(57)【要約】【課題】下りリンクマルチユーザMIMO方式の移動通信システムにおいて、ユーザ装置の性能に応じて適切なプリコーディングベクトルを生成すること。【解決手段】移動通信システムには、複数の送信ストリーム各々を複数の系列に複製し、複製された各系列をプリコーディングベクトルで重み付けするプリコーディング手段と、複数の合成手段であって、合成手段の各々は、異なるプリコーディングベクトルで重み付けされた複数の系列を合成し、合成後の系列を複数の送信アンテナの何れかに与える複数の合成手段と、第１のユーザ装置に対するチャネル行列とその共役転置行列との積を計算し、該積の行列の最大固有値に対応する固有ベクトルを求める手段とが備わっている。ある期間の間に第１のユーザ装置宛の送信ストリームに適用される第１のプリコーディングベクトルは、固有ベクトルで表現される。【選択図】図２
2009010752.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下りリンクマルチユーザMIMO方式の移動通信システムであって、
複数の送信ストリーム各々を複数の系列に複製し、複製された各系列をプリコーディングベクトルで重み付けするプリコーディング手段と、
複数の合成手段であって、合成手段の各々は、異なるプリコーディングベクトルで重み付けされた複数の系列を合成し、合成後の系列を前記複数の送信アンテナの何れかに与える複数の合成手段と、
前記第１のユーザ装置に対するチャネル行列とその共役転置行列との積を計算し、該積の行列の最大固有値に対応する固有ベクトルを求める手段と、
を有し、ある期間の間に第１のユーザ装置宛の送信ストリームに適用される第１のプリコーディングベクトルは、前記固有ベクトルで表現される移動通信システム。
【請求項２】
下りリンクマルチユーザMIMO方式の移動通信システムで使用される基地局装置であって、
複数の送信アンテナと、
複数の送信ストリーム各々を複数の系列に複製し、複製された各系列をプリコーディングベクトルで重み付けするプリコーディング手段と、
複数の合成手段であって、合成手段の各々は、異なるプリコーディングベクトルで重み付けされた複数の系列を合成し、合成後の系列を前記複数の送信アンテナの何れかに与える複数の合成手段と、
を有し、ある期間の間に第１のユーザ装置宛の送信ストリームに適用される第１のプリコーディングベクトルは、前記第１のユーザ装置に対するチャネル行列とその共役転置行列との積の最大固有値に対応する固有ベクトルで表現される基地局装置。
【請求項３】
前記ある期間の間に、前記第１のユーザ装置とは異なる第２のユーザ装置宛の送信ストリームに適用される第２のプリコーディングベクトルは、前記第１のユーザ装置に関する前記第１のプリコーディングベクトルと直交するベクトルで表現される請求項２記載の基地局装置。
【請求項４】
前記ある期間とは異なる別の期間の間に、前記第１のユーザ装置宛の送信ストリームに適用される第１のプリコーディングベクトルは、前記第１のユーザ装置に関する前記固有ベクトルに直交するベクトルで表現される請求項３記載の基地局装置。
【請求項５】
前記直交するベクトルは、前記固有ベクトルから、グラムシュミットの正規直交化法により導出される請求項３又は４記載の基地局装置。
【請求項６】
前記固有ベクトルを表す情報が、前記第１のユーザ装置から通知される請求項２記載の基地局装置。
【請求項７】
前記第１のユーザ装置に対するチャネル行列を表す情報が、前記第１のユーザ装置から通知される請求項２記載の基地局装置。
【請求項８】
前記第１のユーザ装置に対するチャネル行列とその共役転置行列との積を計算し、該積の行列の最大固有値に対応する固有ベクトルを求める手段を更に有する請求項７記載の基地局装置。
【請求項９】
下りリンクマルチユーザMIMO方式の移動通信システムで使用される方法であって、
複数の送信ストリーム各々を複数の系列に複製し、複製された各系列をプリコーディングベクトルで重み付けするプリコーディングステップと、
異なるプリコーディングベクトルで重み付けされた複数の系列を合成し、合成後の系列を複数の送信アンテナの何れかに与える合成ステップと、
各送信アンテナから各系列をユーザ装置に送信するステップと、
を有し、ある期間の間に第１のユーザ装置宛の送信ストリームに適用される第１のプリコーディングベクトルは、前記第１のユーザ装置に対するチャネル行列とその共役転置行列との積の最大固有値に対応する固有ベクトルで表現される方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は移動通信の技術分野に関連し、特に下りリンクにマルチユーザMIMO(Multi  Input  Multi  Output)方式を使用する移動通信システム、基地局装置、ユーザ装置及びそのようなシステムで使用される方法に関連する。
【背景技術】
【０００２】
マルチインプットマルチアウトプット(MIMO)方式は、通信に複数のアンテナを用いることで伝送信号の高速化及び／又は高品質化を図るマルチアンテナ方式の通信である。下りリンクで複数のユーザとMIMO方式で通信が行われる場合、それは「下りリンクマルチユーザMIMO」方式と呼ばれる。下りリンクマルチユーザMIMO方式ではプリコーディング方式が使用される。プリコーディング方式は、送信信号のストリームを複製し、複製された各ストリームを適切な重みと共に合成して送信することで、指向性の制御されたビームで通信相手に信号を送るようにする技術である。プリコーディング方式で使用される重みは、送信ウエイト又はプリコーディングベクトルと呼ばれる。尚、次世代移動通信システム(例えば、ロングタームエボリューション(LTE))では下りリンクにOFDM方式が使用され、かなり広範囲にわたる帯域がシステム帯域として用意される。
【０００３】
図１はプリコーディングが行われる様子を模式的に示す。２つの送信ストリーム１，２はそれぞれコピー部で２系列に複製され、各系列にプリコーディングベクトルが乗算され、合成された後に送信される。プリコーディングベクトルは受信側（ユーザ装置）からのフィードバックに基づいて、より適切な値になるよう適応的に制御される。プリコーディングについては例えば非特許文献１に説明されている。
【非特許文献１】3GPP  R1-070236,"Precoding  for  E-UTRA  downlink  MIMO",LG  Electronics,  Samsung  and  NTT-DoCoMo
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ユーザ装置各々に指向性の制御されたビームが使用される場合、ユーザの環境（特に、位置）によっては、他ユーザとの干渉が大きくなるおそれがある。例えば或るユーザと別のユーザが同様な場所で同時に通信を行っている場合である。このような場合、干渉が適切に抑制される必要があるが、強力な干渉抑制機能を備えたユーザ装置は一般に高価であり、全てのユーザ装置に対して強力な干渉抑制機能の発揮を期待することはできない。従ってそのように高性能でないユーザ装置に対しては、干渉が少なくなるように何らかの対策が送信側でなされることが望ましい。しかしながらユーザ装置の性能に配慮したビーム制御は今のところ十分には研究されていないようである。
【０００５】
本発明の課題は、下りリンクマルチユーザMIMO方式の移動通信システムにおいて、ユーザ装置の性能に応じて適切なプリコーディングベクトルを生成することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明では、下りリンクマルチユーザMIMO方式の移動通信システムが使用される。本システムには、複数の送信ストリーム各々を複数の系列に複製し、複製された各系列をプリコーディングベクトルで重み付けするプリコーディング手段と、複数の合成手段であって、合成手段の各々は、異なるプリコーディングベクトルで重み付けされた複数の系列を合成し、合成後の系列を前記複数の送信アンテナの何れかに与える複数の合成手段と、前記第１のユーザ装置に対するチャネル行列とその共役転置行列との積を計算し、該積の行列の最大固有値に対応する固有ベクトルを求める手段とが備わっている。ある期間の間に第１のユーザ装置宛の送信ストリームに適用される第１のプリコーディングベクトルは、前記固有ベクトルで表現される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、下りリンクマルチユーザMIMO方式の移動通信システムにおいて、ユーザ装置の性能に応じて適切なプリコーディングベクトルを生成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明が幾つかの実施例に分けて説明されるが、各実施例の区分けは本発明に本質的ではなく、２以上の実施例が必要に応じて使用されてよい。
【０００９】
説明の簡明化を図るため、基地局装置は４つの送信ストリームを４人のユーザに４本のアンテナから送信しているが、送信ストリーム数、ユーザ数、アンテナ数その他の数値は単なる一例に過ぎず、適切な如何なる数値が使用されてもよい。
【実施例１】
【００１０】
図２は、本発明の一実施例による基地局装置の一部を示す。この基地局装置は、下りリンクマルチユーザMIMO方式の移動通信システムで使用される。図２には、プリコーディング部２１−１〜４、複製部２２、送信ウエイト生成部２３−１〜４、送信ウエイト乗算部２４−１〜４、合成部２５−１〜４及び送受信アンテナ２７−１〜４が示されている。
【００１１】
プリコーディング部２１−１〜４はそれぞれ同様な構成及び機能を有するので、２１−１がそれらを代表して説明される。プリコーディング部２５−１は、複製部２２及び送信ウエイト乗算部２４−１〜４を有する。複製部２２は、第１送信ストリームs1(t)を受信し、それらを４つのストリームに複製する。複製された各ストリームは送信ウエイト乗算部２４−１〜４にそれぞれ与えられる。送信ウエイト乗算部２４−１〜４の各々は、複製部２２から与えられたストリームを、プリコーディングベクトルで重み付けし、それらを合成部２５−１〜４にそれぞれ与える。
【００１２】
送信ウエイト生成部２３−１〜４は、プリコーディング部２１−１〜４で使用されるプリコーディングベクトルをそれぞれ用意する。
【００１３】
合成部２５−１〜４は送受信アンテナ２７−１〜４にそれぞれ付随して用意されている。１つの合成部は、各プリコーディング部２１−１〜４で重み付けされたストリームを複数個受信し、それらを合成する。
【００１４】
図３は、本発明の一実施例によるユーザ装置の一部を示す。図３には、送受信アンテナ３１−１，２、リファレンス信号受信部３３、チャネル推定部３５、プリコーディングベクトル推定部３７が示されている。図示の簡明化を図るため、送受信アンテナは２本しか描かれていないが、基地局装置の送信アンテナ数以下の如何なる本数の送受信アンテナが使用されてもよい。
【００１５】
リファレンス信号受信部３３は、複数の送受信アンテナ各々で受信された受信信号からリファレンス信号(RS:  Reference  Signal)を抽出し、ベースバンドで処理可能な形式に変換する。リファレンス信号は、基地局装置及びユーザ装置で通信開始前から既知の信号であり、パイロット信号、トレーニング信号、参照信号等と呼ばれてもよい。
【００１６】
チャネル推定部３５は、各送受信アンテナで受信したリファレンス信号の受信状態から、無線リンクのチャネル状態を推定し、チャネル行列Hmを求める（ｍはｍ番目のユーザを表し、１以上N以下の整数であり、Nは同時に通信しているユーザの総数である。）。チャネル行列Hmの行列要素の各々は、基地局装置の或る１つの送信アンテナとユーザ装置の或る受信アンテナとの間のチャネル状態を表す。従って、行列要素の数は、一般に(NTx×NRx)個である。(NTxは基地局装置の送信アンテナ数を表し、NRxはユーザ装置の受信アンテナ数を表す。
【００１７】
プリコーディングベクトル推定部３７は、チャネル行列Hmから、自装置に最も相応しいプリコーディングベクトルを求める。プリコーディングベクトルは次のようにして求められる。先ず、チャネル行列Hmと、そのチャネル行列の共役転置行列HmHとの積HmHHmが算出される。ここで、上付き添え字の「H」は共役転置を表す。行列HmHHmは、(NTx×NTx)の次元を有する非負値エルミート行列である。次に、この行列HmHHmが次式のように固有値分解される。
【００１８】
HmHHm=UmΛmUmH
ここで、Λmは、HmHHmの固有値λm,i(i=1,...,NTx)を行列要素とする対角行列である。Umは対角化を行うためのユニタリ行列であり、固有値λm,i(i=1,...,NTx)に対応する固有ベクトルe m,i(i=1,...,NTx)で構成される。
【００１９】
Um=[ e m,1  e m,2・・・e m,NTx]。
HmHHｍは非負値エルミート行列なので、固有値は全て正の実数である。説明の便宜上、固有値λm,i(i=1,...,NTx)の内、λm,1が最大であるとする。
【００２０】
プリコーディングベクトル推定部３７は、この最大固有値又は第１固有値λm,1を特定し、その第１固有値λm,1に対応する第１固有ベクトルem,1を特定する。この第１固有ベクトルが、ｍ番目のユーザ装置に対する最適なプリコーディングベクトルになる。
【００２１】
なお、プリコーディングベクトル推定部３７は、図示のようにユーザ装置に備わっていてもよいが、基地局装置に備わっていてもよい。
【００２２】
動作を次に説明する。図２の基地局装置は、複数の(N個の)ユーザ装置各々から各自に最適な第１固有ベクトルe1,1，e2,1，...，em,1，...，eN,1の通知を受ける(Nはユーザ総数であり、図２ではN=4である。)。或いは、ユーザ装置各々から通知されたチャネル行列Hm(m=1,...,N)から各ユーザの第１固有ベクトルを計算してもよい。これらの第１固有ベクトルは送信ベクトル生成部２３−１〜４に与えられ、送信ウエイト又はプリコーディングベクトルとして設定される。例えば、３番目のユーザ装置宛に第３ストリームs3(t)が送信される場合、送信ウエイト生成部２３−３から固有ベクトルe3,1に対応するプリコーディングベクトルが提供され、そのプリコーディングベクトルが第３ストリームs3(t)に乗算される。そして、第３ストリームs3(t)は、４つの送受信アンテナ２７−１〜４から第３のユーザ装置宛に送信される。送信ストリーム１つがユーザ１人に対応する場合、ｍ番目の送信ストリームsm(t)はベクトルem,1で重み付けされる。
【００２３】
図４は最大固有値に関連する送信ウエイトで各ユーザ装置にビームが送信される様子を模式的に示す。各ユーザ装置は、各自の最大固有値に対応する固有ベクトルでプリコーディングされたストリームをそれぞれ受信する。従って、基地局装置で使用するプリコーディングベクトルe1,1，e2,1，...，em,1，...，eN,1は、一般的には互いに非直交である。しかしながら、他ユーザ干渉が適切に抑制されれば、最大比合成(MRC:  Maximum  Ratio  Combining)による受信ダイバーシチにより、受信品質(SNR)は理論上最も大きくなる。
【００２４】
他ユーザ干渉を減らす１つの手法は、各ユーザ装置で干渉を抑制する処理を行うことである。例えば、各ユーザ装置で線形最小二乗誤差平均(LMMSE:  Linear  Minimum  Mean  Square  Error)フィルタリングを行うことで、他ユーザからの干渉をかなり抑制することができる。
【実施例２】
【００２５】
上述したように、他ユーザ干渉が無視できない場合、それを適切に抑制しなければならないが、強力な干渉抑制機能を備えたユーザ装置は一般に高価であり、全てのユーザ装置に対して強力な干渉抑制機能の発揮を期待することはできない。従ってそのように高性能でないユーザ装置に対しては、干渉が少なくなるように何らかの対策が送信側でなされることが望ましい。
【００２６】
図５は、本発明の第２実施例による基地局装置の一部を示す。図示されている部分は、図２の送信ウエイト生成部２３−１〜４に関連する。直交した送信ウエイトが使用される場合の基地局装置の一部を示す図である。図５には、送信ウエイト生成部５１−１〜４、直交化部５２及びベクトル選択部５３が示されている。
【００２７】
送信ウエイト生成部５１−１〜４は、各ユーザ装置からのフィードバック信号に基づいて、ユーザ装置各々にとっての第１固有ベクトルem,1(m=1,...,N)を出力する。そのような第１固有ベクトルが各ユーザ装置で計算され、各ユーザ装置からフィードバックされる場合、送信ウエイト生成部はそれらをそのまま出力してよい。
【００２８】
直交化部５２は、送信ウエイト生成部５１−１〜４からの一般的には非直交な４つのベクトルから、４組の直交系を導出する。具体的には直交化部は、４つのベクトルの組{ e1,1，e2,1，e3,1，e4,1}の内、１つのベクトルe1,1を固定し、それに直交する３つのベクトルを導出することで、１つの直交系又は正規直交系{f1,k}を導出する。{f1,k}(k=1,…,4)は、e1,1とe1,1に直交する３つのベクトルを含む集合を表す。同様に、直交化部５２は、別の１つのベクトルe2,1を固定し、それに直交する３つのベクトルを導出することで、１つの直交系又は正規直交系{f2,k}も導出する。更に直交化部５２はベクトルe3,1を固定して直交系{f3,k}を、ベクトルe4,1を固定して直交系{f4,k}を導出する。直交化は、当該技術分野で周知の適切な如何なる方法でなされてもよい。一例として、本実施例ではグラムシュミット(GS:  Gram-Schmidt)の直交化法が使用される。
【００２９】
ベクトル選択部５３は、直交化部５２から与えられる直交系をなすベクトル{f1,k}，{f2,k}，{f3,k}，{f4,k}の中から、各送信ストリームに実際に適用する送信ウエイト(プリコーディングベクトル)を選択する。例えば、ベクトル選択部５３は、第1ストリームs1(t)を最適に送信する場合は直交系{f1,k}を選択し、それをプリコーディングベクトルw1,...,w4として出力する。第２ストリームs2(t)を最適に送信する場合は、ベクトル選択部５３は直交系{f2,k}を選択し、それをプリコーディングベクトルw1,...,w4として出力する。同様にベクトル選択部５３は、第３ストリームs3(t)を最適に送信する場合は直交系{f3,k}を、第４ストリームs4(t)を最適に送信する場合は直交系{f4,k}を選択する。
【００３０】
ベクトル選択部５３における選択は、様々な判断基準でなされてよい。例えば、各送信ストリームの重要度が異なる場合、その重要度に基づいてプリコーディングベクトルが選択されてもよい。或いは、１つのユーザ装置に着目した場合、そのユーザ装置に適したプリコーディングベクトルが一定の周期で選択されるように、プリコーディングベクトルが時間経過とともに切り換えられてもよい。
【００３１】
図６は、直交したビームが第１期間及び第２期間で切り換えられる様子を示す。図示の簡明化のため、第１送信ストリームs1(t)が第１ユーザ装置UE1に、第２送信ストリームs2(t)が第２ユーザ装置UE2に基地局装置eNBから送信されるものとする。第１期間の間では、第１ユーザ装置に最適なプリコーディングベクトル{f1,k}で各送信ストリームが基地局装置から送信される。プリコーディングベクトル{f1,k}で形成されるビーム１，２は、互いに直交し、ビーム１は第１ユーザ装置UE1に最適なビームである。第１ユーザ装置UE1は、ビーム１で伝送される第１送信ストリームs1(t)を少ない干渉とともに受信できる。従って、第１ユーザ装置は強力な干渉除去機能を発揮できなかったとしても、最大比合成による受信ダイバーシチを行うことで、高い受信品質が得られる。他ユーザのビーム２はビーム１と直交しているからである。第２ユーザ装置UE2での受信品質は、最適なものにはならないが、第２ユーザ装置にとって許容可能な最低受信品質以上であれば、この状態が維持されてもよい。
【００３２】
図示の例では、第１期間とは異なる第２期間で、プリコーディングベクトルが{f1,k}から{f2,k}に切り換えられる。その結果、第２ユーザ装置UE2に最適なビーム２が形成され、第１ユーザ装置UE1へのビーム１は、ビーム２に直交するように形成される。従って、第２ユーザ装置UE2は、ビーム２で伝送される第２送信ストリームs2(t)を少ない干渉とともに受信できるようになる。本実施例では、第１期間の状態及び第２期間の状態が交互に切り換えられる。図示の例では、直交系のセットが２つであるが、より多くのユーザ装置数に対して、より多くの直交系のセットが用意され、それらが順に切り換えられてもよい。複数の直交系の各々を順に切り換えて使用することで、各ユーザ装置は、少なくとも或る期間にわたって高い品質で送信ストリームを受信できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】下りリンクマルチユーザMIMO方式のシステム概念図を示す。
【図２】基地局装置の部分的な機能ブロック図を示す。
【図３】ユーザ装置の部分的な機能ブロック図を示す。
【図４】最大固有値に関連する送信ウエイトで各ユーザ装置にビームが送信される様子を示す図である。
【図５】直交した送信ウエイトが使用される場合の基地局装置の一部を示す図である。
【図６】直交したビームが切り換えられる様子を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
２１−１〜４  プリコーディング部
２２  複製部
２３−１〜４  送信ウエイト生成部
２４−１〜４  送信ウエイト乗算部
２５−１〜４  合成部
２７−１〜４  送受信アンテナ
３１−１，２  送受信アンテナ
３３  リファレンス信号受信部
３５  チャネル推定部
３７  プリコーディングベクトル推定部
５１−１〜４  送信ウエイト生成部
５２  直交化部
５３  ベクトル選択部
【図１】
2009010752.tif 000003
【図２】
2009010752.tif 000004
【図３】
2009010752.tif 000005
【図４】
2009010752.tif 000006
【図５】
2009010752.tif 000007
【図６】
2009010752.tif 000008