JP2011199831A - 基地局装置及び送信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マルチユーザＭＩＭＯダウリンクにおいて、各受信端末が複数の受信アンテナを持つことを可能とし、マルチユーザＭＩＭＯダウンリンクにおける受信特性を向上可能とする。
【解決手段】基地局１０は、シリアルデータをパラレルデータに変換するＳ／Ｐ変換部１１、１ユーザに最大ビームを確保した上でシステム全体のチャネル行列を三角化し、ユーザ端末２０−１〜２０−Ｎで生じるユーザ間干渉を各ユーザ端末に対する送信情報を用いて予め除去するプリコーディングを行うプリコーディング部１２、各ユーザ端末２０−１〜２０−Ｎのチャネル情報を用いて前記システム全体のチャネル行列の並べ替え、および、各ユーザ端末２０−１〜２０−Ｎに対する送信重みの生成を行うユーザ選択部１３、送信アンテナ１４−１〜１４−Ｎ_Ｔ、を備える。
【選択図】図１

Description

移動体通信用のＯＦＤＭ変復調技術では、各サブキャリヤにおける通信路はフラットレイリーフェージングとなる。本発明は、ラットレイリーフェージングに対して、マルチユーザＭＩＭＯダウンリンクにおけるユーザ間の干渉を分離するものである。基地局アンテナ数を増やすことによって、周波数帯域、変調多値数を増加させることなく無線伝送速度を向上させることが可能となる。また、ユーザ端末では、空間多重ＭＩＭＯ信号を検出・復号するときの計算量も軽減できるため、簡易な受信機構成が可能となり、さらに優れたビット誤り率特性を提供する基地局装置及び送信方法に関するものである。

近年、送受信機双方に複数のアンテナを用い、信号を空間多重して通信を行うＭＩＭＯ（Multiple-Input Multiple-Output）方式が、同一時刻かつ同一周波数帯域を用いて伝送容量を増加できる技術として注目を集めている。無線通信路の下り回線を考えた場合、基地局のアンテナ数には制限が少ないのに対して、移動体端末局のアンテナ数には、小型化や低消費電力化の点等で制限がある。そこで、複数端末ユーザと空間多重ＭＩＭＯ通信が可能な、ダウンリンクのマルチユーザＭＩＭＯ（ＭＵ−ＭＩＭＯ）技術が、注目されている。ダウンリンクのマルチユーザＭＩＭＯ技術は、基地局アンテナ数を増やすことによって、周波数帯域、変調多値数を増加させることなく、周波数利用効率を向上させることが可能である。

マルチユーザＭＩＭＯダウリンクにおける主な問題点は、移動端末ユーザ間の干渉ＩＵＩ（Ｉｎｔｅｒ Ｕｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）を除去することである。これを行うのに、各端末ユーザ間の干渉を予め基地局側で除去して送信する手法が盛んに検討されている。

第１の従来技術（非特許文献１参照）として最大ビーム法におけるプリンコーディング方式が上げられる。最大ビーム（ＭＢ）法は、１ユーザに対し１ストリームを送信する場合、各ユーザのチャネル行列の最大固有値に対応する固有ベクトルを送信信号ベクトルとして用いる手法である。

信号を検出するとき、各ユーザが独立に位置しているため、基地局側での送信プリコーディング行列間の直交度が低い場合、受信側で大きなＢＥＲ特性劣化が起こる。

第２の従来技術（非特許文献２参照）としてシングル受信アンテナを持つマルチユーザＭＩＭＯ−ＤＰＣ伝送方式が上げられる。ＭＩＭＯ−ＤＰＣは、基地局で事前に順序付逐次干渉除去を行う方式である。まず、チャネル行列をＬＱ分解し、送信プリコーディング行列としてＱ^Ｈを用いることによって、実効通信路行列が三角形行列になり、チャネル情報を用いて予め干渉成分を減算して送信する。但し、干渉成分の減算に送信信号電力が増大するので、送信側でのＭｏｄｕｌｏ操作により送信信号電力の制御が必要である。これに対応して受信側でも同じＭｏｄｕｌｏ操作が必要である。

加藤、西本、小川、大鐘、西村、"マルチユーザMIMO下り回線における不完全ブロック対角化法"、電子情報通信学会 技術報告、RCS2007-241、2008年3月 C. Li, Y. Iwanami, E. Okamoto, "Comparison study for Tomlinson-Harashima Precoding based on MMSE criteria in Multiuser MIMO downlink system", IEEE TENCON 2009, 2009年11月

マルチユーザＭＩＭＯダウンリンクにおけるユーザ間の信号分離方式である、マルチユーザＭＩＭＯダウンリンクでは、同一チャネルを用いて同時に複数の信号を伝送する。ユーザ端末では、他のユーザ信号からの干渉が存在するため、送信側或いは受信側でユーザ間信号分離が行われる。ユーザ端末では、そのサイズやコストのために実装可能なアンテナ数が制限される。この場合、従来のＭＩＭＯ技術では、基地局側をいくら高機能化しても、ユーザ端末のアンテナ数の制限によって達成できる伝送速度に限界があった。

本発明は、斯かる実情に鑑み、マルチユーザＭＩＭＯダウリンクにおいて、各受信端末が複数の受信アンテナを持つことを可能とし、マルチユーザＭＩＭＯダウンリンクにおける受信特性を向上可能とする基地局装置及び送信方法を提供することを目的とする。

本発明は、複数の受信アンテナを備える受信装置に対してマルチユーザＭＩＭＯを行う基地局装置であって、
１ユーザに最大ビームを確保した上でシステム全体のチャネル行列を三角化し、受信装置で生じるユーザ間干渉を各受信装置に対する送信情報を用いて予め除去するプリコーディングを行うプリコーディング部を備えることを特徴とする。

前記基地局装置において、各受信装置のチャネル情報を用いて前記システム全体のチャネル行列の並べ替え、および、各受信装置に対する送信重みの生成を行うユーザ選択部をさらに備え、前記プリコーディング部は、前記並び換えた各受信装置に対して前記プリコーディングを行うことを特徴とする。

また、前記ユーザ選択部は、システム通信路容量が最大となるように前記システム全体のチャネル行列の並べ替え、および、各受信装置に対する送信重みの生成を行うことを特徴とする。

また、本発明は、複数の受信アンテナを備える受信装置に対してマルチユーザＭＩＭＯを行う基地局装置における送信方法であって、
１ユーザに最大ビームを確保した上で各受信装置を三角化し、受信装置で生じるユーザ間干渉を予め除去するプリコーディングを行うプリコーディング過程を備えることを特徴とする。

本発明によれば、マルチユーザＭＩＭＯダウリンクにおいて、各受信端末が複数の受信アンテナを持つことを可能とし、マルチユーザＭＩＭＯダウンリンクにおける各ユーザの最大ビームの一つを確保した上で、ＤＰＣ（Dirty Paper Coding）の原理を用いてユーザ間干渉を基地局側で予め除去するので、受信特性を向上できる。

マルチユーザＭＩＭＯダウンリンクモデルを示す図である。 Ｍｏｄｕｌｏ演算回路を示す図である。 マルチユーザＭＩＭＯダウンリンクに於いて、最適なウェイトを用いたシングル受信アンテナの場合の、計算機シミュレーションによる各ユーザのＢＥＲ特性の図である。 マルチユーザＭＩＭＯダウンリンクに於いて、最適なウェイトを用いた複数受信アンテナの場合の、計算機シミュレーションによるＢＥＲ特性の比較結果を示した図である。 各ユーザの送信ウェイトを求める方法のフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

＜第１の実施形態＞
まず本発明の概略を図１を用いて説明する。図１はマルチユーザＭＩＭＯダウンリンクである。基地局１０から、各々異なった各ユーザ向けの送信信号を、同じキャリヤ周波数を用いて空間多重して送信する。受信側の各ユーザ端末２０−１〜２０−Ｎにおいては、ｋ番目（ｋ＝１，２，…，Ｎ）の端末ユーザ２０−ｋはｎ_Ｒ ^（ｋ）本の受信アンテナ２１−１〜２１−ｎ_Ｒ ^（Ｎ）を用いて、受信した全てのユーザ信号を同時に処理し、他のユーザからの干渉信号を分離・除去して、自らの受信信号のみを復号する。これによって、周波数帯域及び送信電力を増加することなく、全体として大きなダウンリンク伝送速度向上を見込むことができる。

基地局１０は、シリアルデータをパラレルデータに変換するＳ／Ｐ変換部１１、１ユーザに最大ビームを確保した上でシステム全体のチャネル行列を三角化し、ユーザ端末２０−１〜２０−Ｎで生じるユーザ間干渉を各ユーザ端末に対する送信情報を用いて予め除去するプリコーディングを行うプリコーディング部１２、各ユーザ端末２０−１〜２０−Ｎのチャネル情報を用いて前記システム全体のチャネル行列の並べ替え、および、各ユーザ端末２０−１〜２０−Ｎに対する送信重みの生成を行うユーザ選択部１３、送信アンテナ１４−１〜１４−Ｎ_Ｔ、を備える。

基地局１０の送信アンテナ数をＮ_Ｔ、端末のユーザ数をＮ、一端末当りの受信アンテナ数ｎ_Ｒ ^（ｋ）（ｋ＝１，…，Ｎ）とする。

ユーザｋ（ｋ＝１，２，…，Ｎ）のチャネル応答行列は、次式（１）で表現される。

式（１）に於いて、Ｈ_ｋはｎ_Ｒ ^（ｋ）×Ｎ_Ｔの通信路行列、行列要素ｈ_ｉｊはレイリー確率変数（ｉ．ｉ．ｄ）であり、ｊは送信アンテナ、ｉは受信アンテナを示す。

システム全体の通信路行列Ｈとプリコーディング行列Ｍは、それぞれ次式（２）（３）で表現される。

全ユーザに対する送信ベクトル、雑音ベクトルは、次式（４）（５）で表せる。

システム全体の通信路入出関係式は、次式（６）のように表現される。

ユーザｋの受信信号ベクトルは、次式（７）で表せる。

マルチユーザＭＩＭＯダウリンクでは、基地局１０から各ユーザの端末２０−１〜２０−Ｎへ同時に信号を伝送するため、ユーザ間干渉（ＩＵＩ）が生じる。受信端末２０−１〜２０−Ｎでは、このユーザ間干渉を除去するが、端末コストや受信アンテナ数等の制限から、複雑な信号処理を行うことは難しい。この問題を解決するために、本発明における具体的な操作を述べる。

プリコーディング部１２は、ユーザ１に対して、最大ビーム（固有値）を確保するために、ユーザ１の通信路行列に特異値分解（ＳＶＤ）を行う。

式（８）において、Ｖ^１とＶ^０はそれぞれ行列Ｈ_１の固有ベクトル空間とヌル空間である。

プリコーディング部１２は、ユーザ１の送信プリコーディングベクトルＭ_１をＭ_１＝［Ｖ^１］_１とする。これによりユーザ１の最大ビームを確保する。

プリコーディング部１２は、ユーザ２のプリコーディングベクトルを作成する。ここで各ユーザに対し、１送信ストリームによる送信を考え、ユーザ１に関する行列について次の操作を行う。

式（９）において、ユーザ２の送信プリコーディングベクトルＭ_２をＭ_２＝［Ｖ^０］_１とする。

プリコーディング部１２は、ユーザｋの送信プリコーディングベクトルを作成する。

式（１０）において、ユーザｋの送信プリコーディングベクトルＭ_ｋを同様にＭ_ｋ＝［Ｖ^０］_１とする。

上述の操作を行うと、受信端末に対するシステムの実効通信路行列が、下（上）三角形行列化される。

各ユーザに対する１ストリームの送信情報ベクトルは次式（１１）で表せる。

プリコーディング部１２は、ユーザ間干渉を基地局側で除去するために、基地局側でチャネル情報を用いて、送信情報ベクトルからユーザ間干渉成分を予め減算する。このとき、全ユーザの送信信号は次式（１２）になる。

式（１２）において、ＤＰＣ伝送方式と同様に、各送信アンテナからの送信信号電力を１に規格化（制限）するため、非線性Ｍｏｄｕｌｏの演算回路を用いる。Ｍｏｄｕｌｏの演算回路を図２に示す。本発明におけるＭｏｄｕｌｏ演算回路の働きは、必要以上に大きくなり過ぎた送信信号の実部と虚部をそれぞれ指定された範囲内に抑えることである。そして、受信側でも同じＭｏｄｕｌｏ操作を用いて復号する。本発明において、図２に示す様に、ＱＰＳＫ変調方式に対し、各送信アンテナからの平均送信信号電力信号を１にすべく、複素信号の振幅を制限する為、Ｍ＝１とする。

次に、ユーザ選択部１３による基地局１０における最適なウェイトの用いた送信スキームを説明する。まず１番目のユーザを決める。このときシステム全体行列は次式（１３）で表現される。

次に、ユーザ選択部１３は、各ユーザチャネル行列を特異値分解する（式（１４））。

次に、全ユーザの中での最大利得（固有値）を探す（式（１５））。

式（１５）から得られたｋをｋ^１とするとき、ユーザ１の送信プリコーディングベクトルは次式（１６）の様になる。また、ｋ^１はソート後の一番目のユーザである。

２番目のユーザと２番目のユーザに対する最適な送信プリコーディングベクトルを求める（式（１９））。

式（１９）から得られたｋをｋ^２とするとき、ユーザ２の送信プリコーディングベクトルは次式（２０）の様になる。

ｉ番目のユーザを決める。先に決めたユーザ１〜ｉ−１の行列を用いて特異値分解を行う（式（２２））。

ｉ番目のユーザとｉ番目のユーザに対する最適な送信プリコーディングベクトルを求める（式（２３）（２４））。

式（２０）から得られたｋをｋ^ｉとすると、ユーザｉの送信プリコーディングベクトルは次式（２５）で表現される。

最後に全端末ユーザの順序は次式（２７）の様に決まる。

以下、実施例に基づいて本発明の効果を具体的に説明するが、もとより本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

ＯＦＤＭ信号の各サブキャリヤにおける通信路がフラットレイリーフェージングであるため、本発明の実施例は、準静的フラットレイリーフェージング（Quasi-static Rayleigh fading channel）マルチユーザＭＩＭＯ通信路を扱う。

マルチユーザＭＩＭＯダウンリンクにおける準静的フラットレイリーフェージング通信路（Ｑｕａｓｉ−ｓｔａｔｉｃ Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｆａｄｉｎｇ ｃｈａｎｎｅｌ）について、基地局送信アンテナ数が４本、ユーザ端末数が４、１ユーザ当り受信アンテナ数１、２、４の場合の通信路を図１に示す。

各ユーザ端末に対して、シングル受信アンテナの場合、ＢＥＲ特性を図３に示す。本発明における各ユーザへのプリコーディングベクトルの作成に於いて、各端末ユーザの順序を決めることにより、ユーザ１は最大ビーム（最大固有値）送信を確保できるが、ユーザ２以降のユーザは、最大ビームを確保できない。図３から分かるように、ユーザ１のＢＥＲ特性は一番良いが、ユーザ２〜４の順でＢＥＲ特性が劣化する。但し通信路チャネル推定は受信側で完全であることを前提としている。

各ユーザ端末の受信アンテナ数が２、４の場合のＢＥＲ特性を図４に示す。図４より、各ユーザ端末に対してシングルアンテナを用いた場合は、従来のＤＰＣ方式の方が、提案ＤＰＣ方式より優れたＢＥＲ特性を示すが、２又は４受信アンテナの場合は、提案方式の方が優れたＢＥＲ特性を得る。

＜第２の実施形態＞
本実施形態では、ユーザ選択部１３による前の実施例とは異なる方法で第２ユーザ以降の送信重みを求める。
Ｈ１を特異値分解すると、次式（２８）のようになる。

また、すでに決まった１〜ｋ−１ユーザの送信利得を特異値分解すると次式（２９）のようになる。

式（２８）、式（２９）より、ユーザ１では最大の送信利得（最大ビーム）を確保できるが、ユーザ１以降のユーザでは、受信側でユーザ間の干渉を完全に除去するため、これらのユーザの送信利得を最大にすることができない。一方、ユーザ１以降のユーザｋの送信ウェイトの選択空間は［ｖｋ， ・・・， ｖＮ］となり、ユーザｋの送信ウェイトは次式（３０）のように設計できる。

従って、ユーザｋの送信利得は｜｜ＨｋＭｋ｜｜^２になる。ただし、Ｍ_ｋは各ヌルベクトルの線形結合であり、その係数の最適な組み合わせは、ランダムに初期配置された粒子群を用いて最適値を探索する粒子群最適化アルゴリズムを用いて求める。

図５はユーザ選択部１３による各ユーザの送信ウェイトを求める方法のフローチャートである。ステップｓ１００１ではパラメータの初期設定を行う。ｃ１とｃ２は粒子群のうちで良い位置に向かう粒子の割合であり、多くの場合１に近い値がよい。φ１，φ２は［０，１］の範囲の値をとる乱数である。ωは慣性定数で多くの場合１より若干小さい値が好ましい。ｘ_ｉｄ ^１は解の候補の初期値であり、例えば、次式（３１）と設定すれば良い。

ステップｓ１００２でｔ＝１とする。ステップｓ１００３では、各粒子の初期位置ｐ_ｉｄ ^１、初期速度ｖ_ｉｄ ^１をランダムに設定する。ステップｓ１００４−１〜ｓ１００４−Ｎでｆ_ｉ，１ ^ｔ〜ｆ_ｉ，Ｎ ^ｔを計算する。第ｔ繰り返しのユーザｋの場合は次式(３２)のように求める。

ここで、ｉ＝１，２，…，Ｎ−ｋであり、ｖ_ｍａｘ ^Ｈｋはユーザｋの最大固有ベクトルである。またＭ_ｋは、ｘ_ｉｄ ^ｔから求められる。ステップｓ１００５では、これまでに発見した各粒子の第ｄ次元の最適位置ｐ_ｉｄ ^ｔとこれまでに発見した全体の最適位置ｐ_ｇｄ ^ｔを更新する。最適な送信ウェイトは、式（３２）を最小にするウェイトであり、ｐ_ｉｄ ^ｔとｐ_ｇｄ ^ｔは最適な送信ウェイトから求められる。ステップｓ１００６では、次式（３３）（３４）のようにウェイトの候補を更新する。

ステップｓ１００７では収束しているかどうかの判断を行う。収束しているかどうかは、例えば、既定の回数の更新が行われているかどうかや、結果がある基準をクリアしているかどうかで判断する。収束していないと判断した場合（ステップｓ１００７でＮＯ）はステップｓ１００８でｔ＝ｔ＋１とし、再度ステップｓ１００４−１〜ｓ１００４−Ｎに移る。収束したと判断した場合（ステップｓ１００７でＹＥＳ）はｐ_ｇｄ ^ｔから求められる最適ウェイトを出力して終了する。

マルチユーザＭＩＭＯダウンリンクにおけるユーザ信号分離検出方式である。特に、ユーザ端末は、そのサイズやコストの問題のために実装可能なアンテナ数が限定される。この場合、従来のＭＩＭＯ技術では基地局側をいくら高機能化しても、ユーザ端末のアンテナ数の制限によって、達成できる伝送速度には限界があった。マルチユーザＭＩＭＯ技術では、複数ユーザ端末への送信信号を同時に送信し、システム全体として見れば、仮想的に大規模なＭＩＭＯ通信路を構成することになり、システム全体では飛躍的な伝送速度の向上を見込むことができる。従来のＤＰＣ方式では、各ユーザ端末に於いて、受信アンテナ数が１本に限定されるが、本発明では、各ユーザ端末が複数の受信アンテナ数で受信することが可能であり、優れたビット誤り率特性を実現できる。基地局から各ユーザ端末へのダウンリンクに於いて、周波数利用効率の高いディジタル無線通信方式として利用可能性がある。

１０ 基地局
１１ Ｓ／Ｐ変換部
１２ プリコーディング部
１３ ユーザ選択部
１４−１〜１４−Ｎ_Ｔ 送信アンテナ
２０−１〜２０−Ｎ ユーザ端末
２１−１〜２１−ｎ_Ｒ ^（Ｎ） 受信アンテナ２１−１〜２１−ｎ_Ｒ ^（Ｎ）

Claims (4)

1. 複数の受信アンテナを備える受信装置に対してマルチユーザＭＩＭＯを行う基地局装置であって、
   １ユーザに最大ビームを確保した上でシステム全体のチャネル行列を三角化し、受信装置で生じるユーザ間干渉を各受信装置に対する送信情報を用いて予め除去するプリコーディングを行うプリコーディング部を備えること
   を特徴とする基地局装置。
2. 各受信装置のチャネル情報を用いて前記システム全体のチャネル行列の並べ替え、および、各受信装置に対する送信重みの生成を行うユーザ選択部をさらに備え、
   前記プリコーディング部は、前記並び換えた各受信装置に対して前記プリコーディングを行うこと
   を特徴とする請求項１に記載の基地局装置。
3. 前記ユーザ選択部は、システム通信路容量が最大となるように前記システム全体のチャネル行列の並べ替え、および、各受信装置に対する送信重みの生成を行うこと
   を特徴とする請求項２に記載の基地局装置。
4. 複数の受信アンテナを備える受信装置に対してマルチユーザＭＩＭＯを行う基地局装置における送信方法であって、
   １ユーザに最大ビームを確保した上で各受信装置を三角化し、受信装置で生じるユーザ間干渉を予め除去するプリコーディングを行うプリコーディング過程を備えること
   を特徴とする送信方法。

Images