JP5069083B2

JP5069083B2 - ユーザ装置、基地局装置及びｍｉｍｏ伝送制御方法

Info

Publication number: JP5069083B2
Application number: JP2007282442A
Authority: JP
Inventors: 秀和田岡; 信彦三木; 健一樋口; 衛佐和橋
Original assignee: NTT Docomo Inc
Current assignee: NTT Docomo Inc
Priority date: 2007-10-30
Filing date: 2007-10-30
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2027-10-30
Also published as: JP2009111781A; WO2009057559A1

Description

本発明は、ユーザ装置、基地局装置及びＭＩＭＯ伝送制御方法に関する。

ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）伝送方式は、通信に複数のアンテナを用いることで送信信号の高速化及び／又は高品質化を図るマルチアンテナの通信方式である。

ＭＩＭＯ伝送方式には、ＭＩＭＯ多重法及びＭＩＭＯダイバーシチ法がある。ＭＩＭＯ多重法とは、同じ無線リソース（周波数及び時間）を用いて、複数のアンテナから異なる信号を並列に送信する方式である。アンテナ数の増加と共に送信できる信号が増加するため、ＭＩＭＯ多重法は、スループットの増大に効果的である。ＭＩＭＯダイバーシチ法とは、複数のアンテナから同一の信号を空間−時間（又は空間−周波数）符号化により送信する方式である。送信ダイバーシチ効果が得られるため、ＭＩＭＯダイバーシチ法は、セル端のデータレート及びカバレッジの増大に効果的である。

図１に、ＭＩＭＯ多重法とＭＩＭＯダイバーシチ法との適用例を示す。上記のような利点を利用して、基地局装置に近く、受信ＳＩＮＲ（Signal-to-Interference and Noise power Ratio）の大きいユーザ装置に対して、基地局装置はＭＩＭＯ多重法を適用し、データレートを増大することができる。一方、基地局装置から遠く、受信ＳＩＮＲが小さいユーザに対して、基地局装置はＭＩＭＯダイバーシチ法を適用し、セル端のデータレートを増大することができる。このように、ユーザ装置のチャネル状態に応じて、同じ無線リソースで並列に送信する信号系列数（「送信ストリーム数」又は「ランク」とも呼ばれる）を制御することをランクアダプテーションと呼ぶ（非特許文献１）。

図２に、ランクアダプテーションの構成例を示す。基地局装置は、ＣＱＩ（Channel Quality Indicator）のようなユーザ装置からの情報に基づいてチャネル符号化及びデータ変調を制御すると共に、送信アンテナ数を制御する。このように、ランクアダプテーションとは、ＭＩＭＯ多重法とＭＩＭＯダイバーシチ方法とを切り替えることだけでなく、広く送信ストリーム数又はランクを適応的に制御することを意味する。

また、ＭＩＭＯ伝送方式では、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こともできる。これは、プリコーディング方式と呼ばれ、使用される重み係数(ウエイト)は「プリコーディングベクトル」又はより一般的に「プリコーディングマトリクス」と呼ばれる（非特許文献２及び３）。

図３に、プリコーディングの構成例を示す。２つのストリーム（送信信号１，２）はそれぞれコピー部で２系統に複製され、各系統で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。より適切なプリコーディングベクトルを利用する観点からは、図示のようなクローズドループ方式のプリコーディングが好ましい。この場合、プリコーディングベクトルは、ユーザ装置で測定したチャネル状態（チャネル推定値）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。プリコーディング方式では、指向性利得の増大及びストリーム間干渉の低減により、スループットを増大することができる。

プリコーディング方式では、基地局装置及びユーザ装置の双方が、予め決められたプリコーディングマトリクスの集合をコードブックとして管理しておくことが検討されている。コードブックに基づくプリコーディング方式では、最適なプリコーディングマトリクスのインデックス（ＰＭＩ：Precoding Matrix Indicatorとも呼ばれる）をユーザ装置がフィードバックすればよい。従って、ユーザ装置がチャネル推定値をフィードバックする場合に比べて、フィードバックのオーバーヘッドを低減することができる。
R. W. Heath Jr. and A. Paulraj:"Switching Between Diversity and Multiplexing in MIMO Systems,"IEEE Trans. Commun., Vol. 53, No.6, pp. 962−968, Jun. 2005. Emre Telatar:"Capacity of Multi−Antenna Gaussian Channels,"European Transactions on Telecommunications, Vol. 10, No. 6, pp.585−595, Nov/Dec 1999. D.J. Love, R.W. Heath and T. Strohmer Jr.:"Grassmannian Beamforming for Multiple−Input Multiple−Output Wireless Systems,"IEEE Trans. Inform. Theory, Vol. 49, No. 10, pp. 2735−2747, Oct. 2003.

プリコーディングを用いるＭＩＭＯ伝送システムで、基地局装置がランクアダプテーションを行う場合には、以下のような手順が必要になる。

図４に示すように、ユーザ装置は、基地局装置の各アンテナから送信された信号を受信し、下りリンクのチャネル状態を測定する。このときにユーザ装置で測定されるＣＱＩ（Channel Quality Indicator）の一例を図５に示す。ユーザ装置は、ランク毎に最適なＰＭＩを測定し、ユーザ装置は、チャネル状態に応じて、最もデータレートを増大することができるランクと、そのランクで最適なＰＭＩ（及びＣＱＩ）とを基地局装置にフィードバックする。図５の場合には、ユーザ装置は、ランク１〜ランク４のＰＭＩ（及びＣＱＩ）を測定し、ランク＝１，ＰＭＩ＝２（及びＣＱＩ＝５）を基地局装置にフィードバックする。

基地局装置は、フィードバックされたランクとＰＭＩ（及びＣＱＩ）とに基づいて信号を送信する。通常では、基地局装置は、ユーザ装置からフィードバックされたランクに従って信号を送信する。図５の場合には、基地局装置は、ランク＝１，ＰＭＩ＝２で信号を送信する。

しかし、ユーザ装置がランクをフィードバックする周期と、基地局装置が最終的にランクを切り替える周期が異なる場合には、基地局装置がユーザ装置からフィードバックされたランクに従わない可能性がある。また、再送パケットが残っているため、ユーザ装置からランクを下げるようにフィードバックされても、基地局装置がフィードバックされたランクに従わないことも考えられる。更に、ユーザ装置からランクを上げるようにフィードバックされても、基地局装置は他のユーザ装置との関係で、フィードバックされたランクに従わないことも考えられる。このように、基地局装置がユーザ装置からフィードバックされたランクに従わない場合、ユーザ装置からフィードバックされるＰＭＩは、実際のランクでの最適なＰＭＩとは異なる。例えば、図５の場合に、ユーザ装置がランク＝１，ＰＭＩ＝２をフィードバックしたにもかかわらず、基地局装置がランク＝２を選択すると、ＰＭＩ＝２はユーザ装置にとって最適なＰＭＩではない。従って、ユーザ装置の受信品質が低下するという問題が生じる。

また、ユーザ装置は、図５に示すようなランク毎に最適なＰＭＩを選択する処理が必要となり、ランク数の増大と共に処理が増大する。

本発明は、上記の課題に鑑み、プリコーディングを用いるＭＩＭＯ伝送システムで、ランクアダプテーションに伴うユーザ装置の処理を低減することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係るユーザ装置は、
プリコーディングを用いたＭＩＭＯ伝送システムでランクアダプテーションを行う基地局装置と通信するユーザ装置であって：
前記基地局装置から通知されたランクで、プリコーディングマトリクスインジケータ（ＰＭＩ）をチャネル状態に応じて決定するＰＭＩ決定部；及び
前記ＰＭＩを前記基地局装置に送信する送信部；
を有することを特徴の１つとする。

また、本発明に係る基地局装置は、
プリコーディングを用いたＭＩＭＯ伝送システムでランクアダプテーションを行う基地局装置であって：
ユーザ装置から要求されたランクに基づいて、前記ユーザ装置と通信するためのランクを決定するランク決定部；及び
前記決定されたランクを制御情報として前記ユーザ装置に送信する送信部；
を有することを特徴の１つとする。

また、本発明に係るＭＩＭＯ伝送方法は、
プリコーディングを用いたＭＩＭＯ伝送システムでランクアダプテーションを行う基地局装置とユーザ装置との間のＭＩＭＯ伝送制御方法であって：
前記基地局装置が、前記ユーザ装置にランクを通知するステップ；
前記ユーザ装置が、前記基地局装置から通知されたランクで、プリコーディングマトリクスインジケータ（ＰＭＩ）をチャネル状態に応じて決定するステップ；
前記ユーザ装置が、前記ＰＭＩを前記基地局装置に送信するステップ；及び
前記基地局装置が、前記ＰＭＩに基づいてプリコーディングマトリクスを乗算するステップ；
を有することを特徴の１つとする。

本発明の実施例によれば、プリコーディングを用いるＭＩＭＯ伝送システムで、ランクアダプテーションに伴うユーザ装置の処理を低減することが可能になる。

本発明の実施例について、図面を参照して以下に説明する。

図６に、ランクと受信品質との関係及びＭＣＳ（Modulation and Coding Scheme）と受信品質との一般的な関係を示す。受信品質が悪い場合（例えば、受信ＳＩＮＲが小さい場合）には、送信ダイバーシチを得るために、ランク数は小さく設定される。そのため、スループットは低くなる。一方、受信品質が良い場合（例えば、受信ＳＩＮＲが大きい場合）には、スループットを高くするため、ランク数は大きく設定される。

ＭＣＳについても同様に、受信品質が悪い場合（例えば、ＣＱＩが小さい場合）には、伝送信頼度を高めるための変調方式（例えば、ＢＰＳＫ）と小さいチャネル符号化率を用いる。また、受信品質が良い場合（例えば、ＣＱＩが大きい場合）には、伝送効率を高めるための変調方式（例えば、１６ＱＡＭ）と大きいチャネル符号化率を用いる。

ランクは、最大でアンテナ数までの制御が可能であるのに対して、ＭＣＳはきめ細かい制御が可能である。また、プリコーディングについても、きめ細かくＰＭＩを設定しておくことにより、ＭＣＳと同様にきめ細かい制御が可能になる。典型的には、ランクの制御に比べて、ＭＣＳ及びプリコーディングの制御は細かく行うことができる。

また、基地局装置がランクを制御するときに、再送パケットの有無や他のユーザ装置へのデータを考慮して制御するため、ランクの制御は、ＭＣＳ及びプリコーディングの制御より複雑になる。従って、ランクの制御は、ＭＣＳ及びプリコーディングの制御に比べて長い周期で行うことが好ましい。以下の説明では、ランクの制御を長い周期で行い、ＭＣＳ及びプリコーディングの制御を短い周期で行うための実施例について説明する。

図７に、プリコーディングを用いたＭＩＭＯ伝送システムにおいて、本発明の一実施例に従って基地局装置がランクアダプテーションを行う方法を示す。

まず、基地局装置がランクを決定してユーザ装置に通知する。このときに、基地局装置はユーザ装置からフィードバックされたランク（ランク要求情報）を参考にしてもよい。ユーザ装置は、基地局装置から通知されたランクで、最適なＰＭＩを決定し、基地局装置にフィードバックする。すなわち、基地局装置から通知されたランクがユーザ装置にとって最適ではなくても、基地局装置から通知されたランクに従う。このときに、ユーザ装置は、基地局装置から通知されたランクより適したランクを決定し、ランク要求情報として基地局装置にフィードバックしてもよい。

このように、本発明の一実施例では、基地局装置がランクを決定し、Ｌ１／Ｌ２制御信号又はＬ３制御信号のような制御信号でユーザ装置に通知する。ユーザ装置は、基地局装置から通知されたランクに従って、ＰＭＩを決定する。従って、基地局装置がユーザ装置からフィードバックされたランクに従うか否かにかかわらず、ユーザ装置は、基地局装置から通知されたランクで最適なＰＭＩ（及びＣＱＩ）をフィードバックすることが可能になる。

また、ユーザ装置で測定されるＰＭＩ（及びＣＱＩ）は図８のように簡略化される。ユーザ装置は、全てのランクのＰＭＩ（及びＣＱＩ）を測定する必要はなく、基地局装置から通知されたランクでＰＭＩ（及びＣＱＩ）を測定すればよい。その結果、ユーザ装置の処理を低減することが可能になる。

更に、ランクによってフィードバックするビット数が異なる場合（例えば、マルチコードワードでランク＝１の場合とランク＝２の場合とでＰＭＩやＣＱＩのビット数が異なる場合）、上りリンクではブラインド検出を行うことなく、ランク、ＰＭＩ及びＣＱＩの復調が可能になる。

更に、ユーザ装置がランク、ＰＭＩ及びＣＱＩを基地局装置にフィードバックするときに、これらの制御情報を一緒に符号化することが可能になる。このような符号化によって、符号化利得が得られ、制御情報の受信品質が向上する。

＜ＭＩＭＯ伝送制御方法のフローチャート＞
図９に、本発明の一実施例に係るＭＩＭＯ伝送制御方法のフローチャートを示す。

まず、基地局装置はランクを決定し、ユーザ装置に通知する（Ｓ１０１）。ユーザ装置は、基地局装置から通知されたランクで最適なＰＭＩをチャネル状態に応じて決定する。また、ユーザ装置は、基地局装置から通知されたランクで、受信品質を表すＣＱＩを測定する。ＰＭＩ及びＣＱＩは基地局装置にフィードバックされる（Ｓ１０３）。基地局装置は、ＣＱＩに応じてＭＣＳを決定すると共に、ＰＭＩに基づいてプリコーディングマトリクスを決定する。基地局装置は、決定されたＭＣＳでユーザデータを変調及びチャネル符号化し、決定されたプリコーディングマトリクスを乗算して、ユーザデータを送信する（Ｓ１０５）。なお、ＰＭＩ及びＣＱＩを測定する周期で、Ｓ１０１〜Ｓ１０５が繰り返される。

ユーザ装置は、チャネル状態を考慮して、ランクを変更した方がデータレートを増大することができると判断した場合には、基地局装置から通知されたランクより適したランク（ランク要求情報）をフィードバックしてもよい（Ｓ１０７）。基地局装置は、ランク要求情報を考慮してランクを決定し、ユーザ装置に通知する（Ｓ１０９）。このときに、基地局装置は、ユーザ装置からのランク要求情報に従わなくてもよい。例えば、基地局装置は、ユーザ装置からランク要求情報を所定回数になるまで受信して、その結果を平均化してランクを決定してもよい。ランクはＬ１／Ｌ２制御チャネルで送信されてもよく、Ｌ３制御チャネルで送信されてもよい。以下、同様にＳ１０１〜Ｓ１０５が繰り返される。

＜ユーザ装置の構成＞
図１０に、本発明の一実施例に係るユーザ装置１０のブロック図を示す。ユーザ装置１０は、ＲＦ受信部１０１と、受信タイミング推定部１０３と、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）部１０５と、チャネル推定部１０７と、信号検出部１０９と、データチャネル復号部１１１と、制御チャネル復号部１１３と、ＣＱＩ測定部１１５と、ＰＭＩ決定部１１７と、ランク要求部１１９とを有する。

ＲＦ受信部１０１は、各アンテナから受信された信号をベースバンド信号に変換する。ベースバンド信号は、受信タイミング推定部１０３でフレームタイミングが推定され、ＦＦＴ部１０５で周波数領域に変換される。

チャネル推定部１０７は、書くアンテナからの信号の歪み補償を行い、その結果を信号検出部１０９に出力する。信号検出部１０９は、各アンテナからの信号を分離及び／又は合成し、ユーザデータをデータチャネル復号部１１１に出力し、制御情報を制御チャネル復号部１１３に出力する。制御チャネル復号部１１３で復号された制御情報には、基地局装置から通知されたランクが含まれる。

ＣＱＩ測定部１１５は、参照信号（パイロット信号）の受信品質に基づいてＣＱＩを測定する。このときに、基地局装置から通知されたランクが用いられる。すなわち、ＣＱＩ測定部１１５は、全てのランクのＣＱＩを測定する必要はない。

ＰＭＩ決定部１１７は、参照信号（パイロット信号）の受信品質に基づいて、基地局から通知されたランクで最適なＰＭＩを決定する。例えば、ＰＭＩ決定部１１７は、参照信号の受信品質に基づいて、下りリンクのデータ送信に適したプリコーディングマトリクスを決定し、このプリコーディングマトリクスを示すＰＭＩをコードブックの中から選択する。ＰＭＩ決定部１１７も同様に、全てのランクのＰＭＩを決定する必要はない。

ランク要求部１１９は、参照信号（パイロット信号）の受信品質に基づいて、データレートを最大化するランクを決定し、このランクをランク要求情報として生成する。

ＣＱＩ測定部１１５で測定されたＣＱＩ、ＰＭＩ決定部１１７で決定されたＰＭＩ及びランク要求部１１９で決定されたランクは、制御情報として送信部から基地局装置に送信される。

＜基地局装置の構成＞
図１１に、本発明の一実施例に係る基地局装置２０のブロック図を示す。基地局装置２０は、ランク決定部２０１と、Ｌ１／Ｌ２制御チャネル生成部２０３と、Ｌ３制御チャネル生成部と、ユーザチャネル生成部２０７と、プリコーディングマトリクス（プリコーディングベクトル）乗算部２０９と、多重部２１１とを有する。

ランク決定部２０１は、ユーザ装置からランク要求情報を受信し、ユーザ装置との通信に使用されるランクを決定する。ランク決定部２０１は、ユーザ装置からランクを受信する毎にランクを決定してもよく、所定数のランク情報を平均化してランクを決定してもよい。また、同じランク要求情報を所定回数より多く受信したときにランクを決定してもよい。ランクはＬ１／Ｌ２制御チャネルで送信されてもよく、Ｌ３制御チャネルで送信されてもよい。

ランクがＬ１／Ｌ２制御チャネルで送信される場合、Ｌ１／Ｌ２制御チャネル生成部２０３は、他のＬ１／Ｌ２制御情報とランクとをＬ１／Ｌ２制御情報として生成する。ランクがＬ３制御チャネルで送信される場合、Ｌ３制御チャネル生成部２０５は、他のＬ３制御情報とランクとをＬ３制御情報として生成する。Ｌ３制御情報は、プリコーディングベクトル乗算部２０９で、ユーザデータと共に、ユーザ装置から受信したＰＭＩによって決まるプリコーディングベクトルが乗算される。

ランク、他の制御情報及びユーザデータは、多重部２１１で、スケジューリングによって決められた無線リソースに多重され、送信部からユーザ装置に送信される。

このように、本発明の実施例によれば、プリコーディングを用いるＭＩＭＯ伝送システムで、ランクアダプテーションに伴うユーザ装置の処理を低減することが可能になる。なお、上記では本発明の好適な実施例について説明したが、本発明は、上記の実施例に限定されることなく、特許請求の範囲内において種々の変更及び応用が可能である。例えば、本発明は、Ｗ−ＣＤＭＡ（Wideband Code Division Multiple Access）やＨＳＤＰＡ（High Speed Downlink Packet Access）の後継となるＬＴＥ（Long Term Evolution）に適用可能であるが、更に、プリコーディング及びランクアダプテーション用いる他のＭＩＭＯシステムにも適用可能である。

ＭＩＭＯ多重法とＭＩＭＯダイバーシチ法との適用例を示す図ＭＩＭＯ伝送におけるランクアダプテーションを示す図プリコーディングを用いたＭＩＭＯ伝送を示す図プリコーディングを用いたＭＩＭＯ伝送におけるランクアダプテーションを示す図プリコーディングを用いたＭＩＭＯ伝送においてランクアダプテーションを行う場合に、ユーザ装置で測定される受信品質の一例を示す図受信品質とランク数との関係及び受信品質とＭＣＳとの関係を示す図本発明の一実施例に係るプリコーディングを用いたＭＩＭＯ伝送におけるランクアダプテーションを示す図本発明の一実施例に従ってユーザ装置で測定される受信品質の一例を示す図本発明の一実施例に係るＭＩＭＯ伝送制御方法を示すフローチャート本発明の一実施例に係るユーザ装置のブロック図本発明の一実施例に係る基地局装置のブロック図

符号の説明

１０ユーザ装置
１０１ＲＦ受信部
１０３受信タイミング推定部
１０５ＦＦＴ部
１０７チャネル推定部
１０９信号検出部
１１１データチャネル復号部
１１３制御チャネル復号部
１１５ＣＱＩ測定部
１１７ＰＭＩ決定部
１１９ランク要求部
２０基地局装置
２０１ランク決定部
２０３Ｌ１／Ｌ２制御チャネル生成部
２０５Ｌ３制御チャネル生成部
２０７ユーザチャネル生成部
２０９プリコーディングマトリクス乗算部

Claims

プリコーディングを用いたＭＩＭＯ伝送システムでランクアダプテーションを行う基地局装置と通信するユーザ装置であって：
前記基地局装置から通知されたランクで、プリコーディングマトリクスインジケータ（ＰＭＩ）をチャネル状態に応じて決定するＰＭＩ決定部；及び
前記ＰＭＩを前記基地局装置に送信する送信部；
を有するユーザ装置。
チャネル状態に応じて、前記基地局装置から通知されたランクより適したランクを要求するランク要求部；
を更に有する、請求項１に記載のユーザ装置。
プリコーディングを用いたＭＩＭＯ伝送システムでランクアダプテーションを行う基地局装置であって：
ユーザ装置から要求されたランクに基づいて、前記ユーザ装置と通信するためのランクを決定するランク決定部；及び
前記決定されたランクを制御情報として前記ユーザ装置に送信する送信部；
を有する基地局装置。
プリコーディングを用いたＭＩＭＯ伝送システムでランクアダプテーションを行う基地局装置とユーザ装置との間のＭＩＭＯ伝送制御方法であって：
前記基地局装置が、前記ユーザ装置にランクを通知するステップ；
前記ユーザ装置が、前記基地局装置から通知されたランクで、プリコーディングマトリクスインジケータ（ＰＭＩ）をチャネル状態に応じて決定するステップ；
前記ユーザ装置が、前記ＰＭＩを前記基地局装置に送信するステップ；及び
前記基地局装置が、前記ＰＭＩに基づいてプリコーディングマトリクスを乗算するステップ；
を有するＭＩＭＯ伝送制御方法。