JP4319633B2 - マルチユーザ多入力多出力システムにおけるデータを送受信する装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、マルチユーザ多入力多出力（Multiple-Input Multiple-Output；以下、ＭＩＭＯと称する）システムにおいて、データを送受信する装置及び方法に関し、さらに詳細には、基地局の多重アンテナスケジューリング方式を適応的に選択するマルチユーザＭＩＭＯシステムでデータを送受信する装置及び方法に関する。

既存の無線移動通信システムは、音声サービスを主とし、チャンネルの劣化性を克服するために、主にチャンネルコーディングに依存したが、何時、どこでも、誰とも常に通話が可能な高品質のマルチメディアサービスに対する要求が増大するに従って、データサービスを主とするサービスへ発展している。従って、さらに多いデータをさらに速くさらに低いエラー率で送信するための次世代無線送信技術が要求されている。特に、データの要求量が多いリンクで高速でデータを送信することは、非常に重要である。

このような、次世代無線通信のためには、多様なアンテナシステムが提案された。例えば、ＭＩＭＯシステム、すなわち、通常のアンテナシステムは、すべての送信アンテナを介して必要以上の周波数帯域幅を使用せずスペクトルの効果を増加させる。一般的に、ＭＩＭＯは、送信器の送信構造及び方法に従って、時空間符号化（Space-Time Coding；ＳＴＣ）、ダイバーシティ（Diversity）、ビームフォーミング（Beam Forming；ＢＦ）、及び空間多重化(Spatial Multiplexing；ＳＭ)に分類され、高いデータ送信率及び信頼性を提供する。

そして、多様なアンテナシステムが送信側又は受信側で使用されるとき、スケジューリング方式（Scheme）は、それぞれ異なる送信アンテナが特定の使用者のデータ送信のために同時に割り当てられることができるマルチユーザＭＩＭＯ環境で、システム容量を決定するのに一番重要な要素である。そして、さらに多い送受信アンテナが使用され、さらに多い使用者がセルラーネットワークで考慮されることに従って、スケジューリングアルゴリズムは、さらに複雑なシステムシナリオの重要な役割を果たしている。

使用者のための送信アンテナスケジューリング方式には、多様な資源(すなわち、送信アンテナ)を割り当てる方式がある。例えば、すべての送信アンテナが一人の使用者に割り当てられるか、又は、送信アンテナと受信アンテナとの間のリンク条件に従って、送信アンテナがそれぞれ異なる使用者に割り当てられる。

一方、受信側は、線形ゼロフォーシング（Zero-Forcing；ＺＦ）、最小平均２乗誤差（Minimum Mean-Squared Error；ＭＭＳＥ）、連続干渉除去(Successive Interference Cancellation；ＳＩＣ)、順次的ＳＩＣ（Ordered ＳＩＣ）、球面復号（Sphere Decoding）、及び最尤(Maximum Likelihood)方式にて実現され、性能が良いほどその実現における複雑度が増加する、という短所がある。

従って、無線通信システムにおいて、最適のシステム容量は、上述したＭＩＭＯシステムの種類、スケジューリング方法の種類、及び受信側の実現方法に従って決定される。その結果、システムの使用目的に従って異なる方法にて実現されることができる。

上記背景に鑑みて、本発明の目的は、マルチユーザＭＩＭＯシステムにおいて、受信側の構造と使用者の数に従って、アンテナスケジューリング方法を選択的に実現することにある。
本発明の他の目的は、マルチユーザＭＩＭＯシステムで線形及び非線形特性をすべて有する受信側の使用者の数に従って、アンテナスケジューリング方法を選択的に実現することにある。

上記のような目的を達成するために、本発明の特徴によると、複数の使用者装置に接続された基地局を備えるマルチユーザＭＩＭＯシステムにおけるデータを送受信する方法は、上記使用者装置が線形受信方式と非線形受信方式とを使用して各チャンネル容量情報を計算するステップと、上記計算されたチャンネル容量情報を上記基地局へフィードバックするステップと、上記基地局が上記使用者装置からフィードバックされたチャンネル容量情報に基づいて、相互に異なる少なくとも２つのアンテナスケジューリング方法を使用して各システム容量を計算するステップと、上記少なくとも２つのアンテナスケジューリング方法のうち、システム容量がさらに大きいアンテナスケジューリング方法を使用して上記複数の使用者装置にアンテナを割り当てるステップと、を備えることを特徴とする。

また、本発明の他の特徴によると、基地局が自分の無線領域の内の端末機から受信されたチャンネル状態情報に基づいて、アンテナを割り当てるマルチユーザ多入力多出力無線通信システムにおけるデータを送受信する方法は、すべての端末機から受信されたチャンネル状態情報に基づいて、少なくとも２つの受信方式を使用して全体のシステム容量を計算するステップと、上記受信方式のうち、上記全体のシステム容量がさらに大きい受信方式を選択するステップと、上記選択された受信方式に対応する送信アンテナ割当て方式を使用してアンテナを割り当てるステップと、を備えることを特徴とする。

本発明は、線形ＭＭＳＥ受信方式及びＩＳＴアンテナスケジューリング方法にて実現されたシステムと非線形ＳＩＣ受信方式及びＭＬＴアンテナスケジューリング方法にて実現されたシステムとのシステム容量を比較し、その比較の結果に従って、さらに大きいシステム容量を有するアンテナスケジューリング方法を選択し、これによって、基地局に接続された使用者装置の数に従う実時間で最適のシステム容量を実現することができるマルチユーザＭＩＭＯシステムを提供する、という効果がある。

以下、本発明による好適な一実施形態について添付した図面を参照しつつ詳細に説明する。下記の説明において、本発明の要旨のみを明瞭にする目的で、関連した公知の機能又は構成に関する具体的な説明は省略する。
図１は、本発明の実施形態によるマルチユーザＭＩＭＯシステムでデータを送受信する装置を示すブロック図である。図１に示すように、マルチユーザＭＩＭＯシステムにおいて、各セルは、基地局１０及び複数の使用者装置（User Equipments）（または端末）ＵＥ_１乃至ＵＥ_Ｋを含む。

複数のアンテナＡＮＴ＃１乃至ＡＮＴ＃Ｎを含む基地局１０は、使用者装置ＵＥ_１乃至ＵＥ_Ｋに該当する信号Ｓ−ＵＥ_１乃至Ｓ−ＵＥ_Ｋを送信する。このとき、本発明は、複数の使用者装置に対する基地局のアンテナスケジューリング方法として、最大リンク技法（Max Link Technique；ＭＬＴ）と個別リンク技法（Independent Stream Technique；ＩＳＴ）とを使用することができる。特に、ＭＬＴは、すべての送信アンテナを１つの使用者装置に割り当てる方法であり、ＩＳＴは、それぞれの送信アンテナを相互に異なる使用者装置に割り当てる方法であって、各使用者装置は、０、１、又はそれ以上の送信アンテナが割り当てられることができる。

基地局１０は、送信アンテナＡＮＴ＃１乃至ＡＮＴ＃Ｎのスケジューリングのために、各使用者装置ＵＥ_１乃至ＵＥ_Ｋからフィードバック（Feedback）情報１２を受信する。受信されたフィードバック情報１２は、使用者装置ＵＥ_１乃至ＵＥ_Ｋでそれぞれ計算されたチャンネル容量に関する情報であり、基地局１０は、フィードバック情報１２と現在基地局１０に接続されている使用者装置ＵＥ_１乃至ＵＥ_Ｋの数とを用いて、最適のシステム容量を実現することができるアンテナスケジューリング方法を選択する。すなわち、基地局１０は、現在基地局１０に接続されている使用者装置ＵＥ_１乃至ＵＥ_Ｋの数に基づき、ＭＬＴ方法にて使用者装置ＵＥ_１乃至ＵＥ_Ｋに送信アンテナＡＮＴ＃１乃至ＡＮＴ＃Ｎを割り当てる動作とＩＳＴ方法にて使用者装置ＵＥ_１乃至ＵＥ_Ｋに送信アンテナＡＮＴ＃１乃至ＡＮＴ＃Ｎを割り当てる動作のうちのどんなものが最適のシステム容量を実現するのに効率的であるか否かを判断し、システム容量を最大化するために選択される方式にて送信アンテナＡＮＴ＃１乃至ＡＮＴ＃Ｎをスケジューリングする。

一方、使用者装置ＵＥ_１乃至ＵＥ_Ｋは、複数のアンテナ２５及び２６をそれぞれ備え、非線形的な特性を有するＳＩＣ２１，２２と線形的な特性を有するＭＭＳＥ２３，２４とをすべて使用する。従って、基地局１０から信号を受信すると、使用者装置ＵＥ_１乃至ＵＥ_Ｋは、ＳＩＣ方法２１，２２とＭＭＳＥ方法２３，２４に対して、各チャンネルに対する容量を計算して該当情報を基地局１０にフィードバックさせる。そして、基地局１０がＭＬＴ方法にて送信アンテナＡＮＴ＃１乃至ＡＮＴ＃Ｎを割り当てると、使用者装置ＵＥ_１乃至ＵＥ_Ｋは、ＳＩＣ方法２１，２２でデータを受信し、基地局１０がＩＳＴ方法で送信アンテナＡＮＴ＃１乃至ＡＮＴ＃Ｎを割り当てると、使用者装置ＵＥ_１乃至ＵＥ_Ｋは、ＭＭＳＥ方法２３，２４でデータを受信する。

従って、使用者装置ＵＥ_１乃至ＵＥ_Ｋからのフィードバック情報１２に従って送信アンテナＡＮＴ＃１乃至ＡＮＴ＃Ｎのスケジューリング方法が選択される。しかしながら、基地局１０に接続される使用者装置ＵＥ_１乃至ＵＥ_Ｋの数は、使用者装置ＵＥ_１乃至ＵＥ_Ｋの移動に従って常に変わる。従って、基地局１０は、使用者装置ＵＥ_１乃至ＵＥ_Ｋが各チャンネル容量情報を継続して計算し、基地局１０にフィードバックさせるようにする制御信号（例えば、パイロット信号）を用いて、使用者装置ＵＥ_１乃至ＵＥ_Ｋからフィードバック情報１２を継続して受信する。また、基地局１０は、システム容量を実時間で常にモニタリングし、このモニタリングの結果に従って、アンテナスケジューリング方法を適応的に選択する。例えば、現在基地局１０のアンテナにＭＬＴ方法にて接続され、ＳＩＣ受信方式を使用して通信を遂行する使用者装置は、基地局１０に接続されている使用者装置の数が変わるに従って、後には、基地局１０のアンテナにＩＳＴ方法にて接続されてＭＳＥ受信方式を使用して通信を遂行することもできる。

図２は、本発明の実施形態によるマルチユーザＭＩＭＯシステムにおけるデータを送受信する方法を示すシグナリング図である。図２を参照すると、基地局は、データ送信に対するアンテナスケジューリング方法を決定するために、ステップＳ２で、使用者装置が各チャンネル容量情報を継続して計算して基地局にフィードバックさせるようにする制御信号を使用者装置へ送信する。

ステップＳ４で、各使用者装置は、ＳＩＣ方法及びＭＭＳＥ方法を使用して制御信号を受信し、それに従うチャンネル容量を計算する。ここで、ｍ番目の送信アンテナからｋ番目の使用者装置まで形成されたチャンネルの信号対雑音比（signal-to noise ratio；ＳＮＲ）をγ_ｋ，ｍで示し、このようなＳＮＲ値を用いて計算されたチャンネル容量をｃ_ｆ（γ_ｋ，ｍ（ｔ））で示す。

ステップＳ６で、使用者装置は、ＳＩＣ受信方式及びＭＭＳＥ受信方式にてそれぞれ計算されたチャンネル容量情報ｃ_ｆ（γ_ｋ，ｍ（ｔ））を基地局へフィードバックする。
ステップＳ８で、基地局は、ＭＬＴ方法にてアンテナをスケジューリングするか、又は、ＩＳＴ方法にてアンテナをスケジューリングするかを決定する。従って、基地局は、使用者装置からフィードバックされたチャンネル容量情報を用いて、システム容量を最大化するのに適合した方法を選択する。

まず、ＭＬＴ方法を用いてアンテナをスケジューリングする場合、基地局は、ｍ個のすべての送信アンテナに対する容量の和を最大にするｋ番目の使用者装置を探索する。すなわち、ＭＬＴ方法にてアンテナをスケジューリングする場合、システム容量を下記式(1)の通りに表現することができる。

そして、ＩＳＴ方法を使用してアンテナをスケジューリングする場合、各送信アンテナの容量を最大にしなければならない。すなわち、ＩＳＴ方法を使用してアンテナをスケジューリングする場合、システム容量は、このように最大の容量を有する各送信アンテナの容量の和であり、これを式で示すと、下記式(2)の通りである。

ステップＳ１０で、Ｃ_Ｍ（ｔ）及びＣ_Ｉ（ｔ）を計算した基地局は、Ｃ_Ｍ（ｔ）及びＣ_Ｉ（ｔ）のうちの大きい値を選択し、この選択された値に該当するスケジューリング方法にてアンテナを使用者装置に割り当ててデータを送信する。

上述したようなすべての過程は、基地局と使用者装置との間に周期的に遂行される。従って、基地局は、基地局に接続された使用者装置の数の変化に能動的に対処することができる。

図３は、システム容量とアンテナスケジューリング方法との関係を示すグラフである。
図３に示すように、システム容量は、スケジューリング方法のタイプに無関係に、使用者装置の数に従って増加する。しかしながら、使用者装置の数が所定の値を超過すると、ＩＳＴ方法よりもＭＬＴ方法を用いることがシステム容量をさらに増加させることが分かる。

要約すれば、本発明において、基地局は、システム容量を周期的にモニタリングし、使用者装置の数の変化に従って、最適のスケジューリング方法を選択する。

以上、本発明の詳細について具体的な実施の形態に基づき説明してきたが、本発明の範囲を逸脱することなく、各種の変形が可能なのは明らかである。従って、本発明の範囲は、上記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載及び該記載と均等なものにより定められるべきである。

本発明の実施形態によるマルチユーザＭＩＭＯシステムでのデータを送受信する装置を示すブロック図である。 本発明の実施形態によるマルチユーザＭＩＭＯシステムでデータを送受信する方法を示すシグナリング図である。 システム容量とアンテナスケジューリング方法との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０ 基地局
１２ フィードバック情報
２１、２２ ＳＩＣ方法
２３、２４ ＭＭＳＥ
２５、２６ アンテナ

Claims (25)

1. マルチユーザ多入力多出力（ＭＩＭＯ）システムにおけるデータを送受信する装置であって、
   線形受信方式と非線形受信方式とを使用して各チャンネル容量情報を計算し、基地局へフィードバックする複数の使用者装置と、
   前記複数の使用者装置からフィードバックされたチャンネル容量情報を受信し、前記チャンネル容量情報に基づいて、相互に異なる少なくとも２つのアンテナスケジューリング方法を使用して、各システム容量を計算し、前記少なくとも２つのアンテナスケジューリング方法のうち、システム容量がさらに大きいアンテナスケジューリング方法を使用して前記使用者装置にアンテナを割り当てる基地局と
   を備えることを特徴とする装置。
2. 前記相互に異なる少なくとも２つのアンテナスケジューリング方法は、
   前記基地局のすべての送信アンテナを前記複数の使用者装置のうちの１つの使用者装置に割り当てる最大リンク技法（ＭＬＴ）と、前記基地局の各送信アンテナを前記相互に異なる複数の使用者装置に割り当てる個別リンク技法（ＩＳＴ）とを備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記複数の使用者装置の各々は、
   前記ＭＬＴ方式を使用して前記基地局に接続された場合、前記非線形受信方式にてデータを受信し、前記ＩＳＴ方式を使用して前記基地局に接続された場合、前記線形受信方式にてデータを受信することを特徴とする請求項２記載の装置。
4. 前記非線形受信方式は、連続干渉除去（ＳＩＣ）受信方式であることを特徴とする請求項３記載の装置。
5. 前記線形受信方式は、最小平均２乗誤差（ＭＭＳＥ）方式であることを特徴とする請求項３記載の装置。
6. 前記基地局は、
   前記複数の使用者装置から前記チャンネル容量情報を周期的に受信し、前記周期的に受信されたチャンネル容量情報に従って、前記２つのアンテナスケジューリング方法のうちの１つを選択することを特徴とする請求項１記載の装置。
7. 複数の使用者装置に接続された基地局を備えるマルチユーザＭＩＭＯシステムにおけるデータを送受信する方法であって、
   前記使用者装置が線形受信方式と非線形受信方式とを使用して各チャンネル容量情報を計算するステップと、
   前記計算されたチャンネル容量情報を前記基地局へフィードバックするステップと、
   前記基地局が前記使用者装置からフィードバックされたチャンネル容量情報に基づいて、相互に異なる少なくとも２つのアンテナスケジューリング方法を使用して各システム容量を計算するステップと、
   前記少なくとも２つのアンテナスケジューリング方法のうち、システム容量がさらに大きいアンテナスケジューリング方法を使用して前記複数の使用者装置にアンテナを割り当てるステップと
   を備えることを特徴とする方法。
8. 前記相互に異なる少なくとも２つのアンテナスケジューリング方法は、
   前記基地局のすべての送信アンテナを前記複数の使用者装置のうちの１つの使用者装置に割り当てる最大リンク技法（ＭＬＴ）と、前記基地局の各送信アンテナを前記相互に異なる複数の使用者装置に割り当てる個別リンク技法（ＩＳＴ）とを備えることを特徴とする請求項７記載の方法。
9. 前記複数の使用者装置の各々は、
   前記ＭＬＴ方式を使用して前記基地局に接続された場合、前記非線形受信方式にてデータを受信し、前記ＩＳＴ方式を使用して前記基地局に接続された場合、前記線形受信方式にてデータを受信することを特徴とする請求項８記載の方法。
10. 前記非線形受信方式は、連続干渉除去（ＳＩＣ）受信方式であることを特徴とする請求項９記載の方法。
11. 前記線形受信方式は、ＭＭＳＥ受信方式であることを特徴とする請求項９記載の方法。
12. 前記基地局は、
    前記複数の使用者装置から前記チャンネル容量情報を周期的に受信し、前記周期的に受信されたチャンネル容量情報に従って、前記２つのアンテナスケジューリング方法のうちの１つを選択することを特徴とする請求項７記載の方法。
13. 基地局が自分の無線領域の内の端末機から受信されたチャンネル容量情報に基づいて、アンテナを割り当てるマルチユーザ多入力多出力無線通信システムにおけるデータを送受信する方法であって、
    すべての端末機から受信されたチャンネル容量情報に基づいて少なくとも２つのアンテナスケジューリング方式を使用して全体のシステム容量を選択的に計算するステップと、
    前記２つのアンテナスケジューリング方式のうち、前記全体のシステム容量がさらに大きいアンテナスケジューリング方式を選択するステップと、
    前記選択されたアンテナスケジューリング方式にアンテナを割り当てるステップと、を備え、
    、ここで、前記チャンネル容量情報は、少なくとも２つの受信方式をそれぞれ使用して計算されることを特徴とする方法。
14. 前記受信方式は、線形受信方式と非線形受信方式とを含むことを特徴とする請求項１３記載の方法。
15. 前記線形受信方式が使用される場合、基地局は、個別アンテナ割当て方式を使用して送信アンテナを割り当てることを特徴とする請求項１４記載の方法。
16. 前記非線形受信方式が使用される場合、基地局は、一括アンテナ割当て方式を使用して送信アンテナを割り当てることを特徴とする請求項１４記載の方法。
17. 前記線形受信方式が使用される場合、基地局は、個別アンテナ割当て方式を使用して送信アンテナを割り当て、前記非線形受信方式が使用される場合、基地局は、一括アンテナ割当て方式を使用して送信アンテナを割り当てることを特徴とする請求項１４記載の方法。
18. 前記個別アンテナ割当て方式は、各端末機に対してシステム容量が最大になるように、送信アンテナを分散して割り当てることを特徴とする請求項１７記載の方法。
19. 前記一括アンテナ割当て方式は、１つの端末機に対してすべての送信アンテナを割り当てることを特徴とする請求項１７記載の方法。
20. 前記個別アンテナ割当て方式は、個別リンク技法（ＩＳＴ）であり、前記一括アンテナ割当て方式は、最大リンク技法（ＭＬＴ）であることを特徴とする請求項１７記載の方法。
21. 前記線形受信方式は、最小平均２乗誤差（ＭＭＳＥ）方式であることを特徴とする請求項１７記載の方法。
22. 前記非線形受信方式は、連続干渉除去（ＳＩＣ）方式であることを特徴とする請求項１７記載の方法。
23. 前記アンテナスケジューリング方式は、ＭＬＴ方式とＩＳＴ方式とを含むことを特徴とする請求項１３記載の方法。
24. 前記線形受信方式は、最小平均２乗誤差（ＭＭＳＥ）方式であることを特徴とする請求項１４記載の方法。
25. 前記非線形受信方式は、連続干渉除去（ＳＩＣ）方式であることを特徴とする請求項１４記載の方法。

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