JP2019537297A - ワイヤレス通信チャネルを介してシンボルを送信する送信機及び方法 - Google Patents

Abstract

送信機は、異なる発射角（ＡｏＤ）を有するビームフォーミングのための複数のアンテナと、第１のシンボル及び第２のシンボルを含む、シンボルシーケンスを受信する情報インターフェースと、複数のアンテナに、第１のシンボルの値に応じて選択され、第２のシンボルの値に応じて変調されるＡｏＤを有する送信ビームを形成させる変調器とを備える。

Description

本発明はワイヤレス通信システムに関し、より詳細には、伝送速度を高める空間変調に関する。

ミリメートル波（ｍｍ波）は、１ミリメートル（ｍｍ）〜１０ｍｍの範囲内の波長を有する電波であり、その範囲は３０ギガヘルツ（ＧＨｚ）〜３００ＧＨｚの無線周波数に対応する。国際電気通信連合（ＩＴＵ）の規定によれば、これらの周波数は、超高周波（ＥＨＦ：Extremely High Frequency）帯とも呼ばれる。

ｍｍ波は、特有の伝搬特性を示す。例えば、それより低い周波数の電波と比較すると、ｍｍ波は、より大きい伝搬損失を受け、建物、壁、枝葉等の物体を貫通する能力がより低く、空気中の粒子（例えば、雨滴）に起因する大気吸収、偏向及び回折をより受けやすい。一方、ｍｍ波の波長がより短いことに起因して、相対的に小さい面積の中により多くのアンテナを実装することができ、それにより、小さいフォームファクターにおいて高利得のアンテナを実現できるようになる。

ｍｍ波は、それより低い周波数の電波より利用が進まなかった。ｍｍ波帯では、大量のスペクトルが利用可能である。例えば、６０ＧＨｚ付近の周波数は、通常、６０ＧＨｚ帯と呼ばれ、大部分の国において免許不要のスペクトルとして利用可能である。これが、第５世代（５Ｇ）のセルラー通信においてｍｍ波スペクトルが提案されている理由の１つである。

ワイヤレス通信のデータ速度を高めるために、複数のアンテナを利用するいくつかの手法が提案されてきた。例えば、空間多重化は、別々に符号化された独立したデータ信号を複数のアンテナのそれぞれから送信するために使用されるＭＩＭＯ通信における伝送技法である。それゆえ、空間次元が何度も再利用され、すなわち、多重化される。しかしながら、ｍｍ波スペクトルの経路損失が大きいことに起因して、ｍｍ波伝送の場合に空間多重化は実用的ではない。

空間変調は、送信アンテナ指数を付加的な情報源として用いて、全スペクトル効率を改善する伝送技術である。例えば、特許文献１を参照されたい。しかしながら、同じ開口面（aperture）内にアンテナ素子を高密度に実装することに起因して、異なるアンテナからのｍｍ波伝送は、互いに区別できない可能性がある。

したがって、複数のアンテナを利用して、データ速度を高めることができる、ｍｍ波スペクトル内の伝送に適したシステム及び方法が必要とされている。

国際公開第２０１１／１０４５０２号

いくつかの実施形態は、ｍｍ波が特有の伝搬特性を示すという理解に基づく。例えば、それより低い周波数の電波と比較して、ｍｍ波は、より高い伝搬損失を受ける。しかしながら、波長が短いので、同じ開口面内により多くのアンテナ素子を実装して、高い利得及び他のユーザーとの効率的な分離を達成することができるビームフォーミングを形成することができる。一方において、この指向性ビームフォーミングによって、ｍｍ波スペクトルは、ワイヤレス通信にとって魅力的になる。他方では、ビームフォーミングは、送信アンテナ指数を付加的な情報源として使用する空間変調方法を実現困難にする。

いくつかの実施形態は、都市環境において、ビームが異なる発射角（ＡｏＤ：angles of departure）で送信される結果として、異なる到来角（ＡｏＡ：angles of arrivals）パターンの信号が受信機アレイに作用する可能性があるという理解に基づく。これは、異なるＡｏＤを有する異なるビームが環境内の同じ物体又は異なる物体から異なるように散乱するためである。ＡｏＡパターンは、このパターンを生じさせる特定のビームに関連付けることができる。それゆえ、或る未来の時点においてこのパターンが受信されると、このパターンを生じさせる特定のビームのＡｏＤを容易に特定することができる。

そのため、いくつかの実施形態は、伝送速度を高めるために空間ビームフォーミング変調を使用する。空間ビームフォーミング変調は、付加的な情報源として、送信アンテナ指数の代わりに送信ビームのＡｏＤ指数を使用する。

いくつかの実施形態は、空間ビームフォーミング変調がｍｍ波通信に適しているという認識に基づく。ｍｍ波チャネルは、ｍｍ波を伝搬させるためのいくつかの特有の特性を有する。それより低い周波数の電波とは対照的に、ｍｍ波チャネルは、受信機アレイに作用するｍｍ波の到来数に関して疎らである。さらに、伝搬するｍｍ波は角度領域において分散し、潜在的に、特有の電力プロファイルを示す可能性がある。ｍｍ波伝送のそのような特性は、異なるＡｏＤによって支配される異なるＡｏＡパターンの一意性を高める。

いくつかの実施形態において、パイロット送信ビームによって、受信機が、ＡｏＤ指数ごとにＡｏＡパターンを推定できるようになる。例えば、送信機は、パイロットビームを所定の順序において受信機に送信することができ、及び／又は各パイロット送信時にＡｏＤ指数を含むことができる。そのようなパイロット送信によって、受信機はチャネル推定を実行できるようになる。例えば、受信機は、ＡｏＤごとにＡｏＡパターンを推定し、異なるＡｏＤ指数とシンボルの値との間のマッピングを生成することができる。いくつかの実施形態において、送信機は、そのようなマッピングを受信機から受信する。例えば、受信機は、全ての入手可能なＡｏＤに関して、そのようなマッピングを生成することができる。しかしながら、異なるＡｏＤごとにチャネル利得が異なる場合には、受信機は、そのマッピング内に、それより少ない数のＡｏＤを含むことができる。いくつかの実施形態において、送信機は、マッピングにおいて規定されるＡｏＤの数に基づいて、異なる変調方式を選択する。

したがって、一実施形態は、異なる発射角（ＡｏＤ）を有するビームフォーミングのための複数のアンテナと、第１のシンボル及び第２のシンボルを含む、シンボルシーケンスを受信する情報インターフェースと、複数のアンテナに、第１のシンボルの値に応じて選択され、第２のシンボルの値に応じて変調されるＡｏＤを有する送信ビームを形成させる変調器とを備える送信機を開示する。

別の実施形態は、ワイヤレス通信チャネルを介してシンボルを送信する方法を開示する。本方法は、第１のシンボル及び第２のシンボルを含むシンボルシーケンスを受信することと、第１のシンボルの値に基づいて、発射角（ＡｏＤ）を選択することと、第２のシンボルの値に従って、無線周波数（ＲＦ）信号を変調することと、ビームフォーミングを実行して、ＲＦ信号を選択されたＡｏＤを有する送信ビームとして送信することとを含む。

更に別の実施形態は、方法を実行するためにプロセッサによって実行可能なプログラムを具現する非一時的コンピューター可読記憶媒体を開示する。本方法は、第１のシンボル及び第２のシンボルを含むシンボルシーケンスを受信することと、第１のシンボルの値に基づいて、発射角（ＡｏＤ）を選択することと、第２のシンボルの値に従って、無線周波数（ＲＦ）信号を変調することと、ビームフォーミングを実行して、ＲＦ信号を選択されたＡｏＤを有する送信ビームとして送信することとを含む。

いくつかの実施形態による、ワイヤレス通信チャネルを介してシンボルを送信する送信機のブロック図である。 いくつかの実施形態による、図１Ａの送信機の場合に発射角を選択するために使用される例示的な構造を示す図である。 いくつかの実施形態によって利用されるｍｍ波チャネルにおけるｍｍ波の伝搬の原理を示す概略図である。 いくつかの実施形態による、一組の散乱クラスターを通しての送信の概略図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ｍｍ波の伝搬空間内の種々の統計指標の概略図である。 一実施形態による、受信機によって実行されるチャネル推定のスパース復元（sparse recovery）方法のブロック図である。 いくつかの実施形態による、送信機の例示的なアーキテクチャーを示す図である。 いくつかの実施形態による、図６の送信機と通信する受信機の例示的なアーキテクチャーを示す図である。 一実施形態による、方位角及び仰角を有する３次元散乱マップを利用する空間ビームフォーミング変調による通信の概略図である。 一実施形態による、空間ビームフォーミング変調を使用する送信機の例示的な実施態様のブロック図である。 いくつかの実施形態によって使用される適応伝送方式の概略図である。

図１Ａは、いくつかの実施形態による、ワイヤレス通信チャネルを介してシンボルを送信する送信機１００のブロック図を示す。送信機１００は、異なる発射角（ＡｏＤ）１０１ａ、１０２ａ、１０３ａ及び１０４ａを有するビームフォーミングのための複数のアンテナ１０１を備える。一実施形態において、ビームフォーミングは、各時点において１つの送信ビーム、例えば、ビーム１０２ａを形成することができる。ＡｏＤは、送信されるビームの方位角及び高度角のうちの１つ又は組み合わせを含むことができる。

いくつかの実施形態において、情報を搬送するために、ＡｏＤ及び／又はＡｏＤ指数が選択される。そのために、送信される情報の異なる値に基づいて、異なるＡｏＤが選択される。この原理は、本明細書において、空間ビームフォーミング変調と呼ばれる。空間ビームフォーミング変調は、送信ビームのＡｏＤを付加的な情報源として使用する。

そのため、送信機１００は、第１のシンボル１４５及び第２のシンボル１４７を含むシンボルシーケンスを受信する情報インターフェース１４０を備える。例えば、情報インターフェース１４０は、シンボルシーケンスを記憶するメモリ、シンボルシーケンスを受信するためのネットワークインターフェース、及び／又は任意のタイプの情報を一組のシンボルに変換するためのデバイスを含むことができる。例えば、情報インターフェースは、音声をシンボルシーケンスに変換するためのマイクロフォンを含むことができる。

送信機１００は、空間ビームフォーミング変調を可能にする変調器１１０を備える。変調器１１０は、複数のアンテナ１０１に、第１のシンボル１４５の値に従って選択され（１２０）、第２のシンボル１３０の値に従って変調される（１３０）ＡｏＤを有する送信ビームを形成させる。そのようにして、第２のシンボルの値のみが受信機に送信される。しかしながら、第２のシンボルの値が、第１のシンボルの値に基づいて選択されたＡｏＤを有する送信ビームを介して送信されるので、受信機は、第１のシンボル及び第２のシンボルの両方の値を復号することができる。

空間ビームフォーミング変調は、送信機の複数のアンテナを利用することによって伝送速度を高め、ｍｍ波伝送に適している。いくつかの実施形態において、送信機は、異なるＡｏＤとシンボルの値との間のマッピングにアクセスする。このマッピングは受信機と合意されており、送信機が、第１のシンボルの値に基づいてＡｏＤを実効的に選択できるようにする。

図１Ｂは、いくつかの実施形態による、ＡｏＤを選択するために変調器１１０によって使用される例示的な構造１８０を示す。構造１８０は、異なるＡｏＤ１７２とシンボル１７４の値との間のマッピング１７０を記憶するメモリ１６０を含む。また、構造は、シンボルの値に基づいて、ＡｏＤを選択するプロセッサ１５０を含む。

いくつかの実施形態において、マッピングは、受信機であらかじめ決定され、合意される。それに加えて、又はその代わりに、マッピングは、受信機から受信することができ、及び／又は受信機と送信機との間のチャネル推定に基づいて更新することができる。例えば、いくつかの実施形態において、チャネル推定は、送信機によって実行されるパイロット送信に応答して、受信機によって実行される。受信機は、チャネル推定に基づいてマッピング１７０を決定し、マッピング１７０を送信機に返送する。

いくつかの実施形態は、都市環境において、ビームが異なる発射角（ＡｏＤ）で送信される結果として、異なる到来角（ＡｏＡ）パターンの信号が受信機アレイに作用する可能性があるという理解に基づく。これは、異なるＡｏＤを有する異なるビームが環境内の同じ物体又は異なる物体から異なるように散乱するためである。ＡｏＡパターンは、このパターンを生じさせる特定のビームに関連付けることができる。それゆえ、或る将来の時点においてこのパターンが受信されると、このパターンを生じさせる特定のビームのＡｏＤを容易に特定することができる。

図２は、いくつかの実施形態によって利用されるｍｍ波チャネルにおけるｍｍ波の伝搬の原理を示す概略図を示す。例えば、送信機２０８から送信される信号が、いくつかの経路２３０、２４０及び２５０を介して受信機２１４に達する。ｍｍ波システムにおける電磁波の波長は、波を反射させる物体２４１、２５１の表面粗さに相当する可能性があるので、受信機への到来は、角度領域２４５、２５５において分散する可能性がある。この特徴は、いくつかの報告された測定キャンペーンにおいて確認されており、６０ＧＨｚの屋内ｍｍ波通信に関する既存の規格ＩＥＥＥ８０２．１１ａｄの一部である。いくつかの実施形態は、この観測結果を用いて、高度なチャネル推定方法を考案する。いくつかの実施形態は、ｍｍ波がＡｏＡのパターンを形成する受信機においてｍｍ波のクラスターとして検出されるように、ｍｍ波チャネル内を伝搬するｍｍ波が到来時及び発射時に分散するという認識に基づく。

図３は、いくつかの実施形態による、一組の散乱クラスター３５１、３５２、３５３を通しての送信機３１１から受信機３１２までの伝送の概略図を示す。散乱クラスター３５１、３５２、３５３の例は、送信機及び受信機を結ぶ環境３１３内の建物の壁を含むことができる。状況によっては、見通し線（ＬＯＳ：line of sight）信号が散乱クラスターによって遮断されることに起因して、送信機を受信機に結ぶ直接経路が存在しない。別の実施形態では、より高い電力を有する直接経路も、付加経路として通信のために使用される。

アンテナアレイを用いて、送信機が、方向３０１、３０２、３０３を通る指向性ビーム３０１ａ、３０２ａ、３０３ａを形成し、それらの方向３０１、３０２、３０３は、散乱クラスター３５１、３５２、３５３によって向きを変更される。アンテナアレイの方向を定め、ビームを整形するために、いくつかの実施形態は、送信されるシンボルのいくつかの値に基づいて選択されたＡｏＤ３０１ｂ、３０２ｂ、３０３ｂを使用した。信号が散乱クラスターから反射されるとき、受信方向３４１、３４２、３４３を通って受信される信号は、対応する受信ビーム３４１ａ、３４２ａ、３４３ａを対応する到来角（ＡｏＡ）３４１ｂ、３４２ｂ、３４３ｂに向けることによって識別することができる。

いくつかの実施形態において、受信機は、最も大きい利得を有する経路のＡｏＡを検出する。例えば、受信機は、ビーム３０２ａをＡｏＡ３４２ｂに対応するＡｏＤ３０２に関連付けることができる。それに加えて、又はその代わりに、受信機は、チャネル推定を実行して、ビーム３０２ａ等の単一のビームの伝送から生じる複数の信号のＡｏＡパターンを特定することができる。そのため、送信されるシンボルにおいてだけでなく、送信方向においても情報ビットを変調し、付加的なビットを符号化することができる。

例えば、空間散乱変調（ＳＳＭ：spatial scattering modulation）のためのＮ_Ｓ個の散乱クラスターと、シンボル変調のためのＭ値コンスタレーションとが存在する。一実施形態において、送信ごとに、最初のｌｏｇ_２（Ｎ_Ｓ）個のビットを用いて、どの方向に送信すべきかを決定し、次のｌｏｇ_２（Ｍ）個のビットを用いて、コンスタレーション内のどの点を使用すべきかを決定する。受信機側において、最尤検出を用いて、送信方向だけでなく、シンボルも復号することができる。送信方向が正しく復号されるとき、その方向における付加的なビット、すなわち、最初のｌｏｇ_２（Ｎ_Ｓ）個のビットが符号化される。

いくつかの実施形態において、変調器は、複数のアンテナに、異なるＡｏＤを有する送信ビームによるパイロット送信を実行させ、それにより、少なくとも１つの受信機が、異なる送信ビームごとにこの受信機のアンテナに作用する到来パターンを推定できるようにする。例えば、パイロット送信はＡｏＤ指数の順序において実行することができる。それに加えて、又はその代わりに、いくつかの実施形態において、各パイロット送信ビームはＡｏＤ指数を含む。

いくつかの実施形態は、圧縮チャネル推定又はビームステアリングを用いて、送信機及び受信機においてＡｏＤ及びＡｏＡを推定する。等間隔線形アレイ（ＵＬＡ：uniform linear array）の場合、アレイマニフォールドベクトルが以下によって与えられる。

ただし、

及び

であり、ｄ_ｔ及びｄ_ｒはそれぞれ送信機及び受信機におけるアンテナ間隔である。ここで、λは伝搬の波長である。送信機及び受信機におけるアンテナ素子の数はそれぞれＮ_ｔ及びＮ_ｒである。Ｎ_ｔ及びＮ_ｒが大きいとき、それは本発明のアーキテクチャーにおいて有効であり、漸近的に、ａ_ｔ（θ_ｌ）^Ｈａ_ｔ（θ_ｋ）≒０、∀ｌ≠ｋ及びａ_ｒ（φ_ｌ）^Ｈａ_ｒ（φ_ｋ）≒０、∀ｌ≠ｋが成り立つ。したがって、ＡｏＡ及びＡｏＤは互いに概ね直交する。一実施形態において、球空間分解能を改善するために、アンテナ素子は、等間隔線形にならないように、或る自由形状の位置に並べられる。

個の散乱クラスターの場合、送信機から受信機へのチャネル行列は、以下のように狭帯域離散チャネルによってモデル化される。

ただし、β_ｌは第ｌの経路の利得を表し、θ_ｌ及びφ_ｌはそれぞれ、第ｌの指向性経路の方位角ＡｏＤ及びＡｏＡである。

本発明のいくつかの実施形態は、ｍｍ波が受信機においてｍｍ波のクラスターとして検出されるように、ｍｍ波チャネル内を伝搬するｍｍ波が到来時及び発射時に分散するという認識に基づく。クラスター化に起因して、ｍｍ波の経路の統計値は、ｍｍ波の伝搬空間内のクラスターの場所に関する統計値を含み、ｍｍ波の分散に関する統計値は、クラスターの分散密度に関する統計値を含む。

図４は、本発明のいくつかの実施形態による、ｍｍ波の伝搬空間内の種々の統計指標の概略図を示す。例えば、ｍｍ波の伝搬空間は、ｍｍ波のＡｏＤの一組の取り得る角度と、ｍｍ波のＡｏＡの方向の角度とのデカルト積として表すことができる。

例えば、ｍｍ波チャネル内の伝搬空間の１つの領域は、図４に図式的に示される仮想角度領域であり、その場合、一般性を失うことなく、送信機及び受信機の両方が垂直線アンテナアレイを利用する。

この特定の例においてチャネルの仮想角度領域表現に至るために、最初に、各送信機アンテナ素子と各受信機アンテナ素子との間のチャネルがフラットフェージングチャネルであり、それゆえ、単一の複素利得によって表されると仮定する。送信機及び受信機のアンテナ素子の全ての取り得る対に対応する、全ての複素利得係数が、行列Ｈ内の（ｉ，ｊ）成分が受信機側の第ｉのアンテナ素子と送信機側の第ｊのアンテナ素子との間のチャネル利得を表すような、チャネル行列Ｈにフォーマットされる。

チャネル行列Ｈは以下のように表すことができる。

ただし、

及び

は、チャネル内の伝搬経路の取り得るＡｏＤ及びＡｏＡであり、Ａ（Θ_ｒｘ）、Ａ（Θ_ｔｘ）は、その列

がそれぞれのＡｏＤ及びＡｏＡに対応するマニフォールドベクトルである行列である。ここで、Ｈ_Ｓは、チャネルの仮想角度領域表現である。

仮想角度領域は、軸に沿ったＡｏＡ４０１及びＡｏＤ４０２を表す、２次元格子４００として図式的に表すことができる。例えば、ＡｏＡθ_２４１１及びＡｏＤφ_２４１３にある非０のエネルギーパッチ４１０は、ｍｍ波チャネル内に、方向φ_２に幅Δφ_２４１４を有するビームにおいて送信される信号がθ_２の方向から受信機に達して、角度分散Δθ_１４１２を有するような経路が存在することを示す。図４に示されるｍｍ波チャネルの仮想角度表現は、送信機と受信機との間に２つの経路４１０及び４２０が存在し、各送信ビーム及び受信ビームが何らかの角度分散を有することを示す。

ｍｍ波チャネルは、送信機と受信機との間の経路の数に関して疎らであるので、いくつかの実施形態は、チャネル推定問題を、受信チャネルのスパース表現が冗長辞書（redundant dictionary）内の信号を検知するという問題として定式化する。冗長辞書は、送信機及び受信機のマニフォールドベクトルによって決まる原子（atom）を含む。そのため、直交マッチング追跡（ＯＭＰ：orthogonal matching pursuit）方法等の、様々なスパース復元方法のうちの１つを利用することによって、チャネルを推定することができる。

図５は、一実施形態による、受信機によって実行されるチャネル推定のスパース復元方法のブロック図を示す。信号ベクトル５４０は、受信機アレイ上で受信されたテストシンボルを前処理した後に取得することができる。信号ベクトルは、広い辞書行列５３０とスパースチャネルベクトル５５０のとの積を雑音５６０で修正したベクトルとして表すことができる。この表現は、或る特定の数のプリコーディングベクトル５１０を用いてテストシンボルをプリコーディングし、受信信号を或る特定の数の混合ベクトル５２０で処理した後に、テストシンボル、例えば、既知の値１を有するシンボルを送信することによって、取得することができる。

いくつかの実施形態において、チャネルベクトルの非０の要素は、チャネル状態情報の係数を含み、信号ベクトル及び辞書行列の値は、テストシンボルと、送信機及び受信機のマニフォールドベクトルとから既知である。例えば、一実施形態は、スパース復元定式化５００を含む種々の代数演算を用いて、プリコーディングベクトル及び混合ベクトルと、送信機及び受信機のマニフォールドベクトルとから、辞書行列及び信号ベクトルを求める。

例えば、送信機がデータシンボルｔ＝１を送信し、ｍ個の連続した時間ステップにおいてプリコーディングベクトル

を適用すると仮定する。プリコーディングベクトルは送信機アンテナ素子の数に等しいサイズからなり、一般に、ランダム又は擬似ランダムの複素指数（complex exponential）を含むことができる。受信機は、そのアンテナ素子において受信される信号に対応する混合ベクトル

を利用する。混合ベクトルは、利用されるアンテナ素子の数に等しいサイズからなり、ランダム又は擬似ランダムな複素指数を含むことができる。

第ｉの観測されたデータスナップショット（すなわち、受信機アンテナ素子を横切る信号）は、それゆえ、以下の式によって表される。

ただし、ρはＳＮＲであり、

は測定雑音であり、Ｈ、Ａ（Θ_ｒｘ）、Ａ（Θ_ｒｘ）及びＨ_Ｓは（１）において定義される。

クロネッカー積の特性から、任意の行列Ａ、Ｂ、Ｃの場合に、

であることがわかる。ただし、ｖｅｃ（・）演算は、そのオペランドの要素をベクトルの列方向に再配列する。（２）において（３）を用いると、以下の式が得られる。

ｍ個の連続した時間ステップにおいて得られたｍ個のデータスナップショットをベクトルの中にスタックすると、以下の式が得られる。

ただし、ｙは信号ベクトル５４０と呼ばれ、Ａは辞書行列５３０であり、ｘはチャネルベクトル５５０であり、ｅは雑音ベクトル５６０である。いくつかの実施形態において、信号ベクトル及び辞書行列は、プリコーディングベクトル及び混合ベクトル、並びに送信機及び受信機のマニフォールドベクトルから計算される。その際、チャネル推定問題は、結局、冗長辞書５３０において信号ベクトル５４０のスパース表現を見つけることに帰着し、スパース表現の係数は、未知のチャネルベクトル５５０を構成する。推定されるチャネルベクトルは、その後、仮想角度領域Ｈ_Ｓ内の表現に再びマッピングされ、その表現は更に、（１）を用いてチャネル行列Ｈにマッピングされる。

図６は、いくつかの実施形態による、送信機６００の例示的なアーキテクチャーを示す。これらの実施形態において、第２のシンボルの変調された値を所定の周波数のＲＦ信号に変換する１つ又はいくつかの無線周波数（ＲＦ）チェーン６０３と、選択されたＡｏＤを有する送信ビームを形成する複数のアンテナを介してＲＦ信号の送信の制御可能な位相シフトを与える一組の移相器６０２とを備える。例えば、被変調シンボルは、デジタル／アナログコンバーター（ＤＡＣ）６０５、及び周波数コンバーター６０４を介して、ＲＦ信号に変換される。

一実施形態において、ハードウェアコスト及び電力消費量を削減するために、送信機は、１つのＲＦチェーン６０３のみを使用する。代替の実施形態では、送信機は、複数のＲＦチェーンと、一組の移相器アレイとを備えることができる。デジタルビームフォーミングは、自らのＲＦチェーンに接続される各アンテナ素子を必要とするので、デジタルビームフォーミングに関する１つの大きな懸念は、電力消費量及びハードウェアコストである。対照的に、アナログビームフォーミング及びハイブリッドビームフォーミングは、移相器アレイを通してアンテナアレイを接続するのに、限られた数のＲＦチェーンしか必要としない。

それに加えて、又はその代わりに、送信機は、ＲＦ信号を増幅するための一組の電力増幅器６１０も備える。一実施形態において、電力増幅器（ＰＡ）は、ＲＦ信号を一定の割合で増幅する。代替の実施形態では、電力増幅器は、選択されたＡｏＤを有する送信ビームによって形成されるチャネルの利得の関数としてＲＦ信号を増幅する。

ＲＦチェーンの出力は、Ｎ_Ｔ個の移相器を含む移相器アレイ６０２及びＰＡを通り抜ける。その際、ＰＡの出力は、Ｎ_Ｔ個のアンテナ素子を含むアンテナアレイ１０１に送られる。送信機内に大きいアンテナアレイがある場合、いくつかの実施形態は、狭いビーム幅を有する高指向性のビームを形成するだけでなく、空間分解能を高めることもできる。更に別の実施形態では、移相器アレイ６０２は、振幅を制御することもできる。位相だけなく、振幅も変更するこの更なる自由度は、更に精細な空間分解能と、より高いアンテナ利得とを与えることができる。

図７は、いくつかの実施形態による、図６の送信機と通信する受信機７００の例示的なアーキテクチャーを示す。通常、受信機は、送信機より多くの利用可能なハードウェアリソースを有する。例えば、受信機７００は１つ又はＮ個までのＲＦチェーン７０１及び７１１を含むことができ、ＲＦチェーンはそれぞれその移相器アレイ７０２及び７１２に接続し、移相器アレイはそれぞれＮ_ｒ個の移相器を含む。

一実施形態において、受信機における移相器は、受信信号７５０の振幅を制御することもできる。各アンテナからの信号は低雑音増幅器（ＬＮＡ）７２５を通り抜け、その後、ＬＮＡからの出力信号はＮ個の信号に分割される。例えば、信号７０３ａ及び７０３ｂは各移相器アレイ７０２及び７１２内の第１の移相器に送り込まれる。移相器アレイ７０２及び７１２からの出力は、その接続するＲＦチェーン７０１及び７１１に送り込まれる。ダウンコンバートし、アナログ／デジタルコンバーター（ＡＤＣ）を通り抜けた後に、信号はビームフォーマー７２０を通り抜け、ビームフォーマーは受信された送信ビームのＡｏＡを推定する。最終的な復号された情報データ７３５は復号器７３０から得られ、復号器は送信ビーム内に変調された第２のシンボルを復号し、ＡｏＡに基づいて、第１のシンボルを復号する。アンテナアレイを使用することに起因して、受信機は、非常に狭いビーム幅を有する高指向性のビームを形成することができる。また、ハイブリッドアナログ−デジタル構造及び複数のＲＦチェーンを最大限に使用することに起因して、受信機内に任意の結合器を形成することができる。

図８は、一実施形態による、方位角及び高度角を有する３次元散乱マップを利用する空間ビームフォーミング変調による通信の概略図を示す。この実施形態において、送信機８１０は、方位角だけでなく、高度角によっても規定される球方向８９０を使用することによって、３次元形状８１３ｂ内に配置される散乱物体を利用する。ビームフォーミング制御のためのこの更なる自由度は、望ましくない方向への干渉を更に低減することができる。例えば、同じ方位角に２つの異なる物体が存在する場合であっても、高度角を使用することによって、送信機又は受信機は依然として２つの散乱物体を独立して使用できる場合がある。

空間ビームフォーミング変調の例
図９は、一実施形態による、空間ビームフォーミング変調を使用する送信機の例示的な実施態様のブロック図を示す。情報インターフェース１４０から受信されるシンボルシーケンスは、スイッチ９５０によって少なくとも２つのシーケンスに分解される。第１のシーケンスはビームフォーミング方向又はＡｏＤマッパー９１０に送られ、他方のシンボルシーケンスは変調マッパー９２０に送られる。方向マッピングにおいて付加的な自由度があるので、入力シーケンスの一部が利用可能な数の方向に変調され、スペクトル効率が高められる。例えば、受信機に４つのＲＦチェーンがあることに起因して、その利得、｜β_１｜^２≧｜β_２｜^２≧｜β_３｜^２≧｜β_４｜^２に基づいて、４つのＡｏＤが選択される。これらの利得は、チャネル推定によって送信機において入手可能であり、対応するＡｏＤ、｛θ_１，θ_２，θ_３，θ_４｝は推定及びフィードバックによって入手可能である。これらの入手可能なＡｏＤは、ＡｏＤ／シンボルマッピング９３０を形成する際に使用される。

この例では、送信機において１つのＲＦチェーンしか使用されないので、１つの送信時点において、送信のための１つの方向しか選択することができない。すなわち、送信機は、各送信時点において１つの送信ビームしか生成することができない。例えば、１つの情報データ、１０１０１０００１０１００１０１．．．の場合、その実施形態は最初に、ＱＰＳＫ変調のためのデータを情報シンボルの形に変更する。例えば、その実施形態は、ｌｏｇ_２（Ｎ_Ｓ）＋ｌｏｇ_２（Ｍ）ビットごとに、すなわち、（２＋２）ビットごとに１つのグループにグループ分けし、それはスイッチ９５０によって以下のように可能とすることができる。

２つの入力ビット［ｂ_１ｂ_２］に応じて、方向マッパー９１０によってプリコーディング方向ｐ∈｛ａ_ｔ（θ_１），ａ_ｔ（θ_２），ａ_ｔ（θ_３），ａ_ｔ（θ_４）｝が生成されるように、１つの方位角ＡｏＤが

として求められる。

この例において、次の２ビット［ｂ_３ｂ_４］がシンボルのうちの１つとして選択される。

例えば、変調マッパー９２０は、情報シンボルマッピング

を使用する。したがって、上記の例の場合に、方向角とともに以下のシンボルが生成される。

これらの角度は、移相器アレイ６０２の位相を制御する。

［ｂ_１，ｂ_２］によって表される実際のシンボルを生成することなく、受信機は、任意の時点においてｐによって表される送信の方向からそれらのシンボルを推定することができ、送信のために、例えば、２つの付加的なビットを節約することができる。移相器アレイ６０２は、１つの指向性ビーム９０１ａ、９０２ａ、９０３ａ又は．．．９０４ａのみを選択するように制御することができる。各時点において、選択されたビーム上で付加的な被変調シンボルｓが送信される。したがって、上記の例の場合に、送信は以下のように成し遂げられる。
時点１：ビームａ_ｔ（θ_３）を用いて方向θ_３において

を送信する。
時点２：ビームａ_ｔ（θ_３）を用いて方向θ_３において

を送信する。
時点３：ビームａ_ｔ（θ_３）を用いて方向θ_３において

を送信する。
時点４：ビームａ_ｔ（θ_２）を用いて方向θ_２において

を送信する。

いくつかの実施態様において、Ｍ値コンスタレーションの場合に、ｌｏｇ_２Ｍ個のビットを用いて、どのコンスタレーション点が選択されるかを判断するのに対して、ｌｏｇ_２Ｎ_Ｓ個のビットを用いて、通信のためにどの散乱クラスターが選択されることになるかを判断する。

受信機において受信される信号は以下の式によって与えられる。

ただし、Ｅは送信電力であり、ｎは受信機における雑音である。チャネル行列の代わりに、上記のチャネルモデルを用いることによって、受信信号は以下の式によって与えられる。

上記の例に基づいて、受信信号ｙ、７５０は以下のようになる。
時点１：

時点２：

時点３：

時点４：

受信機側において、受信機は移相器を介して受信信号を合成する。最適な合成器として、最大比合成（ＭＲＣ）を使用することができる。これは、受信機ビームが送信方向に対応する散乱クラスターに向くようにする。Ｎ_Ｓ≦Ｎであり、Ｎ_Ｓ個の送信方向を使用することができ、送信機によって１つの方向が選択されるので、受信機は、送信機によって使用される未知の方向を検出する必要がある。ただし、Ｎ_Ｓは選択されたＡｏＤの数を表す。

受信機は、図７の移相器７０２、７１２の出力｛ｒ_１，．．．，ｒ_ＮＳ｝を使用することができる。その後、ビームフォーマー７２０によって、以下のように合成プロセスが形成され、

ｙ_Ｃの第ｋの要素は、ｙ_Ｃ（ｋ）＝ａ_ｒ（φ_ｋ）^Ｈｙである。

信号ｙ_Ｃは２つの未知のシンボルｐ及びｓの関数であるので、受信機は、結合検出器７３０を用いて、以下の指標を最小化することによって、それらのシンボルを特定する。

検出プロセス後に、

及び

を検出することができ、それによって、

及び

からそれぞれ、最終的に送信された情報ビット

及び

を推定することができる。最小平均二乗誤差及び球復号等の種々の低複雑度の方法によって、上記の最尤検出を緩和することができる。

適応伝送
図１０は、いくつかの実施形態によって使用される適応伝送方式の概略図を示す。適応送信方式９０１は、異なるＡｏＤごとにチャネル利得が異なるときに、強いフェージングチャネルに関する空間ビームフォーミングは準最適である可能性があるという認識に基づく。そのため、一実施形態において、送信機は、受信機によって実行されるチャネル推定９０２に基づいて、異なるタイプの変調９１０、９２０及び９３０から１つのタイプの変調９０４を選択する。例えば、瞬時チャネル状態情報６０２：β_ｌ、ｌ＝１，．．．，Ｎ_Ｓに基づいて、適応送信方式（ＡＴＳ）９０１が、直交チャネルモデルに基づいて瞬時ビット誤り率（ＢＥＲ）を計算し、その後、最も小さい瞬時ＢＥＲを有する変調９０４のタイプを選択する。

異なるタイプの変調の例は、完全空間ビームフォーミング変調（ＦＳＢＭ：full spatial beamforming modulation）９１０、部分空間ビームフォーミング変調（ＰＳＢＭ：partial spatial beamforming modulation）９２０及び最大空間ビームフォーミング変調（ＭＳＢＭ：maximum spatial beamforming modulation）９３０を含む。例えば、送信において付加的な２ビットを加えることができる４つのＡｏＤの場合にＦＳＢＭが使用され、送信されるシンボルごとに１つの付加的なビットを加えるために、２つのＡｏＤとともにＰＳＢＭが使用され、全ての入手可能なＡｏＤとともにＭＳＢＭが使用される。例えば、チャネル推定の結果として、受信機によってマッピングにおいて規定されるＡｏＤの数に基づいて、異なるタイプの変調を選択することができる。

それに加えて、又はその代わりに、一実施形態において、変調のために使用すべきＡｏＤの数を任意の整数に拡張することができ、その整数も、瞬時チャネル状態情報に適応する変数である。このＡＴＳにおいて、シンボルコンスタレーション及びＡｏＤは、ＢＥＲを最小化するように一緒に指定される。

更に別の実施形態において、ＢＥＲを最小化する代わりに、データスループットを最大化するように、ビット及び経路指定が決定される。この実施形態は、空間領域及びコンスタレーション領域に割り当てられるビットが異なる場合にＢＥＲ性能が著しく異なる可能性があるという問題を解決することができる。異なるビットに関する平均ＢＥＲを最小化するのではなく、ＡＴＳはスループット計算を使用する。例えば、スループットは、ビットごとにブロック誤り率から計算される。別の例の場合、スループットは、復調器出力の軟判定尤度ヒストグラムによって得られる総合的な相互情報量によって計算される。

本発明の上記の実施形態は数多くの方法のいずれかにおいて実現することができる。例えば、それらの実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア又はその組み合わせを用いて実現することができる。ソフトウェアにおいて実現されるとき、そのソフトウェアコードは、単一のコンピューター内に設けられるにしても、複数のコンピューター間に分散されるにしても、任意の適切なプロセッサ、又はプロセッサの集合体において実行することができる。そのようなプロセッサは集積回路として実現することができ、集積回路コンポーネント内に１つ以上のプロセッサが含まれる。しかしながら、プロセッサは、任意の適切な構成の回路を用いて実現することができる。

また、本発明の実施形態は方法として具現することができ、その一例が提供されてきた。その方法の一部として実行される動作は、任意の適切な方法において順序化することができる。したがって、例示的な実施形態において順次の動作として示される場合であっても、例示されるのとは異なる順序において動作が実行される実施形態を構成することもでき、異なる順序は、いくつかの動作を同時に実行することを含むことができる。

請求項要素を修飾するために特許請求の範囲において「第１の」、「第２の」のような序数の用語を使用することは、それだけで、或る請求項要素が別の請求項要素よりも優先度が高いこと、優位であること、若しくは上位にあることを、又は方法の動作が実行される時間的な順序を暗示するのではなく、請求項要素を区別するために、或る特定の名称を有する１つの請求項要素を（序数用語を使用しなければ）同じ名称を有する別の要素から区別するラベルとして単に使用される。

第ｉの観測されたデータスナップショット（すなわち、受信機アンテナ素子を横切る信号）は、それゆえ、以下の式によって表される。

ただし、ρはＳＮＲであり、

は測定雑音であり、Ｈ、Ａ（Θ_ｒｘ）、Ａ（Θ _ｔｘ）及びＨ_Ｓは（１）において定義される。

信号ｙ_Ｃは２つの未知のシンボルｐ及びｓの関数であるので、受信機は、結合復号器７３０を用いて、以下の指標を最小化することによって、それらのシンボルを特定する。

適応伝送
図１０は、いくつかの実施形態によって使用される適応伝送方式の概略図を示す。適応送信方式９０１は、異なるＡｏＤごとにチャネル利得が異なるときに、強いフェージングチャネルに関する空間ビームフォーミングは準最適である可能性があるという認識に基づく。そのため、一実施形態において、送信機は、受信機によって実行されるチャネル推定９０２に基づいて、異なるタイプの変調９１０、９２０及び９３０から１つのタイプの変調９０４を選択する。例えば、瞬時チャネル状態情報９０２：β_ｌ、ｌ＝１，．．．，Ｎ_Ｓに基づいて、適応送信方式（ＡＴＳ）９０１が、直交チャネルモデルに基づいて瞬時ビット誤り率（ＢＥＲ）を計算し、その後、最も小さい瞬時ＢＥＲを有する変調９０４のタイプを選択する。

Claims (20)

1. 異なる発射角（ＡｏＤ）を有するビームフォーミングのための複数のアンテナと、
   第１のシンボル及び第２のシンボルを含む、シンボルシーケンスを受信する情報インターフェースと、
   前記複数のアンテナに、前記第１のシンボルの値に応じて選択され、前記第２のシンボルの値に応じて変調されるＡｏＤを有する送信ビームを形成させる変調器と、
   を備える、送信機。
2. 少なくともいくつかのＡｏＤは、方位角及び高度角を含み、前記変調器は、前記第１のシンボルの前記値に基づいて、前記ＡｏＤの方位角及び高度角を選択する、請求項１に記載の送信機。
3. 前記変調器は、前記複数のアンテナに、異なるＡｏＤを有する送信ビームによるパイロット送信を実行させ、それにより、少なくとも１つの受信機が、異なる送信ビームごとに前記受信機のアンテナに作用する到来パターンを推定できるようにする、請求項１に記載の送信機。
4. 各パイロット送信ビームは、前記ＡｏＤの指数を含む、請求項３に記載の送信機。
5. 異なるＡｏＤと前記シンボルの値との間のマッピングを記憶するメモリを更に備え、前記マッピングは、前記パイロット送信を実行するのに応答して前記受信機から受信される、請求項３に記載の送信機。
6. 前記変調器は、前記マッピングにおいて規定されるＡｏＤの数に基づいて、変調のタイプを変更する、請求項５に記載の送信機。
7. 前記第２のシンボルの前記変調された値を所定の周波数のＲＦ信号に変換する無線周波数（ＲＦ）チェーンと、
   前記選択されたＡｏＤを有する前記送信ビームを形成する前記複数のアンテナを介して前記ＲＦ信号の送信の制御可能な位相シフトを与える一組の移相器と、
   を更に備える、請求項１に記載の送信機。
8. 前記ＲＦ信号を、前記選択されたＡｏＤを有する前記送信ビームによって形成されるチャネルの利得の関数として増幅するための一組の増幅器を更に備える、請求項７に記載の送信機。
9. 各送信ビームの周波数は、ミリメートル波（ｍｍ波）スペクトルの範囲内にある、請求項１に記載の送信機。
10. 請求項１に記載の送信機と通信する受信機であって、前記受信機は、
    前記選択されたＡｏＤに応じて前記送信機によって送信される前記送信ビームを受信する一組のアンテナと、
    前記受信された送信ビームの到来角（ＡｏＡ）を推定するプロセッサと、
    前記送信ビームにおいて変調される前記第２のシンボルを復号し、前記ＡｏＡに基づいて前記第１のシンボルを復号する復号器と、
    を備える、受信機。
11. 前記一組のアンテナは、ミリメートル波（ｍｍ波）チャネルを介して送信されるパイロット送信ビームを受信し、前記プロセッサは、前記ｍｍ波チャネル内を伝搬するｍｍ波の経路及び分散に関する統計値を含む、前記ｍｍ波チャネルの確率モデルに従って各パイロット送信ビームに関するベイズ推論を用いて前記ｍｍ波チャネルのチャネル状態情報（ＣＳＩ）を特定し、前記ＣＳＩを用いて、異なるＡｏＤと前記シンボルの値との間のマッピングを決定し、前記受信機は、
    前記送信機に前記マッピングを送信する送受信機を更に備える、請求項１０に記載の受信機。
12. ワイヤレス通信チャネルを介してシンボルを送信する方法であって、
    第１のシンボル及び第２のシンボルを含むシンボルシーケンスを受信することと、
    前記第１のシンボルの値に基づいて、発射角（ＡｏＤ）を選択することと、
    前記第２のシンボルの値に従って、無線周波数（ＲＦ）信号を変調することと、
    ビームフォーミングを実行して、前記ＲＦ信号を前記選択されたＡｏＤを有する送信ビームとして送信することと、
    を含む、方法。
13. 前記ＡｏＤは、前記第１のシンボルの前記値に基づいて選択された方位角及び高度角を含む、請求項１２に記載の方法。
14. 異なるＡｏＤを有する送信ビームを用いて受信機でパイロット送信を実行し、それにより、前記受信機が、異なる送信ビームごとに前記受信機のアンテナに作用する到来パターンを推定できるようにすることと、
    前記パイロット送信に応答して、異なるＡｏＤ指数と前記シンボルの値との間のマッピングを受信することであって、前記マッピングに基づいて、前記選択することが実行されるようにすることと、
    を更に含む、請求項１２に記載の方法。
15. 前記マッピングにおいて規定されるＡｏＤの数に基づいて、前記変調することを変更することを更に含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記ワイヤレス通信チャネルはミリメートル波（ｍｍ波）スペクトルを有する、請求項１４に記載の方法。
17. 前記方法は、異なるＡｏＤ指数と前記シンボルの値との間のマッピングを記憶するメモリに結合されるプロセッサを使用し、前記プロセッサは、前記方法を実施する記憶された命令と結びつけられ、前記命令は、前記プロセッサによって実行されるときに、前記方法の少なくともいくつかのステップを実行する、請求項１２に記載の方法。
18. 方法を実行するためにプロセッサによって実行可能なプログラムを具現する非一時的コンピューター可読記憶媒体であって、前記方法は、
    第１のシンボル及び第２のシンボルを含むシンボルシーケンスを受信することと、
    前記第１のシンボルの値に基づいて、発射角（ＡｏＤ）を選択することと、
    前記第２のシンボルの値に従って、無線周波数（ＲＦ）信号を変調することと、
    ビームフォーミングを実行して、前記ＲＦ信号を前記選択されたＡｏＤを有する送信ビームとして送信することと、
    を含む、非一時的コンピューター可読記憶媒体。
19. 前記方法は、
    異なるＡｏＤを有する送信ビームを用いて受信機でパイロット送信を実行し、それにより、前記受信機が、異なる送信ビームごとに前記受信機のアンテナに作用する到来パターンを推定できるようにすることと、
    前記パイロット送信に応答して、異なるＡｏＤ指数と前記シンボルの値との間のマッピングを受信することであって、前記マッピングに基づいて、前記選択することが実行されるようにすることと、
    前記マッピングにおいて規定されるＡｏＤの数に基づいて、前記変調することを変更することと、
    を更に含む、請求項１８に記載の記憶媒体。
20. 各送信ビームの周波数は、ミリメートル波（ｍｍ波）スペクトルの範囲内にある、請求項１８に記載の記憶媒体。

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