(57)【要約】      （修正有）【課題】ソース局(ＳＳ)、リレー局(ＲＳ)、及びデスティネーション局(ＤＳ)を含み、それぞれが複数のアンテナを使用して信号を送信する、２ホップ増幅転送(ＡＦ)リレー多入力多出力(ＭＩＭＯ)ネットワークにおけるソース局及びリレー局への静的電力を割り当てのための方法を提供する。【解決手段】パスロスに従って、すなわち、ＳＳ２０１とＲＳ２０２との間の距離及びＲＳ２０２とＤＳ２０３との間の距離に従って、ＳＳ２０１及びＲＳ２０２への電力割り当てを行う。ＳＳ２０１における各送信アンテナの送信電力及びＲＳ２０２の電力増幅利得は、電力割り当て出力から求められる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソース局(ＳＳ)、リレー局(ＲＳ)、及びデスティネーション局(ＤＳ)を含む２ホップ増幅転送(ＡＦ)リレー多入力多出力(ＭＩＭＯ)ネットワークにおいて静的電力を割り当てる方法であって、各前記局は、複数のアンテナを使用して信号を送信し、該方法は、
前記ＳＳから前記ＲＳへの第１のチャネルの第１のパスロスσ１２及び前記ＲＳから前記ＤＳへの第２のチャネルの第２のパスロスσ２２を測定すること、
平均全送信電力ＰがＰ≦Ｐｓ＋Ｐｒに従って制約されるように、前記パスロスσ１２及びσ２２に基づいて、前記ＳＳに第１の電力Ｐｓを割り当て、前記ＲＳに第２の電力Ｐｒを割り当てること、
前記第１の電力Ｐｓを使用して前記第１のチャネルで前記ＳＳから前記ＲＳへ前記信号を送信すること、
前記ＲＳにおいて受信された前記信号を増幅すること、及び
前記第２の電力Ｐｒを使用して、前記第１のチャネルと直交している前記第２のチャネルで前記ＤＳへ、前記増幅された信号を送信すること、
を含む、方法。
【請求項２】
前記静的電力Ｐｓ及びＰｒは、前記２ホップＡＦリレーＭＩＭＯネットワークの平均容量の上限を最大にする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
パスロスが大きいほど、より多くの電力が前記チャネルに割り当てられる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ＲＳにおける第１の雑音電力σｒ２及び前記ＤＳにおける第２の雑音電力σｄ２を測定することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
各前記チャネルの前記パスロスは、平均送信電力から受信信号強度を引いたものである、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記割り当てることは、前記第１のチャネルのチャネル行列Ｈ１及び前記第２のチャネルのチャネル行列Ｈ２の要素に基づいている、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記第１の電力は、前記ＳＳと前記ＲＳとの間の第１の距離に基づき、前記第２の電力は、前記ＲＳと前記ＤＳとの間の第２の距離に基づいている、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記割り当ては、前記ＳＳ、前記ＲＳ、及び前記ＤＳの相対的なロケーションに基づいている、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記第１の電力は、最大割り当て可能平均送信電力であり、前記第２の電力は、前記平均全送信電力から前記第１の電力を引いたものである、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記第２の電力は、最大割り当て可能平均送信電力であり、前記第１の電力は、前記平均全送信電力から前記第２の電力を引いたものである、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、包括的には、リレー支援協調通信(relay assisted cooperative communication)に関し、より詳細には、２ホップ増幅転送(ＡＦ)リレー多入力多出力(ＭＩＭＯ)ネットワークにおけるソース局(ＳＳ)及びリレー局(ＲＳ)に電力を割り当てることに関する。
【背景技術】
【０００２】
協調通信は、次世代無線通信ネットワークで使用される重要な技法の１つとみなされている。一般的な単一ユーザリレー支援協調通信ネットワークは、ソース局(ＳＳ)、１つ又は複数のリレー局(ＲＳ)、及びデスティネーション局(ＤＳ)を含む。ＲＳは、ＳＳから信号を受信し、適切な信号処理を行い、次いで、その信号をＤＳへリレーする。リレー技法は、ソースからデスティネーションへの複数の独立したパスによって、通信のカバレッジを増加させ、消費される全送信電力を減少させ、且つネットワークの容量及び信頼性を増加させることができる。
【０００３】
ＲＳにおいて行われる信号処理の量に応じて、リレーモードは、復号転送(ＤＦ)及び増幅転送(ＡＦ)とすることができる。ＤＦモードで作動するＲＳは、受信信号を復調及び復号し、起こり得るエラーを訂正し、信号を再変調し、次いで、信号をＤＳへ転送する。これとは対照的に、ＡＦモードで作動するＲＳは、信号を復号することなく、受信信号を増幅及び転送することのみを行う。したがって、ＡＦモードのリレー局は、性能と複雑度との間のトレードオフを達成するのにはるかに簡単な構造を有する。
【０００４】
２ホップリレー協調通信ネットワークでは、ＳＳ及びＲＳは、同じチャネルによって信号を同時に送信することができる一方、ＤＳは、信号を合わせて検出する。代替的に、ＳＳ及びＲＳは、時分割多重又は周波数分割多重による２つの直交チャネルによって信号を送信して、干渉を低減することができる。いずれの場合も、ＤＳがＳＳ及びＲＳの双方からの信号を同時に受信することを可能にすることによって、協調ダイバーシティを達成することができる。
【０００５】
散乱環境では、マルチパスフェージングが、搬送周波数の波長の２分の１のスケールで大きく変化する。多入力多出力(ＭＩＭＯ)技法は、送信機及び受信機の双方において複数のアンテナを利用することによって、無線チャネルの本来的な空間ダイバーシティを活用する。ＭＩＭＯ技法は、無線通信ネットワークのスペクトル効率又は信頼性を向上させるのに広く使用されてきた。これは、ＩＥＥＥ８０２．１１ｎ及びＩＥＥＥ８０２．１６等の無線通信標準規格でＭＩＭＯが使用されていることによって明らかである。
【０００６】
２ホップＡＦリレーＭＩＭＯネットワークでは、或る送信電力制約条件のもとで全体的なネットワーク性能を最大にするように、又は、或るサービス品質(ＱｏＳ)制約条件のもとで全送信電力を最小にするように、ＳＳ及びＲＳに送信電力を割り当てることが必要である。
【０００７】
非特許文献１の１つの動的電力割り当て方法は、２ホップＡＦリレーＭＩＭＯネットワークの瞬時容量を最大にする。その動的電力割り当て方法は、ネットワーク性能を最適化するが、ＳＳからＲＳへのチャネル及びＲＳからＤＳへのチャネルの瞬時チャネル状態情報を必要とする。それによって、この方法は、極めて複雑なものとなる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Hammerstrom他,「Power allocation schemes for amplify-and-forward MIMO-OFDM relay links」, IEEE trans. on wireless commun., vol. 6, no. 8, pp. 2798-2802, Aug. 2007
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
２ホップ増幅転送リレー多入力多出力(ＭＩＭＯ)ネットワークのＳＳ及びＲＳに電力を割り当てる低い複雑度の方法を提供することが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明の実施の形態は、２ホップ増幅転送(ＡＦ)リレー多入力多出力(ＭＩＭＯ)ネットワークにおいて静的電力を割り当てる。このネットワークは、ソース局(ＳＳ)、リレー局(ＲＳ)、及びデスティネーション局(ＤＳ)を含む。代替的な一実施の形態では、複数のリレー局が存在することもできる。
【００１１】
この明細書で定義する場合、静的とは、電力割り当て方法が、ＳＳからＲＳへのチャネル(ホップ)及びＲＳからＤＳへのチャネル(ホップ)にわたる瞬時チャネル状態情報の代わりに、静的なパスロスに基づいていることを意味する。したがって、この方法は、性能と複雑度との間の良好なトレードオフを有する。
【発明の効果】
【００１２】
この方法は、平均全送信電力制約条件のもとで、２ホップＡＦリレーＭＩＭＯネットワークの平均容量の上限を最大にするという意味で最適な静的電力割り当てを実現する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の実施の形態に従って作動する２ホップＡＦリレー協調通信ネットワークの概略図である。
【図２】この発明の実施の形態に従って作動する２ホップＡＦリレーＭＩＭＯネットワークのブロック図である。
【図３】この発明の実施の形態に従って作動する２ホップＡＦリレーＭＩＭＯネットワークの簡単化したブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、この発明の実施の形態によるソース局(ＳＳ)及びリレー局(ＲＳ)１０４への静的電力割り当て能力を有する２ホップリレー協調通信ネットワークを示している。このネットワークは、無線ローカルネットワーク、メトロポリタンエリアネットワーク、又は無線セルラー(移動体)ネットワーク内のネットワークとすることができる。複数のリレー局が存在する可能性があることを理解することができる。
【００１５】
サービスエリア１０１には、１つの基地局(ＢＳ)１０２、ＢＳと並列に通信する複数の移動局(ＭＳ)１０３、及びＲＳ１０４の１つ又は複数が存在する。ＲＳは、リモートＭＳがＢＳと通信するのを支援する。ＲＳは、複数のＭＳを同時に支援することができる一方、各ＭＳは、同時にただ１つのＲＳと通信するだけである。ＲＳは、固定することもできるし、遊動的とすることもできるし、さらには移動体とすることもできる。
【００１６】
通信の方向、すなわち、ダウンリンク又はアップリンクに応じて、ＢＳ及び移動局は、ＳＳ又はＤＳとして作動することができる。すなわち、通信は、ＢＳとＭＳとの間で双方向であると考えられる。したがって、アップリンク及びダウンリンク通信チャネル１０５の双方において送信電力を最適化することができる。
【００１７】
図２は、２ホップＡＦリレーＭＩＭＯネットワークを示している。ＳＳ２０１及びＤＳ２０３には、Ｎ個の送信アンテナがあり、ＲＳ２０２には、Ｍ個の送信アンテナ及び受信アンテナがある。ＳＳとＤＳとの間に直接的な通信リンクはない。ＳＳとＤＳとの間のリンクは、たとえば、時分割多重、周波数分割多重、又は符号分割多重によって、ＳＳとＲＳとの間及びＲＳとＤＳとの間のそれぞれの直交チャネルによって実現される。
【００１８】
ＲＳは、ＡＦモードで動作する。ここで、Ｇ２０４は、次元Ｍ×Ｍの増幅利得行列であり、通例、Ｇ＝ｇＵとして表される。ここで、Ｕは次元Ｒ×Ｒのユニタリー行列であり、スカラーｇは増幅利得である。行列Ｕはユニタリーであるので、ＲＳの電力増幅利得は、|ｇ|２となる。
【００１９】
図３は、２ホップＡＦリレーＭＩＭＯネットワークを示している。平均全送信電力は、ＳＳ３０１、ＲＳ３０２においてはそれぞれＰｓ、Ｐｒである。ＳＳ３０１からＲＳ３０２への第１のホップのチャネル３０４およびＲＳ３０２からＤＳ３０３へのホップのチャネル３０５にわたるチャネル行列はそれぞれ、次元Ｎ×Ｍを有するＨ１、Ｈ２である。
【００２０】
ＳＳからＲＳへのチャネル３０４にわたるパスロス及びＲＳからＤＳへのチャネル３０５にわたるパスロスはそれぞれσ１２及びσ２２であり、それぞれ行列Ｈ１及びＨ２の要素の平均電力(average power)に相当する。この明細書で定義する場合、パスロス、すなわちパス減衰は、送信信号の電力密度の低減である。パスロスは、自由空間ロス、屈折、回折、反射、地形、環境、伝播媒体、アンテナの高さ及びロケーション、並びに送信機と受信機との間の距離に起因し得る。
【００２１】
ＲＳ及びＤＳの各アンテナにおける雑音電力は、σｒ２及びσｄ２によって示される。これは以下のように示すことができる。
【００２２】
Ｐｓ＝ＭＰｘ          (１)
【００２３】
ここで、Ｐｘは、ＳＳの各送信アンテナにおける送信電力
【００２４】
Ｐｒ＝Ｒ|ｇ|２(ＭＰｘσ１２＋σｒ２)          (２)
【００２５】
である。
【００２６】
この発明では、
【００２７】
Ｐ≦Ｐｓ＋Ｐｒ
【００２８】
ここで、Ｐは２ホップリレーＭＩＭＯネットワークの最大平均全送信電力
【００２９】
となるような平均全送信電力制約条件のもとでネットワーク性能を最適化するために、ＳＳからＲＳへのチャネルにわたるパスロス及びＲＳからＤＳへのチャネルにわたるパスロス、すなわちσ１２及びσ２２、に従って、ＳＳの送信電力Ｐｓ及びＲＳの送信電力Ｐｒを求める。
【００３０】
より具体的に言えば、この発明は、Ｐ≦Ｐｓ＋Ｐｒを条件として、２ホップＡＦリレーＭＩＭＯネットワークの平均容量の上限
【００３１】
【数１】
2009284478.tif 000003
【００３２】
を最大にする静的電力Ｐｓ及びＰｒを求める。この発明の方法は、静的なパスロスにのみ基づいているので、低い複雑度を有する。
【００３３】
表記の便宜上、
【００３４】
ａ＝σ１２／σｒ２，及びｂ＝σ２２／σｄ２，
【００３５】
を、それぞれ、ＳＳからＲＳへわたるチャネル及び、ＲＳからＤＳへわたるチャネルの平均品質として定義する。この発明のＳＳ及びＲＳにおける最適な送信電力Ｐｓ＊及びＰｒ＊は、
【００３６】
【数２】
2009284478.tif 000004
【００３７】
及び
【００３８】
【数３】
2009284478.tif 000005
【００３９】
となる。
【００４０】
ＳＳの各送信アンテナにおける電力Ｐｘ及びＲＳの電力増幅利得|ｇ|２は、式(１)及び(２)から、
【００４１】
【数４】
2009284478.tif 000006
【００４２】
として得ることができる。
【００４３】
この電力割り当てによれば、
【００４４】
【数５】
2009284478.tif 000007
【００４５】
及び
【００４６】
【数６】
2009284478.tif 000008
【００４７】
となる。この式は、この発明の静的電力割り当て方法が、この発明の２ホップＡＦリレーＭＩＭＯネットワークの全体的な平均品質を改善するために、平均品質がより良好でないチャネル、すなわち、パスロスがより大きいチャネルに、より多くの電力を割り当てることを示している。
【００４８】
式(４)〜(７)について、ＳＳ及びＲＳは、ＳＳからＲＳへのチャネルのパスロスσ１２及びＲＳからＤＳへのパスロスσ２２、並びに、対応する雑音電力σｒ２及びσｄ２を測定する。
【００４９】
パスロスは、受信信号強度(ＲＳＳ)及び既知の送信電力から測定することができる。これは、局を同期させるのに使用されるパイロットシンボル又はプリアンブルシンボルを送信している間に達成することができる。
【００５０】
この時間の間、各受信機は、平均ＲＳＳを測定することができる。パイロットシンボル及びプリアンブルシンボルが、既知の平均電力Ｐｐで送信される場合、パスロスは、Ｐｐ−ＲＳＳとなる。
【００５１】
この発明の一実施の形態では、ＳＳ及びＲＳのいずれか又は双方が、個別の電力制約条件を有する場合を考えることにする。ＭＳは、一般に、バッテリーで電力供給を受け、バッテリー寿命制約条件を満たすように、送信電力に対して制約が課せられるか、又は、電力制御技術が干渉を制限するために実施される。ＲＳが移動体である場合、ＲＳも同様の制約を受ける。
【００５２】
この場合、ＳＳ及びＲＳにおける個別の電力制約条件は、それぞれＰｓｍａｘ及びＰｒｍａｘである。これらの個別の電力制約条件は、Ｐ≦Ｐｓｍａｘ＋Ｐｒｍａｘを満たす。この場合、式(４)及び(５)に従って最適な電力が求められ、次いで、個別の電力制約条件が違反されていないかがチェックされる。次に、上記の電力割り当て出力は、
【００５３】
【数７】
2009284478.tif 000009
【００５４】
となるように変更される。ここで、Ｐｓ＊＊及びＰｒ＊＊は、それぞれＳＳ及びＲＳに割り当てられる最終平均送信電力である。
【００５５】
２ホップＡＦリレー単一入力単一出力(ＳＩＳＯ)の特別な場合であっても、この静的電力割り当ては適用可能である。マルチユーザ局では、異なる局には直交チャネルが割り当てられるので、この発明は、局ごとに独立してＳＳとＲＳとの間で静的電力割り当てを行う。この場合、ＲＳが異なるＭＳごとに電力増幅利得を求めることができるように、ＲＳは異なるＭＳに割り当てられたチャネルを区別することができる。
【００５６】
ＳＳ−ＲＳにわたるチャネル及びＲＳ−ＤＳにわたるチャネルのパスロスが、それぞれ、ＳＳとＲＳとの間の距離ｄ１及びＲＳとＤＳとの間の距離ｄ２に従ってモデル化される場合、この発明の静的電力割り当て方法は、ＳＳ−ＲＳホップにわたる距離及びＲＳ−ＤＳホップにわたる距離に基づくのと同等であり、又は、より簡単には、ＳＳ、ＲＳ、及びＤＳの相対的なロケーションに基づくのと同等であり、したがって、電力割り当て方法をさらに簡単にする。
【００５７】
この発明の静的電力割り当て方法は、ＳＳ−ＲＳホップにわたるチャネル及びＲＳ−ＤＳホップにわたるチャネルの静的パスロスに基づいているので、この方法は、瞬時チャネル静的情報に基づいている従来の方法よりもはるかに複雑度が低い。その上、この発明の静的電力方法は、２ホップＡＦリレーＭＩＭＯネットワークの平均容量の上限
【００５８】
【数８】
2009284478.tif 000010
【００５９】
を最大にするという意味で最適である。
【００６０】
この発明を、好ましい実施の形態の例として説明してきたが、この発明の精神及び範囲内で他のさまざまな適合及び変更を行えることが理解されるべきである。したがって、この発明の真の精神及び範囲内に入るようなこのようなすべての変形及び変更を包含することが、添付の特許請求の範囲の目的である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【外国語明細書】
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