JPWO2006106693A1 - マルチアンテナシステムにおける制限フィードバック方法、チャネルパラメータ生成方法および無線受信装置 - Google Patents

マルチアンテナシステムにおける制限フィードバック方法、チャネルパラメータ生成方法および無線受信装置 Download PDF

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Abstract

ＭＩＭＯシステムにおいて制限フィードバックを実現するチャネルパラメータ生成方法を提供する。この方法は、無線受信装置から無線送信装置にフィードバックする、ＭＩＭＯチャネルのチャネルパラメータを生成する。また、この方法は、ＭＩＭＯチャネルを介して受信された信号を用いてチャネル推定を行い、チャネル推定により得られたチャネル行列から、ＭＩＭＯチャネルの空間領域相関行列および時間領域相関行列のそれぞれのランクを導出し、導出された空間領域相関行列のランクが、導出された時間領域相関行列のランクより小さい場合に、推定されたチャネル行列の列の次元数を低減させる演算を行うことによって、チャネルパラメータを取得し、導出された時間領域相関行列のランクが、導出された空間領域相関行列のランクより小さい場合に、推定されたチャネル行列の行の次元数を低減させる演算を行うことによって、チャネルパラメータを取得する。

Description

本発明は、マルチアンテナ符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）無線通信システムにおける制限フィードバック（ｌｉｍｉｔｅｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ）技術に関し、具体的には、各種のセルラー方式における高速無線通信システムおよび高スループット無線ＬＡＮシステムに適用し、特に、３ＧＰＰ ＴＸＡＡ方式を用いる各種の通信システムに適用するマルチアンテナシステムにおける制限フィードバック方法、チャネルパラメータ生成方法および無線受信装置に関する。
多入力多出力（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔ：ＭＩＭＯ）システムは、送信側および受信側において複数のアンテナを採用し、伝送レートを効率的に向上させ、各種の選択性フェージングに対抗し、マルチユーザの場合における通信をサポートすることができる。大量の研究結果から明らかなように（例えば、非特許文献１参照）、ＭＩＭＯシステムは、３Ｇおよび４Ｇセルラー通信システムであり、固定無線アクセスシステム、無線ＬＡＮシステムにおいて、高速伝送を実現する最も潜在力がある技術である。
クローズドループＭＩＭＯ通信システムにおいて、送信側ではチャネル状態情報（Ｃｈａｎｎｅｌ Ｓｔａｔｕｓ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ：ＣＳＩ）を用いて送信波形を調整することにより、所望のユーザが受信するセル内のほかのユーザからの干渉を減少させ、符号間クロストークにより生じる性能の損失を低減させる。また、周波数選択性フェージングに対抗し、システム容量を効率的に向上させる。さらに、基地局では既知のチャネル情報に基づいて、ユーザ間のスケジューリングを実現し、リソースの効率的な割り当てを行うことができ、より高いスループットレートをシステムに与える。そのため、３ＧＰＰ（３Ｇ Ｐａｒｔｎｅｒｓｈｉｐ Ｐｒｏｊｅｃｔ）はＭＩＭＯシステムにおけるクローズドループダイバーシチ方式を制定した（例えば、非特許文献２参照）。
図１のブロック図に示すように、通常、ユーザのＣＳＩが受信側で量子化された後に、制限レートフィードバックチャネルにより受信側から送信側に送信される。図１では、データビットが、送信側のプレコーディング部１０に入力され、プレコーディングされ、送信アンテナ１１から送信される。受信側では、受信アンテナ１２から無線信号が受信され、ここで付加ノイズが生じる（図１の添付符号１３を参照）。そして、この信号は、時空間受信部１４に入力され、次の処理が行われる。フィードバック設計部１５は、時空間受信部１４から出力された信号に基づいて、具体的な応用に応じてフィードバックパラメータを設計して、制限レートフィードバックチャネルを介して送信側に送信する。
実際のシステムにおいて、制御チャネルは、いくつかのチャネルパラメータを伝送することができる。しかし、マルチアンテナシステムにおいて、チャネルパラメータは、送受信アンテナの個数の積に伴って倍増する。例えば、１つのシステムに４つの受信アンテナと４つの送信アンテナを有する場合に、フラットフェージングチャネルにおいて、毎回のフィードバックに１６個のチャネルパラメータを伝送する必要がある。これはＳＩＳＯシステムにおけるチャネルパラメータの１６倍であり、フィードバックに必要な周波数帯域資源を大きく増加させる。有限の無線周波数帯域資源を節約するために、チャネルパラメータをフィードバックする前に、クローズドループＭＩＭＯシステムのチャネルパラメータに対して、制限フィードバック処理を行う必要がある（例えば、非特許文献３参照）。
制限フィードバックは、ベクトル量子化の方法により実現することができる。図２はチャネル量子化を示す図である。ここで、Ｈはフラットフェージング環境におけるＭＩＭＯシステムの無線チャネル行列であり、そのｉ行目のｊ列目の成分ｈｉｊは、ｉ個目の送信アンテナからｊ個目の受信アンテナまでの間のチャネルフェージングを示す。ベクトル量子化を行う時に、まず、その各列を１つの長いベクトルにまとめてから、それに対してベクトル量子化を行う。チャネルのベクトル量子化と圧縮ベクトル量子化との主な違いは両者のコスト関数が異なるところにある。通常、ベクトル量子化の基準としては、入力ベクトルと出力ベクトルとの平均二乗誤差（Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ Ｅｒｒｏｒ：ＭＳＥ）が最小であることが要求される。チャネル量子化の場合には、チャネルの特徴を十分に利用することが要求され、ＭＳＥ基準に従って量子化した後にも、チャネルは依然として当該特徴を保持する。
チャネルベクトル量子化はチャネルの視点からのみ制限フィードバックを実現する。また、制限フィードバックを実現する際に、送信系列の特性も考慮される。送信系列の特性に基づいて、プレコーディング行列のコードセットを設計しておき、無線チャネル行列に基づいて、最適なプレコーディング行列を選択するとともに、その番号を送信側にフィードバックする。このような方法を量子化信号適応方法と言う。この方法では、１つの選択関数ｆを定義し、プレコーディング行列はＦ＝ｆ（Ｈ）であり、関数ｆはＨをプレコーディング行列のコードセットＣＳにマッピングする。ＣＳは下記の式（１）で示される。
Figure 2006106693
ＣＳにはすべての可能なプレコーディング行列が含まれる。上記の式（１）におけるＮはＢ個のビットで示すことができ、選択されたプレコーディング行列はＢ個のビットにより送信側にフィードバックされる。このような制限フィードバック技術はビーム形成システム（例えば、非特許文献４、５参照）、時空間ブロック符号システム（例えば、非特許文献６参照）、および空間多重方式システム（例えば、非特許文献７参照）に応用されている。プレコーディング行列集合（つまりコードセット）は、サブ空間測度、Ｈの分布特性、選択行列などのあらゆる面の要素の影響を受けるため、その設計が比較的に複雑である。
低ランク空間マッピングは、量子化信号適応方法の複雑度の問題を効率的に克服することができる。これにより、チャネル行列の行および列を低ランク空間にマッピングさせ、さらに少ないパラメータでチャネル内容を示す。ビーム形成システムにとって、１つ１つの相関行列Ｆｎは、ランクが１であるＭ×１のベクトルｆｎにより展開され、ここで、Ｍは送信アンテナの数である。ｆｎがＤ次元のサブ空間であり、Ｄ≦Ｍである場合に、ｆｎをｆｎ＝Ｐｎαｎと示すことができる。Ｐｎは１つのＭ×Ｄ次元行列であり、その各列は、１つのＤ次元の空間に展開される。αｎは、１つのＤ×１次元の列ベクトルであり、受信側では、Ｄ×１次元のベクルトαｎの解を求める必要があり、それに対して量子化した後に、それを送信側にフィードバックする。
非特許文献８はＣＤＭＡシステムに対して、特徴波形の低ランク空間マッピングの問題について検討し、また、制限フィードバックの方法を上り回線のマルチユーザの場合に普及させた。受信側では、ある基準、例えば、エネルギ拘束の最小平均二乗誤差（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ Ｅｒｒｏｒ：ＭＭＳＥ）に従って、次元数がさらに低い特徴波形、すなわち、αｎを確定する。この方法は、最適なαｎを求める前に、事前に人為的に次元を低減する行列Ｐｎを確定する。例えば、次のとおりである。
Figure 2006106693
このＰｎは１つの４次元のベクトルを１つの２次元のベクトルに変える。それと特徴波形ｆｎとは如何なる関連もない。このようにすると、人為的に特徴波形の構成を拘束し、適応調整後に得られた最適解も人為的な拘束における結果となり、ランクが低減された特徴波形に人為的に歪みをもたらす。
ＭＩＭＯシステムにおけるランク低減アルゴリズムが研究されている（例えば、非特許文献９参照）。しかし、チャネル行列に対して、固有値分解を行う必要があり、チャネル行列の次元数が比較的に高いまたはユーザが比較的に多い場合には、このような固有値分解の複雑度には耐えにくい。識別可能マルチパス数が比較的に多い場合には、当該アルゴリズムはランク低減の目的を実現できない。
Ｔ．Ｓ．Ｒａｐｐａｐｏｒｔ，Ａ．Ａｎｎａｍａｌａｉ，Ｒ．Ｍ．Ｂｕｅｈｒｅｒ，ａｎｄ Ｗ．Ｈ．Ｔｒａｎｔｅｒ，″Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ：ｐａｓｔ ｅｖｅｎｔｓ ａｎｄ ａ ｆｕｔｕｒｅ ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ，″ＩＥＥＥ Ｃｏｍｍｕｎ．Ｍａｇ．，ｖｏｌ．４０，ｎｏ．５，Ｐａｒｔ：Ａｎｎｉｖｅｒｓａｒｙ，ｐｐ．１４８−１６１，Ｍａｙ ２００２． Ｒ．Ｔｈｏｍａｓ．Ｄｅｒｒｙｂｅｒｒｙ，Ｓｔｅｖｅｎ Ｄ．Ｇｒａｙ，Ｄ．Ｍｉｈａｉ Ｉｏｎｅｓｃｕ，Ｇｉｒｉｄｈａｒ Ｍａｎｄｙａｍ，Ｂａｌａｊｉ Ｒａｇｈｏｔｈａｍａｎ，"Ｔｒａｎｓｍｉｔ Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ ｉｎ ３Ｇ ＣＤＭＡ Ｓｙｓｔｅｍｓ，"ＩＥＥＥ Ｃｏｍｍｕｎ．Ｍａｇ．，ｖｏｌ．４０，Ａｐｒ．２００２，ｐｐ．６８−７５． Ｄａｖｉｄ．Ｊ．Ｌｏｖｅ，Ｒｏｂｅｒｔ．Ｗ．Ｈｅａｔｈ，Ｊｒ．，Ｗ．Ｓａｎｔｉｐａｃｈ，ａｎｄ Ｍｉｃｈａｅｌ．Ｌ．Ｈｏｎｉｇ，"Ｗｈａｔ ｉｓ ｔｈｅ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｌｉｍｉｔｅｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｆｏｒ ＭＩＭＯ ｃｈａｎｎｅｌｓ，"ＩＥＥＥ Ｃｏｍｍｕｎ．Ｍａｇ．，ｖｏｌ．４２，ｎｏ．１，Ｏｃｔ．２００４，ｐｐ．５４−５９． Ｄａｖｉｄ．Ｊ．Ｌｏｖｅ，Ｒｏｂｅｒｔ．Ｗ．Ｈｅａｔｈ，Ｊｒ．，ａｎｄ Ｔ．Ｓｔｒｏｈｍｅｒ，"Ｇｒａｓｓｍａｎｎｉａｎ Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ ｆｏｒ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ，"ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｉｎｆｏ．Ｔｈｅｏｒｙ，ｖｏｌ．４９，Ｏｃｔ．２００３，ｐｐ．２７３５−４５． Ｋｒｉｓｈｎａ Ｋｉｒａｎ．Ｍｕｋｋａｖｉｌｌｉ，Ａｓｈｕｔｏｓｈ Ｓａｂｈａｒｗａｌ，Ｅｌｚａ Ｅｒｋｉｐ，Ｂｅｈｎａａｍ Ａａｚｈａｎｇ，"Ｏｎ Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ ｗｉｔｈ Ｆｉｎｉｔｅ Ｒａｔｅ Ｆｅｅｄｂａｃｋ ｉｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ａｎｔｅｎｎａ Ｓｙｓｔｅｍｓ，"ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｉｎｆｏ．Ｔｈｅｏｒｙ，ｖｏｌ．４９，Ｏｃｔ．２００３，ｐｐ．２５６２−７９． Ｄ．Ｊ．Ｌｏｖｅ ａｎｄ Ｒ．Ｗ．Ｈｅａｔｈ，Ｊｒ．，"Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｕｎｉｔａｒｙ Ｐｒｅｃｏｄｉｎｇ ｆｏｒ Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｓｐａｃｅ−Ｔｉｍｅ Ｂｌｏｃｋ Ｃｏｄｅｓ，"ｔｏ ａｐｐｅａｒ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．Ｄｏｗｎｌｏａｄｅｄ ｆｒｏｍ ｈｔｔｐ：／／ｄｙｎａｍｏ．ｅｃｎ．ｐｕｒｄｕｅ．ｅｄｕ／▲〜▼ｄｊｌｏｖｅ／ｐａｐｅｒｓ／ｐａｐｅｒ４．ｐｄｆ Ｄ．Ｊ．Ｌｏｖｅ ａｎｄ Ｒ．Ｗ．Ｈｅａｔｈ，Ｊｒ．，"Ｇｒａｓｓｍａｎｎｉａｎ Ｐｒｅｃｏｄｉｎｇ ｆｏｒ Ｓｐａｔｉａｌ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ，"Ｐｒｏｃ．Ａｌｌｅｒｔｏｎ Ｃｏｎｆ．Ｃｏｍｍｕｎ．，Ｃｏｎｔｒｏｌ，ａｎｄ Ｃｏｍｐ．，Ｍｏｎｔｉｃｅｌｌｏ，ＩＬ，Ｏｃｔ．２００３． Ｇ．Ｓ．Ｒａｊａｐｐａｎ ａｎｄ Ｍ．Ｌ．Ｈｏｎｉｇ，"Ｓｉｇｎａｔｕｒｅ Ｓｅｑｕｅｎｃｅ Ａｄａｐｔａｔｉｏｎ ｆｏｒ ＤＳ−ＣＤＭＡ ｗｉｔｈ Ｍｕｌｔｉｐａｔｈ，"ＩＥＥＥ ＪＳＡＣ，ｖｏｌ．２０，Ｆｅｂ．２００２，ｐｐ．８４−９５． Ｍｏｎｉｃａ Ｎｉｃｏｌｉ，Ｍｉｋａｅｌ Ｓｔｅｒｎａｄ，Ｕｍｂｅｒｔｏ Ｓｐａｇｎｏｌｉｎｉ，ａｎｄ Ａｎｄｅｒｓ Ａｈｌｅｎ，"Ｒｅｄｕｃｅｄ−ｒａｎｋ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｔｒａｃｋｉｎｇ ｉｎ Ｔｉｍｅ−Ｓｌｏｔｔｅｄ ＣＤＭＡ Ｓｙｓｔｅｍ，"Ｐｒｏｃ．ＯｆＩＣＣ，２００２，ｐｐ．５３３−５３７． Ｓ．Ｊｅｎｇ，Ｇ．Ｔ．Ｏｋａｍｏｔｏ，Ｇ．ｕａｎｇｈａｎ Ｘｕ，Ｈｕｉ．Ｌｉｕ，Ｊ．Ｖｏｇｅｌ，"Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｍａｒｔ ａｎｔｅｎｎａ ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，"ＩＥＥＥ ｔｒａｎｓ．ｏｎ ＡＰ，ｖｏｌ．４６，ｎｏ．６，ｐｐ．７４９−７５７，１９９８ Ｊ．Ａｎｄｅｒｓｏｎ，Ｓ．Ｒａｐｐａｐｏｒｔ，Ｓ．Ｙｏｓｈｉｄａ，"Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，"ＩＥＥＥ Ｃｏｍｍ．Ｍａｇａｚｉｎｅ，ｖｏｌ．３３，ｎｏ．１，ｐｐ．４２−４９，１９９５
クローズドループマルチアンテナＣＤＭＡシステムにおけるチャネルフィードバック情報が過多なリソースを占用する問題を克服するため、本発明は、マルチ識別の制限フィードバック方法、チャネルパラメータ生成方法および無線受信装置を開示する。この方法および装置は、マルチアンテナシステムのアンテナ間のチャネルフェージングが低ランク性を有する特徴を用いて、マルチアンテナシステムＣＤＭＡシステムの制限フィードバックを実現する。また、推定されたチャネル行列を用いて、対応する空間領域相関行列および時間領域相関行列を算出し、空間領域相関行列のランクおよび時間領域相関行列のランクに基づいて、制限フィードバック処理に空間領域パターンを用いるのか、それとも時間領域パターンを用いるのかを確定する。また、チャネル行列が有する空間領域マルチ識別特性または拡散符号のマルチ識別特性に基づいて、ウェーブレット変換（Ｗａｖｅｌｅｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ：ＷＴ）を用いて、チャネル行列に対してマルチ識別フィルタリングを行い、チャネル次元数を減らし、制限されたチャネルパラメータでチャネル行列の主な内容を示すとともに、最終結果を送信側にフィードバックする。
本発明の一形態では、マルチアンテナシステムにおける制限フィードバック方法は、受信信号からチャネル行列を推定するステップと、前記チャネル行列に基づいてチャネルの空間領域相関行列および前記空間領域相関行列のランクを算出するステップと、前記チャネル行列に基づいてチャネルの時間領域相関行列および前記時間領域相関行列のランクを算出するステップと、前記空間領域相関行列のランクが前記時間領域相関行列のランクより小さい場合に、前記チャネル行列の列に対してウェーブレット変換を行うことにより制限フィードバック出力を取得するステップと、前記空間領域相関行列のランクが前記時間領域相関行列のランクより大きい場合に、前記チャネル行列の行に対してウェーブレット変換を行うことにより制限フィードバック出力を取得するステップと、を具備するようにした。
本発明の他の形態では、無線受信装置から無線送信装置にフィードバックする、多入力多出力チャネルのチャネルパラメータを生成するチャネルパラメータ生成方法は、前記チャネルを介して受信された信号を用いてチャネル推定を行うステップと、前記チャネル推定により得られたチャネル行列から、前記チャネルの空間領域相関行列および時間領域相関行列のそれぞれのランクを導出するステップと、導出された空間領域相関行列のランクが、導出された時間領域相関行列のランクより小さい場合に、推定されたチャネル行列の列の次元数を低減させる演算を行うことによって、前記チャネルパラメータを得るステップと、導出された時間領域相関行列のランクが、導出された空間領域相関行列のランクより小さい場合に、推定されたチャネル行列の行の次元数を低減させる演算を行うことによって、前記チャネルパラメータを得るステップと、を有するようにした。
本発明のさらに他の形態では、無線送信装置にフィードバックする、多入力多出力チャネルのチャネルパラメータを生成する無線受信装置は、前記チャネルを介して受信された信号を用いてチャネル推定を行う推定手段と、前記チャネル推定により得られたチャネル行列から、前記チャネルの空間領域相関行列および時間領域相関行列のそれぞれのランクを導出する導出手段と、導出された空間領域相関行列のランクが、導出された時間領域相関行列のランクより小さい場合に、推定されたチャネル行列の列の次元数を低減させる演算を行い、導出された時間領域相関行列のランクが、導出された空間領域相関行列のランクより小さい場合に、推定されたチャネル行列の行の次元数を低減させる演算を行うことによって、前記チャネルパラメータを得る演算手段と、を有する構成を採る。
本発明は、アレイ特性、無線伝送チャネル特性および拡散符号の特徴に基づいて、ＭＩＭＯチャネル低ランク性の特徴を利用し、マルチ識別フィルタを用いて、チャネル行列に対して処理を行う。また、マルチ識別のチャネルインパルス応答を取得し、チャネル情報の制限フィードバック伝送を実現する。また、チャネル自身の特徴に基づいて、低ランクマッピング処理を行い、信号の主要成分を保持し、人為的なプレフィルタリングによりもたらされるチャネル歪みを克服する。これは、Ｍａｌｌａｔフィルタを用いて、演算量が少ないという特徴がある。
制限フィードバックＭＩＭＯシステムを示す図 チャネルベクトル量子化の原理を示す図 本発明の制限フィードバック方法の全体を示すフロー図 送信系列フレームの構成を示す図 パターン選択の実現を示すフロー図 異なるサブビーム領域が対応する異なる角度空間を示す図 到来方向が異なり、アレイ成分の位相差が同じである信号に対して、異なる空間サンプリングの間隔（法線方向に近づく）を用いる場合を示す図 到来方向が異なり、アレイ成分の位相差が同じである信号に対して、異なる空間サンプリングの間隔（アレイ成分方向に近づく）を用いる場合を示す図 空間領域パターンに基づいて制限フィードバックを実現する、一次元ウェーブレット変換のみを行った場合のフロー図 時間領域に基づいて制限フィードバックを実現する、一次元ウェーブレット変換のみを行った場合のフロー図 異なる角度広がりにおけるマルチ識別制限フィードバックの性能曲線 異なるマルチパス数の場合におけるマルチ識別制限フィーバックの性能曲線
本発明の実施には３つの大きなステップが含まれる。図３に示すように、まず、第一ステップでは、チャネルを推定する（ステップＳ１０１）。次いで、第二ステップでは、どんなパターンを用いて制限フィードバック処理を行うかを、推定されたチャネルを用いて判断する（ステップＳ１０２）。次いで、第三ステップでは、パターン選択結果に基づいて、空間領域または時間領域のパターンに従って制限フィードバック処理を行う（ステップＳ１０３またはＳ１０４）。
符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）システムにＭ個の受信アンテナ、Ｋ個の送信アンテナを有するとした場合、チップレートに従ってサンプリングした後に、送信アンテナのｋ個目の離散時空間チャネルパターンＨｋ（ｔ）が得られる。無線チャネルは、Ｐ個のマルチパスにより重畳されて形成されたと見なすこともでき、ｐ個目のマルチパスの到来方向（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ａｒｒｉｖａｌ）をυｋ、ｐとし、その遅延をτｋ、ｐとし、そのマルチフェージングをαｋ、ｐ（ｔ）とした場合、離散時空間チャネルＨｋ（ｔ）を下記の式（３）と示すことができる。
Figure 2006106693
その次元数はＭ×Ｗであり、Ｗは符号の時間サンプル数に等しい。また、ｇ（τｋ、ｐ）Ｔは１×Ｗ次元の行ベクトルであり、τｋ、ｐ遅延後の特徴波形を示す。また、ａ（υｋ、ｐ）は信号の空間領域特徴を示し、Ｍ×１次元の操向ベクトル（ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｖｅｃｔｏｒ）である。
＜チャネル推定＞
制限フィードバックを行う前に、チャネルに対して推定を行う必要がある。連続のＬ個のスロット内で、各パスの到来方向と遅延とが一定であると仮定する。ユーザの移動性により、異なるスロット間のチャネルフェージングは互いに独立である。図４は、信号フレームの構成を示す。ここで、各フレームはＮｆ個のスロットにより構成され、各スロットは、Ｎｓ個の送信符号、トレーニングシーケンス、Ｎｓ個の送信符号、ガードインターバルの順に構成される。トレーニングシーケンスの長さＮｍは、チャネルの時間領域次元数より大きくなければならない。
複数のスロットにより得られたチャネル推定を用いて推定の精度を向上させることがでる。また、１つのスロット内の信号を用いてＨｋ（ｔ）に対して推定を行うこともできる。ｌ（ｌ＝１、２、…、Ｌ）個目のスロット内で、チャネルパターンＨｋ（ｌ）は一定であり、トレーニングシーケンスは１つのＷ×Ｎのテプリッツ（Ｔｏｅｐｌｉｔｚ）行列Ｘｋであり、Ｈｋ（ｌ）とＸｋとの積はチャネルとトレーニングシーケンスとの畳み込みを示す。ｌ（ｌ＝１、２、…、Ｌ）個目のスロットの受信信号をＹ（ｌ）で示す場合、Ｙ（ｌ）は、１つのＭ×Ｎの行列であり、Ｎ個のサンプル信号を有する。複数の送信アンテナのチャネル行列はＨ（ｌ）＝［Ｈ１（１）…Ｈｋ（ｌ）］であり、Ｘ＝［ＸＴ １…ＸＴ Ｋ］ＴはＫ個の送信アンテナのトレーニングシーケンスから構成されたテプリッツ行列を有する。ｌ個目のスロット内で、受信された信号は下記の式（４）で示すことができる。
Figure 2006106693
ここで、Ｎ（ｌ）＝［ｎ１（ｌ）…ｎ１（Ｎ）］は受信された雑音干渉信号である。仮に雑音信号が時間領域に非相関であり、且つ、各アンテナに受信された雑音分布が互いに独立であるとする。チャネル行列Ｈ（ｌ）の正則（ｆｕｌｌ ｒａｎｋ）推定には、最小二乗（Ｌｅａｓｔ Ｓｑｕａｒｅ）法を用いることができ、受信行列とトレーニングシーケンスとを相関させてチャネル行列の推定値が得られる。これは下記の式（５）で示される。
Figure 2006106693
＜パターン選択＞
Ｒｋ、Ｓ＝Ｅα［Ｈｋ（ｔ）Ｈｋ（ｔ）Ｈ］がチャネルの空間領域相関行列を示すとした場合に、そのランクｒｋ、ｓは、異なる到来方向を有する識別可能マルチパス数に対応する。また、Ｒｋ、ｔ＝Ｅα［Ｈｋ（ｔ）ＨＨｋ（ｔ）］がチャネルの時間領域相関行列を示すとした場合に、そのランクｒｋ、ｔは、異なる遅延を有する識別可能マルチパス数に対応する。チャネル行列Ｈｋ（ｔ）の各列ベクトルはｒｋ、ｓとＲｋ、ｓの主固有ベクトルとによって展開される空間に属し、その各行ベクトルはｒｋ、ｔとＲｋ、ｔの主固有ベクトルとによって展開される空間に属する。
ランク低減処理では、Ｈｋ（ｔ）を空間領域または時間領域の主固有成分が対応する空間にマッピングし、１つのランク低減パターンが得られ、そのランクはｒｋ＝ｍｉｎ（ｒｋ、ｓ、ｒｋ、ｔ）＜ｍｉｎ（Ｍ、Ｗ）である。ランク低減パターンを空間領域成分Ｍ×ｒｋ次元行列Ａｋ（ｔ）と時間領域成分ｒｋ×Ｗ次元行列Ｂｋ（ｔ）との積の形式に示すことができる。非特許文献９から明らかなように、マルチパス信号の各パラメータのうち遅延と到来方向とは相対的に変化が遅く、それがＬ個のスロットで一定であると見なすことができる。しかし、マルチパスフェージングの変化は比較的に速く、それはスロットによって異なり、且つ、各々のスロットでのフェージングは互いに独立である。そこで、空間領域パターンおよび時間領域パターンをそれぞれ以下の式（６）、（７）で示す。
Figure 2006106693
Figure 2006106693
角度を基準とした識別可能マルチパス数が遅延を基準とした識別可能マルチパス数より小さい場合、即ち、ｒｋ、ｓ＜ｒｋ、ｔの場合に、効率的にチャネル行列を示すために、制限フィードバックを行う際には空間領域パターンを用いるべきである。ｒｋ、ｓ＞ｒｋ、ｔの場合には時間領域パターンを用いるべきである。マルチアンテナシステムにおいて、角度広がりが存在しない場合に、チャネルのランクは１であり、チャネルを以下の式（８）と示すことができる。
Figure 2006106693
ここで、ｂｋ（ｔ）はチャネルの時間領域特徴を示す。ｂｋ（ｔ）は以下の式（９）で示される。
Figure 2006106693
図５はパターン選択を示すフロー図である。まず、受信側では、受信された信号に基づいて、ユーザのｋ個目のチャネル行列を推定する。次いでステップＳ３０１では、推定されたチャネル行列を用いて、チャネル空間領域相関行列Ｒｋ、ｓを求める。次いで、ステップＳ３０２では、チャネル空間領域相関行列Ｒｋ、ｓのランクｒｋ、ｓを求める。
同様に、ステップＳ３０３およびステップＳ３０４では、時間領域相関行列Ｒｋ、ｔおよびそのランクｒｋ、ｔをそれぞれ求める。ステップＳ３０５では、上述した２つのランクの大きさを判断する。時間領域相関行列のランクｒｋ、ｔが空間領域行列のランクｒｋ、ｓより小さい場合に（Ｓ３０５：ＮＯ）、ステップＳ３０６で時間領域パターンに従って制限フィードバック処理を行う。時間領域相関行列のランクｒｋ、ｔが空間領域行列のランクｒｋ、ｓより大きい場合に（Ｓ３０５：ＹＥＳ）、ステップＳ３０７で、空間領域に従って制限フィードバック処理を行う。
広大な地域に設置された無線通信システムに対して、散乱体が比較的に少なく、また、その角度広がりが小さく、通常２０度より小さい（非特許文献１０、１１）。このため、そのチャネルパターン空間領域の識別可能マルチパス数が比較的に少なく、空間領域パターンを用いて制限フィードバック処理を行うのに適合する。しかし、マイクロセルラ内通信システムに対して、送信側および受信側の付近に散乱体が比較的に多いため、そのチャネルの角度広がりが比較的に大きい。また、送信側と受信側の距離が比較的に近く、その時間遅延広がりが比較的に小さく、通常１０〜１００ｎｓの間である。このため、時間領域の識別可能マルチパス数が比較的に少なく、時間領域パターンを用いて制限フィードバック処理を行うべきである。また、ＣＤＭＡシステムにとって、その時間領域パターンにおいて識別可能マルチパス数は拡散符号とも関わりがある。拡散率が４である拡散符号を例として説明する。拡散符号（１、１、１、１）の信号は、１つの符号周期では一定であり、その他の拡散符号に相対して、それは１つの低周波信号であり、その時間識別率は比較的に低いため、異なる遅延を識別可能マルチパス数も比較的に少ない。
＜空間領域パターンに基づいた制限フィードバック処理＞
空間領域パターンにとっては、識別可能マルチパス数がアレイ次元数の制限を受け、チャネルパターンの空間領域主固有ベクトルがチャネルパターンの空間領域次元数より大きい可能性があるため、効率的なランク低減処理を施すことができない。また、その時間領域の識別可能マルチパス数（時間領域の識別可能マルチパスは異なる遅延を有するマルチパスを指す）は、空間領域の識別可能マルチパス数（空間領域の識別可能マルチパスは異なる到来方向を有するマルチパスを指す）をはるかに上回るため、時間領域パターンを用いると、効率的な低ランクマッピングの目的に至ることができない。一方、各パス信号の到来方向は分散的ではなく、それらは、連続到来方向を有する束であるため、複数の離散的な主成分を用いてチャネル特徴を示すことができない。
この問題を解決するために、束により構成された角度空間を単位として、チャネルに対して低ランクマッピング処理を行う。それは、ウェーブレット変換のマルチ識別の特性を用いて、ウェーブレット変換を空間領域チャネル波形に応用して、マルチ識別ビーム空間（ｂｅａｍ ｓｐａｃｅ）におけるチャネル波形を取得した。図６に示すように、サブビーム空間は、異なる物理角度空間に１つずつ対応し、いくつかの主固有ベクトルを有する。マルチ識別は、異なる到来方向に基づいて、異なるサブビーム空間内のチャネル波形に異なる空間サンプリング間隔を用いることを指す。サブビーム空間毎で、チャネル波形の次元数はいずれも、アレイの次元数より小さい。ウェーブレット変換を用いて、主な束を取り出し、チャネルパラメータの数を減少させ、チャネル行列の制限フィードバック伝送を実現する。
図７Ａおよび図７Ｂに示すように、アレイアンテナを、Ｍ個のアレイ素子を有する均等リニアアレイ（ｕｎｉｆｏｒｍ ｌｉｎｅａｒ ａｒｒａｙ）とし、隣接する２つのアレイ素子の距離はｄであり、平面波信号の到来方向はθ（法線方向に対する）である。それでは、１つの均等リニアアレイにとっては、隣接する２つのアレイ素子の受信信号の位相差はΔφ＝ｋｄｓｉｎθであり、ここで、ｋは２π／λに等しく、λは信号波長である。基本的に、この位相特性は、信号がアレイアンテナに沿って振動するレートを決定する。法線方向に近づいた信号（θ≒０）にとって、隣接するアレイ素子間の位相差ｋｄｓｉｎθは０に近づき、信号がアレイに沿って鈍く振動するため、比較的に大きい空間サンプリング間隔を用いて、比較的に大きいアレイ素子間の距離に対応することができる。逆に、入射源がアレイ方向に近づく場合に、このときθ≒±π／２であり、信号はアレイに沿って高速振動し、比較的に小さいスケーリング（ｓｃａｌｉｎｇ）を用いてそれを観察する必要がある。
上述の検討から明らかなように、空間サンプリング間隔と到来方向とは密接な関係を持つ。一部の方向の到来波に対しては、アレイ素子間の距離をもっと大きくすることができる。このように、アレイ開口（ａｒｒａｙ ａｐｅｒｔｕｒｅ）が一定である場合に、空間サンプリングポイント数を減らすことができる。よって、マルチ識別空間サンプリング技術を用いてランク低減を実現することができる。
ウェーブレット変換により、異なる到来方向に基づいて信号に対してマルチレートの空間領域の再サンプリングを行うことができる。チャネル行列Ｈｋ（ｔ）の各列に対してウェーブレット変換を行い、出力のウェーブレット係数ｃ（ｔ）とスケーリング係数ｄ（ｔ）が得られる。これらは以下の式（１０）で示される。
Figure 2006106693
ここで、ｄｗｔ［・］は二進ウェーブレット変換である。スケーリング係数とウェーブレット係数とは異なる方向の角度空間に対応し、それらの次元数はいずれもチャネルの列ベクトルの次元数より低い。次いで、スケーリング係数での相関とウェーブレット係数での相関とをそれぞれ算出し、その大きさを判断する。ウェーブレット係数の相関がスケーリング係数の相関より大きい場合に、ウェーブレット係数を送信側にフィードバックし、そうでない場合、スケーリング係数を送信側にフィードバックする。フィードバックチャネルの帯域幅が非常に限られている場合に、ウェーブレット変換の結果に対してさらにウェーブレット変換を行うことができる。ウェーブレット変換を行う度にチャネルパラメータを減少させ、チャネル情報にも損失がもたらされる。複数回のウェーブレット変換後に、空間領域の全体がいくつかの角度サブ空間に分けられる。図４に示すように、各角度サブ空間が異なる方向マルチパスからの応答に対応し、異なる次元数を有し、空間サンプリング間隔により決定され、最初のチャネルパターンＨｋ（ｔ）の行数より小さい。なお、ウェーブレット変換の回数は、与えられたフィードバックパラメータの数、許容されたチャネル誤差およびフィードバックパラメータと残余エネルギの比に基づいて、決定することができる。
図８において、まず、ステップＳ６０１では、チャネル行列Ｈｋの１列目ｈｋ、１を選択する。次いで、ステップＳ６０２では、ｉ＝１とする。次いで、ステップＳ６０３では、チャネル行列Ｈｋのｉ列目ｈｋ、ｊに対してウェーブレット変換を行い、ウェーブレット係数ｄ、スケーリング係数ｃ、およびそれらのエネルギ｜ｄ｜と｜ｃ｜を取得する。次いで、ステップＳ６０４では、｜ｄ｜と｜ｃ｜の大きさを判断する。
｜ｄ｜が｜ｃ｜より小さい場合に（Ｓ６０４：ＮＯ）、ステップＳ６０５では、スケーリング係数ｃを１個目の列ベクトルの制限フィードバック出力とし、次いでステップＳ６０７に進む。｜ｄ｜が｜ｃ｜より大きい場合に（Ｓ６０４：ＹＥＳ）、ステップＳ６０６でウェーブレット係数ｄを選択して、１個目の列ベクトルの制限フィードバック出力とし、次いでステップＳ６０７に進む。
ステップＳ６０７では、ｉに１を加算する、次いで、ステップＳ６０８では、ｉがＷ以下か否かを判断する。ここで、Ｗはチャネル行列Ｈｋの列数である。ｉがＷ以下の場合に（Ｓ６０８：ＹＥＳ）、ステップＳ６０３に戻り、引き続き次の列に対して処理を行う。ｉがＷより大きい場合に（Ｓ６０８：ＮＯ）、つまり、すべての列の処理が終わった場合、プロセスは終了する。
このように、チャネル行列が有する空間領域マルチ識別特性に基づいて、ウェーブレット変換を用いて、チャネル行列に対してマルチ識別フィルタリングを行い、チャネル次元数を減らし、制限されたチャネルパラメータでチャネル行列の主な内容を示すとともに、最終結果を送信側にフィードバックする。
＜時間領域パターンに基づいたフィードバック処理＞
一部のＣＤＭＡシステムにとって、チャネルの時間領域特徴波形は、同様にマルチ識別特性を有し、当該特性は、主に拡散符号の特性により決定される。明らかなように、ウォルシュ符号はＣＤＭＡシステムに最もよく用いられる拡散符号である。それを、以下の式（１１）に示す行列に従って展開する。
Figure 2006106693
上述の数式から明らかなように、行列Ｃの２つの行ベクトルは、ちょうどＨａａｒウェーブレットのウェーブレット関数およびスケーリング関数である。Ｈａａｒウェーブレットを用いて、ウォルシュ符号の各符号に対して変換を行う。得られるウェーブレット係数とスケーリング係数とのうち１つは必ずゼロである。ウェーブレット理論に結びつけると明らかなように、異なる拡散符号は異なる時間周波数識別率を有する。よって、異なる拡散符号の時間領域特徴波形に必要なサンプリング間隔は異なる。
拡散率が８であるウォルシュ符号を例としてこの問題について説明する。３つのウォルシュ符号、ａ＝（１、１、１、１、１、１、１、１）、ｂ＝（１、１、−１、−１、１、１、−１、−１）、ｃ＝（１、−１、１、−１、１、−１、１、−１）を有し、それらの変化レートは異なり、必要なサンプリング間隔も異なる。ｃの変化レートは最も速い。また、それが要求するサンプリングのレートは最も高く、チップレートに従ってサンプリングする必要がある。そして、次がｂである。ａは１つの符号周期において一定であり、チップレートに従ってサンプリングを行うと、比較的に多い冗長を有することになる。また、同様の無線環境において、異なる拡散符号が異なる時間周波数識別率を有するため、それらのマルチパス遅延に対する敏感度が異なる。また、それらの時間領域特徴波形は異なる識別可能マルチパス数を有する。
通常、ユーザのチャネル特徴に対して時間領域離散化を行うときに、異なる拡散符号の特徴波形は同じサンプリング間隔が用いられ、よって、一部の拡散符号に対して比較的に高い冗長が生じてしまい、フィードバックチャネル資源が無駄になる。ウェーブレット変換を用いると、各アンテナの時間領域チャネルインパルス応答に対して処理を行うことができ、マルチ識別の出力が得られる。また、異なる拡散符号に基づいて、異なるサンプリング間隔を用いて、離散チャネルパラメータ中の冗長を低減させ、チャネルフィードバック伝送の効率を向上させた。また、時間領域パターンに基づいたフィードバック処理においても、空間領域パターンに基づいた制限フィードバック処理と同様に、フィードバックチャネルの帯域幅が非常に限られている場合に、ウェーブレット変換の結果に対してさらにウェーブレット変換を行うことができる。なお、ウェーブレット変換の回数は、符号分割多元接続システム拡散符号の特性およびセル内可能なマルチパスの数に基づいて、決定することができる。
図９は、時間領域パターンの制限フィードバック処理を示すフロー図である。図９において、まず、ステップＳ７０１では、チャネル行列Ｈｋの１行目ｌｋ、１を選択する。次いで、ステップＳ７０２では、ｉ＝１とする。次いで、ステップＳ７０３では、チャネル行列Ｈｋのｉ行目ｌｋ、ｊに対してウェーブレット変換を行い、ウェーブレット係数ｄ、スケーリング係数ｃ、およびそれらのエネルギ｜ｄ｜と｜ｃ｜を取得する。次いで、ステップＳ７０４では、｜ｄ｜と｜ｃ｜の大きさを判断する。
｜ｄ｜が｜ｃ｜より小さい場合に（Ｓ７０４：ＮＯ）、ステップＳ７０５では、スケーリング係数ｃを１個目の行ベクトルの制限フィードバック出力とし、次いでステップＳ７０７に進む。｜ｄ｜が｜ｃ｜より大きい場合に（Ｓ７０４：ＹＥＳ）、ステップＳ７０６でウェーブレット係数ｄを選択して、１個目の行ベクトルの制限フィードバック出力とし、次いでステップＳ７０７に進む。
ステップＳ７０７では、ｉに１を加算する。次いで、ステップＳ７０８では、ｉがＭ以下か否かを判断する。ここで、Ｍはチャネル行列Ｈｋの行数である。ｉがＭ以下の場合に（Ｓ７０８：ＹＥＳ）、ステップＳ７０３に戻り、引き続き次の行に対して処理を行う。ｉがＭより大きい場合（Ｓ７０８：ＮＯ）、つまり、すべての行の処理が終わった場合、プロセスは終了する。
このように、チャネル行列が有する拡散符号のマルチ識別特性に基づいて、ウェーブレット変換を用いて、チャネル行列に対してマルチ識別フィルタリングを行い、チャネル次元数を減らし、制限されたチャネルパラメータでチャネル行列の主な内容を示すとともに、最終結果を送信側にフィードバックする。
＜シミュレーションの結果分析＞
固有値分解の方法を介してランク低減し、主成分を取り出す場合に、その演算量は主にチャネル行列の相関に対して固有値分解を行うのに集中する。固有値分解複雑度はＯ（Ｎ３）である。ここで、Ｎは特徴系列の次元数である。ウェーブレット変換に基づいた制限フィードバックアルゴリズムは、ランク低減すると共に、特徴波形の次元数を低減させる。ウェーブレット変換が線形変換であるため、その複雑度はＯ（Ｎ）である。
図１０および図１１は、マルチ識別制限フィードバック方法のモンテカルロ（Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ）シミュレーション結果を示し、実験回数は１０００回である。アレイアンテナは、１６アレイ素子の、半波長間隔の均等リニアアレイを用いる。マルチパス数は可変であり、角度広がりも可変である。また、各パスのマルチフェージングは独立で同じ分布であり、到来波の束の中心部はアレイ接線方向である。Ｈａａｒウェーブレットと空間領域パターンとを用いて、ウェーブレット変換を一回行い、ウェーブレット係数とスケーリング係数とのうちエネルギの高い方をチャネルフィードバック係数とする。
図１０および図１１の横軸はチャネル推定誤差を示し、その単位はｄＢである。縦軸は残余エネルギと受信側がフィードバックするチャネルパラメータエネルギとの比を示す。
図１０は、マルチパス数が５で、異なる角度広がりにおいて、チャネル残余エネルギとフィードバックパラメータエネルギとの比を示す。
図１１は、角度広がりが２０度で、異なるマルチパスの場合において、マルチ識別制限フィードバックの性能曲線を示す。同じ遅延広がりにおいて、チャネル推定誤差が比較的に大きい場合に、マルチパス数が多ければ多いほど、制限フィードバックの性能も良い。
以上説明したように、本実施の形態によれば、無線受信装置から無線送信装置にフィードバックする、ＭＩＭＯチャネルのチャネルパラメータを生成するチャネルパラメータ生成方法は、ＭＩＭＯチャネルを介して受信された信号を用いてチャネル推定を行うステップと、チャネル推定により得られたチャネル行列から、ＭＩＭＯチャネルの空間領域相関行列および時間領域相関行列のそれぞれのランクを導出するステップと、導出された空間領域相関行列のランクが、導出された時間領域相関行列のランクより小さい場合に、推定されたチャネル行列の列の次元数を低減させる演算を行うことによって、前記チャネルパラメータを得るステップと、導出された時間領域相関行列のランクが、導出された空間領域相関行列のランクより小さい場合に、推定されたチャネル行列の行の次元数を低減させる演算を行うことによって、チャネルパラメータを得るステップと、を有する。
また、本実施の形態で説明した方法の各ステップは、各種の無線通信システムにおける無線受信装置、例えば移動局装置または基地局装置において実現することができる。即ち、無線受信装置は、無線受信装置の通信相手である無線送信装置にフィードバックする、ＭＩＭＯチャネルのチャネルパラメータを生成する無線受信装置であって、ＭＩＭＯチャネルを介して受信された信号を用いてチャネル推定を行う推定部と、チャネル推定により得られたチャネル行列から、ＭＩＭＯチャネルの空間領域相関行列および時間領域相関行列のそれぞれのランクを導出する導出部と、導出された空間領域相関行列のランクが、導出された時間領域相関行列のランクより小さい場合に、推定されたチャネル行列の列の次元数を低減させる演算を行い、導出された時間領域相関行列のランクが、導出された空間領域相関行列のランクより小さい場合に、推定されたチャネル行列の行の次元数を低減させる演算を行うことによって、ＭＩＭＯチャネルパラメータを得る演算部と、を有する。
また、本発明の保護範囲はこれに限定されず、本発明に開示された技術範囲内で当業者の誰にとっても容易に思い付く変更または置き換えは、すべて本発明に包含された範囲内にカバーされるべきである。よって、本発明の保護範囲は特許請求の範囲の保護範囲を基準とすべきである。
本明細書は、２００５年０３月３０日出願の中国特許出願番号２００５１００６２９１１．８に基づく。この内容はすべてここに含めておく。
本発明に係るマルチアンテナシステムの制限フィードバック方法、チャネルパラメータ生成方法および無線受信装置は、各種のセルラー方式における高速無線通信システムおよび高スループット無線ＬＡＮシステム等の用途に適している。
本発明は、マルチアンテナ符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）無線通信システムにおける制限フィードバック（limited feedback）技術に関し、具体的には、各種のセルラー方式における高速無線通信システムおよび高スループット無線ＬＡＮシステムに適用し、特に、３ＧＰＰ ＴＸＡＡ方式を用いる各種の通信システムに適用するマルチアンテナシステムにおける制限フィードバック方法、チャネルパラメータ生成方法および無線受信装置に関する。
多入力多出力（Multiple-Input Multiple-Output：ＭＩＭＯ）システムは、送信側および受信側において複数のアンテナを採用し、伝送レートを効率的に向上させ、各種の選択性フェージングに対抗し、マルチユーザの場合における通信をサポートすることができる。大量の研究結果から明らかなように（例えば、非特許文献１参照）、ＭＩＭＯシステムは、３Ｇおよび４Ｇセルラー通信システムであり、固定無線アクセスシステム、無線ＬＡＮシステムにおいて、高速伝送を実現する最も潜在力がある技術である。
クローズドループＭＩＭＯ通信システムにおいて、送信側ではチャネル状態情報（Channel Status Information：ＣＳＩ）を用いて送信波形を調整することにより、所望のユーザが受信するセル内のほかのユーザからの干渉を減少させ、符号間クロストークにより生じる性能の損失を低減させる。また、周波数選択性フェージングに対抗し、システム容量を効率的に向上させる。さらに、基地局では既知のチャネル情報に基づいて、ユーザ間のスケジューリングを実現し、リソースの効率的な割り当てを行うことができ、より高いスループットレートをシステムに与える。そのため、３ＧＰＰ（3G Partnership Project）はＭＩＭＯシステムにおけるクローズドループダイバーシチ方式を制定した（例えば、非特許文献２参照）。
図１のブロック図に示すように、通常、ユーザのＣＳＩが受信側で量子化された後に、制限レートフィードバックチャネルにより受信側から送信側に送信される。図１では、データビットが、送信側のプレコーディング部１０に入力され、プレコーディングされ、送信アンテナ１１から送信される。受信側では、受信アンテナ１２から無線信号が受信され、ここで付加ノイズが生じる（図１の添付符号１３を参照）。そして、この信号は、時空間受信部１４に入力され、次の処理が行われる。フィードバック設計部１５は、時空間受信部１４から出力された信号に基づいて、具体的な応用に応じてフィードバックパラメータを設計して、制限レートフィードバックチャネルを介して送信側に送信する。
実際のシステムにおいて、制御チャネルは、いくつかのチャネルパラメータを伝送することができる。しかし、マルチアンテナシステムにおいて、チャネルパラメータは、送受信アンテナの個数の積に伴って倍増する。例えば、１つのシステムに４つの受信アンテナと４つの送信アンテナを有する場合に、フラットフェージングチャネルにおいて、毎回のフィードバックに１６個のチャネルパラメータを伝送する必要がある。これはＳＩＳＯシステムにおけるチャネルパラメータの１６倍であり、フィードバックに必要な周波数帯域資源を大きく増加させる。有限の無線周波数帯域資源を節約するために、チャネルパラメータをフィードバックする前に、クローズドループＭＩＭＯシステムのチャネルパラメータに対して、制限フィードバック処理を行う必要がある（例えば、非特許文献３参照）。
制限フィードバックは、ベクトル量子化の方法により実現することができる。図２はチ
ャネル量子化を示す図である。ここで、Ｈはフラットフェージング環境におけるＭＩＭＯシステムの無線チャネル行列であり、そのｉ行目のｊ列目の成分ｈｉｊは、ｉ個目の送信アンテナからｊ個目の受信アンテナまでの間のチャネルフェージングを示す。ベクトル量子化を行う時に、まず、その各列を１つの長いベクトルにまとめてから、それに対してベクトル量子化を行う。チャネルのベクトル量子化と圧縮ベクトル量子化との主な違いは両者のコスト関数が異なるところにある。通常、ベクトル量子化の基準としては、入力ベクトルと出力ベクトルとの平均二乗誤差（Mean Square Error：ＭＳＥ）が最小であることが要求される。チャネル量子化の場合には、チャネルの特徴を十分に利用することが要求され、ＭＳＥ基準に従って量子化した後にも、チャネルは依然として当該特徴を保持する。
チャネルベクトル量子化はチャネルの視点からのみ制限フィードバックを実現する。また、制限フィードバックを実現する際に、送信系列の特性も考慮される。送信系列の特性に基づいて、プレコーディング行列のコードセットを設計しておき、無線チャネル行列に基づいて、最適なプレコーディング行列を選択するとともに、その番号を送信側にフィードバックする。このような方法を量子化信号適応方法と言う。この方法では、１つの選択関数ｆを定義し、プレコーディング行列はＦ＝ｆ（Ｈ）であり、関数ｆはＨをプレコーディング行列のコードセットＣＳにマッピングする。ＣＳは下記の式（１）で示される。
Figure 2006106693
ＣＳにはすべての可能なプレコーディング行列が含まれる。上記の式（１）におけるＮはＢ個のビットで示すことができ、選択されたプレコーディング行列はＢ個のビットにより送信側にフィードバックされる。このような制限フィードバック技術はビーム形成システム（例えば、非特許文献４、５参照）、時空間ブロック符号システム（例えば、非特許文献６参照）、および空間多重方式システム（例えば、非特許文献７参照）に応用されている。プレコーディング行列集合（つまりコードセット）は、サブ空間測度、Ｈの分布特性、選択行列などのあらゆる面の要素の影響を受けるため、その設計が比較的に複雑である。
低ランク空間マッピングは、量子化信号適応方法の複雑度の問題を効率的に克服することができる。これにより、チャネル行列の行および列を低ランク空間にマッピングさせ、さらに少ないパラメータでチャネル内容を示す。ビーム形成システムにとって、１つ１つの相関行列Ｆｎは、ランクが１であるＭ×１のベクトルｆｎにより展開され、ここで、Ｍは送信アンテナの数である。ｆｎがＤ次元のサブ空間であり、Ｄ≦Ｍである場合に、ｆｎをｆｎ＝Ｐｎαｎと示すことができる。Ｐｎは１つのＭ×Ｄ次元行列であり、その各列は、１つのＤ次元の空間に展開される。αｎは、１つのＤ×１次元の列ベクトルであり、受信側では、Ｄ×１次元のベクルトαｎの解を求める必要があり、それに対して量子化した後に、それを送信側にフィードバックする。
非特許文献８はＣＤＭＡシステムに対して、特徴波形の低ランク空間マッピングの問題について検討し、また、制限フィードバックの方法を上り回線のマルチユーザの場合に普及させた。受信側では、ある基準、例えば、エネルギ拘束の最小平均二乗誤差（Minimum Mean Square Error：ＭＭＳＥ）に従って、次元数がさらに低い特徴波形、すなわち、αｎを確定する。この方法は、最適なαｎを求める前に、事前に人為的に次元を低減する行列Ｐｎを確定する。例えば、次のとおりである。
Figure 2006106693
このＰｎは１つの４次元のベクトルを１つの２次元のベクトルに変える。それと特徴波形ｆｎとは如何なる関連もない。このようにすると、人為的に特徴波形の構成を拘束し、適応調整後に得られた最適解も人為的な拘束における結果となり、ランクが低減された特徴波形に人為的に歪みをもたらす。
ＭＩＭＯシステムにおけるランク低減アルゴリズムが研究されている（例えば、非特許文献９参照）。しかし、チャネル行列に対して、固有値分解を行う必要があり、チャネル行列の次元数が比較的に高いまたはユーザが比較的に多い場合には、このような固有値分解の複雑度には耐えにくい。識別可能マルチパス数が比較的に多い場合には、当該アルゴリズムはランク低減の目的を実現できない。
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クローズドループマルチアンテナＣＤＭＡシステムにおけるチャネルフィードバック情報が過多なリソースを占用する問題を克服するため、本発明は、マルチ識別の制限フィードバック方法、チャネルパラメータ生成方法および無線受信装置を開示する。この方法および装置は、マルチアンテナシステムのアンテナ間のチャネルフェージングが低ランク性を有する特徴を用いて、マルチアンテナシステムＣＤＭＡシステムの制限フィードバックを実現する。また、推定されたチャネル行列を用いて、対応する空間領域相関行列および時間領域相関行列を算出し、空間領域相関行列のランクおよび時間領域相関行列のランクに基づいて、制限フィードバック処理に空間領域パターンを用いるのか、それとも時間領域パターンを用いるのかを確定する。また、チャネル行列が有する空間領域マルチ識別特性または拡散符号のマルチ識別特性に基づいて、ウェーブレット変換（Wavelet Transform：ＷＴ）を用いて、チャネル行列に対してマルチ識別フィルタリングを行い、チャネル次元数を減らし、制限されたチャネルパラメータでチャネル行列の主な内容を示すとともに、最終結果を送信側にフィードバックする。
本発明の一形態では、マルチアンテナシステムにおける制限フィードバック方法は、受信信号からチャネル行列を推定するステップと、前記チャネル行列に基づいてチャネルの空間領域相関行列および前記空間領域相関行列のランクを算出するステップと、前記チャネル行列に基づいてチャネルの時間領域相関行列および前記時間領域相関行列のランクを算出するステップと、前記空間領域相関行列のランクが前記時間領域相関行列のランクより小さい場合に、前記チャネル行列の列に対してウェーブレット変換を行うことにより制限フィードバック出力を取得するステップと、前記空間領域相関行列のランクが前記時間領域相関行列のランクより大きい場合に、前記チャネル行列の行に対してウェーブレット変換を行うことにより制限フィードバック出力を取得するステップと、を具備するようにした。
本発明の他の形態では、無線受信装置から無線送信装置にフィードバックする、多入力多出力チャネルのチャネルパラメータを生成するチャネルパラメータ生成方法は、前記チャネルを介して受信された信号を用いてチャネル推定を行うステップと、前記チャネル推定により得られたチャネル行列から、前記チャネルの空間領域相関行列および時間領域相関行列のそれぞれのランクを導出するステップと、導出された空間領域相関行列のランクが、導出された時間領域相関行列のランクより小さい場合に、推定されたチャネル行列の列の次元数を低減させる演算を行うことによって、前記チャネルパラメータを得るステップと、導出された時間領域相関行列のランクが、導出された空間領域相関行列のランクより小さい場合に、推定されたチャネル行列の行の次元数を低減させる演算を行うことによって、前記チャネルパラメータを得るステップと、を有するようにした。
本発明のさらに他の形態では、無線送信装置にフィードバックする、多入力多出力チャネルのチャネルパラメータを生成する無線受信装置は、前記チャネルを介して受信された信号を用いてチャネル推定を行う推定手段と、前記チャネル推定により得られたチャネル行列から、前記チャネルの空間領域相関行列および時間領域相関行列のそれぞれのランクを導出する導出手段と、導出された空間領域相関行列のランクが、導出された時間領域相関行列のランクより小さい場合に、推定されたチャネル行列の列の次元数を低減させる演算を行い、導出された時間領域相関行列のランクが、導出された空間領域相関行列のランクより小さい場合に、推定されたチャネル行列の行の次元数を低減させる演算を行うことによって、前記チャネルパラメータを得る演算手段と、を有する構成を採る。
本発明は、アレイ特性、無線伝送チャネル特性および拡散符号の特徴に基づいて、ＭＩ
ＭＯチャネル低ランク性の特徴を利用し、マルチ識別フィルタを用いて、チャネル行列に対して処理を行う。また、マルチ識別のチャネルインパルス応答を取得し、チャネル情報の制限フィードバック伝送を実現する。また、チャネル自身の特徴に基づいて、低ランクマッピング処理を行い、信号の主要成分を保持し、人為的なプレフィルタリングによりもたらされるチャネル歪みを克服する。これは、Ｍａｌｌａｔフィルタを用いて、演算量が少ないという特徴がある。
本発明の実施には３つの大きなステップが含まれる。図３に示すように、まず、第一ステップでは、チャネルを推定する（ステップＳ１０１）。次いで、第二ステップでは、どんなパターンを用いて制限フィードバック処理を行うかを、推定されたチャネルを用いて判断する（ステップＳ１０２）。次いで、第三ステップでは、パターン選択結果に基づいて、空間領域または時間領域のパターンに従って制限フィードバック処理を行う（ステップＳ１０３またはＳ１０４）。
符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）システムにＭ個の受信アンテナ、Ｋ個の送信アンテナを有するとした場合、チップレートに従ってサンプリングした後に、送信アンテナのｋ個目の離散時空間チャネルパターンＨｋ（ｔ）が得られる。無線チャネルは、Ｐ個のマルチパスにより重畳されて形成されたと見なすこともでき、ｐ個目のマルチパスの到来方向（direction of arrival）をυｋ、ｐとし、その遅延をτｋ、ｐとし、そのマルチフェージングをαｋ、ｐ（ｔ）とした場合、離散時空間チャネルＨｋ（ｔ）を下記の式（３）と示すことができる。
Figure 2006106693
その次元数はＭ×Ｗであり、Ｗは符号の時間サンプル数に等しい。また、ｇ（τｋ、ｐ）Ｔは１×Ｗ次元の行ベクトルであり、τｋ、ｐ遅延後の特徴波形を示す。また、ａ（υｋ、ｐ）は信号の空間領域特徴を示し、Ｍ×１次元の操向ベクトル（steering vector）である。
＜チャネル推定＞
制限フィードバックを行う前に、チャネルに対して推定を行う必要がある。連続のＬ個のスロット内で、各パスの到来方向と遅延とが一定であると仮定する。ユーザの移動性により、異なるスロット間のチャネルフェージングは互いに独立である。図４は、信号フレームの構成を示す。ここで、各フレームはＮｆ個のスロットにより構成され、各スロットは、Ｎｓ個の送信符号、トレーニングシーケンス、Ｎｓ個の送信符号、ガードインターバルの順に構成される。トレーニングシーケンスの長さＮｍは、チャネルの時間領域次元数より大きくなければならない。
複数のスロットにより得られたチャネル推定を用いて推定の精度を向上させることがでる。また、１つのスロット内の信号を用いてＨｋ（ｔ）に対して推定を行うこともできる。ｌ（ｌ＝１、２、…、Ｌ）個目のスロット内で、チャネルパターンＨｋ（ｌ）は一定であり、トレーニングシーケンスは１つのＷ×Ｎのテプリッツ（Toeplitz）行列Ｘｋであり、Ｈｋ（ｌ）とＸｋとの積はチャネルとトレーニングシーケンスとの畳み込みを示す。ｌ（ｌ＝１、２、…、Ｌ）個目のスロットの受信信号をＹ（ｌ）で示す場合、Ｙ（ｌ）は、１つのＭ×Ｎの行列であり、Ｎ個のサンプル信号を有する。複数の送信アンテナのチャネル行列はＨ（ｌ）＝［Ｈ１（１）…Ｈｋ（ｌ）］であり、Ｘ＝［ＸＴ １…ＸＴ Ｋ］ＴはＫ個の送信アンテナのトレーニングシーケンスから構成されたテプリッツ行列を有する。ｌ個目のスロット内で、受信された信号は下記の式（４）で示すことができる。
Figure 2006106693
ここで、Ｎ（ｌ）＝［ｎ１（ｌ）…ｎ１（Ｎ）］は受信された雑音干渉信号である。仮に雑音信号が時間領域に非相関であり、且つ、各アンテナに受信された雑音分布が互いに独立であるとする。チャネル行列Ｈ（ｌ）の正則（full rank）推定には、最小二乗（Least Square）法を用いることができ、受信行列とトレーニングシーケンスとを相関させてチャネル行列の推定値が得られる。これは下記の式（５）で示される。
Figure 2006106693
＜パターン選択＞
Ｒｋ、Ｓ＝Ｅα［Ｈｋ（ｔ）Ｈｋ（ｔ）Ｈ］がチャネルの空間領域相関行列を示すとした場合に、そのランクｒｋ、ｓは、異なる到来方向を有する識別可能マルチパス数に対応する。また、Ｒｋ、ｔ＝Ｅα［Ｈｋ（ｔ）ＨＨｋ（ｔ）］がチャネルの時間領域相関行列を示すとした場合に、そのランクｒｋ、ｔは、異なる遅延を有する識別可能マルチパス数に対応する。チャネル行列Ｈｋ（ｔ）の各列ベクトルはｒｋ、ｓとＲｋ、ｓの主固有ベクトルとによって展開される空間に属し、その各行ベクトルはｒｋ、ｔとＲｋ、ｔの主固有ベクトルとによって展開される空間に属する。
ランク低減処理では、Ｈｋ（ｔ）を空間領域または時間領域の主固有成分が対応する空間にマッピングし、１つのランク低減パターンが得られ、そのランクはｒｋ＝ｍｉｎ（ｒｋ、ｓ、ｒｋ、ｔ）＜ｍｉｎ（Ｍ、Ｗ）である。ランク低減パターンを空間領域成分Ｍ×ｒｋ次元行列Ａｋ（ｔ）と時間領域成分ｒｋ×Ｗ次元行列Ｂｋ（ｔ）との積の形式に示すことができる。非特許文献９から明らかなように、マルチパス信号の各パラメータのうち遅延と到来方向とは相対的に変化が遅く、それがＬ個のスロットで一定であると見なすこ
とができる。しかし、マルチパスフェージングの変化は比較的に速く、それはスロットによって異なり、且つ、各々のスロットでのフェージングは互いに独立である。そこで、空間領域パターンおよび時間領域パターンをそれぞれ以下の式（６）、（７）で示す。
Figure 2006106693
Figure 2006106693
角度を基準とした識別可能マルチパス数が遅延を基準とした識別可能マルチパス数より小さい場合、即ち、ｒｋ、ｓ＜ｒｋ、ｔの場合に、効率的にチャネル行列を示すために、制限フィードバックを行う際には空間領域パターンを用いるべきである。ｒｋ、ｓ＞ｒｋ、ｔの場合には時間領域パターンを用いるべきである。マルチアンテナシステムにおいて、角度広がりが存在しない場合に、チャネルのランクは１であり、チャネルを以下の式（８）と示すことができる。
Figure 2006106693
ここで、ｂｋ（ｔ）はチャネルの時間領域特徴を示す。ｂｋ（ｔ）は以下の式（９）で示される。
Figure 2006106693
図５はパターン選択を示すフロー図である。まず、受信側では、受信された信号に基づいて、ユーザのｋ個目のチャネル行列を推定する。次いでステップＳ３０１では、推定されたチャネル行列を用いて、チャネル空間領域相関行列Ｒｋ、ｓを求める。次いで、ステップＳ３０２では、チャネル空間領域相関行列Ｒｋ、ｓのランクｒｋ、ｓを求める。
同様に、ステップＳ３０３およびステップＳ３０４では、時間領域相関行列Ｒｋ、ｔおよびそのランクｒｋ、ｔをそれぞれ求める。ステップＳ３０５では、上述した２つのランクの大きさを判断する。時間領域相関行列のランクｒｋ、ｔが空間領域行列のランクｒｋ、ｓより小さい場合に（Ｓ３０５：ＮＯ）、ステップＳ３０６で時間領域パターンに従って制限フィードバック処理を行う。時間領域相関行列のランクｒｋ、ｔが空間領域行列のランクｒｋ、ｓより大きい場合に（Ｓ３０５：ＹＥＳ）、ステップＳ３０７で、空間領域に従って制限フィードバック処理を行う。
広大な地域に設置された無線通信システムに対して、散乱体が比較的に少なく、また、その角度広がりが小さく、通常２０度より小さい（非特許文献１０、１１）。このため、そのチャネルパターン空間領域の識別可能マルチパス数が比較的に少なく、空間領域パターンを用いて制限フィードバック処理を行うのに適合する。しかし、マイクロセルラ内通信システムに対して、送信側および受信側の付近に散乱体が比較的に多いため、そのチャネルの角度広がりが比較的に大きい。また、送信側と受信側の距離が比較的に近く、その時間遅延広がりが比較的に小さく、通常１０〜１００ｎｓの間である。このため、時間領域の識別可能マルチパス数が比較的に少なく、時間領域パターンを用いて制限フィードバック処理を行うべきである。また、ＣＤＭＡシステムにとって、その時間領域パターンに
おいて識別可能マルチパス数は拡散符号とも関わりがある。拡散率が４である拡散符号を例として説明する。拡散符号（１、１、１、１）の信号は、１つの符号周期では一定であり、その他の拡散符号に相対して、それは１つの低周波信号であり、その時間識別率は比較的に低いため、異なる遅延を識別可能マルチパス数も比較的に少ない。
＜空間領域パターンに基づいた制限フィードバック処理＞
空間領域パターンにとっては、識別可能マルチパス数がアレイ次元数の制限を受け、チャネルパターンの空間領域主固有ベクトルがチャネルパターンの空間領域次元数より大きい可能性があるため、効率的なランク低減処理を施すことができない。また、その時間領域の識別可能マルチパス数（時間領域の識別可能マルチパスは異なる遅延を有するマルチパスを指す）は、空間領域の識別可能マルチパス数（空間領域の識別可能マルチパスは異なる到来方向を有するマルチパスを指す）をはるかに上回るため、時間領域パターンを用いると、効率的な低ランクマッピングの目的に至ることができない。一方、各パス信号の到来方向は分散的ではなく、それらは、連続到来方向を有する束であるため、複数の離散的な主成分を用いてチャネル特徴を示すことができない。
この問題を解決するために、束により構成された角度空間を単位として、チャネルに対して低ランクマッピング処理を行う。それは、ウェーブレット変換のマルチ識別の特性を用いて、ウェーブレット変換を空間領域チャネル波形に応用して、マルチ識別ビーム空間（beam space）におけるチャネル波形を取得した。図６に示すように、サブビーム空間は、異なる物理角度空間に１つずつ対応し、いくつかの主固有ベクトルを有する。マルチ識別は、異なる到来方向に基づいて、異なるサブビーム空間内のチャネル波形に異なる空間サンプリング間隔を用いることを指す。サブビーム空間毎で、チャネル波形の次元数はいずれも、アレイの次元数より小さい。ウェーブレット変換を用いて、主な束を取り出し、チャネルパラメータの数を減少させ、チャネル行列の制限フィードバック伝送を実現する。
図７Ａおよび図７Ｂに示すように、アレイアンテナを、Ｍ個のアレイ素子を有する均等リニアアレイ（uniform linear array）とし、隣接する２つのアレイ素子の距離はｄであり、平面波信号の到来方向はθ（法線方向に対する）である。それでは、１つの均等リニアアレイにとっては、隣接する２つのアレイ素子の受信信号の位相差はΔφ＝ｋｄｓｉｎθであり、ここで、ｋは２π／λに等しく、λは信号波長である。基本的に、この位相特性は、信号がアレイアンテナに沿って振動するレートを決定する。法線方向に近づいた信号（θ≒０）にとって、隣接するアレイ素子間の位相差ｋｄｓｉｎθは０に近づき、信号がアレイに沿って鈍く振動するため、比較的に大きい空間サンプリング間隔を用いて、比較的に大きいアレイ素子間の距離に対応することができる。逆に、入射源がアレイ方向に近づく場合に、このときθ≒±π／２であり、信号はアレイに沿って高速振動し、比較的に小さいスケーリング（scaling）を用いてそれを観察する必要がある。
上述の検討から明らかなように、空間サンプリング間隔と到来方向とは密接な関係を持つ。一部の方向の到来波に対しては、アレイ素子間の距離をもっと大きくすることができる。このように、アレイ開口（array aperture）が一定である場合に、空間サンプリングポイント数を減らすことができる。よって、マルチ識別空間サンプリング技術を用いてランク低減を実現することができる。
ウェーブレット変換により、異なる到来方向に基づいて信号に対してマルチレートの空間領域の再サンプリングを行うことができる。チャネル行列Ｈｋ（ｔ）の各列に対してウェーブレット変換を行い、出力のウェーブレット係数ｃ（ｔ）とスケーリング係数ｄ（ｔ）が得られる。これらは以下の式（１０）で示される。
Figure 2006106693
ここで、ｄｗｔ［・］は二進ウェーブレット変換である。スケーリング係数とウェーブレット係数とは異なる方向の角度空間に対応し、それらの次元数はいずれもチャネルの列ベクトルの次元数より低い。次いで、スケーリング係数での相関とウェーブレット係数での相関とをそれぞれ算出し、その大きさを判断する。ウェーブレット係数の相関がスケーリング係数の相関より大きい場合に、ウェーブレット係数を送信側にフィードバックし、そうでない場合、スケーリング係数を送信側にフィードバックする。フィードバックチャネルの帯域幅が非常に限られている場合に、ウェーブレット変換の結果に対してさらにウェーブレット変換を行うことができる。ウェーブレット変換を行う度にチャネルパラメータを減少させ、チャネル情報にも損失がもたらされる。複数回のウェーブレット変換後に、空間領域の全体がいくつかの角度サブ空間に分けられる。図４に示すように、各角度サブ空間が異なる方向マルチパスからの応答に対応し、異なる次元数を有し、空間サンプリング間隔により決定され、最初のチャネルパターンＨｋ（ｔ）の行数より小さい。なお、ウェーブレット変換の回数は、与えられたフィードバックパラメータの数、許容されたチャネル誤差およびフィードバックパラメータと残余エネルギの比に基づいて、決定することができる。
図８において、まず、ステップＳ６０１では、チャネル行列Ｈｋの１列目ｈｋ、１を選択する。次いで、ステップＳ６０２では、ｉ＝１とする。次いで、ステップＳ６０３では、チャネル行列Ｈｋのｉ列目ｈｋ、ｊに対してウェーブレット変換を行い、ウェーブレット係数ｄ、スケーリング係数ｃ、およびそれらのエネルギ|ｄ|と|ｃ|を取得する。次いで、ステップＳ６０４では、|ｄ|と|ｃ|の大きさを判断する。
|ｄ|が|ｃ|より小さい場合に（Ｓ６０４：ＮＯ）、ステップＳ６０５では、スケーリング係数ｃを１個目の列ベクトルの制限フィードバック出力とし、次いでステップＳ６０７に進む。|ｄ|が|ｃ|より大きい場合に（Ｓ６０４：ＹＥＳ）、ステップＳ６０６でウェーブレット係数ｄを選択して、１個目の列ベクトルの制限フィードバック出力とし、次いでステップＳ６０７に進む。
ステップＳ６０７では、ｉに１を加算する、次いで、ステップＳ６０８では、ｉがＷ以下か否かを判断する。ここで、Ｗはチャネル行列Ｈｋの列数である。ｉがＷ以下の場合に（Ｓ６０８：ＹＥＳ）、ステップＳ６０３に戻り、引き続き次の列に対して処理を行う。ｉがＷより大きい場合に（Ｓ６０８：ＮＯ）、つまり、すべての列の処理が終わった場合、プロセスは終了する。
このように、チャネル行列が有する空間領域マルチ識別特性に基づいて、ウェーブレット変換を用いて、チャネル行列に対してマルチ識別フィルタリングを行い、チャネル次元数を減らし、制限されたチャネルパラメータでチャネル行列の主な内容を示すとともに、最終結果を送信側にフィードバックする。
＜時間領域パターンに基づいたフィードバック処理＞
一部のＣＤＭＡシステムにとって、チャネルの時間領域特徴波形は、同様にマルチ識別特性を有し、当該特性は、主に拡散符号の特性により決定される。明らかなように、ウォルシュ符号はＣＤＭＡシステムに最もよく用いられる拡散符号である。それを、以下の式（１１）に示す行列に従って展開する。
Figure 2006106693
上述の数式から明らかなように、行列Ｃの２つの行ベクトルは、ちょうどＨａａｒウェーブレットのウェーブレット関数およびスケーリング関数である。Ｈａａｒウェーブレットを用いて、ウォルシュ符号の各符号に対して変換を行う。得られるウェーブレット係数とスケーリング係数とのうち１つは必ずゼロである。ウェーブレット理論に結びつけると明らかなように、異なる拡散符号は異なる時間周波数識別率を有する。よって、異なる拡散符号の時間領域特徴波形に必要なサンプリング間隔は異なる。
拡散率が８であるウォルシュ符号を例としてこの問題について説明する。３つのウォルシュ符号、ａ＝（１、１、１、１、１、１、１、１）、ｂ＝（１、１、−１、−１、１、１、−１、−１）、ｃ＝（１、−１、１、−１、１、−１、１、−１）を有し、それらの変化レートは異なり、必要なサンプリング間隔も異なる。ｃの変化レートは最も速い。また、それが要求するサンプリングのレートは最も高く、チップレートに従ってサンプリングする必要がある。そして、次がｂである。ａは１つの符号周期において一定であり、チップレートに従ってサンプリングを行うと、比較的に多い冗長を有することになる。また、同様の無線環境において、異なる拡散符号が異なる時間周波数識別率を有するため、それらのマルチパス遅延に対する敏感度が異なる。また、それらの時間領域特徴波形は異なる識別可能マルチパス数を有する。
通常、ユーザのチャネル特徴に対して時間領域離散化を行うときに、異なる拡散符号の特徴波形は同じサンプリング間隔が用いられ、よって、一部の拡散符号に対して比較的に高い冗長が生じてしまい、フィードバックチャネル資源が無駄になる。ウェーブレット変換を用いると、各アンテナの時間領域チャネルインパルス応答に対して処理を行うことができ、マルチ識別の出力が得られる。また、異なる拡散符号に基づいて、異なるサンプリング間隔を用いて、離散チャネルパラメータ中の冗長を低減させ、チャネルフィードバック伝送の効率を向上させた。また、時間領域パターンに基づいたフィードバック処理においても、空間領域パターンに基づいた制限フィードバック処理と同様に、フィードバックチャネルの帯域幅が非常に限られている場合に、ウェーブレット変換の結果に対してさらにウェーブレット変換を行うことができる。なお、ウェーブレット変換の回数は、符号分割多元接続システム拡散符号の特性およびセル内可能なマルチパスの数に基づいて、決定することができる。
図９は、時間領域パターンの制限フィードバック処理を示すフロー図である。図９において、まず、ステップＳ７０１では、チャネル行列Ｈｋの１行目ｌｋ、１を選択する。次いで、ステップＳ７０２では、ｉ＝１とする。次いで、ステップＳ７０３では、チャネル行列Ｈｋのｉ行目ｌｋ、ｊに対してウェーブレット変換を行い、ウェーブレット係数ｄ、スケーリング係数ｃ、およびそれらのエネルギ|ｄ|と|ｃ|を取得する。次いで、ステップＳ７０４では、|ｄ|と|ｃ|の大きさを判断する。
|ｄ|が|ｃ|より小さい場合に（Ｓ７０４：ＮＯ）、ステップＳ７０５では、スケーリング係数ｃを１個目の行ベクトルの制限フィードバック出力とし、次いでステップＳ７０７に進む。|ｄ|が|ｃ|より大きい場合に（Ｓ７０４：ＹＥＳ）、ステップＳ７０６でウェーブレット係数ｄを選択して、１個目の行ベクトルの制限フィードバック出力とし、次いでステップＳ７０７に進む。
ステップＳ７０７では、ｉに１を加算する。次いで、ステップＳ７０８では、ｉがＭ以下か否かを判断する。ここで、Ｍはチャネル行列Ｈｋの行数である。ｉがＭ以下の場合に（Ｓ７０８：ＹＥＳ）、ステップＳ７０３に戻り、引き続き次の行に対して処理を行う。ｉがＭより大きい場合（Ｓ７０８：ＮＯ）、つまり、すべての行の処理が終わった場合、プロセスは終了する。
このように、チャネル行列が有する拡散符号のマルチ識別特性に基づいて、ウェーブレット変換を用いて、チャネル行列に対してマルチ識別フィルタリングを行い、チャネル次元数を減らし、制限されたチャネルパラメータでチャネル行列の主な内容を示すとともに、最終結果を送信側にフィードバックする。
＜シミュレーションの結果分析＞
固有値分解の方法を介してランク低減し、主成分を取り出す場合に、その演算量は主にチャネル行列の相関に対して固有値分解を行うのに集中する。固有値分解複雑度はＯ（Ｎ３）である。ここで、Ｎは特徴系列の次元数である。ウェーブレット変換に基づいた制限フィードバックアルゴリズムは、ランク低減すると共に、特徴波形の次元数を低減させる。ウェーブレット変換が線形変換であるため、その複雑度はＯ（Ｎ）である。
図１０および図１１は、マルチ識別制限フィードバック方法のモンテカルロ（Monte Carlo）シミュレーション結果を示し、実験回数は１０００回である。アレイアンテナは、１６アレイ素子の、半波長間隔の均等リニアアレイを用いる。マルチパス数は可変であり、角度広がりも可変である。また、各パスのマルチフェージングは独立で同じ分布であり、到来波の束の中心部はアレイ接線方向である。Ｈａａｒウェーブレットと空間領域パターンとを用いて、ウェーブレット変換を一回行い、ウェーブレット係数とスケーリング係数とのうちエネルギの高い方をチャネルフィードバック係数とする。
図１０および図１１の横軸はチャネル推定誤差を示し、その単位はｄＢである。縦軸は残余エネルギと受信側がフィードバックするチャネルパラメータエネルギとの比を示す。
図１０は、マルチパス数が５で、異なる角度広がりにおいて、チャネル残余エネルギとフィードバックパラメータエネルギとの比を示す。
図１１は、角度広がりが２０度で、異なるマルチパスの場合において、マルチ識別制限フィードバックの性能曲線を示す。同じ遅延広がりにおいて、チャネル推定誤差が比較的に大きい場合に、マルチパス数が多ければ多いほど、制限フィードバックの性能も良い。
以上説明したように、本実施の形態によれば、無線受信装置から無線送信装置にフィードバックする、ＭＩＭＯチャネルのチャネルパラメータを生成するチャネルパラメータ生成方法は、ＭＩＭＯチャネルを介して受信された信号を用いてチャネル推定を行うステップと、チャネル推定により得られたチャネル行列から、ＭＩＭＯチャネルの空間領域相関行列および時間領域相関行列のそれぞれのランクを導出するステップと、導出された空間領域相関行列のランクが、導出された時間領域相関行列のランクより小さい場合に、推定されたチャネル行列の列の次元数を低減させる演算を行うことによって、前記チャネルパラメータを得るステップと、導出された時間領域相関行列のランクが、導出された空間領域相関行列のランクより小さい場合に、推定されたチャネル行列の行の次元数を低減させる演算を行うことによって、チャネルパラメータを得るステップと、を有する。
また、本実施の形態で説明した方法の各ステップは、各種の無線通信システムにおける無線受信装置、例えば移動局装置または基地局装置において実現することができる。即ち、無線受信装置は、無線受信装置の通信相手である無線送信装置にフィードバックする、
ＭＩＭＯチャネルのチャネルパラメータを生成する無線受信装置であって、ＭＩＭＯチャネルを介して受信された信号を用いてチャネル推定を行う推定部と、チャネル推定により得られたチャネル行列から、ＭＩＭＯチャネルの空間領域相関行列および時間領域相関行列のそれぞれのランクを導出する導出部と、導出された空間領域相関行列のランクが、導出された時間領域相関行列のランクより小さい場合に、推定されたチャネル行列の列の次元数を低減させる演算を行い、導出された時間領域相関行列のランクが、導出された空間領域相関行列のランクより小さい場合に、推定されたチャネル行列の行の次元数を低減させる演算を行うことによって、ＭＩＭＯチャネルパラメータを得る演算部と、を有する。
また、本発明の保護範囲はこれに限定されず、本発明に開示された技術範囲内で当業者の誰にとっても容易に思い付く変更または置き換えは、すべて本発明に包含された範囲内にカバーされるべきである。よって、本発明の保護範囲は特許請求の範囲の保護範囲を基準とすべきである。
本明細書は、２００５年０３月３０日出願の中国特許出願番号２００５１００６２９１１．８に基づく。この内容はすべてここに含めておく。
本発明に係るマルチアンテナシステムの制限フィードバック方法、チャネルパラメータ生成方法および無線受信装置は、各種のセルラー方式における高速無線通信システムおよび高スループット無線ＬＡＮシステム等の用途に適している。
制限フィードバックＭＩＭＯシステムを示す図 チャネルベクトル量子化の原理を示す図 本発明の制限フィードバック方法の全体を示すフロー図 送信系列フレームの構成を示す図 パターン選択の実現を示すフロー図 異なるサブビーム領域が対応する異なる角度空間を示す図 到来方向が異なり、アレイ成分の位相差が同じである信号に対して、異なる空間サンプリングの間隔（法線方向に近づく）を用いる場合を示す図 到来方向が異なり、アレイ成分の位相差が同じである信号に対して、異なる空間サンプリングの間隔（アレイ成分方向に近づく）を用いる場合を示す図 空間領域パターンに基づいて制限フィードバックを実現する、一次元ウェーブレット変換のみを行った場合のフロー図 時間領域に基づいて制限フィードバックを実現する、一次元ウェーブレット変換のみを行った場合のフロー図 異なる角度広がりにおけるマルチ識別制限フィードバックの性能曲線 異なるマルチパス数の場合におけるマルチ識別制限フィーバックの性能曲線

Claims (10)

  1. 受信信号からチャネル行列を推定するステップと、
    前記チャネル行列に基づいてチャネルの空間領域相関行列および前記空間領域相関行列のランクを算出するステップと、
    前記チャネル行列に基づいてチャネルの時間領域相関行列および前記時間領域相関行列のランクを算出するステップと、
    前記空間領域相関行列のランクが前記時間領域相関行列のランクより小さい場合に、前記チャネル行列の列に対してウェーブレット変換を行うことにより制限フィードバック出力を取得するステップと、
    前記空間領域相関行列のランクが前記時間領域相関行列のランクより大きい場合に、前記チャネル行列の行に対してウェーブレット変換を行うことにより制限フィードバック出力を取得するステップと、
    を具備するマルチアンテナシステムにおける制限フィードバック方法。
  2. 前記チャネル行列の列に対してウェーブレット変換を行うことにより制限フィードバック出力を取得するステップは、
    チャネル行列の各列に対してウェーブレット変換を行い、対応するウェーブレット係数およびスケーリング係数並びにウェーブレット係数のエネルギおよびスケーリング係数のエネルギを取得し、
    ウェーブレット係数のエネルギがスケーリング係数のエネルギより大きい場合に、前記ウェーブレット係数を当該列のベクトルの制限フィードバック出力とし、
    ウェーブレット係数のエネルギがスケーリング係数のエネルギより小さい場合に、前記スケーリング係数を当該列のベクトルの制限フィードバック出力とする、
    請求項１記載の制限フィードバック方法。
  3. 前記チャネル行列の行に対してウェーブレット変換を行うことにより制限フィードバック出力を取得するステップは、
    チャネル行列の各行に対してウェーブレット変換を行い、対応するウェーブレット係数およびスケーリング係数並びにウェーブレット係数のエネルギおよびスケーリング係数のエネルギを取得し、
    ウェーブレット係数のエネルギがスケーリング係数のエネルギより大きい場合に、前記ウェーブレット係数を当該行のベクトルの制限フィードバック出力とし、
    ウェーブレット係数のエネルギがスケーリング係数のエネルギより小さい場合に、前記スケーリング係数を当該行のベクトルの制限フィードバック出力とする、
    請求項１記載の制限フィードバック方法。
  4. 前記行の制限フィードバック出力および前記列の制限フィードバック出力に対して、ウェーブレット変換をさらに行い、最終的なフィードバック結果を取得する、
    請求項２記載の制限フィードバック方法。
  5. 与えられたフィードバックパラメータの数、許容されたチャネル誤差およびフィードバックパラメータと残余エネルギの比に基づいて、ウェーブレット変換の回数を決定する、
    請求項４記載の制限フィードバック方法。
  6. 各々の列または行のフィードバック出力の成分のエネルギを算出し、比較的大きい成分を選択して最終的な制限フィードバック出力とし、送信側にフィードバックする、
    請求項４記載の制限フィードバック方法。
  7. 符号分割多元接続システム拡散符号の特性およびセル内可能なマルチパスの数に基づいて、ウェーブレット変換の回数を確定する、
    請求項４記載の制限フィードバック方法。
  8. 前記ウェーブレット変換はＨａａｒウェ−ブレット変換である、
    請求項１記載の制限フィードバック方法。
  9. 無線受信装置から無線送信装置にフィードバックする、多入力多出力チャネルのチャネルパラメータを生成するチャネルパラメータ生成方法であって、
    前記チャネルを介して受信された信号を用いてチャネル推定を行うステップと、
    前記チャネル推定により得られたチャネル行列から、前記チャネルの空間領域相関行列および時間領域相関行列のそれぞれのランクを導出するステップと、
    導出された空間領域相関行列のランクが、導出された時間領域相関行列のランクより小さい場合に、推定されたチャネル行列の列の次元数を低減させる演算を行うことによって、前記チャネルパラメータを得るステップと、
    導出された時間領域相関行列のランクが、導出された空間領域相関行列のランクより小さい場合に、推定されたチャネル行列の行の次元数を低減させる演算を行うことによって、前記チャネルパラメータを得るステップと、
    を具備するチャネルパラメータ生成方法。
  10. 無線送信装置にフィードバックする、多入力多出力チャネルのチャネルパラメータを生成する無線受信装置であって、
    前記チャネルを介して受信された信号を用いてチャネル推定を行う推定手段と、
    前記チャネル推定により得られたチャネル行列から、前記チャネルの空間領域相関行列および時間領域相関行列のそれぞれのランクを導出する導出手段と、
    導出された空間領域相関行列のランクが、導出された時間領域相関行列のランクより小さい場合に、推定されたチャネル行列の列の次元数を低減させる演算を行い、導出された時間領域相関行列のランクが、導出された空間領域相関行列のランクより小さい場合に、推定されたチャネル行列の行の次元数を低減させる演算を行うことによって、前記チャネルパラメータを得る演算手段と、
    を具備する無線受信装置。
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