JP2010531614A - Ｍｉｍｏシステムにおける無線リソース割り当てを改善するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

MIMO無線通信システムにおけるノードでのデータストリームのHARQ再送を改善する方法において、予め定められた階数及び無線リソース割り当てに従って、複数の利用可能なMIMOリンク上でデータを送信し(S1)、送信したデータの少なくとも一部についての再送要求を受信し(S2)、複数の利用可能なMIMOリンクのサブセットを選択して再送の階数を削減する(S3)。続いて、利用可能な無線リソースをサブセットに適応的に再割り当てし(S4)、削減された階数及び無線リソース再割り当てに従って、要求されたデータを選択されたサブセット上で再送信する(S5)。

Description

本発明は概して無線通信システムに関し、特には多入力多出力無線通信システムにおける改善されたリソース割り当てに関する。

無線通信システムにおいて、送信器（例えば基地局または端末）は、複数の受信アンテナを備える受信器へのデータ送信のために複数の送信アンテナを用いることができる。複数の送信及び受信アンテナは、スループットの増加及び／または信頼性の改善を実現するために用いることのできる多入力多出力(MIMO)チャネルを形成する。例えば、送信器は、スループットを向上させるため、複数の送信アンテナから複数のデータストリームを同時に送信することができる。あるいは、送信器は、受信器による受信を改善するため、１つのデータストリームを全ての送信アンテナから重複して送信することができる。この技術に対する他の一般的な用語はスマートアンテナであり、それは複数のアンテナを用いて空間的な情報処理を実行する。MIMOシステムは、無線通信のための帯域や送信電力を追加なしに、大幅に向上したデータスループット及びリンク範囲を提供する。これはより高いスペクトル効率（帯域の１Hz及び１秒当たりのビット数が多い）及び、リンク信頼性またはダイバーシチ（フェージングの減少）によって実現される。

無線通信に対し、MIMOシステムは周波数および時間に加え、追加の信号空間次元(dimension)も追加を提供する。専用の送信及び受信アンテナ対は、空間次元の階数(rank)を生成する。例えば階数は、MIMOチャネルを介して同時に送信可能なデータストリームの数を表す。多すぎるデータストリームが送信されると、それらデータストリームの各々で過度の干渉が測定され、全体のパフォーマンスに影響するであろう。逆に、少なすぎるデータストリームが送信されると、MIMOチャネルの容量が十分に使われない。理想的には、チャネル係数が最大階数行列を形成するように、MIMO送信−受信アンテナ対の各リンクは信号空間において１つの階数を占有する。そして、MIMO受信器は、異なる複数のアンテナからの周波数及び時間が重複した複数の信号を、それらの空間次元における線形独立性によって分離するために信号処理技術を用いる。信号の分離は、それが同一周波数及び時間の共通無線媒体を通じて実現されることを除き、絶縁された配線と類似している。この、MIMOによって生成された追加の空間次元を用いることで、複数のデータストリームを空気上で相互に重ねることが可能であり、それによってサポート可能なデータレートを増やしている。

複数の再送手法が従来技術に開示されている。一般的な手法の１つは、いわゆる自動再送要求(ARQ)である。ARQはデータ伝送の誤り制御技術であり、信頼できるデータ伝送を実現するために、応答(acknowledgement)及び時間切れを用いる。ARQの発展した派生物が所謂ハイブリッドARQまたはH-ARQであり、無線チャネル上で従来のARQよりも良好なパフォーマンスを最適に提供する。

H-ARQは、リンクアダプテーションエラーに対する救済策として、あるいは日和見的な早期切断による干渉低減のための機構としてよく用いられている。無線移動体環境におけるフェージングは予測不能なため、MIMOチャネルはスケジュールされている時間と報告の時間との間に無視できない変化を受けている可能性がある。報告とスケジュールとのミスマッチは、リンクがサポート可能な変調及びコーディング手法の過剰に楽観的な選択の原因、すなわちパケット誤りの原因となる。H-ARQを用いないと、物理層において残ったパケット誤りは上位層プロトコルで修正するしかない。H-ARQを用いると、物理層はパケットをもう一度再送するよう、素早く応答することができる。

アップリンクについて、あるパケットに必要なエネルギーをいくつかの送信に分割すれば、電力が減少し、従って干渉、変動が減少するであろう。H-ARQは、日和見的なゲインを得るために、アップリンクパケットの実行可能な早期切断の利点を活用することができる。H-ARQはMIMOシステムに対しても同様な利点を提供するものと期待されている。

そのため、MIMOシステムにおけるHARQ再送についての効率改善を可能とする方法及び装置が必要である。
添付図面とともに以下の説明を参照することにより、本発明を、他の目的並びに利点とともに最もよく理解できるであろう。

略語
ACK 確認応答(acknowledgement)
CDMA 符号分割多元アクセス
CRC 巡回冗長チェック
CQI チャネル品質情報
H-ARQ ハイブリッド自動再送要求
MIMO 多入力多出力
NACK 否定確認応答
OFDM 直交周波数分割多重
PUSC サブキャリアの部分利用
SIMO 単入力多出力
WCDMA 広帯域符号分割多元アクセス

IEEE標準802.16e-2005およびIEEE標準802.16-2004/Cor1-2005（IEEE標準802.16-2004に対する修正及び誤記訂正），「ローカルおよびメトロポリタンエリアネットワークに対するIEEE標準、パート１６：固定及び移動ブロードバンド無線アクセスシステム用エアインタフェース、修正２版：ライセンス帯における固定及び移動オペレーションの組み合わせに対する物理層および媒体アクセス制御層」、２００６年２月２８日

PCT/US2006/020707、「HARQを用いるMIMO SCW設計のための階数逓減」

既知のMIMOシグナリングの原理を説明する図。 一般的な無線システムを説明する図。 模式的に一般化したMIMOシステムを説明する図。 本発明に係る方法の汎用的な実施形態の模式的なフローチャート。 垂直コーディングの原理を模式的に説明する図。 水平コーディングの原理を模式的に説明する図。 本発明に係る装置の模式的なブロック図。

本発明に関するコンセプトの十分な理解を提供するため、多入力多出力システム信号の理論を説明する。

一般に、MIMOシステムにおける信号の空間シグネチャは、パイロットまたはパイロット信号から抽出可能である。例えば、異なる複数のアンテナのパイロットは、時間及び周波数領域で直交するように指定することができる。802.16e（非特許文献１）の２×２MIMOの例を図１に示す。つまり、この例は、２対の送信／受信アンテナ、すなわち２つの送信アンテナと２つの受信アンテナを備えるシステムを仮定している。従って、信号は、４つの直交周波数分割多重(OFDM)シンボルとそれらの各々のパイロットと時間（ODFMAシンボル）、周波数（サブキャリア）の境界(separation)を有する、サブキャリアの部分利用(PUSC)クラスタとして示されている。

図１において、受信器は、２×１のアンテナ０でのチャネルベクトルｈ ₀ ＝［ｈ_0,0 ｈ_0,1］^Tを塗りつぶされた黒の点から、アンテナ１でのチャネルベクトルｈ ₁ ＝［ｈ_1,0 ｈ_1,1］^Tを斜線が引かれた点から、得ることができる。ここで、下付き文字の第１項は送信アンテナ番号を、第２項は受信アンテナ番号を示す。アンテナ０で送信されるデータシンボルをｘ₀、アンテナ１で送信されるシンボルをｘ₁とすると、２つの受信アンテナでの観測結果は以下の式１で表すことができる。

ここで、ｎ₀及びｎ₁は、受信アンテナ０および１で測定されるノイズ及び干渉サンプルである。式１を見ると、ノイズ成分が無視でき、チャネル係数行列が最大階数(full-rank)であると仮定すると、２つの未知数ｘ₀およびｘ₁は２つの測定結果ｙ₀およびｙ₁に基づいて解くことができる。実際には、ノイズ成分が無視できない場合、データシンボルの最小平均二乗誤差法のために通常はノイズ分散行列がチャネル係数逆行列に加えられる。

上述の例はＭ×ＮのMIMOシステムに容易に一般化できる。ここでＭはMIMO符号語の空間領域で送信されるシンボル数を、Ｎは受信されるMIMOシンボル測定結果の数である。なお、図１の例におけるMIMOパイロットは、周波数および時間領域に制限されないことに留意されたい。実際、信号空間におけるチャネル係数が実施可能なフィルタを用いてパイロットから推定可能でありさえすれば、横軸および縦軸は、時間、周波数または符号を含む、信号空間の任意の次元であってよい。従って、式は以下のように一般化することができる。

ここで、

は、送信器でのプリコーディング行列である。
プリコーディングなしのシステムについては、ＮがＭと等しく、プリコーディング行列は恒等行列である。

チャネル係数行列の階数は、min (M, N)以下である。符号語の数が階数未満である限り、連立方程式は一意解を有する。一般化された時間、スペクトルおよび空間領域において多重化された並列データストリームは、チャネル係数行列が最大階数ならばMIMOシステムのピークレートを増加することができる。要は、多重化されたデータストリームに対して一意解が存在するように、無線チャネルとノイズの瞬間的な認識が分離可能な信号空間成分において得られる必要がある。

同時に、アラムチ符号またはSFBCのような空間的ダイバーシチもまた、最大階数チャネルに依存してカバレッジを改善する。空間ダイバーシチは、異なるアンテナブランチ間における相関のないチャネルで良好なパフォーマンスを実現するが、相関の強いチャネルでの単一アンテナ伝送に比べると非常に悪い。

上述した式における送信データシンボルは、ノイズおよび干渉レベルが信号部と比較して高すぎる場合は正しく解けないかもしれず、無線伝播の変化する特性に起因してチャネル係数行列が最大階数でない場合にば、全く解くことができない。また、過度のチャネル推定誤りにより、［ｘ₀ ｘ₁］の最初の検出に失敗するかもしれない。受信器において干渉除去を行うシステムについては、エラー伝播は送信された符号語の全ての完全な失敗を招くであろう。H-ARQ手法はエネルギーまたはコーディングゲインを提供するようにのみ設計され、個々の多重化された信号に追加の信号空間次元を提供したり、過度の干渉を抑制するようには設計されていないので、これらのシナリオでは上述したH-ARQ手法の利点は非常に限定される。そのため、H-ARQのMIMOシステムへの適用性の改善が必要とされている。

この分野の従来技術の１つは、H-ARQ再送についてMIMOの階数を削減することである（特許文献１）。階数を削減することで、MIMOシステムは、特に強い相関のある複数のチャネルにおけるチャネル推定及び干渉除去誤差に対してよりロバストになる。しかし、従来技術は空間多重についての階数削減機構のみを導入している。再送中には異なる数のMIMO階数を用い、対応する無線リソース割り当て手法は初期送信と同じ状態のままである。そのため、再送試行時の状況が初期送信時と同様に干渉のひどい環境であれば、H-ARQが成功する確率は制限される。

図２ａに示す非常に一般的な無線システムと、図２ｂのMIMOシステムとを参照して、本発明を以下に説明する。

図２ａにおけるシステムは無線通信システムである。システムは、相互で、および／または１つ以上のユーザ端末UEとの間で無線通信信号を受信、送信、中継(repeat)する複数の基地局BSを１つ以上のセクタに有する。基地局BSの各々は、送信器チェイン及び受信器チェインを備えることができ、これらの各々は信号の送信および受信に関連する複数の構成要素（例えばプロセッサ、変調器、マルチプレクサ、復調器、デマルチプレクサ、アンテナ、等）を備えることができる。ユーザ端末UEは例えば携帯電話、スマートフォン、ラップトップコンピュータ、ハンドヘルド通信機器、ハンドヘルドコンピュータ機器、衛星ラジオ、GPS、PDA、および／または無線ネットワークを通じて通信するための他の好適な機器であってよい。

さらに、図２ｂは一般的なMIMOシステムを示し、複数のアンテナまたはアンテナ群を有する送信機器ＴＸのいくつかは無数のアンテナまたはアンテナ群を有する受信機器ＲＸと無線通信中である。送信機器Ｔｘと受信機器Ｒｘの各々が、送信および受信アンテナの両方を有する送受信機として適合されてもよいことは、当業者の理解するところである。

本発明をOFDMを用いる無線通信システムに関して主に説明するが、同じ考えをCDMAやWCDMAや類似物を用いるシステムにも完全に適用可能であることが理解されよう。

従って、本発明の方法の基本的な態様は、階数の削減されたMIMO HARQ再送の間に無線リソースを柔軟な方法で割り当てることである。要するに、基本的な実施形態によれば、送信器は、H-ARQを受信すると、要求されたデータを送信するために利用可能なMIMOリンクのサブセット（元々割り当てられたリンクである必要はない）を選択することによってMIMOチャネルの階数を削減し、利用可能な無線リソースをH-ARQ再送パフォーマンスを向上するために再割り当てする。

特に、図３を参照すると、本発明に係る方法の一般的な実施形態は、例えばOFDMに基づくMIMO無線通信システムにおけるノードでの改良H-ARQ再送を可能とする。しかし、本発明はCDMAやWCDMAや類似物を用いるシステムにも等しく適用可能である。まず、所定の階数および無線リソース割り当てに基づいて、複数の利用可能なリンク上でデータが送信される(S1)。送信したデータの少なくとも一部についてのH-ARQを受信すると(S2)、利用可能なMIMOリンク（送信に成功して再び利用可能になったリンクを含む）のサブセットを選択して、引き続く再送の階数を削減する(S3)。さらに、要求されたデータの再送が成功する可能性を高めるため、柔軟な、または適応的な方法による、利用可能な無線リソースの再割り当てを行う(S4)。最後に、MIMOリンクの選択されたサブセット、例えば階数の削減されたMIMOチャネルと、再割り当てされた無線リソースとに従って、要求されたデータを再送する(S5)。

図４ａおよび図４ｂに関し、MIMOシステム用に、送信すべきデータストリームを垂直または水平コーディングしてもよいことに留意されたい。従って、図４ａに示すように、垂直コーディング用に、データストリームｃの異なるデータシンボルｃ1,ｃ2が、異なるＴｘアンテナを始点とする異なるMIMOリンク上で送信される。同様に、図４ｂに示すように、水平コーディング用に、２つのデータストリームｃおよびｄを有するシンボルが異なるMIMOリンク上で送信される。２つのデータストリームは、異なるＴｘアンテナからも送信されている。

MIMO HARQデータストリームについてのACK/NACKフィードバックは、個別に、あるいはまとめて送信されてもよい。水平コーディング用に、ストリームごとのHARQおよび送信ごとの時間隔HARQの両方を実行可能である。

無線リソースの再割り当ては、どの条件が再送に関して満たされるべきかに応じて様々な態様で実施することができる。

再送における階数の削減に加え、HARQにおいても空間領域ホッピングに取り組むために、異なる再送では異なる階数を選択することができる。上述の説明に関し、極端な場合は、異なる再送試行において空間領域ホッピングを用いた階数１(rank-1)再送である。

ある特定の実施形態によれば、無線リソースの再割り当ては、パイロット空間の再割り当てを可能とする。従って、成功したデータストリームによって残された次元を十分に活用するため、残りのリンクに対するチャネル推定の精度をさらに向上させたり、オーバヘッドを削減したりするために、パイロット空間を再割り当てすることが可能である。

さらなる実施形態は、信号対雑音比を高めるために、残りのデータストリームに、送信電力によって表される利用可能な無線リソースを割り当てることに関する。さらに、追加の次元を残りのデータストリームのための空間ダイバーシチのスペースとして再利用してもよい。換言すれば、水平コーディングされたデータストリームが部分的に受信された際に、成功したストリームのH-ARQ再送が停止し、残りのストリームのH-ARQ再生が、信号空間において解放された次元を用いて空間多重から時空間送信ダイバーシチに切り替わってよい。

集合ACKが用いられる場合、全てのデータストリームが成功裏に受信された際に、送信器は再送を停止するように知らされる。垂直コーディングと空間ダイバーシチが用いられる場合、１つのデータストリームはただ１つのCRCを有するいくつかの並列ストリームに分離され、これはTTIを単位とするHARQ(per-TTI HARQ)と呼ばれる。集合ACKの受信の前は、送信器はリンクの全てまたは一部が誤ったかどうかを判別することができない。全てのMIMOリンク上で再送する代わりに、送信器はそれらの一部のみを再送のために選択することができる。

第１に、選択は、再割り当てされたパイロットパターンと送信電力を用いた、失敗した以前の送信に対応する遅延されたMIMOブランチCQIフィードバックに基づくことができる。パイロットの再割り当ては、受信器が予め知っているパターンの予め定められた順番に従ってもよいし、送信器によって再送のために知らされてもよい。

第２に、選択はシステマチックビットが復号において最も重要であることを考慮して行うことができる。つまり、常にシステマチックビットを最初に、削減された階数で送信する。

第３に、他の実施形態において、並列データストリームを一連のデータストリームに戻してから、送信を、総パイロット並びに電力割り当てを用いる単入力多出力(SIMO)システムに削減することができる。

第４に、MIMOリンクのサブセットの選択は、空間領域ダイバーシチとなるような無作為な方法、例えば空間領域ホッピングにより実施されてもよい。

上述の実施形態は個別に、または組み合わせて用いることができる。本技術分野の当業者は、空間領域ホッピングを、スペクトル、時間、並びに空間符号領域ホッピング手法の組み合わせに容易に一般化することが可能である。本明細書において、この一般化された方法信号を空間ホッピングと呼ぶ。

階数が削減されたMIMO HARQ再送と、対応するデータストリームの成功裏な復号の後、受信器は、組み合わせMIMO信号の最後に失敗した送信からバッファされたソフト値におけるブランチのための「新たなパイロットシーケンス」を再構築するために、判定帰還(decision feedback)を用いてよい。判定帰還に基づく新たなパイロットシーケンスは、元のものよりも遥かに長くなるであろう。そのため、旧いソフト値からより正確に上述のMIMOブランチを推定および除去をすることが可能である。その結果、最後の送信から残っている失敗したMIMOブランチを、新たな干渉除去および成功裏な復号の一層良好な可能性とともに回復することができる。

図５に、本発明に係る装置の一般的な実施形態を示す。装置は、無線通信システムにおける基地局または移動機のいずれか、あるいは両方に配置することができる。装置は、アンテナアレイと入出力部Ｉ／Ｏに加え、予め定められた階数およびリソース割り当てに従ってアンテナアレイの１つ以上のアンテナ上でデータストリームを送信するように構成された送信部１０，５０と、送信したデータに関する再送要求を受信および処理するように構成されたH-ARQ部２０と、再送の階数を削減または適応させるように構成された階数処理部３０とを有する。階数処理部３０は、例えば、要求されたデータストリームまたはシンボルの再送に利用可能なMIMOリンクのサブセットを選択することにより、再送階数を削減するように構成される。さらに装置は、利用可能なMIMOリンクの選択されたサブセット上で再送を行うための無線リソースの再割り当てを行うように構成された割り当て部４０を有する。最後に、送信部１０、５０はさらに、要求されたデータストリームまたはシンボルを、削減された階数および再割り当てされた無線シンボルに基づいて再送するように構成される。

本発明をシングルユーザMIMOシナリオに関して説明してきたが、本発明はマルチユーザMIMOシナリオに対しても同様に適用可能である。間隔の広いアンテナアレイ（無相関の空間チャネル）を用いる通常のマルチユーザMIMO(MU-MIMO)または、近接配置されたアンテナアレイ（相関のある空間チャネル）を用いる所謂空間領域多元アクセス(SDMA)のいずれにも適用可能である。

加えて、再送のために再割り当てされたリソースだけを用いる代わりに、再割り当てされたリソースに基づいて、再送されるデータストリームと並行して新たなデータを送信してもよい。つまり、新たなデータストリームは送信が成功するよりよいチャンスを潜在的に提供される。

本発明による利点は以下のものを含む。チャネル推定精度および干渉除去誤差伝播に対するロバストネスを向上させる信号空間ホッピングおよびパイロットパターン再割り当てのような柔軟なリソース割り当てを用いた、階数削減MIMOとHARQとの組み合わせにおける効率の改善。再送が追加のコーディングダイバーシチまたはエネルギー利得を提供するだけでなく、チャネル推定及び干渉除去に対する状況も改善する。

本技術分野に属する当業者は、添付の特許請求の範囲に規定される本発明の範囲内で、様々な変形や変更をなし得ることを理解するであろう。

Claims (14)

1. MIMO無線通信システムにおけるノードでのデータストリームのHARQ再送を改善する方法であって、
   予め定められた階数及び無線リソース割り当てに従って、複数の利用可能なMIMOリンク上でデータを送信するステップ(S1)と、
   前記送信したデータの少なくとも一部についての再送要求を受信するステップ(S2)と、
   前記複数の利用可能なMIMOリンクのサブセットを選択して前記再送の階数を削減するステップ(S3)と、
   利用可能な無線リソースを前記サブセットに適応的に再割り当てするステップ(S4)と、
   前記削減された階数及び無線リソース再割り当てに従って、前記要求されたデータを前記選択されたサブセット上で再送信するステップ(S5)とを有することを特徴とする方法。
2. 前記再割り当てステップ(S4)が、パイロット空間の再割り当てと空間領域ホッピングの少なくとも１つを有することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記データストリームが水平コーディングされていることを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 前記再割り当てステップが、前記要求されたデータをさらなるMIMOリンク上で再送するステップを有することを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 前記再割り当てステップが、空間多重から空間時間送信ダイバーシチに切り替えるステップを有することを特徴とする請求項３記載の方法。
6. 前記データストリームが垂直コーディングされていることを特徴とする請求項２記載の方法。
7. 再送のための１つ以上のMIMOリンクを、受信したCQIフィードバックおよび失敗したMIMOリンク送信に対するH-ARQに基づいて選択し、前記選択されたMIMOリンクに対してパイロットパターンと送信電力を再割り当てすることを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 要求されたデータについてのシステマチックビットを削減された階数を用いて再送し、要求されたペイロードデータの再送について予め定められた階数および無線リソース割り当てを維持することを特徴とする請求項６記載の方法。
9. 垂直コーディングされた全ての送信済データストリームを１つの直列データストリームに合成して前記MIMOチャネルをSIMOチャネルに削減するステップと、総パイロットおよび電力割り当てを用いて再送するステップとをさらに有することを特徴とする請求項６記載の方法。
10. 再送のための前記MIMOリンクのサブセットを、無作為に選択することを特徴とする請求項６記載の方法。
11. 請求項７乃至請求項１０のいずれかの組み合わせに係る方法。
12. 前記要求されたデータを複数のMIMOリンクを用いて再送することを特徴とする請求項３記載の方法。
13. 前記要求されたデータの再送を、電力割り当てを増やした元のMIMOリンクを用いて行うことを特徴とする請求項３記載の方法。
14. MIMO無線通信システムにおける装置であって、
    予め定められた階数及び無線リソース割り当てに従って、複数の利用可能なMIMOリンク上でデータを送信する手段(10)と、
    データの再送要求を受信する手段(20)と、
    前記複数の利用可能なMIMOリンクのサブセットを選択して前記再送の階数を削減する手段(30)と、
    利用可能な無線リソースを前記サブセットに適応的に再割り当てする手段(40)と、
    前記削減された階数及び無線リソース再割り当てに従って、前記要求されたデータを前記選択されたサブセット上で再送信する手段(50)とを有することを特徴とする装置。

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