(57)【要約】  SDMAを使用するOFDMA無線ネットワークにおいてスケジューリング及びビームフォーミングを効率的に最適化する技法が提供される。本技法は、サービス品質(QoS)の制約を満たしつつ、簡易な方法でスペクトルの高効率化及びスループットの工場を図ることができる。
2010515371.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基地局のカバレッジ領域で使用する直交周波数分割多重化(OFDM)方式の帯域内の複数のサブチャネル各々について、高いスループットを示す可能性のあるアクティブユーザの小規模の集合を特定するステップであって、前記小規模の集合中のアクティブユーザ各々は、空間分割多重接続(SDMA)方式により各自に対応するサブチャネルを共有する、ステップと、
アクティブユーザの前記小規模の集合を特定した後、前記小規模の集合中のアクティブユーザについて、電力調整及びビームベクトルの最適化を反復的な方法で実行するステップと
を有し、サービス品質(QoS)を順守しかつ前記ビームベクトルの最適化を図るように、前記電力調整により1人以上のアクティブユーザに関する電力を増やし及び1人以上の他のアクティブユーザに関する電力を減らし、前記電力調整の影響を受けるサブチャネルに関するビームベクトルを最適化する、方法。
【請求項２】
アクティブユーザの小規模の集合を特定する前記ステップは、
前記OFDM帯域の第1のサブチャネルについて、前記基地局のカバレッジ内の総てのユーザを候補ユーザとして先ず指定するステップと、
前記第1のサブチャネルに関する各候補ユーザについて、パフォーマンスメトリックを計算するステップと、
計算されたパフォーマンスメトリックに基づいて、前記第1のサブチャネルに関連する候補ユーザ数を削減するステップと
を有する、請求項1記載の方法。
【請求項３】
アクティブユーザの小規模の集合を特定する前記ステップが、所望のユーザ候補数に達するまで反復的な方法で計算するステップ及び削減するステップを反復する、請求項2記載の方法。
【請求項４】
候補ユーザ数を削減する前記ステップが、反復計算の各々において、所望の候補ユーザ数を下回らないように、所定の割合のユーザを削減するステップを含む、請求項3記載の方法。
【請求項５】
アクティブユーザの小規模の集合を特定する前記ステップが、サービス品質(QoS)の制約により指定された最小フレームレートに各ユーザが少なくとも近づくことを可能にする各サブチャネルについて、アクティブユーザの小規模の集合を特定するステップを含む、請求項1記載の方法。
【請求項６】
アクティブユーザの小規模の集合を特定する前記ステップが、
サービス品質(QoS)を考慮に入れずに、各サブチャネルについてユーザの部分集合を選択するステップと、
各ユーザについてフレームレートを計算するステップと、
QoSに関する最小フレームレート未満の1人以上のユーザの電力を増やすステップと、
QoSに関する最大フレームレートを超える1人以上のユーザの電力を減らすステップと
を含み、増やす電力が減らす電力に実質的に等しい、請求項1記載の方法。
【請求項７】
アクティブユーザの小規模の集合を特定する前記ステップが、各ユーザについてフレームレートを計算するステップと、1人以上のユーザの電力を増やすステップと、1人以上のユーザの電力を減らすステップとを、総てのユーザが前記QoSに関する最小触れ0無レートに少なくとも近づくまで反復する、請求項6記載の方法。
【請求項８】
前記小規模の集合中のアクティブユーザについて、電力調整及びビームベクトルの最適化を反復的な方法で実行するステップが、ビームベクトルの最適化の反復計算の各々において、複数の電力調整の反復計算を実行するステップを含み、電力調整の反復計算の各々が、1人以上のアクティブユーザに関する電力を増やし、1人以上のユーザに関する電力を減らす、請求項1記載の方法。
【請求項９】
前記小規模の集合中のアクティブユーザについて、電力調整及びビームベクトルの最適化を反復的な方法で実行するステップが、
各アクティブユーザについてフレームレートを計算するステップと、
各アクティブユーザが、条件を満足する満足ユーザ、条件に満たない過小ユーザ又は条件を超える過大ユーザの何れであるかを判断するステップと
を有し、電力調整の反復計算の各々は、存在する場合、過小ユーザに関する電力を増やし、存在する場合、過大ユーザに関する電力を減らす、請求項8記載の方法。
【請求項１０】
電力を増やした場合、アクティブユーザ及びサブチャネルが重み付けされた合計レート(WSR)の最大ゲインをもたらすことに基づいて、電力調整の反復計算の各々は、電力を増やすアクティブユーザを選択する、請求項8記載の方法。
【請求項１１】
電力を減らした場合、アクティブユーザ及びサブチャネルが重み付けされた合計レート(WSR)の最小ゲインをもたらすことに基づいて、電力調整の反復計算の各々は、電力を減らすアクティブユーザを選択する、請求項10記載の方法。
【請求項１２】
直交周波数分割多重接続(OFDMA)方式及び空間分割多重接続(SDMA)方式を使用し、複数のOFDMAサブチャネルを介して、複数のユーザへデータを送信し及び複数のユーザからデータを受信するトランシーバと、
スケジューリング機能部を含むコントローラと
を有する装置であって、前記複数のユーザは、SDMA方式を使用して各サブチャネルを同時に共有し、前記トランシーバは複数のアンテナに接続され、
前記スケジューリング機能部は、ユーザにサブチャネルを割り当て、ユーザ／サブチャネル各々についてビームフォーミングデータを決定し、前記コントローラは、
直交周波数分割多重化(OFDM)方式の帯域内の複数のサブチャネル各々について、高いスループットを示す可能性のあるアクティブユーザの小規模の集合を特定する論理部であって、前記小規模の集合中のアクティブユーザ各々は、各自に対応するサブチャネルを共有する、論理部と、
アクティブユーザの前記小規模の集合を特定した後、前記小規模の集合中のアクティブユーザについて、電力調整及びビームベクトルの最適化を反復的な方法で実行する論理部と
を有し、前記電力調整は、サービス品質(QoS)を順守しかつ前記ビームベクトルの最適化を図るように、前記電力調整により1人以上のアクティブユーザに関する電力を増やし及び1人以上の他のアクティブユーザに関する電力を減らし、前記電力調整の影響を受けるサブチャネルに関するビームベクトルを最適化する、装置。
【請求項１３】
前記小規模の集合中のアクティブユーザについて、電力調整及びビームベクトルの最適化を反復的な方法で実行する前記論理部が、ビームベクトルの最適化の反復計算の各々において、複数の電力調整の反復計算を実行する論理部を含み、電力調整の反復計算の各々が、1人以上のアクティブユーザに関する電力を増やし、1人以上のユーザに関する電力を減らす、請求項12記載の装置。
【請求項１４】
前記小規模の集合中のアクティブユーザについて、電力調整及びビームベクトルの最適化を反復的な方法で実行する前記論理部が、
各アクティブユーザについてフレームレートを計算する論理部と、
各アクティブユーザが、条件を満足する満足ユーザ、条件に満たない過小ユーザ又は条件を超える過大ユーザの何れであるかを判断する論理部と
を有し、電力調整の反復計算の各々は、存在する場合、過小ユーザに関する電力を増やし、存在する場合、過大ユーザに関する電力を減らす、請求項13記載の装置。
【請求項１５】
電力を増やした場合、アクティブユーザ及びサブチャネルが重み付けされた合計レート(WSR)の最大ゲインをもたらすことに基づいて、電力調整の反復計算の各々は、電力を増やすアクティブユーザを選択する、請求項13記載の装置。
【請求項１６】
電力を減らした場合、アクティブユーザ及びサブチャネルが重み付けされた合計レート(WSR)の最小ゲインをもたらすことに基づいて、電力調整の反復計算の各々は、電力を減らすアクティブユーザを選択する、請求項15記載の装置。
【請求項１７】
コンピュータに或る方法を実行させる命令を含む記憶媒体を有する製品であって、前記方法は、
基地局のカバレッジ領域で使用する直交周波数分割多重化(OFDM)方式の帯域内の複数のサブチャネル各々について、高いスループットを示す可能性のあるアクティブユーザの小規模の集合を特定するステップであって、前記小規模の集合中のアクティブユーザ各々は、空間分割多重接続(SDMA)方式により各自に対応するサブチャネルを共有する、ステップと、
アクティブユーザの前記小規模の集合を特定した後、前記小規模の集合中のアクティブユーザについて、電力調整及びビームベクトルの最適化を反復的な方法で実行するステップと
を有し、サービス品質(QoS)を順守しかつ前記ビームベクトルの最適化を図るように、前記電力調整により1人以上のアクティブユーザに関する電力を増やし及び1人以上の他のアクティブユーザに関する電力を減らし、前記電力調整の影響を受けるサブチャネルに関するビームベクトルを最適化する、製品。
【請求項１８】
前記小規模の集合中のアクティブユーザについて、電力調整及びビームベクトルの最適化を反復的な方法で実行する前記の処理が、ビームベクトルの最適化の反復計算の各々において、複数の電力調整の反復計算を実行することを含み、電力調整の反復計算の各々が、1人以上のアクティブユーザに関する電力を増やし、1人以上のユーザに関する電力を減らす、請求項17記載の製品。
【請求項１９】
電力を増やした場合、アクティブユーザ及びサブチャネルが重み付けされた合計レート(WSR)の最大ゲインをもたらすことに基づいて、電力調整の反復計算の各々は、電力を増やすアクティブユーザを選択する、請求項17記載の製品。
【請求項２０】
電力を減らした場合、アクティブユーザ及びサブチャネルが重み付けされた合計レート(WSR)の最小ゲインをもたらすことに基づいて、電力調整の反復計算の各々は、電力を減らすアクティブユーザを選択する、請求項19記載の製品。
【請求項２１】
直交周波数分割多重接続(OFDMA)方式及び空間分割多重接続(SDMA)方式を使用し、複数のOFDMAサブチャネルを介して、複数のユーザへデータを送信し及び複数のユーザからデータを受信するトランシーバと、
前記トランシーバに結合され、無線信号を送信及び受信する複数のダイポールアンテナと、
スケジューリング機能部を含むコントローラと
を有するシステムであって、前記複数のユーザは、SDMA方式を使用して各サブチャネルを同時に共有し、
前記スケジューリング機能部は、ユーザにサブチャネルを割り当て、ユーザ／サブチャネル各々についてビームフォーミングデータを決定し、前記コントローラは、
直交周波数分割多重化(OFDM)方式の帯域内の複数のサブチャネル各々について、高いスループットを示す可能性のあるアクティブユーザの小規模の集合を特定する論理部であって、前記小規模の集合中のアクティブユーザ各々は、各自に対応するサブチャネルを共有する、論理部と、
アクティブユーザの前記小規模の集合を特定した後、前記小規模の集合中のアクティブユーザについて、電力調整及びビームベクトルの最適化を反復的な方法で実行する論理部と
を有し、前記電力調整は、サービス品質(QoS)を順守しかつ前記ビームベクトルの最適化を図るように、前記電力調整により1人以上のアクティブユーザに関する電力を増やし及び1人以上の他のアクティブユーザに関する電力を減らし、前記電力調整の影響を受けるサブチャネルに関するビームベクトルを最適化する、システム。
【請求項２２】
前記小規模の集合中のアクティブユーザについて、電力調整及びビームベクトルの最適化を反復的な方法で実行する前記論理部が、ビームベクトルの最適化の反復計算の各々において、複数の電力調整の反復計算を実行する論理部を含み、電力調整の反復計算の各々が、1人以上のアクティブユーザに関する電力を増やし、1人以上のユーザに関する電力を減らす、請求項21記載のシステム。
【請求項２３】
電力を増やした場合、アクティブユーザ及びサブチャネルが重み付けされた合計レート(WSR)の最大ゲインをもたらすことに基づいて、電力調整の反復計算の各々は、電力を増やすアクティブユーザを選択する、請求項22記載のシステム。
【請求項２４】
電力を減らした場合、アクティブユーザ及びサブチャネルが重み付けされた合計レート(WSR)の最小ゲインをもたらすことに基づいて、電力調整の反復計算の各々は、電力を減らすアクティブユーザを選択する、請求項23記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に無線通信に関連し、特に直交周波数分割多重接続(OFDMA)方式又は複数の並列チャネルを利用する他の方式のシステムに関連する。
【背景技術】
【０００２】
直交周波数分割多重(OFDM)方式はマルチキャリアの通信技術であり、密接に並んだ多数の直交キャリアを使用して、通信チャネルのデータを伝送する。直交周波数分割多重接続(OFDMA)方式は、OFDMバンドのサブキャリアを複数のユーザが共有できるようにするOFDMの一形態である。空間分割多重接続(SDMA)方式は、空間の次元を利用することで、複数のユーザが通信リソース(例えば、周波数チャネル等)を共有できるようにする技術である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の課題は、OFDMAシステムにおいてSDMAを効率的に実現できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一形態で使用される方法は、
基地局のカバレッジ領域で使用する直交周波数分割多重化(OFDM)方式の帯域内の複数のサブチャネル各々について、高いスループットを示す可能性のあるアクティブユーザの小規模の集合を特定するステップであって、前記小規模の集合中のアクティブユーザ各々は、空間分割多重接続(SDMA)方式により各自に対応するサブチャネルを共有する、ステップと、
アクティブユーザの前記小規模の集合を特定した後、前記小規模の集合中のアクティブユーザについて、電力調整及びビームベクトルの最適化を反復的な方法で実行するステップと
を有し、サービス品質(QoS)を順守しかつ前記ビームベクトルの最適化を図るように、前記電力調整により1人以上のアクティブユーザに関する電力を増やし及び1人以上の他のアクティブユーザに関する電力を減らし、前記電力調整の影響を受けるサブチャネルに関するビームベクトルを最適化する、方法である。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】本発明の一実施例によるOFDMA方式のネットワークで使用されるOFDMシンボル例を示す図。
【図２】無線ネットワーク内でビームフォーミング(BF)技術を利用し、複数のアンテナビームにより行われる、本発明の一実施例による空間分離例を示す図。
【図３】ユーザ達の一部を選択し、OFDMAネットワークにおける第1サブチャネルを共有する本発明の一実施例による方法例を示すフローチャート。
【図４】通信ネットワークの複数の並列チャネルについて小さなアクティブユーザ群を選択するのに使用される本発明の一実施例による方法例を示すフローチャート。
【図５】ビームフォーミング最適化を行う本発明の一実施例による方法例を示すフローチャート(その1)。
【図６】ビームフォーミング最適化を行う本発明の一実施例による方法例を示すフローチャート(その2)。
【図７】本発明の一実施例による基地局例を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
以下の詳細な説明では、本発明が使用された具体的な実施例を例示的に図示する添付図面が参照される。これらの実施例は、当業者が本発明を実施できる程度に充分に詳しく説明されている。本発明の様々な実施例は、異なってはいるが、必ずしも互いに排他的ではないことが、理解されるべきである。例えば、ある実施例に関して説明された特定の属性、構造又は特徴が、本発明の精神及び範囲から逸脱せずに、他の実施例で使用されてもよい。さらに、開示される各実施例における個々の要素の位置や配置が、本発明の精神及び範囲から逸脱せずに、変更されてよいことも理解されるべきである。したがって、以下の詳細な説明は限定的な意味に解釈されるべきでなく、本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ規定され、特許請求の範囲は、及び得る総ての範囲の均等物と共に適切に解釈される。図面に関し、複数の図面を通じて同様な番号は同一の又は同様な機能を指す。
【０００７】
OFDMはマルチキャリアの通信技術であり、複数の直交サブキャリアを使用して、通信チャネルで情報を伝送する。各サブキャリアは、異なるデータシンボルにより変調されてよい。変調された総てのサブキャリアは、1つの「OFDMシンボル」として共に送信される。OFDMシンボルは、チャネルを通じて次々と送信され、高速データ通信を可能にする。従来のOFDM方式の場合、基地局(BS)から送信される各OFDMシンボルは、1ユーザ宛である(すなわち、BSのカバレッジ領域内の1つの加入者局(SS)宛である)。したがって、仮に使用されるならば、OFDMシンボルの総てのデータサブキャリアが、1人のユーザの情報を運ぶ。直交周波数分割多重接続(OFDMA)方式は、OFDMの拡張であり、OFDM帯域のサブキャリアが、多数の異なるユーザに割り当てられる。したがって、OFDMA方式のネットワークでBSがOFDMシンボルを送信する場合、OFDMシンボル中の或るサブキャリアは第1ユーザ宛のデータを伝送し、或るサブキャリアは第2ユーザ宛のデータを伝送している、等々である。同様に、OFDMA方式のネットワークでBSがOFDMシンボルを受信する場合、或るサブキャリアは第1ユーザからのデータを伝送し、或るサブキャリアは第2ユーザからのデータを伝送している、等々である。BSにはスケジューラが用意されており、BSから個々のSSへ何時どのサブキャリアでデータが送信されるか、及び個々のSSからBSへ何時どのサブキャリアでデータが送信されるかを決定する。この情報は、BSから送信されるMAPデータの形式で、対応するSSに通知されてもよい。
【０００８】
一般的なOFDMAシステムでは、OFDM帯域は多数のサブチャネルに分割され、各サブチャネルは1つ以上のサブキャリアを含む。OFDMシンボル内の各サブチャネルは、スケジューラにより様々なユーザに割り当てられる。様々なサブチャネルに割り当てられるユーザは、時間と共に変わる。例えば、第1のOFDMシンボルの場合には第1サブチャネルがユーザAに割り当てられたが、次のOFDMシンボルの場合には第1サブチャネルがユーザDに割り当てられるかもしれない、等々である。
【０００９】
SDMAは複数のアンテナビームによる空間分離を利用する技術であり、複数のユーザが通信リソースを共有できるようにする。SDMAがOFDMA方式のシステムで使用される場合、OFDM帯域幅の中の各サブチャネルは、ユーザ達に対して空間的に分離されたアンテナビームを生成することで、複数のユーザにより共有される。図1はOFDMシンボルの一例10を示し、本発明の一実施例によるOFDMAシステムで使用される。図示されているように、OFDMシンボル10は複数のサブキャリア12を含んでいる。これらのサブキャリアの大部分はデータサブキャリアであり、データサブキャリアは、様々なユーザへの及びユーザからのユーザデータを伝送する。しかしながら、一部のサブキャリアはパイロットサブキャリアであり、パイロットサブキャリアは、例えば、ネットワークにおけるチャネル推定を支援するために使用可能である。サブキャリア12は複数のサブチャネルに分割され(すなわち、サブチャネル1、2、3、...N)、各サブチャネルは1つ以上のサブキャリアを含む。図示の例の場合、各サブチャネルは、複数のユーザが使用するように割り当てられている。すなわち、サブチャネル1は加入者局SS-A、SS-D及びSS-Fにより使用され、サブチャネル2は加入者局SS-C、SS-F及びSS-Hにより使用される、等々である。複数のユーザが各サブチャネルを共有できる理由は、ビームフォーミング技術を利用することで、各サブチャネルを共有する様々なユーザへの送信を(SDMAを利用して)空間的に分離できるからである。
【００１０】
図2は、空間分離を行うネットワークシステム例14のブロック図を示し、本発明の一実施例による無線ネットワークにおいて、ビームフォーミング(BF)技術を利用することで、空間分離が複数のアンテナビームにより達成されている。図示されているように、BS16は、関連するカバレッジエリア又はセルの中で、多数のSS18、20、22、24、26に対して通信サービスを提供している。BS16は複数のアンテナ34を有し、そのアンテナはSS18、20、22、24、26と無線通信するのに使用される。複数のアンテナ34によるビームフォーミング技術を利用することで、互いに空間的に離れた複数の異なるアンテナビームが、OFDMAシステムの各サブチャネルについて生成される。ビーム空間的に分かれているので、あるビームによるBS16からの送信は、別のビームのSSへほとんど又は全く干渉を及ぼさない。同様に、BS16が受信する場合、特定のビームの或るSSからの送信は、他のビームからの送信と分離される。例えば、図2の場合、SS-A18、SS-D20及びSS-F22は1つのサブチャネルを共有できる。なぜなら、これらの各装置はビーム28,30,32によりそれぞれサービスを受けており、1つのビームは他の2人のサービス用のビームと空間的に分離されているからである。OFDMAシステムの他の利用可能なサブチャネルの各々でも同様な構成が使用されてよい。
【００１１】
線形ビームフォーミングは、所望の特性を有するビームを生成するように、複数のアンテナの各アンテナに重み係数を適用する技術である。n個の送信アンテナを有する基地局の場合、アンテナの重み(ウェイト)は、各アンテナについての重み係数を含む長さnのベクトルとして表現される。BFベクトルは、ビームに割り当てられた電力である本来のノルムと共に規格化されてもよい。一般的なSDMAの場合、フラットフェージングチャネルの下でユーザk(1つの受信アンテナを有する)が観測する信号対干渉及び雑音比(SINR)は、次式のように表現される:
【００１２】
【数１】
2010515371.tif 000003
ここで、νkはユーザkに関するBFベクトルであり、hkはユーザkに関するチャネルベクトルであり、pkはユーザkに関する電力レベルであり、σk2はユーザkに関する雑音(熱雑音＋隣接セルからの干渉)である。一般に、SDMAの最適化は、一群のベクトル{νi }及び一群の電力{pi }を適切に選択することである。しかしながら、目下のマルチユーザOFDMAシステムの場合、SDMAの最適化はスケジューリングの条件にも制約される。すなわち、ユーザのレートは、所定のサービス品質(QoS)の条件を満たす必要がある。スループットしか考慮されていない最適化法は、条件を満たすQoSレベルを様々なユーザに提供できないことがしばしばおこるであろう。
【００１３】
本発明は、QoSの問題をも取り扱いつつ、SDMA/OFDMA環境の中でスループット及びスペクトル利用効率を改善する技法に関連する。本技法は、このスループットの改善効果を、比較的簡易な演算によりもたらす。少なくとも一実施例において、2段階の方法が使用される。第1段階では、ネットワークのカバレッジ領域内で利用可能な各サブチャネルについて、ユーザの小規模な部分集合(subset)が選択される。この部分集合は、サブチャネルの「アクティブセット(active  set)」として言及される。第2段階では、そのカバレッジ領域について、スケジューリング及び物理的なビームフォーミングの同時最適化(joint  optimization)が実行される。この同時最適化は反復的なプロセスであり、そのプロセスは、レート条件(rate  constraint)に基づいて様々なユーザの電力レベルを調整し、ユーザの電力が変更されたサブチャネルについて、反復的にビームフォーミングを再び最適化する。同時最適化の段階の前に第1段階を行うことで、僅かなパフォーマンスの犠牲を払うだけで、多くの場合、最適化処理の全体的な演算の複雑さは大幅に削減できる。同時最適化の段階は、部分集合の選択段階を先に行わずに実行されてもよい。
【００１４】
線形プリコーディングに基づくBF最適化は、OFDM/SDMAブロードキャスト環境の中で理論的限界に近いスループットを達成できることが確認されている。しかしながら、そのような最適化方法により多数のユーザを処理する場合、その処理負担は、リアルタイムでの実行を実現できる水準を超えて増加してしまうことがしばしば起こるであろう。カバレッジ領域内のユーザ数Kが比較的大きかった場合(例えば、K=10ないし30)、シミュレーションによると、BF最適化プロセスの後に高い電力(positive  power)を有するユーザ数は、使用される基地局アンテナ数nをめったに超えない。基地局のアンテナ数は、実際上、比較的小さな値にしばしば制限される(例えば、2-4個)。これを踏まえて、最終的なBF最適化が行われる前に、各サブチャネルに関するアクティブユーザ数を減らすことで、全体的な演算負担の大幅な削減を達成可能なことが確認された。
【００１５】
以下、アクティブセット予測(ASP:  Active  Set  Predictor)プロセスが説明され、ASPプロセスは、所与の帯域幅リソース(例えば、OFDMAサブチャネル)について、QoS条件によらずにユーザのアクティブセットを選択するのに使用される。ASPプロセスは少ない演算負担の反復的手順であり、BF最適化に先立って、小規模の高効率なアクティブセット(high  yield  active  set)を発見する。少なくとも一実施例では、アクティブセット各々に属するユーザ数は、基地局で使用されるアンテナ数nに等しく設定される。他の実施例では、他のアクティブユーザ数が使用されてもよい。例えば、1つ以上の無線標準規格は、1つのリソースでサービス提供可能なユーザ数を制限するかもしれない(例えば、IEEE802.16e規格は、その数を4までに制限している。)。
【００１６】
図3は、ユーザのサブセット(一部分のユーザ)を選択する本発明の一実施例による方法例40を示すフローチャートであり、そのサブセットのユーザは、OFDMAネットワーク内でサブチャネルを共有する。方法40は、上述のアクティブセット予測(ASP)プロセスの一例である。図示されているように、まず最初に、総数Kの現在のユーザが、第1サブチャネルに関する候補ユーザとして選択されている(ブロック42)。第1サブチャネルに関する総ての候補ユーザに対して、等しい電力が割り当てられる(ブロック44)。次に、これらの候補ユーザ各々について、パフォーマンスメトリックが計算される(ブロック46)。少なくとも一実施例において、パフォーマンスメトリックは候補ユーザに関連する「レート」でありそのレートは、ユーザに関する最適な(規格化された)ビームベクトルを算出することで最適化される。現在の候補群及び現在の電力割当に基づいて、ビームベクトルの最適化が行われる。
【００１７】
計算されたパフォーマンスメトリックに基づいて、第1サブチャネルに関連付けられる候補ユーザ数は減らされる(ブロック48)。パフォーマンスメトリックが上述のレートであった場合、最低のレートを有する候補ユーザを拒否し且つ最高のレートを有する候補ユーザを維持することで、候補ユーザ数が減らされてもよい。削減する程度は、多種多様な如何なる方法で指定されてもよい。例えば、1つの可能な方法として、新たな候補セットのサイズは、以前の候補セットサイズに対する一定の割合(例えば、50％)でもよい。候補セットのサイズを減らす他の方法が代替的に使用されてもよい。次に、第1サブチャネルに関する新たな候補セットのサイズが、所望のサイズであるか否かが判断される(ブロック50)。未だ所望のサイズに達していなかった場合、方法40はブロック44に戻り、新たな候補群の候補ユーザ全員に対して等しい電力が割り当てられる。新たな候補群中の候補ユーザに対してパフォーマンスメトリックが算出され(ブロック46)、パフォーマンスメトリックに基づいて、候補ユーザ数が再び減らされる(ブロック48)。候補群の所望のサイズに到達するまで、本プロセスは反復され、到達すると本方法40は終了する(ブロック52)。少なくとも一実施例において、ブロック48における削減が、候補ユーザ数を所定のユーザ数未満には減らさないようにしてもよい。
【００１８】
上記の方法において、候補群の削減割合が50％で一定であった場合、所定の群サイズ(k0)に達するまでの反復回数は、およそlog2(K/k0)である。実際、これは一般的には1ないし4回の反復を要することになる。上記手順の全体的な演算負担は、ユーザ数がKのBFプロセスによる2ビームのベクトル最適化の反復の程度である。
【００１９】
上述したように、少なくとも一実施例において、ASPプロセスで使用されるパフォーマンスメトリックは、候補ユーザに関連するレートであり、そのレートは最適な(規格化された)ビームベクトルを算出することで最大化される。レートを最大化するための最適なビームベクトルの計算は、様々な方法で実行されてよい。例えば、1つの可能な方法の場合、計算はアップリンク及びダウンリンクの双対性(duality)に基づいてもよい。現在の候補群の送信電力がP(P>0)であり、現在の群のサイズがkであったとする。候補群の現在の電力ベクトルは、p=(p1,p2,...,pk)  であり、p1+p2+...+pk=P  である。ある方法の場合、piはP/kに等しく設定される。ベクトルhiはユーザi(i=1,...,k)に対するn次元チャネルベクトルである。レートの最大化は次のように実行されてもよい。先ず、パラメータSが次式を用いて算出される:
(式1)
【００２０】
【数２】
2010515371.tif 000004
Inxnはn×nの単位行列である。次に、ユーザ1ないしkについて、次のようにSiが算出される:
Si＝S−pi・hi・hi＊    (式2)
Siは正のエルミート行列であり、安定逆転(stable  inversion)が可能なことに留意を要する。次に、ユーザ1ないしkについての最大アップリンクSINRが、次式により算出される:
(式3)
【００２１】
【数３】
2010515371.tif 000005
この最適化は、例えば、最小二乗平均誤差(MMSE)計算を用いて実行されてもよい。この場合において、
S＝I＋H・D・H＊
であることに留意を要する。Hはn×k型の行列であり、この行列のj番目の列がhjである。Dはk×k型の対角行列であり、D=diag(p1,...,pk)  である。
【００２２】
上記のASPプロセスは、QoSによらず、OFDMAシステム内で各サブチャネルを共有する一部分のユーザ(ユーザのサブセット)を発見するのに使用される。以下の議論では、この概念が、QoSを考慮に入れながら、複数の並存するサブチャネル各々に関する小規模なアクティブユーザのサブセットをもたらすように拡張される。このプロセスは、フレーム式のアクティブセット予測(FW-ASP:  Frame-Wise  Active  Set  Predictor)プロセスと言及される。QoSの条件は、各ユーザに割り当てられる特殊な最小及び最大のフレームレートの制約に変換可能である。FW-ASPプロセスは複雑ではない反復的な手順であり、サブチャネル毎に、比較的高いスペクトル利用効率を達成可能なアクティブユーザセット(有望なユーザ群)を選択する。以下で詳細に説明されるように、FW-ASPは、ユーザ達のQoSに関する最小のフレームレート(QoS-related  minimum  rates)を満たす又は少なくとも近いアクティブセットを提供できる。上述のASPプロセスと同様に、FW-ASPプロセスは、BF最適化プロセスより前に使用され、計算の複雑さを大幅に減らす。少なくとも一実施例において、FW-ASPプロセスは、電力割当、ビームベクトル及びおそらくは以後のBF最適化プロセスに対する初期ウェイトをもたらし、最適化の演算負担(複雑さ)をさらに減らす。
【００２３】
図4は、本発明の一実施例による方法例60を示すフローチャートであり、この方法は、通信ネットワークの複数の並列的なチャネルについて、小規模なアクティブユーザセットを選択するのに使用される。方法60は、FW-ASPプロセスの1つの可能な形態を示す。方法60は、SDMAを使用するOFDMAネットワーク内で使用され、BF最適化が実行される前に、サブチャネルに関する初期の群を選択する。他の応用例も可能である。図4を参照するに、方法60は、OFDMAネットワークのサブチャネル各々について、QoSによらず、高いスループットをもたらす可能性のある小規模なユーザ群を先ず選択する(ブロック62)。上述のASPプロセス(例えば、図3の方法40)が、各サブチャネル内でのサブセット選択を実行するのに使用されてもよい。サブセットが選択された後、フレームレートパラメータが、各ユーザについて計算される(ブロック64)。「フレーム」という用語は、総てのサブチャネルを含む1つのOFDMAシンボルを指す。アクティブセットに属する或るユーザを含むサブチャネル総ての中で該ユーザのレートを合計することで、該ユーザのフレームレートが算出される。
【００２４】
次に、フレームレートの制約に関し、関連するQoS最小値未満の1人以上のユーザの電力(おそらくは、優先度の重み付け(ウェイト))が増やされる(ブロック66)。増やし方は、所定の増分値の形式でなされてもよい。この増加は、ユーザのフレームレートを、それが少なくとも最小値の制約に近づくようになされる。フレームレートの制約毎に、関連するQoS最大値を超える1人以上の他のユーザの電力(おそらくは、優先度の重み付け(ウェイト))が減らされる(ブロック68)。少なくとも一実施例において、全体的な電力が同じままであるように、電力の減少は、上記で実行される電力増加に等しい。電力の減少は、ユーザのフレームレートをおそらくは減少させるが、フレームレートに関する制約の最小値未満には減らさない。割り当てられた最大のフレームレートの制約を超えるユーザがいなかった場合、最大のフレームレートを有する１人以上のユーザが使用されてもよい。少なくとも一実施例において、1ユーザの電力がブロック66で増やされ、1ユーザの電力がブロック68で減らされる。上記の重み付け(ウェイト)(wk)は、リソース割当の間における各ユーザの優先度を反映する値である。これらのウェイトは、FW-ASPプロセスの間に変更されてもされなくてもよい。少なくとも一実施例では、初期のウェイトは、より上位レベルのスケジューリング手段により与えられる。この時点において、過去に拒否された1人以上のユーザ(すなわち、初期のサブセット選択の際に拒否されたユーザ)を追加することで、いくつかのサブチャネルの候補群が拡大されてもよい(ブロック70)。
【００２５】
次に、現在の総ての候補群が、所望のアクティブセットサイズを有するか否かが判断される(ブロック72)。所望のアクティブセットサイズを有しなかった場合(ブロック72-N)、本方法はブロック62に戻り、新たに決定された候補群、電力配分及びおそらくはウェイトと共にプロセスを反復し直す。現在の総ての候補群が所望のアクティブセットサイズを有する場合(ブロック72-Y)、次に、総てのユーザが、最小フレームレートの制約に至っている又は超えているか否か(或いは、少なくとも一実施例の場合、充分に近いか否か)が判断される(ブロック74)。超えていなかった場合(ブロック74-N)、本方法60は、新たに決定された候補群、電力分配及びおそらくはウェイトと共に、ブロック62から反復し直す。総てのユーザが最小フレームレートの制約に少なくとも近かった場合、本方法は終了してよい(ブロック76)。図3の方法40が、ブロック62において、サブチャネル各々についてサブセット選択を実行するのに使用される場合、初期の反復の後、方法40のブロック42及び44は、ステップ60の中における新たな反復の際にスキップされてよい。
【００２６】
上述したように、複数のサブチャネルについて初期のアクティブセットが選択された後、スケジューリング及び物理ビームフォーミングの同時最適化が実行される。この最適化は、QoSに関するフレームレートの制約の下でフレームレートを最大化しようとする。少なくとも一実施例において、上記のFW-ASPプロセスにより、サブチャネル毎のユーザが予め決定され、複雑さを緩和する。FW-ASPプロセスは、アクティブセットの初期割当、電力レベル、ビームベクトル及びおそらくはウェイトに関する問題を、BF最適化プロセスに変換する。少なくとも一実施例において、BF最適化は、電力変更(パワーシフト)による反復計算及びビームベクトルの反復計算を交互に行う反復的な手順である。ビームベクトル反復は、所与のフレーム電力割当に関し、最適なビームベクトルを発見しようとする。パワーシフト反復は、レートに関するパラメータ(例えば、重み付けされた合計レート(WSR:  Weighted-sum  rate)等)において最高のゲインをもたらすユーザ/サブチャネルに電力をシフトさせようとする。ある方法の場合、何度か電力反復がなされる度に、ビームベクトル反復が実行されてもよい(但し、他の方法が代替的に使用されてもよい。)。ビームベクトル反復は、各々のサブチャネル(pik)及びチャネル状態情報(CSI:  Channel  State  Information)に、各ユーザの現在の電力割当を入力する。CSIは個々のプロセスの一部として生成されてもよい。ビームベクトルの反復は、アクティブユーザのビームベクトルを最適化し、したがって全サブチャネル内のユーザのレートを最適化するように意図されている。
【００２７】
以下の説明では、ユーザのフレームレートとQoSにより指定されたフレームレート制約との比較に基づいてユーザを分類するために、特別な用語が使用される。例えば、ユーザのフレームレートが、最小の及び最大のフレームレート制約の間にあった場合(すなわち、Rmax,k≧Rk≧Rmin,k)、そのユーザは「満足(satisfied)」と言及される。ユーザのフレームレートが最小のフレームレート制約未満であった場合(すなわち、Rk＜Rmin,k)、ユーザは「過小(underrated)」と言及される。そして、ユーザのフレームレートが最大のフレームレート制約より大きかった場合(すなわち、Rk＞Rmin,k)、ユーザは「過大(overrated)」と言及される。
【００２８】
各々の電力反復は、サブチャネル内の少なくとも1人の過小ユーザの電力レベルを上昇させ、重み付け合計レート(WSR)のようなスループット関連パラメータの最大ゲインを得るように意図されている。過小ユーザがいなかった場合、1人以上の満足ユーザが使用されてもよい。ある方法の場合、所定の電力増分値が、対応するサブチャネル内のユーザに加えられてもよい。少なくとも1人の過大ユーザのパワーを等しく下げる処理がなされ、スループット関連パラメータにおける減少を最小化してもよい。電力反復計算の際に、総電力が同じままに維持されてもよい。過剰ユーザが存在しなかった場合、1人以上の満足ユーザが使用されてもよい。一般に、スループットゲイン及びロスの計算は、先行する電力反復において不変であったサブチャネルの現在の電力反復計算で実行される必要はない。同様に、最後のBF反復計算以来、電力反復計算で変わっていないサブチャネルは、各BF反復計算でスキップされてもよい。
【００２９】
図5及び6は、本発明の実施例によるビームフォーミング最適化を行う方法例80のフローチャートの一部分を示す。方法80は或る反復的な手順であり、その手順は、あるネットワークカバレッジ領域について、ビームフォーミング及びスケジューリングを同時に最適化するのに使用される。図5を参照するに、初期のアクティブセットにおけるユーザ及びサブチャネルの組み合わせ各々について、電力(pik)、チャネル(hik)及びビームベクトル(vik)の情報が先ず取得される(ブロック82)。上述したように、FW-ASPプロセスが初期のアクティブセットを得るのに使用されてもよい。FW-ASPプロセスは、初期の電力情報(pik)及び初期のビームベクトル情報(vik)を生成してもよい。iはサブチャネルの指標(インデックス)であり、kはユーザのインデックスである。初期のチャネル情報(hik)は、チャネル推定器又は他の何らかのソースから受信されてもよい。ユーザ各々のその時点におけるウェイト情報wkが取得されてもよい。次ぎに、ユーザ各々について、フレームレートが計算されてもよい(ブロック86)。上述したように、ユーザのフレームレートは、アクティブセットにそのユーザを有する各サブチャネルにおけるそのユーザの合計レートである。アップリンク−ダウンリンクの双対性に起因して、サブチャネルiにおけるユーザkのレートは(ここで、k∈A(i)  であり、A(i)はサブチャネルiに対するアクティブセットである)、アップリンク表現により与えられる:
【００３０】
【数４】
2010515371.tif 000006
ここで、aijk≡|vik・hik＊|2である。ユーザkのフレームレートは、次式で表現される:
【００３１】
【数５】
2010515371.tif 000007
フレームレートが決定された後、ユーザの各々が、満足、過小又は過大の何れであるか画判断される(ブロック88)。
【００３２】
図6を参照するに、次に、初期のパワーシフト反復計算が実行される(ブロック90)。上述したように、パワーシフト反復計算の際、特定のサブチャネル内の少なくとも1人のユーザの電力レベルが増やされてもよい。選択された少なくとも1つのユーザ/サブチャネルの組み合わせは、電力の増加が、スループット関連パラメータの最大のゲインをもたらすものである。過小ユーザが存在する場合はそれらが選択されるが、存在しない場合、満足ユーザが選択されてもよい。パワーシフト反復計算の間、少なくとも1つのユーザ/サブチャネルの電力レベルが減らされる。電力の総低減量は、以前に実行された電力の総増加量に等しく、全体的な電力変化がその電力シフト反復計算の際にゼロになるようにする。低減用に選択された少なくとも1つのユーザ/サブチャネルは、電力を低減しても、スループット関連パラメータにおける損失が最小になるものである。
【００３３】
上述の電力の増加及び低減を実行するため、所定の電力量Δが増加/減少の値として使用される。本発明の少なくとも一実施例では、電力量Δは、電力反復計算が行われる度に一定の比率だけ減らされてもよい。同じ反復計算の間に、同じサブチャネル内の同じユーザに電力量Δが付加される場合及びそのユーザから減らされる場合、電力反復計算は失速する(stall)。これらの状況において電力量Δを減らす別の技法が代替的に使用されてもよい。
【００３４】
本発明の少なくとも一実施例では、電力シフト反復計算中に使用されるスループット関連パラメータは、フレームの重み付け合計レート(WSR)であり、上述したように優先度重み付けwikを利用して計算される。サブチャネルiに関し、重み付けされた合計レートは、次のように表現される:
【００３５】
【数６】
2010515371.tif 000008
「フレームワイズ(framewise)」なWSRは、次のように計算されてもよい:
【００３６】
【数７】
2010515371.tif 000009
パワーシフト反復計算の間、このパラメータは、アクティブユーザ及びサブチャネルの組み合わせ各々について、電力の増分を伴う場合及び電力の増分を伴わない場合双方について計算される。WSRにおけるゲインと最大化する1つ以上の組み合わせが、電力を増やすために選択される。ゲインは次のように計算される:
【００３７】
【数８】
2010515371.tif 000010
ここで、Gikはゲインであり、pi’はpik→pik＋Δによりpiから得られる。同様な技法が電力の削減に関して実行されてもよい。WSRにおける損失を最小にするアクティブユーザ/サブチャネルの組み合わせの1つ以上が、電力削減について選択されてもよい。以後の電力シフト反復計算において、計算されるゲイン及びロスの値は、現在の電力反復計算で修正されたサブチャネルについて更新されることしか必要ないことに留意すべきである。
【００３８】
パワーシフト反復計算が完了すると、次ぎに、パワーシフト反復計算に関する所定の条件が満たされているか否かが判断される(ブロック92)。少なくとも一実施例において、この条件は、例えば、所定回数のパワーシフト頒布計算が実行されたか否かを判断する。他の条件が代替的に使用されてもよい。その条件が満たされていなかった場合(ブロック92-N)、本方法はブロック86に戻り、電力レベルを変えたユーザ各々についてフレームレートが計算され直す。そしてこれらのユーザはブロック88で再分類され、さらなる電力シフト計算がブロック90で実行される。このシーケンスは、条件が満たされるまで(ブロック92でNである限り)反復される。条件が満たされた場合、次に、ビームベクトルの最適化反復計算が実行されてもよい(ブロック94)。ビームベクトルの最適化反復計算は、ASPプロセスの上述したレート最大化における最適ビームベクトルの計算と同様な技法である。そのような処理の後、ビームベクトルが次式のように計算される(i=i:k)：
【００３９】
【数９】
2010515371.tif 000011
概して、先行する電力シフト計算で修正されたサブチャネルのみが、ビームベクトル最適化反復計算で処理されることを要する。
【００４０】
ビームベクトルの最適化反復計算が完了すると、次の条件(第2の条件)が満たされているか否かが判断される(ブロック96)。第2の条件は、方法80が終了することを決定する。第2条件は、例えば、所定のビームベクトル反復回数が方法80の終了前に実行されることを要求する。別の例の場合、第2の条件は、方法80が終了する前に総てのユーザが「満足」ユーザになることを要求してもよい。複数の条件が使用されてもよい。例えば、第2の条件は、終了前に許容されるビームベクトル反復計算の最大回数を指定するが、最大回数に達する前に、全ユーザが「満足」ユーザ又は良好になった場合、早期に終了することを許可してもよい。他の条件が代替的に使用されてもよい。最終的に条件が満たされると、本方法80は終了する(ブロック98)。
【００４１】
図7は本発明の一実施例による基地局例100を示すブロック図である。図示されているように、基地局100は、OFDMA/SDMAトランシーバ102、コントローラ104及びチャネル判定部106を含む。OFDMA/SDMAトランシーバ102は、複数のアンテナ108に結合され、無線媒体へ信号を送信し及び無線媒体からの信号を受信する。OFDMA/SDMAトランシーバ102はマルチユーザトランシーバであり、基地局100のカバレッジ領域内の複数のユーザに同時にサービスを提供できる。コントローラ104はスケジューラ機能部110を含み、スケジューラ機能部は、基地局100の中でOFDMAスケジューリングの責務を実行するのに使用される。チャネル判定部106は、基地局100によりサービスされる様々なチャネルのチャネル情報を決定する。チャネル判定部106は、様々なチャネルのチャネル推定値を計算するチャネル推定部を含み、及び／又はチャネル判定部106は他の場所で生成されたチャネル情報を受信及び処理してもよい。
【００４２】
少なくとも一実施例では、コントローラ104は或るパラメータを決定するように構築され、OFDMA/SDMAトランシーバ102は、そのパラメータを使用して、スペクトル効率の良い方法で基地局のカバレッジ領域内のユーザと通信する。例えば、コントローラ104は、利用可能なサブチャネル各々についての一群のアクティブユーザを、OFDMA/SDMAトランシーバ102に対して特定する。コントローラ104は、OFDMA/SDMAトランシーバ102で使用する電力情報pik及び最適ビームフォーミングベクトルvikを決定してもよい。OFDMA/SDMAトランシーバ102は、指定された電力レベル及びビームベクトルを使用して、適切なサブチャネルでユーザへデータを送信し及びユーザからデータを受信する。個の情報は、フレーム毎の形式で更新されてもよい。本発明の少なくとも一実施例の場合、コントローラ104は、反復的なビームフォーミング及びスケジューリングの手順(例えば、図5及び6の方法80等)を使用して、トランシーバ102により使用する情報を生成してもよい。コントローラ104は、上述したようにアクティブセット予測(ASP)プロセス及び／又はフレームワイズアクティブセット予測(FW-ASP)プロセスを使用して、反復的なビームフォーミング及びスケジューリングの手順で使用する初期のアクティブセット及び他の情報を計算する。
【００４３】
上記の実施例では基地局の観点から新規な技法が説明され、その基地局は、OFDMA無線ネットワークの関連するカバレッジ領域内でユーザにサービスを提供する。これらの技法は他の応用例でも使用可能であることが理解されるであろう。その応用例では、1つのソースから複数の並列的なチャネルを介して複数の遠隔エンティティに対して無線通信が行われる。
【００４４】
本発明の技法及び構造は、多種多様な如何なる形態で使用されてもよい。例えば、本発明の特徴は、基地局、無線アクセスポイント、通信衛星、ネットワークインターフェースカード(NIC)及び他のネットワークインターフェースストラクチャ、集積回路、マシン読取可能な媒体に記憶された命令及び／又はデータ構造、及びその他の形態等に組み込まれてもよい。使用されてよい様々なタイプのマシン読取可能な媒体の具体例は、フロッピディスク、ハードディスク、光ディスク、コンパクトディスクリードオンリメモリ(CD-ROM)、ディジタルビデオディスク(DVD)、ブルーレイディスク、磁気光ディスク、リードオンリメモリ、ランダムアクセスメモリ、消去可能なプログラマブルROM(EPROM)、電気的に消去可能なプログラマブルROM(EEPROM)、磁気カード、光カード、フラッシュメモリ等でもよいし、或いは、電子命令又はデータを格納するのに相応しい他のタイプの媒体でもよい。
【００４５】
少なくとも一実施例において、ブロック図(又はフローチャート)中の2以上のブロックが、1つの(又は複数の)ディジタル処理装置のソフトウエアで実現されてもよい。ディジタル処理装置は、例えば、汎用マイクロプロセッサ、ディジタル信号プロセッサ(DSP)、縮小命令セットコンピュータ(RISC)、複合命令セットコンピュータ(CISC)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)、特定用途向集積回路(ASIC)等を含んでよいし、及び／又は上記の組み合わせを含んでもよい。ハードウエア、ソフトウエア、ファームウエア及びハイブリッドな例が使用されてもよい。本願で使用されるように、「論理装置又はロジック(logic)」という用語は、例えば、ソフトウエア、ハードウエア、及びソフトウエアとハードウエアの組み合わせを含んでよい。
【００４６】
上記の詳細な説明では、本発明の様々な特徴が、開示の簡素化を図る目的で1つ以上の実施例の中で一緒にまとめられていた。特許請求の範囲が、各請求項で明示的に言及されている以外の更なる特徴を必須とする意図を、開示の方法が反映しているように決して解釈されるべきでない。むしろ、特許請求の範囲に示されているように、開示された実施例各々の総ての特徴より少ない特徴を、発明態様が含むかもしれない。
【００４７】
本発明は或る実施例に関して説明されてきたが、当業者が理解する本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、修正例及び変形例が使用されてもよいことが、理解されるであろう。そのような修正例及び変形例は、本発明及び添付の特許請求の範囲に属する。
【図１】
2010515371.tif 000012
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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2010515371.tif 000020