JP5900707B2 - Ｄｌｍｕ−ｍｉｍｏ通信システムにおける伝送能力向上方法 - Google Patents

Description

本発明は、通信システムにおける伝送能力向上方法に関する。特に、限定されるものではないが、通信システムに基づくＭＵ−ＭＩＭＯにおける伝送能力を向上する方法に関する。

ＭＩＭＯ技術は、帯域幅の追加や送信電力の増加を必要とすることなく、データのスループットとリンク範囲を大幅に増加させるものとして、無線通信において注目されている。このスループットの増加は、スペクトル効率を向上する（帯域幅の１ヘルツ当りにおける毎秒ビットをより多くする）アレイ利得を実現するため、又は、リンクの信頼性（フェージングの減少）を向上するダイバーシティ利得を実現するために、アンテナを介して同一の総送信電力を分散することで実現することができる。これらの特性のため、ＭＩＭＯは、ＩＥＥＥ８０２．１１ｎ（ＷｉＦｉ）、ＨＳＰＡ＋、４Ｇ、３ＧＰＰ Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ（ＬＴＥ）、ＬＴＥ−Ａｄｖａｎｃｅｄ（ＬＴＥ−Ａ）、ＷｉＭＡＸ等の現代の無線通信規格における重要な一部である。

ＭＩＭＯ技術が改良された形態であるマルチユーザＭＩＭＯ又はＭＵ−ＭＩＭＯは、受け入れられつつある。ＭＵ−ＭＩＭＯは、個々の端末のそれぞれの通信能力を強化したシステムにアクセスする複数の独立した無線端末を可能とする。ＭＵ−ＭＩＭＯは、ＭＩＭＯによって提供される空間自由度を利用して同一チャネルに同時にアクセス可能とするために複数のユーザをスケジューリングすることシステムの能力を最大限に活用する。

一般的なＭＵ−ＭＩＭＯシステム１００を図１に示す。図１に示されるように、送信機１０１は、複数の送信アンテナから同一時間・周波数で異なる受信機１０２、１０３にデータを送信する。受信機１０２、１０３の間における干渉を最小化するために、送信機は、プリコーディングをして送信電波を生成する。受信サイトでは、受信機１０２、１３０は、ポストコーディング（デコーディング）をして、そのデータを取得する。プリコーディングは、チャネルステータスに非常に依存する。数学的には、ＭＵ−ＭＩＭＯシステムは、次のように表される。

ここで、ｙ（ｉ）はｉ番目のユーザで受信される信号であり、ｘ（ｉ）はｉ番目のユーザに対するデータ信号であり、Ｈ（ｉ）はｉ番目のユーザのチャネル行列であり、Ｖ（ｉ）はｉ番目のユーザのプリコーダ行列であり、ｎ（ｉ）はｉ番目のユーザの加法性ホワイトガウスノイズである。

図２は、異なる受信機にデータ２０１を送信する図１の送信機によって利用される１つの可能な送信メカニズム２００を示す。ユーザ間の干渉を最小化するために、受信機は、それらのチャネル状態情報（Channel Status Information）ＣＳＩ２０２（プリコーダ行列指標（Precoder Matrix Indicator）ＰＭＩを含む）を送信機にフィードバックする。ＰＭＩの２ステージのコードブックを有するシステムでは、ｉ番目の受信機は、２つのＰＭＩ（Ｗ（ｉ）_１及びＷ（ｉ）_２によって提供されるＰＭＩ＃１及びＰＭＩ＃２）を通知する。ＰＭＩ＃１は、ロングターム又はワイドバンドのチャネルを示し、ＰＭＩ＃２は、ショートターム又はインスタントのチャネルを示す。

送信機は、次のようにｉ番目の受信機についてのプリコーダを生成するために、通知されたＰＭＩを使用する。

プリコーディングのこの形態は有効であるが、それは最適ではない。さらに、このような直接的なプリコーディングの利用は、特に受信機が互いに近すぎる場合のように、いくつかのケースで失敗することがある。

失敗の可能性を低減するプリコーディング方法を提供すべきことは明らかである。また、送信機と受信機の間における伝送能力を向上するプリコーディング方法を提供することが有効である。

本発明の一態様によれば、所定のコードブックを有する通信ノードのカバレージエリア内においてスケジューリング／プリコーディングのためにユーザ装置（ＵＥ）を選択する方法であって、
前記通信ノードで、前記通信ノードのカバレージエリア内の前記ＵＥから、少なくとも１つのプリコーダ行列指標（ＰＭＩ）を含むフィードバック情報を受信し、
前記通信ノードで、前記ＵＥのそれぞれから通知されたプリコーダ行列指標に基づいて、プリコーダ行列を生成し、
前記通信ノードで、前記プリコーダ行列を使用して、前記カバレージエリアにおける前記ＵＥのそれぞれについて相関値を決定し、
最小の相関値を有する前記ＵＥのペアを特定し、
前記最小の相関値が閾値以下である場合に、スケジューリング／プリーディングのために前記特定したＵＥを選択する
方法が提供される。

適切には、前記所定のコードブックは、２ステージのコードブックであり、前記フィードバック情報は、第１のプリコーダ行列指標ＰＭＩ_１、及び、第２のプリコーダ行列指標ＰＭＩ_２を有する。このケースでは、ＵＥのそれぞれから通知されたＰＭＩ_１及びＰＭＩ_２に対する前記プリコーダ行列Ｗ（ｉ）は、

によって生成されてもよい。

好ましくは、前記相関値は、

によって得られる。前記最小の相関値は、

によって決定されてもよい。

また、本発明の他の態様によれば、そのカバレージエリア内のユーザ装置にサービスをし、所定のコードブックサービスを有する通信ノードにおけるプリコーディングデータ送信方法であって、
ＵＥのそれぞれによって前記通信ノードに通知されたプリコーダ行列指標から生成されたプリコーダ行列を使用して前記カバレージエリア内のＵＥのそれぞれについて計算された相関値に基づいて、プリコーディングの候補として前記カバレージエリア内からユーザ装置（ＵＥ）を選択するステップと、
前記通知されたプリコーダ行列指標と、代表チャネル行列の固定のコードブックから得られたチャネル行列とに基づいて、前記選択されたＵＥについて相関値を決定するステップと、
最も高い相関値を有するチャネル行列のペアを選択するステップと、
前記選択されたチャネル行列のペアを使用してプリコーダを生成するステップと、
を有する方法が提供される。

好適には、前記所定のコードブックは、２ステージのコードブックであり、前記フィードバック情報は、第１のプリコーダ行列指標ＰＭＩ_１、及び、第２のプリコーダ行列指標ＰＭＩ_２を有する。このケースでは、ＵＥのそれぞれから通知されたＰＭＩ_１及びＰＭＩ_２に対する前記プリコーダ行列Ｗ（ｉ）は、

によって生成されてもよい。

好ましくは、前記相関値は、

によって得られる。前記最小の相関値は、

によって決定されてもよい。

前記代表チャネル行列の固定のコードブックは、ロングタームＰＭＩコードブック及びショートタームランクＰＭＩコードブックから生成されてもよい。好適には、ランク１に対する固定のコードブックΩ_{ＲＡＮＫ１}では、代表チャネル行列の固定のコードブックΩ_{ＲＡＮＫ１}は、ロングタームＰＭＩコードブック及びショートタームランク＃１ＰＭＩコードブックから生成される。好ましくは、Ω_{ＲＡＮＫ１}は、サイズＮ_ＴＸ×１のベクトルを含む。好適には、ランク２では、代表チャネル行列（ＣＭ）の固定のコードブックΩ_{ＲＡＮＫ２}は、ロングタームＰＭＩコードブック及びショートタームランク＃２ＰＭＩコードブックから生成される。Ω_{ＲＡＮＫ２}は、サイズＮ_ＴＸ×Ｎ_ＲＸのベクトルを含む。

前記固定のコードブックΩ_{ＲＡＮＫ１}及びΩ_{ＲＡＮＫ２}は、代表チャネル行列を特定するために使用されてもよい。ランク２では、代表チャネル行列は、

によって得られてもよい。

ランク１では、サーチは、サイズＮ_ＴＸ×１のＮ_ＲＸ個のベクトルの行列Ｗ（ｉ）に基づく前記ＰＭＩから、ｉ番目のＵＥのそれぞれについてΩ_{ＲＡＮＫ１}によって実施してもよい。そして、これらのベクトルは、サイズＮ_ＴＸ×Ｎ_ＲＸのチャネル行列Ｈ（ｉ）を形成するために使用されてもよい。

好適には、前記選択されたＵＥに対する相関値は、

によって計算される。

好ましくは、前記最も高い相関を有するチャネル行列を選択するステップは、

を含む。

前記発明の一態様における前記プリコーダを生成するステップは、

を含んでいてもよい。

前記発明のいくつかの態様において、前記ラグランジュ乗数υは、次のステップに従って計算されてもよい。

前記発明のいくつかの態様において、前記雑音分散Ｎ_０（ｉ）は、チャネル品質指標（Channel Quality Indicator：ＣＱＩ）テーブルに含まれるＳＩＮＲ閾値に基づいて全てのＵＥについて信号対干渉雑音比（Signal to Interference plus Noise Ratio）ＳＩＮＲ（ｉ，ｌ）を計算し、次式に従って全てのＵＥについて前記雑音分散Ｎ_０（ｉ）を計算することによって計算されてもよい。

本明細書では、いくつかの先行技術に対する言及はないが、その先行技術が共通の一般常識の一部を形成することを自認又は示唆するものではない。

上述の本願発明の各態様によれば、失敗の可能性を低減することができるプリコーディング方法を提供することができる。また、送信機と受信機の間における伝送容量を向上させるプリコーディング方法を提供することができる。

本発明をより容易に理解し、実用的に有効とするために、以下を含む本発明の好適な実施形態を示す添付の図面を参照する。
図１は、ｅＮｏｄｅＢが複数の送信アンテナから同一時間・周波数で異なるＵＥにデータを送信する一般的なＭＵ−ＭＩＭＯシステムの概略図である。 図２は、異なる受信機にデータを送信するために図１の送信機によって使用されるＵＥのフィードバックとともに１つの可能な伝送メカニズムを示す概略図である。 図３は、本発明の一形態に係るユーザ装置（ＵＥ）選択及びプリコーディングの処理を示すフローチャートである。 図４は、本発明の一態様に係るプリコーダ生成処理を示すフローチャートである。 図５は、本発明の一態様において図４で示されるプリコーダの生成で使用されるラグランジュ乗数を計算する処理を示すフローチャートである。 図６は、本発明の一態様において図４で示されるプリコーダの生成で使用される雑音分散を計算する処理を示すフローチャートである。

ＭＵ−ＭＩＭＯ伝送方式における当業者が理解しているように、多くの場合、プリコーディングは、ＵＥから受信する、チャネルランク指標（Channel rank Indicator：ＲＩ）とチャネル品質指標（Channel Quality Indicator：ＣＱＩ）とプリコーディング行列指標（Precoding Matrix Indicator：ＰＭＩ）を含むチャネルフィードバックに基づいて行われる。ＲＩは、ＵＥで同時に受信することができるレイヤの推定数を示す。１つ以上のレイヤは、同一のコードワードにマッピングすることができ、対象ＵＥへの送信のために一緒に符号化される。３ＧＰＰ ＬＴＥ／ＬＴＥアドバンストでは、異なるコードブックが送信アンテナポート数に応じて定義され、それらは同一の対象ＵＥに対して数が可変のレイヤ（データストリーム）の同時送信をサポートするプリコーディングを提供する。説明を簡潔かつ容易にするために、以下の説明では、２つのＵＥであり、ＰＭＩが２ステージのコードブックであるケースについて着目する。

図３を参照すると、本発明の一形態に係るＵＥ選択及びプリコーディング処理３００が示されている。図に示すように、ＵＥのプリコーダ行列のペアについて相関値が最初に計算される（３０１）。プリコーダ行列（ＰＭ）は、ＵＥから通知されたＰＭＩで指し示されるＬＴＥコードブックから得られる。そして、最小の相関値のＵＥのペアが、さらなる処理のために選択される（３０２）。

本例では、最小の相関値のＵＥのペアの選択は、以下のように実施される。Ｗ（ｉ）は、ｉ番目のＵＥ（ｉ＝１，．．．，Φ）から通知されたＰＭＩ＃１及びＰＭＩ＃２に対応するプリコーダ行列を表すものとする。そして、

相関値は、以下の式（４）で計算することができる。

そして、最小の相関値は、次式によって得ることができる。

そして、最小の相関値は、相関閾値Ｔと比較される。

この場合における代表チャネル行列（ＣＭ）は、代表チャネルの固定のコードブックを使用することで得られる（３０５）。代表的なチャネルの固定のコードブックは、ランクごとに異なる。ランク１では、代表チャネル行列の固定のコードブックΩ_{ＲＡＮＫ１}は、ロングタームＰＭＩコードブックとショートタームランク＃１ＰＭＩコードブックから生成される。Ω_{ＲＡＮＫ１}は、サイズＮ_ＴＸ×１のベクトルを含む。ランク２では、代表チャネル行列（ＣＭ）の固定のコードブックΩ_{ＲＡＮＫ２}は、ロングタームＰＭＩコードブック及びショートタームランク＃２ＰＭＩコードブックから生成される。Ω_{ＲＡＮＫ２}は、サイズＮ_ＴＸ×Ｎ_ＲＸのベクトルを含む。

固定のコードブックΩ_{ＲＡＮＫ１}及びΩ_{ＲＡＮＫ２}は、代表チャネル行列を特定するために使用されてもよい。ランク２では、代表チャネル行列は、

によって得られる。

ランク１では、サーチは、サイズＮ_ＴＸ×１のＮ_ＲＸ個のベクトルの行列Ｗ（ｉ）に基づくＰＭＩから、ｉ番目のＵＥのそれぞれについてΩ_{ＲＡＮＫ１}によって実施される。そして、これらのベクトルは、サイズＮ_ＴＸ×Ｎ_ＲＸのチャネル行列Ｈ（ｉ）を形成するために使用される。

代表チャネル行列が定義されると、相関値が次式に従って計算される。

この場合、結果として得られるプリコーダは、ＰＭＩフィードバックに基づいて計算される最小平均二乗誤差（Minimum Mean Squared Error：ＭＭＳＥ）プリコーダである。したがって、チャネルの情報は、プリコーダを生成するためには必要でない。本発明の実施形態に係るＭＭＳＥプリコーダの生成のより詳細な説明は、以下の図４によって説明する。

図４を参照すると、本発明の一態様に係るＭＭＳＥプリコーダの生成処理が示されている。プリコーダは、次のように、まず全てのＵＥ４０１に対するポストコーダを初期化することで生成される。

ここで、Ｊ（ｉ）は、（ａ，ｂ）番目の要素がａ≠ｂである場合にゼロとなり、ａ＝ｂである場合に１となる行列ＲＩ（ｉ）×Ｎ_ＲＸであり、（ｍ）は、ｍ番目の繰り返しを示す。そして、プリコーダＶ（ｉ）_{（ｍ＋１）}は、ｉ＝１，．．．，Ｎ_ＵＥに対し、Ｇ（ｉ）_（ｍ）と、次式とを使用して全てのＵＥについて計算される（４０２）。

式（９）では、υは、以下で詳細に説明される図５のステップ５０５から得られるラグランジュ乗数である。

そして、次式に従って、ｉ＝１，．．．，Ｎ_ＵＥに対し、Ｖ（ｉ）_{（ｍ＋１）}を使用して全てのＵＥについてポストコーダＧ（ｉ）_{（ｍ＋１）}を計算するための処理が実行される。

より簡潔には、次式を使用してＵＥのそれぞれについてポストコーダＧ（ｉ）_{（ｍ＋１）}が計算される。

式（１０）及び（１１）のケースでは、Ｎ_０（ｉ）は、図６のステップ６０２から得られる雑音分散である。雑音分散の計算は、以下でより詳細に説明する。

上述の説明から分かるように、プリコーダＶ（ｉ）_{（ｍ＋１）}の計算は、ラグランジュ乗数υの使用が要求される。ラグランジュ乗数υを計算する処理（５００）を図５に示す。

ラグランジュ乗数の使用に加えて、プリコーダを生成する処理は、雑音分散Ｎ_０（ｉ）の情報も要求される。図６は、本発明の一態様に係る雑音分散Ｎ_０（ｉ）の計算のための１つの可能なプリコーダを示している（６００）。図に示すように、全てのＵＥについての信号対干渉雑音比ＳＩＳＲ（ｉ，ｌ）は、チャネル品質指標（Channel Quality Indicator：ＣＱＩ）テーブルに含まれるＳＩＮＲ閾値に基づいて計算される（６０１）。そして、ＳＩＳＲ（ｉ，ｌ）は、次式に従って全てのＵＥについて雑音分散Ｎ_０（ｉ）を計算するために総電力Ｐとともに使用される。

より簡潔には、雑音分散は、ゼロに固定することができ（例えば、Ｎ_０（ｉ）＝０、ｉ＝１，．．．，Ｎ_ＵＥ）、いずれの場合も、Ｎ_０（ｉ）の値が、上述の図４に関して説明されたプリコーダ計算処理のステップ４０３におけるＧ（ｉ）_{（ｍ＋１）}の計算に使用される。

上述の説明から分かるように、本発明は、ＰＭＩフィードバックを利用したジョイント伝送及び受信最適化方法に基づいてＭＭＳＥプレコーダを提供する。上述の例では簡略化と説明の容易化のために２つのＵＥとＰＭＩの２ステージのコードブックのケースに着目しているが、当業者にとって理解できるように、プリコーダを生成するために提案された処理は、２つのＵＥとＰＭＩの２ステージのコードブックのケースに限られず、複数のＵＥとより多くのステージのコードブックをカバーするケースに容易に拡張することができる。

上述の実施形態は、本発明の例示のために提供されていることは当然であり、それに対する当業者によって明らかである更なる変更および改良は、本明細書に記載された本発明の範囲に含まれるものとみなされる。

この出願は、２０１２年９月１８日に出願されたオーストラリア特許出願２０１２９０４０７０を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１００ ＭＵ−ＭＩＭＯシステム
１０１ 送信機
１０２、１０３ 受信機
２００ 伝送メカニズム
２０１ 送信データ
２０２ チャネル状態情報

Claims (19)

1. 所定のコードブックを有する通信ノードのカバレージエリア内においてスケジューリング／プリコーディングのためにユーザ装置（ＵＥ）を選択する方法であって、
   前記通信ノードで、前記通信ノードのカバレージエリア内の前記ＵＥのそれぞれから、少なくとも１つのプリコーダ行列指標（ＰＭＩ）を含むフィードバック情報を受信し、
   前記通信ノードで、前記ＵＥのそれぞれから通知されたプリコーダ行列指標に基づいて、プリコーダ行列を生成し、
   前記通信ノードで、前記プリコーダ行列を使用して、前記カバレージエリアにおける前記ＵＥのそれぞれについて相関値を決定し、
   最小の相関値を有する前記ＵＥのペアを特定し、
   前記最小の相関値が閾値以下である場合に、スケジューリング／プリコーディングのために前記特定したＵＥを選択する
   方法。
2. 前記所定のコードブックは、２ステージのコードブックであり、
   前記フィードバック情報は、第１のプリコーダ行列指標ＰＭＩ_１、及び、第２のプリコーダ行列指標ＰＭＩ_２を有する
   請求項１に記載の方法。
3. 前記ＵＥのそれぞれから通知されたＰＭＩ_１及びＰＭＩ_２に対する前記プリコーダ行列Ｗ（ｉ）は、
   

   

   によって生成される
   請求項２に記載の方法。
4. 前記相関値は、
   

   

   によって得られる
   請求項３に記載の方法。
5. 前記最小の相関値は、
   

   

   によって得られる
   請求項４に記載の方法。
6. 通信ノードのカバレージエリア内のユーザ装置があり、所定のコードブックサービスを有する前記通信ノードにおけるプリコーディングデータ送信方法であって、
   ＵＥのそれぞれによって前記通信ノードに通知されたプリコーダ行列指標から生成されたプリコーダ行列Ｗ（ｉ）を使用して前記カバレージエリア内のＵＥのそれぞれについて計算された相関値に基づいて、プリコーディングの候補として前記カバレージエリア内からユーザ装置（ＵＥ）を選択し、
   前記通知されたプリコーダ行列指標と、代表チャネル行列の固定のコードブックから得られたチャネル行列とに基づいて、前記選択されたＵＥについて相関値を決定し、
   最も高い相関値を有するチャネル行列のペアを選択し、
   前記選択されたチャネル行列のペアを使用してプリコーダ行列Ｖ（ｉ）を生成する
   方法。
7. 前記所定のコードブックは、２ステージのコードブックであり、
   前記プリコーダ行列指標は、第１のプリコーダ行列指標ＰＭＩ_１、及び、第２のプリコーダ行列指標ＰＭＩ_２を有する
   請求項６に記載の方法。
8. 前記プリコーダ行列Ｗ（ｉ）は、
   

   

   によって生成される
   請求項７に記載の方法。
9. 前記相関値は、
   

   

   によって得られる
   請求項８に記載の方法。
10. 前記ＵＥの選択は、最小の相関値を有する前記ＵＥのペアを選択するものであり、
    前記最小の相関値は、
    

    

    によって得られる
    請求項９に記載の方法。
11. 前記代表チャネル行列の固定のコードブックは、ロングタームＰＭＩコードブック及びショートタームランクＰＭＩコードブックから生成される
    請求項６乃至１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記選択されたＵＥに対する相関値は、
    

    

    によって計算される
    請求項１１に記載の方法。
13. 前記最も高い相関を有するチャネル行列を選択するステップは、
    

    

    を含む
    請求項１２に記載の方法。
14. 前記プリコーダ行列Ｖ（ｉ）を生成するステップは、
    

    

    を含む
    請求項１３に記載の方法。
15. 

    請求項１４に記載の方法。
16. 前記ラグランジュ乗数υの計算は、
    

    

    を含む
    請求項１５に記載の方法。
17. 前記雑音分散Ｎ_０（ｉ）の計算は、
    チャネル品質指標（ＣＱＩ）テーブルに含まれるＳＩＮＲ閾値に基づいて全てのＵＥに対する信号対干渉雑音比ＳＩＮＲ（ｉ，ｌ）を計算するステップと、
    次式に従って全てのＵＥについて前記雑音分散Ｎ_０（ｉ）を計算するステップと、
    

    

    を含む
    請求項１５又は１６に記載の方法。
18. 

    請求項１４に記載の方法。
19. 前記雑音分散は、ゼロに固定される（Ｎ_０（ｉ）＝０，ｉ＝１，．．．，Ｎ_ＵＥ）
    請求項１５又は１８に記載の方法。

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