JP5865485B2 - 多重入出力（ｍｉｍｏ）のための空間チャネル状態情報のフィードバック方法およびシステム - Google Patents

Description

本発明は、特に送信アンテナの数が４つ以上の場合における、ＭＩＭＯ技術のダウンリンク通信のための空間チャネル状態情報（ＣＳＩ）を提供することに関する。具体的には、本発明の技術分野は、複数の成分ＣＳＩを用いる空間（ＣＳＩ）のフィードバックに関する。複数の成分ＣＳＩは、適切なコードブックにおけるコードワードによってそれぞれ表現される。

ＭＩＭＯ技術は、送信機および受信機の両方において、複数のアンテナに利用することによってデータスループットおよび送信信頼性を極めて向上できる。データスループットは、リンクレベル、システムレベル、あるいはリンクレベルとシステムレベルの両方において、向上されうる。また、空間効率およびデータスループットを向上するために、空間多重化およびビームフォーミングが用いられてきた。空間多重化は、並行したチャネルを通じて同一ユーザーに同時に多重データストリームを伝送するので、リンクレベルスループットおよびピーク速度を直接的に向上する。空間多重化は、送信アンテナと受信アンテナの双方のアンテナ間の空間的相関関係が低いときに、最も有効である。ビームフォーミングまたはプリコーディングは、チャネルの信号対干渉雑音比（ＳＩＮＲ）を向上し、したがって、チャネル速度を向上する。プリコーディングは、複数の送信アンテナに適切な重みを適用することを言う。この重みは、チャネルの相反性またはチャネルのフィードバックの一方からの空間ＣＳＩに基づいて計算する。

送信アンテナの数が受信アンテナの数よりも多い場合、送信機における余剰の空間次元により処理の効率化を達成できる。たとえば、周波数分割多重化（ＦＤＤ）システムでは、チャネルの相反性が一般的に持続せず、空間ＣＳＩフィードバックがプリコーディングに必要である。オーバーヘッドの問題のため、ＣＳＩフィードバックは、多すぎるビットを使うことができない。一般的に、ビット数が増加すると、量子化誤差が減少する。したがって、コードブックは、空間ＣＳＩを量子化するために一般的に使用される。効率的なコードブック設計は、効率的な量子化をもたらし、その一方で使用するビット数を最小化できる。

プリコードされたＭＩＭＯは、２つのシナリオ、すなわち、シングルユーザーＭＩＭＯ（ＳＵ−ＭＩＭＯ）およびマルチユーザーＭＩＭＯ（ＭＵ−ＭＩＭＯ）において操作可能である。ＳＵ−ＭＩＭＯでは、空間多重ストリームが一人のユーザーに伝送され、受信機においてＳＩＮＲを増加するためにプリコーディングが使用される。ＭＵ−ＭＩＭＯでは、複数のユーザーのデータストリームが、同じ時間周波数資源において同じ送信アンテナのセットを共有する。データ分離は、適切なプリコーディングおよび受信機プロセスによって達成できる。しかしながら、空間ＣＳＩフィードバックにおける量子化誤差は、ＳＵ−ＭＩＭＯおよびＭＵ−ＭＩＭＯのパフォーマンスに全く異なった影響を与える。ＳＵ−ＭＩＭＯでは、コードブックの分解能により、ＭＩＭＯチャネルの空間的特徴にプリコーディングが完全にマッチしない場合、プリコーディングゲインに一定のＳＩＮＲロスがもたらされる。そのようなＳＩＮＲロスは、低いＳＮＲ領域または高いＳＮＲ領域であろうとも、異なる信号対雑音比（ＳＮＲ）での動作ポイントの各点でほぼ均一である。換言すると、同一ユーザーに対する複数のストリームの分離が、送信機におけるプリコーディングと関係のない受信機において個別に実行されるので、空間多重化にロスがない。しかしながら、ＭＵ−ＭＩＭＯでは、３ＧＰＰ Ｒ１−０９３８１８”Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｔｏ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｔｙｐｅｓ”，ＺＴＥ，ＲＡＮ１＃５８ｂｉｓ，Ｍｉｙａｚａｋｉ，Ｊａｐａｎ，Ｏｃｔ．２００９の図１に示されるように、量子化誤差は、ＳＮＲの増加に伴ってすぐにＭＩＭＯチャネル速度を飽和させてしまうユーザー間干渉を、直接的に増長する。

送信機のアンテナが相関する場合（たとえば、ビームフォーミングアンテナである場合）、ＭＩＭＯチャネル特性が線形位相回転に分解されるので、コードブック設計の問題が大きく低減されうる。しかしながら、ＣＳＩフィードバックに相応しいビット数に制限されるならば、一般的に、非相関チャネルへのコードブック設計は難しい。非相関アンテナの一つの典型的な形態は、広い間隔で配置された交差ポール（ｃｒｏｓｓ−ｐｏｌｓ）である。分散環境では、２組間の間隔（通常、４周期より大きい）が相互の低干渉を確保する。直交偏光（＋４５、−４５度）は、各偏極方向で、独立のフェーディング結果となる。

Ｎ．Ｊｉｎｄａｌ，”ＭＩＭＯ ｂｒｏａｄｃａｓｔ ｃｈａｎｎｅｌｓ ｗｉｔｈ ｆｉｎｉｔｅ−ｒａｔｅ ｆｅｅｄｂａｄｋ，”ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ，ｖｏｌ．５２，ｎｏ．１１．Ｎｏｖ．２００６，５０４５−５０６０ページには、ＭＵ−ＭＩＭＯにおける完全な多重化ゲインを達成できることが証明されており、ユーザーごとのＣＳＩ量子化に必要なビット数は、ｄＢｓで動作するＳＮＲに伴って、次式のように、線形的に増大する。

ここで、Ｍは送信アンテナの数を表す。４Ｇ無線システムにおいて、効率的なプリコーディングのために、携帯端末は２つのアンテナを有することになっている。Ｍは、４以上でなくてはならない。Ｍ＝４の場合でさえ、ＳＮＲ操作ポイントが１ｄＢ高くなれば、１ｄＢごとに、必要ビット数を増加する必要がある。低いＳＮＲ（すなわち、３ｄＢ未満）においてＢ＝２ビットである場合、高いＳＮＲ（すなわち、１６ｄＢより大きい）においてＢは１５ビットを超えうる。そのような大きなコードブック（２^１５＝３２７９８要素）の設計や記憶は困難であり、コードブック検索は、莫大なベースバンド処理を必要とする。このような状況で存在する問題や障害は、下記に示す方法及びシステムにより克服することができる。

本発明は、複数の成分ＣＳＩを用いるＭＩＭＯ技術のダウンリンク通信のための空間ＣＳＩを提供する無線通信方法およびシステムを対象とする。

本方法では、送信機の複数の送信アンテナが前記ＵＥと前記送信機の間で確立された少なくとも２つのサブチャネルに対応するサブセットに分割される。各サブチャネルの空間ＣＳＩは、測定され、サブチャネルごとに空間ＣＳＩは特異値分解により左特異行列、特異値行列、および右特異行列に分解され、左特異行列は送信アンテナの対応するサブセットにおける空間識別情報の特性を示すサブチャネルごとの第１成分ＣＳＩとして得られ、右特異行列は対応する受信機における空間識別情報の特性を示すサブチャネルごとの第２成分ＣＳＩとして得られる。選択的に、サブチャネルごとの成分ＣＳＩがコードブックを使用して量子化され、サブチャネルごとの量子化された成分ＣＳＩがフィードバックに使用されてもよい。各ＵＥは、受信機と送信アンテナの複数のセグメントの空間識別情報をフィードバックとして提供し、この情報から、送信機は、全送信アンテナの合成空間ＣＳＩをまとめて生成する。

システムでは、ユーザー装置および複数の送信アンテナのセグメントは、サブチャネルごとの空間ＣＳＩを有する空間サブチャネル接続を確立する。サブチャネルごとに空間ＣＳＩを特異値分解により左特異行列、特異値行列、および右特異行列に分解する手段も含まれ、ここで、左特異行列は送信アンテナの対応するサブセットにおける空間識別情報の特性を示すサブチャネルごとの第１成分ＣＳＩとして得られ、右特異行列は対応する受信機における空間識別情報の特性を示すサブチャネルごとの第２成分ＣＳＩとして得られる。最後に、サブチャネルごとの第１成分ＣＳＩおよび第２成分ＣＳＩをそれぞれフィードバックする手段もある。選択的に、コードブックを使用して、サブチャネルごとの成分ＣＳＩを量子化し、それから、フィードバックとして量子化された成分ＣＳＩを提供する手段が含まれてもよい。さらに、複数のアンテナに対応する合成空間ＣＳＩを決定する手段を有してもよい。

改良の更なる特徴および効果は、発明の詳細な説明から理解される。

ＣＳＩフィードバックにプリコードされたＭＩＭＯの性能感度を示す図である。 ダウンリンクＭＩＭＯのための空間ＣＳＩフィードバックの一例を示すブロック図である。 送信アンテナ分割（セグメンテーション）の一例を示す図である。

本発明の実施形態は、添付した図面により示される。

説明する方法およびシステムは、特に、送信アンテナが４本以上の場合に、非相関のＭＩＭＯチャネルのために、空間ＣＳＩを正確にフィードバックする効率的な手法を提供する。

ＵＥと複数の送信アンテナの一つのセグメントを接続する複数アンテナ送信機および複数アンテナ受信機に、ＭＩＭＯの各サブチャネルの空間識別情報がフィードバックとして提供される。ＵＥと共に（複数のセグメントの）送信機および受信機は、フィードバックとして、各セル−ＵＥ接続の空間識別情報を伴い、送信機は、全送信ポイントの送信アンテナに亘る合成空間ＣＳＩを決定できる。この技術は、１本または複数本の受信アンテナを有する携帯端末に適用できる。空間識別情報は、主に短期のサブバンドである。

送信アンテナの各セグメントのための受信機側における空間識別情報は、空間チャネルから直接的に導き出すことができ（明示フィードバック、たとえば、特異値分解）、あるいは、受信機のインプリメンテーション（ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ）を考慮して導き出せる（暗示フィードバック）。暗示フィードバックは、一定の受信機の処理を前提とし、通常、プリコーディングマトリックス指標（ＰＭＩ）または機能拡張版の形態を取る。明示フィードバックは、受信機の処理を考慮せず、空間チャネル特徴を「客観的」に捕らえようとする。空間チャネルは、チャネル状態情報（ＣＳＩ−ＲＳ）のための参照チャネルから測定される。ＣＳＩ−ＲＳは、上位層から構成される。

送信アンテナの各セグメントおよび受信アンテナの空間識別情報は、コードブックを使用してフィードバックとして提供される。早期にリリースされたＬＴＥのコードブック、たとえば、Ｒｅｌ−８／９／１０は、再利用可能である。空間チャネルの固有値のようなＳＮＲ関連情報は、Ｒｅｌ−８／９／１０ＣＱＩまたはその拡張を用いたフィードバックとして提供されることもできる。

図２のブロック図は、本発明のフィードバック設定の例を示す図である。ｅＮＢとＵＥの２つの主な構成がある。ｅＮＢの送信アンテナは、地理的に異なる位置にあり異なる極性を有することができる。

送信アンテナは、複数のサブセットに分割されている。図３は、直交偏波アンテナ（計４要素）がどれだけ広く間隔を開けて２つのサブセットに分割されているかを示す例である。構成１、２は、２つの離れた＋４５度の極性アンテナを含み、構成３、４は、２つの離れた−４５度の極性アンテナを含む。携帯端末が２つの受信アンテナを有すると仮定して、４×２ＭＩＭＯチャネルＨは次のように分解できる。

ここでＨ_１およびＨ_２は、それぞれ＋４５度および−４５度の極性アンテナに対応する２つのサブチャネルを表す。（２）の”ｈ”の最初の下付文字１〜４は、送信アンテナの指標であり、（２）の”ｈ”の２番目の下付文字１〜２は、受信アンテナの指標である。

各セグメント、”Ｈ_１”、”Ｈ_２”は、ＣＳＩ−ＲＳにより測定される。各サブチャネル（”Ｈ_１”または”Ｈ_２”）にとって、それぞれコードブックにより量子化される送信機側および受信機側空間識別を分類することによって、ＣＳＩ分割が実行される。すなわち、各サブチャネルにとって、送信機側識別のためのコードブックインデックスと、受信機側識別のための他のコードブックインデックスとがある。

ＣＳＩ分割は、次のように、特異値分割（ＳＶＤ）を単位として記述されうる。

マトリックスＶ_１およびＶ_２は、送信機側空間識別を表し、Ｕ_１およびＵ_２は、受信機側空間識別を表す。ＳＶＤは、とても弱い固有モードを除外しやすくし、したがって、フィードバックとして直接的に空間チャネルマトリックスを提供するのに比べて、信号伝達のオーバーヘッドを低減する。

ＳＶＤが空間ＣＳＩを捉えるのに効率的な方法である一方、”明示”フィードバックは、最適な受信機を予測するための情報理論とは異なりうる受信機のインプリメンテーションを考慮しない。

本質的に、ＳＶＤは、次を前提とする。

１．送信機における空間ＣＳＩの情報を完璧にし、プリコーディングが信号強度を最大化してクロス−チャネル／ユーザー干渉を最小化する。

２．受信機における完璧な復調およびチャネルコーディングをデコーダーに接続し、ＭＩＭＯチャネル速度を、空間チャネルの各固有モードの合計速度として書き換える。

送信機の空間識別特性は、”Ｈ_１”または”Ｈ_２”上でＳＶＤを単に実行することによって、あるいは、当業者に知られている他の方法や手段によって、決定される。たとえば、シングルコードワードの最小平均二乗誤差（ＭＭＳＥ）の線形受信機を使って、空間識別、たとえば、２×２行列のＭＭＳＥ空間フィルターは、”Ｕ”行列とは異なる形態を取る。

方法およびシステムの実施形態が示され説明される一方で、この発明の思想から逸脱しない範囲において、当業者により、より多くの改変が可能である。したがって、本発明は、特許請求の範囲を除いて限定されるものではない。

Claims (18)

1. ＵＥおよび一つ以上のセルを接続する空間チャネルについて、一つ以上の空間チャネルの空間ＣＳＩのためのフィードバック方法であって、
   送信機の複数の送信アンテナを、前記ＵＥと前記送信機の間で確立される少なくとも２つのサブチャネルにそれぞれ対応する複数のサブセットに分割するステップと、
   各サブチャネルの空間ＣＳＩを測定するステップと、
   サブチャネルごとに空間ＣＳＩを特異値分解により左特異行列、特異値行列、および右特異行列に分解し、前記左特異行列を送信アンテナの対応するサブセットにおける空間識別情報の特性を示すサブチャネルごとの第１成分ＣＳＩとして得るとともに、前記右特異行列を対応する受信機における空間識別情報の特性を示すサブチャネルごとの第２成分ＣＳＩとして得るステップと、
   サブチャネルごとに、前記第１成分ＣＳＩおよび前記第２成分ＣＳＩを、それぞれフィードバックとして提供するステップと、
   を含むフィードバック方法。
2. サブチャネルごとの前記成分ＣＳＩは、ベクトルまたは行列の一つとして表される請求項１に記載のフィードバック方法。
3. 前記分解することは、行列の乗算を含む請求項１に記載のフィードバック方法。
4. 少なくとも一つのコードブックを使用して、サブチャネルごとの成分ＣＳＩを少なくとも二つ量子化するステップと、
   サブチャネルごとの量子化した成分ＣＳＩを、フィードバックとして提供するステップと、
   をさらに有する請求項１に記載のフィードバック方法。
5. 少なくとも二つの対応するコードブックインデックスが、短期サブバンドである請求項４に記載のフィードバック方法。
6. 対応する受信機の実行を考慮する一方、サブチャネルごとの空間ＣＳＩを得るステップをさらに有する請求項１に記載のフィードバック方法。
7. 空間ＣＳＩを得るステップは、特異値分解を含む請求項６に記載のフィードバック方法。
8. チャネルごとの前記成分ＣＳＩをフィードバックとして提供するステップは、ＭＩＭＯプリコーディングのための一つ以上のコードブックを使用するステップを含む請求項１に記載のフィードバック方法。
9. サブチャネルごとの成分ＣＳＩを使用することによって、全送信ポイントの送信アンテナに亘る合成空間ＣＳＩを決定するステップをさらに含む請求項１に記載のフィードバック方法。
10. 複数のＵＥおよび複数の送信アンテナを接続する空間チャネルの空間チャネル状態情報のためのフィードバックシステムであって、
    相互間に一つ以上の空間サブチャネル接続を確立する、一つ以上のＵＥおよび一つ以上のセグメントの送信機の複数の送信アンテナと、ここで、サブチャネルごとの空間ＣＳＩが、空間サブチャネル接続に対応し、
    サブチャネルごとに前記空間ＣＳＩを特異値分解により左特異行列、特異値行列、および右特異行列に分解し、前記左特異行列を送信アンテナの対応するサブセットにおける空間識別情報の特性を示すサブチャネルごとの第１成分ＣＳＩとして得るとともに、前記右特異行列を対応する受信機における空間識別情報の特性を示すサブチャネルごとの第２成分ＣＳＩとして得る分解手段と、
    フィードバックとして、サブチャネルごとに、前記第１成分ＣＳＩおよび前記第２成分ＣＳＩを、それぞれ提供する提供手段と、
    を有するフィードバックシステム。
11. 全送信ポイントの送信アンテナに亘る合成空間ＣＳＩを決定する決定手段をさらに有する請求項１０に記載のフィードバックシステム。
12. ベクトルまたは行列として、サブチャネルごとの成分ＣＳＩを表す手段をさらに有する請求項１０に記載のフィードバックシステム。
13. 前記分解手段は、行列の乗算するように構成されている請求項１０に記載のフィードバックシステム。
14. 少なくとも一つのコードブックを使用して、サブチャネルごとの成分ＣＳＩを少なくとも二つ量子化する量子化手段と、
    サブチャネルごとの量子化した成分ＣＳＩを、フィードバックとして提供する提供手段と、
    をさらに有する請求項１０に記載のフィードバックシステム。
15. サブチャネルの少なくとも二つの対応するコードブックインデックスが、短期サブバンドである請求項１４に記載のフィードバックシステム。
16. 受信機の実行を考慮する一方、サブチャネルごとの空間ＣＳＩを得るための取得手段をさらに有する請求項１０に記載のフィードバックシステム。
17. 前記取得手段は、特異値分解するように構成されている請求項１６に記載のフィードバックシステム。
18. サブチャネルごとの量子化した成分ＣＳＩを、フィードバックとして提供する提供手段は、ＭＩＭＯプリコーディングのための一つ以上のコードブックを使用するように構成されている請求項１０に記載のフィードバックシステム。