JP5638404B2 - 移動通信システム及び基地局制御装置 - Google Patents
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Description
MIMO−SDMは、送受ともに複数アンテナを適用し、複数サブストリームの同時送信によりピークスループットを向上させることができるが、一般に、総送信アンテナ数>受信アンテナ数のときに特性が劣化する。また、所要受信SINRが増大するため、受信SINRが低いセル端での特性がよくないという性質がある。
セル端スループットとシステムスループットを同時に向上させる有力な手法として、セル間干渉キャンセル法が検討されている。
図7に示すように、基地局#1のセルと基地局#2のセルからなるセルラシステムを考える。第3世代、OFDM系のシステムでは、周波数が重なることがないようにユーザを割り当てていく。しかし、ユーザが多くなるとお互いのセル間で周波数が重なってしまい、干渉を及ぼしてしまうという状況が発生する。例えば、図示するように、基地局#1にはユーザBとユーザCが図示するリソースブロックを割り当てられて通信中であり、基地局#2にはユーザa、ユーザb及びユーザcがそれぞれ図示するリソースブロックを割り当てられて通信中であるとする。このような状況において、基地局#2のセル(隣接セル)との境界付近に位置している新規ユーザAには、ユーザbに割り当てられている周波数しか割り当てることができない。この状態では、ユーザAは基地局#1からの希望信号の受信電力と基地局#2からの干渉信号の受信電力がほぼ等しくなり、全くスループットが出せないという状況となる。すなわち、新規ユーザAに周波数を割り当てることが困難である。
このような状態で、新規ユーザAの受信機がセル間干渉を除去する機能を有しており、ユーザbからの干渉信号を取り除くことができたとすると、セル端のユーザAにおける受信品質を向上させることができ、新規ユーザAにこの周波数を割り当てることが可能となる。この技術がセル間干渉キャンセラと呼ばれる。
しかしながら、この結合推定に基づくICIキャンセル方式は、移動局受信機において、変調方式、プリコーディング方式のような送信方式に関する情報を希望信号のみならず干渉信号に対しても取得することを必要とするため、移動局の処理を複雑にするという問題があった。また、干渉局送信における空間多重(同時送信サブストリーム)数が移動局側のアレーアンテナの自由度を超える中で高精度なセル間干渉除去を実現するために、ML(最尤:Maximum Likelihood)検出やMAP(最大事後確率: Maximum A posteriori Probability)検出等といった実装上の困難を伴う非線形信号処理が必要であった。このような非線形信号処理を、携帯型の移動局装置に実装することは、消費電力等の観点から好ましくない。
また、前記移動局におけるデータチャネルの復調アルゴリズムとして、Zero Forcing法又は最小二乗誤差法が用いられるものである。
さらに、送信ランクが制御される移動局が互いのセル端ユーザになるように前記自セル基地局及び前記周辺セル基地局における周波数リソースの割当をスケジューリングするものである。
また、実効的な干渉波数が低減されるため、移動局側において、最小二乗誤差(MMSE: Minimum Mean Square Error) 法等の簡易な線形受信信号処理でも大きなセル間干渉除去効果を得ることができる。
さらに、互いのセル境界に位置するユーザに対し、同じ周波数ブロックを割当てる周波数スケジューリングを導入することにより、セル全体の周波数利用効率の改善を図ることができる。
本発明は、LTE/LTEーAdvanced等のMIMO/OFDMセルラシステムを対象としている。また、本発明におけるMIMO伝送では、MIMOシステムにおける伝送特性を改善するため、同時送信サブストリーム数を無線伝搬チャネルの状態に応じて制御するランクアダプテーションが適用される。ここで、MIMO空間多重において、MIMO送受信アンテナ数のうち、小さい値が空間多重数の最大値であり、この最大値で送信することをフルランク送信と呼ぶ。ランクアダプテーションでは、空間多重数を1(ランク1送信、送信ダイバーシティに相当)からフルランク送信までMIMOチャネル行列の状態に応じて適応的に切替えることで、スループットの最大化を図る。MIMOにおける最適な送信ランク数は、受信側でチャネル推定結果に関連する情報を、送信側へフィードバックすることによって決定される。例えば、3GPP (3rd Generation Partnership Project) においてRelease 8 として標準化されたLTEの下りリンクでは、受信SINR情報に対応する測定値をChannel Quality Indicator (CQI)、移動局側が最適と考える送信ランク数をRank Indicator (RI) として、それらの値をフィードバックし、基地局側がフィードバックされたCQIとRIの情報に基づき送信ランクを決定する。LTEではフィードバックされるRIの値と送信ランクの値を必ずしも一致させる必要がなく、最終的な送信ランクは基地局のスケジューラで決定することが可能となっている。
本発明では、あるセル端移動局(セルの端部に位置する移動局)は、隣接セルから最も大きな干渉を受けており、移動局側において最大の受信電力を持つ干渉信号以外の干渉信号の和は、ガウス雑音と等価とみなす。従って、ここでは図1に示すように自セル(Serving-Cell)と自セルと隣接する干渉セル(Interfering-Cell)の2セルが存在する2セルモデルで検討する。
移動局MS#1に着目すると、基地局BS#1と基地局BS#2はそれぞれ、希望基地局(desired BS)と干渉基地局(interfering BS)とみなすことができる。一方、移動局MS#2に着目すると、基地局BS#1と基地局BS#2はそれぞれ、干渉基地局(interfering BS)と希望基地局(desired BS)とみなすことができる。
本発明では、希望基地局(desired BS)は、最も強いセル間干渉信号を送信している干渉基地局(interfering BS)と協調する。希望基地局と干渉基地局は、セル端移動局でのセル間干渉除去効果を最大化するため、(a)周波数領域ユーザスケジューリング、及び、(b)送信ランクを協調制御する。
本発明は、次で説明する複数基地局で協調した低ランク送信スケジューリングを必要とする。しかし、低ランク送信スケジューリングはフルランク送信に比べて低い送信ランクを強制的に選択するため、周波数利用効率の劣化が時折発生する。本発明では、この問題を解決するため、複数基地局で協調してサブキャリア割当を行う周波数領域ユーザスケジューリングを用いる。
図1に示すように、協調した基地局、すなわち、希望基地局(desired BS)及び干渉基地局(interfering BS)は、これらの基地局間のセル端に位置する移動局に対し、同一の周波数のリソースを割当てるようにスケジューリングする。一般に低受信SINRのユーザは、フルランクより低いランク送信が適している。このマルチセル協調周波数領域ユーザスケジューリングは低ランク送信を強制することによる周波数利用効率の劣化を低減させることができる。
セル端移動局は、低受信SINR環境のためフルランクのMIMO送信に向いていないことが多い。本発明では、協調した基地局がフルランクより低いランクの送信法を選択する。基地局側では、より低いランクでの送信を選択することにより、実効的な干渉信号の数を削減することができる。
上述のように、フルランクでのMIMO送信を避けることにより、セル端移動局における実効的な干渉信号数を減らす。これにより、移動局側のアレーアンテナの自由度が残るので、線形信号処理を用いた大きなセル間干渉(ICI)の除去が可能となる。ここでは、線形セル間干渉キャンセルアルゴリズムとして、最小二乗誤差(MMSE:Minimum Mean Square Error)法又はZF(Zero Forcing)法を用いるものとする。
(1)各基地局は、MIMO伝送に対応するため、複数のアンテナを有し、移動無線環境において、移動局と適応変調・符号化により通信を行うため、移動局側で既知の同期信号、移動局側で既知のパイロット信号、制御信号を、ユーザデータを伝送するデータチャネルに多重して送信する。
(2)OFDM変調された干渉波信号を高精度に除去するため、各基地局からの信号のマルチパス遅延を含めた受信タイミングずれがOFDMのGI内に収まるように自セルと干渉源となる基地局間で送信タイミングの同期をとる。
(3)移動局は、MIMO伝送に対応するため、複数のアンテナを有し、自セル基地局(Serving-Cell)の同期信号に基づき、最適受信タイミングを推定し、既知のパイロット信号(参照信号、Reference Signal)を受信して、自セル基地局からのチャネル応答を推定する。
(4)移動局は、上記、チャネル応答の推定結果に基づき、基地局送信信号に挿入された制御信号から空間多重数および変調方式の情報を含む送信方式の情報を取得する。
(5)自セル基地局と周辺セル基地局は、自セル基地局と通信するセル端移動局に対する下りリンクの干渉を制御するため、同一周波数のサブキャリアを用いる移動局に対し、MIMO伝送における送信ランクの合計が移動局側の受信アンテナ数以下になるよう協調制御する。
(6)前記セル端移動局は、複数アンテナの受信信号を用い、希望信号対干渉信号電力比が改善するようデータチャネルを復調する。
(7)前記セル端移動局のデータチャネルの復調アルゴリズムとして、ZF法またはMMSE(最小二乗誤差)法を適用する。
(8)さらに、セル全体の周波数利用効率を上げるため、送信ランクを協調制御するユーザが互いのセル端ユーザになるように周波数リソースの割当をスケジューリングする。
図2は、本発明の移動通信システムにおける基地局側の構成の一例を示すブロック図である。なお、本発明の移動通信システムは、基本的に、1つの基地局に複数の移動局が通信できるシステムを想定しているが、図2には、1つの移動局との通信に必要な要素のみを示している。また、本発明は下りリンク伝送(基地局→移動局)に関する発明であるため、上りリンク伝送(移動局→基地局)に関連するブロックは省略している。
この場合、前記ランクアダプテーション部12は、前記スケジューラ17により単一ランク送信が指示されたときは、ユーザデータに対してSFBC符号化を行い、2ランク送信が指示されたときはユーザデータを2サブストリームに分割して、誤り訂正符号化を行うためチャネルエンコーダ13と破線で示したチャネルエンコーダに入力する。
なお、基地局制御装置50は、前記複数の基地局が接続されたネットワーク上に配置されていてもよいし、あるいは、いずれかの基地局の内部に配置されていてもよい。
図示するように、移動局70は、複数Nr本の受信アンテナ71−1〜71−Nrを有している。各受信アンテナ71−1〜71−Nrで受信された信号は、ベースバンドにダウンコンバートされた後デジタル信号に変換されて、各アンテナに対応して設けられたサイクリックプレフィックス(CP)除去部73−1〜73−Nrに入力されるとともに、FFTタイミング検出部72にも入力される。
FFTタイミング検出部72は、自セル基地局からの受信信号に含まれる同期信号に基づき最適受信タイミングを推定する。このタイミングに基づいて受信信号の復調処理が行われる。
チャネル推定及び制御信号復調部74は、受信したパイロット信号(参照信号)の状態に基づいて、自セル基地局の各送信アンテナから各受信アンテナへのダウンリンクのチャネル応答を推定するとともに、該チャネル応答の推定結果に基づいて、基地局送信信号に挿入された制御信号を復調して、空間多重数及び変調方式の情報を含む送信方式の情報を取得する。前記チャネル応答の推定結果及び取得された送信方式の情報は、後述するセル間干渉(ICI)除去信号検出部77−1〜77−NSC(NSCはサブキャリア数)に供給される。また、前記送信方式の情報は後述するチャネルデコーダ80−1〜80−iに供給される。
FFT部76−1〜76−Nrでは、それぞれの入力信号をサブキャリアごとの信号に変換し、各サブキャリアに対応して設けられたセル間干渉除去信号検出部77−1〜77−NSCに供給する。
送信ランクがiであるときは、セル間干渉除去信号検出部77−1〜77−NSCから出力されるそれぞれのサブキャリアのiサブストリームに分離された信号の信頼度情報(例えば、ビット単位対数尤度比)は、サブストリームに対応して設けられた並直列変換器(P/S)78−1〜78−iに供給されて直列信号に変換され、対応して設けられたデインターリーバ79−1〜79−iにおいてデインターリーブされて、対応して設けられたチャネルデコーダ80−1〜80−iに入力され、各チャネルデコーダ80−1〜80−iで復調されて並直列変換器81で各チャネルデコーダ80−1〜80−iの出力が直列信号に合成されて受信信号として出力される。
前述のように、本発明では、受信信号における希望基地局(desired BS)と干渉基地局(interfering BS)間のタイミングオフセットは、OFDMのガードインターバル(GI)を超えないものとされている。希望基地局(desired BS)と干渉基地局(interfering BS)間の周波数オフセットが無視できるほど小さいものとすると、移動局での第kサブキャリアにおけるNr×1次元の受信信号ベクトルx(k)は、次式で表される。
ただし、NSCはサブキャリア数を表す。H(s)(k)及びH(u)(k)は第kサブキャリアにおけるNr×Nt0次元の希望基地局〜移動局間及び干渉基地局〜移動局間のチャネル応答行列をそれぞれ表す。s(k)及びu(k)は、第kサブキャリアにおける希望基地局及び干渉基地局のNt0×1次元の送信信号ベクトルをそれぞれ表す。n(k)はNr×1次元の雑音ベクトルであり、各要素独立な複素ガウス分布に従う。
ただし、E{・}及びIMは、短区間のアンサンブル平均及びM×M次元の単位行列をそれぞれ表す。上付き文字Hは共役転置を表す。Pnoiseをサブキャリアあたり受信アンテナあたりの雑音電力とすると、雑音ベクトルn(k)は次式を満たす。
である。また、希望信号は、最大比合成(MRC)規範に基づき、等価受信信号ベクトルx〜(l)に等価MIMOチャネル行列の複素共役H〜(s)(l)Hを乗算することによって得られる。この仮定は、大きな周波数選択性を有する大きな遅延スプレッドがある環境では適用することができない。このような環境ではSFBCの直交性が維持されなくなるためシンボル間干渉(ISI:inter-symbol interference)が生ずる。セル間干渉(ICI)と同時にシンボル間干渉(ISI)を除去するため、本発明ではMMSE基準のSFBC復号及び信号検出を行う。
ただし、WMMSE(l)は、MMSEに基づくセル間干渉キャンセラつきSFBC復号行列を表す。WMMSE(l)は次式のように計算できる。
ただし、α=1/Psは正規化ファクタである。なお、Psは希望局の送信電力情報である。一般に基地局は送信電力の情報を報知しており、移動局は報知信号を復号することで基地局の送信電力情報を得ることができる。
ただし、z〜 n(l)(n=1,2)は、z〜(l)のn番目の要素を表す。
図4にシミュレーションパラメータの概要を示す。
ここでは、2セルモデル(すなわち、基地局数NB=2)を仮定した。各基地局の送信アンテナ数Nt0=2とし、移動局の受信アンテナ数Nr=2とした。パスモデルは3GPPのGSM 6-path Typical Urbanモデルを用い、各パスは準静的レイリーフェージングに従うものとし、各パス間及び各アンテナ間のフェージング相関は無相関であるとした。OFDMサブキャリア数Nsub=72、FFTポイント数NFFT=128、サブキャリア間隔f0=15kHz、有効OFDMシンボル長Ts=1/f0、ガードインターバル長Tg=Ts/4=16.67μs(1/4OFDMシンボル長)、フレーム長T=12(Ts+Tg)(12OFDMシンボル長)とした。誤り訂正符号として拘束長K=4のターボ符号を用い、チャネルインターリーバとしてサブブロックインターリーバを用いるものとした。QPSKについて符号化率R=1/3、1/2、2/3、3/4の4通り、16QAMについて符号化率R=1/2、7/12、/2/3、3/4の4通りの変調方式と符号化率の組み合わせについてシミュレーションを行った。プリコーディングスキームは、ランク数1の場合はAlamoutiのSFBC符号化、ランク数2のときには空間分割多重化(SDM)とした。チャネル推定及び制御信号の復調は理想的に行えるものとした。受信機側における希望信号と干渉信号の分離はSFBC復号を伴うMMSE検出により行われるものとし、希望信号と干渉信号は繰り返し回数=8のMax Log−MAPアルゴリズムにより復号されるものとした。
この図から、協調制御を行わずセル間干渉キャンセラを適用しない場合には、セル間干渉のため、エラーフロアが表れているのを確認できる。一方、本発明を適用した場合には、セル間干渉の影響を除去しているので、受信アンテナ数(Nr=2)が希望基地局及び干渉基地局の送信アンテナ数の合計(2Nt0=4)より少ないのにもかかわらず、このようなフロアは観測されない。
図5より、本発明の場合には、低いCIR環境においてブロック誤り率特性を大きく改善できることがわかる。例えば、本発明において、符号化率が1/2の場合、ブロック誤り率における所要平均Es/N0は、セル間干渉キャンセラを適用しない場合に比べて平均CIRが0dBのとき、2dBの改善ができる。
セルラ方式では、最も強いセル間干渉を除いたトータル干渉信号電力対希望受信電力比は、セル端では0dB〜10dBの間にあると考えられる。図6より、本発明のセル間干渉キャンセル法は、セル間干渉キャンセラを適用しない場合に比べて、平均受信Es/N0=5dB、10dBにおける平均スループットを10%、64%それぞれ改善できることがわかる。これらの結果より、本発明のセル間干渉キャンセル法は、MIMO/OFDMセルラ方式におけるセル端下りリンクスループットを大きく改善できることが確認できる。
Claims (4)
- 複数のアンテナを有する複数の基地局と複数のアンテナを有する移動局がOFDMにより通信を行う移動通信システムであって、
下りリンクの伝送において複数の基地局で共通の周波数帯域を使用する際、互いに干渉となる全ての基地局の送信タイミングが、移動局における各基地局からの信号のマルチパスを含めた受信タイミングのずれがOFDMのガードインターバル内に収まるように制御されており、
前記複数の基地局に接続された基地局制御装置を有し、
前記基地局は、
移動局側で既知の同期信号、移動局側で既知のパイロット信号、及び、少なくとも移動局との通信に必要な制御情報を、ユーザデータを伝送するデータチャネルに多重して送信する手段と、
自セルのセル端に位置する移動局から報告された自セルの識別番号と周辺セルの識別番号を含む情報を、前記基地局制御装置に通知する手段とを有し、
前記移動局は、
自セル基地局からの前記同期信号に基づいて最適受信タイミングを推定し、前記パイロット信号を受信して自セル基地局と自局との間のチャネル応答を推定する手段と、
前記チャネル応答の推定結果に基づいて、前記制御情報から空間多重数及び変調方式の情報を含む送信方式の情報を取得する手段と、
前記複数のアンテナの受信信号を用い、希望信号対干渉信号電力比が改善するようデータチャネルを復調する手段と、
自局がセル端に位置しているときに、前記自セルの識別番号と周辺セルの識別番号を含む情報を前記自セル基地局に報告する手段とを有し、
前記基地局制御装置は、
前記セル端に位置する移動局から報告された前記自セルの識別番号と周辺セルの識別番号を含む情報に基づいて、前記自セルの基地局と前記周辺セルの基地局に対し、前記自セル基地局が前記セル端に位置する移動局に割り当てている送信ランクと、前記周辺セルの基地局が前記セル端に位置する移動局に割り当てられている周波数帯域と同一周波数帯域を割り当てている移動局に割り当てている送信ランクの合計が、前記セル端に位置する移動局の受信アンテナ数以下となるように制御するものである
ことを特徴とする移動通信システム。 - 前記移動局におけるデータチャネルの復調アルゴリズムとして、Zero Forcing法又は最小二乗誤差法が用いられることを特徴とする請求項1記載の移動通信システム。
- 送信ランクが制御される移動局が互いのセル端ユーザになるように前記自セル基地局及び前記周辺セル基地局における周波数リソースの割当をスケジューリングすることを特徴とする請求項1記載の移動通信システム。
- 複数のアンテナを有する複数の基地局と複数のアンテナを有する移動局がOFDMにより通信を行う移動通信システムにおける前記複数の基地局に接続された基地局制御装置であって、
前記移動通信システムは、下りリンクの伝送において複数の基地局で共通の周波数帯域を使用する際、互いに干渉となる全ての基地局の送信タイミングが、移動局における各基地局からの信号のマルチパスを含めた受信タイミングのずれがOFDMのガードインターバル内に収まるように制御されており、前記移動局はセル端に位置しているときに自セルの識別番号と周辺セルの識別番号を含む情報を自セルの基地局に送信するように構成されており、前記基地局はセル端に位置している移動局から自セルの識別番号と周辺セルの識別番号を含む情報を受信したときに、該自セルの識別番号と周辺セルの識別番号を含む情報を前記基地局制御装置に送信するように構成されているものであり、
前記基地局制御装置は、
前記移動局から自局がセル端に位置しているときに報告される自セルの識別番号と周辺セルの識別番号を含む情報を当該基地局から受け取る手段と、
前記自セルの識別番号と周辺セルの識別番号を含む情報に基づいて、前記自セルの基地局と前記周辺セルの基地局に対し、前記自セル基地局が前記セル端に位置する移動局に割り当てている送信ランクと、前記周辺セルの基地局が前記セル端に位置する移動局に割り当てられている周波数帯域と同一周波数帯域を割り当てている移動局に割り当てている送信ランクの合計が、前記セル端に位置する移動局の受信アンテナ数以下となるように制御する手段を有することを特徴とする基地局制御装置。
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