JP6539503B2 - 大規模mimoシステムにおいて情報を送信するのに使用するための送受信機及び方法 - Google Patents
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Description
[0001]本特許出願は、2014年6月6日に出願された「Transceivers and Methods for Use in Transmitting Information in a Massive MIMO System」と題する、対応する米国特許仮出願第62/008,969号に対する優先権を主張し、同仮出願を参照により組み込む。
[0019]以下の説明は、ダウンリンク方向の送信の単一ユーザ事例の一般的な解決戦略を提供する。しかしながら、開示されている技法は、チャネル特性の二重性に起因してアップリンク方向の単一ユーザ送信を可能にするように適切に修正して適用することもできる。しかしながら、この等価性を有効にするために、チャネル状態情報の同じ知識が利用可能でなければならないことに留意されたい。また、しかしながら、本明細書に開示されている方法は、マルチユーザ送信及び受信にも同様に適用可能であることに留意されたい。
[0024]一実施形態において、内側最適化演算を実施するための方法は、所与の前処理(変換)行列について、また、送信機と受信機との間のチャネルの所与のチャネル相関行列について、選択スイッチの最適な位置及び関連する容量の値を求める下位問題に対する解答をもたらす。すなわち、伝播チャネルの異なる実現態様には異なるスイッチ位置が得られる。
[0031]相関ガウスの集合から最大値が識別された後、容量を増大し、場合によっては最大化する前処理(変換)行列が決定される。これが外側最適化演算である。これらの方法の実施形態は、所与のアルゴリズムの複雑度及び他の実際的な制約の中で、前処理行列のすべての可能性のある値にわたって容量を最大化することを目標とする。言い換えれば、最適な前処理行列は、数値的に非常に要求の厳しい方法によって決定され得、真の最適値を求めるには、膨大な時間が必要になり得る。本明細書に記載されている技法は近似であり、必要とされる計算量は少ない。
[0035]ダウンリンクにおけるMIMOセルラシステムを考察する。受信機(移動局)はM個の送信アンテナ素子を有する。ワイヤレスデバイス(たとえば、基地局)の送信機は図1に示すようなものであり、N個の受信アンテナ素子1051〜Nと、L個のRFチェーン1021〜Lとを有する。送信機には、アンテナ素子の前に、任意の複素数であるか、又は特定の制約を受け得るかのいずれかである重みを表すエントリを有するN×N前処理行列104がある。たとえば、重みがcpqexp(jφpq)の形態で書かれている場合、cpqは、{0,1}に属するように制約され得、及び/又は、φpqは、任意の位相であり得るか、若しくは離散集合に属するように制約され得るかのいずれかである。これらの例は、特定のハードウェア実施態様に対応しているために言及されているが、本発明は、これらの特定の例には限定されない。前処理行列104の前には、L×Nスイッチ103があり、このスイッチの出力は、L個の利用可能なRFチェーン1021〜Lに接続されている。
となり、式中、Gは互いに独立で同一の分布に従う(iid)複素ガウスエントリを有する行列であり、Rt及びRrは送信機及び受信機における相関行列であると仮定される。
式中、ρは信号対雑音比(SNR)を示し、上付き文字Hはエルミート(転置及び共役)演算を示し、Tは前処理行列であり、Sは選択スイッチを表す行列であり、Pは電力配分行列である。表記を容易にするために、Q=TSPSHTHと表現する。一実施形態において、電力配分行列は、注水定理の形式が使用されない場合、恒等行列である。別の実施形態においては、注水定理が使用され、また別の実施形態においては、水銀注水定理(Verdu他の論文引用)が使用される。さらに、チャネル実現態様にわたる式(1)におけるこの容量の分布は、非ゼロ平均実ガウス分布によって良好に近似することができる。たとえば、Smith他「An Approximate Capacity Distribution for MIMO Systems」(IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS, VOL. 52, NO. 6, JUNE 2004 887)を参照されたい。このガウスの実現態様は、複数の異なるスイッチ位置、すなわち、アンテナ素子の複数の異なる組み合わせについて相関される。考慮されている異なるセットに共通のアンテナ素子がある場合、相関のソースは明白である。考慮されているアンテナ素子のセットが互いに分離している場合、相関は、アンテナ信号の「従来の」空間相関と同様である。これは、BSにおけるアンテナの数が多くなる大規模MIMOの事例に特に当てはまる。
の固有値の、その平均を中心とした分布は、当該技術分野において既知であるように導出される。たとえば、Martin他「Asymptotic eigenvalue distributions and capacity for MIMO channels under correlated fading」(IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 3, no. 4, pp. 1350−1359, July 2004)を参照されたい。Martin他は、各固有値の偏差は他の固有値の偏差とは無関係であることを示している。特に、λ及び
がそれぞれ固有値の(確率)ベクトル及びその平均値を示すとき、
の極限分布は、そのij番目のエントリが以下のようになる相関行列によるゼロ平均正規分布である。
式中、
は、Rrのi番目に順序付けされた固有値である。この分布は、これらの形態、すなわち、受信機の同じ相関行列のi番目の形態及びj番目の形態の自己相関を特性化することに留意されたい。
式中、
はRrの固有ベクトルであり、
は
の固有値である。
これらの式はさらに単純化することができ、形態の平均及び相互相関は以下のように表現することができる。
式中、Sp及びSqは、p番目のアンテナセット及びq番目のアンテナセットに対応する選択行列を表し、
はRrのi番目に順序付けされた固有値である。p番目のアンテナセットについて、容量は以下のように表現することができる。
N,K→∞の極限において、また有限なMについて、
の分散は減少する。それゆえ、クラメルの定理を適用することによって、容量Cpはガウス分布に収束することが示され得る。これは、直上で与えた式に一次テーラー展開を適用することによって単純な方法になる。
より多くの情報については、Martin他「Asymptotic eigenvalue distributions and capacity for MIMO channels under correlated fading」(IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 3, no. 4, pp. 1350−1359, July 2004)を参照されたい。
[0052]一実施形態において、本明細書において開示される内側/外側ループ方法の一体部分が、アルゴリズム初期化、特にビーム形成器(図1参照)の初期化選択である。各々が初期化の異なる特別の選択肢に対応する、いくつかの実施形態が存在する。
(i)一実施形態において、Sudarshan他「Channel Statistics−Based RF Pre−Processing with Antenna Selection」(IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 5, no. 12, pp. 3501−3511, December 2006)のIV.B節のビーム形成器設定が開始点として使用される。
(ii)一実施形態において、既知の幾何学的構造を有するアンテナアレイを使用するとき、最初に、たとえば、Bartlett若しくはCaponのビーム形成器、MUSIC、SAGE、又は当該技術分野において既知である他の高分解能アルゴリズムを通じて方向性解析が実施される。この分析はその後、プリプロセッサによって、主マルチパス成分の方向においてビームを形成するのに利用することができる。これは、たとえば、平均信号強度による最大比送信によって達成することができる。
[0054]上述の技法は、マルチユーザMIMOの事例にも適用することができる。すべての移動局が同じ相関行列を有する事例を考察する。このときアップリンクにおいて、BSアンテナ素子にある受信信号全体を以下のように書くことができる。
ここで、単一ユーザの事例のように、「有効な」チャネル行列は
である。言い換えれば、複数の異なるユーザの各々は、単一ユーザの事例のアンテナ(又はアンテナグループ)のように行動し、類似の様式で信号を処理することができる。一実施形態において、アップリンクについて、受信機における相関行列は、単一のユーザしか送信していない場合に作成されることになる相関行列の集合である。ダウンリンクについて、信号は、複数の異なる受信機に対する信号をスタック(stack)することによって記述され、したがって、この記述から相関行列を容易に得ることができる。
式中、Huはユーザuに割り当てられるダウンリンクチャネルであり、Puはユーザuに割り当てられる電力である。各ユーザに対するチャネル行列が同時に対角化可能であると仮定すると、(上記式中の)
の固有値は、各ユーザに対するチャネルの個々の固有値
の合計であり、その二次統計は、単一ユーザの事例において論じられたように計算することができる。
[0057]提案される1つの技法の中核には、前処理行列の、BSアンテナにおける信号の相関行列(二次統計)に対する調整がある。「標準的な」MIMOシステムとは対照的に、この相関行列の決定は単純ではない。この問題を解決するために、新規の訓練方法及び関連するシグナリングが本明細書において開示される。
本発明の一態様に係るワイヤレス装置は、ワイヤレス通信システムにおいて使用するためのワイヤレス装置であって、複数のアンテナ素子と、ベースバンドプロセッサと、前記ベースバンドプロセッサに結合されている複数の無線周波数チェーンと、前記複数の無線周波数チェーンに結合されている複数のスイッチであって、前記複数のスイッチ中のスイッチの位置が瞬時チャネル状態情報によって決定される、当該複数のスイッチと、前記複数のスイッチと前記複数のアンテナ素子との間に結合されている無線周波数プリプロセッサであって、前記無線周波数プリプロセッサは前処理行列を信号に適用するためのものであり、前記前処理行列の要素が平均チャネル状態情報に応じて調整される、当該無線周波数プリプロセッサと、を備え、前記スイッチの前記位置及び前記前処理行列の要素が共に選択され、前記前処理行列が、少なくとも1つのチャネル実現態様から得られる予測性能に関する基準に基づいて選択される。
上記予測性能に関する基準は予測伝送速度であってもよい。
上記無線周波数プリプロセッサは、複数の移相器及び複数の可変利得増幅器から成る群から選択される少なくとも1つ、を含んでもよい。
上記スイッチの位置及び前処理行列は、複数のユーザへの同時送信を可能にするように選択されてもよい。
また、複数の無線周波数チェーンが複数の送信チェーンであり、無線周波数プリプロセッサが、前記前処理行列を適用して前記複数のスイッチからの信号を処理し、処理済み信号を前記複数のアンテナ素子中のアンテナ素子に結合するためのものであってもよい。
また、複数の無線周波数チェーンが複数の受信チェーンを含み、前記無線周波数プリプロセッサが、前記前処理行列を適用して前記複数のアンテナ素子からの信号を処理するためのものであり、前記スイッチのマトリックスが、前記無線周波数プリプロセッサの出力を前記複数の受信チェーンに接続するためのものであってもよい。
本発明の一態様に係るワイヤレス装置は、ワイヤレス通信システムにおいて使用するためのであって、複数のアンテナ素子と、ベースバンドプロセッサと、前記ベースバンドプロセッサに結合されている複数の無線周波数チェーンと、前記複数の無線周波数チェーンに結合されている複数のスイッチであって、前記複数のスイッチ中のスイッチの位置が瞬時チャネル状態情報によって決定される、当該複数のスイッチと、前記複数のスイッチと前記複数のアンテナ素子との間に結合されている無線周波数プリプロセッサであって、前記無線周波数プリプロセッサは前処理行列を信号に適用するためのものであり、前記前処理行列の要素が平均チャネル状態情報に応じて調整される、当該無線周波数プリプロセッサと、を備え、前記スイッチの前記位置及び前記前処理行列の要素が共に選択され、前記スイッチの位置及び前記前処理行列が、複数のユーザに対する同時送信を可能にするように選択される。
本発明の一態様に係る方法は、データのワイヤレス送信を実施するための方法であって、ワイヤレスデバイスのスイッチングマトリックスの送信スイッチの位置及び送信機の無線周波数プリプロセッサの前処理行列の要素をまとめて選択するステップ、を含み、前記スイッチングマトリックスが、複数の送信チェーンを、前記ワイヤレスデバイスの前記無線周波数プリプロセッサに結合し、前記選択するステップが、瞬時チャネル状態情報に基づいて前記送信スイッチの位置を決定するサブステップと、平均チャネル状態情報に応じて前記前処理行列の要素を調整するサブステップと、を含み、前記前処理行列が、少なくとも1つのチャネル実現態様から得られる予測性能に関する基準に基づいて選択される。
上記予測性能に関する基準は予測伝送速度であってもよい。
少なくとも1つの受信機は、単一のアンテナ素子を含んでもよい。
少なくとも1つの受信機は、複数のアンテナ素子を含んでもよい。
スイッチの位置及び前処理行列は、複数のユーザへの同時送信を可能にするように選択されてもよい。
Claims (23)
- ワイヤレス通信システムにおいて使用するためのワイヤレス装置であって、
複数のアンテナ素子と、
ベースバンドプロセッサと、
前記ベースバンドプロセッサに結合されている複数の無線周波数チェーンと、
前記複数の無線周波数チェーンに結合されている複数のスイッチであって、前記複数のスイッチ中のスイッチの位置が瞬時チャネル状態情報によって決定される、当該複数のスイッチと、
前記複数のスイッチと前記複数のアンテナ素子との間に結合されている無線周波数プリプロセッサであって、前記無線周波数プリプロセッサは前処理行列を信号に適用するためのものであり、前記前処理行列の要素が平均チャネル状態情報に応じて調整される、当該無線周波数プリプロセッサと、
を備え、
前記スイッチの前記位置及び前記前処理行列の要素が共に選択され、
前記前処理行列が、少なくとも1つのチャネル実現態様から得られる予測性能に関する基準に基づいて選択され、
前記無線周波数プリプロセッサが、特定の前処理行列によって達成可能なスループットの第1の近似に基づいて前記前処理行列を適合させ、
前記第1の近似が、二次統計、及び、前記複数のアンテナ中のアンテナの複数の異なるサブアレイによって達成される前記スループット間の相互相関の近似を使用して行われる、
ワイヤレス装置。 - 前記達成可能なスループットの分布が、所与のパラメータ化分布として近似される、請求項1に記載のワイヤレス装置。
- 前記パラメータ化分布がガウス分布である、請求項2に記載のワイヤレス装置。
- 前記パラメータ化分布が対数正規分布である、請求項2に記載のワイヤレス装置。
- 無限数のアンテナ素子が利用可能であるかのようにガウス変数の前記相互相関を計算するためのコントローラ、
をさらに備える、請求項2に記載のワイヤレス装置。 - 所与の前処理行列について達成可能なスループットは、一部において、
相関ガウス変数の集合の最大値の関数を決定することによって求められる、請求項2に記載のワイヤレス装置。 - 前記前処理行列の要素が、複数の異なる前処理行列の達成可能なスループット値の関数に基づく数値探索を通じて識別される、請求項1に記載のワイヤレス装置。
- 前記前処理行列が角度パワースペクトルを決定することによって初期化され、さらに、前記前処理行列は、前記角度パワースペクトルに関連するビームを形成するために使用される、請求項7に記載のワイヤレス装置。
- 送信機と受信機との間の特定の瞬時チャネル実現態様を学習する必要なしに、前記送信機を有する第1のデバイスと前記受信機を有する第2のデバイスとの間のチャネル相関行列を学習するための方法であって、
前記第2のデバイスからいくつかの送信セットを受信するステップであって、前記送信セット中の各送信が、前記第2のデバイスのN個のアンテナの各々によって別個に送信される訓練信号の送信であり、前記送信セットが、前記第2のデバイスのN個のアンテナの異なるセットによって実施され、セットの数は、前記第1のデバイスのアンテナの数と、前記第2のデバイスの前記N個のアンテナとの比に等しい、当該受信するステップと、
前記第2のデバイスからの送信セットの数に基づいて前記チャネル相関行列の推定値を生成するステップと、
を含む、方法。 - 各送信セットが、前記第2のデバイスの前記N個のアンテナから送信される遅延ダイバーシティ信号の送信を含む、請求項9に記載の方法。
- 前記訓練信号を送信するよう前記第2のデバイスにシグナリングするステップ、
をさらに含む、請求項9に記載の方法。 - 前記訓練信号を送信するための許可を、前記第2のデバイスによって要求するステップ、
をさらに含む、請求項9に記載の方法。 - 各訓練信号が複数のOFDM訓練サブキャリアを含み、前記複数のOFDM訓練サブキャリアの各々の送信が、異なる遅延ダイバーシティをもたらす、請求項9に記載の方法。
- 前記訓練信号がデータ搬送信号を含み、前記データ搬送信号が、別の信号に変調されているデータ搬送信号系列である、請求項9に記載の方法。
- 前記第1のデバイスが基地局を含み、前記第2のデバイスが移動局を含む、請求項9に記載の方法。
- データのワイヤレス送信を実施するための方法であって、
ワイヤレスデバイスのスイッチングマトリックスの送信スイッチの位置及び送信機の無線周波数プリプロセッサの前処理行列の要素をまとめて選択するステップ、
を含み、
前記スイッチングマトリックスが、複数の送信チェーンを、前記ワイヤレスデバイスの前記無線周波数プリプロセッサに結合し、
前記選択するステップが、
瞬時チャネル状態情報に基づいて前記送信スイッチの位置を決定するサブステップと、
平均チャネル状態情報に応じて前記前処理行列の要素を調整するサブステップと、
を含み、
前記前処理行列が、少なくとも1つのチャネル実現態様から得られる予測性能に関する基準に基づいて選択され、
前記方法は、
特定の前処理行列によって達成可能なスループットの第1の近似に基づいて前記前処理行列を適合させるステップ、
をさらに含み、
前記第1の近似が、二次統計、及び、複数のアンテナ中のアンテナの複数の異なるサブアレイによって達成される前記スループット間の相互相関の近似を使用して行われる、
方法。 - 前記達成可能なスループットの分布が、所与のパラメータ化分布として近似される、請求項16に記載の方法。
- 前記パラメータ化分布がガウス分布である、請求項17に記載の方法。
- 前記パラメータ化分布が対数正規分布である、請求項17に記載の方法。
- 前記方法は、
無限数のアンテナ素子が利用可能であるかのようにガウス変数の前記相互相関を計算するステップ、
をさらに含む、請求項17に記載の方法。 - 所与の前処理行列について達成可能なスループットは、一部において、
相関ガウス変数の集合の最大値の関数を決定することによって求められる、請求項17に記載の方法。 - 前記前処理行列の要素が、複数の異なる前処理行列の達成可能なスループット値の関数に基づく数値探索を通じて識別される、請求項16に記載の方法。
- 前記方法は、
角度パワースペクトルを決定することによって前記前処理行列を初期化するステップと、
前記前処理行列を使用して、前記角度パワースペクトルに関連するビームを形成するステップと、
をさらに含む、請求項22に記載の方法。
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