JP5507000B2 - 空間情報支援がなされる階層型フィードバックを実行するための方法およびデバイス - Google Patents

空間情報支援がなされる階層型フィードバックを実行するための方法およびデバイス Download PDF

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Description

本発明は、モバイル通信の分野に関し、より具体的には、モバイル通信システムにおいて空間情報支援階層型フィードバック(spatial information-assisted hierarchical feedback)を実行するための方法および装置に関し、この方法および装置は、ユーザー端末(UE)のチャネルの空間的性質を考慮して、階層型フィードバックを実行することにより、フィードバック精度を改善する。
ロング・ターム・エボリューション・リリース8(LTE Rel−8)標準は、SU−MIMO(シングル・ユーザー多入力多出力)に対するフィードバック・ポリシーおよび符号帳(コードブック)を特に最適化するものである。しかし、MU−MIMOは、SU−MIMOに比べてフィードバック精度に対し敏感であることがすでに知られている。フィードバック精度が低いと、MU−MIMO性能が低下し、それにより、MU−MIMOの理論的ポテンシャルに関する調査が阻害される。この問題を解決するために、最新のLTE−Aの議論ではMU−MIMOの性能を高める高度フィードバック機構を重点的に取りあげている。階層型フィードバックは、スキームの非常に有望な候補である。
MU−MIMOのフィードバック精度を高めるための効果的な方法を考案することが望ましい。従来の階層型フィードバックでは時間領域または周波数領域におけるUEのチャネルの相関性を利用するが、チャネルの空間的性質を考慮していない。
従来技術における上記の欠陥を解決するために、本発明が提案される。したがって、本発明の目的は、モバイル通信システムにおいて空間情報支援階層型フィードバックを実行するための方法および装置を実現することであり、この方法および装置は、UEのチャネルの空間的性質を考慮して、階層型フィードバックを実行することにより、フィードバック精度を改善することができる。
上記の目的を達成するために、本発明によれば、ユーザー端末側に、モバイル通信システムにおいて空間情報支援階層型フィードバックを実行するための方法が備えられ、この方法は、基地局の複数の送信アンテナの空間相関行列を測定するステップと、その空間相関行列を使用して階層型フィードバック・モードにおいて階層型符号帳を変換するステップと、変換された階層型符号帳からコードワードを選択するステップと、階層型フィードバック・モードを使用して空間相関行列および選択されたコードワードのインデックスに対応するプリコーディング行列インデックスをユーザー端末から基地局にフィードバックするステップとを含む。
好ましくは、基地局において、この方法は、プリコーディングおよびスケジューリングを実行するためにユーザー端末からフィードバックされる空間相関行列およびプリコーディング行列インデックスに基づき選択されたコードワードを再構築するステップを含む。
好ましくは、階層型フィードバック・モードにおける階層型符号帳は、ユーザー端末のチャネルの時間または周波数情報に基づき学習が行われ、構築された符号帳である。
好ましくは、変換された階層型符号帳からコードワードを選択するステップは、変換された階層型符号帳から最深レベルのコードワードを選択するステップを含む。
好ましくは、空間相関行列を使用して階層型フィードバック・モードにおいて階層型符号帳を変換するステップは、階層型フィードバック・モードにおいて階層型符号帳のそれぞれのレベルで空間相関行列にコードワードを前乗算するステップを含む。
好ましくは、空間相関行列は、プリコーディング行列インデックスをフィードバックする期間より遙かに長い期間にわたって基地局とユーザー端末との間で同期される長期情報である。
好ましくは、モバイル通信システムは、マルチユーザー多入力多出力通信システムである。
上記の目的を達成するために、本発明によれば、モバイル通信システムにおいて空間情報支援階層型フィードバックを実行するための装置がさらに実現され、この装置は、基地局の複数の送信アンテナの空間相関行列を測定するように構成された測定コンポーネントと、その空間相関行列を使用して階層型フィードバック・モードにおいて階層型符号帳を変換するように構成された変換コンポーネントと、変換された階層型符号帳からコードワードを選択するように構成された選択コンポーネントと、階層型フィードバック・モードを使用して空間相関行列および選択されたコードワードのインデックスに対応するプリコーディング行列インデックスをユーザー端末から基地局にフィードバックするように構成されたフィードバック・コンポーネントとを備える。
要するに、本発明によれば、従来の階層型フィードバックに比べてフィードバック精度を高めることができる、階層型フィードバックとUE空間情報の利点を併せ持つフィードバック・アーキテクチャが実現される。
図面とともに本発明の非限定的な実施形態に関する以下の詳細な記述に基づくことで、本発明の上記の、ならびに他の目的、特徴、および利点がより明らかになるであろう。
階層型フィードバックにおける二分木構造の符号帳の一例を示す図である。 本発明によるモバイル通信システムにおける空間情報支援階層型フィードバックを実行するための方法の流れ図である。 本発明によるモバイル通信システムにおける空間情報支援階層型フィードバックを実行するための装置の流れ図である。
これ以降、本発明は、図面を参照しつつ説明される。以下の記述では、いくつかの特定の実施形態は、例示のみを目的としており、本発明に対するいかなる限定としても解釈すべきでなく、例としてのみ解釈すべきである。従来の構造またはアーキテクチャが本発明を理解するうえで潜在的な曖昧さを引き起こす場合には、これらは省略される。
階層型フィードバックというアイデアは、フィードバック精度を改善すること、およびフィードバックが制限されているワイヤレス通信システムの全体的性能を改善することに由来している。階層型フィードバック機構は、時間領域または周波数領域に関して物理的チャネルの相関性を利用する。階層型フィードバックにおける符号帳は、二分木構造に編成されており、j番目のレベルで所与の部分木における符号帳を結合するためのインデックスは、図1に示されているように、同じ(j−1)個の有効ビットを有する。
チャネルがゆっくり変化する場合、階層型フィードバックは、従来のフィードバックに比べてUEチャネルに関してより正確な記述をもたらす。言い換えると、固定されたフィードバック・オーバーヘッドに関して、階層型フィードバックは、はるかに大きい符号帳内のコードワードにインデックスを付ける。Bmaxは階層型符号帳内の木の全体的レベルを表し、B_feedbackはアップリンク・フィードバック・シグナリングにおけるPMI(プリコーディング行列インデックス)のビットの数を表すと想定する。現行のLTE標準に関して、B_feedback=4であり、ここでは、一例として、Bmax=12が採用される。階層型フィードバックは、一例として以下のシナリオを採用することによって説明することができる。
アップリンク・フィードバックの開始時に、つまり、時間t_0のときに、UEは、階層型符号帳から最深レベルのコードワードを選択し、インデックスはIdx_0=[1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0]である。しかし、UEは、Idx_0の以前のB_feedback個のビットをフィードバックし、t_0のときのPMIをPMI_0=[1 0 0 1]としてフィードバックする。
次のフィードバック時に、つまり、t_1のときにも依然として、UEは、階層型符号帳から最深レベルのコードワードを選択し、コードワードのインデックスはIdx_1=[1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0]である。階層型フィードバック・アルゴリズムによれば、UEは、Idx_1の中間(B_feedback−1)ビットをフィードバックするが、PMIフィードバックでは、「下方」のシナリオ(つまり、階層木内の下方探索)を示すために第1のビットが使用される。そのため、t_1におけるフィードバックPMIは、PMI_1=[1 0 0 0]であり、第1のビット「1」は、UEおよびeNB(基地局)でネゴシエートされた「下方」に対応し、最後の3ビットは、Idx_1の第5のビット、第6のビット、および第7のビットにそれぞれ対応する。
このようにして、PMI_1=[1 0 0 0]を受信したときに、eNBは、PMI_1およびPM1_0に基づきIdx_0の一部を再構築することができる。再構築されたコードワードのインデックスは、PMI_1_re=[1 0 0 1 0 0 0]である。この例から、チャネルがゆっくり変化する場合、階層型フィードバックおよびその対応する符号帳構造はチャネル情報のより正確なフィードバックを実現することができ、連続するコードワードの前部の複数のビットは同じ部分木内に置かれることがはっきりわかる。
階層型フィードバックは、単に、時間領域または周波数領域におけるUEチャネルの相関性を利用するだけであることにさらに留意されたい。コードワードの選択は、UEチャネルの時間または周波数情報に一意的に基づきなされる。符号帳それ自体は、チャネルの空間的性質を考慮することなく、学習および構築が行われる。しかし、実際の伝搬環境では、チャネル同士が相関しており、コードワード探索および更新においてチャネルの空間的性質を考慮しない場合、次善最適コードワードがもたらされる可能性がある。
本発明による解決策の基本的なアイデアは以下のとおりである。
ステップ1:それぞれのアップリンク・フィードバック・フレームにおいて、UEはその空間相関行列を測定し、計算する。
ステップ2:UEは、(図1に示す)同期された空間相関行列を使用することによって基本的階層型符号帳を変換して新規階層型符号帳を形成する。
ステップ3:UEは、(例えば、空間距離を最小にする、システム容量を最大にするなど)所定の標準に基づき新規生成された符号帳内の最深レベルからコードワードを1つ選択する。
ステップ4:UEは、階層型フィードバック・アルゴリズムによりステップ3において生成されたコードワード・インデックスに基づき4ビット・フィードバックPMIを導き出す。次いで、UEは、PMIをeNBにフィードバックする。フレームが空間情報更新フレームである場合、UEは、空間相関行列をフィードバックする必要がある。空間相関情報は、PMIフィードバック期間よりはるかに長い期間内にeNBとUEとの間で同期されている長期情報とみなされうることに留意されたい。
ステップ5:eNBは、ステップ3のフィードバックPMI、先行するフィードバック時間内の同じUEから知られるフィードバックPMI、および事前定義された階層型フィードバック・アルゴリズムに基づきUE PMIを再構築する。
ステップ6:eNBは、ステップ5で得られた情報に基づきスケジューリングおよびプリコーディングを実行する。eNBは、報告されたPMIおよび対応するコードワードを復号化することができることに留意されたい。
本発明は、以下の例を使用して説明されうる。
MU−MIMOシステムにK人のユーザーがおり、BSはM本の送信アンテナを装備し、それぞれのUEはN本の受信アンテナを有すると想定する。また、Bmax=12かつB_feedback=4であると想定することもできる。言い換えると、階層型符号帳木内に12のレベルがあり、それぞれのフィードバックPMIは、4ビットで表されうる。そのため、符号帳木は合計213−2=8190個のコードワードを有し、これらのコードワードは図1に示されているように編成されている。ダウンリンクでは、単に、単一ストリームを送信することができるだけであり、すべてのコードワードはM×1の次元を有する。BSからk番目のユーザーまでのチャネルは、N×M行列Hで表される。
ステップ1:空間相関行列の計算
第1のUEフィードバックフレームt_0で、UE kは、基地局のM本の送信アンテナのM×M空間相関行列
Figure 0005507000
を測定し、式中、sは空間相関行列を平均するための副搬送波を表す。これは、副搬送波、数十の副搬送波、または空間相関行列について許される伝搬シナリオおよびフィードバック・バッジに依存する帯域全体とすることができる。
ステップ2:空間相関情報を含む新規コードワードの生成
k0は、階層型符号帳の第1のレベルのコードワード、つまり、インデックスがそれぞれ[0]および[1]である図1のコードワード、つまり、cd_0およびcd_1の結合と前乗算される。得られるコードワードは、cd_new_0およびcd_new_1である。固有チャネルhk0をもつより小さい余弦距離を有するコードワードは、次のステップで木探索の根として選択される。
Figure 0005507000

Figure 0005507000
、およびhk0=U(:,1)’Hk0であるが、式中、U(:,1)は、Hk0の左特異行列の第1列目である。
ステップ3:階層木からの最深レベルのコードワードの選択
cd_new_0がステップ2で選択された場合、ステップ2の同じプロセスが、図1に示されたコードワード「0」に由来するコードワードの結合に対して実行される。言い換えると、空間相関行列Rk0が、インデックスが[00]および[01]であるコードワードへ変換を実行するということである。選択プロセスは、次の木探索に対する根を決定するためにコードワードの結合に対して実行されることになる。
コードワード選択を実行する→階層木内でレベルを下げる→新規コードワードを生成するというプロセスを、葉のコードが選択されるまで実行することになる。例えば、コードワード[0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0]が選択されていると想定する。
ステップ4:PMIの決定およびフィードバック
第1のアップリンク・フィードバック・フレームが想定されているので、eNBは、UE kのPMI空間相関情報を予め知ることはない。したがって、空間相関行列Rk0は、ベクトルまたはスケールの形でeNBにフィードバックされる。空間相関行列のほかに、選択されたコードワードのインデックスの前部4ビット、つまり、PMI_0=[0 1 0 1]がeNBにフィードバックされる。
ステップ5:eNBにおけるコードワードの再構築
k0およびPMI_0=[0 1 0 1]を受け取ったときに、またこれがUE kから第1のアップリンク・フィードバックであると判定された後、eNBは、以下のようにして所望のコードワードを再構築する。最初に、インデックスが[0 1 0 1 ]であるコードワードを階層型符号帳から探索する、つまりこれはcd_0101であり、再構築されたコードワードを
Figure 0005507000
として表す。
ステップ6:プリコーディングおよびスケジューリング
セル内のすべてのUEからオリジナルのコードワードを取得した後、eNBは、これらのオリジナルのコードワードを異なる方法で使用する。ここで、報告されるPMIは、UEの有効なチャネルの量子化であると想定し、総容量に基づく欲張り探索およびゼロ強制プリコーディングを実行する。eNBは、加重和が最大である容量を有するUEのサブセットを選択する。UEチャネルは、
Figure 0005507000
として表されるが、式中、
Figure 0005507000
はステップ5で説明されているのと同じ方法で得られる(
Figure 0005507000
はi番目のUEの再構築されたコードワードの転置を表す)。選択されたユーザーのサブセットに対する最終プリコーダーは
Figure 0005507000
であり、式中pは、パワー分布ベクトル(power distribution vector)を表す。
ステップ4.1:後続のフレームに対するPMIの決定およびフィードバック
ステップ4では、第1のアップリンク・フィードバック・フレームに対するPMIの決定およびフィードバックのプロセスを記述しているが、後続のフレームではわずかに異なる。階層型フィードバック・フレーム・アーキテクチャでは、第1のフレームと異なるフレームについて、選択されたコードワードの12ビットのインデックスの特定の部分を示すようにPMIの(B_feedback−1)個のビットが割り当てられ、以前のフレームのPMIと現在のフレームの12ビットのインデックスとの関係を示すために、1ビットが使用される。例えば、第1のアップリンク・フィードバックでは、PMI_0=[0 1 0 1]がeNBにフィードバックされる。
シナリオ1:第2のアップリンク・フィードバック・フレームにおいて、選択されたコードワードのインデックスは、Idx_1=[0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0]である。UEは、このシナリオを「下方」シナリオと判定するが、それはIdx_1の前部4ビットがPMI_0と同じだからである。PMI_1の第1のビットは、下方の「1」(eNBとUEの両方で知られている)を示すために使用され、Idx_1の第5、第6、および第7のビットはPMI_1の残りのビットに埋め込まれる。したがって、PMI_1=[1 1 0 1]である。
シナリオ2:第2のアップリンク・フィードバック・フレームにおいて、選択されたコードワードのインデックスは、Idx_1=[0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0]である。UEは、このシナリオを「上方」シナリオと判定するが、それはIdx_1の前部4ビットがPMI_0と異なるからである。PMI_1の第1のビットは、上方の「0」(eNBとUEの両方で知られている)を示すために使用され、PMI_1の残りのビットは、Idx_1の3つのビットによって埋められる。また、チャネルの性質を考慮して、PMI_1内の選択された3つのビットをよりよい方法でセットすることができる。ここで、このシナリオではIdx_1の前部の(B_feedback−1)ビット、さらには得られたPMI_1=[0 0 1 1]が使用されると単純に想定することができる。
新規フィードバックPMIを受け取った後、eNBは、すでに知っているPMI_1、およびeNBとUEとの間の「下方」および「上方」のシナリオに対する追加のビットによって決定されるネゴシエーション・アルゴリズムに基づきIdx_1の一部または全部を再構築することができる。その後、プリコーディングとスケジューリングとを実行することができる。
図2は、本発明によるモバイル通信システムにおける空間情報支援階層型フィードバックを実行するための方法の流れ図を示している。
図2に示されているように、ステップ201において、ユーザー機器は、基地局の複数の送信アンテナの空間相関行列を測定する。ステップ203で、ユーザー端末は、その空間相関行列を使用して階層型フィードバック・モードにおいて階層型符号帳を変換する。ステップ205で、ユーザー端末は、変換された階層型符号帳からコードワードを選択する。ステップ207で、選択されたコードワードのインデックスに対応するプリコーディング行列インデックスおよび空間相関行列が、階層型フィードバック・モードを使用してユーザー機器から基地局にフィードバックされる。ステップ209で、基地局は、プリコーディングおよびスケジューリングを実行するためにユーザー端末からフィードバックされるプリコーディング行列インデックスおよび空間相関行列に基づき選択されたコードワードを再構築する。
図3は、本発明によるモバイル通信システムにおける空間情報支援階層型フィードバックを実行するための装置の流れ図を示している。
図3に示されているように、装置は、測定コンポーネント301と、変換コンポーネント303と、選択コンポーネント305と、フィードバック・コンポーネント307とを備える。測定コンポーネント301は、基地局の複数の送信アンテナの空間相関行列を測定する。変換コンポーネント303は、空間相関行列を使用して階層型フィードバック・モードにおいて階層型符号帳を変換する。選択コンポーネント305は、変換された階層型符号帳からコードワードを選択する。フィードバック・コンポーネント307は、階層型フィードバック・モードを使用して、選択されたコードワードのインデックスに対応するプリコーディング行列インデックスおよび空間相関行列をユーザー機器から基地局にフィードバックする。
システム・シミュレーションを実行した。シミュレーションの前提条件および結果を以下にまとめた。
Figure 0005507000
Txアンテナ間隔=0.5波長
Figure 0005507000
Txアンテナ間隔=4波長
Figure 0005507000
シミュレーションの結果から、単一の階層型フィードバックに比べて、アンテナ間の空間相関が比較的強い場合、つまり、Txアンテナ間隔=0.5波長である場合、空間相関に階層型フィードバックを加えると、28%のセル平均周波数スペクトル効率(SE)および13%のセル端SEになる可能性があることがわかる。アンテナ間隔がこれ以上大きくなると、つまり、Txアンテナ間隔=4波長になった場合、空間相関利得は、10%のセル平均SEおよび8%のセル端SEまで低減される。そのため、空間相関フィードバックは、MU−MIMOの全体的性能を大幅に高めることができる。
上記の実施形態は、例示することのみを目的としており、本発明を限定することを意図していない。当業者であれば、これらの実施形態に対するさまざまな修正形態および置換形態が本発明の範囲および精神から逸脱することなく許されること、またこれらの修正形態および置換形態が付属の請求項によって限定された範囲内に収まることを理解するであろう。

Claims (13)

  1. モバイル通信システムにおいて空間情報支援階層型フィードバックを実行するための方法であって、
    基地局の複数の送信アンテナの空間相関行列を測定するステップと、
    前記空間相関行列を使用して階層型フィードバック・モードにおいて階層型符号帳を変換するステップと、
    前記変換された階層型符号帳からコードワードを選択するステップと、
    前記階層型フィードバック・モードを使用して前記空間相関行列および前記選択されたコードワードのインデックスに対応するプリコーディング行列インデックスをユーザー機器から前記基地局にフィードバックするステップとを含み、
    前記階層型フィードバック・モードにおける前記階層型符号帳は、時間または周波数領域にわたってユーザー端末のチャネル情報に基づき学習が行われ、構築された符号帳である、方法。
  2. 前記変換された階層型符号帳からコードワードを選択するステップは、前記変換された階層型符号帳から最深レベルのコードワードを選択するステップを含む請求項1に記載の方法。
  3. 前記空間相関行列を使用して階層型フィードバック・モードにおいて階層型符号帳を変換するステップは、前記階層型フィードバック・モードにおいて前記階層型符号帳のそれぞれのレベルで前記空間相関行列にコードワードを前乗算するステップを含む請求項1に記載の方法。
  4. 前記空間相関行列は、前記プリコーディング行列インデックスをフィードバックする期間よりはるかに長い期間にわたって前記基地局と前記ユーザー端末との間で同期される長期情報である請求項1に記載の方法。
  5. 前記モバイル通信システムは、マルチユーザー多入力多出力通信システムである請求項1に記載の方法。
  6. モバイル通信システムにおいて空間情報支援階層型フィードバックを実行するための装置であって、
    基地局の複数の送信アンテナの空間相関行列を測定するように構成された測定コンポーネントと、
    前記空間相関行列を使用して階層型フィードバック・モードにおいて階層型符号帳を変換するように構成された変換コンポーネントと、
    前記変換された階層型符号帳からコードワードを選択するように構成された選択コンポーネントと、
    前記階層型フィードバック・モードを使用して前記空間相関行列および前記選択されたコードワードのインデックスに対応するプリコーディング行列インデックスを前記ユーザー端末から前記基地局にフィードバックするように構成されたフィードバック・コンポーネントとを備え、
    前記階層型フィードバック・モードにおける前記階層型符号帳は、前記ユーザー端末のチャネルの時間または周波数情報に基づき学習が行われ、構築された符号帳である、装置。
  7. 前記選択コンポーネントは、前記変換された階層型符号帳から最深レベルのコードワードを選択する請求項に記載の装置。
  8. 前記変換コンポーネントは、前記階層型フィードバック・モードにおいて前記階層型符号帳のそれぞれのレベルで前記空間相関行列にコードワードを前乗算する請求項に記載の装置。
  9. 前記空間相関行列は、前記プリコーディング行列インデックスをフィードバックする期間よりはるかに長い期間にわたって前記基地局と前記ユーザー端末との間で同期される長期情報である請求項に記載の装置。
  10. モバイル通信システムにおいて空間情報支援階層型フィードバックを実行するための方法であって、
    ユーザー端末からフィードバックされた空間相関行列およびプリコーディング行列インデックスに基づき選択されたコードワードを再構築するステップであって、前記選択されたコードワードは前記ユーザー端末によって変換された階層型符号帳から選択される、ステップと、
    前記再構築されたコードワードに基づきプリコーディングおよびスケジューリングを実行するステップと
    を含む方法。
  11. モバイル通信システムにおいて空間情報支援階層型フィードバックを実行するための装置であって、
    ユーザー端末からフィードバックされた空間相関行列およびプリコーディング行列インデックスに基づき選択されたコードワードを再構築するように構成された再構築コンポーネントであって、前記選択されたコードワードは前記ユーザー端末によって変換された階層型符号帳から選択される、再構築コンポーネントと、
    前記再構築されたコードワードに基づきプリコーディングおよびスケジューリングを実行するように構成された実行コンポーネントと
    を備える装置。
  12. モバイル通信システムにおいて空間情報支援階層型フィードバックを実行するための装置であって、
    基地局の複数の送信アンテナの空間相関行列を測定し、
    前記空間相関行列を使用して階層型フィードバック・モードにおいて階層型符号帳を変換し、
    前記変換された階層型符号帳からコードワードを選択し、
    前記階層型フィードバック・モードを使用して前記空間相関行列および前記選択されたコードワードのインデックスに対応するプリコーディング行列インデックスをユーザー機器から前記基地局にフィードバックするように適合された
    少なくとも1つのプロセッサを備え、
    前記階層型フィードバック・モードにおける前記階層型符号帳は、前記ユーザー端末のチャネルの時間または周波数情報に基づき学習が行われ、構築された符号帳である、装置。
  13. モバイル通信システムにおいて空間情報支援階層型フィードバックを実行するための装置であって、
    ユーザー端末からフィードバックされた空間相関行列およびプリコーディング行列インデックスに基づき選択されたコードワードを再構築し、前記選択されたコードワードは前記ユーザー端末によって変換された階層型符号帳から選択され、
    前記再構築されたコードワードに基づきプリコーディングおよびスケジューリングを実行するように適合された
    少なくとも1つのプロセッサを
    備える装置。
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