ＭＩＭＯシステムにおけるビームステアリング
本出願は、送信器および受信器の両方においてビームフォーマを備えるＭＩＭＯシステム（複数入力および複数出力）に関する。チャネル選択のための方法は、各空間チャネルがステアリングベクトルに関連付けられるということに基づいて、送信ビームのための適切なステアリングパラメータを計算する。適切なステアリングパラメータ、すなわち適切な送信ビームは、全空間にわたる、すなわちすべてのθおよびφにわたる探索プロセスによって、または閉じた数学的手続きによって、すなわち内積のための式を導出することによって決定される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数入力および複数出力の（ＭＩＭＯ）通信システム、およびそれを組み込むシステムのコンピュータのための装置、方法、信号、およびプログラムに関する。具体的には、本発明は、そのようなシステムにおけるチャネル行列の識別に関する。そのようなシステムは、たとえば、無線通信システムにおいて使用することが可能である。
【背景技術】
【０００２】
多くの最近の研究は、複数入力および複数出力（ＭＩＭＯ）のアーキテクチャを使用する無線通信システムの分野を対象としてきた。そのようなシステムは、通信リンクの送信器端部および受信器端部の両方において、複数の要素からなるアンテナを使用する通信チャネルを使用する。各要素が独立した空間フェーディングを経験するように、十分なマルチパスアクティビティが所与のチャネル内に存在するとすれば、適切な信号処理手段を使用することによって、所与の通信チャネルにわたって利用可能なデータレートが、送信要素および受信要素の数の少ない方に比例することが示されている（たとえば、Ｇ．Ｊ．ＦｏｓｃｈｉｎｉおよびＭ．ｊ．Ｇａｎｓ、「Ｏｎ Ｌｉｍｉｔｓ ｏｆ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ａ Ｆａｄｉｎｇ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｗｈｅｎ Ｕｓｉｎｇ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｎｔｅｎｎａｓ」、Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ、Ｖｏｌ．６、Ｎｏ．３、１９９８年３月、３１１ページによる）。インドアチャネルでは（たとえば、無線ローカルエリアネットワークのもの）、そのような条件は、放射要素がほぼ半波長以上の分離において配置されるとき、通常満たされる。
【０００３】
ＭＩＭＯチャネルの特徴付けおよびそのデータ通信容量の理論的な態様の進展は、ＭＩＭＯチャネルにわたって送信されるデータストリームの検出および復号のための高度化された空間処理方法の開発と、並行して行われてきた。最も有名で簡単な方法の１つは、Ｆｏｓｃｈｉｎｉ（「Ｌａｙｅｒｅｄ Ｓｐａｃｅ−Ｔｉｍｅ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｆｏｒ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ａ Ｆａｄｉｎｇ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｗｈｅｎ Ｕｓｉｎｇ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｎｔｅｎｎａｓ」、ＢｅｌｌＬａｂｓ．Ｔｅｃｈ．Ｊｏｕｒｎａｌ、Ｖｏｌ １、Ｎｏ２、Ａｕｔｕｍｎ １９９６年、４１〜５９ページ）によって開発された。
【０００４】
ＭＩＭＯ技術は、現在、次世代無線システムについて、またＩＥＥＥ８０２．１１ａ、ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ、およびブルートゥース規格、ならびにモバイル通信システム（ＵＭＴＳなど）に基づくシステムなどの既存システムに対する潜在的な更新の両方として考慮されている。そのようなアプローチは、商用的に魅力的であるが、その理由は、既存システムと比較してチャネル容量の潜在的に著しい増大を提供し、したがって、システムは、使用者数の増大を支援し、それによりネットワークオペレータの収益増大を作り出すことができるからである。それにより、ＭＩＭＯ技術は、最も貴重な通信リソース、すなわち帯域幅およびパワーの割付けまたは消費を対応して増大させずに、有効データ伝送容量の潜在的な増大を提供する。
【０００５】
コヒーレントな変調ならびに復調（およびしたがって高品質ロバスト通信リンク／高容量）を使用する、知られている高度化無線システムの実際の実施に共通して、チャネル推定の実施が必要である。すなわち、受信器システムは、送信器と受信器との間において複素チャネル利得を推定する手続きを行わなければならない。複素チャネル利得の推定は、そのような複素チャネル利得に関連する有害な影響を緩和することを可能にするために必要である。広帯域システムでは、推定プロセスは、時間、および任意の所与の時間において所与の周波数範囲の両方にわたって生じる可能性がある、複素チャネル利得の変化に対処するように、時間および／または周波数の領域にわたる複数の推定を得ることを必要とする可能性がある。知られているシステムでは、このプロセスは、通常、受信器によって知られている所定のトレーニングシーケンスの送信を必要とする。知られているトレーニングシーケンスを受信信号と比較することによって、受信器は、チャネルの推定を導出することができる。チャネル推定は、変化する無線チャネルを受信器によって適切に追跡することができるように、繰り返して適用されなければならないので（周波数にわたって、および時間にわたって）、これは、トレーニングシーケンスを繰り返して送信し、それにより、そうでない場合には有益なデータ送信に使用することができる帯域幅を占有することを必然的に伴う。
【０００６】
知られているシステムでは、ＭＩＭＯチャネルのためのチャネル推定の複雑さは、送信アンテナの数と受信アンテナの数の積と共に増大するが、その理由は、各受信アンテナが、各送信アンテナと各受信アンテナとの間において複素チャネル利得を推定しなければならないからである。したがってたとえば、２×２ＭＩＭＯシステムでは、４つのチャネル推定が実施され、一方、４×４ＭＩＭＯアーキテクチャでは、１６のチャネル推定が実施される。
【０００７】
その結果、単一入力および単一出力（ＳＩＳＯ）の動作のために当初設計されたシステムは、ＭＩＭＯチャネル推定を可能にするために、必要なチャネル推定トレーニングシーケンスについて、著しく修正されなければならない。
【０００８】
以下の刊行されている国際特許出願も、ＭＩＭＯシステムに関する。ＷＯ ０３／０４／１３００ Ａｌ（Ｑｕａｌｃｏｍｍ）、ＷＯ ０３／０７３５５２ Ａｌ（Ｎｏｒｔｅｌ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ）、ＷＯ ０２／０８７１０８ Ａｌ（Ｋｏｎｉｎｋｌｉｊｋｅ Ｐｈｉｌｉｐｓ）、ＷＯ ２００４／０３８９８４ Ａｌ（Ｑｕａｌｃｏｍｍ）、ＷＯ ０３／０５８８７１ Ａ１（Ｑｕａｌｃｏｍｍ）、ＷＯ ０３／０５０９６８ Ａ２（Ｑｕａｌｃｏｍｍ）、ＷＯ ２００４／０５４１９１ Ａｌ（Ｑｕａｌｃｏｍｍ）、ＷＯ ２００４／０３８９８８ Ａ２（Ｑｕａｌｃｏｍｍ）、およびＷＯ ２００４／００８６５７ Ａｌ（Ｑｕａｌｃｏｍｍ）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、通信システム、具体的には無線通信システムにおいてチャネルを選択するコンピュータのための方法、装置、およびプログラムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第一の態様によれば、チャネルを特徴付けるために直交する送信ビームを使用するＭＩＭＯシステムのための信号を送信する方法が提供される。
【００１１】
具体的には、複数入力および複数出力の通信システムのための信号を送信する方法が提供され、方法は、複数の所定の方向にわたって１セットの相互に直交する送信ビームを向けるステップと、送信ビームから、受信器において受信された信号の特性に応答して、相互に直交する送信ビームの好ましい方向を選択するステップとを含む。
【００１２】
一実施形態では、複数の所定の方向は、利用可能な送信空間に実質的にわたる。
【００１３】
他の実施形態では、特性は、受信信号の直交性の尺度である。
【００１４】
他の実施形態では、選択された方向は、複数の所定の方向の１つである。
【００１５】
他の実施形態では、選択された方向は、複数の所定の方向の１つである必要はない。
【００１６】
他の実施形態では、選択された方向は、受信信号の特性から計算される。
【００１７】
他の実施形態では、複数の所定の方向は、送信空間に実質的にわたるには不十分である。
【００１８】
他の実施形態では、複数の所定の方向は、２つの方向からなる。
【００１９】
他の実施形態では、好ましい方向は、受信信号の特性に適用された数学的計算に応答して選択される。
【００２０】
他の実施形態では、送信ビームの数は、２、３、および４の１つである。
【００２１】
他の実施形態では、選択は、送信方向を識別する指示の受信に応答して行われる。
【００２２】
方法は、無線通信システムにおいて使用されることが可能である。
【００２３】
いくつかの実施形態では、データの送信は、送信ビームを向ける間に続行される。
【００２４】
他の実施形態では、少なくとも１つの送信ビームの変調レベルは、受信信号の特性に応答して選択される。
【００２５】
他の実施形態では、特性は、複素チャネル利得である。
【００２６】
他の実施形態では、変調レベルは、ゼロであるように選択される。
【００２７】
他の実施形態では、変調レベルは、複素チャネル利得がそれぞれ小さいと測定される場合、ゼロであるように選択される。
【００２８】
本発明の他の態様によれば、本発明に関連付けられた方法を実施するように構成された通信システムのための受信器装置が提供される。
【００２９】
具体的には、複数入力および複数出力の通信システムのための受信器が提供され、受信器は、複数の所定の方向にわたって向けられる１セットの相互に直交する送信ビームから信号を受信するように構成された受信装置と、各所定の方向について、受信装置によって受信された信号の品質を表す、受信装置によって受信された信号の特性を決定するように構成された装置と、（ａ）複数またはすべての所定の方向の特性、および（ｂ）受信信号の特性に応答して導出される好ましい方向の指示の少なくとも一方を送信するように構成された装置とを備える。
【００３０】
本発明の他の態様によれば、本発明に関連付けられた方法を実施するように構成された通信システムのための送信器装置が提供される。
【００３１】
具体的には、複数入力および複数出力の通信システムのための送信器が提供され、送信器は、複数の所定の方向にわたって１セットの相互に直交する送信ビームを向けるように構成された、ビームステアリング装置と、送信ビームから、受信器において受信された信号の特性に応答して、相互に直交する送信ビームの好ましい方向を選択するための選択装置とを備える。
【００３２】
本発明は、随意選択で他の追加の装置と組み合わされる、本発明を実現する装置の１つまたは複数のインスタンスを備える通信のためのシステムをも提供する。
【００３３】
具体的には、前述の態様による受信器および送信器を備える通信システムが提供される。
【００３４】
いくつかの実施形態では、装置は、受信器、送信器、または組み合わされた両方であるかに関係なく、携帯式装置である。そのような機器は、確実に非限定的に、モバイル電話、携帯端末（ＰＤＡ）、携帯コンピュータ、およびハンドヘルドデータ記録機器などを含むことが可能である。
【００３５】
本発明は、以上の方法を実施するように構成されたコンピュータチップのセット（セットが単一のチップのみを備える場合を含む）をも提供する。そのようなチップのセットは、上述された装置およびシステムを構成する。
【００３６】
本発明は、機械可読形態にあり、かつ、動作時、装置および／または方法の各機能を実施するように構成されたコンピュータソフトウエアをも提供する。この文脈では、そのようなコンピュータソフトウエアは、任意のレベルにおけるコード（たとえば、ソースコード、中間コード、オブジェクトコード、またはあらゆる他の「レベル」）を包含し、さらに、本発明を直接実施するために、本発明のコンピュータシミュレーションを創出するために、または本発明を実現することができるコンピュータ回路もしくはチップの物理的レイアウトを創出するために、コンパイルされるように構成されたコードを含むことを理解されたい。
【００３７】
具体的には、複数入力および複数出力の通信システムのためのコンピュータのためのプログラムが提供され、プログラムは、複数の所定の方向にわたって１セットの相互に直交する送信ビームを向け、送信ビームから、受信器において受信された信号の特性に応答して、相互に直交する送信ビームの好ましい方向を選択するように構成されたコード部分を備える。
【００３８】
複数入力および複数出力の通信システムのコンピュータのためのプログラムも提供され、プログラムは、複数の所定の方向にわたって向けられる１セットの相互に直交する送信ビームから信号を受信し、各所定の方向について、受信装置によって受信された信号の品質を表す、受信装置によって受信された特性を決定し、（ａ）複数またはすべての所定の方向の特性、および（ｂ）受信信号の特性に応答して導出される好ましい方向の少なくとも一方を送信するように構成されたコード部分を備える。
【００３９】
本発明は、本発明の他の態様によって使用される信号をも対象とする。
【００４０】
具体的には、複数入力および複数出力の通信システムのための信号が提供され、信号は、トレーニングシーケンスを搬送する複数の相互に直交する送信ビームを備え、送信ビームは、方向の所定のセットにわたって向けられる。
【００４１】
本発明の他の態様によれば、前述の態様による方法を実施するように構成された通信ネットワークにわたって提供される通信サービスが提供される。
【００４２】
方法は、ＭＩＭＯシステムにおけるチャネル計算によってチャネル推定を有効に置き換える。必要な計算の全体的な複雑さは、知られている方法と比較して低減され、その結果、方法を実施するために必要な時間が短縮される。
【００４３】
さらに、長いトレーニングシーケンス（知られているシステムにおける個々の送信および受信アンテナの対あたり）の必要性が、著しく低減される。
【００４４】
本発明の方法は、余分なＭＩＭＯトレーニングシーケンスを送信するために、既存のＳＩＳＯシステムを修正する必要がないという点で、単一入力および単一出力（ＳＩＳＯ）のシステムを著しく修正することを必要とせずに、チャネル推定を実施するために使用されることが可能である。ＳＩＳＯ通信は、商用的に望ましいＭＩＭＯチャネルが推定されるのと同時に続行することができる。
【００４５】
チャネル識別中、システムは、より低い送信レートまでドロップバックすることができ、たとえば、ＳＩＳＯ送信が、チャネル識別中にチャネルにわたって続行されることを可能にする。
【００４６】
好ましい特徴は、当業者には明らかであるように、適宜組み合わされることが可能であり、本発明の態様のいずれかと組み合わされることが可能である。
【００４７】
本発明がどのように実施されることが可能であるかを示すために、ここで、本発明の実施形態が、例示としてのみ、添付の図を参照して以下に記述される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
本発明は、特異値分解（ＳＶＤ）に関して、チャネル行列の構造を利用するＭＩＭＯチャネルについて値を導出する方法を提供する。そのような方法は、知られているシステムより少ないチャネルトレーニングシーケンスを必要とすることが可能である。本発明は、最も「自然な」形態においてチャネルを直接見つけ、それにより、最適な通信を容易にする。
【００４９】
図１を参照すると、可能な複数入力および複数出力（ＭＩＭＯ）のシステムは、複数の送信アンテナ要素ＡＴに結合された送信ビームフォーマＴＸを備える送信器システム、および複数の受信アンテナ要素ＡＲに結合された受信ビームフォーマＲＸを備える受信システムを備える。送信器要素は、受信器への複数の送信ビームを形成するように互いに関連して動作するように構成され、各送信ビームは、複数の送信器要素の放出によって形成される。
【００５０】
順方向送信のための送信器システムに提供された信号ベクトルｄＴが、適切な送信媒体Ｍにおいて複数の個々の経路Ｐにわたって送信アンテナから、受信器へ送信され、受信器から、受信信号ベクトルｄＲが、順方向送信のために回復される。データベクトルｄＴの要素ｄＴが、並行して送信される。
【００５１】
送信器媒体および受信器に関連付けられたデータ変換は、それぞれ、データがシステムを通過する際にデータに作用する行列によって表すことができる。具体的には、ここで図２を参照すると、ＳＶＤの理論から、送信媒体Ｍによって実施され、ｎＲを受信アンテナ要素の数、およびｎＴを送信アンテナ要素の数として、ｎＲ行およびｎＴ列からなる変換を表す任意のチャネル行列Ｍは、以下のように表すことができることが知られている。
Ｍ＝ＵΣＶＨ （１）
上式で、ＵおよびＶは、それぞれ、Ｍの行空間および列空間にわたる直交行列であり、Σは、対角成分σｉが、ＵおよびＶＨの行空間および列空間を接続し、それによりＭを構成する特異値であり、（．）Ｈは、複素共役（エルミート）転地演算を表す。
【００５２】
このＳＶＤの形態は有用であるが、その理由は、行列Ｖによって決定された直交するビームの適切なセットが送信器によって形成される最適な場合、受信ビームが相互に直交し、それぞれが、送信ビームの１つを除いてすべてから分離されるように、１セットの直交する受信ビームＵＨを受信器において形成することができるからである。すなわち、以下のようになる。
ｄＲ＝（ＵＨ×Ｍ×Ｖ）ｄＴ
＝（ＵＨ×（ＵΣＶＨ）×Ｖ）ｄＴ
＝（ＵＨ×Ｕ）Σ（ＶＨ×Ｖ）ｄＴ
＝（Ｉ）Σ（Ｉ）ｄＴ
＝ΣｄＴ （２）
上式で、Σはチャネル利得を表し、行列Σは、各要素が、直交チャネルのそれぞれのチャネル利得（非複素数）である対角行列である。
【００５３】
これは、適切な直交する送信ビームセットＶを探索し、受信器における直交性条件について試験することによって、Ｍを推定する機会を創出する。
【００５４】
すべての条件が満たされるとき、ＵおよびＶは識別され、各直交対のパワーは、測定されることができ、簡単にはΣ２における適切な値である。したがって、送信媒体を特徴付けるチャネル行列Ｍが見つけられる。
【００５５】
第１の実施形態では、適切なビームフォーマのための探索プロセスを実施することが必要である。適切なビームフォーマのための探索は、送信器において直交ビームフォーマを使用することによって行われることが可能である。送信器における直交ビームフォーマは、列が直交する行列Ｂによって表されることが可能である。したがって、このビームフォーマは、第２のユニタリステアリング行列Ｊによって、直交するビーム形成空間にわたって向けられることが可能である。Ｊは、ユニタリ（直交）でなければならないが、その理由は、Ｊが実施する変換は、直交するビームを含まなければならないからである。したがって、受信器によって出力されたデータｄＲに対する送信器に入力されたデータｄＴに関する受信器と送信器との関係は、以下によって与えられる。
ｄＲ＝（ＵΣＶＨ）×（ＪＢ）ｄＴ （３）
Ｂは、任意のｎＴ×ｎＴの直交行列とすることができる。たとえば、容易に見つけられることができる、フーリエ直交セットとすることが可能である。
【００５６】
２×２の場合について、行列Ｊは以下の形態を有することを示すことができる。
【数１】
上式で、ｃ＝ｃｏｓθ、ｓ＝｜ｓｉｎθ｜ｅｉφである。目的は、行列ＪＢがＶに直交するように、Ｊの適切な値を識別することである。θおよびφの値を変化させることは、利用可能なビーム形成空間にわたって直交するビーム形成行列Ｂを向け、送信器および受信器においてパラメータを適切に選択するために、出力受信ビームは、以下のように直交する。
ｄＲ＝Σ×ｄＴ （５）
【００５７】
ここで図３を参照して、２つの送信アンテナ要素ＡＴ１、ＡＴ２、および２つの受信器アンテナ要素ＡＲ１、ＡＲ２、ならびにチャネル行列Ｍの場合を具体的に考慮する。以下において与えられる例では、Ｍの特定の値が、すべての送信器アンテナと受信器アンテナの対間において独立レイリーフェーディングチャネルを想定して、確率モデルから導出される。
【００５８】
【数２】
ステアリング行列Ｊは、以下の形態をとる。
【数３】
上式で、ｃ＝ｃｏｓθ、ｓ＝｜ｓｉｎθ｜ｅｉφである。したがって、ビームは、θおよびφを変化させることによって、全複素直交空間にわたって向けられることが可能である。これは、事前に設定された領域にわたって個々の値を劇的に増分させることによって、またはθおよびφについて事前に設定されたエントリを有するルックアップテーブルによってなど、任意の適切な手段によって達成することができる。ビームステアリング機構３０は、送信アンテナに供給された個々のデータストリームのパラメータｘ１１、ｘ１２、ｘ２１、ｘ２２を決定する。
【００５９】
図４ａは、全φ空間にわたって向け、結果として得られる受信器ビーム間の内積を測定した結果を示す。図４ｂは、全θ空間にわたって向け、受信器ビーム間の内積を測定した結果を示す。図５は、組み合わされた（φおよびθ）探索空間の概略的プロットを示す。
【００６０】
共に、３つのプロットは、ピークが、θおよびφの適切な値を識別して、送信ビーム形成行列Ｖを構築するために使用することができるどのような点であるかを示す。次いで、Ｕが、受信器出力によって決定される。ピークにおいて、Ｊを識別することができ、したがって、適切な送信ビーム加重行列Ｖ（＝ＪＢ）が決定される。次いで、Ｕが、異なる送信ビームについて各受信器アンテナにおいて観測された信号ベクトル（大きさおよび位相）から構築される。チャネル利得Σ２は、２つの識別された直交する受信ビームについて測定されたパワーから構築されることが可能である。したがって、チャネル行列Ｍは、有効に識別される。
【００６１】
チャネル利得行列Σについて導出された情報は、チャネル利得が許容可能なレベルより低いか、およびいつ低くなるか、したがって、ある送信ビームを使用するのに適切ではない可能性があるのはいつかを決定するために使用されることが可能である。所与の送信ビームに関する利得が過度に低くなり、それにより、そのＳＮＲが、所与のレート（変調レベル）におけるデータ送信には過度に低くなる場合、そのビームの使用は、（一時的に）中断されることが可能である。したがって、この情報は、ＭＩＭＯチャネルにわたる適応変調を支援するために使用されることが可能である。また、その時間において送信媒体によって支援される独立チャネルの数を識別するようにも作用する。特定の送信器／受信器ビーム対を使用することができないように、送信が完全に不可能であることができる。行列Σは、所与の時間および周波数において利用可能なＭＩＭＯチャネルの数を有効に識別する。
【００６２】
上述された特定のチャネル行列について、必要なパラメータは、θ＝２２．２１°およびφ＝１６１．４８°である。したがって予期される回転角度の追加のあいまいさのために、２つのピークが、φについて観測され、４つのピークが、θについて観測される。
【００６３】
記述された詳細な例は、２つの送信アンテナおよび２つの受信アンテナを有するシステムに関するが、方法は、当然、より大規模なシステム、ならびに等しくない数の送信アンテナおよび受信アンテナを有するシステムに拡張されることができる。具体的には、図６を参照すると、３つの送信アンテナおよび３つの受信アンテナを有する構成が、構築されることが可能である。
【００６４】
３つの送信アンテナおよび３つの受信アンテナを含む実施形態は、以下のように、送信加重の直交セットＢを選択することを含む。
【数４】
【００６５】
結果として得られるビームの直交セットは、それぞれの回転行列を使用して、すべての３つの直交平面を経て回転されることが可能である。
【数５】
【数６】
【数７】
上式で、ｃ＝ｃｏｓθおよびｓ＝ｓｉｎθｅｊφである。４×４システム以上への拡張は簡単であり、詳細は、当業者には明らかである。
【００６６】
ここで図７を参照すると、チャネル選択の方法は、
送信器において、対応する送信加重ｘｉｊを有する送信ビームの直交セットを選択するステップと、
所定の範囲の方向にわたって直交送信ビームのセットを向け、これが、たとえば、ステアリング行列Ｊを再計算すること、または記憶されているルックアップテーブルから所定のＪの連続値を探索することを含むことが可能である、直交送信ビームのセットを向けるステップと、
受信器において、受信した送信器からの送信ビームを監視し、それらの直交性の尺度を得るステップと
直交性の尺度に応答して、その後使用される１セットの送信ビームを選択し、かつ送信器に選択を通知するステップとを含む。
【００６７】
受信器の端部において識別された送信ビームのセットは、任意の適切な通信媒体および符号化によって送信器に再び通信されることが可能である。対応する送信加重ｘｉｊは、送信行列Ｖにおける所望の加重Ｖｉｊに対応する。所与の送信ビームの方向が、十分に長い間送信器において維持される場合、送信器に送信されるメッセージは、現在のビームの方向が選択されることを送信器に示すために、簡単な「停止」メッセージとすることが可能である。
【００６８】
方法は、チャネルの特性が時間にわたって変化する可能性があるので、接続の初期セットアップの際だけでなく、送信の過程中、時々使用することもできる。
【００６９】
一度に１つの送信アンテナのみからのデータの送信を必要とする、知られているシステムとは異なり、本発明の方法は、ライブデータ送信と同じ方式で、複数のアンテナ上において同時にトレーニングシーケンスを送信することを使用する。これは、トレーニングデータを個々の送信アンテナに供給するために、知られているシステムに存在する別の回路を必要としないことを意味する。個々の送信アンテナ／受信アンテナの対を構成するのではなく、共に作用する複数のアンテナによって形成されたビーム全体を有効に構成することによって、トレーニングシーケンスの数も低減されることが可能である。
【００７０】
この技術の１つの具体的な応用分野は、高度化ワイヤレスローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）およびワイヤレスパーソナルエリアネットワーク（ＷＰＡＮ）のためのＭＩＭＯ通信の分野にある。この市場における現行規格（すなわち、８０２．１ｌｘファミリおよびブルートゥース）への更新は、関連する規格設定団体によって現在考慮されている。
【００７１】
方法は、最も「自然な」形態のチャネルを直接見つけ、改良された最適通信システムが使用されることを可能にするので、方法は、すべての処理が、送信アンテナおよび受信アンテナにおいて実施されるという意味で独立型である。したがって、ＳＩＳＯ通信は、ＭＩＭＯチャネル推定が進行している間、続行することができる。
【００７２】
４つ以上の送信器または４つ以上の受信器への拡張は、簡単である。
【００７３】
上述された方法では、入力のための適切なステアリングパラメータを計算するために探索手続きが使用され、それにより、適切な解のために全空間にわたって探索することが必要である可能性がある。しかし、本発明者は、ステアリングパラメータは、内積の式を導出することによって、閉じた数学的手続きにより決定することができることをさらに実現した。
【００７４】
複素数の２×２の場合を考慮し、チャネル行列のＳＶＤについて明確に書くと、行列ＢＴによって確定される２つの送信ビームからの出力は以下を与える。
【数８】
上式で、ＢＴは、恒等式行列に等しい直交行列であるように選択される。
【００７５】
【数９】
これにより、以下のようになる。
【数１０】
これは、以下を与える。
【数１１】
【数１２】
受信ビームの内積を計算することにより、以下の形態の式が与えられる。
【数１３】
上式では、以下の通りである。
【数１４】
【００７６】
その結果、内積は、θ＝９０°またはφ＝０°であるとき、ｙ１（または、θ＝０°であるとき、
【数１５】
）を識別するために使用することができる。θ＝４５°またはφ＝０°である場合、内積は、ｙ２を計算することができる項ｊ／ｍ（ｙ１）＋ｙ２／２を与える。実数の場合のように、この式は、恒等式を使用することによって簡単にすることができる。
ｃｏｓ２θ＝０．５（１＋ｃｏｓ２θ）
ｓｉｎ２θ＝０．５（１−ｃｏｓ２θ）
ｃｏｓθｓｉｎθ＝０．５ｓｉｎ２θ （１９）
これにより、以下が与えられる。
【数１６】
【００７７】
この場合、目的は、式（２０）がゼロであるように、パラメータθおよびφを識別することである。式（２０）は、以下のように再構成することができる。
【数１７】
または
【数１８】
これにより、以下のようになり、
【数１９】
式（２２）の実数項と虚数項を等しくすることにより、以下が与えられる。
【数２０】
【数２１】
【００７８】
式（２５）から、以下としてφの解を導出することが可能である。
【数２２】
この結果を再び式（２４）に代入することにより、以下が与えられる。
【数２３】
【００７９】
その結果、適切な送信ビームが、式（２７）により見つけられることが可能であり、特異値が、受信ビームの内積の平方根から見つけられることが可能である。
【００８０】
例として、チャネル行列が下式によって与えられる以下の場合を考慮する。
【数２４】
θ＝０°およびφ＝０°とすると、
【数２５】
は、０．３０４７−ｊ０．６６２１であることがわかる。同様に、θ＝９０°およびφ＝０°である場合、ｙ１は、０．３０４７−＋ｊ０．６２２１であることがわかる。θ＝４５°およびφ＝０°である場合、ｙ２は、１．７０６６であることがわかる。
式（２６）を使用して
【数２６】
について解くと、以下が与えられ、
【数２７】
式（２７）から、以下を有する。
【数２８】
【００８１】
したがって、必要なステアリング行列は、以下のようになる。
【数２９】
【００８２】
受信器における出力は、以下によって与えられる。
【数３０】
これは、下式のために、直交ベクトルである。
【数３１】
【００８３】
その結果、チャネル行列の特異値は、以下のようになる。
【数３２】
および
【数３３】
【００８４】
この方法は、θおよびφの２つの選択からｙ１およびｙ２の値を計算するはるかにより簡単なタスクによって、直交条件を満たす解を見つけるためのすべてのθおよびφにわたる探索プロセスを置き換える。これらの２つの方向から、かつ閉じた形態の解を使用して、直交性を保証する
【００８５】
【数３４】
および
【数３５】
の値を計算することができる。
【００８６】
したがって、この後者のアプローチは、チャネルの特性に対して経て向けられなければならない送信方向の数を著しく低減し、収益を担うトラフィックに対して失われる送信帯域幅を対応して低減する。さらに、このアプローチにおいて必要な追加の計算は、比較的簡単であり、計算の遅延、およびしたがってチャネルの特徴付けの遅延をさらに低減するために、ルックアップテーブルによって（少なくとも部分的に）実施することができる。
【００８７】
他の実施形態では、少なくとも１つの送信ビームの変調レベルが、受信信号の特性に応答して選択される。この特性は、たとえば、送信に関連付けられた複素チャネル利得Σとすることが可能である。いくつかの場合、たとえば複素チャネル利得がすでに非常に小さい場合、ゼロの変調レベルが割り当てられることが可能である。
【００８８】
一般的に、最適なパワー割付けは、ウォータフィリングなどの知られている技術を使用して、尺度チャネル利得に基づいて様々なチャネルに対して行うことが可能である。
【００８９】
本明細書の教示の理解について当業者には明らかであるように、本明細書において与えられたあらゆる範囲またはデバイスは、追求される効果を失わずに、拡張または変更されることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明による通信システムの概略図である。
【図２】本発明による送信媒体を表す例示的な行列を示す図である。
【図３】本発明による通信装置の他の概略図である。
【図４ａ】本発明による、受信ビームの出力の内積の逆数の絶対値が、φの関数としてどのように変化するかを示す概略的なグラフである。
【図４ｂ】本発明による、受信ビームの出力の内積の逆数の絶対値が、θの関数としてどのように変化するかを示す概略的なグラフである。
【図５】本発明による、受信ビームの内積の逆数の絶対値が、探索空間全体にわたってどのように変化するかを示す概略的なグラフである。
【図６】本発明による通信システムの他の概略図である。
【図７】本発明による方法の概略図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数入力および複数出力の（ＭＩＭＯ）通信システム、およびそれを組み込むシステムのコンピュータのための装置、方法、信号、およびプログラムに関する。具体的には、本発明は、そのようなシステムにおけるチャネル行列の識別に関する。そのようなシステムは、たとえば、無線通信システムにおいて使用することが可能である。
【背景技術】
【０００２】
多くの最近の研究は、複数入力および複数出力（ＭＩＭＯ）のアーキテクチャを使用する無線通信システムの分野を対象としてきた。そのようなシステムは、通信リンクの送信器端部および受信器端部の両方において、複数の要素からなるアンテナを使用する通信チャネルを使用する。各要素が独立した空間フェーディングを経験するように、十分なマルチパスアクティビティが所与のチャネル内に存在するとすれば、適切な信号処理手段を使用することによって、所与の通信チャネルにわたって利用可能なデータレートが、送信要素および受信要素の数の少ない方に比例することが示されている（たとえば、Ｇ．Ｊ．ＦｏｓｃｈｉｎｉおよびＭ．ｊ．Ｇａｎｓ、「Ｏｎ Ｌｉｍｉｔｓ ｏｆ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ａ Ｆａｄｉｎｇ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｗｈｅｎ Ｕｓｉｎｇ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｎｔｅｎｎａｓ」、Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ、Ｖｏｌ．６、Ｎｏ．３、１９９８年３月、３１１ページによる）。インドアチャネルでは（たとえば、無線ローカルエリアネットワークのもの）、そのような条件は、放射要素がほぼ半波長以上の分離において配置されるとき、通常満たされる。
【０００３】
ＭＩＭＯチャネルの特徴付けおよびそのデータ通信容量の理論的な態様の進展は、ＭＩＭＯチャネルにわたって送信されるデータストリームの検出および復号のための高度化された空間処理方法の開発と、並行して行われてきた。最も有名で簡単な方法の１つは、Ｆｏｓｃｈｉｎｉ（「Ｌａｙｅｒｅｄ Ｓｐａｃｅ−Ｔｉｍｅ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｆｏｒ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ａ Ｆａｄｉｎｇ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｗｈｅｎ Ｕｓｉｎｇ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｎｔｅｎｎａｓ」、ＢｅｌｌＬａｂｓ．Ｔｅｃｈ．Ｊｏｕｒｎａｌ、Ｖｏｌ １、Ｎｏ２、Ａｕｔｕｍｎ １９９６年、４１〜５９ページ）によって開発された。
【０００４】
ＭＩＭＯ技術は、現在、次世代無線システムについて、またＩＥＥＥ８０２．１１ａ、ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ、およびブルートゥース規格、ならびにモバイル通信システム（ＵＭＴＳなど）に基づくシステムなどの既存システムに対する潜在的な更新の両方として考慮されている。そのようなアプローチは、商用的に魅力的であるが、その理由は、既存システムと比較してチャネル容量の潜在的に著しい増大を提供し、したがって、システムは、使用者数の増大を支援し、それによりネットワークオペレータの収益増大を作り出すことができるからである。それにより、ＭＩＭＯ技術は、最も貴重な通信リソース、すなわち帯域幅およびパワーの割付けまたは消費を対応して増大させずに、有効データ伝送容量の潜在的な増大を提供する。
【０００５】
コヒーレントな変調ならびに復調（およびしたがって高品質ロバスト通信リンク／高容量）を使用する、知られている高度化無線システムの実際の実施に共通して、チャネル推定の実施が必要である。すなわち、受信器システムは、送信器と受信器との間において複素チャネル利得を推定する手続きを行わなければならない。複素チャネル利得の推定は、そのような複素チャネル利得に関連する有害な影響を緩和することを可能にするために必要である。広帯域システムでは、推定プロセスは、時間、および任意の所与の時間において所与の周波数範囲の両方にわたって生じる可能性がある、複素チャネル利得の変化に対処するように、時間および／または周波数の領域にわたる複数の推定を得ることを必要とする可能性がある。知られているシステムでは、このプロセスは、通常、受信器によって知られている所定のトレーニングシーケンスの送信を必要とする。知られているトレーニングシーケンスを受信信号と比較することによって、受信器は、チャネルの推定を導出することができる。チャネル推定は、変化する無線チャネルを受信器によって適切に追跡することができるように、繰り返して適用されなければならないので（周波数にわたって、および時間にわたって）、これは、トレーニングシーケンスを繰り返して送信し、それにより、そうでない場合には有益なデータ送信に使用することができる帯域幅を占有することを必然的に伴う。
【０００６】
知られているシステムでは、ＭＩＭＯチャネルのためのチャネル推定の複雑さは、送信アンテナの数と受信アンテナの数の積と共に増大するが、その理由は、各受信アンテナが、各送信アンテナと各受信アンテナとの間において複素チャネル利得を推定しなければならないからである。したがってたとえば、２×２ＭＩＭＯシステムでは、４つのチャネル推定が実施され、一方、４×４ＭＩＭＯアーキテクチャでは、１６のチャネル推定が実施される。
【０００７】
その結果、単一入力および単一出力（ＳＩＳＯ）の動作のために当初設計されたシステムは、ＭＩＭＯチャネル推定を可能にするために、必要なチャネル推定トレーニングシーケンスについて、著しく修正されなければならない。
【０００８】
以下の刊行されている国際特許出願も、ＭＩＭＯシステムに関する。ＷＯ ０３／０４／１３００ Ａｌ（Ｑｕａｌｃｏｍｍ）、ＷＯ ０３／０７３５５２ Ａｌ（Ｎｏｒｔｅｌ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ）、ＷＯ ０２／０８７１０８ Ａｌ（Ｋｏｎｉｎｋｌｉｊｋｅ Ｐｈｉｌｉｐｓ）、ＷＯ ２００４／０３８９８４ Ａｌ（Ｑｕａｌｃｏｍｍ）、ＷＯ ０３／０５８８７１ Ａ１（Ｑｕａｌｃｏｍｍ）、ＷＯ ０３／０５０９６８ Ａ２（Ｑｕａｌｃｏｍｍ）、ＷＯ ２００４／０５４１９１ Ａｌ（Ｑｕａｌｃｏｍｍ）、ＷＯ ２００４／０３８９８８ Ａ２（Ｑｕａｌｃｏｍｍ）、およびＷＯ ２００４／００８６５７ Ａｌ（Ｑｕａｌｃｏｍｍ）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、通信システム、具体的には無線通信システムにおいてチャネルを選択するコンピュータのための方法、装置、およびプログラムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第一の態様によれば、チャネルを特徴付けるために直交する送信ビームを使用するＭＩＭＯシステムのための信号を送信する方法が提供される。
【００１１】
具体的には、複数入力および複数出力の通信システムのための信号を送信する方法が提供され、方法は、複数の所定の方向にわたって１セットの相互に直交する送信ビームを向けるステップと、送信ビームから、受信器において受信された信号の特性に応答して、相互に直交する送信ビームの好ましい方向を選択するステップとを含む。
【００１２】
一実施形態では、複数の所定の方向は、利用可能な送信空間に実質的にわたる。
【００１３】
他の実施形態では、特性は、受信信号の直交性の尺度である。
【００１４】
他の実施形態では、選択された方向は、複数の所定の方向の１つである。
【００１５】
他の実施形態では、選択された方向は、複数の所定の方向の１つである必要はない。
【００１６】
他の実施形態では、選択された方向は、受信信号の特性から計算される。
【００１７】
他の実施形態では、複数の所定の方向は、送信空間に実質的にわたるには不十分である。
【００１８】
他の実施形態では、複数の所定の方向は、２つの方向からなる。
【００１９】
他の実施形態では、好ましい方向は、受信信号の特性に適用された数学的計算に応答して選択される。
【００２０】
他の実施形態では、送信ビームの数は、２、３、および４の１つである。
【００２１】
他の実施形態では、選択は、送信方向を識別する指示の受信に応答して行われる。
【００２２】
方法は、無線通信システムにおいて使用されることが可能である。
【００２３】
いくつかの実施形態では、データの送信は、送信ビームを向ける間に続行される。
【００２４】
他の実施形態では、少なくとも１つの送信ビームの変調レベルは、受信信号の特性に応答して選択される。
【００２５】
他の実施形態では、特性は、複素チャネル利得である。
【００２６】
他の実施形態では、変調レベルは、ゼロであるように選択される。
【００２７】
他の実施形態では、変調レベルは、複素チャネル利得がそれぞれ小さいと測定される場合、ゼロであるように選択される。
【００２８】
本発明の他の態様によれば、本発明に関連付けられた方法を実施するように構成された通信システムのための受信器装置が提供される。
【００２９】
具体的には、複数入力および複数出力の通信システムのための受信器が提供され、受信器は、複数の所定の方向にわたって向けられる１セットの相互に直交する送信ビームから信号を受信するように構成された受信装置と、各所定の方向について、受信装置によって受信された信号の品質を表す、受信装置によって受信された信号の特性を決定するように構成された装置と、（ａ）複数またはすべての所定の方向の特性、および（ｂ）受信信号の特性に応答して導出される好ましい方向の指示の少なくとも一方を送信するように構成された装置とを備える。
【００３０】
本発明の他の態様によれば、本発明に関連付けられた方法を実施するように構成された通信システムのための送信器装置が提供される。
【００３１】
具体的には、複数入力および複数出力の通信システムのための送信器が提供され、送信器は、複数の所定の方向にわたって１セットの相互に直交する送信ビームを向けるように構成された、ビームステアリング装置と、送信ビームから、受信器において受信された信号の特性に応答して、相互に直交する送信ビームの好ましい方向を選択するための選択装置とを備える。
【００３２】
本発明は、随意選択で他の追加の装置と組み合わされる、本発明を実現する装置の１つまたは複数のインスタンスを備える通信のためのシステムをも提供する。
【００３３】
具体的には、前述の態様による受信器および送信器を備える通信システムが提供される。
【００３４】
いくつかの実施形態では、装置は、受信器、送信器、または組み合わされた両方であるかに関係なく、携帯式装置である。そのような機器は、確実に非限定的に、モバイル電話、携帯端末（ＰＤＡ）、携帯コンピュータ、およびハンドヘルドデータ記録機器などを含むことが可能である。
【００３５】
本発明は、以上の方法を実施するように構成されたコンピュータチップのセット（セットが単一のチップのみを備える場合を含む）をも提供する。そのようなチップのセットは、上述された装置およびシステムを構成する。
【００３６】
本発明は、機械可読形態にあり、かつ、動作時、装置および／または方法の各機能を実施するように構成されたコンピュータソフトウエアをも提供する。この文脈では、そのようなコンピュータソフトウエアは、任意のレベルにおけるコード（たとえば、ソースコード、中間コード、オブジェクトコード、またはあらゆる他の「レベル」）を包含し、さらに、本発明を直接実施するために、本発明のコンピュータシミュレーションを創出するために、または本発明を実現することができるコンピュータ回路もしくはチップの物理的レイアウトを創出するために、コンパイルされるように構成されたコードを含むことを理解されたい。
【００３７】
具体的には、複数入力および複数出力の通信システムのためのコンピュータのためのプログラムが提供され、プログラムは、複数の所定の方向にわたって１セットの相互に直交する送信ビームを向け、送信ビームから、受信器において受信された信号の特性に応答して、相互に直交する送信ビームの好ましい方向を選択するように構成されたコード部分を備える。
【００３８】
複数入力および複数出力の通信システムのコンピュータのためのプログラムも提供され、プログラムは、複数の所定の方向にわたって向けられる１セットの相互に直交する送信ビームから信号を受信し、各所定の方向について、受信装置によって受信された信号の品質を表す、受信装置によって受信された特性を決定し、（ａ）複数またはすべての所定の方向の特性、および（ｂ）受信信号の特性に応答して導出される好ましい方向の少なくとも一方を送信するように構成されたコード部分を備える。
【００３９】
本発明は、本発明の他の態様によって使用される信号をも対象とする。
【００４０】
具体的には、複数入力および複数出力の通信システムのための信号が提供され、信号は、トレーニングシーケンスを搬送する複数の相互に直交する送信ビームを備え、送信ビームは、方向の所定のセットにわたって向けられる。
【００４１】
本発明の他の態様によれば、前述の態様による方法を実施するように構成された通信ネットワークにわたって提供される通信サービスが提供される。
【００４２】
方法は、ＭＩＭＯシステムにおけるチャネル計算によってチャネル推定を有効に置き換える。必要な計算の全体的な複雑さは、知られている方法と比較して低減され、その結果、方法を実施するために必要な時間が短縮される。
【００４３】
さらに、長いトレーニングシーケンス（知られているシステムにおける個々の送信および受信アンテナの対あたり）の必要性が、著しく低減される。
【００４４】
本発明の方法は、余分なＭＩＭＯトレーニングシーケンスを送信するために、既存のＳＩＳＯシステムを修正する必要がないという点で、単一入力および単一出力（ＳＩＳＯ）のシステムを著しく修正することを必要とせずに、チャネル推定を実施するために使用されることが可能である。ＳＩＳＯ通信は、商用的に望ましいＭＩＭＯチャネルが推定されるのと同時に続行することができる。
【００４５】
チャネル識別中、システムは、より低い送信レートまでドロップバックすることができ、たとえば、ＳＩＳＯ送信が、チャネル識別中にチャネルにわたって続行されることを可能にする。
【００４６】
好ましい特徴は、当業者には明らかであるように、適宜組み合わされることが可能であり、本発明の態様のいずれかと組み合わされることが可能である。
【００４７】
本発明がどのように実施されることが可能であるかを示すために、ここで、本発明の実施形態が、例示としてのみ、添付の図を参照して以下に記述される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
本発明は、特異値分解（ＳＶＤ）に関して、チャネル行列の構造を利用するＭＩＭＯチャネルについて値を導出する方法を提供する。そのような方法は、知られているシステムより少ないチャネルトレーニングシーケンスを必要とすることが可能である。本発明は、最も「自然な」形態においてチャネルを直接見つけ、それにより、最適な通信を容易にする。
【００４９】
図１を参照すると、可能な複数入力および複数出力（ＭＩＭＯ）のシステムは、複数の送信アンテナ要素ＡＴに結合された送信ビームフォーマＴＸを備える送信器システム、および複数の受信アンテナ要素ＡＲに結合された受信ビームフォーマＲＸを備える受信システムを備える。送信器要素は、受信器への複数の送信ビームを形成するように互いに関連して動作するように構成され、各送信ビームは、複数の送信器要素の放出によって形成される。
【００５０】
順方向送信のための送信器システムに提供された信号ベクトルｄＴが、適切な送信媒体Ｍにおいて複数の個々の経路Ｐにわたって送信アンテナから、受信器へ送信され、受信器から、受信信号ベクトルｄＲが、順方向送信のために回復される。データベクトルｄＴの要素ｄＴが、並行して送信される。
【００５１】
送信器媒体および受信器に関連付けられたデータ変換は、それぞれ、データがシステムを通過する際にデータに作用する行列によって表すことができる。具体的には、ここで図２を参照すると、ＳＶＤの理論から、送信媒体Ｍによって実施され、ｎＲを受信アンテナ要素の数、およびｎＴを送信アンテナ要素の数として、ｎＲ行およびｎＴ列からなる変換を表す任意のチャネル行列Ｍは、以下のように表すことができることが知られている。
Ｍ＝ＵΣＶＨ （１）
上式で、ＵおよびＶは、それぞれ、Ｍの行空間および列空間にわたる直交行列であり、Σは、対角成分σｉが、ＵおよびＶＨの行空間および列空間を接続し、それによりＭを構成する特異値であり、（．）Ｈは、複素共役（エルミート）転地演算を表す。
【００５２】
このＳＶＤの形態は有用であるが、その理由は、行列Ｖによって決定された直交するビームの適切なセットが送信器によって形成される最適な場合、受信ビームが相互に直交し、それぞれが、送信ビームの１つを除いてすべてから分離されるように、１セットの直交する受信ビームＵＨを受信器において形成することができるからである。すなわち、以下のようになる。
ｄＲ＝（ＵＨ×Ｍ×Ｖ）ｄＴ
＝（ＵＨ×（ＵΣＶＨ）×Ｖ）ｄＴ
＝（ＵＨ×Ｕ）Σ（ＶＨ×Ｖ）ｄＴ
＝（Ｉ）Σ（Ｉ）ｄＴ
＝ΣｄＴ （２）
上式で、Σはチャネル利得を表し、行列Σは、各要素が、直交チャネルのそれぞれのチャネル利得（非複素数）である対角行列である。
【００５３】
これは、適切な直交する送信ビームセットＶを探索し、受信器における直交性条件について試験することによって、Ｍを推定する機会を創出する。
【００５４】
すべての条件が満たされるとき、ＵおよびＶは識別され、各直交対のパワーは、測定されることができ、簡単にはΣ２における適切な値である。したがって、送信媒体を特徴付けるチャネル行列Ｍが見つけられる。
【００５５】
第１の実施形態では、適切なビームフォーマのための探索プロセスを実施することが必要である。適切なビームフォーマのための探索は、送信器において直交ビームフォーマを使用することによって行われることが可能である。送信器における直交ビームフォーマは、列が直交する行列Ｂによって表されることが可能である。したがって、このビームフォーマは、第２のユニタリステアリング行列Ｊによって、直交するビーム形成空間にわたって向けられることが可能である。Ｊは、ユニタリ（直交）でなければならないが、その理由は、Ｊが実施する変換は、直交するビームを含まなければならないからである。したがって、受信器によって出力されたデータｄＲに対する送信器に入力されたデータｄＴに関する受信器と送信器との関係は、以下によって与えられる。
ｄＲ＝（ＵΣＶＨ）×（ＪＢ）ｄＴ （３）
Ｂは、任意のｎＴ×ｎＴの直交行列とすることができる。たとえば、容易に見つけられることができる、フーリエ直交セットとすることが可能である。
【００５６】
２×２の場合について、行列Ｊは以下の形態を有することを示すことができる。
【数１】
上式で、ｃ＝ｃｏｓθ、ｓ＝｜ｓｉｎθ｜ｅｉφである。目的は、行列ＪＢがＶに直交するように、Ｊの適切な値を識別することである。θおよびφの値を変化させることは、利用可能なビーム形成空間にわたって直交するビーム形成行列Ｂを向け、送信器および受信器においてパラメータを適切に選択するために、出力受信ビームは、以下のように直交する。
ｄＲ＝Σ×ｄＴ （５）
【００５７】
ここで図３を参照して、２つの送信アンテナ要素ＡＴ１、ＡＴ２、および２つの受信器アンテナ要素ＡＲ１、ＡＲ２、ならびにチャネル行列Ｍの場合を具体的に考慮する。以下において与えられる例では、Ｍの特定の値が、すべての送信器アンテナと受信器アンテナの対間において独立レイリーフェーディングチャネルを想定して、確率モデルから導出される。
【００５８】
【数２】
ステアリング行列Ｊは、以下の形態をとる。
【数３】
上式で、ｃ＝ｃｏｓθ、ｓ＝｜ｓｉｎθ｜ｅｉφである。したがって、ビームは、θおよびφを変化させることによって、全複素直交空間にわたって向けられることが可能である。これは、事前に設定された領域にわたって個々の値を劇的に増分させることによって、またはθおよびφについて事前に設定されたエントリを有するルックアップテーブルによってなど、任意の適切な手段によって達成することができる。ビームステアリング機構３０は、送信アンテナに供給された個々のデータストリームのパラメータｘ１１、ｘ１２、ｘ２１、ｘ２２を決定する。
【００５９】
図４ａは、全φ空間にわたって向け、結果として得られる受信器ビーム間の内積を測定した結果を示す。図４ｂは、全θ空間にわたって向け、受信器ビーム間の内積を測定した結果を示す。図５は、組み合わされた（φおよびθ）探索空間の概略的プロットを示す。
【００６０】
共に、３つのプロットは、ピークが、θおよびφの適切な値を識別して、送信ビーム形成行列Ｖを構築するために使用することができるどのような点であるかを示す。次いで、Ｕが、受信器出力によって決定される。ピークにおいて、Ｊを識別することができ、したがって、適切な送信ビーム加重行列Ｖ（＝ＪＢ）が決定される。次いで、Ｕが、異なる送信ビームについて各受信器アンテナにおいて観測された信号ベクトル（大きさおよび位相）から構築される。チャネル利得Σ２は、２つの識別された直交する受信ビームについて測定されたパワーから構築されることが可能である。したがって、チャネル行列Ｍは、有効に識別される。
【００６１】
チャネル利得行列Σについて導出された情報は、チャネル利得が許容可能なレベルより低いか、およびいつ低くなるか、したがって、ある送信ビームを使用するのに適切ではない可能性があるのはいつかを決定するために使用されることが可能である。所与の送信ビームに関する利得が過度に低くなり、それにより、そのＳＮＲが、所与のレート（変調レベル）におけるデータ送信には過度に低くなる場合、そのビームの使用は、（一時的に）中断されることが可能である。したがって、この情報は、ＭＩＭＯチャネルにわたる適応変調を支援するために使用されることが可能である。また、その時間において送信媒体によって支援される独立チャネルの数を識別するようにも作用する。特定の送信器／受信器ビーム対を使用することができないように、送信が完全に不可能であることができる。行列Σは、所与の時間および周波数において利用可能なＭＩＭＯチャネルの数を有効に識別する。
【００６２】
上述された特定のチャネル行列について、必要なパラメータは、θ＝２２．２１°およびφ＝１６１．４８°である。したがって予期される回転角度の追加のあいまいさのために、２つのピークが、φについて観測され、４つのピークが、θについて観測される。
【００６３】
記述された詳細な例は、２つの送信アンテナおよび２つの受信アンテナを有するシステムに関するが、方法は、当然、より大規模なシステム、ならびに等しくない数の送信アンテナおよび受信アンテナを有するシステムに拡張されることができる。具体的には、図６を参照すると、３つの送信アンテナおよび３つの受信アンテナを有する構成が、構築されることが可能である。
【００６４】
３つの送信アンテナおよび３つの受信アンテナを含む実施形態は、以下のように、送信加重の直交セットＢを選択することを含む。
【数４】
【００６５】
結果として得られるビームの直交セットは、それぞれの回転行列を使用して、すべての３つの直交平面を経て回転されることが可能である。
【数５】
【数６】
【数７】
上式で、ｃ＝ｃｏｓθおよびｓ＝ｓｉｎθｅｊφである。４×４システム以上への拡張は簡単であり、詳細は、当業者には明らかである。
【００６６】
ここで図７を参照すると、チャネル選択の方法は、
送信器において、対応する送信加重ｘｉｊを有する送信ビームの直交セットを選択するステップと、
所定の範囲の方向にわたって直交送信ビームのセットを向け、これが、たとえば、ステアリング行列Ｊを再計算すること、または記憶されているルックアップテーブルから所定のＪの連続値を探索することを含むことが可能である、直交送信ビームのセットを向けるステップと、
受信器において、受信した送信器からの送信ビームを監視し、それらの直交性の尺度を得るステップと
直交性の尺度に応答して、その後使用される１セットの送信ビームを選択し、かつ送信器に選択を通知するステップとを含む。
【００６７】
受信器の端部において識別された送信ビームのセットは、任意の適切な通信媒体および符号化によって送信器に再び通信されることが可能である。対応する送信加重ｘｉｊは、送信行列Ｖにおける所望の加重Ｖｉｊに対応する。所与の送信ビームの方向が、十分に長い間送信器において維持される場合、送信器に送信されるメッセージは、現在のビームの方向が選択されることを送信器に示すために、簡単な「停止」メッセージとすることが可能である。
【００６８】
方法は、チャネルの特性が時間にわたって変化する可能性があるので、接続の初期セットアップの際だけでなく、送信の過程中、時々使用することもできる。
【００６９】
一度に１つの送信アンテナのみからのデータの送信を必要とする、知られているシステムとは異なり、本発明の方法は、ライブデータ送信と同じ方式で、複数のアンテナ上において同時にトレーニングシーケンスを送信することを使用する。これは、トレーニングデータを個々の送信アンテナに供給するために、知られているシステムに存在する別の回路を必要としないことを意味する。個々の送信アンテナ／受信アンテナの対を構成するのではなく、共に作用する複数のアンテナによって形成されたビーム全体を有効に構成することによって、トレーニングシーケンスの数も低減されることが可能である。
【００７０】
この技術の１つの具体的な応用分野は、高度化ワイヤレスローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）およびワイヤレスパーソナルエリアネットワーク（ＷＰＡＮ）のためのＭＩＭＯ通信の分野にある。この市場における現行規格（すなわち、８０２．１ｌｘファミリおよびブルートゥース）への更新は、関連する規格設定団体によって現在考慮されている。
【００７１】
方法は、最も「自然な」形態のチャネルを直接見つけ、改良された最適通信システムが使用されることを可能にするので、方法は、すべての処理が、送信アンテナおよび受信アンテナにおいて実施されるという意味で独立型である。したがって、ＳＩＳＯ通信は、ＭＩＭＯチャネル推定が進行している間、続行することができる。
【００７２】
４つ以上の送信器または４つ以上の受信器への拡張は、簡単である。
【００７３】
上述された方法では、入力のための適切なステアリングパラメータを計算するために探索手続きが使用され、それにより、適切な解のために全空間にわたって探索することが必要である可能性がある。しかし、本発明者は、ステアリングパラメータは、内積の式を導出することによって、閉じた数学的手続きにより決定することができることをさらに実現した。
【００７４】
複素数の２×２の場合を考慮し、チャネル行列のＳＶＤについて明確に書くと、行列ＢＴによって確定される２つの送信ビームからの出力は以下を与える。
【数８】
上式で、ＢＴは、恒等式行列に等しい直交行列であるように選択される。
【００７５】
【数９】
これにより、以下のようになる。
【数１０】
これは、以下を与える。
【数１１】
【数１２】
受信ビームの内積を計算することにより、以下の形態の式が与えられる。
【数１３】
上式では、以下の通りである。
【数１４】
【００７６】
その結果、内積は、θ＝９０°またはφ＝０°であるとき、ｙ１（または、θ＝０°であるとき、
【数１５】
）を識別するために使用することができる。θ＝４５°またはφ＝０°である場合、内積は、ｙ２を計算することができる項ｊ／ｍ（ｙ１）＋ｙ２／２を与える。実数の場合のように、この式は、恒等式を使用することによって簡単にすることができる。
ｃｏｓ２θ＝０．５（１＋ｃｏｓ２θ）
ｓｉｎ２θ＝０．５（１−ｃｏｓ２θ）
ｃｏｓθｓｉｎθ＝０．５ｓｉｎ２θ （１９）
これにより、以下が与えられる。
【数１６】
【００７７】
この場合、目的は、式（２０）がゼロであるように、パラメータθおよびφを識別することである。式（２０）は、以下のように再構成することができる。
【数１７】
または
【数１８】
これにより、以下のようになり、
【数１９】
式（２２）の実数項と虚数項を等しくすることにより、以下が与えられる。
【数２０】
【数２１】
【００７８】
式（２５）から、以下としてφの解を導出することが可能である。
【数２２】
この結果を再び式（２４）に代入することにより、以下が与えられる。
【数２３】
【００７９】
その結果、適切な送信ビームが、式（２７）により見つけられることが可能であり、特異値が、受信ビームの内積の平方根から見つけられることが可能である。
【００８０】
例として、チャネル行列が下式によって与えられる以下の場合を考慮する。
【数２４】
θ＝０°およびφ＝０°とすると、
【数２５】
は、０．３０４７−ｊ０．６６２１であることがわかる。同様に、θ＝９０°およびφ＝０°である場合、ｙ１は、０．３０４７−＋ｊ０．６２２１であることがわかる。θ＝４５°およびφ＝０°である場合、ｙ２は、１．７０６６であることがわかる。
式（２６）を使用して
【数２６】
について解くと、以下が与えられ、
【数２７】
式（２７）から、以下を有する。
【数２８】
【００８１】
したがって、必要なステアリング行列は、以下のようになる。
【数２９】
【００８２】
受信器における出力は、以下によって与えられる。
【数３０】
これは、下式のために、直交ベクトルである。
【数３１】
【００８３】
その結果、チャネル行列の特異値は、以下のようになる。
【数３２】
および
【数３３】
【００８４】
この方法は、θおよびφの２つの選択からｙ１およびｙ２の値を計算するはるかにより簡単なタスクによって、直交条件を満たす解を見つけるためのすべてのθおよびφにわたる探索プロセスを置き換える。これらの２つの方向から、かつ閉じた形態の解を使用して、直交性を保証する
【００８５】
【数３４】
および
【数３５】
の値を計算することができる。
【００８６】
したがって、この後者のアプローチは、チャネルの特性に対して経て向けられなければならない送信方向の数を著しく低減し、収益を担うトラフィックに対して失われる送信帯域幅を対応して低減する。さらに、このアプローチにおいて必要な追加の計算は、比較的簡単であり、計算の遅延、およびしたがってチャネルの特徴付けの遅延をさらに低減するために、ルックアップテーブルによって（少なくとも部分的に）実施することができる。
【００８７】
他の実施形態では、少なくとも１つの送信ビームの変調レベルが、受信信号の特性に応答して選択される。この特性は、たとえば、送信に関連付けられた複素チャネル利得Σとすることが可能である。いくつかの場合、たとえば複素チャネル利得がすでに非常に小さい場合、ゼロの変調レベルが割り当てられることが可能である。
【００８８】
一般的に、最適なパワー割付けは、ウォータフィリングなどの知られている技術を使用して、尺度チャネル利得に基づいて様々なチャネルに対して行うことが可能である。
【００８９】
本明細書の教示の理解について当業者には明らかであるように、本明細書において与えられたあらゆる範囲またはデバイスは、追求される効果を失わずに、拡張または変更されることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明による通信システムの概略図である。
【図２】本発明による送信媒体を表す例示的な行列を示す図である。
【図３】本発明による通信装置の他の概略図である。
【図４ａ】本発明による、受信ビームの出力の内積の逆数の絶対値が、φの関数としてどのように変化するかを示す概略的なグラフである。
【図４ｂ】本発明による、受信ビームの出力の内積の逆数の絶対値が、θの関数としてどのように変化するかを示す概略的なグラフである。
【図５】本発明による、受信ビームの内積の逆数の絶対値が、探索空間全体にわたってどのように変化するかを示す概略的なグラフである。
【図６】本発明による通信システムの他の概略図である。
【図７】本発明による方法の概略図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数入力および複数出力の通信システムのための信号を送信する方法であって、
複数の所定の方向にわたって１セットの相互に直交する送信ビームを向けるステップと、
送信ビームから、受信器において受信された信号の特性に応答して、相互に直交する送信ビームの好ましい方向を選択するステップとを含む方法。
【請求項２】
複数の所定の方向が、利用可能な送信空間に実質的にわたる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
特性が、受信信号の直交性の尺度である、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
選択された方向が、複数の所定の方向の１つである、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
選択された方向が、複数の所定の方向の１つであることを必要としない、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
選択された方向が、受信信号の特性から計算される、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
複数の所定の方向が、送信空間に実質的にわたるには不十分である、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
複数の所定の方向が、２つの方向からなる、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
好ましい方向が、受信信号の特性に適用された数学的計算に応答して選択される、請求項７または８に記載の方法。
【請求項１０】
送信ビームの数が、２、３、および４の１つである、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
選択が、送信方向を識別する指示の受信に応答して行われる、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
無線通信システムにおいて使用される、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
データの送信が、送信ビームを向ける間に続行される、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
少なくとも１つの送信ビームの変調レベルが、受信信号の特性に応答して選択される、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
特性が、複素チャネル利得である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
変調レベルが、ゼロであるように選択される、請求項１４から１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
変調レベルが、複素チャネル利得がそれぞれ小さいと測定される場合、ゼロであるように選択される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
複数入力および複数出力通信のシステムのための受信器であって、
複数の所定の方向にわたって向けられる１セットの相互に直交する送信ビームから信号を受信するように構成された受信装置と、
各所定の方向について、受信装置によって受信された信号の品質を表す、受信装置によって受信された信号の特性を決定するように構成された装置と、
（ａ）複数のまたはすべての所定の方向の特性、および（ｂ）受信信号の特性に応答して導出される好ましい方向の指示の少なくとも一方を送信するように構成された装置とを備える受信器。
【請求項１９】
複数入力および複数出力の通信システムのための送信器であって、
複数の所定の方向にわたって１セットの相互に直交する送信ビームを向けるように構成されたビームステアリング装置と、
送信ビームから、受信器において受信された信号の特性に応答して、相互に直交する送信ビームの好ましい方向を選択するための選択装置とを備える送信器。
【請求項２０】
請求項１８に記載の受信器および請求項１９に記載の送信器を備える、通信システム。
【請求項２１】
装置が携帯式装置である、請求項１８から２０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２２】
複数入力および複数出力の通信システムのコンピュータのためのプログラムであって、
複数の所定の方向にわたって１セットの相互に直交する送信ビームを向け、
送信ビームから、受信器において受信された信号の特性に応答して、相互に直交する送信ビームの好ましい方向を選択するように構成された、コード部分を備えるプログラム。
【請求項２３】
複数入力および複数出力の通信システムのコンピュータのためのプログラムであって、
複数の所定の方向にわたって１セットの相互に直交する送信ビームから信号を受信し、
各所定の方向について、受信装置によって受信された信号の品質を表す、受信装置によって受信された信号の特性を決定し、
（ａ）複数またはすべての所定の方向の特性、および（ｂ）受信信号の特性に応答して導出される好ましい方向の指示の少なくとも一方を送信するように構成された、コード部分を備えるプログラム。
【請求項２４】
複数入力および複数出力の通信システムのための信号であって、信号が、トレーニングシーケンスを搬送する複数の相互に直交する送信ビームを備え、送信ビームが、方向の所定のセットにわたって向けられる信号。
【請求項２５】
請求項１から１７のいずれか一項に記載の方法を実施するように構成された通信ネットワークにわたって提供される通信サービス。
【請求項１】
複数入力および複数出力の通信システムのための信号を送信する方法であって、
複数の所定の方向にわたって１セットの相互に直交する送信ビームを向けるステップと、
送信ビームから、受信器において受信された信号の特性に応答して、相互に直交する送信ビームの好ましい方向を選択するステップとを含む方法。
【請求項２】
複数の所定の方向が、利用可能な送信空間に実質的にわたる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
特性が、受信信号の直交性の尺度である、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
選択された方向が、複数の所定の方向の１つである、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
選択された方向が、複数の所定の方向の１つであることを必要としない、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
選択された方向が、受信信号の特性から計算される、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
複数の所定の方向が、送信空間に実質的にわたるには不十分である、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
複数の所定の方向が、２つの方向からなる、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
好ましい方向が、受信信号の特性に適用された数学的計算に応答して選択される、請求項７または８に記載の方法。
【請求項１０】
送信ビームの数が、２、３、および４の１つである、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
選択が、送信方向を識別する指示の受信に応答して行われる、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
無線通信システムにおいて使用される、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
データの送信が、送信ビームを向ける間に続行される、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
少なくとも１つの送信ビームの変調レベルが、受信信号の特性に応答して選択される、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
特性が、複素チャネル利得である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
変調レベルが、ゼロであるように選択される、請求項１４から１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
変調レベルが、複素チャネル利得がそれぞれ小さいと測定される場合、ゼロであるように選択される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
複数入力および複数出力通信のシステムのための受信器であって、
複数の所定の方向にわたって向けられる１セットの相互に直交する送信ビームから信号を受信するように構成された受信装置と、
各所定の方向について、受信装置によって受信された信号の品質を表す、受信装置によって受信された信号の特性を決定するように構成された装置と、
（ａ）複数のまたはすべての所定の方向の特性、および（ｂ）受信信号の特性に応答して導出される好ましい方向の指示の少なくとも一方を送信するように構成された装置とを備える受信器。
【請求項１９】
複数入力および複数出力の通信システムのための送信器であって、
複数の所定の方向にわたって１セットの相互に直交する送信ビームを向けるように構成されたビームステアリング装置と、
送信ビームから、受信器において受信された信号の特性に応答して、相互に直交する送信ビームの好ましい方向を選択するための選択装置とを備える送信器。
【請求項２０】
請求項１８に記載の受信器および請求項１９に記載の送信器を備える、通信システム。
【請求項２１】
装置が携帯式装置である、請求項１８から２０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２２】
複数入力および複数出力の通信システムのコンピュータのためのプログラムであって、
複数の所定の方向にわたって１セットの相互に直交する送信ビームを向け、
送信ビームから、受信器において受信された信号の特性に応答して、相互に直交する送信ビームの好ましい方向を選択するように構成された、コード部分を備えるプログラム。
【請求項２３】
複数入力および複数出力の通信システムのコンピュータのためのプログラムであって、
複数の所定の方向にわたって１セットの相互に直交する送信ビームから信号を受信し、
各所定の方向について、受信装置によって受信された信号の品質を表す、受信装置によって受信された信号の特性を決定し、
（ａ）複数またはすべての所定の方向の特性、および（ｂ）受信信号の特性に応答して導出される好ましい方向の指示の少なくとも一方を送信するように構成された、コード部分を備えるプログラム。
【請求項２４】
複数入力および複数出力の通信システムのための信号であって、信号が、トレーニングシーケンスを搬送する複数の相互に直交する送信ビームを備え、送信ビームが、方向の所定のセットにわたって向けられる信号。
【請求項２５】
請求項１から１７のいずれか一項に記載の方法を実施するように構成された通信ネットワークにわたって提供される通信サービス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【公表番号】特表２００８−５０４７７３（Ｐ２００８−５０４７７３Ａ）
【公表日】平成２０年２月１４日（２００８．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５１８６９９（Ｐ２００７−５１８６９９）
【出願日】平成１７年７月４日（２００５．７．４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＧＢ２００５／００２５９１
【国際公開番号】ＷＯ２００６／００３４１３
【国際公開日】平成１８年１月１２日（２００６．１．１２）
【出願人】（５０１３５２８８２）キネテイツク・リミテツド (93)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２０年２月１４日（２００８．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年７月４日（２００５．７．４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＧＢ２００５／００２５９１
【国際公開番号】ＷＯ２００６／００３４１３
【国際公開日】平成１８年１月１２日（２００６．１．１２）
【出願人】（５０１３５２８８２）キネテイツク・リミテツド (93)
【Ｆターム（参考）】
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