JP2010213282A - マルチユーザー用マルチ入力マルチ出力無線送信システムのための一般化された高速決定フィードバック等化器プリコーダの実現 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】k個のユーザーターミナルを有し、各ユーザーターミナルは、これに関連する1つのフィードフォーワードフィルタを有する、MU−MIMO無線システムの基地局における、GDFEプリコーダを構成するための方法が提供される。この方法は、本発明の複数の別の式のうちの1つを使用してフィルタマトリックスCを計算するステップと、フィルタマトリックスCの計算に基づき、GDFEプリコーダの決定フィードバック等化ステージの後で得られるシンボルベクトルを処理するのに使用される送信フィルタのための送信フィルタマトリックスBを計算するステップと、フィードフォワードフィルタマトリックスFを計算するステップと、干渉プリキャンセルマトリックスGを計算するステップとを備える。
【選択図】図4
Description
本発明は、マルチ入力マルチ出力(MIMO)の通信システムに関する。より詳細には、本発明は、MIMOシステムにおけるプリコーダコンフィギュレーションに関する。
一般化された決定フィードバック等化器(GDFE)に基づくプリコーダは、マルチユーザーのマルチ入力マルチ出力(MU−MIMO)無線システムに対して最適な容量の解決案を提供する。しかしながらGDFEプリコーダに関連する種々のフィルタを決定する計算上のコストが、禁止的な額となることが多く、このプリコーダは、多くの実用的なシステムには適していない。
マルチユーザー(MU)MIMOシステムのためのGDFEプリコーダを実現するための技術が使用され、この技術は、計算上のコストを大幅に低減するが、容量損失は生じさせない。この技術は、現在計画中の、将来(第4世代)のセルラーネットワークを含む種々のMU−MIMO無線システムの性能を改善するのに適す。
GDFEプリコーダの、以下に説明する実現例は、従来のGDFEプリコーダよりも計算上のコストを大幅に改善するものである。
本発明の種々の実施形態の添付図面および詳細な説明から、本発明をより完全に理解できようが、本発明を特定の実施形態だけに限定すべきでなく、以下の説明は単に発明を説明し、理解させるためのものにすぎない。
以下、GDFEプリコーダの実施の説明により、まずサブセクションAで、次にサブセクションBで、システムモデルおよび対応する従来技術について説明する。
と表示する。ここで、Hkは、BSとk番目のUTとの間の次元{Lk×N}のチャネル利得マトリックスを示すものとする。BSとK個のUTとの間の組み合わされたチャネル利得マトリックスは、{L×N}であり、
で示され、ここで、添え字Tは、マトリックスの転置を示す。
と表示できる。uの長さは、BSにおけるアンテナの数を越えないものと仮定する。更に、Suu=E[uuH]=Iの別の制限を仮定し、ここでE[.]は、その引数の時間平均を示し、添え字Hは、共役転置を示し、Iは恒等マトリックスを示す。
であり、ここでPtは利用可能な総送信パワーを示し、トレース(.)は、マトリックス引数の対角要素の和を示す。ダウンリンクチャネルのためのこの入力共分散マトリックスは、前記N個の送信アンテナの異なる1つずつから送信されるシンボルの依存性を示し;対角マトリックス要素の和は、N個の送信アンテナからの意図する総送信パワーを示す。以下の記載では、次のように固有値分解(EVD)を使ってSxx
3)を表示する。
Sxx=VΣVH (1)
ここでVは、ユニタリマトリックスであり、Σは、負でない成分を有する対角マトリックスである。
B=VΣ1/2M (2)
ここでMは、ユニタリマトリックスであり、マトリックス{V、Σ}は(1)で定義されているものと同じである。
であり、ここで、Ptは、利用できる総送信パワーを示す。Dの各ブロック対角サブマトリックスは、アップリンクチャネル内の特定のUTに対する入力共分散マトリックスを示す。非特許文献6内に示された方法を使って、容量の最適マトリックスDを計算できる。
のxk番目のサブベクトルを発生する。
ここでGkmは、xkからのベクトルシンボルxmに起因する干渉をプリキャンセルするのに必要なGのサブマトリックスを示す。これらサブベクトルは、xkが最初に発生されるベクトルとなり、x1が最後に発生されるベクトルとなるように、逆の順序で発生される。次に、3つのUTのシナリオに対するマトリックスGの構造の一例を示す。
y=Bx (6)
rk=FkHBx+Fknk (7)
ここでxは、図2に示されるような干渉プリキャンセルステップ後の入力シンボルベクトルuから誘導されたシンボルベクトルである。フィルタBが送信フィルタを示し、k番目のUTにおけるノイズをnkで表示する。すべてのK個のUTに対応する、受信され、スタックされたベースバンドベクトルを次のように示すことができる。
r=FHBx+Fn (8)
ここでF=diag(F1,F2,…Fk)は、フィードフォワードフィルタを示すブロック対角マトリックスであり、nはスタックされたノイズベクトルを示す。
F=GMH(HVΣ1/2)H[HSxxHH+Szz]−1 (9)
ここで、「好ましい最低ノイズ」Szzを、すべてのUT間でフルコーディネーションが生じるときに、システム容量を最小にするノイズ共分散マトリックスと見なす。このSzzは、非特許文献4内に記載された技術を使って計算できる。マトリックス{V、Σ}は、(1)で定義されたものと同じである。
ここで所定の総送信パワーPtに対するスカラー変数λを次のように計算できる。
C=MR (14)
(ステップ406)。
同じベクトル空間に広がるCのゼロでない列のすべては、マトリックスM内の1つの列ベクトルにしか機能しないようにQRDを実行すると理解しなければならない。次のようにマトリックスB、GおよびFの計算を実行する。
B=VΣ1/2M(ステップ407) (15)
F=Blockdiagonal(R)(ステップ408) (16)
Blockdiagonal(.)関数は、図3に示されるようにマトリックスRのブロック対角からサイズ{ak×Lk}のサブマトリックスF1、F2、...、FKを抽出する。k番目のUTに割り当てられるシンボルの数akは、Fkの階数に等しい。
G=FR†(ステップ409) (17)
ここで添え字†は、ムーア−ペンローズの一般化された逆マトリックスを示す。
[HSxxHH+Szz]=λ−1HHH (19)
ここでλは、(11)を使って計算する。
(図4内のステップ404)
ここで添え字†は、ムーア−ペンローズの一般化された逆マトリックスを示す。更に、上記式内のスカラー演算λを省略しても、GDFEプリコーダの性能は変化しない。従って、Hの階数がH内の行の数以上であればいつも、チャネルに対して次の式を使用することもできる。
ここでXは、Hと同じ数の行を有する任意のマトリックスである。X内の行の数は、結果として生じるマトリックス[H X]の階数がH内の行の数以上となるように選択する。ここでマトリックスSxxは、有効なダウンリンクチャネルマトリックス[H X]に対する入力共分散マトリックスを示す。
ここで(25)内のマトリックスの積(HV)†HVは、前方対角成分が1であり、後方成分の残りが0となっている対角マトリックスに等しい。1に等しい対角成分の数は、Hの階数と同じである。マトリックス積HVの階数が常にΣの階数以上であることを観察すれば、マトリックス積(HV)†HV内の後方の0の数が常にΣのうちの0の数以下となるようにすることができる。
(図4内のステップ405)
ここで任意のチャネルマトリックスHに対して式(24)、(25)および(26)を使用できることに留意すべきである。しかしながら、チャネルマトリックスの階数が行の数以上であるとき、可能な計算上の効率により、(21)または(22)内の式を使用してもよい。
となる。GDFEプリコーダに関連するマトリックスの他の部分は次のようになることを示すことができる。
および
となる。従って、次のように干渉プリキャンセルマトリックスGを計算できる。
Claims (18)
- k個のユーザーターミナル(UT)を有するマルチユーザーマルチ入力マルチ出力(MU−MIMO)無線システムの基地局における、一般化された決定フィードバック等化器(GDFE)に基づくプリコーダを構成するための方法であり、各ユーザーターミナル(UT)は、このターミナルに関連する、F1、F2、...、Fkによって示される1つのフィードフォワードフィルタを有し、この方法は、以下の(i)〜(iv)の式、すなわち
ここでVは、ユニタリマトリックスであり、Σは、負でない成分を有する対角マトリックスであり、Szzは、好ましい最低ノイズ共分散マトリックスであり、
Sxxは、次のようなダウンリンクチャネルのための入力共分散マトリックスであり、
ここでIは、恒等マトリックスであり、Hは、チャネルを示すチャネルマトリックスであり、このチャネルを通して無線システム内で通信が行われ、Dは、容量が最適であるように選択された無線システム内の等価的アップリンク/メディアムアクセスチャネル(MAC)のための入力共分散マトリックスであり、λは、
λ=trace(I−[HHDH+I]−1)/Pt
のように所定の総送信パワーPtに対するスカラー変数である、
上記式は、階数が行の数以上となっているチャネルマトリックスHに対するものであり、添え字†は、ムーア−ペンローズの一般化された逆マトリックスを示す、
上記式は、階数が行の数以上となっているチャネルマトリックスHに対する、および
ここでフィードフォワードフィルタマトリックスFは、F=GMHCによって示され、Mは、ユニタリマトリックスであり、Gは、GDFEプリコーダの干渉プリキャンセルステージにおいて送信機内で使用される干渉プリキャンセルマトリックスである
のうちの1つを使って、フィルタマトリックスCを計算するステップと、
次の式
C=MR
のようにCのQR分解(QRD)を使って、マトリックスMを計算するステップと、
次の式
B=VΣ1/2M
を使って、前記GDFEプリコーダの決定フィードバック等化ステージの後で得られるシンボルベクトルを処理するのに使用される送信フィルタのための送信フィルタマトリックスBを計算するステップと、
次の式
F=BlockDiagonal(R)
ここでBlockDiagonal(.)関数は、マトリックスRのブロック対角からサイズ{ak×Lk}のサブマトリックスF1、F2、...、Fkを抽出し、akは、k番目のユーザーターミナル(UT)に割り当てられたシンボル数であり、Fkの階数に等しい、を使って前記フィードフォワードフィルタマトリックスFを計算するステップと、
G=FR†
ここで添え字†は、ムーア−ペンローズの一般化された逆マトリックスを示す、を使って干渉プリキャンセルマトリックスGを計算するステップとを備える、一般化された決定フィードバック等化器(GDFE)に基づくプリコーダを構成するための方法。 - 恒等マトリックスIから前記干渉プリキャンセルマトリックスGを減算し、干渉プリキャンセルブロックを得るステップを更に備え、
前記GDFEプリコーダは、フィードフォワードパスとフィードバックパスとを含み、前記フィードフォワードパス内に配置されたモジュロユニットにより、フィルタにかけられたベクトルシンボルXのストリームを発生し、前記フィードバックパス内に配置された前記干渉プリキャンセルブロックを通して前記ストリームをフィードバックする、請求項1に記載の方法。 - ユーザーシンボルのストリームから前記干渉プリキャンセルブロックの出力信号を減算するステップと、前記減算の結果を前記フィードフォワードパス内の前記モジュロユニットへ適用するステップとを更に含む、請求項2に記載の方法。
- 前記フィードフォワードパス内に配置された前記モジュロユニットによって発生されたフィルタにかけられたベクトルシンボルXのストリームを、前記送信フィルタマトリックスBによって示される送信フィルタによりフィルタにかけるステップを更に含む、請求項2に記載の方法。
- 前記チャネルマトリックスHによって示されるチャネルへ、前記送信フィルタの出力を向けるステップを更に含み、前記チャネルマトリックスHを通して、前記ユーザーターミナルを有する前記無線システム内で通信が行われる、請求項4に記載の方法。
- k個のユーザーターミナル(UT)を有するマルチユーザーマルチ入力マルチ出力(MU−MIMO)無線システムの基地局における、一般化された決定フィードバック等化器(GDFE)に基づくプリコーダであり、各ユーザーターミナル(UT)は、このターミナルに関連する、F1、F2、...、Fkによって示される、フィードフォワードフィルタを有し、このGDFEプリコーダは、
フィードフォワードパスと、
フィードバックパスと、
前記フィードバックパス内に配置されたI−G(Iは、恒等マトリックスであり、Gは、干渉プリキャンセルマトリックスである)によって示される干渉プリキャンセルブロックとを備え、
フィードフォワードフィルタマトリックスFは、
F=BlockDiagonal(R)
であり、ここでBlockDiagonal(.)関数は、マトリックスRのブロック対角からサイズ{ak×Lk}のサブマトリックスF1、F2、...、Fkを抽出し、akは、k番目のユーザーターミナル(UT)に割り当てるシンボルの数であり、Fkの階数に等しく、マトリックスFは、次の式
F=GMH(HVΣ1/2)H[HSxxHH+Szz]−1
で示され、ここでMは、ユニタリマトリックスであり、Vは、ユニタリマトリックスであり、Σは、負でない成分を有する対角マトリックスであり、Szzは、好ましい最低ノイズ共分散マトリックスであり、
Sxxは、次の式
で示される前記ダウンリンクチャネル用の入力共分散チャネルであり、
Iは、恒等マトリックスであり、Hは、チャネルを示すチャネルマトリックスであり、このチャネルを通して無線システム内で通信が行われ、Dは、容量最適となるように選択された前記無線システム内の等価的アップリンク/メディアムアクセスチャネル(MAC)のための入力共分散マトリックスであり、λは、次の式
λ=trace(I−[HHDH+I]−1)/Pt
で示されるような所定の総送信パワーPtに対するスカラー変数である、GDFEプリコーダ。 - 次の式、(i)、(ii)、(iii)のうちの1つを使ってフィルタマトリックスCを計算し、
階数が行の数以上であるチャネルマトリックスHに対する
ここで添え字†は、ムーア−ペンローズの一般化された逆マトリックスであり、および
ここで前記フィードフォワードフィルタマトリックスFは、F=GMHCによって表示され、
C=MR
を使ってCのQR分解(QRD)からマトリックスMを計算し、
B=VΣ1/2M
を使って、
前記GDFEプリコーダの決定フィードバック等化ステージの後で得られるシンボルベクトルを処理するのに使用される送信フィルタのための送信フィルタマトリックスBを計算し、
F=BlockDiagonal(R)
ここでBlockDiagonal(.)関数は、マトリックスRのブロック対角からサイズ{ak×Lk}のサブマトリックスF1、F2、...、Fkを抽出し、akは、k番目のユーザーターミナル(UT)に割り当てるシンボルの数であり、Fkの階数に等しく、を使って前記フィードフォワードフィルタマトリックスFを計算し、そして
G=FR†
ここで添え字†は、ムーア−ペンローズの一般化された逆マトリックス、を使って前記干渉プリキャンセルマトリックスGを計算することにより、前記干渉プリキャンセルブロック内の干渉プリキャンセルマトリックスGを決定する、請求項6に記載のGDFEプリコーダ。 - 前記フィードバックパス内に配置された前記干渉プリキャンセルブロックを通してフィードバックされる、フィルタにかけられたベクトルシンボルXのストリームを発生するよう、前記フィードフォワードパス内に配置されたモジュロユニットを更に含む、請求項6に記載のGDFEプリコーダ。
- ユーザーシンボルのストリームから、前記干渉プリキャンセルブロックの出力信号を減算し、この出力信号を前記フィードフォワードパス内の前記モジュロユニットに適用する、請求項8に記載のGDFEプリコーダ。
- 前記フィードフォワードパス内に配置された前記モジュロユニットによって発生される前記フィルタにかけられたベクトルシンボルXのストリームをフィルタにかけるための、前記送信フィルタマトリックスBによって示される送信フィルタを更に含む、請求項8に記載のGDFEプリコーダ。
- 請求項10に記載の前記GDFEプリコーダを含む基地局と、
複数のk個のユーザーターミナルと、
前記チャネルマトリックスHによって示されるチャネルとを備え、前記チャネルを通して無線システム内でユーザーターミナルとの通信が行われ、前記送信フィルタの出力を受信するようになっている、MU−MIMO無線システム。 - k個のユーザーターミナル(UT)を有するマルチユーザーマルチ入力マルチ出力(MU−MIMO)無線システムの基地局における、一般化された決定フィードバック等化器(GDFE)に基づくプリコーダであり、各ユーザーターミナル(UT)は、このターミナルに関連する、F1、F2、...、Fkによって示されるフィードフォワードフィルタを有し、このGDFEプリコーダは、
フィードフォワードパスと、
フィードバックパスと、
前記フィードバックパス内に配置されたI−G(Iは、恒等マトリックスであり、Gは、干渉プリキャンセルマトリックスである)によって示される干渉プリキャンセルブロックとを備え、
次の式、(i)、(ii)、(iii)、(iv)のうちの1つを使ってフィルタマトリックスCを計算し、
ここでVは、ユニタリマトリックスであり、Σは、負でない成分を有する対角マトリックスであり、Szzは、好ましい最低ノイズ共分散マトリックスであり、
ここでSxxは、次の式
で示されるダウンリンクチャネルに対する入力共分散マトリックスであり、
ここでIは、恒等マトリックスであり、Hは、チャネルを示すチャネルマトリックスであり、このチャネルを通し、無線システム内で通信が行われ、Dは、容量が最適となるように選択された前記無線システム内の等価的アップリンク/メディアムアクセスチャネル(MAC)のための入力共分散マトリックスであり、λは
で示される、所定の総送信パワーPtに対するスカラー変数であり、
階数が行の数以上であるチャネルマトリックスHに対する
ここで添え字†は、ムーア−ペンローズの一般化された逆マトリックスであり、
階数が行の数以上であるチャネルマトリックスHに対する
および
ここでフィードフォワードフィルタマトリックスFは、F=GMHCによって示され、Mは、ユニタリマトリックスであり、Gは、前記GDFEプリコーダの干渉プリキャンセルステージにおける送信機内で使用される干渉プリキャンセルマトリックスである
C=MR
を使ってCのQR分解(QRD)からマトリックスMを計算し、
B=VΣ1/2M
を使って、
前記GDFEプリコーダの決定フィードバック等化ステージの後で得られるシンボルベクトルを処理するのに使用される送信フィルタのための送信フィルタマトリックスBを計算し、
F=BlockDiagonal(R)
ここでBlockDiagonal(.)関数は、マトリックスRのブロック対角からサイズ{ak×Lk}のサブマトリックスF1、F2、...、Fkを抽出し、akは、k番目のユーザーターミナル(UT)に割り当てるシンボルの数であり、Fkの階数に等しい、を使って前記フィードフォワードフィルタマトリックスFを計算し、
G=FR†
ここで添え字†は、ムーア−ペンローズの一般化された逆マトリックスを示す、を使って前記干渉プリキャンセルマトリックスGを計算することにより、前記干渉プリキャンセルブロック内の前記干渉プリキャンセルマトリックスGを計算する、GDFEプリコーダ。 - 前記フィードバックパス内に配置された前記干渉プリキャンセルブロックを通してフィードバックされる、フィルタにかけられたベクトルシンボルXのストリームを発生するよう、前記フィードフォワードパス内に配置されたモジュロユニットを更に含む、請求項13に記載のGDFEプリコーダ。
- ユーザーシンボルのストリームから、前記干渉プリキャンセルブロックの出力信号を減算し、この出力信号を前記フィードフォワードパス内の前記モジュロユニットに適用する、請求項14に記載のGDFEプリコーダ。
- 前記フィードフォワードパス内に配置された前記モジュロユニットによって発生される前記フィルタにかけられたベクトルシンボルXのストリームをフィルタにかけるための、前記送信フィルタマトリックスBによって示される送信フィルタを更に含む、請求項14に記載のGDFEプリコーダ。
- 請求項16に記載の前記GDFEプリコーダを含む基地局と、
複数のk個のユーザーターミナルと、
前記チャネルマトリックスHによって示されるチャネルとを備え、前記チャネルを通して無線システム内でユーザーターミナルとの通信が行われ、前記送信フィルタの出力を受信するようになっている、MU−MIMO無線システム。
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