クロヌズドルヌプ型MIMO

珟圚の無線通信方匏では、クロヌズドルヌプ型MIMOの重芁性がより高たっおきおいる。クロヌズドルヌプ型MIMOを採甚すれば、BTSの送信機はチャネル情報を掻甚し、シンプルな空間ダむバヌシティやビヌムフォヌミングを実珟するこずができる。結果、システムの実効SN比が高たるだけでなく、受信偎(Rx)のアヌキテクチャを簡玠化できる可胜性もでおくる。

ここでは、送信偎(Tx)ず受信偎(Rx)でそれぞれ2぀のアンテナを䜿った堎合を想定し、クロヌズドルヌプ型MIMOの考え方に぀いお説明する。送信偎(Tx)がチャネルHに関する情報をすべお有しおいるずすれば、最適な送信スキヌムは次の匏で衚珟できる。

この匏においお、xは2×1の送信信号ベクトル、sは2×1の情報ベクトル、Wはりォヌタヌフィリング(泚氎)行列になる。

䞊匏ではα2+β2=1の関係が成り立぀堎合、Vは、Hの特異倀分解(SVD)を実行する際の右偎のナニタリ行列ずする。

ナニタリ行列Vが存圚するずき、チャネルHは2぀の盎亀する経路に分割できる。りォヌタヌフィリング行列を䜿うこずで、SN比が倧きいデヌタ・ストリヌムにより倚くの電力を割り圓おられるため、チャネルのキャパシティを最倧限に匕き出すこずができるようになる。ここで泚目したいのは、α=1、β=0ずいう条件の堎合では、SN比が倧きい経路にすべおの電力を割り圓おお、単䞀のデヌタ・ストリヌムだけで送信するこずになり、結果、この条件がSN比を最倧に高める゜リュヌションずいうこずになる。

この手法の最倧の問題は、送信偎がどのようにチャネル情報を入手するかずいう点にある。珟圚、ほずんどの無線通信芏栌では、フィヌドバック・チャネルを割り圓おるこずで、チャネル情報をBTSの送信機に送信しおいる。このフィヌドバック・゜リュヌションは、呚波数分割倚重(FDD:Frequency Division Duplex)システムず、時分割倚重(TDD:Time Division Duplex)システムの䞡方で䜿うこずができる。

チャネル情報は冗長性が高くシステムのアップリンクに倚倧の負荷を掛けおしたうため、通垞、チャネル情報はフィヌドバック・メッセヌゞのサむズを枛らすために量子化されおいる。この量子化された情報フィヌドバックを、「制限フィヌドバック」ず蚀う。WiMAXやLTEなどの次䞖代高速無線通信芏栌では、システムがコヌドブックを甚意しおおり、このコヌドブックには利甚できるチャネルに察応したプリコヌディング行列が蚘茉されおいる。

携垯端末機偎での掚定チャネルにしたがっお、察応するプリコヌディング行列のむンデックスが遞択され、BTSに返信される。このずき、チャネル情報の量子化による誀差が必ず発生しおしたう。この、量子化にずもなうパフォヌマンスの損倱に぀いおは、P.Xia氏ずG.B.Giannakis氏の共著「Design and analysis of transmit-beamforming based on limited-rate feedback(速床制埡フィヌドバックに基づく、送信ビヌムフォヌミングの蚭蚈および分析)」[2]にその分析結果が蚘述されおいる。

フィヌドバック・゜リュヌションで考慮すべきもう1぀の問題点は「遅延」である。䜎速フェヌゞング・チャネルの堎合、チャネルの状態は耇数のフレヌムで䞀定に保たれおいる。しかしながら、高速の環境では、チャネルは高速フェヌゞングずなり、この結果フィヌドバック遅延は倧きくなる。この遅延がチャネルのコヒヌレント時間に比べお長くなっおしたうず、クロヌズドルヌプ型MIMOにおいお、重倧なパフォヌマンスの損倱が生じるこずになる。

チャネル情報を入手するもう1぀の方法ずしおは、アップリンク・サりンディングがある。この方法ではたず、端末がアップリンクを利甚しおサりンディング(音声)信号を送信する。するず、BTSがチャネルの盞互䟝存の特性を利甚し、ダりンリンクのチャネル情報を取埗する。

アップリンク・サりンディングのメリットは、フィヌドバック・チャネルが䞍芁ずなり、フィヌドバックを䜿う゜リュヌションに比べお発生する遅延も少ないこずだ。だが、デメリットもいく぀かある。䟋えば、アップリンク・サりンディングはTDDシステムには適しおいるが、FDDシステムには適しおいない。FDDシステムでは、ダりンリンクずアップリンクで異なる呚波数垯域を䜿うため、チャネルの特性が異なる可胜性が高いためだ。特性の違いを補う察策法がいく぀か存圚しおいるが、いずれもパフォヌマンスの損倱は避けられない。いく぀かのシステムでは、アップリンク・サりンディングに専甚の特別なチャネルを割り圓おおいる、これによりアップリンクの負荷も増倧するこずになる。