(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線ネットワークにおけるMIMOビームフォーミングシステムであって、
複数の差分コードブックを用いて閉ループMIMOビームフォーミングを行い、該複数の差分コードブックの各々は、コードブックセンタと、複数のコードワードと、該複数のコードワードのセンターロケーションとしての［e1...eNs］Gとを有し、ekはk番目の行を含む複数の行を含む列ベクトルであり、該k番目の行のエントリは1でありかつ前記複数の行のうち該k番目の行以外の各エントリはゼロであり、Gは恒等行列を含むNs×Nsの任意のユニタリ行列であり、Nsは前記無線ネットワークにおける空間ストリーム数を表し、
前記複数のコードワードの内の少なくとも2つは前記センターロケーションに関して対称的であり、前記コードブックセンタにはコードワードが設定されず、前記複数のコードワードは前記センターロケーションから或る一定の分離距離だけそれぞれ隔たっており、
前記複数の差分コードブックの内の或るペアのコードワード間の分離距離は、前記複数の差分コードブックの内の別のペアのコードワード間の分離距離と異なる、MIMOビームフォーミングシステム。
【請求項２】
前記複数の差分コードブックの各々に関し、前記複数のコードワードが、前記センターロケーションから互いに等距離にある、請求項１記載のMIMOビームフォーミングシステム。  
【請求項３】
前記複数の差分コードブックの各々に関し、前記コードワードの各列の少なくとも1つのエントリが実数である、請求項１記載のMIMOビームフォーミングシステム。
【請求項４】
無線ネットワークにおいて複数の差分コードブックを用いて閉ループMIMOビームフォーミングを行うシステムが実行する処理方法であって、
コードブックセンタと、複数のコードワードと、該複数のコードワードのセンターロケーションとしての［e1...eNs］Gとを有する差分コードブックを決定するステップであって、ekはk番目の行を含む複数の行を含む列ベクトルであり、該k番目の行のエントリは1でありかつ前記複数の行のうち該k番目の行以外の各エントリはゼロであり、Gは恒等行列を含むNs×Nsの任意のユニタリ行列であり、Nsは前記無線ネットワークにおける空間ストリーム数を表し、前記複数のコードワードの内の少なくとも2つは前記センターロケーションに関して対称的であり、前記コードブックセンタにはコードワードが設定されず、前記複数のコードワードは互いに或る一定の分離距離だけそれぞれ隔たっており、前記複数の差分コードブックの内の或るペアのコードワード間の分離距離は、前記複数の差分コードブックの内の別のペアのコードワード間の分離距離と異なる、ステップと、
前記分離距離を所定の限界値未満に制約するステップと
を有する方法。
【請求項５】
前記コードワードの各列の少なくとも1つのエントリが実数である、請求項４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
開示される本発明の実施形態は一般に無線通信の技術分野に関連し、特に無線通信ネットワークにおけるビームフォーミングに関連する。
【背景技術】
【０００２】
加入者局及び基地局を含む無線ネットワークにおける閉ループ式マルチプルインプット/マルチプルアウトプット(MIMO)ビームフォーミングの場合、加入者局(本願においてしばしば移動装置又は受信機とも言及される)は、理想的なビームフォーミングマトリクスを量子化し、その理想的なビームフォーミングマトリクスに対応する量子化インデックスを基地局(本願においてしばしば送信機とも言及される)に送信する。基地局は、フィードバックされて来たインデックスに従ってビームフォーミングマトリクスを再構築し、ビームフォーミングを行う。ビームフォーミングはリンクのパフォーマンス及びシステムのスループットを向上させることが知られている。
【０００３】
ビームフォーミングマトリクスは差分により(differentially)フィードバックすることができる。現在のビームフォーミングマトリクスと先行するものとの間の相違(change)が、コードブックにより量子化され、対応する量子化インデックスをフィードバックすることができる。量子化コードブックは、ビームフォーミングの精度及び追従能力を決定する。
【０００４】
本発明による実施形態は、WiMAX(マイクロ波アクセスに関する世界標準方式)等を含む無線ローカルエリアネットワーク(WLAN)又は無線メトロポリタンエリアネットワーク(WMAN)等に適用されてもよい。WiMAX技術は、IEEE802.16e、IEEE802.16mその他を含む一群のIEEE802.16標準仕様に基づいている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、ことである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施例による差分コードブックは、
無線ネットワークでの差分コードブックであって、
複数のコードワードと、
該複数のコードワードのセンターロケーションとしての［e1...eNs］Gと
を有し、ekはk番目の行を含む複数の行を含み、該k番目の行のエントリは1でありかつ前記複数の行のうち該k番目の行以外の各エントリはゼロであり、Gは恒等行列を含むNs×Nsの任意のユニタリ行列であり、Nsは前記無線ネットワークにおける空間ストリーム数を表し、
前記複数のコードワードの内の少なくとも2つは前記センターロケーションに関して対称的である、差分コードブックである。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施形態による差分コードブックを説明するための概略図。
【図２】入力の対称性を利用する本発明の実施形態による量子化コードブックを説明するための図。
【図３】入力の対称性を利用する本発明の実施形態による量子化コードブックを説明するための図。
【図４】グラスマン多様体における本発明の実施形態による直交行列の概略図。
【図５】無線ネットワークでのMIMOビームフォーミングにおける量子化誤差を削減する本発明の実施形態による方法を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
開示される実施形態は、添付図面とともに以下の詳細な説明により十分に理解される。
【０００９】
説明の簡明化を図るため、図面は一般的な形式を示しており、従来の特徴及び技術に対する説明及び詳細は、開示される本発明の実施形態の説明を不必要に曖昧にしてしまわないように、省略されている。更に、図中の要素は必ずしも寸法を描いたものではない。例えば、本発明による実施形態の理解を促すために、図中の或る要素の寸法は他の要素に対して誇張されているかもしれない。様々な図面において同一の参照番号は同一の要素を示すが、類似する参照番号が必ずしも類似する要素を示すとは限らない。
【００１０】
明細書及び特許請求の範囲において「第1」、「第2」、「第3」及び「第4」等の用語が存在する場合それらは、類似する要素同士を区別するために使用されており、特定の順番や時間的な順序を必ずしも示しているわけではない。そのように使用されている用語は適切な状況であるならば相互に置換可能であり、例えば説明される本発明の実施形態は説明されているものと異なる順序で又は別な方法で動作してよいことが、理解される必要がある。同様に、本願において一連のステップを有するように方法が説明されている場合、説明されているそのようなステップの順序は、必ずしもそのようなステップを実行する唯一の順序ではなく、説明された或るステップは省略されてもよいし、及び/又は本願において説明されていない他のステップが本願の方法に追加されてもよい。更に、「形成する」、「含む」、「有する」、「備える」等の用語及びそれらの任意の派生語は、非排他的に包含する意味を含むように意図されており、列挙された要素により形成される装置、物、方法又はプロセスは必ずしもそれらの要素に限定されず、明示的には列挙されていない他の要素を含んでもよいし、或いはそのようなプロセス、方法、物又は装置に固有の他の要素を含んでいてもよい。
【００１１】
明細書及び特許請求の範囲において「左」、「右」、「前」、「後」、「最高」、「最低」、「以上」、「以下」等の用語が存在する場合それらは、記述的な目的で使用されており、必ずしも永続的な相対位置を記述するためのものではない。そのように使用される用語は適切な状況であれば相互に置換可能であり、例えば、本願において説明される発明の実施形態は説明したものと異なる向きで又は説明したものとは別様に動作してもよいことが、理解される。「結合される(coupled)」という用語は電気的又は非電気的な方法で直接的に又は間接的に接続されるものとして規定される。本願において互いに「隣接する」対象物は、そのよう語が使用される文脈に相応しい仕方で、物理的に互いに接触していてもよいし、互いに接近していてもよいし、又は互いに一般的な地域又は領域の中にあってもよい。本願において登場する「一実施形態」という用語は、必ずしも全てが同じ実施形態を指しているとは限らない。
【実施例１】
【００１２】
多くの場合、量子化コードブックに対する入力は中心又はセンター［e1...eNs］に関して対称的(symmetric)である。従って、量子化誤差を削減するため、コードブックはこの対称性を利用して(例えば、コードワードロケーションを選択するようにして)設計される。従って本発明の少なくとも1つの実施形態において、無線ネットワークでの差分コードブックは、複数のコードワードと、該複数のコードワードの中心位置としての［e1...eNs］Gとを有し、ekはk番目の行を含む複数の行を含み、該k番目の行のエントリは1でありかつ該k番目の行以外の複数の行各々のエントリはゼロであり、Gは恒等行列を含むNs×Nsの任意のユニタリ行列であり、Nsは無線ネットワークにおける空間ストリーム数を表す。複数のコードワードの内の少なくとも2つは中心ロケーションに関して対称的である。Gが恒等行列(identity  matrix)であった場合、［e1...eNs］G＝［e1...eNs］となる。
【００１３】
図面を参照するに、図1は、本発明の実施形態による差分コードブック(differential
codebook)を説明するための図が示されている。先行する又は前のビームフォーミングマトリクスV^(t-1)は送信機及び受信機の双方で既知である。現在のビームフォーミングマトリクスV^(t)はV^(t-1)に関する差分により量子化される必要がある。何れかのコードワードがV^(t)に接近するように、量子化コードブックはV^(t-1)の周りに用意、配備又は設定される。V^(t)に最も近いコードワードのインデックスが送信機にフィードバックされる。
【００１４】
差分コードブック100を利用する差分フィードバック法及びその概念は米国特許出願12/584,142号(出願公開第2010-0054114号:特許文献1)に詳細に説明されており、その内容全体が本願に組み込まれる。説明の便宜上、差分フィードバック法の具体例を以下に説明する。
【００１５】
加入者局における差分(Differential)は次のように書ける：
【００１６】
【数１】
0005596061.tif 000002
加入者局における量子化(Quantization)は次のように書ける：
【００１７】
【数２】
0005596061.tif 000003
基地局において再構築されるビームフォーミングマトリクスは次のように書ける：
【００１８】
【数３】
0005596061.tif 000004
基地局によるビームフォーミングは次のように書ける：
【００１９】
【数４】
0005596061.tif 000005
数式(1)において、Nt×Ns型のV(t)及びV^(t)はそれぞれフレームtに関する理想的な及び量子化されたビームフォーミングマトリクスであり、V^⊥(t-1)はNt×(Nt-Ns)型でありV^(t-1)に直交する相補列(complementary  columns)を有する。Ntは送信機における送信アンテナ数である。数式(2)において、差分コードブックCdは極冠又はポーラーキャップ(polar  cap)として言及されてもよい。数式(4)において、yは受信されたベクトルであり、HはNr×Nt型(Nrは受信アンテナ数である)のチャネル行列であり、V^(t)は再構築されたNt×Ns型のビームフォーミングマトリクス(又はベクトル)であり、sはNs×1型のデータベクトルであり、nは複素加法性白色ガウシアンノイズ及び干渉である。
【００２０】
実際には、パフォーマンスを劣化させる傾向がある説明された(1)及び(2)が組み合わせられる。受信機は、検査するビームフォーミングチャネル容量の以下の数式(5)にコードワードの各々を代入することで、ビームフォーミングチャネル容量(又は他のパフォーマンスメトリック)を最大化する：
【００２１】
【数５】
0005596061.tif 000006
ここで、Q(t-1)=[V^[(t-1)  V^⊥[(t-1)]である。数式(5)は次のように簡略化されてもよい：
【００２２】
【数６】
0005596061.tif 000007
V^(t)に関して最も確からしい結果はV^(t-1)と同じままになるので、ポーラーキャップCdは、Nt×Ns型の
【００２３】
【数７】
0005596061.tif 000008
をコードワードとして有し、数式(3)による再構築の後にV^(t)はv^(t-1)と同じまま残る。すなわち、次式が成り立つ：
【００２４】
【数８】
0005596061.tif 000009
これは、移動度が低いチャネルに関し、ビームフォーミングマトリクスが最適点に留まることを許容する。(［e1...eNs］コードワードが無かった場合、コードブックは最適点の周辺で振動する傾向がある)更に、V^(t)のロケーション又は位置(V^(t)の候補となる複数の位置)はV^(t-1)に関して対称的である。従って、中心コードワード［e1...eNs］が存在することに加えて、残りの量子化コードワードは［e1...eNs］に関して対称的である。
【００２５】
簡易な1つの形態は次のとおりである。残りのコードワードは中心に対して等しい距離を有する。全てのコードワードは適切な多様体上にあることに留意を要する(多様体は、例えば、グラスマン(Grassmannian)多様体、スティフェル(Stiefel)多様体等を含むが、これらに限定されない)。2つのコードワード間の距離について複数の定義が存在し、例えば、弦距離(chordal  distance)や、平均チャネル容量損失(average  channel  capacity  loss)等がある。信号対雑音比(SNR)が低い領域の場合、距離は次のようにして算出されてもよい：
【００２６】
【数９】
0005596061.tif 000010
ここで、A及びBはNt×Ns型の2つのコードワードである。他のSNRの領域の場合、距離は次のようにして算出されてもよい：
【００２７】
【数１０】
0005596061.tif 000011
ここで、γは信号対雑音比又は所定のスカラー量である。簡明化の観点からは、(8)は次のように簡略化されてもよい：
【００２８】
【数１１】
0005596061.tif 000012
量子化コードブックに対する入力が中心［e1...eNs］に関して対称的であるという理解により、その対称性を利用してコードブックを設計することが可能になる。図2及び図3は本発明の実施形態によるそのような設計例を示す。図示のコードブックは何れも量子化誤差を最小にするように設計される。
【００２９】
図2は、本発明の実施形態による差分コードブック200を示す。差分コードブック200の中心は［e1...eNs］であるが、中心にコードワードは位置していない。この場合、全てのコードワードが［e1...eNs］の中心の周りに設定される。この構成は少なくとも次の2つの理由から望ましい。第1に、任意の2つのコードワード間の距離は、任意のコードワードと中心［e1...eNs］との間の距離よりも大きいかもしれない。換言すれば、量子化誤差は、中心よりも外側の方が中心付近よりも大きくなる。従って、中心にコードワードを設定せず、中心より外側の大きな量子化誤差を減らす。第2に、場合によってはビームフォーミングマトリクスが隣接するフィードバックの間でかなり変化するかもしれない。この場合、ビームフォーミングマトリクスを同じ位置に維持するコードワード［e1...eNs］は必要ない。これらのコードワードは中心に対して等しい距離d0を有する。コードワード同士の任意のペア(組み合わせ)の間の距離をd1とする。コードワード数が差分コードブックの自由度よりも大幅には大きくない場合であって、コードブックの半径が比較的大きい場合に、図示の形態又は構造が望ましい。例えば、4×2のビームフォーミングマトリクスを追跡する差分コードブックは、7つの自由度を有する。コードワード及びコードワードの中心の間の距離は20度に対応し、コードワード数が8である場合、差分コードブック200は望ましいものとなる。
【００３０】
図3は、本発明の実施形態による差分コードブック300を示す。差分コードブック200とは異なり、差分コードブック300は中心のコードワード(センターコードワード)を含む。センターコードワードから他のコードワードまでの距離はd0である。図示されているように、センターコードワード以外のコードワードの各々は等距離の場所にあり、互いにd1の距離だけ隔たっている。
【００３１】
無線ネットワークは、異なる大きさのd0によりいくつもの異なるコードブックを規定してもよい。d0が小さいほど、量子化誤差も小さくなる。従って、以下において説明するように、MIMOビームフォーミングシステムにおける量子化誤差を小さくする方法は、d0を最小化することを含み、すなわちd0を或る所定の限界値未満に拘束する。しかしながら、d0が小さかった場合、隣接する2つのフィードバックの間にd0よりも大きく変化するビームフォーミングマトリクスにフィードバックが高速に追従できなくなるかもしれない。一方、大きなd0はチャネル変動に良好に追従できるが、大きな量子化誤差を犠牲にしてしまう。
【００３２】
実際には、基地局は、例えば基地局のアンテナ構成(又は相関特性)及び移動局の速度に従って何れかの差分コードブックを選択してもよい。選択したコードブックのインデックスは移動局に送信される。或いは、例えば理想的なビームフォーミングマトリクスの相関特性(又は変動)に基づいて、様々なコーブックの内の何れかを移動局が選択してもよい。例えば、移動局は、ミッドアンブル(mid-amble)からチャネルマトリクスを推定し、理想的なビームフォーミングマトリクスを算出する。ビームフォーミングマトリクスの変動も算出される。その変動に基づいて、移動局は、様々な差分コードブックの内の何れかを選択し、対応するコードブックインデックスを基地局に送信する。
【００３３】
従って、本発明による一実施形態は、無線ネットワークのMIMOビームフォーミングシステムを使用し、かつ複数の異なる差分コードブックを使用する。複数のコードブックの各々は上述した差分コードブックに類似するものであり、すなわち差分コードブックの各々は(特に)、上述したように複数のコードワードを含みかつ複数のコードワードの中心として[e1...eNs]を含む。上述したように、差分コードブックの各々は、センターロケーションに関して対称的な追加的なコードワードを更に含み、その各々はコードブックセンタから或る分離距離だけそれぞれ隔たっている。差分コードブックの各々は各自固有の分離距離(separation  distance)を有する。すなわち、複数の差分コードブックの内の何れかに対する分離距離は、複数の差分コードブックの内の他の何れかの分離距離とは異なる。一実施形態において、複数の差分コードブックの各々に関し、追加的なコードワードは、そのコードブックにおける他のコードワード各々から等距離である。
【００３４】
簡明化のため、各コードワードの各列の1つのエントリは、実数値に変換されてもよい。例えば、各列のグローバル位相を減算することで、コードワードの第1行が正の数に又はゼロに変換されてもよい。グラスマンコードブックの場合、コードワードはグラスマン多様体における部分平面又は直線上にあり、演算結果の保存及び演算負担は更に削減可能になる。コードワードマトリクスは、図4に示されているように、コードワードマトリクスの4隅の内の1つがゼロである三角行列に変換されてもよい。
【００３５】
図5は、無線ネットワークでのMIMOビームフォーミングにおける量子化誤差を削減する本発明の実施形態による方法500を示すフローチャートである。
【００３６】
本方法500のステップ510においては、差分コードブックを規定し、差分コードブックは、コードブックセンタと、複数のコードワードと、複数のコードワードのセンターロケーションとしての[e1...eNs]Gと、センターロケーションに関して対称的な追加的なコードワードとを有し、追加的なコードワードの各々はコードブックセンタから或る分離距離だけ離れている。一例として、差分コードブックは図1、図2、図3を参照しながらそれぞれ説明した差分コードブック100、200、300の内の1つ以上に類似するものである。
【００３７】
本方法500のステップ520においては、分離距離を所定の限界値未満に制約する。一実施形態において、所定の限界値は、センターコードワード及び外側のコードワード間に関する角度が約15度ないし約20度である。
【００３８】
以上本発明は特定の実施形態を参照しながら説明されてきたが、本発明の精神及び範囲から逸脱せずに、様々な変形例がなされてよいことを、当業者は理解するであろう。従って本発明の実施形態の説明は、本発明の意図を説明するためのものに過ぎず、限定を意図するものではない。本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ規定されることが、意図されている。例えば、本願において説明された差分コードブックや関連する構造及び方法は様々な実施形態で実現されてよいこと、及びこれら特定の実施形態に関する説明は可能な全ての実施形態の完全な記述を表現しているわけではないことが、当業者にとって明らかであろう。
【００３９】
更に、特定の実施形態に関連して、効果、他の利点及び課題を解決する手段が説明されてきた。効果、利点、改題を解決する手段、及びそれらを可能にする任意の要素は、特許請求の範囲の全部又は一部に対して決定的な、必須の或いは本質的な特徴や要素として解釈されてはならない。
【００４０】
更に、本願において説明された実施形態及び発明特定事項は、(1)特許請求の範囲に明示的に請求されておらず且つ(2)均等論の原則の下で特許請求の範囲における明示的な要素及び/又は発明特定事項に対する均等物又はその可能性が或る場合に、公有の原則(doctrine
of dedication)により公衆に捧げられるものではない。  
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４１】
【特許文献１】米国特許出願公開第2010-0054114号明細書
【図１】
0005596061.tif 000013
【図２】
0005596061.tif 000014
【図３】
0005596061.tif 000015
【図４】
0005596061.tif 000016
【図５】
0005596061.tif 000017