JP2012533966A - 無線通信システムにおける周波数選択性チャネルのｍｉｍｏビーム形成の手法 - Google Patents

Abstract

本発明の実施形態は、無線ネットワークで基地局（ＢＳ）として動作し、ＭＩＭＯビーム形成を行い、さらには、サブバンドについて複数のビーム形成マトリクスをトランシーバへフィードバックするレシーバと無線通信し、サブバンドにわたってビーム形成マトリクスを補間するトランシーバを備えた装置を提供する。
【選択図】図１

Description

無線通信では、マトリクスフィードバックによるビーム形成を用いることで顕著な向上がもたらされてきた。これまでは、ビーム形成が用いられる場合、周波数サブバンドあたりのビーム形成マトリクスは１つのみであった。これは、サブバンド全体にわたる周波数選択性による、約１０％の性能低下を引き起こす。その後、ビーム形成のサブバンド全体への伝送のためにビーム形成マトリクスが用いられる。これは、チャネル応答ひいては理想のビーム形成マトリクスがサブバンド内のサブキャリアにわたって変動することから、性能低下を引き起こす。この課題は、サブバンドの帯域幅が広くなるにつれ深刻化する。

従って、無線通信システムにおける周波数選択性チャネルのＭＩＭＯビーム形成についてのより優れた手法が切望されている。

発明の主題は、本明細書の結びの部分に具体的に述べられ、明確に請求されている。しかしながら、本発明の動作の方法及び構成の両方ならびに目的、機能及び利点は、添付の図面と共に以下の詳細な説明を参照することによってより良く理解され得る。図面は次の通りである。

７２サブキャリアの周波数選択性チャネルを示す。 ２Ｘ２のＭＩＭＯチャネルにおける７２サブキャリアのビーム形成角度の変動を示す。 本発明の一実施形態における、１つのビーム形成マトリクス及び補間された２つのビーム形成マトリクスを示す。 本発明の一実施形態における、グラスマン多様体の測地線を示す。 本発明の一実施形態における、角度領域及びベクトル領域の補間を示す。 本発明の一実施形態における、サブバンドのフィードバックを経時的に示す。 本発明の一実施形態における、単一ストリーム送信の弱相関２Ｘ２チャネルにおけるチャネル容量の比較を示す。

説明を単純かつ明確にするため、図面に示された要素の縮尺は必ずしも正確であるとは限らない。例えば、明確化のため、いくつかの要素の寸法が他の要素に比べて強調されている。

さらに、参照番号は複数の図面において適宜繰り返し用いられ、対応または類似の要素を示す。

以下の詳細な説明では、本発明の十分な理解を促すべく様々な具体的な詳細が説明されている。しかしながら、これらの具体的な詳細を用いることなく本発明を実施可能であることは、当業者にとって明らかである。また、本発明を不明瞭にすることを避けるべく、公知の方法、手順、構成要素及び回路については詳述しない。

本発明の実施形態は以下に関してなんら限定されるものではないが、例えば「処理する」、「コンピュートする」、「計算する」、「判断する」、「確立する」、「分析する」、「確認する」及びこれらの類似等の用語を用いた説明は、コンピュータのレジスタおよび／またはメモリ内で物理的（例えば電子的）な数量として表現されたデータを、コンピュータのレジスタおよび／またはメモリ、あるいは動作および／またはプロセスを実行する命令を格納し得るその他の情報格納媒体内で同様に物理的な数量として表現された他のデータへと操作および／または変換する、コンピュータ、コンピューティングプラットフォーム、コンピューティングシステムまたはその他の電子コンピューティング機器の動作および／またはプロセスを示してよい。

本発明の実施形態は以下に関してなんら限定されるものではないが、ここで用いられる用語「複数」及び「複数の」は、例えば「複数」または「２以上」を含んでよい。用語「複数」及び「複数の」は、本明細書全体にわたって２以上の構成要素、機器、要素、単位、変数またはこれらの類似を説明してよい。例えば、「複数の端末」は２以上の端末を含んでよい。

本発明の実施形態は、サブバンドにつき複数（例えば２つ等）のビーム形成マトリクスをフィードバックし、サブバンドにわたってビーム形成マトリクスを補間するスキームを提供する。本発明の一実施形態では、補間エラーを最小化する新たな補間スキームを提供する。フィードバックオーバーヘッドが同じである一般的なチャネルでは、４．１％のゲインが達成される。システムの構成によっては、周波数帯全体が１つまたは複数のサブバンドで構成されてよい。

上述のように、既存のシステムにおいては、フィードバックされるビーム形成マトリクスは、周波数サブバンドにつき１つのみである。その後、ビーム形成のサブバンド全体への伝送のためにビーム形成マトリクスが用いられる。これは、チャネル応答、ひいては理想のビーム形成マトリクスがサブバンド内のサブキャリアにわたって変動することから、性能低下を引き起こす。この課題は、サブバンドの帯域幅が広くなるにつれ深刻化する。

マルチユーザのＭＩＭＯ（ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｉｎｐｕｔ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｏｕｔｐｕｔ）では、広いサブバンド帯域を用いることでユーザペアリングの可能性が高まる。従って、通常サブバンドは、７２のサブキャリア、すなわち８００ｋＨｚを有する。サブバンド内でのチャネル応答の変動は、空間的に無相関及び空間的に弱相関なＭＩＭＯチャネルである一般的なチャネルにおいて、理想のビーム形成角度を約６０度変動させる。図１の１００に、チャネル応答の実部の例を示す。図２の２００のように、対応するビーム形成角度は、７２のサブキャリアにわたって変動する。角度の変動は、サブバンドの端においてビーム形成の精度を下げ、マルチユーザＭＩＭＯのダウンリンクのユーザ信号に強い干渉を引き起こす。さらにまた、サブバンド内の信号品質の変動は符号化率の高いチャネルコードの使用を制限し得る。変動を低減し、ビーム形成の精度を向上することが望ましい。

本発明の実施形態では、１つのビーム形成マトリクスではなく、例えば２つ等の複数のビーム形成マトリクスのフィードバックを提供する。これは、アップリンクのフィードバック幅が利用可能な場合、またはあるユーザの大まかなビーム形成が他に強い干渉を与える場合に特に有用である。サブバンドにつき２つのフィードバックを生成することは、モバイルユーザにとっての任意的な構成であってよい。フィードバックチャネルは、実際により多くのビットを強力なユーザへ搬送することから、この任意的な構成によって、強力なユーザは良好なチャネルの恩恵を受けることができる。２つのビーム形成マトリクスはそれぞれ、サブバンドの２つの各端を対象とする。２つのフィードバックマトリクスを用いて、サブバンドの全てのビーム形成マトリクスについて補間が行われてよい。適用されるビーム形成マトリクスは、サブバンドにわたって変動してよく、本発明のいくつかの実施形態では、補間を考慮し、サブバンドの２つの端で連帯的に２つのビーム形成マトリクスのフィードバックインデックスを選択する。図３の３００は、本発明の一実施形態を示し、既存技術における単一のビーム形成マトリクス３１０、３６０及び３７０の使用を示す。３３０、３２０、３４０及び３５０は、補間による複数のビーム形成マトリクスを用いた本発明の一実施形態を示す。

フィードバックされた２つのビーム形成マトリクス間においてビーム形成マトリクスを補間する方法は、複数存在する。ビーム形成マトリクスはユニタリであり、図４の４００が示すように、グラスマン多様体上にあることに留意されたい。フィードバックされた２つのマトリクスＡ４１０及びＢ４２０を結ぶ曲線は複数あり、補間されたマトリクスは接続曲線４３０上にある。曲線のそれぞれは、無作為に具現化された一連のチャネルに対応する。平均補間エラーを最小化する曲線は、Ａ４１０とＢ４２０とを結ぶ測地線４３０である。

とする。ここでのＡ及びＢはフィードバックされたビーム形成マトリクスである。Ａ及びＢは、Ｎ_ｔＸＮ_Ｓのユニタリマトリクスである。すなわち、

及び

である。Ｎ_ｔは送信アンテナの数であり、Ｎ_Ｓはビーム形成されたストリームの数である。具体的には、単一の空間ストリームが送信され、Ｎ_Ｓ＝１の場合、ビーム形成マトリクスＡ及びＢは、Ｎ_ｔＸ１ベクトルである。Ｍの特異値分解は次の通りである。

ここでのＱ_Ａ及びＱ_Ｂは、Ｎ_ＳＸＮ_Ｓの直交マトリクスであり、Σは対角マトリクスである。

及び

とした場合、次の通りとなる。

ｉ＝１，…，Ｎ_Ｓについて、σ_ｉ＝ｃｏｓθ_ｉとする。図５の右部分が示すように、θ_ｉは、

のｉ番目の列

と

のｉ番目の列

との間の角度である。図５の左部分が示すように、まず主成分角度θ_ｉの領域で線形補間が行われる。ｋ番目のサブキャリアの補間角度は次のように計算される。

ここで

上記は、ＡのサブキャリアとＢのサブキャリアとの間の周波数間隔に反比例、すなわち

であり、Ａのサブキャリアとｋ番目のサブキャリアとの間の周波数間隔に正比例、すなわち

である。角度が補間された後、ベクトル

は、

のｉ番目の列

と

のｉ番目の列

との間で補間され、図５の右側が示すように計算される。ｃ_ｉ（ｋ）は、単位ノルムを有し、

及び

で張られた平面に存続する。さらに、

と

との間の角度は、θ_ｉ（ｋ）である。最後に、補間されたビーム形成マトリクスは次によって形成される。

がユニタリマトリクスでない場合、ＱＲ分解またはグラムシュミッド（Ｇｒａｍ−Ｓｃｈｍｉｄｔ）等のアルゴリズムを用いて同じサブスペースに広がるユニタリマトリクスへ変換されてよい。サブバンドにわたるビーム形成マトリクスの相転移を最小化するため、Ａ，Ｂ及び

を含むビーム形成マトリクスのそれぞれにＮ_ＳＸＮ_Ｓ直交マトリクスＱ（ｋ）を乗算してよい。例えば、

はＣ（ｋ）に次のように変換されてよい。

ここでのＱ（ｋ）は、次に等しくてよい。

実際のビーム形成には、Ｃ（ｋ）が用いられる。

図５の５００は、角度領域５１０及びベクトル領域５２０における補間を示す。補間は、周波数および／または時間で適用されてよいことに留意されたい。補間が時間領域で適用される場合、チャネル予測手法と共に用いられてよい。未来のビーム形成マトリクスは、対応するチャネルマトリクスの予想によって想定されてよい。最後に観測されたチャネルの１つと予想されたチャネルとの間のビーム形成マトリクスは、補間から計算されてよい。さらに補間は、ワンショットフィードバックまたは差動フィードバックで適用されてよい。図６の６００が示すように、差動フィードバックを用いて、サブバンドにつき２つのビーム形成マトリクスのフィードバックが行われてよい。各フィードバック周期の最初に、前のフィードバックを有することなくビーム形成マトリクスを完全に表すワンショットフィードバックが必要である。そのワンショットフィードバックは、サブバンドの一方の端を対象とし、サブバンドの他方の端を対象とするフィードバックは、ワンショットフィードバック６１０、６４０及び６７０または差動フィードバック６２０、６５０、６３０及び６６０のいずれであってもよい。２つのワンショットフィードバックのうちの１つが不完全であったとしても、ビーム形成が部分的に成功し得ることから、もう一度ワンショットフィードバックを用いることにより、信頼性が高まる。一方で、ワンショットフィードバックを参照として用いた差動フィードバックは、フィードバックオーバーヘッドを低減する。図６の６００では、ワンショットフィードバックで初期化した後に、前のフィードバックを用いて一度に２つの差動フィードバックが送信されている。

複雑さの低減及び性能の向上のため、レシーバは、サブバンドの２つの端に近い２つのビーム形成マトリクスを選択し、サブキャリアの選ばれたサブセットについてのみビーム形成マトリクスを補間してよい。例えば、レシーバは、サブバンドの７２サブキャリアを１８のサブキャリアからなるグループに分割してよい。各グループの１８のサブキャリアは連続する。グループの中央のサブキャリアのビーム形成マトリクスがフィードバックまたは補間される。フィードバック及び補間されたビーム形成マトリクスは、さらなる補間を行われることなく、各グループについて用いられる。

図７の７００は、単一ストリーム送信の弱相関２Ｘ２チャネルにおけるチャネル容量の比較を示す。空間相関の無いＰｅｔｅｓｔｒｉａｎ Ｂ ｅＩＴＵチャネル及び単一ストリーム送信で２Ｘ２シングルユーザＭＩＭＯのシミュレーションを行った。基準として、８０２．１６ｅの３ビットコードブックをサブバンドの中央サブキャリア、すなわち３７番目のサブキャリアに用いた。これを本発明の実施形態に含まれてよい２つの改良案と比較した。第１案では、均一に分散されたコードワードを有する最適な６ビットコードブックを用いてコードブック解像度を上げる。フィードバックは中央サブキャリアに対してのみであり、性能は２．５％向上する。しかしながら、６ビットコードブックの追加によってコードブックの数が増えると、システムデザインが複雑化する。第２案では、図３の３００が示すように、８０２．１６ｅの３ビットコードブックを用いて２つのフィードバックを送信する。２つのフィードバックコードワードは、補間によるビーム形成ゲインが最大化するように選択される。第２案では、新たなコードブックを追加することなく、性能が４．１％向上する。従って、性能及び複雑さの両方の観点から、第２案がより望ましい。

ここでは本発明の特定の機能を図示及び説明したが、当業者は多くの変形、代替、変更及び等価物を着想し得る。従って、添付の請求項は、本発明の本質的な精神の範囲に含まれるそのような変形及び変更の全てを包含すると理解されるべきである。

Claims (27)

1. ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）ビーム形成を行い、
   サブバンド毎に複数のビーム形成マトリクスをトランシーバへフィードバックし、前記サブバンドにわたって前記複数のビーム形成マトリクスを補間するレシーバと通信する前記トランシーバを備えた装置。
2. サブバンド毎の前記複数のビーム形成マトリクスは、前記サブバンドの各端それぞれの２つのビーム形成マトリクスである請求項１に記載の装置。
3. フィードバックされた前記２つのビーム形成マトリクスを用いて、前記サブバンド内の少なくとも１つのビーム形成マトリクスについて補間が行われ、ビーム形成マトリクスは前記サブバンドにわたって変動し、前記２つのビーム形成マトリクスのフィードバックインデックスは、前記２つのサブバンドの端で、補間を考慮して連帯的に選択される請求項２に記載の装置。
4. 前記補間は、周波数または時間領域で適用され、前記時間領域で適用された場合には、チャネル予想手法と共に用いられる請求項１に記載の装置。
5. 各フィードバック期間の始めに、前のフィードバックを有することなくビーム形成マトリクスを完全に表すワンショットフィードバックが前記レシーバから送信され、前記ワンショットフィードバックは、前記サブバンドの一方の端を対象とし、前記サブバンドの他方の端を対象とするフィードバックは、ワンショットフィードバックまたは差動フィードバックのいずれかである請求項４に記載の装置。
6. 前記ワンショットフィードバックで初期化した後に、前のフィードバックを用いて一度に２つの差動フィードバックが送信される請求項５に記載の装置。
7. 複雑さの低減及び性能の向上のため、前記レシーバは、前記サブバンドの前記２つの端に近い２つのビーム形成マトリクスを選択し、サブキャリアの選ばれたサブセットについてのみ前記２つのビーム形成マトリクスを補間する請求項６に記載の装置。
8. 前記フィードバックされた２つのビーム形成マトリクスの間において前記ビーム形成マトリクスを補間する方法は複数存在し、前記ビーム形成マトリクスはユニタリであり、グラスマン多様体上にあり、前記フィードバックされた２つのマトリクスを結ぶ曲線は複数あり、前記補間されたマトリクスは接続曲線上にあり、前記接続曲線のそれぞれは、無作為に具現化された一連のチャネル変動に対応し、平均補間エラーを最小化する曲線は、複数の前記曲線を結ぶ測地線である請求項１に記載の装置。
9. ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）ビーム形成を行い、
   サブバンド毎に複数のビーム形成マトリクスをトランシーバへフィードバックし、前記サブバンドにわたって前記複数のビーム形成マトリクスを補間するレシーバと通信する前記トランシーバを無線ネットワークの基地局（ＢＳ）として動作させる段階を備える方法。
10. サブバンド毎の前記複数のビーム形成マトリクスは、前記サブバンドの各端それぞれの２つのビーム形成マトリクスである請求項９に記載の方法。
11. フィードバックされた前記２つのビーム形成マトリクスを用いて、前記サブバンド内の全てのビーム形成マトリクスについて補間を行う段階をさらに備え、
    ビーム形成マトリクスは前記サブバンドにわたって変動し、前記２つのビーム形成マトリクスのフィードバックインデックスは、前記２つのサブバンドの端で、補間を考慮して連帯的に選択される請求項１０に記載の方法。
12. 前記補間を周波数または時間領域で適用する段階をさらに備え、
    前記時間領域で適用された場合には、チャネル予想手法と共に用いられる請求項９に記載の方法。
13. 各フィードバック期間の始めに、前のフィードバックを有することなくビーム形成マトリクスを完全に表すワンショットフィードバックを前記レシーバから送信する段階をさらに備え、
    前記ワンショットフィードバックは、前記サブバンドの一方の端を対象とし、前記サブバンドの他方の端を対象とするフィードバックは、ワンショットフィードバックまたは差動フィードバックのいずれかである請求項１２に記載の方法。
14. 前記ワンショットフィードバックで初期化した後に、前のフィードバックを用いて一度に２つの差動フィードバック送信する段階をさらに備える請求項１３に記載の方法。
15. 複雑さの低減及び性能の向上のため、前記レシーバは、前記サブバンドの前記２つの端に近い２つのビーム形成マトリクスを選択し、サブキャリアの選ばれたサブセットについてのみ前記２つのビーム形成マトリクスを補間する請求項１４に記載の方法。
16. 前記フィードバックされた２つのビーム形成マトリクスの間において前記ビーム形成マトリクスを補間する方法は複数存在し、前記ビーム形成マトリクスはユニタリであり、グラスマン多様体上にあり、前記フィードバックされた２つのマトリクスを結ぶ曲線は複数あり、前記補間されたマトリクスは接続曲線上にあり、前記接続曲線のそれぞれは、無作為に具現化された一連のチャネルに対応し、平均補間エラーを最小化する曲線は、複数の前記曲線を結ぶ測地線である請求項９に記載の方法。
17. コンピュータで実行可能な命令をエンコードされたコンピュータ可読媒体であって、前記実行可能な命令は、アクセスされると機械に、
    ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）ビーム形成を行い、サブバンド毎に複数のビーム形成マトリクスをトランシーバへフィードバックし、前記サブバンドにわたって前記複数のビーム形成マトリクスを補間するレシーバと通信する前記トランシーバを無線ネットワークの基地局（ＢＳ）として動作させる段階を備える方法を実行させるコンピュータ可読媒体。
18. サブバンド毎の前記複数のビーム形成マトリクスは、前記サブバンドの各端それぞれの２つのビーム形成マトリクスである請求項１７に記載のコンピュータで実行可能な命令がエンコードされたコンピュータ可読媒体。
19. フィードバックされた前記２つのビーム形成マトリクスを用いて、前記サブバンド内の全てのビーム形成マトリクスについて補間を行う段階を実行する追加の命令をさらに備え、
    ビーム形成マトリクスは前記サブバンドにわたって変動し、前記２つのビーム形成マトリクスのフィードバックインデックスは、前記２つのサブバンドの端で、補間を考慮して連帯的に選択される請求項１８に記載のコンピュータで実行可能な命令がエンコードされたコンピュータ可読媒体。
20. 前記補間を周波数または時間領域で適用する段階を実行する追加の命令をさらに備え、
    前記時間領域で適用された場合には、チャネル予想手法と共に用いられる請求項１９に記載のコンピュータで実行可能な命令がエンコードされたコンピュータ可読媒体。
21. 各フィードバック期間の始めに、前のフィードバックを有することなくビーム形成マトリクスを完全に表すワンショットフィードバックを前記レシーバから送信する段階を実行する追加の命令をさらに備え、
    前記ワンショットフィードバックは、前記サブバンドの一方の端を対象とし、前記サブバンドの他方の端を対象とするフィードバックは、ワンショットフィードバックまたは差動フィードバックのいずれかである請求項２０に記載のコンピュータで実行可能な命令がエンコードされたコンピュータ可読媒体。
22. 前記ワンショットフィードバックで初期化した後に、前のフィードバックを用いて一度に２つの差動フィードバック送信する段階を実行する命令をさらに備える請求項２１に記載のコンピュータで実行可能な命令がエンコードされたコンピュータ可読媒体。
23. 複雑さの低減及び性能の向上のため、前記レシーバは、前記サブバンドの前記２つの端に近い２つのビーム形成マトリクスを選択し、サブキャリアの選ばれたサブセットについてのみ前記２つのビーム形成マトリクスを補間する請求項２２に記載のコンピュータで実行可能な命令がエンコードされたコンピュータ可読媒体。
24. 前記フィードバックされた２つのビーム形成マトリクスの間で前記ビーム形成マトリクスを補間する方法は複数存在し、前記ビーム形成マトリクスはユニタリであり、グラスマン多様体上にあり、前記フィードバックされた２つのマトリクスを結ぶ曲線は複数あり、前記補間されたマトリクスは接続曲線上にあり、前記接続曲線のそれぞれは、無作為に具現化された一連のチャネルに対応し、平均補間エラーを最小化する曲線は、複数の前記曲線を結ぶ測地線である請求項１７に記載のコンピュータで実行可能な命令がエンコードされたコンピュータ可読媒体。
25. ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）ビーム形成を行い、ＩＥＥＥ（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）８０２．１６規格に準拠する無線ネットワークの基地局（ＢＳ）として動作するトランシーバと、
    前記無線ネットワークで移動局（ＭＳ）として動作し、前記ＢＳと通信し、前記ＭＳは前記ＢＳへサブバンド毎に複数のビーム形成マトリクスを送信し、前記サブバンドにわたって前記複数のビーム形成マトリクスを補間するトランシーバと
    を備えるシステム。
26. サブバンド毎の前記複数のビーム形成マトリクスは、前記サブバンドの各端それぞれの２つのビーム形成マトリクスである請求項２５に記載のシステム。
27. フィードバックされた前記２つのビーム形成マトリクスを用いて、前記サブバンド内全てのビーム形成マトリクスについて補間が行われ、ビーム形成マトリクスは前記サブバンドにわたって変動し、前記２つのビーム形成マトリクスのフィードバックインデックスは、前記２つのサブバンドの端で、補間を考慮して連帯的に選択される請求項２６に記載のシステム。

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