JP4404551B2 - 無線通信システム - Google Patents

Description

【０００１】
［技術分野］
本発明は、各々が複数のアンテナを有する第１及び第２端末の間の複数の経路又はパス（ｐａｔｈ）を含む通信チャネルを有する無線通信システムに関連する。また、本発明は、そのようなシステムで使用するための端末、及びそのようなシステムを動作させる方法に関連する。
【０００２】
［背景技術］
無線通信システムでは、一般に無線信号は複数の経路を経由して送信機から受信機に伝搬し、各経路は１つ又はそれ以上の散乱体（ｓｃａｔｔｅｒｅｒ）による反射を含む。それらの経路から受信した信号は、受信機にて建設的に又は破壊的に干渉し得る（その結果、場所に依存するフェージングになる）。更に、経路長の相違、及び送信機から受信機に信号が伝搬するのに要する時間の相違は、シンボル間干渉（ｉｎｔｅｒ−ｓｙｍｂｏｌ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）を引き起こす虞がある。
【０００３】
マルチパス伝搬に起因する上記の問題は、受信機にて複数のアンテナを利用し（受信ダイバーシチ）、複数経路の全部又は一部を分解可能にすることで緩和させ得ることは、周知である。効果的なダイバーシチを行うには、個々のアンテナから受信された信号が、低い相互相関性（ｃｒｏｓｓ−ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）を有することを要する。典型的には、これは、波長に対してかなりの割合だけアンテナを離すことで保証されるのであるが、我々の未公開の国際特許出願ＰＣＴ／ＥＰ０１／０２７５９（出願人整理番号ＰＨＧＢ００００３３）に開示される手法を利用して、接近したアンテナを利用することも可能である。実質的に相関のない信号の利用を保証することによって、所与の時点で１以上のアンテナにおいて破壊的な干渉が生じる確率が、最小化される。
【０００４】
また、送信機で複数のアンテナを利用することによっても、同様な改善がなされ得る（送信ダイバーシチ）。ダイバーシチ技術は、多入力多出力（ＭＩＭＯ：Ｍｕｌｔｉ−Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉ−Ｏｕｔｐｕｔ）システムとして知られるような、送信機及び受信機両者にて複数のアンテナを使用する場合に一般化され、これは一方でダイバーシチを行う場合よりもシステム利得又はゲインを更に増加させることが可能である。更なる改善として、複数のアンテナを設けることは、空間的な多重化を可能にし、送信用のデータストリームが複数のサブストリームに分割され、その各々が多くの異なる経路又はパスを通じて送信される。そのようなシステムの一例は、米国特許第６，０６７，２９０号（特許文献１）に開示されており、ＢＬＡＳＴシステムとして知られる他の例は、以下の非特許文献１に開示されている。
【０００５】
一般に、ＭＩＭＯシステムでは、当初のデータストリームはＪ個のサブストリームに分割され、その各々はｎ_Ｔ＝Ｊ個の要素を有するアレイ（ａｒｒａｙ）中の異なるアンテナによって送信される。信号を受信するために、ｎ_Ｒ≧Ｊ個の要素を有する同様なアレイが利用され、そのアレイの各アンテナは、Ｊ個のサブストリームに関する様々な重ね合わせを受信する。これらの相違に加えて、チャネル伝達行列（ｃｈａｎｎｅｌ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｍａｔｒｉｘ）Ｈに関する知識を利用して、サブストリームは分離され、そして当初のデータストリームを生成するために再度組み合わせられる。公開された欧州特許出願ＥＰ−Ａ２−０，９０５，９２０（特許文献２）に開示されているような、そのようなシステムの変形例では、送信前にサブストリームが変換され、チャネルを伝搬した後に、別の変換が当初のサブストリームを復元するようにする。しかしながら、適用される変換は、その行列の単独値分解（ｓｉｎｇｕｌａｒ ｖａｌｕｅ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）に基づいているので、そのようなシステムは、送信機及び受信機双方の伝達行列Ｈの知識を必要とする。
【０００６】
ＭＩＭＯシステムにて達成される実効性又はパフォーマンス利得は、所与のエラーレートにおけるデータレート全体を増加させるために、若しくは所与のデータレートに関するエラーレートを低減させるために、又はそれら両者のために使用され得る。また、ＭＩＭＯシステムは、所与のデータレート及びエラーレートにおける全送信エネルギ又は電力を低減させるために制御され得る。
【０００７】
理論的には、通信チャネルの容量は、送信機又は受信機のアンテナ数が小さくなるにつれて線形に増加する。しかしながら、公開された論文である非特許文献２によるシミュレーション結果は、実際には、通信チャネルの容量はその環境下に置かれた散乱体の数によって制限されてしまうことを示す。
【０００８】
ＭＩＭＯシステムを検討するために更に有用な事項は、チャネルの容量は、その環境における散乱体によって影響される、送信機及び受信機間の統計的に独立した経路数によって制限されることである。従って、送信機又は受信機のアンテナアレイにて、所与の環境におけるそれら特定の場所に影響される独立した経路数より多くの要素を備えることは有利ではない。目下提案されているＭＩＭＯシステムは、送信機及び受信機にて固定数のアンテナを使用し、従って固定数のサブストリームを使用するが、独立した経路数がサブストリーム数より小さい場合は非効率的になってしまう。それに加えて、上述したように、既知のＭＩＭＯシステムは、実質的に相関性のない信号を得るために、充分に離間したアンテナを設けることを前提としている。
【０００９】
［特許文献１］
米国特許第６，０６７，２９０号明細書
［特許文献２］
欧州特許出願公開第０，９０５，９２０号明細書
［非特許文献１］
Ｐ Ｗ Ｗｏｌｎｉａｎｓｋｙ，ｅｔ ａｌ．，“Ｖ−ＢＬＡＳＴ：ａｎ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｆｏｒ ｒｅａｌｉｓｉｎｇ ｖｅｒｙ ｈｉｇｈ ｄａｔａ ｒａｔｅｓ ｏｖｅｒ ｔｈｅ ｒｉｃｈ−ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｈａｎｎｅｌ”，１９９８ ＵＲＳＩ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｓｉｇｎａｌｓ，Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｐｉｓａ，Ｉｔａｌｙ，２９ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ｔｏ ２ Ｏｃｔｏｂｅｅｒ １９９８
［非特許文献２］
Ａ Ｇ Ｂｕｒｒ，“Ｃｈａｎｎｅｌ Ｃａｐａｃｉｔｙ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｕｌｔｉ−Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｎｔｅｎｎａ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｕｓｉｎｇ ａ Ｓｐａｔｉａｌ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｍｏｄｅｌ”，ＥＳＡ Ｍｉｌｌｅｎｎｉｕｍ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ａｎｔｅｎｎａｓ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，Ｄａｖｏｓ，Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ，９−１４ Ａｐｒｉｌ ２０００
［発明の開示］
本発明は、改善された効率及び柔軟性を有するＭＩＭＯシステムを提供することを目的とする。
【００１０】
本発明の一態様により与えられる無線通信システムは、各々が複数のアンテナを有する第１及び第２端末の間の複数の経路より成る通信チャネルを有し、前記第１端末は、前記第２端末からの信号が到来する複数の方向を判定する方向判定手段と、複数の方向の全部又は一部から複数の信号をそれぞれ受信する手段と、受信した信号から複数のサブストリームを抽出する手段と、複数のサブストリームを結合して出力データストリームを与える手段とを有する受信手段より成り、更に、前記第１端末は、送信するための信号を複数のサブストリームに分離する手段と、前記受信手段により判定された複数の各方向にサブストリームの各々を送信する送信手段より成る。
【００１１】
本発明は、各端末が単独のアンテナを備えている従来のシステムと比較して全送信電力を増加させることを要求することなしに、送信されるサブストリーム数が変化することを許容することで柔軟性を向上させ、マルチパス信号の角度分布（ａｎｇｕｌａｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）を考慮することで効率及びスループット（又は処理能力）を改善する。
【００１２】
信号の到来方向は、角度についての電力スペクトルを測定し、最強の信号が到来する方向を判定することによって決定される。送信に関しては、各サブストリームは同一の電力及びビットレートで送信されることが可能であり、又はサブストリームの個々の電力及び／又はビットレートは信号雑音比のような何らかの品質パラメータに依存して変化させることも可能である。これは、端末からの所与の全送信電力に対するシステム容量を更に改善することを可能にする。信号を受信する方向数が、信号の送信された方向数と同じであることは必要とされない。
【００１３】
各端末における複数のアンテナは、用途に応じて指向性又は無指向性の放射パターンを有する、任意の適切な形式のものであり得る。端末における総てのアンテナが、同一形式のものであることや、同一の放射パターンを有することは必要とされず、端末が同数のアンテナを有することも必要とされない。
【００１４】
本発明の第２態様による端末は、前記端末と別の端末の間の複数の経路より成る通信チャネルを有する無線通信システムで使用され、他の端末からの信号が到来する複数の方向を判定する方向判定手段を有する受信手段が備えられ、送信用の信号を複数のサブストリームに分離する手段と、前記受信手段により判定された複数の各方向にサブストリームの各々を送信する手段とを有する送信手段が備えられる。
【００１５】
本発明による端末は、送信機及び受信機の両者として動作し得る。また、本発明による端末は、従来の受信機を使用する場合における送信機として動作し得る。それでもそのような端末は、送信信号に関する方向を判定し得るように、受信信号の方向を判定することの可能な受信手段を必要とする。
【００１６】
本発明の第３態様による端末は、前記端末と別の端末の間の複数の経路より成る通信チャネルを有する無線通信システムで使用され、他の端末からの信号が到来する複数の方向を判定する方向判定手段と、複数の方向の全部又は一部から複数の各自の信号を受信する手段と、受信した信号から複数のサブストリームを抽出する手段と、複数のサブストリームを結合して出力データストリームを与える手段を有する。
【００１７】
また、本発明は受信機単独として動作させることも可能である。
【００１８】
本発明の第４態様によれば、各々が複数のアンテナを有する第１及び第２端末の間に複数の経路を有する通信チャネルより成る無線通信システムを動作させる方法が与えられ、第１端末が、第２端末からの信号が到来する複数の方向を判定し、複数の方向の全部又は一部から信号を受信し、受信した信号から複数のサブストリームを抽出し、及び複数のサブストリームを結合して出力データストリームを与え、更に、前記第１端末が、送信用の信号を複数のサブストリームに分離し、判定された複数の方向の各自にサブストリームの各々を送信する。
【００１９】
本発明は、従来技術とは異なり、特定の端末から最強の信号が受信される方向を判定し、それらの方向でその端末に信号を送信することで、送信時に浪費する電力を削減し、増進したスペクトル効率が達成される、という認識に基づいている。
【００２０】
［発明を実施する形態］
以下、添付図面を参照しながら、具体例として、本発明の実施例を説明する。図中、同一の参照番号は関連する性質を示すために使用される。
【００２１】
図１は、既存のＭＩＭＯ無線システムを示す。複数のアプリケーション１０２（ＡＰ１乃至ＡＰ４）が、送信用のデータを作成する。また、アプリケーション１０２は、複数のデータストリームを作成することも可能である。データストリームはマルチプレクサ（ＭＸ）１０４により単一のデータストリームに結合され、それは送信機（Ｔｘ）１０６に与えられる。送信機１０６はデータストリームをサブストリームに分けて、各サブストリームを、複数のアンテナ１０８の内の１つ又はそれ以上に対応付ける又はマッピング（ｍａｐ）する。
【００２２】
典型的には順方向誤り訂正（ＦＥＣ）を含む適切な符号化が、送信機１０６によって、多重化に先立って行われ得る。これは、垂直符号化（ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃｏｄｉｎｇ）として知られており、総てのサブストリームに符号化が適用されるという利点を有する。しかしながら、結合デコード（ｊｏｉｎｔ ｄｅｃｏｄｉｎｇ）が必要とされ、各サブストリームを個々に抽出することが困難になるので、サブストリームを抽出する際に問題が生じ得る。代替例として、各サブストリームが別々に符号化される技術があり、これは受信動作を簡易化する水平符号化（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｃｏｄｉｎｇ）として知られる。これらの手法については、例えば、Ｘ Ｌｉ，ｅｔ ａｌ．，“Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｉｔｅｒａｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｄｅｃｏｄｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ＢＬＡＳＴ”，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ Ｇｌｏｂｅｃｏｍ ２０００ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， Ｓａｎ Ｆｒａｎｃｉｓｃｏ，Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２７ ｔｏ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ １，２０００の論文にて議論されている。
【００２３】
垂直符号化が使用されるならば、適用される順方向誤り訂正（ＦＥＣ）は、複数の経路１１０を有するＭＩＭＯチャネル全体に対処するために、充分な誤り訂正能力を備える必要がある。図示の簡易化のため、アンテナ１０８の間で直接経路（ｄｉｒｅｃｔ ｐａｔｈ）のみが描かれているが、一般的には、経路の集合は、信号が１つ又はそれ以上の散乱体によって反射される間接経路（ｉｎｄｉｒｅｃｔ ｐａｔｈ）を包含することは、理解されるであろう。
【００２４】
受信機（Ｒｘ）１１２にも複数のアンテナ１０８が設けられ、多重経路から信号を受信し、その後に結合、デコード及びデマルチプレクスし、各アプリケーションに対する個々のデータストリームを与える。送信機１１０及び受信機１１２が同数のアンテナを有するように描かれているが、このことは実際には必須ではなく、アンテナ数は空間的な及び容量的な制約に依存して最適化され得る。同様に、送信機１０６は任意の数のアプリケーションを処理する又はサポートすることが可能である（例えば、音声のみの移動電話機における単一アプリケーション、又はＰＤＡにおける多数のアプリケーション）。
【００２５】
「並列（ｐａｒａｌｌｅｌ）」形式の通信システムを支える基本原理は、何らかの手法で受信機にて区別され得る、通信するための複数の経路を見出すことである。例えばＯＦＤＭシステムでは、実際には、様々なサブストリームが様々なキャリア周波数で送信され、その間隔は、それらが直交し、受信機にて識別され得るようなものである。同様にＢＬＡＳＴシステムでは、非常に散乱される環境では、互いにλ／２の最小距離離れた送信アンテナを備えることで、単独のアンテナで受信される信号が各サブストリームの線形結合より成り、各サブストリームの位相及び振幅が独立するようにする。しかしながら、サブストリームは、更なる情報なしに、その単独のアンテナから区別することはできず−問題は、Ｊ個の未知数（サブストリーム）に関する同時方程式（ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ ｅｑｕａｔｉｏｎ）を解くようなものであり、Ｊ個の未知数を曖昧さなしに区別するには、少なくともＪ個の無関係の又は独立した方程式が必要とされる。ＢＬＡＳＴシステムでは、各々がλ／２の最小距離だけ互いに離れたｎ_Ｒ（≧Ｊ）個のアンテナを設けることによって、それが達成される。この最小距離は、各受信機アンテナからのｎ_Ｒ個の信号が、Ｊ個の未知のサブストリームのｎ_Ｒ個の独立な線形結合を与えることを保証し−そのｎ_Ｒ個の結合が、必要とされる同時方程式である。各方程式の係数は、ｎ_Ｔ個の送信機アンテナ及びｎ_Ｒ個の受信機アンテナの間における複素チャネル伝達係数であり、（以下に説明される）伝達行列Ｈによって記述される。
【００２６】
非相関性の波形を送信又は受信する他の手法は、角度分離を利用することであり、この技術は現在の多くのダイバーシチシステム（即ち、角度ダイバーシチ）で利用されている。異なる方向から到来した（又は異なる方向へ送信された）マルチパス信号は、一般に、異なる散乱体の影響を受け、各々が異なる減衰及び時間遅延を受ける（即ち、異なる複素チャネル伝達係数となる）。このため、ＢＬＡＳＴシステムと同様に、サブストリームを別々の角度又は方向に送信することで、受信機にて非相関性の信号が形成され得る。
【００２７】
本発明により形成されるシステムは、ＢＬＡＳＴのような既存のシステムと代替的な無線送受信アーキテクチャを与え、本発明の基本は、Ｋ個の別々のサブストリームをＫ個の異なる方向に送信すること、及びＪ個の別々の方向からマルチパス信号を受信することである。何れの場合でも、選択される方向は、最大の電力又は信号雑音比（ＳＮＲ）を有するマルチパス信号が受信された方向に依存し、それは角度の電力スペクトルＡ（Ω）の測定により決定される。例えば、Ｑ Ｓｐｅｎｃｅｒ，ｅｔ ａｌ．，“Ａ ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ａｎｇｌｅ ｏｆ ａｒｒｉｖａｌ ｉｎ ｉｎｄｏｏｒ ｍｕｌｔｉｐａｔｈ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ”，１９９７ ＩＥＥＥ Ｖｅｈｉｃｕｌａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｐｈｏｅｎｉｘ，ＵＳＡ，４−７ Ｍａｙ １９９７，ｐａｇｅｓ１４１５−１９の公表された論文に報告されているように、実測値及びシミュレーションは、マルチパス信号が、一様にランダムな方位角（ａｚｉｍｕｔｈ ａｎｇｌｅ）に関して一群となって又はクラスタ（ｃｌｕｓｔｅｒ）となって到来することが示唆されている。従って、選択される方向は、これらのクラスタの到来角に対応する傾向がある。しかしながら、このことは、本発明がクラスタ内で個々の経路を利用することを妨げるものではないが、充分に高い分解能のアレイが使用されることを条件とする。本願実施例は送信機アーキテクチャを説明するが、送信部又は受信部の何れも、ＢＬＡＳＴのような他の受信機又は送信機と独立して使用され得る。その理由は、送信機又は受信機にて離れてゆく又は到来する信号は、異なる方向（角度領域）を伝搬する平面波として、又は空間内の干渉パターンとして取り扱われることが可能だからである（ＢＬＡＳＴにおけるような空間領域）。
【００２８】
本発明によるアーキテクチャの主な利点は、到来するマルチパス信号の角度の電力スペクトルを測定することで、かなりの散乱体が存在する方向を判定することが可能なことである。従って、受信機１１２にてマルチパス信号が到来するその方向に波形整形又はビームフォーミング（ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ）を行うことで、受信機電力はより効率的に使用される。そして、それらの方向に送信することで、その環境下にあり得る散乱体の完全な利用（ｆｕｌｌ ｕｓｅ）がなされ、これにより、より多くの送信電力が受信機１１２にて受信されるので、増進したスペクトル効率を達成することが可能になる。このことは、平均的に多くの減衰が、受信機にて有用なマルチパス成分の多くを減少させる、高周波で動作する無線システムにとって非常に重要である。
【００２９】
他の利点は、送信機として、角度電力スペクトルＡ（Ω）以外に、伝達行列Ｈの知識を何ら必要としないことであり、これはＥＰ−Ａ２−０，９０５，９２０に開示されるシステムと相違する。
【００３０】
図２は、本発明による時分割多重化システムにおける送受信機の動作を示すフローチャートである。送受信機の動作は、単一の送受信機を形成する送信機１０６及び受信機１１２に関するサイクルとして描かれ、図中右側のステップは受信機１１２に関連し、左側のものは送信機１０６に関連する。
【００３１】
受信機１１２の最初の動作は、ステップ２０２にて、到来するマルチパス信号の角度スペクトルＡ（Ω）を測定することである。次に、ステップ２０４にて、角度スペクトルを処理して、Ａ（Ω）における最大電力に関する最初のＪ個のピークの方向であるところのΩ_ｊを見出す。その後にビームフォーミング技術を利用して、ステップ２０６にて、選択した方向Ω_ｊにおけるＪ個の個々の受信信号ｒ_ｊを得る。ステップ２０８において、伝達行列Ｈの要素が決定され、ｈ_ｊｋは、ｋ番目の送信方向とｊ番目の受信方向の間のチャネルに関する複素伝達係数である。最後に、受信機１１２では、ステップ２１０にて、標準的なマルチユーザ検出技術を利用して、Ｋ個の送信されたサブストリームを抽出する。但し、ｓ_ｋはｋ番目のサブストリームである。
【００３２】
送信機１０６における最初の動作は、ステップ２１２にて、到来するデータをＪ個の遅いレートのデータストリームに分離又はデマルチプレクスすることであり、その後にステップ２１４にて、生成したＪ個のサブストリームの各々が各自の方向Ω_ｊに送信される。その後に送受信機はステップ２０２にて受信機モードに復帰し、マルチパスにて生じる任意の変化に適応する。
【００３３】
図２におけるステップ各々の詳細な実現性は、適切な既存の技術の範疇にあるので、本発明にとって特に重要なものではない。それらの具体例を以下に説明する。実際には、フローチャートの各サイクルは、完全なデータのバーストに対して行われる。従って、測定される角度スペクトルＡ（Ω）及び伝達行列Ｈは、バースト全体に対して有効であり、少なくともＡ（Ω）は送信される次のバーストに有効であることを想定する。
【００３４】
別個の送信機及び受信機の部分を有する本願実施例を説明するが、送信機の部分を最初に考察するのは、それは概して受信機よりも直接的だからである。本説明は受信及び送信サイクルを包含し、即ち受信（その処理／デコードを含む）及びその後のビットの１フレーム又はバーストの送信を包含する。
【００３５】
ビットのフレームは、プロトコル及びトレーニングシーケンスに関する任意の外部オーバーヘッドと供に、「ペイロード（ｐａｙｌｏａｄ）」データを含むことを想定する。適応プロセスを実効的にするには、送信機、受信機又は散乱体に起因するチャネル内での変化が、フレームの持続時間にわたって無視することができる程度に充分に、フレームの持続時間が短いことが望ましい。他の重要な仮定はチャネルが狭帯域であることであり、即ち、チャネルの遅延分散（ｄｅｌａｙ ｓｐｒｅａｄ）がビット又はシンボル持続時間よりも非常に小さく、チャネルインパルス応答（ＣＩＲ：Ｃｈａｎｎｅｌ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）が実質的にインパルス又はデルタ関数になるようにする。これが、ＣＩＲでなく、ｈ_ｊｋチャネル係数を記述する理由である。しかしながら、例えば、指定された方向Ω_ｊから受信した各サンプルに等化が利用されるならば、本発明を広帯域チャネルに応用することも可能である。
【００３６】
図３は、送信機１０６の概略的なブロック図である。到来するデータＳ（ｔ）は、デマルチプレクサ３０２によってＪ個のサブストリームｓ_ｊ（ｔ）（１≦ｊ≦Ｊ）に分離される。但し、Ｊ≦Ｍであり、Ｍはアンテナ１０８の数である。サブストリーム数は、無線チャネル特性その他の条件に応じて変化し得る。選択的に、ビットレートＢ_ｊ又は送信されるＳＮＲγ_{ｔｒａｎｓ，ｊ}を各サブストリーム毎に変化させ、所与の制限（ｏｕｔａｇｅ）に関して送信される全ビットレートを最大化するようにする。この手法は、「充水（ｗａｔｅｒ ｆｉｌｌｉｎｇ）」法として知られており、例えば、Ｒｏｂｅｒ Ｇａｌｌａｇｅｒ，“Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｒｅｌｉａｂｌｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ”，Ｗｉｌｅｙ，ｐａｇｅｓ ３４３ ｔｏ ３５４ に記載されている。
【００３７】
Ｊ個のストリームは、多重ビーム重み付け行列３０４に導入される。これは、一組の複素重みｗ_ｍｊをＪ個の入力サブストリームｓ_ｊに適用し、次式（１）
【００３８】
【数１】

に従って、Ｍ個の出力サブストリーム
【００３９】
【外１】

を生成し、また、これは、
【００４０】
【数２】

として書き表すことも可能である。複素重み行列Ｗを信号ベクトルｓに作用させた結果は、信号ベクトル
【００４１】
【外２】

であり、そのｍ番目の要素が、アレイ中のｍ番目のアンテナ１０８に印加される信号である。本質的には、重み付け行列３０４は、Ｊ個のサブストリーム各々についてのビームフォーミングである。各サブストリームは、アンテナアレイに関するそれ自身の一組の重み又はウエイトを有し、総てのサブストリームの重みについての影響がアンテナアレイにて合計（ａｄｄ ｕｐ）する場合であっても、遠方フィールド（ｆａｒｆｉｅｌｄ）放射パターンを意味する重ね合わせの原理が、各サブストリームに意図される輻射パターンの総和になるようにする。各自の方向に伝搬するＪ個のサブストリームを与える意図される手法で、総てのフィールドは打消し合い又は合計される。アンテナ信号の作成については、図４に図示されている。
【００４２】
到来するマルチパス信号の角度スペクトルＡ（Ω）は、以下に説明されるように、測定部３０６により受信動作中に測定される。方向検出部３０８は、そのスペクトルを処理して、最良のＳＮＲを有するＪ個の方向を判定し、要求される重みｗ_ｍｊを決定する。
【００４３】
上述したように、ｊ番目のサブストリームが送信される方向は、一組の重みｗ_ｍｊによって制御される。但し、１≦ｍ≦Ｍである（即ち、ｗ_ｊとして記される、重み行列Ｗのｊ番目の列）。これは、数学的には、数式（１）を参照しながら次式（２）のように示される。
【００４４】
【数３】

Ｍ×１ベクトル
【００４５】
【外３】

は、Ｊ個のベクトル項の和であり、総和におけるｊ番目の項は、重み行列のｊ番目の列ベクトル（ｗ_ｊ）にｊ番目のサブストリームｓ_ｊを乗じたものである。従って、残された行うべきことは、Ｊ個のサブストリームの各々について複素重みを選択することであり、それらは重み行列Ｍの列になる。
【００４６】
ｊ番目のサブストリームについての重みを選択する際に、受信機におけるｊ番目のサブストリームについての信号対干渉プラスノイズ比率（ＳＩＮＲ）を最小化するために、ｑ≠ｊに対応する他の方向に送信される電力を最小にすることが望ましい。可能性のある１つの手法は、方向Ω_ｊにビームピークを及び他の方向Ω_ｑ（ｑ≠ｊ，１≦｛ｊ，ｑ｝≦Ｊ）の各々にヌル（ｎｕｌｌ）を形成する一組の重みを決定することである。これは、標準的なアレイ処理の問題であるが、各サブストリームに対処し、全部でＪ回作用させる必要がある。他の手法は、所望方向以外の総ての方向をノイズとして取り扱い、方向Ω_ｊにビームピークが存在する条件下におけるアレイのノイズ出力を最小化することである。様々な既存の手法が上記の目的を達成することが可能であり、その具体例として次の論文がある：“Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｎｔｅｎｎａ Ａｒｒａｙｓ ｔｏ Ｍｏｂｉｌｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ＰａｒｔＩＩ： Ｂｅａｍ−ｆｏｒｍｉｎｇ ａｎｄ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ−ｏｆ−Ａｒｒｉｖａｌ Ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ”，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ，ｖｏｌｕｍｅ ８５ ｎｕｍｂｅｒ ８（Ａｕｇｕｓｔ １９９７），ｐａｇｅｓ １１９５ ｔｏ １２４５。
【００４７】
簡単のため、本願実施例を説明するために第１の手法を利用する。その基本原理は、各サブストリームについて以下の方程式を解くことを前提とする。
【００４８】
ｗ^Ｔ _ｊＡ＝ｅ_ｊ （３）
ここで、ＡはＭ×Ｊ行列であり、その列は方向Ω_ｊに関するステアリング（ｓｔｅｅｒｉｎｇ）ベクトルａ（Ω_ｊ）であり、Ｊ個のサブストリームはそこに送信され（即ち、Ａ＝［ａ（Ω_１），ａ（Ω_２），．．．，ａ（Ω_Ｊ）］）、ｅ_ｊは行ベクトル（１×Ｊ）であり、その要素は、１に等しいｊ番目のものを除いて総てゼロである（即ち、ｅ_ｊのｐ番目の要素は、（ｅ_ｊ）_ｐ＝δ_ｐｊであり、例えば、Ｊ＝５の場合に、ｅ_２＝［０１０００］である。）。ステアリングベクトルの要素は、方向Ω_ｊにそのピークを有するビームパターンを形成するために、アレイ要素に必要な応答である。従って、ｊ番目のステアリングベクトル（又はＡのｊ番目の列）は、次式（４）により与えられる。
【００４９】
【数４】

但し、τ_ｊ（Ω_ｊ）は、アレイ中のｍ番目の要素（１≦ｍ≦Ｍ）と任意的な原点との間に適用される信号の時間遅延である。これは図５に示され、距離Δ_ｉが、Δ_ｉ（Ω_ｊ）＝τ_ｊ（Ω_ｊ）ｃによって時間遅延に関連付けられ、ここでｃは光速である。
【００５０】
数式（３）から逆に、方向Ω_ｊにピークを及び他のＪ−１個の方向にヌルを形成するために適切な重みは、次式（５）により与えられる。
【００５１】
ｗ^Ｔ _ｊ＝ｅ_ｊＡ^−１ （５）
ここで、Ｊ＝Ｍであり、Ａが正方行列であることを想定している。Ｊ≠Ｍならば、正方でない行列に関する、一般化された逆行列又はムーアペンローズ疑似逆行列（Ｍｏｏｒｅ−Ｐｅｎｒｏｓｅ Ｐｓｅｕｄｏｉｎｖｅｒｓｅ）Ａ^＋が、方程式（３）を解くために使用される。
【００５２】
簡単のため、ｊ番目のサブストリームに必要な一組の重みが、Ａの逆行列のｊ番目の行であるとする。従って、方向Ω_ｊが決定されると、ステアリング行列Ａ及び逆行列Ａ^−１（又はＡ^＋）が算出され得る。これが必要とされる情報の総てである：各サブストリームについての適切な重みは、逆行列の適切な行である。
【００５３】
更なるステップは、ビットのフレームにてトレーニングシーケンスを送信することであり、これは、サブストリームを抽出するために受信機により必要とされる。受信機に必要とされるトレーニングシーケンスには２種類あり；１つは角度スペクトルＡ（Ω）を測定可能にするものであり、１つは伝達行列Ｈを決定するためのものである。これらの要点を以下に更に説明する。
【００５４】
図６を参照するに、送受信機の受信機部分を考察する。受信機１１２の実施例を説明する際して、リンクの他端における送信機は、サブストリームを様々な方向に送信する上述した手法、又はサブストリームを別々のアンテナに送信するＢＬＡＳＴのような手法の何れかを利用して、Ｋ個のサブストリームを送信するものとする。以下に説明されるステップは、実際には、送信機に関する上述したステップに先立って行われるであろう。
【００５５】
受信機１１２に必要な最初のステップは、測定部３０６にて角度電力スペクトルＡ（Ω）を測定することである。この測定は、到来する電力全体が様々な到来角Ωにわたってどのように分布しているかを決定する。この測定を正確に行い得るようにするため、リンク１１０の他端における送信機１０６は、データフレームのある期間に適切なトレーニングシーケンスを送信することを必要とする。適切なトレーニングシーケンスは、その環境下における総ての可能な散乱体の影響を受け得るものである（即ち、送信機１０６から無指向的に又は等方的に送信される信号である。）。これは、例えば、１フレームの持続時間の間に単一のアンテナ要素１０６から送信することで達成される（その要素は無指向性であるとする。）。また、以下に説明されるように、トレーニング信号は伝達行列Ｈの測定をも可能にすべきである。
【００５６】
角度スペクトルを測定する様々な既存の手法が存在する。最も一般的な手法は、アンテナアレイを通じて受信された信号の単なるフーリエ変換である。他の手法は、受信したアレイ信号に超分解（ｓｕｐｅｒ−ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）アルゴリズムを利用することを含む。そのようなアルゴリズムは、例えば、Ｒ Ｒｏｙ ａｎｄ Ｔ Ｋａｉｌａｔｈ，“ＥＳＰＲＩＴ−Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｇｎａｌ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｖｉａ Ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｖａｒｉａｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ”，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ，Ｓｐｅｅｃｈ ａｎｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｖｏｌｕｍｅ ＡＳＳＰ−３７（１９８９），ｐａｇｅｓ ９８４−９９５ の論文に記載されている。これは、到来するマルチパス信号の非常に高い角度分解能を可能にするが、フーリエ変換よりも演算負担が大きい。アルゴリズムの厳密な特質は、使用されるアレイの配置及び幾何学に依存し得る。
【００５７】
角度電力スペクトルが決定したならば、次のステップは、サブストリームが受信されるＪ個の異なる方向（最終的には、送信用の後続のサブストリームが送信機１０６によって送信される方向）を、方向検出ブロック３０８にて選択することである。受信機が曖昧さなしに総てのサブストリームを抽出し得るように、送信されるサブストリームＫの数と少なくとも同程度に多くの方向Ｊが存在することが必要である。１つの手法は、最大のＳＮＲのＪ個のピークについて角度スペクトルの探索を簡略化することである。これは、マルチパス信号が受信されるＪ個の方向のグループ｛Ω_１，Ω_２，．．．，Ω_Ｊ｝になる。
【００５８】
アレイ中のアンテナ素子１０８の数Ｍは、Ｊの最大値を定める。これは、よく知られているように、Ｍ個のアンテナ素子のアレイは、アンテナパターンのヌルを指定する場合にＭ−１個の自由度しか有し得ないことに起因する。従って、各サブストリームに関し、ヌルが指定され得る、高々Ｍ−１個の独立した方向が存在し（従って、他の独立したサブストリームがそこから受信され得る）、そのためサブストリームの最大数はＭである。従って、無線リンク１１０の両端における送受信機にとって、他の送受信機のアレイにおけるアンテナ１０８の数に関する知識を有することは重要である。
【００５９】
アンテナ素子１０８のアレイにわたる受信信号は、ベクトル
【００６０】
【外４】

として考えることが可能であり、ここで、ｍ番目の要素はｍ番目のアンテナによって受信された信号である。多重ビーム重み行列３０４は、一組の重みをベクトル
【００６１】
【外５】

に適用し、他の信号ベクトルｒ＝［ｒ_１・・・ｒ_ｊ・・・ｒ_Ｊ］^Ｔを与え、これは前もって決定されていた方向Ω_ｊから受信した信号である。言い換えれば、
【００６２】
【数５】

である。
【００６３】
従って、ｒ_ｊが方向Ω_ｊから受信した信号であるように、重み行列
【００６４】
【外６】

の行を選択する必要がある。この問題は、送信機の部分に関し、ｊ番目のサブストリームを方向Ω_ｊに送信する重みを選択する方法を決定する際に、実際には既に解決されている。受信及び送信アレイの互換性（ｒｅｃｉｐｒｏｃｉｔｙ）に起因して、所与の方向における受信及び送信用の重みは同一になる。即ち、次式（７）のように、
【００６５】
【数６】

であり、ここで、Ｔは行列の転置（ｔａｎｓｐｏｓｅ）を示し、数学的に信号ベクトル及び重み行列
【００６６】
【外７】

が、適切に乗算されるのに必要とされる。しかしながら、実際の受信機では、２つの場合における信号のその方向における反転（ｒｅｖｅｒｓａｌ）が、その転置を取り扱っているので、送信モードと受信モードの間で重みの何らの変更も要しない。
【００６７】
受信機１１２における次のステップは、抽出部６０６にて、Ｊ個の選択された受信方向から受信した、１組のＪ個の信号を処理し、Ｋ個の信号（
【００６８】
【外８】

によって記される。）を生成し、これらは無線リンクの他端から送信されたＫ個のサブストリームの推定である。Ｊ個の信号を利用して、Ｋ個の未知数、即ちサブストリームｓ_ｋに関するＪ個の同時方程式（８）を生成する。
【００６９】
【数７】

Ｊ個の信号（又は方程式）の各々におけるＫ個のサブストリームに乗算する係数ｈ_ｊｋは、伝達行列の要素であり、これは、Ｋ個の送信方向とＪ個の受信方向との間の複素伝達係数を表現する。（或いは、受信機１１２がＢＬＡＳＴ形式の送信機から受信するならば、係数ｈ_ｊｋは、ｋ番目の送信アンテナとｊ番目の受信アンテナとの間の係数を表現する。）従って、何らかのトレーニングシーケンスを通じて、チャネル特性ブロック６０８により伝達行列が決定されたならば、本質的には、問題は、方程式（８）に示される一群の同時方程式を解くことになる（但し、Ｊ≧ｋであるとする。）。ｎ_ｊ項は、その環境及び送受信機における端末ノイズに起因する付加的な白色ガウス雑音を表現し、理想的に分散されるが、独立である。
【００７０】
既存の手法を利用してサブストリームを抽出し得る様々な方法がこの場合にも存在する。これらの手法は、概して、ＣＤＭＡにて使用されるマルチユーザ検出システムに基づくものであり、その目的は異なるユーザを識別することである。しかし、ここでの目的は、異なる信号を搬送する様々なサブストリームを識別することである。ＢＬＡＳＴシステムでは、単一のサブストリームｒ_ｋをデコードしようとする場合に、干渉するサブストリームからの他の総ての寄与が「ヌル化」され（ｎｕｌｌｅｄ）、既に検出されたサブストリームは受信した信号ベクトル
【００７１】
【外９】

から減算される。干渉するサブストリームをヌル化するプロセスは、送信機１０６によりサブストリームのビームフォーミングを行うための上記の手法と同様であり、これについては上記のＢＬＡＳＴに関する論文に説明されている。
【００７２】
本質的には、これらの手法は、線形な同時方程式を解く従来の方法と同様であるが、本実施例では、システムにノイズが存在することに起因して、それらの方程式が完全に既知ではない量を含む点で相違する。このため、
【００７３】
【外１０】

は、サブストリーム自体ではなく、従来の通信システムにおけるように、ｋ番目のサブストリームに関する判定統計量（ｄｅｃｉｓｉｏｎ ｓｔａｔｉｓｔｉｃ）である。従って、各サブストリーム
【００７４】
【外１１】

は、既存のビット判定復調プロセスに委ねられ、即ちそれが１であるかゼロであるかが判定される。これらの手法を利用して、Ｋ個のサブストリームが復元され、マルチプレクス部６１０にて多重化され、当初の高データビットレートのビットストリームＲ（ｔ）を生成する。
【００７５】
本発明は、原理的には任意の無線通信環境に適用され、高いスペクトル効率を有するデータレート（即ち、比較的狭帯域で高いデータレート）を与えることが可能である。本発明を効果的に使用するための主な条件は、マルチパス信号が角度に関して独立していることで充分である。独立なマルチパス成分数Ｊが送信機アレイにおけるアンテナ数Ｍより大きい又は等しい限り、ＭＯＭＯシステムに使用される目下の送受信機アーキテクチャの「シャノン（Ｓｈａｎｎｏｎ）」容量は、Ｍに関して線形に増加する。上記の分析の多くは、送信機１０６及び受信機１１２が準定常的（ｑｕａｓｉ ｓｔａｔｉｃ）である、即ち、移動するユーザ又は障害物に関する送信機及び受信機の定常性（ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ）が、チャネル（即ち、伝達行列Ｈの要素）における非常に緩やかな変化を生じさせることを想定している。しかしながら、フレーム持続時間が、その伝達行列における変化が生じる平均期間よりも顕著に短い限り、本システムは移動する送信機及び受信機を利用し、固定された地点どうしの屋内無線リンクに加えて、本システムを移動セルラ通信に適切にすることを可能にする。
【００７６】
送受信機としてのその利用態様に加えて、本発明は、上述した適切な修正を加えたＢＬＡＳＴのような他の受信機又は送信機アーキテクチャとそれぞれ組み合わせられた、送信機単独として又は受信機単独として利用することも可能である。特に、端末のみが送信機として本発明の手法を利用したならば、方向に関する受信信号特性の変化を判定し、送信方向が判定されることを可能にする受信機を必要とする。
【００７７】
上述した実施例は、最強の信号が受信された方向、及び最適な送信及び受信方向を判定するために、受信信号の角度電力スペクトルＡ（Ω）を利用した。しかしながら、好ましい方向を選択するための適切な基礎を与える限り、例えばＳＮＲのような他の信号特性を代替的に使用することが可能である。使用される信号の性質が何であれ、全方向範囲から到来する信号を特徴付ける（処理する）ことは、常に必要とされるものではなく又は望まれるものでもない。例えば、地上端末は、垂直に近い方向から到来する信号を無視するように選択することが可能である。
【００７８】
ある範疇で本願実施例を修正することも可能である。Ｊ個のサブストリーム数及びそれらの方向Ω_ｊが変化する、又は固定されるように、ビームフォーミングを適応させることが可能であり、後者の場合は複雑さを減らすことが可能である。比較的簡易なシステムでは、サブストリームの電力及びビットレートが同一であり、より複雑なシステムでは、各サブストリームの電力及び／又はビットレートが、受信したＳＮＲに依存して変化し得る。アンテナ１０８のアレイは、１次元的、２次元的又は３次元的に配置し、マルチパス信号が曖昧さなしに観測され得る次元数を向上させることが可能である。
【００７９】
本説明により、当業者には他の修正例も明白であろう。そのような修正は、無線通信システム及びその構成要素の設計、製造及び利用する分野で既知の特徴、及び上述した本願の特徴に代えて又はそれに加えて使用され得る特徴を包含し得る。
【００８０】
本願の原文明細書及び請求の範囲における、要素に先行する“ａ”又は“ａｎ”は、そのような要素が複数存在することを排除するものではない。更に、“ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ”なる語は、列挙されたもの以外の他の要素又はステップが存在することを排除するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、既知のＭＩＭＯ無線システムの概略的なブロック図である。
【図２】 図２は、本発明による送信機の動作を説明するフローチャートである。
【図３】 図３は、送信機の概略的なブロック図である。
【図４】 図４は、重み付け行列の作用を示す図である。
【図５】 図５は、アンテナアレイからの平面波が形成される様子を示す図である。
【図６】 図６は、受信機の概略的なブロック図である。

Claims (9)

1. 受信手段を備えた端末であって、当該端末は散乱体を含む環境で複数のパスを介して他の端末と通信することが可能であり、当該端末は、
   前記環境における前記散乱体を明らかにする第１のトレーニング信号を前記他の端末が無指向的に送信する場合に、該第１のトレーニング信号が強く到来するJ個の方向を判定し、判定されたJ個の方向各々でビームピークをもたらすウェイト群各々を判定する方向判定手段と、
   前記ウェイト群各々を各アンテナ信号に適用し、特定の方向から受信された方向関連信号をJ個取得するビームフォーミング手段と、
   Ｋ個の送信方向に送信された第２のトレーニング信号が当該端末に到来した場合に判定されたJ個の方向と、前記他の端末での前記Ｋ個の送信方向各々との間の複素伝達係数を示す伝達行列を使用することで、前記J個の方向関連信号からＫ個のサブストリームを抽出する抽出手段と、
   前記Ｋ個のサブストリームを合成し、出力データストリームを用意する合成手段と、
   を有し、前記Jは整数であり、前記Kも整数であり、J＞Kである端末。
2. 前記受信手段が、到来する信号の角度電力分布を判定する手段を更に有する請求項１記載の端末。
3. 前記方向判定手段が、前記他の端末から最強の信号が到来する方向を、前記複数の方向として選択する手段を更に有する請求項２記載の端末。
4. 前記他の端末に送信する信号を複数のサブストリームに分離する手段と、前記受信手段で判定された前記複数の方向の各々に各サブストリームを送信する手段とを有する請求項１記載の端末。
5. 前記サブストリームを送信する方向数が、前記サブストリームを受信する方向数と異なる請求項４記載の端末。
6. 前記送信手段が、複数のアンテナをアレイとして使用し、該アンテナパターンを各サブストリームに適合するよう動作させ、前記アンテナパターンのピークが前記各方向に対応し且つ前記アンテナパターンのヌルが他のサブストリームの送信された方向に対応するようにする制御手段を有する請求項４記載の端末。
7. 前記送信手段が、前記サブストリームの信号品質パラメータに依存して、各サブストリームの電力及び／又はビットレートを独立に調整する制御手段を有する請求項４乃至６の何れか１項に記載の端末。
8. ２つの端末を含む無線通信システムであって、前記２つの端末の少なくとも１つが請求項１記載の端末である無線通信システム。
9. 端末を動作させる方法であって、前記端末は散乱体を含む環境で複数のパスを介して他の端末と通信することが可能であり、当該方法は、
   前記環境における前記散乱体を明らかにする第１のトレーニング信号を前記他の端末が無指向的に送信する場合に、該第１のトレーニング信号が強く到来するJ個の方向を判定し、判定されたJ個の方向各々でビームピークをもたらすウェイト群各々を判定する方向判定ステップと、
   前記ウェイト群各々を複数のアンテナ信号に適用し、特定の方向から受信された方向関連信号をJ個取得するビームフォーミングステップと、
   Ｋ個の送信方向に送信された第２のトレーニング信号が 自端末に到来した場合に判定されたJ個の方向と、前記他の端末での前記Ｋ個の送信方向各々との間の複素伝達係数を示す伝達行列を使用することで、前記J個の方向関連信号からＫ個のサブストリームを抽出する抽出ステップと、
   前記Ｋ個のサブストリームを合成し、出力データストリームを用意する合成ステップと、
   を有し、前記Jは整数であり、前記Kも整数であり、J＞Kである方法。

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