
- 請求項1の方法であって:
複数のサブバンドに対する複数のスケーリング値を取得すること;及び
サブバンドに対するスケーリング値を用いて各サブバンドに関する変調シンボルを縮尺すること、
をさらに具備する。 - 請求項5の方法、ここで、サブバンドに対するスケーリング値は、ステアリング・ベクトルによって与えられたサブバンドに関する利得に基づいて決定される。
- 請求項5の方法、ここで、サブバンドに対するスケーリング値は、サブバンドに割り当てられた送信出力に基づいて決定される。
- 請求項7の方法、ここで、送信出力は、全チャネル反転に基づいてサブバンドに割り当てられる。
- 請求項7の方法、ここで、送信出力は、選択的チャネル反転に基づいてサブバンドに割り当てられる。
- 請求項7の方法、ここで、送信出力は、均一出力割当てに基づいてサブバンドに割り当てられる。
- 請求項7の方法、ここで、送信出力は、ウォータ・フィリング出力割当てに基づいてサブバンドに割り当てられる。
- 請求項1の方法、ここで、多元入力チャネルは、多元入力多元出力(MIMO)チャネルである。
- 請求項12の方法、ここで、各サブバンドに対するステアリング・ベクトルは、主固有モードに対応する固有ベクトルに基づいて導出される。
- 請求項1の方法、ここで、多元入力チャネルは、多元入力単一出力(MISO)チャネルである。
- 請求項1の方法であって:
変調シンボルを与えるために共通のコーディング及び変調スキームに基づいてコーディングし変調すること、
をさらに具備する。 - 請求項1の方法であって:
各送信アンテナに対して事前調整されたシンボルのストリームを形成すること;及び
それぞれの送信アンテナからの送信のための変調された信号を与えるために事前調整されたシンボルの各ストリームを処理すること、
をさらに具備する。 - 請求項1の方法、ここで、広帯域システムは、直交周波数分割マルチプレクシング(OFDM)を実行する、及びここで、複数のサブバンドは、OFDMにより与えられた直交サブバンドに対応する。
- 直交周波数分割マルチプレクシング(OFDM)を実行する多元入力通信システムにおいて、多元入力チャネルを介しての送信のためのデータを処理する方法、該方法は下記を具備する:
複数のサブバンドのそれぞれに対するステアリング・ベクトルを取得すること、ここで、各ステアリング・ベクトルは、複数の送信アンテナに対する複数の要素を含む;
複数のサブバンドに対する複数のスケーリング値を取得すること;
サブバンドに対するスケーリング値を用いて各サブバンド上に送信されるべき変調シンボルを縮尺すること;
サブバンドに対するステアリング・ベクトルを用いて各サブバンドに対する縮尺された変調シンボルを事前調整すること;及び
各送信アンテナに対する事前調整されたシンボルのストリームを形成すること、
ここで、各送信アンテナに対して利用可能な送信出力は制限され、各送信アンテナに関して利用可能な出力の全てを充分に使用可能とするために、各ステアリング・ベクトルは関係付けられたサブバンドに関するビーム・ステアリングを達成する結果、各ステアリング・ベクトルの要素は等しい強度を有する、なお、前記ビーム・ステアリングを前記達成することは、全ての要素が等しい強度を有するように各送信ステアリングベクトルを正規化し、その結果、固有ベクトルの位相情報だけを使用することを備える。 - 請求項18の方法、ここで、各ステアリング・ベクトルは、関係付けられたサブバンドに関するビーム−ステアリングを達成する。
- 請求項18の方法、ここで、サブバンドに対するスケーリング値は、選択的チャネル反転に基づいて決定される。
- 多元入力通信システム中の送信機ユニット、該送信機ユニットは下記を具備する:
変調シンボルを与えるために1若しくはそれより多くのコーディング及び変調スキームに基づいてデータをコード化し及び変調するTXデータ・プロセッサ;及び
複数のサブバンドのそれぞれに対するステアリング・ベクトルを取得するため、サブバンドに対するステアリング・ベクトルを用いて各サブバンド上に送信されるべき変調シンボルを事前調整するため、及び多元入力チャネルの単一固有モードを介しての送信に対して事前調整されたシンボルを与えるためのTX空間プロセッサ、
ここで、各送信アンテナに対して利用可能な送信出力は制限され、各送信アンテナに関して利用可能な出力の全てを充分に使用可能とするために、各ステアリング・ベクトルは関係付けられたサブバンドに関するビーム・ステアリングを達成する結果、各ステアリング・ベクトルの要素は等しい強度を有する、なお、前記ビーム・ステアリングを前記達成することは、全ての要素が等しい強度を有するように各送信ステアリングベクトルを正規化し、その結果、固有ベクトルの位相情報だけを使用することを備える。 - 請求項21の送信機ユニット、ここで、TX空間プロセッサは、複数のサブバンドに全送信出力をさらに割り当てるためである。
- 請求項22の送信機ユニット、ここで、TX空間プロセッサは、サブバンドに割り当てられた送信出力に基づいて各サブバンドに対するスケーリング値をさらに決定するため、及びサブバンドに対するスケーリング値を用いて各サブバンドに関する変調シンボルをさらに縮尺するためである。
- 請求項21の送信機ユニット、ここで、各ステアリング・ベクトルは、関係付けられたサブバンドに関するビーム−ステアリングを達成する。
- 直交周波数分割マルチプレクシング(OFDM)を実行する多元入力通信システム中の送信機ユニット、該送信機ユニットは下記を具備する:
変調シンボルを与えるために共通のコーディング及び変調スキームに基づいてデータをコード化し及び変調するTXデータ・プロセッサ;及び
複数のサブバンドのそれぞれに対するステアリング・ベクトルを取得するため、ここで、各ステアリング・ベクトルは、複数の送信アンテナに対する複数の要素を含む、
複数のサブバンドに対する複数のスケーリング値を取得するため、
サブバンドに対するスケーリング値を用いて各サブバンド上に送信されるべき変調シンボルを縮尺するため、
サブバンドに対するステアリング・ベクトルを用いて各サブバンドに対する縮尺された変調シンボルを事前調整するため、及び
多元入力チャネルの単一固有モードを介しての送信に対して事前調整されたシンボルを与えるための、
TX空間プロセッサ、
ここで、各送信アンテナに対して利用可能な送信出力は制限され、各送信アンテナに関して利用可能な出力の全てを充分に使用可能とするために、各ステアリング・ベクトルは関係付けられたサブバンドに関するビーム・ステアリングを達成する結果、各ステアリング・ベクトルの要素は等しい強度を有する、なお、前記ビーム・ステアリングを前記達成することは、全ての要素が等しい強度を有するように各送信ステアリングベクトルを正規化し、その結果、固有ベクトルの位相情報だけを使用することを備える。 - 多元入力チャネルを介しての送信に対するデータを処理するための装置、該装置は下記を具備する:
複数のサブバンドのそれぞれに対するステアリング・ベクトルを取得するための手段、ここで、各ステアリング・ベクトルは、複数の送信アンテナに対する複数の要素を含む;及び
サブバンドに対するステアリング・ベクトルを用いて各サブバンド上に送信されるべき変調シンボルを事前調整するための手段、
ここで、各送信アンテナに対して利用可能な送信出力は制限され、各送信アンテナに関して利用可能な出力の全てを充分に使用可能とするために、各ステアリング・ベクトルは関係付けられたサブバンドに関するビーム・ステアリングを達成する結果、各ステアリング・ベクトルの要素は等しい強度を有する、なお、前記ビーム・ステアリングを前記達成することは、全ての要素が等しい強度を有するように各送信ステアリングベクトルを正規化し、その結果、固有ベクトルの位相情報だけを使用することを備える。 - 請求項26の装置であって:
ステアリング・ベクトルによって与えられたサブバンドに関する利得を取得するための手段;
少なくとも一部分は利得に基づいてサブバンドに全送信出力を割り当てるための手段;
サブバンドに割り当てられた送信出力に基づいてサブバンドに対するスケーリング値を決定するための手段;及び
サブバンドに対するスケーリング値を用いて各サブバンドに対する変調シンボルを縮尺するための手段、
をさらに具備する。
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