JP5587367B2 - マルチアンテナ送信を適応させるための方法及び配置 - Google Patents
マルチアンテナ送信を適応させるための方法及び配置 Download PDFInfo
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Description
本発明は、第1のノード内での方法及び配置と第2のノード内での方法及び配置に関する。特に、無線チャネルを介した第1のノードから第2のノードへのマルチアンテナ送信の適応に関する。
無線通信システム内のノードの送信機及び/又は受信機で複数のアンテナを使用することにより、無線通信システムの容量及び有効範囲を大幅に増大させることができる。こうした多入力多出力(MIMO)システムは、通信チャネルの空間次元を活用し、例えばいくつかの並列情報担持信号を送信すること、いわゆる空間多重化によって性能を向上させる。送信を現在のチャネル条件に適応させることによって、かなりの追加利得が達成可能である。適応の形の1つが、1つの送信時間間隔(TTI)から他の送信時間間隔へ、同時に送信される情報担持信号の数を、チャネルがサポート可能なように動的に調整することである。これは、一般に送信ランク適応と呼ばれる。他の関連する適応の形は、上記信号の位相及び振幅が現在のチャネル特性により良く適応するように調整されるプレコーディングである。プレコーディングの特殊なケースが、すべての送信信号が受信機側で構成的に追加されるように、各送信アンテナ上で情報担持信号の位相が調整される従来のビーム形成である。
本発明について、本発明の例示的実施形態を示す添付の図面を参照しながら、より詳細に説明する。
本発明は、以下で説明される実施形態で実施可能な、第1及び第2のそれぞれのノード内での方法及び配置として定義される。
上述のように、第1のノード100のエンコーディング・ユニット162は、コーディング及び変調ユニット300と、例えばプレコーダなどのプレコーディング・ユニット310とに対応する2つの部分にさらに細分化することができる。コーディング及び変調ユニット300並びにプレコーディング・ユニット310の例が、図3に示されている。コーディング及び変調ユニット300は情報ビットを入力として受け取り、情報担持シンボル・ベクトルのシーケンス、すなわちベクトル値情報担持信号を出力として生成する。情報担持シンボル・ベクトルは、1つのシンボル・ストリーム、又は、各ベクトルsの各要素があるシンボル・ストリームに属する並列のいくつかのシンボル・ストリームとしてみることができる。異なるシンボル・ストリームは一般にレイヤと呼ばれ、任意の所与の時点で、送信ランクrに対応するrの異なるこうしたレイヤが存在する。従って、無線チャネル130を介して第2のノード120に送信されることになる信号は、少なくとも1つのシンボル・ストリーム(又はレイヤ)を備える。次に、特定のr×1の情報担持シンボル・ベクトルs内のrのシンボルに、NT×rのプレコーダ行列WNT×rが掛けられ、ここでNTは、MIMOチャネルの入力の数(例えば、送信アンテナの数、アンテナ・ポートの数など)を示す。上記プレコーディング動作により、結果として生じる出力をポスト処理ユニット163に転送する。第1のノード100は、あるプロダクト構造を有するプレコーディング行列を決定するが、これについては後に詳細に説明する。これは、チャネルの特徴に合致するように、すなわち、NR×NT MIMOチャネル行列Hに合致するように、プレコーディング行列を選択することによって実施可能である。プレコーダ行列WNT×rは、チャネルHの値に依存する。s内のrの情報担持シンボルは、通常、複素数値である。ランク適応のサポートにより、同時に送信されるシンボル・ストリームの数rを現在のチャネル特徴に合うように設定することができる。プレコーディングに続いて、信号はチャネルHを介して搬送され、NR要素を備えるアンテナアレイによって受信される。受信機はおそらく、前処理ユニット171を使用して信号を処理する。信号をNR×1ベクトルyに集めること、及びチャネルのコヒーレンス帯域幅と比較して十分に狭い帯域幅を介した信号を考慮に入れることによって、以下のモデルが与えられ、
上式で、eは通常、何らかのランダム・プロセスの実現として取得される雑音ベクトルとしてモデル化され、チャネルの出力は前処理ユニット171の出力に対応する(後者はトランスペアレントとすることができる)。このモデルは、通常、副搬送波ベースで適用することができるOFDMシステム(例えばLTE、WiMaXなど)についても明らかに保持する。
再度図2を参照すると、第1のノード100はマルチアンテナ・システムを備え、いくつかの実施形態では、少なくとも1つのアンテナが水平偏波方向に電波を発し、少なくとも1つの他のアンテナが直交(すなわち垂直)偏波方向にエネルギーを発する。こうした、二重、又は交差偏波アンテナのセットアップは、共偏波アンテナのグループと、そのグループに対して直交するように偏波した他の共偏波アンテナのグループとを含むことができる。「共偏波」とは、アンテナが同じ偏波で送信されることを意味する。理想的な見通し線条件の下で、理想的なアンテナ応答と、受信側の同様の二重偏波アンテナ・セットアップとを想定すると、交差偏波アンテナ・セットアップは、結果としてブロック対角チャネル行列を生じ、これについては以下で詳細に説明する。図2の例では、第1の2つの送信アンテナ160 1及び2が水平に偏波され、残りの2つの3及び4が垂直に偏波される。第2のノード120内の受信アンテナも同様に配置される。送信アレイの共偏波アンテナは、十分に離れた間隔を空けることが可能であるため、フェージングは、共偏波要素に関連付けられたチャネル間ではおおむね相関関係がない。上述のように、チャネルはチャネル行列を使用してモデル化することができる。一般性を失うことなく、送信及び受信のアンテナ要素を適切に再順序付けすることによって、結果として生じる4×4チャネル行列Hは、以下の式に従ったブロック対角構造を有する傾向がある。
複素数値チャネル係数h33が、送信アンテナ160 3と受信アンテナ170 3との間の物理チャネルを含む有効チャネルを表し、
複素数値チャネル係数h34が、送信アンテナ160 4と受信アンテナ170 3との間の物理チャネルを含む有効チャネルを表し、
複素数値チャネル係数h43が、送信アンテナ160 3と受信アンテナ170 4との間の物理チャネルを含む有効チャネルを表し、
複素数値チャネル係数h44が、送信アンテナ160 4と受信アンテナ170 4との間の物理チャネルを含む有効チャネルを表す。
上式で、行列は、非対角
ブロック
(k=1,2,...,K,K≠1)及びおそらく可変サイズである対角
ブロック
(k=1,2,...,K)に細分化することができる。チャネルは、適切な行及び列置換によって上記のような形にするために再配置可能な場合、ブロック対角となるように定義され、結果として、非対角ブロック
内のチャネル係数の平均電力(高速フェージングが平均化されるように、十分に長期間にわたって平均化された場合)が、対角ブロック
内のチャネル係数の平均電力よりも、十分に低くなることに留意されたい。こうした十分に低い電力は、例えば、交差偏波アンテナ・セットアップが第1のノード100内で使用され、同様の交差偏波アンテナ・セットアップが第2のノード120内で使用される場合に、発生する。ブロック対角と非ブロック対角とのチャネル係数間の平均電力における相違は、伝搬シナリオに応じて、しばしばおよそ6dBであるか、又はそれよりも大幅に大きい。第2のノード120で使用されるアンテナ・セットアップが、たとえ正確に交差偏波されない場合であっても、電力の相違は依然として大きい可能性がある。
この解決策では、第1のノード100は、あるプロダクト構造を有するプレコーディング行列を決定する。プロダクト構造の観念については後に提示し、プレコーディング及びプレコーディング用のコードブックに関する考察後に明示的に定義する。決定されたプレコーディング行列は、第2のノード120に送信されることになる少なくとも1つのシンボル・ストリーム(すなわち、1つ又は複数のレイヤ)をプレコーディングするために使用されることになる。この決定は、チャネル行列Hを使用してモデル化されたチャネルの特徴に合致するように、プレコーディング行列を選択することによって実行可能である。第1のノード100の交差偏波アンテナ・セットアップが水平及び垂直の偏波アンテナを使用している場合、ブロック対角構造・プレコーダの使用がブロック対角チャネル行列のブロック対角構造に合致するため、ブロック対角構造によるプレコーディングが好適である。しかし、上記アンテナ・セットアップが、例えば±45度に配向された偏波を使用する場合、もはやチャネル行列は、水平及び垂直偏波が使用された場合のブロック対角ではないものと考えられる。この場合、プレコーダを、2行列、1ユニタリー、いわゆるブロック対角化ユニタリー行列と、1ブロック対角行列の製品に分解することを含むため、プレコーダ・プロダクト構造が有益であり、後者の行列は前者と左から掛け合わされる。使用されることが決定されたブロック対角化ユニタリー行列は、±45度の交差偏波アンテナ・セットアップを仮想0/90度の(すなわち水平及び垂直に偏波された)交差偏波アンテナ・セットアップに変形することが可能であり、これによって、ブロック対角となる傾向を有する結果として生じる新しいチャネルがわかる。ブロック対角仮想チャネルが有効に取得されるため、ここでプロダクト構造内のブロック対角プレコーダを使用して、その特徴を合致させることができる。基本的に、ユニタリー行列は偏波を回転させる働きをするため、結果として、送信される信号は垂直及び水平方向に位置合わせされる。こうしたプロダクト構造の利点は、プレコーダが一定の係数要素を有するように作成できることであり、これは、どの正確なプロダクト構造・プレコーダが使用されるかに関わらず、すべてのアンテナ・ポートで同じ電力が使用されることを意味する。それ故、これにより、異なる電力増幅器(PA)上で異なる送信電力を処理しなければならないという問題が解決される。それ故、プロダクト構造は、有益な水平及び垂直偏波における送信を位置合わせするだけでなく、同時に、これら2つの偏波間でのPA電力のポーリングも提供する。
図2を参照すると、いくつかの実施形態で、第1のノード100はコードブック180を備える。第1のノード100は、第1のノード100に含まれるコードブック180からプロダクト構造を有するプレコーディング行列を選択することによって、あるプロダクト構造を有するプレコーディング行列の決定を実行することができる。
上式で、VはNT×NTブロック対角化ユニタリー行列であり、
(は以降Wティルドと記載する。)
は、NT×rブロック対角行列である。
Wティルドのブロック対角特徴は、プレコーダ行列内のゼロの配置に関係する。ブロック対角プレコーダ行列
は、一般に、以下のように書き表すことが可能であり、
上式を見ればわかるように、(ブロック領域内の)対角線上でサイズが変化する可能性のある、Mk×Lkブロック
(k=1,2,...,K)のみが、非ゼロ要素を含むことができる。プレコーダ行列は、上記の形を達成するようにその列及び行が置換可能な場合、ブロック対角とみなされる。表1のランク2のケースは、プレコーダ行列が以下の構造を有する場合の例を示す。
ブロックは、サイズ1×1とすることができることにも留意されたい。従って、識別行列は、ブロック対角構造を有するものとみなすこともできる。
ブロック対角化ユニタリー行列の一例は、以下によって与えられ、
これは、最初の2つのアンテナが+45度の偏波方向を有し、残りの2つが−45度の偏波方向を有する、NT=4Txアンテナアレイを想定すると、水平及び垂直方向に位置合わせされるように、±45度偏波を回転することになる。表1に示されたセット内のブロック対角要素Wティルドと組み合わされると、送信は、垂直及び水平に偏波されたアンテナを備えたアンテナ・セットアップに適用されるブロック対角コードブックから発せられるものとみなすことができる。ブロック対角化ユニタリーVを表1のWティルド行列と掛け合わせることによって、表2のプレコーダ要素のコードブックが得られる。表を見ればわかるように、各プレコーダ行列内のすべてのスカラ要素は、どのプレコーダ要素が選択されるかにかかわらず、様々なアンテナ・ポート/送信アンテナに対応する信号のすべてが同じ電力を有するという点で、均衡の取れた設計を暗示する同じ絶対値を有する。それ故、PAは、プレコーディング動作の観点から、完全に利用することができる。
表1:2つの空間的に分離された(短距離)SU−MIMOモードの交差偏波アンテナ・ペアに特に好適なブロック対角Wティルド行列のセット例。
表2:プロダクト・ストラクチャを有するプリコーダ行列Wのコードブック例
又は
となる。
表3:2つの空間的に分離された(短距離)SU−MIMOモードの交差偏波アンテナ・ペアに特に好適なWティルド行列セットのストラクチャ例。表記を簡略化するために、選択されたプリコーディング行列に関係なく合計伝送出力を一定に維持するような行列のスケーリングは、意図的に省略されていることに留意されたい。
表4:2つの空間的に分離された(長距離)SU−MIMOモードの交差偏波アンテナ・ペアに特に好適なWティルド行列セットのストラクチャ例。表記を簡略化するために、選択されたプリコーディング行列に関係なく合計伝送出力を一定に維持するような行列のスケーリングは、意図的に省略されていることに留意されたい。
表5:2つの空間的に分離された(長距離)SU−MIMOモードの交差偏波アンテナ・ペアに特に好適なWティルド行列セットのストラクチャ例。表記を簡略化するために、選択されたプリコーディング行列に関係なく合計伝送出力を一定に維持するような行列のスケーリングは、意図的に省略されていることに留意されたい。
401. 第1のノードは少なくとも1つのシンボル・ストリームを取得する。シンボル・ストリームは、無線チャネルを介して第2のノード120へ送信されるように意図される。
402. このステップはオプションである。いくつかの実施形態では、第1のノード100は第2のノード120からチャネル情報を受け取る。チャネル情報は、一般に、統計的に無線チャネルに関する数量である。チャネル情報の例には、チャネル推定、量子化チャネル推定、プレコーダ推奨などが含まれる。具体的に言えば、受信したチャネル情報は、第2のノード120が第1のノード100に対してプレコーディング・ステップで使用することを推奨するプレコーディング行列を含むことができる。上記チャネル情報がチャネル推定を含むいくつかの実施形態では、第1のノード100は、送信に好適なプレコーダ行列を決定するために、このチャネル推定を使用することができる。
403. このステップでは、第1のノード100は、ブロック対角行列を左からブロック対角化ユニタリー行列と掛け合わせることによって作成されたプロダクト構造を有するプレコーディング行列を決定する。
いくつかの実施形態では、ブロック対角化ユニタリー行列は45度ブロック対角化ユニタリー行列である。
いくつかの実施形態では、第1のノード100は、オプション・ステップ402で第2のノード120からチャネル情報を受け取っている。これらの実施形態では、このプレコーディング行列を決定するステップは、第2のノード120から受け取ったチャネル情報に基づいて実行される。
このプレコーディング行列を決定するステップは、逆方向リンクで実施された測定、すなわち第2のノード120からの送信によって発生した受信信号の第1のノード100での測定に基づいて決定すること、及び/又はチャネル相互依存の特性を活用することによっても実行可能である。チャネル相互依存とは、チャネル、又はチャネルのある種の特性が、順方向(第1のノード100から第2のノード120への)リンク及び逆方向(第2のノード120から第1のノード100への)リンクで同様であることを意味する。逆方向リンクでの測定はチャネル推定を含むことができる。
いくつかの実施形態では、第1のノード100は、プレコーディング要素を含むプレコーディング・コードブック180を備え、プレコーディング・コードブック180内のプレコーディング要素の少なくとも半分は上記プロダクト構造を有する。この場合、このステップは、コードブック180からのプロダクト構造を有するプレコーディング行列を選択することによって実行可能である。
ブロック対角化ユニタリー行列は、例えば以下と等価とすることができる。
又は
404. 第1のノード100は、少なくとも1つのシンボル・ストリームを決定されたプレコーディング行列でプレコーディングする。
405. 次に第1のノード100は、プレコーディングされた少なくとも1つのシンボル・ストリームを、無線チャネル130を介して第2のノード120へ送信する。いくつかの実施形態では、第1のノード100内のプレコーディングされた少なくとも1つのシンボル・ストリームの送信は、交差偏波アンテナ・セットアップを備えたマルチアンテナ・システムを使用して実行される。
601. これはオプション・ステップである。第2のノードは、第1のノード100によって送信のプレコーディングのために使用されることが推奨されるプレコーディング行列を選択する。
プレコーディング・コードブック180、190は第2のノード120に含めることができる。この場合、推奨されるプレコーディング行列は、上記のプレコーディング・コードブック180、190から選択することができる。
602. これはオプション・ステップである。第2のノード120は、チャネル情報を第1のノード100に搬送する。第1のノード100は、少なくとも1つのシンボル・ストリームに対応する送信のプレコーディングに使用されるものであるプレコーディング行列を決定する際の基礎としてこのチャネル情報を使用することができる。
オプション・ステップ601が実行される場合、上記搬送されるチャネル情報は、推奨されるプレコーディング行列で表すことができる。
603. 第2のノード100は、第1のノード100から搬送される無線チャネル130を介した少なくとも1つのシンボル・ストリームに対応する送信を受け取る。少なくとも1つのシンボル・ストリームは、ブロック対角行列を左からブロック対角化ユニタリー行列と掛け合わせることによって作成されたプロダクト構造を有するプレコーディング行列でプレコーディングされる。いくつかの実施形態では、ブロック対角化ユニタリー行列は、45度のブロック対角化ユニタリー行列である。
プレコーディング行列は、有限サイズのプレコーディング・コードブック180、190に含めることが可能であり、プレコーディング・コードブック内のプレコーディング要素の少なくとも半分は上記のプロダクト構造を有する。
ブロック対角化ユニタリー行列は、以下と等価とすることができる。
又は
いくつかの実施形態では、プレコーディングされた少なくとも1つのシンボル・ストリームの上記送信の受け取りが、交差偏波アンテナ・セットアップを備えたマルチアンテナ・システムを使用して実行される。
又は
いくつかの実施形態では、第2のノードの配置700は、チャネル情報を第1のノード100へ搬送するように構成された搬送ユニット720をさらに備える。第1のノード100は、受信した少なくとも1つのシンボル・ストリームをプレコーディングする際に使用することになるプレコーディング行列を決定するための基礎としてこのチャネル情報を使用することができる。
Claims (14)
- 無線チャネル(130)を介した第2のノード(120)へのマルチアンテナ送信を適応させるための第1のノード(100)内での方法であって、前記無線チャネル(130)が、少なくとも3つの入力及び少なくとも1つの出力を有し、前記第1のノード(100)及び前記第2のノード(120)が、無線通信システム(110)内に含まれ、
少なくとも1つのシンボル・ストリームを取得するステップ(401)と、
プロダクト構造を有するプレコーディング行列を決定するステップ(403)であって、前記プロダクト構造は、ブロック対角化ユニタリー行列を左から掛け合わせたブロック対角行列に分解可能である、ステップ(403)と、
前記少なくとも1つのシンボル・ストリームを前記決定されたプレコーディング行列でプレコーディングするステップ(404)と、
前記プレコーディングされた少なくとも1つのシンボル・ストリームを、無線チャネル(130)を介して前記第2のノード(120)に送信するステップ(405)と、
を含み、
前記ブロック対角化ユニタリー行列は、アンテナアレイの偏波方向を回転させ、
前記プレコーディング行列は複数の要素を含み、前記プレコーディング行列に含まれる各々の要素は同じ大きさを有する、方法。 - 前記ブロック対角化ユニタリー行列は、前記アンテナアレイの偏波方向を45度回転させる、請求項1に記載の方法。
- プレコーディング行列を決定する前記ステップ(403)が、プレコーディング要素を含むプレコーディング・コードブック(180,190)からプロダクト構造を有する前記プレコーディング行列を選択することによって実行され、前記プロダクト構造は、ブロック対角化ユニタリー行列を左から掛け合わせたブロック対角行列に分解可能であり、前記プレコーディング・コードブック(180,190)内の前記プレコーディング要素の少なくとも半分が、前記プロダクト構造を有する、請求項1または2に記載の方法。
- 前記第2のノード(120)からチャネル情報を受信するステップ(402)をさらに含み、前記プレコーディング行列を決定するステップ(403)が、前記第2のノード(120)から受信した前記チャネル情報に基づいて実行される、請求項1から5のいずれか1項に記載の方法。
- 前記受信したチャネル情報が、前記第2のノード(120)が前記プレコーディング・ステップ(404)を使用することを前記第1のノード(100)に推奨するプレコーディング行列を含む、請求項6に記載の方法。
- 無線チャネル(130)を介して第1のノード(100)からマルチアンテナ送信を受信するための第2のノード(120)内での方法であって、前記無線チャネル(130)は、少なくとも3つの入力及び少なくとも1つの出力を有し、前記第1のノード(100)及び前記第2のノード(120)は、無線通信システム(110)内に含まれ、
前記第1のノード(100)から搬送される無線チャネル(130)を介した少なくとも1つのシンボル・ストリームに対応する送信を受信するステップ(603)であって、少なくとも1つのシンボル・ストリームが、ブロック対角化ユニタリー行列を左から掛け合わせたブロック対角行列に分解可能なプロダクト構造を有するプレコーディング行列でプレコーディングされるステップを含み、
前記少なくとも1つのシンボル・ストリームを復調し、
前記ブロック対角化ユニタリー行列は、アンテナアレイの偏波方向を回転させ、
前記プレコーディング行列は複数の要素を含み、前記プレコーディング行列に含まれる各々の要素は同じ大きさを有する、方法。 - 前記ブロック対角化ユニタリー行列は、前記アンテナアレイの偏波方向を45度回転させる、請求項8に記載の方法。
- 前記プレコーディング行列が、有限サイズのプレコーディング・コードブックに含まれ、前記プレコーディング・コードブック内の前記プレコーディング要素の少なくとも半分が、前記プロダクト構造を有する、請求項8または9に記載の方法。
- 無線チャネル(130)を介した第2のノード(120)へのマルチアンテナ送信を適応させるための、第1のノード(100)内の配置(500)であって、前記無線チャネル(130)が、少なくとも3つの入力及び少なくとも1つの出力を有し、前記第1のノード(100)及び前記第2のノード(120)が、無線通信システム(110)内に含まれ、
少なくとも1つのシンボル・ストリームを取得するように構成された取得ユニット(510)と、
プロダクト構造を有するプレコーディング行列を決定するように構成された決定ユニット(520)であって、前記プロダクト構造は、ブロック対角化ユニタリー行列を左から掛け合わせたブロック対角行列に分解可能である、決定ユニット(520)と、
前記少なくとも1つのシンボル・ストリームを前記決定されたプレコーディング行列でプレコーディングするように構成されたプレコーディング・ユニット(530)と、
前記プレコーディングされた少なくとも1つのシンボル・ストリームを、無線チャネルを介して前記第2のノード(120)に送信するように構成された送信ユニット(540)と、
を備え、
前記ブロック対角化ユニタリー行列は、アンテナアレイの偏波方向を回転させ、
前記プレコーディング行列は複数の要素を含み、前記プレコーディング行列に含まれる各々の要素は同じ大きさを有する、第1のノードの配置(500)。 - 無線チャネル(130)を介して第1のノード(100)からマルチアンテナ送信を受信するための、第2のノード(120)内の配置(700)であって、前記無線チャネル(130)が、少なくとも3つの入力及び少なくとも1つの出力を有し、前記第1のノード(100)及び前記第2のノード(120)が、無線通信システム(110)内に含まれ、
前記第1のノード(100)から搬送される無線チャネルを介した少なくとも1つのシンボル・ストリームに対応する送信を受信するように構成された受信ユニット(710)であって、少なくとも1つのシンボル・ストリームが、ブロック対角化ユニタリー行列を左から掛け合わせたブロック対角行列に分解可能なプロダクト構造を有するプレコーディング行列でプレコーディングされる受信ユニット(710)と、
前記少なくとも1つのシンボル・ストリームを復調するように構成されたデコーディング復調ユニット(172)、を備え、
前記ブロック対角化ユニタリー行列は、アンテナアレイの偏波方向を回転させ、
前記プレコーディング行列は複数の要素を含み、前記プレコーディング行列に含まれる各々の要素は同じ大きさを有する、第2のノードの配置(700)。
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