(57)【要約】      （修正有）【課題】複数のアンテナをもつ送信機のビームフォーミングベクトルの決定方法。【解決手段】チャネル行列から固有ビームフォーマベクトルを決定し、該固有ビームフォーマベクトルから開始される複数の繰り返しの間、ベクトルをベクトル空間内の参照方向へ回転して、該回転されたベクトルの適用が、該参照方向を向いたピーク放射となるようにし、送信方向について、該回転された固有ビームフォーマベクトルに関連する放射パターンをサンプリングし、得られたサンプルを、前記ベクトルにより生じた空間指向性を低減するために圧縮し、圧縮されたサンプルに基づき、回転された候補ビームフォーマを作成し、該回転された候補ビームフォーマを、回転する前の該ベクトルの方向へ戻し、得られるベクトルを候補ベクトルとして記憶する。さらに、複数の繰り返しの間、複数の該候補ベクトルは比較され、最も満足する１つの候補ベクトルを選択する。【選択図】図４
2009225447.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアンテナを伴う装置を含む無線通信に用いられるビームフォーミングを決定する方法であって、
それぞれのアンテナは無線信号を放射することに適しており、
任意のレシーバへの伝搬チャネルの測定量に基づいて、前記ビームフォーミングベクトルを決定することを含み、
前記測定量はチャネル行例の形で表すことができ、
前記決定することは、
前記チャネル行列から固有ビームフォーマベクトルを決定することと、
最初の繰り返しは前記固有ビームフォーマベクトルであるベクトルに対し実行される複数の繰り返しの間、
前記ベクトルの適用がベクトル空間内の参照方向を向いたピーク放射となるように、該ベクトルを該ベクトル空間内の参照方向へ回転し、
送信方向について、前記回転された固有ビームフォーマベクトルに関連する放射パターンをサンプリングし、
その結果得られたサンプルを、前記ベクトルにより生じた空間指向性を低減するために圧縮し、
前記圧縮されたサンプルに基づき、回転された候補ビームフォーマを作成し、前記回転された候補ビームフォーマを、回転する前の前記ベクトルの方向へ戻し、
結果として得られるベクトルを候補ベクトルとして記憶することと、
を含み、
さらに、前記複数の繰り返しの間、複数の前記候補ベクトルを比較し、１または複数の選択基準を最も満足する、使用する候補ベクトルを選択する方法。
【請求項２】
繰り返し回数が最大数となるまで実行される請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記繰り返すことは、連続する２つの結果として得られるベクトルが、実質的に等しい対応する選択基準を有するとき停止する請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記連続する２つの結果として得られるベクトルは、それぞれに対応する選択基準の差が予め定められた値より小さいとき、実質的に等しい選択基準を有すると決定される請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記１または複数の選択基準は、前記結果として得られるベクトルをビームフォーマとして用いる誘導送信の信号対雑音比を含む請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記圧縮することは、クリッピング関数を用いて前記データをクリッピングすることを含む請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記クリッピング関数は、キュービックソフトクリッピング関数を含む請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記放射パターンをサンプリングすることは、前記ビームフォーミングベクトルの離散逆フーリエ変換を得ることを含む請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記回転された候補ビームフォーマを作成することは、前記圧縮されたサンプルの離散フーリエ変換を得ることと、前記戻す前に適切な位相調整を適用することと、を含む請求項１記載の方法。
【請求項１０】
複数のアンテナを伴う無線通信装置であって、
それぞれのアンテナは、無線信号を放射することに適しており、
前記装置を伴う無線通信で用いられるビームフォーミングベクトルを決定するビームフォーマを含み、
前記ビームフォーマは、任意のレシーバへの伝搬チャネルの測定量に基づいて、前記ビームフォーミングベクトルを決定するビームフォーミングベクトル決定手段を含み、
前記測定量はチャネル行例の形で表すことができ、
前記ビームフォーミング決定手段は、
前記チャネル行列から固有ビームフォーマベクトルを決定し、
最初の繰り返しは前記固有ビームフォーマベクトルであるベクトルに対し実行される複数の繰り返しの間、
前記ベクトルの適用がベクトル空間内の参照方向を向いたピーク放射となるように、該ベクトルを該ベクトル空間内の該参照方向へ回転し、
送信方向について、前記回転された固有ビームフォーマベクトルに関連する放射パターンをサンプリングし、
その結果得られたサンプルを、前記ベクトルにより生じた空間指向性を低減するために圧縮し、
圧縮されたサンプルに基づき、回転された候補ビームフォーマを作成し、前記回転された候補ビームフォーマを、回転する前の前記ベクトルの方向へ戻し、
結果として得られるベクトルを候補ベクトルとして記憶し；
前記装置は、前記複数の繰り返しの間、複数の前記候補ベクトルを比較し、１または複数の選択基準を最も満足する、使用する候補ベクトルを選択する結果比較手段を含む無線通信装置。
【請求項１１】
繰り返し回数が最大数となるまで実行される請求項１０記載の装置。
【請求項１２】
連続する２つの結果として得られるベクトルが、実質的に等しい対応する選択基準を有するとき、前記繰り返しを停止する請求項１０記載の装置。
【請求項１３】
前記連続する２つの結果として得られるベクトルは、それぞれに対応する選択基準の差が予め定められた値より小さいとき、実質的に等しい選択基準を有すると決定される請求項１１記載の装置。
【請求項１４】
前記１または複数の選択基準は、前記結果として得られるベクトルをビームフォーマとして用いる誘導送信の信号対雑音比を含む請求項１０記載の装置。
【請求項１５】
クリッピング関数を用いて圧縮する請求項１４記載の装置。
【請求項１６】
前記クリッピング関数は、キュービックソフトクリッピング関数を含む請求項１５記載の装置。
【請求項１７】
前記ビームフォーミングベクトルの離散逆フーリエ変換を得ることにより、前記放射パターンをサンプリングする請求項１０記載の装置。
【請求項１８】
前記圧縮されたサンプルの離散フーリエ変換を得、前記戻す前に適切な位相調整を適用することにより、前記回転された候補ビームフォーマを作成する請求項１０記載の装置。
【請求項１９】
コンピュータにより実行されると、前記コンピュータに請求項１記載の方法を実行させる、コンピュータ実行可能な命令を記憶するコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信装置に関し、特に、等方放射電力（ＥＩＲＰ：Equivalent Isotropic Radiated Power）制限のある装置で用いられる送信ビームフォーミングに関する。特に、超広帯域（ＵＷＢ）に関連するアプリケーションに適しているが、これに限定するものではない。
【背景技術】
【０００２】
ＵＷＢ装置のような装置は、多くの規制された環境において、ＥＩＲＰ制約により制限される。これは、アンテナの全角度範囲の送信電力が、特定の値を超えてはいけないことを意味する。一般に、送信電力は、任意の特定の方向において特定のレベルを越えることはできない。
【０００３】
複数のアンテナからなる構成は、多入力多出力（ＭＩＭＯ）技術の提供のために潜在的に重要な効用がある。これは、周波数領域及びまたは時間領域に加え、空間領域により与えられるさらなる自由度とダイバーシティを利用することにより、高データレート及びまたはロバスト通信を提供できる可能性がある。
【０００４】
データを複数のアンテナから同時に送信する場合、多くの問題が生じることが理解であきるであろう。例えば、対応する受信機で受信された１信号は、複数の送信信号の重ね合わせからなる。これは、無線媒体を通じての送信の特性に起因する。重畳された複数の信号はレシーバのＭＩＭＯ検出器により分離する必要がある。あるＭＩＭＯ装置は、受信機での検出が容易になるように、送信メッセージを予め調整するために、送信機で無線チャネルの情報を用いることを目指している。この調整は、ビームフォーミングまたはプレコーディングと呼ばれる。効率化のために、これは一般に、送信デバイスで、送信デバイスと受信デバイスとの間の無線チャネルの特性に関するある程度の情報が必要となる。このチャネル情報は、受信機から送信機へのそのようなチャネル情報の送信に用いられるフィードバックチャネルからか、あるいは、特に、送信機と受信機との間の通信取り決めが時分割二重を用いている場合、チャネルのやりとりを用いることにより、確認することができる。
【０００５】
いくつかの最適プレコーディングアルゴリズムがよく知られているが、これらは、ＭＩＭＯ装置に課す他のパフォーマンス制約との関連で使用する必要がある。特に、ＵＷＢのようなシステムは、ＥＩＲＰ制約により制限を受ける。これは、パフォーマンスに、従来の総送信電力制約よりも大きい制約を課している。そのようなシステムで適用される任意のビームフォーミングスキームは、規制ＥＩＲＰ制約に準拠する必要がある。
【０００６】
特に有用で一般的なタイプのビームフォーミングの１つとして、アンテナ選択が知られている。これは、“Performance analysis of combined transmit-SC/receive-MRC,” (S. Theon, L. V. Perre, B. Gyselinckx and M. Engels, IEEE Transactions on Communications, vol. 49(1), January 2001)に、詳細に調べられている。
【０００７】
このアプローチでは、送信機は、複数のアンテナからなり、無線チャネルの主な状態の情報が、どのアンテナからメッセージを送信すべきかを決定するために用いられる。アンテナ選択は、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）を用いることにより、広帯域システムに適用することができる。ＯＦＤＭシステムにおいて、アンテナ選択は、サブキャリア毎または複数のサブキャリアからなるグループ毎の選択に基づき、実行される。その結果、任意の１つのサブキャリアに、１つの特定のアンテナが送信用に選択されることがあり、一方、他の１つのアンテナは、異なる１つのサブキャリアの送信用に選択されることがある。このように、送信は、ある特定のコスト（有用性）関数に従って全帯域に渡って最適化されることがある。そのような関数の例には、瞬間的な受信ＳＮＲ（signal-to-noise ratio）、キャパシティ、及び符号化を含まない素のビットエラーレート（ＢＥＲ）を含む。ＵＷＢのようなＥＩＲＰの制約されたシステムにおいて、サブキャリア毎のアンテナ選択は、多くの実用場面において、システムキャパシティを最大化する。これは、また、送信アンテナ選択が、例えば、ただ１つの受信アンテナと２つの送信アンテナであるとき、受信ＳＮＲを最適化するスキームでもあることを示唆する。
【０００８】
送信電力制約を受けている、より多くの従来のシステムの場合、受信ＳＮＲ最適ビームフォーミング方法は、チャネル行列の主右特異ベクトルでの信号の送信である。チャネル行列をＭとすると、“主右特異ベクトル”という用語は、ＭHＭの最大固有値に対応する固有ベクトルのことをいう。ここで上付文字Ｈは、共役転置を示す。これは、“Largest eigenvalue of complex Wishart matrices and performance analysis of MIMO MRC systems,” (M. Kang and M. S. Alouini, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 21(3), pp. 418-426, April 2003)に詳細に述べられている。
【０００９】
このようなビームフォーミング方法は、固有ビームフォーミングと呼ばれることがある。固有ビームフォーミングは、空間放射の指向性を増加し、従って、ＥＩＲＰが制約されているシステムに実装するとき、規制されたＥＩＲＰ制約に違反しないようにするために、送信電力をバックオフする必要がある。この問題は、図１に説明され、ここには３つのビームフォーミングスキームによる放射パターンをプロットしている。ここでは、ＲＩＲＰが１ユニットより小さくなるように規制されていることを仮定している。
【００１０】
プロット１０１及び１０２は、同じ電力量で送信するビームフォーミングを表す。しかし、プロット１０１の空間指向性はより高くなっている。従って、プロット１０２は、この電力で送信することが許容されているトランスミッタを表すが、プロット１０１の表すトランスミッタは、その送信電力を少なくともプロット１０３により表されている送信電力に低減する必要がある。従って、空間的に非等方放射となるような任意の送信スキームは、ＥＩＲＰが制約されているシステムに、送信電力ペナルティを招く。これは、適切な増減（スケーリング）をするために、固有ビームフォーミング解決は、最適な送信スキームとみなすことはできないという結論を導くこととなろう。固有ビームフォーミングベクトルは、ＥＩＲＰ制約を満足するようにスケーリングされる場合、この開示では、“スケーリング固有ビームフォーミングベクトル”と呼ばれる。スケーリング固有ビームフォーミングの使用は、ＥＩＲＰが制約されているシステムにとって、明らかに準最適ではあるが、例えば、“Performance of multiple-receive multiple-transmit beamforming in WLAN-type systems under power or EIRP constraints with delayed channel estimates” (P. Zetterberg, M. Bengtsson, D. McNamara, P. Karlsson and M. A. Beach, Proceedings of the IEEE Vehicular Technology Conference, 2002)には、可能性のある、低複雑度のビームフォーミング方法とみなされてきた。
【００１１】
ＥＩＲＰが制約されたシステムにおいて、受信ＳＮＲを最大にするために送信ビームフォーミングを最適化する方法は、Zetterbergらに紹介されている。しかし、この最適化方法は、複雑な多次元空間での最適化を伴うため、実装が非常に複雑になる。
【００１２】
送信アンテナ選択は、アンテナが２つのみのトランスミッタにとって最適であるが、送信アンテナ選択とスケーリング固有ビームフォーミングとの両方は、一般に準最適である。多くのＵＷＢシステムが低ＳＮＲ環境下での運用であり、その環境下では、準最適のビームフォーミング方法による受信神郷電力減少がシステムパフォーマンスに大きく影響するため、本方法は不適切である。
【発明の概要】
【００１３】
発明のいくつかの側面は、送信ビームフォーミング方法及び装置を提供し、これは、上述した両方の準最適方法と比較して、受信時のＳＮＲを改善する。結果として得られるアルゴリズムを適切なコンピュータ装置で実行される場合の、実装上の複雑度は、Zetterbergらにより与えられた最適方法よりも大きく低減できる。
【００１４】
発明の一側面において、ＥＩＲＰ（Equivalent Isotropic Radiated Power）が制限されている、複数の送信アンテナをもつシステムにとって、準最適ビームフォーミングベクトルを得る方法を提供する。
【００１５】
該方法は、さらに、チャネル行列の主右特異ベクトル（principal right singular vector）により生成される放射の空間ＰＡＰＲ（peak-to average power ratio）を低減することを含むことがある。
【００１６】
該方法は、さらに、非オーバサンプリング（例えばｎＴ−ポイント、ｎＴはトランスミッタアンテナの数）ＩＤＦＴ／ＩＦＦＴの後に、信号の振幅を繰り返しソフトクリッピングすることを含むことがある。
【００１７】
該方法は、さらに、ＩＦＦＴ／ＦＦＴの前／後に、放射の位相回転を含むことがある。
【００１８】
該方法は、さらに、非オーバサンプリングＦＦＴ及び正規化の後、信号の位相調整を含むことがある。
【００１９】
該方法は、さらに、各繰り返しにおいて得られた複数のベクトルの中から、最大目的関数を生成するビームフォーミングベクトルを選択することを含むことがある。
【００２０】
該方法は、さらに、ソフトクリッピング関数の範囲にロバストなアルゴリズムを提供することを含むことがある。
【００２１】
発明の他の側面は、それぞれが無線信号を放射することに適している複数のアンテナを含む装置を伴う無線通信で用いられるビームフォーミングベクトルを決定する方法を提供する。該方法は、任意のレシーバへの伝搬チャネルの測定量に基づいて、前記ビームフォーミングベクトルを決定することを含み、前記測定量はチャネル行例の形で表すことができ、前記決定することは、前記チャネル行列から固有ビームフォーマベクトルを決定し、最初の繰り返しは前記固有ビームフォーマベクトルであるベクトルに対し実行される複数の繰り返しの間、前記ベクトルの適用がベクトル空間内の参照方向を向いたピーク放射となるように、該ベクトルを該ベクトル空間内の該参照方向へ回転し、送信方向について、前記回転された固有ビームフォーマベクトルに関連する放射パターンをサンプリングし、その結果得られたサンプルを、前記ベクトルにより生じた空間指向性を低減するために圧縮し、前記圧縮されたサンプルに基づき、回転された候補ビームフォーマを作成し、前記回転された候補ビームフォーマを、回転する前の前記ベクトルの方向へ戻し、その結果として得られるベクトルを候補ベクトルとして記憶する。さらに、前記複数の繰り返しの間、複数の前記候補ベクトルを比較し、１または複数の選択基準を最も満足する、使用する候補ベクトルを選択する。
【００２２】
発明の他の側面において、それぞれが無線信号を放射することに適している複数のアンテナを含む無線通信装置を提供する。該装置は、該装置を伴う無線通信で用いられるビームフォーミングベクトルを決定するビームフォーマを含み、前記ビームフォーマは、任意のレシーバへの伝搬チャネルの測定量に基づき、前記ビームフォーミングベクトルを決定するビームフォーミングベクトル決定手段を含み、前記測定量はチャネル行例の形で表すことができ、前記ビームフォーミング決定手段は、前記チャネル行列から固有ビームフォーマベクトルを決定し、最初の繰り返しは前記固有ビームフォーマベクトルであるベクトルに対し実行される複数の繰り返しの間、前記ベクトルの適用がベクトル空間内の参照方向を向いたピーク放射となるように、該ベクトルを該ベクトル空間内の該参照方向へ回転し、送信方向について、前記回転された固有ビームフォーマベクトルに関連する放射パターンをサンプリングし、その結果得られたサンプルを、前記ベクトルにより生じた空間指向性を低減するために圧縮し、圧縮されたサンプルに基づき、回転された候補ビームフォーマを作成し、前記回転された候補ビームフォーマを、回転する前の前記ベクトルの方向へ戻し、結果として得られるベクトルを候補ベクトルとして記憶する。該装置は、前記複数の繰り返しの間、複数の前記候補ベクトルを比較し、１または複数の選択基準を最も満足する、使用する候補ベクトルを選択する結果比較手段を含む。
【００２３】
発明の側面は、コンピュータに、本発明の上記複数の側面のうちのいずれかに従った方法を実行させる、コンピュータ読み取り可能な命令を含むコンピュータプログラム製品を含むことがある。コンピュータプログラム製品は、光ディスクや他のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体、フラッシュメモリや、ＲＯＭのようなリードオンリーメモリデバイスといった大容量記憶デバイスの形をしている。該方法は、ＡＳＩＣのような特定用途向けデバイス、ＤＳＰやＦＰＧＡのような適切に構成されたデバイスに組み込むこともできる。
【００２４】
コンピュータプログラム製品は、あるいは、無線信号や物理的なネットワーク信号のような信号の形もあり得る。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】複数アンテナのトランスミッタからの等方及び非等方放射プロファイルを例示する送信電力プロファイルのグラフ。
【図２】本発明の具体的実施形態に従った通信ユニットを内蔵する無線通信装置の概略図。
【図３】本発明の具体的実施形態の通信ユニットの概略図。
【図４】図２及び３の装置で用いられるビームフォーマ属性を計算する方法を説明するフロー図。
【図５】図４に説明された方法の動作例で用いられる送信電力プロファイルの一連のグラフ。
【図６】図４の方法で用いられた繰り返しに対するＰＡＰＲのグラフ.
【図７】図４の方法で用いられた繰り返しに対する目的関数の結果のグラフ。
【図８】本発明の具体的実施形態を含む種々の例のシミュレーションについて、ＥＩＲＰに対するビットエラーレートのグラフ。
【図９】図８のシミュレーションについて、ＥＩＲＰに対するパケットエラーレートのグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の具体的実施形態が、以下、添付の図面を参照して説明される。
【００２７】
図２に示された無線通信デバイス１００は、一般に、ＭＩＭＯ状況下で用いることができ、本発明の具体的実施形態に従って、１または複数の他のデバイスとＭＩＭＯ通信チャネルを確立し、チャネル品質に適したプリコーディング（あるいはビームフォーミングとも呼ばれる）スキームを導くために、チャネル情報を考慮する。無線通信デバイスの実際の実装は、基地局かユーザ端末かの点で固有ではないことは理解できよう。
【００２８】
図２は、無線通信デバイス１００として（ソフトウェアまたは特定用途向けハードウェアコンポーネントを用いて）動作可能に構成された概略的なハードウェアを説明している。無線通信デバイス１００は、作業メモリ１２４に記憶された及び又は大容量記憶ユニット１２２から取り出し可能なマシーンコード命令を実行するプロセッサ１２０を含む。汎用バス１３０によって、ユーザ操作可能な入力デバイス１３６は、プロセッサ１２０と通信可能である。ユーザ操作可能な入力デバイス１３６は、この例では、キーボード、及びマウスを含むが、別のタイプのポインティングデバイス、ライティングタブレット、音声認識手段、あるいはユーザ入力アクションが翻訳されデータ信号に変換される他の任意の手段のような、他の任意の入力デバイスも含みあるいは備えることは言うまでもない。
【００２９】
オーディオ／ビデオ出力ハードウェアデバイス１３８は、ユーザへの情報出力のために、汎用バス１３０にさらに接続されている。オーディオ／ビデオ出力ハードウェアデバイス１３８は、画像表示ユニット、スピーカ、あるいはユーザに情報を提示できる他の任意のデバイスを含むことができる。
【００３０】
通信ユニット１３２は、汎用バス１３０に接続されて、複数のアンテナ１３４に接続される。図２に示された例において、作業メモリ１２４は複数のユーザアプリケーション１２６を記憶し、これらは、プロセッサ１２０により実行されるとき、ユーザインタフェースを確立して、ユーザから／へのデータ通信を可能にする。この例におけるアプリケーションは、ユーザにより頻繁に使用されることのある汎用または特定コンピュータに実装されているユーティリティを確立する。
【００３１】
具体的実施形態に従った通信機能１２８も、他の通信デバイスとの送信および通信において、複数のアプリケーション１２６のうちの１つの実行で生成されるデータが処理され、通信ユニット１３２へ渡るようにする、通信プロトコルを確立するために、作業メモリ１２４に記憶されている。アプリケーション１２６および通信機能１２８を定義するソフトウェアは、便宜上、部分的に作業メモリ１２４および大容量記憶デバイス１２２に記憶されてもよい。作業メモリ１２４および大容量記憶デバイス１２２に記憶されているデータへのありえるアクセス速度の違いを考慮して、これを効率よく管理できるようにするために、メモリマネージャを、選択的に備えることができる。
【００３２】
通信ユニット１３２とやりとりするプロセッサ実行可能な命令がプロセッサ１２０により実行されると、プロセッサ１２０は、認識された通信プロトコルに従って他のデバイスとのとの通信を確立する。
【００３３】
通信ユニット１３２は、ここにより詳細に説明されるであろう。図３に示されているように、通信ユニット１３２のベースバンド及び複数サブキャリアバージョンが例示されている。
【００３４】
図３において、送信すべきデータ（ｘ）は、ビームフォーマ２０２に入力され、これは、ビームフォーマベクトル計算ユニット２０４により構成される。ビームフォーマベクトル計算ユニット２０４は、それ自体、利用可能などのソースからでも導かれるチャネル状態情報（Ｈ）により制御される。多くの環境において、該ユニットはそれ自体トランスミッタであるとともにレシーバとして動作することもあるので、あるいは、チャネルの他端におけるレシーバが、例えば他の低キャパシティのチャネルで、チャネル情報を送信することがあるので、チャネル推定は、チャネルのやりとりの前提から利用できる。そのようなチャネル情報は、全部または圧縮されたフォーマットで送信されることがある。
【００３５】
ビームフォーマは、各アンテナ１３４に１つずつ、複数のストリームを生成する。各ストリームは、デジタルからアナログへの変換器２０８、周波数アップコンバータ２１０お呼び電力増幅器２１２へ渡される。各電力増幅器２１２の出力は、それぞれのアンテナ１３４へ渡されるのに適している。
【００３６】
次に、図３に示したビームフォーミングベクトル計算ユニットの機能を説明する。以下に、（本発明の説明の目的で）ベースバンド通信システムの一般的なモデルが説明される。ｎRが受信アンテナの数を示すとすると、通信システムはｎT個の送信アンテナを用いる。
【数１】
2009225447.tif 000003
【００３７】
は、ｎR×ｎT行列であり、これは、トランスミッタとレシーバとの間の等価チャネルを示す。システムの使用を説明するために、ある時刻に、トランスミッタが、ｎT×１のビームフォーミングベクトル
【数２】
2009225447.tif 000004
【００３８】
を左から掛けたスカラーシンボルｘを送信しようとする。レシーバで見られる付加雑音及びレシーバで得られる総信号をそれぞれ示す、ｎR×１のベクトル
【数３】
2009225447.tif 000005
【００３９】
を用いると、
【数４】
2009225447.tif 000006
【００４０】
となる。上記のベクトル及び行列の要素は、ベースバンド表現で複素数である点に留意されたい。
【００４１】
ビームフォーミングベクトルｖの設計をここで検討する。そのような設計は、受信ＳＮＲを最大化すること、結果として得られるシステムキャパシティを最大化すること、あるいは、レシーバでの復号エラーレートを最小化すること、といった種々の基準に従って行うことができる。以下の説明では、受信ＳＮＲの最大化を考慮するが、当業者には他の方針も考慮できることは明らかであろう。さらに、ＥＩＲＰ（Equivalent Isotropic Radiated Power）により規制されている送信に着目する。信号正規化は、ＥＩＲＰが１ユニットより小さくなるように制約する必要のあるシステムには考慮され得る。
【００４２】
ここに説明される実施形態は、ＥＩＲＰの制約されたシステムにおいて、現在の準最適方法よりもより効果的に、しかもZetterbergらに記載されている最適方法よりも非常に低い複雑度で実行することを目的とするビームフォーミング方法を提供する。
【００４３】
アプローチは、ベクトルがトランスミッタでビームフォーミングベクトルとして用いられるとき、その結果としての放射では、スケーリング固有ビームフォーミングベクトルによる放射と比較して空間ＰＡＰＲが低減されるように、準最適ビームフォーミングベクトルを設計することである。さらに、これは、スケーリング固有ビームフォーミングベクトル自体に摂動を加えることにより達成される必要がある。
【００４４】
提案されたアルゴリズムのフローチャートが図４に説明されている。各ステップの動作は、以下に説明され、ここでは、各繰り返しでベクトルｖpが返される。
【００４５】
Ｓ０：εの値を設定し（オプション）、また繰り返し回数の最大数を設定する。１回目の繰り返しにおけるＰＡＰＲを０と設定する。すなわち、ＰＡＰＲ0＝０。
【００４６】
Ｓ２：スケーリングビームフォーミングベクトルにφ度の位相回転を施し、その結果として得られるベクトルｖrot,SBから生成される放射が角度Ω＝０に向くようにする。
【００４７】
Ｓ４：ｖrot,SBに対しｎTポイントＩＦＦＴを実行し、長さｎTのベクトルｕ1を得る。（例えば、ｕ1=ΘnT ｖrot,SB  ここでΘnTは、フーリエ変換行列である）。
【００４８】
Ｓ６：ｕ1の振幅のＰＡＰＲを計算し、これと前回の繰り返しで得られたＰＡＰＲとを比較する。すなわち、
【数５】
2009225447.tif 000007
【００４９】
下付文字iは、繰り返しのインデックスを示し、ＰＡＰＲは、ｕ１の振幅の平均値で除算されたｕ１の振幅の最大値として定義される。
【００５０】
Ｓ７：２つの連続する繰り返しから得られたＰＡＰＲの違いが、非常に小さい値ε（例えばε＝０．００１）になったとき、すなわち、
【数６】
2009225447.tif 000008
【００５１】
であるとき、Ｓ２２へ進む。そうでなければ、次のステップへ進む。（フローチャートの破線、すなわち、
【数７】
2009225447.tif 000009
【００５２】
を計算すること、及び
【数８】
2009225447.tif 000010
【００５３】
とを比較することは、繰り返し回数が固定値であるときには省略することができる点に注意）
Ｓ８：結果として得られたベクトルｕ１の振幅に、ソフトクリッピング関数を用いて、ソフトクリッピングを施す。例えば、
【数９】
2009225447.tif 000011
【００５４】
位相を変化させずに、振幅をソフトクリッピングを施した値に置き換え、ソフトクリッピング後の信号のｍ番目の要素は、
【数１０】
2009225447.tif 000012
【００５５】
となる。
【００５６】
Ｓ１０：ソフトクリッピングを施した信号に、ｎTポイントＦＦＴを実行し、長さｎTのベクトルｕ2を得る。
【００５７】
Ｓ１２：ＥＩＲＰ制約を満足するように、最大放射に対し、ｕ2を正規化する。その結果得られるベクトルを
【数１１】
2009225447.tif 000013
【００５８】
と表す。
【００５９】
Ｓ１４：位相調整を施す。すなわち、
【数１２】
2009225447.tif 000014
【００６０】
により生成される放射のピークを見つけ、該ベクトルを回転して、結果として得られるベクトルｖpがΩ＝０になるようにする。
【００６１】
Ｓ１６：Ｓ２と同じ回転要因φで、ｖpを逆方向に回転させる。
【００６２】
Ｓ１８：この繰り返しで得られたＳＮＲを計算する。
【００６３】
Ｓ２０：次の繰り返しのために、ｖpを、Ｓ２の回転されたスケーリングビームフォーミングとして返す。
【００６４】
Ｓ２１：繰り返し回数がその最大数に達していない場合、Ｓ４に戻り、そうでなければ、Ｓ２２へ進む。
【００６５】
Ｓ２２：最大ＳＮＲが得られる繰り返しインデックスを見つけ、それに対応するｖoutを出力する。
【００６６】
準最適ビームフォーミングベクトルが得られた後、ビームフォーミングベクトル計算ユニットは、対応するＳＮＲの値と、アンテナ選択によるＳＮＲの値とを比較し、アンテナ選択と上述のアプローチとの間で高い方のＳＮＲの値が得られるベクトルが、最終的な解である。
【００６７】
繰り返し回数が固定値であるとき、フローチャート中の破線部分は省略することができる点に留意されたい。これは、ＰＡＰＲ及びΔを計算する計算の複雑性を低減する。
【００６８】
上述したように、具体的実施形態の上記方法を実行する際、設計された準最適ベクトルは、スケーリングビームフォーミングベクトルにより放射のピーク位置をとらえるという点が重要である。ピークは、ＩＦＦＴを施す前にピーク放射がΩ＝０に位置が合うように、スケーリングビームフォーマを回転することにより、とらえられる。
【００６９】
さらに、上述の方法では位相調整が適用され、これは、図５に示された例を用いてさらに説明される。
【００７０】
図５（ａ）は、Ｓ２の前後の放射を示しており、ここでは、Ｓ２を適用することは、スケーリングビームフォーミングベクトルにより生成された放射を、角度φ回転し、その結果、“回転Ｓ２の後”の放射が、そのピーク振幅がΩ＝０に位置合わせされることとなる。ソフトクリッピングアルゴリズの繰り返しは、効果的に、メインビームを切り取り、サイドビームを大きくして、空間放射のＰＡＰＲを低減する。１つの大きくしたサイドビームがメインビームとなることもあるので、数回繰り返した後は、ピーク放射はもはやΩ＝０で起こらないことがあり得る。図５（ｂ）に示したように、９回繰り返した後にｕ2により生成される放射のピークは、Ω＝０というよりはむしろΩ＝ｐ1で起こる（“Ｓ１４前の９回繰り返し後”参照）。従って、Ｓ１４で述べたように、結果として得られるベクトルの放射のベクトルが、次の繰り返しで、ＩＦＦＴを施す前ではまだΩ＝０に合っているように、位相調整を適用する必要がある。
【００７１】
Ｓ１６において、ベクトルがφ逆回転されるとき、放射のピークは、スケーリングビームフォーマの位置に合う（図２（ａ）における“スケーリングビームフォーミング”と、図２（ｂ）の“逆回転Ｓ１６の後”との２つのカーブを比較のこと）。
【００７２】
位相調整の関連性のさらなる説明として、図５（ｃ）は、位相調整Ｓ１４を行わない場合の放射を示している。結果として得られる放射（“位相調整を行わないでＳ１６の後”）は、スケーリングビームフォーマの放射のピークを維持していない。従って、最良のチャネル状態が存在する位置に割り当てられるエネルギーは少なくなり、ＳＮＲは劣化する。
【００７３】
説明されたアルゴリズムは、ビームフォーミングベクトル計算ユニットにより実装されるとき、停止基準の検討を含む。これは、繰り返し回数は該アルゴリズムの計算複雑性に影響を与える主要な要因であるということを考慮する。図６は、繰り返し回数に対する。信号ｕ1により生成された放射の空間ＰＡＰＲの例を示す。
【００７４】
このグラフから、繰り返し回数が増加すると、空間ＰＡＰＲは収束することがわかる。しかし、図７に示すように、ＰＡＰＲが最も低いベクトルが、必ずしも最大ＳＮＲになるとは保証できない。図７では、ＳＮＲの最大値は繰り返し回数が２０回のときに達成され、最低ＰＡＰＲは繰り返し回数が１００回かそれよりも多いときに起きている。従って、最大ＳＮＲに達したとき、繰り返し回数を増加すると、何らＳＮＲゲインを得ることなく、単に複雑性が増すだけである。一方、数回の繰り返しの後にＳＮＲがその最大値に達し、そのエンベローブは、ＰＡＰＲが収束し始めるとき比較的安定することがわかる。
【００７５】
従って、充分に多くの回数繰り返して、これらの繰り返しの後に得られたＳＮＲのなかから最大のＳＮＲを選択することが適切であることがわかる。上述した方法において、該方法に課す停止基準は、連続する２つの繰り返しの間のＰＡＰＲの差が、ε＝０．００５以下であるときである。単に予め定められた繰り返し回数で繰り返しを停止すると、比較的小さいＳＮＲしか得られないので、ＳＮＲの値が繰り返し回数が増加ずるにつれ変動するため（図７）、最大ＳＮＲを得るベクトルとして準最適ベクトルｖoutを選択することは重要なことである点に留意すべきである。
【００７６】
図示されたシミュレーションは、ここに説明された停止基準を適用する場合、繰り返し回数の平均値は２１．７５であり、これは、停止基準を適用せずに同じアルゴリズムを用いて５０回繰り返しときと同等のＢＥＲ及びＰＥＲパフォーマンスを達成することができる。Δ＜ε＝０．００５は、比較的厳しい基準であることも留意すべきである。実際、値の大きいεは、ＢＥＲ及びＰＥＲの点で若干パフォーマンスを低下するだけで、繰り返し回数を低減するために用いることができる。繰り返し回数が安定したＰＡＰＲを得るに充分多ければ、固定値の繰り返し回数も用いることができる。固定値の繰り返し回数を用いるアプローチは、破線部分を除く以外は、図４と同じフローチャートに従う。これは、各繰り返しにおいてＰＡＰＲの計算の複雑性を低減する。
【００７７】
上記アプローチにおいて、ｎT−ポイントＩＦＦＴが用いられ、これは、連続する時間領域におけるＯＦＤＭシンボルのＰＡＰＲを低減する従来のクリッピング方法におけるオーバサンプリングされるＩＦＦＴと比較すると、ＯＦＤＭ送信における従来のＰＡＰＲ低減アルゴリズムと比較して計算の複雑性をおさえるが、図８及び９からわかるように、最適ビームフォーミング方法と比較して若干劣化（＜０．５ｄＢ）するだけのパフォーマンスを得る。
【００７８】
ＥＩＲＰ制約を満たすために最大放射に対しベクトルを正規化することは（図４のＳ１２）、該ベクトルにより生成される放射の計算が必要となる。放射は、該ベクトルに対しＩＦＦＴを実行することにより得られる。該ＩＦＦＴのサイズは、放射の充分な分解能を得るのに充分な大きさが必要である。この例において、正規化のＩＦＦＴのサイズは１２８である。
【００７９】
多くのソフトクリッピング関数が利用可能であること、及びこのアルゴリズムに用いられるソフトクリッピング関数のパラメータは、調節可能であることは理解できよう。繰り返し回数が最大値のＳＮＲに達するだけ充分高ければ、異なるクリッピング関数は、選択されたものと実質的に同じパフォーマンスを得ることができる。
【００８０】
ソフトクリッピング関数のパラメータは、ＰＡＰＲがより早く収束し、繰り返し回数が少なくなるように、繰り返し毎に変更することができるが、これは、各実行についてソフトウェア／ハードウェアを変更すること同様、パラメータ／関数の設計の複雑性の増加という代償にする。
【００８１】
図８及び９に示すように、具体的実施形態の上述の説明は、最適ビームフォーミングを用いることにより得られるパフォーマンスに非常に近いパフォーマンス（５０回繰り返したとき、ＢＥＲ及びＰＥＲパフォーマンスに０．５ｄＢの劣化）を与えるが、最適ビームフォーミングベクトルを生成するために、ＭＡＴＬＡＢのような特定のプログラミングツールを用いる数値的方法を用いる必要があり、これは通常、実際には望ましくない。
【００８２】
連続する時間領域のＯＦＤＭシンボルのＰＡＰＲを低減するための従来のアルゴリズムに、オーバサンプリングされるＩＦＦＴを用いるよりはむしろ、ここに開示された例では、スケーリングビームフォーミングベクトルにより空間ＰＡＰＲを低減する前に時間領域の信号を得るために、非オーバサンプリングＩＦＦＴが用いられる。従って、このアプローチは、オーバサンプリングされるＩＦＦＴを用いる場合と比較して、複雑性が低減されているが、ＢＥＲ及びＰＥＲの点で、パフォーマンスの劣化を被ることがない。
【００８３】
ここに開示されたアプローチは、繰り返しの各回において放射のピークがΩ＝０となるように、ＦＦＴ後の信号の位相調整を含む。従って、スケーリングビームフォーミングベクトルのピーク位置は、設計された準最適ビームフォーミングベクトルに維持され、メインビームは、より良好なチャネルのある位置へ“放射”される。
【００８４】
図８及び９に示すように、上述のアプローチのシミュレーションは、ＵＷＢシステムにおけるＯＦＤＭベースＷｉＭｅｄｉａに従ってなされている。そのようなシステムではサブキャリア毎にＥＩＲＰ規制が適用されるので、これらシミュレーションにおけるビームフォーミングもサブキャリア毎に適用される。受信アンテナの数は１、送信アンテナアレイは、４つのアンテナからなり、それらが５ｃｍ間隔で離されている。ビットエラーレート（ＢＥＲ）及びパケットエラーレート（ＰＥＲ）は、送信時のＥＩＲＰと受信時の雑音パワーとの間の比に対し、プロットされている。
【００８５】
例として、ある与えられたＥＩＲＰ制約で、４つの送信アンテナを用いた場合、当該アルゴリズムは、従来のスケーリングビームフォーミング方法と比較して（ＢＥＲ及びＰＥＲの点で）約２ｄＢパフォーマンスゲインを与え、従来のアンテナ選択方法と比較して約１ｄＢゲインを与える。これは最適ビームフォーミング方法を用いた場合のパフォーマンスに非常に近いパフォーマンスを与える（５０回繰り返したとき、最適ビームフォーミング方法を用いた場合のパフォーマンスより０．５ｄＢ小さい）。図のセクション参照のこと。
【００８６】
本発明の上記説明された実施形態は、本発明の実装の可能性に関し情報を提供することを意図するが、本発明は、そのような実施形態に限定されない。実際、多くの代替の実施形態、変形、説明された実施形態の個々の特徴の置き換えまたは削除が、本発明の範囲内で可能であることは理解できよう。本発明は、むしろ、添付の請求項によりさだめされるように読むべきであり、これに限定するわけではないが、本発明の説明及び添付の図面ととともに読むことができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【外国語明細書】
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