JP4472757B2

JP4472757B2 - 多重アンテナ送受信システムの制御方法並び送信機及び受信機

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Publication number: JP4472757B2
Application number: JP2007545376A
Authority: JP
Inventors: リー、ヘ、ソ; リー、ヒョ、ジン; アン、ジェ、ヤン
Original assignee: Electronics and Telecommunications Research Institute ETRI
Current assignee: Electronics and Telecommunications Research Institute ETRI
Priority date: 2004-12-08
Filing date: 2005-12-07
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2025-12-07
Also published as: US7991066B2; JP2008523702A; US20090252247A1; CN101069365B; KR100696208B1; CN101069365A; KR20060064501A

Description

本発明は、多重アンテナ送受信（Multiple Input Multiple Output、以下、ＭＩＭＯという）システムの制御方法並びにこれに使われることができる送信機及び受信機に関し、特に、容量を増加させることができるＭＩＭＯシステムの制御方法並びにこれに使われることができる送信機及び受信機に関する。

送信機及び受信機に多数のアンテナを使用する多重アンテナ送受信（Multiple Input Multiple Output、以下、ＭＩＭＯという）方式は、周波数効率の増大や送受信多様性による性能向上の可能性から無線／移動通信システムにおいて最も注目されている技術の１つである。

ＭＩＭＯシステムの従来技術として、単一値分解（singular value decomposition、以下、ＳＶＤという）技法がある。ＳＶＤ技法は、送信機が受信機からフィードバックされた完壁なチャネル状態情報の単一値分解を利用することによって、最大の性能を得る方法である。しかし、一般的に周波数分割多重化（frequency division duplexing、以下、ＦＤＤという）のようなシステムでは、送信機がチャネル行列を知るためには、受信機がこの情報を知らせなければならないが、この情報の量が非常に大きいため、チャネルが時間的に変わる環境では適用することが困難であるという問題点がある。このような問題点を解決するために、制限的なチャネル情報だけを送信機にフィードバックし、性能を高めようという技術が研究開発されてきた。このような技術には、アンテナ別速度制御（per antenna rate control、以下、ＰＡＲＣという）技法、ストリーム別速度制御（per stream rate control、以下、ＰＳＲＣという）技法及びＰＵ２ＲＣ（per unitary basis stream user rate control）技法などが挙げられる。

これらのうちＰＡＲＣ技法は、受信機で順次的干渉除去受信技法を使用しながら、各アンテナ別信号対干渉ノイズ合計比（Signal-to-interference-plus-noise ratio、以下、ＳＩＮＲという）情報だけをフィードバックし、ＭＩＭＯチャネルの理論的開環（open loop）チャネル容量を得ることができる技法である。

また、ＰＳＲＣ技法は、ＰＡＲＣが各データストリームを各々のアンテナに別々に転送するのに対し、各データストリームを受信段からフィードバックされたユニタリー行列（unitary matrix）を使用して前処理符号化（precoding）して送る技法である。この技法は、送信段で前処理符号化のために使用可能な多数のユニタリー行列のうちどのものを使用するかを受信機でフィードバックし、この行列の各列ベクトルで前処理符号化し、各々のデータストリームを転送する。受信機では、各々の前処理符号化されるデータストリームのＳＩＮＲをさらにフィードバックし、送信段は、フィードバックされた各々のＳＩＮＲをもって各ストリームのデータ転送率を決定し、データを転送する。

また、多重アンテナを使用する送受信端末間のリンクの性能を向上させるＰＡＲＣ及びＰＳＲＣ技法と異なって、ＰＵ２ＲＣ技法は、多重アンテナを使用する端末が多数個存在する時、多重ユーザ（multiuser）ダイバシティ（diversity）を用いて性能を向上させる技法である。この技法は、基地局が多数のデータストリームを転送するにあたって、各々のデータストリームをユニタリー行列の各列ベクトルで前処理符号化して送る。これは、ＰＳＲＣ技法と同一であり、ＰＳＲＣ技法と異なる点は、各々のデータストリームを異なるユーザに送ることである。各ユーザからデータストリームのＳＩＮＲをフィードバックされて、各々のデータストリームに対して最も良いＳＩＮＲを有するユーザに当該データストリームを割り当て、システムの性能を高める方法である。

このような従来技術に係るＭＩＭＯシステムの技法であるＰＡＲＣ及びＰＳＲＣ技法は、共に各アンテナ又はデータストリームの送信電力を同一に維持しなければならないので、送信電力を調節できる方式に比べてチャネル容量（channel capacity）が小さいという問題点がある。この技法は、共に各アンテナ又はデータストリームの送信電力が同一であるという前提がある。各アンテナ又はデータストリームが基地局の送信電力を同じ大きさで分けて有すると仮定した時、受信段で順次的干渉除去技法を使用した場合のＳＩＮＲをフィードバックする。仮に、特定のアンテナ又はデータストリームのＳＩＮＲが他のものに比べて良くないとしても、同じ電力を割り当てる。仮に、ここに割り当てられる電力を減らしたり、無くし、当該電力を他の良いＳＩＮＲを有するアンテナ又はデータストリームに追加的に割り当て、当該データストリームの転送率を高める場合には、全体的なデータ転送率の合計を増加させることができる。しかし、これらの方式は、送信機で任意に送信電力を変えることができない。その理由は、受信機にフィードバックしたＳＩＮＲ情報は、全てのアンテナ又はデータストリームの送信電力が同一であるという前提の下に計算された値であるからである。仮に、送信段で送信電力の変化を与えると、各データストリームの受信ＳＩＮＲを分かることができないからである。

また、ＰＵ２ＲＣは、ＰＡＲＣ及びＰＳＲＣ方式に比べて多重ユーザ環境で多重ユーザダイバシティを用いて性能を高めることができるという長所があるが、ＰＡＲＣ又はＰＳＲＣ技法のように連続的な干渉除去（successive interference cancellation）を使用してデータストリーム間の干渉を除去することができないという短所がある。これに対し、ＰＡＲＣ及びＰＳＲＣは、ＰＵ２ＲＣ方式に比べて連続的な干渉除去（successive interference cancellation）を使用してデータストリーム間の干渉を除去することができるという長所があるが、多重ユーザ環境で多重ユーザダイバシティを用いて性能を高めることができないという短所がある。実際２つの方式の性能を比較してみれば、システム内のユーザ数及びチャネル環境によって性能の良否が決定される。一般的に、ユーザ数が多く、ＬＯＳ（line of sight）に近いチャネル環境であるほど、ＰＵ２ＲＣ方式の性能が優秀であり、反対に、ユーザ数が少なく、散乱が豊富な（rich scattering）環境に近いほど、ＰＡＲＣ又はＰＳＲＣ方式の性能が優秀である。

従って、本発明の目的は、前述のような問題点を解決するためになされたもので、チャネル容量を増加させることができるＭＩＭＯシステムの制御方法並びにこれに使われることができる送信機及び受信機を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、アンテナ又はデータストリームの送信電力を同一にするＰＡＲＣ及びＰＳＲＣ技法の限界を克服するために、フィードバックされる情報の大きさは、これらの技法と同じながらも、効果的に送信電力を異にすることができるＭＩＭＯシステムの制御方法並びにこれに使われることができる送信機及び受信機を提供することにある。

また、本発明のさらに他の目的は、ユーザ数やチャネル環境などによって性能の良否が決定される既存のＰＵ２ＲＣ及びＰＡＲＣ、ＰＳＲＣなどの限界を克服することによって、いかなる環境でも前述の方式より良い性能を示すことができるＭＩＭＯシステムの制御方法並びにこれに使われることができる送信機及び受信機を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の第１態様に係る制御方法は、送信機及び受信機が多重アンテナを使用するＭＩＭＯシステムの制御方法において、
（ａ）前記受信機でＭＩＭＯチャネルを推定し、順次的干渉除去技法を使用してデータストリームを検出する段階と、
（ｂ）前記受信機で前記推定されたチャネルを用いて数式１を満足する

を求めた後、

に該当する情報を前記送信機にフィードバックする段階と、
（ｃ）前記送信機で前記フィードバックされた情報を用いてストリーム別データ転送率及び送信電力を決定する段階と、を含む。

（前記数式で、ｓは、順次的な干渉除去順序を意味し、ｐは、ストリーム別送信電力を意味し、ＳＩＮＲ_ｋ ^ｓは、ストリームｋ以前ストリームの信号を完全に除去した時、ストリームｋのＳＩＮＲを意味し、Ｐは、送信機の電力を意味する。）

また、本発明の第２態様に係るＭＩＭＯ受信機は、アンテナから受信された信号から順次的干渉除去受信技法を用いて複数のデータストリームを復元するシンボル検出部及び復号部と、前記複数のデータストリームを多重化して出力する多重化部と、前記アンテナから受信された信号からＭＩＭＯチャネル情報を推定するチャネル推定部と、前記推定されたＭＩＭＯチャネル情報を用いて送信機にフィードバックされるパラメータを抽出するフィードバックパラメータ抽出部と、を含み、
前記フィードバックパラメータは、

に該当する情報であり、

は、前記数式１を満足する値である。

また、本発明の第３態様に係るＭＩＭＯ送信機は、高速のユーザデータを複数の低速データストリームに変換する逆多重化部と、前記複数のデータストリームをチャネル符号化する複数の符号化部と、前記符号化されたデータストリームをシンボルにマッピングする複数のシンボルマッパーと、前記シンボルと前処理符号化ベクトル（precoding vector）とを乗算し、送信アンテナに転送したり、アンテナマッピングを通じてアンテナに転送する複数の前処理符号化／アンテナマッピング部と、受信されたフィードバックパラメータを用いてストリーム別送信電力及びデータ転送率を制御する適応転送制御部と、を含み、
前記フィードバックパラメータは、

に該当する情報であり、

は、前記数式１を満足する値である。

本発明の第４態様に係る制御方法は、多重アンテナを有する送信機及び多重アンテナを有する複数の受信機を含み、各受信機に転送される各ユーザデータは、前記送信機から転送される複数のストリームのうち前記各ユーザに割り当てられたストリームを介して転送されるＭＩＭＯシステムの制御方法において、（ａ）前記受信機でＭＩＭＯチャネルを推定し、アンテナから受信した信号を用いてデータストリームを検出する段階と、（ｂ）前記受信機で前記推定されたチャネルを用いて前記送信機にフィードバックされるフィードバックパラメータである順次的干渉除去順序及び順次的干渉除去が反映されたストリーム別ＳＩＮＲに該当する情報を抽出した後、これを前記送信機にフィードバックする段階と、（ｃ）前記送信機で前記フィードバックされたパラメータを用いて前記送信機の複数のストリームのうち前記受信機に割り当てられるストリームを決定し、ストリーム別データ転送率を決定する段階と、を含む。

本発明の第５態様に係るＭＩＭＯ受信機は、多重アンテナを有する送信機及び多重アンテナを有する複数の受信機を含み、各受信機に転送される各ユーザデータは、前記送信機の複数のストリームのうち前記各ユーザに割り当てられたストリームを介して転送されるＭＩＭＯシステムに使われる受信機において、推定されたＭＩＭＯチャネル情報を用いてフィードバックされるパラメータに前処理符号化ベクトルを含み、このような前処理符号化ベクトルを使用する場合の順次的干渉除去順序及び順次的干渉除去が反映された各ストリーム別ＳＩＮＲを抽出するフィードバックパラメータ抽出部を含む。

本発明の第６態様に係るＭＩＭＯ送信機は、入力される多数のユーザデータを各々のストリームに割り当てるユーザ選択部と、前記ユーザ選択部から出力される複数のデータストリームをチャネル符号化する複数の符号化部と、前記符号化されたデータストリームをシンボルにマッピングする複数のシンボルマッパーと、前記シンボルに受信機からフィードバックされた前処理符号化ベクトル（precoding vector）を乗算し、送信アンテナに転送したり、受信機で前処理符号化ベクトルをフィードバックしない場合、前記ストリームにあらかじめ定められた前処理符号化ベクトルを乗算し、送信アンテナに転送する複数の前処理符号化／アンテナマッピング部と、受信されたフィードバックパラメータである順次的干渉除去順序及び順次的干渉除去が反映されたストリーム別ＳＩＮＲを用いて前記入力されるユーザのデータをどのストリームに割り当てるかを決定し、ストリーム別データ転送率を決定する適応転送制御部と、を含む。

本発明に係るＭＩＭＯシステムの制御方法並びにこれに使われることができる送信機及び受信機は、チャネル容量を増加させることができるという長所がある。

また、本発明に係るＭＩＭＯシステムの制御方法並びにこれに使われることができる送信機及び受信機は、フィードバックされる情報の大きさは、ＰＡＲＣ、ＰＳＲＣなどと同じながらも、効果的に送信電力を異にすることができるという長所がある。

また、本発明に係るＭＩＭＯシステムの制御方法並びにこれに使われることができる送信機及び受信機は、既存のＰＵ２ＲＣ及びＰＡＲＣ、ＰＳＲＣなどの限界を克服することによって、いかなる環境でも従来技術で提示した方式より良い性能を示すことができるという長所がある。

以下、添付の図面を参照して本発明に係る好ましい実施例を詳細に説明する。しかし、以下の実施例は、この技術分野における通常の知識を有する者にとって本発明が十分に理解されるように提供されるものであって、様々な他の形態で変形されることができ、本発明の範囲が次に記述される実施例に限定されるものではない。

（第１実施例）
図１は、本発明の第１実施例に係るＭＩＭＯシステムを示す図である。図１を参照すれば、ＭＩＭＯシステムは、送信機１１０及び受信機１２０を含む。送信機１１０は、逆多重化部１１１、複数のチャネル符号化部１１２、複数のシンボルマッパー１１３、複数の前処理符号化／アンテナマッピング部１１４及び適応転送制御部１１５を含む。受信機１２０は、シンボル検出部（symbol detector）１２１、復号部１２２、多重化部１２３、チャネル推定部１２４及びフィードバックパラメータ抽出部１２５を含む。

高速のユーザデータは、逆多重化部１１１を経て多数の低速のデータストリームに分けられ、このように分けられた各々のデータストリームは、チャネル符号化部１１２を経て符号化され、符号化されたデータストリームは、シンボルマッパー１１３を経てシンボル化される。このように作成されたシンボルは、前処理符号化／アンテナマッピング部１１４で各ストリームに該当する前処理符号化ベクトル（precoding vector）が乗算され、送信アンテナに転送されたり、単純にアンテナマッピングを通じてアンテナに転送される。各ストリームに該当する前処理符号化ベクトルは、或る特定のベクトルに常に固定されていることもでき、受信機からフィードバックされた前処理符号ベクトルを基盤にして適応転送制御部の命令によって変わることもできる。

受信機１２０からアンテナを介して受信されたベクトル信号は、所定の順序によってシンボル検出部１２１により検出（detection）される。最初に検出された信号は、復号部１２２を介して元来の情報に復元され、この情報は、多重化部１２３で多重化される。復号部１２２で復元された信号をさらにインコーディングし、元来の送信段で転送した信号を形成し、この信号にチャネルを乗算し、受信された信号から差し引く。かくして、最初に検出された信号は、他のデータストリームに干渉を全く及ぼさない。これは、一般的な順次的干渉除去受信技法である。本発明は、受信機１２０でこのような順次的干渉除去受信技法の使用を前提とする。また、本発明では、受信機１２０でＭＩＭＯチャネルを推定できると仮定し、チャネル推定部１２４でチャネル推定を担当する。ここで、推定されたチャネルは、シンボル検出部１２１の入力に入り、各々のデータストリームを検出するのに使用する。

また、チャネル推定部１２４で推定されたチャネル行列は、フィードバックパラメータ抽出部１２５に入力され、このフィードバックパラメータ抽出器１２５の役目は、推定されたＭＩＭＯチャネル行列に対して送信機１１０に送る情報を加工する役目をする。フィードバックパラメータ抽出部１２５で導き出された情報は、送信機１１０にフィードバックされ、送信機１１０の適応転送制御部１１５は、フィードバックパラメータ抽出部１２５から得た情報をもって各々のデータストリームをどのように送るかを決定し、これにより、チャネル符号化部１１２、シンボルマッパー１１３、及び前処理符号化／アンテナマッピング部１１４を制御する。

図１の送受信機１１０、１２０の構造は、ＰＡＲＣ及びＰＳＲＣの送受信機の構造と同様である。但し、図１の送受信機１１０、１２０は、ストリーム別ＳＩＮＲをフィードバックするＰＡＲＣ及びＰＳＣＲと比較して、受信機１２０から送信機１１０にフィードバックされる情報が異なるので、フィードバックパラメータ抽出部１２５及び適応転送制御部１１５がその動作を異にする。また、図１の送信機１１０は、転送率だけでなく、送信電力も変更されるので、前処理符号化／アンテナマッピング部１１４も、その構造を異にすることができる。すなわち前処理符号化／アンテナマッピング部１１４は、適応転送制御部１１５の制御によってストリームに出力される信号の送信電力を制御することができる。前処理符号化／アンテナマッピング部１１４は、前処理符号化ベクトル（precoding vector）の大きさを調整することによって、ストリーム別に出力される信号の送信電力を制御することができる。

以下では、本発明の第１実施例でのフィードバックパラメータ抽出部１２５及び適応転送制御部１１５の作動方式について説明する。まず、受信機１２０のチャネル推定部１２４は、ＭＩＭＯチャネルを推定する。この時、推定されたチャネル行列をＨとする。すなわち行列Ｈのｉ番目の行のｊ番目の列の値Ｈ_ｉｊは、ｊ番目の送信アンテナとｉ番目の受信アンテナとの間のチャネル値である。また、Ｈ_ｊは、Ｈのｊ番目の列ベクトルとする。

一般的に、ユニタリー行列、Ｕに前処理符号化する場合は、１つのデータストリームが多数のアンテナにわたって信号が転送されるが、このような場合にも、ＭＩＭＯチャネル行列をＨＵと考えれば、１つのデータストリームが１つのアンテナに転送される場合に変えて考えることもできる。したがって、以下では、便宜上、１つのデータストリームは、１つのアンテナだけを介して転送されると仮定する。

送信アンテナの個数は、Ｍとし、受信アンテナの個数は、Ｎとする。ｋ番目のアンテナデータストリームに対する送信電力は、ｐ_ｋとする。集合｛１，２，…，Ｍ｝の順列の集合をＳとし、ｓ∈Ｓとする時、ｓ_ｋは、ｓのｋ番目の元素である。仮に、復号部２２２の順次的干渉除去過程で、ｓの順序にアンテナデータストリームをデコーディングすれば、ｓ_ｋ番目のデータストリームに対する受信信号ｙ_ｋは、数式に示された通りである。

ここで、ｘ_ｋは、ｋ番目のアンテナストリームの送信信号であり、ｎは、雑音ベクトルである。

前記信号のＳＩＮＲは、受信アルゴリズムをどのものを使うかによって変わる。一例として、仮に、受信アルゴリズムがＭＭＳＥとする時、アンテナ別送信電力がベクトルｐであり、ｐ＝｛ｐ_ｋ｝の時、最適のＭＭＳＥ加重値ベクトル（weighting vector）をｗ（ｐ）とすれば、受信ＳＩＮＲは、数式３で求められる。

一般的に、最適の理論的なチャネル容量を最大化するためには、数式４の最適化式の解答を求めればよい。

ここで、Ｐは、送信機の最大送信電力である。

前述の最適化問題の解答である順列ｓと各々のアンテナ送信電力ｐは、最大のチャネル容量を得るようにする。フィードバックパラメータ抽出部は、前述の最適化問題の解答を求め、ここから出たｐを送信機にフィードバックする。しかし、送信電力だけをフィードバックするものでなく、各アンテナ別ＳＩＮＲをもフィードバックする。送信機の適応転送制御部は、このように受けた情報に基づいて各アンテナ別に電力及び転送率の制御を行う。送信電力は、フィードバックされた送信電力を使用し、データ転送率は、フィードバックされたＳＩＮＲに合わせて要求ＰＥＲを満足するデータ転送率で送る。前述の方法は、ＰＡＲＣ又はＰＳＲＣなどに比べて転送電力を最適化し、各々のＳＩＮＲに合うデータ転送率で転送することによって、さらに高いチャネル容量を保証する。しかし、この方式は、従来のＰＡＲＣ及びＰＳＲＣに比べてフィードバックされる情報が２倍に増加する。

しかし、図１に示されたＭＩＭＯシステムは、フィードバック情報の量がＰＡＲＣ又はＰＳＲＣと同一でありながらも、アンテナストリーム別送信電力を異にして性能を増加させる方法を利用する。一般的に、多数の直交チャネルがある時、各直交チャネルの雑音の電力が

のように与えられている時、チャネル容量の合計を最大とする電力の割当は、ウォーターフィーリング（water filling）による方法であるとよく知られている。この時、ウォーターフィーリング（water filling）による最適の解答は、数式５に示された通りである。

雑音強さと磁気信号強度との合計が一定であり、雑音の強さがこの合計より大きければ、電力を割り当てないものである。ところが、これは、チャネル間に互いに干渉がない直交チャネルである場合の解答である。受信機で順次的干渉除去技法を使用する場合、受信機を通過する各々のデータストリームは、相互間にその自体では直交しない。しかし、順次的干渉除去技法を使用する時、先にデコーディングされるストリームは、以後にデコーディングされるストリームに干渉を及ぼさない。これに対し、以後にデコーディングされるストリームの信号は、先にデコーディングされる信号に干渉を及ぼさない。したがって、完全に直交しないが、直交の性格をも有しているため、前記数式５の形態で電力を割り当てる場合に、性能の向上をもたらすことができる。

順次的な干渉除去順序（先にデコーディングされる順序）をｓとし、アンテナ（データストリーム）別電力をベクトルｐで割り当てた時、アンテナｋ以前ストリームの信号を完全に除去した時、アンテナｋのＳＩＮＲをＳＩＮＲ_ｋ ^ｓとする。では、数式６を満足するｐで電力を割り当てる。

前記式を満足する

を求めた後、フィードバックパラメータ抽出部１２５は、送信機１１０に数式７の情報を送る。

前記チャネル情報を受信した送信機１１０の適応転送制御部１１５は、１からＭ−１番目のアンテナデータストリームの送信電力は、フィードバックされた値をそのまま使用し、Ｍ番目のアンテナの送信電力は、数式８から求める。

１からＭ−１までの異なるアンテナデータストリームのためのＳＩＮＲは、次の数式９から求める。

各アンテナストリームのＳＩＮＲをもって各データストリームのデータ転送率を決定する。

前述したように提案された方式は、

のＭ個のデータだけをフィードバックする。これは、ＰＡＲＣ及びＰＳＲＣでのフィードバックされる情報の量と同じである。このような同じ量のフィードバック情報だけをもってストリーム別に転送率制御を行うだけでなく、データ転送率を高めるための送信電力の制御をも行うことができる。

（第２実施例）
第１実施例では、１つの与えられた送受信リンクでの性能を高める方案を提示したが、第２実施例では、多数の多重アンテナを有するユーザが存在する時に性能を高める方案を提示する。簡略に前述したように、ＰＵ２ＲＣ技法は、多重ユーザＭＩＭＯ環境で各々のユーザに適切なストリームを割り当てる技法である。ここで、各ストリームは、当該ストリームに該当する前処理符号化ベクトルが乗算され、多重アンテナを介して転送される。

各々のデータストリームをユニタリーベクトル（unitary vector）で前処理符号化した後、これらを各々のユーザに割り当てる技法である。これは、多重ユーザダイバシティを用いてシステムの性能を高める方法である。しかし、この方法は、ＰＡＲＣ又はＰＳＲＣと比較して他のストリームに行く干渉を除去することができないという短所がある。第２実施例で提案する方式は、多重ユーザダイバシティをも得、順次的干渉除去（successive interference cancellation）を通じた干渉除去をも活用するとができる方案を提示する。

図２は、本発明の第２実施例に係るＭＩＭＯシステムを示す図である。図２を参照すれば、ＭＩＭＯシステムは、送信機２１０及び受信機２２０を含む。送信機２１０は、ユーザ選択部２１１、複数のチャネル符号化部２１２、複数のシンボルマッパー２１３、複数の前処理符号化／アンテナマッピング部２１４及び適応転送制御部２１５を含む。受信機２２０は、シンボル検出部２２１、復号部２２２、多重化部２２３、チャネル推定部２２４及びフィードバックパラメータ抽出部２２５を含む。

図２の送受信機２１０、２２０の構造及び各構成ブロックの動作は、図１の送受信機１１０、１２０の構造及び各構成ブロックの動作と大きく異なるものではない。但し、順次的干渉除去順序（復号順序）と順次的干渉除去が反映されたストリーム別ＳＩＮＲを送信機２１０にフィードバックするので、フィードバックパラメータ抽出部２２５と適応転送制御部２１５の動作が図１のフィードバックパラメータ抽出部１２５と適応転送制御部１１５の動作と異なる。また、図２のＭＩＭＯシステムは、多数のユーザにストリームを割り当てなければならないので、各々のストリームに適応転送制御部２１５の制御によってユーザデータを割り当てるユーザ選択部２１１を含む。一例として、基地局アンテナ個数が４個であり、ユーザ数が３名である時、ストリーム１は、ユーザ１に割り当てられ、アンテナ２及び３は、ユーザ２に割り当てられ、ストリーム４は、ユーザ３に割り当てられることができる。前述のユーザ２のように、１名のユーザに複数のストリームが割り当てられる場合、ユーザ選択部２１１は、ユーザ２のデータを２つの並列的な低速のデータに分け、各々を１つのストリームに割り当てる。すなわち、１つは、ストリーム２に割り当てられ、他の１つは、ストリーム３に割り当てる。

図２の送受信機２１０、２２０の動作とＰＵ２ＲＣ方式の最も大きい差異点は、図２の送受信機２１０、２２０は、順次的干渉除去順序（復号順序）と順次的干渉除去が考慮されたＳＩＮＲをフィードバックするという点である。これに対し、ＰＵ２ＲＣは、復号順序をフィードバックせず、ＳＩＮＲも順次的干渉除去を仮定しないＳＩＮＲをフィードバックする。

本発明の順次的干渉除去順序の決定及びこれに該当するＳＩＮＲは、一例として下記のような方法で計算されることができる。しかし、本発明は、下記のようなアルゴリズムを使うものに限定されるわけではない。

受信機２２０のチャネル推定部２２４がＭＩＭＯチャネルを推定する。その後、各々のストリーム別に他のストリームの干渉を除去しなかった時のＳＩＮＲを計算する。このように計算されたＳＩＮＲのうち最も大きいＳＩＮＲを有するストリームを選択する。この時、選択されたストリーム番号をｓ１とし、この時のｓ１ストリームに該当するＳＩＮＲをＳＩＮＲ（Ｓ１）とする。次に、ｓ１データストリームから発生する信号の干渉が全て除去されたと仮定した時、残りのストリームのＳＩＮＲを計算する。このように計算されたＳＩＮＲのうち最も大きいＳＩＮＲを有するストリームを選択する。この時、選択されたストリーム番号をｓ２とし、この時のｓ２ストリームに該当するＳＩＮＲをＳＩＮＲ（Ｓ２）とする。その後、ｓ１及びｓ２データストリームから発生する信号の干渉が全て除去されたと仮定した時、残りのストリームのＳＩＮＲを計算する。このように計算されたＳＩＮＲのうち最も大きいＳＩＮＲを有するストリームを選択する。この時、選択されたストリーム番号をｓ３とし、この時のｓ３ストリームに該当するＳＩＮＲをＳＩＮＲ（Ｓ３）とする。このような過程を全てのストリームが選択される時、又はあらかじめ限界に定めた数Ｔまで行う（ここで、Ｔ≦Ｍである）。その後、フィードバックパラメータ抽出部２２５は、ｓ１，ｓ２，…，ｓＴの復号順序（順次的干渉除去順序）とＳＩＮＲ（ｓ１），ＳＩＮＲ（ｓ２），…，ＳＩＮＲ（ｓＴ）の順次的干渉除去が考慮された各ストリーム別ＳＩＮＲを基地局送信機２１０にフィードバックする。

基地局送信機２１０では、全てのユーザからフィードバックされた前記情報をもって下記の２つの条件を用いて各データストリームをユーザに割り当てる。
条件１：１つのデータストリームは、２名以上のユーザに割り当てられない。
条件２：或るユーザｋにストリームｉを割り当てるためには、当該ユーザのフィードバックされた順次的干渉除去順序（復号順序）でｉより先立つストリームは、このユーザに必ず割り当てられなければならない。

前記条件を満足するようにしながら、各々のストリームをユーザに割り当てる。この時、システムの性能を最大化するように、基地局送信機２１０は、ストリームを割り当てる。

例えば、システム内にユーザが３名あり、基地局の最大送信ストリームの数が４個とする。この時、各ユーザからフィードバックされた復号順序（干渉除去順序）は、下記の通りであるとする。
ユーザ１：３，１，４，２
ユーザ２：２，３，１，４
ユーザ３：４，２，１，３

仮に、ユーザ２にストリーム２番及び３番を割り当てるとする時、ユーザ３にストリーム４を割り当てることができる。しかし、ユーザ１に残りのストリームである１番を割り当てることができない。なぜなら、ユーザ１にストリーム１を割り当てるためには、ユーザ１にストリーム３が必ず先に割り当てられなければならないからである。

これに対し、仮に、ユーザ１にストリーム３及び１を割り当てた場合には、ユーザ２にストリーム２を割り当てることができ、ユーザ３にもストリーム４を割り当てることができる。この割り当て、上記条件１及び条件２を同時に満足するからである。

或るユーザに特定のストリームが割り当てられれば、当該ストリームのためのデータ転送率は、フィードバックされたＳＩＮＲを基盤にして決定する。

図３は、本発明の第２実施例に係るＭＩＭＯシステムの改善された効果を説明するための模擬実験結果を示す図である。図３で、ｘ軸は、ユーザの数を示し、ｙ軸は、チャネル容量を示し、その単位は、周波数Ｈｚ当たり転送速度ＢＰＳである。模擬実験は、信号対雑音比（signal-to-noise ratio、以下SNRという）が１０であり、送信機のアンテナが４個であり、受信機のアンテナが４個である状態で行われた。

模擬実験結果、ユーザが少ない場合には、ＰＡＲＣがＰＵ２ＲＣに比べて容量が大きいので、ＰＡＲＣがＰＵ２ＲＣに比べて優れていて、これと反対に、ユーザが多い場合には、ＰＵ２ＲＣがＰＡＲＣに比べて容量が大きいので、ＰＵ２ＲＣがＰＡＲＣに比べて優れていることが分かる。また、本発明の第２実施例に係るＭＩＭＯシステム（Invention 2）の容量がユーザ数と関係なくＰＡＲＣ及びＰＵ２ＲＣの容量と同一であるか、大きいことが分かる。したがって、模擬実験結果、本発明の第２実施例に係るＭＩＭＯシステム（Invention 2）がＰＡＲＣ及びＰＵ２ＲＣより性能が優れていることが分かる。

本発明の第１実施例に係るＭＩＭＯシステムを示す図である。本発明の第２実施例に係るＭＩＭＯシステムを示す図である。本発明の第２実施例に係るＭＩＭＯシステムの改善された効果を説明するための模擬実験結果を示す図である。

Claims

送信機及び受信機が多重アンテナを使用するＭＩＭＯシステムの制御方法において、
（ａ）前記受信機でＭＩＭＯチャネルを推定し、順次的干渉除去技法を使用してデータストリームを検出する段階と、
（ｂ）前記受信機で前記推定されたチャネルを用いて次の数式を満足する

を求めた後、

に該当する情報を前記送信機にフィードバックする段階と、

（前記数式で、ｓは、順次的な干渉除去順序を意味し、ｐは、ストリーム別送信電力を意味し、ＳＩＮＲ_ｋ ^ｓは、ストリームｋ以前ストリームの信号を完全に除去した時、ストリームｋのＳＩＮＲを意味し、Ｐは、送信機の電力を意味する。）
（ｃ）前記送信機で前記フィードバックされた情報を用いてストリーム別データ転送率及び送信電力を決定する段階と、を含むことを特徴とする制御方法。
前記（ｃ）段階でストリーム別送信電力を求めるにあたって、１からＭ−１番目のストリームの送信電力は、

で割り当て、Ｍ番目のストリームの送信電力は、

で割り当てることを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
前記（ｃ）段階でストリーム別データ転送率を求めるにあたって、１からＭ−１番目のストリームのためのＳＩＮＲは、次の数式から求め、

各ストリームのＳＩＮＲを用いて各データストリームのデータ転送率を決定することを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
アンテナから受信された信号から順次的干渉除去受信技法を用いて複数のデータストリームを復元するシンボル検出部及び復号部と、
前記複数のデータストリームを多重化して出力する多重化部と、
前記アンテナから受信された信号からＭＩＭＯチャネル情報を推定するチャネル推定部と、
前記推定されたＭＩＭＯチャネル情報を用いて送信機にフィードバックされるパラメータを抽出するフィードバックパラメータ抽出部と、を含み、
前記フィードバックパラメータは、

に該当する情報であり、ここで、ＳＩＮＲ_ｋ ^ｓは、ストリームｋ以前ストリームの信号を除去した時、ストリームｋのＳＩＮＲを意味し、

は、次の数式を満足する値であり、

前記数式で、ｓは、順次的な干渉除去順序を意味し、ｐは、ストリーム別送信電力を意味し、Ｐは、前記送信機の電力を意味することを特徴とするＭＩＭＯ受信機。
高速のユーザデータを複数の低速データストリームに変換する逆多重化部と、
前記複数のデータストリームをチャネル符号化する複数の符号化部と、
前記符号化されたデータストリームをシンボルにマッピングする複数のシンボルマッパーと、
前記シンボルと前処理符号化ベクトル（precoding vector）とを乗算し、送信アンテナに転送したり、アンテナマッピングを通じてアンテナに転送する複数の前処理符号化／アンテナマッピング部と、
受信されたフィードバックパラメータを用いてストリーム別送信電力及びデータ転送率を制御する適応転送制御部と、を含み、
前記フィードバックパラメータは、

に該当する情報であり、ここで、ＳＩＮＲ_ｋ ^ｓは、ストリームｋ以前ストリームの信号を除去した時、ストリームｋのＳＩＮＲを意味し、

は、次の数式を満足する値であり、

前記数式で、ｓは、順次的な干渉除去順序を意味し、ｐは、ストリーム別送信電力を意味し、Ｐは、前記送信機の電力を意味することを特徴とするＭＩＭＯ送信機。
前記適応転送制御部は、前記複数のチャネル符号化部及び前記複数のシンボルマッパーを制御することによって、前記ストリーム別データ送信率を制御し、前記複数の前処理符号化／アンテナマッピング部を制御し、前記ストリーム別送信電力を制御することを特徴とする請求項５に記載のＭＩＭＯ送信機。
前記適応転送制御部が前記ストリーム別送信電力を決定するにあたって、１からＭ−１番目のストリームの送信電力は、

で割り当て、Ｍ番目のストリームの送信電力は、

で割り当てることを特徴とする請求項５に記載の送信機。
前記適応転送制御部が前記ストリーム別データ転送率を決定するにあたって、１からＭ−１番目のストリームのためのＳＩＮＲは、次の数式から求め、

各ストリームのＳＩＮＲを用いてストリーム別データ転送率を決定することを特徴とする請求項５に記載の送信機。
多重アンテナを有する送信機及び多重アンテナを有する複数の受信機を含み、各受信機に転送される各ユーザデータは、前記送信機から転送される複数のストリームのうち前記各ユーザに割り当てられたストリームを介して転送されるＭＩＭＯシステムの制御方法において、
（ａ）前記受信機でＭＩＭＯチャネルを推定し、アンテナから受信した信号を用いてデータストリームを検出する段階と、
（ｂ）前記受信機で前記推定されたチャネルを用いて前記送信機にフィードバックされるフィードバックパラメータである順次的干渉除去順序及び順次的干渉除去が反映されたストリーム別ＳＩＮＲに該当する情報を抽出した後、これを前記送信機にフィードバックする段階と、
（ｃ）前記送信機で前記フィードバックされたパラメータを用いて前記送信機の複数のストリームのうち前記受信機に割り当てられるストリームを決定し、ストリーム別データ転送率を決定する段階と、を含むことを特徴とする制御方法。
前記（ｂ）段階を行うにあたって、
前記受信機で前記推定されたチャネルを用いて前記送信機にフィードバックされるフィードバックパラメータに前処理符号化ベクトルを含み、前記前処理符号化ベクトルを使用する場合の順次的干渉除去順序及び順次的干渉除去が反映されたストリーム別ＳＩＮＲに該当する情報を抽出した後、これを前記送信機にフィードバックする段階を含むことを特徴とする請求項９に記載の制御方法。
前記（ｂ）段階は、
（ｂ１）各々の前記送信機のストリーム別に他のストリームの干渉を除去しなかった時のＳＩＮＲを計算する段階と、
（ｂ２）このように計算されたＳＩＮＲのうち最も大きいＳＩＮＲを有する前記送信機のストリームを選択し、選択されたストリームの番号及び選択されたストリームのＳＩＮＲを格納する段階と、
（ｂ３）以前段階で選択されたストリームから発生する信号の干渉が除去された場合の残りのストリームのＳＩＮＲを計算する段階と、
（ｂ４）このように計算されたＳＩＮＲのうち最も大きいＳＩＮＲを有するストリームを選択し、選択されたストリームの番号及び選択されたストリームのＳＩＮＲを格納する段階と、
（ｂ５）全てのストリームに対してまたは所定のストリーム数まで前記（ｂ３）段階及び（ｂ４）段階を繰り返す段階と、
（ｂ６）順次的に格納された前記選択されたストリームの番号及び前記選択されたストリームのＳＩＮＲを前記フィードバックパラメータである順次的干渉除去順序及び順次的干渉除去が反映されたストリーム別ＳＩＮＲとして前記送信機にフィードバックする段階と、を含むことを特徴とする請求項９に記載の制御方法。
前記（ｃ）段階を行うにあたって、
１つのストリームは、２つ以上の受信機に割り当てられることができない条件と、
或る受信機ｋにストリームｉを割り当てるためには、当該受信機のフィードバックされた順次的干渉除去順序よりｉだけ先立つストリームは、当該受信機に必ず割り当てられるべきという条件を満足するように受信機にストリームを割り当てることを特徴とする請求項９に記載の制御方法。
前記（ｃ）段階を行うにあたって、
前記条件を満足しながらシステムの性能を最大化するようにストリームを割り当てることを特徴とする請求項１２に記載の制御方法。
前記（ｃ）段階を行うにあたって、
前記受信機にストリームが割り当てられれば、当該ストリームのためのデータ転送率は、前記フィードバックされたＳＩＮＲを基盤にして決定することを特徴とする請求項１２に記載の制御方法。
多重アンテナを有する送信機及び多重アンテナを有する複数の受信機を含み、各受信機に転送される各ユーザデータは、前記送信機の複数のストリームのうち前記各ユーザに割り当てられたストリームを介して転送されるＭＩＭＯシステムに使われる受信機において、
アンテナから受信された信号から順次的干渉除去受信技法を用いて複数のデータストリームを求めるシンボル検出部及び復号部と、
前記複数のデータストリームのうち前記受信機に割り当てられたデータストリームを多重化して出力する多重化部と、
前記アンテナから受信された信号からＭＩＭＯチャネル情報を推定するチャネル推定部と、
前記推定されたＭＩＭＯチャネル情報を用いてフィードバックされるパラメータである順次的干渉除去順序及び順次的干渉除去が反映された各ストリーム別ＳＩＮＲを抽出するフィードバックパラメータ抽出部と、を含むことを特徴とするＭＩＭＯ受信機。
多重アンテナを有する送信機及び多重アンテナを有する複数の受信機を含み、各受信機に転送される各ユーザデータは、前記送信機の複数のストリームのうち前記各ユーザに割り当てられたストリームを介して転送されるＭＩＭＯシステムに使われる受信機において、
推定されたＭＩＭＯチャネル情報を用いてフィードバックされるパラメータに前処理符号化ベクトルを含み、このような前処理符号化ベクトルを使用する場合の順次的干渉除去順序及び順次的干渉除去が反映された各ストリーム別ＳＩＮＲを抽出するフィードバックパラメータ抽出部を含むことを特徴とするＭＩＭＯ受信機。
入力される多数のユーザデータを各々のストリームに割り当てるユーザ選択部と、
前記ユーザ選択部から出力される複数のデータストリームをチャネル符号化する複数の符号化部と、
前記符号化されたデータストリームをシンボルにマッピングする複数のシンボルマッパーと、
前記シンボルに受信機からフィードバックされた前処理符号化ベクトル（precoding vector）を乗算し、送信アンテナに転送したり、受信機で前処理符号化ベクトルをフィードバックしない場合、前記ストリームにあらかじめ定められた前処理符号化ベクトルを乗算し、送信アンテナに転送する複数の前処理符号化／アンテナマッピング部と、
受信されたフィードバックパラメータである順次的干渉除去順序及び順次的干渉除去が反映されたストリーム別ＳＩＮＲを用いて前記入力されるユーザのデータをどのストリームに割り当てるかを決定し、ストリーム別データ転送率を決定する適応転送制御部と、を含むことを特徴とするＭＩＭＯ送信機。
前記適応転送制御部は、前記ユーザ選択部を制御し、前記入力されるユーザのデータが前記送信機の複数のストリームのうちどのストリームに割り当てられるかを制御し、前記複数のチャネル符号化部及び前記複数のシンボルマッパーを制御して、前記アンテナ別データ送信率を制御することを特徴とする請求項１７に記載のＭＩＭＯ送信機。