JP5373765B2 - Ｍｉｍｏコンテキストでの通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、ネットワーク内で通信する方法に関する。

MIMO（multiple-input multiple-output）は、通信リンクの容量及びロバスト性を向上させる次世代無線システムの技術である。MIMO技術は、通信リンクでの複数の送信アンテナ及び複数の受信アンテナの存在に基づく。MIMO技術の適用は、セルラ通信、ブロードバンド無線アクセス及び無線ローカルエリアネットワーク（WLAN：wireless local area network）で想定されている。複数の２つ以上の送信アンテナも、ここでは送信アンテナのアレイ（配列）と呼ばれる。

MIMO通信の利点は、伝搬チャネルからの空間ダイバーシチと、変化する多変量チャネルに適応し得るアルゴリズムとを提供するアンテナアレイの組み合わせを通じて得られる。

将来の移動システム及びUMTS LTE（long-term evolution of the Universal Mobile Telecommunication System）では、複数アンテナ技術の使用は、スペクトル効率の要件を満たすためにますます重要になってきている。スペクトル効率のかなりの利得は、同じ時間周波数リソースブロックを共有する単一のユーザ又は複数のユーザに対して空間領域で複数のコードワードを多重することにより、下りリンク送信で実現され得る。これらの複数アンテナの多重利得を利用する単一ユーザ又は複数ユーザMIMO方式は、場合によっては空間分割多重（SDM：spatial division multiplexing）及び空間分割多重アクセス（SDMA：spatial division multiple access）技術と呼ばれる。SDMA方式は、同じ無線セル内の複数のユーザが同じ周波数又はタイムスロットに収容されることを可能にする。この技術の実現は、振幅及び位相重み付けと内部フィードバック制御とを用いて時間、周波数及び空間応答を変更することができるアンテナアレイの使用により実現され得る。

ビームフォーミング（beamforming）は、所望の通信対象（端末装置）の方向に信号の位相を建設的に追加し、望ましくない通信対象又は干渉する通信対象のパターンをヌルにすることにより、アンテナアレイの放射パターンを生成するために使用される方法である。

これに関して、ビームフォーミングベクトルが重要な役目を果たす。ビームフォーミングベクトルの意味を説明する目的で、送信ビームフォーミング及び受信合成を利用する例示的な単一ユーザの通信システムにおいて、Mの送信アンテナ及びNの受信アンテナを使用してシグナリングが行われていることを仮定すると、この通信システムの入出力関係は、以下により与えられる。

ここで、Hは送信機と受信機とを接続するN×Mチャネル行列であり、zは受信合成ベクトルであり、z^Hはエルミート転置であり、wは送信ビームフォーミングベクトルであり、xは選択されたコンステレーションからの送信シンボルであり、nは受信機で追加される独立した雑音である。

この目的は、ユーザに効果的に情報を伝達するように信号xを設計することである。

SDM及びSDMA技術でのビームフォーミングベクトルの設計における１つの課題は、基地局が全てのユーザのチャネル及び各チャネルの受信アンテナを認識する必要があるという点である。これは、ユーザから基地局へシグナリングされる大量のフィードバックを必要とする。

数個の可能なビームフォーミング行列のコードブックを導入することにより、このシグナリング情報を低減するための方策が提案されている。各ユーザは、異なるビームフォーミングベクトルの組み合わせの信号対雑音比（SINR：Signal-to-Noise-Ratio）を評価することにより、コードブックから１つ以上の好ましいビームフォーミングベクトルを選択する切望する手順（greedy procedure）を適用する。従って、各ユーザは、それぞれ好ましいベクトルの１つ又は複数のインデックスと、対応するSINRを示す１つ以上のチャネル品質インジケータ（CQI：Channel-Quality-Indicator）値とをシグナリングしなければならない。

コードブックに基づく対策の論点は、ビームフォーミングベクトルがチャネル状況に従って一緒に最適化されない点である。基地局は、最善のCQI値を報告する一式のユーザへの送信をスケジューリングするためにのみ、ユーザからのフィードバック情報を使用する。

代替として、基地局がビームフォーマ（beamformer）のアドホック設計を実装し得る場合に、セルスループットのかなりの利得が得られ得る。このことは、例えば何らかの量子化動作の後にユーザが全てのチャネル係数を報告する場合に可能になる。しかし、これは、ユーザ毎にMの送信アンテナとNの受信アンテナとの積NMと同じ量の複素変数のシグナリングを必要とする。

同様に、チャネル量子化及びゼロフォーシング・ビームフォーミング（zero forcing beamforming）に基づくこの問題への対策は、参照番号PH006732EP4 を有する特許出願の“Transform-Domain Feedback Signalling for MIMO Communication”に記載されている。

他の手法は、PU2RC（per-user unitary rate control）である。

図１のブロック図は、本発明が適用する典型的な複数ユーザ下りリンクMIMO方式において、送信機（Node B）と受信機（UE）とで実行される基本動作を示している。ここに記載する方法は、Node Bから選択に送信された各UEにプリコーディング行列Uをシグナリングするために必要なビット数を低減するために使用される。

図１は、送信機と受信機とで実行される下りリンク複数ユーザMIMO動作のブロック図である。AMCブロックは、送信される各空間ストリームの変調及び符号化の適用を実行する。各UEからのフィードバックは、ベクトルのコードブックから選択されたPMI（precoding matrix indicator）インデックスと、関係する受信空間ストリームのSINRの推定である実数値のCQI（channel quality indicator）とで構成される。

Node Bからのフィードバックは、プリコーディング行列Uを形成するベクトルについての量子化情報を伝達する。Node Bからのこのフィードバックが、本発明の対象である。

複数のユーザのそれぞれに送信されるストリームについてプリコーディングベクトルが計算される複数ユーザMIMOシステムのプリコーディング（ビームフォーミングとしても示される）について、複数の対策が知られている。しかし、送信機で使用されるビームフォーミング係数を受信機に示すことができることが望ましい。基本的には、最善の性能のために、各ユーザは、自分の係数と複数のユーザの係数とを認識するべきである。
文献EP1775857は、MIMOネットワークでデータを送信／受信する方法を記載している。送信機は、送信（Tx）フィルタ又は受信（Rx）フィルタを計算し、計算されたTxフィルタ又は計算されたRxフィルタと相関するコードブックを選択肢、選択されたコードブックのインデックスを受信機に送信する。

送信にスケジューリングされる各ユーザにプリコーディング係数を効率的にシグナリングする必要性が存在し、これにより、（例えば共通参照信号から）所望の信号の適切な位相基準を導くことができ、また、場合によっては他のユーザを対象とした信号からの干渉を考慮して受信機の係数を最適化することができることが好ましい。

シグナリングチャネルにあまりオーバーヘッドを生成せずに、プリコーディングのベクトルをシグナリングする効率的な方法を提案することが、本発明の目的である。

このため、本発明によれば、送信アンテナのアレイを備えたプライマリ局からセカンダリ局に下りリンクチャネルで通信する方法が提案され、プライマリ局において、(a)下りリンクチャネルを構成するステップを有し、ステップ(a)は、(a2)送信アンテナのアレイ毎にプライマリ局からセカンダリ局への対応する送信中に適用されるプリコーディングを計算するステップと、(a3)プリコーディングに可逆変換を適用し、これにより、変換領域でプリコーディングを示す一式のプリコーディング係数を確定するステップと、(a4)ステップ(a3)で得られた係数を実質的に示す少なくとも１つのパラメータを有する一式のパラメータを計算するステップと、(a5)一式のパラメータをセカンダリ局にシグナリングするステップとに分割され、(b)ステップ(a2)で計算されたプリコーディングに実質的に従ってセカンダリ局にデータを送信するステップを有する。

本発明は、何らかのうまく設計された一式のビームフォーマが低い相互相関を有する可能性が高い（又は直交に近づく）という認識に基づく。このことは、主な要件が所望の信号に使用されるビームフォーマの係数をシグナリングすることができるという点であることを意味する。

従って、本発明の方法は、変換領域でプリコーディングを示す一式のプリコーディング係数を送信機から受信機に通信することに基づいて、送信機側でのビームフォーミング処理の効率的なシグナリングを可能にする。

更に、本発明の第１の態様と結合され得る本発明の他の態様として、下りリンクのシグナリング自体を検討してもよい。

最適な受信機を構築するために、全ての同時にスケジューリングされたユーザについて基地局により使用されるプリコーディングベクトルを知ることが必要である。このことは、複数の受信アンテナを備えた受信機が、自分のデータの位相基準を導くと共に、他のユーザの信号からの干渉を拒否する合成係数を計算することを可能にする。

しかし、このことは、非常に大きい下りリンクのシグナリングオーバーヘッドを生じる。

本発明のこの態様によれば、（例えば、性能又は全体スループットの改善に関して）前述の下りリンクのシグナリングの最も重要な目的は、受信機が自分のデータに使用されるプリコーディングベクトルを導くために十分な情報を提供することであることがわかる。更なる性能の改善は、他のユーザのプリコーディングベクトルの何らかの認識を使用した干渉の拒否により得られ得るが、これは、この下りリンクのシグナリングが達成しなければならない主な目的ではない。

従って、本発明のシグナリングの態様によれば、ユーザの自分のデータのプリコーディングベクトルに関して提供される情報量は、他の同時に使用されるプリコーディングベクトルに関して提供される情報量より大きい。

例えば、前者のこの情報量は、細かい分解能、頻繁な更新率、細かい周波数領域の精度等に関して大きくなり得る。

本発明はまた、本発明の第１の態様の方法を実施するように適合された基地局に関する。

本発明が適用する典型的な複数ユーザ下りリンクMIMO方式において、送信機（Node B）と受信機（UE）とで実行される基本動作を示すブロック図

本発明の前記及び他の態様は、以下に記載する実施例を参照から明らかになり、この実施例を用いて説明される。

本発明について、添付図面を参照して一例として詳細に説明する。

本発明は、プライマリ局からセカンダリ局に通信する方法に関する。このようなプライマリ局は、基地局又はNodeBでもよい。このようなセカンダリ局は、移動局又はユーザ装置でもよい。

1)一実施例では、本発明は、TDMAを使用したセルラシステムに適用される。無線チャネルは、非分散的（non-dispersive）（すなわち、フラットフェージングに従う）であることを仮定する。各移動端末は、単一の受信アンテナを有する。各基地局は、複数の送信アンテナを有する（一例として、４つの送信アンテナを仮定する）。直交パイロット信号は、各アンテナから送信される。周波数再利用が適用され、これにより、各セルがその隣接と異なる周波数を使用する。各移動局（又はユーザ）は、特定の基地局によりサービス提供されるセルに割り当てられる。以下の手順が適用される。

・ネットワークは、セルをサービス提供する基地局の送信アンテナのそれぞれから下りリンクチャネルの伝達関数について移動端末からの測定を受信する。実際に、基地局は、シグナリングチャネルでシグナリングされ得るチャネル状態情報を各セカンダリ局から受信する。この情報は、送信の好ましい方向の推定でもよく、出願人の参照番号PH006732EP4の特許出願で処理されるものでもよい。

・ネットワークは、例えば伝達関数と送信される情報の可用性及び優先度とに基づいて、各セルによりサービス提供される移動端末の選択を行ってもよい。実際に、前のステップで得られたチャネル状態情報に含まれる情報が使用されてもよい。この選択は複数の基準に依存してもよい。例えば、セカンダリ局から受信したチャネル状態情報に基づいてこの選択を行うことが可能である。更に、単独で又は前の基準と組み合わせて、選択は、送信されるデータの優先度に応じて行われてもよい。他の例は、前述のような基準に基づいて第１の局を選択し、チャネル特性が最初に選択されたセカンダリ局とあまり相関しないセカンダリ局を選択することである。更に他の可能性は、最大スループットを得るようにセカンダリ局を選択することである。

・次に、例えばゼロフォーシング・ビームフォーミングを使用して、スケジューリングされたユーザ毎にプリコーディング係数が計算される。この係数は、前にセカンダリ局によりシグナリングされた好ましい方向及び他の情報に必ずしも対応する必要はない。実際に、これらの係数は、シグナリングされた係数と異なってもよく、プライマリ局の計算に基づいてもよい。しかし、この計算は、基地局で前に受信した各チャネル状態情報を少なくとも部分的に用いて実行されてもよい。

・プリコーディングを変換領域（IDFTの例での角度領域等）の係数に変換するために、可逆変換（IDFT（Inverse Discrete Fourier Transform）のような線形且つ直交性）が実行される。従って、変換領域でプリコーディングを示す一式のプリコーディング係数が得られる。これらの係数は、送信されるデータを低減するという問題のために量子化されてもよい。

・例えば、係数の値と参照テーブルとを比較することにより、インデックスが導き出されてもよい。例えば、一式の係数の最大値を比較してテーブルを選択することも可能である。テーブルのインデックスは、以下のステップでセカンダリ局に送信される。

・データを受信すると想定されるユーザを識別する情報、データを受信するために必要な送信フォーマット及び他の情報が送信される。これは、前述のように、各ユーザに適用されるプリコーディング係数を示すインデックスを含む。

・次に、プリコーディング係数といくつかの利用可能な送信アンテナとを使用して、データが選択されたユーザのそれぞれに送信される。異なるユーザのデータは、同時に送信されてもよい。

４つの送信アンテナでは、４ユーザまでの同時送信が可能である。

プリコーディングを計算するステップは、最高の可能なデータレートを得る対象で実行されてもよい。

2)(1)とは別の他の実施例では、セルラシステムはOFDMを使用し、無線チャネルは分散的であることを仮定するが、各サブキャリア内でフラットであると考えられてもよい。３２のサブキャリアを仮定する。第１の実施例との他の相違点は以下の通りである。

・移動端末は、サブキャリア毎及び送信アンテナ毎に下りリンク伝達関数の測定を行う。

・最終的なユーザ選択は、ユーザ毎のサブキャリアの割り当てを含む。

・サブキャリアの割り当ては、移動端末にシグナリングされることが好ましい。

基本的には、４つの送信アンテナ及び３２のサブキャリアでは、送信は同時に１２８のユーザに行われてもよい。しかし、実際のシステムでは、この数は低くなる可能性がある。

3)(1)とは別の他の実施例では、本発明は、CDMAを使用したセルラシステム（UMTS等）に適用される。無線チャネルは、非分散的であることを仮定する。基地局は異なるスクランブルコードにより区別される。直交パイロット系列は各アンテナから送信される。第１の実施例との他の相違点は以下の通りである。

・直交通信チャネルを提供するために異なるチャネリゼーションコードが使用されてもよいが、チャネル伝達関数はチャネリゼーションコードに依存しない。

・最終的なユーザ選択は、ユーザへのチャネリゼーションコードの割り当てを含んでもよい。しかし、これは、無線チャネル伝達関数により決定される必要はなく、スケジューリング原理に基づいて行われる必要がある。

・異なるユーザのデータは、同じチャネリゼーションコードを使用してもよい。

４つの送信アンテナでは、４×チャネリゼーションコードまでの同時送信が可能である。

4)(1)とは別の他の実施例では、各移動端末は、２つのアンテナを有する。この場合、２つまでのデータストリームがユーザに送信されてもよい。この場合、送信機は、送信ビームのそれぞれを表す２つのプリコーディングインデックスをユーザにシグナリングしてもよい。

5)(1)とは別の他の実施例では、システムはTDDを使用する。チャネル相互関係の仮定では、一方の方向のチャネル伝達関数は、他方の方向で送信される信号を観測することにより決定されてもよい。

一般的に、分散チャネルでは、送信機で使用されるプリコーディングは、周波数の関数として変化し得る（例えば、異なるベクトルがスペクトルの異なる部分に適用される）。このような場合、送信機は、１つより多くの異なるプリコーディングベクトルをシグナリングすることができることが望ましいことがある。

IDFTに基づく量子化以外の異なるベクトル／スカラ量子化技術が使用されてもよい。

本発明のシグナリング態様の一実施例では、送信は、異なるプリコーディングを使用して同時に複数のユーザに対して行われ、異なるユーザへの送信に割り当てられる時間周波数リソースブロックは、異なってグループ化されてもよい。このような場合、時間周波数リソースがユーザの自分のリソースと完全に又は部分的に重複する他のユーザに使用されるプリコーディングについて、各ユーザに完全なプリコーディング情報を提供することは、非常に高いシグナリングオーバーヘッドを生じる。他のユーザのプリコーディングについて低減した量の情報を送信することにより、１人より多くの他のユーザについて有効になるように設計されてもよい。

無線通信システム、特に移動及びWLANシステムに利用可能である。特に、UMTS及びUMTS LTEのようなセルラシステムに利用可能である。

Claims (13)

1. 送信アンテナのアレイを備えたプライマリ局からセカンダリ局に下りリンクチャネルで通信する方法であって、プライマリ局において、
   (a)前記下りリンクチャネルを構成するステップを有し、
   ステップ(a)は、
   (a2)送信アンテナのアレイ毎に前記プライマリ局から前記セカンダリ局への対応する送信中に適用されるプリコーディングを計算するステップと；
   (a3)前記プリコーディングに可逆変換を適用し、これにより、変換領域で前記プリコーディングを実質的に示す一式のプリコーディング係数を確定するステップと；
   (a4)ステップ(a3)で得られた前記係数を実質的に示す少なくとも１つのパラメータを有する一式のパラメータを計算するステップと；
   (a5)前記一式のパラメータを前記セカンダリ局にシグナリングするステップと
   に分割され、
   (b)ステップ(a2)で計算された前記プリコーディングに実質的に従って前記セカンダリ局にデータを送信するステップを有する方法。
2. ステップ(a)の前に、前記セカンダリ局からチャネル状態情報を前記プライマリ局で受信することを更に有する、請求項１に記載の方法。
3. プリコーディングを計算するステップ(a2)は、各チャネル状態情報を少なくとも部分的に用いて実行される、請求項２に記載の方法。
4. プリコーディングを計算するステップ(a2)は、データレートを最大化するように実行される、請求項１又は２に記載の方法。
5. ステップ(a)の前に、複数のセカンダリ局から前記セカンダリ局を選択するステップを更に有する、請求項１ないし４のうちいずれか１項に記載の方法。
6. 前記選択は、各セカンダリ局の対応するチャネル品質の指標を少なくとも部分的に用いて実行される、請求項５に記載の方法。
7. 前記選択は、各対応するセカンダリ局に送信される各データの優先度の指標を少なくとも部分的に用いて実行される、請求項５又は６に記載の方法。
8. 前記選択は、第１のセカンダリ局を選択し、前記第１のセカンダリ局と関連するチャネル特性にあまり相関しないチャネル特性を有する更なるセカンダリ局を選択することにより実行される、請求項５ないし７のうちいずれか１項に記載の方法。
9. 前記選択は、全体データスループットが最大化されるように実行される、請求項１ないし８のうちいずれか１項に記載の方法。
10. 前記可逆変換は、線形且つ直交性である、請求項１ないし９のうちいずれか１項に記載の方法。
11. ステップ(a3)は、前記プリコーディングに離散逆フーリエ変換を適用することを有する、請求項１０に記載の方法。
12. ステップ(a4)の前記一式のパラメータは、ステップ(a3)で計算された前記一式の係数からの最大の大きさを有する係数に基づく、請求項１ないし１１のうちいずれか１項に記載の方法。
13. 下りリンクチャネルでセカンダリ局と通信する送信アンテナのアレイを有するプライマリ局であって、
    前記下りリンクチャネルを構成する構成手段を有し、
    前記構成手段は、
    送信アンテナのアレイ毎に前記プライマリ局から前記セカンダリ局への対応する送信中に適用されるプリコーディングを計算する計算手段と；
    前記プリコーディングに可逆変換を適用し、これにより、変換領域で前記プリコーディングを実質的に示す一式のプリコーディング係数を確定する変換手段と；
    前記変換手段により得られた前記係数を実質的に示す少なくとも１つのパラメータを有する一式のパラメータを計算する手段と；
    前記一式のパラメータを前記セカンダリ局にシグナリングする手段と
    を有し、
    前記計算手段により計算された前記プリコーディングに実質的に従って前記セカンダリ局にデータを送信する送信手段を有するプライマリ局。

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