(57)【要約】  本方法は、多入力多出力通信システムで送信される層に対しデータレートを割り当てる。入力データストリームが複数の層に逆多重化される。各層に対し、チャネルを通して層を送信する過去の観測に基づいて層の容量を表す統計を確定する。各層に対し、統計に基づいて最適なデータレートを確定する。各層に対し、最適なデータレートが利用可能なビットレートのセットのうちの最小データレート未満であるかを判断し、真である場合には、特定の層に対し、利用可能なデータレートのセットから最小データレートを選択し、偽である場合には、特定の層に対し、利用可能なデータレートのセットから最適なデータレート未満である最も近いデータレートを選択する。
2008503902.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力データストリームを複数の層に逆多重化すること、
各層に対し、チャネルを通して前記層を送信する過去の観測に基づいて前記層の容量を表す統計を確定すること、
各層に対し、前記統計に基づいて最適なデータレートを確定すること、
各層に対し、前記最適なデータレートが利用可能なビットレートのセットのうちの最小データレート未満であるかを判断すること、
真である場合、特定の層に対し、前記利用可能なデータレートのセットから前記最小データレートを選択すること、及び
偽である場合、前記特定の層に対し、前記利用可能なデータレートのセットから前記最適なデータレート未満である最も近いデータレートを選択すること
を含む、多入力多出力通信システムで送信される層に対しデータレートを割り当てる方法。
【請求項２】
送信信号と受信信号との関係がｒ＝Ｈｓ＋ｎで表され、ｒは、前記受信信号を表すＮｒ×１ベクトルであり、ｓは、前記送信信号を表すＮｔ×１ベクトルであり、Ｈは、前記チャネルのインパルス応答を表すＮｒ×Ｎｔチャネル行列であり、ｎは、分散Ｎ０の独立同一分布、ゼロ平均循環複素ガウスランダム変数であるエントリを有するＮｒ×１雑音ベクトルであり、前記チャネルの開ループ容量は、
【数１】
2008503902.tif 000027
であり、ＩＮはＮｒ×Ｎｒ単位行列であり、ＳＮＲは信号対雑音比である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
各層ｌに割り当てられる所望のデータレートは、
【数２】
2008503902.tif 000028
であり、Ｈ（ｌ）＝［ｈｌ＋１  ｈｌ＋２・・・ｈＮｌ］であり、ｈｌは前記チャネル行列Ｈの第ｌ列である、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記過去の観測に基づく各層の前記容量は、
【数３】
2008503902.tif 000029
であり、ηｌ及びσ２ｌは、それぞれ層ｌの前記容量の平均及び分散である、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記統計は、一次統計及び二次統計である、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
全故障確率は、前記層のすべての総データレートに対して最小化される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記統計は、各層の前記容量の平均及び分散である、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記統計は、前記層の送信機において確定される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記統計は、前記層の受信機において確定される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
送信アンテナの前記層との関連は変化する、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記システムは、周波数選択的である、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記統計は、ガウス分布によってモデル化される、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、多入力多出力通信システムに関し、特に、ＭＩＭＯシステムにおいて層にデータレートを割り当てることに関する。
【背景技術】
【０００２】
［発明の背景］
多入力多出力（ＭＩＭＯ）通信システムの一般的なアーキテクチャは、既知である。これについては、E.Telatar著、「Capacity of multi-antenna Gaussian channels」, European Tansactions on Telecommunications, Vol.10, pp.585-595, Nov-Dec 1999及びG. J. Foschini及びM. J. Gans著、「On the limits of wireless communications in a fading environment when using multiple antennas」, Wireless Personal Commun., Vol.6, pp.315-335, March 1998を参照されたい。しかしながら、理論的なチャネル容量に近づくＭＩＭＯアーキテクチャに基づく実際的なシステムを開発することは依然として困難である。
【０００３】
ＭＩＭＯシステムは、閉ループアーキテクチャまたは開ループアーキテクチャを使用することができる。閉ループシステムでは、送信機は、受信機からのフィードバック情報を使用して、瞬間的なチャネル状態に基づいてデータレートを確定する。これにより、システムの容量が改善されるが、システムの複雑性、オーバヘッド及びコストが増大する。開ループシステムでは、送信機は、データレートを確定するために受信機からの瞬間的なフィードバックを必要としない。したがって、開ループアーキテクチャを使用することが好ましい。
【０００４】
時空間符号化（space-time coded）システムでは、一方法は、ビットインタリーブ符号化変調（bit interleaved coded modulation）（ＢＩＣＭ）を使用する。これについては、B.M. Hochwald及びS. ten Brink著、「Achieving near-capacity on a multiple-antenna channel」、IEEE Trans. Wireless Commun., vol.51, pp.389-399, March 2003を参照されたい。ＢＩＣＭは、リスト球面（list sphere）復号及び反復チャネル復号を使用して、中位の数の送信アンテナでの低データレート伝送及び中間データレート伝送に対するＭＩＭＯチャネルの容量に近づく。しかしながら、多数の送信アンテナ及び高次変調の場合、球面復号で使用されるリストのサイズが制限されていることにより、性能が激しく劣化する。
【０００５】
ＭＩＭＯシステムに対する別の方法は、Ｖ−ＢＬＡＳＴ（vertical Bell Laboratory layered space-time）構造を使用する。これについては、G. J. Foschini著、「Layered space-time architecture for wireless communication in a fading environment when using multi-element antennas」, Bell Labs Technical Journal, pp.41-59, August 1996、P.W. Wolniansky、G.J. Foschini、G.D. Golden及びR.A. Valenzuela著、「V-BLAST: An architecture for realizing very high data rate over the rich-scattering wireless channel」, Proc. URSI Int. Symp. Signals, Systems, and Electronics, pp. 295-300, October 1998及びH.E. Gamal及びJ.A.R. Hammons著、「A new approach to layered space-time coding and signal processing」,IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 47, pp.2321-2334, September 2001を参照されたい。
【０００６】
Ｖ−ＢＬＡＳＴでは、入力データストリームは、複数のサブストリームすなわち「層」に逆多重化される。各層は、一次元符号化を用いて独立して符号化され、各符号化された層は、異なるアンテナを介して受信機アンテナに同時に送信される。
【０００７】
受信機において各層を検出するために、ゼロフォーシング（zero-forcing）（ＺＦ）または最小平均二乗誤差（ＭＭＳＥ）基準による線形処理を使用して、受信信号における未検出層をヌルにすることができる。検出された層の寄与を、判定指向形（decision-directed）逐次型干渉除去（successive interference cancellation）（ＳＩＣ）によって減ずる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
Ｖ−ＢＬＡＳＴシステムでは、入力データストリームは、通常、均等に層に分割され、すべての層は同一のデータレートを有する。その結果、最初に検出される層は、ヌル処理による信号エネルギーの喪失のために誤りがもたらされやすい。したがって、従来技術によるＶ−ＢＬＡＳＴシステムは、検出を最適に順序付けても理論的なチャネル容量に近づかない。
【０００９】
したがって、高データレートに対しまたは多数のアンテナに対し理論的チャネル容量に近づく開ループＭＩＭＯシステムが必要とされている。
【００１０】
本発明の目的は、層のチャネルの品質に従ってデータレートを割り当てることである。最初に検出される層ほど、未検出の層のヌル処理により低品質のチャネルを有するため低いデータレートを有する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、階層化構造を使用するＭＩＭＯシステムに対し、一様でないレート割当てを提供する。データレートを、層間で等しく割り当てるのではなく、または閉ループシステムにおける瞬間的なデータレートフィードバックによって割り当てるのではなく、本発明は、過去の観測に基づくチャネルの統計的情報を使用して、各層に割り当てられるデータレートを確定する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
送信機構造
図１は、本発明による階層化ＭＩＭＯシステムのための送信機１００を示す。入力データストリーム１０１は、Ｎｔ個のサブストリームすなわち「層」１１１に逆多重化される１１０。各層は、独立して符号化される１２０。符号化された層は、インタリーブされ（Π）１３０、変調されて１４０、異なる送信アンテナ１４１に同時に送出されることにより、送信信号１０２としてチャネルを通して送信される。図示する例では、Ｎｔ＝２であるが、本発明では任意の実際的な数の送信アンテナ及び受信アンテナを使用することができる、ということを理解すべきである。
【００１３】
本発明による逆多重化１１０及び符号化１２０では、本明細書で説明する統計的レート割当て１５０を使用する。統計は、瞬間的なフィードバックとは対照的に、層容量の過去の観測に基づく。
【００１４】
受信機構造
図２は、本発明による階層化ＭＩＭＯシステムにおける受信機２００を示す。信号２０１は、Ｎｒ個の受信アンテナ２１０によって受信される。未検出の層をヌルにするように線形処理２２０が適用される。処理された信号は復号され２３０、デインタリーブされ（Π−１）２４０、その後、マルチプレクサ２５０に送出され、そこで復号された層は結合されて、入力信号１０１に対応する復元された出力信号２０２になる。受信機の逐次型干渉除去２６０は、判定フィードバック情報２６１に従う。
【００１５】
システムモデル
Ｎｔ個の送信アンテナ及びＮｒ個の受信アンテナを備えるフラットフェージングＭＩＭＯシステムでは、送信信号１０２と受信信号２０１との関係を、
【００１６】
【数１】
2008503902.tif 000003
【００１７】
として表すことができる。ここで、ｒは、受信信号２０１を表すＮｒ×１ベクトルであり、ｓは、送信信号１０２を表すＮｔ×１ベクトルであり、Ｈは、チャネルのインパルス応答を表すＮｒ×Ｎｔチャネル行列である。Ｎｒ×１雑音ベクトルｎは、分散Ｎ０の独立同一分布（i.i.d.）ゼロ平均循環複素ガウスランダム変数であるエントリを有する。
【００１８】
開ループチャネル容量は、
【００１９】
【数２】
2008503902.tif 000004
【００２０】
によって得られる。ここで、ＩＮは、Ｎｒ×Ｎｒ単位行列であり、ＳＮＲは信号対雑音比である。
【００２１】
一般性を喪失することなく、各層ｌ  １１１は送信アンテナｌ  １４１を介して送信され、検出の順序は１からＮｔであるものとする。そして、受信機２００において、以下のように確定されるｚｉに基づいて層ｉが復号される２３０。
【００２２】
【数３】
2008503902.tif 000005
【００２３】
ここで、Ｎｒ×１単位ノルム重みベクトルｗｉ２２１は、他のすべての未検出層からの信号をヌルにする２２０。重みベクトル２２１は、ゼロフォーシングまたはＭＭＳＥ基準に従って確定される。復号された層からの復元信号２６１は、（ハット）ｓｌである。値ｈｌは、チャネル行列Ｈの第ｌ列である。
【００２４】
線形処理２２０及び干渉除去２６０の後、層ｉは、一次元符号を用いて復号される２３０。
【００２５】
階層化システムのためのデータレート割当て
ＭＩＭＯシステムでは、層ｌに割り当てられる最適なデータレートは、
【００２６】
【数４】
2008503902.tif 000006
【００２７】
であるべきである。ここで、Ｈ（ｌ）＝［ｈｌ＋１  ｈｌ＋２・・・ｈＮｌ］であり、ｈｌはチャネル行列Ｈの第ｌ列である。
【００２８】
式（１）の第１項及び第２項等のＭＩＭＯチャネルの容量を、レイリーであってもライスであっても、中間ＳＮＲ及び高ＳＮＲで、ガウス分布により正確に近似することができる。これについては、P.J. Smith及びM. Shafi著、「On a Gaussian approximation to the capacity of wireless MIMO systems」, Proc. ICC 2002, pp.406-410, April 2002、M.A. Kamath、B.L. Hughes及びX. Yu著、「Gaussian approximations for the capacity of MIMO Rayleigh fading channels」, IEEE Asilomar Conference on Signals, Systems, and Computers, November 2002を参照されたい。
【００２９】
このように、各層の容量Ｃｌもまたガウス分布され、これを
【００３０】
【数５】
2008503902.tif 000007
【００３１】
によって示すことができる。ここで、ηｌ及びσ２ｌは、それぞれ層ｌの容量の平均及び分散である。ここで重要な点は、容量が、瞬間的なフィードバック情報から導出される実際の容量に基づくのではなく、統計的に表現される、ということである。また、チャネルの容量を表すために、ガンマ分布及び高次統計等、他の統計を使用することができる、ということにも留意すべきである。
【００３２】
本発明によるＭＩＭＯシステムでは、各層に対してデータレートを動的に変更するのではなく、層ｌを、層の容量すべての平均及び分散、すなわち一次統計及び二次統計に基づく、データレートｕｌに固定する。階層化システムの必要な性能に達しない確率、すなわち故障確率（outage probability）Ｐｏｕｔを最小化することは、いずれの層もその層のそれぞれの容量より高いデータレートを有さない場合、確率
【００３３】
【数６】
2008503902.tif 000008
【００３４】
を最大化することに対して等価であり、チャネルの総データレートＣＴが固定される、すなわち
【００３５】
【数７】
2008503902.tif 000009
【００３６】
であるという制約を受ける。
【００３７】
層のデータレートが、差ｘｌ＝ｕｌ−ηｌであるとする。等価ラグランジュ目的関数を調整することにより、目的関数
【００３８】
【数８】
2008503902.tif 000010
【００３９】
から、定常点、すなわち関数の導関数がゼロになる点を見つける。
【００４０】
ここで、定常点が、
【００４１】
【数９】
2008503902.tif 000011
【００４２】
を満たすということを立証することができる。それは、
【００４３】
【数１０】
2008503902.tif 000012
【００４４】
であるからである。
【００４５】
したがって、層の最適なデータレートと容量の平均との差は、
【００４６】
【数１１】
2008503902.tif 000013
【００４７】
であり、層ｌの最適なデータレートｕ＊は、
【００４８】
【数１２】
2008503902.tif 000014
【００４９】
である。
【００５０】
したがって、各層の故障確率は、
【００５１】
【数１３】
2008503902.tif 000015
【００５２】
であり、これはすべての層に対して同じである。このため、最小総故障確率は、各層の故障確率が同一である時に達成される。
【００５３】
正規化された容量マージンを、
【００５４】
【数１４】
2008503902.tif 000016
【００５５】
として定義する。
【００５６】
そして、最適な総故障確率は、
【００５７】
【数１５】
2008503902.tif 000017
【００５８】
であり、これは、興味深い事実を示す。階層化システムの最小総故障確率は、正規化された容量マージンによって一意に確定される。
【００５９】
すなわち、各層に対し適当にデータレートを選択する場合、完璧なＳＩＣを行った場合のすべての層の容量の合計は、瞬間的なフィードバックによって得られるものと全く同じである。その容量に達するためには、瞬間的なデータレートフィードバックが必要である。しかしながら、チャネルが、十分な周波数選択性または時間変化を有するもの等、十分にエルゴード的である場合、少ない不利益で、各層に対するデータレートを統計的に確定することによってその容量に近づくことができる。本発明による手法は、総データレートが与えられると全故障確率を最小化することである。上記結果のために、本発明では、異なる層に対しビットを割り当てるために統計的手法を使用する。
【００６０】
ここでは、M.A. Kamath、B. L. Hughes及びX. Yu著、「Gaussian approximations for the capacity of MIMO Rayleigh fading channels」, IEEE Asilomar Conference on Signals, Systems, and Computers, November 2002による漸近展開を使用する。それは、
【００６１】
【数１６】
2008503902.tif 000018
【００６２】
であり、そのため、
【００６３】
【数１７】
2008503902.tif 000019
【００６４】
となる。
【００６５】
同様に、全体的な総データレートＣＴでのＭＩＭＯチャネルの漸近故障確率（asymptotic outage probability）を、
【００６６】
【数１８】
2008503902.tif 000020
【００６７】
として導出する。ここで、
【００６８】
【数１９】
2008503902.tif 000021
【００６９】
であり、ηｃｈは、エルゴード的なＭＩＭＯチャネル容量であり、すなわち、すべてのシーケンスまたは相当な大きさのサンプルは、統計的パラメータに関して全体を等しく表し、σ２ｃｈは、ＭＩＭＯチャネル容量の分散である。なお、
【００７０】
【数２０】
2008503902.tif 000022
【００７１】
であり、且つ
【００７２】
【数２１】
2008503902.tif 000023
【００７３】
であり、それは、ランダム変数｛ｖｌ｝の任意のセットに対し
【００７４】
【数２２】
2008503902.tif 000024
【００７５】
であるためである。
【００７６】
このため、
【００７７】
【数２３】
2008503902.tif 000025
【００７８】
であり、且つ、
【００７９】
【数２４】
2008503902.tif 000026
【００８０】
であり、これは、データレートが同一である場合、階層化構造の漸近故障確率が、ＭＩＭＯチャネルの漸近故障確率の少なくともＭ倍であることを意味する。
【００８１】
上記結果により、以下の制約を受けるデータレート割当てを確定する統計的方法を提供する。
【００８２】
実際的な通信システムでは、限られた数の変調及び符号化レートの組合せしかない。したがって、Ｎ個の利用可能なデータレートのセットｃ１＜ｃ２＜・・・＜ｃＮ３０２は離散的である。図３を参照されたい。ここで、データレートは、低から高の順序で配置されており、ｃ１はセットのうちの最小の利用可能なデータレートであり、ｃＮは最大の利用可能なデータレートである。
【００８３】
いかなるガウス分布も、負の裾（tail）を有するため、本発明による上記分析は、各層の最適なデータレートｕ＊ｌが正であることが保証される場合に、高ＳＮＲのシステムに対して主に適用される。
【００８４】
統計的データレート割当て方法
図３は、ＭＩＭＯ通信システムにおける複数の層の間でデータレートを割り当てる本発明による方法３００を示す。
【００８５】
まず、統計３１１、たとえば、式（１）によって与えられるように、層がチャネルを通して送信された際の層の容量の過去の観測３０１に基づいて各層の容量の平均ηｌ及び分散σ２ｌを確定する３１０。平均及び分散を、送信機において完全に、伝送されたメッセージに対する受信機から肯定応答として送信された信号に基づいて確定することができる。他の統計を使用することも可能である、ということに留意すべきである。
【００８６】
統計は、瞬間的な実際のチャネル状態に基づく必要はなく、履歴データにのみ基づくことができる、ということを明らかにすべきである。
【００８７】
送信の開始において、利用できる履歴データがない場合、経験的に導出される統計を使用して、層に対する初期データレートを設定することができる。経験的データを、標準チャネルモデルを使用する実験またはシミュレーションから取得することができる。
【００８８】
総データレートＣＴのために、各層の層容量統計３１１に基づいて、式（２）に従って各層に対する最適なデータレートｕ＊ｌ３２１を確定する３２０。
【００８９】
最適なデータレートｕ＊ｌが利用可能なデータレート３０２のセットのうちの最小データレート未満であるかを判断する３３０。
【００９０】
偽である場合３３１、利用可能なデータレート３０２のうち、最適なデータレートｕ＊ｌ未満の最も近いデータレートｃ＊ｌを選択する３４０。
【００９１】
一方、真である場合３３２、利用可能なデータレートのセットのうちの最小のものであるデータレートｃ＊ｌを選択する３５０。
【００９２】
なお、上述したシステムでは、選択されたデータレートに応じて異なる層に対する異なる変調を使用してもよい。
【００９３】
変形
上で提案した手法を、送信アンテナの層との関連が変化するかまたはＯＦＤＭシステムにおけるように周波数選択的である場合にも適用することができる。本発明では、各層に対し式（１）が与えられるとデータレートのすべてを合計し、各層に対しチャネル容量の対応する平均及び分散を確定するだけでよい。
【００９４】
本発明を、好ましい実施の形態の例を用いて説明したが、本発明の精神及び範囲内で種々の他の適応及び変更を行ってもよい、ということを理解しなければならない。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の精神及び範囲内にあるそのようなすべての変形及び変更を包含するということである。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明による階層化ＭＩＭＯシステムのための送信機のブロック図である。
【図２】本発明による階層化ＭＩＭＯシステムのための受信機のブロック図である。
【図３】本発明による層間でデータレートを割り当てる方法のフローチャートである。
【図１】
2008503902.tif 000030
【図２】
2008503902.tif 000031
【図３】
2008503902.tif 000032
【国際調査報告】
2008503902.tif 000033
2008503902.tif 000034