JP2009526480A

JP2009526480A - ポーラーキャップコードブックを用いたビーム成形のためのｍｉｍｏ通信システム及び方法

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Publication number: JP2009526480A
Application number: JP2008554328A
Authority: JP
Inventors: リ，チンホア; リン，シンティアン
Original assignee: インテルコーポレイション
Priority date: 2006-02-09
Filing date: 2007-02-07
Publication date: 2009-07-16
Also published as: CN101371483B; CN101371483A; TWI356608B; EP1989810A2; WO2007092539A2; TW200814598A; US20070195974A1; US7885348B2

Abstract

ポーラーキャップコードブックを用いたビーム成形のための多重入力多重出力（ＭＩＭＯ）通信システム及び方法はここに記述される。他の実施例は記述されクレームされる。いくつかの実施例において、ビーム成形はフルマニフォールドコードブックの符号語に関するチャネル内の偏差を代表するポーラーキャップコードブックの符号語に基づくものである。

Description

本発明の実施例は、無線通信に関する。いくつかの実施例は多重入力／多重出力（ＭＩＭＯ）システム内のコードブックを用いるビーム成形に関する。

閉ループＭＩＭＯシステムは典型的には、フィードバックパスを介して受信機から送信機にチャネル状態情報を送信する。チャネル状態情報は受信機において信号対雑音比（ＳＮＲ）レベルが増加しつつある現チャネル状態の補償のためのビーム成形を採用するために使うことができる。いくつかのこれらの従来のシステムにおいては、ビーム成形行列はチャネル状態に基づいて受信機において生成される。ビーム成形行列はその後フィードバックとして送信機に提供される。このフィードバックはもしそうでなければデータトラフィックのために利用することができる帯域幅を消費する。このフィードバックに関連するオーバーヘッドを減らすために、実際のビーム成形行列の代わりに周知のコードブックの符号語が提供される。符号語はどのビーム成形行列が送信機によって使用されるべきかを示すことができる。

ＭＩＭＯシステムにおいては、コードブックのサイズは送信アンテナの数Ｎ_１及び送信されたデータストリームの数Ｎ_Ｓでかなり増加する。いくつかの従来のシステムにおいては、コードブックのサイズは送信アンテナの数及びデータストリームの数に基づく。このことはフィードバックのかなりの増加という結果となる。

このように、縮小フィードバックでのビーム成形のためのＭＩＭＯシステム及び方法に対しては一般的な要求がある。又、より小さいコードブックを使用するＭＩＭＯシステム及び方法に対する一般的な要求がある。又、フィードバック増なしで改善された性能を提供するＭＩＭＯシステム及び方法に対する一般的な要求がある。

課題を解決するための手段は、チャネルを介して２以上のデータストリームを送信する方法で、初期チャネル行列に基づいて生成された、フルマニフォールドコードブックの符号語を受信するステップ及びフルマニフォールドコードブックの符号語を受信して以来の偏差を表すポーラーキャップコードブックの符号語を次に受信するステップを含む方法である。

以下の明細書の記述及び図面は当業者が本発明の特定の実施例を実施できるよう十分に例示している。他の実施例は構造的変化、論理的変化、電気的変化、プロセス的変化、及びその他の変化と一体化することができる。実施例は可能な変化例を単に代表する。個々の構成要素及び機能は明白に要求される場合を除き任意で、操作順は変化しうる。いくつかの実施例の部分及び機能は他の実施例の部分及び機能に含まれうるか又は置換されうる。本発明の特許請求の範囲に示された実施例はそれらの請求の範囲のあらゆる均等物を含む。本発明の実施例はここでは「発明」という術語によって、個々に又は集合的に、参照されうる。この「発明」という術語は単に都合のためで、もし２以上の発明又は発明概念が開示されれば、この適用例の範囲は如何なる単一の発明又は発明概念にも制限されないことが意図されている。

図１は本発明のいくつかの実施例に従いＭＩＭＯシステムを例示する。図１に示すＭＩＭＯシステムはチャネル１０４を介して通信する固定局１０２及び移動局１０６を含む。いくつかの直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）実施例において、固定局１０２及び移動局１０６は複数のサブキャリアを含むマルチキャリア通信信号を使って通信することができる。

いくつかの実施例に従い、図１に示すＭＩＭＯシステムは固定局１０２によって移動局１０６に送信される信号のＳＮＲを増加させるためのビーム成形を採用する閉ループシステムであってもよい。これらの実施例においては、一連のベクトルコードブックはビーム成形行列を効率的に符号化するようにマニフォールドの表面に配置するために用いることができる。これらのフルマニフォールドコードブックはダウンリンクで使用されるビーム成形行列を選択するためにアップリンクでフィードバックの最小化を助けることができる。加えて、期間更新と比較してチャネル変化が小さい時、一組のより小さいポーラーキャップコードブックは時間経過によるチャネルドリフトを修正するために使われる。ポーラーキャップコードブックはフルマニフォールドコードブックより小さい可能性があるので、これらのポーラーキャップコードブックを使うことによりフィードバック量を更に減らすことができる。これらの実施例は以下に更に詳細に述べられる。

いくつかの他の実施例においては、ポーラーキャップコードブックは性能を改善するために用いられる。これらの実施例においては、ポーラーキャップコードブックは量子化分解能を増加させることにより時間経過によるチャネル変化をより綿密に追跡するために用いることができる。これらの実施例はまた以下に更に詳細に述べられる。

いくつかの他の実施例においては、時間領域と同様に周波数領域においてフルマニフォールドコードブックとポーラーキャップコードブックの交互の使用によりフィードバックが更に減少し、及び/又は性能が更に改善される。これらの実施例はまた以下に更に詳細に述べられる。

図１に図示されるように、固定局１０２はビーム成形行列Vによってデータ信号１１３を重み付けするためのビーム成形器１１４を含む。固定局１０２はまた重み付けされたデータ信号を送信するための送信アンテナ１１６を含む。固定局１０２はまた、移動局１０６から受信された符号語からビーム成形行列を生成するための行列生成器112を含む。これらの実施例においては、符号語はフルマニフォールドコードブック(full―manifold codebook)又はポーラーキャップコードブック(polar―cap codebook)からのもので、このことは詳細に以下に述べる。３つのアンテナ１１６で２つのデータストリーム（例えば、S_１とS_２）を送信する１実施例においては、送信信号は以下の式によって表される。

この式において、データ記号Ｘ_１からＸ_３までは送信アンテナ１１６の送信データ信号を表し、データ記号ベクトルＳはＮ_ｓ個のデータ記号ｓ_１及びｓ_２のベクトルで、ＶはＮ_ｔｘＮ_ｓビーム成形行列である。いくつかの実施例においては、ビーム成形行列Ｖはユニタリー行列で、パワー/ビットローディングはデータ記号ベクトルＳに適用される。

移動局１０６は固定局１０２によってチャネル１０４介して送信された信号（例えば、ｙ_１とｙ_２）を受信するための一つ以上の受信アンテナ１２６、及びチャネル１０４の現状態を表すチャネル行列Ｈを決定するためのチャネル推定器１２４を含む。移動局１０６はまたチャネル行列Ｈをビーム成形行列Ｖを含む数個の付加行列に分解するための分解回路１２２を含む。移動局１０６はまたビーム成形行列を量子化し、フィードバックパス１０８を通じて固定局１０２に送信するためのフルマニフォールドコードブックか又はポーラーキャップコードブックの符号語を生成するための符号語生成器１２０を含む。これらの実施例はまた以下に更に詳細に述べられる。

これらの実施例において、チャネル行列Ｈは各送信アンテナ１１６と各受信アンテナ１２６との間のサブチャネルを表す。３個の送信アンテナ１１６（Ｎ_ｔ＝３）と２個の受信アンテナ１２６（Ｎ_ｒ＝２）の場合、チャネル行列Ｈは、例えば、３ｘ２の行列である。本発明の範囲は本実施例に限られないのだが、いくつかのＯＦＤＭの実施例では、チャネル推定器１２４は共通パイロット信号に基づき各ＯＦＤＭトーン又はＯＦＤＭトーングループのためのチャネル行列Ｈを生成する。本発明の範囲は本実施例に限られないのだが、いくつかの実施例において、移動局１０６は、固定局１０２によって送信されるデータストリーム数と少なくとも同数の受信アンテナ１２６を含む。

いくつかの実施例において、固定局１０２は、先行受信された初期量子化フィードバック行列Ｖ_１を訂正及び/又は修正するためにフィードバックとして符号語により表された量子化ユニタリー差動フィードバック行列Ｖ`_２を受信する。これらの実施例において、ビーム成形器１１４は、差動フィードバック行列Ｖ`_２と先行受信した行列Ｖ_１からビーム成形係数を生成する。ビーム成形係数は、アンテナ１１６による送信に先行して周波数領域でＯＦＤＭ信号のサブキャリア（例えば、トーン）に適用される重み付けされた値である。これらの実施例において、初期に受信された量子化フィードバック行列Ｖ_１はフルマニフォールドコードブックからの一つ以上の符号語を含むことができる。量子化ユニタリー差動フィードバック行列Ｖ`_２は、ポーラーキャップコードブックからの一つ以上の符号語を含むことができる。ポーラーキャップコードブックは、フルマニフォールドコードブックからの偏差をあらわすより小さいコードブックである。これらの実施例において、差動フィードバック行列Ｖ`_２は、先行使用されたビーム成形を修正するユニタリー行列を含むことができる。

「ビーム成形」の用語は、本明細書中においてはビーム成形係数又は重み付けされた値を送信先の周波数領域信号に適用することを記述するために用いられる。事前設定された本発明の実施例に従い、ビーム成形係数又は重み付けされた値は、チャネル行列の分解により生成されたビーム成形行列から決定される。本発明の範囲は本実施例に限られないのだが、このビーム成形はフェーズドアレービーム成形の一般版とみることもできる。

いくつかの実施例において、固定局１０２は、送信ステーションとして参照でき、そして移動局１０６は、受信ステーションとして参照できるが、固定局１０２は、受信能力を有し、移動局１０６は、送信能力を有する。固定局１０２と移動局１０６は、いくつかの別個の機能要素を持つものとして図示されているが、１以上の機能要素は組み合わせることができ、かつ、デジタル信号プロセッサー（DSPs）及び/又は他のハードウエア要素を含む処理要素というようなソフトウエア構成要素を結合することにより実施できる。例えば、いくつかの要素は、１以上のマイクロプロセッサー、DSPs、特定用途集積回路（ASICs）及び少なくともここに記述された機能を実行するための種々のハードウエア及び論理回路の組み合わせを含む。いくつかの実施例において、固定局１０２及び移動局１０６の機能要素は、１以上の処理要素で操作される１以上のプロセスとして参照される。

図２は本発明のいくつかの実施例に従いビーム成形プロトコルを例示する。図２中で例示される実施例においては、固定局１０２（図１）のような送信ステーションは、移動局１０６（図１）のような受信ステーションに送るデータを持つ。これらの実施例において、送信ステーションは、受信ステーションに送信要求（ＲＴＳ）パケット２０２を送る。受信ステーションは、ＲＴＳパケット２０２の受信に基づき、初期ビーム成形行列Ｖ_１を計算し、フルマニフォールドコードブックの符号語を送信ステーションに受信準備完了（ＣＴＳ）パケット２０４の状態で送る。送信ステーションは、受信ステーションにデータパケット２０６を送るためにフルマニフォールドコードブックの符号語に基づきビーム成形係数を適用する。データパケット２０６の受信に基づき、
受信ステーションは、フルマニフォールドコードブックの符号語生成以来のチャネル内の偏差又は変化を表すポーラーキャップコードブックの符号語を生成する。受信ステーションは、ポーラーキャップコードブックの符号語を受信完了（ＡＣＫ）パケット２０８内で送信ステーションに送信することができる。送信ステーションは、データパケット２１０を受信ステーションに送信するためにポーラーキャップコードブックの符号語に基づきビーム成形係数を適用する。これらの実施例はまた以下に更に詳細に記述される。データパケット２０６を送信するための初期ビーム成形行列Ｖ_１の１以上のデータストリーム‘ｓ’への適用は、ビーム成形化データ２０７（即ち、Ｖ_１＊ｓ）として例示され、データパケット２１０を送信するための第２ビーム成形行列Ｖ_２＊Ｖ_１の１以上のデータストリーム‘ｓ’への適用は、ビーム成形化データ２１１（即ち、Ｖ_２＊Ｖ_１＊ｓ）として例示される。

図３は本発明のいくつかの実施例に従い、ポーラーキャップコードブックを例示している。表面３０２は、フルマニフォールドコードブックの符号語（即ち、ベクトル又は行列）３０１をあらわす。これらの実施例において、表面３０２は、マニフォールドを含む。極リング３０４は、一本の軸（即ち、極）の周りに位置する。ポーラーキャップコードブックは、極リング３０４内でベクトル又は行列を含む。本発明の範囲は本実施例に限られないのだが、いくつかの実施例において、マニフォールドは、複合Stiefelマニフォールド（Ｖ_k,n）で、ここでｋはデータストリーム数（即ち、ｋ>=1）でnは送信アンテナ数である。複合Stiefelマニフォールドのような複合マニフォールド上のベクトルは、ビーム成形行列である。本発明の範囲は本実施例に限られないのだが、いくつかの実施例において、表面３０２は球面として例示される。

いくつかの実施例に従い、図の１から３を参照すると、固定局１０２のような送信ステーションは時間領域ダウンサンプリングを使いチャネル１０４を介して２以上のアンテナで２以上のデータストリームを送信することができる。これらの実施例において、送信ステーションは、フルマニフォールドコードブックの符号語３０１を受信することができる。符号語３０１は、初期チャネル行列Ｈ_１に基づいて、移動局１０６のような受信ステーションにより生成される。送信ステーションは、次にポーラーキャップコードブックの符号語３０６を受信することができる。符号語３０６は、フルマニフォールドコードブックの符号語３０１の生成以来のチャネル１０４内の偏差又は分散を表す。これらの実施例において、フィードバックを減少することができる。というのはポーラーキャップコードブックは、サイズにおいてフルマニフォールドコードブックより非常に小さくすることができるからである。従って、ポーラーキャップコードブックの符号語は、フルマニフォールドコードブックの符号語をより少ないビットで表すことができる。

いくつかの実施例において、フルマニフォールドコードブックの符号語３０１は、ビーム成形器１１４による適用のための初期ビーム成形行列Ｖ_１に対応することができる。
ポーラーキャップコードブックの符号語３０６は、差動ビーム成形行列Ｖ`_２と初期ビーム成形行列Ｖ_１とを用いる送信ステーションにより第２ビーム成形行列Ｖ_２を派生させる時に使用するための差動ビーム成形行列Ｖ`_２に対応することができる。いくつかの実施例において、送信ステーションは、最初にビーム成形行列Ｖ_１をデータパケット２０６に適用し、次に第二ビーム成形行列（例えば、Ｖ_１＊Ｖ_２）をデータパケット２１０に適用する。これらの実施例において、第二ビーム成形行列は、ビーム成形行列Ｖ_２の倍数とビーム成形行列Ｖ_１とを含むことができる。これらの実施例において、送信ステーションは、初期ビーム成形行列を決定するためにフルマニフォールドコードブックを探し、第２ビーム成形行列を決定するためにより小さいポーラーキャップコードブックを探す。

いくつかの実施例において、フルマニフォールドコードブックは、マニフォールドの表面３０２に存在するベクトルに対応する符号語を含みうる。フルマニフォールドコードブックを含む符号語のセットは、ビーム成形行列を符号化するために使われる。ポーラーキャップコードブックは、フルマニフォールドコードブックよりもサイズにおいてより小さい差動コードブックを含むことができる。ポーラーキャップコードブックの符号語は、マニフォールドの表面３０２上の極リング３０４内に存在しうる。これらの実施例において、ポーラーキャップコードブックの使用は、フルマニフォールドコードブックのベクトル（即ち、符号語）からの偏差の追跡を提供する。

いくつかの実施例において、同数のビットがフィードバックとして提供されるため、
ポーラーキャップコードブックの符号語は、フルマニフォールドコードブックの符号語より高いビーム成形解像度を提供できる。これは、ポーラーキャップコードブックの符号語が、極リング３０４内に存在する表面３０２の部分のみを表すからである。したがって、ＭＩＭＯの性能は、フィードバックの増加なしに改良できる。

いくつかの実施例において、受信ステーションは、チャネル探測パケット又はＲＴＳパケット２０２の受信中に測定されたチャネル状態に基づき、初期チャネル行列Ｈ_１を生成することができ、初期チャネル行列Ｈ_１の分解を実行することによりフルマニフォールドコードブックの符号語３０１に関連した初期ビーム成形行列Ｖ_１を計算できる。これらの実施例において、受信ステーションは、データパケット２０６の受信中に次に測定されたチャネル状態に基づき、第２チャネル行列Ｈ_２を生成することができ、ポーラーキャップコードブックの符号語３０６に関連した差動ビーム成形行列Ｖ`_２を計算できる。

いくつかの代替実施例において、符号語３０１に関連した初期ビーム成形行列Ｖ_１は、フルマニフォールドコードブックの代わりにポーラーキャップコードブックから選択されうる。これらの代替実施例において、ポーラーキャップコードブックの符号語は、初期ビーム成形行列を生成するために使われ、それによりフィードバックを更に減少させることができる。本発明の範囲は本実施例に限られないのだが、これらの実施例において、フルマニフォールドコードブックのビーム成形行列に向かう収束が、時間の経過とともに起きうる。

本発明の範囲は本実施例に限られないのだが、いくつかの実施例において、受信ステーションは、チャネル探測パケット又はＲＴＳパケット２０２の受信中に測定されたチャネル状態に基づき、初期チャネル行列Ｈ_１を生成することができる。本発明の範囲は本実施例に限られないのだが、いくつかの実施例において、受信ステーションは、データパケット２０６の受信中に測定されたチャネル状態に基づき、第２チャネル行列Ｈ_２を生成することができる。

本発明の範囲は本実施例に限られないのだが、いくつかの実施例において、符号語３０１と符号語３０６は、別々のチャネル品質インジケータ(CQI)パケットの部分として受信ステーションにより送信されうる。

いくつかの実施例において、受信ステーションは、以下の式より差動ビーム成形行列Ｖ`_２を導くことができる。

Ｖ`_２＝Ｖ_２ ^Ｈ＊Ｖ_１

この式において、Ｖ`_２は差動ビーム成形行列を表し、Ｖ_１は初期ビーム成形行列を表し、Ｖ_２ ^Ｈは第２ビーム成形行列のエルミート転置を表す。第２ビーム成形行列Ｖ_２は、第２チャネル行列Ｈ_２の分解行列を含む。いくつかの実施例において、第２ビーム成形行列Ｖ_２は、現チャネルのためのフルマニフォールドコードブックのビーム成形行列を表し、差動ビーム成形行列Ｖ`_２は、現チャネル状態と先行チャネル状態との差を表す。これらの実施例において、差動ビーム成形行列Ｖ`_２は、第２ビーム成形行列Ｖ_２より大幅に小さくすることができ、送信ステーション（例えば、固定局１０２）へのフィードバックとして提供されうる。いくつかの実施例において、チャネル推定器１２４は、チャネル状態情報を決定するためにチャネル１０４を測定し、初期チャネル行列Ｈ_１を生成することができる。分解回路１２２は、ビーム成形行列Ｖ_１を決定するために初期チャネル行列Ｈ_１を分解する。いくつかの実施例において、分解回路１２２は、初期チャネル行列Ｈ_１の特異値分解（ＳＶＤ）を実行できる。いくつかの実施例において、分解回路１２２は、ビーム成形行列Ｖ_１を決定するために以下の式を用いることができる。

Ｈ_１＝Ｕ_１Σ_１Ｖ_１ ^Ｈ

この式に示されるように、初期チャネル行列Ｈ_１は、３つのユニタリ行列Ｕ_１、Σ_１及びＶ_１ ^Ｈに分解される。ここで、ビーム成形行列Ｖ_１は送信ステーションによってビーム成形に用いられるユニタリ行列であり、右肩文字‘Ｈ’はエルミート転置を表す。

これらの実施例において、差動ビーム成形行列Ｖ`_２は、次式から導かれる。

Ｈ_２Ｖ_１＝Ｕ_２Σ_２Ｖ_２ ^ＨＶ_１＝Ｕ_２Σ_２Ｖ_２`^Ｈ

本発明の範囲はこの点に限られないのだが、この式において、差動ビーム成形行列Ｖ`_２は、Ｖ`_２＝Ｖ_２ ^ＨＶ_１を含む。このことからわかるように、差動ビーム成形行列Ｖ`_２は、単位行列に近接することができ、ポーラーキャップコードブックを使うことができる。本発明の範囲はこの点に限られないのだが、これらの実施例において、一つのデータストリームに対して、差動ビーム成形行列Ｖ`_２は、近似的にベクトル[1,0,…,0]^Tに等しくすることができ、フルマニフォールドコードブックのベクトルの偏差の追跡をすることができる。

いくつかの実施例において、フルマニフォールドコードブックの符号語３０１を受信後、送信ステーションは、フルマニフォールドコードブックの符号語３０１から派生する又は生成されるビーム成形係数を第一データ送信（即ち、データパケット２０６）に適用できる。ポーラーキャップコードブックの符号語３０６の受信後、送信ステーションは、ポーラーキャップコードブックの符号語３０６に由来するビーム成形係数を次のデータ送信（即ち、データパケット２１０）に適用できる。これらの実施例において、ポーラーキャップコードブック及びフルマニフォールドコードブックの符号語は、ビーム成形器１１４による使用のためのビーム成形行列に対応できる。図２に示すように、データパケット２０６は、初期ビーム成形行列Ｖ_１（即ち、Ｖ_１＊ｓ）を適用して送信されたものとして示される ‘ｓ’によって示される１以上のデータストリームを含むことができる。データパケット２１０は、又１以上の‘ｓ’によって示されるデータストリームを含むことができるが、上で述べたように、ビーム成形行列Ｖ_２＊Ｖ_１（即ち、Ｖ_２＊Ｖ_１＊ｓ）を適用して送信されたものとして示される。

いくつかの実施例において、チャネル１０４のコヒーレンス時間は、フルマニフォールドコードブックの符号語３０１とポーラーキャップコードブックの符号語３０６との受信間の時間よりも大きくすることができ、送信ステーションはチャネル１０４のコヒーレンス時間よりも実質的に少ない時間内に反応することができる。言い換えれば、固定局１０２のような送信ステーションは、チャネル１０４のコヒーレンス時間よりも実質的に少ない時間内にチャネル１０４内の小変化に反応することができる可能性がある。いくつかの実施例において、チャネル１０４が室内チャネルであるときに、データパケット２０６とデータパケット２１０との間の時間が、２００マイクロ秒という短い時間である一方、チャネル１０４のコヒーレンス時間は、１ミリ秒の１００分の１から１０００分の１より長い。

いくつかの実施例において、チャネル状態フィードバックは、それはフルマニフォールドコードブックの符号語３０１とポーラーキャップコードブックの符号語３０６とで表されるが、時間と周波数において、不均一の方法で提供される。これらの実施例のうちのいくつかは、更に詳細が以下に述べられる。

本発明のいくつかの実施例に従い、図４は、送信ステーションと受信ステーションとの間の差動フィードバックを表す。本発明の範囲は本実施例に限られないのだが、これらの実施例において、送信ステーション４０２は、固定局１０２（図１）に対応し、受信ステーション４０６は、移動局１０６（図１）に対応する。図４に示すように、送信ステーション４０２は、チャネル（Ｈ（ｉ）として表される）を介してビーム成形化信号

［外１］

を受信ステーション４０６に対して送り、ここでｊは送信サブフレームインデックスで、iはフィードバック周期インデックスで、

［外２］

は送信ステーション４０２での累積ビーム成形行列で、ｋは送信されたデータストリームの数を表す。図４に更に示されるように、送信ステーション４０２は、フィードバック間のチャネル変動を追跡するために累積的にビーム成形行列を倍数化する。いくつかの実施例において、現ビーム成形行列は次式で表すことができる。

式中で

［外３］

は先のビーム成形行列を表し、

［外４］

はフィードバックから生成された最新のビーム成形行列を表す。この式において、ｊはフレームのような現時間周期を表し、ｊ−１は先行のフレームのような先行時間周期を表す。もし、ビーム成形行列が、n行ｋ列で、Ｋ＜ｎであるとすると、その行列は、n-ｋ個の直交ユニタリー列を加えることにより送信ステーション1０２によりn行n列の行列に拡張できる。追加列は一意である必要はない。次の周期において、受信ステーション４０６は、共通パイロット信号から最新のチャネル行列を決定し、制御リンク又は専用パイロット信号からビーム成形行列

［外５］

を決定し、差動ビーム成形行列

［外６］

を計算することができる。いくつかの実施例において、分解回路１２２（図１）は、第１に

［外７］

の分解特異値を計算し、それは

、で示されるように次の受信期間中に予想チャネル行列となる。ここで、

［外８］

はn行n列の複素ユニタリ行列である。これらの実施例において、
ビーム成形行列に対する差動更新は次式で計算される。

受信ステーション４０６は、Ｖ（ｊ＋１）を量子化するための符号語生成器１２０の部分である量子化器を含むことができる。図４に示すように、量子化指標（ｑ_ｋ）は次の時間期間中の使用のために送信ステーション４０２に送られる。いくつかの実施例において、ランクアダプテーションが適用されるとき、Ｖ（ｊ＋１）の最初のｋ列は受信ステーション４０６により量子化され、送信ステーション４０２に送られる。これらのランクアダプテーションの実施例においては、最初のｋ列は

［外９］

の最強ｋ特異モードに対応することができる。

いくつかの実施例において、Ｖ（ｊ＋１）の量子化は次式の従い、計算できる。

ここで、Ｖ_iは、差動行列コードブック（例えば、ポーラーキャップコードブック）中のi番目の符号語を表し、

［外１０］

は量子化行列になりうる。

各フィードバックは、先のビーム成形における如何なるビーム成形エラーでも修正しうるので、図４に示す差動フィードバックはフィードバックエラーに強い。したがって、エラー伝達は、減少するか又は除去される。如何なるビーム成形エラー及びフィードバックエラーでも次のフィードバックで修正しうる。いくつかの実施例において、３５％までか又はそれ以上のフィードバック減少が、従来の非差動フィードバックに対して達成される。

図５Ａから５Ｆは、本発明の実施例に従い、チャネル状態フィードバックを示す。図５Ａから５Ｆにおいて、周波数（ｆ）はｘ軸に、時間（ｔ）はｙ軸に示される。正方形は、周波数次元における数個のトーンのクラスターを表し、時間次元においてはＯＦＤＭ記号群を表す。図５Ａから５Ｆにおいて、符号語３０１は、フルマニフォールドコードブックの符号語に対応し、かつ左上から右下への対角線で示され、符号語３０６は、ポーラーキャップコードブックの符号語に対応し、かつ左下から右上への対角線で示され、符号語なしのブロック３０７は、網目模様で示される。

これらの実施例において、チャネル１０４（図１）は、複数のトーンを含んだＯＦＤＭチャネルである。トーンクラスターは、チャネルのコヒーレンス帯域幅よりも実質的に狭い帯域幅（即ち、クラスタースパン）を有する。図５Ａに示されるように、フルマニフォールドコードブックの符号語３０１は、いくつかのクラスター（即ち、３クラスター毎又はそれと同数毎）のために提供される。ポーラーキャップコードブックの符号語３０６は、その他のクラスターのために提供される。これらの実施例に見ることができるように、チャネル状態の１部分のみが送信ステーションにフィードバックされる。これらの実施例において、送信ステーションは、個々のトーンのためのビーム成形行列を決定するため補間を実行することができる。

いくつかの実施例において、チャネルのコヒーレンス帯域幅は、２〜３ＭＨｚである。いくつかのＯＦＤＭ実施例において、トーン間隔は約１５ｋＨｚで、１クラスターは２５トーンまでを含む。本発明の範囲は本実施例に限られないのだが、クラスタースパンは、３７５ｋＨｚまでである。本発明の範囲は本実施例に限られないのだが、いくつかの実施例において、１チャネルに２４クラスターまでか又はそれ以上を含むこともできる。

図５Ｂに示す実施例において、ブロック３０７にフィードバックは提供されない。これらの実施例において、送信ステーションは、適切なビーム成形行列を決定するため補間を実行することができる。いくつかの実施例において、受信ステーションは、ブロック３０７によって図示されるいくつかのクラスターのためにフルマニフォールドコードブックの符号語３０１又はポーラーキャップコードブックの符号語３０６を提供することを差し控える。

図５Ｃに示すいくつかの実施例において、ポーラーキャップコードブックの符号語３０６は、次のフィードバックと同様に初期ビーム成形行列Ｖ_１として提供される。これらの実施例において、フルマニフォールドコードブックの符号語３０１は、提供される必要がない可能性がある。図５Ｃは、符号語３０６が各クラスターのために提供されることを図示しているが、これは必要条件ではない。というのは受信ステーションは、図５Ｂに示されるいくつかのクラスターのためにポーラーキャップコードブックの符号語３０６を提供することを差し控える可能性があるからである。

図５Ｅ及び図５Ｆに示されるように、フルマニフォールドコードブックの符号語３０１及びポーラーキャップコードブックの符号語３０６は、時間の経過とともに（周波数に加えて）異なるクラスター（例えば、ＯＦＤＭ記号群の異なるフレームの）に更にシフトされる可能性がある。図５Ｆに示されるように、ブロック３０７のようないくつかのブロックは、フィードバックなしに提供される。

いくつかの実施例において、符号語３０１及び３０６は、時間（例えば、１以上のフレーム又はフレームの一部）の経過とともに受信されたＯＦＤＭ記号の時間領域サンプリンググループによって生成されうる。いくつかの実施例において、フルマニフォールドコードブックの符号語３０１は、前に述べたように、最初に前もって決定されたビット数に量子化される。ポーラーキャップコードブックの符号語３０６は、２番目に前もって決定されたビット数に量子化される。これらの実施例において、２番目に決定されたビット数は、１番目に決定されたビット数より少ない。本発明の範囲は本実施例に限られないのだが、いくつかの実施例において、量子化ビーム成形行列は、符号語の代わりに送信される。

いくつかの実施例において、固定局１０２（図１）が殆ど如何なる無線通信装置の部分でありうるように本発明の範囲は本実施例に限られないのだが、固定局１０２（図１）は、Wireless Fidelity(ワイファイ)、Worldwide Interoperability for Microwave Access（ワイマックス）、又はブロードバンド通信ステーションのような無線アクセスポイント（ＡＰ）になりうる。本発明の範囲は本実施例に限られないのだが、いくつかの実施例において、固定局１０２（図１）は、ワイファイ、ワイマックス、又はブロードバンド無線アクセス（ＢＷＡ）ネットワーク通信ステーションのような通信ステーションになりうる。

いくつかの実施例において、固定局１０２（図１）と移動局１０４（図１）との間で伝達されたマルチキャリア通信信号の周波数スペクトルは、５ＧＨｚの周波数スペクトルか又は２．４ＧＨｚの周波数スペクトルを含む。これらの実施例において、他の周波数スペクトルも又等しく適しているように、本発明の範囲は本実施例に限られないのだが、５ＧＨｚの周波数スペクトルは、約４．９から５．９ＧＨｚの周波数を含むことができ、２．４ＧＨｚの周波数スペクトルは、約２．３から２．５ＧＨｚの周波数を含むことができる。本発明の範囲は本実施例に限られないのだが、いくつかのＢＷＡネットワークの実施例において、通信のための周波数スペクトルは、２と１１ＧＨｚとの間の周波数を含む。

他の技術および標準に従い送受信ステーションもまた通信を送信及び/又は受信するために適切であるように、本発明の範囲は本実施例に限られないのだが、いくつかの実施例において、IEEE802.11(a）、802.11(b), 802.11(g), 802.11(h)及び又は802.11(n)標準及び/又は無線ローカルエリアネットワーク(WLANs)のために提案された仕様を含むInstitute of Electrical and Electronics Engineers(IEEE)標準のような特定の通信標準に従い、固定局１０２（図１）及び移動局１０４（図１）は、通信できる。他の技術および標準に従い送受信ステーションもまた通信を送信及び/又は受信するために適切であるように、本発明の範囲は本実施例に限られないのだが、いくつかの実施例において、IEEE802.16-2004標準及び変化形及び展開形を含んだ無線大都市エリアネットワーク(ＷＭＡＮｓ)のためのIEEE802.16(e)標準に従い、固定局１０２（図１）及び移動局１０４（図１）は、通信できる。IEEE802.11及び IEEE802.16についてのより詳しい情報については、”IEEE Standards for Information Technology - Telecommunications and information Exchange between Systems” - Local Area Networks - Specific Requirements - Part 11 “Wireless LAN Medium Ａccess Control (MAC) and Physical Layer (PHY), ISO/IEC 8802-11: 1999”及びMetropolitan Area Networks - Specific Requirements - Part 16: “Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems,” 2005年５月及び関連の改訂版を参照のこと。

いくつかの実施例において、移動局１０６（図１）は、パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ），無線通信能力付ノートパソコン又は携帯型コンピュータ、ウエブタブレット、無線電話、無線ヘッドホン、ポケットベル、即時メッセージ装置、デジタルカメラ、アクセスポイント、テレビ、医療用装置（例えば、心臓鼓動モニター、血圧モニター等）、又は無線で情報を受信及び/又は送信できる他の装置のような携帯可能無線通信装置の一部になりうる。

アンテナ１１６（図１）及びアンテナ１２６（図１）は、例えば、ダイポールアンテナ、モノポールアンテナ、パッチアンテナ、ループアンテナ、マイクロストリップアンテナ又は、ＲＦ信号の送信に適した他の型のアンテナを含む指向性又は全方向性アンテナを含みうる。いくつかの実施例において、２以上のアンテナの代わりに、複数の開口部を持った単一のアンテナを使うことができる。これらの実施例において、各開口部は、別々のアンテナと考えることができる。いくつかの実施例において、アンテナ１１６（図１）及び/又はアンテナ１２６（図１）は、固定局１０４（図１）の各アンテナ１１６（図１）及び移動局１０６（図１）の各アンテナ１２６（図１）間に結果として生じる空間ダイバーシティー及び異なるチャネル特性をうまく利用するために効果的に離されている。

特定して述べなければ、「プロセスする」、「計算する」、「決定する」、「ディスプレーする」等の術語は、１以上のプロセッシングシステム若しくは計算システム又は類似装置の行為及び/又はプロセスとして参照することができる。これらのシステム又は装置は、プロセッシングシステムのレジスター及びメモリー内の物理量（例えば、電子的な）として表されたデータを操作及び変換して、プロセッシングシステムのレジスター若しくはメモリー、又は他のそのような情報格納装置、伝達装置若しくはディスプレー装置内の物理量として類似的に表された他のデータに変換することができる。更に、ここで使われているように、計算装置は、揮発性若しくは不揮発性メモリー又はそれらの組み合わせであるコンピュータに読むことのできるメモリーと組み合わさった１以上のプロセッシング要素を含む。

本発明のいくつかの実施例は、ハードウエア、ファームウエア及びソフトウエアの一つ又はそれらの組み合わせにおいて実行できる。本発明の実施例はまた、ここに記述された操作を実行するために少なくとも一つのプロセッサーによって読まれ実行される機械に読むことのできる媒体に格納されたインストラクションとして実行できる。機械に読むことのできる媒体は、機械（例えば、コンピュータ）によって読むことができる形で情報を格納又は送信するための如何なる機構をも含むことができる。例えば、機械に読むことのできる媒体は、読み出し専用メモリー（ＲＯＭ），ランダムアクセスメモリー（ＲＡＭ），磁気ディスク記憶媒体、光学記憶装置、フラッシュメモリー装置、及び他の媒体、装置を含むことができる。

要約は、技術的開示の性質及び要点を読者に確認させることができる要約を要求する米国特許法施行規則1.72(b)に従って提供される。要約は、特許請求の範囲又は意味を限定又は解釈するために用いられないという理解の下に提出される。以下の特許請求の範囲は本明細書と一体であり、各請求項は、別々の実施例として各々独立している。

本発明は以下の例示的な図によって、より深く理解することができる。
本発明のいくつかの実施例に従い、ＭＩＭＯシステムを示す図である。本発明のいくつかの実施例に従い、ビーム成形プロトコルを示す図である。本発明のいくつかの実施例に従い、ポーラーキャップコードブックを示す図である。本発明のいくつかの実施例に従い、送信ステーションと受信ステーションとの間の差動フィードバックを示す図である。本発明の種々の実施例に従い、チャネル状態フィードバックを示す図である。本発明の種々の実施例に従い、チャネル状態フィードバックを示す図である。本発明の種々の実施例に従い、チャネル状態フィードバックを示す図である。本発明の種々の実施例に従い、チャネル状態フィードバックを示す図である。本発明の種々の実施例に従い、チャネル状態フィードバックを示す図である。本発明の種々の実施例に従い、チャネル状態フィードバックを示す図である。

Claims

チャネルを介して２以上のデータストリームを送信する方法であって:
初期チャネル行列に基づいて生成された、フルマニフォールドコードブックの符号語を受信するステップ；及び
前記フルマニフォールドコードブックの前記符号語の受信以来の偏差を表す、ポーラーキャップコードブックの符号語を続いて受信するステップ；
を含む方法。
請求項１記載の方法であって、前記フルマニフォールドコードブックの前記符号語は、受信ステーションのビーム成形器による適用のための初期ビーム成形行列に対応し、及び
前記ポーラーキャップコードブックの前記符号語が、差動ビーム成形行列及び前記初期ビーム成形行列を使用する受信ステーションによる第２ビーム成形行列の派生時の使用のための前記差動ビーム成形行列に対応する前記方法。
請求項２に記載の方法であって、前記フルマニフォールドコードブックはマニフォールドの表面に存在するベクトルに対応する符号語を含み、
前記ポーラーキャップコードブックは、前記フルマニフォールドコードブックよりもサイズにおいてより小さい差動コードブックを含み、かつ
前記ポーラーキャップコードブックの符号語が、前記マニフォールドの前記表面の極リング内に存在する前記方法。
請求項２記載の方法であって、受信ステーションは、測定されたチャネル状態に基づき前記初期チャネル行列を生成し、前記初期チャネル行列の分解を実行することにより前記初期ビーム成形行列を計算し、かつ
前記受信ステーションは、次に測定されたチャネル状態に基づき第２チャネル行列を生成し、初期チャネル行列の分解を実行することにより初期ビーム成形行列を生成し、前記ポーラーキャップコードブックの前記符号語に関連する前記差動ビーム成形行列を計算する前記方法。
請求項４に記載の方法であって、前記受信ステーションは、Ｖ`_２が前記差動ビーム成形行列を表し、Ｖ_１が前記初期ビーム成形行列を表し、Ｖ_２ ^Ｈが前記第２ビーム成形行列のエルミート転置を表す、式Ｖ`_２＝Ｖ_２ ^Ｈ＊Ｖ_１から前記差動ビーム成形行列を派生させ、かつ
前記第２ビーム成形行列Ｖ_２は、前記第２チャネル行列の分解行列を含む前記方法。
請求項２に記載の方法であって：
前記フルマニフォールドコードブックの前記符号語を受信した後、前記フルマニフォールドコードブックの前記符号語から派生するビーム成形係数を最初のデータ送信に適用するステップ；かつ
前記ポーラーキャップコードブックの前記符号語を受け取った後、前記ポーラーキャップコードブックの前記符号語から派生するビーム成形係数を次のデータ送信に適用するステップを更に含み、
前記ポーラーキャップコードブック及び前記フルマニフォールドコードブックの前記符号語は、前記送信ステーションの前記ビーム成形器による使用のためのビーム成形行列に対応する前記方法。
請求項１に記載の方法であって、前記チャネルのコヒーレンス時間は、前記フルマニフォールドコードブックの前記符号語の受信と前記ポーラーキャップコードブックの前記符号語の受信との受信間の時間よりも大きく、送信ステーションは前記コヒーレンス時間よりも実質的に少ない時間内に反応することができる前記方法。
請求項１記載の方法であって、前記チャネルは、複数のトーンを含む直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）を含み、
トーンクラスターは前記チャネルのコヒーレンス帯域幅よりも実質的に狭い帯域幅を持ち、
前記フルマニフォールドコードブックの符号語を含むフィードバックは、いくつかのクラスターのために提供され、
前記ポーラーキャップコードブックの符号語を含むフィードバックは、前記フルマニフォールドコードブックの前記符号語が供給されない少なくともいくつかの他のクラスターのために提供され、
前記符号語は、時間の経過とともに受信されたＯＦＤＭ記号の時間領域サンプリンググループにより生成される前記方法。
請求項８記載の方法であって、前記フルマニフォールドコードブックの前記符号語及び前記ポーラーキャップコードブックの前記符号語は、時間の経過とともに異なるクラスタにシフトされる前記方法。
請求項８記載の方法であって、いくつかのクラスターのために前記フルマニフォールドコードブックの前記符号語又は前記ポーラーキャップコードブックの前記符号語を含むフィードバックを提供することを差し控えるステップを更に含む前記方法。
請求項１に記載の方法であって、前記フルマニフォールドコードブックの前記符号語及び前記ポーラーキャップコードブックの前記符号語は、受信ステーションにより送信された別々に送信されたパケットの部分として受信され、
前記フルマニフォールドコードブックの前記符号語は、最初に前もって決定されたビット数に量子化され、前記ポーラーキャップコードブックの前記符号語は、２番目に前もって決定されたビット数に量子化され、２番目に決定されたビット数は１番目に決定されたビット数より少なく、かつ
前記フルマニフォールドコードブックの前記符号語及び前記ポーラーキャップコードブックの前記符号語は、分離したチャネル品質インジケータ(CQI)パケットの部分として受信ステーションにより送信される前記方法。
ビーム成形方法であって：
初めにポーラーキャップコードブックの符号語を受信するステップ；
次に受信した前記ポーラーキャップコードブックの符号語は、前記ポーラーキャップコードブックの先の符号語を受信して以来のチャネル内の偏差を表している前記ポーラーキャップコードブックの追加の符号語を次に受信するステップを含み、
前記ポーラーキャップコードブックは、フルマニフォールドコードブックのマニフォールド表面の極リング内の符号語を含む差動コードブックであり、かつ
前記フルマニフォールドコードブックは、ビーム成形行列を符号化するときに使うための符号語セット全体を含むビーム成形方法。
請求項１２記載の方法であって、前記ポーラーキャップコードブックの前記符号語は、送信ステーションで受信され、現チャネル行列の分解及び先のチャネル行列の分解に基づき受信ステーションにより決定される前記方法。
請求項１３記載の方法であって：
前記受信ステーションから受信した前記ポーラーキャップコードブックの前記符号語からビーム成形係数を生成するステップ；及び
前記ビーム成形係数を送信に先立って２以上の周波数領域信号に適用するステップを更に含む前記方法。
チャネルを介して２以上のデータストリームを送信するための送信ステーションであって：
行列生成器とビーム成形器を含み、
前記行列生成器は、受信されたフルマニフォールドコードブックの符号語から初期ビーム成形行列を生成するための行列生成器であって、前記生成された符号語は初期チャネル行列に基づくもので、前記行列生成器は次に受信されたポーラーキャップコードブックの符号語から第２ビーム成形行列を更に生成するもので、前記ポーラーキャップコードブックの前記符号語は、前記フルマニフォールドコードブックの前記符号語生成以来のチャネル内の偏差を表すもので；かつ
前記ビーム成形器は、２以上のアンテナにより送信に先立ち、ビーム成形行列を周波数領域信号に適用する送信ステーション。
請求項１５記載の送信ステーションであって、前記フルマニフォールドコードブックの前記符号語は、前記ビーム成形器による適用のためにビーム成形行列に対応し、
前記ポーラーキャップコードブックの前記符号語は、前記差動ビーム成形行列及び前記初期ビーム成形行列を使用する前記送信ステーションにより前記第２ビーム成形行列を派生させる時に使用するための差動ビーム成形行列に対応し、
前記フルマニフォールドコードブックは、マニフォールド表面に存在するベクトルに対応する符号語を含み、かつ
前記ポーラーキャップコードブックの符号語は、前記マニフォールド表面の極リング内に存在する前記送信ステーション。
請求項１６記載の送信ステーションであって、前記チャネルは、複数のトーンを含む
直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）を含み、
トーンクラスターは、前記チャネルのコヒーレンス帯域幅よりも実質的に狭い帯域幅（即ち、クラスタースパン）を有し、
前記フルマニフォールドコードブックの符号語を含むフィードバックは、いくつかのクラスターのために提供され、
前記ポーラーキャップコードブックの符号語を含むフィードバックは、そのために前記フルマニフォールドコードブックの前記符号語が供給されない少なくともいくつかの他のクラスターのために提供され、
前記符号語は、時間の経過とともに受信されたＯＦＤＭ記号の時間領域サンプリンググループにより生成される前記送信ステーション。
多重入力多重出力（ＭＩＭＯ）システムであって：
初期チャネル行列に基づきフルマニフォールドコードブックの符号語を生成し、ポーラーキャップコードブックの符号語を次に生成し、前記ポーラーキャップコードブックの前記符号語は、前記フルマニフォールドコードブックの前記符号語受信以来のチャネル内の偏差を表す受信ステーション；及び
前記フルマニフォールドコードブックの前記符号語から初期ビーム成形行列を生成し、次に受信した前記ポーラーキャップコードブックの符号語から第２ビーム成形行列を更に生成し、前記ポーラーキャップコードブックの前記符号語は、前記フルマニフォールドコードブックの前記符号語生成以来のチャネル内の偏差を表す送信ステーションを含む多重入力多重出力（ＭＩＭＯ）システム。
請求項１８記載のＭＩＭＯシステムであって、前記フルマニフォールドコードブックの前記符号語は、ビーム成形器による適用のための初期ビーム成形行列に対応し、
前記ポーラーキャップコードブックの前記符号語は、前記差動ビーム成形行列及び前記初期ビーム成形行列を使用する前記送信ステーションにより前記第２ビーム成形行列を派生させる時に使用するための差動ビーム成形行列に対応し、
前記フルマニフォールドコードブックは、マニフォールド表面に存在するベクトルに対応する符号語を含み、かつ
前記ポーラーキャップコードブックの符号語は、前記マニフォールド表面の極リング内に存在する前記ＭＩＭＯシステム。
請求項１９記載のＭＩＭＯシステムであって、前記送信ステーションは、ビーム成形行列を生成するための行列生成器、及び２以上の送信アンテナを使用するチャネルを介して送信するための２以上のデータストリームにビーム成形行列を適用するためのビーム成形器を含む前記ＭＩＭＯシステム。