JP6199653B2 - 無線通信システムおよびアンテナ構成決定方法 - Google Patents

無線通信システムおよびアンテナ構成決定方法 Download PDF

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Description

本発明は、複数のアンテナポートを用いて通信を行う無線通信システムと、アンテナ構成決定方法に関する。
近年のスマートフォン等の普及に伴い、基地局容量の不足が課題のひとつになっている。容量不足を解決する手段として、小型の基地局を多数配置するスモールセル構成の基地局構成が検討されており、今後普及していくことが予想される。
容量向上の手段として、垂直方向に配置されたアンテナ素子を有するアクティブアンテナを用いたシステム(AAS:Active Antenna System)が検討されている。垂直ビームフォーミングにより、垂直方向にセクタ化(基地局に近いセクタと遠いセクタに分割)を行って、キャパシティを向上することができる。
また、水平及び垂直方向にアンテナ素子を立体配置した3D−MIMO(Multiple Input Multiple Output)の実用化が検討されている。MIMOシステムでは、アンテナブランチ間の相関は環境に依存する部分があるため、同じアンテナを配置しても環境によって相関が異なる。たとえば、同じアンテナ配置構成を採用しても、都市部など反射が大きい場合は、電波の角度広がり(到来角度範囲の分布)が広くなりアンテナブランチ間の相関は低くなる。高品質なエリアを作るには、それぞれの環境に応じて最適なアンテナ構成を決定しそれを満たすアンテナを設置する必要がある。
AASや3D−MIMOなどのアンテナを設置する場合に、基地局を細かく配置した場合にも稼動の増加なく環境に応じたアンテナポート構成を実現できる無線通信システムを提供する。
上記課題を解決するために、無線通信システムにおいて、基地局装置は、単体のアンテナ素子あるいは複数のアンテナ素子のグループにより構成される複数のアンテナポート構成を有し、前記複数のアンテナポート構成のそれぞれに対応したパターンで、各アンテナポートから参照信号を送信する。
基地局を細かく配置した場合にも稼動の増加なく環境に応じたアンテナポート構成を実現できる。
実施形態のアンテナ相関制御方法のフローチャートである。 アンテナポート構成に応じた参照信号の配置パターンの例を示す図である。 アンテナポート構成のひとつの例を示す図である。 アンテナポート構成の別の例を示す図である。 アンテナポート構成のさらに別の例を示す図である。 実施形態の基地局装置を概略ブロック図である。 実施形態の移動局装置の概略ブロック図である。 アンテナポート構成のさらに別の例を示す図である。 アンテナポート構成に応じた参照信号の配置パターンの別の例を示す図である。
図1は、実施形態のアンテナ構成決定方法のフローチャートである。このアンテナ構成決定方法が適用される無線通信システムでは、無線基地局は複数のアンテナ素子を配置したアレイアンテナを有する。無線基地局は、通信環境、ランク、ユーザ多重数などに応じて、アンテナ素子を単体としてアンテナポートとして用いる、あるいは複数のアンテナ素子をグループ化してアンテナポートとするなど、最適なアンテナポート構成を実現する。
以下の例では、無線通信システムとしてLTE(Long Term Evolution)システムを例にとり、無線基地局をeNB(evolved Node B)、移動局をUE(User Equipment)と称して説明する。
まず、eNBはアンテナポートごと、所定の周波数単位ごとに、所定の時間間隔で、参照信号を送信する(S101)。周波数単位は、たとえば連続する所定数のサブキャリアで構成される周波数単位である。所定の時間間隔は参照信号の種類によって異なる。参照信号は、たとえばCSI−RS(Channel State Information Reference Signal:チャネル状態情報用の参照信号)であるが、これに限定されない。以下では、CSI−RSを例にとって説明する。
ひとつの実施形態では、CSI−RSオフセットごとにアンテナポート構成を割り当ててCSI−RSを各アンテナポートから送信する。
図2は、アンテナポート構成に対応するCSI−RSオフセットの例を示す。図2(a)は所定のサブフレーム中にCSI−RSが多重されたOFDMシンボルを示す模式図、図2(b)はCSI−RSオフセットに対応したアンテナポート構成の例である。
CSI−RSオフセットは、CSI−RSが送信されるサブフレーム内で、CSI−RSの送信開始位置に付加されるオフセットである。図2の例では、CSI−RSの送信周期は5サブフレーム(5msec)である。アンテナポート構成#aで送信されるCSI−RSの配置パターン#aは、第1のサブフレームオフセットを有する。アンテナポート構成#bで送信されるCSI−RSの配置パターン#bは、第2のサブフレームオフセットを有する。アンテナポート構成#cに対応するCSI−RS配置パターン#cは、第3のサブフレームオフセットを有する。CSI−RSの送信周期や、各オフセットインデックスは、たとえばPDCCHでeNBからUEに通知されてもよい。
図3は、第1のサブフレームオフセットに対応するアンテナポート構成#aを示す。eNBに設置されたアレイアンテナ11は、垂直方向に16、水平方向に2個のトータル32個の物理アンテナ素子31を含む。各アンテナ素子31は水平偏波と垂直偏波に対応可能であり、機能的には、16×2×2=64素子相当のアレイアンテナとなる。
アンテナポート構成#aでは、4素子×2偏波で1つのアンテナポートを構成し、全部で8つのアンテナポートが生成される。アレイアンテナ11の左上に位置するアンテナポート#1は、物理アンテナ素子#1〜#4の水平偏波と垂直偏波で構成される。同様に、アレイアンテナ11の右上に位置するアンテナポート#5は、物理アンテナ素子#17〜#20の水平偏波と垂直偏波で構成され、アレイアンテナ11の左下のアンテナポート#4や、右下のアンテナポート#8も同様に、それぞれが水平偏波と垂直偏波に対応する4つの物理アンテナ素子で構成される。
図2(b)を参照して、物理アンテナ素子31の配置間隔をdとすると、アンテナポート構成#aは、垂直方向のポート間距離が4d、水平方向のポート間距離がdとなる。アンテナ素子間の間隔dは、たとえば送信波長λの半分である。
水平方向のユーザ間の角度が大きい場合、電波の到来角度が広く、水平方向のアンテナポート間の間隔が小さくても、アンテナポート間の相関が低く、ユーザ信号を適切に分離することができる。ユーザ間の距離が垂直方向(eNBからみて仰俯角方向あるいはセルの径方向)に十分に離れていない場合は、アンテナポート間の垂直方向の間隔を数波長以上に離すことで、アンテナポート間の相関を低くする。
図4は、第2のサブフレームオフセットに対応するアンテナポート構成#bを示す。アンテナポート構成#bは、アレイアンテナ11の中央領域で垂直方向に隣接する2つの物理アンテナ素子31の水平偏波及び垂直偏波で1つのアンテナポートを構成する。垂直方向の2素子×2偏波で1つのアンテナポートを構成し、全部で8つのアンテナポートが生成される。垂直方向のアンテナポート間の距離は2d、水平方向のアンテナポート間の距離はdである。
図4の例では、物理アンテナ素子#5〜#12の水平偏波及び垂直偏波と、物理アンテナ素子#21から#28の水平偏波及び垂直偏波で、アンテナポート構成#bが実現される。それ以外の物理アンテナ素子31は使わなくてもよいし、別のブランチとして使用してもよい。
eNBからみて垂直方向のユーザ間距離がある程度離れていれば、アンテナポート間の垂直方向の間隔を、図3に比べて小さくしてもユーザ間を分離することができる。
図5は、第3のサブフレームオフセットに対応するアンテナポート構成#cを示す。アンテナポート構成#cは、アレイアンテナ11の中央領域に位置する1つの物理アンテナ素子31の水平偏波及び垂直偏波で1つのアンテナポートを構成する。1素子×2偏波で1つのアンテナポートを構成し、全部で8つのアンテナポートが生成される。アンテナポート間の距離は水平方向、垂直方向ともにdである。物理アンテナ素子#7〜#10と、物理アンテナ素子#23〜#26で、アンテナポート構成#cを実現する。それ以外の物理アンテナ素子31は使わなくてもよいし、別のブランチとして使用してもよい。
このように、eNBは複数の異なるアンテナポート構成を用意しておき、それぞれのアンテナポート構成を用いて、対応するサブフレームオフセット(CSI−RSオフセット)で、CSI−RSを送信する。
図1に戻って、UEは、eNBからのCSI−RSを、CSI−RSオフセットごとに受信し、下りチャネルの受信品質(CQI:Channel Quality Indicator)、チャネル行列のランク(RI:Rank Indicator)を計算し、最適なアンテナポート構成インデックスを含むCSIを生成する(S102)。
たとえば、eNBから到来するCSI−RSを十分なSIR(信号対干渉比)や低いBER(ビットエラーレート)で受信できたときは、アンテナポート間の相関が低く抑えられているとして、そのタイミングで受信したCSI−RSに対応するアンテナ構成を選択する。UEは、フィードバック用のCSIを生成する際に、決定したアンテナポート構成のインデックスをCSIに含めてもよい。
UEはまた、決定したアンテナ構成とランクに応じた最適なプリコーディング行列を決定し、プリコーディング行列情報(PMI:Precoding Matrix Indicator)をCSIに含めてもよい。あるいは、受信したCSI−RSからチャネルを推定し、チャネル推定値自体を通知情報としてもよい。
次に、UEは生成したCSI情報あるいはチャネル推定値を上りリンクの制御チャネルにより、eNBに報告する(S103)。
次に、eNBは、UEから受信したフィードバック情報から、アンテナポートを構成するアンテナ素子、MIMO多重数、及びプリコーディングウエイトを決定する(S104)。これにより、アンテナポート間の最適な相関が決定される。
次に、eNBは、決定したアンテナポート構成、MIMO多重数、及びプリコーディングウエイトに従って、下り信号を送信する(S105)。決定されたアンテナポート構成を実現するために、eNBは、各アンテナ素子に対し、ポートのマッピングをリソースごとに設定する。CSI−RSが付加された後の送信信号xiに対して、CRS(Cell-specific Reference Signal:セル固有参照信号)、DMRS(Demodulation Reference Signal:復調用参照信号)、CSI−RS、制御信号、UE1へのPDSCH(Physical Downlink Shared Channel:物理下りリンク共有チャネル)、UE2へのPDSCH、SRS(Sounding Reference Signal),PBCH(Physical Broadcast Channel:物理報知チャネル)などのリソースごとに指定したNA×NE複素行列Siを乗算する(yi=Si×xi)。ここで、NAはアンテナポート数、NEはアンテナ素子数、iはサブキャリアのインデックス番号である。
このように、eNBの各アンテナポートから、異なるCSI−RSオフセットでCSI−RSを送信し、UEからのフィードバック情報を受け取ることで、eNBは最適なアンテナ構成を決定し、演算量の増大を防止しつつアンテナ相関を制御することができる。
図6は、実施形態の基地局装置(eNB)10の概略ブロック図である。各ユーザへの送信データは、チャネル符号化部27aによるチャネル符号化と、データ変調部27bによるデータ変調を受ける。各ユーザデータのチャネル符号化率と変調方式は、アンテナポート構成決定部23で決定されたアンテナポート構成やMIMO多重数に基づいて、MIMO切換部24により決定される。
チャネル符号化及びデータ変調を受けた送信データは、参照信号、報知信号、システム情報等とともに、サブキャリアマッピング部28に入力され、サブキャリアにマッピングされる。
マッピングされた各送信データは、プリコーディング乗算部29で、プリコーディングウエイトが乗算され、アンテナポートごとに重み付け(振幅及びまたは位相の調整)がされる。送信信号へのプリコーディングウエイトの適用は、アンテナポート構成決定部23で決定されたプリコーディングウエイトに従って、プリコーディングウエイト制御部により制御される。
重み付けされた各ユーザの送信信号はマルチプレクサ(MUX)30で合成され、アンテナ部121〜12mごとの送信信号が生成される。
アンテナ素子/ポート制御部26は、アンテナポート構成決定部23により決定されたアンテナポート構成に従って、アレイアンテナ11のアンテナ素子のグルーピングを制御し、送信信号を最適なアンテナポート構成で送信できるようにする。
送信信号は、IFFT部31による逆フーリエ変換、サイクリックプレフィックス(CP)付加部32によるサイクリックプレフィックスの付加、RF送信回路33での周波数変換を経て、デュプレクサ13から対応するアンテナ部(アンテナ素子)12に供給され下りリンクでUEに送信される。
各UEからの上りリンク信号は、アレイアンテナ11の各アンテナ部12で受信され、デュプレクサを介して対応するRF受信回路13に入力される。RF受信回路13でベースバンドへの周波数変換、サイクリックプレフィックス(CP)除去部15でサイクリックプレフィックスの除去、FFT部16による高速フーリエ変換を経て、データチャネル信号分離部17で各ユーザ信号に分離される。各ユーザの信号のうち、データチャネル信号はデータ復調部18で復調され図示しない復号部で復号されて受信データが得られる。
チャネル推定部20は、信号分離部17で分離された各ユーザの参照信号(たとえばサウンディング参照信号SRS)を用いて、チャネル推定を行う。制御チャネル復調部21は、チャネル推定部20で得られたチャネル推定値を用いて制御チャネルを復調する。CSI情報更新部22は、制御チャネルから当該ユーザのCSIを取り出して更新する。更新後のCSI情報はアンテナポート構成決定部23に入力される。
このCSI情報には、UEが決定したアンテナ構成情報が含まれていてもよいし、UEが算出したチャネル推定値自体が含まれていてよい。
アンテナポート構成決定部23は、更新後のCSIに含まれる情報に基づいてアンテナポートを構成するアンテナ素子のグルーピングを決定するとともに、ユーザ多重数とプリコーディングウエイトを決定する。ユーザ多重数はチャネル品質情報とともにMIMO切り換え部24に供給される。プリコーディングウエイトはプリコーディングウエイト制御部25に供給される。アンテナポート構成はアンテナ素子/ポート制御部26に供給される。
アンテナポート構成決定部23とアンテナ素子/ポート制御部26により、アレイアンテナ11のアンテナ素子数が非常に多い場合でも、変動する無線環境に応じて適切なアンテナポート構成を設定し、ユーザデータを送信することができる。
図7は、移動局装置40の概略構成図である。eNB10から送信された信号は、移動局装置40のアンテナ41の各アンテナ部421〜42mで受信され、対応するデュプレクサ43を介してRF受信回路44に入力され、ベースバンド信号に変換される。サイクリックプレフィクス(CP)除去部45でCPが除去され、FFT部46で高速フーリエ変換を受けた後、データチャネル信号分離部42で受信信号の中からこの移動局装置40に宛てられた信号が取り出される。分離された受信信号のうち、データチャネル信号はデータ復調部48で復調され、後段で復号されて受信データが取り出される。
CSI−RSオフセットごとに受信されたCSI−RSは、チャネル推定部50に入力され、CSI−RSオフセットごとにチャネル推定が行われる。制御チャネル復調部51は、各チャネル推定値を用いて移動局装置40宛ての制御信号を復調する。チャネル品質測定部52は、復調された制御信号に基づいて下りチャネルの受信品質を求める。
アンテナポート構成選択部53は、チャネル品質の測定結果に基づいて、最良のアンテナポート構成を選択する。また、チャネル行列のランクを計算し、プリコーディング行列を選択する。
CSIフィードバック信号生成部55は、チャネル品質情報(CQI)、アンテナポート構成、プリコーディング行列(PMI)、ランク情報(RI)含むCSIを生成する。
移動局装置40の上位レイヤで生成された送信データは、チャネル符号化部57aでチャネル符合化され、データ変調部57bで変調される。チャネル符合化及びデータ変調された送信データは、参照信号とともに、サブキャリアマッピング部58で、eNBから割り当てられたサブキャリアにマッピングされる。
マッピングされた送信データは、プリコーディング乗算部59でプリコーディングウエイトが乗算され、アンテナポートごとの重み付けがされる。プリコーディングウエイトはeNBから制御チャネルで通知され、復調された制御信号から取り出されてもよい。
送信データとフィードバック用のCSIは、マルチプレクサ(MUX)60で合成されアンテナ部42ごとの送信データが生成される。送信信号はアンテナ部42ごとにIFFT部61による逆フーリエ変換、CP付加部62によるサイクリックプレフィクスの付加、RF送信回路63による無線周波数への変換を経て、デュプレクサ43を介して各アンテナ部42から送信される。
図8は、アンテナポート構成の別の例を示す図である。この例では、アレイアンテナ71の物理アンテナ素子81は、水平方向と垂直方向に16ずつ配置される。各物理アンテナ素子81は、水平偏波と垂直偏波に対応可能である。図8(A)では、(4×4)素子×2偏波で1つのアンテナポート12aを形成し、合計16のアンテナポート12が形成される。物理理アンテナ素子81間の距離をdとすると、ポート間の間隔は垂直方向、水平方向ともに4dである。CSI−RSは、アンテナポート12aから、サブフレームオフセット#aで送信される。この場合のサブフレームオフセット#aは、図2(A)のサブフレームオフセット#aと同じであっても、異なっていてもよい。
図8(B)は、アンテナポート構成#bを示す。図8(B)では、(2×2)素子×2偏波で1つのアンテナポート12bを形成し、合計16のアンテナポート12bが生成される。ポート間距離は垂直方向、水平方向ともに2dである。CSI−RSはアンテナポート12bから、サブレームオフセット#bで送信される。この場合のサブフレームオフセット#bは、図2(A)のサブフレームオフセット#bと同じであっても、異なっていてもよい。なお、残りの物理アンテナ素子は使わなくてもよいし、別のブランチを構成してもよい。
図8(C)は、アンテナポート構成#cを示す。図8(C)では、1素子×2偏波で1つのアンテナポート12cを形成し、合計16のアンテナポート12cが生成される。ポート間距離は垂直方向、水平方向ともにdである。CSI−RSはアンテナポート12bから、サブレームオフセット#cで送信される。この場合のサブフレームオフセット#cは図2(A)のサブフレームオフセット#cと同じか、または異なる。
図8の構成でも、CSI−RS等の参照信号をアンテナポート構成に応じたサブフレームオフセットで送信する。UE側では、CSI−RSオフセットごとにCSI−RSを受信して、随時、適切なアンテナポート構成を選択することができる。
図9は、参照信号の別の配置例を示す図である。図2の例では、CSI−RSオフセットごとにアンテナポート構成を割当ていたが、CSI−RSが送信される周波数ごとに異なるアンテナポート構成を割り当てることもできる。この場合、UEは周波数番号ごとに受信したCSI−RSから、下りチャネルの受信品質およびチャネル行列のランクを計算し、最適な周波数番号、すなわちアンテナポート構成を選択する。
以上、特定の実施の形態に基づいて発明を説明したが、これらの例に限定されない。たとえば、CSI−RSは一定のサブフレーム周期で送信されるので、アンテナポート構成決定のためにはCSI−RSを用いるのが有利であるが、その他の参照信号(DM−RS,CRSなど)を用いてもよい。また、アンテナポート構成の種類は上述した例に限定されず、より多くのアンテナポート構成から最適なポート間相関を選択してもよい。また、移動局は、チャネル推定値自体を基地局に返してもよい。その場合も、基地局は移動局からのフィードバックに基づいてアンテナポートを構成するアンテナ素子を決定することができる。アンテナポートは必ずしもグループ化された複数のアンテナ素子で構成される必要はなく、通信環境に応じて、アンテナ素子ごとにアンテナポートを設定してもよい。
10 無線基地局装置
11、71 アレイアンテナ
121〜12m アンテナ部
12a、12b、12c アンテナポート
23 アンテナポート構成決定部
25 プリコーディングウエイト制御部
26 アンテナ素子/ポート制御部
40 ユーザ装置
411〜42m アンテナ部
52 チャネル品質測定部
53 アンテナポート構成選択部
55 CSIフィードバック信号生成部

Claims (10)

  1. 無線通信システムにおいて、
    基地局装置は、単体のアンテナ素子あるいは複数のアンテナ素子のグループを含む1以上のアンテナポートにより構成される複数のアンテナポート構成を有し、前記複数のアンテナポート構成のそれぞれに対応したパターンで、各アンテナポートから参照信号を送信し、
    前記複数のアンテナポート構成の各々は、水平方向と垂直方向の双方のアレイ配列を含んでグループ化されることを特徴とする無線通信システム。
  2. 無線通信システムにおいて、
    基地局装置は、単体のアンテナ素子あるいは複数のアンテナ素子のグループを含む1以上のアンテナポートにより構成される複数のアンテナポート構成を有し、前記複数のアンテナポート構成のそれぞれに対応したパターンで、各アンテナポートから参照信号を送信し、
    移動局装置は、前記パターンごとに前記参照信号を受信して基地局にフィードバック情報を送信し、
    前記基地局装置は、前記フィードバック情報を元に、前記アンテナポートを構成するアンテナ素子を決定する、
    ことを特徴とする無線通信システム。
  3. 前記基地局装置は、前記参照信号を、前記複数のアンテナポート構成の各々に対応して異なるサブフレームオフセットで送信することを特徴とする請求項1または2に記載の無線通信システム。
  4. 無線通信システムにおいて、
    基地局装置は、単体のアンテナ素子あるいは複数のアンテナ素子のグループを含む1以上のアンテナポートにより構成される複数のアンテナポート構成を有し、前記複数のアンテナポート構成のそれぞれに対応したパターンで、各アンテナポートから参照信号を送信し、
    前記基地局装置は、前記参照信号を、前記複数のアンテナポート構成の各々に対応して異なるサブフレームオフセットで送信し、
    動局装置は、前記参照信号を、前記異なるサブフレームオフセットごとに受信して、最適なアンテナポート構成情報を含むフィードバック情報を生成することを特徴とする無線通信システム。
  5. 前記基地局装置は、前記参照信号を、前記複数のアンテナポート構成の各々に対応して異なる周波数で送信することを特徴とする請求項1または2に記載の無線通信システム。
  6. 無線通信システムにおいて、
    基地局装置は、単体のアンテナ素子あるいは複数のアンテナ素子のグループを含む1以上のアンテナポートにより構成される複数のアンテナポート構成を有し、前記複数のアンテナポート構成のそれぞれに対応したパターンで、各アンテナポートから参照信号を送信し、
    前記基地局装置は、前記参照信号を、前記複数のアンテナポート構成の各々に対応して異なる周波数で送信し、
    動局装置は、前記参照信号を、前記異なる周波数ごとに受信して、最適なアンテナポート構成情報を含むフィードバック情報を生成することを特徴とする無線通信システム。
  7. 基地局装置にて、単体のアンテナ素子あるいは複数のアンテナ素子のグループを含む1以上のアンテナポートにより構成される複数のアンテナポート構成のそれぞれに対応したパターンで、各アンテナポートから参照信号を送信し、
    前記複数のアンテナポート構成の各々は、水平方向と垂直方向の双方のアレイ配列を含んでグループ化されることを特徴とするアンテナ構成決定方法。
  8. 基地局装置にて、単体のアンテナ素子あるいは複数のアンテナ素子のグループを含む1以上のアンテナポートにより構成される複数のアンテナポート構成のそれぞれに対応したパターンで、各アンテナポートから参照信号を送信し、
    前記パターンごとに前記参照信号を受信した移動局から最適なアンテナ構成情報を含むフィードバック情報を受信し、前記フィードバック情報に基づいて、前記基地局装置で前記アンテナポートを構成するアンテナ素子を決定する
    ことを特徴とするアンテナ構成決定方法。
  9. 前記参照信号を、前記複数のアンテナポート構成の各々に対応して異なるサブフレームオフセットで送信することを特徴とする請求項7または8に記載のアンテナ構成決定方法。
  10. 前記参照信号を、前記複数のアンテナポート構成の各々に対応して異なる周波数で送信することを特徴とする請求項7または8に記載のアンテナ構成決定方法。
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