JP2006500852A - Mimoシステムにおけるパケット・データ送信 - Google Patents

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Abstract

パケット・データ送信システムは、信号送受信手段と、ダウンリンク信号を伝搬してアップリンク信号を受信するためのアンテナ(PA1からPA4)とを有する1次局(PS)、および1次局のサービス・エリア内でローミングできる複数の2次局(SS)を含む。各2次局(SS1)は、信号送受信手段と、所定の数のアンテナ(SA1からSA4)と、その無線通信環境をモニタするための手段とを含む。無線通信環境に関する情報はアップリンク信号として各1次局へ中継され、各1次局はそのパケット・データ信号の送信モードを修正する。2次局はダウンリンク信号の修正された送信モードに応答してその受信機リソースを適合させ、パケット・データ信号を処理し、いかなる干渉をも解消する。

Description

本発明はパケット・データ送信システムに関し、さらにそのようなシステムにおいて使用するための1次局および2次局、ならびにそのようなシステムを運用する方法に関する。本発明は、限定はしないが特に、別名3GPPと呼ばれるUMTS(Universal Mobile Telecommunication System)に適用される。
UMTSにおけるパケット無線に関して、High Speed Downlink Packet Access(HSDPA)用にMIMO(Multiple Input Multiple Outputアンテナ・システム)を使用することが提案されている。MIMOシステムの一例が米国特許第6067290号に記載されており、そこでは多数のアンテナの存在によって空間多重化が可能となり、それによって通信用のデータ・ストリームが複数のサブストリームに分割され、そのそれぞれが多くの異なるパスを介して送信される。別の例はBLASTシステムとして知られており、「1998 URSI International Symposium on Signals, Systems and Electronics(イタリア、ピサ、1998年9月29日から10月2日)」の刊行文書に掲載されたP W Wolniansky他による論文「VBLAST: an architecture for realising very high data rates over the richscattering wireless channel」に記載されている。
MIMOシステムから達成できるパフォーマンス上の利得は、所与のエラー率で全データ速度を増加させるために、または所与のデータ速度でエラー率を減少させるために、あるいはその両方の何らかの組合せの目的で使用することができる。MIMOシステムを制御して、所与のデータ速度およびエラー率で全送信エネルギーまたはパワーを減少させることもできる。
MIMO技術を応用できる1つの領域はHigh―Speed Downlink Packet Access(HSDPA)スキームであり、これは現在UMTS用に開発されており、2次局、たとえば移動局へパケット・データを4Mbps超で送信することを容易にすることができる。提案されているHSDPAの一実施形態では、同一のチャネル化コードを使用する別々のデータ・ストリームが1次局(たとえば基地局)の各アンテナから送信され、このデータ・ストリームは原則として、少なくともデータ・ストリームと同数のアンテナを有する2次局によって受信および復号することができる。正確なデータ通信は、(多数の再送信による)劣悪なチャネル状況の下でシステムのスループットが減少することよりも重要とみなされるため、各データ・パケットの正しい送達を確実にするのにARQ(自動再送要求)スキームが必要となる。
パケット・データ送信用にMIMOシステムを使用することに伴う1つの問題は、通信システム上の無線リンクの品質が異なることによる影響である。このスキームのパフォーマンスは干渉レベルが低い場合はよいが、干渉レベルが高い場合は悪くなる。こうした高い干渉レベルはセルの境界付近で生じ、そこでは隣接セルにおける1次局からの干渉によってスループットが大幅に低下する。
本発明の目的は、パケット・データ送信におけるそのような干渉の影響を軽減することである。
本発明の第1の態様によれば、複数のアンテナを有する1次局と、複数のアンテナを有する少なくとも1つの2次局とを含むパケット・データ送信システムを運用する方法が提供され、この方法は、1次局のアンテナと2次局のアンテナのペアの間の信号パス上にパケット・データを送信する1次局と、その無線通信環境をモニタして、その無線通信環境に関する情報を1次局へ送信する2次局と、この情報に応答してそれ自体を適合させる1次局と、受信されたデータおよび干渉を処理するためにその受信機リソースを構成する2次局とを含む。
本発明の第2の態様によれば、複数のアンテナと、信号送受信手段と、2次局からの受信信号に応答してそれ自体を適合させるための手段とを有する1次局、ならびに信号送受信手段と、複数のアンテナと、その無線通信環境をモニタして、その無線通信環境に関する情報を含む信号を送信するための手段と、適合された1次局から受信されたデータ信号および干渉を処理するためにその受信機リソースを構成するための手段とを有する少なくとも1つの2次局を含むパケット・データ送信システムが提供される。
本発明は、MIMO送信を受信するように設計された2次局内の受信機リソースの一部が干渉解消用に使用できるという事実の認識に基づく。しかしこれらのリソースの割当ては2次局における干渉の状況に依存し、この状況は、たとえばそのセル内の2次局の現在位置、および隣接セルにおいて干渉している1次局の近接度によって異なる。したがって2次局は状況をモニタし、1次局からパケット・データを受信するのにどのリソース(たとえば、そのアンテナの数や選択など)を使用するのを好むかについて決定を下し、アップリンク信号を介して1次局に通知する。このように割り当てられなかった受信機リソースの一部またはすべては、隣接セルにおける1次局からの信号の干渉解消に使用することができる。しかしリソースの割当てに関する決定は動的であり、状況の変化によって変更される可能性がある。
本発明の第3の態様によれば、複数のアンテナと、信号送受信手段とを有する1次局、ならびに信号送受信手段と、複数のアンテナ、およびその無線通信環境をモニタして、その無線通信環境に関する情報を含む信号を送信するための手段と、受信されたデータ信号および干渉を処理するためにその受信機リソースを構成するための手段とを有する2次局を含むパケット・データ送信システムにおいて使用するための2次局が提供される。
本発明の第4の態様によれば、複数のアンテナと、信号送受信手段と、2次局からの受信信号に応答して2次局へ送信された信号の送信モードを適合させるための手段とを含む、パケット・データ送信システムにおいて使用するための1次局が提供される。
本発明について、添付の図面を参照しながら例示として説明する。
図面において同一の参照番号は、対応する特徴を示すために使用されている。
図1を参照すると、図示されているセルラ通信システムは1次局PS1、PS2、PS3を含み、そのそれぞれはHSDPAなどの送信システムによるダウンリンク・チャネル上のデータ・パケットのMIMO送信に使用される複数のアンテナと、アップリンク信号を受信するための受信機とから構成される。1次局については、図2を参照しながらより詳細に後述する。セルと呼ばれる、1次局の無線サービス・エリアC1、C2、C3の一部は、信号の伝搬に影響する地形的特徴によって決定される。表示の都合で、セルは大きさの等しい正六角形として示されている。
2次局SS1およびSS2は、セルC1、C2、C3によって決定された全サービス・エリア内でローミングすることができる。各2次局SS1、SS2は、MIMO受信用に使用できる複数のアンテナと、アップリンク信号を送信するための送信機とを含む。
このセルラ通信システムの運用はUMTSなどの標準に従って行われ、その詳細を参照により本明細書に組み込まれる。したがってハンドオーバーなどの側面は、本発明の理解とは関連がないため、本明細書では論じない。
2次局SS1を例にとると、2次局SS1がセルC1内でローミングする際、1次局PS1によって送信されるMIMO信号の受信品質は、1次局PS1からの距離だけでなく、隣接セルC2内の1次局PS2からの距離によっても変化する。2次局SS1がセルC1、C2間の概念的境界に近づくと、1次局PS2によって送信される干渉信号10のレベルは増大し、1次局PS1から受信される所望の信号12の受信品質に悪影響を与える。信号10のフォーマットが知られているため、2次局SS1によって干渉信号10の効果的な干渉解消を実施することができる。
図2を参照すると、MIMOシステムの例が示されており、このMIMOシステムは、単一のデータ・ソース14を有する1次局PS1を含み、この単一のデータ・ソース14は、4つの出力を有するマルチプレクサ16と結合され、この4つの出力は各送信機Tx1、Tx2、Tx3、Tx4と結合され、この各送信機は、各自のアンテナPA1、PA2、PA3、PA4を有する。動作中は、Tx1からTx4の各送信機によって、同一のチャネル化コードを使用する別々のパケット・データ・ストリームをダウンリンク上で送信することができる。図示されていないが、1次局は、アップリンク信号を受信するための受信機と、1次局PS1の動作を制御するためのプロセッサとを有する。
1次局PS1と同じセル内に存在するレンジ内の2次局SS1は、別々のパケット・データ・ストリームを受信し、それらを復号し、複合されたデータを結合する。たとえば、2次局SS1は送信機Tx1からTx4と同数の無線受信機Rx1、Rx2、Rx3、Rx4を含む。Rx1からRx4の各受信機は、各自のアンテナSA1からSA4を有する。受信された信号は処理ステージ18に渡され、処理ステージ18は、送信されたパケット・データ・ストリームを復元し、データを再結合する。また処理ステージ18によって、ダウンリンク・チャネルの品質のモニタリング、アンテナSA1からSA4および関連する受信機Rx1からRx4の動作モードの選択、ならびに送信機を介したアップリンク信号の送信など、図示されていない他の機能も実行される。
最も単純なケースでは、各データ・ストリームはアンテナPA1からPA4のそれぞれにマップされ、これは空間的な相関関係のない無線チャネルに適している。しかしこのマッピングは、アンテナPA1からPA4の1つとアンテナSA1からSA4の1つからなるアンテナの各ペア間におけるダウンリンク・パスの品質を考慮に入れる場合がある。
図3を参照すると、4×4のMIMO構成が示されており、所望のダウンリンク信号WS1からWS4が、隣接セル内に配置された1次局PS2の送信機Tx21およびTx22によって生成された2つの干渉者(すなわち干渉信号)IS1、IS2の結合された電力の影響下にある。完全を期すために、1次局PS2はデータ・ソース24を含み、データ・ソース24はマルチプレクサ26に結合され、マルチプレクサ26は、各データ・ストリームを送信機Tx21、Tx22に供給し、送信機Tx21、Tx22はそれぞれアンテナPA21、PA22を有する。
2つの干渉者IS1、IS2の結合されたパワーは、2次局SS1で受信された所望の結合信号を劣化させる。これらの干渉者の影響を軽減するために、好ましくは除去するために、受信機リソースのいくつかが干渉解消に割り当てられる。これが図4に示されている。
一般に、たとえばアンテナ出力の線形結合によって解消できる干渉源の数は、受信機アンテナの数から、受信される所望の信号の数を引いたものと等しい。図4において、2次局SS1は、所望のダウンリンク信号WS1およびWS3を1次局PS1の送信機Tx1およびTx3から受信するためにその受信機リソースを構成し、干渉者IS1、IS2からの干渉も解消している。
受信用に送信される信号および解消の対象となる干渉者を選択する際、2次局SS1は、2次局SS1によって決定される1つまたは複数の基準を使用することができる。その例としては、(1)干渉している送信機アンテナと受信機アンテナのペアの間のチャネルにおける干渉レベル、(2)送信機アンテナと受信機アンテナのペアの間のチャネルの伝達関数、(3)選択された送信フォーマット用のチャネル品質、(4)1つまたは複数の何らかのパラメータを最適化する(たとえば干渉を最小化し、期待されるスループットを最大化する)ために仮想アンテナ用のアンテナ係数を選択する2次局、および(5)力学的量である2次局における受信アンテナの数(または有効数)がある。
2次局は、その受信機リソースをどのように割り当てたいかについて同時並行で決定を下すと、関連する情報をアップリンク信号として送信する。この関連情報は多様な形態をとることができる。その例としては、(a)受信機アンテナSA1からSA4のそれぞれにおける干渉レベル、(b)基準に関して定義された干渉レベル(この場合、干渉用の基準は1つの受信アンテナである可能性がある)、(c)選択されたアンテナ専用の干渉情報、(d)干渉(たとえば、最低の干渉レベル)に基づくアンテナの選択を伴う上記(a)から(c)のいずれか1つ、(e)解消後の干渉(たとえば、1つまたは複数のスペア受信アンテナを使用した解消後の最低の干渉レベル)に基づくアンテナの選択を伴う上記(a)から(c)のいずれか1つ、(f)送信アンテナと受信アンテナの各ペアの間の伝達関数(この場合、伝達関数は単一の複素数に限定される可能性がある)、(g)受信アンテナにおいて干渉レベルに関して正規化された伝達関数、(h)基準に関して定義された伝達関数(この場合、伝達関数用の基準は1つのアンテナ・ペアである可能性がある)、(i)選択されたアンテナ・ペア専用の伝達関数情報、(j)伝達関数(たとえば、最低のパス・ロス)に基づくアンテナ・ペアの選択を伴う上記(f)から(i)のいずれか1つ、(k)解消後に、受信アンテナにおいて干渉レベルに関して正規化された伝達関数(l)干渉解消後の伝達関数に基づくアンテナ・ペアの選択を伴う上記(f)から(k)のいずれか1つ、(m)可能な送信フォーマットおよびリソースの割当てのそれぞれに関する各アンテナ・ペア用のチャネル品質、(n)各アンテナ・ペア用のSNRに関して定義されたチャネル品質、(o)達成可能なビット・レート(すなわちコード・レート)に関して定義されたチャネル品質、(p)推奨された送信フォーマットに関して定義されたチャネル品質、(q)選択された送信フォーマット専用のチャネル品質情報、(r)期待されるスループットに基づく送信フォーマットの選択を伴う上記(m)から(q)のいずれか1つ、(s)可能なフォーマットのサブセットからの送信フォーマットの選択を伴う上記(m)から(q)のいずれか1つ、(t)2次局における実物のアンテナからの信号の線形結合から得られる「仮想アンテナ」としての受信アンテナを伴う上記のいずれか、(u)実物のアンテナの数以下の数の仮想アンテナを伴う上記のいずれか、(v)1つまたは複数の何らかのパラメータを最適化する(たとえば干渉を最小化し、期待されるスループットを最大化する)ために仮想アンテナを得るためのアンテナ係数を選択する2次局を伴う上記のいずれか、(w)2次局が1次局に示す受信アンテナの数がチャネル状況に依存する場合の上記のいずれかまたはいずれでもない、(x)受信可能な送信アンテナの所望の最大数、ならびに(y)送信アンテナの特定の選択がある。
1次局はアップリンク信号に応答して、(1)一般的な送信スキーム(たとえば時空間符号化、ダイバーシティ、MIMO技術、アンテナへのデータのマッピング、パワーの割当て)、(2)使用される送信アンテナの数、(3)送信アンテナの割当て、および(4)他のユーザ用の信号への(未使用)アンテナの割当てを適合させることができる。
1次局による所望の応答速度によっては、関連情報の少なくとも一部を物理層において信号化することができ、この物理層では、たとえばプロトコル層を使用するよりも迅速な応答が得られるであろう。
図5は、干渉解消を伴う簡略化したMIMOシステムを示している。干渉解消スキームの働きを数学的に示すため、それぞれ所望の信号を「s」、干渉信号を「i」、そして2次局アンテナを「A」および「B」で表す。
チャネル伝達関数は、hiA、hiB、hsA、およびhsBである。
アンテナAおよびBで受信された信号が、それぞれ「1」および「a」の加重で結合されると、受信機出力は下記となる。
s.hsA+i.hiA+s.a.hsB+i.a.hiB
ノイズがない場合、干渉解消は下記を選択することによって得られる。
a=−hiA/hiB
この場合、所望の信号は下記となる。
s(hsA−(hsB.hiA/hiB))
チャネル係数は、各アンテナからのパイロット・シンボルを測定することによって得ることができる。この手法は、複数の送信機アンテナが作動中でノイズが存在する場合の最適な結合加重の計算に拡張することができる。
この概念をUMTSなどのシステムにおいてMIMOとHSDPAの組合せに応用する場合、1次局は、所定の2次局への送信用にダウンリンク内で使用される変調、コーディング・スキーム、および他の関連する特性を選択するであろう。この選択は、2次局によって提供されるチャネル情報を考慮に入れるだろう。この選択を行う際、1次局は、1つまたは複数のアンテナの使用について、またMIMO(または他のダイバーシティ技術)を使用するかどうかについて決定を下すであろう。
チャネル情報は、1次局から送信されたパイロット・シンボルの受信された(複合)振幅に関して、2次局における干渉レベルと併せて提供することができる。任意選択で、各アンテナにおける異なる干渉を考慮に入れて、干渉レベルによってパイロット振幅を正規化することができる。
1次局は、何本の送信アンテナを使用するかについて決定を下す場合、2次局の干渉解消能力だけでなく、すべてのチャネル係数(干渉者用のチャネル係数を含む)を知る必要があるであろう。これは、相当な信号化負荷を必要とするであろう。
決定のすべてまたは一部を2次局が行えるようにすれば、潜在的な信号化負荷が削減されるであろう。
特定の信号化されたパイロット振幅が、低いパイロット振幅またはゼロのパイロット振幅を示すように割り当てられている場合、この値は、対応するアンテナを送信用に使用すべきでないことを示すために移動局によって使用することもできる。これによって2次局は、1次局が何本の送信アンテナを使用すべきかについて、少なくとも部分的に決定できるであろう。したがって2次局は、(必要な場合に)干渉解消を行えるだけの十分なリソースを有している状態を確保することができる。
別の状況では、(すべての受信機アンテナを使用して)全面的にMIMOを適用する場合、2次局は、ダウンリンク・データの一部しか確実に回復できないと判断する場合がある。こうした場合に2次局は、結果的に生じた余分な自由度を使用して、干渉を解消できる場合がある。
図6を参照すると、このフローチャートは、それ自体の無線通信環境に関する測定を行う2次局に関連するブロック30を含み、この測定にはチャネルの各パス間のチャネル特性の測定、および干渉者の特性の測定が含まれる。ブロック32は、行われた測定に関する情報を1次局へ送信する2次局に関連する。この情報は、使用される送信フォーマットおよび/またはアンテナの数に関する推奨、あるいはアンテナまたはアンテナのサブセットに関する特定の選択を含む場合もある。ブロック34は、使用される送信フォーマットおよび/またはアンテナに関して決定を下す1次局に関連する。決定を下す一例では、1次局は、必要となる可能性のあるダウンリンク信号の量を削減する利点を有する2次局の推奨に従う。別の例では、1次局は、自分が何を行おうとしているか(これは2次局の推奨の一部である場合もあるし、すべてである場合もある)を2次局に知らせる。最後にブロック36は、受信された送信および干渉に対して何を行うかを決定し、それに従ってその受信機リソースを構成する2次局に関連する。
MIMOシステムの実施によって、2次局は意思決定においていくらかの自律性を有することができる。
本発明はFDDの動作モードを対象としているが、アップリンクおよびダウンリンク・チャネルが同一の周波数で異なるタイム・スロットを使用する場合は、TDDモードに応用することもできる。TDDモードでは、チャネルは相反的になり、チャネル情報を信号化する必要性が低下する。
前述の説明において1次局の担う役割は、実際には固定インフラストラクチャのさまざまな部分が担うことができる。そのような固定インフラストラクチャの一例が「ノードB」であり、これはUMTSでは固定インフラストラクチャの一部であり、2次局との直接のインターフェースとなり、無線ネットワーク・コントローラ(RNC)ではより高いレベルでのインターフェースとなる。したがって本明細書における「1次局」という用語の使用は、本発明の実施形態に含まれるネットワーク固定インフラストラクチャの部分を含むと理解すべきである。
前述の説明は1次局および2次局用の一定の役割に関するが、本発明のいくつかの実施形態ではこれらの役割を逆にすることもできることを理解されたい。
本明細書および特許請求の範囲において、ある要素の前に置かれた不定冠詞(「a」または「an」)は、そのような要素の複数の存在を除外するものではない。さらに「含む(comprising)」という用語は、列記された以外の要素またはステップの存在を除外するものではない。
本開示を読むことによって、他の修正が当業者にとって明らかとなるであろう。そのような修正は、パケット・データ送信システムおよびそのコンポーネント部分の設計、製造、および使用において既に知られており、かつ本明細書で既に開示した特徴の代わりに、またはそのような特徴に追加して使用できる他の特徴を含むことができる。
セルラ通信システムを示す図である。 干渉を伴わないMIMOシステムを示すブロック概略図である。 干渉を伴うMIMOシステムを示すブロック概略図である。 2次局による干渉解消を伴うMIMOシステムを示すブロック概略図である。 干渉解消を伴う簡略化したMIMOシステムを示すブロック概略図である。 本発明による方法の一実施形態を示すフローチャートである。

Claims (13)

  1. 複数のアンテナを有する1次局と、複数のアンテナを有する少なくとも1つの2次局とを含むパケット・データ送信システムを運用する方法であって、1次局のアンテナと2次局のアンテナのペアの間の信号パス上にパケット・データを送信する1次局と、その無線通信環境をモニタして、その無線通信環境に関する情報を前記1次局へ送信する2次局と、この情報に応答してそれ自体を適合させる1次局と、受信されたデータおよび干渉を処理するためにその受信機リソースを構成する2次局とを含む方法。
  2. 前記2次局が、前記1次局がそれ自体をどのように適合させるべきかを前記1次局に推奨することを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  3. 前記2次局が、前記1次局がパケット・データの送信用にアンテナの特定のサブセットを使用するように推奨することを特徴とする、請求項2に記載の方法。
  4. 前記2次局が、前記1次局によって使用される受信可能な送信アンテナの所望の最大数を推奨することを特徴とする、請求項2または3に記載の方法。
  5. 前記2次局が、前記1次局によって使用される送信フォーマットを推奨することを特徴とする、請求項2から4のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記1次局が、前記2次局によって推奨されるようにそれ自体を適合させることを特徴とする、請求項2から5のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記2次局が、パケット・データの受信用に使用するリソース、および干渉の抑止用に使用するリソースを決定することを特徴とする、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記2次局が、前記1次局のアンテナと前記2次局のアンテナの間の前記パスの伝達関数をモニタすることを特徴とする、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記2次局の前記無線通信環境に関する前記情報が、前記2次局の1つまたは複数のアンテナに存在する前記干渉の特性を含むことを特徴とする、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
  10. 複数のアンテナと、信号送受信手段と、2次局からの受信信号に応答してそれ自体を適合させるための手段とを有する1次局、ならびに信号送受信手段と、複数のアンテナと、その無線通信環境をモニタして、その無線通信環境に関する情報を含む信号を送信するための手段と、前記適合された1次局から受信されたデータ信号および干渉を処理するためにその受信機リソースを構成するための手段とを有する少なくとも1つの2次局を含むパケット・データ送信システム。
  11. 前記モニタする手段が、前記1次局と2次局の間の前記無線パスの前記伝達関数を決定するための手段を含むことを特徴とする、請求項9に記載のシステム。
  12. 複数のアンテナと、信号送受信手段とを有する1次局、ならびに信号送受信手段と、複数のアンテナ、およびその無線通信環境をモニタして、その無線通信環境に関する情報を含む信号を送信するための手段と、受信されたデータ信号および干渉を処理するためにその受信機リソースを構成するための手段とを有する2次局を含むパケット・データ送信システムにおいて使用するための2次局。
  13. 複数のアンテナと、信号送受信手段と、2次局からの受信信号に応答して前記2次局へ送信された信号の送信モードを適合させるための手段とを含む、パケット・データ送信システムにおいて使用するための1次局。
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