JP2011518466A - フィードバックオーバーヘッド減少のための信号伝送方法及びこのためのフィードバック情報伝送方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フィードバックオーバーヘッド減少のための信号伝送方法及びこのためのフィードバック情報伝送方法を開示する。
【解決手段】プリコーディングを通して信号を伝送するにおいて、開ループ伝送モードが適用されるか、それとも閉ループ伝送モードが適用されるかによって互いに異なるように規定されたコードブックサブセットを用いることによって、フィードバックオーバヘッドを減少させる方法を提供する。このとき、各伝送モード別コードブックサブセットは、各伝送モード別に最適化されると仮定する。
【選択図】図２

Description

以下の説明は、多重アンテナ方式の無線通信システムに関するもので、より具体的に、プリコーディングのためのフィードバックオーバーヘッドを減少させるために効率的にコードブックサブセットを構成し、これを用いて信号を送受信する方法に関するものである。

最近、情報通信サービスの普遍化、多様なマルチメディアサービスの登場、及び高品質サービスの出現などにより、速い無線通信サービスに対する要求が急速に増大している。これに能動的に対処するためには通信システムの容量を増大させなければならないが、無線通信環境で通信容量を増加させるための方案としては、可用周波数帯域を新しく探し出す方法と、限定された資源に対する効率性を高める方法を考えることができる。このうち後者の方法としては、送受信機に多数のアンテナを装着し、資源活用のための空間的な領域を追加で確保することによってダイバーシティ利得を得たり、それぞれのアンテナを介してデータを並列に伝送することによって伝送容量を増加させる、いわゆるＭＩＭＯ送受信技術が最近大きな注目を受けながら活発に開発されている。

簡単に言えば、ＭＩＭＯは、「Ｍｕｌｔｉ―Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉ―Ｏｕｔｐｕｔ」の略語であって、今まで一つの送信アンテナと一つの受信アンテナを使用していたことから脱し、多重送信アンテナと多重受信アンテナを採択して送受信データ効率を向上させる方法をいう。すなわち、無線通信システムの送信端又は受信端で多重アンテナを使用し、容量増大又は性能改善を図る技術である。以下では、「ＭＩＭＯ」を「多重アンテナ」と称することにする。

要約すれば、多重アンテナ技術とは、一つのメッセージ全体を受信するために単一アンテナ経路に依存せずに、多くのアンテナを介して受信された断片的なデータ片を集めて完成する技術を応用したものである。これを通して、特定範囲でデータ伝送速度を向上させたり、特定データ伝送速度に対するシステムの範囲を増加させることができる。

次世代の移動通信は、既存の移動通信に比べて遥かに高いデータ伝送率を要求するので、効率的な多重アンテナ技術が必ず必要になると予想される。このような状況で、ＭＩＭＯ通信技術は、移動通信端末と中継器などに幅広く使用可能な次世代の移動通信技術であって、データ通信の拡大などにより、限界状況によって異なる移動通信の伝送量の限界を克服できる技術として関心を集めている。

一方、現在研究されている多様な伝送効率向上技術のうち、送／受信端の両方に多数のアンテナを使用する多重アンテナ（ＭＩＭＯ）技術は、追加的な周波数割り当てや電力増加なしに通信容量及び送受信性能を画期的に向上させる方法として現在最大の注目を受けている。

図１は、一般的な多重アンテナ（ＭＩＭＯ）通信システムの構成図である。

図１に示すように、送信アンテナの数をＮ_Ｔ個に、受信アンテナの数をＮ_Ｒ個に同時に増加させれば、送信機や受信機のみで多数のアンテナを使用する場合と異なり、アンテナの数に比例して理論的なチャンネル伝送容量が増加するので、伝送レートを向上させ、周波数効率を画期的に向上させることができる。チャンネル伝送容量の増加に伴い、伝送レートは、一つのアンテナを用いる場合の最大伝送レート（Ｒｏ）に次のようなレート増加率（Ｒｉ）を掛け算して得た値だけ理論的に増加するようになる。

すなわち、例えば、４個の送信アンテナと４個の受信アンテナを用いるＭＩＭＯ通信システムでは、単一アンテナシステムに比べて理論上４倍の伝送レートを獲得することができる。

このような多重アンテナシステムの理論的な容量増加が９０年代中半に証明されて以来、これを実質的なデータ伝送率向上へと導き出すための多様な技術が現在まで活発に研究されており、これらのうちいくつかの技術は、既に３世代移動通信と次世代無線ＬＡＮなどの多様な無線通信の標準に反映されている。

現在までの多重アンテナと関連した研究動向を見れば、多様なチャンネル環境及び多重接続環境での多重アンテナ通信容量計算などと関連した情報理論側面研究、多重アンテナシステムの無線チャンネル測定及び模型導出研究、そして、伝送信頼度向上及び伝送率向上のための時空間信号処理技術研究などの多様な観点で活発な研究が進行されている。

このような多重アンテナの技術は、多様なチャンネル経路を通過した各シンボルを用いて伝送信頼度を高める空間ダイバーシティ方式と、多数の送信アンテナを用いて多数のデータシンボルを同時に送信して伝送率を向上させる空間マルチプレクシング方式に分けることができる。また、最近、このような二つの方式を適切に結合し、それぞれの長所を適切に得ようとする方式に対する研究も大いに進行されている。

以下、それぞれの方式についてより具体的に説明する。

第一に、空間ダイバーシティ方式の場合、時空間ブロック符号系列方式と、ダイバーシティ利得と符号化利得を同時に用いる時空間トレリス符号系列方式がある。一般的に、トレリス符号系列方式がビットエラー率改善性能と符号生成自由度の面で優れているが、演算複雑度の面では時空間ブロック符号系列方式が簡単である。このような空間ダイバーシティー利得は、送信アンテナの数（Ｎ_Ｔ）と受信アンテナの数（Ｎ_Ｒ）の積（Ｎ_Ｔ×Ｎ_Ｒ）に該当する量を得ることができる。

第二に、空間マルチプレクシング技法は、各送信アンテナで互いに異なるデータ列を送信する方法であるが、このとき、受信機では、送信機から同時に伝送されたデータ間に相互干渉が発生するようになる。受信機では、この干渉を適切な信号処理技法を用いて除去した後、データを受信する。ここで使用される雑音除去方式のための受信機としては、最大尤度受信機、ＺＦ受信機、ＭＭＳＥ受信機、Ｄ―ＢＬＡＳＴ、Ｖ―ＢＬＡＳＴなどがあり、特に、送信端でチャンネル情報を知ることができる場合、ＳＶＤ（ｓｉｎｇｕｌａｒ ｖａｌｕｅ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）方式などを使用することができる。

第三に、空間ダイバーシティと空間マルチプレクシングが結合された技法を挙げることができる。空間ダイバーシティ利得のみを得る場合、ダイバーシティ次数の増加による性能改善利得が漸次飽和され、空間マルチプレクシング利得のみを得る場合、無線チャンネルでの伝送信頼度が低下する。これを解決しながら二つの利得をいずれも得る方式、例えば、時空間ブロック符号（Ｄｏｕｂｌｅ―ＳＴＴＤ）、時空間ＢＩＣＭ（ＳＴＢＩＣＭ）などの方式が研究されてきた。

上述した多重アンテナシステムで、送信端は、送信データにプリコーディングを行い、このデータを伝送するようになり、受信端では、送信端で用いたプリコーディングベクトルを用いて信号を受信するようになる。

一方、上述したプリコーディングを行うためのプリコーディングベクトルとしては、送受信端の両側でコードブックの形態で予め規定されている各プリコーディングベクトルのうちいずれか一つのプリコーディングベクトルを用いるようになる。このとき、送信側が用いるプリコーディングベクトルが受信側からのフィードバック情報を要求するかどうかによって、送信側の送信方式は、開ループ伝送方式と閉ループ伝送方式に区分される。

開ループ伝送方式の場合、送信側は、受信側のフィードバック情報なしにプリコーディングベクトルを選択し、信号を伝送する。これと異なり、閉ループ伝送方式の場合、受信側では、受信信号によって予め規定されたコードブックのうち特定プリコーディングベクトルを指示し、これによるチャンネル情報などをフィードバックするようになり、送信側では、このようなフィードバック信号を用いて信号を送信するようになる。

上述した開ループ伝送方式と閉ループ伝送方式は、それぞれによって要求される性能が異なり得る。しかし、現在までは、開ループ伝送方式と閉ループ伝送方式によって別途のコードブックサブセットを規定していない。これによって、閉ループ方式では、受信側のフィードバック情報は、コードブックを含む全体のプリコーディング行列のうち用いられるプリコーディング行列を示すために大きな情報大きさを用いなければならず、その結果、オーバーヘッドが発生するようになる。

上述したような課題を解決するために、本発明の一側面では、開ループ伝送方式と閉ループ伝送方式に対して別途のコードブックサブセットを規定し、上述したフィードバックオーバーヘッドを減少させる方法を提供しようとする。

また、各伝送モードに対するコードブックサブセットは、各伝送モードの特性によって決定されなければならず、本発明の一側面では、既存のコードブック規定から各伝送モード別に用いられるサブセットを効率的に選択する方法を提供しようとする。

上述したような課題を解決するための本発明の一側面では、送受信側間に予め決定されたコードブックから所定プリコーディング行列を選択し、前記選択されたプリコーディング行列を用いて送信信号にプリコーディングを行うことを含み、前記選択されたプリコーディング行列は、前記送信側が開ループ伝送方式又は閉ループ伝送方式のうちいずれの方式を用いるかによって前記コードブックの互いに異なるサブセットから選択されることを特徴とする信号伝送方法を提供する。

このとき、前記送信側が２個の伝送アンテナを用いて信号を伝送する場合、前記コードブックは、

を用いることができる。

また、前記送信側が閉ループ伝送方式を用いる場合、前記送信側は、前記コードブックのうちランク２である場合のインデックス０に対応するプリコーディング行列を用いないことがあり、前記送信側が前記開ループ伝送方式を用いる場合、前記プリコーディング段階では、固定されたいずれか一つのプリコーディング行列、望ましくは

を用いることができる。

すなわち、本実施形態によれば、前記送信側が２個の伝送アンテナを用いて信号を伝送し、前記送信側が前記閉ループ伝送方式を用いる場合、前記プリコーディング段階で用いられるプリコーディング行列は、

のようなサブセットから選択されるものである。

また、前記送信側が前記閉ループ伝送方式を用いる場合、前記信号伝送方法は、前記受信側からプリコーディング行列選択のためのフィードバック情報を受信することをさらに含み、前記フィードバック情報は、ランク２である場合に対しては２ビットの長さを有し、ランク１である場合に対しては１ビットの長さを有することができる。

一方、上述したような課題を解決するための本発明の他の一側面では、受信信号によって送受信側間に予め決定されたコードブックから前記送信側が用いる所定プリコーディング行列に対する情報を生成し、前記生成されたプリコーディング行列情報を前記送信側に伝送することを含み、前記コードブックは、閉ループ伝送方式が用いられる場合と開ループ伝送方式が用いられる場合に互いに異なるサブセットを用いるように設定され、前記プリコーディング行列に対する情報は、前記コードブックのうち前記閉ループ伝送方式が用いられる場合に用いることができるサブセット内の特定プリコーディング行列を示すように設定されることを特徴とするフィードバック情報伝送方法を提供する。

このとき、前記送信側が２個の伝送アンテナを用いて信号を伝送する場合、前記コードブックは、

を用いることができ、前記閉ループ伝送方式が用いられる場合に用いることができるサブセットは、前記コードブックのうちランク２である場合のインデックス０に対応するプリコーディング行列を除いたものである。

併せて、前記プリコーディング行列に対する情報は、ランク２である場合に対しては２ビットの長さを有し、ランク１である場合に対しては１ビットの長さを有することができる。

上述したような本発明の各実施形態によれば、送信側が開ループ伝送方式を用いるか、それとも閉ループ伝送方式を用いるかによって互いに異なるコードブックサブセットを用いることによって、フィードバックオーバーヘッドを減少させることができ、各伝送モード別に最適化されたコードブックサブセットを用いることによってシステム性能を向上させることができる。

一般的な多重アンテナ（ＭＩＭＯ）通信システムの構成図である。 本発明の一実施形態によって伝送モード別にコードブックサブセットを設定して用いる方法の概念を説明するための図である。

以下、本発明に係る好適な実施形態を添付の図面を参照して詳細に説明する。添付の図面と共に以下で開示する詳細な説明は、本発明の例示的な実施形態を説明するためのもので、本発明が実施され得る唯一の実施形態を示すためのものではない。

以下の詳細な説明は、本発明の完全な理解を提供するために具体的な詳細事項を含む。しかし、当業者であれば、本発明がこのような具体的な詳細事項なしにも実施され得ることを知ることができる。いくつかの場合、本発明の概念が曖昧になることを避けるために、公知の構造及び装置が省略されたり、各構造及び装置の核心機能を中心にしたブロック図の形式で示される。また、本明細書全般にわたって同一の構成要素については、同一の図面符号を使用して説明する。

上述したように、本発明の一側面では、開ループ伝送方式と閉ループ伝送方式に対して異なる要求条件が存在することを認識し、各伝送モード別に別途のコードブックサブセットを規定してフィードバックオーバーヘッドを減少させる方法を提供しようとする。このために、以下では、現在３ＧＰＰ ＬＴＥシステムで規定されたコードブックの、例えば、各伝送モード別に別途のコードブックサブセットを用いる方法を説明する。ただし、以下で説明する方法は、３ＧＰＰ ＬＴＥシステムのみならず、プリコーディングを通して信号を送信側が伝送し、開ループ方式又は閉ループ方式を選択的に適用できる任意のシステムに適用される。

現在の３ＧＰＰ ＬＴＥシステムで、２伝送アンテナ（２Ｔｘ）コードブックは、次のように規定されている。

前記表１に示すように、２Ｔｘコードブックは、ランク１伝送に対して６個のベクトルを含み、ランク２伝送に対して３個の行列を含んでいる。ランク適用が半静的（Ｓｅｍｉｓｔａｔｉｃ）な方式で行われると仮定する場合、ランク１に対して３ビットのフィードバックオーバーヘッドが必要になり、ランク２に対して２ビットのフィードバックオーバーヘッドが必要になる。ここで、「プリコーディングベクトル」は、「プリコーディング行列」のうち列の個数が１個である特定の場合に該当するが、以下では、混同がない限り、プリコーディング行列と総称することにする。

ただし、前記表１のようなコードブックのうち特定行列は、システム運営側面で閉ループ伝送に適切でないものがある。例えば、ランク１に対するアンテナ選択行列、すなわち、前記表１のランク１に対するインデックス０及びインデックス１の行列のようなアンテナ選択行列は、具現されることが不適切である。また、ランク２に対してインデックス１に対応する行列、すなわち、単位行列は、閉ループシステムで如何なるプリコーディング利得も与えないので適切でない。しかし、上述した単位行列は、相関環境下でビームを形成しないので、開ループ状況で空間多重化利得を提供することができる。

本発明の発明者は、上述したように、各伝送モード別に適切でないプリコーディング行列が存在することを認識し、各伝送モード別に別途のコードブックサブセットを用いることによってフィードバックオーバーヘッドを減少させる方法を提案する。特に、フィードバック情報は、閉ループ伝送方式のみで必要であるので、以下では、これについて重点的に説明する。

上述したような説明に基づいて本発明の一実施形態によって提案されたコードブックは、次に示す通りである。

すなわち、前記表１のコードブックに比べて、前記表２のコードブックは、開ループ伝送方式及び閉ループ伝送方式のうちいずれの伝送モードでも用いられることが適切でない、ランク１に対するインデックス０及び１に対応するアンテナ選択行列を除去したものに該当する。ただし、本発明の好適な一実施形態では、前記表２のコードブックのうちランク２に対するインデックス０の単位行列は、開ループ伝送方式のみに用いられるように設定する。すなわち、開ループ伝送モードでは、受信側からのフィードバックなしに、送信側は、前記表２のランク２に対するインデックス０の行列をプリコーディング行列として固定的に用いることができる。したがって、閉ループシステムで用いられるコードブックサブセットは、次のように示すことができる。

前記表３を通して分かるように、閉ループシステムで用いられるコードブックサブセットは、ランク１に対して４個のプリコーディング行列を含み、ランク２に対して２個のプリコーディング行列を含むようになる。したがって、受信側は、ランク１に対して２ビットのフィードバック情報を必要とし、ランク２に対して１ビットのフィードバック情報を必要とする。また、行列

は、プリコーディングインデックスフィードバックなしに固定されたプリコーディング行列であって、開ループ伝送モードで用いられる。

以下、上述したような本発明の一実施形態を整理して説明する。

図２は、本発明の一実施形態によって伝送モード別にコードブックサブセットを設定して用いる方法の概念を説明するための図である。

図２の左側に示すように、現在用いられるコードブックのうちいずれの伝送モードでも用いられることが適切でないプリコーディング行列は、コードブック自体から除去することができる。本発明の一実施形態では、ランク１のインデックス０及び１に対応するアンテナ選択行列を除去することを例として挙げた。このように不必要なプリコーディング行列を除去したコードブックは、図２の右側に示す通りである。

ただし、本実施形態では、このように不必要なプリコーディング行列を除去したコードブックのうち各伝送モード別に適切でないプリコーディング行列が存在することにより、各伝送モード別に別途のコードブックサブセットを規定して用いることを提案した。図２では、ランク２に対するインデックス０に対応する単位行列を開ループ伝送モードで固定されたプリコーディング行列として用い、閉ループ伝送方式に対しては、これを除去して用いることを示している。これを通して、閉ループ伝送方式で、受信端は、ランク１に対して２ビット、ランク２に対して１ビットのフィードバックを通して用いられるプリコーディング行列を示すことができる。

一方、一般的に、多重アンテナシステムで、レイヤは、多重アンテナを介して同時に伝送される互いに異なる情報をそれぞれ称し、ランクは、互いに独立的なチャンネルの個数を意味するようになる。厳密に言えば、Ｎ_Ｔ個の送信アンテナとＮ_Ｒ個の受信アンテナを用いてチャンネル（Ｈ）を介して信号を伝送する多重アンテナシステムでは、「＃ ｏｆ Ｌａｙｅｒ≦Ｒａｎｋ（Ｈ）≦ｍｉｎ（Ｎ_Ｔ，Ｎ_Ｒ）」のような関係が満足するようになるが、本説明での前記表２、表３、及び図２では、ランクの個数がレイヤの個数に対応すると仮定する。これによって、前記表２及び表３のランクの個数をレイヤの個数にそれぞれ変えて表現すれば、次に示す通りである。

前記表４及び表５は、それぞれ前記表２及び表３に対応する。

上述した実施形態では、ランク２に対するフィードバック情報の量を２ビットから１ビットに減少させることを説明したが、システムによって、各ランク当たりのフィードバック情報の数が同一であることが望ましい場合も存在する。この場合、本発明の他の一実施形態では、ランク２に対するフィードバック情報のビット数を２ビットに維持しながら、残り場合の数を用いて付加情報を伝送する方法を提案する。このとき、伝送可能な付加情報は、インデックス０とインデックス１の列スワッピングバージョン（ｃｏｌｕｍｎ ｓｗａｐｐｉｎｇ ｖｅｒｓｉｏｎ）情報、強いストリーム指示子などになり得る。

上述したように開示された本発明の好適な実施形態に対する詳細な説明は、当業者が本発明を具現して実施できるように提供された。上記では、本発明の好適な実施形態を参照して説明したが、該当技術分野の熟練した当業者であれば、下記の特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域から逸脱しない範囲内で本発明を多様に修正及び変更可能であることを理解できるであろう。したがって、本発明は、ここに示した各実施形態に制限されるものでなく、ここで開示された原理及び新規の特徴と一致する最広の範囲を与えるものである。

上述したような本発明の各実施形態に係る信号伝送方法及びフィードバック情報伝送方法によれば、各伝送モード別に別途に規定されたコードブックサブセットを用いることによってフィードバック情報オーバーヘッドを減少させることができ、各伝送モード別に最適化されたプリコーディングを行うことができる。このような方式が、上述した３ＧＰＰ ＬＴＥシステムのみならず、プリコーディングを用いる多重アンテナシステムで開ループ伝送モードと閉ループ伝送モードが選択的に適用される任意の通信システムに同一の原理によって適用され得ることは当業者にとって自明である。

Claims (11)

1. 送受信側間に予め決定されたコードブックから所定プリコーディング行列を選択し、
   前記選択されたプリコーディング行列を用いて送信信号にプリコーディングを行うことを含み、
   前記選択されたプリコーディング行列は、前記送信側が開ループ伝送方式又は閉ループ伝送方式のうちいずれの方式を用いるかによって、前記コードブックの互いに異なるサブセットから選択されることを特徴とする信号伝送方法。
2. 前記送信側が２個の伝送アンテナを用いて信号を伝送する場合、
   前記コードブックは、
   を用いる、請求項１に記載の信号伝送方法。
3. 前記送信側が前記閉ループ伝送方式を用いる場合、
   前記送信側は、前記コードブックのうちランク２である場合のインデックス０に対応するプリコーディング行列を用いない、請求項２に記載の信号伝送方法。
4. 前記送信側が前記開ループ伝送方式を用いる場合、
   前記プリコーディング段階では、固定されたいずれか一つのプリコーディング行列が用いられる、請求項２に記載の信号伝送方法。
5. 前記固定されたいずれか一つのプリコーディング行列は、
   である、請求項４に記載の信号伝送方法。
6. 前記送信側が２個の伝送アンテナを用いて信号を伝送し、前記送信側が前記閉ループ伝送方式を用いる場合、
   前記プリコーディング段階で用いられるプリコーディング行列は、
   のようなサブセットから選択される、請求項１に記載の信号伝送方法。
7. 前記送信側が前記閉ループ伝送方式を用いる場合、前記信号伝送方法は、
   前記受信側からプリコーディング行列選択のためのフィードバック情報を受信することをさらに含み、
   前記フィードバック情報は、ランク２である場合に対して２ビットの長さを有し、ランク１である場合に対して１ビットの長さを有する、請求項１に記載の信号伝送方法。
8. 受信信号によって送受信側間に予め決定されたコードブックから前記送信側が用いる所定プリコーディング行列に対する情報を生成し、
   前記生成されたプリコーディング行列情報を前記送信側に伝送することを含み、
   前記コードブックは、閉ループ伝送方式が用いられる場合と開ループ伝送方式が用いられる場合に互いに異なるサブセットを用いるように設定され、
   前記プリコーディング行列に対する情報は、前記コードブックのうち前記閉ループ伝送方式が用いられる場合に用いることができるサブセット内の特定プリコーディング行列を示すように設定されることを特徴とするフィードバック情報伝送方法。
9. 前記送信側が２個の伝送アンテナを用いて信号を伝送する場合、
   前記コードブックは、
   を用いる、請求項８に記載のフィードバック情報伝送方法。
10. 前記閉ループ伝送方式が用いられる場合に用いることができるサブセットは、前記コードブックのうちランク２である場合のインデックス０に対応するプリコーディング行列を除いたものである、請求項９に記載のフィードバック情報伝送方法。
11. 前記プリコーディング行列に対する情報は、ランク２である場合に対して２ビットの長さを有し、ランク１である場合に対して１ビットの長さを有する、請求項１０に記載のフィードバック情報伝送方法。