多重入出力無線通信システムにおける制限されたフィードフォワードのビーム形成を行うための装置及びその方法
【課題】本発明は多重入出力（ＭＩＭＯ）無線通信システムを提供する。
【解決手段】基地局は、空間多重接続される端末各々のダウンリンクチャネル行列の情報を利用して端末各々のダウンリンクビーム形成ベクトルを繰り返し算出して、最適の端末別ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する第１算出器と、ダウンリンクビーム形成ベクトルの情報を送信するため、ダウンリンクビーム形成ベクトルの各々を量子化する量子化器と、制御チャネルを介して量子化されたダウンリンクビーム形成ベクトルの情報を端末にフィードフォワードする制御チャネル送信機と、量子化による誤差を考慮して、端末各々の最終ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する第２算出器と、最終ダウンリンクビーム形成ベクトルの各々に応じてビーム形成された各端末の送信信号を合算して多数のアンテナを介して送信するビーム形成送信機と、を備える。
【解決手段】基地局は、空間多重接続される端末各々のダウンリンクチャネル行列の情報を利用して端末各々のダウンリンクビーム形成ベクトルを繰り返し算出して、最適の端末別ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する第１算出器と、ダウンリンクビーム形成ベクトルの情報を送信するため、ダウンリンクビーム形成ベクトルの各々を量子化する量子化器と、制御チャネルを介して量子化されたダウンリンクビーム形成ベクトルの情報を端末にフィードフォワードする制御チャネル送信機と、量子化による誤差を考慮して、端末各々の最終ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する第２算出器と、最終ダウンリンクビーム形成ベクトルの各々に応じてビーム形成された各端末の送信信号を合算して多数のアンテナを介して送信するビーム形成送信機と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多重入出力（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ、以下、ＭＩＭＯと略す）無線通信システムに関し、特に、ＭＩＭＯ無線通信システムにおけるビーム形成（Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ）を行うための装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、高速及び高品質のデータ送信に対する要求が増大するにつれて、これを満足させるための技術の一つとして、多数の送受信アンテナを使用するＭＩＭＯ技術が大きく注目されている。前記ＭＩＭＯ技術は、多数のアンテナによる多数のチャネルを利用して通信を行うことによって、単一アンテナを使用する場合よりチャネルの容量を大きく改善させうる技術である。例えば、送受信端が全て信Ｍ個の送信アンテナ及び受信アンテナを使用し、各アンテナ間のチャネルが独立的で、かつ帯域幅と全体送信電力が固定されている場合に、平均チャネル容量は、単一アンテナに比べてＭ倍増加するようになる。
【０００３】
前記ＭＩＭＯ技術は、単一ユーザＭＩＭＯ（ＳＵ ＭＩＭＯ：Ｓｉｎｇｌｅ Ｕｓｅｒ ＭＩＭＯ）技術と多重ユーザＭＩＭＯ（ＭＵ ＭＩＭＯ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｕｓｅｒ ＭＩＭＯ）技術とに分けられることができる。前記単一ユーザＭＩＭＯ技術は、１対の送受信端が多数のアンテナによる多数のチャネルを全て占有して、一対一に通信を行うためのものであり、前記多重ユーザＭＩＭＯ技術は、多数のアンテナによる多数のチャネルを分割して使用することによって、一対多数関係である送受信端間に通信を行うためのものである。前記多重ユーザＭＩＭＯ技術のうち、ＭＩＭＯ放送チャネル（ＭＩＭＯ Ｂｒｏａｄｃａｓｔ Ｃｈａｎｎｅｌ）を利用する技術が次世代無線通信システムとして注目されている。
【０００４】
前記ＭＩＭＯ放送チャネルは、多数の送信アンテナを有する基地局と一つ以上の受信アンテナを有する多数の端末との間のダウンリンク通信を行うためのチャネルである。前記ＭＩＭＯ放送チャネルのための最も理想的な送信技法には、最大送信率を得ることができるＤＰＣ（Ｄｉｒｔｙ Ｐａｐｅｒ Ｃｏｄｉｎｇ）技法がある。しかしながら、前記ＤＰＣ技法は、実際具現が非常に難しい。そのため、前記ＤＰＣ技法の性能に近接し、実際具現が比較的容易な多様な技法が提案されたことがある。
【０００５】
従来では、前記ＤＰＣ技法の性能に近接する非線形的ビーム形成技法が提案されている。しかしながら、前記提案されたビーム形成技法は、依然として非常に大きな複雑度を有するため、実際システムに適用し難しいという問題がある。したがって、前記ＭＩＭＯ放送チャネルを利用した効果的なダウンリンク通信を行うために、低い複雑度を有する線形的ビーム形成技法の提案が求められる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、多重入出力（ＭＩＭＯ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）無線通信システムにおいて、低い複雑度を有する線形的ビーム形成装置及び方法を提供することにある。
【０００７】
本発明の他の目的は、多重入出力無線通信システムにおいてビーム形成ベクトル選択情報を交換するための制御チャネルの容量が制限された状況に適したビーム形成装置及び方法を提供することにある。
【０００８】
本発明のさらに他の目的は、多重入出力無線通信システムにおいてビーム形成ベクトル選択情報を交換するために量子化されたビーム形成ベクトルを使用するビーム形成装置及び方法を提供することにある。
【０００９】
本発明のさらに他の目的は、多重入出力無線通信システムで量子化されたビーム形成ベクトルによる誤差を考慮したビーム形成装置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成すべく、本発明の第１形態によると、多重入出力無線通信システムにおける基地局装置は、空間多重接続される端末の各々のダウンリンクチャネル行列の情報を利用して、前記端末の各々のダウンリンクビーム形成ベクトルを繰り返し的に算出することによって、最適の端末別ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する第１算出器と、前記ダウンリンクビーム形成ベクトルの情報を送信するために、前記ダウンリンクビーム形成ベクトルの各々を量子化する量子化器と、制御チャネルを介して量子化されたダウンリンクビーム形成ベクトルの情報を前記端末にフィードフォワードする制御チャネル送信機と、前記量子化による誤差を考慮して、前記端末の各々の最終ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する第２算出器と、前記最終ダウンリンクビーム形成ベクトルの各々に応じてビーム形成された各端末の送信信号を合算し、合算された送信信号を多数の送信アンテナを介して送信するビーム形成送信機と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、上記の目的を達成すべく、本発明の第２形態によると、多重入出力無線通信システムにおける端末装置は、基地局から受信された量子化されたダウンリンクビーム形成ベクトル情報を確認する確認器と、前記基地局と端末とのダウンリンクチャネル行列及び前記ダウンリンクビーム形成ベクトルを乗算することによって、前記ダウンリンク結合ベクトルを算出する算出器と、多数の受信アンテナを介して受信された信号に前記ダウンリンク結合ベクトルのエルミート行列を乗算するビーム結合受信機を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、上記の目的を達成すべく、本発明の第３形態によると、多重入出力無線通信システムにおける基地局の動作方法は、空間多重接続される端末の各々のダウンリンクチャネル行列の情報を利用して、前記端末の各々のダウンリンクビーム形成ベクトルを繰り返し的に算出することによって、最適の端末別ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する過程と、前記ダウンリンクビーム形成ベクトルの情報を送信するために、前記ダウンリンクビーム形成ベクトルの各々を量子化する過程と、制御チャネルを介して量子化されたダウンリンクビーム形成ベクトルの情報を前記端末にフィードフォワードする過程と、前記量子化による誤差を考慮して、前記端末の各々の最終ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する過程と、前記最終ダウンリンクビーム形成ベクトルの各々に応じてビーム形成された各端末の送信信号を合算し、合算された送信信号を多数の送信アンテナを介して送信する過程と、を含むことを特徴とする。
【００１３】
また、上記の目的を達成すべく、本発明の第４形態によると、多重入出力無線通信システムにおける端末の動作方法は、基地局から受信された量子化されたダウンリンクビーム形成ベクトル情報を確認する過程と、前記基地局と端末とのダウンリンクチャネル行列及び前記ダウンリンクビーム形成ベクトルを乗算することによって、前記ダウンリンク結合ベクトルを算出する過程と、多数の受信アンテナを介して受信された信号に前記ダウンリンク結合ベクトルのエルミート行列を乗算する過程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると、多重入出力無線通信システムにおいて繰り返し技法により決定された最適ビーム形成ベクトルを量子化して、制限されたフィードフォワードチャネル（ｌｉｍｉｔｅｄ ｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄ Ｃｈａｎｎｅｌ）を介して端末に知らせ、基地局は、前記量子化による誤差を考慮してビーム形成ベクトルを再算出することによって、低い複雑度で理想的な送信技法に近い性能を表すビーム形成を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面に基づき詳細に説明する。そして、本発明を説明するにおいて、関連した公知機能又は構成に対する具体的な説明が本発明の要旨を不明にすると判断される場合には、その詳細な説明は省略する。
【００１６】
以下、本発明は、多重入出力（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ、以下、ＭＩＭＯと略す）無線通信システムにおけるビーム形成技術について説明する。
【００１７】
まず、本発明は、解決しようとする問題について具体的に説明する。
【００１８】
本発明は、多数の送信アンテナを有する基地局と多数の受信アンテナを有する多数の端末とが空間多重接続通信を行う状況を考慮する。前記図１に示すように、前記基地局は、各端末への送信信号をすべての送信アンテナを介して送信し、各送信アンテナを介して送信される信号は、各端末への送信信号を合算した信号である。このとき、前記各端末への送信信号は、ビーム形成ベクトルｍｋと乗算された後に合算される。そして、各端末の受信信号は、端末自身の結合ベクトル（ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｖｅｃｔｏｒ）のエルミート（ｈｅｒｍｉｔｉａｎ）行列ｗＨｋと乗算される。
【００１９】
このとき、各端末で結合ベクトルのエルミート行列と乗算された受信信号は、下記の式１のように表すことができる。
【００２０】
【数１】
【００２１】
前記式１において、前記ｙｋは、端末ｋで結合ベクトルのエルミート行列と乗算された受信信号、前記ｗｋは、端末ｋの結合ベクトル、前記Ｈｋは、基地局と端末ｋとの間のダウンリンクチャネル行列、前記ｍｋは、端末ｋのビーム形成ベクトル、前記ｘｋは、端末ｋへの送信信号、前記Ｋは、空間多重接続される端末の数を意味する。
【００２２】
前記基地局と端末との間のダウンリンクチャネル行列は、｛端末の受信アンテナの数｝×｛基地局の送信アンテナの数｝サイズの複素行列である。ここで、端末ｋの等価チャネル行列（ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｃｈａｎｎｅｌ ｍａｔｒｉｘ）は、下記の式２のように表すことができる。
【００２３】
【数２】
【００２４】
前記式２において、
【００２５】
【数３】
【００２６】
は、端末ｋの等価チャネル行列、前記ｗｋは、端末ｋの結合ベクトル、前記Ｈｋは、基地局と端末ｋとの間のダウンリンクチャネル行列、前記Ｋは、空間多重接続される端末の数を意味する。
前記等価チャネル行列が前記式２のように表現されるとき、ビーム形成ベクトルが下記の式４のような特性を有することによって、端末の受信信号に該当結合ベクトルが乗算されるとき、他の端末の受信信号による干渉の影響がなくなる。
【００２７】
【数４】
【００２８】
前記式４において
【００２９】
【数５】
【００３０】
は、基地局と端末ｋとの間のダウンリンクチャネル行列、前記ｍｋは、端末ｋのビーム形成ベクトルを意味する。
【００３１】
また、前記チャネル行列の特異値分解（ＳＶＤ：Ｓｉｎｇｕｌａｒ Ｖａｌｕｅ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）は、下記の式６のように表すことができる。
【００３２】
【数６】
【００３３】
前記式６において、
【００３４】
【数７】
【００３５】
は、端末ｋの等価チャネル行列、
【００３６】
【数８】
【００３７】
は、左特異行列（ｌｅｆｔ ｓｉｎｇｕｌａｒ ｍａｔｒｉｘ）、
【００３８】
【数９】
【００３９】
は、等価チャネル行列の特異値行列、
【００４０】
【数１０】
【００４１】
は、「０」ではない特異値（ｎｏｎ−ｚｅｒｏ ｓｉｎｇｕｌａｒ ｖａｌｕｅｓ）と対応する右特異行列（ｒｉｇｈｔ ｓｉｎｇｕｌａｒ ｍａｔｒｉｘ）、前記
【００４２】
【数１１】
【００４３】
は、「０」である特異値（ｚｅｒｏ ｓｉｎｇｕｌａｒ ｖａｌｕｅ）と対応する右特異ベクトルを意味する。
【００４４】
このとき、端末ｋのビーム形成ベクトルは、前記右特異ベクトル
【００４５】
【数１２】
【００４６】
により一次結合（Ｓｐａｎ）される空間に存在する。結果的に、前記ビーム形成ベクトルは、前記右特異ベクトルと同様である。万一、端末が最大比結合（ＭＲＣ：Ｍａｘｉｍｕｍ Ｒａｔｉｏ Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ）受信を行うときには、端末の結合ベクトルは、下記の式１３のように決定される。
【００４７】
【数１３】
【００４８】
前記式１３において、前記ｗｋは、端末ｋの結合ベクトル、前記Ｈｋは、基地局と端末ｋとの間のダウンリンクチャネル行列、前記ｍｋは、端末ｋのビーム形成ベクトルを意味する。
【００４９】
端末が前記式１３のような結合ベクトルを使用する場合に、前記端末は、基地局とのチャネルを推定し、自身のビーム形成ベクトルを決定しなければならない。ここで、前記ビーム形成ベクトルの決定は、残りの端末のすべてのビーム形成ベクトルから影響を受ける。すなわち、各端末は、自身が使用する最適の結合ベクトルを算出するために、他の端末のチャネル状態情報を全て知っていなければならず、これは、前記最適の結合ベクトルの算出に大きな問題となる。したがって、本発明は、前記結合ベクトルを算出するために、他の端末のチャネル状態情報を全て知っていなければならないという問題を解決しようとする。
【００５０】
本発明によるＭＩＭＯ無線通信システムにおいて、端末は、ダウンリンクチャネルを推定し、推定されたチャネル状態情報、すなわち、チャネル行列情報を基地局にフィードバックする。以後、前記基地局は、各端末のチャネル行列を利用して、端末別最適のビーム形成ベクトルを算出する。このとき、前記端末別最適のビーム形成ベクトルの情報は、端末にフィードフォワードされなければならない。しかしながら、前記フィードフォワード可能な情報の量、すなわち、フィードフォワードのための制御チャネルの容量は制限されている。換言すると、端末の各々にフィードフォワードされる情報量の合計は、設定された量を超過してはならない。したがって、前記基地局は、制限された情報量を超過しないように、量子化されたビーム形成ベクトルをフィードフォワードする。
【００５１】
このとき、量子化の方式は、コードブックを使用する場合とコードブックを使用しない場合とに区分される。万一、コードブックを使用する場合に、基地局は、コードブック内で各端末のビーム形成ベクトルと最も近接したビーム形成ベクトルを選択する。ここで、前記コードブックは、基地局と端末との間の予め約束されて相互間に知られたビーム形成ベクトルの集合であって、コードブック内のビーム形成ベクトルは、インデックスを使用して区分される。これに対し、コードブックを使用しない場合には、基地局は、制限された制御チャネルの容量に応じてビーム形成ベクトルを構成する元素のアナログ値を量子化することによって、デジタル値に変換する。
【００５２】
以後、基地局は、量子化されたビーム形成ベクトルの情報をフィードフォワードし、前記各端末は、フィードフォワードされたインデックスに対応するビーム形成ベクトルを利用して、前記式１３のように最大比結合に応じる結合ベクトルを決定する。
【００５３】
このとき、量子化されたビーム形成ベクトル情報がフィードフォワードされることによって、端末により算出される結合ベクトルは、基地局のビーム形成ベクトルの算出時に考慮されていた端末の結合ベクトルと変わる。したがって、基地局は、ビーム形成ベクトルの量子化による結合ベクトルの変動を考慮して、ビーム形成ベクトルを再度算出する。
【００５４】
前記ビーム形成ベクトル情報のフィードフォワードのために、基地局は、各端末に制御チャネル内の資源を割り当てる。このとき、基地局は、劣悪なチャネル品質を有する端末に相対的に多いビット数を割り当てる。量子化に使用可能なビット数が多いほど、端末は、量子化によるエラーが少ないビーム形成ベクトル情報を得ることができる。したがって、基地局は、チャネル品質が劣悪な端末に比較的正確なビーム形成ベクトル情報を提供して、高いビーム形成利得を得るようにする。これによって、チャネル品質に優れた端末は、比較的不正確なビーム形成ベクトルを得るようになる。しかしながら、前記端末は、チャネル品質に優れているから、低いビーム形成利得でも高い性能を表すことができる。
【００５５】
前記量子化されたビーム形成ベクトルを使用する端末の受信信号は、下記の式１４のように表すことができる。
【００５６】
【数１４】
【００５７】
前記式１４において、前記ｙｋは、端末ｋの結合ベクトルと乗算された受信信号、前記Ｑ（ｍｋ）は、量子化された端末ｋのビーム形成ベクトル、前記Ｈｋは、基地局と端末ｋとの間のダウンリンクチャネル行列、前記ｍｋは、端末ｋのビーム形成ベクトル、前記ｘｋは、端末ｋへの送信信号、前記Ｋは、空間多重接続される端末の数、前記ｎｋは、端末ｋの受信雑音を意味する。
【００５８】
前記量子化されたビーム形成ベクトルを使用する端末の信号対干渉及び雑音比（ＳＩＮＲ：Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）は、下記の式１５のとおりである。
【００５９】
【数１５】
【００６０】
前記式１５において、前記ＳＩＮＲｋは、端末ｋの信号対干渉及び雑音比、前記Ｑ（ｍｋ）は、量子化された端末ｋのビーム形成ベクトル、前記Ｈｋは、基地局と端末ｋとの間のダウンリンクチャネル行列、前記ｍｋは、端末ｋのビーム形成ベクトル、前記Ｋは、空間多重接続される端末の数、前記σ２は、雑音の分散を意味する。
【００６１】
前記式１５に表された信号対干渉及び雑音比を最大化するビーム形成ベクトルは、下記の式１６のように決定される。
【００６２】
【数１６】
【００６３】
前記式１６において、
【００６４】
【数１７】
【００６５】
は、信号対干渉及び雑音比を最大化するように量子化された端末ｋのビーム形成ベクトル、前記Ｃは、コードブック、前記ｃｉは、コードブックに含まれたｉ番目のビーム形成ベクトル、前記ＳＩＮＲｋは、端末ｋの信号対干渉及び雑音比、前記Ｈｋは、基地局と端末ｋとの間のダウンリンクチャネル行列、前記ｍｋは、端末ｋのビーム形成ベクトル、前記Ｋは、空間多重接続される端末の数、前記σ２は、雑音の分散を意味する。
【００６６】
このとき、前記結合ベクトルが量子化されたビーム形成ベクトルを利用して算出されるため、受信信号に前記結合ベクトルのエルミートベクトルを乗算しても、端末間の干渉は依然として残る。前記残った干渉を除去するために、本発明による基地局は、前記式２の結合ベクトルを量子化されたビーム形成ベクトルを利用して算出された結合ベクトルに置換した後、前記式２の結果値を再度前記式４に代入してビーム形成ベクトルを更新する。これにより、基地局は、前記量子化による誤差を考慮した最終ビーム形成ベクトルを獲得する。前記量子化による誤差を考慮したビーム形成ベクトルを使用する場合に、信号対干渉及び雑音比は、下記の式１８のように表すことができる。
【００６７】
【数１８】
【００６８】
前記式１８において、前記ＳＩＮＲｋは、端末ｋの信号対干渉及び雑音比、
【００６９】
【数１９】
【００７０】
は、信号対干渉及び雑音比を最大化するように量子化された端末ｋのビーム形成ベクトル、前記Ｈｋは、基地局と端末ｋとの間のダウンリンクチャネル、
【００７１】
【数２０】
【００７２】
は、端末ｋの最終ビーム形成ベクトル、前記σ２は、雑音の分散を意味する。
【００７３】
上述したビーム形成ベクトルの算出及び結合ベクトルの算出過程は、ダウンリンク通信を仮定して記述されたものである。しかしながら、上述したビーム形成ベクトルの算出及び結合ベクトルの算出過程は、アップリンク通信のために同様に適用されうる。
【００７４】
万一、基地局及び端末がＴＤＤ（Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｄｕｐｌｅｘ）方式に従う場合に、ダウンリンク通信時に基地局により使用されるビーム形成ベクトルは、アップリンク通信時に基地局の結合ベクトルとして使用され、ダウンリンク通信時に各端末により使用される結合ベクトルは、アップリンク通信時に端末のビーム形成ベクトルとして使用される。すなわち、アップリンク通信のための追加的な演算なしに、基地局及び端末は、ダウンリンク通信のために算出されたベクトルをアップリンク通信時に使用する。
【００７５】
これに対し、基地局及び端末がＦＤＤ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｄｕｐｌｅｘ）方式に従う場合には、前記基地局は、アップリンクチャネル行列情報を利用して、ダウンリンク通信のためのビーム形成ベクトルを算出する方式と同じ方式によって、アップリンク通信のための結合ベクトルを算出する。そして、基地局がアップリンク通信のための基地局の結合ベクトルの情報を端末にフィードフォワードすることにより、各端末は、ダウンリンク通信のための結合ベクトルを算出する方式と同じ方式によって、アップリンク通信のための自身のビーム形成ベクトルを算出する。
【００７６】
以下、本発明は、上述した方式に応じて送信ビーム形成及び受信結合を行う基地局と端末の動作手順及び構成を、図面を参照して詳細に説明する。
【００７７】
図２は、本発明の第１の実施の形態による多重入出力無線通信システムにおける基地局の信号送信手順を示している。
【００７８】
前記図２に示すように、前記基地局は、ステップ２０１においてビーム形成ベクトルの情報をフィードフォワードするための制限された容量の制御チャネル内の資源を端末に分割割り当てる。このとき、前記基地局は、優れたチャネル品質を有する端末に相対的に少ない量の資源が割り当てられるように、前記制御チャネル内の資源を分割割り当てる。換言すれば、基地局は、資源の量がチャネル品質に反比例するように、制御チャネルに資源を割り当てる。例えば、劣悪なチャネル品質を有する端末１と相対的に優れたチャネル品質を有する端末２とがある場合に、前記基地局は、前記端末１に前記端末２に比べて多い量の資源を割り当てる。すなわち、コードブックを使用する場合に、基地局は、劣悪なチャネル品質を有するユーザ端末に対して、比較的に大きなコードブックを使用することに決定する。
【００７９】
以後、前記基地局は、ステップ２０３に進んで、空間多重接続される端末の各々のダウンリンクチャネル行列を特異値分解して初期結合ベクトルを設定する。ここで、前記チャネル行列は、各端末からフィードバックされた情報である。前記特異値分解は、下記の式２１のような演算を意味し、前記初期結合ベクトルは、主左特異ベクトル（Ｔｈｅ Ｐｒｉｎｃｉｐａｌ Ｌｅｆｔ Ｓｉｎｇｕｌａｒ Ｖｅｃｔｏｒ）である。ここで、前記主左特異ベクトルは、左特異行列の第一番目の列を意味する。
【００８０】
【数２１】
【００８１】
前記式２１において、前記Ｈｋは、基地局と端末ｋとの間のチャネル行列、前記Ｕｋは、左特異行列、前記Ｄｋは、チャネル行列の特異値行列、前記Ｖｋは、右特異行列を意味する。
【００８２】
次に、前記基地局は、ステップ２０５に進んで、前記結合ベクトルを利用して、各端末の等価チャネル行列を算出する。前記等価チャネル行列は、前記式２のように、該当端末を除いた残りの端末の各々の結合ベクトルのエルミートベクトルとチャネル行列との積の転置（ｔｒａｎｓｐｏｓｅ）行列を全て乗算し、これに対する転置行列を計算することによって算出される。
【００８３】
前記等価チャネル行列を算出した後、前記基地局は、ステップ２０７に進んで、各端末の等価チャネル行列に対する特異値分解により、各端末のビーム形成ベクトル及び結合ベクトルを更新する。前記特異値分解は、前記式６のように行われ、前記ビーム形成ベクトルは、「０」である特異値と対応する右特異ベクトル
【００８４】
【数２２】
【００８５】
である。そして、前記結合ベクトルは、前記式１３のように、チャネル行列とビーム形成ベクトルとを乗算することによって算出される。
【００８６】
前記ビーム形成ベクトル及び前記結合ベクトルを更新した後、前記基地局は、ステップ２０９に進んで、前記ビーム形成ベクトルが最適化されたか否かを判断する。例えば、前記基地局は、下記の式２３のように最適化如何を判断できる。
【００８７】
【数２３】
【００８８】
前記式２３において、前記ｍｋ（ｉ）は、ｉ番目に更新されたビーム形成ベクトル、前記εは、最適化臨界値を意味する。
【００８９】
すなわち、前記基地局は、最後に更新されたビーム形成ベクトルと、直前に更新されたビーム形成ベクトル間差の絶対値が所定臨界値より小さいと最適化されたと判断する。万一、前記ビーム形成ベクトルが最適化されていないと、前記基地局は、前記ステップ２０５及び前記ステップ２０７を繰り返し行う。このとき、一部端末のみのビーム形成ベクトルが最適化されていない場合に、前記基地局は、前記一部端末に対してのみ前記ステップ２０５及び前記ステップ２０７を繰り返し行う。
【００９０】
反面、すべての端末のビーム形成ベクトルが最適化された場合には、前記基地局は、ステップ２１１に進んで、各端末の最適化されたビーム形成ベクトルを割り当てられた制御チャネルの資源量、すなわち、割り当てられたビット数に合うように量子化する。例えば、前記基地局は、各端末に割り当てられたビット数と対応するコードブックを確認し、確認されたコードブック内から前記式１６のような条件を満たすビーム形成ベクトルを選択する。又は、前記基地局は、各端末に割り当てられたビット数に応じて前記ビーム形成ベクトルを構成する元素のアナログ値をデジタル値に変換する。
【００９１】
前記ビーム形成ベクトルを量子化した後、前記基地局は、ステップ２１３に進んで、前記量子化されたビーム形成ベクトルを利用して、各端末の結合ベクトルを算出する。ここで、前記結合ベクトルは、前記式１３のように算出される。
【００９２】
前記結合ベクトルを算出した後、前記基地局は、ステップ２１５に進んで、前記結合ベクトルを利用して、各端末の等価チャネル行列を算出する。ここで、前記等価チャネル行列は、前記式２のように算出される。
【００９３】
前記等価チャネル行列を算出した後、前記基地局は、ステップ２１７に進んで、前記等価チャネル行列に対する特異値分解により各端末の最終ビーム形成ベクトルを決定する。ここで、前記特異値分解は、前記式６のように行われ、前記ビーム形成ベクトルは、「０」である特異値と対応する右特異ベクトル
【００９４】
【数２４】
【００９５】
である。
【００９６】
前記最終ビーム形成ベクトルを決定した後、前記基地局は、ステップ２１９に進んで、各端末の量子化されたビーム形成ベクトル情報をフィードフォワードする。換言すると、前記基地局は、端末の結合ベクトルを算出するために、前記ステップ２１１で量子化されたビーム形成ベクトル情報をフィードフォワードする。
【００９７】
以後、前記基地局は、ステップ２２１に進んで、各端末への送信信号と該当最終ビーム形成ベクトルとを乗算し、ビーム形成された各端末の送信信号を合算した後、合算された送信信号を多数のアンテナを介して送信する。
【００９８】
図３は、本発明の第２の実施の形態による多重入出力無線通信システムにおける基地局の信号送信手順を示している。前記図３は、前記図２の手順に含まれた特異値分解による複雑度を減少させた他の実施の形態を示している。
【００９９】
前記図３に示すように、前記基地局は、ステップ３０１でビーム形成ベクトルの情報をフィードフォワードするための制限された容量の制御チャネル内の資源を端末に分割割り当てる。このとき、前記基地局は、優れたチャネル品質を有する端末に相対的に少ない量の資源が割り当てられるように、前記制御チャネル内の資源を分割割り当てる。換言すれば、基地局は、資源の量がチャネル品質に反比例するように、制御チャネルに資源を割り当てる。例えば、劣悪なチャネル品質を有する端末１と相対的に優れたチャネル品質を有する端末２がある場合に、前記基地局は、前記端末１に前記端末２に比べて多い量の資源を割り当てる。すなわち、コードブックを使用する場合に、基地局は、劣悪なチャネル品質を有するユーザ端末に対して、比較的に大きなコードブックを使用することに決定する。
【０１００】
以後、前記基地局は、ステップ３０３に進んで、空間多重接続される端末の各々のダウンリンクチャネル行列に対する特異値分解により、初期結合ベクトルを決定する。ここで、前記チャネル行列は、各端末からフィードバックされた情報である。前記特異値分解は、前記式２１のような演算を意味し、前記初期結合ベクトルは、主左特異ベクトルである。
【０１０１】
次に、前記基地局は、ステップ３０５に進んで、前記結合ベクトルを利用して、有効チャネル行列を算出する。ここで、前記有効チャネル行列は、下記の式２５のように算出される。
【０１０２】
【数２５】
【０１０３】
前記式２５において、前記Ｈｅｆｆは、有効チャネル行列、前記ｗｋ（ｉ）は、ｉ番目に更新された端末ｋの結合ベクトル、前記Ｈｋは、基地局と端末ｋとの間のチャネル行列を意味する。
【０１０４】
前記有効チャネル行列を算出した後、前記基地局は、ステップ３０７に進んで、前記有効チャネル行列を利用して、各端末のビーム形成ベクトル及び結合ベクトルを更新する。ここで、前記ビーム形成ベクトルは、下記の式２６のように更新され、前記結合ベクトルは、前記式１３のように更新される。
【０１０５】
【数２６】
【０１０６】
前記式２６において、前記ｍｋ（ｉ）は、ｉ番目に更新された端末ｋのビーム形成ベクトル、前記Ｈｅｆｆは、有効チャネル行列、前記Ｈ†ｅｆｆは、前記有効チャネル行列の疑似逆行列（Ｐｓｅｕｄｏ Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｍａｔｒｉｘ）、前記［Ｈ†ｅｆｆ］ｋは、有効チャネル行列の疑似逆行列のｋ番目の列を意味する。
【０１０７】
前記ビーム形成ベクトル及び前記結合ベクトルを更新した後、前記基地局は、ステップ３０９に進んで、前記ビーム形成ベクトルが最適化されたか否かを確認する。例えば、前記基地局は、前記式２３のように最適化如何を判断できる。すなわち、前記基地局は、最後に更新されたビーム形成ベクトルと直前に更新されたビーム形成ベクトルとの間の差の絶対値が所定臨界値より小さいと、最適化されたと判断する。万一、前記ビーム形成ベクトルが最適化されていない場合に、前記基地局は、前記ステップ３０５及び前記ステップ３０７を繰り返し行う。このとき、一部端末のみのビーム形成ベクトルが最適化されていない場合に、前記基地局は、前記一部端末に対してのみ前記ステップ３０５及び前記ステップ３０７を繰り返し行う。
【０１０８】
反面、すべての端末のビーム形成ベクトルが最適化された場合には、前記基地局は、ステップ３１１に進んで、各端末のビーム形成ベクトルを割り当てられた制御チャネルの資源量、すなわち、割り当てられたビット数に合うように量子化する。例えば、前記基地局は、各端末に割り当てられたビット数と対応するコードブックを確認し、確認されたコードブック内から前記式１６のような条件を満たすビーム形成ベクトルを選択する。又は、前記基地局は、各端末に割り当てられたビット数に応じて前記ビーム形成ベクトルを構成する元素のアナログ値をデジタル値に変換する。
【０１０９】
前記ビーム形成ベクトルを量子化した後、前記基地局は、ステップ３１３に進んで、前記量子化されたビーム形成ベクトルを利用して、各端末の結合ベクトルを算出する。ここで、前記結合ベクトルは、前記式１３のように算出される。
【０１１０】
前記結合ベクトルを算出した後、前記基地局は、ステップ３１５に進んで、前記結合ベクトルを利用して、有効チャネル行列を算出する。ここで、前記有効チャネル行列は、前記式２５のように算出される。
【０１１１】
前記有効チャネル行列を算出した後、前記基地局は、ステップ３１７に進んで、前記有効チャネル行列を利用して、各端末の最終ビーム形成ベクトルを決定する。前記最終ビーム形成ベクトルは、前記式２６のように決定される。
【０１１２】
前記最終ビーム形成ベクトルを決定した後、前記基地局は、ステップ３１９に進んで、各端末の量子化されたビーム形成ベクトルの情報をフィードフォワードする。換言すると、前記基地局は、端末の結合ベクトルを算出するために、前記ステップ３１１で量子化されたビーム形成ベクトルインデックスをフィードフォワードする。
【０１１３】
以後、前記基地局は、ステップ３２１に進んで、各端末への送信信号と該当最終ビーム形成ベクトルとを乗算し、ビーム形成された各端末の送信信号を合算した後、合算された送信信号を多数のアンテナを介して送信する。
【０１１４】
図４は、本発明の第３の実施の形態による多重入出力無線通信システムにおける基地局の信号送信手順を示している。前記図４は、前記図３の手順を結合ベクトルの算出なしに行うためのさらに他の実施の形態を示している。
【０１１５】
前記図４に示すように、前記基地局は、ステップ４０１でビーム形成ベクトルの情報をフィードフォワードするための制限された容量の制御チャネル内の資源を端末に分割割り当てる。このとき、前記基地局は、優れたチャネル品質を有する端末に相対的に少ない量の資源が割り当てられるように、前記制御チャネル内の資源を分割割り当てる。換言すれば、基地局は、資源の量がチャネル品質に反比例するように、制御チャネルに資源を割り当てる。例えば、劣悪なチャネル品質を有する端末１と相対的に優れたチャネル品質を有する端末２とがある場合に、前記基地局は、前記端末１に前記端末２に比べて多い量の資源を割り当てる。すなわち、コードブックを使用する場合に、基地局は、劣悪なチャネル品質を有するユーザ端末に対して、比較的に大きなコードブックを使用することに決定する。
【０１１６】
以後、前記基地局は、ステップ４０３に進んで、空間多重接続される端末の各々のダウンリンクチャネル行列を特異値分解して、初期ビーム形成ベクトルを決定する。ここで、前記チャネル行列は、各端末からフィードバックされた情報である。前記特異値分解は、前記式２１のような演算を意味し、前記初期ビーム形成ベクトルは、主右特異ベクトルである。ここで、前記主右特異ベクトルは、右特異行列の最も大きな特異値に対応する右特異ベクトルの列である。
【０１１７】
次に、前記基地局は、ステップ４０５に進んで、前記ビーム形成ベクトルを利用して、有効チャネル行列を算出する。ここで、前記有効チャネル行列は、下記の式２７のように算出される。
【０１１８】
【数２７】
【０１１９】
前記式２７において、前記Ｈｅｆｆは、有効チャネル行列、前記ｍｋ（ｉ）は、ｉ番目に更新された端末ｋのビーム形成ベクトル、前記Ｈｋは、基地局と端末ｋとの間のチャネル行列を意味する。
【０１２０】
前記有効チャネル行列を算出した後、前記基地局は、ステップ４０７に進んで、前記有効チャネル行列を利用して、各端末のビーム形成ベクトルを更新する。ここで、前記ビーム形成ベクトルは、前記式２６のように更新される。
【０１２１】
前記ビーム形成ベクトルを更新した後、前記基地局は、ステップ４０９に進んで、前記ビーム形成ベクトルが最適化されたか否かを確認する。例えば、前記基地局は、前記式２３のように最適化如何を判断できる。すなわち、前記基地局は、最後の更新されたビーム形成ベクトルと直前に更新されたビーム形成ベクトル間の差の絶対値が所定臨界値より小さいと、最適化されたと判断する。万一、前記ビーム形成ベクトルが最適化されていないと、前記基地局は、前記ステップ４０５及び前記ステップ４０７を繰り返し行う。このとき、一部端末のみのビーム形成ベクトルが最適化されていない場合に、前記基地局は、前記一部端末に対してのみ前記ステップ４０５及び前記ステップ４０７を繰り返し行う。
【０１２２】
反面、すべての端末のビーム形成ベクトルが最適化された場合には、前記基地局は、ステップ４１１に進んで、各端末のビーム形成ベクトルを割り当てられた制御チャネルの資源量、すなわち、割り当てられたビット数に合うように量子化する。例えば、前記基地局は、各端末に割り当てられたビット数と対応するコードブックを確認し、確認されたコードブック内から前記式１６のような条件を満たすビーム形成ベクトルを選択する。又は前記基地局は、各端末に割り当てられたビット数に応じて前記ビーム形成ベクトルを構成する元素のアナログ値をデジタル値に変換する。
【０１２３】
前記ビーム形成ベクトルを量子化した後、前記基地局は、ステップ４１３に進んで、前記量子化されたビーム形成ベクトルを利用して、各端末の有効チャネル行列を算出する。ここで、前記有効チャネル行列は、前記式２７のように算出される。
【０１２４】
前記有効チャネル行列を算出した後、前記基地局は、ステップ４１５に進んで、前記有効チャネル行列を利用して、各端末の最終ビーム形成ベクトルを決定する。前記最終ビーム形成ベクトルは、前記式２６のように決定される。
【０１２５】
前記最終ビーム形成ベクトルを決定した後、前記基地局は、ステップ４１７に進んで、各端末の量子化されたビーム形成ベクトルの情報をフィードフォワードする。換言すると、前記基地局は、端末の結合ベクトルを算出するために、前記ステップ４１１で量子化されたビーム形成ベクトルの情報をフィードフォワードする。
【０１２６】
以後、前記基地局は、ステップ４１９に進んで、各端末への送信信号と該当最終ビーム形成ベクトルとを乗算し、ビーム形成された各端末の送信信号を合算した後、合算された送信信号を多数のアンテナを介して送信する。
【０１２７】
前記図２、図３、図４を参考にして説明した実施の形態において、前記基地局は、ダウンリンク通信のためのビーム形成ベクトルを算出する。しかしながら、上述した実施の形態は、アップリンク通信時に基地局の結合ベクトルを算出するために適用されうる。万一、前記基地局がＴＤＤ方式に従う場合に、アップリンクチャネル及びダウンリンクチャネルは同一なので、前記基地局は、上述した実施の形態によって算出されたビーム形成ベクトルをアップリンク通信のための結合ベクトルとして使用する。これに対し、前記基地局がＦＤＤ方式に従う場合には、前記基地局は、前記ステップ３０３でダウンリンクチャネル行列の代わりにアップリンクチャネル行列を代入することによって、アップリンク通信のための結合ベクトルを算出できる。しかしながら、ＦＤＤ方式に従う場合には、前記基地局は、端末のアップリンク通信のためのビーム形成ベクトルを算出するために、アップリンク通信のための結合ベクトルの情報をフィードフォワードする。
【０１２８】
上述したように、アップリンク通信のための結合ベクトルを算出した前記基地局は、多数の受信アンテナを介して受信される端末からの信号に前記アップリンク通信のための結合ベクトルとを各々乗算することによって、前記端末を各々の信号に分離する。
【０１２９】
図５は、本発明の実施の形態による多重入出力無線通信システムにおける端末の信号受信手順を示している。
【０１３０】
前記図５に示すように、前記端末は、ステップ５０１でダウンリンクチャネル状態を推定する。前記ダウンリンクチャネル状態、すなわち、ダウンリンクチャネル行列は、パイロット信号のように予め約束された信号を利用して推定され、｛基地局送信アンテナの数｝×｛端末受信アンテナの数｝サイズの行列である。
【０１３１】
前記ダウンリンクチャネル行列を推定した後、前記端末は、ステップ５０３に進んで、前記チャネル状態情報を基地局にフィードバックする。
【０１３２】
以後、前記端末は、ステップ５０５に進んで、ビーム形成ベクトル情報がフィードフォワードされるか否かを確認する。前記ビーム形成ベクトルインデックスの情報量、すなわち、ビットの数は、基地局のフィードフォワードチャネル割り当て結果によって変わる。このとき、前記ビーム形成ベクトル情報は、ビーム形成ベクトルを構成する元素の値であるか、又はコードブックに含まれたビーム形成ベクトルのインデックスである。
【０１３３】
前記ビーム形成ベクトル情報がフィードフォワードされると、前記端末は、ステップ５０７に進んで、前記ビーム形成ベクトルを確認し、結合ベクトルを算出する。例えば、コードブックを使用する場合に、前記端末は、受信されたインデックス情報を構成するビット数と対応するコードブックを確認し、確認されたコードブック内で前記インデックスと対応するビーム形成ベクトルを確認する。そして、前記端末は、前記式１３のように前記結合ベクトルを算出する。
【０１３４】
前記結合ベクトルを算出した後、前記端末は、ステップ５０９に進んで、多数のアンテナを介して受信される信号に前記結合ベクトルのエルミート行列を乗算する。ここで、前記結合ベクトルのエルミート行列と乗算された信号は、復調及び復号化を介してユーザデータに変換される。
【０１３５】
前記図５を参考にして説明した実施の形態において、前記端末は、ダウンリンク通信のための結合ベクトルを算出する。しかしながら、上述した実施の形態は、アップリンク通信時に端末のビーム形成ベクトルを算出するために適用されうる。万一、前記端末がＴＤＤ方式に従う場合に、アップリンクチャネル及びダウンリンクチャネルは同一なので、前記端末は、上述した実施の形態によって算出された結合ベクトルをアップリンク通信のためのビーム形成ベクトルとして使用する。反面、前記端末がＦＤＤ方式に従う場合には、前記端末は、基地局からフィードフォワードされるアップリンク通信のための結合ベクトル情報を確認し、前記アップリンク通信のための結合ベクトルを利用して、アップリンク通信のための自身のビーム形成ベクトルを算出する。
【０１３６】
上述したように、アップリンク通信のためのビーム形成ベクトルを算出した前記端末は、送信信号を前記アップリンク通信のためのビーム形成ベクトルと乗算し、ビーム形成された送信信号を多数の送信アンテナを介して送信する。
【０１３７】
図６は、本発明の実施の形態による多重入出力無線通信システムにおける基地局のブロック構成を示している。
【０１３８】
前記図６に示すように、前記基地局は、制御チャネル受信機６０２、制御チャネル割り当て器６０４、第１ビームベクトル算出器６０６、ビームベクトル量子化器６０８、第２ビームベクトル算出器６１０、制御チャネル送信機６１２、符号化器６１４、変調器６１６、信号分類器６１８及びビーム形成送信機６２０を備えて構成される。
【０１３９】
前記制御チャネル受信機６０２は、制御チャネルを介して端末から各端末のチャネル状態情報を受信する。前記チャネル状態情報、すなわち、チャネル行列情報は、｛基地局送信アンテナの数｝×｛端末受信アンテナの数｝サイズの行列である。
【０１４０】
前記制御チャネル割り当て器６０４は、ビーム形成ベクトル情報フィードフォワードのための制限された容量の制御チャネル内の資源を分割割り当てる。このとき、前記制御チャネル割り当て器６０４は、優れたチャネル品質を有する端末に相対的に少ない量の資源が割り当てられるように、端末に前記資源を分割割り当てる。例えば、劣悪なチャネル品質を有する端末１と相対的に優れたチャネル品質を有する端末２がある場合に、前記制御チャネル割り当て器６０４は、前記端末１に前記端末２に比べて多い量のフィードフォワードチャネル資源を割り当てる。
【０１４１】
前記第１ビームベクトル算出器６０６は、各端末のダウンリンクチャネル行列を利用して、送信信号ビーム形成に使用されるビーム形成ベクトルを算出する。換言すると、前記第１ビームベクトル算出器６０６は、空間多重接続される端末の各々のダウンリンクチャネル行列を利用して、前記端末の各々のビーム形成ベクトルを繰り返し的に算出することによって、最適の端末別ビーム形成ベクトルを算出する。このとき、前記最適のビーム形成ベクトルの算出方式は、本発明の実施の形態によって変わる。
【０１４２】
まず、本発明の第１の実施の形態による場合に、前記第１ビームベクトル算出器６０６は、前記空間多重接続される端末の各々のダウンリンクチャネル行列に対する特異値分解により得られる主左特異ベクトルを前記端末の各々の初期結合ベクトルとして設定する。そして、前記第１ビームベクトル算出器６０６は、前記初期結合ベクトルを利用して算出される等価チャネル行列に対する特異値分解を介した前記ビーム形成ベクトル及び前記結合ベクトルの算出を繰り返し行うことによって、前記端末別最適のビーム形成ベクトルを算出する。例えば、毎繰り返し過程においてｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する場合に、前記第１ビームベクトル算出器６０６は、前記空間多重接続される端末のうち、前記ｋ番目の端末を除いた残りの端末の各々の結合ベクトルのエルミート行列とダウンリンクチャネル行列との積の転置行列を端末インデックスに応じてすべて順次乗算し、転置行列の積の転置行列を算出することによって、前記ｋ番目の端末の等価チャネル行列を算出する、そして、前記第１ビームベクトル算出器６０６は、前記ｋ番目の端末の等価チャネル行列を特異値分解して得られる右特異ベクトルを前記ｋ番目の端末のビーム形成ベクトルに更新し、前記ｋ番目の端末のダウンリンクチャネル行列と前記ビーム形成ベクトルとの積を前記ｋ番目の端末の結合ベクトルに更新する。そして、前記ｋ番目の端末のビーム形成ベクトル及び結合ベクトルを更新した後、前記第１ビームベクトル算出器６０６は、前記ｋ番目の端末のビーム形成ベクトルが最適化されたか否かを判断する。万一、ビーム形成ベクトルが最適化されていないと、前記第１ビームベクトル算出器６０６は、更新されたビーム形成ベクトル及び更新された結合ベクトルを利用して、上述した動作を繰り返す。
【０１４３】
次に、本発明の第２の実施の形態による場合に、前記第１ビームベクトル算出器６０６は、前記空間多重接続される端末の各々のチャネル行列に対する特異値分解により得られる主左特異ベクトルを前記端末の各々の初期結合ベクトルとして設定する。そして、前記第１ビームベクトル算出器６０６は、前記初期結合ベクトルを利用して算出される有効チャネル行列を利用した前記ビーム形成ベクトル及び前記結合ベクトルの算出を繰り返し行うことによって、前記最適の端末別ビーム形成ベクトルを算出する。例えば、毎繰り返し過程においてｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する場合に、前記第１ビームベクトル算出器６０６は、前記空間多重接続される端末の各々の結合ベクトルのエルミート行列とチャネル行列との積の転置行列の端末インデックスに応じてすべて順次乗算し、転置行列の積の転置行列を算出することによって、前記有効チャネル行列を算出する。そして、前記第１ビームベクトル算出器６０６は、前記有効チャネル行列の疑似逆行列のｋ番目の列を前記有効チャネル行列の疑似逆行列のｋ番目の列の絶対値で分けたベクトルを前記ｋ番目の端末のビーム形成ベクトルに更新し、前記ｋ番目の端末のダウンリンクチャネル行列と前記ビーム形成ベクトルとの積を前記ｋ番目の端末の結合ベクトルに更新する。前記ｋ番目の端末のビーム形成ベクトル及び結合ベクトルを更新した前記第１ビームベクトル算出器６０６は、前記ｋ番目の端末のビーム形成ベクトルが最適化されたか否かを判断する。万一、ビーム形成ベクトルが最適化されていないと、前記第１ビームベクトル算出器６０６は、更新されたビーム形成ベクトル及び更新された結合ベクトルを利用して、上述した動作を繰り返す。
【０１４４】
最後に、本発明の第３の実施の形態による場合に、前記第１ビームベクトル算出器６０６は、前記空間多重接続される端末の各々のチャネル行列に対する特異値分解により得られる主右特異ベクトルを前記端末の各々の初期ビーム形成ベクトルとして設定する。そして、前記第１ビームベクトル算出器６０６は、前記初期ビーム形成ベクトルを利用して算出される有効チャネル行列を利用した前記ビーム形成ベクトル及び前記結合ベクトルの算出を繰り返し行うことによって、前記最適の端末別ビーム形成ベクトルを算出する。例えば、毎繰り返し過程においてｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する場合に、前記第１ビームベクトル算出器６０６は、前記空間多重接続される端末の各々のビーム形成ベクトルのエルミート行列、ダウンリンクチャネル行列のエルミート行列及びダウンリンクチャネル行列との積の転置行列の端末インデックスに応じてすべて順次乗算し、前記転置行列の積の転置行列を算出することによって、前記有効チャネル行列を算出する。そして、前記第１ビームベクトル算出器６０６は、前記有効チャネル行列の疑似逆行列のｋ番目の列を前記有効チャネル行列の疑似逆行列のｋ番目の列の絶対値で分けたベクトルを前記ｋ番目の端末のビーム形成ベクトルに更新する。前記ｋ番目の端末のビーム形成ベクトルを更新した前記第１ビームベクトル算出器６０６は、前記ｋ番目の端末のビーム形成ベクトルが最適化されたか否かを判断する。万一、ビーム形成ベクトルが最適化されていないと、前記第１ビームベクトル算出器６０６は、更新されたビーム形成ベクトルを利用して、上述した動作を繰り返す。
【０１４５】
前記ビームベクトル量子化器６０８は、前記第１ビームベクトル算出器６０６から最適化されたビーム形成ベクトルを提供されて、前記最適化されたビーム形成ベクトルを量子化する。このとき、前記ビームベクトル量子化器６０８の量子化方式は、コードブックの使用有無によって変わる。
【０１４６】
まず、コードブックを使用する場合に、前記ビームベクトル量子化器６０８は、各端末に割り当てられたビット数と対応するコードブックを確認し、確認されたコードブック内で前記式１６のような条件を満たすビーム形成ベクトルを選択する。すなわち、前記ビームベクトル量子化器６０８は、前記最適化されたビーム形成ベクトルが乗算されて送信された信号を受信した端末が、前記選択されたビーム形成ベクトルを利用し結合ベクトルを算出して受信信号に乗算されたとき、信号対干渉及び雑音比を最大にするビーム形成ベクトルを選択する。次に、コードブックを使用しない場合に、前記ビームベクトル量子化器６０８は、前記第１ビームベクトル算出器６０６により算出された最適化されたビーム形成ベクトルを構成する元素のアナログ値をデジタル値に変換する。ここで、各端末のビーム形成ベクトルに対する量子化ビットの数は、前記制御チャネル割り当て器６０４の制御チャネル割り当てにより決定される。そして、前記ビームベクトル量子化器６０８は、量子化されたビーム形成ベクトルの情報を前記第２ビームベクトル算出器６１０に提供する。
前記第２ビームベクトル算出器６１０は、前記量子化による誤差を考慮したビーム形成ベクトルを算出する。例えば、本発明の第１の実施の形態による場合。前記第２ビームベクトル算出器６１０は、前記量子化されたビーム形成ベクトルによって算出された結合ベクトルを利用して、各端末の等価チャネル行列を算出し、前記等価チャネル行列に対する特異値分解を介して最終ビーム形成ベクトルを算出する。又は、本発明の第２の実施の形態又は本発明の第３の実施の形態による場合に、ここで、本発明の他の実施の形態によって、前記第２ビームベクトル算出器６１０は、有効チャネル行列を算出し、前記有効チャネル行列を利用して、最終ビーム形成ベクトルを算出する。
【０１４７】
前記制御チャネル送信機６１２は、制御チャネルを介して各端末に量子化されたビーム形成ベクトルインデックス情報を送信する。前記符号化器６１４は、ユーザデータを符号化してチャネルコーディングされたビット列に変換する。前記変調器６１６は、前記符号化器６１４から提供されるビット列を復調して、複素シンボルに変換する。前記信号分類器６１８は、前記変調器６１６から提供される複素シンボルを端末別に分類する。前記ビーム形成送信機６２０は、前記信号分類器６１８から提供される端末別信号を該当ビーム形成ベクトルと乗算し、ビーム形成された各端末の送信信号を合算する。そして、前記ビーム形成送信機６２０は、合算された送信信号を多数の送信アンテナを介して送信する。
【０１４８】
前記図６に示す構成を参考にして説明した基地局の動作により、ダウンリンク通信のためのビーム形成ベクトルが算出される。
【０１４９】
万一、前記基地局がＴＤＤ方式に従う場合に、前記ダウンリンク通信のためのビーム形成ベクトルは、アップリンク通信のための結合ベクトルとして使用されることができる。この場合に、前記基地局は、ビーム結合受信機（図示せず）をさらに備え、前記ビーム結合受信機は、多数の受信アンテナを介して受信される前記端末からの信号に前記ダウンリンクビーム形成ベクトルの各々を乗算することによって、前記端末の各々の信号を分離する。
【０１５０】
反面、前記基地局がＦＤＤ方式に従う場合には、前記第１ビームベクトル算出器６０６、前記ビームベクトル量子化器６０８、前記第２ビームベクトル算出器６１０、前記制御チャネル送信機６１２は、アップリンク通信のための結合ベクトルの算出に使用される。詳細に説明すると、前記第１ビームベクトル算出器６０６は、前記空間多重接続される端末の各々のアップリンクチャネル行列の情報を利用して、前記端末の各々のダウンリンク通信のためのビーム形成ベクトルを算出する方式と同じ方式により、前記端末の各々のアップリンク通信のための結合ベクトルを算出する。そして、前記ビームベクトル量子化器６０８は、前記アップリンク通信のための結合ベクトルの各々を量子化し、前記第２ビームベクトル算出器６１０は、前記量子化による誤差を考慮して前記端末の各々の最終アップリンク通信のための結合ベクトルを算出する。このとき、端末のアップリンク通信のためのビーム形成ベクトルを算出するために、前記制御チャネル送信機６１２は、前記量子化されたアップリンク通信のための結合ベクトルの情報を前記端末にフィードフォワードする。また、前記基地局は、ビーム結合受信機（図示せず）をさらに備え、前記ビーム結合受信機は、多数の受信アンテナを介して受信される前記端末からの信号に前記アップリンク通信のための結合ベクトルの各々を乗算することによって、前記端末の各々の信号を分離する。
【０１５１】
図７は、本発明の実施の形態による多重入出力無線通信システムにおける端末のブロック構成を示している。
【０１５２】
前記図７に示すように、前記端末は、チャネル推定器７０２、制御チャネル送信機７０４、制御チャネル受信機７０６、制御情報確認器７０８、結合ベクトル算出器７１０、信号結合受信機７１２、復調器７１４及び復号器７１６を備えて構成される。
【０１５３】
前記チャネル推定器７０２は、ダウンリンクチャネル状態を推定する。前記ダウンリンクチャネル状態は、パイロット信号のように予め約束された信号を利用して推定され、｛基地局送信アンテナの数｝×｛端末受信アンテナの数｝サイズの行列で構成される。前記制御チャネル送信機７０４は、前記チャネル推定器７０２から提供されるチャネル状態情報を、制御チャネルを介して基地局にフィードバックする。
【０１５４】
前記制御チャネル受信機７０６は、制御チャネルを介して基地局からビーム形成ベクトルインデックス情報を受信する。ここで、前記ビーム形成ベクトルインデックス情報を構成するビットの数は、基地局の制御チャネル割り当て結果に応じて変わる。前記制御情報確認器７０８は、制御チャネルを介して受信された前記ビーム形成ベクトルの情報を確認する。例えば、コードブックを使用する場合に、前記制御情報確認器７０８は、受信されたインデックス情報を構成するビット数と対応するコードブックを確認し、確認されたコードブック内で前記インデックスと対応するビーム形成ベクトルを確認する。そして、前記結合ベクトル算出器７１０は、前記式１３のように、自身のダウンリンクチャネル行列と前記制御情報確認器７０８により確認された前記ビーム形成ベクトルとを乗算することによって、前記自身の結合ベクトルを算出する。
【０１５５】
前記信号結合受信機７１２は、多数のアンテナを介して受信される信号に前記結合ベクトルのエルミート行列を乗算して出力する。前記復調器７１４は、前記信号結合受信機７１２から提供される信号を復調して、ビット列に変換する。前記復号器７１６は、前記復調器７１４から提供されるビット列を復号して、ユーザデータに変換する。
【０１５６】
前記図７に示す構成を参考にして説明した端末の動作により、ダウンリンク通信のための結合ベクトルが算出される。
【０１５７】
万一、前記端末がＴＤＤ方式に従う場合に、アップリンクチャネル及びダウンリンクチャネルは同一なので、前記結合ベクトルは、アップリンク通信のためのビーム形成ベクトルとして使用されることができる。この場合に、前記端末は、ビーム形成送信機（図示せず）をさらに備え、前記結合ベクトルのエルミート行列を利用して送信信号をビーム形成した後、ビーム形成された送信信号を多数の送信アンテナを介して送信する。
【０１５８】
反面、前記端末がＦＤＤ方式に従う場合には、前記制御情報確認器７０６、前記結合ベクトル算出器７０８は、アップリンク通信のためのビーム形成ベクトルの算出に使用される。詳細に説明すると、前記制御チャネル受信機７０４は、制御チャネルを介して基地局から受信される量子化されたアップリンク通信のための結合ベクトル情報を確認する。そして、前記結合ベクトル算出器７６０は、前記基地局と端末とのアップリンクチャネル行列及び前記アップリンク通信のための結合ベクトルを乗算することによって、アップリンク通信のためのビーム形成ベクトルを算出する。また、前記端末は、ビーム形成送信機（図示せず）をさらに備え、前記アップリンク通信のためのビーム形成ベクトルベクトルのエルミート行列を利用して送信信号をビーム形成した後、ビーム形成された送信信号を多数の送信アンテナを介して送信する。
【０１５９】
図８Ａおよび図８Ｂは、本発明によるビーム形成技法の性能を確認するために実施したシミュレーション実験結果を示している。
【０１６０】
前記図８Ａは、最も理想的な技法であるＤＰＣ（Ｄｉｒｔｙ Ｐａｐｅｒ Ｃｏｄｉｎｇ）技法と本発明による技法の性能を比較している。前記図８Ａは、受信アンテナの数に応じる全体送信率（Ｓｕｍ Ｒａｔｅ）を示しており、横軸は、受信アンテナの数を、縦軸は、全体送信率を示す。また、前記図８Ａにおいて、送信アンテナの数は５個、端末の数は５個と仮定している。前記図８Ａを参照すると、現在最も理想的なＤＰＣ技法は、本発明の技法より高い全体送信率を表す。特に、前記ＤＰＣ技法は、受信アンテナの数が少ないとき、大きな性能差を表す。すなわち、端末の受信アンテナの数が増加するほど、本発明の技法は、前記ＤＰＣ技法に近接した性能を表していることを確認することができる。これは、前記ＤＰＣ技法の非常に大きな複雑度と本発明による技法の線形的解法を考慮するとき、本発明による技法の性能が非常に優れていることが分かる。
【０１６１】
前記図８Ｂは、前記ＤＰＣ技法、本発明による技法、単一ユーザ閉ループＭＩＭＯ（ＳＵ ＣＬ ＭＩＭＯ：Ｓｉｎｇｌｅ Ｕｓｅｒ Ｃｌｏｓｅ Ｌｏｏｐ ＭＩＭＯ）、独立ストリームスケジューラ（Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｓｔｒｅａｍ Ｓｃｈｅｄｕｌｅｒ）技法を比較している。ここで、前記本発明による技法は、非量子化（Ｕｎｑｕｎｔｉｚｅｄ）の場合、６ビットコードブックの場合、３ビットコードブックの場合に細分化されている。前記図８Ｂは、送信アンテナの数、端末の数、受信アンテナの数に応じる全体送信率を示しており、横軸は、前記送信アンテナの数、前記端末の数、前記受信アンテナの数を、縦軸は、全体送信率を示す。ここで、前記送信アンテナの数、前記端末の数、前記受信アンテナの数は、全て互いに同一である。前記図８Ｂを参照すると、５個の送信アンテナ、５個の端末、５個の受信アンテナを使用する状況において、前記ＤＰＣ技法と本発明による技法間の全体送信率差は、約１．６ ｂｐｓ／Ｈｚである。前記差は、横軸の値が低くなるほど減少し、前記差の平均値は、約０．３２ ｂｐｓ／Ｈｚである。また、本発明による技法は、コードブックビット数が減少するほど低い性能を表す。しかしながら、最も低い性能を表す３ビットコードブックを使用する本発明の技法は、前記単一ユーザ閉ループＭＩＭＯ技法及び独立ストリームスケジューラ技法に比べて高い性能を表す。
【０１６２】
上述した本発明の好ましい実施形態は、例示の目的のために開示されたものであり、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形、及び変更が可能であり、このような置換、変更などは、特許請求の範囲に属するものである。
【０１６３】
上述したように、多重入出力無線通信システムにおいて繰り返し技法により決定された最適ビーム形成ベクトルを量子化して、制限されたフィードフォワードチャネル（ｌｉｍｉｔｅｄ ｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄ Ｃｈａｎｎｅｌ）を介して端末に知らせ、基地局は、前記量子化による誤差を考慮してビーム形成ベクトルを再算出することによって、低い複雑度で理想的な送信技法に近い性能を表すビーム形成を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０１６４】
【図１】本発明で考慮する多重入出力無線通信システムを概略的に示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態による多重入出力無線通信システムにおける基地局の信号送信手順を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態による多重入出力無線通信システムにおける基地局の信号送信手順を示す図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態による多重入出力無線通信システムにおける基地局の信号送信手順を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態による多重入出力無線通信システムにおける端末の信号受信手順を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態による多重入出力無線通信システムにおける基地局のブロック構成を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態による多重入出力無線通信システムにおける端末のブロック構成を示す図である。
【図８Ａ】本発明によるビーム形成技法の性能を示す図である。
【図８Ｂ】本発明によるビーム形成技法の性能を示す図である。
【符号の説明】
【０１６５】
６０２ 制御チャネル受信機
６０４ 制御チャネル割り当て器
６０６ 第１ビームベクトル算出器
６０８ ビームベクトル量子化器
６１０ 第２ビームベクトル算出器
６１２ 制御チャネル送信機
６１４ 符号化器
６１６ 変調器
６１８ 信号分類器
６２０ ビーム形成送信機
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多重入出力（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ、以下、ＭＩＭＯと略す）無線通信システムに関し、特に、ＭＩＭＯ無線通信システムにおけるビーム形成（Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ）を行うための装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、高速及び高品質のデータ送信に対する要求が増大するにつれて、これを満足させるための技術の一つとして、多数の送受信アンテナを使用するＭＩＭＯ技術が大きく注目されている。前記ＭＩＭＯ技術は、多数のアンテナによる多数のチャネルを利用して通信を行うことによって、単一アンテナを使用する場合よりチャネルの容量を大きく改善させうる技術である。例えば、送受信端が全て信Ｍ個の送信アンテナ及び受信アンテナを使用し、各アンテナ間のチャネルが独立的で、かつ帯域幅と全体送信電力が固定されている場合に、平均チャネル容量は、単一アンテナに比べてＭ倍増加するようになる。
【０００３】
前記ＭＩＭＯ技術は、単一ユーザＭＩＭＯ（ＳＵ ＭＩＭＯ：Ｓｉｎｇｌｅ Ｕｓｅｒ ＭＩＭＯ）技術と多重ユーザＭＩＭＯ（ＭＵ ＭＩＭＯ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｕｓｅｒ ＭＩＭＯ）技術とに分けられることができる。前記単一ユーザＭＩＭＯ技術は、１対の送受信端が多数のアンテナによる多数のチャネルを全て占有して、一対一に通信を行うためのものであり、前記多重ユーザＭＩＭＯ技術は、多数のアンテナによる多数のチャネルを分割して使用することによって、一対多数関係である送受信端間に通信を行うためのものである。前記多重ユーザＭＩＭＯ技術のうち、ＭＩＭＯ放送チャネル（ＭＩＭＯ Ｂｒｏａｄｃａｓｔ Ｃｈａｎｎｅｌ）を利用する技術が次世代無線通信システムとして注目されている。
【０００４】
前記ＭＩＭＯ放送チャネルは、多数の送信アンテナを有する基地局と一つ以上の受信アンテナを有する多数の端末との間のダウンリンク通信を行うためのチャネルである。前記ＭＩＭＯ放送チャネルのための最も理想的な送信技法には、最大送信率を得ることができるＤＰＣ（Ｄｉｒｔｙ Ｐａｐｅｒ Ｃｏｄｉｎｇ）技法がある。しかしながら、前記ＤＰＣ技法は、実際具現が非常に難しい。そのため、前記ＤＰＣ技法の性能に近接し、実際具現が比較的容易な多様な技法が提案されたことがある。
【０００５】
従来では、前記ＤＰＣ技法の性能に近接する非線形的ビーム形成技法が提案されている。しかしながら、前記提案されたビーム形成技法は、依然として非常に大きな複雑度を有するため、実際システムに適用し難しいという問題がある。したがって、前記ＭＩＭＯ放送チャネルを利用した効果的なダウンリンク通信を行うために、低い複雑度を有する線形的ビーム形成技法の提案が求められる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、多重入出力（ＭＩＭＯ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）無線通信システムにおいて、低い複雑度を有する線形的ビーム形成装置及び方法を提供することにある。
【０００７】
本発明の他の目的は、多重入出力無線通信システムにおいてビーム形成ベクトル選択情報を交換するための制御チャネルの容量が制限された状況に適したビーム形成装置及び方法を提供することにある。
【０００８】
本発明のさらに他の目的は、多重入出力無線通信システムにおいてビーム形成ベクトル選択情報を交換するために量子化されたビーム形成ベクトルを使用するビーム形成装置及び方法を提供することにある。
【０００９】
本発明のさらに他の目的は、多重入出力無線通信システムで量子化されたビーム形成ベクトルによる誤差を考慮したビーム形成装置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成すべく、本発明の第１形態によると、多重入出力無線通信システムにおける基地局装置は、空間多重接続される端末の各々のダウンリンクチャネル行列の情報を利用して、前記端末の各々のダウンリンクビーム形成ベクトルを繰り返し的に算出することによって、最適の端末別ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する第１算出器と、前記ダウンリンクビーム形成ベクトルの情報を送信するために、前記ダウンリンクビーム形成ベクトルの各々を量子化する量子化器と、制御チャネルを介して量子化されたダウンリンクビーム形成ベクトルの情報を前記端末にフィードフォワードする制御チャネル送信機と、前記量子化による誤差を考慮して、前記端末の各々の最終ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する第２算出器と、前記最終ダウンリンクビーム形成ベクトルの各々に応じてビーム形成された各端末の送信信号を合算し、合算された送信信号を多数の送信アンテナを介して送信するビーム形成送信機と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、上記の目的を達成すべく、本発明の第２形態によると、多重入出力無線通信システムにおける端末装置は、基地局から受信された量子化されたダウンリンクビーム形成ベクトル情報を確認する確認器と、前記基地局と端末とのダウンリンクチャネル行列及び前記ダウンリンクビーム形成ベクトルを乗算することによって、前記ダウンリンク結合ベクトルを算出する算出器と、多数の受信アンテナを介して受信された信号に前記ダウンリンク結合ベクトルのエルミート行列を乗算するビーム結合受信機を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、上記の目的を達成すべく、本発明の第３形態によると、多重入出力無線通信システムにおける基地局の動作方法は、空間多重接続される端末の各々のダウンリンクチャネル行列の情報を利用して、前記端末の各々のダウンリンクビーム形成ベクトルを繰り返し的に算出することによって、最適の端末別ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する過程と、前記ダウンリンクビーム形成ベクトルの情報を送信するために、前記ダウンリンクビーム形成ベクトルの各々を量子化する過程と、制御チャネルを介して量子化されたダウンリンクビーム形成ベクトルの情報を前記端末にフィードフォワードする過程と、前記量子化による誤差を考慮して、前記端末の各々の最終ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する過程と、前記最終ダウンリンクビーム形成ベクトルの各々に応じてビーム形成された各端末の送信信号を合算し、合算された送信信号を多数の送信アンテナを介して送信する過程と、を含むことを特徴とする。
【００１３】
また、上記の目的を達成すべく、本発明の第４形態によると、多重入出力無線通信システムにおける端末の動作方法は、基地局から受信された量子化されたダウンリンクビーム形成ベクトル情報を確認する過程と、前記基地局と端末とのダウンリンクチャネル行列及び前記ダウンリンクビーム形成ベクトルを乗算することによって、前記ダウンリンク結合ベクトルを算出する過程と、多数の受信アンテナを介して受信された信号に前記ダウンリンク結合ベクトルのエルミート行列を乗算する過程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると、多重入出力無線通信システムにおいて繰り返し技法により決定された最適ビーム形成ベクトルを量子化して、制限されたフィードフォワードチャネル（ｌｉｍｉｔｅｄ ｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄ Ｃｈａｎｎｅｌ）を介して端末に知らせ、基地局は、前記量子化による誤差を考慮してビーム形成ベクトルを再算出することによって、低い複雑度で理想的な送信技法に近い性能を表すビーム形成を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面に基づき詳細に説明する。そして、本発明を説明するにおいて、関連した公知機能又は構成に対する具体的な説明が本発明の要旨を不明にすると判断される場合には、その詳細な説明は省略する。
【００１６】
以下、本発明は、多重入出力（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ、以下、ＭＩＭＯと略す）無線通信システムにおけるビーム形成技術について説明する。
【００１７】
まず、本発明は、解決しようとする問題について具体的に説明する。
【００１８】
本発明は、多数の送信アンテナを有する基地局と多数の受信アンテナを有する多数の端末とが空間多重接続通信を行う状況を考慮する。前記図１に示すように、前記基地局は、各端末への送信信号をすべての送信アンテナを介して送信し、各送信アンテナを介して送信される信号は、各端末への送信信号を合算した信号である。このとき、前記各端末への送信信号は、ビーム形成ベクトルｍｋと乗算された後に合算される。そして、各端末の受信信号は、端末自身の結合ベクトル（ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｖｅｃｔｏｒ）のエルミート（ｈｅｒｍｉｔｉａｎ）行列ｗＨｋと乗算される。
【００１９】
このとき、各端末で結合ベクトルのエルミート行列と乗算された受信信号は、下記の式１のように表すことができる。
【００２０】
【数１】
【００２１】
前記式１において、前記ｙｋは、端末ｋで結合ベクトルのエルミート行列と乗算された受信信号、前記ｗｋは、端末ｋの結合ベクトル、前記Ｈｋは、基地局と端末ｋとの間のダウンリンクチャネル行列、前記ｍｋは、端末ｋのビーム形成ベクトル、前記ｘｋは、端末ｋへの送信信号、前記Ｋは、空間多重接続される端末の数を意味する。
【００２２】
前記基地局と端末との間のダウンリンクチャネル行列は、｛端末の受信アンテナの数｝×｛基地局の送信アンテナの数｝サイズの複素行列である。ここで、端末ｋの等価チャネル行列（ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｃｈａｎｎｅｌ ｍａｔｒｉｘ）は、下記の式２のように表すことができる。
【００２３】
【数２】
【００２４】
前記式２において、
【００２５】
【数３】
【００２６】
は、端末ｋの等価チャネル行列、前記ｗｋは、端末ｋの結合ベクトル、前記Ｈｋは、基地局と端末ｋとの間のダウンリンクチャネル行列、前記Ｋは、空間多重接続される端末の数を意味する。
前記等価チャネル行列が前記式２のように表現されるとき、ビーム形成ベクトルが下記の式４のような特性を有することによって、端末の受信信号に該当結合ベクトルが乗算されるとき、他の端末の受信信号による干渉の影響がなくなる。
【００２７】
【数４】
【００２８】
前記式４において
【００２９】
【数５】
【００３０】
は、基地局と端末ｋとの間のダウンリンクチャネル行列、前記ｍｋは、端末ｋのビーム形成ベクトルを意味する。
【００３１】
また、前記チャネル行列の特異値分解（ＳＶＤ：Ｓｉｎｇｕｌａｒ Ｖａｌｕｅ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）は、下記の式６のように表すことができる。
【００３２】
【数６】
【００３３】
前記式６において、
【００３４】
【数７】
【００３５】
は、端末ｋの等価チャネル行列、
【００３６】
【数８】
【００３７】
は、左特異行列（ｌｅｆｔ ｓｉｎｇｕｌａｒ ｍａｔｒｉｘ）、
【００３８】
【数９】
【００３９】
は、等価チャネル行列の特異値行列、
【００４０】
【数１０】
【００４１】
は、「０」ではない特異値（ｎｏｎ−ｚｅｒｏ ｓｉｎｇｕｌａｒ ｖａｌｕｅｓ）と対応する右特異行列（ｒｉｇｈｔ ｓｉｎｇｕｌａｒ ｍａｔｒｉｘ）、前記
【００４２】
【数１１】
【００４３】
は、「０」である特異値（ｚｅｒｏ ｓｉｎｇｕｌａｒ ｖａｌｕｅ）と対応する右特異ベクトルを意味する。
【００４４】
このとき、端末ｋのビーム形成ベクトルは、前記右特異ベクトル
【００４５】
【数１２】
【００４６】
により一次結合（Ｓｐａｎ）される空間に存在する。結果的に、前記ビーム形成ベクトルは、前記右特異ベクトルと同様である。万一、端末が最大比結合（ＭＲＣ：Ｍａｘｉｍｕｍ Ｒａｔｉｏ Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ）受信を行うときには、端末の結合ベクトルは、下記の式１３のように決定される。
【００４７】
【数１３】
【００４８】
前記式１３において、前記ｗｋは、端末ｋの結合ベクトル、前記Ｈｋは、基地局と端末ｋとの間のダウンリンクチャネル行列、前記ｍｋは、端末ｋのビーム形成ベクトルを意味する。
【００４９】
端末が前記式１３のような結合ベクトルを使用する場合に、前記端末は、基地局とのチャネルを推定し、自身のビーム形成ベクトルを決定しなければならない。ここで、前記ビーム形成ベクトルの決定は、残りの端末のすべてのビーム形成ベクトルから影響を受ける。すなわち、各端末は、自身が使用する最適の結合ベクトルを算出するために、他の端末のチャネル状態情報を全て知っていなければならず、これは、前記最適の結合ベクトルの算出に大きな問題となる。したがって、本発明は、前記結合ベクトルを算出するために、他の端末のチャネル状態情報を全て知っていなければならないという問題を解決しようとする。
【００５０】
本発明によるＭＩＭＯ無線通信システムにおいて、端末は、ダウンリンクチャネルを推定し、推定されたチャネル状態情報、すなわち、チャネル行列情報を基地局にフィードバックする。以後、前記基地局は、各端末のチャネル行列を利用して、端末別最適のビーム形成ベクトルを算出する。このとき、前記端末別最適のビーム形成ベクトルの情報は、端末にフィードフォワードされなければならない。しかしながら、前記フィードフォワード可能な情報の量、すなわち、フィードフォワードのための制御チャネルの容量は制限されている。換言すると、端末の各々にフィードフォワードされる情報量の合計は、設定された量を超過してはならない。したがって、前記基地局は、制限された情報量を超過しないように、量子化されたビーム形成ベクトルをフィードフォワードする。
【００５１】
このとき、量子化の方式は、コードブックを使用する場合とコードブックを使用しない場合とに区分される。万一、コードブックを使用する場合に、基地局は、コードブック内で各端末のビーム形成ベクトルと最も近接したビーム形成ベクトルを選択する。ここで、前記コードブックは、基地局と端末との間の予め約束されて相互間に知られたビーム形成ベクトルの集合であって、コードブック内のビーム形成ベクトルは、インデックスを使用して区分される。これに対し、コードブックを使用しない場合には、基地局は、制限された制御チャネルの容量に応じてビーム形成ベクトルを構成する元素のアナログ値を量子化することによって、デジタル値に変換する。
【００５２】
以後、基地局は、量子化されたビーム形成ベクトルの情報をフィードフォワードし、前記各端末は、フィードフォワードされたインデックスに対応するビーム形成ベクトルを利用して、前記式１３のように最大比結合に応じる結合ベクトルを決定する。
【００５３】
このとき、量子化されたビーム形成ベクトル情報がフィードフォワードされることによって、端末により算出される結合ベクトルは、基地局のビーム形成ベクトルの算出時に考慮されていた端末の結合ベクトルと変わる。したがって、基地局は、ビーム形成ベクトルの量子化による結合ベクトルの変動を考慮して、ビーム形成ベクトルを再度算出する。
【００５４】
前記ビーム形成ベクトル情報のフィードフォワードのために、基地局は、各端末に制御チャネル内の資源を割り当てる。このとき、基地局は、劣悪なチャネル品質を有する端末に相対的に多いビット数を割り当てる。量子化に使用可能なビット数が多いほど、端末は、量子化によるエラーが少ないビーム形成ベクトル情報を得ることができる。したがって、基地局は、チャネル品質が劣悪な端末に比較的正確なビーム形成ベクトル情報を提供して、高いビーム形成利得を得るようにする。これによって、チャネル品質に優れた端末は、比較的不正確なビーム形成ベクトルを得るようになる。しかしながら、前記端末は、チャネル品質に優れているから、低いビーム形成利得でも高い性能を表すことができる。
【００５５】
前記量子化されたビーム形成ベクトルを使用する端末の受信信号は、下記の式１４のように表すことができる。
【００５６】
【数１４】
【００５７】
前記式１４において、前記ｙｋは、端末ｋの結合ベクトルと乗算された受信信号、前記Ｑ（ｍｋ）は、量子化された端末ｋのビーム形成ベクトル、前記Ｈｋは、基地局と端末ｋとの間のダウンリンクチャネル行列、前記ｍｋは、端末ｋのビーム形成ベクトル、前記ｘｋは、端末ｋへの送信信号、前記Ｋは、空間多重接続される端末の数、前記ｎｋは、端末ｋの受信雑音を意味する。
【００５８】
前記量子化されたビーム形成ベクトルを使用する端末の信号対干渉及び雑音比（ＳＩＮＲ：Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）は、下記の式１５のとおりである。
【００５９】
【数１５】
【００６０】
前記式１５において、前記ＳＩＮＲｋは、端末ｋの信号対干渉及び雑音比、前記Ｑ（ｍｋ）は、量子化された端末ｋのビーム形成ベクトル、前記Ｈｋは、基地局と端末ｋとの間のダウンリンクチャネル行列、前記ｍｋは、端末ｋのビーム形成ベクトル、前記Ｋは、空間多重接続される端末の数、前記σ２は、雑音の分散を意味する。
【００６１】
前記式１５に表された信号対干渉及び雑音比を最大化するビーム形成ベクトルは、下記の式１６のように決定される。
【００６２】
【数１６】
【００６３】
前記式１６において、
【００６４】
【数１７】
【００６５】
は、信号対干渉及び雑音比を最大化するように量子化された端末ｋのビーム形成ベクトル、前記Ｃは、コードブック、前記ｃｉは、コードブックに含まれたｉ番目のビーム形成ベクトル、前記ＳＩＮＲｋは、端末ｋの信号対干渉及び雑音比、前記Ｈｋは、基地局と端末ｋとの間のダウンリンクチャネル行列、前記ｍｋは、端末ｋのビーム形成ベクトル、前記Ｋは、空間多重接続される端末の数、前記σ２は、雑音の分散を意味する。
【００６６】
このとき、前記結合ベクトルが量子化されたビーム形成ベクトルを利用して算出されるため、受信信号に前記結合ベクトルのエルミートベクトルを乗算しても、端末間の干渉は依然として残る。前記残った干渉を除去するために、本発明による基地局は、前記式２の結合ベクトルを量子化されたビーム形成ベクトルを利用して算出された結合ベクトルに置換した後、前記式２の結果値を再度前記式４に代入してビーム形成ベクトルを更新する。これにより、基地局は、前記量子化による誤差を考慮した最終ビーム形成ベクトルを獲得する。前記量子化による誤差を考慮したビーム形成ベクトルを使用する場合に、信号対干渉及び雑音比は、下記の式１８のように表すことができる。
【００６７】
【数１８】
【００６８】
前記式１８において、前記ＳＩＮＲｋは、端末ｋの信号対干渉及び雑音比、
【００６９】
【数１９】
【００７０】
は、信号対干渉及び雑音比を最大化するように量子化された端末ｋのビーム形成ベクトル、前記Ｈｋは、基地局と端末ｋとの間のダウンリンクチャネル、
【００７１】
【数２０】
【００７２】
は、端末ｋの最終ビーム形成ベクトル、前記σ２は、雑音の分散を意味する。
【００７３】
上述したビーム形成ベクトルの算出及び結合ベクトルの算出過程は、ダウンリンク通信を仮定して記述されたものである。しかしながら、上述したビーム形成ベクトルの算出及び結合ベクトルの算出過程は、アップリンク通信のために同様に適用されうる。
【００７４】
万一、基地局及び端末がＴＤＤ（Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｄｕｐｌｅｘ）方式に従う場合に、ダウンリンク通信時に基地局により使用されるビーム形成ベクトルは、アップリンク通信時に基地局の結合ベクトルとして使用され、ダウンリンク通信時に各端末により使用される結合ベクトルは、アップリンク通信時に端末のビーム形成ベクトルとして使用される。すなわち、アップリンク通信のための追加的な演算なしに、基地局及び端末は、ダウンリンク通信のために算出されたベクトルをアップリンク通信時に使用する。
【００７５】
これに対し、基地局及び端末がＦＤＤ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｄｕｐｌｅｘ）方式に従う場合には、前記基地局は、アップリンクチャネル行列情報を利用して、ダウンリンク通信のためのビーム形成ベクトルを算出する方式と同じ方式によって、アップリンク通信のための結合ベクトルを算出する。そして、基地局がアップリンク通信のための基地局の結合ベクトルの情報を端末にフィードフォワードすることにより、各端末は、ダウンリンク通信のための結合ベクトルを算出する方式と同じ方式によって、アップリンク通信のための自身のビーム形成ベクトルを算出する。
【００７６】
以下、本発明は、上述した方式に応じて送信ビーム形成及び受信結合を行う基地局と端末の動作手順及び構成を、図面を参照して詳細に説明する。
【００７７】
図２は、本発明の第１の実施の形態による多重入出力無線通信システムにおける基地局の信号送信手順を示している。
【００７８】
前記図２に示すように、前記基地局は、ステップ２０１においてビーム形成ベクトルの情報をフィードフォワードするための制限された容量の制御チャネル内の資源を端末に分割割り当てる。このとき、前記基地局は、優れたチャネル品質を有する端末に相対的に少ない量の資源が割り当てられるように、前記制御チャネル内の資源を分割割り当てる。換言すれば、基地局は、資源の量がチャネル品質に反比例するように、制御チャネルに資源を割り当てる。例えば、劣悪なチャネル品質を有する端末１と相対的に優れたチャネル品質を有する端末２とがある場合に、前記基地局は、前記端末１に前記端末２に比べて多い量の資源を割り当てる。すなわち、コードブックを使用する場合に、基地局は、劣悪なチャネル品質を有するユーザ端末に対して、比較的に大きなコードブックを使用することに決定する。
【００７９】
以後、前記基地局は、ステップ２０３に進んで、空間多重接続される端末の各々のダウンリンクチャネル行列を特異値分解して初期結合ベクトルを設定する。ここで、前記チャネル行列は、各端末からフィードバックされた情報である。前記特異値分解は、下記の式２１のような演算を意味し、前記初期結合ベクトルは、主左特異ベクトル（Ｔｈｅ Ｐｒｉｎｃｉｐａｌ Ｌｅｆｔ Ｓｉｎｇｕｌａｒ Ｖｅｃｔｏｒ）である。ここで、前記主左特異ベクトルは、左特異行列の第一番目の列を意味する。
【００８０】
【数２１】
【００８１】
前記式２１において、前記Ｈｋは、基地局と端末ｋとの間のチャネル行列、前記Ｕｋは、左特異行列、前記Ｄｋは、チャネル行列の特異値行列、前記Ｖｋは、右特異行列を意味する。
【００８２】
次に、前記基地局は、ステップ２０５に進んで、前記結合ベクトルを利用して、各端末の等価チャネル行列を算出する。前記等価チャネル行列は、前記式２のように、該当端末を除いた残りの端末の各々の結合ベクトルのエルミートベクトルとチャネル行列との積の転置（ｔｒａｎｓｐｏｓｅ）行列を全て乗算し、これに対する転置行列を計算することによって算出される。
【００８３】
前記等価チャネル行列を算出した後、前記基地局は、ステップ２０７に進んで、各端末の等価チャネル行列に対する特異値分解により、各端末のビーム形成ベクトル及び結合ベクトルを更新する。前記特異値分解は、前記式６のように行われ、前記ビーム形成ベクトルは、「０」である特異値と対応する右特異ベクトル
【００８４】
【数２２】
【００８５】
である。そして、前記結合ベクトルは、前記式１３のように、チャネル行列とビーム形成ベクトルとを乗算することによって算出される。
【００８６】
前記ビーム形成ベクトル及び前記結合ベクトルを更新した後、前記基地局は、ステップ２０９に進んで、前記ビーム形成ベクトルが最適化されたか否かを判断する。例えば、前記基地局は、下記の式２３のように最適化如何を判断できる。
【００８７】
【数２３】
【００８８】
前記式２３において、前記ｍｋ（ｉ）は、ｉ番目に更新されたビーム形成ベクトル、前記εは、最適化臨界値を意味する。
【００８９】
すなわち、前記基地局は、最後に更新されたビーム形成ベクトルと、直前に更新されたビーム形成ベクトル間差の絶対値が所定臨界値より小さいと最適化されたと判断する。万一、前記ビーム形成ベクトルが最適化されていないと、前記基地局は、前記ステップ２０５及び前記ステップ２０７を繰り返し行う。このとき、一部端末のみのビーム形成ベクトルが最適化されていない場合に、前記基地局は、前記一部端末に対してのみ前記ステップ２０５及び前記ステップ２０７を繰り返し行う。
【００９０】
反面、すべての端末のビーム形成ベクトルが最適化された場合には、前記基地局は、ステップ２１１に進んで、各端末の最適化されたビーム形成ベクトルを割り当てられた制御チャネルの資源量、すなわち、割り当てられたビット数に合うように量子化する。例えば、前記基地局は、各端末に割り当てられたビット数と対応するコードブックを確認し、確認されたコードブック内から前記式１６のような条件を満たすビーム形成ベクトルを選択する。又は、前記基地局は、各端末に割り当てられたビット数に応じて前記ビーム形成ベクトルを構成する元素のアナログ値をデジタル値に変換する。
【００９１】
前記ビーム形成ベクトルを量子化した後、前記基地局は、ステップ２１３に進んで、前記量子化されたビーム形成ベクトルを利用して、各端末の結合ベクトルを算出する。ここで、前記結合ベクトルは、前記式１３のように算出される。
【００９２】
前記結合ベクトルを算出した後、前記基地局は、ステップ２１５に進んで、前記結合ベクトルを利用して、各端末の等価チャネル行列を算出する。ここで、前記等価チャネル行列は、前記式２のように算出される。
【００９３】
前記等価チャネル行列を算出した後、前記基地局は、ステップ２１７に進んで、前記等価チャネル行列に対する特異値分解により各端末の最終ビーム形成ベクトルを決定する。ここで、前記特異値分解は、前記式６のように行われ、前記ビーム形成ベクトルは、「０」である特異値と対応する右特異ベクトル
【００９４】
【数２４】
【００９５】
である。
【００９６】
前記最終ビーム形成ベクトルを決定した後、前記基地局は、ステップ２１９に進んで、各端末の量子化されたビーム形成ベクトル情報をフィードフォワードする。換言すると、前記基地局は、端末の結合ベクトルを算出するために、前記ステップ２１１で量子化されたビーム形成ベクトル情報をフィードフォワードする。
【００９７】
以後、前記基地局は、ステップ２２１に進んで、各端末への送信信号と該当最終ビーム形成ベクトルとを乗算し、ビーム形成された各端末の送信信号を合算した後、合算された送信信号を多数のアンテナを介して送信する。
【００９８】
図３は、本発明の第２の実施の形態による多重入出力無線通信システムにおける基地局の信号送信手順を示している。前記図３は、前記図２の手順に含まれた特異値分解による複雑度を減少させた他の実施の形態を示している。
【００９９】
前記図３に示すように、前記基地局は、ステップ３０１でビーム形成ベクトルの情報をフィードフォワードするための制限された容量の制御チャネル内の資源を端末に分割割り当てる。このとき、前記基地局は、優れたチャネル品質を有する端末に相対的に少ない量の資源が割り当てられるように、前記制御チャネル内の資源を分割割り当てる。換言すれば、基地局は、資源の量がチャネル品質に反比例するように、制御チャネルに資源を割り当てる。例えば、劣悪なチャネル品質を有する端末１と相対的に優れたチャネル品質を有する端末２がある場合に、前記基地局は、前記端末１に前記端末２に比べて多い量の資源を割り当てる。すなわち、コードブックを使用する場合に、基地局は、劣悪なチャネル品質を有するユーザ端末に対して、比較的に大きなコードブックを使用することに決定する。
【０１００】
以後、前記基地局は、ステップ３０３に進んで、空間多重接続される端末の各々のダウンリンクチャネル行列に対する特異値分解により、初期結合ベクトルを決定する。ここで、前記チャネル行列は、各端末からフィードバックされた情報である。前記特異値分解は、前記式２１のような演算を意味し、前記初期結合ベクトルは、主左特異ベクトルである。
【０１０１】
次に、前記基地局は、ステップ３０５に進んで、前記結合ベクトルを利用して、有効チャネル行列を算出する。ここで、前記有効チャネル行列は、下記の式２５のように算出される。
【０１０２】
【数２５】
【０１０３】
前記式２５において、前記Ｈｅｆｆは、有効チャネル行列、前記ｗｋ（ｉ）は、ｉ番目に更新された端末ｋの結合ベクトル、前記Ｈｋは、基地局と端末ｋとの間のチャネル行列を意味する。
【０１０４】
前記有効チャネル行列を算出した後、前記基地局は、ステップ３０７に進んで、前記有効チャネル行列を利用して、各端末のビーム形成ベクトル及び結合ベクトルを更新する。ここで、前記ビーム形成ベクトルは、下記の式２６のように更新され、前記結合ベクトルは、前記式１３のように更新される。
【０１０５】
【数２６】
【０１０６】
前記式２６において、前記ｍｋ（ｉ）は、ｉ番目に更新された端末ｋのビーム形成ベクトル、前記Ｈｅｆｆは、有効チャネル行列、前記Ｈ†ｅｆｆは、前記有効チャネル行列の疑似逆行列（Ｐｓｅｕｄｏ Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｍａｔｒｉｘ）、前記［Ｈ†ｅｆｆ］ｋは、有効チャネル行列の疑似逆行列のｋ番目の列を意味する。
【０１０７】
前記ビーム形成ベクトル及び前記結合ベクトルを更新した後、前記基地局は、ステップ３０９に進んで、前記ビーム形成ベクトルが最適化されたか否かを確認する。例えば、前記基地局は、前記式２３のように最適化如何を判断できる。すなわち、前記基地局は、最後に更新されたビーム形成ベクトルと直前に更新されたビーム形成ベクトルとの間の差の絶対値が所定臨界値より小さいと、最適化されたと判断する。万一、前記ビーム形成ベクトルが最適化されていない場合に、前記基地局は、前記ステップ３０５及び前記ステップ３０７を繰り返し行う。このとき、一部端末のみのビーム形成ベクトルが最適化されていない場合に、前記基地局は、前記一部端末に対してのみ前記ステップ３０５及び前記ステップ３０７を繰り返し行う。
【０１０８】
反面、すべての端末のビーム形成ベクトルが最適化された場合には、前記基地局は、ステップ３１１に進んで、各端末のビーム形成ベクトルを割り当てられた制御チャネルの資源量、すなわち、割り当てられたビット数に合うように量子化する。例えば、前記基地局は、各端末に割り当てられたビット数と対応するコードブックを確認し、確認されたコードブック内から前記式１６のような条件を満たすビーム形成ベクトルを選択する。又は、前記基地局は、各端末に割り当てられたビット数に応じて前記ビーム形成ベクトルを構成する元素のアナログ値をデジタル値に変換する。
【０１０９】
前記ビーム形成ベクトルを量子化した後、前記基地局は、ステップ３１３に進んで、前記量子化されたビーム形成ベクトルを利用して、各端末の結合ベクトルを算出する。ここで、前記結合ベクトルは、前記式１３のように算出される。
【０１１０】
前記結合ベクトルを算出した後、前記基地局は、ステップ３１５に進んで、前記結合ベクトルを利用して、有効チャネル行列を算出する。ここで、前記有効チャネル行列は、前記式２５のように算出される。
【０１１１】
前記有効チャネル行列を算出した後、前記基地局は、ステップ３１７に進んで、前記有効チャネル行列を利用して、各端末の最終ビーム形成ベクトルを決定する。前記最終ビーム形成ベクトルは、前記式２６のように決定される。
【０１１２】
前記最終ビーム形成ベクトルを決定した後、前記基地局は、ステップ３１９に進んで、各端末の量子化されたビーム形成ベクトルの情報をフィードフォワードする。換言すると、前記基地局は、端末の結合ベクトルを算出するために、前記ステップ３１１で量子化されたビーム形成ベクトルインデックスをフィードフォワードする。
【０１１３】
以後、前記基地局は、ステップ３２１に進んで、各端末への送信信号と該当最終ビーム形成ベクトルとを乗算し、ビーム形成された各端末の送信信号を合算した後、合算された送信信号を多数のアンテナを介して送信する。
【０１１４】
図４は、本発明の第３の実施の形態による多重入出力無線通信システムにおける基地局の信号送信手順を示している。前記図４は、前記図３の手順を結合ベクトルの算出なしに行うためのさらに他の実施の形態を示している。
【０１１５】
前記図４に示すように、前記基地局は、ステップ４０１でビーム形成ベクトルの情報をフィードフォワードするための制限された容量の制御チャネル内の資源を端末に分割割り当てる。このとき、前記基地局は、優れたチャネル品質を有する端末に相対的に少ない量の資源が割り当てられるように、前記制御チャネル内の資源を分割割り当てる。換言すれば、基地局は、資源の量がチャネル品質に反比例するように、制御チャネルに資源を割り当てる。例えば、劣悪なチャネル品質を有する端末１と相対的に優れたチャネル品質を有する端末２とがある場合に、前記基地局は、前記端末１に前記端末２に比べて多い量の資源を割り当てる。すなわち、コードブックを使用する場合に、基地局は、劣悪なチャネル品質を有するユーザ端末に対して、比較的に大きなコードブックを使用することに決定する。
【０１１６】
以後、前記基地局は、ステップ４０３に進んで、空間多重接続される端末の各々のダウンリンクチャネル行列を特異値分解して、初期ビーム形成ベクトルを決定する。ここで、前記チャネル行列は、各端末からフィードバックされた情報である。前記特異値分解は、前記式２１のような演算を意味し、前記初期ビーム形成ベクトルは、主右特異ベクトルである。ここで、前記主右特異ベクトルは、右特異行列の最も大きな特異値に対応する右特異ベクトルの列である。
【０１１７】
次に、前記基地局は、ステップ４０５に進んで、前記ビーム形成ベクトルを利用して、有効チャネル行列を算出する。ここで、前記有効チャネル行列は、下記の式２７のように算出される。
【０１１８】
【数２７】
【０１１９】
前記式２７において、前記Ｈｅｆｆは、有効チャネル行列、前記ｍｋ（ｉ）は、ｉ番目に更新された端末ｋのビーム形成ベクトル、前記Ｈｋは、基地局と端末ｋとの間のチャネル行列を意味する。
【０１２０】
前記有効チャネル行列を算出した後、前記基地局は、ステップ４０７に進んで、前記有効チャネル行列を利用して、各端末のビーム形成ベクトルを更新する。ここで、前記ビーム形成ベクトルは、前記式２６のように更新される。
【０１２１】
前記ビーム形成ベクトルを更新した後、前記基地局は、ステップ４０９に進んで、前記ビーム形成ベクトルが最適化されたか否かを確認する。例えば、前記基地局は、前記式２３のように最適化如何を判断できる。すなわち、前記基地局は、最後の更新されたビーム形成ベクトルと直前に更新されたビーム形成ベクトル間の差の絶対値が所定臨界値より小さいと、最適化されたと判断する。万一、前記ビーム形成ベクトルが最適化されていないと、前記基地局は、前記ステップ４０５及び前記ステップ４０７を繰り返し行う。このとき、一部端末のみのビーム形成ベクトルが最適化されていない場合に、前記基地局は、前記一部端末に対してのみ前記ステップ４０５及び前記ステップ４０７を繰り返し行う。
【０１２２】
反面、すべての端末のビーム形成ベクトルが最適化された場合には、前記基地局は、ステップ４１１に進んで、各端末のビーム形成ベクトルを割り当てられた制御チャネルの資源量、すなわち、割り当てられたビット数に合うように量子化する。例えば、前記基地局は、各端末に割り当てられたビット数と対応するコードブックを確認し、確認されたコードブック内から前記式１６のような条件を満たすビーム形成ベクトルを選択する。又は前記基地局は、各端末に割り当てられたビット数に応じて前記ビーム形成ベクトルを構成する元素のアナログ値をデジタル値に変換する。
【０１２３】
前記ビーム形成ベクトルを量子化した後、前記基地局は、ステップ４１３に進んで、前記量子化されたビーム形成ベクトルを利用して、各端末の有効チャネル行列を算出する。ここで、前記有効チャネル行列は、前記式２７のように算出される。
【０１２４】
前記有効チャネル行列を算出した後、前記基地局は、ステップ４１５に進んで、前記有効チャネル行列を利用して、各端末の最終ビーム形成ベクトルを決定する。前記最終ビーム形成ベクトルは、前記式２６のように決定される。
【０１２５】
前記最終ビーム形成ベクトルを決定した後、前記基地局は、ステップ４１７に進んで、各端末の量子化されたビーム形成ベクトルの情報をフィードフォワードする。換言すると、前記基地局は、端末の結合ベクトルを算出するために、前記ステップ４１１で量子化されたビーム形成ベクトルの情報をフィードフォワードする。
【０１２６】
以後、前記基地局は、ステップ４１９に進んで、各端末への送信信号と該当最終ビーム形成ベクトルとを乗算し、ビーム形成された各端末の送信信号を合算した後、合算された送信信号を多数のアンテナを介して送信する。
【０１２７】
前記図２、図３、図４を参考にして説明した実施の形態において、前記基地局は、ダウンリンク通信のためのビーム形成ベクトルを算出する。しかしながら、上述した実施の形態は、アップリンク通信時に基地局の結合ベクトルを算出するために適用されうる。万一、前記基地局がＴＤＤ方式に従う場合に、アップリンクチャネル及びダウンリンクチャネルは同一なので、前記基地局は、上述した実施の形態によって算出されたビーム形成ベクトルをアップリンク通信のための結合ベクトルとして使用する。これに対し、前記基地局がＦＤＤ方式に従う場合には、前記基地局は、前記ステップ３０３でダウンリンクチャネル行列の代わりにアップリンクチャネル行列を代入することによって、アップリンク通信のための結合ベクトルを算出できる。しかしながら、ＦＤＤ方式に従う場合には、前記基地局は、端末のアップリンク通信のためのビーム形成ベクトルを算出するために、アップリンク通信のための結合ベクトルの情報をフィードフォワードする。
【０１２８】
上述したように、アップリンク通信のための結合ベクトルを算出した前記基地局は、多数の受信アンテナを介して受信される端末からの信号に前記アップリンク通信のための結合ベクトルとを各々乗算することによって、前記端末を各々の信号に分離する。
【０１２９】
図５は、本発明の実施の形態による多重入出力無線通信システムにおける端末の信号受信手順を示している。
【０１３０】
前記図５に示すように、前記端末は、ステップ５０１でダウンリンクチャネル状態を推定する。前記ダウンリンクチャネル状態、すなわち、ダウンリンクチャネル行列は、パイロット信号のように予め約束された信号を利用して推定され、｛基地局送信アンテナの数｝×｛端末受信アンテナの数｝サイズの行列である。
【０１３１】
前記ダウンリンクチャネル行列を推定した後、前記端末は、ステップ５０３に進んで、前記チャネル状態情報を基地局にフィードバックする。
【０１３２】
以後、前記端末は、ステップ５０５に進んで、ビーム形成ベクトル情報がフィードフォワードされるか否かを確認する。前記ビーム形成ベクトルインデックスの情報量、すなわち、ビットの数は、基地局のフィードフォワードチャネル割り当て結果によって変わる。このとき、前記ビーム形成ベクトル情報は、ビーム形成ベクトルを構成する元素の値であるか、又はコードブックに含まれたビーム形成ベクトルのインデックスである。
【０１３３】
前記ビーム形成ベクトル情報がフィードフォワードされると、前記端末は、ステップ５０７に進んで、前記ビーム形成ベクトルを確認し、結合ベクトルを算出する。例えば、コードブックを使用する場合に、前記端末は、受信されたインデックス情報を構成するビット数と対応するコードブックを確認し、確認されたコードブック内で前記インデックスと対応するビーム形成ベクトルを確認する。そして、前記端末は、前記式１３のように前記結合ベクトルを算出する。
【０１３４】
前記結合ベクトルを算出した後、前記端末は、ステップ５０９に進んで、多数のアンテナを介して受信される信号に前記結合ベクトルのエルミート行列を乗算する。ここで、前記結合ベクトルのエルミート行列と乗算された信号は、復調及び復号化を介してユーザデータに変換される。
【０１３５】
前記図５を参考にして説明した実施の形態において、前記端末は、ダウンリンク通信のための結合ベクトルを算出する。しかしながら、上述した実施の形態は、アップリンク通信時に端末のビーム形成ベクトルを算出するために適用されうる。万一、前記端末がＴＤＤ方式に従う場合に、アップリンクチャネル及びダウンリンクチャネルは同一なので、前記端末は、上述した実施の形態によって算出された結合ベクトルをアップリンク通信のためのビーム形成ベクトルとして使用する。反面、前記端末がＦＤＤ方式に従う場合には、前記端末は、基地局からフィードフォワードされるアップリンク通信のための結合ベクトル情報を確認し、前記アップリンク通信のための結合ベクトルを利用して、アップリンク通信のための自身のビーム形成ベクトルを算出する。
【０１３６】
上述したように、アップリンク通信のためのビーム形成ベクトルを算出した前記端末は、送信信号を前記アップリンク通信のためのビーム形成ベクトルと乗算し、ビーム形成された送信信号を多数の送信アンテナを介して送信する。
【０１３７】
図６は、本発明の実施の形態による多重入出力無線通信システムにおける基地局のブロック構成を示している。
【０１３８】
前記図６に示すように、前記基地局は、制御チャネル受信機６０２、制御チャネル割り当て器６０４、第１ビームベクトル算出器６０６、ビームベクトル量子化器６０８、第２ビームベクトル算出器６１０、制御チャネル送信機６１２、符号化器６１４、変調器６１６、信号分類器６１８及びビーム形成送信機６２０を備えて構成される。
【０１３９】
前記制御チャネル受信機６０２は、制御チャネルを介して端末から各端末のチャネル状態情報を受信する。前記チャネル状態情報、すなわち、チャネル行列情報は、｛基地局送信アンテナの数｝×｛端末受信アンテナの数｝サイズの行列である。
【０１４０】
前記制御チャネル割り当て器６０４は、ビーム形成ベクトル情報フィードフォワードのための制限された容量の制御チャネル内の資源を分割割り当てる。このとき、前記制御チャネル割り当て器６０４は、優れたチャネル品質を有する端末に相対的に少ない量の資源が割り当てられるように、端末に前記資源を分割割り当てる。例えば、劣悪なチャネル品質を有する端末１と相対的に優れたチャネル品質を有する端末２がある場合に、前記制御チャネル割り当て器６０４は、前記端末１に前記端末２に比べて多い量のフィードフォワードチャネル資源を割り当てる。
【０１４１】
前記第１ビームベクトル算出器６０６は、各端末のダウンリンクチャネル行列を利用して、送信信号ビーム形成に使用されるビーム形成ベクトルを算出する。換言すると、前記第１ビームベクトル算出器６０６は、空間多重接続される端末の各々のダウンリンクチャネル行列を利用して、前記端末の各々のビーム形成ベクトルを繰り返し的に算出することによって、最適の端末別ビーム形成ベクトルを算出する。このとき、前記最適のビーム形成ベクトルの算出方式は、本発明の実施の形態によって変わる。
【０１４２】
まず、本発明の第１の実施の形態による場合に、前記第１ビームベクトル算出器６０６は、前記空間多重接続される端末の各々のダウンリンクチャネル行列に対する特異値分解により得られる主左特異ベクトルを前記端末の各々の初期結合ベクトルとして設定する。そして、前記第１ビームベクトル算出器６０６は、前記初期結合ベクトルを利用して算出される等価チャネル行列に対する特異値分解を介した前記ビーム形成ベクトル及び前記結合ベクトルの算出を繰り返し行うことによって、前記端末別最適のビーム形成ベクトルを算出する。例えば、毎繰り返し過程においてｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する場合に、前記第１ビームベクトル算出器６０６は、前記空間多重接続される端末のうち、前記ｋ番目の端末を除いた残りの端末の各々の結合ベクトルのエルミート行列とダウンリンクチャネル行列との積の転置行列を端末インデックスに応じてすべて順次乗算し、転置行列の積の転置行列を算出することによって、前記ｋ番目の端末の等価チャネル行列を算出する、そして、前記第１ビームベクトル算出器６０６は、前記ｋ番目の端末の等価チャネル行列を特異値分解して得られる右特異ベクトルを前記ｋ番目の端末のビーム形成ベクトルに更新し、前記ｋ番目の端末のダウンリンクチャネル行列と前記ビーム形成ベクトルとの積を前記ｋ番目の端末の結合ベクトルに更新する。そして、前記ｋ番目の端末のビーム形成ベクトル及び結合ベクトルを更新した後、前記第１ビームベクトル算出器６０６は、前記ｋ番目の端末のビーム形成ベクトルが最適化されたか否かを判断する。万一、ビーム形成ベクトルが最適化されていないと、前記第１ビームベクトル算出器６０６は、更新されたビーム形成ベクトル及び更新された結合ベクトルを利用して、上述した動作を繰り返す。
【０１４３】
次に、本発明の第２の実施の形態による場合に、前記第１ビームベクトル算出器６０６は、前記空間多重接続される端末の各々のチャネル行列に対する特異値分解により得られる主左特異ベクトルを前記端末の各々の初期結合ベクトルとして設定する。そして、前記第１ビームベクトル算出器６０６は、前記初期結合ベクトルを利用して算出される有効チャネル行列を利用した前記ビーム形成ベクトル及び前記結合ベクトルの算出を繰り返し行うことによって、前記最適の端末別ビーム形成ベクトルを算出する。例えば、毎繰り返し過程においてｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する場合に、前記第１ビームベクトル算出器６０６は、前記空間多重接続される端末の各々の結合ベクトルのエルミート行列とチャネル行列との積の転置行列の端末インデックスに応じてすべて順次乗算し、転置行列の積の転置行列を算出することによって、前記有効チャネル行列を算出する。そして、前記第１ビームベクトル算出器６０６は、前記有効チャネル行列の疑似逆行列のｋ番目の列を前記有効チャネル行列の疑似逆行列のｋ番目の列の絶対値で分けたベクトルを前記ｋ番目の端末のビーム形成ベクトルに更新し、前記ｋ番目の端末のダウンリンクチャネル行列と前記ビーム形成ベクトルとの積を前記ｋ番目の端末の結合ベクトルに更新する。前記ｋ番目の端末のビーム形成ベクトル及び結合ベクトルを更新した前記第１ビームベクトル算出器６０６は、前記ｋ番目の端末のビーム形成ベクトルが最適化されたか否かを判断する。万一、ビーム形成ベクトルが最適化されていないと、前記第１ビームベクトル算出器６０６は、更新されたビーム形成ベクトル及び更新された結合ベクトルを利用して、上述した動作を繰り返す。
【０１４４】
最後に、本発明の第３の実施の形態による場合に、前記第１ビームベクトル算出器６０６は、前記空間多重接続される端末の各々のチャネル行列に対する特異値分解により得られる主右特異ベクトルを前記端末の各々の初期ビーム形成ベクトルとして設定する。そして、前記第１ビームベクトル算出器６０６は、前記初期ビーム形成ベクトルを利用して算出される有効チャネル行列を利用した前記ビーム形成ベクトル及び前記結合ベクトルの算出を繰り返し行うことによって、前記最適の端末別ビーム形成ベクトルを算出する。例えば、毎繰り返し過程においてｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する場合に、前記第１ビームベクトル算出器６０６は、前記空間多重接続される端末の各々のビーム形成ベクトルのエルミート行列、ダウンリンクチャネル行列のエルミート行列及びダウンリンクチャネル行列との積の転置行列の端末インデックスに応じてすべて順次乗算し、前記転置行列の積の転置行列を算出することによって、前記有効チャネル行列を算出する。そして、前記第１ビームベクトル算出器６０６は、前記有効チャネル行列の疑似逆行列のｋ番目の列を前記有効チャネル行列の疑似逆行列のｋ番目の列の絶対値で分けたベクトルを前記ｋ番目の端末のビーム形成ベクトルに更新する。前記ｋ番目の端末のビーム形成ベクトルを更新した前記第１ビームベクトル算出器６０６は、前記ｋ番目の端末のビーム形成ベクトルが最適化されたか否かを判断する。万一、ビーム形成ベクトルが最適化されていないと、前記第１ビームベクトル算出器６０６は、更新されたビーム形成ベクトルを利用して、上述した動作を繰り返す。
【０１４５】
前記ビームベクトル量子化器６０８は、前記第１ビームベクトル算出器６０６から最適化されたビーム形成ベクトルを提供されて、前記最適化されたビーム形成ベクトルを量子化する。このとき、前記ビームベクトル量子化器６０８の量子化方式は、コードブックの使用有無によって変わる。
【０１４６】
まず、コードブックを使用する場合に、前記ビームベクトル量子化器６０８は、各端末に割り当てられたビット数と対応するコードブックを確認し、確認されたコードブック内で前記式１６のような条件を満たすビーム形成ベクトルを選択する。すなわち、前記ビームベクトル量子化器６０８は、前記最適化されたビーム形成ベクトルが乗算されて送信された信号を受信した端末が、前記選択されたビーム形成ベクトルを利用し結合ベクトルを算出して受信信号に乗算されたとき、信号対干渉及び雑音比を最大にするビーム形成ベクトルを選択する。次に、コードブックを使用しない場合に、前記ビームベクトル量子化器６０８は、前記第１ビームベクトル算出器６０６により算出された最適化されたビーム形成ベクトルを構成する元素のアナログ値をデジタル値に変換する。ここで、各端末のビーム形成ベクトルに対する量子化ビットの数は、前記制御チャネル割り当て器６０４の制御チャネル割り当てにより決定される。そして、前記ビームベクトル量子化器６０８は、量子化されたビーム形成ベクトルの情報を前記第２ビームベクトル算出器６１０に提供する。
前記第２ビームベクトル算出器６１０は、前記量子化による誤差を考慮したビーム形成ベクトルを算出する。例えば、本発明の第１の実施の形態による場合。前記第２ビームベクトル算出器６１０は、前記量子化されたビーム形成ベクトルによって算出された結合ベクトルを利用して、各端末の等価チャネル行列を算出し、前記等価チャネル行列に対する特異値分解を介して最終ビーム形成ベクトルを算出する。又は、本発明の第２の実施の形態又は本発明の第３の実施の形態による場合に、ここで、本発明の他の実施の形態によって、前記第２ビームベクトル算出器６１０は、有効チャネル行列を算出し、前記有効チャネル行列を利用して、最終ビーム形成ベクトルを算出する。
【０１４７】
前記制御チャネル送信機６１２は、制御チャネルを介して各端末に量子化されたビーム形成ベクトルインデックス情報を送信する。前記符号化器６１４は、ユーザデータを符号化してチャネルコーディングされたビット列に変換する。前記変調器６１６は、前記符号化器６１４から提供されるビット列を復調して、複素シンボルに変換する。前記信号分類器６１８は、前記変調器６１６から提供される複素シンボルを端末別に分類する。前記ビーム形成送信機６２０は、前記信号分類器６１８から提供される端末別信号を該当ビーム形成ベクトルと乗算し、ビーム形成された各端末の送信信号を合算する。そして、前記ビーム形成送信機６２０は、合算された送信信号を多数の送信アンテナを介して送信する。
【０１４８】
前記図６に示す構成を参考にして説明した基地局の動作により、ダウンリンク通信のためのビーム形成ベクトルが算出される。
【０１４９】
万一、前記基地局がＴＤＤ方式に従う場合に、前記ダウンリンク通信のためのビーム形成ベクトルは、アップリンク通信のための結合ベクトルとして使用されることができる。この場合に、前記基地局は、ビーム結合受信機（図示せず）をさらに備え、前記ビーム結合受信機は、多数の受信アンテナを介して受信される前記端末からの信号に前記ダウンリンクビーム形成ベクトルの各々を乗算することによって、前記端末の各々の信号を分離する。
【０１５０】
反面、前記基地局がＦＤＤ方式に従う場合には、前記第１ビームベクトル算出器６０６、前記ビームベクトル量子化器６０８、前記第２ビームベクトル算出器６１０、前記制御チャネル送信機６１２は、アップリンク通信のための結合ベクトルの算出に使用される。詳細に説明すると、前記第１ビームベクトル算出器６０６は、前記空間多重接続される端末の各々のアップリンクチャネル行列の情報を利用して、前記端末の各々のダウンリンク通信のためのビーム形成ベクトルを算出する方式と同じ方式により、前記端末の各々のアップリンク通信のための結合ベクトルを算出する。そして、前記ビームベクトル量子化器６０８は、前記アップリンク通信のための結合ベクトルの各々を量子化し、前記第２ビームベクトル算出器６１０は、前記量子化による誤差を考慮して前記端末の各々の最終アップリンク通信のための結合ベクトルを算出する。このとき、端末のアップリンク通信のためのビーム形成ベクトルを算出するために、前記制御チャネル送信機６１２は、前記量子化されたアップリンク通信のための結合ベクトルの情報を前記端末にフィードフォワードする。また、前記基地局は、ビーム結合受信機（図示せず）をさらに備え、前記ビーム結合受信機は、多数の受信アンテナを介して受信される前記端末からの信号に前記アップリンク通信のための結合ベクトルの各々を乗算することによって、前記端末の各々の信号を分離する。
【０１５１】
図７は、本発明の実施の形態による多重入出力無線通信システムにおける端末のブロック構成を示している。
【０１５２】
前記図７に示すように、前記端末は、チャネル推定器７０２、制御チャネル送信機７０４、制御チャネル受信機７０６、制御情報確認器７０８、結合ベクトル算出器７１０、信号結合受信機７１２、復調器７１４及び復号器７１６を備えて構成される。
【０１５３】
前記チャネル推定器７０２は、ダウンリンクチャネル状態を推定する。前記ダウンリンクチャネル状態は、パイロット信号のように予め約束された信号を利用して推定され、｛基地局送信アンテナの数｝×｛端末受信アンテナの数｝サイズの行列で構成される。前記制御チャネル送信機７０４は、前記チャネル推定器７０２から提供されるチャネル状態情報を、制御チャネルを介して基地局にフィードバックする。
【０１５４】
前記制御チャネル受信機７０６は、制御チャネルを介して基地局からビーム形成ベクトルインデックス情報を受信する。ここで、前記ビーム形成ベクトルインデックス情報を構成するビットの数は、基地局の制御チャネル割り当て結果に応じて変わる。前記制御情報確認器７０８は、制御チャネルを介して受信された前記ビーム形成ベクトルの情報を確認する。例えば、コードブックを使用する場合に、前記制御情報確認器７０８は、受信されたインデックス情報を構成するビット数と対応するコードブックを確認し、確認されたコードブック内で前記インデックスと対応するビーム形成ベクトルを確認する。そして、前記結合ベクトル算出器７１０は、前記式１３のように、自身のダウンリンクチャネル行列と前記制御情報確認器７０８により確認された前記ビーム形成ベクトルとを乗算することによって、前記自身の結合ベクトルを算出する。
【０１５５】
前記信号結合受信機７１２は、多数のアンテナを介して受信される信号に前記結合ベクトルのエルミート行列を乗算して出力する。前記復調器７１４は、前記信号結合受信機７１２から提供される信号を復調して、ビット列に変換する。前記復号器７１６は、前記復調器７１４から提供されるビット列を復号して、ユーザデータに変換する。
【０１５６】
前記図７に示す構成を参考にして説明した端末の動作により、ダウンリンク通信のための結合ベクトルが算出される。
【０１５７】
万一、前記端末がＴＤＤ方式に従う場合に、アップリンクチャネル及びダウンリンクチャネルは同一なので、前記結合ベクトルは、アップリンク通信のためのビーム形成ベクトルとして使用されることができる。この場合に、前記端末は、ビーム形成送信機（図示せず）をさらに備え、前記結合ベクトルのエルミート行列を利用して送信信号をビーム形成した後、ビーム形成された送信信号を多数の送信アンテナを介して送信する。
【０１５８】
反面、前記端末がＦＤＤ方式に従う場合には、前記制御情報確認器７０６、前記結合ベクトル算出器７０８は、アップリンク通信のためのビーム形成ベクトルの算出に使用される。詳細に説明すると、前記制御チャネル受信機７０４は、制御チャネルを介して基地局から受信される量子化されたアップリンク通信のための結合ベクトル情報を確認する。そして、前記結合ベクトル算出器７６０は、前記基地局と端末とのアップリンクチャネル行列及び前記アップリンク通信のための結合ベクトルを乗算することによって、アップリンク通信のためのビーム形成ベクトルを算出する。また、前記端末は、ビーム形成送信機（図示せず）をさらに備え、前記アップリンク通信のためのビーム形成ベクトルベクトルのエルミート行列を利用して送信信号をビーム形成した後、ビーム形成された送信信号を多数の送信アンテナを介して送信する。
【０１５９】
図８Ａおよび図８Ｂは、本発明によるビーム形成技法の性能を確認するために実施したシミュレーション実験結果を示している。
【０１６０】
前記図８Ａは、最も理想的な技法であるＤＰＣ（Ｄｉｒｔｙ Ｐａｐｅｒ Ｃｏｄｉｎｇ）技法と本発明による技法の性能を比較している。前記図８Ａは、受信アンテナの数に応じる全体送信率（Ｓｕｍ Ｒａｔｅ）を示しており、横軸は、受信アンテナの数を、縦軸は、全体送信率を示す。また、前記図８Ａにおいて、送信アンテナの数は５個、端末の数は５個と仮定している。前記図８Ａを参照すると、現在最も理想的なＤＰＣ技法は、本発明の技法より高い全体送信率を表す。特に、前記ＤＰＣ技法は、受信アンテナの数が少ないとき、大きな性能差を表す。すなわち、端末の受信アンテナの数が増加するほど、本発明の技法は、前記ＤＰＣ技法に近接した性能を表していることを確認することができる。これは、前記ＤＰＣ技法の非常に大きな複雑度と本発明による技法の線形的解法を考慮するとき、本発明による技法の性能が非常に優れていることが分かる。
【０１６１】
前記図８Ｂは、前記ＤＰＣ技法、本発明による技法、単一ユーザ閉ループＭＩＭＯ（ＳＵ ＣＬ ＭＩＭＯ：Ｓｉｎｇｌｅ Ｕｓｅｒ Ｃｌｏｓｅ Ｌｏｏｐ ＭＩＭＯ）、独立ストリームスケジューラ（Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｓｔｒｅａｍ Ｓｃｈｅｄｕｌｅｒ）技法を比較している。ここで、前記本発明による技法は、非量子化（Ｕｎｑｕｎｔｉｚｅｄ）の場合、６ビットコードブックの場合、３ビットコードブックの場合に細分化されている。前記図８Ｂは、送信アンテナの数、端末の数、受信アンテナの数に応じる全体送信率を示しており、横軸は、前記送信アンテナの数、前記端末の数、前記受信アンテナの数を、縦軸は、全体送信率を示す。ここで、前記送信アンテナの数、前記端末の数、前記受信アンテナの数は、全て互いに同一である。前記図８Ｂを参照すると、５個の送信アンテナ、５個の端末、５個の受信アンテナを使用する状況において、前記ＤＰＣ技法と本発明による技法間の全体送信率差は、約１．６ ｂｐｓ／Ｈｚである。前記差は、横軸の値が低くなるほど減少し、前記差の平均値は、約０．３２ ｂｐｓ／Ｈｚである。また、本発明による技法は、コードブックビット数が減少するほど低い性能を表す。しかしながら、最も低い性能を表す３ビットコードブックを使用する本発明の技法は、前記単一ユーザ閉ループＭＩＭＯ技法及び独立ストリームスケジューラ技法に比べて高い性能を表す。
【０１６２】
上述した本発明の好ましい実施形態は、例示の目的のために開示されたものであり、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形、及び変更が可能であり、このような置換、変更などは、特許請求の範囲に属するものである。
【０１６３】
上述したように、多重入出力無線通信システムにおいて繰り返し技法により決定された最適ビーム形成ベクトルを量子化して、制限されたフィードフォワードチャネル（ｌｉｍｉｔｅｄ ｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄ Ｃｈａｎｎｅｌ）を介して端末に知らせ、基地局は、前記量子化による誤差を考慮してビーム形成ベクトルを再算出することによって、低い複雑度で理想的な送信技法に近い性能を表すビーム形成を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０１６４】
【図１】本発明で考慮する多重入出力無線通信システムを概略的に示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態による多重入出力無線通信システムにおける基地局の信号送信手順を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態による多重入出力無線通信システムにおける基地局の信号送信手順を示す図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態による多重入出力無線通信システムにおける基地局の信号送信手順を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態による多重入出力無線通信システムにおける端末の信号受信手順を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態による多重入出力無線通信システムにおける基地局のブロック構成を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態による多重入出力無線通信システムにおける端末のブロック構成を示す図である。
【図８Ａ】本発明によるビーム形成技法の性能を示す図である。
【図８Ｂ】本発明によるビーム形成技法の性能を示す図である。
【符号の説明】
【０１６５】
６０２ 制御チャネル受信機
６０４ 制御チャネル割り当て器
６０６ 第１ビームベクトル算出器
６０８ ビームベクトル量子化器
６１０ 第２ビームベクトル算出器
６１２ 制御チャネル送信機
６１４ 符号化器
６１６ 変調器
６１８ 信号分類器
６２０ ビーム形成送信機
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多重入出力無線通信システムにおける基地局装置であって、
空間多重接続される端末の各々のダウンリンクチャネル行列の情報を利用して、前記端末の各々のダウンリンクビーム形成ベクトルを繰り返し的に算出することによって、最適の端末別ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する第１算出器と、
前記ダウンリンクビーム形成ベクトルの情報を送信するために、前記ダウンリンクビーム形成ベクトルの各々を量子化する量子化器と、
制御チャネルを介して量子化されたダウンリンクビーム形成ベクトルの情報を前記端末にフィードフォワードする制御チャネル送信機と、
前記量子化による誤差を考慮して、前記端末の各々の最終ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する第２算出器と、
前記最終ダウンリンクビーム形成ベクトルの各々に応じてビーム形成された各端末の送信信号を合算し、合算された送信信号を多数の送信アンテナを介して送信するビーム形成送信機と、を備えることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記第１算出器は、前記空間多重接続される端末の各々のダウンリンクチャネル行列に対する特異値分解（ｓｉｎｇｕｌａｒ ｖａｌｕｅ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）により得られる主左特異ベクトル（ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｌｅｆｔ ｓｉｎｇｕｌａｒ ｖｅｃｔｏｒ）を前記端末の各々の初期ダウンリンク結合ベクトル（ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｖｅｃｔｏｒ）として設定した後、
前記初期ダウンリンク結合ベクトルを利用して算出される等価チャネル行列に対する特異値分解による前記ダウンリンクビーム形成ベクトル及び前記ダウンリンク結合ベクトルの算出を繰り返し行うことによって、前記最適の端末別ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１算出器は、毎繰り返し過程においてｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する場合に、前記空間多重接続される端末のうち、前記ｋ番目の端末を除いた残りの端末の各々のダウンリンク結合ベクトルのエルミート（ｈｅｒｍｉｔｉａｎ）行列及びダウンリンクチャネル行列の積の転置行列を端末インデックスに応じてすべて順次乗算し、転置行列の積の転置行列を算出することによって、前記ｋ番目の端末の等価チャネル行列を算出し、
前記ｋ番目の端末の等価チャネル行列を特異値分解して得られる右特異ベクトルを前記ｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルに更新し、前記ｋ番目の端末のダウンリンクチャネル行列と前記ダウンリンクビーム形成ベクトルとの積を前記ｋ番目の端末のダウンリンク結合ベクトルに更新した後、
前記ｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルが最適化されたか否かを判断し、
前記第２算出器は、前記量子化されたダウンリンクビーム形成ベクトルを利用して、前記端末の各々の最終ダウンリンク結合ベクトルを算出し、前記ダウンリンク結合ベクトルを利用して、前記端末の各々の等価チャネル行列を算出した後、前記端末の各々の等価チャネル行列に対する特異値分解により前記端末の各々の最終ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出することを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記第１算出器は、前記空間多重接続される端末の各々のチャネル行列に対する特異値分解により得られる主左特異ベクトルを前記端末の各々の初期ダウンリンク結合ベクトルとして設定した後、
前記初期ダウンリンク結合ベクトルを利用して算出される有効チャネル行列（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ Ｃｈａｎｎｅｌ ｍａｔｒｉｘ）を利用した前記ダウンリンクビーム形成ベクトル及び前記ダウンリンク結合ベクトルの算出を繰り返し行うことによって、前記最適の端末別ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記第１算出器は、前記空間多重接続される端末の各々のダウンリンク結合ベクトルのエルミート行列及びダウンリンクチャネル行列の積の転置行列の端末インデックスに応じてすべて順次乗算し、転置行列の積の転置行列を算出することによって、前記有効チャネル行列を算出した後、
ｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する場合に、前記有効チャネル行列の疑似逆行列のｋ番目の列を前記有効チャネル行列の疑似逆行列のｋ番目の列の絶対値で分けたベクトルを前記ｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルに更新し、前記ｋ番目の端末のダウンリンクチャネル行列と前記ダウンリンクビーム形成ベクトルとの積を前記ｋ番目の端末のダウンリンク結合ベクトルに更新した後、
前記ｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルが最適化されたか否かを判断し、
前記第２算出器は、前記量子化されたダウンリンクビーム形成ベクトルを利用して、前記端末の各々の最終ダウンリンク結合ベクトルを算出し、前記ダウンリンク結合ベクトルを利用して、前記有効チャネル行列を算出した後、前記有効チャネル行列を利用して、前記端末の各々の最終ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出することを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記第１算出器は、前記空間多重接続される端末の各々のチャネル行列に対する特異値分解により得られる主右特異ベクトルを前記端末の各々の初期ダウンリンクビーム形成ベクトルとして設定した後、
前記初期ダウンリンクビーム形成ベクトルを利用して算出される有効チャネル行列を利用した前記ダウンリンクビーム形成ベクトルの算出を繰り返し行うことによって、前記最適の端末別ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記第１算出器は、前記空間多重接続される端末の各々のダウンリンクビーム形成ベクトルのエルミート行列、ダウンリンクチャネル行列のエルミート行列及びダウンリンクチャネル行列との積の転置行列の端末インデックスに応じてすべて順次乗算し、転置行列の積の転置行列を算出することによって、前記有効チャネル行列を算出した後、
ｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する場合に、前記有効チャネル行列の疑似逆行列のｋ番目の列を前記有効チャネル行列の疑似逆行列のｋ番目の列の絶対値で分けたベクトルを前記ｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルに更新した後、
前記ｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルが最適化されたか否かを判断することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
優れたチャネル品質を有する端末に相対的に少ない量の資源が割り当てられるように、前記制御チャネル内の資源を分配する割り当て器をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記量子化器は、ｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルを量子化する場合に、前記ｋ番目の端末に割り当てられた制御チャネル資源量と対応するコードブック（Ｃｏｄｅｂｏｏｋ）を確認し、前記コードブック内から前記ｋ番目の端末の受信信号の強度を最大化するビーム形成ベクトルを選択することによって、前記ｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルを量子化することを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
多数の受信アンテナを介して受信される前記端末からの信号に前記ダウンリンクビーム形成ベクトルの各々を乗算することによって、前記端末の各々の信号を分離するビーム結合受信機をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記第１算出器は、前記空間多重接続される端末の各々のアップリンクチャネル行列の情報を利用して、前記端末の各々のダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する方式と同じ方式により前記端末の各々のアップリンク結合ベクトルを算出し、
前記量子化器は、前記アップリンク結合ベクトルの各々を量子化し、
前記制御チャネル送信機は、前記量子化されたアップリンク結合ベクトルの情報を前記端末にフィードフォワードし、
前記第２算出器は、前記量子化による誤差を考慮して、前記端末の各々の最終アップリンク結合ベクトルを算出することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
多数の受信アンテナを介して受信される前記端末からの信号に前記アップリンク結合ベクトルの各々を乗算することによって、前記端末の各々の信号を分離するビーム結合受信機をさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
多重入出力無線通信システムにおける端末装置であって、
基地局から受信された量子化されたダウンリンクビーム形成ベクトル情報を確認する確認器と、
前記基地局と端末とのダウンリンクチャネル行列及び前記ダウンリンクビーム形成ベクトルを乗算することによって、前記ダウンリンク結合ベクトルを算出する算出器と、
多数の受信アンテナを介して受信された信号に前記ダウンリンク結合ベクトルのエルミート行列を乗算するビーム結合受信機を備えることを特徴とする装置。
【請求項１４】
前記ダウンリンク結合ベクトルのエルミート行列を利用して送信信号をビーム形成した後、ビーム形成された送信信号を多数の送信アンテナを介して送信するビーム形成送信機をさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記確認器は、基地局から受信された量子化されたアップリンク結合ベクトル情報を確認し、
前記算出器は、前記基地局と端末とのアップリンクチャネル行列及び前記アップリンク結合ベクトルを乗算することによって、アップリンクビーム形成ベクトルを算出することを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項１６】
前記アップリンクビーム形成ベクトルのエルミート行列を利用して送信信号をビーム形成した後、ビーム形成された送信信号を多数の送信アンテナを介して送信するビーム形成送信機をさらに備えることを特徴とする請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
多重入出力無線通信システムにおける基地局の動作方法であって、
空間多重接続される端末の各々のダウンリンクチャネル行列の情報を利用して、前記端末の各々のダウンリンクビーム形成ベクトルを繰り返し的に算出することによって、最適の端末別ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する過程と、
前記ダウンリンクビーム形成ベクトルの情報を送信するために、前記ダウンリンクビーム形成ベクトルの各々を量子化する過程と、
制御チャネルを介して量子化されたダウンリンクビーム形成ベクトルの情報を前記端末にフィードフォワードする過程と、
前記量子化による誤差を考慮して、前記端末の各々の最終ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する過程と、
前記最終ダウンリンクビーム形成ベクトルの各々に応じてビーム形成された各端末の送信信号を合算し、合算された送信信号を多数の送信アンテナを介して送信する過程と、を含むことを特徴とする方法。
【請求項１８】
前記最適の端末別ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する過程は、
前記空間多重接続される端末の各々のダウンリンクチャネル行列に対する特異値分解により得られる主左特異ベクトルを前記端末の各々の初期ダウンリンク結合ベクトルとして設定する過程と、
前記初期ダウンリンク結合ベクトルを利用して算出される等価チャネル行列に対する特異値分解を介した前記ダウンリンクビーム形成ベクトル及び前記ダウンリンク結合ベクトルの算出を繰り返し行うことによって、前記最適の端末別ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する過程と、を含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記ダウンリンクビーム形成ベクトル及び前記ダウンリンク結合ベクトルの算出を繰り返し行う過程は、
毎繰り返し過程においてｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する場合に、前記空間多重接続される端末のうち、前記ｋ番目の端末を除いた残りの端末の各々のダウンリンク結合ベクトルのエルミート行列とダウンリンクチャネル行列との積の転置行列を端末インデックスに応じてすべて順次乗算し、転置行列の積の転置行列を算出することによって、前記ｋ番目の端末の等価チャネル行列を算出する過程と、
前記ｋ番目の端末の等価チャネル行列を特異値分解して得られる右特異ベクトルを前記ｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルに更新する過程と、
前記ｋ番目の端末のダウンリンクチャネル行列と前記ダウンリンクビーム形成ベクトルとの積を前記ｋ番目の端末のダウンリンク結合ベクトルに更新する過程と、
前記ｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルが最適化されたか否かを判断する過程と、を含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記最終ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する過程は、
前記量子化されたダウンリンクビーム形成ベクトルを利用して、前記端末の各々の最終ダウンリンク結合ベクトルを算出する過程と、
前記ダウンリンク結合ベクトルを利用して、前記端末の各々の等価チャネル行列を算出した後、前記端末の各々の等価チャネル行列に対する特異値分解を介して前記端末の各々の最終ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する過程と、を含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記最適の端末別ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する過程は、
前記空間多重接続される端末の各々のチャネル行列に対する特異値分解により得られる主左特異ベクトルを前記端末の各々の初期ダウンリンク結合ベクトルとして設定する過程と、
前記初期ダウンリンク結合ベクトルを利用して算出される有効チャネル行列を利用した前記ダウンリンクビーム形成ベクトル及び前記ダウンリンク結合ベクトルの算出を繰り返し行うことによって、前記最適の端末別ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する過程と、を含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
前記ダウンリンクビーム形成ベクトル及び前記ダウンリンク結合ベクトルの算出を繰り返し行う過程は、
前記空間多重接続される端末の各々のダウンリンク結合ベクトルのエルミート行列とチャネル行列との積の転置行列の端末インデックスに応じてすべて順次乗算し、転置行列の積の転置行列を算出することによって、前記有効チャネル行列を算出する過程と、
ｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する場合に、前記有効チャネル行列の疑似逆行列のｋ番目の列を前記有効チャネル行列の疑似逆行列のｋ番目の列の絶対値で分けたベクトルを前記ｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルに更新する過程と、
前記ｋ番目の端末のダウンリンクチャネル行列と前記ダウンリンクビーム形成ベクトルとの積を前記ｋ番目の端末のダウンリンク結合ベクトルに更新する過程と、
前記ｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルが最適化されたか否かを判断する過程と、を含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記最終ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する過程は、
前記量子化されたダウンリンクビーム形成ベクトルを利用して、前記端末の各々の最終ダウンリンク結合ベクトルを算出する過程と、
前記ダウンリンク結合ベクトルを利用して、前記有効チャネル行列を算出した後、前記有効チャネル行列を利用して、前記端末の各々の最終ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する過程と、を含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記最適の端末別ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する過程は、
前記空間多重接続される端末の各々のチャネル行列に対する特異値分解により得られる主右特異ベクトルを前記端末の各々の初期ダウンリンクビーム形成ベクトルとして設定する過程と、
前記初期ダウンリンクビーム形成ベクトルを利用して算出される有効チャネル行列を利用した前記ダウンリンクビーム形成ベクトルの算出を繰り返し行うことによって、前記最適の端末別ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する過程と、を含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２５】
前記ダウンリンクビーム形成ベクトルの算出を繰り返し行う過程は、
前記空間多重接続される端末の各々のダウンリンクビーム形成ベクトルのエルミート行列、ダウンリンクチャネル行列のエルミート行列及びダウンリンクチャネル行列との積の転置行列の端末インデックスに応じてすべて順次乗算し、転置行列の積の転置行列を算出することによって、前記有効チャネル行列を算出する過程と、
ｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する場合に、前記有効チャネル行列の疑似逆行列のｋ番目の列を前記有効チャネル行列の疑似逆行列のｋ番目の列の絶対値で分けたベクトルを前記ｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルに更新する過程と、
前記ｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルが最適化されたか否かを判断する過程と、を含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
優れたチャネル品質を有する端末に相対的に少ない量の資源が割り当てられるように前記制御チャネル内の資源を分配する過程をさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２７】
前記ダウンリンクビーム形成ベクトルの各々を量子化する過程は、
ｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルを量子化する場合に、前記ｋ番目の端末に割り当てられた制御チャネル資源量と対応するコードブックを確認する過程と、
前記コードブック内で前記ｋ番目の端末の受信信号の強度を最大化するビーム形成ベクトルを選択することによって、前記ｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルを量子化する過程と、を含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
多数の受信アンテナを介して受信される前記端末からの信号に前記ダウンリンクビーム形成ベクトルの各々を乗算することによって、前記端末の各々の信号を分離する過程をさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２９】
前記空間多重接続される端末の各々のアップリンクチャネル行列の情報を利用して、前記端末の各々のダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する方式と同じ方式により、前記端末の各々のアップリンク結合ベクトルを算出する過程と、
前記アップリンク結合ベクトルの各々を量子化する過程と、
前記量子化されたアップリンク結合ベクトルの情報を前記端末にフィードフォワードする過程と、
前記量子化による誤差を考慮して前記端末の各々の最終アップリンク結合ベクトルを算出する過程と、をさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項３０】
多数の受信アンテナを介して受信される前記端末からの信号に前記アップリンク結合ベクトルの各々を乗算することによって、前記端末の各々の信号を分離する過程をさらに含むことを特徴とする請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
多重入出力無線通信システムにおける端末の動作方法であって、
基地局から受信された量子化されたダウンリンクビーム形成ベクトル情報を確認する過程と、
前記基地局と端末とのダウンリンクチャネル行列及び前記ダウンリンクビーム形成ベクトルを乗算することによって、前記ダウンリンク結合ベクトルを算出する過程と、
多数の受信アンテナを介して受信された信号に前記ダウンリンク結合ベクトルのエルミート行列を乗算する過程と、を含むことを特徴とする方法。
【請求項３２】
前記ダウンリンク結合ベクトルのエルミート行列を利用して送信信号をビーム形成した後、ビーム形成された送信信号を多数の送信アンテナを介して送信する過程をさらに含むことを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
基地局から受信された量子化されたアップリンク結合ベクトル情報を確認する過程と、
前記基地局と端末とのアップリンクチャネル行列及び前記アップリンク結合ベクトルを乗算することによって、アップリンクビーム形成ベクトルを算出する過程をさらに含むことを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項３４】
前記アップリンクビーム形成ベクトルのエルミート行列を利用して送信信号をビーム形成した後、ビーム形成された送信信号を多数の送信アンテナを介して送信する過程をさらに含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項１】
多重入出力無線通信システムにおける基地局装置であって、
空間多重接続される端末の各々のダウンリンクチャネル行列の情報を利用して、前記端末の各々のダウンリンクビーム形成ベクトルを繰り返し的に算出することによって、最適の端末別ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する第１算出器と、
前記ダウンリンクビーム形成ベクトルの情報を送信するために、前記ダウンリンクビーム形成ベクトルの各々を量子化する量子化器と、
制御チャネルを介して量子化されたダウンリンクビーム形成ベクトルの情報を前記端末にフィードフォワードする制御チャネル送信機と、
前記量子化による誤差を考慮して、前記端末の各々の最終ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する第２算出器と、
前記最終ダウンリンクビーム形成ベクトルの各々に応じてビーム形成された各端末の送信信号を合算し、合算された送信信号を多数の送信アンテナを介して送信するビーム形成送信機と、を備えることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記第１算出器は、前記空間多重接続される端末の各々のダウンリンクチャネル行列に対する特異値分解（ｓｉｎｇｕｌａｒ ｖａｌｕｅ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）により得られる主左特異ベクトル（ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｌｅｆｔ ｓｉｎｇｕｌａｒ ｖｅｃｔｏｒ）を前記端末の各々の初期ダウンリンク結合ベクトル（ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｖｅｃｔｏｒ）として設定した後、
前記初期ダウンリンク結合ベクトルを利用して算出される等価チャネル行列に対する特異値分解による前記ダウンリンクビーム形成ベクトル及び前記ダウンリンク結合ベクトルの算出を繰り返し行うことによって、前記最適の端末別ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１算出器は、毎繰り返し過程においてｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する場合に、前記空間多重接続される端末のうち、前記ｋ番目の端末を除いた残りの端末の各々のダウンリンク結合ベクトルのエルミート（ｈｅｒｍｉｔｉａｎ）行列及びダウンリンクチャネル行列の積の転置行列を端末インデックスに応じてすべて順次乗算し、転置行列の積の転置行列を算出することによって、前記ｋ番目の端末の等価チャネル行列を算出し、
前記ｋ番目の端末の等価チャネル行列を特異値分解して得られる右特異ベクトルを前記ｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルに更新し、前記ｋ番目の端末のダウンリンクチャネル行列と前記ダウンリンクビーム形成ベクトルとの積を前記ｋ番目の端末のダウンリンク結合ベクトルに更新した後、
前記ｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルが最適化されたか否かを判断し、
前記第２算出器は、前記量子化されたダウンリンクビーム形成ベクトルを利用して、前記端末の各々の最終ダウンリンク結合ベクトルを算出し、前記ダウンリンク結合ベクトルを利用して、前記端末の各々の等価チャネル行列を算出した後、前記端末の各々の等価チャネル行列に対する特異値分解により前記端末の各々の最終ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出することを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記第１算出器は、前記空間多重接続される端末の各々のチャネル行列に対する特異値分解により得られる主左特異ベクトルを前記端末の各々の初期ダウンリンク結合ベクトルとして設定した後、
前記初期ダウンリンク結合ベクトルを利用して算出される有効チャネル行列（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ Ｃｈａｎｎｅｌ ｍａｔｒｉｘ）を利用した前記ダウンリンクビーム形成ベクトル及び前記ダウンリンク結合ベクトルの算出を繰り返し行うことによって、前記最適の端末別ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記第１算出器は、前記空間多重接続される端末の各々のダウンリンク結合ベクトルのエルミート行列及びダウンリンクチャネル行列の積の転置行列の端末インデックスに応じてすべて順次乗算し、転置行列の積の転置行列を算出することによって、前記有効チャネル行列を算出した後、
ｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する場合に、前記有効チャネル行列の疑似逆行列のｋ番目の列を前記有効チャネル行列の疑似逆行列のｋ番目の列の絶対値で分けたベクトルを前記ｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルに更新し、前記ｋ番目の端末のダウンリンクチャネル行列と前記ダウンリンクビーム形成ベクトルとの積を前記ｋ番目の端末のダウンリンク結合ベクトルに更新した後、
前記ｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルが最適化されたか否かを判断し、
前記第２算出器は、前記量子化されたダウンリンクビーム形成ベクトルを利用して、前記端末の各々の最終ダウンリンク結合ベクトルを算出し、前記ダウンリンク結合ベクトルを利用して、前記有効チャネル行列を算出した後、前記有効チャネル行列を利用して、前記端末の各々の最終ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出することを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記第１算出器は、前記空間多重接続される端末の各々のチャネル行列に対する特異値分解により得られる主右特異ベクトルを前記端末の各々の初期ダウンリンクビーム形成ベクトルとして設定した後、
前記初期ダウンリンクビーム形成ベクトルを利用して算出される有効チャネル行列を利用した前記ダウンリンクビーム形成ベクトルの算出を繰り返し行うことによって、前記最適の端末別ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記第１算出器は、前記空間多重接続される端末の各々のダウンリンクビーム形成ベクトルのエルミート行列、ダウンリンクチャネル行列のエルミート行列及びダウンリンクチャネル行列との積の転置行列の端末インデックスに応じてすべて順次乗算し、転置行列の積の転置行列を算出することによって、前記有効チャネル行列を算出した後、
ｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する場合に、前記有効チャネル行列の疑似逆行列のｋ番目の列を前記有効チャネル行列の疑似逆行列のｋ番目の列の絶対値で分けたベクトルを前記ｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルに更新した後、
前記ｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルが最適化されたか否かを判断することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
優れたチャネル品質を有する端末に相対的に少ない量の資源が割り当てられるように、前記制御チャネル内の資源を分配する割り当て器をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記量子化器は、ｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルを量子化する場合に、前記ｋ番目の端末に割り当てられた制御チャネル資源量と対応するコードブック（Ｃｏｄｅｂｏｏｋ）を確認し、前記コードブック内から前記ｋ番目の端末の受信信号の強度を最大化するビーム形成ベクトルを選択することによって、前記ｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルを量子化することを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
多数の受信アンテナを介して受信される前記端末からの信号に前記ダウンリンクビーム形成ベクトルの各々を乗算することによって、前記端末の各々の信号を分離するビーム結合受信機をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記第１算出器は、前記空間多重接続される端末の各々のアップリンクチャネル行列の情報を利用して、前記端末の各々のダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する方式と同じ方式により前記端末の各々のアップリンク結合ベクトルを算出し、
前記量子化器は、前記アップリンク結合ベクトルの各々を量子化し、
前記制御チャネル送信機は、前記量子化されたアップリンク結合ベクトルの情報を前記端末にフィードフォワードし、
前記第２算出器は、前記量子化による誤差を考慮して、前記端末の各々の最終アップリンク結合ベクトルを算出することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
多数の受信アンテナを介して受信される前記端末からの信号に前記アップリンク結合ベクトルの各々を乗算することによって、前記端末の各々の信号を分離するビーム結合受信機をさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
多重入出力無線通信システムにおける端末装置であって、
基地局から受信された量子化されたダウンリンクビーム形成ベクトル情報を確認する確認器と、
前記基地局と端末とのダウンリンクチャネル行列及び前記ダウンリンクビーム形成ベクトルを乗算することによって、前記ダウンリンク結合ベクトルを算出する算出器と、
多数の受信アンテナを介して受信された信号に前記ダウンリンク結合ベクトルのエルミート行列を乗算するビーム結合受信機を備えることを特徴とする装置。
【請求項１４】
前記ダウンリンク結合ベクトルのエルミート行列を利用して送信信号をビーム形成した後、ビーム形成された送信信号を多数の送信アンテナを介して送信するビーム形成送信機をさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記確認器は、基地局から受信された量子化されたアップリンク結合ベクトル情報を確認し、
前記算出器は、前記基地局と端末とのアップリンクチャネル行列及び前記アップリンク結合ベクトルを乗算することによって、アップリンクビーム形成ベクトルを算出することを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項１６】
前記アップリンクビーム形成ベクトルのエルミート行列を利用して送信信号をビーム形成した後、ビーム形成された送信信号を多数の送信アンテナを介して送信するビーム形成送信機をさらに備えることを特徴とする請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
多重入出力無線通信システムにおける基地局の動作方法であって、
空間多重接続される端末の各々のダウンリンクチャネル行列の情報を利用して、前記端末の各々のダウンリンクビーム形成ベクトルを繰り返し的に算出することによって、最適の端末別ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する過程と、
前記ダウンリンクビーム形成ベクトルの情報を送信するために、前記ダウンリンクビーム形成ベクトルの各々を量子化する過程と、
制御チャネルを介して量子化されたダウンリンクビーム形成ベクトルの情報を前記端末にフィードフォワードする過程と、
前記量子化による誤差を考慮して、前記端末の各々の最終ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する過程と、
前記最終ダウンリンクビーム形成ベクトルの各々に応じてビーム形成された各端末の送信信号を合算し、合算された送信信号を多数の送信アンテナを介して送信する過程と、を含むことを特徴とする方法。
【請求項１８】
前記最適の端末別ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する過程は、
前記空間多重接続される端末の各々のダウンリンクチャネル行列に対する特異値分解により得られる主左特異ベクトルを前記端末の各々の初期ダウンリンク結合ベクトルとして設定する過程と、
前記初期ダウンリンク結合ベクトルを利用して算出される等価チャネル行列に対する特異値分解を介した前記ダウンリンクビーム形成ベクトル及び前記ダウンリンク結合ベクトルの算出を繰り返し行うことによって、前記最適の端末別ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する過程と、を含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記ダウンリンクビーム形成ベクトル及び前記ダウンリンク結合ベクトルの算出を繰り返し行う過程は、
毎繰り返し過程においてｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する場合に、前記空間多重接続される端末のうち、前記ｋ番目の端末を除いた残りの端末の各々のダウンリンク結合ベクトルのエルミート行列とダウンリンクチャネル行列との積の転置行列を端末インデックスに応じてすべて順次乗算し、転置行列の積の転置行列を算出することによって、前記ｋ番目の端末の等価チャネル行列を算出する過程と、
前記ｋ番目の端末の等価チャネル行列を特異値分解して得られる右特異ベクトルを前記ｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルに更新する過程と、
前記ｋ番目の端末のダウンリンクチャネル行列と前記ダウンリンクビーム形成ベクトルとの積を前記ｋ番目の端末のダウンリンク結合ベクトルに更新する過程と、
前記ｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルが最適化されたか否かを判断する過程と、を含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記最終ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する過程は、
前記量子化されたダウンリンクビーム形成ベクトルを利用して、前記端末の各々の最終ダウンリンク結合ベクトルを算出する過程と、
前記ダウンリンク結合ベクトルを利用して、前記端末の各々の等価チャネル行列を算出した後、前記端末の各々の等価チャネル行列に対する特異値分解を介して前記端末の各々の最終ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する過程と、を含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記最適の端末別ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する過程は、
前記空間多重接続される端末の各々のチャネル行列に対する特異値分解により得られる主左特異ベクトルを前記端末の各々の初期ダウンリンク結合ベクトルとして設定する過程と、
前記初期ダウンリンク結合ベクトルを利用して算出される有効チャネル行列を利用した前記ダウンリンクビーム形成ベクトル及び前記ダウンリンク結合ベクトルの算出を繰り返し行うことによって、前記最適の端末別ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する過程と、を含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
前記ダウンリンクビーム形成ベクトル及び前記ダウンリンク結合ベクトルの算出を繰り返し行う過程は、
前記空間多重接続される端末の各々のダウンリンク結合ベクトルのエルミート行列とチャネル行列との積の転置行列の端末インデックスに応じてすべて順次乗算し、転置行列の積の転置行列を算出することによって、前記有効チャネル行列を算出する過程と、
ｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する場合に、前記有効チャネル行列の疑似逆行列のｋ番目の列を前記有効チャネル行列の疑似逆行列のｋ番目の列の絶対値で分けたベクトルを前記ｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルに更新する過程と、
前記ｋ番目の端末のダウンリンクチャネル行列と前記ダウンリンクビーム形成ベクトルとの積を前記ｋ番目の端末のダウンリンク結合ベクトルに更新する過程と、
前記ｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルが最適化されたか否かを判断する過程と、を含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記最終ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する過程は、
前記量子化されたダウンリンクビーム形成ベクトルを利用して、前記端末の各々の最終ダウンリンク結合ベクトルを算出する過程と、
前記ダウンリンク結合ベクトルを利用して、前記有効チャネル行列を算出した後、前記有効チャネル行列を利用して、前記端末の各々の最終ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する過程と、を含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記最適の端末別ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する過程は、
前記空間多重接続される端末の各々のチャネル行列に対する特異値分解により得られる主右特異ベクトルを前記端末の各々の初期ダウンリンクビーム形成ベクトルとして設定する過程と、
前記初期ダウンリンクビーム形成ベクトルを利用して算出される有効チャネル行列を利用した前記ダウンリンクビーム形成ベクトルの算出を繰り返し行うことによって、前記最適の端末別ダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する過程と、を含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２５】
前記ダウンリンクビーム形成ベクトルの算出を繰り返し行う過程は、
前記空間多重接続される端末の各々のダウンリンクビーム形成ベクトルのエルミート行列、ダウンリンクチャネル行列のエルミート行列及びダウンリンクチャネル行列との積の転置行列の端末インデックスに応じてすべて順次乗算し、転置行列の積の転置行列を算出することによって、前記有効チャネル行列を算出する過程と、
ｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する場合に、前記有効チャネル行列の疑似逆行列のｋ番目の列を前記有効チャネル行列の疑似逆行列のｋ番目の列の絶対値で分けたベクトルを前記ｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルに更新する過程と、
前記ｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルが最適化されたか否かを判断する過程と、を含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
優れたチャネル品質を有する端末に相対的に少ない量の資源が割り当てられるように前記制御チャネル内の資源を分配する過程をさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２７】
前記ダウンリンクビーム形成ベクトルの各々を量子化する過程は、
ｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルを量子化する場合に、前記ｋ番目の端末に割り当てられた制御チャネル資源量と対応するコードブックを確認する過程と、
前記コードブック内で前記ｋ番目の端末の受信信号の強度を最大化するビーム形成ベクトルを選択することによって、前記ｋ番目の端末のダウンリンクビーム形成ベクトルを量子化する過程と、を含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
多数の受信アンテナを介して受信される前記端末からの信号に前記ダウンリンクビーム形成ベクトルの各々を乗算することによって、前記端末の各々の信号を分離する過程をさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２９】
前記空間多重接続される端末の各々のアップリンクチャネル行列の情報を利用して、前記端末の各々のダウンリンクビーム形成ベクトルを算出する方式と同じ方式により、前記端末の各々のアップリンク結合ベクトルを算出する過程と、
前記アップリンク結合ベクトルの各々を量子化する過程と、
前記量子化されたアップリンク結合ベクトルの情報を前記端末にフィードフォワードする過程と、
前記量子化による誤差を考慮して前記端末の各々の最終アップリンク結合ベクトルを算出する過程と、をさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項３０】
多数の受信アンテナを介して受信される前記端末からの信号に前記アップリンク結合ベクトルの各々を乗算することによって、前記端末の各々の信号を分離する過程をさらに含むことを特徴とする請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
多重入出力無線通信システムにおける端末の動作方法であって、
基地局から受信された量子化されたダウンリンクビーム形成ベクトル情報を確認する過程と、
前記基地局と端末とのダウンリンクチャネル行列及び前記ダウンリンクビーム形成ベクトルを乗算することによって、前記ダウンリンク結合ベクトルを算出する過程と、
多数の受信アンテナを介して受信された信号に前記ダウンリンク結合ベクトルのエルミート行列を乗算する過程と、を含むことを特徴とする方法。
【請求項３２】
前記ダウンリンク結合ベクトルのエルミート行列を利用して送信信号をビーム形成した後、ビーム形成された送信信号を多数の送信アンテナを介して送信する過程をさらに含むことを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
基地局から受信された量子化されたアップリンク結合ベクトル情報を確認する過程と、
前記基地局と端末とのアップリンクチャネル行列及び前記アップリンク結合ベクトルを乗算することによって、アップリンクビーム形成ベクトルを算出する過程をさらに含むことを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項３４】
前記アップリンクビーム形成ベクトルのエルミート行列を利用して送信信号をビーム形成した後、ビーム形成された送信信号を多数の送信アンテナを介して送信する過程をさらに含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【公開番号】特開２００８−３０１４９４（Ｐ２００８−３０１４９４Ａ）
【公開日】平成２０年１２月１１日（２００８．１２．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１４１７２０（Ｐ２００８−１４１７２０）
【出願日】平成２０年５月２９日（２００８．５．２９）
【出願人】（３９００１９８３９）三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】ＳＡＭＳＵＮＧ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＣＯ．，ＬＴＤ．
【住所又は居所原語表記】４１６，Ｍａｅｔａｎ−ｄｏｎｇ，Ｙｅｏｎｇｔｏｎｇ−ｇｕ，Ｓｕｗｏｎ−ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ−ｄｏ ４４２−７４２（ＫＲ）
【出願人】（５０７０５３９５４）ザ・ボード・オブ・リージェンツ・オブ・ザ・ユニバーシティ・オブ・テキサス・システム (5)
【氏名又は名称原語表記】ＴＨＥ ＢＯＡＲＤ ＯＦ ＲＥＧＥＮＴＳ ＯＦ ＴＨＥ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＸＡＳ ＳＹＳＴＥＭ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月１１日（２００８．１２．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月２９日（２００８．５．２９）
【出願人】（３９００１９８３９）三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】ＳＡＭＳＵＮＧ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＣＯ．，ＬＴＤ．
【住所又は居所原語表記】４１６，Ｍａｅｔａｎ−ｄｏｎｇ，Ｙｅｏｎｇｔｏｎｇ−ｇｕ，Ｓｕｗｏｎ−ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ−ｄｏ ４４２−７４２（ＫＲ）
【出願人】（５０７０５３９５４）ザ・ボード・オブ・リージェンツ・オブ・ザ・ユニバーシティ・オブ・テキサス・システム (5)
【氏名又は名称原語表記】ＴＨＥ ＢＯＡＲＤ ＯＦ ＲＥＧＥＮＴＳ ＯＦ ＴＨＥ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＸＡＳ ＳＹＳＴＥＭ
【Ｆターム（参考）】
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