JP5210178B2 - 等電力送信を持つ非対称ビーム形成に対するシステム、装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、全てのアンテナに対する送信電力が同じであるような無線ネットワークにおける非対称ビーム形成に関する。

チャネル行列の特異値分解（ＳＶＤ）を使用するビーム形成は、複数のアンテナが利用可能である場合に性能を向上する周知の方法である。送信及び受信アンテナの数が同じ場合に、ビーム形成行列は、各アンテナから送信された電力が同じであるようになっている。しかしながら、多くの場合、送信アンテナの数（Ｎ_T）は、受信アンテナの数（Ｎ_R）より大きい。このような状況において、最大の特異値に対応する固有ベクトルのサブセットのみを使用することは、アンテナに対して等しくない送信電力を生じさせる。ほとんどの送信チェーンは、ピーク電力を制限されるので、この状況は望ましくない。

本発明は、非対称システムにおいて全てのアンテナに対する送信電力が同じであるようなビーム形成を実施する技術の複数の実施例を提供する。

複数の送信アンテナから複数の受信アンテナへのビーム形成は、チャネルダイバーシティを抽出する周知の方法である。送信アンテナの数（Ｎ_T）が受信アンテナの数（Ｎ_R）に等しい場合、ビーム形成に対してチャネル行列の固有ベクトルを使用することは、最適なストラテジであることが知られている。非対称な状況（Ｎ_T＞Ｎ_R）において、一般に使用される方法は、ビーム形成ベクトルとして最大の固有値に対応する固有ベクトルを選ぶことである。このアプローチの問題は、これが、各アンテナからの等しくない送信電力を生じさせることである。これは、ほとんどの場合、ＲＦチェーンがピーク電力を制限されるので、問題である。

すなわち、複数のＲＦフロントエンドが複数アンテナ送信器において使用される場合、各チェーンに同じ電力を送信させることは良いアイデアである。これは、ほとんどのＲＦ増幅器が、ピーク電力により制限され、したがって、合計送信電力を一定に保つために他のチェーンの電力を下げながら１つのチェーンの電力を高めることが容易でないからである。これは、信号が大きなピーク対平均比を性質的に持ち、ＲＦ増幅器が、線形の範囲で動作する状態を保つようにバックオフを持つ直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）システムに対して更にそうである。

受信アンテナより多い送信アンテナを持つ現在最も使用されるビーム形成方法は、各送信チェーンに対して等しくない送信電力を持つ。単一の送信ストリームのＮ_T×１の場合に対する等電力送信の問題は、解決されており、K. K. Mukkavilli, A. Sabharwal, E. Erkip, and B. Aazhang, "On beamforming with finite rate feedback in multiple-antenna systems," IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 49, no. 10, pp. 1562-2579, Oct. 2003、及びD. J. Love and R. W. Heath, Jr., "Grassmanian beamforming for multiple-input multiple-output wireless systems," IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 49, no. 10, pp. 2735-2747, Oct. 2003を参照する。

しかしながら、１より多い送信ストリームに対する問題は、解決されていない。

本発明は、性能に感知できる損失を持たない各アンテナに対する送信電力が同じであることを保証する非対称ビーム形成に対する複数の実施例を提供する。加えて、ＯＦＤＭシステムにおける周波数ビンより少ないビーム形成ベクトルを選択する技術が提供される。この後者の技術は、前記送信器がチャネル情報を持ち、前記ベクトルを計算することができることを仮定する代わりに、前記ベクトルがフィードバックされる実施例において有用である。

好適な実施例は、
技術１：総当り正規化（brute force normalization）、
技術２：±１±ｊ値のみへの量子化、
技術３：機能停止（outage）確率に基づく最適化
技術４：ハイブリッド最適化、及び
技術５：周波数領域に対する最適化
を含む技術を提供する。

本発明は、開ループシステム及び閉ループシステムの両方に適用され、すなわち前者は、前記チャネルの情報を持ち、Ｑを推定し、Ｑを調節するために前述の技術の１つを使用する送信器を持ち、後者は、これらの動作を実行する受信器を持つ。

以下の詳細な記載において、本発明が実施されることができる特定の閉ループ実施例を例としてのみ示す図面が参照される。当業者は、これらが、典型的なだけであり、如何なる意味でも本発明の応用を制限することを意図せず、例えばここに開示される個別の要素の場所及び配置が、添付の請求項において具体化される本発明の範囲及び精神から逸脱することなく修正されることができることに気付く。すなわち、前記詳細な記載は、限定的な意味に取られるべきでなく、本発明の範囲は、添付の請求項及びその同等物によってのみ規定され、例えば、前記送信器は、Ｑを推定及び調節することができる。図面において、同様の番号は、初めから終わりまで同じ又は同様の機能を参照する。

本発明は、複数の送信アンテナのビーム形成及び複数の受信アンテナの結合により提供される空間的ダイバーシティ利点を得る複数の低複雑度技術を提供する。本発明の好適な実施例のビーム形成技術は、全て、前記送信器においてチャネル情報を必要とする。

図１は、移動局（ラップトップ、パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ））を含む無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）の一部であることができ、このようなＷＬＡＮに対するアクセスポイントであることができる２つの無線局１０１及び１０５を有する閉ループを示す。無線局１０１及び１０５は、広域無線ネットワークの一部であることができ、無線パーソナルはネットワークである。これらの局１０１及び１０５は、ＩＥＥＥ８０２．１１又は他のこのような規格のような無線規格に準拠することができ、このような準拠は部分的又は完全である。しかしながら、無線局１０１及び１０５は、複数のアンテナを各々持ち、本発明において、その数は非対称であると仮定される。

Ｎ_Tの送信アンテナ及びＮ_Rの受信アンテナを持つ送信ビーム形成及び受信結合複数アンテナシステムを考えると、Ｎ_Rのデータストリームが送信され、ビーム形成行列がＱであるように規定されることを仮定する。この場合、信号モデルは、

により与えられ、ここで

はノイズベクトルであり、受信されたベクトル

はＮ_R×１ベクトルであり、チャネル行列Ｈ１０３はＮ_R×Ｎ_Tの行列であり、ビーム形成行列ＱはＮ_T×Ｎ_Rの行列であり、

はＮ_R×１ベクトルである。チャネルＨは、完全に既知であると仮定される。送信されたベクトルは、Ｎ_T×１ベクトルである、

である。ＯＦＤＭシステムにおいて、上記信号モデルは、各周波数ビンに対して繰り返される。周波数選択チャネルにおいて、Ｈ及びＱは、各周波数ビンに対して異なる。

図１において、閉ループシステム１００が仮定され、現在のチャネル状態情報は、復号複雑度を低減するために局（ＳＴＡ）１０１と１０５との間で送信される。ＳＴＡ１０１及び１０５は、各々、複数のアンテナ、Ｎ_T１０２_i及びＮ_R１０４_jをそれぞれ含み、一緒にシステム１００を形成する。この目的で使用される通信帯域幅は、"フィードバック帯域幅"と称され、一部の好適な実施例において特異値分解（ＳＶＤ）を使用して決定されたビーム形成行列Ｑにより前記現在のチャネル状態情報を表すチャネル推定器１０６により推定された後にフィードバックチャネル１０７上で受信器１０５から送信器１０１にフィードバックされる。送信器１０１は、各出て行く信号を複数の空間チャネルに送信するためにビーム形成行列Ｑを使用する。

所定の行列Ａの固有ベクトルＰの行列が、正方行列（例えば、行列

は、単一の固有ベクトル（１，０）のみを持つ）ではない場合、Ｐは、逆行列を持つことができず、したがってＡは、固有値分解を持たない。しかしながら、Ａが、ｍ＞ｎの条件でｍ×ｎの実行列である場合、Ａは、Ａ＝ＵＤＶ^Tの形式のいわゆる特異値分解を使用して書かれることができる。ここで、Ｕはｍ×ｎの行列であり、Ｖはｎ×ｎの正方行列であり、両方とも直交列を持ち、これによりＵ^TＵ＝Ｖ^TＶ＝Ｉであり、Ｄはｎ×ｎの直交行列である。完全な行列（complete matrix）Ａに対して、特異値分解は、形式Ａ＝Ｕ^HＤＶへの分解であり、ここでＵ及びＶはユニタリ行列であり、Ｕ^HはＵの共役転置であり、Ｄは、要素が元の行列の特異値である直交行列である。Ａが完全な行列である場合、正の特異値を持つこのような分解が常に存在する。

Ｈ＝ＵＳＶ^Hはチャネル行列ＨのＳＶＤ分解であるとする。この場合、Ｑに対する最適な選択は、

であり、ここでＶ_iは行列Ｖのｉ番目の列である。各アンテナからの送信電力が同じであるという要件は、ビーム形成行列Ｑの各行が同じ電力を持つという制約に変わる。固有ベクトルＶ_iが正規直交であるので、Ｒ＝Ｔである場合、送信ベクトル

の成分の各々は、同じ送信電力を持つ。しかしながら、Ｒ＜Ｔである場合、これはもはや真ではない。

図２は、本発明による方法２００を示す。ステップ２０１において、チャネルＨが推定される。好適な実施例において、修正されたチャネル推定器／電力等化器（power equalizer）／［フィードバック］装置３００が備えられる。しかしながら、フィードバックが、送信器により必要とされない場合、修正されたチャネル推定器／電力等化器装置のみが備えられる。いずれの場合にも、メモリ３０１が前記装置に含まれ、Ｈ３０１．１は、ステップ２０１において前記メモリに記憶される。ステップ２０２において、ビーム形成行列Ｑ３０１．２が（上述のように）決定され、メモリ３０１に記憶される。次に、ステップ２０３において、ビーム形成行列Ｑ３０１．２は、前記送信されるベクトルが等しい電力成分を持つことを保証するために、本発明の別の好適な実施例を各々有する、以下の技術の１つを使用して調節される。調節されたビーム形成行列３０１．３は、装置３００のメモリ３０１に記憶される。

技術１：総当り正規化

から始める。次いで、Ｑの各行を単位電力に正規化する。結果として生じるビーム形成行列は、

の等しい電力成分を保証する。

技術２：±１±ｊ値のみへの量子化
再び、上で規定されたＱから始める。次いでＱ１＝sign[Re(Ｑ)]＋ｊsign[Im(Ｑ)]は、等しい電力成分を持つのみでなく、各成分が４つの値の１つのみであることができるので、より少ないビットがフィードバックに使用される結果になるビーム形成行列である。

技術３：機能停止確率に基づく最適化
等しい電力の行を持つビーム形成行列を得る前述の技術は、最適性基準を組み込まない。Ｑの各要素が±１±ｊであるという仮定から始める。次いで、Ｑを選択する基準は、|det(ＨＱ)|を最大化することである。

個の可能なＱ行列が存在するので、総当り検索は複雑すぎる。好適な単純化は、（１）Ｑの位相は問題ではないので、Ｑ₁₁が任意に１＋ｊにセットされることができ、（２）互いに直交する列のみを検索することを含む。前述の２つの好適な単純化を使用して、検索空間は、劇的に減少される。例えば、４×２の場合、エントリ±１±ｊを持つベクトルに直交するベクトルは９つしか存在しない。前記検索空間が６５５３６から６４＊９＝５７６に減少する。この方法において、ＳＶＤが実行される必要がないことに注意する。

技術４：ハイブリッド最適化
上の技術３は、依然として、多数の可能性に対する最適化を必要とする。更なる単純化は、第１のベクトルに対して技術２を使用し、すなわちＳＶＤ行列の第１のベクトルを量子化し、次いで、他のベクトルを決定するために技術３を使用する。４×２の場合、これは、ＳＶＤを実行し、この後に９つの可能な選択に対する最適化を実行する必要がある。

技術５：周波数領域に対する最適化
単一のビーム形成行列が、ｐ個のチャネル周波数ビンに対して選択される場合、最適化基準は、

を最大化するＱを選択することである。前記検索空間は、以前と同じである。再び、ＳＶＤは必要とされない。

図２をここで参照すると、受信器１０５を含む閉ループにおいてビーム形成行列Ｑを決定し、Ｑを送信器１０１にフィードバックする方法が示される。ステップ２０１において、前記受信器は、行列Ｈにおけるチャネル状態を推定する。次いで、ステップ２０２において、ビーム形成行列Ｑが、（上述のように）Ｈから推定される。ステップ２０３において、本発明の技術１−５のいずれかが、成分が等しい電力を持つように行列Ｑを調節するために使用され、ステップ２０４において、前記調節ビーム形成行列が、前記送信器にフィードバックされる。

図３は、チャネル状態行列Ｈ及び関連データ３０１．１、元のビーム形成行列及び関連データ３０１．２、本発明による調節ビーム形成行列及び関連データ３０１．２を記憶するメモリ３０１を含む、本発明による、閉ループ内のチャネル推定及びフィードバック３００に対する装置を示す。装置３００は、チャネルＨに対する受信された信号３０３を受容する電力等化器構成要素３０２を更に含み、受信された信号３０３からチャネル行列Ｈを生成し、チャネル行列Ｈをチャネル状態行列／データ３０１．１として記憶するチャネル推定モジュール３０２．１を含む。電力等化器構成要素３０２は、初期ビーム形成行列を形成し、次いで、本発明の技術１−５の予め選択された１つによって前記初期ビーム形成行列を調節２０３し、前記調節された行列Ｑ及び関連データを調整されたビーム形成行列／データ３０１．３としてメモリ３０１に記憶するビーム形成行列調節モジュール３０２．２を更に含む。最後に、前記電力等化器構成要素は、フィードバック信号３０４として前記調節されたビーム形成行列Ｑをフィードバックチャネル１０７を介して送信器１０１にフィードバックするフィードバックモジュール３０２．３を含む。

図４は、本発明によって構成されたチャネル推定器／フィードバック装置３００にインターフェース接続し、チャネル状態Ｈ１０３に関して送信器１０１から受信された信号３０３を装置３００に提供するように修正された少なくとも１つの送信器１０１及び受信器１０５を含む閉ループ非対称通信システム４００を示す。チャネル推定器／フィードバック装置３００は、前記チャネルを推定し、チャネル行列Ｈ及び関連データを作成し、メモリ３０１．１に記憶し、チャネル行列Ｈから初期ビーム形成行列を作成し、メモリ３０１．２に記憶し、本発明の技術１−５の予め選択された１つによって前記初期ビーム形成行列を調節２０３し、前記調節されたビーム形成行列Ｑをメモリ３０１．３に記憶する。最後に、チャネル推定器／フィードバック装置３００は、フィードバックチャネル１０７を使用して調節されたビーム形成行列Ｑ３０４を送信器１０１にフィードバック２０４する。上に示されるように、通信システム４００は、完全又は部分的のいずれかで、ＩＥＥＥ８０２．１１のような通信規格に従うことができ、如何なるタイプの無線通信ネットワークの一部であることもできる。本発明は、全ての非対称無線通信ネットワーク／システムに応用することを意図される。

図５は、ビットインタリーブ符号化変調（bit-interleaved coded modulation）を使用して周波数選択システムにおいて４×２システムを量子化する様々な技術の実行を示す。特に高いレート（レート５／６ ６４ＱＡＭ）において、前記技術は、等しくない送信電力を持つ最適ビーム形成と比べて非常に少ない性能損失を持つ。

本発明は、特定の実施例、特に閉ループ、と併せて記載されているが、当業者が、添付の請求項に記載される本発明の範囲及び精神から逸脱することなく修正及び変更が行われることができることに気付くと理解されるべきである。特に、前記送信器は、前記チャネルの情報を持ち、前記受信器からのフィードバックを必要としない方法を実行することができる。

フィードバックチャネルを持つ非対称通信システムを示す。 本発明による閉ループ非対称通信システムに対するビーム形成行列を決定する方法を示す。 非対称通信システムにおける等しい電力を持つビーム形成行列を決定し、フィードバックする閉ループ装置を示す。 本発明によって修正された非対称閉ループ通信システムを示す。 量子化する様々な技術の性能を示す。

Claims (7)

1. 無線チャネル上のベクトルの非対称ビーム形成送信に対する方法において、
   Ｎ_T＞Ｎ_R＞０である、Ｎ_T個の送信アンテナ及びＮ_R個の受信アンテナを持つ無線通信システムを提供するステップと、
   初期ビーム形成行列を形成するステップと、
   予め選択された技術を用いて各行が同じパワーを持つようにビーム形成行列Ｑを調節するステップであって、前記技術が、
   前記初期ビーム形成行列の各行が単位パワーに正規化される総当たり正規化技術、
   前記初期ビーム形成行列Ｑの各成分が±１±ｊ値に量子化される量子化技術、
   Ｑの各要素が±１±ｊであるという仮定から始める機能停止確率に基づく最適化技術であって、Ｑを選択する基準が、|det(ＨＱ)|を最大化することであり、Ｑ ₁₁ が１＋ｊにセットされ、互いに直交する列のみが検索される、当該機能停止確率に基づく最適化技術、
   前記量子化技術がＱの第１のベクトルに対して使用され、前記機能停止確率に基づく最適化技術がＱの他のベクトルを決定するために使用される、ハイブリッド最適化に基づく最適化技術、及び
   単一のビーム形成行列Ｑがｐ個のチャネル周波数ビンに対して選択され、前記最適化基準は、
   

   

   を最大化するように選択することである、周波数領域に対する最適化、
   を有するグループから選択される、当該調節するステップと、
   前記調節されたビーム形成行列を使用して前記チャネル上でＮ_R個のデータストリームとして前記ベクトルを送信器により送信するステップと、
   を有し、前記送信されたＮ_R個のデータストリームが等しいパワーを持つ、方法。
2. 前記調節するステップが、
   受信器において前記チャネルを推定するステップと、
   前記受信器において前記調節するステップを実行するステップと、
   前記調節されたビーム形成行列を前記送信器にフィードバックするステップと、
   を更に有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記受信器により前記送信及びビーム形成されたＮ_R個のデータストリームを結合するステップを更に有する、請求項２に記載の方法。
4. Ｎ_T＞Ｎ_R＞０である、Ｎ_T個の送信アンテナ及びＮ_R個の受信アンテナを持つ複数アンテナシステムに対するビーム形成装置において、
   ビーム形成パワーを等化する情報の記憶用のメモリと、
   初期ビーム形成行列Ｑを形成し、予め選択された等化技術によって前記初期ビーム形成行列Ｑを調節する、受信された信号の受信に対するパワー等化器構成要素であって、前記技術が、
   前記初期ビーム形成行列の各行が単位パワーに正規化される総当たり正規化技術、
   前記初期ビーム形成行列Ｑの各成分が±１±ｊ値に量子化される量子化技術、
   Ｑの各要素が±１±ｊであるという仮定から始める機能停止確率に基づく最適化技術であって、Ｑを選択する基準が、|det(ＨＱ)|を最大化することであり、Ｑ ₁₁ が１＋ｊにセットされ、互いに直交する列のみが検索される、当該機能停止確率に基づく最適化技術、
   前記量子化技術がＱの第１のベクトルに対して使用され、前記機能停止確率に基づく最適化技術がＱの他のベクトルを決定するために使用される、ハイブリッド最適化に基づく最適化技術、及び
   単一のビーム形成行列Ｑがｐ個のチャネル周波数ビンに対して選択され、前記最適化基準は、
   

   

   を最大化するように選択することである、周波数領域に対する最適化、
   を有するグループから選択される、当該パワー等化器構成要素と、
   を有する装置。
5. 前記メモリが、チャネル状態情報、ビーム形成情報及び調節されたビーム形成情報を有し、
   前記パワー等化器構成要素が、前記チャネル状態情報の推定及び前記メモリへの記憶に対するチャネル推定モジュールと、Ｎ_R個のデータストリームの送信パワーを等化する、前記ビーム形成情報の決定及び前記メモリへの記憶並びに前記調節されたビーム形成情報の調節及び前記メモリへの記憶に対するビーム形成行列調節モジュールとを有する、
   請求項４に記載の装置。
6. 前記パワー等化器構成要素が、前記調節されたビーム形成情報を含むフィードバック信号を提供するフィードバックモジュールを更に有する、請求項５に記載の装置。
7. ビーム形成送信器装置において、
   Ｎ_T＞Ｎ_R＞０である、Ｎ_R個の受信アンテナに対するＮ_R個のデータストリームのチャネル上のベクトルのビーム形成送信に対するＮ_T個の送信アンテナと、
   請求項４に記載のビーム形成装置と、
   等しいパワーを持つＮ_R個のデータストリームとして前記ベクトルを送信するのに前記ビーム形成装置の前記調節されたビーム形成行列を使用する送信器と、
   を有するビーム形成送信器装置。

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