JP2010532932A - マルチユーザ通信ネットワークにおいて信号を送信する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の実施の形態は、無線ネットワークにおける基地局協調のための適応方法を提供する。
【解決手段】複数の基地局を含み、各基地局は１つのセルと関連付けられ、各セルは１つ又は複数の移動局を含むマルチユーザ通信ネットワークにおいて、各基地局は、全協調のためのプレコーディング行列、半協調のためのプレコーディング行列、及び非協調のためのプレコーディング行列を確定する。各基地局は全協調のための総レートＳＲ_ｆｕｌｌ、半協調のための総レートＳＲ_ｓｅｍｉ、及び非協調のための総レートＳＲ_ｎｏｎも確定する。次に、各基地局は、全協調のためのプレコーディング行列、半協調のためのプレコーディング行列、又は非協調のためのプレコーディング行列を選択する。各基地局は選択されたプレコーディング行列に従って信号を送信する。
【選択図】図７

Description

本発明は、包括的には無線通信に関し、より詳細にはセルラネットワークにおける協調的な基地局に関する。

従来の非協調的なセルラネットワークにおいて、セル内の基地局（ＢＳ）及び移動局（ＭＳ又は「ユーザ」）は、隣接するセル内の局及び移動局を考慮することなく信号を通信する。複数のセルが重なり合う可能性があり、且つＲＦスペクトルが共有されるため、隣接する複数のセルにおける信号は、特に移動局において互いに干渉する可能性がある。

したがって、干渉信号の電力は、雑音電力よりもはるかに大きいため、無線セルラネットワークは、通常、干渉によって制限され、スペクトル効率利得は、セル間同一チャネル干渉（ＣＣＩ：ｃｏ−ｃｈａｎｎｅｌ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）によって制限される。

結果としての干渉は、ＴＤＭＡ、ＦＤＭＡ、及びＣＤＭＡのような多元接続（ＭＡ）方式の適切なバージョンによって、たとえばすべてのセルにおいて使用されているわけではない周波数帯域を再使用することによって低減することができる。しかしながら、これらの方式は、ネットワークのスペクトル効率を減少させる。ＢＳが異なる複数のＭＳに対して同時に送信することによって協調する場合、ネットワークのスペクトル効率を改善することができる。しかしながら、ＢＳは、協調を効率的にするために情報を交換する必要があるため、ＢＳ協調において改善されるスペクトル効率は、さらなるオーバヘッドを必要とする。一般的に、ネットワークの基幹回線又はインフラストラクチャを使用してこの情報を交換する。ＢＳにおいてチャネル状態情報（ＣＳＩ：ｃｈａｎｎｅｌ ｓｔａｔｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）及びデータ、又は異なる複数のユーザが利用可能であるか否かに応じて、様々な種類の協調を使用することができる。

以下において、システムの具体的な例を与えるために、ＷｉＭＡＸ（Ｗｏｒｌｄｗｉｄｅ Ｉｎｔｅｒｏｐｅｒａｂｉｌｉｔｙ ｆｏｒ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ａｃｃｅｓｓ）ネットワーク（マイクロ波アクセスの世界的な相互運用可能性）におけるＢＳ協調を説明する。ＷｉＭＡＸは、ＩＥＥＥ８０２．１６ｅ標準規格に基づく。ケーブル及びＤＳＬのような有線ブロードバンドに取って替わるものとして、ＷｉＭＡＸは、無線チャネルを介する高速ブロードバンド通信を提供するように意図される。一般的なＷｉＭＡＸのセルの半径は、約３ｋｍ〜１０ｋｍであり、チャネルあたり最大４０Ｍｂｐｓの伝送能力を有することが期待される。ＷｉＭＡＸは、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ：ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）を使用する。

本発明の実施の形態は、無線ネットワークにおける基地局協調のための適応方法を提供する。特定の実施の形態において、ネットワークは、直交周波数分割多重を使用する。しかしながら、本発明は、他の変調技法及び多元接続技法を用いて使用することもできることを理解されたい。

複数の基地局を含み、各基地局は、１つのセルと関連付けられ、各セルは、１つ又は複数の移動局を含むマルチユーザ通信ネットワークにおいて、各基地局は、全協調のためのプレコーディング行列、半協調のためのプレコーディング行列、及び非協調のためのプレコーディング行列を確定する。各基地局は、全協調のための総レートＳＲ_ｆｕｌｌ、半協調のための総レートＳＲ_ｓｅｍｉ、及び非協調のための総レートＳＲ_ｎｏｎも確定する。

次に、各基地局は、（ＳＲ_ｆｕｌｌ−ＳＲ_ｓｅｍｉ）／ＳＲ_ｓｅｍｉが所定の閾値Ｔ_ｆｕｌｌより大きいか否かを判断する。真である場合、全協調のためのプレコーディングを選択する。そうではなく、偽である場合、（ＳＲ_ｓｅｍｉ−ＳＲ_ｎｏｎ）／ＳＲ_ｎｏｎが所定の閾値Ｔ_ｓｅｍｉより大きいか否かを判断し、真である場合、半協調のためのプレコーディング行列を選択する。そうではなく、偽である場合、非協調のためのプレコーディング行列を選択する。

その後、各基地局は、選択されたプレコーディング行列に従って信号を送信する。

本発明の実施の形態１による、セルが重なり合っている無線ネットワークの概略図である。 各基地局が自身のセル内の移動局としか通信しない従来の無線ネットワークの概略図である。 本発明の実施の形態１による、インタリーブされた副搬送波割当ての概略図である。 本発明の実施の形態１による隣接副搬送波割当ての概略図である。 本発明の実施の形態１によるプレコーディングブロックのブロック図である。 本発明の実施の形態１による、基地局の全協調、半協調、及び非協調を比較するグラフである。 本発明の実施の形態１による、基地局の全協調、半協調、及び非協調を比較するグラフである。 図１の無線ネットワークにおける基地局協調のための適応方法の流れ図である。

実施の形態１．
ネットワークモデル
図１は、本発明の実施の形態１によるセルラネットワークを示している。ネットワークは、少なくとも２つの隣接するセル１０１を有する。ネットワークは、Ｂ個の基地局（この例ではＢ＝２であり、ＢＳ１及びＢＳ２である）を有する。各ＢＳは、Ｎ_ｔ本のアンテナを有する。セルラネットワーク内にＫ個の移動局（この例ではＫ＝２であり、ＭＳ１及びＭＳ２である）が存在する。各ＭＳは、Ｎ_ｒ本のアンテナを有する。基地局協調を用いて、複数のＢＳが協働してＬ_ｋ個のデータストリームを公衆領域１０２内のＭＳ_ｋに送信することができる。基地局が協調しない場合、移動局において複数の信号が干渉する場合がある。干渉は、複数のセルが重なり合う干渉ゾーン１０２において特に著しい。

表記
本発明の実施形態を説明するために、以下の表記を使用する。Ｉ_ＫはＫ×Ｋの恒等行列である。０_ｍ×ｎは成分が全てゼロであるｍ×ｎの行列である。Ａ^†は行列Ａのエルミート転置である。行列の行列式は｜・｜であり、Ｔｒ｛Ａ｝は行列Ａのトレース（主対角成分の合計）である。Ｅ｛・｝は期待値演算である。

図１は、２つのＢＳ及び２つのＭＳを用いる単純なＢＳ協調シナリオを示している。Ｈ_ｂｋ（Ｎ_ｒ×Ｎ_ｔ）を、ＢＳ_ｂとＭＳ_ｋとの間のベースバンドチャネル行列（Ｈ_１１、Ｈ_１２、Ｈ_２１、Ｈ_２２）として定義する。Ｈ_ｂｋの特異値分解（ＳＶＤ：ｓｉｎｇｕｌａｒ−ｖａｌｕｅ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）は以下の通りである。

ＢＳ_ｋは、ＭＳ_ｋにもっとも近い。ＢＳ_ｂからＭＳ_ｋへの送信ベクトルｘは、Ｎ_ｔ×Ｌ_ｋのプレコーディング行列Ｔ_ｂｋによって、以下のように線形プレコーディングされる。

ここで、ｓ_ｋ（ｍ）は、ＭＳ_ｋに対する、時点ｍにおけるサイズＬ_ｋ×１のゼロ平均データ（信号）ベクトルである。

図２は、各ＢＳが該ＢＳ自身のＭＳにおけるＭＳとしか通信せず、ｂ≠ｋに関してプレコーディング行列Ｔ_ｂｋ＝０_{Ｎｔ×Ｌｋ}である、従来のネットワークを示している。

送信される直交変調信号は、プレコーディングを使用することができる。ＯＦＤＭベースのネットワークにおけるプレコーディングは、シンボルのエネルギーを利用可能なチャネル帯域幅にわたって分散する。すなわち、プレコーディングは、入力信号を時間領域信号に変換するのに使用されるＩＤＦＴに起因して失われた可能性がある周波数ダイバーシティを回復し、それによって複素ベースバンド信号が生成される。

一般的なプレコーディング行列は、ウォルシュ−アダマール行列である。ウォルシュ−アダマール行列は、直交拡散シーケンスを使用してチャネル帯域幅にわたってシンボルエネルギーを均一に拡散する。送信データベクトルのプレコーディングのためにガウスコードブックを使用して、正規化電力が

となるようにして、ＭＳ毎の情報レートを最大化する。

異なる複数の直交副搬送波がＷｉＭＡＸネットワークにおけるセル内のＭＳに割り当てられるため、セル内干渉を最小化することができる。以下において、信号は同期すると仮定する。

ＭＳ_ｋにおける受信信号は、次式（１）によって与えられる。

ここで、ｎ_ｋ（ｍ）は共分散行列Ｎ_０Ｉ_Ｎｒを有する加法性白色ガウス雑音（ＡＷＧＮ：ａｄｄｉｔｉｖｅ ｗｈｉｔｅ Ｇａｕｓｓｉａｎ ｎｏｉｓｅ）ベクトルである。式（１）は、以下のように書き換えることができる。

ここで、次式（２）が成り立つ。

本発明の目的は、ＭＳに固有な電力制約集合に従う全てのＭＳの総レートＲ_ｋを最大化する最適送信プレコーディング行列｛Ｔ_ｋ｝^Ｋ _ｋー１を生成することである。総レートは、セル内の全ての移動局（ユーザ）のデータレートを合成したものである。本発明では、総レートをスペクトル効率の測定基準として使用する。したがって、本発明の最適化問題は、次式（３）の通りである。

ＭＳ_ｋの帯域幅正規化情報レートＲ_ｋは、次式（４）の通りである。

ここで、Φ_ｋはＭＳ_ｋに関する雑音と干渉とを合わせた共分散行列である。干渉項を雑音として扱うことが総レートに対する下限となる。共分散行列は、次式（５）の通りである。

ＭＳ_ｋに関する等価ＭＩＭＯチャネルは、単位加法性雑音電力を有するΦ^−１／２Ｈ_ｋである。

全協調／半協調／非協調
ＢＳ協調は、情報の交換を必要とする。ＢＳが交換する情報量によって決まる以下の複数の方式を説明する。

全協調
この方式において、各ＢＳは、自身のＣＳＩ及びデータストリームを全ての他のＢＳと交換する。結果として、各ＢＳは全てのデータ及び全てのチャネル状態情報（ＣＳＩ）を有する。これらには、全ての他のＢＳのＣＳＩ及びデータが含まれる。次に、異なる複数のＢＳが協働して且つ同時に、異なる複数のＭＳに向けられるデータストリームを送信することができる。

半協調
各ＢＳは、全ての他のＢＳのＣＳＩのみを有するが、それらの全ての他のＢＳのデータストリームは有しない。この方式において、各ＢＳは、該ＢＳ自身のＭＳに向けられるデータしか送信することができない。すなわち、ＢＳ_ｋは、ＭＳ_ｋにしかサービス供給することができず、ｂ≠ｋに関してＴ_ｂｋ＝０_{Ｎｔ×Ｌｋ}である。しかしながら、ＢＳ_ｋは、他のセルのＣＳＩに基づいて、他のセルへの干渉を最小化することができる。

非協調
この方式において、ＢＳは、情報を一切交換しない。したがって、各ＢＳは、自身のセル内のＭＳのＣＳＩのみを有する。これは、従来のＷｉＭＡＸネットワークにおける標準動作モードである。半協調と同様に、各ＢＳは、自身のセル内のＭＳに向けられるデータしか送信することができない。すなわち、ｂ≠ｋに関してプレコーディング行列Ｔ_ｂｋ＝０_{Ｎｔ×Ｌｋ}である。この方式では、データストリームは、他のセル内の移動局と干渉する場合がある。

全協調は、干渉を低減するのに最も効果的である。これは、全ての情報が全てのＢＳにおいて利用可能であるためである。しかしながら、全協調は、ＣＳＩ及びデータの双方を交換するためのオーバヘッドを増加させる。利点として、半協調は、ＣＳＩのみを交換し、これは全協調と比較して、必要とされるオーバヘッドがはるかに少ない。直感的に、半協調は、ＭＳが該ＭＳ自身のＢＳに非常に近接しているときの、全協調の特殊なケースである。ＭＳが複数のＢＳの範囲内にあるとき、全協調は、半協調よりもはるかに良好に機能する。図５及び図６を参照されたい。

非協調のためのプレコーディング行列
非協調方式において、各ＢＳは、該ＢＳ自身のセルのＣＳＩの知識（すなわちＨ_ｋｋ）を有するにも関わらず、他のセル内のＣＳＩは利用可能でない。信号対雑音比（ＳＮＲ）に基づく固有ビーム形成及び注水（ｗａｔｅｒ−ｆｉｌｌｉｎｇ）電力割当て法に従って、総レートＲ_ｋを最小化するプレコーディング行列が生成される。注水は、全てのチャネル上の送信電力をの総和を一定に維持しながら、各チャネル上の平均送信信号電力が変化することを可能にする。干渉電力は、他のＢＳのＣＳＩに関連するため、未知であることに留意されたい。したがって、注水電力割当ては、雑音電力のみに基づく。これ以降、注水は電力割当てと同義である。

入力共分散行列Ｔ_ｋｋ ^†Ｔ_ｋｋの固有ベクトルは、行列Ｖ_ｋｋの最初のＬ_ｋ列である。プレコーディング行列Ｔ_ｋｋの特異値は、注水電力割当てに対応する。等価ＭＩＭＯチャネルは、単位雑音電力を有するΦ_ｋ ^−１／２Ｈ_ｋｋである。ここで、次式（６）が成り立つ。

総レートＲ_ｋ（ｋ＝１，．．．，Ｋ）は、次式（７）の通りである。

半協調のためのプレコーディング行列
半協調方式において、各ＢＳは、他のＢＳのリンクのＣＳＩを有する。これは、ＣＳＩを全ての他のＢＳと直接的に又は間接的に交換することによって行うことができる。最適プレコーディング行列Ｔ_ｋｋは、等価ＭＩＭＯチャネルΦ_ｋ ^−１／２Ｈ_ｋｋ（単位雑音ｋ電力を有する）のために固有ビーム形成及び注水電力割当てを使用する。干渉電力が既知であるため、電力割当ては干渉・雑音電力に基づいて実施される。また、各ＢＳは、該ＢＳ自身のＭＳにしかサービス供給しないため、Ｔ_ｂｋ＝０_{Ｎｔ×Ｌｋ}であることを想起されたい。本発明では、プレコーディング行列を生成するための良好な解を得るために、以下のマルチユーザ反復注水方式を提供する。
１）上記の非協調の解によって開始点が提供される。
２）各ｋ＝１，．．．，Ｋに関して、ｊ≠ｋに関してプレコーディング行列Ｔ_ｊｊを初期化し、等価ＭＩＭＯチャネルΦ_ｋ ^−１／２Ｈ_ｋｋ（単位雑音ｋ電力を有する）のための固有ビーム形成及び注水電力割当てに従ってプレコーディング行列Ｔ_ｋｋを更新する。ここで、Φ_ｋは式（６）に従って確定される。
３）式（７）に基づいて総レートＲ_ｋを確定する。
４）総レート

が所定の閾値Ｔ_{ｓｕｍ−ｒａｔｅ−ｉｎｃｒｅａｓｅ}未満だけ増加するまでステップ２）及び３）を繰り返す。

上記の反復方法は、開始点とは無関係の大域最適に収束することができるが、局所最適への収束も同様に発生する場合がある。プレコーディング行列を確定する他の方法も同様に可能であることに留意する。

全協調のためのプレコーディング行列
全協調方式において、各ＢＳは、全ての他のＢＳに関する全てのＣＳＩ及びデータを有する。プレコーディング行列の最適解は、固有ビーム形成及び注水電力割当てに従う。ここで、全てのＢＳは、全てのＭＳと同時に通信することができる。すなわちＴ_ｂｋ≠０_{Ｎｔ×Ｌｋ}である。

本発明では、「山登り」方式を使用して最適プレコーディング行列を確定する。Ｍｅｈｔａ他によって出願された米国特許出願第１１／４０８，２８４号「Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ Ｓｉｇｎａｌｓ ｉｎ Ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ Ｂａｓｅ Ｓｔａｔｉｏｎ Ｍｕｌｔｉ−Ｕｓｅｒ ＭＩＭＯ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ」を参照により本明細書に援用する。

Ｍｅｈｔａ他において、プレコーディング行列は、ＭＳによって受信される所望の信号電力と、全ての他のＭＳにおける雑音及び総干渉電力（漏れ）の総和との比を最大化する。プレコーディング行列Ｔ_ｋは、スケーリングされたセミユニタリ形式であり、次式で表される。

ここで、ＢＮ_ｔ×Ｌ_ｋの行列Ｑ_ｋの列は、正規直交であり、すなわち、Ｑ_ｋ ^†Ｑ_ｋ＝Ｉ_Ｎｒである。Ｑ_ｋ ^ｏｐｔ（最適Ｑ_ｋ）のｌ番目の列ｑ^ｏｐｔ _ｌｋは、行列Ｎ_ｋ ^−１Ｍ_ｋのｌ番目に大きい固有値に対応する、行列Ｎ_ｋ ^−１Ｍ_ｋのｌ番目の固有ベクトルに等しい。ここで、Ｍ_ｋ＝Ｐ_ｋ ^ｔｘＨ_ｋ ^†であり、以下の式が成り立つ。

本方法は、以下のように進行する。
１．１）Ｍｅｈｔａ他の手順を使用してプレコーディング行列Ｔ_ｋ（ＢＮ_ｔ×Ｌ_ｋ）及び総レートＲ_ｋを確定する。開始点に関して上述したステップ１）の解を使用する。
１．２）各ｋ＝１，．．．，ｋに関してプレコーディング行列Ｔ_ｊを初期化し、等価ＭＩＭＯチャネルΦ_ｋ ^−１／２Ｈ_ｋ（単位雑音電力を有する）のための固有ビーム形成及び注水電力割当てに対してプレコーディング行列Ｔ_ｋを更新する。ここで、Φ_ｋは式（５）に従って確定される。
１．３）式（４）に基づいて総レートＲ_ｋを確定する。
１．４）総レート

が所定の閾値Ｔ_{ｓｕｍ−ｒａｔｅ−ｉｎｃｒｅａｓｅ}未満だけ増加するまでステップ１．２）及び１．３）を繰り返す。
２）開始点に関する半協調方式の解を使用して、１．２）〜１，４）と同様のステップに従ってプレコーディング行列Ｔ_ｋ及び総レートを計算する。
３）ステップ１）において得られた総レートと、ステップ２）において得られた総レートとを比較する。より高い総レート及び対応するプレコーディング行列が最終的な解として選択される。

ＷｉＭＡＸネットワークにおけるＢＳ協調
適応方式
図７に示すように、ＢＳ協調における利得及びコストの平衡を保つための適応方法を提供する。本方法は以下の通りである。
１）初期設定において、ＢＳは、非協調方式に従って動作する（７１０）。
２）ＢＳは、自身のＣＳＩを交換する（７３０）。各ＢＳは、全協調、半協調、及び非協調のための自身の最適プレコーディング行列を独立して確定する（７４０）。各ＢＳは、全協調のための総レート（ＳＲ_ｆｕｌｌ）７５５、半協調のための総レート（ＳＲ_ｓｅｍｉ）７５５、及び全協調のための総レート（ＳＲ_ｎｏｎ）７５５も確定する（７５０）。
３）（ＳＲ_ｆｕｌｌ−ＳＲ_ｓｅｍｉ）／ＳＲ_ｓｅｍｉ ７６０が所定の閾値Ｔ_ｆｕｌｌよりも大きいことが真である場合、全協調の解からプレコーディング行列を選択し（７６１）、ＢＳは、自身のＣＳＩ及びデータストリームを交換する。閾値は、ネットワークによってセットすることでき、変更することができる。そうではなく、偽である場合、（ＳＲ_ｓｅｍｉ−ＳＲ_ｎｏｎ）／ＳＲ_ｎｏｎが所定の閾値Ｔ_ｓｅｍｉよりも大きいことが真であるか否かを判断し（７７０）、半協調の解からプレコーディング行列を選択する（７７１）。ＣＳＩは交換されるが、データは交換されない。そうではなく、偽である場合、非協調の解からプレコーディング行列を選択する（７７３）。

総レートは、ＣＳＩが交換されて初めて取得することができることに留意されたい。したがって、本発明では、他の技法を検討する。たとえば、ＣＳＩ交換は、ＭＳが不十分なサービス品質（ＱｏＳ）を有するときに実施することができる。１つの技法は、ＭＡＣプロトコルにおいて利用可能なマクロダイバーシティハンドオーバ（ＭＤＨＯ：ｍａｃｒｏ−ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ ｈａｎｄｏｖｅｒ）モード及び／又は受信信号強度インジケータ（ＲＳＳＩ：Ｒｅｃｅｉｖｅ Ｓｉｇｎａｌ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）を利用する。

副搬送波割当てモード
図３Ａ及び図３Ｂに示すように、ＷｉＭＡＸネットワークは、２つの資源割当てモードを有する。図３Ａは、周波数／時間周波数ダイバーシティを利用するインタリーブされた副搬送波割当て（ＦＵＳＣ／ＰＵＳＣ）３０１を示している。図３Ｂは、マルチユーザダイバーシティを利用する、隣接副搬送波割当て（ＡＭＣ）３０２を示す。

ＢＳ協調のためにはＡＭＣモード３０２がより好ましい。１つの理由は、同じサブチャネルの異なる複数の副搬送波に対する係数が、インタリーブされた副搬送波割当て３０１の周波数ダイバーシティに起因して大幅に異なる可能性があることである。電力割当ての後、弱いチャネルを有する幾つかの副搬送波が全く使用されない可能性がある。結果として、符号化されたブロック内の幾つかのビットは、受信機において復号することができない。これは結果として高いビット誤り率（ＢＥＲ：ｂｉｔ ｅｒｒｏｒ ｒａｔｅ）を生じる。

他方で、ＡＭＣモード３０２においてそのような問題は一切存在しない。これは、１つのサブチャネル内の隣接する副搬送波の係数の相関が高いためである。別の理由は、ＡＭＣモードは、適応な変調及び符号化を用いて、本発明のＢＳ協調の目標である最適総レートを達成する可能性がより高いことである。しかしながら、本方法は、インタリーブされた副搬送波割当てを用いて使用することもできる。

プレコーディング行列の生成
最適には、各ＯＦＤＭシンボルに使用される副搬送波毎に、プレコーディング行列が生成される。しかしながら、このコスト及び複雑度は過度に高い。

図４に示すように、代替形態として、時間及び周波数の双方におけるチャネル相関を検討し、プレコーディングブロック４００毎に１つのプレコーディング行列を生成する。したがって、ＢＳは、プレコーディングブロックに関する平均ＣＳＩを交換する。周波数領域におけるプレコーディングブロックのサイズは、１つのサブチャネル４０１であり、９個の副搬送波（ＡＭＣ１×６モード）、１８個の副搬送波（ＡＭＣ２×３モード）、又は２７個の副搬送波（ＡＭＣ３×２モード）を含む。異なるサイズの複数のブロックにわたる平均を使用することも可能である。

時間領域におけるプレコーディングブロックのサイズは、チャネルコヒーレンス時間に応じて、フレームの１、１／２、又は１／３である。たとえば、ＷｉＭＡＸにおける標準ダウンリンクフレーム長は３．３ｍｓである。ＭＳが１２０ｋｍ／ｈｒの速度で移動し、且つ、搬送波周波数が２．５ＧＨｚである場合、ドップラ周波数は、１．５８ｍｓのコヒーレンス時間にほぼ対応する約２６７Ｈｚである。したがって、時間領域におけるプレコーディングブロックサイズは、１／３フレームとなるように選択される。

ＦＥＣブロックのサイズは、プレコーディングブロックのサイズ以下である。これによって、１つのＦＥＣブロック内の全ての情報ビットが、同じプレコーディング行列によってプレコーディングされることが確実になる。

複数ブロック
上述したように、各ＭＳの複数のデータストリームへの電力割当ては、注水法に従って実施される。複数ブロックの場合、すなわち複数のプレコーディング行列の場合、ＭＳに関して、電力制約は全てのブロックにわたる電力制約の総和になる。しかしながら、異なる複数のブロックは、互いに直交するため、干渉が依然として各ブロック内に存在すると考えられる。

半協調
ステップ２）のマルチユーザ反復注水を、ＭＳ毎の全てのブロックの全てのデータストリームに基づく電力割当てに変更する。すなわち、全てのブロックに関して各データストリームに割り当てられる電力は同一である。

全協調
電力割当ては、ＭＳ毎の全てのブロックの全てのデータストリームに基づく。すなわち、全てのブロックのデータストリーム毎の割当て電力は等しい。全協調は、大域収束を保証しない場合があるため、上記のステップ１．２）を変更して以下の手順をもたらす。
１．２ａ）最初に、各ブロックに均等に電力を割り当てる。ブロック毎にプレコーディング行列を生成する。ここで、電力割当ては、各ブロック内で独立して実施される。
１．２ｂ）上記のステップ１．２ａ）の解を開始点として使用する。全てのブロックの全てのデータストリームに関して電力割当てを実施し（すなわち、全てのブロックの全てのデータストリームへの割当て電力は等しい）、それに従って、ブロック毎のプレコーディング行列を更新する。

図５は、レイリーフラットフェージングチャネルを用いるネットワーク例に関して、総レート及びＳＮＲの観点から全協調、半協調、及び非協調を比較するグラフである。実線は、不完全なチャネルの下での総レートを示している。プレコーディング行列は、不完全なチャネルに基づいて生成され、総レートは、完全なチャネルに基づいて確定される。破線は完全なチャネルの下での理想総レートを示している。プレコーディング行列及び総レートの双方が完全なチャネルに基づいて計算される。鎖線は不完全なチャネルに基づく総レートを示している。プレコーディング行列及び総レートの双方が不完全なチャネルに基づいて計算される。

完全なチャネルの場合、予期されるように、３つの方式の中で全協調が常に最も良好に機能し、半協調は非協調よりも良好に機能する。

非協調及び半協調の場合、実総レートは、計算されるレート／理想レートに非常に近い。これは、非協調及び半協調がチャネルエラーに対しロバストであることを示している。したがって、実際のネットワーク設計において、計算される総レートは、ほぼ実レートであると見なすことができる。

全協調の場合、実総レート（部分ＣＳＩを用いる）と計算されるレート／理想レートとの間に隔たりが存在する。さらに、この隔たりは、様々なＳＮＲ下でほとんど一定である。また、計算される総レートは、理想総レートに非常に近い。したがって、実際のネットワーク設計において、実総レートは、予め計算される一定の調整係数（ｆａｃｔｏｒ）から、計算される総レートを減算した値におよそ等しいと見なすことができる。

図６は、ＷｉＭＡＸネットワークにおける周波数選択性チャネルに関する性能を比較する。実線は、不完全なチャネルの下での実総レートを示している。プレコーディング行列は、不完全な平均チャネル（１つのプレコーディングブロックにわたる平均）に基づいて生成され、総レートは、各副搬送波上の完全なチャネルに基づいて計算される。破線は、完全なチャネルの下での理想総レートを示している。プレコーディング行列及び総レートの双方が各副搬送波上の完全なチャネルに関して生成される。鎖線は、不完全なチャネルの下での計算される総レートを示している。プレコーディング行列及び総レートの双方が不完全な平均チャネル（１つのプレコーディングブロックにわたる平均）に基づいて計算される。

図６に示すように、ブロック毎の総レートは、副搬送波毎の理想の場合とほとんど同じである。したがって、副搬送波毎に１つのプレコーディング行列を生成するのではなく、ブロック毎に１つのプレコーディング行列を生成する、本発明による低複雑度の方式を使用することが実際妥当である。

図６から、全協調の場合、フラットフェージングシナリオにおける隔たりとは異なり、実総レートが理想総レート／計算される総レートに非常に近いことを見てとることができる。換言すれば、全協調及び半協調は、共に、ＷｉＭＡＸネットワークにおけるチャネルエラーに対し極めてロバストである。可能性のある理由は、ＷｉＭＡＸネットワークにおいて、平均ＣＳＩを使用して、ブロック毎に１つのプレコーディング行列が生成されていることである。

平均化した後、平均ＣＳＩのチャネルエラー分散は、（各副搬送波上のチャネルエラー分散と比較して）はるかに小さくなる。また、完全な平均ＣＳＩによって計算される総レートは、理想総レートと非常に近い。したがって、実総レート（チャネルエラーが非常に小さい）は、同様に、理想総レート／計算される総レートに非常に近い。ＷｉＭＡＸネットワークにおいて、全協調及び半協調は、共にチャネルエラーに対して敏感ではないため、計算される総レートはほぼ実総レートであると見なすことができ、それによってネットワーク設計が大きく単純化される。

発明の効果
基地局間の協調によって、無線ネットワークのスペクトル効率を改善することができる。全協調、半協調、及び非協調のための行列を生成及びプレコーディングする方法によって、スペクトル効率が最大化される。

本発明の実施の形態１は、ＷｉＭＡＸネットワークのための適応方式も提供する。この方式において、全協調は、半協調よりもはるかに良好に機能する場合にしか使用されない。ＷｉＭＡＸ物理（ＰＨＹ）層の特定の特徴を考慮に入れ、本発明では、ＡＭＣモードを使用すると共にブロック毎に１つのプレコーディング行列を生成して、複雑性及びオーバヘッドを低減する。

本発明を好ましい実施の形態の例として説明してきたが、本発明の精神及び範囲内で様々な他の適応及び変更を行うことができることは理解されたい。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の精神及び範囲内に入るすべての変形及び変更を包含することである。

Claims (14)

1. マルチユーザ通信ネットワークにおいて信号を送信する方法であって、前記通信ネットワークは複数の基地局を含み、各前記基地局は１つのセルと関連付けられ、各前記セルは１つ又は複数の移動局を含み、前記方法は、
   前記マルチユーザ通信ネットワーク内の前記複数の基地局のそれぞれに関して、全協調のためのプレコーディング行列、半協調のためのプレコーディング行列、及び非協調のためのプレコーディング行列を確定するステップと、
   前記複数の基地局のそれぞれに関して、全協調のための総レートＳＲ_ｆｕｌｌ、半協調のための総レートＳＲ_ｓｅｍｉ、及び非協調のための総レートＳＲ_ｎｏｎを確定するステップと、
   前記複数の基地局のそれぞれに関して、（ＳＲ_ｆｕｌｌ−ＳＲ_ｓｅｍｉ）／ＳＲ_ｓｅｍｉが所定の閾値Ｔ_ｆｕｌｌより大きいか否かを判断し、真である場合、前記全協調のためのプレコーディング行列を選択し、そうではなく、偽である場合、（ＳＲ_ｓｅｍｉ−ＳＲ_ｎｏｎ）／ＳＲ_ｎｏｎが所定の閾値Ｔ_ｓｅｍｉより大きいか否かを判断し、真である場合、前記半協調のためのプレコーディング行列を選択し、そうではなく、偽である場合、前記非協調のためのプレコーディングを選択するステップと、
   前記選択されたプレコーディング行列に従って、対応するセルにおいて各前記基地局から前記移動局に前記信号を送信するステップと、
   を含むマルチユーザ通信ネットワークにおいて信号を送信する方法。
2. 複数の前記確定するステップは、各前記基地局において独立して実施される請求項１に記載のマルチユーザ通信ネットワークにおいて信号を送信する方法。
3. 複数の前記セルは重なり合う請求項１に記載のマルチユーザ通信ネットワークにおいて信号を送信する方法。
4. 前記プレコーディング行列は、ウォルシュ−アダマール行列であり、前記ウォルシュ−アダマール行列は、直交拡散シーケンスを使用して前記信号のシンボルエネルギーを均一に拡散する請求項１に記載のマルチユーザ通信ネットワークにおいて信号を送信する方法。
5. 前記プレコーディング行列は、前記移動局の電力制約に従う前記総レートを最大化する請求項１に記載のマルチユーザ通信ネットワークにおいて信号を送信する方法。
6. 複数の前記信号は同期する請求項１に記載のマルチユーザ通信ネットワークにおいて信号を送信する方法。
7. 全協調のために複数の前記基地局間でチャネル状態情報及びデータストリームを交換するステップと、
   半協調のために前記チャネル状態情報のみを交換するステップと、
   をさらに含む請求項１に記載のマルチユーザ通信ネットワークにおいて信号を送信する方法。
8. 前記プレコーディング行列は、固有ビーム形成及び注水電力割当てに従って確定される請求項１に記載のマルチユーザ通信ネットワークにおいて信号を送信する方法。
9. 前記チャネル状態情報は、不十分なサービス品質を有する特定の移動局に関して交換される請求項７に記載のマルチユーザ通信ネットワークにおいて信号を送信する方法。
10. 前記交換することは、媒体アクセスプロトコルにおいて利用可能な受信信号強度インジケータを使用する請求項１に記載のマルチユーザ通信ネットワークにおいて信号を送信する方法。
11. 副搬送波を、隣接するように前記信号に割り当てるステップをさらに含む請求項１に記載のマルチユーザ通信ネットワークにおいて信号を送信する方法。
12. 前記チャネル状態情報は平均値である請求項７に記載のマルチユーザ通信ネットワークにおいて信号を送信する方法。
13. 前記信号のプレコーディングブロック毎に１つのプレコーディング行列が存在する請求項１に記載のマルチユーザ通信ネットワークにおいて信号を送信する方法。
14. 時間領域における前記プレコーディングブロックのサイズは、チャネルコヒーレンス時間によって決まる請求項１３に記載のマルチユーザ通信ネットワークにおいて信号を送信する方法。

Images