JP4445554B2 - 無線通信システムおよび無線通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信システムおよび無線通信方法に関する。

最近、無線通信ネットワークの容量が劇的に増大してきており、セルラーネットワークは、アナログの「音声のみ」システムから、音声、データ、マルチメディアサービスに対応し、最大下り回線容量として２Ｍｂｐｓを提供する現在の第三世代ネットワークに成長した。無線ＬＡＮは、ＩＥＥＥ８０２．１１−９９規格（非特許文献１を参照）に規定される初期のデータレート２Ｍｂｐｓから、最大５４Ｍｂｐｓのリンク速度を提供する現在のＩＥＥＥ８０２．１１ａ規格（非特許文献２を参照）へと発展してきた。

さらに高いデータレートのニーズを満たすため、現在、標準化フォーラムによって次世代の無線標準規格の策定が進められている。

＜ＭＩＭＯ＞
ＭＩＭＯ（複数入力複数出力）は、いくつかの次世代無線システムの容量を拡張するうえでの基幹技術であり、無線通信に適用される場合、Ｎ_Ｔ本の送信アンテナおよびＮ_Ｒ本の受信アンテナを使用して、より効果的な通信を実現する。複数のアンテナを用いることにより、空間多重による利得から選択するフレキシビリティが得られ、スペクトル効率を、従来の単一アンテナ（ＳＩＳＯ）システム（非特許文献３を参照）の場合の最大ｍｉｎ（Ｎ_Ｔ，Ｎ_Ｒ）倍に、飛躍的に増大させることができ、あるいは、送信機と受信機との間に存在する最大Ｎ_Ｔ×Ｎ_Ｒ本の経路を使用して、チャネルにおけるダイバーシチを利用したダイバーシチ利得を得ることができ、無線チャネルにおけるリンクの信頼性が高まる。一般的には、データレートを上げること（空間多重）と信頼性を高めること（ダイバーシチ）との間には、トレードオフの関係がある。

＜フィードバック＞
実際に使用される場面においては、無線通信システムは、何種類もの障害を受ける。これらの障害としては、送受信機自体における非理想的なデバイス挙動や、時間領域、周波数領域、空間領域におけるチャネルの変動性／選択性などにわたる。通信システムでは、フィードバックによって、送信機がチャネル状態情報を利用して干渉を回避することが可能である。ＭＩＭＯチャネルの場合、フィードバックを使用することにより、最も有効なチャネルモード、あるいはチャネルの自然なダイバーシチを利用することが容易となるような、送信機におけるプリコーディング行列（pre-coding matrix）を指定することができる（非特許文献４を参照）。

閉ループＭＩＭＯシステムの一例は、固有モード（eigen-mode）空間多重を実施するシステムであり、このシステムでは、チャネル状態情報（ＣＳＩ）を有する送信機および受信機が、特異値分解（ＳＶＤ）などの変換を用いて、ＭＩＭＯチャネルを、チャネル間クロストークが存在しない一連のスカラーチャネルに変換する（非特許文献５を参照）。固有モード空間多重は、チャネルについて、限度一杯のダイバーシチおよび多重利得が達成されることにおいて、最適な空間時間処理方式である（非特許文献６を参照）。固有モード空間多重方式における検出の複雑さは、アンテナ数に伴って線形的に増すのみである（対照的に、最適な最尤系列推定（ＭＬＳＥ）は、開ループであるが複雑さが指数的に増すため、実用システムにおいて実施するには適していない）。

固有ビームフォーミングとしても知られる固有モード空間多重の利点を実現するためには、送信機においてチャネル状態情報が必要である。これを実現するためには、直観的な方法として、推定されるチャネル状態を単に送信機にフィードバックする。しかしながら、フィードバックはシステムのペイロード伝搬容量を減少させ、従って最小化しなければならないコストである。

非特許文献６には、固有ビームフォーミングを時分割複信（ＴＤＤ）システムに適用することが記載されている。「無線チャネルを介する」場合、相反性がある（reciprocal）が、リンクの両端の異なる送信／受信ＲＦチェーンをカスケードに接続することにより、ベースバンドチャネルには相反性がなくなる。適切なキャリブレーション（非特許文献６には記載されていない）が実行されれば、固有ビームフォーミングを容易にするうえで必要な送信／受信フィルタ行列は、リンクの両端における単純な相反性配置（reciprocal arrangements）によって表される。

特許文献１には、ＷＬＡＮネットワークの場合におけるキャリブレーション方式および固有ビームフォーミングの使用が記載されている。記載されているシステムでは、キャリブレーションは、基地局によって送信されるトレーニングシーケンスから端末によって導出されるチャネル推定値を明示的にフィードバックすることにより、実行される。基地局は、端末によって送信されるトレーニングシーケンスから上り回線チャネルについての同様の推定値を得て、一連のキャリブレーション係数を計算し、これらの係数を端末に明示的にフィードバックする。これらキャリブレーション係数は、基地局および端末の双方において、ベースバンドチャネルに相反性を持たせるために使用される。キャリブレーションが行われると、端末は、チャネル分解（基地局によって送信されるトレーニングシーケンスから導出されるチャネル推定値に基づく）を実行し、端末による固有ビームフォーミングに必要な一連の送信／受信フィルタを導出する。これらのフィルタは、特別に変調されたトレーニングシーケンスを用いて基地局に暗黙的にフィードバックされ、このトレーニングシーケンスは、非特許文献７においてスティアードシーケンス（steered sequence）として知られており、基地局は、このシーケンスを使用することにより、自身の受信フィルタと、（相反性原理により）それに対応する自身の送信フィルタとを、直接的に導出することができる。

ＴＤＤでは、特にマクロセル環境におけるチャネルの遅延分散の影響に対処するために広いガードバンドが必要となるため、その容量が小さくなることから、セルラーシステムは、周波数分割複信（ＦＤＤ）によるものが主流である（非特許文献８を参照）。ＦＤＤセルラーシステムでは、上り回線チャネルと下り回線チャネルは、一般に同程度の遅延分散および電力遅延プロファイルを共有する程度まで相関しているが、それ以外のすべての実用的な目的については、上りチャネルと下りチャネルとは相関関係がないとみなされる。従って、固有ビームフォーミングを行うためには、ＦＤＤシステムは、チャネル相反性を利用するフィードバック方式を使用できない。代わりに、チャネル係数または関連情報の明示的なフィードバックを用いなければならない。

特許文献２には、チャネル分解を周波数領域で行い、固有モード空間多重に関連する送信／受信フィルタリングを時間領域において行う送受信機方式が記載されている。記載されている受信機は、一連の受信ステアリングベクトルを導出する目的で、チャネル係数を推定して特異値分解を実行する。チャネル係数は送信機にフィードバックされ、送信機は、第２の特異値分解を実行し、適切な一連の送信ステアリングベクトルを導出する。全体として、記載されているシステムでは、受信機から送信機へのチャネル係数のフィードバックが明示的に要求される。

特許文献３には、注水定理（water-filling）を利用して固有モード空間多重システムの容量を広げる方法が記載されている。この明細書では、チャネル固有モードおよび対応する送信／受信フィルタを実現する目的で、チャネル係数を送信機から受信機に明示的にフィードバックする、上述した特許文献２に類似するプロセスが記載されている。

特許文献４には、２本の送信アンテナを有するシステムの場合において、受信機が、有限範囲の一連の固有ベクトルを計算することにより、限られた範囲の番号空間上での量子化を容易にする方法が記載されている。提案されている方法は、個々の固有ベクトルの要素間の関係に帰する固有ベクトルの解を選択することによりフィードバック情報の削減を達成しているが、２本の送信アンテナを有するシステムに限定される。

＜特異値分解＞
固有モード空間多重の目的は、チャネルを対角行列化して（diagonalize）、ベクトルチャネルを個々のスカラーチャネルのグループに変換し、このとき空間チャネル（固有モード）の間にクロストークが生じないようにすることである。最適な送信／受信ステアリング行列は、以下に説明するように特異値分解を用いて求めることができる。

いま、Ｎ_Ｒｘ×Ｎ_ＴＸの行列［Ｈ］を考える。［Ｈ］は、式（１）に示した形式の行列積として表すことができる（非特許文献９を参照）。

この式において、［Ｕ］および［Ｖ］は、それぞれ、次元がＮ_ＲＸ×Ｎ_ＲＸおよびＮ_ＴＸ×Ｎ_ＴＸである、左特異ベクトルおよび右特異ベクトルのユニタリ行列であり、［Ｄ］は、その対角に沿って［Ｈ］の特異値を含むＮ_ＲＸ×Ｎ_ＴＸの行列である。留意すべき点として、［Ｈ］のｍｉｎ（Ｎ_ＴＸ，Ｎ_ＲＸ）個のゼロでない正の特異値が存在し、［Ｄ］の残りの要素はゼロである。正の特異値のそれぞれは、チャネルの対応する空間モード（または固有ビーム）における利得に対応する。

式（１）および本明細書の以降の説明において、行列［Ａ］の表記［Ａ］^Ｈは、行列［Ａ］のエルミート行列を表す。

行列の特異値および特異ベクトルは、その固有値と密接に関係している。式（１）における行列［Ｈ］において、［Ｕ］および［Ｄ］は、それぞれ、左行列積［Ｈ］・［Ｈ］^Ｈの固有ベクトルの行列および固有値の正の平方根の行列に対応し、［Ｖ］と［Ｄ］は、右行列積［Ｈ］^Ｈ・［Ｈ］の固有ベクトルの行列およびの固有値の正の平方根の行列に対応する。

上の定義に基づいたとき、さらに留意すべき点として、非正方行列［Ｈ］の場合、特異ベクトルの行列［Ｕ］および［Ｖ］には、ゼロの特異値に対応するいくつかの自明な特異ベクトルが含まれる。従って、［Ｄ］が常にｍｉｎ（Ｎ_Ｔｘ，Ｎ_Ｒｘ）に対応する次元の正方対角行列であり、かつ［Ｕ］および［Ｖ］がシステムの自明でない（non-trivial）特異ベクトルの行列であるような、「経済的なサイズの」特異値分解が存在する。

＜固有モード空間多重＞
固有モード空間多重に基づくシステムでは、受信機は、送信機から受信機へのチャネル［Ｈ］を推定し、特異値分解を実行し、左特異ベクトルの行列［Ｕ］を決定する。さらに、受信機は、チャネル状態情報（例えば、特許文献２および特許文献３による［Ｈ］）を送信機にフィードバックし、送信機が、第２の特異値分解を実行し、右特異ベクトルの行列［Ｖ］を決定する。

いま、送信機が空間多重を実行すると想定すると、送信データ［ｘ］および受信信号［ｙ］は式（２）によって表すことができる。

この式において、［ｎ］はノイズを表し、無線システムの場合においては、一般に有限べき数の加法的白色ガウス変数としてモデル化される。

開ループ受信機、例えばゼロフォーシング（ＺＦ）検出器は、送信されたデータの推定値を次式のように求める。

このような手法における問題点として、雑音が増大する影響があり、受信機における信号対雑音比（ＳＮＲ）が低下する（非特許文献１０を参照）。

固有モード空間多重を実施するため、送信機は、送信ステアリング行列［Ｖ］によってデータ［ｘ］にプリフィルタリングを行い、受信機は、マッチドフィルタ［Ｕ］^Ｈを受信信号［ｙ］に適用する。式（４）は、受信信号を表し、式（５）は、送信されたデータを推定するために受信機が適用するマッチドフィルタリングを表す。

式（１）に従って［Ｈ］を展開すると、式（６）が得られる。

式（６）からわかるように、固有ビームフォーミング方法では、結果としてストリーム間の完全な分離（すなわちクロストークが存在しない）が得られ、チャネルの特異値の二乗に比例するＳＮＲ利得が得られる。いかなる行列にもＳＶＤが存在するため、ＳＶＤ方法は、任意のサイズおよび任意のランクのチャネル行列に適用することができる（非特許文献９を参照）。最後に、最も重要な点として、ユニタリフィルタによって情報が保持されるため、固有モード空間多重は、情報理論的な意味において最適である。
米国特許出願公開第２００４／００８２３５６号明細書 米国特許出願公開第２００４／０２３４００４号明細書 米国特許出願公開第２００３／０２３５２５５号明細書 米国特許出願公開第２００４／０２０３４７３号明細書 "Local and Metropolitan Area Networks - Specific Requirements - Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications", IEEE Std 802.11-1999, IEEE, August 1999 "Local and Metropolitan Area Networks - Specific Requirements - Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications: Higher-Speed Physical Layer Extension in the 5 GHz Band", IEEE Std 802.11a-1999, IEEE, September 1999 "On limits of wireless communications in fading environments when using multiple antennas," Wireless Personal Communications, pp. 36-54, March 1998 "What is the Value of Limited Feedback for MIMO Channels?", IEEE Communications Magazine pp. 54-59, October 2004 "Promises of Wireless MIMO Systems," http://www.signal.uu.se/courses/semviewgraphs/mw_011107.ppt "Transmitter Strategies for Closed-Loop MIMO-OFDM," PhD thesis submitted to School of Electronic and Computer Engineering, Georgia Institute of Technology, July 2004 "System Description and Operating Principles for High Throughput Enhancements to 802.11," doc: IEEE 802.11-04/870r0 "Comprehending the technology behind the UMTS wideband CDMA physical layer," RF Signal Processing pp. 50-58, November 2002 Singular Value Decomposition," http://mathworld.wolfram.com/SingularValueDecomposition.html "Digital Communications 3ed", McGraw-Hill, March 1995 "Multiple-Input Multiple Output in UTRA", 3GPP TR 25.876 v1.7.0 "IEEE P802.11 Wireless LANs - Usage Models", doc: IEEE 802.11-03/802r23, May 2004 "UTRA High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) - Overall Description," 3GPP TS 25.308 "Wireless Communications - Principles and Practice 2ed," Prentice Hall, 2002

本発明の目的は、システムパフォーマンスを低下させることなしに、少ないフィードバックを使用して閉ループＭＩＭＯ通信を達成することのできる、無線通信システムおよび無線通信方法を提供することである。

本発明の一態様によると、無線受信装置は、ＭＩＭＯチャネルの推定結果から、位相回転した右特異ベクトル行列を導出する導出部と、導出部によって導出された位相回転した右特異ベクトル行列の要素に関連付けられる係数を、無線送信装置にフィードバックするフィードバック部と、を備えている。

本発明の別の態様によると、無線送信装置は、無線受信装置からフィードバックされる係数を取得する取得部と、取得部によって取得された係数を所定の関係式（relation）に代入することによって、送信フィルタを生成する生成部と、生成部によって生成された送信フィルタを、ＭＩＭＯチャネルを介して無線受信装置に送信されるデータに適用する適用部と、を備えている。

本発明のさらなる態様によると、無線通信システムは、上述した無線受信装置と、上述した無線送信装置とを備えている。

本発明のさらに別の態様によると、無線受信方法は、ＭＩＭＯチャネルの推定結果から、位相回転した右特異ベクトル行列を導出する導出ステップと、導出ステップにおいて導出された位相回転した右特異ベクトル行列の要素に関連付けられる係数をフィードバックするフィードバックステップと、を含んでいる。

本発明のさらに別の態様によると、無線送信方法は、フィードバックされた係数を取得する取得ステップと、取得ステップにおいて取得されたフィードバックされた係数を所定の関係式に代入することによって、送信フィルタを生成する生成ステップと、生成ステップにおいて生成された送信フィルタを、ＭＩＭＯチャネルを介して送信されるデータに適用する適用ステップと、を含んでいる。

本発明のさらに別の態様によると、無線通信方法は、上述した無線受信方法と、上述した無線送信方法とを備えている。

以下では、本発明の実施形態について、添付の図面を参照しながら詳しく説明する。

図１は、一般的な無線ネットワークの例示であり、本発明の教示内容を説明するうえでの参照図として使用する。しかしながら、本発明の用途は、図１に記載されているアーキテクチャを有するシステムに限定されないものと解釈されたい。参照数字１００は、中央局１１０と、複数の端末局１２０、１３０、１４０とを備えている代表的なＭＩＭＯ無線通信ネットワークを示している。中央局１１０および複数の端末局１２０、１３０、１４０は、単一または複数のアンテナを備えており、コスト、サイズおよび機能上の要件によって、一般的な中央局は端末局と比較してより多くのアンテナを有するものと想定する。

図１は、単純にアドホックネットワークを表すことができ、この場合、中央局１１０が他の局（１２０、１３０または１４０）のピアであると想定する。それに対して、中央局１１０が基地局（ＢＳ）を表し、端末１２０、１３０、１４０がユーザ機器（ＵＥ）を表していると想定するならば、図１は、セルラーネットワークの１つのセル１００を表すことができる。従って、図１は、無線ＬＡＮのＢＳＳを表すことができる。本発明は、その最も単純な形態において、ポイントツーポイント通信リンクに適用することができる。

ハンドヘルド型／携帯型デバイス（例：携帯電話、携帯情報端末）の一般的なフォームファクタでは、アンテナ構成として１〜２本のアンテナ（周波数帯域２〜５ＧＨｚで動作する）を装備できるが、ポータブルコンピュータでは、４本のアンテナさえも実用的に収容できる。このことは、ＵＴＲＡセルラーネットワークに適用するためのＭＩＭＯシステムの要件を記載している非特許文献１１に記載されている。

例えば非特許文献１２に記載されている、無線ネットワーク利用モデルの分析によると、上り回線よりも下り回線トラフィックの需要が大きいことが示されている。従って、システム設計者は、例えば、３ＧＰＰにおけるＨＳＤＰＡ拡張の場合など、下り回線のパフォーマンスを最適化しようとすることが多い（非特許文献１３を参照）。

前に指摘したように、セルラーネットワークにおいて一般的であるＦＤＤシステムは、ＴＤＤシステム同様に、チャネルの相反性を利用することができない。従って、固有モード空間多重を実施するためには、チャネル状態の明示的なフィードバックが必要である。このことは、上述した米国特許出願の教示内容に矛盾しない。従って、セルラーネットワークの場合、下り回線の容量を増大させるために、相当な量のフィードバック情報を必要とする閉ループ手法が主として適用されるものと予測される。次の実施形態は、そのようなシステムへの本発明の適用を説明している。しかしながら、本発明の範囲がこの適用に制限されないことを理解されたい。

フィードバックのシグナリングを上り回線のみに効果的に低減するという設計上の想定にもかかわらず、フィードバック情報の量は依然として相当にあり、このことは、コヒーレンス時間（短い時間スパンにわたりチャネルの定常性を想定できる）が短い、もしくはコヒーレンス帯域幅（短い周波数スパンにわたりチャネルの定常性を想定できる）が狭い、またはその両方であるチャネルでは、その傾向がさらに強い。狭帯域の複素チャネル（すなわちチャネルのコヒーレンス帯域幅に限定されているシステム）を想定すると（この想定はＯＦＤＭシステムの１つのサブキャリアについてあてはまる（非特許文献１４を参照）、コヒーレンス時間あたりのチャネル状態を伝えるためのフィードバック情報量（単位：ビット）は、式（７）によって表すことができる。

この式において、ｍはフィードバック係数あたりの量子化ビット数を表す。

本明細書においてＭＩＭＯシステムの例示として使用する実際の２×２ＭＩＭＯチャネルの場合、この実施形態の以下の説明において特に明記しない限りは、式（８）は、コヒーレンス時間あたりの必要なフィードバック情報量（単位：ビット）を示す。

上述したように、受信機は、最初の特異値分解を実行して受信ステアリング行列［Ｕ］を求める。次いで、受信機は、チャネル状態情報［Ｈ］を送信機にフィードバックし、送信機は、第２の特異値分解を実行して送信ステアリング行列［Ｖ］を計算する。上述した特許文献４では、２本の送信アンテナを有するシステムに限定したときに、受信機が送信ステアリング行列［Ｖ］の形式でのチャネル状態情報をフィードバックする。本発明では、特許文献４と異なり、Ｎ_Ｔｘ（Ｎ_Ｔｘ＞１）本の送信アンテナを有する任意のシステムにおいて、［Ｈ］の代わりに、修正された送信ステアリング行列［Ｖ］をＵＥがフィードバックすることを提唱し、この理由は以下の実施形態において明らかになる。

式（２）および（４）〜（６）によって表される先行技術に基づくと、［Ｖ］のフィードバックは、チャネルの対角行列化と、対応する固有モード空間多重とを実行するための十分なチャネル状態情報を表す。さらに、一般的には、考慮対象である２×２チャネルの場合、［Ｖ］は［Ｈ］と次元が同じであり、従ってフィードバック要件は式（８）に表されている要件と同じである。

本発明の方法は、行列の特異値に対する解は一意であっても、チャネル［Ｈ］の特異値分解によって得られる、特異ベクトルの行列［Ｕ］および［Ｖ］については一意ではないことを認識するものである。受信機は、チャネル行列［Ｈ］を推定した時点で、［Ｈ］の特異値分解を計算し、一連の左特異ベクトル［Ｕ］と、一連の右特異ベクトル［Ｖ］とを得る。２×２の複素チャネル行列［Ｈ］の場合、［Ｖ］および［Ｕ］も２×２複素行列であり、それぞれ、（９）および（１０）によって表すことができる。

本発明の方法は、（９）における送信フィルタ行列を、（１１）に表されている形式のユニタリ位相回転フィルタ［Ｔ］によって修正し、修正された送信フィルタ行列が式（１２）に定義されるようにすることを提案する。

送信フィルタ行列に位相回転フィルタを適用することに対応して、対応する受信フィルタ行列は、式（１３）によって定義される。

本発明の方法は、（１２）の送信フィルタ行列を式（１６）の形式で記述できるように、式（１４）、（１５）に従って位相回転フィルタの係数を設定することを提案する。

係数［Ｔｘ_ｆｉｌｔ］_２，１をデカルト座標系（デジタル電子システムにおいて複素数を表す最も一般的な形式）で表すと、フィードバック情報は、以下のように求められる。

本発明の方法によると、受信機は、右特異ベクトル行列［Ｖ］をフィードバックする代わりに、式（１７）によって特定される情報を送信機にフィードバックする。式（１８）に表される［Ｖ］行列のユニタリ特性に基づき、送信機における適切な送信フィルタ行列をフィードバック係数から得るための一連の関係式を、（事前に）導出することができる。

この実施形態における２×２の例の場合、基地局が使用する送信ステアリング行列は式（１９）によって与えられ、この場合、個々の要素は、（１７）におけるフィードバック係数に基づいて式（２０）〜（２３）によって表すことができる。

位相回転フィルタの目的は、送信フィルタ行列を回転させて、（送信フィルタ行列の列によって表される）右特異ベクトルそれぞれの１つの要素の位相成分を除去する（または、送信機と受信機の両方に既知である何らかの所定の形式にする）ことであることが、当業者には明らかであろう。この例の式（１４）および（１５）におけるα_１およびα_２の選択の結果として、特異ベクトルそれぞれの第１の要素が、複素数平面におけるデカルト座標系の正の実軸に沿って位置する。一般的には、α_１およびα_２は、特異ベクトルそれぞれに対応する１つの所定のベクトルが存在するように、複素数平面における所定ベクトル上に（さらにその方向に）各特異ベクトルの第１の要素が位置するように制限されるように選択することができる。より一般的には、上記の規則は、特異ベクトルそれぞれの第１の要素に制限されることはなく、すなわち、上記の規則を第２の要素（この例においては式（９）における［Ｖ］の第２行）に適用することもできる。

上の説明から明らかであるように、位相回転フィルタ［Ｔ］によって所定の位相にされる特異ベクトルの要素と、フィードバックされる（１つ以上の）要素の選択とに応じて、（２０）〜（２３）における関係式とは異なりうる一連の関係式を、式（１８）に表されているユニタリ特性を使用して導出することができる。これらの関係式は、採用する条件規則（コンベンション）（convention）に依存するため、本実施形態に採用している条件規則に本発明の範囲が制限されないことを理解されたい。

さらには、複素チャネル行列の特異ベクトルには無限の解が存在することが、当業者には明らかであろう。位相回転フィルタは、任意の一般解の入力から、特定の形式（所定の条件規則に対応する）を有する解を選択するうえで役立つ。実施を容易にするため、本発明の範囲を制限することなしに、明示的な位相回転フィルタの効果と特異ベクトル自体の計算とを、（例えば、望ましい所定の形式をとる、［Ｕ］および［Ｖ］の解を選択することによって）統合できることを理解されたい。

この実施形態においては、２×２ＭＩＭＯシステムにおいて、（パフォーマンスを損なわずに）フィードバックが軽減される固有ビームフォーミング方式を適用することについて説明した。本発明の方法によると、２×２ＭＩＭＯシステムの場合、送信機における適切な送信フィルタ行列の他の係数を決定することのできる最小の情報量は、１つの複素係数のフィードバックである。この例に基づいて、フィードバックは、式（１７）に強調的に示した情報に限定される。チャネル推定値の特異値分解によって得られる特異ベクトル行列に、適切な位相回転フィルタを適用した後、固有ビームフォーミングを実施するのに必要なフィードバック情報の最小量は式（２４）によって表すことができ、この量は、式（８）として表される先行技術において必要なフィードバック量の１／４であり、７５％の低減であると結論することができる。

図２は、２つのエンティティである基地局２１０およびユーザ機器２５０の間での、本発明の方法を使用してのセットアップおよび以降の通信を説明するメッセージシーケンス図を示している。ほとんどの無線ネットワークにおいて一般的に行われているように、基地局は、さまざまな理由、特に、自身の存在を報知するため、あるいは、チャネル推定のためのコヒーレント基準としての役割を果たすように、パイロットシーケンスを定期的に送信する。本発明の目的においては、パイロットシーケンス２２０は、下り回線チャネル（すなわち基地局からユーザ機器へのチャネル）を推定する目的でユーザ機器が使用する。

前述したように、一般的な無線チャネルは、時間、周波数および空間における選択性を有する。チャネルの時間変動の影響に対処するため、ユーザ機器は、送信機に最新のチャネル状態情報を定期的に提供する必要がある。前の実施形態において説明したように、ユーザ機器は、送信されるパイロットシーケンス２２０からチャネル状態を推定し（２３１）、ステップ２３２において特異ベクトルを計算し、一連の送信／受信フィルタを求める。次いで、ユーザ機器は、ステップ２３３において、本発明の方法に従って適切な位相回転フィルタを求め、左特異ベクトル行列と右特異ベクトル行列に対して位相回転を実行する。次いで、ユーザ機器は、ステップ２３４において、位相回転した左特異ベクトル行列のエルミート行列である修正された受信フィルタを計算し、フィードバック係数を決定する。フィードバック係数は、位相回転した右特異ベクトル行列における複数の要素のうちの少なくとも１つの要素に関連付けられるフィルタ係数を含んでいることが好ましい。ステップ２３５において、フィードバック係数を送信機（基地局）にフィードバックし、ステップ２３６において、基地局が送信フィルタを計算する。図２では、ステップ２３１〜２３６をまとめて「セットアップ」と称し、参照数字２３０として表してあるが、なぜなら、これらのステップの結果としてフィードバック情報が決定、伝送され、ペイロードデータは直接送信されないためである。

セットアップ段階２３０が完了した時点で、基地局は、固有モード空間多重を使用して、高速の下り回線データ送信を開始することができる。これは、ステップ２４２〜２４４が含まれる「データ交換」段階２４０によって示されており、以下ではこの段階について説明する。ステップ２４２において、送信機、すなわち基地局２１０は、ステップ２３６において計算した送信フィルタを、送信する自身のデータ２４１に適用する。次いで、ステップ２４３において、送信機は送信信号（送信下り回線データ）としてデータを送信し、受信機が受信する。ステップ２４４において、受信機、すなわちユーザ機器２５０は、ステップ２３４において計算した修正された受信フィルタを、ステップ２４３において受信した受信信号に適用し、送信されたデータの推定値２４５を得る。

基地局２１０に最新の一連の送信フィルタ係数が提供されるように、ユーザ機器２５０は、セットアップ段階２３０を定期的（チャネルのコヒーレント時間あたり少なくとも一度）に実行することが予測される。セットアップ段階２３０には、参照数字２３１〜２３６によって表されているいくつかのプロセスが含まれているが、ユーザ機器は、これらの機能のうちのいくつかを他の機能よりも頻繁に実行できることが、当業者には明らかであろう。例えば、ユーザ機器は、ステップ２３１におけるチャネル推定値の計算を、ステップ２３５におけるフィードバック係数の送信よりも頻繁に実行することができ、この場合、チャネル状態が十分に変化したと判断されたときにのみフィードバックを実行する。従って、図２には、本発明の方法による、フィードバックが低減した固有モード空間多重を実施するのに必要な一連のプロセスを示してあるが、この図は、実施形態において、追加の中間ステップ（例：「フィードバックを実行する前にチャネル状態の十分な変化を判断するステップ」）を実行すること、あるいは、特定のプロセスを他のプロセスよりも頻繁に実行することを制約するものではない。

前の実施形態に説明した方法では、２×２ＭＩＭＯシステムの場合に、（フィードバックの低減に関して）最良の改善が得られる。より一般的なＮ_Ｒｘ×Ｎ_Ｔｘのアンテナ構成の場合、同様の方法を適用できるが、利得（フィードバックの低減量）が異なる。図３は、修正された送信フィルタ係数を計算するために必要な最小のフィードバック情報を決定するための、本発明による一般的な方法をフローチャートとして示しており、この方法について以下の実施形態において説明する。

ステップ３１０において、アルゴリズムへの入力として、チャネル推定行列の次元（送信機および受信機のアンテナ構成に等しい）を指定する。ステップ３２０において、そのアンテナ構成を使用して、システムの特異値の数と、自明でない右特異ベクトルの行列の次元（先行技術に説明されている「経済的なサイズの」特異値分解に等しい）とを決定する。ステップ３３０のプロセスでは、ステップ３２０における右特異ベクトルの第１の要素を、（送信機および受信機の両方に既知である）所定の位相に位置させる位相回転フィルタを決定する。ステップ３４０のプロセスにおいて、ステップ３３０において計算した位相回転フィルタと、ステップ３２０において計算した右特異ベクトル行列とに基づいて、送信フィルタを計算する。

ステップ３５０において、送信フィルタのユニタリ特性を利用することによって、送信フィルタ係数に関する「一連の式」を決定する。一般には、この「一連の式」では、システムは確定されない。ステップ３６０およびステップ３７０のプロセスでは、既知であればシステムが確定する「一連の変数」を選択する。ステップ３６０のプロセスにおいて決定された「一連の変数」の結果として最小のフィードバック情報量が得られるならば、経路３７１に進む。これに対して、経路３７２に進む場合、ステップ３７０における条件に従って、最小のフィードバックによってシステムが決まる一連の変数が見つかるまで、ステップ３６０のプロセスを反復して実行する。

ステップ３８０のプロセスでは、受信機と送信機との間で必要なフィードバック情報と、送信機がその「フィードバック情報」を使用して送信フィルタを再生成するために使用する「一連の関係式」とを決定し、ステップ３９０において、アルゴリズムの結果を出力する。

非対称的なアンテナ構成（すなわち前の実施形態に説明した２×２形式などの正方行列とならない構成）に本発明を適用する例として、４本のアンテナを有する送信機（基地局）と、２本のアンテナを有する受信機（ユーザ機器）とを備えているシステムを考える。

このシステムに対して存在する固有モード（および対応する独立したデータチャネル）の数は２に制限されるが、４本の送信アンテナが存在することにより、基地局は、チャネルに存在する追加のダイバーシチを利用して、（利用可能な４本の送信アンテナのうち）２本のアンテナのみを使用することを提唱するシステムよりも良好なパフォーマンスが達成される送信モードを使用することが容易になる。なお、本発明は、フィードバック情報を低減する方法を説明するものである。従って、４本の送信アンテナあるいは２本の送信アンテナを使用することの実行可能性を判断することは、本発明の範囲には含まれない。

自明でない右特異ベクトルおよび左特異ベクトルの行列は、それぞれ、４×２および２×２の次元を有し、次の式（２５）および（２６）によって表される。なお、これらの式は、前述した２×２システムの式（９）および（１０）と同値関係（equivalence）にある。

ステップ３３０に示したように、［Ｖ］における右特異ベクトルそれぞれの第１の要素を、複素数平面の正の実軸に位置させる位相回転フィルタを選択すると、式（１１）におけるフィルタと同じ形式の位相回転フィルタが得られ、その係数は、２×２のシナリオを説明した実施形態における式（１４）および式（１５）に従って設定される。

ステップ３４０に説明したように、２×４システムの場合の送信フィルタとして、式（２７）によって表されるフィルタが求められる。

ステップ３５０において、「一連の式」として式（２８）〜（３１）を得る。

送信フィルタを式（３２）におけるデカルト座標形式で表すと、式（２８）〜（３１）によって表される「一連の式」は、式（３３）〜（３６）のように表すことができる。

この場合、位相回転フィルタの結果として、ｂ_１１＝ｂ_１２＝０である。

ステップ３６０〜３８０によって詳述したように、一連の「フィードバック情報」と、対応する「一連の関係式」とを求めるプロセスを使用することにより、式（３７）に示した「フィードバック情報」と、式（３３）〜（３６）から導出される「一連の関係式」と合わせて使用すれば、式（３２）における送信フィルタ行列を十分に求められることがわかる。ただし、前に強調したように、これは、フィードバックの低減につながる、本発明の方法による「フィードバック情報」のいくつかの可能な組み合わせのうちの１つにすぎない。

この実施形態における４本の送信アンテナおよび２本の受信アンテナを備えたＭＩＭＯの例に基づくと、位相回転フィルタと、本発明の方法とを使用する結果として、式（３８）によって表されるフィードバック情報量となり、これは、式（７）においてＮ_Ｔｘ＝４およびＮ_Ｒｘ＝２を代入することによって表される先行技術の場合の情報量よりも、３１．２５％減少する。

非線形プログラミングの技術分野の当業者には、例えば、式（３９）によって表される「フィードバック情報」など、さらに低減したフィードバック情報に対して、送信フィルタを得る「一連の関係式」を取得できることが明らかであろう。

上記のように決定された「一連の関係式」から、送信フィルタ行列に対する２つの解が得られるが、式（３３）〜（３６）における「一連の式」の非線形特性に起因して、そのうちの１つは無効である。位相回転フィルタの条件規則によって送信フィルタに制限が課される（この実施形態の例では、この制約により係数ａ_１１およびａ_１２が正の実数に限定される）が、この制約は、送信フィルタ行列の有効な解を選択するには不十分であることがわかる。

この実施形態のさらなる方法は、ステップ３８０に示した「フィードバック情報」と「一連の関係式」とに基づいて受信機がさらなる計算を実行し、本発明において送信機が実行する場合と同様に送信フィルタに対する一連の解を求めてもよいことを認識したものである。受信機は、右特異ベクトル行列および位相回転フィルタとは独立して真の送信フィルタを計算することによって、選択信号を求める。選択信号は、この例においては１ビットによって構成される。式（３９）の情報と合わせて選択信号をフィードバックする結果として、送信機が有効な送信フィルタを決定するための十分な情報が得られる。

このさらなる方法では、式（４０）に対応するフィードバックとなり、式（７）によって表される、先行技術におけるフィードバックよりも約３７．５％の低減が達成される。

理解すべき点として、式（４０）に表されている追加の１ビットは、式（３９）のフィードバック情報に明示的に含めることができ、あるいは、受信機から送信機への送信特性に埋め込みまたは符号化することができる。

この実施形態において強調的に示したように、選択信号を送信機にフィードバックする方法では、結果として図２のメッセージシーケンス図が変更され、図４に示したように、図２のステップに加えて、選択信号を計算するステップ２３４１を受信機（ユーザ機器）が実行する。この選択信号は、ステップ２３５１においてフィードバックするが、この信号は、実施形態に応じて、フィードバック情報信号の一部としまたは一部としないことができる。

送信機側では、ステップ２３６の結果として送信フィルタ行列に対する複数の解が得られ、有効な送信フィルタを選択信号に基づいて選択するステップ２３６１が必要となり、これにより、次のデータ交換段階２４０において通信を行うことができる。

図５は、ＭＩＭＯ無線通信ネットワーク１００における個々の局（１１０、１２０、１３０または１４０）を概略的に抽象化したマルチアンテナ送受信機装置を示しており、本発明の方法を具体化している。ＩＳＯのＯＳＩ７層参照モデルに従って、参照数字４１０は、データリンクを制御するレイヤ２プロセッサを表しており、参照数字４２０は、物理レイヤモデムであるレイヤ１プロセッサを表している。参照数字４１５は、レイヤ１プロセッサとレイヤ２プロセッサとの間のインタフェースを表しており、参照数字４０５は、上位レイヤへのインタフェースを表している。参照数字４２５は、局４００と無線チャネルとの間のインタフェースとして機能するアンテナアレイを表している。さらには、本発明では、レイヤ１プロセッサおよびレイヤ２プロセッサの両方の機能を必要とする追加モジュールを実施することが要求されるものと予測される。これらの追加のモジュールは、それぞれ、参照数字４１１および４２１によって表してある。

単一または複数のユーザ機器局と通信し、下り回線において固有モード空間多重モードを使用する基地局を備えているＦＤＤ通信システムの場合には、図３に関連付けられる実施形態による方法が、通信動作の前に実行される。さらには、フィードバック情報のフォーマットは基地局およびユーザ機器の両方に既知であり、送信フィルタ行列を導出するのに必要な一連の関係式は、あらかじめ基地局に既知である。

いま、図５が、固有モード空間多重された信号を受信するユーザ機器（例：端末１２０、１３０、または１４０）の抽象化であると想定すると、モジュール４１１は、図２のステップ２３１、２３２、２３３および２３４に示してあるように、（例えば特異値分解によって）チャネル推定の特異ベクトルを求め、適切な位相回転フィルタを決定し、修正された受信フィルタおよびフィードバック係数を計算する機能を備えている。図４に対応する実施形態の方法によると、モジュール４１１は、ステップ２３４１に示してあるように、選択信号を決定する機能をさらに備えている。さらには、モジュール４１１は、ステップ２４４において、前にステップ２３４において計算された受信フィルタを使用して、受信フィルタ演算を実行することができる。ユーザ機器の場合、モジュール４２１は、モジュール４１１によって計算されてインタフェース４１５を介して伝えられたフィードバック係数を、ステップ２３５に示したように基地局にシグナリングするために必要なプロトコルを実施するものと予測される。図４に対応する実施形態の方法によると、モジュール４２１は、モジュール４１１によって求められてインタフェース４１５を介して伝えられた選択信号を、ステップ２３５１に示したように基地局にシグナリングするために必要なプロトコルを実施する。

いま、図５が、固有モード空間多重された信号を送信する基地局（例：中央局１１０）の抽象化であると想定するならば、モジュール４２１は、ステップ２３５の通信の結果として受信されるシグナリング情報を解釈して、それをレイヤ２プロセッサ４１０のモジュール４１１に伝える機能を備えているものと想定する。レイヤ２プロセッサ４１０は、ステップ２３６によって示したように送信フィルタを計算し、データ交換段階２４０のステップ２４２において、それを次の下り回線データ通信に適用する機能を備えている。さらにこれに加えて、図４に対応する実施形態の方法によると、モジュール４２１は、ステップ２３５１の選択信号を解釈して、それをレイヤ２プロセッサ４１０のモジュール４１１に伝える機能を備えている。レイヤ２プロセッサ４１０は、ステップ２３６１において、ステップ２３６において自身が計算した送信フィルタに対する一連の解から、有効な送信フィルタを選択する機能を備えている。

上述した実施形態による無線受信装置は、ＭＩＭＯチャネルの推定結果から、位相回転した右特異ベクトル行列を導出する導出部と、導出部によって導出された位相回転した右特異ベクトル行列の要素に関連付けられる係数を、無線送信装置にフィードバックするフィードバック部と、を備えている構成を採用する。

上述した実施形態による無線受信装置は、上述した構成において、導出部が、推定結果から右特異ベクトル行列を計算する計算部と、計算部によって計算された右特異ベクトル行列に対して位相回転を実行し、位相回転した右特異ベクトル行列を生成する位相回転部と、を備えている構成を採用する。

上述した実施形態による無線受信装置は、上述した構成において、位相回転部が、複素数平面における単位円上の点に対応する値を有する対角要素を含んでいるユニタリ行列を求め、求められたユニタリ行列を使用して位相回転を実行する構成を採用する。

上述した実施形態による無線受信装置は、上述した構成において、右特異ベクトル行列が複数の右特異ベクトルを有し、位相回転部が、複数の右特異ベクトルのそれぞれにおける要素の位相成分を除去する構成を採用する。

上述した実施形態による無線受信装置は、上述した構成において、右特異ベクトル行列が複数の右特異ベクトルを有し、複数の右特異ベクトルのそれぞれに、複素数平面における対応する基準ベクトル（reference vector）が割り当てられており、位相回転部が、複数の右特異ベクトルのそれぞれにおける要素の位相成分を、対応する基準ベクトルの方向に回転させる構成を採用する。

上述した実施形態による無線受信装置は、上述した構成において、位相回転部が、複数の右特異ベクトルのそれぞれにおける複数の要素のうちの１つの要素の位相成分を、対応する基準ベクトルの方向に回転させ、複数の要素が、右特異ベクトル行列の１つの行に含まれている構成を採用する。

上述した実施形態による無線受信装置は、上述した構成において、右特異ベクトル行列が複数の右特異ベクトルを有し、位相回転部が、複数の右特異ベクトルのそれぞれにおける要素を、複素数平面における座標系の正の実軸上に配置する構成を採用する。

上述した実施形態による無線受信装置は、上述した構成において、位相回転部が、複数の右特異ベクトルのそれぞれにおける複数の要素のうちの１つの要素を正の実軸上に配置し、要素が、右特異ベクトル行列の１つの行に含まれている構成を採用する。

上述した実施形態による無線受信装置は、上述した構成において、計算部が、推定結果から左特異ベクトル行列をさらに計算し、位相回転部が、計算部によって計算された左特異ベクトル行列に対して位相回転を実行する。さらに、この装置は、位相回転部によって位相回転された左特異ベクトル行列の共役転置行列を受信信号に適用し、無線送信装置から送信されたデータの推定値を得る適用部をさらに備えている構成を採用する。

上述した実施形態による無線受信装置は、上述した構成において、無線受信装置に送信されるデータに適用される送信フィルタに対する複数の解のうちの有効な解を送信装置が取得できる選択信号を生成する選択信号生成部をさらに備えており、フィードバック部が、選択信号生成部によって生成された選択信号を無線送信装置にフィードバックする構成を採用する。

上述した実施形態による無線送信装置は、上述した構成において、無線受信装置からフィードバックされた係数を取得する取得部と、取得部によって取得された係数を所定の関係式に代入することによって送信フィルタを生成する生成部と、生成部によって生成された送信フィルタを、無線受信装置にＭＩＭＯチャネルを介して送信されるデータに適用する適用部と、を備えている構成を採用する。

上述した実施形態による無線通信システムは、本実施形態による無線受信装置と、本実施形態による無線送信装置とを備えている構成を採用する。

上述した実施形態による無線受信方法は、ＭＩＭＯチャネルの推定結果から、位相回転した右特異ベクトル行列を導出する導出ステップと、導出ステップにおいて導出された位相回転した右特異ベクトル行列の要素に関連付けられる係数をフィードバックするフィードバックステップと、を含んでいる構成を採用する。

上述した実施形態による無線送信方法は、フィードバックされた係数を取得する取得ステップと、取得ステップにおいて取得されたフィードバックされた係数を所定の関係式に代入することによって送信フィルタを生成する生成ステップと、生成ステップにおいて生成された送信フィルタを、ＭＩＭＯチャネルを介して送信されるデータに適用する適用ステップと、を含んでいる構成を採用する。

上述した実施形態による無線通信方法は、本実施形態による無線受信方法と、本実施形態による無線送信方法とを含んでいる構成を採用する。

本発明の無線通信システムおよび無線通信方法は、ＭＩＭＯチャネルを介しての無線通信に適用することができる。

本発明の一実施形態による無線通信システムを示す図 本発明の一実施形態による送信機と受信機との間の送信／受信動作の例を示す図 本発明の一実施形態によるフィードバック情報を決定する方法を示す図 本発明の一実施形態による送信機と受信機との間の送信／受信動作の修正された例を示す図 本発明の一実施形態によるマルチアンテナ端末装置の構成を示す図

Claims (11)

1. 無線受信装置と無線送信装置とを備えている無線通信システムであって、
   前記無線受信装置が、
   ＭＩＭＯチャネルの推定結果から、位相回転した右特異ベクトル行列を導出する導出部と、
   前記導出部によって導出された前記位相回転した右特異ベクトル行列の要素に関連付けられる係数を、前記無線送信装置にフィードバックするフィードバック部と、を備えており、
   前記無線送信装置が、
   前記無線受信装置からフィードバックされた前記係数を取得する取得部と、
   前記取得部によって取得された前記係数を所定の関係式に代入することによって送信フィルタを生成する生成部と、
   前記生成部によって生成された前記送信フィルタを、前記無線受信装置にＭＩＭＯチャネルを介して送信されるデータに適用する適用部と、
   を備えている無線通信システム。
2. 前記導出部が、
   前記推定結果から右特異ベクトル行列を計算する計算部と、
   前記計算部によって計算された前記右特異ベクトル行列に対して位相回転を実行し、前記位相回転した右特異ベクトル行列を生成する位相回転部と、を備えている請求項１に記載の無線通信システム。
3. 前記位相回転部が、複素数平面における単位円上の点に対応する値を有する対角要素を含んでいるユニタリ行列を求め、前記求められたユニタリ行列を使用して位相回転を実行する請求項２に記載の無線通信システム。
4. 前記右特異ベクトル行列が複数の右特異ベクトルを有し、前記位相回転部が、前記複数の右特異ベクトルのそれぞれにおける要素の位相成分を除去する請求項２に記載の無線通信システム。
5. 前記右特異ベクトル行列が複数の右特異ベクトルを有し、前記複数の右特異ベクトルのそれぞれに、複素数平面における対応する基準ベクトルが割り当てられ、
   前記位相回転部が、前記複数の右特異ベクトルのそれぞれにおける要素の位相成分を、前記対応する基準ベクトルの方向に回転させる請求項２に記載の無線通信システム。
6. 前記位相回転部が、前記複数の右特異ベクトルのそれぞれにおける複数の要素のうちの１つの要素の位相成分を、前記対応する基準ベクトルの方向に回転させ、前記複数の要素が、前記右特異ベクトル行列の１つの行に含まれている請求項５に記載の無線通信システム。
7. 前記右特異ベクトル行列が複数の右特異ベクトルを有し、
   前記位相回転部が、前記複数の右特異ベクトルのそれぞれにおける要素を、複素数平面における座標系の正の実軸上に配置する請求項２に記載の無線通信システム。
8. 前記位相回転部が、前記複数の右特異ベクトルのそれぞれにおける前記複数の要素のうちの１つの要素を正の実軸上に配置し、前記要素が、前記右特異ベクトル行列の１つの行に含まれている請求項７に記載の無線通信システム。
9. 前記計算部が、前記推定結果から左特異ベクトル行列をさらに計算し、前記位相回転部が、前記計算部によって計算された前記左特異ベクトル行列に対して位相回転を実行し、
   前記無線受信装置が、前記位相回転部による位相回転された前記左特異ベクトル行列の共役転置行列を受信信号に適用し、前記無線送信装置から送信されたデータの推定値を得る適用部をさらに備えている請求項２に記載の無線通信システム。
10. 前記無線受信装置が、前記無線送信装置によって送信されるデータに適用される送信フィルタに対する複数の解から前記送信装置が有効な解を得ることができる選択信号を生成する選択信号生成部をさらに備えており、
    前記フィードバック部が、前記選択信号生成部によって生成された前記選択信号を前記無線送信装置にフィードバックする請求項２に記載の無線通信システム。
11. ＭＩＭＯチャネルの推定結果から、位相回転した右特異ベクトル行列を導出する導出ステップと、
    前記導出ステップにおいて導出された前記位相回転した右特異ベクトル行列の要素に関連付けられる係数をフィードバックするフィードバックステップと、
    前記フィードバックステップにおいてフィードバックされた前記係数を所定の関係式に代入することによって送信フィルタを生成する生成ステップと、
    前記送信フィルタを、ＭＩＭＯチャネルを介して送信されるデータに適用する適用ステップと、を含んでいる無線通信方法。

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