JP5745130B2 - マルチユーザー用マルチ入力マルチ出力無線送信システムのための一般化された高速決定フィードバック等化器プリコーダの実現 - Google Patents
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Description
本発明は、マルチ入力マルチ出力(MIMO)の通信システムに関する。より詳細には、本発明は、MIMOシステムにおけるプリコーダコンフィギュレーションに関する。
一般化された決定フィードバック等化器(GDFE)に基づくプリコーダは、マルチユーザーのマルチ入力マルチ出力(MU−MIMO)無線システムに対して最適な容量の解決案を提供する。しかしながらGDFEプリコーダに関連する種々のフィルタを決定する計算上のコストが、禁止的な額となることが多く、このプリコーダは、多くの実用的なシステムには適していない。
マルチユーザー(MU)MIMOシステムのためのGDFEプリコーダを実現するための技術が使用され、この技術は、計算上のコストを大幅に低減するが、容量損失は生じさせない。この技術は、現在計画中の、将来(第4世代)のセルラーネットワークを含む種々のMU−MIMO無線システムの性能を改善するのに適す。
GDFEプリコーダの、以下に説明する実現例は、従来のGDFEプリコーダよりも計算上のコストを大幅に改善するものである。
本発明の種々の実施形態の添付図面および詳細な説明から、本発明をより完全に理解できようが、本発明を特定の実施形態だけに限定すべきでなく、以下の説明は単に発明を説明し、理解させるためのものにすぎない。
以下、GDFEプリコーダの実施の説明により、まずサブセクションAで、次にサブセクションBで、システムモデルおよび対応する従来技術について説明する。
と表示する。ここで、Hkは、BSとk番目のUTとの間の次元{Lk×N}のチャネル利得マトリックスを示すものとする。BSとK個のUTとの間の組み合わされたチャネル利得マトリックスは、{L×N}であり、
で示され、ここで、添え字Tは、マトリックスの転置を示す。
と表示できる。uの長さは、BSにおけるアンテナの数を越えないものと仮定する。更に、Suu=E[uuH]=Iの別の制限を仮定し、ここでE[.]は、その引数の時間平均を示し、添え字Hは、共役転置を示し、Iは恒等マトリックスを示す。
であり、ここでPtは利用可能な総送信パワーを示し、トレース(.)は、マトリックス引数の対角要素の和を示す。ダウンリンクチャネルのためのこの入力共分散マトリックスは、前記N個の送信アンテナの異なる1つずつから送信されるシンボルの依存性を示し;対角マトリックス要素の和は、N個の送信アンテナからの意図する総送信パワーを示す。以下の記載では、次のように固有値分解(EVD)を使ってSxx
3)を表示する。
Sxx=VΣVH (1)
ここでVは、ユニタリマトリックスであり、Σは、負でない成分を有する対角マトリックスである。
B=VΣ1/2M (2)
ここでMは、ユニタリマトリックスであり、マトリックス{V、Σ}は(1)で定義されているものと同じである。
であり、ここで、Ptは、利用できる総送信パワーを示す。Dの各ブロック対角サブマトリックスは、アップリンクチャネル内の特定のUTに対する入力共分散マトリックスを示す。非特許文献6内に示された方法を使って、容量の最適マトリックスDを計算できる。
のxk番目のサブベクトルを発生する。
ここでGkmは、xkからのベクトルシンボルxmに起因する干渉をプリキャンセルするのに必要なGのサブマトリックスを示す。これらサブベクトルは、xkが最初に発生されるベクトルとなり、x1が最後に発生されるベクトルとなるように、逆の順序で発生される。次に、3つのUTのシナリオに対するマトリックスGの構造の一例を示す。
の平方領域によって定められるようにαkの要素を選択する。この機構は、干渉のプリキャンセルを可能にしながら、総送信パワーも制限する。
y=Bx (6)
rk=FkHBx+Fknk (7)
ここでxは、図2に示されるような干渉プリキャンセルステップ後の入力シンボルベクトルuから誘導されたシンボルベクトルである。フィルタBが送信フィルタを示し、k番目のUTにおけるノイズをnkで表示する。すべてのK個のUTに対応する、受信され、スタックされたベースバンドベクトルを次のように示すことができる。
r=FHBx+Fn (8)
ここでF=diag(F1,F2,…Fk)は、フィードフォワードフィルタを示すブロック対角マトリックスであり、nはスタックされたノイズベクトルを示す。
F=GMH(HVΣ1/2)H[HSxxHH+Szz]−1 (9)
ここで、「好ましい最低ノイズ」Szzを、すべてのUT間でフルコーディネーションが生じるときに、システム容量を最小にするノイズ共分散マトリックスと見なす。このSzzは、非特許文献4内に記載された技術を使って計算できる。マトリックス{V、Σ}は、(1)で定義されたものと同じである。
ここで所定の総送信パワーPtに対するスカラー変数λを次のように計算できる。
(図4におけるステップ403)。次に下記のようにフィードフォワードフィルタFを示すことができる。
F=GMHC (13)
C=MR (14)
(ステップ406)。
同じベクトル空間に広がるCのゼロでない列のすべては、マトリックスM内の1つの列ベクトルにしか機能しないようにQRDを実行すると理解しなければならない。次のようにマトリックスB、GおよびFの計算を実行する。
B=VΣ1/2M(ステップ407) (15)
F=Blockdiagonal(R)(ステップ408) (16)
Blockdiagonal(.)関数は、図3に示されるようにマトリックスRのブロック対角からサイズ{ak×Lk}のサブマトリックスF1、F2、...、FKを抽出する。k番目のUTに割り当てられるシンボルの数akは、Fkの階数に等しい。
G=FR†(ステップ409) (17)
ここで添え字†は、ムーア−ペンローズの一般化された逆マトリックスを示す。
[HSxxHH+Szz]=λ−1HHH (19)
ここでλは、(11)を使って計算する。
(図4内のステップ404)
ここで添え字†は、ムーア−ペンローズの一般化された逆マトリックスを示す。更に、上記式内のスカラー演算λを省略しても、GDFEプリコーダの性能は変化しない。従って、Hの階数がH内の行の数以上であればいつも、チャネルに対して次の式を使用することもできる。
ここでXは、Hと同じ数の行を有する任意のマトリックスである。X内の行の数は、結果として生じるマトリックス[H X]の階数がH内の行の数以上となるように選択する。ここでマトリックスSxxは、有効なダウンリンクチャネルマトリックス[H X]に対する入力共分散マトリックスを示す。
ここで(25)内のマトリックスの積(HV)†HVは、前方対角成分が1であり、後方成分の残りが0となっている対角マトリックスに等しい。1に等しい対角成分の数は、Hの階数と同じである。マトリックス積HVの階数が常にΣの階数以上であることを観察すれば、マトリックス積(HV)†HV内の後方の0の数が常にΣのうちの0の数以下となるようにすることができる。
(図4内のステップ405)
ここで任意のチャネルマトリックスHに対して式(24)、(25)および(26)を使用できることに留意すべきである。しかしながら、チャネルマトリックスの階数が行の数以上であるとき、可能な計算上の効率により、(21)または(22)内の式を使用してもよい。
および
となる。GDFEプリコーダに関連するマトリックスの他の部分は次のようになることを示すことができる。
および
および
となる。従って、次のように干渉プリキャンセルマトリックスGを計算できる。
Claims (14)
- 基地局であって、
複数のユーザーターミナルに信号ストリームを送信するように構成された複数のアンテナと、そして
一般化された決定フィードバック等化器(GDFE)プリコーダであって、前記複数のユーザーターミナルに向けた前記信号ストリームを作るように構成され、フィードフォワードパスに送信フィルタ行列Bを使う送信フィルタを含み、フィードバックパスに干渉プリキャンセル行列Gを使う干渉プリキャンセラを含む前記GDFEプリコーダと、を備え
前記送信フィルタ行列Bと前記干渉プリキャンセル行列Gは、ダウンリンクチャネルSの共分散行列から計算され、
前記ダウンリンクチャネルSはマルチアクセスチャネル行列Dと、前記複数のアンテナと前記複数のユーザーターミナルとの間のチャネル利得行列Hで計算され、
前記基地局が前記複数のユーザーターミナルの各々のための前記フィードフォワードフィルタFを前記マルチアクセスチャネル行列Dと前記チャネル利得行列Hに基づいて計算するように構成され、
前記基地局が、各々がL k 個のアンテナを有するk個のユーザーターミナルのマルチユーザーマルチ入力マルチ出力(MU−MIMO)無線システム用であって、
前記ユーザーターミナル用の前記フィードフォワードフィルタがF 1 、F 2 、...、F k によって表わされ、フィードフォワードフィルタ行列Fを形成し、
前記GDFEプリコーダは、前記フィードバックパス内に配置されたI−Gによって示される干渉プリキャンセルブロックを備え、ここでIは、恒等行列であり、Gは、干渉プリキャンセル行列であり、
前記干渉プリキャンセルブロック内の前記干渉プリキャンセル行列Gが、
により階数が行の数以上となっているチャネル利得行列Hに対して前記フィルタ行列Cを計算し、
ここで、
前記チャネル利得行列Hは無線システム内で通信が行われるチャネルを表わし、
添え字†は、ムーア−ペンローズの一般化された逆行列を示し、
Vは、ユニタリ行列であり、
Σは、負でない成分を有する対角行列であり、
λは所定の総送信パワーPtに対するスカラー変数であり、
λ=trace(I−[HHDH+I]−1)/Pt
で表わされ、
ここで、
Iは、恒等行列であり、
前記マルチアクセスチャネル行列Dは、容量が最適であるように選択された
無線システム内の等価的アップリンク/メディアムアクセスチャネル(MAC)
のための入力共分散行列であり、
前記フィードフォワードフィルタ行列Fは、F=GMHCによって示され、
Mは、ユニタリ行列であり、
C=MR
によりCのQR分解(QRD)を使って、前記行列Mを計算し、
F=BlockDiagonal(R)
により前記フィードフォワードフィルタ行列Fを計算し、
ここで、
BlockDiagonal(.)関数は、行列Rのブロック対角から
サイズ{ak×Lk}のサブ行列F1、F2、...、Fkを抽出し、
akは、k番目のユーザーターミナル(UT)に割り当てられたシンボル数で
あり、Fkの階数に等しく、そして
G=FR†
により前記干渉プリキャンセル行列Gを計算する、
ここで、
添え字†は、ムーア−ペンローズの一般化された逆行列を示す、
ことで決定されることを特徴とする、前記基地局。
- 基地局であって、
複数のユーザーターミナルに信号ストリームを送信するように構成された複数のアンテナと、そして
一般化された決定フィードバック等化器(GDFE)プリコーダであって、前記複数のユーザーターミナルに向けた前記信号ストリームを作るように構成され、フィードフォワードパスに送信フィルタ行列Bを使う送信フィルタを含み、フィードバックパスに干渉プリキャンセル行列Gを使う干渉プリキャンセラを含む前記GDFEプリコーダと、を備え
前記送信フィルタ行列Bと前記干渉プリキャンセル行列Gは、ダウンリンクチャネルSの共分散行列から計算され、
前記ダウンリンクチャネルSはマルチアクセスチャネル行列Dと、前記複数のアンテナと前記複数のユーザーターミナルとの間のチャネル利得行列Hで計算され、
前記基地局が前記複数のユーザーターミナルの各々のための前記フィードフォワードフィルタFを前記マルチアクセスチャネル行列Dと前記チャネル利得行列Hに基づいて計算するように構成され、
前記基地局が、各々がL k 個のアンテナを有するk個のユーザーターミナルのマルチユーザーマルチ入力マルチ出力(MU−MIMO)無線システム用であって、
前記ユーザーターミナル用の前記フィードフォワードフィルタがF 1 、F 2 、...、F k によって表わされ、フィードフォワードフィルタ行列Fを形成し、
前記GDFEプリコーダは、前記フィードバックパス内に配置されたI−Gによって示される干渉プリキャンセルブロックを備え、ここでIは、恒等行列であり、Gは、干渉プリキャンセル行列であり、
前記干渉プリキャンセルブロック内の前記干渉プリキャンセル行列Gが
により階数が行の数以上となっているチャネル利得行列Hに対して前記フィルタ行列Cを計算し、
ここで、
前記チャネル利得行列Hは無線システム内で通信が行われるチャネルを表わし、
添え字†は、ムーア−ペンローズの一般化された逆行列を示し、
Vは、ユニタリ行列であり、
Σは、負でない成分を有する対角行列であり、
前記フィードフォワードフィルタ行列Fは、
F=GMHC
によって示され、
Mは、ユニタリ行列であり、
C=MR
によりCのQR分解(QRD)を使って、前記行列Mを計算し、
F=BlockDiagonal(R)
により前記フィードフォワードフィルタ行列Fを計算し、
ここで、
BlockDiagonal(.)関数は、行列Rのブロック対角から
サイズ{ak×Lk}のサブ行列F1、F2、...、Fkを抽出し、
akは、k番目のユーザーターミナル(UT)に割り当てられたシンボル数で
あり、Fkの階数に等しく、そして
G=FR†
により干渉プリキャンセル行列Gを計算する、
ここで、
添え字†は、ムーア−ペンローズの一般化された逆行列を示す、
ことで決定されることを特徴とする、前記基地局。
- 請求項1あるいは2記載の基地局であって、
前記GDFEプリコーダがさらに、前記フィードバックパス内に配置された前記干渉プリキャンセルブロックを通してフィードバックされた、フィルタにかけられたベクトルシンボルXのストリームを発生する、前記フィードフォワードパス内に配置されたモジュロユニットを備えることを特徴とする、前記基地局。
- 請求項3記載の基地局であって、
前記干渉プリキャンセルブロックの出力信号がユーザーシンボルのストリームから差し引かれ、前記フィードフォワードパス内の前記モジュロユニットに適用されることを特徴とする、前記基地局。
- 請求項3記載の基地局であって、
前記送信フィルタ行列Bで表わされる前記送信フィルタが、前記フィードフォワードパス内に配置された前記モジュロユニットで作られた前記フィルタにかけられたベクトルシンボルXのストリームをフィルタするように構成され、そして
前記送信フィルタ行列Bが
B=VΣ1/2M
である、
ここで、
Vは、ユニタリ行列であり、
Σは、負でない成分を有する対角行列である、
ことを特徴とする、前記基地局。
- 請求項1あるいは2記載の基地局であって、
前記干渉プリキャンセルブロックの前記干渉プリキャンセル行列Gが、
前記ダウンリンクチャネル(H)の入力共分散行列S xx を計算する必要がある式を使ってフィルタ行列Cを計算し、
ここで、
前記フィードフォワードフィルタ行列Fは、F=GMHCによって示され、
Mは、ユニタリ行列であり、
C=MR
によりCのQR分解(QRD)を使って、前記行列Mを計算し、
F=BlockDiagonal(R)
により前記フィードフォワードフィルタ行列Fを計算し、
ここで、
BlockDiagonal(.)関数は、行列Rのブロック対角から
サイズ{ak×Lk}のサブ行列F1、F2、...、Fkを抽出し、
akは、k番目のユーザーターミナル(UT)に割り当てられたシンボル数
であり、Fkの階数に等しく、そして
G=FR†
により干渉プリキャンセル行列Gを計算する、
ここで、
添え字†は、ムーア−ペンローズの一般化された逆行列を示す、
ことで決定されることを特徴とする、前記基地局。
- 請求項6記載の基地局であって、
Sxxの計算が必要な式を使って前記フィルタ行列Cを計算し、
をつかってSxxを計算する、
ここで、
Iは、恒等行列であり、
前記チャネル利得行列Hは無線システム内で通信が行われるチャネルを表し、
前記マルチアクセスチャネル行列Dは、容量が最適であるように選択された
無線システム内の等価的アップリンク/メディアムアクセスチャネル(MAC)
のための入力共分散行列であり、そして
λは、所定の総送信パワーPtに対するスカラー変数であり、
λ=trace(I−[HHDH+I]−1)/Pt
で表わされる、
ことを特徴とする、前記基地局。
- 基地局の複数のアンテナから複数のユーザーターミナルに信号ストリームを送信する方法であって、
一般化された決定フィードバック等化器(GDFE)プリコーダであって、前記複数のユーザーターミナルに向けた前記信号ストリームを作るように構成され、フィードフォワードパスに送信フィルタ行列Bを使う送信フィルタを含み、フィードバックパスに干渉プリキャンセル行列Gを使う干渉プリキャンセラを含む前記GDFEプリコーダを使用し、
前記送信フィルタ行列Bと前記干渉プリキャンセル行列Gは、ダウンリンクチャネルSの共分散行列から計算され、
前記ダウンリンクチャネルSはマルチアクセスチャネル行列Dと、前記複数のアンテナと前記複数のユーザーターミナルとの間のチャネル利得行列Hで計算される、
前記複数のユーザーターミナルの各々のための前記フィードフォワードフィルタFが前記マルチアクセスチャネル行列Dと前記チャネル利得行列Hに基づいて計算され、
前記基地局が、各々がL k 個のアンテナを有するk個のユーザーターミナルのマルチユーザーマルチ入力マルチ出力(MU−MIMO)無線システム用であって、
前記ユーザーターミナル用の前記フィードフォワードフィルタがF 1 、F 2 、...、F k によって表わされ、フィードフォワードフィルタ行列Fを形成し、
前記GDFEプリコーダは、前記フィードバックパス内に配置されたI−Gによって示される干渉プリキャンセルブロックを備え、ここでIは、恒等行列であり、Gは、干渉プリキャンセル行列であり、
前記干渉プリキャンセルブロック内の前記干渉プリキャンセル行列Gが、
により階数が行の数以上となっているチャネル利得行列Hに対して前記フィルタ行列Cを計算し、
ここで、
前記チャネル利得行列Hは無線システム内で通信が行われるチャネルを表わし、
添え字†は、ムーア−ペンローズの一般化された逆行列を示し、
Vは、ユニタリ行列であり、
Σは、負でない成分を有する対角行列であり、
λは所定の総送信パワーPtに対するスカラー変数であり、
λ=trace(I−[HHDH+I]−1)/Pt
で表わされ、
ここで、
Iは、恒等行列であり、
前記マルチアクセスチャネル行列Dは、容量が最適であるように選択された
無線システム内の等価的アップリンク/メディアムアクセスチャネル(MAC)
のための入力共分散行列であり、
前記フィードフォワードフィルタ行列Fは、F=GMHCによって示され、
Mは、ユニタリ行列であり、
C=MR
によりCのQR分解(QRD)を使って、前記行列Mを計算し、
F=BlockDiagonal(R)
により前記フィードフォワードフィルタ行列Fを計算し、
ここで、
BlockDiagonal(.)関数は、行列Rのブロック対角から
サイズ{ak×Lk}のサブ行列F1、F2、...、Fkを抽出し、
akは、k番目のユーザーターミナル(UT)に割り当てられたシンボル数で
あり、Fkの階数に等しく、そして
G=FR†
により前記干渉プリキャンセル行列Gを計算する、
ここで、
添え字†は、ムーア−ペンローズの一般化された逆行列を示す、
ことで決定されることを特徴とする、前記方法。
- 基地局の複数のアンテナから複数のユーザーターミナルに信号ストリームを送信する方法であって、
一般化された決定フィードバック等化器(GDFE)プリコーダであって、前記複数のユーザーターミナルに向けた前記信号ストリームを作るように構成され、フィードフォワードパスに送信フィルタ行列Bを使う送信フィルタを含み、フィードバックパスに干渉プリキャンセル行列Gを使う干渉プリキャンセラを含む前記GDFEプリコーダを使用し、
前記送信フィルタ行列Bと前記干渉プリキャンセル行列Gは、ダウンリンクチャネルSの共分散行列から計算され、
前記ダウンリンクチャネルSはマルチアクセスチャネル行列Dと、前記複数のアンテナと前記複数のユーザーターミナルとの間のチャネル利得行列Hで計算される、
前記複数のユーザーターミナルの各々のための前記フィードフォワードフィルタFが前記マルチアクセスチャネル行列Dと前記チャネル利得行列Hに基づいて計算され、
前記基地局が、各々がL k 個のアンテナを有するk個のユーザーターミナルのマルチユーザーマルチ入力マルチ出力(MU−MIMO)無線システム用であって、
前記ユーザーターミナル用の前記フィードフォワードフィルタがF 1 、F 2 、...、F k によって表わされ、フィードフォワードフィルタ行列Fを形成し、
前記GDFEプリコーダは、前記フィードバックパス内に配置されたI−Gによって示される干渉プリキャンセルブロックを備え、ここでIは、恒等行列であり、Gは、干渉プリキャンセル行列であり、
前記干渉プリキャンセルブロック内の前記干渉プリキャンセル行列Gが
により階数が行の数以上となっているチャネル利得行列Hに対して前記フィルタ行列Cを計算し、
ここで、
前記チャネル利得行列Hは無線システム内で通信が行われるチャネルを表わし、
添え字†は、ムーア−ペンローズの一般化された逆行列を示し、
Vは、ユニタリ行列であり、
Σは、負でない成分を有する対角行列であり、
前記フィードフォワードフィルタ行列Fは、
F=GMHC
によって示され、
Mは、ユニタリ行列であり、
C=MR
によりCのQR分解(QRD)を使って、前記行列Mを計算し、
F=BlockDiagonal(R)
により前記フィードフォワードフィルタ行列Fを計算し、
ここで、
BlockDiagonal(.)関数は、行列Rのブロック対角から
サイズ{ak×Lk}のサブ行列F1、F2、...、Fkを抽出し、
akは、k番目のユーザーターミナル(UT)に割り当てられたシンボル数で
あり、Fkの階数に等しく、そして
G=FR†
により干渉プリキャンセル行列Gを計算する、
ここで、
添え字†は、ムーア−ペンローズの一般化された逆行列を示す、
ことで決定されることを特徴とする、前記方法。
- 請求項8あるいは9記載の方法であって、
前記GDFEプリコーダがさらに、前記フィードバックパス内に配置された前記干渉プリキャンセルブロックを通してフィードバックされた、フィルタにかけられたベクトルシンボルXのストリームを発生する、前記フィードフォワードパス内に配置されたモジュロユニットを備えることを特徴とする、前記方法。 - 請求項10記載の方法であって、
前記干渉プリキャンセルブロックの出力信号をユーザーシンボルのストリームから差し引き、前記フィードフォワードパス内の前記モジュロユニットに適用されることを特徴とする、前記方法。
- 請求項10記載の方法であって、
前記送信フィルタ行列Bで表わされる前記送信フィルタが、前記フィードフォワードパス内に配置された前記モジュロユニットで作られた前記フィルタにかけられたベクトルシンボルXのストリームをフィルタするように構成され、そして
前記送信フィルタ行列Bが
B=VΣ1/2M
である、
ここで、
Vは、ユニタリ行列であり、
Σは、負でない成分を有する対角行列である、
ことを特徴とする、前記方法。
- 請求項8あるいは9記載の方法であって、
前記干渉プリキャンセルブロックの前記干渉プリキャンセル行列Gが、
前記ダウンリンクチャネル(H)の入力共分散行列Sxxを計算する必要がある式を使ってフィルタ行列Cを計算し、
ここで、
前記フィードフォワードフィルタ行列Fは、F=GMHCによって示され、
Mは、ユニタリ行列であり、
C=MR
によりCのQR分解(QRD)を使って、前記行列Mを計算し、
F=BlockDiagonal(R)
により前記フィードフォワードフィルタ行列Fを計算し、
ここで、
BlockDiagonal(.)関数は、行列Rのブロック対角から
サイズ{ak×Lk}のサブ行列F1、F2、...、Fkを抽出し、
akは、k番目のユーザーターミナル(UT)に割り当てられたシンボル数
であり、Fkの階数に等しく、そして
G=FR†
により干渉プリキャンセル行列Gを計算する、
ここで、
添え字†は、ムーア−ペンローズの一般化された逆行列を示す、
ことで決定されることを特徴とする、前記方法。 - 請求項13記載の方法であって、
Sxxの計算が必要な式を使って前記フィルタ行列Cを計算し、
をつかってSxxを計算する、
ここで、
Iは、恒等行列であり、
前記チャネル利得行列Hは無線システム内で通信が行われるチャネルを表し、
前記マルチアクセスチャネル行列Dは、容量が最適であるように選択された
無線システム内の等価的アップリンク/メディアムアクセスチャネル(MAC)
のための入力共分散行列であり、そして
λは、所定の総送信パワーPtに対するスカラー変数であり、
λ=trace(I−[HHDH+I]−1)/Pt
で表わされる、
ことを特徴とする、前記方法。
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