JP5201011B2 - サブチャネルモード選択方法及び同方法を用いるｍｉｍｏ通信システム - Google Patents

Description

本発明は、ＭＩＭＯ通信システムにおけるコード変調サブチャネルモードの自己適応的選択に関する。

マルチユーザ、マルチ入力マルチ出力（ＭＵ−ＭＩＭＯ）ダウンリンク送信においては、基地局（ノードＢ）にＭ個の送信アンテナが設けられ、Ｋ人（Ｋ≧Ｍ）のユーザにＮｋ個の受信アンテナが設けられる。送信側チャネル状態情報（以下、ＣＳＩＴ）が利用可能なとき、閉ループ送信を使って複数アンテナを介したスペクトル効率を高くする。フィードバックリンクの狭帯域アプリケーションでは、基地局はＣＳＩＴを正確には得ることができず、かかるビームフォーミングベースの閉ループシステムでは量子化に基づく限定的フィードバックストラテジーを適用する。ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムでは、１つのＯＦＤＭシンボルのサブキャリア数が大きく（通常は５１２より大きい）、サブキャリアが異なればチャネルフェージングも厳密には等しくないので、すべてのデータサブキャリアにわたるビームフォーミングのためのフィードバック量は膨大になり、このため閉ループ送信が不可能となる。

上記の問題に対する一対応策（scheme）は、時間・周波数グリッドにおいてサブキャリアをいくつかのブロックに分割して、同じブロックすなわちサブチャネルに属するすべてのサブキャリアに同じビームフォーミングベクトルを適用することである。この方法が可能かどうかは次の２つの要因にかかっている。第１に、時間・周波数格子におけるチャネルフェージングの変動は、時間及び周波数選択的なフェージング特性の直接的な影響を受け、幸いなことにほとんどの実際的なアプリケーションにおいて、１つのサブチャネルでの変動は非常に僅かであり、それゆえ１つのサブチャネルでのチャネルフェージングはほとんどフラットであると考えることができる。第２に、移動端末ＭＳと基地局Ｂとの共通コードブックは
（外１）

個のプリコーディングベクトルよりなり、離散的である。ここでＮ^ｂはコードブック全体を特徴付けるビット数である。同一サブチャネルに属するサブキャリア乗のチャネルフェージングは少し変動するが、選択したプリコーダはこのサブチャネル中のすべてのサブキャリアに適していることがある。

ブロックに関する前記方式は、以上の２点により、フェージングが時間的にゆっくり変化する実際のシステムで実用的となり、時間・周波数格子中の各サブチャネルはフェージングができるだけ同じサブキャリアにより構成されているので、ブロックの構成は慎重にデザインすべきである。現在のところ、基地局Ｂから移動端末ＭＳにデータを送信するダウンリンクのサブチャネル構成は決められている。

次の参考文献の全内容を本明細書に参照援用する。
Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, IEEE P802.16 (Draft March 2007), Revision of IEEE Std 802.16-2004, as amended by IEEE Std 802.16f-2005 and IEEE 802.16e-2005 3GPP R1-072422, NTT DoCoMo, "Investigation on precoding scheme for MU-MIMO in E-UTRA downlink" 3GPP R1-060335, Samsung, "Downlink MIMO for EUTRA" 3GPP R1-060495, Huawei, "Precoded MIMO concept with system simulation results in macrocells" 3GPP R1-062483, Philips, "Comparison between MU-MIMO codebook-based channel reporting techniques for LTE downlink" 3GPP R1-060362, NES Group, "MIMO techniques for downlink E-UTRA: detailed description and simulation results" IEEE 802.16m-07/037r2, "Draft IEEE 802.16m Evaluation Methodology" 3GPP R1-063028, Phillips, "System-level simulation results for channel vector quantization feedback for MU-MIMO"

本発明は、先行技術の上記の問題を考慮したものであり、本発明の目的は、実際の通信環境に応じて、ＭＩＭＯ通信システムにおけるダウンリンクに用いるサブチャネル構成を自己適応的に選択することである。

一実施形態は、基地局と移動端末とを有するＭＩＭＯ通信システムにおいてコード変調サブチャネルモードを自己適応的に選択する方法であって、移動端末が、そのチャネル状態情報を推定し、前記チャネル状態情報に基づき前記移動端末へのデータ送信に最適なサブチャネル構成を決定する段階と、前記移動端末が、前記移動端末へのデータ送信に最適であると決定されたサブチャネル構成に関する情報をフィードバックする段階と、前記基地局が、前記移動端末によりフィードバックされたサブチャネル構成に関する情報に基づき、ダウンリンクに用いるサブチャネル構成を決定する段階とを含む方法である。

好ましくは、上記方法において、前記移動端末が、次のａ）ないしｄ）、すなわちａ）決定したサブチャネルにおけるフェージングをできるだけフラットにする、ｂ）一サブチャネルにおける有効信号対干渉ノイズ比（ＥＳＩＮＲ）をできるだけ高くする、ｃ）決定したサブチャネルにおける平均物理的信号プラス干渉対ノイズ比（ＳＩＮＲ）をできるだけ高くする、ｄ）前記ａ）、ｂ）、ｃ）のバランスを取る、に基づき、前記移動端末へのデータ送信に最適なサブチャネル構成を決定する。

好ましくは、上記方法において、前記移動端末は、決定されたサブチャネル構成のインデックス、サブチャネル構成に基づき選択されたプリコーディングベクトル、及び計算したチャネル品質指標を、前記基地局にフィードバックする。

好ましくは、上記方法において、前記基地局は、前記移動端末によりフィードバックされたサブチャネル構成に基づき、サービス要求条件、サービス品質、パワー制限、遅延要求条件に応じて、またはスループットを最大化するように、ダウンリンクに用いるサブチャネル構成を決定する。

上記方法において、複数の移動端末がある場合、前記基地局は、前記移動端末によりフィードバックされたサブチャネル構成に基づき、前記移動端末の優先度に応じて、または全体的なスループットを最大化するように、ダウンリンクで用いるサブチャネル構成を決定する。

上記方法において、一移動端末が必ず送信しなければならない端末である場合、前記基地局は、前記一移動端末によりフィードバックされたサブチャネル構成をダウンリンクに用いるチャネル構成として選択する。

他の実施形態は、コード変調サブチャネルモードの自己適応的選択方法を用いるＭＩＭＯ通信システムである。

上記実施形態により、通信システムにおけるサブチャネル構成は、全体的に通信品質と効率を改善するように、実際の通信環境に応じて自己適応的に変更できる。

一実施形態によるＭＩＭＯ通信システムを示す概略図である。 サブチャネル構成の２つの例を示す図である。

一実施形態では、基地局Ｂのスループットを全体的にほぼ最大化するように３つのブロックデザイン基準が使われている。第１の基準はチャネル変動を最小化するものであり、第２の基準は有効ＳＩＮＲを最大化するものであり、第３の基準はサブチャネルのプリコーディング出力パワーを最大化するものである。３つの基準はすべて移動端末ＭＳ側で行われる。さらに、サブチャネル構成は、異なるユーザ間の優先条件に合わせるよう、またはスループットを最大化するように基地局Ｂで選択される。

ＭＩＭＯダウンリンクにおける複数ユーザ送信により、システムスループットが高くなり、サービス品質（ＱｏＳ）が改善される。ＣＳＩＴの取得は、閉ループ送信におけるダウンリンクビームフォーミングでは容易なことではない。コードブックベースのフィードバックは、性能もよく、ＣＳＩＴの不正確さを解消する有効なアプローチである。サブキャリアに基づきプリコーディングベクトルインデックスをフィードバックするとき、フィードバックのオーバーヘッド量が膨大になり、アップリンクチャネルのフィードバックが不可能になる。ブロックによるプリコーディングとフィードバックのストラテジは、実際のシステムでは広く使われている。１つのサブチャネルのチャネルフェージングは厳密には同じではないが、異なるチャネル環境下でのサブチャネル構成は調べるのが容易である。被るチャネルフェージングはユーザにより異なり、そのためユーザ間でサブチャネル構成は一貫していない。基地局Ｂにおけるサブチャネル構成の選択は、高スペクトル効率システムにおけるＭＵ−ＭＩＭＯ送信をサポートするように設計される。

システムモデル
ダウンリンクＭＵ−ＭＩＭＯシステムでは、基地局ＢはＭ個の送信アンテナを有し、Ｋ人のユーザが、基地局Ｂによる同一周波数帯域における同時の通信を待っている。ここで、Ｋ＞１の場合は空間分割多重アクセス（ＳＤＭＡ）送信に対応し、Ｋ＝１の場合はＳＵ−ＭＩＭＯシステムに対応する。かかる通信システムを図１に示した。

図１では、各端末は、それぞれ自分のチャネル状態情報（ＣＳＩ）を推定する。端末は、推定したＣＳＩに応じて、データ送信に最も適したサブチャネル構成を決定する。ここで用いる基準は、所定のサブチャネルのチャネルフェージングをできるだけ大きく（fat）する、またはサブチャネルの有効ＳＩＮＲを最大化するというものである。所定のサブチャネル構成に基づき、各ユーザは、受信ＳＮＲの最大化するように、Ｎ^ｂビットコードブック中の最良のプリコーディングベクトルを選択し、チャネル品質指標（ＣＱＩ）値を計算する。この手順の後、端末はそれぞれのサブチャネル構成インデックス、選択したプリコーダインデックス、及びＣＱＩ値を、基地局Ｂにフィードバックする。基地局Ｂは、選択したＪ人のユーザのダウンリンク送信のためのサブチャネル構成を同時に決定する。ここで用いる基準は、合計キャパシティの最大化、平均的公平性、及びＱｏＳ保証等である。パラメータＪは、マルチユーザ干渉をできるだけ回避するために、
（外２）

を満たす。さらに、基地局Ｂは、ＱｏＳ条件に応じて各端末の好適な変調コーディングスタイル（modulation coding style, ＭＣＳ）を選択する。一部の高度なアプリケーションでは、異なるユーザ間のパワーアロケーションを用いてスペクトル効率をさらに改善する。プリコーディングモジュールは、ユーザに応じて異なるプリコーディング重みを適用して、データストリームを送信する。

本実施形態の焦点は、サブチャネル構成の決定、すなわち幾つかの候補の中からの最も適した構成の選択にある。

移動端末側でのフィードバック
基地局Ｂと各端末との両方が知っているコードブックを
（外３）

で示し、基地局からユーザｋへのチャネル状態情報を、平均がゼロで共分散が１の複素ガウス分布（unit covariance complex Gaussian distribution in zero mean）の要素である
（外４）

で示す。適用時には、各ユーザは自分のチャネル状態情報Ｈ_ｋを正確に推定できるものとする。簡単のため、すべての端末におけるノイズパワーは例えば
（外５）

であり同じであるとする。ここで、ユーザｋは、次のＳＮＲ最大化基準によって最良のコードブックベクトルを選択する。

副産物であるＣＱＩ値は次式から求められる

コードブックセットＣは基地局Ｂとすべての移動端末とで共通なので、Ｋ台の移動端末はＣから選択したベクトルのプリコーディングコードブックインデックス（ＰＶＩ）を、専用のフィードバックアップリンクチャネルを介して基地局Ｂにフィードバックする。

サブチャネル構成選択
ＯＦＤＭＡシステムでは、時間・周波数格子中のリソースは多数の四角形のサブチャネルに分割され、基地局Ｂのｍ_ｔ番目の送信アンテナとユーザｋのｍ_ｒ番目の受信アンテナとの間の１サブチャネルにわたる平均チャネル計数は次式で計算できる：

ここで、
（外６）

は、基地局Ｂのｍ_ｔ番目の送信アンテナとユーザｋのｍ_ｒ番目の受信アンテナとの間の、ｆ番目のサブキャリアとｔ番目のＯＦＤＭＡシンボルのチャネルフェージングである。
（外７）

は１つのサブチャネル中の単位リソースの全数である。ここで、アップリンクフィードバックはサブチャネルに基づき、全フィードバック量が劇的に減少するようになっている。ここで、サブチャネルごとに
（外８）

ビットがフィードバックに必要であり、単位リソースごとにＮ^ｂビットが必要である。１つのサブチャネルは、周波数領域で複数のサブキャリアを占め、時間領域で複数のＯＦＤＭＡシンボルを占める。サブキャリアの総数が一定のサブチャネル中のサブキャリア及びシンボルの数は、システム性能を最大化するようにデザインされる。

ここで、サブチャネル構成はチャネル特性に基づき選択される。図２Ａと図２Ｂは、サブチャネル構成の２つの例を示す図である。図２Ａは、時間領域のＯＦＤＭＡシンボル数が多く、周波数領域のサブキャリア数は少ない。時間・周波数格子中のサブチャネルは四角形なので、１サブチャネル中のサブキャリアの総数は整数のペアの積に分解できる。Ｓは、次のようにＬ通りの分解ができると仮定する、

方法１
サブチャネル構成選択の第１の基準は、サブチャネルにわたってチャネルフェージングをできるだけフラットにすることである。本実施形態では、式（４）の可能なすべての分解に対して次の最小相関共分散（minimum correlated covariance）を用いる。すなわち、

方法２
第２の基準は、サブチャネルにわたり有効ＳＩＮＲ（ＥＳＩＮＲ）を最大化することである。サブチャネル構成のすべてのチャネルフェージング値について、リンクレベルからシステムレベルへのマッピング方法用いることにより、サブチャネルのＳＩＮＲを計算する。本実施形態では、リンクレベルからシステムレベルへのマッピング方法として次の一般的な方法を用いる：

ここで、Ｆは、用いられる、リンクレベルからシステムレベルへのマッピング方法であり、実際のシステム設計では、ＥＥＳＭ、ＭＭＩＢ、ＲＢＩＲ等の方法を用いることができる。式（６）は、ＳＩＳＯに関するＥＳＩＮＲの計算方法を記述し、ＭＩＭＯの場合には、ＥＳＩＮＲの計算は用いるＭＩＭＯ送信技術に依存する。次に、サブチャネル構成を最大化するＥＳＩＮＲを式（６）で求める。

方法３
第３の基準は、サブチャネルにわたり平均物理ＳＮＲを最大化することである。代替となるすべてのサブチャネル構成に対して、平均チャネル計数に基づき、対応するプリコーダを選択し、平均ＳＮＲが最大となるサブチャネル構成を見つける。サブチャネル構成
（外９）

に対して、次の平均チャネルに基づきプリコーダを決定する、

次に、プリコーディングベクトルインデックスを次式から求める

（外１０）

に基づく現在のサブチャネルの実平均ＳＮＲは、

よって、サブチャネル構成を、次の最適化問題の最大値を見つけることにより決定する、

各ユーザが最良のサブチャネルモードと、プリコーディングの対応ＰＶＩと、ＣＱＩを決定した後、これらの情報を基地局Ｂにフィードバックする。

基地局Ｂにおける処理
フィードバックチャネルはエラーもフィードバック遅延もないものと仮定する。基地局Ｂは、すべてのユーザからのプリコーディングベクトルインデックス、ＣＱＩ、及び個々のサブチャネル構成を復調し、実際に使うサブチャネルモード、すなわちアクティブユーザセットを決定する。そのセットは、ダウンリンクデータ送信で許されるユーザインデックスを含む。

個々のユーザからフィードバックされるすべてのサブチャネルモードについて、基地局Ｂは、ユーザの優先度と同一サブチャネルモードの最大数に応じて、実際のサブチャネル構成を選択する。すなわち、サブチャネルモードＡのユーザが必ず送信しなければならないユーザであれば、基地局Ｂはサブチャネル構成としてサブチャネルモードＡを選択する。そうでなければ、基地局Ｂは、サブチャネル構成としてほとんどのユーザが要求するサブチャネル構成を選択する。単一ユーザの場合、関心ユーザのフィードバック情報に応じてサブチャネル構成を決定し、ビームフォーミングベクトルはＰＶＩによりインデックスされたプリコーダである。

複数ユーザの場合、有効ユーザとビームフォーミングの選択はよくばりアルゴリズム（greedy algorithm）に基づく。

実施形態を例示したが、当業者は、特許請求の範囲に記載した範囲を逸脱することなく、ここで開示した内容に基づき様々な変更や修正をすることができる。上記の実施形態の説明は単なる例であり、特許請求の範囲及びその均等の範囲を限定するものではない。

Claims (6)

1. 基地局と移動端末とを有するＭＩＭＯ通信システムにおいてコード変調サブチャネルモードを自己適応的に選択する方法であって、
   移動端末が、そのチャネル状態情報を推定し、前記チャネル状態情報に基づき前記移動端末へのデータ送信に最適なサブチャネル構成を決定する段階と、
   前記移動端末が、前記移動端末へのデータ送信に最適であると決定されたサブチャネル構成に関する情報をフィードバックする段階と、
   前記基地局が、前記移動端末によりフィードバックされたサブチャネル構成に関する情報に基づき、ダウンリンクに用いるサブチャネル構成を決定する段階とを含み、
   前記移動端末は、決定されたサブチャネル構成のインデックス、サブチャネル構成に基づき選択されたプリコーディングベクトル、及び計算したチャネル品質指標を、前記基地局にフィードバックする、方法。
2. 前記移動端末が、次のａ）ないしｄ）
   ａ）決定したサブチャネルにおけるフェージングをできるだけフラットにする、
   ｂ）一サブチャネルにおける有効ＳＩＮＲをできるだけ高くする、
   ｃ）決定したサブチャネルにおける平均物理的ＳＮＲをできるだけ高くする、
   ｄ）前記ａ）、ｂ）、ｃ）のバランスを取る。
   のどれか１つに基づき、前記移動端末へのデータ送信に最適なサブチャネル構成を決定する、請求項１に記載の方法。
3. 前記基地局は、前記移動端末によりフィードバックされたサブチャネル構成に基づき、サービス要求条件、サービス品質、パワー制限、遅延要求条件に応じて、またはスループットを最大化するように、ダウンリンクに用いるサブチャネル構成を決定する、請求項１に記載の方法。
4. 複数の移動端末がある場合、前記基地局は、前記移動端末によりフィードバックされたサブチャネル構成に基づき、前記移動端末の優先度に応じて、または全体的なスループットを最大化するように、ダウンリンクで用いるサブチャネル構成を決定する、請求項１に記載の方法。
5. 一移動端末が必ず送信しなければならない端末である場合、前記基地局は、前記一移動端末によりフィードバックされたサブチャネル構成をダウンリンクに用いるチャネル構成として選択する、請求項４に記載の方法。
6. 請求項１乃至５いずれか一項に記載の方法が適用されるＭＩＭＯ通信システム。
   

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