JP5340159B2 - 可変スロット構造を有するｍｉｍｏ通信システム - Google Patents

Description

本発明は、一般に通信システムに関し、より詳細には多入力多出力（ＭＩＭＯ）通信システムに関する。

ＭＩＭＯ通信システムは、たとえばポイント・ツー・ポイント・システムおよびマルチユーザ・システムを含めた多種多様なタイプまで行き渡っている。典型的なポイント・ツー・ポイントＭＩＭＯ通信システムでは、１つの端末内のマルチアンテナ・アレイが、他の端末内のマルチアンテナ・アレイに送信を行い、これにより、同様の電力およびスペクトル帯域幅を有するシングルアンテナ・リンクと比べてスループットの向上が達成される。典型的なマルチユーザＭＩＭＯ通信システムでは、基地局内のマルチアンテナ・アレイが、独立したシングルアンテナ端末群に複数のデータ・ストリームを選択的かつ同時に送達し、シングルアンテナ・リンクのセットと比べてやはりスループットの向上が達成される。このタイプのマルチユーザ・システムは、「ブロードキャスト」ＭＩＭＯシステムと呼ばれることもある。ブロードキャストＭＩＭＯの正反対は、「多元接続」ＭＩＭＯと呼ばれることもあり、この多元接続ＭＩＭＯは、基地局におけるマルチアンテナ・アレイに複数のデータ・ストリームを同時に送達する独立したシングルアンテナ端末群を必要とする。

マルチユーザＭＩＭＯは、ポイント・ツー・ポイントＭＩＭＯと比較していくつかの利点を有する。たとえば、マルチユーザＭＩＭＯシステムの端末は、単純かつ安価にすることができる。また、ポイント・ツー・ポイントＭＩＭＯは、見通し線の伝搬条件において所望の高スループットの配信に失敗することがあり、その一方、同じ条件下でマルチユーザＭＩＭＯは、端末の角度分離が送信アレイのレイリー解像度を超える限り、高スループットを提供し続ける。さらに、マルチユーザＭＩＭＯは、見通し線の伝搬と散乱の多い伝搬の間の移行をシームレスに処理する。

マルチユーザＭＩＭＯの原理的欠点は、基地局が、順方向チャネルの伝搬特性を把握していなければならないことである。この情報を基地局が取得する処理は、一般にトレーニングと呼ばれる。たとえば、本明細書と同一の出願人により本明細書に参照によって組み込まれている、Ｈｏｃｈｗａｌｄらに帰せられる「Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｍｅｔｈｏｄ Ｆｏｒ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｓｔａｔｅ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｌｉｎｋ」という名称の米国特許出願公開第２００５／０２６５２９０号を参照されたい。

かかる順方向チャネル情報の取得は、時分割複信（ＴＤＤ）の動作によって増進されることが認識されている。ＴＤＤの場合、相反定理は、逆方向チャネル行列が順方向チャネル行列の転置行列に等しいことを意味するので、基地局は、逆方向リンク上に端末によって伝送されたパイロット信号を処理することにより、必要な順方向チャネル情報を容易に取得することができる。

残念ながら、マルチユーザＭＩＭＯ通信に対する従来の手法は、高端末モビリティの状況に対して最適に構築され得ないことがある。たとえば、高モビリティに関連する伝搬条件下において、従来の手法では、チャネル変更の前の十分な時間を以て、逆方向パイロットを伝送し次いで順方向データ・ストリームを伝送することを可能にすることができない。また、低い信号対干渉雑音比（ＳＩＮＲ）の条件下では、過剰な数のパイロット・シンボルが、データ・ストリームの選択的伝送を可能にするために十分良好な品質のチャネル推定を得るように求められることがある。このように、これらの従来の手法に基づくシステムでは、マルチユーザＭＩＭＯ通信の完全なるスループットの効果を得ることができないことがある。

米国特許出願公開第２００５／０２６５２９０号

B. HassibiおよびB. M. Hochwald、「How much training is needed in multiple-antenna wireless links?」、IEEE Trans. Information Theory、第49巻、第4号、2003年4月

したがって、マルチユーザＭＩＭＯ通信の手法を改善する必要性、特に高い端末モビリティがあるときにシステム・スループットを向上させることに関する必要性が存在する。

例示的一実施形態における本発明は、可変スロット構造の使用によりＭＩＭＯシステムにおけるスループットを向上させる。

本発明の一態様によれば、ＭＩＭＯシステムは、可変スロット構造を使用するように構成される。このシステムは、複数の端末と、それらの端末と通信するように構成された少なくとも１つの基地局とを含む。基地局は、端末の各々のモビリティを判定し、判定されたモビリティに基づいて端末をグループに分類し、それらのグループのうちの少なくともそれぞれ第１および第２のグループの端末と通信するための少なくとも第１および第２の異なるスロット構造を使用するように動作する。各グループにサービスするための優先順位を設けることができ、各グループは次いで、この設けられた優先順位に基づいて基地局によってサービスされる。

それぞれの端末のモビリティは、たとえば、チャネル測定または衛星ベースの測定に基づいて判定することができる。端末モビリティは、それぞれの速度指標として、または端末モビリティを示す他のタイプの情報を用いて指示することができる。

グループの所与の１つが、単一スロット内でサービスされ得るよりも多くの端末を含む場合、この所与のグループは、該所与のグループ内の端末の相対的角度位置に基づいて、２つ以上のより小さいグループに分割することができる。

この例示的一実施形態のシステムは、複数の端末が、独立したシングルアンテナ端末を含むマルチユーザＭＩＭＯシステムである。より具体的には、この例示的一実施形態のマルチユーザＭＩＭＯシステムにおいて、基地局は、Ｍ本のアンテナを備えるアンテナ・アレイを介して複数の端末と通信し、それらの複数の端末は、Ｋ台のシングルアンテナ端末を含む（ただしＭ≧Ｋ）。他の実施形態では、それらの端末の１つまたは複数は、それぞれマルチアンテナを備え得る。

グループのうちの各グループの端末と通信するのに最適なスロット構造を決定することができる。所与の１つのかかるスロット構造は、スロット長、順方向リンクを介して１スロット内でサービスされるべき端末数、および逆方向リンク・パイロットの個数で指定することができる。所与のスロット構造のスロット長は、当該グループの端末が、通信周波数における波長のなんらかの指定部分を移動する時間間隔以下であることが好ましい。かかる時間間隔は、本明細書ではコヒーレンス間隔とも称され、システム内における特定の個数の通信シンボルとして指定される期間を有し得る。

例示として、コヒーレンス間隔は、Ｔ個のシンボルの期間を有するように指定でき、第１の部分は、対応するグループの端末によって基地局に伝送されるτ_ｒｐ個の逆方向パイロット・シンボルを備え、第２の部分は、単一シンボルの期間を有するトレーニング計算の間隔を備え、第３の部分は、基地局により対応するグループの端末の各々に伝送される（Ｔ−１−τ_ｒｐ）個の順方向シンボルを備える。

グループのうちの所与の１グループの端末と通信するのに最適なスロット構造は、基地局アンテナの本数が指定されたと仮定するとき、スループット指標を最大化することに基づいて、１スロット内でサービスすべき端末数および該スロットの逆方向リンク・パイロットの個数を同時に決定することによって特定することができる。このスループット指標には、たとえばシステムの合計容量の下限が含まれ得る。

有利なことに、この例示的一実施形態の可変スロット構造は、固定スロット構造を用いるシステムと比較すると、マルチユーザＭＩＭＯ通信システムにおけるスループットを大幅に向上させる。たとえば、コヒーレンス間隔が短くＳＩＮＲが低いときでさえ、１６本以上のアンテナを備える基地局は、チャネルを把握すること、および同時存在する複数のデータ・ストリームを複数のシングルアンテナ端末に高い総スループットで伝送することのいずれも行うことが可能である。他の実施形態では、より多いまたはより少ない本数の基地局アンテナを使用してよい。

本発明のこれらおよび他の特徴および効果は、添付図面および以下の詳細な説明からより明らかとなろう。

本発明の例示的一実施形態におけるマルチユーザＭＩＭＯ通信システムの略図であって、より具体的には端末から基地局への逆方向リンク上の伝送を示す略図である。 図１のマルチユーザＭＩＭＯ通信システムの他の図であって、より具体的には基地局から端末への順方向リンク上の伝送を示す図である。 図１および２のマルチユーザＭＩＭＯ通信システムにおいて使用される可変スロット構造のタイプの一例を示す図である。 図１および２のマルチユーザＭＩＭＯ通信システムの基地局において図３の可変スロット構造を使用して実施されるメディア・アクセス制御（ＭＡＣ）処理の流れ図である。 図１および２のマルチユーザＭＩＭＯ通信システムの基地局のより詳細なブロック図である。 例示的マルチユーザＭＩＭＯシステムにおいてサービスされる端末数の関数としての、合計容量の下限のグラフである。 例示的マルチユーザＭＩＭＯシステムにおいてサービスされる端末数の関数としての、合計容量の下限のグラフである。 例示的マルチユーザＭＩＭＯシステムにおいてサービスされる端末数の関数としての、合計容量の下限のグラフである。 例示的マルチユーザＭＩＭＯシステムにおける順方向信号対干渉雑音比（ＳＩＮＲ）の関数としての、ネット・スループットのグラフである。 例示的マルチユーザＭＩＭＯシステムにおける順方向信号対干渉雑音比（ＳＩＮＲ）の関数としての、ネット・スループットのグラフである。 例示的マルチユーザＭＩＭＯシステムにおける順方向信号対干渉雑音比（ＳＩＮＲ）の関数としての、ネット・スループットのグラフである。 例示的マルチユーザＭＩＭＯシステムにおける順方向ＳＩＮＲの関数としての、サービスすべき端末の最適な台数のグラフである。 例示的マルチユーザＭＩＭＯシステムにおける順方向ＳＩＮＲの関数としての、サービスすべき端末の最適な台数のグラフである。 例示的マルチユーザＭＩＭＯシステムにおける順方向ＳＩＮＲの関数としての、サービスすべき端末の最適な台数のグラフである。 例示的マルチユーザＭＩＭＯシステムにおける順方向ＳＩＮＲの関数としての、逆方向パイロット・シンボルの最適な個数のグラフである。 例示的マルチユーザＭＩＭＯシステムにおける順方向ＳＩＮＲの関数としての、逆方向パイロット・シンボルの最適な個数のグラフである。 例示的マルチユーザＭＩＭＯシステムにおける順方向ＳＩＮＲの関数としての、逆方向パイロット・シンボルの最適な個数のグラフである。

以下、本発明を、例示的マルチユーザＭＩＭＯシステムおよび関連する可変スロット構造との関連で説明する。しかしながら、本発明は、いかなる特定タイプのＭＩＭＯシステムまたは可変スロット構造の使用にも限定されないものと理解されたい。開示する技法は、多種多様な他のＭＩＭＯシステムおよび可変スロット構造の使用、ならびに多数の代替適用例での使用に適する。たとえば、本発明の諸態様は、セルラ通信システム内で、およびＷｉ−ＦｉまたはＷｉＭａｘなどの無線ネットワーク内で実施することができる。

したがって、本明細書で使用する用語「基地局」は、一例としてセルラ・システム基地局、または無線ネットワークのアクセスポイントを包含するように広義に解釈されることが意図される。

図１は、複数の端末と通信する基地局１０２を備えるマルチユーザＭＩＭＯシステム１００を示し、それらの複数の端末は、より具体的に１０４−１、１０４−２、．．．１０４−Ｋと示され、それらの複数の端末の各々は、１、２、３、．．．Ｋと示されるシングルアンテナを備える。これらの端末は、たとえば、携帯電話、ポータブル・コンピュータ、無線電子メール・デバイス、携帯情報端末（ＰＤＡ）または他のユーザ通信デバイスを任意に組み合わせたものであってよい。基地局１０２は、図示されるようにＭ本のアンテナを備えるアンテナ・アレイ１１０を含む。この例示的一実施形態では、端末１０４が、直交パロット・シーケンスを基地局１０２に逆方向リンク上で伝送するものと仮定する。さらに、ＴＤＤ相反性を通じて、基地局のチャネル推定器１１２が、順方向チャネル伝搬特性の推定（本明細書では順方向チャネル行列とも称される）

を生成するようなＴＤＤ動作を仮定する。

他の実施形態では、端末１０４の１つまたは複数は、それぞれ、この例示的一実施形態のようなシングルアンテナではなくマルチアンテナを備え得る。本明細書に開示する技法は、１つまたは複数のかかるマルチアンテナ端末を使用するように直接的に適応させ得ることを当業者ならば理解されよう。

また、上記のように、開示する技法は、たとえば周波数分割複信（ＦＤＤ）システムなど前記の相反性を適用できないＭＩＭＯシステムで使用するように適応させることも可能である。

図２は、マルチユーザＭＩＭＯシステム１００の順方向リンクを示す。この図２では、基地局１０２は、順方向チャネル行列の推定の擬似逆行列である線形プリコーダ１１４を介して、ｑ_１、ｑ_２、．．．ｑ_Ｋと示される直交振幅変調（ＱＡＭ）シンボルのシーケンスを選択的かつ同時にＫ台のシングルアンテナ端末１０４に伝送する。

基地局１０２は、図１および２では説明をわかりやすくするため簡略な形で示し、実際には、通常の基地局は、トランシーバ回路、処理回路など追加要素を含むものと理解されたい。基地局の考え得る１つの構成のより詳細な例は、図５に示している。また、所与のＭＩＭＯシステムは、複数の基地局、および各種タイプの端末の多数の異なる構成を含み得る。

次に図３を参照すると、マルチユーザＭＩＭＯシステム１００の可変スロット構造の一例が示されている。本例における可変スロット構造は、Ｔ個の直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）シンボルのコヒーレンス間隔３００を備える。このコヒーレンス間隔は、チャネル伝搬特性がほぼ一定であると仮定することのできる期間であり、本明細書ではより一般的にスロットと称する期間の一例である。上述のように、システム１００においてＴＤＤ動作を仮定しているので、基地局１０２は、端末１０４が逆方向リンク上に伝送するτ_ｒｐ個の逆方向パイロット・シンボルからチャネル推定を導き出す。この特定の例におけるＴ個のシンボルのコヒーレンス間隔３００は、以下の３つの部分、すなわちτ_ｒｐ個の逆方向パイロット・シンボル３０２、計算用の１個のシンボル３０４、およびコヒーレンス間隔内にサービスされるべき端末１０４の各々に１つずつ対応する（Ｔ−１−τ_ｒｐ）個の順方向ＱＡＭシンボル３０６に分割されるように示される。

図３のスロット構造は、可変スロット構造と称される。なぜならば、特定のスロット長Ｔ、各スロット内でサービスすべき端末数、およびスロット当たりの逆方向リンク・パイロット・シンボルの個数が、スロットごとに違い得る変数であるからである。次に、この可変スロット構造について、図４の流れ図を参照して説明する。先述のように、他の実施形態では他のタイプの可変スロット構造を使用してよい。

図４は、システム１００の基地局１０２において図３の可変スロット構造を使用して実施されるＭＡＣ処理を示す。見てわかるように、このＭＡＣ処理は、端末ごとに得られる速度指標を用いることにより、各々の端末のモビリティに従って、同時存在するサービスについて端末をグループ分けするように動作する。このＭＡＣ処理は、概して言うと、端末のグループごとに、スロット長に関連して適切なスロット構造、サービスすべき端末数、および逆方向リンク・パイロット・シンボルの個数を決定する。所与の１つの端末は、この一実施形態では、基地局１０２から１つまたは複数の順方向リンクＱＡＭシンボルを受信することによってサービスされる。図１および２に示されたＫ台の端末１０４のセットは、図４のＭＡＣ処理によって決定された端末の考え得る１つのグループの一例と見なすことができる。

ＭＡＣ処理は、候補端末のセットを識別するステップ４００で開始される。この候補端末とは、現在のスロットにおけるサービス候補である端末である。候補端末は、たとえば従来の通信システムのＭＡＣ層で典型的に適用される技法など、いくつかのよく知られた従来の技法のうちのいずれかを用いて識別することが可能である。

ステップ４０２において、候補端末は、速度指標４０４を用いることにより、端末モビリティに従ってグループ分けされる。得られるグループのセットは、｛Ｇ_１、Ｇ_２、．．．｝と表され、このセット内の特定数のグループは、調整されることが可能である変数である。この速度指標は、たとえば、受信パイロット信号としてまたは他のチャネル測定技法を用いて取得されるような、基地局と端末の間のチャネルがどの程度高速に変更されるかという測定値であってよい。他の一例として、全地球測位衛星（ＧＰＳ）機能を具備した端末に対して速度の直接的測定値を求めることができる。

本明細書で用いる用語「モビリティ」は、一般に、一例として所与の端末がシステム内で移動している速度を示すどんなタイプの情報も包含するものと解釈されたい。速度指標が、所与のシステムの端末すべてについて取得されることが必要とされるわけでないことを理解されたい。たとえば、他のタイプのモビリティ判定を一部の端末に対して使用することができ、その一方、速度指標を端末のサブセットのみに対して使用する、あるいはＭＡＣ処理を一部のシステム端末のみに対して適用することができる。

ステップ４０６において、処理は、グループごとに、スロット長、各スロット内でサービスすべき端末数、および各スロット内で使用すべき逆方向リンク・パイロット・シンボルの個数を決定する。かかる決定がいくつかの仮定に準拠するようにさせる例示的技法を、後でさらに詳しく述べている。所与のグループのスロット長は、当該グループの端末が、通信周波数における波長のなんらかの指定部分、たとえば波長の１／８を移動する時間間隔以下であることが好ましいとはいえ、スロット長を設定する他の技法を使用することができる。

ステップ４０２において確定されるグループの一部は、１スロット内でサービスされ得るよりも多くの端末を含むことがある。このタイプの所与のグループは、ステップ４０８で示すように２つ以上のより小さいグループに分割することができる。より具体的には、この一実施形態では、端末の相対的角度位置に関する情報を用いて、所与のグループをより小さいグループに分割するかについて判定される。概して言うと、この所与のグループは、より小さいグループの各々が、角度が十分離された端末を含むようなより小さいグループに分割される。この一実施形態における角度位置情報は、それぞれの端末の角度位置指標４１０の形を取り、ＧＰＳ測定などのよく知られた従来の技法を使用して取得することができる。ステップ４０８のグループ分割動作は、結果的に｛Ｇ_１'、Ｇ_２'、．．．｝と示されるグループの新規セットをもたらす。このセットは、ステップ４０８で複数のグループに分割されていない１つまたは複数のグループを含むことがあり、かかる任意のグループは、ステップ４０２の初期のグループ分け動作から生成されたグループと同じままである。

ステップ４１２において、処理は、各グループに優先順位を付けることにより、端末のグループにサービスする順番を決定する。サービスについてのこの優先順位付けは、公平性、要求または他の要素に関連しよく知られている従来のＭＡＣ技法に基づくことができる。次いでグループは、ステップ４１４に示すように、各グループの優先順位に従ってサービスされる。このように、端末の各グループは、スロット長、サービスされるべき端末数および逆方向リンク・パイロットの個数に関して、当該グループのために特別に最適化されている構造を有する１つまたは複数のスロット内でサービスされる。典型的な実際の実装では、基地局から端末へと伝送されるべきデータ・ストリームの持続期間が、グループ当たり２つ以上のスロットを使用することが必要とされ得るのが予想される。

図４に示したＭＡＣ処理は、少なくとも部分的に、別構成の従来の基地局のプロセッサ上で実行されるソフトウェアの形で実施することができる。

図５は、マルチユーザＭＩＭＯシステム１００の基地局１０２の考え得る１つの構成のより詳細な図を示す。この一実施形態では、基地局１０２は、トランシーバ回路５００、プロセッサ５０２およびメモリ５０４を備える。トランシーバ回路５００は、図示したようにそれぞれ電力増幅器５０６−１、５０６−２、．．．５０６−Ｍを介してアンテナ・アレイ１１０のＭ本のアンテナに結合される。図４のＭＡＣ処理を実施するための１つまたは複数のソフトウェア・プログラムが、メモリ５０４に格納され、プロセッサ５０２によって実行される。プロセッサ５０２は、速度および位置検出要素５０８、ならびにメディア・アクセス制御要素５１０を含むものとして示され、これらの要素により、プロセッサによって実行される機能的ソフトウェア構成要素を示すことできる。プロセッサ５０２は、複数の集積回路、デジタル・シグナル・プロセッサまたは他のタイプの処理デバイス、および関連する支援回路を任意に組み合わせたものを含み得る。当然ながら、ハードウェア、ソフトウェアまたはファームウェアを任意に組み合わせたものの多数の代替構成を、基地局１０２を実装する際に用いることができる。

図５に示した電力増幅器の構成は、基地局１０２における順方向リンク伝送と関連している。明示してはいないが、逆方向リンク受信に関連する追加要素、たとえばアレイ１１０のアンテナの各々をトランシーバ回路５００の受信器部に接続するプリアンプなども、基地局１０２内に存在する。

図１から５の例示的実施形態の特定のシステム構成、可変スロット構造、動作および他の特徴は、単なる一例として提示されたものであるのを理解されたい。他の実施形態では、特定の通信応用例の必要に応じて異なるシステム構成、スロット構造、動作などを使用してよい。

次に、図４のＭＡＣ処理のステップ４０６における、端末の特定グループに関するスロット構造を決定することができるやり方の詳細な例を、図６から１７のグラフを参照して説明する。これらの例では、スロット構造は、マルチユーザＭＩＭＯシステム１００の構成、スロット構造、動作および他の特徴に関するいくつかの仮定に基づいて決定がなされる。しかしながら、本明細書においてなされるこれらのおよび他のいかなる仮定も、本発明の必要条件ではなく、他の実施形態に対して適用される必要はないことを強調しておかねばならない。

上述のように、例示的一実施形態の基地局１０２は、Ｋ台の独立したシングルアンテナ端末１０４と通信するＭ本のアンテナを備える。以下の例示のために、順方向リンク伝搬は、Ｋ×Ｍ伝搬行列Ｈによって特徴付けられるものと仮定する。平坦フェージング・チャネルと周波数依存チャネルの区別はまったくしない。後者の場合、Ｈは、典型的にはＯＦＤＭによって処理される周波数の関数である。レイリー・フェージングは、Ｈの成分が独立同分布な（ｉｉｄ：independent identically distributed）ＣＮ（０，１）（すなわち、平均ゼロで巡回対称複素ガウス型）であるように仮定される。やはりＴＤＤ動作は、逆方向リンク伝搬行列が、前述の相反性を通じて順方向伝搬行列の転置行列であるように仮定される。

順方向リンク上で、ｋ番目の端末によって受信される信号は、次式のようになる。

加法性雑音の成分はｉｉｄ、ＣＮ（０，１）であり、次式のような平均電力制限が存在する。

したがって、順方向伝送総電力は、基地局アンテナの本数から独立している。定数ρ_ｆは、各端末における順方向ＳＩＮＲである。

逆方向リンク上で、ｍ番目の基地局アンテナによって受信される信号は、次式のようになる。

やはり加法性雑音の成分は、ｉｉｄ、ＣＮ（０，１）である。電力制限は次式のとおりである。

Ｅ｛｜ｓ_ｒｋ｜^２｝＝１、ｋ＝１、...、Ｋ （４）
この電力制限は、順方向電力制限とは異なり、逆方向リンク総電力は、端末数とともに増大することに留意されたい。定数ρ_ｒは、それぞれの端末が単独で、各基地局アンテナで生成することが可能であるＳＩＮＲである。

典型的な基地局電源は１０ワットであり、一方、典型的な端末電源は１００ミリワットであるが、他の電力レベルを使用してもよい。熱雑音限界環境では、逆方向ＳＩＮＲは、順方向ＳＩＮＲよりも２０ｄＢ小さくなる。これらの例示のために干渉限界環境を仮定し、さらに、逆方向ＳＩＮＲが順方向ＳＩＮＲよりも１０ｄＢ小さいと仮定する。

端末１０４は、図１に示したような形で、逆方向リンク上で、τ_ｒｐ≧Ｋシンボルの期間の、知られているパイロット信号のシーケンスを伝送する。Ｋ×τ_ｒｐパイロット信号は、

であり、式中、ψは、τ_ｒｐ×Ｋユニタリ行列であり、ψ^Ｈψ＝Ｉ_Ｋ、上付き文字の「Ｈ」は「共役転置行列」を表す。直交拡散シーケンスの使用により、各端末が、互いに干渉し合うことなくそれらの端末の最大出力１で同時に伝送することが可能になる。受信されるＭ×τ_ｒｐパイロット信号は、次式のようになる。

式中、Ｖ_ｒは加法性雑音であり、この加法性雑音は、逆拡散の後に、次式のようなチャネル行列の最小平均二乗線形推定器をもたらす。

推定

は、推定誤差

から独立している。

の成分は、ｉｉｄ、

であり、

の成分は、ｉｉｄ、

である。パイロット・シンボルの最小限必要な数は、端末数に等しく、基地局アンテナの本数から独立していることに留意されたい。同様に、平均二乗推定誤差は、基地局アンテナの本数から独立している。

基地局は、順方向チャネルの推定の擬似逆行列に比例する次式のＭ×Ｋ前処理行列Ａを介して、順方向リンク上でＱＡＭシンボルを選択的かつ同時に端末に伝送する。

この前処理行列は、順方向チャネルを表面上は対角化する。正規化は、ｔｒ（Ａ^ＨＡ）＝１となるように選択される。

図２に示したように、それぞれの順方向伝送シンボルの間、基地局は、ＱＡＭシンボルのＫ×１ベクトルに前処理行列を乗算して、次式のようなアンテナを駆動するＭ×１信号ベクトルを生成する。

式中、ＱＡＭシンボルは独立であり、各シンボルは、期待電力１を有し、Ｅ｛｜ｑ_ｋ｜^２｝＝１、ｋ＝１、...、Ｋである。端末によって受信される信号をベクトルで表すと、次式のようになる。

逆方向リンク・パイロットの見地からは、余分の基地局アンテナには、コストが掛からない。Ｍ／Ｋ≫１である漸近領域において、余分の基地局アンテナを有する場合に明白な便益があることをヒューリスティックに証明することにする。

の成分は、ｉｉｄであり、ＣＮ（０，１）確率変数に比例することに留意されたい。したがって、

であり、ゆえに前処理行列（７）は、チャネル推定の共役転置行列に比例する。（８）において、実効順方向チャネルは、次式のような、実際の伝搬行列と前処理行列の積に等しいＫ×Ｋ行列であることに留意されたい。

Ｇ≡Ｈ・Ａ （９）
漸近領域ではＭ／Ｋ≫１であり、ゆえに、

また、Ｈ・Ｈ^Ｈ→Ｍ・Ｉ_Ｋであり、その一方、Ｈ・Ｖ^＊ _ｒψ^＊の成分は、

に等しい標準偏差と無相関である。したがって、

式中、Ｚの成分は平均ゼロであり、単位分散と無相関である。結果として、チャネル情報が恣意的に悪化する可能性がある。しかしながら、基地局で多くのアンテナを使用すればするほど、理想的な対角実効チャネルへの近似をますます良好に生成することができる。加えて、実効利得が増大し、より多くの端末にサービスすることが可能になる。

（８）によって特徴付けられるチャネルは、理想的マルチユーザＭＩＭＯチャネルが有するよりも低いスループットを有する。低下には、以下の３つの原因がある。すなわち、前処理行列が、不完全なチャネル推定から計算される、擬似逆行列の使用が最適以下である、および端末が実効チャネル（９）を正確に把握していないことである。次に、マルチユーザＭＩＭＯシステムの合計容量の正確な下限を導き出すことにする。合計容量は、システムのスループットの指標である。合計容量の下限の導出は、参照により本明細書に組み込まれている、B. HassibiおよびB. M. Hochwald、「How much training is needed in multiple-antenna wireless links?」、IEEE Trans. Information Theory、第49巻、第4号、2003年4月に述べられている手法に従う。

各端末は、実効チャネルを把握していないものの、この実効チャネルの平均は把握している。次のように、（９）を（８）に代入し、実効チャネルの平均を加算および減算することができる。

式中、

は、（端末に把握されていない）実効雑音である。次いで、実効利得の統計値を計算することが可能である。前述より、

式中において、

であり、この式を前処理行列（７）に代入している。

は

から独立しており、ゆえに

はＡから独立していることを思い出されたい。また、実効雑音

は、ＱＡＭシンボル

と無相関である（が、このＱＡＭシンボルから独立でない）。ランダムなスカラーφを、以下のように定義する。

式中、Ｚは、成分がｉｉｄ、ＣＮ（０，１）であるＫ×Ｍランダム行列である。Ｇのｋ番目の行ベクトルが、

であるとする。次式のように示すことが可能である。

式中、

は、ｋ番目の成分が１に等しく他のすべての成分が０に等しいＫ×１ベクトルである。

ｋ番目の端末が、次式の信号を受信するのを示すことができる。

式中、ＱＡＭ信号と無相関である実効雑音は、次の分散に対して平均ゼロである。

上で引用したＢ．Ｈａｓｓｉｂｉらの参考文献の手法を用いることにより、合計容量の下限を以下のように算出することができる。まず、ＱＡＭシンボルを、下限を提供するＣＮ（０，１）にする。さらに、実効雑音が複素ガウス型であると仮定することによって、相互情報量に下限を設ける。最終結果は、次のような合計容量の下限となる。

式中、φは（１２）によって定義される。基地局アンテナの本数が端末数と比較して多くなると、φの平均および分散の適切な近似を代入して、次式を得ることができる。

端末数に対する基地局アンテナの本数が固定比率である場合、合計容量は、端末数とともに線形増加する。

図６、７および８は、Ｍ＝１、２、４、８、１６本の基地局アンテナについての、合計容量の下限（１７）（ビット／秒／Ｈｚ）対サービスされる端末数Ｋのグラフである。順方向ＳＩＮＲは、図６、７および８についてそれぞれρ_ｆ＝｛０．０、１０．０、２０．０｝ｄＢであり、逆方向ＳＩＮＲは、順方向ＳＩＮＲよりも１０ｄＢ少なくρ_ｒ＝｛−１０．０、０．０、１０．０｝ｄＢである。すべての場合において、逆方向パイロット・シンボルの可能な限り小さい数、すなわちτ_ｒｐ＝Ｋを使用している。

図６、７および８のグラフから、いくつかの所見を有することができる。第１に、合計容量は、基地局アンテナの本数とともに単調増加する。第２に、低いＳＩＮＲにおいてでさえ、基地局が２つ以上の端末にサービスすることは概して有益である。第３に、所与の本数の基地局アンテナに対して、瞬時スループットの見地からは、サービスすべき端末の最適な台数が存在する。しかしながら、短いコヒーレンス間隔では、逆方向パイロットの必要な個数を送達するのに十分な時間が存在し得ない。この効果は、以下の説明において定量化する。

図３に関連して上述したように、チャネルは、Ｔ個のシンボルのコヒーレンス間隔の間、一定であると仮定することができる。典型的には、シンボルは、約５０マイクロ秒を占める。図３は、チャネルが一定状態であると仮定されるコヒーレンス間隔３００中に、端末は、τ_ｒｐ個の逆方向パイロットを伝送しなければならず、基地局は、チャネル推定および前処理行列を計算しなければならず、基地局は、ＱＡＭシンボルを端末に伝送しなければならないことを示している。図３の例示的一実施形態は、この図３に示したように、チャネル推定および前処理行列の計算が１個分のシンボルを占有するものと仮定されている。

基地局アンテナの本数Ｍが仮定され、かつ順方向および逆方向ＳＩＮＲρ_ｆおよびρ_ｒの値が仮定されれば、サービスすべき端末数、および逆方向リンク・パイロットの個数を同時に選択して、次式のようにネット・スループットを最大化することができる。

式中、Ｃ_ｓｕｍ（・）は（１７）によって与えられる。

図９、１０および１１は、Ｍ＝１、２、４、８、１６本の基地局アンテナについて、順方向ＳＩＮＲの関数としてのネット・スループット（ビット／秒／Ｈｚ）を示す。（「ＭＩＭＯなし」と標記された）破線のカーブは、１本のアンテナを有し、最適化された順方向パイロットとともに１つのデータ・ストリームを１台のシングルアンテナ端末に伝送する基地局に対応している。コヒーレンス間隔の持続期間は、図９、１０および１１についてそれぞれＴ＝１０、２０、４０である。逆方向ＳＩＮＲは、これらの図面を通じて順方向ＳＩＮＲよりも１０ｄＢ小さい。基地局アンテナの本数が多い（Ｍ＝８、１６）と、「ＭＩＭＯなし」の場合と比べてスループットの大幅な向上がもたらされることに留意されたい。「ＭＩＭＯなし」の場合、１本の基地局アンテナを有するマルチユーザＭＩＭＯよりも有意に良好に動作する。この原因の一部は、順方向パイロットが逆方向パイロットよりも１０ｄＢ大きいからである。また、コヒーレンス間隔の持続期間が増すにつれて、ネット・スループットが著しく増大することにも留意されたい。これの裏付けは、それぞれ図９、１０および１１のシナリオに対応し、サービスすべき端末の最適な台数を示す図１２、１３および１４に見出すことができる。コヒーレンス間隔がより短いと、サービスされ得る端末はより少なくなるが（この一実施形態では、各端末について少なくとも１つの逆方向パイロット・シンボルが存在するのを思い出されたい）、その場合でさえ、基地局が複数の端末にサービスすることは、概して有益である。

やはり同じシナリオについて、図１５、１６および１７が、使用すべき逆方向パイロット・シンボルの最適な個数を示している。より短いコヒーレンス間隔中において、多くの基地局アンテナを使用することは、典型的に、コヒーレンス間隔の約半分が、逆方向パイロットに消費されることを意味する。この特定の例では、瞬時スループットは、パイロット・シンボルの必要数である端末数におおむね比例する。比例定数に関係なく、最大ネット・スループットは、コヒーレンス間隔の半分を逆方向パイロットに消費することによって獲得される。また本例では、高いＳＩＮＲにおいても、端末当たり約１つの逆方向パイロット・シンボルが存在する。過剰な数の逆方向パイロットの使用を通じてオーバートレーニングしても、スループットが向上しないのは明らかである。

図６から１７のグラフの状況において前述した諸々の例は、可変スロット構造を使用することにより、固定スロット構造を用いるシステムと比べてマルチユーザＭＩＭＯ通信システムにおけるスループットを著しく向上できることを示している。より具体的には、コヒーレンス間隔が短く（たとえば、Ｔ＝１０個のシンボルつまり５００マイクロ秒）、ＳＩＮＲが低い（たとえば、逆方向で−１０ｄＢおよび順方向で０ｄＢ）ときでさえ、１６本以上のアンテナを備える基地局は、チャネルを把握すること、および同時存在する複数のデータ・ストリームを複数のシングルアンテナ端末に高い総スループットで伝送することのいずれも行うことが可能である。

前述の例において、基地局アンテナの本数を増やすことが、概して言うと常に有益であることに留意されたい。この行為により、逆方向リンク・パイロットの必要な数が増加することはない。行列値を有するチャネル推定は、次元数を増大させ、また、個々のチャネル係数の推定は向上しないけれども、順方向チャネルの擬似逆行列の実効度が向上する。

上述のように、マルチユーザＭＩＭＯシステム１００の構成は、特定の適用例の必要性に適合するように変更することができる。前述の例では、高スループット用途について考え得る１つの構成は、基地局１０２が、図５に示されるようにこの基地局自身の電力増幅器によって各々駆動される１６本以上のアンテナを有する構成であることが示されてはいるが、アンテナの他の本数を使用してもよい。たとえば、約５０から１００本のアンテナを有し、図５に示されるように各々のかかるアンテナがやはり基地局自身の電力増幅器によって駆動される基地局を使用してもよい。

特定タイプのマルチユーザＭＩＭＯシステムの状況において説明したものの、開示した技法は、他のタイプのＭＩＭＯシステムにも適用可能である。たとえば、他のタイプのマルチユーザＭＩＭＯシステム（多元接続ＭＩＭＯと呼ばれることもある）が、基地局のマルチアンテナ・アレイに複数のデータ・ストリームを同時に送達する独立したシングルアンテナ端末を必要とすることについて上で特記した。かかるシステムでは、逆方向リンク・パイロットは、逆方向チャネルの伝搬特性を基地局に通知するのに用いることができ、該基地局は、チャネル行列の擬似逆行列を計算し該基地局がアンテナから受信した信号にこの擬似逆行列を適用することにより、該基地局が受信したデータ・ストリームを処理することができる。ブロードキャストＭＩＭＯと多元接続ＭＩＭＯの考え得る１つの組合せは、交互に並ぶブロードキャスト・スロットおよび多元接続スロットを使用するものである。かかるスロットは、本明細書で開示した技法を用いて可変構造を有するように構成することができる。

あらためて、以上説明した例示的諸実施形態の特定の仮定、構成および他の特徴は、単に例として提示したものであると理解されたい。したがって、図１および２に示した特定のＭＩＭＯシステム構成ならびに図３に示した可変スロット構造は、他の実施形態において改変することができる。また、図４のＭＡＣ処理において、モビリティ、サービスについてのグループの優先順位付けなどに従って端末をグループ分けするための技法は、特定の適用例に適合するように改変することができる。添付の特許請求の範囲内にあるこれらおよび他の多数の代替実施形態は、当業者に容易に理解されよう。

Claims (10)

1. 基地局が複数の端末と通信する多入力多出力通信システムにおいて情報を通信する方法であって、
   前記端末の各々のモビリティを判定するステップと、
   前記判定されたモビリティに基づいて前記端末をグループに割り当てるステップと、
   前記グループのうちの少なくともそれぞれ第１および第２のグループの前記端末と通信するための少なくとも第１および第２の異なるスロット構造を使用するステップと、
   第１および第２のスロット構造の内の１つと関連付けて構成される所与のスロット内の端末の各々へと複数の通信シンボルを同時に伝送するためにアンテナ・アレイの複数の共有のアンテナを使用するステップと
   を含む方法。
2. 前記基地局が、Ｍ本のアンテナを備えるアンテナ・アレイを介して前記複数の端末と通信し、前記複数の端末が、Ｋ台のシングルアンテナ端末を含み、Ｍ≧Ｋである、請求項１に記載の方法。
3. 前記スロット構造の所与の１つが、スロット長、順方向リンクを介して前記１スロット内でサービスされるべき端末数、および逆方向リンク・パイロットの個数で指定される、請求項１に記載の方法。
4. 前記所与のスロット構造の前記スロット長が、当該グループの前記端末が通信周波数における波長のなんらかの指定部分を移動する時間間隔以下である、請求項３に記載の方法。
5. 前記スロット構造の所与の１つが、前記システム内における特定の個数の通信シンボルとして指定される期間を有するコヒーレンス間隔を備える、請求項１に記載の方法。
6. 前記コヒーレンス間隔が、複数の逆方向パイロットを備える第１の部分と、トレーニング計算の間隔を備える第２の部分と、複数の順方向リンク・シンボルを備える第３の部分とを含む、請求項５に記載の方法。
7. 前記コヒーレンス間隔が、Ｔ個のシンボルの期間を有し、前記第１の部分が、対応する前記グループの前記端末によって前記基地局に伝送されるτ_ｒｐ個の逆方向パイロット・シンボルを備え、前記第２の部分が、単一シンボルの期間を有するトレーニング計算の間隔を備え、前記第３の部分が、前記基地局により前記対応するグループの前記端末の各々に伝送される（Ｔ−１−τ_ｒｐ）個の順方向シンボルを備える、請求項６に記載の方法。
8. 前記グループの所与の１つが、単一スロット内でサービスされ得るよりも多くの端末を含む場合、前記所与のグループが、該所与のグループ内の前記端末の相対的角度位置に基づいて、２つ以上のより小さいグループに分割される、請求項１に記載の方法。
9. 多入力多出力通信システムにおいて使用する、前記システムにおいて複数の端末と通信する基地局であって、
   前記端末の各々のモビリティを判定し、前記判定されたモビリティに基づいて前記端末をグループに割り当て、前記グループのうちの少なくともそれぞれ第１および第２のグループの前記端末と通信するための少なくとも第１および第２の異なるスロット構造を使用するように構成される処理ユニットと、
   第１および第２のスロット構造の内の１つと関連付けて構成される所与のスロット内の端末の各々へと複数の通信シンボルを同時に伝送するためのアンテナ・アレイの複数の共有のアンテナと
   を含む基地局。
10. 複数の端末と、
    前記端末と通信するように構成された少なくとも１つの基地局と
    を備える多入力多出力通信システムであって、
    前記基地局は、前記端末の各々のモビリティを判定し、前記判定されたモビリティに基づいて前記端末をグループに割り当て、前記グループのうちの少なくともそれぞれ第１および第２のグループの前記端末と通信するための少なくとも第１および第２の異なるスロット構造を使用し、第１および第２のスロット構造の内の１つと関連付けて構成される所与のスロット内の端末の各々へと複数の通信シンボルを同時に伝送するためにアンテナ・アレイの複数の共有のアンテナを使用するように動作する
    多入力多出力通信システム。

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