JP2017527136A

JP2017527136A - 無線通信システム

Info

Publication number: JP2017527136A
Application number: JP2016568071A
Authority: JP
Inventors: シュテファンアウスト
Original assignee: NEC Communication Systems Ltd
Current assignee: NEC Communication Systems Ltd
Priority date: 2014-05-23
Filing date: 2014-05-23
Publication date: 2017-09-14
Anticipated expiration: 2034-05-23
Also published as: WO2015177936A1; JP6222761B2; US20170093470A1; US9973247B2

Abstract

本発明の解法は、ＭＩＭＯシステムにおける複数のアンテナの最適な利用を可能とするプリコーディングである。プリコーディングは、長距離無線伝送に最適化されたコードブックを使用する。変更されたカードックコードブック｛ｗｋｍｉ｝は、プリコーディングゲインの更なる改良を可能とする。変更されたカードックコードブック｛ｗｋｍｉ｝は、送信ビットエラーレート（ＢＥＲ）を更に改善するために変更された新規な符号語ｗｋｍｉを含む。変更されたコードブック｛ｗｋｍｉ｝は、２−３ｄＢの間のプリコードゲインを可能とする。本発明は、無線システムの送信ビットエラーレート（ＢＥＲ）を改善する。それは、屋外ＭＩＭＯシステムにおいてより長いレンジを可能とする。より少ない信号停止は、無線信号数キロメートルを超えて送信できることを可能とする結果である。【選択図】図２

Description

本発明は、通信システムに関する。特に、本発明は“プリコーディング”を使用するＭＩＭＯ（multiple-input-multiple-output）通信システムに関する。

プリコーディング方式は、複数入力・複数出力（ＭＩＭＯ）無線システムにおいて幅広く使用されている。プリコーディングされたデータは、無線チャネルを介して送信されたとき、信号間のコーディング距離のために高い伝送信頼性を達成する。受信機は、プリコーディングが適用された場合、伝送誤りを訂正することができる。さらに、マルチアンテナシステムにおけるプリコーディングは、データストリームを複数のアンテナに同時に送信することを可能とする。

いくつかのコードブックデザインが報告されており、コードブックは、例えばグラスマン多様体、ベクトル量子化、フーリエ変換、及びカードック多様体に基づいてデザインされる。

単純な方法で捕えたとき、グラスマン多様体に基づくグラスマンコードブックデザインは、符号語の間の距離が広いため、実質上優れていると言える。グラスマンコードブックＷ^ｇ（ｋ）は、最長の符号語距離ｄ_ｗを持つ符号語ｗ^ｇ（ｉ）の選択に対して最適である。ここで、送信側に２つのアンテナを有し、受信側に２つのアンテナを有する２×２無線通信システムに適したグラスマンコードブックの一例を示す。

現在、ＭＩＭＯ無線通信システム、例えば、Ｗｉ−Ｆｉと称されるＩＥＥＥ８０２．１１は、屋内の使用に最適化されている。屋内環境は、例えば壁、家具、窓、鏡などの様々な障害物による反射及び減衰のため、典型的に、送信機と受信機との間の著しいマルチパス伝搬に特徴がある。グラスマンコードブックＷ^ｇ（ｋ）は、最長の符号語距離ｄ_ｗを持つ符号語ｗ^ｇ（ｉ）の選択に対して最適であるため、最良のデザインの選択の１つであると言える。

しかしながら、グラスマン多様体の符号語は多数の桁を有しているため、グラスマンコードブックの問題は、莫大な計算オーバヘッドにある。より具体的には、多数の桁は多数の乗算を生み出し、多数の乗算は信号処理において大きなオーバヘッドを要求し、また、追加の処理時間をもたらし、従って通信システム全体における遅延を増加させる。現在では、高速でかつ大容量の通信が要求されていることから、長い処理時間を要求するグラスマンコードブックは、代替のプリコーディング方式を必要とする。

カードック多様体に基づくカードックコードブックデザインは、その複雑性低減のため、従って１つの有望な解決策を提供する。ここで、２×２無線通信システムに適したカードックコードブックの一例を示す。

確かに、カードックコードブックを採用すると、各符号語の各要素はきわめて単純であり、それはストレージ及びサーチの要求を削減する。加えて、非特許文献１及び特許文献１に従えば、グラスマンコードブックデザインとカードックコードブックデザインとの間で、システムパフォーマンスはほぼ同じである。これは、カードックコードブックではより少ないチャネル状態情報（ＣＳＩ：channel state information）フィードバックが要求され、そうでなければデータトラヒックに干渉するフィードバックオーバヘッドが削減されるためである。したがって、カードックコードブックは、これまでに既知のコードブックと同等であるか、又はそれよりも高いパフォーマンスをもたらす。

米国特許８３０６１４６号

T. Inoue and R. W. Heath Jr., "Kerdock codes for limited feedback precoded MIMO systems," IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 57, no. 9, pp. 3711−3716, 2009.

本発明者らは、精力的かつ徹底的な研究を通じて、下記に述べる重要な問題を発見した。本発明者らは、チャネルモデリングに基づくシミュレーション実験を繰り返し実施し、その結果を詳細に検査した。図１０は、２×２無線通信システムにおいて採用される、チャネルマトリクスＨを有するシミュレーションモデルを示す。

図１１及び図１２に、実験の結果を示す。図１１は、グラスマンコードブックをプリコーダとして使用したときに観測されるＣＳＩ（チャネル状態情報）パラメータを示し、図１２は、カードックコードブックを使用するときに観測されるＣＳＩパラメータを示す。

まず、我々は、図１１に示されるように、グラスマンコードブックは、全てのチャネル状態情報（ＣＳＩ）を利用することを示す。つまり、グラスマンコードブックデザインを使用するとき、実験結果は、相互に異なる４つのチャネル状態パラメータｈ１１、ｈ１２、ｈ２１、及びｈ２２を持つ２×２マトリクスを示す。

次いで、カードックコードブックの観測されたＣＳＩパラメータが図１２に示される。図１２に示される結果から、我々は、カードックコードブックがプリコーダとして適用されたとき、利用されるＣＳＩパラメータが因数２に削減されることに気づいた。つまり、他の２つのＣＳＩパラメータは同じチャネル状態を報告し、従って追加の情報を含んでおらず、冗長である。

実験結果は、カードックコードブックをプリコーダとして適用するとき、チャネル状態情報の著しい減少が結果であることを明らかにする。ＭＩＭＯシステムにおける著しいＣＳＩ情報データは、効果的に利用されることなく、失われる。

先に述べたように、現行のプリコード方式は、屋内環境においてデータレートの増加が達成できるようにＭＩＭＯシステムを改善するめに最適化される。現在の選択されたプリコーディングコードブックは、データレート及びネットワークスループットについて最適化を考慮するのみである。しかしながら、近い将来、無線カバレッジは、広範なアクセスを可能とするために改善される必要がある。広範なアクセスとは、数百メートルから数キロメートルまでを意味する。したがって、コードブック方式は、例えば、数キロメートルのカバレッジ範囲を有する長距離ＭＩＭＯシステムにおいて、長距離にわたって信号停止を改善すべきである。

本発明の目的は、プリコーダとして、屋内及び屋外環境における広範囲ＭＩＭＯシステムを可能とする新規なコードブックデザインを使用するＭＩＭＯ（多入力・多出力）通信システムを提供することである。

本発明は、無線システムの送信ビットエラーレート（ＢＥＲ）を改善する。本発明は、例えば、屋外ＭＩＭＯシステムにおいてより長い範囲を可能とする。より少ない信号停止は、無線信号が数キロメートルを超えて送信できることを可能にする結果である。解決手法は、ＭＩＭＯシステムにおける複数のアンテナの最適な使用を可能にするプリコーディングである。プリコーディングは、長距離無線送信に対して最適化されたコードブックを使用する。変更されたカードックコードブック｛ｗ^ｋｍ _ｉ｝は、プリコーディングゲインの更なる改善を可能とする。変更されたカードックコードブック｛ｗ^ｋｍ _ｉ｝は、送信ビットエラーレート（ＢＥＲ）を更に改善するために変更された新規な符号語ｗ^ｋｍ _ｉを含む。変更されたコードブック｛ｗ^ｋｍ _ｉ｝は、２−３ｄＢの間のプリコードゲインを可能とする。

図１は、変更されたカードックコードブックがプリコーダとして適用されたときに観測されるＣＳＩパラメータを示す。図２は、無線通信システムの第１実施形態を図示する。図３は、送信機としての無線基地局と、受信機としての移動局とを示す。図４は、グラスマンコードブック及び（変更されていない）カードックコードブックのビットエラー性能（ＢＥＲ）を示す。図５は、グラスマンコードブック及び変更されたカードックコードブックのビットエラー性能（ＢＥＲ）を示す。図６は、異なるコーディングゲイン（０，３，６ｄＢ）について送信出力に対する距離（Ｔｘ−Ｒｘ）のシミュレーション結果を示す。図７は、異なるコーディングゲイン（０，３，６ｄＢ）について送信出力に対する距離（Ｔｘ−Ｒｘ）のシミュレーション結果を示す。図８は、異なるプリコーディングコードブック（グラスマンコードブック、（変更されていない）カードックコードブック、及び変更されたカードックコードブック）が適用されたときに測定されたノイズ分散を示す。図９は、第２実施形態を示す。図１０は、チャネルマトリクスＨを有するシミュレーションモデルを示す。図１１は、グラスマンコードブックがプリコーダとして使用されるときに観測されるＣＳＩ（channel state information）パラメータを示す。図１２は、カードックコードブックが使用されるときに観測されるＣＳＩパラメータを示す。

（コードアイデア）
本発明は、コードブックベースの無線通信システムのパフォーマンスを改善し、結果として長距離ＭＩＭＯシステムをもたらす。本発明の核となるアイデアは、新規な符号語のセットをプリコーダとして提供することであり、新規な符号語のセットでは、グラスマンコードブック及びカードックコードブックの有益な特徴が十分に利用される。本発明者らは、ここでは全てのＣＳＩパラメータを効果的に使用するカードック符号語の変更を提案する。本発明は、下記の変更された符号語ｗ^ｋｍ（ｉ）を使用する。

上記符号語のセットは、精力的かつ徹底的な研究を通じて見出された。従って、反復実験は有益な効果を明確に証明するものの、なぜ変更が効果的に働くかは正確には知られていない。しかしながら、本発明者らは１つの可能性を指摘したい。（変更されていない）カードック符号語ｗ^ｋ _１と変更されたカードック符号ｗ^ｋｍ _１ごとを比較したとき、ｗ^ｋ _１の第１列の要素は同一（共に“１”）であるものの、ｗ^ｋ _１の対応する要素は互いに異なる。これは、ＢＥＲの改善と関連しうる。

本発明者らはもう一言加えたい。本発明者らは、送信側に２つのアンテナを有し受信側に２つのアンテナを有する２×２無線通信システムに適用可能な２×２マトリクス符号語を、変更されたカードックコードブックの要素として提案した。３×３、４×４、又は他のパターン（例えば４×２）へ適用可能な変更に関しては、まだ達成されていないものの、それらは調査中であり、近い将来に公表される。

図１は、変更されたカードックコードブックがプリコーダとして適用されたときに観測されるＣＳＩパラメータを示す。変更されたカードックコードブックが使用される場合、４つの全てのＣＳＩパラメータは利用され、かつチャネル状態情報を含む。４つのＣＳＩパラメータの摂動は変更されたカードックにおいて検出可能であり、それは、送信機と受信機との間のＭＩＭＯ通信の最適化に非常に有益である。

（第１実施形態）
図２は、送信機２００と受信機３００とを有する無線通信システム１００の第１実施形態を図示する。この実施形態において、この無線通信システム１００は屋外で使用されるものとする。ここで、ダウンリンクは図３に示されるものと仮定し、送信機２００は、例えば、無線アクセスポイント又は無線基地局であり、受信機３００は、例えば無線移動局である。ＢＥＲの改善に起因して、後述するように、送信機２００と受信機３００との間の距離は、数百メートル又は数キロメートル（例えば５００ｍ、８００ｍ、１ｋｍ、又はそれ以上）とすることができ、それは、基地局（２００）に１ホップで到達する無線移動局（３００）の数の増加をもたらす。

送信機２００は、コードブックメモリ２１０、プリコーダ２２０、及び送信回路２３０を有する。コードブックメモリ２１０は、あらかじめ用意されたコードブック２１１を記憶する。この実施形態において、コードブックメモリ２１０は、変更されたカードックコードブック２１１の符号語（ｗ^ｋｍ _０，ｗ^ｋｍ _１）を記憶する。

プリコーダ２２０は、送信される信号と選択された符号語とのマトリクス乗算を実行する。符号語は、（後述するように）受信機からフィードバックされたＣＳＩに基づいて選択される。送信される信号［ｓ_ｋ］は、信号［ｓ_ｋ］が、選択されたｗ^ｋｍ _ｉとのマトリクス乗算によりプリコードされるプリコーダ２２０に入力される。

プリコードされた信号ｘ_ｋ（＝ｗ^ｋｍ _ｉ×ｓ_ｋ）は、２つのアンテナｔ１、ｔ２を有する送信回路２３０に出力され、送信回路２３０は、プリコードされた信号ｘ_ｋをアンテナｔ１、ｔ２から送信する。

受信機３００は、受信回路３１０、チャネル状態推定ユニット３２０、及びデコンポーザ３３０を有する。受信回路３１０は、１つのアンテナｒ１、ｒ２を有志、送信機２００から送信されたデータ受信する。受信回路３１０により受信されたデータは、チャネル状態推定ユニット３２０及びデコンポーザ３３０に送られる。

チャネル状態推定ユニット３２０は、受信されたデータに基づいてチャネル状態を計算及び推定し、かつ、どの符号語が現在の（推定された）チャネル状態に最もふさわしいかを調べる。チャネル状態情報（ＣＳＩ）の計算及び推定方法はよく知られており、ここではその詳細は説明しない。最も適した符号語の特定後、チャネル状態推定ユニット３２０は、そのインデックス番号をＣＳＩフィードバック信号として送信機２００にフィードバックする。

デコンポーザ３３０は、受信されたデータを処理する。デコンポーザ３３０は、例えば、使用された符号語に基づいて信号を分解し、デコードとエラー訂正を行う。そのようにして処理された信号ｓ_ｋは、シグナルプロセッサに送られる。

次いで、変更されたカードックコードブックを採用した実施形態の効果を説明する。図４及び図５は、グラスマンコードブック、（変更されていない）カードックコードブック、及び変更されたカードックコードブックのビットエラー性能（ＢＥＲ）を示す。これら結果は、シミュレーション検討により得られた。
下記リストは、プリコーディング評価に使用されたシミュレーションパラメータ（Ｍａｔｌａｂ）である。

パケットサイズＮ＿ｐａｃｋｅｔ＝１０
フレームサイズＮ＿ｆｒａｍｅ＝１０００００
変調オーダーｍｏｄ＿ｏｒｄｅｒ＝５
ＳＮＲ値ＳＮＲｄＢｓ＝［０：２：３０］
ノイズ分散Ｎｏｉｓｅ＿ｖａｌ＝０．５
送信アンテナ数ＴＴ＿ＴＸ＝２
受信アンテナ数ＴＴ＿ＮＲ＝２

図５に示されるように、例えば、ＢＥＲ＝１０^−５において、変更されたカードックコードブックが適用されたとき、グラスマンコードブックに比べて２ｄＢを超える著しいゲイン改善が結果である。また、（変更されていない）カードックコードブックに比べて、変更されたカードックコードブックは、図４に示されるように、１ｄＢを超える性能改善を示す。したがって、これら検討は、本実施形態を使用したときに２−３ｄＢの性能改善が期待できることを示す。参考のために、２−３ｄＢはおよそ５０％のＢＥＲ性能改善に対応する。

ビットエラー性能（ＢＥＲ）の改善は、カバレッジエリアの拡大を導く。図６及び図７は、異なるコーディングゲイン（０，３，６ｄＢ）に対する送信出力対距離（Ｔｘ−Ｒｘ）のシミュレーション結果を示す。
下記リストは、シミュレーションパラメータ（Ｍａｔｌａｂ）である。

ｔｘ＿ｐｏｗｅｒ＝３０［ｄＢｍ］
ａｎｔｅｎｎａ＿ｇａｉｎ＝３［ｄｂ］ｔｘ＆ｒｘ
ｃｏｄｉｎｇ＿ｇａｉｎ＝０、３又は６［ｄＢ］
ｓｈａｄｏｗｉｎｇ＿ｓｔｄ＝８［ｄＢ］
Ｎ０＝−１７４［ｄＢｍ／Ｈｚ］
Ｎｏｉｓｅ＿ｆｉｇｕｒｅ＝７［ｄＢ］
Ｂｉｔ＿ｒａｔｅ＝２０又は２０００［ｋｂｐｓ］
ＥｂＮｏ＝４．５（ＢＥＲ＝１０^−５における畳み込み符号化を用いて）
ｉ＿ｌｏｓｓ＝３［ｄＢ］（実行損失）
ｆ＿ｌｏｓｓ＝３［ｄＢ］（マルチパスフェーディング損失）
ａ＿ｈｅｉｇｈｔ＝１５［ｍ］（アンテナ高さ）
ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ＝９００［ＭＨｚ］（キャリア周波数）
Ｌｉｎｋｂｕｄｇｅｔ（ＬＢ）：
ＬＢ［ｄＢ］＝Ｔｘパワー＋アンテナゲイン＋コーディングゲイン−（ノイズ分散＋ｎｏｉｓｅ＿ｆｉｇｕｒｅ＋Ｅｂ／Ｎｏ＋実行損失＋フェーディング損失＋１０×ｌｏｇ_１０（Ｂｉｔｒａｔｅ×１０００））

図６ではＢｉｔｒａｔｅ＝２０バイト、図７ではＢｉｔｒａｔｅ＝２０００バイト。図６及び図７から、３ｄＢの性能改善はカバレッジエリアをおよそ１．５倍に広げることができることが示される。

さらに、計測されたノイズ分散について説明を加える。グラスマンコードブック、（変更されていない）カードックコードブック、及び変更されたカードックコードブックの間には、観測されるノイズ分散において違いが存在する。図８は、異なるプリコーディングコードブック（グラスマンコードブック、（変更されていない）カードックコードブック、及び変更されたカードックコードブック）が適用されたときに計測されたノイズ分散を示す。（変更されていない）カードックコードブックを使用するプリコーディングは、グラスマンコードブックに比べて、観測されたノイズ分散を低減する。この結果は、（変更されていない）カードック多様体はしばしばエラー訂正に使用されるため、期待できた。本発明者らは、我々が提案したカードックコードブック対してした変更は、観測されたノイズ分散にネガティブな効果を有していないことを強調したい。

上記したように、我々が提案したカードック多様体に対する変更は、価値のある結果を提供し、それをプリコーダとして適用したとき、実用的な利益、例えばＢＥＲ性能の改善及びカバレッジエリアの拡大が達成される。

（第２実施形態）
上記した第１実施形態は、変更されたカードックコードブックであるコードブックを１つ使用した。第２実施形態では、コードブックメモリは変更されたカードックコードブックに加えて種々のコードブックを記憶し、最適なコードブックが動的に選択される。図９は、コードブックメモリがグラスマンコードブック、カードックコードブック、及び変更されたコードブックを含む第２実施形態を示す。第１実施形態と同様に、チャネル状態推定ユニットは、受信されたデータに基づいてチャネル状態を計算して推定し、最適なコードブックを、より具体的には現在の（推定された）チャネル状態に最も適した符号語を検索する。

各コードブックデザインはそれぞれ独自の利点を有しているため、最適なコードブックは、周辺環境又は要求される特性に基づいて変化し得る。例えば、高いデータレート及び／又は屋内無線環境が要求されるとき、グラスマンコードブックは最適なコードブックであろう。広いカバレッジエリアが要求されるとき、（変更されていない）カードックコードブックが適しており、更に、より広いカバレッジが要求される、ベストなコードブックは変更されたカードックコードブックであろう。コードブックの動的な選択に加えて、コードブックの選択は、ＭＩＭＯ無線通信システムのインストールを担当する人によるインストールの段階において提供されてもよい。

本発明は、その例示的な実施形態を参照して特に説明され、かつ記述されたが、本発明は、それら実施形態に限定されない。クレームによって定義される本発明の精神及び範囲を逸脱せずに、形式上の及び詳細の種々の変更がなされ得ることは、当該技術分野における当業者によって理解される。

本発明は、ＭＩＭＯ無線通信システムのための方法及び装置に適用できる。本発明は、無線ネットワークにおいて、長距離にわたる信頼できる送信を可能とする。特に、ＩＥＥＥ８０２．１１ａｈＷＬＡＮプロトコルは、屋外の長距離カバレッジに有用な新たなコードブックを要求する。我々が提案したプリコーディングは、ＷｉＭＡＸ、ＩＥＥＥ８０２．１６ｍ、３ＧＰＰＬＴＥ、ＷＬＡＮ、ＷＰＡＮ（wireless personal area networks）、ＷＢＡＮ（wireless body area networks）を含むがそれらには限定されない実施形態の潜在的な候補である。ＩＥＥＥ８０２．１５．４ＷＰＡＮなどの無線パーソナルエリアネットワーク（ＷＰＡＮ）では、プロトコルは、センサーノードにおいて使用され、かつ実装される。ＩＥＥＥ８０２．１５．４ＷＰＡＮセンサーは、無線カバレッジを広げるために本発明を使用できる。新しいＩＥＥＥ８０２．１５．４ＷＰＡＮ標準はマルチアンテナシステムもサポートし、従って本発明はそのようなシステムに簡易に適用可能である。加えて、シングルユーザＭＩＭＯ（ＳＵ−ＭＩＭＯ）及びマルチユーザＭＩＭＯ（ＭＵ−ＭＩＭＯ）は、実施形態の潜在的な候補である。

１００無線通信システム
２００送信機
３００受信機
２１０コードブックメモリ
２２０プリコーダ
２３０送信回路
３１０受信回路
３２０チャネル状態推定ユニット
３３０デコンポーザ

Claims

複数の符号語から成るあらかじめ用意されたコードブックを記憶するコードブックメモリと、
送信される信号と選択された符号語とのマトリクス乗算を実行することにより信号をプリコードするプリコーダと、
複数のアンテナを有する送信回路とを備え、
前記符号語は、下記式、
で定められる、変更されたカードック多様体で表される無線通信装置。
前記コードブックメモリが、グラスマンコードブック及びカードックコードブックの少なくとも一方を更に記憶する請求項１に記載の無線通信装置。
送信機と受信機とを有する無線通信システムであって、
前記送信機が、
複数の符号語から成るあらかじめ用意されたコードブックを記憶するコードブックメモリと、
送信される信号と選択された符号語とのマトリクス乗算を実行することにより信号をプリコードするプリコーダと、
複数のアンテナを有する送信回路とを備え、
前記符号語は、下記式、
で定められる、変更されたカードック多様体で表される無線通信システム。
送信される信号と選択された符号語とのマトリクス乗算を実行することにより信号をプリコーディングし、
プリコードされた信号を複数アンテナから送信し、
前記符号語は、下記式、
で定められる、変更されたカードック多様体で表される無線通信方法。