JP2014519227A - ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｉｎｐｕｔＭｕｌｔｉｐｌｅ−ｏｕｔｐｕｔ）のための空間ＣＳＩのフィードバック方法、および空間ＣＳＩフィードバックシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ＭＩＭＯ技術において、オーバーヘッドを生じさせずに少ないビット数で正確な空間ＣＳＩのフィードバックを実行する。
【解決手段】ユーザ機器とセルを接続する送信装置及び受信装置でのフィードバックとして、空間識別情報が提供される。ユーザ機器は、送信装置及び受信装置側での各サブチャネルでの空間識別情報をフィードバックとして供給するとともに、複数の送信アンテナの複数セグメント上の合成空間ＣＳＩを決定可能である。
ユーザ装置は、１または複数の受信アンテナを備え、空間識別情報は短期のサブバンドとなることが可能である。ある実施形態では、受信装置インプリメンションが考慮されている間は、受信装置側の空間識別情報は、実際の空間チャネルから引き出される。
送信装置及び受信装置の空間識別情報は、ＭＩＭＯプリコーディングのコードブックを用いてフィードバックとして提供可能である。
【選択図】図３

Description

本発明はダウンリンクＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｏｕｔｐｕｔ）技術での空間ＣＳＩ（チャネル状態情報：Ｃｈａｎｎｅｌ ｓｔａｔｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）のフィードバックに関し、特に、固有ベクトルに要素量子化（ｅｌｅｍｅｎｔ−ｗｉｓｅ ｑｕａｎｔｉｚａｔｉｏｎ）を用いた空間ＣＳＩのフィードバックの技術に関するものである。

ＭＩＭＯ技術によりリンクレベル、システムレベルあるいはリンクレベル及びシステムレベルの双方において、データスループットの劇的な改善を図ることが可能である。空間多重化およびビームフォーミングは空間効率やデータスループットを高めるために用いられている。空間多重化は、並列チャネルを経由する同一ユーザのデータ経路を多重化することで、リンクレベルスループット及びピークレートを直接的に増大させている。

空間多重化は、送信アンテナと受信アンテナの双方のアンテナ間の空間的相関関係が低いときに、最も有効である。ビームフォーミングあるいはプリコーディングはチャネルのＳＩＮＲ（ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ−ｐｕｌｓｅ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）を増加させることでチャネルレートを増加させる。プリコーディングは、複数のアンテナ上に送信重み付け（ｗｅｉｇｈｔｓ）を適用することであり、この重み付けは、チャネル相互関係あるいはフィードバックのいずれかからのＣＳＩに基づいて計算する。

送信アンテナの数が受信アンテナの数よりも多い場合、送信側の余剰の空間次元はプリコーディングに好都合であるが、空間多重化は依然として、チャネルのランクが１より多いとして実行され続ける。周波数分割多重（ＦＤＤ：ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｄｕｐｌｅｘｉｎｇ）システムでは、通常はチャネル相互関係がなく、空間ＣＳＩのフィードバックがプリコーディングに必要である。オーバーヘッドの懸念から、ＣＳＩのフィードバックは多すぎるビットを利用することはできない。一般的に、ビット数を多くするにしたがって、量子化誤差は減少する。

プリコーディングＭＩＭＯは２つのシナリオで扱うことができる。ＳＵ−ＭＩＭＯ（シングルユーザＭＩＭＯ）とＭＵ−ＭＩＭＯ（マルチユーザＭＩＭＯ）である。ＳＵ−ＭＩＭＯでは、空間多重化ストリームは一人のユーザの送信に用いられ、プリコーディングは主に受信側のＳＩＮＲの向上に用いられる。ＭＵ−ＭＩＭＯでは、複数ユーザのデータストリームは、同じ時間周波数資源の同じ送信アンテナのセットを共有する。データの分離は、適切なプリコーディング及び受信側処理により達成することができる。しかしながら、空間ＣＳＩフィードバックの量子化誤差のパフォーマンスへの影響は、ＳＵ−ＭＩＭＯとＭＵ−ＭＩＭＯでは大きく異なる。

ＳＵ−ＭＩＭＯでは、プリコーディングがＭＩＭＯチャネルの空間特性に完全に一致しない場合、コードブックの分解能の限界により一定のＳＩＮＲのロスとなる。このようなＳＩＮＲのロスは、低い、あるいは高いＳＮＲの領域であろうとも、異なるＳＮＲ（ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ）で動作する領域において、ほぼ均一である。換言すると、複数のストリームの同一ユーザへの分離を受信側で単独で実行する分には、送信側のプリコーディングとは無関係に、空間多重化ではロスがない。しかし、ＭＵ−ＭＩＭＯでは、量子化誤差は、図１及び「３ＧＰＰ Ｒ１ −０９３８１８， ”Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｔｏ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｔｙｐｅｓ”， ＺＴＥ， ＲＡＮ １＃５８ｂｉｓ， Ｍｉｙａｚａｋｉ， Ｊａｐａｎ， Ｏｃｔ． ２００９」に示されるように、ＳＮＲの増加に伴って直ぐにＭＩＭＯチャネルレートを飽和させる交互ユーザ間の干渉を、増加させることになる。

送信アンテナに相関関係があれば（例えば、ビームフォーミングアンテナ）、コードブックの設計問題は、ＭＩＭＯチャネル特性が線形位相回転に分解されることで、著しく低減する。しかしながら、相関関係にないチャネルへのコードブック設計は、ＣＳＩフィードバックに相応しいビット数に制限されるのならば、一般的に難しいことになる。

典型的な無相関なアンテナの形状は、広い間隔で配置された交差ポールである。分散環境では、２つのセット間の空間（通常は、＞４波長）は、これらの間に低い相関関係を確保する。直交偏極（＋４５度、−４５度）は各偏極方向で、独立のフェーディング結果をもたらす。
「Ｎ． Ｊｉｎｄａｌ ”ＭＩＭＯ ｂｒｏａｄｃａｓｔ ｃｈａｎｎｅｌｓ ｗｉｔｈ ｆｉｎｉｔｅ−ｒａｔｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ，”ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ， ｖｏｌ． ５２， ｎｏ． １ １． Ｎｏｖ． ２００６， ｐｐ． ５０４５−５０６０」に記述されている情報理論では、ＭＵ−ＭＩＭＯで完全な多重化利得を得るためには、ＣＳＩの量子化に必要な１ユーザあたりのビット数は、以下の式のようにｄＢｓ中の動作ＳＮＲに比例することが示されている。

ここでＭは、送信アンテナの数である。

４Ｇワイヤレスシステムでは、効率的なプリコーディングのために携帯端末は２つの受信アンテナを備えことになっており、Ｍは４以上にすべきである。

Ｍ＝４でさえも、ＳＮＲの動作ポイントが１ｄＢ高くなれば、必要なビット数は１ｄＢ分増加する。仮に低いＳＮＲ（すなわち、＜３ｄＢ）のときにＢ＝２ビットであれば、高いＳＮＲ（すなわち、＞１６ｄＢ）ではＢは１５ビットを超え得る。そのような大きなコードブック（２^１５＝３２７９８要素）の設計及び記憶装置の確保は難題であり、またコードワードを探すことは膨大なベースバンド処理が必要になる。本願はこのような状況で存在する問題や障害を解決することを目的とする。

本発明は、固有ベクトル上で要素量子化を用いたダウンリンクＭＩＭＯ技術へ空間ＣＳＩを提供する無線通信方法及びシステムに関するものである。

この方法においては、無相関ＭＩＭＯチャネルへの空間ＣＳＩは、ユーザ機器から送信機器へのフィードバックとして提供される。より詳細には、空間ＣＳＩは、ユーザ機器で推定され、その際は固有ベクトルに分解される。この固有ベクトルの要素は、量子化されて、送信機器へのフィードバックに用いられる。量子化は、振幅及び位相で行い、その際に前もって正規化をしても良い。オプションとして、コードブックをフィードバックに用いても良い。また固有ベクトルは、このフィードバックと、送信機器で計算されたプリコーディング行列から再構築されても良い。

本システムは、ユーザ機器で空間ＣＳＩを推定する手段、空間ＣＳＩを分解し要素からなる固有ベクトルを得る手段、要素を量子化する手段、及び量子化された要素をフィードバックとして供給する手段を、有する。

量子化器（ｑｕａｎｔｉｚｅｒ）は、振幅と位相を量子化するように構成される。さらに、振幅と位相を正規化する手段を含んでも良い。オプションとして、送信機器は、量子化要素から固有ベクトルを再構築する手段、及びプレコーディング行列を計算する手段を含んでも良い。

好ましい実施形態の記述から、追加の態様及び有利な効果が得られる。

本実施形態のＣＳＩフィードバックに対するプリコードＭＩＭＯの実行感度を示す図である。 本実施形態の固有ベクトルの共分散行列の要素量子化の利得を示す図である。 本実施形態のダウンリンクＭＩＭＯへ空間ＣＳＩをフィードバックするブロック図の例である。 本実施形態の送信アンテナ区分の例を示す図である。

下記に示す方法及びシステムは、特にユーザあたりのＭＩＭＯランクの数が２以上の場合に、無相関ＭＩＭＯチャネルへの空間ＣＳＩに高精度のフィードバックを効率的に行うものである。この方法およびシステムは単数あるいは複数の受信アンテナを有する携帯電話に適用可能である。

送信アンテナの各セグメントでの受信機器側の空間識別情報は、例えば特異値分解（ＳＶＤ：ｓｉｎｇｕｌａｒ ｖａｌｕｅ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）のように、空間チャネルから直接導き出すことができる場合（明示的なフィードバック）、あるいは受信側インプリメンテーション（ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ）を考慮する場合（暗黙的なフィードバック）がある。

暗黙的なフィードバックは、一定の受信側処理を仮定し、通常はプリコード化マトリクス指標（ＰＭＩ：ｐｒｅｃｏｄｉｎｇ ｍａｔｒｉｘ ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）あるいは改良バージョンを用いる。明示的なフィードバックは、受信側の処理を考慮せずに「客観的」に空間チャネル特性を捉えようとするものである。

空間チャネルは、ＣＳＩ−ＲＳ （ＣＳＩ参照信号）から算出される。ＣＳＩ−ＲＳは上位層から構成される。

空間ＣＳＩはコードブックを使用するフィードバックとして利用可能である。コードブックは、有効な量子化器である。初期にリリースされたＬＴＥ（例えばＬＴＥ Ｒｅｌ−８／９／１０）においてコードブックは再利用されていた。空間チャネルの固有値のようなＳＮＲ関連情報は、Ｒｅｌ−８／９／１０ ＣＱＩまたはその拡張を用いたフィードバックとして提供可能である。

「３ＧＰＰ Ｒ１ −０９４８４４， ”Ｌｏｗ−ｏｖｅｒｈｅａｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｏｆ ｓｐａｔｉａｌ ｃｏｖａｒｉａｎｃｅ ｍａｔｒｉｘ”， Ｍｏｔｏｒｏｌａ， ＲＡＮ １＃５９， Ｊｅｊｕ， Ｋｏｒｅａ， Ｎｏｖ． ２００９」では、空間ＣＳＩは送信する共分散行列により特徴づけられ、また量子化は要素対要素（ｅｌｅｍｅｎｔ−ｂｙ−ｅｌｅｍｅｎｔ）で行われることが示されている。その一方で空間ＣＳＩは、固有ベクトル及びそれぞれの固有ベクトルの要素で実行されたであろう量子化で表される。その結果、図２に示すように、より正確なＣＳＩフィードバックをより少ないビット数で達成することが可能となる。

図３は、固有ベクトルが要素対要素により量子化されたフィードバック機構の例を示す図である。この機構には２つの主体、すなわち、ｅＮＢ（ｅｖｏｌｖｅｄ ｎｏｄｅＢ）とＵＥ（ユーザ機器）がある。ｅＮＢの複数の送信アンテナは、地理的に異なる位置に存在し、異なる極性を有する。

図４は、基地局に広い間隔で配置された直交偏波アンテナ（計４要素）から構成されるダイバーシチアンテナを示す図である。携帯端末は２つの受信アンテナを備えるとの仮定では、４×２ＭＩＭＯチャネルＨは下記のように分解できる、

ここで、式（２）の「ｈ」の２番目の添え字（１，２）は、受信アンテナを示す。無相関のチャネルでは、Ｈの各要素は一様に分散している。

Ｈが受信側で推定された後、固有値ベクトルを得るために特異値分解（ＳＶＤ：ｓｉｎｇｕｌａｒ ｖａｌｕｅ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）が実行される。

行列Ｖは、プリコーディングに関係する送信側の空間識別を表す。実際、各ユーザのＭＩＭＯランクが２であれば、行列Ｖの最初の２列だけがプリコーディングに役立つ。しかしながら、第２列ベクトルの固有値が非常に小さければＭＩＭＯランクが１になり、第１列ベクトルのみがプリコーディングに必要となる。送信側空間識別特性を獲得できる他の手段であれば、他の手段によりＶの固有ベクトルを決定しても良い。

無相関チャネルに対しては、一様量子化器（ａ ｕｎｉｆｏｒｍ ｑｕａｎｔｉｚｅｒ）が行列Ｖの第１、２列の各要素に用いられる。これらの要素は通常は複素数であるため、振幅と位相の中で量子化は個々に行われる。量子化を容易にするために、最初に振幅と位相の正規化が行われる。このような正規化は、空間ＣＳＩの基本特性を変更せず、送信側のプリコードの計算に影響を与えない。

振幅は、最大振幅要素を用いて正規化が行われる。振幅の正規化の後、７個のスレッシュホールドを用いて（例えば０．２５、０．３５、０．４５、０．５５、０．６５、０．７５、０．８５）、８個（３ビット）の量子値（例えば０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９２５）を得る。

位相に対しては、各列の要素は、最初の１列の要素による正規化が可能であり、これにより第１列の要素は実数になる。このような場合、量子化には３ビットのみ必要となる。位相（−π、π）は３２ビン（ｂｉｎ）のうちの一つ（各π／２）に量子化される。

以上、方法及びシステムの実施形態を開示及び説明したものの、発明概念から逸脱することなく更なる多くの変形が可能であることは当業者にとって明らかである。従って、本発明は、請求項に記載された概念以外で制限されることはない。

この方法においては、無相関ＭＩＭＯチャネルへの空間ＣＳＩは、ユーザ機器から送信機器へのフィードバックとして提供される。より詳細には、送信側の空間識別を示す２つ以上の列を有する行列から成る空間ＣＳＩがユーザ機器で推定され、その際は固有ベクトルに分解される。この固有ベクトルの第１列あるいは第１及び第２列の要素のうちの何れかで構成された要素は量子化されて、送信機器へのフィードバックに用いられる。量子化は、振幅及び位相で行い、その際に前もって正規化をしても良い。オプションとして、コードブックをフィードバックに用いても良い。また固有ベクトルは、このフィードバックと、送信機器で計算されたプリコーディング行列から再構築されても良い。

本システムは、ユーザ機器で空間ＣＳＩを推定する手段、空間ＣＳＩを分解し要素からなる固有ベクトルを得る手段、要素を量子化する手段、及び量子化された要素をフィードバックとして供給する手段を、有する。ユーザ機器で推定された空間ＣＳＩは、送信側の空間識別を示す２つ以上の列を有する行列から成り、要素は、第１列あるいは第１及び第２列の要素のうちの何れかで構成されている。

Claims (22)

1. 無相関ＭＩＭＯチャネルへの空間ＣＳＩのフィードバック方法であって、
   ユーザ機器（ＵＥ）で空間ＣＳＩを推定するステップと、
   前記空間ＣＳＩを分解し、要素からなる固有ベクトルを得るステップと、
   前記要素を量子化するステップと、
   前記量子化された要素をフィードバックとして供給するステップと、
   を含むフィードバック方法。
2. 前記要素を量子化するステップは、振幅と位相の要素の量子化を含む請求項１に記載のフィードバック方法。
3. 更に、前記振幅と位相を正規化するステップを含む請求項２に記載のフィードバック方法。
4. 前記振幅と位相を正規化するステップは、最大振幅要素による振幅の正規化と第１列要素による位相の正規化を含む請求項３に記載のフィードバック方法。
5. 前記空間ＣＳＩを分解するステップは、特異値分解を含む請求項１に記載のフィードバック方法。
6. 前記要素を量子化するステップは、一様量子化器（ａ ｕｎｉｆｏｒｍ ｑｕａｎｔｉｚｅｒ）を用いた要素の量子化を含む請求項１に記載のフィードバック方法。
7. 前記ユーザ機器で推定された空間ＣＳＩは、送信側の空間識別を示す２つ以上の列を有する行列から成り、前記要素は、第１列あるいは第１及び第２列の要素のうちの何れかで構成される請求項１に記載のフィードバック方法。
8. 空間ＣＳＩは受信側インプリメンテーション（ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ）を構成する請求項１に記載のフィードバック方法。
9. 空間ＣＳＩは、短期サブバンドである請求項１に記載のフィードバック方法。
10. 前記量子化された要素をフィードバックとしての供給するステップは、ＭＩＭＯプリコーディング用の１以上のコードブックを用いる請求項１に記載のフィードバック方法。
11. 更に、量子化要素から固有ベクトルを再構築するステップ、及びプレコーディング行列を計算するステップを含む請求項１に記載のフィードバック方法。
12. 無相関ＭＩＭＯチャネルへの空間ＣＳＩフィードバックシステムであって、
    ユーザ機器（ＵＥ）で前記空間ＣＳＩを推定する手段と、
    前記空間ＣＳＩを分解し、要素からなる固有ベクトルを得る手段と、
    前記要素を量子化する手段と、
    前記量子化された要素をフィードバックとして供給する手段と、
    を有するフィードバックシステム。
13. 前記要素を量子化する手段は、振幅と位相を量子化するように構成されている請求項１２に記載の空間ＣＳＩフィードバックシステム。
14. 更に、前記振幅と前記位相を正規化する手段を有する請求項１３に記載の空間ＣＳＩフィードバックシステム。
15. 前記正規化する手段は、最大振幅要素による振幅の正規化と第１列要素による位相の正規化するように構成されている請求項１４に記載の空間ＣＳＩフィードバックシステム。
16. 前記空間ＣＳＩを分解する手段は、特異値分解を行うように構成されている請求項１２に記載の空間ＣＳＩフィードバックシステム。
17. 前記量子化する手段は、一様量子化器（ａ ｕｎｉｆｏｒｍ ｑｕａｎｔｉｚｅｒ）である請求項１２に記載の空間ＣＳＩフィードバックシステム。
18. 前記ユーザ機器で推定された空間ＣＳＩは、送信側の空間識別を示す２つ以上の列を有する行列から成り、前記要素は、第１列あるいは第１及び第２列の要素のうちの何れかで構成される請求項１２に記載の空間ＣＳＩフィードバックシステム。
19. 空間ＣＳＩは受信側インプリメンテーション（ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ）を構成する請求項１２に記載の空間ＣＳＩフィードバックシステム。
20. 空間ＣＳＩは、短期サブバンドである請求項１２に記載の空間ＣＳＩフィードバックシステム。
21. 前記量子化された要素をフィードバックとしての供給する手段は、ＭＩＭＯプリコーディング用の１以上のコードブックを用いる請求項１２に記載の空間ＣＳＩフィードバックシステム。
22. 更に、量子化要素から固有ベクトルを再構築する手段、及びプレコーディング行列を計算する手段を有する請求項１２に記載の空間ＣＳＩフィードバックシステム。