(57)【要約】【課題】  本発明は多重アンテナ無線リンクにおける送信の共分散を最適化する方法を提供する。【解決手段】  この方法では、並列シンボルストリームの空間的なステアリングおよび各シンボルストリームの送信電力が、チャネルの統計分布に基づいて決定される。決定された空間的なステアリングおよび送信電力は、送信共分散を最適化するように送信器によって適用することができる。【選択図】図１
2005110272.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多重アンテナ送信機の送信共分散を最適化する方法であって、
チャネルの統計的分布に基づいて並列シンボルストリームの空間ステアリング及び各シンボルストリームの送信電力を決定するステップからなる方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、該決定するステップが該並列シンボルストリームに対するそれぞれのステアリングベクトルを決定する方法。
【請求項３】
請求項２記載の方法において、該決定するステップが該ステアリングベクトルを該チャネルの慈統計的分布のみに基づいて決定する方法。
【請求項４】
請求項３記載の方法において、該決定するステップが該ステアリングベクトルを該チャネルの予想される分布の固有ベクトルとして決定する方法。
【請求項５】
請求項１記載の方法において、該決定するステップが該シンボルストリームに対する送信電力を該シンボルストリームに対する直前に決定された送信電力及
び該チャネルの該統計的分布に基づいて決定する方法。
【請求項６】
請求項５記載の方法において、該決定するステップが、各シンボルストリームに対して、
第１の可能な送信電力を該シンボルストリームに対するｋ番目の送信電力に基づいて決定するステップであって、ｋは時間間隔を表すステップ、
第２の可能な送信電力を該シンボルストリームに対する該ｋ番目の送信電力及び該チャネルの該統計的分布に基づいて決定するステップ、及び
該シンボルストリームに対する（ｋ＋１）番目の送信電力を該第１及び第２の可能な送信電力に基づいて決定するステップ
からなる方法。
【請求項７】
請求項６記載の方法において、該（ｋ＋１）番目の送信電力を決定するステップが、さらに、
該第１及び第２の可能な送信電力から１つを選択するステップ、及び
該シンボルストリームに対する選択された送信電力の合計が送信機において利用可能な電力量を超えないように、該シンボルストリームに対する該選択された送信電力の大きさを決めるステップであって、該大きさが決められた選択された送信電力が（ｋ＋１）番目の送信電力となるステップ
からなる方法。
【請求項８】
請求項６記載の方法において、該第２の可能な送信電力を決定するステップが該第２の可能な送信電力を、該ｋ番目の送信電力、該チャネルの該統計的分布、及び送信機において利用可能な電力量に基づいて決定する方法。
【請求項９】
請求項６記載の方法において、該第２の可能な送信電力を決定するステップが該第２の可能な送信電力を、該ｋ番目の送信電力、該チャネルの或統計的分布、
及び受信機のノイズ電力に基づいて決定する方法。
【請求項１０】
請求項６記載の方法において、該第２の可能な送信電力を決定するステップが或第２の可能な送信電力を、該ｋ番目の送信電力、該チャネルの該統計的分布、及び受信アンテナの数に基づいて決定する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は多重アンテナ無線リンクにおける送信の共分散を最適化する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の送信アンテナおよび受信アンテナを使用すると、確実に伝えることのできるスループットまたはビット伝送速度として定義される、無線通信システムの容量を大幅に増大させることができる。所与の１組の送信アンテナおよび受信アンテナについて、最大の容量は、複数のアンテナ無線リンクが最適化されたときに得られる。これは、送信器と受信器がどちらも、それらの間の無線チャネルの瞬間的な状態を追跡できるときに可能になる。このような追跡は、受信器ではかなり簡単であるが、チャネルの高速性のために、特に移動システムにおける送信器では非常に難しい。すなわち、送信器が瞬間的な状態に適合できるように受信器がチャネルの瞬間的な状態を送信器に報告することができるようになるまでに、瞬間的な状態が変化してしまう。したがって、送信器はチャネルの瞬間的な応答に関する最新の信頼できる情報なしに動作しなければならず、最適な共分散、したがって容量が実現されないことが多い。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明は、チャネルの統計分布を用いて多重アンテナ送信器の送信共分散を最適化する方法を提供する。上述のように、受信器は、チャネルの瞬間的な状態の知識を有する。これは、送信器が、すでに受信器に知られているパイロット信号を送信し、次いで受信器が瞬間的な状態を得ることができるからである。上記に詳しく述べたように、送信器は瞬間的な知識を有さない。しかし、チャネルが短時間しか静止せず、したがって、その統計が、その瞬間的な状態が変化している時間よりも数百倍、場合によっては数千倍長い時間の間変化しないため、チャネルに関する統計情報は得られる。本発明によれば、チャネルの瞬間的な応答を用いて、チャネルの分布が任意の公知の統計方法で得られる。この分布は、瞬間的な各応答に関連付けされた確率であり、各確率は、関連する瞬間的な応答が現在チャネルを特徴付けている確率を示している。
【０００４】
例示的な一実施形態では、並列シンボルストリームの空間的なステアリングと各シンボルストリームの送信電力は、チャネルの統計分布に基づいて求められる。たとえば、並列シンボルストリームのそれぞれのステアリング・ベクトルは、チャネルの予想される分布の固有ベクトルとして決定される。
【０００５】
例示的な一実施形態では、各シンボルストリームの送信電力は、シンボルストリームのすでに列低された送信電力とチャネルの統計分布とに基づいて決定される。このように、各シンボルストリームの決定された送信電力は、シンボルストリームの最適な送信電力を追跡する。
【０００６】
本発明は、以下に与えられる詳細な説明および添付の図面からより完全に理解されよう。図面において、同じ要素は同じ参照番号によって表されている。詳細な説明と添付の図面は、例示的なものに過ぎず、したがって本発明を制限するものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
Ｍ本の送信アンテナおよびＮ本の受信アンテナを有する複数のアンテナ無線システムは、ベースバンドにおいて次式のようにモデル化することができる。
ｙ＝Ｈｘ＋ｎ
【０００８】
上式で、ｘは、共分散を最適化する必要のある送信信号を表すＭ次元ベクトルであり、Ｈは、各送信アンテナと各受信アンテナとの間のチャネルを表すＮ×Ｍ行列であり、ｙは、受信された信号を表すＮ次元ベクトルであり、ｎは、雑音を表す別のＮ次元ベクトルである。雑音は、ガウス雑音および白色雑音としてモデル化されるが、非白色雑音の一般化は簡単である。チャネルは、ｘの帯域幅にわたって周波数平坦であるが、この場合も、いくつかの公知の方法（ｘを互いに素で幅の狭いいくつかの小信号に分割することや、ｙを等化してチャネルを平坦化することなど）によって周波数選択チャネルを延長するのは簡単である。周波数平坦なチャネルでは、ｘ、ｙ、Ｈ、およびｎのエントリはスカラであり、一般に同相成分および直交成分に対処する複素数である。
【０００９】
上述のように、受信器は常に行列Ｈの知識を有する。これは、送信器が、すでに受信器が知っているパイロット信号を送信し、受信器が次いで、行列Ｈを得ることができるからである。上述に詳しく述べたように、送信器は行列Ｈの知識を有さない。しかし、チャネルが短時間しか静止せず、したがって、その統計が、その瞬間的な状態が変化している時間よりも数百倍、場合によっては数千倍長い時間の間変化しないため、チャネルに関する統計情報は得られる。本発明によれば、チャネルの瞬間的な応答を用いて、行列Ｈの分布が任意の公知の統計方法で得られる。この分布は、瞬間的な各応答に関連付けされた確率であり、各確率は、関連する瞬間的な応答が現在チャネルを特徴付けている確率を示している。
【００１０】
この分布は、時間の経過と共に徐々に変化し、したがって、送信器もそれに応じてその設定を徐々に変化させなければならない。Ｔによって、生成された信号の共分散が変化しない持続時間を示すものとし、カウンタｋによってこのような間隔の連続を示す。
【００１１】
さらに、Ｐによって、送信に利用できる電力を表し、したがって、次式が成立する。
Ｅ［ｘＨｘ］＝Ｅ［Ｔｒ｛ｘｘＨ｝］＝Ｐ
上式で、（・）Ｈは、ベクトルまたは行列の転置共役を示し、Ｔｒ｛・｝は行列のトレースを示し、Ｅ［・］は期待値、すなわち、ある数量によって得られた１組の値の平均値を示す。最後に、σ２は、Ｎ本の受信アンテナにおける雑音分散の算術平均を示す。
【００１２】
図１は、本発明の方法を適用できる送信器の例示的な構造を示している。これは、任意の共分散を有する信号の生成を可能にする公知の構造であり、本発明の方法をより良く理解するための内容を与える。図示のように、空間−時間エンコーダ変調器ブロックは、受信器に確率に伝えられるビットのストリーム（ソース・ビットと呼ばれる）を受信する。これらのビットは符号化され、次いで公知の方法でＭ個の複素数変調シンボルストリームにマップされる。シンボルストリーム中の各シンボル上に埋め込まれた情報の量は、それぞれの各シンボルストリームについて空間−時間エンコーダ変調器ブロック１０に与えられるレートＲｍ（ｋ）、ｍ＝１．．．Ｍによって求められる。したがって、各間隔ｋにおいてＭ個のそのようなレートがある。これらのレートのいくつかは、対応するシンボルがその間隔の間使用されず、したがって、そこに情報を埋め込んではならないことを示す時間には零になる。これらのレートは受信器によって送信器に供給するか、直接送信器で算出する（この場合、送信器において受信器の構造が分かっていなければならない）ことができる。空間−時間エンコーダ変調器ブロック１０の動作および構造は当技術分野では公知であるので、説明を簡潔にするため、このブロックについては詳しく説明しない。
【００１３】
空間−時間エンコーダ変調器１０から出力されるＭ個のシンボルストリーム（相互交換可能に単に「シンボル」とも呼ばれる）のそれぞれは、関連する異なる振幅
【数１】
2005110272.tif 000003
、ｍ＝１．．．Ｍによって重み付けされる。図１に示されているように、Ｍのシンボルストリームのそれぞれに、第１の乗算器１２で関連する送信電力
【数２】
2005110272.tif 000004
、ｍ＝１．．．Ｍが掛けられる。間隔ｋごとに、このような送信電力は、電力予算Ｐを超えないように次式を満たさなければならない。
【数３】
2005110272.tif 000005
すなわち、各シンボルストリームの送信電力の和は、送信器で利用可能な電力Ｐを超えてはならない。したがって、ｐｍ（ｋ）／Ｐは、総送信電力Ｐの、間隔ｋの間にｍ番目のシンボルに割り当てられる部分を示す。都合上、送信電力を以下の行列における対角線上に繰り込むことができる。
【数４】
2005110272.tif 000006
【００１４】
ｍ番目のシンボルに、その電力が割り当てられた後、シンボルの方向を定めるベクトル［Ｖ１，ｍ（ｋ）Ｖ２，ｍ（ｋ）．．．ＶＭ，ｍ（ｋ）］が掛けられる。図１に示されているように、１組のＭ個の乗算器１４に各シンボルストリームが関連付けされ、１組の乗算器１４は、シンボルストリームに関連するステアリング・ベクトルを掛ける。これらのＭ個のステアリング・ベクトルは、各々がＭ個の複素係数を有し、以下に示されているようにＭ×Ｍ行列として繰り込むことができる。
【数５】
2005110272.tif 000007
【００１５】
行列Ｖは、例示的な実施形態では、１であり、すなわちＶＶＨ＝Ｉである。したがって、次式が成立する。
ａ）各ステアリング・ベクトル（Ｖの各列）は単位基準を有し、すなわち、次式が成立し、
【数６】
2005110272.tif 000008
したがって、電力割当ては変更されない。各シンボルはステアリング・プロセスを通じてその電力を保持する。
ｂ）Ｍ個のステアリング・ベクトル（Ｖの列）は、相互に直交し、したがって、互いに干渉することはない。
【００１６】
ステアリング・プロセスの最後のステップは結合である。方向を定められたＭ個のシンボルの各々のｊ番目のエントリの和は、ｊ＝１．．．Ｍの場合のｊ番目のアンテナによって送信される信号となる。図１に示されているように、Ｍ本のアンテナのそれぞれに関連する加算器１６は、方向を定められたＭ個のシンボルのそれぞれにおける関連するエントリを受信し、それらを結合して送信される信号を形成する。
【００１７】
ステアリング・プロセスによって構成されたＭ個の信号は、放射される前に、関連するＲＦブロック１８によってフィルタリングされその適切な周波数上にアップコンバートされる。最後に、結果として得られたＲＦ信号がＭ本の送信アンテナ２０上に送られる。
【００１８】
次に、本発明によって、送信電力およびステアリング・ベクトルを求めて共分散を最適化し、したがって、無線リンクの容量を最大にする例示的な実施形態について説明する。上述のように、送信電力は（対角エントリが電力割当てを表す）行列Ｐとして特徴付けることができ、ステアリング・ベクトルは（列がステアリング・ベクトルである）行列Ｖとして特徴付けることができる。送信信号の共分散はＶＰＶＨに等しく、本発明を適用すると、共分散が容量の点で最適な信号が得られる。
【００１９】
間隔ｋにおいて、Ｖ（ｋ）の列はＥ［ＨＨＨ］の固有ベクトルとして算出され、期待値はこの間隔の間のＨの分布に対して算出される。
【００２０】
Ｐの計算は、あらゆる間隔において（ｉ）その間隔の間のＨの分布、および（ｉｉ）前の間隔におけるＰの値に基づいてＰを更新する再帰アルゴリズムを介して行われる。取得モードでは、Ｐが任意に初期設定され、次いで数回の反復の後で最適な電力が求められる。定常状態では、アルゴリズムは、チャネル分布が徐々に変化するにつれて最適な１組の電力を追跡する。アルゴリズムは以下のとおりである。間隔ｋ＋１において、
１）第１のステップでは、ｍ＝１．．．Ｍについて、
【数７】
2005110272.tif 000009
および間隔ｋの間のＨの分布に関して得られる期待値によって次式が算出される。
【数８】
2005110272.tif 000010
行列Ａは、次式によって与えられ、
【数９】
2005110272.tif 000011
一方、Ｍ個の行列Ｂ−ｍ、ｍ＝１．．．Ｍは次式によって与えられる。
【数１０】
2005110272.tif 000012
上式で、
【数１１】
2005110272.tif 000013
およびＰ−ｍ（ｋ）は、ｍ番目の列を含まない対応する行列を示す。
【数１２】
2005110272.tif 000014
は
【数１３】
2005110272.tif 000015
のｍ番目の列を示す。
２）第２および最後のステップによって、Ｐの新しい値が次式のように求められる。
【数１４】
2005110272.tif 000016
【００２１】
すなわち、第２のステップでは、送信器で利用可能な電力を超えないように第１のステップで求められた送信電力が正規化される。
【００２２】
本発明の例示的な一実施形態では、上述の方法は、受信器のプロセッサにおけるソフトウェアとして実現される。受信器は、各間隔ｋにおいて、結果として得られたＶ（ｋ）およびＰ（ｋ）を送信器に伝える。他の実施形態では、この方法は、送信器におけるソフトウェアとして実現され、受信器は行列Ｖ（ｋ）およびＰ（ｋ）を求めるのに必要な情報を送信器に送る。他の実施形態として、本発明による方法は、ハード配線回路、ファームウェア、ＦＰＧＡなどで実現される。
【００２３】
本発明について説明したが、本発明を多数の方法で変形できることは自明であろう。このような変形は本発明の趣旨および範囲からの逸脱とみなされるものではなく、当業者に自明であるすべてのそのような修正は、特許請求の範囲の範囲内に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の方法を適用できる送信器の例示的な構造を示す図である。
【図１】
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