JP5874845B2 - ＤＬＭＵ−ＭＩＭＯ通信システムにおけるｅＮｏｄｅＢとＵＥとの間の送信キャパシティの最適化に用いられるプリコーダの生成方法 - Google Patents

Description

本発明は、ダウンリンクマルチユーザマルチインプットマルチアウトプット（ＤＬ ＭＵ−ＭＩＭＯ：downlink multiple-user multiple-input multiple-output）方式でのデータ送信のための方法及びシステムに関し、特に、そのような通信システムにおけるｅＮｏｄｅＢとＵＥ（user equipment：ユーザ機器）との間の送信キャパシティの最適化に用いられるプリコーダの生成に関する。

ＤＬ ＭＵ−ＭＩＭＯシステムでは、多重送信アンテナからの同一の時間周波数のリソースにおいて、ｅＮｏｄｅＢは異なるＵＥにデータを送信する。複数のＵＥの間の干渉を最小化するために、ｅＮｏｄｅＢはプリコーディングを通して送信ビームを作り出す。受信側では、ＵＥはポストコーディング（デコーディング）を、データを受け取る（デコードする）のに使用する。

ＤＬ ＭＵ−ＭＩＭＯシステムでは、多重送信アンテナからの同一の時間周波数のリソースにおいて、ｅＮｏｄｅＢは異なるデータを一つのＵＥに送信することもできる。一つのＵＥへのデータの数は、ランクによって定義される。

通信システムでは、送信機と受信機との間のダウンリンクチャネルのステータスについてのフィードバックは、ダウンリンクチャネルを通じてのデータの送信を最適化するために用いられる。受信機は、受信したパイロット信号からダウンリンクチャネルステータスインフォメーション（ＣＳＩ：channel status information）を決定し、そしてその後このＣＳＩを送信機と通信し、又は、ＵＥは受信したパイロット信号からダウンリンクＣＳＩを決定し、そしてその後このＣＳＩを、後続のデータ送信に用いられるダウンリンク送信のランク、プリコーディングマトリクス、コーディングレート及び変調方式を変更するのに用いるために、ｅＮｏｄｅＢに通信する。３ＧＰＰ ＴＳ３６．２１３（Ｖ１０．５．０）では、チャネルステータスインフォメーションは、ランクインジケーション（ＲＩ：rank indication）、プリコーディングマトリクスインジケータ（ＰＭＩ：precoding matrix indicator）及びチャネルクオリティインジケータ（ＣＱＩ：channel quality indicator）を含む。ＰＭＩ及びＲＩは、ＤＬ ＭＩＭＯシステムとして使用される。

3GPP TS 36.213 V8.2.0 (2008-03), [2013年2月28日検索], インターネット (http://www.quintillion.co.jp/3GPP/Specs/36213-820.pdf)

プリコーディングマトリクスを変更するために用いられるＣＳＩが、ＵＥのペア又はグループ間で直交せず、ｅＮｏｄｅＢがＵＥのペア又はグループ間において、非直交のプリコーディングマトリクスを適用するときには、プリコーディングのためにＭＵ−ＭＩＭＩＯシステムに用いられる現在の技術は最適ではない。例えば、ＰＭＩはＵＥのペア又はグループ間で直交せず、ｅＮｏｄｅＢがＰＭＩを適用する。そのような場合に、ＭＵ−ＭＩＭＩＯ通信システムのプリコーディング性能を向上したいという要望が存在している。

この点を考慮して、本発明の一の態様は、ＭＵ−ＭＩＭＯ通信システムにおいてｅＮｏｄｅＢとＵＥとの間の送信キャパシティの最適化に用いられるプリコーダを生成する方法を提供する。この方法は、
報告されたプリコーディングマトリクスインジケータ（ＰＭＩ）をＵＥから受信し、
前記報告されたプリコーディングマトリクスインジケータのプリコーディングマトリクス（ＰＭ）のペアの間の相関係数を計算し、
最小の相関係数を有するプリコーディングマトリクスのペアを選択し、
前記最小の相関係数が下側閾値より小さい場合には、前記報告されたプリコーディングマトリクスインジケータに対応するプリコーディングマトリクスを使用し、
前記最小の相関係数が下側閾値より大きく、かつ、上側閾値より小さい場合には、
（ｉ）代表チャネルマトリクスの固定コードブックから、前記報告されたプリコーディングマトリクスインジケータ及びチャネルマトリクスの相関係数を計算し、
（ｉｉ）最大の相関係数を有するチャネルマトリクスのペアを選択し、そして、
（ｉｉｉ）選択された前記チャネルマトリクスのペアからプリコーダを計算する、
ステップを備える。

有利な点として、これらのステップを備える方法は、ＵＥからｅＮｏｄｅＢに直交するように送信された、報告されたＰＭＩを必要とすることなく最適化されたプリコーダの生成を可能とする。ジョイント送受信最適化は、それゆえ、チャネル状態情報なしで得られるが、むしろＵＥにより送信されるＰＭＩフィードバック情報に基づくことになる。

本発明の他の一の態様においては、前記選択されたチャネルマトリクスからプリコーダを計算するステップでは、
ポストコーダに基づいて前記プリコーダを繰り返し計算し、そしてその後、収束閾値を得られるまで前記プリコーダに基づいてポストコーダを計算する。

本発明の他の一の態様では、
前記ポストコーダに基づいてプリコーダを繰り返し計算するステップにおいて、
ａ．前記ポストコーダを初期化し、
ｂ．利用可能な前記ポストコーダ及び計算されたラグランジュ乗数に基づいて前記プリコーダを計算し、
ｃ．事前計算された前記プリコーダ及び推定されたノイズ分散に基づいて前記ポストコーダを計算し、そして、
ｄ．現在の繰り返しでの前記ポストコーダと前回の繰り返しでの前記ポストコーダとの間の全体二乗差として収束値を計算し、そして、収束値が閾値より小さい場合には中止し、又は、そうでない場合にはｂ．から繰り返す。

本発明の他の一の態様では、
最小のラグランジュ数と最大のラグランジュ数とを設定し、そして、
−エルミート転置されたチャネルマトリクスとエルミート転置されたポストコーダとの積を、それぞれのＵＥについて計算し、
−前記チャネルマトリクスと前記ポストコーダとの積を、それぞれのＵＥについて計算し、
−上述のように計算された前記積の積を、それぞれのＵＥについて計算し、
−すべてのＵＥについての、上述の当該積の和を計算し、そして、
−前記積の和の特異値分解を計算する、
ことによって、前記チャネルマトリクス及び前記ポストコーダの特異値分解を計算する、
初期化プロセスをさらに備える。

本発明の他の一の態様では、
ｅ．最小値と最大値との平均値としてラグランジュ乗数の値を計算し、
ｆ．前記特異値及び前記ラグランジュ乗数の関数として推定パワーを計算し、
ｇ．前記推定パワーと前記パワーとの間の二乗差として収束値を計算し、そして、収束値が閾値より小さくなる場合には停止し、そうでない場合には、
−前記推定パワーが前記パワーより大きければ、計算されたラグランジュ乗数として前記最小値を割り当て、
−前記推定パワーが前記パワーより小さければ、計算されたラグランジュ乗数として前記最大値を割り当て、そしてステップｅ．に戻る、
繰り返しステップをさらに備える。

本発明の他の一の態様では、
−それぞれのＵＥに報告されたＣＱＩと関連するＳＩＮＲをＣＱＩテーブルから検索し、そして、
−それぞれのＵＥごとの平均パワーの、それぞれのＵＥにとってのレイヤごとの平均ＳＩＮＲに対する比として、分散を計算する、
ステップに従って、報告されたＣＱＩに基づいたノイズ分散を計算する。
−当然のことながら、本願明細書において参照される、先行技術として与えられたいかなる事項も、その事項がオーストラリア又はその他のどこかで知られていたこと、又は、それの含む情報が、明細書の一部を形成する特許請求の範囲の優先日において、当業者のありふれた一般的な知識の一部であったことの自白として扱われない。

図１は、ＤＬ ＭＵ−ＭＩＭＯ通信システムの一の実施形態の概略図である。 図２は、図１に示されたＭＵ−ＭＩＭＯシステムの一部を形成するｅＮｏｄｅＢ及びＵＥの間で送信されるダウンリンクデータ及びアップリンクチャネル情報の送信を図形的に描く図である。 図３は、ＵＥの選択及びプリコーディング手順に関して、図１に示されたＭＵ−ＭＩＭＯ通信システムのｅＮｏｄｅＢにより実行されるステップを示すフローチャートである。 図４は、図３にて実行されたステップの一つを形成するｊ−ＭＭＳＥプリコーダの計算に関係するステップを示すフローチャートである。 図５は、図４で示されたプロセスの一部を形成するラグランジュ乗数を計算する一連のステップを示すフローチャートである。 図６は、図４で示されたプロセスの一部を形成する、ＣＱＩに基づくノイズ分散の計算に関係するステップを示すフローチャートである。

当然のことながら、本願明細書において参照される、先行技術として与えられたいかなる事項も、その事項がオーストラリア又はその他のどこかで知られていたこと、又は、それが含む情報が、明細書の一部を形成する特許請求の範囲の優先日において、当業者のありふれた一般的な知識の一部であったことの自白として扱われない。

図１を参照すると、ｅＮｏｄｅＢ（基地局）１２並びにｄＮｏｄｅＢに送信及び受信するように接続されているＵＥ（移動局）１４及び１６を有するＭＩＭＯ通信システム１０が大まかに示されている。ｅＮｏｄｅＢ１２は、それぞれのｅＮｏｄｅＢがここで参照される多重アンテナ２２から２８を有する一方で、多重アンテナ１８から２０を有する。図１に描かれたアンテナの数は例示的なものであること、並びに、送信及び受信アンテナに最適な数としてもよいことは、当然である。

ｅＮｏｄｅＢは、ＵＥ１４及び１６に送信したいデータを変調及びエンコードする。変調及びエンコードから生成されたコードワード（code word）は、データ送信レイヤにマッピングされる。それに基づいて、データはｅＮｏｄｅＢ１２からＵＥ１４及び１６に送信される。

ＭＩＭＯ通信システム１０における多重送信及び受信のアンテナの使用により、ｅＮｏｄｅ１２が多数の空間チャネルで、独立して、場合によっては異なるレートで、データをエンコード及び送信することが可能になる。それぞれの送信及び受信アンテナのペアは、それを通してデータが送信される、異なった無線アンテナチェーンを形成する。ｅＮｏｄｅＢにおいて適用されたプリコーディングマトリクスは、ＵＥ１４及び１６による多重レイヤのスループットを向上させることを可能にする。

ＵＥ１４及び１６はそれぞれ、ｅＮｏｄｅＢ１２とＵＥとの間の、ノイズパワー推定値、信号パワー推定値、及びチャネル推定値を計算する。計算された推定値は、ｅＮｏｄｅＢ１２とＵＥとの間の送信キャパシティを最適化するための、変調エンコーディング、マッピング及びプリコーディングに用いられる、ｅＮｏｄｅＢ１２への送信のための好ましいコーディングマトリクスインデックス（ＰＭＩ）データ、ランクデータ及びチャネルクオリティインジケータ（ＣＱＩ）データを決定するために用いられる。ここでは、「ランク」は送信のために用いられる好ましいレイヤ数であり、「プリコーディングマトリクスインデックス」は、ｅＮｏｄｅＢ１２がより良い送信のためにこのインデックスに対応したプリコーディングマトリクスによりその信号の事前重ね合わせを行う、ランクＲに関連したサブコードブックにおける好ましいコーディングマトリクスのインデックスである。コードワードのそれぞれのための「チャネルクオリティインジケータ」（ＣＱＩ）は、下記の情報から構成される。
ａ）コーディングレート、又は、同等に、トランスポートブロックサイズ（ＴＢＳ：transport block size）；
ｂ）ＱＰＳＫ、１６ＱＡＭ、６４ＱＡＭを含む変調方式（ＭＳ：Modulation Scheme）；
ｃ）マッピングされる予定のコードワードのための好ましいサブバンド。

換言すると、ＵＥの間の干渉を最小化するために、ｅＮｏｄｅＢはプリコーディングを通して送信ビームを生成する。受信側では、ＵＥは、そのＵＥに向けられたデータを識別するためポストコーディング（デコーディング）を用いる。

数学的には、ＭＵ−ＭＩＭＯシステムは下記のように表される。

図２は、ｅＮｏｄｅＢが異なるＵＥにデータを送信する、ｅＮｏｄｅＢ３０と典型的なＵＥ３２及び３４との間の送信メカニズムについて示す。ユーザ間の干渉を最小化するために、ＵＥは、ｅＮｏｄｅＢへのＰＭＩを含むチャネルステータスインフォメーション（ＣＳＩ）をフィードバックする。ＰＭＩが直交するとき、ｅＮｏｄｅＢは、送信ビームを形成するためのプリコーダとして、ＵＥの報告されたＰＭＩを用いる。しかしながら、プリコーディングのためのこの技術は、ＰＭＩ（プリコーダ）が直交しないときは最適ではない。

図３は、ｅＮｏｄｅＢ１２（及びｅＮｏｄｅＢ３０）によって実行される、チャネルへの参照のないＰＭＩフィードバックを用いるジョイント送信及び受信最適化方法においてプリコーダを計算するステップを示す。ここで表されるプリコーダは、ｊ−ＭＭＳＥプリコーダと命名される。

図３に示すように、ｅＮｏｄｅＢが、報告されたプリコーダマトリクスインジケータ（ＰＭＩ）をＵＥから受信すると、ステップ４０で報告されたＰＭＩのプリコーダマトリクス（ＰＭ）のペアの間の相関係数が計算される。

相関係数が計算された後、最小値が下記のように決定される。

次に、最小の相関係数を有するＰＭペアがステップ４２において下記のように決定される。

最小の相関係数が下側閾値より小さい場合、受信したＰＭＩに対応するＰＭは、下記のようにステップ４４において用いられる。

最小の相関係数が事前に定められた最大値より大きい場合、ステップ４６においてどのユーザもスケジューリングのために選択されない。

しかしながら、最小の相関係数が下側閾値より大きく、かつ、上側閾値よりも小さい場合、ステップ４８において、代表ＣＭの固定コードブック５０から報告されたＰＭＩ及びチャネルマトリクス（ＣＭ）の相関係数が計算される。ステップ５２における選択されたＣＭのペアからのプリコーダの計算に先立って、ステップ５０において、最大の相関係数を有するＣＭのペアが選択される。

その結果、ｅＮｏｄｅＢにより下記の計算が実行される。

ステップ５４におけるプリコーダの計算に含まれるステップが、図４に、より詳細に示されている。
（ｍ）は手順のｍ回目の繰り返しを意味する。プリコーダは下記の手順で生成される。

図４に示されたラグランジュ乗数の計算に含まれるステップが、図５に、さらにより詳細に示されている。

さらに、図４に示されたノイズ分散の計算に含まれるステップが、図６に、さらにより詳細に示されている。
ステップ７０２：ＣＱＩテーブルにおけるＳＩＮＲ閾値に基づいて、ＳＩＮＲ（ｉ，ｌ）を見つける。
ステップ７０４：ＳＩＮＲ（ｉ，ｌ）と全体パワーＰとを用いて、下記のようにＮ_０ｉを計算する。

例示の目的で本発明の典型的な実施形態が開示されてきたが、当業者は、本発明の範囲から離れることなく、種々の修正、追加及び代替が可能なことを理解するであろう。それゆえ、本発明は前述の実施形態に限定されず、後述する特許請求の範囲によって定義される。

この出願は、２０１２年５月２８日に出願されたオーストラリア仮特許出願第２０１２９０２２１１号に基づき、当該出願からの優先権の利益をクレームし、その開示を、全体を参照してここにとりこむ。

１０ ＭＩＭＯ通信システム
１２ ｅＮｏｄｅＢ
１４，１６ ＵＥ
１８，２０，２２−２８ 多重アンテナ

Claims (6)

1. ＭＵ−ＭＩＭＯ通信システムにおいてｅＮｏｄｅＢとＵＥとの間の送信キャパシティの最適化に用いられるプリコーダを生成する方法であって、
   報告されたプリコーディングマトリクスインジケータ（ＰＭＩ）をＵＥから受信し、
   前記報告されたプリコーディングマトリクスインジケータのプリコーディングマトリクス（ＰＭ）のペアの間の相関係数を計算し、
   最小の相関係数を有するプリコーディングマトリクスのペアを選択し、
   前記最小の相関係数が下側閾値より小さい場合には、前記報告されたプリコーディングマトリクスインジケータに対応するプリコーディングマトリクスを使用し、
   前記最小の相関係数が下側閾値より大きく、かつ、上側閾値より小さい場合には、
   （ｉ）代表チャネルマトリクスの固定コードブックから、前記報告されたプリコーディングマトリクスインジケータ及びチャネルマトリクス（ＣＭ）の相関係数を計算し、
   （ｉｉ）最大の相関係数を有するチャネルマトリクスのペアを選択し、そして、
   （ｉｉｉ）選択された前記チャネルマトリクスのペアからプリコーダを計算する、
   ステップを備える方法。
2. 前記選択されたチャネルマトリクスからプリコーダを計算するステップでは、
   ポストコーダに基づいて前記プリコーダを繰り返し計算し、そしてその後、収束閾値を得られるまで前記プリコーダに基づいてポストコーダを計算する、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記ポストコーダに基づいてプリコーダを繰り返し計算するステップにおいて、
   ａ．前記ポストコーダを初期化し、
   ｂ．利用可能な前記ポストコーダ及び計算されたラグランジュ乗数に基づいて前記プリコーダを計算し、
   ｃ．事前計算された前記プリコーダ及び推定されたノイズ分散に基づいて前記ポストコーダを計算し、そして、
   ｄ．現在の繰り返しでの前記ポストコーダと前回の繰り返しでの前記ポストコーダとの間の全体二乗差として収束値を計算し、そして、前記収束値が閾値より小さい場合には中止し、又は、そうでない場合にはｂ．から繰り返す、
   請求項２に記載の方法。
4. 最小のラグランジュ数と最大のラグランジュ数とを設定し、そして、
   エルミート転置されたチャネルマトリクスとエルミート転置されたポストコーダとの積を、それぞれのＵＥについて計算し、
   前記チャネルマトリクスと前記ポストコーダとの積を、それぞれのＵＥについて計算し、
   上述のように計算された前記積の積を、それぞれのＵＥについて計算し、
   すべてのＵＥについての、上述の当該積の和を計算し、そして、
   前記積の和の特異値分解を計算する、
   ことによって、前記チャネルマトリクス及び前記ポストコーダの特異値分解を計算する、
   初期化プロセスをさらに備える請求項３に記載の方法。
5. ｅ．前記ラグランジュ乗数の最小値と前記ラグランジュ乗数の最大値との平均値として前記ラグランジュ乗数の値を計算し、
   ｆ．前記特異値分解の解である特異値及び前記ラグランジュ乗数の関数として推定パワーを計算し、
   ｇ．前記推定パワーとパワーとの間の二乗差として前記収束値を計算し、そして、前記収束値が閾値より小さくなる場合には停止し、そうでない場合には、
   前記推定パワーが前記パワーより大きければ、計算された前記ラグランジュ乗数として前記最小値を割り当て、
   前記推定パワーが前記パワーより小さければ、計算された前記ラグランジュ乗数として前記最大値を割り当て、そしてステップｅ．に戻る、
   繰り返しステップをさらに備える、請求項４に記載の方法。
6. それぞれのＵＥに報告されたＣＱＩと関連するＳＩＮＲをＣＱＩテーブルから検索し、そして、
   それぞれのＵＥごとの平均パワーの、それぞれのＵＥにとってのレイヤごとの平均ＳＩＮＲに対する比として、ノイズ分散を計算する、
   ステップに従って、報告されたＣＱＩに基づいたノイズ分散を計算する、請求項５に記載の方法。

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