JP6515128B2 - コードブックを生成する方法 - Google Patents

Description

本発明は、局がMIMO送信を用いる通信システム及び通信方法に関する。特定の例では、本発明は、UMTS Long Term Evolution(LTE)ネットワークのようなモバイル・ネットワークに関する。

LTEのような無線通信において、(evolved Node B又はeNodeBとも呼ばれる)基地局及び(使用者機器又はUEとも呼ばれる)端末の両方は一般的に複数のアンテナを備える。これは、MIMO動作を可能にする。移動端末は、一般的に、アンテナの各ペアのためのダウンリンク・チャネルを測定し、基地局に送信するためのチャネル状態レポートを導き出す。そして基地局は、
・どの端末に対して送信すべきか
・どの周波数/時間/符号リソースが用いられるか
・MIMO送信モード（例えば、空間ストリームの数、SU-MIMO又はMU-MIMO）
のような、スケジューリング決定のためにこの情報を用いることができる。

チャネル状態情報を取得するための効果的な方法は、送信機において適用された場合に最も高いデータ速度をもたらすプリコーダのコードブックからのエントリーを選択することである。想定される空間ストリームの数は、一般的に、そのようなレポートの一部である。

LTE-Advancedのためのいくつかのコードブック設計問題が、以下の3GPP文書において考慮される。
[1]:R1-100083 Precoding Codebooks for 8TX, (Marvell)
[2]:R1-100051 A Flexible Feedback Concept, (Ericsson, ST-Ericsson)
[3]:R1-100022 Codebook design for 8Tx DL MIMO, (CATT)
[4]:R1-100251 Extensions to Rel-8 type CQI/PMI/RI feedback using double codebook structure, (Huawei)
[5]:R1- 100531 DL Codebook Design for 8 Tx MIMO in LTE-A, (ZTE)。

LTE Release 8において、コードブックは、送信機において４つのアンテナという場合について定められる。例えば[5]において、このコードブックを８つのアンテナに適用されるように拡張するための方法が提案された。

[5]における方法の変更は、修正された方法を、より一般的であって、以下の問題を解決することが可能とするように提案される必要がある。
- 新たな方法が(例えばシステム性能のために)コードブック設計を最適化するためにベクトル(8x8行列ではなく、4x4行列のセットからのカラムのペア)の選択における更なる設計柔軟性を有する。
○(位相回転を指示する)付加的なパラメータが、[5]の方法を用いて利用可能であるよりも多くのベクトルを生成することができる。[5]の方法は{1,-1}の位相回転を効果的に可能にする。我々は{1.j,-1,-j}を提案する。
- 新たな方法が追加的な2x2行列を必要としない（例えば、[5]において与えられる例では５つのそのような行列が必要とされる）。
- 新たなコードブック係数が(位相パラメータの配列を制限することによって)8PSKアルファベットに容易に限定されることができる。
- 新たな設計が異なる送信ランクのための異なるコードブック・サイズをサポートするために、より容易に変更可能である。

本発明の目的は、上述の問題を軽減するコードブックを生成するための方法を提案することである。

本発明の第１の態様によれば、プライマリ局を動作させるための方法が提案され、当該方法は、各々がLxLマトリックスの予め定められたセットのうちの１つからの２つの行列/ベクトルを選択し、行列/ベクトルのうちの１つの各々のカラムに複素係数を乗じることによって生成される長さ2Lのプリコーディング・コードブック行列/ベクトルを用いる。

本発明の第２の態様によれば、プライマリ局を動作させるための方法が提案され、当該方法は、それを構成する長さLの２つのコードブック行列/ベクトルを共に特定するインデックス及び送信ランクによって定められる長さ2Lのプリコーディング行列/ベクトル、及び、行列/ベクトルのうちの１つのカラムに適用される複素係数を用いる。

本発明の第３の態様によれば、プライマリ局が提案され、当該プライマリ局は、各々がLxLマトリックスの予め定められたセットのうちの１つからの２つの行列/ベクトルを選択し、行列/ベクトルのうちの１つの各々のカラムに複素係数を乗じることよって生成される長さ2Lのプリコーディング・コードブック行列/ベクトルを生成するための手段を有する。

本発明のシステムにおいて、プライマリ局は、少なくとも１つのセカンダリ局へのMIMO送信を実行するための手段を有することができる。そのようなMIMO送信は、通常、最も高い可能なデータ速度を達成するために、プリコーディングを伴う。

本発明の他の態様によれば、チャネル伝達関数を通知するための方法が提案され、端末は、Mx1とMxMとの間の次元を有する１セットのコードブック行列から選択し、所与の次元の行列の数は、行列次元のうちのより小さいものによって決まる。

本発明のこの態様の特定の実施の形態では、エントリーの数は、より小さい次元に対してより多い。

ここで、本発明は、添付の図面を参照してさらに詳細に一例として説明される。

本発明の実施の形態が実施されるシステムを概略的に表す図。

Release 8コードブック

参考のために、我々は、4つのアンテナのためのRelease 8コードブック規格を繰り返す。

４つのアンテナ・ポート、p∈{0,1,2,3}上での送信のために、プリコーディング行列Wは、表6.3.4.2.3-2又はそのサブセットから選択される。量W_n ^{s}は、式W_n=I-2u_nu_n ^H/u_n ^Hu_nから集合{s}によって与えられるカラムによって定められる行列を示し、ここで、Iは4x4単位行列であり、そしてベクトルu_nは以下の表1によって与えられる。

本発明の例示的な実施の形態により、上記と同じ表記法を用いて、８つのアンテナのための新たなコードブックは、

の形で定められることができる。ここで、Wnew_m ^νは、それぞれインデックスn1及びn2によって定められるRelease 8コードブックからの係数の２つの集合並びにカラム{s1}及び{s2}の集合から導き出される、コードブック・インデックスm及びレイヤ数νのための新たなコードブック・エントリーである。G_νは、適切なスケーリングファクタであり、φ_mは位相係数であり、カラムごとに異なることができる。UMTS Release 8とは対照的に、集合{s1}及び{s2}は、二度以上、同じカラムを含むことができる(ただし、位相係数だけ異なる)。これは、４より大きい送信ランクのための必要である。

特に、より低い送信ランクのために、{s1}={s2}が最良の選択であるかもしれないが、これは必ずしもそうとは限らず、必ずしも必要ではない。

ULA送信を伴うランク1に対して、新たなコードブック中の少なくともいくつかのエントリーは、DFTベースのコードブックからのエントリーと一致するべきである。我々は、４つのアンテナのためのRelease 8コードブック・エントリーから出発して、８つのアンテナのためのDFT(離散的フーリエ変換)ベースのコードブック・エントリーを生成して、ベクトルの長さを拡張する処理は、ロウ1〜4からロウ5〜8にWn中の係数をコピーすることに等しいことに留意する。係数のいくつかの集合は、DFT特性を維持するために取り消されることを必要とする。これはさらに、

のようなコードブック構造によってサポートされ、位相値は、ロウごとに異なることができる。

これは一般的に、n1=n2及び{s1}={s2}によって、並びに、Φ_m∈{1,-1}の適切な選択によって、W_n1 ^(s1)がDFTベースのコードブック・エントリーに対応する場合に、達成されることができる。

交差極性アレイによるランク1送信のために、少なくとも幾つかのエントリーは、同じビームパターンが各々の分極で送信されることができるように、W_n1 ^(s1) = W_n2 ^(s2)であるように選択されるべきである。更にこの場合には、n1=n2及び{s1}={s2}であると都合が良い。例えば、φ_m∈{1,j,-1,-j}である場合、分極間に位相差が適用されることができる。

さらに交差極性アレイによるランク２送信のために、少なくとも幾つかのエントリーは、同じビームパターンが各々の分極で送信されることができるように、W_n1 ^(s1) = W_n2 ^(s2)であるように選択されるべきである。更にこの場合には、n1=n2及び{s1}={s2}であると都合が良い。各々の空間ストリームを異なる分極にマップすることは、対応するコードブック・エントリーが、分極のうちの１つに関するアンテナに対するゼロである係数を有することを必要とする。これは、

の形をとる、より多くのカラムを含むための更なる一般化によって達成されることができる。

ここで、我々は、新たなカラムが両方の分極に対して同じベクトルを含む(それで同じビームパターンが可能である)ことを明示的に示す。同様に、利得係数Gは、どのカラムが選択されるかに依存することができる。また更なる柔軟性が必要とされる場合、更なる一般化が可能である。例えば、追加の利得係数によって、

適切な利得係数を選択することによって、交差極性アレイのために、これは、交差極性受信アンテナの物理的配向を適合させるために必要とされるように、異なる分極方向を有するビームの生成を可能にする。例えば、n3=n5及び{s3}={s5}の場合、α=1，γ=1が１つのビームを生成し、そして、α=1，γ=-1が、直角の分極によって、第２のビームを生成する。α=1.5，γ=0.5やα=1.5，γ=-0.5のような、中間の場合が用いられることができる。アンテナアレイが線形分極を用いる場合、α=1，γ=jによって、円形分極が生成されることができる。同様の効果は、φ_mの選択によって達成されることができるが、柔軟性が低い。

更なる拡張

Release8において使用される原理に対する拡張として、我々は、以下の可能性を考慮することができる。
● 所与の送信ランクに対して、複数のコードブック・インデックスのためのエントリーを生成するために、カラムの複数の集合が、n1及びn2の同じ値によって用いられることができる。
●全てのコードブック・インデックスが、全ての送信ランクに適用可能であるというわけではない。異なる分極上の空間ストリームの独立した送信のために設計されるエントリーは、ランク1又は非常に高いランクの場合に適用可能ではない。
●コードブックの効果的なサイズは、送信ランクの全ての値に対して同じであるとは限らない（例えば、低い送信ランクに対してより大きいコードブック・サイズを有する可能性もある）。下記の表に示される例は、コードブック・インデックス及び送信ランクを通知するために８ビットを必要とする（コードブック・インデックスのための６ビット及びランクのための３ビットの固定サイズの場合より１ビット少ない）。

更なる実施の形態

本発明の別の実施例は、MIMO送信をサポートするLTEのようなシステムである。UEは、UEへの送信においてeNBによって用いられることができるプリコーダを示すとして解釈されることができるeNBへの空間フィードバックを提供する。これは、可能なプリコーダのコードブックからプリコーダを選択するUEに等しい。所与の数のアンテナ(例えば8)に対して、特定のコードブックは、予め定められたサイズ(例えば4ビット)によって設計される。UEは同様に、例えば3ビットを用いて、好ましい送信ランク(空間ストリームの数)をフィードバックすることができる。

コードブックは、特定のアンテナ構成(例えば、８エレメント均一線形アレイ、又は、エレメントごとに２つの交差極性ポートを有する４エレメント交差極線アレイ)のために最適化されたエントリーを含むことができる。

上述のように、コードブックを構成するコードブック・エントリーを定めるための方法は、

のような形式を用いる既存のコードブックの使用に基づく。

実施の形態のバリエーションにおいて、コードブック・サイズ(すなわち、適用可能なコードブック・エントリーの数)は、送信ランクによって決まる。

更なるバリエーションでは、所与の送信ランクに対して、カラムの複数のセットは、複数のコードブック・インデックスのためのエントリーを生成するために、n1及びn2の同じ値によって用いられることができる。

LTEに基づく他の実施の形態において、８つの送信アンテナのためのコードブックは、以下のクロネッカー積構造に基づいて構成される。

ここで、
●W_nは、リリース8コードブックからの4x4行列である
●K_mは、2xk行列のセットのうちの１つである
○kは、(好ましくは１より大きい)整数である
○K_mのコンテンツは、予め定められている
○実施の形態の詳細に依存して、K_mのコンテンツは、以下の一つ以上によって決まることができる。
■ m
■送信ランク(レイヤの数)

コードブックの設計において、カラムは、異なる送信ランク/レイヤの数のコードブックのためのM_m,nから選択される(すなわち、上述のコードブックに等しい)。８つのTxアンテナのために、最高８つのレイヤがサポートされることができる。

端末から基地局へのチャネル状態フィードバックは、少なくとも送信ランク及びインデックスm及びnを含む。実施の形態の詳細に応じて、m及びnのための更新レートは、異なることができるか、又は、異なる方法によって通知されることができる。好ましい実施の形態において、mはPUCCHを用いて送信されて、そしてnはPUSCHを用いて送信される。好ましい実施の形態において、mはnより頻繁に更新される。

LTE-Aに対して、eNBにおける８つの送信アンテナの場合に対して定められるUEチャネル状態フィードバックは存在しない。この文献は、Release 8のためのフィードバックが、この場合のMIMO送信をサポートするためにどのように拡張されることができるかについて考慮する。

議論

eNBのアンテナ構成は規格化されていないが、現実のシステムのセルにおいて最も展開されそうであるいくつかの実際的な構成が特定されている。ここで考慮される８つのアンテナの場合のための２つの主要なオプションは、以下の通りである。
●８エレメント均一線形アレイ
●（合計で８つのポートを与える水平及び垂直アンテナの共設置ペアを有する）４エレメント交差極性アレイ
UEは、２、４又は８つの受信アンテナを有することが想定されるが、少なくとも当初は、２つ(あるいは４つ)のアンテナが最も可能性がある構成である。UEアンテナは、直交する分極を提供するように設計されることができる。

ここで、散乱が多い伝播環境において、最高８つの空間ストリームの送信によるSU-MIMOが、最も適切な送信スキームである可能性があると想定するが、適切な機能を備えたUEに対してのみである。

散乱が少ない環境において(すなわち、接近見通し内伝搬)、MU-MIMO動作が有益である可能性が高く、空間ストリームの総数は、一般的に、UE能力以外の要因によって制限される。UE空間フィードバックは、eNBによって用いられることができるプリコーダを示すとして解釈されることができることが、RAN1において合意されている。これは、可能なプリコーダのコードブックからプリコーダを選択するUEに等しい。この文献は、MU-MIMO動作に重点を置いて、上述のアンテナ構成によって、そのようなコードブックのための要件をさらに詳細に考慮する。

８エレメント均一線形アレイによるMU-MIMO動作

[1]に示されるように、我々は、DFTベースのコードブック設計が、ランク1送信によるMU-MIMO動作に適していることに留意する。eNBへのフィードバックのためにこれらのコードブック・エントリーのうちの１つをUEによって選択することは、(接近する見通し内通信を仮定して)eNBアンテナアレイに対するUE位置の方位角を通知することに等しい。これは、eNBがUEの方向にビームを形成することを可能にする。この態様は、DFTベースのコードブックからのエントリーに等しい８つのエントリーを含む、４つのアンテナのためのRelease 8コードブックにおいて十分にサポートされており、ランク１送信に適用可能である。これは、π/8ラジアンの角度分解能を提供する。

少なくとも４つのアンテナに対して行われるように８つのアンテナによるランク1 MU-MIMOをサポートするために、Release 10が、DFTコードブックのエントリーに一致する少なくとも８つのエントリーを有し、少なくともπ/8ラジアンと同じくらい細かい角度分解能を有する、Rank 1コードブックを提供することが望ましい。

Release 8より良好な性能を可能にするために、π/16の角度分解能を有する16個のDFTベースのコードブック・エントリーを提供することが考慮されることができる。しかしながら、現段階では、これが有益かどうかは明らかでない。

４エレメント交差極線アレイによるMU-MIMO動作

[2]において、交差極性アレイに関するチャネル係数は（位相係数を除いて）２つの分極の間で非常に相関している可能性があり、同じビームパターンが両方の分極のために適している可能性があることが示された。見通し線条件に対して、交差極性エレメントが同じ場所に位置するという条件で、これは物理的に妥当である。[1]からの図1は、異なる分極上での同じUEに対する２つのビームパターン間の高い相関の場合を示す。したがって、４エレメント(８つのポート)交差極線アレイは、(直交する分極によって区別される)４エレメント線形アレイの２つのインスタンスを提供すると見なされることができる。さらに、Release 10においてサポートされるべきである重要なケースは、[3,4]における提案と同様に、可能な位相差によって、同じプリコーディング重みが両方の分極に適用される場合である。

したがって、同じプリコーディングが両方の分極に適用されるならば、我々は、UEアンテナ特性に応じて、２つの低いランクのケースを考慮する。

(a) UEが直交する分極によって受信される信号を区別することができない。この場合には、eNBが各々の分極上で空間ストリームの１つのコピーを送信する場合、ランク1のMU-MIMO動作がサポートされることができる。これは、構造

を有するコードブックで達成される。ここで、Aは、１つの分極に適用されることができるプリコーディング・ベクトル/行列のセットのうちの1つを表し、φは、位相差のセットのうちの１つである。位相差は、２つの分極間の弱め合う干渉の可能性を回避するために必要とされる。一般的に、UEは、そのフィードバック中にこの位相差を含むべきである。

(b) UEが直交する分極によって受信される信号を区別することができる。この場合には、eNBが、同じであるが分極が直交するビームにより２つの空間ストリームを送信する場合、ランク２のMU-MIMO動作がサポートされることができる。実際のUEアンテナ配向に応じて、これは、例えば、

のようなコードブック構造を用いて、１つの空間ストリームを各々のアンテナ分極にマップすることによって、達成されることができる。したがって、この場合、位相差が０ではないとしても、UEが２つの分極間の位相差をフィードバックする必要がない場合がある。しかしながら、より一般的な場合には、直交するプリコーディング重みの他のセットが必要とされる可能性がある。

４エレメント交差極性アレイ及び８エレメント線形アレイによるSU-MIMO動作

交差極性アレイによってランク８の送信を効果的にサポートするために、UEがさらに交差極性アンテナを有することを必要とする可能性があり、その場合、チャネル係数が(位相差を除いて)分極間で相関している可能性がある。この場合には、コードブック設計のための適切なアプローチは、２つの分極上で同じビーム成形係数を有するが位相差を許容するエントリーを要求することである。この場合、

のような構造が適している。ここで、

は、共に可能な位相値のセットからである。

８エレメント線形アレイ(又は他の構造)に適用される場合、異なる位相回転は、様々な直交するビームパターンが生成されることを可能にする。

一般的な提案

上記の議論、並びに、Release 10において可能な限りRelease 8コードブック及びその特性を保つことが望ましいことを考慮すると、[5]における提案が望ましい開始点のようである。これは、８つのアンテナのためのコードブック・エントリーを生成するために、４つのアンテナのためのRelease 8コードブックからのベクトルを再利用する。この提案は、下記の補遺において、さらに議論されて改良される。結果として生じるコードブック構造は、以下の特性を有する。
●Release 8の４アンテナ・コードブックと共有される構造。
●均一線形アレイに対して、コードブックが、
○MU-MIMOランク１送信に適したDFTベースのコードブックに一致するエントリーを含む。
●交差極性アレイに対して、コードブックが、
○異なる分極に対する同じビームパターンをサポートする；
○分極間の位相差を提供する；
○分極にわたるランク２送信のための直交するプリコーダ重みを提供し、MU-MIMOに適する。
●MU-MIMO及びSU-MIMOの両方に互換性がある。
●UE PMIフィードバックが、
○ランク1〜8(3ビット)；
○コードブック・インデックス(4ビット以上)；
を含むことができる。

結論

８つのアンテナによるDL MIMOをサポートするUEフィードバックのためのコードブック設計に関する上記議論から、以下が結論付けられる。
●Release 10における効率的なMU-MIMOのために、既存のRelease 8コードブックにおけるエントリーの半分に存在するDFTコードブック特性を維持することが望ましい。
●交差極性アレイによるランク1による効率的なMU-MIMOのために、明示的に２つの分極をサポートするコードブック構造を有することが望ましい。
○これは、異なる分極上で同じビームパターンを可能にするが、分極間の可能な位相差を伴うコードブック・ベクトルの必要性を意味する。
●交差極性アレイによる効率的なランク２送信のために、明示的に２つの分極をサポートするコードブック構造を有することが望ましい。
○これは、異なる分極上で同じ又は同様のビームパターンを可能にするが、分極間の可能な位相差を伴うコードブック・ベクトルの必要性を意味する。
○空間ストリームを分極にマップするコードブック・エントリーが、同様に望ましい。
●Release 8コードブック構造及び設計原理の再利用が、実装を単純化するために望ましい。
●上記の要件を満たし以下の特性を備える４つのアンテナのためのRelease 8コードブックから８つのアンテナのためのRelease 10コードブックを導き出す方法が、提案された。
○MU-MIMO及びSU-MIMOの両方と互換性がある
○Release 8の４アンテナ・コードブックと共有された構造
○UE PMIフィードバックが、以下を都合よく含むことができる。
■ランク1〜8(3ビット)
■コードブック・インデックス(4ビット以上)
●提案されたアプローチは、更なる改良(例えば改善されたフィードバック精度)を除外しない。
●コードブック比較において、異なる仮定が性能に関する重大な影響を及ぼす可能性があるので、特に交差極性アレイのために、合意したアンテナ・インデックス付けスキームが存在するべきである。

例示的な実施の形態において、プリコーディング・コードブックは基地局で生成される。しかしながら、本発明の変形例において、モバイル局又はユーザ機器が、本発明にしたがってプリコーディング・コードブックを生成することもできる。本発明は、特に、プライマリ局とセカンダリ局との間の送信の複数のモード（特にMIMO及びMU-MIMOモード）を用いる無線通信システムおけるアプリケーションを有する（但しそれに限られない）。無線LAN(IEEE 802.11n)及び広帯域無線(IEEE 802.16)と同様に、UMTS、UMTS LTE及びUMTS LTE-Advancedのようなセルラー・システムが、例として含まれる。

本明細書及び請求の範囲において、単数で表現された要素は、そのような要素が複数存在することを除外しない。「有する」「含む」などの用語は、挙げられたもの以外の他の要素又はステップの存在を除外しない。

請求の範囲における括弧に参照符号が含まれることは、理解を助けることを目的としており、制限することは意図されない。

本開示を読むことから、他の変形例が当業者にとって明らかとなるだろう。そのような変形例は、無線通信の分野において既に知られている他の特徴を含むことができる。

Claims (5)

1. プライマリ局を動作させる方法であって、前記プライマリ局は、少なくとも１つのセカンダリ局へのMIMO送信を実行するための手段を有し、前記MIMO送信はプリコーディングを伴い、当該方法は、各々がLxL行列の予め定められたセットのうちの２つの異なる行列／ベクトルを選択し、前記選択した２つの行列／ベクトルを行方向に結合し、前記行列／ベクトルのうちの１つの各々のカラムに複素係数を乗じることによって生成される少なくとも幾つかのコードブックエントリで特徴付けられる行列／ベクトルの行数が２Lのプリコーディング・コードブック行列／ベクトルを用い、前記L=4であり、前記複素係数が｛１，−１，ｊ，−ｊ｝である方法。
2. 前記プリコーディング・コードブックが、MIMOモードで前記プライマリ局と通信するセカンダリ局の数に関わらず用いられる、請求項１に記載の方法。
3. 前記コードブックの実効的なサイズが、送信ランクの全ての値に対して同じではない、請求項１に記載の方法。
4. 少なくとも１つのセカンダリ局へのMIMO送信を実行するための手段を有するプライマリ局であって、前記MIMO送信はプリコーディングを伴い、前記プライマリ局は、各々がLxL行列の予め定められたセットのうちの２つの行列／ベクトルを選択し、前記選択した２つの行列／ベクトルを行方向に結合し、前記行列／ベクトルのうちの１つの各々のカラムに複素係数を乗じることによって生成される少なくとも幾つかのコードブックエントリで特徴付けられる行列／ベクトルの行数が２Lのプリコーディング・コードブック行列／ベクトルを生成するための手段を有し、前記L=4であり、前記複素係数が｛１，−１，ｊ，−ｊ｝である、プライマリ局。
5. 前記コードブックの実効的なサイズが、送信ランクの全ての値に対して同じではない、請求項４に記載のプライマリ局。

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