JP5037351B2 - 多入力多出力無線通信ネットワークにおいてアンテナを選択するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、包括的には多入力多出力（ＭＩＭＯ）無線通信システムに関し、より詳細には、ＭＩＭＯシステムにおいてアンテナを選択することに関する。

多入力多出力（ＭＩＭＯ）技法は、無線ネットワークの分散環境において、システム容量を大幅に高めることができる。しかしながら、典型的なシステムでは、各送信／受信アンテナが、変調器／復調器、ＡＤ／ＤＡコンバータ、アップ／ダウンコンバータおよび電力増幅器を含む、無線周波数（ＲＦ）回路系統（chain）を別個に必要とするので、アンテナの数が増えると、ハードウエアが複雑になると共にコストが高くなる。さらに、アンテナの数が増えると、ベースバンドにおける処理も複雑になる。

アンテナ選択（ＡＳ）は、複数のアンテナによって与えられる容量／ダイバーシティの増加をそのまま利用しながら、ＲＦ回路系統の数を減らすことができる。その概念は、ある所定の判定基準に従って、完全なチャネル行列から部分行列を選択することである。アンテナ選択を実行するために、トレーニングフレームを送信し、完全なチャネル状態情報（ＣＳＩ）を測定することによって、完全なチャネル行列が推定される。トレーニングフレームは、同じ物理層パケット内で、または複数のパケットによって送信することができる。

これまで、これらのＡＳトレーニングフレームを送信または受信する際に、アンテナ選択を行うデバイスは、種々のアンテナサブセットを複数のＲＦ回路系統に切り替えて、対応するサブチャネル行列を推定する。その選択は、推定されたサブチャネル行列から構成される完全なチャネル行列に基づく。

しかしながら、従来のアンテナ選択方式は、１つのアンテナに対する１つのＲＦ回路系統それぞれの取り得る接続が、増幅利得および位相シフトの両方に関する影響を含む、１つの固有のＲＦ応答をもたらすという事実を無視している。データ送信および受信のために用いられる選択されたアンテナが、トレーニング中に用いられるＲＦ回路系統とは異なるＲＦ回路系統に接続されることがあるので、その結果として、状況によっては、アンテナを選択する場合に、歪みが避けられなくなる。

データ伝送段階において、選択されたアンテナに関連付けられる実際のチャネルが、トレーニング段階において用いられるチャネルと同じでないことがある。この現象は、ＲＦインバランス（RF imbalance）問題として知られている。

ＭＩＭＯシステムにおいて、ＲＦインバランス問題を補正することが望ましい。

本発明の実施の形態は、ＲＦインバランス問題を緩和する、アンテナ選択のための解決策を提供する。第１の解決策は、従来の方式のように互いに素なサブセットの代わりに、全ての取り得るアンテナサブセットでトレーニングする。オーバーヘッドが大きくなるのを避けるために、第２の解決策が較正手順を規定し、歪みを補正する。

システム概要
図１は、本発明の１つの実施の形態によるＭＩＭＯ通信システムを示す。そのシステムは、第１の局（ＳＴＡ Ａ）１１０と、第２の局（ＳＴＡ Ｂ）１２０と、無線チャネル１３０とを含む。いずれの局も、受信モードまたは送信モードにおいて動作することができる。一般的に、データを送信する局は、送信局または送信機と呼ばれ、データを受信する局は、受信局または受信機と呼ばれる。データは、ベースバンド信号を用いて送信および受信される。

これ以降、「セット（組）」は、１つまたは複数の要素を含むものと定義され、「サブセット」内の要素の数は、対応するセット（組）内の要素の数以下である。

各局は、いずれもスイッチ１１４によって１組のアンテナ１１３に接続される、１組の受信（Ｒｘ）ＲＦ回路系統１１１と、１組の送信（Ｔｘ）ＲＦ回路系統１１２とを含む。一般的に、ＭＩＭＯデバイスでは、アンテナの数は、ＲＦ回路系統の数よりも多い。それゆえ、本明細書において記述されるアンテナ選択（ＡＳ）トレーニング段階中に、本発明の１つの実施の形態による方法によって、１組の利用可能な全アンテナから、アンテナのサブセットが選択される（１１５）。その選択方法は、送信機または受信機のいずれかによって開始することができ、その選択は、送信機および／または受信機において行うことができる。

情報交換段階
図示されないが、初期情報交換段階中に、それらの局は、ＲＦ回路系統の数、アンテナの数およびアンテナ選択のタイプについての情報を交換する。詳細には、フィードバックパケットに含まれる情報のタイプ（たとえば、情報が用いられるべきアンテナのインデックスであるか否か）、および／または全（瞬時）チャネル状態情報（ＣＳＩ）、および／または平均チャネル状態情報が、その段階中に、あるいは別法では、フィードバックパケットの一部として送信される。

トレーニング段階およびデータ伝送段階
図２において包括的に示されるように、各ＡＳトレーニングサイクルは、アンテナ選択トレーニング段階２０１およびデータ伝送段階２０２から構成される。そのサイクルは、周期的に繰り返すことができるか、またはチャネル環境が変化するのに応じて繰り返すことができる。各ＡＳトレーニング段階２０１において、いくつかのＡＳトレーニングフレーム２１１が送信される。各フレームは、選択されることになるアンテナの１つのサブセットから送信され、かつ／またはそのサブセットによって受信される。アンテナ選択２１０は、完全なアンテナ行列に基づく。完全なアンテナ行列は、ＡＳトレーニングフレーム２１１から推定されるサブチャネル行列の組み合わせから推定される。選択されたアンテナは、データ伝送段階２０２中にデータフレーム２１２が送信される前に、スイッチ１１４によってＲＦ回路系統に接続される。現在のアンテナサブセットが選択されてからかなりの時間が経ったときに、または所定の時間間隔が経過した後に、別のアンテナ選択サイクルを開始することができる。

アンテナ選択を用いるＭＩＭＯシステムのためのシステムモデル
従来のアンテナ選択を用いるＭＩＭＯシステムでは、送信局Ａは、Ｎ_Ａ＿ＳＳ個の送信ＲＦ回路系統と共に１組のＮ_Ａ個のアンテナを有し、受信局Ｂは、Ｎ_Ｂ＿ＳＳ個の受信ＲＦ回路系統と共に１組のＮ_Ｂ個のアンテナを有する。データ伝送段階２０２において、フラットフェージングチャネルにおいて送信される信号と受信される信号との間の関係は、以下のように表すことができる。

ただし、ｒ_Ｂは、Ｎ_Ｂ＿ＳＳ×１受信信号ベクトルであり、ｓ_Ａは、Ｎ_Ａ＿ＳＳ×１送信信号ベクトルであり、Ｈ（〜）_Ａ→Ｂは、物理的なチャネル応答、並びに送信ＲＦ応答および受信ＲＦ応答の影響を含むＮ_Ｂ×Ｎ_Ａ等価チャネル行列である（ここで、（〜）は、かっこの前の記号の上部に〜が付加されることを意味する）。

雑音ベクトルｎは、分散Ｎ_０を有する、独立同一分布（ｉ．ｉ．ｄ）ゼロ平均循環複素（zero-mean circular complex）ガウス確率変数であるＮ_Ｂ×１個のエントリを有する。Ｆ_Ａは、Ｎ_Ａ×Ｎ_Ａ＿ＳＳ送信アンテナ選択行列であり、Ｆ_Ｂは、Ｎ_Ｂ×Ｎ_Ｂ＿ＳＳ受信アンテナ選択行列である。Ｆ_ＡおよびＦ_Ｂは、両方とも単位行列の部分行列である。アンテナ選択後の等価チャネル行列は、下式のようなＮ_Ｂ＿ＳＳ×Ｎ_Ａ＿ＳＳ行列であり、それはチャネル行列Ｈ（〜）_Ａ→Ｂの部分行列である。

上付きの「Ｈ」は、共役転置を意味し、それは、本明細書において、受信機による選択の場合に用いられる。

Ｆ_ＡおよびＦ_Ｂを決定することによって、チャネルの容量および信号対雑音比（ＳＮＲ）が最適化される。一方の側のアンテナ選択だけが考慮される場合には、Ｆ_ＡおよびＦ_Ｂのうちの一方は、単位行列に等しく、ＲＦ回路系統の対応する数は、アンテナの数に等しい。

アンテナ選択は、送信ＲＦ回路系統の各出力信号を、選択された送信アンテナに切り替えることによって、または選択された受信アンテナの各入力信号を受信ＲＦ回路系統に切り替えることによって実行される。送信される／受信される信号を変調／復調するために必要とされるＲＦ回路系統の数は、利用可能な送信／受信アンテナの全数よりも少ない。それゆえ、システムのコストが削減される。

従来のアンテナ選択方式は、データ伝送段階における等価チャネルＨ（〜）_Ａ→ＢがＲＦ応答によって引き起こされる影響を含むという事実を無視する。具体的には、その影響は、以下のように表される。

ただし、Ｈ_Ａ→Ｂは、ＳＴＡ Ａの送信アンテナとＳＴＡ Ｂの受信アンテナとの間の「実際の」伝搬チャネルである。Ｃ_Ａ，Ｔｘ（Ｆ_Ａ）は、Ｎ_Ａ×Ｎ_Ａ対角行列であり、そのｉ番目の対角要素［Ｃ_Ａ，Ｔｘ（Ｆ_Ａ）］_ｉｉは、ｉ番目の送信アンテナに対応するＲＦ応答を収集し、それはアンテナ選択行列Ｆ_Ａの関数である。

Ｆ_Ａ内のｉ番目の行が全て０である場合には、ｉ番目のアンテナは選択されず、［Ｃ_Ａ，Ｔｘ（Ｆ_Ａ）］_ｉｉ＝０である。Ｆ_Ａのｉ番目の行およびｌ番目の列にある要素が１である場合には、データ伝送段階において、ｉ番目のアンテナが選択され、ｌ番目の送信ＲＦ回路系統に接続される。［Ｃ_Ａ，Ｔｘ（Ｆ_Ａ）］_ｉｉ＝α_ｌｉ ^（Ｔｘ）は、送信ＲＦ回路系統ｌおよびアンテナｉの接続に対応するＲＦ応答の振幅および位相シフトの両方を特徴付ける複素数である。

それゆえ、Ｃ_Ａ，Ｔｘ（Ｆ_Ａ）では、Ｎ_Ａ＿ＳＳ個の０以外の対角要素が存在する。Ｆ_Ｂのｊ番目の行およびｌ番目の列にある要素が１である場合には、Ｃ_Ｂ，Ｒｘ（Ｆ_Ｂ）も同様に、［Ｃ_Ｂ，Ｒｘ（Ｆ_Ｂ）］_ｊｊ＝β_ｌｉ ^（Ｒｘ）と定義される。

ｍ番目の従来のアンテナ選択トレーニング段階では、送信される信号と受信される信号との間の関係は、以下のように表すことができる。

ただし、ｓ_Ａ，ｔは、いずれの局においてもわかっているＮ_Ａ＿ＳＳ×１トレーニングベクトルであり、ｒ_Ｂ，ｔは、ＳＴＡ ＢにおけるＮ_Ｂ＿ＳＳ×１受信トレーニングベクトルであり、Ｔ_Ａ（ｍ）およびＴ_Ｂ（ｍ）は、ｍ番目のＡＳトレーニングフレーム内の切替行列であり、その値は、予め決定されており、ｍ番目のアンテナサブセットに対するＲＦ回路系統の接続を示す。これら全てのアンテナサブセットは、互いに排他的である。たとえば、Ｎ_Ａ＝４、Ｎ_Ａ＿ＳＳ＝２、Ｎ_Ｂ＝２、Ｎ_Ａ＿ＳＳ＝２であり、ＴＡ（１）とＴＡ（２）が下式の値である場合には、全部で以下のＭで表される数のトレーニングフレームが存在する。

その際、ＳＴＡ Ｂは、Ｍ個のサブチャネル行列を組み合わせることによって、完全なチャネル行列を推定することができ、それは、ＡＳ計算のために用いられる。結果として、トレーニングフレームｍからのチャネル推定誤差を無視することによって、推定されたサブチャネル行列は、以下のようになる。

そして、ＡＳは、以下の推定された完全なチャネル行列に基づく。

ただし、対角行列Ｃ’_Ａ，Ｔｘは、全て０以外の対角要素を含み、ｉ番目のアンテナがｍ番目のトレーニングフレームによってトレーニングされる場合には、［Ｃ’_Ａ，Ｔｘ］_ｉｉ＝［Ｃ_Ａ，Ｔｘ（Ｔ_Ａ（ｍ））］_ｉｉである。各アンテナは、一度だけトレーニングされ、Ｃ’_Ｂ，Ｒｘも同様に定義される。

ＲＦインバランス
ＲＦインバランスによって引き起こされるアンテナ選択の歪みは、以下のように表すことができる。アンテナ選択は、推定された完全な行列Ｈ（〜）’_Ａ→Ｂに基づき、すなわち、ある特定のＡＳ判定基準Ｘを用いるとき、その選択は、以下のように表すことができる。

上記の式によれば、下式で表されるＮ個の選択されるべき取り得るアンテナサブセットが存在する。

しかしながら、データ伝送段階において、Ｆ_{Ａ，ｏｐｔ}、Ｆ_{Ｂ，ｏｐｔ}が選択される場合には、等価チャネルは、以下のようになる。

Ｘ（Ｈ_ｅｑ）は、トレーニング段階におけるＲＦ応答とデータ伝送段階におけるＲＦ応答との間の差に起因して最適でないことがある。それゆえ、選択｛Ｆ_{Ａ，ｏｐｔ}，Ｆ_{Ｂ，ｏｐｔ}｝は、実際には準最適であるかもしれない。

Ｎ_Ａ＝４、Ｎ_Ａ＿ＳＳ＝２、Ｎ_Ｂ＝２、Ｎ_Ａ＿ＳＳ＝２の上記の例では、すなわち、ＳＴＡ ＡだけがＡＳを行う場合には、Ｆ_Ｂ＝Ｔ_Ｂ＝Ｉであるので、Ｃ_Ｂ，Ｒｘは、常に一定である。その際、選択は、以下の行列に基づく。

データ伝送段階において、ＳＴＡ Ａでアンテナ１および３が選択される場合には、以下のようになる。

明らかに、α_１３ ^（Ｔｘ）≠α_２３ ^（Ｔｘ）によって歪みが生じ、送信アンテナ１および３は、最適な選択ではないかもしれない。

アンテナ接続マッピングルールに対するＲＦ回路系統
従来の選択過程を改善するために、本発明では、以下の接続マッピングルールを用いる。ＲＦ回路系統は、対応するＲＦ回路系統インデックスを有し、アンテナは、対応するアンテナインデックスを有する。任意の選択されたアンテナサブセットの場合に、アンテナに対するＲＦ回路系統の接続は、以下のようになる。一般性を失うことなく、ＲＦ回路系統インデックスが「小さい方」のＲＦ回路系統が常に、アンテナインデックスが「小さい方」のアンテナに接続される。たとえば、上記の例では、ＳＴＡ Ａにおいてアンテナ１および３が選択される場合には、送信ＲＦ回路系統１がアンテナ１に接続され、送信ＲＦ回路系統２がアンテナ３に接続される。

その接続マッピングルールによれば、ＡＳトレーニング段階２０１およびデータ伝送段階２０２において、ＳＴＡ ＡにおけるアンテナサブセットとＲＦ回路系統との接続は、全部でＮ_Ａ＿ＳＳ×（Ｎ_Ａ−Ｎ_Ａ＿ＳＳ＋１）個あり、全ての取り得るＲＦ応答は、下式（１）のように表すことができる。

たとえば、上記のＮ_Ａ＝４、Ｎ_Ａ＿ＳＳ＝２の事例では、全ての取り得るＲＦ応答は、以下のものを含む。

全部で２×３＝６個の取り得るａ^（Ｔｘ） _ｌｉの値がある。上記の接続マッピングルールは、ＲＦ応答を考慮に入れない従来のアンテナ選択方式と比べて、性能損失を全く導入しないことに留意願いたい。

ＲＦインバランスを考慮するアンテナ選択
ＲＦインバランス問題のための１つの解決策は、従来技術の場合のようにアンテナの互いに素なサブセットだけでなく、アンテナの全ての取り得るサブセットと組み合わせて全ての回路系統をトレーニングすることである。結果として、上記の接続マッピングルールによれば、各ＡＳトレーニング段階２０１において、送信ＲＦ回路系統に接続されるアンテナの取り得るサブセット毎に１つの、Ｎ個のトレーニングフレームが存在する。ｍ番目の取り得るサブセットが選択される場合、すなわち、Ｆ_{Ａ，ｏｐｔ}＝Ｔ_Ａ（ｍ）、Ｆ_{Ｂ，ｏｐｔ}＝Ｔ（ｍ）である場合には、トレーニングフレームｍおよびデータ伝送段階のいずれにおいても、推定されるサブチャネル行列は、以下のようになる。

したがって、ＡＳトレーニング段階２０１とデータ伝送段階２０２との間に歪みはない。この方式の欠点は、Ｎ＞Ｍであるので、トレーニングオーバーヘッドが大きいことである。

アンテナ選択のための較正
さらに、ＲＦインバランス問題を緩和するために、較正を実行することができる。ＲＦ応答は、経時的に環境、たとえば周波数、温度などの変化と共に変化するので、ＲＦ応答は、常に求めることができるとは限らない。それゆえ、無線による較正過程を用いることができる。その較正過程は、稀にしか、たとえば、環境が変化するときにしか行われることができないので、較正のためのオーバーヘッドは、小さい。

送信アンテナ選択のための較正
図３は、送信機（ＳＴＡ Ａ）がアンテナ選択を行う際の較正手順を示す。ＳＴＡ１１０が、以下の送信ＲＦ回路系統およびアンテナ接続でトレーニングフレーム３０１を送信する。

すなわち、送信ＲＦ応答は、式（１）の１番目の行に等しい。このトレーニングフレームを受信すると、ＳＴＡ Ｂ１２０は、対応するサブチャネル行列Ｈ（〜）’_Ａ→Ｂ（１）を推定する（３１０）。

ＳＴＡ Ａが、他の（Ｎ_Ａ−Ｎ_Ａ＿ＳＳ）トレーニングフレーム３０２を送信し、その各フレームにおいて、アンテナに対するＲＦ回路系統の接続は、式（１）の対応する行に従う。これらのトレーニングフレームを受信すると、ＳＴＡ Ｂ１２０は、対応するサブチャネル行列Ｈ（〜）’_Ａ→Ｂ（２）〜Ｈ（〜）’_Ａ→Ｂ（Ｎ_Ａ−Ｎ_Ａ＿ＳＳ＋１）を推定する（３１０）。

全ての（Ｎ_Ａ−Ｎ_Ａ＿ＳＳ＋１）トレーニングフレーム３０１および３０２を受信した後に、ＳＴＡ Ｂは、全ての推定されたサブチャネル行列をＳＴＡ Ａにフィードバックする（３２０）。ＳＴＡ Ａは、ＳＴＡ Ｂからフィードバックされる全ての推定されたサブチャネル行列に基づいて、ＲＦインバランスＴＸ補正係数を求める（３３０）。

Ｎ_Ｂ＞Ｎ_Ｂ＿ＳＳであり、かつＳＴＡ Ｂも受信アンテナ選択を行う場合には、全ての（Ｎ_Ａ−Ｎ_Ａ＿ＳＳ＋１）トレーニングフレームを受信するとき、ＳＴＡ Ｂは、所定の受信ＲＦ回路系統にそれぞれ接続される、所定の受信アンテナのサブセットを使用する。

補正係数は、チャネル推定誤差を無視することによって、以下のように求められる。

ただし、下式は、は全てのＲＦ応答を含む等価チャネルを表す。

そして、ｈ_{Ａ→Ｂ、ｎＢｉ}は、送信アンテナｉから、受信ＲＦ回路系統ｌ_Ｂに接続される受信アンテナｎ_Ｂへの実際の物理的なチャネル係数である。それゆえ、β_ｌＢｎＢ ^（Ｒｘ）は、ＳＴＡ Ｂにおける対応する受信ＲＦ応答であり、同様に、α_ｌｉ ^（Ｔｘ）は、送信アンテナｉおよび送信ＲＦ回路系統ｌを接続する場合のＳＴＡ Ａにおける送信ＲＦ応答である。

Ｈ（〜）’_Ａ→Ｂ（２）〜Ｈ（〜）’_Ａ→Ｂ（Ｎ_Ａ−Ｎ_Ａ＿ＳＳ＋１）は、式（１）の対応する行に従って、異なる送信ＲＦ回路系統およびアンテナ接続に基づいて同様に表すことができる。

式（１）と同様に、いかなる場合でも、ＳＴＡ Ａにおけるアンテナ２は、ＲＦ回路系統１または２にだけ接続することができる。その後、所定のｎ_Ｂの場合に、以下の計算を行うことができる。

ただし、ｌ＝１および２、ｋ_１２＝１である。その際、ｋ_１２は、補正係数として用いられ、それは、ｌ番目のＲＦ回路系統がアンテナ２に接続されるときには必ず、ｌ番目のＲＦ回路系統から送信されるベースバンドストリームに乗算される。それゆえ、ＡＳトレーニング段階２０１およびデータ伝送段階２０２において、アンテナ２から送信される結果として、ＳＴＡ Ａにおいてα_１２ ^（Ｔｘ）の送信ＲＦ応答が生じる。

同様に、ｉ番目の送信アンテナの場合に、以下の式が成り立つ。

ただし、Ｌ_ｉは、式（１）において定義されるような、アンテナｉに接続されることが可能である１組のＲＦ回路系統インデックスである。その際、ＲＦ回路系統ｌがアンテナｉに接続されるときには、必ずｋ_ｌｉが適用され、アンテナｉから送信される結果として、α_{ｍｉｎ｛Ｌｉ｝ｉ} ^（Ｔｘ）の対応する送信ＲＦ応答が生じる。特別な事例として、送信アンテナ１およびＮ_Ａは、常に、それぞれＲＦ回路系統ｌおよびＮ_Ａ＿ＳＳに接続されるので、アンテナ１およびＮ_Ａのための補正は、不要である。Ｉ＝Ｎ_Ａ−１まで同じ計算を行うことによって、かつその結果を適用することによって、いつでも、等価な完全チャネル行列は、以下のように表すことができる。

そして、ＳＴＡのためのＡＳトレーニング段階とデータ伝送段階との間に、歪みはない。これらの補正係数は、ＡＳトレーニング段階およびデータ伝送段階の両方において適用され、Ｆ_ＡまたはＴ_Ａ（ｍ）内の補正係数を、対応する補正係数によって置き換えることと同じであることに留意願いたい。

上記の計算は、Ｎ_Ｂ＿ＳＳ回繰り返すことができる。ただし、ｎ_Ｂ＝１．．．Ｎ_Ｂ＿ＳＳである。その後、結果として生成されるＮ_Ｂ＿ＳＳ組の補正係数は、ある時間にわたって平均され、チャネル推定誤差の影響を小さくすることができる。

受信アンテナ選択のための較正
図４は、受信機（ＳＴＡ Ｂ）１２０がアンテナ選択を行うときの較正手順を示す。受信ＲＦ回路系統および受信アンテナに対応する全ての取り得るＲＦ応答は、下式（２）のとおりである。

ＳＴＡ Ｂ１２０が、較正トレーニング要求（ＣＴＲＱ）４０１をＳＴＡ Ａ１１０に送信し、それは、受信局が要求する数のトレーニングフレーム４１０（Ｎ_Ｂ−Ｎ_Ｂ＿ＳＳ＋１）を含む。

ＳＴＡ Ａは、所定の１組の送信アンテナから（Ｎ_Ｂ−Ｎ_Ｂ＿ＳＳ＋１）個のトレーニングフレーム４１０を送信することによって応答する。ＳＴＡ Ｂは、式（２）の対応する行において定義される受信ＲＦ回路系統および受信アンテナ接続を用いることによって、各トレーニングフレームを受信し、対応するサブチャネル行列を推定する（４２０）。

全ての（Ｎ_Ｂ−Ｎ_Ｂ＿ＳＳ＋１）個のトレーニングフレーム４１０を受信した後に、ＳＴＡ Ｂ１２０は、全ての推定されたサブチャネル行列に基づいて、ＲＦインバランス受信（Ｒｘ）補正係数を求める（４３０）。これは、送信アンテナ選択の場合と同様にして求められる。受信アンテナｊ、およびｌ∈Ｌ_ｊの場合に、以下の式が成り立つ。

ただし、ｈ（〜）’_{Ａ→Ｂ、ｊんＡ} ^（ｌｊ）は、送信アンテナ回路系統ｌ_Ａに接続される任意の送信アンテナｎ_Ａから、ＳＴＡ Ｂにおける受信ＲＦ回路系統ｌと受信アンテナｊとの接続に対応する、受信アンテナｊへの推定されるチャネル係数であり、Ｌ_ｊは、式（２）において定義されるような、アンテナｊに接続されることになる１組のＲＦ回路系統インデックスである。補正係数λ_ｉｊは、ＳＴＡ Ｂにおいてｌ番目の受信ＲＦ回路系統がアンテナｊに接続されるときには、必ず、そのＲＦ回路系統によって受信されるベースバンドストリームに乗算され、結果として、ＡＳトレーニング段階またはデータ伝送段階において、アンテナｊによって受信されるとき、β_{ｍｉｎ｛Ｌｊ｝ｊ} ^（Ｒｘ）の対応する受信ＲＦ応答が生じる。等価な完全チャネル行列は、以下のように表すことができる。

それゆえ、ＳＴＡ ＢにおいてＡＳトレーニング段階とデータ伝送段階との間に、歪みはない。これらの補正係数は、ＡＳトレーニング段階およびデータ伝送段階の両方において適用され、Ｆ_ＢまたはＴ_Ｂ（ｍ）内の補正係数を、対応する補正係数によって置き換えることと同じである。

上記の計算は、Ｎ_Ａ＿ＳＳ回繰り返すことができる。ただし、ｎ_Ａ＝１・・・Ｎ_Ａ＿ＳＳである。結果として生成されるＮ_Ａ＿ＳＳ組の補正係数は、ある時間にわたって平均され、チャネル推定誤差の影響を小さくすることができる。

両方の局がアンテナ選択を実行するとき、それらの較正は、相次いで実行することができる。第１の局、すなわち、送信局または受信局のいずれかが較正を完了した後に、第１の局は、所定のＲＦ回路系統にそれぞれ接続する所定のアンテナサブセットを用いて、第２の局の較正を助ける。結果として、決められた較正手順（複数可）後に、完全な等価チャネル行列は、以下のようになる。

それは、常に、一定の送信ＲＦ応答および受信ＲＦ応答を含む。その後、アンテナ選択トレーニングを、歪みを生じることなく、従来のようにして行うことができる。各ＡＳトレーニング段階では、Ｍ個のトレーニングフレームしか必要ではなく、互いに排他的なアンテナサブセットによって、トレーニング信号が送信および／または受信される。

上記の送信ＡＳ較正手順または受信ＡＳ較正手順は、通常の送信／受信ＡＳトレーニング段階において行うこともでき、その場合には、ＲＦインバランスを考慮することなく、互いに素なアンテナサブセットによって、複数の連続したＡＳトレーニングフレームが送信または受信される。一例は、２００５年１１月２１日に米国受理官庁において、Gu他によって出願され、参照により本明細書において援用される、ＰＣＴ特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０４２３５８号「Method for Selecting Antennas and Beams in MIMO Wireless LANs」において記述されるＡＳトレーニング方式である。そうするために、連続したトレーニングフレームの数が、較正計算のために必要とされる数に等しくなるように変更される。たとえば、Ｎ_Ｂ＝Ｎ_Ｂ＿ＳＳであり、送信ＡＳ較正のための式（１）のＲＦ回路系統／アンテナ接続制約がある場合には、この数は、［Ｎ_Ａ／Ｎ_Ａ＿ＳＳ］ではなく、Ｎ_Ａ−Ｎ_Ａ＿ＳＳである。

送信ＡＳ較正の場合、図３のＳＴＡ Ａは、式（１）によるＲＦ回路系統接続で、アンテナサブセットからＮ_Ａ−Ｎ_Ａ＿ＳＳ＋１個の較正トレーニングフレームを送信する。ＳＴＡ Ｂは、通常のＡＳトレーニングフレームとして、これらのフレームを取り扱う。すなわち、ＳＴＡ Ｂは、それらのフレームからサブチャネル行列を推定し、完全チャネル行列をフィードバックする。最後に、ＳＴＡ Ａが、送信補正係数を計算する。

受信ＡＳ較正の場合、図４のＳＴＡ Ｂが、ＳＴＡ Ａに、通常のＡＳトレーニング要求によって要求される較正トレーニングフレームの数を通知する。その後、ＳＴＡ Ａは、これらのトレーニングフレームが、通常の受信ＡＳトレーニングのために用いられるか、受信ＡＳ較正のために用いられるかを知ることなく、対応する数のＡＳトレーニングフレームを送信することによって応答する。ＳＴＡ Ｂは、式（２）によるＲＦ回路系統接続で、そのアンテナサブセットによってこれらのフレームを受信し、サブチャネル行列を推定する。最後に、ＳＴＡ Ｂが、受信補正係数を求める。

そのようにして、その較正手順は、新たな信号方式プロトコルを導入することはない。

バリエーション
上記の過程は、システムが、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）ネットワークのように、周波数選択性である場合に適用することができる。ＯＦＤＭネットワークでは、上記のトレーニングまたは較正手順は、サブキャリア毎に、またはサブキャリアのグループ毎に行われる。

それぞれ選択されるアンテナサブセットが、所定の順序で、ＲＦ回路系統に接続される場合、そのＡＳトレーニング過程は、各ＡＳトレーニング段階において、さらに多くのトレーニングフレームを用いて、それぞれ取り得るＲＦ回路系統およびアンテナ接続に対応するサブチャネル行列を推定する。また、その較正手順は、それぞれ取り得る接続を補償するだけの十分なトレーニングフレームを送信し、たとえば、ＳＴＡ Ａにおける送信機の較正において、任意のＲＦ回路系統が任意のアンテナに接続することができる場合には、Ｌ_ｉ＝｛１，２，・・・，Ｎ_Ａ＿ＳＳ｝，∀_ｉであり、それゆえ、α_２ｉ ^（Ｔｘ）・・・α_{ＮＡ＿ＳＳｉ} ^（Ｔｘ）は全て、任意のＲＦ回路系統とアンテナｉとの接続が常に送信ＲＦ応答α_ｌｉ ^（Ｔｘ）を導くように補正される必要がある。

その較正手順において、特定のアンテナに接続されるＲＦ回路系統のための補償を、α_{ｍｉｎ｛Ｌｉ｝ｉ} ^（Ｔｘ）またはβ_{ｍｉｎ｛Ｌｊ｝ｊ} ^（Ｒｘ）以外の係数に関して適用することもできる。任意の送信または受信アンテナが等価チャネルに対して一定のＲＦ応答をもたらたす任意の較正手順を用いることができる。

その較正手順は、異なるＲＦ回路系統およびアンテナ接続、すなわち、スイッチ位置によって、異なる振幅および位相応答が生じるという事実に基づく。一方、そのスイッチが、その位置によっていかなる歪みも導入しない場合、すなわち、任意の特定のＲＦ回路系統に関して、種々のアンテナへのその接続の結果として、概ね同一のＲＦ応答が生じる、すなわち、全てのアンテナが、そのＲＦ回路系統との類似の整合特性を有する場合には、その較正手順を簡単にすることができる。

具体的には、ＲＦインバランスがＲＦ回路系統の異なる応答によってのみ引き起こされるので、これが成り立つ。上記の接続順序の制約が適用されるにしても、されないにしても、全てのＲＦ回路系統を一度だけ較正すれば十分である。その場合、第１のトレーニングフレームでは、アンテナｉに第１のＲＦ回路系統を接続し、その後、第２のトレーニングフレームを送信または受信するためにアンテナｉに第２のＲＦ回路系統を接続し、・・・、最後のトレーニングフレームにおいて、同じアンテナに最後のＲＦ回路系統を接続する。

最後に、全ての測定されたサブチャネル行列をフィードバックした後に、送信機において、α_１ｉ ^（Ｔｘ）・・・α_{ＮＡ＿ＳＳｉ} ^（Ｔｘ）が、それぞれただ１つの送信アンテナで、１つの一定の値に対して補償されるか、または全ての測定されるサブチャネル行列に基づいて、受信機において、β_１ｉ ^（Ｒｘ）・・・β_{ＮＢ＿ＳＳｉ} ^（Ｒｘ）が、それぞれただ１つの受信アンテナで、１つの一定の値に対して直に補償される。このシナリオでは、ＲＦインバランス問題は、ＲＦ回路系統の間の差によってのみ引き起こされ、アンテナｉで、ＲＦ回路系統が補償される結果として、全ての他のアンテナに接続されても歪みが生じない。

本発明の一実施形態によるＭＩＭＯシステムのブロック図である。 本発明の一実施形態によるアンテナ選択サイクルのブロック図である。 送信局によって開始されるトレーニングおよび較正のブロック図である。 受信局によって開始されるトレーニングおよび較正のブロック図である。

Claims (14)

1. 複数の局を含む多入力多出力無線通信ネットワークにおいてアンテナを選択するための方法であって、前記局は、それぞれ、１組の送信ＲＦ回路系統および１組の受信ＲＦ回路系統を含み、該ＲＦ回路系統はそれぞれ、１組のアンテナに接続することができ、
   前記１組の送信ＲＦ回路系統は、各トレーニングフレームを送信する間に、接続マッピングルールに従って前記アンテナのサブセットに接続され、第１の局から第２の局に、前記１組のアンテナの取り得るサブセット毎に１つのトレーニングフレームを送信することと、
   前記第２の局において、フレーム毎にサブチャネル行列を推定することと、
   前記サブチャネル行列を組み合わせて、完全なチャネル行列を得ることと、
   前記完全なチャネル行列に従って、前記アンテナの特定のサブセットを選択することと、および
   前記第１の局から前記第２の局までデータを送信するために、前記選択された特定のアンテナサブセットに前記１組の送信ＲＦ回路系統を接続することと
   を含み、
   前記ＲＦ回路系統は、ＲＦ回路系統インデックスを有し、かつかつ前記アンテナは、アンテナインデックスを有し、ＲＦ回路系統インデックスが小さい方のＲＦ回路系統は、常に、アンテナインデックスが小さい方のアンテナに接続される
   複数の局を含む多入力多出力無線通信ネットワークにおいてアンテナを選択するための方法。
2. 前記サブチャネル行列を前記第２の局から前記第１の局までフィードバックすることと、
   前記第１の局において、前記推定されたサブチャネル行列に基づいて、送信ＲＦインバランス補正係数を求めることと、および
   前記第１の局において前記サブチャネル行列を組み合わせることと、
   前記完全なチャネル行列および前記送信ＲＦインバランス補正係数に従って、特定のアンテナサブセットを選択することと
   をさらに含む請求項１に記載の方法。
3. ベースバンド信号を、前記１組の送信ＲＦ回路系統および前記選択された特定のアンテナサブセットに対応する前記ＲＦインバランス補正係数と乗算することをさらに含み、前記ベースバンド信号は、前記送信データを搬送する請求項２に記載の方法。
4. 前記第２の局において、前記推定されたサブチャネル行列に基づいて、受信ＲＦインバランス補正係数を求めることおよびと、
   前記第２の局において前記サブチャネル行列を組み合わせることと
   をさらに含む請求項１に記載の方法。
5. 前記送信データを受信するために、前記第２の局において、前記完全なチャネル行列に従って、前記１組の受信ＲＦ回路系統に接続される特定のアンテナサブセットを選択することと
   をさらに含む請求項１に記載の方法。
6. ベースバンド信号を、該ベースバンド信号が受信されるＲＦ回路系統およびアンテナの前記接続に対応する前記ＲＦインバランス補正係数と乗算することをさらに含む請求項１に記載の方法。
7. 前記接続が一定のベースバンドＲＦ応答を有するように、チャネル状態情報を用いて、ｌ番目のＲＦ回路系統とｉ番目のアンテナとの間の接続のための送信ＲＦインバランス補正係数を求めることをさらに含む請求項１に記載の方法。
8. 前記接続が一定のベースバンドＲＦ応答を有するように、チャネル状態情報を用いて、ｌ番目のＲＦ回路系統とｊ番目のアンテナとの間の接続のための受信ＲＦインバランス補正係数を求めることをさらに含む請求項１に記載の方法。
9. 前記第２の局から前記第１の局まで、較正トレーニング要求を送信することをさらに含む請求項１に記載の方法。
10. 前記送信ＲＦインバランス補正係数を、ある時間にわたって平均することをさらに含む請求項２に記載の方法。
11. 前記受信ＲＦインバランス補正係数を、ある時間にわたって平均することをさらに含む請求項４に記載の方法。
12. 前記ネットワークは、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）ネットワークである請求項１に記載の方法。
13. 前記ＯＦＤＭネットワークのサブキャリア毎に１つの較正手順を実行することをさらに含む請求項１２に記載の方法。
14. 前記推定されたサブチャネル行列に基づいて、ＲＦインバランス補正係数を求めることをさらに含む請求項１に記載の方法。

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