JP5277361B2 - 複数の無線デバイスに送信されることになるシンボルをプリコーディングするためのプリコーディング行列を求めるための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明による実施の形態は無線通信システム、特に無線マルチユーザ多入力多出力（ＭＩＭＯ）通信に関し、詳細には、無線通信システムのノードによって複数の無線デバイスに送信されることになるシンボルをプリコーディングするためのプリコーディング行列を求めるための方法及び装置に関する。

マルチユーザＭＩＭＯ通信システムのダウンリンクでは、プリコーディング設計及びユーザのスケジューリングが、高い容量及び低いユーザ間干渉を達成する鍵である。このためにゼロフォーシング（ＺＦ）を用いるプリコーディング法が主に用いられ、送受信機において完全なチャネル状態情報が得られる場合には、この方法はユーザ間干渉を完全に相殺することができる。

定包絡線特性を実現するための別のプリコーディング法として、Ｒｅｌ．８において規定されたマルチユーザＭＩＭＯのプリコーディング法を利用することができる。このプリコーダは定包絡線特性を有するが、低いユーザ間干渉を十分に軽減することはできない。これは主に、この方法がシングルユーザＭＩＭＯ技術に基づいており、プリコーディング行列の数がコードブックの数によって制限されるためである。

従来の方法の一例が、チャネルベクトル量子化（ＣＶＱ）に基づくＺＦプリコーディングである。ｅＮＢ（発展型ノードＢ）において、プリコーディングされた信号

がＭ個のアンテナを介して送信され、端末においてＮ個のアンテナによって受信される。第ｋのユーザのチャネル行列が

であり、複素白色ガウス雑音項が

である（各エントリが分散１を有する）場合、受信信号は以下のように記述することができる。

ｅＮＢにおける非コードブックベースのプリコーディングの場合、各端末（無線デバイス）は、フィードバックチャネルを介して、チャネル品質インジケータ（ＣＱＩ）とともにチャネル方向インジケータ（ＣＤＩ）を与える。ここで、ＣＤＩはコードブック

内のエントリであり（通常、コードブックインデックスによって表される）、複合チャネルベクトル

すなわち、ユーザｋにおけるチャネルＨ_ｋと受信フィルタｗ_ｋとの合成のチャネルベクトル量子化（ＣＶＱ）によって得られる。ユーザｋの最終的に用いられる最小平均二乗誤差（ＭＭＳＥ）受信フィルタは最終的に選択されるプリコーダに依存するが、ダウンリンクチャネルの非協調的な性質であることに起因して他のユーザのチャネルがわからないために、最終的に選択されるプリコーダはＣＶＱの時点ではわからないので、受信機は、「3GPP, R1-070346, Philips「Comparison of MU-MIMO feedback schemes with multiple UE receive antennas」」に記載されているように推定される必要がある。言い換えると、量子化器Ｑ_Ｃは、いずれもＣＶＱのタイプに依存する、量子化された複合チャネルベクトル

だけでなく、受信機推定値

も計算する。

端末においてフィードバック情報が計算されるときに、他のユーザのチャネル及び最終的に選択されたプリコーダが未知であるということに起因して、ＣＱＩとしてのＳＩＮＲは、量子化に起因するｅＮＢにおける不完全なチャネル状態情報によって引き起こされるマルチユーザ干渉の概算値を考慮に入れることによって近似されなければならない（詳細については、「3GPP, R1-070346, Philips「Comparison of MU-MIMO feedback schemes with multiple UE receive antennas」」を参照されたい）。

「23GPP, R1-070346, Philips「 Comparison of MU-MIMO feedback schemes with multiple UE receive antennas」」及び「3GPP, R1-062483, Philips「 Comparison between MU-MIMO codebook-based channel reporting techniques for LTE downlink」」に記載されているようにユーザを貪欲なやり方でスケジューリングするため、そして適切なＭＣＳ（変調及びコーディング方式）を選択するために、ｅＮＢにおいてＣＱＩ値が用いられるのに対して、スケジューリングされたＤ個のユーザ（無線デバイス）の量子化された複合チャネルベクトルに従う複数の行を有する複合チャネル行列

を生成するために、ＣＤＩが用いられる。最大でも、１ユーザあたり１つのデータストリーム（シンボル）が仮定され、それゆえ、Ｄは同時に送信されるデータストリームの数でもあることに留意されたい。ｓがスケジューリングされたシンボルのＤ次元ベクトルであり、ゼロフォーシング（ＺＦ）伝送方式を仮定すると、ＺＦプリコーダは以下のように計算される。

プリコーディングされた信号は以下のように計算される。

ただし、Ｄは等しい電力負荷のために選択される要素を有する対角行列である。

次に、量子化器Ｑ_ｃの実施態様（ユークリッド距離に基づくＣＶＱ）が記載される。ＳＩＮＲに基づくＣＶＱのような、量子化器の他の実施態様も適用可能である。

ＣＶＱの１つの問題が、最終的に選択されたプリコーダに依存することに起因して、端末がフィードバック情報を計算するときに最終的に選択されたＭＭＳＥ受信フィルタ（最小平均二乗誤差受信フィルタ）が未知であり、他の端末におけるチャネル状態情報についての情報が欠如している（ダウンリンクチャネルが非協調的である）ために、端末においてこのプリコーダを計算することができないという事実であることを思い起こされたい。この障害を克服するために、最初に任意の受信フィルタを仮定する。その際、結果として生成される複合チャネルベクトルはＨ_ｋの複数の行の任意の一次結合であるので、その複合チャネルベクトルはＨ_ｋの行空間内に存在する。Ｈ_ｋの行空間への距離が最小限に抑えられるようなコードブックエントリが選択されるという意味において、この事実はＣＶＱのために利用することができる。しかしながら、ＣＱＩを計算するには、量子化された複合チャネルベクトルだけでなく、受信フィルタの推定値も必要である。ユークリッド距離に基づくＣＶＱの場合、受信フィルタも、Ｈ_ｋの行空間内の結果として生成される複合チャネルベクトルが量子化されたチャネルベクトルから最小のユークリッド距離を有するように選択される。結果として生成された受信フィルタの最適化判定基準はもはや、最終的に適用されるＭＭＳＥ受信機の場合のような平均二乗誤差ではなく、ユークリッド距離であることに留意されたい。これは、真のＳＩＮＲと、ＣＱＩとしてフィードバックされ、スケジューリングのために用いられるＳＩＮＲとの間の不一致につながる。最終的に、ユークリッド距離に基づくＣＶＱ法の手順は、以下のように要約することができる。

以下では、図面を用いて、ゼロフォーシング（ＺＦ）ビームフォーミング法の詳細が説明される。図８ａは、１つの基地局及び２つの無線デバイス（ユーザ機器ＵＥ）を有するマルチユーザＭＩＭＯ（ＭＵ−ＭＩＭＯ）システムの概略図を示す。その図は、マルチユーザＭＩＭＯシステム内のダウンリンク送信のための目標とする構成を示す。この場合、エネルギーを節約するためのプリコーディング設計及びその最適化法が望ましい。この例では、基地局は４つのアンテナを備え、各無線デバイスは２つのアンテナを備える。また、図８ｂは、データのプリコーディングのための概略図を示す。基地局のアンテナごとにデータをプリコーディングするためのプリコーディング行列が用いられ、各アンテナの電力増幅器（ＰＡ）が送信するために対応するデータ信号を増幅する。

この場合、最初に、図９に示されるように、基地局は無線デバイスからチャネル状態情報

を収集する。ただし、Ｌは無線デバイスの数である。ゼロフォーシング（ＺＦ）ビームフォーミング法を用いるプリコーディングの場合、チャネル状態情報

は、そのノードにおいて無線デバイスから受信される。無線デバイス（ＵＥ）からのフィードバックに基づいて、複合チャネル（複合チャネル行列）

を計算することができる。複合チャネルは、ユーザｋにおいて測定されたチャネルＨ_ｋと、ユーザｋにおける受信フィルタｗ_ｋとの合成を示すことができる。その後、ゼロフォーシングＺＦプリコーダＰ_ＺＦを計算することができる。

ゼロフォーシングの概念に従ってデータをプリコーディングするための数学的な背景が図１０に示される。図１０は、２つの送信アンテナ（ＴＸ）及び２つの無線デバイス（ＵＥ、ユーザ機器）の場合の例を示す。図に示されるように、アンテナ間の送信電力Ｐ_ａ１、Ｐ_ａ２は等しくない。その後、プリコーディングされたデータは無線デバイスに送信される。無線デバイスでは、受信フィルタＷによって受信信号がフィルタリングされ、送信されたデータが得られる。

しかしながら、式（５）によって得られたＺＦプリコーダ（プリコーディング機能を有するデバイスがプリコーダと呼ばれる）は定包絡線特性を有さない。ここで、定包絡線特性は純粋な位相補正、すなわち、振幅が変化しない位相補正を意味する。それゆえ、ＺＦプリコーダは、アンテナごとに不均等に送信電力負荷をかける。各ＰＡ（電力増幅器）は、その特性を満たすプリコーダの送信電力よりも高い送信電力を出力する必要がある。結果として、各ＰＡの消費電力は高くなるであろう。

本発明の目的は、複数の無線デバイスにシンボルを送信するための消費電力を削減できるようにする、無線通信システムのノードによって複数の無線デバイスに送信されることになるシンボルをプリコーディングするためのプリコーディング行列を求めるための改善された概念を提供することである。

その目的は、請求項１に記載の方法又は請求項１４に記載の装置によって解決される。

本発明の一実施の形態は、無線通信システムのノードによって複数の無線デバイスに送信されることになるシンボルをプリコーディングするためのプリコーディング行列を求めるための方法を提供する。該プリコーディング行列は前記複数の無線デバイスの無線デバイスごとのプリコーディングベクトルを含み、各プリコーディングベクトルは前記ノードの複数の送信アンテナの送信アンテナごとのプリコーディング要素を含む。各プリコーディング要素は、対応する前記送信アンテナを通じて対応する前記無線デバイスに送信されることになるシンボルの位相を或る位相角だけシフトすることができる移相器を表す。本方法は、異なる位相角について複数の干渉強度インジケータを計算するステップを含む。該異なる位相角を該干渉強度インジケータを計算するためにプリコーディングベクトルのプリコーディング要素に連続的に適用する。異なる位相角のそれぞれを考慮して、該プリコーディング要素を含むプリコーディング行列に基づいて該干渉強度インジケータを計算される。さらに、本方法は、前記プリコーディングベクトルの前記プリコーディング要素のために、所定の干渉強度判定基準を満たす計算された干渉強度インジケータのためにある位相角を選択するステップを含む。

本発明による実施の形態は、定包絡線特性を有するプリコーディング行列が、移相器であるプリコーディング要素によって実現され、一方、その移相器のための位相角は、無線デバイスにデータを同時に送信することによって引き起こされる無線デバイス間の干渉強度を考慮することによって求められるという中心概念に基づく。ノードの送信機の異なるアンテナの異なる電力増幅器が等しい送信電力及び消費電力を有し、一方、低い干渉強度に起因して合計レートが高いので、このようにして、ノードによって複数の無線デバイスにデータを送信するための消費電力を大幅に削減することができる。

本発明による幾つかの実施の形態では、プリコーディング行列の全てのプリコーディング要素が、シンボルの振幅を変更することなく、送信されることになるシンボルの位相をシフトすることができる移相器を表す。それゆえ、ノードの複数の送信アンテナの各送信アンテナを通じてデータを送信するための消費電力を等しくすることができる。

本発明による幾つかの実施の形態は、プリコーディングベクトルのプリコーディング要素のために選択された位相角を用いて、プリコーディング行列を用いて複数の無線デバイスに送信されることになるシンボルをプリコーディングするステップを含む。プリコーディングされたシンボルは、その後、複数の送信アンテナを通じて送信することができる。

本発明に係る実施形態を、添付の図面を参照しながら以下に詳述する。

複数の無線デバイスに送信されることになるシンボルをプリコーディングするためのプリコーディング行列を求めるための方法の流れ図である。 無線デバイスへのデータの送信の概略図である。 複数の無線デバイスに送信されることになるシンボルをプリコーディングするためのプリコーディング行列を求めるための方法の流れ図である。 図４ａおよび図４ｂは、提案される方法と既知のゼロフォーシング法との概略的な比較を示す図である。 図５ａおよび図５ｂは、提案される方法及び既知のゼロフォーシング法の数学的な背景を比較する概略図である。 提案される方法、及び既知のチャネルベクトル量子化に基づくゼロフォーシングマルチユーザ多入力多出力法の性能比較を示す図である。 複数の無線デバイスに送信されることになるシンボルをプリコーディングするためのプリコーディング行列を求めるための装置のブロック図である。 図８ａは、マルチユーザ多入力多出力システムの概略図である。図８ｂは、データのプリコーディングの概略図である。 チャネル状態情報の受信の概略図である。 既知のゼロフォーシング法の数学的な背景の図である。

以下では、同じ又は類似の機能的特性を有する物及び機能ユニットに対して同じ参照番号が部分的に用いられており、或る図に関するその説明は、実施形態の説明が重複するのを減らすために他の図にも当てはまる。

図１は、本発明の一実施形態による、無線通信システムのノードによって複数の無線デバイスに送信されることになるシンボルｓをプリコーディングするためのプリコーディング行列Ｐ_ＣＭ（最適化されたプリコーディング行列）を求めるための方法１００の流れ図を示す。プリコーディング行列Ｐ_ＣＭ、Ｐは複数の無線デバイスの無線デバイスごとのプリコーディングベクトルｐ_ｋを含み、各プリコーディングベクトルｐ_ｋはノードの複数の送信アンテナの送信アンテナごとのプリコーディング要素

を含む。さらに、各プリコーディング要素

は、対応する送信アンテナを通じて対応する無線デバイスに送信されることになるシンボルｓの位相を或る位相角だけシフトすることができる移相器を表す。方法１００は、異なる位相角θについて複数の干渉強度インジケータを計算するステップ（１１０）を含む。干渉強度インジケータを計算するために、異なる位相角を、プリコーディングベクトルｐ_ｋのプリコーディング要素

に連続的に適用する。干渉強度インジケータを、異なる位相角θのそれぞれを考慮して、プリコーディング要素

を含むプリコーディング行列Ｐに基づいて計算する。さらに、方法１００は、プリコーディングベクトルｐ_ｋのプリコーディング要素

について所定の干渉強度判定基準を満たす計算された干渉強度インジケータのためにある位相角θを選択し（１２０）、複数の無線デバイスに送信されることになるシンボルｓをプリコーディングするためのプリコーディング行列Ｐ_ＣＭ（最適化されたプリコーディング行列）を得ることを含む。

干渉強度インジケータは、異なる位相角θのうちの１つがプリコーディング要素

に適用される場合に、ノードによって無線デバイスにデータを同時に送信することによって引き起こされる無線デバイス間の干渉強度を表す。

干渉強度インジケータは数多くの異なる方法において定義することができる。干渉強度インジケータの実際の定義は、達成可能な最大データレート及び必要とされる計算量に影響を及ぼす場合がある。例えば、無線デバイス間の干渉の物理的背景をより正確に表現すると、結果として計算量が増える場合があり、その逆も成り立つ。

所定の干渉強度判定基準も種々の方法において定義することができる。例えば、所定の干渉強度判定基準は、最も低い干渉強度のうちの１つ（例えば、５つの最も低い干渉強度のうちの１つ）を示す計算された干渉強度インジケータのためにある位相角を選択することができる。計算された複数の干渉強度インジケータのうちの最も低い干渉強度を示す計算された干渉強度インジケータのためにある位相角が選択されることが好ましい。代替的には、干渉しきい値よりも低い干渉強度を示す干渉強度インジケータのためにある位相角を選択することができる。干渉しきい値を設定することを通じて、プリコーディング行列及び／又は達成可能な最大送信レートの計算の実行時間を調整可能にすることができる。言い換えると、所定の干渉強度判定基準は、計算された複数の干渉強度インジケータのうちの最も低い干渉強度を示す計算された干渉強度インジケータの場合に満たすことができるか、又は所定の干渉強度判定基準は、例えば、干渉しきい値よりも低い干渉強度を示す計算された干渉強度インジケータの場合に満たすことができる。

無線通信システムのノードは、例えば、基地局又は中継ノードとすることができる。さらに、無線デバイスは、例えば、移動電話、又は無線データ伝送を必要とするラップトップとすることができる。

オプションでは、方法１００は、プリコーディングベクトルｐ_ｋのプリコーディング要素

に適用される選択された位相角θを適用して、プリコーディング行列Ｐ_ＣＭを用いて、複数の無線デバイスに送信されることになるシンボルｓをプリコーディングするステップを更に含むことができる。

本発明の幾つかの実施形態では、プリコーディング行列Ｐ_ＣＭの全てのプリコーディング要素

が、シンボルｓの（シンボルｓを含む信号の）振幅を変更することなく、送信されることになるシンボルｓの位相をシフトすることができる移相器を表す。言い換えると、全てのアンテナに対して振幅を同じにしたまま、シンボルの位相のみを変更して、ノードの異なるアンテナを通じて送信するための信号を生成することができる。代替的には、シンボルの振幅は変更される場合があるが、複数の送信アンテナの送信アンテナごとの増幅率は等しい。このようにして、ノードの複数の送信アンテナの各送信アンテナの送信電力は（例えば、送信アンテナの送信電力の±１％、±５％、±１０％の許容差で）等しく、結果として、既知の概念に比べてノードの総消費電力を削減することができる。

全てのプリコーディング要素

が移相器を表す場合には、プリコーディング要素

ごとに干渉強度インジケータを計算することができ、プリコーディング要素

ごとに位相角を選択することができる。言い換えると、プリコーディング行列Ｐ_ＣＭの各プリコーディングベクトルｐ_ｋの各プリコーディング要素

に適用される異なる位相角θに対して、干渉強度インジケータを計算することができる。さらに、計算された全ての干渉強度インジケータのうちの最も低い干渉強度を示す計算された干渉強度インジケータに対応する各プリコーディングベクトルｐ_ｋのプリコーディング要素

ごとに位相角θを選択することができる。

この干渉強度インジケータは、位相角の異なる集合を異なるプリコーディング要素

に適用することによって繰返し計算することができる。これは複数のループによって実現することができ、各ループが特定のプリコーディング要素

の位相角を変更する。

異なる位相角は０〜２πから任意に選択することができる。例えば、プリコーディング要素

に適用されることになる位相角は０〜２πからランダムに選択することができるか、又は位相角の所定の集合Θから選択することができる。位相角の所定の集合Θは０〜２πの位相角θの等距離分布（又は別の確定的分布）又はランダム分布を含むことができる。言い換えると、プリコーディング要素

に適用される異なる位相角θは、０〜２πの位相角θの等距離分布を含む、位相角の所定の集合Θが含むことができる。

前に言及されたように、干渉強度インジケータは種々の異なる方法において定義することができる。例えば、干渉強度インジケータは、チャネル行列

とプリコーディング行列Ｐとの乗算に基づいて計算することができる。チャネル行列

は複数の無線デバイスから受信されるチャネル状態情報に基づくことができる。チャネル行列は、ノードと複数の無線デバイスとの間のチャネルを特徴付けることができる。

より詳細な例では、干渉強度インジケータは、干渉抑圧行列と、チャネル行列

とプリコーディング行列Ｐとの乗算結果との間の差に基づいて計算することができる。この例では、干渉抑圧行列は、恒等行列Ｉ、若しくはａで重み付けされた（スケーリングされた）恒等行列ａＩ（例えば、重み付けされた恒等行列ａＩのための異なる重み値ａに対して、干渉強度インジケータが計算される）とすることができるか、又は干渉抑圧行列は対角行列とすることができる（例えば、対角行列Ｄの対角要素ｄの異なる集合に対して、干渉強度インジケータを計算することができる）。

無線デバイスをスケジューリングするために、提案される方法をゼロフォーシング法と組み合わせて、計算の複雑さを低減することができる。

以下では、本発明の幾つかの実施形態が更に詳細に記述される。記述される複数の特徴は、上記の基本概念と組み合わせて、一緒に用いることができるか、又は互いに別々に用いることができる。以下の説明のうちのいくつかは、２つの無線アンテナをサービングする２つの送信アンテナを有するノードに関連するが、提案される概念の適用可能性は、そのようなシステムには限定されず、ノードの任意の数の送信アンテナ、及び任意の数の無線デバイスに適用することもできる。

上記で言及されたように、従来の方法は、ＺＦ法によってプリコーディング行列を得る。しかしながら、このプリコーダは必ずしも定包絡線特性を満たすとは限らない。定包絡線特性は純粋な位相補正、すなわち、例えば、振幅が変化しない位相補正を意味する。それゆえ、ＺＦプリコーダはアンテナごとに不均等に送信電力負荷をかける。これは、アンテナに接続されるＰＡ（電力増幅器）において幾つかの問題を引き起こす。各ＰＡは、その特性を満たすプリコーダの送信電力よりも高い送信電力を出力する必要がある。結果として、各ＰＡの消費電力は高くなることになる。提案される方法は上記の問題に対処し、定包絡線特性を実現することによって、各アンテナに接続されるＰＡが均等に負荷をかけられるのを確実にすることを目的とする。このため、定包絡線特性を有するプリコーダを定義することができる。その後、プリコーダが定包絡線に基づくという条件で、プリコーダがユーザ間干渉（ＩＵＩ）を最小限に抑えるための最適化方法を説明する。

プリコーダは以下のように定義することができる。

ただし、以下の式が成り立つ。

ユーザあたり１つのデータストリームを仮定する場合、各列ベクトルは選択されたユーザ（無線デバイス）のプリコーダに対応する。ベクトル（プリコーディングベクトル）の各要素（プリコーディング要素）は移相器であるので、提案されるプリコーダは、定包絡線特性を有する。すなわち、そのプリコーダは、振幅を変更することなく、位相のみを補正する。次に、最適化関数及びアルゴリズムの一例が記述され、ＩＵＩ（ユーザ間干渉）を最小限に抑えるために、θ_ｉ，ｋ，ｉ∈｛１，．．．，Ｍ｝，ｋ∈｛１，．．．Ｄ｝の最良の集合をいかに選択するかを示す。言い換えると、提案されるプリコーディング行列は位相補正のみを含むことができる。このようにして、定包絡線特性を常に満たすことができる。

以下では、θ_ｉ，ｋの最適な集合を選択するための一例が説明される。以下の式が満たされる場合には、ＩＵＩを抑圧することができる。

ただし、ＩはＤ×Ｄ恒等行列である（Ｄは無線デバイスの数である）。言い換えると、これを達成できる場合には、各ＵＥのプリコーディングベクトルは他のＵＥのチャネルと直交するようになり、ＩＵＩを抑圧することになる。定包絡線特性に起因して、上記の式（１０）を満たすことは不可能である。それゆえ、Ｐの要素を調整して、少なくとも、

を恒等行列に近づける必要がある。得られた行列は、式（１０）を満たさないので、ＩＵＩを完全には抑圧しないことになる。しかしながら、実効的なチャネル行列推定値

を用いてプリコーダが計算されることに留意されたい。行列

は実際のチャネルに比べて量子誤差を含む。したがって、式（１０）が実現される場合であっても、或る量のＩＵＩが残存することになる。一方、ＺＦプリコーダも

によって得られ、或る量のＩＵＩが同様に残存することになる。それゆえ、提案される方法によって引き起こされる劣化は無視されることになる。

を恒等行列に近づけるために、目標とする式を以下のように記述することができる。

式（１１）において、Ｉは、スケーリングされた恒等行列又は対角行列に置き換えることができる。これらの式は以下のように記述することができる。

これに関して、Ｐ_ＣＭは求められることになるプリコーディング行列であり、

は複数の無線デバイスから受信されたチャネル状態情報に基づくチャネル行列であり、Ｐはプリコーディング要素のための異なる位相角の特定の位相角を考慮に入れたプリコーディング行列であり、Ｉは恒等行列であり、Πは異なる位相角を考慮に入れたプリコーディング行列の集合であり、ａは重み係数であり、Ｄは要素ｄ_１〜ｄ_Ｄを有する対角行列であり、

はプリコーディング要素であり、θ_ｉ，ｋは位相角であり、ａ_ＣＭは最も低い干渉強度を示す干渉強度インジケータに対応する重み係数であり、Ｄ_ＣＭは最も低い干渉強度を示す干渉強度インジケータに対応する対角行列であり、

は干渉強度インジケータである。

しかしながら、スカラー変数ａ又はＤ内の対角値は、式（１２）又は（１３）においてそれぞれ最適化されなければならない。式（１１）よりも高い性能が要求される場合には、これらの式を用いることができる。次に、式（１１）のみのアルゴリズムの一例が説明されるが、他の２つの式に対しても類似の技法が用いられることになる。簡単にするために、Ｄ＝２及びＭ＝２の事例が説明される。プリコーダは以下のように記述することができる。

最初に、有限数の集合θ∈｛ｍ（２π／Ｎ）｜ｍ∈｛０，１，．．．，Ｎ−１｝｝が定義される。そのアルゴリズムは、以下のアルゴリズム１において示されるように、全ての取り得る組み合わせを計算する

（干渉強度インジケータ）を最小限に抑えるために、最適な１組の位相θ_ｏｐｔ∈［０，２π［^４（位相角）を見つけるという発想に基づく。最後に、θ_ｏｐｔからＰ_ＣＭを得ることができる。

アルゴリズム１

図３は、本発明の一実施形態による、複数の無線デバイスに送信されることになるシンボルをプリコーディングするためのプリコーディング行列を求めるための方法の流れ図である。その流れ図は、上記のアルゴリズム１によっても記述されるように、２つの送信アンテナを有する１つのノード及び２つの無線デバイスの場合の一例を示す。最初に、干渉強度インジケータが初期値（ｔｅｍｐ＿ｏｌｄ）によって設定される。初期値は相対的に高く選択することができ、それは、推定された最も高い干渉強度インジケータ又は推定された平均干渉強度インジケータよりも高い値を意味する。その後、異なる位相角θ_１，１、θ_１，２、θ_２，１及びθ_２，２（０、２π及び２π／Ｎ、ただしＮは分解能である）に対して干渉強度インジケータｔｅｍｐ（又はｔｅｍｐｖａｌｕｅ）が計算される。さらに、新たな干渉強度インジケータｔｅｍｐが古い干渉強度インジケータｔｅｍｐ＿ｏｌｄよりも小さい場合には、最適な位相角の集合θ_ｏｐｔが現時点で適用されている位相角の集合によって更新され、古い干渉強度インジケータｔｅｍｐ＿ｏｌｄが新たな干渉強度インジケータｔｅｍｐに等しく設定される。異なるプリコーディング要素のための異なる位相角の全ての置換に対して干渉強度インジケータを計算した後に、計算された最も低い干渉強度インジケータのためにある、プリコーディングベクトルθ_１，１、θ_１，２、θ_２，１及びθ_２，２の集合θ_ｏｐｔが得られる。この位相角集合は、複数の無線デバイスに送信されることになるシンボルをプリコーディングするために適用されることになるプリコーディング行列のために用いることができる。

次に、提案される方法の場合のスケジューリング法のための一例が説明される。そのスケジューラのために従来の方法を適用することができる。一般的なスケジューリング法として、最初に、スケジューラはフィードバック情報を利用して、最良のレートを有するか、又は、例えば、比例公平（ＰＦ）スケジューリングに従って最良の測定基準を有するユーザをあらかじめ選択する。その後、ＩＵＩを考慮に入れて、これらのあらかじめ選択されたユーザからのマルチユーザＭＩＭＯのための最良の組み合わせを見つけ出す。ＩＵＩの量を得るために、例えば、選択されたユーザに対して上記の網羅的アルゴリズムを用いてプリコーダが計算され、その後、ＩＵＩが計算される。しかしながら、全ての組み合わせに対して網羅的探索を行なうので、この手順は計算の複雑さを増すことになる。計算の複雑さを低減するために、ＺＦ法と提案される方法とを組み合わせることが有用である。マルチユーザＭＩＭＯの場合のユーザの最良の組み合わせが従来のＺＦ法によって選択される。その後、提案される方法によって、選択されたユーザのためのプリコーダ行列が計算される。言い換えると、提案される方法は、最後の段階において一度だけ用いることができる。この技法が用いられる場合には、従来の方法を実効的に再利用することができ、計算の複雑さも低減することができる。

以下では、提案される方法による容量レベルシミュレーション結果が提示される。シミュレーションのために用いられるパラメータが表１に示される。図６は、従来のＣＶＱに基づくＺＦ法と提案される方法との間の性能差を示す。提案される方法の性能は、ＣＶＱに基づくＺＦ法に近い。提案される方法は式（１０）を達成することができず、それゆえ、或る量のＩＵＩは完全に除去することはできない。一方、ＺＦプリコーディングは

を達成することができる。しかしながら、実効的なチャネル行列推定値

は実際のチャネルに比べて量子化誤差を含む。したがって、この誤差に起因して、同様に或る量のＩＵＩが残存することになる。それゆえ、提案される方法と従来のＺＦとの間の差は小さくなる。

言い換えると、図６は、提案される方法と比べた場合の、チャネルベクトル量子化に基づくゼロフォーシングマルチユーザ多入力多出力システム（ＣＶＱに基づくＺＦ ＭＵ−ＭＩＭＯ）のための容量レベルシミュレーションを示す。その性能は、ゼロフォーシングマルチユーザ多入力多出力システムと同等であり、一方、最大で４分の１まで総消費電力を節約することができる。この例では、４つの送信アンテナＴＸを有するノード、及びそれぞれが１つの受信アンテナＲＸを有する２０個の無線デバイス（ユーザ）がシミュレートされる。さらに、無相関チャネルとともに、４ビットのフィードバック及び３２の分解能Ｎが用いられる。

その図は、ｄＢ単位の信号対雑音比ＳＮＲ対ｂｐｓ／Ｈｚ単位のレートを示す。

本発明の幾つかの実施形態は、定包絡線特性に基づくマルチユーザＭＩＭＯ（多入力多出力）プリコーディングのようなゼロフォーシングに関連する。電力増幅器（ＰＡ）の消費電力の削減を目的とする、無線セルラーネットワークのための新たなＭＵ−ＭＩＭＯプリコーディング法が提案される。本発明によれば、例えば、マルチユーザ干渉をできる限り軽減しようと試みながら、プリコーダが定包絡線特性を有することができるようになる。その特性は、振幅を変更することなく、純粋な位相補正を達成する。ゼロフォーシング（ＺＦ）法のような従来の方法は、この特性の欠如に起因して、各アンテナに接続されるＰＡが均等に負荷をかけられるのを確実にしない。それゆえ、各ＰＡは、その特性を満たすプリコーダの送信電力よりも高い送信電力を出力する必要がある。結果として、各ＰＡの消費電力は高くなることになる。

本発明はこれまでに検討された問題に対処し、例えば、定包絡線特性を実現することによって、各アンテナに接続されるＰＡが均等に負荷をかけられるのを確実にすることを目的とする。

本発明によれば、マルチユーザＭＩＭＯ通信において、各アンテナに接続されるＰＡが均等に負荷をかけられるようになり、それにより、各アンテナに接続される全ＰＡが高い電力効率領域において動作できるようになる。結果として、本発明はｅＮＢにおいて消費電力を削減することができ、最終的にはＯＰＥＸ（運用コスト）を削減することができる。それゆえ、本発明は、将来の商用システムのための環境保全技術を提供することに寄与する。提案される方法は、容量に関して、従来のＣＶＱに基づくＺＦ ＭＵ−ＭＩＭＯ技法と同様の性能を提供することが示された。

図２は、送信されることになるデータ及びユーザ間干渉ＳＩＮＲを示す、ノード２１０（例えば、基地局）から無線デバイス２２０への送信に関する一例を示しており、Ｐ_Ｓは信号電力を示し、Ｐ_Ｎは雑音電力を示し、Ｐ_Ｉはユーザ間電力を示す。低いユーザ間干渉の場合、ゼロフォーシングビームフォーミングが既知の概念によって主に用いられる。提案される概念は、低いユーザ間干渉及び高い電力効率を可能にすることができる。

図４ａ及び図４ｂは、ゼロフォーシング法と、提案される概念を具現する定包絡線特性法との比較を示す。ゼロフォーシングプリコーディングは、各電力増幅器において不均等に送信電力Ｐの負荷をかけるので、電力範囲が０〜２Ｐ_ｍａｘに広がっている。ただし、Ｐ_ｍａｘは、０〜Ｐ_ｍａｘの電力範囲を含む定包絡線特性法の最大送信電力を示す。これは、ゼロフォーシングＺＦ法が２倍高い出力電力を必要とする場合があることを示す。言い換えると、（ＺＦ法の）消費電力は（提案される概念に比べて）各電力増幅器において２倍になる場合がある。

図５ａ及び図５ｂは、提案されるプリコーダの場合の最適化法（図５ｂ、提案される方法）とゼロフォーシング法（図５ａ、ＺＦ）とを比較する。ゼロフォーシング法の場合、プリコーディング行列Ｐ_ＺＦとチャネル行列

との積は常に恒等行列Ｉである。それに対して、提案される方法は、例えば、恒等行列にできる限り近づけるために、プリコーディング行列Ｐ_ＣＭとチャネル行列

との積を最適化しようと試みる。例えば、干渉強度インジケータは以下の式によって定義することができる。

又は

これは、２つの送信アンテナを有する１つのノード及び２つの無線デバイスの一例を示す。この例では、干渉強度インジケータは異なるプリコーディング要素

の位相角を表すθ_１，１、θ_１，２、θ_２，１及びθ_２，２の関数である。

その後、位相角θ_ｉ，ｋを選択することによって、プリコーディング行列Ｐ_ＣＭが得られる。

提案される概念によれば、ｅＮＢ（発展型ノードＢ）における消費電力及びＯＰＥＸ（運用コスト）を削減することができる。さらに、提案される方法は、将来の商用システムのための環境保全技術を提供することに寄与することができ、収入を得ることができる。

図７は本発明の一実施形態による、無線通信システムのノードによって複数の無線デバイスに送信されることになるシンボルｓをプリコーディングするためのプリコーディング行列Ｐ_ＣＭを求めるための装置８００のブロック図を示す。プリコーディング行列Ｐ_ＣＭは複数の無線デバイスの無線デバイスごとのプリコーディングベクトルｐ_ｋを含み、各プリコーディングベクトルｐ_ｋはノードの複数の送信アンテナの送信アンテナごとのプリコーディング要素

を含む。各プリコーディング要素

は、対応する送信アンテナを通じて対応する無線デバイスに送信されることになるシンボルｓの位相を位相角θだけシフトすることができる移相器を表す。装置８００は、異なる位相角θについて複数の干渉強度インジケータを計算するように構成されるプロセッサ８１０を含む。異なる位相角は、プリコーディングベクトルｐ_ｋのプリコーディング要素

に対して連続的に適用される。異なる位相角θのそれぞれを考慮して、プリコーディング要素

を含むプリコーディング行列Ｐに基づいて、干渉強度インジケータが計算される。さらに、プロセッサ８１０は、プリコーディングベクトルｐ_ｋのプリコーディング要素

のために、所定の干渉強度判定基準を満たす計算された干渉強度インジケータのためにある位相角θを選択する。

装置８００又は装置８１０のプロセッサ８１０は、上記の概念の１つ又は複数の態様を実現する１つ又は複数の付加的な機構又はユニットを含むことができる。

例えば、装置８００は、無線デバイスに送信されることになるシンボルをプリコーディングするためのプリコーダを更に備えることができる。さらに、装置８００は、無線デバイスにプリコーディングされたシンボルを送信するための送信機を備えることができる。

プロセッサ８１０、プリコーダ、送信機及び／又は装置８００の他のオプションのユニットは、独立したハードウェアユニット又はコンピュータの一部、マイクロコントローラ又はデジタルシグナルプロセッサ、及びコンピュータ、マイクロコントローラ又はデジタルシグナルプロセッサ上で実行するためのコンピュータプログラム又はソフトウェア製品とすることができる。

本発明の幾つかの実施形態は、上記の概念による、複数の無線デバイスに送信されることになるシンボルをプリコーディングするためのプリコーディング行列を求めるための装置を含む、無線通信システムの基地局に関連する。

本発明の幾つかの実施形態は、マルチユーザＭＩＭＯシステムにおいて入力シンボルの位相を調整することを含む、プリコーディング行列を用いて入力シンボルをプリコーディングするための方法に関する。その方法は、プリコーディング行列において初期位相を設定するステップと、プリコーディング行列と、選択されたＵＥ（無線デバイス、ユーザ機器）のフィードバック（又はフィードバックから得られたパラメータ）からなる（それを含む）チャネル行列とを用いて、評価関数（干渉強度インジケータ）の値を計算するステップとを含む。さらに、その方法は、その値及び基準値を比較することと、その値が基準値よりも小さくなるように、プリコーディング行列の位相を調整することと、結果として生成されたプリコーディング行列を用いて入力シンボルをプリコーディングすることとを含む。

幾つかの例において、評価関数は、チャネル行列とプリコーディング行列との積を基準行列（干渉抑圧行列）と比較することである。基準行列は、正定値対角行列、スケーリング（重み付けされた）恒等行列、又はスケーリングされない恒等行列とすることができる。

幾つかの実施形態では、基準値は、繰り返すたびに評価関数の最も小さな値に変更される。基準値は所定の値とすることができる。

一態様によれば、位相は所定の有限数の位相集合から選択される。

幾つかの例において、ＵＥ（無線デバイス）は合計レートを最大にするように選択される。

説明された概念の幾つかの態様は装置との関連で説明されたが、これらの態様は、対応する方法の記述も表し、ここでブロック又はデバイスは方法ステップ又は方法ステップの特徴に対応することが明らかである。それに類似して、方法ステップに関連して説明された態様も、対応する装置の対応するブロック又はアイテム又は特徴の記述を表す。

或る特定の実施態様要件に依存して、本発明の実施形態はハードウェア又はソフトウェアで実施することができる。この実施態様は、電子的に読取り可能な制御信号が格納されたデジタルストレージ媒体、例えばフロッピーディスク、ＤＶＤ、ブルーレイ、ＣＤ、ＲＯＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、又はフラッシュメモリを用いて実行することができ、それらは、それぞれの方法が実行されるようにプログラム可能なコンピュータシステムと連携する（又は連携可能である）。それゆえ、デジタルストレージ媒体はコンピュータ可読とすることができる。

本発明による幾つかの実施形態は、本明細書に記載された方法のうちの１つが実行されるようにプログラム可能なコンピュータシステムと連携することができる電子的に読取り可能な制御信号を有するデータキャリヤを含む。

概して、本発明の実施形態は、プログラムコードを有するコンピュータプログラム製品として実施することができる。このプログラムコードは、コンピュータプログラム製品がコンピュータ上で実行されると、方法のうちの１つを実行するように動作可能である。プログラムコードは、例えば機械可読キャリヤ上に格納することができる。

他の実施形態は、機械可読キャリヤ上に格納された、本明細書に記載された方法のうちの１つを実行するためのコンピュータプログラムを含む。

それゆえ、言い換えると、本発明の方法の一実施形態は、コンピュータプログラムがコンピュータ上で実行されるときに本明細書に記載された方法のうちの１つを実行するプログラムコードを有するコンピュータプログラムである。

それゆえ、本発明の方法の更なる実施形態は、データキャリヤ（又はデジタルストレージ媒体若しくはコンピュータ可読媒体）であって、該データキャリヤ上に記録された、本明細書に記載された方法のうちの１つを実行するためのコンピュータプログラムを含む、データキャリヤである。

それゆえ、本発明の方法の更なる実施形態は、本明細書に記載された方法のうちの１つを実行するためのコンピュータプログラムを表すデータストリーム又は信号シーケンスである。データストリーム又は信号シーケンスは、例えば、データ通信接続を介して、例えばインターネットを介して転送されるように構成することができる。

更なる実施形態は、本明細書に記載された方法のうちの１つを実行するように構成又は適合された処理手段、例えばコンピュータ又はプログラム可能な論理デバイスを含む。

更なる実施形態は、本明細書に記載された方法のうちの１つを実行するためのコンピュータプログラムがインストールされたコンピュータを含む。

幾つかの実施形態では、プログラム可能な論理デバイス（例えばフィールドプログラマブルゲートアレイ）を用いて、本明細書に記載された方法の機能のうちのいくつか又は全てを実行することができる。幾つかの実施形態では、フィールドプログラマブルゲートアレイは、本明細書に記載された方法のうちの１つを実行するためにマイクロプロセッサと連携することができる。概して、本方法は好ましくは任意のハードウェア装置によって実行される。

上述した実施形態は、単に本発明の原理を例示するものである。本明細書において記載される構成及び詳細の変更及び変形は当業者には明らかであることが理解される。それゆえ、本発明は、同封の特許請求の範囲の範囲によってのみ限定され、本明細書における実施形態の記述及び説明のために提示された特定の詳細によって限定されるものではないことが意図される。

Claims (15)

1. 無線通信システムのノードによって複数の無線デバイスに送信されることになるシンボル（ｓ）をプリコーディングするためのプリコーディング行列（Ｐ_ＣＭ）を求めるための方法（１００）であって、該プリコーディング行列（Ｐ_ＣＭ、Ｐ）は前記複数の無線デバイスの無線デバイスごとのプリコーディングベクトル（ｐ_ｋ）を含み、各プリコーディングベクトル（ｐ_ｋ）は前記ノードの複数の送信アンテナの送信アンテナごとのプリコーディング要素（
   

   

   ）を含み、各プリコーディング要素（
   

   

   ）は、対応する前記送信アンテナを通じて対応する前記無線デバイスに送信されることになるシンボル（ｓ）の位相を或る位相角だけシフトすることができる移相器を表し、
   異なる位相角（θ）について複数の干渉強度インジケータを計算するステップ（１１０）であって、該異なる位相角を該干渉強度インジケータを計算するためにプリコーディングベクトル（ｐ_ｋ）のプリコーディング要素（
   

   

   ）に連続的に適用し、前記異なる位相角（θ）のそれぞれを考慮して、該プリコーディング要素（
   

   

   ）を含むプリコーディング行列（Ｐ）に基づいて干渉強度インジケータを計算する、計算するステップと、
   前記プリコーディングベクトル（ｐ_ｋ）の前記プリコーディング要素（
   

   

   ）のために、所定の干渉強度判定基準を満たす計算された干渉強度インジケータのためにある位相角（θ）を選択するステップ（１２０）と
   を備える方法。
2. 前記所定の干渉強度判定基準は、複数の前記計算された干渉強度インジケータのうちの最も低い干渉強度を示す計算された干渉強度インジケータの場合に満たされるか、又は前記所定の干渉強度判定基準は、干渉しきい値よりも低い干渉強度を示す計算された干渉強度インジケータの場合に満たされる、請求項１に記載の方法。
3. 干渉強度インジケータは、前記異なる位相角（θ）のうちの１つが前記プリコーディング要素（
   

   

   ）に適用される場合に、ノードによって無線デバイスにデータを同時に送信することによって引き起こされる、前記無線デバイス間の干渉強度を表す、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記プリコーディング行列（Ｐ_ＣＭ）の全てのプリコーディング要素（
   

   

   ）は、シンボル（ｓ）の振幅を変更することなく、送信されることになる該シンボル（ｓ）の位相をシフトすることができる移相器を表す、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 干渉強度インジケータは、前記プリコーディング行列（Ｐ_ＣＭ）の各プリコーディングベクトル（ｐ_ｋ）の各プリコーディング要素（
   

   

   ）に適用される異なる位相角（θ）に対して計算され、各プリコーディングベクトル（ｐ_ｋ）のプリコーディング要素（
   

   

   ）ごとに、計算された全ての干渉強度インジケータのうちの最も低い干渉強度を示す前記計算された干渉強度インジケータのためにある位相角（θ）が選択される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. プリコーディング要素（
   

   

   ）に適用される前記異なる位相角（θ）は、０〜２πの位相角（θ）の等距離分布を含む、位相角の所定の集合（Θ）によって含まれる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 干渉強度インジケータはチャネル行列（
   

   

   ）と前記プリコーディング行列（Ｐ_ＣＭ）との乗算に基づいて計算され、前記チャネル行列（
   

   

   ）は前記複数の無線デバイスから受信されたチャネル状態情報に基づく、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 干渉強度インジケータは、干渉抑圧行列（Ｉ、ａＩ、Ｄ）と、前記チャネル行列（
   

   

   ）と前記プリコーディング行列（Ｐ_ＣＭ）との乗算結果との差に基づいて計算される、請求項７に記載の方法。
9. 前記干渉抑圧行列は恒等行列（Ｉ）である、請求項８に記載の方法。
10. 前記干渉抑圧行列は重み付けされた恒等行列（ａＩ）であり、干渉強度インジケータは、前記重み付けされた恒等行列（ａＩ）のための異なる重み値（ａ）に対して計算される、請求項８に記載の方法。
11. 前記干渉抑圧行列は対角行列であり、干渉強度インジケータは、前記対角行列（Ｄ）の対角要素（ｄ）の異なる集合に対して計算される、請求項８に記載の方法。
12. 前記プリコーディング行列（Ｐ_ＣＭ）は以下の式に基づいて求められ、
    

    

    又は
    

    

    ただし、Ｐ_ＣＭは求められることになる前記プリコーディング行列であり、
    

    

    は前記複数の無線デバイスから受信されたチャネル状態情報に基づくチャネル行列であり、Ｐはプリコーディング要素のための前記異なる位相角のうちの特定の位相角を考慮したプリコーディング行列であり、Ｉは恒等行列であり、Πは異なる位相角を考慮したプリコーディング行列の集合であり、ａは重み係数であり、Ｄは要素ｄ_１〜ｄ_Ｄを有する対角行列であり、
    

    

    はプリコーディング要素であり、θ_ｉ，ｋは位相角であり、ａ_ＣＭは最も低い干渉強度を示す干渉強度インジケータに対応する重み係数であり、Ｄ_ＣＭは最も低い干渉強度を示す干渉強度インジケータに対応する対角行列であり、
    

    

    は干渉強度インジケータである、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記プリコーディングベクトル（ｐ_ｋ）の前記プリコーディング要素（
    

    

    ）のための前記選択された位相角（θ）を適用して、前記プリコーディング行列（Ｐ_ＣＭ）を用いて前記複数の無線デバイスに送信されることになる前記シンボル（ｓ）をプリコーディングするステップを更に含む、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 無線通信システムのノードによって複数の無線デバイスに送信されることになるシンボル（ｓ）をプリコーディングするためのプリコーディング行列（Ｐ_ＣＭ）を求めるための装置（８００）であって、該プリコーディング行列（Ｐ_ＣＭ）は前記複数の無線デバイスの無線デバイスごとのプリコーディングベクトル（ｐ_ｋ）を含み、各プリコーディングベクトル（ｐ_ｋ）は前記ノードの複数の送信アンテナの送信アンテナごとのプリコーディング要素（
    

    

    ）を含み、各プリコーディング要素（
    

    

    ）は、対応する前記送信アンテナを通じて対応する前記無線デバイスに送信されることになるシンボル（ｓ）の位相を或る位相角（θ）だけシフトすることができる移相器を表し、
    該装置は、異なる位相角（θ）について複数の干渉強度インジケータを計算するように構成されたプロセッサ（８１０）であって、該異なる位相角をプリコーディングベクトル（ｐ_ｋ）のプリコーディング要素（
    

    

    ）に連続的に適用し、前記異なる位相角（θ）のそれぞれを考慮して、該プリコーディング要素（
    

    

    ）を含むプリコーディング行列（Ｐ_ＣＭ）に基づいて干渉強度インジケータを計算する、プロセッサを備え、
    前記プロセッサ（８１０）は、前記プリコーディングベクトル（ｐ_ｋ）の前記プリコーディング要素（
    

    

    ）のために、所定の干渉強度判定基準を満たす計算された干渉強度インジケータのためにある位相角（θ）を選択するように構成されているものである、装置。
15. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法を実行するためのプログラムコードを有し、コンピュータ又はマイクロコントローラ上で動作する、コンピュータプログラム。

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