JP5312589B2 - 多重アンテナ伝送プリコーディングコードブックを生成する方法及び装置 - Google Patents

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Description

本発明は多重アンテナ伝送プリコーディングコードブックを生成する方法及び装置に関する。
本願では、
をＸａ ｂと表記する。
本願では、
をＡ(×)Ｂと表記する。
本願では、
を｛±（Ａ＋Ｂ）／√２｝と表記する。
多重入力多重出力（Multiple Input Multiple Output：ＭＩＭＯ）通信システムは、少なくとも一つの基地局と少なくとも一つの加入者局との間でデータを送受信できるシステムである。各基地局及び各加入者局は複数のアンテナを含むので、ＭＩＭＯ方式は、データの送受信効率を改善させることができる。
コードブックベースのプリコーディング(pre-coding)ＭＩＭＯは、ダウンリンク閉ループ(closed-loop)ＭＩＭＯで大きなスペクトル効率利得を提供することができる。ＩＥＥＥ８０２.１６ｅ及び３ＧＰＰ ＬＴＥ標準では、フィードバックベースの閉ループＭＩＭＯのために使用される４送信器(４ＴＸ)アンテナが提案される。そして、ＩＥＥＥ８０２.１６ｍ及び３ＧＰＰ ＬＴＥ-Ａｄｖａｎｃｅｄ標準では、ピークスペクトル効率を提供するために、８送信器(８ＴＸ)アンテナ構成は、主要なプリコーディング閉ループＭＩＭＯダウンリンクシステムとして提案される。
一方、コードブックは、４ＴＸ単一ユーザー(Single-User)ＭＩＭＯ(ＳＵ-ＭＩＭＯ)に対して複雑性及び性能に基づいて決定される。一般的に、コードブックは、非相関チャンネルを考慮して決定される。実際の通信環境において、非相関チャンネルは、アンテナが加入者局で少なくとも半波長(０.５λ)離隔されており、基地局では少なくとも１０波長(１０λ)離隔されていることを意味する。全体アンテナアレイの次元(一般的に１０波長と仮定)が与えられると、それぞれの送信アンテナは、相関される可能性がある。したがって、コードブックは、一般的に相関アレイに基づいて決定される。
３ＧＰＰ ＬＴＥ標準において、４ＴＸコードブックは、同一次元の１６個の生成ベクトルが与えられたハウスホルダー変換に基づいて生成される。したがって、生成ベクトルの６４個のエレメントを格納するために大きいサイズのメモリが要求される。ハウスホルダー変換は、定数モジュラス(constant modulus)特性を有する４×４単位マトリックス(Unitary Matrix)を提供する。しかしながら、４次元ハウスホルダー変換を除き、他の次元のハウスホルダー変換は定数モジュラス特性を保存することができない。定数モジュラス特性は、通信システムにおいて重要に使用されるため、ハウスホルダー変換は、コードブックを決定するための適合した接近法でない。
したがって、定数モジュラスコードブックを生成する方法及び装置に対する改善が従来技術で要求されている。特に、従来には４個以上の送信器を含むＭＩＭＯシステムで活用できる定数モジュラスコードブックが要求されている。
上記のような目的を達成するために、本発明の一態様によれば、複数の加入者局と通信を遂行する基地局であって、閉ループ単一ユーザーＭＩＭＯ(ＳＵ-ＭＩＭＯ)方式に使用される４ビット８送信器アンテナプリコーディングコードブックを用いてデータをＭＩＭＯアンテナシステムを通じて前記複数の加入者局に送信するエンコーダを含み、前記４ビット８送信器アンテナプリコーディングコードブックは下記の＜表１＞のように定義されることを特徴とする。
ここで、ＣＷインデックスは符号語インデックスを表し、ランクｉ(i＝３，４，５，６，７，８)は同時に送信されるデータストリームの個数を表し、ベースマトリックスは４ビット８送信器アンテナプリコーディングコードブックを生成するために使用されるマトリックスを表す。
本発明の他の態様によれば、多重入力多重出力(ＭＩＭＯ)システムを通じて複数の加入者局にデータを送受信するためのコードブックを生成する装置であって、閉ループ単一ユーザーＭＩＭＯ(ＳＵ-ＭＩＭＯ)方式に使用される４ビット８送信器アンテナプリコーディングコードブックを生成するコードブック生成器を含み、前記４ビット８送信器アンテナプリコーディングコードブックは下記の＜表２＞のように定義されることを特徴とする。
ここで、ＣＷインデックスは符号語インデックスを表し、ランクｉ(i＝３，４，５，６，７，８)は同時に送信されるデータストリームの個数を表し、ベースマトリックスは４ビット８送信器アンテナプリコーディングコードブックを生成するために使用されるマトリックスを表す。
また、本発明の他の態様によれば、基地局における複数の加入者局と通信を遂行する方法であって、閉ループ単一ユーザーＭＩＭＯ(ＳＵ-ＭＩＭＯ)方式に使用される４ビット８送信器アンテナプリコーディングコードブックを使用し、データをＭＩＭＯアンテナシステムを通じて前記複数の加入者局に送信するステップを有し、前記４ビット８送信器アンテナプリコーディングコードブックは下記の＜表３＞のように定義されることを特徴とする。
ここで、ＣＷインデックスは符号語インデックスを表し、ランクｉ(i＝３，４，５，６，７，８)は同時に送信されるデータストリームの個数を表し、ベースマトリックスは４ビット８送信器アンテナプリコーディングコードブックを生成するために使用されるマトリックスを表す。
本明細書で使用される用語及び文句において、“含む(include)”、“構成する(comprise)”、及びこれらの派生語は限定を意味するものでなく、包括を意味する。用語“又は”は‘及び/又は’を包括的に意味する。文句“〜に関連した”、“それに関連した”だけでなくその派生語は、含む、〜内に含まれる、〜と相互接続する、包含する、〜内に含まれている、〜に又は〜と接続する、〜に又は〜と結合する、〜と通信可能である、〜と協力する、インタリーブする、併置する、〜に近接する、〜に又は〜と束縛される、有する、〜の特性を有するなどを意味することができる。用語“制御器”は、少なくとも一つの動作を制御する任意の装置、システム、又はこれらの一部を意味する。このような装置は、ハードウェア、ファームウエア、ソフトウェア、又はこれらのうち少なくとも２個の組み合わせで実施されることができる。任意の特定制御器に関連した機能は、局部又は遠隔的に中央集中方式又は分散方式で実現されることができることに留意する。特定用語及び文句に対する定義は本発明を通じて提供され、当業者は多くの部分(大部分ではない)でこのような定義が従来及び将来の使用に適用されることを理解しなければならない。
本発明とそれによって存在するより完全な理解と、それに従う多くの利点のより完全な理解を容易に明らかになり、添付された図面との結合を考慮すれば、後述する詳細な説明を参照してよりよく理解できる。
本発明は、コードブック設計方法論及び３ＧＰＰ ＬＴＥ Ａｄｖａｎｃｅｄ及びＩＥＥＥ８０２.１６ｍ標準で閉ループＳＵ-ＭＩＭＯシステムに基づいた４ＴＸ及び８ＴＸプリコーディングで使用されるコードブックを提供する。また、本発明は、３ＧＰＰ ＬＴＥ Ａｄｖａｎｃｅｄ、ＩＥＥＥ８０２.１６ｍ、及びこれら標準の将来発展(evolution)に容易に統合されることができる。
本発明の一実施形態によるデータストリームを復号化する無線ネットワークの一例を示す図である。 本発明の実施形態によるデータストリームを復号化するＭＩＭＯシステムを示す図である。 本発明の実施形態による多重符号語(multi-codeword)ＭＩＭＯエンコーダの詳細を示す図である。 本発明の実施形態によるＭＩＭＯ通信システムを示す図である。 本発明の実施形態によるＭ-ＰＳＫアルファベットに基づいた１ステージＣＨ変換(one-stage CH transformation）を示す図である。 本発明の実施形態によるＭ-ＰＳＫアルファベットに基づいた２ステージＣＨ変換を示す図である。 本発明の実施形態によるＭ-ＰＳＫアルファベットに基づいたＮステージＣＨ変換を示す図である。 本発明の実施形態による第１のコードブックを示す図である。 本発明の実施形態による第２のコードブックを示す図である。 本発明の実施形態による第３のコードブックを示す図である。 本発明の実施形態による第４のコードブックを示す図である。 本発明の実施形態による第２のコードブックの第１の列サブセット割り当てを示す図である。 本発明の実施形態による第２のコードブックの第２の列サブセット割り当てを示す図である。
以下、本発明の望ましい実施形態を添付の図面を参照して詳細に説明する。
図１〜図１３及び本発明の原理を説明するために使用される多様な実施形態は、図示のみを説明するためのもので、本発明の範囲を制限する如何なる方式でも解析されてはならない。本発明の原理が任意の適当に配列された無線通信システムで実施されることは、当該技術分野における通常の知識を持つ者には理解できることである。
本明細書では、ＬＴＥ通信システムで使用される“ノードＢ”は、以下に使用される用語“基地局”であることに注意する。また、ＬＴＥ通信システムで使用される“ユーザー装置”又は“ＵＥ”は、以下に使用される用語“加入者局”である。
図１は、本発明の一実施形態によるデータストリームを復号化する無線ネットワークの一例を示す。図１を参照すると、無線ネットワーク１００は、基地局(ＢＳ)１０１、基地局(ＢＳ)１０２、及び基地局(ＢＳ)１０３を含む。基地局１０１は、基地局１０２及び基地局１０３と通信を行う。また、基地局１０１は、インターネット、私設(proprietary)インターネットプロトコル(ＩＰ)ネットワーク、又はその他のデータネットワークのようなＩＰネットワーク１３０と通信を行う。
基地局１０２は、基地局１０１を通じて無線広帯域アクセスをＩＰネットワーク１３０に提供し、基地局１０２のカバレッジ領域１２０内の第１の複数加入者局に無線広帯域アクセスを提供する。第１の複数加入者局は、加入者局(ＳＳ）１１１、加入者局(ＳＳ)１１２、加入者局(ＳＳ)１１３、加入者局(ＳＳ)１１４、加入者局(ＳＳ)１１５、及び加入者局(ＳＳ)１１６を含む。加入者局(ＳＳ）１１１〜１１６は、携帯電話、モバイルＰＤＡ、及び任意の移動局(ＭＳ)のような任意の無線通信装置となり得るが、これに限定されるものではない。本実施形態において、ＳＳ１１１は小企業(Small Business：ＳＢ)に、ＳＳ１１２は大企業(Enterprise：Ｅ)に、ＳＳ１１３はＷｉＦｉホットスポット(HotSpot：ＨＳ)に、ＳＳ１１４は第１の居住地(Residence：Ｒ)にそれぞれ位置することができ、ＳＳ１１５は第２の居住地(Ｒ)に位置し、ＳＳ１１６はモバイル(Ｍ)装置となることができる。
基地局１０３は、基地局１０１を通じて無線広帯域アクセスをＩＰネットワーク１３０に提供し、基地局１０３のカバレッジ領域１２５内の第２の複数加入者局に無線広帯域アクセスを提供する。第２の複数加入者局は、加入者局１１５及び加入者局１１６を含む。本発明の他の実施形態では、基地局１０２及び１０３は、基地局１０１を通じて間接的に接続するよりは、光ファイバ、デジタル加入者回線(Digital Subscriber Line：ＤＳＬ)、ケーブル又はＴ１/Ｅ１回線のような有線広帯域接続によってＩＰネットワーク１３０に直接接続されることもできる。
また、本発明の他の実施形態において、基地局１０１は、図１に示したより少なくあるいはより多くの基地局と通信を遂行することもできる。さらに、図１には６個の加入者局(１１１〜１１６)のみを示したが、無線ネットワーク１００は、無線広帯域アクセスを６個以上の加入者局に提供することもできることがわかる。加入者局１１５及び加入者局１１６は、カバレッジ領域１２０及びカバレッジ領域１２５両方の端部(edge)に位置する。それによって、加入者局１１５及び加入者局１１６は、各々基地局１０２及び基地局１０３両方と通信を遂行し、当業者には周知のように、ハンドオフモードで動作する。
本実施形態において、基地局１０１〜１０３は、相互に通信を遂行し、例えばＩＥＥＥ-８０２.１６ｅ標準のようなＩＥＥＥ-８０２.１６ｅ無線大都市領域ネットワーク標準を用いて加入者局１１１〜１１６と通信を遂行する。しかしながら、他の実施形態では、ＩＥＥＥ-８０２．１６ｅとは異なる無線プロトコル、例えば無線大都市領域ネットワーク標準のようなＨＩＰＥＲＭＡＮが採用されることもできる。基地局１０１は、無線バックホール(wireless backhaul)に使用される技術に基づき、直線見通し線(direct line-of-sight)又は非見通し線(non-line-of-sight)を通じて基地局１０２及び基地局１０３と通信を遂行することができる。基地局１０２及び基地局１０３は、ＯＦＤＭ及び/又はＯＦＤＭＡ技術を用いて加入者局１１１〜１１６と非見通し線を通じて相互に通信を遂行することができる。
基地局１０２は、大企業と関連した加入者局１１２にＴ１レベルサービスを提供し、小企業と関連した加入者局１１１にフラクショナル(fractional)Ｔ１レベルサービスを提供することができる。基地局１０２は、空港、カフェ、ホテル、又は大学キャンパスに位置されるＷｉＦｉホットスポットに関連した加入者局１１３に対して無線バックホールを提供することもできる。基地局１０２は、加入者局１１４、１１５，１１６にＤＳＬレベルサービスを提供することができる。
加入者局１１１〜１１６は、音声、データ、ビデオ、ビデオ遠隔会議、及び/又はその他の広帯域サービスをアクセスするためにＩＰネットワーク１３０に広帯域アクセスを使用することができる。本実施形態では、一つ以上の加入者局１１１〜１１６は、ＷｉＦｉ ＷＬＡＮのアクセスポイント(ＡＰ)と関連されることができる。加入者局１１６は、無線方式のラップトップ(laptop)コンピュータ、個人用携帯端末機(Personal Data Assistant：ＰＤＡ)、ノートブック、携帯用(handheld)装置、又はその他の無線装置を含む、任意の数個のモバイル装置となり得る。加入者局１１４及び加入者局１１５は、一例として無線方式の個人用コンピュータ、ラップトップコンピュータ、ゲートウェイ又は他の装置となり得る。
図１で点線は、カバレッジ領域１２０及び１２５の近似範囲を表し、図示及び説明のためにほぼ円形で示す。基地局と関連したカバレッジ領域、例えば基地局１０２，１０３のカバレッジ領域１２０及び１２５は、その基地局の構成及び自然と人工的な障害物と関連した無線環境での変動状況に基づき、不規則な形態を含む様々な形態を有することができる。
また、基地局のカバレッジ領域は、時間に従ってその形態が一定でなく、基地局及び/又は加入者局の送信電力レベル、気候条件、及びその他のエレメントの変化に従って拡張又は縮小など形態が動的に変形され得る。一実施形態において、基地局のカバレッジ領域、例えば基地局１０２及び１０３のカバレッジ領域１２０及び１２５の半径は、基地局１０２及び１０３から２Ｋｍ未満から５０Ｋｍの範囲に拡張することができる。
従来技術でよく知られているように、基地局１０１、１０２、１０３のような基地局は、セルカバレッジ領域内で複数のセクタを支援するために指向性アンテナを採用することができる。図１において、基地局１０２及び１０３は、各々セルカバレッジ領域１２０及び１２５の中央に概略的に図示されている。他の実施形態で、指向性アンテナの使用は、カバレッジ領域の端部近くに、例えば円錐形又は梨形のカバレッジ領域の先端部(point)に基地局１０２，１０３を位置させることができる。
基地局１０１からＩＰネットワーク１３０への接続は、中央局に位置したサーバ又は他の動作中である会社のＰＯＰ(Point-Of-Presence)に広帯域接続、例えば光ファイバ回線を具備することができる。サーバは、インターネットプロトコル(ＩＰ)ベースの通信のためのインターネットゲートウェイ及び音声ベースの通信のための公衆交換電話ネットワークのゲートウェイに通信を提供する。ＶｏＩＰ(Voice-over-IP）の形態で音声ベースの通信を行う場合に、トラフィックは、公衆交換電話ネットワーク(Public Switched Telephone Network：ＰＳＴＮ)ゲートウェイの代わりにインターネットゲートウェイに直接送信されることができる。サーバ、インターネットゲートウェイ、及びＰＳＴＮゲートウェイは、図１に示されていない。他の実施形態では、ＩＰネットワーク１３０への接続は、異なるネットワークノード及び装置によって提供されることができる。
本発明の実施形態によると、基地局１０１〜１０３のうち一つ以上及び/又は加入者局１１１〜１１６のうち一つ以上は、複数の送信アンテナから結合されたデータストリームとして受信された複数のデータストリームをＭＭＳＥ-ＳＩＣ(Minimum Mean Squared Error with Successive Interference Cancellation)アルゴリズムを用いてデコーディングするために動作可能な受信器を含む。次に、より詳細に説明するように、受信器は、データストリームの強さ関連の特性に基づいて算出されるそれぞれのデータストリームに対する復号化予測メートル(Decoding Prediction Metric：ＤＰＭ)に基づいてデータストリームの復号化順序を決定する。したがって、一般的に、受信器は、まず最も強いデータストリームを復号化し、次に強いデータストリームが続いて復号化される方式である。その結果、受信器の復号化過程は、最適の順序を探すためにすべての可能な復号化順序を検索する受信器だけ複雑でなく、ランダムに又は所定の順序でストリームを復号化する受信器と比較して性能が改善される。
図２は、本発明の実施形態によるデータストリームを復号化するＭＩＭＯシステムを示す。図２を参照すると、ＭＩＭＯシステム２００は、無線インターフェース２１５を介して通信を遂行する送信器２０５及び受信器２１０を含む。これら送信器２０５及び受信器２１０は、一例として各々基地局及び加入者局となり得る。
送信器２０５は、多重符号語ＭＩＭＯエンコーダ２２０及び複数のアンテナ２２５を含み、複数のアンテナ２２５は、それぞれ多重符号語ＭＩＭＯエンコーダ２２０によって生成された異なるデータストリーム２３０を送信する。受信器２１０は、空間処理ブロック２５０及び複数のアンテナ２５５を含み、それぞれのアンテナは、送信器２０５のアンテナ２２５を含む複数のソースから結合されたデータストリーム２６０を受信する。空間処理ブロック２５０は、結合されたデータストリーム２６０をデータストリーム２６５に復号化し、これらストリームは、アンテナ２２５によって送信されたデータストリーム２３０と実質的に同一である。
空間処理ブロック２５０は、各々データストリーム２６５に対するＤＰＭに基づいてデータストリーム２６５を復号化するための順序を選択するＭＭＳＥ-ＳＩＣ手続きを用いて結合されたデータストリーム２６０からデータストリーム２６５を復号化する。各データストリーム２６５に対するＤＰＭは、データストリーム２６５に関連した強さ関連の特性に基づく。したがって、例えば、ＤＰＭは、データストリーム２６５に関連したチャンネルの容量、データストリーム２６５に対する有効ＳＩＮＲ(Signal-to-Interference and a Noise Ratio)、及び/又は任意の他の適切な強さ関連の特性に基づく。上記のような復号化過程を通じて、受信器２１０は、最適の復号化順序を探すためにすべての可能な復号化順序を検索する受信器の複雑性を減少させ、ランダムな順序でストリームを復号化する受信器より良好な性能を提供する。
以下、図３を参照して、図２に示した多重符号語ＭＩＭＯエンコーダ２２０の構成に対して具体的に説明する。図３は、本発明の実施形態による多重符号語ＭＩＭＯエンコーダを示すブロック構成図である。図３を参照すると、多重符号語ＭＩＭＯエンコーダ２２０は、デマルチプレクサ(ＤＥＭＵＸ)３０５、複数のＣＲＣ(Cyclic Redundancy Code)ブロック３１０ａ，３１０ｂ、複数のコーダ３１５ａ，３１５ｂ、複数の変調器３２０ａ，３２０ｂ、及びプリコーダ３２５を含む。このエンコーダ２２０は、情報ブロックを受信し、アンテナ２２５ａ，２２５ｂを介して送信する情報ブロックに基づいたデータストリーム２３０ａ，２３０ｂを生成する。この実施形態では、２個のストリーム２３０ａ，２３０ｂをアンテナ２２５ａ，２２５ｂによって送信するために、多重符号語ＭＩＭＯエンコーダ２２０が２セットのコンポーネント３１０ａ及び３１０ｂ、３１５ａ及び３１５ｂ、３２０ａ及び３２０ｂを含むことを示す。しかしながら、このエンコーダ２２０が含むコンポーネントのセットは多様に変更可能である。
ＤＥＭＵＸ３０５は、情報ブロックを複数のより小さい情報ブロック、又はストリーム３４０ａ，３４０ｂにデマルチプレクシングする。それぞれのＣＲＣブロック３１０ａ，３１０ｂは、ＣＲＣデータをデマルチプレクシングされたストリーム３４０ａ，３４０ｂに追加する。続いて、コーダ３１５ａ，３１５ｂはＣＲＣデータが追加されたストリームをそれぞれ符号化し、変調器３２０ａ，３２０ｂは符号化されたストリームを各々変調する。符号化及び変調後に、データストリームは、プリコーダ３２５でプリコーディングアルゴリズムを通じてプリコーディングされ、これらプリコーディングされたストリーム２３０ａ，２３０ｂは分離された複数のアンテナ２２５ａ，２２５ｂのそれぞれを介して送信される。
多重符号語ＭＩＭＯエンコーダ２２０では、異なる方式の変調及び符号化がストリーム３４０ａ，３４０ｂの各々に適用されることができる。したがって、例えば、コーダ３１５ａはコーダ３１５ｂと異なる方式で符号化を実行することができ、変調器３２０ａは変調器３２０ｂと異なる方式で変調を実行することもできる。多重符号語送信を用いて、ＣＲＣチェックは、符号語が受信器２１０で全体信号から除去される前に符号語の各々に対して選択的に実行され得る。チェックが遂行される場合に、干渉伝搬(interference propagation)は、正確に受信された符号語のみを除去することによって除去プロセスで回避することができる。
プリコーダ３２５は、多重受信アンテナシステムのスループット性能を最大化するために多層ビーム形成(multi-layer beamforming)に使用される。信号の多重ストリームは、リンクスループットが受信器出力で最大化するようにそれぞれ独立的で、適当にウェイティング(weighting)された送信アンテナを通じて送信される。多重符号語ＭＩＭＯのためのプリコーディング方法は、線形及び非線形プリコーディング形態で細分化できる。線形プリコーディング方法は、非線形プリコーディング方法に比べて複雑性がさらに低いので、合理的に処理量性能を向上させることができる。線形プリコーディング方法は、単一のプリコーディング(unitary precoding)及びゼロフォーシング(Zero-Forcing：ＺＦ)プリコーディング方法を含む。非線形プリコーディング方法は、複雑性が高いが、最適の容量を獲得できる。非線形プリコーディング方法は、ＤＰＣ(Dirty Paper Coding)の概念に基づいて設計される。ＤＰＣ方式は、最適のプリコーディング方式が送信信号に適用される場合に無線リソースの損失なしに送信器での干渉が除去されることができる。プリコーディングは、複数の空間ビームを含むマトリックスに信号パケットに対応するベクトルを乗算する計算プロセスを通じて遂行され得る。
図４は、本発明の実施形態によるＭＩＭＯ通信システムを示す。図４に示すＭＩＭＯ通信システム４００は、本発明の実施形態によるＭＩＭＯ通信システムの一例を示す。ＭＩＭＯ通信システム４００の他の実施形態は、本発明の範囲から逸脱しない限り使用されることができる。
ＭＩＭＯ通信システム(ＭＩＭＯシステム)４００は、送信器２０５及び複数の受信器を含む。以下では、一例として、送信器２０５が基地局であり、複数の受信器は、複数の加入者局ＳＳ１１６ａ〜ＳＳｎ１１６ｎである場合について説明する。ＭＩＭＯシステム４００は、複数の加入者局ＳＳ１ １１６ａ〜ＳＳｎ １１６ｎのうち任意の加入者局に信号パケット４１０を送信するように構成される。信号パケット４１０は、例えば複数のアンテナ２２５ａ〜２２５ｈと送信器２０５内のエンコーダ２２０を通じて複数の加入者局ＳＳ１ １１６ａ〜ＳＳｎ １１６ｎのうち任意の加入者局であるＳＳ１ １１６ａに送信される。
エンコーダ２２０は、例えば図３のエンコーダ３２５内に含まれることができる。エンコーダ２２０は、複数の空間ビームを含むマトリックスを信号パケット４１０に対応するベクトルと乗算する。空間ビームの各々は、基地局から加入者局ＳＳ１ １１６ａ〜ＳＳｎ １１６ｎのそれぞれに送信される空間方向(spatial direction)に対応する。単一ユーザーＭＩＭＯ(ＳＵ-ＭＩＭＯ)システムにおいて、エンコーダ２２０は、複数の加入者局ＳＳ１ １１６ａ〜ＳＳｎ １１６ｎのうちいずれか一つに送信されるデータストリームの数を決定する。例えば、各ベクトルは、ＳＳ１ １１６ａに送信されるデータストリームに対応することができる。
エンコーダ２００でのコードブック生成器４２０は、エンコーダ２２０によって乗算されるようにマトリックス(プリコーダマトリックス又はプリコーディングマトリックスとしても称する)を生成する。エンコーダ２２０によって乗算されるマトリックスの行又は列の個数は、基地局での送信アンテナ２２５の個数によって決定されることができる。したがって、８個の送信アンテナ２２５ａ〜２２５ｈが送信器２０５によって使用される場合に、マトリックスは、８個の行を有することができる。８個の送信アンテナ２２５ａ〜２２５ｈが使用される場合に、信号パケット４１０の最大８個のデータストリームは、同時に送信されることができる。送信されるデータストリームの個数は、通信環境に従って１〜８のうち任意の一つに調整されることができる。ここで、同時に送信される調整された個数のデータストリームは、送信ランクと呼ばれる。また、８個の受信アンテナが複数の加入者局ＳＳ１ １１６ａ〜ＳＳｎ １１６ｎの一例として、ＳＳ１ １１６ａによって使用される場合に、マトリックスは８個の列を有する。
本発明の実施形態では、複数の加入者局ＳＳ１ １１６ａ〜ＳＳｎ １１６ｎがパイロット信号を用いて通信チャンネル特性を算出する。加入者局(例えば、ＳＳ１ １１６ａ)は、送信された情報に基づいてマトリックスを決定するために基地局１０２に計算された通信チャンネル特性に関する情報を送信する。
本発明の実施形態では、符号語がマトリックスＨ内でエレメント(例えば、行及び列位置)を表すように使用されることをさらに提供する。それぞれの符号語は、符号の特定規則(rule)によって生成され、固有意味が割り当てられた一連のシンボルである。したがって、第１の符号語は第１のエレメントｈ１１に対応し、第２の符号語は第２のエレメントｈ１２に対応するなどの方式で各符号語はマトリックスＨ内のエレメントに対応できる。
ＭＩＭＯアンテナでダイバシティ及びマルチプレクシング利得を向上させる利得を得るために、いくつかの実施形態では、アンテナ２２５ａ〜２２５ｈが複数の加入者局ＳＳ１ １１６ａ〜ＳＳｎ １１６ｎから少なくとも半波長(０.５λ)離隔され、アンテナ２２５ａ〜２２５ｈが基地局で少なくとも１０波長(１０λ)離隔されることを提供する。要求される必要な物理的空間を効率的に減少させるために、二重偏波(dual-polarized)アンテナが採用される。共同配置された二重偏波アンテナシステムは、現在のＭＩＭＯアンテナシステムに対するコスト-空間の効率的代案を提供する。このような実施形態において、決定された８ＴＸコードブックは、二重偏波アンテナで合理的な空間効率を提供する。
いくつかの実施形態において、コードブックは、定数モジュラス(Constant Modulus：ＣＭ)特性を有するように決定される。ＣＭ特性は、マトリックスの一つのランクでのエレメントがマトリックスの他のランクでの各エレメントと同一である場合に発生する。例えば、ランク(Rank)１のエレメントｈ１２は、ランク２のエレメントｈ１２と同一である。コードブックのベースラインとしてＣＭ特性は、電力増幅器(Power Amplifier：ＰＡ)バランスを保証する。ＣＭ制約(constraint)で、コードブックの決定は、同一の利得送信プリコーダの設計に対応する。
いくつかの実施形態で、ランク適用は、低い幾何学的ユーザーの空間的効率を向上するために使用される。このような実施形態で、コードブックは、ネスト化した(nested)特性を有するように決定される。ネスト化した特性は、低いランクのすべての符号語が高いランクの符号語を生成するために再使用される場合に発生する。ネスト化した特性は、ランク適用が実行される場合にチャンネル品質インジケータ(Channel Quality Indicator：ＣＱＩ)を計算する複雑性を低減させる。
符号語マトリックスのエレメントは、下記の８-ＰＳＫ(Phase Shift Key)アルファベットから選択される。
｛±１，±ｊ，±（１＋ｊ）／√２，±（１＋ｊ）／√２｝
８-ＰＳＫアルファベットからエレメントを選択することは、ＣＱＩ計算のためのマトリックス乗算を遂行する必要性をないようにする。
いくつかの実施形態において、系統的(systematic)生成が採用される。この系統的生成方式が使用される場合、大きい次元の符号語が低い次元の生成ベクトル又はマトリックスから生成される。系統的生成は、生成されるベクトル又はマトリックスを格納するために要求されるメモリを減少させ、符号語を生成するために必要な物理的システムのサイズを減少させる。３ＧＰＰ ＬＴＥ標準では、４ＴＸコードブックは、同一の次元の生成ベクトルが与えられたハウスホルダー変換に基づいて生成される。したがって、１６個の生成ベクトルの６４個のエントリを格納するために大きいメモリサイズが要求される。本発明の実施形態では、使用されるアンテナの個数と関係なく、４個の生成マトリックスの１６個のエントリが格納される。
一実施形態において、制約Ｍ-ＰＳＫアルファベット及び２ｎ次元のアンテナに対する系統的コードブック設計方法論が採用される。Ｍ-ＰＳＫアルファベットにおいて、変換マトリックスセットは、下記の＜数式１＞及び＜数式２＞によって定義される。
これら数式において、Γ Ｍ はＭ-ＰＳＫアルファベットに対する変換マトリックスセットを表し、Γ Ｍ に含まれるＴｉは２ｘ２単位マトリックスを表す。このＴｉは、大きい次元のマトリックスを構成するために使用される生成マトリックスの変形に使用される。Ｍ-ＰＳＫに対する変換マトリックスセットΓＭが決定されると、数個の複素アダマール(Complex Hadamard：ＣＨ)変換が、次のように定義されることができる。任意の２個の生成マトリックスＶ１及びＶ２∈Ｕｍ×ｎ(ここで、Ｕｍ×ｎは列が相互に直交するｍ×ｎ次元のマトリックス空間を表す)が与えられると、１ステージのＣＨ変換は、下記の＜数式３＞によって定義される。
＜数式３＞において、Ｉｍは、ｍ次元の単位マトリックスＨｉ(Ｖ１，Ｖ２)∈Ｕ２ｍ×２ｎを意味し、(×）はクロネッカー積(Kronecker product)を意味し、結果マトリックスＷ（１） ｉの上付き文字は変換ステージ(transformation stage）の数を表す。
図５は、本発明の実施形態によるＭ-ＰＳＫアルファベットに基づいた１ステージのＣＨ変換を示す。ｉ＝１である場合、１ステージのＣＨ変換５００は、実際ＣＨ変換と同一である。１ステージのＣＨ変換５００を用いて、直交列を有する２ｍ×２ｎマトリックスが生成される。
図６は、本発明の実施形態によるＭ-ＰＳＫアルファベットに基づいた２ステージのＣＨ変換を示す。いくつかの実施形態では、２ステージのＣＨ変換６００が使用される。任意の生成マトリックスＶ１，Ｖ２，Ｖ３及びＶ４∈Ｕｍ×ｎが与えられると、２ステージのＣＨ変換６００が下記の＜数式４＞によって定義される。
＜数式４＞において、１≦ｉ,ｋ,ｌ≦Ｍ/２であり、結果マトリックスＷ（２） ｉは直交列を有する４ｍ×４ｎマトリックスを生成する。
このように、変換を反復的に適用することによってＮｍ×Ｎｎマトリックスを構成するためにＮステージＣＨ変換まで遂行することができる。図７は、本発明の実施形態によるＭ-ＰＳＫアルファベットに基づいて一般化したＮステージのＣＨ変換７００を示す。
したがって、生成マトリックスＶｊに対するエントリがＭ-ＰＳＫアルファベットのセットから選択されると、＜数式４＞は、Ｍ-ＰＳＫエントリを有するＮｍ×Ｎｎマトリックスセットを生成するために使用することができる。したがって、Ｍ-ＰＳＫ生成マトリックスのセットは、ＶｊをΓＭで限定(すなわち、Ｖｊ∈ΓＭ)することによって定義されることができる。その後に、Ｍ-ＰＳＫアルファベットに対して定義されたＮステージのＣＨ変換７００は、Ｍ-ＰＳＫアルファベットを有する２Ｎ×２Ｎ単位マトリックスのセットを生成する。結果の単位マトリックスは、ブロック対角(diagonal)マトリックスの回転を制約する。この回転は、異なるランクの送信に対して適当な列サブセット選択が与えられた二重偏波アンテナでの良好なチャンネルマッチング特性を提供する。
もう一つの実施形態において、＜数式４＞によって、ＤＦＴマトリックスが生成されることができる。単純な列置換は、ＤＦＴマトリックスを生成するために実行される。例えば、４次元のＤＦＴマトリックスは、下記の＜数式５＞及び＜数式６＞によって示すように１ステージ変換で生成される。
＜数式５＞において、Ｐ４は、列置換マトリックスを表し、具体的にＰ ４ は下記の＜数式６＞のように示す。
また、８次元のＤＦＴマトリックスは、下記の＜数式７＞を用いて２ステージ変換で生成されることができる。
＜数式７＞において、Ｐ８は列置換マトリックスを表し、具体的にＰ ８ は下記の＜数式８＞のように示す。
列置換マトリックスの効果がベースマトリックスの列サブセット戦略(strategy)に統合できるため、設計されたコードブックは、ベースマトリックスとしてＤＦＴマトリックスを含むことができる。
他の実施形態において、上記した単位マトリックス生成方法を使用して８-ＰＳＫアルファベットを有する４ビット４ＴＸコードブックが生成される。ランク適用と組み込まれたネスト化した特性が与えられると、コードブック生成器４２０は、送信プリコーダを４×４単位マトリックスの列サブセットとして生成する。コードブック生成器４２０は、４×４ベースマトリックスを生成するために１ステージのＣＨ変換５００を使用する。このような実施形態で、１ステージのＣＨ変換５００は、下記の＜数式９＞のように再定義される。
＜数式９＞において、生成マトリックスＴｍ１及びＴｍ２は、Γ８で選択される。また、ｍ１及びｍ２は、生成マトリックスのインデックスを表す。８-ＰＳＫアルファベットに対する４送信及び生成マトリックスは、＜表４＞に示すようである。
上記ベースマトリックスの符号語へのマッピングは、下記の＜表５＞に示すようである。
４個のベースマトリックスのエントリは、下記の＜数式１０＞、＜数式１１＞、＜数式１２＞、及び＜数式１３＞によって与えられる。
設計されたベースマトリックスのセットは、４個のマトリックスＷ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４で構成される。すべてのベースマトリックスの６４個のエントリのうち、４８個のエレメントは、ＱＰＳＫ(Quardrature Phase Shift Keying)アルファベット｛±１，±ｊ｝であり、１６個のエレメントは｛±（１＋ｊ）／√２，±（−１＋ｊ）／√２｝である。ＣＱＩ計算オーバーヘッドの面で、コードブックは、ランク１に対する数量ＨＦｉ（ｉ＝１，…，１６）を計算するために使用される。ここで、Ｆｉはプリコーディングマトリックスを表し、Ｈはチャンネルマトリックスを表す。以前に計算された値は他のランクのために再使用される。低いランクのすべての符号語が高いランクの符号語を生成するのに再使用され、４ビットランク１の符号語は４個の４×４ベースマトリックスＷ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４で選択されるため、この計算が可能になる。
他の実施形態において、上記した単位マトリックス生成方法を用いて８-ＰＳＫアルファベットを有する４ビット８ＴＸコードブックが生成される。また、ランク適用と統合されたネスト化した特性が与えられると、コードブック生成器４２０は、８ＴＸ送信プリコーダ３２５を単位ベースマトリックスの列サブセットとして構成する。８ＴＸの場合において、コードブック生成器４２０は、８×８ベースマトリックスによって８個のセットを生成するために２ステージのＣＨ変換６００を適用する。その説明のために、２ステージＣＨ変換６００は、下記の＜数式１４＞によって決定される。
図８は、本発明の実施形態による第１のコードブックを示す。第１のコードブック(Codebook1)８００は、４ビットの８ＴＸコードブックである。コードブック生成器４２は、２個の８×８ベースマトリックスに基づいて第１のコードブック８００を構成する。この第１のコードブック８００は、８ＴＸ単一偏波(Single-Polarized：ＳＰ)アンテナを使用するために生成される。コードブック生成器４２０は、最小個数のベースマトリックス、例えば２個のベースマトリックスを含むように第１のコードブック８００を構成する。２個のベースマトリックスから符号語へのマッピングは、図８に示す。
２個のベースマトリックスのエントリは、下記の＜数式１５＞及び＜数式１６＞によって与えられる。
第１のコードブック８００は、ＱＰＳＫアルファベットを含み、符号語は、２個の８×８単位ベースマトリックスから決定される。２個の８×８単位ベースマトリックスは、２ステージのＣＨ変換６００を用いて生成される。ＣＱＩ計算に関連して、第１のコードブック８００は、ランク１のプリコーダＦｉに対する数量ＨＦｉ(ｉ＝１，…，１６）を計算するために使用される。ここで、Ｆｉはプリコーディングマトリックスを表し、Ｈはチャンネルマトリックスを表す。以前に計算された値は、他のランクに対して再使用される。
図９は、本発明の実施形態による第２のコードブックを示す。第２のコードブック９００は、４ビットの８ＴＸコードブックである。コードブック生成器４２０は、２個の８×８ベースマトリックスに基づいて第２のコードブック９００を構成する。第２のコードブック９００は、８ＴＸ二重偏波アンテナのために生成される。コードブック生成器４２０は、最小個数のベースマトリックス、例えば２個の８×８ベースマトリックスを含むように第２のコードブック９００が生成される。２個の８×８ベースマトリックスから符号語へのマッピングは、図９に示す。
２個の８×８ベースマトリックスのエントリーは、下記の＜数式１７＞及び＜数式１８＞によって与えられる。
第２のコードブック９００は、８-ＰＳＫアルファベットを含む。２個のベースマトリックスＷ１及びＷ２の１２８個のエントリのうち、８０個のエントリは｛±１，±ｊ｝を含み、４８個のエントリは｛±（１＋ｊ）／√２，±（−１＋ｊ）／√２｝を含む。ＣＱＩ計算に関連して、第２のコードブック９００は、ランク１のプリコーダＦｉに対する数量ＨＦｉ(ｉ＝１，…，１６)を計算するために使用される。ここで、Ｆｉはプリコーディングマトリックスを表し、Ｈはチャンネルマトリックスを表す。以前に計算された値は、他のランクに対して再使用される。
図１０は、本発明の実施形態による第３のコードブックを示す。第３のコードブック１０００は、４ビットの８ＴＸコードブックである。コードブック生成器４２０は、４個の８×８ベースマトリックスから第３のコードブック１０００を構成する。この第３のコードブック１０００は、ＳＰ及び二重偏波アンテナ構成両方と動作するように生成される。符号語は、４個の８×８ベースマトリックスの列から選択される。４個の８×８ベースマトリックスから符号語へのマッピングは、図１０に示されている。
第３のコードブック１０００は、８-ＰＳＫアルファベットを含む。４個のベースマトリックスＷ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４の２５６個のエントリのうち、１９２個のエントリは｛±１，±ｊ｝であり、６４個のエントリは｛±（１＋ｊ）／√２，±（−１＋ｊ）／√２｝である。ＣＱＩ計算に関連して、第３のコードブック１０００は、ランク２のプリコーダＦｉに対する数量ＨＦｉ(ｉ＝１，…，１６)を計算するために使用される。ここで、Ｆｉはプリコーディングマトリックスを表し、Ｈはチャンネルマトリックスを表す。以前に計算された値は、他のランクのために再使用される。
図１１は、本発明の実施形態による第４のコードブックを示す。第４のコードブック１１００は、４ビットの８ＴＸコードブックである。コードブック生成器４２０は、８個の８×８ベースマトリックスを用いて第４のコードブック１１００を生成する。この第４のコードブック１１００は、ＳＰ及び二重偏波アンテナを使用するために生成される。符号語は、８個の８×８ベースマトリックスの列から選択される。８個の８×８ベースマトリックスから符号語へのマッピングは、図１１に示されている。
第４のコードブック１１００は、８-ＰＳＫアルファベットを含む。８個のベースマトリックスＷ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４，Ｗ５，Ｗ６，Ｗ７，Ｗ８の５１２個のエントリのうち、２８８個のエントリは｛±１，±ｊ｝であり、２２４個のエントリは｛±（１＋ｊ）／√２，±（−１＋ｊ）／√２｝である。
図１２及び図１３は、本発明の実施形態による第２のコードブック９００の第１及び第２の列サブセット割り当てを示す。１ステージのＣＨ変換５００を用いて、第２のコードブック９００の第１のベースマトリックスが生成される。ＣＨ変換の内蔵構造を有するコードブック生成器４２０は、Ｗ１を回転させることによって８-ＰＳＫアルファベットを含むベースマトリックス候補ベースマトリックスを生成する。これら候補ベースマトリックスは、＜数式１９＞によって定義されるように、使用可能なセットＷを含む。
Ｗは、Ｐ＋１サイズを有する。Ｗは、ベースマトリックスの最適のセットが生成されるようにする機能(すなわち、最小コーダル距離基準(minimum chordal distance criterion)及び/又はアレイマニフォールド(manifold)応答基準）が最適化されるセットを示す。回転マトリックスの構造は、８-ＰＳＫアルファベット特性を維持するために行-方向回転マトリックスΘｉとして制約される。これは、下記の＜数式２０＞に示す。
＜数式２０＞において、ｎｉｊ＝{１，２，…，８}である。ｎｉｊのすべての可能な組み合わせで適合したセット全体を生成することは、大きい検索空間サイズを作るようになる。ＣＨ変換の構造を考慮すれば、使用可能なセットのサイズは縮小させることができる。
いくつかの実施形態において、コードブック生成器４２０は、ＣＨ変換の構造に基づいて行-方向回転マトリックス構造を使用する。３個の部分回転マトリックスは、下記の＜数式２１＞、＜数式２２＞、及び＜数式２３＞によって定義される。
＜数式２１＞、＜数式２２＞、及び＜数式２３＞において、ｋｉｊ＝{１，２，…，８}である。その後、行-方向回転マトリックスΘｉは＜数式２４＞及び＜数式２５＞に示すように３個の部分回転マトリックスの構成として定義される。
したがって、ｋｉ１，ｋｉ２，及びｋｉ３の組み合わせに対して、縮小された検索空間を有する回転マトリックスが獲得される。使用可能なセットの生成と最適のベースマトリックスの検索によって、コードブック生成器４２０は、下記の＜数式２６＞及び＜数式２７＞によって、最適の４ビットの８ＴＸベースマトリックスセットを決定する。
＜数式２６＞及び＜数式２７＞において、ｋ１＝２、ｋ２＝１、及びｋ３＝０である。
以上、本発明の詳細な説明においては具体的な実施形態に関して説明したが、特許請求の範囲を外れない限り、様々な変更が可能であることは、当該技術分野における通常の知識を持つ者には明らかである。したがって、本発明の範囲は、前述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載及びこれと均等なものに基づいて定められるべきである。
１００ 無線ネットワーク
１０１、１０２、１０３ 基地局
１３０ インターネットプロトコル(ＩＰ)ネットワーク

Claims (9)

  1. 複数の加入者局と通信を遂行する基地局であって、
    閉ループ単一ユーザー多重入力多重出力(ＳＵ-ＭＩＭＯ)方式に使用される４ビット８送信器アンテナプリコーディングコードブックを用いてデータをＭＩＭＯアンテナシステムを通じて前記複数の加入者局に送信するエンコーダを含み、
    前記４ビット８送信器アンテナプリコーディングコードブックは下記の＜表１＞のように定義されることを特徴とする基地局。
    ここで、ＣＷインデックスは符号語インデックスを表し、ランクｉ(i＝３，４，５，６，７，８)は同時に送信されるデータストリームの個数を表し、ベースマトリックスは４ビット８送信器アンテナプリコーディングコードブックを生成するために使用される８×８マトリックスを表し、プリコーディングマトリックスは、前記ベースマトリックスの列サブセットに基づいて決定され、前記列サブセットは、前記ランクｉ及び前記ＣＷインデックスにより示される。
  2. 前記ベースマトリックスに含まれるＷ１及びＷ２は、各々下記の＜数式１＞及び＜数式２＞のように定義されることを特徴とする請求項１に記載の基地局。
  3. 前記ＭＩＭＯアンテナシステムは、８送信器二重偏波アンテナを使用するためのシステムを含むことを特徴とする請求項１に記載の基地局。
  4. 多重入力多重出力(ＭＩＭＯ)システムを通じて複数の加入者局とデータを送受信するためにコードブックを生成する装置であって、
    閉ループ単一ユーザーＭＩＭＯ(ＳＵ-ＭＩＭＯ)方式に使用される４ビット８送信器アンテナプリコーディングコードブックを生成するコードブック生成器を含み、
    前記４ビット８送信器アンテナプリコーディングコードブックは下記の＜表２＞のように定義されることを特徴とする装置。
    ここで、ＣＷインデックスは符号語インデックスを表し、ランクｉ(i＝３，４，５，６，７，８)は同時に送信されるデータストリームの個数を表し、ベースマトリックスは４ビット８送信器アンテナプリコーディングコードブックを生成するために使用される８×８マトリックスを表し、プリコーディングマトリックスは、前記ベースマトリックスの列サブセットに基づいて決定され、前記列サブセットは、前記ランクｉ及び前記ＣＷインデックスにより示される。
  5. 前記ベースマトリックスに含まれるＷ１及びＷ２は、各々下記の＜数式３＞及び＜数式４＞のように定義されることを特徴とする請求項４に記載の装置。
  6. 前記４ビット８送信器アンテナプリコーディングコードブックは、８送信器二重偏波アンテナを使用してデータを送受信するために生成されることを特徴とする請求項４に記載の装置。
  7. 基地局における複数の加入者局と通信を遂行する方法であって、
    閉ループ単一ユーザーＭＩＭＯ(ＳＵ-ＭＩＭＯ)方式に使用される４ビット８送信器アンテナプリコーディングコードブックを使用し、データをＭＩＭＯアンテナシステムを介して前記複数の加入者局に送信するステップを有し、
    前記４ビット８送信器アンテナプリコーディングコードブックは下記の＜表３＞のように定義されることを特徴とする方法。
    ここで、ＣＷインデックスは符号語インデックスを表し、ランクｉ(i＝３，４，５，６，７，８)は同時に送信されるデータストリームの個数を表し、ベースマトリックスは４ビット８送信器アンテナプリコーディングコードブックを生成するために使用される８×８マトリックスを表し、プリコーディングマトリックスは、前記ベースマトリックスの列サブセットに基づいて決定され、前記列サブセットは、前記ランクｉ及び前記ＣＷインデックスにより示される。
  8. 前記ベースマトリックスに含まれるＷ１及びＷ２は、各々下記の＜数式５＞及び＜数式６＞のように定義されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
  9. 前記ＭＩＭＯアンテナシステムは、８送信器二重偏波アンテナを使用するためのシステムを含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
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