JP2009153139A - Mimo下りリンクにおけるプリコーディング処理方法、装置及び基地局 - Google Patents
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Abstract
【課題】MIMO下りリンクにおけるプリコーディング処理方法及び装置、基地局を提供する。
【解決方法】本発明に係るプリコーディング処理方法において、受信器初期復号行列を、受信アンテナ数を階数とする単位行列とする。受信器初期復号行列とMMSE基準を用いて、各ユーザデータストリームに対応する初期プリコーディング送信行列を算出する。送信チャネル行列と上記初期プリコーディング送信行列との積を、ユーザに対応する等価チャネルとし、上記ユーザに対応する等価チャネルに対して特異値分解を行った後、最大特異値を有する右特異ベクトルを選択する。初期プリコーディング送信行列と、右特異ベクトルの共役転置ベクトルとの積を第1のプリコーディング送信行列とする。取得した第1のプリコーディング送信行列を用いて、予め設定した条件が成り立つまで、最終のプリコーディング送信行列と受信器の復号行列との繰り返し計算を行う。本発明によれば、プリコーディング送信行列と受信器復号行列を算出する収束速度を加速している。
【選択図】図1
【解決方法】本発明に係るプリコーディング処理方法において、受信器初期復号行列を、受信アンテナ数を階数とする単位行列とする。受信器初期復号行列とMMSE基準を用いて、各ユーザデータストリームに対応する初期プリコーディング送信行列を算出する。送信チャネル行列と上記初期プリコーディング送信行列との積を、ユーザに対応する等価チャネルとし、上記ユーザに対応する等価チャネルに対して特異値分解を行った後、最大特異値を有する右特異ベクトルを選択する。初期プリコーディング送信行列と、右特異ベクトルの共役転置ベクトルとの積を第1のプリコーディング送信行列とする。取得した第1のプリコーディング送信行列を用いて、予め設定した条件が成り立つまで、最終のプリコーディング送信行列と受信器の復号行列との繰り返し計算を行う。本発明によれば、プリコーディング送信行列と受信器復号行列を算出する収束速度を加速している。
【選択図】図1
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下りリンクにおけるプリコーディング処理方法及び装置に関する。
将来の無線通信システムにおいては、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。
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。
MIMOの下りシステムにおいてプリコーディング(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。プリ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。
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。マルチユーザMIMOシステムにおいて、最大化のマルチユーザダイバーシティを実現するために、各ユーザに通常Lk<Nk個のデータストリームが割り当てられる。つまり、基地局は、k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、
Lk×1の送信ベクトルsk(データシンボル)は、M×Lkのプリ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。
上記式のうち、二つ目の部分はマルチユーザ干渉であり、nkはノイズ信号である。
上記式から分かるように、処理過程において、プリコーディング送信行列Tkと受信器の復号行列Rkを設計する必要がある。
従来技術において、プリコーディング送信行列Tkと受信器の復号行列Rkを設計する方法が二種類ある。以下、それぞれについて説明する。
第一種類の方法は、TMMSE(Minimizing Total Mean Square Error)方法である。該方法の目標は、下記式で示される。
ここで、
ラグランジュ最適化方法により、下記式が得られる。
vはラグランジュ因子である。
プリコーディング送信行列Tkと受信器の復号行列Rkは互いに含むため、繰り返し方法で解を求めることができる。詳しくは以下の手順を含む。
第二種類の方法は、Nu−SVD(Nullspace−directed Singular Value Decomposition)方法である。詳しくは以下の手順を含む。
本発明の目的は、計算過程におけるプリコーディング送信行列Tkと受信器の復号行列Rkの収束速度を向上させることができる、MIMO下りリンクにおけるプリコーディング処理方法、装置及び基地局を提供することである。
上述目的を実現するために、本発明は、MIMO下りリンクにおけるプリコーディング処理方法を提供している。該方法は、
受信器初期復号行列を、受信アンテナ数を階数とする単位行列とするステップ11と、
受信器初期復号行列とMMSE基準を用いて、各ユーザデータストリームに対応する初期プリコーディング送信行列を算出するステップ12と、
送信チャネル行列と上記初期プリコーディング送信行列との積を、ユーザに対応する等価チャネルとし、上記ユーザに対応する等価チャネルに対して特異値分解を行った後、最大特異値を有する右特異ベクトルを選択するステップ13と、
ステップ12の上記初期プリコーディング送信行列と、ステップ13で取得した上記右特異ベクトルの共役転置ベクトルとの積を第1のプリコーディング送信行列とするステップ14と、
ステップ14で取得した第1のプリコーディング送信行列を用いて、予め設定した条件が成り立つまで、最終のプリコーディング送信行列と受信器の復号行列との繰り返し計算を行うステップ15とを含む。
受信器初期復号行列を、受信アンテナ数を階数とする単位行列とするステップ11と、
受信器初期復号行列とMMSE基準を用いて、各ユーザデータストリームに対応する初期プリコーディング送信行列を算出するステップ12と、
送信チャネル行列と上記初期プリコーディング送信行列との積を、ユーザに対応する等価チャネルとし、上記ユーザに対応する等価チャネルに対して特異値分解を行った後、最大特異値を有する右特異ベクトルを選択するステップ13と、
ステップ12の上記初期プリコーディング送信行列と、ステップ13で取得した上記右特異ベクトルの共役転置ベクトルとの積を第1のプリコーディング送信行列とするステップ14と、
ステップ14で取得した第1のプリコーディング送信行列を用いて、予め設定した条件が成り立つまで、最終のプリコーディング送信行列と受信器の復号行列との繰り返し計算を行うステップ15とを含む。
上記方法において、上記ステップ13で選択した右特異ベクトルの数は、ユーザに割り当てられたデータストリームの数である。
上記方法において、Iを単位行列、Pを送信パワー、HkをユーザKの送信チャネル行列、N0を受信器雑音共分散、
を受信器初期復号行列とすると、
上記ステップ12において、上記ユーザデータストリームに対応する初期プリコーディング送信行列は、
で示される。
上記ステップ12において、上記ユーザデータストリームに対応する初期プリコーディング送信行列は、
上述目的を実現するために、本発明は更にMIMO下りリンクにおけるプリコーディング処理装置を提供する。該装置は、
受信器初期復号行列を、受信アンテナ数を階数とする単位行列とするモジュールと、
受信器初期復号行列とMMSE基準を用いて、各ユーザデータストリームに対応する初期プリコーディング送信行列を算出するモジュールと、
送信チャネル行列と上記初期プリコーディング送信行列との積を、ユーザに対応する等価チャネルとし、上記ユーザに対応する等価チャネルに対して特異値分解を行った後、最大特異値を有する右特異ベクトルを選択するモジュールと、
上記初期プリコーディング送信行列と、選択した右特異ベクトルの共役転置ベクトルとの積を、第1のプリコーディング送信行列とするモジュールと、
取得した第1のプリコーディング送信行列を用いて、予め設定した条件が成り立つまで、最終のプリコーディング送信行列と受信器の復号行列との繰り返し計算を行うモジュールとを含む。
受信器初期復号行列を、受信アンテナ数を階数とする単位行列とするモジュールと、
受信器初期復号行列とMMSE基準を用いて、各ユーザデータストリームに対応する初期プリコーディング送信行列を算出するモジュールと、
送信チャネル行列と上記初期プリコーディング送信行列との積を、ユーザに対応する等価チャネルとし、上記ユーザに対応する等価チャネルに対して特異値分解を行った後、最大特異値を有する右特異ベクトルを選択するモジュールと、
上記初期プリコーディング送信行列と、選択した右特異ベクトルの共役転置ベクトルとの積を、第1のプリコーディング送信行列とするモジュールと、
取得した第1のプリコーディング送信行列を用いて、予め設定した条件が成り立つまで、最終のプリコーディング送信行列と受信器の復号行列との繰り返し計算を行うモジュールとを含む。
上述目的を実現するために、本発明は更にMIMO下りリンクにプリコーディング処理装置を含む基地局を提供する。
上記プリコーディング処理装置は、
受信器初期復号行列を、受信アンテナ数を階数とする単位行列とするモジュールと、
受信器初期復号行列とMMSE基準を用いて、各ユーザデータストリームに対応する初期プリコーディング送信行列を算出するモジュールと、
送信チャネル行列と上記初期プリコーディング送信行列との積を、ユーザに対応する等価チャネルとし、上記ユーザに対応する等価チャネルに対して特異値分解を行った後、最大特異値を有する右特異ベクトルを選択するモジュールと、
上記初期プリコーディング送信行列と、選択した右特異ベクトルの共役転置ベクトルとの積を、第1のプリコーディング送信行列とするモジュールと、
取得した第1のプリコーディング送信行列を用いて、予め設定した条件が成り立つまで、最終のプリコーディング送信行列と受信器の復号行列との繰り返し計算を行うモジュールとを含む。
受信器初期復号行列を、受信アンテナ数を階数とする単位行列とするモジュールと、
受信器初期復号行列とMMSE基準を用いて、各ユーザデータストリームに対応する初期プリコーディング送信行列を算出するモジュールと、
送信チャネル行列と上記初期プリコーディング送信行列との積を、ユーザに対応する等価チャネルとし、上記ユーザに対応する等価チャネルに対して特異値分解を行った後、最大特異値を有する右特異ベクトルを選択するモジュールと、
上記初期プリコーディング送信行列と、選択した右特異ベクトルの共役転置ベクトルとの積を、第1のプリコーディング送信行列とするモジュールと、
取得した第1のプリコーディング送信行列を用いて、予め設定した条件が成り立つまで、最終のプリコーディング送信行列と受信器の復号行列との繰り返し計算を行うモジュールとを含む。
既に背景技術部分において、プリコーディング送信行列Tkと受信器の復号行列Rkの収束速度が遅くなる原因を説明した。そこで、本発明の方法、装置及び基地局は、初期化段階においてNK×NK単位行列、つまり、
を初期行列として、
個のデータストリームを生成するが、SVDによりそのうちの最適な
個の特徴チャネルを選択してデータを伝送するため、移動局のアンテナ上の情報が全部利用されることになり、収束速度を加速することになる。
本発明の具体的な実施形態において、以下のように例をあげて詳しく説明する。
下りMIMOシステムには一の基地局とK個の移動局があると仮定する。また、基地局は、M本の送信アンテナを有し、各移動局はNk本の受信アンテナを有すると仮定する。基地局は、k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、
である。
Lk×1の送信ベクトルsk(データシンボル)は、M×Lkのプリ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。
図1に示すように、本発明のMIMOシステムにおけるプリコーディング処理方法は、以下の手順を含む。
ステップ11において、Nk×Nk単位行列を受信器復号行列Rkとし、受信器初期復号行列
は、下記式で示される。
ステップ11においてNk×Nk単位行列を受信器復号行列Rkとしたが、これは、移動局の全ての(Nk個の)受信アンテナがNk個のデータストリームの受信に用いられたことを意味する。
ステップ12において、受信器初期復号行列
とMMSE基準を用いて、各ユーザデータストリームに対応する初期プリコーディング送信行列Qkを算出する。Qkは、下記式で示される。
上記式において、肩文字Hは共役転置演算を示し、Iは単位行列であり、N0はノイズ信号nkの共分散である。
Nu−SVD方法と異なる点は、Nu−SVD方法において計算されるのは、(自身以外の)全ての他のユーザの合成信号の零空間であることである。
ステップ13において、ステップ12で得た初期プリコーディング送信行列Qkを利用して、各ユーザに対応する等価チャネルHkQkを取得し、各ユーザに対応する等価チャネルHkQkに対してSVDを行って、最大特異値を有するLk個の右特異ベクトルの共役転置
を選択する。SVDは、下記式で示される。
ステップ12において
(>M)個のビームを生成して
個のデータストリームを送信するが、ステップ13においては、SVDによりそのうちの
個のビームを取得してその後の処理を行う。
ステップ14において、ステップ12での初期プリコーディング送信行列Qkと、ステップ13で取得した右特異ベクトルの共役転置
との積を第1のプリコーディング送信行列
は、下記式で示される。
ステップ15において、
を用いて、下記式が成り立つまで、最終のプリコーディング送信行列Tkと受信器の復号行列Rkとの繰り返し計算を行う。
ここで、
である。
本発明のMIMOシステムの基地局は、プリコーディング送信行列Tkと受信器の復号行列Rkを取得するためのプリコーディング処理装置を含む。図2に示すように、該プリコーディング処理装置は、初期化モジュール21、初期プリコーディング送信行列取得モジュール22、SVDモジュール23、選択モジュール24、第1プリコーディング送信行列取得モジュール25及び繰り返し処理モジュール26を有する。
SVDモジュール23は、初期プリコーディング送信行列Qkを利用して、各ユーザに対応する等価チャネルHkQkを取得し、各ユーザに対応する等価チャネルHkQkに対してSVDを行う。
第一のシミュレーション条件として、以下のように仮定する。基地局の送信アンテナ数Mは4であり、移動局の受信アンテナ数Nkは2であり、各ユーザは一つのデータストリームを受信し、即ちLk=1であり、ユーザ数は4である。
図3は、第一シミュレーション条件の元、且つ繰り返し回数が1000回のとき、本発明の方法、Nu−SVD、T−MMSE方法のシステムデータレートがSNRに応じて変化するシミュレーション結果を示す。
Lk=1のとき、
図3によれば、繰り返し回数が多いとき、本発明の方法による安定状態結果は、T−MMSE方法と基本的に同じであり、Nu−SVD方法よりわずかに高い。
図4は、第一シミュレーション条件の元、且つSNRが20dBのとき、本発明の方法、Nu−SVD、T−MMSE方法のシステムデータレートが繰り返し回数に応じて変化するシミュレーション結果を示す。図4において、三角形付きのカーブは、本発明のシステムデータレートが繰り返し回数に応じて変化するカーブであり、丸付きのカーブは、T−MMSE方法のシステムデータレートが繰り返し回数に応じて変化するカーブであり、菱形付きのカーブは、Nu−SVD方法のシステムデータレートが繰り返し回数に応じて変化するカーブである。図4から分かるように、本発明の方法は、2回繰り返してから基本的に安定の状態になるが、T−MMSE方法とNu−SVD方法の場合、それぞれ5回、10回繰り返してから基本的に安定の状態になる。従って、本発明の方法によれば、繰り返し回数を大幅に低下することができ、つまり、収束速度が加速している。
第二のシミュレーション条件として、以下のように仮定する。基地局の送信アンテナ数Mは4であり、移動局の受信アンテナ数Nkは4であり、各ユーザが1個のデータストリームを受信し、即ちLk=1であり、ユーザ数は4である。
図5は、第二シミュレーション条件の元、且つ繰り返し回数が1000回のとき、本発明の方法、Nu−SVD、T−MMSE方法のシステムデータレートがSNRに応じて変化するシミュレーション結果を示す。図5によれば、繰り返し回数が多いとき、本発明の方法による安定状態結果は、T−MMSE方法と基本的に同じであり、Nu−SVD方法よりわずかに高い。
図6は、第二シミュレーション条件の元、且つSNRが20dBのとき、本発明の方法、Nu−SVD、T−MMSE方法のシステムデータレートが繰り返し回数に応じて変化するシミュレーション結果を示す。図6において、三角形付きのカーブは、本発明のシステムデータレートが繰り返し回数に応じて変化するカーブであり、丸付きのカーブは、T−MMSE方法のシステムデータレートが繰り返し回数に応じて変化するカーブであり、菱形付きのカーブは、Nu−SVD方法のシステムデータレートが繰り返し回数に応じて変化するカーブである。図6から分かるように、本発明の方法は、2〜3回繰り返してから基本的に安定の状態になるが、Nu−SVD方法の場合10回、T−MMSE方法の場合5〜7回繰り返してから基本的に安定の状態になる。従って、本発明の方法によれば、繰り返し回数を大幅に低下することができ、つまり、収束速度が加速している。
図4及び図6から分かるように、繰り返し回数が少ないとき、本発明の方法は、Nu−SVD、T−MMSE方法と比べ、スループットがある程度向上される。
以上は本発明の好ましい実施形態に過ぎない。当該分野の一般的な技術者にとって、若干改良と修飾を施すことができるが、本発明の発明原理を逸脱しない前提では、本発明の保護範囲内に属するとみなす。
Claims (7)
- MIMO下りリンクにおけるプリコーディング処理方法であって、
受信器初期復号行列を、受信アンテナ数を階数とする単位行列とするステップ11と、
受信器初期復号行列とMMSE基準を用いて、各ユーザデータストリームに対応する初期プリコーディング送信行列を算出するステップ12と、
送信チャネル行列と前記初期プリコーディング送信行列との積を、ユーザに対応する等価チャネルとし、前記ユーザに対応する等価チャネルに対して特異値分解を行った後、最大特異値を有する右特異ベクトルを選択するステップ13と、
ステップ12の前記初期プリコーディング送信行列と、ステップ13で取得した前記右特異ベクトルの共役転置ベクトルとの積を第1のプリコーディング送信行列とするステップ14と、
ステップ14で取得した第1のプリコーディング送信行列を用いて、予め設定した条件が成り立つまで、最終のプリコーディング送信行列と受信器の復号行列との繰り返し計算を行うステップ15と
を含むことを特徴とするプリコーディング処理方法。 - 前記ステップ13で選択した右特異ベクトルの数は、ユーザに割り当てられたデータストリームの数であることを特徴とする請求項1記載の方法。
- MIMO下りリンクにおけるプリコーディング処理装置であって、
受信器初期復号行列を、受信アンテナ数を階数とする単位行列とするモジュールと、
受信器初期復号行列とMMSE基準を用いて、各ユーザデータストリームに対応する初期プリコーディング送信行列を算出するモジュールと、
送信チャネル行列と前記初期プリコーディング送信行列との積を、ユーザに対応する等価チャネルとし、前記ユーザに対応する等価チャネルに対して特異値分解を行った後、最大特異値を有する右特異ベクトルを選択するモジュールと、
前記初期プリコーディング送信行列と、選択した右特異ベクトルの共役転置ベクトルとの積を、第1のプリコーディング送信行列とするモジュールと、
取得した第1のプリコーディング送信行列を用いて、予め設定した条件が成り立つまで、最終のプリコーディング送信行列と受信器の復号行列との繰り返し計算を行うモジュールと
を含むことを特徴とするプリコーディング処理装置。 - MIMO下りリンクにプリコーディング処理装置を含む基地局であって、
前記プリコーディング処理装置には、
受信器初期復号行列を、受信アンテナ数を階数とする単位行列とするモジュールと、
受信器初期復号行列とMMSE基準を用いて、各ユーザデータストリームに対応する初期プリコーディング送信行列を算出するモジュールと、
送信チャネル行列と前記初期プリコーディング送信行列との積を、ユーザに対応する等価チャネルとし、前記ユーザに対応する等価チャネルに対して特異値分解を行った後、最大特異値を有する右特異ベクトルを選択するモジュールと、
前記初期プリコーディング送信行列と、選択した右特異ベクトルの共役転置ベクトルとの積を、第1のプリコーディング送信行列とするモジュールと、
取得した第1のプリコーディング送信行列を用いて、予め設定した条件が成り立つまで、最終のプリコーディング送信行列と受信器の復号行列との繰り返し計算を行うモジュールと
を含むことを特徴とする基地局。
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