JP2012521140A - 多重ユーザ多重アンテナ無線送出システムにおけるプリコーディング装置 - Google Patents

Abstract

多重受信端末機のための多重アンテナ無線送信装置は、送信側アンテナと受信側アンテナとの間の無線送信チャンネルの特性値を獲得するチャンネル特性獲得部と、送信側が受信側での送信信号の干渉及び雑音の強度に対する送信信号の受信電力の比率を設定する係数値を、上記送信チャンネル特性係数を用いて、求める係数算出部と、上記係数算出部で求められた行列で入力信号を掛けて出力するプリコーディング部と、を含む。出力信号は、送信側アンテナから受信側アンテナへ送信される。

Description

本発明は、多重アンテナを介した無線送信技術に関し、特に多重ユーザ多重アンテナ無線送出システムに適用できるプリコーディング技術に関する。

限られた周波数帯域を効率的に使用するために、多重アンテナを使用する多重入力多重出力（ＭＩＭＯ）技術が知られている。ＭＩＭＯ技術では、空間−時間コーディング（space-time coding）技法を使用する。これは、入力信号を複数のアンテナを介して時間、空間的に重複して送信したり、時間、空間的に分割送信したりするための事前信号処理である。

ＭＩＭＯでは、空間ダイバーシティー（spatial diversity）技法により、複数のアンテナを介して情報を重複して送信し、空間多重化（spatial multiplexing）技法により、複数のアンテナを介して情報を分割して送信する。

以下の説明は、送信端末で多重アンテナを介して多数のユーザに同時に情報を伝達し、各ユーザは１つのアンテナを使用して信号を受信する多重ユーザ多重入力多重出力（ＭＵ−ＭＩＭＯ）送信をサポートするためのプリコーディング（precoding）技術に関するものである。

一般的に、ＭＵ−ＭＩＭＯは、システムの送信容量と効率的な帯域の割り当てを増加させることに貢献している。しかしながら、受信端末に多重アンテナが使われない場合、信号間の干渉により信号の受信及び複号性能が確保されないことがあるという短所がある。

図１は、２つの送信アンテナを使用して１つずつのアンテナを有する２ユーザに情報を伝達する多重入力多重出力（ＭＩＭＯ）システムの一例を概略的に図示する。Ｓ_０、Ｓ_１は各々２つのアンテナを介して送信される信号を、ｈ_０乃至ｈ_３は各チャンネルのフェーディング（fading）特性値、そしてｒ_０およびｒ_１は各ユーザの受信信号を表す。また、図面において、アンテナを相互連結した実線は情報が意図されたユーザに伝えられる経路を、点線は他のユーザの信号が干渉して受信される経路を表現する。

図１に図示されたＭＩＭＯシステムの場合、各ユーザはまた他のユーザに向けて意図されて送信された信号を受信するようになる。この際、意図されない信号が比較的大きい値で受信される場合、情報が復元することはより困難となり得る。この例では、受信信号ｒ_０およびｒ_１は次の式により表現できる。

となる。

上記の数式で、ｈ_０とｈ_３が各々ｈ_２またはｈ_１より格段に大きい場合、情報の送信が効果的に遂行される。しかし、ｈ_０とｈ_３がｈ_２またはｈ_１より十分に大きくないと、干渉により復元性能が低下する場合がある。

図２は、ビーム成形（beam forming）により２ユーザに同時に情報を伝達する事例を図示する。図２において、点線は成形されたビームの強度分布を表す。この例の場合、信号の送信の方向性を用いてユーザを区分する。ユーザが送信端末から各々異なる方向に存在する場合、効果的な情報の送信が可能であるが、図２に図示された例のように、ユーザが同一な方向、または非常に近接した方向に位置した場合、信号間に干渉が発生し、これによって受信された信号の復元可能性を低下させる場合がある。

本発明の実施形態は、多重アンテナを介してユーザに信号を送信する時、チャネルの状態を変化させるようにし、これにより、各ユーザに受信性能を提供することができるプリコーダを提供することをその目的とする。

以下に説明される本発明の追加的な別の特徴は、明細書あるいは本発明の実施を通じて明らかとなる。

本発明の一実施形態として、多重入力多重出力（ＭＩＭＯ）方式の無線送信端末のためのプリコーディング装置(precoder)を開示し、プリコーディング装置は、受信信号に行列を乗じ、無線通信のために積を出力し、プリコーディング装置の前記行列は、信号送信側が受信側での送信信号の干渉及び雑音の強度に対する送信信号の受信電力の比率を設定する係数値を有する。

本発明の一実施形態に係る多重受信端末機のための多重アンテナ無線送信装置として、送信側アンテナと受信側アンテナとの間の無線送信チャンネルの特性値を獲得するチャンネル特性獲得部と、送信側が受信側での送信信号の干渉及び雑音の強度に対する送信信号の受信電力の比率を設定する係数値を、上記送信チャンネル特性係数を用いて、算出する係数算出部と、上記係数算出部で求められた行列で入力信号を乗じて出力するプリコーディング部と、を含む多重アンテナ無線送信装置を開示する。

本発明の一実施形態として、多重入力多重出力（ＭＩＭＯ）方式に基づいて無線送信端末から送信信号を送信する方法を開示する。その方法は、送信側アンテナと受信側アンテナとの間の送信チャンネルの特性値を獲得し、送信側が受信側での送信信号の干渉及び雑音の強度に対する送信信号の受信電力の比率を設定する計数値を計算し、入力信号をその計数を要素として持つ行列で乗じて出力信号を生成、送信側アンテナから受信側アンテナへの送信のための出力信号を出力する。

上述した一般的な説明と以下の詳細な説明は例示的かつ説明的なものであり、さらなる権利請求がされる発明のさらなる説明を提供するものであるとして理解されなければならない。

本発明によれば、受信ＳＩＮＲを最大化するプリコードを閉形式解（closed form solution）により計算し、また、チャンネルの状態の変化に、より適切に対応することができる

添付の図面は、本発明をさらに理解するために含まれるものであり、本明細書の一部に組み入れられる構成であり、本発明の実施形態を説明し、また説明とともに本発明の原理を記述するために用いられる。

２つの送信アンテナを使用して２ユーザに情報を伝達する多重入力多重出力（ＭＩＭＯ）システムの一例を示す図である。

ビーム成形（beam forming）を通じて２ユーザに情報を送信する例を示す図である。

本発明の一実施形態に係るプリコーディング装置１００を含む多重ユーザ、多重アンテナ無線送受信システムを概略的に示す図である。

本発明の一実施形態によって２ｘ２ＭＵ−ＭＩＭＯのプリコード行列に適用される係数算出過程を説明する図である。 本発明の一実施形態に係るプリコーディング装置１００を含む多重ユーザ、多重アンテナ無線送信／受信システムをより詳細に示す図である。

例示的な実施形態が以後において添付の図面を参照してより詳細に説明され示される。しかし、この開示は多くの異なる態様で実現することができ、例示的な実施形態に限定して解釈されてはならない。むしろ、事例的な実施形態は、この開示をより全体的にかつ完全にするために提示され、当業者にこの開示の範囲を十分に伝える。ここに説明されるシステム、装置および／または方法の様々な変更、変形および等価物は、当業者にとって明らかとなる。要素、特徴および構造は図面と明細書を通じて同じ番号で参照され、一部の要素の大きさや比率は図面において、わかりやすさや説明の簡潔性のために、誇張される場合がある。

プリコード使用時、各受信端末機の干渉とノイズとに対する受信信号の比（ＳＩＮＲ）は容易に分析できない複雑な形態で与えられる。そこで、もし受信端末がＳＩＮＲを設定したりあるいは最大化したりするように構成されたプリコーディング行列を処理しなければならないとすると、プリコーディング行列の要素はチャンネル特性値に関して微分不可能であることがあるので計算は複雑となる。

一実施形態において、送信側は干渉及び雑音の強度に対する送信信号の受信電力の比率を設定するプリコーディング行列を計算することができ、これは閉形式解を与え、チャンネル状態が変化しても応答することができる。より詳細には、送信側は、一定の仮定に従って比率を最大化するようにプリコーディング行列を計算することができる。送信ＳＩＮＲというこの概念を導入することにより、送信側のプリコーディング装置は順次最適化を行って最も単純な形に受信ＳＩＮＲを変形し段階的な最適化を行って、受信ＳＩＮＲを設定することができる。

以下の説明は、ユーザが一定の受信ＳＩＮＲの提供を受けなければならないという仮定の下において、受信端末により受信される信号の平均ＳＩＮＲを設定するよう構成されたプリコーディング装置に関する。

図３は、本発明の一実施形態に係るプリコーディング装置１００を含む多重ユーザ多重アンテナ無線送信／受信システムを図示する。多重ユーザ多重入力多重出力（ＭＵ−ＭＩＭＯ）方式に基づく無線送信端末のためのプリコーディング（precoding）装置は、信号送信側で送信信号による干渉及び雑音の強度に対する送信信号の受信側の受信電力の比率を設定する係数値を有する。図３で、ｓ_０とｓ_１は各々送信する信号（また、送信信号ともいう）を示し、ｈ_０乃至ｈ_３は各チャンネルのフェーディング（fading）特性値、そしてｒ_０とｒ_１は各受信端末機の受信信号を表す。また、図３において、アンテナを接続する実線はチャンネル経路のうち本来の送信が意図される経路を示し、アンテナ間の点線は干渉が発生する経路を示す。

図３で、プリコーディング部１００の係数の行列をＣと表現すれば、信号の送信と受信との関係は次の通り表現できる。

（１）

または、

（２）

ここで、η_０とη_１は雑音成分を表す。

このとき、各受信端末が受信する信号のＳＩＮＲは次の通り表現される。

（３）

上式は、平均ＳＩＮＲを考慮して次のように書き換えることができる。

（４）

ここで、σ_ｎ ^２は受信端末ｎの受信端雑音である。

上記の数式で、各受信端末の受信ＳＩＮＲ（ＳＩＮＲ_０とＳＩＮＲ_１）は両方とも４個の複素変数（complex variable）を含む関数として与えられ、また各ユーザＳＩＮＲはｃ_０乃至ｃ_３に対して微分が不可能な形態で与えられているので、所望のＳＩＮＲをサポートするｃ_０乃至ｃ_３は非常に複雑な演算を通じて得られる。この演算は困難であったり、非常に長い時間を必要としたりする。

本実施形態は、受信ＳＩＮＲを最大化するプリコードを閉形式解（closed form solution）により計算する方法を提示する。そのようなプレコードを実現するプリコーディング装置は、チャンネルの状態の変化に、より適切に対応することができる。

本実施形態は、次の式により送信ＳＩＮＲを定義する。

_（５）

ここで、送信ＳＩＮＲは次のように表現される。

（６）

受信ＳＩＮＲが次の通り表現されれば、

（７）

送信ＳＩＮＲは次の通り定義される。

（８）

このとき、送信制御は次の式を満たす。

なぜなら、

であり、したがって、各々

、

として与えられる送信ＳＩＮＲを最小化し、ｃ_０乃至ｃ_３の値として

を満たし

を最大化することができる。

図４は、本発明の一実施形態によって２ｘ２ＭＵ−ＭＩＭＯのプリコード行列に適用される係数算出過程を説明する図である。この例において、第１のステップにおいてｃ_０の値を計算し、第２のステップにおいて、列間掛け算因数βをｃ_０の値に掛ける。、第３のステップにおいて、ｃ_０の値と第２のステップの積とに、第１の行間掛け算因数α_０ｅ^ｊθ０と第２の行間乗算因数α_０ｅ^ｊθ１を掛け、第３と第４の係数ｃ_２、ｃ_３それぞれを決定する。第４の係数ｃ_３はｃ_０の値に第１の行間掛け算因数α_０ｅ^ｊθ０と列間掛け算因数βと順に掛ける手段により決定することができる。掛け算因子の数値はチャンネルパラメータに対して閉形式解（closed-form solution）で具現されているので、より簡単にプリコード行列（precode matrix）のｃ_ｎの係数値が計算される。

図４に示すプリコード行列を適用することにより、送信ＳＩＮＲは次のような三角関数を用いて定義できる。

（９）

上記の数式はα_ｎ、θ_ｎに対して微分可能な式である。ＳＩＮＲ_０ ^ｔｘとＳＩＮＲ_１ ^ｔｘとをα_ｎ、θ_ｎに対して各々偏微分してＳＩＮＲ_０ ^ｔｘとＳＩＮＲ_１ ^ｔｘとの最大値を求めることができる。

また、上記の変数は次のような閉形式（closed-form）で与えられる。

（１０）

ＳＩＮＲ_０ ^ｔｘとＳＩＮＲ_１ ^ｔｘとをα_ｎ、θ_ｎに対して偏微分すれば、仮定にしたがって送信ＳＩＮＲを最大化するα_ｎ、θ_ｎは次の通り計算できる。

（１１）

ここで、φ（ｃ）は複素数ｃの位相である。

また、ｃ_１＝βｃ_０であり、

、またはＡＤ＝ＢＣであるので、βは次のように変形できる。

（１２）

このとき

とすれば、次の結果が計算される

（１３）

したがって、上述の過程を経てプリコーディング装置１００の係数は、次の通り計算される。

（１４）

図５は、本発明の一実施形態に係るプリコーディング装置１００を含む多重ユーザ多重アンテナ無線送信／受信システムをより詳細に図示する。図５に示すように、多重アンテナ無線送出装置は、送信側アンテナと受信側アンテナとの間の無線送信チャンネルの特性値を獲得するチャンネル特性獲得部３００と、送信側で受信側の干渉及び雑音の強度に対する送信信号の受信電力の比率を設定する係数値を上記送信チャンネル特性係数の関数で求める係数算出部５００と、上記係数算出部５００で求められた係数値を要素とする行列で入力信号を掛けて出力するプリコーディング装置１００と、を含む。例えば、送信側は、受信側の干渉及び雑音の強度に対する送信信号の受信電力の比率を最大化してもよい。

係数算出部５００は、列間掛け算因数および行間掛け算因数を計算する掛け算因数（multiplication factor）算出部５１０、行列の第１係数を上記送信チャンネル特性係数の関数で求める第１係数算出部５３０、及び上記第１係数に行間掛け算因数を掛け、上記第１係数に列間掛け算因数を掛け、列間掛け算因数と行間掛け算因数とを掛けて残りの係数を求める行列算出部５５０を含む。例えば、行列算出部５５０は、行列の最後の係数を第１の係数に第１の行間掛け算因子と列間掛け算因子または列間掛け算因子と第２の行間掛け算因子を順に掛けて求めることができる。

チャンネル特性獲得部３００は、各基地局の送信端末でセル内に存在する受信端末機との通信を通じて定期的に設定される周期でチャンネル特性パラメータを獲得する。掛け算因数算出部５１０は、図４の列間掛け算因子および行間掛け算因数を求める。第１係数算出部５３０は、上述のようにして、４個の行列値のうちのｃ_０の値を求める。行列算出部５５０は求められたｃ_０の値に行間または／および列間掛け算因数を掛けて残りの行列値を計算する。

プリコーディング装置１００は、求められたプリコーディング行列で入力信号を処理して送信端末に送出する。

上述の実施形態においては２つの送信アンテナを使用し、２名のユーザに送信するＭＩＭＯシステムを中心として説明されたが、本発明はこれに限定されるものでない。当業者であれば、本明細書において提案された方法を用いて、Ｎ個の送信アンテナを使用して１乃至Ｎ名のユーザに信号を送信する一般的な形態のＭＩＭＯシステムに使用するためのプリコーダも実現できる。

本願は、２００９年３月１６に出願された韓国特許出願１０−２００９−２２３５８の優先権を主張し、その出願の内容は本願にとりこまれている。

例示的な実施形態について説明を行なったが、当業者は、添付の特許請求の範囲により定義されて開示され、また、その均等物の要旨を逸脱せずに様々な変形を、行なうことができると理解される。したがって、変形が添付の特許請求の範囲とその均等物の範囲に属するかぎり、本願の範囲から外れると理解されてはならない。

Claims (13)

1. 多重入力多重出力（ＭＩＭＯ）方式の無線送信端末のためのプリコーディング（precoding）装置であって、前記プレコーディング装置は、入力信号に行列を乗じて、無線送信のために積を出力し、前記プレコーディング装置の行列は、送信側が受信側での送信信号の干渉及び雑音の強度に対する送信信号の受信電力の比率を設定する係数値を有することを特徴とするプリコーディング装置。
2. ２ｘ２ ＭＩＭＯに適用され、
   前記プリコーディング装置の係数は次の通り与えられることを特徴とする、請求項１に記載のプリコーディング装置。
   

   

   ここにｃ_０は送信側アンテナと受信側アンテナとの間の無線送信チャンネルの特性値を用いて決定される行列の第１の係数であり、ｃ_１は前記第１の係数と列間掛け算因子の積として決定され、ｃ_２は前記第１の係数と第１の行間掛け算因子との積として決定され、ｃ_３は前記第１の係数、前記列間掛け算因子および前記第１の行間掛け算因子と第２の行間掛け算因子とのいずれかの積として決定される。
3. ｃ_１＝β×ｃ_０、ｃ_２＝α_０ｅ^ｊθ０×ｃ_０、ｃ_３＝α_１ｅ^ｊθ１×ｃ_１であり、βは前記列間掛け算因子であり、α_０ｅ^ｊθ０は前記第１の行間掛け算因子であり、α_１ｅ^ｊθ１は前記第２の行間掛け算因子である請求項２に記載のプリコーディング装置。
4. 

   であり、Φ（ｃ）は複素数ｃの位相を表し、
   

   

   であり、送信と受信との関係が
   

   

   により表される請求項３に記載のプリコーディング装置。
5. 前記プレコーディング装置の行列は、送信側が受信側での送信信号の干渉及び雑音の強度に対する送信信号の受信電力の比率を最大化する係数を有する請求項１に記載のプリコーディング装置。
6. 多重アンテナ無線送信装置であって、
   送信側アンテナと受信側アンテナとの間の無線送信チャンネルの特性値を獲得するチャンネル特性獲得部と、
   送信側が受信側での送信信号の干渉及び雑音の強度に対する送信信号の受信電力の比率を設定する係数値を、前記無線送信チャンネル特性係数を用いて、求める係数算出部と、
   前記係数算出部で求められた係数を要素として有する行列で入力信号を乗じ、受信側アンテナへ送信するための積を出力するプリコーディング部と、
   を含むことを特徴とする、多重アンテナ無線送信装置。
7. 前記係数算出部は、
   列間掛け算因子と行間掛け算因子とを計算する掛け算因数（multiplication factor）算出部と、
   前記行列の第１係数を、前記無線送信チャンネル特性係数を用いて、算出する第１係数算出部と、
   前記第１係数に列間掛け算因子と乗じ、前記第１係数に前記行間掛け算因子を乗じ、前記第１係数に前記列間掛け算因子と前記行間掛け算因子とをそれぞれ乗じて残りの係数を求める行列算出部と、
   を含むことを特徴とする、請求項６に記載の多重アンテナ無線送信装置。
8. 前記係数は、送信側が受信側での送信信号の干渉及び雑音の強度に対する送信信号の受信電力の比率を最大化する請求項６に記載の多重アンテナ無線送信装置。
9. 前記係数は
   

   

   であり、ここにｃ_０は送信側アンテナと受信側アンテナとの間の無線送信チャンネルの特性値を用いて決定される行列の第１の係数であり、ｃ_１は前記第１の係数と列間掛け算因子の積として決定され、ｃ_２は前記第１の係数と第１の行間掛け算因子との積として決定され、ｃ_３は前記第１の係数、前記列間掛け算因子および前記第１の行間掛け算因子と第２の行間掛け算因子とのいずれかの積として決定される、請求項６に記載の多重アンテナ無線送信装置。
10. 多重入力多重出力（ＭＩＭＯ）方式に基づいて無線送信端末から送信信号を送信する方法であって、
    送信側アンテナと受信側アンテナとの間の送信チャンネル特性係数を求める段階と、
    送信側が受信側での送信信号の干渉及び雑音の強度に対する送信信号の受信電力の比率を設定する係数値を計算する段階と、
    入力信号を、前記計数値を要素として有する行列で乗じ出力信号を生成する段階と、
    送信側アンテナから受信側アンテナへ送信のための出力信号を出力する段階と
    を含むことを特徴とする方法。
11. 前記係数値を計算する段階は、
    列間掛け算因子と行間掛け算因数とを計算する段階と、
    第１係数を、前記送信チャンネル特性係数を用いて、求める段階と、
    前記第１係数に列間掛け算因子と乗じ、前記第１係数に前記行間掛け算因子を乗じ、前記第１係数に前記列間掛け算因子と前記行間掛け算因子とをそれぞれ乗じて残りの係数を求める段階と、
    を含むことを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. 前記係数は、送信側が受信側での送信信号の干渉及び雑音の強度に対する送信信号の受信電力の比率を最大化する請求項１０に記載の方法。
13. 前記係数は
    

    

    であり、ここにｃ_０は送信側アンテナと受信側アンテナとの間の無線送信チャンネルの特性値を用いて決定される行列の第１の係数であり、ｃ_１は前記第１の係数と列間掛け算因子の積として決定され、ｃ_２は前記第１の係数と第１の行間掛け算因子との積として決定され、ｃ_３は前記第１の係数、前記列間掛け算因子および前記第１の行間掛け算因子と第２の行間掛け算因子とのいずれかの積として決定される、請求項１０に記載の方法

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