JP2011010305A - マルチユーザ多入力多出力のためのユーザ選択の方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マルチユーザ多入力多出力（ＭＩＭＯ）のためのユーザ選択の方法および装置を提供する。
【解決手段】方法は、２つのユーザ／ビーム・ペアリング・モードを選択し、それら２つのユーザ／ビーム・ペアリング・モードに対応する目標関数を獲得すること（Ｓ２１０）、２つのユーザ／ビーム・ペアリング・モードに対応する目標関数を比較すること（Ｓ２２０）、およびより大きい目標関数を有するユーザ／ビーム・ペアリング・モードを選択すること（Ｓ２３０）を含む。チャネル情報が不正確なときに最適なユーザ／ビーム・ペアリング・モードを獲得することができ、計算が簡素化される。
【選択図】図２

Description

本発明は通信技術に関し、詳細には、ランダムビーム形成のマルチユーザ多入力多出力（ＭＩＭＯ）のためのユーザ選択の方法および装置に関する。

マルチユーザ環境の下で、特に多数のシステムユーザがいるときには、ランダムビーム形成が可能な解決法である。マルチユーザ環境の下では、ランダムスケジューリングは、マルチユーザダイバーシチをより有効に利用してシステムスループットを増大させることができる。各ユーザは、基地局にチャネル品質情報（ＣＱＩ）をフィードバックしさえすればよい。基地局は、収集された情報に従ってチャネルリソースを使用すべきユーザを選択し、よって、フィードバック情報の量が大幅に低減される。単純なランダムビーム形成方式では、低速フェージングチャネルが、手動では高速フェージングチャネルと等価であり、適正なスケジューリング方式を使用すればユーザ間の公平性が保証される。別の方式では、ランダムビーム形成は、単一アンテナユーザ構成からマルチアンテナユーザ構成へと拡張される。基地局は、複数のデータストリームをユーザに同時に送信し、システムスループットを改善するために、フィードバック情報に従って複数のストリーム間で妥当な電力分配を行い得る。実際、マルチユーザ・マルチアンテナ・システムでは、マルチユーザダイバーシチ利得に加えて、空間分割多重化がシステムスループットをさらに改善し得る。基地局上で構成されるアンテナの数量（Ｍ）は普通、ユーザアンテナの数量（Ｎ）より大きい。情報理論によれば、基地局のタイムスロットが１ユーザのみにデータを送信する場合、このタイムスロットは、相互干渉なしで、同時に最大ｍｉｎ（Ｍ，Ｎ）個の独立のデータストリームを送信することができる。基地局が同時に複数のユーザにデータを送信する場合、タイムスロットは、同時にＭ個の独立のデータストリームを送信することができる。したがって、基地局は普通、複数のユーザに同時にサービスするとき、より多くの利得を得ることができる。別の方式では、複数のプリコーディング行列が無作為に生成される。基地局は、最高速度のプリコーディング行列をサポートする複数のユーザにデータを送信する。各プリコーディング行列は、対応するユーザによって送信される情報を搬送する複数のビームとして使用される。この方式では、マルチユーザダイバーシチ利得と空間分割多重化利得の両方が獲得され得る。しかし、複数のプリコーディング行列が無作為に生成されるため、ユーザ間に強い干渉が生じ、よって、システム性能が低下する。技術文献の中には、複数のユーザデータを搬送する複数のビームが生成されるときに、複数のユーザ間の干渉を制御するために、各ビームを相互に直交させるよう提案しているものもある。しかし、各ユーザのチャネル状態情報は、干渉抑圧時には使用されない。複数のユーザ間の干渉はシステム性能をある程度まで低下させる場合もあるが、干渉は、ユーザ間の公平性を保証する。各ユーザが、各ユーザと基地局の間の距離の差に起因する異なる統計的特徴を有するチャネル応答を生成するとき、ユーザ側における干渉項目は、チャネル応答の統計的特徴に比例して増減され得る。干渉の影響が雑音の影響より大きい場合、各ユーザが基地局にフィードバックするＣＱＩがチャネル特徴によって変化しない場合もあり、よってスケジューリングの公平性が影響を受ける。

多数のユーザがいるとき、ランダムビーム形成の合計容量は最適な合計容量に近くなるが、多数のユーザがいるためにユーザ選択（スケジューリング）アルゴリズムが非常に複雑になる。したがって、低複雑度、準最適合計容量のユーザ選択アルゴリズムが、ランダムビーム形成における重要な研究動向となってきている。

貪欲選択（ｇｒｅｅｄｙ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ）（ＧＳ）アルゴリズムは、ランダムビーム形成におけるマルチユーザＭＩＭＯのための通常のユーザ選択アルゴリズムである。以下にＧＳアルゴリズムの基本原理を示す。

（１）基地局が、全ユーザのダウンリンクの正確なチャネル情報を獲得する。

（２）基地局が、異なるビームおよび異なるユーザについて、ｋ＝１，…，Ｋ、ｍ＝１，…，Ｎ_ｔとするＳＩＮＲ_ｋ，ｍを計算する。

（３）基地局が、最大のＳＩＮＲ_ｋ，ｍを見つけ、最大のＳＩＮＲに対応するビームとユーザとを適合させる。

（４）基地局が、すべてのビームが組み合わされるまで、前述の各ステップを繰り返して、残りのビームと残りのユーザとを適合させる。

ＧＳアルゴリズムは、基地局がすべてのダウンリンクの正確なチャネルを獲得しているという仮定に基づくものである。よって、ダウンリンクのチャネル情報が不正確な場合、ＧＳアルゴリズムの計算の正確さは低下する。加えて、ＧＳアルゴリズムは、多項式計算を使用するため、計算が複雑になる。

本発明の各実施形態は、計算を簡素化し、情報が不正確な場合の計算結果の正確さを改善することを目的とする、マルチユーザＭＩＭＯのためのユーザ選択の方法および装置を提供する。

マルチユーザＭＩＭＯのためのユーザ選択の方法は、２つのユーザ／ビーム・ペアリング・モードを選択し、それら２つのユーザ／ビーム・ペアリング・モードに対応する目標関数を獲得すること、２つのユーザ／ビーム・ペアリング・モードに対応する目標関数を比較すること、およびより大きい目標関数を有するユーザ／ビーム・ペアリング・モードを選択することを含む。

マルチユーザＭＩＭＯのためのユーザ選択装置は、２つのユーザ／ビーム・ペアリング・モードを選択し、それら２つのユーザ／ビーム・ペアリング・モードに対応する目標関数を獲得するように構成された選択モジュールと、２つのユーザ／ビーム・ペアリング・モードに対応する目標関数を比較するように構成された比較モジュールと、より大きい目標関数を有するユーザ／ビーム・ペアリング・モードを選択するように構成された制御モジュールとを含む。

本発明の各実施形態では、離散的で、ランダムな、最適化されたスケジューリング方法を使用することによって、チャネル情報が不正確なときに、最適なユーザ／ビーム・ペアリング・モードが迅速に獲得され得る。さらに、ＧＳアルゴリズムと比べて、計算が簡素化される。

添付の図面は、本発明を限定するためではなく、本発明をより良く理解することを目的とし、本出願の一部を構成するものである。

直交ランダムビーム形成を示す概略図である。 本発明の第１の実施形態によるマルチユーザＭＩＭＯのためのユーザ選択の方法を示す流れ図である。 本発明の第２の実施形態によるマルチユーザＭＩＭＯのためのユーザ選択の方法を示す流れ図である。 本発明の一実施形態によるマルチユーザＭＩＭＯのためのユーザ選択の方法の結果を示す図である。 本発明の一実施形態によるマルチユーザＭＩＭＯのためのユーザ選択の方法の結果を示す図である。 本発明の第３の実施形態によるマルチユーザＭＩＭＯのためのユーザ選択装置の構造を示す図である。 本発明の第４の実施形態によるマルチユーザＭＩＭＯのためのユーザ選択装置の構造を示す図である。

本発明の目的、技術的解決法および利点をより明確にするために、以下で、添付の図面および例示的実施形態を参照して本発明の詳細な説明を行う。本発明の例示的実施形態およびその説明は、本発明を限定するものではなく、本発明を解説するためのものである。

本発明の各実施形態は、マルチユーザＭＩＭＯのためのユーザ選択の方法を提供する。

マルチユーザＭＩＭＯのためのユーザ選択の方法を詳細に示す前に、若干の説明を行う。マルチユーザＭＩＭＯシステムには、Ｎ_ｔ個の送信アンテナとＫユーザがあり、各ユーザごとにＮ_ｒ個の受信アンテナが設置されている。各ユーザの受信信号ベクトルはｙ_ｋ（ｔ）であり、これは次式で表される。

式中、ｚ_ｋは各ユーザの白色ガウス雑音を示す。送信側が電力のパリティ制約条件Ｐを満たす場合、すなわちＥ［ｘ^＋ｘ］≦Ｐである場合、γ_ｋを使用して、異なるユーザが異なる伝搬損失およびシャドウフェージング（ｓｈａｄｏｗ ｆａｄｉｎｇ）を被るときのこれらの影響の影響因子が示される。本発明の各実施形態では、ブロック・フェージング・チャネル・モデル（ｂｌｏｃｋ ｆａｄｉｎｇ ｃｈａｎｎｅｌ ｍｏｄｅｌ）が使用される。チャネルブロックＨ_ｋは独立であり、Ｈ_ｋ∈ＣＮ（０，１）である。

直交ランダムビーム形成方式が使用される場合、等方性分布に従い、Ｎ_ｔ個の正規化直交ベクトル

が生成される。図１に示すように、第ｍの情報ストリームｘ_ｍ（ｔ）にφ_ｍ（ｔ）を掛けたものが、その都度の送信信号と等しくなる。

情報ストリーム

が独立に測定され、各アンテナの平均送信電力が等しいと仮定すると、

は、各ストリームの送信信号雑音比を示す。

チャネル推定誤り、フィードバック遅延およびその他の理由により、基地局が合計速度の推定値だけしか獲得することができない場合もある。スケジューリングアルゴリズムの目的は、Ｎ_ｔ個の空間ビームを最適に適合させるためのＫユーザを選択することである。全探索法が使用される場合、

通りの可能な適合が生じる。

実行可能解は、ｗ_１，ｗ_２，…，ｗ_Ｍとして定義され、

であり、ｗ_ｍは、その数をＮ_ｔとする、｛１，２，ｉ，…，Ｋ｝の連続した部分集合である。ｗ_ｍ（ｉ）はｗ_ｍの第ｉの要素として定義される。

次式がさらに定義される。

は、実行可能解のチャネル状態行列（ユーザ／ビーム・ペアリング・モード）を示す。

は、実行可能解に対応する合計速度を示す。

この式においては、

である。

明らかに、最適なビーム／ユーザ対は以下の通りである。

実際のシステムでは、正確なＨ［ω_ｍ］推定を獲得することができず、雑音推定

だけしか獲得することができない。よって、第ｎ回には、Φ［Ｈ［ω_ｍ］］のφ［ω_ｍ，ｎ］だけが獲得される。Φ［Ｈ［ω_ｍ］］が不偏推定である、すなわち、Φ（Ｈ［ω_ｍ］）＝Ｅ｛φ［ω_ｍ］｝であるものと仮定すると、式は以下のように書き換えられる。

各解の推定シーケンスが反復において生成され、各解は、前の解よりも最適解に近くなる。

第ｎの反復時におけるω_ｍの占有確率はπ（ｍ，ｎ）である。状態確率ベクトルはπ［ｎ］＝［π［１，ｎ］，…，π［Ｍ，ｎ］］として定義され、ｅ_ｉは、第ｉの要素が１に等しく、残りの要素が０に等しいＭ×１ベクトルとして定義される。加えて、Ｍ×１のベクトルシーケンス｛ｄ［ｎ］｝も定義され、ω^ｎ＝ω_ｉの場合、ｄ［ｎ］＝ｅ_ｉである。

以上の説明に基づき、以下に、図２および本発明の各実施形態を参照して、マルチユーザＭＩＭＯのためのユーザ選択の方法を詳しく説明する。この方法は以下の各ステップを含む。

ステップＳ２１０：２つのユーザ／ビーム・ペアリング・モードを選択し、それら２つのユーザ／ビーム・ペアリング・モードに対応する目標関数を獲得する。

ステップＳ２２０：２つのユーザ／ビーム・ペアリング・モードに対応する目標関数を比較する。

ステップＳ２３０：より大きい目標関数を有するユーザ／ビーム・ペアリング・モードを選択する。

この実施形態では、ユーザ／ビーム・ペアリング・モードが無作為に選択され、比較によって大きい目標関数を有するユーザ／ビーム・ペアリング・モードが獲得される。よって、最適なユーザ／ビーム・ペアリング・モードを迅速に獲得することができる。

本発明の一実施形態では、別のマルチユーザＭＩＭＯのためのユーザ選択の方法が提供される。以下に、図３を参照して、このマルチユーザＭＩＭＯのためのユーザ選択の方法を詳しく説明する。この方法は以下の各ステップを含む。

ステップＳ３１０：ユーザ／ビーム・ペアリング・モードを無作為に選択し、そのユーザ／ビーム・ペアリング・モードに対応する目標関数を獲得する。

ステップＳ３１０：別のユーザ／ビーム・ペアリング・モードを無作為に選択し、そのユーザ／ビーム・ペアリング・モードに対応する目標関数を獲得する。

ステップＳ３２０：２つのユーザ／ビーム・ペアリング・モードに対応する目標関数を比較する。

ステップＳ３４０：より大きい目標関数を有するユーザ／ビーム・ペアリング・モードの占有確率を更新する。

占有確率は次式を使用して計算される。

ステップＳ３５０：次の反復のユーザ／ビーム・ペアリング・モードである最大の占有確率を有するユーザ／ビーム・ペアリング・モードが獲得されるまで前述の各ステップを繰り返す。

この実施形態では、反復プロセスを終了させるために最大反復回数が事前設定され得る。また反復回数は、直前の目標関数と現在の目標関数との差によって反復プロセスを終了させるように決定することもできる。すなわち、直前の目標関数と現在の目標関数との差の絶対値が事前設定の閾値（例えば０．０１など）より小さい場合に、反復プロセスを終了させるように決定することができる。このようにして、最後の反復において最大の占有確率を有するユーザ／ビーム・ペアリング・モードを獲得することができる。

表１に、マルチユーザＭＩＭＯのユーザ選択アルゴリズムの擬似コードを記載する。この実施形態の結果を図４および図５に示す。図４には、本発明の一実施形態におけるマルチユーザＭＩＭＯのためのユーザ選択の方法の結果が示されている。図５には、本発明の一実施形態におけるマルチユーザＭＩＭＯのためのユーザ選択の方法の結果が示されている。図４および図５に示すように、１０ユーザ、３ビームおよび１５ｄＢ信号雑音比の条件下で、最適解が迅速に獲得される。１０回を上回る反復探索後に、獲得される合計速度は合計速度の中央値よりはるかに大きくなり、このアルゴリズムはきわめて有用である。このアルゴリズムは特に、多数のユーザを擁し、高リアルタイム要件を有するマルチユーザＭＩＭＯのためのユーザ選択を行うシステムに適用することができる。

この実施形態では、離散的で、ランダムな、最適化されたスケジューリング方法が使用され、そのため、チャネル情報が不正確なときに最適なユーザ／ビーム・ペアリング・モードを獲得することができ、計算が簡素化される。

本発明の一実施形態では、マルチユーザＭＩＭＯのためのユーザ選択装置が提供される。以下に、図６を参照してマルチユーザＭＩＭＯのためのユーザ選択装置６００を詳しく説明する。マルチユーザＭＩＭＯのためのユーザ選択装置６００は、
２つのユーザ／ビーム・ペアリング・モードを選択し、それら２つのユーザ／ビーム・ペアリング・モードに対応する目標関数を獲得するように構成された選択モジュール６１０と、
２つのユーザ／ビーム・ペアリング・モードに対応する目標関数を比較するように構成された比較モジュール６２０と、
より大きい目標関数を有するユーザ／ビーム・ペアリング・モードを選択するように構成された制御モジュール６３０と、
を含む。

この装置では、最適なユーザ／ビーム・ペアリング・モードを迅速に獲得することができる。

本発明の一実施形態では、図７に示すようなマルチユーザＭＩＭＯのためのユーザ選択装置が提供される。図６に示すマルチユーザＭＩＭＯのためのユーザ選択装置６００と同様に、図７に示すマルチユーザＭＩＭＯのためのユーザ選択装置７００は、選択モジュール７１０と、比較モジュール７２０と、制御モジュール７３０とを含む。マルチユーザＭＩＭＯのためのユーザ選択装置６００と異なり、マルチユーザＭＩＭＯのためのユーザ選択装置７００は、
ユーザ／ビーム・ペアリング・モードの占有確率を初期設定するように構成された初期設定モジュール７４０と、
より大きい目標関数を有するユーザ／ビーム・ペアリング・モードの占有確率を更新するように構成された更新モジュール７５０と、
をさらに含む。

この実施形態のマルチユーザＭＩＭＯのためのユーザ選択装置では、チャネル情報が不正確なときに最適なユーザ／ビーム・ペアリング・モードを獲得することができ、計算が簡素化される。

以上の各実施形態は、本発明の目的、技術的解決法、および利益を詳細に示している。これらの実施形態は単なる一部の例示的実施形態にすぎず、本発明の保護の範囲を限定するためのものではないことが理解されるものである。当業者は、本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、本発明に様々な改変および変形を加えることができることは明らかである。本発明は、それらの改変および変形が、添付の特許請求の範囲またはその均等物によって定義される保護の範囲内に該当する限りにおいて、それらの改変および変形を包含するものである。

Claims (8)

1. マルチユーザ多入力多出力（ＭＩＭＯ）のためのユーザ選択の方法であって、
   ２つのユーザ／ビーム・ペアリング・モードを選択し、前記２つのユーザ／ビーム・ペアリング・モードに対応する目標関数を獲得すること、
   前記２つのユーザ／ビーム・ペアリング・モードに対応する前記目標関数を比較すること、及び、
   より大きい目標関数を有するユーザ／ビーム・ペアリング・モードを選択すること、
   を含む方法。
2. 前記目標関数が合計速度を示す請求項１に記載の方法。
3. より大きい目標関数を有する前記ユーザ／ビーム・ペアリング・モードの占有確率を更新することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記ユーザ／ビーム・ペアリング・モードの占有確率を初期設定することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. マルチユーザ多入力多出力（ＭＩＭＯ）のためのユーザ選択の装置であって、
   ２つのユーザ／ビーム・ペアリング・モードを選択し、前記２つのユーザ／ビーム・ペアリング・モードに対応する目標関数を獲得するように構成された選択モジュールと、
   前記２つのユーザ／ビーム・ペアリング・モードに対応する前記目標関数を比較するように構成された比較モジュールと、
   より大きい目標関数を有するユーザ／ビーム・ペアリング・モードを選択するように構成された制御モジュールと、
   を備える装置。
6. 前記目標関数が合計速度を示す、請求項５に記載の装置。
7. 前記ユーザ／ビーム・ペアリング・モードの占有確率を初期設定するように構成された初期設定モジュールをさらに備える、請求項５に記載の装置。
8. より大きい目標関数を有する前記ユーザ／ビーム・ペアリング・モードの占有確率を更新するように構成された更新モジュールをさらに備える、請求項５に記載の装置。

Images