JP5406987B2

JP5406987B2 - マルチユーザーマルチ入力マルチ出力無線送信システムにおける付加的受信機処理によるトムリンソン−原島プリコーディング

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Publication number: JP5406987B2
Application number: JP2012521630A
Authority: JP
Inventors: ガウアスドハンシュ; アーチャリャジョイディープ
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-09-04
Filing date: 2010-03-19
Publication date: 2014-02-05
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Description

（関連出願）
本願は、２００９年９月４日に出願された米国仮特許出願第６１／２３９，８８８号および２００９年９月１０日に出願された米国仮特許出願第６１／２４１，１２６号に基づく優先権を主張するものであり、本願は、２００９年３月１１日に出願された米国特許出願第１２／４０１，７１１号および２００９年９月４日に出願された米国特許出願第１２／５５４，０６９号および米国特許出願第１２／５５４，０８２号に関連するものである。本願ではこれら米国特許出願の全開示内容を参考例として援用する。

（発明の背景）
本発明は、一般的にはマルチ入力マルチ出力（ＭＩＭＯ）通信システムに関し、より詳細には、ＭＩＭＯネットワークにおける付加的受信機処理によるトムリンソン−原島プリコーディング技術に関するものである。

Ｃ.ウィンドパッシンガー、Ｒ.Ｆ.Ｈ.フィッシャー、Ｔ.ベンセルおよびＪ.Ｂ.ヒューバーによる論文「マルチアンテナおよびマルチユーザー通信におけるプリコーディング」（無線通信に関するＩＥＥＥトランザクション、１３０５〜１３１６ページ、２００４年７月）Ｗ.ユーによる博士号論文「マルチユーザー通信環境における競合と協働」（スタンフォード大学、２００２年２月）Ｎ.ジンダール、Ｗ.リー、Ｓ.ビシュワナス、Ｓ.Ａ.ジャファールおよびＡ.ゴールドスミスによる論文「マルチアンテナガウス一斉送信チャンネルのための総パワー繰り返しウォーターフィリング」（情報理論に対するＩＥＥＥトランザクション、１５７０〜１５８０ページ、２００５年４月）３ＧＴＰＴＳ３６.２１１Ｖ８.６.０（２００９−０３）

一般化された決定フィードバック等化器（ＧＤＦＥ）に基づくプリコーダは、マルチユーザーマルチ入力マルチ出力（ＭＵ-ＭＩＭＯ）無線システムに対する最適なキャパシティ(容量)の解決方法を提供できることが周知となっている。しかしながら、ＧＤＦＥプリコーダに関連する種々のフィルタを決定するための計算上のコストは、禁止的な大きさになることが多く、多くの実用的システムには適していない。
システムのキャパシティを最適にするために、多数のアンテナを備えた基地局（ＢＳ）が多数のユーザーターミナル（ＵＥ）に同時データストリームを送ることを可能にする公知のプリコーディング技術は、いくつか存在している。一般的にＭＵ−ＭＩＭＯシステムのためのプリコーディングは、システムのキャパシティ、すなわちビットレートのような所定の基準を最適にすることを目標としている。本願に提案する技術の対応する特徴の説明と共に、以下、選択した参考文献について説明する。

Ｃ.ウィンドパッシンガー、Ｒ.Ｆ.Ｈ.フィッシャー、Ｔ.ベンセルおよびＪ.Ｂ.ヒューバーによる論文「マルチアンテナおよびマルチユーザー通信におけるプリコーディング」（無線通信に関するＩＥＥＥトランザクション、１３０５〜１３１６ページ、２００４年７月［１］）は、トムリンソン−原島プリコーディング（ＴＨＰ）として知られる非線形のプリコーディング方式について記述している。この方式は、ＢＳ（基地局）における連続的な干渉プリキャンセルに依拠しており、送信パワーを越えないことを保証するためにモジュロ演算が使用されている。ＢＤと異なり、ＴＨＰは有効チャンネル行列（マトリックス）を三角化し、ＢＤと比較して多少大きいシステムキャパシティを提供できる。Ｗ.ユーによる博士号論文「マルチユーザー通信環境における競合と協働」（スタンフォード大学、２００２年２月［２］）において、ウェイ・ユー氏はＧＤＦＥプリコーダを紹介し、このプリコーダが高度なシステムキャパシティを達成できることを示した。この技術は高度なシステムキャパシティを達成できるが、ＧＤＦＥプリコーダコンポーネントを決定するためのコンピュータ計算上のコストは、ほとんどの実用システムが求めるリアルタイムの実現に対して効果の上で禁止的な大きさとなっている。Ｎ.ジンダール、Ｗ.リー、Ｓ.ビシュワナス、Ｓ.Ａ.ジャファールおよびＡ.ゴールドスミスによる論文「マルチアンテナガウス一斉送信チャンネルのための総パワー繰り返しウォーターフィリング」（情報理論に対するＩＥＥＥトランザクション、１５７０〜１５８０ページ、２００５年４月［３］）が、ＭＡＣ／ＢＣ（マルチアクセスチャンネル／一斉送信チャンネル）のデュアリティと称される極めて有効な結果を誘導している。本願では、上記参考文献の全開示内容を参考例として援用する。

上記米国特許出願第１２／４０１，７１１号および同第１２／５５４，０８２号には、一斉送信チャンネル（ＢＣ）キャパシティを達成することが知られているＧＤＦＥプリコーダを実現するための計算上効率的なアルゴリズムが提示されている。上記２つの米国特許出願におけるアルゴリズムは、コンピュータ計算上の複雑さの見地からＧＤＦＥの実現例を簡略化しているが、異なる送信アンテナにおいて等しくないパワーを割り当てるＧＤＦＥ固有の条件をまだ克服していない。このような等しくないパワーの割り当ては、無線送信機で使用されるパワー増幅器の非線形の性質に起因し、実用的システムにおいて問題を生じさせる可能性がある。１つの解決方法として、本発明は、トムリンソン−原島プリコーダ（ＴＨＰ）と称される別の非線形のプリコーディング技術の変形例に注目するものである。ＴＨＰにおける最適なパワーの割り当ても等しくないが、我々の変形例は等しいパワーの割り当てでも最適に近いキャパシティを達成できる。付加的貢献は、ほぼチャンネルフィードバックとなっていることである。従来のＴＨＰ技術は、受信機から送信機へのフルチャンネル行列フィードバックを必要としている。本発明は別の解決案として、部分的チャンネルフィードバックを行うＴＨＰ技術の変形例を実現するための方法を提供するものである。ここで提案する方法は、フルチャンネルフィードバックオーバーヘッドを回避し、達成可能なキャパシティにおいて妥当な低下を生じさせる。

本発明の実施形態は、ＭＵ−ＭＩＭＯシステムにおいて、付加的受信機処理を行うトムリンソン−原島プリコーディング（ＴＨＰ）のための技術を提案するものであり、この技術は、コンピュータ計算上のコストを大幅に低減するが、キャパシティの損失は生じない。この技術は、現在計画中の将来の「４Ｇ」セルラーネットワークを含む種々のＭＵ−ＭＩＭＯ無線システムの性能を改善するのに適している。

本発明の１つの様相は、アップリンク（ＵＬ）チャンネルおよび対応するダウンリンク（ＤＬ）チャンネルを介してＮ個のアンテナおよび利用可能な送信パワーとしてＰ_ｔを有する基地局と通信するＫ個のユーザーターミナル（ＵＥ）を有するマルチユーザーマルチ入力マルチ出力（ＭＵ−ＭＩＭＯ）無線システムの基地局（ＢＳ）において、トムソン−原島プリコーダによりユーザーシンボルを処理するための方法に関する。この方法は、Ｋ個のＵＥの各々のためのＤＬチャンネル行列Ｈ_ｋを推定するステップと、Ｋ個のＵＥの各々に対する受信機処理行列Ｖ_ｋを決定するステップと、前記ＤＬチャンネル行列Ｈ_ｋおよび受信機処理行列Ｖ_ｋに基づき、有効行列ＤＬチャンネルＨ_ｅｆｆをコンピュータ計算するステップと、Ｑがユニタリ行列であり、Ｒが上三角行列である列枢軸選択により、前記有効ＤＬチャンネル行列Ｈ_ｅｆｆのＱＲ分解（ＱＲＤ）を実行するステップと、前記ユニタリ行列Ｑおよび前記上三角行列Ｒを使用し、トムリンソン−原島プリコーダ行列をコンピュータ計算するステップと、前記上三角行列Ｒを使用し、前記ＵＥのためのスカラー重みを計算するステップと、前記トムリンソン−原島プリコーダ行列を有する前記トムリンソン−原島プリコーダにより、ユーザーシンボルを処理し、前記ＵＥのためのフィルタにかけられたベクトルシンボルの出力を発生するステップと、前記ＤＬチャンネル行列によって示されるチャンネル（このチャンネルを介して、前記ユーザーターミナルを有する前記無線システム内での通信が行われる）へ、前記トムリンソン−原島プリコーダの前記出力を向けるステップと、前記Ｋ個のＵＥの各々に対し、前記受信機処理行列Ｖ_ｋに基づき、前記ＵＥにおいて送信された信号に対する付加的受信機処理を実行するステップと、前記ＵＥにおいて前記送信された信号上で前記スカラー重みを使用するステップとを備える。

一部の実施形態では、前記ＤＬチャンネル行列Ｈは、

であり、前記Ｋ個のＵＥの各々に対する受信機処理行列Ｖ_ｋを決定する前記ステップは、
前記Ｋ個のＵＥの各々に対し、ｋ番目のＵＥに対する対応するＵＬチャンネル

のための入力共分散行列Φ_ｋを

（ここで、

は、すべてのＵＥに対する結合送信ベクトルを示し、Ｅ［．］は、この偏角の時間平均を示す）として決定するステップと、

に示されるように、すべてのＵＥによって使用される総送信パワーが、元のダウンリンク送信のために前記ＢＳにおいて利用可能な送信パワーＰ_ｔを超えないことを仮定するステップと、
各Φ_ｋに関連する固有ベクトルＵ_ｋを

となるように決定するステップと、
ｋ番目のＵＥに関連する受信機処理行列Ｖ_ｋを

とするステップとを含む。有効ＤＬチャンネル行列Ｈ_ｅｆｆをコンピュータ計算する前記ステップは、
前記ＢＳにより、

をコンピュータ計算するステップを含む。

列枢軸選択により前記有効ＤＬチャンネル行列Ｈ_ｅｆｆのＱＲ分解（ＱＲＤ）を実行する前記ステップは、

（ここでＥは、置換行列である）をコンピュータ計算するステップを含む。トムリンソン−原島プリコーダ行列をコンピュータ計算する前記ステップは、（Ｌ−Ｎ）個の終端ゼロ対角成分を有する（Ｌ×Ｌ）の対角行列Ｊを

（ここでｒ_ｋｋは、行列Ｒのｋ番目の対角要素を示す）と定義するステップと、B = JR^H（ここでトムリンソン−原島プリコーダは、Ｂ−Ｉによって表示される干渉プリキャンセルブロックを含み、Ｉは、単位行列を示し、干渉プリキャンセル行列Ｂは、下三角行列の構造を有する）をコンピュータ計算するステップと、前記トムリンソン−原島プリコーダにおいて、送信フィルタのための送信フィルタ行列F = Σ^1/2Q^H（ここで、Σは、パワー制限：

を満たす対角行列である）をコンピュータ計算するステップとを含む。前記ＵＥのためのスカラー重みを計算する前記ステップは、行列ＧをG = JE^Hとして定義するステップと、ｋ番目のＵＥのｉ番目の受信アンテナに対するゼロスカラー重みｇ_ｋｉを、行列Ｇの

番目のコラム（ここでｒ_ｍは、ｍ番目のＵＥのための前記有効ＤＬチャンネル行列

内の行の数を示す）の非ゼロ成分と決定するステップとを含む。

特定の実施形態では、前記ＤＬチャンネル行列Ｈは、

であり、前記Ｋ個のＵＥの各々に対する受信機処理行列Ｖ_ｋを決定する前記ステップは、

（ここで行列Ｙ_ｋは、左特異ベクトルを示し、Ｓ_ｋは、主要対角における特異値を含む対角行列を示し、Ｗ_ｋは、右特異ベクトルを示す）のようにＵＥのＳＶＤ分解を実行するステップと、ｋ番目のＵＥに関連する推定された受信機処理行列を、

とするステップとを含む。有効ＤＬチャンネル行列Ｈ_ｅｆｆをコンピュータ計算する前記ステップは、前記ＵＥにより、

（ここで行列

は、Ｗ_ｋの列を選択することにより形成される）をコンピュータ計算するステップを含み、本方法は更に、前記ＵＥにより、前記有効ＤＬチャンネル行列Ｈ_ｅｆｆを前記ＢＳに通知するステップを更に含む。列枢軸選択により、前記有効ＤＬチャンネル行列Ｈ_ｅｆｆのＱＲ分解（ＱＲＤ）を実行する前記ステップは、

をコンピュータ計算するステップを含む。

トムリンソン−原島プリコーダ行列をコンピュータ計算する前記ステップは、
（Ｌ−Ｎ）個の終端ゼロ対角成分を有する（Ｌ×Ｌ）の対角行列Ｊを

（ここでｒ_ｋｋは、行列Ｒのｋ番目の対角要素を示す）と定義するステップと、
B = GR^H（ここでトムリンソン−原島プリコーダは、Ｂ−Ｉによって表示される干渉プリキャンセルブロックを含み、Ｉは、単位行列を示し、干渉プリキャンセル行列Ｂは、下三角行列の構造を有する）をコンピュータ計算するステップと、
前記トムリンソン−原島プリコーダにおいて、送信フィルタのための送信フィルタ行列F = Σ^1/2Q^H（ここで、Σは、パワー制限：

を満たす対角行列である）をコンピュータ計算するステップとを含む。前記ＵＥのためのスカラー重みを計算する前記ステップは、ｋ番目のＵＥのｉ番目の受信アンテナに対するスカラー重みｇ_ｋｉを、行列Ｇの

番目の対角要素（ここでｒ_ｍは

内の行数を示す）の非ゼロ列成分として定めるステップを含む。

一部の実施形態では、前記ＵＥに対する、フィルタにかけられたベクトルシンボルの出力を生成するように、前記トムリンソン−原島プリコーダ行列を有する前記トムリンソン−原島プリコーダによってユーザーシンボルを処理する前記ステップは、フィードフォーワードパス内に配置されたモジュロユニットを通過するように、前記ユーザーシンボルを向け、フィードバックパス内に配置された干渉プリキャンセルブロック（この干渉プリキャンセルブロックは、Ｂ−Ｉ（ここでＢは、干渉プリキャンセル行列であり、Ｉは、単位行列である）で表示される）を介してフィードバックされるベクトルシンボルを生成するステップと、前記フィードフォワードパス内の前記モジュロユニットに印加された前記ユーザーシンボルから、前記干渉プリキャンセルブロックの出力信号を減算するステップと、前記フィードフォワードパス内の送信フィルタ行列Ｆによって表示された送信フィルタに前記ベクトルシンボルを通過させ、前記ＢＳからフィルタにかけられたベクトルシンボルの出力を生成するステップとを備える。

本発明の別の様相によれば、マルチユーザーマルチ入力マルチ出力（ＭＵ−ＭＩＭＯ）無線システムは、Ｎ個のアンテナおよび利用可能な送信パワーとしてＰ_ｔを有する基地局（ＢＳ）と、アップリンク（ＵＬ）チャンネルおよび対応するダウンリンク（ＤＬ）チャンネル（ここでＢＳは、ユーザーシンボルを処理し、ＵＥのためのフィルタのかけられたベクトルシンボルの出力を生成するためのトムリンソン−原島プリコーダを含む）を介して前記基地局と通信する複数のＫ個のユーザーターミナル（ＵＥ）と、前記トムリンソン−原島プリコーダの前記出力を受信するための前記ＤＬチャンネル（このＤＬチャンネルを介して、前記ユーザーターミナルとの通信が前記無線システム内で行われる）のＤＬチャンネル行列によって示されるチャンネルとを備える。前記トムリンソン−原島プリコーダは、干渉プリキャンセルブロックのための干渉プリキャンセル行列Ｂおよび送信フィルタのための送信フィルタ行列Ｆを備え、これら行列は、前記Ｋ個のＵＥの各々のためのＤＬチャンネル行列Ｈ_ｋを推定し、前記Ｋ個のＵＥの各々のための受信機処理行列（Ｖ_ｋ）を決定し、前記ＤＬチャンネル行列Ｈ_Ｋおよび受信機処理行列Ｖ_Ｋに基づき、有効ＤＬチャンネル行列Ｈ_ｅｆｆをコンピュータ計算し、列枢軸選択により前記有効ＤＬチャンネル行列Ｈ_ｅｆｆのＱＲ分解（ＱＲＤ）（ここでＱはユニタリ行列であり、Ｒは上三角行列である）を実行し、前記ユニタリ行列Ｑおよび上三角行列Ｒを使用してＢおよびＦを計算することによってコンピュータ計算される。前記ＵＥの各々は、前記受信機処理行列Ｖ_ｋに基づき、前記ＵＥにおいて前記送信された信号に対する付加的受信機処理を実行し、前記上三角行列Ｒに基づいて計算されたスカラー重みを使用し、前記トムリンソン−原島プリコーダからのフィルタにかけられたベクトル信号の出力をスケールダウンするようになっている。

前記トムリンソン−原島プリコーダは、フィードフォーワードパスと、フィードバックパスと、前記フィードバックパス内に配置されたＢ−Ｉ（Ｉは単位行列であり、Ｂは干渉プリキャンセル行列である）によって示される干渉プリキャンセルブロックと、前記フィードバックパス内に配置された前記干渉プリキャンセルブロックを介してフィードバックされるフィルタにかけられたベクトルシンボルＸのストリームを生成するように前記フィードフォワードパス内に配置されたモジュロユニットを備え、前記干渉プリキャンセルブロックの出力信号は、ユーザー信号のストリームから減算され、前記フィードフォワードパス内の前記モジュロユニットに印加され、前記フィードフォワードパス内に配置された前記モジュロユニットによって生成されるフィルタにかけられたベクトルシンボルＸのストリームをフィルタにかけるための前記送信フィルタ行列Ｆによって示される送信フィルタを更に含む。

特定の実施形態の次の詳細な説明を検討すれば、当業者には本発明の上記およびそれ以外の特徴および利点が明らかとなろう。

本発明の一実施形態に係わるマルチアンテナ基地局（ＢＳ）と多数のユーザーターミナル（ＵＥ）との間のダウンリンクチャンネル表示を示すマルチユーザーマルチ入力マルチ出力（ＭＵ−ＭＩＭＯ）無線システムの一例を示す。

図２の基地局におけるダウンリンク情報フローのための通信ブロック図の一例を示す。

公知のＴＨＰプリコーダのためのブロック図の一例を示す。

本発明の一実施形態に係わるＴＨＰプリコーダに対するブロック図の一例を示す。

本発明の実施形態に係わるＵＬチャンネルに対する入力共分散行列をコンピュータ計算するためのフローチャートである。

ＤＬチャンネルに対する入力共分散行列をコンピュータ計算するためのフローチャートである。

本発明の次の詳細な説明では、明細書の一部をなす添付図面を参照する。これら図面には、発明を説明し、かつ発明を限定しないように発明を実施できる実施形態が図示されている。いくつかの図において、同様な番号は実質的に類似する部品を示している。以下説明し、図面に示すように、詳細な説明は、種々の実施形態を示すが、本発明は、本願に記載し、図示される実施例だけに限定されるものではなく、当技術における当業者に知られているか、または知られるような別の実施形態にも拡張できると理解すべきである。本明細書における「ある実施形態」、「本実施形態」または「これら実施形態」なる記載は、実施形態に関連して説明する特定の特徴、構造または特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味し、本明細書における種々の箇所におけるこれらフレーズの記載すべては必ずしも同じ実施形態を示すものではない。更に次の詳細な説明では、本発明を完全に理解するために種々の特定の細部が記載されている。しかしながら、本発明を実施するのにこれら特定の細部のすべてが必要であるわけではないことが当業者には明らかとなろう。別の状況では、本発明を不必要に不明瞭にしないように、周知の構造、材料、回路、プロセスおよびインターフェースについては詳細には記載されておらず、これらをブロック図で示すことができる。

更に、次の詳細な説明の一部を、アルゴリズムおよびコンピュータ内の演算のシンボル表示で記載する。これらアルゴリズムの記載およびシンボル表示は、当業者に革新技術の本質を最も有効に伝えるためのデータ処理技術の当業者が使用する手段であり、アルゴリズムとは、所望する最終状態または結果をもたらす一連の一定のステップのことである。本発明では、実行されるこれらステップは、目に見える結果を得るために目に見える量の物理的操作を必要とする。通常、これら量は、記憶したり、転送したり、組み合わせたり、比較したり、他の方法で操作したりできる電気信号または磁気的信号、または命令の形態をとり得る。主に共通に利用する理由から、これら信号をビット、値、要素、シンボル、キャラクター、用語、数字、命令または同等なものとして記載することが、時に便利であることが分かっている。しかしながら、これらの用語および同様な用語のすべては、適当な物理的な量と関連させるべきであり、これら用語はこれらの量に付される単に便宜的なラベルにすぎないことを念頭に入れるべきである。特に指定して記載しない限り、次の説明から明らかなように、説明全体にわたり、「処理」、「コンピュータ計算」、「計算」、「決定」、「ディスプレイ」または同様な用語を使用した記載は、コンピュータシステムのレジスターおよびメモリ内の物理的（電子的）量として表示されるデータを操作し、コンピュータシステムのメモリまたはレジスターもしくは他の情報記憶デバイス、伝送デバイスまたはディスプレイデバイス内の物理的な例として同じように表示される他のデータに変換するコンピュータシステムまたは他の情報処理デバイスの動作およびプロセスも含むことができると理解できよう。

本発明は、本願において作動、演算を実行するための装置にも関する。この装置は、特に必要な目的のために構成してもよいし、または１つ以上のコンピュータプログラムにより選択的に作動または再構成される１つ以上の汎用コンピュータを含んでもよい。かかるコンピュータプログラムは、コンピュータで読み取り可能な記憶メディア、例えば光ディスク、磁気ディスク、リードオンリーメモリ、ランダムアクセスメモリ、ソリッドステートデバイスおよびドライブまたは電子情報を記憶するのに適した他の任意のタイプのメディアに記憶させることができる。本願に示されたアルゴリズムおよびデバイスは、本来的に任意の特徴のコンピュータまたは他の装置に関連するものではない。本願では、要旨に従い、プログラムおよびモジュールと共に種々の汎用システムを使用してもよいし、任意の方法のステップを実行するようにより特殊な装置を構成することが便利である場合もある。更に本発明は、特定のプログラム言語を参照して説明するものではない。本願に記載の本発明の要旨を実施するために種々のプログラム言語を使用できることが理解できよう。これらプログラム言語の命令は、１つ以上の処理デバイス、例えば中央処理ユニット（ＣＰＵ）、プロセッサまたはコントローラによって実行できる。

以下、より詳細に説明する本発明の実施形態は、ＭＵ−ＭＩＭＯシステムにおいて、付加的受信機処理を行うＴＨＰのための装置、方法およびコンピュータプログラムを説明するものである。

次の記載では、サブセクションＡは、本発明を実施できる無線送信システム全体を示し、サブセクションＢは、トムリンソン−原島プリコーディング（ＴＨＰ）を実施するシステムモデルについて説明し、サブセクションＣは、フルチャンネルフィードバックがＵＥからＢＳに対して可能であると仮定する送信機および受信機の処理のためのサブセクションＣ.２におけるアルゴリズムを含むＴＨＰのための付加的受信機の処理を示し、サブセクションＣ.３は、この仮定を緩和し、フィードバックのオーバーヘッドを低減する別のアルゴリズムを示す。

従来のＴＨＰプリコーダは、シャノンのチャンネルキャパシティを達成できない。本発明の第１部分（サブセクションＣ.２）は、一斉送信チャンネルに対し、シャノンのチャンネルキャパシティをほとんど達成できるＴＨＰプリコーダ用の新しいアルゴリズムのアウトラインを述べたものであり、この部分はユーザーターミナルにおいて特殊な受信機処理行列を使用しなければならない。これら受信機処理行列は、それぞれの等価的アップリンクチャンネルの最適入力共分散行列の固有ベクトルとして記載される。ここで、「最適」とは、任意の行列よりも良好な行列であることを意味するにすぎず、これら行列は可能な最良の行列である必要はない。これら「最適」入力共分散行列は、利用できる異なるアプローチを使って得ることができる。例えばジンダール外による参考文献［３］は、入力共分散行列を得るための繰り返し手順のアウトラインを述べたものである。一般に、所望するレベルのスループット性能で一組の入力共分散行列を生成するのに、１回〜３回の繰り返しで十分である。次に、受信機処理を行う等価的チャンネルのためのＴＨＰプリコーダを実現する。より詳細には、第１部分（サブセクションＣ.２）は、すべてのユーザーに対するユーザー機器（ＵＥ）ｋのための受信機処理行列Ｖ_ｋを導入すると共に、マルチアンテナ基地局（ＢＳ）を設置しているネットワークのための現行のＴＨＰプリコーダのダウンリンク（ＤＬ）または一斉送信（ＢＣ）チャンネルのキャパシティを改善する。ユーザーｋのための行列Ｖ_ｋは事実、恒等的（ユニタリー）であり、（ＢＳおよびすべてのＵＥからのリンクから構成された）全チャンネル行列Ｈに依存する。特に各Ｖ_ｋは、種々のＵＥ間で共用される情報がないことを仮定するｋ番目のＵＥの効果的アップリンク（ＵＬ）チャンネルのための最適入力共分散行列（Φ_ｋ）に対応する固有ベクトルから抽出される。提案されるＴＨＰプリコーダによって達成されるキャパシティは、Φ_ｋをコンピュータ計算する精度に応じて決まり、このコンピュータ計算に必要な繰り返し回数を多くすることによって改善できる。ここで、繰り返しとは、上記ジンダール外による参考文献［３］のアプローチを使用して入力共分散行列をコンピュータ計算するための繰り返しを意味する。Φ_ｋは、繰り返しコンピュータ計算されるので、すべてのｋ個のＵＥに対するＶ_ｋも繰り返しコンピュータ計算される。提案される発明の第１部分の基本となる仮定は、フィードバックのために完全なチャンネルフィードバックが利用可能であることである。

従来のＴＨＰプリコーダは、すべての受信機から送信機へのフルチャンネルフィードバックを必要とする。このことは、かなりのオーバーヘッドを生じさせ、スループットの利点を相殺し得る。本発明の第２部分（サブセクションＣ.３）は、フルチャンネルフィードバックのための条件を緩和するＴＨＰプリコーダのための新しいアルゴリズムのアウトラインを述べたものである。その代わりにこの第２部分は、部分的なチャンネルフィードバックに依拠し、キャパシティの最小の損失しか生じさせない。本発明の第２部分もユーザーターミナルにおける専用の受信機処理行列を使用しなければならない。これら受信機処理行列は、それぞれのチャンネル行列の左非正則ユニタリ行列から誘導されたものである。ＢＳには、右非正則ユニタリ行列がフィードバックされ、このフィードバックは、ＴＨＰを実行するためにこのユニタリ行列を有効チャンネルとして使用する。より詳細には、本発明の第２部分（サブセクションＣ.３）は、フルチャンネル行列フィードバックを回避しながら、ＴＨＰプリコーダを実現することを記述するものである。それぞれのチャンネル行列をフィードバックするのにすべてのＵＥを必要とする従来のアプローチと異なり、本発明で提案する方法は、それぞれのチャンネル行列の右特異ベクトルに属すユニタリ行列に属す列ベクトルのサブセットをＵＥが送信することを必要とする。ＢＳにおいて、異なるＵＥによって送信された列ベクトルを使用することによりＴＨＰプリコーダを実現できる。必要な情報をＢＳに伝えるのに数ビットを使用できるコードブックアプローチを使用することにより、ＵＥからのフィードバック量を更に低減できる。

Ａ．無線送信システム

図１は、本発明の一実施例に係わるマルチアンテナ基地局（ＢＳ）および多数のユーザーターミナル（ＵＥ）のダウンリンクチャンネル表示を示すマルチユーザーマルチ入力マルチ出力（ＭＵ−ＭＩＭＯ）無線システムの一例を示す。

Ａ．１．チャンネル行列の定義

１つのＢＳと数個のＵＥとの間のダウンリンクチャンネルは、行数がＵＥにおけるアンテナの総数に等しく、列数がＢＳにおける送信アンテナの数に等しい行列Ｈとして通常示される。（ｉ、ｊ）番目の成分は、図１に示されるように、ｉ番目の送信アンテナとｊ番目の受信アンテナとの間の複合チャンネル利得ｈ_ｉｊを示す。特に複合チャンネル利得ｈ_ｉｊは、送信された信号が無線チャンネル内で受ける増幅率（または減衰率）を示す。

Ａ．２．チャンネル行列の推定

ＯＦＤＭＡのような周波数分割デュプレックス（ＦＤＤ）システムでは、通常ＵＥエンド側で複合チャンネル利得ｈ_ｉｊを推定する。チャンネル推定プロセスは次のとおりである。まず最初に、ＢＳにてアンテナ＃１が基準信号を送信する。各受信アンテナにおいて、ＵＥすべてが受信した信号を推定する。基準信号は、すべてのＵＥに既知であるので、（ノイズレベルが基準信号パワーよりも十分低いと仮定し）１番目の送信アンテナに対応するチャンネル利得を決定できる。次に送信アンテナ＃２から＃Ｎまでこの手順を繰り返す。

このようにｋ番目のＵＥに対応するチャンネル行列Ｈ_ｋを推定できる。その後、すべてのＵＥが専用フィードバックチャンネルを使用してそれぞれのチャンネルをＢＳにレポートし戻す。次にＢＳは全体のチャンネル行列Ｈを得るのに個々のチャンネル行列を合体できる。

時間分割デュプレックス（ＴＤＤ）システムでは、チャンネル相反特性（すなわちある数式によってＵＬチャンネルとＤＬチャンネルが関連づけされる）を使ってＢＳにてチャンネル行列を推定できる。かかるシステムに対し、所定の時間においてＵＥのうちの１つが所定のアンテナを使って基準信号を送信する。この信号は、ＢＳにおけるすべてのアンテナによって捕捉されるので、対応するチャンネル利得が知られる。利用できるすべてのアンテナに対し、すべてのＵＥによってこのプロセスが繰り返される。この結果、全体のアップリンクチャンネル行列が推定される。次に、ＢＳは等価的ダウンリンクチャンネルを得るために（複素共役）のようなある数学的変換式を使用できる。

Ａ．３．基地局からユーザーターミナルへの情報の流れ

図２は、図１の基地局におけるダウンリンク情報の流れに対する通信ブロック図の一例を示す。異なるＵＥに送るべき情報は、異なるコードワード（単一のＵＥに対して１つ以上のコードワードを割り当てできる）によって表示されている。次に、ＢＳとＵＥの双方に知られている所定のスクランブリングコード（スクランブリングブロック）を使用して所定のコードワード内のビットをスクランブルする。次に、複素変調シンボル（例えばＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、ＱＡＭなど）にこのスクランブルされたビットをマッピングする（変調マッパーブロック）。次にこれら情報シンボルは、図２に示されるようにレイヤー（複素シンボルのストリーム）にマッピング（レイヤーマッパーブロック）される。通常レイヤーの数は、チャンネル行列Ｈのランク（階数）以下である。次に（ＧＤＦＥまたはＴＨＰなどを実行する）プリコーディングブロック内で、異なるレイヤーにマッピングされた情報シンボルを処理する。次に、（ＯＦＤＭトーンとタイムスロットの四角形グリッドとなっている）リソース要素マッパーブロック内のリソース要素にプリコードされたシンボルをマッピングする。次にこれらシンボルをＯＦＤＭ信号発生器へ送り、送信アンテナポートにその出力をマッピングする。

Ａ．４．ＭＩＭＯプリコーダ

マルチアンテナＢＳが多数のＵＥに同時データストリームを送り、ＢＣチャンネルの達成可能なレートを最大にできるようにする既知のプリコーディング技術はいくつか存在する。第３世代のパートナーシッププロジェクト；技術仕様グループの無線アクセスネットワーク、進化したユニバーサル地上波無線アクセス（Ｅ−ＵＴＲＡ）、物理的チャンネルおよび変調（レリース８）、３ＧＴＰＴＳ３６.２１１Ｖ８.６.０（２００９−０３）［４］において、トムリンソン−原島プリコーディング（ＴＨＰ）として知られる非線形のプリコーディング方式が提案された。この方式の基本的コンポーネントは、図３に示されている。このＴＨＰプリコーダは、干渉プリキャンセルブロック（三角行列Ｂ）から成り、このブロックはｋ番目のステップで符号化されたシンボルベクトルが（ｋ−１）個のシンボルベクトルからの干渉しか受けないことを保証することを助ける。送信パワーを越えないことを保証するのにモジュロ演算が使用される。線形プリコーディング技術と異なり、ＴＨＰは有効チャンネル行列を三角化し、より大きいシステムキャパシティを提供する。一般に、ＴＨＰは正方形チャンネル行列に対し、最適に近いキャパシティを提供する。しかしながら、（すべてのＵＥのアンテナの数の合計がＢＳの数を超えるときの）四角形チャンネル行列に対してはキャパシティの損失は重大となる。線形プリコーディング技術と同じように、ＴＨＰも性能の低下を伴って等パワー割り当てで機能し得る。

ウェイ・ユー氏は、スタンフォード大学博士号論文である「マルチアンテナ一斉送信チャンネルのためのキャパシティおよび符号化」（２００２年２月）において、一般化された決定フィードバック等化器（ＧＤＦＥ）プリコーダを紹介した。ユー氏はＢＣチャンネルのキャパシティを達成したことを証明した。上記米国特許出願第１２／４０１，７１１号および同第１２／５５４，０８２号には、ウェイ・ユー氏の論文で示されたアルゴリズムに関連するコンピュータ計算上の複雑さを低減するための新しいＧＤＦＥアルゴリズムが示されている。上記に引用したウィンドパッシンガー外による論文［１］と同様に、これら２つの米国公開特許出願におけるアルゴリズムは、ＧＤＦＥプリコーダを実現するのに、不等パワー割り当てに依存している。２００８年１０月２８日に出願された国際特許出願第ＰＣＴ／ＪＰ２００８／０６９５４０号「マルチユーザーＭＩＭＯ無線通信方法および無線通信装置」［５］において、受信ビームフォーミングを行うＴＨＰが検討されている。

Ｄ．干渉プリキャンセルを使用するＴＨＰプリコーディングのためのシステムモデル

図４は、本発明の一実施形態に係わるＴＨＰプリコーダのためのブロック図の一例を示す。

まず本願で使用するシステムモデルおよび表記法について記載する。ＢＳがＮ個の数のアンテナを有し、ｋ番目のＵＥ上にＬ_ｋ個のアンテナを有するＫ個のＵＥが存在すると仮定する。ＵＥすべてにおけるアンテナの総数をL=Σ_k=1 ^K L_kと表示する。Ｈ_ｋは、ＢＳとｋ番目のＵＥとの間の次元｛Ｌ_ｋ×Ｎ｝のチャンネル利得行列を示すものとする。ＢＳとＫ個のＵＥとの間の結合されたチャンネル利得行列は、次元｛Ｌ×Ｎ｝であり、

（ここで上付き文字Ｔは、転置行列を示す）によって示される。

ａ_ｋがｋ番目のＵＥを目的とする入力シンボルベクトルを示すものとすると、スタックされた入力ベクトルをa = [a₁ ^T a₂ ^T … a_K ^T]^Tと表示できる。Ａの長さはＢＳにおけるアンテナの数を超えないものと仮定する。更に、S_aa = E[aa^H] = I（ここでＥ［．］は、偏角の時間平均を示し、上付き文字Ｈは、共役転置行列を示し、Ｉは、単位行列を示す）である付加的制限も仮定する。

図４に示されるように、ＴＨＰプリコーダはＢ−Ｉ（ここでＢは、より低い三角形行列の構造を有する）によって示される干渉プリキャンセルブロックを含む。このブロックの機能は、ウィンドパッシンガー外の参考文献［１］で記載されているものと同じである。すなわちｋ番目のステップで符号化されたベクトルＡ内のシンボルは、（ｋ−１）個のシンボルからの干渉しか受けない。参考文献［１］内の記載と同じように、干渉プリキャンセルステージ後に得られるベクトル

の全送信パワーを制限するのにモジュロ演算を使用する。次に、送信フィルタＦにベクトル

を通過させ、ベクトルｘを発生させ、このベクトルを送信のために基地局の送信アンテナエレメントへマッピングする。特にF = MΣ^1/2（ここでＭはユニタリ行列であり、Σはパワー制限

を満たす対角行列）である。ここで、Ｐ_ｔは、利用可能な全送信パワーを示し、ｔｒａｃｅ（．）は、行列偏角の対角要素の合計を示す。受信エンド側において、ＵＥは、スカラー量（ｇ_ｋｉ）を使って受信したベースバンド信号をスケールダウンし、その後モジュロ演算を実行し、元のコンステレーションポイントに受信した信号を再度マッピングする。この演算の詳細についてはウィンドパッシンガー外の参考文献［１］で見ることができる。

Ｃ．プリコーダ行列のコンピュータ計算

Ｃ．１．チャンネル推定

各ＵＥはＢＳに関連する対応するＤＬチャンネルを決定する。Ｈ_ｋは、ｋ番目のＵＥに対する推定されたＤＬチャンネル行列を示す。セクションＢに述べたように、全体のチャンネル行列Ｈは、

である。

Ｃ．２．ＵＥからＢＳへのフルチャンネルフィードバックを仮定した受信機処理行列のコンピュータ計算

次にＢＳはｋ番目のＵＥに対する対応するＵＬチャンネル

のための最適入力共分散行列Φ_ｋを決定する。上記のように、これら行列は最適である必要はない。実用目的として、ジンダール外による参考文献［３］のアルゴリズムを使用した１回または２回の繰り返しで一般に十分である。更にこれを詳細に行うためにＢＳは、ＢＳへのＵＬ送信にすべてのＵＬが関与し、ＵＥのうちのどれも他のＵＥと送信されたデータを共用しない旨のシナリオを検討する。数学的な条件では、

がすべてのＵＥに対する結合送信ベクトルを示す場合、関連する入力共分散行列は

のように定められる。

更にすべてのＵＥが使用する全送信パワーが元のダウンリンク送信のためにＢＳにおいて利用可能な送信パワーを超えないものと仮定する。

等価的ＵＬチャンネルに対して最適キャパシティを得るために、これら行列のすべてがＨに依存するものとして通常これら行列を共にコンピュータ計算する。これら行列を計算するのにジンダール外による参考文献［３］または米国公開特許出願第１２／５５４，０６９号に記載のアプローチを使用できる。

次に、ＢＳは、

のように示される各Φ_ｋに関連する固有ベクトルＵ_ｋを決定する。ここで、Ｕ_ｋは固有ベクトルから成るユニタリ行列であり、Γ_ｋは固有値から成る対角行列であり、ｋ番目のＵＥに関連する受信機処理行列Ｖｋを

とする。

次にＢＳは明示的に、または３ＧＰＰＴＳ３６.２１１Ｖ８.６.０（２００９−０３）のセクション６.３.４.２.３に記載の方法に類似するコードブック方法により、これら受信機処理行列をそれぞれのＵＥへ送る。

Ｃ．２．１．ＴＨＰプリコーダ行列のコンピュータ計算

次にＢＳは、下記のように行列｛Ｂ、Ｆ｝をコンピュータ計算する。

ａ）

のような有効ＤＬチャンネル行列を得る。

ｂ）

のように列枢軸選択により行列

のＱＲ分解をコンピュータ計算する。
ここで、Ｅは、置換行列であり、Ｑは、ユニタリ行列であり、Ｒは,上三角行列である。列枢軸選択することにより、Ｒの対角成分が大きさの降順となることを保証できる。次のコマンド

により、行列Ｅ、ＱおよびＲをコンピュータ計算するのに、ＭＡＴＬＡＢ（登録商標）ソフトウェアの「ｑｒ」機能を使用できる。

ｃ）ＴＨＰプリコーダ行列をコンピュータ計算する。まず

のように（Ｌ−Ｎ）の終端ゼロ対角成分を有する（Ｌ×Ｌ）の対角行列Ｊを定義する。ここで、ｒ_ｋｋは行列Ｒのｋ番目の対角要素を示す。

次に

のようなＴＨＰ行列をコンピュータ計算する。

等パワー割り当てを行うために

を設定できる。最適なキャパシティにするためにはウォーターフィリングを実行し、（行列Ｆの対角によって示される）最強のチャンネルモードにより大きいパワーが割り当てられるように保証しなければならない。このことは、行列Ｆの二乗された対角成分にわたってウォーターフィリングを実行することによって達成できる。

Ｃ．２．２．ユーザーターミナルのためのスカラー重みのコンピュータ計算

行列Ｇを

として定める。
次に、ＢＳはｋ番目のＵＥのうちのｉ番目の受信アンテナに対するスカラー重みｇ_ｋｉを行列Ｇの

番目の列の最大の列要素として決定できる。ここで、ｒ_ｍはｍ番目のＵＥに対する有効ＤＬチャンネル行列

内の行の数（この数はｍ番目のＵＥにおけるアンテナの数と同じである数を示す）。

図５は、基地局へのフルチャンネルフィードバックを仮定して提案するＴＨＰ方法を実施するのに必要なコンピュータ計算のシーケンスを示すフローチャートの一例を示す。ステップ５０２において、本方法は、式（１）で示されるようなチャンネル行列

を推定する。ステップ５０４において、本方法は式（２）に従ってＫ個のユーザーのＵＬ共分散行列Φ_ｋとしてをコンピュータ計算する。ステップ５０６において本方法は、式（４）に従い、固有ベクトルの分解行列

を計算する。ステップ５０８では、本方法は、式（５）に従い、受信機処理行列V_k = U_k ^Hを計算する。ステップ５１０において、本方法は、式（６）に従い有効ＤＬチャンネル行列H_eff = [H₁ ^HV^H… H_K ^HV_K ^H]^Hを計算する。ステップ５１２では、本方法は、式（７）に従い、ＱＲ分解行列H_eff ^HE = QRをコンピュータ計算し、ステップ５１４において本方法は、ＲのＮ個の対角成分で対角行列Ｊを定義し、式（９）に従い、ＴＨＰ行列をB = JR^Hとしてコンピュータ計算し、式（１０）に従い、F = Σ^1/2Q^Hをコンピュータ計算する。等パワー割り当てのために本方法は、Σの成分をＰ_ｔ／Ｎとして設定し、ステップ５１６において本方法は、式（１１）に従い、ＵＥ乗算率G = JE^Hを計算する。

Ｃ．２．３．数値例

次の数値例は、ＴＨＰプリコーダの提案される設計に関係する種々の行列のコンピュータ計算を示す。双方のユーザーが関連するチャンネル行列が（１２）に示されるような次元２×２となるように、２つのアンテナを有する１つのＢＳおよび２つのアンテナを各々が有する２つのＵＥについて検討する。送信パワーを４０と仮定し、簡潔にするために実際の下記（ステップ５０２）のような実際のチャンネルを検討する。

次に、ジンタール外の参考文献［３］内のアルゴリズムを使用し、等価的アップリンクチャンネルに対する入力共分散行列

をコンピュータ計算する。文献［３］内のアルゴリズムを２回繰り返すことにより、これら行列をコンピュータ計算する（ステップ５０４）。

次に

のように、固有値分解（ＥＶＤ）を実行（ステップ５０６）し、２つのＵＥに対する次のような受信機処理行列を得る（ステップ５０８）。

次に、下記のように有効ＤＬチャンネル行列をコンピュータ計算する。（ステップ５１０）。

次にＭＡＴＬＡＢ（登録商標）のコマンド

を使用する列枢軸選択により、

のＱＲ分解を実行し、次の行列を得る。（ステップ５１２）

（１８）〜（２０）内の行列を使用し、次のような行列をコンピュータ計算する（ステップ５１４）。

干渉プリキャンセル行列Ｂ内の最後の２つのゼロ行は、ＢＳが２つのシンボルしか送信できないことを示す。従って、Ｂの最初の２つの行によって形成されたサブ行列を使用し、干渉プリキャンセルを実行する。等パワー割り当て（すなわちΣ＝（４０／２）Ｉ_２）を

と仮定し、送信フィルタＦをコンピュータ計算できる。

最後に、まず行列Ｇを

としてコンピュータ計算し（ステップ５１６）、
次にスカラー重みをｇ_１１＝０、ｇ_１２＝０.８７２３、ｇ_２１＝０およびｇ_２２＝０.６７９７とすることにより、受信フィルタリング後、ＵＥで使用されるスカラー重みを決定できる。

Ｃ．３．低減されたフィードバックオーバーヘッドアルゴリズム：送信機／受信機処理行列のコンピュータ計算方法

各ＵＥは、次の

のようなＳＶＤ分解を実行する。ここで行列Ｙ_ｋは、左特異ベクトルを示し、Ｓ_ｋは，主対角に特異値を含む対角行列を示し、Ｗ_ｋは、右特異ベクトルを示す。Ｓ_ｋの対角成分がすべて非ゼロとなるようにＳＶＤ分解を実行することを提案する（例えばこれは「ｅｃｏｎ」オプションと共にＭＡＴＬＡＢソフトウェア機能「ｓｖｄ」を使用することにより達成できる。

ＵＥは、（図４に示されるように受信機処理のために

を使用し、次のような推定チャンネル、すなわち

をＢＳに通知することが推奨される。ここで、行列

は、Ｗ_ｋの列を選択することによって形成される（

とすることも可能である）。

内の列の数は、ＢＳによってｋ番目のＵＥに送ることができる空間ストリームの最大数を示す。この数は、ＵＥ単独またはＢＳによって決定できる。ＵＥは明示的に、または参考文献［４］３ＧＰＰＴＳ３６.２１１Ｖ８.６.０のセクション６．３．４．２．３に記載されている方法と同様なコードブック方法により、

マトリックスをＢＳに送る。

Ｃ．３．１ＴＨＰプリコーダ行列のコンピュータ計算

すなわち、ａ）

として有効ＤＬチャンネル行列を得る。

ｂ）

のように行列

のＱＲ分解をコンピュータ計算する。
ここで、Ｑは，ユニタリ行列であり、Ｒは，上三角行列である。

ｃ）ＴＨＰプリコーダ行列をコンピュータ計算する。まず

として（Ｌ−Ｎ）の終端ゼロ対角成分を有する（Ｌ×Ｌ）の対角行列Ｇを定義する。ここで、ｒ_ｋｋは、行列Ｒのｋ番目の対角要素を示す。

次に

のようなＴＨＰ行列をコンピュータ計算する。

等パワー割り当てを行うために

とすることができる。

Ｃ．３．２．ユーザーターミナルのためのスカラー重みのコンピュータ計算

次に、ＢＳは、ｋ番目のＵＥのうちのｉ番目の受信アンテナに対するスカラー重みｇ_ｋｉを行列Ｇの

番目の対角要素として決定できる。ここで、ｒ_ｍは、（ｍ番目のＵＥにおけるアンテナの数以下である）

内の行の数を示す。

図６は、ユーザーターミナルから基地局への低減されたチャンネルフィードバックオーバーヘッドを使用した提案するＴＨＰ方法を実施するのに必要なコンピュータ計算のシーケンスを示すフローチャートの一例を示す。ステップ６０２において、ＵＥは、ＤＬチャンネル行列Ｈ_ｋを推定する。ステップ６０４において、本方法は、式（２５）に従ってＳＶＤ分解行列

をコンピュータ計算する。ステップ６０６では、各ＵＥは、受信機処理行列としてY_k ^Hを使用する。ステップ６０８において、各ＵＥは、式（２６）に従い有効チャンネル行列として

をフィードバックする。この行列

は、Ｗ_ｋの列ベクトルからなる。ステップ６１２では、ＢＳは、式（２７）に従い有効ＤＬチャンネル行列

をコンピュータ計算し、ステップ６１２では、この方法は、式（２８）に従い、ＱＲ分解行列H_eff ^H = QRを計算する。ステップ６１４では、本方法は、行列Ｒの反転対角成分から成る対角行列Ｇを定義し、式（３０）に従い、ＴＨＰ行列をB = GR^Hとしてコンピュータ計算し、式（３１）に従い、F = Σ^1/2Q^Hをコンピュータ計算する。等パワー割り当てのために本方法は、Σの成分をＰ_ｔ／Ｎとして設定し、ステップ６１６において本方法は、行列Ｇの対角成分からＵＥ乗算率を設定する。

本発明は、ＭＵ−ＭＩＭＯネットワークのための現行のＴＨＰプリコーダ技術に対する改良である。最初に提案したアルゴリズム（図５）はＧＤＦＥプリコーダと比較すると、コンピュータ計算上の複雑さおよびフィードバックオーバーヘッドが大幅に低減された、シャノンのキャパシティに近い性能を得るのに理想的である。第２の提案アルゴリズム（図６）は、ＵＥからＢＳへのフルチャンネルフィードバックの条件を緩和しているので、現行のＴＨＰプリコーダ技術に対する改良となっている。第１アルゴリズムのキーとなる利点は、ＴＨＰ方式のスループットの利点を維持しながら、マルチユーザービームフォーミング技術（リニアプリコーディング方法）と同じフィードバックオーバーヘッドでよいことである。このことは、ＬＴＥ−Ａ標準化アクティビティに対する良好な潜在力を有する。第２のアルゴリズムのキーとなる利点は、コンピュータ計算上の複雑さを大幅に高めることなく、シャノンのチャンネルキャパシティをほとんど達成するのに周知のＴＨＰプリコーダを改善していることである。

本発明を実施するコンピュータおよび記憶システムは、上記発明を実施するのに使用されるモジュール、プログラムおよびデータ構造を記憶し、読み出すことができる公知のＩ／Ｏデバイス（例えばＣＤおよびＤＶＤドライブ、フロッピー（登録商標）ディスクドライブ、ハードドライブなど）を有することができる。これらモジュール、プログラムおよびデータ構造は、かかるコンピュータが読み取り可能なメディアに符号化できる。例えば本発明のデータ構造は、本発明で使用するプログラムが常駐する１つ以上のコンピュータが読み取り可能なメディアから独立した状態で、コンピュータが読み取り可能なメディアに記憶できる。このシステムのコンポーネントは、任意のフォームまたはデジタルデータ通信のメディア、例えば、通信ネットワークによって相互に接続できる。通信ネットワークの例として、ローカルエリアネットワーク、ワイドエリアネットワーク、例えばインターネット、無線ネットワーク、記憶エリアネットワークなどを挙げることができる。

これまでの記載において、本発明を完全に理解できるように説明するために、多数の細部を記載した。しかしながら当業者には本発明を実施するのにこれら特定の細部のすべてが必要ではないことが明らかとなろう。本発明は通常、フローチャート、フローダイアグラム、構造ダイアグラムまたはブロック図として示されるプロセスとして記載できることにも理解できよう。フローチャートは、シーケンシャルなプロセスとして演算を説明できるが、これら演算の多くはパラレルすなわち同時に実行できるものである。更にこれら演算の順序は、入れ替えてもよい。

当技術分野で知られているように、ハードウェア、ソフトウェア、またはソフトウェアとハードウェアのある組み合わせによって、上記演算を実行できる。回路および論理デバイス（ハードウェア）を使って本発明で種々の様相を実施してもよいし、マシンで読み取り可能なメデイア（ソフトウェア）に記憶された命令を使用して、別の様相を実施してもよく、これら命令はプロセッサによって実行する場合にプロセッサに本発明の実施形態を実行する方法を実施させる。更にハードウェア単独で本発明の一部の実施形態を実行してもよいし、ソフトウェア単独で別の実施形態を実行してもよい。更に、上記種々の機能を特異ユニット内で実施することもできるし、多数の方法で多数のコンンポーネントにわたって種々の機能を拡散してもよい。ソフトウェアによってこれら方法を実施するとき、コンピュータで読み取り可能なメディアに記憶されている命令に基づき、プロセッサ、例えば汎用コンピュータによってこれら方法を実行してもよい。所望する場合には、圧縮されたフォーマットおよび／または暗号化されたフォーマットでメディアに命令を記憶することができる。

これまでの記載から、本発明は、ＭＵ−ＭＩＭＯシステム内で付加的受信機処理を行うトムリンソン−原島プリコーディング（ＴＨＰ）のための方法、装置およびコンピュータで読み取り可能なメディアに記憶されたプログラムを提供することが明らかとなろう。更に、本明細書において、特定の実施形態を図示し、記載したが、当業者であれば、開示した特定の実施形態を、同じ目的を奏するように計算された任意の配置に置換できることが理解できよう。この開示は本発明の任意のすべての適合例および変形例をカバーするものであり、特許請求の範囲に使用する用語は本発明を明細書に開示した特定の実施形態だけに限定するものと介すべきでないと理解すべきである。むしろ特許請求の範囲が記載するフルレンジの均等物と共に特許請求の範囲の解釈に関する確立された原則に従って理解すべきである特許請求のみによって本発明の範囲を決定すべきである。

Claims

アップリンク（ＵＬ）チャンネルおよび対応するダウンリンク（ＤＬ）チャンネルを介してＮ個のアンテナおよび利用可能な送信パワーとしてＰ_ｔを有する基地局と通信するＫ個のユーザーターミナル（ＵＥ）を有するマルチユーザーマルチ入力マルチ出力（ＭＵ−ＭＩＭＯ）無線システムの基地局（ＢＳ）において、トムリンソン−原島プリコーダによりユーザーシンボルを処理するための方法であって、
前記ＢＳが、Ｋ個のＵＥの各々のためのＤＬチャンネル行列Ｈ_ｋを推定するステップと、
前記ＢＳが、Ｋ個のＵＥの各々に対する受信機処理行列Ｖ_ｋを決定するステップと、
前記ＢＳが、前記ＤＬチャンネル行列Ｈ_ｋおよび受信機処理行列Ｖ_ｋに基づき、有効ＤＬチャンネル行列Ｈ_ｅｆｆをコンピュータ計算するステップと、
前記ＢＳが、Ｑがユニタリ行列であり、Ｒが上三角行列である列枢軸選択により、有効ＤＬチャンネル行列Ｈ_ｅｆｆのＱＲ分解（ＱＲＤ）を実行するステップと、
前記ＢＳが、前記ユニタリ行列Ｑおよび前記上三角行列Ｒを使用し、トムリンソン−原島プリコーダ行列をコンピュータ計算するステップと、
前記ＢＳが、前記上三角行列Ｒを使用し、前記ＵＥのためのスカラー重みを計算するステップと、
前記ＢＳが、前記トムリンソン−原島プリコーダ行列を有する前記トムリンソン−原島プリコーダにより、ユーザーシンボルを処理し、前記ＵＥのためのフィルタにかけられたベクトルシンボルの出力を発生するステップと、
前記ＢＳが、前記ＤＬチャンネル行列によって示されるチャンネル、このチャンネルを介して、前記ユーザーターミナルを有する前記無線システム内での通信が行われる、へ、前記トムリンソン−原島プリコーダの前記出力を向けるステップと、
前記ＵＥが、前記Ｋ個のＵＥの各々に対し、前記受信機処理行列Ｖ_ｋに基づき、前記ＵＥにおいて送信された信号に対する付加的受信機処理を実行するステップと、
前記ＵＥが、前記ＵＥにおいて前記送信された信号上で前記スカラー重みを使用するステップとを備え、
前記ＤＬチャンネル行列Ｈは、

であり、前記Ｋ個のＵＥの各々に対する受信機処理行列Ｖ_ｋを決定する前記ステップは、
前記Ｋ個のＵＥの各々に対し、ｋ番目のＵＥに対する対応するＵＬチャンネル

のための入力共分散行列Φ_ｋを

、ここで、

は、すべてのＵＥに対する結合送信ベクトルを示し、Ｅ［．］は、この偏角の時間平均を示す、として決定するステップと、

に示されるように、すべてのＵＥによって使用される総送信パワーが、元のダウンリンク送信のために前記ＢＳにおいて利用可能な送信パワーＰ_ｔを超えないことを仮定するステップと、
各Φｋに関連する固有ベクトルＵ_ｋを

となるように決定するステップと、
ｋ番目のＵＥに関連する受信機処理行列Ｖ_ｋを

とするステップとを含む、ユーザーシンボルを処理するための方法。
有効ＤＬチャンネル行列Ｈ_ｅｆｆをコンピュータ計算する前記ステップは、
前記ＢＳにより、

をコンピュータ計算するステップを含む、請求項１に記載の方法。
列枢軸選択により前記有効ＤＬチャンネル行列Ｈ_ｅｆｆのＱＲ分解（ＱＲＤ）を実行する前記ステップは、

ここでＥは、置換行列である、を前記ＢＳが、コンピュータ計算するステップを含む、請求項２に記載の方法。
トムリンソン−原島プリコーダ行列をコンピュータ計算する前記ステップは、
（Ｌ−Ｎ）個の終端ゼロ対角成分を有する（Ｌ×Ｌ）の対角行列Ｊを

、ここでｒ_ｋｋは、行列Ｒのｋ番目の対角要素を示す、と定義するステップと、
B = JR^H
ここでトムリンソン−原島プリコーダは、Ｂ−Ｉによって表示される干渉プリキャンセルブロックを含み、Ｉは、ユニタリ行列を示し、干渉プリキャンセル行列Ｂは、下三角行列の構造を有する、をコンピュータ計算するステップと、
前記トムリンソン−原島プリコーダにおいて、送信フィルタのための送信フィルタ行列
F = Σ^1/2Q^H
ここで、Σは、パワー制限：

を満たす対角行列である、を前記ＢＳが、コンピュータ計算するステップとを含む、請求項３に記載の方法。
前記ＵＥのためのスカラー重みを計算する前記ステップは、
前記ＢＳが、行列ＧをG = JE^Hとして定義するステップと、
前記ＢＳが、ｋ番目のＵＥのｉ番目の受信アンテナに対するゼロスカラー重みｇ_ｋｉを、行列Ｇの

番目のコラム、ここでｒ_ｍは、ｍ番目のＵＥのための前記有効ＤＬチャンネル行列

内の行の数を示す、の非ゼロ成分と決定するステップとを含む、請求項４に記載の方法。
前記ＢＳが、前記ＵＥに対する、フィルタにかけられたベクトルシンボルの出力を生成するように、前記トムリンソン−原島プリコーダ行列を有する前記トムリンソン−原島プリコーダによってユーザーシンボルを処理する前記ステップは、
前記ＢＳが、フィードフォワードパス内に配置されたモジュロユニットを通過するように、前記ユーザーシンボルを向け、フィードバックパス内に配置された干渉プリキャンセルブロック、ここでこの干渉プリキャンセルブロックは、Ｂ−Ｉで表示され、またここでＢは、干渉プリキャンセル行列であり、Ｉは、単位行列であり、を介してフィードバックされるベクトルシンボルを生成するステップと、
前記ＢＳが、前記フィードフォワードパス内の前記モジュロユニットに印加された前記ユーザーシンボルから、前記干渉プリキャンセルブロックの出力信号を減算するステップと、
前記ＢＳが、前記フィードフォワードパス内の送信フィルタ行列Ｆによって表示された送信フィルタに前記ベクトルシンボルを通過させ、前記ＢＳからフィルタにかけられたベクトルシンボルの出力を生成するステップとを備える、請求項１に記載の方法。
アップリンク（ＵＬ）チャンネルおよび対応するダウンリンク（ＤＬ）チャンネルを介してＮ個のアンテナおよび利用可能な送信パワーとしてＰ_ｔを有する基地局と通信するＫ個のユーザーターミナル（ＵＥ）を有するマルチユーザーマルチ入力マルチ出力（ＭＵ−ＭＩＭＯ）無線システムの基地局（ＢＳ）において、トムリンソン−原島プリコーダによりユーザーシンボルを処理するための方法であって、
前記ＵＥが、Ｋ個のＵＥの各々のためのＤＬチャンネル行列Ｈ_ｋを推定するステップと、
前記ＵＥが、Ｋ個のＵＥの各々に対する受信機処理行列Ｖ_ｋを決定するステップと、
前記ＢＳが、前記ＤＬチャンネル行列Ｈ_ｋおよび受信機処理行列Ｖ_ｋに基づき、有効ＤＬチャンネル行列Ｈ_ｅｆｆをコンピュータ計算するステップと、
前記ＢＳが、Ｑがユニタリ行列であり、Ｒが上三角行列である列枢軸選択により、有効ＤＬチャンネル行列Ｈ_ｅｆｆのＱＲ分解（ＱＲＤ）を実行するステップと、
前記ＢＳが、前記ユニタリ行列Ｑおよび前記上三角行列Ｒを使用し、トムリンソン−原島プリコーダ行列をコンピュータ計算するステップと、
前記ＢＳが、前記上三角行列Ｒを使用し、前記ＵＥのためのスカラー重みを計算するステップと、
前記ＢＳが、前記トムリンソン−原島プリコーダ行列を有する前記トムリンソン−原島プリコーダにより、ユーザーシンボルを処理し、前記ＵＥのためのフィルタにかけられたベクトルシンボルの出力を発生するステップと、
前記ＢＳが、前記ＤＬチャンネル行列によって示されるチャンネル、このチャンネルを介して、前記ユーザーターミナルを有する前記無線システム内での通信が行われる、へ、前記トムリンソン−原島プリコーダの前記出力を向けるステップと、
前記ＢＳが、前記Ｋ個のＵＥの各々に対し、前記受信機処理行列Ｖ_ｋに基づき、前記ＵＥにおいて送信された信号に対する付加的受信機処理を実行するステップと、
前記ＢＳが、前記ＵＥにおいて前記送信された信号上で前記スカラー重みを使用するステップとを備え、
前記ＤＬチャンネル行列Ｈは、

であり、前記ｋ個のＵＥの各々に対する受信機処理行列Ｖ_ｋを決定する前記ステップは、

ここで行列Ｙ_ｋは、左特異ベクトルを示し、Ｓ_ｋは、主要対角における特異値を含む対角行列を示し、Ｗ_ｋは、右特異ベクトルを示す、のようにＵＥのＳＶＤ分解を実行するステップと、
ｋ番目のＵＥに関連する推定された受信機処理行列を、

とするステップとを含む、ユーザーシンボルを処理するための方法。
有効ＤＬチャンネル行列Ｈ_ｅｆｆをコンピュータ計算する前記ステップは、
前記ＵＥにより、

、ここで行列

は、Ｗ_ｋの列を選択することにより形成される、をコンピュータ計算するステップを含む、請求項７に記載の方法。
列枢軸選択により、前記有効ＤＬチャンネル行列Ｈ_ｅｆｆのＱＲ分解（ＱＲＤ）を実行する前記ステップは、

をコンピュータ計算するステップを含む、請求項８に記載の方法。
トムリンソン−原島プリコーダ行列をコンピュータ計算する前記ステップは、
（Ｌ−Ｎ）個の終端ゼロ対角成分を有する（Ｌ×Ｌ）の対角行列Ｊを

、ここでｒ_ｋｋは、行列Ｒのｋ番目の対角要素を示す、と定義するステップと、
B = GR^H
（ここでトムリンソン−原島プリコーダは、Ｂ−Ｉによって表示される干渉プリキャンセルブロックを含み、Ｉは、単位行列を示し、干渉プリキャンセル行列Ｂは、下三角行列の構造を有する）をコンピュータ計算するステップと、
前記トムリンソン−原島プリコーダにおいて、送信フィルタのための送信フィルタ行列F = Σ^1/2Q^Hここで、Σは、パワー制限：

を満たす対角行列である、をコンピュータ計算するステップとを含む、請求項９に記載の方法。
前記ＵＥのためのスカラー重みを計算する前記ステップは、
ｋ番目のＵＥのｉ番目の受信アンテナに対するスカラー重みｇ_ｋｉを、行列Ｇの

番目の対角要素、ここでｒ_ｍは

内の行数を示す、の非ゼロ列成分として定めるステップを含む、請求項１０に記載の方法。
前記ＵＥに対する、フィルタにかけられたベクトルシンボルの出力を生成するように、前記トムリンソン−原島プリコーダ行列を有する前記トムリンソン−原島プリコーダによってユーザーシンボルを処理する前記ステップは、
フィードフォワードパス内に配置されたモジュロユニットを通過するように、前記ユーザーシンボルを向け、フィードバックパス内に配置された干渉プリキャンセルブロック、ここでこの干渉プリキャンセルブロックは、Ｂ−Ｉで表示され、またここでＢは、干渉プリキャンセル行列であり、Ｉは、単位行列であり、を介してフィードバックされるベクトルシンボルを生成するステップと、
前記フィードフォワードパス内の前記モジュロユニットに印加された前記ユーザーシンボルから、前記干渉プリキャンセルブロックの出力信号を減算するステップと、
前記フィードフォワードパス内の送信フィルタ行列Ｆによって表示された送信フィルタに前記ベクトルシンボルを通過させ、前記ＢＳからフィルタにかけられたベクトルシンボルの出力を生成するステップとを備える、請求項７に記載の方法。
Ｎ個のアンテナおよび利用可能な送信パワーとしてＰ_ｔを有する基地局（ＢＳ）と、アップリンク（ＵＬ）チャンネルおよび対応するダウンリンク（ＤＬ）チャンネル、ここでＢＳは、ユーザーシンボルを処理し、ＵＥのためのフィルタのかけられたベクトルシンボルの出力を生成するためのトムリンソン−原島プリコーダを含む、を介して前記基地局と通信する複数のＫ個のユーザーターミナル（ＵＥ）と、
前記トムリンソン−原島プリコーダの前記出力を受信するための前記ＤＬチャンネル、このＤＬチャンネルを介して、前記ユーザーターミナルとの通信が無線システム内で行われる、のＤＬチャンネル行列によって示されるチャンネルとを備え、
前記トムリンソン−原島プリコーダは、干渉プリキャンセルブロックのための干渉プリキャンセル行列Ｂおよび送信フィルタのための送信フィルタ行列Ｆを備え、これら行列は、前記ＢＳが、前記Ｋ個のＵＥの各々のためのＤＬチャンネル行列Ｈｋを推定し、前記ＢＳが、前記Ｋ個のＵＥの各々のための受信機処理行列（Ｖ_ｋ）を決定し、前記ＢＳが、前記ＤＬチャンネル行列Ｈ_kおよび受信機処理行列Ｖ_kに基づき、有効ＤＬチャンネル行列Ｈ_ｅｆｆをコンピュータ計算し、前記ＢＳが、列枢軸選択により前記有効ＤＬチャンネル行列Ｈ_ｅｆｆのＱＲ分解（ＱＲＤ）、ここでＱはユニタリ行列であり、Ｒは上三角行列であり、を実行し、前記ＢＳが、前記ユニタリ行列Ｑおよび上三角行列Ｒを使用してＢおよびＦを計算することによってコンピュータ計算され、
前記ＵＥの各々は、前記受信機処理行列Ｖ_ｋに基づき、前記ＵＥにおいて送信された信号に対する付加的受信機処理を実行し、前記上三角行列Ｒに基づいて計算されたスカラー重みを使用し、前記トムリンソン−原島プリコーダからのフィルタにかけられたベクトル信号の出力をスケールダウンし、
前記ＤＬチャンネル行列Ｈは、

であり、前記ＢＳは、前記Ｋ個のＵＥの各々に対し、ｋ番目のＵＥに対する対応するＵＬチャンネル

のための入力共分散行列Φ_ｋを

、ここで、

は、すべてのＵＥに対する結合送信ベクトルを示し、Ｅ［．］は、この偏角の時間平均を示し、として決定するステップと、

に示されるように、すべてのＵＥによって使用される総送信パワーが、元のダウンリンク送信のために前記ＢＳにおいて利用可能な送信パワーＰ_ｔを超えないことを仮定するステップと
各Φ_ｋに関連する固有ベクトルＵ_ｋを

となるように決定するステップと、
ｋ番目のＵＥに関連する受信機処理行列Ｖ_ｋを

とするステップとを含むよう、前記Ｋ個のＵＥの各々に対する受信機処理行列Ｖ_ｋを決定するようになっている、マルチユーザーマルチ入力マルチ出力（ＭＵ−ＭＩＭＯ）無線システム。
Ｎ個のアンテナおよび利用可能な送信パワーとしてＰ_ｔを有する基地局（ＢＳ）と、アップリンク（ＵＬ）チャンネルおよび対応するダウンリンク（ＤＬ）チャンネル、ここでＢＳは、ユーザーシンボルを処理し、ＵＥのためのフィルタのかけられたベクトルシンボルの出力を生成するためのトムリンソン−原島プリコーダを含む、を介して前記基地局と通信する複数のＫ個のユーザーターミナル（ＵＥ）と、
前記トムリンソン−原島プリコーダの前記出力を受信するための前記ＤＬチャンネル、このＤＬチャンネルを介して、前記ユーザーターミナルとの通信が無線システム内で行われる、のＤＬチャンネル行列によって示されるチャンネルとを備え、
前記トムリンソン−原島プリコーダは、干渉プリキャンセルブロックのための干渉プリキャンセル行列Ｂおよび送信フィルタのための送信フィルタ行列Ｆを備え、これら行列は、前記ＵＥが、前記Ｋ個のＵＥの各々のためのＤＬチャンネル行列Ｈｋを推定し、前記ＵＥが、前記Ｋ個のＵＥの各々のための受信機処理行列（Ｖ_ｋ）を決定し、前記ＢＳが、前記ＤＬチャンネル行列Ｈ_kおよび受信機処理行列Ｖ_kに基づき、有効ＤＬチャンネル行列Ｈ_ｅｆｆをコンピュータ計算し、前記ＢＳが、列枢軸選択により前記有効ＤＬチャンネル行列Ｈ_ｅｆｆのＱＲ分解（ＱＲＤ）、ここでＱはユニタリ行列であり、Ｒは上三角行列であり、を実行し、前記ＢＳが、前記ユニタリ行列Ｑおよび上三角行列Ｒを使用してＢおよびＦを計算することによってコンピュータ計算され、
前記ＵＥの各々は、前記受信機処理行列Ｖ_ｋに基づき、前記ＵＥにおいて送信された信号に対する付加的受信機処理を実行し、前記上三角行列Ｒに基づいて計算されたスカラー重みを使用し、前記トムリンソン−原島プリコーダからのフィルタにかけられたベクトル信号の出力をスケールダウンし、
前記ＤＬチャンネル行列Ｈは、

であり、前記Ｋ個のＵＥの各々に対する受信機処理行列Ｖ_ｋの決定は、

、ここで行列Ｙ_ｋは、左特異ベクトルを示し、Ｓ_ｋは、主要対角における特異値を含む対角行列を示し、Ｗ_ｋは、右特異ベクトルを示し、のようにＵＥのＳＶＤ分解を実行するステップと、
ｋ番目のＵＥに関連する推定された受信機処理行列を、

として設定するステップとを含む、マルチユーザーマルチ入力マルチ出力（ＭＵ−ＭＩＭＯ）無線システム。