無線系統、基站裝置及終端裝置的製作方法

2023-05-14 08:46:31 1

專利名稱：無線系統、基站裝置及終端裝置的製作方法
技術領域：
本發明提供一種由無線通信基站裝置及終端裝置實施的多用戶MIMO傳輸(多輸入多輸出)中波束形成的方法。特別是，提供一種通過抑制隨機波束形成方式中無用的發送而頻率利用效率較高的傳輸方法。
背景技術：
目前正在開展有關MIMO(Multi-Input Multi-Output，即多輸入多輸出)傳輸的各種研究。在非專利文獻1中示出了可以通過基站和終端以1對1方式進行MIMO傳輸的單用戶MIMO來大幅提高頻率利用效率的技術。在非專利文獻2中介紹了髒紙碼(Dirty paper coding，簡稱DPC)，並且在非專利文獻3及4中示出了如果使用DPC，則達到MIMO廣播傳輸的最大容量的技術。但是，因為DPC的計算量的大小，而難以進行安裝。因此，在非專利文獻5中，介紹了塊對角化(Block Diagonalization，簡稱BD)。在此，基站進行線性空間預編碼，對用戶間幹擾進行迫零(ZeroForcing)。在該背景技術中，眾所周知雖然其前提為可以理想地推測信道狀態信息(Channel State Information，簡稱CSI)，但是在實際MIMO的安裝過程中，特別是在天線數較多時和用戶數較多時卻難以進行理想推測。另外，對於發送完整的CSI信息的情況而言，反饋信息量的增加成為課題。在非專利文獻6及7中，提出了利用部分CSI的多用戶MIMO。但是，對於這些現有技術而言，發送天線數和接收天線數為相同數目，不能認為是適合於蜂窩環境的條件設定。在非專利文獻8中，提出了一種只將被稱為隨機波束形成(Random Beamforming)的信號對幹擾噪比(SINR)作為反饋信息的方法。該方法用來使用隨機的波束形成，只給最佳傳輸路徑環境的1名用戶分配資源。再者，在非專利文獻9中，提出了將隨機波束形成應用於MIMO中的方案。但是，該方法同時只給唯一一名用戶分配資源，是與單用戶的MIMO對應的方法。利用正交的隨機波束形成的方法(ORBFOrthogonal Random Beam Forming)，也在非專利文獻10中進行了介紹。在ORBF中，各用戶向基站報告作為最大SINR的波束指引。可知在ORBF中在用戶數較多時達到DPC的最大總容量。但是，在蜂窩系統中，因為一個基站的用戶數至多是64名用戶左右，所以要考慮，採用ORBF只能得到少許的性能增加。因此，在非專利文獻11中，採用了被稱為多用戶分集和多路復用(Multi-user diversityand multiplexing，MUDAM)的方法來謀求改進。但是，MUDAM在確定全部波束形成向量之前多次需要CSI的反饋，並且如同蜂窩那樣，在包含高速移動的用戶時，是不適合的。
非專利文獻1G.J.Foschini and M.J.Gans，「On limits of wirelesscommunications in a fading environment when using multipleantennas」，Wireless Personal Commun.Khuwer Academic Press，no.6，pp.311-335，1998.
非專利文獻2M.Costa，「Writing on Dirty Paper」，IEEE Trans.Inf.Theory，Vol.29，pp.439-441，May 1983.
非專利文獻3P.Viswanath and D.Tse，「Sum capacity of the VectorGaussian broadcast channel and uplink-downlink duality」，IEEE Trans.Info.Theory，vol.49，pp.1912-1921，Aug.2003.
非專利文獻4G.Carie and S.Shamai，「On the achievable throuputof a multiantenna Gaussian broadcast channel」，IEEE Trans.Info.Theory，Vol.49，pp.1691-1706，Jul.2003.
非專利文獻5Q.H.Spencer，A.L.Swindehurst and M.Haardt，「Zero-forcing Methods for Downlink Spatial Multiplexing inMulti-User MIMO Channels」，IEEE Trans.Sig.Proc.，vol.52，pp.461-471，Feb.2004.
非專利文獻6R.W.Heath Jr.，M.Airy and A.J.Paulraj，」Multiuserdiversity for MIMO wireless systems with linear receivers」，in Proc.Of Asilomar Conf.on Signals，Systems，and Computers，vol.2，pp.1194-1199，Nov.2001.
非專利文獻7H.Lee，M.Shin and C.Lee，」An eigen-based MIMOmultiuser scheduler with partial feedback information」.IEEE commun.Lett.，vol.9，pp.328-330，Apr.2005.
非專利文獻8P.Viswanath，D.N.C.Tse andR.Laroia，」Opportunistic beamforming using dumb antennas」，IEEETrans.Infom.Theory，vol.48，pp.1277-1294，Jun.2002.
非專利文獻9J.Chung，C.S.Hwang，K.Kim and Y.K.Kim，」Arandom beamforming technique in MIMO systems exploiting multiuserdiversity」，IEEE J.Select.Areas Commun.，vol.21，pp.848-855，Jun.2003.
非專利文獻10M.Sharif and B.Hassibi，「On the capacity of MIMObroadcast channels with partial side information」，IEEE Trans.Info.Theory，vol.51，pp.506-522，Feb.2005.
非專利文獻11G.C.Briones，A.A.Dowhuszko，J.Hamalainen andR.Wichiman，「Achievable data rates for two transmit antennabroadcast channels with WCDMA HSDPA feedback information」，Proc.IEEE Int.Conf.Commun.，vol.4，pp.2722-2727，May 2005.

發明內容
在以往的ORBF中，隨機波束的數目是固定的值。在隨機波束髮送過程中，因為若同時發送的波束數有所增加，則在相互的波束間產生幹擾，所以發生信號質量的變差。因此，總是使用多個隨機波束進行信號發送不牽涉到系統容量的最大化。這是第一課題。
另外，還不清楚應該如何確定同時發送的波束數。這是第二課題。
為了解決第一課題，採用下述結構，該結構按照終端報告的無線狀況，令通過隨機波束髮送的波束數產生變化，以使系統容量最大化。具體而言，使終端對基站報告隨機波束中SINR(Signal to Interference andNoise Rate信號對幹擾噪聲比，S/(I+N))最高的波束的識別符、和該波束的SINR。在基站中設置波束數確定單元，用來根據所報告的信息，求出系統容量成為最大的發送波束數。通過波束數確定單元，來確定發送的波束數及波束、以及使用該波束髮送信息的作為對方的終端(目標終端)。該發送波束數確定是以無線幀單位或多個無線幀單位來進行的。
為了解決第二課題，導入根據SINR確定發送波束數的MBS(MultiBeam Selection，根據從終端所報告的SINR選擇發送的波束數及波束的方法)算法。在SNR(Signal to Noise Rate，即信噪比)較低時，幹擾不為決定信號質量的決定因素，而如果同時發送多個波束，則系統容量增加。另一方面，在SNR較高時，因為幹擾成為決定因素，所以並不發送多個波束，而進行利用1個波束的發送。在終端有多個天線的MIMO環境下，包括天線在內進行1個數據流的傳輸。這樣，通過採用MBS算法來確定發送波束數，就可以適當決定波束數，課題得以解決。
發明效果根據本發明，可以將以往因為變更發送波束數的過程不清楚而不能實施的隨機波束的發送波束數總是能夠保持為最佳狀態，並且能夠維持將系統容量保持為最大的狀態。因而，課題得以解決。


圖1是包括本發明實施示例的基站裝置和終端裝置的無線系統的圖。
圖2是表示本發明實施示例的基站裝置和終端裝置之間的順序的圖。
圖3是表示本發明實施示例的隨機波束形成的發送方法的圖。
圖4是本發明實施示例的基站裝置的結構圖。
圖5是本發明實施示例的終端裝置的結構圖。
其中，1... 基站裝置2... MIMO信道3... 終端裝置4... 基站天線5... 終端天線101... 網絡接口102... 調製單元103... 權重乘法單元104... 導頻信號生成單元105... 空間調製單元106... 信號合成單元107... 雙工器108... 解調單元109... 資源管理器301... 雙工器302... 解調單元303... 資源管理器304... 網絡接口305... 調製單元具體實施方式
採用圖1～5來說明本發明的第1實施示例。圖1表示的是本專利假定的蜂窩環境下MIMO(Multi-Input Multi-Output)傳輸的結構示例。基站方具備mt根天線，終端方分別具備mr根天線。傳輸路徑2成為MIMO信道，並且各個天線接受獨立的衰落。從基站發送的信號利用由mt×mt構成的隨機合成整體波束形成矩陣(Random complex unitary beamformingmatrix)，進行隨機波束形成。假設，用戶數為K，則在蜂窩環境下一般存在K＞mt＞mr的關係。在以往的技術中，雖然存在發送波束數mb＝mt的關係，但是在根據本專利構成的實施示例中，大多數情況下成立mb＜mt的關係。只是在各終端的平均SNR較低時，成立mb＝mt的關係。
下面，為了評價根據本發明構成的實施示例的性能，將導出理論公式。把由從發送天線i到接收天線j的傳輸信道構成的MIMO信道，表述為Hk＝{hij(k)}mr×mt(公式1)將從發送天線號i到用戶k之接收天線號j的傳輸信道hij(k)假定為複合高斯隨機信道。發送機使用由mb的相互正交的隨機矢量m構成的陣列權重進行波束形成。用戶k的接收信號yk用 (公式2)來表述。這裡，sm代表第m個發送信號。假設發送波束的功率為等分布，則成為E[sm*sm]=0mb(1mmb)]]>(公式3)這裡，ρ0表示平均SNR。首先，考慮mr＝1的情形。若假定完整的CSI(Channel State Information，即信道狀態信息)，則終端k可以計算第m個波束的SINR，並且為 (公式4)假設，全部終端報告所接收到的波束中最高的SINR，並且基站從其中選擇SINR最高的mb終端來進行了波束髮送，則系統容量可以和R(mb)E[i=1mblog(1+max1kKSINRki)]]]>=mbE[log(1+max1kKSINRki)]]]>(公式5)
相近似。若考慮到m是複合高斯隨機變量，並且對k和m是單一變量，則SINRkm=zmb/0+y1]]>(公式6)這裡，z和y分別依照X2(2)分布及X2(2mb-2)分布。SINRkm的累計分布函數(CDFCumulative distribution function)為FS(x)=1-e-mbx0(1+x)mb-1,x0]]>(公式7)因而，mb發送時的系統容量為R(mb)=mb0log(1+x)dFSK(x)]]>(公式8)發送波束數的最佳值為m^b=argmax1mbmtR(mb)]]>(公式9)例如，在低SNR時，設為ρ0→0，並且如果u=FSK(x),]]>則根據R(mb)mb=mb01log(1+0mblog11-u1/K)du-010mblog11-u1/K1+0mblog11-u1/K]]>(公式10)>01(0mblog11-u1/K)2du>0]]>成為m^b=mt]]>(公式11)，在發送波束數較多時，系統容量成為最大。另一方面，在高SNR時，因為ρ0→∞，所以根據R(mb)=mbmb-101log11-u1/Kdu,formb>1]]>(公式12)並且R(1)=0log(1+x)10e-x0dx>R(2)=01log11-u1/Kdu]]>(公式13)為m^b=1]]>(公式14)由上面的研究得知，根據SNR，最佳的mb有所不同。也就是說，在SNR較低的情形下，如果同時發送波束數較多，則系統容量增高。另一方面，在SNR較高的情形下，利用單波束的發送的方式在系統容量上有優勢。
發送波束及發送目標用戶的組合{B，U}是由{B,U}=argmaxBB^,UU^kU,mBlog(1+SINRkm)]]>(公式15)得到的。
圖2是表示基站裝置和終端裝置順序的順序圖。首先，基站按規定的每一時間間隙發送隨機的mt條導頻信號(步驟201)。終端裝置根據該信息推測各波束的SINRkm，將其最大值和作為最大值的波束ID對基站裝置進行報告(步驟202)。在基站裝置中，根據所得到的最大SINR信息，使用(公式15)來確定應發送的波束和用戶。將確定結果預先通知給終端裝置(步驟203)。在步驟203中所指定的頻率及定時，基站裝置發送面向該用戶的無線信號；在步驟203中所指定的頻率及定時，終端裝置接收無線信號，並接收面向該終端裝置的信號(步驟204)。
本發明的無線裝置(基站及終端)進行由特定的時間間隙構成的時隙動作。按每個時隙更新上述隨機波束的權重，對發送信號乘上新的波束權重。作為波束權重的製作方法示例，一般是使用Schmidt正交化的方法。根據隨機數的不同，準備mt-1個隨機向量(mt×1)。採用Schmidt正交化的算法，生成mt獨立的權重向量。圖3是採用陰影的圖樣表示在每個時隙製作獨立的mt波束的狀態。因為使用了隨機數和Schmidt的正交化，所以波束權重按每個時隙產生變化，並且在時間上和空間上成為隨機。為了實用化，也可以預先充分計算能看作隨機之種類的天線權重，將其存儲於基站裝置的存儲器中。如果按每個時隙通過上述存儲器的查表，參照天線權重，則不再需要為每個時隙進行隨機數的生成及Schmidt正交化的運算。
圖4是表示基站裝置結構的結構圖。為了進行信道推測所發送的導頻信號是由導頻信號生成單元104生成的。所生成的導頻通過空間調製單元105乘上陣列權重，成為被空間調製後的導頻信號。網絡接口101從網絡所取出的應發送的用戶數據，在調製單元102中按照由資源管理器109指示的調製方式(MCS)進行調製。調製後的信號在權重乘法單元103中，乘上陣列權重，調製成被空間調製後的信號。被空間調製後的信號在信號合成單元106中，和上述被空間調製後的導頻在時間上多重，成為發送信號，在圖4中未記述的RF部中經過從基帶信號向RF信號的轉換後，經由雙工器107從天線進行發送。與終端發送的SINR有關的信息在天線接收之後，經由雙工器107，在圖4中未記述的RF部從RF信號轉換成基帶信號，通過解調單元108作為SINR信息加以取出。所取出的信號傳送給資源管理器109。資源管理器109根據多個用戶的SINR信息，按照(公式15)所示的算法來確定發送波束和發送目標用戶。另外，還根據此時得到的推測SINR，確定發送的MCS。
圖5是表示終端裝置結構的結構圖。天線所接收到的基站裝置所發送的導頻信號通過雙工器301，輸入給解調單元302，並在此推測SINR。所推測出的SINR由資源管理器303按每個波束進行比較，選擇SINR最大的波束，該SINR和波束的ID傳送給調製單元305。在調製單元305中，按照規定的調製方式，來調製SINR和波束ID。調製信號由附圖中未記述的RF部將其從基帶信號調製成RF信號，通過雙工器從天線進行發送。下行線路的數據信號通過雙工器301在解調部302進行解調，並通過網絡接口304向網絡進行發送。
根據上面的步驟、裝置結構，隨機波束的數目可以適當進行變化，第一課題得以解決。另外，因為同時發送的波束數通過使用(公式15)而清楚，所以第二課題也得以解決。
在本實施示例中，雖然未特別對調製方式進行記述，但是作為1次調製也可以使用CDMA或OFDMA，作為2次調製也可以使用QPSK或16QAM等一般調製方式。
另外，雖然在圖2中記述了在信道分配之後通知信道分配結果的順序(步驟203)，但是也可以省去本順序，隨意接受數據發送。
另外，當1個終端裝置具備多個天線時，可以同時發送多個數據流。此時，終端裝置需要增加對基站裝置報告的SINR數。邏輯上構成的信道通過考慮為如別的終端那樣，從而可以直接適用公式15的算法。這種情況下，因為可以同時傳輸多個數據流，所以根據MIMO中傳輸路徑多路化的效果，可以大幅提高該終端的傳輸速率。終端也可以導入下述功能，即使用適當的信號合成單元對由多個天線所接收到的信號進行合成，來提高信號質量。
產業上的可利用性根據本發明，在蜂窩通信中，當實施隨機波束形成時，可以決定與傳播環境相應的發送波束數，能夠使系統的容量最大化。
權利要求
1.一種無線系統，其特徵為根據具備多個天線的基站裝置發送的被隨機波束形成後的導頻信號，一個以上的終端將各波束的SINR結果報告給上述基站裝置，上述基站裝置根據上述所報告的SINR結果，來確定發送數據時的波束數。
2.根據權利要求1所述的無線系統，其特徵為上述基站裝置根據從上述終端所報告的上述SINR結果，來確定發送上述數據時的波束數，以使系統容量成為最大。
3.根據權利要求1所述的無線系統，其特徵為在SNR和SINR幾乎一致時，上述基站裝置使發送上述數據時的波束數與發送天線數相一致，在SNR比SINR充分大時，上述基站裝置將發送上述數據時的波束數設為1。
4.一種基站裝置，其特徵為，具備導頻生成單元，生成多個正交的隨機波束形成用陣列權重，並通過對導頻信號乘上上述陣列權重，來製作被隨機波束形成後的導頻信號；發送部，將上述所生成的導頻信號發送給終端；接收部，從上述終端接收SINR信息；資源管理單元，根據從上述終端發送來的SINR信息，確定發送的波束數、發送的用戶及發送的波束；上述發送部使用由上述資源管理單元所選擇的上述波束，對上述終端進行數據發送。
5.根據權利要求4所述的基站裝置，其特徵為上述資源管理單元根據從上述終端所接收到的SINR信息，來確定上述發送的波束數，以使該基站裝置整體上的系統容量成為最大。
6.根據權利要求4所述的基站裝置，其特徵為在SNR和SINR幾乎一致時，使上述發送的波束數與發送天線數相一致，在SNR比SINR充分大時，將上述發送的波束數設為1。
7.一種終端裝置，其特徵為，具備SINR測量單元，接收基站發送的多個被隨機波束形成後的導頻信號，測量或推測該導頻信號的SINR；資源管理單元，根據該SINR測量單元的測量或推測結果，選擇能得到最高SINR的波束；調製單元，對由該資源管理單元所選擇的波束和上述SINR進行調製後，向上述基站報告。
8.根據權利要求7所述的終端裝置，其特徵為具備多個接收天線，用來進行MIMO接收；預先確定小於上述接收天線數的指定數X，將根據上述SINR的測量或推測結果對上述X根波束確定該波束的ID、和該波束的上述SINR的測量或推測結果，對上述基站進行傳輸。
全文摘要
在以往的ORBF中，隨機波束的數目是固定的值。在隨機波束髮送過程中，若同時發送的波束數有所增加，則在相互的波束間產生幹擾，因此發生信號質量變差。因此，總是使用多個隨機波束來發送信號不牽涉到系統容量的最大化。另外，還不清楚應該如何確定同時發送的波束數。本發明採用下述結構，即按照終端報告的無線狀況，使通過隨機波束髮送的波束數產生變化，以使系統容量最大化；並導入根據SINR來確定發送波束數的MBS算法。
文檔編號H04B7/26GK101090286SQ20061009176
公開日2007年12月19日 申請日期2006年6月12日 優先權日2006年6月12日
發明者張凱, 牛志升, 桑原幹夫, 早瀨茂規 申請人:清華大學, 株式會社日立製作所