JP5036860B2 - マルチユーザ通信ネットワークにおいて信号を送信する方法 - Google Patents
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Description
ネットワークモデル
図1は、本発明の実施の形態1によるセルラネットワークを示している。ネットワークは、少なくとも2つの隣接するセル101を有する。ネットワークは、B個の基地局(この例ではB=2であり、BS1及びBS2である)を有する。各BSは、Nt本のアンテナを有する。セルラネットワーク内にK個の移動局(この例ではK=2であり、MS1及びMS2である)が存在する。各MSは、Nr本のアンテナを有する。基地局協調を用いて、複数のBSが協働してLk個のデータストリームを公衆領域102内のMSkに送信することができる。基地局が協調しない場合、移動局において複数の信号が干渉する場合がある。干渉は、複数のセルが重なり合う干渉ゾーン102において特に著しい。
本発明の実施形態を説明するために、以下の表記を使用する。IKはK×Kの恒等行列である。0m×nは成分が全てゼロであるm×nの行列である。A†は行列Aのエルミート転置である。行列の行列式は|・|であり、Tr{A}は行列Aのトレース(主対角成分の合計)である。E{・}は期待値演算である。
BS協調は、情報の交換を必要とする。BSが交換する情報量によって決まる以下の複数の方式を説明する。
この方式において、各BSは、自身のCSI及びデータストリームを全ての他のBSと交換する。結果として、各BSは全てのデータ及び全てのチャネル状態情報(CSI)を有する。これらには、全ての他のBSのCSI及びデータが含まれる。次に、異なる複数のBSが協働して且つ同時に、異なる複数のMSに向けられるデータストリームを送信することができる。
各BSは、全ての他のBSのCSIのみを有するが、それらの全ての他のBSのデータストリームは有しない。この方式において、各BSは、該BS自身のMSに向けられるデータしか送信することができない。すなわち、BSkは、MSkにしかサービス供給することができず、b≠kに関してTbk=0Nt×Lkである。しかしながら、BSkは、他のセルのCSIに基づいて、他のセルへの干渉を最小化することができる。
この方式において、BSは、情報を一切交換しない。したがって、各BSは、自身のセル内のMSのCSIのみを有する。これは、従来のWiMAXネットワークにおける標準動作モードである。半協調と同様に、各BSは、自身のセル内のMSに向けられるデータしか送信することができない。すなわち、b≠kに関してプレコーディング行列Tbk=0Nt×Lkである。この方式では、データストリームは、他のセル内の移動局と干渉する場合がある。
非協調方式において、各BSは、該BS自身のセルのCSIの知識(すなわちHkk)を有するにも関わらず、他のセル内のCSIは利用可能でない。信号対雑音比(SNR)に基づく固有ビーム形成及び注水(water−filling)電力割当て法に従って、総レートRkを最小化するプレコーディング行列が生成される。注水は、全てのチャネル上の送信電力をの総和を一定に維持しながら、各チャネル上の平均送信信号電力が変化することを可能にする。干渉電力は、他のBSのCSIに関連するため、未知であることに留意されたい。したがって、注水電力割当ては、雑音電力のみに基づく。これ以降、注水は電力割当てと同義である。
半協調方式において、各BSは、他のBSのリンクのCSIを有する。これは、CSIを全ての他のBSと直接的に又は間接的に交換することによって行うことができる。最適プレコーディング行列Tkkは、等価MIMOチャネルΦk −1/2Hkk(単位雑音k電力を有する)のために固有ビーム形成及び注水電力割当てを使用する。干渉電力が既知であるため、電力割当ては干渉・雑音電力に基づいて実施される。また、各BSは、該BS自身のMSにしかサービス供給しないため、Tbk=0Nt×Lkであることを想起されたい。本発明では、プレコーディング行列を生成するための良好な解を得るために、以下のマルチユーザ反復注水方式を提供する。
1)上記の非協調の解によって開始点が提供される。
2)各k=1,...,Kに関して、j≠kに関してプレコーディング行列Tjjを初期化し、等価MIMOチャネルΦk −1/2Hkk(単位雑音k電力を有する)のための固有ビーム形成及び注水電力割当てに従ってプレコーディング行列Tkkを更新する。ここで、Φkは式(6)に従って確定される。
3)式(7)に基づいて総レートRkを確定する。
4)総レート
全協調方式において、各BSは、全ての他のBSに関する全てのCSI及びデータを有する。プレコーディング行列の最適解は、固有ビーム形成及び注水電力割当てに従う。ここで、全てのBSは、全てのMSと同時に通信することができる。すなわちTbk≠0Nt×Lkである。
1.1)Mehta他の手順を使用してプレコーディング行列Tk(BNt×Lk)及び総レートRkを確定する。開始点に関して上述したステップ1)の解を使用する。
1.2)各k=1,...,kに関してプレコーディング行列Tjを初期化し、等価MIMOチャネルΦk −1/2Hk(単位雑音電力を有する)のための固有ビーム形成及び注水電力割当てに対してプレコーディング行列Tkを更新する。ここで、Φkは式(5)に従って確定される。
1.3)式(4)に基づいて総レートRkを確定する。
1.4)総レート
2)開始点に関する半協調方式の解を使用して、1.2)〜1,4)と同様のステップに従ってプレコーディング行列Tk及び総レートを計算する。
3)ステップ1)において得られた総レートと、ステップ2)において得られた総レートとを比較する。より高い総レート及び対応するプレコーディング行列が最終的な解として選択される。
適応方式
図7に示すように、BS協調における利得及びコストの平衡を保つための適応方法を提供する。本方法は以下の通りである。
1)初期設定において、BSは、非協調方式に従って動作する(710)。
2)BSは、自身のCSIを交換する(730)。各BSは、全協調、半協調、及び非協調のための自身の最適プレコーディング行列を独立して確定する(740)。各BSは、全協調のための総レート(SRfull)755、半協調のための総レート(SRsemi)755、及び全協調のための総レート(SRnon)755も確定する(750)。
3)(SRfull−SRsemi)/SRsemi 760が所定の閾値Tfullよりも大きいことが真である場合、全協調の解からプレコーディング行列を選択し(761)、BSは、自身のCSI及びデータストリームを交換する。閾値は、ネットワークによってセットすることでき、変更することができる。そうではなく、偽である場合、(SRsemi−SRnon)/SRnonが所定の閾値Tsemiよりも大きいことが真であるか否かを判断し(770)、半協調の解からプレコーディング行列を選択する(771)。CSIは交換されるが、データは交換されない。そうではなく、偽である場合、非協調の解からプレコーディング行列を選択する(773)。
図3A及び図3Bに示すように、WiMAXネットワークは、2つの資源割当てモードを有する。図3Aは、周波数/時間周波数ダイバーシティを利用するインタリーブされた副搬送波割当て(FUSC/PUSC)301を示している。図3Bは、マルチユーザダイバーシティを利用する、隣接副搬送波割当て(AMC)302を示す。
最適には、各OFDMシンボルに使用される副搬送波毎に、プレコーディング行列が生成される。しかしながら、このコスト及び複雑度は過度に高い。
上述したように、各MSの複数のデータストリームへの電力割当ては、注水法に従って実施される。複数ブロックの場合、すなわち複数のプレコーディング行列の場合、MSに関して、電力制約は全てのブロックにわたる電力制約の総和になる。しかしながら、異なる複数のブロックは、互いに直交するため、干渉が依然として各ブロック内に存在すると考えられる。
ステップ2)のマルチユーザ反復注水を、MS毎の全てのブロックの全てのデータストリームに基づく電力割当てに変更する。すなわち、全てのブロックに関して各データストリームに割り当てられる電力は同一である。
電力割当ては、MS毎の全てのブロックの全てのデータストリームに基づく。すなわち、全てのブロックのデータストリーム毎の割当て電力は等しい。全協調は、大域収束を保証しない場合があるため、上記のステップ1.2)を変更して以下の手順をもたらす。
1.2a)最初に、各ブロックに均等に電力を割り当てる。ブロック毎にプレコーディング行列を生成する。ここで、電力割当ては、各ブロック内で独立して実施される。
1.2b)上記のステップ1.2a)の解を開始点として使用する。全てのブロックの全てのデータストリームに関して電力割当てを実施し(すなわち、全てのブロックの全てのデータストリームへの割当て電力は等しい)、それに従って、ブロック毎のプレコーディング行列を更新する。
基地局間の協調によって、無線ネットワークのスペクトル効率を改善することができる。全協調、半協調、及び非協調のための行列を生成及びプレコーディングする方法によって、スペクトル効率が最大化される。
Claims (14)
- マルチユーザ通信ネットワークにおいて信号を送信する方法であって、前記通信ネットワークは複数の基地局を含み、各前記基地局は1つのセルと関連付けられ、各前記セルは1つ又は複数の移動局を含み、前記方法は、
前記マルチユーザ通信ネットワーク内の前記複数の基地局のそれぞれに関して、全協調のためのプレコーディング行列、半協調のためのプレコーディング行列、及び非協調のためのプレコーディング行列を確定するステップと、
前記複数の基地局のそれぞれに関して、全協調のための総レートSRfull、半協調のための総レートSRsemi、及び非協調のための総レートSRnonを確定するステップと、
前記複数の基地局のそれぞれに関して、(SRfull−SRsemi)/SRsemiが所定の閾値Tfullより大きいか否かを判断し、真である場合、前記全協調のためのプレコーディング行列を選択し、そうではなく、偽である場合、(SRsemi−SRnon)/SRnonが所定の閾値Tsemiより大きいか否かを判断し、真である場合、前記半協調のためのプレコーディング行列を選択し、そうではなく、偽である場合、前記非協調のためのプレコーディングを選択するステップと、
前記選択されたプレコーディング行列に従って、対応するセルにおいて各前記基地局から前記移動局に前記信号を送信するステップと、
を含むマルチユーザ通信ネットワークにおいて信号を送信する方法。 - 複数の前記確定するステップは、各前記基地局において独立して実施される請求項1に記載のマルチユーザ通信ネットワークにおいて信号を送信する方法。
- 複数の前記セルは重なり合う請求項1に記載のマルチユーザ通信ネットワークにおいて信号を送信する方法。
- 前記プレコーディング行列は、ウォルシュ−アダマール行列であり、前記ウォルシュ−アダマール行列は、直交拡散シーケンスを使用して前記信号のシンボルエネルギーを均一に拡散する請求項1に記載のマルチユーザ通信ネットワークにおいて信号を送信する方法。
- 前記プレコーディング行列は、前記移動局の電力制約に従う前記総レートを最大化する請求項1に記載のマルチユーザ通信ネットワークにおいて信号を送信する方法。
- 複数の前記信号は同期する請求項1に記載のマルチユーザ通信ネットワークにおいて信号を送信する方法。
- 全協調のために複数の前記基地局間でチャネル状態情報及びデータストリームを交換するステップと、
半協調のために前記チャネル状態情報のみを交換するステップと、
をさらに含む請求項1に記載のマルチユーザ通信ネットワークにおいて信号を送信する方法。 - 前記プレコーディング行列は、固有ビーム形成及び注水電力割当てに従って確定される請求項1に記載のマルチユーザ通信ネットワークにおいて信号を送信する方法。
- 前記チャネル状態情報は、不十分なサービス品質を有する特定の移動局に関して交換される請求項7に記載のマルチユーザ通信ネットワークにおいて信号を送信する方法。
- 前記交換することは、媒体アクセスプロトコルにおいて利用可能な受信信号強度インジケータを使用する請求項7に記載のマルチユーザ通信ネットワークにおいて信号を送信する方法。
- 副搬送波を、隣接するように前記信号に割り当てるステップをさらに含む請求項1に記載のマルチユーザ通信ネットワークにおいて信号を送信する方法。
- 前記チャネル状態情報は平均値である請求項7に記載のマルチユーザ通信ネットワークにおいて信号を送信する方法。
- 前記信号のプレコーディングブロック毎に1つのプレコーディング行列が存在する請求項1に記載のマルチユーザ通信ネットワークにおいて信号を送信する方法。
- 時間領域における前記プレコーディングブロックのサイズは、チャネルコヒーレンス時間によって決まる請求項13に記載のマルチユーザ通信ネットワークにおいて信号を送信する方法。
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