マクロ多様性

無線通信の分野において、マクロダイバーシティ^{[1] [2]}は、同じ信号を転送するために複数の受信機または送信機アンテナを使用する一種の空間ダイバーシティ方式である。送信機間の距離は波長よりもはるかに長く、マイクロダイバーシティでは距離が波長と同程度かそれよりも短い。

携帯電話ネットワークや無線 LANでは、マクロダイバーシティとは、アンテナが通常、異なる基地局サイトまたはアクセスポイントに配置されていることを意味します。受信機マクロダイバーシティはアンテナ結合の一形態であり、ローカルアンテナまたは受信機からの信号を中央受信機またはデコーダーに仲介するインフラストラクチャが必要です。送信機マクロダイバーシティは、同じ信号が複数のノードから送信されるサイマルキャストの一形態である可能性があります。信号が同じ物理チャネル (チャネル周波数と拡散シーケンスなど) を介して送信される場合、送信機は単一周波数ネットワークを形成すると言われます。これは、特に放送業界で使用される用語です。

目的は、フェージングに対抗し、基地局またはアクセス ポイント間の露出した位置で受信信号の強度と信号品質を向上させることです。マクロ ダイバーシティは、同じ情報を送信するすべての送信機に同じ周波数チャネルを使用できる効率的なマルチキャストサービスも実現します。ダイバーシティ スキームは、送信機 (ダウンリンク) マクロ ダイバーシティおよび/または受信機 (アップリンク) マクロ ダイバーシティに基づくことができます。

• CDMA ソフトハンドオフ:
  • UMTS ソフター ハンドオフ。
• OFDMと周波数領域等化（FDE）に基づく単一周波数ネットワーク（SFN）は、 DVB-TやDABなどの放送ネットワークで使用される送信機マクロダイバーシティの一種です。
  • 動的単一周波数ネットワーク（DSFN）。スケジューリング方式により、トラフィック状況や受信機の状況に応じてSFN構成が動的に適応します。
  • 802.16eマクロ ダイバーシティ ハンドオーバー (MDHO)
  • 3GPP Long-Term Evolution (LTE) マルチキャスト ブロードキャスト シングル周波数ネットワーク (MBSFN) により、隣接セル内の多数のモバイルに同じデータを効率的に送信できるようになります。
  • 協調ダイバーシティ、たとえば 3GPP Long Term Evolution (LTE)協調マルチポイント送信/受信(CoMP) により、複数の基地局の送信範囲が重なる場所にあるモバイルへのデータ レートを向上させることができます。

マクロダイバーシティのベースライン形式は、シングルユーザー マクロダイバーシティと呼ばれます。この形式では、複数のアンテナを持つ可能性のある単一のユーザーが、複数の基地局と通信します。したがって、システムの空間自由度 (DoF) に応じて、ユーザーは、同じ時間と周波数リソースで、基地局との間で複数の独立したデータ ストリームを送受信できます。

• 単一ユーザーのマクロ多様性
  • アップリンクマクロダイバーシティ
  • ダウンリンクマクロダイバーシティ

マクロダイバーシティのさらに高度な形態では、複数の分散ユーザーが、同じ時間と周波数リソースで複数の分散基地局と通信します。この形態の構成は、利用可能な空間 DoF を最適に活用し、セルラー システムの容量とユーザー容量を大幅に増加させることが実証されています。

• マルチユーザーマクロ多様性
  • マクロダイバーシティ多重アクセスチャネル（MAC）^[2]
  • マクロダイバーシティ放送チャンネル（BC）^{[3] [4]}

ここで検討するマクロダイバーシティマルチユーザーMIMOアップリンク通信システムは、分散型単一アンテナユーザーと分散型単一アンテナ基地局（BS）から構成される。確立された狭帯域フラットフェージングMIMOシステムモデルに従うと、入力と出力の関係は次のように表される。 ${\displaystyle \scriptstyle N}$${\displaystyle \scriptstyle n_{R}}$

${\displaystyle \mathbf {y} =\mathbf {H} \mathbf {x} +\mathbf {n} }$

ここで、 および は それぞれ受信ベクトルと送信ベクトルであり、 およびは それぞれマクロダイバーシティチャネル行列と空間的に無相関なAWGNノイズベクトルです。AWGNノイズのパワースペクトル密度は と仮定されます。の 番目の要素は、この特定のケースでは、番目のユーザーと番目の基地局間のリンクである 番目の構成リンク のフェーディング係数（フェーディング を参照）を表します。マクロダイバーシティシナリオでは、 ${\displaystyle \scriptstyle \mathbf {y} }$${\displaystyle \scriptstyle \mathbf {x} }$${\displaystyle \scriptstyle \mathbf {H} }$${\displaystyle \scriptstyle \mathbf {n} }$${\displaystyle \scriptstyle N_{0}}$${\displaystyle \scriptstyle i,j}$${\displaystyle \scriptstyle \mathbf {H} }$${\displaystyle h_{ij}}$${\displaystyle \scriptstyle i,j}$${\displaystyle \scriptstyle j}$${\displaystyle \scriptstyle i}$

${\displaystyle E\left\{\left|h_{ij}\right|^{2}\right\}=g_{ij}\quad \forall i,j}$、

ここで は平均リンクゲインと呼ばれ、平均リンクSNRは となる。したがって、マクロダイバーシティ電力プロファイル行列^[2]は 次のように定義される。 ${\displaystyle \scriptstyle g_{i,j}}$${\displaystyle \scriptstyle {\frac {g_{ij}}{N_{0}}}}$

${\displaystyle \mathbf {G} ={\begin{pmatrix}g_{11}&\dots &g_{1N}\\g_{21}&\dots &g_{2N}\\\dots &\dots &\dots \\g_{n_{R}1}&\dots &g_{n_{R}N}\\\end{pmatrix}}.}$

元の入力-出力関係は、マクロ多様性電力プロファイルといわゆる正規化チャネル行列の観点から次のように書き直すことができる。 ${\displaystyle \mathbf {H} _{w}}$

${\displaystyle \mathbf {y} =\left(\left(\mathbf {G} ^{\circ {\frac {1}{2}}}\right)\circ \mathbf {H} _{w}\右)\mathbf {x} +\mathbf {n} }$。

ここで、は の要素ごとの平方根であり、演算子 はアダマール乗算を表します（アダマール積を参照）。の 番目の要素 は、次式で与えられる条件を満たします 。${\displaystyle \mathbf {G} ^{\circ {\frac {1}{2}}}}$${\displaystyle \mathbf {G} }$${\displaystyle \circ}$${\displaystyle \scriptstyle i,j}$${\displaystyle \mathbf {H} _{w}}$${\displaystyle h_{w,ij}}$

${\displaystyle E\left\{\left|h_{w,ij}\right|^{2}\right\}=1\quad \forall i,j}$。

マクロダイバーシティ電力プロファイル行列の永続性と、フェージングにおけるマルチユーザーマクロダイバーシティシステムのパフォーマンスとの間には、機能的なつながりがあることが示されています。 ^[2]マクロダイバーシティは電力プロファイルにのみ現れるように見えますが、マクロダイバーシティに依存するシステムでは通常、他の種類の送信電力制約（たとえば、の各要素の平均電力が制限されている）があり、異なるユーザーと通信するときには、調整送信機/受信機の異なるセットがあります。^[4]上記の入力と出力の関係は、各送信機および/または受信機が複数のアンテナを持つ場合にも簡単に拡張できることに留意してください。 ${\displaystyle \mathbf {G} }$${\displaystyle \mathbf {x} }$

• ミモ
  • マルチユーザーMIMO
• アンテナダイバーシティ
• 多様性スキーム
• 多様性の融合
  • 最大比率合成
  • 選択的結合
• 多様性の獲得
• 微小多様性
• 多数のアンテナ
• マルチスタティックレーダー
• 分散アンテナシステム