JP4865536B2 - 動的空間周波数分割多重通信システム及び方法 - Google Patents

動的空間周波数分割多重通信システム及び方法 Download PDF

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Description

本発明は、無線通信分野に関し、特に複数のユーザ端末から基地局までの上りチャネルにおける、動的空間周波数分割多重通信システム及び方法に関する。
将来の第四世代無線通信システムにおいては、あるユーザの高いレートのサービスに対して、さらに高い伝送レートの提供が必要となり、異なる低い伝送レートを必要とする各種移動端末にとっても、無線周波数領域資源の共有が必要となる。しかし、有限な無線周波数領域資源と日増しに増加する無線通信リンク需要との間の矛盾が次第に深刻化されている。
下記の非特許文献１から非特許文献６においては、将来の第四世代無線通信システムの要求、及び適用する可能性のある信号多重方式について分析されている。そのうち、シングルキャリアよりさらに適する第四世代無線通信システムの信号方式として、マルチキャリアの信号方式が薦められている。同時に、マルチアンテナを利用して構成されたマルチ入力マルチ出力システムの方法も薦められた第四世代無線通信システムの特徴の1つである。
従来のOFDMA上りシステムにおいては、固定の周波数帯域を利用して通信を行い、異なるチャネル及びノイズ干渉統計特性の状況が考慮されていないことによって、周波数領域資源を充分に利用することができなかった。このOFDMAシステムにより提供されたチャネル容量は、情報論により導かれたチャネル容量よりはるかに離れている。
マルチアンテナ技術が採用される場合、異なるユーザは、異なるサブキャリア、及び同一サブキャリアの異なる空間チャネル、あるいは両者の組み合わせを利用することによって、無線チャネルを共有することができる。しかし、1つのユーザの資源を増やすことによって、他のユーザの資源が減少することになる。その代表的な例としては、同一周波数チャネルの異なる空間チャネルを使用するユーザの場合、1つのユーザのパワーが増加するときに、他のユーザに対する干渉が増加される。
下記の非特許文献７から非特許文献１９においては、いくつかの種類のマルチアンテナ技術といくつかの種類の信号多重方式、対応するシステム容量及びシステム容量を向上させる方法について分析されている。これらの文献において合意された原則をまとめると、伝送パワー、帯域幅、及び空間チャネルの領域内に、異なるユーザ間の資源割当を全体的に均衡化することが必要となり、こうすることにより、より高いシステム容量が実現されることである。
N.S.J.Chuang,"Beyond 3G:wideband wireless data access based on OFDM and dynamic packet assignment,"IEEE Commun.Mag., pp.78-87,July 2000. A.Ghosh,D.R.Wolter,J.G.Andrews,R.Chen,"Broadband wireless access with wimax/802.16:current performance benchmarks and future potential,"IEEE Commun. Mag.,vol.43, no.2,pp.129-136,Feb.2005. G.L.Stuber,J.R.Barry,S.W.Mclaughlin,Y.Li,M.A.Ingram, T.G.Pratt, "Broadband MIMO-OFDM wireless communications," Proceedings of the IEEE,vol.92, no.2,pp.271-294,Feb.2004. H.Sampath,S.Talwar,J.Tellado,V.Erceg,A.Paulraj,"A fourth generation MIMO-OFDM broadband wireless system:design, performance,and field trial results," IEEE Commun.Mag., vol.40,no.9,pp.143-149,Sep.2002. L.L.Yang, L.Hanzo,"Multi-carrier DS-CDMA:A multiple-access scheme for ubiquitous broadband wireless communications," IEEE Commun.Mag.,pp.116-124,Oct. 2003. B.G.Evans, K.Baughan,"Visions of 4G"Electronics and Communication. L.L.Yang,L.Hanzo,"Software-defined-radio-assisted adaptive broadband frequency hopping multicarrier DS-CDMA," IEEE Commun.Mag.,pp.174-183,Mar. 2002. E.Telatar,"Capacity of multi-antenna Gaussian channels,"European Trans. on Telecommun.,vol.10,no.6, pp.585-595,Nov./Dec.1999. D.Tse and P.Viswanath,Fundamentals of Wireless Communication. Cambridge University Press,May 2005. M.Gharavi-Alkhansari,A.B.Gershman,"Fast antenna subset selection in MIMO systems,"IEEE Trans.Signal Processing,vol.52,no.2,pp. 339-347,Feb. 2004. E.A.Jorswieck,H.Boche,"Performance analysis of capacity of MIMO systems under multiuser interference based on worst-case noise behavior," EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking,vol.2,pp.273-285,2004. S.Serbetli,A.Yener,"Time-slotted multiuser MIMO systems: beamforming and scheduling strategies," EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking,vol.2, pp.286-296,2004. R.S.Blum,J.H.Winters,N.R.Sollenberger,"On the capacity of cellular systems with MIMO," IEEE Commun. Lett., vol.6,pp.242-244,June 2002. H.Boche,E.A.Jorswieck,"Sum capacity optimization of the MIMO Gaussian MAC," The 5th International Symposium on Wireless Personal Multimedia Communications,vol.1, pp.130-134, 27-30 Oct.2002. S.Serbetli,A.Yener,"Transceiver optimization for multiuser MIMO systems," IEEE Trans.Signal Processing,vol. 52,no.1,pp. 214-226,Jan. 2004. E.A.Jorswieck,H.Boche,"Transmission strategies for the MIMO MAC with MMSE receiver:average MSE optimization and achievable individual MSE region,"IEEE Trans. Signal Processing,vol.51,no.11,pp.2872-2881,Nov.2003. K.N.Lau,"Analytical framework for multiuser uplink MIMO spacetime scheduling design with convex utility functions,"IEEE Trans.Wireless Commun., vol.3,no.9, pp.1832-1843,Sep.2004. D.P.Palomar,J.M.Cioffi,M.A.Lagunas,"Joint Tx-Rx beamforming design for multicarrier MIMO channels:a unified framework for convex optimization,"IEEE Trans. Signal Processing,vol.51,no.9,pp.2381-2401,Sep.2003. Wonjong Rhee,W.Yu,J.M.Cioffi,"The optimality of beamforming in uplink multiuser wireless systems,"IEEE Trans.Wireless Commun.,vol.3,no. 1,pp.86-96, Jan.2004.
上記従来技術に基づいて、本発明は、複数のユーザ端末から基地局までの上りチャネルにおける、動的空間周波数分割多重通信システム及び方法を提供する。
本発明の目的は、動的空間周波数分割多重通信システムを提供することである。
本発明のもう1つの目的は、動的空間周波数分割多重通信方法を提供することである。
本発明の動的空間周波数分割多重通信システムは、基地局と複数のユーザ端末とを有する。基地局は、最適化方程式を利用して最適化計算を行うことによって、ユーザ端末を空間及び周波数上にマッピングする空間/周波数マッピング方式のための制御情報を取得する。ユーザ端末は、上記制御情報を受信した後、該制御情報を利用して、送信機の送信方式を制御する。
本発明の動的空間周波数分割多重通信方法は、
基地局が、最適化方程式を利用して最適化計算を行うことによって、ユーザ端末を空間及び周波数上にマッピングする空間/周波数マッピング方式のための制御情報を取得するステップ１と、
ユーザ端末が、上記制御情報を受信した後、該制御情報を利用して、送信機の送信方式を制御するステップとを有する。
従来の技術と比べると、本発明によれば、伝送パワー、帯域幅、及び空間チャネルの領域内で、異なるユーザ間の資源割当を全体的に均衡化することによって、より高いシステム容量が実現され、周波数領域資源の利用率が向上できる。それによって、有限な無線周波数領域資源と日増しに増加する無線通信リンク需要との間の矛盾を効果的に解決することができる。
上記参考文献７から１９において、伝送パワー、帯域幅、及び空間チャネルの領域内で、異なるユーザ間の資源割当を全体的に均衡化することによって、より高いシステム容量を実現することが提案されているが、これは本発明の中心となる考え及び理論的な基準と出発点である。本発明は、この原理を、マルチアンテナで送受信し、マルチサブキャリアを採用するマルチユーザの信号を有する上りの伝送パラメータの計算と伝送制御に反映させる。
本発明が推薦する方法は、最少の制限条件（明らかな条件と隠れた条件に係らず）の下で同時かつ全体的にすべてのユーザのすべての送信機と基地局受信機のパラメータに対して、全面的に、リアルタイムに、動的に最適化計算と制御を行うことである。これは、通常技術における一定の制限条件の下で一部の異なるパラメータ、または全部のパラメータに対してそれぞれステップを分けて最適化計算と制御を行うことと差異がある。一部のパラメータの最適化計算、または、ステップを分けて最適化計算と制御を行うこと自体は、隠れの制限条件であることを意味し、全面的な最適化を実現することができない。通常の代表的な方法は、たとえば、
1）送信アンテナダイバーシティ方法のOFDMAにおいて、各ユーザに順番で周波数資源を均一に割当て、異なるユーザに均一のパワーを割当てる方法と、
2）各ユーザに順番で周波数資源を均一に割当るが、異なるユーザにパワーを動的に割当てる方式とを含む。
一方、本発明が推薦した方法は、全面的に、動的に、最少の制限条件でのパラメータの最適化に近いもので、システム実現の複雑度などの問題も考慮している。
マルチアンテナを採用するノマディック環境（低速移動リンク）の場合、リアルタイムに近い動的パワー割当、帯域幅割当及び空間サブチャネル割当は、マルチユーザ端末から基地局までの上り無線通信資源をリアルタイムに、全体的に、バランスよく利用することに有利であり、それによって周波数利用効率の向上を実現することはよく知られている。特にブロードバンドマルチアクセス環境の場合、たとえば、空間と周波数サブチャネルの割当及び対応するパワー割当のパラメータの制御を最適化することによって、異なるユーザの動的に使用する各サブチャネルのチャネル容量、対応する干渉及びノイズの統計特性のパラメータ状況に適応し、システム容量を大幅に向上させることができる。本発明の動的空間周波数分割マルチユーザ端末から基地局までの上り通信システム制御方法は、上記発見に基づいて提案された実現方法の1つである。
同時に、高いシステム柔軟性とシステム資源の良好な精細割当程度は、高性能通信システムの欠かせない重要な要素であり、本発明は、これらの要素を実現する方法である。また、通信システムのこの方面の性能は、各ユーザの動的レート要求にサポートし、満足するために異なる優先度を設置することに重要である。異なるアンテナを備える異なる端末にとって、本方面の解決案の実現は複雑である。このため、本発明は、優良なシステム柔軟性及び精細な無線通信システム資源割当の最少割当単位にサポートし、異なるマルチアンテナを使用してマルチユーザ無線通信を設置する信号伝送に適用する制御方法を提供する。
また、適応アンテナ選択技術は、システム複雑度及びシステム性能のバランスを取る効果的な方法である。具体的に、処理複雑度を低減することによって、送信機または受信機で同時に多量のアンテナを使用する可能性が大幅に向上される。本発明の方法は、さらにこの技術を含み、適応送信機または受信機のアンテナ選択技術のパラメータ計算方法を具体的に提示している。
次に、図面を参照しながら、本発明の動的空間周波数分割多重通信システム及び方法を説明する。
本発明は、動的空間周波数分割多重通信システム及び方法に関する。図1は、本発明の動的空間周波数分割多重通信システムの第kのユーザ端末（送信機）の構成図を示す。この送信機は、誤り訂正符号器と、制御ユニットA、B、Cと、複数の逆離散フーリエ変換ユニットと、複数のRFリンクユニット、及び各RFリンクユニットにそれぞれ接続された送信アンテナとを有する。
具体的に、第kのユーザからのユーザデータに対して、誤り訂正符号器により誤り訂正を行った後、直列/並列変換を行い、誤り訂正符号化された後のユーザデータを複数のマルチパスデータシンボル列に分ける。
同時に、制御ユニットAは、基地局からの制御情報を受信する。この制御情報は、基地局が本発明により提案された最適化方程式で最適化計算を行って得られ、ユーザ端末を空間及び周波数上にマッピングする空間/周波数マッピング方式の送信制御情報である。
信号空間/周波数マッピングは、当業者にとって、熟知された技術である。システムにおいて採用される方式は、通常、A)直接マッピング方式と、B)固有ベクトルビーム成形方式の2種類がある。
本発明においては、それぞれ上記2種類の異なる方式に対して、基地局が本発明において提案された異なる最適化方程式を利用して最適化計算を行う。それによって、ユーザ端末を空間及び周波数上にマッピングする空間/周波数マッピング方式のための送信制御情報を取得する場合を説明する。
A）直接マッピング方式を採用する場合、最適化方程式は、
Figure 0004865536
である。そのうち、
Figure 0004865536
は、第kのユーザ端末の第iのサブキャリアで使用する送信アンテナの集合を示す。
Figure 0004865536
は、基地局の第iのサブキャリアで使用する受信アンテナの集合を示す。
Figure 0004865536
は、第kのユーザ端末の採用するサブキャリア集合を示す。
Figure 0004865536
は、第kのユーザ端末の第iのサブキャリアでの送信パワーを示す。
以上からわかるように、直接マッピング方式を採用する場合、基地局が計算すべき制御情報には、
Figure 0004865536
及び適応変調方式パラメータlが含まれる。該パラメータlについては、後述する。
上記公式において、
Figure 0004865536
は第kのユーザの優先度係数を示す。
1）チャネルがフルランクである場合、
Figure 0004865536
公式(2a)において、
Figure 0004865536
は単位行列を示し、大きさは
Figure 0004865536
である。
Figure 0004865536
は、チャネル応答行列に基づき得られたアンテナ選択を行うためのサブ行列を示す。
Figure 0004865536
は、第iのサブキャリアでのノイズの共分散行列を示す。
Figure 0004865536
は、
Figure 0004865536
の共役転置行列である。
2）チャネルがフルランクではない場合、
Figure 0004865536
採用する制約条件は、
Figure 0004865536
である。そのうち、
Figure 0004865536
は第kのユーザの各サブキャリアの総パワーを示し、
Figure 0004865536
はサブキャリア数の制約条件値である。
B)固有ベクトルビーム成形方式を採用する場合、最適化方程式は、
Figure 0004865536
である。
そのうち、
Figure 0004865536
は、基地局の第iのサブキャリアで使用する受信アンテナの集合を示す。
Figure 0004865536
は、第kのユーザ端末の採用するサブキャリア集合を示す。
Figure 0004865536
は、第kのユーザ端末の第iのサブキャリアでの送信パワーを示す。
以上からわかるように、固有ベクトルビーム成形方式を採用する場合、基地局の計算するべき制御情報には、
Figure 0004865536
及び適応変調方式lだけが含まれる。
上記公式において、
Figure 0004865536
は第kのユーザの優先度係数を示す。
1）チャネルがフルランクである場合、
Figure 0004865536
公式(5a)において、
Figure 0004865536
は単位行列を示し、大きさは
Figure 0004865536
である。
Figure 0004865536
は、第kのユーザ端末の第iのサブキャリアでのチャネル応答行列を示す。
Figure 0004865536
は、第iのサブキャリアでのノイズの共分散行列を示す。
Figure 0004865536
は、第jのユーザ端末の第iのサブキャリアでの信号の共分散行列を示す。
Figure 0004865536
は
Figure 0004865536
の共役転置行列である。
2）チャネルがフルランクではない場合、
Figure 0004865536
採用する制約条件は、
Figure 0004865536
そのうち、
Figure 0004865536
は行列の逆演算を示す。
Figure 0004865536
は、第kのユーザの各サブキャリアの総パワーの制約値を示す。
Figure 0004865536
は、キャリア数の制約条件値である。
システムが固有ベクトルビーム成形方式を採用する場合、制御ユニットAにおいて、
Figure 0004865536
は下記公式（7）により得られる。
Figure 0004865536
そのうち、
Figure 0004865536
は第kのユーザの第iのサブキャリアでのビーム成形ベクトルであり、
Figure 0004865536
はビーム成形ベクトル
Figure 0004865536
の共役転置である。
ユーザ端末の制御ユニットAは、チャネル情報を利用し、チャネル状態行列特異値の分解計算でビーム成形ベクトル
Figure 0004865536
を得ることができる。ビーム成形ベクトル
Figure 0004865536
は、第iのサブキャリアでのユーザkのビーム成形ベクトルを示し、それは公式（8）により得ることができる。
Figure 0004865536
そのうち、
Figure 0004865536
は、ユーザｋの第iのサブキャリアに対応するチャネル応答行列を示す。
Figure 0004865536
は、チャネル応答行列分解の左辺ユニタリ行列を示す。
Figure 0004865536
は特異値対角行列を示す。
Figure 0004865536
はチャネル応答行列分解の右辺ユニタリ行列を示す。
上記は、基地局が制御情報を計算するために採用する最適化方程式である。同時に、基地局は、受信した信号統計を利用して、信号対ノイズパワー比（
Figure 0004865536
は出力ビット信号のノイズ及び干渉に対する比）を計算し、システムの誤り率要求によって、下記公式に基づいて、信号の変調方式をそれぞれ選択する。
a）4QAMの場合：
Figure 0004865536
b) 16QAMの場合：
Figure 0004865536
c) 64QAMの場合：
Figure 0004865536
上記三者のうち、最大伝送レート、システムの誤り率要求に満足できる変調方式を選択して各サブキャリアの信号を変調し、対応する適応変調方式パラメータlを生成し、ユーザ端末の制御ユニットAに送信する。
次に、ユーザ端末が上記制御情報を利用して制御を行う具体的なプロセスを説明する。
本発明において、制御情報のフィードバックは、いずれの通常技術の制御シグナリングの伝送方式により実現することができる。通常、制御情報は、符号化されて、特定の制御フレームに組み込まれ、制御フレームにおいてチャネル符号化及び変調など処理が行われた後、下り制御リンクが採用する送信周波数までアップコンバードされ、アンテナを介してユーザ端末に送信される。
これに対応して、ユーザ端末は、基地局からの制御情報を受信した後、受信した制御情報のRF信号に対して、ダウンコンバート処理を行い、ベース・バンドに変換する。そして、該ベース・バンド・信号に対して検出、復号化などの処理を行うことによって、制御情報を取得し、さらに、該制御情報を制御ユニットAに送信する。
ユーザ端末の制御ユニットAは、パラメータ
Figure 0004865536
及び適応変調方式パラメータlを制御情報として制御ユニットBに送信するとともに、パラメータ
Figure 0004865536
を制御情報として制御ユニットCに送信する。
注意すべきこととしては、システムが直接マッピング方式を採用する場合、パラメータ
Figure 0004865536
を制御情報として制御ユニットCに送信する。
システムがビーム成形方式を採用する場合、制御ユニットAは、チャネル情報を利用して同時にビーム成形固有ベクトル
Figure 0004865536
を計算し、さらに
Figure 0004865536
を制御情報として制御ユニットCにそれぞれ送信する。一方、システムが直接マッピング方式採用する場合、制御ユニットAは、ビーム成形固有ベクトル
Figure 0004865536
を計算しない。
次に、制御ユニットBは、受信した適応変調方式パラメータlを制御情報として、信号を変調する。変調方式は上記QPSK、16-QAM及び64-QAMから選定された１種の変調方式である。本発明において採用した変調方式は、当業者にとって熟知する技術であるため、詳細の説明を省略する。
同時に、制御ユニットBは、パラメータ
Figure 0004865536
に基づいて、誤り訂正符号器から出力されたマルチパスデータシンボルを異なるサブキャリアに割当てる。
制御ユニットCは、制御ユニットBから出力された複数の信号ストリーム（各信号ストリームは1つのサブキャリアに位置する）の各信号ストリームにそれぞれ対応するパワー割当ユニット、及び固有ベクトルビーム成形の空間/周波数マッピングユニットまたは直接空間マッピングユニットの空間/周波数マッピングユニットとを有する。
そのうち、各パワー割当ユニットは、パラメータ
Figure 0004865536
に応じて、対応するサブキャリアの信号ストリームに対して、それぞれ信号パワー調節処理を行い、さらに、パワー調節処理された後の信号ストリームを空間マッピングユニットに出力する。パワー割当の割合関係はパラメータ
Figure 0004865536
に従う。
空間マッピングユニットは、各パワー割当ユニットからの信号ストリームを受信し、異なる空間マッピング方式により空間マッピング処理を行い、異なるサブキャリアの信号ストリームを対応するアンテナにそれぞれマッピングする。
具体的に、空間マッピングユニットは、それぞれ直接マッピング方式、または固有ベクトルビーム成形のマッピング方式によって、異なるサブキャリアの信号ストリームに対してマッピング処理を行う。
ｉ）直接マッピング方式を採用する場合、制御ユニットCは、
Figure 0004865536
を受信し、
Figure 0004865536
を利用して異なるサブキャリアの信号ストリームに対して、直接マッピング方式でそれぞれアンテナにマッピングする。このとき、信号ストリームの数は、選択される送信アンテナの数と同じであり、信号ストリームの数はパラメータ
Figure 0004865536
により確定される。
ii）固有ベクトルビーム成形方式を採用する場合、制御ユニットCは、パラメータ
Figure 0004865536
を利用して、異なるサブキャリアの信号ストリームに対して、それぞれ固有ベクトル空間ビーム成形の信号処理を行う。このとき、信号ストリームの空間マッピング処理はパラメータ
Figure 0004865536
により確定される。
次に、各アンテナに対応する逆離散フーリエ変換ユニットは、それに対応するアンテナにより送信され、制御ユニットCにより入力された信号ストリームに対して、直交マルチサブキャリアの変調信号合成を行い、さらに、合成された後の信号にサイクリックプレフィックスを挿入する。
次に、複数のRFリンクの各RFリンクは、サイクリックプレフィックスが挿入された対応するベース・バンド・信号をそれぞれ受信し、受信したベース・バンド・信号に対して、アップコンバート変換を行うことによって、対応するRF信号を形成し、それに接続された送信アンテナから送信する。
図2は、本発明の動的空間周波数分割多重通信システムの基地局受信機の構成図を示す。
まず、基地局のRFリンクは、アンテナにより受信された受信信号に対して、ダウンコンバート変換を行うことによって、対応するベース・バンド・信号を取得する。
次に、サイクリックプレフィックス削除及びFFTユニットは、各パスの信号（それぞれ1つのサブキャリアに対応する）に対して、サイクリックプレフィックス削除及び高速フーリエ変換を行う。
図2に示す基地局処理ユニットAにおいて、
Figure 0004865536
（基地局の第iのサブキャリアで使用する受信アンテナの集合）に基づいて、サイクリックプレフィックス削除及び高速フーリエ変換後の各パスの信号に対して、マッピング処理を行い、さらにマッピング結果を処理ユニットBの対応するビーム成形受信ユニットにそれぞれ入力する。図2に示す処理ユニットCにおいて、各ビーム成形受信ユニットから出力された各サブキャリアに対して、それぞれ空間多重のマルチユーザ信号検出を行う。
次に、並列/直列変換ユニットにおいて、異なるサブキャリアのマルチユーザ検出結果に対して、それぞれ並列/直列変換を行う。その後、FEC復号化ユニットにおいて、異なるユーザの信号に対して、誤り訂正、復号化をそれぞれ行うことによって、異なるユーザの信号受信を完成させる。そのうち、各ユーザの異なる空間周波数サブチャネルの変調方式パラメータl及び異なるサブキャリアに対する受信アンテナ選択サブ集合
Figure 0004865536
は、基地局の受信機の信号処理において採用する制御変量である。
図3及び図4は、無線通信上りの異なる制御方式を採用する場合のシステム総通信容量のシミュレーション結果を示す。モンテカルロ（Monte Carlo）法で計算され、本文に記載されたセルラー無線通信の上り制御方式の下でのシミュレーションのシステム総通信容量、及び他の制御方式の下でのシステム総通信容量との比較が示されている。
そのうち、シミュレーション計算を通じて本発明を含む四種類の通信システム機制を比較する。図において、DSFDMAは、本発明が推薦する通信方式を示し、本方法が推薦するビーム成形計算方法を採用する動的空間周波数分割マルチユーザ多重通信である。DSFDMA with optimal BFは、本発明が最適なビーム成形計算方法を採用するときの状況を示し、すなわち、最適なビーム成形計算方法を採用する動的空間周波数分割マルチユーザ多重を示す。
Adaptive OFDMA with BF（ビーム成形方法を採用する適応直交周波数分割多重）は、マルチサブキャリア多重がビーム成形を採用するときの状況を示す。本発明の方法との差異は、該方法において、各ユーザに対して順番で周波数資源を均一に割当て、異なるユーザに対してはパワーを動的に割当てる方式を採用するが、本発明では、周波数、空間チャネル資源及びパワーを動的に割当てる方式を採用し、同時に、異なるサブキャリアの適応アンテナ選択方法を考慮していることである。
Conventional OFDMA with Tx Diversity（送信アンテナダイバーシティ方法を採用する適応直交周波数多重分割）は、各ユーザに対して順番で周波数資源を均一に割当て、異なるユーザに対しては均一にパワーを割当てる方式を採用することを示す。
図3において、シミュレーションのシステム総通信容量は、ユーザ数が10、サブキャリア数が10、ユーザ優先度設置が（1、1、1、1、1、1、1、1、1、1）（すなわち、ユーザ優先度が同じ）、各ユーザの送信アンテナ数が3、基地局受信アンテナ数が4である条件の下で計算されたシステム総通信容量である。
図4において、シミュレーションのシステム総通信容量は、ユーザ数が12、サブキャリア数が8、ユーザ優先度設置が（1、1、1、1、1、1、1、1、1、1）、各ユーザの送信アンテナ数が3、基地局受信アンテナ数が4である条件の下で計算されたシステム総通信容量である。
図3及び図4からわかるように、本発明の動的空間周波数分割マルチユーザ端末から基地局までの上りでの簡略化されたビーム成形計算方法を採用する通信方式は、最適なビーム成形計算方式を採用する際の状況に近い。簡略化されたビーム成形計算方法は、システムの実用性と、チャネル、ノイズ及び干渉の変化に対する迅速な反応に有利であるとともに、システムの総通信容量を実質的に低下させることがない。本発明のこの特徴は、ユーザ数とサブキャリア数が類比できるとき、またはユーザ数がサブキャリア数より大きいときにさらに明らかである。送信機のアンテナ数と受信機のアンテナ数が同じであり、しかも、同様に設置される場合、本発明の制御方式によるシステム総通信容量は、以下2つの方式によるシステム総通信容量より明らかに大きい。この2つの方式は、
1）各ユーザに対して順番で周波数資源を均一に割当てるが、異なるユーザに対してはパワー資源を動的に割当てる方式と、
2）各ユーザに対して順番で周波数資源を均一に割当て、異なるユーザに対して均一にパワーを割当てる方式
である。
本発明は、上りマルチユーザサービスの時間空間チャネル、異なるユーザの信号及び干渉ノイズの特徴を全体的に考慮して利用している。信号送信制御方式は、異なる空間チャネルの状況に応じて適応に動的調整を行うことによって、マルチユーザのマルチサブキャリア及びマルチアンテナによるチャネルの自由度を充分に利用している。本発明の方法は、統計上、システムの総通信容量を向上させることで、セルラー無線通信の上りが同時により多くのユーザをサポートできるようにする。
同時に、本発明は、異なるユーザ優先度の設置機能を提供しており、それによってシステムの柔軟性を向上させ、物理層の上位の制御層に柔軟な優先度制御メカニズムを提供している。
さらに、本発明の無線通信の上り信号送信方式の適応能力は、ノーライセンス管理の周波数スペクトラム環境で動作するシステム、または柔軟な周波数領域設置を必要とするシステムに大いに適合する。
本発明の動的空間周波数分割多重通信システムの第kのユーザ端末送信機を示す図である。 本発明の動的空間周波数分割多重通信システムの基地局受信機の構成図である。 無線通信上りのいくつか異なる制御方式のシステム総通信容量のシミュレーション結果を示す図である。 無線通信上りのいくつか異なる制御方式のシステム総通信容量のシミュレーション結果を示す図である。

Claims (12)

  1. 基地局と複数のユーザ端末からなり，前記複数のユーザー端末は動的に空間及び周波数分割によって基地局までの上りチャネルにおいて多重され、
    前記基地局は、最適化方程式を利用して最適化計算を行うことによって、ユーザ端末を空間及び周波数上にマッピングする空間/周波数マッピング方式のための制御情報を取得し、
    前記ユーザ端末は、前記制御情報を受信した後、該制御情報を利用して、送信機の送信方式を制御し、
    前記空間/周波数マッピング方式が直接マッピング方式である場合、最適化方程式
    Figure 0004865536
     を用いて最適化計算を行い、そのうち、
    Figure 0004865536
     は、第kのユーザ端末が第iのサブキャリアで使用する送信アンテナの集合を示し、
    Figure 0004865536
     は、基地局が第iのサブキャリアで使用する受信アンテナの集合を示し、
    Figure 0004865536
     は、第kのユーザ端末が採用するサブキャリア集合を示し、
    Figure 0004865536
     は、第kのユーザ端末の第iのサブキャリアでの送信パワーを示し、
    Figure 0004865536
     は、第kのユーザの優先度係数を示し、
    Figure 0004865536
     は、チャネル応答行列がフルランクである場合、
    Figure 0004865536
     であり、
    Figure 0004865536
     は、単位行列を示し、大きさは
    Figure 0004865536
     であり、
    Figure 0004865536
     は、チャネル応答行列のうち，選択されたアンテナに関連する項のみを抜き出して得られるサブ行列を示し、
    Figure 0004865536
     は、第iのサブキャリアでのノイズの共分散行列を示し、
    Figure 0004865536
     は、
    Figure 0004865536
     の共役転置行列であり、
    Figure 0004865536
     は、チャネル応答行列がフルランクではない場合、
    Figure 0004865536
     であり、
    採用する制約条件は、
    Figure 0004865536
     であり、そのうち、
    Figure 0004865536
     は、第kのユーザの各サブキャリアの総パワーを示し、
    Figure 0004865536
     は、サブキャリア数の制約条件値である
    ことを特徴とする動的空間周波数分割多重通信システム。
  2. 前記制御情報は、各ユーザ端末の各サブキャリアで使用する送信アンテナの集合と、基地局の各サブキャリアで使用する受信アンテナの集合と、各ユーザ端末の採用するサブキャリアの集合と、各ユーザ端末の各サブキャリアでの送信パワーと、各ユーザ端末の各サブキャリアで採用する変調方式とを含む
    ことを特徴とする請求項1に記載の動的空間周波数分割多重通信システム。
  3. 前記空間/周波数マッピング方式が固有ベクトルビーム成形方式である場合、下記最適化方程式
    Figure 0004865536
     を用いて最適化計算を行い、そのうち、
    Figure 0004865536
     は、基地局の第iサブキャリアで使用する受信アンテナの集合を示し、
    Figure 0004865536
     は、第kのユーザ端末の採用するサブキャリアの集合を示し、
    Figure 0004865536
     は、第kのユーザ端末の第iのサブキャリアでの送信パワーを示し、
    Figure 0004865536
     は、第kのユーザの優先度係数を示し、
    Figure 0004865536
     は、チャネル応答行列がフルランクである場合、
    Figure 0004865536
     であり、そのうち、
    Figure 0004865536
     は、単位行列を示し、大きさは
    Figure 0004865536
     であり、
    Figure 0004865536
     は、第kのユーザ端末の第iのサブキャリアでのチャネル応答行列を示し、
    Figure 0004865536
     は、第iのサブキャリアでのノイズの共分散行列を示し、
    Figure 0004865536
     は、第jのユーザ端末の第iのサブキャリアでの信号の共分散行列を示し、
    Figure 0004865536
     は、
    Figure 0004865536
     の共役転置行列であり、
    Figure 0004865536
     は、チャネル応答行列がフルランクではない場合、
    Figure 0004865536
     であり、
    採用する制約条件は、
    Figure 0004865536
     であり、
    Figure 0004865536
     は、行列逆演算を示し、
    Figure 0004865536
     は、第kのユーザの各サブキャリアの総パワーの制約値を示し、
    Figure 0004865536
     は、キャリア数の制約条件値である
    ことを特徴とする請求項１に記載の動的空間周波数分割多重通信システム。
  4. 前記空間/周波数マッピング方式が固有ベクトルビーム成形方式である場合、前記制御情報は、基地局の各サブキャリアで使用する受信アンテナの集合と、各ユーザ端末の採用するサブキャリアの集合と、各ユーザ端末の各サブキャリアでの送信パワーと、各ユーザ端末の各サブキャリアで採用する変調方式とを含む
    ことを特徴とする請求項３に記載の動的空間周波数分割多重通信システム。
  5. 前記ユーザ端末の送信機は、誤り訂正符号器と、第1制御ユニットと、第2制御ユニットと、第3制御ユニットと、複数の逆離散フーリエ変換ユニットと、複数のRFリンクユニットと、各RFリンクユニットにそれぞれ接続された送信アンテナとを含み、
    第1制御ユニットは、基地局からの制御情報を受信し、該ユーザ端末の採用するサブキャリアの集合と、該ユーザ端末の採用する適応変調方式とを制御情報として第2制御ユニットに送信し、該ユーザ端末の各サブキャリアでの送信パワー、及び該ユーザ端末の各サブキャリアで使用する受信アンテナの集合を制御情報として第3制御ユニットに送信し、
    誤り訂正符号器は、該ユーザ端末のユーザデータに対して、誤り訂正符号化を行った後、直列/並列変換を行い、誤り訂正符号化後のユーザデータを複数のマルチパスデータシンボル列に分け、
    第2制御ユニットは、第1制御ユニットから受信した制御情報である適応変調方式に基づいて、誤り訂正符号器からのマルチパスデータシンボルに対して、それぞれ変調を行い、さらに、第1制御ユニットから受信した制御情報である該ユーザ端末の採用するサブキャリアの集合に基づいて、誤り訂正符号器からのマルチパスデータシンボルを異なるサブキャリアに割当て、
    第3制御ユニットは、第1制御ユニットからの制御情報である該ユーザ端末の各サブキャリアでの送信パワーに基づいて、対応するサブキャリアの信号ストリームに対して、信号パワー調節を行うパワー割当ユニットと、第1制御ユニットからの制御情報である該ユーザ端末の各サブキャリアで使用する送信アンテナの集合に基づいて、異なるサブキャリアにあるパワー調節された後の信号ストリームを、それぞれ対応する送信アンテナにマッピングする空間マッピングユニットとを含み、
    複数の逆離散フーリエ変換ユニットのそれぞれは、対応するアンテナから送信され、第3制御ユニットから入力された信号ストリームに対して、直交マルチサブキャリア変調信号の合成を行い、合成された後の信号にサイクリックプレフィックスを挿入し、
    複数のRFリンクのそれぞれは、サイクリックプレフィックスの挿入された対応するベース・バンド・信号をそれぞれ受信し、受信したベース・バンド・信号に対して、アップコンバート変換を行うことによって、対応するRF信号を形成し、それと接続された送信アンテナから送信する
    ことを特徴とする請求項２に記載の動的空間周波数分割多重通信システム。
  6. 前記ユーザ端末の送信機は、誤り訂正符号器と、第1制御ユニットと、第2制御ユニットと、第3制御ユニットと、複数の逆離散フーリエ変換ユニットと、複数のRFリンクユニット、及び各RFリンクユニットにそれぞれ接続された送信アンテナとを含み、
    第1制御ユニットは、基地局からの制御情報を受信し、該ユーザ端末の採用するサブキャリアの集合、及び該ユーザ端末の採用する適応変調方式を制御情報として第2制御ユニットに送信し、さらに、チャネル情報に基づいて、ビーム成形固有ベクトルを計算し、該ビーム成形固有ベクトル、及び該ユーザ端末の各サブキャリアでの送信パワーを制御情報として第3制御ユニットに送信し、
    誤り訂正符号器は、該ユーザ端末のユーザデータに対して、誤り訂正符号化を行った後、直列/並列変換を行い、誤り訂正符号化後のユーザデータを複数のマルチパスデータシンボル列に分け、
    第2制御ユニットは、第1制御ユニットから受信した制御情報である適応変調方式に基づいて、誤り訂正符号器からのマルチパスデータシンボル列に対して、それぞれ変調を行い、さらに、第1制御ユニットから受信した制御情報で指定された該ユーザ端末に割り当てられたサブキャリアの集合に基づいて、誤り訂正符号器からのマルチパスデータシンボル列を異なるサブキャリアに割当て、
    第3制御ユニットは、第1制御ユニットからの制御情報である該ユーザ端末の各サブキャリアでの送信パワーに基づいて、対応するサブキャリアの信号ストリームに対して、信号パワー調節を行うパワー割当ユニットと、第1制御ユニットから受信した制御情報で指定されたビーム成形固有ベクトルに基づいて、異なるサブキャリアにおけるパワー調節された後の信号ストリームに対して、固有ベクトル空間ビーム成形の信号処理を行う空間マッピングユニットとを含み、
    複数の逆離散フーリエ変換ユニットのそれぞれは、対応するアンテナから送信され、第3制御ユニットから入力された信号ストリームに対して、直交マルチサブキャリア変調信号の合成を行い、合成された後の信号にサイクリックプレフィックスを挿入し、
    複数のRFリンクのそれぞれは、サイクリックプレフィックスが挿入された対応するベース・バンド・信号をそれぞれ受信し、受信したベース・バンド・信号に対して、アップコンバート変換を行うことによって、対応するRF信号を形成し、それと接続された送信アンテナから送信する
    ことを特徴とする請求項４に記載の動的空間周波数分割多重通信システム。
  7. 複数のユーザー端末を動的に空間及び周波数分割多重を行う通信方法であって、
    基地局が、最適化方程式を利用して最適化計算を行うことによって、ユーザ端末を空間及び周波数上にマッピングする空間/周波数マッピング方式のための制御情報を取得するステップ1と、
    前記ユーザ端末が、前記制御情報を受信した後、該制御情報を利用して、送信機の送信方式を制御するステップ2と
    を含み、
    前記空間/周波数マッピング方式が直接マッピング方式である場合、最適化方程式
    Figure 0004865536
     を用いて最適化計算を行い、そのうち、
    Figure 0004865536
     は、第kのユーザ端末が第iのサブキャリアで使用する送信アンテナの集合を示し、
    Figure 0004865536
     は、基地局の第iのサブキャリアで使用する受信アンテナの集合を示し、
    Figure 0004865536
     は、第kのユーザ端末の採用するサブキャリアの集合を示し、
    Figure 0004865536
     は、第kのユーザ端末の第iのサブキャリアでの送信パワーを示し、
    Figure 0004865536
     は、第kのユーザの優先度係数を示し、
    Figure 0004865536
     は、チャネル応答行列がフルランクである場合、
    Figure 0004865536
     であり、
    Figure 0004865536
     は、単位行列を示し、大きさは
    Figure 0004865536
     であり、
    Figure 0004865536
     は、チャネル応答行列のうち，選択されたアンテナに関連する項のみを抜き出して得られるサブ行列を示し、
    Figure 0004865536
     は、第iのサブキャリアでのノイズの共分散行列を示し、
    Figure 0004865536
     は、
    Figure 0004865536
     の共役転置行列であり、
    Figure 0004865536
     は、チャネル応答行列がフルランクではない場合、
    Figure 0004865536
     であり、
    採用する制約条件は、
    Figure 0004865536
     であり、そのうち、
    Figure 0004865536
     は、第kのユーザの各サブキャリアでの総パワーを示し、
    Figure 0004865536
     は、サブキャリア数の制約条件値である
    ことを特徴とする動的空間周波数分割多重通信方法。
  8. 前記制御情報は、各ユーザ端末の各サブキャリアで使用する送信アンテナの集合と、基地局の各サブキャリアで使用する受信アンテナの集合と、各ユーザ端末が採用するサブキャリアの集合と、各ユーザ端末の各サブキャリアでの送信パワー、及び各ユーザ端末の各サブキャリアで採用する変調方式とを含む
    ことを特徴とする請求項７に記載の動的空間周波数分割多重通信方法。
  9. 前記空間/周波数マッピング方式が固有ベクトルビーム成形方式である場合、最適化方程式
    Figure 0004865536
     を用いて最適化計算を行い、そのうち、
    Figure 0004865536
     は、基地局の第iのサブキャリアで使用する受信アンテナの集合を示し、
    Figure 0004865536
     は、第kのユーザ端末の採用するサブキャリアの集合を示し、
    Figure 0004865536
     は、第kのユーザ端末の第iのサブキャリアでの送信パワーを示し、
    Figure 0004865536
     は、第kのユーザの優先度係数を示し、
    Figure 0004865536
     は、チャネル応答行列がフルランクである場合、
    Figure 0004865536
     であり、
    Figure 0004865536
     は、単位行列を示し、大きさは
    Figure 0004865536
     であり、
    Figure 0004865536
     は、第kのユーザ端末の第iのサブキャリアでのチャネル応答行列を示し、
    Figure 0004865536
     は、第iのサブキャリアでのノイズの共分散行列を示し、
    Figure 0004865536
     は、第jのユーザ端末の第iのサブキャリアでの信号の共分散行列を示し、
    Figure 0004865536
     は、
    Figure 0004865536
     の共役転置行列であり、
    Figure 0004865536
     は、チャネル応答行列がフルランクではない場合、
    Figure 0004865536
     であり、
    採用する制約条件は、
    Figure 0004865536
     であり、
    Figure 0004865536
     は、行列逆演算を示し、
    Figure 0004865536
     は、第kのユーザの各サブキャリアの総パワーの制約値を示し、
    Figure 0004865536
     は、キャリア数の制約条件値である
    ことを特徴とする請求項７に記載の動的空間周波数分割多重通信方法。
  10. 前記空間/周波数マッピング方式が固有ベクトルビーム成形方式である場合、前記制御情報は、基地局の各サブキャリアで使用する受信アンテナの集合と、各ユーザ端末の採用するサブキャリアの集合と、各ユーザ端末の各サブキャリアでの送信パワー、及び各ユーザ端末の各サブキャリアで採用する変調方式とを含むことを特徴とする請求項９に記載の動的空間周波数分割多重通信方法。
  11. 前記ステップ2は、
    ユーザデータに対して、誤り訂正符号化を行った後、直列/並列変換を行い、誤り訂正符号化後のユーザデータを複数のマルチパスデータシンボル列に分けるステップｉと、
    制御情報である適応変調方式に基づいて、誤り訂正符号器からのマルチパスデータシンボル列に対して、それぞれ変調を行い、さらに、制御情報で指定された該ユーザ端末に割り当てられたサブキャリアの集合に基づいて、誤り訂正符号器からのマルチパスデータシンボル列を異なるサブキャリアに割当てるステップiiと、
    制御情報である該ユーザ端末の各サブキャリアでの送信パワーに基づいて、対応するサブキャリアの信号ストリームに対して、信号パワー調節を行い、制御情報で指定された該ユーザ端末の各サブキャリアが使用する送信アンテナの集合に基づいて、異なるサブキャリアでのパワー調節された後の信号ストリームをそれぞれ対応する送信アンテナにマッピングするステップiiiと、
    異なる送信アンテナにマッピングされた信号ストリームに対して、それぞれ直交マルチサブキャリア変調信号の合成を行い、合成された後の信号にサイクリックプレフィックスを挿入するステップivと、
    サイクリックプレフィックスが挿入された各信号ストリームに対して、それぞれアップコンバート変換を行うことによって、対応するRF信号を形成し、それを対応する送信アンテナから送信するステップｖと
    を含むことを特徴とする請求項８に記載の動的空間周波数分割多重通信方法。
  12. 前記ステップ2は、
    ユーザデータに対して、誤り訂正符号化を行った後、直列/並列変換を行い、誤り訂正符号化後のユーザデータを複数のマルチパスデータシンボル列に分けるステップｉと、
    制御情報である適応変調方式に基づいて、前記マルチパスデータシンボル列に対してそれぞれ変調を行い、さらに、制御情報で指定された該ユーザ端末に割り当てられたサブキャリアの集合に基づいて、マルチパスデータシンボル列を異なるサブキャリアに割当てるステップiiと、
    制御情報である該ユーザ端末の各サブキャリアでの送信パワーに基づいて、対応するサブキャリアの信号ストリームに対して、信号パワー調節を行い、制御情報で指定されたビーム成形固有ベクトルに基づいて、異なるサブキャリアにおいてパワー調節された後の信号ストリームに対して、それぞれ固有ベクトル空間ビーム成形の信号処理を行うステップiiiと、
    ビーム成形処理された後の各信号ストリームに対して、直交マルチサブキャリア変調信号の合成をそれぞれ行い、合成された後の信号にサイクリックプレフィックスを挿入するステップivと、
    サイクリックプレフィックスの挿入された信号に対して、アップコンバート変換を行うことによって、対応するRF信号を形成し、それを対応する送信アンテナから送信するステップｖと
    を含むことを特徴とする請求項１０に記載の動的空間周波数分割多重通信方法。
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