JP6324503B2 - 大規模ｍｉｍｏ通信システムのための低複雑度プリコーダ設計 - Google Patents

Description

本願は、その内容を参照によって本明細書に引用する、２０１３年８月２８日に出願された仮特許出願第６１／８７０，８８７号に対する優先権を主張するものである。
本発明は、信号処理に関し、より詳細には、大規模多入力多出力（ＭＩＭＯ）通信システムのための低複雑度プリコーダ設計に関する。

多入力多出力（ＭＩＭＯ）システムとしても知られるマルチアンテナシステムは、新世代の高速ワイヤレスおよびセルラシステムにおけるシステムスループットを改善する重要な解決方法であった。ＭＩＭＯ技術は、現在、世界規模で展開されている３ＧＰＰロングタームエボリューション（ＬＴＥ）システムに採用されている。ＭＩＭＯのチャネル利得をさらに改善するために、シングルユーザ（ＳＵ）ＭＩＭＯ向けに最大８つのデータ伝送層を伴ったＬＴＥアドバンスト（ＬＴＥ−Ａ）規格（３ＧＰＰ ＬＴＥリリース１０）では、８本の送信アンテナによる伝送がサポートされている。しかしながら、このような多数のアンテナを、特にスマートフォンなどのユーザ端末側終端に搭載するのは難しいため、空間多重化による大幅な利得の実現は、ワイヤレスベンダにとって魅力の乏しいものとなっている。一方で、システム容量をさらに拡張するため、ＬＴＥ−Ａ規格には線形プリコーディングによるマルチユーザＭＩＭＯが盛り込まれた。同一のチャネルリソースで複数のユーザにサービス提供することで、ユーザごとに１本の受信アンテナしか配備されていない状況でも、ユーザ間にチャネル相関がないことにより、実質的に高次のＭＩＭＯを実現できる。

最近では、例えば、数十または百を超える多数の送信アンテナを使用したＭＩＭＯシステムが注目を集めている。このようなシステムはしばしば大規模ＭＩＭＯまたはｍａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯと称される。大規模構成の送信アンテナでマルチユーザＭＩＭＯ伝送をサポートする場合、共にスケジュールされるユーザ（ｃｏ−ｓｃｈｅｄｕｌｅｄ ｕｓｅｒｓ）間のセル内干渉は、非相関チャネルおよびプリコーディング行列によって解消されることがわかっている。したがって、ネットワーク容量の著しい改善が可能である。多数の送信アンテナを伴った、プリコーディングを用いた干渉抑制を実現するには、時分割複信（ＴＤＤ）システムでは前提とされ得るように、基地局で自局がサービス提供している全ユーザのチャネル情報を完全に把握していることが１つの条件となる。送信アンテナ数がユーザ数に比して多い場合、システム容量はユーザ数に応じて増減する。さらに、大規模ＭＩＭＯシステムにおいては、整合フィルタベースのプリコーディングと１つの線形受信機で十分でありうるため、送信機側と受信機側双方の信号処理の複雑度が著しく低減する。このようなスループットと複雑度における利点により、大規模ＭＩＭＯは、スパース可用スペクトル（ｓｐａｒｓｅ ａｖａｉｌａｂｌｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ）の現状が反映され関心をますますひきつけ、ワイヤレスデータ需要を飛躍的に増大するようになった。

整合フィルタベースのプリコーディングは大規模ＭＩＭＯシステムにおいて申し分ないパフォーマンスを発揮しうるものの、アンテナ電力制約が課せられる状況で、増幅器の限界に起因する信号ひずみを避けるために、送信機が全送信アンテナ間でプリコーディング後の信号のスケーリングを行わなければならない場合にパフォーマンスが低下する可能性がある。

上記および他の欠点ならびに先行技術の不利益は、大規模多入力多出力（ＭＩＭＯ）通信システムのための低複雑度プリコーダ設計を対象とする本原理によって対処される。

本原理の一態様による方法が提供される。本方法は、複数の送信アンテナを備える多入力多出力通信システムに送信プリコーダを提供することを有する。複数の送信アンテナは、複数のチャネルの各々が複数のユーザのうちの対応するユーザにサービス提供するように構成可能であるように、プリコーディングを用いて複数のチャネルを形成するものである。この提供するステップは、複数の送信アンテナの各々に、対応する送信アンテナ平均電力制約（ａｖｅｒａｇｅ ｔｒａｎｓｍｉｔ ａｎｔｅｎｎａ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ）を課すことを含む。この提供するステップは、複数の行および複数の列を有する下りリンクチャネル行列に列スケーリング（ｃｏｌｕｍｎ ｓｃａｌｉｎｇ）を適用することに応答して、対角プリコーダを決定することをさらに含む。この提供するステップは、複数のチャネル上で対応する信号を送信する際に得られる重み付き総和レート（ｗｅｉｇｈｔｅｄ ｓｕｍ−ｒａｔｅ）を最適化することにより、対応するアンテナ平均電力制約に従って、対角プリコーダから重み付きプリコーダ（ｗｅｉｇｈｔｅｄ ｐｒｅｃｏｄｅｒ）を生成することをさらに含む。

本原理の別の態様によるコンピュータ可読記憶媒体が提供される。本コンピュータ可読記憶媒体は、方法を実行するコンピュータ可読プログラムを含む。本コンピュータ可読プログラムは、コンピュータ上で実行されたとき、コンピュータに以下の方法を実行させる。その方法は、複数の送信アンテナを備える多入力多出力通信システムに送信プリコーダを提供することを有する。複数の送信アンテナは、複数のチャネルの各々が複数のユーザのうちの対応するユーザにサービス提供するように構成可能であるように、プリコーディングを用いて複数のチャネルを形成するものである。この提供するステップは、複数の送信アンテナの各々に、対応する送信アンテナ平均電力制約を課すことを含む。この提供するステップは、複数の行および複数の列を有する下りリンクチャネル行列に列スケーリングを適用することに応答して、対角プリコーダを決定することをさらに含む。この提供するステップは、複数のチャネル上で対応する信号を送信する際に得られる重み付き総和レートを最適化することにより、対応するアンテナ平均電力制約に従って、対角プリコーダから重み付きプリコーダを生成することをさらに含む。

上記および他の特徴ならびに利点は、本原理の例示的実施態様に関する以下の詳細な説明を添付図面と併せて読めば明らかになろう。

本開示では、この後、以下の図面を参照しながら好ましい実施形態について詳細に説明する。

図１は、本原理の一実施形態による、本原理が適用されうる例示の処理システム１００を示すブロック図である。 図２は、本原理の一実施形態による、大規模多入力多出力（ＭＩＭＯ）通信システムのためのプリコーダを生成する例示のシステム２００を示す。 図３は、本原理の一実施形態による、大規模多入力多出力（ＭＩＭＯ）通信システムのためのプリコーダを生成する例示の方法３００を示す。

本原理は大規模多入力多出力（ＭＩＭＯ）通信システムのための低複雑度プリコーダ設計を対象とするものである。

一実施形態において、まず、列スケーリングを適用した下りリンクチャネル行列によって形成される、対角プリコーダと称される特定のプリコーディング構造を提案する。この符号化構造に基づき、まず注水定理（ｗａｔｅｒ ｆｉｌｌｉｎｇ）を用いたプリコーダ設計を提示する。次に、確率的ペアワイズ二分探索（ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃ ｐａｉｒｗｉｓｅ ｂｉｓｅｃｔｉｏｎ ｓｅａｒｃｈ）アルゴリズムを提案する。マルチユーザ干渉を考慮するために、ゼロフォーシングプリコーダを得るための効率的なアルゴリズムを提示する。

本原理は、不均等重み付き総和レート（ｕｎｅｑｕａｌ ｗｅｉｇｈｔｅｄ ｓｕｍ−ｒａｔｅ）の最大化、様々な配置関係にあるユーザなどを含むが、これらに限定されない実際のシナリオにおいて、有利に使用することができる。

図１は、本原理の一実施形態による、本原理が適用されうる例示の処理システム１００を示すブロック図である。処理システム１００は、システムバス１０２を介して他のコンポーネントと動作可能に結合されている、少なくとも１つのプロセッサ（ＣＰＵ）１０４を含んでいる。キャッシュ１０６、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）１０８、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１１０、入力／出力（Ｉ／Ｏ）アダプタ１２０、サウンドアダプタ１３０、ネットワークアダプタ１４０、ユーザインターフェースアダプタ１５０、およびディスプレイアダプタ１６０は、システムバス１０２に動作可能に結合されている。

第１の記憶装置１２２および第２の記憶装置１２４は、Ｉ／Ｏアダプタ１２０によってシステムバス１０２に動作可能に結合されている。記憶装置１２２および１２４は、ディスク記憶装置（例えば、磁気記憶装置または光学ディスク記憶装置）、固体磁気装置などのいずれであってもよい。記憶装置１２２および１２４は、同じタイプの記憶装置であっても異なるタイプの記憶装置であってもよい。

スピーカ１３２は、サウンドアダプタ１３０によってシステムバス１０２に動作可能に結合されている。送受信機１４２は、ネットワークアダプタ１４０によってシステムバス１０２に動作可能に結合されている。ディスプレイ装置１６２は、ディスプレイアダプタ１６０によってシステムバス１０２に動作可能に結合されている。

第１のユーザ入力装置１５２、第２のユーザ入力装置１５４、および第３のユーザ入力装置１５６は、ユーザインターフェースアダプタ１５０よってシステムバス１０２に動作可能に結合されている。ユーザ入力装置１５２、１５４、および１５６は、キーボード、マウス、キーパッド、画像取込装置、動作検知装置、マイクロフォン、前述の装置のうち少なくとも２つの装置の機能を組み込んだ装置などのいずれであってもよい。言うまでもなく、本原理の趣旨を維持する限りにおいては、他のタイプの入力装置を使用してもかまわない。ユーザ入力装置１５２、１５４、および１５６は、同じタイプのユーザ入力装置であっても異なるタイプのユーザ入力装置であってもよい。ユーザ入力装置１５２、１５４、および１５６は、システム１００との間で情報を入力および出力するのに用いられる。

また、当然ながら、処理システム１００は、当業者であれば容易に考えられるような他の要素（図示せず）を含んでいてもよく、特定の要素を除外してもよい。例えば、当業者であれば容易に理解できるように、処理システム１００には、その固有の実現に応じて他の様々な入力装置および／または出力装置を含めることができる。例えば、無線および／または有線による種々の入力装置および／または出力装置を使用することができる。さらに、当業者であれば容易に理解できるように、様々な構成において追加のプロセッサ、コントローラ、メモリなどもまた利用することができる。処理システム１００の上記および他の変形例は、本明細書で提供される本原理の教示により当業者であれば容易に考えられるものであろう。

さらに、以下に図２を用いて説明するシステム２００は、本原理の各実施形態を実現するシステムであることが理解されよう。処理システム１００の一部または全部は、システム２００の１つまたは複数の要素として実現されてもよい。

さらに、処理システム１００が、例えば、図３の方法３００の少なくとも一部など、本明細書において説明する方法の少なくとも一部を実行してもよいと理解されるべきである。同様に、システム２００の一部または全部を用いて、図３の方法３００の少なくとも一部を実行してもよい。

図２は、本原理の一実施形態による、大規模多入力多出力（ＭＩＭＯ）通信システムのためのプリコーダを生成する例示のシステム２００を示す。図２の実施形態において、通信システム２００は送信アンテナのセットを備えている。チャネルのセットのうちの対応する各チャネルが、ユーザのセットのうち対応するユーザにサービス提供するために同時に使用可能となるように、プリコーディングにより、そのチャネルのセットを作成するために、このセット内のアンテナを用いることができる。

システム２００は、アンテナ制約決定装置２１０、対角プリコーダジェネレータ２２０、および重み付きプリコーダジェネレータ２３０を含んでいる。重み付きプリコーダジェネレータ２３０は、反復確率的電力配分ペアワイズ二分探索部（ｉｔｅｒａｔｉｖｅ ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃ ｐｏｗｅｒ ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ ｐａｉｒｗｉｓｅ ｂｉｓｅｃｔｉｏｎ ｓｅａｒｃｈｅｒ）２４０を含んでいる。

アンテナ制約決定装置２１０は、複数の送信アンテナの各々に、対応する送信アンテナ平均電力制約を課す。

対角プリコーダジェネレータ２２０は、下りリンクチャネル行列に列スケーリングを適用するのに応じて、対角プリコーダを生成する。下りリンクチャネル行列は、下りリンクチャネルの状態（パラメータ）を示す係数を含んでいる。

重み付きプリコーダジェネレータ２３０は、チャネルのセットのうちの対応するチャネル上で対応する信号を送信する際に得られる重み付き総和レートを最適化することにより、対応するアンテナ平均電力制約に従って、対角プリコーダから重み付き注水定理ベースプリコーダ（ｗｅｉｇｈｔｅｄ ｗａｔｅｒ ｆｉｌｌｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｐｒｅｃｏｄｅｒ）を生成する。

重み付きプリコーダジェネレータ２３０は、重み付き注水定理プリコーダ（ｗｅｉｇｈｔｅｄ ｗａｔｅｒ ｆｉｌｌｉｎｇ ｐｒｅｃｏｄｅｒ）２７１、ＳＮＲベース重み付き対角最適化プリコーダ（ＳＮＲ−ｂａｓｅｄ ｗｅｉｇｈｔｅｄ ｄｉａｇｏｎａｌ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｐｒｅｃｏｄｅｒ）２７２、ＳＩＮＲベース重み付き対角最適化プリコーダ（ＳＩＮＲ−ｂａｓｅｄ ｗｅｉｇｈｔｅｄ ｄｉａｇｏｎａｌ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｐｒｅｃｏｄｅｒ）２７３、およびゼロフォーシングプリコーダ２７４のうちのいずれかを生成することができる。ＳＩＮＲベース重み付き対角最適化プリコーダ２７２はＳＩＮＲベースの重み付き総和レートを最適化するため、ＳＩＮＲベース重み付き対角最適化プリコーダ２７２は、チャネルのセット内でゼロフォーシングプリコーダが除去しようとする相互干渉も考慮に入れる。一実施形態において、ゼロフォーシングプリコーダ２７４は、重み付き注水定理プリコーダ２７１、ＳＮＲベース重み付き対角最適化プリコーダ２７２、およびＳＩＮＲベース重み付き対角最適化プリコーダ２７３のうちのいずれからも得ることができる。

図３は、本原理の一実施形態による、大規模多入力多出力（ＭＩＭＯ）通信システムのためのプリコーダを生成する例示の方法３００を示す。図３の実施形態では、対応する通信システムが送信アンテナのセットを備えている。チャネルのセットのうちの対応する各チャネルが、ユーザのセットのうち対応するユーザにサービス提供するために同時に使用可能となるように、プリコーディングにより、そのチャネルのセットを作成するために、このセット内のアンテナを用いることができる。

ステップ３１０で、セット内の送信アンテナの各々に、対応する送信アンテナ平均電力制約を課す。

ステップ３２０で、行のセットおよび列のセットを有する下りリンクチャネル行列に列スケーリングを適用することに応答して、対角プリコーダを決定する。

ステップ３３０で、チャネルのセットのうちの対応するチャネル上で対応する信号を送信する際に得られる重み付き総和レートを最適化することにより、対応するアンテナ平均電力制約に従って、対角プリコーダから重み付きプリコーダを生成し、チャネルのセットは、送信アンテナ上でプリコーディングを使用することによって作成される。一実施形態では、これらのウェイト（ｗｅｉｇｈｔｓ）は、例えば、ユーザ優先度、ユーザサービス品質などに対応していてもよい。ステップ３３０では、少なくとも図２を参照して示し、説明したプリコーダ２７１から２７４のうちのいずれも生成できるものと理解されるべきである。

本明細書に記載した実施形態は、完全にハードウェアであってもよく、完全にソフトウェアであってもよく、またはハードウェアとソフトウェアの両方の要素を含んでいてもよい。好ましい実施形態では、本発明は、ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコードなどを含むがこれらに限定されないソフトウェアにおいて実現される。

実施形態には、コンピュータもしくは任意の命令実行システムによって使用されるか、またはこれらに関連して使用されるプログラムコードを提供する、コンピュータ使用可能またはコンピュータ可読媒体からアクセスすることができる、コンピュータプログラム製品が含まれてもよい。コンピュータ使用可能またはコンピュータ可読媒体には、命令実行システム、装置、もしくはデバイスによって使用されるか、またはこれらに関連して使用されるプログラムを格納、伝達、伝播、または移送する任意の装置が含まれてもよい。該媒体は、磁気、光学、電子、電磁気、赤外線、または半導体システム（または装置もしくはデバイス）、あるいは伝播媒体であってよい。該媒体には、半導体または固体メモリ、磁気テープ、取り外し可能なコンピュータディスケット、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、剛性の磁気ディスク、および光ディスクなどの、コンピュータ可読媒体が含まれてもよい。

例えば、「Ａ／Ｂ」、「Ａおよび／またはＢ」、および「ＡおよびＢのうちの少なくとも１つ」の場合における「／」、「および／または」、および「うちの少なくとも１つ」のうちのいずれかの使用は、１番目に挙げた選択肢（Ａ）のみの選択、２番目に挙げた選択肢（Ｂ）のみの選択、または両方の選択肢（ＡおよびＢ）の選択を包含することを意図したものと理解すべきである。さらに例を挙げれば、「Ａ、Ｂ、および／またはＣ」および「Ａ、Ｂ、およびＣのうちの少なくとも１つ」の場合、このような表現法は、１番目に挙げた選択肢（Ａ）のみの選択、２番目に挙げた選択肢（Ｂ）のみの選択、３番目に挙げた選択肢（Ｃ）のみの選択、１番目および２番目に挙げた選択肢（ＡおよびＢ）のみの選択、１番目および３番目に挙げた選択肢（ＡおよびＣ）のみの選択、２番目および３番目に挙げた選択肢（ＢおよびＣ）のみの選択、または３つの選択肢すべて（ＡおよびＢおよびＣ）の選択を包含することを意図したものである。上述の例は、当業者には容易に明らかとなるように、列挙される多数の項目に応じて拡大適用されうる。

上述の説明は、すべての点で説明および例示のためのものであり、限定的なものではないと理解されるべきであり、本明細書で開示される本発明の範囲は、詳細な説明（Ｄｅｔａｉｌｅｄ Ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ）から決定されるのではなく、特許法によって許可される最大範囲に従って解釈されるように特許請求の範囲から決定されるべきである。追加情報は、「追加情報（Ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）」と題する本願付属書類にて提供される。本明細書で示され、説明された実施形態は本発明の原理の例証にすぎないということ、さらに当業者であれば本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく様々な変形例を実施できるということを理解すべきである。当業者であれば、本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく、他の様々な特徴の組み合わせを実施できるであろう。

Claims (18)

1. 複数のチャネルの各々が複数のユーザのうちの対応するユーザにサービス提供するように構成可能であるように、プリコーディングを用いて前記複数のチャネルを形成する複数の送信アンテナを備える多入力多出力通信システムに送信プリコーダを提供し、
   前記提供するステップは、
   前記複数の送信アンテナの各々に、対応する送信アンテナ平均電力制約を課し、
   複数の行および複数の列を有する下りリンクチャネル行列に列スケーリングを適用することに応答して、対角プリコーダを決定し、
   前記複数のチャネル上で対応する信号を送信する際に得られる重み付き総和レートを最適化することにより、前記対応するアンテナ平均電力制約に従って、前記対角プリコーダから重み付きプリコーダを生成することを以下の手順により行う、
   複数のユーザから２人のユーザを無作為に選択し、
   重み付き総和レートを決定するための目的関数を最大化する二分探索を用いて前記選択された二人のユーザの電力を最適化し、前記複数のユーザのうち、選択されなかった残りのユーザの電力を変更せず、前記複数のユーザから選択された２人のユーザの合計値を変更しない、方法。
   
2. 前記手順が複数の反復の各々について行われる請求項１に記載の方法。
3. 前記目的関数が信号対雑音比に応じて決定される、請求項２に記載の方法。
4. 前記目的関数が信号対干渉雑音比に応じて決定される、請求項２に記載の方法。
5. 前記２人のユーザのうちの少なくとも１人が前記複数の反復ごとに変更される、請求項２に記載の方法。
6. 前記目的関数が前記下りリンクチャネル行列の行正規化の後に最大化される、請求項２に記載の方法。
7. 前記対角プリコーダはさらに前記下りリンクチャネル行列の行正規化に応じて決定される、請求項１に記載の方法。
8. 対応する重み付きプリコーダが、注水定理技法に応じて生成された注水定理プリコーダである、請求項１に記載の方法。
9. 対応する重み付きプリコーダがゼロフォーシングプリコーダである、請求項１に記載の方法。
10. 前記重み付き総和レートを計算するのに使用される重みが、前記複数のユーザのうちの相異なるユーザについて異なる、請求項１に記載の方法。
11. 前記下りリンクチャネル行列が、前記複数の送信アンテナおよび前記複数のユーザについて決定された複合チャネル行列である、請求項１に記載の方法。
12. 最適な重み付き総和レートおよび前記対応するアンテナ平均電力制約に従って、前記複数のチャネルのうちの対応するチャネル上で前記対応する信号を送信することをさらに有する、請求項１に記載の方法。
13. 方法を実行するコンピュータ可読プログラムを含むコンピュータ可読記憶媒体であって、
    前記コンピュータ可読プログラムは、コンピュータ上で実行されたとき、前記コンピュータに、
    複数のチャネルの各々が複数のユーザのうちの対応するユーザにサービス提供するように構成可能であるように、プリコーディングを用いて前記複数のチャネルを形成する複数の送信アンテナを備える多入力多出力通信システムに送信プリコーダを提供するステップを実行させ、
    前記提供するステップは、
    前記複数の送信アンテナの各々に、対応する送信アンテナ平均電力制約を課し、
    複数の行および複数の列を有する下りリンクチャネル行列に列スケーリングを適用することに応答して、対角プリコーダを決定し、
    前記複数のチャネル上で対応する信号を送信する際に得られる重み付き総和レートを最適化することにより、前記対応するアンテナ平均電力制約に従って、前記対角プリコーダから重み付きプリコーダを生成することを以下の手順により行う、
    複数のユーザから２人のユーザを無作為に選択し、
    重み付き総和レートを決定するための目的関数を最大化する二分探索を用いて前記選択された二人のユーザの電力を最適化し、前記複数のユーザのうち、選択されなかった残りのユーザの電力を変更せず、前記複数のユーザから選択された２人のユーザの合計値を変更しない、コンピュータ可読記憶媒体。
    
14. 前記手順が複数の反復の各々について行われる、請求項１３に記載のコンピュータ可読記憶媒体。
15. 前記目的関数が信号対雑音比に応じて決定される、請求項１４に記載のコンピュータ可読記憶媒体。
16. 前記目的関数が信号対干渉雑音比に応じて決定される、請求項１４に記載のコンピュータ可読記憶媒体。
17. 対応する重み付きプリコーダが、注水定理技法に応じて生成された注水定理プリコーダである、請求項１３に記載のコンピュータ可読記憶媒体。
18. 前記重み付き総和レートを計算するのに使用される重みが、前記複数のユーザのうちの相異なるユーザについて異なる、請求項１３に記載のコンピュータ可読記憶媒体。

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