JP5409987B2 - Ｏｆｄｍを使用する無線パケット・データ通信システムの分散型複数アンテナ・スケジューリング - Google Patents

Description

本発明は、一般的には、電気通信に関する。より具体的には、本発明は、無線通信システムに関する。

無線通信システムは周知であり、広範に使用されている。無線通信ネットワークは、変遷する方式でますます使用されている。無線通信ネットワークの全体的な容量を増大させることが、引き続き必要である。ネットワークの全体的な容量は、サーブすることができる加入者数、および各加入者が任意の特定時間に伝達することができる情報量に関係する。無線通信サービス・プロバイダは、常に容量の増大を提供しようとしている。

従来、容量の増大は、より多くの通信チャネルを提供して、任意の所与の時間において各チャネル上の情報量を増大させることを試行することによって達成された。情報スループットを増大させる１つの方式は、送信信号の電力を増大させることによる。他の方式は、通信が確立される帯域幅を拡大する。これらの手法に付随する１つの難点は、電力および帯域幅が、政府組織および規格組織によって通常限定されることである。さらに、送信に使用される電力量は、モバイル局の電池または他の電源によって無線装置について限定される。

無線通信ネットワークの使用が増大し、かつ能力の増大が消費者によって所望されていることに伴い、ネットワーク容量を増大させる他の手法が提案されてきた。１つの手法は、通信信号を送受信するために使用されるアンテナの数を増大させることを含む。一例では、アンテナは、アンテナのアレイとして構成され、複数入力複数出力の技法が、複数の別個の信号を伝達するために使用される。１つの例示的なシステムは、ベル・ラボ層化空間時間（ＢＬＡＳＴ）システムである。そのような構成では、アレイのすべてのアンテナは、特定の瞬間にアンテナとモバイル局との間において情報を伝達するために使用される。

複数入力複数出力構成が、特定の通信チャネルの情報スループットを増大させるのに有用であるが、通信ネットワークを適切に使用することができる加入者数を増大させる必要性に対処する助けになるとは必ずしも限らない。たとえば、アンテナ・アレイ全体は、いずれか１つの特定時間に唯一の加入者によって使用され、これは、その時間にシステムを使用することができる加入者の数を増大させない。さらに、アレイのアンテナのいくつかは、ある時間にある加入者に情報を伝達するのに最も適切ではない可能性がある。知られているように、チャネル条件は、時間と共に変わり、様々な条件が、モバイル局とベース局との間の通信に悪影響を与える。したがって、複数のアンテナが情報を伝達することを意図する場合でも、アンテナのいくつかは、情報を首尾よく伝達しない可能性があり、これにより、アンテナ・アレイの効率は必然的に低下する。そのような効率の１つの尺度は、実際に伝達される情報量と、アンテナ・アレイが伝達するように設計された情報量との比である。

他の提案は、モバイル局まで複数の独立経路を創出する原理に依拠する送信ダイバシティ・スキームを使用することである。そのような経路は、独立にフェーディングすることが認識されている。空間時間符号化（ＳＴＣ）は、平均チャネルを有する信号をモバイル局に呈示するが、一方、選択送信ダイバシティ（ＳＴＤ）は、複数送信アンテナのより優れたアンテナを選択する。文献において、ＳＴＣスキームは、スケジュールされたパケット・データ送信について、単一アンテナ送信に対して限定された利点を有することが留意されていた。ＳＴＤスキームは、ＳＴＣより性能がよいことが示されている。

ダウンリンクに沿ってモバイル局にデータを送信するとき、全電力がしばしば使用される。したがって、適切なスケジューリング・アルゴリズムでは、モバイル局において高い信号対干渉雑音比の値を得ることができる。適応的変調は、良好な信号対干渉雑音比を有するユーザについてより高い変調を使用することによって、この現象を利用する。しかし、配置は、実際的な理由でしばしば限定される。さらに、時間変化無線チャネルについて、６４より大きい変調サイズを支援するのは困難である。いくつかの事例では、１６より大きい変調サイズを支援することが困難である。したがって、既知のシステムでは、獲得可能なスペクトル効率は限定される。たとえば、制約されない配置サイズを有するＱＡＭは、約５ｄＢのＡＷＧＮ容量範囲内においてスペクトル効率を達成することができるが、スペクトル効率は、実際のシステムにおける配置の形状およびサイズによって限定される。

分散型複数アンテナ・スケジューリング（ＤＭＡＳ）を使用する複数アンテナ技術を使用して複数のユーザをスケジュールすることが提案されてきた。この概念（ＤＭＡＳ）は、当初は、ＣＤＭＡパケット・データ・システムが、各ユーザ対について最大スループットを達成するように複数ユーザを共同してスケジュールすることによって、複数ユーザ・ダイバシティを利用するために開発された。

当業者は、常に改良に向かって進んでいる。たとえば、１つまたは複数のアンテナ送信技法を使用することから利益を得ることが可能である他の構成スキームが存在する。開発されていない１つの分野は、以下に与えられる本発明の例示的な実施態様の記述において対処され、直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）タイプの通信システムである。本発明は、そのようなシステムにおいて周波数選択性を利用し、システムのスループット性能を向上させるために、複数ユーザ・ダイバシティを使用する。

１つの例示的な開示される通信方法は、所与のキャリア帯域幅内からの複数のサブキャリアの少なくとも１つの選択されたサブキャリア上における対応する複数のアンテナからの同時送信を少なくとも受信する複数のモバイル局を選択することを含む。

一例では、２つの送信アンテナが、同じサブキャリアまたは１群のサブキャリア上において２つのモバイル局のそれぞれに送信するために使用される。
一例では、モバイル局は、少なくとも２つのモバイル局のそれぞれに送信することに関連付けられる電力レベルを決定することによって選択される。次いで、モバイル局は、選択されたサブキャリアを使用するとき、最大組合せ送信データ率を有するように選択される。

一例では、キャリア帯域幅内からの複数のサブキャリアは、サブセットにグループ化され、サブセットのサブキャリアの少なくとも１つについてモバイル局を選択するために行われる決定は、サブセット内の他のサブキャリアの使用を制御するために使用される。この例は、チャネル条件が所与の帯域幅の小部分にわたって本質的に同じままであることを認識することを含めて、サブキャリアの性質を利用する。これにより、所与のキャリア帯域幅内において比較的多くの複数のサブキャリアのそれぞれについて複数のモバイル局を選択する決定が簡単になる。

本発明の様々な特徴および利点が、以下の詳細な記述から当業者には明らかになるであろう。詳細な記述に続く図面は、以下のように簡潔に記述することができる。

図１は、通信ネットワーク２０の選択部分を概略的に示す。複数のモバイル局２４および２６が、信号を送受信するために無線通信を使用する。モバイル局２４および２６は、無線ボイス、データ、ビデオ、または組合せ通信をすることができる複数の既知の装置のいずれか１つとすることが可能である。議論のために、モバイル局２４は、ユーザｉと呼ばれることがあり、モバイル局２６は、ユーザｊと呼ばれることがある。

図１に概略的に示されるように、モバイル局のそれぞれは、ベース局３４の複数のアンテナ３０および３２のそれぞれから送信された通信を受信する。スケジューラ３６が、アンテナ３０および３２のそれぞれからの同時送信がモバイル局のそれぞれに提供されるように、アンテナ３０および３２からの送信をスケジュールする。２つのアンテナおよび２つのモバイル局が図１に示されているが、本発明は、２つのアンテナまたは２つのユーザの構成に限定されるものではない。

図１に概略的に示されるように、周波数領域チャネル係数（ＣＳＩ）は、アンテナｍのユーザｉおよびｊについて、それぞれＨ_ｉｍ（ｋ）およびＨ_ｊｍ（ｋ）として示されている。指標ｋは、送信に使用される所与のキャリア帯域幅内からのサブキャリアまたはサブキャリアのグループを表記するために使用することができる。

本記述において使用される「サブキャリア」および「トーン」という用語は、直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）通信システムにおいてキャリア帯域幅内からの別個のサブキャリアまたはトーンを指すことを意図する。キャリア帯域幅がそのようなサブキャリアまたはトーンに分割される方式が、既知である。開示される例は、キャリア帯域幅のこの構成を利用し、サブキャリアまたはサブキャリアのグループあたりを基準として複数アンテナ送信技法を実施することによって、無線通信システムの容量の向上を提供する。モバイル局２４および２６におけるそれぞれの表記Ｙ_ｉ（ｋ）およびＹ_ｊ（ｋ）が、モバイル局のそれぞれにおける受信信号を示すとする。受信信号は、以下のように記述することができる。
Ｙ_ｉ（ｋ）＝Ｐ_ｉ（ｋ）Ｈ_ｉ１（ｋ）＋Ｐ_ｊ（ｋ）Ｈ_ｉ２（ｋ）＋Ｚ_ｉ（ｋ）
Ｙ_ｊ（ｋ）＝Ｐ_ｉ（ｋ）Ｈ_ｊ１（ｋ）＋Ｐ_ｊ（ｋ）Ｈ_ｊ２（ｋ）＋Ｚ_ｊ（ｋ）
Ｐ_ｉ（ｋ）およびＰ_ｊ（ｋ）は、送信電力を表し、Ｚ_ｉ（ｋ）およびＺ_ｊ（ｋ）は、サブキャリアｋのユーザｉおよびｊについて付加的雑音を表す。

キャリア帯域幅内の各サブキャリアｋについて、１セットのモバイル局（ｉ，ｊ）が、複数のアンテナ３０および３２のそれぞれからの同時送信を受信するために選択される。一例におけるそのような送信のためのモバイル局を選択することは、２つのモバイル局（すなわち、ユーザｉおよびユーザｊ）の合計率を最大にする電力Ｐ_ｉ（ｋ）およびＰ_ｊ（ｋ）を決定することを含む。これは、以下のように表すことができる。

送信電力は、以下のように表すことができる利用可能な全電力Ｐ_{ｔｏｔａｌ}の影響を受ける。

一例では、どのモバイル局が各アンテナから送信するかに関する決定は、各サブキャリアについて行われる。そのような送信技法を各サブキャリアに適用することによって、所与のサブキャリア帯域幅を使用するシステムの全体的なスループットおよび容量は、以前のＯＦＤＭ送信スキームと比較して増大される。サブキャリアあたりを基準としてそのようなアンテナ・スケジューリング技法を使用する１つの利点は、キャリア帯域幅内のサブキャリアのスペクトルにわたって変化する個々のサブキャリアの特性を利用することである。たとえば、スペクトルの一端のサブキャリアは、通常、キャリア帯域幅の反対端におけるサブキャリアと比較して、非常に異なるチャネル条件を有する。そのサブキャリア上における同時送信を受信する最適の可能な複数のモバイル局を選択するために、各サブキャリアの固有チャネル条件を使用することにより、ＯＦＤＭが使用されるネットワークの容量が大きく増大される。

一例では、複数のモバイル局が、サブキャリアのそれぞれの上における同時送信を少なくとも受信するために選択される。サブキャリアの数が大きい場合、モバイル局を選択するタスクは、複雑さのために、ネットワーク容量の増大の利点を上回る可能性がある計算コストが導入されるような方式で、複雑になることがある。１つの例示的な実施形態は、選択されたモバイル局のそれぞれに対し、等しく電力を割り付けることを想定することにより、どのモバイル局を選択すべきかの決定を簡単にすることによって、これに対処する。したがって、Ｐ_ｉ（ｋ）＝Ｐ_ｊ（ｋ）＝Ｐ（ｋ）／２である。したがって、最適化の決定は、以下のようになる。

したがって、共同的最適化の決定は、２つの１次元最適化の問題となる。示されるモバイル局のすべてに対して等しい電力割付けが使用されるとき、以下は真である。
Ｐ（ｋ）＝Ｐ_{Ｔｏｔａｌ}／２Ｋ （５）
これにより、最適化の基準は、以下から得ることができる。

一例では、既知の探索アルゴリズムが、ベース局３４によってサーブされるセル内の潜在的なユーザのすべてから選択メトリックを最大にする複数のモバイル局を選択するために使用される。

一例は、サブキャリアを共にサブセットにグループ化することによって、各サブキャリア上においてサーブされる最適なモバイル局を決定する計算の複雑さをさらに簡単にする。サブキャリアが、コヒーレンス帯域幅内において共にグループ化される場合、選択メトリックの評価は、各サブセット内の１つのサブキャリアについて実施することができる。サブセットにわたるフェーディングは、一例では平坦であると想定する。

上記の例は、複数のユーザが単一帯域幅を共有するＯＦＤＭシステムによく適している。また、キャリア帯域幅全体が単一ユーザに専用であるＯＦＤＭシステムにおいて、本発明の技法を使用することも可能である。そのような場合、モバイル局の選択は、帯域幅全体にわたって少なくとも２つのユーザの合計率を最大にする電力を決定することを含み、これは、以下のように表すことができる。

２つのアンテナ間について等しい電力を想定すると、以下は真である。

メトリック基準の決定は、以下のように表すことができる。

図２は、所与のキャリア帯域幅４０内からの複数のサブキャリアまたはトーンを備えるパイロット構造を概略的に示す。
一例では、サブキャリアをサブセットにグループ化するのに使用されるコヒーレンス帯域幅が、サブキャリア４２、４４、４６、および４８などの複数の隣接サブキャリアを含む。次のサブセットは、そのような例ではサブキャリア５０で始まる。

サブキャリアを共にサブセットにグループ化する他の例示的な技法は、いくつかの送信アンテナに基づくパイロット構造を使用することを含む。図２では、４つのパイロットおよび４つの送信アンテナが使用される。この場合、サブセットに配置される各４番目のサブキャリアの選択は、互いに直交するパイロットの１つに各サブセットを関連付ける。たとえば、サブキャリア４２、５０、５２、および５４は、第１サブセット内にある。サブキャリア４４、５６、５８、および６０は、次のサブセット内にある。各４番目のサブキャリアを選択することにより（すなわち、４本の送信アンテナが存在するので）、各サブキャリアについてモバイル局を選択するために行われる決定数を最終的に簡単にする、サブキャリアをサブセットにグループ化する他の技法が提供される。

パイロット構造を使用することは、モバイル局選択プロセスの一部として有用であるが、その理由は、既知の方式でチャネル・フィードバックを提供するために、パイロットを使用することができるからである。たとえば、パイロットは、ベース局３４において周期的に送信され、Ｍ本の送信アンテナを有するアンテナ・システムが、通常、Ｍ個の直交パイロットを各アンテナから送信する。他の例は、ドップラー周波数が高くないとき、時間多重化パイロット構造を使用する。各モバイル局において、パイロット強度は、各モバイル局（ｉ，ｊ）において測定され、ベース局３４にフィードバックされる。

再び図２を参照すると、ユーザｉ、アンテナｍ、およびサブキャリアｋについてのパイロット信号対干渉比（ＳＩＲ）は、以下のように表すことができる。

上式で、Ｐ^{Ｐｉｌｏｔ}は、パイロット送信電力を表し、Ｈ_ｉｍ（ｋ）は、トーンｋのチャネル係数であり、｜Ｚ_ｉ（ｋ）｜^２は、干渉電力を表し、キャリア間干渉（ＩＣＩ）および熱雑音を含む。

各サブキャリアの信号対干渉比は、ベース局３４にフィードバックされ、それにより、スケジューラ３６は、適切なモバイル局を選択して、相応してアンテナをスケジュールすることができる。チャネルが、サブキャリアのサブセット内において平坦であるとき、上記の式（２）のメトリックは、以下の関係に基づいてパイロット信号対干渉比から決定することができる。

等しい電力割付けが使用されるとき、アンテナの選択は、モバイル局において実施することができる。すべてのアンテナの信号対干渉比が測定され、アンテナ選択メトリックは、モバイル局において計算される。Ｐ_ｉ（ｋ）＝Ｐ_ｊ（ｋ）であるとき、ユーザｉおよびアンテナｍのメトリックＭ_ｉｍは、以下のように計算される。

トーンｋについて、ユーザｉのＣＱＩは、以下のように計算される。
ＣＱＩ_ｉ（ｋ）＝ｍａｘ_ｍＭ_ｉｍ（ｋ）

この場合の最大メトリックまたはＣＱＩは、最適測定メトリックであり、したがって、サブキャリアまたはサブキャリアのグループの各アンテナに関連付けられるように、どのモバイル局を選択すべきかの表示を提供する。
１つの例示的な動作モードでは、電力の割付けは等しく、スケジューラ３６は、式（２）または（７）を最大にするモバイル局のユーザを選択する。この場合、
ＣＱＩ_ｉ（ｋ）＝ＭＡＸ_ｍ［Ｍ_ｉｍ（ｋ）］
ａ_ｉ（ｋ）＝ａｒｇｍａｘ_ｍ［ＳＩＲ_ｉｍ（ｋ）］

他の例示的な動作モードでは、電力割付けは適応的であり、ＣＱＩ_ｉｍ（ｋ）＝ＳＩＲ_ｉｍ（ｋ）である場合、スケジューラ３６は、上記の式（６）または（９）を最大にするモバイル局を選択する。

サブキャリアの各アンテナについてどのモバイル局を選択すべきかを決定する他のメトリックおよび技法が存在し、本記述の利益を有する当業者なら、特定の状況について何が最適に作用するかを理解するであろう。たとえば、ＩＥＥＥ８０２．１６−改定ｄおよびＩＥＥＥ８０２．１６改定ｅのシステムは、ビーム形成技術を支援するプリアンブルおよびメッセージを有する。上記において提供された記述による分散型複数アンテナ・スケジューリングの基準として、同じプリアンブルを使用することができる。ＩＥＥＥ８０２．１６改定タイプｅタイプのシステムと共に本発明の一実施形態を使用することにより、様々なモバイル環境のフォーワード・リンクについて、セクタ・スループットが著しく増大する。

一例では、適応的アンテナ・サブシステム（ＡＡＳ）プリアンブルが、ベース局から周期的に送信される。モバイル局は、既知であるように、プリアンブルを選択して、アンテナ選択を実施する。さらに、選択されたアンテナのＣＱＩは、ベース局にフィードバックされる。次いで、アンテナの選択およびスケジューリングの決定は、ベース局において実施することができる。ベース局は、スループットの性能を向上させるために、柔軟的または最適な電力割付けアルゴリズムを使用することができる。

ＩＥＥＥ８０２．１６改定ｄでは、フレームの一部が、ＡＡＳ動作を支援するトラフィックに専用である。この部分中、ＡＡＳプリアンブルは、ビーム選択およびダウンリンク・チャネル推定のために、ダウンリンクにおいて送信される。ＡＡＳプリアンブルは、ビーム形成を意図するが、この例では、同じプリアンブルが、分散型複数アンテナ・スケジューリング（ＤＭＡＳ）について使用される。この例では、プリアンブルは、各アンテナから送信され、一方、ＡＡＳモードでは、プリアンブルは、各ビームから送信される。ＤＭＡＳに使用されるプリアンブルの時間領域構造は、２つの同一のＯＦＤＭシンボルを有する。プリアンブルは、最高でＭ本のアンテナから送信される。例は、Ｍ＝４本のアンテナについて示されているが、本発明は、Ｍ＝４に限定されず、一般化することができる。アンテナｍ、サブキャリアｋのプリアンブル・シーケンスは、以下によって与えられる。
ｍ＝０について、

およびｍ＝１、２、３について

上式で、Ｐ（ｋ）は、トーンｋの全帯域幅プリアンブル・シーケンスを表す。

モバイル局は、各アンテナから送信されたプリアンブルを検出する。モバイル局は、ダウンリンク送信に最適なアンテナを選択し、ベース局３４に好ましいアンテナを通知する。選択されたアンテナ指標を示すために、既知のタイプのメッセージを使用することができる。一例では、２つのメッセージが、特定のアンテナのＣＱＩをフィードバックするために使用される。特定のアンテナのＣＱＩを要求するために、特定のアンテナ・マスクについて適切なメッセージを使用することができる。モバイル局は、各アンテナに対応する１セットの周波数についてチャネル測定に関するメッセージを送信することによって応答する。

本記述ならびにＩＥＥＥ８０２．１６改定ｄおよびＩＥＥＥ８０２．１６改定ｅの規格の知識が与えられると、当業者なら、たとえば今記述されたように、サブキャリアについてモバイル局を選択する手段としてプリアンブルを使用する分散型複数アンテナ・スケジューリングを達成するために、適切な送信器および受信器の構成を開発することができるであろう。

以上の記述は、限定的ではなく、例示的な性質である。本発明の本質から必ずしも逸脱しない、開示された例に対する変更および修正が、当業者には明らかになるであろう。本発明に与えられる法的保護の範囲は、冒頭の請求項を研究することによってのみ決定することができる。

本発明の一実施形態により設計される複数のアンテナ送信技法を使用する無線通信ネットワークの選択部分を示す概略図である。 本発明の１つの例示的な実施態様において、モバイル局による必要な測定を支援するために必要とされる例示的なパイロット構造を示す概略図である。

Claims (9)

1. 通信方法であって、
   キャリア帯域幅を複数のサブキャリアに分割するステップと、
   １つ以上のモバイル局が、該複数のサブキャリアのうちの少なくとも選択された１つのサブキャリア上における同時送信を少なくとも受信するために複数のモバイル局から選択されるように、該所与のキャリア帯域幅内からの該複数のサブキャリアの少なくとも該選択された１つのサブキャリア上で対応する複数アンテナからの同時送信を該１つ以上のモバイル局で少なくとも受信するために該複数のモバイル局から該１つ以上のモバイル局を選択するステップと、
   該複数のサブキャリアを、各々が少なくとも２つの該サブキャリアを有する複数のサブセットに構成するステップと、及び
   該サブセット内からの該サブキャリアのうちの少なくとも１つのサブキャリアに関連した少なくとも１つの選択された基準に基づいて、該複数のサブセットのうちの少なくとも１つのサブセット内の該サブキャリアの各々についていずれのモバイル局を選択するべきかを決定するステップとを含む、通信方法。
   
2. 請求項１に記載の方法において、
   該複数の選択されたモバイル局に第１の通信を送信するために該複数のアンテナの第１アンテナを使用するステップと、該複数の選択されたモバイル局に異なる第２の通信を送信するために該複数のアンテナの第２アンテナを使用するステップとを備える方法。
   
3. 請求項２に記載の方法において、
   該複数のアンテナからの送信を制御するために、分散型複数アンテナ・スケジューリングを使用するステップを備える方法。
   
4. 請求項１に記載の方法において、
   少なくとも選択されたサブキャリアについて、少なくとも２つのモバイル局のそれぞれに送信することに対応する電力レベルを決定するステップと、
   該送信を受信する最大組合せ送信データ率を有する該モバイル局をスケジューラによって選択するステップとを備える方法。
   
5. 請求項１に記載の方法において、
   該同時送信を送信するＭ本のアンテナが存在し、該サブセットのそれぞれについて帯域幅内から各Ｍ番目のサブキャリアをサブセットに含めることによって、該サブセットを構成するステップを備える方法。
   
6. 請求項１に記載の方法において、複数の隣接サブキャリアを各サブセットに構成するステップを備える方法。
   
7. 請求項１に記載の方法において、該モバイル局のそれぞれが、帯域幅全体を使用する方法。
   
8. 請求項１に記載の方法において、
   該複数のモバイル局を選択するステップが、該帯域幅全体にわたって選択時間間隔中に該送信を受信するために、合計率を最大にするモバイル局をスケジューラによって選択するステップを備える方法。
   
9. 請求項１に記載の方法において、該キャリア帯域幅が、直交周波数分割多重化に従って、該複数のサブキャリアに構成される方法。

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