JP2009153140A - 量子化プレコード化空間多重化ｍｉｍｏ用選択基準 - Google Patents

Abstract

【課題】より高いデータレートを与え、及び／又は計算上の複雑さを軽減させる通信装置、通信方法、及び対応ソフトウェアプログラムプロダクトを提供すること。
【解決手段】本発明によれば、ＭＩＭＯ通信装置、ＭＩＭＯ通信システムのための通信方法、及びソフトウェアプログラムプロダクトが提供される。本発明による通信装置は、固有ビーム形成システムの送信側符号化を実現する複数のプレコーディング行列を格納するメモリと、格納されるプレコーディング行列の少なくともいくつかの各々について、対応するプレコーディング行列の少なくとも一部に基づいて、少なくとも１つの分離送信チャネルのＳＮＲの表示値を計算し、計算したＳＮＲの表示値の少なくとも１つに基づいて、格納されるプレコーディング行列の１つを選択する制御部と、選択されるプレコーディング行列に基づいてシンボルを検出する検出部とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、プレコード化（ｐｒｅｃｏｄｅｄ）空間多重化ＭＩＭＯ通信システムの分野に関し、特に、プレコーディング（ｐｒｅｃｏｄｉｎｇ）行列の選択の主題に関する。特に本発明は、通信装置、通信装置を操作する方法、及びソフトウェアプログラムプロダクトに関する。

プレコーディングはＭＩＭＯ（ｍｕｌｔｉｐｌｅ‐ｉｎｐｕｔ‐ｍｕｌｔｉｐｌｅ‐ｏｕｔｐｕｔ：多重入出力）通信システムの動作を向上するということが知られている。図１は、プレコーディングＭＩＭＯ通信システムの従来技術を示し、当該システムは送信機１００と受信機１０１とを備える。ＭＩＭＯ通信システムは、Ｎ≧２の送信パス（送信ポートとも呼ばれる）と、Ｍ≧２の受信パス（受信ポートとも呼ばれる）とを有する。各送信ポートは例えば１つの送信用アンテナに対応してもよく、各受信ポートは例えば１つの受信用アンテナに対応してもよい。プレコーダ１０２において、送信機１００におけるシンボルベクトル

に、ＭＩＭＯプレコーディング行列

を乗算する。次に、プレコードされたシンボルベクトル

は、送信機１００の変調器（ｍｏｄ）１０３（各送信パスに１つの変調器）によって変調され、チャネル行列

によって表される通信チャネルを通して送信される。送信された信号は、受信機１０１によって受信され、受信機１０１の復調器（ｄｅｍｏｄ）１０４（各受信パスに１つの復調器）によって復調される。復調後、受信シンボルベクトル

には検出器１０５による検出が行われる。検出の結果として、推定シンボルベクトル

が得られる（検出される）。線形検出器の場合、受信シンボルベクトル

には検出行列

が用いられる。しかしながら、例えば最大尤度受信機のような非線形受信機や、又は他の非線形受信機も適用可能である。

最適線形プレコーダ（最適信号対雑音比を与えるものである）は以下によって与えられる。

ここで、行列

は、周知の特異値分解（ＳＶＤ：ｓｉｎｇｕｌａｒ ｖａｌｕｅ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって、チャネル行列

に関する。

ここで、

は対角行列であり、

及び

はユニタリ行列である。すなわち

かつ

であり、ここで右肩の−１は逆行列を示し、右肩のＨはエルミート転置を示す。言うまでもなく、数式（３）は、Ｎ＝２、Ｍ＝４の場合を表し、任意のＭ及びＮへの一般化も明らかである。ユニタリ行列

を用いたプレコーディングは、ユニタリプレコーディング又は固有ビーム形成（Ｅｉｇｅｎｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ）と呼ばれる。送信されたシンボルベクトル

は、検出行列

によって取り戻すことが可能である。

が対角行列であるため、プレコーダ１０２において行列

を用いることと、検出器１０５において行列

を用いることとにより、通信チャネル

が２つの平行な独立の送信チャネルに分離される。これらのチャネルを、分離送信チャネル、又は単純に分離チャネルと呼ぶ。各分離チャネルは行列

の対角値（特異値）によって表される。分離チャネルで送信される信号（シンボル）は、対応する特異値を掛け合わされる。

チャネル状態情報（チャネル行列

）は、通常、送信されるシンボルベクトル

の受信機１０１によって定められる。最適プレコーディング行列

のフィードバックは、しかしながら、チャネル資源を大量に消費するものである。この問題を解決するために、プレコーディング行列

の量子化が最新技術に応用されている。ここで、受信機１０１及び送信機１００は、異なるユニタリプレコーディング行列が格納されるコードブックを有する。受信機は、最適プレコーディング行列

の情報を有する１つのコードブックエントリを選択し、コードブックエントリのインデックスを送信機へ送信する。ｂをフィードバックビット数とすると、コードブックエントリの数は最大で２^ｂまでとすることが可能である。選択されたコードブックエントリは、最適プレコーディング行列

への距離が最短となる行列である。適用される距離基準は、例えば、ユニタリ行列に対して、弦距離（ｃｈｏｒｄａｌ ｄｉｓｔａｎｃｅ）基準であってもよい。

ここで、

は最適プレコーディング行列であり、

はコードブックから得られるプレコーディング行列であり、

は行列のフロベニウスノルムである。次に送信機１００は、自己のコードブックから与えられたインデックスでプレコーディング行列を選択し、対応するプレコーディングをプレコーダ１０２で行う。しかしながら、量子化非理想的プレコーディング行列を用いると、ＳＮＲの減少を引き起こし、データレートが下がる。

量子化プレコーディング行列の場合の検出は、プレコーディングなし空間多重化ＭＩＭＯの場合の検出に基づいて行われてもよい。送信機１００と受信機１０１との間の通信チャネルはチャネル行列

によって表され、コードブックから得られるプレコーディング行列

でのプレコーディングを含む通信チャネルは、以下の等価チャネル行列で表される。

この等価チャネルに対応する検出は、例えばゼロフォーシング（ＺＦ：Ｚｅｒｏ Ｆｏｒｃｉｎｇ）検出器、最小平均二乗誤差（ＭＭＳＥ：Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ Ｅｒｒｏｒ）検出器及び最大尤度（ＭＬ：Ｍａｘｉｍｕｍ Ｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄ）検出器を含む標準の空間多重化ＭＩＭＯの検出技術又は他の適切な技術によって簡単に行われる。

ＭＩＭＯ‐ＯＦＤＭの場合、上述の行列演算は、ＯＦＤＭサブキャリアごとに別々に行われる。

本発明によって解決される課題は、より高いデータレートを与え、及び／又は計算上の複雑さを軽減させる通信装置、通信方法、及び対応ソフトウェアプログラムプロダクトを提供することである。

上記課題は、本発明によるＭＩＭＯ通信装置、ＭＩＭＯ通信システムのための通信方法、及びソフトウェアプログラムプロダクトによって解決される。

本発明によるＭＩＭＯ通信装置は、固有ビーム形成システムの送信側符号化を実現する複数のＭＩＭＯプレコーディング行列を格納するメモリと、格納されるＭＩＭＯプレコーディング行列の少なくともいくつかの各々について、対応するＭＩＭＯプレコーディング行列の少なくとも一部に基づいて、少なくとも１つの分離送信チャネルの信号対雑音比の表示値を計算し、計算した信号対雑音比の表示値の少なくとも１つに基づいて、格納されるＭＩＭＯプレコーディング行列の１つを選択する制御部と、選択されるＭＩＭＯプレコーディング行列に基づいてシンボルを検出するＭＩＭＯ検出部とを備える。

プレコーディング行列の選択がＳＮＲ表示値に基づくため、ＳＮＲは、どれがより高いデータレートをもたらすか最適化可能である。さらに、本発明によるプレコーディング行列選択にはＳＶＤの複雑な計算が必要ない。したがって、計算の複雑さが軽減される。

選択されるＭＩＭＯプレコーディング行列は、最高の信号対雑音比を示す前記信号対雑音比の表示値に対応するＭＩＭＯプレコーディング行列であると、効果的である。

制御部は、格納されるＭＩＭＯプレコーディング行列の少なくともいくつかの各々について、計算される信号対雑音比の表示値の平均値を計算するものであり、選択されるＭＩＭＯプレコーディング行列は、計算される平均値の極値に対応するＭＩＭＯプレコーディング行列であると、効果的である。

ＭＩＭＯ通信装置は適応ＯＦＤＭ通信装置であり、制御部は、少なくとも１つのＯＦＤＭサブキャリアの変調スキームを、ＯＦＤＭサブキャリアそれぞれのチャネル条件にしたがって定めると、効果的である。

ＭＩＭＯ検出部が検出行列に基づいてシンボルを検出するものであるとき、検出行列は、選択されるＭＩＭＯプレコーディング行列に基づくものであって、検出行列の各行又は列は、異なる分離送信チャネルに対応すると、効果的である。制御部は、格納されるＭＩＭＯプレコーディング行列の少なくともいくつかのうちの各々について検出行列の少なくとも１つの行又は列を計算するものであり、少なくとも１つの行又は列は、少なくとも１つの分離送信チャネルに対応すると、効果的である。分離送信チャネルの信号対雑音比の表示値の計算は、対応する検出行列の対応する行又は列に基づくと、効果的である。

分離送信チャネルの信号対雑音比の表示値は、対応する検出行列の対応する行又は列のノルムに基づく、又は与えられると、効果的である。

リンク制御部は、格納されるＭＩＭＯプレコーディング行列の少なくともいくつかのうちの各々について、検出行列の全行又は全列を計算し、分離送信チャネルの各々の対応する信号対雑音比の表示値を計算するものであると、効果的である。

リンク制御部は、チャネル状態情報に基づいて、格納されるＭＩＭＯプレコーディング行列の少なくともいくつかを生成し、格納するものであると、効果的である。

本発明によれば、固有ビーム形成システムの送信側符号化を実現する複数のＭＩＭＯプレコーディング行列を格納したＭＩＭＯ通信装置を操作する方法は、格納されるＭＩＭＯプレコーディング行列の少なくともいくつかのうちの各々について、対応するＭＩＭＯプレコーディング行列の少なくとも一部に基づいて、少なくとも１つの分離送信チャネルの信号対雑音比の表示値を計算するステップと、計算される信号対雑音比の表示値の少なくとも１つに基づいて、格納されるＭＩＭＯプレコーディング行列の１つを選択するステップと、選択されるＭＩＭＯプレコーディング行列に基づいて、シンボルを検出するステップとを含む。

選択されるＭＩＭＯプレコーディング行列は、最高の信号対雑音比を示す信号対雑音比の表示値に対応するＭＩＭＯプレコーディング行列であると、効果的である。

計算される信号対雑音比の表示値の平均値は、格納されるＭＩＭＯプレコーディング行列の少なくともいくつかの各々について計算され、選択されるＭＩＭＯプレコーディング行列は、計算される平均値の極値に対応するＭＩＭＯプレコーディング行列であると、効果的である。

ＭＩＭＯ通信システムは適応ＯＦＤＭ通信システムであり、上記方法は、少なくとも１つのＯＦＤＭサブキャリアの変調スキームを、ＯＦＤＭサブキャリアそれぞれのチャネル条件にしたがって定めるステップをさらに含むと、効果的である。

シンボルを検出するステップは検出行列に基づくものであり、検出行列は、選択されるＭＩＭＯプレコーディング行列に基づくものであって、検出行列の各行又は列は、異なる分離送信チャネルに対応すると、効果的である。上記方法は、格納される前記ＭＩＭＯプレコーディング行列の少なくともいくつかのうちの各々について検出行列の少なくとも１つの行又は列を計算するステップであって、少なくとも１つの行又は列は、少なくとも１つの分離送信チャネルに対応するものであるステップをさらに含むと、効果的である。分離送信チャネルの信号対雑音比の表示値を計算するステップは、対応する検出行列の対応する行又は列に基づくと、効果的である。

分離送信チャネルの信号対雑音比の表示値は、対応する検出行列の対応する行又は列のノルムに基づく、又は与えられると、効果的である。

検出行列の全行又は全列が、検出行列の少なくとも１つの行又は列を計算するステップにおいて計算され、信号対雑音比の表示値が、少なくとも１つの分離送信チャネルの信号対雑音比の表示値を計算するステップにおいて、分離送信チャネルの各々について計算されると、効果的である。

チャネル状態情報に基づいて、格納されるＭＩＭＯプレコーディング行列の少なくともいくつかを生成し、格納するステップを含むと、効果的である。

本発明によるソフトウェアプログラムプロダクトは、１又は２以上の情報処理装置によって実行されると、本発明による通信方法を行う。

最適信号対雑音比（ＳＮＲ：ｓｉｇｎａｌ‐ｔｏ‐ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）を提供し、それによりＳＶＤの計算を不必要とし、データ送信動作を改善する、プレコーディング行列コードブックからプレコーディング行列を選択するものである本発明の一般的概念を、ここで、本発明の具体的な実施形態を参照して説明する。

図２は、本発明の一実施形態にかかる２つの通信装置１−１と１−２とを備える通信システム６を示す。通信装置１−１は、送信部２−１と、受信部３−１と、リンク制御部４−１とを備える。通信装置１−２は、送信部２−２と、受信部２−２と、受信部３−２と、リンク制御部４−２とを備える。通信装置１−１及び１−２は同一である。通信装置１−１、１−２は、両方とも受信機としても送信機としても作動可能である。図２に示す状況において、通信装置１−１は、通信チャネル５を介して、受信機の役目を務める通信装置１−２へ情報（ユーザデータを含む）を送信する送信機の役目を務める。装置１−１と１−２とが同一であるため、同一のサブユニットを備える（すなわち、送信部２−１と２−２とは同一であり、受信部３−１と３−２とは同一であり、リンク制御部４−１と４−２とは同一である）。特に、受信部３−１は、受信部３−２として図示するのと同一のサブユニットを備え、送信部２−２は、送信部２−１に図示するのと同一のサブユニットを備える。通信装置１−１が行う全部の作動は、通信装置１−２も行うものとされ、逆も真である。しかしながら、本発明による通信装置１−２は、受信機モードのみで作動することが可能であり、受信機モードで作動するために必要なサブユニットのみを備えることが可能である。ある特別な通信装置１−１及び１−２について、又は装置１−１及び１−２のサブユニットについて言及しない場合には、受信機と送信機とを区別するために用いる末尾の「−２」及び「−１」も以下では抜けていることもある。

通信装置１はいかなる種類のＭＩＭＯ通信装置でもよい。通信装置１は有線ＭＩＭＯ通信装置（例．ＰＬＣモデム）でも無線ＭＩＭＯ通信装置（例．ＲＦワイヤレス）でもよい。通信装置１は固定通信装置（例．ＷＬＡＮ基地局）でも非固定通信装置（すなわち移動可能）（例．携帯電話）でもよい。

ここで、送信機１−１から受信機１−２へのデータ（ユーザデータを含む）の送信を説明する。

送信部２−１は、信号処理順に、直列対並列変換部（Ｓ／Ｐ）１０と、適応ＱＡＭ変調部１２と、ＭＩＭＯプレコーダ１４と、ＯＦＤＭ変調部１６とを備える。したがって、本発明の通信装置の実施形態は適応ＯＦＤＭ通信装置である。

Ｓ／Ｐ１０は、入力データのストリームを受信する。入力データは、ビット形式で与えられ、ユーザデータを含み得るものである。Ｓ／Ｐ１０は、入力データをＮ≧２の数の平行ストリームに変換し、数Ｎは、送信パスＴ１、Ｔ２の数と、ユニタリプレコーディング（固有ビーム形成）によって得られる平行及び独立送信チャネル（分離チャネル）の数とに対応する。図２では、Ｎ＝２が成立している。

各適応ＱＡＭ変調部１２（シンボルマッピング部１２としても知られている）は、分離チャネルに対応し、リンク制御部４−１によって与えられる集合情報（ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）（集合図）にしたがって、受信データストリームにＱＡＭ変調を行う。各ＯＦＤＭサブキャリアには、異なる集合が割り当てられる場合がある。

複数のＯＦＤＭサブキャリアに対する集合情報は、ＯＦＤＭトーンマップとも呼ばれている。各適応ＱＡＭ変調部１２は、別々のトーンマップを用いる。各適応ＱＡＭ変調部１２は各サブキャリアに１つのシンボルを発行する。複数の適応ＱＡＭ変調部１２によって発行された、任意のサブキャリアに対するシンボルは、シンボルベクトル

を形成する。シンボルベクトル

は、Ｎ個のシンボルを含む（大きさＮである）。１つのシンボルベクトル

は、サブキャリアごとに発生される。

ＭＩＭＯプレコーダ１４は、リンク制御部４−１が提供するプレコーディング行列

に基づいて、シンボルベクトル

をプレコードする。ここでプレコーダ１４は、シンボルベクトル

を受信し、受信シンボルベクトル

に対して、プレコーディング行列

に対応する線形変換を行い、ＯＦＤＭサブキャリアごとに同一の大きさＮの変換（プレコード化）ベクトルを出力する。

リンク制御部４−１は、ＭＩＭＯプレコーディング行列

を格納するメモリ（図示せず）を有する。格納されるプレコーディング行列の組は、コードブックと呼ばれる。プレコーディング行列は、必要なメモリが最小となるような形で格納可能である。格納されるプレコーディング行列はインデックス化される。リンク制御部４−１は、受信ユニット３−１を介して受信機１−２のリンクから、プレコーディングに用いる行列の行列インデックスｋと、ＱＡＭ変調に用いるＯＦＤＭトーンマップとを受信する。

各ＯＦＤＭ変調部１６は、送信パスＴ１、Ｔ２のうちの１つに対応し、プレコードされたベクトルのシンボル１つを受信し、受信シンボルをＯＦＤＭ変調する。そのため受信シンボルは対応の送信パスで送信可能となる。各ＯＦＤＭ変調１６は、当技術分野で知られるように、例えばＩＦＦＴ、ＤＡＣ及びアナログＲＦ回路（これらの構成は図示せず）を備えてもよい。

ＯＦＤＭ変調されたシンボル（シンボルベクトル）は、ＭＩＭＯ送信チャネル５を介して、受信機１−２へ送信される。ＯＦＤＭサブキャリアごとに、ＭＩＭＯチャネル５は別々の大きさＭ×Ｎのチャネル行列

で表される。

受信部３−２は、信号処理の順に、ＯＦＤＭ復調部１８と、チャネル推定部２０と、ＭＩＭＯ検出部２２と、適応ＱＡＭ復調部２４と、並列対直列変換部（Ｐ／Ｓ）２６とを備える。

送信されたＯＦＤＭ変調シンボルベクトルに対応する情報は、Ｍ≧２の数の受信パスＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４で受信機２−１に受信される。図２においては、Ｍ＝４が成立している。受信された情報は、大きさＭの（ＯＦＤＭ変調された）受信シンボルベクトルを形成する。各ＯＦＤＭ復調部１８は、受信パスＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４のうちの１つに対応し、（ＯＦＤＭ変調された）受信シンボルベクトルのシンボル１つを受信し、受信シンボルをＯＦＤＭ復調する。各サブキャリアのＯＦＤＭ復調シンボルは、受信シンボルベクトル

を形成する。各ＯＦＤＭ復調部１８は、当技術分野で知られるように、ＦＦＴ、ＡＤＣ及びアナログＲＦ回路（これらの構成は図示せず）を備えてもよい。

チャネル推定部２０は、ＯＦＤＭサブキャリアごとに、チャネル行列

を含むチャネル状態情報（ＣＳＩ：ｃｈａｎｎｅｌ ｓｔａｔｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）を計算する。チャネル推定（すなわちＣＳＩの計算）は、送信機１−１から受信機１−２へＭＩＭＯチャネル５を介して送信される信号に基づく。用いるチャネル推定技術は、例えばＯＦＤＭトレーニングバースト及びパイロットシンボルに基づいてもよい。チャネル推定、パイロットシンボル及びＯＦＤＭトレーニングバーストは当技術分野において知られており、ここでは説明を割愛することとする。チャネル推定部２０はリンク制御部４−２へＣＳＩを提供する。

リンク制御部４−２は、ＭＩＭＯプレコーディング行列

を格納するメモリ（コードブック）（図示せず）を有する。格納されるプレコーディング行列は、リンク制御部４−１に格納されるものと同一である。格納されるプレコーディング行列は、リンク制御部４−１に格納されるプレコーディング行列と同じようにインデックス化される。リンク制御部４−２は、送信機１−１から受信機１−２への送信に使用するＯＦＤＭトーンマップを決定し、トーンマップを適応ＯＦＤＭ復調部２４へ提供し、送信部２−２を介して送信機１−１へトーンマップを送信する。リンク制御部４−２は、プレコーディングに使用するプレコーディング行列を選択し、対応するプレコーディング行列インデックスｋを送信機１−１へ送信部２−２を介して提供する。リンク制御部４−２のさらなる作動、特にプレコーディング行列の選択は、より詳細に後述することにする。

ＭＩＭＯ検出部２２は、受信シンボルベクトル

に検出を行い、サブキャリアごとに、対応するチャネル行列

と選択したプレコーディング行列

とに基づいて、シンボルベクトル

の推定

を得る。検出は復号として知られるものでもあり、ＭＩＭＯ検出部２２はＭＩＭＯ復号部２２と呼んでもよい。復号という言葉で表現するならば、ＭＩＭＯ復号部２２は、受信シンボルベクトル

を復号し、それにより、符号化された形で受信シンボルベクトル

に含まれるシンボルベクトル

（

は

において符号化されている）の推定

を得る。

例えば、ゼロフォーシング（ＺＦ）復号を用いる場合（最小平均二乗誤差（ＭＭＳＥ）や最大尤度（ＭＬ）のような他の復号技術も使用可能）、検出行列は、上記数式（５）に定める等価チャネル行列

のムーア・ペンローズの疑似逆行列である。すなわち、

（６）に（５）を代入すると、

となり、

はユニタリ行列なので、

このように、まずチャネル行列

の疑似逆行列を用いて、次にプレコーディング行列のエルミート転置を行うことによって、検出は行われる。

の場合、検出行列

は

となり（証明なし）、これは標準の固有ビーム形成に対する復号行列である、ということに留意すると興味深いものである。

各適応ＱＡＭ復調部２４（シンボルデマッピング部２４としても知られる）は、１つの分離チャネルに対応し、リンク制御部４−２によって与えられる集合情報（集合図）にしたがって、受信シンボルにＱＡＭ復調を行う。ＱＡＭ復調演算は、送信機１−１の適応ＱＡＭ変調部１２におけるＱＡＭ変調に対応する。適応ＱＡＭ復調部２４による復調後、シンボルベクトル

はビット形式でＯＦＤＭサブキャリアごとに与えられる。

Ｐ／Ｓ２６は、各シンボルベクトル

を直列化し、出力データの単一ストリームとして直列化シンボルベクトル

を提供する。データ送信が成功するならば、出力データは入力データと同一であるということである。

ここで、プレコーディング行列の選択について説明する。

選択基準は、検出後のＳＮＲの最大値に基づく。プレコーディング行列

の量子化とは、プレコーディング行列は完全ではないということを意味する。プレコーディング行列の不完全性は、復号処理におけるノイズの拡大に対応する（プレコーディングなし空間多重化ＭＩＭＯの動作劣化の原因でもある）。例えばＺＦ検出を行うと仮定すると、推定シンボルベクトルは、

ここで

はノイズベクトルであり、第ｎの分離送信チャネルの検出後ＳＮＲは、

ここでＥは送信シンボルの平均エネルギーであり、σ^２はノイズの分散であり、

は検出行列

の第ｎ行であり、

はベクトルのユークリッドノルムである。

が大きくなると、検出後ＳＮＲが低くなることが分かる。したがって、

を最小限に抑えるプレコーディング行列

が、検出後ＳＮＲを最大にする。

は検出後ＳＮＲの値の表示値である。言いようによっては、

はＳＮＲの特定の表現に対応すると言える場合もある。

プレコーディング行列選択の第１の方法において、分離チャネルごとにＳＮＲの表示値が計算され、個々の分離チャネル（分離送信チャネルにわたる平均）に対するＳＮＲの表示値に基づいて全体又は平均値Ａが計算される。全体又は平均値Ａは、限定するわけではないが、例えば算術平均、調和平均、一般化平均、重み付き平均、重み付き調和平均、及び、最高表示値又は最低表示値が考慮されない何らかの切捨て平均であってもよい。平均はＳＮＲの表現の特定の形態に適応すべきである。例えば、ＳＮＲの表示値が数式（９）の形で与えられている場合、算術平均を用いてもよいが、必ずしもそうする必要はなく、
ＳＮＲの表示値が

で与えられている場合、調和平均を用いてもよいが、必ずしもそうする必要はない。

プレコーディング行列を選択する第１の方法は以下のステップを含む。
１．チャネル行列

の疑似逆行列

を１回計算する。疑似逆行列はいずれにせよ復号には必要である。したがって、このステップによって計算の複雑さが増すことはない。
２．可能性のある全ての検出行列

を計算する。ここでｋ＝１，２，……，Ｋは、コードブックエントリのインデックスであり、Ｋはコードブックエントリの数である。
３．全てのｋ及びｎに対して

を計算する。ここでｎ＝１，２，……，Ｎは、

の行のインデックスである。
４．プレコーディング行列インデックスｋごとに

（ｎ＝１，２，……，Ｎ）の集合の平均値Ａ_ｋ（例えば調和平均）を計算する。
５．全体ＳＮＲの最大値（すなわち全体ＳＮＲ損失の最小値）に対応するプレコーディング行列インデックスｋを判定する。言い換えると、最小Ａ_ｋに対応するプレコーディング行列インデックスｋを判定する。

判定されたプレコーディング行列インデックスｋに対応するプレコーディング行列は、ＭＩＭＯプレコーダ１４におけるプレコーディングと、ＭＩＭＯ検出部２２における復号／検出とに用いられることとなる。

プレコーディング行列を選択する第２の方法においては、平均又は全体値を計算するステップが省略され、それにより、計算の複雑さがなおいっそう軽減される。適応ＯＦＤＭを使用する通信システムについては（すなわち本実施形態の場合のように、サブキャリアのＳＮＲにしたがって選択される集合で各ＯＦＤＭが変調されるシステムにおいては）、最大のＳＮＲを与える分離チャネルのみを考慮するだけで十分である、というシミュレーションが示されている。

プレコーディング行列を選択する第２の方法は以下のステップを含む（ステップ１〜３は、第１の方法のステップ１〜３と同一である）。
１．チャネル行列

の疑似逆行列

を１回計算する。疑似逆行列はいずれにせよ復号には必要である。したがって、このステップによって計算の複雑さが増すことはない。
２．可能性のある全ての検出行列

を計算する。ここでｋ＝１，２，……，Ｋは、コードブックエントリのインデックスであり、Ｋはコードブックエントリの数である。
３．全てのｋ及びｎに対して

を計算する。ここでｎ＝１，２，……，Ｎは、

の行のインデックスである。
４．最高のＳＮＲが得られるプレコーディング行列インデックスｋを判定する。言い換えると、プレコーディング行列インデックスｋを判定する。言い換えると、最小の

のプレコーディング行列インデックスｋを判定する。

図３は、プレコーディング行列を選択する第１及び第２の方法にそれぞれ対応する、ＭＩＭＯ通信装置を操作する第１及び第２の方法の流れ図を示す。上記ＭＩＭＯ通信装置を操作する第１及び第２の方法は、本発明によるＭＩＭＯ通信装置を操作する方法の実施形態に対応する。

ステップＳ２において、チャネル行列

を含むチャネル状態情報が、送信機１−１から受信される信号に基づいて、ＯＦＤＭサブキャリアごとにチャネル推定部２０によって判定される。ステップＳ４において、チャネル行列

の疑似逆行列

が、リンク制御部４−２によって計算される。ステップＳ６において、検出行列

が、リンク制御部４−２によって計算される。ステップＳ８において、各検出行列

の各行のユークリッドノルムが、リンク制御部４−２によって計算される。ステップＳ１０において、リンク制御部４−２によって計算された検出行列

の行のノルムに基づいて、格納されたプレコーディング行列の中からプレコーディング行列が選択される。第１の方法によれば、ステップＳ１０はステップＳ１２及びＳ１４を含む。ステップＳ１２において、全体のＳＮＲを示す平均値Ａ_ｋが、リンク制御部４−２によってプレコーディング行列ごとに計算される。ステップＳ１４において、最低値Ａ_ｋに対応するプレコーディング行列（プレコーディング行列インデックスｋ）が、リンク制御部４−２によって選択される。第２の方法によれば、ステップＳ１０はステップＳ１６を含む。ステップＳ１６において、検出行列

の行の最小ノルムに対応するプレコーディング行列（プレコーディング行列インデックスｋ）が選択される。ステップＳ１０の後、当該方法はステップＳ１８へ進む。ステップＳ１８において、ＭＩＭＯ検出部２２は、選択されたプレコーディング行列に対応する検出行列

に基づいて、シンボルを検出する。

説明してきたプレコーディング行列選択の方法においては、格納されたプレコーディング行列全部に対してＳＮＲの表示値が計算されるが、必ずしもそうである必要はない。例えば、プレコーディング行列の空間をセグメント化すること（プレコーディング行列は、対応する数学的空間の要素として見なされる）により、格納されたプレコーディング行列のうちいくつかのみに対する表示値の計算も実行可能である。これにより、各セグメントの１つの代表（すなわちプレコーディング行列）に対して（全）表示値は計算可能であり、「最良の（ｂｅｓｔ）」（全）表示値に対応するセグメントが選択される。その後、選択されたセグメントの全要素に「詳細検索（ｆｉｎｅ ｓｅａｒｃｈ）」が実行され、「最良の」（全）表示値に対応する要素（すなわちプレコーディング行列）が、プレコーディング及び検出に用いるプレコーディング行列として選択される。

通信システム６の実施形態は、ＰＬＣ通信システムであってもよく、例えば、第１のＰＬＣモデム１−１と第２のＰＬＣモデム１−２とを備える家庭用ＰＬＣ通信システム６であってもよい。異なる信号フィーディングを用いる家庭用ＰＬＣ通信システムは、電気幹線が３線（相、中性、保護アース）である設備において、Ｎ＝２個の送信パスＴ１、Ｔ２と、Ｎ＝４個までの受信パスＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４とを使用可能である。

ＰＬＣモデムは少なくとも準固定である。このように準固定であることと、有線送信媒体は不変のチャネル条件を提供することとにより、２つのＰＬＣモデム１−１と１−２との間のチャネル特性は比較的不変である。しかしながら、確定したチャネル状態は、ネットワークトポロジーで定められるものであり、比較的少数しかない。例えば、電灯のオン・オフによってもネットワークトポロジーは変化する。電灯オンには第１のタイムリー不変チャネル状態が対応し、したがって、第１のチャネル行列

と第１のプレコーディング

とが対応する。電灯オフには第２のタイムリー不変チャネル状態が対応し、したがって、第２のチャネル行列

と第２のプレコーディング行列

とが対応する。

したがって、リンク制御部４−２は、例えば決定されたチャネル行列

のＳＶＤ計算することによって、チャネル状態情報に基づいて、格納されるプレコーディング行列を少なくともいくつか生成すると（すなわち、予め格納されるプレコーディング行列の少なくともいくつかが格納前に受信機１−２により生成されると）、効果的である。このような自己生成プレコーディング行列は、高い数的正確さで（格納されるプレコーディング行列よりも高い数的正確さで）格納可能であり、理想（すなわち計算上の）プレコーディング行列に近づく。新しいプレコーディング行列に対応する新しいチャネル条件を受信機１−２が決定するたびに、新しく生成され格納されるプレコーディング行列は送信機１−１にも（例えば送信部２−２及び受信部３−１を介して）送信される。

さらに、リンク制御部４−２は、新しく計算され格納されるチャネル行列の周辺を生成し、確定したチャネル状態の付近における小さなチャネル変動を対処することが可能である。周辺とは、新しく計算され格納されるプレコーディング行列に近いプレコーディング行列の集合である。近接度は、例えば弦距離基準（数式（４）を参照のこと）で定めてもよい。ここで、プレコーディング行列の空間の細かい量子化が使用可能である。つまり、周辺のプレコーディング行列は、予め格納されたプレコーディング行列があれば、それよりも互いに近接する。新しく生成され格納されるプレコーディング行列と、同一の周辺生成規則とに基づいて、リンク制御部４−２、４−１両方によって周辺の生成が行われるため、周辺は実際に送信される必要はない。ある制限内にコードブックの大きさを維持するために、制限に達すると、最古の自己生成エントリが、新しく計算されたプレコーディング行列で置き換えられてもよい。

このように、不均一にプレコーディング行列で満たされるプレコーディング行列の空間（プレコーディング行列は、密度基準を定める数学的空間の要素である数学的対象と見なされる）を設けることを提案する。プレコーディング行列の密度は、自己生成チャネル行列付近の領域が他の領域よりも高い。密度基準は、例えば弦距離に基づいてもよい。

格納されるプレコーディング行列が完全プレコーディング行列により近いと分かるという意味で、自己生成はより良い量子化を提供する。これにより、ＳＮＲが良くなり、データレートが高くなる。より良い量子化は、コードブックを過度に拡大することもなく得られるものである。実際、コードブックの大きさは、プレコーディング行列密度の不均一性により、さらに縮小可能である。コードブックの大きさが小さくなると、プレコーディング行列選択の計算の複雑さも軽減される。自己生成は、ＰＬＣシステムだけではなく、同様の特性（おおよそ準固定及び／又は不均一なプレコーディング行列密度）を有する他の通信システムにも適応可能である。

ＯＦＤＭマルチキャリア変調スキームに関して、本発明を説明してきたが、本発明は他のマルチキャリア変調スキーム（例．ウェーブレットマルチキャリア変調）にも、非マルチキャリア変調スキームにも使用可能なものである。

従来技術による空間多重化ＭＩＭＯ通信システムの概略図を示す。 本発明によるＭＩＭＯ通信装置の実施形態を備えるＭＩＭＯ通信システムを示す。 本発明によるＭＩＭＯ通信装置を操作する方法の２つの実施形態に対応する流れ図を示す。

Claims (17)

1. 固有ビーム形成システムの送信側符号化を実現する複数のＭＩＭＯプレコーディング行列を格納するメモリと、
   格納される前記ＭＩＭＯプレコーディング行列の少なくともいくつかの各々について、対応する前記ＭＩＭＯプレコーディング行列の少なくとも一部に基づいて、少なくとも１つの分離送信チャネルの信号対雑音比の表示値を計算し、計算した前記信号対雑音比の表示値の少なくとも１つに基づいて、格納される前記ＭＩＭＯプレコーディング行列の１つを選択する制御部と、
   選択される前記ＭＩＭＯプレコーディング行列に基づいてシンボルを検出するＭＩＭＯ検出部と
   を備えるＭＩＭＯ通信装置。
2. 選択される前記ＭＩＭＯプレコーディング行列は、最高の信号対雑音比を示す前記信号対雑音比の表示値に対応する前記ＭＩＭＯプレコーディング行列である、請求項１に記載のＭＩＭＯ通信装置。
3. 前記制御部は、格納される前記ＭＩＭＯプレコーディング行列の少なくともいくつかの各々について、計算される前記信号対雑音比の表示値の平均値を計算するものであり、選択される前記ＭＩＭＯプレコーディング行列は、計算される前記平均値の極値に対応する前記ＭＩＭＯプレコーディング行列である、請求項１に記載のＭＩＭＯ通信装置。
4. 前記ＭＩＭＯ通信装置は適応ＯＦＤＭ通信装置であり、前記制御部は、少なくとも１つのＯＦＤＭサブキャリアの変調スキームを、ＯＦＤＭサブキャリアそれぞれのチャネル条件にしたがって定める、請求項１又は２又は３に記載のＭＩＭＯ通信装置。
5. 前記ＭＩＭＯ検出部は、検出行列に基づいて前記シンボルを検出するものであり、前記検出行列は、選択される前記ＭＩＭＯプレコーディング行列に基づくものであって、前記検出行列の各行又は列は、異なる分離送信チャネルに対応し、
   前記制御部は、格納される前記ＭＩＭＯプレコーディング行列の少なくともいくつかのうちの各々について検出行列の少なくとも１つの行又は列を計算するものであり、前記少なくとも１つの行又は列は、前記少なくとも１つの分離送信チャネルに対応し、
   分離送信チャネルの前記信号対雑音比の表示値の計算は、対応する前記検出行列の対応する行又は列に基づく、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載のＭＩＭＯ通信装置。
6. 分離送信チャネルの前記信号対雑音比の表示値は、対応する前記検出行列の対応する行又は列のノルムに基づく、又は与えられる、請求項５に記載のＭＩＭＯ通信装置。
7. 前記リンク制御部は、格納される前記ＭＩＭＯプレコーディング行列の少なくともいくつかのうちの各々について、検出行列の全行又は全列を計算し、前記分離送信チャネルの各々の対応する信号対雑音比の表示値を計算するものである、請求項５又は６に記載のＭＩＭＯ通信装置。
8. 前記リンク制御部は、チャネル状態情報に基づいて、格納される前記ＭＩＭＯプレコーディング行列の少なくともいくつかを生成し、格納するものである、請求項１〜７のいずれか１項に記載のＭＩＭＯ通信装置。
9. 固有ビーム形成システムの送信側符号化を実現する複数のＭＩＭＯプレコーディング行列を格納したＭＩＭＯ通信装置を操作する方法であって、
   格納される前記ＭＩＭＯプレコーディング行列の少なくともいくつかのうちの各々について、対応する前記ＭＩＭＯプレコーディング行列の少なくとも一部に基づいて、少なくとも１つの分離送信チャネルの信号対雑音比の表示値を計算するステップと、
   計算される前記信号対雑音比の表示値の少なくとも１つに基づいて、格納される前記ＭＩＭＯプレコーディング行列の１つを選択するステップと、
   選択される前記ＭＩＭＯプレコーディング行列に基づいて、シンボルを検出するステップと
   を含む方法。
10. 選択される前記ＭＩＭＯプレコーディング行列は、最高の信号対雑音比を示す前記信号対雑音比の表示値に対応する前記ＭＩＭＯプレコーディング行列である、請求項９に記載の方法。
11. 計算される前記信号対雑音比の表示値の平均値は、格納される前記ＭＩＭＯプレコーディング行列の少なくともいくつかの各々について計算され、選択される前記ＭＩＭＯプレコーディング行列は、計算される前記平均値の極値に対応する前記ＭＩＭＯプレコーディング行列である、請求項９に記載の方法。
12. 前記ＭＩＭＯ通信装置は適応ＯＦＤＭ通信装置であり、前記方法は、少なくとも１つのＯＦＤＭサブキャリアの変調スキームを、ＯＦＤＭサブキャリアそれぞれのチャネル条件にしたがって定めるステップをさらに含む、請求項９又は１０又は１１に記載の方法。
13. 前記シンボルを検出するステップは検出行列に基づくものであり、前記検出行列は、選択される前記ＭＩＭＯプレコーディング行列に基づくものであって、前記検出行列の各行又は列は、異なる分離送信チャネルに対応し、
    前記方法は、格納される前記ＭＩＭＯプレコーディング行列の少なくともいくつかのうちの各々について検出行列の少なくとも１つの行又は列を計算するステップであって、前記少なくとも１つの行又は列は、前記少なくとも１つの分離送信チャネルに対応するものであるステップをさらに含み、
    分離送信チャネルの前記信号対雑音比の表示値を計算するステップは、対応する前記検出行列の対応する行又は列に基づく、
    請求項９〜１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 分離送信チャネルの前記信号対雑音比の表示値は、対応する前記検出行列の対応する行又は列のノルムに基づく、又は与えられる、請求項１３に記載の方法。
15. 検出行列の全行又は全列が、検出行列の少なくとも１つの行又は列を計算するステップにおいて計算され、
    信号対雑音比の表示値が、少なくとも１つの分離送信チャネルの信号対雑音比の表示値を計算するステップにおいて、前記分離送信チャネルの各々について計算される、
    請求項１３又は１４に記載の方法。
16. チャネル状態情報に基づいて、格納される前記ＭＩＭＯプレコーディング行列の少なくともいくつかを生成し、格納するステップを含む、請求項９〜１５のいずれか１項に記載の方法。
17. １又は２以上の情報処理装置によって実行されると、請求項９〜１６のいずれか１項に記載の方法を行うソフトウェアプログラムプロダクト。

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