JP5478780B2 - データ送受信用の複数のサービス・アンテナを有するｍｉｍｏシステムおよびその方法 - Google Patents

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（優先権情報）
この米国特許本出願は、米国特許法第１１９条の下で、その内容全体が参照によって本明細書に組み込まれている、２０１０年６月１１日に出願した米国特許仮出願第６１／３５３，９２２号の優先権を主張するものである。

ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｉｎｐｕｔ−ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｏｕｔｐｕｔ（ＭＩＭＯ）システムは、無線通信における進歩を表す。ＭＩＭＯシステムは、無線リンクの送信端および受信端で１つまたは複数の（たとえば複数の）アンテナを使用して、無線帯域幅および電力を一定に保ちながらデータ伝送レートを改善する。

ＭＩＭＯ送信器は、発信信号を複数の副信号に多重分離し、副信号を別々のアンテナから送信することによって、複数のサービス・アンテナを使用して発信信号を送信する。ＭＩＭＯは、複数の信号伝搬経路を活用して、スループットを高め、ビット誤り率を下げ、送信電力を減らす。

図１に、従来の集中アーキテクチャを有するマルチユーザｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｉｎｐｕｔ−ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｏｕｔｐｕｔ（ＭＩＭＯ）無線システムを示す。

図１を参照すると、基地局１００は、複数のサービス・アンテナ１２０（すなわち、アンテナ１２０−１からアンテナ１２０−Ｍまで）、１つの中央チャネル推定ユニット１３０、および１つの中央プリコーディング・ユニット１４０を含む。従来のシステムでのサービス・アンテナ１２０の個数は、通常、たとえば４つまたは８つである。送信されるデータが、中央プリコーディング・ユニット１４０によってプリコーディング（下でさらに説明する）された後に、基地局１００は、発信信号を複数の副信号に多重分離することと、副信号を別々のサービス・アンテナから複数の独立に操作される端末１１０（すなわち、端末１１０−１から端末１１０−Ｋまで）に送信することとによって、プリコーディングされたデータを含む発信信号を、複数のアンテナ１２０を使用して送信する。複数の端末１１０は、１つまたは複数のアンテナを備える。明瞭さのために、すべての端末１１０が、単一のアンテナだけを備えると仮定する。

従来技術でのチャネル推定の通常の方法は、線形回帰エスティメータであり、従来技術でのプリコーディングの通常の方法は、一般逆行列を介するゼロフォーシング（Ｚｅｒｏ−Ｆｏｒｃｉｎｇ、ＺＦ）であり、これを下でさらに説明する。

中央チャネル推定ユニット１３０は、複数の端末１１０と複数のアンテナ１２０との間の通信チャネルを推定する。たとえば、中央推定ユニット１３０は、複数の端末１１０からパイロット・シーケンスを受信し、受信されたパイロット・シーケンスに基づいてチャネル条件を推定することができる。たとえば、ｈ_ｉｊは、複数の端末１１０の第ｉ端末と複数のサービス・アンテナ１２０の第ｊアンテナとの間のチャネル係数を指すことができ、ここで、第ｉは、端末１１０のうちの任意の１つを指し、第ｊは、アンテナ１２０のうちの任意の１つを指す。すなわち、第ｉ端末によって第ｊアンテナに送信された信号は、チャネル係数ｈ_ｉｊによって乗算される。同様に、相互性（ｒｅｃｉｐｒｏｃｉｔｙ）を介して、第ｊアンテナによって第ｉ端末に送信された信号も、チャネル係数ｈ_ｉｊによって乗算される。第ｊアンテナのチャネル推定ベクトルを、

によって表すことができる。

複数のサービス・アンテナ１２０と複数の端末１１０との間のチャネル推定を、行列
式２：Ｈ＝［ｈ_１ ｈ_２ … ｈ_Ｍ］
によって表すことができる。

行列Ｈは、対応するアンテナのチャネル・ベクトルによって形成されるＫ×Ｍチャネル行列である。

パイロット送信フェーズ中に、端末１１０−１から端末１１０−Ｋまでは、パイロット・シーケンス｛ψ_１，…，ψ_Ｋ｝を送信し、ここで、各パイロット・シーケンスは、列ベクトルである。異なるパイロット・シーケンスが実質的に相互に直交であることが有利である。たとえば、複数のサービス・アンテナ１２０の第ｊアンテナは、次のパイロット・シーケンス・ベクトルを受信する。
式３：ｙ_ｊ＝ｈ_１ｊ・ψ_１＋…＋ｈ_Ｋｊ・ψ_Ｋ＋付加雑音

図１を参照すると、中央推定ユニット１３０は、すべてのベクトルｙ_ｊ、ただしｊ＝１，…，Ｍを収集し、次の行列を形成する。
式４：Ｙ＝［ｙ_１ … ｙ_Ｍ］

次に、中央チャネル推定ユニット１３０は、

としてチャネル行列Ｈの推定値を計算する。

上付きの「Ｔ」は、共役転置を指し、ｃは、定数である。最小平均二乗推定などのいくつかの実施態様では、異なる定数が、Ｋ個のチャネル推定値のそれぞれに適用される。

中央推定ユニット１３０は、チャネル推定値

を中央プリコーディング・ユニット１４０に転送する。中央プリコーディング・ユニット１４０は、複数のサービス・アンテナに転送すべきデータ（すなわち、｛ｑ_１，…，ｑ_Ｋ｝）を受け取り、そのデータをプリコーディングする。その後、プリコーディングされたデータは、複数のアンテナ１２０を介して送信される。たとえば、複数のサービス・アンテナ１２０は、それぞれのコーディングされた信号（すなわち、｛ｓ_１，…，ｓ_Ｍ｝）を複数の端末１１０に送信する。プリコーディングは、マルチユーザＭＩＭＯシステムで空間多重化された送信をサポートする一般化されたビームフォーミングである。プリコーディングは、アンテナごとに独立の適当な重み付けを用いて信号の複数のストリームを送信サービス・アンテナから放つことを可能にし、各端末が、他の端末に送信されるデータからの最小の干渉を伴って、それ自体に宛てられたデータを受信するようになっている。

チャネル推定値

を受信した後に、中央プリコーディング・ユニット１４０は、次のプリコーディング行列（たとえば、チャネル推定値の一般逆行列）を計算する。

Ｐは、基地局送信電力を定義する正規化定数である。

プリコーディング行列Ａに基づいて、中央プリコーディング・ユニット１４０は、次のベクトルを計算することによって信号｛ｑ_１，…，ｑ_Ｋ｝をプリコーディングする。

信号ｓ_１からｓ_Ｍまでは、送信のためにそれぞれのサービス・アンテナに転送される。たとえば、信号ｓ_１は、アンテナ１２０−１に転送され、信号ｓ_Ｍは、アンテナ１２０−Ｍに転送される。

上で説明したように、従来のシステムは、少数のアンテナ１２０を含み、これらのアンテナは、すべてがチャネル推定ユニット１３０およびプリコーディング・ユニット１４０に接続される。しかし、サービス・アンテナの個数が、４つまたは８つより実質的に多い数まで増やされる場合に、従来のシステムの複雑さは、大幅に高まる。たとえば、サービス・アンテナの数が増えるにつれて、プリコーディング・ユニット１４０での式６および７の計算の複雑さは、アンテナの個数に伴って二次関数的に増加する。

従来の集中アーキテクチャを有するマルチユーザＭＩＭＯシステムでは、データは、通常、次のように逆方向リンクを介して送信される。Ｋ個の端末のそれぞれが、データ・シンボルを送信し、Ｍ個のサービス・アンテナのそれぞれが、チャネルによって変更されたＫ個すべてのデータ・シンボルの組合せを受信する。第ｊサービス・アンテナは、信号ｘ_ｊ＝ｑ_１・ｈ_１ｊ＋…＋ｑ_Ｋ・ｈ_Ｋｊ＋付加雑音を受信する。中央デコーディング（ｄｅ−ｃｏｄｉｎｇ）ユニットは、チャネル推定値を使用して、Ｍ個の受信された信号を復号（デコーディング）する。いわゆるゼロフォーシング受信器は、チャネル推定値の一般逆行列を利用して、次のようにＫ個のデータ・シンボルの推定値を入手する。

他の一般に使用される復号方式は、最小平均二乗推定と、ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅ ｎｕｌｌｉｎｇ ａｎｄ ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎとを含む。これらの復号方式のすべてが、集中復号器がＭ個の受信された信号のすべてならびにチャネル推定値へのアクセスを有することを必要とする。これらの復号方式の計算的重荷は、サービス・アンテナの個数に伴って二次関数的に増加する。

実施形態は、複数のサービス・アンテナを有するＭＩＭＯシステムおよびデータ送受信の方法を提供する。

このシステムは、複数のサービス・アンテナを含み、各サービス・アンテナは、複数の端末に同時にサービスし、複数の端末からパイロット・シーケンスを独立に受信するように構成される。このシステムは、複数のチャネル推定ユニットをさらに含み、各チャネル推定ユニットは、複数のサービス・アンテナのうちの異なる１つに関連付けられ、受信されたパイロット・シーケンスに基づいてアンテナ固有チャネル推定値を独立に生成するように構成される。アンテナ固有チャネル推定値は、複数の端末と複数のサービス・アンテナのうちのそれぞれの１つとの間のチャネル推定値である。このシステムは、複数のプリコーディング・ユニットをさらに含み、各プリコーディング・ユニットは、複数のチャネル推定ユニットのうちの異なる１つに関連付けられ、送信されるデータ・シンボルの集合およびそれぞれの生成されたアンテナ固有チャネル推定値を受け取るように構成される。各プリコーディング・ユニットは、データ・シンボルの集合およびアンテナ固有チャネル推定値に基づいて、それぞれのサービス・アンテナを介して複数の端末に送信されるコーディングされた信号を独立に生成するように構成される。

各プリコーディング・ユニットは、アンテナ固有チャネル推定値の共役転置に基づいてコーディングされた信号を生成する。さらに、各プリコーディング・ユニットは、アンテナ固有チャネル推定値の共役転置とデータ・シンボルの集合との間の内積を計算することによって、コーディングされた信号を生成する。

一実施形態では、複数のサービス・アンテナは、少なくとも２つの異なるロケーション・エリア内にランダムに分布する。代替案では、複数のサービス・アンテナは、（ｉ）単一のグループおよび（ｉｉ）各グループが異なるロケーション・エリアに対応する複数のグループのうちの１つで配置される。

一実施形態では、複数のサービス・アンテナの個数と複数の端末の個数との間の比率は、しきい値以上である。

このシステムは、データ・シンボルの集合を各プリコーディング・ユニットに独立に送るように構成されたデータ・コントローラをさらに含むことができる。

もう１つの実施形態では、第１のプリコーディング・ユニットは、データ・コントローラからデータ・シンボルの集合を受け取り、データ・シンボルの集合を第２のプリコーディング・ユニットに送ることができ、受け取る動作および送る動作は、複数のプリコーディング・ユニットの最後のプリコーディング・ユニットまで繰り返される。

システムは、複数のサービス・アンテナを含むことができ、各サービス・アンテナは、複数の端末に同時にサービスし、複数の端末からパイロット・シーケンスを独立に受信するように構成される。このシステムは、複数のチャネル推定ユニットをさらに含み、各チャネル推定ユニットは、複数のサービス・アンテナのうちの異なる１つに関連付けられ、受信されたパイロット・シーケンスに基づいてアンテナ固有チャネル推定値を独立に生成するように構成される。アンテナ固有チャネル推定値は、複数の端末と複数のサービス・アンテナのうちのそれぞれの１つとの間のチャネル推定値である。さらに、このシステムは、複数のデコーディング・ユニットを含み、各デコーディング・ユニットは、複数のチャネル推定ユニットのうちの異なる１つに関連付けられ、複数の端末からのデータ担持信号の集合およびそれぞれのアンテナ固有チャネル推定値を受け取るように構成される。各デコーディング・ユニットは、データ担持信号の集合およびアンテナ固有チャネル推定値に基づいて複数の端末のそれぞれの復号された信号を独立に生成するように構成される。

各デコーディング・ユニットは、アンテナ固有チャネル推定値の共役転置に基づいて復号された信号を生成する。さらに、各デコーディング・ユニットは、データ担持信号の集合をアンテナ固有チャネル推定値の共役転置と乗算することによって復号された信号を生成する。

このシステムは、複数のデコーディング・ユニットから各復号された信号を受け取り、結果の合計された信号を作るために各復号された信号を合計するように構成された合計ユニットをさらに含むことができる。

代替案では、このシステムは、第２デコーディング・ユニットに第１の復号された信号を送る第１デコーディング・ユニットを含むことができ、第２デコーディング・ユニットは、第１の復号された信号と第２の復号された信号とを加算し、送る動作および加算する動作は、複数のデコーディング・ユニット内の最後のデコーディング・ユニットまで繰り返される。最後のデコーディング・ユニットは、結果の合計された信号を生成する。

一実施形態では、複数のサービス・アンテナは、異なるロケーション・エリア内にランダムに分布する。代替案では、複数のサービス・アンテナは、（ｉ）単一のグループおよび（ｉｉ）各グループが異なるロケーション・エリアに対応する複数のグループのうちの１つで配置される。

一実施形態では、複数のサービス・アンテナの個数と複数の端末の個数との間の比率は、しきい値以上である。

方法は、各サービス・アンテナによって、複数の端末からパイロット・シーケンスを独立に受信するステップと、各チャネル推定ユニットによって、受信されたパイロット・シーケンスに基づいてアンテナ固有チャネル推定値を独立に生成するステップであって、アンテナ固有チャネル推定値は、複数の端末と複数のサービス・アンテナのうちのそれぞれの１つとの間のチャネル推定値である、ステップと、各プリコーディング・ユニットによって、送信されるデータ・シンボルの集合およびそれぞれの生成されたアンテナ固有チャネル推定値を受け取るステップと、各プリコーディング・ユニットによって、データ・シンボルの集合およびそれぞれのアンテナ固有チャネル推定値に基づいて、それぞれのサービス・アンテナを介して複数の端末に送信されるコーディングされた信号を独立に生成するステップとを含むことができる。

独立に生成するステップは、アンテナ固有チャネル推定値の共役転置に基づいてコーディングされた信号を生成する。さらに、独立に生成するステップは、アンテナ固有チャネル推定値の共役転置とデータ・シンボルの集合との間の内積を計算することによって、コーディングされた信号を生成する。

方法は、各サービス・アンテナによって、複数の端末からパイロット・シーケンスを独立に受信するステップと、各チャネル推定ユニットによって、受信されたパイロット・シーケンスに基づいてアンテナ固有チャネル推定値を独立に生成するステップであって、アンテナ固有チャネル推定値は、複数の端末と複数のサービス・アンテナのうちのそれぞれの１つとの間のチャネル推定値である、ステップと、各デコーディング・ユニットによって、複数の端末からのデータ担持信号の集合およびそれぞれのアンテナ固有チャネル推定値を受け取るステップと、各デコーディング・ユニットによって、データ担持信号の集合およびアンテナ固有チャネル推定値に基づいて、復号された信号を独立に生成するステップとを含むこともできる。

独立に生成するステップは、アンテナ固有チャネル推定値の共役転置に基づいて復号された信号を生成する。さらに、独立に生成するステップは、データ担持信号の集合をアンテナ固有チャネル推定値の共役転置と乗算することによって復号された信号を生成する。

例の実施形態は、下で与える詳細な説明および添付図面からより十分に理解され、添付図面では、同様の要素が同様の符号によって表され、添付図面は、例示のみのために与えられ、したがって限定的ではない。

従来のアーキテクチャを有するマルチユーザｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｉｎｐｕｔ−ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｏｕｔｐｕｔ（ＭＩＭＯ）無線システムを示す図である。 一実施形態によるデータ送受信のためのマルチユーザＭＩＭＯ無線システムを示す図である。 一実施形態による複数のチャネル推定ユニットを含むマルチユーザＭＩＭＯ無線システムの一部を示す図である。 一実施形態による順方向リンク上の送信用の複数のプリコーディング・ユニットを含むマルチユーザＭＩＭＯ無線システムの一部を示す図である。 別の実施形態による順方向リンク上のデータ送信用の複数のプリコーディング・ユニットを含むマルチユーザＭＩＭＯ無線システムの一部を示す図である。 一実施形態による逆方向リンク上でのデータ受信用の複数のデコーディング・ユニットを含むマルチユーザＭＩＭＯ無線システムの一部を示す図である。 別の実施形態による逆方向リンク上でのデータ受信用の複数のデコーディング・ユニットを含むマルチユーザＭＩＭＯ無線システムの一部を示す図である。

さまざまな例の実施形態を、これから、いくつかの例の実施形態が示された添付図面を参照してより十分に説明する。同様の符号は、図面の説明全体を通じて同様の要素を指す。

用語第１、第２などが、本明細書でさまざまな要素を記述するのに使用される場合があるが、これらの要素がこれらの用語によって限定されてはならないことを理解されたい。これらの用語は、ある要素を別の要素から区別するためにのみ使用される。たとえば、例の実施形態の範囲から逸脱せずに、第１要素を第２要素と呼ぶことができ、同様に、第１要素を第２要素と呼ぶことができる。本明細書で使用される時に、用語「および／または」は、関連してリストされる項目のうちの１つまたは複数の任意のすべての組合せを含む。

本明細書で使用される用語法は、特定の実施形態を説明するためのみのものであって、例の実施形態について限定的であることは意図されていない。本明細書で使用される時に、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈がそうではないことを明らかに示さない限り、複数形をも含むことが意図されている。さらに、用語「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ（含む）」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（含む）」、「ｉｎｃｌｕｄｅｓ（含む）」、および／または「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」は、本明細書で使用される時に、述べられる特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／またはコンポーネントの存在を指定するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、コンポーネント、および／またはそのグループの存在または追加を除外しないことを理解されたい。

また、いくつかの代替実施態様で、示される機能／行為が、図に示された順序から外れて発生する可能性があることに留意されたい。たとえば、連続して示される２つの図が、用いられる機能性／行為に依存して、実際には同時に実行されてもよく、あるいは、時々逆の順序で実行されてもよい。

そうではないと定義されない限り、本明細書で使用されるすべての用語（技術用語および科学用語を含む）は、例の実施形態が属する技術における通常の技量を有するものによって一般に理解されるものと同一の意味を有する。さらに、用語、たとえば一般に使用される辞書で定義される用語は、関連技術の文脈での意味と一貫する意味を有すると解釈されなければならず、本明細書で特にそのように定義されない限り、理想化された意味または過度に形式的な意味では解釈されないことを理解されたい。

次の説明では、例示的実施形態を、実行された時に特定のタスクを実行するか特定の抽象データ型を実施し、既存ネットワーク要素の既存ハードウェアを使用して実施できる、ルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造などを含むプログラム・モジュールまたは機能プロセスとして実施できる行為および動作の記号表現（たとえば、流れ図の形の）を参照して説明する。そのような既存ハードウェアは、１つまたは複数の中央処理装置（ＣＰＵ）、ディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）コンピュータ、またはプログラムされた後に特定の機械になる同様の機械を含むことができる。

しかし、これらおよび類似する用語のすべてが、適切な物理量に関連付けられなければならず、単にこれらの量に適用される便利なラベルであることに留意されたい。そうではないと特に述べられない限り、または議論から明白であるように、「生成」、「合計」、「構成」、または類似物などの用語は、コンピュータ・システムのレジスタおよびメモリ内の物理的電子的量として表されたデータを操作し、コンピュータ・システム・メモリもしくはレジスタまたは他のそのような情報ストレージ・デバイス、情報伝送デバイス、または情報表示デバイス内の物理量として同様に表される他のデータに変換する、コンピュータ・システムまたは類似する電子コンピューティング・デバイスのアクションおよびプロセスを指す。

本明細書で使用される時に、用語「端末」は、クライアント、モバイル・ユニット、移動局、モバイル・ユーザ、ユーザ機器（ＵＥ）、加入者、ユーザ、リモート・ステーション、アクセス端末、受信器などと同義と考えることができ、以下では時々そのように称する場合があり、無線通信ネットワーク内の無線リソースのリモート・ユーザを記述することができる。ＭＩＭＯシステムでは、端末は、１つまたは複数のアンテナを有することができる。

同様に、本明細書で使用される時に、用語「基地局」は、Ｎｏｄｅ Ｂ、無線基地局（ＢＴＳ）などと同義と考えることができ、以下では時々そのように称する場合があり、無線通信ネットワーク内でモバイルと通信し、これに無線リソースを提供するトランシーバを記述することができる。本明細書で議論するように、基地局は、本明細書で議論する方法を実行する能力に加えて、従来の周知の基地局に関連するすべての機能性を有することができる。

本開示の実施形態は、独立に操作される端末の個数に関して相対的に多数のサービス・アンテナを利用する、データ送受信のためのマルチユーザｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｉｎｐｕｔ ａｎｄ ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｏｕｔｐｕｔ（ＭＩＭＯ）システムを提供する。

本開示の発明人は、独立に操作される端末の個数に関して多数のサービス・アンテナを使用することの利益を認識した。そのような多数のサービス・アンテナを使用するアーキテクチャは、改善されたスループットおよびスペクトル効率を提供する。たとえば、このタイプのアーキテクチャは、同一の時間周波数スロットを使用して（たとえば、空間多重化で）１回で多数の端末に情報の信号を同時に送信することができる。さらに、多数の異なる信号が通信チャネルを介して送信されるので、これらの信号のビームフォーミングは、より焦点を合わされたものとすることができ、その結果、放射される電力の量を減らすことができる。

さらに、本発明の発明人は、サービス・アンテナの個数Ｍが、サービスされる端末の個数Ｋと比較して多くなる時に、周波数の関数としての異なる端末へのＭ成分伝搬ベクトルが、漸近的に直交になることを認識した。これは、従来技術の一般逆行列プリコーダ（従来のシステムの複雑さの源である）をより単純なプリコーダに置換することを可能にし、このより単純なプリコーダを、下でさらに説明するように、推定されたチャネル行列のスケーリングされた共役転置とすることができる。諸実施形態のプリコーダは、ａ）各サービス・アンテナが、それ自体とＫ個の端末との間の通信チャネルのそれ自体のチャネル推定値を保持し、この情報を他のサービス・アンテナと共有せず、ｂ）各アンテナが、他のアンテナによって実行されるプリコーディングと独立にプリコーディングを実行する（電力制御のための振幅スケーリングとは別に）、より分散されたアーキテクチャを可能にする。端末の個数と比較して大きく過剰なサービス・アンテナを用いる動作の類似する利益が、データのアップリンク送信に関して存在する。

図２に、一実施形態によるデータ送受信のためのマルチユーザＭＩＭＯ無線システム２００を示す。

ＭＩＭＯ無線システム２００は、データ・コントローラ２６０、複数のチャネル推定ユニット２３０（たとえば、第１のチャネル推定ユニット２３０−１から最後のチャネル推定ユニット２３０−Ｍまで）、複数のプリコーディング／デコーディング・ユニット２４０（たとえば、第１のプリコーディング／デコーディング・ユニット２４０−１から最後のプリコーディング／デコーディング・ユニット２４０−Ｍまで）、複数のサービス・アンテナ２２０（たとえば、第１のサービス・アンテナ２２０−１から最後のサービス・アンテナ２２０−Ｍまで）、および複数の独立に操作される端末２１０（たとえば、第１の端末２１０−１から最後の端末２１０−Ｋまで）を含む。「コーディング・ユニット」が信号をデコーディングしつつある時に、ユニット２４０を、デコーディング・ユニットと称し、「コーディング・ユニット」が信号をプリコーディングしつつある時に、ユニット２４０を、プリコーディング・ユニットと称する。

ＭＩＭＯシステム２００は、時分割複信（ＴＤＤ）直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）システムを含むことができる。ＴＤＤの下では、アップリンク（端末から基地局へ）およびダウンリンク（基地局から端末へ）でのデータ送信は、ばらばらの時間のインターバルを占め、同一の周波数帯を利用する。時分割複信動作は、パイロット・シーケンスによって占められる時間がサービス・アンテナの個数と独立なので、サービス・アンテナによるダウンリンク・チャネル情報の獲得に特に効率的である。しかし、諸実施形態を、他のＭＩＭＯシステムならびに他の無線通信システムおよび／または無線通信方式で実施できることを理解されたい。たとえば、本明細書で議論される方法を、周波数分割複信（ＦＤＤ）または類似する方式に関して実施することができる。

図２に示されているように、別々のチャネル推定ユニット２３０および別々のプリコーディング／デコーディング・ユニット２４０が、サービス・アンテナ２２０ごとに独立に提供される。言い替えると、各チャネル推定ユニット２３０は、異なるサービス・アンテナ２２０に関連付けられ、各プリコーディング／デコーディング・ユニット２４０は、異なるチャネル推定ユニット２３０に関連付けられる。

代替案では、各チャネル推定ユニット２３０を、異なるサービス・アンテナ２２０に間接にまたは直接に接続することができ、各プリコーディング／デコーディング・ユニット２４０を、異なるチャネル推定ユニット２３０に間接にまたは直接に接続することができる。したがって、１つのチャネル推定ユニット、１つのプリコーディング／デコーディング・ユニット、および１つのサービス・アンテナを、１ブロックとして束にすることができる。この実施形態では、ＭＩＭＯ無線システム２００は、複数のブロックを含み、各ブロックは、他のブロックの介入なしで、チャネル条件を独立に推定し、信号をプリコーディングまたはデコーディングし、逆方向／順方向リンク通信チャネル上で信号を送信し、かつ／または受信する能力を有する。

ＭＩＭＯ無線システム２００は、当業者に周知の他のコンポーネントを含むことができる。たとえば、図２は、システムの動作のベースバンド表現を示し、ＯＦＤＭパルスをアセンブルし、ディスアセンブルするモジュール、ｃｙｃｌｉｃ ｐｒｅｆｉｘを追加しまたは除去するモジュール、アップコンバータおよびダウンコンバータ、ならびに電力増幅器および前置増幅器を含む、ある種の通例の特徴は図示されていない。さらに、別々の変調／復調ユニットを、プリコーディング／デコーディング・ユニットごとに設けることができる。

複数のサービス・アンテナ２２０を、中央に配置された基地局など、単一のロケーション・エリアに設けることができる。代替案では、複数のサービス・アンテナ２２０を、異なるエリアに配置された２つの異なる基地局など、少なくとも２つの異なるロケーション・エリアに配置することができる。さらに、複数のアンテナ２２０を、１つまたは複数のロケーション・エリア内でランダムに分布させることができる。

複数のサービス・アンテナ２２０の個数と複数の端末２１０の個数との間の比率を、しきいレベル以上とすることができる。たとえば、サービス・アンテナ２２０の個数を４００とし、端末２１０の個数を４０とすることができる。したがって、一特定の実施形態では、端末に対するサービス・アンテナの比率は、１０のしきいレベルである。しかし、諸実施形態は、端末２１０の個数に対するサービス・アンテナ２２０の個数の比率が比較的多くなるように、しきいレベルの任意のタイプの値を含む。

複数のサービス・アンテナ２２０は、マルチユーザＭＩＭＯを介して複数の端末２１０に同時にサービスするように構成される。順方向リンク・データ送信は、エア・インターフェースを介するＫ個の端末２１０へのＫ個の別々のデータ・ストリームの同時（周波数上および時間上）送信を含む。エア・インターフェースは、当業者に周知の任意のタイプの標準規格に従う２つのネットワーク要素の間の任意のタイプの無線ベースの通信リンクを含むことができる。逆方向リンク・データ送信は、エア・インターフェースを介するサービス・アンテナ２２０へのＫ個の端末２１０による別々のデータ・ストリームの同時（周波数上および時間上）送信を含む。

順方向リンク上では、データ・コントローラ２６０が、データ・ストリームを複数のプリコーディング／デコーディング・ユニット２４０に送り、逆方向リンク上では、データ・コントローラ２６０が、複数のプリコーディング／デコーディング・ユニット２４０からデータ・ストリームを受け取る。データ・コントローラ２６０の動作を、図４および５を参照してさらに説明する。

セル内干渉（すなわち、Ｋ個のデータ・ストリームの間の干渉）は、順方向リンク上ではプリコーディング／デコーディング・ユニット２４０による線形プリコーディングを介して、逆方向リンク上ではプリコーディング／デコーディング・ユニット２４０による線形組合せを介して、許容できるレベルまで減らされる。

プリコーディング／デコーディング・ユニット２４０は、それぞれ順方向リンク・チャネルおよび逆方向リンク・チャネルのチャネル推定値を必要とする。多数のサービス・アンテナ２２０について、このチャネル状態情報は、下でさらに説明するように、順方向リンク・チャネルおよび逆方向リンク・チャネルが相反するように時分割複信動作を使用することと、逆方向リンク上でパイロット・シーケンスを送信するためにＫ個の端末２１０の時間のインターバルをスケジューリングすることとによって、入手することができる。

図３に、一実施形態による複数のチャネル推定ユニット２３０を含むＭＩＭＯ無線システム２００の一部を示す。

各チャネル推定ユニット２３０は、受信されたパイロット・シーケンスに基づいてアンテナ固有チャネル推定値を独立に生成する。アンテナ固有チャネル推定値は、複数の端末２１０とそれぞれの１つのサービス・アンテナ２２０（たとえば、第１のサービス・アンテナ２２０−１）との間のチャネル推定値である。たとえば、各チャネル推定ユニット２３０は、エア・インターフェースを介して複数の端末２１０からパイロット・シーケンスを独立に受信し、受信されたパイロット・シーケンスに基づいてチャネル条件を独立に推定する。

たとえば、図３に示されているように、複数の端末２１０は、逆方向リンク上で実質的に直交のパイロット・シーケンス｛ψ_１，…，ψ_Ｋ｝を送信し、ここで、各パイロット・シーケンスは、列ベクトルである。係数ｈ_ｉｊは、複数の端末２１０の第ｉ端末と複数のサービス・アンテナ２２０の第ｊサービス・アンテナとの間のチャネル係数を指すことができ、ここで、第ｉ端末は、複数の端末２１０のうちの任意の１つであり、第ｊサービス・アンテナは、複数のサービス・アンテナ２２０のうちの任意の１つである。すなわち、第ｉ端末によって第ｊアンテナに送信された信号は、チャネル係数ｈ_ｉｊによって乗算される。同様に、相反性を介して、第ｊアンテナによって第ｉ端末に送信された信号も、チャネル係数ｈ_ｉｊによって乗算される。第ｊアンテナのチャネル・ベクトルを、上で説明したように式１によって表すことができる（たとえば、

）。したがって、複数のサービス・アンテナ２２０の第ｊサービス・アンテナは、式３で説明したようにパイロット・シーケンス・ベクトルｙ_ｊを受信する（たとえば、ｙ_ｊ＝ｈ_ｊ１・ψ_１＋…＋ｈ_ｊＫ・ψ_Ｋ＋付加雑音）。

しかし、諸実施形態によれば、各チャネル推定ユニット２３０は、すべての他のチャネル推定ユニット２３０とは独立に、それ自体のアンテナ固有チャネル推定値を計算する。一実施形態では、各チャネル推定ユニット２３０は、次式に基づいてアンテナ固有チャネル推定値を計算する。

上付きの「Ｔ」は、共役転置を指し、ｃは、定数である。

一例では、第１のチャネル推定ユニット２３０−１は、複数の端末２１０からパイロット・シーケンスｙ_１＝ｈ_１１・ψ_１＋…＋ｈ_Ｋ１・ψ_Ｋ＋付加雑音を受信する。送信されたパイロット・シーケンス｛ψ_１，…ψ_Ｋ｝は、第１のチャネル推定ユニット２３０−１に知られているので、第１のチャネル推定ユニット２３０−１は、上の式８に基づいてアンテナ固有チャネル推定値を計算することができる。たとえば、図３に示されているように、第１のチャネル推定ユニット２３０−１は、アンテナ固有チャネル推定値

を生成し、ここで、アンテナ固有チャネル推定値内の各チャネル係数は、それぞれの端末と第１のサービス・アンテナ２２０との間の対応するチャネル係数を指す。同一の動作が、複数のチャネル推定ユニット２３０のそれぞれについて繰り返される。

図４に、一実施形態による順方向リンク上の送信用の複数のプリコーディング・ユニット２４０を含むＭＩＭＯ無線システム２００の一部を示す。

図４に示されているように、各プリコーディング・ユニット２４０は、それに関連付けられた図３のチャネル推定ユニット２３０に対応するそれぞれのアンテナ固有チャネル推定値を受け取る。さらに、各プリコーディング・ユニット２４０は、順方向リンク上で複数の端末２１０に送信されるデータ・シンボルの集合（たとえば、｛ｑ_１，…ｑ_Ｋ｝）を受け取る。データ・シンボルの集合の分布を、図２のデータ・コントローラ２６０によって制御することができる。図４に示された実施形態では、データ・コントローラ２６０は、データ・シンボルの集合をプリコーディング・ユニット２４０のそれぞれに独立に送る。諸実施形態によれば、各プリコーディング・ユニット２４０は、下でさらに説明するように、送信されるデータ・シンボルの集合およびアンテナ固有チャネル推定値に基づいて、それぞれのサービス・アンテナ２２０を介して複数のアンテナ２１０に送信されるプリコーディングされた信号を独立に生成する。

一実施形態では、各プリコーディング・ユニット２４０は、アンテナ固有チャネル推定値の共役転置に基づいて、コーディングされた信号を生成する。たとえば、各プリコーディング・ユニット２４０は、アンテナ固有チャネル推定値の共役転置とデータ・シンボルの集合との間の内積を計算することによって、コーディングされた信号を生成する。たとえば、各プリコーディング・ユニット２４０は、次式に基づいてアンテナ固有プリコーディング・ベクトルを生成する。

パラメータｐは、正規化係数であり、ａ_ｊは、Ｋ個の項目を有する行ベクトルである。Ｋ個の項目は、Ｋ個の端末２１０に対応する。

次に、各プリコーディング・ユニット２４０は、次式に基づいて、そのそれぞれのサービス・アンテナ２２０に関するそのコーディングされた信号（たとえば、ｓ_ｊ）を生成する。

一実施形態によれば、あるプリコーディング・ユニット２４０およびそれに関連するチャネル推定ユニット２３０での動作は、他のプリコーディング・ユニットおよび関連するチャネル推定ユニットとの調整を全く伴わずに実行される。

その後、各サービス・アンテナ２２０が、そのコーディングされた信号を複数の端末２１０に送信する。

図５に、もう１つの実施形態による順方向リンク上のデータ送信用の複数のプリコーディング・ユニット２４０を含むＭＩＭＯ無線システム２００の一部を示す。図５と図４との間の相違は、プリコーディング・ユニット２４０が送信されるデータ・シンボルの集合を受け取る形である。図５では、第１のプリコーディング・ユニット２４０−１が、通信リンクを介してデータ・コントローラ２６０から送信されるデータ・シンボルの集合（たとえば、｛ｑ_１，…ｑ_Ｋ｝）を受け取り、その後、データ・シンボルの集合を第２のプリコーディング・ユニット２４０−２に送り、この受け取る動作および送る動作は、最後のプリコーディング・ユニット２４０−Ｍまで繰り返される。言い替えると、送信されるデータ・シンボルの集合は、デイジー・チェーンの形でプリコーディング・ユニット２４０に分配される。その後、プリコーディング・ユニット２４０は、図４に関して前に説明したものと同一の形で動作する。

バックホール通信ネットワークをＭＩＭＯシステム２００内に設けて、各プリコーディング・ユニット２４０および／または各サービス・アンテナ２２０の間の通信を可能にすることができる。たとえば、サービス・アンテナ２２０を、分散された形でランダムに分散させることができるので、バックホール通信ネットワークは、各サービス・アンテナ２２０の間の通信を提供する。バックホール・ネットワークは、ワイヤ、光ファイバ、自由空間光、または無線を含むすべての種類の従来の通信リンクを含むことができる。

図６に、一実施形態による逆方向リンク上でのデータ受信用の複数のデコーディング・ユニット２４０を含むＭＩＭＯ無線システム２００の一部を示す。

ｋ個の端末２１０のそれぞれが、逆方向リンク上でサービス・アンテナ２２０のそれぞれにデータ・シンボルを送信する。したがって、各サービス・アンテナ２２０は、このアンテナに対応するデータ担持信号を受信する。たとえば、第１のサービス・アンテナ２２０−１は、第１のアンテナ２２０−１に対応する複数の端末２１０からの複数のデータ・シンボルの送信から生じるデータ担持信号ｘ_１＝ｑ_１・ｈ_１１＋…＋ｑ_ｋ・ｈ_Ｋ１＋付加雑音を受信する。他のアンテナ２２０は、同一の形で動作する。

一実施形態によれば、各デコーディング・ユニット２４０は、データ担持信号およびそれぞれのアンテナ固有チャネル推定値を受け取る。アンテナ固有チャネル推定値は、関連するチャネル推定ユニット２３０から供給される。各デコーディング・ユニット２４０は、データ担持信号の集合およびアンテナ固有チャネル推定値に基づいて、Ｋ個の端末のそれぞれの復号された信号を独立に生成するように構成される。デコーディング・ユニット２４０は、デコーディング・ユニット２４０が通信チャネルを介して送信されたデータ・シンボルを復号することを除いて、図５に示されたプリコーディング・ユニット２４０に似た形で動作する。たとえば、プリコーディング・ユニット２４０に似て、各デコーディング・ユニット２４０は、アンテナ固有推定値の共役転置に基づいて、その復号された信号を生成する。たとえば、各デコーディング・ユニット２４０は、データ担持信号にアンテナ固有チャネル推定値の共役転置を乗算することによって、復号された信号を生成する。

一例では、第１のデコーディング・ユニット２４０−１は、第１のサービス・アンテナ２２０−１に関連付けられた端末２１０からのデータ・シンボルに対応するデータ担持信号ｘ_１を受け取る。また、第１のデコーディング・ユニット２４０−１は、端末２１０および第１のサービス・アンテナ２２０−１に関連付けられたアンテナ固有チャネル推定値を受け取る（たとえば、

）。第１のサービス・アンテナ・チャネル推定値の計算は、図３に関して前に説明したものと同一である。第１のデコーディング・ユニット２４０−１は、ｘ_１に

を乗算することによって、たとえば、

によって、そのデコードされたデータを生成する。他のデコーディング・ユニットは、同一の形で動作する。

ＭＩＭＯ無線システム２００は、複数のデコーディング・ユニット２４０から各復号された信号を受け取り、各復号された信号を合計して、結果のデータ信号すなわち、

を作るように構成された合計ユニット２６０をも含むことができる。

図７に、もう１つの実施形態による逆方向リンク上でのデータ受信用のデコーディング・ユニット２４０を含むＭＩＭＯ無線システム２００の一部を示す。

図６に示された合計ユニット２６０を提供するのではなく、ＭＩＭＯ無線システム２００は、複数のデコーディング・ユニット２４０からの復号された信号をデイジー・チェーンの形で合計することができる。たとえば、第１のデコーディング・ユニット２４０−１は、第１の復号された信号

を第２のデコーディング・ユニット２４０−２に送り、第２のデコーディング・ユニット２４０−２は、第１の復号された信号を第２の復号された信号

（すなわち、第２の復号された信号は、第２のデコーディング・ユニット２４０−２によって生成される）に加算して、合計

を入手し、この送る動作および加算する動作は、最後のデコーディング・ユニット２４０−Ｍまで繰り返される。最後のデコーディング・ユニット２４０−Ｍは、結果の合計された信号

を作る。

Claims (10)

1. データ送信用のｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｉｎｐｕｔ ａｎｄ ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｏｕｔｐｕｔ（ＭＩＭＯ）システム（２００）であって、
   複数のサービス・アンテナ（２２０）であって、各サービス・アンテナは、複数の端末（２１０）に同時にサービスするように構成され、各サービス・アンテナは、前記複数の端末からパイロット・シーケンスを独立に受信するように構成される、複数のサービス・アンテナ（２２０）と、
   複数のチャネル推定ユニット（２３０）であって、各チャネル推定ユニットは、前記複数のサービス・アンテナのうちの異なる１つに関連付けられ、前記受信されたパイロット・シーケンスに基づいてアンテナ固有チャネル推定値を独立に生成するように構成され、前記アンテナ固有チャネル推定値は、前記複数の端末と前記複数のサービス・アンテナのうちのそれぞれの１つとの間のチャネル推定値である、複数のチャネル推定ユニット（２３０）と、
   複数のプリコーディング・ユニット（２４０）であって、各プリコーディング・ユニットは、前記複数のチャネル推定ユニットのうちの異なる１つに関連付けられ、送信されるデータ・シンボルの集合およびそれぞれの生成されたアンテナ固有チャネル推定値を受け取るように構成され、各プリコーディング・ユニットは、データ・シンボルの前記集合および前記アンテナ固有チャネル推定値に基づいて、それぞれのサービス・アンテナを介して前記複数の端末に送信されるコーディングされた信号を独立に生成するように構成される、複数のプリコーディング・ユニット（２４０）と
   を含むシステム（２００）。
2. 各プリコーディング・ユニットは、前記アンテナ固有チャネル推定値の共役転置に基づいて前記コーディングされた信号を生成する、請求項１に記載のシステム。
3. 各プリコーディング・ユニットは、前記アンテナ固有チャネル推定値の前記共役転置とデータ・シンボルの前記集合との間の内積を計算することによって、前記コーディングされた信号を生成する、請求項２に記載のシステム。
4. 前記複数のサービス・アンテナの個数と前記複数の端末の個数との間の比率は、しきい値以上である、請求項１に記載のシステム。
5. データ・シンボルの前記集合を各プリコーディング・ユニットに独立に送るように構成されたデータ・コントローラ（２６０）
   をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
6. 第１のプリコーディング・ユニット（２４０−１）は、データ・コントローラ（２６０）からデータ・シンボルの前記集合を受け取り、データ・シンボルの前記集合を第２のプリコーディング・ユニット（２４０−２）に送り、前記受け取る動作および前記送る動作は、前記複数のプリコーディング・ユニットの最後のプリコーディング・ユニット（２４０−Ｍ）まで繰り返される、請求項１に記載のシステム。
7. データ受信用のｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｉｎｐｕｔ ａｎｄ ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｏｕｔｐｕｔ（ＭＩＭＯ）システム（２００）であって、
   複数のサービス・アンテナ（２２０）であって、各サービス・アンテナは、複数の端末（２１０）に同時にサービスするように構成され、各サービス・アンテナは、前記複数の端末からパイロット・シーケンスを独立に受信するように構成される、複数のサービス・アンテナ（２２０）と、
   複数のチャネル推定ユニット（２３０）であって、各チャネル推定ユニットは、前記複数のサービス・アンテナのうちの異なる１つに関連付けられ、前記受信されたパイロット・シーケンスに基づいてアンテナ固有チャネル推定値を独立に生成するように構成され、前記アンテナ固有チャネル推定値は、前記複数の端末と前記複数のサービス・アンテナのうちのそれぞれの１つとの間のチャネル推定値である、複数のチャネル推定ユニット（２３０）と、
   複数のデコーディング・ユニット（２４０）であって、各デコーディング・ユニットは、前記複数のチャネル推定ユニットのうちの異なる１つに関連付けられ、前記複数の端末からのデータ担持信号の集合およびそれぞれのアンテナ固有チャネル推定値を受け取るように構成され、各デコーディング・ユニットは、データ担持信号の前記集合および前記アンテナ固有チャネル推定値に基づいて前記複数の端末のそれぞれの復号された信号を独立に生成するように構成される、複数のデコーディング・ユニット（２４０）と
   を含むシステム（２００）。
8. 各デコーディング・ユニットは、前記アンテナ固有チャネル推定値の共役転置に基づいて前記復号された信号を生成する、請求項７に記載のシステム。
9. 各デコーディング・ユニットは、データ担持信号の前記集合を前記アンテナ固有チャネル推定値の前記共役転置と乗算することによって前記復号された信号を生成する、請求項７に記載のシステム。
10. 前記複数のデコーディング・ユニットから各復号された信号を受け取り、結果の加算された信号を作るために各復号された信号を合計するように構成された合計ユニット（２６０）
    をさらに含む、請求項７に記載のシステム。

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