JP7748675B2 - Base station device, weight generation method, and wireless communication system - Google Patents
Base station device, weight generation method, and wireless communication systemInfo
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Description
本発明は、基地局装置、ウエイト生成方法、及び無線通信システムに関する。 The present invention relates to a base station device, a weight generation method, and a wireless communication system.
増え続ける無線通信の需要に対応するため、同一空間・同一時間・同一周波数上に複数の端末向けの信号を多重して伝送するマルチユーザMIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技術の実装が進められている(例えば非特許文献1参照)。マルチユーザMIMOでは、基地局のアンテナ素子数と比べて端末のアンテナ素子数が少ないことが想定される。このとき、端末側では複数の端末向けの信号を分離することが困難であるため、複数の端末間で干渉が発生しないよう基地局側で干渉抑圧の処理(以下、「ヌル形成」という。)を行って信号を送信することが一般的である。 To meet the ever-increasing demand for wireless communications, progress is being made in implementing multi-user MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) technology, which multiplexes and transmits signals for multiple terminals over the same space, time, and frequency (see, for example, Non-Patent Document 1). With multi-user MIMO, it is assumed that the number of antenna elements at a terminal is smaller than the number of antenna elements at a base station. In this case, it is difficult for the terminal to separate signals for multiple terminals, so it is common for the base station to perform interference suppression processing (hereinafter referred to as "null formation") to prevent interference between multiple terminals before transmitting the signals.
このヌル形成を行うためには、信号を送信する基地局のアンテナ素子と、信号を受信する端末のアンテナ素子の間の伝搬路の状態を正確に把握することが必要である。そのため、予め送受信間で既知の信号を送信して、その信号がどれだけ変化したかという情報に基づいて伝搬路の状態を推定する伝搬路推定(以下、「チャネル推定」ともいう。)が必要となる。この伝搬路推定は、既知信号を送信する必要があることから、通信のオーバヘッドとなるため、通信の必要が発生した際や、通信規格で定められた一定周期等で、離散的に行うことが一般的である。 To achieve this null formation, it is necessary to accurately grasp the state of the propagation path between the antenna element of the base station that transmits the signal and the antenna element of the terminal that receives the signal. This requires propagation path estimation (hereinafter also referred to as "channel estimation"), which involves transmitting a known signal between the transmitter and receiver in advance and estimating the state of the propagation path based on information about how much that signal has changed. This propagation path estimation requires transmitting a known signal, which results in communication overhead, so it is generally performed discretely when communication is needed or at regular intervals specified by communication standards.
無線通信において利用する周波数帯の拡張に伴い、増大する距離減衰や広帯域伝送に伴う雑音電力の増加を補償するため、送受信アンテナに多数のアンテナ素子を用いるMassive MIMO技術の検討も進められている(例えば非特許文献2参照)。Massive MIMOでは、アンテナ素子を多数具備することから従来よりも柔軟な信号制御が可能となる、高いアンテナ自由度を具備している。 As the frequency bands used in wireless communications expand, research is also underway into Massive MIMO technology, which uses multiple antenna elements for transmitting and receiving antennas, in order to compensate for the increased distance attenuation and increased noise power that accompanies wideband transmission (see, for example, Non-Patent Document 2). Massive MIMO employs multiple antenna elements, enabling more flexible signal control than ever before, and offering a high degree of antenna freedom.
一方、無線通信の伝搬路は、端末の移動や周囲の環境変化に伴い時々刻々と変化する。よって、伝搬路推定を行って取得した伝搬路と、実際に通信を行う伝搬路が変化してしまうと、ヌル形成の効果が薄れユーザ間干渉となって伝送特性を劣化させる。そのため、Massive MIMOの高いアンテナ自由度に着目し、一つの端末アンテナに対して一つのヌル形成であった従来の空間多重伝送から、一つの端末アンテナに多数のヌルを形成することでユーザ間干渉を抑圧するヌル空間拡張技術が検討されている(例えば非特許文献3、4、及び特許文献1参照)。ヌル空間拡張技術では、従来、必要最低限のヌル形成が行われた後に余ったアンテナ自由度を所望信号の利得獲得に使用していたところ追加のヌル形成を行うことによって、伝搬路の変化にロバストなマルチユーザMIMO伝送を実現することができる。 However, wireless communication propagation paths change constantly as terminals move and the surrounding environment changes. Therefore, if the propagation path obtained by propagation path estimation changes from the propagation path actually used for communication, the effectiveness of null formation is weakened, resulting in inter-user interference and degrading transmission characteristics. Therefore, focusing on the high antenna flexibility of Massive MIMO, null space expansion technology is being studied, which suppresses inter-user interference by forming multiple nulls per terminal antenna, rather than the conventional spatial multiplexing transmission in which one null is formed per terminal antenna (see, for example, Non-Patent Documents 3 and 4, and Patent Document 1). While conventionally, after the minimum necessary null formation is performed, the remaining antenna freedom is used to obtain gain for the desired signal, null space expansion technology performs additional null formation, thereby enabling multi-user MIMO transmission that is robust to changes in the propagation path.
[マルチユーザMIMO技術について]
(マルチユーザMIMOの概要)
コヒーレント伝送や、フェーズドアレーアンテナ技術は、基本的に回線利得を改善する技術であり、広域のサービスエリアを一つの基地局装置でカバーする際の回線容量を増大させるためには、別の無線通信技術が必要となる。一方で周波数資源は限りがあるために、ここでは限られた資源を高い周波数利用効率で利用するための技術として、例えば非特許文献1にて検討されているマルチユーザMIMO技術について説明をする。
[About multi-user MIMO technology]
(Overview of Multi-User MIMO)
Coherent transmission and phased array antenna technology are basically technologies for improving line gain, and in order to increase the line capacity when a wide service area is covered by a single base station device, another wireless communication technology is required. On the other hand, since frequency resources are limited, here we will explain, for example, the multi-user MIMO technology discussed in Non-Patent Document 1 as a technology for utilizing limited resources with high frequency utilization efficiency.
図2は、マルチユーザMIMOシステムの構成例を示す概略図である。同図に示すように、マルチユーザMIMOシステムは、基地局装置801と、端末装置802-1、802-2、802-3(端末装置#1~#3)とを具備している。実際に一つの基地局装置801が収容する端末装置802の数は多数であるが、そのうちの数局を選び出し(同図では端末装置802-1~802-3)、通信を行う。各端末装置802は、基地局装置801と比較して送受信アンテナ数が一般に少ない。以下では、基地局装置801から端末装置802への通信(ダウンリンク)を行う場合について説明する。 Figure 2 is a schematic diagram showing an example configuration of a multi-user MIMO system. As shown in the figure, the multi-user MIMO system comprises a base station device 801 and terminal devices 802-1, 802-2, and 802-3 (terminal devices #1 to #3). In reality, a single base station device 801 accommodates a large number of terminal devices 802, but only a few of these (terminal devices 802-1 to 802-3 in the figure) are selected for communication. Each terminal device 802 generally has fewer transmit and receive antennas than the base station device 801. The following describes communication (downlink) from base station device 801 to terminal device 802.
基地局装置801は、多数のアンテナ素子を用いて複数の指向性ビームを形成する。例えば、各端末装置802-1~802-3に対してそれぞれ3つのMIMOチャネルを割り当て、全体として9系統の信号系列を送信する場合を考える。その際、端末装置802-1に対して送信する信号は、端末装置802-2及び端末装置802-3方向には指向性利得が極端に低くなるように(ヌルが形成されるように)調整し、この結果として端末装置802-2及び端末装置802-3への干渉を抑制する。同様に、端末装置802-2に対して送信する信号は、端末装置802-1及び端末装置802-3方向には指向性利得が極端に低くなるように調整する。同様の処理を端末装置802-3にも施す。このように指向性制御を行う理由は、例えば端末装置802-1においては、端末装置802-2及び端末装置802-3で受信した信号の情報を知る術がないため、端末装置802間での協調的な受信処理ができない、つまり、3本のアンテナしかない端末装置802-1のみの受信処理において、9系統の全ての信号系列を信号分離することは非常に厳しいためである。そこで、各端末装置802-1~802-3には他の端末装置802の信号が受信されないように、送信側で干渉分離を事前に行う。以上が既存のマルチユーザMIMOシステムの概要である。 Base station device 801 forms multiple directional beams using a large number of antenna elements. For example, consider the case where three MIMO channels are assigned to each of terminal devices 802-1 to 802-3, and a total of nine signal sequences are transmitted. In this case, the signal transmitted to terminal device 802-1 is adjusted so that the directional gain is extremely low (so that nulls are formed) in the directions of terminal devices 802-2 and 802-3, thereby suppressing interference with terminal devices 802-2 and 802-3. Similarly, the signal transmitted to terminal device 802-2 is adjusted so that the directional gain is extremely low in the directions of terminal devices 802-1 and 802-3. Similar processing is performed on terminal device 802-3. The reason for performing directivity control in this manner is that, for example, terminal device 802-1 has no way of knowing the information about the signals received by terminal devices 802-2 and 802-3, and therefore cooperative reception processing between the terminal devices 802 is not possible. In other words, it is extremely difficult to separate all nine signal sequences in the reception processing of terminal device 802-1, which has only three antennas. Therefore, interference separation is performed in advance on the transmitting side to prevent each of terminal devices 802-1 to 802-3 from receiving signals from other terminal devices 802. This concludes the overview of existing multi-user MIMO systems.
次に、指向性ビームの形成方法について、以下に説明を加える。ここでは、基地局装置801が9つのアンテナ素子を備え、各端末装置802-1~802-3が3つのアンテナ素子を備える場合について説明する。例えば、図2において、基地局装置801の第j(j=1,…,9)のアンテナ素子と、端末装置802-1の第1のアンテナ素子との間のチャネル情報をh1jと表記する。基地局装置801の各アンテナ素子(j=1,…,9)と、端末装置802-1の第1のアンテナ素子とのチャネル情報を用いて行ベクトルh1を(h11,h12,h13,…,h18,h19)と表記する。同様に、基地局装置801の第jのアンテナ素子と、端末装置802-1の第2のアンテナ素子及び第3のアンテナ素子との間のチャネル情報をh2j及びh3jと表記し、対応する行ベクトルh2及びh3を(h21,h22,h23,…,h28,h29)及び(h31,h32,h33,…,h38,h39)と表記する。端末装置802-2及び端末装置802-3のアンテナ素子に対して同様の連番をふり、行ベクトルh4~h9を(h41,h42,h43,…,h48,h49)~(h91,h92,h93,…,h98,h99)と表記する。 Next, a method for forming a directional beam will be described below. Here, a case will be described in which base station device 801 has nine antenna elements and each of terminal devices 802-1 to 802-3 has three antenna elements. For example, in FIG. 2, channel information between the jth (j = 1, ..., 9) antenna element of base station device 801 and the first antenna element of terminal device 802-1 is denoted as h 1j . Using channel information between each antenna element (j = 1, ..., 9) of base station device 801 and the first antenna element of terminal device 802-1, row vector h 1 is denoted as (h 11 , h 12 , h 13 , ..., h 18 , h 19 ). Similarly, the channel information between the j-th antenna element of the base station device 801 and the second and third antenna elements of the terminal device 802-1 is expressed as h2j and h3j , and the corresponding row vectors h2 and h3 are expressed as ( h21 , h22 , h23 , ..., h28 , h29 ) and ( h31 , h32 , h33 , ..., h38 , h39 ). The antenna elements of the terminal device 802-2 and the terminal device 802-3 are assigned similar consecutive numbers, and the row vectors h4 to h9 are expressed as ( h41 , h42 , h43 , ..., h48 , h49 ) to ( h91 , h92 , h93 , ..., h98 , h99 ).
なお、チャネル情報とは、無線通信の伝搬路の状態を表す値、すなわち、送信アンテナと受信アンテナの間の実際の伝搬係数であるチャネルを、送信機または受信機で推定・取得した値(厳密には送受信機内のアンプやフィルタの影響を含む)である。 Channel information refers to values that represent the state of the wireless communication propagation path, i.e., the channel, which is the actual propagation coefficient between the transmitting antenna and the receiving antenna, estimated or obtained by the transmitter or receiver (strictly speaking, this includes the effects of amplifiers and filters within the transmitter and receiver).
加えて、基地局装置801が送信する9系統の信号をt1~t9と表記し、これを成分とする列ベクトルをTx[all]=(t1,t2,t3,…,t8,t9)Tと表記する。ここで、右肩のTの文字はベクトル、行列の転置を表す。また同様に、端末装置802-1~802-3の9本のアンテナ素子での受信信号をr1~r9と表記し、これを成分とする列ベクトルをRx[all]=(r1,r2,r3,…,r8,r9)Tと表記する。最後に、行ベクトルh1~h9を第1から第9行成分とする行列を、全体チャネル行列H[all]と表記する。また、ノイズをnと表記する。 In addition, the nine systems of signals transmitted by base station device 801 are denoted as t1 to t9 , and the column vector having these as components is denoted as Tx [all] = ( t1 , t2 , t3 , ..., t8 , t9 ) T . Here, the letter T on the right superscript represents the transpose of a vector or matrix. Similarly, the received signals at the nine antenna elements of terminal devices 802-1 to 802-3 are denoted as r1 to r9 , and the column vector having these as components is denoted as Rx [all] = ( r1 , r2 , r3 , ..., r8 , r9 ) T . Finally, the matrix having row vectors h1 to h9 as the first to ninth row components is denoted as the overall channel matrix H [all] . Additionally, noise is denoted as n.
この場合、マルチユーザMIMOシステム全体として、次式(1)の関係が成り立つ。 In this case, the following relationship (1) holds for the entire multi-user MIMO system.
これに対し送信指向性制御を行うため、9行9列の送信ウエイト行列Wを導入し、式(1)を次式(2)のように書き換える。 In order to control the transmission directivity, a 9-row, 9-column transmission weight matrix W is introduced, and equation (1) is rewritten as equation (2) below.
更に、送信ウエイト行列Wを列ベクトルw1~w9に分解し、W=(w1,w2,w3,…,w8,w9)と表記すると、式(2)における「H[all]・W」を次式(3)のように表せる。 Furthermore, if the transmission weight matrix W is decomposed into column vectors w 1 to w 9 and written as W = (w 1 , w 2 , w 3 , ..., w 8 , w 9 ), then "H [all] ·W" in equation (2) can be expressed as the following equation (3).
ここで、例えば6つの行ベクトルh4~h9と、3つの列ベクトルw1~w3との乗算(各成分の乗算したものの総和、複素ベクトルの場合は内積とは異なる)が全てゼロになるように、w1~w3の値を選ぶことを考える。同時に、行ベクトルh1~h3及びh7~h9と列ベクトルw4~w6との乗算、行ベクトルh1~h6と列ベクトルw7~w9との乗算が全てゼロになるように、w4~w9の値を選ぶことにする。 Here, for example, consider selecting values of w1 to w3 so that the multiplication of six row vectors h4 to h9 by three column vectors w1 to w3 (the sum of the products of each component; in the case of complex vectors, this is different from the inner product) is all zero. At the same time, select values of w4 to w9 so that the multiplication of row vectors h1 to h3 and h7 to h9 by column vectors w4 to w6 , and the multiplication of row vectors h1 to h6 by column vectors w7 to w9 are all zero.
すると、式(3)に示す9行9列の行列H[all]・Wは、3行3列の部分行列を用いて、次式(4)のように表すことができる。 Then, the 9-row, 9-column matrix H [all] ·W shown in equation (3) can be expressed as the following equation (4) using a 3-row, 3-column submatrix.
式(4)において、H[1]、H[2]、及びH[3]は3行3列の行列であり、「0」は成分が全てゼロの3行3列の行列である。このような条件を満たす変換行列を送信ウエイト行列Wに選択することで、式(4)は次式(5-1)~式(5-3)で表される3つの関係式に分解できる。 In equation (4), H [1] , H [2] , and H [3] are 3-row, 3-column matrices, and "0" is a 3-row, 3-column matrix whose components are all zero. By selecting a transformation matrix that satisfies these conditions as the transmission weight matrix W, equation (4) can be decomposed into three relational equations expressed by the following equations (5-1) to (5-3).
ここで、Tx[1]=(t1,t2,t3)T、Tx[2]=(t4,t5,t6)T、Tx[3]=(t7,t8,t9)T、Rx[1]=(r1,r2,r3)T、Rx[2]=(r4,r5,r6)T、Rx[3]=(r7,r8,r9)Tとした。このようにして、一つの基地局装置が1対1でMIMO通信を行う、いわゆるシングルユーザMIMO通信が3系統、同時並行的に通信を行っている状態とみなすことができるようになる。 Here, Tx [1] = ( t1 , t2 , t3 ) T , Tx [2] = ( t4 , t5 , t6 ) T , Tx [3] = ( t7 , t8 , t9 ) T , Rx [1] = ( r1 , r2 , r3 ) T , Rx [2] = ( r4 , r5 , r6 ) T , Rx [3] = ( r7 , r8 , r9 ) T . In this way, it can be considered that one base station device performs one-to-one MIMO communication, that is, three systems of single-user MIMO communication are performing communication simultaneously in parallel.
次に、送信ウエイトベクトルw1~w9の決定方法の例を以下に説明する。手順としては、端末装置802-1に対する送信ウエイトベクトルw1~w3を決定し、順次、端末装置802-2に対する送信ウエイトベクトルw4~w6、端末装置802-3に対する送信ウエイトベクトルw7~w9を決定する。 Next, an example of a method for determining transmission weight vectors w 1 to w 9 will be described below. The procedure is to determine transmission weight vectors w 1 to w 3 for terminal device 802-1, then determine transmission weight vectors w 4 to w 6 for terminal device 802-2, and transmission weight vectors w 7 to w 9 for terminal device 802-3.
まず、第1ステップとして、端末装置802-2、802-3に対する6つの行ベクトルh4~h9が張る6次元部分空間における6つの基底ベクトルe4~e9を求める。求める方法は、グラムシュミットの直交化法の他、様々な方法があるが、ここでは例としてグラムシュミットの直交化法を例に説明する。
まず、一つの行ベクトルh4に着目し、この方向で絶対値が1のベクトルを基底ベクトルe4とする。基底ベクトルe4は次式(6)として表される。
First, as a first step, six basis vectors e4 to e9 are obtained in a six-dimensional subspace spanned by six row vectors h4 to h9 for terminal devices 802-2 and 802-3. There are various methods for obtaining these vectors, including the Gram-Schmidt orthogonalization method, but the Gram-Schmidt orthogonalization method will be used as an example here.
First, one row vector h4 is focused on, and a vector in this direction with an absolute value of 1 is defined as a basis vector e4 . The basis vector e4 is expressed by the following equation (6).
式(6)における(h4h4 H)は同一ベクトルの絶対値の2乗を意味するスカラー量であり、この値の平方根での除算は行ベクトルh4を規格化することを意味する。また、「h4 H」は、行ベクトルh4に対するエルミート共役ベクトルであり、行と列を転置し且つ各成分の複素共役をとることで得られるベクトルである。 In equation (6), (h 4 h 4 H ) is a scalar quantity that means the square of the absolute value of the same vector, and division by the square root of this value means normalizing the row vector h 4. Also, "h 4 H " is the Hermitian conjugate vector of the row vector h 4 , and is a vector obtained by transposing the rows and columns and taking the complex conjugate of each component.
次に、行ベクトルh5に着目し、この行ベクトルの中から基底ベクトルe4方向の成分をキャンセルした行ベクトルh5’を求めた後、更に規格化する。行ベクトルh5’と基底ベクトルe5とは、次式(7-1)及び式(7-2)で表される。 Next, we focus on row vector h5 , and calculate row vector h5 ' by canceling the component in the direction of basis vector e4 from this row vector, and then normalize it. Row vector h5 ' and basis vector e5 are expressed by the following equations (7-1) and (7-2).
式(7-1)における(h5e4 H)は、行ベクトルh5の基底ベクトルe4方向への射影を意味する。同様の処理を次式(8-1)及び次式(8-2)のように行う。 (h 5 e 4 H ) in equation (7-1) means the projection of row vector h 5 in the direction of basis vector e 4. Similar processing is performed as in the following equations (8-1) and (8-2).
ここで、式(8-1)におけるΣの総和の範囲は、4≦i≦(j-1)(jは5~9の整数)の整数iに対する総和となっている。つまり、既に確定した規定ベクトル方向の成分をキャンセルすることを意味する。このようにして、6つの基底ベクトルe4~e9を求めることができる。 Here, the range of the sum of Σ in equation (8-1) is the sum for integer i in the range 4≦i≦(j-1) (j is an integer between 5 and 9). In other words, this means canceling out the component in the direction of the already determined specified vector. In this way, six basis vectors e4 to e9 can be determined.
次に、第2ステップとして、端末装置802-1に対する送信ウエイトベクトルw1~w3を求める。まず、行ベクトルh1~h3から、基底ベクトルe4~e9が張る6次元部分空間の成分をキャンセルする。具体的には、次式(9)で表される。 Next, in the second step, transmission weight vectors w1 to w3 for terminal device 802-1 are obtained. First, the components of the six-dimensional subspace spanned by basis vectors e4 to e9 are cancelled from row vectors h1 to h3 . Specifically, this is expressed by the following equation (9).
ここで、式(9)におけるjは1~3の整数であり、Σの総和の範囲は4≦i≦9の整数iに対する総和となっている。このようにして求めた行ベクトルh1’~h3’の3つのベクトルが張る3次元空間は上述の行ベクトルh4~h9のいずれとも直交している。この3次元空間内の3つのベクトル(必ずしも直交ベクトルである必然性はない)を選び、そのベクトルの複素共役ベクトルを送信ウエイトベクトルw1~w3として設定すれば、他の端末装置802-2、802-3への干渉を抑圧することができる。 Here, j in equation (9) is an integer from 1 to 3, and the range of the sum of Σ is the sum for integers i in the range of 4≦i≦9. The three-dimensional space spanned by the three row vectors h 1 ' to h 3 ' thus obtained is orthogonal to all of the row vectors h 4 to h 9 described above. By selecting three vectors (which do not necessarily have to be orthogonal vectors) within this three-dimensional space and setting the complex conjugate vectors of these vectors as transmission weight vectors w 1 to w 3 , it is possible to suppress interference with other terminal devices 802-2 and 802-3.
なお、3つのベクトルの選び方は如何なる方法でも構わないが、例えば特異値分解を行って得られるユニタリー行列を構成する3つの直交ベクトルを用いれば、他の端末装置802に干渉を与えない部分空間内に限定された固有モード伝送が可能になり、効率的な伝送が可能になる。 The three vectors can be selected in any manner, but for example, if three orthogonal vectors that form a unitary matrix obtained by performing singular value decomposition are used, eigenmode transmission can be limited to a subspace that does not cause interference to other terminal devices 802, enabling efficient transmission.
最後に、第3ステップとして、これと同様の処理を端末装置802-2、端末装置802-3に対しても行えば、最終的に全体の送信ウエイトベクトルw1~w9を求めることができる。 Finally, in the third step, if the same processing is performed for the terminal device 802-2 and the terminal device 802-3, the overall transmission weight vectors w 1 to w 9 can be finally determined.
以上が送信ウエイト行列Wの求め方の例である。 The above is an example of how to calculate the transmission weight matrix W.
図3は、マルチユーザMIMOシステムにおける送信ウエイト行列Wを算出する手順の例を示すフローチャートである。まず、送信ウエイト行列Wの算出にあたり、多重する全ての端末装置802へのチャネル行列Hを取得する(ステップS801)。宛先とする端末装置802に対して通し番号を付与し、その通し番号を示す変数をkとした場合、まずkを初期化する(ステップS802)。更に、kをカウントアップし(ステップS803)、現在のkが示す値に対応する端末装置802(#k)に対する部分チャネル行列(ここでは便宜上、Hmainと表記する。)を抽出し(ステップS804)、それ以外の宛先の端末装置802に対する部分チャネル行列(ここでは便宜上、Hsubと表記する。)を抽出する(ステップS805)。 3 is a flowchart showing an example of a procedure for calculating a transmission weight matrix W in a multi-user MIMO system. First, in calculating the transmission weight matrix W, channel matrices H for all terminal devices 802 to be multiplexed are obtained (step S801). A serial number is assigned to each destination terminal device 802, and k is a variable indicating the serial number. First, k is initialized (step S802). Next, k is counted up (step S803), and a partial channel matrix (referred to as H main here for convenience) for the terminal device 802 (#k) corresponding to the current value of k is extracted (step S804), and partial channel matrices (referred to as H sub here for convenience) for the other destination terminal devices 802 are extracted (step S805).
更に、部分チャネル行列Hsubの各行ベクトルが張る部分空間の直交基底ベクトルを算出し、これを基底ベクトル{ej}と置く(ステップS806)。次に、式(9)に相当する処理として、着目している端末装置802(#k)に対する部分チャネル行列HmainからステップS806において求めた基底ベクトル{ej}に関する成分をキャンセルし、これを行列~Hmainとする(ステップS807)。ここで、ステップS807において、「~(チルダ)」が上に付されたHを「~H」と表記する。以下、数式等においても同様に、「^(ハット)」などの記号が文字の上に付されている文字を表記する場合、当該記号を文字の前に表記する。 Furthermore, the orthogonal basis vectors of the subspace spanned by each row vector of the partial channel matrix H sub are calculated, and these are designated as basis vectors {e j } (step S806). Next, as a process equivalent to equation (9), the components relating to the basis vector {e j } calculated in step S806 are cancelled from the partial channel matrix H main for the terminal device 802 (#k) of interest, and this is designated as the matrix ∼H main (step S807). Here, in step S807, H with a tilde (~) above it is written as ∼H. Similarly, in the following mathematical expressions, when a character with a symbol such as a hat (^) above it is written, the symbol is written before the character.
更に、行列~Hmainの行ベクトルが張る部分空間の任意の直交基底ベクトルを算出し、これを基底ベクトル{ek}とする(ステップS808)。ここで、任意の基底ベクトルとは、例えば行列~Hmainを特異値分解した際の右特異行列を構成するベクトルなどを選んでもよい。その後、基底ベクトル{ek}の各ベクトルのエルミート共役ベクトル(複素共役ベクトルを転置した列ベクトル)として、端末装置802(#k)の信号に関する送信ウエイトベクトル{wk}を決定する(ステップS809)。 Furthermore, any orthogonal basis vector of the subspace spanned by the row vectors of the matrices ~ Hmain is calculated and set as the basis vector {e k } (step S808). Here, the any basis vector may be, for example, a vector that constitutes a right singular matrix when the matrices ~ Hmain are subjected to singular value decomposition. After that, a transmission weight vector {w k } for the signal of the terminal device 802(#k) is determined as the Hermitian conjugate vector (column vector obtained by transposing the complex conjugate vector) of each vector of the basis vector {e k } (step S809).
ここで、全ての宛先の端末装置802の送信ウエイトベクトルが決定済みか否かを判定し(ステップS810)、残りの端末装置802があれば、ステップS803からステップS809までの処理を繰り返す。全ての端末装置802の送信ウエイトベクトルを決定済みであれば、送信ウエイトベクトル{wk}を各列ベクトルとする行列として送信ウエイト行列Wを決定し(ステップS811)、処理を終了する。 Here, it is determined whether the transmission weight vectors for all destination terminal devices 802 have been determined (step S810), and if there are any remaining terminal devices 802, the processes from step S803 to step S809 are repeated. If the transmission weight vectors for all terminal devices 802 have been determined, a transmission weight matrix W is determined as a matrix with the transmission weight vectors {w k } as column vectors (step S811), and the process ends.
なお、チャネル情報は一般的には周波数成分ごとに異なるため、広帯域の信号、例えばOFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)変調方式を用いた信号であれば、周波数成分ごと、すなわちサブキャリアごとに同様の送信ウエイトを算出することになる。またここでは、端末装置802-1~802-3がそれぞれアンテナを3素子ずつ備えている場合について説明したため、ステップS808にて行列~Hmainの各行ベクトルが張る部分空間の直交基底ベクトルを算出する処理を含んでいたが、端末装置が1本のアンテナのみを備える場合には、ステップS808は単に行列~Hmainに相当する行ベクトルを規格化することに対応する。 In addition, since channel information generally differs for each frequency component, for example, for a wideband signal, such as a signal using the OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) modulation method, a similar transmission weight is calculated for each frequency component, i.e., for each subcarrier. Also, since the case where each of the terminal devices 802-1 to 802-3 has three antenna elements has been described here, step S808 includes the process of calculating the orthogonal basis vectors of the subspace spanned by each row vector of the matrix ~H main . However, if the terminal device has only one antenna, step S808 simply corresponds to normalizing the row vector corresponding to the matrix ~H main .
以上は一般的なマルチユーザMIMOの送受信ウエイトの算出方法であり、端末装置側に複数のアンテナが備えられていることを想定し、全体のチャネル行列を式(4)に示したようにブロック対角化する方法である。しかし、同様の送受信ウエイトの算出法としては、その他にも幾つかのバリエーションがある。これらのバリエーションは必ずしも端末装置のアンテナが1本である必要はないが、以下の説明では簡単のために1本アンテナの端末装置がN台同時に空間多重する場合を想定した説明を行う。以下にその他の送受信ウエイトを算出する方法の説明を行う。 The above is a general method for calculating transmit and receive weights for multi-user MIMO, which assumes that the terminal device is equipped with multiple antennas and block diagonalizes the entire channel matrix as shown in equation (4). However, there are several other variations of the same method for calculating transmit and receive weights. These variations do not necessarily require the terminal device to have a single antenna, but for simplicity, the following explanation will assume that N terminal devices with a single antenna are spatially multiplexed simultaneously. Other methods for calculating transmit and receive weights are explained below.
まず、基地局装置801の送受信ウエイトに関しては、式(1)等に示した全体チャネル行列H[all]に対し、次式(10-1)及び(10-2)で表されるZF(Zero Forcing)型の擬似逆行列を算出し、これを送信ウエイト及び受信ウエイトとして用いるようにしてもよい。 First, with regard to the transmitting and receiving weights of the base station device 801, a ZF (Zero Forcing) pseudo-inverse matrix expressed by the following equations (10-1) and (10-2) may be calculated for the entire channel matrix H [all] shown in equation (1) etc., and used as the transmitting weight and the receiving weight.
ここで、空間多重する端末装置数をN台、基地局装置801のアンテナ素子の数をK本(N<K)とすると、例えばダウンリンクを例にとれば全体チャネル行列H[all]のサイズはN×K(N行K列)である。H[all]のランクがNであれば、行列H[all]・H[all]HのサイズはN×Nで逆行列が存在し、式(10-1)を用いて擬似逆行列を得ることができる。一般に、Nに対してKの値が十分冗長であれば、このN×Nの行列のランクは安定的にNとなり、逆行列が安定的に存在する。同様に、基地局装置801の受信に相当するアップリンクの受信ウエイトに関しては、全体チャネル行列H[all]のサイズはK×N(K行N列)であり、行列H[all]H・H[all]のサイズもN×Nとなり、一般には逆行列が存在し、次式(10-2)で表されるZF型の擬似逆行列を算出し、これを受信ウエイトとして用いるようにしてもよい。 Here, assuming that the number of terminal devices to be spatially multiplexed is N and the number of antenna elements of the base station device 801 is K (N<K), taking the downlink as an example, the size of the overall channel matrix H [all] is N×K (N rows and K columns). If the rank of H[all ] is N, the size of the matrix H [all] ·H [all]H is N×N, and an inverse matrix exists, and a pseudo-inverse matrix can be obtained using equation (10-1). Generally, if the value of K is sufficiently redundant with respect to N, the rank of this N×N matrix will stably be N, and an inverse matrix will stably exist. Similarly, with regard to the uplink receiving weights corresponding to reception by the base station device 801, the size of the overall channel matrix H [all] is K×N (K rows and N columns), and the size of the matrix H [all]H ·H [all] is also N×N. Generally, an inverse matrix exists, and a ZF-type pseudo-inverse matrix expressed by the following equation (10-2) may be calculated and used as the receiving weight.
なお、同様の送受信ウエイトとして知られているMMSE(Minimum Mean Square Error)ウエイトでは、雑音電力をσ2とすれば、次式(11-1)及び次式(11-2)を式(10-1)及び式(10-2)の代わりに用いてもよい。なお、式(11-1)及び式(11-2)における「I」はN×N(N行N列)の単位行列である。 In addition, in the case of MMSE (Minimum Mean Square Error) weights, which are known as similar transmitting and receiving weights, if the noise power is σ 2 , the following equations (11-1) and (11-2) may be used instead of equations (10-1) and (10-2). Note that "I" in equations (11-1) and (11-2) is an N×N (N rows and N columns) unit matrix.
(マルチユーザMIMOの装置構成例)
図4は、マルチユーザMIMOシステムにおける基地局装置80の構成の一例を示す概略ブロック図である。同図に示すように、基地局装置80は、送信部81、受信部85、インタフェース回路87、MAC(Medium Access Control)層処理回路88、及び通信制御回路820を備えている。MAC層処理回路88はスケジューリング処理回路881を有している。
(Example of Multi-User MIMO Device Configuration)
4 is a schematic block diagram showing an example of the configuration of a base station device 80 in a multi-user MIMO system. As shown in the figure, the base station device 80 includes a transmitter 81, a receiver 85, an interface circuit 87, a MAC (Medium Access Control) layer processing circuit 88, and a communication control circuit 820. The MAC layer processing circuit 88 includes a scheduling processing circuit 881.
基地局装置80は、インタフェース回路87を介して、外部機器ないしはネットワークとのデータの入出力を行う。インタフェース回路87は、入力されるデータのうち、無線回線上で転送すべきデータを検出し、検出したデータをMAC層処理回路88に出力する。MAC層処理回路88は、基地局装置80全体の動作の管理制御を行う通信制御回路820の指示に従い、MAC層に関する処理を行う。ここで、MAC層に関する処理には、インタフェース回路87で入出力されるデータと、無線回線上で送受信されるデータの変換、MAC層のヘッダ情報の付与などが含まれる。この処理の中で、スケジューリング処理回路881は、マルチユーザMIMO伝送において同時に空間多重を行う端末装置の組み合わせを含む各種スケジューリング処理を行う。スケジューリング処理回路881は、スケジューリング結果を通信制御回路820に出力する。マルチユーザMIMOでは、複数の端末装置宛に一度に信号を送信するため、複数系統の信号系列がMAC層処理回路88から送信部81に出力される。 The base station device 80 inputs and outputs data to and from external devices or networks via the interface circuit 87. The interface circuit 87 detects, from the input data, data to be transferred over the wireless line and outputs the detected data to the MAC layer processing circuit 88. The MAC layer processing circuit 88 performs MAC layer processing in accordance with instructions from the communication control circuit 820, which manages and controls the operation of the entire base station device 80. Here, MAC layer processing includes converting data input and output by the interface circuit 87 and data transmitted and received over the wireless line, and adding MAC layer header information. During this processing, the scheduling processing circuit 881 performs various scheduling processes, including combining terminal devices that simultaneously perform spatial multiplexing in multi-user MIMO transmission. The scheduling processing circuit 881 outputs the scheduling results to the communication control circuit 820. In multi-user MIMO, signals are transmitted to multiple terminal devices at once, so multiple signal sequences are output from the MAC layer processing circuit 88 to the transmitter 81.
図5は、マルチユーザMIMOシステムにおける基地局装置80における送信部81の構成の一例を示す概略ブロック図である。同図に示すように、送信部81は、送信信号処理回路811-1~811-L(Lは2以上の整数)と、加算合成回路812-1~812-K(Kは2以上の整数)と、IFFT(Inverse Fast Fourier Transform:逆高速フーリエ変換)&GI(Guard Interval:ガードインターバル)付与回路813-1~813-Kと、D/A(デジタル/アナログ)変換器814-1~814-Kと、ローカル発振器815と、ミキサ816-1~816-Kと、フィルタ817-1~817-Kと、ハイパワーアンプ(HPA)818-1~818-Kと、アンテナ素子819-1~819-Kと、送信ウエイト処理部830とを備えている。送信信号処理回路811-1~811-Lと、送信ウエイト処理部830とは、図4において示した通信制御回路820に接続されている。 Figure 5 is a schematic block diagram showing an example of the configuration of a transmitter 81 in a base station device 80 in a multi-user MIMO system. As shown in the figure, the transmitter 81 includes transmission signal processing circuits 811-1 to 811-L (L is an integer equal to or greater than 2), addition and synthesis circuits 812-1 to 812-K (K is an integer equal to or greater than 2), IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) & GI (Guard Interval) adding circuits 813-1 to 813-K, D/A (Digital-to-Analog) converters 814-1 to 814-K, a local oscillator 815, mixers 816-1 to 816-K, filters 817-1 to 817-K, high-power amplifiers (HPAs) 818-1 to 818-K, antenna elements 819-1 to 819-K, and a transmission weight processing unit 830. The transmission signal processing circuits 811-1 to 811-L and the transmission weight processing unit 830 are connected to the communication control circuit 820 shown in Figure 4.
送信ウエイト処理部830は、チャネル情報取得回路831と、チャネル情報記憶回路832と、マルチユーザMIMO(MU-MIMO)送信ウエイト算出回路833とを備えている。ここで、同図における送信信号処理回路811-1~811-Lの添え字のLは、同時に空間多重を行う多重数を表す。また、加算合成回路812-1~812-Kからアンテナ素子819-1~819-Kまでの回路の添え字のKは、基地局装置80が備えるアンテナ素子数を表す。 The transmission weight processing unit 830 includes a channel information acquisition circuit 831, a channel information storage circuit 832, and a multi-user MIMO (MU-MIMO) transmission weight calculation circuit 833. Here, the subscript L in the names of the transmission signal processing circuits 811-1 to 811-L in the figure indicates the number of simultaneous spatial multiplexing operations. Furthermore, the subscript K in the names of the summing circuits 812-1 to 812-K and the antenna elements 819-1 to 819-K indicates the number of antenna elements included in the base station device 80.
マルチユーザMIMOでは、複数の端末装置宛に一度に信号を送信するため、複数系統の信号系列がMAC層処理回路88から送信部81に入力され、入力された複数系統の信号系列が送信信号処理回路811-1~811-Lに入力される。送信信号処理回路811-1~811-Lは、宛先の端末装置それぞれに送信すべきデータ(データ入力#1~#L)がMAC層処理回路88から入力されると、無線回線で送信する無線パケットを生成して変調処理を行う。ここで、例えばOFDM変調方式を用いるのであれば、各信号系列の信号は周波数成分ごとに変調処理が行われる。更に、変調処理がなされたベースバンド信号に周波数成分ごとに送信ウエイトを乗算する。各アンテナ素子819-1~819-Kに対応した送信ウエイトが乗算された信号は、必要に応じて残りの信号処理が施され、ベースバンドにおける送信信号のサンプリングデータとして加算合成回路812-1~812-Kに入力される。 In multi-user MIMO, signals are transmitted simultaneously to multiple terminal devices. Therefore, multiple signal sequences are input from the MAC layer processing circuit 88 to the transmitter 81, and these signal sequences are then input to the transmission signal processing circuits 811-1 to 811-L. When the data (data inputs #1 to #L) to be transmitted to each destination terminal device is input from the MAC layer processing circuit 88, the transmission signal processing circuits 811-1 to 811-L generate wireless packets to be transmitted over the wireless link and perform modulation processing. Here, if, for example, OFDM modulation is used, the signals of each signal sequence are modulated for each frequency component. Furthermore, the modulated baseband signals are multiplied by transmission weights for each frequency component. The signals multiplied by the transmission weights corresponding to each antenna element 819-1 to 819-K undergo the remaining signal processing as necessary, and are input to the summing and combining circuits 812-1 to 812-K as sampled data of the baseband transmission signal.
加算合成回路812-1~812-Kに入力された信号は、周波数成分ごとに合成される。合成された信号は、IFFT&GI付与回路813-1~813-Kにて周波数軸上の信号から時間軸上の信号に変換され、更にガードインターバルの挿入やOFDMシンボル間(SC-FDE(Single-Carrier Frequency Domain Equalization)であればブロック伝送のブロック間)の波形整形等の処理が行われ、アンテナ素子819-1~819-Kごとに、D/A変換器814-1~814-Kでデジタル・サンプリングデータからベースバンドのアナログ信号に変換される。更に、各アナログ信号は、ローカル発振器815から入力される局部発振信号と、ミキサ816-1~816-Kで乗算され、無線周波数の信号にアップコンバートされる。ここで、アップコンバートされた信号には、送信すべきチャネルの帯域外の周波数成分に信号が含まれるため、フィルタ817-1~817-Kで帯域外の周波数成分を除去し、送信すべき電気的な信号を生成する。生成された信号は、ハイパワーアンプ818-1~818-Kで増幅され、アンテナ素子819-1~819-Kより送信される。 Signals input to summing circuits 812-1 to 812-K are combined for each frequency component. The combined signals are converted from frequency-domain signals to time-domain signals by IFFT & GI adding circuits 813-1 to 813-K, and further processing such as the insertion of guard intervals and waveform shaping between OFDM symbols (between blocks of block transmission in the case of SC-FDE (Single-Carrier Frequency Domain Equalization)) is performed. For each antenna element 819-1 to 819-K, D/A converters 814-1 to 814-K convert the digital sampling data into a baseband analog signal. Furthermore, each analog signal is multiplied by the local oscillation signal input from local oscillator 815 by mixers 816-1 to 816-K, and upconverted to a radio frequency signal. Here, since the upconverted signal contains frequency components outside the band of the channel to be transmitted, filters 817-1 to 817-K remove these frequency components to generate the electrical signal to be transmitted. The generated signal is amplified by high-power amplifiers 818-1 to 818-K and transmitted from antenna elements 819-1 to 819-K.
なお、図5では、各周波数成分の信号の加算合成を加算合成回路812-1~812-Kで実施した後に、IFFT処理、ガードインターバルの挿入、波形整形等の処理を行っているが、送信信号処理回路811-1~811-Lにてこれらの処理を行い、IFFT&GI付与回路813-1~813-Kを省略する構成としてもよい。この場合、送信信号処理回路811-1~811-Lにおける送信ウエイト乗算後の必要に応じた残りの信号処理とは、IFFT処理、ガードインターバルの挿入、波形整形等の処理をさす。 In Figure 5, after additive synthesis of the signals of each frequency component is performed in additive synthesis circuits 812-1 to 812-K, processing such as IFFT processing, guard interval insertion, and waveform shaping is performed. However, these processes may be performed in transmit signal processing circuits 811-1 to 811-L, and the IFFT & GI adding circuits 813-1 to 813-K may be omitted. In this case, the remaining signal processing as necessary after transmit weight multiplication in transmit signal processing circuits 811-1 to 811-L refers to processing such as IFFT processing, guard interval insertion, and waveform shaping.
また、送信信号処理回路811-1~811-Lで乗算される送信ウエイトは、信号送信処理時に、送信ウエイト処理部830に備えられているマルチユーザMIMO送信ウエイト算出回路833より取得する。送信ウエイト処理部830では、チャネル情報取得回路831において、受信部85にて取得されたチャネル情報を通信制御回路820経由で別途取得しておき、これを逐次更新しながら、チャネル情報記憶回路832に記憶する。信号の送信時には通信制御回路820からの指示に従い、マルチユーザMIMO送信ウエイト算出回路833は、宛先局に対応したチャネル情報をチャネル情報記憶回路832から読み出し、読み出したチャネル情報を基に送信ウエイトを算出する。マルチユーザMIMO送信ウエイト算出回路833は、算出した送信ウエイトを送信信号処理回路811-1~811-Lに出力する。 In addition, the transmission weights multiplied in the transmission signal processing circuits 811-1 to 811-L are obtained from the multi-user MIMO transmission weight calculation circuit 833 provided in the transmission weight processing unit 830 during signal transmission processing. In the transmission weight processing unit 830, the channel information acquisition circuit 831 separately acquires the channel information acquired by the receiving unit 85 via the communication control circuit 820, and stores this information in the channel information storage circuit 832 while updating it sequentially. When transmitting a signal, in accordance with instructions from the communication control circuit 820, the multi-user MIMO transmission weight calculation circuit 833 reads channel information corresponding to the destination station from the channel information storage circuit 832 and calculates the transmission weights based on the read channel information. The multi-user MIMO transmission weight calculation circuit 833 outputs the calculated transmission weights to the transmission signal processing circuits 811-1 to 811-L.
また、宛先局の管理や、全体のタイミング制御など、全体の通信に係る制御を通信制御回路820が管理する。上述の送信ウエイトの算出に係る信号処理を行う送信ウエイト処理部830に対し、通信制御回路820は宛先局等を示す情報を出力する。 The communication control circuit 820 also manages all communication-related control, including destination station management and overall timing control. The communication control circuit 820 outputs information indicating the destination station, etc. to the transmission weight processing unit 830, which performs signal processing related to the calculation of the transmission weights described above.
図6は、マルチユーザMIMOシステムにおける基地局装置80における受信部85の構成の一例を示す概略ブロック図である。同図に示すように、受信部85は、アンテナ素子851-1~851-Kと、ローノイズアンプ(LNA)852-1~852-Kと、ローカル発振器853と、ミキサ854-1~854-Kと、フィルタ855-1~855-Kと、A/D(アナログ/デジタル)変換器856-1~856-Kと、FFT(Fast Fourier Transform:高速フーリエ変換)回路857-1~857-Kと、受信信号処理回路858-1~858-Lと、受信ウエイト処理部860とを備えている。受信信号処理回路858-1~858-Lと、受信ウエイト処理部860とは、図4において示した通信制御回路820に接続されている。受信ウエイト処理部860は、チャネル情報推定回路861と、マルチユーザMIMO(MU-MIMO)受信ウエイト算出回路862とを備えている。 Figure 6 is a schematic block diagram showing an example of the configuration of a receiver 85 in a base station device 80 in a multi-user MIMO system. As shown in the figure, the receiver 85 includes antenna elements 851-1 to 851-K, low-noise amplifiers (LNAs) 852-1 to 852-K, a local oscillator 853, mixers 854-1 to 854-K, filters 855-1 to 855-K, A/D (analog-to-digital) converters 856-1 to 856-K, FFT (Fast Fourier Transform) circuits 857-1 to 857-K, receive signal processing circuits 858-1 to 858-L, and a receive weight processing unit 860. The receive signal processing circuits 858-1 to 858-L and the receive weight processing unit 860 are connected to the communication control circuit 820 shown in Figure 4. The receiving weight processing unit 860 includes a channel information estimation circuit 861 and a multi-user MIMO (MU-MIMO) receiving weight calculation circuit 862.
アンテナ素子851-1~851-Kで受信した信号をローノイズアンプ852-1~852-Kで増幅する。増幅された信号とローカル発振器853から出力される局部発振信号とがミキサ854-1~854-Kで乗算され、増幅された信号は無線周波数の信号からベースバンドの信号にダウンコンバートされる。ダウンコンバートされた信号には、受信すべき周波数帯域外の周波数成分も含まれるため、フィルタ855-1~855-Kで帯域外成分を除去する。帯域外成分が除去された信号は、A/D変換器856-1~856-Kでデジタル・ベースバンド信号に変換される。デジタル・ベースバンド信号は全てFFT回路857-1~857-Kに入力され、所定のシンボルタイミングで時間軸上の信号を周波数軸上の信号に変換(各周波数成分の信号に分離)する。この各周波数成分に分離された信号は、受信信号処理回路858-1~858-Lに入力されるとともに、チャネル情報推定回路861にも入力される。 Signals received by antenna elements 851-1 to 851-K are amplified by low-noise amplifiers 852-1 to 852-K. The amplified signals are multiplied by the local oscillation signal output from local oscillator 853 in mixers 854-1 to 854-K, and the amplified signals are downconverted from radio frequency signals to baseband signals. Because the downconverted signals contain frequency components outside the frequency band to be received, the out-of-band components are removed by filters 855-1 to 855-K. The signals from which the out-of-band components have been removed are converted into digital baseband signals by A/D converters 856-1 to 856-K. All digital baseband signals are input to FFT circuits 857-1 to 857-K, which convert the time-domain signals into frequency-domain signals (separate them into signals of each frequency component) at the specified symbol timing. The signals separated into each frequency component are input to the received signal processing circuits 858-1 to 858-L, and also to the channel information estimation circuit 861.
チャネル情報推定回路861では、各周波数成分に分離されたチャネル推定用の既知の信号(無線パケットの先頭に付与されるプリアンブル信号等)を基に各端末装置のアンテナ素子と、基地局装置80の各アンテナ素子851-1~851-Kとの間のチャネル情報を周波数成分ごとに推定し、その推定結果をマルチユーザMIMO受信ウエイト算出回路862に出力する。マルチユーザMIMO受信ウエイト算出回路862では、入力されたチャネル情報を基に乗算すべき受信ウエイトを周波数成分ごとに算出する。この際、各アンテナ素子851-1~851-Kで受信された信号を合成する受信ウエイトは、信号系列ごとに異なり、抽出すべき信号系列に対応する受信信号処理回路858-1~858-Lそれぞれに入力される。 The channel information estimation circuit 861 estimates channel information for each frequency component between the antenna elements of each terminal device and each antenna element 851-1 to 851-K of the base station device 80 based on a known signal for channel estimation (such as a preamble signal attached to the beginning of a wireless packet) separated into each frequency component, and outputs the estimation results to the multi-user MIMO receiving weight calculation circuit 862. The multi-user MIMO receiving weight calculation circuit 862 calculates the receiving weight to be multiplied for each frequency component based on the input channel information. At this time, the receiving weights used to combine the signals received by each antenna element 851-1 to 851-K differ for each signal sequence, and are input to the receiving signal processing circuits 858-1 to 858-L corresponding to the signal sequence to be extracted.
受信信号処理回路858-1~858-Lでは、FFT回路857-1~857-Kから入力された周波数成分ごとの信号に対し、マルチユーザMIMO受信ウエイト算出回路862から入力された受信ウエイトを乗算し、各アンテナ素子851-1~851-Kで受信された信号を周波数成分ごとに加算合成する。受信信号処理回路858-1~858-Lは、加算合成した信号に対して復調処理を施し、再生されたデータをMAC層処理回路88に出力する。 The receiving signal processing circuits 858-1 to 858-L multiply the signals for each frequency component input from the FFT circuits 857-1 to 857-K by the receiving weights input from the multi-user MIMO receiving weight calculation circuit 862, and then add and combine the signals received by each antenna element 851-1 to 851-K for each frequency component. The receiving signal processing circuits 858-1 to 858-L demodulate the added and combined signals and output the recovered data to the MAC layer processing circuit 88.
ここで、異なる受信信号処理回路858-1~858-Lでは、異なる信号系列の信号処理が行われる。また、MAC層処理回路88は、MAC層に関する処理(例えば、インタフェース回路87に対して入出力するデータと、無線回線上で送受信されるデータとの変換、MAC層のヘッダ情報の終端など)を行う。この処理の中でスケジューリング処理回路881は、マルチユーザMIMO伝送において同時に空間多重を行う端末装置の組み合わせを含む各種スケジューリング処理を行い、スケジューリング結果を通信制御回路820に出力する。MAC層処理回路88にて処理された受信データは、インタフェース回路87を介して外部機器ないしはネットワークに出力される。 Here, different reception signal processing circuits 858-1 to 858-L perform signal processing of different signal sequences. Furthermore, the MAC layer processing circuit 88 performs processing related to the MAC layer (e.g., conversion between data input/output to/from the interface circuit 87 and data transmitted/received over the wireless line, termination of MAC layer header information, etc.). During this processing, the scheduling processing circuit 881 performs various scheduling processes, including combinations of terminal devices that simultaneously perform spatial multiplexing in multi-user MIMO transmission, and outputs the scheduling results to the communication control circuit 820. The received data processed by the MAC layer processing circuit 88 is output to an external device or network via the interface circuit 87.
また、送信元の端末装置の管理や、全体のタイミング制御など、全体の通信に係る制御を通信制御回路820が管理する。また、上述の受信ウエイトの算出に係る信号処理を行う受信ウエイト処理部860に対し、通信制御回路820から送信元の端末装置等を示す情報が入力される。 The communication control circuit 820 also manages the overall communication control, including management of the source terminal device and overall timing control. The communication control circuit 820 also inputs information indicating the source terminal device, etc., to the receive weight processing unit 860, which performs signal processing related to the calculation of the receive weights described above.
なお、信号受信に関しても送信の場合と同様に、OFDM変調方式ないしはSC-FDE方式を用いた広帯域のシステムでは、上述の受信ウエイトの乗算は周波数成分ごとに行われる。つまりA/D変換器856-1~856-Kから出力される信号に対し、FFT回路857-1~857-KでFFTを行い各周波数成分に分離し、分離した周波数成分ごとに、チャネル情報推定回路861での信号処理、及び、受信信号処理回路858-1~858-Lでの受信信号処理が実施されることになる。 As with transmission, in wideband systems using OFDM modulation or SC-FDE, the multiplication of the above-mentioned receiving weights is performed for each frequency component during signal reception. In other words, the signals output from A/D converters 856-1 to 856-K are subjected to FFT in FFT circuits 857-1 to 857-K to separate them into individual frequency components. Each separated frequency component is then subjected to signal processing in channel information estimation circuit 861 and received signal processing in received signal processing circuits 858-1 to 858-L.
(マルチユーザMIMOの送信処理)
図7は、マルチユーザMIMOにおける基地局装置80の送信処理を示すフローチャートである。マルチユーザMIMOでは、データの送信とは別に行うダウンリンクのチャネル情報のフィードバックが定期的になされている。チャネル情報取得回路831はダウンリンクにおけるチャネル情報を取得すると(ステップS831)、端末装置ごとに各周波数成分のチャネル情報をチャネル情報記憶回路832に記憶させる(ステップS832)。ステップS831及びステップS832の処理は、逐次行われる。
(Multi-user MIMO transmission processing)
7 is a flowchart showing the transmission process of the base station device 80 in multi-user MIMO. In multi-user MIMO, downlink channel information is periodically fed back separately from data transmission. When the channel information acquisition circuit 831 acquires downlink channel information (step S831), it stores the channel information of each frequency component for each terminal device in the channel information storage circuit 832 (step S832). The processes of steps S831 and S832 are performed sequentially.
基地局装置80からの信号送信処理が開始されると(ステップS821)、マルチユーザMIMO送信ウエイト算出回路833は、宛先である端末装置に対応する各周波数成分のチャネル情報をチャネル情報記憶回路832から読み出す(ステップS822)。 When signal transmission processing from the base station device 80 begins (step S821), the multi-user MIMO transmission weight calculation circuit 833 reads channel information for each frequency component corresponding to the destination terminal device from the channel information storage circuit 832 (step S822).
マルチユーザMIMO送信ウエイト算出回路833は、読み出したチャネル情報を基に、先に示した処理によりマルチユーザMIMO用の送信ウエイトを周波数成分ごとに算出する(ステップS823)。ステップS822及びステップS823の処理とは別に、送信信号処理回路811-1~811-Lは、宛先ごとの送信すべきデータに対し、各種変調処理等の送信信号処理により、宛先局ごとに各周波数成分の送信信号を生成する(ステップS824)。 The multi-user MIMO transmission weight calculation circuit 833 calculates the multi-user MIMO transmission weight for each frequency component using the processing described above based on the read channel information (step S823). Separately from the processing of steps S822 and S823, the transmission signal processing circuits 811-1 to 811-L generate transmission signals for each frequency component for each destination station using transmission signal processing such as various modulation processes for the data to be transmitted to each destination (step S824).
送信信号処理回路811-1~811-Lは、生成した送信信号に、ステップS823においてマルチユーザMIMO送信ウエイト算出回路833が算出した送信ウエイトを乗算する(ステップS825)。また、送信信号処理回路811-1~811-Lは一連の信号処理を施し、加算合成回路812-1~812-Kはアンテナ素子819-1~819-Kごとに各周波数成分の各端末装置宛の送信信号に対する加算合成を行い、更にIFFT&GI付与回路813-1~813-Kにて周波数軸上の信号から時間軸上の信号に変換され、更にガードインターバルの挿入やOFDMシンボル間(SC-FDEであればブロック伝送のブロック間)の波形整形等の処理を行い、D/A変換器814-1~814-Kに出力する(ステップS826-1~S826-K)。 The transmit signal processing circuits 811-1 to 811-L multiply the generated transmit signals by the transmit weights calculated by the multi-user MIMO transmit weight calculation circuit 833 in step S823 (step S825). The transmit signal processing circuits 811-1 to 811-L also perform a series of signal processing, and the summing circuits 812-1 to 812-K sum and combine the transmit signals addressed to each terminal device for each frequency component for each antenna element 819-1 to 819-K. The IFFT & GI adding circuits 813-1 to 813-K then convert the signals from the frequency domain to the time domain, and perform further processing such as inserting guard intervals and shaping waveforms between OFDM symbols (between blocks in block transmission in the case of SC-FDE), before outputting them to the D/A converters 814-1 to 814-K (steps S826-1 to S826-K).
IFFT&GI付与回路813-1~813-Kから出力された信号は、D/A変換器814-1~814-Kからハイパワーアンプ818-1~818-Kにおける信号処理が施され、アンテナ素子819-1~819-Kそれぞれから送信され(ステップS827-1~S827-K)、処理を終了する(ステップS828-1~S828-K)。 The signals output from the IFFT & GI application circuits 813-1 to 813-K are processed by the D/A converters 814-1 to 814-K and the high-power amplifiers 818-1 to 818-K, and then transmitted from the antenna elements 819-1 to 819-K (steps S827-1 to S827-K), respectively, and the process ends (steps S828-1 to S828-K).
なお、ステップS827-1~S827-Kにおける処理は、ベースバンド信号から無線周波数へのアップコンバート処理、フィルタによる帯域が周波数成分の除去、ハイパワーアンプによる信号の増幅などを含む。 Note that the processing in steps S827-1 to S827-K includes upconversion from baseband signals to radio frequencies, removal of frequency components using a filter, and signal amplification using a high-power amplifier.
(マルチユーザMIMOの受信処理)
図8は、マルチユーザMIMOにおける基地局装置80の受信処理を示すフローチャートである。まず、受信処理を開始すると(ステップS840)、第1から第Kのアンテナ素子851-1~851-Kにて信号を受信する(ステップS841-1~S841-K)。ここでの受信とは、受信した信号ないしそれをダウンコンバートした信号に対し、アナログ/デジタル変換を施す処理までを含む。以降の信号処理は、デジタル化された受信信号に対する処理を意味する。
(Multi-user MIMO Reception Processing)
8 is a flowchart showing the reception processing of the base station device 80 in multi-user MIMO. First, when the reception processing starts (step S840), signals are received by the first through Kth antenna elements 851-1 through 851-K (steps S841-1 through S841-K). Here, reception includes the processing up to and including analog-to-digital conversion of the received signal or a signal obtained by down-converting the received signal. The subsequent signal processing refers to processing of the digitized received signal.
続いて、各アンテナ素子851-1~851-Kに対応する受信信号に対し、FFT回路857-1~857-Kによる各周波数成分への分離等の信号処理を行う(ステップS842-1~S842-K)。更に、チャネル情報推定回路861は、無線パケットに付与されていた既知のパターンのプリアンブル信号の受信状態より、各周波数成分のチャネル推定を実施する(ステップS843-1~S843-K)。ここで、伝搬路上での信号の減衰、及び複素位相の回転状態を把握する。このステップS843-1~S843-Kで行うチャネル推定では、ステップS843-1、S843-2、・・・、S843-Kを個別に示した通り、空間多重される信号系列ごとに個別にチャネル推定を行う必要がある。 Next, FFT circuits 857-1 to 857-K perform signal processing, such as separating the received signals corresponding to antenna elements 851-1 to 851-K into individual frequency components (steps S842-1 to S842-K). Furthermore, channel information estimation circuit 861 performs channel estimation for each frequency component based on the reception state of the preamble signal of a known pattern attached to the wireless packet (steps S843-1 to S843-K). Here, the attenuation of the signal on the propagation path and the rotation state of the complex phase are determined. In the channel estimation performed in steps S843-1 to S843-K, channel estimation must be performed individually for each spatially multiplexed signal sequence, as shown individually in steps S843-1, S843-2, ..., S843-K.
この個別のチャネル推定とは、送信元の端末装置それぞれから送信された信号を分離可能な状態で行う必要がある。OFDM変調方式を例にとれば、一般的には空間多重数と同数のシンボル数のチャネル推定用のプリアンブル信号が必要となる。各端末装置は空間多重数と同数のシンボル数(ないしはそれ以上)で且つそれぞれが異なるパターンのプリアンブル信号を付与して信号送信を行い、基地局装置80はそのパターンの違いを利用して、ステップS843-1~S843-Kにて個別のチャネル推定を行うことになる。 This individual channel estimation must be performed in a state where the signals transmitted from each transmitting terminal device can be separated. Taking the OFDM modulation method as an example, a channel estimation preamble signal with the same number of symbols as the spatial multiplexing number is generally required. Each terminal device transmits a signal with the same number of symbols as the spatial multiplexing number (or more), each with a different preamble signal pattern, and the base station device 80 uses the differences in these patterns to perform individual channel estimation in steps S843-1 to S843-K.
マルチユーザMIMO受信ウエイト算出回路862は、チャネル情報推定回路861が推定したチャネル情報を用いて、空間多重された信号系列ごと及び周波数成分ごとに個別の適切な受信ウエイトを算出する(ステップS844)。更に、受信信号処理回路858-1~858-Lは、信号系列ごと及び周波数成分ごとに算出された受信ウエイトを、周波数成分ごとに分離された各アンテナ素子の受信信号に乗算する(ステップS845-1~S845-K)。 The multi-user MIMO receiving weight calculation circuit 862 uses the channel information estimated by the channel information estimation circuit 861 to calculate appropriate receiving weights for each spatially multiplexed signal sequence and frequency component (step S844). Furthermore, the receiving signal processing circuits 858-1 to 858-L multiply the receiving weights calculated for each signal sequence and frequency component by the received signals of each antenna element separated for each frequency component (steps S845-1 to S845-K).
ここで、受信ウエイトは、空間多重された信号系列ごとに用意されているため、ステップS845-1~S845-Kにおける乗算結果は、空間多重された信号系列ごとに別々の結果となる。それぞれの信号系列の信号は、各アンテナ素子851-1~851-Kの信号が周波数成分ごとに加算合成され(ステップS846-1~S846-L)、合成された信号系列に対して、第1信号系列の信号処理(ステップS847-1)から第L信号系列の信号処理(ステップS847-L)までの処理が行われ、処理を終了する(ステップS848-1~S848-L)。 Here, since a receiving weight is prepared for each spatially multiplexed signal sequence, the multiplication results in steps S845-1 to S845-K are different for each spatially multiplexed signal sequence. For each signal sequence, the signals from antenna elements 851-1 to 851-K are added together for each frequency component (steps S846-1 to S846-L). The combined signal sequence is then subjected to signal processing from the first signal sequence (step S847-1) to the Lth signal sequence (step S847-L), after which the process ends (steps S848-1 to S848-L).
なお、ここでは簡単のために線形の受信ウエイトを用いる場合の例を示したが、一般にはMIMOに関してはMLD(Maximum Likelihood Detection)等の非線形の信号処理を行うようにしてもよい。この場合、ステップS845-1~S845-L、ステップS846-1~S846-L、及びステップS847-1~S847-Lにおける処理は、一体として非線形の信号検出処理が行われることになる。また、線形の受信ウエイトの算出に関しては、図3に示した送信ウエイトの算出処理と同様の手法で算出することが可能である。その他にも、擬似逆行列を利用した受信ウエイトや、MMSEウエイトを利用することも可能である。また、ここでは、受信に用いるアンテナ素子851-1~851-Kの数Kに対し、空間多重された信号系列数がLとして説明をしたが、一般的にはKとLとは一致する必要はなく、空間多重数Lの値がアンテナ数Kの値以下であれば多数の信号系列の信号を空間多重することができる。 Note that for simplicity, an example using linear receiving weights has been shown here. However, in general, for MIMO, nonlinear signal processing such as MLD (Maximum Likelihood Detection) may be performed. In this case, the processing in steps S845-1 to S845-L, steps S846-1 to S846-L, and steps S847-1 to S847-L will be performed as a unified nonlinear signal detection process. Furthermore, linear receiving weights can be calculated using a method similar to the transmission weight calculation process shown in FIG. 3. Alternatively, receiving weights using pseudo-inverse matrices or MMSE weights can also be used. Furthermore, here, the number of spatially multiplexed signal sequences is L, relative to the number of antenna elements 851-1 to 851-K used for reception, K. However, generally, K and L do not need to be the same. As long as the value of the spatial multiplexing number L is equal to or less than the number of antennas K, signals of multiple signal sequences can be spatially multiplexed.
一般に、MIMO伝送は空間多重する信号系列数に対して送信局側及び受信局側のアンテナ素子数が増えれば増えるほど特性が改善されることが知られている。この特性の改善は空間多重される各信号系列のSINR(信号対干渉雑音電力比:Signal to Interference and Noise Ratio)の向上や更なる空間多重数の増加という形で利用され、近年では基地局側のアンテナ素子数を100以上の超多数に拡大した、非特許文献2にて検討されているようなMassive MIMO技術の実装も進んでいる。この基地局側の超多数のアンテナ素子数を活用した干渉抑圧技術として、ヌル空間拡張技術の検討が進められている(例えば、非特許文献3及び特許文献1を参照)。 It is generally known that MIMO transmission performance improves as the number of antenna elements on the transmitting and receiving stations increases relative to the number of spatially multiplexed signal sequences. This improvement in performance is utilized in the form of improving the SINR (Signal to Interference and Noise Ratio) of each spatially multiplexed signal sequence and further increasing the number of spatial multiplexing sequences. In recent years, progress has been made in implementing Massive MIMO technology, such as that discussed in Non-Patent Document 2, which expands the number of antenna elements on the base station side to an ultra-large number of 100 or more. Null space expansion technology is being studied as an interference suppression technology that utilizes this ultra-large number of antenna elements on the base station side (see, for example, Non-Patent Document 3 and Patent Document 1).
マルチユーザMIMO技術では、基地局装置において多重するすべての端末装置へのチャネル情報を把握し、その把握したチャネル情報に基づいて端末装置間で干渉が生じないように干渉抑圧の処理を行って信号を送信する。前述の通り、干渉抑圧の処理には複数の手法が存在するが、いずれの手法も宛先とする端末装置以外の端末装置に関するチャネル情報に基づいて、宛先とする端末装置以外の端末装置で干渉信号が受信されないような(ヌルが形成されるような)事前処理を加えるという点は共通している。例えば、i番目の端末装置に着目すると、その他の端末装置への部分チャネル行列Hi subに基づいて、他のj(j≠i)番目の端末装置に対する部分チャネル行列Hj subの各行ベクトルに直交するようなウエイトを生成し、i番目の端末装置に向けての信号に乗算して干渉抑圧を実施する。 In multi-user MIMO technology, a base station device grasps channel information for all terminal devices to be multiplexed, and transmits signals by performing interference suppression processing based on the grasped channel information so as not to cause interference between the terminal devices. As mentioned above, there are multiple techniques for interference suppression processing, but all of these techniques have in common the point that they add pre-processing based on channel information for terminal devices other than the destination terminal device so that interfering signals are not received by terminal devices other than the destination terminal device (so that nulls are formed). For example, focusing on the i-th terminal device, based on the partial channel matrix H i sub for the other terminal devices, a weight is generated that is orthogonal to each row vector of the partial channel matrix H j sub for the other j (j ≠ i)-th terminal device, and the weight is multiplied by the signal for the i-th terminal device to perform interference suppression.
一方、ヌル空間拡張技術では、多重する全ての端末装置に関する部分チャネル行列Hi subを、追加のチャネルベクトルを挿入することにより拡張し、拡張した部分チャネル行列Hi’subに基づいて干渉抑圧を行うことで、従来技術と比較してより広範囲にヌルを形成する。これは、本来向けるべき方向のヌルに加えて、別の方向に新たにヌルを形成することになるが、i番目以外の端末装置に関するチャネルが時間経過に伴い変動した時、当初のヌル点から外れていても、その変動先が当該追加ヌル点付近であれば、同様に干渉抑圧効果が得られ、これにより時変動環境においても高いユーザ間干渉低減効果を得る。 On the other hand, in the null space extension technology, the partial channel matrix H i sub for all multiplexed terminal devices is extended by inserting additional channel vectors, and interference suppression is performed based on the extended partial channel matrix H i ' sub , thereby forming nulls over a wider range than in conventional technology. This means that in addition to the null in the direction that it should originally be directed, a new null is formed in another direction, but when the channel for terminal devices other than the i-th one fluctuates over time, even if it deviates from the original null point, as long as the destination of the fluctuation is near the additional null point, the same interference suppression effect can be obtained, and thus a high inter-user interference reduction effect can be obtained even in a time-varying environment.
一例として100素子のアンテナを有する基地局装置が、1素子のアンテナをそれぞれ有する10台の端末装置に向けて同時に空間多重伝送する場合を考える。この場合、各端末装置に向けてのチャネルベクトルはそれぞれ100次元のベクトルである。従来技術では10端末の空間多重、すなわち10端末分の干渉抑圧に10の自由度を利用し、残りの90(=100-10)の自由度が同位相合成によって各端末装置の回線利得を向上するために利用される。ここで、各端末装置に対して、その近傍にもう一つ、干渉を抑圧すべき仮想的な端末装置(実際には元の端末装置が移動したもの)が存在すると想定して処理を実施する。従来技術では各端末装置の移動等によりチャネルが変動した場合、干渉抑圧の効果が薄れ干渉が大幅に増大していたのに対し、端末装置の時変動による移動先が仮想端末装置の場所であった場合、同様に干渉抑圧が実現されることが期待される。この場合、追加の仮想端末装置に対しても干渉抑圧を行うため、各端末装置について追加で1つずつの自由度が消費される。 As an example, consider the case where a base station device with a 100-element antenna simultaneously transmits spatially multiplexed signals to 10 terminal devices, each with a single antenna element. In this case, the channel vector for each terminal device is a 100-dimensional vector. Conventional technology uses 10 degrees of freedom for spatial multiplexing of 10 terminals, i.e., interference suppression for the 10 terminals, and the remaining 90 (= 100 - 10) degrees of freedom to improve the line gain of each terminal device through in-phase combining. Here, processing is performed assuming that there is another virtual terminal device (actually, the original terminal device has moved) in its vicinity that should suppress interference. In conventional technology, when the channel fluctuated due to the movement of each terminal device, the effectiveness of interference suppression was reduced and interference increased significantly. However, if the terminal device's time-varying location coincides with the location of the virtual terminal device, interference suppression is expected to be similarly achieved. In this case, interference suppression is also performed for the additional virtual terminal device, consuming one additional degree of freedom for each terminal device.
すなわち、干渉抑圧に使用される自由度が合計で20となり、同位相合成による回線利得向上に利用できる自由度は80に減少する。仮に回線利得の向上率が自由度の1乗に比例するとすれば、回線利得向上に利用される自由度の差は10Log(80/90)=-0.51・・・[dB]となり、僅か0.5dB程度の差にしかならない。しかし、上述のように追加で実施された干渉抑圧の範囲にチャネルの時変動が収まれば、ユーザ間干渉の電力は大幅に抑えられる。すなわち、SNR(Signal to Noise Ratio)的には約0.5dBの劣化となるが、SIR(Signal to Interference power Ratio)的には大幅な向上が期待される。最終的にはSINR(Signal to Interference plus Noise power Ratio)によりマルチユーザMIMOの伝送容量が定まるが、時変動環境ではSNRよりもSIR特性が支配的と考えられるため、このような手法が有効となる。 In other words, the total number of degrees of freedom used for interference suppression becomes 20, and the degrees of freedom available for improving line gain through in-phase combining are reduced to 80. If the line gain improvement rate is proportional to the first power of the degrees of freedom, the difference in the degrees of freedom used for line gain improvement is 10 Log (80/90) = -0.51... [dB], a difference of only about 0.5 dB. However, if the time fluctuations of the channel are contained within the range of the additional interference suppression implemented as described above, the power of inter-user interference can be significantly reduced. In other words, although the SNR (Signal to Noise Ratio) will deteriorate by approximately 0.5 dB, a significant improvement in the SIR (Signal to Interference power Ratio) is expected. While the transmission capacity of multi-user MIMO is ultimately determined by the SINR (Signal to Interference plus Noise power Ratio), this method is effective because SIR characteristics are considered to be more dominant than SNR in a time-varying environment.
次に、ヌル空間拡張技術のポイントを説明する。図1は、ヌル空間拡張技術による無線通信システムが具備する基地局装置(BS:Base Station)により生成されるビームパターンを示し、図9は、従来技術の無線通信システムが具備する基地局装置(BS)により生成されるビームパターンを示す。無線通信システムにおいて、基地局装置と複数の端末装置とは、同一周波数上で同一時刻に空間多重伝送を行うことが可能である。図1及び図9に示す無線通信システムでは、基地局装置が空間多重伝送により端末装置T1及び端末装置T2と通信する。端末装置T1の時変動予測先はT1’であり、端末装置T2の時変動予測先はT2’である。 Next, we will explain the key points of null space extension technology. Figure 1 shows a beam pattern generated by a base station (BS) equipped in a wireless communication system using null space extension technology, and Figure 9 shows a beam pattern generated by a base station (BS) equipped in a wireless communication system using conventional technology. In a wireless communication system, a base station and multiple terminal devices can perform spatial multiplexing transmission on the same frequency at the same time. In the wireless communication systems shown in Figures 1 and 9, a base station communicates with terminal device T1 and terminal device T2 using spatial multiplexing transmission. The time-varying predicted destination for terminal device T1 is T1', and the time-varying predicted destination for terminal device T2 is T2'.
従来技術の基地局装置は、図9に示すように、矢印D1の方向に位置する宛先の端末装置T1に対し、端末装置T1以外の端末装置T2にヌルを向けたビームパターンB8にて信号を送信する。しかし、端末装置T2が点線で示す時変動予測先T2’の位置に移動した場合には矢印D2の方向のヌルから端末装置T2が外れ、端末装置T2では干渉電力が増大していた。一方、図1に示すようにヌル空間拡張技術による基地局装置は、拡張したチャネル行列に基づいて追加した矢印D2’の方向の時変動が想定される地点T2’に対してヌルを付加してビームパターンB1を生成する。これにより、実際の端末装置T2の移動が、時変動が想定される地点T2’であっても当初の端末装置T2の位置のままであっても、上述の手順で形成されるヌルの範囲に入れば干渉電力を抑えることが可能となる。 As shown in Figure 9, a base station device using conventional technology transmits a signal to destination terminal device T1, located in the direction of arrow D1, using beam pattern B8, which directs a null toward terminal device T2 other than terminal device T1. However, when terminal device T2 moves to the time-variation predicted location T2', indicated by the dotted line, terminal device T2 moves away from the null in the direction of arrow D2, resulting in increased interference power at terminal device T2. In contrast, as shown in Figure 1, a base station device using null space expansion technology generates beam pattern B1 by adding a null to point T2', where time variation is expected in the direction of arrow D2', based on the expanded channel matrix. This makes it possible to suppress interference power as long as terminal device T2 falls within the range of the null formed by the above procedure, whether the actual movement of terminal device T2 is to point T2' where time variation is expected or if terminal device T2 remains in its original position.
図11は、ヌル空間拡張技術によるウエイト算出に使用される拡張チャネル行列の構成例を示し、図10は、従来技術によるウエイト算出に使用されるチャネル行列の構成例を示す。ここでは簡単のため、各端末装置は1本のアンテナを備えるものとし、L個の端末装置を空間多重する場合を考える。h1(t)~hL(t)は基地局アンテナ素子数の次元を持つ、各端末装置の時刻tにおけるチャネルベクトルである。なお、チャネルベクトルhiは、(hi1,hi2,…,hij)であり、hijは、基地局装置のj番目のアンテナ素子とi番目の端末装置との間のチャネル情報である。 Fig. 11 shows an example of the configuration of an extended channel matrix used in calculating weights using null space extension technology, and Fig. 10 shows an example of the configuration of a channel matrix used in calculating weights using conventional technology. For simplicity, each terminal device is assumed to have one antenna, and a case where L terminal devices are spatially multiplexed is considered. h 1 (t) to h L (t) are channel vectors of each terminal device at time t, with the dimension of the number of base station antenna elements. Note that channel vector h i is (h i1 , h i2 , ..., h ij ), and h ij is channel information between the j-th antenna element of the base station device and the i-th terminal device.
図10に示すように、従来技術においては、同時に多重伝送する端末数分のチャネルベクトルを並べたものをチャネル行列として使用していた。そして、端末装置#1に向けて多重伝送する場合には、他端末装置#2~#Lへのチャネルベクトルh2(t)~hL(t)(=H1 sub)に乗算したときには無線信号が互いに打ち消し合ってヌルとなるように直交化等の処理を行うようなウエイトを利用して、ユーザ間の干渉を抑圧していた。 As shown in Fig. 10, in the prior art, a channel matrix is used in which channel vectors corresponding to the number of terminals that simultaneously perform multiplex transmission are arranged. When multiplexing transmission is performed toward terminal device #1, interference between users is suppressed by using weights that perform processing such as orthogonalization so that when multiplied by channel vectors h2 (t) to hL (t) (= H1sub ) to other terminal devices #2 to #L, the wireless signals cancel each other out and become null.
一方、図11に示すように、ヌル空間拡張技術においては、従来技術と部分チャネル行列H1mainは共通であるが、部分チャネル行列H1 subを、他端末装置#2~#Lの現在のチャネルベクトルh2(t)~hL(t)に加えて、他端末装置#2~#Lに関する過去のチャネルベクトルh2(t-nT)~hL(t-nT)を付加する形で拡張する。過去のチャネルベクトルhi(t-nT)は、i番目の端末装置#iに対する、時刻nT前に取得されたチャネルベクトルである。ここでは伝搬路推定が時間周期Tで行われるものとし、n=1…は過去何周期前に推定されたチャネルベクトルであるかを表す整数とするが、伝搬路推定が周期的に行われない場合などは任意の過去の時刻を引数として与えても良い。また、拡張する過去のチャネルベクトルの数は端末装置#iによって異なって良い。 On the other hand, as shown in FIG. 11 , in the null space extension technology, the partial channel matrix H1main is common to the conventional technology, but the partial channel matrix H1sub is extended by adding past channel vectors h2 (t-nT) to hL (t-nT) for the other terminal devices #2 to #L in addition to the current channel vectors h2 (t) to hL (t) for the other terminal devices #2 to #L. The past channel vector h1 (t-nT) is the channel vector acquired before time nT for the i-th terminal device #i. Here, it is assumed that propagation path estimation is performed every time period T, and n=1... is an integer representing how many periods ago the channel vector was estimated. However, if propagation path estimation is not performed periodically, any past time may be given as an argument. Furthermore, the number of past channel vectors to be extended may differ depending on the terminal device #i.
ヌル空間拡張技術のポイントは、部分チャネル行列Hsubを拡張する処理であり、既存技術におけるウエイト算出よりも部分チャネル行列Hsubを拡張したうえでウエイト算出を行うことによって、既存技術と比較して広範囲に干渉抑圧を行うことができる。上記のように拡張した拡張部分チャネル行列H’1 subに対して直交化等の処理を行うことで、所望の端末装置#1に向けてはビームが向き、他端末装置へのヌル形成に加えて、追加でヌル形成が行われたウエイトを得ることができ、時変動環境下でのユーザ間干渉を抑えることが可能となる。つまり、ヌル空間拡張技術では、宛先の端末装置のチャネルベクトルに乗算したときに無線信号の位相が揃い、かつ、宛先以外の端末装置のチャネルベクトル及び過去のチャネルベクトルに乗算したときに無線信号が打ち消し合ってヌルとなるウエイトを算出する。なお、部分チャネル行列Hsubの生成のために付加する過去のチャネルベクトルは、必ずしも各端末装置について1つである必要はなく、複数の過去のチャネルベクトルを生成して付加してもよい。さらには端末装置ごとに異なる数にて過去のチャネルベクトルを生成しても構わない。 The key point of the null space extension technology is the process of extending the partial channel matrix H sub . By extending the partial channel matrix H sub more than the weight calculation in existing technologies and then calculating the weights, interference suppression can be performed over a wider range than with existing technologies. By performing processes such as orthogonalization on the extended partial channel matrix H' 1 sub extended as described above, a beam is directed toward the desired terminal device #1, and in addition to forming nulls for other terminal devices, weights for which additional nulls have been formed can be obtained, making it possible to suppress interference between users in a time-varying environment. In other words, the null space extension technology calculates weights that, when multiplied by the channel vector of the destination terminal device, align the phase of the radio signal, and that, when multiplied by the channel vectors and past channel vectors of terminal devices other than the destination, cancel each other out to form a null. Note that the past channel vector added to generate the partial channel matrix H sub does not necessarily have to be one for each terminal device; multiple past channel vectors may be generated and added. Furthermore, a different number of past channel vectors may be generated for each terminal device.
なお、ヌル空間拡張技術により生成されるウエイトは、他端末装置#2~#Lの現在のチャネルベクトルh2(t)~hL(t)と過去のチャネルベクトルh2(t-nT)~hL(t-nT)の両方に対してヌルが向けられているだけでなく、これらのベクトルの線形結合により張られる部分空間全体に対してヌルが向けられることになる。すなわち、具体的には端末装置#jの現在のチャネルベクトルhj(t)と過去のチャネルベクトルhj(t-nT)に対して、任意の複素係数γに対しhj(t)+γ×{hj(t-nT)-hj(t)}で与えられるような線形結合で与えられる全てのチャネルベクトルに対してもヌルが向けられていることになる。このため、高精度な「点」で表されるピンポイントの伝搬路変動を予測する必要はなく、ヌルを向けるべき部分空間を適切に抽出すれば良いことになる。 In addition, the weight generated by the null space expansion technique not only directs null to both the current channel vector h 2 (t) to h L (t) and the past channel vector h 2 (t-nT) to h L (t-nT) of other terminal devices #2 to #L, but also directs null to the entire subspace spanned by the linear combination of these vectors. That is, specifically, for the current channel vector h j (t) and the past channel vector h j (t-nT) of terminal device #j, null is also directed to all channel vectors given by the linear combination such as given by h j (t) + γ × {h j (t-nT) - h j (t)} for any complex coefficient γ. For this reason, there is no need to predict pinpoint propagation path fluctuations represented by highly accurate "points", and it is sufficient to appropriately extract the subspace to which null should be directed.
言い換えると、例えばチャネルが当該部分空間内において時変動するのであれば、任意の時刻δtにおいて、干渉が抑圧されることとなる。従来時変動対策として行われてきたチャネル予測技術では、伝送を行いたい時刻δtにおけるチャネルを予測し、その予測チャネルに対して干渉を抑圧するウエイトをピンポイントで生成するため、伝送の要求毎にチャネルを予測しウエイト生成するか、事前に伝送が予想される時刻すべてのチャネルを予測してウエイト生成をしたものを記憶しておく必要があった。一方、ヌル空間拡張技術によるウエイトを用いれば、チャネル情報の更新に合わせた一度のヌル形成により、干渉を抑圧したウエイトを得ることができる。 In other words, if the channel varies over time within the subspace, interference will be suppressed at any time δt. Conventional channel prediction techniques used to address time variations predict the channel at the desired transmission time δt and pinpoint weights that suppress interference for that predicted channel. This requires either predicting the channel and generating weights for each transmission request, or predicting all channels at the expected transmission times in advance and storing the generated weights. On the other hand, using weights based on null space expansion technology makes it possible to obtain weights that suppress interference by forming nulls once in accordance with updates to channel information.
ヌル空間拡張技術におけるウエイト生成には、次のような課題がある。それは、伝搬路変動量が小さいときに多数のヌルを形成しようとすると、そのヌル形成に多大な自由度を消費してしまい所望信号利得が低下してしまうことである。その上、ヌル形成の演算に多数の演算量を必要としながら、干渉抑圧効果は限定的になってしまうことである。 The generation of weights in null space expansion technology poses the following challenge. When attempting to form multiple nulls when the amount of propagation path variation is small, the null formation consumes a significant amount of freedom, resulting in a decrease in the desired signal gain. Furthermore, the null formation calculations require a large amount of calculation, and the interference suppression effect is limited.
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、チャネル変動に起因するユーザ間干渉を効率的に抑圧するための適切なチャネルベクトルを抽出してウエイト生成を行うことができる基地局装置、無線通信方法および無線通信システムを提供することにある。 The present invention was made in light of these circumstances, and aims to provide a base station apparatus, wireless communication method, and wireless communication system that can extract appropriate channel vectors and generate weights to efficiently suppress inter-user interference caused by channel fluctuations.
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、低演算量で効率的に干渉抑圧を行うことができる基地局装置、ウエイト生成方法、及び無線通信システムを提供することにある。 The present invention was made in light of these circumstances, and aims to provide a base station device, a weight generation method, and a wireless communication system that can efficiently suppress interference with a low amount of calculation.
本発明の一態様は、複数のアンテナ素子を備えた基地局装置と、複数の端末装置とを具備し、前記基地局装置と前記端末装置とが同一周波数上で同一時刻に空間多重伝送を行うことが可能な無線通信システムにおける前記基地局装置であって、前記端末装置のアンテナ素子又は該アンテナ素子を合成して得られる仮想的なアンテナ素子と前記基地局装置の備えるアンテナ素子との間のチャネル情報により生成されるチャネルベクトルと、前記チャネルベクトルとは異なる前記端末装置のアンテナ素子に関連する追加のチャネルベクトルとを並べたチャネル行列に基づいて、複数の前記端末装置に対して空間多重伝送を行うためのウエイトベクトルを算出するウエイト算出部を備え、前記ウエイト算出部は、前記端末装置の前記追加のチャネルベクトルとして、前記端末装置の前記チャネルベクトルである第1チャネルベクトルより前に取得された一つまたは複数の第2チャネルベクトルの中から、前記第1チャネルベクトルとの相互の類似度が低い前記第2チャネルベクトルを選択して、前記ウエイトベクトルを算出する基地局装置である。 One aspect of the present invention is a base station apparatus in a wireless communication system that includes a base station apparatus equipped with multiple antenna elements and multiple terminal devices, and that allows the base station apparatus and the terminal devices to perform spatial multiplexing transmission on the same frequency at the same time. The base station apparatus includes a weight calculation unit that calculates weight vectors for performing spatial multiplexing transmission for the multiple terminal devices based on a channel matrix that arranges channel vectors generated from channel information between the antenna elements of the terminal devices or a virtual antenna element obtained by combining the antenna elements and the antenna elements of the base station apparatus, and additional channel vectors that are different from the channel vectors and associated with the antenna elements of the terminal devices. The weight calculation unit selects, as the additional channel vector for the terminal device, a second channel vector that has a low degree of similarity to the first channel vector from among one or more second channel vectors acquired before a first channel vector, which is the channel vector of the terminal device, and calculates the weight vector.
また、本発明の一態様は、複数のアンテナ素子を備えた基地局装置と、複数の端末装置とを具備し、前記基地局装置と前記端末装置とが同一周波数上で同一時刻に空間多重伝送を行うことが可能な無線通信システムにおける前記基地局装置が実行するウエイト生成方法であって、前記端末装置のアンテナ素子又は該アンテナ素子を合成して得られる仮想的なアンテナ素子と前記基地局装置の備えるアンテナ素子との間のチャネル情報により生成されるチャネルベクトルと、前記チャネルベクトルとは異なる前記端末装置のアンテナ素子に関連する追加のチャネルベクトルとを並べたチャネル行列に基づいて、複数の前記端末装置に対して空間多重伝送を行うためのウエイトベクトルを算出するステップと、前記端末装置の前記追加のチャネルベクトルとして、前記端末装置の前記チャネルベクトルである第1チャネルベクトルより前に取得された一つまたは複数の第2チャネルベクトルの中から、前記第1チャネルベクトルとの相互の類似度が低い前記第2チャネルベクトルを選択して、前記ウエイトベクトルを算出するステップと、を有するウエイト生成方法である。 Another aspect of the present invention is a weight generation method executed by a base station device equipped with multiple antenna elements and multiple terminal devices in a wireless communication system capable of performing spatial multiplexing transmission on the same frequency at the same time, the weight generation method comprising the steps of: calculating weight vectors for performing spatial multiplexing transmission for the multiple terminal devices based on a channel matrix in which channel vectors generated from channel information between the antenna elements of the terminal devices or a virtual antenna element obtained by combining the antenna elements and the antenna elements of the base station device are arranged; and selecting, as the additional channel vector for the terminal device, a second channel vector that has a low degree of similarity to the first channel vector from one or more second channel vectors acquired before the first channel vector, which is the channel vector of the terminal device, and calculating the weight vector.
また、本発明の一態様は、複数のアンテナ素子を備えた基地局装置と、複数の端末装置とを具備し、前記基地局装置と前記端末装置とが同一周波数上で同一時刻に空間多重伝送を行うことが可能な無線通信システムであって、前記基地局装置は、前記端末装置のアンテナ素子又は該アンテナ素子を合成して得られる仮想的なアンテナ素子と前記基地局装置の備えるアンテナ素子との間のチャネル情報により生成されるチャネルベクトルと、前記チャネルベクトルとは異なる前記端末装置のアンテナ素子に関連する追加のチャネルベクトルとを並べたチャネル行列に基づいて、複数の前記端末装置に対して空間多重伝送を行うためのウエイトベクトルを算出するウエイト算出部を備え、前記ウエイト算出部は、前記ウエイト算出部は、前記端末装置の前記追加のチャネルベクトルとして、前記端末装置の前記チャネルベクトルである第1チャネルベクトルより前に取得された一つまたは複数の第2チャネルベクトルの中から、前記第1チャネルベクトルとの相互の類似度が低い前記第2チャネルベクトルを選択して、前記ウエイトベクトルを算出する無線通信システムである。 Another aspect of the present invention is a wireless communication system comprising a base station device equipped with multiple antenna elements and multiple terminal devices, capable of performing spatial multiplexing transmission between the base station device and the terminal devices at the same time on the same frequency. The base station device comprises a weight calculation unit that calculates weight vectors for performing spatial multiplexing transmission for the multiple terminal devices based on a channel matrix that arranges channel vectors generated from channel information between the antenna elements of the terminal devices or a virtual antenna element obtained by combining the antenna elements and the antenna elements of the base station device, and additional channel vectors that are different from the channel vectors and are associated with the antenna elements of the terminal devices. The weight calculation unit calculates the weight vectors by selecting, as the additional channel vector for the terminal device, from one or more second channel vectors acquired before a first channel vector, which is the channel vector of the terminal device, the second channel vector that has a low degree of similarity to the first channel vector.
本発明によれば、低演算量で効率的に干渉抑圧を行うことを可能にする。 The present invention makes it possible to perform interference suppression efficiently with a low computational load.
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
本発明の実施形態における基本原理を説明する。ヌル空間拡張技術において形成されるヌルの形状は、干渉端末におけるチャネル変動をもたらす伝搬路素波へのヌル形成となることが知られている(例えば非特許文献4を参照)。一方、素波の到来方向そのものを推定することは難しい。よって、ヌル空間拡張技術は、干渉端末に対する過去のチャネルベクトルを拡張チャネル行列として追加することにより、自動的に素波方向への干渉抑圧を行う技術であると言える。 The basic principle of an embodiment of the present invention will now be explained. It is known that the shape of the nulls formed in null space extension technology results in null formation in propagation path element waves that cause channel fluctuations at interfering terminals (see, for example, Non-Patent Document 4). However, it is difficult to estimate the direction of arrival of the element waves themselves. Therefore, null space extension technology can be said to be a technology that automatically suppresses interference in the direction of element waves by adding past channel vectors for interfering terminals as an extended channel matrix.
このとき、チャネル変動が小さい伝搬路へのヌル形成は、近接する素波へのヌル形成となることから、干渉抑圧効果が低下する。すなわち、部分チャネル行列H1 subにおいて、他端末装置#iの現在のチャネルベクトルhi(t)、過去のチャネルベクトルhi(t-nT)に対してヌル形成する際に、hi(t)とhi(t-nT)が類似のものであれば、そのそれぞれに対してヌル形成を行う必要はないと言える。よって、本発明の実施形態では、これら他端末装置に関する現在のチャネルベクトルと過去のチャネルベクトルの間に類似度という指標を導入し、その類似度が低いもののみ、ヌル空間拡張技術のウエイト計算に用いることとする。 At this time, null formation for a propagation path with small channel fluctuation results in null formation for adjacent elementary waves, and therefore the interference suppression effect is reduced. That is, when null formation is performed for the current channel vector h i (t) and past channel vector h i (t-nT) of other terminal device #i in the partial channel matrix H 1 sub , if h i (t) and h i (t-nT) are similar, it can be said that there is no need to perform null formation for each of them. Therefore, in an embodiment of the present invention, an index of similarity is introduced between the current channel vector and past channel vector related to these other terminal devices, and only those with low similarity are used in the weight calculation of the null space expansion technology.
これにより、干渉抑圧に効果的なチャネルベクトルのみを用いてマルチユーザMIMO伝送を行うことが期待できる。 This makes it possible to perform multi-user MIMO transmission using only channel vectors that are effective in suppressing interference.
本発明の実施形態における基地局装置80の構成と図4に示される従来の基地局装置80の構成とにおいて差異となる構成は、図5に示される送信部81の送信ウエイト処理部830の構成が、以下に説明する送信ウエイト処理部130の構成となる点である。以下、従来の基地局装置80の構成と同様の構成を有する構成部については同一の符号を付し、説明を省略する。 The difference between the configuration of the base station device 80 in this embodiment of the present invention and the configuration of the conventional base station device 80 shown in FIG. 4 is that the configuration of the transmission weight processing unit 830 of the transmitter 81 shown in FIG. 5 is the configuration of the transmission weight processing unit 130 described below. Below, components having the same configuration as the configuration of the conventional base station device 80 are assigned the same reference numerals, and their description will be omitted.
前述の通り、以下に説明する実施形態のマルチユーザMIMOシステムは、複数のアンテナ素子を備えた基地局装置80と、複数の端末装置802とを具備し、基地局装置80と端末装置802とが同一周波数上で同一時刻に空間多重伝送を行うことが可能な無線通信システムである。 As mentioned above, the multi-user MIMO system of the embodiment described below is a wireless communication system that includes a base station device 80 equipped with multiple antenna elements and multiple terminal devices 802, and is capable of performing spatial multiplexing transmission between the base station device 80 and the terminal devices 802 at the same time on the same frequency.
[送信ウエイト処理部の構成]
実施形態における送信ウエイト処理部130(ウエイト算出部)は、端末装置802のアンテナ素子又は該アンテナ素子を合成して得られる仮想的なアンテナ素子と基地局装置80の備えるアンテナ素子との間のチャネル情報により生成されるチャネルベクトルと、該チャネルベクトルとは異なる端末装置802のアンテナ素子に関連する追加のチャネルベクトルとを並べたチャネル行列に基づいて、複数の端末装置802に対して空間多重伝送を行うためのウエイトベクトルを算出する。
[Configuration of transmission wait processing unit]
The transmission weight processing unit 130 (weight calculation unit) in the embodiment calculates weight vectors for spatial multiplexing transmission to multiple terminal devices 802 based on a channel matrix that arranges channel vectors generated from channel information between the antenna elements of the terminal device 802 or virtual antenna elements obtained by combining the antenna elements and the antenna elements provided by the base station device 80, and additional channel vectors associated with the antenna elements of the terminal device 802 that are different from the channel vectors.
ここで、送信ウエイト処理部130は、端末装置802の追加のチャネルベクトルとして、上記の端末装置802のチャネルベクトルである第1チャネルベクトルより前に取得された一つまたは複数の第2チャネルベクトルの中から、第1チャネルベクトルとの相互の類似度が低い第2チャネルベクトルを選択して、ウエイトベクトルを算出する。 Here, the transmission weight processing unit 130 selects, as an additional channel vector for the terminal device 802, a second channel vector that has a low degree of mutual similarity with the first channel vector from among one or more second channel vectors acquired before the first channel vector, which is the channel vector of the terminal device 802, and calculates a weight vector.
本発明の実施形態における送信ウエイト処理部130のブロック図を図12に示し、ウエイト算出について詳細に説明する。以下では、送信ウエイトを算出する場合について説明する。 A block diagram of the transmission weight processing unit 130 in an embodiment of the present invention is shown in Figure 12, and weight calculation will be explained in detail. The following describes the case where transmission weights are calculated.
図12は、本発明の実施形態における送信ウエイト処理部130の機能構成を示すブロック図である。図12に示されるように、送信ウエイト処理部130は、チャネル情報取得回路831と、チャネル情報記憶回路132と、MU-MIMO送信ウエイト算出回路133と、チャネル類似度計算回路135と、チャネル情報選択回路136とを含んで構成される。 Figure 12 is a block diagram showing the functional configuration of the transmission weight processing unit 130 in an embodiment of the present invention. As shown in Figure 12, the transmission weight processing unit 130 includes a channel information acquisition circuit 831, a channel information storage circuit 132, a MU-MIMO transmission weight calculation circuit 133, a channel similarity calculation circuit 135, and a channel information selection circuit 136.
チャネル類似度計算回路135は、端末装置#iの現在のチャネルベクトルhi(t)と過去のチャネルベクトルhi(t-nT)との内積の絶対値に基づいて端末装置#iの現在のチャネルベクトルhi(t)と過去のチャネルベクトルhi(t-nT)との相互の類似度を算出する。例えば、チャネル類似度計算回路135は、端末装置#iの現在のチャネルベクトルhi(t)と過去のチャネルベクトルhi(t-nT)との間の相関係数を次式(12)により計算する。 The channel similarity calculation circuit 135 calculates the mutual similarity between the current channel vector h i (t) and the past channel vector h i (t-nT) of the terminal device #i based on the absolute value of the dot product of the current channel vector h i (t) and the past channel vector h i (t-nT) of the terminal device #i. For example, the channel similarity calculation circuit 135 calculates the correlation coefficient between the current channel vector h i (t) and the past channel vector h i (t-nT) of the terminal device #i using the following equation (12).
ここで、Hは共役転置ベクトルを表す。チャネル類似度計算回路135は、この相関係数γi(n)の絶対値である|γi(n)|が一定値以下である場合に、伝搬路間の類似度が低いと判定し、hi(t-nT)に対して類似度が低い旨の記録を行う。 Here, H represents a conjugate transpose vector. If |γ i (n)|, which is the absolute value of this correlation coefficient γ i (n), is equal to or less than a certain value, the channel similarity calculation circuit 135 determines that the similarity between the propagation paths is low, and records that the similarity is low in h i (t−nT).
なお、相関係数は各チャネルベクトルのノルムにより規格化されても構わない。チャネル類似度計算回路135は、端末装置#iの現在のチャネルベクトルhi(t)と過去のチャネルベクトルhi(t-nT)との内積の絶対値を、端末装置#iの現在のチャネルベクトルhi(t)のノルムと過去のチャネルベクトルhi(t-nT)のノルムとの積で除した相互相関値に基づいて、端末装置#iの現在のチャネルベクトルhi(t)と過去のチャネルベクトルhi(t-nT)との相互の類似度を算出するようにしてもよい。この場合、式(12)は、次式(13)のように書き換えられる。 The correlation coefficient may be normalized by the norm of each channel vector. The channel similarity calculation circuit 135 may calculate the mutual similarity between the current channel vector h i (t) and the past channel vector h i (t-nT) of the terminal device #i based on the cross-correlation value obtained by dividing the absolute value of the inner product of the current channel vector h i (t) and the past channel vector h i (t-nT) of the terminal device #i by the product of the norm of the current channel vector h i (t) and the past channel vector h i (t-nT). In this case, equation (12) is rewritten as the following equation (13).
また、式(13)では各チャネルベクトルのノルムを用いて各チャネルベクトルを規格化しているが、チャネルベクトルのノルムは基地局アンテナの素子数等に応じ、ある程度一定の大きさになることが予想される。よって、チャネル類似度計算回路135は、端末装置#iの現在のチャネルベクトルhi(t)と過去のチャネルベクトルhi(t-nT)との内積の絶対値を、端末装置#iの現在のチャネルベクトルhi(t)及び過去のチャネルベクトルhi(t-nT)のうちいずれか一方のノルム、又は、当該いずれか一方のノルムの自乗で除した近似相関値に基づいて、端末装置#iの現在のチャネルベクトルhi(t)と過去のチャネルベクトルhi(t-nT)との相互の類似度を算出するようにしてもよい。 Furthermore, in equation (13), each channel vector is normalized using the norm of each channel vector, but the norm of the channel vector is expected to have a certain magnitude depending on the number of elements of the base station antenna, etc. Therefore, the channel similarity calculation circuit 135 may calculate the mutual similarity between the current channel vector h i (t) and the past channel vector h i (t-nT) of the terminal device #i based on an approximate correlation value obtained by dividing the absolute value of the inner product of the current channel vector h i (t) and the past channel vector h i (t-nT) of the terminal device #i by the norm of either the current channel vector h i (t) or the past channel vector h i (t-nT) of the terminal device #i, or by the square of either norm.
すなわち、例えば、式(13)の代わりに、次式(14)又は次式(15)に表される近似ノルムを用いても構わない。 That is, for example, instead of equation (13), the approximate norm expressed in the following equation (14) or (15) may be used.
さらに、ヌル形成に用いるチャネルベクトル間の差分ベクトルは、そのチャネルベクトルに対して形成すべきヌルの方向の差分を表しており、そのノルムを取得することで、ベクトル間の類似度として評価することが可能になる。そのことから、チャネル類似度計算回路135は、端末装置#iの現在のチャネルベクトルhi(t)と過去のチャネルベクトルhi(t-nT)との差分ベクトルのノルムに基づいて、又は、当該差分ベクトルのノルムを端末装置#iの現在のチャネルベクトルhi(t)及び過去のチャネルベクトルhi(t-nT)のうちいずれか一方のノルムで除した値に基づいて、端末装置#iの現在のチャネルベクトルhi(t)と過去のチャネルベクトルhi(t-nT)との相互の類似度を算出するようにしてもよい。 Furthermore, the difference vector between the channel vectors used for null formation represents the difference in the direction of the null to be formed for that channel vector, and by acquiring the norm, it becomes possible to evaluate it as the similarity between the vectors. Therefore, the channel similarity calculation circuit 135 may calculate the mutual similarity between the current channel vector h i (t) and the past channel vector h i (t-nT) of the terminal device #i based on the norm of the difference vector between the current channel vector h i (t) and the past channel vector h i (t-nT) of the terminal device #i, or based on the value obtained by dividing the norm of the difference vector by the norm of either the current channel vector h i (t) or the past channel vector h i (t-nT) of the terminal device #i.
すなわち、例えば、次式(16)で表される差分ベクトルdi(n)のノルムを類似度として用いることができる。 That is, for example, the norm of the difference vector d i (n) expressed by the following equation (16) can be used as the similarity.
これらの手法によりチャネルベクトル間の類似度を計算した後、類似度が低いと記録された過去のチャネルベクトルhi(t-nT)の情報は、チャネル情報選択回路136に送られる。 After calculating the similarity between channel vectors using these methods, information on past channel vectors h i (t−nT) that have been recorded as having low similarity is sent to a channel information selection circuit 136 .
チャネル情報選択回路136は、チャネル情報記憶回路132から、類似度が低いと記録された過去のチャネルベクトルhi(t-nT)のみを読み出してMU-MIMO送信ウエイト算出回路133に転送する。これによりMU-MIMO送信ウエイト算出回路133は、i番目の端末装置への拡張部分チャネル行列Hi’subを取得し、それに基づく送信ウエイトを計算することができる。 The channel information selection circuit 136 reads out only past channel vectors h i (t−nT) that have been recorded as having low similarity from the channel information storage circuit 132, and transfers them to the MU-MIMO transmission weight calculation circuit 133. This enables the MU-MIMO transmission weight calculation circuit 133 to obtain the extended partial channel matrix H i ′ sub for the i-th terminal device, and to calculate a transmission weight based on it.
なお、チャネル情報選択回路136は、所定値より高い値の前記チャネルベクトル間の類似度が所定回数を超えて出現する時点より前に算出されたウエイトベクトルを除いて、ウエイトベクトルを決定するようにしてもよい。 In addition, the channel information selection circuit 136 may determine the weight vector by excluding weight vectors calculated before the similarity between the channel vectors having a value higher than a predetermined value appears more than a predetermined number of times.
[送信ウエイト処理部の動作]
送信ウエイト処理部130の動作は、フローチャートとして例えば図13及び図14のように示される。
[Operation of the transmission wait processing unit]
The operation of the transmission weight processing unit 130 is shown as a flowchart in, for example, FIGS.
まず、チャネル類似度計算回路135は、空間多重伝送する端末ごとに、上述のチャネルベクトルの類似度を計算する。すなわち、端末#kに対して、直近のチャネルベクトルhk(t)と、n回前のチャネル推定で取得された過去のチャネルベクトルhk(t-nT)との間の類似度を、式(12)~式(16)のいずれかにより計算する(ステップS050)。 First, the channel similarity calculation circuit 135 calculates the similarity of the above-mentioned channel vectors for each terminal that performs spatial multiplexing transmission. That is, for terminal #k, the similarity between the most recent channel vector hk (t) and the past channel vector hk (t-nT) obtained in the nth channel estimation is calculated using one of equations (12) to (16) (step S050).
これにより得られた類似度が一定値以下であれば(ステップS050・YES)、チャネル類似度計算回路135は、該過去のチャネルベクトルhk(t-nT)を部分チャネル行列に用いるものと記録する(ステップS060)。nが予め指定された上限数に達するか、それ以上過去のチャネルベクトルが(記憶されていない等)存在しない場合には、処理を終了する。それ以外の場合には(ステップS080・YES)、nを1つ増加させ(ステップS040)、同様に類似度を計算する。 If the similarity obtained in this way is equal to or less than a certain value (step S050, YES), the channel similarity calculation circuit 135 records the past channel vector h k (t-nT) as one to be used in the partial channel matrix (step S060). If n reaches a predetermined upper limit or if there are no more past channel vectors (e.g., they are not stored), the process ends. Otherwise (step S080, YES), n is incremented by 1 (step S040), and the similarity is calculated in the same way.
過去のチャネルベクトルの類似度の計算が完了した場合、チャネル類似度計算回路135は、同時に空間多重して伝送するすべての端末に対して同様の類似度計算を行う(ステップS020~ステップS090)。すべての端末に対して上記の処理が完了した場合、(ステップS090・YES)、チャネル類似度計算回路135は、各端末装置#kに対して、部分チャネル行列Hmain及びH’subを計算する(ステップS120~ステップS130)。 When the calculation of the similarity of past channel vectors is complete, the channel similarity calculation circuit 135 performs the same similarity calculation for all terminals that simultaneously transmit via spatial multiplexing (steps S020 to S090). When the above processing is complete for all terminals (step S090, YES), the channel similarity calculation circuit 135 calculates the partial channel matrices Hmain and H'sub for each terminal device #k (steps S120 to S130).
MU-MIMO送信ウエイト算出回路133は、拡張部分チャネル行列H’subの各行ベクトルが張る部分空間の直交基底ベクトルを算出し、これを基底ベクトル{e’j}と置く(ステップS135)。次に、MU-MIMO送信ウエイト算出回路133は、着目している端末装置802-kに対する部分チャネル行列HmainからステップS135において求めた基底ベクトル{e’j}に関する成分をキャンセルし、これを行列~H’mainとする(ステップS140)。更に、MU-MIMO送信ウエイト算出回路133は、行列~H’mainの行ベクトルが張る部分空間の任意の直交基底ベクトルを算出し、これを基底ベクトル{e’k}とする(ステップS145)。 The MU-MIMO transmission weight calculation circuit 133 calculates the orthogonal basis vectors of the subspace spanned by each row vector of the extended partial channel matrix H'sub, and sets this as the basis vector { e'j } (step S135). Next, the MU-MIMO transmission weight calculation circuit 133 cancels the components related to the basis vector { e'j } calculated in step S135 from the partial channel matrix Hmain for the terminal device 802-k of interest, and sets this as the matrix ~ H'main (step S140). Furthermore, the MU-MIMO transmission weight calculation circuit 133 calculates any orthogonal basis vector of the subspace spanned by the row vectors of the matrix ~ H'main , and sets this as the basis vector { e'k } (step S145).
ここで、任意の基底ベクトルとは、例えば行列~Hmainを特異値分解した際の右特異行列を構成するベクトルなどを選んでもよい。その後、MU-MIMO送信ウエイト算出回路133は、基底ベクトル{e’k}の各ベクトルのエルミート共役ベクトル(複素共役ベクトルを転置した列ベクトル)として、端末装置802-kの信号に関する送信ウエイトベクトル{w’k}を決定する(ステップS150)。 Here, the arbitrary basis vector may be, for example, a vector that constitutes a right singular matrix when singular value decomposition is performed on the matrix ~H main . Thereafter, the MU-MIMO transmission weight calculation circuit 133 determines a transmission weight vector {w' k } for the signal of the terminal device 802-k as the Hermitian conjugate vector (column vector obtained by transposing the complex conjugate vector) of each vector in the basis vector {e' k } (step S150).
MU-MIMO送信ウエイト算出回路133は、宛先とする全ての端末装置802の送信ウエイトベクトルが決定済みか否かを判定する(ステップS155)。MU-MIMO送信ウエイト算出回路133は、未処理の端末装置802があると判定した場合(ステップS155:NO)、ステップS120からステップS150までの処理を繰り返す。そして、MU-MIMO送信ウエイト算出回路133は、宛先とする全ての端末装置802の送信ウエイトベクトルを決定済みと判定した場合(ステップS155:YES)、送信ウエイトベクトル{w’k}を各列ベクトルとする行列として送信ウエイト行列W’を決定し(ステップS160)、処理を終了する。送信ウエイト行列W’のk列目が送信ウエイトベクトルw’kとなる。 The MU-MIMO transmission weight calculation circuit 133 determines whether transmission weight vectors have been determined for all destination terminal devices 802 (step S155). If the MU-MIMO transmission weight calculation circuit 133 determines that there is an unprocessed terminal device 802 (step S155: NO), it repeats the processes from step S120 to step S150. If the MU-MIMO transmission weight calculation circuit 133 determines that transmission weight vectors have been determined for all destination terminal devices 802 (step S155: YES), it determines a transmission weight matrix W' as a matrix with the transmission weight vector {w' k } as each column vector (step S160), and ends the process. The k-th column of the transmission weight matrix W' is the transmission weight vector w' k .
このように、実施形態の基地局装置80は、直交化処理を行うことで、干渉抑圧に効果的なチャネルベクトルのみを抽出してヌル形成を行うことができ、効率的にマルチユーザMIMOウエイトの生成を行うことができる。 In this way, by performing orthogonalization processing, the base station device 80 of this embodiment can extract only channel vectors that are effective in interference suppression and perform null formation, thereby efficiently generating multi-user MIMO weights.
基地局装置80の送信部81は、前述の図13及び図14に示される送信ウエイト算出処理において決定された送信ウエイト行列W’を用いて送信処理を行う。これにより、基地局装置80からの送信信号sは、送信ウエイト行列W’×基地局装置からの各端末向け送信信号tとなる。ただし、送信信号sは、アンテナ素子819-1~819-Kそれぞれからの送信信号s1、s2、…、sKを要素とする列ベクトルであり、送信信号tは、基地局装置80から端末装置802-1~802-Lそれぞれ向けの送信信号t1、t2、…、tLを要素とする列ベクトルである。 The transmitter 81 of the base station device 80 performs transmission processing using the transmission weight matrix W' determined in the transmission weight calculation processing shown in Figures 13 and 14 described above. As a result, the transmission signal s from the base station device 80 becomes the transmission weight matrix W' x the transmission signal t from the base station device to each terminal. However, the transmission signal s is a column vector whose elements are the transmission signals s 1 , s 2 , ..., s K from each of the antenna elements 819-1 to 819-K, and the transmission signal t is a column vector whose elements are the transmission signals t 1 , t 2 , ..., t L from the base station device 80 to each of the terminal devices 802-1 to 802-L.
以上説明したように、ヌル空間拡張技術において用いる複数のチャネルベクトルが類似している場合には、それらの両方を用いるヌル形成の干渉抑圧効果は低下する。そのため、本発明の実施形態における基地局装置80は、チャネルベクトル間の類似度を計算し、その類似度が一定以下であるチャネルベクトルのみをウエイト形成に用いる。これにより、基地局装置80は、効率的にユーザ間干渉を抑圧することができる。本発明の実施形態における基地局装置80によれば、ヌル空間拡張技術において、干渉抑圧に効果的なチャネルベクトルのみを抽出してウエイト生成を行うことで、低演算量で効率的に干渉抑圧を行うことが可能になる。 As explained above, when multiple channel vectors used in null space extension technology are similar, the interference suppression effect of null formation using both of them decreases. Therefore, the base station device 80 in an embodiment of the present invention calculates the similarity between channel vectors and uses only channel vectors whose similarity is below a certain level for weight formation. This allows the base station device 80 to efficiently suppress inter-user interference. According to the base station device 80 in an embodiment of the present invention, by extracting only channel vectors that are effective for interference suppression and generating weights in null space extension technology, it becomes possible to perform efficient interference suppression with a low amount of calculation.
以上、本発明はマルチユーザMIMO無線通信等に適用される複数アンテナ素子を用いたヌル形成技術に関するものである。従来より、ユーザ間などで発生する干渉抑圧のために、他ユーザ、他ビーム、他ストリームからの信号をウエイト生成して行列演算するヌル形成技術の検討が行われている。しかしながら、ヌルの形成のためには、自由度、すなわち使用するアンテナ素子数を消費してしまい、干渉抑圧はできるものの、所望の信号の利得が低下してしまうという課題があった。また、従来の方法では、ヌル生成のために必要な演算量が膨大となってしまうという課題があった。これに対し本発明は、各チャネルのチャネルベクトル間の類似度算出式を新たに考案し、類似度が高い場合のみ、それらのチャネルベクトルをウエイト生成に用いることによって効率的に干渉抑圧することを可能にし、上記の課題を解決するものである。 As described above, the present invention relates to null formation technology using multiple antenna elements that is applicable to multi-user MIMO wireless communications and the like. Null formation technology has been studied in the past to suppress interference that occurs between users, etc., by generating weights for signals from other users, other beams, and other streams and performing matrix calculations. However, forming nulls consumes degrees of freedom, i.e., the number of antenna elements used, and while interference can be suppressed, there is an issue of reduced gain for the desired signal. Furthermore, conventional methods have the issue of the enormous amount of calculation required for null generation. In response to this issue, the present invention devise a new formula for calculating the similarity between channel vectors of each channel, and uses those channel vectors for weight generation only when the similarity is high, enabling efficient interference suppression and resolving the above-mentioned issues.
[本発明に係る実施形態のその他の補足事項]
以下に、本発明に係る実施形態に関する幾つかの補足事項をまとめておく。
[Other supplementary points regarding the embodiment of the present invention]
Below, some supplementary points regarding the embodiments of the present invention are summarized.
本発明の実施形態におけるダウンリンクのチャネル推定方法は、如何なる方法を用いることも可能である。例えばダウンリンクのチャネル情報を取得する場合、ダウンリンクで基地局装置が所定のトレーニング信号を送信し、端末装置側でそのトレーニング信号を基にチャネル推定を行い、所定の制御情報を収容した無線パケットを用いて基地局装置側に直接的にチャネル情報をフィードバックする方法(エクスプリシット・フィードバック法)を用いることも可能である。同様に、アップリンクで端末装置が所定のトレーニング信号を送信し、基地局装置側でそのトレーニング信号を基にアップリンクのチャネル推定を行い、得られたアップリンクのチャネル情報を基に所定のキャリブレーション処理の後にダウンリンクのチャネル情報を推定する方法(インプリシット・フィードバック法)を用いることも可能である。 In embodiments of the present invention, any method can be used for downlink channel estimation. For example, when acquiring downlink channel information, a method (explicit feedback method) can be used in which a base station device transmits a predetermined training signal on the downlink, a terminal device performs channel estimation based on the training signal, and the channel information is directly fed back to the base station device using a wireless packet containing predetermined control information. Similarly, a method (implicit feedback method) can be used in which a terminal device transmits a predetermined training signal on the uplink, a base station device performs uplink channel estimation based on the training signal, and the downlink channel information is estimated after a predetermined calibration process based on the obtained uplink channel information.
このように図12のチャネル情報取得回路831の実現方法としては様々なバリエーションが有り得るが、本発明の実施形態ではチャネル情報取得回路831にてチャネル情報の取得が完了した後の処理であるため、従来技術のチャネル情報取得回路831において如何なるチャネル情報の取得方法を用いたとしても、その影響はない。すなわち任意のチャネル情報取得方法において、本発明の実施形態は適用可能である。 As such, there are many variations in how the channel information acquisition circuit 831 in Figure 12 can be implemented, but in the embodiment of the present invention, this processing occurs after the channel information acquisition circuit 831 has completed acquiring channel information, so there is no impact no matter what channel information acquisition method is used in the channel information acquisition circuit 831 of the prior art. In other words, the embodiment of the present invention is applicable to any channel information acquisition method.
また以上の説明においては、簡単のため周波数成分を表す添え字を省略したり、更には個別の周波数成分に関する説明も省略されているところがあるが、一般的にチャネル情報や送受信ウエイト、さらには送信信号や受信信号などにおける全ての信号処理は全て周波数軸上で周波数成分毎に個別に規定され処理される。各信号処理回路の内部では、例えば送信側におけるIFFT処理の前段までの信号処理(ビット列のインタリーブ処理、信号点のマッピング、信号の変調処理、送信ウエイトの乗算など)は全て周波数成分毎に行われるものであり、同様に受信側におけるFFT処理からの信号処理(受信ウエイトの乗算、信号検出処理、信号のデマッピング、デインタリーブ処理など)も全て周波数成分毎に行われる。このため、ダウンリンクにおけるチャネル情報の取得も周波数成分毎に実施され、同様に未来のチャネル情報の予測に関しても周波数成分毎に行うことになる。 In the above explanation, for simplicity's sake, subscripts representing frequency components have been omitted, and explanations of individual frequency components have also been omitted. However, generally, all signal processing, including channel information, transmit and receive weights, and transmit and receive signals, is defined and processed individually for each frequency component on the frequency axis. Within each signal processing circuit, for example, all signal processing up to the stage preceding IFFT processing on the transmitting side (bit sequence interleaving, signal point mapping, signal modulation, transmit weight multiplication, etc.) is performed for each frequency component. Similarly, all signal processing from FFT processing on the receiving side (receive weight multiplication, signal detection, signal demapping, deinterleaving, etc.) is also performed for each frequency component. For this reason, acquisition of downlink channel information is also performed for each frequency component, and similarly, prediction of future channel information is also performed for each frequency component.
ただし、ダウンリンクのチャネル情報の取得は全周波数成分で個別に行うのが基本であるが、未来のチャネル予測の精度は単純なチャネル情報の取得よりも低いことが想定される。この場合、チャネル予測を全てのサブキャリアで実施する必要はなく、周波数成分をある程度間引いてチャネル予測を行い、予測チャネルベクトルは近傍の周波数成分のものを利用してもそれほど特性が劣化しないことが想定される。例えば、チャネル予測を3つの周波数成分に1回行う場合、予測を実施した周波数成分の前後の周波数成分に関しては、予測されたチャネルベクトルを活用するという構成であっても構わない。周波数方向の相関がさらに強ければ、より間引いてチャネル予測を行うこととしても構わない。 However, while downlink channel information is typically obtained individually for all frequency components, it is expected that the accuracy of future channel predictions will be lower than when simple channel information is obtained. In this case, it is not necessary to perform channel prediction for all subcarriers; it is expected that characteristics will not deteriorate significantly even if channel prediction is performed by thinning out frequency components to a certain extent and using predicted channel vectors for nearby frequency components. For example, if channel prediction is performed once for three frequency components, it is acceptable to use predicted channel vectors for frequency components before and after the frequency component for which prediction was performed. If the correlation in the frequency direction is even stronger, it is acceptable to perform channel prediction by thinning out even more.
また回路構成上は、それぞれの周波数成分毎に個別の回路を備えても良いし、同一の処理を実施することから周波数成分毎にシリアルに順番に処理を行い、回路を周波数成分に対して共用化することも可能である。さらには、この中間的に、複数の回路を用意して、周波数成分を適宜分割し、複数の回路でパラレルな処理をシリアルに実施する処理としても構わない。これらは全ての実施形態に共通する。 In terms of circuit configuration, individual circuits may be provided for each frequency component, or, since the same processing is performed, processing may be performed serially for each frequency component in order, with the circuit being shared among all frequency components. Furthermore, as an intermediate step, multiple circuits may be provided, the frequency components may be divided appropriately, and parallel processing may be performed serially across the multiple circuits. These are common to all embodiments.
端末装置が複数のアンテナ素子を備え、部分チャネル行列Hmainの次元が2次元以上となる場合、所望端末向けチャネル行列である部分チャネル行列Hmainの直交化は基地局装置側の送信ウエイトで行うことは必須ではなく、例えばブロック対角化法などの送信ウエイト生成法を用い異なる端末装置間の信号分離ができていれば、同一端末装置内の所望信号分離(ストリーム間干渉の抑圧)は端末装置側の信号処理で対処することが可能である。 When a terminal device is equipped with a plurality of antenna elements and the dimension of the partial channel matrix H main is two or more, it is not essential to perform orthogonalization of the partial channel matrix H main , which is a channel matrix for a desired terminal, using transmission weights on the base station device side. For example, if signal separation between different terminal devices is possible using a transmission weight generation method such as block diagonalization, desired signal separation within the same terminal device (suppression of inter-stream interference) can be handled by signal processing on the terminal device side.
また、OFDM変調方式では全てのサブキャリアが同一の端末装置との通信に利用されているので、その際の送受信ウエイト(平均化送受信ウエイトベクトル及びリアルタイム送受信ウエイト行列)は全サブキャリアで共通の組み合わせの端末装置に対する送受信ウエイトを用いることになる。しかし、OFDMA(Orthogonal frequency-division multiple access)では、時間軸及び周波数軸上にパッチワーク状に異なる組み合わせの端末装置への割り当てを寄せ集めているため、時間(OFDMシンボル)及び周波数(サブキャリア)ごとに、割り当てられている端末装置に対する送受信ウエイトを用いる必要がある。しかし、その差を除けばOFDMとOFDMAとは全く同様に処理することが可能であり、本明細書ではOFDMを中心に説明を行ったが、OFDMAにおいても全く同様に本発明の実施形態を適用することができる。 Furthermore, in the OFDM modulation method, all subcarriers are used for communication with the same terminal device, so the transmit and receive weights (averaged transmit and receive weight vector and real-time transmit and receive weight matrix) used at that time are transmit and receive weights for the terminal device with a common combination across all subcarriers. However, in OFDMA (Orthogonal frequency-division multiple access), different combinations of assignments to terminal devices are gathered together in a patchwork pattern on the time and frequency axes, so it is necessary to use transmit and receive weights for the assigned terminal device for each time (OFDM symbol) and frequency (subcarrier). However, apart from this difference, OFDM and OFDMA can be processed in exactly the same way, and although this specification has focused on OFDM, embodiments of the present invention can also be applied in exactly the same way to OFDMA.
また、SC-FDEに関しても様々な運用上のバリエーションが存在するが、送信側で平均化送信ウエイトを乗算し、各アンテナ素子から送信された信号が空間上で合成された後の受信信号処理、及び受信側で平均化受信ウエイトを乗算し、各アンテナ素子の信号が加算合成された後の受信信号処理のいずれにおいても、上述の各構成例では従来のSC-FDEで行われる処理をそのまま適用する構成としているために、全てのバリエーションのSC-FDEに適用可能である。この場合には、OFDM変調方式の信号処理の代わりにシングルキャリアでの信号処理を行った後、ダウンリンクであればシングルキャリアの時間軸上の信号に対してFFT処理を施すことで各周波数成分毎の信号成分を生成する。そして、これらの信号成分をOFDM変調方式で生成される各サブキャリアの信号と見なして本発明の実施形態により生成された送信ウエイトを乗算すれば良い。 While there are various operational variations of SC-FDE, the above-described configuration examples apply the same processing as conventional SC-FDE in both the received signal processing after the signals transmitted from each antenna element are spatially combined by multiplying the signals by an averaged transmit weight on the transmitting side, and the received signal processing after the signals from each antenna element are added and combined by multiplying the signals by an averaged receive weight on the receiving side, making them applicable to all variations of SC-FDE. In this case, single-carrier signal processing is performed instead of OFDM modulation signal processing, and then, in the downlink, FFT processing is performed on the single-carrier signal on the time axis to generate signal components for each frequency component. These signal components are then treated as subcarrier signals generated by OFDM modulation and multiplied by the transmit weights generated by an embodiment of the present invention.
同様にアップリンクであれば、受信信号に対してFFT処理を施した信号をOFDM変調方式の場合と同様に扱い、本発明の実施形態により生成された送信ウエイトを乗算することで信号分離する。そして、その信号分離された周波数成分の信号に対してIFFT処理を施すことで時間軸上のシングルキャリアの信号に変換すれば良い。この様に一部の信号処理にOFDM変調方式とSC-FDEでは差異があるが、送受信ウエイトの生成と乗算処理などは共通であり、これらどちらの信号方式であっても本発明の実施形態は適用可能である。 Similarly, for the uplink, the received signal is subjected to FFT processing, and the signal is treated in the same way as in the OFDM modulation method, and is separated by multiplying it by the transmission weight generated by an embodiment of the present invention. The separated frequency component signals are then subjected to IFFT processing to convert them into single-carrier signals on the time axis. As such, while there are differences in some signal processing between the OFDM modulation method and SC-FDE, processes such as the generation of transmission and reception weights and multiplication are common, and embodiments of the present invention can be applied to either signal method.
また、本明細書は、OFDM、OFDMA等の広帯域なシステムを想定した記述となっているが、本発明の実施形態は狭帯域なシステムにおいても同様に適用可能である。 Furthermore, while this specification is written assuming wideband systems such as OFDM and OFDMA, embodiments of the present invention are equally applicable to narrowband systems.
また更に、本明細書においては説明の都合上、「行ベクトル」と「列ベクトル」をあまり区別することなく扱っている。ベクトルの並びの方向を統一する厳密な数学上の表記であれは「転置」などの記号などを使って表記すべきである。しかし、本発明の実施において必要な情報はベクトルの各成分の値であり、そのベクトルが行ベクトルか列ベクトルであるかはあまり意味をもたないため、理解の容易さを優先して「行ベクトル」と「列ベクトル」を区別しない説明としている。 Furthermore, for the sake of convenience, this specification does not distinguish between "row vectors" and "column vectors." In strict mathematical notation that unifies the direction of vector arrangement, symbols such as "transpose" should be used. However, the information required to implement this invention is the value of each component of a vector, and whether the vector is a row vector or a column vector does not make much sense. Therefore, for the sake of ease of understanding, this specification does not distinguish between "row vectors" and "column vectors."
例えば、式(3)におけるチャネルベクトルhiは行ベクトルであり、送信ウエイトベクトルwjは列ベクトルである。そして、図11に示すように、本発明の実施形態の送信ウエイト算出に使用される拡張部分チャネル行列H’subは、送信ウエイト算出対象外の端末装置のチャネルベクトル及び予測チャネルベクトルを各行に並べたものである。つまり、ダウンリンクの場合、部分チャネル行列Hsubに、行ベクトルの予測チャネルベクトルを付加する。 For example, in equation (3), the channel vector h i is a row vector, and the transmission weight vector w j is a column vector. As shown in Fig. 11, the extended partial channel matrix H' sub used in calculating the transmission weights in this embodiment of the present invention has channel vectors and predicted channel vectors of terminal devices not subject to transmission weight calculation arranged in each row. That is, in the case of the downlink, the predicted channel vectors of the row vectors are added to the partial channel matrix H sub .
一方、アップリンクの場合には、各端末装置のチャネルベクトルは列ベクトルであり、受信ウエイトベクトルは列ベクトルである。従って、受信ウエイト算出に使用される拡張部分チャネル行列H’subは、受信ウエイト算出対象外の端末装置のチャネルベクトル及び予測チャネルベクトルを各列に並べたものである。つまり、アップリンクの場合、部分チャネル行列Hsubに、列ベクトルの予測チャネルベクトルを付加する。 On the other hand, in the case of the uplink, the channel vectors of each terminal device are column vectors, and the receiving weight vectors are column vectors. Therefore, the extended partial channel matrix H' sub used to calculate the receiving weights is obtained by arranging the channel vectors and predicted channel vectors of terminal devices not subject to receiving weight calculation in each column. In other words, in the case of the uplink, the predicted channel vectors, which are column vectors, are added to the partial channel matrix H sub .
上述した実施形態によれば、無線通信システムは、複数のアンテナ素子を備えた基地局装置と、複数の端末装置とを具備し、基地局装置と端末装置とが同一周波数上で同一時刻に空間多重伝送を行うことが可能である。例えば、基地局装置は、実施形態における基地局装置80であり、端末装置は、実施形態における端末装置802である。上記の基地局装置は、ウエイト算出部を備える。例えば、ウエイト算出部は、実施形態における送信ウエイト処理部130である。 According to the above-described embodiment, the wireless communication system includes a base station device equipped with multiple antenna elements and multiple terminal devices, and the base station device and terminal devices can perform spatial multiplexing transmission on the same frequency at the same time. For example, the base station device is base station device 80 in the embodiment, and the terminal device is terminal device 802 in the embodiment. The above-described base station device includes a weight calculation unit. For example, the weight calculation unit is transmission weight processing unit 130 in the embodiment.
上記のウエイト算出部は、端末装置のアンテナ素子又は該アンテナ素子を合成して得られる仮想的なアンテナ素子と基地局装置の備えるアンテナ素子との間のチャネル情報により生成されるチャネルベクトルと、チャネルベクトルとは異なる端末装置のアンテナ素子に関連する追加のチャネルベクトルとを並べたチャネル行列に基づいて、複数の端末装置に対して空間多重伝送を行うためのウエイトベクトルを算出する。 The weight calculation unit calculates weight vectors for spatial multiplexing transmission to multiple terminal devices based on a channel matrix that lists channel vectors generated from channel information between the antenna elements of the terminal devices or virtual antenna elements obtained by combining these antenna elements and the antenna elements of the base station device, and additional channel vectors associated with antenna elements of the terminal devices that are different from the channel vectors.
上記のウエイト算出部は、端末装置の追加のチャネルベクトルとして、端末装置のチャネルベクトルである第1チャネルベクトルより前に取得された一つまたは複数の第2チャネルベクトルの中から、第1チャネルベクトルとの相互の類似度が低い第2チャネルベクトルを選択して、ウエイトベクトルを算出する。 The weight calculation unit selects, as an additional channel vector for the terminal device, a second channel vector that has a low degree of mutual similarity with the first channel vector from among one or more second channel vectors acquired before the first channel vector, which is the channel vector of the terminal device, and calculates a weight vector.
なお、上記の基地局装置において、ウエイト算出部は、第1チャネルベクトルと第2チャネルベクトルとの内積の絶対値に基づいて、又は、内積の絶対値を第1チャネルベクトルのノルムと第2チャネルベクトルのノルムとの積で除した相互相関値に基づいて、第1チャネルベクトルと第2チャネルベクトルとの相互の類似度を算出するようにしてもよい。例えば、第1チャネルベクトルは、実施形態における端末装置#iの現在のチャネルベクトルhi(t)であり、第2チャネルベクトルは、実施形態における端末装置#iのと過去のチャネルベクトルhi(t-nT)であり、内積の絶対値は、実施形態における式(12)によって表される相関係数γi(n)の絶対値であり、相互相関値は、実施形態における式(13)によって表される相関係数γi(n)である。 In the above base station device, the weight calculation unit may calculate the mutual similarity between the first channel vector and the second channel vector based on the absolute value of the dot product of the first channel vector and the second channel vector, or based on a cross-correlation value obtained by dividing the absolute value of the dot product by the product of the norm of the first channel vector and the norm of the second channel vector. For example, the first channel vector is the current channel vector h i (t) of the terminal device #i in the embodiment, the second channel vector is the past channel vector h i (t-nT) of the terminal device #i in the embodiment, the absolute value of the dot product is the absolute value of the correlation coefficient γ i (n) expressed by equation (12) in the embodiment, and the cross-correlation value is the correlation coefficient γ i (n) expressed by equation (13) in the embodiment.
なお、上記の基地局装置において、ウエイト算出部は、第1チャネルベクトルと第2チャネルベクトルとの内積の絶対値を、第1チャネルベクトル及び第2チャネルベクトルのうちいずれか一方のノルム、又は、一方のノルムの自乗で除した近似相関値に基づいて、第1チャネルベクトルと第2チャネルベクトルとの相互の類似度を算出するようにしてもよい。例えば、近似相関値は、実施形態における式(14)又は式(15)によって表される相関係数γi(n)である。 In the above base station device, the weight calculation unit may calculate the mutual similarity between the first channel vector and the second channel vector based on an approximate correlation value obtained by dividing the absolute value of the inner product of the first channel vector and the second channel vector by the norm of either the first channel vector or the second channel vector or by the square of the norm of either the first channel vector or the second channel vector. For example, the approximate correlation value is the correlation coefficient γ i (n) expressed by equation (14) or equation (15) in the embodiment.
なお、上記の基地局装置において、ウエイト算出部は、第1チャネルベクトルと第2チャネルベクトルとの差分ベクトルのノルムに基づいて、又は、差分ベクトルのノルムを第1チャネルベクトル及び第2チャネルベクトルのうちいずれか一方のノルムで除した値に基づいて、第1チャネルベクトルと第2チャネルベクトルとの相互の類似度を算出するようにしてもよい。例えば、差分ベクトルは、実施形態における式(16)によって表される差分ベクトルdi(n)である。 In the above base station device, the weight calculation unit may calculate the mutual similarity between the first channel vector and the second channel vector based on the norm of a difference vector between the first channel vector and the second channel vector, or based on a value obtained by dividing the norm of the difference vector by the norm of either the first channel vector or the second channel vector. For example, the difference vector is the difference vector d i (n) expressed by equation (16) in the embodiment.
なお、上記の基地局装置において、ウエイト算出部は、所定値より高い値の相互の類似度が所定回数を超えて出現する時点より前に算出されたウエイトベクトルを除いて、ウエイトベクトルを決定するようにしてもよい。 In the above-mentioned base station device, the weight calculation unit may determine the weight vector by excluding weight vectors calculated before the time when mutual similarities higher than a predetermined value appear more than a predetermined number of times.
なお、実施形態における基地局装置80の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより、上述した処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウエアを含むものとする。また、「コンピュータシステム」は、ホームページ提供環境(あるいは表示環境)を備えたWWWシステムも含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD-ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。更に「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ(RAM)のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。 In addition, the above-mentioned processing may be performed by recording a program for realizing the functions of the base station device 80 in this embodiment on a computer-readable recording medium, and then loading and executing the program recorded on this recording medium into a computer system. Note that the term "computer system" as used here includes hardware such as an OS and peripheral devices. It also includes a WWW system equipped with a homepage provision environment (or display environment). Furthermore, "computer-readable recording medium" refers to portable media such as flexible disks, optical magnetic disks, ROMs, and CD-ROMs, as well as storage devices such as hard disks built into computer systems. Furthermore, "computer-readable recording medium" also includes devices that retain a program for a certain period of time, such as volatile memory (RAM) within a computer system that acts as a server or client when a program is transmitted via a network such as the Internet or a communication line such as a telephone line.
また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク(通信網)や電話回線等の通信回線(通信線)のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。更に、前述した機能をコンピュータシステムに既に記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル(差分プログラム)であっても良い。 The above program may also be transmitted from a computer system that stores the program in a storage device or the like to another computer system via a transmission medium, or by transmission waves within the transmission medium. Here, the "transmission medium" that transmits the program refers to a medium that has the function of transmitting information, such as a network (communication network) such as the Internet or a communication line (communication line) such as a telephone line. The above program may also be one that realizes part of the above-mentioned functions. Furthermore, it may be a so-called differential file (differential program) that can realize the above-mentioned functions in combination with a program already recorded on the computer system.
複数のアンテナ素子を有する基地局装置が同一周波数チャネルを用いて複数の端末装置と通信する無線通信システムに利用可能である。 It can be used in wireless communication systems in which a base station device with multiple antenna elements communicates with multiple terminal devices using the same frequency channel.
80…基地局装置、81…送信部、85…受信部、87…インタフェース回路、88…MAC層処理回路、130…送信ウエイト処理部、132…チャネル情報記憶回路、133…MU-MIMO送信ウエイト算出回路、135…チャネル類似度計算回路、136…チャネル情報選択回路、801…基地局装置、802、802-1~802-k、802-L…端末装置、811-1、811-L…送信信号処理回路、812-1~812-K…加算合成回路、813-1~813-K…GI付与回路、814-1~814-K…D/A変換器、815…ローカル発振器、816-1~816-K…ミキサ、817-1~817-K…フィルタ、818-1~818-K…ハイパワーアンプ、819-1~819-K…アンテナ素子、820…通信制御回路、830…送信ウエイト処理部、831…チャネル情報取得回路、832…チャネル情報記憶回路、833…マルチユーザMIMO送信ウエイト算出回路、851-1~851-K…アンテナ素子、852-1~852-K…ローノイズアンプ、853…ローカル発振器、854-1~854-K…ミキサ、855-1~855-K…フィルタ、856-1~856-K…A/D変換器、857-1~857-K…FFT回路、858-1~858-L…受信信号処理回路、860…受信ウエイト処理部、861…チャネル情報推定回路、862…マルチユーザMIMO受信ウエイト算出回路、881…スケジューリング処理回路 80...base station device, 81...transmitter, 85...receiver, 87...interface circuit, 88...MAC layer processing circuit, 130...transmission weight processing unit, 132...channel information storage circuit, 133...MU-MIMO transmission weight calculation circuit, 135...channel similarity calculation circuit, 136...channel information selection circuit, 801...base station device, 802, 802-1 to 802-k, 802-L...terminal device, 811-1, 811-L...transmission signal processing circuit, 812-1 to 812-K...addition and synthesis circuit, 813-1 to 813-K...GI assignment circuit, 814-1 to 814-K...D/A converter, 815...local oscillator, 816-1 to 816-K...mixer, 817-1 to 817-K...filter, 818-1 to 818-K...high power amplifier, 8 19-1 to 819-K...antenna elements, 820...communication control circuit, 830...transmission weight processing circuit, 831...channel information acquisition circuit, 832...channel information storage circuit, 833...multi-user MIMO transmission weight calculation circuit, 851-1 to 851-K...antenna elements, 852-1 to 852-K...low-noise amplifier, 853...local oscillator, 854-1 to 854-K...mixer, 855-1 to 855-K...filter, 856-1 to 856-K...A/D converter, 857-1 to 857-K...FFT circuit, 858-1 to 858-L...received signal processing circuit, 860...received weight processing circuit, 861...channel information estimation circuit, 862...multi-user MIMO receive weight calculation circuit, 881...scheduling processing circuit
Claims (7)
前記端末装置のアンテナ素子又は該アンテナ素子を合成して得られる仮想的なアンテナ素子と前記基地局装置の備えるアンテナ素子との間のチャネル情報により生成される複数の前記端末装置分の第1チャネルベクトルと、前記第1チャネルベクトルとは異なる前記端末装置のアンテナ素子に関連する複数の前記端末装置分の第2チャネルベクトルとを並べたチャネル行列に基づいて、複数の前記端末装置に対して空間多重伝送を行うためのウエイトベクトルを算出するウエイト算出部
を備え、
前記ウエイト算出部は、前記チャネル行列に並べられる複数の前記端末装置それぞれの前記第2チャネルベクトルとして、複数の前記端末装置に含まれる一の端末装置の前記第1チャネルベクトルより前に取得された該端末装置のチャネルベクトルである一つまたは複数の前記第2チャネルベクトルのうち、前記第1チャネルベクトルとの相互の類似度が低い前記第2チャネルベクトルを用いる
基地局装置。 A base station apparatus in a wireless communication system including a base station apparatus having a plurality of antenna elements and a plurality of terminal apparatuses, wherein the base station apparatus and the terminal apparatuses can perform spatial multiplexing transmission on the same frequency at the same time,
a weight calculation unit that calculates weight vectors for performing spatial multiplexing transmission for the plurality of terminal devices based on a channel matrix in which first channel vectors for the plurality of terminal devices, which are generated based on channel information between the antenna element of the terminal device or a virtual antenna element obtained by combining the antenna elements, and the antenna element provided by the base station device, and second channel vectors for the plurality of terminal devices, which are associated with the antenna element of the terminal device different from the first channel vectors, are arranged;
A base station device in which the weight calculation unit uses , as the second channel vector for each of the multiple terminal devices arranged in the channel matrix, one or more second channel vectors that are channel vectors of a terminal device included in the multiple terminal devices and that were acquired before the first channel vector of the terminal device, and the second channel vector has a low mutual similarity with the first channel vector.
請求項1に記載の基地局装置。 2. The base station device according to claim 1, wherein the weight calculation unit calculates the mutual similarity between the first channel vector and the second channel vector based on the absolute value of the dot product between the first channel vector and the second channel vector, or based on a cross-correlation value obtained by dividing the absolute value of the dot product by the product of the norm of the first channel vector and the norm of the second channel vector.
請求項1に記載の基地局装置。 2. The base station device according to claim 1, wherein the weight calculation unit calculates the mutual similarity between the first channel vector and the second channel vector based on an approximate correlation value obtained by dividing the absolute value of the inner product of the first channel vector and the second channel vector by the norm of either the first channel vector or the second channel vector or by the square of the norm of either the first channel vector or the second channel vector.
請求項1に記載の基地局装置。 2. The base station device according to claim 1, wherein the weight calculation unit calculates the mutual similarity between the first channel vector and the second channel vector based on a norm of a difference vector between the first channel vector and the second channel vector, or based on a value obtained by dividing the norm of the difference vector by the norm of either the first channel vector or the second channel vector.
請求項1から4のうちいずれか一項に記載の基地局装置。 5. The base station device according to claim 1, wherein the weight calculation unit calculates the weight vector based on the channel matrix excluding the second channel vector acquired before a point in time when the mutual similarity having a value higher than a predetermined value appears more than a predetermined number of times.
前記端末装置のアンテナ素子又は該アンテナ素子を合成して得られる仮想的なアンテナ素子と前記基地局装置の備えるアンテナ素子との間のチャネル情報により生成される複数の前記端末装置分の第1チャネルベクトルと、前記第1チャネルベクトルとは異なる前記端末装置のアンテナ素子に関連する複数の前記端末装置分の第2チャネルベクトルとを並べたチャネル行列に基づいて、複数の前記端末装置に対して空間多重伝送を行うためのウエイトベクトルを算出するステップと、
前記チャネル行列に並べられる複数の前記端末装置それぞれの前記第2チャネルベクトルとして、複数の前記端末装置に含まれる一の端末装置の前記第1チャネルベクトルより前に取得された該端末装置のチャネルベクトルである一つまたは複数の前記第2チャネルベクトルのうち、前記第1チャネルベクトルとの相互の類似度が低い前記第2チャネルベクトルを用いるステップと、
を有するウエイト生成方法。 A weight generation method executed by a base station device in a wireless communication system including a base station device having a plurality of antenna elements and a plurality of terminal devices, wherein the base station device and the terminal devices can perform spatial multiplexing transmission on the same frequency at the same time, the weight generation method comprising:
a step of calculating weight vectors for performing spatial multiplexing transmission for the plurality of terminal devices based on a channel matrix in which first channel vectors for the plurality of terminal devices, which are generated based on channel information between the antenna elements of the terminal devices or virtual antenna elements obtained by combining the antenna elements, and the antenna elements of the base station device, and second channel vectors for the plurality of terminal devices, which are associated with the antenna elements of the terminal devices different from the first channel vectors, are arranged;
As the second channel vector of each of the plurality of terminal devices arranged in the channel matrix , one or more of the second channel vectors , which are channel vectors of a terminal device included in the plurality of terminal devices and acquired before the first channel vector of the terminal device, are used, and the second channel vector has a low degree of similarity to the first channel vector;
A weight generation method having the following.
前記基地局装置は、
前記端末装置のアンテナ素子又は該アンテナ素子を合成して得られる仮想的なアンテナ素子と前記基地局装置の備えるアンテナ素子との間のチャネル情報により生成される複数の前記端末装置分の第1チャネルベクトルと、前記第1チャネルベクトルとは異なる前記端末装置のアンテナ素子に関連する複数の前記端末装置分の第2チャネルベクトルとを並べたチャネル行列に基づいて、複数の前記端末装置に対して空間多重伝送を行うためのウエイトベクトルを算出するウエイト算出部
を備え、
前記ウエイト算出部は、前記チャネル行列に並べられる複数の前記端末装置それぞれの前記第2チャネルベクトルとして、複数の前記端末装置に含まれる一の端末装置の前記第1チャネルベクトルより前に取得された該端末装置のチャネルベクトルである一つまたは複数の第2チャネルベクトルのうち、前記第1チャネルベクトルとの相互の類似度が低い前記第2チャネルベクトルを用いる
無線通信システム。 A wireless communication system comprising a base station device having a plurality of antenna elements and a plurality of terminal devices, wherein the base station device and the terminal devices can perform spatial multiplexing transmission at the same time on the same frequency,
The base station device
a weight calculation unit that calculates weight vectors for performing spatial multiplexing transmission for the plurality of terminal devices based on a channel matrix in which first channel vectors for the plurality of terminal devices, which are generated based on channel information between the antenna element of the terminal device or a virtual antenna element obtained by combining the antenna elements, and the antenna element provided by the base station device, and second channel vectors for the plurality of terminal devices, which are associated with the antenna element of the terminal device different from the first channel vectors, are arranged;
The weight calculation unit uses, as the second channel vector of each of the plurality of terminal devices arranged in the channel matrix , one or more second channel vectors that are channel vectors of a terminal device included in the plurality of terminal devices and that were acquired before the first channel vector of the terminal device, and that second channel vector has a low degree of mutual similarity with the first channel vector.
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|---|
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