JP5296232B2 - 無線ｍｉｍｏシステムにおけるマルチモード端末 - Google Patents

Description

優先権の主張

米国特許法１１９条のもとでの優先権の主張
本特許出願は、2002年10月25日に出願された仮出願第60/421,309号（“MIMO WLAN System”）に対して優先権を主張しており、第60/421,309号は、本発明の譲り受け人に譲渡され、ここでは参考文献として特別に取り上げている。

本発明は、概ね、通信に関し、とくに、多重入力多重出力（multiple-input multiple-output, MIMO）通信システムにおけるユーザ端末に関する。

ＭＩＭＯシステムは、データ伝送のために多数（Ｎ_Ｔ）の送信アンテナと多数（Ｎ_Ｒ）の受信アンテナとを採用し、（Ｎ_Ｔ，Ｎ_Ｒ）システムとして表わされる。Ｎ_Ｔ本の送信アンテナとＮ_Ｒ本の受信アンテナとによって形成されるＭＩＭＯチャネルは、Ｎ_Ｓ≦min{Ｎ_Ｔ，Ｎ_Ｒ}として、Ｎ_Ｓ本の空間チャネルへ分解される。Ｎ_Ｓ本の空間チャネルを使用して、Ｎ_Ｓ本の独立のデータストリームを伝送し、より大きい総スループットを実現することができる。一般に、同時に多数のデータストリームを伝送および復元するために、空間処理を、送信機では行っても、行わなくてもよく、通常は、受信機において行う。

従来のＭＩＭＯシステムは、一般に、特定の伝送方式を使用して、多数のデータストリームを同時に伝送する。この伝送方式は、システム要件、受信機から送信機へのフィードバック量、送信機および受信機の能力、等のような種々の要素の兼ね合いに基づいて選択される。したがって、送信機、受信機、およびシステムは、選択された伝送方式を支援し、それにしたがって動作するように設計されている。この伝送方式は、通常、システムの性能に影響を与える好ましい特徴と好ましくない特徴とをもつ。

したがって、向上した性能を実現できるユーザ端末が、この分野に必要とされている。

ここでは、性能を向上し、かつ融通性を増すために、多数の空間多重化（spatial multiplexing, SM）モードを支援するユーザ端末が記載される。空間多重化は、ＭＩＭＯチャネルの多数の空間チャネルを介して多数のデータストリームを同時に伝送することを指す。多数のＳＭモードは、（１）多数のデータストリームを直交空間チャネル上で伝送する操縦モード（steered mode）、および（２）多数のデータストリームを多数のアンテナから伝送する非操縦モード(non-steered mode)を含む。

端末は、多数の支援されるＳＭモードの中から、データ伝送に使用するＳＭモードを選択する。ＳＭモード選択は、端末の較正状況、伝送データ量、チャネル状態、他の通信エンティティの能力、等のような、種々の要素に基づく。データ送信では、多数のデータストリームを、選択されたレートにしたがって、符号化し、変調し、多数のデータシンボルストリームを得る。次に、これらのデータシンボルストリームを、選択されたＳＭモードにしたがって空間的に処理し、多数の送信シンボルストリームを得る。送信空間処理には、操縦モードでは操縦ベクトルの行列を、非操縦モードでは恒等行列を用いる。送信シンボルストリームは、多数のアンテナから、第１の通信リンク（例えば、アップリンク）によって送信される。

データ受信では、第２の通信リンク（例えば、ダウンリンク）のための多数の受信シンボルストリームを、選択されたＳＭモードにしたがって空間的に処理し、多数の復元されたデータシンボルストリームを得る。受信空間処理は、操縦モードではチャネル固有ベクトルに基づき、非操縦モードでは空間フィルター行列を用いる。空間フィルター行列は、別途記載するように、種々の受信機の空間処理技術に基づいて求められる。次に、復元されたデータシンボルストリームを、選択されたデータレートで、復調し、復号し、第２のリンクのための多数の復号データストリームを得る。端末は、各リンクごとに、パイロットおよび選択されたレートも送信／受信する。

本発明の種々の態様、実施形態、および特徴を別途より詳しく記載する。

ＭＩＭＯシステムを示す図。 送信機および受信機における操縦モードおよび非操縦モードでの空間処理を示す図。 アクセスポイントおよびユーザ端末における操縦モードでの空間処理を示す図。 アクセスポイントおよびユーザ端末における非操縦モードでの空間処理を示す図。 アクセスポイントおよびユーザ端末のブロック図。 ＭＩＭＯシステムにおけるデータを送受信する処理を示す図。

ここでは、“例示的”という用語を使用して、“例、実例、または例証としての役割を果たす”ことを意味する。“例示的”として、ここに記載されている実施形態は、他の実施形態よりも好ましい、または優れていると必ずしも解釈されない。

図１は、アクセスポイント（access point, AP）およびユーザ端末（user terminal, UT）を含むＭＩＭＯシステム100を示している。簡潔化のために、図１には、アクセスポイントが１つだけ示されている。アクセスポイントは、一般に、ユーザ端末と通信する固定局であり、基地局または他の用語でも呼ばれる。システム制御装置130は、アクセスポイントに接続し、それを調整し、制御する。ユーザ端末は、固定形でも、移動形でもよく、移動局、無線装置、または他の用語でも呼ばれる。ユーザ端末はアクセスポイントと通信し、この場合に、アクセスポイントおよびユーザ端末の役割は定められる。ユーザ端末は、別のユーザ端末ともピア・トゥ・ピア通信をしてもよい。

ＭＩＭＯシステム100は、時分割デュプレックス（time division duplex, TDD）システムであっても、または周波数分割デュプレックス（frequency division duplex, FDD）システムであってもよい。ＴＤＤシステムでは、ダウンリンクおよびアップリンクは、同じ周波数帯域を共用する。ＦＤＤシステムでは、ダウンリンクおよびアップリンクは、異なる周波数帯域を使用する。ダウンリンクは、アクセスポイントからユーザ端末への通信リンクであり、アップリンクは、ユーザ端末からアクセスポイントへの通信リンクである。また、ＭＩＭＯシステム100は、データ通信に、１本の搬送波を使用しても、または多数の搬送波を使用してもよい。

アクセスポイント110およびユーザ端末120の各々は、性能を向上し、かつ融通性を増すために、多数の空間多重化（spatial multiplexing, SM）モードを支援する。操縦ＳＭモード（または単に、操縦モード）は、一般に、よりよい性能を実現できるが、使用できるのは、送信機が、分解または他の技術によってＭＩＭＯチャネルの空間チャネルを直交させるための十分なチャネル状態情報（channel state information, CSI）をもつときのみである。非操縦ＳＭモード（または単に、非操縦モード）は、ＭＩＭＯチャネルを介して多数のデータストリームを同時に伝送するための情報をほとんど必要としないが、性能は、操縦モードほどよくない。別途記載するように、種々の要素に基づいて、使用する適切なＳＭモードが選択される。

表１は、操縦モードおよび非操縦モードのいくつかの主要な態様の概要を示している。各ＳＭモードは、異なる能力および要件をもつ。

操縦モードでは、送信機は、受信機がＭＩＭＯチャネルを推定できるようにするパイロットを送信し、受信機は、送信機が操縦ベクトルを求めことができるようにする十分なチャネル状態情報を送る。送信機または受信機は、ＭＩＭＯチャネルを、直交空間チャネルと考えられる固有モードへ分解する。受信機は、各固有モードに使用するレートも送る。送信機および受信機の両者は、別途記載するように、空間処理を行って、固有モードのデータを伝送する。

非操縦モードでは、送信機は、受信機がＭＩＭＯチャネルを推定できるようにするパイロットを送信する。受信機は、各空間チャネルに使用するレートを送る。送信機は、空間処理を行うことなく（例えば、そのアンテナから）データを送信し、受信機は、空間処理を行って、送信されたデータを復元する。送信機および受信機における操縦モードおよび非操縦モードでのパイロットの送信および空間処置は、別途記載する。

次の記述において、ユーザ端末は、送信機であっても、受信機であっても、またはこの両者であってもよく、アクセスポイントも、同様に、送信機であっても、受信機であっても、またはこの両者であってもよい。同じ基本原理を使用して、ピア・トゥ・ピア通信を支援することができる。

１．操縦モード
Ｎ_Ｔ本の送信アンテナとＮ_Ｒ本の受信アンテナとによって形成されるＭＩＭＯチャネルは、Ｎ_Ｒ×Ｎ_Ｔのチャネル応答行列Ｈによって特徴付けられ、これは、式（１）のように表現される。

ここで、エントリｈ_ｉ，ｊ（ｉ＝１．．．Ｎ_Ｒ、およびｊ＝１．．．Ｎ_Ｔ）は、送信アンテナｊと受信アンテナｉとの組合せ（すなわち、複素利得）である。簡潔化のために、ＭＩＭＯチャネルは、Ｎ_Ｓ≦Ｎ_Ｔ≦Ｎ_Ｒの全ランクであると仮定される。

式（２）に示されるように、Ｈを特異値分解して、ＨのＮ_Ｓ個の固有モードを得る。Ｈ＝ＵΣＶ ^Ｈ 式（２）
ここで、Ｕは、Ｈの左固有ベクトルの（Ｎ_Ｒ×Ｎ_Ｒ）のユニタリー行列である。

Σは、Ｈの特異値の（Ｎ_Ｒ×Ｎ_Ｔ）の対角行列である。

Ｖは、Ｈの右固有ベクトルの（Ｎ_Ｔ×Ｎ_Ｔ）のユニタリー行列である。

“^Ｈ”は、共役転置を示す。

ユニタリー行列Ｍは、特性Ｍ ^Ｈ Ｍ＝Ｉ（ここで、Ｉは恒等行列である）によって特徴付けられる。ユニタリー行列の列は、互いに直交である。

Ｈの右固有ベクトルは、操縦ベクトルとも呼ばれ、送信機が、ＨのＮ_Ｓ個の固有モードでデータを送信するための空間処理に使用される。Ｈの左固有ベクトルは、受信機が、Ｎ_Ｓ個の固有モードで送信されたデータを復元するための空間処理に使用される。固有モードは、分解によって得られる直交空間チャネルであると考えられる。Σの対角エントリは、Ｈの特異値であり、Ｎ_Ｓ個の固有モードのチャネル利得を表わす。

実際のシステムでは、Ｈの推定値のみを得ることができ、Ｖ、Σ、およびＵの推定値のみを導き出すことができる。不正確なチャネル推定値のような種々の理由のために、Ｎ_Ｓ本の空間チャネルも、通常は、完全に互いに直交ではない。簡潔化のために、ここでの記述は、誤りのないチャネル推定値および分解であると仮定する。さらに加えて、“固有モード”という用語は、分解を使用して空間チャネルを直交させる試みが、例えば、不正確なチャネル推定値のために、完全に成功しなくても、これが行われる場合を含む。

表２は、送信機および受信機における操縦モードでの空間処理の概要を示している。表２において、ｓは、ＨのＮ_Ｓ個の固有モードで伝送されるＮ_Ｓ個のデータシンボルのベクトルであり、ｘ _ｓｔ は、Ｎ_Ｔ本の送信アンテナから送られるＮ_Ｔ個の送信シンボルのベクトルであり、ｒ _ｓｔは、Ｎ_Ｒ本の受信アンテナから得られるＮ_Ｒ個の受信シンボルのベクトルであり、

下付き文字“ｓｔ”は、操縦モードを示す。ここで使用されているように、“データシンボル”は、データの変調シンボルを指し、“パイロットシンボル”は、パイロットの変調シンボルを指す。

また、Ｈの相関行列に固有値分解を行ない、Ｒ＝Ｈ ^Ｈ Ｈであり、次の式（３）に示す。Ｒ＝Ｈ ^Ｈ Ｈ＝ＶΛＶ ^Ｈ 式（３）
ここで、Λは、固有値の対角行列であり、Σの特異値の二乗である。送信機は、Ｖで空間処理を行い、ｘ _ｓｔを得ることができ、受信機は、Ｖ ^Ｈ Ｈ ^Ｈで空間処理を行って、

２．非操縦モード
非操縦モードでは、送信機は、各送信アンテナから１つのデータシンボルストリームを送信することができる。このモードにおいて、１本の空間チャネルは、１本の送信アンテナに対応する。受信機は、空間処理を行って、送信されたデータシンボルストリームをばらばらにして、復元する。受信機は、チャネル相関行列反転（channel correlation matrix inversion, CCMI）技術（ゼロフォーシング技術としても知られている）、最小平均平方誤差（minimum mean square error, MMSE）技術、逐次干渉消去（successive interference cancellation, SIC）技術、等のような、種々の受信機処理技術を使用することができる。

表３は、送信機および受信機における非操縦モードでの空間処理の概要を示している。表３において、ｘ _ｎｓは、Ｎ_Ｔ本の送信アンテナから送られるＮ_Ｔ個のデータシンボルのベクトルであり、ｒ _ｎｓは、Ｎ_Ｒ本の受信アンテナから得られるＮ_Ｒ個の受信シンボルのベクトルであり、Ｍ _ｃｃｍｉは、ＣＣＭＩ技術の空間フィルター行列であり、Ｍ _ｍｍｓｅは、ＭＭＳＥ技術の空間フィルター行列であり、Ｄ _ｍｍｓｅは、ＭＭＳＥ技術の対角行列であり（Ｍ _ｍｍｓｅ Ｈの対角成分を含む）、下付き文字“ｎｓ”は、非操縦モードを示す。

簡潔化のために、ＭＩＭＯチャネルの雑音ｎは、ゼロ平均、σ^２の分散、およびψ _ｎｎ＝Ｅ[ｎｎ ^Ｈ]＝σ^２ Ｉの自己共分散行列の付加的なホワイトガウスノイズ（additive white Gaussian noise, AWGN）であると仮定される。

ＳＩＣ技術において、受信機は、Ｎ_Ｒ個の受信シンボルストリームをＮ_Ｓ個の連続段で処理し、各段において１本のデータシンボルストリームを復元する。受信機は、各段λ（ここで、λ＝１．．．Ｎ_Ｓ）において、最初に、ＣＣＭＩ、ＭＭＳＥ、または他の技術を使用して、段λにおいてＮ_Ｒ本の入力シンボルストリームに空間処理を行い、１本の復元されたデータシンボルストリームを得る。Ｎ_Ｒ本の受信シンボルストリームは、段１におけるＮ_Ｒ本の入力シンボルストリームである。受信機は、さらに加えて、段λにおいて復元されたデータシンボルストリームを処理して（例えば、復調、デインターリーブ、および復号）、復号されたデータストリームを得て、まだ復元されていない他のデータシンボルストリームへのこのデータストリームによる干渉を推定し、段λにおけるＮ_Ｒ本の入力シンボルストリームから推定干渉を消去し、段λ＋１におけるＮ_Ｒ本の入力シンボルストリームを得る。次に、受信機は、段λ＋１におけるＮ_Ｒ本の入力シンボルストリームに同じ処理を繰返し行って、別のデータシンボルストリームを復元する。

受信機は、他の受信機空間処理技術を使用して、送信されたデータシンボルストリームを復元してもよい。

図２は、送信機および受信機における操縦モードおよび非操縦モードでの空間処理を示している。送信機では、ユニット220は、データベクトルｓを、操縦モードでは行列Ｖと、非操縦モードでは恒等行列Ｉと乗算して、送信シンボルベクトルｘを得る。

３．操縦および非操縦モードのオーバーヘッド
操縦および非操縦モードは、表１に示され、別途記載されるような、異なるパイロットおよびオーバーヘッドの要件をもつ。

Ａ．パイロット伝送
操縦モードおよび非操縦モードの両者において、送信機は、（非操縦のパイロットである）ＭＩＭＯパイロットを送信し、受信機がＭＩＭＯチャネルを推定して、行列Ｈを得ることができるようにする。ＭＩＭＯパイロットは、Ｎ_Ｔ本の送信アンテナから送られるＮ_Ｔ本の直交パイロット伝送を含み、直交性は、時間、周波数、またはその組み合わせにおいて達成される。符号直交では、Ｎ_Ｔ本の送信アンテナからＮ_Ｔ本のパイロット伝送を同時に送ることができ、各アンテナからのパイロット伝送は、異なる直交（例えば、ウオルシュ）系列で“カバー”される。受信機は、各受信アンテナｉの受信パイロットシンボルを、送信機が使用する同じＮ_Ｔ本の直交系列で“デカバー”し、受信アンテナｉとＮ_Ｔ本の各送信アンテナとの複素チャネル利得の推定値を得る。符号分割多元接続（Code Division Multiple Access, CDMA）システムでは、送信機におけるカバリングと、受信機におけるデカバリングとを同様のやり方で行う。周波数直交では、Ｎ_Ｔ本の送信アンテナのＮ_Ｔ本のパイロット伝送を、全システムバンド幅の異なるサブバンド上で同時に送ることができる。時間直交では、Ｎ_Ｔ本の送信アンテナのＮ_Ｔ本のパイロット伝送を異なるタイムスロットで送ることができる。何れの場合においても、Ｎ_Ｔ本のパイロット伝送間の直交性により、受信機が各送信アンテナからのパイロット伝送を識別することができる。

操縦モードでは、受信機は、十分なチャネル状態情報を送って、送信機が操縦ベクトルを求めることができるようにする。受信機はこの情報を、（例えば、Ｖのエントリを送ることによって）直接に、または（例えば、操縦または非操縦のパイロットを伝送することによって）間接に送ってもよい。

Ｂ．レート選択／制御
受信機は、操縦モードでは固有モード、非操縦モードでは送信アンテナに対応する各空間チャネルの受信信号対雑音および干渉比（signal-to-noise-interference ratio, SNR）を推定することができる。受信ＳＮＲは、送信機および受信機が使用するＳＭモードおよび空間処理技術に依存する。

表４は、操縦モードおよび非操縦モードにおける受信ＳＮＲの概要を示している。表４において、Ｐ_ｍは、空間チャネルｍに使用される伝送電力であり、σ^２は、雑音分散であり、σ_ｍは、固有モードｍの特異値（すなわち、Σのｍ番目の対角成分）であり、ｒ_ｍｍは、Ｒ（Ｒ＝Ｈ ^Ｈ Ｈ）のｍ番目の対角成分であり、ｑ_ｍｍは、Ｑのｍ番目の対角成分であり、γ_ｍは、空間チャネルｍのＳＮＲである。ＳＩＣ技術において、受信ＳＮＲは、空間処理技術（例えば、ＣＣＭＩまたはＭＭＳＥ）と、データストリームが回復される順序とに依存する。動作ＳＮＲは、受信ＳＮＲとＳＮＲのバックオフ係数との和に等しいと定めることができる。ＳＮＲのバックオフ係数は、推定誤差、時間にしたがうＳＮＲの変動、などの明細を明らかにする正の値に設定することができるが、ゼロに設定してもよい。

ＭＩＭＯシステムは、１組のレートを支援する。各ゼロ以外のレートは、性能の目標レベル、例えば、１パーセントのパケット誤り率（packet error rate, PER）を実現するのに必要な、特定のデータレートまたはスペクトル効率、特定の符号化方式、特定の変調方式、および特定のＳＮＲと関係付けられる。各レートの要求ＳＮＲは、ＡＷＧＮチャネルであると仮定して、コンピュータのシミュレーション、実験的測定、等によって判断される。ルックアップテーブル（look-up table, LUT）は、システムによって支援されるレートと、要求ＳＮＲとを記憶することができる。各空間チャネルにおいて、空間チャネルの動作ＳＮＲ以下の要求ＳＮＲをもつ、ルックアップテーブル内の最高レートが、空間チャネルに使用するレートとして選択される。

各空間チャネルおよび空間チャネルの組合せに、閉ループのレート制御を使用してもよい。受信機は、各空間チャネルの受信ＳＮＲを推定し、空間チャネルの適切レートを選択し、選択されたレートを送ることができる。送信機は、選択されたレートで、各データシンボルストリームを送信することができる。

Ｃ．モード選択
ユーザ端末120は、通信の所与の瞬間に、操縦モードまたは非操縦モードの何れかを使用することができる。モードは、次に示すような種々の要素に基づいて選択される。

オーバーヘッド−操縦モードは、非操縦モードよりも大きいオーバーヘッドを必要とする。操縦モードでは、受信機は、十分なチャネル状態情報と、Ｎ_Ｓ個の固有モードのレートとを送る必要がある。いくつかの例において、追加のＣＳＩのオーバーヘッドは、支援できないか、または正当化されない。非操縦モードでは、受信機は、空間チャネルのレートを送るだけでよく、オーバーヘッドは相当に小さい。

データ量−操縦モードは、通常、より効率的であるが、より多くの設定ステップ（例えば、チャネル推定、特異値分解、およびＣＳＩのフィードバック）も必要とする。少量のデータのみを送でばよいときは、非操縦モードを使用して、このデータを伝送するのが、より迅速で、より効率的である。

能力−ユーザ端末は、１つのみのモード（例えば、操縦モードまたは非操縦モード）を支援する別のユーザ端末とピア・トゥ・ピアで通信する。この場合に、２つの端末は、両者のユーザ端末が支援する共通モードを使用して、通信することができる。

チャネル状態−操縦モードは、静的チャネル、緩慢に変化するチャネル、および強力な視界成分をもつチャネル（例えば、リシアン（Rician）チャネル）において、より容易に支援される。

受信機のＳＮＲ−操縦モードは、低いＳＮＲ状態において、より良い性能を与える。ユーザ端末は、ＳＮＲが閾値よりも低くなるときに、操縦モードを使用することを選んでもよい。

較正状況−ダウンリンクおよびアップリンクのチャネル応答が互いに相反であるように、送信機および受信機を“較正”するときに、操縦モードを使用するように選択してもよい。別途記載するように、ダウンリンクおよびアップリンクが相反であると、送信機および受信機の両者において操縦モードでのパイロットの伝送および空間処理を簡単にすることができる。

移動形ではなく、同じアクセスポイントと通信しているユーザ端末は、ほとんどの時間で操縦モードを使用する。移動形であって、異なるエンティティ（例えば、異なるアクセスポイント、または他のユーザ端末、あるいはこの両者）と通信しているユーザ端末は、操縦モードを使用することがより有利になる時間になるまで、非操縦モードを使用する。ユーザ端末は、操縦モードと非操縦モードとを、適宜切換えてもよい。例えば、ユーザ端末は、小さいデータバースト（または、短いデータセッション）の間、および長いデータバースト（または、長いデータセッション）の始めに非操縦モードを使用し、長いデータバーストの残りの部分に操縦モードを使用してもよい。別の例として、ユーザ端末は、比較的に静的なチャネル状態に操縦モードを使用し、チャネル状態がより迅速に変化するときに、非操縦モードを使用してもよい。

４．ＴＤＤ ＭＩＭＯシステム
次に、例示的なＭＩＭＯ無線ローカルエリアネットワーク（wireless local area network, WLAN）システムのマルチモードユーザ端末を記載する。ＭＩＭＯ ＷＬＡＮシステムは、直交周波数分割多重化（orthogonal frequency division multiplexing, OFDM）を使用し、ＯＦＤＭは、全システムバンド幅を多数（Ｎ_Ｆ）の直交サブバンドに効率的に分割するマルチキャリア変調技術である。ＯＦＤＭを使用すると、各サブバンドは、データで変調される各搬送波と関係付けられる。

例示的なＭＩＭＯ ＷＬＡＮシステムは、ＴＤＤシステムである。ＴＤＤシステムにおいて、ダウンリンクとアップリンクとは同じ周波数バンドを共用するので、これらのリンクのチャネル応答は、通常、相関が高い。しかしながら、アクセスポイントにおける送信／受信チェーンの応答は、一般に、ユーザ端末における送信／受信チェーンの応答と同じではない。この相違を、較正によって判断し、明細を明らかにすることができる。したがって、全体的なダウンリンクおよびアップリンクの応答は、互いに相反（すなわち、転置）であると仮定する。操縦モードのチャネル推定および空間処理は、相反のダウンリンクおよびアップリンクを用いて、簡単にすることができる。

図３は、アクセスポイント110およびユーザ端末120における送信／受信チェーンを示している。アクセスポイント110において、送信チェーン324および受信チェーン334は、各サブバンドｋごとに、行列Ｔ _ａｐ(ｋ)およびＲ _ａｐ(ｋ)によってそれぞれモデル化される。ユーザ端末120において、送信チェーン364および受信チェーン354は、各サブバンドｋごとに、行列Ｔ _ｕｔ(ｋ)およびＲ _ｕｔ(ｋ)によってそれぞれモデル化される。

表５は、ＴＤＤ ＭＩＭＯ ＷＬＡＮシステムにおけるダウンリンクおよびアップリンクの較正および特異値分解の概要を示している。“効率的な(effective)”ダウンリンクおよびアップリンクのチャネル応答、Ｈ _ｅｄｎ(ｋ)およびＨ _ｅｕｐ(ｋ)は、適切な送信および受信チェーンの応答を含む。対角補正行列Ｋ _ａｐ（ｋ）およびＫ _ｕｔ（ｋ）は、アクセスポイントおよびユーザ端末の両者によって伝送されるＭＩＭＯパイロットで較正を行うことによって得られる。“較正された（calibrated）”ダウンリンクおよびアップリンクのチャネル応答、Ｈ _ｃｄｎ(ｋ)およびＨ _ｃｕｐ(ｋ)は、補正行列を含み、

アクセスポイント110は、送信および受信の両者の空間処理に行列Ｕ _ａｐ（ｋ）を使用することができる。ユーザ端末120は、送信および受信の両者の空間処理に行列Ｖ _ｕｔ （ｋ）を使用することができる。

Ｎ_Ｆ個の各サブバンドごとに、別々に特異値分解を行う。各サブバンドにおいて、Σ(ｋ)の特異値は、最大のものから最小のものへ順序付けられ、Ｖ(ｋ)およびＵ(ｋ)の固有ベクトルは、対応して順序付けられる。“広帯域”の固有モードは、全部でＮ_Ｆ個の、順序付け後のサブバンドにおいて、同じ順序の固有モードの組として定められる。ユーザ端末120またはアクセスポイント110は、分解を行なうだけでよい。ユーザ端末120が行うとき、行列Ｕ _ａｐ（ｋ）（ｋ＝１．．．Ｎ_Ｆ）は、（例えば、Ｕ _ａｐ（ｋ）のエントリを送ることによって）直接に、または（例えば、操縦パイロットを伝送することによって）間接に、アクセスポイント110に与えられる。

表６は、ＴＤＤ ＭＩＭＯ ＷＬＡＮシステムにおいて操縦モードでダウンリンクおよびアップリンク上でデータを送受信するためのアクセスポイント110およびユーザ端末120の空間処理の概要を示す。表６において、下付き文字“ｕｐ”はアップリンクを示し、下付き文字“ｄｎ”はダウンリンクを示す。

操縦モードでは、アクセスポイントは、ダウンリンク上でＭＩＭＯパイロットを伝送することができる。ユーザ端末は、ＭＩＭＯパイロットに基づいて、較正ダウンリンクチャネルを推定し、特異値分解を行い、行列Ｖ _ｕｔ （ｋ）を使用して、アップリンク上で操縦パイロットを伝送することができる。操縦パイロットは、固有モードで伝送されるパイロットであり、その固有モードのデータ伝送に使用される操縦ベクトルと同じ操縦ベクトルを使用する。アクセスポイントは、アップリンクの操縦パイロットに基づいて、行列Ｕ _ａｐ（ｋ）を直接に推定することができる。パイロットは、操縦モードで他のやり方でも伝送される。例えば、ユーザ端末がＭＩＭＯパイロットを伝送し、アクセスポイントが操縦パイロットを伝送してもよい。別の例として、アクセスポイントおよびユーザ端末の両者が、ＭＩＭＯパイロットを伝送してもよい。

非操縦モードでは、送信機（アクセスポイントまたはユーザ端末）は、ＭＩＭＯパイロットをデータ伝送と共に送信することができる。既に記載したように、受信機は、（例えば、ＣＣＭＩ、ＭＭＳＥ、ＳＩＣ、または他の技術を使用して）空間処理を行って、データシンボルストリームを復元する。

表７は、ＴＤＤ ＭＩＭＯ ＷＬＡＮシステムにおける操縦モードおよび非操縦モードでのパイロット伝送および空間処理の実施形態の概要を示す。

操縦および非操縦モードの両者において、受信機（アクセスポイントまたはユーザ端末）は、例えば、各広帯域空間チャネルのＮ_Ｆ個のサブバンドの受信ＳＮＲ（デシベル）の平均をとることによって、各広帯域空間チャネルの平均受信ＳＮＲを推定することができる。広帯域空間チャネルは、操縦モードでは広帯域固有モード、または非操縦モードでは送信アンテナに対応する。次に、受信機は、各広帯域空間チャネルの動作ＳＮＲを、平均受信ＳＮＲとＳＮＲバックオフ要素との和として計算する。次に、受信機は、動作ＳＮＲと、支援レートおよび要求ＳＮＲのルックアップテーブルとに基づいて、各広帯域空間チャネルのレートを選択する。

図３は、ＭＩＭＯ ＷＬＡＮシステムにおける操縦モードでのダウンリンクおよびアップリンクのデータ伝送のためのアクセスポイント110およびユーザ端末120における空間処理を示す。

アップリンクにおいて、ユーザ端末120では、データシンボルベクトルｓ _ｕｐ（ｋ）を、ユニット390によって行列Ｖ _ｕｔ （ｋ）と乗算し、さらに加えて、ユニット392によって、補正行列Ｋ _ｕｔ （ｋ）で基準化し、アップリンクの送信シンボルベクトルｘ _ｕｐ（ｋ）を得る。

図４は、ＭＩＭＯ ＷＬＡＮシステムにおける非操縦モードでのダウンリンクおよびアップリンクでのデータ伝送のためのアクセスポイント110およびユーザ端末120における空間処理を示す。ダウンリンクにおいて、アクセスポイント110では、データシンボルベクトルｓ _ｄｎ（ｋ）を、ユニット420によって恒等行列Ｉと乗算し、ダウンリンクの送信シンボルベクトルｘ _ｄｎ（ｋ）を得る。

アップリンクにおいて、ユーザ端末120では、データシンボルベクトルｓ _ｕｐ（ｋ）を、ユニット490によって恒等行列Ｉと乗算し、アップリンクの送信シンボルベクトルｘ _ｕｐ（ｋ）を得る。

図５は、アクセスポイント110およびユーザ端末120のブロック図を示す。ダウンリンクにおいて、アクセスポイント110では、送信（TX）データプロセッサ514は、データ源512からトラヒックデータを受信し、制御装置530からデータを制御する。ＴＸデータプロセッサ514は、Ｎ_Ｓ本のデータストリームの各々を、そのストリームのために選択されたレートに対応する符号化および変調方式に基づいて処理し（例えば、符号化、インターリーブ、およびシンボルマップ）、データシンボルストリームを得る。ＴＸ空間プロセッサ520は、ＴＸデータプロセッサ514からＮ_Ｓ本のデータシンボルストリームを受信し、（必要であれば）データシンボルに空間処理を行い、パイロットシンボルにおいて多重化し、Ｎ_ａｐ本の送信シンボルストリームをＮ_ａｐ本のアンテナに与える。ＴＸ空間プロセッサ520による処理は、操縦モードを使用するか、非操縦モードを使用するかの選択に基づいて、既に記載したように行われる。各送信機ユニット（TMTR）522は、各送信シンボルストリームを受信して、処理し（例えば、ＯＦＤＭ変調および調整）、ダウンリンク信号を生成する。Ｎ_ａｐ個の送信機ユニット522aないし522apは、Ｎ_ａｐ本のアンテナ524aないし524apから送信するためのＮ_ａｐ個のダウンリンク信号をそれぞれ与える。

ユーザ端末120では、Ｎ_ｕｔ本のアンテナ552aないし552utは、Ｎ_ａｐ個のダウンリンク信号を受信し、各アンテナは、受信信号を各受信機ユニット（RCVR）554に与える。各受信機ユニット554は、送信機ユニット552が行った処理と相補的な処理（例えば、調整およびＯＦＤＭ復調）を行い、受信シンボルストリームを与える。受信（RX）空間プロセッサ560は、Ｎ_ｕｔ個の受信機ユニット554からのＮ_ｕｔ本の受信シンボルストリームに空間処理を行い、Ｎ_Ｓ本の復元されたデータシンボルのストリームを与える。ＲＸ空間プロセッサ560による処理は、操縦モードを使用するか、非操縦モードを使用するかの選択に基づいて、上述のように行われる。ＲＸデータプロセッサ570は、Ｎ_Ｓ本の復元されたデータシンボルストリームを処理し（例えば、デマップ、デインターリーブ、および復号）、Ｎ_Ｓ本の復号されたデータストリームを得て、それを、記憶するためにデータシンク572に与えるか、またはさらに処理するために制御装置580に与えるか、あるいはこの両者を行う。

チャネル推定器578は、受信したパイロットシンボルに基づいて、ダウンリンクチャネル応答を推定し、チャネル利得推定値、ＳＮＲ推定値、等を含むチャネル推定値を与える。制御装置580は、チャネル推定値を受信し、空間処理のためにＲＸ空間プロセッサ560およびＴＸ空間プロセッサ590によって使用される行列を求め、ダウンリンク上で送られる各データシンボルストリームの適切なレートを判断する。レートおよびアップリンクデータを、ＴＸデータプロセッサ588によって処理し、（必要であれば）ＴＸ空間プロセッサ590によって空間処理し、パイロットシンボルと共に多重化し、Ｎ_ｕｔ個の送信機ユニット554aないし554utによって調整し、アンテナ552aないし552utを介して伝送する。

アクセスポイント110では、Ｎ_ｕｔ個の送信アップリンク信号を、アンテナ524によって受信し、受信機ユニット522によって調整および復調し、ＲＸ空間プロセッサ540およびＲＸデータプロセッサ542によって処理する。レートは、制御装置530に与えられ、ダウンリンク上でのデータ伝送を制御するのに使用される。

アクセスポイント110およびユーザ端末120は、アップリンクデータおよびパイロット伝送に同様の処理を行っても、異なる処理を行ってもよい。

制御装置530および580は、それぞれ、アクセスポイント110およびユーザ端末120において種々の処理ユニットの動作を制御する。ＳＭモードセレクタ534および584は、それぞれ、上述の種々の要素に基づいて、アクセスポイント110およびユーザ端末120に使用するための適切な空間多重化モードを選択する。メモリユニット532および582は、それぞれ、制御装置530および580によって使用されるデータおよびプログラムコードを記憶する。

図６は、ＭＩＭＯシステムにおいてデータを送受信する処理600のフローチャートを示す。処理600は、ユーザ端末およびアクセスポイントによって、ダウンリンクおよびアップリンク上でのデータ伝送のために行われる。

最初に、上述の操縦モードおよび非操縦モードを含む多数の支援されているＳＭモードの中から、ＳＭモードを選択する（ステップ612）。モードの選択は、端末の較正状況、伝送データ量、ＳＮＲおよび／またはチャネル状態、他の通信エンティティの能力、等に基づく。選択されたＳＭモードは、データセッション中に変更してもよい。

データ送信（ブロック620）では、第１の通信リンク（例えば、アップリンク）のための多数のデータストリームを、選択されたレートにしたがって符号化および変調し、第１のリンクのための多数のデータシンボルストリームを得る（ステップ622）。次に、これらのデータシンボルストリームを、選択されたＳＭモードにしたがって空間処理し、多数のアンテナから第１のリンクを介して送信するための多数の送信シンボルストリームを得る（ステップ624）。送信空間処理には、操縦モードでは操縦ベクトルの行列、非操縦モードでは恒等行列を用いる。

データ受信（ブロック630）では、多数のアンテナから得た、第２の通信リンク（例えば、ダウンリンク）のための多数の受信シンボルストリームを、選択されたＳＭモードにしたがって空間処理し、多数の復元されたデータシンボルストリームを得る（ステップ632）。受信空間処理には、操縦モードでは固有ベクトルの行列、非操縦モードでは空間フィルター行列を用いる。空間フィルター行列は、ＣＣＭＩ、ＭＭＳＥ、ＳＩＣ、または他の技術に基づいて求められる。次に、復元されたデータシンボルストリームを、選択されたレートにしたがって復調し、復号し、第２のリンクのための多数の復号されたデータストリームを得る（ステップ634）。

ブロック620におけるデータ送信と、ブロック630におけるデータ受信とは、同時に行っても、異なる時間で行ってもよい。選択されたＳＭモードでのデータの送受信を支援するために、パイロットおよびレートも送受信される。

ここに記載されているマルチモードの端末およびアクセスポイント、並びにデータ送信／受信技術は、種々の手段によって実行される。例えば、これらのエンティティおよび技術は、ハードウエア、ソフトウエア、またはその組み合わせにおいて実行される。ハードウエアの実行において、これらのエンティティの処理ユニットおよび技術は、１つ以上の特定用途向け集積回路（application specific integrated circuit, ASIC）、ディジタル信号プロセッサ（digital signal processor, DSP）、ディジタル信号処理装置（digital signal processing devices, DSPD）、プログラマブル論理装置（programmable logic device, PLD）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（field programmable gate array, FPGA）、プロセッサ、制御装置、マイクロ制御装置、マイクロプロセッサ、ここに記載されている機能を実行するように設計された他の電子ユニット、またはその組み合わせの中で実行される。

ソフトウエアの実行では、ここに記載されている技術は、ここに記載されている機能を行うモジュール（例えば、手続き、機能、等）で実行される。ソフトウエアコードは、メモリユニット（例えば、図５のメモリユニット532および582）に記憶され、プロセッサ（例えば、制御装置530および580）によって実行される。メモリユニットは、プロセッサ内に実装されていても、プロセッサの外に実装されていてもよく、この場合は、メモリユニットは、この分野において知られている種々の手段によって、プロセッサに通信上で接続される。

ここには、参照のため、およびある特定のセクションの位置を検出するのを助けるために、見出しが含まれている。これらの見出しは、見出しの中に記載されている概念の技術的範囲を制限することを意図するものではなく、これらの概念は、明細書全体の他のセクションに適用できる。

開示された実施形態についてのこれまでの記述は、当業者が本発明を作成または使用できるようにするために与えられている。当業者には、これらの実施形態に対する種々の変更が容易に明らかであり、ここに定められている一般的な原理は、本発明の意図および技術的範囲から逸脱しないならば、他の実施形態に適用してもよい。したがって、本発明は、ここに示された実施形態に制限されることを意図されず、ここに開示された原理および新規な特徴に一致する最も幅広い範囲にしたがうことを意図されている。

100・・・ＭＩＭＯシステム。

Claims (25)

1. 無線多重入力多重出力通信システムのための装置であって、
   操縦モードと非操縦モードとを含む複数の空間多重化モードの中から空間多重化モードを選択するように動作可能なモードセレクタと、ここで、前記複数の空間多重化モードは、前記装置によって支援され、前記複数の空間多重化モードの各々は、多重入力多重出力チャネルの複数の空間チャネルを介した複数のデータシンボルストリームの同時伝送を支援する、
   第１の複数のデータシンボルストリームを、前記選択された空間多重化モードにしたがって空間的に処理し、複数のアンテナから第１の通信リンクを介して送信するための複数の送信シンボルストリームを得るための送信処理手段と、ここで、前記操縦モードでは、前記第１の複数のデータシンボルストリームが、前記空間チャネルを直交させる操縦ベクトルの行列を用いて空間的に処理され、前記非操縦モードでは、前記第１の複数のデータシンボルストリームが、恒等行列を用いて空間的に処理される、
   複数のアンテナから得られた複数の受信シンボルストリームを、前記選択された空間多重化モードにしたがって処理し、複数の復元されたデータシンボルストリームを得るための受信処理手段と、ここで、前記複数の復元されたデータシンボルストリームは、第２の通信リンクを介して送られた第２の複数のデータシンボルストリームの推定値であり、前記モードセレクタは、前記第２の通信リンクのチャネル応答が前記第１の通信リンクのチャネル応答の相反である場合、前記操縦モードを選択し、前記第２の通信リンクのチャネル応答が前記第１の通信リンクのチャネル応答の相反でない場合、前記非操縦モードを選択するように動作可能である、
   を含む装置。
2. 前記操縦モードは、前記多重入力多重出力チャネルの複数の直交空間チャネルを介した複数のデータシンボルストリームの同時伝送を支援し、前記非操縦モードは、前記複数のアンテナからの複数のデータシンボルストリームの同時伝送を支援する、請求項１記載の装置。
3. 前記送信処理手段は、前記操縦モードでは操縦ベクトルの行列を用いて、前記非操縦モードでは恒等行列を用いて、前記第１の複数のデータシンボルストリームを多重化するように適合され、
   前記受信処理手段は、前記操縦モードでは固有ベクトルの行列を用いて、前記非操縦モードでは空間フィルター行列を用いて、前記複数の受信シンボルストリームを多重化するように動作可能であるように適合される、請求項１記載の装置。
4. 前記第２の通信リンクのチャネル応答を推定するように動作可能なチャネル推定器と、
   前記第２の通信リンクの前記推定チャネル応答に基づいて、前記空間フィルター行列を求めるように動作可能な制御装置と
   をさらに含む請求項３記載の装置。
5. 前記制御装置は、チャネル相関行列反転技術または最小平均平方誤差技術に基づいて、前記空間フィルター行列を求めるように動作可能である、請求項４記載の装置。
6. 前記制御装置は、逐次干渉消去技術に基づいて、チャネル相関行列反転技術または最小平均平方誤差技術を使用して、前記空間フィルター行列を求めるように動作可能である、請求項４記載の装置。
7. 第１の複数のデータストリームを第１の複数のレートにしたがって符号化し、変調して、前記第１の通信リンクのための前記第１の複数のデータシンボルストリームを得るように動作可能である送信データプロセッサと、
   前記複数の復元されたデータシンボルストリームを第２の複数のレートにしたがって復調し、復号し、前記第２の通信リンクのための複数の復号されたデータストリームを得るように動作可能である受信データプロセッサと
   をさらに含む請求項１記載の装置。
8. 前記第１の複数のレートは、前記操縦モードでは前記多重入力多重出力チャネルの複数の固有モードのレートであり、前記非操縦モードでは前記複数のアンテナのレートである、請求項７記載の装置。
9. 前記モードセレクタは、伝送データ量、チャネル状態、前記装置と通信しているエンティティの能力、またはその組み合わせに基づいて、前記操縦モードまたは前記非操縦モードを選択するように動作可能である、請求項１記載の装置。
10. 前記モードセレクタは、データセッションの第１の部分において前記非操縦モードを選択し、前記データセッションの残りの部分において前記操縦モードを選択するように動作可能である、請求項１記載の装置。
11. 前記モードセレクタは、受信信号対雑音および干渉比に基づいて、前記操縦モードまたは前記非操縦モードを選択するように動作可能である、請求項２記載の装置。
12. 前記送信処理手段はさらに、前記操縦モードでは操縦パイロット、前記非操縦モードでは非操縦パイロットを多重化するように動作可能であり、前記操縦パイロットは、前記多重入力多重出力チャネルの固有モードで送信され、前記非操縦パイロットは、前記複数のアンテナからの複数の直交パイロット送信を含む、請求項１記載の装置。
13. 前記送信処理手段はさらに、前記操縦モードおよび前記非操縦モードの両者において非操縦パイロットを多重化するように動作可能であり、前記非操縦パイロットは、前記複数のアンテナからの複数の直交パイロット送信を含む、請求項１記載の装置。
14. 前記多重入力多重出力システムにおけるアクセスポイントと通信するように動作可能である請求項１記載の装置。
15. 前記多重入力多重出力システムにおける他の端末とピア・トゥ・ピアで通信するように動作可能である請求項１記載の装置。
16. 前記多重入力多重出力システムは、直交周波数分割多重化を使用し、前記送信および受信空間プロセッサは、複数のサブバンドの各々に空間処理を行うように動作可能である、請求項１記載の装置。
17. 前記多重入力多重出力システムは、時分割デュプレックスシステムである、請求項１記載の装置。
18. 前記複数のアンテナから前記第１の通信リンクを介して前記複数の送信シンボルストリームを送信するための手段と、
    第２の通信リンクのための前記複数のアンテナから受信された複数のシンボルストリームを受信するための手段と
    をさらに備える請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の装置。
19. 端末である請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の装置。
20. アクセスポイントである請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の装置。
21. 無線多重入力多重出力通信システムのためのデータを処理する方法であって、
    操縦モードと非操縦モードとを含む複数の空間多重化モードの中から空間多重化モードを選択することと、ここで、前記複数の空間多重化モードの各々は、多重入力多重出力チャネルの複数の空間チャネルを介した複数のデータシンボルストリームの同時伝送を支援する、
    第１の複数のデータシンボルストリームを、前記選択された空間多重化モードにしたがって空間的に処理して、複数のアンテナから第１の通信リンクを介して送信する複数の送信シンボルストリームを得ることと、ここで、前記操縦モードでは、前記第１の複数のデータシンボルストリームが、前記空間チャネルを直交させる操縦ベクトルの行列を用いて空間的に処理され、前記非操縦モードでは、前記第１の複数のデータシンボルストリームが、恒等行列を用いて空間的に処理される、
    前記複数のアンテナから得られた複数の受信シンボルストリームを、前記選択された空間多重化モードにしたがって空間的に処理して、複数の復元されたデータシンボルストリームを得ることと、ここで、前記複数の復元されたデータシンボルストリームは、第２の通信リンクを介して送られた第２の複数のデータシンボルストリームの推定値であり、前記第２の通信リンクのチャネル応答が前記第１の通信リンクのチャネル応答の相反である場合、前記操縦モードが選択され、前記第２の通信リンクのチャネル応答が前記第１の通信リンクのチャネル応答の相反でない場合、前記非操縦モードが選択される、
    を含む方法。
22. 前記操縦モードは、前記多重入力多重出力チャネルの複数の直交空間チャネルを介した複数のデータシンボルストリームの同時伝送を支援し、前記非操縦モードは、前記複数のアンテナからの複数のデータシンボルストリームの同時伝送を支援する、請求項２１記載の方法。
23. 前記複数の受信シンボルストリームは、前記操縦モードでは固有ベクトルの行列を用いて、前記非操縦モードでは空間フィルター行列を用いて多重化される、請求項２２記載の方法。
24. 前記第２の通信リンクのチャネル応答を推定することと、
    前記第２の通信リンクの前記推定チャネル応答に基づいて、前記空間フィルター行列を求めることと
    をさらに含む請求項２３記載の方法。
25. 前記空間フィルター行列は、チャネル相関行列反転技術、最小平均平方誤差技術、または逐次干渉消去技術に基づいて求められる、請求項２４記載の方法。

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