JP6339185B2 - 無線通信システムにおいて多重アンテナビームフォーミングのための端末の移動性測定方法及びそのための装置 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信システムに係り、特に、無線通信システムにおいて多重アンテナビームフォーミングのための端末の移動性測定方法及びそのための装置に関する。

本発明を適用できる無線通信システムの一例として、３ＧＰＰＬＴＥ（３ｒｄ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｐａｒｔｎｅｒｓｈｉｐ Ｐｒｏｊｅｃｔ Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ；以下、「ＬＴＥ」という。）通信システムについて概略的に説明する。

図１は、無線通信システムの一例としてＥ−ＵＭＴＳネットワーク構造を概略的に示す図である。Ｅ−ＵＭＴＳ（Ｅｖｏｌｖｅｄ Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｍｏｂｉｌｅ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｓｙｓｔｅｍ）は、既存のＵＭＴＳ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｍｏｂｉｌｅ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｓｙｓｔｅｍ）から進展したシステムであり、現在３ＧＰＰで基礎的な標準化作業が進行中である。一般に、Ｅ−ＵＭＴＳをＬＴＥ（Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）システムと呼ぶこともできる。ＵＭＴＳ及びＥ−ＵＭＴＳの技術規格（ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ）の詳細な内容はそれぞれ、「３ｒｄ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｐａｒｔｎｅｒｓｈｉｐ Ｐｒｏｊｅｃｔ；Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｇｒｏｕｐ Ｒａｄｉｏ Ａｃｃｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋ」のＲｅｌｅａｓｅ７及びＲｅｌｅａｓｅ ８を参照すればよい。

図１を参照すると、Ｅ−ＵＭＴＳは、端末（Ｕｓｅｒ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ；ＵＥ）、基地局（ｅＮｏｄｅＢ；ｅＮＢ）、及びネットワーク（Ｅ−ＵＴＲＡＮ）の終端に位置して外部ネットワークに接続するアクセスゲートウェイ（Ａｃｃｅｓｓ Ｇａｔｅｗａｙ；ＡＧ）を含んでいる。基地局は、ブロードキャストサービス、マルチキャストサービス及び／又はユニキャストサービスのために多重データストリームを同時に送信することができる。

一つの基地局には一つ以上のセルが存在する。セルは、１．２５、２．５、５、１０、１５、２０ＭＨｚなどの帯域幅のいずれか一つに設定され、複数の端末に下り又は上り送信サービスを提供する。異なったセルは、互いに異なった帯域幅を提供するように設定されればよい。基地局は、複数の端末に関するデータ送受信を制御する。下りリンク（Ｄｏｗｎｌｉｎｋ；ＤＬ）データについて、基地局は下りリンクスケジューリング情報を送信し、該当の端末にデータが送信される時間／周波数領域、符号化、データサイズ、ＨＡＲＱ（Ｈｙｂｒｉｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｒｅｐｅａｔ ａｎｄ ｒｅＱｕｅｓｔ）関連情報などを知らせる。また、上りリンク（Ｕｐｌｉｎｋ；ＵＬ）データについて、基地局は上りリンクスケジューリング情報を該当の端末に送信し、該当の端末が使用可能な時間／周波数領域、符号化、データサイズ、ＨＡＲＱ関連情報などを知らせる。基地局同士の間には、ユーザトラフィック又は制御トラフィックの送信のためのインターフェースを用いることができる。コアネットワーク（Ｃｏｒｅ Ｎｅｔｗｏｒｋ；ＣＮ）は、ＡＧ、及び端末のユーザ登録などのためのネットワークノードなどで構成可能である。ＡＧは、複数のセルで構成されるＴＡ（Ｔｒａｃｋｉｎｇ Ａｒｅａ）単位に端末の移動性を管理する。

無線通信技術は、ＷＣＤＭＡ（登録商標）に基づいてＬＴＥにまで開発されてきたが、ユーザと事業者の要求と期待は増す一方である。その上、他の無線接続技術の開発が続いており、将来、競争力を持つためには新しい技術進化が要求される。ビット当たりのコストの削減、サービス可用性の増大、柔軟な周波数バンドの使用、単純構造と開放型インターフェース、端末の適度な電力消耗などが要求される。

上述したような議論に基づき、以下では、無線通信システムにおいて多重アンテナビームフォーミングのための端末の移動性測定方法及びそのための装置を提案する。

本発明の一様相である、無線通信システムにおいて多重アンテナベースのビームフォーミングのために端末が基地局に速度情報を報告する方法は、前記基地局からあらかじめ定義された信号を受信するステップと、前記あらかじめ定義された信号に基づいて、前記端末の垂直ビームフォーミング方向移動速度（ｖ_ｗ）及び水平ビームフォーミング方向移動速度（ｖ_ｘ）のうち少なくとも一つの移動速度情報を算出するステップと、前記少なくとも一つの移動速度情報を前記基地局に報告するステップとを有し、前記あらかじめ定義された信号は、前記端末の基地局方向への速度（ｖ_ｂ）を算出するためのものであることを特徴とする。

ここで、前記少なくとも一つの移動速度情報を算出するステップは、前記端末の絶対移動速度（ｖ）と前記端末の上下方向移動速度（ｖ_ｚ）を測定するステップと、前記絶対移動速度（ｖ）、前記上下方向移動速度（ｖ_ｚ）及び前記端末の基地局方向への速度（ｖ_ｂ）に基づいて、前記端末の垂直ビームフォーミング方向移動速度（ｖ_ｗ）及び水平ビームフォーミング方向移動速度（ｖ_ｘ）のうち少なくとも一つの移動速度情報を算出するステップとを含むことが好ましい。ここで、前記基地局及び前記端末間の高さの差と前記基地局及び前記端末間の距離との比率が閾値以上である場合、前記端末の垂直ビームフォーミング方向移動速度（ｖ_ｗ）は端末の上下方向移動速度（ｖ_ｚ）と同一であることを特徴とする。

より好ましくは、前記端末の基地局方向への速度（ｖ_ｂ）は、前記あらかじめ定義された信号のドップラー変化量に基づいて決定されたり、又は前記あらかじめ定義された信号の前記端末への到達時間変化量に基づいて決定されることを特徴とする。

特に、前記少なくとも一つの移動速度情報は、前記基地局によって前記端末のためのビーム幅を調節するために用いられてもよい。

一方、本発明の他の様相である、無線通信システムにおいて多重アンテナベースのビームフォーミングのために基地局が端末から速度情報を受信する方法は、前記端末にあらかじめ定義された信号を送信するステップと、前記端末から、前記あらかじめ定義された信号に基づいて算出された、前記端末の垂直ビームフォーミング方向移動速度（ｖ_ｗ）及び水平ビームフォーミング方向移動速度（ｖ_ｘ）のうち少なくとも一つの移動速度情報を受信するステップとを有し、前記あらかじめ定義された信号は、前記端末の基地局方向への速度（ｖ_ｂ）を算出するためのものであることを特徴とする。

好ましくは、前記方法は、前記少なくとも一つの移動速度情報に基づいて、前記端末のためのビーム幅を調節するステップをさらに有することができる。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
無線通信システムにおいて多重アンテナベースのビームフォーミングのために端末が基地局に速度情報を報告する方法であって、
前記基地局からあらかじめ定義された信号を受信するステップと、
前記あらかじめ定義された信号に基づいて、前記端末の垂直ビームフォーミング方向移動速度（ｖ _ｗ ）及び水平ビームフォーミング方向移動速度（ｖ _ｘ ）のうち少なくとも一つの移動速度情報を算出するステップと、
前記少なくとも一つの移動速度情報を前記基地局に報告するステップと、
を有し、
前記あらかじめ定義された信号は、前記端末の基地局方向への速度（ｖ _ｂ ）を算出するためのものであることを特徴とする、速度情報報告方法。
（項目２）
前記少なくとも一つの移動速度情報を算出するステップは、
前記端末の絶対移動速度（ｖ）及び前記端末の上下方向移動速度（ｖ _ｚ ）を測定するステップと、
前記絶対移動速度（ｖ）、前記上下方向移動速度（ｖ _ｚ ）及び前記端末の基地局方向への速度（ｖ _ｂ ）に基づいて、前記端末の垂直ビームフォーミング方向移動速度（ｖ _ｗ ）及び水平ビームフォーミング方向移動速度（ｖ _ｘ ）のうち少なくとも一つの移動速度情報を算出するステップを含むことを特徴とする、項目１に記載の速度情報報告方法。
（項目３）
前記端末の基地局方向への速度（ｖ _ｂ ）は、前記あらかじめ定義された信号のドップラー変化量に基づいて決定されることを特徴とする、項目１に記載の速度情報報告方法。
（項目４）
前記端末の基地局方向への速度（ｖ _ｂ ）は、前記あらかじめ定義された信号の前記端末への到達時間変化量に基づいて決定されることを特徴とする、項目１に記載の速度情報報告方法。
（項目５）
前記基地局及び前記端末間の高さの差と前記基地局及び前記端末間の距離との比率が閾値以上である場合、前記端末の垂直ビームフォーミング方向移動速度（ｖ _ｗ ）は端末の上下方向移動速度（ｖ _ｚ ）と同一であることを特徴とする、項目２に記載の速度情報報告方法。
（項目６）
前記少なくとも一つの移動速度情報は、前記基地局によって前記端末のためのビーム幅を調節するために用いられることを特徴とする、項目１に記載の速度情報報告方法。
（項目７）
無線通信システムにおいて多重アンテナベースのビームフォーミングのために基地局が端末から速度情報を受信する方法であって、
前記端末にあらかじめ定義された信号を送信するステップと、
前記端末から、前記あらかじめ定義された信号に基づいて算出された、前記端末の垂直ビームフォーミング方向移動速度（ｖ _ｗ ）及び水平ビームフォーミング方向移動速度（ｖ _ｘ ）のうち少なくとも一つの移動速度情報を受信するステップと、
を有し、
前記あらかじめ定義された信号は、前記端末の基地局方向への速度（ｖ _ｂ ）を算出するためのものであることを特徴とする、速度情報受信方法。
（項目８）
前記少なくとも一つの移動速度情報は、前記端末によって、前記端末の絶対移動速度（ｖ）、前記端末の上下方向移動速度（ｖ _ｚ ）及び前記端末の基地局方向への速度（ｖ _ｂ ）に基づいて算出されることを特徴とする、項目７に記載の速度情報受信方法。
（項目９）
前記端末の基地局方向への速度（ｖ _ｂ ）は、前記あらかじめ定義された信号のドップラー変化量に基づいて決定されることを特徴とする、項目７に記載の速度情報受信方法。
（項目１０）
前記端末の基地局方向への速度（ｖ _ｂ ）は、前記あらかじめ定義された信号の前記端末への到達時間変化量に基づいて決定されることを特徴とする、項目７に記載の速度情報受信方法。
（項目１１）
前記基地局及び前記端末間の高さの差と前記基地局及び前記端末間の距離との比率が閾値以上である場合、前記端末の垂直ビームフォーミング方向移動速度（ｖ _ｗ ）は端末の上下方向移動速度（ｖ _ｚ ）と同一であることを特徴とする、項目８に記載の速度情報受信方法。
（項目１２）
前記少なくとも一つの移動速度情報に基づいて、前記端末のためのビーム幅を調節するステップをさらに有することを特徴とする、項目７に記載の速度情報受信方法。

本発明の実施例によれば、無線通信システムにおいて多重アンテナビームフォーミングのために端末の移動性、すなわち、速度を効率的に測定して基地局に報告することができる。

本発明で得られる効果は、以上に言及した効果に制限されず、言及していない別の効果は、以下の記載から、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者には明確に理解されるであろう。

発明のより容易な理解を助け、発明の実施例を示す添付の図面が、下記の記載と共に本発明の原理を説明するために提供される。

添付の図面は次のとおりである。

図１は、無線通信システムの一例としてＥ−ＵＭＴＳネットワーク構造を概略的に示す図である。

図２は、ＬＴＥシステムで用いられる無線フレームの構造を例示する図である。

図３は、一般的な多重アンテナ（ＭＩＭＯ）通信システムを示す構成図である。

図４及び図５は、４個のアンテナを用いた下りリンク送信を支援するＬＴＥシステムにおける下りリンク参照信号の構造を示す図である。 図４及び図５は、４個のアンテナを用いた下りリンク送信を支援するＬＴＥシステムにおける下りリンク参照信号の構造を示す図である。

図６は、現在３ＧＰＰ標準文書で定義している下りリンクＤＭ−ＲＳ割り当て例を示す図である。

図７は、現在３ＧＰＰ標準文書で定義している下りリンクＣＳＩ−ＲＳ設定のうち、一般ＣＰの場合におけるＣＳＩ−ＲＳ設定＃０を例示する図である。

図８は、アンテナティルティング方式を説明するための図である。

図９は、既存のアンテナシステムと能動アンテナシステムとを比較する図である。

図１０は、能動アンテナシステムに基づいて、端末特定ビームを形成した例を示す図である。

図１１は、能動アンテナシステムベースの２次元ビーム送信シナリオを示す図である。

図１２は、既存のプリコーディング方式とＰＤビームフォーミング技法の特徴を比較する図である。

図１３は、既存のプリコーディング方式と適応的ビーム幅調節が適用されたＰＤビームフォーミングとを比較する図である。

図１４は、本発明の実施例によって端末と基地局の位置を基準に測定領域を定義した例を示す図である。

図１５は、本発明の実施例によって基地局が水平ビームフォーミングを行う場合を例示する図である。

図１６は、本発明の実施例によって基地局が垂直ビームフォーミングを行う場合を例示する図である。

図１７は、本発明の一実施例に係る通信装置のブロック構成図である。

以下に添付の図面を参照して説明された本発明の実施例から、本発明の構成、作用及び他の特徴が容易に理解されるであろう。以下に説明される実施例は、本発明の技術的特徴が３ＧＰＰシステムに適用された例である。

本明細書ではＬＴＥシステム及びＬＴＥ?Ａシステムを用いて本発明の実施例を説明するが、これは例示に過ぎず、本発明の実施例は、上述した定義に該当するいかなる通信システムにも適用可能である。また、本明細書は、ＦＤＤ方式を基準にして本発明の実施例について説明するが、これは例示に過ぎず、本発明の実施例は、Ｈ?ＦＤＤ方式又はＴＤＤ方式にも容易に変形されて適用されてもよい。

また、本明細書では、基地局をＲＲＨ（ｒｅｍｏｔｅ ｒａｄｉｏ ｈｅａｄ）、ｅＮＢ、ＴＰ（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｐｏｉｎｔ）、ＲＰ（ｒｅｃｅｐｔｉｏｎ ｐｏｉｎｔ）、中継機（ｒｅｌａｙ）などを含む包括的な名称として使うことができる。

図２は、ＬＴＥシステムで用いられる無線フレームの構造を例示する図である。

図２を参照すると、無線フレーム（ｒａｄｉｏ ｆｒａｍｅ）は１０ｍｓ（３２７２００×Ｔ_ｓ）の長さを有し、１０個の均等なサイズのサブフレーム（ｓｕｂｆｒａｍｅ）で構成されている。それぞれのサブフレームは１ｍｓの長さを有し、２個のスロット（ｓｌｏｔ）で構成されている。それぞれのスロットは０．５ｍｓ（１５３６０×Ｔ_ｓ）の長さを有する。ここで、Ｔ_ｓはサンプリング時間を表し、Ｔ_ｓ＝１／（１５ｋＨｚ×２０４８）＝３．２５５２×１０^−８（約３３ｎｓ）で表示される。スロットは時間領域において複数のＯＦＤＭシンボルを含み、周波数領域において複数のリソースブロック（Ｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｂｌｏｃｋ；ＲＢ）を含む。ＬＴＥシステムにおいて一つのリソースブロックは１２個の副搬送波×７（６）個のＯＦＤＭシンボルを含む。データの送信される単位時間であるＴＴＩ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｔｉｍｅ Ｉｎｔｅｒｖａｌ）は一つ以上のサブフレーム単位に定めることができる。上述した無線フレームの構造は例示に過ぎず、無線フレームに含まれるサブフレームの数、サブフレームに含まれるスロットの数、又はスロットに含まれるＯＦＤＭシンボルの数は様々に変更されてもよい。

以下、ＭＩＭＯシステムについて説明する。ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔ）は、複数個の送信アンテナと複数個の受信アンテナを使用する方法で、この方法によりデータの送受信効率を向上させることができる。すなわち、無線通信システムの送信端あるいは受信端で複数個のアンテナを使用することによって容量を増大させ、性能を向上させることができる。以下、本文献ではＭＩＭＯを「多重アンテナ」と呼ぶこともできる。

多重アンテナ技術では、一つの全体メッセージを受信するに単一のアンテナ経路に依存せず、複数のアンテナに受信されたデータ断片（ｆｒａｇｍｅｎｔ）をまとめて併合することによってデータを完成する。多重アンテナ技術を用いると、特定のサイズのセル領域内でデータ伝送速度を向上させたり、又は特定のデータ伝送速度を保障しながらシステムカバレッジ（ｃｏｖｅｒａｇｅ）を増加させることができる。また、この技術は、移動通信端末と中継機などに幅広く使用可能である。多重アンテナ技術によれば、単一のアンテナを使用した従来技術による移動通信における伝送量の限界を克服することが可能になる。

一般的な多重アンテナ（ＭＩＭＯ）通信システムの構成図が、図３に示されている。送信端では送信アンテナがＮ_Ｔ個設けられており、受信端では受信アンテナがＮ_Ｒ個が設けられている。このように送信端及び受信端の両方とも複数個のアンテナを使用する場合は、送信端又は受信端のいずれか一方のみ複数個のアンテナを使用する場合に比べて、理論的なチャネル伝送容量がより増加する。チャネル伝送容量の増加はアンテナの数に比例する。これにより、伝送レートが向上し、周波数効率が向上する。１個のアンテナを使用する場合の最大伝送レートをＲ_ｏとすれば、多重アンテナを使用する場合の伝送レートは、理論的に、下記の数式１のように、最大伝送レートＲ_ｏにレート増加率Ｒ_ｉを掛けた分だけ増加可能となる。ここで、Ｒ_ｉは、Ｎ_ＴとＮ_Ｒのうちの小さい値を表す。

例えば、４個の送信アンテナと４個の受信アンテナを用いるＭＩＭＯ通信システムでは、単一アンテナシステムに比べて理論上、４倍の伝送レートを取得できる。このような多重アンテナシステムの理論的容量増加が９０年代半ばに証明されて以来、これを実質的なデータ伝送率の向上へと導くための種々の技術が現在まで活発に研究されている。それらのいくつかの技術は既に３世代移動通信と次世代無線ＬＡＮなどの様々な無線通信の標準に反映されている。

現在までの多重アンテナ関連研究動向をみると、様々なチャネル環境及び多重接続環境における多重アンテナ通信容量計算などと関連した情報理論側面の研究、多重アンテナシステムの無線チャネル測定及び模型導出の研究、及び伝送信頼度の向上及び伝送率の向上のための時空間信号処理技術の研究などを含め、様々な観点で活発に研究が進行されている。

多重アンテナシステムにおける通信方法をより具体的な方法で説明するべく、それを数学的にモデリングすると、次のように示すことができる。図７に示すように、Ｎ_Ｔ個の送信アンテナとＮ_Ｒ個の受信アンテナが存在するとする。まず、送信信号について説明すると、Ｎ_Ｔ個の送信アンテナがある場合に、送信可能な最大情報はＮ_Ｔ個であるから、送信情報を下記の数式２のようなベクトルで表現できる。

一方、それぞれの送信情報

において送信電力を別々にしてもよい。それぞれの送信電力を

とする場合、送信電力の調整された送信情報をベクトルで示すと、下記の数式３の通りである。

また、

を送信電力の対角行列

を用いて示すと、下記の数式４の通りである。

一方、送信電力の調整された情報ベクトル

に重み行列

が適用され、実際に送信されるＮ_Ｔ個の送信信号（Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ ｓｉｇｎａｌ）

が構成される場合を考慮してみる。重み行列

は、送信情報を送信チャネル状況などに応じて各アンテナに適切に分配する役割を果たす。このように送信信号

は、ベクトル

を用いて下記の数式５のように表現できる。ここで、

は、ｉ番目の送信アンテナとｊ番目の情報間の重み値を意味する。

は、重み行列（Ｗｅｉｇｈｔ Ｍａｔｒｉｘ）又はプリコーディング行列（Ｐｒｅｃｏｄｉｎｇ Ｍａｔｒｉｘ）と呼ばれる。

一般に、チャネル行列のランクの物理的な意味は、与えられたチャネルで互いに異なった情報を送信できる最大数を意味する。したがって、チャネル行列のランク（ｒａｎｋ）は、互いに独立した（ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ）行（ｒｏｗ）又は列（ｃｏｌｕｍｎ）の個数のうち、最小個数と定義され、よって、行列のランクは、行（ｒｏｗ）又は列（ｃｏｌｕｍｎ）の個数より大きくなることはない。数式的に例を挙げると、チャネル行列Ｈのランク（ｒａｎｋ(Ｈ)）は、数式６のように制限される。

また、多重アンテナ技術を用いて送る互いに異なった情報のそれぞれを「送信ストリーム（Ｓｔｒｅａｍ）」、又は簡単に「ストリーム」と定義するものとする。このような「ストリーム」は、「レイヤー（Ｌａｙｅｒ）」と呼ぶこともできる。そのため、送信ストリームの個数は当然ながら、互いに異なった情報を送信できる最大数であるチャネルのランクより大きくなることがない。したがって、チャネル行列Ｈは、下記の数式７のように表すことができる。

ここで、「＃ｏｆ ｓｔｒｅａｍｓ」は、ストリームの数を表す。一方、ここで、１個のストリームは１個以上のアンテナから送信可能であるということに留意されたい。

１個以上のストリームを複数のアンテナに対応させる様々な方法が存在する。この方法を、多重アンテナ技術の種類によって次のように説明できる。１個のストリームが複数のアンテナから送信される場合は空間ダイバーシチ方式といえ、複数のストリームが複数のアンテナから送信される場合は空間マルチプレクシング方式といえる。勿論、これらの中間方式である、空間ダイバーシチと空間マルチプレクシングとの混合（Ｈｙｂｒｉｄ）した形態も可能である。

一方、次世代移動通信システムの標準であるＬＴＥ−Ａシステムでは、データ伝送率の向上のために、既存の標準では支援していなかったＣｏＭＰ（Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄ Ｍｕｌｔｉ Ｐｏｉｎｔ）送信方式を支援することが予想される。ここで、ＣｏＭＰ送信方式とは、陰影地域にある端末及び基地局（セル又はセクター）間の通信性能を向上させるために２個以上の基地局或いはセルが互いに協調して端末と通信するための送信方式のことをいう。

ＣｏＭＰ送信方式は、データ共有を用いた協調的ＭＩＭＯ形態のジョイントプロセシング（ＣｏＭＰ−Ｊｏｉｎｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ、ＣｏＭＰ−ＪＰ）及び協調スケジューリング／ビームフォーミング（ＣｏＭＰ−Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ／ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ、ＣｏＭＰ−ＣＳ／ＣＢ）方式に区別することができる。

下りリンクの場合、ジョイントプロセシング（ＣｏＭＰ−ＪＰ）方式において、端末は、ＣｏＭＰ送信方式を行う各基地局からデータを瞬間的に同時に受信することができ、各基地局から受信した信号を結合して受信性能を向上させることができる（Ｊｏｉｎｔ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ；ＪＴ）。また、ＣｏＭＰ送信方式を行う基地局のいずれか一つが特定時点に端末にデータを送信する方法も考慮することができる（ＤＰＳ；Ｄｙｎａｍｉｃ Ｐｏｉｎｔ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ）。

これと違い、協調スケジューリング／ビームフォーミング方式（ＣｏＭＰ−ＣＳ／ＣＢ）では、端末はビームフォーミングを通じてデータを瞬間的に一つの基地局、すなわち、サービング基地局から受信することができる。

上りリンクの場合、ジョイントプロセシング（ＣｏＭＰ−ＪＰ）方式において、各基地局は端末からＰＵＳＣＨ信号を同時に受信することができる（Ｊｏｉｎｔ Ｒｅｃｅｐｔｉｏｎ；ＪＲ）。これと違い、協調スケジューリング／ビームフォーミング方式（ＣｏＭＰ−ＣＳ／ＣＢ）では一つの基地局のみがＰＵＳＣＨを受信するが、このとき、協調スケジューリング／ビームフォーミング方式を用いるという決定は、協調セル（或いは、基地局）によって決定される。

以下では、チャネル状態情報（ｃｈａｎｎｅｌ ｓｔａｔｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ＣＳＩ）報告について説明する。現在、ＬＴＥ標準では、チャネル情報無しで運用される開ループ（ｏｐｅｎ−ｌｏｏｐ）ＭＩＭＯとチャネル情報に基づいて運用される閉ループ（ｃｌｏｓｅｄ−ｌｏｏｐ）ＭＩＭＯという２種類の送信方式が存在する。特に、閉ループＭＩＭＯでは、ＭＩＭＯアンテナの多重化利得（ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｇａｉｎ）を得るために、基地局及び端末のそれぞれはチャネル状態情報に基づいてビームフォーミングを行うことができる。基地局は、チャネル状態情報を端末から得るために、端末に参照信号を送信し、これに基づいて測定したチャネル状態情報をＰＵＣＣＨ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｕｐｌｉｎｋ Ｃｏｎｔｒｏｌ ＣＨａｎｎｅｌ）又はＰＵＳＣＨ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｕｐｌｉｎｋ Ｓｈａｒｅｄ ＣＨａｎｎｅｌ）を介してフィードバックするように命令する。

ＣＳＩは、ＲＩ（Ｒａｎｋ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）、ＰＭＩ（Ｐｒｅｃｏｄｉｎｇ Ｍａｔｒｉｘ Ｉｎｄｅｘ）、ＣＱＩ（Ｃｈａｎｎｅｌ Ｑｕａｌｉｔｙ Ｉｎｄｉｃａｔｉｏｎ）の３つの情報に大別される。まず、ＲＩは、上述したように、チャネルのランク情報を示し、端末が同一の周波数−時間リソースを用いて受信できるストリームの個数を意味する。また、ＲＩは、チャネルのロングタームフェーディング（ｌｏｎｇ ｔｅｒｍ ｆａｄｉｎｇ）によって決定されるため、一般に、ＰＭＩ、ＣＱＩ値に比べてより長い周期で基地局にフィードバックされる。

次に、ＰＭＩは、チャネルの空間特性を反映した値であり、ＳＩＮＲなどのメトリック（ｍｅｔｒｉｃ）を基準に、端末が好む基地局のプリコーディング行列インデックスを示す。最後に、ＣＱＩは、チャネルの強度を示す値であり、通常、基地局がＰＭＩを用いた時に得られる受信ＳＩＮＲを意味する。

以下では、参照信号についてより詳しく説明する。

一般に、チャネル測定のためにデータと共に送信側と受信側の両方で既に知っている参照信号が送信側から受信側に送信される。このような参照信号は、チャネル測定に加え、変調技法を知らせて復調過程が行われるようにする役割を果たす。参照信号は、基地局と特定端末のための専用参照信号（ｄｅｄｉｃａｔｅｄ ＲＳ；ＤＲＳ）、すなわち、端末特定参照信号と、セル内の全端末のためのセル特定参照信号である共通参照信号（ｃｏｍｍｏｎ ＲＳ又はＣｅｌｌ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ＲＳ；ＣＲＳ）とに区別される。また、セル特定参照信号は、端末でＣＱＩ／ＰＭＩ／ＲＩを測定して基地局に報告するための参照信号を含み、これをＣＳＩ−ＲＳ（Ｃｈａｎｎｅｌ Ｓｔａｔｅ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ−ＲＳ）と称する。

図４及び図５は、４個のアンテナを用いた下りリンク送信を支援するＬＴＥシステムにおける参照信号の構造を示す図である。特に、図４は一般（ｎｏｒｍａｌ）ＣＰ（Ｃｙｃｌｉｃ Ｐｒｅｆｉｘ）の場合を示し、図５は拡張（ｅｘｔｅｎｄｅｄ）ＣＰの場合を示す。

図４及び図５を参照すると、格子に記載された０乃至３は、アンテナポート０乃至３のそれぞれに対応してチャネル測定とデータ復調のために送信されるセル特定参照信号であるＣＲＳ（Ｃｏｍｍｏｎ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｉｇｎａｌ）を意味し、セル特定参照信号のＣＲＳは、データ情報領域の他、制御情報領域全般にわたっても端末に送信されている。

また、格子に記載された「Ｄ」は、端末特定ＲＳである下りリンクＤＭ−ＲＳ（Ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ−ＲＳ）を意味し、ＤＭ−ＲＳは、データ領域、すなわち、ＰＤＳＣＨ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｄｏｗｎｌｉｎｋ Ｓｈａｒｄ ＣＨａｎｎｅｌ）を通じて単一アンテナポート送信を支援する。端末特定ＲＳであるＤＭ−ＲＳ存在の有無は上位層を通じて端末にシグナリングされる。図４及び図５は、アンテナポート５に対応するＤＭ−ＲＳを例示しており、３ＧＰＰ標準文書３６．２１１ではアンテナポート７乃至１４、すなわち、総８個のアンテナポートに対するＤＭ−ＲＳも定義している。

図６は、現在３ＧＰＰ標準文書で定義している下りリンクＤＭ−ＲＳ割り当て例を示す図である。

図６を参照すると、ＤＭ−ＲＳグループ１にはアンテナポート｛７、８、１１、１３｝に該当するＤＭ−ＲＳがアンテナポート別シーケンスを用いてマップされ、ＤＭ−ＲＳグループ２にはアンテナポート｛９、１０、１２、１４｝に該当するＤＭ−ＲＳが同様、アンテナポート別シーケンスを用いてマップされる。

一方、上述したＣＳＩ−ＲＳは、ＣＲＳとは別にＰＤＳＣＨに対するチャネル測定を目的に提案されたし、ＣＲＳとは違い、ＣＳＩ−ＲＳは、多重セル環境でセル間干渉（ｉｎｔｅｒ−ｃｅｌｌ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ；ＩＣＩ）を減らすために、最大３２通りの異なったリソース設定（ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）が定義されてもよい。

ＣＳＩ−ＲＳ（リソース）設定は、アンテナポートの個数によってそれぞれ異なり、隣接セル間には、できるだけ異なった（リソース）設定と定義されたＣＳＩ−ＲＳが送信されるように構成される。ＣＳＩ−ＲＳは、ＣＲＳとは違い、最大８個のアンテナポートまで支援し、３ＧＰＰ標準文書では、アンテナポート１５乃至２２までの総８個のアンテナポートをＣＳＩ−ＲＳのためのアンテナポートとして割り当てる。下記の表１及び表２は、３ＧＰＰ標準文書で定義しているＣＳＩ−ＲＳ設定を示すものであり、特に、表１は、一般（Ｎｏｒｍａｌ ＣＰ）である場合を、表２は、拡張ＣＰ（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ ＣＰ）である場合を示している。

表１及び表２で、

は、ＲＥインデックスを表し、

は、副搬送波インデックスを、

は、ＯＦＤＭシンボルインデックスを表す。図７は、現在３ＧＰＰ標準文書で定義されたＣＳＩ−ＲＳ設定のうち、一般ＣＰの場合におけるＣＳＩ−ＲＳ設定＃０を例示する。

また、ＣＳＩ−ＲＳサブフレーム設定を定義することができ、これは、サブフレーム単位で表現される周期

とサブフレームオフセット

で構成される。下記の表３は、３ＧＰＰ標準文書で定義しているＣＳＩ−ＲＳサブフレーム設定を示すものである。

以下、アンテナポート間ＱＣＬ（Ｑｕａｓｉ Ｃｏ−Ｌｏｃａｔｉｏｎ）について説明する。

アンテナポート間ＱＣＬされているということは、端末が一つのアンテナポートから受信する信号（或いは、当該アンテナポートに対応する無線チャネル）の広範囲特性（ｌａｒｇｅ−ｓｃａｌｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ）が、他のアンテナポートから受信する信号（或いは、当該アンテナポートに対応する無線チャネル）の広範囲特性と全て又は一部が同一だと仮定し得るということを意味する。ここで、広範囲特性は、周波数オフセットに関連したドップラー拡散（Ｄｏｐｐｌｅｒ ｓｐｒｅａｄ）、ドップラーシフト（Ｄｏｐｐｌｅｒ ｓｈｉｆｔ）、タイミングオフセットに関連した平均遅延（ａｖｅｒａｇｅ ｄｅｌａｙ）、遅延拡散（ｄｅｌａｙ ｓｐｒｅａｄ）などを含み、さらに平均利得（ａｖｅｒａｇｅ ｇａｉｎ）も含むことができる。

上の定義によれば、端末はＱＣＬされていないアンテナポート、すなわち、ＮＱＣＬ（Ｎｏｎ Ｑｕａｓｉ ｃｏ−Ｌｏｃａｔｅｄ）されたアンテナポート間には広範囲特性が同一であると仮定することができない。この場合、端末はアンテナポート別に周波数オフセット及びタイミングオフセットなどを取得するためのトラッキング（ｔｒａｃｋｉｎｇ）手順を独立して行わなければならない。

一方、ＱＣＬされているアンテナポート間については端末が次のような動作を行うことができるという利点がある。

１）端末が特定アンテナポートに対応する無線チャネルに対する電力−遅延プロファイル（ｐｏｗｅｒ−ｄｅｌａｙ ｐｒｏｆｉｌｅ）、遅延拡散、ドップラースペクトル（Ｄｏｐｐｌｅｒ ｓｐｅｃｔｒｕｍ）及びドップラー拡散推定の結果を、他のアンテナポートに対応する無線チャネルに対するチャネル推定時に用いられるウィナーフィルター（Ｗｉｅｎｅｒ ｆｉｌｔｅｒ）パラメータなどに同一に適用することができる。

２）また、端末は、特定アンテナポートに対する時間同期及び周波数同期を取った後、同一の同期を他のアンテナポートに対しても適用することができる。

３）最後に、平均利得に関しても、端末は、ＱＣＬされているアンテナポートのそれぞれに対するＲＳＲＰ（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｉｇｎａｌ Ｒｅｃｅｉｖｅｄ Ｐｏｗｅｒ）測定値を平均値として計算することができる。

例えば、端末がＰＤＣＣＨ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｄｏｗｎｌｉｎｋ Ｃｏｎｔｒｏｌ ＣＨａｎｎｅｌ）を介してＤＭ−ＲＳベース下りリンクデータチャネルスケジューリング情報を受信すると、端末は、当該スケジューリング情報で示すＤＭ−ＲＳシーケンスを用いてＰＤＳＣＨに対するチャネル推定を行った後、データ復調を行う場合であると仮定する。

このような場合、端末が下りリンクデータチャネル復調をするためのＤＭ−ＲＳアンテナポートがサービングセルのＣＲＳアンテナポートとＱＣＬされていると、端末は、当該ＤＭ−ＲＳアンテナポートを用いたチャネル推定時に、自身のＣＲＳアンテナポートから推定した無線チャネルの広範囲特性（ｌａｒｇｅ−ｓｃａｌｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ）をそのまま適用し、ＤＭ−ＲＳベース下りリンクデータチャネル受信性能を向上させることができる。

同様に、端末が下りリンクデータチャネル復調をするためのＤＭ−ＲＳアンテナポートがサービングセルのＣＳＩ−ＲＳアンテナポートとＱＣＬされていると、端末は、当該ＤＭ−ＲＳアンテナポートを用いたチャネル推定時に、サービングセルのＣＳＩ−ＲＳアンテナポートから推定した無線チャネルの広範囲特性をそのまま適用し、ＤＭ−ＲＳベース下りリンクデータチャネル受信性能を向上させることができる。

一方、ＬＴＥシステムでは、ＣｏＭＰモードで下りリンク信号を送信する際、基地局が上位層信号を用いてＱＣＬタイプＡ及びＱＣＬタイプＢのうちの一つを端末に設定するように定義している。

ここで、ＱＣＬタイプＡは、ＣＲＳ、ＤＭ−ＲＳ及びＣＳＩ−ＲＳのアンテナポートが、平均利得以外の広範囲特性がＱＣＬされていると仮定するものであり、同一のノード（ｐｏｉｎｔ）で物理チャネル及び信号が送信されているということを意味する。一方、ＱＣＬタイプＢは、ＤＰＳ、ＪＴなどのＣｏＭＰ送信が可能なように、端末当たり最大４個までのＱＣＬモードを上位層メッセージを用いて設定し、それらのうちどのＱＣＬモードで下りリンク信号を受信しなければならないかを動的にＤＣＩ（ｄｏｗｎｌｉｎｋ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）を用いて設定するように定義されている。

ＱＣＬタイプＢが設定された場合のＤＰＳ送信に関して、より具体的に説明する。

まず、Ｎ_１個のアンテナポートで構成されたノード＃１は、ＣＳＩ−ＲＳリソース（ｒｅｓｏｕｒｃｅ）＃１を送信し、Ｎ_２個のアンテナポートで構成されたノード＃２は、ＣＳＩ−ＲＳリソース（ｒｅｓｏｕｒｃｅ）＃２を送信すると仮定する。この場合、ＣＳＩ−ＲＳリソース＃１をＱＣＬモードパラメータセット＃１に含め、ＣＳＩ−ＲＳリソース＃２をＱＣＬモードパラメータセット＃２に含める。さらに、基地局はノード＃１及びノード＃２の共通カバレッジ内に存在する端末に、上位層信号によってパラメータセット＃１及びパラメータセット＃２を設定する。

その後、基地局が当該端末にノード＃１を介してデータ（すなわち、ＰＤＳＣＨ）送信時にＤＣＩを用いてパラメータセット＃１を設定し、ノード＃２を介してデータ送信時にパラメータセット＃２を設定する方式でＤＰＳを行うことができる。端末にとっては、ＤＣＩによってパラメータセット＃１が設定されると、ＣＳＩ−ＲＳリソース＃１とＤＭ−ＲＳがＱＣＬされていると仮定し、パラメータセット＃２が設定されると、ＣＳＩ−ＲＳリソース＃２とＤＭ−ＲＳがＱＣＬされていると仮定することができる。

以下、能動アンテナシステム（Ａｃｔｉｖｅ Ａｎｔｅｎｎａ Ｓｙｓｔｅｍ；ＡＡＳ）及び３次元ビームフォーミングについて説明する。

既存のセルラーシステムにおいて、基地局は、機械的ティルティング（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｔｉｌｔｉｎｇ）或いは電気的ティルティング（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｔｉｌｔｉｎｇ）を用いてセル間干渉を減らし、セル内端末のスループット、例えばＳＩＮＲ（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｐｌｕｓ Ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）を向上させる方案を用いてきた。図面を参照してより詳しく説明する。

図８は、アンテナティルティング方式を説明するための図である。特に、図８の（ａ）には、アンテナティルティングが適用されていないアンテナ構造を示し、図８の（ｂ）には、機械的ティルティングが適用されたアンテナ構造を示し、図８の（ｃ）には、機械的ティルティングと電気的ティルティングの両方が適用されたアンテナ構造を示す。

図８の（ａ）と図８の（ｂ）とを比較すると、機械的ティルティングの場合、図８の（ｂ）のように、初期設置時にビーム方向が固定されてしまうという短所がある。さらに、電気的ティルティングの場合、図８の（ｃ）のように、内部位相遷移（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ）モジュールを用いてティルティング角（ｔｉｌｔｉｎｇ ａｎｇｌｅ）を変更することができるが、事実上、セル固定的ティルティングから、非常に制約的な垂直ビームフォーミングしかできないという短所がある。

図９は、既存のアンテナシステムと能動アンテナシステム（Ａｃｔｉｖｅ Ａｎｔｅｎｎａ Ｓｙｓｔｅｍ；ＡＡＳ）とを比較する図である。特に、図９の（ａ）には既存のアンテナシステムを示し、図９の（ｂ）には能動アンテナシステムを示す。

図９を参照すると、能動アンテナシステムは、既存のアンテナシステムと違い、複数のアンテナモジュールのそれぞれが電力増幅器をはじめとしてＲＦモジュール、すなわち、能動（ａｃｔｉｖｅ）素子を備えており、アンテナモジュールのそれぞれに対して電力及び位相を調節できるという特徴を有する。

一般に考慮してきたＭＩＭＯアンテナ構造は、ＵＬＡ（ｕｎｉｆｏｒｍ ｌｉｎｅａｒ ａｒｒａｙ）のように、線形的な、すなわち、１次元アレイのアンテナを考慮した。このような１次元アレイ構造では、ビームフォーミングで生成可能なビームが２次元平面内に存在する。これは、既存の基地局の受動アンテナシステム（Ｐａｓｓｉｖｅ Ａｎｔｅｎｎａ Ｓｙｓｔｅｍ；ＰＡＳ）ベースのＭＩＭＯ構造にも適用される。ＰＡＳベースの基地局にも垂直アンテナ及び水平アンテナが存在するが、垂直アンテナは一つのＲＦモジュールに拘束されているため、垂直方向にビームフォーミングが不可能であり、上述した機械的ティルティングしか適用することができない。

しかし、基地局のアンテナ構造が能動アンテナシステムへと進化しながら、垂直方向のアンテにも独立したＲＦモジュールが具現されることとなり、これによって、水平方向だけでなく垂直方向にもビームフォーミングが可能になった。これをエレベーションビームフォーミング（ｅｌｅｖａｔｉｏｎ ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ）と呼ぶ。

エレベーションビームフォーミングによれば、生成可能なビームを、垂直及び水平方向へと３次元空間に表現することができ、これを３次元ビームフォーミングと呼ぶこともできる。すなわち、３次元ビームフォーミングは、１次元アレイのアンテナ構造から平面形態の２次元アレイのアンテナ構造に進化することから可能になったものである。ここで、３次元ビームフォーミングは、アンテナアレイが必らしも平面（ｐｌａｎａｒ）形状である必要はなく、リング（ｒｉｎｇ）形状の３次元形態のアレイ構造でも可能である。３次元ビームフォーミングの特徴は、既存の１次元アレイのアンテナ構造ではなく様々な形態のアンテナ配置によってＭＩＭＯプロセスが３次元空間上でなされるということにある。

図１０は、能動アンテナシステムに基づいて端末特定ビームを形成した例を示す図である。図１０を参照すると、３次元ビームフォーミングによって、端末が基地局の左右に動く場合だけでなく、前後に動く場合にもビームフォーミングが可能であり、端末特定ビーム形成に、より高い自由度が提供されることがわかる。

なお、能動アンテナベースの２次元アレイのアンテナ構造を用いた送信環境としては、室外基地局から室外端末に送信する環境だけでなく、室外基地局が室内端末に送信する環境（Ｏ２Ｉ、Ｏｕｔｄｏｏｒ ｔｏ Ｉｎｄｏｏｒ）、及び室内基地局が室内端末に送信する環境（Ｉｎｄｏｏｒ ｈｏｔｓｐｏｔ）などを考慮することができる。

図１１は、能動アンテナシステムベースの２次元ビーム送信シナリオを示す図である。

図１１を参照すると、セル内に様々な複数の建物が存在する実際セル環境を仮定すると、基地局は、端末特定水平ビーム操向だけでなく、建物の高さによる様々な端末の高さを考慮した垂直ビーム操向能力まで考慮しなければならない。このようなセル環境を考慮する場合、既存の無線チャネル環境とは多く異なるチャネル特性、例えば、高さの差による陰影／経路損失変化、フェーディング特性変化などを反映する必要がある。

言い換えると、３次元ビームフォーミングは、既存に線形的な１次元アレイのアンテナ構造に基づいて水平方向にのみなされた水平ビームフォーミングが進化したものであり、平面配列（ｐｌａｎａｒ ａｒｒａｙ）などの多次元アレイのアンテナ構造に基づいてエレベーションビームフォーミング或いは垂直ビームフォーミングまで拡張及び結合された形態のＭＩＭＯプロセシング技法を意味する。

３Ｄビームフォーミング、特に、端末特定３Ｄビームフォーミングは、端末の水平的、垂直的位置と３次元空間上のスキャッタリング（ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）環境に応じて送信性能を最適化できるという長所がある。しかしながら、端末特定３Ｄビームフォーミングは閉ループプリコーディング方式であり、これを円滑に行うには、基地局と端末との間に正確なチャネル状態情報（ＣＳＩ）が要求される。増加した基地局アンテナ数と次元（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）によって、ＭＩＭＯ送信方式による性能の最低値と最大値との差がより酷くなるので、チャネル推定誤り、フィードバック誤り及びチャネルエージング（ａｇｉｎｇ）などの基地局ＣＳＩ推定誤りの要因による性能敏感度がより一層高くなるためである。基地局のＣＳＩ推定誤りが大きくないとチャネルコーディングなどの効果によって正常な送信になり得るが、そのＣＳＩ推定誤りが大きい場合にはパケット受信誤りが発生し、パケット再伝送が起こるなど、深刻な性能低下が発生しうる。

例えば、基地局に対して水平方向に高速移動中の端末に３Ｄビームフォーミングを行うとパケット再伝送が起こる確率が高い。従来ではこのような端末に開ループプリコーディング方式を用いたが、水平方向に高速移動中の端末は垂直方向には静的な（ｓｔａｔｉｃ）チャネルを経るので、垂直ビームフォーミングを行うことが有利である。逆に、垂直方向に高速移動中の端末或いは垂直方向にスキャッタリングの酷い環境にある端末には、水平ビームフォーミングを行うことが有利である。また、狭くて高いビルの間に位置している端末には３Ｄビームフォーミングを行うものの、基地局が水平ビームフォーミング方向を特定方向に固定することができる。すなわち、当該端末には垂直ビームフォーミングのみのためにフィードバック情報を構成するように誘導し、フィードバックオーバーヘッドを減らすことができる。

このことから、３Ｄビームフォーミング環境においてユーザ環境に応じて２Ｄビームフォーミング、すなわち、垂直ビームフォーミング又は水平ビームフォーミングのいずれかを行うＰＤビームフォーミング（ｐａｒｔｉａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ）が提案されている。ＰＤビームフォーミングは、２次元配列の送信アンテナポートを有する基地局が、垂直プリコーダ又は水平プリコーダのいずれか一方に閉ループプリコーディングを行い、他方には、システムで規定したプリコーディング方式（Ｄｅｆａｕｌｔ ｐｒｅｃｏｄｉｎｇ）、基地局或いはネットワークであらかじめ指定したプリコーディング方式（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｐｒｅｃｏｄｉｎｇ）及び基地局が無作為に決めたプリコーディング方式（Ｒａｎｄｏｍ ｐｒｅｃｏｄｉｎｇ）のいずれか一つを適用することを特徴とする。

図１２は、既存のプリコーディング方式とＰＤビームフォーミング技法の特徴を比較する図である。特に、図１２で、左図は既存のプリコーディング方式を例示し、右図はＰＤビームフォーミング技法を例示している。

図１２を参照すると、生成されるビームの領域は、水平方向及び垂直方向のいずれか一方向にのみ狭幅のビームが形成される。このため、特定方向に動く端末に一定レベルのビーム利得を与えることが可能である。

図１３は、既存のプリコーディング方式と適応的ビーム幅調節が適用されたＰＤビームフォーミングとを比較する図である。

ＰＤビームフォーミングに適応的ビーム幅調節方式を適用する場合、図１３のようにビームフォーミング方式を表現することができる。すなわち、端末が垂直或いは水平方向に動く場合、ドップラーが少ない方向、すなわち、端末の動きに直交する方向には閉ループビームフォーミングを行い、ドップラーが一定レベル存在する方向には、端末の速度に基づいて、送信に参加するアンテナ数を調節してビーム幅を調節する。

このように、端末の垂直方向及び水平方向の速度を正確に把握できると垂直方向及び水平方向に適用するビーム幅を適応的に変化させることができるので、ＰＤビームフォーミングを円滑に適用するためには、垂直方向及び水平方向に動く端末の移動速度を把握することが重要である。ビーム幅を適応的に変化させるためには、送信アンテナ数の変更、アンテナ別送信電力の割り当て、位相変化などを用いることができる。

端末が垂直方向と水平方向への速度を測定するために、図１４に示すように領域を決定する必要がある。図１４は、本発明の実施例によって端末と基地局の位置を基準に測定領域（ｄｏｍａｉｎ）を定義した例である。

図１４を参照すると、端末の位置を基準に、エレベーション（ｅｌｅｖａｔｉｏｎ）方向又は重力方向をｚ軸と表現し、基地局と端末の位置を直線で繋いだとき、この方向を水平面又は地面に投影（ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ）した軸をｙ軸（すなわち、ｙ軸は、ｚ軸と垂直である。）と表現し、そしてｚ軸、ｙ軸と垂直である水平面の残る軸をｘ軸と表現する。また、基地局と端末の位置を直線で繋いだ線と垂直であるｙ−ｚ平面上の軸をｗ軸と表現する。また、端末から眺めた基地局の方向をｂ方向と表現する。すなわち、ｂ軸とｗ軸は互いに垂直である。

図１５は、本発明の実施例によって基地局が水平ビームフォーミングを行う場合を示し、図１６は、本発明の実施例によって基地局が垂直ビームフォーミングを行う場合を示す。

図１５に示すように、基地局が水平方向にビームフォーミングを行うと、このビームは、端末基準でｘ軸に沿って動くと考えることができる。また、図１６に示すように、基地局が垂直方向にビームフォーミングを行うと、このビームは、端末基準でｗ軸に沿って動くと考えることができる。したがって、基地局は、ｘ軸に動く端末の速度とｗ軸に動く端末の速度が把握できると、垂直方向と水平方向への送信技法を決めることができる。例えば、それぞれ閉ループを適用するか又は開ループを適用するか、或いはそれぞれのビーム幅のようにＭＩＭＯプリコーダを構成するためのパラメータを決定することができる。

そこで、本発明では、端末が基地局との相対的な位置による垂直ビームフォーミング方向への速度と水平ビームフォーミング方向への速度を測定し、基地局にそれぞれフィードバックすることを提案する。基地局に報告するこの速度情報は、絶対速度情報、加速度情報、ドップラー情報のうち少なくとも一つを含む。

具体的に、垂直ビームフォーミング方向への移動速度（ｖ_ｗ）と水平ビームフォーミング方向への移動速度（ｖ_ｘ）は、端末の絶対移動速度（ｖ）、端末の基地局方向への移動速度（ｖ_ｂ）及び端末の上下方向移動速度（ｖ_ｚ）を測定して算出することができる。ｗ軸、ｂ軸及びｚ軸は同一平面内にあるので、ｗ軸の成分（ｖ_ｗ）は、ｂ軸及びｚ軸の値から測定することができる。端末の絶対移動速度（ｖ）と上下方向移動速度（ｖ_ｚ）は、端末内の各種センサー（重力センサー、加速度センサー、勾配センサーなど）を用いて取得可能である。

しかし、端末の基地局方向への速度（ｖ_ｂ）は、基地局の位置を知らなくては把握できず、端末のセンサーだけでは取得し難い。このため、端末の基地局方向への速度（ｖ_ｂ）は、基地局送信信号のドップラーの程度を把握して測定することが好ましい。ドップラーによる周波数変化量は、下記の式８のように受信器の送信器への相対速度（Δｖ）によって決定される。下記の式８で、ｃは、電磁気波の速度を表し、ｆ_０は送信信号の周波数を表す。

したがって、式８のように周波数の変化量を測定することによって、端末がｂ軸に沿って移動している速度が把握でき、よって、ｖ_ｂを測定することができる。

また、端末の基地局方向への速度（ｖ_ｂ）は、単位時間当たり基地局送信信号の到達時間変化量を把握して測定することもできる。具体的に、速度は、単位時間当たりの位置変化量であるから、基地局方向（ｂ軸）に位置が変化する場合には基地局と端末との距離が変化するので、基地局から送信された信号が端末に伝達する時間も変化する。したがって、信号到達時間の差を測定することによってｖ_ｂを測定することもできる。

上記の到達時間変化量は、信号同期化過程を用いて測定することができる。一般に、端末は絶えず基地局の信号と同期化を行っており、このような同期化過程における同期化タイミングの変化から遅延時間変化を推定することができる。又は、基地局から周期的に送信したり、又は定められた時間間隔だけ離れている２つ以上のＲＥで送信する特定信号を基準に、基地局送信周期と端末受信周期との差から到達時間変化量を推定することができる。例えば、１ｍｓｅｃの周期で送信される信号を０．９５ｍｓｅｃで受信した場合は、伝達時間が０．０５ｍｓｅｃ短縮しており、その分だけ基地局に近づいたことを意味する。この測定の目的に、ＬＴＥシステムでは、既に定義された信号であるＣＲＳ、ＣＳＩ−ＲＳ、ＰＳＳ、ＳＳＳ、ＰＲＳ、ＵＥ−ｓｐｅｃｉｆｉｃ ＲＳなどを用いることができる。或いは、上記の目的のために新しい信号が定義されてもよい。

上記の方式を用いてｖ_ｂとｖ_ｚを測定すると、結果としてｖ_ｗを推定することができる。

端末は自身の移動速度（ｖ）を測定し、当該３次元速度ベクトルを、ｂ−ｚ−ｗ−ｙが全て集まっている平面に垂直な成分（ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）である、水平ビームフォーミング方向への移動速度（ｖ_ｘ）成分を容易に得ることができる。例えば、ベクトルｖは、互いに垂直であるｂ軸−ｗ軸−ｘ軸成分値と表現可能であり、次の式９のような関係式が成立する。

上記の式９によって、ｖ、ｖ_ｂ及びｖ_ｗからｖ_ｘを求めることができる。

一方、基地局と端末間の高さの差に比べて基地局と端末間の距離が非常に遠い場合、ｗ軸はｚ軸と略一致するようになる。この場合、端末の上下の動きがエレベーションビームフォーミング角度を左右することとなる。一方、基地局と端末間の高さの差に比べて基地局と端末間の距離が非常に近い場合、ｗ軸はｙ軸と略一致するようになる。すなわち、この場合、端末の上下の動きよりは、基地局に近づいたり遠ざかったりする動きによってエレベーションビームフォーミングの角度が変化する。

したがって、基地局と端末間の高さの差に比べて基地局と端末間の距離が遠いと判断される場合、垂直ビームフォーミング方向への移動速度（ｖ_ｗ）は、端末の上下方向の移動速度（ｖ_ｚ）を測定して求めることが好ましい。同様に、基地局と端末間の高さの差に比べて基地局と端末間の距離が近いと判断される場合、垂直ビームフォーミング方向への移動速度（ｖ_ｗ）は、単位時間当たり端末と基地局との距離変化（ｖ_ｙ）を測定して求めることが好ましい。

上記の単位時間当り端末と基地局との距離変化は、基地局と端末の水平面上の位置（ｘ−ｙ平面）を知っているとき、端末の相対的位置変化量から読み取ることができる。端末の位置は、ＧＰＳ情報などを用いて取得することができる。もちろん、基地局の位置は、基地局が端末に知らせることができる。

本発明は、下りリンクを基準に説明したが、これに制限されるものではない。すなわち、上りリンクにおいて、下りリンクにおける基地局と端末の役割を代えて本提案を適用することもできる。また、端末間直接通信においても、本発明の基地局が端末である形態を適用して本提案を適用することもできる。

また、本発明で提案するフィードバック情報を広帯域システムで適用すると、特定周波数領域（例えば、サブバンド、サブキャリア、リソースブロックなど）に区分し、各周波数領域に対して別個のフィードバック情報集合をフィードバックすることができる。或いは、端末が選択したり又は基地局が指定した特定周波数領域に対してのみフィードバック情報を送信することもできる。この周波数領域は、１つ以上の連続した周波数領域で構成されてもよく、不連続した周波数領域で構成されてもよい。

図１７は、本発明の一実施例に係る通信装置のブロック構成図である。

図１７を参照すると、通信装置１７００は、プロセッサ１７１０、メモリ１７２０、ＲＦモジュール１７３０、ディスプレイモジュール１７４０、及びユーザインターフェースモジュール１７５０を備えている。

通信装置１７００は説明の便宜のために示されたもので、一部のモジュールは省略されてもよい。また、通信装置１７００は必要なモジュールをさらに備えてもよい。また、通信装置１７００において一部のモジュールはより細分化したモジュールに区分されてもよい。プロセッサ１７１０は、図面を参照して例示した本発明の実施例に係る動作を実行するように構成される。具体的に、プロセッサ１７１０の詳細な動作は、図１乃至図１６に記載された内容を参照すればよい。

メモリ１７２０は、プロセッサ１７１０に接続し、オペレーティングシステム、アプリケーション、プログラムコード、データなどを格納する。ＲＦモジュール１７３０は、プロセッサ１７１０に接続し、基底帯域信号を無線信号に変換したり、無線信号を基底帯域信号に変換する機能を果たす。そのために、ＲＦモジュール１７３０は、アナログ変換、増幅、フィルタリング及び周波数アップ変換又はこれらの逆過程を行う。ディスプレイモジュール１７４０は、プロセッサ１７１０に接続し、様々な情報をディスプレイする。ディスプレイモジュール１７４０は、特に制限されるものではなく、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、ＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）のような周知の要素を用いることができる。ユーザインターフェースモジュール１７５０は、プロセッサ１７１０に接続し、キーパッド、タッチスクリーンなどのような周知のユーザインターフェースの組合せで構成可能である。

以上説明してきた実施例は、本発明の構成要素及び特徴を所定の形態で結合したものである。各構成要素又は特徴は、別の明示的な言及がない限り、選択的なものとして考慮しなければならない。各構成要素又は特徴は、他の構成要素や特徴と結合しない形態で実施することもでき、一部の構成要素及び／又は特徴を結合して本発明の実施例を構成することもできる。本発明の実施例で説明される動作の順序は変更されてもよい。ある実施例の一部構成や特徴は、他の実施例に含まれてもよく、他の実施例の対応する構成又は特徴に取り替わってもよい。特許請求の範囲において明示的な引用関係にない請求項を結合して実施例を構成したり、出願後の補正により新しい請求項として含めたりできるということは明らかである。

本文書で基地局によって行われるとした特定動作は、場合によってはその上位ノード（ｕｐｐｅｒ ｎｏｄｅ）によって行われることもある。すなわち、基地局を含む複数のネットワークノード（ｎｅｔｗｏｒｋ ｎｏｄｅｓ）からなるネットワークにおいて端末との通信のために行われる様々な動作は、基地局又は基地局以外の他のネットワークノードによって行われ得ることは明らかである。基地局は、固定局（ｆｉｘｅｄ ｓｔａｔｉｏｎ）、ＮｏｄｅＢ、ｅＮｏｄｅＢ（ｅＮＢ）、アクセスポイント（ａｃｃｅｓｓ ｐｏｉｎｔ）などの用語にしてもよい。

本発明に係る実施例は、様々な手段、例えば、ハードウェア、ファームウェア（ｆｉｒｍｗａｒｅ）、ソフトウェア又はそれらの結合などによって具現することができる。ハードウェアによる具現では、本発明の一実施例は、一つ又はそれ以上のＡＳＩＣｓ（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ）、ＤＳＰｓ（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒｓ）、ＤＳＰＤｓ（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅｓ）、ＰＬＤｓ（ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅｓ）、ＦＰＧＡｓ（ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙｓ）、プロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサなどによって具現することができる。

ファームウェアやソフトウェアによる具現では、本発明の一実施例は、以上で説明された機能又は動作を実行するモジュール、手順、関数などの形態で具現されてもよい。ソフトウェアコードは、メモリユニットに記憶され、プロセッサによって駆動可能である。メモリユニットは、プロセッサの内部又は外部に設けられ、公知の様々な手段によってプロセッサとデータを交換することができる。

本発明は、本発明の特徴から逸脱しない範囲で別の特定の形態に具体化できるということが当業者にとっては自明である。したがって、上記の詳細な説明は、いずれの面においても制限的に解釈してはならず、例示的なものとして考慮しなければならない。本発明の範囲は、添付の請求項の合理的な解釈によって決定すべきであり、本発明の等価的範囲内における変更はいずれも本発明の範囲に含まれる。

上述したような無線通信システムにおいて多重アンテナビームフォーミングのために端末の移動性測定方法及びそのための装置は、３ＧＰＰ ＬＴＥシステムに適用される例を中心に説明したが、３ＧＰＰ ＬＴＥシステムの他にも様々な無線通信システムに適用可能である。

Claims (8)

1. 無線通信システムにおける多重アンテナベースのビームフォーミングのために端末（ＵＥ）でビーム幅を制御する方法であって、前記方法は、
   基地局から信号を受信することと、
   前記信号に基づいて、前記ＵＥの垂直ビームフォーミング方向移動速度（ｖ_ｗ）及び水平ビームフォーミング方向移動速度（ｖ_ｘ）の移動速度情報を算出することと、
   前記移動速度情報を前記基地局に報告することと、
   前記基地局から、前記移動速度情報に基づいたビームフォーミングされた信号を受信することと
   を含み、
   前記ビームフォーミングされた信号は、前記ＵＥの移動方向で前記移動速度情報に従って送信に参加するアンテナの数を調節することにより前記ビーム幅を制御することによって、かつ、前記ＵＥの移動方向に直交する方向で閉ループビームフォーミングを行うことによって、決定される、方法。
2. 前記移動速度情報を算出することは、
   前記ＵＥの絶対移動速度（ｖ）及び前記ＵＥの上下方向移動速度（ｖ_ｚ）を測定することと、
   前記絶対移動速度（ｖ）、前記上下方向移動速度（ｖ_ｚ）及び前記ＵＥの基地局方向への速度（ｖ_ｂ）に基づいて、前記ＵＥの前記垂直ビームフォーミング方向移動速度（ｖ_ｗ）及び前記水平ビームフォーミング方向移動速度（ｖ_ｘ）の前記移動速度情報を算出することと
   を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記ＵＥの基地局方向への速度（ｖ_ｂ）は、前記信号のドップラー変化量に基づいて決定される、請求項１に記載の方法。
4. 前記ＵＥの基地局方向への速度（ｖ_ｂ）は、前記信号の前記ＵＥへの到達時間変化量に基づいて決定される、請求項１に記載の方法。
5. 無線通信システムにおける多重アンテナベースのビームフォーミングのために基地局でビーム幅を制御する方法であって、前記方法は、
   端末（ＵＥ）に信号を送信することと、
   前記ＵＥから、前記信号に基づいて算出された、前記ＵＥの垂直ビームフォーミング方向移動速度（ｖ_ｗ）及び水平ビームフォーミング方向移動速度（ｖ_ｘ）の移動速度情報を受信することと、
   前記ＵＥの移動方向に直交する方向で閉ループビームフォーミングを行うことと、
   前記ＵＥの移動方向で前記移動速度情報に従って送信に参加するアンテナの数を調節することにより前記ビーム幅を制御することと、
   閉ループビームフォーミングを行うことによって、かつ、前記ビーム幅を制御することによって決定されるビームフォーミングされた信号を前記ＵＥに送信することと
   を含む、方法。
6. 前記移動速度情報は、前記ＵＥによって、前記ＵＥの絶対移動速度（ｖ）、前記ＵＥの上下方向移動速度（ｖ_ｚ）及び前記ＵＥの基地局方向への速度（ｖ_ｂ）に基づいて算出される、請求項５に記載の方法。
7. 前記ＵＥの基地局方向への速度（ｖ_ｂ）は、前記信号のドップラー変化量に基づいて決定される、請求項５に記載の方法。
8. 前記ＵＥの基地局方向への速度（ｖ_ｂ）は、前記信号の前記ＵＥへの到達時間変化量に基づいて決定される、請求項５に記載の方法。
   

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