JP2012531796A - 無線通信システムにおける電力割当方法及びその装置、この方式の信号伝送を利用した送受信装置 - Google Patents

無線通信システムにおける電力割当方法及びその装置、この方式の信号伝送を利用した送受信装置 Download PDF

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Abstract

本明細書は、無線通信システムに関するものであって、特に無線通信システムにおける電力を割り当てることを開示している。

Description

本発明は、無線通信システムに関するものであって、特に、無線通信システムにおける電力割当に関する。
一般に、通信システムにおいてデータ又は信号を送受信する際に使用可能な電力は、制限されている。
したがって、データ又は信号を送信すべく適切に電力を割り当てる必要性が高い。
本開示は、無線通信システムにおいて、スループットを増加させるとともに、転送容量が最大になるように電力を効率的に割り当てる技術を、提供する。
本発明の一態様によれば、プリコード行列とチャネル情報を掛け合わせることにより生成された仮想バーチャルチャネル情報に基づいて、１つ以上の受信装置の受信電力、受信ＳＩＮＲ（Signal to Interference and Noise Ratio：信号対干渉雑音比）、または受信ＳＮＲ(Signal to Noise Ratio：信号対雑音比)のうちの少なくとも１つを得て、受信ＳＩＮＲが最大になるようにストリーム別に電力を割り当てることを含む電力割当方法が、提供される。
本発明の上述又は他の目的、特徴及び利点は、添付図面と共に、後述の詳細な説明によって、更に明らかになるであろう。
本発明によれば、無線通信システムにおける処理量を増加させ、転送容量が最大になるように、電力を効率的に割り当てることができる。
本発明の実施形態が適用される無線通信システムを示すための図である。 本発明の実施形態が適用される無線通信システムにおけるアップリンク物理チャネルの信号生成過程を示す図である。 本発明の実施形態が適用される無線通信システムにおけるダウンリンク物理チャネルの信号生成構造を示す図である。 ＳＵ−ＭＩＭＯにおける送信装置に含まれたプリコーダと受信装置に含まれたポストデコーダの図である。 ＭＵ−ＭＩＭＯの場合、送信装置に含まれたプリコーダと受信装置に含まれたポストデコーダの図である。 本発明の実施形態による送信装置に含まれたプリコーダと受信装置に含まれたポストデコーダの図である。 図６のシステムのブロック図である。 送信装置のアンテナが４個であり、２つの受信装置が各々２つのアンテナを介して信号のを受信を受ける場合おける、本発明の実施形態による送信装置に含まれたプリコーダと受信装置に含まれたポストデコーダの図である。 図８のシステムのブロック図である。 ＳＩＮＲを増加させるためのプリコーディング（precoding）と電力割当を行なうＭＩＭＯシステムのブロック図である。 本発明の実施形態による電力割当方法のフローチャートである。
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の例示的実施形態を、詳細に説明する。下記説明においては、同一な構成要素は、たとえ別々の図面上に表示されても、同一な参照番号によって指示されている。また、本発明の下記説明においては、実施形態に組み込まれた公知の機能や構成についての具体的な説明が本発明の要旨を曖昧にする場合には、その詳細な説明は省略される。
また、本発明の構成要素を説明するに当たって、第１、第２、Ａ、Ｂ、（ａ）、（ｂ）などの用語が用いられる。このような用語は、対応する構成要素を他の構成要素と区別するためのものであり、当該構成要素の本質や順序または連続順などを限定するためには用いられない。どの構成要素が他の構成要素に“連結”、“結合”、または“接続”されると記載された場合、その構成要素はその他の構成要素に直接的に連結、または接続できるが、各構成要素の間に更に他の構成要素が“連結”、“結合”、または“接続”されることもできると理解されるべきである。
特に、本明細書は、プリコーディング行列とチャネル情報に基づいて計算された１つ以上の受信装置の受信電力、受信ＳＩＮＲ、または受信ＳＮＲのうち、少なくとも１つが最大になるようにストリーム別の電力を送信装置が割り当てる技術を、開示している。説明の便宜のために、本明細書では、１つ以上の受信装置の受信電力、受信ＳＩＮＲ、または受信ＳＮＲのうち少なくとも１つが、「受信ＳＩＮＲ」と称される。
図１は、本発明の実施形態が適用された無線通信システムを示すブロック図である。
無線通信システムは、音声やパケットデータの通信のような多様な通信サービスを提供するために広く配置される。
図１を参照すると、無線通信システムは、端末１０（User Equipment；ＵＥ）及び基地局２０（Base Station；ＢＳ）を含む。端末１０と基地局２０は、後述する多様な電力割当方法を使用する。
本発明によると、端末１０は無線通信でのユーザ端末を意味する包括的概念であって、ＷＣＤＭＡ、ＬＴＥ、及びＨＳＰＡなどでのＵＥ（User Equipment）は勿論、ＧＳＭ（登録商標）でのＭＳ（Mobile Station）、ＵＴ（User Terminal）、ＳＳ（Subscriber Station）、無線機器（wireless device）などを全て含む概念と、解釈されるべきである。
一般的に、基地局２０またはセル（cell）は、一般的に端末１０と通信する固定点（fixed station）をいい、ノード−Ｂ（Node-B）、ｅＮＢ（evolved Node-B）、ＢＴＳ（Base Transceiver System）、アクセスポイント（Access Point）等、他の用語で呼ばれることもある。
即ち、本発明による基地局２０またはセル（cell）は、ＣＤＭＡでのＢＳＣ（Base Station Controller）、ＷＣＤＭＡでのＮｏｄｅ Ｂなどがカバーする一部領域を表す包括的な意味と解釈されなければならず、メガセル、マクロセル、マイクロセル、ピコセル、フェムトセル等、多様なカバレッジ領域を全て包括する意味である。
本発明による端末１０と基地局２０は、本開示で記述される技術または技術アイデアを実用化するために使われる２つの送受信主体を指す包括的概念として使われ、特定に指称される用語または単語により限定されない。
無線通信システムに適用される多重接続方式には制限がない。この無線通信システムは、ＣＤＭＡ（Code Division Multiple Access）、ＴＤＭＡ（Time Division Multiple Access）、ＦＤＭＡ（Frequency Division Multiple Access）、ＯＦＤＭＡ（Orthogonal Frequency Division Multiple Access）、ＯＦＤＭ−ＦＤＭＡ、ＯＦＤＭ−ＴＤＭＡ、ＯＦＤＭ−ＣＤＭＡなどの多様な多重接続方法を、使用することができる。
互いに異なる時間を使用する通信に対応するＴＤＤ（Time Division Duplex）方式は、アップリンク転送及びダウンリンク転送に使用可能であり、互いに異なる周波数を使用する通信に対応するＦＤＤ（Frequency Division Duplex）方式は、アップリンク転送及びダウンリンク転送に使用可能である。
本発明の一実施形態による電力割当技術は、ＧＳＭ（登録商標）、ＷＣＤＭＡ、ＨＳＰＡを経てＬＴＥ（Long Term Evolution）及びＬＴＥ-advancedに進化する非同期無線通信，並びに、ＣＤＭＡ、ＣＤＭＡ−２０００及びＵＭＢに進化する同期式無線通信分野の資源割当分野に、適用できる。本発明は、特定の無線通信分野に限定または制限されて解釈されてはならず、本発明の思想が適用可能な全ての技術分野を含む概念として、解釈されるべきである。
図２は、本発明の実施形態が適用される無線通信システムのアップリンク物理チャネルの信号生成過程を示す図である。
図２を参照すると、チャネルコーディングを経た各ビットは、モジュラー（Modular）２演算により、スクランブリング生成器により生成された符号とビット対ビットにスクランブリング（１１０）され、スクランブリングされたビットは、変調マッパ１１２に入力されて、ＱＰＳＫ、１６ＱＡＭ、６４ＱＡＭなどの各モジュレーション方法により複素シンボルにマッピングされる。さらに、スクランブルされたビットは、複素シンボルを生成するためにプリコーディング変換（１１４）を実行し、特定のリソースエレメントに複素シンボルをマッピング（１１６）した後、各アンテナポート用に、送信されるべき複素タイムドメインＳＣ−ＦＤＭＡ（Single Carrier Frequency Multiplexing Access）信号を生成する。
例えば、アップリンクの共有チャネル（Physical Uplink Shared Channel；ＰＵＳＣＨ）信号や物理制御チャネル（Physical Uplink Control Channel；ＰＵＣＣＨ）を生成して端末１０から基地局２０に送信する方法は、下記説明において論じられる。
まず、チャネルコーディングを経た各ビットが、モジューラ（Modular）２演算を通じて、スクランブリング生成器により生成されたコードとビット対ビットにスクランブリング（１１０）され、スクランブリングされたビットは、変調マッパ１１２に入力されて、ＱＰＳＫ、１６ＱＡＭ、６４ＱＡＭなどの各モジュレーション方法により複素シンボルにマッピングされる。さらに、スクランブルされたビットは、複素シンボルを生成するためにプリコーディング変換（１１４）を遂行し、複素シンボルを特定のリソースエレメントにマッピング１１６した後、各アンテナポート用に、送信されるべき複素タイムドメインＳＣ−ＦＤＭＡ（Single Carrier Frequency Multiplexing Access）信号を生成する。
この際、勿論、ＰＵＳＣＨやＰＵＣＣＨが物理データチャネル及び物理制御チャネルの一例として記述され、同じ方法が、他の物理データチャネルや物理制御チャネルに適用され得る。
以上、図２を参照して、本発明の実施形態が適用される無線通信システムにおけるアップリンク物理チャネルの信号生成構造を説明したが、本発明はこれに制限されない。即ち、本発明の実施形態が適用される無線通信システムにおけるアップリンク物理チャネルの信号生成構造は、構成要素のうちの一部を省略可能であり、他の構成要素に置換又は変更可能であり、他の構成要素を追加可能でもある。
図３は、本発明の実施形態が適用される無線通信システムにおけるダウンリンク物理チャネルの信号生成構造を示す。
図３を参照すると、実施形態が適用される無線通信システムは、スクランブラ２１０、変調マッパ２１２、レイヤマッパ２１４、プリコーダ２１６、リソースエレメントマッパ２１８、及びＯＦＤＭ信号生成器２２０を含む。一方、この無線通信システムは、図１の基地局１０の通信システムまたは送信装置でありうる。
ダウンリンクにおけるチャネルコーディングを経てコードワード（codewords）形態に入力されるビットは、スクランブラ２１０によりスクランブリングされた後、変調マッパ（Modulation mapper）２１２に入力される。変調マッパ２１２は、スクランブリングされたビットを複素変調シンボルに変調し、レイヤマッパ（Layer Mapper）２１４は、複素変調シンボルを１つまたは多数の転送レイヤにマッピングする。その後、プリコーダ２１６は、アンテナポートの各転送チャネル上で、複素変調シンボルをプリコーディングする。その後、リソースエレメントマッパ２１８が、各アンテナポートに対する複素変調シンボルを、該当リソースエレメントにマッピングする。
その後、ＯＦＤＭ信号生成器２２０が、各アンテナのための複素タイムドメインＯＦＤＭ信号を生成する。この複素タイムドメインＯＦＤＭ信号は、アンテナポートを介して送信される。
この際、電力制御部８１６がプリコーダ２１６の後段として含まれている。この電力制御部８１６は、プリコーダ２１６から、下記に詳細に説明する仮想チャネル情報を受信し、図１０を参照して後述される最適のＳＩＮＲに該当するアンテナ電力を計算し、多重化アンテナポートに電力を割り当てる。この際、この電力制御部８１６は、リソースエレメントマッパ２１８の前又は後に配置されても良いが、本発明の電力制御部８１６の位置は、これに制限されない。また、図３に図示しない構成要素が、プリコーダ２１６からバーチャルチャネル情報を受信して最適のＳＩＮＲに該当するアンテナ電力を計算する構成要素の役割を果たしても良い。
以上、図３を参照して、本発明の実施形態が適用される無線通信システムにおけるダウンリンク物理チャネルの信号生成構造を説明したが、本発明はこれに制限されない。即ち、本発明の実施形態が適用される無線通信システムにおけるダウンリンク物理チャネルの信号生成構造は、いくつかの構成要素を省略可能であり、他の構成要素に置換又は変更可能であり、他の構成要素を追加可能である。
前述した無線通信技術のため、高速パケット通信をサポートする多様な多重アンテナ技術が研究されている。開発された技術の中で、この多重アンテナ技術は、より高い転送速度を得るために、空間領域を追加的な資源として用いる技術であって、送信機と受信機が多重化アンテナを具備する多重アンテナシステムを前提にして具現される。
例えば、多重入力多重出力（Multiple-Input-Multiple-Output；ＭＩＭＯ）は、向上した連結信頼性及びインターフェース制約に因り高いスペクトル効率を提供する技術であって、開ループ（Open Loop；ＯＬ）システム及び閉ループ（Closed Loop；ＣＬ）システムのような２つの構造に分けられる。この開ループＭＩＭＯ（ＯＬ−ＭＩＭＯ）では、送信機は、データ送信のためのチャネル情報を有しない。したがって、ＯＬ−ＭＩＭＯの送信装置は、固定された送信パラメータを使用し、閉ループＭＩＭＯ（ＣＬ−ＭＩＭＯ）は、送信のためにチャネル品質情報を活用する。
ＭＩＭＯ方式は、１点におけるポイント・ツー・ポイント通信、即ち単一ユーザＭＩＭＯ（Single User-MIMO；ＳＵ−ＭＩＭＯ）に基づき、多重ユーザＭＩＭＯ（Multiple-User MIMO；ＭＵ−ＭＩＭＯ）システムは、スケジューリングアルゴリズム，各ユーザのサービス水準（Quality of Service）及び他の要求事項を考慮して、全てのユーザが等しく通信の為に接続できるようにする。一方、多重ユーザのＣＬ−ＭＩＭＯの場合に、フィードバックシグナリング、多数ユーザのスケジューリング、送信／受信の最適化についての様々な研究が、なされている。
ＭＩＭＯシステムは、ＭＩＭＯシステムに干渉がなかったり、干渉無しで通信できるという前提に基づいて、チャネル利得（channel gain）値に応じて電力を割り当てる。
図４は、ＳＵ−ＭＩＭＯにおける送信装置に含まれたプリコーダ及び受信装置に含まれたポストデコーダの図である。
各送信データがアンテナに乗せられる前に各送信データに乗じられるプリコーディング行列の最適値を決定するために、チャネル行列ＨをＨ＝ＵＤＶＨ（ＵとＶＨはユニタリー行列、Ｄは対角線にある要素のみ値を有する対角行列）のように、特異値や固有値に分解するＳＶＤ（singular valued composition）またはＥＶＤ（eigenvalue valued composition）等、受信側作業を通じて、チャネルが水平独立チャネル（parallel independent channel）に区分され、各チャネルまたは仮想チャネル利得が測定され、測定された利得に基づいて各チャネル又は仮想チャネルに電力が分配される。例えば、容量（スペクトル効率性）を最大化することが目的の場合には、送信電力が、ウォーターフィリング（water filling）方式により空間サブチャネルに割当されてもよい。
ウォーターフィリング方式は、一定量の水を不規則な底を有する容器に注入（pouring）することに相当する。各固有モードは、容器の底の状態における点に対応し、所定の点における底の高さは、固有モードと関連した信号対雑音比（ＳＮＲ）の逆数に対応する。
したがって、高さが低いことは高いＳＮＲに対応し、高さが高いことは低いＳＮＲに対応する。次に、送信電力が最初に容器における低い点（即ち、高いＳＮＲ）に詰められ、その後、高い点（即ち、低いＳＮＲ）に詰められるように、総送信電力が容器内に注入される。電力分配は、総送信電力及び底の表面における容器の深さに依存する。送信電力が全て注入された後に、容器における水面の高さは、容器の全ての点において一定である。水表面よりも高い点には、水は詰められていない（即ち、特定しきい値よりも低いＳＮＲを有する固有モードは使用されない）。
図５は、ＭＵ−ＭＩＭＯにおける、送信装置に含まれたプリコーダーと受信装置に含まれたポストデコーダーの図である。
ＭＵ−ＭＩＭＯの場合には、受信機が多重ユーザ干渉を無効化する干渉無効化（Interference nulling）作業をするビームフォーミング方式、又は、他のユーザあるいは他のアンテナの干渉を減らすために送信機が送信信号にチャネルの逆数を乗じるゼロフォーシング（Zero-Forcing；ＺＦ）方式により、独立チャネルが構成され、各チャネルの利得に応じて、電力が分配される。
前述した電力割当方法は、ストリーム間、または多重接続ユーザ間の干渉が存在しない場合に基づいて記述された。干渉無効化（Interference nulling）またはゼロフォーシング（zero forcing）などの作業は、干渉を除去するが、ＳＮＲに損失を生じる。
以下、電力割当に応じた干渉の変化を考慮する電力及び情報転送率の割当方法，及び、スループットが増加して転送容量が最大になるように電力を割り当てる電力割当方法の実施形態を、説明する。
図６は、本発明の実施形態による送信装置に含まれたプリコーダと受信装置に含まれたポストデコーダの図であり、図７は、図６のシステムのブロック図である。
図６及び図７を参照すると、送信装置に含まれたプリコーダ６１０は、ソースビットストリーム（source bit stream）をプリコーディングする。
図７に示すように、ソースビットストリーム（データビットストリーム）をＳとし、プリコーディング行列をＣとした場合、プリコーダ６１０がソースビットストリームをプリコーディングした値はＸ＝Ｃ×Ｓとなる。この際、プリコーディング行列は、受信装置から送信装置に伝達されるフィードバック情報を用いることにより、システムが最も優れる性能を得ることができる値に決まる。
一方、受信装置のポストデコーダ（又はMIMO受信装置）６１２は、アンテナを通じて信号を受信する。この際、チャネル行列をＨとすると、受信された信号は、送信信号Ｘとチャネル行列Ｈとを掛けたものに雑音ベクトルを足すことによって生成された値、即ち

を有する。
受信装置のポストデコーダ（又は MIMO受信装置）６１２は、後処理を通じて、最終信号Ｚをデコードする。この際、最終受信信号Ｚは、受信信号に後処理行列Ｗを掛けることによって生成された値、即ち

を有する。最終受信信号Ｚをソースビットストリームに対して全体として表現すれば

となる。
図８は、送信装置のアンテナが４個であり、２つの受信装置が各々２つのアンテナを通じて信号を受信する場合における、本発明の実施形態による送信装置に含まれたプリコーダと受信装置に含まれたポストデコーダの構成を示し、図９は、図８のシステムのブロック図である。
図８及び図９を参照すると、送信装置のプリコーダー８１０及び受信装置のポストデコーダー８１２、８１４の記載は、２つの受信装置が各々送信装置から信号を受信する点を除いては、図６及び図７での説明と同一である。
この際、チャネル行列Ｈは、

又は

であり、チャネル行列Ｈ０は、

であり、チャネル行列Ｈ１は、

である。ｈＮｒＮｔ（Ｎｒ＝１〜４、Ｎｔ＝１〜４）において、Ｎｒは受信装置のアンテナの番号であり、Ｎｔは送信装置のアンテナの番号である。したがって、チャネル行列Ｈにおいて、最初の行の４個の要素（ｈ１１、ｈ１２、ｈ１３、ｈ１４）は、受信装置の第１アンテナが送信装置の４個のアンテナから信号を受信する際のチャネル状態を表す。チャネル行列Ｈにおいて、２番目乃至４番目の各行の４個の要素は、受信装置の第２アンテナ又は第４アンテナが送信装置の４個のアンテナから信号を受信する際のチャネル状態を表す。
Ｈｎが１つの正方行列Ｈとして表現可能であるように、Ｙｎ、Ｗｎ、Ｚｎも１つのベクトル又は行列として表現可能である。即ち、



である。
図１０は、ＳＩＮＲを増加させるためのプリコーディング及び電力割当を行なうＭＩＭＯシステムのブロック図である。
図９及び図１０を参照すると、送信装置は、図８のものと同一なプリコーダ８１０及び電力制御部８１６を含み、２つの受信装置は、図８のものと同一なポストデコーダ８１２、８１４及びチャネル推定部８１８、８２０を含む。
プリコーダ８１０のプリコーディングは、信号の転送タイプを変形させることに相当する。ＭＩＭＯにおいて、プリコーディング無線通信システムは、転送信号をアンテナを通じて一対一対応の方式で直接出力するものでなく、予め演算処理された信号の演算処理された値がアンテナを通じて転送されるように仮想アンテナを介して信号を転送したり、プリコーディングによって生成された仮想チャネルを通じて信号を転送する。このプリコーディング無線通信システムでは、仮想チャネルを介して転送される信号の電力が実際の各信号の転送電力に相当する。
プリコーダ８１０は、プリコーディング行列を掛けることによってソースビットストリームをプリコーディングし、プリコーディング行列とチャネルの推定に従う仮想チャネル情報を、電力制御部８１６に提供する。
電力制御部８１６は、プリコーディングされた値と仮想チャネル情報の入力を受けて、その仮想チャネル情報に基づいて、最大値ないし最大値に近似した受信ＳＩＮＲを得るべく、各ストリームに電力を割り当てる。
受信装置のチャネル推定部８１８、８２０は、２つ以上のアンテナを介して受信した信号を用いてチャネル情報を推定し、この推定されたチャネル情報を、送信装置に転送する。送信装置のプリコーダ８１０は、チャネル推定部８１８、８２０から受信したチャネル情報，及び、プリコーディング行列を掛けることによって生成されたバーチャルチャネル情報を、電力制御部８１６に提供する。
電力制御部８１６は、前述したように、プリコーダ８１０から提供された仮想チャネル情報に基づいて、最大値ないし最大値に近似した受信ＳＩＮＲを得るべく、各ストリームの電力を割り当てる。送信装置は、電力制御部８１６からストリーム別に割り当てられた電力に従って、多重化アンテナを通じてストリーム別に信号を転送する。
結果的に、受信装置のチャネル推定部８１８、８２０は、電力制御部８１６の受信ＳＩＮＲを得るべくストリーム別に割り当てられた電力に従って各ストリームのための多数のアンテナを介して送信された信号を受信するので、最大値ないし最大値に近似したＳＩＮＲの信号を受信する。
一方、ポストデコーダ８１２、８１４は、アンテナを通じて受信した信号に特定行列を掛けて最終の受信信号にデコーディングして、多重送信する。
以下、送信装置の電力制御部８１６がプリコーダー８１０から提供されたバーチャルチャネル情報

即ち、プリコーディング行列に受信装置のチャネル推定部８１８、８２０から伝達されたチャネル行列を掛けることによって生成された行列情報

又は、この行列情報に受信装置のポストデコーディング行列を掛けることによって生成された行列情報

に基づいて、最大値ないし最大値に近似した受信ＳＩＮＲを得るように各ストリームに電力を割り当てる過程を、詳細に説明する。
電力割当は、仮想アンテナ及び仮想チャネルの特性を考慮してなされる。このようなアプローチを通じて、電力割当は、実際のＭＩＭＯシステムで使用可能な全てのプリコーダ８１０の性能を考慮してなされる。
前述したように、受信装置の受信信号及びポストデコーディングされた最終信号は、各々

及び

であるので、各受信装置の受信アンテナによって受信される各ストリームのサイズは、送信装置の仮想チャネル

により決まり、プリコーディングされた信号に対するポストデコーディング後における各ストリームのＳＩＮＲは、仮想チャネル

により決まる。
前述したように、受信装置のチャネル推定部８１８、８２０は、チャネル情報又はチャネル状態情報を獲得して、送信装置に伝達する。
送信装置が受信装置のチャネル推定部８１８、８２０からフィードバック情報、即ちチャネル情報又はチャネル状態情報を受信した以後、当該送信装置がチャネル情報またはチャネル状態情報（channel state information）を取得した時に（closed-loop MIMOの場合）、送信装置は、送信装置の仮想チャネルＨ

についての情報に基づいて、各ストリームに電力を割り当てる。加えて、受信装置において使用されるポストデコーダ８１２、８１４についての情報をも知った時には、送信装置は、ポストデコーディング行列を反映した仮想チャネル

についての情報に基づいて、各ストリームに電力を割当ることができる。
この際、プリコーディング無しでアンテナを通じて信号を送信する場合において、電力割当又は電力制御は、送信アンテナの出力を別々に調節するという発想を有している。同時に転送されることが求められている信号の数が２つであり、送信アンテナの数が２つである場合には、ｘ０=ｓ０，ｘ１=ｓ１ によって表されるように、２つの信号が各々異なるアンテナを通じて送信されるので、各アンテナの出力サイズを各々調節して、各信号の受信電力を調節することが可能である。
しかしながら、プリコーディングを使用するＭＩＭＯ無線通信システムの場合、

によって表されるように、２つの信号ｓ０、ｓ１の夫々が、２つのアンテナｘ０，ｘ１を通じて送信される。このような場合、各アンテナｘ０，ｘ１の出力を制御するということは意味がないが、代わりに、［０．７ ０．３］Ｔ，［０．３ ０．７］Ｔによって表される仮想アンテナの出力を調節することによって、信号ｓ０、ｓ１の転送電力が制御され且つ割り当てられる。
送信装置は、受信装置のチャネル推定部８１８、８２０からチャネル情報またはチャネル状態情報を受信して、このチャネル情報にプリコーディング行列を掛けることによって生成された送信装置の仮想チャネル

についての情報に基づいて、受信装置の受信ＳＩＮＲを計算して、最適の受信ＳＩＮＲを得ることができるように各ストリームに電力を割当てる。
最適の受信ＳＩＮＲを得ることができるように各ストリームに電力を割当てるため、受信ＳＩＮＲを下記のようにモデリングする。
まず、ｓ０を受信しようとする受信装置にｓ１、ｓ２が干渉として受信される場合、受信ＳＩＮＲは次の式（１）のように定義される。

………………………………………………………（１）
上記式（１）において、ｊｎはｓｎの伝播経路利得を示し、σ２は雑音の強度を示す。
ＭＩＭＯによる多重化（special multiplexing）は、低速移動する受信装置を対象にするため、プリコーダー８１０が使われる環境は、チャネルが低速に切り変わる低速フェーディング（slow fading）環境に相当する。この場合、チャネルは準静的（quasi-static）特性を有する。準静的（quasi-static）チャネルの場合、その受信能力が準静的（quasi-static）区間内での平均ＳＩＮＲによって表わされる受信ＳＩＮＲは、下記式（２）のように定義される。

………………………………………………………（２）
準静的（Quasi-static）区間がシンボル周期のために十分に長いならば、干渉電力は、式（３）に定義されるように、干渉を起こす各信号の電力の和に近似される。

………………………………………………………（３）
上記の＜数式３＞で、Ｊｎは信号ｓｎの伝播経路利得の自乗を示し、ρｎは信号ｓｎの転送電力を示す。
最適の受信ＳＩＮＲをモデリングするために電力関係を表す行列Ｊは、下記式（４）によって定義される。


………………………………………………………（４）
受信装置で使われるポストデコーダ８１２、８１４の構造を送信装置が知った場合、

であり、Ｎ＝ｍとなる。それ以外の場合には、

である。
ポストデコーダ８１２、８１４の構造を送信装置が知った場合において、



と定義すれば、Ｒ−ＪＰの対角成分が各信号の受信電力となり、受信アンテナｎが受信しようとする信号ｓｎを受信した時、受信アンテナｎの信号ｓｎに対する受信ＳＩＮＲは、式（５）によって定義される。


………………………………………………………（５）
式（５）において、分子のｒｎ，ｎは信号ｓｎの信号強度を示し、分母のｒｎ，ｒは信号ｓｎに対する干渉の強度を示し、分母のα２は雑音の強度を示す。
一方、送信装置は、ポストデコーダー８１２、８１４の構造を知らない場合、ポストデコーディング後、各信号ＳＩＮＲを正確に予測できないので、正確な電力割当をすることができない。代わりに、各受信装置が受信を所望する信号の電力の総計及び受信を所望しない信号の電力の総計により、ＳＩＮＲが定義される。即ち、図８及び図１０に示すように、受信装置１が受信を所望する信号がｘ１，ｘ２であり、受信装置２が受信を所望する信号がｘ３、ｘ４であれば、各受信装置１、２の受信ＳＩＮＲは、式（６），（７）によって定義される。
………………………………………………………（６）
式（６）において、分子は受信装置１の２つのアンテナ（アンテナ１及び２）が受信を所望する信号ｘ１，ｘ２の信号強度の総計を示し、分母のα２は雑音の強度を示し、分母の残りの成分は受信装置１の２つのアンテナ（アンテナ１及び２）が受信を所望しないのに受信した干渉信号ｘ３，ｘ４の信号強度の総計を示す。

………………………………………………………（７）
式（７）において、分子は受信装置２の２つのアンテナ（アンテナ３及び４）が受信を所望する信号ｘ３，ｘ４の信号強度の総計を示し、分母のα２は雑音の強度を示し、分母の残りの成分は受信装置２の２つのアンテナ（アンテナ３及び４）が受信を所望しないのに受信した干渉信号、即ちｘ１，ｘ２の信号強度の総計を示す。
式（６）及び式（７）は、チャネル状態によって多数個のポール（pole）とピーク（peak）を有するので、クローズドフォーム解（closed form solution）を見出し難いが、反復演算（iterative process）を通じて、最適の電力Ｐを探すことが可能である。反復法は、基本的にウォーターフィリング（water-filling）法に従う。
反復演算のために、総ＳＩＮＲ（total SINR）を行列数式で表現する干渉行列（Interference matrix）Ｉを、式（８）によって定義する。

………………………………………………………（８）
受信装置の受信アンテナｉと送信装置の送信アンテナｊに同一の信号が受信されたことが受信装置の性能に悪影響を及ぼさない場合には、ｃｉｊは０と表記され、そうでない場合は１と表記される。
即ち、ｃｉｊ＝０であり、且つ、受信装置が２つの受信アンテナ及びＲｘダイバーシティ技法を使用している場合には、受信装置１の２アンテナを介して受信される各々の信号は互いに干渉として作用しないので、ｃ１２＝ｃ２１＝０となる。
また、上記の例示のように、各受信装置が２つの受信アンテナを使用し、ポストデコーダ８１２、８１４の構造を知らない場合にも、ｃ１２＝ｃ２１＝０、ｃ３４＝ｃ４３＝０となる。上記の設定により、受信アンテナ−ｎでの干渉信号の電力はＩ×Ｐのｎ番目の列またはＩのｎ番目の列とＰの積で与えられる。
各ストリームの受信電力を表す行列Ｒは、使われた受信アンテナの数により決定される。各ユーザが２つのアンテナを使用し、基地局が４個のストリームを送信する場合、式（９）によって定義される。

………………………………………………………（９）
この際、受信電力は

で与えられる。したがって、式（１０）の解を最大化するＰを満たすことで、受信ＳＩＮＲが最大化される。

……………………………………………………（１０）
式（１０）において、

は２つの行列の各構成要素（element）間の割り算を示し、

は１を構成要素（element）とするN×１ベクトルを示す。
図１１は、本発明の実施形態による電力割当方法のフローチャートである。
図１０及び図１１を参照すると、本発明の実施形態による電力割当方法１１００は、最初に、受信側から、チャネル情報またはチャネル状態情報を受信する（Ｓ１１１２）。例えば、受信側のチャネル推定部８１８、８２０から送信されたチャネル情報を受信する。この際、ポストデコーダ８１２、８１４についての情報さえも知られていない場合、受信SINRは、仮想チャネル

（Ｈはチャネル行列、Ｃはプリコーディング行列）に基づいて予測される。ポストデコーダ８１２、８１４についての情報が知られている場合、受信ＳＩＮＲは、仮想チャネル

（Ｗはポストデコーディング行列）に基づいて予測される。
次に、電力割当に応じて、各信号のＳＩＮＲの変化が予測される（Ｓ１１１４）。各アンテナ別の電力割当が変更される場合、各信号のＳＩＮＲの変化が予測される。
具体的には、Ｐ１〜ＰＮのうちの１つを△だけ増加させる時、式（１０）の解

の増加量が、割り出される
まず、Ｐ１〜ＰＮの全ての値が“０”に初期化された状態からＰ１のみが△だけ増加された場合における式（１０）の解が、計算される。次に、ｐ１が値“０”を有する状態からＰ２のみが△だけ増加された場合における式（１０）の解が、計算される。同様に、このプロセスがｐＮまで繰り返され、その後、式（１０）の解を最大化するＰＫ（ｋ＝１〜Ｎのうちの１つ）が決定される。
同じプロセスによりｐＫ（（ｋ＝１〜Ｎのうちの１つ）がｐＫ＋△に変更された状態において、Ｐ１からＰＮまで値を△だけ増加させながら、上記処理が、Ｐ１からＰＮまで繰り返される。例えば、ｐＫ＝ｐ２の場合、ｐ２は△に設定され、他のｐの値は“０”に設定される。そして、Ｐ２からＰＮまで値を△だけ増加させて、式（１０）の解が計算される。
使用可能な電力が残っている場合は繰り返され、使用可能な電力が残っていない場合は電力割当を終了する。
次に、受信ＳＩＮＲに該当する電力が割り当てられる（Ｓ１１１６）。即ち、使用可能な電力が残っている限り、漸進的にＰ１からＰＮまで△だけ増加させながら、式（１０）の解が計算され、電力が残っていない状態に到達する直前のＰ１乃至ＰＮにより、各アンテナに電力が割り当てられる。
具体的には、図３のリソースエレメントマッパ２１８の前後に配置された電力制御部８１６は、前述したプロセスを通じて割り当てられた多重化アンテナのストリーム別電力を以て、信号が多重化アンテナを通じて送信されるように、制御する。結果的に、多重化アンテナは、電力制御部８１６から割り当てられた電力、即ち信号の強さをもって、信号（電磁気波）を空中（air）に放射する。
上述したように、ＭＵ−ＭＩＭＯにおいて、ストリーム間の干渉が存在する状況で、最大値ないし最大値に近似した受信ＳＩＮＲを得ることができるように、各ストリームに電力を割り当てるので、スループットが増大し、転送容量が最大になる。
以上、図面を参照して本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれに制限されない。
例えば、上記の実施形態において、プリコーディング行列と受信装置から提供されたチャネル情報により計算された仮想チャネル情報に基づいて、１つ以上の受信装置の受信ＳＩＮＲが最大になるようにストリーム別の電力を割り当てることを説明したが、受信ＳＩＮＲだけでなく、受信電力または受信ＳＮＲが最大になるように各ストリームに対する電力が割り当てられても良い。この際、プリコーディング行列とチャネル情報により計算された仮想チャネル情報に基づいて、最大の受信電力又は受信ＳＮＲが得られる。
以上の説明は、本発明の技術思想を例示的に説明したことに過ぎないものであって、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、本発明の本質的な特性から逸脱しない範囲で多様な修正及び変形が可能である。したがって、本発明に開示された実施形態は本発明の技術思想を限定するためのものではなく、説明するためのものであり、このような実施形態により本発明の技術思想の範囲が限定されるのではない。本発明の保護範囲は請求範囲により解釈されなければならず、それと同等な範囲内にある全ての技術思想は本発明の権利範囲に含まれるものと解釈されるべきである。
本特許出願は、２００９年６月２４日付で韓国に出願した特許出願番号第１０−２００９−００５６７０６号に対し、米国特許法１１９（ａ）条（３５Ｕ．Ｓ．Ｃ§１１９（ａ））により優先権を主張すれば、その全ての内容は参考文献として本特許出願に併合される。併せて、本特許出願は、米国以外の国家に対しても上記と同一な理由により優先権を主張すれば、その全ての内容は参考文献として本特許出願に組み入れられる。

Claims (15)

  1. プリコーディング行列とチャネル情報とを掛け合わせることにより生成された仮想チャネル情報に基づいて、１つ以上の受信装置の受信電力，受信ＳＩＮＲ，または受信ＳＮＲのうち、少なくとも１つを得るステップと、
    前記受信ＳＩＮＲが最大になるようにストリーム別に電力を割り当てるステップと
    を含むことを特徴とする電力割当方法。
  2. 前記チャネル情報は、プリコーディング行列に従ってプリコーディングされた信号をチャネルを介して受信した受信端末からフィードバックされたチャネル情報である
    請求項１に記載の電力割当方法。
  3. 下記の数式（１）の解を最大化するＰを得ることにより、前記受信電力，受信ＳＩＮＲ，または受信ＳＮＲのうち、少なくとも１つが最大になるようにする
    請求項２に記載の電力割当方法。

    ………………………………………………………（１）
    ここで、Ｒは下記式で表され、

    Ｐは電力であり、Ｉは下記式で表され、


    は二つの行列の各要素間の除算を示し、

    は１を要素とするＮ×１ベクトルを示し、σ２は雑音の強度を示し、ｐｎは信号ｓｎの送信電力を示し、ｃｉｊは受信装置の受信アンテナｉと送信装置の送信アンテナｊに同一な信号が受信されたことが受信装置の性能に悪影響を及ぼさない場合には０と表記され、そうでない場合には１と表記される。
  4. 前記チャネル情報が前記受信端末内で使用されるポストデコーダー行列を含む場合には

    （ここで、ｉは受信装置の受信アンテナを、ｊは送信装置の送信アンテナを意味する）であり、その他の場合には

    である請求項３に記載の電力割当方法。
  5. ２つ以上のアンテナから送信信号を出力するｎ個のストリームの各々の電力であるＰ１〜ＰＮのうちの１つを順次的に△だけ増加させながら、チャネル情報を反映して定義された数式（２）の解の増加を確認するステップと、
    ｐＫが前記解を最大にするｐＫ＋△に変更された状態においてＰ１〜ＰＮのうちの１つを順次に△だけ増加させながら、前記数式（２）の増加量を確認するステップを含み、
    使用可能な電力が残っている場合は、チャネル情報を反映して定義された数式（２）の解の増加量を確認するステップ及び前記数式（２）の増加量を確認するステップが繰り返され、使用可能な電力が残っていない場合には各ストリームの電力にＰ１〜ＰＮが割り当てられ、前記数式（２）が以下のように定義される電力割当方法。

    ………………………………………………………（２）
    ここで、Ｒは下記式で表され、

    Ｐは電力であり、Ｉは下記式で表され、



    は二つの行列の各要素間の除算を示し、

    は１を要素とするＮ×１ベクトルを示し、σ２は雑音の強度を示し、ｐｎは信号ｓｎの送信電力を示し、ｃｉｊは受信装置の受信アンテナｉと送信装置の送信アンテナｊに同一な信号が受信されたことが受信装置の性能に悪影響を及ぼさない場合には０と表記され、そうでない場合には１と表記される。
  6. 前記チャネル情報が受信端末からフィードバックされた情報であり、前記チャネル情報が前記受信端末内で使用されるポストデコーダー行列を含む場合には


    であり、その他の場合には

    である請求項５に記載の電力割当方法。
  7. ソースビットストリームにプリコーディング行列を掛けてプリコーディングするとともに、前記プリコーディング行列とチャネル情報とを掛け合わせることによって生成された仮想チャネル情報を提供するプリコーダーと、
    前記プリコーディングされた値と前記バーチャルチャネル情報の入力を受けて、前記仮想チャネル情報に基づいて、１つ以上の受信装置の受信電力，受信ＳＩＮＲ，または受信ＳＮＲのうち、少なくとも１つが最大になるように、各ストリームに電力を割り当てる電力制御部と
    を含む送信装置。
  8. 前記プリコーディング行列及びチャネルの推定は、前記プリコーディング行列によってプリコーディングされた信号をチャネルを介して受信した受信端末からフィードバックされたチャネル情報である
    請求項７に記載の送信装置。
  9. １以上の受信装置の受信電力、受信ＳＩＮＲ、または受信ＳＮＲのうち、少なくとも１つが最大になるようにするために、前記電力制御部が、下記数式（３）に基づいて各ストリームに電力を割り当てる請求項８に記載の送信装置。


    ………………………………………………………（３）
    ここで、Ｒは下記式で表され、

    Ｐは電力であり、Ｉは下記式で表され、




    は二つの行列の各要素間の除算を示し、

    は１を要素とするＮ×１ベクトルを示し、σ２は雑音の強度を示し、ｐｎは信号ｓｎの送信電力を示し、ｃｉｊは受信装置の受信アンテナｉと送信装置の送信アンテナｊに同一な信号が受信されたことが受信装置の性能に悪影響を及ぼさない場合には０と表記され、そうでない場合には１と表記される。
  10. 前記チャネル情報が前記受信端末内で使用さるポストデコーダー行列を含む場合には

    （ここで、ｉは受信装置の受信アンテナを、ｊは送信装置の送信アンテナを意味する）であり、その他の場合には

    である請求項９に記載の送信装置。
  11. ソースビットストリームにプリコーディング行列を掛けてプリコーディングするとともに、前記プリコーディング行列とチャネル情報とを掛け合わせることによって生成された仮想チャネル情報を提供するプリコーダーと、
    ｎ個のストリームの各々の電力であるＰ１〜ＰＮのうちの１つを順次的に△だけ増加させながら前記仮想チャネル情報を反映して定義された数式（４）の解の増加量を確認し、ｐＫが前記解を最大にするｐＫ＋△に変更された状態においてＰ１〜ＰＮのうちの１つを順次的に△だけ増加させながら、前記数式（４）の増加量を確認し、使用可能な電力が残っている場合は、チャネル情報を反映して定義された数式（４）の解の増加量を確認するステップ及び前記数式（４）の増加量を確認するステップを繰り返し、使用可能な電力が残っていない場合には各ストリームの電力にＰ１〜ＰＮを割り当てる電力制御部と、
    を含み、前記数式（４）が以下のように定義される送信装置。



    ………………………………………………………（４）
    ここで、Ｒは下記式で表され、



    Ｐは電力であり、Ｉは下記式で表され、




    は二つの行列の各要素間の除算を示し、

    は１を要素とするＮ×１ベクトルを示し、σ２は雑音の強度を示し、ｐｎは信号ｓｎの送信電力を示し、ｃｉｊは受信装置の受信アンテナｉと送信装置の送信アンテナｊに同一な信号が受信されたことが受信装置の性能に悪影響を及ぼさない場合には０と表記され、そうでない場合には１と表記される。
  12. 前記チャネル情報が受信端末からフィードバックされた情報であり、前記チャネル情報が前記受信端末内で使用されるポストデコーダー行列を含む場合には

    （ここで、ｉは受信装置の受信アンテナを、ｊは送信装置の送信アンテナを意味する）であり、その他の場合には
    である請求項１１に記載の送信装置。
  13. ２つ以上のアンテナを介して受信された信号を用いてチャネル情報を推定し、この推定されたチャネル情報を転送し、転送されたチャネル情報に従ってストリーム別の電力が割り当てられて前記送信装置から送信された信号を前記アンテナを介して受信するチャネル推定部と、
    前記アンテナを介して受信した信号に特定行列を掛けて最終の受信信号にデコーディングするポストデコーダと、
    を含む受信装置。
  14. 前記チャネル推定部は、前記アンテナを介して受信した信号に追加して前記ポストデコーダの特定行列を用いてチャネル情報を推定し、このチャネル情報を転送する
    請求項１３に記載の受信装置。
  15. ダウンリンク内のチャネルコーディングを経てコード語の形態で入力されたビットをスクランブリングするスクランブラと、
    前記スクランブラーによりスクランブリングされたビットを複素変調シンボルに変調するモジュレーションマッパと、
    複素変調シンボルを１つまたは多数の転送レイヤにマッピングするレイヤマッパと、
    アンテナポートの各転送チャネルの上で複素変調シンボルをプリコーディングし、プリコーディング行列とチャネルの推定に従う仮想チャネル情報を提供するプリコーダと、
    各アンテナポートに対する複素変調シンボルを該当リソースエレメントにマッピングするリソースエレメントマッパと、を含み、
    前記仮想チャネル情報が入力され、この入力された仮想チャネル情報に基づいて、１つ以上の受信装置の受信電力、受信ＳＩＮＲ、または受信ＳＮＲのうち、少なくとも１つが最大になるように、ストリーム別の電力を割り当てる
    送信装置。
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