JP4230535B2 - スペクトル的に効率的な大容量ワイヤレス通信システム - Google Patents

Description

発明の背景
本発明はワイヤレス通信システムに関し、より詳しく述べれば、アンテナアレイ及び信号処理を使用してワイヤレス通信システムの容量及び性能を劇的に向上させることに関する。
ワイヤレス通信システムは、普通の有線システムが使用できないか、信頼できないか、または高額過ぎるような領域において、普通の有線通信システムを補足するために、及び若干の場合にはそれらの代わりとして使用することができる。これらの領域の例は、広い地域に少数のユーザが広がっている田舎領域、既存基礎構造が殆ど、または全く存在していない未開発領域、信頼性が重要視されるにも拘わらず有線基礎構造が信頼できないような応用、及び独占的有線サービスプロバイダが人為的に高価格を維持しているような政治的環境である。大都市領域及び高度に発展した国においてさえワイヤレス通信システムは、低価格で遍在する通信、新しい柔軟なデータサービス、及び緊急通信システムとして使用することができる。一般的には、ワイヤレス通信システムは、普通の電話システムのような音声通信に、及び無線をベースとする広域ネットワークまたはローカルエリアネットワークにおけるデータ通信に使用することができる。
ワイヤレスユーザは、セルラ電話機及び無線トランシーバを装備したデータモデムのような遠隔端末を使用してワイヤレス通信システムにアクセスする。これらのシステム（及び、特に遠隔端末）は、開始呼出し、受信呼出し、及び情報の一般転送のためのプロトコルを有している。情報転送は、回線交換音声変換及びファックスの場合におけるように実時間で、または電子メール、ページング、及び他の類似メッセージ転送システムの場合に屡々行われているように蓄積交換（ストア・アンド・フォワード）方式で遂行することができる。
一般にワイヤレス通信システムには、それらの動作に対して無線周波数スペクトルの一部分が割当てられる。スペクトルの割当てられた部分は、複数の通信チャネルに分割される。これらのチャネルは、周波数によって、時間によって、コードによって、またはそれらのある組合わせによって区別することができる。本明細書においては、これらの各通信チャネルを「普通のチャネル」という。使用可能な周波数割当てに依存して、ワイヤレスシステムは１乃至数百の通信チャネルを有することができる。全二重通信リンクを得るために、典型的には、若干の通信チャネルが基地局からユーザ遠隔端末への通信（ダウンリンク）のために使用され、他の通信チャネルがユーザ遠隔端末から基地局への通信（アップリンク）のために使用される。
ワイヤレス通信システムは、一般に１つまたはそれ以上の無線基地局を有しており、各基地局は、セルとして知られている地理的領域に対してカバレッジを提供し、また公衆交換電話回路網（ＰＳＴＮ）のような広域ネットワークへの接続を提供するポイント・オブ・プレゼンス（ＰｏＰ）として働くことが多い。システムのユーザが経験する混信の大きさを最小にすることを企図して、使用可能な通信チャネルの所定の部分集合を各無線基地局に割当てることが多い。そのセル内において無線基地局は、各遠隔端末毎に異なる普通の通信チャネルを使用することによって、多くの遠隔端末と同時に通信することができる。
上述した基地局は、１つまたはそれ以上の有線通信システムへの接続を提供するＰｏＰとして働く。これらのシステムは、ローカルデータネットワーク、広域データネットワーク、及びＰＳＴＮを含む。従って、遠隔ユーザには、ローカル及び／または広域データサービス、及びローカル公衆電話システムへのアクセスが提供される。基地局は、ローカルエリア緊急通信システム及び戦場移動通信システムにおけるように有線ネットワークへ直接的にアクセスすることをせずに、ローカル接続性を提供するためにも使用される。基地局は、いろいろな種類の接続性を提供することができる。上例においては、２人のユーザ間をほぼ等量の情報量が両方向に流れるような二地点間通信を想定している。対話形テレビジョンのような他の応用では、情報が全てのユーザへ同時に放送され、多くの遠隔ユニットからのレスポンスが基地局において処理される。
しかしながら、普通のワイヤレス通信システムは、スペクトル的に比較的非効率である。普通のワイヤレス通信システムにおいては、一時に１つの遠隔端末だけがあるセル内の何れか１つの普通のチャネルを使用できる。もしセル内の１つより多くの遠隔端末が同時に同一チャネルを使用しようとすれば、それらの遠隔端末に関連付けられたダウンリンク及びアップリングが互いに混信し合う。普通の受信機技術はこれらの組合わされたアップリンク及びダウンリンク信号の混信を排除することはできないから、混信が存在する場合、遠隔端末は基地局との有効な通信に使用することができない。従って、システムの合計容量は基地局が使用できる普通のチャネルの数によって制限され、総合システムにおいてはこれらのチャネルを複数のセルの間で再使用する方法によって制限される。従って、普通のワイヤレスシステムは、有線通信システムの容量とはとても比較できない容量しか使用することができない。
発明の概要
従って、本発明の目的は、アンテナアレイ及び信号処理を使用して、受信（アップリンク）信号の組合わせを分離することである。本発明の別の目的は、空間的に多重化したダウンリンク信号を伝送することである。その結果として、ワイヤレス通信システムのスペクトル的な効率、容量、信号の質、及びカバレッジが劇的に向上する。容量は、互いに混信させることなくセル内の同一の普通の通信チャネルを複数のユーザが同時に共用できるようにすることによって、更に、多くのセルをカバーしている地理的領域内の同一の普通のチャネルをより屡々再使用できるようにすることによって増大する。信号の質及びカバレッジエリアは、複数のアンテナ素子から受信され、それらによって送信される信号を知的に処理することによって改善される。更に、本発明のさらなる目的は、普通のチャネルを基地局及び遠隔端末の間に動的に割当てることによって容量利得を提供することである。
要約すれば本発明は、ワイヤレス通信システムの容量、信号の質、及びカバレッジを向上させ、総合システム費用を低減させるために、ワイヤレス通信システム内の受信機及び送信機の空間シグネチャを測定し、計算し、格納し、そして使用するためのアンテナアレイ及び信号処理手段を備えている。アンテナアレイ及び信号処理手段は、基地局（ＰｏＰ）及び遠隔端末において使用することができる。一般的に言えば、普通は限定された数の通信リンクだけが管理されている遠隔端末よりも多くの信号が集中する基地局において、異なる処理要求が存在し得る。
一つの例として、ワイヤレスローカルループ応用において、特定の基地局は、多くの遠隔端末のためのＰｏＰとして役立つことができ、以下に説明するアンテナアレイ及び信号処理を使用する。更に、より少ない通信リンクを操作するより簡単な遠隔端末の容量及び信号の質を更に改善するために、遠隔端末はアンテナアレイ及び信号処理を使用することができる。ここに、基地局と遠隔端末との差は、一般に基地局は多数の遠隔ユニットに同時に接続され、多分広域ネットワークへの大容量接続を提供する集信装置として働くことである。明瞭化の目的から以下の説明の殆どはアンテナアレイを使用しない簡単な遠隔端末についてであるが、本発明はこのような応用に限定されるものではないことを理解されたい。例えば、本明細書では空間シグネチャは主として、遠隔端末においてアンテナアレイを使用した時の遠隔端末に関係付けているが、基地局も同様に関連空間シグネチャを有している。
要約すれば、特定の周波数チャネル上の各遠隔端末／基地局対には２つの空間シグネチャが関連付けられ、説明の目的から、基地局だけがアンテナアレイを有しているものとする。基地局は、それらのセル内の各遠隔端末を、基地局のアンテナアレイが送信した信号を遠隔端末がどのように受信したのかのに関係がある空間シグネチャと、遠隔端末が送信した信号を基地局の受信アンテナアレイがどのように受信したのかのに関係がある第２の空間シグネチャとに関連付ける。多くの普通のチャネルを有するシステムでは、各遠隔端末／基地局対は、各普通のチャネル毎に送信及び受信空間シグネチャを有している。
受信空間シグネチャは、基地局アンテナアレイが、特定の普通のチャネル内の特定の遠隔ユニットからの信号をどのように受信したかを特徴付けている。一実施例では、それは各アンテナ素子受信機のレスポンス（ある基準に対する振幅及び位相）を含む複素ベクトルであり、ｍ素子アレイの場合には、
ａ_br＝［ａ_br（1）,ａ_br（2）,...,ａ_br（m）］^T （１）
である。ここにａ_br（i）は、遠隔端末から送信された信号の単位電力に対するｉ番目の受信機のレスポンスである。狭帯域信号ｓ_r（t）が遠隔端末から送信されるものとすれば、時点ｔにおける基地局受信機の出力は、
ｚ_b（t）＝ａ_brｓ_r（ｔ−τ）＋ｎ_b（t） （２）
によって与えられる。ここにτは、遠隔端末と基地局アンテナアレイとの間の平均伝播遅延を斟酌するものであり、ｎ_b（t）は環境及び受信機内に存在する雑音を表している。
送信空間シグネチャは、特定の普通のチャネル内の基地局の各アンテナアレイからの信号を遠隔端末がどのように受信したかを特徴付けている。一実施例では、それは遠隔受信機出力内に含まれている各アンテナ素子送信機出力の相対量（ある基準に対する振幅及び位相）を含む複素ベクトルであり、ｍ素子アレイの場合には、
ａ_rb＝［ａ_rb（1）,ａ_rb（2）,...,ａ_rb（m）］^T （３）
である。ここにａ_rb（i）は、基地局アレイ内のｉ番目の素子から送信された単位電力信号に対する遠隔端末受信機出力の振幅及び位相（ある固定された基準に対する）である。複素信号ｓ_b＝［ｓ_b（1）,...,ｓ_b（m）］^Tのベクトルがアンテナアレイから送信されたものとすれば、遠隔端末受信機の出力は、
ｚ_r（t）＝ａ_rbｓ_b（ｔ−τ）＋ｎ_r（t） （４）
によって与えられる。ここにｎ_r（t）は、環境及び受信機内に存在する雑音を表している。これらの空間シグネチャは、そのセル内の各遠隔端末毎に、及び各普通のチャネル毎に各基地局において計算（推定）され、格納される。固定された遠隔端末、及び静止環境内の基地局の場合、空間シグネチャは稀に更新することができる。しかしながら一般的には、基地局と遠隔端末との間の無線周波数伝播環境の変化がシグネチャを変化させ、それらを更新することを要求することがあり得る。以下の説明では、括弧内の時間独立変数は省略し、括弧内の整数は単にベクトル及び行列内への索引のためだけに使用する。
以上の説明では、受信機と送信機とが時間的に整合しているものとしていた。もし時間的なレスポンスに差が存在すれば、これらは公知の時間濾波技術を使用して等化させることができる。またチャネル帯域幅は、動作の中心周波数に比して狭いものとした。公知のように、広い帯域幅のチャネルは、出力を正確に記述するためには１つより多くの複素ベクトルを必要とする。
１つより多くの遠隔端末が同時に通信することを望む場合には、基地局における信号処理手段が遠隔端末の空間シグネチャを使用して、それらの部分集合が普通のチャネルを共用することによって同時に基地局と通信できるか否かを決定する。ｍ受信及びｍ送信アンテナ素子を有するシステムでは、ｍまでの遠隔端末が同時に同一の普通のチャネルを共用することができる。
多数の遠隔端末が単一の普通のアップリンクチャネルを共用する場合には、基地局における多数のアンテナ素子が各々、到着するアップリング信号及び雑音の組合わせを測定する。これらの組合わせは、アンテナ素子の相対位置、遠隔端末の位置、及び無線周波数伝播環境によりもたらされる。信号処理手段は、空間逆多重化重みを計算し、多数のアンテナ素子によって測定されたアップリンク信号の組合わせからアップリンク信号を分離することができる。
異なるダウンリンク信号が基地局から遠隔端末へ送られるような応用では、信号処理手段は、空間多重化重みを計算する。これは、多重化ダウンリンク信号を発生させるのに使用され、また基地局のアンテナ素子から送信された時に、各遠隔端末において正しいダンリンク信号が適切な信号の質をもって受信されるようにする。
同一の信号が基地局から多数の（アンテナ素子の数よりも多くの）遠隔端末へ送られるような応用では、信号処理手段は、全ての遠隔端末に到達させるのに必要なエリアをカバーする信号の放送に適切な重みを計算する。
従って、信号処理手段は、同一の普通のチャネル上の基地局と複数の遠隔端末との間の同時通信を容易にする。普通のチャネルは、周波数チャネル、時分割多重化システムにおけるタイムスロット、コード分割多重化システムにおけるコード、またはそれらの何れかの組合わせであることもできる。
一実施例では、単一アンテナアレイの全ての素子が無線周波数信号を送信し、受信する。一方別の実施例では、アンテナアレイは分離した送信アンテナ素子及び受信アンテナ素子を含んでいる。送信及び受信素子の数は同一である必要はない。もしそれらが同一でなければ、１つの普通のチャネル内に同時に確立できる二地点間リンクの最大数は両素子の数の小さい方の数によって与えられる。
本発明、及びその目的及び特色は以下の添付図面に基づく詳細な説明から明白になるであろう。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明による基地局の機能図である。
図２は、基地局内の多重チャネル受信機の機能ブロック図である。
図３は、基地局内の空間デマルチプレクサの機能ブロック図である。
図５は、基地局内の多重チャネル送信機の機能ブロック図である。
図６は、基地局内の空間プロセッサの機能ブロック図である。
図７は、トランスポンダスイッチを有する遠隔端末の機能ブロック図である。
図８は、遠隔端末の機能ブロック図である。
図９は、３つの基地局及び複数の基地局コントローラからなるネットワークシステムの概要図である。
符号の説明
１ 基地局
２ 基地局通信リンク
３ 基地局コントローラ
４ 復調された受信信号
５ 空間的に分離されたアップリンク信号
６ 受信信号測定
７ 逆多重化重み
８ 指向的に送信されるデータ
９ 送信される多重化被変調信号
１０ 変調され、空間的に多重化された被送信信号
１１ 送信される較正信号
１２ 多重化重み
１３ 空間プロセッサ
１４ 多重チャネル送信機
１５ 多重チャネル受信機
１６ａ 多重チャネル受信機
１６ｍ 多重チャネル受信機
１７ａ 多重チャネル送信機
１７ｍ 多重チャネル送信機
１８ａ 送信アンテナ
１８ｍ 送信アンテナ
１９ａ 受信アンテナ
１９ｍ 受信アンテナ
２０ 空間デマルチプレクサ
２１ 加算器
２２ａ 乗算器
２２ｍ 乗算器
２３ 空間マルチプレクサ
２４ 信号変調器
２５ 信号復調器
２６ａ 乗算器
２６ｍ 乗算器
２７ 空間制御データ
２８ 空間パラメタデータ
２９ 受信機共通発振器
３０ 受信機制御データ
３１ 送信機制御データ
３２ 送信機共通発振器
３３ 空間プロセッサコントローラ
３４ 活動遠隔端末リスト
３５ チャネルセレクタ
３６ 遠隔端末データベース
３７ 空間重みプロセッサ
３８ 空間シグネチャプロセッサ
３９ 遠隔端末アンテナ
４０ 遠隔端末デュプレクサ
４１ 遠隔端末デュプレクサ出力
４２ 遠隔端末受信機
４３ 遠隔端末受信信号
４４ 遠隔端末受信較正信号
４５ 遠隔端末復調器
４６ 遠隔端末の復調されたデータ
４７ 遠隔端末キーボード及びキーボードコントローラ
４８ 遠隔端末キーボードデータ
４９ 遠隔端末ディスプレイデータ
５０ 遠隔端末ディスプレイ及びディスプレイコントローラ
５１ 遠隔端末復調器
５２ 遠隔端末被送信データ
５３ 遠隔端末の復調された被送信データ
５４ 遠隔端末送信機
５５ 遠隔端末送信機出力
５６ 遠隔端末送信機制御データ
５７ 遠隔端末受信機制御データ
５８ 遠隔端末マイクロホン
５９ 遠隔端末マイクロホン信号
６０ 遠隔端末スピーカ
６１ 遠隔端末スピーカ信号
６２ 遠隔端末中央処理ユニット
６３ 遠隔端末トランスポンダスイッチ
６４ 遠隔端末トランスポンダスイッチ制御
６５ 広域ネットワーク
６６ 多重基地局コントローラ
６７ａ セル境界
６７ｂ セル境界
６７ｃ セル境界
６８ 高速メッセージリンク
６９ 遠隔端末
発明の説明
図１は、基地局１の好ましい実施例を示す。基地局コントローラ３は、基地局１と基地局通信リンク２を介して何等かの外部接続との間のインタフェースとして動作し、基地局１の総合動作を調和させるのに役立つ。好ましい実施例では、基地局コントローラ３は、普通の中央処理ユニット、及び付属メモリ及びプログラミングで実現されている。
到来するまたはアップリンク無線伝送は、複数ｍの受信アンテナ素子１９（ａ,...,ｍ）からなるアンテナアレイにより受信され、各受信アンテナ素子１９の出力は、位相コヒーレント多重チャネル受信機１５のバンク内のｍ多重チャネル受信機の１つに接続される。多重チャネル受信機１５は、関心周波数帯域にまたがる振幅及び位相レスポンスが十分に整合しているか、または公知のように、何等かの差を斟酌するように接続フィルタが実現されている。
図示実施例は、普通の周波数分割多重アクセスシステムを示している。各多重チャネル受信機は、複数の周波数チャネルを処理することができる。受信機が処理できる普通の周波数チャネルの最大数を記号Ｎ_ccで表すことにする。ワイヤレス通信システムの動作のために割当てられた周波数、及び特定の通信リンクのために選択された帯域幅に依存して、Ｎ_ccは１のように小さく（単一の周波数チャネル）するか、または1000のように大きくすることができる。代替実施例では多重チャネル受信機１５は、代わりに、複数のタイムスロット、複数のコード、またはこれらの公知の多くのアクセス技術のある組合わせを処理することができる。
各普通のチャネルにおいては、各受信アンテナ素子１９（ａ,...,ｍ）は、この普通のチャネルを共用している遠隔端末から到着するアップリンク信号の組合わせを測定する。これらの組合わせは、アンテナ素子の相対位置、遠隔端末の位置、及び無線周波数伝播環境によってもたらされ、狭帯域信号の場合は式（２）によって与えられる。
図２は、基地局において使用される各普通の周波数チャネル毎に１つずつの複数のアンテナ素子接続受信機共通局部発振器２９、及び受信信号の測定６を有する個々の多重チャネル受信機１６（ａ,...,ｍ）を示している。受信機共通局部発振器２９は、受信アンテナ素子１９（ａ,...,ｍ）からの信号がコヒーレントに基地局にダウン変換されるようにしており、そのＮ_cc周波数は多重チャネル受信機１６（ａ,...,ｍ）が全ての関心Ｎ_cc周波数チャネルを抽出するように設定されている。受信機共通局部発振器２９の周波数は、受信機制御データ３０を介して空間プロセッサ１３（図１）によって制御される。多重周波数チャネルの全てが、ある連続周波数帯域内に含まれているような代替実施例では、共通局部発振器は全帯域をダウン変換するために使用され、ダウン変換された信号はディジタル化され、ディジタルフィルタ及びデシメータが公知の技術を使用してチャネルの所望の部分集合を抽出する。
図示実施例は周波数分割多重アクセスシステムを示している。時分割多重アクセスシステムまたはコード分割多重アクセスシステムでは、共通発振器２９は、空間プロセッサ１３から受信機制御データ３０を介して多重チャネル受信機１６（ａ,...,ｍ）へそれぞれ共通タイムスロットまたは共通コード信号を中継するように増補されよう。これらの実施例では、多重チャネル受信機１６（ａ,...，ｍ）は基地局へのダウン変換の他に、普通の時分割チャネルまたは普通のコード分割チャネルの選択を遂行する。
再度図１を参照する。多重チャネル１５が発生する受信信号測定６は、空間プロセッサ１３及び１組の空間デマルチプレクサ２０へ供給される。この実施例では、受信信号測定６は、各Ｎ_cc周波数チャネル毎にｍ複素ベースバンド信号を含んでいる。
図６は、空間プロセッサ１３のより詳細なブロック線図である。空間プロセッサ１３は、各普通の周波数チャネル毎の各遠隔端末毎に空間シグネチャを発生して維持し、空間デマルチプレクサ２０及び空間マルチプレクサ２３が使用する空間多重化重み及び空間逆多重化重みを計算する。好ましい実施例では、空間プロセッサ１３は、普通の中央処理ユニットを使用して実現されている。受信信号測定６は空間シグネチャプロセッサ３８へ印加され、空間シグネチャプロセッサ３８は空間シグネチャを推定し、更新する。空間シグネチャは、遠隔端末データベース３６内の空間シグネチャリスト内に格納され、チャネルセレクタ３５及び空間重みプロセッサ３７によって使用される。空間重みプロセッサ３７は、逆多重化重み７及び多重化重み１２も発生する。空間プロセッサコントローラ３３は空間重みプロセッサ３７に接続されており、受信機制御データ３０、送信機制御データ３１、及び空間制御データ２７をも発生する。
再び図１を参照する。空間デマルチプレクサ２０は、空間逆多重化重み７に従って受信信号測定６を組合わせる。図３は単一の普通のチャネルのための空間デマルチプレクサ２０を示している。この実施例では、空間デマルチプレクサ２０の算術演算は、汎用演算チップを使用して遂行される。図３においてｚ_b（i）は単一の普通のチャネルの受信信号測定ベクトル６のｉ番目の成分を表し、ｗ^* _rx（i）はこの普通のチャネルを使用している遠隔端末のための空間逆多重化重みベクトル７のｉ番目の複素共役を表す。
空間デマルチプレクサ２０は、各普通のチャネル上の各遠隔端末毎に、受信信号測定６を用いて普通のチャネルの空間逆多重化重み７の内積を計算する。
ｗ^* _rxｚ_b＝ｗ^* _rx（1）ｚ_b（1）＋...＋ｗ^* _rx（m）ｚ_b（m） （５）
ここに、（・）^*は複素共役を表し、括弧内の数字は要素番号を表し（例えば、ｗ^* _rx（i）はベクトルｗ_rxのｉ番目の成分である）、乗算は乗算器２２（ａ,...,ｍ）によって遂行され、そして加算は加算器２１によって遂行される。各普通のチャネル上の各遠隔端末毎に式（５）によって与えられる加算器２１の出力は空間的に分離されたアップリンク信号５からなる。
再度図１を参照する。空間デマルチプレクサ２０の出力は、基地局と通信している各遠隔端末毎の空間的に分離されたアップリンク信号５である。空間的に分離されたアップリンク信号５は信号復調器２５によって復調され、基地局と通信している各遠隔端末毎の復調された受信信号４にされる。復調された受信信号４及び対応する空間制御データ２７は基地局コントローラ３へ印加される。
遠隔端末が送った信号のチャネルコーディングが遂行されるような実施例においては、基地局コントローラ３は復調された受信信号４を空間プロセッサ１３へ送り、空間プロセッサ１３は公知のデコーディング技術を使用してビット誤り率（ＢＥＲ）を推定し、それらを遠隔端末データベース３６内に格納されている受入れ可能なしきい値と比較する。もしＢＥＲが受入れられなければ、空間プロセッサ１３は問題を解消するように資源を再割当てする。一実施例では、受入れられないＢＥＲを有するリンクは、新しいユーザを追加するのと同じ戦略を使用して新チャネルに割当てられる（但し、その特定のチャネルの現在のユーザの集合が変化しない限り現チャネルは受入れられない）。更に、その普通のチャネルが使用可能である時には、その遠隔端末／基地局対のための受信シグネチャの再較正が遂行される。
送信の場合、信号変調器２４は、基地局が送信する各遠隔端末毎に被変調信号９を発生し、各遠隔端末毎に１組の空間多重化重み１２が空間マルチプレクサ２３内のそれぞれの被変調信号に適用され、各ｍ送信アンテナ１８（ａ,...,ｍ）及びＮ_ccの各普通のチャネル毎に、送信される空間的に多重化された信号が生成される。
図示の実施例では、ダウンリンクの普通のチャネルの数Ｎ_ccは、アップリンクの普通のチャネルの数Ｎ_ccと同数である。他の実施例では、アップリンクの普通のチャネルとダウンリンクの普通のチャネルとではチャネルの数が異なっていても差し支えない。更に、チャネルは、ダウンリンクが広帯域ビデオチャネルからなり、アップリンクが狭帯域オーディオ／データチャネルを使用している対話形テレビジョン応用の場合のように、異なる形及び帯域幅であることもできる。
また図示実施例は、送信及び受信のアンテナ素子が同数ｍであるとして示されている。他の実施例では、送信アンテナ素子の数と受信アンテナ素子の数は、送信のために１つの送信アンテナ素子だけを無指向性で使用する（対話形テレビジョン応用におけるような）場合まで、及びそれを含むように異ならせることができる。
図４は、特定の普通のチャネル上の１つの遠隔端末のための空間マルチプレクサを示している。空間マルチプレクサ２３における算術演算は、汎用演算チップを使用して遂行される。この普通のチャネル上のこの遠隔端末のために予定された被変調９の成分はｓ_bで表され、またｗ_tx（i）はこの普通のチャネル上のこの遠隔端末のための空間多重化重みベクトル１２のｉ番目の成分を表している。
各普通のチャネル上の各遠隔端末毎に、空間マルチプレクサ２３は、その空間多重化重みベクトル（空間多重化重み１２から）と、その被変調信号ｓ_b（被変調信号９から）との積を計算する。

ここに（・）^*は複素共役（転置）であり、乗算は乗算器２６（ａ,...,ｍ）によって遂行される。各普通のチャネル毎に、この普通のチャネル上で送信されている各遠隔端末毎の空間マルチプレクサ２３によって式（６）が評価される。各遠隔端末に対応しているのは、異なる多重化重みベクトル及び被変調信号である。各普通のチャネル毎に、空間マルチプレクサ２３は、この普通のチャネル上で送信されている各遠隔端末毎の空間的に多重化された信号を加算し、各アンテナから各普通のダウンリンクチャネル毎に送信される信号である変調された、そして空間的に多重化された信号１０を生成する。
変調された、そして空間的に多重化された信号１０は、ｍ位相コヒーレント多重チャネル送信機１４のバンクへ入力される。多重チャネル送信機１４は、関心周波数帯域にまたがって十分に整合した振幅及び位相レスポンスを有しているか、または公知のように、何等かの差を斟酌するように補正フィルタが実現されているかの何れかである。図５は、アンテナ接続、送信機共通局部発振器３２、及びディジタル入力１０を有する多重チャネル送信機１７（ａ,...,ｍ）を示している。送信機共通局部発振器３２は、送信アンテナ１８（ａ,...,ｍ）による送信中に、空間的に多重化された信号１０の相対位相を保存するようにしている。送信機共通局部発振器３２の周波数は、送信機制御データ３１を介して空間プロセッサ１３（図１参照）によって制御される。
代替実施例では、空間マルチプレクサ２３は公知のベースバンド多重化技術を使用して、送信される計算済の普通のチャネル信号の全てを、変調されずに各多重チャネル送信機１７（ａ,...,ｍ）から送信される単一の広帯域信号に多重化する。この多重化は、適切に、ディジタル的に、またはアナログで遂行することができる。
図示実施例は、多重周波数チャネルを有するシステムを示している。時分割多重アクセスまたはコード分割多重アクセスシステムでは、共通発振器３２は、空間プロセッサ１３から送信機制御データ３１を介して多重チャネル送信機１７（ａ,...,ｍ）へそれぞれ共通タイムスロットまたは共通コード信号を中継するように増補されよう。
再度図１を参照する。送信空間シグネチャが要求されるような応用では、空間プロセッサ１３は、特定の普通のダウンリンクチャネル上の各アンテナ毎に所定の較正信号１１を送信することもできる。空間プロセッサ１３は、送信機制御データ３１を介して多重チャネル送信機１７（ａ,...,ｍ）に（特定の普通のダウンリンクチャネルのための空間的に多重化された信号１０の代わりに）所定の較正信号を送信するように指令する。これは、この普通のダウンリンクチャネル上の遠隔端末の送信空間シグネチャを決定するために使用される１つのメカニズムである。
遠隔端末に送信される信号をエンコードするために公知のチャネルコーディング技術が使用されるような代替実施例では、遠隔端末は公知のデコーディング技術を使用してＢＥＲを推定し、それをアップリンクチャネルを通して基地局へ送り返す。もしこれらのＢＥＲが受入れ可能な限度を超えていれば、補正動作が行われる。一実施例では、この補正動作は、新しいユーザを追加するのと同じ戦略を使用することによって資源を再割当てすることを含む（但し、その特定のチャネルの現在のユーザの集合が変化しない限り現チャネルは受入れられない）。更に、その普通のチャネルが使用可能である時には、その遠隔端末／基地局対のための送信シグネチャの再較正が遂行される。
図７は、音声通信を提供する遠隔端末内の成分配列を示している。遠隔端末のアンテナ３９は、アンテナ３０を送信及び受信の両方のために使用できるようにデュプレクサ４０に接続されている。代替実施例では、分離した受信アンテナ及び送信アンテナを使用してデュプレクサ４０の必要性を排除している。受信及び送信は同一周波数チャネルで行われるが時間を異ならせるような別の代替実施例では、公知のようにデュプレクサ４０の代わりに送信／受信（ＴＲ）スイッチを使用している。デュプレクサ４０の出力４１は受信機４２への入力として役立っている。受信機４２はダウン変換された信号４３を発生し、この信号は復調器４５へ入力される。復調された受信音声信号６１はスピーカ６０へ入力される。
復調された受信制御データ４６は、遠隔端末中央処理ユニット（ＣＰＵ）６２へ供給される。復調された受信制御データ４６は、呼出し準備及び終了中に基地局１からデータを受信するために使用される。代替実施例では、遠隔端末が受信する信号の質（ＢＥＲ）を決定して上述したように基地局へ送り返すために使用される。
遠隔端末ＣＰＵ ６２は標準マイクロプロセッサを使用して実現されている。遠隔端末ＣＰＵ ６２は、遠隔端末の受信チャネルを選択するための受信機制御データ５７、遠隔端末の送信チャネル及び電力レベルを設定するための送信機制御データ５６、送信される制御データ５２、及び遠隔端末ディスプレイ５０のためのディスプレイデータ４９をも生成する。また遠隔端末ＣＰＵ ６２は、遠隔端末キーボード４７からキーボードデータ４８を受信する。
マイクロホン５８から送信される遠隔端末の音声信号５９は、変調器５１へ入力される。送信される制御データ５２は遠隔端末ＣＰＵ ６２によって供給される。送信される制御データ５２は、呼出し準備及び終了中に基地局１へデータを送信するために、並びに呼出しの質の測定（例えば、ビット誤り率（ＢＥＲ））のような呼出し中の情報を送信するために使用される。変調器５１が出力する送信される被変調信号５３は送信機５４によってアップ変換され、増幅されて送信機出力信号５５にされる。送信機出力５５は、アンテナ３９によって送信するためにデュプレクサ４０へ入力される。
代替実施例では、遠隔端末はディジタルデータ通信を行う。復調された受信音声信号６１、スピーカ６０、マイクロホン５８、及び送信される音声信号５９は、外部データ処理デバイス（例えば、コンピュータ）との間にデータの送受信を可能にする公知のディジタルインタフェースに置換されている。
再び図７を参照する。遠隔端末は、遠隔端末ＣＰＵ ６２によって制御される（スイッチ制御信号６４を通して）スイッチ６３を介して、受信データ４３を基地局１へ送り返すことができる。遠隔端末が基地局によって較正モードに入ることを指令されている場合には、遠隔端末ＣＰＵ ６２はスイッチ制御信号６４をトグルさせ、それにより受信データ４３で送信機５４を駆動するようにスイッチ６３に指令する。
図８は、遠隔端末較正機能の代替実施例を示している。図７のスイッチ６３は最早使用されていない。その代わりとして受信機４２の出力は、データ接続４４によって遠隔端末ＣＰＵ ６２に供給される。通常動作中は、遠隔端末ＣＰＵ ６２はデータ接続４４を無視する。較正モード中は、遠隔端末ＣＰＵ ６２は、データ接続４４を使用して遠隔端末の送信空間シグネチャを計算し、送信空間シグネチャは送信される制御データ５２として変調器５１及び送信機５４を通して基地局１へ送り返される。
代替実施例では、遠隔端末に特別な較正手順は必要としない。多くの普通のワイヤレスプロセッサ標準においては、遠隔端末は受信信号強度または受信信号の質を定期的に基地局へ報告するようになっている。この実施例では、上述したような遠隔端末の送信空間シグネチャを計算するのに受信信号強度報告で十分である。
発明の動作
一般原理−基地局
多くの点で、図１に示すスペクトル的に効率的な基地局は、標準ワイヤレス通信システム基地局に極めて類似の挙動をする。主要な差は、スペクトル的に効率的な基地局が、普通の通信チャネルが有しているより多くの、より類似した会話を支援することである。普通の通信チャネルは、周波数チャネル、時チャネル、コードチャネル、またはそれらの組合わせであることができる。空間マルチプレクサ／デマルチプレクサは、これらの各普通のチャネル上に多重空間チャネルを許容することによってシステム容量を増加させる。更に、多重受信アンテナからの信号を組合わせることによって、空間デマルチプレクサ２０は空間的に分離したアップリンク信号５を発生し、それにより標準基地局に比して信号対雑音比が実質的に改善され、混信が減少し、そして多重経路環境における質が改善されるようになる。
図示実施例においては、アンテナアレイ及び空間信号処理を組み入れた複数の遠隔端末及び基地局からなるワイヤレス通信システムが説明される。これらのシステムは、例えばローカルＰＳＴＮへのワイヤレスアクセスを提供する応用を有している。情報転送（または、呼出し）は、遠隔端末によって、または基地局３を通して通信リンク２によって開始される。公知のように、呼出し初期化がダウンリンク及びアップリンク制御チャネル上で行われる。本実施例では、ダウンリンク制御チャネルは、送信アンテナ１８（ａ,...,ｍ）を使用して送信される。代替実施例では、ダウンリンク制御チャネルは、単一の無指向性アンテナから放送される。基地局コントローラ３は呼出し内に含まれている遠隔端末の識別を空間プロセッサ１３へ引渡し、空間プロセッサ１３は格納されているその遠隔端末の空間シグネチャを使用して、その遠隔端末がどの普通の通信チャネルを使用すべきかを決定する。選択されたチャネルが既に幾つかの遠隔端末によって占められているかも知れないが、空間プロセッサ１３はそのチャネル上の全ての遠隔端末の空間シグネチャを使用して、それらが混信を生ずることなくそのチャネルを共用できることを決定する。ｍ受信アンテナ素子及びｍ送信アンテナ素子を有するシステムにおいては、ｍ遠隔端末までが同一の普通のチャネルを共用することができる。より一般的に言えば、同一の時点に同一の普通のチャネルを占めることができる二地点間全二重通信リンクの数は、受信素子の数及び送信素子の数の小さい方の数によって与えられる。
空間プロセッサ１３は、選択されたチャネル及び当該遠隔端末のための計算された多重化及び逆多重化重みを使用して、空間マルチプレクサ２３及び空間デマルチプレクサ２０を構成する。普通の基地局のように、コントローラ３は遠隔端末に（ダウンリンク制御チャネルを介して）連続通信のために選択されたチャネルにスイッチするように命令する。遠隔端末が、公知のように電力制御能力を有している場合には、以下に説明するようにコントローラ３は、同一の普通のチャネルを共用している他の遠隔端末の電力及び各リンク毎に要求される信号の質のようなパラメタに基づいて、遠隔端末にその電力を適切なレベルに調整するようにも命令する。通信が終了すると、遠隔端末はダウンリンク制御チャネルが次の呼出しを待機するその遊休状態に戻る。これで、その「空間チャネル」は別の遠隔端末のために自由になる。
空間処理−基地局
図６は、空間プロセッサ１３のブロック線図である。空間プロセッサ１３は、リンク２７を介して基地局コントローラ３をインタフェースしている空間プロセッサコントローラ３３によって制御される。空間プロセッサコントローラ３３は、制御ライン３１及び３０によって多重チャネル送信機１４及び多重チャネル受信機１５の利得及び周波数設定を制御する。
空間プロセッサ１３は、現在どの遠隔端末が各普通の通信チャネルを使用しているか、並びにそれらの現在の送信電力レベルをカタログしている活動遠隔端末リスト３４を維持している。現在使用されている変調フォーマット、現在の周波数チャネル内の受信機雑音レベル、及び現在の信号の質要求のような遠隔端末の他のパラメタも格納されている。空間プロセッサ１３は、遠隔端末データベース３６内に空間シグネチャリスト（代替実施例では、遠隔端末電力制御レベルを含む）も維持しており、それによって受信及び送信用の普通の周波数チャネル及び変調フォーマットのリストを理解できるようにしている。
遠隔端末データベース３６内の空間シグネチャリストは、各遠隔端末毎に動作周波数毎の送信空間シグネチャａ_rb及び受信空間シグネチャａ_brを含んでいる。別の実施例では、空間シグネチャの質の推定（例えば、推定誤り共分散）も格納している。前述したように、特定の遠隔端末及び特定周波数チャネルのための送信空間シグネチャａ_rbは、その特定周波数で同一の（等振幅及び位相）単位電力狭帯域信号が、多重送信機１４及び送信アンテナ１８（ａ,...,ｍ）を通して送信された結果として、その特定遠隔端末に到着したものと想定した相対複素信号振幅のベクトルとして定義される。送信空間シグネチャは、基地局と遠隔端末との間の伝播環境の効果、並びに多重チャネル送信機１４、アンテナケーブル、及び送信アンテナ１８（ａ,...,ｍ）内の何等かの振幅及び位相差を含んでいる。特定の遠隔端末及び特定周波数チャネルのための受信空間シグネチャａ_brは、その特定周波数でその特定遠隔端末から送信された単一の単位電力狭帯域信号によって多重チャネル受信機１６の出力において測定されると想定される複素信号振幅のベクトルとして定義される。
基地局コントローラ１が特定の遠隔端末の呼出し初期化要求をリンク２７を通して転送すると、チャネルセレクタ３５は活動遠隔端末リスト３４を探索してその遠隔端末を受入れることができる普通の通信チャネルを見出す。好ましい実施例では、受信活動遠隔端末リスト及び送信活動遠隔端末リストが存在し、チャネルセレクタ３５はこれらのリストを使用して各普通のチャネル毎に多重化及び逆多重化空間信号行列を形成する。各普通のチャネル毎の逆多重化列、多重化行空間シグネチャ行列は、そのチャネル上で現在活動中の（使用中の）各遠隔端末の格納された受信及び送信空間シグネチャ、プラス通信チャネルを要求している遠隔端末の適切な空間シグネチャを含む１つまたはそれ以上の列である。
各チャネル毎の多重化空間シグネチャ行列Ａ_rb,p（ここにｐは、普通のチャネル番号を表す）が、次式（７）に示すように送信空間シグネチャを使用して形成される。

ここにａⁱ _rb,pはチャネルｐに割当てられたｉ番目の遠隔端末の送信空間シグネチャであり、ｎ_pは普通のチャネルｐ上の遠隔の合計数である。
逆多重化空間シグネチャ行列Ａ_br,pは、式（８）に示すように受信空間シグネチャを使用して形成される。

ここにａⁱ _br,pはチャネルｐに割当てられたｉ番目の遠隔端末の受信空間シグネチャである。
チャネルセレクタ３５は、これらのシグネチャ行列の関数を計算し、基地局と新しい遠隔端末との間の通信をこの選択された普通のチャネル上で成功裏に遂行できるか否かを評価する。好ましい実施例では、チャネルセレクタ３５は先ず、その遠隔端末のための空間多重化及び逆多重化重みを計算し、次いでこれらの重みを使用してリンク性能を推定する。
図示実施例では、空間多重化重みは、式（９）に与えられている行列Ｗ_txの行である。
Ｗ_tx＝Ｓ_b（Ａ_rbＡ^* _rb）^-1Ａ_rb （９）
ここに、（・）^-1は行列の逆数であり、（・）^*は行列の複素共役転置であり、Ａ_rbは関連する普通のチャネルに関連がある多重化空間シグネチャ行列Ａ_rb,pであり、そしてＳ_bは送信される信号の振幅を含む（対角）行列である。送信される振幅Ｓ_bは、好ましい実施例では、遠隔端末受信機平均自乗雑音電圧（Ｎ）の（対角）行列、及び式（１０）に与えられている最小所望信号の質（ＳＮＲ_des）の対角行列を使用して計算する。
Ｓ_b＝（ＳＮＲ_des×Ｎ）^1/2 （１０）
次にチャネルセレクタ３５は、Ｗ_txの各行内の要素の平方の和として、送信される平均・平均自乗（average mean-square）電圧（電力）、

を各要素から計算する。即ち、

また、Ｗ_txの各行内の要素の大きさの和の自乗として、送信されるピーク自乗電圧（電力）Ｐ_b ^peakを各要素から計算する。即ち、
Ｐ_b ^peak＝diag｛abs（Ｗ_tx）Ｉabs（Ｗ^* _tx）｝ （１２）
ここに、Ｉは適切なサイズの全て１の行列であり、abs（・）は要素規模の絶対値である。チャネルセレクタ３５は、これらの値と各送信機毎の限界とを各要素毎に比較する。もし平均値またはピーク値の何れかが受入れ可能な限界を超えれば、当該遠隔端末は候補チャネルに割当てられない。そうでなければ、遠隔端末から成功裏に受信する能力が調べられる。代替実施例では、送信機限界は、与えられた仕様に合致し、且つ考え得る最低量の送信電力をもたらす送信重みを計算するための最適アルゴリズムの不等式制約として使用される。もしこれらの制約を満足する送信重みが見出されなければ、当該遠隔端末は候補チャネルに割当てられない。これらの最適アルゴリズムは公知である。
アップリンクを試験するために、チャネルセレクタ３５は、Ａ_br、好ましい実施例として式（１３）に与えられている関連する普通のチャネルに関連がある逆多重化空間シグネチャ行列Ａ_br,pを使用して空間逆多重化重みＷ_rxを計算する。
Ｗ_rx＝（Ａ_brＰ_rＡ^* _br＋Ｒ_nn）^-1Ａ_brＰ_r （１３）
ここに、Ｐ_rは遠隔端末によって送信される平均自乗振幅（電力）の（対角）行列であり、Ｒ_nnは基地局受信機雑音共分散である。次に、正規化された平均自乗誤り共分散の予測値が、一実施例では次のようにして計算される。

（ここに（・）^-*/2は、行列の平方根の複素共役転置を表す。ＭＳＥの逆数が、空間デマルチプレクサの出力における予測される信号対混信＋雑音比（ＳＩＮＲ）の推定である。

もし

の対角要素の全てが、各遠隔端末から受信する必要がある信号の質に基づく望ましいしきい値より上であれば、その遠隔端末はそのチャネルにアクセスすることを許される。もし候補遠隔端末がそのしきい値より下で、その出力電力を増加させる能力を有していれば、未だ

は不十分であるがその遠隔端末の最大出力電力に到達するか、別の遠隔端末の

がそのしきい値以下に降下するか（この場合、もし可能であれば、その電力を増加させる）、または全てのしきい値を超えるまで、遠隔端末電力出力を増加させるために同じ計算が再度遂行される。もし受入れ可能な遠隔端末電力を見出せば、その遠隔端末はこの特定の普通のチャネルへアクセスすることが承認される。そうでなければアクセスは否認され、別の普通のチャネルが調べられる。
代替実施例では、逆多重化重みの計算は、遠隔端末送信電力を最小にして基地局における推定信号を最小の望ましいＳＩＮＲに合致させるか、または超えさせる目的で、公知の最適手順を使用して遂行される。
別の代替実施例では、遠隔端末を受入れる普通のチャネルを見出すことができない場合には、現在の遠隔端末を普通のチャネル間に再配列することが、その遠隔端末をある普通のチャネル上で支援できるようになるか否かをチャネルセレクタ３５が計算する。この場合、現在のユーザを再配列してもその遠隔端末の受入れが許されない場合に限って、その遠隔端末のこの時点における通信が否認される。
周波数分割デュプレクシング（ＦＤＤ）を使用する代替実施例では、遠隔端末は、送受信のために固定された普通のチャネルに割当てられることを制約されない。総合システムの混信レベルを最小にするために、異なる周波数デュプレックスオフセットによって分離された送信用及び受信用普通のチャネルに割当てるためにチャネルセレクタ３５が特定遠隔を選択できるようになっている十分に柔軟なシステムアーキテクチャが使用される。
普通のチャネルを既に使用している遠隔端末のための空間多重化及び逆多重化重みは、その普通のチャネルに新しい遠隔端末が付加されると、それらが大きく変化するので再計算しなければならない。好ましい実施例では、既に必要計算を行ったチャネルセレクタ３５は、空間マルチプレクサ２３及びデマルチプレクサ２０を準備するのに使用するために、新しい空間多重化及び逆多重化重みを空間重みプロセッサ３７へ送る。代替実施例では、空間重みプロセッサ３７はチャネルセレクタ３５から送られた空間シグネチャ行列を使用して、その普通のチャネル上の全ての遠隔端末のための空間多重化及び逆多重化重みの異なる集合を計算する。
次いで空間重みプロセッサ３７は、新しい空間逆多重化重みを空間デマルチプレクサ２０へ、また新しい空間多重化重みを空間マルチプレクサ２３へ送り、活動遠隔端末リスト３４を更新し、そして空間プロセッサコントローラ３３へ通報し、空間プロセッサコントローラ３３自体は選択されたチャネルの基地局コントローラ３へ通報する。それによって基地局コントローラ３は、ダウンリンク制御チャネルを使用してその遠隔端末へメッセージを送信し、その遠隔端末に望ましい普通のチャネルへスイッチするように指令する。
式（９）から、多重化重み行列Ｗ_txが、
Ａ_rbＷ^* _tx＝Ｓ_b （１６）
なる特性を有していることが分かる。これは、ｉ番目の遠隔端末においてその端末へ送ることを意図された信号が、十分な（ポジティブ・リアル）振幅Ｓ_b（i,i）をもって受信されることを意味している。Ｓ_bが０オフ対角要素を有しているということは、ｉ番目の遠隔端末において、送信された他の信号がその遠隔端末によって受信されないことを意味している。このようにして、各遠隔端末は適切な通信を確保するために必要な電力レベルで、それに宛てられた信号だけを受信する。代替実施例では、Ａ_rbの誤り及び／または変化の効果を最小にするために、基地局送信電力レベルの設定及び重みの計算の中にＡ_rbの推定の不確実性が組み入れられている。
同様に、基地局において、式（１３）に与えられている特定の逆多重化重みは受信機空間シグネチャ及びその遠隔端末から送信された電圧（電力）の知識に基づいて調整された特性を有しており、

によって与えられる推定された信号

は、最小自乗誤りの点で最も正確である。詳述すれば、これらは、多重アンテナ素子によって基地局においてなされた測定が、与えられた遠隔端末によって送信された信号に最も精密に整合している。
式（９）及び（１２）は、空間多重化及び逆多重化重みを計算する一方法を示したに過ぎない。式（１６）に示し、上述したものと類似の特性を表す他の類似戦略が存在する。他の公知の技術は、広帯域幅の普通のチャネルのための重み行列Ｗ_tx及びＷ_rxを計算するのに空間シグネチャ行列Ａ_rb及びＡ_brを斟酌し、より複雑な電力及びダイナミックレンジ制約を組み入れることができる。
空間シグネチャの決定
図６に示すように、空間プロセッサ１３は、遠隔端末の空間シグネチャを見出すための空間シグネチャプロセッサ３８をも含んでいる。図示の実施例では、空間シグネチャプロセッサ３８は、同時出願された米国特許出願08/234,747に記載されている構成技術を使用している。
図示実施例では、各遠隔端末は、遠隔端末４３によって受信された信号を基地局１へ送り返すように送信する較正モードに入ることができる。図７の実施例では、この機能はスイッチ制御信号６４を通して遠隔端末ＣＰＵ ６２によって制御されているスイッチ６３によって与えられる。
遠隔端末の送信及び受信空間シグネチャを決定するために、空間シグネチャプロセッサ３８は、ダウンリンクチャネルを通して遠隔端末に命令を送信することによって、遠隔端末に較正モードに入るように命令する。この命令は、空間プロセッサコントローラ３３からの要求に基づいて基地局コントローラ３によって生成され、信号変調器２４によって変調される。次いで空間シグネチャプロセッサ３８は、送信機制御データ３１及び空間プロセッサコントローラ３３を介して多重チャネル送信機１７（ａ,...,ｍ）に指令することによって、遠隔端末が占有している普通のチャネル上に所定の較正信号１１を送信させる。この実施例においては、所定の較正信号１１の中のｍ（各アンテナ毎の）信号は、異なる周波数複素シヌソイドである。別の実施例では、所定の較正信号１１は何等かの既知の特徴的な信号である。
図７に示す遠隔端末は、遠隔端末において受信した信号を送り返す。このトランスポンドされた信号は、図１に示す基地局１の多重チャネル受信機１５によって受信され、図６に示す空間シグネチャプロセッサ３８へ供給される。前記出願08/234,747に記載されている実施例では、空間シグネチャプロセッサ３８は、受信された信号測定６及び所定の較正信号１１から、遠隔端末の受信及び送信空間シグネチャを以下のように計算する。受信データの時間サンプルが、ｍ×ｎデータ行列Ｚ内に格納される。これは、雑音及びパラメタオフセットがない場合には次式によって与えられる。
Ｚ＝ｋａ_brａ_rbＳ （１８）
ここに、Ｓは所定の較正信号のｍ×ｎ行列であり、ｋは基地局に送り返す前に遠隔端末内で信号を増幅する既知の量である。受信空間シグネチャはデータ行列Ｚの最大シグネチャ値（σ_max）に対応する特異ベクトル（ｕ₁）に比例する。単位電力信号を遠隔端末から送信し、それをアンテナ素子１によって基地局において受信するようにすると、受信空間シグネチャのための必要スケーリングｇ_brが得られる。
ａ_br＝ｇ_brｕ₁／ｕ₁（1） （１９）
ここに、ｕ₁（1）はｕ₁の第１要素である。ａ_brが知られると、ａ_rbは、
ａ_rb＝ｋ^-1（ｕ₁／ｕ₁（1））†ＺＳ† （２０）
によって計算される。ここにＢ†は、行より列の方が多いフル・ランク行列Ｂの場合に、ＢＢ†＝Ｉ（恒等行列）を満足する行列Ｂの公知のムーア・ペンローズら擬似反転である。列より行の方が多いフル・ランク行列Ｂの場合には、Ｂ†Ｂ＝Ｉである。これも前記出願08/234,747に記載されている代替実施例では、公知の技術を使用してシステム内に存在する雑音及び発振器周波数オフセットのようなパラメタ変化を斟酌している。
空間シグネチャプロセッサ３８は、新しい空間シグネチャを遠隔端末データベース３６内に格納する。完了すると、空間シグネチャプロセッサ３８はダウンリンクチャネルを通して命令を送信し、遠隔端末に較正モードから出るように命令する。
一つの代替実施例においては、遠隔端末送信空間シグネチャの計算を遠隔端末が直接遂行することができる。遠隔端末のこの実施例を図８に示す。較正モードでは、空間シグネチャプロセッサ３８は、上述したように、遠隔端末によって較正される普通のチャネル上に所定の較正信号１１を送信する。遠隔端末ＣＰＵ６２は受信した較正信号４４、及び既知の送信された波形を使用し、先行実施例において空間シグネチャプロセッサ３８が使用したものと同じ技術を使用して遠隔端末の送信空間シグネチャを計算する。計算された送信空間シグネチャは変調器５１及び送信機５４を通して、送信される制御データ５２として基地局１へ送り返される。基地局１によって受信されると、空間シグネチャプロセッサ３８はこの新しい送信空間シグネチャを遠隔端末データベース３６内に格納する。各遠隔端末は独立的にこの送信空間シグネチャ計算を遂行するので、この配列によれば、多数の遠隔端末は同一の普通のチャネル上のそれら自体の送信空間シグネチャを同時に計算することができる。この実施例においては、遠隔端末受信空間シグネチャは、先行実施例におけるのと同様にして空間シグネチャプロセッサ３８によって計算される。
これらの技術を使用すると、空間シグネチャプロセッサ３８は、特定のチャネルが遊休である何れかの時点に、そのチャネルのための遠隔端末送信及び受信空間シグネチャを測定することができる。これらの較正技術は効率が高いので、空間シグネチャプロセッサ３８は短時間の間特定のチャネルを占有するだけで、そのチャネルについて多数の遠隔端末の空間シグネチャを更新できる。
遠隔端末の空間シグネチャを求める他の多くの技術も使用可能である。若干の無線周波数環境においては、遠隔端末のための空間シグネチャは、ｍ受信アンテナ１９（ａ,...,ｍ）の地理的配列と、それらの個々の方向性パターン（ある基準に対する到着の角度の関数としての素子利得及び位相）、及び基地局から遠隔端末までの方向の知識に基づき公知の技術を使用して決定することができる。更に、ESPRIT（米国特許第4,750,147号及び第4,965,732号）のような技術を使用し、それらの理論的には知られていない応用の方向を推定することができる。
同様に、公知のように、遠隔端末によって送信される基礎をなす信号の何等かの所定の変調フォーマットパラメタの知識（例えば、若干の訓練用またはプリアンブルシーケンスの知識、または信号が定モデュラスであることの知識）を使用して、遠隔端末のための受信空間シグネチャを決定することもできる。さらなる例は、これらも公知のように、受信データを復調して再変調して、元の被変調信号の推定を生成する決定・指示（decision-directed）フィードバック技術である。これらの技術によれば、単一の普通のチャネルを複数の遠隔端末が占めていても、受信空間シグネチャを推定することができる。
若干の無線周波数環境においては、公知のように、遠隔端末の位置、及び基地局送信アンテナの位置及び方向性パターンの知識を使用して遠隔端末のための送信空間シグネチャを明確に計算することができる。これは、遠隔端末の部分に特別な能力を必要としない。
もし、受信している信号の強度を測定して報告する能力を遠隔端末が有していれば、システムはこの情報を使用して送信空間シグネチャを導出することができる。但し、これは遠隔端末が完全トランスポンダ能力を有している図７に示す実施例、または遠隔端末がその送信空間シグネチャを直接計算する図８に示す実施例よりは低効率の手法である。送信空間シグネチャは、以下のように、遠隔端末からの受信信号電力報告だけに基づいて決定される。先ず、空間シグネチャプロセッサ３８がある時点にｍアンテナ素子の２つから同一の単位電力信号を送信する。次に空間シグネチャプロセッサ３８は、遠隔端末から信号を受信しなくなったという報告があるまで、２つの信号の一方の振幅及び位相を変化させる。素子１からの単位電力信号を０にするのに必要なアンテナ素子２乃至ｍのための複素重みの集合の符号を変化させ、反転してその遠隔端末のための送信空間シグネチャを発生させる。
更に別の実施例では、システムは「閉ループ」技法で、遠隔端末の空間システムを連続的に更新するように設計することができる。これは、例えば遠隔端末の移動、または無線周波数伝播状態の変化に起因して、空間シグネチャの時間変化を斟酌することによってなされる。これを行うために、基地局及び遠隔端末は、所定の訓練用シーケンスを定期的に送信する。特定のチャネル上で現在活動している各遠隔端末には異なる所定の訓練用シーケンスが割当てられ、その特定チャネル上で現在活動している他の全ての遠隔端末にはその訓練用シーケンスが与えられる。一実施例では、異なる訓練用シーケンスは、その訓練用シーケンス波形の何れか２つの内積が０であることから直交である。訓練用シーケンスが送信される各時点に各遠隔端末は、公知の技術を使用して、どれ程多くの各訓練用シーケンスを受信したかを計算し、この情報を基地局へ送信する。
図示の実施例では、基地局は受信機出力と送信された波形の知識とを使用して遠隔端末受信空間シグネチャを計算する。別の実施例では、基地局は、各遠隔に送信された訓練用シーケンスのどれ程多くが、空間デマルチプレクサの各出力（結合係数の複素ベクトルとして表される）を通して到来したかを計算する。これらの結合係数を知ることによって、公知技術を使用して、現在活動中の受信及び送信空間シグネチャを補正して相互混信を減少させることができる。
最後に、全二重通信のために時分割デュプレックシング（ＴＤＤ）を使用するシステムにおいては、公知のように送信及び受信周波数は同一である。この場合公知の相反の原理を使用して、送信及び受信空間シグネチャを直接的に関係付ける。即ち、この実施例は一方のシグネチャ（例えば、受信空間シグネチャ）だけを決定し、他方のシグネチャ（この場合には、送信空間シグネチャ）は第１の（受信）空間シグネチャと、多重チャネル受信機１５及び多重チャネル送信機１４の相対位相及び振幅特性の知識とから計算される。
ネットワークレベル空間処理
図示の実施例では、セルラ状ワイヤレス通信システム内の各基地局毎の空間プロセッサは、関係が一番近いセル内の通信チャネルの数を最大にするように独立的に動作する。しかしながら、各基地局からの空間プロセッサが他の近隣セルからの空間プロセッサと通信し、その努力を調整することによってシステム容量の大幅な改善を実現することができる。特定の実施例を図９に示す。
多重基地局コントローラ６６は、広域ネットワーク６５（リンク６８を通して）と、基地局１（ａ、ｂ、ｃ）（基地局通信リンク２（ａ、ｂ、ｃ）を介して）との間のインタフェースとして動作する。各基地局は、多数の遠隔端末にカバレッジを提供する責任がある。一実施例では、各遠隔端末は１基地局だけに割当てられ、従ってセル境界６７（ａ、ｂ、ｃ）が限定され、これらの境界の中に特定の基地局に所属する全ての遠隔が位置している。図中、遠隔端末６９を装備したユーザは箱入り「Ｒ」によって識別されている。
基地局１（ａ、ｂ、ｃ）内に含まれている各空間プロセッサは、そのセル内の遠隔端末の空間シグネチャ及び隣接セル内の遠隔端末の空間シグネチャを測定して格納する。隣接セル内の遠隔端末の空間シグネチャの決定は、基地局通信リンク２（ａ、ｂ、ｃ）を通して多重基地局コントローラ６６によって調整される。基地局通信リンク２（ａ、ｂ、ｃ）及び多重基地局コントローラ６６を通して、隣接セルの基地局１（ａ、ｂ、ｃ）内の空間プロセッサは、普通のチャネルを通してそれらが通信している遠隔端末のことを互いに通報し合う。各空間プロセッサは、現在隣接セル内で活動している遠隔端末の空間シグネチャを含んでいて拡張された送信及び受信空間シグネチャ行列Ａ_rb及びＡ_brを形成しており、これらは全ての隣接基地局へ送られる。各基地局内のチャネルセレクタは、これらの拡張されたシグネチャ行列を使用して、遠隔端末を各基地局１（ａ、ｂ、ｃ）内の各普通のチャネルに連帯的に割当てる。
次いで、拡張された空間シグネチャ行列Ａ_rb及びＡ_brを使用して、各基地局毎の、結果的な重み行列Ｗ_tx及びＷ_rxが計算される。重みを計算する目的は、隣接セルの活動遠隔端末へ送信され、それらの遠隔端末から受信する信号を最小にしてより多くの遠隔端末が同時に通信できるようにすることである。
代替実施例では、多重基地局コントローラ６６は、活動遠隔端末／基地局／普通のチャネルリンクのリスト、関連遠隔端末データベース、及び割当てられるリンクに対する特定要求を動的に使用して、アクセスを要求している遠隔端末を基地局へ割当てる。更に、遠隔端末は多重（指向性）送信及び受信アンテナを使用し、多重基地局コントローラ６６によって指令された複数の隣接基地局への方向性リンクを容易にし、それによってシステム容量を更に増加させることが可能である。
長所
本発明による装置及び方法は、多くの遠隔端末が同一の普通の通信チャネルを同時に共用できる点が、従来技術に比して重要な長所である。詳述すれば、ｍ受信アンテナ素子及びｍ送信アンテナ素子を有するシステムの場合、ｍ遠隔端末までの遠隔端末が単一の普通の通信チャネルを共用することができる。更に、遠隔端末から受信される、及び遠隔端末へ送信される信号は、標準基地局に比して、実質的に改善された信号対雑音比、減少した混信、及び多重経路環境における改善された質を有している。
以上のように、ワイヤレス通信システムは、同一量のスペクトルで、より多くの会話を多数回支援するか、または遙かに大きいデータ処理能力を有することができる。代替として、ワイヤレス通信システムは、遙かに少ないスペクトルで、同数の会話またはデータ処理能力を支援することができる。
代替実施例
一つの代替実施例では、基地局１における送信アンテナ１８（ａ,...,ｍ）及び受信アンテナ１９（ａ,...,ｍ）は、ｍアンテナの単一のアレイによって置換されている。このアレイ内の各素子は、デュプレクサによって、多重チャネル送信機１４のそれぞれの成分、及び多重チャネル受信機１５のそれぞれの成分の両方に所属される。
別の実施例では、アップリンク制御チャネル上の信号は、同時出願された特許出願07/806,695に記載の空間処理を使用して実時間で処理することができる。これにより、多くの遠隔端末が同時にある通信チャネルを要求することが可能になる。
データの短いバーストまたはパケットのデータ転送を含む応用のための更に別の実施例では、分離したアップリンク制御チャネルは必要なく、システムは通信間隔を用いて散在させた制御時間間隔中に通信及び他の制御機能のための要求にサービスすることができる。
上述したように、遠隔端末無線の空間シグネチャを測定し、これらの空間シグネチャを使用して同一の普通の通信チャネル上で多重同時会話及び／またはデータ転送を可能ならしめる多重化及び逆多重化重みを計算する多くの技術が知られている。
以上の説明には多くの仕様が含まれているが、これらによって本発明の範囲を制限する意図はなく単に一つの好ましい実施例に過ぎないことを理解されたい。従って、本発明の範囲は図示実施例によって決定すべきではなく、請求の範囲によってのみ限定されることを理解されたい。

Claims (4)

1. 少なくとも１つの基地局を含み、共通アップリンクチャネルを使用して複数の遠隔端末から送信されたアップリンク信号の組合わせを分離するワイヤレスシステムであって、
   上記少なくとも１つの基地局にあって、ｍ個のアンテナ素子のアンテナアレイ、及び上記共通アップリンクチャネルを使用する上記複数の遠隔端末からの上記アップリンク信号の組合わせの測定を発生する各アンテナ素子受信機を含む受信手段と、
   上記測定を使用して上記複数の遠隔端末及び上記共通アップリンクチャネル毎の受信空間シグネチャａbr＝［ａbr（1）,ａbr（2）,...,ａbr（m）］ ^T （ａbr（i）は、遠隔端末から送信された信号の単位電力に対するｉ番目のアンテナ素子受信機のレスポンスである。）を計算して格納する受信空間処理手段と、
   上記受信空間シグネチャ及び上記測定を使用して上記アップリンク信号を計算する空間逆多重化手段と、
   を備え、
   上記受信空間処理手段は、
   上記複数の遠隔端末の各遠隔端末及び上記共通アップリンクチャネル毎の受信空間シグネチャからなる空間シグネチャリストと、
   上記受信空間シグネチャを計算する受信空間シグネチャ計算手段と、
   を含み、
   上記システムは、さらに、上記複数の遠隔端末の各遠隔端末と同一場所に配置されたトランスポンダを備え、上記少なくとも１つの基地局から受信した所定の較正信号を送り返し、上記受信空間シグネチャ計算手段は上記測定及び所定の較正信号から上記受信空間シグネチャを計算することを特徴とするワイヤレスシステム。
2. 少なくとも１つの基地局を含み、共通アップリンクチャネルを使用して複数の遠隔端末から送信されたアップリンク信号の組合わせを分離するワイヤレスシステムであって、
   上記少なくとも１つの基地局にあって、ｍ個のアンテナ素子のアンテナアレイ、及び上記共通アップリンクチャネルを使用する上記複数の遠隔端末からの上記アップリンク信号の組合わせの測定を発生する各アンテナ素子受信機を含む受信手段と、
   上記測定を使用して上記複数の遠隔端末及び上記共通アップリンクチャネル毎の受信空間シグネチャａbr＝［ａbr（1）,ａbr（2）,...,ａbr（m）］ ^T （ａbr（i）は、遠隔端末から送信された信号の単位電力に対するｉ番目のアンテナ素子受信機のレスポンスである。）を計算して格納する受信空間処理手段と、
   上記受信空間シグネチャ及び上記測定を使用して上記アップリンク信号を計算する空間逆多重化手段と、
   を備え、
   上記受信空間処理手段は、
   上記複数の遠隔端末内の各遠隔端末及び上記共通アップリンクチャネル毎の受信空間シグネチャからなる空間シグネチャリストと、
   上記受信空間シグネチャを計算する受信空間シグネチャ計算手段と、
   を備え、
   上記複数の遠隔端末の各遠隔端末はトランスポンダを含み、上記少なくとも１つの基地局から受信した所定の較正信号を送り返し、上記受信空間シグネチャ計算手段は上記測定及び所定の較正信号から上記受信空間シグネチャを計算することを特徴とするワイヤレスシステム。
3. 共通ダウンリンクチャネルを使用して複数の遠隔端末へのダウンリンク信号を空間的に多重化して送信するための少なくとも１つの基地局を含むワイヤレスシステムであって、
   上記少なくとも１つの基地局にあって、ｍ個のアンテナ素子のアンテナアレイ、及び上記ダウンリンク信号を上記複数の遠隔端末へ送信するための各アンテナ素子送信機を含む送信手段と、
   上記複数の遠隔端末及び上記共通ダウンリンクチャネル毎の送信空間シグネチャａrb＝［ａrb（1）,ａrb（2）,...,ａrb（m）］ ^T （ａrb（i）は、ｉ番目のアンテナ素子から送信された単位電力信号に対する遠隔端末受信機出力の振幅及び位相である。）を計算して格納する送信空間処理手段と、
   上記送信空間シグネチャ及び上記ダウンリンク信号を使用して上記空間的に多重化されたダウンリンク信号を発生する空間多重化手段と、
   を備え、
   上記送信空間処理手段は、
   上記複数のダウンリンクチャネルの少なくとも１つのチャネルに割当てられている遠隔端末のリストからなる活動遠隔端末リストと、
   上記複数の遠隔端末の各遠隔端末及び上記共通ダウンリンクチャネル毎の送信空間シグネチャからなる空間シグネチャリストと、
   上記送信空間シグネチャを計算する送信空間シグネチャ計算手段とを含み、
   上記システムは、さらに、上記複数の遠隔端末の各遠隔端末と同一場所に配置されたトランスポンダを備え、上記少なくとも１つの基地局から受信した所定の較正信号を送り返し、上記送信空間シグネチャ計算手段は上記測定及び所定の較正信号から上記送信空間シグネチャを計算し、
   それによって、上記少なくとも１つの基地局は上記ダウンリンク信号を共通ダウンリンクチャネルを通して上記複数の遠隔端末へ送信できるようになっていることを特徴とするワイヤレスシステム。
4. 共通ダウンリンクチャネルを使用して複数の遠隔端末へのダウンリンク信号を空間的に多重化して送信するための少なくとも１つの基地局を含むワイヤレスシステムであって、
   上記少なくとも１つの基地局にあって、ｍ個のアンテナ素子のアンテナアレイ、及び上記ダウンリンク信号を上記複数の遠隔端末へ送信するための各アンテナ素子送信機を含む送信手段と、
   上記複数の遠隔端末及び上記共通ダウンリンクチャネル毎のための送信空間シグネチャａrb＝［ａrb（1）,ａrb（2）,...,ａrb（m）］ ^T （ａrb（i）は、ｉ番目のアンテナ素子から送信された単位電力信号に対する遠隔端末受信機出力の振幅及び位相である。）を計算して格納する送信空間処理手段と、
   上記送信空間シグネチャ及び上記ダウンリンク信号を使用して上記空間的に多重化されたダウンリンク信号を発生する空間多重化手段と、
   を備え、
   上記送信空間処理手段は、
   上記複数のダウンリンクチャネルの少なくとも１つのチャネルに割当てられている遠隔端末のリストからなる活動遠隔端末リストと、
   上記複数の遠隔端末の各遠隔端末及び上記共通ダウンリンクチャネル毎の送信空間シグネチャからなる空間シグネチャリストと、
   上記送信空間シグネチャを計算する送信空間シグネチャ計算手段とを含み、
   上記複数の遠隔端末の各遠隔端末はトランスポンダを含み、上記少なくとも１つの基地局から受信した所定の較正信号を送り返し、上記送信空間シグネチャ計算手段は上記測定及び所定の計算信号から上記送信空間シグネチャを計算し、
   それによって、上記少なくとも１つの基地局は上記ダウンリンク信号を共通ダウンリンクチャネルを通して上記複数の遠隔端末へ送信できるようになっていることを特徴とするワイヤレスシステム。

Images