JP6203940B2

JP6203940B2 - ２層無線通信システム

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Publication number: JP6203940B2
Application number: JP2016508944A
Authority: JP
Inventors: マルツェッタ，トーマス，エル．; ヤン，ホン
Original assignee: アルカテル−ルーセント
Priority date: 2013-04-15
Filing date: 2014-03-19
Publication date: 2017-09-27
Anticipated expiration: 2034-03-19
Also published as: JP2016523016A; US20140307594A1; EP2987351A2; TW201503749A; TWI533739B; WO2014172056A3; WO2014172056A2; US9402191B2

Description

本開示は、一般に、無線通信システムを対象とし、より詳細には、拡張性のある無線通信インフラストラクチャをもたらす無線アンテナ構成を対象とする。

主要な無線インフラストラクチャ・プロバイダは、スモール・セル・アクセス・ノードの追加によって、自らの集中管理型無線通信システムのスループットを増大しようとしている。スモール・セル・アクセス・ノードは、一般に、約１０メートルから２００メートルの範囲を有する、フェムトセル、ピコセル、マイクロセルを備える。

スモール・セル・ベースの無線通信システムは高スループットを約束するが、そうしたシステムの拡張性には限度がある。具体的には、より多くの顧客を処理するための、スモール・セル・ベースの無線システムの拡張は、追加のスモール・セルをいっそう高密度に展開することを必要とする。しかし、スモール・セルの数の大幅な増加は、意図しない結果をもたらし得る。例えば、各スモール・セルの放射電力がスモール・セル密度の増加に呼応して低下した場合でも、総スループット（すなわち、実行され得る通信の総数）は、相互干渉のため最終的に飽和することになる。さらに、各スモール・セルの受信可能地域の半径が、スモール・セル密度の増加に対応できるように短くなるにつれて、（セル間の）モバイル端末ハンドオフ率が拡大し、動作上の複雑性を、また極端な環境では通信の欠落を増大させることになる。さらに、スモール・セル密度の増加は、インターネットに接続するために、電力増加とバックホール能力追加の両方を必要とする。したがって、電力およびバックホールの追加要件のため、電線および光ファイバを敷設するコストもまた、制限のないスモール・セル・ベースの拡張を抑止する役割を担い得る。

米国特許出願第１３／２３８，３２９号、名称「Ｃｅｌｌ−ＦｒｅｅＬａｒｇｅ−ＳｃａｌｅＡｎｔｅｎｎａＳｙｓｔｅｍ」

現代の無線通信が直面するこうした課題や他の課題に対処するために、２層無線通信システムを実装するためのシステムおよび方法が、本明細書で開示される。一実施形態によれば、サービス・アンテナの大規模システムは、サービス・アンテナが、無線アクセス・サービスをモバイル端末に提供するために、指定されたサービス・エリアにわたってセルフリーの形で分散化されている上位層を備え、また下位層を備える１つまたは複数の集中大規模アンテナ・システム・アレイは、バックホール・サービスを複数のサービス・アンテナに提供するために、指定されたサービス・エリアの複数のセル内に配置されている。下位層における１つまたは複数の集中大規模アンテナ・システム・アレイは、アクセス・サービスを据置き型端末に提供することができる。上位層および下位層は、互いに対して分離した周波数帯で動作することができる。下位層における１つまたは複数の集中大規模アンテナ・システム・アレイは、構造体の表面上にコンフォーマル・アレイを備えてもよく、また上位層における複数のサービス・アンテナのそれぞれは、シングル・アンテナを備えてもよく、また時間および周波数リソースを共有してもよい。

一実施形態によれば、上位層における複数のサービス・アンテナのそれぞれは、アップリンク・パイロット・シーケンスおよび時分割複信相互関係に基づいて、モバイル端末のチャネル状態情報を決定するように構成することができ、またモバイル端末への伝送のため、チャネル状態情報に基づいて、データ伝達シンボル（ｄａｔａ−ｂｅａｒｉｎｇｓｙｍｂｏｌ）のビームフォーミングを行うように構成することができる。データ伝達シンボルのビームフォーミングを行う演算には、線形プリコーディング演算が含まれてもよい。

一実施形態によれば、上位層における複数のサービス・アンテナのそれぞれは、モバイル端末から同時に受信されたデータ伝達シンボル同士をチャネル状態情報に基づいて区別するように構成することができる。

一実施形態によれば、上位層における複数のサービス・アンテナのそれぞれは、無線アクセス・サービスをモバイル端末のうちの１つまたは複数に提供するための閾値をチャネル状態情報に基づいて決定するように構成することができる。

一実施形態によれば、下位層における１つまたは複数の集中大規模アンテナ・システム・アレイは、無線アクセス・サービスを固定端末に提供するように構成することができる。

本発明のこれらの利点および他の利点は、以下の詳細な説明および添付図面を参照することにより、当業者には明らかになるであろう。

一実施形態による２層無線通信システムの概略図である。一実施形態による２層無線通信システムの概略図である。一実施形態による大規模アンテナ・システムを実装するためのコヒーレンス間隔（ｃｏｈｅｒｅｎｃｅｉｎｔｅｒｖａｌ）の概略図である。一実施形態による２層無線通信システムの上位層において通信するための流れ図である。一実施形態による２層無線通信システムの上位層におけるモバイル端末サービス・エリア・バブルを示す図である。２層無線通信システムを実装するために使用できる例示的なコンピュータの概略ブロック図である。

大規模アンテナ・システムが、極めて多数の（例えば、１００万以上もの）サービス・アンテナ（アクセス・ポイント（ａｃｃｅｓｓｐｏｉｎｔｓ）、または個別的にアクセス・ポイント（ａｎａｃｃｅｓｓｐｏｉｎｔ）とも呼ばれる）を含むとともに、有効なサービス下の、端末に対してのサービス・アンテナの大きな比率を含む、一般にマルチユーザ型の多入力多出力（ＭＩＭＯ）無線通信システムとして提案されている。様々な所望の特性に基づいて、大規模アンテナ・システム（ＬＳＡＳ：Ｌａｒｇｅ−ＳｃａｌｅＡｎｔｅｎｎａＳｙｓｔｅｍ）は、分散（セルフリー）システムまたは集中（例えば、セルラ）システムとして構成できる。分散大規模アンテナ・システムと集中大規模アンテナ・システムの両方の所望の特性を示す２層無線通信システムが、本明細書で開示される。

図１Ａは、一実施形態による２層無線通信システムの概略図である。無線通信システム１００は、２つの大規模アンテナ・システム（ＬＳＡＳ）を備える。システム１００の上位層１２０は、分散ＬＳＡＳを備え、システム１００の下位層１３０は、１つまたは複数の集中ＬＳＡＳアレイを備える。

図に示すように、上位層１２０および下位層１３０は、システム１００のサービス・エリア１４０内で重なり合う。したがって、サービス・エリア１４０内のどの場所でも、上位層１２０と下位層１３０の両方のサービスが利用可能である。さらに、上位層１２０および下位層１３０のサービスは、将来の無線通信トラフィック需要に対応するために、システム１００が拡張性を備えることを可能にするように特殊化されている。以下に述べるように、上位層１２０は、ネットワーク・アクセスをモバイル端末に提供するように構成され、一方、下位層１３０は、バックホール・サービスを上位層１２０の様々なアクセス・ポイントに提供するように構成される。固定（据置き型）端末向けのアクセス・サービスは、どちらの層によっても処理できるが、一実施形態では、下位層が、アクセス・サービスを固定端末に提供して余分なバックホール伝送を回避する。

図１Ｂは、図１Ａに示されるサービス・エリア１４０内の上位層１２０および下位層１３０の（線分Ａ−Ａに沿って下側を見る）様々なＬＳＡＳ要素の詳細図を示す。一実施形態では、無線通信システム１００の上位層１２０は、分散ＬＳＡＳ１０２を備える。分散ＬＳＡＳ１０２はセルフリーであり、無線アクセス・サービスを、モバイル端末１０８ａ〜ｅなどのモバイル端末に提供するための、サービス・エリア１４０にわたって分散化された複数のサービス・アンテナ１０６ａ〜ｉを備える。例えば、サービス・アンテナ１０６ａ〜ｉによって表される、多数のサービス・アンテナ（例えば、１００万のサービス・アンテナ）は、無線ネットワーク・アクセス・サービスを、モバイル端末１０８ａ〜ｅなどの複数のモバイル端末に提供するために、大規模なサービス・エリア（例えば、市全体）にわたって分散化されてもよい。

一実施形態では、サービス・エリア１４０内のあらゆるモバイル端末１０８ａ〜ｅが、あらゆるサービス・アンテナ１０６ａ〜ｉによって同時にサービス提供される。したがって、あるサービス・アンテナから別のサービス・アンテナへのモバイル端末のハンドオフはない。サービス・アンテナの数がモバイル端末の数を大きく上回る例示的な分散ＬＳＡＳは、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている、米国特許出願第１３／２３８，３２９号、名称「Ｃｅｌｌ−ＦｒｅｅＬａｒｇｅ−ＳｃａｌｅＡｎｔｅｎｎａＳｙｓｔｅｍ」に記述されている。

無線通信システム１００の下位層１３０は、集中ＬＳＡＳアレイ１０４ａ〜ｉなどの１つまたは複数の集中ＬＳＡＳアレイを備える。下位層の集中ＬＳＡＳアレイ１０４ａ〜ｉは、バックホール・サービスを複数の上位層サービス・アンテナ１０６ａ〜ｉに、また場合によっては、ネットワーク・アクセスを固定端末１１２ａ〜ｂに提供するために、例えば、サービス・エリア１４０のセル１１０ａ〜ｇなど、複数のセル内に配置される。分かりやすくする目的のために、サービス・エリア１４０にわたって設置される追加のセル１１０（および集中ＬＳＡＳアレイ１０４）は、図示されていない。しかし、サービス・エリア１４０のすべては、１つまたは複数の集中ＬＳＡＳアレイを備えることができるセルに分割可能であることを理解されたい。

そのようなものとして、本明細書における実施形態の場合、分散ＬＳＡＳ１０２および１つまたは複数の集中ＬＳＡＳアレイ１０４は、システム１００のサービス・エリア１４０全体にサービス提供する。さらに、以下で詳細に述べるように、上位層１２０におけるサービス・アンテナ１０６ａ〜ｉおよび下位層１３０における集中ＬＳＡＳアレイ１０４は、互いに対して分離した周波数帯で動作し、各ＬＳＡＳ層は、各層のそれぞれのタスクに理想的に適している。さらに、上位層１２０および下位層１３０は、将来の無線通信トラフィック需要に対応するために、個々に拡張性を備えている。

無線通信システム１００の両方のＬＳＡＳ層では、原則的な通信動作が、コヒーレンス間隔タイム・スロット内で起こる。図２は、一実施形態によるＬＳＡＳコヒーレンス間隔の概略図である。コヒーレンス間隔２００は、モバイル端末１０８が間隔内で地理的に１／４波長を超えて移動できないという仮定に基づいて選択される。したがって、コヒーレンス間隔２００内で、各モバイル端末１０８向けのチャネル状態情報（ＣＳＩ：Ｃｈａｎｎｅｌ−ＳｔａｔｅＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）、すなわち、サービス・アンテナとモバイル端末との間の伝搬路の推定は、事実上一定であると見なすことができる。ここで、コヒーレンス間隔は、ＣＳＩが、スロットの一部の間、そこで取得され、スロットの残りの間、確信を持ってそこで使用され得る、時間および無線周波数の無線伝送リソース・ブロックを表す。以下の説明は、システム１００の上位層１２０の様々な動作について述べる。しかし、下位層１３０は、同じＬＳＡＳ原則に従って動作可能であることを理解されたい。

本明細書で使用されるダウンリンク通信は、（例えば、サービス・アンテナ１０６ａ〜ｉから）モバイル端末への通信を説明し、一方、アップリンク通信は、（例えば、サービス・アンテナ１０６ａ〜ｉで）モバイル端末から受信される通信を説明する。

分散ＬＳＡＳ１０２のダウンリンク上で、サービス・アンテナ１０６ａ〜ｉが情報伝達シンボル（ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ−ｂｅａｒｉｎｇｓｙｍｂｏｌ）を選択的にモバイル端末１０８ａ〜ｅに同時に（すなわち、同じ時間／周波数ビンで）伝送することを可能にするために、ＣＳＩが必要とされる。また、アップリンク上で、サービス・アンテナ１０６ａ〜ｉがモバイル端末１０８ａ〜ｅから受信された情報伝達シンボルを（例えば、モバイル端末１０８ａ〜ｅによって同時に伝送された後）区別するために、ＣＳＩが必要とされる。したがって、各サービス・アンテナ１０６ａ〜ｉは、モバイル端末１０８ａ〜ｅから受信されたアップリンク（逆方向リンク）パイロット信号および時分割複信（ＴＤＤ：Ｔｉｍｅ−ＤｉｖｉｓｉｏｎＤｕｐｌｅｘ）相互関係を活用することにより、各モバイル端末１０８ａ〜ｅ向けのＣＳＩを取得するために動作することができる。例えば、ＴＤＤ相互関係に基づいて、サービス・アンテナ１０６ａ〜ｉは、アップリンク伝送とダウンリンク伝送の両方のために同じ周波数帯を使用することができる。したがって、ＴＤＤ相互関係は、ＣＳＩを取得するのに必要な時間をサービス・アンテナの数とは無関係にすることを可能にする。したがって、分散ＬＳＡＳ１０２は、展開されたサービス・アンテナ１０６の数に関して拡張性を備えることができ、多重化選択性を向上させ、サービス・アンテナ１０６の数に比例して総放射電力を削減し、実効的なチャネル周波数応答を平滑化し、必要な電力制御コンポーネントを簡略化する。

図２に示すように、コヒーレンス間隔２００における中心的動作は、モバイル端末１０８ａ〜ｅによるアップリンク（逆方向リンク）パイロット・シーケンス２０２の伝送であり、そこからサービス・アンテナ１０６は、ＴＤＤ相互関係を介してダウンリンク・チャネルに等しいアップリンク伝搬路を推定することができる。アップリンク・パイロット・シーケンス２０２の伝送に先立って、アップリンク（逆方向）データ伝送２０４が起こる。アップリンク・データ伝送２０４の場合、モバイル端末１０８ａ〜ｅは、データ伝達シンボル（すなわち、データ・パケット）を同時に伝送してもよく、一方、（もしあれば）電力制御規則に従って、時間および周波数リソースを共有する。サービス・アンテナ１０６ａ〜ｉは、次いで、受信した信号を一括して処理し、取得したＣＳＩを活用することで個々の伝送を区別する。モバイル端末に対してのサービス・アンテナの大きな比率は、線形復号化（例えば、逆多重化）を可能にすることができる。サービス・アンテナ１０６ａ〜ｌによって受信されたデータ伝達信号の特定の線形結合は、モバイル端末１０８ａ〜ｅのデータ伝達シンボルの推定をもたらし、そこでは係数の結合はチャネル推定値によって決まる。線形結合の例には、整合フィルタリングやゼロフォーシングが含まれる。

逆方向リンク（アップリンク）パイロット・シーケンス２０２の伝送の後に、順方向（ダウンリンク）データ伝送２０６が続く。コヒーレンス間隔２００では、逆方向パイロット・シーケンス２０２と順方向データ２０６との間の空欄２０８は、順方向データ伝送２０６で使用するためのＣＳＩを推定するためにＬＳＡＳによって必要とされる時間間隔を表す。アップリンク・データ伝送２０４に類似して、端末に対してのサービス・アンテナの大きな比率は、線形プリコーディング（例えば、多重化）を可能にすることができる。例えば、線形プリコーディング演算は、サービス・アンテナ１０６が合同で伝送できる信号のベクトルを作成するために、モバイル端末１０８ａ〜ｅを対象としたデータ伝達シンボルのベクトルに行列を掛けてもよく、その行列の要素は、チャネル状態の推定に依存する。線形プリコーディング演算はまた、干渉の緩和目的、場合によっては、データ伝送速度の制御目的などの、電力制御を明らかにしてもよい。したがって、線形プリコーディングは、各モバイル端末１０８が、それを対象としたデータ伝達シンボルを、他のモバイル端末を対象とするデータ伝達シンボルからの最小限の干渉で、受信することを可能にする。

一実施形態では、分散ＬＳＡＳ１０２および集中ＬＳＡＳ１０４は、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ：ＯｒｔｈｏｇｏｎａｌＦｒｅｑｕｅｎｃｙ−ＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）を使用して実装することができる。しかし、時間領域実装や、チャネル適応波形変調（ｃｈａｎｎｅｌ−ａｄａｐｔｉｖｅｗａｖｅｆｏｒｍｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を利用する実装を含む、他のＬＳＡＳの実装が可能であることに当業者なら気付くであろう。例えば、ＯＦＤＭパラメータ（秒単位）のロング・ターム・エボリューション（ＬＴＥ）特有の値は、シンボル間隔

、ガード・インターバル

、および使用可能シンボル間隔

のように仮定することができる。最悪のケースＴ_ｄ＝Ｔ_ｇを仮定した場合、ナイキスト・サンプリング（Ｎｙｑｕｉｓｔ−ｓａｍｐｌｉｎｇ）周波数間隔（ヘルツ単位）が、ガード・インターバルの逆数に等しいか、トーンにおいて

に等しいように、ガード・インターバルは、少なくともチャネル遅延拡散Ｔ_ｄと同じ大きさになるように選択される。したがって、伝搬路は、１４トーンの間隔にわたって区分的に一定であるとして扱うことができる。この区分的に一定の間隔は、周波数平滑性間隔（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｍｏｏｔｈｎｅｓｓｉｎｔｅｒｖａｌ）として示すことができる。

コヒーレンス間隔２００の同等のサンプル期間である、示されているＴは、周波数平滑性間隔×スロットにおけるＯＦＤＭシンボルの数、

に等しい。

例えば、１ミリ秒のコヒーレンス間隔２００は、１４のＯＦＤＭシンボルを含み、そのため、サンプル期間は、Ｔ＝１４×１４＝１９６である。コヒーレンス間隔サンプル期間の意義は、それが、それぞれの区分一定周波数応答間隔内のチャネルの独自使用の数を示していることである。

上述のとおり、サービス・アンテナ１０６ａ〜ｉは、アップリンク・チャネルの知識を（またＴＤＤ相互関係に基づいてダウンリンク・チャネルの知識を）、モバイル端末１０８ａ〜ｅによって伝送されたパイロット信号から導き出す。ＯＦＤＭ実装では、パイロット信号の伝送は、周波数応答がそこではほぼ区間的に一定であるトーン間隔のそれぞれにおいて個別に起こる。したがって、パイロット・シーケンスは、トーンとＯＦＤＭシンボルの両方によってインデックス付けされる（例えば、パイロット・シーケンスは、２つ以上のＯＦＤＭシンボルに及んでもよい）。

Ｋ個のモバイル端末１０８の所与のセットについて、最も効率的なパイロット信号は、相互に直交であり、また必然的に総サンプル期間τ_ｒはＫよりも大きいか、Ｋと等しい。さらに、あらゆるモバイル端末１０８がすべてのτ_ｒに向けて全出力で伝送した場合、チャネル推定の品質を向上させることができる。したがって、調和関係にある、直交の、複雑な正弦波が、理想的なパイロット・シーケンスを作り出すが、それは、それらが例えば、生成が容易であり、また一定の振幅をもっているからである。モバイル端末１０８は、パイロット・シーケンスを同期的に伝送してもよく、また各サービス・アンテナ１０６は、受信したパイロット信号をＫ個のパイロット信号のそれぞれと相互に関連付けてもよく、それによりスケーリング後、サービス・アンテナ自体とその特定のモバイル端末との間のＣＳＩが生成される。したがって、各サービス・アンテナ１０６は、他のサービス・アンテナに関わりなく、チャネル推定値を導き出す。

Ｋ＞τ_ｒの場合、パイロット信号は、完全には直交することができず、そうした場合、受信したパイロット信号のみに基づいた伝搬路の推定は、相互に関連付けられたチャネル推定となる。例えば、ｋ番目の端末へのチャネル推定は、そのパイロット・シーケンスがｋ番目のパイロット・シーケンスと相互に関連付けられた他のすべての端末へのチャネルの線形結合によって壊れ得る。パイロット汚染として知られるこの相互関係は、チャネル推定がダウンリンク多重化およびアップリンク逆多重化のために活用されるとき、指向性干渉（ｄｉｒｅｃｔｅｄｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）をもたらす。例えば、データ伝達シンボルをｋ番目のモバイル端末１０８に向ける際、サービス・アンテナ１０６ａ〜ｉは、不注意で同じデータ伝達シンボルを、そのパイロット信号がｋ番目のパイロット信号に関連付けられた他のモバイル端末１０８に向ける場合がある。この指向性干渉の力は、サービス・アンテナ１０６の数とともに所望の信号と同じ割合で拡大する。

所与のコヒーレンス間隔期間について、直交パイロット信号の最大数は、サンプル期間Ｔと等しい。しかし、この期間のパイロット信号を使用すると、コヒーレンス間隔においてデータを伝送するための時間が残らないことになる。さらに、コヒーレンス間隔期間は、モバイル端末の移動性、すなわち、

のため、恣意的に延長することはできない。式中、ｖはモバイル端末の速度であり、λは波長である。したがって、パイロット汚染を引き起こすことなしに同時にサービス提供できる端末１０８の最大数は、

である。

例えば、Ｋ個のモバイル端末１０８は、アップリンク・データを同期的に伝送してもよく、そこでは、ｋ番目のモバイル端末は、データ伝達（直交振幅変調、ＱＡＭ：ＱｕａｄｒａｔｕｒｅＡｍｐｌｉｔｕｄｅＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）シンボルｑ_ｋ×電力制御変数

を伝送してもよい。簡単にするために、トーン・インデックスおよびＯＦＤＭシンボル・インデックスを示す下付き文字が削除されていることに当業者なら気付くであろう。集合的に、Ｋ個のモバイル端末１０８は、Ｋ×１ベクトル

を伝送する。式中、

は、対角要素が電力制御パラメータであるＫ×Ｋ対角行列であり、ｑは、ＱＡＭシンボルのＫ×１ベクトルである。Ｍ個のサービス・アンテナ１０６は、一括してＭ×１ベクトル

を受信する。式中、Ｇは、モバイル端末とサービス・アンテナとの間のチャネル周波数応答を表すＭ×Ｋ行列であり、ｗ_ｒは、付加的な受信者雑音および干渉を表し、ｐ_ｒは、全体的なチャネル強度を表すスカラである。この場合も、簡単にするために、トーン・インデックスおよびＯＦＤＭシンボル・インデックスを示す下付き文字が削除されていることに当業者なら気付くであろう。

行列値伝搬路は、データ伝達シンボルを混合し、サービス・アンテナ１０６は、受信した信号を処理して個々のデータ伝達シンボルを復旧する。例えば、サービス・アンテナ１０６は、受信した信号にＫ×Ｍ復号化（逆多重化行列）を掛けてもよく、Ｋ×Ｍ復号化は、チャネル推定

に基づく。復号化行列は、整合フィルタリング

を利用しても、またゼロフォーシング

を利用してもよい。式中、上付き文字Ｈは共役転置を示す。チャネル推定のエラーおよび雑音がない場合、ゼロフォーシングは、個々のＱＡＭシンボルを回復でき、一方、整合フィルタリングは、個々のＱＡＭシンボルを回復するために、端末に対するチャネルの直交性を必要とする（すなわち、Ｇの列ベクトルは直交でなければならない）。サービス・アンテナの数を増やすことは、端末へのチャネルを、よりほぼ直交にする傾向があり、したがって整合フィルタリングの性能を向上させる。

ダウンリンク上で、サービス・アンテナ１０６ａ〜ｉは、ＱＡＭシンボルをＫ個の端末１０８のそれぞれに選択的に伝送してもよい。例えば、ＱＡＭシンボルのＫ×１ベクトルは、サービス・アンテナｓ_ｆ＝Ａ_ｆｑによって集合的に伝送される信号のＭ×１ベクトルを作成するために、Ｍ×Ｋプリコーディング（多重化）行列Ａ_ｆを掛け得るｑとして示されてもよい。集合的に、Ｋ個の個々のモバイル端末１０８は、Ｋ×１ベクトル

を受信する。式中、ｗ_ｆは、付加的な雑音および干渉であり、ｐ_ｆは、全体的なチャネル強度を表すスカラ量である。電力制御を組み込んでもよいプリコーディング行列は、共役ビームフォーミング

を利用しても、またゼロフォーシング

を利用してもよい。式中、上付き文字「^＊」は、複素共役を示す。ダウンリンク受信の場合のように、サービス・アンテナの数を増やすことは、端末へのチャネルを、よりほぼ直交にする傾向があり、したがって共役ビームフォーミングの性能を向上させる。

一般に、各セル１１０は、Ｋ個の端末と通信する責任を負う可能性がある、Ｍ個のアンテナの集中ＬＳＡＳアレイ１０４を備える可能性がある。これらＫ個の端末は、バックホールを必要とするサービス・アンテナとアクセスを必要とする据置き型端末の両方を備える。アンテナＭおよび端末Ｋの数は、あるセルから別のセルへと変化してもよいが、所与のセル１１０内で、端末１０８ａ〜ｅのそれぞれには、そのセルで使用されている他のＫ−１個のパイロット信号に直交するパイロット信号が割り当てられる可能性があり、各集中ＬＳＡＳアレイ１０４は、自身の端末のみに責任を負う可能性がある（すなわち、電力制御向けを除く、端末との通信の際、セル間の協力はない）。１つまたは複数の集中ＬＳＡＳアレイ１０４ａ〜ｉは、上述のとおり、パイロット汚染および指向性干渉を緩和するために、各セル１１０内で直交するパイロット信号を利用する可能性がある。集中ＬＳＡＳアレイ１０４ａ〜ｉは据置き型端末のみにサービス提供するので、ＣＳＩ取得の問題は比較的容易である。なぜなら、据置き型端末の場合、ＣＳＩは、いったん取得されると長い時間間隔の間、有効であり続けるからである。集中ＬＳＡＳアレイ１０４ａ〜ｉが、移動している端末にサービス提供せざるを得ない場合、集中ＬＳＡＳアレイが対応し得る端末の数が、ＣＳＩを頻繁に再取得する必要性から、比較的少数になるはずであるため、スループットがひどく損なわれることになる。したがって、上位層１２０における分散化されたサービス・アンテナは、動いている端末に対応するのにより適している。

同時にサービス提供できるモバイル端末の数、したがってモバイル端末への総スループットは、（パイロット汚染によって限定される）アンテナの数によって、１つまたは複数の集中ＬＳＡＳアレイ１０４に関して限定されるが、分散ＬＳＡＳ１０２は、セルラの境界がなく、したがって端末が移動した際のセル間のハンドオフはない。したがって、多数のサービス・アンテナ１０６は、各要素が時間および周波数リソースを共有している状態で、モバイル端末１０８に対してのサービス・アンテナ１０６の非常に大きな比率を維持できるよう、例えば、競技場、大学のキャンパス、または市全体にわたってなど、無作為に展開されてもよい。さらに、サービス・アンテナ１０６の数を増やすことは、より鋭いダウンリンク・ビーム、および個々のアップリンク伝送のより良い識別を生むことができ、それは、スモール・セルに対する基本的な優位性である。上述のとおり、サービス・アンテナ１０６は、モバイル端末１０８への伝搬路のために、アップリンク・パイロット・シーケンスおよび時分割複信（ＴＤＤ）相互関係を通じてチャネル状態情報を取得することができる。

したがって、無線通信システム１００では、分散ＬＳＡＳ１０２は、モバイル端末のアクセスのためのサービス・アンテナの数に拡張性があるので、１つまたは複数の集中ＬＳＡＳアレイ１０４にわたる、モバイル端末へのサービス提供に理想的に適している。集中ＬＳＡＳアレイ１０４のセルラ配置は、従来であれば有線バックホール・サービスを必要としたであろうそれぞれのセル内で、バックホール・サービスを複数のサービス・アンテナに提供するのに経済的に利用することができる。

したがって、無線通信システム１００などの２層ＬＳＡＳは、集中ＬＳＡＳアレイと分散ＬＳＡＳの特徴を組み合わせる。一実施形態では、分散（セルフリー）ＬＳＡＳを特徴とする上位層は、アクセス・ポイントをモバイル端末に提供するために確保される。集中（セルラ）ＬＳＡＳを特徴とする下位層は、バックホール・リンクを上位層のサービス・アンテナと据置き型端末へのアクセス・サービスに提供するために、上位層と異なる周波数帯で動作してもよい。２つの層のそれぞれは、将来のトラフィック需要に対応するために、拡張されてもよい。

図３は、一実施形態による２層無線通信システムにおいて通信するための流れ図を示す。無線通信システム１００を例として使用すると、複数のサービス・アンテナ１０６は、無線アクセス・サービスをモバイル端末１０８に提供するための分散ＬＳＡＳ１０２を備えるよう、指定されたサービス・エリアにおいて分散化される。複数のサービス・アンテナ１０６のそれぞれは、シングル・アンテナを備えてもよく、また時間および周波数リソースを他のサービス・アンテナと共有してもよい。あるいは、複数のサービス・アンテナ１０６は、マルチ・サービス・アンテナを備えてもよい。

通信がネットワーク・アクセスをモバイル端末に提供することを含む場合、分散ＬＳＡＳ１０２の複数のサービス・アンテナ１０６が利用される。例えば、ネットワーク・サーバは、３０２において、特定のモバイル端末同士を区別するために（例えば、サービス・アンテナ１０６ａ〜ｉを介して）パイロット・シーケンスを割り当てる。基本的には、直交パイロット・シーケンスの、あらゆるモバイル端末への割当てが希望されるが、多数の端末、およびＣＳＩが取得されなければならない短い時間間隔が、直交パイロット・シーケンスを排除する恐れがある。すぐ近くにある端末は、完全に非直交のパイロット・シーケンスを割り当てられた際、パイロット汚染、すなわち、それぞれのチャネル推定の混乱に起因するコヒーレント干渉の一種を引き起こしやすい。一実施形態では、互いに対してパイロット汚染を招きやすい２つの端末は、ほぼ直交のパイロット・シーケンスを割り当てられてもよく、一方、互いのパイロット汚染を引き起こしづらい端末は、互いに関連のあるパイロットを割り当てられてもよい。パイロット割当ての手法は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている、２０１１年９月２１日に出願された米国特許出願第１３／２３８３２９号、名称「Ｃｅｌｌ−ＦｒｅｅＬａｒｇｅ−ＳｃａｌｅＡｎｔｅｎｎａＳｙｓｔｅｍ」に指定されている。例えば、第１の手法は、端末の場所に従って、パイロット・シーケンスを割り当てる。τ_ｒがパイロット・シーケンスの期間の場合、ランダムのτ_ｒ×τ_ｒユニタリ行列Φ（ｘ，ｙ）は、デカルト位置（Ｃａｒｔｅｓｉａｎｐｏｓｉｔｉｏｎ）の関数として生成される。この確率場は、すぐ近くに取られた行列は、大いに関連付けられており、遠くに離れて取られた行列は、お互いほぼ無関係であるように、空間にわたって関連付けられている。位置（ｘ，ｙ）における端末には、そのパイロット・シーケンスとして、一般に端末の近接物のパイロット・シーケンスとの相関が最も小さい列であり得る、ランダム行列のτ_ｒ列の１つが割り当てられる。パイロット割当ての別の手法は、各端末のために、パイロット汚染の最小化を試みる、低速フェージング係数を含む数学的基準に基づいて、パイロット・シーケンスを選択してもよい。

いったんパイロット・シーケンスが割り当てられると、３０４において、各サービス・アンテナ１０６ａ〜ｉは、モバイル端末１０８ａ〜ｅのそれぞれへのその独自の伝搬路（ＣＳＩ）を、受信したアップリンク複合パイロット信号から推定する。３０６では、サービス・アンテナ１０６ａ〜ｉは、ＣＳＩに基づいてモバイル端末１０８ａ〜ｅと通信するために、ダウンリンク・チャネル上で共役ビームフォーミングを利用することができ、アップリンク・チャネル上で整合フィルタリングを利用することができる。

共役ビームフォーミングおよび整合フィルタリングは、高度に分散された動作を可能にする。例えば、ダウンリンク伝送の場合、モバイル端末１０８ａ〜ｅを対象とした直交振幅変調（ＱＡＭ）シンボルは、（例えば、ネットワーク・サーバから）サービス・アンテナ１０６ａ〜ｉに送信し、各サービス・アンテナ１０６は、その独自の信号を計算してモバイル端末１０８に伝送することができる。アップリンク伝送の場合、各サービス・アンテナ１０６ａ〜ｉは、モバイル端末から受信した信号をその独自のチャネル推定を使用して様々な伝送ソースを区別する。短いコヒーレンス間隔（例えば、１ｍｓ以下）は、それを使用することでハイモビリティ端末に対応することができる。あるいは、長短混合のコヒーレンス間隔は、それを使用することで高速モバイル端末と低速モバイル端末の両方に対応することができる。

指定された大規模なサービス・エリア（例えば、市全体）では、特定のサービス・アンテナとモバイル端末との間の伝搬路は、非常に弱い場合があり、１つまたは複数のサービス・アンテナは、離れたモバイル端末にサービス提供することを選択的に免除される場合がある。例えば、アンテナは、無線アクセス・サービスを提供するための閾値（例えば、最低信号強度）に基づいて、モバイル端末にサービス提供することを選択的に免除される場合がある。事実上、各端末は、内部が対象の端末を処理するサービス・アンテナを囲む架空のバブル（ｉｍａｇｉｎａｒｙｂｕｂｂｌｅ）によって取り囲まれる。サービス・アンテナが特定の端末にサービス提供するのを選択的に免除することは、場合によっては、特定のサービス・アンテナにおける処理負担を軽減し、特に離れたサービス・アンテナとやりとりするバックホール・トラフィックを削減することができる。

図４は、一実施形態による２層無線通信システムにおけるモバイル端末サービス・エリア・バブルを示す。図に示すように、特定のモバイル端末４０２にサービス提供するサービス・アンテナ４００ａ〜ｃのサブセットは、モバイル端末４０２の地理的場所に関連するサービス・エリア・バブル４０４内にあってもよい。サービス・エリア・バブル４０４の外に設置されたサービス・アンテナは、モバイル端末４０２へのサービス提供を免除される。しかし、モバイル端末４０２は、システム１００を通じて（例えば、線分Ａ−Ａ’に沿って）移動するので、モバイル端末に関連するサービス・エリア・バブルもまた、様々な時間間隔で、移動したり、形を（例えば、不明瞭な形、不ぞろいな形、または正確な境界のない形に）変えたりしてもよい。例えば、モバイル端末４０２は、位置Ａから位置Ａ’に線分Ａ−Ａ’に沿って移動するので、モバイル端末４０２に関連するサービス・エリア・バブルは、例えば、サービス・エリア・バブル４０４からサービス・エリア・バブル４０６に、移動したり、形を変えたりしてもよい。あるいは、サービス・エリア・バブルの構成は、無線アクセス・サービスを提供するための閾値（例えば、最低利得閾値）に基づいてもよい。そのような場合、サービス・エリア・バブル４０６の内側に設置されたサービス・アンテナ４０８ａ〜ｂは、モバイル端末４０２にサービス提供し、一方、サービス・エリア・バブル４０６の外に設置されたサービス・アンテナ（例えば、サービス・アンテナ４０３やサービス・アンテナ４００ａ〜ｃ）は、モバイル端末４０２へのサービス提供を免除されてもよい。

バックホール能力をサービス・アンテナ１０６のうちの１つまたは複数に提供する、または固定端末１１２にネットワーク・アクセスを提供するための通信では、１つまたは複数の集中ＬＳＡＳアレイ１０４ａ〜ｉが利用される。上述のとおり、下位層１３０は、集中型でありながら非常に大規模なＬＳＡＳアレイ１０４ａ〜ｉのセルラ配置を構成する。例えば、下位層ＬＳＡＳアレイは、超高層ビルなどの大型ビルのカーテン・ウォール上に構成されたコンフォーマル・アレイであってもよい。さらに、システムの動作を実質的に変更することなしに、集中ＬＳＡＳアレイは、物理的に切り離された２つ以上のサブアレイに分けられてもよい。一実施形態では、下位層ＬＳＡＳアレイは、据置き型アクセス・ポイントおよび端末に完全に集中化することができ、それは、サービス提供できる顧客の最大数が、伝搬路のコヒーレンス間隔よりも小さくなければならい直交アップリンク・パイロット・シーケンスを伝送するのにかかる時間によって限定されるからである。モバイル端末をサービス提供から除外することにより、サービス・アンテナの数の倍増はすべて、端末の倍増、したがって総スループットの倍増を可能にする。一実施形態では、長いコヒーレンス間隔（例えば、５ｍｓ以上）は、下位層ＬＳＡＳで使用可能であり、下位層ＬＳＡＳのユーザは静止しているか、低速で移動しているので、チャネル推定のオーバーヘッドを最小化する。ＣＳＩは非常にゆっくり変化するので、各コヒーレンス間隔においてあらゆる端末のＣＳＩを再推定する必要はおそらくない。さらに、複数のサービス・アンテナ１０６ａ〜ｉおよび１つまたは複数の集中大規模アンテナ・システム・アレイ１０４ａ〜ｉは、干渉を緩和するために互いに対して分離した周波数帯で動作してもよい。

したがって、無線通信システム１００では、分散（セルフリー）ＬＳＡＳを特徴とする上位層１２０は、アクセス・ポイントをモバイル端末に提供し、集中（セルラ）ＬＳＡＳを特徴とする下位層１３０は、バックホール能力を上位層のサービス・アンテナに提供する。特殊化されていることに加え、２つの層は、将来のトラフィック需要に対応するために拡張することができる。具体的には、上位層１２０は、モバイル端末に対してのサービス・アンテナの比率を拡大するために、追加のサービス・アンテナを用いて拡張することができ、一方、下位層ＬＳＡＳアレイは、追加の光ファイバのコストのために、追加のバックホール能力に対して拡大することができる。追加の光ファイバのコストは、アレイごとのサービス・アンテナの数ではなく、ＬＳＡＳアレイの総数に大きく依存するので、いったん埋設管がＬＳＡＳアレイのサイトに建設されると、追加のファイバは、必要に応じて最小コストで設置することができる。

本明細書で説明するシステム、装置、および方法は、デジタル回路を使用して、またはよく知られているコンピュータ・プロセッサ、メモリ・ユニット、記憶装置、コンピュータ・ソフトウェア、および他のコンポーネントを用いた１つもしくは複数のコンピュータを使用して、実装することができる。通常は、コンピュータは、命令を実行するためのプロセッサ、ならびに命令およびデータを保存するための１つまたは複数のメモリを備える。コンピュータはまた、１つもしくは複数の磁気ディスク、内蔵ハード・ディスクおよびリムーバル・ディスク、光磁気ディスク、光ディスクなどの１つまたは複数の大容量記憶装置を備えていても、またそれに結合されていてもよい。

本明細書で説明するシステム、装置、および方法は、プログラマブル・プロセッサによる実行のため、持続的なマシン可読記憶装置など情報媒体に現実に組み込まれたコンピュータ・プログラム製品を使用して、実装されてもよい。また、図３のステップのうちの１つまたは複数を含む、本明細書で説明する方法ステップは、そうしたプロセッサによって実行可能な１つまたは複数のコンピュータ・プログラムを使用して、実装されてもよい。コンピュータ・プログラムは、特定の活動を実行する、または特定の結果をもたらすために、コンピュータにおいて、直接的または間接的に使用可能な１組のコンピュータ・プログラム命令である。コンピュータ・プログラムは、コンパイラ型言語またはインタープリタ型言語を含む、任意の形態のプログラミング言語で記述することができ、またスタンドアロン・プログラムとして、またはモジュール、コンポーネント、サブルーチン、もしくはコンピューティング環境での使用に適した他のユニットとしてなど任意の形態で展開することができる。

本明細書で説明するシステム、装置、および方法を実装するために使用できる例示的なコンピュータの概略ブロック図が、図５に示されている。コンピュータ５００は、データ記憶装置５２０およびメモリ５３０に動作可能に結合されたプロセッサ５１０を備える。プロセッサ５１０は、コンピュータ・プログラム命令を実行することによって、コンピュータ５００の全体的な動作を制御し、コンピュータ・プログラム命令には、そうした動作が定義されている。コンピュータ・プログラム命令は、データ記憶装置５２０または他のコンピュータ可読媒体に保存されてもよく、またコンピュータ・プログラム命令の実行が要求されるとき、メモリ５３０にロードされてもよい。図１を参照すると、例えば、サービス・アンテナ１０６ａ〜ｉは、コンピュータ５００の１つまたは複数のコンポーネントを備えることができる。したがって、図３の方法ステップは、メモリ５３０および／またはデータ記憶装置５２０に保存されたコンピュータ・プログラム命令によって定義し、コンピュータ・プログラム命令を実行するプロセッサ５１０によって制御することができる。例えば、コンピュータ・プログラム命令は、図３の方法ステップによって定義されたアルゴリズムを実行するために当業者によってプログラムされたコンピュータ実行可能コードとして実装することができる。したがって、コンピュータ・プログラム命令を実行することによって、プロセッサ５１０は、図３の方法ステップによって定義されたアルゴリズムを実行する。コンピュータ５００はまた、ネットワーク１１０などのネットワークを介して他のデバイスと通信するための、１つまたは複数のネットワーク・インタフェース５４０を備える。コンピュータ５００はまた、コンピュータ５００とのユーザ対話を可能にする１つまたは複数の入力／出力デバイス５５０（例えば、ディスプレイ、キーボード、マウス、スピーカ、ボタンなど）を備える。

プロセッサ５１０は、汎用のマイクロプロセッサと特殊用途のマイクロプロセッサの両方を備えてもよく、また単独のプロセッサでも、コンピュータ５００の複数のプロセッサのうちの１つでもよい。プロセッサ５１０は、例えば、１つまたは複数の中央処理装置（ＣＰＵ）を備えてもよい。プロセッサ５１０、データ記憶装置５２０、および／またはメモリ５３０は、１つもしくは複数の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）および／または１つもしくは複数のフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）を備えても、それらによって補完されても、それらに組み込まれてもよい。

データ記憶装置５２０およびメモリ５３０はそれぞれ、有形の持続的なコンピュータ可読記憶媒体を備える。データ記憶装置５２０およびメモリ５３０はそれぞれ、ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（ＤＲＡＭ）、スタティック・ランダム・アクセス・メモリ（ＳＲＡＭ）、ダブル・データ・レート・シンクロナス・ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（ＤＤＲＳＤＲＡＭ）、または他のランダム・アクセス・ソリッド・ステート・メモリ・デバイスといった高速ランダム・アクセス・メモリを含んでもよく、また内蔵ハード・ディスクやリムーバル・ディスクなどの１つまたは複数の磁気ディスク記憶装置、光磁気ディスク記憶装置、光ディスク記憶装置、フラッシュ・メモリ・デバイスの他、消去可能プログラマブル読出し専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、電気的消去可能プログラマブル読出し専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、コンパクト・ディスク読出し専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、デジタル多用途ディスク読出し専用メモリ（ＤＶＤ−ＲＯＭ）ディスク、または他の不揮発性ソリッド・ステート記憶装置などの半導体メモリ・デバイスといった不揮発性メモリを含んでもよい。

入力／出力デバイス５５０は、プリンタ、スキャナ、ディスプレイ画面などの周辺装置を含んでもよい。例えば、入力／出力デバイス５５０は、情報をユーザに表示するための、ブラウン管（ＣＲＴ）、プラズマ、または液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）モニタなどのディスプレイ装置、キーボード、およびユーザがそれを通じて入力信号をコンピュータ５００に提供できる、マウスやトラックボールなどのポインティング・デバイスを含んでもよい。

サービス・アンテナ１０６ａ〜ｉを含む、本明細書で論じるシステムおよび装置のいずれか、またはすべては、コンピュータ５００などのコンピュータを使用して実装されてもよい。

実際のコンピュータまたはコンピュータ・システムの実装は、他の構造を備えたり、他コンポーネントを同様に含んだりすることができることと、図５は、例示を目的とした、そうしたコンピュータのコンポーネントのうちのいくつかの概略表現であることを当業者なら理解するであろう。

前述の「発明を実施するための形態」は、あらゆる点において、説明的および例示的であり、限定的ではないものとして理解されたい。また、本明細書で開示される本発明の範囲は、「発明を実施するための形態」によって決定されるべきではなく、むしろ特許法で認められている全容に従って解釈される特許請求の範囲によって決定されるべきである。本明細書で図示され、説明される実施形態は、本発明の原理を単に例示したものであり、また様々な修正形態は、当業者によって、本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく、実装され得ることを理解されたい。当業者なら、本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく、他の様々な特徴の組合せを実装できるであろう。

Claims

無線アクセス・サービスをモバイル端末に提供するための、指定されたサービス・エリアにおいて分散化された複数のサービス・アンテナを備えるセルフリー大規模アンテナ・システムの上位層であって、前記複数のサービス・アンテナのそれぞれが、同時に前記モバイル端末にサービス提供する、セルフリー大規模アンテナ・システムの上位層と、
バックホール・サービスを前記複数のサービス・アンテナに提供するための、前記指定されたサービス・エリアの各セル内に配置された１つまたは複数の集中大規模アンテナ・システム・アレイの下位層であって、前記上位層および前記下位層が、互いに対して分離した周波数帯で動作する、下位層と、
を備える、２層無線通信システム。
アップリンク・パイロット・シーケンスおよび時分割複信相互関係に基づいて、モバイル端末のチャネル状態情報を決定するように構成された、前記上位層における前記複数のサービス・アンテナのそれぞれをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
前記モバイル端末への伝送のため、前記チャネル状態情報に基づいて、データ伝達シンボルのビームフォーミングを行うように構成された、前記上位層における前記複数のサービス・アンテナのそれぞれをさらに備える、請求項２に記載のシステム。
データ伝達シンボルのビームフォーミングを行う演算が線形プリコーディング演算を含む、請求項３に記載のシステム。
前記モバイル端末から同時に受信されたデータ伝達シンボル同士を前記チャネル状態情報に基づいて区別するように構成された、前記上位層における前記複数のサービス・アンテナのそれぞれをさらに備える、請求項２に記載のシステム。
無線アクセス・サービスを提供するための閾値に基づいて、前記モバイル端末にサービス提供することから選択的に免除されるように構成された、前記上位層における前記複数のサービス・アンテナのそれぞれをさらに備える、請求項２に記載のシステム。
無線アクセス・サービスを固定端末に提供するように構成された、前記下位層における前記１つまたは複数の集中大規模アンテナ・システム・アレイをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
前記下位層における前記１つまたは複数の集中大規模アンテナ・システム・アレイが、構造体の表面上にコンフォーマル・アレイを備える、請求項１に記載のシステム。
前記上位層における前記複数のサービス・アンテナのそれぞれが、シングル・アンテナを備える、請求項１に記載のシステム。
前記上位層における前記複数のサービス・アンテナのそれぞれが、時間および周波数リソースを共有する、請求項１に記載のシステム。