JP6553294B2 - 無線通信システム、通信ユニット、端末及び通信システムにおけるチャネル推定の方法 - Google Patents

Description

発明の実施形態は、通信ユニット及び１以上の端末を備える無線通信システムにおけるチャネル推定の方法に関する。発明の実施形態はさらに、通信システムにおける１以上の端末と通信するための通信ユニットに関する。発明の実施形態はさらに、通信システムにおける複数のアンテナを供給された通信システムと通信するための端末に関する。最後に、発明の実施形態は、通信ユニット及び１以上の端末を備える通信システムに関する。

この章では、発明のより良い理解の促進に役立ち得る態様を紹介する。したがって、この章における記載はこの観点で読まれるものであり、当該技術分野で既知のものについて自認するものとして理解されるべきではない。

大規模多入力多出力（ＭＩＭＯ）通信システムにおいて、大規模ＭＩＭＯ基地局ともいう大規模ＭＩＭＯ中央ノードには、空間多重化を用いて同じ時間／周波数リソース上で複数の例えばＫ個の端末にサービングするための複数の例えばＭ本のアンテナを備えるアンテナアレイが設けられる。大規模ＭＩＭＯ通信システムにおける多重化動作の動作を成功させる主要因は、十分に正確なチャネル状態情報（ＣＳＩ）の取得に関係する。特に、大規模ＭＩＭＯ基地局は、Ｍ本のアンテナの各々とＫ個の端末の各々との間の伝搬チャネルの周波数応答の十分に正確な推定値を得る必要がある。

そのようなＣＳＩを得ることは、データ転送のアップリンク及びダウンリンクの両方で同じ周波数帯を使用する時分割複信（ＴＤＤ）を採用する大規模ＭＩＭＯ通信システムについては比較的容易である。ＣＳＩは、Ｋ個の端末によるＭ本の基地局アンテナへの直交パイロットシーケンスの同時送信によって取得されてもよく、そこからＭ本の基地局アンテナの各々とＫ個の端末の間のアップリンク伝搬チャネル状態が推定される。相互作用により、アップリンクチャネルはダウンリンクチャネルと等しい。サンプル存続時間は基地局アンテナ数には依存せず、必要とされる伝搬チャネル状態推定値を得るためのトレーニングスキームの実行はＫ個の端末に対する処理全体がＫ個のリソースサンプルを必要とするので相対的に速く、典型的なＭＩＭＯシステムにおいて端末数は基地局アンテナ数に対して相対的に少ない。

一方、欧州及び北米では、多くの無線通信システムは周波数分割複信（ＦＤＤ）を用いて動作し、アップリンクチャネル及びダウンリンクチャネルは通常は個別の周波数帯に配置される。ＦＤＤ下では、アップリンク直交パイロットシーケンスの送信は、ＭＩＭＯ基地局がアップリンク伝搬チャネルの状態を推定するのに依然として十分である。一方、ＭＩＭＯ基地局が一般的に時間のかかるダウンリンク伝搬チャネルの状態を十分正確に推定するためには更なるアプローチが必要である。

Ｍ本の基地局アンテナとＫ個の単一アンテナ端末を有するシステムを考慮すると、ダウンリンクのＣＳＩを取得する周知の方法はＫ個の端末がパイロット信号をＭ本の基地局アンテナに向けて送信することであり、ＭＩＭＯ基地局はアップリンクチャネルのＣＳＩを取得することができる。さらに、ダウンリンクのＣＳＩを得るために、Ｍ本の基地局アンテナはダウンリンク上で直交パイロットシーケンスを同時に送信し、Ｋ個の端末の各々は伝搬チャネルを介してパイロットの組合せを受信する。そして各端末は、リアルタイムで、アナログ合成受信パイロット信号をアップリンク上で基地局に向けて同時に送信して返す。そして、信号処理及びアップリンクチャネルに関する知識によって、基地局は、ダウンリンクチャネル状態を確実に推定し得る。処理全体は、最小２Ｍ＋Ｋ個のリソースサンプルを必要とする。通常は大規模ＭＩＭＯシステムにおいては基地局アンテナ数Ｍが端末数Ｋよりもはるかに多いので、ＦＤＤを採用するＭＩＭＯシステムにおけるアップリンク伝搬チャネル及びダウンリンク伝搬チャネルに対する確かなＣＳＩを得ることは、ＴＤＤを採用するＭＩＭＯシステムにおけるそのようなＣＳＩを得ることに比べるとはるかに煩雑である。

関与する各ユーザに対する時間−周波数ブロックにおける線形モデルによる単一シンボル期間における周波数領域の伝達関数の時間変化の近似は、ＩＥＥＥ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｌｅｔｔｅｒｓの第１３巻第１１号、８２６〜８２８ページに、リー等により著された「Ｐｉｌｏｔ−Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ＯＦＤＭＡ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｏｖｅｒ Ｔｉｍｅ−Ｖａｒｙｉｎｇ Ｃｈａｎｎｅｌｓ」と題された記事に記載される。

米国特許出願公開第２０１４／０２１９３７７号には、隣接するアンテナ間の間隔がしきい値レベルより大きい空間相関係数を提供するように送信機が離隔された多数のアンテナを含むような非常に大規模なＭＩＭＯシステムに対するチャネル推定が記載されている。送信機は、パイロット基準信号を受信機に送信するように送信アンテナのサブセットを選択する。パイロット基準信号は、選択されたサブセットからのみ送信される。受信機は、受信されたパイロット基準信号及び送信アンテナ間の既知又は推定の空間相関を用いて全ての送信アンテナに対するチャネル推定を導出するように構成されたチャネル推定器を含む。

ＦＤＤシステム、特に比較的多数の端末を有するＭＩＭＯシステムについては、ＣＳＩを得るための時間を短縮することが望ましい。

本発明の実施形態の課題は、特に比較的多数の端末を有してＦＤＤを採用するＭＩＭＯシステムについて、チャネル状態情報を得る時間を短縮することである。この目的のために、発明の実施形態は、通信ユニット及び１以上の端末を備える無線通信システムにおけるチャネル推定の方法に関し、その通信ユニットは複数のアンテナを備え、その方法は、複数のアンテナの各アンテナから１以上の端末にパイロット信号を送信するステップ、送信されたパイロット信号に関して１以上の端末において、１以上の端末が２本以上のアンテナを備える場合に端末固有の相関シグネチャ又はアンテナ固有の相関シグネチャが付与される相関符号化されたパイロット信号を形成するように相関符号化を実行するステップ、その相関符号化されたパイロット信号を１以上の端末から複数のアンテナに再度送信するステップ、相関符号化されたパイロット信号に基づいて１以上の端末と複数のアンテナの間のアップリンクチャネルを推定するステップ、及び推定されたアップリンクチャネルに基づいて複数のアンテナと１以上の端末の間のダウンリンクチャネルの推定値を得るステップを備える。Ｍ本のアンテナ及びＫ個の端末を備える通信システムにおいて、この推定方法は、最小２Ｍのリソースサンプルを必要とする。その結果、方法はＫに依存しないため、通信ユニットによってサービングされるように構成された比較的多数の端末を含む通信システムにとって非常に魅力的である。

上述の方法は、アップリンクチャネルの推定及び端末インデックスの（又は端末が２以上のアンテナを有する場合はアンテナインデックスに関しての）未知の順列まで十分に理解されたダウンリンクチャネルに対して得られる推定をもたらす。個々の端末に対する共役ビームフォーミングを伴うダウンリンクでのブロードキャスト送信などのシナリオには十分であるが、この曖昧さは、他の概要において問題を引き起こし得る。この目的のために、ある実施形態では、方法は、各々がデータ信号の発生源である送信元の識別に関連する情報を備えるデータ信号を１以上の端末から複数のアンテナに送信するステップ、並びにその送信元識別情報を用いてアップリンクチャネル及びダウンリンクチャネルを対応する端末にリンクするステップをさらに備える。送信元識別情報は、１以上の端末に単一アンテナが供給される場合には端末固有の情報であり、１以上の端末に２本以上のアンテナが供給される場合にはアンテナ固有の情報であり得る。

ある実施形態では、相関符号化するステップは、自己回帰モデル、好ましくは１次自己回帰モデルによって受信パイロット信号をフィルタリングするステップを備える。そのような自己回帰モデル、特に１次自己回帰モデルは実現しやすい。これは、スペクトルダイバーシティの形成においては比較的簡単で効率的である。

他のある実施形態では、相関符号化は、パイロット信号について巡回畳み込み演算を実行するステップを備える。パイロット信号について巡回畳み込み演算を実行するステップによって、共分散行列推定精度の向上が可能となり、それにより性能が向上し得る。

ある実施形態では、１以上のユーザ端末と複数のアンテナの間のアップリンクチャネルを推定するステップは、２次ブラインド同定アルゴリズムを利用する。２次ブラインド同定アルゴリズムは、当技術分野では周知であるため比較的実現しやすい。

さらに、発明の実施形態は、通信システムにおける１以上の端末と通信するための通信ユニットに関し、通信ユニットは複数のアンテナ及び少なくとも１つのチャネル推定モジュールを備え、その通信ユニットは、通信システムにおいてパイロット信号を複数のアンテナの各アンテナから１以上の端末に送信し、１以上の端末が２本以上のアンテナを有する場合に端末固有の相関シグネチャ又はアンテナ固有の相関シグネチャが付与される相関符号化されたパイロット信号を１以上の端末から複数のアンテナで受信し、その符号化されたパイロット信号に基づいて少なくとも１つのチャネル推定モジュールによって１以上の端末と複数のアンテナの間のアップリンクチャネルを推定し、その推定されたアップリンクチャネルに基づいて少なくとも１つのチャネル推定モジュールによって複数のアンテナと１以上のユーザ端末の間のダウンリンクチャネルの推定値を得るように、構成される。

ある実施形態では、上記の理由により、通信ユニットは、復号化モジュールをさらに備え、データ信号を１以上の端末から複数のアンテナを介して受信するようにさらに構成されており、そのデータ信号はデータ信号の発生源である送信元の識別に関連する情報を備えており、受信した送信元識別情報を用いて少なくとも１つの復号化モジュールによってアップリンクチャネル及びダウンリンクチャネルを対応する端末にリンクする。

ある実施形態では、少なくとも１つのチャネル推定モジュールは、２次ブラインド識別アルゴリズムの使用によってアップリンクチャネルを推定するように構成される。

さらに、発明の実施形態では、通信システムにおいて複数のアンテナを供給される通信ユニットと通信するための端末に関し、その端末は、それぞれ通信ユニットの複数のアンテナから信号を受信又は通信ユニットの複数のアンテナに信号を送信するための送受信機及び符号化部を備え、その端末は、複数のアンテナの各アンテナから送信されたパイロット信号を受信し、受信したパイロット信号に関して符号化部を用いて、端末が２本以上のアンテナを備える場合は端末固有の相関シグネチャ又はアンテナ固有の相関シグネチャが付与される相関符号化されたパイロット信号を形成するように相関符号化を実行し、通信ユニットが符号化されたパイロット信号に基づいてアップリンクチャネルを推定すること及び推定されたアップリンクチャネルに基づいてダウンリンクチャネルの推定を取得することを可能とするようにその相関符号化されたパイロット信号を複数のアンテナに再度送信するように構成される。

ある実施形態では、前述の理由により、端末は複数のアンテナにデータ信号を送信するようにさらに構成されていてもよく、そのデータ信号はデータ信号の発生源である送信元の識別に関連する情報を含む。

ある実施形態では、符号化部によって実行される相関符号化するステップは、受信パイロット信号を自己回帰モデルによってフィルタリングするステップを備える。

請求項１０〜１２のいずれかに一項に記載の端末において、前記端末はユーザ端末である。あるいは、端末は中継局であってもよい。

最後に、発明の実施形態は、上述の通信ユニットの実施形態及び１以上の上述の端末の実施形態を備える通信システムに関する。

本発明の実施形態を、ここで添付図面を参照してさらに説明する。

図１は、発明の実施形態が実施され得る通信ネットワークの例を概略的に示す。 図２は、発明の実施形態が実施され得る通信ネットワークの他の例を概略的に示す。 図３は、発明の実施形態による無線通信システムにおけるチャネル推定の方法のフローチャートを概略的に示す。

説明及び図面は、単に発明の原理を説明するものである。当業者には、ここに明示的に記載又は図示されないが、本発明の原理を具現化する種々の構成を考案できることが理解されるはずである。さらに、ここに示した全ての例は、主として、発明の原理を読者が理解することを助けることを明示的に意図したものであり、そのような具体的に示された例及び条件に限定されるものではないものとして構成されるべきである。また、発明の原理、態様及び実施形態を示すここにおける全ての記載は、その具体例と同様に、その均等物を含むことが意図されている。

以下の説明では、例示的な実施形態は、実行された場合に特有のタスクを実行するか又は特定の抽象データ型を実現し、かつ既存のネットワーク要素で既存のハードウェアを用いて実現されることができるルーティン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構成などを含むプログラムモジュール又は機能的処理として実現され得る動作の作用及び象徴的表現を参照して（例えば、フローチャートの形式で）説明される。そのような既存のハードウェアは、１以上の中央処理装置（ＣＰＵ）、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、システムオンチップ（ＳＯＣ）デバイス、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）コンピュータ又はプログラムされると特定の機械となる同様の機械を含み得る。少なくともある場合は、ＣＰＵ、ＳＯＣ、ＤＳＰ、ＡＳＩＣ及びＦＰＧＡは、一般的に処理回路、プロセッサ及び／又はマイクロプロセッサともいう。

したがって、ここに記載される種々のモジュールは、汎用プロセッサ、ＤＳＰ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ若しくは他のプログラマブルロジックデバイス、個別のゲート若しくはトランジスタロジック、個別のハードウェアコンポーネント又はここに記載される機能を実行するように設定されたそれらの任意の組合せによって実施又は実行され得る。さらに、種々のモジュールの機能性は、ハードウェア、プロセッサによって実行されるソフトウェアモジュール又はその２つの組合せにおいて直接的に具現され得る。

理解されるように、ここで記載される「端末」及び「基地局」はメモリもさらに含む。メモリは、例えばスタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）及びダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）などの揮発性メモリ、並びに／又は読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、消去可能プログラム可能ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ハードディスク、光ディスク及び磁気テープなどの不揮発性メモリを含む、当該分野で周知の任意の非一時的なコンピュータ可読媒体を含み得る。

ここで使用されるように、「端末」という用語は、クライアント、モバイルユニット、モバイル局、モバイルユーザ、ユーザ機器（ＵＥ）、加入者、ユーザ、遠隔局、アクセス端末、受信機、中継局、スモールセル、中継セルなどと同義であると考えられ、これ以降においてそのようにいうこともあり、無線通信ネットワークにおける無線リソースの遠隔ユーザを説明することができる。ＭＩＭＯシステムでは、端末は、１本以上のアンテナを有し得る。

同様に、ここで使用されるように、「基地局」という用語は、ｅＮｏｄｅＢ（基地）送受信局（ＢＴＳ）、中央ノードなどと同義であると考えられ、以降、そのようにいう場合もあり、無線通信ネットワークにおいてモバイルと通信し、無線リソースを供給する送受信機を説明することができる。ここで検討されるように、基地局は、ここで検討される方法を実行する能力に加えて従来の周知の基地局に全て機能的に関連していてもよい。

図１に、「４Ｇ」としても知られる標準３ＧＧＰ ＬＴＥによる通信ネットワークの例を概略的に示し、そこで発明の実施形態が実現され得る。通信ネットワークは、無線アクセスノード１０、例えば基地局、ユーザ端末ＵＥ１、ＵＥ２、ＵＥ３、ＵＥ４、サービングゲートウェイＳＧＷ、パケットデータネットワークゲートウェイＰＤＮＧＷ及び移動管理エンティティＭＭＥを備える。以下、無線アクセスノード１０は、（大規模）多入力多出力（ＭＩＭＯ）基地局１０ともいう。ＭＩＭＯ基地局１０は、少なくとも１つのチャネル推定モジュール２０、少なくとも１つの復号モジュール２５を備え、複数のアンテナ３０−１、・・・、３０−ｍが設けられる。ユーザ端末ＵＥ１−ＵＥ４は、無線接続を介してＭＩＭＯ基地局１０に接続される。明確化のために単にＵＥ１に関して示しているが、全てのユーザ端末ＵＥ１−ＵＥ４は、符号化部４０を備える。ＭＩＭＯ基地局１０は、サービングゲートウェイＳＧＷ及び移動管理エンティティＭＭＥ、すなわちエボルブドパケットコア（ＥＰＣ）に、いわゆるＳ１インターフェースを介して通信可能に接続される。サービングゲートウェイＳＧＷは、パケットデータネットワークゲートウェイＰＤＮＧＷに通信可能に接続され、その次に外部ＩＰネットワークＩＰＮに通信可能に接続される。

Ｓ１インターフェースは、基地局すなわちこの例ではｅＮｏｄｅＢとエボルブドパケットコア（ＥＰＣ）の間の標準化されたインターフェースであり、２つのタイプを有する。第１に、Ｓ１−ＭＭＥは、ＭＩＭＯ基地局１０と移動管理エンティティＭＭＥの間のシグナリングメッセージを交換するインターフェースである。第２に、Ｓ１−Ｕは、ＭＩＭＯ基地局１０とサービングゲートウェイＳＧＷの間のユーザデータグラムを転送するインターフェースである。

サービングゲートウェイＳＧＷは、通信ネットワークにおける他の基地局（図示せず）と同様に、ＭＩＭＯ基地局１０とパケットデータネットワークゲートウェイＰＤＮＧＷの間のＩＰユーザデータのルーティングを実行するように構成される。さらに、サービングゲートウェイＳＧＷは、異なる基地局間又は異なるアクセスネットワーク間のハンドオーバー中にモバイルアンカーポイントとして作用する。

パケットデータネットワークゲートウェイＰＤＮＧＷは、外部ＩＰネットワークＩＰＮへのインターフェースを表し、ユーザ端末とそのサービング基地局の間に確立されたいわゆるエボルブドパケットシステム（ＥＰＳ）ベアラを終端する。

移動管理エンティティＭＭＥは、加入者管理及びセッション管理に関連するタスクを実行するように構成され、異なるアクセスネットワークの間のハンドオーバー中の移動管理も実行する。

ダウンリンクにおいて、外部ＩＰネットワークＩＰＮから受信したＩＰデータは、サービングゲートウェイＳＧＷを介してパケットデータネットワークゲートウェイＰＤＮＧＷからＭＩＭＯ基地局１０にＥＰＳベアラ上で送信される。そしてＭＩＭＯ基地局１０は、ＩＰデータを処理し、そのＩＰデータを複数のアンテナ３０−１、・・・、３０−ｍを介してそれぞれのユーザ端末にエアインターフェースを介して送信する。アップリンクでは、データ送信は、ダウンリンクに関して上述したような類似の方法で、しかしユーザ端末から外部ＩＰネットワークＩＰＮへの逆方向で実行される。以下、ＭＩＭＯ基地局１０とユーザ端末ＵＥ１−ＵＥ４の間のエアインターフェースに関してアップリンク及びダウンリンクを検討する。すなわち、ダウンリンクはＭＩＭＯ基地局１０からユーザ端末ＵＥ１−ＵＥ４への信号送信を示し、アップリンクはユーザ端末ＵＥ１−ＵＥ４からＭＩＭＯ基地局１０への信号送信を示す。

図２に、大規模ＭＩＭＯ無線バックホールリンクを有するバックホールシステムアーキテクチャを伴う通信ネットワークの例を概略的に示し、そこで発明の実施形態が実現され得る。通信ネットワークは、（大規模）ＭＩＭＯ基地局ともいう（大規模）ＭＩＭＯ中央ノード５０、無線アクセスネットワーク（ＲＡＮ）サーバ８０並びにユーザ端末にサービングする複数の中継セルＳＣ１、ＳＣ２、ＳＣ３及びＳＣ４を含む。中継セルＳＣ１−ＳＣ４は、（リピータ）スモールセルＳＣ１−ＳＣ４又は端末ＳＣ１−ＳＣ４ともいう。ＭＩＭＯ基地局５０は、少なくとも１つのチャネル推定モジュール６０、少なくとも１つの復号化モジュール６５を備え、複数のアンテナ７０−１、・・・、７０−ｍが設けられる。端末ＳＣ１−ＳＣ４は、無線接続を介してＭＩＭＯ基地局５０に接続される。明確化のために単にＳＣ１に関して表しており、そのＳＣ１はユーザ機器ＵＥ５及びＵＲ６にサービングするが、各端末ＳＣ１、ＳＣ２、ＳＣ３及びＳＣ４が１以上のユーザ端末にサービングするように構成されていることが理解されるはずである。さらに、明確化のために単に端末ＳＣ１に関して示しているが、全ての端末ＳＣ１−ＳＣ４は、符号化部９０を備える。ＭＩＭＯ基地局５０は、ＲＡＮサーバ８０に通信可能にさらに接続される。

図１におけるＭＩＭＯ基地局１０及び図２におけるＭＩＭＯ基地局５０のような、大規模ＭＩＭＯ基地局において行われる多重化動作の動作を成功させる主要素は、十分に正確なチャネル状態情報（ＣＳＩ）を取得することに関係する。特に、大規模ＭＩＭＯ基地局は、Ｍ本のアンテナの各々、すなわち図１におけるアンテナ３０−１、・・・、３０−ｍ及び図２におけるアンテナ７０−１、・・・、７０−ｍと、サービングするＫ個の端末の各々、すなわち図１におけるＵＥ１−ＵＥ４及び図２におけるＳＣ１−ＳＣ４との間の伝搬チャネルの周波数レスポンスの十分に正確な推定値を得る必要があり、双方の例においてＫは４となる。

そのようなＣＳＩを得ることは、データ転送のアップリンク及びダウンリンクの両方で同じ周波数帯を使用する時分割複信（ＴＤＤ）を採用する大規模ＭＩＭＯ通信システムについては比較的容易である。ＣＳＩは、Ｋ個の端末によるＭ本の基地局アンテナへの直交パイロットシーケンスの同時送信によって取得されることができ、そこからＭ本の基地局アンテナの各々とＫ個の端末との間のアップリンク伝搬チャネル状態が推定される。相互関係により、アップリンクチャネルはダウンリンクチャネルと等しい。サンプル存続時間は基地局アンテナ数には依存せず、必要とされる伝搬チャネル状態推定値を得るためのトレーニングスキームの実行はＫ個の端末に対する処理全体がＫ個のリソースサンプルを必要とするので相対的に速く、標準的なＭＩＭＯシステムにおいて端末数は基地局アンテナ数に対して相対的に少ない。

一方、欧州及び北米では、多くの無線通信システムは周波数分割複信（ＦＤＤ）を用いて動作し、アップリンクチャネル及びダウンリンクチャネルは通常は個別の周波数帯に配置される。ＦＤＤ下では、アップリンク直交パイロットシーケンスの送信は、ＭＩＭＯ基地局がアップリンク伝搬チャネルの状態を推定するのに依然として十分である。一方で、ＭＩＭＯ基地局が一般的に時間のかかるダウンリンク伝搬チャネルの状態を十分正確に推定するためには更なるアプローチが必要である。

Ｍ本の基地局アンテナ及びＫ個の単一アンテナ端末を伴うシステムについて考えると、ＦＤＤ大規模ＭＩＭＯ−システムにおけるアップリンク及びダウンリンク伝搬システムの双方に関するチャネル状態推定値を得る周知の方法は、直接のアップリンクパイロット及びダウンリンクパイロットに加えて（アナログの）フィードバックを使用する。以下に述べる処理の説明においては、アップリンクチャネル及びダウンリンクチャネルの周波数依存性は抑制されているものとする。さらに、後述するトレーニング信号及び対応する信号の処理は、伝搬チャネルが実質的に一定であると考えられる（サブバンドという）各周波数間隔内で行われることが理解されるべきである。

この２段階処理の第１段階では、Ｍ本の基地局アンテナ及びＫ個の単一アンテナ端末を伴うシステムについて考えると、Ｋ個の端末は、アップリンクチャネル上で直交パイロットシーケンスをサンプル存続時間τ_ｕを伴ってまとめて送信し、τ_ｕ×Ｋのユニタリ行列Ψ_ｕで表される。ＭＩＭＯ基地局のアンテナアレイはＭ×τ_ｕ信号、すなわち、

（１）
を受信し、ここで添え字「Ｈ」はエルミート転置を示し、行列Ｇ_ｕはアップリンク伝搬行列Ｍ×Ｋを示し、Ｖ_ｕは相加的受信機ノイズを示し、ρ_ｕはアップリンクチャネルの信号対雑音比（ＳＮＲ）の測定値である。そして、Ｍ個のアンテナの各々は、その受信信号をＫ個のパイロットシーケンスの各々と相関させて、アップリンク行列値チャネルのノイズのあるバージョン、すなわち、

（２）
を得る。そして、式（２）から得られるアップリンク行列値チャネルの適切にスケーリングされたバージョンは、アップリンクチャネルに関する最小平均二乗推定値を構成する。

第２段階中に、Ｍ本の基地局アンテナは、ダウンリンクチャネル上でサンプル存続時間τ_ｄの直交パイロットシーケンスを送信し、τ_ｄ×Ｍのユニタリ行列Ψ_ｄで表される。Ｋ個の端末は、Ｋ×τ_ｄ信号、すなわち、

（３）
をまとめて受信し、ここで行列Ｇ_ｄはダウンリンク伝搬行列Ｍ×Ｋを示し、Ｖ_ｄは相加的受信機ノイズを示し、ρ_ｄはダウンリンクチャネルの信号対雑音比（ＳＮＲ）の測定値である。そして、受信信号はアップリンク上で再度送信され、必要に応じて電力制約に適合するようにスケーリングファクタαを使用する。そして基地局は、Ｍ×τ_ｄ信号、すなわち、

（４）
を受信する。ここで、Ｍ本の基地局アンテナの各々は、その受信信号にＭ個のパイロットシーケンスの各々を相関させて、Ｍ×Ｍ信号、すなわち、

（５）
を得る。第１段階のアップリンクパイロットがアップリンクチャネルの推定値を既に供給しているので、基地局は、これに限定されるものではないが、例えばゼロ強制及び最小二乗誤差推定を含む技術によってダウンリンクチャネルをこの時点で推定することができる。

上述の処理全体は、最小で２Ｍ＋Ｋのリソースサンプルを必要とする。大規模ＭＩＭＯシステムにおいては通常、基地局アンテナ数Ｍが端末数Ｋよりもはるかに大きいので、ＦＤＤを採用するＭＩＭＯシステムにおいてアップリンク伝搬チャネル及びダウンリンク伝搬チャネルに対する信頼できるＣＳＩを得る方が、ＴＤＤを採用するＭＩＭＯシステムにおけるそのようなＣＳＩを得ることよりもはるかに煩雑となる。

図３に、発明の実施形態による大規模ＭＩＭＯシステムを備える無線通信システムにおけるチャネル推定の方法のフロー図を概略的に示す。この通信システムにおける通信ユニットと１以上の端末の間の伝搬チャネルのチャネルを推定する方法においては、通信システムは複数のアンテナを備え、最初に、パイロット信号は複数のアンテナの各アンテナから１以上の端末に送信される（アクション１０１）。通常は、そのようなパイロット信号は、後述する実施形態の十分に正確なダウンリンク推定を確実にするように線形的に独立しており、直交していることが望ましい。

１以上の端末によって受信されると、相関符号化されたパイロット信号を形成するように１以上の端末で受信パイロット信号に関して相関符号化が実行される（アクション１０３）。ここで、相関符号化とは、既知量の相関をパイロット信号に挿入することを指す。この目的のために、図１及び図２に示すように、端末には符号化部が設けられる。符号化部は、サブバンド数に依存して、時間領域又は周波数領域において信号に相関符号化を適用するように構成され得る。時間領域符号化部は、通信システムが１つのサブバンドだけを採用する場合に適用可能となる。その場合、符号化部は、受信パイロット信号に端末固有の相関シグネチャを提供して、例えば受信パイロット信号に既知の、好ましくはその正規化バージョンであって自己共分散ともいう自己相関を導入する有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタ又は無限インパルス応答（ＩＩＲ）フィルタを適用することによって、相関符号化パイロット信号を形成するように構成される。端末に２本以上のアンテナが設けられる場合、符号化部は、受信パイロット信号にアンテナ固有及び／又は端末固有の相関シグネチャを供給するように構成され得る。複数のサブバンドの場合、周波数領域符号化部が採用され、サブバンド固有の受信パイロット信号にＦＩＲ又はＩＩＲフィルタを適用することによってサブバンドワイズに動作する。このフィルタは、既知の端末固有及び／又はアンテナ固有の自己相関を受信パイロット信号に導入する。以下、簡略化のために、端末固有という用語を使用する。ただし、２本以上のアンテナを有する端末を使用する実施形態においては、この用語は、アンテナ固有という用語と置き換えられてもよいことが理解されるであろう。相関符号化は、端末固有の自己回帰モデル、好ましくは１次端末固有の自己回帰モデル（「ＡＲ１モデル」）による受信パイロット信号のフィルタリングを含み得る。ＡＲ１モデルは、スペクトルダイバーシティの作成において簡単及び効率的なため実現しやすい。

なお、アップリンクチャネルの推定を可能とするためには、対応する端末によって採用された相関符号化に対して適用されたフィルタ（すなわち相関符号化部）は、基地局に既知である必要がある。

そして、相関符号化されたパイロット信号は、１以上の端末から通信ユニットの複数のアンテナに再度送信される（アクション１０５）。

通信ユニットには、相関符号化されたパイロット信号に基づいて、１以上の端末と複数のアンテナの間のアップリンクチャネルを推定する少なくとも１つのチャネル推定モジュールが設けられる（アクション１０７）。これを達成するための適切なアルゴリズムは、当業者には既知の２次ブラインド識別（ＳＯＢＩ）アルゴリズムである。ＳＯＢＩアルゴリズムは空間的共分散行列を推定し、対応する推定誤差はＭが大きくなるにつれてゼロに減少する。言い換えると、ＳＯＢＩアルゴリズムが採用される場合、ＭＩＭＯ基地局アンテナ数がより大きいほど、アップリンクチャネルの推定が向上する。

最後に、複数のアンテナと１以上の端末の間のダウンリンクチャネルの推定値は、アップリンクチャネルの推定に基づいて取得され得る（アクション１０９）。

通信ユニット、特にＭＩＭＯ基地局と１以上の端末の間の伝搬チャネルを推定する方法は、最小で２Ｍのリソースサンプルを必要とする。その結果、トレーニングスキームともいうこの推定スキームはＫに依存しないので、本方法は、通信ユニットによってサービングされるように構成された比較的多数の端末を備える通信システムにとって非常に魅力的である。

なお、フィルタが十分なスペクトルダイバーシティを導入して可逆である限り、ＡＲ１モデルの代わりに他のタイプのフィルタが使用されてもよい。例えば、線形畳み込みを使用するＡＲ１モデルの代わりに、受信パイロット信号に対して巡回畳み込み演算を使用するフィルタを用いてもよい。受信（重畳）信号のブラインド分離によるアップリンクチャネルの推定（アクション１０７）は、別個の時間差に対する（空間的）共分散行列の推定に依存する。一方、パイロット信号長が有限のために、そのような推定は、有限のサンプルサポートに苛まされることもある。線形相関フィルタが単にある過渡的な挙動を示すに過ぎない場合は、巡回畳み込みの採用によりパイロット信号の第１のサンプルの間に相関を導入することが可能となる。結果として、有限のサンプルサポートに関して、共分散行列推定精度を向上させることができる。

Ｍ本の基地局アンテナ及びＫ個の端末を備えるＭＩＭＯ通信システムについて、図３を参照して上述した実施形態の定量的な例を以下に示す。繰り返すが、アップリンクチャネル及びダウンリンクチャネルの周波数依存性は抑制されているものとする。同様に、トレーニング信号及び対応する信号の処理は、伝搬チャネルが実質的に一定であると考えられる各周波数間隔（すなわちサブバンド）内で行われることが理解されるべきである。

まず、Ｍ本の基地局アンテナは、ダウンリンクチャネル上でサンプル存続時間τ_ｄの直交パイロットシーケンスを送信し、τ_ｄ×Ｍのユニタリ行列Ψ_ｄで表される。ｋ番目の端末、ｋ∈｛１、・・・、Ｋ｝は、１×τ_ｄ信号、すなわち、

（６）
を受信し、ここで、ｇ_ｄｋはｋ番目の端末に関するダウンリンク伝搬ベクトルＭ×１を表し、ν_ｄｋは相加的受信機ノイズを表す。ここで、アップリンクでの受信パイロット信号の即座の再度送信の代わりに、各端末ｋは、まず受信パイロットシーケンスｘ_ｄｋに端末固有の自己相関を導入する相関フィルタを適用する。この明細書を通して、この演算を相関符号化といい、相関符号化を受けるパイロット信号を相関符号化されたパイロット信号という。詳細を以下に述べるが、端末固有の自己相関シグネチャを伴うパイロット信号を提供する、すなわち相関符号化されたパイロット信号を形成することで、基地局がアップリンクチャネルを推定することが可能となる。端末ｋによる相関符号化は、受信パイロット信号ｘ_ｄｋといわゆるテプリッツ行列Ｃ_ｋとの乗算、すなわち、

（７）
によって示すことができ、ここで、テプリッツ行列Ｃｋは、結果として得られるフィルタが線形畳み込みを実現するような原因となるフィルタとなるように下三角行列とする。あるいは、巡回畳み込みを実現するように、巡回行列としてＣ_ｋを選択することもできる。全てのｋ∈｛１、・・・、Ｋ｝に対する適切なテプリッツ行列Ｃ_ｋの可能な選択については後述する。なお、ＭＩＭＯ基地局でのダウンリンクチャネルの推定を可能とするためには、対応する端末によって採用されたフィルタ行列が基地局に既知である必要がある。

好ましくは、全てのｋに対して、ダウンリンクチャネルベクトルｇ_ｄｋの成分は、全て独立かつ同一分布の（複素）ガウス確率変数であり、それはレイリーフェージングチャネルの場合である。そのような場合全てのｋに対して、受信シーケンスｘ_ｄｋは、独立かつ同一の（複素）ガウス要素と相互に無相関となる。そのようなシーケンスは、スペクトル的に白色であり、統計的ドメインの観点から区別し難い。シーケンスｘ_ｄｋを程よく着色すること、すなわち端末での相関符号化によって別個のスペクトルパターンを割り当てることにより、ＭＩＭＯ基地局は、例えばＳＯＢＩアルゴリズムにより、アップリンクチャネルを特定し、端末の信号を分離することができる。

そして、全てのＫ個の端末は、アップリンクにおいて同時に式（７）によって定義された相関符号化されたパイロット信号ｙ_ｕｋを再度送信することができ、必要に応じて電力制約に適合するように適切なスケーリングファクタα_ｋを使用する。そして基地局のアンテナアレイはＭ×τ_ｄ信号、すなわち、

（８）
を受信し、ここで、基地局は全てのアップリンクチャネル及び信号ｙ_ｕｋに対して、複素スケーリングファクタ及び端末インデックスの順列の双方までの推定値

を算出することができる。前述のように、そのような算出は例えばＳＯＢＩアルゴリズムを適用してもよい。分離されたアップリンク信号ｙ_ｕｋに基づき、基地局は、（複素スケーリングファクタまでの）ｋ番目のダウンリンクチャネルを以下のように推定することができ、

（９）
それゆえ、全てのアップリンクチャネル及びダウンリンクチャネルの推定に必要とされるリソースサンプルの総数は２Ｍとなる。

前述のように、端末での相関符号化に関して十分なスペクトルダイバーシティを得るような比較的簡単な方法は、各受信信号ｘ_ｄｋを１次自己回帰モデルによってフィルタリングすることであり、例えば程よく選択された係数、

（１０）
を用いて、ここで、ρ_ｋは、通常はｋ∈｛１、・・・、Ｋ｝の全てのｋに関して同じ値をとるように選択され、そのため全てのｋに関する係数α_ｋは、例えばｒ＝０．９５となる半径を持つ複素平面の円上にあり、つまり全てのｋに関してρ_ｋ＝０．９５となる。さらに、そのような複素円上でのα_ｋの均一分布の場合は、全てのｋに関するパラメータθ_ｋは、以下のように算出できる。

（１１）
対応するフィルタ行列Ｃ_ｋは、ベクトル

から構成される下三角テプリッツ行列である。Ｍ＝４の場合、これは、

（１２）
という結果になる。複素平面の円の半径は（すなわちパラメータρ_ｋ）は、全てのｋに関して、信号ｙ_ｕｋのスペクトル重複を、（９）式で与えられるダウンリンクチャネル推定ステップ内で雑音増幅を指示する、いわゆる行列

の条件数と交換するために修正されてもよい。

完全なアナログ端末の場合、テプリッツ構造を有するフィルタ行列によって実現されるような（因果的な）線形畳み込みに頼る必要がある。さらに、線形畳み込みの使用は、使用されるパイロット信号が十分に狭い場合、すなわち信号帯域幅が転送されるチャネルのコヒーレンス帯域幅よりも小さい場合に特に有用である。これに対して、巡回畳み込み（すなわち巡回フィルタ行列）は、デジタル処理を必要とするが、一方で、特に短いパイロット長及び／又は少ないＭＩＭＯ基地局アンテナ数に関しては、チャネル推定のためにＭＩＭＯ基地局に採用されたブラインド分離アルゴリズムの性能を向上させる。

総じて図３を参照して示されるように、アップリンクチャネルの推定を実行し、ダウンリンクチャネルの推定値を取得したのち、定量的な例を用いて上記したように、アップリンクチャネルベクトル及びダウンリンクチャネルベクトルは端末インデックスの（又は端末が２本以上のアンテナを有する場合はアンテナインデックスに関して）未知の順列まで十分に既知となる。この曖昧さは、個々の端末に対する共役ビームフォーミングを伴うダウンリンクでのブロードキャスト送信のようなシナリオにおいては問題ない。しかしながら、他のシナリオにおいて問題を引き起こし得る。

上述の曖昧さを克服するには、図３を参照して示したチャネル推定方法は、ＭＩＭＯ基地局の複数のアンテナに対してのアップリンクにおけるデータ信号の送信をさらに含み、その各データ信号はデータ信号の発生源である送信元の識別に関連する情報を備える（アクション１１１）。送信元は端末自体として識別されてもよく、そこでは送信元識別情報は端末固有の情報を含む。あるいは、端末が２本以上のアンテナを有する場合は、データ信号を送信する固有のアンテナが送信元として識別されてもよい。したがって、そのような場合は、送信元識別情報はアンテナ固有の情報を含む。いずれの場合も、識別情報は、識別固有のスクランブリング及び／又は巡回冗長検査（ＣＲＣ）検査合計を伴う符号化された信号の形態をとることができる。

そして、ＭＩＭＯ基地局の復号化モジュールは、送信元識別情報を用いてアップリンクチャネル及びダウンリンクチャネルを対応する端末にリンクすることができる（アクション１１３）。「対応する端末」という表現は端末が単一アンテナを有する場合にはその端末自体に関連するが、それぞれの端末が２本以上のアンテナを有する場合には端末の固有のアンテナに関連してもよいことが理解されるであろう。特に、ＭＩＭＯ基地局は、例えばゼロ強制等化器の最小平均二乗誤差（ＭＭＳＥ）によって全ての端末の重畳されたアップリンク信号を分離するために、推定されたアップリンクチャネルベクトルを適用し得る。識別情報を用いて得られる個別の識別を単に試みるだけで、ＭＩＭＯ基地局は、これ以上チャネルの使用を増やす必要なく上記のインデックスの曖昧さを解決することができる。

説明及び図面は、単に発明の原理を示すものである。したがって、当業者は、ここに明示的に記載又は図示されないが、本発明の原理を具体化する種々の構成を考案できるであろうことが理解されるはずである。さらに、ここに示した全ての例は、主として、当該技術を推進するために発明者（達）によって貢献された発明の原理及び概念を読者が理解することを助けるための教育目的を明示的に意図したものであり、そのような具体的に示された例及び条件に限定されるものではないと解釈されるべきである。また、本発明の原理、態様及び実施形態を表現するここに示す全ての記載は、その具体例と同様に、その均等物を含むことが意図されている。

Claims (15)

1. 通信ユニット及び１以上の端末を備える無線通信システムにおけるチャネル推定の方法であって、前記通信ユニットは複数のアンテナを備え、前記方法が、
   前記複数のアンテナの各アンテナから前記１以上の端末にパイロット信号を送信するステップ、
   前記送信されたパイロット信号に関して前記１以上の端末で相関符号化を実行して相関符号化されたパイロット信号を形成するステップであって、前記１以上の端末が２本以上のアンテナを備える場合に、前記相関符号化されたパイロット信号には端末固有の相関シグネチャ又はアンテナ固有の相関シグネチャが付与される、ステップ、
   前記相関符号化されたパイロット信号を前記１以上の端末から前記複数のアンテナに再度送信するステップ、
   前記１以上の端末と前記複数のアンテナの間のアップリンクチャネルを前記相関符号化されたパイロット信号に基づいて推定するステップ、及び
   前記推定されたアップリンクチャネルに基づいて前記複数のアンテナと前記１以上の端末の間のダウンリンクチャネルの推定値を得るステップ
   を備える方法。
2. 前記１以上の端末から前記複数のアンテナにデータ信号を送信するステップであって、各データ信号は該データ信号の発生源である送信元の識別に関連する情報を備える、ステップ、及び
   送信元識別情報を用いてアップリンクチャネル及びダウンリンクチャネルを対応する端末にリンクするステップ
   をさらに備える請求項１に記載の方法。
3. 前記送信元識別情報は、前記１以上の端末に単一アンテナが設けられる場合には端末固有の情報であり、又は前記１以上の端末に２本以上のアンテナが設けられる場合にはアンテナ固有の情報である、請求項２に記載の方法。
4. 相関符号化は、自己回帰モデル、好ましくは１次自己回帰モデルによって受信パイロット信号をフィルタリングするステップを備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 相関符号化は、前記パイロット信号について巡回畳み込み演算を実行するステップを備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記１以上のユーザ端末と前記複数のアンテナの間のアップリンクチャネルを推定するステップは、２次ブラインド識別アルゴリズムを利用する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 通信システムにおいて１以上の端末（ＵＥ１−ＵＥ４；ＳＣ１−ＳＣ２）と通信する通信ユニット（１０；５０）であって、前記通信ユニットは、
   複数のアンテナ（３０−１、・・・、３０−ｍ；７０−１、・・・、７０−ｍ）、及び
   少なくとも１つのチャネル推定モジュール（２０；６０）
   を備え、
   前記通信ユニットは、
   前記通信システムにおいてパイロット信号を前記複数のアンテナの各アンテナから前記１以上の端末に送信し、
   前記１以上の端末が２本以上のアンテナを有する場合に端末固有の相関シグネチャ又はアンテナ固有の相関シグネチャが付与される相関符号化されたパイロット信号を前記１以上の端末から前記複数のアンテナで受信し、
   前記相関符号化されたパイロット信号に基づいて前記少なくとも１つのチャネル推定モジュールによって前記１以上の端末と前記複数のアンテナの間のアップリンクチャネルを推定し、及び
   前記推定されたアップリンクチャネルに基づいて前記少なくとも１つのチャネル推定モジュールによって前記複数のアンテナと前記１以上のユーザ端末の間のダウンリンクチャネルの推定値を得るように構成された通信ユニット。
8. 前記通信ユニットは、少なくとも１つの復号化モジュール（２５；６５）をさらに備え、前記通信ユニットは、
   データ信号であって該データ信号の発生源である送信元の識別に関連する情報を備えるデータ信号を前記１以上の端末から前記複数のアンテナを介して受信し、
   受信した送信元識別情報を用いて前記少なくとも１つのチャネル復号化モジュール（２５；６５）によってアップリンクチャネル及びダウンリンクチャネルを対応する端末にリンクするようにさらに構成された、請求項７に記載の通信ユニット。
9. 前記少なくとも１つのチャネル推定モジュールが、２次ブラインド同定アルゴリズムの使用によって前記アップリンクチャネルを推定するように構成された、請求項７又は８に記載の通信ユニット。
10. 通信システムにおいて複数のアンテナ（３０−１、・・・、３０−ｍ；７０−１、・・・、７０−ｍ）を有する通信ユニット（１０；５０）と通信する端末（ＵＥ１−ＵＥ４；ＳＣ１−ＳＣ４）であって、前記端末は、
    それぞれ前記通信ユニットの前記複数のアンテナから信号を受信し及び前記通信ユニットの前記複数のアンテナに信号を送信する送受信機、及び
    符号化部（４０；９０）
    を備え、
    前記端末は、
    前記複数のアンテナの各アンテナから送信されたパイロット信号を受信し、
    前記受信したパイロット信号に関して前記符号化部を用いて相関符号化を実行し、前記１以上の端末が２本以上のアンテナを備える場合に端末固有の相関シグネチャ又はアンテナ固有の相関シグネチャが付与される相関符号化されたパイロット信号を形成し、
    前記相関符号化されたパイロット信号を前記複数のアンテナに再度送信することにより前記通信ユニットが前記符号化されたパイロット信号に基づいてアップリンクチャネルを推定すること及び前記推定されたアップリンクチャネルに基づいてダウンリンクチャネルを推定することを可能とするように構成された端末。
11. 前記複数のアンテナにデータ信号を送信するようにさらに構成され、前記データ信号は該データ信号の発生源である送信元の識別に関連する情報を含む、請求項１０に記載の端末。
12. 前記符号化部によって実行される相関符号化は、受信パイロット信号を自己回帰モデルによってフィルタリングするステップを備える、請求項１０又は１１に記載の端末。
13. 前記端末がユーザ端末（ＵＥ１−ＵＥ４）である、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の端末。
14. 前記端末が中継局（ＳＣ１−ＳＣ４）である、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の端末。
15. 請求項７〜９のいずれか一項に記載の通信ユニット及び請求項１０〜１４のいずれか一項に記載の１以上の端末を備える通信システム。

Images