(57)【要約】離散直交振幅変調QAM入力を持つOFDMシステムの1つのサブチャネルにおける多数のユーザ間での電力の割り当てに応答して電力割り当てを計算するための最大算出数を設定し、i）電力プロファイルを用いて総スループットを計算することとii）現在の電力プロファイル総スループットが以前の電力プロファイル総スループットよりも小さければ以前の電力プロファイルを維持することと、iii）最大の総スループットを持つ電力プポロファイルの指数を見つけ、繰り返しが終了したとき電力プロファイルを確定することとを含む繰り返しを有する、ランダムに生成された電力プロファイルを持つOFDMシステムにおけるユーザの最大総スループットの決定を開始する方法。
2010512071.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
離散直交振幅変調QAM入力を有するOFDMシステムの1つのサブチャネルにおける多数のユーザ間での電力の割り当てに応答して電力割り当てを計算するための最大算出数を設定するステップと、
i）電力プロファイルを用いて総スループットを計算することと、
ii）現在の電力プロファイル総スループットが以前の電力プロファイル総スループットよりも小さければ以前の電力プロファイルを維持することと、
iii）最大の総スループットを持つ電力プポロファイルの指数を見つけ、繰り返しが終了したとき電力プロファイルを確定することと
を含む繰り返しを有する、ランダムに生成された電力プロファイルを持つOFDMシステムにおけるユーザの最大総スループットの決定を開始するステップと、
を有する方法。
【請求項２】
前記のランダムに生成された電力プロファイルが
【数１】
2010512071.tif 000076
を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
電力プロファイルを用いて前記総スループットを計算するステップi）が
【数２】
2010512071.tif 000077
を用いるC(q,l)を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項４】
現在の電力プロファイル総スループットが以前の電力プロファイル総スループットよりも小さければ以前の電力プロファイルを維持するステップii)が、もし
【数３】
2010512071.tif 000078
ならば
【数４】
2010512071.tif 000079
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
最大の総スループットを持つ電力プポロファイルの指数を見つけるステップii)がl*=arg max C(q,l)を含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
繰り返しが終了したとき電力プロファイルを確定するステップが、Qを前記繰り返しの最大数として、
【数５】
2010512071.tif 000080
を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項７】
OFDMシステムの1つのサブチャネルにおいて多数のユーザの間で電力を割り当てる方法であって、
i)最初の電力プロファイルがランダムに生成された電力プロファイルを用いて総スループットを計算し、
ii）現在の電力プロファイル総スループットが以前の電力プロファイル総スループットよりも小さければ以前の電力プロファイルを維持し、
iii）最大の総スループットを持つ電力プポロファイルの指数を見つけ、繰り返しが終了したとき電力プロファイルを確定する
ことによって、OFDMシステム離散直交振幅変調QAM入力における、ユーザの最大総スループットを若干の繰り返しにわたって繰り返し調べるステップを有する
方法。
【請求項８】
前記のランダムに生成された電力プロファイルが
【数６】
2010512071.tif 000081
を含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
電力プロファイルを用いて前記総スループットを計算するステップi）が
【数７】
2010512071.tif 000082
を用いるC(q,l)を含む、請求項7に記載の方法。
【請求項１０】
現在の電力プロファイル総スループットが以前の電力プロファイル総スループットよりも小さければ以前の電力プロファイルを維持するステップii)が、もし
【数８】
2010512071.tif 000083
ならば
【数９】
2010512071.tif 000084
を含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
最大の総スループットを持つ電力プポロファイルの指数を見つけるステップiii)がl*=arg max C(q,l)を含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
繰り返しが終了したとき電力プロファイルを確定するステップが、Qを前記繰り返しの最大数として、
【数１０】
2010512071.tif 000085
を含む、請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して無線通信に関し、特に、条件付き(constrained)入力、すなわちQAM信号を有するマルチアクセスされたユーザのサブチャネル割り当てによる上り回線電力割り当て方法に関する。
【０００２】
この出願は、2006年12月4日に出願された、「条件付き入力を有する上り回線マルチユーザOFDMの構造」と言う名称の米国仮出願60/868, 421 の利益を請求し、その内容をここに参照によって含める。
【背景技術】
【０００３】
最近制定された標準、例えばWiMAX,3GPPLTEでは、直交周波数分割マルチアクセスOFDMAが、マルチユーザブロードバンド無線システムとして採用されている。OFDMAによって、各サブチャネルは1人のユーザにのみ排他的に割り当てられる。このようなOFDMA解決策によって、ユーザ間の干渉が除かれる。受信機は簡単な単一ユーザ受信機である。ブロードバンドマルチユーザシステムに対する１つの重要な性能尺度は総容量(sum-capacity)または総スループプット(sum-throughput)、すなわちシステムのすべてのユーザ間の合計データ伝送速度である。その意味で、OFDMAは総スループットの最適解決策ではない。
【０００４】
OFDMAは、幾つかのチャネル実現に対してのみまたはガウス入力に対してある確率(probability)だけで上り回線の総容量の最適性を実現できることが示されている。非特許文献１を参照されたい。全スループット性能は総速度(sum-rate）最適ではない。実際のシステムでは、直交振幅変調QAM信号のような条件付き入力が用いられている。したがって、OFDMAには総スループット性能のより多くのロスがある。OFDMAは、条件付き入力では任意のチャネル実現に対する総速度の最適性を達成できないことを示すことができる。
【非特許文献１】H.Li とH.Liuの「上り回線のOFＤMAの最適性についての解析」（An analysis on uplink OFDMA optimality）2006年5月  オーストラリア、メルボルン、自動車技術会議、春季
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、スループットを向上させるために、OFDMAに代わるマルチユーザOFDM方式に対する要求がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、離散直交振幅変調QAM入力を有するOFDMシステムの1つのサブチャネルにおける多数のユーザ間での電力の割り当てに応答して電力割り当てを計算するための最大算出(determination)数を設定するステップと、i）電力プロファイルを用いて総スループットを計算することと、ii）現在の電力プロファイル総スループットが以前の電力プロファイル総スループットよりも小さければ以前の電力プロファイルを維持することと、iii）最大の総スループットを持つ電力プポロファイルの指数を見つけ、繰り返しが終了したとき電力プロファイルを確定すること、とを含む繰り返しを有する、ランダムに生成された電力プロファイルを持つOFDMシステムにおけるユーザの最大総スループットの決定を開始するステップと、を有する方法が提供される。
【０００７】
本発明の他の態様では、OFDMシステムの1つのサブチャネルにおいて多数のユーザの間で電力を割り当てる方法は、i)最初の電力プロファイルがランダムに生成された電力プロファイルを用いて総スループットを計算し、ii）現在の電力プロファイル総スループットが以前の電力プロファイル総スループットよりも小さければ以前の電力プロファイルを維持し、iii）最大の総スループットを持つ電力プポロファイルの指数を見つけ、繰り返しが終了したとき電力プロファイルを確定することによって、OFDMシステム離散直交振幅変調QAM入力における、ユーザの最大総スループットを若干の繰り返しにわたって繰り返し調べるステップを有する。ランダムに生成された電力プロファイルが
【０００８】
【数１】
2010512071.tif 000003
【０００９】
を含むのが好ましく、電力プロファイルを用いて前記総スループットを計算するステップi）が
【００１０】
【数２】
2010512071.tif 000004
【００１１】
を用いるC(q,l)を含むのが好ましく、現在の電力プロファイル総スループットが以前の電力プロファイル総スループットよりも小さければ以前の電力プロファイルを維持するステップii)が、もし
【００１２】
【数３】
2010512071.tif 000005
【００１３】
ならば
【００１４】
【数４】
2010512071.tif 000006
【００１５】
を含むのが好ましく、最大の総スループットを持つ電力プポロファイルの指数を見つけるステップii)がl*=arg max C(q,l)を含むのが好ましい。繰り返しが終了したとき電力プロファイルを確定するステップが、Qを前記繰り返しの最大数として、
【００１６】
【数５】
2010512071.tif 000007
【００１７】
を含むのが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明のこれらおよび他の利点は、以下の詳細な説明と添付の図面を参照することによって当業者に明らかとなる。
【００１９】
本発明の方法は、入力ユーザ信号のスループットを改善するためにOFDMAに代わるマルチユーザOFDM方式を提供する。本方法の構造および解析は実際の条件付き入力(constrained input)に基づいている。１サブチャネル当たり1人のユーザを割り当てる代わりに、本方法は、全てのサブチャネルに2人以上のユーザを割り当てることを許す。したがって、2人以上のユーザが割り当てられるいくつかのサブチャネルではユーザ間でコンテンション(contentions)が存在する。受信機では、干渉を解決するためにマルチユーザ検出が適用されなければならない。本割り当ては、ユーザとベースステーションの間の全ての回線に対するチャネル状況に基づいている。結果として得られる総率(sum-rate)性能はOFDMAよりもはるかに優れている。本発明の方法は上り回線および下り回線のOFDMの用途に適用することができる。
【００２０】
図１を参照すると、従来の直交周波数分割マルチアクセスOFDMAシステム10が図示されている。このOFDMAシステムでは、図2の20で示されるように、各サブチャネルが2人以上のユーザに排他的に割り当てられている。図１に示されているように、符号化の後、インターリーバ(interleaver)は加えられていない。独立した復号が受信機で用いられている。この方式は、特に条件付き入力を持った上り回線にとって総率が最適ではない。上り回線OFDMA用の、電力とサブチャネルの割り当てのアルゴリズムが、
【００２１】
【数６】
2010512071.tif 000008
【００２２】
で与えられる総スループットで、ガウス入力について検討されてきた。総スループットの作成の困難さのために条件付き入力に対して、条件付き入力付きのコンテンションを可能にする上り回線マルチユーザOFDMについてもアルゴリズムは与えられていない。欲張りアルゴリズム(greedy algorithm)がガウス入力を有するOFDMAに対して適用される。
【００２３】
より詳細には、図1のマルチアクセスシステム10はK人のユーザを有している。各ユーザは、N個のサブキャリアを有するOFDM信号伝達を用いて準静的フェージング(quasi-static fading)チャネルを介して情報を伝達する。ｎ番目のサブキャリアにおける受信信号は
【００２４】
【数７】
2010512071.tif 000009
【００２５】
で与えられ、ここで、Xkn、ｈknはそれぞれｎ番目のサブキャリアにおけるユーザｋからの受信シンボル、複素チャネル係数を示し、Pknはユーザkからの、ｎ番目のサブキャリアに割り当てられた送信電力であり、νnは、分散N0を有する付加的複素ガウスノイズ(additive complex Gaussian noise)である。ユーザkのトータル電力をPkで表す。
すると、1ユーザ当たりの総電力制約(sum power constraint)は
【００２６】
【数８】
2010512071.tif 000010
【００２７】
によって与えられる。
【００２８】
遅いフェージングチャネル(slow fading channel) 、すなわちチャネルゲインは、電力とチャネルの割り当ての間、一定と考える。電力とサブチャネルの割り当てを受信機で行うことができるように、受信機はチャネル情報を完全に知っているものと仮定する。通常、一群のサブキャリアは１つのサブチャネルを構成し、チャネル係数は同じサブチャネル内のこれらサブキャリアの間で変化する。この作業において、解析を簡単にするために、同じサブチャネルでは、フェージング係数は、このサブチャネルにおける全てのサブキャリアについて同じであると仮定する。本システムは、各サブチャネルがたった1つのサブキャリアを含むシステムと等価的にみなすことができる。したがって、Ｎsub＝Nとなる。この作業において、サブチャネル間のチャネルゲインは独立していると仮定する。
【００２９】
(1)式における受信信号は一般的表現である。OFDMAの場合、各サブチャネルは2人以上のユーザに排他的に割り当てられ、すなわちｎ番目のサブチャネルの電力パラメータPkn,k=1,・・・,Kのうち、たった1つだけが非ゼロでありうる。OFDMAは上り回線のマルチユーザOFDMにとって最適でないかもしれないことが当該技術において示されている。コンテンション付きの、OFDMに基づくマルチアクセス、すなわち総スループット最適化に基づくサブチャネル割り当てを考える。したがって、1つのサブチャネルを2人以上のユーザに割り当てることができる。幾つかのサブチャネルを共有するユーザ間に干渉が存在する。この場合、統合最大尤度(ML)復号(joint maximum likelihood decoding)が受信機において考慮されなければならない。上り回線の場合、ベースステーションは移動端末よりもはるかに大きい複雑さを処理することができるので、最適な統合復号に取り組む幾つかのマルチユーザ検出技術を用いることができる。図１では、異なったインターリーバを異なったユーザに用いることができる。ユーザ信号は、インターリーブ分割マルチプルアクセス(IDMA)と同様に異なったインターリーバによって分割することができる。
【００３０】
マルチユーザOFDMの総スループット
２ユーザシステムの容量領域
【００３１】
ガウス入力
【００３２】
まず、２ユーザマルチアクセスシステムを考える。ガウス入力と重ね合わせ符号化(superposition coding)を持つ２ユーザの場合の容量領域は
【００３３】
【数９】
2010512071.tif 000011
【００３４】
によって与えられ、ここで、Riはユーザｉの情報レートであり、Ｐiはユーザｉの電力である。ここで、それはチャネルゲイン
【００３５】
【数１０】
2010512071.tif 000012
【００３６】
を含む組み合わせ電力と見なすことができる。総容量は
【００３７】
【数１１】
2010512071.tif 000013
【００３８】
によって定義される。２ユーザMACに対する最適な総容量、すなわち総スループットの上限は
【００３９】
【数１２】
2010512071.tif 000014
【００４０】
によって与えられることがわかる。最適な総スループットは
【００４１】
【数１３】
2010512071.tif 000015
【００４２】
のラインに沿って実現される。連続したバンド幅を有する２ユーザFDMAの容量領域は
【００４３】
【数１４】
2010512071.tif 000016
【００４４】
によって与えられる。
重ね合わせ符号化を持つ２ユーザMACの容量領域と、単位バンド幅、すなわちＷ＝１に対するFDMAの容量領域が図７に図示されている。2ユーザの場合、重ね合わせ符号化は
【００４５】
【数１５】
2010512071.tif 000017
【００４６】
のラインに沿って最適な総スループットを実現できる。
【００４７】
【数１６】
2010512071.tif 000018
【００４８】
個の異なった最適な組は時間分割によって達成できる。連続したバンド幅を持つFDMAは最適な総容量を、たった1つの点で実現できる。
【００４９】
条件付き入力
【００５０】
条件付きチャネル容量関数
【００５１】
【数１７】
2010512071.tif 000019
【００５２】
をまず定義する。入力コンステレーション(input constellation)セット
【００５３】
【数１８】
2010512071.tif 000020
【００５４】
が与えられたとすると、
【００５５】
【数１９】
2010512071.tif 000021
【００５６】
によって与えられる条件付き容量を得る。ここで、
【００５７】
【数２０】
2010512071.tif 000022
【００５８】
はチャネル入力としてのｓiの確率であり、
【００５９】
【数２１】
2010512071.tif 000023
【００６０】
はチャネル入力ｓiと受信電力Pを条件とするチャネル出力のpdfである。AWGNチャネルの場合、単位ノイズ変動を仮定すると、
【００６１】
【数２２】
2010512071.tif 000024
【００６２】
によって与えられる
【００６３】
【数２３】
2010512071.tif 000025
【００６４】
を得る。
一様に見込みのある(equally probable)複数の入力の場合、
【００６５】
【数２４】
2010512071.tif 000026
【００６６】
を得る。すると、
【００６７】
【数２５】
2010512071.tif 000027
【００６８】
によって与えられる、２ユーザFDMAの場合に対する容量領域を得る。
【００６９】
重ね合わせ符号化を有する２ユーザMACの場合、
【００７０】
【数２６】
2010512071.tif 000028
【００７１】
によって与えられる、２ユーザ統合入力に対する条件付き容量関数をまず得る必要がある。ここで、
【００７２】
【数２７】
2010512071.tif 000029
【００７３】
は、それぞれ電力Ｐ1、P2を有する２ユーザｓi、sjからの条件付き入力で与えられるチャネル出力pdfである。単位ノイズ変動を有するAWGNチャネルの場合、チャネル入力を左右するpdfは
【００７４】
【数２８】
2010512071.tif 000030
【００７５】
によって与えられる。
両ユーザからの一様に見込みのある入力に対して、
【００７６】
【数２９】
2010512071.tif 000031
【００７７】
を得る。
【００７８】
すると、重ね合わせ符号化を持つ2ユーザMACに対する条件付き容量領域は
【００７９】
【数３０】
2010512071.tif 000032
【００８０】
によって与えられる。
重ね合わせ符号化を持つ2ユーザMACの、結果として得られる要領領域と、QPSK入力を持つFDMAの、結果として得られる容量領域が図8に示されている。さらに、単位バンド幅と単位ノイズ変動を仮定する。左側の図はP1＝P2＝0dBの場合であり、右側の図はP1＝P2＝10dBの場合である。
【００８１】
【数３１】
2010512071.tif 000033
【００８２】
のラインは、QPSK入力を持つ重ね合わせ符号化の最適な総容量であることがわかる。FDMA容量領域の限界は、重ね合わせ符号化に対する最適総容量ラインと接触せず、FDMAのケースは総スループット最適値に決して到達できず、FDMAについてスループットロスがあることを示している。低いSNR、例えばP1＝P2＝0dBでは、2つの最良総スループット点の間のギャップは小さい。しかしながら、このギャップはSNRが大きくなると大きくなる。P1＝P2＝0dBでは、2つの曲線間に大きなギャップが生じ、FDMAに対して大きな総スループットロスであることを示している。
【００８３】
重ね合わせ符号化による総スループットの改善を示すために、QPSKと16QAM入力を持つ2つのシステムの総スループットを図９におけるSNRの関数として示す。P1＝P2と仮定する。QPSKと16QAMの両入力に対して、重ね合わせ符号化の総スループットとFDMAの総スループットの間のギャップはSNRと共に大きくなり、重ね合わせ符号化の総スループットゲインがSNRと共に増大することを示している。QPSK入力の場合、重ね合わせ符号化のスループットゲインは50％である。16QAMの場合、重ね合わせ符号化のスループットゲインは高いコンステレーションのために低下するが、FDMAに対して約33％大きいゲインが依然として存在する。
【００８４】
KユーザMACのための総容量
【００８５】
Kユーザマルチアクセスチャネルの容量領域は、
【００８６】
【数３２】
2010512071.tif 000034
【００８７】
を満たす、レートベクトル(rate vectors)
【００８８】
【数３３】
2010512071.tif 000035
【００８９】
のホール(hall)の閉鎖(closure)であることが示されている。
ガウス入力を持つKユーザMACに対する総スループットは、
【００９０】
【数３４】
2010512071.tif 000036
【００９１】
によって上限が定められている。
条件付き入力の場合、
【００９２】
【数３５】
2010512071.tif 000037
【００９３】
を得、ここで、
【００９４】
【数３６】
2010512071.tif 000038
【００９５】
は
【００９６】
【数３７】
2010512071.tif 000039
【００９７】
によって与えられる。
FDMAの場合、ガウス入力に対する容量領域は
【００９８】
【数３８】
2010512071.tif 000040
【００９９】
によって与えられる。
すると、総スループットは
【０１００】
【数３９】
2010512071.tif 000041
【０１０１】
によって与えられる。
条件付き入力の場合、
【０１０２】
【数４０】
2010512071.tif 000042
【０１０３】
を得る。ここで、関数Ｃcstr(P)は式(5)で与えられる。
【０１０４】
ここで、K＞2の場合について、重ね合わせ符号化の総スループットとFDMAの総スループットを比較する。Kが小さく、コンステレーションの大きさも小さい場合について式(14)の積分を数値的に計算する。しかし、Kが大きくなると、加算の回数が増えるので、数値的方法でもってしても積分を計算するのは難しい。Kが大きい場合にFDMAについて(17)式から結果を得るのも難しい。解は後で出す。ここで、K=3の場合を考える。図10において、SNRの関数としての、QPSK入力を持つ2つのシステムの総スループットを考える。重ね合わせ符号化の総スループットとFDMAの総スループットのギャップは2ユーザシステムのそれよりも遥かに大きく、重ね合わせ符号化の総スループットゲインはユーザの数とともに大きくなることがわかる。大きいSNR領域における重ね合わせ符号化のスループットゲインはFDMAの場合に対して80%大きい。
【０１０５】
KユーザOFDMとOFDMAに対する総容量
【０１０６】
ガウス入力に対して、統合復号を持つKユーザOFDMシステムの総容量は
【０１０７】
【数４１】
2010512071.tif 000043
【０１０８】
によって与えられる。
OFDMAに対して上記式を用いてもよい。電力とサブチャネルの割り当てを容易にするために、次の式が知られている。
【０１０９】
【数４２】
2010512071.tif 000044
【０１１０】
ここで、ｗknは0または1の値を有し、サブチャネルｎがユーザkに割り当てられるとｗkn =1、そうでないと、ｗkn＝０である。このパラメータは、問題を扱いやすくするために、[0,1]内の実数にゆるめることができる。しかしながら、条件付き入力を持つマルチユーザOFDMの総容量に対する簡潔な表現を得ることは難しい。次に、近似条件付き容量を用いて解を示す。
【０１１１】
条件付き入力を有する近似総スループット
単一キャリアシステム
【０１１２】
上記の検討は単一キャリアシステム、すなわち単一の周波数帯域幅についてのものであることに注意されたい。本願の目的はマルチキャリアシステムを検討することである。上記したように、条件付き入力を有するKユーザOFDMに対する総スループットを得るのは言うまでもなく、式(14)におけるKユーザMACに対する総スループットを計算するのは難しい。したがって、マルチユーザOFDMの総容量のみならず式(14)における条件付き容量の式を簡単化するのが自然である。
【０１１３】
単一ユーザガウスチャネル容量はBPSK入力付きSNRの関数として、指数関数ｆ(SNR)=1−ｅ−bSNRによって近似することができる。より大きなコンステレーションに対する近似ガウスチャネル容量関数は
【０１１４】
【数４３】
2010512071.tif 000045
【０１１５】
によって一般化し与えることができる。ここで、am、bmは異なったコンステレーションに対する近似パラメータである。ここで、条件付き入力を有するAWGNチャネルにおけるマルチアクセスシステムの総容量を近似する同じ方法を用いる。
【０１１６】
まず、単一ユーザガウスチャネル容量の近似結果を再生する(recap)。幾つかのコンステレーションに対するパラメータセットを以下の表に示す。
【０１１７】
【表１】
2010512071.tif 000046
【０１１８】
BPSK、QPSK、16QAMに対する近似の容量結果と正確な容量が図11に示されている。該近似は、特にBRSK、QPSKに対してかなり良好であることがわかる。16QAMの場合、小さな不一致がある。これは、
【０１１９】
【数４４】
2010512071.tif 000047
【０１２０】
としてより多くのパラメータを導入することによって改善することができる。
上記の近似によって、まず、単一キャリアシステムにおけるKユーザMACの総容量関数を得る。条件付き総容量を得るために、以下の２つの注意点をあげる。まず、ガウス入力の場合、他のユーザからの干渉はガウス分散(Gaussian distributed)ではないが、干渉にノイズが加わったものがガウス分散していると仮定する。第2に、連続干渉除去(SIC)が受信機において採用されていると仮定する。時間分割によって、SICは上り回線AWGN総容量を得ることができることがよく知られている。これらの仮定によって、
【０１２１】
【数４５】
2010512071.tif 000048
【０１２２】
によって与えられる、単一キャリアのKユーザMACに対する近似総スループットを得る。ここで、SIC復号順序はK、K−1、・・・、1であるとする。条件付き入力では、上記の近似によって、SICの順序は異なる結果をもたらすことがあるので、近似総容量を
【０１２３】
【数４６】
2010512071.tif 000049
【０１２４】
として得る。
【０１２５】
ここで、近似総容量を評価する。正確な総容量を得ることができるので、２ユーザシステムを考える。結果は図12に示されている。QPSK変調を考える。左側の図は、異なった電力入力(P1、P2)に対する、QPSK入力を持つ2ユーザMACの正確な総容量を示している。右側の図は近似の結果を示している。近似の総容量が正確な総容量と一致することがわかる。図12における近似に対する、結果として得られる平均2乗誤差(MSE)はわずか約0.002である。
【０１２６】
式(23)において、総容量はSICのすべての考えられる入れ替えた順序に対するスループットを最大化することによって得られる。K＞3では、計算の複雑さは劇的に増す。中央制限原理(central limit theorem)に基づいて、Kが大きくなると、干渉はガウス分布に似てくる。干渉にノイズが加わったときも同じである。したがって、大きなKでは、SICの任意の順序、例えば
【０１２７】
【数４７】
2010512071.tif 000050
【０１２８】
を持つ総スループットを用いることができる。
【０１２９】
マルチキャリアシステム
【０１３０】
マルチキャリアシステムでは、式(20)の近似の条件付き容量関数によって、OFDMAシステムの条件付き総スループットを直接、得る。式(19)のガウス容量を、
【０１３１】
【数４８】
2010512071.tif 000051
【０１３２】
によって与えられる近似の条件付き容量に単に置き換えることができる。
コンテンションベースの上り回線OFDMの場合、
【０１３３】
【数４９】
2010512071.tif 000052
【０１３４】
によって与えられる近似の総容量を得る。
【０１３５】
電力とサブチャネルの割り当て
総スループットの最適化
【０１３６】
総容量を定めた後、システム内の各ユーザからの受信チャネル情報に基づいて、総スループットを最大にするために電力とサブチャネルの割り当てを行わなければならない。したがって、重ね合わせ符号化を持つOFDMAまたはコンテンションベースのOFDMに対する電力とサブチャネルの割り当ては次の最適化問題に要約することができる。チャネル実現(channel realizations)が所与のものと仮定して、ユーザ当たり電力制約を持つ総スループット
【０１３７】
【数５０】
2010512071.tif 000053
【０１３８】
を最大にする。
ガウス入力では、上記の最適化問題における総容量CsumはそれぞれOFDMA、コンテンションベースのOFDMに対する式(19)、(18)における表現に置き換えられる。条件付き入力については、Csumはそれぞれ式(24)、(25)における表現に置き換えられる。
【０１３９】
最適化を4つのケースすべてについて簡単な形で構成することができるが、最適化を解くことは、特に、多数のユーザおよび/または多数のサブチャネルを有するシステムの場合に些細な仕事ではない。単純明快な解は通常大きなまたは実行不可能な計算上の複雑さを有している。例えば、OFDMAの場合、最適化問題は、サブチャネル割り当ての全ての列挙およびこれに続く、割り当てられたサブチャネルに基づいて注水 (water-filling) 方法を用いて各ユーザに対する電力割り当てによって解くことができる。サブチャネル割り当ては簡単な２帯域分割(two-band partition)に変えることができ,電力割り当てはマルチユーザ注水となる。しかしながら、これは、チャネルゲイン対ノイズ比が2ユーザに対して等しい場合にのみうまくいく。一般的なフェーディングの実現(fading realizations)に対する解は示されない。限界比率関数(marginal rate function)に基づくグリーディーな(greedy)次善のアルゴリズムそして注水に基づく繰り返し電力割り当てアルゴリズムをOFDMAに対して提案することができる。この方法はあまり複雑ではなく、結果は全列挙(full enumeration)によって解かれるものに近い。コンテンションベースのマルチユーザシステムに対して繰り返し注水アルゴリズムが当該技術において提案されている。しかし、それはガウス入力に対してであり、当該技術は受信機における独立した復号のみを考慮している。OFDMAと条件付き入力を持つコンテンションベースの上り回線のOFDMに対するあまり複雑でない(low-complexity)幾つかの解を示す。
【０１４０】
複雑でない方法
【０１４１】
公知の方法に基づいて、式(24)において与えられる近似の条件付き容量を用いてグリーディーな(greedy)方法を構成する。条件付き入力を有するOFDMAに対する電力とサブチャネルの統合割り当てについての提案されたグリーディーな方法は次のように要約できる。
【０１４２】
方法1[条件付き入力を持つOFDMAに対する電力とサブチャネルのグリーディーな統合割り当て]
・初期化：
【０１４３】
【数５１】
2010512071.tif 000054
【０１４４】
とセットし、ここで、Ukはユーザｋに割り当てられた一群のサブチャネルを示す。
【０１４５】
【数５２】
2010512071.tif 000055
【０１４６】
とセットする。
【０１４７】
【数５３】
2010512071.tif 000056
【０１４８】
とする。
【０１４９】
【数５４】
2010512071.tif 000057
【０１５０】
に対する注水アルゴリズムを用いてユーザｋに対する電力割り当てＰkn、すなわち
【０１５１】
【数５５】
2010512071.tif 000058
【０１５２】
を計算する。
・対
【０１５３】
【数５６】
2010512071.tif 000059
【０１５４】
を選択する。サブチャネルn*をユーザｋ*に割り当てる。すなわち、
【０１５５】
【数５７】
2010512071.tif 000060
【０１５６】
・上記ステップ(2)と(3)を、全てのサブチャネルが割り当てられるまで、すなわち
【０１５７】
【数５８】
2010512071.tif 000061
【０１５８】
まで繰り返す。
【０１５９】
コンテンションベースの上り回線OFDMの場合、条件付き入力を持つ式(26)の最適化を解く、あまり難かしくない方法を構成することは容易ではない。総スループットが最適値に近くなるように良好な電力プロファイルを得る効率的な方法を提案する。この提案された一般的なアルゴリズムは微分展開方法に基づいている。この微分展開方法は不規則なLDPCコードアンサンブルプロファイルの最適化にうまく適用できた。得られた最適LDPCコードは数10分の1デシベルまたはそれ未満の範囲内のチャネル容量閾値に近づくことができる。ここで、コンテンションベースの上り回線OFDMに対する電力プロファイルを得る差動法(differential method)を採用する。この方法は次のように要約できる。
【０１６０】
方法2[コンテンションベースの上り回線マルチユーザOFDMに対する繰り返し電力割り当て]
・初期化
−Np個の一群の電力プロファイル
【０１６１】
【数５９】
2010512071.tif 000062
【０１６２】
をランダムに生成する。この電力プロファイルは次の制約
【０１６３】
【数６０】
2010512071.tif 000063
【０１６４】
を満たす。
−繰り返しの最大数をQにセットする。
・q＝０, …, Qについて
式(25)から
【０１６５】
【数６１】
2010512071.tif 000064
【０１６６】
を用いて総スループットC(q, l)を計算し、
【０１６７】
【数６２】
2010512071.tif 000065
【０１６８】
を得る。
−電力プロファイル変化(mutations)
*
【０１６９】
【数６３】
2010512071.tif 000066
【０１７０】
によってＮp個の電力プロファイルを更新する。ここで、Δi、ｉ=1, …,4 は[1, …,Np]からランダムに選ばれた整数である。もし
【０１７１】
【数６４】
2010512071.tif 000067
【０１７２】
ならば
【０１７３】
【数６５】
2010512071.tif 000068
【０１７４】
にセットする。それから
【０１７５】
【数６６】
2010512071.tif 000069
【０１７６】
を計算する。
*電力プロファイル
【０１７７】
【数６７】
2010512071.tif 000070
【０１７８】
を用いてC(ｑ+1,l)を計算する。もし
【０１７９】
【数６８】
2010512071.tif 000071
【０１８０】
ならば、全てのk、ｎについて
【０１８１】
【数６９】
2010512071.tif 000072
【０１８２】
とセットする。
・最終的な出力電力プロファイルは
【０１８３】
【数７０】
2010512071.tif 000073
【０１８４】
によって与えられ、ここで
【０１８５】
【数７１】
2010512071.tif 000074
【０１８６】
である。
【０１８７】
数値結果
【０１８８】
2ユーザ上り回線システムの総スループット
まず、OFDMAの総スループットと、電力とサブチャネルの最適な割り当てを有する、コンテンションベースの上り回線OFDMを比較する。SIC復号を仮定する。次に、電力とサブチャネルの、あまり複雑ではない次善の割り当てアルゴリズムを用いてスループット結果を示す。
【０１８９】
電力とサブチャネルの割り当て
【０１９０】
QPSK入力を持つOFDMAの総スループット、QPSK入力を持つ、コンテンションベースのOFDM(「OFDM-SIC」によって表す)の総スループット、ガウス入力を持つ、コンテンションベースのOFDM(「OFDM-SIC」によって表す)の総スループットが図13の左の図に図示されている。利用可能なサブチャネルの数Ｎsub=16である。チャネルゲインは、単位分散(unit variance)を持つ独立した複素ガウスランダム変数であるとする。ガウス入力とQPSK入力を持つ、コンテンションベースのOFDMに対する最適な電力割り当ては、非線形最適化パッケージを用いて式(26)における最適化問題を解くことによって得られる。OFDMAに対する電力とサブチャネルの統合割り当ては公知のアルゴリズムによって、ただしその代わり、式(20)における近似の条件付き容量関数を用いて注水を行うことによって解かれる。総スループットはサブチャネルの数にわたって平均される。図13の左側の図から、OFDM-SICがOFDMAに対して大きな総スループットゲインをもつことがわかる。高いSNR領域では、両システムに対するQPSK入力の総スループット性能は飽和している。OFDMAの総スループットは、高いSNR領域においてQPSKの単一ユーザ単一キャリア容量である2に飽和する。OFDM-SICのゲインはOFDMAに対して約76%大きい。結果は、ガウス入力を持つ結果とは大きく異なり、ガウス入力からの結果は、特に、ユーザ装置(UE)が通常、ベースステーション(BS)よりも小さいコンステレーションサイズを用いるときの上り回線に対する、条件付き入力を有する実際のシステムの性能を表すことができないことを示している。
【０１９１】
2つのシステムに対する割り当てられたサブチャネルの平均数が図13の右側の図に図示されている。OFDMAの場合、両ユーザに対して割り当てられたサブチャネルの平均数は全てのSNR値に対して8であることが示されている。ガウス入力を持つOFDM-SICの場合、結果として得られる数はOFDMAの数に近く、特に、低いSNR値の場合、ガウス入力によって、多くのチャネル実現に対して、多くのサブチャネルは、最適な結果から1ユーザに割り当てられるだけであることを示している。したがって、電力とサブチャネルの最適な割り当て結果は実際OFDMAシナリオであることが可能である。OFDMAの最適性の確率を後で試験する。QPSK入力を持つOFDM-SICの場合、各ユーザに割り当てられるサブチャネルの平均数は8よりももっと大きい。高いSNR値では、両ユーザに割り当てられるサブチャネルの数は、サブチャネルの全数である16であり、最適な結果から、全てのサブチャネルが両ユーザに割り当てるべきであることを示している。したがって、OFDMAの最適性の確率はゼロである。
【０１９２】
Nsub=32に対する、チャネル当たりの総スループット(図左側)、割り当てられたサブチャネルの平均数(図右側)を含む最適結果が図14に示されている。OFDMAに対するQPSK入力、OFDM-SICに対する、およびコンテンションベースの上り回線OFDMガウスおよびQPSK入力を再び考える。チャネル当たりの最適な総スループットは、Nsub=16の以前の場合における総スループットと同じである。同じスループットゲイン(76％)が、QPSK入力を有するOFDMAのOFDM-SICによって達成される。割り当てられたサブチャネルの平均数について同様の結果も得られる。
【０１９３】
OFDMAの最適性の可能性
【０１９４】
ここで、OFDMAの最適性の確率をコンテンションベースの上り回線のOFDMに対する最適な電力割り当ての結果から求める。各チャネル実現に対して、電力とサブチャネルの最適な割り当てを得る。チャネル割り当て結果が確かにOFDMAかどうか判定する。多くのチャネル実現を判定することによって、OFDMAの最適性の確率である、実際にOFDMAである結果として得られる割り当ての確率を得る。ガウス入力のOFDM最適性結果およびQPSK入力のOFDM最適性結果が図15に示されている。3つの場合、すなわちそれぞれNsub＝2、16、32である場合を考える。ガウス入力では、OFDMAの最適性の確率は全てのSNR値および全ての3つのケースに対してゼロではないことが図15からわかる。小さいSNR値では、OFDMAの確率は50%よりも大きい。したがって、確率結果はSNRが大きくなるにつれて小さくなる。Nsub＝2のとき、SNRによるOFDMAの確率の変化は小さい。P1＝P2=20dＢの場合、OFDMAは未だ45%最適である。Nsub＝16、32の場合、OFDMAの確率はP1＝P2＞10dＢのとき急激に小さくなり、P1＝P2=20dＢのとき3%に達する。QPSK入力では、OFDMAの最適性の確率は、Nsub＝16、32である全てのSNR値に対してゼロであることがわかる。Nsub＝2では、OFDMAはSNRが6dBよりも小さいときにのみ最適になる。他のSNR値では,OFDMAは最適ではない。これらの結果は、OFDM-SICの特性がガウス入力および条件付き入力に対して大いに異なっていることを示し、実際の上り回線のコンテンションベースのOFDMシステムを検討し設計するときに条件付き入力を考慮することが重要であることを実証している。
【０１９５】
電力とサブチャネルの割り当てのための、あまり複雑でないアルゴリズム
【０１９６】
次に、最適化の問題を、上記で提示したあまり複雑でないアルゴリズムを用いて解くことを考える。このアルゴリズムは非常に多くのユーザに対しては実用的であるが、性能ロスがあるかどうかをまず評価するために2ユーザシステムを依然として考える。OFDMAに対する電力とサブチャネルの割り当てがアルゴリズム1から得られ、OFDM-SICに対する電力割り当てがアルゴリズム2から得られる。電力とサブチャネルの次善の割り当てからの、結果として得られる総スループットが図16に図示されている。以前の最適結果も比較のために含まれている。OFDMAの場合、あまり複雑でないアルゴリズムは以前の結果と殆ど同じ総スループットをもたらすことがわかる。OFDM-SICの場合、結果は、わずかの性能ロスの形態のあまり複雑でないアルゴリズムを示している。しかしながら、総スループット結果は依然として最適な結果に非常に近い。さらに、OFDM-SICは依然としてOFDMAに対して74%大きい総スループットゲインを有する。
【０１９７】
5ユーザ上り回線システムの総スループット
【０１９８】
ここで、5ユーザ上り回線システムを考える。さらに、チャネルがユーザおよびサブチャネル間で独立である場合を考える。図17は、OFDMAとQPSK入力を持つOFDM-SICの総スループット性能を示している。サブチャネル当たりの総スループットが、あまり複雑でないアルゴリズムから得られた、電力とサブチャネルの割り当てを用いて計算される。OFDMAの総スループットが再び、QPSKチャネル容量が高いSNR値である2で飽和し、一方、OFDM-SICの総スループットが2ユーザOFDM-SIC に対する総スループット最大値よりも45％大きい、OFDMAに対して150％のゲインである5.2で飽和することがわかる。
【０１９９】
より大きいコンステレーションのケースを考える。図18は、2ユーザシステムおよび5ユーザシステムの両方に対する、OFDMAのサブチャネル当たりの総スループットと16QAM変調付きのOFDM-SICのサブチャネル当たりの総スループットを示している。上記した電力とサブチャネルのあまり複雑でないアルゴリズムを適用する。提案された方式のスループットゲインがより大きいコンステレーションに対して小さくなることがわかる。しかしながら、スループットゲインは依然として大きい。2ユーザの場合、OFDM-SICのスループットゲインは、図18に示されているようにOFDMAに対して44%大きい。K=5のとき、スループットゲインはOFDMAに対して68％大きい。
【０２００】
本発明の、コンテンションベースのマルチユーザおよびサブチャネルと電力の割り当て方法に対する上記の解析が所与のものとして、本発明による、符号化マルチユーザOFDMの概略図が図3に示されている。本発明の方法は、図3に示すように、実際の離散入力、例えばQAM入力を考慮すると新しいマルチユーザ送信方式である。本発明の上り回線OFDMにおける関連するサブチャネル割り当てが図4に示され、図4では各サブチャネルに多分2人以上のユーザを割り当てることができる。この入力のための詳細な構造が図5に示されている。
【０２０１】
本発明の重要な特徴が図5に示されている。本発明の方法は総スループット改善するために、条件付き/離散入力に対する、コンテンションベースのリソース割り当て方法である。この方法では、OFDMシステムにおける1つのサブチャネルに多くのユーザを割り当てることができる。新しく定められた基準を有する、サブチャネルと電力の統合割り当て方式はこの発明の重要な問題を解決する。
【０２０２】
本発明における1つの重要な問題は、離散入力、例えばQAM入力を有するマルチユーザOFDMシステムについての総スループットの定義である。正確な理論的結果は計算するのが難しい。単一キャリアシステムに対するQAM容量の近似に基づいて、上記したように、連続したマルチユーザ検出を考慮して、
【０２０３】
【数７２】
2010512071.tif 000075
【０２０４】
によって与えられる近似総スループットを得る。
【０２０５】
電力とサブチャネルの統合の割り当ての方法が図6に示され、ここでは全ての繰り返しC(q,l)における総スループットを上記の近似を用いて計算することができる。最初に、電力割り当てを計算する繰り返しの最大数が、Qを設定することによって61において選択され、電力プロファイルNpが62において生成される。考慮中の全てのユーザに対する最大送信速度、総スループットC(q,l)が63において計算される。現在の電力プロファイル、計算された総スループットが、計算された以前の電力プロファイルよりも小さければ、以前の電力プロファイルが64において用いられる。最大総スループットを有する電力プロファイルに対応する指数が65において見出される。電力プロファイルは繰り返しプロセス66において更新される。繰り返しカウンタは67においてインクリメントされる。電力プロファイルの割り当てが最大Q回に等しい十分な回数行われると、ステップ63において本方法が繰り返され、さもなければ電力プロファイルはステップ69において出力される。
【０２０６】
上記からわかるように、電力とサブチャネルの割り当ての本発明の方法は、従来のOFDMAベースのマルチユーザシステムよりもより大きな総スループットをもたらす。そのようなシステムに対する簡単な近似総スループットの表現式が生成され、これはリソース割り当ての最適化問題を解決可能にする。電力とサブチャネルの割り当ての解決策をもたらす、受信機において実行可能な、あまり複雑でない方法が与えられる。本発明の方法によって、2ユーザ上り回線システムにおけるOFDMAにまさるより大きな総スループットゲイン(70%)が達成される。5ユーザシステムの場合、スループットゲインはOFDMAに対して150％増す。
【０２０７】
本発明を、最も実際的で好適な実施形態と考えられるもので示し、説明した。しかしながら、そこから外れ、明白に変形例と示されるものが当業者によって実行されることが予期される。当業者は、ここに明確には示され、記載されていないが、本発明の原理を実現し、その要旨と範囲にある数多くの装置を考え出すであろうことが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０２０８】
【図１】図1は,OFDMAサブチャネルと電力割り当てが処理されるフローパスを示す、従来の符号化上り回線直交周波数分割マルチアクセスOFDMAシステムの概略図である。
【図２】図1の上りOFDMAでのサブチャネル割り当てを示す図である。
【図３】図3は、本発明の上り回線マルチユーザOFDMを用いた、本発明による符号化マルチユーザ直交周波数分割多重OFDMの概略図である。
【図４】図4は、図3に示された、本発明の上り回線マルチユーザOFDMでのサブチャネル割り当てを示す図である。
【図５】図5は本発明による、離散入力のための新しいマルチユーザ伝送方法を示す図である。
【図６】図6は本発明のマルチユーザ伝送方法のフローチャートである。
【図７】図7は、重ね合わせ符号化とFDMA、ガウス入力、単位バンド幅を有する2ユーザMACのための容量領域を示す図である(P1＝P2＝０ｄB)。
【図８】図8は、重ね合わせ符号化とFDMA、ガウス入力、単位バンド幅を有する2ユーザMACのための容量領域を示す図である(左側P1＝P2＝０dＢ、右側P1＝P2＝1０dＢ)。
【図９】図9は、重ね合わせ符号化とFDMA、QPSK、および16QAM入力を有する2ユーザMACのための総スループットを示す図である(P1＝P2)。
【図１０】図10は、重ね合わせ符号化とFDMA、QPSK入力を有する3ユーザMACのための総スループットを示す図である(P1＝P2)。
【図１１】図11は、BPSK、QPSKまたは16QAM入力を持つ条件付きAWGNチャネル容量を示す図である。
【図１２】図12は、重ね合わせ符号化、QPSK入力を持つ、2ユーザMACのための総容量を示すグラフである。
【図１３】図13は、電力とサブチャネルの最適な割り当て、QPSK入力を持つ、2ユーザMAC用総容量のグラフである(左側:総スループット、右側:各ユーザに割り当てられたサブチャネルの平均数、K＝2、Nsub＝16)。
【図１４】図14は、最適電力とサブチャネル割り当て、QPSK入力を持つ、2ユーザMAC用総容量のグラフである(左側:総スループット、右側:各ユーザに割り当てられたサブチャネルの平均数、K＝2、Nsub＝32)。
【図１５】図15はOFDMAの最適性の確率のグラフである。
【図１６】図16は、OFDMAとコンテンションベースの上り回線OFDM、QPSKの総スループットのグラフで、K＝2、Nsub＝8である。
【図１７】図17は、OFDMAとコンテンションベースの上り回線OFDM、QPSKの総スループットのグラフで、K＝５、Nsub＝8である。
【図１８】図18は、OFDMAとコンテンションベースの上り回線OFDM、QPSKの総スループットのグラフで、16QAM、Nsub＝8である。
【図１】
2010512071.tif 000086
【図２】
2010512071.tif 000087
【図３】
2010512071.tif 000088
【図４】
2010512071.tif 000089
【図５】
2010512071.tif 000090
【図６】
2010512071.tif 000091
【図７】
2010512071.tif 000092
【図８】
2010512071.tif 000093
【図９】
2010512071.tif 000094
【図１０】
2010512071.tif 000095
【図１１】
2010512071.tif 000096
【図１２】
2010512071.tif 000097
【図１３】
2010512071.tif 000098
【図１４】
2010512071.tif 000099
【図１５】
2010512071.tif 000100
【図１６】
2010512071.tif 000101
【図１７】
2010512071.tif 000102
【図１８】
2010512071.tif 000103
【国際調査報告】
2010512071.tif 000104
2010512071.tif 000105