JP4404551B2 - 無線通信システム - Google Patents
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Description
[技術分野]
本発明は、各々が複数のアンテナを有する第1及び第2端末の間の複数の経路又はパス(path)を含む通信チャネルを有する無線通信システムに関連する。また、本発明は、そのようなシステムで使用するための端末、及びそのようなシステムを動作させる方法に関連する。
【0002】
[背景技術]
無線通信システムでは、一般に無線信号は複数の経路を経由して送信機から受信機に伝搬し、各経路は1つ又はそれ以上の散乱体(scatterer)による反射を含む。それらの経路から受信した信号は、受信機にて建設的に又は破壊的に干渉し得る(その結果、場所に依存するフェージングになる)。更に、経路長の相違、及び送信機から受信機に信号が伝搬するのに要する時間の相違は、シンボル間干渉(inter−symbol interference)を引き起こす虞がある。
【0003】
マルチパス伝搬に起因する上記の問題は、受信機にて複数のアンテナを利用し(受信ダイバーシチ)、複数経路の全部又は一部を分解可能にすることで緩和させ得ることは、周知である。効果的なダイバーシチを行うには、個々のアンテナから受信された信号が、低い相互相関性(cross−correlation)を有することを要する。典型的には、これは、波長に対してかなりの割合だけアンテナを離すことで保証されるのであるが、我々の未公開の国際特許出願PCT/EP01/02759(出願人整理番号PHGB000033)に開示される手法を利用して、接近したアンテナを利用することも可能である。実質的に相関のない信号の利用を保証することによって、所与の時点で1以上のアンテナにおいて破壊的な干渉が生じる確率が、最小化される。
【0004】
また、送信機で複数のアンテナを利用することによっても、同様な改善がなされ得る(送信ダイバーシチ)。ダイバーシチ技術は、多入力多出力(MIMO:Multi−Input Multi−Output)システムとして知られるような、送信機及び受信機両者にて複数のアンテナを使用する場合に一般化され、これは一方でダイバーシチを行う場合よりもシステム利得又はゲインを更に増加させることが可能である。更なる改善として、複数のアンテナを設けることは、空間的な多重化を可能にし、送信用のデータストリームが複数のサブストリームに分割され、その各々が多くの異なる経路又はパスを通じて送信される。そのようなシステムの一例は、米国特許第6,067,290号(特許文献1)に開示されており、BLASTシステムとして知られる他の例は、以下の非特許文献1に開示されている。
【0005】
一般に、MIMOシステムでは、当初のデータストリームはJ個のサブストリームに分割され、その各々はnT=J個の要素を有するアレイ(array)中の異なるアンテナによって送信される。信号を受信するために、nR≧J個の要素を有する同様なアレイが利用され、そのアレイの各アンテナは、J個のサブストリームに関する様々な重ね合わせを受信する。これらの相違に加えて、チャネル伝達行列(channel transfer matrix)Hに関する知識を利用して、サブストリームは分離され、そして当初のデータストリームを生成するために再度組み合わせられる。公開された欧州特許出願EP−A2−0,905,920(特許文献2)に開示されているような、そのようなシステムの変形例では、送信前にサブストリームが変換され、チャネルを伝搬した後に、別の変換が当初のサブストリームを復元するようにする。しかしながら、適用される変換は、その行列の単独値分解(singular value decomposition)に基づいているので、そのようなシステムは、送信機及び受信機双方の伝達行列Hの知識を必要とする。
【0006】
MIMOシステムにて達成される実効性又はパフォーマンス利得は、所与のエラーレートにおけるデータレート全体を増加させるために、若しくは所与のデータレートに関するエラーレートを低減させるために、又はそれら両者のために使用され得る。また、MIMOシステムは、所与のデータレート及びエラーレートにおける全送信エネルギ又は電力を低減させるために制御され得る。
【0007】
理論的には、通信チャネルの容量は、送信機又は受信機のアンテナ数が小さくなるにつれて線形に増加する。しかしながら、公開された論文である非特許文献2によるシミュレーション結果は、実際には、通信チャネルの容量はその環境下に置かれた散乱体の数によって制限されてしまうことを示す。
【0008】
MIMOシステムを検討するために更に有用な事項は、チャネルの容量は、その環境における散乱体によって影響される、送信機及び受信機間の統計的に独立した経路数によって制限されることである。従って、送信機又は受信機のアンテナアレイにて、所与の環境におけるそれら特定の場所に影響される独立した経路数より多くの要素を備えることは有利ではない。目下提案されているMIMOシステムは、送信機及び受信機にて固定数のアンテナを使用し、従って固定数のサブストリームを使用するが、独立した経路数がサブストリーム数より小さい場合は非効率的になってしまう。それに加えて、上述したように、既知のMIMOシステムは、実質的に相関性のない信号を得るために、充分に離間したアンテナを設けることを前提としている。
【0009】
[特許文献1]
米国特許第6,067,290号明細書
[特許文献2]
欧州特許出願公開第0,905,920号明細書
[非特許文献1]
P W Wolniansky,et al.,“V−BLAST:an architecture for realising very high data rates over the rich−scattering wireless channel”,1998 URSI International Symposium on Signals,Systems and Electronics,Pisa,Italy,29 September to 2 Octobeer 1998
[非特許文献2]
A G Burr,“Channel Capacity Evaluation of Multi−Element Antenna Systems using a Spatial Channel Model”,ESA Millennium Conference on Antennas and Propagation,Davos,Switzerland,9−14 April 2000
[発明の開示]
本発明は、改善された効率及び柔軟性を有するMIMOシステムを提供することを目的とする。
【0010】
本発明の一態様により与えられる無線通信システムは、各々が複数のアンテナを有する第1及び第2端末の間の複数の経路より成る通信チャネルを有し、前記第1端末は、前記第2端末からの信号が到来する複数の方向を判定する方向判定手段と、複数の方向の全部又は一部から複数の信号をそれぞれ受信する手段と、受信した信号から複数のサブストリームを抽出する手段と、複数のサブストリームを結合して出力データストリームを与える手段とを有する受信手段より成り、更に、前記第1端末は、送信するための信号を複数のサブストリームに分離する手段と、前記受信手段により判定された複数の各方向にサブストリームの各々を送信する送信手段より成る。
【0011】
本発明は、各端末が単独のアンテナを備えている従来のシステムと比較して全送信電力を増加させることを要求することなしに、送信されるサブストリーム数が変化することを許容することで柔軟性を向上させ、マルチパス信号の角度分布(angular distribution)を考慮することで効率及びスループット(又は処理能力)を改善する。
【0012】
信号の到来方向は、角度についての電力スペクトルを測定し、最強の信号が到来する方向を判定することによって決定される。送信に関しては、各サブストリームは同一の電力及びビットレートで送信されることが可能であり、又はサブストリームの個々の電力及び/又はビットレートは信号雑音比のような何らかの品質パラメータに依存して変化させることも可能である。これは、端末からの所与の全送信電力に対するシステム容量を更に改善することを可能にする。信号を受信する方向数が、信号の送信された方向数と同じであることは必要とされない。
【0013】
各端末における複数のアンテナは、用途に応じて指向性又は無指向性の放射パターンを有する、任意の適切な形式のものであり得る。端末における総てのアンテナが、同一形式のものであることや、同一の放射パターンを有することは必要とされず、端末が同数のアンテナを有することも必要とされない。
【0014】
本発明の第2態様による端末は、前記端末と別の端末の間の複数の経路より成る通信チャネルを有する無線通信システムで使用され、他の端末からの信号が到来する複数の方向を判定する方向判定手段を有する受信手段が備えられ、送信用の信号を複数のサブストリームに分離する手段と、前記受信手段により判定された複数の各方向にサブストリームの各々を送信する手段とを有する送信手段が備えられる。
【0015】
本発明による端末は、送信機及び受信機の両者として動作し得る。また、本発明による端末は、従来の受信機を使用する場合における送信機として動作し得る。それでもそのような端末は、送信信号に関する方向を判定し得るように、受信信号の方向を判定することの可能な受信手段を必要とする。
【0016】
本発明の第3態様による端末は、前記端末と別の端末の間の複数の経路より成る通信チャネルを有する無線通信システムで使用され、他の端末からの信号が到来する複数の方向を判定する方向判定手段と、複数の方向の全部又は一部から複数の各自の信号を受信する手段と、受信した信号から複数のサブストリームを抽出する手段と、複数のサブストリームを結合して出力データストリームを与える手段を有する。
【0017】
また、本発明は受信機単独として動作させることも可能である。
【0018】
本発明の第4態様によれば、各々が複数のアンテナを有する第1及び第2端末の間に複数の経路を有する通信チャネルより成る無線通信システムを動作させる方法が与えられ、第1端末が、第2端末からの信号が到来する複数の方向を判定し、複数の方向の全部又は一部から信号を受信し、受信した信号から複数のサブストリームを抽出し、及び複数のサブストリームを結合して出力データストリームを与え、更に、前記第1端末が、送信用の信号を複数のサブストリームに分離し、判定された複数の方向の各自にサブストリームの各々を送信する。
【0019】
本発明は、従来技術とは異なり、特定の端末から最強の信号が受信される方向を判定し、それらの方向でその端末に信号を送信することで、送信時に浪費する電力を削減し、増進したスペクトル効率が達成される、という認識に基づいている。
【0020】
[発明を実施する形態]
以下、添付図面を参照しながら、具体例として、本発明の実施例を説明する。図中、同一の参照番号は関連する性質を示すために使用される。
【0021】
図1は、既存のMIMO無線システムを示す。複数のアプリケーション102(AP1乃至AP4)が、送信用のデータを作成する。また、アプリケーション102は、複数のデータストリームを作成することも可能である。データストリームはマルチプレクサ(MX)104により単一のデータストリームに結合され、それは送信機(Tx)106に与えられる。送信機106はデータストリームをサブストリームに分けて、各サブストリームを、複数のアンテナ108の内の1つ又はそれ以上に対応付ける又はマッピング(map)する。
【0022】
典型的には順方向誤り訂正(FEC)を含む適切な符号化が、送信機106によって、多重化に先立って行われ得る。これは、垂直符号化(vertical coding)として知られており、総てのサブストリームに符号化が適用されるという利点を有する。しかしながら、結合デコード(joint decoding)が必要とされ、各サブストリームを個々に抽出することが困難になるので、サブストリームを抽出する際に問題が生じ得る。代替例として、各サブストリームが別々に符号化される技術があり、これは受信動作を簡易化する水平符号化(horizontal coding)として知られる。これらの手法については、例えば、X Li,et al.,“Effects of Iterative Detection and Decoding on the Performance of BLAST”,Proceedings of the IEEE Globecom 2000 Conference, San Francisco,November 27 to December 1,2000の論文にて議論されている。
【0023】
垂直符号化が使用されるならば、適用される順方向誤り訂正(FEC)は、複数の経路110を有するMIMOチャネル全体に対処するために、充分な誤り訂正能力を備える必要がある。図示の簡易化のため、アンテナ108の間で直接経路(direct path)のみが描かれているが、一般的には、経路の集合は、信号が1つ又はそれ以上の散乱体によって反射される間接経路(indirect path)を包含することは、理解されるであろう。
【0024】
受信機(Rx)112にも複数のアンテナ108が設けられ、多重経路から信号を受信し、その後に結合、デコード及びデマルチプレクスし、各アプリケーションに対する個々のデータストリームを与える。送信機110及び受信機112が同数のアンテナを有するように描かれているが、このことは実際には必須ではなく、アンテナ数は空間的な及び容量的な制約に依存して最適化され得る。同様に、送信機106は任意の数のアプリケーションを処理する又はサポートすることが可能である(例えば、音声のみの移動電話機における単一アプリケーション、又はPDAにおける多数のアプリケーション)。
【0025】
「並列(parallel)」形式の通信システムを支える基本原理は、何らかの手法で受信機にて区別され得る、通信するための複数の経路を見出すことである。例えばOFDMシステムでは、実際には、様々なサブストリームが様々なキャリア周波数で送信され、その間隔は、それらが直交し、受信機にて識別され得るようなものである。同様にBLASTシステムでは、非常に散乱される環境では、互いにλ/2の最小距離離れた送信アンテナを備えることで、単独のアンテナで受信される信号が各サブストリームの線形結合より成り、各サブストリームの位相及び振幅が独立するようにする。しかしながら、サブストリームは、更なる情報なしに、その単独のアンテナから区別することはできず−問題は、J個の未知数(サブストリーム)に関する同時方程式(simultaneous equation)を解くようなものであり、J個の未知数を曖昧さなしに区別するには、少なくともJ個の無関係の又は独立した方程式が必要とされる。BLASTシステムでは、各々がλ/2の最小距離だけ互いに離れたnR(≧J)個のアンテナを設けることによって、それが達成される。この最小距離は、各受信機アンテナからのnR個の信号が、J個の未知のサブストリームのnR個の独立な線形結合を与えることを保証し−そのnR個の結合が、必要とされる同時方程式である。各方程式の係数は、nT個の送信機アンテナ及びnR個の受信機アンテナの間における複素チャネル伝達係数であり、(以下に説明される)伝達行列Hによって記述される。
【0026】
非相関性の波形を送信又は受信する他の手法は、角度分離を利用することであり、この技術は現在の多くのダイバーシチシステム(即ち、角度ダイバーシチ)で利用されている。異なる方向から到来した(又は異なる方向へ送信された)マルチパス信号は、一般に、異なる散乱体の影響を受け、各々が異なる減衰及び時間遅延を受ける(即ち、異なる複素チャネル伝達係数となる)。このため、BLASTシステムと同様に、サブストリームを別々の角度又は方向に送信することで、受信機にて非相関性の信号が形成され得る。
【0027】
本発明により形成されるシステムは、BLASTのような既存のシステムと代替的な無線送受信アーキテクチャを与え、本発明の基本は、K個の別々のサブストリームをK個の異なる方向に送信すること、及びJ個の別々の方向からマルチパス信号を受信することである。何れの場合でも、選択される方向は、最大の電力又は信号雑音比(SNR)を有するマルチパス信号が受信された方向に依存し、それは角度の電力スペクトルA(Ω)の測定により決定される。例えば、Q Spencer,et al.,“A statistical model for angle of arrival in indoor multipath propagation”,1997 IEEE Vehicular Technology Conference,Phoenix,USA,4−7 May 1997,pages1415−19の公表された論文に報告されているように、実測値及びシミュレーションは、マルチパス信号が、一様にランダムな方位角(azimuth angle)に関して一群となって又はクラスタ(cluster)となって到来することが示唆されている。従って、選択される方向は、これらのクラスタの到来角に対応する傾向がある。しかしながら、このことは、本発明がクラスタ内で個々の経路を利用することを妨げるものではないが、充分に高い分解能のアレイが使用されることを条件とする。本願実施例は送信機アーキテクチャを説明するが、送信部又は受信部の何れも、BLASTのような他の受信機又は送信機と独立して使用され得る。その理由は、送信機又は受信機にて離れてゆく又は到来する信号は、異なる方向(角度領域)を伝搬する平面波として、又は空間内の干渉パターンとして取り扱われることが可能だからである(BLASTにおけるような空間領域)。
【0028】
本発明によるアーキテクチャの主な利点は、到来するマルチパス信号の角度の電力スペクトルを測定することで、かなりの散乱体が存在する方向を判定することが可能なことである。従って、受信機112にてマルチパス信号が到来するその方向に波形整形又はビームフォーミング(beamforming)を行うことで、受信機電力はより効率的に使用される。そして、それらの方向に送信することで、その環境下にあり得る散乱体の完全な利用(full use)がなされ、これにより、より多くの送信電力が受信機112にて受信されるので、増進したスペクトル効率を達成することが可能になる。このことは、平均的に多くの減衰が、受信機にて有用なマルチパス成分の多くを減少させる、高周波で動作する無線システムにとって非常に重要である。
【0029】
他の利点は、送信機として、角度電力スペクトルA(Ω)以外に、伝達行列Hの知識を何ら必要としないことであり、これはEP−A2−0,905,920に開示されるシステムと相違する。
【0030】
図2は、本発明による時分割多重化システムにおける送受信機の動作を示すフローチャートである。送受信機の動作は、単一の送受信機を形成する送信機106及び受信機112に関するサイクルとして描かれ、図中右側のステップは受信機112に関連し、左側のものは送信機106に関連する。
【0031】
受信機112の最初の動作は、ステップ202にて、到来するマルチパス信号の角度スペクトルA(Ω)を測定することである。次に、ステップ204にて、角度スペクトルを処理して、A(Ω)における最大電力に関する最初のJ個のピークの方向であるところのΩjを見出す。その後にビームフォーミング技術を利用して、ステップ206にて、選択した方向ΩjにおけるJ個の個々の受信信号rjを得る。ステップ208において、伝達行列Hの要素が決定され、hjkは、k番目の送信方向とj番目の受信方向の間のチャネルに関する複素伝達係数である。最後に、受信機112では、ステップ210にて、標準的なマルチユーザ検出技術を利用して、K個の送信されたサブストリームを抽出する。但し、skはk番目のサブストリームである。
【0032】
送信機106における最初の動作は、ステップ212にて、到来するデータをJ個の遅いレートのデータストリームに分離又はデマルチプレクスすることであり、その後にステップ214にて、生成したJ個のサブストリームの各々が各自の方向Ωjに送信される。その後に送受信機はステップ202にて受信機モードに復帰し、マルチパスにて生じる任意の変化に適応する。
【0033】
図2におけるステップ各々の詳細な実現性は、適切な既存の技術の範疇にあるので、本発明にとって特に重要なものではない。それらの具体例を以下に説明する。実際には、フローチャートの各サイクルは、完全なデータのバーストに対して行われる。従って、測定される角度スペクトルA(Ω)及び伝達行列Hは、バースト全体に対して有効であり、少なくともA(Ω)は送信される次のバーストに有効であることを想定する。
【0034】
別個の送信機及び受信機の部分を有する本願実施例を説明するが、送信機の部分を最初に考察するのは、それは概して受信機よりも直接的だからである。本説明は受信及び送信サイクルを包含し、即ち受信(その処理/デコードを含む)及びその後のビットの1フレーム又はバーストの送信を包含する。
【0035】
ビットのフレームは、プロトコル及びトレーニングシーケンスに関する任意の外部オーバーヘッドと供に、「ペイロード(payload)」データを含むことを想定する。適応プロセスを実効的にするには、送信機、受信機又は散乱体に起因するチャネル内での変化が、フレームの持続時間にわたって無視することができる程度に充分に、フレームの持続時間が短いことが望ましい。他の重要な仮定はチャネルが狭帯域であることであり、即ち、チャネルの遅延分散(delay spread)がビット又はシンボル持続時間よりも非常に小さく、チャネルインパルス応答(CIR:Channel Impulse Response)が実質的にインパルス又はデルタ関数になるようにする。これが、CIRでなく、hjkチャネル係数を記述する理由である。しかしながら、例えば、指定された方向Ωjから受信した各サンプルに等化が利用されるならば、本発明を広帯域チャネルに応用することも可能である。
【0036】
図3は、送信機106の概略的なブロック図である。到来するデータS(t)は、デマルチプレクサ302によってJ個のサブストリームsj(t)(1≦j≦J)に分離される。但し、J≦Mであり、Mはアンテナ108の数である。サブストリーム数は、無線チャネル特性その他の条件に応じて変化し得る。選択的に、ビットレートBj又は送信されるSNRγtrans,jを各サブストリーム毎に変化させ、所与の制限(outage)に関して送信される全ビットレートを最大化するようにする。この手法は、「充水(water filling)」法として知られており、例えば、Rober Gallager,“Information Theory and Reliable Communication”,Wiley,pages 343 to 354 に記載されている。
【0037】
J個のストリームは、多重ビーム重み付け行列304に導入される。これは、一組の複素重みwmjをJ個の入力サブストリームsjに適用し、次式(1)
【0038】
【数1】
に従って、M個の出力サブストリーム
【0039】
【外1】
を生成し、また、これは、
【0040】
【数2】
として書き表すことも可能である。複素重み行列Wを信号ベクトルsに作用させた結果は、信号ベクトル
【0041】
【外2】
であり、そのm番目の要素が、アレイ中のm番目のアンテナ108に印加される信号である。本質的には、重み付け行列304は、J個のサブストリーム各々についてのビームフォーミングである。各サブストリームは、アンテナアレイに関するそれ自身の一組の重み又はウエイトを有し、総てのサブストリームの重みについての影響がアンテナアレイにて合計(add up)する場合であっても、遠方フィールド(farfield)放射パターンを意味する重ね合わせの原理が、各サブストリームに意図される輻射パターンの総和になるようにする。各自の方向に伝搬するJ個のサブストリームを与える意図される手法で、総てのフィールドは打消し合い又は合計される。アンテナ信号の作成については、図4に図示されている。
【0042】
到来するマルチパス信号の角度スペクトルA(Ω)は、以下に説明されるように、測定部306により受信動作中に測定される。方向検出部308は、そのスペクトルを処理して、最良のSNRを有するJ個の方向を判定し、要求される重みwmjを決定する。
【0043】
上述したように、j番目のサブストリームが送信される方向は、一組の重みwmjによって制御される。但し、1≦m≦Mである(即ち、wjとして記される、重み行列Wのj番目の列)。これは、数学的には、数式(1)を参照しながら次式(2)のように示される。
【0044】
【数3】
M×1ベクトル
【0045】
【外3】
は、J個のベクトル項の和であり、総和におけるj番目の項は、重み行列のj番目の列ベクトル(wj)にj番目のサブストリームsjを乗じたものである。従って、残された行うべきことは、J個のサブストリームの各々について複素重みを選択することであり、それらは重み行列Mの列になる。
【0046】
j番目のサブストリームについての重みを選択する際に、受信機におけるj番目のサブストリームについての信号対干渉プラスノイズ比率(SINR)を最小化するために、q≠jに対応する他の方向に送信される電力を最小にすることが望ましい。可能性のある1つの手法は、方向Ωjにビームピークを及び他の方向Ωq(q≠j,1≦{j,q}≦J)の各々にヌル(null)を形成する一組の重みを決定することである。これは、標準的なアレイ処理の問題であるが、各サブストリームに対処し、全部でJ回作用させる必要がある。他の手法は、所望方向以外の総ての方向をノイズとして取り扱い、方向Ωjにビームピークが存在する条件下におけるアレイのノイズ出力を最小化することである。様々な既存の手法が上記の目的を達成することが可能であり、その具体例として次の論文がある:“Application of Antenna Arrays to Mobile Communications,PartII: Beam−forming and Direction−of−Arrival Considerations”,Proceedings of the IEEE,volume 85 number 8(August 1997),pages 1195 to 1245。
【0047】
簡単のため、本願実施例を説明するために第1の手法を利用する。その基本原理は、各サブストリームについて以下の方程式を解くことを前提とする。
【0048】
wT jA=ej (3)
ここで、AはM×J行列であり、その列は方向Ωjに関するステアリング(steering)ベクトルa(Ωj)であり、J個のサブストリームはそこに送信され(即ち、A=[a(Ω1),a(Ω2),...,a(ΩJ)])、ejは行ベクトル(1×J)であり、その要素は、1に等しいj番目のものを除いて総てゼロである(即ち、ejのp番目の要素は、(ej)p=δpjであり、例えば、J=5の場合に、e2=[01000]である。)。ステアリングベクトルの要素は、方向Ωjにそのピークを有するビームパターンを形成するために、アレイ要素に必要な応答である。従って、j番目のステアリングベクトル(又はAのj番目の列)は、次式(4)により与えられる。
【0049】
【数4】
但し、τj(Ωj)は、アレイ中のm番目の要素(1≦m≦M)と任意的な原点との間に適用される信号の時間遅延である。これは図5に示され、距離Δiが、Δi(Ωj)=τj(Ωj)cによって時間遅延に関連付けられ、ここでcは光速である。
【0050】
数式(3)から逆に、方向Ωjにピークを及び他のJ−1個の方向にヌルを形成するために適切な重みは、次式(5)により与えられる。
【0051】
wT j=ejA−1 (5)
ここで、J=Mであり、Aが正方行列であることを想定している。J≠Mならば、正方でない行列に関する、一般化された逆行列又はムーアペンローズ疑似逆行列(Moore−Penrose Pseudoinverse)A+が、方程式(3)を解くために使用される。
【0052】
簡単のため、j番目のサブストリームに必要な一組の重みが、Aの逆行列のj番目の行であるとする。従って、方向Ωjが決定されると、ステアリング行列A及び逆行列A−1(又はA+)が算出され得る。これが必要とされる情報の総てである:各サブストリームについての適切な重みは、逆行列の適切な行である。
【0053】
更なるステップは、ビットのフレームにてトレーニングシーケンスを送信することであり、これは、サブストリームを抽出するために受信機により必要とされる。受信機に必要とされるトレーニングシーケンスには2種類あり;1つは角度スペクトルA(Ω)を測定可能にするものであり、1つは伝達行列Hを決定するためのものである。これらの要点を以下に更に説明する。
【0054】
図6を参照するに、送受信機の受信機部分を考察する。受信機112の実施例を説明する際して、リンクの他端における送信機は、サブストリームを様々な方向に送信する上述した手法、又はサブストリームを別々のアンテナに送信するBLASTのような手法の何れかを利用して、K個のサブストリームを送信するものとする。以下に説明されるステップは、実際には、送信機に関する上述したステップに先立って行われるであろう。
【0055】
受信機112に必要な最初のステップは、測定部306にて角度電力スペクトルA(Ω)を測定することである。この測定は、到来する電力全体が様々な到来角Ωにわたってどのように分布しているかを決定する。この測定を正確に行い得るようにするため、リンク110の他端における送信機106は、データフレームのある期間に適切なトレーニングシーケンスを送信することを必要とする。適切なトレーニングシーケンスは、その環境下における総ての可能な散乱体の影響を受け得るものである(即ち、送信機106から無指向的に又は等方的に送信される信号である。)。これは、例えば、1フレームの持続時間の間に単一のアンテナ要素106から送信することで達成される(その要素は無指向性であるとする。)。また、以下に説明されるように、トレーニング信号は伝達行列Hの測定をも可能にすべきである。
【0056】
角度スペクトルを測定する様々な既存の手法が存在する。最も一般的な手法は、アンテナアレイを通じて受信された信号の単なるフーリエ変換である。他の手法は、受信したアレイ信号に超分解(super−resolution)アルゴリズムを利用することを含む。そのようなアルゴリズムは、例えば、R Roy and T Kailath,“ESPRIT−Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques”,IEEE Transactions on Acoustics,Speech and Signal Processing,volume ASSP−37(1989),pages 984−995 の論文に記載されている。これは、到来するマルチパス信号の非常に高い角度分解能を可能にするが、フーリエ変換よりも演算負担が大きい。アルゴリズムの厳密な特質は、使用されるアレイの配置及び幾何学に依存し得る。
【0057】
角度電力スペクトルが決定したならば、次のステップは、サブストリームが受信されるJ個の異なる方向(最終的には、送信用の後続のサブストリームが送信機106によって送信される方向)を、方向検出ブロック308にて選択することである。受信機が曖昧さなしに総てのサブストリームを抽出し得るように、送信されるサブストリームKの数と少なくとも同程度に多くの方向Jが存在することが必要である。1つの手法は、最大のSNRのJ個のピークについて角度スペクトルの探索を簡略化することである。これは、マルチパス信号が受信されるJ個の方向のグループ{Ω1,Ω2,...,ΩJ}になる。
【0058】
アレイ中のアンテナ素子108の数Mは、Jの最大値を定める。これは、よく知られているように、M個のアンテナ素子のアレイは、アンテナパターンのヌルを指定する場合にM−1個の自由度しか有し得ないことに起因する。従って、各サブストリームに関し、ヌルが指定され得る、高々M−1個の独立した方向が存在し(従って、他の独立したサブストリームがそこから受信され得る)、そのためサブストリームの最大数はMである。従って、無線リンク110の両端における送受信機にとって、他の送受信機のアレイにおけるアンテナ108の数に関する知識を有することは重要である。
【0059】
アンテナ素子108のアレイにわたる受信信号は、ベクトル
【0060】
【外4】
として考えることが可能であり、ここで、m番目の要素はm番目のアンテナによって受信された信号である。多重ビーム重み行列304は、一組の重みをベクトル
【0061】
【外5】
に適用し、他の信号ベクトルr=[r1・・・rj・・・rJ]Tを与え、これは前もって決定されていた方向Ωjから受信した信号である。言い換えれば、
【0062】
【数5】
である。
【0063】
従って、rjが方向Ωjから受信した信号であるように、重み行列
【0064】
【外6】
の行を選択する必要がある。この問題は、送信機の部分に関し、j番目のサブストリームを方向Ωjに送信する重みを選択する方法を決定する際に、実際には既に解決されている。受信及び送信アレイの互換性(reciprocity)に起因して、所与の方向における受信及び送信用の重みは同一になる。即ち、次式(7)のように、
【0065】
【数6】
であり、ここで、Tは行列の転置(tanspose)を示し、数学的に信号ベクトル及び重み行列
【0066】
【外7】
が、適切に乗算されるのに必要とされる。しかしながら、実際の受信機では、2つの場合における信号のその方向における反転(reversal)が、その転置を取り扱っているので、送信モードと受信モードの間で重みの何らの変更も要しない。
【0067】
受信機112における次のステップは、抽出部606にて、J個の選択された受信方向から受信した、1組のJ個の信号を処理し、K個の信号(
【0068】
【外8】
によって記される。)を生成し、これらは無線リンクの他端から送信されたK個のサブストリームの推定である。J個の信号を利用して、K個の未知数、即ちサブストリームskに関するJ個の同時方程式(8)を生成する。
【0069】
【数7】
J個の信号(又は方程式)の各々におけるK個のサブストリームに乗算する係数hjkは、伝達行列の要素であり、これは、K個の送信方向とJ個の受信方向との間の複素伝達係数を表現する。(或いは、受信機112がBLAST形式の送信機から受信するならば、係数hjkは、k番目の送信アンテナとj番目の受信アンテナとの間の係数を表現する。)従って、何らかのトレーニングシーケンスを通じて、チャネル特性ブロック608により伝達行列が決定されたならば、本質的には、問題は、方程式(8)に示される一群の同時方程式を解くことになる(但し、J≧kであるとする。)。nj項は、その環境及び送受信機における端末ノイズに起因する付加的な白色ガウス雑音を表現し、理想的に分散されるが、独立である。
【0070】
既存の手法を利用してサブストリームを抽出し得る様々な方法がこの場合にも存在する。これらの手法は、概して、CDMAにて使用されるマルチユーザ検出システムに基づくものであり、その目的は異なるユーザを識別することである。しかし、ここでの目的は、異なる信号を搬送する様々なサブストリームを識別することである。BLASTシステムでは、単一のサブストリームrkをデコードしようとする場合に、干渉するサブストリームからの他の総ての寄与が「ヌル化」され(nulled)、既に検出されたサブストリームは受信した信号ベクトル
【0071】
【外9】
から減算される。干渉するサブストリームをヌル化するプロセスは、送信機106によりサブストリームのビームフォーミングを行うための上記の手法と同様であり、これについては上記のBLASTに関する論文に説明されている。
【0072】
本質的には、これらの手法は、線形な同時方程式を解く従来の方法と同様であるが、本実施例では、システムにノイズが存在することに起因して、それらの方程式が完全に既知ではない量を含む点で相違する。このため、
【0073】
【外10】
は、サブストリーム自体ではなく、従来の通信システムにおけるように、k番目のサブストリームに関する判定統計量(decision statistic)である。従って、各サブストリーム
【0074】
【外11】
は、既存のビット判定復調プロセスに委ねられ、即ちそれが1であるかゼロであるかが判定される。これらの手法を利用して、K個のサブストリームが復元され、マルチプレクス部610にて多重化され、当初の高データビットレートのビットストリームR(t)を生成する。
【0075】
本発明は、原理的には任意の無線通信環境に適用され、高いスペクトル効率を有するデータレート(即ち、比較的狭帯域で高いデータレート)を与えることが可能である。本発明を効果的に使用するための主な条件は、マルチパス信号が角度に関して独立していることで充分である。独立なマルチパス成分数Jが送信機アレイにおけるアンテナ数Mより大きい又は等しい限り、MOMOシステムに使用される目下の送受信機アーキテクチャの「シャノン(Shannon)」容量は、Mに関して線形に増加する。上記の分析の多くは、送信機106及び受信機112が準定常的(quasi static)である、即ち、移動するユーザ又は障害物に関する送信機及び受信機の定常性(stationary)が、チャネル(即ち、伝達行列Hの要素)における非常に緩やかな変化を生じさせることを想定している。しかしながら、フレーム持続時間が、その伝達行列における変化が生じる平均期間よりも顕著に短い限り、本システムは移動する送信機及び受信機を利用し、固定された地点どうしの屋内無線リンクに加えて、本システムを移動セルラ通信に適切にすることを可能にする。
【0076】
送受信機としてのその利用態様に加えて、本発明は、上述した適切な修正を加えたBLASTのような他の受信機又は送信機アーキテクチャとそれぞれ組み合わせられた、送信機単独として又は受信機単独として利用することも可能である。特に、端末のみが送信機として本発明の手法を利用したならば、方向に関する受信信号特性の変化を判定し、送信方向が判定されることを可能にする受信機を必要とする。
【0077】
上述した実施例は、最強の信号が受信された方向、及び最適な送信及び受信方向を判定するために、受信信号の角度電力スペクトルA(Ω)を利用した。しかしながら、好ましい方向を選択するための適切な基礎を与える限り、例えばSNRのような他の信号特性を代替的に使用することが可能である。使用される信号の性質が何であれ、全方向範囲から到来する信号を特徴付ける(処理する)ことは、常に必要とされるものではなく又は望まれるものでもない。例えば、地上端末は、垂直に近い方向から到来する信号を無視するように選択することが可能である。
【0078】
ある範疇で本願実施例を修正することも可能である。J個のサブストリーム数及びそれらの方向Ωjが変化する、又は固定されるように、ビームフォーミングを適応させることが可能であり、後者の場合は複雑さを減らすことが可能である。比較的簡易なシステムでは、サブストリームの電力及びビットレートが同一であり、より複雑なシステムでは、各サブストリームの電力及び/又はビットレートが、受信したSNRに依存して変化し得る。アンテナ108のアレイは、1次元的、2次元的又は3次元的に配置し、マルチパス信号が曖昧さなしに観測され得る次元数を向上させることが可能である。
【0079】
本説明により、当業者には他の修正例も明白であろう。そのような修正は、無線通信システム及びその構成要素の設計、製造及び利用する分野で既知の特徴、及び上述した本願の特徴に代えて又はそれに加えて使用され得る特徴を包含し得る。
【0080】
本願の原文明細書及び請求の範囲における、要素に先行する“a”又は“an”は、そのような要素が複数存在することを排除するものではない。更に、“comprising”なる語は、列挙されたもの以外の他の要素又はステップが存在することを排除するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、既知のMIMO無線システムの概略的なブロック図である。
【図2】 図2は、本発明による送信機の動作を説明するフローチャートである。
【図3】 図3は、送信機の概略的なブロック図である。
【図4】 図4は、重み付け行列の作用を示す図である。
【図5】 図5は、アンテナアレイからの平面波が形成される様子を示す図である。
【図6】 図6は、受信機の概略的なブロック図である。
Claims (9)
- 受信手段を備えた端末であって、当該端末は散乱体を含む環境で複数のパスを介して他の端末と通信することが可能であり、当該端末は、
前記環境における前記散乱体を明らかにする第1のトレーニング信号を前記他の端末が無指向的に送信する場合に、該第1のトレーニング信号が強く到来するJ個の方向を判定し、判定されたJ個の方向各々でビームピークをもたらすウェイト群各々を判定する方向判定手段と、
前記ウェイト群各々を各アンテナ信号に適用し、特定の方向から受信された方向関連信号をJ個取得するビームフォーミング手段と、
K個の送信方向に送信された第2のトレーニング信号が当該端末に到来した場合に判定されたJ個の方向と、前記他の端末での前記K個の送信方向各々との間の複素伝達係数を示す伝達行列を使用することで、前記J個の方向関連信号からK個のサブストリームを抽出する抽出手段と、
前記K個のサブストリームを合成し、出力データストリームを用意する合成手段と、
を有し、前記Jは整数であり、前記Kも整数であり、J>Kである端末。 - 前記受信手段が、到来する信号の角度電力分布を判定する手段を更に有する請求項1記載の端末。
- 前記方向判定手段が、前記他の端末から最強の信号が到来する方向を、前記複数の方向として選択する手段を更に有する請求項2記載の端末。
- 前記他の端末に送信する信号を複数のサブストリームに分離する手段と、前記受信手段で判定された前記複数の方向の各々に各サブストリームを送信する手段とを有する請求項1記載の端末。
- 前記サブストリームを送信する方向数が、前記サブストリームを受信する方向数と異なる請求項4記載の端末。
- 前記送信手段が、複数のアンテナをアレイとして使用し、該アンテナパターンを各サブストリームに適合するよう動作させ、前記アンテナパターンのピークが前記各方向に対応し且つ前記アンテナパターンのヌルが他のサブストリームの送信された方向に対応するようにする制御手段を有する請求項4記載の端末。
- 前記送信手段が、前記サブストリームの信号品質パラメータに依存して、各サブストリームの電力及び/又はビットレートを独立に調整する制御手段を有する請求項4乃至6の何れか1項に記載の端末。
- 2つの端末を含む無線通信システムであって、前記2つの端末の少なくとも1つが請求項1記載の端末である無線通信システム。
- 端末を動作させる方法であって、前記端末は散乱体を含む環境で複数のパスを介して他の端末と通信することが可能であり、当該方法は、
前記環境における前記散乱体を明らかにする第1のトレーニング信号を前記他の端末が無指向的に送信する場合に、該第1のトレーニング信号が強く到来するJ個の方向を判定し、判定されたJ個の方向各々でビームピークをもたらすウェイト群各々を判定する方向判定ステップと、
前記ウェイト群各々を複数のアンテナ信号に適用し、特定の方向から受信された方向関連信号をJ個取得するビームフォーミングステップと、
K個の送信方向に送信された第2のトレーニング信号が 自端末に到来した場合に判定されたJ個の方向と、前記他の端末での前記K個の送信方向各々との間の複素伝達係数を示す伝達行列を使用することで、前記J個の方向関連信号からK個のサブストリームを抽出する抽出ステップと、
前記K個のサブストリームを合成し、出力データストリームを用意する合成ステップと、
を有し、前記Jは整数であり、前記Kも整数であり、J>Kである方法。
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