JP5279913B2 - Mu−compチャネル状態の正規化測度の量子化及び送信 - Google Patents

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Description

本発明は、全体として、無線通信ネットワークに関するものであり、具体的には、マルチユーザ協調マルチポイント送信/受信(MU‐COMP:Multi-User Coordinated Multipoint Transmission/Reception)ネットワークにおいて、ユーザ装置(UE)が、下りリンクのチャネル状態を量子化してフィードバックする方法に関するものである。
非特許文献1に記載のように、協調マルチポイント送信/受信(COMP)よりも先行して、屋内無線通信におけるカバレッジの向上のために、分散アンテナシステム(DAS:Distributed Antenna System)が最初に導入された。当該アプローチは、漏洩しやすいフィーダの個別的な実装を通じて、単一ユーザに対する送信を対象としていた。それとは対照的に、COMPの概念は、無線ヘッド(又は基地局)の相互接続されたネットワークであって、複数のデータストリームを表す異なる複数の信号が、異なる複数の無線ヘッドに対する重み付け及び分配によって制御されうるネットワークを介して、複数のデータストリームの送信を可能にする。COMPのアイデアは、上りリンクだけでなく下りリンクにおいても使用されうる。本発明では、下りリンクのみに関心がある。近年の研究では、非特許文献2に記載のように、COMPはカバレッジの向上のみならず容量の増大をも提供可能であることが示されている。
COMPの利点を探求する技術は、2つのカテゴリ、即ち、シングルユーザCOMP(SU−COMP:Single-User COMP)とマルチユーザCOMP(MU−COMP:Multi-User COMP)とに分類できる。SU−COMP技術は、空間多重又は空間ダイバーシチを用いて、単一ユーザについてのリンク品質を向上させることを試みる。しかし、SU−COMP技術は、複数のユーザ間の相互干渉を管理することはできない。従って、無線リソース管理(RRM:Radio Resource Management)方式が、地理的に分離した、同一の時間/周波数資源を使用する複数のユーザのために必要となる。再利用距離は、SU−COMPの容量の増大を制限する。
MU−COMP技術は、複数ユーザへの信号/複数ユーザからの信号を同時に処理し、システム全体の性能を向上させることを試みる。MU−COMPは、マルチユーザ多入力・多出力(MU−MIMO)システムに非常に似ている。従って、ゼロ・フォーシング(ZF:Zero-Forcing)ビームフォーミング、ダーティ・ペーパ符号化(DPC:Darty Paper Coding)等の、MU−MIMOシステムのために開発された技術を、MU−COMPに直接的に適用することが可能である。これらの技術の一部は、非特許文献3に記載されている。
MU−COMP技術は、SU−COMPのように相互干渉を回避するために時間/周波数で複数のユーザを分離する必要がないため、COMPによってもたらされる容量限界を達成可能である。しかし、下りリンク伝送について、送信機は、全てのチャネル状態情報(CSI:channel state information)を知る必要があり、これは実現することが現実的ではない。MU−COMPの場合、従来のMU−MIMO技術を直接適用することには2つの主な欠点がある。
第1に、全てのチャネル要素(channel elements)が、UEからフィードバック、即ち、UEから上りリンクで送信される。これは、過剰な上りリンク・オーバヘッドを生じさせ、他の所望の上りリンク・トラヒックのために利用可能なリソースを減少させる。完全なチャネル知識が送信機において(例えばフィードバックにより)利用可能である、下りリンク用のMU−COMPの方法の一例は、ビーム重み行列W=HH(HHH)-1を用いるゼロ・フォーシング(ZF)ビームフォーミングにある。この場合、受信信号は次式で表現できる。
Figure 0005279913
式(1)が示すように、ZFビームフォーミングは、干渉を除去するだけでなく、所望の信号のチャネル応答を1に正規化する。UEは、検波前に受信信号の位相を調整できるため、このような送信機側の正規化は不要である。さらに、リンク品質及びレートが様々であることが望ましい場合もあるため、全てのユーザについての振幅の1への正規化は、必ずしも望ましくない。従って、送信電力も、ZF後の干渉のない各リンクについて個別的に設定されうる。
第2に、MU−COMPチャネルの特性が十分に探求されない。より具体的には、MU−MIMOの場合、送信機と受信機との間のチャネルは、独立かつ同一に分布する(IID:Independent and Identically Distributed)ランダム変数を用いてモデル化できる。しかし、MU−COMPの場合、複数のアンテナが地理的に分散されているために、各送信機と受信機との間のチャネル要素は、同一に分布していない。多くの場合、不要な信号のチャネル応答は、所望の信号のチャネル応答よりも非常に弱い。
A. A. M. Saleh, A. J. Rustako Jr., and R. S. Roman,"Distributed antennas for indoor radio communications (「屋内無線通信用の分散アンテナ」),"IEEE Transactions on Communications, vol. 35, no. 12, pp. 1245-1251, 1987. J. Gan et al.,"On sum rate and power consumption of multi-User distributed antenna system with circular antenna layout (「循環アンテナレイアウトを用いるマルチユーザ分散アンテナシステムの総レート及び電力装置について」),"EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, vol. 2007, Article ID 89780. G. J. Foschini et al., "The value of coherent base station coordination (「コヒーレント基地局協調の有用性」),"Proceedings of the 39th Annual Conference on Information Sciences and Systems (CISS' 05), March 2005. Joel Max,"Quantizing for minimum distortion (「歪みの最小化のための量子化」),"IRE Transactions on Information Theory, vol. IT-6, no. 1, pp. 7-12, March 1960.
本発明の1つ以上の実施形態によれば、受信UEによって確認される、地理的に分散された複数の送信アンテナによって送信された信号における受信信号強度の非類似性を利用することによって、MU−COMP無線通信ネットワークにおける上りリンクのオーバヘッドが大幅に低減される。各UEは、第2の送信機から強い強度で受信されたチャネルについてのチャネル要素と比較した、弱い強度で第1の送信機から受信されたチャネルについてのチャネル要素の、量子化された正規化測度を算出する。当該正規化測度は、複数の複素ガウス変数の比率としてモデル化されうるとともに、単純化する仮定を行うことによって位相及び振幅が量子化されうる。当該比率は量子化され、完全なチャネル状態情報を送信するのに必要となるであろうビットよりもはるかに少ないビットを使用して、ネットワークに送信される。当該ネットワークは、当該量子化された正規化測度を使用して、送信機重みを設定する。
2つの無線ヘッドと2ユーザとを有するMU−COMP下りリンクの簡略化した機能ブロック図である。 ガウス変数の実際の値と近似値とをプロットしたグラフである。 0.2の相互干渉を有するMU−COMP用の種々のフィードバック方式についての容量対SNRをプロットしたグラフである。 0.05の相互干渉を有するMU−COMP用の種々のフィードバック方式についての容量対SNRをプロットしたグラフである。 MU−COMP下りリンクの量子化及び送信の方法のフロー図である。
図1は、例示的なMU−COMP無線通信ネットワーク10の機能ブロック図を示す。コントローラ12は、地理的に分散された少なくとも2つの送信アンテナ14、16のそれぞれによって送信される信号に重み付けを行う。各アンテナ14、16からの信号は、動作エリア内の、即ちセル内の、少なくとも2つのユーザ装置(UE)18、20のそれぞれによって受信される。送信アンテナ14、16とUE18、20との双方が地理的に分散されているため、通常、各UE18、20は、各送信アンテナ14、16からの信号を同一の信号強度で受信することはない。そこどころか、パスロスに起因して、より近いアンテナ14、16によって送信された信号は、より強い強度で(strongly)受信され、より遠いアンテナ14、16によって送信された信号は、より弱い強度で(weakly)受信される。本発明の実施形態は、パスロスの差異についてのこの性質を利用して、UE18、20からネットワーク10への全体的な状態フィードバックに含まれる、上りリンクのオーバヘッドを低減する。
M個の分散したアンテナ14、16と、N個の単一アンテナUE18、20とを有するMU−COMP下りリンクについて検討する。説明を容易にするために、M=Nを想定する。他のケースへの拡張は容易である。xを、分散したアンテナ14、16からの送信信号ベクトルとする。これにより、受信信号は、次式のように表現できる。
Figure 0005279913
一般性を失うことなく、Hの対角要素は、非対角要素よりも(分散が)大きいことを想定しうる。この場合、式(2)は、さらに次式のように表現できる。
Figure 0005279913
ここで、
Figure 0005279913
の対角要素は1であり、第i行の非対角要素は、それぞれの元の値の、hi,iに対する比率である。これにより、送信ベクトルxは、
Figure 0005279913
の知識に従って生成されうる。これにより、ZFビームフォーミング、DPC等の従来の技術が適用されうる。diag(h1,1, h2,2,・・・, hM,M) の作用は、受信機側において調整されうる。MU−COMPのチャネル特性(特に、上述したパスロスの差異)に起因して、
Figure 0005279913
の非対角要素は、非常に小さくなりうる。従って、
Figure 0005279913
についての十分な知識を得るためには、少数のフィードバック・ビットのみが必要とされる。
Figure 0005279913
の非対角要素は、異なる分散を有する2つの複素ガウスランダム変数の比率である。例えば、
Figure 0005279913
であり、PL1,2とPL1,1は、大スケール(large scale)フェージング係数である。a、bは、単位分散を有する複素ガウスランダム変数である。PL1,2とPL1,1のそれぞれは、各信号強度の平方根を表す。これは、上りリンク信号、即ち、極めてまれにUE18、20によって送信される信号を検出することによって得ることができる。従って、量子化された測度a/bのみがUE18、20からネットワーク10にフィードバックされるべきである。この変数は、位相が [0:2π] の一様分布を有する。対数領域における振幅
Figure 0005279913
は、確率密度関数(PDF)
Figure 0005279913
を有する。
a/bは、位相と振幅において、それぞれq1ビット、q2ビットを用いて個別に量子化されうる。一様分布した位相についてのq1ビットを用いた量子化は容易である。その出力レベルは、
Figure 0005279913
となりうる。
振幅は、3.5の標準偏差を有するガウス変数として
Figure 0005279913
を近似することによって、量子化されうる。図2は、実際の値及びそのような近似のグラフを示す。図2が示すように、当該近似は非常に正確である。ガウス変数についての最適な近似方法は、非特許文献4に開示されており、本明細書においてその全体を援用する。この方法は、
Figure 0005279913
を量子化するために使用されうる。1から5までの異なる量子化ビットq2についての出力レベルを表1に示している。正の出力レベルのみを示しており、負の出力レベルについては、それらの正値に対応する負値である。
Figure 0005279913
正規化測度についての他の形式が使用されてもよい。例えば、複素ガウスランダム変数の比率の対数が使用されてもよく、ここで、log(abs(h1))−log(abs(h2)) は実数部であり、arg(h1)−arg(h2) は虚数部である。
2つの分散したアンテナ14、16と、2つの単一アンテナUE18、20とを有する、図1に示すMU−COMPネットワークの性能のシミュレーションを行った。当該シミュレーションにおいては、E(|h1,1|2)=E(|h2,2|2)=1、E(|h1,2|2)=E(|h2,1|2)=α2を想定しており、α≦1は相互干渉(cross interference)として定義されている。
図3は相互干渉0.2の場合のシミュレーション結果を示し、図4は相互干渉0.05の場合のシミュレーション結果を示す。異なるフィードバック方式についての性能をグラフに示している。完全CSI方式の場合、チャネル行列は送信機側において既知であるものとする。各実数について10ビットの量子化が使用されているものとする。完全CSI方式は、チャネル行列をフィードバックするためには10*2*4=80ビットを必要とする。これに対して、本発明の実施形態に係るフィードバック方式は、2つのUE18、20について(q1+q2)×2個のフィードバック・ビットのみを必要とする。これは、完全CSI方式の場合に必要とされるビット数よりも大幅に少なく、その結果、本発明の実施形態は、MU−COMPネットワークにおける上りリンクのオーバヘッドを劇的に低減することができる。
図3及び図4に示すように、チャネル状態フィードバックが増加するにつれて、ネットワーク容量は増加する。本発明の制限フィードバック方式と完全CSI方式との間には小さな性能ギャップが存在する一方で、相互干渉が少ない場合には、その差分は非常に少ない。相互干渉は適切なユーザグループ化方式によって管理されうるため、本発明によってCSIフィードバックを低減することは、非常に実用的かつ有益である。さらに、チャネル状態フィードバックの量は、所要の又は所望のSNRを維持するために必要に応じて動的に変化しうる。追加的又は代替的には、CSIフィードバックの頻度(frequency)が、その状態を理由として変更されうる。
図5は、MU−COMP無線通信ネットワーク10を動作させる方法100と、MU−COMP無線通信ネットワーク10内のUE18、20を動作させる方法200とを示す。破線の矢印は、2つの方法100、200間の制御フローを示す。方法100、200の双方が連続して継続することを当業者は理解する一方で、説明のために、方法100は、少なくとも2つの地理的に分散されたアンテナ14、16から、(パイロットシンボル又はチャネル推定シンボルとしても知られている)基準シンボルを送信することによって「開始される」(ブロック102)。方法200は、少なくとも2つの地理的に分散されたアンテナから送信された基準シンボルをUE18、20が受信した際に「開始される」(ブロック202)。
UE18、20は、弱い強度で受信されたチャネルのチャネル要素と、強い強度で受信されたチャネルのチャネル要素との比率等の、量子化された正規化測度を算出する(ブロック204)。UE18、20は、当該量子化された正規化測度をネットワークに送信し(ブロック206)、次に、より多くの基準シンボルを受信する(ブロック202)。当該ネットワーク内のコントローラ12は、2つ以上のUE18、20から受信した、量子化された正規化測度に基づいて、複素数の送信機重みを算出できる(ブロック104)。コントローラ12は、当該送信機重みを、当該算出した値に設定し(ブロック106)、次に、より多くの基準シンボルを送信する(ブロック102)。特に、コントローラ12は、UE18、20からの量子化された正規化測度を使用して、チャネル行列を生成するとともに、下りリンクでデータを送信する際に当該チャネル行列を使用する。
ブロック206においてUE18、20によって送信された、量子化された正規化測度は、先行技術のMU−COMP又はMU−MIMOシステムによって必要とされる完全なチャネル状態情報(CSI)よりも、大幅に少ないビットで表現される。これにより、方法100及び200を実施する、本発明の実施形態においては、上りリンクのオーバヘッドが大幅に低減される。
当然ながら、本発明は、本発明の本質的な特徴から逸脱することなく、本明細書において具体的に説明した手法以外の手法においても実施できよう。本発明の実施形態は、あらゆる点で例示的であり限定的ではないと考えられるべきであり、添付した特許請求の範囲の意図する範囲内及び均等の範囲内のあらゆる変更は、それらの範囲内に包含されることが意図されている。

Claims (25)

  1. コントローラ(12)と少なくとも2つの地理的に分散された送信機(14, 16)とを備え、少なくとも2つのユーザ装置(UE)(18, 20)が信号を受信する、マルチユーザ協調マルチポイント送信/受信(MU−COMP)無線通信ネットワーク(10)において、送信機(14, 16)から信号を送信する方法(100)であって、
    各送信機(14, 16)から基準シンボルを送信するステップと、
    第1の送信機(14, 16)から受信された第1のチャネル、及び第2の送信機(14, 16)から受信された第2のチャネル、についてのチャネル要素の量子化された正規化測度を、前記少なくとも2つのUE(18, 20)のそれぞれから受信するステップであって、前記第1のチャネルは前記第2のチャネルよりも弱い信号強度で受信される、ステップと、
    前記少なくとも2つのUEから受信された前記量子化された正規化測度に基づいて、協調マルチポイント送信/受信(COMP)送信重みを決定するステップと
    を含み、
    量子化された各正規化測度は、異なる分散を有する複数の複素ガウスランダム変数の比率で表され、
    異なる分散を有する複数の複素ガウスランダム変数の前記比率は、前記第2のチャネルの信号強度に対する前記第1のチャネルの信号強度の比率でスケーリングされた、単位分散を有する複数の複素ガウスランダム変数の比率としてモデル化される
    ことを特徴とする方法。
  2. 単位分散を有する複数の複素ガウスランダム変数の前記比率は、位相及び振幅が個別に量子化されることを特徴とする請求項に記載の方法。
  3. 単位分散を有する複数の複素ガウスランダム変数の前記比率は、[0:2π] で一様な位相分布を有することを特徴とする請求項に記載の方法。
  4. 単位分散を有する複数の複素ガウスランダム変数の前記比率の、対数領域における振幅は、3.5の標準偏差を有するガウス変数として前記振幅を近似することによって量子化されることを特徴とする請求項に記載の方法。
  5. チャネル要素についての量子化された正規化測度を受信する頻度は、動的に変化することを特徴とする請求項1に記載の方法。
  6. 前記少なくとも2つのUEから受信された前記量子化された正規化測度に基づいてCOMP送信重みを決定する前記ステップは、受信された前記量子化された正規化測度を用いてチャネル行列を生成するステップを含み、
    前記方法は、下りリンクでデータを送信する際に前記チャネル行列を使用するステップをさらに含む
    ことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  7. UE(18, 20)の数は、送信機(14, 16)の数以下であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  8. 少なくとも2つの地理的に分散された送信機(14, 16)を備えるマルチユーザ協調マルチポイント送信/受信(MU−COMP)無線通信ネットワーク(10)において、信号を受信する複数のユーザ装置(UE)(18, 20)のうちの1つがチャネル情報を量子化して送信する方法(200)であって、
    2つ以上の送信機(14, 16)から基準シンボルを受信するステップと、
    第1の送信機(14, 16)から受信されたチャネル、及び第2の送信機(14, 16)から受信されたチャネル、についてのチャネル要素の量子化された正規化測度を算出するステップであって、前記第1の送信機(14, 16)から受信されるチャネルは前記第2の送信機(14, 16)から受信されるチャネルよりも弱い信号強度で受信される、ステップと、
    前記量子化された正規化測度を前記ネットワーク(10)に送信するステップと
    を含み、
    前記量子化された正規化測度は、異なる分散を有する複数の複素ガウスランダム変数の比率で表され、
    異なる分散を有する複数の複素ガウスランダム変数の前記比率は、前記第2の送信機から受信されたチャネルの信号強度に対する前記第1の送信機から受信されたチャネルの信号強度の比率でスケーリングされた、単位分散を有する複数の複素ガウスランダム変数の比率としてモデル化される
    ことを特徴とする方法。
  9. 単位分散を有する複数の複素ガウスランダム変数の前記比率は、位相及び振幅が個別に量子化されることを特徴とする請求項に記載の方法。
  10. 単位分散を有する複数の複素ガウスランダム変数の前記比率は、[0:2π] で一様な位相分布を有することを特徴とする請求項に記載の方法。
  11. 単位分散を有する複数の複素ガウスランダム変数の前記比率の、対数領域における振幅は、3.5の標準偏差を有するガウス変数として前記振幅を近似することによって量子化されることを特徴とする請求項に記載の方法。
  12. 前記量子化された正規化測度を前記ネットワーク(10)に送信する頻度は、動的に変化することを特徴とする請求項に記載の方法。
  13. UE(18, 20)の数は、送信機(14, 16)の数以下であることを特徴とする請求項に記載の方法。
  14. マルチユーザ協調マルチポイント送信/受信(MU−COMP)無線通信ネットワーク(10)であって、
    それぞれが基準シンボルを送信する、少なくとも2つの地理的に分散された送信機(14, 16)と、
    前記シンボルを受信する少なくとも2つのユーザ装置(UE)(18, 20)から受信された、量子化された正規化測度に基づいて、前記送信機(14, 16)から送信される信号に重み付けを行うコントローラ(12)と
    を備え、
    量子化された正規化測度のそれぞれは、第1の送信機(14, 16)から受信されたチャネル、及び第2の送信機(14, 16)から受信されたチャネル、についてのチャネル要素の量子化された正規化測度であり、前記第1の送信機(14, 16)から受信されるチャネルは前記第2の送信機(14, 16)から受信されるチャネルよりも弱い信号強度で受信され
    量子化された各正規化測度は、異なる分散を有する複数の複素ガウスランダム変数の比率で表され、
    異なる分散を有する複数の複素ガウスランダム変数の前記比率は、前記第2の送信機から受信されたチャネルの信号強度に対する前記第1の送信機から受信されたチャネルの信号強度の比率でスケーリングされた、単位分散を有する複数の複素ガウスランダム変数の比率としてモデル化される
    ことを特徴とするネットワーク。
  15. 単位分散を有する複数の複素ガウスランダム変数の前記比率は、位相及び振幅が個別に量子化されることを特徴とする請求項14に記載のネットワーク。
  16. 単位分散を有する複数の複素ガウスランダム変数の前記比率は、[0:2π] で一様な位相分布を有することを特徴とする請求項14に記載のネットワーク。
  17. 単位分散を有する複数の複素ガウスランダム変数の前記比率の、対数領域における振幅は、3.5の標準偏差を有するガウス変数として前記振幅を近似することによって量子化されることを特徴とする請求項14に記載のネットワーク。
  18. 量子化された正規化測度を前記少なくとも2つのUE(18, 20)のそれぞれから受信する頻度は、動的に変化することを特徴とする請求項14に記載のネットワーク。
  19. 前記コントローラは、受信された前記量子化された正規化測度を用いてチャネル行列を生成することによって、転送信号への重み付けを行い、下りリンクでデータを送信する際に前記チャネル行列を使用することを特徴とする請求項14に記載のネットワーク。
  20. UE(18, 20)の数は、送信機(14, 16)の数以下であることを特徴とする請求項14に記載のネットワーク。
  21. マルチユーザ協調マルチポイント送信/受信(MU−COMP)無線通信ネットワーク(10)において動作するユーザ装置(UE)(18, 20)であって、
    地理的に分散された少なくとも2つの送信機(14, 16)から送信された複数の基準シンボルを受信する受信機と、
    第1の送信機(14, 16)から受信されたチャネル、及び第2の送信機(14, 16)から受信されたチャネル、についてのチャネル要素の量子化された正規化測度を算出するコントローラであって、前記第1の送信機(14, 16)から受信されるチャネルは前記第2の送信機(14, 16)から受信されるチャネルよりも弱い信号強度で受信される、コントローラと、
    前記量子化された正規化測度を前記ネットワーク(10)に送信する送信機と
    を備え
    前記量子化された正規化測度は、異なる分散を有する複数の複素ガウスランダム変数の比率で表され、
    異なる分散を有する複数の複素ガウスランダム変数の前記比率は、前記第2の送信機から受信されたチャネルの信号強度に対する前記第1の送信機から受信されたチャネルの信号強度の比率でスケーリングされた、単位分散を有する複数の複素ガウスランダム変数の比率としてモデル化される
    ことを特徴とするユーザ装置。
  22. 単位分散を有する複数の複素ガウスランダム変数の前記比率は、位相及び振幅が個別に量子化されることを特徴とする請求項21に記載のユーザ装置。
  23. 単位分散を有する複数の複素ガウスランダム変数の前記比率は、[0:2π] で一様な位相分布を有することを特徴とする請求項21に記載のユーザ装置。
  24. 単位分散を有する複数の複素ガウスランダム変数の前記比率の、対数領域における振幅は、3.5の標準偏差を有するガウス変数として前記振幅を近似することによって量子化されることを特徴とする請求項21に記載のユーザ装置。
  25. 前記送信機は、さらに、前記量子化された正規化測度を前記ネットワーク(10)に送信する頻度を動的に変化させることを特徴とする請求項21に記載のユーザ装置。
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