JP2012523744A - 最適化されたランク3コードブックを用いたアップリンク信号送受信 - Google Patents

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Abstract

【課題】アップリンクランク3伝送に用いられるコードブックにおいて適切な個数のプリコーディング行列を選択し、各プリコーディング行列間のコーダル距離を最大にするようコードブックを設計する。
【解決手段】最適化されたランク3コードブックを用いて、アップリンク信号を送信し、受信する方法を示す。最適化されたランク3コードブックは、6個のプリコーディング行列グループを有し、それぞれは、大きさ1の1つの変数を有する。好適には、最適化された4Txランク3コードブックは、12個のプリコーディング行列を有し、2つのプリコーディング行列は、コーダル距離とプリコーディング行列の数を考慮して、上記6個のプリコーディング行列グループから選択される。
【選択図】図16

Description

本発明は、無線移動通信システムに関するもので、特に、MIMO方式を使用するシステムに関するものである。
MIMO(Multi―Input Multi―Output)は、複数の送信アンテナと複数の受信アンテナを使用する方法であって、この方法によってデータの送受信効率を向上させることができる。すなわち、無線通信システムの送信端又は受信端で複数のアンテナを使用することによって、容量を増大させ、性能を向上させることができる。以下、本文献では、MIMOを「多重アンテナ」と称することができる。
多重アンテナ技術では、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しない。その代わりに、多重アンテナ技術では、多くのアンテナを介して受信されたデータの断片を一ヶ所に集めて統合することによってデータを完成する。多重アンテナ技術を使用すると、特定サイズのセル領域内でデータ伝送速度を向上させたり、又は特定データ伝送速度を保障しながらシステムカバレッジを増加させることができる。また、この技術は、移動通信端末と中継器などに幅広く使用することができる。多重アンテナ技術によると、単一アンテナを使用していた従来技術による移動通信での伝送量の限界を克服することができる。
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。
送信端にはNT個の送信アンテナが設置されており、受信端にはNR個の受信アンテナが設置されている。このように送信端及び受信端に複数のアンテナを使用する場合、送信端及び受信端のうちいずれか一つのみに複数のアンテナを使用する場合に比べて理論的なチャンネル伝送容量が増加する。チャンネル伝送容量の増加はアンテナの数に比例する。したがって、伝送レートが向上し、周波数効率が向上する。一つのアンテナを用いる場合の最大伝送レートをRoとする場合、多重アンテナを使用するときの伝送レートは、理論的に、前記Roに次のようなレート増加率Riを掛けた分だけ増加し得る。
Figure 2012523744
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的に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容量増加が90年代中頃に証明されて以来、実質的にデータ伝送率を向上させる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。
多重アンテナ技術は、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(又は伝送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キシング方式とに分けることができる。また、このような二つの方式を適宜結合し、それぞれの長所を得ることができる。
多重アンテナ技術と関連して、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に関する研究、多重アンテナシステムの無線チャンネル測定及びモデル化の研究、及び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に研究が進められている。
現在、3GPP LTE(3rd Generation Partnership Project Long Term Evolution)システムでは、ダウンリンク信号伝送に限って上述したMIMO方式を適用している。アップリンク信号伝送にもMIMO方式を使用できるが、この場合、MIMO具現のために送信端の構造が変更されることによって、PAPR(Peak power to Average Power Ratio)又はCM(cubic metric)特性が悪化するおそれがある。したがって、アップリンク信号伝送にMIMO方式を効率的に適用するための技術が必要である。
特に、アップリンクランク3伝送に用いられるコードブックにおいて適切な個数のプリコーディング行列を選択すると同時に、各プリコーディング行列間のコーダル距離(Chordal Distance)を最大にするコードブックの設計が要求される。
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、端末がアップリンク信号を4個のアンテナを用いて伝送する方法において、前記アップリンク信号を3個のレイヤーにマッピングすること;前記3個のレイヤー信号のそれぞれにDFT(Discrete Fourier Transform)拡散を行うこと;予め格納されたコードブックから選択された特定プリコーディング行列を用いて前記DFT拡散が行われた3個のレイヤー信号をプリコーディングすること;前記のプリコーディングされた信号にSC―FDMAシンボル構成のための処理を行うこと;及び前記SC―FDMAシンボルを前記4個のアンテナを介して基地局に伝送することを含み、前記予め格納されたコードブックは、
Figure 2012523744
のそれぞれに所定定数が掛けられた形態を有する6個のプリコーディング行列グループで構成されるアップリンク信号伝送方法を提案する(ここで、Xは、大きさ1の複素変数である)。
前記予め格納されたコードブックは、前記6個のプリコーディング行列グループのそれぞれで2個のプリコーディング行列を含むことができ、より具体的に、前記予め格納されたコードブックは、前記6個のプリコーディング行列グループのそれぞれで前記Xが複素平面上で180°の位相差を有する2個のプリコーディング行列を含むことができる。より具体的に、前記予め格納されたコードブックは、前記6個のプリコーディング行列グループのそれぞれで前記Xが1であるプリコーディング行列及び前記Xが−1であるプリコーディング行列を含むことができる。
望ましく、前記予め格納されたコードブックは、
Figure 2012523744
の様な12個のプリコーディング行列のそれぞれに前記所定定数が掛けられたプリコーディング行列で構成することができる。
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、多重アンテナを介してアップリンクで信号を伝送する端末装置において、信号送受信用の4個アンテナ;3個のレイヤー信号を前記4個のアンテナを介して伝送するのに用いられるコードブックを格納するメモリ;及び前記多重アンテナ及び前記メモリと連結されて前記アップリンク信号伝送を処理するプロセッサを含み、前記プロセッサは、前記アップリンク信号を前記3個のレイヤーにマッピングするレイヤーマッパー;前記3個のレイヤー信号のそれぞれにDFT(Discrete Fourier Transform)拡散を行うDFTモジュール;前記メモリに格納されたコードブックから選択された特定プリコーディング行列を用いて前記DFTモジュールからそれぞれDFT拡散が行われて入力された前記3個のレイヤー信号をプリコーディングするプリコーダ;及び前記のプリコーディングされた信号にSC―FDMAシンボル構成のための処理を行い、前記の処理された信号を前記4個のアンテナを介して基地局に伝送する伝送モジュールを含み、前記予め格納されたコードブックは、
Figure 2012523744
のそれぞれに所定定数が掛けられた形態を有する6個のプリコーディング行列グループで構成される端末装置を提案する(ここで、Xは、大きさ1の複素変数である)。
前記メモリは、前記コードブックとして前記6個のプリコーディング行列グループのそれぞれで2個のプリコーディング行列を格納することができ、具体的に、前記メモリは、前記コードブックとして、前記6個のプリコーディング行列グループのそれぞれで前記Xが複素平面上で180°の位相差を有する2個のプリコーディング行列を格納することができる。より具体的に、前記メモリは、前記コードブックとして、前記6個のプリコーディング行列グループのそれぞれで前記Xが1であるプリコーディング行列及び前記Xが−1であるプリコーディング行列を格納することができる。
望ましく、前記メモリは、前記コードブックとして
Figure 2012523744
の様な12個のプリコーディング行列のそれぞれに前記所定定数が掛けられた各プリコーディング行列を格納することができる。
上述したような課題を解決するための本発明の更に他の一側面では、基地局が端末のアップリンク信号を受信する方法において、前記端末から4個のアンテナ、3個のレイヤーを用いて伝送された信号を受信すること;及び予め格納されたコードブックから選択された特定プリコーディング行列を用いて前記受信信号を処理することを含み、前記予め格納されたコードブックは、
Figure 2012523744
のそれぞれに所定定数が掛けられた形態を有する6個のプリコーディング行列グループで構成されるアップリンク信号受信方法を提案する(ここで、Xは、大きさ1の複素変数である)。
前記予め格納されたコードブックは、
Figure 2012523744
の様な12個のプリコーディング行列のそれぞれに前記所定定数が掛けられたプリコーディング行列で構成することができる。
併せて、上述したような課題を解決するための本発明の更に他の一側面では、端末のアップリンク信号を受信する基地局装置において、信号送受信用のアンテナ;前記4個のアンテナを介して伝送された3個のレイヤー信号を受信するのに用いられるコードブックを格納するメモリ;及び前記アンテナ及び前記メモリと連結されて前記アップリンク信号受信を処理するプロセッサを含み、前記プロセッサは、前記メモリに格納されたコードブックから選択された特定プリコーディング行列を用いて前記受信信号を処理するように構成され、前記コードブックは、
Figure 2012523744
のそれぞれに所定定数が掛けられた形態を有する6個のプリコーディング行列グループで構成される基地局装置を提案する(ここで、Xは、大きさ1の複素変数である)。
望ましく、前記メモリは、前記コードブックとして
Figure 2012523744
の様な12個のプリコーディング行列のそれぞれに前記所定定数が掛けられたプリコーディング行列を格納することができる。
上述したような最適化された4Txランク3コードブックを用いてアップリンク信号を送受信することによって、少ないシグナリングオーバーヘッドでチャンネル状況を多様に反映することによってアップリンク信号を伝送することができ、PAPR問題も解決することができる。
一般的な多重アンテナ(MIMO)通信システムの構成図である。 MIMOを使用する送信端の一般的な構造を示した図である。 図2をより詳細に示した図である。 各レイヤーの情報がプリコーディングされ、このプリコーディングされた情報がアンテナを介して伝送される過程を示した図である。 一般的なSC―FDMA方式を説明するための図である。 コードワードが多数のレイヤーにマッピングされる方法を例示した図である。 本発明の一実施例として、アンテナ別にCM値を増加させないように、コードワード―レイヤーマッピングが行われた後、レイヤー別にDFTを行う方法を示した図である。 コーダル距離の概念を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る6個のプリコーディング行列グループ間のコーダル距離関係を示した図である。 同一のプリコーディング行列グループ内の最大コーダル距離を有するための変数条件を説明するための図である。 同一のプリコーディング行列グループ内のプリコーディング行列の変数がQPSKアルファベットを有する場合のコーダル距離関係を説明するための図である。 一般的な基地局と端末の構成を説明するための図である。 3GPP LTEシステムでのアップリンク信号伝送のためのSC―FDMA方式とダウンリンク信号伝送のためのOFDMA方式を説明するための図である。 3GPP LTEシステムでのアップリンク信号伝送のためのSC―FDMA方式とダウンリンク信号伝送のためのOFDMA方式を説明するための図である。 3GPP LTEシステムでのアップリンク信号伝送のためのSC―FDMA方式とダウンリンク信号伝送のためのOFDMA方式を説明するための図である。 本発明の好適な一実施形態に係る端末のプロセッサの構成を具体的に示した図である。
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あって、本発明が実施され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促進するために具体的な細部事項を含む。しかし、当業者は、本発明がこのような具体的な細部事項がなくても実施され得ることを理解するだろう。例えば、以下では、一定の用語を中心に説明するが、これら用語に限定される必要はなく、任意の用語として称される場合にも同一の意味を示すことができる。また、本明細書全体にわたって同一又は類似する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。
PAPR(Peak power to Average Power Ratio)は、波形の特性を示すパラメーターである。この値は、波形の最大振幅を波形の時間平均されたRMS(Root Mean Square)値で割った値であって、無次元(dimensionless)値である。一般に、単一キャリア信号のPAPRは、マルチキャリア信号のPAPRよりも良好である。
LTE―Advancedでは、良好なCM特性を維持するためにSC―FDMA(single carrier―frequency division multiple access)を使用してMIMO(multiple input multiple output)を具現することができる。一般的なプリコーディングを使用すると、一つのアンテナを介して多数のレイヤーに該当する情報を載せた信号が多重化されて伝送されるので、このアンテナを介して伝送される信号は、一種のマルチキャリア信号と見なすことができる。PAPRは、送信側で電力増幅器がサポートすべきダイナミックレンジ(dynamic range)と関連しており、CM(Cubic Metric)値はPAPRの代替として使用可能な他の数値である。
図2は、MIMOを使用する送信端の一般的な構造を示した図である。
1個又は多数のコードワードは、多数のレイヤーにマッピングされる。マッピングされた情報は、プリコーディングによって各物理アンテナにマッピングされて伝送される。
図3は、図2をより詳細に示した図である。
「コードワード」は、データ情報に各CRC(Cyclic Redundancy Check)ビットを添付した後、これらを特定コーディング方式で符号化したものをいう。コーディング方式としては、ターボコード(turbo code)、テールバイティング畳み込みコード(tail biting convolution code)の他に様々なコーディング方式が存在する。各コードワードは一つ以上の(仮想)レイヤーにマッピングされ、このとき、マッピングされるレイヤーの全体個数はランク値になる。すなわち、送信ランクが3であると、伝送されるレイヤーの個数は合計3個になる。各レイヤーにマッピングされた情報は、プリコーディングを経る。ここで、レイヤーにマッピングされているデータ情報は、プリコーディングを通して物理レイヤーにマッピングされる(ここで、「レイヤー」は、特別に物理レイヤーと称されない限り、仮想レイヤーを意味する)。各物理レイヤーを通して各アンテナに情報が伝達される。図3では、他の言及がない限り、プリコーディングは周波数領域で行われ、物理レイヤーにマッピングされた情報にはOFDM情報伝送方式が使用される。物理レイヤーにマッピングされた情報が特定周波数領域にマッピングされた後、この情報にはIFFT演算が行われ、その後にサイクリック・プレフィックスが付着される。その後、RFチェーン(chain)を通して各アンテナに情報が伝達される。
プリコーディングは、行列を掛ける方式で行うことができる。この行列で、行の個数は、物理レイヤーの個数、すなわち、アンテナの個数と同一であり、列の個数はランク値と同一である。また、ランク値がレイヤーの個数と同一であるので、列の個数はレイヤーの個数と同一である。数学式2を参照すると、(仮想)レイヤーにマッピングされた情報はx1、x2であり、4×2行列の各要素pijは、プリコーディングに使用される加重値(weight)である。そして、y1、y2、y3、y4は、物理レイヤーにマッピングされる情報であって、各OFDM伝送方式を使用して各アンテナ別に伝送される。
Figure 2012523744
以下では、混同しない限り、仮想レイヤーを「レイヤー」と称し、プリコーディングによって仮想レイヤー信号を物理レイヤーにマッピングすることは、直ぐにレイヤーをアンテナにマッピングすることと見なす。
プリコーディングは、大きく二つの方法、すなわち、広帯域プリコーディングとサブバンドプリコーディングに分けることができる。
広帯域プリコーディングは、周波数領域でプリコーディングを行うとき、周波数領域に伝送される全ての情報に同一のプリコーディング行列を使用する方法をいう。
図4は、各レイヤーの情報がプリコーディングされた後、このプリコーディングされた情報がアンテナを介して伝送される過程を示した図である。
図4を参照すると、複数のレイヤーに該当する情報が各周波数領域のサブキャリア別にプリコーディングされ、このプリコーディングされた情報が各アンテナを介して伝送されることが分かる。このとき、広帯域プリコーディングの場合、使用するプリコーディング行列「P」がいずれも同一である。
サブバンドプリコーディングは、広帯域プリコーディングを拡張したもので、全てのサブキャリアに対して同一のプリコーディング行列を使用せず、サブキャリアごとに多数のプリコーディング行列を使用する方法をいう。すなわち、特定サブキャリアではプリコーディング行列「P」を使用し、他のサブキャリアではプリコーディング行列「M」を使用する方法をサブバンドプリコーディングという。ここで、PとMは、互いに異なる要素値を有している行列である。
アップリンク信号伝送の場合、ダウンリンク信号伝送に比べて相対的にPAPR又はCM特性に敏感である。これは、PAPR又はCMの増加によるフィルター値の上昇が、相対的に端末により致命的な問題をもたらすためである。したがって、アップリンク信号伝送には、一般にSC―FDMA方式が用いられている。
図5は、一般的なSC―FDMA方式を説明するための図である。
OFDM方式及びSC―FDMA方式は、図5に示すように、直列信号を並列信号に変換し、この並列信号をサブキャリアにマッピングし、このマッピングした信号にIDFT又はIFFT処理を行った後、この信号を再び直列信号に変換し、CP付着後にRFモジュールを通して信号を伝送するという側面で同一である。ただし、SC―FDMA方式の場合、並列信号を直列信号に変換した後、DFT拡散を行うことによって、以後のIDFT又はIFFT処理の影響を減少させ、単一信号の特性を一定水準以上に維持させることを特徴とする。
一方、アップリンク信号の伝送時にMIMO方式を適用する場合にCM値が悪化する理由を説明すると、CMが良好な多数の単一キャリア信号が同時に重畳される場合、重畳された信号のCM値は良好でないおそれがある。そのため、SC―FDMAシステムで、多数のレイヤーから出力される情報を、最大限少ない個数の単一キャリア信号及び一つの物理的アンテナを介して多重化して送信すると、良好なCMを有する送信信号を生成することができる。
送信しようとする情報に対してプリコーディングを行う前に、コードワード―レイヤーマッピングを経ることができる。SC―FDMA方式は、一般に1Txで使用されたので、レイヤーの個数が1個である。しかし、SC―FDMAでMIMOをサポートする場合は、レイヤーの個数が多数個になり、一つの伝送ブロックからなるコードワードは多数のレイヤーにマッピングすることができる。
図6は、コードワードが多数のレイヤーにマッピングされる方法を例示した図である。
図6によると、SC―FDMAのためのDFTが行われた後、コードワード―レイヤーマッピングが行われる場合、CM値が増加し得る。すなわち、DFTブロックから出力された信号は、IFFT処理以前に他の処理過程、すなわち、2個のレイヤーに分離される過程を経るので、CM値が増加し得る。
図7は、本発明の一実施例として、アンテナ別にCM値を増加させないように、コードワード―レイヤーマッピングが行われた後、レイヤー別にDFTを行う方法を示した図である。
そのため、ランク値によってレイヤーの個数別にDFTブロックの個数が可変する場合、CM値を低く維持することができる。すなわち、DFTブロックから出力された信号は、他の処理過程を経ずに直ちにIFFTブロックに入力されるので、CM値を低く維持することができる。実際に具現するときは、一つのDFTブロックを多数のレイヤーが共有することもできる。
また、アップリンク信号伝送にMIMO方式を用い、一つのアンテナを介して複数のレイヤー信号が伝送される場合も、PAPR又はCM特性が悪化するおそれがある。したがって、以下で説明する本発明の各実施形態では、一つのアンテナを介して一つのレイヤーのみが伝送されるように設定されたプリコーディング行列を用いるようにコードブックを設計することを提案する。また、適切な個数のプリコーディング行列を含み、コードブック内のプリコーディング行列間のコーダル距離を最大化するようにコードブックを設計する原理について説明する。
このために、以下では、まず、コーダル距離について説明し、アップリンクコードブック、特に4アンテナ、ランク3伝送に用いられるコードブックの設計方法及びこれを用いた信号送受信技法について説明する。
本発明の一実施形態では、下記の表1のような6個のプリコーディング行列グループを用いて4Tx、ランク3コードブックを生成することを提案する。下記の表1で、等価のプリコーディング行列は同一のSINR値を有するようになる。また、以下の実施形態では、ランク3伝送において、コードワード―レイヤーマッピングが図3に示すように行われると仮定する。すなわち、コードワード1はレイヤー1に、コードワード2はレイヤー2及び3にシンボル単位で均等に分散されてマッピングされると仮定する。
Figure 2012523744
実際にアップリンク信号の送受信に用いられるプリコーディング行列は、前記表1に示した各プリコーディング行列に特定定数が掛けられた形態を有するが、以下で特別な言及がない限り、便宜上、プリコーディング行列に掛けられる定数は省略する。
一方、特定列間の置換はSINR性能に影響を及ぼさないと仮定する。例えば、プリコーディング行列[C1,C2,C3]を[C1,C3,C2]に変更するとしても、これはコードワードスワッピングに過ぎなく、SINRを変えることはない。したがって、以下では、前記表1の6個のプリコーディング行列グループのそれぞれで「一般コードブック形式(General Codebook Form)」のみを説明し、等価プリコーディング行列については説明しない。
一方、前記表1に示した形態のコードブックは、各プリコーディング行列のX値によって多様なプリコーディング行列を含むことができる。X値が1、−1、j及び−jのようなQPSKアルファベットである場合、次のように示すことができる。
Figure 2012523744
Figure 2012523744
上述したようなプリコーディング行列全体を4TX、ランク3コードブックとして用いる方法も可能である。ただし、本発明の好適な一実施形態では、コーダル距離の概念を用いてコードブック内のプリコーディング行列間の最大のコーダル距離を有しながら、最適化された個数のプリコーディング行列を含むコードブックの設計を提案する。
図8は、コーダル距離の概念を説明するための図である。
コーダル距離は、多様なコードブックセットの性能を比較する基準の一つとしてよく知られている。ここで、「コーダル」とは、円周に位置する2個の地点間の直線を示す。したがって、2次元の場合を仮定すると、コーダル距離は、図8に示すように(単位)円の円周上の2地点間の距離を示す。一般に、コーダル距離が互いに長い各プリコーディングを含むコードブックは、互いに異なるチャンネル状態で用いられる多様なプリコーディング行列を含むので望ましい。
4Txコードブックの場合、4次元のコーダル距離を考慮しなければならないので、次のような数学式を、コードブックセットを選択するためのコーダル距離として用いることができる。
Figure 2012523744
Figure 2012523744
Figure 2012523744
ここで、AとBは、各々、PとQに対する直交生成行列である。
上述したコーダル距離の概念を用いて、以下では、4個の伝送アンテナを用いるシステム(4Txシステム)のランク3に対する上述したコードブックの設計をより具体化してみる。
まず、上述した6個のプリコーディング行列グループの相互間のコーダル距離は、次のように計算することができる。
Figure 2012523744
Figure 2012523744
ここで、Xiは、グループiに属するプリコーディング行列を示す。
これを用いてグループ1のプリコーディング行列と他のグループのプリコーディング行列との間の差を示すと、次の通りである。
Figure 2012523744
また、グループ2のプリコーディング行列と他のグループのプリコーディング行列との間の差を示すと、次の通りである。
Figure 2012523744
また、グループ3のプリコーディング行列と他のグループのプリコーディング行列との間の差を示すと、次の通りである。
Figure 2012523744
また、グループ4のプリコーディング行列と他のグループのプリコーディング行列との間の差を示すと、次の通りである。
Figure 2012523744
最後に、グループ5のプリコーディング行列とグループ6のプリコーディング行列との間の差を示すと、次の通りである。
Figure 2012523744
前記数学式6〜10で、各変数は単位円内に位置することに注目する。また、前記数学式6〜10は次のように単純化することができる。
Figure 2012523744
Figure 2012523744
Figure 2012523744
Figure 2012523744
Figure 2012523744
Figure 2012523744
Figure 2012523744
図9は、本発明の一実施形態に係る6個のプリコーディング行列グループ間のコーダル距離の関係を示した図である。
図9に示した関係を用いて次のような整理を誘導することができる。
Figure 2012523744
一方、以下では、前記表2に示したプリコーディング行列グループ内のプリコーディング行列間のコーダル距離の関係について説明する。
まず、プリコーディング行列グループ1(Gr1)内の互いに異なるプリコーディング行列間のコーダル距離は、次の数学式14のように計算することができる。
Figure 2012523744
前記数学式15から、グループ1内の互いに異なるプリコーディング行列間のコーダル距離は、各プリコーディング行列の変数間の距離に比例することが分かる。したがって、下記の数学式16に示すように同一グループ内の最大コーダル距離は1になり得る。
Figure 2012523744
このような最大のコーダル距離を有するためには、各プリコーディング行列に含まれた変数が図10に示すような関係を満足しなければならない。
図10は、同一のプリコーディング行列グループ内の最大コーダル距離を有するための変数条件を説明するための図である。
すなわち、同一グループ内の180°の位相差を有する2個の変数を含むプリコーディング行列は、コーダル距離が1になり得る。このような原理は、グループ1以外の他のグループにも同一に適用することができ、次のような整理を誘導することができる。
<整理2>
前記表2で同一のプリコーディング行列グループ内の2個のプリコーディング行列間のコーダル距離は、これらプリコーディング行列の変数が互いに180°の位相差を有する場合、すなわち、互いに単位円の直径上に位置する場合に獲得することができる。
<整理2の証明>
前記数学式16を通して、グループ1で前記整理2が成立されることが分かり、他のグループに対しても同一の結論に至り得ることが分かる。
前記整理2の応用として、プリコーディング行列グループ1で前記整理2を満足するコードブックサブセットを次のように設計することができる。
Figure 2012523744
Figure 2012523744
ただし、上述したように最大のコーダル距離を有するように設計されるコードブックは、非常に少ない数のプリコーディング行列を含むことができる。したがって、以下で、各プリコーディング行列グループ内で変数がQPSKアルファベットである場合を仮定してコーダル距離の関係を整理すると、次に示す通りである。
Figure 2012523744
図11は、同一のプリコーディング行列グループ内のプリコーディング行列の変数がQPSKアルファベットを有する場合のコーダル距離の関係を説明するための図である。
前記数学式17及び図11を通して、次のような整理を誘導することができる。
Figure 2012523744
<整理3の証明>
前記数学式17を通して整理3を証明することができる。
Figure 2012523744
<コーダル距離を最大化する場合>
本実施形態では、前記整理1〜3から2個のプリコーディング行列間の最大コーダル距離が1である点を考慮し、コーダル距離1の関係を有するプリコーディング行列のみを含むコードブックを設計することを考慮する。
前記整理1から、6個のグループのうちコーダル距離1を満足する2個のプリコーディング行列グループを選択することができる。一実施例として、前記表1又は2のグループ1とグループ6を選択することができる。また、整理2又は3から、同一グループ内のコーダル距離が1であるプリコーディング行列は、変数が180°の位相差を有する2個のプリコーディング行列のみである。これによって、本例では、各グループで変数が(1,−1)の関係を有する2個のプリコーディング行列を選択することを仮定する。これによって生成されるコードブックは、次に示す通りである。
Figure 2012523744
<結論1>
前記表2で2個のプリコーディング行列間のコーダル距離1を満足するコードブックは、4個のプリコーディング行列を含む。
Figure 2012523744
Figure 2012523744
前記表5は、「コードブック・サブセット(Codebook Subset)」を示すもので、4アンテナシステムでの全てのランクに対するコードブックのうちランク3に対するサブセットの概念を示したものである。ランク3の観点のみで見ると、12個のプリコーディング行列を含むコードブックになり得る。
本実施形態に係る端末は、前記表5に示すようなランク3コードブックの各プリコーディング行列のうち特定プリコーディング行列(表5に電力制御のための所定定数が掛けられた形態)を選択し、これを用いてプリコーディングを行い、信号を伝送することができる。
一方、以下では、上述したように設計されたコードブックを用いてアップリンク信号を伝送する端末装置及びこの信号を受信する基地局装置について説明する。
図12は、一般的な基地局と端末の構成を説明するための図である。
一般に、基地局10は、プロセッサ11、メモリ12及びアップリンク信号の受信及びダウンリンク信号の伝送を行う送受信モジュールとしてのRFモジュール13を含む。プロセッサ11は、ダウンリンク信号の伝送のためにメモリ12に格納された情報、例えば、ダウンリンク信号伝送のためのコードブック内の特定プリコーディング行列を用いてダウンリンク信号の伝送を制御し、また、プリコーディングの逆過程として、アップリンク信号の受信のためにメモリ12に格納された情報、例えば、アップリンク信号に、端末20が用いたプリコーディング行列と同一のプリコーディング行列のエルミート(Hermitian)行列を掛けることによって信号受信過程を制御することができる。
端末20も、プロセッサ21、メモリ22及びアップリンク信号の伝送及びダウンリンク信号の受信のための送受信モジュールとしてのRFモジュール23を含むことができる。プロセッサ21は、アップリンク信号の伝送のためにメモリ22に格納された情報、例えば、アップリンク信号伝送のための上述した実施形態で説明したようなコードブック内の特定プリコーディング行列を用いてアップリンク信号の伝送を制御し、また、プリコーディングの逆過程として、ダウンリンク信号の受信のためにメモリ22に格納された情報、例えば、ダウンリンク信号に、端末20が用いたプリコーディング行列と同一のプリコーディング行列のエルミート行列を掛けることによって信号受信過程を制御することができる。
一方、上述した構成のうち端末20(又は基地局10)のプロセッサの構成、特に、SC―FDMA方式で信号を伝送するための構成についてより詳細に説明する。まず、3GPP LTEシステムでのSC―FDMA方式の信号伝送のためのプロセッサの構成と一般的なOFDM方式の信号伝送のためのプロセッサの構成を説明し、本発明の一実施形態によって、端末がMIMO方式と結合したSC―FDMA方式でアップリンク信号を伝送できるようにするプロセッサの構成について説明する。
図13〜図15は、GPP LTEシステムでのアップリンク信号伝送のためのSC―FDMA方式とダウンリンク信号伝送のためのOFDMA方式を説明するための図である。
まず、図13を参照すると、アップリンク信号の伝送のためのユーザー機器及びダウンリンク信号の伝送のための基地局は、直列―並列変換器(Serial―to―Parallel Converter)401、サブキャリアマッパー403、M―ポイントIDFTモジュール404及び並列―直列変換器(Parallel―to―Serial Converter)405などを含むという点で同一である。ただし、SC―FDMA方式で信号を伝送するためのユーザー機器は、N―ポイントDFTモジュール402をさらに含み、M―ポイントIDFTモジュール404のIDFT処理の影響を一定部分相殺することによって、伝送信号に単一搬送波特性を持たせることを特徴とする。
図14では、3GPP LTEシステム規格を規定しているTS 36.211に示したアップリンク信号処理過程のためのブロック図と、図13に示したSC―FDMA方式で信号を伝送するためのプロセッサの構成との関係を示している。TS 36.211によると、アップリンク信号の伝送のためにユーザー機器ごとに特定スクランブリングシーケンスを用いて伝送信号にスクランブリングを行い、このスクランブリングされた信号を変調することによって複素シンボルを生成する。その後、各複素シンボルにDFT拡散処理を行う変換プリコーディングを行うようになる。すなわち、TS 36.211で規定する変換プリコーダは、NポイントDFTモジュールに対応することができる。その後、このようにDFT拡散が行われた信号は、資源要素マッパーによって資源ブロック単位のマッピング規則に従って特定資源要素にマッピングされ、これは、図11でサブキャリアマッパーに対応することが分かる。このように資源要素にマッピングされた信号には、SC―FDMA信号生成モジュールによってMポイントIDFT又はIFFT処理が行われ、並列―直列変換が行われた後、CPが追加される過程が行われる。
一方、図14では、このような過程を経て基地局に伝送された信号を受信するための基地局のプロセッサの構成についても示している。
このように3GPP LTEシステムでのSC―FDMA伝送のためのプロセッサの構成は、MIMO方式を適用するための構成を含んでいない。したがって、まず、3GPP LTEシステムでのMIMO伝送のための基地局のプロセッサの構成について説明し、これを用いて端末がSC―FDMA方式とMIMO方式とを結合してアップリンク信号を伝送できるようにするプロセッサの構成については後で説明する。
図15は、3GPP LTEシステムでMIMO方式を用いて基地局がダウンリンク信号を伝送できるようにするプロセッサの構成を示している。
3GPP LTEシステムで、基地局は、ダウンリンクで一つ以上のコードワードを伝送することができる。したがって、一つ以上のコードワードは、それぞれ図14のアップリンクと同様に、スクランブリングモジュール301及び変調マッパー302を通して複素シンボルとして処理することができる、その後、複素シンボルは、レイヤーマッパー303によって複数のレイヤーにマッピングされ、各レイヤーは、プリコーディングモジュール304によってチャンネル状態に応じて選択された所定プリコーディング行列と掛けた後、各伝送アンテナに割り当てることができる。このように処理された各アンテナ別の伝送信号は、それぞれ資源要素マッパー305によって伝送に用いられる時間―周波数資源要素にマッピングし、その後、OFDM信号生成器306を経て各アンテナを介して伝送することができる。
ただし、図15のような3GPP LTEシステムでのダウンリンク信号方式による場合、PAPR又はCM特性が劣化するという問題が発生するおそれがある。したがって、端末が、図13及び図14に基づいて説明したように、良好なPAPR、CM特性を維持できるようにするSC―FDMA方式と図15のMIMO方式とを効率的に結合し、上述した実施形態で説明したように良好なPAPR、CM特性を維持できるプリコーディング行列を用いてプリコーディングを行うための端末構成が必要である。
まず、本発明の好適な一実施形態によって多重アンテナを介してアップリンクで信号を伝送するための端末は、信号送受信用の多重アンテナ(図示せず)を含むと仮定する。また、図12を参照すると、端末20は、前記表5に示したような各プリコーディング行列で構成されたコードブックを格納するメモリ22と、多重アンテナ(図示せず)及びメモリ22と連結されてアップリンク信号の伝送を処理するプロセッサ21とを含む。以下、このような構成を有する端末のプロセッサ21の構成についてより具体的に説明する。
図16は、本発明の好適な一実施形態に係る端末のプロセッサの構成を具体的に示した図である。
図16に示すように、本発明の好適な一実施形態に係る端末20のプロセッサは、アップリンク信号を特定ランクに対応する個数のレイヤーにマッピングするレイヤーマッパー1401と、所定個数のレイヤー信号のそれぞれにDFT(Discrete Fourier Transform)拡散を行う所定個数のDFTモジュール1402と、メモリ22に格納された前記表5に示すような6個のプリコーディング行列グループのそれぞれから変数が180°の位相差を有する2個のプリコーディング行列を選択して得られた12個のプリコーディング行列で構成されたコードブックから特定プリコーディング行列を選択し、前記DFTモジュール1402からそれぞれDFT拡散が行われて入力されたレイヤー信号をプリコーディングするプリコーダ1403を含むことを提案する。特に、本実施形態では、DFTモジュール1402が各レイヤー信号をそれぞれ拡散し、レイヤー信号のそれぞれを拡散するDFTモジュール1402をプリコーダ1403の直ぐ前に位置させながら、プリコーダ1403のプリコーディング時に各レイヤー信号が一つのアンテナにマッピングされて伝送されるように構成することによって、各レイヤー信号の単一搬送波特性を維持させ、良好なPAPR/CM特性を維持させることを特徴とする。一方、端末20は、このようにプリコーディングされた信号にSC―FDMAシンボル構成のための処理(例えば、IFFFモジュール1404による時間領域信号生成及びCP付着など)を行い、プリコーディングされた信号を多重アンテナ1405を介して基地局に伝送する伝送モジュールをさらに含む。
一方、プリコーダ1403は、メモリ22に格納されたコードブックから信号伝送に用いるプリコーディング行列を選択してプリコーディングを行い、これら各プリコーディング行列は、多重アンテナのそれぞれの伝送電力及び/又はレイヤーのそれぞれの伝送電力が均等になるように設定されたプリコーディング行列であることが望ましい。
本実施形態で、多重アンテナ1405の個数は4個であると仮定する。また、本発明の一実施形態に係る端末のプロセッサは、特定コードワードがマッピングされるレイヤーを周期的又は非周期的に変更するレイヤー移動機能及び/又は特定レイヤー信号が伝送されるアンテナを周期的又は非周期的に変更するアンテナ移動機能をさらに行うことができる。レイヤー移動機能は、レイヤーマッパー1401によってプリコーダ1403のプリコーディングとは別途に行うこともでき、プリコーダ1403のプリコーディング時にプリコーディング行列の列置換を通して行うこともできる。また、アンテナ移動機能も、プリコーディングとは別途に又はプリコーディング行列の行置換を通して行うことができる。
以上説明した各実施例は、本発明の各構成要素と特徴が所定形態で結合されたものである。各構成要素又は特徴は、別途の明示的な言及がない限り、選択的なものとして考慮しなければならない。各構成要素又は特徴は、他の構成要素や特徴と結合されない形態で実施可能である。また、一部の構成要素及び/又は特徴を結合して本発明の実施例を構成することも可能である。本発明の各実施例で説明する各動作の順序は変更可能である。いずれかの実施例の一部の構成や特徴は、他の実施例に含まれたり、又は、他の実施例の対応する構成又は特徴に取り替えられる。特許請求の範囲で明示的な引用関係のない各請求項を結合して実施例を構成したり、出願後の補正によって新しい請求項を含ませることが可能であることは自明である。
本発明に係る実施例は、多様な手段、例えば、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア又はそれらの結合などによって具現することができる。ハードウェアによる具現の場合、本発明の一実施例は、一つ又はそれ以上のASICs(application specific integrated circuits)、DSPs(digital signal processors)、DSPDs(digital signal processing devices)、PLDs(programmable logic devices)、FPGAs(field programmable gate arrays)、プロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサなどによって具現することができる。
ファームウェアやソフトウェアによる具現の場合、本発明の一実施例は、以上説明した機能又は各動作を行うモジュール、手順又は関数などの形態で具現することができる。ソフトウェアコードは、メモリユニットに格納されてプロセッサによって駆動され得る。前記メモリユニットは、前記プロセッサの内部又は外部に位置し、既に公知の多様な手段によって前記プロセッサとの間でデータを取り交わすことができる。
本発明がその精神及び必須的特徴を逸脱しない範囲で他の特定の形態に具体化され得ることは、当業者にとって自明である。したがって、前記の詳細な説明は、全ての面で制限的に解釈してはならなく、例示的なものとして考慮しなければならない。本発明の範囲は、添付の請求項の合理的な解釈によって決定しなければならなく、本発明の等価的範囲内での全ての変更は本発明の範囲に含まれる。

Claims (14)

  1. 端末がアップリンク信号を4個のアンテナを用いて伝送する方法において、
    前記アップリンク信号を3個のレイヤーにマッピングするステップと、
    前記3個のレイヤー信号のそれぞれにDFT拡散を行うステップと、
    予め格納されたコードブックから選択された特定プリコーディング行列を用いて前記DFT拡散が行われた3個のレイヤー信号をプリコーディングするステップと、
    前記のプリコーディングされた信号にSC―FDMAシンボル構成のための所定の処理を行うステップと、及び、
    前記SC―FDMAシンボルを前記4個のアンテナを介して基地局に伝送するステップと、
    を有し、
    前記予め格納されたコードブックは、
    Figure 2012523744
    の6個のプリコーディング行列グループで構成され、それぞれには所定定数が掛けられ、Xは大きさ1の変数である、アップリンク信号伝送方法。
  2. 前記予め格納されたコードブックは、前記6個のプリコーディング行列グループのそれぞれから選択された2個のプリコーディング行列を含む、請求項1に記載のアップリンク信号伝送方法。
  3. 前記予め格納されたコードブックは、前記6個のプリコーディング行列グループのそれぞれから選択され、X値が複素平面上で180°の位相差を有する2個のプリコーディング行列を含む、請求項2に記載のアップリンク信号伝送方法。
  4. 前記予め格納されたコードブックは、前記6個のプリコーディング行列グループのそれぞれで前記X値が1である1つのプリコーディング行列、及び前記6個のプリコーディング行列グループのそれぞれで前記X値が−1であるもう1つのプリコーディング行列を含む、請求項3に記載のアップリンク信号伝送方法。
  5. 前記予め格納されたコードブックは、
    Figure 2012523744
    の12個のプリコーディング行列で構成され、それぞれには前記所定定数が掛けられる、請求項1に記載のアップリンク信号伝送方法。
  6. 多重アンテナを介してアップリンクで信号を伝送する端末装置において、
    信号送受信用の4個アンテナと、
    3個のレイヤー信号を前記4個のアンテナを介して伝送するのに用いられるコードブックを格納するメモリと、及び、
    前記多重アンテナ及び前記メモリと接続されて前記アップリンク信号の伝送を処理するプロセッサと、
    を有し、
    前記プロセッサは、
    前記アップリンク信号を前記3個のレイヤーにマッピングするレイヤーマッパーと、
    前記3個のレイヤー信号のそれぞれにDFT拡散を行うDFTモジュールと、
    前記メモリに格納された前記コードブックから選択された特定プリコーディング行列を用いて前記DFTモジュールから受信された前記DFT拡散が行われた3個のレイヤー信号をプリコーディングするプリコーダと、及び、
    前記プリコーディングされた信号にSC―FDMAシンボル構成のための所定の処理を行い、前記処理された信号を前記4個のアンテナを介して基地局に伝送する伝送モジュールと、
    を有し、
    前記予め格納されたコードブックは、
    Figure 2012523744
    の6個のプリコーディング行列グループで構成され、それぞれには所定定数が掛けられ、Xは大きさ1の変数である、端末装置。
  7. 前記メモリは、前記コードブックとして、前記6個のプリコーディング行列グループのそれぞれから選択された2個のプリコーディング行列を格納する、請求項6に記載の端末装置。
  8. 前記メモリは、前記コードブックとして、前記6個のプリコーディング行列グループのそれぞれから選択され、X値が複素平面上で180°の位相差を有する2個のプリコーディング行列を格納する、請求項7に記載の端末装置。
  9. 前記メモリは、前記コードブックとして、前記6個のプリコーディング行列グループのそれぞれで前記X値が1である1つのプリコーディング行列、及び前記6個のプリコーディング行列グループのそれぞれで前記X値が−1であるもう1つのプリコーディング行列を格納する、請求項8に記載の端末装置。
  10. 前記メモリは、前記コードブックとして
    Figure 2012523744
    の12個の各プリコーディング行列を格納し、それぞれには前記所定定数が掛けられる、請求項6に記載の端末装置。
  11. 基地局が端末のアップリンク信号を受信する方法において、
    前記端末から4個のアンテナ、及び3個のレイヤーを用いて伝送された信号を受信するステップと、及び、
    予め格納されたコードブックから選択された特定プリコーディング行列を用いて前記受信信号を処理するステップと、
    を有し、
    前記予め格納されたコードブックは、
    Figure 2012523744
    の6個のプリコーディング行列グループで構成され、それぞれには所定定数が掛けられ、Xは大きさ1の変数である、アップリンク信号受信方法。
  12. 前記予め格納されたコードブックは、
    Figure 2012523744
    の12個のプリコーディング行列で構成され、それぞれには前記所定定数が掛けられる、請求項11に記載のアップリンク信号受信方法。
  13. 端末のアップリンク信号を受信する基地局装置において、
    信号送受信用のアンテナと、
    前記端末の4個のアンテナを介して前記端末から伝送された3個のレイヤー信号を受信するのに用いられるコードブックを格納するメモリと、及び、
    前記アンテナ及び前記メモリと接続されて前記アップリンク信号受信を処理するプロセッサと、
    を有し、
    前記プロセッサは、前記メモリに格納された前記コードブックから選択された特定プリコーディング行列を用いて前記受信信号を処理するように構成され、
    前記コードブックは、
    Figure 2012523744
    の6個のプリコーディング行列グループで構成され、それぞれには所定定数が掛けられ、Xは大きさ1の変数である、基地局装置。
  14. 前記メモリは、前記コードブックとして
    Figure 2012523744
    の12個のプリコーディング行列を格納し、それぞれには前記所定定数が掛けられる、請求項13に記載の基地局装置。
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