JP6267195B2 - 無線通信システムにおけるビームフォーミングを利用した通信方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、通信システムにおける情報の送受信に関し、特に、無線通信システムにおける多重ユーザのための多重ビームに対するチャネル測定及びフィードバックを送信する方法及び装置に関する。

無線通信システムは、継続的に増加する無線データトラフィック需要を充足させるためにより高いデータ伝送率をサポートするための方向で発展してきた。既存の無線通信システムは、データ伝送率増加のために主に周波数効率性(spectral efficiency）を改善する方向で技術開発を追求した。しかし、スマートフォン及びタブレットに対する需要増加とこれに基づいて多量のトラフィックを要求する応用プログラムの爆発的増加によってデータトラフィックに対する要求がより加速化され、このような周波数効率性改善技術だけでは急増する無線データトラフィック需要を満足させることが難しくなった。

このような問題点を解決するための一つの方法は、非常に広い周波数帯域を使用することであるが、既存の移動通信セルラーシステムで使用している５ＧＨｚ未満の周波数帯域では、広い周波数帯域確保が非常に難しいために、より高い周波数帯域でこのような広域周波数を確保する必要がある。しかし、無線通信のための伝送周波数が高くなるほど電波経路損失は増加する。したがって、電波到達距離は相対的に短くなり、サービス領域(coverage）の減少を招くようになる。これを解決するための、すなわち電波経路損失緩和及び電波の伝達距離を増加させるための重要技術のうちの一つがビームフォーミング(beamforming)技術である。

送信ビームフォーミングとは、一般的に複数のアンテナを利用して各アンテナから送信される信号を特定の方向(すなわち空間)に集中させる技術である。複数のアンテナが集合された形態をアレイアンテナ(array antenna)、アレイアンテナに含まれているアンテナをアンテナエレメント(antenna element)と称する。送信ビームフォーミングを使用すれば、信号の電波到達距離を増加させることができ、また特定方向以外の他の方向には信号がほとんど伝送されないために、他のユーザに及ぼす干渉が非常に減少するという長所がある。

一方、受信側でも受信アレイアンテナを利用して受信ビームフォーミングを実行することができ、これもまた電波の受信を特定方向に集中させて上記特定方向から入ってくる受信信号の感度を増加させ、他の方向から入ってくる信号を排除することによって干渉信号を遮断する。

伝送周波数が高まるほど電波の波長は短くなるので、半波長幅でアンテナを構成する場合、同じ面積内に、より多くのアンテナでアレイアンテナを構成できる。すなわち、高周波数帯域で動作する通信システムは、低い周波数帯域でビームフォーミング技術を使用することに比べて、相対的により高いアンテナ利得を得ることができるので、ビームフォーミング技術を適用するのに有利である。

したがって、通信システムにおける情報を送受信するための方法及び装置が必要になった。例えば、アナログビームフォーミングとデジタルビームフォーミングとを結合することによって高いアンテナ利得を達成するためのハイブリッドビームフォーミング構造が必要になった。

上述した情報は、本発明の理解を助けるために背景情報としてだけ提示される。本発明に対する先行技術で適用されることができるか否かに関してはいかなる決定及びいかなる主張もない。

本発明の目的は、上述した課題もしくは不都合な点を解決し、少なくとも以下に示す優位性を提供する。すなわち、本発明の目的は、通信システムにおける情報を送受信するための方法及び装置を提供することにある。

本発明の別の目的は、高いアンテナ利得を得るためにアナログビームフォーミングとデジタルビームフォーミングとの組み合わせによるハイブリッドビームフォーミング構造を提供することにある。

本発明のさらに別の目的は、アナログビームフォーミングを通して、一つ以上のアナログビームが形成される場合、プリコーダ(Precoder)のためのプリコーディング行列を適切に選択するための方法及び装置を提供することにある。

本発明の好ましい実施形態による方法は、無線通信システムにおけるビームフォーミングを利用した通信方法であって、マルチユーザ多入力多出力（ＭＵ−ＭＩＭＯ）伝送のための一つ以上の端末を含む候補ユーザセットを決定するステップと、上記候補ユーザセットに含まれる端末の最適基地局送信ビームを表すビーム情報を、上記候補ユーザセットの端末に伝送するステップと、上記候補ユーザセットの端末の各々から、上記ビーム情報に基づいて決定された基底帯域プリコーディングのためのプリコーディング行列インジケータ（ＰＭＩ）に対する情報を受信するステップと、上記ＰＭＩに基づいてプリコーディングされた信号を少なくとも一つの端末に伝送するステップとを含む。

本発明の一実施形態による方法は、無線通信システムにおけるビームフォーミングを利用した通信方法であって、マルチユーザ多入力多出力（ＭＵ−ＭＩＭＯ）伝送のための一つ以上の端末を含む候補ユーザセットに含まれる端末の最適基地局送信ビームを表すビーム情報を、基地局から受信するステップと、上記ビーム情報により指示された少なくとも一つの他の端末に対する基地局送信ビームを参照して、基底帯域プリコーディングのためのプリコーディング行列インジケータ（ＰＭＩ）を端末により決定するステップと、上記ＰＭＩに対する情報を上記端末から上記基地局に伝送するステップとを含む。

本発明の一実施形態による装置は、無線通信システムにおけるビームフォーミングを利用して通信を実行する基地局装置であって、セル内の複数の端末から報告された最適基地局送信ビームに対する情報に基づいて、マルチユーザ多入力多出力（ＭＵ−ＭＩＭＯ）伝送のための一つ以上の端末を含む候補ユーザセットを決定する制御器と、上記候補ユーザセットに含まれる端末の最適基地局送信ビームを表すビーム情報を、上記候補ユーザセットの端末に伝送する送信器と、上記候補ユーザセットの端末の各々から、上記ビーム情報に基づいて決定された基底帯域プリコーディングのためのプリコーディング行列インジケータ（ＰＭＩ）に対する情報を受信する受信器とを含む。

本発明の一実施形態による装置は、無線通信システムにおけるビームフォーミングを利用して通信を実行する端末装置であって、マルチユーザ多入力多出力（ＭＵ−ＭＩＭＯ）伝送のための一つ以上の端末を含む候補ユーザセットに含まれる端末の最適基地局送信ビームを表すビーム情報を、基地局から受信する受信器と、上記ビーム情報に含まれた少なくとも一つの他の端末に対する基地局送信ビームを参照して基底帯域プリコーディングのためのプリコーディング行列インジケータ（ＰＭＩ）を決定する制御器と、上記ＰＭＩに対する情報を上記基地局に伝送する送信器とを含む。

本発明の一実施形態による方法は、無線通信システムにおけるビームフォーミングを利用した通信方法であって、セル内の各端末から所定個数の送信ビームのうちで該当する端末により任意に選択された所定個数のビーム組み合わせによるＰＭＩを表す情報を受信するステップと、上記ＰＭＩに対する情報に基づいてＭＵ−ＭＩＭＯ伝送のための一つ以上の端末を含むユーザセットを決定するステップと、上記ユーザセットの端末に同一リソースを割り当て、上記ＰＭＩのうち少なくとも一つに基づいてプリコーディングされた信号を伝送するステップとを含む。

本発明の一実施形態による方法は、無線通信システムにおけるビームフォーミングを利用した通信方法であって、基地局から受信される基準信号に対する測定結果に基づいて、端末が、所定個数の送信ビームのうちで任意に選択された所定個数のビーム組み合わせによるＰＭＩを決定するステップと、上記ＰＭＩに対する情報を上記基地局から伝送するステップと、上記ＰＭＩのうち少なくとも一つに基づいてプリコーディングされた信号を上記基地局から受信するステップとを含む。

本発明の一実施形態による装置は、無線通信システムにおけるビームフォーミングを利用して通信を実行する基地局装置であって、セル内の各端末から、所定個数の送信ビームのうちで該当端末により任意に選択された所定個数のビームの組み合わせによるＰＭＩを表す情報を受信する受信器と、上記ＰＭＩに対する情報に基づいて、ＭＵ−ＭＩＭＯ伝送のための一つ以上の端末を含むユーザセットを決定する制御器と、上記セル内の端末に該当するユーザセットの端末に同一リソースを割り当て、上記ＰＭＩのうち少なくとも一つに基づいてプリコーディングされた信号を伝送する送信器とを含む。

本発明の一実施形態による装置は、無線通信システムにおけるビームフォーミングを利用して通信を実行する端末装置であって、基地局から受信される基準信号に対する測定結果に基づいて、所定個数の送信ビームのうちで任意に選択された所定個数のビーム組み合わせによるＰＭＩを決定する制御器と、上記ＰＭＩに対する情報を上記基地局から伝送する送信器と、上記ＰＭＩのうち少なくとも一つに基づいてプリコーディングされた信号を上記基地局から受信する受信器とを含む。本発明の他の目的、利点、及び顕著な特徴は、添付の図面及び本発明の実施形態からなされた以下の詳細な説明から、この分野の当業者に明確になるはずである。

本発明の実施形態の上述した及び他の様相、特徴、及び利点は、以下の添付図面が併用された後述の詳細な説明から、より一層明らかになるはずである。

本発明の一実施形態によるビームフォーミングに基づく信号送受信シナリオを例示した図である。 本発明の一実施形態による超高周波数帯域の無線通信システムの送信器構造の図である。 本発明の一実施形態によるビーム獲得及びビーム別チャネル測定を示す図である。 本発明の一実施形態によるプリコーディングを利用したＭＵ−ＭＩＭＯ伝送のための手順を示す図である。 本発明の一実施形態によってアナログビームフォーミングとプリコーディングを利用したＭＵ−ＭＩＭＯ伝送のための手順示す図である。 本発明の他の実施形態によってアナログビームフォーミングとプリコーディングを利用したＭＵ−ＭＩＭＯ伝送のための手順を示す図である。 本発明の一実施形態による基地局及び端末の構成を表したブロック図である。

添付の図面を参照した下記の説明は、特許請求の範囲の記載及びこれと均等なものの範囲内で定められるような本発明の実施形態の包括的な理解を助けるために提供され、この理解を助けるための様々な特定の詳細を含むが、単なる実施形態にすぎない。従って、本発明の範囲及び趣旨を逸脱することなく、ここに説明した実施形態の様々な変更及び修正が可能であるということは、当該技術分野における通常の知識を有する者には明らかである。また、明瞭性と簡潔性の観点から、当業者に良く知られている機能や構成に関する具体的な説明を省略する。

以下の説明及び特許請求の範囲で使用する用語及び単語は、辞典的意味に限定されるものではなく、本発明の理解を明確且つ一貫性があるようにするために使用される。従って、本発明の実施形態の説明が単に実例を提供するためのものであって、特許請求の範囲とこれと均等なものに基づいて定義される発明をさらに限定する目的で提供されるものでないことは、本発明の技術分野における通常の知識を持つ者には明らかである。

本願明細書に記載の各要素は、文脈中に特に明示しない限り、複数形を含むことは、当業者は理解すべきである。従って、例えば、“コンポーネント表面（a component surface）”との記載は、１つ又は複数の表面を含む。

“実質的に(substantially)”という用語は、提示された特徴、パラメーター、又は値が正確に設定される必要はないが、許容誤差、測定誤り、測定精度限界及び当業者に知られているか、あるいは当業者によって実験なしに得られる要素を含む偏差又は変化が、これら特性が提供しようとする効果を排除しない範囲内で発生することを意味する。

本発明の実施形態は、上述した本発明の技術的な側面を達成するために提供される。本発明の実施形態の具現において、定義されているエンティティは、同一の名称を有し得、これらが本発明の範囲を限定するのではない。したがって、本発明の実施形態は、類似した技術的背景を有する任意のシステムにおいても同一であるか又は容易な変更で具現されることができる。

超高周波数(millimeter Wave:mmWave)帯域でビームフォーミングを利用してマルチユーザを同時にサポートするためにＳＤＭＡ(Spatial Division Multiple Access)方式が提供される。mmWave帯域では電波波長の長さは短いために、同一面積に、より多くのアンテナを利用してビームフォーミングを実行することができる。複数のアンテナを利用してビームフォーミングを実行する場合、信号は狭いビーム幅を有するビームの形態で伝送される。このような狭いビーム幅で形成されるビームフォーミングを利用する場合、空間的に相異なる位置に存在する他のユーザを多入力多出力(Multiple Input Multiple Output:ＭＩＭＯ)技術を利用して相異なるビームに乗せることで、同時に同一リソースを使用してデータを伝送するＳＤＭＡ伝送方法が適用されることができる。

ダウンリンクにおけるビームフォーミングは、基地局(Base Station:ＢＳ）の送信ビームフォーミングと端末(Mobile Station：ＭＳ）の受信ビームとを含むビームペアに基づいて行われ、端末と基地局のそれぞれの構造によって、多様な方向で発生する一つ以上の基地局送信ビームと端末受信ビームのうち最適ビームペア(best beam pair）を選択する過程を有する。同様にアップリンクにおけるビームフォーミングは、端末の送信ビームフォーミングと基地局の受信ビームとを含むビームペアに基づいて行われ、端末と基地局のそれぞれの構造によって多様な方向で発生する一つ以上の端末送信ビームと基地局受信ビームの最適ビームペアに対する情報が基地局と端末間に共有される。

図１は、本発明の一実施形態によるビームフォーミングに基づく信号送受信シナリオを例示する。
図１を参照すれば、基地局１００は、一つのセル(cell)１３０に該当する一つ又はそれ以上のセクター(sector）で構成されたサービス領域を有する。セル１３０に属するセクターの数は、一つまたはそれ以上であり得て、各セクター別に多重ビームが運用されてもよい。セル１３０内に二人のユーザ、すなわち、第１の端末(Mobile Station)１１０及び第２の端末１２０（ＭＳ-１及びＭＳ−２）は、空間的に相異なる位置にある。このように空間的にユーザが区別でき、ユーザに相異なるビームが割り当てられる場合、基地局１００は、同一リソースで２個の端末１１０、１２０のためのデータを割り当てて伝送する。各端末のためのデータは、相異なるビームを利用してビームフォーミングを通して伝送される。すなわち、ＭＳ−１ １１０にビームｂ２１０２が割り当てられ、ＭＳ−２ １２０にビームｂN-1１０４が割り当てられる。

以上のように、ビームフォーミング動作のためには同時に使用される相異なるビーム、すなわち、ビームｂ２１０２、ビームｂＮ−１１０４間の干渉が相互に少ない場合、受信信頼度の高い性能を保障できる。しかし、実際使用されるビームパターンは、側面で放射される周辺ビーム(side-lobe)の影響を無視できず、また同時に使用されるビームが相互隣接する場合、干渉影響が大きくなるために性能を保障できない問題点がある。

このようなビームフォーミングに関連した問題を解決するために、デジタルプリコーダに基づくＭＵ−ＭＩＭＯ方法をアナログビームフォーミングシステムに適用する。

図２は、本発明の一実施形態による超高周波数帯域の無線通信システムの送信器構造を図示する。
図２を参照すれば、送信器２００のＲＦ(Radio Frequency)ビームフォーミング部２３０は、超高周波数帯域の無線チャネルの電波経路損失の問題を解消するために、複数個のアンテナエレメントで構成されたアレイアンテナ２３６を具備する。ＲＦビームフォーミング部２３０は、複数のＲＦ(Radio Frequency)チェーン(ＲＦ chain)を通して受信される基底帯域信号を複数の周波数変換器２３２によりＲＦ信号に各々変換する。

ＲＦビームフォーミング部２３０によるアナログビームフォーミングは、複数個のアンテナエレメントに対応する複数個の位相変換器と電力増幅器及び合算機の組み合わせ２３４により具現される。送信器２００は、同一信号をアレイアンテナ２３６の複数個のアンテナエレメントを通して伝送するにあって、希望の方向と各アンテナエレメントの位置を考慮して、該当信号の位相をアンテナエレメント別に変更し、電力増幅器により適切に増幅することによって、各ビームを希望の方向に回転させることができる。ビームを構成するための位相調整値及び電力増幅値は、送信器と受信器間のチャネル状態によって定められる。各アンテナエレメントには、複数のＲＦチェーンから伝えられたＲＦ信号に相異なる位相を適用できる複数の位相シフタが接続されることができる。

ＲＦビームフォーミング部(または、アナログビームフォーミング部)２３０には、送信器の性能によって、一つ又は複数個のＲＦチェーン、例えばＮＲＦ,ＴＸ個の経路が接続される。各ＲＦチェーンは、プリコーディングされた信号をＩＦＦＴ(Inverse Fast Fourier Transform)２１６と並列直列変換器(Parallel to Serial Converter:Ｐ／Ｓ)２１８及びデジタルアナログ変換器(Digital to Analog Converter:ＤＡＣ)２２０を通じてアナログビームフォーミング部２３０の周波数変換器２３２に伝達する。ここで、周波数変換器２３２は、ＲＦビームフォーミング部２３０ではなく、ＲＦチェーンの構成要素とみなされる。

ＭＩＭＯ符号化器２１２と基底帯域プリコーダ２１４は、符号化及び変調された一つ又はそれ以上の信号を受信して、アレイアンテナのビームフォーミングを考慮した基底帯域のビームフォーミングを実行するデジタルビームフォーミング部２１０を構成する。ＭＩＭＯ符号化器２１２は、一つ又は複数のユーザのための複数のストリームを所定個数のＭＩＭＯストリームに変換し、基底帯域プリコーダ２１４は、予め定められるプリコーディング行列を上記ＭＩＭＯストリームに適用してＲＦチェーンに対応する複数個のプリコーディングされた信号を生成する。信号は、ＲＦチェーンを通じてＲＦビームフォーミング部２３０に伝えられる。

基底帯域プリコーダ２１４で適用するプリコーディング行列は、送信器と受信器間のチャネル状態によって相異なる受信器(すなわちユーザ又は端末)間に干渉を最小化させるように定められることが好ましい。具体的に、基底帯域プリコーダ２１４は、送信器と受信器間に予めセットされたプリコーディング行列を含むコードブックを具備し、チャネル状態によって選択されたプリコーディング行列のうち一つを指示するプリコーディング行列インジケータ(Precoding Matrix Indicator or Preferred Matrix Index:ＰＭＩ)を使用してストリームに適用されたプリコーディング行列を指示又は識別する。

図３は、本発明の一実施形態によるビーム獲得及び各ビームのチャネル測定を図示する。
図３を参照すれば、基地局３００のサービス領域３３０に含まれた全ての端末は、通信を実行するために、まず、送受信に使用するビームに対する情報を獲得する。そのために、基地局３００は、各セクター内で全方向性ビームを反復して形成３０６しながら、各ビームを通して基準信号(Reference Signal）を伝送する。基準信号は、例えば、予め定められるフォーマットのデジタルビットシーケンスで構成されることができ、用途によって、チャネル状態測定用基準信号とビームフォーミング用基準信号に分れるか、又はチャネル状態の測定とビームフォーミングのために共通で使用されることができる。すなわち、ビームｂ１からｂＮまでの相異なるビームを順次に伝送することによって、基地局３００に含まれた全ての端末は、各ビームに対するチャネル状態、すなわち受信信号強度を測定し、最適のチャネル状態を有する送信ビーム、すなわち最適送信ビームを選択する。

ＭＳ−１及びＭＳ−２ ３１０，３２０は、基地局３００が基準信号を全てのビームを利用して反復伝送する場合、もっとも大きい信号強度又はＳＮＲ(Signal to Noise Ratio)を有する送信ビームを最適の送信ビームとして選択する。すなわち、ＭＳ−１ ３１０は、ビームｂ２ ３０２を最適の送信ビームとして選択し、ＭＳ−２ ３２０は、ビームｂＮ−１ ３０４を最適送信ビームとして選択する。

図４は、本発明の一実施形態によるプリコーディングを利用したＭＵ−ＭＩＭＯ伝送のための手順を図示する。
図４を参照すれば、ステップ４０２で、基地局は、ＣＳＩ−ＲＳのような基準信号をセル(又はセクター)内の全ての端末が受信できるように送信する。上記基準信号は、チャネル状態情報(Channel State Information:ＣＳＩ）の測定のための信号であるかまたは共通の基準信号であり得る。

ステップ４０４で、第１及び第２の端末（ＭＳ−１とＭＳ−２）は、上記基準信号を受信してＣＳＩを測定し、事前に有しているコードブックのうちで、上記測定結果に基づいて、各々自分のチャネル状態と最もよく符合するＰＭＩを最適のＰＭＩとして決定する。ＰＭＩを計算するアルゴリズムは、例えば、上記ＣＳＩを利用して、コードブックに含まれる全てのプリコーディング行列に対するスループット(throughput）を計算して、最も高い効率を示すプリコーディング行列のＰＭＩを最適ＰＭＩとして決定できる。また、さらに簡単化された他のアルゴリズムが適用されることができる。

ステップ４０６で、ＭＳ−１とＭＳ−２は、上記決定されたＰＭＩに対する情報を予め定められるアップリンクフィードバックチャネル又はアップリンクメッセージを通して基地局に報告する。追加的に端末は、上記基準信号に対するチャネル測定結果であるＣＳＩを上記ＰＭＩに対する情報と共に報告するか、又は別途の手段を通して報告できる。

ステップ４１０で、基地局は、端末別に報告されたＰＭＩ及び/またはチャネル測定結果に基づいて、ＭＵ−ＭＩＭＯ伝送のためのユーザセットを選定する。ユーザセットは、基地局の全体システム容量を増加させることができる２個又はそれ以上の端末を含む。例えば、基地局は、セル(又はセクター)内の全ての端末の可能な全ての組み合わせに対して通信スループットを計算して、最も高いスループットを示す組み合わせを選択できる。他の実施形態として、さらに簡単化された他のユーザセット選定アルゴリズムが適用されることができる。ここでは、基地局により選択されたユーザセットがＭＳ−１及びＭＳ−２を含むと仮定する。

ステップ４１２で、基地局は、ＭＵ−ＭＩＭＯサポートのために、上記選択されたＭＳ−１及びＭＳ−２に同一リソース(すなわち、時間-周波数、コード等）を割り当て、上記割り当てられたリソースを使用して上記報告されたＰＭＩに基づいてプリコーディングされた信号を伝送する。

前述した通り、プリコーディングは、同時に伝送される多様な信号の間の干渉を最小化させることが好ましい。アナログビームフォーミングが適用されない場合、ステップ４０４で、各端末は、自分のチャネル測定結果だけに基づいて自分のＰＭＩを決定できる。アナログビームフォーミングを適用して多重ビームを使用する通信システムでＭＵ−ＭＩＭＯを適用するためには、同時に同一リソースを通して伝送されるユーザセットに対する情報、すなわち自分以外の他の端末(ユーザ）に適用される送信ビーム方向に対する情報が必要である。このような情報がわからない場合、端末は多重送信ビームを使用して形成されるチャネルに符合するＰＭＩを測定及び選別できない。すなわち、端末のＰＭＩは、同時に信号を受信する他の端末に適用される送信ビーム方向を考慮して決定されることが好ましい。

そのために、下記の実施形態(図５)で、基地局は、ＭＵ−ＭＩＭＯのために選択された他のユーザ(複数のユーザ）の最適基地局送信ビームに対する情報を端末に直接的に提供する。すなわち、基地局は、選別されたユーザセット情報によって、各ユーザに自分以外の他のユーザが使用しているビームに対する情報を直接的に共有することで、各ユーザがＰＭＩを測定及び選別できるようにする。

図５は、本発明の一実施形態によって、アナログビームフォーミングとプリコーディングを利用したＭＵ−ＭＩＭＯ伝送のための手順を図示する。
図５を参照すれば、ステップ５０２で、基地局は、ＢＦ−ＲＳのような基準信号をセル(又はセクター)内の全ての端末が受信できるように持続的に送信している。上記基準信号は、端末が基地局の全ての送信ビームと自分の全ての受信ビームの組み合わせに対する信号強度を測定できるように、基地局の全ての送信ビームを使用して反復伝送される。上記基準信号は、ビームフォーミングのために構成されるか又はビームフォーミングとチャネル状態測定のために構成されるか又は汎用のために構成されることがある。各端末は、基地局の各送信ビームを自分の全ての受信ビームを使用して受信し、受信するごとに信号強度を測定する。

ステップ５０４で、端末ＭＳ−１とＭＳ−２は、上記測定結果によって自分に最も高い信号強度を示す最適基地局送信ビーム及び最適の端末受信ビームを選択し、ステップ５０６で、アップリンクフィードバックチャネル又はアップリンクメッセージを通して、基地局に、上記最適基地局送信ビームに対する情報を報告する。

ステップ５０８で、基地局は、複数の端末から受信した最適基地局送信ビームに対する情報に基づいて、ＭＵ−ＭＩＭＯ動作のために必要な候補ユーザセット(user-pair）を選別する。例えば、基地局は同一又は類似の方向に信号を伝送する送信ビームを有する端末を候補ユーザセットとして選択できる。このような場合、ＭＵ−ＭＩＭＯ伝送方法を通して送信ビーム間に干渉を最小化して、システム容量増大が期待される。ここでは、ＭＳ−１及びＭＳ−２が候補ユーザセットとして選択されたものと仮定する。ここで、候補とは、実際ＭＵ−ＭＩＭＯ動作のために端末から報告されたＰＭＩを利用して、ステップ５１８で決定される最終ユーザペアと区分するためである。

ステップ５１０で、基地局は、候補ユーザセットとして選択されたＭＳ−１及びＭＳ−２に、候補ユーザセットとして選択された他のＭＳの最適基地局送信ビームを指示するビーム情報を通報する。例えば、上記ビーム情報は、少なくとも一つの他のＭＳの最適基地局送信ビームを示すビームインデックスを含むことができる。例えば、ＭＳ−１には、ＭＳ−２がステップ５０６で報告した最適基地局送信ビームを指示するビーム情報が伝送され、ＭＳ−２には、ＭＳ−１がステップ５０６で報告した最適基地局送信ビームを指示するビーム情報が伝送される。他の実施形態として、基地局は、ＭＳ−１とＭＳ−２の最適基地局送信ビームを指示するビーム情報を端末の識別情報と共にＭＳ−１とＭＳ−２に伝送する。

一方、ステップ５１２で、基地局は、ＣＳＩ−ＲＳのような基準信号をセル(又は、セクター)内の全ての端末が受信できるように持続的に送信している。上記基準信号は、端末が基地局と各端末間のチャネルに対する信号強度を測定できるように伝送される。上記基準信号は、チャネル状態の測定のために構成されるか又はビームフォーミングとチャネル状態測定のために構成されるか又は汎用のために構成されることができる。各端末は、基地局からの基準信号を受信して基地局と各端末間のチャネル状態、すなわち受信信号強度を測定する。

ステップ５１４で、候補ユーザセットとして選ばれた端末（ＭＳ−１とＭＳ−２）は、上記基準信号の測定結果として得られるＣＳＩと上記ステップ５１０で獲得した他の端末の基地局送信ビーム及び自分の基地局送信ビームに基づいて、自分のチャネル状態と基地局送信ビームに最もよく符合する最適のＰＭＩを決定する。ＰＭＩを計算するアルゴリズムは、例えば、上記ステップ５１０で獲得した他の端末の基地局送信ビーム及び自分の基地局送信ビームにより形成されたチャネルとコードブックに含まれた全てのプリコーディングベクトルとの類似性又は高い相関関係を表すプリコーディング行列のＰＭＩを最適ＰＭＩとして決定できる。すなわち、有効チャネルと最も高い相関関係を有するプリコーディングベクトルは最も高いスループット(throughput）が期待される。また、さらに簡易化された他のアルゴリズムが適用されることができる。

ステップ５１６で、ＭＳ−１とＭＳ−２は、上記決定されたＰＭＩに対する情報を予め定められるアップリンクフィードバックチャネル又はアップリンクメッセージを通して基地局に報告する。追加的に、端末は、上記基準信号に対するチャネル測定結果であるＣＳＩを上記ＰＭＩに対する情報と共に報告するか、又は別途の手段を通して報告できる。

ステップ５１８で、基地局は、候補ユーザセットのＭＳ−１とＭＳ−２から報告されたＰＭＩに基づいて、ＭＵ−ＭＩＭＯ伝送のためのユーザセットを最終決定する。例えば、候補ユーザから報告されたＰＭＩに基づいて、候補ユーザセットの端末に信号を同時に伝送する場合が、そうでない場合に比べてシステム容量が増加すると、基地局は候補ユーザセットを最終ユーザセットとして選択する。仮に候補ユーザセットの端末に信号を伝送する場合にシステム容量が増加しないと、基地局は他のユーザセットを検索するか又は候補ユーザセットに含まれる端末のうち少なくとも一つを最終ユーザセットとして決定できる。

ステップ５２０で、基地局は、ＭＵ−ＭＩＭＯサポートのために最適に選択されたユーザセットの端末（ＭＳ−１とＭＳ−２）に同一リソース(すなわち、時間-周波数、コード等)を割り当て、上記割り当てられたリソースを使用して、ステップ５１６で報告されたＰＭＩに基づいてプリコーディングされた信号を伝送する。上記プリコーディングされた信号は、ＲＦビームフォーミングを通じて、ステップ５０６で報告された基地局送信ビームを通して各端末に伝送される。

他の実施形態として、基地局はステップ５０８で複数の候補ユーザセットを選択し、各候補ユーザセットの端末から報告されたＰＭＩに基づいて、ステップ５１８で、上記複数の候補ユーザセットのうち一つをＭＵ−ＭＩＭＯのためのユーザセットとして最終選択できる。

後述する実施形態(図６)では、基地局がユーザセットを直接的にシグナリングする代わりに、各ユーザが任意に不特定送信ビームの組み合わせによるＰＭＩ及びＣＱＩを基地局にフィードバックする。他の実施形態として、各ユーザは選択した最適の送信ビームと上記最適の送信ビームが伝送される方向に隣接する他の送信ビームとの任意の組み合わせに対する複数のＰＭＩ及びＣＱＩを測定して、基地局にフィードバックしてもよい。

他の実施形態として、各ユーザは基準信号に対する測定結果、上位の信号品質を有する所定個数の最適送信ビームの組み合わせに対する複数のＰＭＩ及びＣＱＩを測定して基地局にフィードバックしてもよい。

図６は、本発明の他の実施形態によってアナログビームフォーミングとプリコーディングを利用したＭＵ−ＭＩＭＯ伝送のための手順を図示する。
ここでは、本発明の一実施形態として最適送信ビームとそれに隣接した他の送信ビームが使用される場合の動作を説明するが、上位の受信信号強度を有する複数の最適送信ビームが使用されてもよい。

図６を参照すれば、ステップ６０２で、基地局は、ＢＦ−ＲＳのような基準信号をセル(又はセクター)内の全ての端末が受信できるように持続的に送信している。上記基準信号は、端末が基地局の全ての送信ビームと自分の全ての受信ビームの組み合わせに対する信号強度を測定できるように、基地局の全ての送信ビームを使用して反復伝送される。上記基準信号は、ビームフォーミングのために構成されるか又はビームフォーミングとチャネル状態測定のために構成されるか又は汎用(common-use)のために構成されることができる。各端末は基地局の各送信ビームを自分の全ての受信ビームを使用して受信し、受信する度に信号強度を測定する。

ステップ６０４で、端末ＭＳ−１とＭＳ−２は、上記測定結果によって自分に最も高い信号強度を示す最適基地局送信ビーム及び最適の端末受信ビームを選択し、ステップ６０６でアップリンクフィードバックチャネル又はアップリンクメッセージを通して基地局に上記最適基地局送信ビームに対する情報を報告する。これで基地局はセル内の端末から伝送された最適の送信ビーム情報を獲得する。

一方、ステップ６０８で、基地局はＣＳＩ−ＲＳのような基準信号をセル（又はセクター）内の全ての端末が受信できるように持続的に送信している。上記基準信号は、端末が基地局と各端末間のチャネルに対する信号強度を測定できるように伝送される。上記基準信号は、チャネル状態の測定のために構成されるか又はビームフォーミングとチャネル状態測定のために構成されるか又は汎用のために構成されることができる。各端末は基地局からの基準信号を受信して基地局と各端末間のチャネル状態、すなわち受信信号強度を測定する。

ステップ６１０で、セル内で基準信号により最適の送信ビームを選択した各端末（ＭＳ−１とＭＳ−２）は、上記基準信号の測定結果として得られたＣＳＩに基づいて、自分のチャネル状態と最適送信ビームに最もよく符合する複数のＰＭＩを決定する。具体的に端末は、自分が決定した最適の送信ビームに隣接した所定個数の送信ビームのうちで所定個数のビーム組み合わせを選択し、選択されたビーム組み合わせによるＰＭＩを測定する。各ビーム組み合わせに対するＰＭＩを計算するアルゴリズムは、例えば、上記ＣＳＩと該当ビーム組み合わせの基地局送信ビームを利用して、コードブックに含まれる全てのプリコーディング行列に対するスループット(throughput)を計算し、最も高いスループットを示すプリコーディング行列のＰＭＩを最適ＰＭＩとして決定できる。また、さらに簡単化された他のアルゴリズムが適用されることができる。

ステップ６１２で、ＭＳ−１とＭＳ−２は、上記決定されたＰＭＩに対する情報を予め定められるアップリンクフィードバックチャネル又はアップリンクメッセージを通して基地局に報告する。この場合、各ビーム組み合わせに対するＰＭＩの情報は、該当ビーム組み合わせに属した送信ビームのビームインデックスをさらに含むことができる。追加的に、端末は、記基準信号に対するチャネル測定結果であるＣＳＩを上記ＰＭＩに対する情報と共に報告するか又は別途の手段を通して報告できる。

ステップ６１４で、基地局は、セル内の端末から報告された最適の送信ビーム情報とＰＭＩに基づいて、システム容量を最も増加させる端末組み合わせをＭＵ−ＭＩＭＯ伝送のためのユーザセットとして決定する。ステップ６１６で、基地局は、ＭＵ−ＭＩＭＯサポートのために選択されたユーザセットの端末（ＭＳ−１とＭＳ−２）に同一リソース(すなわち時間-周波数、コード等)を割り当て、上記割り当てられたリソースを使用して、ステップ６１２で報告されたＰＭＩのうち一つに基づいてプリコーディングされた信号を伝送する。具体的には、ステップ６１４で選択されたユーザセットに対応するＰＭＩが使用されることができる。上記プリコーディングされた信号はＲＦビームフォーミングを通じて、ステップ５０６で報告された基地局送信ビームを通して各端末に伝送される。

図７は、本発明の一実施形態によってアップリンクリソース割り当てを実行するための基地局及び端末の構成を表したブロック図である。図７を参照すれば、基地局及び各端末は、制御部７０２、送信器７０４、受信器７０６及びメモリ７０８を含む。

図７の構成が端末に適用される場合、受信器７０６は、制御部７０２の制御下に端末受信ビームをスイーピングしながら、各端末受信ビームを通して基準信号を受信して測定し、基地局により選択された候補ユーザセットのビーム情報を受信し、上記測定結果及び上記受信された情報を制御部７０２に伝達する。送信器７０４は、制御部７０２の制御下に基地局に最適送信ビームに対する情報を伝送し、候補ユーザセットの他の端末に対する基地局送信ビームを考慮して決定したＰＭＩに対する情報、又は最適送信ビームの隣接ビームを含む複数のビーム組み合わせを考慮して決定した複数のＰＭＩに対する情報を基地局に伝送する。制御部７０２は、送信器７０４と受信器７０６の動作を制御し、最適基地局送信ビームを選択し、ＣＳＩを測定し、一つ又はそれ以上のＰＭＩを決定し、ＭＵ−ＭＩＭＯ伝送のためのデータを乗せているプリコーディングされた信号を受信器７０６を通して受信して解析する。メモリ７０８は、制御部７０２のための動作プログラムコードとパラメーターを保存する。

図７の構成が基地局に適用される場合、送信器７０４は、制御部７０２の制御下に基地局送信ビームを通して基準信号を送信し、また候補ユーザセットのビーム情報を候補ユーザセットの端末に伝送する。受信器７０６は、制御部７０２の制御下に端末から最適基地局送信ビームに対する情報を受信し、各端末により決定されたＰＭＩ（複数のＰＭＩ）に対する情報を受信する。制御部７０２は、送信器７０４と受信器７０６の動作を制御し、候補ユーザセットを決定し、上記決定された候補ユーザセットの端末から報告されたＰＭＩに基づいてＭＵ−ＭＩＭＯ伝送のためのユーザセットを最終的に選択するか、又は端末から複数のビーム組み合わせに対して報告されたＰＭＩに基づいて、ＭＵ−ＭＩＭＯ伝送のためのユーザセットを選択する。また、制御部７０２は、ＭＵ−ＭＩＭＯ伝送のためのデータを乗せたプリコーディングされた信号を生成して送信器７０４を通して伝送する。メモリ７０８は、制御部７０２のための動作プログラムコードとパラメーターを保存する。

上記したように、本発明の実施形態では、一般的な入力データの処理及び出力データの生成を含み、入力データの処理及び出力データの生成は、ハードウェア又はソフトウェアとハードウェアとの組み合わせを通じて実現することができる。例えば、特定の電子部品が、上述した本発明の実施形態に基づくコンテンツ検索、及び表示に関連した機能を実行するための携帯デバイス、又は、それに類似又は関連する回路内で使用される。あるいは、格納されている指示語に従って動作する少なくとも一つ又はそれ以上のプロセッサは、上記した本発明の実施形態によるコンテンツの検索及び表示に関連した機能を実行することができる。このような場合、これら指示語が一つ又はそれ以上のプロセッサ読み取り可能な記録媒体に格納されることは、現在開示されている範囲内にある。プロセッサ読み取り可能な記録媒体の例としては、ＲＯＭ（Read-Only Memory）、ＲＡＭ（Random-Access Memory）、ＣＤ-ＲＯＭ、磁気テープ、フロッピー（登録商標）ディスク、及び光データ格納デバイスを含む。また、これらプロセッサ読み取り可能な記録媒体は、ネットワーク接続されたコンピュータシステムにわたって分散されることにより、指示語は分散形態で格納され実行される。また、本発明を達成するための機能的コンピュータプログラム、指示語、及び指示セグメントは、当該技術分野における熟練されたプログラマにとっては容易に理解できることである。以上、本発明を具体的な実施形態を参照して詳細に説明してきたが、本発明の範囲及び趣旨を逸脱することなく様々な変更が可能であるということは、当業者には明らかであり、本発明の範囲は、上述の実施形態に限定されるべきではなく、特許請求の範囲の記載及びこれと均等なものの範囲内で定められるべきである。

１００ 基地局
１１０、１２０ 端末
１３０ セル
２００ 送信器
２１０ デジタルビームフォーミング部
２１２ 符号化器
２１４ 基底帯域プリコーダ
２１８ 並列直列変換器
２２０ デジタルアナログ変換器
２３０ ビームフォーミング部
２３２ 周波数変換器
２３６ アレイアンテナ
３００ 基地局
３３０ サービス領域
７０２ 制御部
７０４ 送信器
７０６ 受信器
７０８ メモリ

Claims (13)

1. 無線通信システムにおけるビームフォーミングを利用した通信方法であって、
   マルチユーザ多入力多出力（ＭＵ−ＭＩＭＯ）伝送のための一つ以上の端末を含む候補ユーザセットを決定するステップと、
   前記候補ユーザセットに含まれる端末の最適基地局送信ビームを表すビーム情報を、前記候補ユーザセットの端末に伝送するステップと、
   前記候補ユーザセットの端末の各々から、前記ビーム情報に基づいて決定された基底帯域プリコーディングのためのプリコーディング行列インジケータ（ＰＭＩ）に対する情報を受信するステップと、
   前記ＰＭＩに対する情報に基づいて、プリコーディングされた信号を少なくとも一つの端末に伝送するステップとを含み、
   前記候補ユーザセットの端末のうち第１の端末に伝送される前記ビーム情報は、
   前記候補ユーザセットの端末のうち前記第１の端末を除外した少なくとも一つの他の端末から報告された最適基地局送信ビームを示すことを特徴とする通信方法。
2. 前記候補ユーザセットは、
   セル内の複数の端末から報告された最適基地局送信ビームに対する情報に基づいて決定されることを特徴とする請求項１に記載の通信方法。
3. 前記候補ユーザセットは、
   同一の方向の最適基地局送信ビームを有する端末を含むことを特徴とする請求項１に記載の通信方法。
4. 前記プリコーディングされた信号を伝送するステップは、
   前記ＰＭＩに対する情報に基づいて、ＭＵ−ＭＩＭＯ伝送のための一つ以上の端末を含むユーザセットを決定するステップと、
   前記ＰＭＩに対する情報に基づいて前記プリコーディングされた信号を前記一つ以上の端末に伝送するステップとを含むことを特徴とする請求項１に記載の通信方法。
5. 前記プリコーディングされた信号を伝送するステップは、
   前記ユーザセットの一つ以上の端末に前記プリコーディングされた信号の伝送に使用される同一リソースを割り当てるステップをさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の通信方法。
6. 前記ユーザセットの一つ以上の端末は、
   前記候補ユーザセットから決定されることを特徴とする請求項５に記載の通信方法。
7. 無線通信システムにおけるビームフォーミングを利用した通信方法であって、
   マルチユーザ多入力多出力（ＭＵ−ＭＩＭＯ）伝送のための一つ以上の端末を含む候補ユーザセットに含まれる端末の最適基地局送信ビームを表すビーム情報を、基地局から受信するステップと、
   前記ビーム情報により指示された少なくとも一つの他の端末に対する基地局送信ビームを参照して、基底帯域プリコーディングのためのプリコーディング行列インジケータ（ＰＭＩ）を端末により決定するステップと、
   前記ＰＭＩに対する情報を前記端末から前記基地局に伝送するステップとを含み、
   前記ビーム情報は、
   前記候補ユーザセットの端末のうち少なくとも一つの他の端末から報告された最適基地局送信ビームを示すことを特徴とする通信方法。
8. 前記候補ユーザセットは、
   セル内の複数の端末から報告された最適基地局送信ビームに対する情報に基づいて決定されることを特徴とする請求項７に記載の通信方法。
9. 前記候補ユーザセットは、
   同一の方向の最適基地局送信ビームを有する端末を含むことを特徴とする請求項７に記載の通信方法。
10. 前記ＰＭＩに対する情報を伝送した以後、前記ＰＭＩに対する情報に基づいてプリコーディングされた信号を前記基地局から受信するステップをさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の通信方法。
11. 前記端末は、
    前記候補ユーザセットに含まれることを特徴とする請求項７に記載の通信方法。
12. 無線通信システムにおけるビームフォーミングを利用して通信を実行する基地局装置は、請求項１乃至６のうち何れか一項に記載の方法を実行するように構成されることを特徴とする基地局装置。
13. 無線通信システムにおけるビームフォーミングを利用して通信を実行する端末装置は、請求項７乃至１１のうち何れか一項に記載の方法を実行するように構成されることを特徴とする端末装置。

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