JP6155368B2 - ユーザクラスター化を通じて分散型無線システムにおける送信を調整するシステム及び方法 - Google Patents
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Description
本出願は、以下の現在特許出願中の米国特許出願の一部継続出願である。
1.クラスター間干渉を除去する方法
ゼロRFエネルギを有する空間にロケーションを作成するために複数の分散型送信アンテナを使用する無線高周波(RF)通信システム及び方法を以下に説明する。M個の送信アンテナを使用する時に、所定のロケーションにおいてゼロRFエネルギの(M−1)個までの点を作成することができる。本発明の一実施形態において、ゼロRFエネルギの点は、無線デバイスであり、送信アンテナは、送信機と受信機間のチャンネル状態情報(CSI)を認識している。一実施形態において、CSIは、受信機で計算されて送信機にフィードバックされる。別の実施形態において、CSIは、チャンネル相互関係が利用されると仮定して受信機からトレーニングを通じて送信機で計算される。送信機は、CSIを利用し、同時に送信される干渉信号を決定することができる。一実施形態において、ブロック対角化(BD)事前符号化が、ゼロRFエネルギの点を生成するために送信アンテナに使用される。
)を認識していると仮定している。簡潔さを期すために、あらゆるユーザは、単一のアンテナが装備されたと仮定しているが、同じ方法をユーザ当たり複数の受信アンテナに拡張することができる。K人のユーザのロケーションでゼロRFエネルギを作成する事前符号化重み(
)を以下の条件を満たすために計算する。
ここで、
は、全てのゼロ入力によるベクトルであり、Hは、
としてM個の送信アンテナからKユーザまでチャンネルベクトル(
)を結合することによって得られるチャンネル行列である。一実施形態において、チャンネル行列Hの特異値分解(SVD)を計算し、事前符号化重みwをHのヌル部分空間(0個の単数値により識別)に対応する右特異ベクトルとして定義する。送信アンテナは、k番目のユーザで受信される信号が
によって示すように、K人のユーザのロケーションでK個のゼロRFエネルギの点を作成しながら、RFエネルギを送信するために先に定義した重みベクトルを使用し、ここで、
は、k番目のユーザでの加法性白色ガウスノイズ(AWGN)である。一実施形態において、チャンネル行列Hの特異値分解(SVD)を計算し、事前符号化重みwは、Hのヌル部分空間(0個単数値により識別)に対応する右特異ベクトルとして定義する。
・DIDOクライアント
・DIDO分散型アンテナ
・DIDO基地送受信機局(BTS)
・DIDO基地局ネットワーク(BSN):
どのBTSも、DIDOクラスターという所定のカバレージエリアに検査を行う複数の分散型アンテナにBSNを通じて接続される。本特許出願では、隣接DIDOクラスター間の干渉を除去するためのシステム及び方法を説明する。図1に示すように、主DIDOクラスターは、近傍クラスターからの干渉による影響を受けるクライアント(すなわち、マルチユーザDIDOシステムによってサービス提供されるユーザデバイス)(又はターゲットクライアント)にサービスを提供すると仮定している。
(1)よって示されており、ここで、k=1、…,K、Kは干渉ゾーン8010A、B内のクライアントの数であり、Uは主DIDOクラスター内のクライアントの数であり、Cは干渉DIDOクラスター412〜413の数であり、
は、干渉クラスターc内のクライアントの数である。更に、クライアントデバイスでのM個の送信DIDOアンテナ及びN個の受信アンテナを仮定し、
は、クライアントkでの受信データストリームを含むベクトルであり、
は、主DIDOクラスター内のクライアントkへの送信データストリームのベクトルであり、
は、主DIDOクラスター内のクライアントuへの送信データストリームのベクトルであり、
は、c番目の干渉DIDOクラスター内のクライアントiへの送信データストリームのベクトルであり、
は、クライアントkのN個の受信アンテナでの加法性白色ガウスノイズ(AWGN)のベクトルであり、
は、主DIDOクラスター内のクライアントkでのN個の受信アンテナへのM個の伝送DIDOアンテナからのDIDOチャンネル行列であり、
は、c番目の干渉DIDOクラスター内のクライアントkのN個の受信アンテナへのM個の伝送DIDOアンテナからのDIDOチャンネル行列であり、
は、主DIDOクラスター内のクライアントkに対するDIDO事前符号化重みの行列であり、
は、主DIDOクラスター内のクライアントuに対するDIDO事前符号化重みの行列であり、
は、c番目の干渉DIDOクラスター内のクライアントiに対するDIDO事前符号化重みの行列である。
及び
と仮定する。Mがクラスター内の受信アンテナの総数より大きい場合に、余分の送信アンテナは、干渉ゾーン内のターゲットクライアントに対して干渉を事前に相殺するために、又は米国特許第7,599,420号明細書、米国特許第7,633,994号明細書、米国特許第7,636,381号明細書、及び米国特許出願出願番号第12/143,503号明細書を含む関連特許及び出願に説明されたダイバーシティ方式を通じて同じクラスター内のクライアントに対してリンク堅牢性を改善するのに使用される。
隣接DIDOクラスター内の事前符号化重み行列は、以下の条件が満たされるように設計される(3)。
事前符号化行列
を計算するために、M個の送信アンテナからの干渉クラスター内の
クライアントまでの並びに干渉ゾーン内のクライアントkまでのダウンリンクチャンネルが推定され、事前符号化行列が、干渉クラスター内のDIDO BTSにより計算される。干渉クラスターにおいて事前符号化行列を計算するためにBD方法が使用される場合に、以下の実効チャンネル行列が、近傍クラスター内のi番目のクライアントへの重みを計算するために構成される(4)。
ここで、
は、干渉クラスターcに対してチャンネル行列
から得られる行列であり、i番目のクライアントに対応する列が除去される。(1)に条件(2)及び(3)を代入し、ターゲットクライアントkに対して受信したデータストリームを取得し、クラスター内及びクラスター間干渉が除去される(5)。
近傍クラスターにおいて計算された(1)内の事前符号化重み
は、干渉ゾーン内のターゲットクライアントへの干渉を事前に相殺しながら、それらのクラスター内の全てのクライアントに事前符号化データストリームを送信するように設計される。ターゲットクライアントは、その主クラスターからのみ事前符号化データを受信する。異なる実施形態において、同じデータストリームは、ダイバーシティ利得を取得するために、主なクラスター及び近傍クラスターからターゲットクライアントに送られる。この場合に、(5)内の信号モデルは、
(6)として表される。ここで、
は、c番目のクラスター内のDIDO送信機から干渉ゾーン内のターゲットクライアントkまでのDIDO事前符号化行列である。尚、(6)の方法は、近傍クラスターにわたる時間同期が必要であり、これは、大規模システムにおいて達成するには複雑であると考えられるが、依然として尚もダイバーシティ利得利点が実施のコストを正当化する場合は全く達成可能である。
ここで、INRは、INR=SNR/SIRとして定義される混信対ノイズ比であり、SIRは信号対干渉比である。
クラスター当たりの2つのDIDOアンテナ及び2つのクライアント(各単一のアンテナを装備)で2つのクラスター(1つの主クラスター及び1つの干渉クラスター)のシナリオを考える。主クラスター内のクライアントの1つは、干渉ゾーン内にある。平坦フェーディング狭帯域チャンネルを仮定するが、以下の結果は、周波数選択マルチキャリア(OFDM)システムに拡張することができ、各サブキャリアは、平坦フェーディングに受ける。2つのシナリオ、すなわち、(i)事前符号化重み
が干渉ゾーン内のターゲットクライアントに対応することなく計算されるDIDOクラスター間干渉(IDCI)を有する一方のシナリオ、及び(ii)ターゲットクライアントへのIDCIを除去するために重み
を計算することによってIDCIが除去される他方のシナリオを考える。IDCIが存在する場合に、SERが高くかつ所定のターゲットよりも大きいことが認められる。近傍クラスターでのIDCI事前符号化で、ターゲットクライアントへの干渉が除去され、SNR>20dBが得られるようにSERターゲットに到達する。
ここで、信号対干渉比(SIR)は、SIR=((1−D)/D)4として導出される。
IDCIをモデル化する際に、3つのシナリオ、すなわち、i)IDCIのない理想的な場合、ii)条件(3)を満たすために干渉クラスターにおいてBD事前符号化を通じて事前に相殺されるIDCI、及びiii)IDCIあり、かつ近傍クラスターによる事前除去なしを考慮する。
事前符号化なしのIDCIの場合に、ターゲットSERは、範囲D<0.25の範囲内でのみ達成される。近傍クラスターでのIDCI事前符号化で、ターゲットSERを満たす範囲は、D<0.6まで拡張される。その範囲よりも大きいと、SINRは、伝播損失のために増加してターゲットSERは満たされない。
・SIR推定1101:クライアントは、主DIDOクラスターからの信号電力(すなわち、受信した事前符号化データに基づいて)及び隣接DIDOクラスターからのノイズプラス干渉信号電力を推定する。シングルキャリアDIDOシステムは、フレーム構造は、短いサイレンス期間に設計することができる。例えば、サイレンス期間は、チャンネル状態情報(CSI)フィードバック中にチャンネル推定のトレーニングと事前符号化データ送信間に定義することができる。一実施形態において、近傍クラスターからのノイズプラス干渉信号電力は、主クラスター内のDIDOアンテナからサイレンス期間中に測定される。実用的なDIDOマルチキャリア(OFDM)システムは、ヌルトーンが、典型的には、送信側及び受信側でのフィルタリングのためにオフセットされる直流(DC)及び帯域の縁部での減衰を防止するのに使用される。マルチキャリアシステムを使用する別の実施形態において、ノイズプラス干渉信号電力は、ヌルトーンから推定される。補正係数を使用し、帯域の縁部での送信/受信フィルタ減衰を補正することができる。主クラスターからの信号対ノイズプラス干渉電力(PS)及び近傍クラスター(PIN)からのノイズプラス干渉電力が推定されると、クライアントは、
(9)としてSINRを計算する。代替的に、SINR推定値は、無線信号電力を測定するために、一般的な無線通信システムに使用される受信信号強度表示(RSSI)から導出される。(9)内のメトリックは、ノイズと干渉電力レベルを区別することができないことが認められる。例えば、干渉のない環境のシャドーイングによる影響を受けるクライアント(すなわち、主クラスター内の全てのDIDO分散型アンテナからの信号電力を減衰する障害の後方)は、たとえクラスター間干渉による影響を受けていないとしても低いSINRを推定することができる。提案する方法のより信頼性が高いメトリックは、
(10)として計算されるSIRであり、ここで、PNは、ノイズ電力である。実用的なマルチキャリアOFDMシステムは、主クラスター及び近傍クラスターの全てのDIDOアンテナが同じ1組のヌルトーンを使用すると仮定し、(10)のノイズ電力PNは、ヌルトーンから推定される。上述のように、ノイズプラス干渉電力(PIN)は、サイレンス期間から推定される。最後に、信号対ノイズプラス干渉電力(PS)は、データトーンから導出される。これらの推定値から、クライアントは、(10)でSIRを計算する。
・近傍クラスター1102〜1103でのチャンネル推定:(10)内の推定SIRが、図11において8702で決定される所定の閾値(SIRT)よりも小さい場合に、クライアントは、近傍クラスターからのトレーニング信号を視聴し始める。尚、SIRTは、データ送信に使用される変調及びFECコード方式(MCS)に依存する。異なるSIRターゲットは、クライアントのMCSによって定義される。異なるクラスターのDIDO分散型アンテナが時間同期化された時に(すなわち、同じパルス/秒PPS時間基準にロック)、クライアントは、8703で近傍クラスター内のDIDOアンテナにそのチャンネル推定値を配信するためにトレーニングシーケンスを利用する。近傍クラスター内のチャンネル推定のトレーニングシーケンスは、主クラスターからのトレーニングに直交するように設計される。代替的に、異なるクラスター内のDIDOアンテナが時間同期化されない時に、直角のシーケンス(良好な相互相関特性を有する)が、異なるDIDOクラスター内の時間同期に使用される。クライアントが近傍クラスターの時間/周波数基準にロックされた状態で、チャンネル推定が1103で実行される。
・IDC事前符号化I1104:チャンネル推定値が近傍クラスター内のDIDO BTSで利用可能になると、IDCI事前符号化が、(3)の条件を満たすために計算される。近傍クラスター内のDIDOアンテナは、図4の干渉ゾーン410内のクライアントへの干渉を事前に相殺しながらクラスター内のクライアントだけに事前符号化データストリームを送信する。クライアントが図4のタイプB干渉ゾーン410内にある場合に、クライアントへの干渉は、複数のクラスターによって生成され、IDCI事前符号化が、同時に全ての近傍クラスターによって実行されることが認められる。
これ以降、異なる種類のサービス(すなわち、低移動度又は高移動度サービス)を行う別々のエリアに位置する分散型アンテナによりポピュレートされたDIDOクラスターにわたって移動するクライアントに関する異なるハンドオフ方法を説明する。
一実施形態において、上述のクラスター間干渉を除去するIDCI−前置符号化器は、DIDOシステムにおけるハンドオフ方法の基線として使用される。セルラーシステムにおける従来のハンドオフは、異なる基地局によってサービス提供されるセルにわたってシームレスにスイッチングすべきクライアントに向けて考慮される。DIDOシステムは、ハンドオフにより、クライアントは、接続を失わずにクラスター間に移動することができる。
・C1−DIDO及びC2−DIDO事前符号化:クライアントが干渉ゾーンから離れる方向にC1内にある時に、クラスターC1及びC2は、独立して従来のDIDO事前符号化で作動する。
・C1−DIDO及びC2−IDCI事前符号化:クライアントが干渉ゾーンの方向に移動する時に、SIR又はSINRが劣化する。ターゲットSINRT1に到達した時に、ターゲットクライアントは、C2内の全てのDIDOアンテナからチャンネルを推定し始めてC2のBTSにCSIを供給する。C2内のBTSは、IDCI事前符号化を計算し、ターゲットクライアントへの干渉を防止すしながらC2内の全てのクライアントに送信する。ターゲットクライアントが干渉ゾーン内にある限り、C1及びC2にCSIを供給し続ける。
・C1−IDCI及びC2−DIDO事前符号化:クライアントがC2の方向に移動する時に、SIR又はSINRは、再びターゲットに到達するまで減少し続ける。この時点で、クライアントは、近傍クラスターにスイッチングすることに決定する。この場合に、C1は、IDCI事前符号化でその方向に向けてゼロ干渉を作成するためにターゲットクライアントからのCSIを使用し始め、一方、近傍クラスターは、従来のDIDO事前符号化に向けてCSIを使用する。一実施形態において、SIR推定値がターゲットに接近する時に、クラスターC1及びC2は、クライアントが両方の場合にはSIRを推定することを可能にするために、代替的にDIDO事前符号化及びIDCI事前符号化方式を試行する。次に、クライアントは、所定の誤り率特性メトリックを最大にする最良の方式を選択する。本方法が適用される時に、ハンドオフ戦略の交差点が、図12の三角形及び菱形を有する曲線の交差部で発生する。一実施形態は、(6)に説明した修正されたIDCI事前符号化方法を使用し、近傍クラスターも、アレイ利得が得られるようにターゲットクライアントに事前符号化データストリームを送信する。この手法で、ハンドオフ戦略が簡素化され、その理由は、クライアントは、交差点で両方の戦略にSINRを推定する必要があるわけではないからである。
・C1−DIDO及びC2−DIDO事前符号化:クライアントがC2の方向に干渉ゾーンから出た時に、主クラスターC1は、IDCI事前符号化を通じてそのターゲットクライアントの方向に干渉を事前に相殺するのを停止し、C1内に残る全てのクライアントに対して従来のDIDO事前符号化に再び切り換わる。ハンドオフ戦略におけるこの最終交差点は、ターゲットクライアントからC1への不要なCSIフィードバックを回避するために有用であり、従って、フィードバックチャンネルにわたるオーバヘッドが低減される。一実施形態において、第2のターゲットSINRT2が定義される。SINR(又はSIR)がこのターゲットを上回った時に、戦略が、C1−DIDO及びC2−DIDOに切り換わる。一実施形態において、クラスターC1は、クライアントがSINRを推定することを可能にするためにDIDO事前符号化とIDCI事前符号化の間で交替し続ける。
次に、クライアントは、C1に対して、上からターゲットSINRT1により密接に接近する方法を選択する。
クライアントがその現在のクラスターから近傍クラスターまで移動する時に、受信信号強度(又はRSSI)の分散から対数正規分布の分散を推定することができる。
DIDOシステムは、クローズドループ伝送方式を使用し、ダウンリンクチャンネルにわたってデータストリームを事前符号化する。クローズドループ方式は、フィードバックチャンネルにわたって待ち時間により本質的に抑制される。実用的なDIDOシステムは、コンピュータの時間は、高い処理パワーを有する送受信機により低減することができ、待ち時間の殆どは、BTSから分散型アンテナにCSI及びベースバンド方式の事前符号化データを配信する時にDIDO BSNにより導入されることが推定される。BSNは、デジタル加入者回線(DSL)、ケーブルモデム、ファイバリング、T1線、光同軸混成(HFC)ネットワーク、及び/又は固定無線(例えば、WiFi)を含むがこれらに限定されない様々なネットワーク技術で形成することができる。専用ファイバは、典型的には、帯域幅が非常に大きく、待ち時間が低いが(潜在的にローカル領域で1ミリ秒未満)、DSL及びケーブルモデムほどは普及していない。今日、DSL及びケーブルモデム接続は、典型的には米国ではラストマイル待ち時間が10〜25ms間に存在するが、非常に普及している。
しかし、高速で広帯域を使用している(例えば、高速道路を移動する車中)か、又は高速物体近傍(例えば、高速道路の近くに位置する店舗内)にいると思われる広帯域ユーザが存在する。これらの2つの異なるユーザドップラーシナリオに対処するために、一実施形態において、低ドップラーDIDOネットワークは、広域にわたって比較的低電力(すなわち、1W〜100W、屋内又は屋上配置のための)の広がりを有する典型的には多くのDIDOアンテナから構成され、一方、高ドップラーネットワークは、高電力送信(すなわち、100W、屋上又は塔配置のための)を有する典型的には少数のDIDOアンテナから構成される。低ドップラーDIDOネットワークは、典型的には多くの低ドップラーユーザにサービスを提供し、及びDSL及びケーブルモデムのような廉価な待ち時間が長いブロードバンド接続を使用して典型的には低い接続費でサービスを提供することができる。高ドップラーDIDOネットワークは、典型的には少数の高ドップラーユーザにサービスを提供し、ファイバのような高価な待ち時間が短いブロードバンド接続を使用して典型的に高い接続費でそれを行うことができる。
ここで、fdは最大ドップラーシフトであり、λはキャリア周波数に対応する波長であり、θは方向送信機−クライアントを示すベクトルと速度ベクトル間の角度である。
電力制御を伴うDIDOシステムのブロック図を図17に示している。あらゆるクライアント(1、…,U)の1つ又は複数のデータストリーム(sk)が、DIDO事前符号化ユニットによって生成された重みにより乗算される。事前符号化データストリームには、入力チャンネル品質情報(CQI)に基づいて、電力コントローラにより計算される電力スケーリング係数が乗算される。CQIがDIDOBTSにクライアントからフィードバックされ、又はアップリンク−ダウンリンクチャンネル相互関係を仮定してアップリンクチャンネルから導出される。異なるクライアントのU個の事前符号化ストリームが、次に、M個のデータストリーム(tm)に、M個の送信アンテナの各々に対して1つに結合及び多重化される。最後に、ストリームtmが、デジタル/アナログ変換器(DAC)ユニット、高周波(RF)ユニット、電力増幅器(PA)ユニット及び最後にアンテナに送られる。
ここで、k=1、…,U、Uはクライアントの数であり、SNR=Po/No、Poは平均送信電力であり、Noはノイズ電力であり、
は伝播損失/シャドーイング係数である。伝播損失/シャドーイングをモデル化するために、以下の簡略化したモデルを使用する(13)。
ここで、a=4は伝播損失指数であり、伝播損失がクライアントの指数と共に増加すると仮定する(すなわち、クライアントはDIDOアンテナからの距離が増大する位置にある)。
であるように選択される。電力制御方法では、より多くの電力が、より高い伝播損失/シャドーイングを受けるクライアントのためのものであるデータストリームに割り当てられ、従って、電力制御がない場合と比較して9dBのSNR利得が得られる(この所定のシナリオに対しては)。
・低電力(LP)送信機:どこでも、1W及び5Mbpsの消費者等級の広帯域の最大送信電力(例えば、DSL、ケーブルモデム、ファイバトゥザホーム(FTTH)であらゆる高さ(すなわち、屋内、又は屋外)に位置するバックホール接続性。
・高電力(HP)送信機:100W及び市販の等級広帯域(例えば、光ファイバリング)バックホールの送信電力で(DIDO無線リンクにわたって利用可能な収量と比較して有効に「無制限」データ転送速度で)ほぼ10メートルの高さでの屋上又は建物取り付け式アンテナ。
ここで、
はMPE平均化時間に存在し、tnは電力密度Snでの放射線に対する露出期間に存在する。「管理環境下の」露出に対して、平均時間は、6分であり、一方、「非管理」露出に対して、30分まで増大される。次に、いずれの電源も、(14)の平均電力密度が「非管理」露出の30分の平均値に関するFCC限度を満たす限りMPE限度より大きい電力レベルで送信することが許容される。
)よりも大きい電力レベル(So)でクライアントに送信するNa>K個のアクティブDIDOアンテナを有する。本方法は、図24に示すラウンドロビンスケジューリング方針に従って全てのアンテナ群にわたって反復される。別の実施形態において、異なるスケジューリング法(すなわち、比例公平スケジューリング[8])は、誤り率又は収量性能を最適化するためにクラスター選択に使用される。
(15)として、あらゆるDIDOアンテナに対して平均送信電力を導出し、ここで、toは、アンテナ群がアクティブである期間に存在し、TMPE=30minは、FCC指針〔2〕により定義された平均時間に存在する。(15)の比率は、あらゆるDIDOアンテナからの平均送信電力がMPE限度(
)を満たすように定義される群の負荷時間率(DF)である。負荷時間率は、以下の定義に従ってアクティブクライアントの数、群、及び群当たりのアクティブアンテナの数に依存する(16)。
電力制御及びアンテナグループ分けを有するDIDOシステムにおいて得られたSNR利得(dB単位)は、
(17)として負荷時間率の関数として表される。(17)の利得は、全てのDIDOアンテナにわたるGdBの更に別の送信電力の代償として達成されることが認められる。一般的に、全てのNg群の全てのNaからの全送信電力は、
(18)として定義され、ここで、Pijは、
(19)によって示される平均的なアンテナ当たりの送信電力であり、Sij(t)は、j番目の群内のi番目の送信アンテナの電力スペクトル密度である。一実施形態において、(19)の電力スペクトル密度は、あらゆるアンテナが誤り率又は収量性能を最適化するように設計される。
(20)として計算することができ、ここで、Hは、DIDO BTSで利用可能であるチャンネル推定行列である。
・計算利得:DIDO事前符号化は、クラスター内のあらゆる群内においてのみ計算される。例えば、BD事前符号化が使用される場合に、特異値分解(SVD)は複雑性O(n3)を有し、nは、チャンネル行列Hの最小次元である。Hをブロック対角行列にすることができる場合に、SVDが、複雑性が低減されたあらゆるブロックに対して計算される。実際には、n=n1+n2であるようにチャンネル行列が次元n1及びn2で2つのブロック行列に分割された場合に、SVDの複雑性は、O(n1 3)+O(n2 3)<O(n3)であるに過ぎない。極端な場合に、Hが対角行列である場合に、DIDOリンクは複数のSISOリンクになり、SVD計算は不要である。
・低減されるCSIフィードバックオーバーヘッド:DIDOアンテナ及びクライアントが一実施形態において群に分割された時に、CSIは、同じ群内のみのクライアントからアンテナまで計算される。TDDシステムは、チャンネル相互関係を仮定することにより、アンテナグループ分けにより、チャンネル行列Hを計算すべきチャンネル推定値の数が低減する。CSIが無線リンク上でフィードバックされるFDDシステムは、アンテナグループ分けにより、DIDOアンテナとクライアント間の無線リンクにわたってCSIフィードバックオーバーヘッドの低減が更に得られる。
本発明の一実施形態において、異なる多重アクセス技術が、DIDOアップリンクチャンネルに対して定義される。これらの技術は、CSIをフィードバックするか、又はアップリンクでクライアントからDIDOアンテナにデータストリームを送信するのに使用することができる。これ以降、フィードバックCSI及びデータストリームをアップリンクストリームと呼ぶ。
・多重入力多重出力(MIMO):アップリンクストリームは、オープンループ型MIMO多重化方式を通じてDIDOアンテナにクライアントから送信される。本方法は、全てのクライアントが時点/周波数同期化されると仮定する。一実施形態において、クライアント間の同期は、ダウンリンクからのトレーニングを通じて達成され、全てのDIDOアンテナは、同じ時点/周波数基準クロックにロックされると仮定される。尚、異なるクライアントでの遅延広がりの変動により、MIMOアップリンク方式の性能に影響を与える可能性がある異なるクライアントのクロック間のジッタが発生する可能性がある。クライアントがMIMO多重化方式を通じてアップリンクストリームを送った後に、受信DIDOアンテナは、同一チャンネル干渉を除去して個々にアップリンクストリームを復調するために、非線形(すなわち、最大尤度、ML)又は線形(すなわち、ゼロフォーシング、最小平均二乗誤差)受信機を使用することができる。
・時分割多重アクセス(TDMA):異なるクライアントは、異なる時間スロットに割り当てられる。あらゆるクライアントは、時間スロットが利用可能な時にアップリンクストリームを送る。
・周波数分割多重アクセス(FDMA):異なるクライアントは、異なるキャリア周波数に割り当てられる。マルチキャリア(OFDM)システムは、トーンの部分集合は、同時にアップリンクストリームを送信する異なるクライアントに割り当てられ、従って、待ち時間が低減する。
・符号分割多重アクセス(CDMA):あらゆるクライアントは、異なる擬似乱数に割り当てられ、クライアントにわたる直交性は、コード領域において達成される。
DIDOマルチキャリアシステム内のリンクアダプテーションのシステム及び方法
無線チャンネルの時間、周波数、及び空間選択度を利用するDIDOシステムのリンクアダプテーション方法は、米国特許第7,636,381号明細書に定義されている。無線チャンネルの時間/周波数選択度を利用するマルチキャリア(OFDM)DIDOシステム内のリンクアダプテーションの本発明の実施形態を以下に説明する。
として定義された多経路PDPを有する単一のクラスターチャンネルを仮定し、ここで、n=0…,L−1)は、チャンネルタップの指数である、Lは、チャンネルタップの数であり、
は、チャンネル遅延広がり(σDS)に反比例するチャンネル干渉ゾーン域幅の指標であるPDP指数である。βの低い値により、周波数非選択性チャンネルが得られ、一方、βの高い値により、周波数選択性チャンネルが得られる。(21)のPDPは、全てのLチャンネルタップのための全平均電力が単一であるように正規化される(22)。
図27は、DIDO 2x2システムに関する遅延領域又は瞬間的なPDP(上側プロット)及び周波数領域(下側プロット)にわたる低周波数選択性チャンネル(β=1を仮定する)の振幅を示している。第1の下付き文字つきはクライアントを示し、第2の下付き文字は送信アンテナを示している。高周波数選択チャンネル(β=0.1で)を図28に示している。
は、ユーザkの実効チャンネル行列である。DIDO2x2に対して、クライアント当たりの1本のアンテナで、実効チャンネル行列は、図29及び図28の高周波数選択度(例えば、β=0,1で)を特徴とするチャンネルに対して示す周波数応答で1つの値に低減する。図29の実線は、クライアント1を指し、一方、点を有する線は、クライアント2を指す。図29のチャンネル品質メトリックに基づいて、チャンネル状態の変化条件に基づいて、動的にMCSを調整する時間/周波数領域リンクアダプテーション(LA)方法を定義する。
・CSI推定:3171で、DIDO BTSは、全てのユーザからのCSIを計算する。ユーザは、単一の又は複数の受信アンテナを装備することができる。
・DIDO事前符号化:3172で、BTSは全てのユーザに対してDIDO事前符号化重みを計算する。一実施形態において、BDは、これらの重みを計算するのに使用される。事前符号化重みは、トーン単位で計算される。
・リンク品質メトリック計算:3173で、BTSは、周波数領域リンク品質メトリックを計算する。OFDMシステムにおいて、メトリックはCSIから計算され、DIDO事前符号化重みが、あらゆるトーンに対して計算される。本発明の一実施形態において、リンク品質メトリックは、全てのOFDMトーンにわたる平均SNRである。本発明者は、LA1として本方法を定義する(平均SNR性能に基づいて)。別の実施形態において、リンク品質メトリックは、(23)の実効チャンネルの周波数応答である。本発明者は、周波数ダイバーシティを利用するためにLA2として本方法を定義する(トーン単位の性能に基づいて)。あらゆるクライアントが単一のアンテナを有する場合に、周波数領域実効チャンネルを図29に示している。クライアントが複数の受信アンテナを有する場合に、リンク品質メトリックは、あらゆるトーンに対して実効チャンネル行列のフロベニウスノルムとして定義される。代替的に、複数のリンク品質メトリックは、(23)の実効チャンネル行列の特異値としてあらゆるクライアントに対して定義される。
・ビットローディングアルゴリズム:3174で、リンク品質メトリックに基づいて、BTSは、異なるクライアント及び異なるOFDMトーンに対してMCSを決定する。LA1方法に向けて、同じMCSが、図30のレイリーフェーディングチャンネルのSNR閾値に基づいて全てのクライアント及び全てのOFDMトーンに使用される。レイリーフェーディングチャンネルLA2に向けて、異なるMCSが、チャンネル周波数ダイバーシティを利用するために異なるOFDMトーンに割り当てられる。
・事前符号化データ送信:3175で、BTSは、ビットローディングアルゴリズムから導出されたMCSを使用し、DIDO分散型アンテナからクライアントに事前符号化データストリームを送信する。1つのヘッダは、クライアントに異なるトーンに対してMCSを伝えるために事前符号化データに取り付けられる。例えば、8つのMCSが利用可能であり、かつOFDM符号がN=64トーンで定義された場合に、log2(8)*N=192ビットが、いずれかのクライアントに現在のMCSを伝えるのに必要とされる。4−QAM(2ビット/符号周波数利用効率)がそれらのビットを符号にマップするのに使用されると仮定し、192/2/N=1.5OFDM符号のみが、MCS情報をマップするのに必要とされる。別の実施形態において、複数のサブキャリア(又はOFDMトーン)が、サブバンドにグループ分けされ、同じMCSが、制御情報によるオーバヘッドを低減するために同じサブバンド内の全てのトーンに割り当てられる。更に、MCは、チャンネル利得(干渉時間に比例)の時間的変動に基づいて調整される。固定無線チャンネル(低いドップラー効果を特徴とする)において、MCがチャンネル干渉時間の小部分毎に再計算され、従って、制御情報に必要とされるオーバヘッドが低減される。
DIDOシステムの計算の複雑性は、殆どは集中型プロセッサ又はBTSに局在化される。最も計算機的に高価な作業は、CSIからの全てのクライアントに関する事前符号化重みの計算である。BD事前符号化が使用させた時に、BTSは、システム内のクライアントの同数の特異値分解(SVD)作業を実行する必要がある。複雑性を低減する方法は、SVDがあらゆるクライアントに対して別々のプロセッサの上で計算される並列化された処理によるものである。
(24)として(2)から導出され、ここで、
は、システム内の他のDIDOクライアントに対応するチャンネル行列である。
(25)として定義され、ここで、
は、ユーザkに向けて最適化すべき1組のパラメータであり、
は、重み補間行列であり、
は、行列のフロベニウスノルムを示している。最適化問題は、
(26)として公式化され、ここで、
は、最適化問題の実現可能集合であり、
は、最適解である。
(27)によって与えられ、ここで、nは、OFDMトーン指数であり、Aは、トーンの部分集合である。
は、1組のパラメータ
の関数として表される。最適な1組が(26)又は(27)に従って決定された状態で、最適重み行列が計算される。本発明の一実施形態において、所定のOFDMトーンnの重み補間行列は、パイロットトーンの重み行列の線形結合として定義される。単一のクライアントを有するビームパルスフォーミングシステムの重み補間関数の一例は、〔11〕において定義されている。DIDOマルチクライアントシステムでは、本発明者は、重み補間行列を
(28)として書き、0≦l≦(L0−1)であり、L0はパイロットトーンの数であり、
として
である。(28)の重み行列は、次に、あらゆるアンテナからの単一電力送信を保証するために
であるように正規化される。N=1(クライアント当たりの単一の受信アンテナ)である場合に、(28)の行列は、そのノルムに関して正規化されるベクトルになる。本発明の一実施形態において、パイロットトーンは、OFDMトーンの範囲で均一に選択される。
別の実施形態において、パイロットトーンは、補間エラーを最小にするためにCSIに基づいて適応的に選択される。
にわたる全数探索を通じたものである。探索の複雑性を低減するために、範囲[0、2π]において均一にP個の値に実現可能集合を量子化する。図34は、L0=8、M=Nt=2の送信アンテナ及び変数のPに関するSNR対SERを示している。量子化レベルの数が増加する時に、SER性能が改善する。事例P=10は、探索件数の減少のために計算の複雑性が遥かに下回るようにP=100の性能に接近することが認められる。
他のユーザに対する干渉を抑止しながら所定のユーザとの無線リンクを作成するために協働して作動する複数の分散型送信アンテナを使用する無線高周波(RF)通信システム及び方法を以下に説明する。異なる送信アンテナにわたる調整が、ユーザクラスター化を通じて可能にされる。ユーザクラスターは、信号が確実に所定のユーザによって検出することができる送信アンテナ(すなわち、ノイズ又は干渉レベルよりも大きい受信信号強度)の部分集合である。システム内のあらゆるユーザが、自分のユーザクラスターを定義する。同じユーザクラスター内の送信アンテナによって送られた波形は、ターゲットユーザのロケーションでRFエネルギをそれらのアンテナにより到達可能なあらゆる他のユーザのロケーションでゼロRF干渉の点を作成するためにコヒーレントに結合される。
でそれらのM個のアンテナにより到達可能な1人のユーザクラスター及びK人のユーザ内のM個の送信アンテナを有するシステムを考える。送信機は、M個の送信アンテナとK人のユーザ間のCSI(
)を認識していると仮定する。簡潔さを期すために、あらゆるユーザは、単一のアンテナが装備されていると仮定するが、同じ方法をユーザ当たり複数の受信アンテナに拡張することができる。
としてM個の送信アンテナからK人のユーザまでのチャンネルベクトル(
)を結合することによって得られるチャンネル行列Hを考える。ユーザkに対してRFエネルギ、全ての他のK−1ユーザに対してゼロRFエネルギを作成する事前符号化重み(
)を以下の条件:
を満たすように計算し、ここで、
は、行列Hのk番目の横列を除去することによって得られるユーザkの実効チャンネル行列であり、
は、全てのゼロ入力を有するベクトルである。
・DIDOクライアント:1つ又は複数のアンテナを装備したユーザ端末。
・DIDO分散型アンテナ:複数のユーザに事前符号化データストリームを送信するために協働して作動し、従って、ユーザ間干渉が抑止される送受信機基地局。
・DIDO基地送受信機局(BTS):DIDO分散型アンテナに事前符号化された波形を生成する集中型プロセッサ。
・DIDO基地局ネットワーク(BSN):DIDO分散型アンテナに又は他のBTSにBTSを接続する有線バックホール。DIDO分散型アンテナは、BTS又はDIDOクライアントのロケーションに対する空間分布に基づいて異なる部分集合にグループ分けされる。図36に示すように、3つのタイプのクラスターを定義する。
・スーパークラスター3640:全てのBTSとそれぞれのユーザ間の往復待ち時間がDIDO事前符号化ループの制約内であるように、1つ又は複数のBTSに接続したDIDO分散型アンテナの組である。
・DIDOクラスター3641:同じBTSに接続したDIDO分散型アンテナの組であり、スーパークラスターが1つのBTSのみを含む時に、その定義はDIDOクラスターと一致する。
・ユーザクラスター3642:所定のユーザに協働で事前符号化データを送信するDIDO分散型アンテナの組である。
が満たされるように、更に別の送信アンテナをユーザクラスターに追加することができる(図37に示すように)。
a.リンク品質測定:あらゆるDIDO分散型アンテナ及びあらゆるユーザとの間のリンク品質をBTSに報告する。リンク品質は、信号対ノイズ比(SNR)又は信号対干渉ノイズ比(SINR)から構成される。一実施形態において、DIDO分散型アンテナは、トレーニング信号を送信し、ユーザは、そのトレーニングに基づいて受信信号品質を推定する。トレーニング信号は、ユーザが異なる送信機にわたって区別することができるように時間領域、周波数領域、又はコード領域において直交であるように設計される。代替的に、DIDOアンテナは、1つの所定の周波数(すなわち、ビーコンチャンネル)で狭帯域信号(すなわち、単一のトーン)を送信し、ユーザは、そのビーコン信号に基づいてリンク品質を推定する。1つの閾値は、図38aに示すように無事にデータを復調するようにノイズレベルよりも大きい最小限の信号振幅(又は電力)として定義される。この閾値よりも小さいあらゆるリンク品質メトリック値は、ゼロであるように仮定される。リンク品質メトリックは、有限数のビットにわたって量子化され、送信機にフィードバックされる。異なる実施形態において、トレーニング信号又はビーコンは、ユーザから送られて、リンク品質が、アップリンク(UL)とダウンリンク(DL)伝播損失間の相互関係を仮定してDIDO送信アンテナ(図38bの場合と同様に)で推定される。尚、伝播損失相互関係は、UL及びDL周波数帯域が比較的近い時に、時分割複信(TDD)システム及び周波数分割複信(FDD)システムでは現実的な仮定である(UL及びDLのチャンネルが同じ周波数である状態で)。リンク品質メトリックに関する情報は、図37に示すように、全てBTSが異なるDIDOクラスターにわたってあらゆるアンテナ/ユーザの対間にリンク品質を認識するようにBSNを通じて異なるBTSにわたって共有される。b.ユーザクラスターの定義:DIDOクラスター内の全ての無線リンクのリンク品質メトリックは、BSNを通じて全てのBTSにわたって共有されるリンク品質行列への入力である。図37のシナリオのリンク品質行列の一例を図39に示している。リンク品質行列は、ユーザクラスターを定義するのに使用される。例えば、図39は、ユーザU8に関するユーザクラスターの選択を示している。ユーザU8に対する非ゼロリンク品質メトリック(すなわち、アクティブ送信機)を有する送信機の部分集合がまず識別される。これらの送信機は、ユーザU8のユーザクラスターをポピュレートする。次に、他のユーザへのユーザクラスター内の送信機からの非ゼロ入力を含む部分行列が選択される。尚、リンク品質メトリックは、ユーザクラスターを選択するためにのみ使用されるので、2ビットのみで量子化することができ(すなわち、図38において閾値よりも大きいか又は下回る状態を識別するために)、従って、フィードバックオーバーヘッドが低減される。
c.BTSへのCSI報告:ユーザクラスターが選択されると、ユーザクラスター内の全ての送信機からそれらの送信機が到達するあらゆるユーザへのCSIが、全てのBTSに対して利用可能にされる。CSI情報は、BSNを通じて全てのBTSにわたって共有される。TDDシステムは、UL/DLチャンネル相互関係を利用し、ULチャンネルでCSIをトレーニングから導出することができる。フィードバック量を低減するために、FDDシステムは、全てのユーザからのBTSへのフィードバックチャンネルが必要である。リンク品質行列の非ゼロ入力に対応するCSIだけがフィードバックされる。
d.DIDO事前符号化:最後に、DIDO事前符号化は、異なるユーザにサービスを提供する部分行列がクラスター化されるあらゆるCSIに適用される(例えば、関連の米国特許出願に説明されているように)。一実施形態において、実効チャンネル行列
の特異値分解(SVD)が計算され、かつユーザkの事前符号化重み
が、
のヌル部分空間に対応する右特異ベクトルとして定義される。代替的に、M>Kであり、かつSVDが
として実効チャンネル行列を分解する場合に、ユーザkのDIDO事前符号化重みが、以下によって示される
ここで、
は、
のヌル部分空間の特異ベクトルである列を有する行列である。基本的な線形代数による考察から、行列
のヌル部分空間内の右特異ベクトルは、ゼロ固有値に対応するCの固有ベクトルに等しい。
ここで、実効チャンネル行列は、SVDに従って
として分解されることが認められる。次に、
のSVDの計算の1つの代案は、Cの固有値分解を計算することである。べき乗法のような固有値分解を計算するいくつかの方法がある。Cのヌル部分空間に対応する固有ベクトルにのみ興味があるので、反復により説明された逆べき乗法を使用する。
ここで、第1の反復でのベクトル(ui)は、ランダムベクトルである。ヌル部分空間の固有値(λ)が既知(すなわち、ゼロ)であることを考慮すると、逆べき乗法では、収束すべき反復は1回しか必要なく、従って、計算の複雑性が低減される。次に、
として事前符号化重みベクトルを書き、ここで、
は、1に等しい真の入力を有するベクトルである(すなわち、事前符号化重みベクトルは、
の列の合計である)。DIDO事前符号化計算には、必要とされる行列反転は1回である。シュトラッセンのアルゴリズム〔1〕又はCoppersmith−Winogradのアルゴリズム[2,3]のような行列反転の複雑性を低減するいくつかの数値解法がある。Cは本質的にエルミート行列であるので、代替解決法は、[4、節11.4]の方法に従って実数部及び虚数部においてCを分解して実行列の行列反転を計算することである。
[1]S.Robinson著「行列乗算の最適アルゴリズムに向けて」、SIAMニュース、第38巻、第9号、2005年11月。
Claims (27)
- 無線システムであって、
複数のベースステーション(BTS)アンテナと、
前記BTSアンテナの複数の部分集合と、
複数のユーザ装置(UE)アンテナと、を備え、
BTSアンテナの各部分集合は、少なくとも一つのUEアンテナへ送信し、又は少なくとも一つのUEアンテナから受信し、
BTSアンテナの少なくとも2つの部分集合は、少なくとも一つの共用BTSアンテナ及び少なくとも一つの非共用アンテナを有し、前記BTSアンテナの部分集合は、同じ周波数帯域内で送信又は受信を同時に行い、
一つの又は複数のUEアンテナが移動し、BTSアンテナの前記部分集合が、前記UEアンテナの前記移動に合わせて調整するようにして、動的に再構成される、前記無線システム。 - 前記再構成することが、BTSアンテナを、BTSアンテナの前記部分集合から動的に取り除くか、又はBTSアンテナの前記部分集合に動的に加えることを含む請求項1記載のシステム。
- 前記再構成することが、UEアンテナのドップラー速度に基づいて、各UEアンテナに対して、BTSアンテナの前記部分集合を動的に割り当てることを含む請求項1記載のシステム。
- 最小ドップラー速度を発生するBTSアンテナの前記部分集合が、リンク品質を改善するために、全てのUEアンテナに割り当てられる請求項3記載のシステム。
- 前記BTSアンテナ又は前記UEアンテナは、アンテナ間の一つ又は複数の通信チャンネルに対するチャンネル特徴データを測定することを特徴とする請求項1記載のシステム。
- BTSアンテナの各部分集合が、前記チャンネル特徴データに基づいて、少なくとも一つのUEアンテナに割り当てられることを特徴とする請求項5記載のシステム。
- 前記チャンネル特徴データが、チャンネル状態情報を含む請求項5記載のシステム。
- 前記チャンネル特徴データが、前記UEアンテナによって同時に受信されるべき複数のデータストリームを事前符号化するために使用される請求項5記載のシステム。
- 前記事前符号化が、全てのUEアンテナに対する重みベクトルを計算し、或るUEアンテナに対する前記重みベクトルは、他のUEアンテナに対するチャンネル特徴データを含む行列のヌル部分空間の一つ又は複数の特異ベクトルから得られることを特徴とする請求項8記載のシステム。
- 前記重みベクトルが、前記特異ベクトルの線形結合からなる請求項9記載のシステム。
- 前記重みベクトルが、前記UEアンテナによって受信された前記複数のデータストリームを最適化するために選択された特異ベクトルを含む請求項9記載のシステム。
- 前記事前符号化が、ゼロフォーシング(ZF)、最小平均二乗誤差(MMSE)、ブロック対角化(BD)、又は特異値分解(SVD)事前符号化を含むことを特徴とする請求項8記載のシステム。
- 前記事前符号化が、一つ又は前記複数のUEアンテナで、有効ゼロRFエネルギの点を生成しつつ、無線周波数(RF)エネルギを送信するために使用されることを特徴とする請求項8記載のシステム。
- 前記事前符号化を介して送信された前記RFエネルギは、ゼロRFエネルギの点を除いた干渉信号であることを特徴とする請求項13記載のシステム。
- 有効ゼロRFエネルギが、前記複数のUEアンテナが、成功裏に、各データストリームを復調できるように、十分低い干渉レベルを有する請求項13記載のシステム。
- 前記事前符号化の重みベクトルが、一つ又は前記複数のUEアンテナの前記チャンネル特徴データを含む行列のヌル部分集合の一つ又は複数の特異ベクトルを含む請求項13記載のシステム。
- マルチキャリア送信機を含み、前記事前符号化が、サブキャリアの部分集合に対してのみ、計算され、残りの事前符号化の重みベクトルが、補間法を介して導出される請求項8記載のシステム。
- 前記事前符号化が、RFチェインの不完全性による信号歪みを補償するのに使用される請求項8記載のシステム。
- 前記事前符号化が、前記UEアンテナからフィードバックを介して得られた前記チャンネル特徴データを使用することを含む請求項8記載のシステム。
- 前記事前符号化が、アップリンク/ダウンリンクチャンネル相互関係を利用することによって、前記BTSアンテナで得られる前記チャンネル特徴データを利用することを含む請求項8記載のシステム。
- 前記チャンネル特徴データが、前記UEアンテナから、アップリンクチャンネルを介して前記BTSアンテナで同時に受信された複数のデータストリームを復調するたに使用される請求項5記載のシステム。
- 線形(ZF、MMSE)又は非線形(最大尤度)受信機を使用することを含む請求項21記載のシステム。
- リンクアダプテーション(LA)方法が、前記複数のUEアンテナに対するデータストリームの変調及びFECコード方式(MCS)を動的に調整するために使用される請求項5記載のシステム。
- 前記LAが、時間、周波数、及び空間定義域において、推定された前記チャンネル特徴データに基づいてMCSを調整する請求項23記載のシステム。
- 前記チャンネル特徴データが、事前のBTSアンテナ電力制御のために使用され、前記BTSアンテナから送信される電力を調整するように、一つ又は複数の電力スケーリング係数を計算することを含む、請求項5記載のシステム。
- 前記チャンネル特徴データは、事前のUEアンテナ電力制御のために使用され、前記UEアンテナへ、又は前記UEアンテナから、それぞれ、ダウンリンク又はアップリンクチャンネルに渡って、送信される電力を調整するように、一つ又は複数の電力スケーリング係数を計算することを含む、請求項8記載のシステム。
- 前記電力スケーリング係数が、前記事前符号化の重みベクトルに乗算される、ことを特徴とする請求項26記載のシステム。
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