JP4435737B2 - 送信重みを決定する方法 - Google Patents

Description

本発明は種々のアンテナビームに対する送信重みを決定するアダプティブな方法を適用するビーム形成通信システムに関する。

マルチプルアンテナ要素が用いられ効果的な輻射パターンを変化するチャネルや干渉の条件に適合させることができる。その最も単純な形では信号が振幅値と位相によって決定されるアンテナ固有の複素重みをもつ全てのアンテナから送信される。この手段により、エネルギーを均一にカバレッジ全領域にわたって単に拡散する代わりに、その送信エネルギーが意図した受信器に対してフォーカスされるとき、指向性利得を得ることができる。

第２、第３世代で一般に用いられているいくつかの技術がある。即ち、従来のビーム形成では合理的に挙動の正しい伝播を仮定し、信号到来方向が受信信号の平均的な相関から決定できるように校正されたアンテナアレイを必要とする。そのアレイの幾何学的形状の方向とその知識とに基づいて、送信重みが方向の関数として決定される。固定のマルチビームアンテナシステムでは、異なるポインティング方向をもつ固定ビームのセットが用いられ、そのビームのサブセットがダウンリンク送信のために選択される。通常、最大電力が受信されるビームが送信のために用いられる。この技術では、従来のビーム形成と比較して校正についてそれほどの要求はないが、合理的に正しい挙動の伝播環境を必要とする。また別の技術は閉ループ送信ダイバーシチである。この場合、送信器はアンテナ固有のパイロットを送信し、そのパイロットから受信器はチャネルを評価する。送信器と受信器とは合意された重みのセットを用いる。受信器は、チャネルと最も良くマッチするセットで重みを決定し、これを送信器にシグナリングする。その重みは本質的には瞬間的なダウンリンクチャネルに適合する。

別の可能性は、端末が複素数の値をもつダウンリンクチャネル応答を評価することができるアンテナ固有のトレーニング信号を送信することである。その評価されたダウンリンクチャネルはその後、受信器にフィードバックされて、送信重みを構築するのに用いられる。例えば、非特許文献１を参照されたい。そのようなやり方ではチャネルだけを考慮し、実際の実施形では、複素数の値をもつチャネル応答をフィードバックするために、ある形式の量子化と合意されたコードブックを必要とする。

より単純なやり方は非特許文献２で考慮されている。ここでは、単一のユーザに対する単一の重みベクトルが追跡される。これは、現在追跡されている重みベクトルとはわずかにランダムに摂動したベクトルとして２つの重みベクトルを創成することによりなされる。それから、多重化されたパイロット信号が送信され、その結果、受信器が２つの重みベクトルについての受信電力を送信し、パイロットが最大電力で受信された送信器に対してレポートを戻すことができる。その時、その送信器は現在用いられている重みベクトルを最大強度で受信したパイロット信号に対応する重みベクトルで置換する。このプロセスは連続的に繰り返される。従って、たった１つのユーザだけが考慮され、たった１つのビットだけが各送信期間に送信器にフィードバックされる。類似の方法が非特許文献３にも提案されている。この場合、アンテナ固有のパイロットが、データを送信するのに用いられるパイロットに付加して用いられ、ただ１つだけのフィードバックが生成される。
ゲラク・ポールラジェ（Gerlach Paulraj）著、「フィードバックのあるアダプティブ送信アンテナアレイ（Adaptive Transmitting Antenna Arrays with Feedback）」、ＩＥＥＥ信号処理レター（IEEE Signal Processing Letters）、１９９４年１０月、第１巻第１０号、ｐ．１５０−１５２ バニスタ・ザイドラー（Banister Zeidler）著、「フィードバックのある送信アンテナの重み適合のための簡便な勾配記号のアルゴリズム（A simple Gradient Sign Algorithm for Transmit Antenna Weight Adaptation with Feedback）」、信号処理についてのＩＥＥＥトランザクション （IEEE Transactions on Signal Processing）、２００３年５月、第５１巻第５号、ｐ．１１５６−１１７１ バニスタ・ザイドラー（Banister Zeidler）著、「ＭＩＭＯシステムのためのフィードバック・アシスト・送信サブ空間の追跡（Feedback Assisted Transmission Subspace Tracking for MIMO Systems）」、通信の選択分野におけるＩＥＥＥジャーナル（IEEE Journal on Selected Areas in Communications）、２００３年４月、第２１巻第３号、ｐ．４５２−４６３

本発明の目的は、アクセスポイントと複数の移動体端末との間で改善されたダウンリンク通信チャネルを提供するビーム形成データ送信を適用する通信システムを得ることにある。その送信ビームは、アクセスポイントのアンテナにより送信された種々のデータストリームに割当てられた重みによって決定される。データストリームは、単一のユーザに対して意図された専用のものでも良いし、或は、複数のユーザに対して意図された共通のものでも良い。

本発明の原理的な思想は、受信ユニットからの送信品質についての適切なフィードバック情報に応じて適合可能な複素送信重みのセットを適用することである。その送信重みのセットはアクセスポイントによりサービスを受ける複数のユーザにより共用される。

簡単に言えば、本発明に従う方法は、複数の移動体端末に重み付けされたパイロット信号のセットを送信するアクセスポイントにおいて実行される。それら移動体端末は、移動体端末とアクセスポイントとが合意したチャネル品質特性についての測定を実行する。そして、その特性から受信パイロットの品質指標が導出される。移動体端末は前記品質指標を含むフィードバックレポートをアクセスポイントに再送信する。アクセスポイントは、前記品質指標の関数の最大化したものを得、従って、パイロット信号送信を最適化するために、受信したフィードバックレポートに応じてパイロット信号についての送信重みのセットを適合させる。その重みのセットは、複数のユーザに対するとともに個々のユーザに対する送信のビームを同時に含むことができる。

本発明により、移動体端末を限定的に関与させるだけでダウンリンク通信チャネルの適合が可能になる。

本発明の別の利点は、特に、アクセスポイントとアンテナの校正の必要なく、通信チャネルにおける全ての潜在的な影響に関してダウンリンクチャネルの最適化が達成できることである。

本発明のさらに別の利点は、チャネル適合が伝播の仮定に基づく必要がない点にある。

本発明のさらに別の利点は、送信重みのセットを適合させるための測定に用いられるパイロットが全てのサービスを受けるユーザにより共用される点にある。更に、重みのセットはいくつかのユーザからのフィードバックに基づいて適合されるので、いくつのユーザに同じデータを送信するのに用いられる送信重みが見い出される。

本発明の他の目的、利点、新規性のある特徴については、次の発明の詳細な説明を添付図面と請求の範囲との関係で考慮されるとき、明らかになるであろう。

より良い理解のために、本発明の図面と好適な実施例とを参照する。

図１は本発明が適用される通信システム１０の一部を単純にして示したものである。複数の移動体端末ＭＳ₁,……,ＭＳ₄へのデータ送信のための複数のアンテナＡ₁,……,Ａ_Mを有したアクセスポイント１１として無線基地局が表現されている。移動体端末各々には１つ以上のアンテナが装備されている。前記アクセスポイント１１によりサービスを受けることができる領域はセルとして言及される。説明を簡単にするために、同じ送信重みがパイロットシーケンスにおける全てのシンボルに対して適用される場合が考慮される。ＯＦＤＭのようなマルチキャリアシステムにおいては、パイロットシーケンスの異なる部分が異なる周波数で異なる送信重みをもつ異なる搬送波周波数で送信される。ここでは、重みベクトルは異なる周波数における全ての重みベクトルの使用を含んでいる。

アクセスポイントは、Ｎ個のパイロットの送信のためのＭ個のアンテナＡ₁,……,Ａ_Mを有しており、それらのパイロットは、例えば、図３ａと図３ｂとに示されているように、数多くの時間資源と周波数資源とを用いて送信される。各パイロットシーケンスｐ_n（ｎ＝１……Ｎ）は、複素送信重みｗ_n＝｛ｗ_n1,……,ｗ_nM｝のセットに対して割当てられる。そのようなベクトルの重み各々は、アンテナＡ_Mによる送信の挙動を記述し、アンテナ送信の振幅ζ_nmと位相ずれφ_nmで示されるパラメータを少なくとも含み、オプション的にはアンテナＡ_Mによりデータを送信するための一定の時間遅延値を示すパラメータτ_nmを含む衝撃応答ｗ_nm（ｔ）＝ζ_nmｅ^jφnm・δ（ｔ−τ_nm）を伴う周波数非選択チャネルで記述できる。Ｍ個の複素送信重みのセットは、アンテナ構成とハードウェアと共に、アンテナビームの方向と形とを決定する。特定の例として、ζ_nmは単位値を仮定する一方、位相はｅ^jφnmにより与えられる。マルチプルアンテナにより動作する多数の重みからの位相値のセット全ては、輻射パターンに影響を与え、そして、もし、φ_i＝ｋ・φ₀であり、ｋが整数である所謂ユニフォームリニアアレイに関しては、その輻射パターンは通常、予め定義された基準軸に相対的なビーム方向をもつ。最後に、δ（ｔ−τ_i）は、時間的なある固定点に相対的なパイロット信号の送信についての時間遅延τ_iを表している。送信されたパイロット信号は従って、知られたシンボルのシーケンスであるとみなすことができる。そのシンボルのシーケンスは、送信されるパイロット信号各々についてユニークなビームを定義する固有の関連重みベクトルと共に送信され、他の送信されるデータと多重化される。好適な実施例では、端末がその品質を簡単に測定できるように、直交パイロットシーケンスが選択される。

一般的な場合には、例えば、ＯＦＤＭを用いたマルチキャリアの設定において、ｎ番目のパイロットはＫ個のシンボルのシーケンスｐ_n（ｋ），ｋ＝１,……,Ｋである。それから、各シンボルは一定の時刻、一定の搬送波で送信され、各シンボルと関係しているのは、固有の重みｗ_n（ｋ）＝｛ｗ_n1（ｋ）,……,ｗ_nM（ｋ）｝である。例えば、異なる重みが異なる周波数では用いられる。次に、上述のように、表記を簡単にするために、同じ重みが全てのパイロットシンボルに対して用いられると仮定する。移動体端末ＭＳ₁,……,ＭＳ_iは、送信角度に関する位置、アクセスポイントまでの距離、電波伝播条件に依存して、送信パイロットビームの一部を受信し、そのパイロット信号が受信されたダウンリンクチャネルの一定の特性を測定する。前記測定から、移動体端末は、その移動体端末に送信して戻された受信パイロット信号の評価指標を、各移動体端末からのパイロット信号各々が経験した受信品質についてのフィードバック情報として判断する。

図２は本発明に従う方法についてのシグナリングを示す図である。アクセスポイントはパイロットシーケンスｐ＝｛ｐ₁,……,ｐ_N｝のセット２０１を送信している。各パイロットｐ_iは、複素重みｗ_i＝｛ｗ_i1,……,ｗ_iM｝のセットに割当てられる。図示の例は、アクセスポイントが２つのアンテナを有しており、即ち、Ｍ＝２であり、４つのパイロット信号をもち、即ち、Ｎ＝４であることを仮定している。そのパイロットに関する重みベクトルの初期のセットｗを定義するのにいくつかの可能性がある。アクセスポイントによりサービスを受ける全セル領域にわたり等しくパイロットビームを拡散する重みベクトルの初期のセットを定義することは１つの考えられる選択肢である。これは、例えば、以下のように定義された重みベクトルのセットにより達成される。

このセットでは、第１のアンテナは常に重み“１”で送信を行なう一方、第２のアンテナは一定の位相づれｅ^jφで送信を行なう。これにより、この例では、４つのパイロット信号は夫々、互いの間にπ／２の間隔をもつことになる。しかしながら、そうではあっても、例えば、セル内の複数の移動体端末の位置について利用可能な情報が既にあり、パイロットビームが既に特定の領域にフォーカスするように重みベクトルが選択されるなら、他の種類のパイロット信号の間隔空けを定義することは可能である。また、アクセスポイントは移動体端末に指示してある一定の測定期間を使用させる。その期間に、移動局はパイロット信号の受信品質を測定する。このことは図３ａと図３ｂとを参照して後述する。

アクセスポイントによりカバーされるセル内の移動体端末は、従って、送信されたパイロットビームに関係した位置に依存して１つ以上の送信パイロット信号を受信する。本発明の１つの基本的な思想は、アクセスポイントが受信パイロット信号に応じた移動体端末からのフィードバック情報の助けを借りてダウンリンクチャネル品質を改善し、前記フィードバック情報がパイロット信号の重みベクトルのセットを適合させるために適用される点にある。このため、２０２では、移動体端末はチャネル測定を行い、パイロット信号各々或はそのサブセットに関して品質指標を導出する。前記品質指標は、アクセスポイントが特定の移動体端末に対する種々のビームについてのダウンリンク送信品質について結論をだすことができる値であると考えられる。

前記品質指標を導出するためのメトリックとして適用されるチャネル特性測定には多くの選択肢がある。そのような測定の例は、例えば、信号対雑音比（ＳＮＲ）や信号対干渉比（ＳＮＩＲ）などの比、或は、例えば、受信信号電力レベルや受信干渉電力レベルなどの電力レベルに関係する。加えて、瞬間的な或は平均的な干渉＋雑音レベルが、上記品質指標のメトリックと組み合わされて利用されても良い。メトリックの他の選択肢は、実効ＳＮＲやＳＮＩＲ値であり、それらは移動体端末やアクセスポイントで用いられて変調、符号化方式を推測でき（従ってビットレートを最大にする）。２０６で、アクセスポイントは時間的に適当なタイミングで移動体端末に、移動体端末が用いる特定のチャネル特性について指示を与えて品質指標を導出させ、示唆されたチャネル特性が測定される一定の測定期間についても指示を与える。アクセスポイントは、無線チャネル変化の予想される速度、要求される精度、送信されるデータ量、端末の測定能力に依存して、測定とパイロット送信とをスケジューリングする。測定されるチャネル特性それ自身はアダプティブな量とみなされ、その量は、例えば、アクセスポイントと移動体端末との間の伝播条件の変化に関して変更される。

図３ａと図３ｂとは、移動局がパイロット信号の受信品質を測定する測定期間の２つの例を示している。図示されたパイロット信号が数多くの時間資源と周波数資源とを用いて送信される。図３ａは相関のないフェーディングがある２つのアンテナと先に定義したような４つの初期送信重みのセットを備えたシナリオに関係している。瞬間的なチャネルの変化を追跡し、前記チャネルに適合することができるために、複数の端末は短い測定周期Ｔ₁を用いて送信重みの頻繁な更新を行なう。図３ｂは、半波長分離され相関のあるフェーディングがある２つのアンテナを想定したビーム形成シナリオに関係している。異なる方向をポインティングするビームのセットを得るために、ビーム形成重みベクトルのセットが上述のように定義される。この場合、最良のビームは相対的にゆっくりと変化し、それ故に図３ｂに図示されているように、より長い測定周期Ｔ₂を適用できることが期待される。

次のことは、一例として、受信ダウンリンク電力がチャネル特性であり、その特性に基づいて、パイロットパターンの品質指標が決定されることを仮定している。２０２で、移動体端末は受信ビーム各々について前記電力値を測定し、最良のパイロットを決定するか、或はその代わりに最良のパイロットのセット、例えば、ある閾値以上のチャネル特性の測定値をもつパイロットを決定する。それから、移動体端末は、測定チャネル特性の関数として各パイロット信号についての品質指標を決定する。導出された情報は、フィードバック情報２０３として、好ましくは、前記品質指標と少なくともパイロットの識別とを含む（ｎ≦Ｎ）個のパイロット信号についての情報を含む各移動体端末のダウンリンクチャネル特性の品質レポートの形式でアクセスポイントに送信して戻される。オプション的には、そのレポートはまた、前記品質指標がその基礎に置くチャネル特性の指標とこの測定がなされた時間の指標とを含むことができる。本発明に従う方法は、従って、必要なフィードバック情報がかなり削減されるという利点のあることを示している。

従って、アクセスポイントは、そのカバレッジ領域内の移動体端末のダウンリンク受信品質の指標を受信する。次のステップ２０４では、アクセスポイントは、移動体端末に対するパイロットビームを適合させて、パイロット信号により表現されるビームのダウンリンクチャネル品質を向上させることができる。パイロット信号を、従って、測定期間を適合することにより、移動体端末から戻されるフィードバック情報は、例えば、異なる端末速度や異なるコヒーレントなバンド幅に関して最適化される。高速な移動体端末は送信重みをより頻繁に更新する必要があり、より短い測定周期を必要とする。この場合、より小さいセットの送信重みを用いることには利点がある。しかしながら、あまり移動しない移動体端末はより大きなセットの送信重みとより長い測定周期とを用いることができる。パイロット重みベクトルについての適合メカニズムの１つの例は、次のように述べることができる。即ち、複数のパイロット信号各々についての品質指標を含む以前に送信されたパイロット信号についてのフィードバックレポートを受信するとき、最低の品質指標をもつパイロット信号の重みは、前記パターンを表現するビームが最高の品質指標をもつ２つのパイロットパターンの間に位置するように適合される。新しい重みベクトルを創成する別の方法は、最良の重みベクトル、即ち、最高の品質指標をもつベクトルのランダムな摂動により新しい重みベクトルを生成することである。しかしながら、適合化を行なう代わりに、特定の移動体端末について最高の品質指標をもつビームを選択することでも既に十分である。従って、次のステップ２０５では、改善された重みベクトルのセットをもつパイロット信号が送信される。

図４ａと図４ｂは本発明に従う方法を用いることにより送信重みのセットを適合させる例を示している。最初に、図４ａに示されているように、アクセスポイント４１は、広く分離されたビームのグループ４２を生成するためのランダムな送信重みの大きなセットを選択する。それから、アクセスポイント４１は、移動体端末４３が送信パイロット信号のフィードバック情報として再送する受信品質レポートに応じて連続的に前記送信重みを適合させる。図４ｂは、移動体端末４３がどのようにしてグループ化され、ただ少数のビームだけに対応する前記送信重みのどれが調べられねばならないのかをアクセスポイント４１が学習することを図示している。本発明に従う方法の考えられる実施例では、アクセスポイント４１は動作中、ある時間間隔で全カバレッジ領域を走査して、送信重みのセットを更新することができる一方、多くの数の移動体端末４３を含む“ホットエリア”はより頻繁に更新される。

一般に、端末からの過去と現在の測定レポートが用いられ、各ビームが１つ以上のユーザに対してサービスを行なうべきかどうかのような条件に加え、新しい重みベクトルのセットに対する品質レポートに加えて、現在と以前の重みベクトルのセットからのマッピングとして、その適合をみなすことができる。これは２つのステップの手順として一般には公式化できる。

まず、目的関数ｆは、
ｆ（Ｗ，Ｑ，ｗ）
のように定義される。

Ｗは以前と現在の重みのセットであり、ＱはＷ内の重みベクトルに対応する品質指標のセットであり、ｗはＷに含まれる重みのセットである。スカラーの値をもつコスト関数は従って、重みｗについての累積品質基準に関係する。このようにして、最良の重みのセットが、
ｗ_best＝argmax_w（ｆ（Ｗ，ｑ，ｗ））
として見出される。

コスト関数は、例えば、各重みについての凝縮された品質基準を計算し、おそらくは内積やユークリッド距離のような距離基準に基づいて、その重みをサブセットにグループ化することができる。その時、目的関数は、例えば、１つのベクトルが各サブセットからとられるなら、品質基準の総和でも良い。最良の重みのセットに基づいて、新しいセットの重みは、
ｗ_new＝ｇ（ｗ_best）
として得ることができる。

なお、ｗ_newにおける重みの数はｗ_bestにおける重みの数よりも大きくできる。関数ｇ（・）は、入力重みと、ランダム摂動(random perturbation)と、決定論的時間変化関数（deterministic time-varying function）との内、少なくともいずれかの線形結合のような新しいセットの重みを形成することができる。

なお、本発明はマルチユーザのシナリオで用いられるものである。アクセスポイントは、その全てがパイロットパターンの送信セットを受信した複数の移動体端末からの多数のフィードバックレポートを受信する。そのフィードバックレポート、即ち、種々のパイロットパターンに関する品質指標は、しかしながら、アクセスポイントのカバレッジ領域内の移動体端末の位置に依存する。従って、このシナリオは、全ての移動体端末に関するダウンリンクチャネル品質を最適化することを意図したパイロットパターンについての送信重みのセットの適合を示唆するものである。

次に、このことについて詳しく述べる。いくつかのユーザが単一のビームでサービスを受けることになることを考えて頂きたい。その時、ビームのセットが生成され、各重みに関して、品質レポートが取得される。各ビームについての品質測定は、サービスを受ける全ての端末について最低の品質レポートがなされたものとして取り入れられる。それから、単一の最良のビームが最高のビーム品質測定がなされたビームとして取られ、新しいセットの重みがこの最良のビームのランダム摂動として生成される。

いくつかのユーザがサービスを受け、個々のビームが全てのユーザのために用いられると考えて頂きたい。重みペアのセットが生成され、品質測定の全てが全ての端末からの品質レポートを用いた全ての重みに対して得られる。重みペア各々において、最良の重みが識別され、重みの新しいセットは、例えば各最良の重みを乱すこともあり得る。その後、この手順は繰り返される。

本発明が適用される通信システムの一部を示すブロック図である。 本発明に従う方法を例示するシグナリングを示す図である。 、 時間−周波数空間におけるパイロット信号の短測定周期と長測定周期とを示す図である。 、 アクセスポイントにより送信される種々のパイロット信号についての送信重みのベクトルを適合することによりアンテナビーム分布の変化を例示する図である。

Claims (7)

1. マルチキャリアシステム（１０）で、１つ以上のデータストリームをＭ個のアンテナ（１３）のセットにより複数の移動体端末（１２）に送信する送信器（１１）における方法であって、
   夫々が所定の時間と周波数資源と各アンテナの複素送信重みとに関係する複数のシンボルの規則正しいセットを有する数多くのパイロットシーケンスを送信する工程と、
   前記パイロットシーケンスに関係した前記送信重みを適合させ、前記複数の移動体端末（１２）が少なくとも１つのダウンリンクチャネル特性の測定から導出した品質指標のセットの目的関数の最適化を達成する工程と、
   前記適合された送信重みで前記パイロットシーケンスを送信する工程と、
   前記適合された送信重み１つ以上を用いて１つ以上の情報ストリームを送信する工程とを有し、
   前記送信重みを適合させる工程では、
   前記目的関数を最良の重みのセットを決定するための関数として用い、
   前記最良の重みのセットを現在の送信重みと品質指標のセットとに基づいて決定し、前記最良の重みのセットに基づいて前記適合された送信重みのセットを取得することを特徴とする方法。
2. 前記送信重みは、１つ以上の選択されたグループのユーザに共通の情報のマルチキャスト送信に適用可能であるよう適合されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記送信重みのセットは、少なくとも重みのサブセットが選択された事象において選択されたユーザに情報を送信するのに適用可能であるために適合されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記送信重みの第１のサブセットが請求項２に記載の方法に従って適合され、
   前記送信重みの第２のサブセットが請求項３に記載の方法に従って適合されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記手順が複数回実行されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
6. 前記送信重みを適合させる工程は、
   現在と以前の測定レポートと送信重みとを適用して、最良の重みのサブセットを導出し、
   前記サブセットを用いて前記適合された送信重みを生成することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
7. 前記適合された送信重みは、ランダム摂動と組み合わせ、前記最良の重みの中の前記最良のサブセットの線形結合によって生成されることを特徴とする請求項６に記載の方法。

Images