JP2013179624A - 多重偏波多重入出力システムのための端末機とその動作方法、及び基地局とその動作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多重偏波多重入出力システムのための端末機とその動作方法、及び基地局とその動作方法を提供する。
【解決手段】本発明の端末機は、コードブックに関連する情報を格納するコードブック格納部と、格納されたコードブックに関連する情報から対象マトリクスを選択する選択部と、対象マトリクスに関連する情報を基地局にフィードバックする情報伝達部と、を備え、基地局は、コードブックに関連する情報を格納するコードブック格納部と、コードブックから端末機によって選択されたマトリクスに関連する情報を受信する情報受信部と、選択されたマトリクスに関連する情報に基づいてプリコーディングマトリクスを選択するマトリクス選択部と、選択されたプリコーディングマトリクスを用いて送信しようとするデータストリームをプリコーディングするプリコーダと、を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、多重入出力（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ：ＭＩＭＯ）通信システムに関し、より詳細には、ＭＩＭＯシステムのための端末機とその動作方法、及び基地局とその動作方法に関する。

現在、無線通信環境において、多様なマルチメディアサービスを提供するための無線通信技術が開発されている。高品質のマルチメディアサービスを提供するためには、高速のデータ送信が要求される。従って、最近では、高速のデータ送信を支援するために多くの研究がなされており、複数のアンテナを受信機及び送信機の両方に用いたＭＩＭＯ技術に関する研究が活発に進められている。

ＭＩＭＯ技術は、受信機及び送信機の両方で多数のアンテナを用いることにより、限定された周波数資源内でチャンネル容量及び送信率を向上させる。ＭＩＭＯシステムは、散乱環境が優れている場合、多数のアンテナを用いることにより、理論的にはアンテナの数に比例するチャンネル容量を提供する。このようなＭＩＭＯ技術は、３ＧＰＰ、スーパー３Ｇ（ＬＴＥ）、３ＧＰＰ２、及び来るべき４Ｇシステム、特に、基地局から複数のユーザ装置へのダウンリンクにおいて、次世代移動通信システムの重要な構成要素として貢献することができる。

但し、ＭＩＭＯ技術において、アンテナを設置することができる空間及び面積は制限的であり、アンテナ間の間隔は通信性能に多くの影響を及ぼす。即ち、アンテナ間の間隔が狭くなるほど、無線チャンネルは互いに高い相関関係（ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）を有する。特に、アンテナが等しい偏波を有する場合、無線チャンネルは極めて高い相関関係を有する。無線チャンネル間で発生する干渉は、データ通信の信頼性を減少させ、データ送信率を減少させる。

従って、多数のアンテナが設置される面積を減少させながらもチャンネル容量を増加させるためには、アンテナの偏波方向を多様に用いる必要性がある。なぜならば、ＭＩＭＯシステムでアンテナが多重偏波を有する場合、無線チャンネル間で発生する干渉を減少させることができるためである。

ＭＩＭＯシステムでシステム性能及び容量を最大化するためには、無線チャンネルを介したデータを効率的に送信するために、予めデータをコーディングするプリコーディング（ｐｒｅｃｏｄｉｎｇ）作業が必要になる。プリコーディングは、データプリコーディング規則に応じて送信信号（データ）が各アンテナから放射されるマルチレイヤービーム形態を表す。即ち、受信機入力で信号電力が最大化されマルチパスフェーディングの影響が最小化される適切な位相（及び利得）の重み付けを意味する。重み付けは、プリコーディングマトリクス（即ち、行列で表現したビーム形態ベクトルの組）によって表わすことができ、プリコーディングマトリクスの集合であるコードブック内のプリコーディングマトリクスの組から選択される。

現在、アンテナが単一偏波を有する単一偏波ＭＩＭＯ技法の特別な場合に対する様々なコードブックが提示されている。但し、今までは、アンテナが多重偏波を有する多重偏波ＭＩＭＯ技法の場合に対する効率的なコードブックが提示されていない実情にある。

従って、アンテナが多重偏波を有する場合に対して、複雑度が低くて性能が優れた多重偏波多重入出力システムのためのコードブック生成方法及びその装置が求められている。

本発明は、アンテナが多重偏波を有する場合でも、単一偏波プリコーディングマトリクスを用いてプリコーディングマトリクスを生成することができ、より簡単な演算のみでも性能が優れたプリコーディングマトリクスを生成することができる多重偏波多重入出力システムのための端末機とその動作方法、及び基地局とその動作方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた本発明の一特徴による多重偏波ＭＩＭＯシステムのための端末機は、

を含むコードブックに関連する情報を格納するコードブック格納部と、前記格納された前記コードブックに関連する情報から対象マトリクスを選択する選択部と、前記対象マトリクスに関連する情報を基地局にフィードバックする情報伝達部と、を備える。

上記目的を達成するためになされた本発明の一特徴による多重偏波ＭＩＭＯシステムのための端末機の動作方法は、基地局から送信されたパイロット信号を受信するステップと、

を含むコードブックに関連する情報を格納するステップと、前記パイロット信号に応答して、前記コードブックから対象マトリクスを選択するステップと、前記選択された対象マトリクスに関連する情報を前記基地局にフィードバックするステップと、を有する。

上記目的を達成するためになされた本発明の一特徴による多重偏波ＭＩＭＯシステムのための基地局は、

を含むコードブックに関連する情報を格納するコードブック格納部と、前記コードブックから端末機によって選択されたマトリクスに関連する情報を受信する情報受信部と、前記選択されたマトリクスに関連する情報に基づいてプリコーディングマトリクスを選択するマトリクス選択部と、前記選択されたプリコーディングマトリクスを用いて送信しようとするデータストリームをプリコーディングするプリコーダと、を備える。

上記目的を達成するためになされた本発明の一特徴による多重偏波ＭＩＭＯシステムのための基地局の動作方法は、

を含むコードブックに関連する情報を格納するステップと、前記コードブックからプリコーディングマトリクスを選択するステップと、前記選択されたプリコーディングマトリクスを用いて送信しようとするデータストリームをプリコーディングするステップと、を有する。

本発明の追加的な特徴は、明細書から明確にすることができ、本発明の実施形態によっても知ることができる。

本発明の多重偏波多重入出力システムのための端末機とその動作方法、及び基地局とその動作方法によれば、アンテナの偏波が多重偏波を有する場合でも、単一偏波プリコーディングを用いてプリコーディングマトリクスを生成することにより、より簡単な演算のみでも性能が優れたプリコーディングマトリクスを生成することができる。

本発明の一実施形態による多重偏波送／受信アンテナを示す図である。 本発明の一実施形態による多重偏波送／受信アンテナを示す図である。 本発明の一実施形態による多重偏波送／受信アンテナを示す図である。 本発明の一実施形態によるコードブック生成方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態による多重偏波ＭＩＭＯシステムに対するプリコーディングマトリクスを示す図である。 本発明の一実施形態による多重偏波ＭＩＭＯシステムにおいて、対角ブロックにＤＦＴプリコーディングマトリクスが割り当てられたプリコーディングマトリクスを示す図である。 本発明の一実施形態によるコードブック生成装置を示すブロック図である。

以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明に対する詳しい説明に先立ち、多重偏波ＭＩＭＯの特別なケースとして、新たなコードブックの構成の理解の一助に、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）コードブック及び回転ＤＦＴコードブックを含む単一偏波ＭＩＭＯのために設計された現在用いられているコードブックの一例を以下に示す。例えば、単一偏波ＭＩＭＯシステムに対するＤＦＴプリコーディングマトリクスを用いたＤＴＦコードブックは、下記の数式１のように示すことができる。

数式１を参照すると、Ｂは２^（Ｂ）の一つを示すのに必要なビット数であり、Ｍは送信アンテナの個数であり、γはＤＦＴプリコーディングマトリクスの集合であるＤＦＴコードブックを示し、Ｕ^（ｂ）はｂ番目のＤＦＴプリコーディングマトリクスを意味する。また、ｂ番目のＤＦＴプリコーディングマトリクスであるＵ^（ｂ）において、ｍ番目の列ベクトルは

で示すことができる。即ち、ＤＦＴコードブックは、２^（Ｂ）個のＤＦＴプリコーディングマトリクスで構成されており、２^（Ｂ）個のＤＦＴプリコーディングマトリクスそれぞれはＭ個の列ベクトルを含む。

また、ＤＦＴプリコーディングマトリクスそれぞれのサイズはＭ×Ｍである。そして、

は、要素がＭ個である列ベクトルであり、サイズがＭ×１である。

このとき、ＤＦＴコードブックにおいて、

は、下記の数式２のように定義することができる。

即ち、ＤＦＴコードブックには２^（Ｂ）個のＤＦＴプリコーディングマトリクスが存在し、それぞれのＤＦＴプリコーディングマトリクスのサイズはＭ×Ｍである。また、サイズがＭ×ＭであるＤＦＴプリコーディングマトリクスのそれぞれはＭ個の列ベクトルを含む。このとき、列ベクトルは、Ｍ×１である列ベクトルであり、列ベクトルの要素は数式２のように決定することができる。

例えば、単一偏波を有する２個の送信アンテナがある場合、ＤＦＴプリコーディングマトリクスは、下記の数式３のように２個のマトリクスを含むことができる。

また、単一偏波ＭＩＭＯシステムに対する回転ＤＦＴプリコーディングマトリクスの集合である回転ＤＦＴコードブックの一例は、下記の数式４のように示すことができる。

このとき、ｉ番目の回転ＤＦＴプリコーディングマトリクスは、下記の数式５のように示すことができる。

数式５を参照すると、ＤＦＴ_Ｍは、単一偏波ＭＩＭＯシステムに対するＤＦＴプリコーディングマトリクスであり、回転ＤＦＴプリコーディングマトリクスは、ＤＦＴプリコーディングマトリクスＤＦＴ_Ｍの列ベクトルの位相を特定角度だけ回転したものとして見ることができる。

また、ＭＩＭＯシステムにおいて、送信アンテナが送信する信号は無線チャンネルを介して送信され、その無線チャンネルはチャンネルマトリクスＨで示すことができる。多重偏波ＭＩＭＯシステムの場合、チャンネルマトリクスＨは

でモデリングすることができる。ここで、

はアダマール積（Ｈａｄａｍａｒｄ ｐｒｏｄｕｃｔ）であり、アダマール積は下記の数式６のような演算規則を有する。

以下、本発明について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１〜３は、本発明の一実施形態による多重偏波ＭＩＭＯチャンネルのための二重偏波送／受信アンテナによる異なる組み合わせを示している。

図１を参照すると、図面符号１１０には、２つの送信アンテナ１１１、１１２と２つの受信アンテナ１１３、１１４が示されている。送信アンテナそれぞれは互いに直角をなしているため、送信アンテナから送信される信号の偏波方向は互いに直交性を有する。

送／受信アンテナがそれぞれ２つずつある場合、プリコーディングマトリクスＸは、下記の数式のように示すことができる。

パラメータχは、デポラリゼーション（ｄｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）ファクターと呼ばれ、アンテナ及びチャンネルの包括的ＸＰＤ（ｃｒｏｓｓ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎ）として考えることができる。デポラリゼーションファクターの正確な値は多くの要因に依存し無線環境が多様に変化することから定量化することが難しい。このデポラリゼーションファクターは、０≦χ≦１の値の広い範囲の値を有する。

同じように、図２に示す図面符号１２０には、４つの送信アンテナ１２１、１２２、１２３、１２４と２つの受信アンテナ１２５、１２６が示されている。２つの送信アンテナ１２１、１２２と残りの２つの送信アンテナ１２３、１２４から送信される信号の偏波方向は、互いに直交性を有する。

送信アンテナが４つ、受信アンテナが２つある場合、プリコーディングマトリクスＸは、下記の数式のように示すことができる。

更に、図３に示す図面符号１３０には、送／受信アンテナ１３１、１３２、１３３、１３４、１３５、１３６、１３７、１３８がそれぞれ４つずつ示されている。送／受信アンテナがそれぞれ４つずつある場合、マトリクスＸは、下記の数式７のように示すことができる。

数式７を参照すると、マトリクスＸの１番目の列と２番目の列は２つの送信アンテナ１２１、１２２に相応し、マトリクスＸの３番目の列と４番目の列は残りの２つの送信アンテナ１２３、１２４に相応する。

即ち、チャンネルマトリクスＨは

でモデリングすることができ、図３に示す図面符号１３０のように、送／受信アンテナがそれぞれ４つずつである場合、Ｘは数式７のように４×４マトリクスとなることができる。また、４つの送信アンテナ１３１、１３２、１３３、１３４が送信する信号の偏波方向は２つであるため、Ｘは対角方向に２つの等しいブロックを有するマトリクスでモデリングすることができる。

送信アンテナから受信アンテナまでの距離が近い場合、χは「０」に近づくようにモデリングすることができる。反対に、送信アンテナから受信アンテナまでの距離が遠い場合、χは「１」に近づくようにモデリングすることができる。従って、χが「０」から「１」まで変化する場合、コードブックは、ＭＩＭＯシステムが単一偏波である場合だけではなく、多重偏波である場合に対しても優れた性能を有さなければならない。

図４は、本発明の一実施形態によるコードブック生成方法を示すフローチャートである。

このようなコードブックは、単一マトリクスの集合で構成され、重大な動作劣化なしに、多重偏波ＭＩＭＯ技法だけでなく、単一偏波ＭＩＭＯ技法に適用される。このような多重偏波ＭＩＭＯのためのコードブックは、対角構造のブロック内に構成され、多重偏波コードブックの対角ブロックとして知られている。同様に、多重偏波ＭＩＭＯのために用いられる対角構造のブロック内のプリコーディングマトリクスは、Ｍ×Ｎで表現することができる。ここで、Ｍは送信側の送信アンテナの個数を示し、ＮはマトリクスＸのデータストリームの個数を示す。

また、プリコーディングマトリクスのサイズは、送信アンテナの個数又は送信しようとするデータストリームの個数に相応する送信ランクによって決定することができる。例えば、送信アンテナの個数が４つであり、送信しようとするデータストリームの個数である送信ランクが「４」である場合、プリコーディングマトリクスのサイズは４×４とすることができる。

プリコーディングマトリクスを複数のブロックに分割すれば、マトリクスの対角方向のブロックと残りのブロックを生成することができる。ここで、対角方向とは、Ｍ×Ｎマトリクスの場合、１行１列の要素からＭ行Ｎ列の要素に向かう方向を意味する。例えば、４×４サイズを有するＡマトリクスが４つの２×２マトリクスに分割される場合、Ａマトリクスの１行１列要素を含む２×２マトリクスとＡマトリクスの４行４列要素を含む２×２マトリクスが対角ブロックである。

このとき、送信アンテナの偏波方向の個数が２つである場合、対角ブロック及び残りのブロックの個数は２つになるであろう。もし、送信アンテナの偏波方向の個数が３つである場合、対角ブロックの個数は３つであり、残りのブロックの個数は６つになるであろう。

図４を参照すると、本発明の一実施形態によるコードブック生成方法は、送信アンテナの偏波方向の個数によって分割された複数のブロックのうち、対角ブロックに単一偏波プリコーディングマトリクスを割り当てる（Ｓ２１０）。

例えば、単一偏波プリコーディングマトリクスは、ＤＦＴプリコーディングマトリクス又は回転ＤＦＴプリコーディングマトリクスを含むことができ、ＤＦＴプリコーディングマトリクス又は回転ＤＦＴプリコーディングマトリクスのうちのいずれか１つを対角ブロックに割り当てることができる。

また、単一偏波プリコーディングマトリクスのサイズは、等しい偏波方向を有する送信アンテナの個数によって決定することができる。例えば、送信アンテナの個数が計８つであり、そのうちの２つのアンテナによる偏波方向はｘ方向、残りの６つのアンテナによる偏波方向はｙ方向であると仮定する。ここで、ｘ方向とｙ方向は直交するであろう。この場合、偏波方向は、ｘ方向及びｙ方向として２つであり、プリコーディングマトリクスは、２つの対角ブロックを有する。

このとき、１つの対角ブロックに割り当てられる単一偏波プリコーディングマトリクスの行（ｒｏｗ）の個数は「６」であり、残りの１つの対角ブロックに割り当てられる単一偏波プリコーディングマトリクスの行の個数は「２」とすることができる。このとき、送信ランクが「８」である場合、より具体的に、偏波方向がｘ方向である「２」つのアンテナの送信ランクが「２」であり、偏波方向がｙ方向である「６」つのアンテナの送信ランクが「６」である場合、いずれか１つの対角ブロックには２×２のサイズを有する単一偏波プリコーディングマトリクスを割り当てることができ、残りの１つの対角ブロックには６×６のサイズを有する単一偏波プリコーディングマトリクスを割り当てることができる。

また、本発明の一実施形態によるコードブック生成方法は、対角ブロックではない残りのブロックに、それぞれゼロマトリクスを割り当てる（Ｓ２２０）。

即ち、送信アンテナの偏波方向の個数によって分割されたブロックのうち、対角ブロックを除いたブロックには、すべての要素に「０」を有するゼロマトリクスが割り当てられる。

更に、本発明の一実施形態によるコードブック生成方法は、対角ブロックに割り当てられた単一偏波プリコーディングマトリクス及び残りのブロックに割り当てられたゼロマトリクスを組み合わせてプリコーディングマトリクスを生成する（Ｓ２３０）。

例えば、４つの送信アンテナが存在し、４つの送信アンテナのうちのいずれか２つの送信アンテナの偏波方向はｘ方向であり、残りの２つの送信アンテナの偏波方向はｙ方向である場合、多重偏波ＭＩＭＯシステムのためのコードブックは、下記の数式８のように４×４マトリクスを含むことができる。

但し、数式８に記載された２つの多重偏波プリコーディングマトリクスは、本発明の一実施形態に過ぎず、多重偏波プリコーディングマトリクスは、数式３に記載された２つのＤＦＴプリコーディングマトリクスを任意に組み合わせることによって生成することもできる。

即ち、プリコーディングマトリクスを送信アンテナの偏波方向の個数によって複数のブロックに分割し、分割されたブロックのうち、対角ブロックには単一偏波プリコーディングマトリクスを割り当てることにより、多重偏波ＭＩＭＯシステムのためのプリコーディングマトリクスを生成することができる。このとき、残りのブロックには、ゼロマトリクスが割り当てられる。

例えば、送信アンテナの個数が４つであり、送信アンテナの偏波方向の個数が２つである場合を仮定する。このとき、プリコーディングマトリクスのサイズは４×４とすることができ、送信アンテナの偏波方向の個数は２つであるため、プリコーディングマトリクスは、偏波方向の個数によって計４つのブロックに分割される。そして、分割されたブロックのうちの２つの対角ブロックには上述した単一偏波プリコーディングマトリクスが割り当てられ、対角ブロックではない残りのブロックにはゼロマトリクスが割り当てられることにより、プリコーディングマトリクスが生成される。

また、本発明の一実施形態によるコードブック生成方法は、無線チャンネルを介して送信しようとするデータストリームの個数に相応する送信ランクによってプリコーディングマトリクスに含まれた少なくとも１つの列ベクトルを選択してプリコーディングマトリクスを再構成する（Ｓ２４０）。

例えば、４つの送信アンテナが多重偏波を有する場合、下記の数式９のように４×４サイズを有するプリコーディングマトリクスが生成されたと仮定する。

数式９を参照すると、もし送信ランクが「２」である場合、プリコーディングマトリクスに含まれた４つの列ベクトルのうちから２個の列ベクトルを選択してプリコーディングマトリクスを再構成することができる。即ち、下記の数式１０のようにプリコーディングマトリクスが再構成され、６つの４×２のサイズを有するプリコーディングマトリクスを生成することができる。

このとき、送信アンテナの個数がＭであり、送信ランクがｒである場合に、Ｍ×Ｍのサイズを有するプリコーディングマトリクスを生成することができ、送信ランクによって列ベクトルを選択することにより、プリコーディングマトリクスを再構成してＭ×ｒのサイズを有するプリコーディングマトリクスを生成することもできる。

即ち、本発明は、送信ランクによってプリコーディングマトリクスを再構成することにより、プリコーディングマトリクスで不必要な列ベクトルを除去することができ、従って効果的にコードブックを生成することができる。

また、本発明の一実施形態によるコードブック生成方法は、送信アンテナの偏波方向が回転した場合、プリコーディングマトリクス及び回転マトリクスを用いて回転プリコーディングマトリクスを生成する（Ｓ２５０）。このとき、回転マトリクスは、送信アンテナの偏波方向の回転角度に相応するものとすることができる。

送信アンテナの配列（ａｒｒａｙ）構造は、多様に実現することができる。例えば、多重偏波ＭＩＭＯシステムにおいて、１つの偏波方向に相応する送信アンテナは基準面に対して垂直（ｖｅｒｔｉｃａｌ）方向に設置され、残りの１つの偏波方向に相応する送信アンテナは基準面に対して水平（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）方向に設置することができる。また、１つの偏波方向に相応する送信アンテナは、基準面に対して＋４５度（ｄｅｇｒｅｅ）方向に設置し、残り１つの偏波方向に相応する送信アンテナは、基準面に対して−４５度方向に設置することもできる。

即ち、送信アンテナの偏波方向が基準面に対して特定角度だけ回転した場合、プリコーディングマトリクスが回転した回転プリコーディングマトリクスを用いてデータストリームがビームフォーミングされなければならない。このとき、回転プリコーディングマトリクスは、回転マトリクスを用いて生成することができる。即ち、プリコーディングマトリクスに回転マトリクスを掛けることにより、回転プリコーディングマトリクスを生成することができる。

例えば、４つの送信アンテナのうち、２つの送信アンテナは基準面に対して＋４５度方向に設置され、残りの２つの送信アンテナは−４５度方向に設置された場合を仮定する。このとき、回転マトリクスは、下記の数式１１のように示すことができる。

但し、回転マトリクスＵ_ｒｏｔには、任意の複素数を掛けることができるが、Ｕ_ｒｏｔに任意のスカラー値を掛ける構成は、本発明の技術的思想の範疇に含まれる。

プリコーディングマトリクスをＷ_ＢＤとすれば、プリコーディングマトリクスＷ_ＢＤが回転した回転プリコーディングマトリクスＷ_ＲＢＤは、下記の数式１２のように示すことができる。

数式１２を参照すると、回転マトリクスＵ_ｒｏｔは、送信アンテナの偏波方向の回転角度に相応するように決定することができる。

即ち、本発明は、送信アンテナの偏波方向が回転した場合と同様に、多様なアレイを有する場合にも、回転マトリクスを用いて簡単に回転プリコーディングマトリクスを生成することができる。

このとき、回転プリコーディングマトリクスを生成するステップＳ２５０は、プリコーディングマトリクスに含まれた列ベクトルを再整列（ｒｅｏｒｄｅｒｉｎｇ）して再整列マトリクスを生成し、再整列マトリクス及び回転マトリクスを用いて回転プリコーディングマトリクスを生成するステップとすることができる。

例えば、４つの送信アンテナのうち、２つの送信アンテナは基準面に対して＋４５度方向に設置され、残りの２つの送信アンテナは−４５度方向に設置された場合、下記の数式１３のように、プリコーディングマトリクスＷ_ＢＤが生成されたと仮定する。このとき、回転マトリクスＵ_ｒｏｔは、数式１１のとおりとなる。

このとき、数式１３のプリコーディングマトリクスＷ_ＢＤに含まれた列ベクトルの順序を再整列した場合、再整列マトリクスＷ_{ｒｅｏｒｄｅｒ、ＢＤ}は、下記の数式１４のように示すことができる。

このとき、再整列マトリクスＷ_{ｒｅｏｒｄｅｒ、ＢＤ}及び数式１１の回転マトリクスＵ_ｒｏｔを用いて下記の数式１５のように回転プリコーディングマトリクスＷ_ＲＢＤを生成することができ、生成された回転プリコーディングマトリクスＷ_ＲＢＤを用いてデータストリームをビームフォーミングすることができる。

数式１５を参照すると、４つの送信アンテナのうち、２つの送信アンテナは基準面に対して＋４５度方向に設置され、残りの２つの送信アンテナは−４５度方向に設置された場合、数式１３のＷ_ＢＤに相応する回転プリコーディングマトリクスＷ_ＲＢＤは、数式１５のように生成することができることが分かる。

また、本発明の一実施形態によるコードブック生成方法は、対角マトリクスを用いて再整列マトリクスに含まれたそれぞれの要素の位相を調節する（Ｓ２６０）。

このとき、対角要素は、位相が異なることがあるが大きさは１であり、残りの要素は０である対角マトリクスを用いて、再整列マトリクスに含まれた要素の位相を調節することができる。対角マトリクスは、ＭＩＭＯシステムのチャンネル容量などを増加させることに目的があるのではなく、データシンボルの変調方式に関連するものである。例えば、データシンボルがＱＰＳＫ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ：ＱＰＳＫ）で変調された場合、対角マトリクスは、データシンボルの位相のみを変化させるだけで、ＭＩＭＯシステムのチャンネル容量（ｃａｐａｃｉｔｙ）には影響を与えることはない。

このとき、プリコーディングマトリクスＷ_ＢＤ及び再整列マトリクスＷ_{ｒｅｏｒｄｅｒ、ＢＤ}が下記の数式１６のように存在すると仮定する。

このとき、再整列マトリクスＷ_{ｒｅｏｒｄｅｒ、ＢＤ}に含まれる要素の位相は、下記の数式１７のように調節することができ、データシンボルはＷ’_{ｒｅｏｒｄｅｒ、ＢＤ}を用いてビームフォーミングすることができる。

なお、本発明によるコードブック生成方法は、コンピュータにより実現される多様な動作を実行するためのプログラム命令を含むコンピュータ読取可能な記録媒体を含む。当該記録媒体は、プログラム命令、データファイル、データ構造などを単独又は組み合わせて含むこともでき、記録媒体及びプログラム命令は、本発明の目的のために特別に設計されて構成されたものでもよく、コンピュータソフトウェア分野の技術を有する当業者にとって公知であり使用可能なものであってもよい。コンピュータ読取可能な記録媒体の例としては、ハードディスク、フロッピー（登録商標）ディスク及び磁気テープのような磁気媒体、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤのような光記録媒体、フロプティカルディスクのような磁気−光媒体、及びＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリなどのようなプログラム命令を保存して実行するように特別に構成されたハードウェア装置が含まれる。プログラム命令の例としては、コンパイラによって生成されるような機械語コードだけでなく、インタプリタなどを用いてコンピュータによって実行され得る高級言語コードを含む。上記ハードウェア要素は、本発明の動作を実行するために一以上のソフトウェアモジュールとして作動するように構成することができる。

図５は、本発明の一実施形態による多重偏波ＭＩＭＯシステムに対するプリコーディングマトリクスを示す図である。

図５を参照すると、送信アンテナの個数が４であり、送信アンテナの偏波方向の個数が２である場合、Ｕは多重偏波ＭＩＭＯシステムに対するプリコーディングマトリクスを示す。Ａ３１０とＢ３２０は単一偏波プリコーディングマトリクスであり、２つのＯ３３０、３４０はゼロマトリクスを示す。

送信アンテナの偏波方向の個数が「２」であるため、対角ブロック及び残りのブロックがそれぞれ２つずつ存在する。対角ブロックには、それぞれ単一偏波プリコーディングマトリクスであるＡ３１０及びＢ３２０が割り当てられる。また、残りのブロックには、ゼロマトリクス３３０、３４０であるＯが割り当てられる。

このとき、Ａ３１０及びＢ３２０のサイズは、等しい偏波方向を有する送信アンテナの個数及び送信ランクによって決定することができる。

例えば、送信アンテナの偏波方向がｘ方向及びｙ方向である場合、偏波方向の個数は２つとなり、４つの送信アンテナのうちの２つの送信アンテナの偏波方向はｘ方向であり、残りの２つの送信アンテナの偏波方向はｙ方向であると仮定する。このとき、Ａ３１０は、ｘ方向の偏波方向に相応する単一偏波プリコーディングマトリクスとすることができ、ｘ方向の偏波方向に相応する送信アンテナの個数は２つであるため、Ａ３１０の行の個数は２つとすることができる。同じように、Ｂ３２０の行の個数は、２つとすることができる。

このとき、ｘ方向に対する送信ランクが２である場合、Ａ３１０の列の個数は２つとすることができる。同じように、ｙ方向に対する送信ランクが２である場合、Ｂ３２０の列の個数は２つとすることができる。

図６は、本発明の一実施形態による多重偏波ＭＩＭＯシステムにおいて、対角ブロックにＤＦＴプリコーディングマトリクスが割り当てられたプリコーディングマトリクスを示す図である。

図６を参照すると、Ｗ_ＢＤ、１及びＷ_ＢＤ、２は、送信アンテナの個数が４つ、偏波方向の個数が２つ、等しい偏波方向を有する送信アンテナの個数が２つである場合に対するプリコーディングマトリクスである。

下記の数式１８のように示されるＤＦＴプリコーディングマトリクスがプリコーディングマトリクス（Ｗ_ＢＤ、１、Ｗ_ＢＤ、２）の対角ブロックに割り当てられたことが分かる。

このとき、プリコーディングマトリクス（Ｗ_ＢＤ、１、Ｗ_ＢＤ、２）に含まれた列ベクトルの順序が再整列された再整列マトリクス（Ｗ_{ｒｅｏｒｄｅｒ、ＢＤ、１}、Ｗ_{ｒｅｏｒｄｅｒ、ＢＤ、２}、Ｗ_{ｒｅｏｒｄｅｒ、ＢＤ、３}、Ｗ_{ｒｅｏｒｄｅｒ、ＢＤ、４}、Ｗ_{ｒｅｏｒｄｅｒ、ＢＤ、５}、Ｗ_{ｒｅｏｒｄｅｒ、ＢＤ、６}、Ｗ_{ｒｅｏｒｄｅｒ、ＢＤ、７}、Ｗ_{ｒｅｏｒｄｅｒ、ＢＤ、８}）の一例は、下記の数式１９のように示すことができる。

また、再整列マトリクスに対角マトリクスが掛けられることがある。このとき、対角マトリクスの対角要素は、大きさが１である複素数であり、残りの要素は０である。そして、対角マトリクスは、チャンネル容量又はビームフォーミング性能に影響を与えず、単にデータシンボルの変調方式と関連する。

例えば、任意の対角マトリクスを用いて再整列マトリクスに含まれたそれぞれの要素の位相は、下記の数式２０のように調節することができる。このとき、Ｄ_ｉの対角要素は、大きさが１である任意の複素数とすることができる。

また、回転プリコーディングマトリクスＷ_{ＲＢＤ、ｉ}は、再整列マトリクスＷ_{ｒｅｏｒｄｅｒ、ＢＤ、ｉ}と対角マトリクスＤ_ｉを介して生成されたＷ_Ｃ、ｉから生成することができる。より本質的には、回転プリコーディングマトリクスＷ_{ＲＢＤ、ｉ}は、プリコーディングマトリクスＷ_ＢＤ、１、Ｗ_ＢＤ、２の数学的な変形を介して生成することができる。

このとき、プリコーディングマトリクスから再整列マトリクスが生成され、再整列マトリクスに対角マトリクスが掛けられてＷ_Ｃ，ｉが生成された場合、回転プリコーディングマトリクスＷ_{ＲＢＤ、ｉ}は、下記の数式２１を介して生成することができる。

このとき、数式２１を用いて、数式２０に記載されたＷ_Ｃ、ｉに対する回転プリコーディングマトリクスＷ_{ＲＢＤ、ｉ}は、下記の数式２２のように示すことができる。

数式２２を参照すれば、１つの偏波方向に相応する送信アンテナは、基準面に対して＋４５度方向に設置され、残りの１つの偏波方向に相応する送信アンテナは、基準面に対して−４５度方向に設置された場合、回転マトリクスを用いて４つの回転プリコーディングマトリクスを生成することができることが分かる。但し、数式２２には、４つの回転プリコーディングマトリクスが記載されているが、当業者であれば本発明の技術的思想を用いて多様な回転プリコーディングマトリクスを生成することができる。

また、本発明の一実施形態による回転プリコーディングマトリクスＷ_{ＲＢＤ、ｉ}は、下記の数式２３のように示すこともできる。

ここで、数式２２及び数式２３において、Ｗ_{ＲＢＤ、ｉ}を計算すると、下記の数式２４のように示すことができる。

即ち、空間分割多重接続（ＳＤＭＡ）技法によってデータを送／受信する多様な通信装置は、数式２４に記載されたプリコーディングマトリクスのうちの少なくとも１つを用いて通信することができる。このとき、数式２４に記載されたプリコーディングマトリクスは、送信ランクが「４」である場合に関するものであるが、送信ランクによって数式２４に記載されたプリコーディングマトリクスの列ベクトルを選択することにより、多様な送信ランクに相応するプリコーディングマトリクスを生成することができる。

また、基地局（ＢＳ）及び端末機は、数式２４に記載されたマトリクスをコンピュータで判読可能な記録媒体などに格納することができる。基地局がパイロット信号を送信する場合、端末機それぞれは、パイロット信号に応答して格納されたマトリクスのうちのいずれか１つのマトリクスを選択することができる。このとき、それぞれの端末機は、端末機それぞれと基地局との間に形成された無線チャンネルの状態を考慮していずれか１つのマトリクスを選択することもでき、達成されることができるデータ送信率を考慮していずれか１つのマトリクスを選択することもできる。更に、端末機は、選択されたマトリクスに含まれた列ベクトルのうちのいずれか１つのベクトルを選択することもできる。

そして、端末機は、選択されたマトリクスと関連する情報又は選択された列ベクトルと関連する情報を基地局にフィードバックすることができる。このとき、選択されたマトリクスと関連する情報は、選択されたマトリクスのインデックス情報とすることができ、選択された列ベクトルと関連する情報は、選択された列ベクトルのインデックス情報とすることができる。

このとき、基地局は、端末機からフィードバックされた情報を用いて、数式２４に記載されたマトリクスのうちのいずれか１つをプリコーディングマトリクスとして選択することができる。特に、基地局は、ＰＵ２ＲＣ（Ｐｅｒ Ｕｓｅｒ Ｕｎｉｔａｒｙ Ｒａｔｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ）技法によってプリコーディングマトリクスを選択することができる。そして、基地局は、選択されたプリコーディングマトリクスを用いて、送信しようとするデータストリームをプリコーディングすることができる。

即ち、本発明の一実施形態による端末機は、基地局から送信されたパイロット信号を受信する信号受信部と、

のうちの少なくとも１つのＷ_{ＲＢＤ、ｉ}（ここで、ｉは、１から８までの範囲に属する自然数である）を格納するコードブック格納部と、パイロット信号に応答して格納された少なくとも１つのＷ_{ＲＢＤ，ｉ}のうちから対象（ターゲット）マトリクスを選択する選択部と、対象マトリクスと関連した情報を基地局にフィードバックする情報伝達部とを備える。

このとき、選択部は、端末機と基地局との間に形成された無線チャンネルの状態を考慮して、格納された少なくとも１つのＷ_{ＲＢＤ，ｉ}のうちから対象マトリクスを選択することができる。そして、選択部は、達成することができるデータ送信率を考慮して、格納された少なくとも１つのＷ_{ＲＢＤ，ｉ}のうちから対象マトリクスを選択することができる。また、選択部は、パイロット信号に応答して格納された少なくとも１つのＷ_{ＲＢＤ，ｉ}のうちから対象マトリクスを選択し、対象マトリクスに含まれた列ベクトルのうちから少なくとも１つの列ベクトルを更に選択することができる。このとき、情報伝達部は、選択された対象マトリクスのインデックス情報及び選択された少なくとも１つの列ベクトルのインデックス情報を基地局にフィードバックすることができる。

また、本発明の一実施形態による基地局は、

のうちの少なくとも１つのＷ_{ＲＢＤ、ｉ}（ここで、ｉは、１から８までの範囲に属する自然数である）を格納するコードブック格納部と、格納された少なくとも１つのＷ_{ＲＢＤ，ｉ}のうちから端末機によって選択されたマトリクスと関連する情報を受信する情報受信部と、選択されたマトリクスと関連する情報に基づいてプリコーディングマトリクスを選択するマトリクス選択部と、選択されたプリコーディングマトリクスを用いて送信しようとするデータストリームをプリコーディングするプリコーダとを備える。

具体的に、情報受信部は複数の端末機に相応するマトリクスと関連する情報を受信することができ、マトリクスはそれぞれの端末機によって選択され、マトリクス選択部は複数の端末に相応するマトリクスと関連する情報に基づきプリコーディングマトリクスを選択することができる。

図７は、本発明の一実施形態によるコードブック生成装置を示すブロック図である。

図７を参照すると、本発明の一実施形態によるコードブック生成装置は、単一偏波プリコーディングマトリクス割当部５１０と、ゼロマトリクス割当部５２０と、プリコーディングマトリクス生成部５３０と、プリコーディングマトリクス再構成部５４０と、回転プリコーディングマトリクス生成部５５０と、位相調節部５６０とを備える。

単一偏波プリコーディングマトリクス割当部５１０は、送信アンテナの偏波方向の個数によって分割された複数のブロックのうち、対角ブロックに単一偏波プリコーディングマトリクスを割り当てる。

また、ゼロマトリクス割当部５２０は、対角ブロックではない残りのブロックにゼロマトリクスを割り当てる。

また、プリコーディングマトリクス生成部５３０は、対角ブロックに割り当てられた単一偏波プリコーディングマトリクス及び残りのブロックに割り当てられたゼロマトリクスを組み合わせてプリコーディングマトリクスを生成する。

また、プリコーディングマトリクス再構成部５４０は、送信しようとするデータストリームの個数に相応する送信ランクによってプリコーディングマトリクスに含まれた少なくとも１つの列ベクトルを選択してプリコーディングマトリクスを再構成する。

また、回転プリコーディングマトリクス生成部５５０は、送信アンテナの偏波方向が回転した場合、プリコーディングマトリクス及び偏波方向の回転角度に相応する回転マトリクスを用いて回転プリコーディングマトリクスを生成する。

このとき、回転プリコーディングマトリクス生成部５５０は、プリコーディングマトリクスに含まれた列ベクトルを再整列して再整列マトリクスを生成し、再整列マトリクス及び回転マトリクスを用いて回転プリコーディングマトリクスを生成することができる。

また、位相調節部５６０は、対角マトリクスを用いて再整列マトリクスに含まれたそれぞれの要素の位相を調節する。

図７に示す装置に関して説明していない事項は、図１〜６を参照しながら既に詳細に説明したため、以下では省略する。

また、本発明の一実施形態によって生成されたプリコーディングマトリクスを含むマトリクスは、多様な通信装置に格納されて用いることができる。例えば、通信装置は、本発明の一実施形態によって生成されたマトリクスを用いて空間分割多重接続（ＳＤＭＡ）方式でデータを送／受信することができる。このとき、通信装置は、基地局、中継器、端末機など、空間分割多重接続通信のための多様な装置を含むことができる。

即ち、送信アンテナの偏波方向の個数によって分割された複数のブロックのうち、対角ブロックに単一偏波プリコーディングマトリクスが割り当てられ、対角ブロックではない残りのブロックにはゼロマトリクスが割り当てられて生成されたプリコーディングマトリクスは、通信装置に格納することができる。

このとき、プリコーディングマトリクスは、対角ブロックに割り当てられた単一偏波プリコーディングマトリクス及び残りのブロックに割り当てられたゼロマトリクスが組み合わされて生成されたものとすることができる。

また、本発明の一実施形態による通信装置は、送信しようとするデータストリームの個数に相応する送信ランクによってプリコーディングマトリクスに含まれた少なくとも１つの列ベクトルを選択して再構成されたマトリクスを格納することができる。

また、本発明の一実施形態による通信装置は、送信アンテナの偏波方向が回転した場合、プリコーディングマトリクス及び偏波方向の回転角度に相応する回転マトリクスを用いて生成された回転プリコーディングマトリクスを格納することができる。

また、本発明の一実施形態による通信装置は、プリコーディングマトリクスに含まれた列ベクトルの順序を再整列して再整列マトリクスを生成し、再整列マトリクス及び回転マトリクスを用いて生成されたマトリクスを格納することができる。

また、本発明の一実施形態による通信装置は、対角マトリクスを用いて再整列マトリクスに含まれたそれぞれの要素の位相が調節されたマトリクスを格納することができる。

もし、通信装置が、３ＧＰＰ、スーパー３Ｇ（ＬＴＥ）、３ＧＰＰ２、及び将来の４Ｇシステムのような無線通信網における複数のユーザ装置（ＵＥｓ）を維持するのに用いられる基地局である場合、基地局は、基地局に格納されたマトリクスを用いてデータストリームをビームフォーミングした送信信号を送信することができる。即ち、基地局は、本発明によるマトリクスを格納するコードブック格納部と、格納されたマトリクスを用いてデータストリームをビームフォーミングするビームフォーマ（ｂｅａｍ ｆｏｒｍｅｒ）とを備えることができる。

反対に、通信装置が端末機である場合、端末機は、端末機に格納されたコードブックから選択されたマトリクスを用いてフィードバックデータを生成することができる。フィードバックデータは基地局がビームフォーミングを遂行するのに用いられ、複数のデータストリームが、端末に格納されたコードブックから選択されたマトリクスと関連する送信アンテナから放射される。即ち、端末機は、本発明によるマトリクスを格納するコードブック格納部と、コードブック格納部に格納されたマトリクスを用いて基地局と形成された無線チャンネルに相応するフィードバックデータを生成するフィードバックデータ生成部とを備えることができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。

１１１、１１２、１２１、１２２、１２３、１２４、１３１、１３２、１３３、１３４ 送信アンテナ
１１３、１１４、１２５、１２６、１３５、１３６、１３７、１３８ 受信アンテナ
５１０ 単一偏波プリコーディングマトリクス割当部
５２０ ゼロマトリクス割当部
５３０ プリコーディングマトリクス生成部
５４０ プリコーディングマトリクス再構成部
５５０ 回転プリコーディングマトリクス生成部
５６０ 位相調節部

Claims (17)

1. 

   を含むコードブックに関連する情報を格納するコードブック格納部と、
   前記格納された前記コードブックに関連する情報から対象マトリクスを選択する選択部と、
   前記対象マトリクスに関連する情報を基地局にフィードバックする情報伝達部と、を備えることを特徴とする端末機。
2. 前記選択部は、
   前記端末機と前記基地局との間に形成された無線チャンネルの状態に基づいて、前記コードブックに関連する情報から前記対象マトリクスを選択することを特徴とする請求項１に記載の端末機。
3. 前記選択部は、
   達成することができるデータ送信率に基づいて、前記コードブックから前記対象マトリクスを選択することを特徴とする請求項１に記載の端末機。
4. 前記コードブックは、
   

   

   を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の端末機。
5. 前記選択部は、
   前記コードブックから前記対象マトリクスを選択し、前記選択された対象マトリクスに含まれる列ベクトルから少なくとも１つの列ベクトルを選択し、
   前記情報伝達部は、
   前記選択された対象マトリクスに関連する情報及び前記選択された少なくとも１つの列ベクトルに関連する情報を前記基地局にフィードバックすることを特徴とする請求項１に記載の端末機。
6. 前記情報伝達部は、
   前記選択された対象マトリクスのインデックス情報及び前記選択された少なくとも１つの列ベクトルのインデックス情報を前記基地局にフィードバックすることを特徴とする請求項５に記載の端末機。
7. 基地局から送信されたパイロット信号を受信するステップと、
   

   

   を含むコードブックに関連する情報を格納するステップと、
   前記パイロット信号に応答して、前記コードブックから対象マトリクスを選択するステップと、
   前記選択された対象マトリクスに関連する情報を前記基地局にフィードバックするステップと、を有することを特徴とする端末機の動作方法。
8. 前記コードブックは、
   

   

   を更に含むことを特徴とする請求項７に記載の端末機の動作方法。
9. 前記対象マトリクスは、
   前記端末機と前記基地局との間に形成された無線チャンネルの前記状態に基づいて、前記コードブックから選択されることを特徴とする請求項７に記載の端末機の動作方法。
10. 前記選択された対象マトリクスに含まれる列ベクトルから少なくとも１つの列ベクトルを選択するステップと、
    前記選択された少なくとも１つの列ベクトルに関連する情報を前記基地局にフィードバックするステップと、を更に含むことを特徴とする請求項７に記載の端末機の動作方法。
11. 前記選択された対象マトリクスに関連する前記情報は、インデックス情報であり、
    前記選択された少なくとも１つの列ベクトルに関連する前記情報は、インデックス情報であることを特徴とする請求項１０に記載の端末機の動作方法。
12. 

    を含むコードブックに関連する情報を格納するコードブック格納部と、
    前記コードブックから端末機によって選択されたマトリクスに関連する情報を受信する情報受信部と、
    前記選択されたマトリクスに関連する情報に基づいてプリコーディングマトリクスを選択するマトリクス選択部と、
    前記選択されたプリコーディングマトリクスを用いて送信しようとするデータストリームをプリコーディングするプリコーダと、を備えることを特徴とする基地局。
13. 前記情報受信部は、
    複数の端末機のそれぞれによって選択されたマトリクスに関連する情報を受信し、
    前記マトリクス選択部は、
    前記複数の端末機のそれぞれによって選択されたマトリクスに関連する前記情報に基づいて前記プリコーディングマトリクスを選択することを特徴とする請求項１２に記載の基地局。
14. 前記コードブックは、
    

    

    を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の基地局。
15. 

    を含むコードブックに関連する情報を格納するステップと、
    前記コードブックからプリコーディングマトリクスを選択するステップと、
    前記選択されたプリコーディングマトリクスを用いて送信しようとするデータストリームをプリコーディングするステップと、を有することを特徴とする基地局の動作方法。
16. 前記コードブックは、
    

    

    を更に含むことを特徴とする請求項１５に記載の基地局の動作方法。
17. 複数の端末機のそれぞれによって選択された前記マトリクスに関連する情報を前記コードブックから受信するステップを更に含み、
    前記プリコーディングマトリクスは、
    前記マトリクスに関連する情報に基づいて選択されることを特徴とする請求項１５に記載の基地局の動作方法。

Images