JP4951710B2 - 空間分割多元接続システムのスループット性能を改善するための方法、システム、および装置 - Google Patents

Description

本出願は、２００７年１２月１４日に提出された中国特許出願第２００７１０３０２１１５．６の優先権を主張する２００８年１２月１２日に提出された国際出願第ＰＣＴ／ＣＮ２００８／０７３４８１の継続出願である。参照により両文献の全文を本明細書に組み込む。

本発明は、空間分割多元接続（Ｓｐａｃｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ、ＳＤＭＡ）技術に関し、詳細には、ＳＤＭＡシステムのスループット性能を改善するための方法、システム、および装置に関する。

マルチアンテナ放送チャネルでは、空間資源を使用することにより２台以上のユーザ装置（Ｕｓｅｒ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ、ＵＥ）にデータが同時に送信されることがあり、これはＳＤＭＡ技術として知られている。従来の時分割多元接続（Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ、ＴＤＭＡ）とは対照的に、ＳＤＭＡは、システムスループットを２倍にすることができる。データが多数のＵＥに送信されるとき、ＳＤＭＡの最高性能を達成するために、空間資源がダーティペーパ符号（Ｄｉｒｔｙ Ｐａｐｅｒ Ｃｏｄｅ、ＤＰＣ）により割り当てられることができることを研究が示している。しかし、そのような解決策は、あまりにも複雑で、原因−結果の関係を採り入れていないので、実用的でない。現在、ＳＤＭＡシステムでは、空間資源を割り当てる一般的方法は、ゼロフォーシング（Ｚｅｒｏ Ｆｏｒｃｉｎｇ、ＺＦ）・マルチユーザ事前符号化技術、最小平均二乗誤差（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ Ｅｒｒｏｒ、ＭＭＳＥ）マルチユーザ事前符号化技術、または一般化された特性値および反復事前符号化技術に基づくマルチユーザ事前符号化技術などの、より簡単なマルチユーザ事前符号化技術である。そのような技術は、空間資源を割り当てるときに高い性能を達成する。ユーザスケジューリング技術と一緒に動作する場合、そのような技術は、放送チャネルのマルチユーザダイバーシチを達成することができる。しかし、そのような技術がユーザスケジューリング技術と一緒に動作する場合、ＳＤＭＡシステムの基地局（Ｂａｓｅ Ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ、ＢＴＳ）があらかじめすべてのＵＥのチャネル状態情報（Ｃｈａｎｎｅｌ Ｓｔａｔｅ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ、ＣＳＩ）を正確に知る必要がある。ＳＤＭＡアクセスシステムでは、すべてのＵＥのＣＳＩがフィードバックされる場合、あまりにも大きなオーバヘッドが生み出され、この解決策はほとんど実現できない。

したがって、従来技術では、限定的フィードバックＳＤＭＡ技術を提案しており、この技術は、フィードバック情報の内容に応じて、チャネル量子化に基づくＳＣＤＭＡ、および事前符号化に基づくＳＤＭＡという２種類である。チャネル量子化に基づくＳＤＭＡは、ＵＥのＣＳＩを量子化し、前もってＢＴＳおよびＵＥに知られているチャネル量子化コードブックを生成し、したがって、フィードバック情報の量を低減する。要求されるユーザ数がＳＤＭＡによりサポートされる最大同時発生ユーザ数よりも多いとき、事前符号化およびユーザスケジューリングは、一般に一緒に設計される必要がある。事前符号化コードブックに基づくＳＤＭＡは、事前符号化コードブックの設計を含むか、またはランダムスケジューリング技術を利用する。事前符号化コードブックはランダムユニタリ行列（Ｕ−行列）を使用し、ユーザフィードバック情報に従って良いチャネル状態の多数のＵＥを選択し、ランダムＵ−行列によりデータを同時に送信することができる。事前符号化コードブックに基づくＳＤＭＡは実装が容易で、ＣＳＩコードブックのオーバヘッドがほとんど伴わず、ＵＥの好ましいビームの識別子（ＩＤ）、およびその信号対干渉雑音比（Ｓｉｇｎａｌ−Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ−Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ、ＳＩＮＲ）（または対応する最大出力）だけをフィードバックするようにＵＥに要求する。ユーザ数の増大と共に、理論上の最高限度および最大出力の増加率が達成されることができる。しかし、まばらなＳＤＭＡアクセスシステムでは、すなわち、ユーザがほとんどいないＳＤＭＡアクセス技術では、ユーザ数が少なく、かつ事前符号化行列がランダムに生成されるので、一般に、事前符号化コードブックに基づくＳＤＭＡスケジューリングによりスケジュールされる同時発生ユーザ間で強い干渉が存在する。したがって、ＳＤＭＡシステムの性能の向上がかなり制限される。

具体的には、事前符号化コードブックに基づくＳＤＭＡはまた、ランダムＵ−行列を事前符号化コードブックとして使用することがある。この場合、ＳＤＭＡシステムは、次のようにしてデータをユーザに送信する。まず、ＵＥが、Ｕ−行列中のビームＩＤ（事前符号化行列の列の数がビームＩＤと見なされる）を選び、そのビームＩＤをＢＴＳにフィードバックする。ＵＥは、別のビームからの干渉が存在するとき、この好ましいビーム、およびサポートされている最大出力を使用する（ＵＥの別のビーム、および好ましいビームは、同じ事前符号化行列に属する）。その後、ＢＴＳは、ＵＥによりフィードバックされた好ましいビームに従ってＵ−行列中の対応するビームを選択し、対応する最適なＵＥにそのビームを送信し（ＵＥの好ましいビームが最適なＵＥに向けられ、このＵＥは同じビーム方向を有する別のＵＥよりも高い最大出力をサポートする）、Ｕ−行列によりサポートされる最大出力を算出し終える。この方法では、ＳＤＭＡシステムのＢＴＳは、最高の最大出力のＵ−行列を送信行列として選択し、その行列のビームに対応する最適なＵＥが、送信ＵＥとしての役を果たす。この方法では、Ｕ−行列全体が送信行列として固定して選択される。

限定的フィードバックＳＤＭＡ技術では、ＢＴＳの多数のアンテナによりサポートされる最大数の同時発生ＵＥによりデータが同時に送信されることを、前述の解決策は示している。送信性能を最適化するために、同時発生データストリームは、水噴射に似た電力割当を受ける必要がある。しかし、限定的フィードバックＳＤＭＡ技術に基づくＢＴＳには、十分な放送チャネルがなく、一般にＳＤＭＡシステムでのデータ送信に対する既存の解決策は、同時発生ＵＥが同じ電力で信号を送信すると仮定し、このことが、ある程度の送信性能の損失につながっている。さらに、まばらなＳＤＭＡシステムでは、ＢＴＳの多数のアンテナによりサポートされる最大数よりもユーザ数がはるかに少ないときに、データを運ぶ事前符号化コードブックが、ＢＴＳの多数のアンテナによりサポートされる最大数のＵＥにより同時に送信される場合、ＳＤＭＡシステムに同時にアクセスする同時発生ＵＥ間に強い干渉が存在し、ＳＤＭＡシステムのスループット性能の向上がかなり制限される。

本発明の実施形態により、ＳＤＭＡシステムのスループット性能を改善する方法を提供する。この方法はＳＤＭＡシステムのスループットを改善する。

本発明の実施形態により、ＳＤＭＡシステムのスループット性能を改善するシステムを提供する。このシステムはＳＤＭＡシステムのスループットを改善する。

本発明の実施形態により、ＳＤＭＡシステムのスループット性能を改善する装置を提供する。この装置は、ＳＤＭＡシステムのスループットを改善する。

本発明による技術的解決策は、以下の方法で実行される。

ＳＤＭＡシステムのスループット性能を改善する方法は、
ＵＥにより送信されるフィードバック情報をＢＴＳにより受信するステップであって、フィードバック情報は事前符号化コードブック中のＵＥの好ましいビームのＩＤ、チャネル・ベクトル・ノルム値に関連する情報、およびチャネルベクトルとＵＥの好ましいビームの位相差に関する情報を含むステップと、
所定の推定アルゴリズムを使用して、受信されるフィードバック情報、およびＢＴＳの多数のアンテナ間の空間相関に関する情報に従って各送信モードでの現在のＳＤＭＡシステムによりサポートされる総計スループットを推定し、推定された総計スループットの中から最大総計スループットを選択し、この総計スループットに対応する送信モードを使用して、データを送信するステップと
を含む。

ＳＤＭＡシステムのスループット性能を改善するシステムは、
ＢＴＳにフィードバック情報を送信するように構成され、フィードバック情報は、事前符号化コードブック中のＵＥの好ましいビームのＩＤ、チャネル・ベクトル・ノルム値に関連する情報、およびチャネルベクトルとＵＥの好ましいビームの位相差に関する情報を含むＵＥと、
所定の推定アルゴリズムを使用して、ＵＥから受信されるフィードバック情報、およびＢＴＳの多数のアンテナ間の空間相関に関する情報に従って各送信モードでの現在のＳＤＭＡシステムによりサポートされる総計スループットを推定し、推定された総計スループットの中から最大総計スループットを選択し、この総計スループットに対応する送信モードを使用して、データを送信するように構成されるＢＴＳと
を含む。

ＳＤＭＡシステムのスループット性能を改善する装置は、
ＵＥにより送信されるフィードバック情報を受信するように構成されるフィードバック情報受信モジュールと、
所定の推定アルゴリズムを使用して、受信されるフィードバック情報、およびＢＴＳの多数のアンテナ間の空間相関に関する情報に従って各送信モードでの現在のＳＤＭＡシステムによりサポートされる総計スループットを推定するように構成されるフィードバック情報処理モジュールと、
推定された総計スループットの中から最大総計スループットを選択し、この総計スループットに対応する送信モードを使用して、データを送信するように構成されるストリーム選択モジュールと
を含む。

本明細書で提供される方法、システム、および装置により、ＳＤＭＡシステムのＢＴＳは、特定の推定アルゴリズムを使用して、ＵＥから受信されるフィードバック情報、およびＢＴＳの多数のアンテナ間の空間相関に関する情報に従って各送信モードでの現在のＳＤＭＡシステムによりサポートされる総計スループットを推定し（フードバック情報は、ＵＥの好ましいビームのＩＤ、チャネル・ベクトル・ノルム値に関連する情報、およびチャネルベクトルとＵＥの好ましいビームの位相差に関する情報を含む）、ＳＤＭＡシステムが最大総計スループットを得ることができるようになる最適な送信モードを選択し、この送信モードに対応するビーム量だけでなく選択された最適な送信モード、およびこの送信モードに対応するＵＥに従ってＵＥにデータを送信する。本発明の実施形態では、ＵＥはＣＳＩをフィードバックする必要はないが、推定アルゴリズムにより同等の推定が行われる。ＵＥによりフィードバックされる好ましいビームのＩＤだけに従ってＳＤＭＡシステムによりサポートされるスループットを決定し、かつ固定行列を使用して、データを送信する従来技術とは異なり、本発明の実施形態は、行列またはサブ行列を適応的に選択し、すなわち、推定された最適な送信モードに従って同時に送信されるストリームの数を選択し、したがって、ＳＤＭＡシステムのスループットを改善する。

本発明の一実施形態でのＳＤＭＡシステムのスループット性能を改善する方法の流れ図である。 本発明の一実施形態で構築されるＳＤＭＡシステムモデルを示す図である。 本発明の一実施形態でのＳＤＭＡシステムのスループット性能を改善するシステムを示す図である。 本発明の一実施形態でのＳＤＭＡシステムのスループット性能を改善する装置を示す図である。 本発明の一実施形態での隣接する送信アンテナ間の関連係数ρと共に変化する等価チャネルの、推定されるＮＭＳＥの傾向を示す図である。 本発明の一実施形態での、信号対雑音比（Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ、ＳＮＲ）が１０ｄＢであり、かつ関連係数ρが０．８であるときのＳＤＭＡシステムのスループット性能を示す図である。 本発明の一実施形態での、ＳＮＲが１０ｄＢであり、かつ関連係数ρが０．６であるときのＳＤＭＡシステムのスループット性能を示す図である。 本発明の一実施形態での、ＳＮＲが１０ｄＢであり、かつ関連係数ρが０．４であるときのＳＤＭＡシステムのスループット性能を示す図である。 本発明の一実施形態での、関連係数ρが０．４であり、かつユーザ数が２０であるときの、ＳＮＲと共に増加するＳＤＭＡシステムスループットを示す図である。

本発明の技術的解決策、目的および利点をよりわかりやすくするために、以下では、添付図面を参照して本発明の実施形態をより詳細に述べる。

限定的フィードバックＳＤＭＡシステムの性能低下を効果的に補うために、本発明の一実施形態のＢＴＳは、ＵＥからのフィードバック情報に従って事前符号化およびユーザスケジューリングを一緒に設計するときに、同時に送信されるストリームの数を適応的に選択する（すなわち、行列の幅を調節する）。フィードバック情報は、行列の好ましいビームＩＤ、チャネル・ベクトル・ノルム値に関連する情報、およびチャネルベクトルとＵＥの好ましいビームの位相差に関する情報を含む。ＳＤＭＡシステムでは、同時発生ストリームの数は、適応的に、すなわち、階数適応技術により選択され、したがって、システムスループットを著しく改善し、ある程度最適な加圧水噴射の性能に近づく。

具体的には、本発明の実施形態は、あらかじめ定義された事前符号化コードブックに基づいている。ＵＥによりフィードバックされる情報は、ＵＥの好ましいビームのＩＤ、チャネル・ベクトル・ノルム値に関連する情報、およびチャネルベクトルとＵＥの好ましいビームの位相差に関する情報である。そのようなフィードバック情報、およびＢＴＳの多数のアンテナ間の空間相関に関する情報に基づき、ＳＤＭＡシステムが最大総計スループットを達成することができるように、ＢＴＳは、特定の推定アルゴリズムに従って異なる送信モードでのＳＤＭＡシステムによりサポートされる総計スループットを推定し、最適な送信モードを選択する。この方法では、ＢＴＳは、ビーム量だけでなく最適な送信モード、およびこの送信モードに対応するＵＥを適応的に選択し、ストリームをＵＥに同時に送信する。

本発明の一実施形態では、事前符号化コードブックは、１つまたは複数のＵ−行列である。Ｕ−行列の各列がビームを表す。一般に、他の行列を事前符号化コードブックとして使用してもよい。

図１は、本発明の一実施形態でのＳＤＭＡシステムのスループット性能を改善する方法の流れ図である。この方法は以下のステップを含む。

ステップ１０１：ＢＴＳが、ＵＥにより送信される以下の情報を受信する。事前符号化コードブック中のＵＥの好ましいビームのＩＤ、チャネル・ベクトル・ノルム値に関連する情報、およびチャネルベクトルとＵＥの好ましいビームの位相差に関する情報。

このステップの前に、ＳＤＭＡシステムモデルが構築される必要がある。すなわち、ＢＴＳは、多数のＵＥに対応するデータ運搬行列を構築し、データを同じ電力で多数のＵＥに送信する。この行列はＵ−行列のことがあり、本明細書では事前符号化コードブックと呼ばれる。

このステップでは、ＵＥが、チャネル推定を行って、行列中の好ましいビームのＩＤ、チャネル・ベクトル・ノルム値に関連する情報、およびチャネルベクトルとＵＥの好ましいビームの位相差に関する情報を得る。

このステップには、複数のＵＥがある。

ステップ１０２：ＢＴＳは、特定の推定アルゴリズムを使用して、ステップ１０１でＵＥにより送信されたフィードバック情報、およびＢＴＳの多数のアンテナ間の空間相関に関する情報に従って各送信モードでの現在のＳＤＭＡシステムによりサポートされる総計スループットを推定し、最適な送信モードを選択し、その結果、ＳＤＭＡシステムは、最大総計スループットを得ることができる。

推定アルゴリズムは、最尤推定アルゴリズムでもよい。すなわち、ＢＴＳは、ステップ１０１でＵＥにより送信されたフィードバック情報、およびＢＴＳの多数のアンテナ間の空間相関に関する情報に従ってＵＥのＣＳＩ、またはその等価チャネルを推定する。

ステップ１０３：ＢＴＳは、選択された最大総計スループットに従ってビーム量だけでなく対応する送信モード、およびこの送信モードに対応するＵＥを決定する。ＢＴＳは、決定されたビームで運ばれるデータストリームをＵＥに送信する。

この実施形態では、送信されるストリームに対応するビームは、サポートされ送信されるストリーム間の干渉を避けるために、互いに正規直交化される。

ここに、この実施形態で提供される方法を説明するための例を示す。

ＳＤＭＡシステムはマルチユーザマルチアンテナ通信システムであり、ＳＤＭＡシステム内のＢＴＳは、同時にＵ台のＵＥにサービスを提供し、Ｍ_ｔ台の送信アンテナがＢＴＳ用に構成され、単一アンテナが各ＵＥ用に構成されると仮定される。図２は、本発明の一実施形態で構築されるＳＤＭＡシステムモデルを示す。ＢＴＳの多数のアンテナの空間資源を十分に利用するために、ＢＴＳは、データを同時に送信するためにＫ台のＵＥを選択する。Ｋは、ＢＴＳにより受信される、ＵＥからの放送チャネル情報に従って適応的に選択することができ、Ｋ≦Ｍ_ｔを満たす。すなわち、Ｋは、ＢＴＳの多数のアンテナによりサポートされる同時ストリームの最大数よりも大きくなることはない。Ｋ台の選択されたＵＥにより送信される信号のベクトルが、ｓ＝［ｓ_１，…，ｓ_Ｋ］^Ｔであり、Ｅ［｜ｓ_ｋ｜^２］＝１、ｋ＝１，…，Ｋが満たされ、ｋという番号を付与されたＵＥ（ＵＥｋ）が、ビームベクトルｗ_ｋに従って信号を送信すると仮定される。したがって、ＢＴＳが送信される信号の総計は、以下のように表されることができる。

Ｅ_ｓは送信される信号の電力を表し、すべてのＵＥが同じ電力で信号を送信すると仮定する。この実施形態のＳＤＭＡシステムでは、各ＵＥのビームベクトルＷ_ｋは、事前符号化コードブック中の事前符号化行列の列から選択される。ここで、Ｗ_ｋは、正規直交化されており、すなわち、ＳＤＭＡシステムの事前符号化は、Ｕ−事前符号化の部類であるという制約がある。ＵＥｋの等価ベースバンド受信信号が、式（２）で表されることがある。

上式で、ｈ_ｋは、正規化された平均電力を有するＵＥｋの過渡チャネルベクトルを表し、ｈ_ｋ∈Ｃ^Ｍｔ×１が満たされ、平坦フェージングに従うと仮定される。ν_ｋは白色ガウス雑音を表し、その単側波電力スペクトル密度はＮ_０である。

ＵＥｋが式（２）の信号を受信した後に、ＵＥｋはフィードバック情報をＢＴＳに送信する。ＢＴＳは、すべてのＵＥからフィードバック情報を収集し、特定の推定アルゴリズムに従って全モードでの現在のＳＤＭＡシステムによりサポートされる総計スループットを得て、最大総計スループットを選択し、最大総計スループットに対応する送信モードを決定し、この送信モードでデータを送信する。この実施形態では、式（２）の信号を受信するＵＥは、最適なビームベクトルのＩＤをフィードバックするだけでなく、チャネルベクトルのノルム値、およびチャネルベクトルと最適なビームの位相差もフィードバックする。したがって、ＢＴＳは全体のスケジューリングを行うことができる。

事前符号化コードブックが、Ｆ＝｛Ｆ_１，…，Ｆ_Ｎ｝であり、そのコードワードＦ_ｉは、次数がＭ_ｔ、すなわち、Ｆ_ｉＦ_ｉ ^Ｈ＝Ｉ_ＭｔであるＵ−行列であると仮定される。Ｆ_ｉ＝［ｆ_ｊ ^（ｉ），．．．，ｆ_Ｍｔ ^（ｉ）]と仮定し、Ｕ−行列中の各列｛ｆ_ｊ ^（ｉ）｝は、ＵＥにより送信ビームと見なされる。推定されたチャネル状態情報ｈ_ｋに従って、ＵＥｋは、まず式（３）に従って最適に送信されるビームベクトルｑ_ｋを事前符号化コードブックから選択する。

さらに、事前符号化コードブック中のｑ_ｋのＩＤであるｐ_ｋが、低速フィードバックチャネルを介してＢＴＳにフィードバックされる。事前符号化コードブック中の送信されるビームベクトルの総数は、ＮＭ_ｔである。したがって、ｐ_ｋのフィードバックは、ｌｏｇ_２（ＮＭ_ｔ）情報ビットを占める。

この実施形態では、ＵＥｋは、ＵＥｋのチャネル状態に最大限マッチする送信ビームを選択する必要があり、同時に送信するＵＥ間の相互干渉を十分抑圧し、かつ多数の送信するＵＥのダイバーシチを十分に利用する必要がある。したがってＵＥｋは、そのチャネルのノルム値ρ _ｋ ＝‖ｈ _ｋ ‖、および式（４）で定義される、そのチャネルベクトルと最適なビームの間の位相値ｃｏｓ（θ_ｋ）をフィードバックする必要がある。

この実施形態では、ＵＥはそのチャネルベクトルをフィードバックし、このベクトルはフィードバック情報のうちいくつかのビットを増やす。このフィードバック情報は、低速フィードバックチャネルを介してＢＴＳに送信されることがある。

関連技術では、事前符号化コードブックＦ＝｛Ｆ_１，…，Ｆ_Ｎ｝に関しては、限定的フィードバックＳＤＭＡ技術は一般に、設計最適化の際にＢＴＳがＭ_ｔ本のビームによりデータを同時に送信することを要求する。すなわち、事前符号化コードブック中のＵ−行列は、一定のビームがどのＵＥともマッチしないことを除いては、送信行列の役を果たす。対照的に、本発明の一実施形態で提供される方法は、同時に送信されるビームの数が、１〜Ｍ_ｔの範囲内で柔軟に選択可能であり、かつ最終的に送信されるビームの数が、総計スループットを最大にする必要があることを要求する。一方では、本明細書の方法は、同時に送信されるビームが互いに正規直交化されていることを要求する。すべての同時に送信されるストリームを示すために記号｛ｗ_１，…，ｗ_Ｋ｝が使用され、同時に送信されるストリームの数がＫであり、Ｋは１≦Ｋ≦Ｍ_ｔの関係を満たす。同時に送信されるストリームからなる送信行列Ｗ＝［ｗ_１，…，ｗ_Ｋ］は、事前符号化コードブック中のコードワード、またはＫ列を含むサブ行列である必要がある。異なるＷはそれぞれ、異なる送信モードに対応し、このモードはＷ^(ｉ）＝［ｗ_ｊ ^（ｉ），．．．，ｗ_Ｋｉ ^（ｉ）]と表され、上付き文字は送信モードのＩＤを表す。次元Ｎの事前符号化コードブック、およびＭ_ｔ個の送信されるアンテナは、最大でも以下の数の異なる送信モードを有し得る。

特定の送信モードＷ^（ｉ），ｉ＝１，…，Ｍ_ｐについては、同時に送信されるストリームのうちの１つが、あるＵＥの好ましいビームである場合、この送信モードによりサポートされる総計スループットは、ＵＥによりフィードバックされるＣＳＩに従って次式で計算されることができる。

上式では、ｍｓｉｎｒ_ｊ ^（ｉ）は、このモードの下でｊという番号を付与された送信ビームによりサポートされる最大ＳＩＮＲを表し、以下のように表される。

上式では、ｓｎｒ_ｋはＵＥｋの送信ＳＮＲを表し、すなわち、ｓｎｒ_ｋ＝Ｅ_ｓ／Ｎ_０である。この実施形態で提供される方法では、ＢＴＳは、ＵＥのＣＳＩを得ることはできない。したがって、式（６）中のｍｓｉｎｒ_ｊ ^（ｉ）の値は、正確に推定することができないが、限られたフィードバック情報に従って最尤推定により推定されることができる。式（６）から次のことが明らかになる。事前符号化コードブック中のＵＥｋにより向けられるコードワードＦ_ｎ（すなわち、ｐ_ｋに対応するこのＵＥの最適なビームｑ_ｋは、Ｆ_ｎの列に従属する）については：

一般化の手段として、この実施形態ではコードワードＦ_ｎのビーム（列ベクトル）の位置が入れ換えられ、したがって、ｑ_ｋが行列の第１列に位置する。入れ換え後、行列はＦと表され、等価チャネルはｈ_ｋ，ｅ＝Ｆ^Ｔｈ_ｋにより表される。

等価チャネルベクトルｈ_ｋ，ｅを推定するために、この実施形態は、次式に示されるチャネルの統計値に関連する特徴を十分に利用する。
Ｒ_ｋ＝Ｅ［ｈ_ｋｈ_ｋ ^Ｈ］ ．．． （７）

Ｒ_ｋは、ＢＴＳの多数のアンテナ間の空間相関を表す。その値は、アンテナ間隔、周囲の散乱体、およびエマージェンス角度などの要因に依存する。ＢＴＳのアンテナ間に相関が全くない場合、Ｒ_ｋ＝Ｉ_Ｍが満たされる。しかし、実際のＳＤＭＡシステムでは、一般にＢＴＳには散乱体がないので、多数のアンテナにはある程度互いに相関関係がある。時間と共に変化する過渡チャネルｈ_ｋと比較して、Ｒ_ｋはゆっくりと変化する。したがって、ＢＴＳは、フィードバックにより、または上流へのデータに基づく推定により、前述の統計情報を得ることができる。

チャネルｈ_ｋがゼロ平均値の複素ガウス分布をとり、ｈ_ｋ，ｅもゼロ平均値の複素ガウス分布をとると仮定する。その２次統計相関が次式で表される。

Ｒ_ｋ，ｅ＝Ｅ［ｈ_ｋ，ｅｈ_ｋ，ｅ ^Ｈ］＝Ｆ^ＴＲ_ｋＦ ．．． （８）

したがって、ｈ_ｋ，ｅの確率密度分布関数が次式で表されることがある。

ｈ_ｋ，ｅは、さらにｈ_ｋ，ｅ ^Ｈｈ_ｋ，ｅ＝ｈ_ｋ ^Ｈｈ_ｋ＝ρ_ｋ ^２、およびｈ_ｅ，１＝ｑ_ｋ ^Ｔｈ_ｋ＝ρ_ｋｃｏｓ（θ_ｋ）という制約条件を満たすことを、フィードバック情報の一部が明らかにする。ここで、ｈ_ｅ，１は、ｈ_ｋ，ｅの第１要素を表す。したがって、ｈ_ｋ，ｅの最尤推定は、以下の制約最適化式として表されることができる。

式（１０）は式（１１）と等価である。

ラグランジュ極値法が使用されて、次式を演繹することができる。

Φは、Ｆの列２から列Ｍ_ｔまでからなるサブ行列、すなわち、Ｆ＝［ｑ_ｋ Φ］を表す。ラグランジュの乗数ξは、次式の最小根である。

上式で、［ａ_１ ．．． ａ_Ｍｔ−１］^Ｔ＝Φ^ＴＲ_ｋ ^−１ｑ_ｋ ^＊および｛λ_ｉ｝は、Φ^ＴＲ_ｋ ^−１Φ^＊の固有値を表す。式（１３）は区間凸関数である。λ_１は行列Φ^ＴＲ_ｋ ^−１Φ^＊の最小固有値を表し、式（１３）の最小根は、区間［−∞、λ_１）に必ず属すると仮定する。ラグランジュの乗数ξを数値的方法により得ることは容易である。

等価チャネルの推定値ｈ＾_ｋ，ｅ、式（５）、および式（６）に従って、事前符号化コードブックに基づくすべての可能な送信モードによりサポートされる総計スループットが算出し終えられることができる。

ＢＴＳは、同時ストリームを送信する最大総計スループットを提供する送信モードを選択し、それは次式で表される。

Ｋ_０台のスケジュールされるＵＥのＩＤは、次式で表すことができる。

上式で、ｅｓｔ(ｈ_ｋ ^Ｔｗ_ｌ ^（０）)は、等価チャネル推定により得られるｈ_ｋ ^Ｔｗ_ｌ ^（０）の推定値を表す。その値は、ｈ＾_ｋ，ｅにより算出し終えられることができる。スケジュールされるＵＥにより選ばれる送信ビームのＩＤは、Ｗ^（０）中の各列に対応する。

しかし、前述の推定法の計算ステップの計算量は、式（１３）の総和、および式（１２）の行列反転にある。関連行列Ｒ_ｋは、時間と共にゆっくりと変化するので、行列の反転の更新は間隔をおく必要がある。既知のＲ_ｋ ^−１に基づき、式（１３）中のパラメータ｛ａ_ｉ｝は、行列乗算によりΦ^ＴＲ_ｋ ^−１ｑ_ｋ ^＊により決定される。パラメータ｛λ_ｉ｝の計算は、行列Ａ＝Φ^ＴＲ_ｋ ^−１Φ^＊の固有値分解を伴い、固有値分解は一般にＯ（（Ｍ_ｔ−１）^３）と同程度の計算量を有する。実際には、Ａの固有値分解が完了した後に、以下の式に従って簡単な演算により、式（１２）中の行列Ｂ＝（Ａ−ξＩ）の逆演算が行われることができ、したがってこの計算を簡単にする。Ａの固有値分解は、以下のように表される。

したがって、次式が得られる。

この方法では、ＵＥからのフィードバック情報（フィードバック情報は、ＵＥによりフィードバックされる好ましいビームのＩＤ、チャネル・ベクトル・ノルム値に関連する情報、およびチャネルベクトルと好ましいビームの位相差に関する情報を含む）、およびＢＴＳの多数のアンテナ間の空間相関に関する情報に従って、ＢＴＳは、特定の推定アルゴリズムを使用して、現在のＳＤＭＡシステム内の最大総計スループットをサポートする送信モードを得て、このモジュールによりサポートされる送信されるストリームの数を得て、サポートされる数の送信されるストリームを提供する送信モードを構築し、ストリームを対応するＵＥに送信することができる。

ＳＤＭＡシステム内のスループット性能を改善するシステムが、本発明の一実施形態で提供される。図３に示されるように、このシステムは、
ＢＴＳにフィードバック情報を送信するように構成され、フィードバック情報は、事前符号化コードブック中のＵＥの好ましいビームのＩＤ、チャネル・ベクトル・ノルム値に関連する情報、およびチャネルベクトルとＵＥの好ましいビームの位相差に関する情報を含むＵＥと、
特定の推定アルゴリズムを使用して、ＵＥの好ましいビームのＩＤ、チャネル・ベクトル・ノルム値に関連する情報、およびチャネルベクトルとＵＥの好ましいビームの位相差に関する情報を含む、ＵＥから受信されるフィードバック情報、ならびにＢＴＳの多数のアンテナ間の空間相関に関する情報に従って各送信モードでの現在のＳＤＭＡシステムによりサポートされる総計スループットを推定し、ＳＤＭＡシステムが最大総計スループットを得ることができるようになる最適な送信モードを選択し、ビーム量だけでなく選択された最適な送信モード、およびこの送信モードに対応するＵＥに従ってＵＥにデータを送信するように構成されるＢＴＳとを含む。

この実施形態では、ＵＥは、フィードバック情報をＢＴＳに送信するように構成されるフィードバックモジュールを含み、フィードバック情報は、事前符号化コードブック中のＵＥの好ましいビームのＩＤ、チャネル・ベクトル・ノルム値に関連する情報、およびチャネルベクトルとＵＥの好ましいビームの位相差に関する情報を含む。

この実施形態では、ＢＴＳは、
ＵＥからフィードバック情報を受信するように構成され、フィードバック情報は、ＵＥの好ましいビームのＩＤ、チャネル・ベクトル・ノルム値に関連する情報、およびチャネルベクトルとＵＥの好ましいビームの位相差に関する情報を含むフィードバック情報受信モジュールと、
特定の推定アルゴリズムを使用して、ＵＥの好ましいビームのＩＤ、チャネル・ベクトル・ノルム値に関連する情報、およびチャネルベクトルとＵＥの好ましいビームの位相差に関連する情報を含む、ＵＥから受信されるフィードバック情報、およびＢＴＳの多数のアンテナ間の空間相関に関する情報に従って各送信モードでの現在のＳＤＭＡシステムによりサポートされる総計スループットを推定し、ＳＤＭＡシステムが最大総計スループットを得ることができるようになる最適な送信モードを選択するように構成されるフィードバック情報処理モジュールと、
ビーム量だけでなく選択された最適な送信モード、およびこの送信モードに対応するＵＥに従ってデータをＵＥに送信するように構成されるストリーム選択モジュールと
を含む。

この実施形態では、ストリーム選択モジュールは、
現在のＳＤＭＡシステムによりサポートされる最大総計スループットに対応する送信モードを決定するように構成されるモード選択モジュールと、
ビーム量、および決定された送信モードに対応するＵＥを決定し、決定されたビームで運ぶことによりデータをＵＥに送信するように構成されるモード特有ストリームモジュールと
をさらに含む。

ＳＤＭＡシステム内のスループット性能を改善する装置が、本発明の一実施形態で提供される。図４に示されるように、この装置は、
フィードバック情報をＵＥから受信するように構成され、フィードバック情報は、ＵＥの好ましいビームのＩＤ、チャネル・ベクトル・ノルム値に関連する情報、およびチャネルベクトルとＵＥの好ましいビームの位相差に関する情報を含むフィードバック情報受信モジュールと、
特定の推定アルゴリズムを使用して、ＵＥの好ましいビームのＩＤ、チャネル・ベクトル・ノルム値に関連する情報、およびチャネルベクトルとＵＥの好ましいビームの位相差に関する情報を含む、ＵＥから受信されるフィードバック情報、ならびにＢＴＳの多数のアンテナ間の空間相関に関する情報に従って各送信モードでの現在のＳＤＭＡシステムによりサポートされる総計スループットを推定し、ＳＤＭＡシステムが最大総計スループットを得ることができるようになる最適な送信モードを選択するように構成されるフィードバック情報処理モジュールと、
ビーム量だけでなく選択された最適な送信モード、およびこの送信モードに対応するＵＥに従ってデータをＵＥに送信するように構成されるストリーム選択モジュールと
を含む。

この実施形態では、ストリーム選択モジュールは、
現在のＳＤＭＡシステムによりサポートされる最大総計スループットに対応する送信モードを決定するように構成されるモード選択モジュールと、
決定された送信モードに対応するビーム量およびＵＥを決定し、決定されたビームで運ぶことによりデータをＵＥに送信するように構成されるモード特有ストリームモジュールと
をさらに含む。

本発明の一実施形態で提供される方法、システム、および装置は、ＳＤＭＡシステムのスループット性能を改善することができ、そのことが以下のエミュレーション結果により図示される。

ＳＤＭＡシステムのチャネルは、平坦フェージングチャネルであり、ＵＥのスケジューリング期間内では変化がないままだが、異なるスケジューリング期間の間に独立に変化すると仮定される。４つのＢＴＳがＢＴＳとして構成され、単一アンテナがあらゆるＵＥ用に構成される。チャネルは同じ平均電力を有する。ＢＴＳの多数のアンテナ間の空間相関行列Ｒ_ｋは、簡単に次式で表される。

このエミュレーションでは、コードブックはＩＥＥＥ８０２．２０プロトコルに基づくＳＤＭＡコードブックである。

ＢＴＳが、限定されたフィードバック情報を使用して、等価チャネル行列を推定するとき、チャネルの送信側での空間相関行列Ｒ_ｋが適用される必要がある。したがって、Ｒ_ｋによりチャネル推定性能に及ぼされる影響が、本発明の一実施形態で調査される。図５は、本発明の一実施形態での隣接する送信アンテナ間の関連係数ρと共に変化する等価チャネルの推定されるＮＭＳＥの傾向を示す。ＮＭＳＥは、次式で定義される。

図５に示されるように、ＮＭＳＥは、ρの増加と共に準線形に減少し、チャネル推定性能が送信アンテナ間の空間相関と密接に関連することを示す。空間相関が高いほど、それだけ推定性能は良くなる。

図６〜図９は、式（１８）中の空間相関行列Ｒ_ｋ、および式（１９）中の関連係数ρに基づき、異なるチャネル環境でのＳＤＭＡシステムのスループット性能を適応的に改善する概略図である。図６は、本発明の一実施形態において、信号対雑音比（ＳＮＲ）が１０ｄＢであり、かつ関連係数ρが０．８であるときのＳＤＭＡシステムのスループット性能を示す。図７は、本発明の一実施形態において、ＳＮＲが１０ｄＢであり、かつ関連係数ρが０．６であるときのＳＤＭＡシステムのスループット性能を示す。図８は、本発明の一実施形態において、ＳＮＲが１０ｄＢであり、かつ関連係数ρが０．４であるときのＳＤＭＡシステムのスループット性能を示す。図９は、本発明の一実施形態において、関連係数ρが０．４であり、かつユーザ数が２０であるときの、ＳＮＲと共に増大するＳＤＭＡシステムスループット性能を示す。図６〜図９において、実線のひし形記号により形成される曲線が、ＳＤＭＡシステムの理想的な最適スループットを示し、中空の円柱記号により形成される曲線が、本発明の一実施形態で提供される方法に従って算出し終えられたＳＤＭＡシステムの最大総計スループットを示し、中空の三角形記号が、従来技術の事前符号化コードブックに基づくＳＤＭＡシステムのスループットを示す。

図６〜図９では、比較の目的のために、既存の４ビーム送信モードだけを考慮する適応ＳＤＭＡシステムの性能が図示され（すなわち、ＩＥＥＥ８０２．２０でのＭＩＳＯ−ＳＤＭＡソリューション）（図中の中空の三角形で示される）、等価チャネル推定エラーが全く存在しないと仮定する理想的な適応ＳＤＭＡシステムの性能が図示されている（図中の実線のひし形で示される）。したがって、まばらなネットワークでは、本明細書で提案される適応ＳＤＭＡソリューションは、スループット性能に関してＩＥＥＥ８０２．２０ ＭＩＳＯ−ＳＤＭＡソリューションよりもはるかに良いことは明白である。アンテナ間の空間相関がより高い場合、本発明による技術的解決策の性能の有利さはより明白であり、その性能は理想的な適応ＳＤＭＡシステムの性能に、より近くなる。ユーザの増加と共に、本明細書で開示される適応ＳＤＭＡは、ＩＥＥＥ８０２．２０ ＭＩＳＯ−ＳＤＭＡに比べて、提供される性能の有利さはより少なくなり、アンテナ間の空間相関が低い場合には後者よりもさらに劣る。これは、ＩＥＥＥ８０２．２０ ＭＩＳＯ−ＳＤＭＡでは、ユーザの増加と共に、スケジュールされた同時発生ユーザ間の干渉が低下するためである。アンテナ間の空間相関が低い場合には、本発明による解決策での等価チャネル推定エラーが比較的大きい。図９は、本発明による解決策が、同時発生ユーザ間の相互干渉が効果的に制御されるので、性能プラットフォームを避けることができることを示す。

本明細書で提供される方法、システム、および装置は、ＭＩＭＯ伝送技術をマルチＵＥスケジューリング技術と統合するだけでなく、同時に送信されるストリーム（ビームとしても知られる）の最適な数を適応的に選択することができる。本明細書では、ＵＥからのフィードバック量を低減させるために事前符号化コードブックが適用される。ＵＥは、事前符号化コードブック中の最適なビームのＩＤ、およびチャネル・ベクトル・ノルム値に関連する情報だけでなく、チャネルベクトルとＵＥの好ましいビームの位相差に関する情報もフィードバックする必要がある。したがって、制約最尤推定により、ＢＴＳは、良いチャネル状態により特徴付けられるＵＥをスケジューリングし、最適な同時発生ユーザ送信モード、およびこの送信モードの下で送信される同時発生ストリームを同時に適応的に選択することができる。本発明の実施形態は、マルチ・アンテナ・チャネルの統計情報を十分利用して、最尤推定の精度を改善する。エミュレーション結果は、ＳＤＭＡシステムのまばらなネットワークでは、本発明の実施形態は、従来技術での既存のＳＤＭＡソリューションに対して明白な性能の有利さを提供する。

本発明は、いくつかの例示的実施形態により説明されたが、本発明はそのような実施形態に制約されない。当業者が、本発明の精神および範囲を逸脱するこことなく本発明に修正および変形を行うことができることは明白である。本発明は、修正形態および変形形態が以下の特許請求の範囲、またはその均等物により定義される保護の範囲に入る前提で、修正形態および変形形態を包含するものとする。

Claims (8)

1. 空間分割多元接続（ＳＤＭＡ）システムのスループット性能を改善する方法であって、
   ユーザ装置（ＵＥ）により送信されるフィードバック情報を基地局（ＢＴＳ）により受信するステップであって、前記フィードバック情報は、事前符号化コードブック中の前記ＵＥの好ましいビームの識別子（ＩＤ）、チャネル・ベクトル・ノルム値に関連する情報、およびチャネルベクトルと前記ＵＥの前記好ましいビームの位相差に関する情報を含むステップと、
   前記ＢＴＳにより所定の推定アルゴリズムを使用して、前記受信されたフィードバック情報、および前記ＢＴＳの多数のアンテナ間の空間相関に関する情報に従って各送信モードでの前記現在のＳＤＭＡシステムによりサポートされる総計スループットを推定するステップと、
   前記ＢＴＳにより前記推定された総計スループットの中から最大総計スループットを選択し、前記最大総計スループットに対応する前記送信モードを使用して、データを送信するステップと
   を含む方法。
2. 前記最大総計スループットに対応する前記送信モードを使用して、データを送信するステップの前に、
   前記送信モードの下でのビーム量およびＵＥを決定するステップ
   をさらに含み、
   前記最大総計スループットに対応する前記送信モードを使用して、データを送信するステップは、前記決定されたビーム量の前記ビームで運ぶことにより前記データを前記ＵＥに送信するステップを含む、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記事前符号化コードブックは１つまたは複数のＵ−行列であり、前記Ｕ−行列の各列がビームを表す、
   請求項１に記載の方法。
4. 各送信モードでの前記現在のＳＤＭＡシステムによりサポートされる前記総計スループットを推定するステップは、
   各送信モードでサポートされる前記総計スループット：
   

   

   を計算するステップを含み、
   上式で、ＫはＵＥの数であり、ｊは前記ＵＥにより選択された前記ビームの前記ＩＤであり、ｍｓｉｎｒ_ｊ ^（ｉ）は、前記送信モードの下でｊという番号を付与される送信ビームによりサポートされる最大信号対干渉雑音比（ＳＩＮＲ）を表し、
   前記送信モードの下でｊという番号を付与された前記送信ビームによりサポートされる前記最大ＳＩＮＲは
   

   

   であり、上式でｓｎｒ_ｋはＵＥｋの送信信号対雑音比（ＳＮＲ）を表す、
   請求項１に記載の方法。
5. ｍｓｉｎｒ_ｊ ^（ｉ）を計算し、前記フィードバック情報に従って前記チャネルベクトル、またはすべてのＵＥの等価チャネルを推定するとき、前記所定の推定アルゴリズムは最尤推定アルゴリズムであり、前記方法は、
   ｍｓｉｎｒ_ｊ ^（ｉ）を計算するために必要とされる情報として前記等価チャネルｈ^〜 _ｋ，ｅ＝Ｆ_ｎ ^Ｔｈ_ｋの推定値ｈ＾_ｋ，ｅを使用するステップを含み、上式で、Ｆ_ｎは前記事前符号化コードブック中のＵ−行列であり、ｈ_ｋは、ＵＥｋの前記チャネルベクトルであり、
   

   

   であり、上式で、Ｒ_ｋは、前記ＢＴＳの多数のアンテナ間の前記空間相関に関する前記情報であり、Ｒ_ｋの前記値は、アンテナ間隔、周囲の散乱体の分布、およびエマージェンス角度に従って決定され、Φは、Ｆの列２から列Ｍ_ｔまでからなるサブ行列を表し、ラグランジュの乗数ξは以下の方程式
   

   

   を満たし、上式で、［ａ_１ ．．． ａ_Ｍｔ−１］^Ｔ＝Φ^ＴＲ_ｋ ^−１ｑ_ｋ ^＊、および｛λ_ｉ｝は、Φ^ＴＲ_ｋ ^−１Φ^＊の固有値を表す、
   請求項４に記載の方法。
6. 空間分割多元接続（ＳＤＭＡ）システムでのスループット性能を改善するシステムであって、ユーザ装置（ＵＥ）および基地局（ＢＴＳ）を含み、
   前記ＵＥは、フィードバック情報を前記ＢＴＳに送信するように構成され、前記フィードバック情報は、事前符号化コードブック中の前記ＵＥの好ましいビームの識別子（ＩＤ）、チャネル・ベクトル・ノルム値に関連する情報、およびチャネルベクトルと前記ＵＥの前記好ましいビームの位相差に関する情報を含み、
   前記ＢＴＳは、所定の推定アルゴリズムを使用して、前記ＵＥにより送信されるフィードバック情報、および前記ＢＴＳの多数のアンテナ間の空間相関に関する情報に従って各送信モードでの前記現在のＳＤＭＡシステムによりサポートされる総計スループットを推定し、前記推定された総計スループットの中から最大総計スループットを選択し、前記最大総計スループットに対応する前記送信モードを使用して、データを送信するように構成され、
   前記フィードバック情報は、事前符号化コードブック中の前記ＵＥの好ましいビームの識別子（ＩＤ）、チャネル・ベクトル・ノルム値に関連する情報、およびチャネルベクトルと前記ＵＥの前記好ましいビームの位相差に関する情報を含むシステム。
7. 前記ＢＴＳは、
   前記ＵＥにより送信される前記フィードバック情報を受信するように構成されるフィードバック情報受信モジュールと、
   前記所定の推定アルゴリズムを使用して、前記受信されるフィードバック情報、および前記ＢＴＳの多数のアンテナ間の空間相関に関する前記情報に従って各送信モードでの前記現在のＳＤＭＡシステムによりサポートされる前記総計スループットを推定するように構成されるフィードバック情報処理モジュールと、
   前記推定された総計スループットの中から前記最大総計スループットを選択し、前記最大総計スループットに対応する前記送信モードを使用して、データを送信するように構成されるストリーム選択モジュールと
   を含む、請求項６に記載のシステム。
8. 空間分割多元接続（ＳＤＭＡ）システムでのスループット性能を改善する装置であって、
   ユーザ装置（ＵＥ）により送信されるフィードバック情報を受信するように構成されるフィードバック情報受信モジュールであって、前記フィードバック情報は、事前符号化コードブック中の前記ＵＥの好ましいビームの識別子（ＩＤ）、チャネル・ベクトル・ノルム値に関連する情報、およびチャネルベクトルと前記ＵＥの前記好ましいビームの位相差に関する情報を含む前記フィードバック情報受信モジュールと、
   所定の推定アルゴリズムを使用して、前記受信されたフィードバック情報、および基地局（ＢＴＳ）の多数のアンテナ間の空間相関に関する情報に従って各送信モードでの現在のＳＤＭＡシステムによりサポートされる総計スループットを推定するように構成されるフィードバック情報処理モジュールと、
   前記推定された総計スループットの中から最大総計スループットを選択し、前記最大総計スループットに対応する前記送信モードを使用して、データを送信するように構成されるストリーム選択モジュールと
   を含む装置。

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