JP5393789B2 - 適合コードブックを利用する方法、装置およびマシンアクセス可能媒体 - Google Patents
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Description
ベースバンド信号は、y=HVs+n(1)(数1)として与えられ、ここでnは分散がN0である複合AWGNであり、sが、Nsに、単位電力を有する1つの送信されたベクトルを掛けた値であり、Nsは空間ストリーム数であり、yは受信したベクトルであり、HはサイズNr掛けるNtのチャネルマトリックスであり、VはNt掛けるNsのサイズのビームフォーミングマトリックス(ベクトル)である。レイリーフェージングチャネルでは、相関性を有するチャネルマトリックスHはチャネルマトリックスHwから生成され、独立した、同一に分布された(i.i.d.)エントリが以下のように表される。
と表すことができる。数(2)は、相関性を有するチャネルの簡略化されたチャネルモデルであり、トランスミッタおよびレシーバにおける相関性は分断され、2つの別個のマトリックスRrおよびRtによりモデリングされる。分断が無効である場合には、チャネルマトリックスエントリの相関性マトリックスは、RH=E(vec(H)vec(H)H)として定義され、ここでvec(X)は、マトリックスXの列を積層して、長い列ベクトルを形成する。ライスフェージングチャネル(Ricean fading channel)では、視線(LOS)成分
を(数2)に追加して、以下の(数5)とする。
均一分布のコードワードCunifとそのコードワードVi(i=1,…,Nc)で量子化コードブックを表す。均一コードブックを変換して、相関性を有するチャネルについて新たなコードブックを生成することが望ましい。
は、新たなi番目のコードワードであり、orth(X)は、入力マトリックス(またはベクトル)Xを、X'番目の列と同じサブスペースをカバーする直交列(1または複数)を有する直交マトリックスに変換し、FはNt掛けるNtの変換マトリックスである。orth(X)は、本質的にXの直交化であり、グラントシュミット(Grant-Schmidt)またはQR分解等の様々な方法により簡単に実装できる。変換マトリックスFは、RH、Rt、Rr、
Q、Σ、Nt、Ns、Nr、および信号対雑音比(またはN0)の関数であってよい。以下に、ユニタリープレコーディング(unitary precoding)を例にとり説明を行うが、ユニタリーではないプレコーディングにも同様に応用可能である。
は、LOSコンポーネントのビームフォーミング方向を含み、α0は、レイリーフェージングチャネルの場合、ゼロであってよく、αiは、γで表される信号対雑音比(SNR)関数であってよく、Kは例えば2または4といった整数であってよく、iは整数の変数であってよい。SNRが低い場合には、(数6)の高位の項である
から僅かに多い貢献が得られると好適なので、重み付け係数αiは、γが低減すると(例えばαi=γ−i)、増加しうる。簡潔に示すと、Nt、Ns、Nrの組み合わせ1つ1つの全てのγについて定数式を利用することができる。例えばF=Rt(数9)を全ての場合に利用することができる。Rtのl番目の指数は、一般式(9.1)となる。
は、
一般形
を有し、Qaは任意のNt掛けるNtのユニタリー行列であってよい。
のコレスキー分解は、三角行列であり、一般形の特殊な場合に相当する。
ここでQおよびΣは、長期CSIから計算され、
は、変換されたコードワードであり、Viは、元のコードブックのコードワードである。Qは好適な長期ビームフォーミング方向からなり、Σは、これらの方向の集中を指定する。実装を簡略化するためには、l=1であるために、全ての場合について良好な性能が得られ、Rtの有理指数(rational power)を計算する必要がなく、変換を簡略化した形態が以下の(数16)で表される。
は、変換されたコードワードであり、Diは、元のコードブックのコードワードである。
orth()演算により、サブスクライバステーションにおける複雑度が上がるので、上述した元のスキームの変形例を考える。第1の変形例が最も簡単である。SSは単にorth()演算を省き、非直交化されたマトリックスFViを利用して、コードワードを選択してコードワードインデックスをフィードバックする。
について理想的なビームフォーミングマトリックスを量子化する。
が相関性のないものとなり、その分布は均一コードブックと整合する。概して、正の数l1について、TH=QΣ−l1とすることができる。トランスミッタはフィードバックされたインデックスを受信して、均一コードブックからコードワードViを探す。次に元のコードブックのコードワードを次のように実際のものに変換する。
レシーバは、様々な形態の変換マトリックスをフィードバックしてよい。例えば、l2の特定の数(例えばl2=1)について
の上部の三角形を送り返すことができる。スカラー量子化を利用することもできる。例えばF=Rtを利用する場合には、Rtがエルミーであることから、Rtの上部の(または下部の)三角形のみをエントリ毎に量子化する。量子化の前に対角線上のRtを最大数により
とスケーリングして、対角線上の最大数を1に正規化する。Rtの対角線は正の実数であるので、1量子化ビットで十分と思われるので対角線上のエントリを1または0.8に量子化する。通常、Rtの対角線上にないエントリは複素数で、且つエントリ毎に4量子化ビットを必要とする。量子化配置(quantization constellation)の16ポイントを単位円内に配置することができる。例えば、この例に限定はされないが、図1aでは一般的に100aとして示されている。配置点は、それぞれが半径0.4および0.9の2つの円上に位置している。単一の点が(0,0)に位置しており、この点は、相関性を有さない、および相関性の少ないチャネルに対して正確な量子化を行う目的専用に利用される。この場合、実際のチャネル相関性に関するシナリオ(つまり相関性がある、または相関性がない)に関らず、常に変換演算を行ってよい。別の非制限的な例示を図2aの200aに示す。この例ではシステムは元の(不均一な)コードブックしか利用できず、変換では助けられない相関性のないチャネル用の変換演算が行われないために、この配置は相関性を有するチャネルのみに利用可能である。(0,0)には点は位置していない。全ての点は0.3より大きいノルムを有する。配置の内部部分より外の部分にはこれより多い数の点が存在している場合がある。
が利用され、
をコレスキー分解で計算する第3の例では、
上部の三角行列の上部の三角形に、同様のスカラー量子化スキームを適用することができる。
リンクレベル結果の幾らかを、相関性の低いケースとしては図2の200に、相関性の高いケースとしては図3の300に示す。チャネルモデルはITUペデストリアンBである。BSは4つの送信アンテナを有し、SSは2つの受信アンテナを有する。BS送信アンテナのアンテナ間隔は4波長であり、相関性が低い、および、相関性が高い実際上の搭載においては0.5波長である。1つのデータストリームを送信する。変調および符号率は64QAMおよび0.5である。3つのコードブックをテストする。第1のものは従来の802.16eコードブック220(相関性が低い)320(相関性が高い)、第2のものはDFTコードブック210(相関性が低い)310(相関性が高い)、および、第3のものは、本発明の実施形態のものである適合コードブック230(相関性が低い)330(相関性が高い)である。理想的なSVDが240(相関性が低い)および340(相関性が高い)として示されている。相関性が低いケースおよび相関性が高いケース両方において、ここで提案する適合コードブックは最良の性能を示している。これら性能は、最適なコードブックのものに非常に近い。相関性がゼロのときの最適なコードブックは、相関性が低いケースに略最適な16eコードブックである。適合コードブックは16eコードブックよりも僅かに良好であるので、適合コードブックの性能は最適なコードブックの性能に非常に近い。さらに、適合コードブックの性能は、無限数のフィードバックビットを有する理想的な性能に非常に近く、例えば相関性の高いケースについて最適なコードブックの性能よりもさらに良いものである。相関性の低いケースについては、DFTコードブックが最も悪い性能を示している。しかし相関性が高いケースでは、DFTコードブックは802.16eコードブックよりも約1dB分性能が高い。
Claims (24)
- 無線ネットワークの通信にビームフォーミング用の適合コードブックを利用する段階を備え、
送信アンテナ間のアンテナ相関性から得られた位相情報を利用して、入力ビームフォーミングマトリックスが存在する可能性の高い方向に、前記適合コードブックの量子化マトリックスを変換し、これにより前記適合コードブックは、前記アンテナ相関性に応じて変化され、
前記適合コードブックは送信共分散マトリックスに基づいて生成され、
前記適合コードブックの変換は、
の形態をとり、
V i は、N t 掛けるN t のサイズのビームフォーミングマトリックスであるVのi番目のコードワードであり、
は、V i の新たなコードブックにおけるi番目のコードワードであり、iは整数であり、FはN t 掛けるN t の変換マトリックスであり、orth(X)は、入力ビームフォーミングマトリックスXを、X'番目の列と同じサブスペースをカバーする直交列を有する直交マトリックスに変換する方法。 - 前記適合コードブックは、アンテナ相関性が上がると、アンテナ相関マトリックスの平均的なビームフォーミング方向で、コードワード同士が連結するよう変換される請求項1に記載の方法。
- 前記無線ネットワークにおける前記通信に基地局(BS)とサブスクライバステーション(SS)とを利用する段階をさらに備え、
前記BSおよび前記SSは、同時にコードブックを変換して、BSアンテナ相関性について最適化された新たな量子化コードブックを生成する請求項1または2に記載の方法。 - 送信共分散マトリックスは、エントリ毎に量子化され、
対角線上のエントリは正の数として量子化され、上部または下部の三角形の対角線上にないエントリは複素数として量子化される請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。 - 前記無線ネットワークは、IEEE(Institute for Electrical and Electronic Engineers)802.16e規格に準拠したWMAN(wireless metropolitan area network)である請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
- αiが信号対雑音比の関数であり、前記信号対雑音比が低い場合には、Σ 2i/k の寄与が大きく、前記信号対雑音比が低くなるにつれて重み付け関数αiが大きくなる請求項11に記載の方法。
- 無線ネットワークの通信にビームフォーミング用の適合コードブックを利用するトランシーバを備え、
送信アンテナ間のアンテナ相関性から得られた位相情報を利用して、入力ビームフォーミングマトリックスが存在する可能性の高い方向に、前記適合コードブックの量子化マトリックスを変換し、これにより前記適合コードブックは、前記アンテナ相関性に応じて変化され、
前記適合コードブックは送信共分散マトリックスに基づいて生成され、
前記適合コードブックの変換は、
の形態をとり、
V i は、N t 掛けるN t のサイズのビームフォーミングマトリックスであるVのi番目のコードワードであり、
は、V i の新たなコードブックにおけるi番目のコードワードであり、iは整数であり、FはN t 掛けるN t の変換マトリックスであり、orth(X)は、入力ビームフォーミングマトリックスXを、X'番目の列と同じサブスペースをカバーする直交列を有する直交マトリックスに変換する装置。 - 前記トランシーバは、IEEE802.16e規格に準拠するWMANにおける通信に利用可能な基地局で利用される請求項16に記載の装置。
- 前記トランシーバは、IEEE802.16e規格に準拠するWMANにおける通信に利用可能なサブスクライバステーションで利用される請求項16に記載の装置。
- 前記適合コードブックは、アンテナ相関性が上がると、アンテナ相関マトリックスの平均的なビームフォーミング方向で、コードワード同士が連結するよう変換される請求項16に記載の装置。
- 前記無線ネットワークにおける前記通信に基地局(BS)とサブスクライバステーション(SS)とを利用することをさらに備え、
前記BSおよび前記SSは、同時にコードブックを変換して、BSアンテナ相関性について最適化された新たな量子化コードブックを生成し、
VtはNt掛けるNtのサイズのビームフォーミングマトリックスであり、FはNt掛けるNtの変換マトリックスであり、orth(X)は、入力ビームフォーミングマトリックスXを、X'番目の列と同じサブスペースをカバーする直交列を有する直交マトリックスに変換する請求項16から19のいずれか一項に記載の装置。 - マシンアクセス可能媒体であって、
無線ネットワークの通信にビームフォーミング用の適合コードブックを作成する処理をマシンに実行させる命令を提供し、
送信アンテナ間のアンテナ相関性から得られた位相情報を利用して、入力ビームフォーミングマトリックスが存在する可能性の高い方向に、前記適合コードブックの量子化マトリックスを変換し、これにより前記適合コードブックは、前記アンテナ相関性に応じて変化され、
前記適合コードブックは送信共分散マトリックスに基づいて生成され、
前記適合コードブックの変換は、
の形態をとり、
V i は、N t 掛けるN t のサイズのビームフォーミングマトリックスであるVのi番目のコードワードであり、
は、V i の新たなコードブックにおけるi番目のコードワードであり、iは整数であり、FはN t 掛けるN t の変換マトリックスであり、orth(X)は、入力ビームフォーミングマトリックスXを、X'番目の列と同じサブスペースをカバーする直交列を有する直交マトリックスに変換するマシンアクセス可能媒体。 - 前記適合コードブックは、アンテナ相関性が上がると、アンテナ相関マトリックスの平均的なビームフォーミング方向で、コードワード同士が連結するよう変換される請求項23に記載のマシンアクセス可能媒体。
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