JP2015109665A - ネットワークにおいて通信するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
必要とされるシグナリングの量を低減しつつマルチ・ユーザMIMOを可能にする。
【解決手段】
本発明は、ネットワークにおいて通信システムを動作させるための方法に関し、当該システムは、プライマリ局及び少なくとも１つのセカンダリ局を有し、プライマリ局は複数の送信アンテナを有し、セカンダリ局は複数の受信アンテナを有し、当該方法は、プライマリ局が複数の通信スキームの中から第１通信スキームを選択するステップ、プライマリ局が第１通信スキームに基づいて送信ベクトルを計算するステップ、セカンダリ局が第２通信スキームに基づいて受信ベクトルを計算するステップを有し、第２通信スキームは、予め定められた通信スキームがプライマリ局によって用いられているとの仮定に基づいてセカンダリ局によって複数の通信スキームの中から選択される。
【選択図】図１

Description

本発明は、通信ネットワークにおいて通信するための方法に関する。より具体的には、MIMO（Multiple Input Multiple Output）モードにおいて、プライマリ局と１つ以上のセカンダリ局との間で通信するための方法に関する。そのような方法を実施することが可能なプライマリ局又はセカンダリ局にも関する。

本発明は、例えば、全ての無線通信ネットワーク、そして以下の説明の例では、UMTS又はUMTS LTEのような移動通信ネットワークのために重要である。

通信ネットワークにおいて、達成可能な通信のスループットを増加させるために、MIMO (Multiple Input, Multiple Output)が広く提案されている。MIMOは、通信性能を改善するために、送信機及び受信機の両方において複数のアンテナの使用を伴う。それは実際に、より高いスペクトル効率（より多くのビット/秒/帯域幅ヘルツ）及びリンク信頼性によって、更なる帯域幅又は送信パワーを伴わずにデータ・スループットの有意な増加を提供する。

マルチ・ユーザMIMO（MU-MIMO）は先進のMIMOであり、局が同じ帯域において同時に複数のユーザと通信することを可能にする。本発明の例示的な実施の形態において、移動通信ネットワークは、複数のプライマリ局アンテナ及び複数のセカンダリ局アンテナを用いることにより、MIMOストリームを有する複数のセカンダリ局（移動局、又はユーザ機器すなわちUE）と同時に通信することができるプライマリ局（基地局又はNodeB若しくはeNodeB）を有する。ストリームを形成するために、セカンダリ局は、プライマリ局にCSI（チャネル状態情報）フィードバックを送信することによって、チャネルの状態に関連する情報をプライマリ局に提供する。そのようなCSIは、プライマリ局によって送信される対応する空間的に分離可能なデータ・ストリームの達成可能なデータ速度を最大にするために用いられる最適な又は少なくとも好ましいプリコーディング・ベクトルを示す。このプリコーディング・ベクトルは、セカンダリ局アンテナに向けてデータ・ストリームを導くために送信の間プライマリ局の各々のアンテナ・ポートに適用される１セットの複素数値であることができる。

しかしながら、MU-MIMOに関連して、通知されたプリコーディング・ベクトルは使用されるときに、プライマリ局と同時に通信している他のセカンダリ局に干渉するビームをもたらす可能性がある。さらに、セカンダリ局は、干渉局がどこに位置するのか、及び、プリコーディング・ベクトルの使用が干渉を引き起こす可能性があるかを評価することができない。

そのうえ、特異値分解（SVD）に基づくMIMOモードのような送信の特別なモードに関しては、セカンダリ局によって実行される後処理及びプライマリ局によって実行される前処理は、例えば送信行列の対角化を達成するために、整合される必要がある。しかしながら、送信モード又は送信モードの詳細が、セカンダリ局の移動又はネットワーク中の干渉源の出現のようなイベントごとに再初期化される必要がある場合、システム全体の柔軟性は影響を受ける。そのような再初期化は、送信システムを再構成するための大量のシグナリングを必要とするだろう。

上述の問題を軽減する方法を提案することが本発明の目的である。

マルチ・モードMIMO送信システムの柔軟な使用を可能にするプライマリ局間で通信するための方法を提案することが本発明の他の目的である。

必要とされるシグナリングの量を低減しつつマルチ・ユーザMIMOを可能にするネットワークにおいて通信する方法を提案することが本発明の１つの実施の形態の他の目的である。

本発明の第１の態様によれば、ネットワーク中の通信システムのための方法が提案され、当該システムは、プライマリ局及び少なくとも１つのセカンダリ局を有し、プライマリ局は複数の送信アンテナを有し、セカンダリ局は複数の受信アンテナを有し、当該方法は、プライマリ局が複数の通信スキームの中から第１通信スキームを選択するステップ、プライマリ局が第１通信スキームに基づいて送信ベクトルを計算するステップ、セカンダリ局が第２通信スキームに基づいて受信ベクトルを計算するステップを有し、第２通信スキームは、予め定められた通信スキームがプライマリ局によって用いられていると仮定してセカンダリ局によって複数の通信スキームの中から選択される。

本発明の第２の態様によれば、複数のセカンダリ局と通信するプライマリ局を有するネットワークにおいてセカンダリ局を動作させるための方法が提案され、当該方法は、セカンダリ局が、予め定められた通信スキームに従って受信ベクトルを計算し、実際のチャネルと受信ベクトルとの積に基づいて結合チャネルを推定する。

本発明の第３の態様によれば、セカンダリ局が提案され、当該セカンダリ局はネットワークにおいてプライマリ局と通信するための通信手段を有し、セカンダリ局は、予め定められた通信スキームに従って受信ベクトルを計算し、実際のチャネルと受信ベクトルとの積に基づいて結合チャネルを推定するための制御手段を有する。

本発明の第４の態様によれば、ネットワークにおいて少なくとも１つのセカンダリ局と通信するための手段を有するプライマリ局が提案され、プライマリ局は複数の送信アンテナを有し、セカンダリ局は複数の受信アンテナを有し、プライマリ局は、複数の通信スキームの中から第１通信スキームを選択し、第１通信スキームに基づいて送信ベクトルを計算するための制御手段をさらに有し、第１通信スキームは、セカンダリ局によって用いられている予め定められた通信スキームと異なる。

その結果として、本発明は、中央のエンティティ（プライマリ局又はLTE実装におけるeNodeB）と少なくとも１つのセカンダリ局（移動局又はLTE実装におけるユーザ機器）との間のmultiple-input-multiple-output（MIMO）通信のための１セットのメカニズムを定める。本発明において説明されるメカニズムは、中央のエンティティによって実行されるプリコーディングを改良することによって、ユーザ及び/又はストリーム選択における更なる柔軟性を可能にする。本発明によれば、これは、セカンダリ局によって実行される後処理が中央のエンティティに知られていることを保証することにより行われる。これは、プリコーディングをセカンダリ局が設定されるモードに制限しないことという利点を有する。実際、実施の形態において、プライマリ局は、第１送信モードから第２送信へと、セカンダリ局がこの変更を知らない場合であっても、変更することができ、この第１送信モードにしたがって受信重さ又は後処理を依然として計算する。これは、プライマリ局における更なる柔軟性を可能にする。

本発明のこれらの及び他の態様は、以下に説明される実施の形態から明らかであり、それらを参照して説明される。ここで本発明は、添付の図面を参照して、さらに詳細に一例として説明される。

本発明の第１の実施の形態が実施されるネットワークのブロック図。

本発明は、プライマリ局及びプライマリ局と通信する複数のセカンダリ局を有する通信ネットワークに関する。そのようなネットワークは、例えば図1及び2に示され、プライマリ局又は基地局100は、複数のセカンダリ局101, 102, 103及び104と無線で通信する。本発明の図解例において、セカンダリ局101-104は、UMTSネットワークの移動局又はユーザ機器である。

本発明の第１の実施の形態によれば、プライマリ局100は、複数のアンテナから成るアンテナアレイ、及び、プライマリ局100がMIMOビーム成形のようなビーム成形を実行することができるように複素利得アンプを有する。一般的に、プライマリ局は、４つのアンテナを有する。LTEの最も高度なバージョンにおいて、プライマリ局は、８、１６又はより多くのアンテナを有することができる。同様に、セカンダリ局101-104は、複数のアンテナ（例えば最初のLTEリリースに準拠するUEでは２つのアンテナ）を有する。最近のリリースでは、セカンダリ局は、４つ又は８つのアンテナ、あるいはさらに多くのアンテナを持つことができる。アンテナアレイのおかげで、プライマリ局100は、図1に表されるビーム150及び151のようなデータ・ストリームのビームを形成することができる。ビームを形成してMIMO通信を確立するために、プリコーディング・ベクトルの生成が必要であり、この生成は、セカンダリ局及びプライマリ局両方のチャネル及び計算の状態に関する情報を必要とする。

特異値分解（SVD）MIMOシステムのような、複数の独立したストリームの送信をサポートするMIMOシステムにおいて、セカンダリ局のためのデータは、チャネル行列の右特異ベクトルによってプリコードされ、そして、左特異ベクトルを用いてセカンダリ局において後処理される。このようにして、前処理及び後処理が整合し、等価なチャネルは、ストリーム間干渉を伴わずに複数のストリームの送信をサポートするために対角化される。

線形代数において、特異値分解（SVD）は、矩形の実数又は複素行列の重要な因数分解である。SVDを用いるアプリケーションは、例えば、疑似逆関数、データの最小自乗フィッティング、行列近似を計算すること、並びに、行列のランク、値域及び零空間を決定することを含む。

Mが、実数領域又は複素数領域である領域Kに成分が由来するm×n行列であると仮定する。すると、

の形式の分解が存在する。

ここで、UはK上のm×mのユニタリ行列、行列Σは、対角線上に負でなない実数を有するm×nの対角行列、V*は、K上のn×nのユニタリ行列であるVの共役転置を示す。そのような分解は、Mの特異値分解と呼ばれる。

共通の規則は、非増加の態様で対角成分Σ_i,iを順序づけることである。この場合には、対角行列Σは、Mによって一意的に決定される（行列U及びVはそうではない）。Σの対角成分は、Mの特異値として知られる。

において、Vのカラムは、Mのための１セットの正規直交「入力」又は「分析」基底ベクトル方向を形成し、Uのカラムは、Mのための１セットの正規直交「出力」基底ベクトル方向を形成し、行列Σは、各々の対応する入力が対応する出力を与えるために乗じられるスカラー「利得制御」として考えられることができる特異値を含む。

そのうえ、

のようなK^m中のu及びKⁿ中のvといった単位長ベクトルが存在する場合に、そしてその場合にのみ、負でない実数σがMのための特異値であることに留意する必要がある。

ベクトルu及びvはそれぞれ、σのための左特異ベクトル及び右特異ベクトルと呼ばれる。

あらゆる特異値分解

において、Σの対角成分は必ずMの特異値に等しい。U及びVのカラムは、それぞれ、対応する特異値のための左特異ベクトル及び右特異ベクトルである。結果的に、上記の法則は、m×n行列Mが、少なくとも１つの、そして最大でp=min(m,n)の別個の特異値を持つことを述べる。

しかしながら、送信機、ここではプライマリ局100は、チャネルMを知っているならば、適切なプリコーダを計算するために、受信機、例えばセカンダリ局101が用いる重みも知っている必要がある。プライマリ局及びセカンダリ局の両方が同一のMIMOモードで動作するという制約が撤廃される場合、これはさらに重要である。

典型的なSVDシステムにおいて、プライマリ局は、セカンダリ局から受信されるチャネル行列フィードバックに基づいて右特異ベクトルの行列Vを計算する。これは、プライマリ局がどの送信モードを用いることができるかを制限する。プライマリ局は、例えば、代わりにゼロ・フォーシング（ZF）を用いること、及び/又は、MU-MIMOモードにおいて複数のユーザをスケジューリングすることを決定した場合、システムを再構成しなければならず、少なくともプライマリ局からの、そして幾つかの場合には両側からの送信パラメータの通知が行われる。セカンダリ局101-104によって用いられる後処理行列Uの情報は、プライマリ局が新たな行列Vnewへのプリコーディングを変更することを可能にする。

その結果として、本発明のこの第１の実施の形態によれば、通信リンクを設定する目的で、プライマリ局100からセカンダリ局に複数のストリームを送信するために用いられる技術は、特異値分解(SVD)であることが想定される。N個の受信アンテナを備えるセカンダリ局101は、チャネル行列推定の左特異ベクトルを計算して、それらをN個の受信信号の線形処理のために用い、N個の独立したデータ・ストリームを再構成することを期待する。セカンダリ局は、そのような推定の結果を通知することによってプライマリ局に知らせることができる。

この実施の形態の第１の変形例において、プライマリ局は、MIMO通信を通して唯一のセカンダリ局と通信する。この例において、プライマリ局100は、送信の間、送信の実効ランクを低減することができる。送信のランクが意味することは、プライマリ局と所与のセカンダリ局との間のMIMO通信の空間的に分離可能なデータ・ストリームの数である。ランクは、プライマリ局及びセカンダリ局のアンテナの数のうち最小のものを超過することができないことに留意する必要がある。例えば、４つのアンテナを有するセカンダリ局は、４つを超える空間的に分離可能なストリームを受信することができず、したがってランク４通信を超過することができない。さらに、16アンテナ・プライマリ局は、それらの間の干渉を伴わずに16個を超えるビームを送信することができない。一例として、そのようなプライマリ局は、４つのセカンダリ局に同時に4つのランク4MIMO送信を送信することができ、あるいは、１つのランク4MIMO送信を１つのセカンダリ局に、２つのランク2MIMO送信を他の２つのセカンダリ局に、そして、８つのランク1MIMO送信を他の８つのセカンダリ局に送信することができる。

セカンダリ局は、一旦その後処理を実行すると、完全なランクの場合に対応するN個の独立した送信ストリームの推定を期待する。プライマリ局は、いくつかの特異値が無益であること、又は、他のユーザへの送信のためにそのM個の送信アンテナのうちのいくつかを単に用いることを決定することができ、したがって、再構成されたN個のストリームのどれが及び幾つが有効であるかをセカンダリ局に指示し、それに応じてそれのプリコーディングを変更する必要がある。

この例において、推定は、後処理又は後符号化（post coding）係数及び実際のチャネル利得（すなわち送信の間のチャネル送信条件）に基づいて計算されることができる。本発明の特別な例では、これらの推定は、実際のチャネル条件と後処理係数との積に基づく。これらの推定は、チャネル品質インジケータ（CQI）をさらに含むことができるチャネル状態情報（CSI）レポートにおいてプライマリ局に送信されることができる。

チャネル状態情報（CSI）レポートは、無線チャネルの特性を記述する情報を有し、一般的に、１つ以上の送信アンテナと１つ以上の受信アンテナとの間の複素伝達関数行列を示す。

CQIは、ダウンリンク送信のための適切なデータ速度（一般的に変調及び符号化スキーム（MCS）値）を示すためにセカンダリ局によってプライマリ局に通知される情報を有し、通常、受信ダウンリンク信号対干渉雑音比(SINR)の測定及びセカンダリ局の受信機特性の情報に基づく。

この例の変形例において、後処理係数は、空間ストリームの各々のためのリファレンス・シンボルの推定から、セカンダリ局において得られる。これは、プライマリ局からの必要とされるシグナリング量を低減することを可能にする。しかしながら、この例の変形例において、セカンダリ局によって用いられる後処理係数は、プライマリ局によって明示的に通知される。実際に、プライマリ局は、これらの係数の推定を担当する。これは、全ての計算がプライマリ局によって行われる必要があるので、セカンダリ局の複雑度を低減することを可能にする。そのような例において、セカンダリ局は、係数の特別なセットで達成される受信の品質をフィードバックすることができる。Vベクトルは、プライマリ局が送信モードを調整して又は選択された送信スキームを変更さえすることを可能にするために、CSI中でプライマリ局にフィードバックされることができることに留意する必要がある。

この実施の形態の他の変形において、プライマリ局は、特異値分解モード（SVD）を用いて１つのユーザをスケジューリングすることとは対照的に、ゼロ・フォーミング（ZF）ビーム成形を用いて複数のユーザをスケジューリングすることを決定することができる。

プライマリ局は、全ての同時にスケジューリングされたユーザがSVDに基づく後処理を用いることを知っているか又は想定するので、受信アンテナへの仮想送信の各々からの等価チャネル・ベクトルが相互に直交するようにプリコーディングを計算することができ、それ自体が複数のユーザをスケジューリングすることを可能にする。

本発明の他の実施の形態において、図1に記載されているような、すなわち、複数の送信アンテナを備えたプライマリ局100及び複数の受信アンテナを備えた複数のセカンダリ局101-104を有し、プライマリ局はデータのプリコーディングを実行し、セカンダリ局は後処理を実行し、１つ以上の独立したデータ・ストリーム150又は151がセカンダリ局によって受信されることができる通信システムを動作させることが提案される。この実施の形態において、後処理パラメータは、特定の送信スキーム（例えばSVD又はZero Forcing）が用いられるという仮定に基づいて実際のチャネル条件又はチャネル行列からセカンダリ装置において計算される。

プライマリ局におけるプリコーディングは、後処理のためにセカンダリ局によって用いられるものと同じ仮定を用いることに限定されない（例えば、プライマリ局はSVDを実際に用いる必要はないか、又は、プライマリ局は特定のコードブックを実際に用いる必要はなく、後者が特に専用のRSのLTE-Aの場合に対して重要である）。

実際に、セカンダリ局によって使用される仮定は、１セットの利用可能な仮定から選択されることができる。さらに、用いる特定の仮定は、プライマリ局によってセカンダリ局に通知されることができるか、又は、セカンダリ局によって基準信号（又はパイロット信号）から推定される。これは、通信リンクの動作の間に動的に生じる可能性があるので、モードを設定することとは異なることに留意する必要がある。

上記の実施例のいずれかにおいて、プライマリ局は、いくつの空間ストリームを用いるか、すなわち、送信のランクをセカンダリ局に通知することができる。このランクは、セカンダリ局が使用される送信スキーム仮定として予想するデフォルトの値と異なることができる。

他の実施の形態によれば、プライマリ局は、セカンダリ装置からのチャネル・フィードバック、セカンダリ・エンティティによって用いられる後処理の情報及び特定のサービス・ターゲットに基づいてどのプリコーディングを用いるべきかについて決定し、それに応じてスケジューリングを実行する。

特定の実施の形態では、プライマリ局が移動局又はユーザ機器であり、セカンダリ局がベース局又はeNodeBである。

本発明は、MIMO及びMU-MIMOを用いる無線通信システムに対して特定のアプリケーションを持つ（但しそれに限られない）。例は、無線LAN（IEEE 802.11n）及び広帯域無線（IEEE 802.16）と同様に、UMTS、UMTS LTE及びUMTS LTE-Advancedのようなセルラ・システムを含む。

本発明は、UMTS LTE及びUMTS LTE-Advancedのような移動遠距離通信システムに適用可能であるが、MIMO及びMU-MIMOを用いる無線通信システムにも適用可能である。例は、UMTS、UMTS LTE及びUMTS LTE-Advancedとともに、セルラ・システム（例えば無線LAN（IEEE 802.11n）及び広帯域無線（IEEE 802.16））を含む。

本明細書及び請求の範囲において、単数で表現された要素は、そのような要素が複数存在することを除外しない。さらに、「有する」「含む」などの用語は、挙げられたもの以外の要素又はステップの存在を除外しない。

請求の範囲の括弧中に参照符号が含まれることは、理解を助けることを目的としており、制限することを目的としない。

本開示を読むことから、他の変形例が当業者にとって明らかである。そのような変形例は、無線通信の技術において既に知られている他の特徴を含むことができる。

Claims (16)

1. プライマリ局及び少なくとも１つのセカンダリ局を有するネットワークにおいてセカンダリ局を動作させる方法であって、前記プライマリ局は複数の送信アンテナを有し、前記セカンダリ局は複数の受信アンテナを有し、前記セカンダリ局は第１通信スキームに基づいて後処理を実行し、当該方法は、実際のチャネル及び前記後処理に基づいて結合チャネルの推定を行う方法。
2. 前記推定が、前記実際のチャネルと後処理係数との積である、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１通信スキームが予め定められている、請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 第１通信スキーム特性が、前記プライマリ局によって前記セカンダリ局に通知される、請求項１又は請求項２に記載の方法。
5. 前記第１通信スキームが、SVD、ゼロ・フォーシング、コードブック・ベースのプリコーディングのうちのいずれかに基づく、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記セカンダリ局が、前記プライマリ局に報告されるチャネル状態インジケータ中に前記結合チャネルの推定を含める、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の方法。
7. 報告されるCSIが、第２通信スキームを用いるプライマリ局の仮定に基づいて計算されるチャネル品質（CQI）を含む、請求項６に記載の方法。
8. 報告されるCSIが、SVDプリコーディングのための重要な特異ベクトルを含む、請求項６に記載の方法。
9. 報告されるCSIが、前記複数の送信アンテナのうちの少なくとも１つと前記複数の受信アンテナのうちの少なくとも１つとの間の複素伝達関数行列を表す指標を含む、請求項６から請求項８のいずれか一項に記載の方法。
10. 報告されるCSIが、チャネル伝達関数の特異値分解から計算される右特異ベクトルを表す指標を含む、請求項６から請求項８のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記セカンダリ局が、報告されるCSIから導き出されるプリコーディングを用いてデータを前記プライマリ局から受信する、請求項６から請求項８のいずれか一項に記載の方法。
12. 通信が複数の空間ストリームにおいて発生し、空間ストリームの数が、第１又は第２通信スキームのうちのいずれか一方の仮定の下で予め定められる、請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 通信が複数の空間ストリームにおいて発生し、動作中の前記プライマリ局が、用いられるべき複数の空間ストリームを前記セカンダリ局に通知する、請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 少なくとも１つのセカンダリ局とネットワークにおいて通信するための手段を有するプライマリ局であって、前記プライマリ局は複数の送信アンテナを有し、前記セカンダリ局は複数の受信アンテナを有し、前記プライマリ局はさらに、複数の通信スキームの中から第１通信スキームを選択し、前記第１通信スキームに基づいて送信ベクトルを計算するための制御手段を有し、前記第１通信スキームは、前記セカンダリ局によって用いられる予め定められた通信スキームと異なる、プライマリ局。
15. プライマリ局とネットワークにおいて通信するための通信手段を有するセカンダリ局であって、前記セカンダリ局は、予め定められた通信スキームに従って受信ベクトルを計算し、実際のチャネルと受信ベクトルとの積に基づいて結合チャネルを推定するための制御手段を有するセカンダリ局。
16. ネットワークにおいて通信システムを動作させる方法であって、前記システムは、プライマリ局及び少なくとも１つのセカンダリ局を有し、前記プライマリ局は複数の送信アンテナを有し、前記セカンダリ局は複数の受信アンテナを有し、当該方法は、
    前記プライマリ局が複数の通信スキームの中から第１通信スキームを選択するステップ、
    前記プライマリ局が前記第１通信スキームに基づいて送信ベクトルを計算するステップ、
    前記セカンダリ局が第２通信スキームに基づいて受信ベクトルを計算するステップ、
    を有し、
    前記第２通信スキームは、予め定められた通信スキームが前記プライマリ局によって用いられているとの仮定に基づいて、前記セカンダリ局によって複数の通信スキームの中から選択される、方法。

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