JP5048083B2 - Mimo伝送技術、基地局、および移動端末を決定する方法 - Google Patents

Mimo伝送技術、基地局、および移動端末を決定する方法 Download PDF

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Description

本発明は、少なくとも2つの偏波とともに少なくとも2つのアンテナを使用して、送信機と受信機の間の無線リンクのための、少なくとも2つのMIMO(Multiple−Input Multiple−Output)伝送技術の適切な組合せを決定する方法に関する。本発明はまた、送信機と受信機の間の無線リンクを介して伝送を受信する方法、基地局、移動端末、および通信ネットワークにも関する。
複数入力複数出力(MIMO)伝送は、送信機側と受信機側の両方で複数のアンテナを使用することに関係する。ビームフォーミングがMIMO技術の1つの例である。ビームフォーミングでは、受信機出力で信号電力が最大化されるように、各送信アンテナから適切な位相重みを用いて同じ信号が送出される。各送信アンテナの信号に利得重みが適用されることもある。
時空間符号化がMIMO技術のもう1つの例である。時空間符号化は、データ転送の信頼性を高めるために、データ・ストリームの複数のコピーをいくつかのアンテナを通して送信し、データの様々な受信後のバージョンを有効に利用する技術である。時空間符号化については、例えば、本来、2つの送信アンテナ用に設計されたAlamouti方式がある。時空間符号化のようなダイバーシティ符号化技術では、単一のストリームが符号化された状態で伝送される。信号は、完全直交符号化または準直交符号化のいくつかの原理を使用して、各送信アンテナから送出される。例えばOFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplex)システムでは、Alamouti方式などの開ループ送信ダイバーシティ技術を、時空間符号化または空間周波数符号化として使用できる。
別の既知のMIMO技術が空間多重化である。空間多重化では、データ・ストリームが複数のストリームに分割され、各ストリームが同じ周波数チャネルで異なる送信アンテナから送信される。したがって、空間次元が複数回にわたって再利用または多重化される。PARC(Per Antenna Rate Control)を用いた送信ダイバーシティおよび空間多重化は、MIMO技術のもう1つの例である。
本発明の一目的は、広く一般的な条件に対して十分に適合され、堅牢で単純なMIMO伝送技術の組合せを選択することである。本発明の他の目的は、伝送を受信するための対応する方法、基地局、移動端末、および通信ネットワークを提供することである。
これらの目的およびその他の目的は、独立請求項に記載されている特徴によって解決される。本発明の好ましい実施形態の特徴は、従属請求項に記載されている。
本発明は、少なくとも2つの偏波とともに少なくとも2つのアンテナを使用して、送信機と受信機の間の無線リンクを介する伝送のための、MIMO伝送技術の適切な組合せを決定する方法を提供する。適切な組合せとは、ビームフォーミングと1つの偏波依存の方式の組合せである。MIMO伝送技術の適切な組合せを決定する方法では、ビームフォーミングと、偏波時間符号化(polarisation time coding)、偏波周波数符号化(polarisation frequency coding)、偏波ビームの閉ループ型コヒーレント合成(coherent combination)、偏波多重化(polarisation multiplexing)のうち、少なくとも1つとの組合せを選択する。MIMO伝送技術の適切な組合せは、無線リンクの無線状態および送信機と受信機の間の相対速度のうち、少なくとも1つに応じて選択される。
本発明の好ましい実施形態によれば、MIMO伝送技術の適切な組合せは、ビームフォーミングと、偏波時間符号化、偏波周波数符号化、偏波ビームの閉ループ型コヒーレント合成、偏波多重化のうち、いずれか1つとの組合せである。例えば、選択される1つの方式は、ビームフォーミングと偏波時間符号化の組合せ、または、ビームフォーミングと偏波周波数符号化の組合せである。可能なもう1つの、選択される組合せは、ビームフォーミングを偏波ビームの閉ループ型コヒーレント合成と組み合わせたものである。可能なもう1つの組合せは、ビームフォーミングおよび偏波多重化の組合せである。MIMO伝送技術の適切な組合せは、無線リンクの無線状態および送信機と受信機の間の相対速度のうち、少なくとも1つに応じて選択される。
本発明のもう1つの好ましい実施形態によれば、MIMO伝送技術の適切な組合せは、ビームフォーミングと、偏波時間符号化、偏波周波数符号化、偏波ビームの閉ループ型コヒーレント合成、偏波多重化のうちの2つ以上との組合せである。その場合、選択される方式は、例えば、ビームフォーミングと、偏波時間符号化と、偏波ビームの閉ループ型コヒーレント合成および偏波多重化のうちの一方または両方との組合せである。選択可能なもう1つの方式は、例えば、ビームフォーミングと、偏波周波数符号化と、偏波ビームの閉ループ型コヒーレント合成および偏波多重化のうちの一方または両方との組合せである。
少なくとも2つのMIMO伝送技術の適切な組合せを決定する方法を適用するための好ましいアンテナ構成は、4つのアンテナ要素が、近接した2つの交差偏波要素の対として配置される構成である。2つの要素対の間隔は、例えば、伝送に使用される電波の半波長である。このアンテナ構成は、1つのコンパクトなレードームに適合し、空間処理に有利である。本発明の方法は、少なくとも2つのMIMO伝送技術の組合せとして適切な解決策を常に決定し、選択する。組合せは固定ではなく、無線リンクの無線状態および/または送信機と受信機の間の相対速度に適応する。
本発明は、現在の信号対干渉雑音比(SINR)および受信機を含む移動端末の速度に応じて、2つ以上のMIMOアルゴリズムを組み合わせる。これには、適応可能な選択肢によって常に最適な空間方式が選択されるという利点がある。
本発明の好ましい実施形態によれば、無線リンクの無線状態および/または送信機と受信機の間の相対速度に関する情報が、送信機で受信される。無線リンクの無線状態および/または送信機と受信機の間の相対速度に関する情報は、好ましくは、伝送で使用される少なくとも複数のMIMO伝送技術の組合せに依存する。本発明の実施形態によれば、受信機を含む移動端末は、例えばSINR推定値など、無線状態に関する情報をフィードバックする。無線リンクの無線状態のこのフィードバックとして、例えば、HSDPA(High−Speed Downlink Packet Access)のチャネル品質インジケータ(CQI)フィードバック値を使用することができる。これに加えて、または、その代わりに、受信機を含む移動端末は、その推定速度をフィードバックする。推定値は、例えば、測定された最大ドップラー周波数に基づくことができる。送信機が基地局に含まれ、基地局が静止しているものと仮定すると、受信機を含む移動端末の速度は、送信機と受信機の間の相対速度に対応する。送信機と受信機の間の速度に関するフィードバックは、アップリンクの伝送容量を節約するために、例えば、1ビットだけで高速または低速を表すなど、本当に大まかに量子化することができる。フィードバックの量子化の選択は、速度に対して選択されるしきい値によって決まる。高速または低速を表す1ビットは、高速と低速の間の1つのしきい値に対応するだけである。もちろん、量子化をより細かくなるように選択して、MIMO伝送技術の適切な組合せの決定の質を向上することができる。あるいは、移動局から基地局へ伝送されるアップリンク信号を評価することによって、移動局の相対速度を推定することもできる。
この場合、移動局から必要とされるフィードバックの量が少なくて済むことになる。
本発明の好ましい実施形態によれば、MIMO伝送技術の適切な組合せは、事前に定義された1組の適切な組合せのうちの1つである。無線状態および送信機と受信機の間の相対速度からなる少なくとも1つの状態によって、決定されている1組の適切な組合せのうちの1つが選択される。
本発明の好ましい実施形態によれば、1組の適切な組合せは3つの組合せを含む。1つの組合せは、SINRが低く受信機が高速の場合に選択される。このケースでは、ビームフォーミングと、2つの偏波間での時空間符号化が選択される。このケースでは、例えばOFDMシステムの場合、ビームフォーミングと、2つの偏波間での空間周波数符号化を選択することもできる。2つの偏波間での時空間符号化は、偏波時間符号化とも呼ばれる。2つの偏波間での空間周波数符号化は、偏波周波数符号化とも呼ばれる。もう1つの方式は、例えばSINRが低く受信機が低速の場合に選択される。このケースでは、ビームフォーミングおよび送信ダイバーシティが選択される。送信ダイバーシティは、2つの偏波をコヒーレントに合成する。3番目の方式は、例えば無線リンクが高SINRを示すときに選択することができる。このケースでは、ビームフォーミングと、偏波ごとに1つの空間ストリームを用いる空間多重化を選択することができる。偏波に対して1つの空間ストリームを用いる空間多重化は、偏波多重化とも呼ばれる。例えばSINRは、受信機から送り返すことができる。
本発明はまた、送信機と受信機の間の無線リンクを介して伝送を受信するための方法も提供する。受信機は、無線リンクの無線状態および/または送信機と受信機の間の相対速度に関するフィードバック情報を、送信機に送り返す。SINR推定値として、例えば、UMTS(Universal Mobile Telecommunications System)のHSDPAのチャネル品質インジケータ(CQI)フィードバック値を使用することができる。受信機の推定速度をフィードバックする場合、推定値は、例えば、測定された最大ドップラー周波数に基づくことができる。その場合、受信機を含む移動端末が最大ドップラー周波数を測定し、速度に関するこの情報を、例えば基地局内の送信機に送り返す。あるいは、移動局から基地局へ伝送されるアップリンク信号を評価することによって、移動局の相対速度を推定することもできる。推定速度のフィードバックは、アップリンク容量を節約するために、非常に大まかに量子化することができる。例えば、高速と低速域の間のしきい値を用いて、高速または低速を1ビットだけで表す量子化があり得る。もちろん、この補償は、より詳細に選択して、速度の推定をより正確に行うことができる。
本発明はまた、少なくとも2つのMIMO伝送技術の適切な組合せを決定するための方法を実行する送信機、およびその送信機を含む基地局にも関する。
本発明はまた、無線リンクを介して伝送を受信する方法を実行し、無線リンクの無線状態および送信機と受信機の間の相対速度のうち、少なくとも1つに関する情報をフィードバックする、受信機を含む移動端末にも関する。
本発明は、さらに、少なくとも2つのMIMO伝送技術の適切な組合せを決定するための方法を実行する少なくとも1つの基地局を含み、好ましくは、本発明により無線リンクを介して伝送を受信する受信機を含む移動端末もさらに含む、通信ネットワークに関する。
本発明のその他の特徴および利点は、添付の図面で示されている本発明の好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明で明らかになるであろう。ただし、添付の図面は、本発明を限定するものではない。
1つの偏波の1つの例のアンテナ構成およびビームを示す図である。 ダウンリンクMIMO伝送およびアップリンク信号伝送を示す概略図である。 SINRおよび速度に基づくMIMO方式の選択例を示す図である。
図1は、本発明とともに使用するように十分に適合されたアンテナ構成の例を示している。図1は、4つの交差偏波アンテナ要素12、14、16、18の構成を示す。それぞれ±45°の偏波方向を有するこれらの2つの対は、半波長の間隔を置いて配置される。半波長という距離は有利な距離であるが、異なる距離を選択することもできる。このような構成は、展開を容易にする1つのコンパクトなレードームに適合し、一方、ダイバーシティ多重化およびアレイ利得に関して、著しいMIMO利得をさらにもたらす。各偏波方向において、対応する偏波方向の要素のアンテナ重みを適切に設計することによって、固定ビームのグリッドを形成することができる。本発明のこの説明の目的上、1つの偏波方向の1つのビームを偏波ビームと呼ぶ。偏波ビームの数は、必要に応じて自由に選択することができる。1つの有利な例は、+45°の4つの偏波ビームと−45°の4つの偏波ビームを使用する例である。これは、高いアレイ利得を実現し、必要なフィードバック信号伝送のオーバーヘッドを抑えるように十分に適合された構成である。図1には、例として、偏波ビーム22、24、26、および28、ならびに、4つのアンテナ要素12、14、16、および18が示されている。アンテナ要素12および14は1対の要素に属し、アンテナ要素16および18はもう1対のアンテナ要素に属する。12/14の対と16/18の対の間隔は、選択されている無線伝送の波長の半波長の距離である。
図2は、基地局の送信機10および移動端末の受信機30を示している。送信機10から受信機30への方向の無線リンク20は、送信機10から受信機30へのダウンリンクMIMO伝送用に使用される。無線リンク20は、受信機30から送信機10へのアップリンク・フィードバック信号伝送用にも使用される。移動端末は、無線リンク20のダウンリンクにおいて、例えば受信したパイロット電力などの受信電力に基づいて、最も強い受信電力をもたらすその最良のビームを計算することができる。最良のビームのインデックスが、無線リンク20のアップリンクを介して送信機10にフィードバックされる。最良のビームのインデックスのフィードバックは、フィードバックによるオーバーヘッドを抑制するために、任意選択で低速の時間スケールで行うことができる。このことは、高速フェージングが平均化されることを意味する。ビーム・インデックスは、偏波方向ごとに個別に伝送することができる。これは、高速フェージングに従う場合に有利である。ビーム・インデックスは、両方の偏波方向の平均として送り返すこともできる。これは、高速フェージングが平均化される場合に有利である。無線リンク20のアップリンクで必要とされるフィードバックの種類または内容は、無線リンク20のダウンリンクに適用されるMIMO伝送方式によって決まる。2つの技術のどちらを選択するかは、パフォーマンスとオーバーヘッドのバランスによる。「高速フェージングに従うこと」は、フィードバック情報をより頻繁に更新する必要があるため、フィードバックのオーバーヘッドが負担になる。
本発明の別の実施形態では、偏波ビームの選択は、フィードバック信号ではなく、アップリンク受信信号に基づくこともできる。周波数分割複信(FDD)システムでは、アップリンクとダウンリンクのフェージングに相関関係はないが、主伝播経路の角度は通常は同一である。送信機の着信アップリンク信号の方向は、アルゴリズムで推定することができる。MUSIC(Multiple Signal Classification)やESPRIT(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques)などが、このようなアルゴリズムの例である。この実施形態の場合、アンテナ要素の対の間隔が、適用される無線信号の半波長だけ離れて近接している場合、有利である。対応する偏波ビームは、広範に形成される。推定されるアップリンク方向に基づき、ダウンリンク伝送のビームおよび対応する前符号化重みを選択することができる。
図3は、少なくとも2つのMIMO伝送技術の適切な組合せからなる、事前に定義された1組の例を示している。示されている一連のMIMO伝送技術の組合せA、B、およびCの選択は、SINRと受信機の速度に基づく。
示されている例の中で、セットAは、SINRが低く受信機が高速の場合に使用される。このケースでは、ビームフォーミングとともに偏波時間符号化が使用される。時空間符号化/空間周波数符号化には、Alamouti方式と呼ばれる符号化方式がある。このAlamouti方式は、本来、2つの送信アンテナ用に設計されている。本発明の好ましい実施形態によれば、Alamoutiアンテナ1の代わりに偏波方向が+45°の1つの偏波ビームが使用され、Alamoutiアンテナ2の代わりに−45°の1つの偏波ビームが使用される。したがって、ビームフォーミング利得に加えて、さらにAlamoutiによるダイバーシティ利得を得ることができる。Alamouti符号化は、空間周波数ブロック符号化を用いて、例えばOFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplex)に対応付けることができる。この方式は、偏波周波数符号化と呼ぶこともできる。
この方式では、受信機を含む移動端末の高速度に対応できる。したがって、この方式は、無線リンク20のアップリンクに関する追加のフィードバックを必要としない。無線リンク20のアップリンクに関してフィードバックが必要ないため、高速フェージングを正しく適応することができる。
図2に示されている方式Bは、SINRが低く、受信機の速度が低速の場合に選択される、1組のMIMO伝送技術のケースである。
少なくとも2つのMIMO伝送技術の適切な組合せを含むセットBによれば、ビームフォーミングが使用され、偏波ビームの概念に閉ループ型の送信ダイバーシティ技術が適用される。+45°の偏波ビームと−45°の偏波ビームで、同じデータが伝送される。2つの偏波ビームの間では、受信機側でコヒーレント合成を実現するために、位相シフトが適用される。この目的のため、移動機は例えば4ビットを使用して量子化された位相情報を送信し、これが、受信機で両方のビームの合成受信電力を最大化する位相シフトとなる。受信信号を最大化するために、この位相シフトは受信機で、チャネル推定値を使用し、すべての可能な位相合成をテストするなどして計算することができる。あるいは、位相シフトの計算として、符号表操作が可能である。
MIMO伝送技術の適切な組合せを含むセットBは、受信機が低速の場合に選択される。これは、無線リンク20のアップリンクで送信される位相シフト・ダイバーシティ・フィードバックが、高速フェージングの変更に基づいて定期的な更新を必要とするためである。低SINRおよび低速のケースで選択されるセットBでは、したがって、ビームフォーミングと、偏波ビームの閉ループ型コヒーレント合成が組み合わされる。方式Bは、ビームフォーミング利得およびダイバーシティ利得により利益を得、さらに、偏波ビームの閉ループ合成によるコヒーレント合成利得を得る。
少なくとも2つのMIMO伝送技術の適切な組合せを含むセットCは、高SINRのケースで選択される。方式Cは、平均SINRが十分に高い場合に選択される。このケースでは、ビームフォーミングと空間多重化の組合せが適用されることになる。空間多重化には、2つの独立した空間ストリームを使用することによって最大スループットを2倍にするという利点がある。本発明の好ましい実施形態によれば、PARC(Per Antenna Rate Control)を用いた送信ダイバーシティと空間多重化が、偏波ビームに適用される。データ・ストリーム1は、+45°の偏波ビームで伝送されることになる。データ・ストリーム2は、−45°の偏波ビームで伝送されることになる。空間ストリームごとのCQI情報などのSINR情報が受信機からフィードバックされて、各ストリームに変調および符号化方式(MCS)が適応される。本発明の概念は、さらにビームフォーミング利得を与える。少なくとも2つのMIMO伝送技術の適切な組合せを含むこのセットCでは、既存のフィードバック・メカニズムを使用することができる。各偏波ストリームで変調の順序や符号化レートなどのデータ・レートを適応するのに、空間偏波ストリームごとのCQI情報が使用される。
無線リンク20のダウンリンクでは、方式A、B、Cのいずれか1つを使用するMIMO伝送が行われる。無線リンク20のアップリンクでは、無線リンク20のダウンリンク伝送で使用される方式A、B、またはCに従って、フィードバック信号伝送が行われる。無線リンク20のアップリンク・フィードバック信号は、SINR(信号対干渉雑音比)に関する情報および/または受信機の速度に関する情報を含む。受信機の速度情報は、少なくとも、速度が高速か低速かに関する情報を含む。無線リンク20のアップリンクにおけるフィードバック信号伝送はさらに、無線リンク20のダウンリンクに対して選択されたMIMO伝送方式に依存する。上記の方式A、B、またはCが適用されるケースでは、次の可能性が存在する。方式Aが適用される場合、追加のフィードバックは不要である。方式Bが適用される場合、無線リンク20のアップリンクでダイバーシティ・フィードバックが伝送される。方式Cが適用される場合、無線リンク20のアップリンクで偏波ストリームごとにCQIフィードバックが送り返される。CQIフィードバック情報は、偏波ストリームごとのSINRに関する情報を提供する。
本発明は、交差偏波アンテナ構成に有利に適応される。有利なアンテナ構成の例は図1に示されている構成であり、基地局内の送信機の4つのアンテナ12、14、16、18が、図1の交差偏波構成の状態にある。移動端末の受信機側では、2つのアンテナを使用することによって、有利な結果がすでに達成されている可能性がある。
1組のMIMO伝送技術の組合せは、ダイバーシティ方式に関係する操作モードにもデュアル・ストリーム・モードにも対応する。個々の方式の選択は、SINRの評価および受信機を含む移動端末の速度に基づく。ここに示した概念は、マルチ・ユーザMIMO(MU−MIMO)にもシングル・ユーザMIMO(SU−MIMO)にも適用可能である。
送信機と受信機の間の現在の状況に合わせて、偏波を使用する適切な空間方式を適応的に実現するために、いくつかの異なるMIMO技術の利点を組み合わせる。これにより、移動通信ネットワークのセル・スループットが増加する。本発明のアンテナ構成はコンパクトであり、コンパクトなレードームに収まる。ダウンリンク接続において利得を提供すると同時に、信号伝送によるオーバーヘッドは少ない。

Claims (13)

  1. 少なくとも2つの偏波とともに少なくとも2つのアンテナ(12、14、16、18)を使用して、送信機(10)と受信機(30)の間の無線リンク(20)のための、少なくとも2つのMIMO伝送技術の適切な組合せを決定する方法であって、
    前記適切な組合せが、ビームフォーミングと、前記少なくとも2つのMIMO伝送技術の少なくとも1つの偏波依存の方式との組合せであり、
    前記適切な組合せが、前記無線リンク(20)の無線状態のうちの少なくとも1つに応じて選択され、
    前記適切な組合せが、さらに、前記送信機(10)と前記受信機(30)の間の相対速度に応じて選択されることを特徴とする方法。
  2. 前記無線リンク(20)の無線状態のうちの少なくとも1つおよび前記送信機(10)と前記受信機(30)の間の相対速度に関するフィードバック情報を受信するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
  3. 受信した前記フィードバック情報が詳細情報を含み、
    前記詳細情報が、前記少なくとも2つのMIMO伝送技術の前記選択された適切な組合せに依存することをさらに特徴とする、請求項2に記載の方法。
  4. 前記適切な組合せが、1組の適切な組合せ(A、B、C)の1つであることを特徴とする、請求項1、2または3に記載の方法。
  5. 前記1組の適切な組合せの1つ(A)が、ビームフォーミングと偏波時間符号化を組み合わせたものであることをさらに特徴とする、請求項4に記載の方法。
  6. 前記1組の適切な組合せの1つ(B)が、ビームフォーミングと偏波ビームの閉ループ型コヒーレント合成を組み合わせたものであることをさらに特徴とする、請求項4または5に記載の方法。
  7. 前記1組の適切な組合せの1つ(C)が、ビームフォーミングと偏波多重化を組み合わせたものであることをさらに特徴とする、請求項4、5または6に記載の方法。
  8. 前記相対速度は、高速または低速について、1ビットだけで量子化されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  9. 前記適切な組合せは、ビームフォーミングと偏波周波数符号化との組合せであることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  10. 前記送信機(20)と前記受信機(30)の間の前記相対速度を測定するステップをさらに含む、請求項に記載の方法。
  11. 送信機(10)であって、
    少なくとも2つの偏波とともに少なくとも2つのアンテナ(12、14、16、18)を使用して、前記送信機(10)と受信機(30)の間の無線リンク(20)のための、少なくとも2つのMIMO伝送技術の適切な組合せを決定するように構成された手段を備え、
    前記適切な組合せが、ビームフォーミングと、前記少なくとも2つのMIMO伝送技術の少なくとも1つの偏波依存の方式との組合せであり、
    前記適切な組合せが、前記無線リンク(20)の無線状態のうちの少なくとも1つに応じて選択され、
    前記適切な組合せが、さらに、前記送信機(10)と前記受信機(30)の間の相対速度に応じて選択されることを特徴とする、送信機
  12. 請求項11に記載の送信機(10)を含む基地局。
  13. 請求項12に記載の基地局を少なくとも1つ含む通信ネットワーク。
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