(57)【要約】多重アンテナシステムにおけるＲＦおよびベースバンドでの同時処理によるアンテナサブセット選択方法である。ダイバーシティ伝送または多重化伝送のいずれかのために、Ｌｔ個の入力データストリームが送信機で生成される。これらのストリームがＲＦ信号に変調される。これらの信号がｔ個の送信アンテナに対応するｔ個のブランチにスイッチングされ、ｔ×ｔ行列乗法演算子Φ１によりＲＦ信号に位相シフト変換が適用され、その出力はｔ≧Ｌｔ個のＲＦ信号である。これらの信号がｔ個のアンテナによりチャネルを通じて送信される。送信信号は受信機においてｒ個のアンテナで受信される。ｒ×ｒ行列乗法演算子Φ２によりｒ個のＲＦ信号に位相シフト変換が適用される。これらの位相シフトされたストリームのＬｒ個のブランチが復調され、さらにベースバンドで処理されることにより、入力データストリームが回復される。
2007536765.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多重アンテナシステムにおいてＲＦ信号を処理する方法であって、
送信機においてＬｔ個の入力データストリームを生成することと、
前記Ｌｔ個の重み付けされた入力データストリームをＲＦ信号に変調することと、
前記ＲＦ信号をｔ≧Ｌｔ個のＲＦブランチにスイッチングすることと、
出力がｔ個のＲＦ信号となるｔ×ｔ行列乗算演算子Φ１により前記ＲＦ信号に位相シフト変換を適用することと、
チャネルを通じてｔ個の送信アンテナにより前記ｔ個のＲＦ信号を送信することと、
受信機においてｒ個のアンテナにより前記送信された信号を受信することと、
ｒ×ｒ行列乗算演算子Φ２により前記ｒ個のＲＦ信号に位相シフト変換を適用することと、
前記ｒ個のストリームからＬｒ個のブランチを選択することと、
前記Ｌｒ個の信号ストリームを復調することと、
前記入力データストリームに対応する出力データストリームを回復するためにベースバンドで処理を行うことと
を含むＲＦ信号を処理する方法。
【請求項２】
前記Ｌｔ個の入力データストリームのそれぞれは、重みを有し、
前記復調および復号の前に前記Ｌｒ個の重み付けされたデータストリームの和をとることをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記Ｌｔ個の入力データストリームは、時空間ブロック符号器によって生成される請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記Ｌｔ個の入力データストリームは、時空間トレリス符号器によって生成される請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記入力データストリームは、時空間階層構造である請求項１に記載の方法。
【請求項６】
ｔ＝Ｌｔであり、前記行列Φ１は、単位行列である請求項１に記載の方法。
【請求項７】
ｒ＝Ｌｒであり、前記行列Φ２は、単位行列である請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記行列Φ１の成分は、一定係数の位相のみの項を有する請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記行列Φ２の成分は、一定係数の位相のみの項を有する請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記行列Φ１およびΦ２の成分は、一定係数の位相のみの項を有する請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記位相のみの項は、瞬時チャネル状態の推定値に適応する請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記位相のみの項は、平均チャネル状態の推定値に適応する請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記行列Φ１は、高速フーリエ変換行列である請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記行列Φ２は、高速フーリエ変換行列である請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記行列Φ１およびΦ２は、高速フーリエ変換行列である請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的には多重アンテナ通信システムに関し、より詳細には、このようなシステムにおいて空間相関のあるチャネルを通じて送信されるＲＦ信号を処理することに関する。
【背景技術】
【０００２】
多重アンテナシステムは、ワイヤレスデータ送信システムの帯域幅効率を大幅に増大させるための最も実行可能な方法であると広くみなされている。ＭＩＭＯ（multiple input multiple output：多入力多出力）システムでは、多重アンテナが送信機および受信機の両方に配備される。ＭＩＳＯ（multiple input single output：多入力一出力）システムでは、受信機は、ただ１つのアンテナを有し、多重送信アンテナが送信ダイバーシティのために用いられる。ＳＩＭＯ（single input multiple output：一入力多出力）システムでは、送信機は、単一のアンテナを有し、多重アンテナが受信機で用いられる。
【０００３】
多重アンテナがある場合、チャネルの空間的広がりを利用してワイヤレスリンクの性能を改善することができる。性能は、適用分野に応じて、ワイヤレスリンクが提供することができる平均ビットレート（ｂｉｔ／ｓ）で、または、平均ビット誤り率（ＢＥＲ：bit error rate）で測られることが多い。
【０００４】
多重アンテナチャネル、二重化方法、および伝送帯域幅が与えられると、多重アンテナシステムは、狭帯域または広帯域（すなわち、チャネルは、システム帯域幅内で、フラットチャネルまたは周波数選択フェージングチャネルである）として分類することができ、所有するチャネル状態情報（ＣＳＩ：channel state information）は、フルであるか、部分的パーシャルであるか、または全くないかのいずれかである。
【０００５】
多重アンテナは、高い性能を提供する。諸研究によれば、多重アンテナは、空間ダイバーシティを提供するために使用することができ、情報論的容量（データレート）を増大させることができる。例えば、Vaughn and Anderson著『Channels, propagation, and antennas for mobile communications』（IEE Press, 2003）、Telatar等「Capacity of Multi-Antenna Gaussian Channels」（European Trans. on Telecomm., Vol.10, No.6, pp.585-596, November-December 1999）、Winters「On the Capacity of Radio Communication System with Diversity in Rayleigh Fading Environments」（IEEE J. Selected Areas Comm., 1987）、およびTarokh等「Space-Time Codes for High Data Rate Wireless Communication: Performance Criterion and Code Construction」（IEEE Trans. Inform. Theory, Vol.44, pp.744-765, March 1999）を参照願いたい。
【０００６】
しかし、欠点として、複数のＲＦチェインを伴う動作により複雑さとコストが増大する。アンテナ選択技法を用いて、アンテナの最適なサブセットを決めることができる。これにより、必要なＲＦチェインの数を削減しながら、それでもなお向上した性能が得られる。Molisch等「Capacity of MIMO Systems with Antenna Selection」（Proc. IEEE Intl. Comm. Conf., pp.570-574, 2001）、およびGore等「MIMO Antenna Subset Selection with Space-Time Coding」（IEEE Trans. Signal Processing, Vol.50, No.10, pp.2580-2588, October 2002）を参照願いたい。
【０００７】
ほとんどの従来技術のアンテナ選択技法は、ダウンコンバージョンの前にアンテナのサブセットを選択することと、ベースバンドで処理することだけに焦点を当てている。この（空間的）アンテナ選択技法は、状況によってはかなり有効である。それらの状況とはすなわち、（ｉ）選択されるアンテナの数が、利用可能なエレメントの数よりもわずかに少ないだけであり、（ｉｉ）ＭＩＭＯチャネルが空間的に無相関である、という場合である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、現実には、送信機および受信機の両方のアンテナアレイにおいて、散乱に相関がある方が普通である。ワイヤレス環境における送信には指向性があるため、信号波形は、アンテナにおける発射角および到来角によっては、相関が極めて高くなることがある。
【０００９】
空間領域のみで動作する従来技術のアンテナ選択技法は、この相関を扱う際に、性能が大幅に劣化することがある。さらに、相関が弱い場合でも、従来技術のアンテナは、選択されるアンテナの数が利用可能なアンテナの数よりも相当に少ない場合にも大きい性能損失を示す。
【００１０】
したがって、従来技術の問題点を克服するＲＦ信号処理技法を提供することが所望される。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、無線周波数およびベースバンドにおける同時信号処理に基づく多重アンテナ通信システムにおけるアンテナサブセット選択のためのシステムおよび方法を提供する。システムは、相関のあるチャネルおよび無相関のチャネルの両方において、フルダイバーシティ伝送または多重化伝送のいずれかを行うように設計される。
【００１２】
本発明は、無線周波数（ＲＦ）チェインにおける位相シフト動作を使用する。この動作は、送信機でのアンテナ選択の後、もしくは受信機でのアンテナ選択の前、またはその両方において実行可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、本発明によるアンテナ選択方法を使用する多重アンテナシステム１００を示している。送信機１において、Ｌｔ個のデータストリーム１０１が生成される。これらのストリームは、時空間符号器を通じて得られる相異なる信号（すなわち多重化伝送の場合）、または相異なる重みで符号化された同一の信号（すなわちダイバーシティ伝送の場合）のいずれでもよい。ストリームは、パスバンドＲＦ信号に変調される（１１０）。選択スイッチ１２０が、これらの信号を、ｔ個の送信アンテナ（ｔ≧Ｌｔ）に対応するｔ個のブランチ１２１のうちのＬｔ個に接続する。本発明では、ｔ個のパスバンドブランチ１２１は、ｔ×ｔ行列演算子Φ１により変換（１３０）された後、ｔ個の送信アンテナに送られ、チャネル１４０を通じて送出される。
【００１４】
受信機２において、信号は、チャネル１４０を通じてｒ個のアンテナにより受信される。受信信号は、ｒ×ｒ行列演算子Φ２により変換（１５０）され、変換された信号のうちのＬｒ個が選択される（１６０）。ここで、Ｌｒ≦ｒである。選択された信号１６１は、復調され（１７０）、データストリーム１０１の検出のためにベースバンドでさらに処理される（１８０）。ｔ個のスイッチのうちのＬｔ個とｔ×ｔ行列演算子Φ１との連結は、送信機および受信機の両方におけるｔ×Ｌｔ行列演算としてみなすこと、および実施することができる。
【００１５】
無線周波数における実施コストを削減するために、行列演算の成分は、通常、パワー増幅器なしの純粋な位相シフタであるように制約される。それらは、例えば、リンクの相手側の対応する行列（Φ２またはΦ１）を単位行列にすることによって、送信機のみで、または受信機のみで行うことも可能である。
【００１６】
システムおよびチャネルのモデル
本発明の動作原理を説明するため、既知のチャネルモデルを用いる。Shiu等「Fading Correlation and Its Effect on the Capacity of Multi-element Antenna Systems」（IEEE Trans. Commun., Col.48, pp.502-513, March 2000）、Bolcskei等「Performance Analysis of Space-Time Codes in Correlated Rayleigh Fading Environments」（Proc. Asilomar Conf. Signals, Syst. Comput., pp.687-693, November 2000）、およびGore等「MIMO Antenna Subset Selection with Space-Time Coding」（IEEE Trans. Signal Processing, Vol.50, No.10, pp.2580-2588, October 2002）を参照願いたい。しかし、本発明は、上記チャネルモデルには全く依らないことに留意されたい。
【００１７】
チャネル伝達関数Ｈのモデルは、次のように表される。
【００１８】
【数１】
2007536765.tif 000003
【００１９】
ここで、Ｗは、ｉ．ｉ．ｄ．複素ガウシアン成分〜ＮＣ（０，１）を有するレイリーフェージング行列である。相関行列ＲおよびＴは、それぞれ受信相関および送信相関を表す。ＲおよびＴのサイズは、それぞれｒ×ｒおよびｔ×ｔである。このモデルは、送信相関および受信相関が独立であることを仮定する場合には、通常有効である。
【００２０】
性能解析を容易にするため、伝達関数行列Ｈの特異値分解（ＳＶＤ）Ｈ＝ＵΣＶ＊を導入する。ここで、ＵおよびＶは、それぞれＨの左および右特異ベクトル空間を表す単位行列であり、Σは、Ｈのすべての特異値からなる対角行列である。便宜上、λｉ（Ｈ）で、行列Ｈのｉ番目に大きい特異値を表し、ｕ（→）ｉ（Ｈ）、ｖ（→）ｉ（Ｈ）は、λｉ（Ｈ）に関するＨの左および右特異ベクトルである（ただし、（→）は、かっこの前の記号の上に矢印が付されたベクトルを示すものとする）。ここで、ベクトルまたは行列の共役転置を表すのに「＊」を用いている（これは、スカラーの場合には複素共役に帰着する）。
【００２１】
ダイバーシティ伝送
フルコンプレクシティ（ＦＣ）ＭＲＴ／ＭＲＣ方式
ダイバーシティ伝送を用いたシステム１００は、線形の式（２）で表すことができる。
【００２２】
【数２】
2007536765.tif 000004
【００２３】
ここで、ｓ（ｋ）∈Ｃは、送信ストリームであり、ｘ（→）（ｋ）∈Ｃｒは、複素数値受信機データシーケンスのサンプルスタックのセットである。全送信パワーは、Ｐに制限される。熱雑音ｎ（→）（ｋ）∈Ｃｒは、実部と虚部が独立で分散がσｎ２Ｉｒの白色ｉ．ｉ．ｄ．ガウシアン確率過程であり、ｖ（→）は、下式を満たすｔ次元送信機重み付けベクトルである。
【００２４】
【数３】
2007536765.tif 000005
【００２５】
受信機において、受信信号ｘ（→）に複素重みｕ（→）＊で重み付けして和をとることにより、送信シンボルストリームの軟推定値（soft estimate）が得られる。
【００２６】
アンテナ選択がない場合、情報ストリームｓ（ｋ）は、受信機において次式によって、係数ベクトルをｕ（→）＊とするｒ個すべての観測ストリームの線形結合を行うことにより推定される。
【００２７】
【数４】
2007536765.tif 000006
【００２８】
結合後の推定ＳＮＲは、次のようになる。
【００２９】
【数５】
2007536765.tif 000007
【００３０】
ここで、公称ＳＮＲは、ρ＝Ｐ／σｎ２である。推定ＳＮＲを最大化するには、最大比伝送および最大比結合が用いられる。すなわち、ｕ（→）（ｖ（→））は最大特異値λ１（Ｈ）に対応するＵ（Ｖ）の特異ベクトルである。そこで、結果として得られる推定ＳＮＲは、ρλ１２（Ｈ）となる。
【００３１】
従来のハイブリッド選択（ＨＳ）ＭＲＴ／ＭＲＣ法
ｒ個の受信アンテナのうちＬｒ個が選択され組み合わされる場合、各選択オプションは、伝達関数に対するＬｒ×ｒ選択行列に対応する。これは、行列Ｈのｒ個の行のうちから、選択されたアンテナに関連するＬｒ個の行を取り出す。すべてのこのような選択行列の集合をＳｒと表す。同様に、送信端におけるｔ個のうちＬｔ個の選択は、ｔ×Ｌｔ行列で表すことができ、送信選択行列の集合をＳｔで表す。任意の選択オプション（Ｓ１∈Ｓｔ，Ｓ２∈Ｓｒ）に対して、最適なＳＮＲは、Ｌｔ個の送信ブランチおよびＬｒ個の受信ブランチに対する同様のＭＲＴおよびＭＲＣそれぞれにより達成される。
【００３２】
【数６】
2007536765.tif 000008
【００３３】
ＨＳ−ＭＲＣ方式は、ＳｔおよびＳｒに属するすべての要素のうちから、上記の推定ＳＮＲを最大化する最適アンテナサブセット選択行列（Ｓ１，Ｓ２）を選択する。
【００３４】
【数７】
2007536765.tif 000009
【００３５】
ＦＦＴに基づく方法（ＦＦＴＳ）
高い相関のＭＩＭＯチャネルに対処するため、演算子（ΦｔまたはΦｒ）１５０は、次の形式の高速フーリエ変換行列とすることができる。
【００３６】
【数８】
2007536765.tif 000010
【００３７】
ここで、Ｗｒ＝２π／ｒである。行列は、雑音レベルを保つように正規化されている。ＦＦＴ後、選択されたブランチに対する同様のＭＲＴ／ＭＲＣにより、最適推定ＳＮＲは、次のようになる。
【００３８】
【数９】
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【００３９】
位相シフト・選択法（ＰＳＳ）
本発明におけるさらに一般的な設計は、変換Φ１１３０（および／またはΦ２１５０）において位相シフトのみの成分を許容することである。この場合、変換行列１３０（１５０）および選択１２０（１６０）は、位相シフトのみの成分を有する１つのｔ×Ｌｔ（またはＬｒ×ｒ）行列にまとめることができる。すべてのこのような送信（または受信）行列の集合をＦｔ（またはＦｒ）で表す。この方法では、２つの位相シフト行列Ｆ１∈ＦｔおよびＦ２∈Ｆｒを用いて、仮想チャネルＦ２ＨＦ１に対する線形結合を実行する。上記と同様にして、（Ｆ１，Ｆ２）の最適な選択に対するＳＮＲは、次のようになる。
【００４０】
【数１０】
2007536765.tif 000012
【００４１】
Ｌｒ≧２かつＬｔ≧２の場合、式（８）に対する最適解を閉じた形で導出することができる。Ｆ２の要素を［Ｆ２］ｍ，ｎ＝ｅｘｐ（ｊφｍ，ｎ）と表し、Ｈの特異ベクトルを下式で表す。
【００４２】
【数１１】
2007536765.tif 000013
【００４３】
すると、Ｆ２における位相の最適な選択は、次のようになる。
【００４４】
【数１２】
2007536765.tif 000014
【００４５】
Ｆ２の他の行は、任意に設計することができる。Ｆ１における最適位相シフタは、ｕ１（→）＊（Ｈ）をｖ１（→）＊（Ｈ）で置き換えて同様に導出される。この選択により、ＰＳＳは、ＦＣ−ＭＲＴ／ＭＲＣと同じＳＮＲを達成することができる。
【００４６】
Ｌｒ＝１またはＬｔ＝１の一方（または両方）が成り立つ場合、式（８）に対する閉じた形の解は、一般には存在しない。式（８）における最大化を精密に近似する次善の解は、次のようになる。
【００４７】
【数１３】
2007536765.tif 000015
【００４８】
多重化伝送
フルコンプレクシティ（ＦＣ）方式
多重化伝送を用いたシステム１００は、次式で表すことができる。
【００４９】
【数１４】
2007536765.tif 000016
【００５０】
ここで、ｓ（ｋ）∈Ｃｔは、今度は、相異なる送信シーケンスを表すｔ次元ベクトルである。チャネルおよび雑音に関する仮定は、ダイバーシティ伝送の場合と同じである。多重データストリームをサポートするためには、容量が、システムの能力に対する重要な尺度である。
【００５１】
アンテナ選択がない場合、元のチャネルによってサポートされる情報レートは、「注水」パワー割当てを用いて最大化することができる。元のシステムの容量は、次のようになる。
【００５２】
【数１５】
2007536765.tif 000017
【００５３】
ここで、［ａ］＋は、ｍａｘ（ａ，０）と定義され、μは、次式を満たす定数である。
【００５４】
【数１６】
2007536765.tif 000018
【００５５】
従来のハイブリッド選択（ＨＳ）法
ｔ（ｒ）個の送信（受信）アンテナのうちＬｔ（Ｌｒ）個が選択される場合、従来のアンテナ選択方式によって提供される最大容量は、次のようになる。
【００５６】
【数１７】
2007536765.tif 000019
【００５７】
ここで、μは、（Ｓ１，Ｓ２）に依存し、次式を満たす。
【００５８】
【数１８】
2007536765.tif 000020
【００５９】
ＦＦＴに基づく方法（ＦＦＴＳ）
ダイバーシティ伝送の場合におけるＦＦＴＳと同様に、ＦＦＴ行列を選択スイッチとともにＲＦチェインに挿入する。ＦＦＴを用いた最適選択により、次式の容量を得ることができる。
【００６０】
【数１９】
2007536765.tif 000021
【００６１】
ただし、次式を制約条件とする。
【００６２】
【数２０】
2007536765.tif 000022
【００６３】
位相シフト・選択法（ＰＳＳ）
ＰＳＳ法の場合、前と同じ記法を用いると、次式のようになる。
【００６４】
【数２１】
2007536765.tif 000023
【００６５】
パーシャルＣＳＩ
チャネルが部分的にのみ推定される場合、本発明は、代替方法を提供する。この場合、瞬時チャネル状態に関する知識はなく、ある時間間隔にわたって平均されたチャネルの状態に関する知識しか得られない。この時間間隔は、例えば、通常は、数ミリ秒ないし数百ミリ秒（これには限定されない）である。この場合は、通常、周波数分割二重化システムにおける送信機で生じる。
【００６６】
その場合、変換の目標は、平均として、選択プロセス後の信号が良好な性質、例えば、高い容量を有するように、送信信号を変換することである。
【００６７】
そのようにして達成可能な期待値容量は、次のようになる。
【００６８】
【数２２】
2007536765.tif 000024
【００６９】
容量の期待値は、判断基準の単なる１つの可能性に過ぎない。他の判断基準では、容量行列に対して、異なる値が得られる。
【００７０】
発明の効果
図２は、ダイバーシティ伝送の場合にアンテナ間隔の関数として上記の４つの方法のＳＮＲ利得を比較している。システムのパラメータは、ｔ＝８、ｒ＝８、Ｌｔ＝１、Ｌｒ＝２である。相関が大きい場合、すなわちアンテナ間隔が小さい場合、本発明によるＦＦＴＳ法は、従来のＨＳ−ＭＲＴ／ＭＲＣ法よりもかなり大きいＳＮＲ利得を有する。一般に、チャネルの相関レベルにかかわらず、本発明によるＰＰＳ法は、従来技術の両方の選択方法よりも高い性能を達成することができる。実際、２個以上のＲＦブランチを用いると、ＰＳＳ法は、フルコンプレクシティ法のＳＮＲ利得を達成することができる。
【００７１】
図３は、多重化伝送の場合に４つの方法の５％停止容量を示している。システムパラメータは、ｔ＝３、ｒ＝８、Ｌｔ＝３、Ｌｒ＝３、ρ＝２０ｄｂである。グラフから同様の結論を導くことができる。すなわち、ＦＦＴＳは、強い相関のあるチャネルに対して性能向上を示している一方、ＰＳＳは、強相関および弱相関の両方で有効である。
【００７２】
本発明は、具体的な用語および例を用いて説明されている。本発明の精神および範囲の内で種々の他の適応および変更を行い得ることが理解されるべきである。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の精神および範囲に含まれるすべてのそのような変形および変更を網羅することである。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明によるアンテナ選択のために同時ＲＦ／ベースバンド信号処理を使用する多重アンテナシステムのブロック図である。
【図２】ＲＦ信号処理技法を比較するグラフである。
【図３】ＲＦ信号処理技法を比較するグラフである。
【図１】
2007536765.tif 000025
【図２】
2007536765.tif 000026
【図３】
2007536765.tif 000027
【国際調査報告】
2007536765.tif 000028
2007536765.tif 000029