JP2018520613A - 多アンテナmu−mimoシステムのための制御チャネル設計 - Google Patents
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Abstract
Description
[0001] 本願は、2015年4月24日に出願された米国仮特許出願第62/152,675号の権利を主張する。この出願をここで引用したことによりその内容全体が本願にも含まれるものとする。
連邦支援研究または開発に関する言明
[0002] 本発明は、承諾番号CNS0751173、CNS0923479、CNS1012831、CSN1126478、およびCNS1218700の下においてアメリカ国立科学財団によって授与された政府支援によって部分的に行われた。政府は、本発明において一定の権利を有する。
ビーム形成およびMU−MIMO
[0038] 図1に示すように、ビーム形成は、同じ周波数でユーザ104に送信する基地局102の複数のアンテナを利用して、指向性送信、即ち、空間の領域(例えば、ビーム)110以内における送信を実現することができる。基地局102の複数のアンテナからの信号の加算的および減算的干渉が、ユーザ104において受信される信号強度を空間的に変動させることができ、ビーム・パターン110を生ずるに至る。ビーム・パターン110は、基地局102の各アンテナに適用されるビーム形成重みを変化させることによって変更することができ、その基地局アンテナから送られる信号の振幅および位相を効果的に変更することができる。
制御チャネル動作
[0042] ワイヤレス通信システム(例えば、図1に示す多アンテナMU−MIMOワイヤレス通信システム100)では、制御チャネル上の通信は、データ通信を設定するのに必要な動作を実行するために使用されてもよい。制御チャネル上で実行される動作は、同期、利得制御、アソシエーション、タイミング進み(timing advance)、ランダム・アクセス、ページング、変調速度の設定、利得制御、スケジューリング等を含むことができる。加えて、制御チャネルは複数のユーザからの多くのアンテナに及ぶ効率的なCSI収集を調整することができる。説明する実施形態は、MU−MIMOチャネルを確立するために必要な制御チャネル動作、即ち、同期、アソシエーション、CSI収集、ランダム・アクセス、およびページングをサポートする。残りの制御チャネル動作は、確立されるMU−MIMOチャネル上で実行することができる。
CSIモードおよび非CSIモード間の利得ギャップ
[0049] 多アンテナ基地局は2つのモードで、即ち、CSIの知識を使用して(例えば、CSIモード)、またはCSIの知識を使用せずに(例えば、非CSIモード)動作することができる。図2は、本開示の実施形態によるワイヤレス通信システム200の一例を示し、ここでは多アンテナ基地局202が複数の異なるモードで動作することができる。CSI知識によって(例えば、CSIモードにおいて)、多アンテナ基地局202は、1つのアンテナのピーク電力に関して、M2の利得を得ることができる(ここでMは基地局のアンテナ数である)このピーク電力は、カバレッジ領域204によって示されている。CSIモードでは、最大の利得は、多アンテナ基地局202が1つのユーザと通信するときに閉ループ・ビーム形成を利用するときに、得ることができる。これはカバレッジ領域206によって示されている。
利得整合(Gain Matching)のための制御チャネル設計
[0056] 説明する実施形態は、非CSI動作モードの限界を克服する制御チャネルを設計することによって、前述の利得ギャップを克服する方法を含む。ダウンリンクにおける非CSI動作モードとCSI動作モードとの間の利得ギャップを克服するために、本明細書において提示する制御チャネル設計は、オープン・ループ・ビーム形成を符合化利得と組み合わせることができる。ある実施形態では、多アンテナMU−MIMOワイヤレス通信システムの多アンテナ基地局(例えば、図2に示した多アンテナ基地局202)は、直交シーケンスを搬送するオープン・ループ・ビームを掃引することができ、同期およびページング動作を可能にする。アップリンクでは、本開示において提示する制御チャネル設計は、自然なアンテナ毎の非対称送信電力を利用し、追加の符合化利得を採用してCSI収集およびランダム・アクセス動作を可能にする。更に、ダウンリンク同期シーケンス内に基地局IDをエンコードし、ランダム・アクセス動作を利用することによって、本明細書において提示する制御チャネル設計はアソシエーション動作を容易にする。
オープン・ループ・ビーム形成
[0057] ある実施形態では、多アンテナ基地局(例えば、図2に示した基地局202)における全てのアンテナの電力およびダイバシティを利用するために、非CSIモードにおいて制御チャネル上でオープン・ループ・ビーム形成を使用することができる。基地局アンテナの電力を組み合わせると、Mの利得が得られ、一方ビーム形成により、O(M2)の総利得に対して別のMの利得が得られる。しかしながら、ビーム形成利得は、アンテナのカバレッジ・エリアの1/Mに放射電力(radiated power)を集中させる。このため、多アンテナ基地局(例えば、図2に示した多アンテナ基地局202)は、完全なカバレッジを提供するためにビームを掃引しなければならない。アソシエーションおよび同期は遅延に寛容なので、本制御チャネル設計が、アソシエーションおよび同期動作のために、オープン・ループ・ビーム形成およびビーム掃引を採用しても、ユーザに気付かれる性能に影響を及ぼすことはなく、または著しいチャネル・オーバーヘッドを生ずることもない。
符合化利得
[0066] 特定の実施形態では、オープン・ループ・ビーム掃引の使用によって、非CSIおよびCSIモード間の利得ギャップを狭めることができる。図4に示すように、ビーム掃引を行わない従前からの非CSIモードの利得は、カバレッジ領域406によって与えられ、これは、MU−MTMO CSIモードのカバレッジ領域(利得)408よりも遥かに小さい(例えば、M2の1)。非CSIモードにおいてオープン・ループ・ビーム掃引を採用することによって、CSIモードからの利得ギャップを大幅に狭めることができる。図4に示すように、オープン・ループ・ビーム掃引の累積利得(カバレッジ領域)は、N通りの異なるビーム方向をカバーする空間404のビーム全てを含むことによって与えられる。しかしながら、図4に示すように、非CSIオープン・ループ・ビーム掃引とCSI MU−MTMO通信との間にはなおもカバレッジ・ギャップ410がある。
複合利得(Combined Gain)
[0075] ある実施形態では、先に論じたように、オープン・ループ・ビーム形成および符合化利得の組み合わせが、多アンテナMU−MIMOシステムにおいて制御チャネル上で採用され、図5に示すように、利得ギャップを埋めることができる。1つ以上の実施形態において、ビーム掃引は、多アンテナ基地局の最大限の電力をカバレッジ・エリアの小部分に集中させることによって、ダウンリンク利得の大半を得ることができる。即ち、オープン・ループ・ビーム掃引はM2/aの利得を得ることができる。ここで、aはビーム形成の不正確さ(inaccuracy)である。ダウンリンクでは、制御チャネル設計は、非CSI動作モードおよびCSI動作モード間のギャップを、M2/KからM2/K/(Cdown・M2/a)=a/(Cdown・K)に狭める。つまり、Cdown≒a/Kとなるように、符合化利得を調整することができる。アップリンクでは、制御チャネル設計はOFDMAおよび符合化を利用して、非CSIモードにおいてCup・Kの利得を得る。これによって、非CSI−CSI間ギャップをMからM/(K・Cup)に狭める。これは、ギャップを埋めるためにはCupがほぼM/Kでなければならないことを示唆する。
制御チャネル設計
[0078] 説明する実施形態は、以下で更に詳しく論ずるように、制御チャネル設計、ならびに同期、アソシエーション、CSI収集、ランダム・アクセス、およびページングのための制御チャネルの用法に関する。
同期
[0079] 本明細書において提示する多アンテナMU−MIMOシステムは、時間同期および周波数同期の双方を行う。ある実施形態では、ビーム掃引を使用することによって、多アンテナ基地局から移動体ユーザに送信される延長シーケンス(extended-length sequence)に基づいて、同期を行うことができる。
[0081] 本明細書において提示する制御チャネル設計は、2つの主な課題に直面した。第1に、複数の同期シーケンスを同時に検出しなければならないことをあげることができる。これは、同期にはビーコンおよびページング双方のシーケンスが使用される場合があり、これらは別個のビーム上で同時に送られるからである。第2に、時間同期は、粗いタイミング情報もAGCも使用せずに実行しなければならない。先に論じたように、粗フレーム検出およびAGCは、細粒時間同期(fine-grain time synchronization)を行うために、CSIモードにおいて採用することができる。しかしながら、これらの技法は、非CSIモードにおいて採用するのは非効率的であるか、または不可能なこともある。何故なら、ビーム掃引およびMU−MIMOダウンリンクは、非常に空間選択的であり、したがって、ユーザは、電力が激しく変動する各同期シーケンスを受信するからである。多アンテナ基地局702は、粗フレーム検出およびAGCを容易にするために、訓練シーケンスを送信することを、各同期シーケンスの送信よりも先行させるように構成することもできる。しかしながら、訓練シーケンスは、利得ギャップを克服するために、大幅に延長した長さを有さなければならないであろう。更に、この訓練シーケンスによって設定される利得は、1つのビームだけにしか有効ではなく、ビーム掃引には非常に非効率的になる。
アソシエーション手順(Association Procedure)
[0088] 提示した多アンテナMU−MIMOワイヤレス・システムは、(i)ビーム掃引された同期シーケンスにおいて一意の基地局識別子(例えば、ビーコン)をエンコードし、(ii)ユーザにスキャンさせて、エンコードされたビーコンを得て基地局を選択させ、(iii)「ソフト」アソシエーション・メカニズムを設けて、MIMOリンク上において、選択された基地局についてより多くの情報をユーザが素早く得ることを可能にすることによって、アソシエーションを可能にする。各動作についての更なる詳細について、これより示す。
CSI収集
[0093] ある実施形態では、図6Bに示すように、ビーコン検出の後、全てのアクティブ・ユーザが、それらのスケジューリングされたスロットにおいて、アップリンク・パイロットを送ることができる。次いで、基地局が受信したアップリンク・パイロットを利用して、基地局とユーザとの間のチャネルに関係するCSIを収集することができる。CSI収集フェーズは、ユーザに任意に割り当てることができる多数の時間−周波数−コード・リソース・スロットを含むことができ、一部のリソース・スロットはランダム・アクセス専用となっており(例えば、図6Bに示したスロット612)、アソシエーション要求およびページング応答を含む。アソシエーション要求およびページングをサポートするために、ランダム・アクセス・スロット612は、アソシエーション・スロットとランダム・アクセスとの間で分割することができる。1つ以上の実施形態において、所与のリソース・エレメント内で基準信号を送ったユーザは、対応する時間および周波数コヒーレンス間隔において、アップリンクおよびダウンリンク・フェーズ双方のために空間リソース・エレメントを得る(gain)ことができる。これに基づいて、所与の基準シンボルはいずれも、コヒーレンス時間間隔、および更に広い周波数コヒーレンス間隔双方に有効である推定を与えることができる。特定の実施形態では、CSI精度を高めるために、一定の閾値未満のチャネル品質を有するユーザには、更に長いパイロット・スロットを割り当てることができる。
ランダム・アクセス
[0094] 図6Bに示すように、開示する実施形態は、各チャネル推定フェーズの開始時にパイロット・スロットを確保することに基づく(例えば、図6Bに示すランダム・アクセス・スロット612)、ランダム・アクセス方法を含む。多アンテナ基地局602との接続を開始するために、ユーザ604A、604B、604C等は、これらの確保されたパイロット・スロットの1つにおいてアップリンク・パイロットを送ることができる。ユーザ602が、他のユーザを妨害することなく、正しいパイロット・スロット内でアッリンク・パイロットを送るために、ユーザ602はビーコンを受信しており、つまり多アンテナ基地局602との同期を正しく確立していなければならないとしてもよい。1つ以上の実施形態において、基地局602は、受信したアップリンク・パイロット(1つまたは複数)を利用して、ユーザのチャネルおよびタイミング進みを推定し、更にユーザに対して非常に効率的なMU−MIMOリンクを張る(create)ことができる。次いで、この張られたMU−MIMOリンクは、変調速度およびパイロット・スケジューリングを含む残りの制御チャネル情報の全てを伝えるため、更にはビーコンが所定の時間期間にわたって受信されていない場合に、アクティブ・ユーザのために同期を維持/改善するために使用することができる。ある実施形態では、伝えられた制御チャネル情報は、BSSID、SSID、変調速度、利得制御情報、MU−MIMO通信リンクに関係するチャネル推定情報、または多アンテナ基地局に関連する暗号情報の内少なくとも1つを含むとよい。
ページング
[0096] 説明する実施形態は、本明細書において提示した多アンテナMU−MIMOシステムの多アンテナ基地局が、この多アンテナ基地局のカバレッジ・エリア全体にわたって信頼性高くそして素早くユーザをページングすることを可能にする。これを遂行するために、以上で説明したビーム掃引および符合化利得を適用することができる。しかしながら、同期およびアソシエーションとは異なり、ページングは遅延に寛容な動作ではない。このため、多アンテナ基地局は、判明している最後のユーザ位置(last known location)を利用して、ビーム掃引からの遅延を大幅に低減することができる。
オーバーヘッド分析
[00104] 本開示において提示した制御チャネル設計は、小さいが無視することができないオーバーヘッドを有する場合もある。ある実施形態では、このオーバーヘッドは、4つのメトリック、即ち、(i)総チャネル・オーバーヘッド、(ii)アソシエーション遅延、(iii)ランダム・アクセス遅延、および(iv)ページング遅延によって測定することができる。図9は、これらのオーバーヘッドおよび遅延を判定する式900を示す。図9に示す表910は、例示的なシステム構成に対する値の例を示す。この分析に対して、フレームは連続的に送信され、各フレームの先頭にビーコンがあると仮定することができる。予想ページング遅延は、ページング方式に依存する。しかしながら、予想ページング遅延は、完全なビーム掃引を実行するのに要する時間を示すので、アソシエーション遅延によってその上限が決められる(upper-bounded)。
実施態様(implementation)
[00106] ある例示的な実施形態によれば、本明細書において提示した制御チャネル設計は、108本のアンテナのアレイを含む多アンテナMU−MIMO基地局のプロトタイプ上に実装することができるが、更に多いアンテナもサポートすることができる。例示的な実施形態は、ビーム掃引にアダマール・ビーム重みを採用する。アダマール・ビーム重みは、最小数の重みを使用して、全てが揃い(complete)、完全に直交な(perfectly orthogonal)基準を設け、最小量のオーバーヘッドで最大のダイバシティ利得を可能にし、完全な空間カバレッジを提供することができる。更に、アダマール・ビーム重みは、1という好ましいピーク対平均電力比(PAPR)を特徴とすることもでき、基地局アンテナにそれらの最大潜在送信電力を使用させることができる。加えて、アダマール・ビーム重みの計算には、アンテナ・アパーチャや環境の知識が全く必要なく、較正や環境の考慮をしない迅速なデプロイを可能にする。
実行結果(Performance Results)
[00110] 多アンテナMU−MIMOシステムについて本明細書において提示した制御チャネル設計の性能を、同期、ビーコン、およびページングに関して、CSIモードと非CSI動作モードとの間の利得ギャップを解消するための様々な環境において評価した。ここに提示する結果は、提示した制御チャネル設計が、従前からの制御チャネルと比較したときに、40dB以上非CSIモード範囲を広げることができることを実証する。更に、以前のユーザ位置の知識を利用することによって、ページング遅延を400%改善することができ、10kHz以上のCFOを信頼性高く補正することができる。
Claims (20)
- 基地局(BS)によるワイヤレス通信方法であって、
ビーコンを基本同期シーケンスにエンコードするステップであって、前記ビーコンが前記BSの識別子(ID)を含む、ステップと、
前記エンコードした基本同期シーケンスと1組のビーム形成重みとに基づいて、複数の同期シーケンスを生成するステップと、
複数のアンテナを使用して、前記複数の同期シーケンスを、前記1組のビーム形成重みに関連する複数のビーム方向に送信するステップと、
を含む、ワイヤレス通信方法。 - 請求項1記載の方法において、前記複数の同期シーケンスを送信するステップが、
各同期シーケンスを送信し、その後当該同期シーケンスを少なくとも1回繰り返して送信するステップを含む、方法。 - 請求項1記載の方法において、前記複数の同期シーケンスを送信するステップが、
各送信フレームの開始時に、前記複数のビーム方向の内異なるビーム方向に各同期シーケンスを送信するステップを含む、方法。 - 請求項1記載の方法であって、更に、
ランダム・アクセスのために、少なくとも1つのアップリンク・スロットをユーザ機器(UE)に割り当てるステップと、
前記少なくとも1つの割り当てられたアップリンク・スロットにおいて、前記UEからのパイロットを受信するステップと、
前記受信したパイロットに基づいて、前記UEに関連するチャネル状態情報(CSI)を推定するステップと、
前記CSIに基づいて前記UEとの通信リンクを確立するステップと、
前記通信リンクを介して、制御チャネル情報を前記UEに伝達するステップと、
を含む、方法。 - 請求項4記載の方法において、前記制御チャネル情報が、基本サービス・セット識別子(BSSID)、サービス・セット識別子(SSID)、変調速度、利得制御情報、チャネル推定情報、または前記BSに関連する暗号情報の内少なくとも1つを含む、方法。
- 請求項1記載の方法であって、更に、
前記BSと同期され関連付けられた各ユーザ機器(UE)に一意のページング・シーケンスを割り当てるステップと、
前記複数のアンテナを使用して、前記ページング・シーケンスを1組のビーム方向に、前記UEによって受信されるまで、送信するステップと、
を含む、方法。 - 請求項6記載の方法であって、更に、
前記UEから、当該UEに関連する位置情報を受信するステップであって、前記位置情報が、前記UEの物理位置、前記UEに関連するチャネル状態情報(CSI)、前記UEにおいて受信された前記同期シーケンスの内1つ以上のものの強度についての情報、または前記UEにおいて受信された前記同期シーケンスの内少なくとも1つの到達角度の中から、少なくとも1つを含み、
前記方法が、更に、
前記位置情報に基づいて、前記ページング・シーケンスを前記1組のビーム方向に送信するステップであって、前記1組からの各ビーム方向が、前記複数のビーム方向からの各ビーム方向よりも細かい分解能を有する、ステップを含む、方法。 - 請求項6記載の方法であって、更に、
前記ページング・シーケンスの検出時に、前記UEから送信されたアップリンク・パイロットを受信するステップと、
前記受信したアップリンク・パイロットに基づいて、前記UEに関連するチャネル状態情報(CSI)を推定するステップと、
前記推定したCSIに基づいて、前記UEとの通信リンクを確立するステップと、
を含む、方法。 - 請求項1記載の方法であって、更に、
前記BSが担当する1つ以上のユーザ機器(UE)に一意の1つ以上のページング・シーケンスと、前記複数の同期シーケンスの内1つの同期シーケンスとを、前記複数のビーム方向の内異なるビーム方向に送信するステップを含む、方法。 - ワイヤレス通信装置であって、
ビーコンを基本同期シーケンスにエンコードするように構成されたエンコーダであって、前記ビーコンが前記装置の識別子(ID)を含む、エンコーダと、
前記エンコードした基本同期シーケンスと1組のビーム形成重みとに基づいて、複数の同期シーケンスを生成するように構成された回路と、
複数のアンテナを使用して、前記複数の同期シーケンスを、前記1組のビーム形成重みに関連する複数のビーム方向に送信するように構成された送信機と、
を含む、ワイヤレス通信装置。 - ワイヤレス通信方法であって、
異なる信号強度を有する複数の同期シーケンスを受信するステップと、
前記複数の同期シーケンスからの1つの同期シーケンスのサンプルを、1組の識別シーケンスと相関付けて、同期シーケンスのタイミングを検出するステップと、
前記同期シーケンスから、前記同期シーケンス内にエンコードされている基地局(BS)の識別子(ID)をデコードするステップと、
を含む、ワイヤレス通信方法。 - 請求項11記載の方法であって、更に、
前記相関付けの前に、前記同期シーケンスのサンプルに対して自己相関を実行するステップを含む、方法。 - 請求項11記載の方法であって、更に、
前記複数の同期シーケンスを監視して少なくとも1つの同期シーケンスを求めるステップと、
前記複数の同期シーケンス内において、定められた数のビーコンを検出するまで、利得設定を変化させるステップと、
を含む、方法。 - 請求項11記載の方法であって、更に、
前記BSのIDを有するビーコンを検出したときに、ランダム・アクセスのために確保されたスロットの内の1つにおいてパイロットを前記BSに送信するステップと、
前記パイロットの受信時に前記BSから送信された制御チャネル情報を受信するステップと、
を含む、方法。 - 請求項14記載の方法であって、更に、
前記受信した制御チャネル情報に基づいて前記BSとアソシエートするステップを含む、方法。 - 請求項14記載の方法であって、更に、
前記制御チャネル情報の受信時に、他のBSとアソシエートすることを選択するステップを含む、方法。 - 請求項11記載の方法であって、更に、
前記ビーコンの検出時に、位置情報を前記BSに送信するステップと、
前記位置情報に基づいて、前記BSから送信された一意のページング・シーケンスを受信するステップと、
前記受信したページング・シーケンスに基づいて、専用ランダム・アクセス・パイロット・スロットにおいてアップリンク・スロットを送信するステップと、
を含む、方法。 - 請求項11記載の方法であって、更に、
ユーザ機器(UE)の複数のビーム形成ストリーム上で前記同期シーケンスのサンプルを受信するステップと、
前記UEのビーム形成ストリーム上で前記同期シーケンスのサンプルを相関付けて、前記ビーコンを検出するステップと、
を含む、方法。 - 請求項11記載の方法であって、更に、
ユーザ機器(UE)のアンテナ上で前記同期シーケンスを検出するステップと、
前記検出した同期シーケンスに基づいてビーム形成重みを計算するステップと、
前記ビーム形成重みを使用して、前記UEの複数のビーム形成ストリーム上で前記同期シーケンスのサンプルの部分集合を相関付けて、前記ビーコンを検出するステップと、
を含む、方法。 - ワイヤレス通信装置であって、
異なる信号強度を有する複数の同期シーケンスを受信するように構成された受信機と、
前記複数の同期シーケンスからの1つの同期シーケンスのサンプルを、1組の識別シーケンスと相関付けて、同期シーケンスのタイミングを検出するように構成された第1回路と、
前記同期シーケンスから、前記同期シーケンス内にエンコードされている他の装置の識別子(ID)を有するビーコンをデコードするように構成された第2回路と、
を含む、ワイヤレス通信装置。
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