JP2009141957A - Pre-coding transmission method of mimo system - Google Patents
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Description
本発明は、MIMOシステムにおけるプレコーディング技術に関わり、特にMIMOシステムのプレコーディング伝送方法に関する。 The present invention relates to a precoding technique in a MIMO system, and more particularly to a precoding transmission method for a MIMO system.
将来の無線通信システムは、より高い情報伝送速度と通信品質が要求される。限られた周波数資源でこの目標を達成するために、MIMO(Multi Input Multi Output)技術は、将来の無線通信に欠かせない手段の一つとなっている。 Future wireless communication systems will require higher information transmission rates and communication quality. In order to achieve this goal with limited frequency resources, MIMO (Multi Input Multi Output) technology has become one of the indispensable means for future wireless communication.
MIMOシステムにおいて、送信側は複数のアンテナで信号を送信し、受信側は複数のアンテナで信号を受信する。研究結果によれば、伝統的なシングルアンテナ伝送方法と比べ、MIMO技術を利用した場合、チャネルの容量を明らかに向上させることができ、情報伝送速度を向上させることができる。 In the MIMO system, the transmission side transmits signals with a plurality of antennas, and the reception side receives signals with a plurality of antennas. According to the research results, compared with the traditional single antenna transmission method, when the MIMO technology is used, the capacity of the channel can be obviously improved and the information transmission rate can be improved.
MIMOシステムにおいてプレコーディング(pre−coding)の送信方法を使用すると、MIMOシステムの性能を効果的に向上させることができる。プレコーディングの基本思想は、現在のチャネル情報に基づき、送信されるデータに対して、送信する前に、たとえば線形処理や非線形処理などの予備処理を行うことである。 When a pre-coding transmission method is used in a MIMO system, the performance of the MIMO system can be effectively improved. The basic idea of precoding is to perform preliminary processing such as linear processing and non-linear processing on data to be transmitted before transmission based on current channel information.
以下、プレコーディングを採用したデータ処理過程を説明する。 Hereinafter, a data processing process employing precoding will be described.
セルにおいて、基地局の数を1、移動局の数をKとし、基地局がM本の送信アンテナを有し、各移動局がNk本の受信アンテナを有すると仮定する。とある時間と周波数において、基地局は、スケジューリングされたS≦K個のユーザにデータストリームを送信する。つまり、k(k=1、2、…、S)番目のユーザにLk個のデータストリームを送信する。ここで、
k番目のユーザのLk×1次元送信ベクトルsk(データシンボル)は、M×Lk次元プレコーディング送信行列Tkを介してM本のアンテナから送信される。ユーザkのチャネル特性行列は、Nk×M次元行列Hkである。 The L k × 1-dimensional transmission vector s k (data symbol) of the k-th user is transmitted from M antennas via the M × L k- dimensional precoding transmission matrix T k . The channel characteristic matrix of user k is N k × M-dimensional matrix H k .
k番目のユーザが受信したNk×1次元信号ベクトルykは、Lk×Nk 受信復号行列Rkを介して、Lk×1次元ソフト出力ベクトル
上記式のうち、右側の第二部分はマルチユーザ干渉であり、nkはノイズ信号である。 In the above equation, the second part on the right side is multi-user interference, and n k is a noise signal.
各ユーザは各自のチャネル特性行列Hkを精確に推定できるが、限られた情報しか基地局にフィードバックできないとする。基地局と全ての移動局は、共通のコードブック(Codebook)、例えばDFT(Discrete Florier Transform、離散フーリエ変換)行列を有し、ユーザは、フィードバックチャネルをコードブック中のあるベクトルに量子化し、Bビットのフィードバックがサポートできるコードブックには、最多でも
上記式のうち、rkは受信機合成ベクトルであり、
従来技術においてはZFP(Zero-Forcing Precoding)技術を利用した。以下、それについて詳しく説明する。 In the prior art, ZFP (Zero-Forcing Precoding) technology is used. This will be described in detail below.
ZFP方法は、直接にユーザチャネルHkに対してSVD(Singular-Value Decomposition,特異値分解) を行ない、最大特徴値に対応する特徴ベクトルUk|1を受信機合成ベクトルとし、
スケジューリングされた各ユーザの送信ベクトルは基本的に直交し、且つ実の送信ビームと仮定送信コードブックベクトルの誤差が非常に小さい場合、SINRの下限値の近似値は、
ここで、
最後に、該ユーザ等価チャネルを、SINRを最大化するコードベクトルに量子化する。下記式で示される。
そして、求めた
有限フィードバックシステムにおいて、量子化誤差の存在により、各ユーザの干渉が完全に排除されなくなり、選択されたユーザがMMSE受信を行なってマルチユーザ干渉を抑制する。即ち、下記式で示される。
実の容量は、
The actual capacity is
ところで、上述方法において、実の受信機はMMSE合成器であるが、フィードバック時に使用する合成器は各ユーザ自身のチャネルをSVD分解して得た特徴ベクトルであり、ユーザ自身のチャネルのみを考慮し、他のユーザの干渉を考慮していなかったため、上述方法で得た合成チャネルと実の受信チャネルとは偏差が大きく、フィーダバックが不精確になり、基地局のスケジューリングとプレコーディング行列の計算も不精確になるようにしたため、システムの周波数利用率が最大的に利用されていない。 In the above method, the actual receiver is an MMSE combiner, but the combiner used at the time of feedback is a feature vector obtained by SVD decomposition of each user's own channel, and only the user's own channel is considered. Because the interference of other users was not taken into consideration, the combined channel obtained by the above method and the actual receiving channel have a large deviation, the feeder back is inaccurate, the base station scheduling and the precoding matrix calculation are also performed. Due to inaccuracies, the frequency utilization of the system is not being utilized at maximum.
従来のZFP方法において使用するフィードバック合成チャネルと実の受信チャネルの偏差が大きいため、周波数利用率が比較的に低いという問題を解決するために、本発明は、システムの周波数利用率を向上させるより効果的なMIMOシステムのプレコーディング伝送方法を提供することを目的とする。 In order to solve the problem that the frequency utilization rate is relatively low due to a large deviation between the feedback composite channel used in the conventional ZFP method and the actual reception channel, the present invention is more effective than improving the frequency utilization rate of the system. An object is to provide an effective MIMO system precoding transmission method.
上述目的を実現するために、本発明は、MIMOシステムのプレコーディング伝送方法を提供している。該方法は、以下のステップを有する。 In order to achieve the above object, the present invention provides a precoding transmission method for a MIMO system. The method includes the following steps.
ステップAにおいて、移動局は、基地局における送信プレコーディングとしてコードブックに定義された一つのユニタリー行列を用いると仮定し、上記ユニタリー行列のうちの一つのベクトルを該ユーザの送信ビームベクトル、ほかのM−1個のベクトルをすべての干渉ユーザの送信ビームベクトルとし、MMSE受信ウエイト行列を利用して等価チャネルを算出し、ユニタリー行列のインデックス、及びチャネル品質情報とを取得して基地局へフィードバックする。 In Step A, it is assumed that the mobile station uses one unitary matrix defined in the codebook as transmission precoding in the base station, and one vector of the unitary matrix is used as the transmission beam vector of the user, M-1 vectors are used as transmission beam vectors of all interfering users, an equivalent channel is calculated using the MMSE reception weight matrix, and the unitary matrix index and channel quality information are acquired and fed back to the base station. .
ステップBにおいて、基地局が、移動局からフィードバックされたチャネル方向インデックスとチャンル品質情報とに基づいて、可能性のある一部又はすべてのユーザ組み合わせに対応するZFP送信行列又は調整済みZFP送信行列を取得し、マルチユーザスケジューリングをして同時に送信するユーザの組み合わせを特定する。 In step B, the base station determines a ZFP transmission matrix or an adjusted ZFP transmission matrix corresponding to some or all possible user combinations based on the channel direction index and channel quality information fed back from the mobile station. Acquire and specify the combination of users to be transmitted simultaneously by multi-user scheduling.
ステップCにおいて、基地局が、上記ユーザの組み合わせに対応するZFP送信行列又は調整済みZFP送信行列を利用して、プレコーディングを行って送信する。 In Step C, the base station performs precoding using the ZFP transmission matrix or the adjusted ZFP transmission matrix corresponding to the user combination, and transmits the result.
上記方法において、移動局が、MMSE受信器を用いて信号を受信するステップDをさらに含む。 In the above method, the mobile station further includes a step D of receiving a signal using an MMSE receiver.
上記方法のステップAにおいて、
移動局が、ユニタリー行列のベクトルごとに対応する等価チャネルを算出するステップ111と、
移動局が、該等価チャネルに基づいて、移動局がユニタリー行列のベクトルごとに対応するSINRを取得するステップ112と、
SINRのうちの最大値を見つけ出し、該最大値に基づいて移動局において量子化された等価チャネルを取得するステップ113と、
SINRの最大値に基づいてチャンル品質情報を取得するステップ114と、
チャネル方向インデックスとチャネルヒンジツ上方を基地局へフィードバックするステップ115とを含む。
In step A of the above method,
The mobile station obtains a corresponding SINR for each vector of the unitary matrix based on the equivalent channel;
Finding a maximum value of SINR and obtaining an equivalent channel quantized in the mobile station based on the maximum value; 113;
Obtaining channel quality information based on the
Feeding back 115 the channel direction index and channel hinges upward to the base station.
上記方法において、
上記方法において、
上記方法において、ステップBで、QoSに基づいて、対応するスケジューリングアルゴリズムを選択してマルチユーザスケジューリング操作を行う。 In the above method, in step B, a multi-user scheduling operation is performed by selecting a corresponding scheduling algorithm based on QoS.
本発明によれば、フィードバック段階にMMSE合成器を利用してCQIとCDIの計算をするため、チャネルフィードバックの誤差を減少させ、システムの周波数利用率を効果的に向上させた。 According to the present invention, since the CQI and CDI are calculated using the MMSE combiner in the feedback stage, the error of the channel feedback is reduced and the frequency utilization factor of the system is effectively improved.
本発明のMIMOシステムのプレコーディング伝送方法において、フィードバック段階で、移動局は、MMSE合成器を利用して量子化等価チャネルのチャネル方向インデックス(CDI)及びチャネル品質情報(CQI)を計算し、スケジューリング段階及びプレコーディング段階において、該フィードバック情報を利用して対応する処理を行って、周波数利用率を向上させる。 In the MIMO system precoding transmission method of the present invention, in a feedback stage, a mobile station calculates a channel direction index (CDI) and channel quality information (CQI) of a quantized equivalent channel using an MMSE combiner, and performs scheduling. In the stage and the precoding stage, corresponding processing is performed using the feedback information to improve the frequency utilization rate.
図1に示すように、本発明のMIMOシステムのプレコーディング伝送方法は、以下のステップを有する。 As shown in FIG. 1, the MIMO system precoding transmission method of the present invention includes the following steps.
ステップ11において、フィードバック時に、各ユーザはプレコーディング送信行列Tを知らないため、実の受信機合成ベクトル
ステップ12において、移動局は、CDIとCQIを基地局にフィードバックする。
In
ステップ13において、基地局は、すべての移動局からフィードバックされたCDIとCQIとに基づいて、可能性のある一部又はすべてのユーザ組み合わせ(K個のユーザのうち、S<=M個のユーザを選択する)に対応するZFP送信行列TZFP又は調整済みZFP送信行列TRZFPを取得し、移動局に対してスケジューリングを行なう。
In
ここで、一部のユーザ組み合わせに対応するZFP送信行列TZFP又は調整済みZFP送信行列TRZFPを取得するか、それともすべてのユーザ組み合わせに対応するZFP送信行列TZFP又は調整済みZFP送信行列TRZFPを取得するかはスケジューリングアルゴリズムに関係し、これについては後述する。 Here, the ZFP transmission matrix T ZFP or the adjusted ZFP transmission matrix T RZFP corresponding to some user combinations is obtained, or the ZFP transmission matrix T ZFP or the adjusted ZFP transmission matrix T RZFP corresponding to all user combinations is acquired. Whether or not to acquire is related to the scheduling algorithm, which will be described later.
ZFP送信行列TZFP又は調整済みZFP送信行列TRZFPは、下記式
ここで、
基地局が移動局に対するスケジューリングは、QoSに基づいて、対応するスケジューリングアルゴリズムを選択してマルチユーザスケジューリング操作を行うことができる。 The base station can perform scheduling for the mobile station by performing multi-user scheduling operation by selecting a corresponding scheduling algorithm based on QoS.
ステップ14において、スケジューリングされた移動局(即ち、同時に送信する必要のあるユーザ)のデータに対して、対応するZFP送信行列TZFP又は調整済みZFP送信行列TRZFPを利用して、プレコーディングを行って送信する。
In
以下、本発明の方法を更に詳しく説明する。 Hereinafter, the method of the present invention will be described in more detail.
ステップ11において、送信行列Tをコードブック中の一つのユニタリー行列Cgとし、行列中の一つのベクトル
ステップ11において、そのうちの一つのベクトル
本発明の実施形態においては、多種類のタイプのコードブックを利用できるが、ここでは、DFTに基づくプレコーディングコードブックのみを例として説明する。 Although various types of codebooks can be used in the embodiment of the present invention, only a precoding codebook based on DFT will be described here as an example.
該コードブックは、2B個のベクトルからなるDFT行列である。各ベクトルには、M個の元素を含み、i番目のベクトルのm番目の元素は、下記式
i =0,…,2B−1で示される。
The codebook is a DFT matrix composed of 2 B vectors. Each vector contains M elements, and the m-th element of the i-th vector is
i = 0, ..., 2 B −1.
該2B個のベクトルでG=2B/M個のユニタリー行列を構成する。g番目のユニタリー行列は、下記式
ステップ11は、図2に示すように、詳しくは以下のステップを含む。
As shown in FIG. 2,
ステップ111において、下記式
ステップ112において、下記式
ステップ113において、下記式
ステップ114において、下記式
もちろん、ステップ114において、SINRを最大値とする送信ビームベクトルをチャネル方向とし、さらに該送信ビームベクトルのインデックス及びチャネル品質情報を取得した後で基地局にフィードバックしてもよい。両者が取得する結果は一致する。
Of course, in
ステップ13において、基地局が移動局に対してスケジューリングを実行するが、利用するスケジューリングアルゴリズムは、Max C/Iスケジューリングアルゴリズム、PFスケジューリングアルゴリズム、ラウンドロビンスケジューリングアルゴリズムなどである。本発明の具体的な実施形態においては、Max C/Iスケジューリングアルゴリズムを例として詳しく説明する。
In
図3に示すように、該ステップ13において基地局が移動局に対するスケジューリングは、詳しく以下のステップを有する。
As shown in FIG. 3, the scheduling for the mobile station by the base station in
ステップ131において、可能性のあるユーザ組み合わせSについて、量子化チャネル組み合わせは
ステップ132において、式
ステップ133において、最大容量のユーザ組み合わせをスケジューリングされるユーザとする。
In
もちろん、上述スケジューリングアルゴリズムは、好ましいアルゴリズムであって、可能性のある全てのユーザ組み合わせに対して、対応するZFP送信行列TZFP又は調整済みZFP送信行列TRZFPを計算して容量の推定を行ない、さらに、容量推定の結果に基づいて選択を行なう。しかし、ユーザ数が比較的に多い場合、スケジューリングアルゴリズムの演算量を減少するために、例えばgreedyアルゴリズムなどのアルゴリズムを本発明に適用してスケジューリングしてもよい。この場合、可能性のある一部のユーザ組み合わせのZFP送信行列TZFP又は調整済みZFP送信行列TRZFPのみを計算して容量の推定を行い、容量推定の結果に基づいて選択を行なえばよい。 Of course, the scheduling algorithm described above is a preferred algorithm, and for every possible user combination, the corresponding ZFP transmission matrix T ZFP or the adjusted ZFP transmission matrix T RZFP is calculated to estimate the capacity, Further, selection is performed based on the result of capacity estimation. However, when the number of users is relatively large, an algorithm such as a greedy algorithm may be applied to the present invention for scheduling in order to reduce the calculation amount of the scheduling algorithm. In this case, only the ZFP transmission matrix T ZFP or the adjusted ZFP transmission matrix T RZFP of some possible user combinations may be calculated to estimate the capacity, and selection may be performed based on the result of the capacity estimation.
ステップ14において、基地局は、スケジューリングされたユーザ組み合わせに対応する送信行列(ZFP送信行列TZFP又は調整済みZFP送信行列TRZFP)を利用してプレコーディングをして送信すればよい。
In
一方、移動局側において、ユーザ間の干渉が完全に抑制できないため、ユーザは、式
図4、図5は、本発明の方法を用いた場合のシミュレーション図である。 4 and 5 are simulation diagrams when the method of the present invention is used.
第一のシミュレーション条件として、送信アンテナ数Mは4であり、受信アンテナ数Nは4であり、アンテナ間は関連しなく、ユーザ数は20であり、3ビットのCDI及び精確なCQIをフィードバックするとする。 As a first simulation condition, the number of transmitting antennas M is 4, the number of receiving antennas N is 4, the antennas are not related, the number of users is 20, and 3-bit CDI and accurate CQI are fed back. To do.
図4は、上述第一のシミュレーション条件の元、SNRの変化に従う周波数利用効率のカーブである。上方のカーブは、本発明の方法を利用した場合の、SNRの変化に従う周波数利用効率のカーブであり、下方のカーブは、従来のZFP方法の場合の、SNRの変化に従う周波数利用効率のカーブである。図4によれば、SNR=12dBのとき、従来のZFP方法と比べ、本発明の方法を利用すると、周波数利用効率が約2.5bps/Hz高い。また、SNRの増加に従って、周波数利用効率の向上もますます明らかになる。 FIG. 4 is a frequency utilization efficiency curve according to the change in SNR under the first simulation condition described above. The upper curve is the frequency utilization efficiency curve according to the SNR change when the method of the present invention is used, and the lower curve is the frequency utilization efficiency curve according to the SNR change in the conventional ZFP method. is there. According to FIG. 4, when SNR = 12 dB, the frequency utilization efficiency is higher by about 2.5 bps / Hz when the method of the present invention is used compared to the conventional ZFP method. Also, as the SNR increases, the frequency utilization efficiency will become increasingly clear.
第二のシミュレーション条件としては、送信アンテナ数Mは4であり、受信アンテナ数Nは4であり、アンテナ間は関連しなく、3ビットのCDI及び精確なCQIをフィードバックし、SNRは12dBである。 As a second simulation condition, the number of transmitting antennas M is 4, the number of receiving antennas N is 4, the antennas are not related, and 3-bit CDI and accurate CQI are fed back, and the SNR is 12 dB. .
図5は、上述の第二のシミュレーション条件の元での、ユーザ数の変化に従う周波数利用効率のカーブである。上方のカーブは、本発明の方法を利用した場合の、ユーザ数の変化に従う周波数利用効率のカーブであり、下方のカーブは、従来のZFP方法の場合の、ユーザ数の変化に従う周波数利用効率のカーブである。図によれば、ユーザ数が12のとき、従来のZFP方法と比べ、本発明の方法を利用すると、周波数利用効率は約1.8bps/Hz高い。また、ユーザ数の増加に応じて、周波数利用効率の向上もますます明らかになる。 FIG. 5 is a curve of frequency use efficiency according to the change in the number of users under the above-described second simulation condition. The upper curve is the frequency utilization efficiency curve according to the change in the number of users when the method of the present invention is used, and the lower curve is the frequency utilization efficiency according to the change in the number of users in the conventional ZFP method. It is a curve. According to the figure, when the number of users is 12, the frequency utilization efficiency is higher by about 1.8 bps / Hz when the method of the present invention is used compared to the conventional ZFP method. Also, as the number of users increases, the frequency utilization efficiency will become increasingly clear.
以上は本発明の好ましい実施形態に過ぎない。本発明は、特許請求の範囲の記載により定める本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく修正及び変更形態として実施することができる。 The above are only preferred embodiments of the present invention. The present invention can be implemented as modifications and changes without departing from the spirit and scope of the present invention defined by the description of the scope of claims.
Claims (6)
移動局は、基地局における送信プレコーディングとしてコードブックに定義された一つのユニタリー行列を用いると仮定し、上記ユニタリー行列のうちの一つのベクトルを該ユーザの送信ビームベクトル、ほかのベクトルを干渉ユーザの送信ビームベクトルとし、MMSE受信ウエイト行列を利用して等価チャネルを算出し、チャネル方向のインデックス、及びチャネル品質情報とを取得して基地局へフィードバックするステップAと、
基地局が、移動局からフィードバックされたチャネル方向インデックスとチャンル品質情報とに基づいて、可能性のある一部又はすべてのユーザ組み合わせに対応するZFP送信行列又は調整済みZFP送信行列を取得し、マルチユーザスケジューリングをして同時に送信するユーザの組み合わせを特定するステップBと、
基地局が、上記ユーザの組み合わせに対応するZFP送信行列又は調整済みZFP送信行列を利用して、プレコーディングを行って送信するステップCと
を含むことを特徴とするプレコーディング伝送方法。 A precoding transmission method for a MIMO system,
Assuming that the mobile station uses one unitary matrix defined in the codebook as transmission precoding at the base station, one vector of the unitary matrix is used as the transmission beam vector of the user, and the other vector is used as an interfering user. Calculating an equivalent channel using an MMSE reception weight matrix, obtaining an index in the channel direction, and channel quality information and feeding back to the base station;
The base station obtains a ZFP transmission matrix or an adjusted ZFP transmission matrix corresponding to some or all possible user combinations based on the channel direction index and channel quality information fed back from the mobile station, Step B for identifying a combination of users that perform user scheduling and transmit at the same time;
A precoding transmission method comprising: a step C in which a base station performs precoding using a ZFP transmission matrix or an adjusted ZFP transmission matrix corresponding to the user combination and transmits the same.
移動局が、ユニタリー行列のベクトルごとに対応する等価チャネルを算出するステップ111と、
移動局が、該等価チャネルに基づいて、移動局がユニタリー行列のベクトルごとに対応するSINRを取得するステップ112と、
SINRのうちの最大値を見つけ出し、該最大値に基づいて移動局において量子化された等価チャネルを取得するステップ113と、
SINRを最大値とする送信ビームベクトルをチャネル方向とし、そのインデックスとチャンル品質情報とを取得して基地局へフィードバックするステップ114と
を含むことを特徴とする請求項2記載の方法。 In step A,
Step 111, in which the mobile station calculates a corresponding equivalent channel for each vector of the unitary matrix;
The mobile station obtains a corresponding SINR for each vector of the unitary matrix based on the equivalent channel;
Finding a maximum value of SINR and obtaining an equivalent channel quantized in the mobile station based on the maximum value; 113;
3. The method according to claim 2, further comprising the step of: obtaining a transmission beam vector having a maximum SINR as a channel direction, obtaining its index and channel quality information, and feeding back to the base station.
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