JP2013232890A

JP2013232890A - プリコーディング方法、システムおよび装置

Info

Publication number: JP2013232890A
Application number: JP2013090447A
Authority: JP
Inventors: Xiaoli Wang; 王暁利; Kun Cho; 趙群; Yongsheng Zhang; 張永生; Kaibin Wan; 万海斌; Wen Chen; 陳文
Original assignee: NTT Docomo Inc
Current assignee: NTT Docomo Inc
Priority date: 2012-04-28
Filing date: 2013-04-23
Publication date: 2013-11-14
Anticipated expiration: 2033-04-23
Also published as: JP6130719B2; CN103379064B; CN103379064A

Abstract

【課題】中継ノードを有するネットワークトポロジーで、ソースとシンクとの間の直接リンク情報、並びに、ソースと中継ノードとの間および中継ノードとシンクとの間のリンク情報を考慮した、プリコーディング行列設計を可能とする。
【解決手段】第１ソースからシンクまで、第２ソースからシンクまで、第１ソースから中継ノードまで、第２ソースから中継ノードまで、および、中継ノードからシンクまでのチャネル状態情報をそれぞれ決定し、決定された各チャネル状態情報に基づいて、第１ソース、第２ソースおよび中継ノードのプリコーディング行列をそれぞれ決定する。それらを、第１ソース、第２ソースおよび中継ノードにフィードバックし、第１ソース、第２ソースおよび中継ノードは、それぞれ、自局のプリコーディング行列に基づいて、送信対象のデータに対してプリコーディングを行う、ことを含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、無線通信技術における中継協調マルチアンテナ通信技術に関し、特に、中継協調通信技術に基づくプリコーディング方法、システムおよび装置に関する。

通信技術の継続的な発展に伴って、人々による伝送レート、伝送信頼性、リソース利用率および通信セキュリティなどの性能への要求は、ますます高くなってきている。これにより、中継協調通信技術が、マルチパスフェージングに対抗して通信品質を向上させることができる重要な手段の１つになる。

マルチアンテナ技術および中継協調通信技術は、中継ノードがソース側からの情報に対して、単純な増幅、または圧縮符号化、または復号化・再符号化をしてからシンクに伝送することを許す、ことを基本思想とする。最後に、シンクは、受信された全ての情報を利用して復号化を行う。このような伝送モデルでは、中継ノードは、ソースとシンクとの間の通信に対して、ある程度の補助の役割を果たしている。これは、一定の空間ダイバーシティを提供し、通信品質を向上させる。

但し、シングルソース・シングル中継・シングルシンクの協調通信方式では、中継ノードのシンプレックスモードに起因して、１つの完全なデータ伝送には、２つの直交しているチャネルが掛かる。ソースからシンクまでの直接伝送にただ１つの直交チャネルが掛かることと比べて、このような空間ダイバーシティ特性は、また、周波数効率を低下させる。

２００４年の第３世代パートナーシッププロジェクト（３ＧＰＰ）のトロント会議では、有名な長期的進化（ＬＴＥ：ＬｏｎｇＴｅｒｍＥｖｏｌｕｔｉｏｎ）プロジェクトが提案されている。これは、３Ｇ技術と４Ｇ技術との間の過渡技術であり、３．９Ｇのグローバル標準である。ＬＴＥは、３Ｇのエアーアクセス技術を改善して強化し、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）と多入力多出力（ＭＩＭＯ）とをその無線ネットワーク進化の唯一の標準として、２０ＭＨｚのスペクトル帯域幅で、下り３２６Ｍｂｉｔ／ｓおよび上り８６Ｍｂｉｔ／ｓのピークレートを提供でき、セル端ユーザの性能を改善し、セル容量を向上させ、システム遅延を低下させる。タイプＩＩ中継が、ＬＴＥプロジェクトにおける中継に関する重要な提案である。このような中継は、セルＩＤがなく、主ｅＮＢの信号に対するダイバーシティを提供すること、または、主ｅＮＢとともに協調伝送を行ってセル容量を増加させることをその応用目的とする。タイプＩＩ中継シナリオにおいて、ソースとシンクとの間に、直接的な通信リンクが存在している。このようなネットワークトポロジー構成によれば、直接リンク情報および中継リンク情報を考慮してプリコーディングを行う方案は、マルチソースのタイプＩＩ中継シナリオにおける応用が当然なことである。このため、如何にこのようなネットワークトポロジー構成で直接リンク情報および中継リンク情報を考慮してプリコーディングを行うかが、現在のＬＴＥプロジェクトの解決すべき課題の１つになっている。

本発明の実施例では、中継ノードを有するネットワークトポロジーで、ソースとシンクとの間の直接リンク情報および中継リンク情報を考慮して、プリコーディング行列設計を行うプリコーディング方法、システムおよび装置が提供されている。

本発明の実施例で提供されているプリコーディング方法は、第１ソースからシンクまで、第２ソースからシンクまで、第１ソースから中継ノードまで、第２ソースから中継ノードまで、および、中継ノードからシンクまでのチャネル状態情報をそれぞれ決定し、第１ソースからシンクまで、第２ソースからシンクまで、第１ソースから中継ノードまで、第２ソースから中継ノードまで、および、中継ノードからシンクまでのチャネル状態情報に基づいて、第１ソース、第２ソースおよび中継ノードのプリコーディング行列をそれぞれ決定し、決定された第１ソース、第２ソースおよび中継ノードのプリコーディング行列を、それぞれ、第１ソース、第２ソースおよび中継ノードにフィードバックし、第１ソース、第２ソースおよび中継ノードが、それぞれ、自局のプリコーディング行列に基づいて、送信対象のデータに対してプリコーディングを行う、ことを含む。ここで、第１ソースおよび第２ソースは、それぞれ、第１移動端末および第２移動端末であり、前記シンクは、基地局（ｅＮｏｄｅＢ）である。

前記第１ソースからシンクまで、第２ソースからシンクまで、第１ソースから中継ノードまで、第２ソースから中継ノードまで、および、中継ノードからシンクまでのチャネル状態情報をそれぞれ決定することは、ｅＮｏｄｅＢが、チャネルの空き状況に基づいて、第１移動端末、第２移動端末および中継ノードのそれぞれに対して基準信号チャネルを割り当て、ここで、第１移動端末、第２移動端末および中継ノードに対して割り当てられた３つの基準信号チャネルが直交しており、第１移動端末が、自局に割り当てられた基準信号チャネルを介して、第１基準信号を中継ノードおよびｅＮｏｄｅＢに送信し、第２移動端末が、自局に割り当てられた基準信号チャネルを介して、第２基準信号を中継ノードおよびｅＮｏｄｅＢに送信し、中継ノードが、受信された第１基準信号および第２基準信号により、第１移動端末および第２移動端末から中継ノードまでのチャネル状態情報Ｈ_ｒ１およびＨ_ｒ２をそれぞれ推定し、中継ノードが、自局の基準信号チャネルを介して、第３基準信号、Ｈ_ｒ１およびＨ_ｒ２をｅＮｏｄｅＢに送信し、ｅＮｏｄｅＢが、受信された第１基準信号、第２基準信号および第３基準信号に基づいて、第１移動端末、第２移動端末および中継ノードからｅＮｏｄｅＢまでのチャネル状態情報Ｈ_ｄ１、Ｈ_ｄ１およびＨ_ｄｒをそれぞれ推定し、推定された中継ノードからシンクｅＮｏｄｅＢまでのチャネル状態情報Ｈ_ｄｒに基づいて、第１移動端末および第２移動端末から中継ノードまでのチャネル状態情報Ｈ_ｒ１およびＨ_ｒ２を抽出する、ことを含む。

第１ソースからシンクまで、第２ソースからシンクまで、第１ソースから中継ノードまで、第２ソースから中継ノードまで、および、中継ノードからシンクまでのチャネル状態情報に基づいて、第１ソース、第２ソースおよび中継ノードのプリコーディング行列をそれぞれ決定することは、第１ソース、第２ソースとシンクとの間の総スループットの最大化を最適化目的として、第１ソース、第２ソースおよび中継ノードのプリコーディング行列を決定する、ことを含む。

第１ソース、第２ソースとシンクとの間の総スループットの最大化を最適化目的として、第１ソース、第２ソースおよび中継ノードのプリコーディング行列を決定することは、
まず、第２ソースの信号を復号化してから、第２ソースの信号を引いた後に、第１ソースの信号を復号化するように、シンクノードの復号化の順序を予め仮定するステップＡと、
中継ノードのプリコーディング行列Ｇを初期化し、

Ｇを固定し、第１ソースとシンクとの間の総スループットを最大化させるように、第１ソースのプリコーディング行列Ｆ_１を求めるステップＣと、
ＧおよびＦ_１を固定し、第２ソースとシンクとの間の総スループットを最大化させるように、第２ソースのプリコーディング行列Ｆ_２を求めるステップＤと、
Ｆ_１およびＦ_２を固定し、第１ソース、第２ソースとシンクとの間の総スループットを最大化させるように、中継ノードのプリコーディング行列Ｇを求めるステップＥと、
求められたＦ_１、Ｆ_２およびＧの値が収束したかどうかを判断し、求められたＦ_１、Ｆ_２およびＧの値が収束した場合、求められたＦ_１、Ｆ_２およびＧを近似最適解とし、求められたＦ_１、Ｆ_２およびＧの値が収束していない場合、ステップＣに戻るステップＦと、を含む。

前記第１ソースのプリコーディング行列Ｆ_１を求めることは、

前記第２ソースのプリコーディング行列Ｆ_２を求めることは、

前記中継ノードのプリコーディング行列Ｇを求めることは、

前記求められたＦ_１、Ｆ_２およびＧの値が収束したかどうかを判断することは、求められたＦ_１、Ｆ_２およびＧが

本発明の実施例で提供されている通信システムは、第１ソース、第２ソース、中継ノードおよびシンクを含み、ここで、前記シンクは、第１ソースからシンクまで、第２ソースからシンクまで、第１ソースから中継ノードまで、第２ソースから中継ノードまで、および、中継ノードからシンクまでのチャネル状態情報をそれぞれ決定し、第１ソースからシンクまで、第２ソースからシンクまで、第１ソースから中継ノードまで、第２ソースから中継ノードまで、および、中継ノードからシンクまでのチャネル状態情報に基づいて、第１ソース、第２ソースおよび中継ノードのプリコーディング行列をそれぞれ決定し、決定された第１ソース、第２ソースおよび中継ノードのプリコーディング行列を、それぞれ、第１ソース、第２ソースおよび中継ノードにフィードバックし、前記第１ソース、第２ソースおよび中継ノードは、それぞれ、自局のプリコーディング行列に基づいて、送信対象のデータに対してプリコーディングを行う。

ここで、シンクは、ｅＮｏｄｅＢであり、前記第１ソースおよび第２ソースは、それぞれ、第１移動端末および第２移動端末である。

本発明の実施例で提供されているｅＮｏｄｅＢは、
チャネルの空き状況に基づいて、第１移動端末、第２移動端末および中継ノードのそれぞれに対して基準信号チャネルを割り当て、ここで、第１移動端末、第２移動端末および中継ノードに対して割り当てられた３つの基準信号チャネルが直交している基準信号チャネル割当手段と、
第１移動端末、第２移動端末および中継ノードが各自の基準信号チャネルを介して送信した第１基準信号、第２基準信号および第３基準信号を受信する第１基準信号受信手段と、
第１基準信号、第２基準信号および第３基準信号に基づいて、第１移動端末、第２移動端末および中継ノードからｅＮｏｄｅＢまでのチャネル状態情報Ｈ_ｄ１、Ｈ_ｄ２およびＨ_ｄｒをそれぞれ推定し、推定された中継ノードからシンクｅＮｏｄｅＢまでのチャネル状態情報Ｈ_ｄｒに基づいて、第１移動端末および第２移動端末から中継ノードまでのチャネル状態情報Ｈ_ｒ１およびＨ_ｒ２を抽出する第１チャネル推定手段と、
第１移動端末からｅＮｏｄｅＢまで、第２移動端末からｅＮｏｄｅＢまで、第１移動端末から中継ノードまで、第２移動端末から中継ノードまで、および、中継ノードからｅＮｏｄｅＢまでのチャネル状態情報に基づいて、第１移動端末、第２移動端末および中継ノードのプリコーディング行列をそれぞれ決定するプリコーディング行列設計手段と、
決定された第１移動端末、第２移動端末および中継ノードのプリコーディング行列を、それぞれ、第１移動端末、第２移動端末および中継ノードにフィードバックするプリコーディング行列フィードバック手段と、を含む。

本発明の実施例で提供されている中継ノードは、
自局に対して基地局（ｅＮｏｄｅＢ）が割り当てた基準信号チャネルを受信する第１基準信号チャネル受信手段と、
第１移動端末および第２移動端末が各自の基準信号チャネルを介して送信した第１基準信号および第２基準信号を受信する第２基準信号受信手段と、
第１基準信号および第２基準信号に基づいて、第１移動端末および第２移動端末から中継ノードまでのチャネル状態情報Ｈ_ｒ１およびＨ_ｒ２をそれぞれ推定する第２チャネル推定手段と、
自局の基準信号チャネルを介して、自局の基準信号、並びに、第１移動端末および第２移動端末から中継ノードまでのチャネル状態情報Ｈ_ｒ１およびＨ_ｒ２をｅＮｏｄｅＢに送信する第１基準信号送信手段と、
ｅＮｏｄｅＢからフィードバックされた自局のプリコーディング行列を受信し、自局のプリコーディング行列に基づいて、送信対象のデータに対してプリコーディングを行う第１送信プリコーディング行列受信手段と、を含む。

本発明の実施例で提供されている移動端末は、
自局に対して基地局（ｅＮｏｄｅＢ）が割り当てた基準信号チャネルを受信する第２基準信号チャネル受信手段と、
自局の基準信号チャネルを介して、自局の基準信号を中継ノードおよびｅＮｏｄｅＢに送信する第２基準信号送信手段と、
ｅＮｏｄｅＢからフィードバックされた自局のプリコーディング行列を受信し、自局のプリコーディング行列に基づいて、送信対象のデータに対してプリコーディングを行う第２送信プリコーディング行列受信手段と、を含む。

本発明の実施例に係るプリコーディング方法、システムおよび装置は、中継ノードを有するネットワークトポロジーで、ソースとシンクとの間の直接リンク情報および中継リンク情報を考慮して、プリコーディング行列設計を行うことができる。

本発明の実施例におけるネットワークトポロジーモデルの例を示す図である。本発明の実施例におけるプリコーディング方法のフローチャートである。本発明の実施例におけるチャネル状態情報の決定方法のフローチャートである。本発明の実施例におけるプリコーディング行列の決定方法のフローチャートである。本発明の実施例におけるプリコーディングシステムの構成を示す図である。本発明の実施例における基地局（ｅＮｏｄｅＢ）の内部構成を示す図である。本発明の実施例における中継ノードの内部構成を示す図である。本発明の実施例における移動端末の内部構成を示す図である。

スペクトル効率を向上させて、従来技術における中継ノードのシンプレックス特性に起因するスペクトル効率低下の問題を克服するために、本発明の実施例では、２つのマルチアンテナソースが１つのマルチアンテナ中継ノードを介して、同時に１つのマルチアンテナシンクと通信を行うと仮定すると共に、中継ノードが受信された信号に対して増幅処理を行ってからシンクに転送すると仮定する。

本発明の実施例に係るネットワークトポロジーモデルの一例は、図１に示す通りである。図１から分かるように、このネットワークトポロジーは、第１ソースＭＳａ、第２ソースＭＳｂ、中継ノードＲＮ、およびシンクｅＮｏｄｅＢを含み、ここで、第１ソースＭＳａ、第２ソースＭＳｂ、中継ノードＲＮおよびシンクｅＮｏｄｅＢは、いずれもマルチアンテナのものである。また、第１ソースＭＳａおよび第２ソースＭＳｂとシンクｅＮｏｄｅＢとの間に、いずれも直接的な通信リンクが存在している。このように、第１ソースＭＳａと第２ソースＭＳｂとは、同時に、中継ノードＲＮを介して、シンクｅＮｏｄｅＢと通信を行うことができ、一方、第１ソースＭＳａと第２ソースＭＳｂとは、また、同時に、シンクとの間の直接的な通信リンクを介して、情報を直接にシンクｅＮｏｄｅＢに伝送し、最後に、シンクｅＮｏｄｅＢは、第１ソースＭＳａ、第２ソースＭＳｂおよび中継ノードＲＮから受信された全ての情報を利用して復号化を行って、第１ソースＭＳａおよび第２ソースＭＳｂからの情報をそれぞれ得る。このネットワークトポロジーモデルでは、第１ソース、第２ソースおよび中継ノードの各自の送信電力が制限されるため、如何に、２つのソースと中継ノードとの各自のアンテナ内部の間でプリコーディング行列の設計を行って、２つのソースとシンクとの間の総スループットを最大化させるかが、本発明の実施例の解決すべき主な課題である。

この課題を解決するために、本発明の実施例は、プリコーディング方法を提供している。図２に示すように、その実現フローは、主に、
第１ソースからシンクまで、第２ソースからシンクまで、第１ソースから中継ノードまで、第２ソースから中継ノードまで、および、中継ノードからシンクまでのチャネル状態情報をそれぞれ決定するステップ１０１と、
第１ソースからシンクまで、第２ソースからシンクまで、第１ソースから中継ノードまで、第２ソースから中継ノードまで、および、中継ノードからシンクまでのチャネル状態情報に基づいて、第１ソース、第２ソースおよび中継ノードのプリコーディング行列をそれぞれ決定するステップ１０２と、
決定された第１ソース、第２ソースおよび中継ノードのプリコーディング行列を、それぞれ、第１ソース、第２ソースおよび中継ノードにフィードバックするステップ１０３と、
第１ソース、第２ソースおよび中継ノードは、それぞれ、自局のプリコーディング行列に基づいて、送信対象のデータに対してプリコーディングを行うステップ１０４と、を含む。

ここまで、上記のプリコーディングプロセスが終了する。その後、第１移動端末、第２移動端末および中継ノードは、データ伝送を開始する。

本発明の実施例において、上記ステップ１０１〜ステップ１０３は、シンク、またはネットワークにおけるほかの機器によって完成することができる。

また、本発明の実施例において、上記の第１ソースおよび第２ソースは、それぞれ、第１移動端末および第２移動端末であってよく、シンクは、基地局（ｅＮｏｄｅＢ）であってよい。この場合、上記ステップ１０１〜ステップ１０３は、ｅＮｏｄｅＢによって完成することができる。具体的に、この場合、図３に示すように、上記ステップ１０１は、具体的に下記のステップを含むことができる。

ステップ２０１で、ｅＮｏｄｅＢは、チャネルの空き状況に基づいて、第１移動端末、第２移動端末および中継ノードのそれぞれに対して、基準信号チャネル（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｉｇｎａｌｃｈａｎｎｅｌ）を割り当て、ここで、第１移動端末、第２移動端末および中継ノードに対して割り当てられた３つの基準信号チャネルは直交している。

本ステップ２０１において、第１移動端末、第２移動端末および中継ノードのそれぞれに対して基準信号チャネルを割り当てることは、ｅＮｏｄｅＢが、第１移動端末および第２移動端末から中継ノードまでのチャネル状態情報Ｈ_ｒ１およびＨ_ｒ２、並びに、第１移動端末、第２移動端末および中継ノードからシンクまでのチャネル状態情報Ｈ_ｄ１、Ｈ_ｄ２およびＨ_ｄｒを得られるようにすることを目的とする。

ステップ２０２で、第１移動端末は、自局に割り当てられた基準信号チャネルを介して、第１基準信号を中継ノードおよびｅＮｏｄｅＢに送信し、第２移動端末は、自局に割り当てられた基準信号チャネルを介して、第２基準信号を中継ノードおよびｅＮｏｄｅＢに送信する。

ステップ２０３で、中継ノードは、受信された第１基準信号および第２基準信号により、第１移動端末および第２移動端末から中継ノードまでのチャネル状態情報Ｈ_ｒ１およびＨ_ｒ２をそれぞれ推定する。

ステップ２０４で、中継ノードは、自局の基準信号チャネルを介して、第３基準信号、Ｈ_ｒ１およびＨ_ｒ２をｅＮｏｄｅＢに送信する。

ステップ２０５で、ｅＮｏｄｅＢは、受信された第１基準信号、第２基準信号および第３基準信号に基づいて、第１移動端末、第２移動端末および中継ノードからｅＮｏｄｅＢまでのチャネル状態情報Ｈ_ｄ１、Ｈ_ｄ２およびＨ_ｄｒをそれぞれ推定し、推定された中継ノードからシンクｅＮｏｄｅＢまでのチャネル状態情報Ｈ_ｄｒに基づいて、第１移動端末および第２移動端末から中継ノードまでのチャネル状態情報Ｈ_ｒ１およびＨ_ｒ２を抽出する。

上記のステップ２０１〜２０５を経て、ｅＮｏｄｅＢは、第１移動端末および第２移動端末から中継ノードまでのチャネル状態情報Ｈ_ｒ１およびＨ_ｒ２、並びに、第１移動端末、第２移動端末および中継ノードからシンクまでのチャネル状態情報Ｈ_ｄ１、Ｈ_ｄ２およびＨ_ｄｒを得ることができる。

また、本発明の実施例のステップ１０２では、２つのソースとシンクとの間の総スループットの最大化を最適化目的として、第１ソース、第２ソースおよび中継ノードのプリコーディング行列を決定することができる。２つのソースが第１移動端末および第２移動端末であり、シンクが基地局（ｅＮｏｄｅＢ）である場合、本発明の実施例のステップ１０２では、第１移動端末、第２移動端末とｅＮｏｄｅＢとの間の総スループットの最大化を最適化目的として、第１移動端末、第２移動端および中継ノードのプリコーディング行列を決定することができる。

具体的に、上記最適化目的を表す最適化目的関数は、下記の導出過程により得ることができる。

まず、第１直交データチャネルで、第１移動端末および第２移動端末は、同時に、各自のベクトルデータ信号ｘ_１＝Ｆ_１ｓ_１およびｘ_２＝Ｆ_２ｓ_２を中継ノードおよびｅＮｏｄｅＢに伝送し、ここで、Ｆ_１およびＦ_２は、第１移動端末および第２移動端末のプリコーディング行列をそれぞれ表し、ｓ_１およびｓ_２は、第１移動端末、第２移動端末から送信された電力が正規化されたデータ信号をそれぞれ表すが、第２直交データチャネルで、中継ノードは、受信された混合データ信号をプリコーディング行列Ｇと乗じてからｅＮｏｄｅＢに転送すると仮定する。説明すべきものとして、上記第１直交データチャネルと第２直交データチャネルは、時分割直交チャネルであってよく、あるいは、周波数分割直交チャネルであってよい。また、同一回のデータ伝送において、第１直交データチャネルおよび第２直交データチャネルはそのまま維持すると仮定する必要がある。このような仮定条件で、ｅＮｏｄｅＢは、２つの直交データチャネルで受信されたデータ信号に基づいて、受信データ信号行列を作成することができ、その数式は、下記の数式１に示す通りである。

その後、シャノン（Ｓｈａｎｎｏｎ）情報理論の原理に基づいて、下記のことを得ることができる。即ち、２つのソースが２つの直交データチャネルを介してシンクに伝送する最大の総スループットは、下記の数式２に示す通りである。

このように、上記の最適化目的は、第１移動端末、第２移動端末および中継ノードの電力制御制約条件で、Ｃ_ｓｕｍを最大化させるＦ_１、Ｆ_２およびＧの解を求めると述べることができる。つまり、上記最適化目的を表す最適化目的関数は、下記の数式３のように表すことができる。

研究によって、上記最適化目的関数３の非凸性に起因して、Ｆ_１、Ｆ_２およびＧの最適閉形式解を直接に得ることが困難である、ということを発見することができる。

このように、本発明の実施例では、上記の最適化目的関数を満足するＦ_１、Ｆ_２およびＧの近似最適解を得られる簡略化された反復方法が提供されている。

まず、情報理論に基づき、例えば、第２移動端末のデータを復号化してから、第２移動端末のデータを引いた後に、第１移動端末のデータを復号化するように、復号化の順序を予め仮定すると、第１移動端末および第２移動端末からシンクまでのスループットは以下の等式

そのため、Ｃ_１およびＣ_２の表現式に基づき、以下のソースプリコーディング行列設計を行うことができる。

図４に示すように、この反復方法の実現手順は、主に、下記のステップを含む。

ステップ３００で、ｅＮｏｄｅＢが、まず第２移動端末のデータを復号化してから、第２移動端末のデータを引いた後に、第１移動端末のデータを復号化して、

ステップ３０１で、

ステップ３０２で、ステップ３０１で得られたＦ_１に基づき、

ステップ３０３で、ステップ３０１および３０２で得られたＦ_１およびＦ_２に基づき、Ｇを求め、具体的に、以下のステップを含む。

まず、以下の数式４に示すような等価方程式を作成する。

この問題を求めるために、以下の分解を行う必要があり、

また、中継ノードの送信電力の制限条件をさらに以下のように等価する。

新しい電力制限条件で、

ステップ３０４で、求められたＦ_１、Ｆ_２およびＧの値が収束したかどうかを判断し、求められたＦ_１、Ｆ_２およびＧの値が収束した場合、ステップ３０５に進み、求められたＦ_１、Ｆ_２およびＧの値が収束していない場合、上記のステップ３０１に戻って反復を行う。

本ステップにおける前記求められたＦ_１、Ｆ_２およびＧの値が収束したかどうかを判断することは、具体的に、求められたＦ_１、Ｆ_２およびＧが下記の収束基準

ステップ３０５で、求められたＦ_１、Ｆ_２およびＧを近似最適解とする。

このように、上記のステップ３０１〜３０５により、Ｆ_１、Ｆ_２およびＧの近似最適解を得ることができる。

その後、本発明の実施例のステップ１０３では、ｅＮｏｄｅＢは、Ｆ_１、Ｆ_２およびＧの近似最適解を得た後、それぞれ、第１移動端末、第２移動端末および中継ノードに対して割り当てられた直交基準信号チャネルを介して、得られたＦ_１、Ｆ_２およびＧの近似最適解を、第１移動端末、第２移動端末および中継ノードにフィードバックする。次に、ステップ１０４で、第１移動端末、第２移動端末および中継ノードは、それぞれ受信されたＦ_１、Ｆ_２およびＧに基づいて、プリコーディングを行う。ここまで、上記のプリコーディングプロセスが終了する。第１移動端末、第２移動端末および中継ノードは、自局のプリコーディング行列に従って、信号を送信し、データ伝送を開始することができる。

説明すべきものとして、当業者は、上記の反復方法が、２つのソース、１つの中継および１つのシンクを含むマルチアンテナノードの任意のネットワークトポロジー構成に適用してもよい、ということを理解することができる。つまり、ソースと中継と、ソースとシンクと、および、中継とシンクとのチャネル状態情報を知った後、いずれも、上記ステップ３０１〜ステップ３０５における反復方法を利用して、２つのソースとシンクとの間の総スループットを最大化させるように、第１ソース、第２ソースおよび中継ノードのプリコーディング行列Ｆ_１、Ｆ_２およびＧを求めることができる。

上記のように、本発明の実施例で提供されているプリコーディング方法は、中継ノードを有するネットワークトポロジーで、ソースとシンクとの間の直接リンク情報および中継リンク情報を考慮して、プリコーディング行列設計を行うことができる。また、本発明の実施例に係るプリコーディング行列設計方法では、２つの直交しているデータチャネルを介して、同時に、２つの移動端末にサービスすることができるため、平均的に１つの直交データチャネル当たり１つのソースユーザにサービスする目的を達することができ、従って、従来のシングルソース、シングル中継およびシングルシンクのモデルと比べて、周波数効率が倍近く向上できる。また、本発明の実施例に係るプリコーディング行列設計方法は、２つのソースとシンクとの間の総スループットを最大化させるソース、中継ノードの近似最適プリコーディング行列を探し出すことができる。従って、ソースおよび中継ノードの各自の送信電力が制限される条件で、ソースとシンクとの間の総スループットを最大化させることができ、電力均等配分のプリコーディング行列設計方法と比べて、１０％以上のスループット利得を得ることができる。

上記のプリコーディング方法に対応して、本発明の実施例は、通信システムを提供している。その構成は図５に示すように、主に、第１ソース、第２ソース、中継ノードおよびシンクを含む。

ここで、シンクは、第１ソースからシンクまで、第２ソースからシンクまで、第１ソースから中継ノードまで、第２ソースから中継ノードまで、および、中継ノードからシンクまでのチャネル状態情報をそれぞれ決定し、第１ソースからシンクまで、第２ソースからシンクまで、第１ソースから中継ノードまで、第２ソースから中継ノードまで、および、中継ノードからシンクまでのチャネル状態情報に基づいて、第１ソース、第２ソースおよび中継ノードのプリコーディング行列をそれぞれ決定し、決定された第１ソース、第２ソースおよび中継ノードのプリコーディング行列を、それぞれ、第１ソース、第２ソースおよび中継ノードにフィードバックし、前記第１ソース、第２ソースおよび中継ノードは、それぞれ、自局のプリコーディング行列に基づいて、送信対象のデータに対してプリコーディングを行う。

ここで、上記のシンクは、基地局（ｅＮｏｄｅＢ）であってよく、第１ソースおよび第２ソースは、第１移動端末および第２移動端末であってよい。この場合、図６に示すように、ｅＮｏｄｅＢの内部構成は、具体的に、
チャネルの空き状況に基づいて、第１移動端末、第２移動端末および中継ノードのそれぞれに対して基準信号チャネルを割り当て、ここで、第１移動端末、第２移動端末および中継ノードに対して割り当てられた３つの基準信号チャネルが直交している基準信号チャネル割当手段１１と、
第１移動端末、第２移動端末および中継ノードが各自の基準信号チャネルを介して送信した第１基準信号、第２基準信号および第３基準信号を受信する第１基準信号受信手段１２と、
第１基準信号、第２基準信号および第３基準信号に基づいて、第１移動端末、第２移動端末および中継ノードからｅＮｏｄｅＢまでのチャネル状態情報Ｈ_ｄ１、Ｈ_ｄ２およびＨ_ｄｒをそれぞれ推定し、推定された中継ノードからシンクｅＮｏｄｅＢまでのチャネル状態情報Ｈ_ｄｒに基づいて、第１移動端末および第２移動端末から中継ノードまでのチャネル状態情報Ｈ_ｒ１およびＨ_ｒ２を抽出する第１チャネル推定手段１３と、
第１移動端末からｅＮｏｄｅＢまで、第２移動端末からｅＮｏｄｅＢまで、第１移動端末から中継ノードまで、第２移動端末から中継ノードまで、および、中継ノードからｅＮｏｄｅＢまでのチャネル状態情報に基づいて、第１移動端末、第２移動端末および中継ノードのプリコーディング行列をそれぞれ決定するプリコーディング行列設計手段１４と、
決定された第１移動端末、第２移動端末および中継ノードのプリコーディング行列を、それぞれ、第１移動端末、第２移動端末および中継ノードにフィードバックするプリコーディング行列フィードバック手段１５と、を含む。

説明すべきものとして、ｅＮｏｄｅＢを除いて、上記シンクは、例えば無線センサシンクノードなどのほかのシンク機器であってもよい。

本発明の実施例では、上記プリコーディング行列設計手段１４は、２つのソースとシンクとの間の総スループットの最大化を最適化目的として、第１移動端末、第２移動端末および中継ノードのプリコーディング行列を決定してもよく、図４に示すような反復方法を利用して第１移動端末、第２移動端末および中継ノードのプリコーディング行列を決定してもよい。

図７に示すように、上記の中継ノードの内部構成は、具体的に、
自局に対してｅＮｏｄｅＢが割り当てた基準信号チャネルを受信する第１基準信号チャネル受信手段２１と、
第１移動端末および第２移動端末が各自の基準信号チャネルを介して送信した第１基準信号および第２基準信号を受信する第２基準信号受信手段２２と、
第１基準信号および第２基準信号に基づいて、第１移動端末および第２移動端末から中継ノードまでのチャネル状態情報Ｈ_ｒ１およびＨ_ｒ２をそれぞれ推定する第２チャネル推定手段２３と、
自局の基準信号チャネルを介して、自局の基準信号、並びに、第１移動端末および第２移動端末から中継ノードまでのチャネル状態情報Ｈ_ｒ１およびＨ_ｒ２をｅＮｏｄｅＢに送信する第１基準信号送信手段２４と、
ｅＮｏｄｅＢからフィードバックされた自局のプリコーディング行列を受信し、自局のプリコーディング行列に基づいて、送信対象のデータに対してプリコーディングを行う第１送信プリコーディング行列受信手段２５と、を含む。

図８に示すように、上記の第１移動端末および第２移動端末の内部構成は基本的に同じであり、具体的に、
自局に対してｅＮｏｄｅＢが割り当てた基準信号チャネルを受信する第２基準信号チャネル受信手段３１と、
自局の基準信号チャネルを介して、自局の基準信号を中継ノードおよびｅＮｏｄｅＢに送信する第２基準信号送信手段３２と、
ｅＮｏｄｅＢからフィードバックされた自局のプリコーディング行列を受信し、自局のプリコーディング行列に基づいて、送信対象のデータに対してプリコーディングを行う第２送信プリコーディング行列受信手段３３と、を含む。

その後、第１移動端末および第２移動端末は、自局のプリコーディング行列に従って、ｅＮｏｄｅＢおよび中継ノードへデータを送信し、データ伝送を開始することができる。

上記のように、本発明の実施例で提供されているプリコーディング行列設計システムおよび装置は、中継ノードを有するネットワークトポロジーで、ソースとシンクとの間の直接リンク情報および中継リンク情報を考慮して、プリコーディング行列設計を行うことができる。また、本発明の実施例に係るプリコーディング行列設計システムでは、２つの直交しているデータチャネルを介して、同時に、２つの移動端末にサービスすることができるため、平均的に１つの直交データチャネル当たり１つのソースユーザにサービスする目的を達することができ、従って、従来のシングルソース、シングル中継およびシングルシンクのモデルと比べて、周波数効率が倍近く向上できる。また、本発明の実施例に係るプリコーディング行列設計方法は、２つのソースとシンクとの間の総スループットを最大化させるソース、中継ノードの近似最適プリコーディング行列を探し出すことができる。従って、ソースおよび中継ノードの総送信電力が制限される条件で、ソースとシンクとの間の総スループットを最大化させることができ、電力均等配分のプリコーディング行列設計方法と比べて、１０％以上のスループット利得を得ることができる。

また、説明すべきものとして、通常、よりよい性能を得るために、中継ノードの移動端末側向けの受信アンテナは無指向性アンテナであるが、ｅＮｏｄｅＢ側向けの送信アンテナは指向性アンテナであり、つまり、一般的に、中継ノードの受信アンテナ利得は送信アンテナ利得より小さい。しかし、比較により、２つの移送端末の距離が比較的に近くて、かついずれも中継ノードから近いが、ｅＮｏｄｅＢから遠い場合で、中継ノードの移動端末側向けの受信アンテナは指向性アンテナを採用し、ｅＮｏｄｅＢ側向けの送信アンテナは、無指向性アンテナを採用し、または同様に指向性アンテナを採用すると、つまり、より高い利得を有する送信アンテナおよび受信アンテナを採用すると、よりよい性能を得ることを発見することができる。上記の研究に基づき、さらに、上記の実施例に係る方法を改善することができ、例えば、ステップ１０１を実行するとき、第１ソースからシンクまで、第２ソースからシンクまで、第１ソースから中継ノードまで、第２ソースから中継ノードまで、および、中継ノードからシンクまでのチャネル状態情報Ｈ_ｒ１、Ｈ_ｒ２、Ｈ_ｄ１、Ｈ_ｄ２およびＨ_ｄｒを決定して、第１ソース、第２ソースおよび中継ノードのプリコーディング行列を決定した後に、中継ノードの送信アンテナおよび受信アンテナを切り替えて、同じチャネル情報を置き換えてから、再び、第１ソースから中継ノードまで、第２ソースから中継ノードまで、および、中継ノードからシンクまでのチャネル状態情報Ｈ_ｒ１’、Ｈ_ｒ２’およびＨ_ｄｒ’を決定して、このような場合での第１ソース、第２ソースおよび中継ノードのプリコーディング行列を決定する必要がある。その後、スループットに基づいて、性能のよりよい（即ち、総スループットのより大きい）一組のプリコーディング行列を選択して、第１ソース、第２ソースおよび中継ノードにフィードバックする。

上記は、本発明の好ましい実施例にすぎず、本発明を限定するものではない。本発明の精神と原則内で行われる種々の修正、均等置換え、改善などは全て本発明の保護範囲内に含まれるべきである。

１１基準信号チャネル割当手段
１２第１基準信号受信手段
１３第１チャネル推定手段
１４プリコーディング行列設計手段
１５プリコーディング行列フィードバック手段
２１第１基準信号チャネル受信手段
２２第２基準信号受信手段
２３第２チャネル推定手段
２４第１基準信号送信手段
２５第１送信プリコーディング行列受信手段
３１第２基準信号チャネル受信手段
３２第２基準信号送信手段
３３第２送信プリコーディング行列受信手段

Claims

プリコーディング方法であって、
第１ソースからシンクまで、第２ソースからシンクまで、第１ソースから中継ノードまで、第２ソースから中継ノードまで、および、中継ノードからシンクまでのチャネル状態情報をそれぞれ決定し、
第１ソースからシンクまで、第２ソースからシンクまで、第１ソースから中継ノードまで、第２ソースから中継ノードまで、および、中継ノードからシンクまでのチャネル状態情報に基づいて、第１ソース、第２ソースおよび中継ノードのプリコーディング行列をそれぞれ決定し、
決定された第１ソース、第２ソースおよび中継ノードのプリコーディング行列を、それぞれ、第１ソース、第２ソースおよび中継ノードにフィードバックし、
第１ソース、第２ソースおよび中継ノードは、それぞれ、自局のプリコーディング行列に基づいて、送信対象のデータに対してプリコーディングを行う、
ことを含むことを特徴とするプリコーディング方法。
前記第１ソースおよび第２ソースは、それぞれ、第１移動端末および第２移動端末であり、前記シンクは、基地局（ｅＮｏｄｅＢ）である、
ことを特徴とする請求項１に記載のプリコーディング方法。
前記第１ソースからシンクまで、第２ソースからシンクまで、第１ソースから中継ノードまで、第２ソースから中継ノードまで、および、中継ノードからシンクまでのチャネル状態情報をそれぞれ決定することは、
ｅＮｏｄｅＢが、チャネルの空き状況に基づいて、第１移動端末、第２移動端末および中継ノードのそれぞれに対して基準信号チャネルを割り当て、ここで、第１移動端末、第２移動端末および中継ノードに対して割り当てられた３つの基準信号チャネルが直交しており、
第１移動端末が、自局に割り当てられた基準信号チャネルを介して、第１基準信号を中継ノードおよびｅＮｏｄｅＢに送信し、
第２移動端末が、自局に割り当てられた基準信号チャネルを介して、第２基準信号を中継ノードおよびｅＮｏｄｅＢに送信し、
中継ノードが、受信された第１基準信号および第２基準信号により、第１移動端末および第２移動端末から中継ノードまでのチャネル状態情報Ｈ_ｒ１およびＨ_ｒ２をそれぞれ推定し、
中継ノードが、自局の基準信号チャネルを介して、第３基準信号、Ｈ_ｒ１およびＨ_ｒ２をｅＮｏｄｅＢに送信し、
ｅＮｏｄｅＢが、受信された第１基準信号、第２基準信号および第３基準信号に基づいて、第１移動端末、第２移動端末および中継ノードからｅＮｏｄｅＢまでのチャネル状態情報Ｈ_ｄ１、Ｈ_ｄ２およびＨ_ｄｒをそれぞれ推定し、推定された中継ノードからシンクｅＮｏｄｅＢまでのチャネル状態情報Ｈ_ｄｒに基づいて、第１移動端末および第２移動端末から中継ノードまでのチャネル状態情報Ｈ_ｒ１およびＨ_ｒ２を抽出する、
ことを含むことを特徴とする請求項２に記載のプリコーディング方法。
前記第１ソースからシンクまで、第２ソースからシンクまで、第１ソースから中継ノードまで、第２ソースから中継ノードまで、および、中継ノードからシンクまでのチャネル状態情報に基づいて、第１ソース、第２ソースおよび中継ノードのプリコーディング行列をそれぞれ決定することは、
第１ソース、第２ソースとシンクとの間の総スループットの最大化を最適化目的として、第１ソース、第２ソースおよび中継ノードのプリコーディング行列を決定する、
ことを含むことを特徴とする請求項１または２に記載のプリコーディング方法。
第１ソース、第２ソースとシンクとの間の総スループットの最大化を最適化目的として、第１ソース、第２ソースおよび中継ノードのプリコーディング行列を決定することは、
まず、第２ソースの信号を復号化してから、第２ソースの信号を引いた後に、第１ソースの信号を復号化するように、シンクノードの復号化の順序を予め仮定するステップＡと、
中継ノードのプリコーディング行列Ｇを初期化し、

にするステップＢと、
Ｇを固定し、第１ソースとシンクとの間の総スループットを最大化させるように、第１ソースのプリコーディング行列Ｆ_１を求めるステップＣと、
ＧおよびＦ_１を固定し、第２ソースとシンクとの間の総スループットを最大化させるように、第２ソースのプリコーディング行列Ｆ_２を求めるステップＤと、
Ｆ_１およびＦ_２を固定し、第１ソース、第２ソースとシンクとの間の総スループットを最大化させるように、中継ノードのプリコーディング行列Ｇを求めるステップＥと、
求められたＦ_１、Ｆ_２およびＧの値が収束したかどうかを判断し、求められたＦ_１、Ｆ_２およびＧの値が収束した場合、求められたＦ_１、Ｆ_２およびＧを近似最適解とし、求められたＦ_１、Ｆ_２およびＧの値が収束していない場合、ステップＣに戻るステップＦと、
を含むことを特徴とする請求項４に記載のプリコーディング方法。
前記第１ソースのプリコーディング行列Ｆ_１を求めることは、

ことを特徴とする請求項５に記載のプリコーディング方法。
前記第２ソースのプリコーディング行列Ｆ_２を求めることは、

ことを特徴とする請求項５に記載のプリコーディング方法。
前記中継ノードのプリコーディング行列Ｇを求めることは、

ことを特徴とする請求項５に記載のプリコーディング方法。
前記求められたＦ_１、Ｆ_２およびＧの値が収束したかどうかを判断することは、求められたＦ_１、Ｆ_２およびＧが下記の収束基準

ことを特徴とする請求項５に記載のプリコーディング方法。
通信システムであって、
第１ソース、第２ソース、中継ノードおよびシンクを含み、ここで、
前記シンクは、第１ソースからシンクまで、第２ソースからシンクまで、第１ソースから中継ノードまで、第２ソースから中継ノードまで、および、中継ノードからシンクまでのチャネル状態情報をそれぞれ決定し、第１ソースからシンクまで、第２ソースからシンクまで、第１ソースから中継ノードまで、第２ソースから中継ノードまで、および、中継ノードからシンクまでのチャネル状態情報に基づいて、第１ソース、第２ソースおよび中継ノードのプリコーディング行列をそれぞれ決定し、決定された第１ソース、第２ソースおよび中継ノードのプリコーディング行列を、それぞれ、第１ソース、第２ソースおよび中継ノードにフィードバックし、
前記第１ソース、第２ソースおよび中継ノードは、それぞれ、自局のプリコーディング行列に基づいて、送信対象のデータに対してプリコーディングを行う、
ことを特徴とする通信システム。
前記シンクは、基地局（ｅＮｏｄｅＢ）であり、前記第１ソースおよび第２ソースは、それぞれ、第１移動端末および第２移動端末である、
ことを特徴とする請求項１０に記載の通信システム。
基地局（ｅＮｏｄｅＢ）であって、
チャネルの空き状況に基づいて、第１移動端末、第２移動端末および中継ノードのそれぞれに対して基準信号チャネルを割り当て、ここで、第１移動端末、第２移動端末および中継ノードに対して割り当てられた３つの基準信号チャネルが直交している基準信号チャネル割当手段と、
第１移動端末、第２移動端末および中継ノードが各自の基準信号チャネルを介して送信した第１基準信号、第２基準信号および第３基準信号を受信する第１基準信号受信手段と、
第１基準信号、第２基準信号および第３基準信号に基づいて、第１移動端末、第２移動端末および中継ノードからｅＮｏｄｅＢまでのチャネル状態情報Ｈ_ｄ１、Ｈ_ｄ２およびＨ_ｄｒをそれぞれ推定し、推定された中継ノードからシンクｅＮｏｄｅＢまでのチャネル状態情報Ｈ_ｄｒに基づいて、第１移動端末および第２移動端末から中継ノードまでのチャネル状態情報Ｈ_ｒ１およびＨ_ｒ２を抽出する第１チャネル推定手段と、
第１移動端末からｅＮｏｄｅＢまで、第２移動端末からｅＮｏｄｅＢまで、第１移動端末から中継ノードまで、第２移動端末から中継ノードまで、および、中継ノードからｅＮｏｄｅＢまでのチャネル状態情報に基づいて、第１移動端末、第２移動端末および中継ノードのプリコーディング行列をそれぞれ決定するプリコーディング行列設計手段と、
決定された第１移動端末、第２移動端末および中継ノードのプリコーディング行列を、それぞれ、第１移動端末、第２移動端末および中継ノードにフィードバックするプリコーディング行列フィードバック手段と、
を含むことを特徴とする基地局。
中継ノードであって、
自局に対して基地局（ｅＮｏｄｅＢ）が割り当てた基準信号チャネルを受信する第１基準信号チャネル受信手段と、
第１移動端末および第２移動端末が各自の基準信号チャネルを介して送信した第１基準信号および第２基準信号を受信する第２基準信号受信手段と、
第１基準信号および第２基準信号に基づいて、第１移動端末および第２移動端末から中継ノードまでのチャネル状態情報Ｈ_ｒ１およびＨ_ｒ２をそれぞれ推定する第２チャネル推定手段と、
自局の基準信号チャネルを介して、自局の基準信号、並びに、第１移動端末および第２移動端末から中継ノードまでのチャネル状態情報Ｈ_ｒ１およびＨ_ｒ２をｅＮｏｄｅＢに送信する第１基準信号送信手段と、
ｅＮｏｄｅＢからフィードバックされた自局のプリコーディング行列を受信し、自局のプリコーディング行列に基づいて、送信対象のデータに対してプリコーディングを行う第１送信プリコーディング行列受信手段と、
を含むことを特徴とする中継ノード。
移動端末であって、
自局に対して基地局（ｅＮｏｄｅＢ）が割り当てた基準信号チャネルを受信する第２基準信号チャネル受信手段と、
自局の基準信号チャネルを介して、自局の基準信号を中継ノードおよびｅＮｏｄｅＢに送信する第２基準信号送信手段と、
ｅＮｏｄｅＢからフィードバックされた自局のプリコーディング行列を受信し、自局のプリコーディング行列に基づいて、送信対象のデータに対してプリコーディングを行う第２送信プリコーディング行列受信手段と、
を含むことを特徴とする移動端末。