[論文レビュー] On the Capacity of Multiple Antenna Systems in Rician Fading

Sudharman K. Jayaweera, H. Vincent Poor|ArXiv.org|Jan 21, 2005

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 15被引用数 23

ひとこと要約

この論文は、送信機にチャネル状態情報（CSI）が利用できない状況下でのRician fadingを受けるMIMOシステムの容量を調査している。送信機にCSIの知識がない場合の正確な容量を導出するとともに、Rician K要因の分布に関する知識を活用する新しい信号伝送方式を提案し、特に高K要因においてレイリー fading に最適化された手法に比べて顕著な容量向上を示している。

ABSTRACT

The effect of Rician-ness on the capacity of multiple antenna systems is investigated under the assumption that channel state information (CSI) is available only at the receiver. The average-power-constrained capacity of such systems is considered under two different assumptions on the knowledge about the fading available at the transmitter: the case in which the transmitter has no knowledge of fading at all, and the case in which the transmitter has knowledge of the distribution of the fading process but not the instantaneous CSI. The exact capacity is given for the former case while capacity bounds are derived for the latter case. A new signalling scheme is also proposed for the latter case and it is shown that by exploiting the knowledge of Rician-ness at the transmitter via this signalling scheme, significant capacity gain can be achieved. The derived capacity bounds are evaluated explicitly to provide numerical results in some representative situations.

研究の動機と目的

• 送信機にCSIが利用可能な状況下でのRician fadingがMIMOシステム容量に与える影響を分析すること。
• 送信機がフェージング統計の知識を持たないRician fading下でのMIMOシステムに対して、正確な容量式を導出すること。
• 送信機がRician K要因の統計的知識を有することを活用して容量を向上させる新しい信号伝送方式を開発すること。
• 提案された方式の容量に対して、タイトな上限および下限を確立し、性能向上を定量すること。
• 現実的なチャネル条件下で、レイリー fading に最適化された信号伝送方式とRician環境に最適化された方式との間の容量ギャップを評価すること。

提案手法

• 送信アンテナ数$N_T$、受信アンテナ数$N_R$のMIMOシステムをモデル化し、相互に相関のないレイリーに類似したフェージングと加法性白色ガウスノイズを仮定する。
• Rician fading下でのチャネル行列を非心Wishart分布でモデル化し、K要因でパラメータ化する。
• 送信機にCSIがない場合のエルゴディック容量に対して、複素多変量ガンマ関数およびゾーン多項式を用いて正確な式を導出する。
• 送信機が瞬時のCSIではなく、既知のK要因分布に基づいて入力共分散を整形する新しい信号伝送方式を提案する。
• 行列変数超幾何関数および積分表現を用いて、提案方式の容量に対してタイトな上限および下限を導出する。
• 容量の上限および下限を評価するために、一般化超幾何関数${}_{0}\tilde{F}_{1}$および行列引数のベッセル関数を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 送信機にCSIがない場合、Rician fadingがMIMOシステムのエルゴディック容量にどのように影響を与えるか？
• RQ2 レイリー fading に最適化されたシステムと、強いLine-of-Sight成分を有するRician環境で動作するシステムとの間の容量ギャップはどの程度か？
• RQ3 送信機に瞬時のCSIがなくとも、Rician K要因の分布に関する知識があれば、MIMO容量を顕著に向上させることができるか？
• RQ4 送信機に部分的なCSI、受信機に完全なCSIがあるMIMOシステムの、達成可能な最もタイトな容量上限および下限は何か？
• RQ5 提案された信号伝送方式は、K要因および送信アンテナ数の増加に伴ってどのようにスケーリングするか？

主な発見

• 送信機にCSIがないMIMOシステムに対して、正確なエルゴディック容量が導出され、レイリー fading で容量を達成する入力分布がRicianケースでも同様に容量を達成することが示された。
• 送信機にCSIがない場合の上限（上限）とレイリー最適化信号伝送の下限（下限）との間に顕著な容量ギャップが存在し、Rician環境でレイリーと仮定した場合に顕著な性能損失が生じることを示している。
• K要因分布の知識を活用する提案された信号伝送方式は、特に高K要因においてレイリー最適化信号伝送に比べて顕著に高い容量を達成している。
• 提案方式の容量に対して、タイトな上限および下限が導出され、性能評価が正確に行えるようになった。
• 高K要因において、提案方式の容量に対する簡単な近似式が導出され、ほぼ最適なスケーリング性能を示している。
• 数値的評価により、Rician fading がMIMO容量を向上させることを確認し、提案方式が送信機における統計的CSIを活用してこの利点を効果的に捉えていることが示された。