JP2013516933A - マルチアンテナシステム中で情報を送受信するための方法および装置、ならびにそのマルチアンテナシステム - Google Patents

Abstract

マルチアンテナシステム中で情報を送信するための方法およびデバイスを提供する。この方法は、送信側が、受信側から送られた情報を受信するステップであって、この情報がコードワードのラベル情報を含むステップと、送信側が、コードワードのラベル情報に従って、2レベル構造に基づくコードブックから対応するコードワードを選択するステップであって、送信側が、このコードワードに従って、送信されるデータに対してプリコーディングを実施するステップと、送信側が、プリコードされたデータを受信側に送信するステップとを含む。この方法で適用される2レベル構造に基づくコードブックは、偏波共用アンテナチャネルの分散特性にできるだけ合致させることができ、コードブック量子化によってもたらされる性能損失を最小限に抑えることができ、それにより、プリコーディングシステムの性能が効果的に改善される。

Description

本発明はデータ通信に関し、特に、マルチアンテナシステム、ならびに、マルチアンテナシステム中で情報を送受信するための方法および装置に関する。

物理レイヤのマルチアンテナ技法が、次世代ワイヤレス通信システムにおける鍵となる技法の1つとなっている。マルチアンテナ技法は、複数のアンテナの多重化利得によってシステムスループットを増大させること、複数のアンテナのダイバーシティ利得によってシステム性能を向上させること、アンテナの指向性ビームフォーミング利得によって異なる受信端末間のマルチユーザ干渉を除去することなど、多くの利点を有する。

MIMO(多入力多出力)システムは、複数の送信および受信アンテナを使用して、空間、時間、および周波数領域において信号を合同処理することによって容量、ダイバーシティ、およびアレイ利得を得る。MIMOシステムでは、送信機が何らかの方法でチャネル情報を得ることができる場合、チャネル特性を使用して送信信号を最適化して、受信品質を改善し受信機の複雑性に対する要件を低減することができる。実際には、チャネル情報をフィードバックするために、量子化されたチャネル情報を採用して、フィードバックオーバヘッドおよびフィードバック遅延が低減される。量子化されたチャネル情報は、チャネル行列、もしくはチャネル行列の統計、または、受信機によって推奨される前処理用のパラメータとすることができる。量子化されたチャネル情報は、コードブックと呼ばれる、限られた量の要素からなるセット上にマッピングされる。

コードブックベースの閉ループMIMOシステムでは、受信端が、送信端によって送信された信号を受信し、これらの信号をFFT(高速フーリエ変換)によって周波数領域信号に変換する。次いで信号は、MIMO検出モジュールによっていくつかのレイヤ(またはストリーム)に分割される。レイヤ解除(de-layer)マッピングの後、次いで信号は、復調、デインタリーブ、および復号される。受信されたパイロット信号は、チャネル推定のためにチャネル推定モジュールに入力される。受信端は、チャネル推定情報に基づいてコードブックからプリコーダを選択して、性能を最適化する。最適化基準は、FER(フレームエラーレート)、BER(ビットエラーレート)、SINR(信号対干渉雑音比)、相互情報、瞬間スループット、または他の適切な基準とすることができる。受信端は、送信端の後続の送信のために、選択されたプリコーダのインデックスを生成する。受信端は、CQI(チャネル品質指示)を生成して、チャネルの品質を送信端に知らせる。受信端はさらに、後続のデータ送信のために、ランクと、ランクに対応するデータレイヤの数とを決定することができる。ランクは、MIMOシステム中で送信される信号のレイヤの数である。プリコーダインデックス、CQI、およびランクを含めて、上記の得られたパラメータは全て、送信端にフィードバックされる。送信端は、選択されたMCS(変調符号化方式)を使用して、送信されることになる複数のデータストリームを処理する。プリコーダが、プリコーダ選択情報に従ってコードブックから選択される。各データストリームが、いくつかのレイヤにマッピングされて、必要とされる送信データレートが達成される。次いで、レイヤマッピング後のデータは、選択されたプリコーダを使用してプリコードされる。最後に、プリコーディング後の各データストリームは、OFDM(直交周波数分割多重化)を使用して変調され、次いで複数の送信アンテナを介して送信される。

コードブックベースの閉ループMIMOシステムでは、採用されるコードブックは、システム性能に影響を及ぼす重要な要因である。Rel-8(リリース8)LTE(Long Term Evolution)の送信モード4、5、および6は全て、PMI(プリコーディング行列インジケータ)フィードバック方式を採用する。すなわち、UE(ユーザ機器)が、共通パイロットを使用してチャネルを測定し、推奨されるプリコーダのインデックスの情報をeNBに知らせる。セル特有の参照信号ポートの数が4つであるとき、ハウスホルダー変換ベースのコードブックを採用することができる。閉ループ空間多重化モード、すなわち送信モード4における各ランクにつき、16個の候補プリコーディング行列がある。

Rel-8 LTEにおける4アンテナ用のコードブックは、以下の主要な特性を有する。1)ランク1のコードブックは、相関チャネルと非相関チャネルとの間のトレードオフを考慮に入れた探索によって得られる。2)他のランクのコードブックは、ランク1のコードブックとネスト関係にある。3)計算量を低減するために、コードブック要素は全て8PSK(位相シフトキーイング)要素である。4)コードブックは、定モジュラス特性およびユニタリ特性を有する。5)ハウスホルダー変換の特性を使用することによってプリコーダ選択の複雑性を低減することができる。

Rel-10(リリース10)LTE-A(Long Term Evolution-Advanced)システムなど、MIMOを採用するワイヤレス通信システムは、依然としてPMIフィードバック方式を採用する場合がある。送信アンテナの数の増加(例えば8つの送信アンテナがある場合がある)のせいで、ランクと送信アンテナポートとの構成組合せの数は、Rel-8 LTEシステムよりもはるかに多い。ランクと送信アンテナポート数との多量の構成組合せについて定義されたコードブックはない。加えて、Rel-8 LTEシステムと比較して、偏波共用マルチアンテナシステムのためのコードブックを設計することがより急務である。というのは、アンテナの数が増加しつつあり基地局のサイズが限られているため、アンテナ間隔の低減、または/および偏波アンテナの採用が避けられないからである。以上に鑑みて、偏波共用マルチアンテナシステムのための線形コードブック、およびこのコードブックの設計方法が、将来のワイヤレス通信システムの研究および標準化において欠くことのできない技法である。Rel-8 LTEによって採用される4アンテナ用のコードブックは性能が良く特性が優れているので、研究者らは、コードブック設計中にRel-8 LTEのコードブックの特性をできるだけ維持することを考えている。

研究者らは、8アンテナ用のコードブックの設計にハウスホルダー変換方法を直接当てはめることはできないことを示す。現在、Rel-8 LTE用のコードブックの特性の全部または一部を継承できるコードブックには、主に以下のタイプのコードブックが含まれる。

コードブック1: 8アンテナ用のコードブックは、Rel-8 LTEのコードブックの変換バージョンである。

コードブック2: アダマール変換を利用して、8×8複素行列を構築する。複素行列の数は4⁷個であり、行列中の要素は8PSK要素である。相関チャネルと非相関チャネルとの間のトレードオフを最適化する方法を使用して、探索によって各ランク用のコードブックを得る。

コードブック3: 16個の異なる対角行列に8-DFT(離散フーリエ変換)行列を掛けてランク8用のコードブックを得て、16個の8×8複素行列の最初のn個の列を使用してランクn用のコードブックを形成する。

コードブック4: 8-DFT行列および8×8ユニタリ行列の行(または列)からなるランク1用のコードブックを構築し、Rel-8 LTEのコードブックに対して変換を実施して、ランク2用のコードブックを得る。ランク2用のコードブックとランク1用のコードブックは、ネスト特性を有する。

上記の方式は全て、欠陥を有する。

コードブック1は、Rel-8 LTEの4アンテナ用のコードブックの特性の一部、すなわち定モジュラス特性を継承し、8PSK要素を有するが、ネスト関係はない。コードブック1の設計は偏波共用マルチアンテナシステムのチャネル分散特性を考慮に入れるが、このコードブックは、偏波アンテナの2つのグループ間の関係を完全に考慮に入れることはできず、この結果、このコードブックが偏波共用マルチアンテナシステム中で採用されたときには性能損失が生じる。

コードブック2は、Rel-8 LTEの4アンテナ用のコードブックの特性のほとんど、すなわち定モジュラス、ユニタリ、ネスト特性を継承し、8PSK要素のみを含む。コードブック2は8PSK要素からなる4⁷個の8×8複素行列によって形成される空間内でコードブックを探索し、かつ探索プロセスは偏波共用マルチアンテナシステムのチャネル特性に特に最適化されていないので、このコードブックは、偏波共用マルチアンテナシステム中で適用されたときに性能損失を生じる場合がある。

コードブック3は、Rel-8 LTEの8アンテナ用のコードブックの特性のいくつか、すなわち定モジュラス、ユニタリ、ネスト特性を継承するが、16PSK要素を採用し、したがってこの結果、プリコーディングプロセスの計算量が増大する。他のコードブックと比較したとき、コードブック3は目立った性能利得を有さず、増大したプリコーディング計算量は余分な負担となる。

コードブック4は、Rel-8 LTEの4アンテナ用のコードブックの特性のいくつか、すなわち定モジュラス、ユニタリ、ネスト特性を継承し、8PSK要素のみを有する。DFT行列は、アレイ応答の構造に適合するが、偏波共用マルチアンテナシステムのチャネル分散特性とは完全に合致しないので、コードブック3および4は、線形アレイマルチアンテナプリコーディングMIMOシステムにはより適するが、結果的に、偏波共用マルチアンテナシステム中では性能損失が生じる場合がある。

したがって、偏波共用アンテナのチャネル分散特性に適合するコードブックを生成し、コードブック量子化によってもたらされる性能損失を最小限に抑えて、プリコーディングシステムの性能を著しく改善する、効果的なコードブック設計方式が必要とされている。

本発明は、上述の技法に存在する欠陥の少なくとも1つを解決するためのものであり、特に、デュアルレベルコードブックを提供し、マルチアンテナシステム中でデュアルレベルコードブックを使用して送受信を実施する。

上記の目的を達成するために、本発明の実施形態は、マルチアンテナシステム中で情報を送信する方法を提供し、この方法は、
送信端によって、受信端により送信された情報を受信する段階であって、この情報がプリコーダのインデックスの情報を含む段階と、送信端によって、プリコーダのインデックスの情報に基づいてデュアルレベルコードブックからプリコーダを選択する段階と、送信端によって、プリコーダを使用して、送信されることになるデータをプリコードする段階と、送信端によって、プリコードされたデータを受信端に送信する段階とを含んでよい。

本発明の実施形態はまた、マルチアンテナシステム中で情報を受信する方法を提供し、この方法は、
受信端によって、送信端により送信された情報を受信し、この情報を使用してチャネルを測定する段階と、受信端によって、チャネルの情報に従ってデュアルレベルコードブックからプリコーダを選択する段階と、受信端によって、プリコーダのインデックスの情報を送信端に送信する段階とを含んでよい。
本発明の実施形態はさらに、受信モジュールと、プリコーディングモジュールと、送信モジュールとを備える送信端を提供し、
受信モジュールは、受信端によって送信された情報を受信するためのものであり、この情報はプリコーダのインデックスの情報を含み、プリコーディングモジュールは、プリコーダのインデックスの情報に従ってデュアルレベルコードブックからプリコーダを選択し、プリコーダを使用して、送信されることになるデータをプリコードするためのものであり、送信モジュールは、プリコードされたデータを受信端に送信するためのものである。

本発明の実施形態はさらに、受信モジュールと、選択モジュールと、送信モジュールとを備える受信端を提供し、
受信モジュールは、送信端によって送信された情報を受信し、この情報を使用してチャネルを測定するためのものであり、選択モジュールは、チャネルの情報に従ってデュアルレベルコードブックからプリコーダを選択するためのものであり、送信モジュールは、プリコーダのインデックスの情報を送信端に送信するためのものである。

本発明の実施形態はまた、送信端と受信端とを含むマルチアンテナシステムを提供する。送信端は、受信モジュールと、プリコーディングモジュールと、送信モジュールとを備え、
受信モジュールは、受信端によって送信された情報を受信するためのものであり、この情報はプリコーダのインデックスの情報を含み、プリコーディングモジュールは、プリコーダのインデックスの情報に従ってデュアルレベルコードブックからプリコーダを選択し、プリコーダを使用して、送信されることになるデータをプリコードするためのものであり、送信モジュールは、プリコードされたデータを受信端に送信するためのものである。

本発明の技術的方式は、偏波共用アンテナのチャネル分散特性に最も適合するコードブックを取得し、コードブック量子化によってもたらされる性能損失を最小限に抑えて、プリコーディングシステムの性能を著しく改善する。加えて、本発明により生成されるコードブックは、Rel-8 LTEの4アンテナ用のコードブックのほとんどの特性を継承し、性能が良い。ランクNのコードブックが適切に設計されたとき、コードブックはネスト特性を有し、この技術的方式は、システム互換性に影響を及ぼすことがなく既存のシステムに対する修正をほとんど必要とせず、実装の複雑性が低く効率が高い。

本発明の他の態様および利点は以下の記述において説明するが、これらの態様および利点のいくらかは、本発明の実施形態を通してより明らかになるかまたはより理解されるようになるであろう。

本発明の上記および/または追加の態様および利点をより明らかにするために、かつ容易に理解されるようにするために、本発明の少数の実施形態を、添付の図面を参照しながら以下に述べる。

本発明の一実施形態によるマルチアンテナシステムの送信方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態によるマルチアンテナシステムの受信方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態による送信端の構造を示す概略図である。 本発明の一実施形態による受信端の構造を示す概略図である。 本発明の一実施形態による、偏波共用アンテナのアンテナラベル付け方式を示す概略図である。 本発明の一実施形態による、基本コードブックおよび転換コードブックを使用してランク1の2階層コードブックを構築するプロセスを示すフローチャートである。 本発明の一実施形態による、基本コードブックおよび転換コードブックを使用してランクNの2階層コードブックを構築するプロセスを示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について詳細に述べる。いくつかの例を図面に示す。同じまたは同様の参照符号は、同じまたは同様の機能を有する同じまたは同様の1つまたは複数のコンポーネントを表す。添付の図面を参照しながら述べる以下の実施形態は、単なる例であり、本発明を説明するためのものに過ぎず、本発明の保護範囲を限定するためのものではない。

本発明の目的を達成するために、本発明の一実施形態は、マルチアンテナシステム中で情報を送信する方法を提供する。この方法は、送信端によって、受信端により送信された情報を受信する段階であって、この情報がプリコーダのインデックスの情報を含む段階と、送信端によって、プリコーダのインデックスの情報に基づいてデュアルレベルコードブックからプリコーダを選択する段階と、送信端によって、プリコーダを使用して、送信されることになるデータをプリコードする段階と、送信端によって、プリコードされたデータを受信端に送信する段階とを含んでよい。

図1は、本発明の一実施形態によるマルチアンテナシステムの送信方法を示すフローチャートである。この方法は、以下の手順を含んでよい。

ブロックS101で、送信端が、受信端によって送信された情報を受信する。

ブロックS101では、送信端によって受信端から受信される情報は、プリコーダのインデックスの情報を含んでよい。具体的には、送信端は、受信端によってフィードバックされたCQIとランク選択情報とプリコーダ選択情報とその他とを含みうる情報を受信して、チャネルの情報を得る。CQI、ランク選択情報、およびプリコーダ選択情報は、後続の送信プロセスで使用することができる。

ブロックS102で、送信端は、プリコーダのインデックスの情報に対応するプリコーダをデュアルレベルコードブックから選択し、このプリコーダを使用して、送信されることになるデータをプリコードする。

ブロックS102では、送信端は、プリコーダのインデックスの情報に対応するプリコーダをデュアルレベルコードブックから選択し、このプリコーダを利用して、またはこのプリコーダを処理する(プリコーダに対してゼロフォーシングを実施するなど)ことによって得られるプリコーディング行列を利用して、送信されることになるデータをプリコードすることができる。

具体的には、送信端は、選択されたMCSを使用して、送信されることになる複数のデータストリームを処理する。MCSは、送信端と受信端との間のチャネル品質に基づいて選択され、チャネル品質は、CQIの形で受信端によって提供される。プリコーダが、プリコーダ選択情報に従ってコードブックから選択される。コードブックについては以下で詳細に述べる。各データストリームは、必要とされる送信データレートを達成するように、いくつかのレイヤにマッピングされる。次いで、レイヤマッピングを経たデータは、選択されたプリコーダを使用して、またはこのプリコーダを処理する(例えばプリコーダに対してゼロフォーシングを実施するなど)ことによって得られるプリコーディング行列を使用して、プリコードされる。最後に、プリコードされた各データストリームは、OFDM変調を通して処理され、複数のアンテナを通して送信される。データのレイヤの数は、ランクと呼ばれる。

デュアルレベルコードブックは、基礎コードブックおよび変換コードブックで構成されてよい。

基礎コードブック中の基礎プリコーダは、N_T/2×N行列である。変換コードブックは、基礎プリコーダをN_T×Nプリコーダcに変換するためのマッピング方式を定義する。N_Tは、MIMOシステムの送信アンテナの数であり、Nは、ランク、すなわちMIMOシステム中の送信信号のレイヤの数である。

デュアルレベルコードブック中のプリコーダcは、以下を満たすことができる。

すなわち

上式で、wは、N_T/2×N基礎プリコーダを示し、

は、2×N変換プリコーダを示し、

は、複素数を示し、

は、行列のクロネッカーテンソル積を示し、w(:,n)は、行列のn番目の列を示し、n = 1,...,Nである。

mは、種々のマッピング方式で採用される種々の複素行列Φ_mのインデックスを示す。

上記のデュアルレベルコードブックは、1つまたは複数のΦ_mを使用して生成できることに留意されたい。異なるプリコーダcが、異なるΦ_mおよびwに対応することができ、すなわち、上式におけるwは、w_kによって示すこともできる。この場合、mは、これらの異なる行列Φ_mのインデックスである。単一のプリコーダcの場合、mおよびkの値は何も意味しない。複数のプリコーダが関係するときのみ、異なるプリコーダに対応するΦ_mおよびw_kのインデックスを示すためにmおよびkが使用される。このことは、後続の各方式にも当てはまる。

上記の関係から、N = 1のとき、デュアルレベルコードブック中のプリコーダcは以下を満たすということが得られる。

上式で、

は、複素数を示し、wは、N_T/2×1ベクトルを示し、mは、変換コードブック中のプリコーダ

のインデックスを示す。

N>1のとき、デュアルレベルコードブック中のプリコーダcは、以下を満たすことができる。

上式で、

は、複素数を示し、w(:,n)は、N_T/2×Nベクトルである行列wのn番目の列を示す。

加えて、デュアルレベルコードブックはさらに、プリコーダのいくつかがデュアルレベル構造を有するといったコードブックを含むことができる。コードブックが少なくとも1つのプリコーダcを含み、N_T/2×N行列wおよび2×N行列

があり、それによりこのプリコーダが

を満たすとき、すなわち

であるときは、このコードブックはデュアルレベルコードブックと見なすことができる。

ブロック103で、送信端は、プリコードされたデータを受信端に送信する。

ブロック103では、プリコードされたデータが受信端に送信される。上記のプロセスを通して、マルチアンテナシステム中で情報を送信する方法が実施される。

図2は、本発明の一実施形態によるマルチアンテナシステムの受信方法を示すフローチャートである。この方法は、以下の手順を含んでよい。

ブロックS201で、受信端が、送信端によって送信された情報を受信する。

ブロックS201では、受信端は、送信端によって送信された情報を受信し、この情報に基づいてチャネルを測定することができる。例えば、共通パイロットに基づいてチャネルを測定することができる。

ブロックS202で、受信端は、チャネル情報に従ってデュアルレベルコードブックからプリコーダを選択する。

ブロックS202では、受信端は、チャネルの情報に従ってデュアルレベルコードブックからプリコーダを選択することができる。

すなわち、例えば、OFDM変調を採用するMIMOシステムの受信端が、受信プロセス中に送信端から信号を受信し、これらの信号をFFTによって周波数領域信号に変換することができる。信号は、MIMO検出を通して処理され、次いでいくつかのレイヤに分割される。レイヤ解除マッピングの後、次いで信号は、復調、デインタリーブ、および復号される。受信されたパイロット信号は、チャネル推定のためにチャネル推定モジュールに入力される。受信端は、チャネル推定情報に基づいてデュアルレベルコードブックからプリコーダを選択して、性能を最適化する。最適化基準は、FER、BER、SINR、相互情報、瞬間スループット、または他の適用可能な基準とすることができる。受信端は、送信端の後続の送信のために、選択されたプリコーダのインデックスを生成することができる。受信端は、CQI(チャネル品質指示)を生成して、チャネルの品質を送信端に知らせる。受信端はさらに、後続のデータ送信のために、ランクと、ランクに対応するデータレイヤの数とを決定することができる。プリコーダインデックス、CQI、およびランクを含めて、上記の得られたパラメータは全て、送信端にフィードバックされる。

デュアルレベルコードブックは、基本コードブックおよび転換コードブックを含んでよい。

基礎コードブック中の基礎プリコーダは、N_T/2×N行列である。変換コードブックは、基礎プリコーダをN_T×Nプリコーダに変換するためのマッピング方式を定義する。N_Tは、MIMOシステムの送信アンテナの数であり、Nは、ランク、すなわちMIMOシステム中の送信信号のレイヤの数である。以下の記述では、基礎コードブック中のプリコーダを略して基礎プリコーダと呼び、変換コードブック中のプリコーダを変換プリコーダと呼ぶ。

デュアルレベルコードブック中のプリコーダcは、以下を満たすことができる。

すなわち

上式で、wは、N_T/2×N基礎プリコーダを示し、

は、2×N変換プリコーダを示し、

は、複素数を示し、

は、行列のクロネッカーテンソル積を示し、w(:,n)は、行列のn番目の列を示し、n = 1,...,Nである。

加えて、デュアルレベルコードブックはさらに、プリコーダのいくつかのみがデュアルレベル構造を有するといったコードブックを含むことができる。コードブックが少なくとも1つのプリコーダcを含み、N_T/2×N行列wおよび2×N行列

があり、それによりこのプリコーダが

を満たすとき、すなわち

であるときは、このコードブックはデュアルレベルコードブックと見なされる。

ブロックS203で、受信端は、選択されたプリコーダのインデックスの情報を送信端に送信する。

ブロックS203では、受信端は、選択されたプリコーダのインデックス情報を送信端に送信する。上記のプロセスを通して、マルチアンテナシステム中で情報を受信する方法が実施される。

図3は、本発明の一実施形態による送信端100の構造を示す概略図である。送信端は、受信モジュール110、プリコーディングモジュール120、および送信モジュール130を備えてよい。

受信モジュール110は、受信端によって送信された情報を受信するためのものである。この情報は、プリコーダのインデックスの情報を含んでよい。

プリコーディングモジュール120は、プリコーダのインデックスの情報に基づいてデュアルレベルコードブックからプリコーダを選択し、このプリコーダを使用して、またはこのプリコーダをさらに処理する(例えばプリコーダに対してゼロフォーシングを実施する)ことによって得られるプリコーディング行列を使用して、送信されることになるデータをプリコードするためのものである。

送信モジュール103は、プリコードされたデータを受信端に送信するためのものである。

デュアルレベルコードブックは、基礎コードブックおよび変換コードブックを含んでよい。

基礎コードブック中の基礎プリコーダは、N_T/2×N行列である。変換コードブックは、基礎プリコーダをN_T×Nプリコーダcに変換するためのマッピング方式を定義する。N_Tは、MIMOシステムの送信アンテナの数であり、Nは、ランク、すなわちMIMOシステム中で送信される信号のレイヤの数である。

デュアルレベルコードブック中のプリコーダcは、以下を満たすことができる。

すなわち

上式で、wは、N_T/2×N基礎プリコーダを示し、

は、2×N変換プリコーダを示し、

は、複素数を示し、

は、行列のクロネッカーテンソル積を示し、w(:,n)は、行列のn番目の列を示し、n = 1,...,Nである。

加えて、デュアルレベルコードブックはさらに、プリコーダのいくつかのみがデュアルレベル構造を有するといったコードブックを含むことができる。コードブックが少なくとも1つのプリコーダcを含み、N_T/2×N行列wおよび2×N行列

があり、それによりこのプリコーダが

を満たすときは、このコードブックはデュアルレベルコードブックと見なされる。

図4は、本発明の一実施形態による受信端200の構造を示す概略図である。受信端は、受信モジュール210、選択モジュール220、および送信モジュール230を備えてよい。

受信モジュール210は、送信端によって送信された情報を受信し、この情報を使用してチャネルを測定するためのものである。

選択モジュール220は、チャネル情報に従ってデュアルレベルコードブックからプリコーダを選択するためのものである。

送信モジュール230は、プリコーダのインデックスの情報を送信端に送信するためのものである。

デュアルレベルコードブックは、基礎コードブックおよび変換コードブックを含んでよい。

基礎コードブック中の基礎プリコーダは、N_T/2×N行列である。変換コードブックは、基礎プリコーダをN_T×Nプリコーダcに変換するためのマッピング方式を定義する。N_Tは、MIMOシステムの送信アンテナの数であり、Nは、ランク、すなわちMIMOシステム中で送信される信号のレイヤの数である。

デュアルレベルコードブック中のプリコーダcは、以下を満たすことができる。

すなわち

上式で、wは、N_T/2×N基礎プリコーダを示し、

は、2×N変換プリコーダを示し、

は、複素数を示し、

は、行列のクロネッカーテンソル積を示し、w(:,n)は、行列のn番目の列を示し、n = 1,...,Nである。

加えて、デュアルレベルコードブックはさらに、プリコーダの一部のみがデュアルレベル構造を有するといったコードブックを含むことができる。コードブックが少なくとも1つのプリコーダcを含み、N_T/2×N行列wおよび2×N行列

があり、それによりこのプリコーダが

を満たすときは、このコードブックはデュアルレベルコードブックと見なされる。

デュアルレベルコードブックを構築する方法は、以下のとおりとすることができる。

MIMOシステムが、数量N_Tの送信アンテナおよび数量N_Rの受信アンテナを含み、ランクがNであり、N_Tが偶数であり、N_R, N≧1であると仮定する。記述を容易にするために、最初に、偏波共用アンテナのアンテナラベル付け方式を定義する。図5に示すように、アンテナラベル付け方式は、同じ偏波方向にアンテナを順次ラベル付けし、次いで、別の偏波方向にアンテナを順次ラベル付けすることを含む。偏波共用アンテナシステムのコードブック、およびコードブック構築方法は、偏波共用アンテナのアンテナラベル付け方法から独立していることに留意されたい。所定のアンテナラベル付け方法が変更された場合、コードブック構築方法で使用されるアンテナのラベルのみを調整すれば済む。

本発明の一実施形態によって提供される、コードブックを設計および構築する方法は、以下の3つの手順を含んでよい。

(1)コードブックのグループが構築されるが、グループ中のプリコーダの数はN₁であり、各プリコーダはN_T/2×N行列である。このコードブックグループは基礎コードブックと呼ばれ、N₁は正の整数である。

具体的には、空間相関チャネルの分散特性は、主に、採用されるアンテナアレイ構成の影響を受ける。一様な線形アレイを例にとると、MIMOチャネル行列の主固有ベクトルは、アレイ応答によって表すことができる。例えば、一様な線形アレイがN_T/2個のアンテナを含み、アンテナ間隔がdであり、使用される周波数帯域の波長が約λであり、アレイ応答の角度がαである場合、チャネル行列の主固有ベクトルは、以下の式によっておおよそ表現することができる。

MIMOチャネル行列の他の特性ベクトルもまた、アレイ応答によっておおよそ表現することができる。

N₁個のN_T/2×Nプリコーダを含む基礎コードブックを、空間相関チャネルの分散特性に基づいて構築することができ、N₁はプリコーダの数である。例えば、DFT行列の列ベクトルは、一様な線形アレイのアレイ応答に一致するのに適し、したがってランク1の基礎プリコーダとして使用することができる。

DFT行列は、以下の形である。
D = ［d₀ d₁ ... d_M］
Dは、行n+1および列m+1における要素がD_{1+n, 1+m}である、N_T/2×M行列である。
D_{1+n, 1+m} = exp(j2πnm/M)
上式で、n = 0,...,N_T/2-1であり、m = 0,...,M-1であり、M≧N_T/2であり、行列Dの列ベクトルd₀,...,d_Mは、全てN_T/2×1 DFTベクトルである。

(2)N₂個のプリコーダを含むコードブックのグループが構築されるが、これは変換コードブックと呼ばれ、各プリコーダは2×N行列であり、N₂は、プリコーダの数であって正の整数である。

具体的には、偏波共用アンテナの偏波アンテナの2つのグループのチャネルは、同じ分散特性を有し、相互との相関をほとんど有さない。偏波チャネルの2つのグループ間の位相関係を、モジュール値が1である複素数のグループを使用して量子化して、変換コードブックを構築することができる。

(3)基礎コードブックおよび変換コードブックを使用して、N₁・N₂個のプリコーダを含むデュアルレベルコードブックが得られる。

ブロック(3)で得られたコードブックを、何らかの最適化原理を使用して探索して、コードブックのサイズおよびランクを低減することができる。別法として、ブロック(3)で得られたコードブックを、最終的に使用されるコードブックとして直接に採用することもできる。

図6は、基礎コードブックおよび変換コードブックを使用してランク1コードブックを構築するプロセスを示すフローチャートである。

基礎プリコーダをとり、変換コードブック中の各変換プリコーダと組み合わせて、変換プリコーダに対応するプリコーダが得られる。組み合わせ方は、図6に示すとおりとすることができる。上記の手順がN₁回繰り返されて、デュアルレベルのランク1コードブックを形成するN₁×N₂個のプリコーダが得られる。N_T/2ベクトルv_k, k = 1,...,N₁が、基礎コードブック中のプリコーダであり、略して基礎プリコーダと呼ばれる。2×1ベクトル

が、変換コードブック中のプリコーダであり、略して変換プリコーダと呼ばれる。N_T×1ベクトルc_i, i = 1,..., N₁・N₂が、デュアルレベルコードブック中のプリコーダである。

は、行列のクロネッカーテンソル積を示す。別法として、N_T/2ベクトルv_k, k = 0,1,...,N₁-1が、基礎プリコーダであり、2×1ベクトル

が、変換プリコーダである。N_T×1ベクトルc_i, i = 0,1,...,N₁・N₂-1が、デュアルレベルコードブック中のプリコーダである。

は、行列のクロネッカーテンソル積を示す。k、m、iの開始値は0または1である場合があるが、数量の総計はそれぞれN₁, N₂、およびN₁・N₂であることがわかる。

図7は、基礎コードブックおよび変換コードブックを使用してランクNコードブックを構築するプロセスを示すフローチャートである。基礎プリコーダをとり、変換コードブック中の各変換プリコーダとそれぞれ組み合わせて、変換プリコーダに対応するプリコーダが得られる。組み合わせ方は、図7に示すとおりとすることができる。上記の手順がN₁回繰り返されて、デュアルレベルのランクNコードブックを形成するN₁・N₂個のプリコーダが得られる。N₁・N₂は、プリコーダの数である。w_k, k = 1,...,N₁が、基礎プリコーダであり、2×N行列

が、変換プリコーダであり、C_i, i = 1,...,N₁・N₂が、デュアルレベルコードブック中のプリコーダである。演算子○の定義は以下のとおりである。

すなわち

w(:,n)は、行列wのn番目の列を示す。k、m、iの開始値は0とすることができ、すなわちw_k, k = 0,1,...,N₁-1、

、C_i, i = 0,1,...,N₁・N₂-1である。

N = 1のとき、デュアルレベルコードブック中のプリコーダcは、以下を満たすことができる。

上式で、

は、複素数であり、wは、N_T/2×1ベクトルである。

N>1のとき、デュアルレベルコードブック中のプリコーダcは、以下を満たすことができる。

上式で、

は、複素数であり、w(:,n)は、N_T/2×Nベクトルである行列wのn番目の列である。以下は、デュアルレベルコードブックの少数の例である。

タイプ1のコードブック:

ランク1のデュアルレベルコードブック:

上式で、k = 0,...,7、m = 0, 1、i = 2k+m、またはm = 0,...,3、i = 4k+mである。m、kは、変換コードブックおよび基礎コードブック中のプリコーダのインデックスをそれぞれ示し、これは以下の記述にも当てはまる。

ランク2のデュアルレベルコードブック:

k = 0,...,7、m = 0, 1、i = 2k+m、またはm = 0,...,3、i = 4k+mである。

演算子○の定義は、以下のとおりである。

A(:,n)は、行列Aのn番目の列を示す。

上記のランク1基礎プリコーダv_kおよびランク2基礎プリコーダw_kは、実際には基礎コードブック中の前述のプリコーダであり、異なる記号を使用してランク2基礎プリコーダw_kとランク1基礎プリコーダv_kとの間のネスト関係がはっきりと提示されていることに留意されたい。これは以下の記述にも当てはまる。

タイプ2のコードブック:

ランク1のデュアルレベルコードブック:

k = 0,...,7、m = 0, 1、i = 2k+m、またはm = 0,...,3、i = 4k+mである。

ランク2のデュアルレベルコードブック:

k = 0,...,7、m = 0, 1、i = 2k+m、またはm = 0,...,3、i = 4k+mである。

演算子○の定義は、以下のとおりである。

A(:,n)は、行列Aのn番目の列を示す。

同じ基礎コードブックおよび変換コードブックに異なる数学的変換を適用すると、同じデュアルレベルコードブックが得られる場合があることに留意されたい。したがって、基礎コードブックおよび変換コードブックに基づいてコードブックを生成する方法は、採用される数学的変換方式によって制限されない。本発明によって提供されるコードブックは偏波共用アンテナの適用シナリオに向けて設計されているが、他のアンテナ適用シナリオにも適用可能とすることができる。

上記の実施形態では、受信端は、基地局または端末を含んでよい。同様に、送信端もまた、基地局または端末を含んでよい。

本発明の技術的方式は、偏波共用アンテナのチャネル分散特性に最も適したコードブックを取得し、コードブック量子化によってもたらされる性能損失を最小限に抑えて、プリコーディングシステムの性能を著しく改善する。加えて、本発明により生成されるコードブックは、Rel-8 LTEの4アンテナ用のコードブックのほとんどの特性を継承し、性能が良い。ランクNのコードブックが適切に設計されたとき、コードブックはネスト特性を有し、この技術的方式は、システム互換性に影響を及ぼすことがなく既存のシステムへの修正をほとんど必要とせず、実装の複雑性が低く効率が高い。

実施形態によって提供される方法のいくつかまたは全てのステップを、ソフトウェアによって制御されるハードウェアによって実施できることは、当業者なら理解することができる。ソフトウェアは、コンピュータ可読記憶媒体に記憶されてよい。

本発明の各実施形態の機能ユニットは、1つの処理モジュールに統合されてもよく、物理的にスタンドアロンであってもよく、または、2つもしくは複数のユニットを1つのモジュールに統合してもよい。統合されたモジュールは、ハードウェアによって、またはソフトウェア機能モジュールによって実現することができる。統合されたモジュールがソフトウェアによって実現されて個別の製品として販売または使用されるとき、このモジュールは、コンピュータ可読記憶媒体に記憶することができる。

上記の記憶媒体は、ROM、磁気ディスク、コンパクトディスクなどとすることができる。

以上は、本発明の好ましい実施形態に過ぎない。本発明の原理を逸脱することなく当業者によって加えられる改良および修正は、本発明の保護範囲によってカバーされるべきであることに留意されたい。

100 送信端
110 受信モジュール
120 プリコーディングモジュール
130 送信モジュール
200 受信端
210 受信モジュール
220 選択モジュール
230 送信モジュール

本発明の実施形態はまた、マルチアンテナシステム中で情報を受信する方法を提供し、この方法は、
受信端によって、送信端により送信された情報を受信し、この情報を使用してチャネルを測定する段階と、受信端によって、チャネルの情報に従ってデュアルレベルコードブックからプリコーダを選択する段階と、受信端によって、プリコーダのインデックスの情報を送信端に送信する段階とを含んでよい。

Claims (21)

1. マルチアンテナシステム中で情報を送信する方法であって、
   受信端により送信された、プリコーダのインデックスの情報を含む情報を送信端によって受信する段階と、
   前記送信端によって、前記プリコーダの前記インデックスの前記情報に基づいてデュアルレベルコードブックからプリコーダを選択し、前記プリコーダを使用して、送信されることになるデータをプリコードする段階と、
   前記送信端によって、前記プリコードされたデータを前記受信端に送信する段階とを含む方法。
2. 前記デュアルレベルコードブック中の少なくとも1つのプリコーダcが
   

   

   を満たし、
   上式で、wがN_T/2×N行列であり、
   

   

   が2×N行列であり、N_Tが送信アンテナの数であり、Nがランクであり、
   

   

   が複素数を示し、
   

   

   が行列のクロネッカーテンソル積を示し、w(:,n)が行列wのn番目の列を示し、n = 1,...,Nである、請求項１に記載の方法。
3. 行列wの各列が離散フーリエ変換(DFT)ベクトルである、請求項２に記載の方法。
4. 前記デュアルレベルコードブック中で、
   ランク1のコードブック中の少なくとも1つのプリコーダcが
   

   

   を満たし、
   上式で、
   

   

   が複素数を示し、wがN_T/2×1ベクトルであり、
   1よりも大きいランクのコードブック中の少なくとも1つのプリコーダcが
   

   

   を満たし、
   上式で、
   

   

   が複素数を示し、w(:,n)が行列wのn番目の列を示し、wがN_T/2×N行列である、請求項２または３に記載の方法。
5. 前記デュアルレベルコードブックが基礎コードブックおよび変換コードブックを含み、
   前記基礎コードブック中の基礎プリコーダw_kがN_T/2×N行列であり、前記変換コードブックが、基礎プリコーダをN_T×Nプリコーダcに変換するためのマッピング方式を定義し、N_TがMIMOシステムの送信アンテナの数であり、Nがランクであり、
   前記マッピング方式が
   

   

   を含み、
   上式で、w_kがN_T/2×N行列であり、
   

   

   が2×N行列であり、N_Tが前記マルチアンテナシステム中の送信アンテナの数であり、kが前記基礎コードブック中のプリコーダのインデックスであり、mが前記変換コードブック中の変換プリコーダのインデックスであり、
   

   

   が複素数を示し、
   

   

   が行列のクロネッカーテンソル積を示し、w_k (:,n)が行列w_kのn番目の列を示し、n = 1,...,Nである、請求項１に記載の方法。
6. マルチアンテナシステム中で情報を受信する方法であって、
   受信端によって、送信端により送信された情報を受信し、前記情報に基づいてチャネルを測定する段階と、
   前記受信端によって、前記チャネルの情報に従ってデュアルレベルコードブックからプリコーダを選択する段階と、
   前記受信端によって、前記選択されたプリコーダのインデックスの情報を前記送信端に送信する段階とを含む方法。
7. 前記デュアルレベルコードブック中の少なくとも1つのプリコーダcが
   

   

   を満たし、
   上式で、wがN_T/2×N行列であり、
   

   

   が2×N行列であり、
   

   

   が複素数を示し、
   

   

   が行列のクロネッカーテンソル積を示し、w(:,n)が行列wのn番目の列を示し、n = 1,...,Nである、請求項６に記載の方法。
8. 行列wの各列が離散フーリエ変換(DFT)ベクトルである、請求項７に記載の方法。
9. 前記デュアルレベルコードブック中で、
   ランク1のコードブック中の少なくとも1つのプリコーダcが
   

   

   を満たし、
   上式で、
   

   

   が複素数を示し、wがN_T/2×1ベクトルであり、
   1よりも大きいランクのコードブック中の少なくとも1つのプリコーダcが
   

   

   を満たし、
   上式で、
   

   

   が複素数を示し、w(:,n)がN_T/2×N行列wのn番目の列を示す、請求項７または８に記載の方法。
10. 前記デュアルレベルコードブックが基礎コードブックおよび変換コードブックを含み、
    前記基礎コードブック中の基礎プリコーダw_kがN_T/2×N行列であり、前記変換コードブックが、基礎プリコーダをN_T×Nプリコーダcに変換するためのマッピング方式を定義し、N_TがMIMOシステムの送信アンテナの数であり、Nがランクであり、
    前記マッピング方式が
    

    

    を含み、
    上式で、w_kがN_T/2×N行列であり、
    

    

    が2×N行列であり、N_Tが前記マルチアンテナシステム中の送信アンテナの数であり、kが前記基礎コードブック中のプリコーダのインデックスであり、mが前記変換コードブック中の変換プリコーダのインデックスであり、
    

    

    が複素数を示し、
    

    

    が行列のクロネッカーテンソル積を示し、w_k (:,n)が行列w_kのn番目の列を示し、n = 1,...,Nである、請求項６に記載の方法。
11. 受信モジュールと、プリコーディングモジュールと、送信モジュールとを備える送信端であって、
    前記受信モジュールが、受信端によって送信された情報を受信するためのものであり、前記情報がプリコーダのインデックスの情報を含み、
    前記プリコーディングモジュールが、前記プリコーダの前記インデックスの前記情報に基づいてデュアルレベルコードブックからプリコーダを選択し、前記プリコーダを使用して、送信されることになるデータをプリコードするためのものであり、
    前記送信モジュールが、前記プリコードされたデータを前記受信端に送信するためのものである、送信端。
12. 前記デュアルレベルコードブック中の少なくとも1つのプリコーダcが
    

    

    を満たし、
    上式で、wがN_T/2×N行列であり、
    

    

    が2×N行列であり、
    

    

    が複素数を示し、
    

    

    が行列のクロネッカーテンソル積を示し、w(:,n)が行列wのn番目の列を示し、n = 1,...,Nである、請求項１１に記載の送信端。
13. 行列wの各列が離散フーリエ変換(DFT)ベクトルである、請求項１２に記載の送信端。
14. 受信モジュールと、選択モジュールと、送信モジュールとを備える受信端であって、
    前記受信モジュールが、送信端によって送信された情報を受信し、前記情報を使用してチャネルを測定するためのものであり、
    前記選択モジュールが、前記チャネルの情報に従ってデュアルレベルコードブックからプリコーダを選択するためのものであり、
    前記送信モジュールが、前記選択されたプリコーダのインデックスの情報を前記送信端に送信するためのものである、受信端。
15. 前記デュアルレベルコードブック中の少なくとも1つのプリコーダcが
    

    

    を満たし、
    上式で、wがN_T/2×N行列であり、
    

    

    が2×N行列であり、
    

    

    が複素数を示し、
    

    

    が行列のクロネッカーテンソル積を示し、w(:,n)が行列wのn番目の列を示し、n = 1,...,Nである、請求項１４に記載の受信端。
16. 行列wの各列が離散フーリエ変換(DFT)ベクトルである、請求項１４に記載の受信端。
17. 送信端と受信端とを含むマルチアンテナシステムであって、
    前記送信端が、受信モジュールと、プリコーディングモジュールと、送信モジュールとを備え、
    前記受信モジュールが、受信端によって送信された情報を受信するためのものであり、前記情報がプリコーダのインデックスの情報を含み、
    前記プリコーディングモジュールが、前記プリコーダの前記インデックスの前記情報に基づいてデュアルレベルコードブックからプリコーダを選択し、前記プリコーダを使用して、送信されることになるデータをプリコードするためのものであり、
    前記送信モジュールが、前記プリコードされたデータを前記受信端に送信するためのものである、マルチアンテナシステム。
18. 前記デュアルレベルコードブック中の少なくとも1つのプリコーダcが
    

    

    を満たし、
    上式で、wがN_T/2×N行列であり、
    

    

    が2×N行列であり、
    

    

    が複素数を示し、
    

    

    が行列のクロネッカーテンソル積を示し、w(:,n)が行列wのn番目の列を示し、n = 1,...,Nである、請求項１７に記載のマルチアンテナシステム。
19. 行列wの各列が離散フーリエ変換(DFT)ベクトルである、請求項１８に記載のマルチアンテナシステム。
20. 前記受信端が、受信モジュールと、選択モジュールと、送信モジュールとを備え、
    前記受信モジュールが、送信端によって送信された情報を受信し、前記情報を使用してチャネルを測定するためのものであり、
    前記選択モジュールが、前記チャネルの情報に従ってデュアルレベルコードブックからプリコーダを選択するためのものであり、
    前記送信モジュールが、前記選択されたプリコーダのインデックスの情報を前記送信端に送信するためのものである、請求項１７から１９のいずれかに記載のマルチアンテナシステム。
21. 前記デュアルレベルコードブックが基礎コードブックおよび変換コードブックを含み、
    前記基礎コードブック中の基礎プリコーダw_kがN_T/2×N行列であり、前記変換コードブックが、基礎プリコーダをN_T×Nプリコーダcに変換するためのマッピング方式を定義し、N_TがMIMOシステムの送信アンテナの数であり、Nがランクであり、
    前記マッピング方式が
    

    

    を含み、
    上式で、w_kがN_T/2×N行列であり、
    

    

    が2×N行列であり、N_Tが前記マルチアンテナシステム中の送信アンテナの数であり、kが前記基礎コードブック中のプリコーダのインデックスであり、mが前記変換コードブック中の変換プリコーダのインデックスであり、
    

    

    が複素数を示し、
    

    

    が行列のクロネッカーテンソル積を示し、w_k (:,n)が行列w_kのn番目の列を示し、n = 1,...,Nである、請求項１７に記載のマルチアンテナシステム。

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