JP2015513257A - 大規模アンテナシステムにおける多重入力多重出力通信方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明によるMIMO送受信方法の適用分野は、セルラ通信のアップリンク(uplink)及びダウンリンク(downlink)である。
本発明において考慮することができるチャネルモデルは下記数式1である。
あらかじめ定められた固定ビームフォーミングを用いて仮想のセクタを作ってユーザグループを空間分離することができる。このとき、固定ビームフォーミングの一例は、ユニタリ(unitary)ビームフォーミングに基づいた3GPP LTE Rel.10コードブックとすることができ、ユーザは受信するビームのうちの最も信号が強い単一及び複数個のビームインデックスを基地局にフィードバックすることができ、基地局は該当情報を用いてユーザグループ間干渉が少ないように適切にスケジューリングしなければならない。
図2は、3セクタ基地局において1つのセクタ内に位置した端末の位置分布及びスキャタ(scatter)の半径分布を例示した概念図である。以下に、図2を参照して本発明を説明する。
図3は、本発明によるFDD方式ダウンリンクMIMO送受信方法を説明するためのフローチャートである。
段階(1−1)において、基地局は、通常的なCSI−RSを設定して端末に伝送する。このとき、通常的なCSI−RSは後述するグループごとのビームフォーミング行列が適用されないCSI−RSを意味するものとすることができる。
段階(2−1)において、基地局は、少なくとも1つの端末に対する統計的チャネル情報を得ることができる。このとき、基地局は、端末が送信するSRS(Sounding Reference Signal)を用いて統計的チャネル情報獲得を測定するか、長周期のCSI−RSを端末に伝送し、端末が測定した統計的チャネル情報をフィードバックすることができる。このとき、統計的チャネル情報の一例は、端末の固有ベクトル行列とすることができる。または、統計的チャネル情報の他の例は、端末のAS(Angle Spread)とAoD(Angle of Departure)とすることができる。
1)統計的チャネル情報
本項は、上述した本発明によるMIMO送受信方法の核心段階のうちの1つの統計的チャネル情報による端末分類について記述する。まず、基地局はCSI−RSを介して統計的チャネル情報をフィードバックするか、アップリンクSRSを介して獲得する。統計的チャネル情報は、次のような形態を取ることができる。
−送信相関行列の有効な固有値、固有ベクトル
−AS(angle spread)、AoD(angle of departure)
−前記端末の統計的チャネル情報を意味する長周期のPMI(Precoding Matrix Indicator)
図5は、本発明によるMIMO送受信方法においてブロック対角化の概念を説明するための概念図である。
1)CSI−RS
本発明におけるCSI−RSは、統計的チャネル情報のフィードバックのために存在し、瞬時チャネル情報のフィードバックのためのRSは、下記するGRSである。したがって、もし基地局がアップリンクSRSを介して十分に統計的チャネル情報を獲得することができれば本発明ではCSI−RSを別に必要としない。
本明細書では、暗示的端末フィードバックを主として端末フィードバックを記述したが、明示的端末フィードバックは最後に簡単に記述するものとする。
本発明のための暗示的端末フィードバックのコードブックとしてLTEの固定コードブックとは異なった適応型(adaptive)コードブックが用いられる。すなわち、コードブックをなすビームフォーミングベクトルがグループ(等価的に端末)に特定のものであるので、各グループ、クラスごとに異なり、時間(端末の移動及び活性/非活性)により最も遅く変わる性質を有する。
本発明の適応型コードブックは、下記数式14に表現することができる。
本発明のさらに他の形態のコードブックとしてLTEのような固定型コードブックを設計することができる。上述した適応型コードブックは、基地局がすべての端末の送信相関行列を知っているとの仮定の下で基地局が端末分類を行って現在セル内の端末に最適化されたコードブックを設計してGRSに伝送し、これを端末が測定して自分に最も好ましいビームフォーミングベクトルをフィードバックする構造である。ここで、基地局がSRSだけを用いて端末の送信相関行列を推定する場合に、端末は自分の送信相関行列を知る必要性がない。
本チャネル情報フィードバックは、上述した長周期の端末フィードバックとは異なって瞬時(instantaneous)フィードバックである。LTEのCQIフィードバックは、single−user(SU)MIMOをbaselineにするSU−CQIである。すなわち、同一資源にスケジューリングされる他の端末による干渉に対する情報がないCQIをフィードバックする。一方、MU−MIMOで他の端末による干渉を考慮したMU−CQIの必要性と、これによる利得が非常に大きいことが広く開示されている。よって、従来LTEでは、一例として実現上のpredicted MU−CQIを計算してMU−CQIを大略的に推定したが、正確なMU−CQIとは差が大きくなる可能性がある。
上述したように、本発明は、送信アンテナと活性端末の数が多いシナリオにおいてMU−MIMOに最適化された適応型ビームを活用するので、基地局がすべてのMIMO対象資源に対してMU−MIMOにスケジューリングする確率が非常に高くなる。このようなMU−MIMOの場合、基地局は、通常的に端末のランクを1あるいは2に制限してシステム容量を増大しようする。逆に、端末の数が少ない場合、基地局は、端末がSU−CQIにフィードバックされるようにしてシステム容量を増大しようとする。
従来のLTE−Advancedのダウンリンク制御信号外に、次のような新たな制御信号が必要である。この制御信号は、CSI測定資源(すなわち、スケジューリング資源候補)に関するものである。
基地局は、各端末にMACメッセージを介してすべてのクラス別にCSI測定資源あるいはスケジューリング資源マップ/モードを伝達し、各端末に自分のクラスRNTIを知らせる。端末の移動などによって端末のクラスが変化すると、基地局はMACメッセージに変化したクラスRNTIのみシグナリングし、端末は該当クラスの資源を把握することができる。また、クラスRNTIがあれば、クラス、グループごとにmulticastが可能である。
基地局は、各端末が該当するクラスのCSI測定資源をMACメッセージで知らせ、端末の移動などによるクラス変化によって変化したクラスのCSI測定資源を知らせる。
本発明において、グループは、グループ分類による仮想セクタとすることができる。すなわち、基地局は、スケジューリングを各クラス及びグループごとに独立的に実行することでよい。基地局は、MU−CQI部分で説明したように、特定グループに属したすべての活性端末からMU−CQIをフィードバックする。基地局の運用するスケジューリングは、各端末の公正性(fairness)を示す加重値(weight)がこのMU−CQIに乗じられたutilityfunctionを最大化する端末の組み合わせを求める過程に該当する。一例として、一部端末が同一のビームフォーミングベクトル(PMI)をフィードバックするか、または複数個のビームフォーミングベクトルをフィードバックする場合にも各端末ごとに加重値(公正性(fairness)のために一般的に特定端末の累積された受信データ量が多くなると、それに比例して該当の加重値が小さくなる。)が乗じられてutility functionを最大化する端末の組み合わせを求めればよい。
本明細書は、今まで大規模送信アンテナを水平軸に並べるビームフォーミングのみを考慮した。さらにアンテナ配列を垂直軸に増やす大規模送信アンテナシステムも考慮することができ、水平軸と垂直軸の空間すべてを活用したビームフォーミング技術を3−D(3次元)ビームフォーミングとする。
3−D送信ベクトルは 下記数式25のように示される。
3次元ビームフォーミングのグループは、2次元ビームフォーミングの(水平軸)グループが垂直/水平軸グループに細分化されたものに該当するので、クラスtのコードブックは垂直軸を含んで次のように示される。
以下では、上述したFDD方式ダウンリンクMIMO送信概念をアップリンクMU−MIMO送信に確張することを扱う。
以下では、すべての端末がN個の多重アンテナを有し、便宜上、それぞれNs個のデータストリームを伝送すると仮定する。この場合、アップリンクMU−MIMOで基地局の受信信号は次のようである。
上述のFDD方式ダウンリンク大規模アンテナMU−MIMOシステムでの問題点は、RSとCSIフィードバックであって、本発明はこれを解決することを主な目的にする。一方、アップリンク大規模アンテナMU−MIMOシステムの問題はダウンリンクとは異なって次のようである。
大規模アンテナシステムは、上述のように、ピークタイム(peak time)にユーザが殺到するシステムの過負荷問題を解決することができる。これは、従来システムに比べてセル内のユーザ人口に比べてユーザのデータ送受信活動が非常に活発な場合を意味する。これにより、アップリンク大規模アンテナMU−MIMOシステムの最大の問題は計算複雑度である。
本発明によるダウンリンクMIMO送受信方法の概念をアップリンクMU−MIMO方式に確張するのにおいて、ダウンリンクで1つのグループに結ばれた端末がアップリンクでも同一グループとして分類されてMU−MIMOを実行することができれば、あるいはその逆の場合も同様に、非常に有用とされる。これをよって、端末分類による基地局の計算複雑度が半分に低減されるからである。結果的に、ダウンリンクにおいて送信相関行列間の直交性が、アップリンクにおいて受信相関行列間の直交性として保存することができ、これは、参考文献「3GPP RAN1 contribution、 R1−092024、 Ericsson、 2009」などによって説明される。
大規模送信アンテナMIMOシステムは、基地局のアンテナが従来システムより非常に大きくなる可能性があることを意味する。よって、ダウンリンクのMU−MIMO送信方式は、前項のように多くの変化が必要である。一方、アップリンクのプリコーディング行列の行次元は端末のアンテナ数Nによって限定され、Nは端末の物理的大きさ制約により一般的に2〜4で制限される。また、アップリンクMU−MIMOは、基地局で自ら計算してプリコーディング行列を決定して端末にシグナリングするので、従来のLTEシステムのアップリンクMU−MIMO方式と異なる理由がなく、プリコーディング行列も同一行列を使用すればよい。
1.TDDダウンリンクMIMO送受信方法
TDDシステムの基本的なMIMO動作手続きは次のようである。
(1) 基地局は、ダウンリンクチャネル行列情報をアップリンクSRSで獲得する。
(2) 端末がCRSあるいはCSI−RSを介してCQIを計算して報告する。
(3) 基地局がプリコーディング行列を決定してDM−RSを伝送し、スケジューリング情報をシグナリングする。
FDD方式の本発明によるダウンリンクMIMO送受信方法は、暗示的チャネル情報フィードバックを基盤とするMU−MIMO方式であって、これによるコードブックはGRSを基盤とする。
TDD方式においてCQIの役割は、他のセル干渉と背景雑音を測定して端末が基地局に報告させることである。よって、上述したFDD方式の場合のように、コードブックに基づいて実際MCSを決定するCQIとは異なった性格を有する。
TDD方式アップリンクMIMO送受信方法は、FDD方式アップリンクMIMO送受信方法と異なった差異がない。よって、上述したFDD方式の説明を参考すればよい。
10−1〜10−M アンテナ素子
20−1〜20−K 端末
30−1〜30−G グループ
Claims (20)
- 無線通信システムおいて基地局のMIMO伝送方法であって、
少なくとも1つの端末に対する統計的チャネル情報を得る段階と、
前記統計的チャネル情報に基づいて前記少なくとも1つの端末を少なくとも1つのクラス(class)とクラスに従属した少なくとも1つのグループ(group)に分類する段階と、
分割された各グループに対するグループビームフォーミング行列を決定する段階と、
前記グループビームフォーミング行列に基づいたグループビームフォーミング伝送を前記グループに属する端末にグループごとに実行し、瞬時チャネル情報を得る段階と、
前記瞬時チャネル情報に基づいて前記端末をスケジューリングし、前記スケジューリングに基づいて前記端末にデータを伝送する段階と、を含むことを特徴とするMIMO伝送方法。 - 前記統計的チャネル情報を得る段階は、
前記少なくとも1つの端末にCSI(Channel State Information)−RS(Reference Signal)を伝送する段階と、
前記少なくとも1つの端末から前記CSI−RSに基づいて測定された統計的チャネル情報をフィードバックする段階と、を含むことを特徴とする請求項1に記載のMIMO伝送方法。 - 前記統計的チャネル情報を得る段階は、
前記少なくとも1つの端末から受信されたSRS(Sounding Reference Signal)に基づいて前記統計的チャネル情報を測定することを特徴とする請求項1に記載のMIMO伝送方法。 - 前記統計的チャネル情報は、送信相関行列(transmit correlation matrix)、送信相関行列の固有値(eigenvalue)、送信相関行列の固有ベクトル(eigenvector)、AS(Angle Spread)、AOD(Angleof Departure)、及び統計的チャネル情報を意味する固定型コードブックから選択された少なくとも1つの長周期PMI(Precoding Matrix Indicator)のうちの少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項1に記載のMIMO伝送方法。
- 前記分類する段階は、
前記送信相関行列が互いに類似する端末を1つのグループに分類することを特徴とする請求項4に記載のMIMO伝送方法。 - 前記分類する段階は、
前記送信相関行列の有効固有ベクトルが互いに類似する端末を1つのグループに分類し、
前記送信相関行列の有効固有ベクトル間の直交性が高いグループを1つのクラスに分類することを特徴とする請求項5に記載のMIMO伝送方法。 - 前記グループビームフォーミング行列を決定する段階は、
前記統計的チャネル情報及びワンリング(one−ring)チャネルモデルに基づいてグループごとのグループビームフォーミング行列が互いに類似直交するように前記グループビームフォーミング行列を決定することを特徴とする請求項1に記載のMIMO伝送方法。 - 前記グループビームフォーミング行列が互いに類似直交するようにブロック対角化(block diagonalization)を介して前記グループビームフォーミング行列を決定することを特徴とする請求項7に記載のMIMO伝送方法。
- 前記瞬時チャネル情報を得る段階は、
前記端末に前記グループごとのビームフォーミング行列が適用されたCSI−RSまたは前記グループごとのビームフォーミング行列が適用されないCSI−RSを伝送する段階と、
前記端末から前記グループごとのビームフォーミング行列が適用されたCSI−RSまたは前記グループごとのビームフォーミング行列が適用されないCSI−RSに基づいて測定された瞬時チャネル情報をフィードバックする段階と、を含むことを特徴とする請求項1に記載のMIMO伝送方法。 - 前記瞬時チャネル情報を得る段階は、
前記端末から受信されたSRS(Sounding Reference Signal)に基づいて前記瞬時チャネル情報を測定することを特徴とする請求項1に記載のMIMO伝送方法。 - 前記瞬時チャネル情報は、送信相関行列の支配的な固有ベクトル行列に関する情報、適応型コードブックインデックス、固定型コードブックインデックス、SU−CQI(Single User CQI)、及びMU−CQI(Multi User CQI)のうちの少なくとも1つ、グループ干渉測定、RI(Rank Information)のうちの少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項1に記載のMIMO伝送方法。
- 前記基地局がSU−MIMO(Single User MIMO)モードまたはMU−MIMO(Multi User MIMO)モードへの動作可否を前記端末に知らせる段階をさらに含み、
前記基地局と端末がSU−MIMOモードで動作する場合に前記チャネル情報は前記SU−CQIを含み、前記基地局と端末がMU−MIMOモードで動作する場合に前記チャネル情報は端末ごとに1つ以上の前記MU−CQIを含むことを特徴とする請求項11に記載のMIMO伝送方法。 - 前記瞬時チャネル情報に基づいて端末をスケジューリングする段階は、
前記基地局が各グループと各クラスに属する端末を前記グループと前記クラスごとに独立的にスケジューリングすることを特徴とする請求項1に記載のMIMO伝送方法。 - 無線通信システムにおいて端末のMIMO受信方法であって、
前記端末を含むグループに対するグループビームフォーミング行列が適用された信号を受信する段階と、
前記グループビームフォーミング行列が適用されたレファレンス信号または前記グループビームフォーミング行列が適用されないレファレンス信号を用いて瞬時チャネル情報を生成する段階と、
前記瞬時チャネル情報を基地局にフィードバックする段階と、を含むことを特徴とするMIMO受信方法。 - 前記端末が前記基地局から受信したCSI(Channel State Information)−RS(Reference Signal)に基づいて測定された統計的チャネル情報を前記基地局にフィードバックする段階をさらに含み、
前記グループビームフォーミング行列は、前記統計的チャネル情報を用いて決定されることを特徴とする請求項14に記載のMIMO受信方法。 - 前記グループビームフォーミング行列は、前記端末が伝送したSRS(Sounding Reference Signal)に基づいて決定されることを特徴とする請求項14に記載のMIMO受信方法。
- 前記瞬時チャネル情報は、送信相関行列の支配的な固有ベクトル行列に関する情報、適応型コードブックインデックス、固定型コードブックインデックス、SU−CQI(Single User CQI)、及びMU−CQI(Multi User CQI)のうちの少なくとも1つ、グループ干渉測定、RI(Rank Information)のうちの少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項14に記載のMIMO受信方法。
- 前記基地局がSU−MIMO(Single User MIMO)モードまたはMU−MIMO(Multi User MIMO)モードへの動作可否を前記端末に知らせる段階をさらに含み、
前記基地局と端末がSU−MIMOモードで動作する場合に前記瞬時チャネル情報は前記SU−CQIを含み、前記基地局と端末がMU−MIMOモードで動作する場合に前記瞬時チャネル情報は端末ごとに1つ以上の前記MU−CQIを含むことを特徴とする請求項17に記載のMIMO受信方法。 - 前記統計的チャネル情報に基づいた送信相関行列は、互いに類似する端末が1つのグループに分類されたことを特徴とする請求項15に記載のMIMO受信方法。
- 前記送信相関行列の有効固有ベクトルは、互いに類似する端末が1つのグループに分類され、前記送信相関行列の有効固有ベクトル間の直交性の高いグループが1つのクラスに分類されることを特徴とする請求項19に記載のMIMO受信方法。
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