JP2015522999A - 指向性アンテナを用いたワイヤレス通信方法および装置 - Google Patents

Abstract

基地局がパイロット信号をセルにおける移動端末に配分し、移動端末によって送信されるアップリンク・パイロット信号からＣＳＩを取得し、ＣＳＩを用いてメッセージをプリコードし、メッセージをＴＤＤプロトコルに従って送信する方法が提供される。ＣＳＩは、各移動端末から受信されるパイロット信号をその移動端末と関連する既知のパイロット信号と比較することによって、取得される。既知のパイロット信号は、相互に直交するパイロット信号の相互に直交する再利用群が隣接セルに配分されるパイロット信号再利用パターンに従って、それぞれの移動端末と関連付けられ、所与のセルの内部の移動端末は、そのセルに配分されたパイロット信号だけを送信することに制限される。

Description

本発明は、ＴＤＤ伝送を用いるワイヤレス通信の方法およびシステムに関する。

ワイヤレス・ネットワークのスペクトル効率を改善するために空間多重化技術が使用可能であることは、長く知られている。（スペクトル効率とは、周波数単位当たりの伝送データ・レートを指し、典型的には、ビット／秒／Ｈｚという単位で表される。）空間多重化の典型的な例では、送信アンテナの複数のアレイが、受信アンテナの複数のアレイに、メッセージの重ね合わせを送る。チャネル状態情報（ＣＳＩ）、すなわち、それぞれの送信および受信アンテナ対の間のチャネル係数は、既知であると仮定される。それぞれのチャネル係数の間の相関が低い場合には、ＣＳＩが、伝送されるメッセージのそれぞれに対して準独立（ｑｕａｓｉ−ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ）のチャネルを定義するために、送信機によって、または受信機によって、またはそれら両方によって、用いられることがあり得る。その結果として、個別のメッセージを、受信アンテナ・アレイにおいて回復することが可能である。

より最近では、専門家たちが空間多重化技術の拡張を提案しており、その場合には、移動または静止している複数のユーザ端末（本明細書では「端末」とも称される）に対し、更に多くの数の基地局アンテナなどから、同じ時間周波数スロットにおいて同時にサービスされる。なお、本明細書では、基地局アンテナを「サービス・アンテナ」または単に「アンテナ」と称する。特に、サービス・アンテナの数が端末の数よりもはるかに多いときには、そのようなネットワークは、「大規模アンテナ・システム（ＬＳＡＳ）」と称されることがある。

理論的研究によると、ＬＳＡＳネットワークの性能は、サービス・アンテナの数が増加するにつれて向上することが予想される。特に、スペクトル効率だけではなく、エネルギー効率もまた、向上する。（エネルギー効率とは、伝送された電力全体に対するデータ・スループット全体の比率を指し、例えば、ビット／ジュールという単位で測定される。）

そのような研究の１つとして、Ｔ．Ｌ． Ｍａｒｚｅｔｔａ、「ｏｎｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ Ｃｅｌｌｕｌａｒ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｗｉｔｈ Ｕｎｌｉｍｉｔｅｄ Ｎｕｍｂｅｒｓ ｏｆ Ｂａｓｅ Ｓｔａｔｉｏｎ Ａｎｔｅｎｎａｓ」、 ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． ｏｎ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ９、２０１０年１１月、３５９０〜３６００頁があり、本明細書では、以後、「Ｍａｒｚｅｔｔａ ２０１０」と称する。

いくつかのアプローチでは、基地局が、時分割複信（ＴＤＤ）相互性に依存する手順を通じてＣＳＩを取得し得る。すなわち、端末は、パイロット・シーケンスをリバース・リンク上に送り、基地局は、それからＣＳＩを推測することができる。そして、基地局は、ＣＳＩをビーム形成に用いることができる。このアプローチは、各端末に、相互に直交するパイロット・シーケンスの集合の中の１つを割り当てることが可能であるときに、うまく機能する。

一般に、移動装置が、所与の周波数上に、および場合によっては全周波数上に、すべてのパイロット・シーケンスを同期的に送信しパイロット・シーケンスの相互直交性を利用するのが有利であると考えられている。

しかし、利用可能な直交パイロット・シーケンスの数は比較的小さく、遅延拡散（ｄｅｌａｙ ｓｐｒｅａｄ）に対するコヒーレンス時間の比率を超えることはあり得ない。１つのセルの内部にある端末は、直交パイロット・シーケンスを用いることができるが、近隣のセルからの端末は、典型的には、同じパイロット・シーケンスの少なくともいくつかを再利用することを求められる。異なるセルにおいてパイロット・シーケンスをこのように再利用することのために、パイロット汚染の問題が生じる。パイロット汚染により、基地局は、同じセルに配置されている端末だけではなく、近隣のセルに配置されている端末にも、そのメッセージを含む信号を、ビーム形成（ｂｅａｍ−ｆｏｒｍ）することになる。これが、いわゆる、指向性干渉（ｄｉｒｅｃｔｅｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）である。指向性干渉は、基地局アンテナの数が増加するにつれて消滅するということはない。実際、指向性のセル間の干渉は、所望の信号と共に、基地局アンテナの数に比例して増加する。

例えばＭａｒｚｅｔｔａ ２０１０に示されているように、ＬＳＡＳネットワークにおいて基地局アンテナの数が増加するにつれて、パイロット汚染から生じるセル間干渉が、ついには、主な干渉源として現れることになる。

ダウンリンク信号のプリコーディングを用いてＬＳＡＳネットワークにおける指向性干渉を軽減するための方法が、２０１１年１２月１９日にＡ． ＡｓｈｉｋｈｍｉｎおよびＴ． Ｍａｒｚｅｔｔａによって出願され、本出願の譲受人に譲渡され、同時係属中である「Ｌａｒｇｅ−Ｓｃａｌｅ Ａｎｔｅｎｎａ Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｏｆ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｃｅｌｌ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ」と題する米国特許出願第１３／３２９８３４号に記載されている。

米国特許出願第１３／３２９８３４号

Ｔ． Ｌ． Ｍａｒｚｅｔｔａ、「ｏｎｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ Ｃｅｌｌｕｌａｒ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｗｉｔｈ Ｕｎｌｉｍｉｔｅｄ Ｎｕｍｂｅｒｓ ｏｆ Ｂａｓｅ Ｓｔａｔｉｏｎ Ａｎｔｅｎｎａｓ」、 ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． ｏｎ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ９、２０１０年１１月、３５９０〜３６００頁 Ｔ． Ｌ． Ｍａｒｚｅｔｔａ、「Ｈｏｗ ｍｕｃｈ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｉｓ ｒｅｑｕｉｒｅｄ ｆｏｒ ｍｕｌｔｉｕｓｅｒ ＭＩＭＯ？」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ Ａｓｉｌｏｍａｒ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｓｉｇｎａｌｓ， Ｓｙｓｔｅｍｓ， ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ、（２００６）、３５９〜３６３頁 Ｊ． Ｊｏｓｅら、「Ｐｉｌｏｔ ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｎ ｍｕｌｔｉ−ｃｅｌｌ ＴＤＤ ｓｙｓｔｅｍｓ」、Ｐｒｏｃ． Ｉｎｔ． Ｓｙｍｐ． ｏｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ、（２００９）、２１８４〜２１８８頁

しかし、ＬＳＡＳネットワーク内、ならびに各基地局において小型のアンテナ・アレイ、更にはシングル・アンテナを用いたワイヤレス・ネットワーク内のパイロット汚染に起因する指向性干渉の問題を軽減できる更なるアプローチが依然として求められている。

私たちはそのようなアプローチを見出だした。ある実施形態において、基地局がパイロット信号をセルにおける移動端末に配分し、移動端末によって送信されるアップリンク・パイロット信号からＣＳＩを取得し、ＣＳＩを用いてメッセージをプリコードし、メッセージをＴＤＤプロトコルに従って送信する新たな方法を、私たちは提供する。ＣＳＩは、各移動端末から受信されるパイロット信号をその移動端末と関連する既知のパイロット信号と比較することによって、取得される。既知のパイロット信号は、相互に直交するパイロット信号の相互に直交する再利用群が隣接セルに配分されるパイロット信号再利用パターンに従って、それぞれの移動端末と関連付けられ、所与のセルの内部の移動端末は、そのセルに配分されたパイロット信号だけを送信することに制限されている。

パイロット汚染に起因するセル間の干渉を図解している、ＬＳＡＳネットワークの一部の概略図である。 高速フェージング係数と低速フェージング係数との間の区別を図解している、ＬＳＡＳネットワークの一部の概略図である。 セル間の送信および受信のための伝搬チャネルを図解している、ＬＳＡＳネットワークの一部の概略図である。 干渉を生じさせるセル間の送信および受信のための伝搬チャネルを図解している図３のネットワーク部分の概略図である。 本明細書に記載されている一実施形態に従ってセクタ化されているＬＳＡＳネットワークのセルの概略図である。 各セルが６つのセクタを有するパイロット信号のための再利用パターンの概略図である。 各セルが４つのセクタを有するパイロット信号のための再利用パターンの概略図である。 セルが可変数のセクタを有するパイロット信号のための局所的にセクタ化された再利用パターンの概略図である。

以下の議論では、「メッセージ」という用語は、伝送されるデータの本体の全部または任意の一部を意味する。メッセージは、各シンボルが１つまたは複数のバイナリ・ビットの情報コンテンツを有する１つまたは複数のシンボルの形態で、エンコードされ得る。「モジュール」という用語は、任意の特定された回路もしくは回路の組合せ、または、マシン可読であるメモリに記録されている命令の任意の集合と、記録されている命令を実行することができる汎用もしくは専用の回路とを意味する。

１つのチャネル使用間隔の間に基地局のアンテナ・アレイから送信されるメッセージ搬送信号は、本明細書では、「シンボル」と称される。シンボルは、空間および周波数の両方において分配され得るが、その理由は、各基地局が送信のために複数のアンテナを有し得ること、および、各シンボルが複数のＯＦＤＭサブキャリアまたは「トーン」にわたって分配され得ることによる。

「アンテナ」という用語は、セルと関連する基地局のアンテナを指す。各セルは、最大でＭ個のアンテナを有する。「端末」という用語は、移動式のユーザ端末を指す。

「パイロット信号」という用語と「パイロット・シーケンス」という用語は、特に断らない限り、相互に交換可能であるものとして用いられる。

例証のためのシナリオにおいて、ネットワークは総数でＬ個のセルを有する。便宜的に、各セルがｎ人のユーザを含むと仮定する。ネットワークで用いられるパイロット信号の総数は、Ｋ≧ｎである。パイロット信号には、１からＫまでの番号が付されている。所与のセルにおけるユーザは、ｋ＝１，・・・，ｎである、直交するパイロット信号ｖ_ｋを送信する。形式論では、パイロット信号は、行ベクトルとして表現される。各行ベクトルは、複素数であるベースバンド信号値のシーケンスを表している。実装例では、このシーケンスは、時系列である。他の実装例では、このシーケンスは、例えば、時間と周波数との両方にわたるシーケンスでもあり得る。すなわち、このシーケンスの要素は、時間および周波数ビンにおいて、伝送され得る。「直交」とは、２つのパイロット信号ｖ_ｒおよびｖ_ｊが与えられたときに、ｒ≠ｊであるならば、積ｖ_ｒ・ｖ_ｊ ^＊がゼロに等しいことを意味する。この表記法では、ベクトルｖ^＊とは、ベクトルｖの複素共役の転置であり、記号「・」によって表される演算は、ベクトルの内積である。

ここでの例証のために、同じパイロット信号がすべてのセルで再利用されること、および、同じパイロット信号が、各セルにおいてｋ番目の端末にパイロット信号ｋが配分されるように、端末に配分されることを仮定する。後で、異なるセルが異なるグループのパイロット信号に配分されるシナリオについて説明する。

この表記では、アンテナｍｉとは、セルｉのｍ番目のアンテナである。端末ｋｌとは、セルｌのｋ番目の端末である。

トーンτに対しては、アンテナｍｉと端末ｋｌとの間のチャネル係数は、

であり、ここで、積を構成する第１の項は高速フェージングに対するチャネル係数であり、積を構成する第２の項は低速フェージング係数である。以下、トーン指数τは、表記から割愛する（ｓｕｐｐｒｅｓｓ）。従って、ｌ番目のセルにおけるｋ番目のユーザ端末が信号ｓを送信する場合、ｉ番目の基地局によってＭ個のアンテナから構成されるそのアレイを経由して受信される対応の信号を、

で表す。ここで、

は、複素数値チャネル・ベクトル（ｃｏｍｐｌｅｘ−ｖａｌｕｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ ｖｅｃｔｏｒ）であり、この表記では、ｈ^Ｔは、ベクトルｈの転置である。

高速フェージング係数は、一般に、空間および時間にわたる急速な変動を示す。特に、高速フェージング係数は、わずかにユーザ端末による運動の１／４波長の程度の変化をし得る。高速フェージング係数は、典型的には、チャネル遅延スプレッドの逆数である周波数間隔にわたって変動する。

対照的に、低速フェージング係数は、幾何学的減衰とシャドウ・フェージングとの組合せに起因するのが一般的であるが、関連する周波数範囲にわたりほぼ一定であり、空間および時間にわたりゆっくりと変動する。これと対照的に、高速フェージングは、空間および時間にわたり急速に変化するのが典型的である。

従って、係数ｈ_ｍｉｋｌは、移動端末がそのパイロット信号を送信するたびに、例えば、パイロット信号から係数ｇ_{τｍｉｋｌ}を取得し、係数

の既知の値から係数ｈ_ｍｉｋｌを推測することによって、適切に推定される。例えば、係数ｈ_ｍｉｋｌを更新するのに用いられるものよりも低い頻度で送信される特別設計のパイロット信号を用いて、係数

を更新するために、別個の手順が用いられることもあり得る。

図１は、セル１０〜１３を含み、それぞれの基地局２０〜２３を有するセルラ・ネットワークの一部を示している。複数の移動端末が各セルにおいて示されており、それぞれが、３０〜３３、４０〜４３、５０〜５３、および６０〜６３とラベル付けされている。図面を簡略化するため、基地局のそれぞれは、単一のアンテナだけを有するものとして扱われる。

順方向リンクの伝送では、基地局２０は、例えば、メッセージを端末３０まで経路７０の上を伝送する。端末４０、５０、および６０に端末３０と同じパイロット信号が割り当てられている場合には、パイロット汚染のために、伝送されているメッセージが、端末４０、５０、および６０それぞれへの経路７１、７２、および７３に対して干渉を生じる。

逆に、逆方向リンクの伝送では、端末３０が、メッセージを、経路７０の上を基地局２０まで伝送する。（この例証の目的のために、経路７０〜７３を双方向性であるとして扱う。）パイロット汚染が、経路７１〜７３上の逆方向リンクのメッセージに、基地局２０において干渉を生じさせ得る。なお、逆方向リンクのメッセージは、端末３０から経路７０上を伝送される。パイロット汚染に関しては、後で、更に詳細に論じられる。

図２は、セル１００および１０１を含むセルラ・ネットワークの一部を示す。高速フェージングおよび低速フェージング係数とは何を意味しているのかを図解するため、この図には、セル１００の基地局アンテナ・アレイ１１０と、セル１００の移動端末ｋと、セル１０１の移動端末ｋ’とを含めてある。図を簡略化するため、セルに関する他の特徴はすべて省略されている。図に示されているように、セル１００は、ここでの例証のためには、セルｉであり、セル１０１はセルｌである。アンテナ・アレイ１１０はＭ個のアンテナを含んでおり、その中のアンテナ１とアンテナＭとが、明示的に示されている。アンテナ・アレイ１１０は便宜的に直線的なアレイとして描かれているが、アンテナの地理的分布が直線的形状を有するのか、または、何らかのそれ以外の特定の形状を有するのかに関して、要件は存在しないことに注意すべきである。同様に、直線的なアンテナ・アレイの縮尺は、単に便宜的理由により、セルのサイズに匹敵するように描かれている。アンテナ・アレイの地理的縮尺に関しては何の制限も存在しないが、例外として、アンテナ間の電磁気的結合を最小化するために、少なくとも波長の２分の１だけアンテナを離隔させることが一般的に有利である。

図を参照すると、アンテナ１から端末ｋ、アンテナ１から端末ｋ’、アンテナＭから端末ｋ、アンテナＭから端末ｋ’という伝搬経路には、高速フェージング係数ｈ_１ｉｋｉ、ｈ_{１ｉｋ’ｌ}、ｈ_Ｍｉｋｉ、およびｈ_{Ｍｉｋ’ｌ}というラベルがそれぞれ付されている。２つの低速フェージング係数もまた、この図に示されている。それらは、アンテナ・アレイ１１０からセルｉの端末ｋまでが、

であり、アンテナ・アレイ１１０からセルｌの端末ｋ’までが、

である。アレイ１１０の中間的なアンテナからそれぞれの端末までの他の高速フェージング係数は、この図では、単に破線によって示されている。

例証のためのネットワークは、順方向リンクおよび逆方向リンクの両方の信号のために、ＯＦＤＭ信号変調を用いることがあり得る。しかし、本発明は、ＯＦＤＭに限定されることはなく、シングル・キャリアＦＤＭＡ、時間反転（ｔｉｍｅ−ｒｅｖｅｒｓａｌ）変調またはＣＤＭＡ変調など、他の変調技術を用いて実装され得る。

基地局当たりのアンテナの個数Ｍは、１から数百または更に大きな個数まで任意の値をとり得る。しかし、２０個未満の全方向性アンテナや、セクタ当たり２０個未満の指向性アンテナでは、後述される信号平均化型の完全な利益を実現するには不十分な場合があり得る。他方で、基地局当たり１０００個を超えるアンテナは、パフォーマンスを最適化するためには優れていても、空間および費用に関する制約からは実際的でない可能性がある。

時分割デュープレックス（ＴＤＤ）ネットワークでは、基地局は、それ自身のセルにおけるユーザ端末から受信するパイロット信号から、チャネル係数を推定できる。基地局は、推定されるチャネル係数を用いて、ダウンリンク信号をユーザ端末に送信する前にプリコードすることができる。マルチアンテナ・アレイを備えている基地局におけるプリコードの使用目的は、ダウンリンク信号をビーム形成することにより、特定のユーザを宛先とする伝送におけるエネルギーがそのユーザに対して優先的に向けられることである。

更に具体的には、ｌ番目の基地局は、それ自身がサービスするユーザ端末から同時に送信されたパイロット信号ｖ_ｋ、ｋ＝１，・・・，ｎ、の和を受信し、それらを用いて、それらをパイロット信号の既知の値と比較することによって、それぞれのユーザへの対応するチャネル・ベクトルの推定値

ｋ＝１，・・・，ｎ、を形成する。その所与のセル内部からのパイロット信号ｖ_ｋ、ｋ＝１，・・・，ｎ、は相互に直交しているから、これらのパイロット信号は相互に汚染することはなく、よって、基地局は、それ自身のセルの内部にあるユーザ端末との関係でバイアスのない推定値を取得することができる。それらがネットワーク全体の内部で所与の時刻において送信されたパイロット信号に過ぎない場合には、推定値は、他のセルのユーザ端末との関係でも、バイアスが存在しないことになる。

ｌ番目の基地局は、推定値

ｋ＝１，・・・，ｎ、を用いて、端末ｒを宛先とするメッセージが異なる端末ｊを宛先とするメッセージと干渉しないように、それがサービスするユーザ端末のｎ個すべてに、プリコードされたメッセージを同時に送信する。前述のようにこの点に関して有用なプリコード方法の１つにゼロ強制（ｚｅｒｏ−ｆｏｒｃｉｎｇ）プリコードがあり、これについては、例えば、Ｔ． Ｌ． Ｍａｒｚｅｔｔａ、「Ｈｏｗ ｍｕｃｈ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｉｓ ｒｅｑｕｉｒｅｄ ｆｏｒ ｍｕｌｔｉｕｓｅｒ ＭＩＭＯ？」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ Ａｓｉｌｏｍａｒ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｓｉｇｎａｌｓ， Ｓｙｓｔｅｍｓ， ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ、（２００６）、３５９〜３６３頁に記載されている（以後は、Ｍａｒｚｅｔｔａ ２００６）。このようにして、セル間の干渉を防止し得る。

典型的なシナリオでは、パイロット信号は、ネットワークのすべてのセルにおいて、ユーザ端末から同時に送信される。上述したように、異なるセルがパイロット信号の異なり相互に直交する集合を用いることが一般的には実行可能ではないことについては、実際的な理由が存在する。結果的に、更なる詳細については後で説明されるように、所与のセルの基地局によって取得されるチャネル推定値は、一般に、他のセルのユーザ端末との関係で、バイアスがかかっている。そのようなバイアスは、「パイロット汚染」と称される。

例えばＭａｒｚｅｔｔａ ２０１０で報告されている従来の研究において、アンテナの個数Ｍが非常に多くなると、ネットワークのパフォーマンスから、加法性雑音を原因とする劣化が実質的に存在しなくなることが、示されている。しかし、データ伝送レートを更に増加させるには、ある深刻な障害が残っている。その障害とは、パイロット汚染によって生じるセル間の干渉である。

パイロット汚染に関するより詳細な理解は、例証のためのネットワークを考察することによって得られ、このネットワークでは、パイロット信号の同じ集合がすべてのセルで再利用され、したがって、セル１におけるｋ番目のユーザ端末がパイロット信号ｖ_ｋを用いると、隣接するセル２およびすべての他のセルにおいて、同じパイロット信号ｖ_ｋを用いるユーザ端末ｋも存在することになる。

図３のセルｊとセルｌとを特に参照すると、パイロット信号ｖ_ｋの再利用により、推定値

および

が、相互にバイアスがかかることになる。この汚染のため、基地局ｊ（すなわち、セルｊの基地局）からセルｊの端末ｋへの信号は、図４に図解されているように、セルｌの端末ｋへの強い干渉４００を生じる。同様に、基地局ｌ（すなわち、セルｌの基地局）からセルｌの端末ｋへの信号は、セルｊの端末ｋへの強い干渉４００を生じる。この現象に関する詳細な解析は、例えば、Ｍａｒｚｅｔｔａ ２０１０およびＪ． Ｊｏｓｅら、「Ｐｉｌｏｔ ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｎ ｍｕｌｔｉ−ｃｅｌｌ ＴＤＤ ｓｙｓｔｅｍｓ」、Ｐｒｏｃ． Ｉｎｔ． Ｓｙｍｐ． ｏｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ、（２００９）、２１８４〜２１８８頁（以後、Ｊｏｓｅ ２００９）において、見つけることができる。

上述したように、

によって、ｊ番目の基地局とｌ番目のセルのｋ番目の端末との間の低速フェージング係数を表す。そして、ｐ_ｊｋによって、ｊ番目の基地局がｊ番目のセルのｋ番目の端末への伝送に用いる電力を表す。

Ｍａｒｚｅｔｔａ ２０１０には、図４に示されているように、基地局アンテナの個数Ｍが無限大に近づくと、ｊ番目の基地局は、ｌ番目のセルのｋ番目の端末への干渉ｐ_ｊｋβ_ｊｋｌを生じることが示されている。結果的に、ｌ番目のセルのｋ番目の端末の信号対干渉比（ＳＩＲ）は、

で表される。ここで、分母の総和は、セルｌを除くネットワークのすべてのセルにわたって、なされる。

シミュレーションによると、低速フェージング係数の典型的な値に対して、そして、等しい伝送電力（すなわち、すべてのｌおよびｋに対して、ｐ_ｌｋ＝ｐ）に対して、また帯域幅が２０ＭＨｚであると仮定すると、ユーザの９５％に対するＳＩＲ_ｌｋは、−２９ｄＢよりも大きくなる。データ伝送レートに関しては、これは、ユーザの９５％が、
Ｒ_９５％＞０．０１６Ｍｂｉｔ／ｓ （２）
のデータ伝送レートでサービスを受けることができることを意味している。

セル間の干渉レート（ｉｎｔｅｒｃｅｌｌ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｒａｔｅｓ）を更に減少させることができる場合には、更に大きなデータ伝送レートが提供され得る。セル間の干渉を削減することができる既知の方法は、周波数の再利用である。例えば、再利用ファクタが３である周波数再利用スキームでは、使用可能な周波数帯域は、タイプＡ、Ｂ、およびＣのサブバンドとそれぞれが称される３つのサブバンドに区分される。また、セルも、どのセルも最も近接する隣接セルがどれも同じタイプではないように画定されている地理的パターンとして、３つの対応するタイプに区分される。各セルは、伝送のために、それ自身のタイプである周波数サブバンドだけを用いる。従って、異なるタイプのセルは、相互に直交する周波数帯域の上で動作し、従って、相互に干渉しない。同じタイプのセルは、潜在的には相互に干渉することがあり得るが、干渉しているセルの間の地理的な分離のために、干渉エネルギーが減衰される。

周波数再利用スキームは、いくつかの長所を有するのではあるが、著しいコストも要する。すなわち、各基地局はあるサブバンドにおいてのみ送信することが許されているため、データ・ダウンロードのためのものを含むダウンリンク伝送は、それ以外の場合に利用可能である全帯域幅のごく一部に制限される。帯域幅が制限されていることの結果として、ダウンリンク上の可能な最大のデータ伝送レートも同様に制限される。

１つの新たな解決策として、周波数を再利用する代わりに、または、周波数を再利用することに加えて、パイロット信号を再利用することがある。上述したように、セルは、どのセルも最も近接する隣接セルがどれも同じタイプではないように画定されている、すなわち、隣接するセルが常に異なるタイプとなるように画定されている地理的パターンとして、様々なタイプに区分される。パイロット信号の集合も同様に区分され、各セルには、それ自身のタイプのパイロット信号だけが配分される。この場合、パイロット汚染は、同じタイプのセルの間でのみ、生じ得る。そのようなセルは地理的に分離されているから、パイロット汚染の量は減少する。

そのようなパイロット再利用スキームに対する可能性のある１つの反論は、各セルにはパイロット信号の総数のごく一部だけが配分されているのであるから、セルがサポートすることができるユーザ端末の総数が同様に減少する、ということである。

その問題の解決策は、各セルを４つまたはそれより多くのセクタに更に分割し、ダウンリンク伝送エネルギーとアップリンク受信感度とを対応するセクタの内部に集中させるために指向性アンテナ・アレイを用いることを必要とする。これにより、ダウンリンク伝送は、選択されたセクタに優先的に向けられ、アップリンク伝送は、対応するアンテナ・アレイを経由して各セクタから優先的に受信される。本明細書で用いられる「アンテナ・アレイ」という用語は、協調的な態様で共に動作する１つまたは複数のアンテナを意味する。

上述したようにセクタに分けられているセルでは、パイロット信号は、同じセルの内部にあるユーザ端末という母集団の間でそれらを再利用することによって、保存され得る。すなわち、異なるセクタを占有する２つのユーザ端末によって同じパイロット信号が用いられても、それぞれのセクタのために機能しているアンテナ・アレイがセクタの間のクロストークの可能性を実質的に排除するのに十分であるほどの指向性を有している場合には、干渉を生じない。隣接するセクタについてこれを達成するのは難しいかもしれないが、非隣接のセクタについてであれば、これを達成するのは現在の技術の能力範囲内である場合が多いと考えられる。

例えば、図５は、１つのセルが、それぞれが６０°である６つのセクタ５０１〜５０６に区分されている様子を示している。各セクタは、指向性アンテナのアレイ５１０によって、サービスを受ける。（指向性「アンテナ」とは、限定を意味することはないが、１つのアンテナであるか、または、個別の要素は指向性であることも指向性ではないこともあり得る複数のアンテナから構成される指向性のサブアレイであり得る。）例証のために、各セクタにおける３つの指向性アンテナから構成されるアレイを示している。一般に、そのセルのための指向性アンテナの総数がＭならば、各セクタにおける指向性アンテナの数はＭ／６になる。

図５の例を更に参照すると、パイロット信号の集合全体は、相互に直交する６つの組ｖ_１、ｖ_２、ｖ_３、ｖ_４、ｖ_５、ｖ_６で構成されている。各セクタの内部において、ある所与の時刻では、ただ１つのユーザ端末だけがサービスを受ける必要があるという単純化のための仮定の下では、図示されているように、パイロット信号ｖ_１を、セルのセクタの中の３つに配分し、パイロット信号ｖ_２を残りの３つのセクタに配分する。図５の矢印５２０によって図解されているように、アンテナ・アレイの不完全な指向性に起因して、隣接するセクタの間で何らかの著しいオーバラップが生じる可能性がある。しかし、非隣接のセクタの間には高い程度の分離が可能であると考えられる。従って、この例では、パイロットｖ_１とパイロットｖ_２との間でセクタが交互に生じていることにより、セルの全体で２つのパイロット信号だけが用いられているにもかかわらず、セル間の干渉が防止される。

引き続き同じ例を考察するのであるが、今度は図６を参照すると、ネットワークのセルを３つのそれぞれのタイプＡ、Ｂ、およびＣに区分されている様子が図解されている。タイプＡのセルにはパイロット信号ｖ_１、ｖ_２が配分され、タイプＢのセルにはパイロット信号ｖ_３、ｖ_４が配分され、タイプＣのセルにはパイロット信号ｖ_５、ｖ_６が配分されている。既に論じた周波数再利用パターンの場合のように、この区分は、どのセルも同じタイプである最も近接する隣接セルを有しないように、すなわち、セルの隣接する対はどれも同じタイプを有することがないように、画定された地理的パターンでなされている。「パイロット再利用群」という用語は、特定のタイプのセルに配分されたパイロット信号の集合を指すものとして用いられる。

図６のパイロット信号配分パターンでは、パイロット信号は、同じタイプのセルの間においてだけ干渉を生じることがわかる。そのようなセルは相互から地理的に分離されているから、結果的なパイロット汚染は、実質的に減少する。

セル当たりのアンテナ数が無限大に近づく場合の極限では、パイロット再利用スキームにおけるｌ番目のセルのｋ番目の端末のＳＩＲは、

である。なお、分母における総和が方程式（１）と異なっている。その理由は、潜在的に干渉するセルについてだけ、すなわち、ｌ番目のセルと同じ（すなわち、同じパイロット再利用クラスに属する）タイプのセルについてだけ、総和がとられているからである。

シミュレーションによると、低速フェージング係数の典型的な値について、および、等しい送信電力（すなわち、すべてのｌおよびｋに対して、ｐ_ｌｋ＝ｐ）については、ユーザの９５％に対するＳＩＲ_ｌｋは、−５．８ｄＢよりも大きいことが示される。データ伝送レートに関しては、帯域幅が２０ＭＨｚであると仮定すると、これは、ユーザの９５％が
Ｒ_９５％＞２．６７Ｍｂｉｔ／ｓ （４）
というデータ伝送レートでサービスを受け得ることを意味する。

方程式（２）と方程式（４）とを比較すると、パイロット再利用スキームは、従来型の全方向ＴＤＤシステムに対して、データ・レートが約１６６倍になるという改善に至ることが可能である。

図５では、各セルの各セクタにただ１つのパイロット信号が配分されるという単純化された例を提供した。当業者であれば容易に理解するように、各セクタに配分されるパイロット信号がそのセルの隣接するセクタに配分されるパイロット信号と直交するのであれば、複数のパイロット信号を同様に各セクタに配分することが可能である。別の表現をするならば、所与のセルに配分された再利用群は、２つまたはそれよりも多くの異なるタイプの部分群に区分され、セルは、２つ以上の対応するタイプのセクタに分割される。パイロット信号の各部分群は、それ自身タイプのセクタにだけ、配分される。

図６の例では、各セルは６つのセクタに分割され、パイロット信号の異なる集合を用いるセルには３つのタイプ（すなわち、再利用クラス）が存在するため、ネットワークが有する再利用ファクタは３であることが認識されるであろう。より一般的には、セルは、４つという少ないセクタに分割されることがあり（例えば、セルがほぼ正方形であるとき）、すると、図７の例示的なチェッカーボード・パターンにおいて示されているように、再利用ファクタは２まで低くなることがあり得る。

他方で、セクタの数は、８またはそれより更に大きな個数まで、大きくなることがあり得る。これに関しては、所与のセクタを占有するユーザの数がそのセクタに配分されたパイロット信号の数よりも多い場合には、ユーザは、直交する時間スロットでそれを送信することによって、同じパイロット信号を共用することがあり得る、ということに注意すべきである。しかし、共用されているパイロット信号当たりのユーザが非常に多い場合には、その種のタイムシェアリングは、大きなサービス遅延を生じさせる可能性がある。そのような問題は、セクタの数を増加させることによって、セクタ当たりのユーザ数を減少させ、共用されるパイロット信号に対する需要を少なくすることによって、緩和することができる。

高度のセクタ化、すなわちセルを８、１０、またはそれよりも多くのセクタに分割することに伴って生じる可能性がある短所は、基地局で用いられるアンテナの総数が固定されていると、セクタ化が高度化するにつれて、セクタ当たりのアンテナ数が少なくなるということである。上述したように、Ｍａｒｚｅｔｔａ ２０１０の分析には、基地局のアンテナ数が無限大に近づくと、パイロット汚染から生じるセル間の干渉が、他のソースからの干渉が減少するにつれて支配的になり、高速フェージング係数ではなく低速フェージング係数に従属する値に近づくことが示されている。これらの好ましい傾向は大規模なアンテナ・アレイ全体にわたる平均化の結果であるから、セクタ当たりのアンテナ数が減少すると、干渉削減に関するそれらの利点も急速に低下することが予想される。

そのようなトレードオフがセクタ化の程度を選択する際に適用されるため、局所的なセクタ化を伴うように、すなわち、セクタ化の程度がネットワーク全体で変動するように、いくつかのネットワークを構成することが、有利であり得る。例えば、図８には、セルが４つ、６つ、または８つのセクタを有し得るような仮定的なネットワークの概略が示されている。この図において見られるように、３つのパイロット再利用クラスが存在していて、それぞれが、パイロット部分群ＡおよびＢ、ＣおよびＤ、ならびにＥおよびＦから構成されている。

いくつかのセルは、セクタ化の程度が可変であるように構成可能であり得る。これは、例えば、基地局のアンテナの構成を変動させることによって、達成可能であり得る。このようなセルによると、セクタの数を増加させることに起因するパフォーマンス向上と固定された数のアンテナをそれよりも多数のセクタにわたって分割することに起因するパフォーマンス低下との間のトレードオフを最適化するセクタ化を選択することが可能になる。

Claims (10)

1. セルにサービスする基地局によって実行される方法であって、
   前記セルにおける移動端末にパイロット信号を配分するステップであって、同じパイロット信号が前記セルの異なる複数のセクタに配分される、ステップと、
   移動端末によって送信されるアップリンク・パイロット信号からＣＳＩを取得するステップと、
   前記ＣＳＩを用いてメッセージをプリコードするステップと、
   前記メッセージを、ＴＤＤプロトコルに従って送信するステップと、
   を含んでおり、
   前記ＣＳＩは、各移動端末から受信される前記パイロット信号とその移動端末に関連する既知のパイロット信号とを比較することによって取得され、
   前記既知のパイロット信号は、相互に直交するパイロット信号の相互に直交する再利用群が隣接セルに配分されるパイロット信号再利用パターンに従って、それぞれの移動端末と関連付けられ、所与のセルの内部の移動端末は、そのセルに配分されたパイロット信号だけを送信することに制限されている、方法。
2. 前記サービスされるセルは、配分された再利用群を有し、
   前記サービスされるセルは、少なくとも２つのセクタ・タイプが存在しており隣接するセクタが異なるタイプを有さなければならないように、指定されたタイプの少なくとも４つのセクタに分割され、
   前記配分された再利用群は、前記それぞれのセクタ・タイプに対応する２つ以上の部分群に区分され、
   前記サービスされるセルにおける移動端末にパイロット信号を配分する前記ステップは、各タイプのセクタの内部の移動端末がそのタイプのパイロット信号だけを送信するように実行される、請求項１に記載の方法。
3. 前記サービスされるセルにおける移動端末にパイロット信号を配分する前記ステップは、各タイプのセクタの内部の移動端末にそのタイプのパイロット信号だけが配分されるように実行される、請求項２に記載の方法。
4. 前記基地局は３以上の再利用ファクタを有するネットワークの一部であり、前記基地局はパイロット信号の３つの相互に直交する再利用群の１つである配分された再利用群を有する、請求項１に記載の方法。
5. 前記サービスされるセルは６つのセクタに分割されており、
   隣接するセクタが異なるタイプに割り当てられるように、各セクタは２つのタイプの一方に割り当てられ、
   前記配分された再利用群は２つの部分群に区分され、前記２つの部分群のそれぞれは、前記２つのそれぞれのセクタ・タイプの一方に対応し、
   前記サービスされるセルにおける移動端末にパイロット信号を配分する前記ステップは、各タイプのセクタの内部の移動端末がそのタイプのパイロット信号だけを送信するように実行される、請求項４に記載の方法。
6. ワイヤレス・ネットワークのセルにサービスするための基地局装置であって、
   配分された再利用群に属する相互直交パイロット信号のリストを維持するように動作可能なデジタル・メモリ・デバイスであって、前記配分された再利用群は、相互に直交するパイロット信号の相互に直交する再利用群が隣接セルに割り当てられるパイロット信号再利用パターンに従って前記ネットワークのセルに割り当てられる２つ以上のパイロット信号再利用群の１つである、デジタル・メモリ・デバイスと、
   前記配分された再利用群のパイロット信号を前記デジタル・メモリ・デバイスから取得し、前記パイロット信号を、同じパイロット信号が前記セルの異なる複数のセクタに配分されるように前記セルにおける移動端末に割り当てるように動作可能であるパイロット・モジュールと、
   前記配分された再利用群のパイロット信号を前記移動端末から受信し、各移動端末から受信された前記パイロット信号をその移動端末と関連する既知のパイロット信号と比較することによって、前記受信されたパイロット信号からＣＳＩを取得するように構成されている無線受信機装置と、
   前記無線受信機装置から前記ＣＳＩを取得し、前記ＣＳＩを用いてメッセージをプリコードするように構成されている信号プロセッサと、
   前記プリコードされたメッセージを前記信号プロセッサから受信し、前記プリコードされたメッセージをＴＤＤプロトコルに従って送信するように構成されている無線送信機装置と、
   を備えている基地局装置。
7. 前記基地局装置は、各セクタが特定されたタイプを有する少なくとも４つのセクタに分割されているセルのセクタにサービスするように構成され、
   前記パイロット・モジュールは、各タイプのセクタ内部にある移動端末が対応するタイプのパイロット信号だけを送信し得るという制限の下でパイロット信号を割り当てるように構成されており、
   少なくとも２つのセクタのタイプが存在し、
   隣接するセクタは、異なるタイプを有していなければならず、
   前記配分された再利用群における前記パイロット信号は、前記それぞれのセクタのタイプと対応する２つ以上の部分群に区分される、請求項６に記載の基地局装置。
8. 基地局によってサービスされるワイヤレス通信ネットワークのセルにおいて移動端末によって実行される方法であって、
   パイロット信号の割り当てを、前記基地局から受信するステップと、
   割り当てられたパイロット信号を、前記基地局に送信するステップと、
   を含んでおり、
   前記割り当てられたパイロット信号は、相互に直交しており、第１のタイプ、第２のタイプ等とここで称される少なくとも２つの相互に排他的なタイプに区分されているパイロット信号の一群から選択され、
   前記セルは、どの２つの隣接するセクタも同じタイプを有さないが、少なくとも２つの非隣接のセクタが同じタイプを有するように、２つ以上のセクタ・タイプに区分されている少なくとも４つの異なるセクタを有し、
   各セクタ・タイプは、同じパイロット信号が前記セルの異なるセクタ・タイプに配分されるように、対応するパイロット信号タイプと関連付けられ、
   前記割り当てられたパイロット信号を送信する前記ステップは、各タイプのパイロット信号が同じタイプのセクタを占有している移動局によってのみ送信され得るという制限の下で実行される、方法。
9. 前記割り当てられたパイロット信号を送信する前記ステップは、あるタイプのパイロット信号を送信し、次いで、同じセルの新たなセクタに入った後で、異なるタイプのパイロット信号を送信するステップを含む、請求項８に記載の方法。
10. 複数のセルに編成されているワイヤレス・ネットワークを構成するための方法であって、
    セルの少なくとも２つの再利用クラスが存在し、各セルがそれぞれの再利用クラスを有するように、少なくとも２である再利用ファクタを有する再利用パターンを定義するステップと、
    同じパイロット信号が前記セルの異なる複数のセクタに配分されるように、少なくとも２つの再利用群からのパイロット信号を前記セルに配分するステップであって、前記パイロット信号は、各再利用群の内部で相互に直交し、複数の再利用群にわたって相互に直交しており、各再利用群からのパイロット信号は、対応する再利用クラスのセルにのみ配分され、前記パイロット信号は、各セルにおける移動局によるアップリンク伝送のためのものである、ステップと
    を含んでおり、
    前記配分するステップは、各セルにおける基地局にメッセージを送信するステップを含み、前記メッセージは、前記基地局に、その配分されたパイロット信号を識別する情報をデジタル・メモリに記録させる、方法。

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