JP4559477B2

JP4559477B2 - 多重アンテナシステムにおけるビームフォーミング装置及び方法

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Publication number: JP4559477B2
Application number: JP2007521402A
Authority: JP
Inventors: ホ−ジン・キム; ジュ−ホ・イ; クヮン−ボク・イ; ヒョン−ウーン・パク; ホ・ヤン; パンドハリパンド・アシシュ; スン−ジン・キム
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
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Priority date: 2004-07-13
Filing date: 2005-07-13
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Description

本発明は多重アンテナシステムにおけるビームフォーミング装置及び方法に関して、特にフィードバック情報によってビームフォーミングを遂行する装置及び方法に関するものである。

移動通信システムは、初期の音声中心のサービスを超えて、データサービス及びマルチメディアサービスを提供する高速、高品質の無線パケットデータ通信システムに発展している。現在、３ＧＰＰ(３ｒｄＧｅｎｅｒａｔｉｏｎＰａｒｔｎｅｒｓｈｉｐＰｒｏｊｅｃｔ)を中心として進行されているＨＳＤＰＡ(ＨｉｇｈＳｐｅｅｄＤｏｗｎｌｉｎｋＰａｃｋｅｔＡｃｃｅｓｓ)と３ＧＰＰ２を中心に進行されている１ｘＥＶ-ＤＶ(１ｘＥｖｏｌｕｔｉｏｎＤａｔａａｎｄＶｏｉｃｅ)に対する標準化は、第３世代（３Ｇ）の移動通信システムで２Ｍｂｐｓ以上の高速、高品質の無線パケットデータ伝送サービスに関する解決策を探すための努力である。第４世代（４Ｇ）の移動通信システムは、第３世代の移動通信システム以上の高速、高品質のマルチメディアサービスを提供する。

一方、無線チャンネル環境での多重経路干渉、シャドーイング(ｓｈａｄｏｗｉｎｇ)、電波減衰、時変(ｔｉｍｅ-ｖａｒｙｉｎｇ)雑音、干渉は、高速、高品質のデータサービスを阻害する要因である。したがって、このような要因を克服するために多くの技術が研究されてきている。誤り制御符号化技術と多重アンテナ及び多重ユーザーダイバシティスケジューリング(Ｍｕｌｔｉ-ｕｓｅｒｄｉｖｅｒｓｉｔｙｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ)技術は、サービスの品質を改善するために使用される代表的な技術である。

多重ユーザーダイバシティスケジューリング技術は、パケットを要求する移動端末のチャンネル状況をフィードバック情報に基づいて把握し、最も優れたチャンネルを有する移動端末に対して優先的にパケットを伝送する。それによって、信号対雑音比利得を含むダイバシティ効果を有する。このダイバシティ利得の程度を示すダイバシティ次数は、同時にパケットを要求する移動端末の数に該当する。

一方、多重アンテナ技術は、より高い伝送速度を得るために、空間領域を追加的なリソースとして用いる。多重アンテナ技術は、送信器と受信器が多重アンテナを備える多重アンテナシステムとビームフォーミング(ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ)技術に基づいて実現される。

ビームフォーミング技術は、複数の送信アンテナを配列し、各送信アンテナ別に信号の加重値を調節することによって、同一の周波数帯域の信号に対して方向により相互に異なる利得を与える。このビームフォーミング技術は、幾何学的な空間軸を活用するため、ヌリング(ｎｕｌｌｉｎｇ)処理を通じて使用周波数帯域幅を広める。すなわち、この技術は、周波数資源の限界を克服することができる。

ビームフォーミング技術は、移動通信ネットワークや無線ローカルループ(ＷｉｒｅｌｅｓｓＬｏｃａｌＬｏｏｐ：ＷＬＬ)のようなセル計画の下で動作する無線通信システムで、同一のチャンネルで干渉信号を減少させて信号対雑音比(ＳｉｇｎａｌｔｏＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｐｌｕｓＮｏｉｓｅＲａｔｉｏ：ＳＩＮＲ)を改善するのに多く使用される。

一方、ビームフォーミング技術は、チャンネル状況を正確に把握することを前提とする。したがって、ビームフォーミング技術のために、送信側でチャンネル状況を予測でき、或いは受信側によるチャンネル状況を把握できる情報のフィードバックが要求される。望ましくは、このビームフォーミング技術は、受信側からのフィードバック情報によってチャンネル状況を把握する。フィードバック情報は、チャンネル情報として、各送信アンテナと受信アンテナとの間のチャンネル応答を示す。また、チャンネル情報は、送受信アンテナの個数に比例して増加する。

したがって、より正確なチャンネル状況を把握しようとする場合や送受信アンテナの個数が増加する場合に、フィードバック情報の量が増加することは自明である。このフィードバック情報の増加は、フィードバック情報を伝送するために使用される無線リソースの増加を引き起こし、無線トラフィックを増加させる原因となる。また、フィードバック情報の増加は、ビームフォーミングのための計算量を増加させ、この計算量の増加はシステム負荷の増加をもたらす。

このような理由で、ビームフォーミング技術によって得られる性能には影響を及ぼすことなく、要求されたフィードバック情報の量を最小化するための方案が要求される。

したがって、上記のような要求を満足させるために、本発明の目的は、多重アンテナシステムで最小のフィードバック情報によってビームフォーミングを遂行する装置及び方法を提供することにある。

また、本発明の目的は、多重アンテナシステムで複数の送信アンテナを複数のグループに区分し、フィードバック情報によって選択されたグループ別に加重値を割り当てるビームフォーミング装置及び方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、多重アンテナシステムで複数の送信アンテナを複数のグループに区分し、同一のグループに区分された送信アンテナに対しては同一の加重値を割り当てるビームフォーミング装置及び方法を提供することにある。

さらに、本発明の目的は、多重アンテナシステムで複数の送信アンテナを複数のグループに区分し、フィードバック情報によって複数のグループのうちの一つだけが選択されるように加重値を割り当てるビームフォーミング装置及び方法を提供することにある。

本発明の目的は、多重アンテナシステムで伝送データの最大量を保証しつつ、フィードバック情報の量を最小化するビームフォーミング装置及び方法を提供することにある。

さらに、本発明の目的は、多重アンテナシステムでフィードバック情報に基づいたアンテナ選択を遂行するビームフォーミング装置及び方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、多重アンテナシステムでフィードバック情報によって各信号列の伝送アンテナを決定するためのビームフォーミング装置及び方法を提供することにある。

また、本発明の目的は、多重アンテナシステムでフィードバック情報によって各アンテナ別に伝送される信号列の加重値を割り当てるビームフォーミング装置及び方法を提供することにある。

上記のような目的を達成するために、本発明は、多重アンテナ方式を使用する基地局で適応変調符号化(ＡｄａｐｔｉｖｅＭｏｄｕｌａｔｉｏｎａｎｄＣｏｄｉｎｇ：ＡＭＣ)を通じて出力される複数のビット列を複数の送信アンテナを通じて伝送するためのビームフォーミングを遂行する方法であって、前記複数の送信アンテナを複数の送信アンテナグループに分類する段階と、移動端末からフィードバックされるグループ選択信号によって前記複数の送信アンテナグループのうちの一つを選択する段階と、前記複数のビット列の各々を前記選択した送信アンテナグループを構成する送信アンテナの中で対応する送信アンテナに出力する段階とを有することを特徴とする。

また、本発明は、多重アンテナ方式を使用する基地局におけるビームフォーミングを遂行する装置であって、一つのビット列を複数のビット列に多重化し、前記複数のビット列の各々に対する適応変調符号化を遂行する一般信号処理部と、複数の送信アンテナを複数の送信アンテナグループに分類し、移動端末からフィードバックされるグループ選択信号によって前記複数の送信アンテナグループのうちの一つを選択し、前記複数のビット列の各々を前記選択した送信アンテナグループの送信アンテナの中で対応する送信アンテナに出力する空間信号処理部とを含むことを特徴とする。

本発明は、多重アンテナ方式を使用する基地局で適応変調符号化を通じて出力される複数のビット列を複数の送信アンテナを通じて伝送するためのビームフォーミングを遂行する方法であって、移動端末からのフィードバック情報を受信する段階と、前記フィードバック情報から加重値選択情報を獲得し、前記加重値選択情報によって予め定められた加重値マトリックスを選択する段階と、前記選択された加重値マトリックスによって送信アンテナグループ別に割り当てられた加重値によって前記複数のビット列を乗算した後に、対応する送信アンテナグループに出力する段階とを有し、前記送信アンテナグループは、前記ビット列の個数だけ多い送信アンテナを有し、前記送信アンテナグループの送信アンテナに対して同一の加重値を割り当てることを特徴とする。

さらに、本発明は、多重アンテナ方式を使用する基地局におけるビームフォーミングを遂行する装置であって、一つのビット列を複数のビット列に多重化し、前記複数のビット列の各々に対する適応変調符号化を遂行する一般信号処理部と、複数の送信アンテナを複数の送信アンテナグループに分類し、移動端末からフィードバックされる加重値選択情報によって前記複数の送信アンテナグループ別に計算された加重値で前記複数のビット列を乗算した後に、対応する送信アンテナグループに出力する空間信号処理部とを含み、前記送信アンテナグループは、前記ビット列の個数だけ多い送信アンテナを有し、前記送信アンテナグループの送信アンテナに対して同一の加重値を割り当てることを特徴とする。

本発明による多重受信アンテナを含む移動端末と多重送信アンテナを含む基地局を考慮する移動通信装置及び方法は、移動端末から基地局にフィードバックされる多重アンテナ、多重経路チャンネルのダウンリンク特性を反映した加重値を用いて、各信号列グループごとに同一の加重値ベクトルを乗算するグループ方式のビームフォーミングを遂行する。このような処理は、受信されたフィードバック加重値ベクトルの数を１個に減少させてフィードバック情報の量を最小化させ、同時に信号列グループ間の干渉は、受信器の多重受信アンテナで処理する多重送受信(ＭＩＭＯ)干渉の除去原理に基づいて伝送データ量を最大化する効果を有する。特に、本発明は、移動局でＳＩＣ(ＳｕｃｃｅｓｓｉｖｅＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅＣａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ)のような向上した受信方法を使用する場合にその効果が一層高くなる。

以下、本発明の望ましい実施形態を添付の図面を参照して詳細に説明する。
下記に、本発明に係る公知の構成又は機能に関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た場合に、その詳細な説明を省略する。

本発明では、受信側、すなわち移動端末からのフィードバック情報によってビームフォーミングを遂行することにおいて、フィードバック情報を最小化するための方案を提供する。このために、本発明は、複数の送信アンテナを複数のグループ(以下、“送信アンテナグループ”とする)に分類し、各送信アンテナグループ別に加重値を割り当てる方式を提案する。例えば、送信アンテナが４個である場合に、この４個の送信アンテナは、２個の送信アンテナを一つの送信アンテナグループに分類する。このとき、相互干渉が最も少ない送信アンテナを同一の送信アンテナグループに分類する。すなわち、最も遠く配置された送信アンテナを一つの送信アンテナグループとして指定可能である。この場合、特定の送信アンテナグループだけでなく、すべての送信アンテナグループを考慮することが望ましい。

送信アンテナグループの個数又は各送信アンテナグループを構成する送信アンテナの個数は、多重化を通じて出力されるビット列の数によって決定される。すなわち、多重化を通じて出力されるビット列の数が増加すれば、送信アンテナグループの数が増加し、或いは各送信アンテナグループを構成する送信アンテナの数が増加する。

そして、本発明は、前述したことを前提としてフィードバック情報を定義し、新たに定義されたフィードバック情報によってビームフォーミング技術を遂行することが可能である。このフィードバック情報は、最小の情報量で効率的なビームフォーミングが遂行されるように新たに定義される。このために、本発明では、送信アンテナグループ別に相互に異なる加重値を割り当て、各送信アンテナグループを構成するすべての送信アンテナに対して同一の加重値を割り当てる。そして、加重値を調節することによって、複数の送信アンテナグループの中で一つの送信アンテナグループのみがデータを伝送できるようにする。これは、送信アンテナグループの一つを選択的に使用することが可能である。

後述する本発明の第１の実施形態では、フィードバック情報によって送信アンテナグループを選択的に使用するビームフォーミング装置及び方法を提供する。そして、本発明の第２の実施形態では、フィードバック情報によって送信アンテナグループ別に相互に異なる加重値を割り当てるビームフォーミング装置及び方法を提供する。

図１は、本発明の実施形態を適用するための多重アンテナシステムの一例を示す。
図１を参照すると、基地局（ＢＳ又はＮｏｄｅＢ）１０は、複数のアンテナを有し、複数のアンテナを通じて送信信号列を伝送し、或いは移動端末(ＭＳ又はＵＥ)２０，２２，２４からの信号列を受信する。基地局１０は、図面に示さないが、移動端末２０，２２，２４とのチャンネルを形成している。説明の便宜のために、第１の移動端末２０と形成されたチャンネルを“第１のチャンネル”とし、第２の移動端末２２と形成されたチャンネルを“第２のチャンネル”とし、第ｋの移動端末２４と形成されたチャンネルを“第ｋのチャンネル”とする。

移動端末２０,２２，２４の各々は、基地局１０と形成されたチャンネルを通じて信号列を送受信する。そして、移動端末２０，２２，２４の各々は基地局１０と形成されたチャンネルの状況を把握し、これをフィードバック情報として基地局１０に伝送する。

基地局１０は、これら移動端末２０，２２，２４から提供されるフィードバック情報によって符号化方式及び/又は変調方式を決定する。また、本発明の実施形態により、基地局１０は、フィードバック情報によって移動端末２０，２２，２４別に信号列を伝送するための送信アンテナグループを選択し、或いは送信アンテナグループ別に加重値を割り当てる。基地局１０は、選択された送信アンテナグループの送信アンテナを通じて信号列を伝送したり、割り当てられた加重値を考慮して信号列を伝送したりする。

図２は、本発明の実施形態により基地局と移動端末との間のシグナリング手順を示す。図２では、一つのチャンネルを通じて遂行されるシグナリング手順のみを示しているが、基地局によって形成されたすべてのチャンネルを通じて同一のシグナリング手順が適用されることは自明である。
図２を参照すると、ステップ２１０は、基地局が特定の移動端末に信号を送信する(信号送信段階)。基地局によって送信された信号は、移動端末と形成された特定チャンネルを通じて伝送される(チャンネル段階)。

移動端末は、特定チャンネルを通じて伝送される信号を受信する(信号受信段階)。そして、この移動端末は、受信された信号によるフィードバック情報を生成する(フィードバック情報生成段階)。フィードバック情報は、送信側で信号列別に電力制御及び適応変調符号化(ＡｄａｐｔｉｖｅＭｏｄｕｌａｔｉｏｎａｎｄＣｏｄｉｎｇ：以下、“ＡＭＣ”とする)制御を遂行するために必要な情報と、ビームフォーミングを遂行するために必要な情報で構成される。ビームフォーミングを遂行するために必要な情報は、送信アンテナグループを選択するための情報又は送信アンテナグループ別に加重値を割り当てるための情報である。ステップ２１２で、移動端末は、生成されたフィードバック情報を基地局に伝送する(フィードバック情報送信段階)。

基地局は、フィードバック情報を受信した後、このフィードバック情報を確認する。また、基地局は、確認されたフィードバック情報に基づいて信号列別に電力制御及びＡＭＣ制御を遂行し、信号列を伝送するための送信アンテナグループを選択し、或いは各送信アンテナグループ別に加重値を割り当てる(フィードバック情報処理段階)。基地局は、ステップ２１４で、フィードバック情報によって処理された信号を選択された送信アンテナグループ又は相互に異なる加重値が割り当てられた送信アンテナグループを通じて端末に伝送する(信号送信段階)。

基地局と移動端末との間には、ステップ２１０〜ステップ２１４による信号及びそれに対応するフィードバック情報の送受信が持続的に遂行される。

図３は、本発明の実施形態による基地局３００と特定の移動端末３２０の構造を示す。図３では、送信側を基地局と仮定し、受信側を移動端末と仮定する。しかしながら、送信側を移動端末と仮定し、受信側を基地局と仮定しても、後述する本発明が同一に適用可能であることは明らかである。

図３を参照すると、信号送信部３０２は、伝送する信号列とフィードバック情報を受信し、信号列をフィードバック情報に基づいて伝送する。信号送信部３０２は、一般信号処理部と空間信号処理部を含む。一般信号処理部は、移動端末に伝送する一つの信号列を複数の信号列に分類し、分類された信号列別に電力制御及びＡＭＣ制御を遂行する。この分類された信号列別に電力制御及びＡＭＣ制御は、フィードバック情報によって遂行される。

空間信号処理部は、一般信号処理部からの各信号列に対して２個の因子で構成された一個のビームフォーミング加重値ベクトルを用いてビームフォーミングを遂行する。ビームフォーミングは、グループ方式によって遂行される。このグループ方式によるビームフォーミングは、信号列を各送信アンテナグループ別に割り当てられた加重値ベクトルを乗算する。加重値ベクトルは、送信アンテナグループ別に相違するように割り当てられ、送信アンテナグループ内の送信アンテナに対しては同一の加重値ベクトルが割り当てられる。２個の因子で構成された各加重値ベクトルは、移動端末からフィードバック情報を通じて提供されることができる。しかしながら、加重値ベクトルを直接受信するためには、多い量のフィードバック情報が要求される。したがって、望ましくは、使用可能なすべての加重値ベクトルを送信側(基地局）と受信側(移動端末)で予め設定し、使用する加重値ベクトルのインデックスだけがフィードバック情報として提供される。これは、少ないフィードバック情報で加重値ベクトル情報を伝送可能にする。

信号送信部３０２から送信アンテナグループ別に出力される信号は、多重経路送信チャンネル３１０を通じて移動端末に伝送される。多重経路送信チャンネル３１０は、多重送信アンテナ及び多重経路移動通信チャンネルの特性を含む。したがって、多重経路送信チャンネル３１０は、送信アンテナグループ別に出力された信号に対して利得、位相、及び遅延で構成される多重送信アンテナ及び多重経路移動通信チャンネルの特性を各々印加する。さらに、雑音が信号の各々に対して加えられる。この雑音の加えられた信号は、各移動端末別に受信される。

移動端末３２０を構成する信号受信部３２２は、多重経路送信チャンネル３１０を通じて受信した信号に対して復調及び復号を遂行し、基地局が伝送しようとする信号成分を出力する。フィードバック情報生成部３２４は、信号受信部３２２の処理結果を受信し、処理結果によって多重経路送信チャンネル３１０の状況によるフィードバック情報を生成する。このように生成されたフィードバック情報は、基地局に伝送される。フィードバック情報は、前述したように、一般信号処理のための情報と空間信号処理のための情報を含む。一般信号処理のための情報は、信号列に対する電力制御及びＡＭＣ制御を遂行するのに必要な情報である。空間信号処理のための情報は、特定の送信アンテナグループを選択し、或いは各送信アンテナグループ別に加重値を割り当てるのに必要な情報である。

フィードバック情報は、基地局３００を構成するフィードバック情報処理部３０４に提供される。フィードバック情報処理部３０４は、移動端末３２０からのフィードバック情報を確認し、その確認結果により、チャンネル選択情報、電力制御及びＡＭＣ制御情報、及び送信アンテナグループ別加重値情報を決定する。その後、フィードバック情報処理部３０４は、決定されたチャンネル選択情報、電力制御及びＡＭＣ制御情報、及び送信アンテナグループ別加重値情報を信号送信部３０２に伝送する。

本発明の第１の実施形態では、複数の送信アンテナを複数の送信アンテナグループに分類し、フィードバック情報によって送信アンテナグループの中で一つの送信アンテナグループを選択してデータを伝送するビームフォーミング装置及び方法を提供する。そして、第１の実施形態は、送信アンテナグループの中で一つの送信アンテナグループを選択するために使用されるフィードバック情報を生成する方法を提供する。

図４は、フィードバック情報によって各信号列が伝送される送信アンテナグループを選択するための信号送信部３０２の具体的な構造を示す。図４の構造は、大きく一般信号処理部と空間信号処理部に分けられる。一般信号処理部はマルチプレクサ４１０と２個のＡＭＣ部４１２，４１４を含み、空間信号処理部はスイッチング部４１６と送信アンテナグループ４１８，４２０を含む。

図４を参照すると、伝送しようとするデータ列はマルチプレクサ４１０に入力される。マルチプレクサ４１０は、データ列を少なくとも２個の信号列に分類する。マルチプレクサ４１０から出力される信号列の数は、ＡＭＣ部の個数に対応する。そして、ＡＭＣ部の個数は、一つの送信アンテナグループを構成する送信アンテナの数に対応する。図４では、例えば、４個の送信アンテナを２個の送信アンテナグループに分類することによって、マルチプレクサ４１０は２個の信号列を出力する。マルチプレクサ４１０によって分類された第１の信号列は第１のＡＭＣ部４１２に伝送され、マルチプレクサ４１０によって分類された第２の信号列は第２のＡＭＣ部４１４に伝送される。

第１のＡＭＣ部４１２は、フィードバック情報処理部３０４(図３)からの電力制御及びＡＭＣ制御情報を用いて第１の信号列に対して電力制御、ＡＭＣ制御を遂行した後に、制御された第１の信号列を拡散する。第２のＡＭＣ部４１４は、フィードバック情報処理部３０４(図３)からの電力制御及びＡＭＣ制御情報を用いて第２の信号列に対して電力制御及びＡＭＣ制御を実施した後に、制御された第２の信号列を拡散する。このとき、フィードバック情報処理部３０４(図３)から提供される電力制御及びＡＭＣ制御情報は、移動端末からのフィードバック情報によって決定される。第１のＡＭＣ部４１２と第２のＡＭＣ部４１４からの信号列は、スイッチング部４１６に伝送される。

スイッチング部４１６は、第１のスイッチと第２のスイッチを含む。第１のスイッチは、グループ選択信号によって第１のＡＭＣ部４１２を第１の送信アンテナグループ４１８又は第２の送信アンテナグループ４２０に接続する。第２のスイッチは、グループ選択信号によって前記第２のＡＭＣ部４１４を第１の送信アンテナグループ４１８又は第２の送信アンテナグループ４２０に接続する。第１の送信アンテナグループ４１８は第１の送信アンテナＡＮＴ＃１と第２の送信アンテナＡＮＴ＃２を含み、第２の送信アンテナグループ４２０は第３の送信アンテナＡＮＴ＃３と第４の送信アンテナＡＮＴ＃４を含む。このとき、同一の送信アンテナグループでは相互干渉が最小化されるように送信アンテナを分類する。第１のＡＭＣ部４１２は、第１のスイッチを通じて第１の送信アンテナグループ４１８の第１の送信アンテナＡＮＴ＃１と第２の送信アンテナグループ４２０の第３の送信アンテナＡＮＴ＃３に接続される。第２のＡＭＣ部４１４は、第２のスイッチを通じて第１の送信アンテナグループ４１８の第２の送信アンテナＡＮＴ＃２と第２の送信アンテナグループ４２０の第４の送信アンテナＡＮＴ＃４に接続される。

スイッチング部４１６は、フィードバック情報処理部３０４からのグループ選択信号によって制御される。グループ選択信号のビット数は、送信アンテナグループの数によって決定される。図４では、４個の送信アンテナが提供され、２個の送信アンテナグループに分類されると仮定する。したがって、グループ選択信号は、２個の送信アンテナグループの中で一つの送信アンテナグループを選択するための１ビットで構成できる。送信アンテナグループが３個又は４個である場合に、２ビットのグループ選択信号が要求される。しかしながら、各送信アンテナグループを構成する送信アンテナの数は、グループ選択信号のビット数に影響しない。グループ選択信号は、移動端末からのフィードバック情報によって決定される。

例えば、グループ選択信号として‘１’が受信されると、第１のスイッチと第２のスイッチがオン状態となる。この場合に、第１のＡＭＣ部４１２と第２のＡＭＣ部４１４の出力は、第１の送信アンテナグループ４１８に提供される。特に、第１のＡＭＣ部４１２の出力は第１の送信アンテナＡＮＴ＃１に提供され、第２のＡＭＣ部４１４の出力は第２の送信アンテナＡＮＴ＃２に提供される。

しかしながら、グループ選択信号として‘０’が受信されると、第１のスイッチと第２のスイッチはオフ状態となる。この場合、第１のＡＭＣ部４１２と第２のＡＭＣ部４１４の出力は、第２の送信アンテナグループ４２０に提供される。特に、第１のＡＭＣ部４１２の出力は第３の送信アンテナＡＮＴ＃３に提供され、第２のＡＭＣ部４１４の出力は第４の送信アンテナＡＮＴ＃４に提供される。

以下、受信側(移動端末)で本発明の第１の実施形態によりフィードバック情報を生成し、これを伝送する方法について具体的に説明する。
受信信号ｙ(ｔ）は、下記の式１のように定義される。

ここで、Ｈ(t）は基地局(又はＮｏｄｅＢ)から伝送されたＭ_ｒ×Ｍ_ｔＭＩＭＯチャンネルマトリックスを、ｓ(t）はＭ_ｔ×１の伝送されたシンボルベクトルを、ｎ(t）は各要素(ｅｌｅｍｅｎｔ)の分配ＣＮ(０，Ｎ_０/２Ｉ_Ｍｒ)によるＭ_ｒ×１の加法性白色ガウス雑音(ＡｄｄｉｔｉｖｅＷｈｉｔｅＧａｕｓｓｉａｎＮｏｉｓｅ：ＡＷＧＮ)ベクトルを、Ｗ(ｔ）はビームフォーミング伝送のために使用されたマトリックスを、ｘ(ｔ）はビームフォーマーによって伝送された信号ベクトル(ｘ(ｔ)＝Ｗ(ｔ)ｓ(ｔ))を、ｙ(t）はＭ_ｒ×１の受信されたシンボルベクトル(ｔ：タイムスロットのインデックス)を、それぞれ示す。

移動端末は、受信信号ｙ(ｔ)を用いて多重アンテナシステムで最大処理量(ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ)又は最大伝送データ量を得るために提供される加重値マトリックスを検索する。そして、移動端末は、加重値マトリックスを指定するインデックスをフィードバック情報として基地局に伝送する。これを一般化した加重値マトリックスは、下記の式２によって定義される。

ここで、Ｗ(t)はビームフォーミングのために使用する加重値マトリックスで、

はフィードバック情報によって選択された加重値マトリックスで、ｋ_０は処理量Ｃ_ｋ(t)を最大にするための加重値マトリックスのインデックスである。したがって、移動端末は、上記のｋ_０を決定し、これをフィードバック情報として基地局に提供する。基地局は、このｋ_０に基づいて使用する加重値マトリックスを決定する。

移動端末は、ｋ_０を決定するために使用される加重値マトリックス別に処理量Ｃ_ｋ(t)を計算できなければならない。これを一般化すると、下記の式３のように定義される。

ここで、

は信号対雑音比で、ｃ_f(x)は動作システムに基づいた容量関数(すなわち、ｃ_ｆ(ｘ)＋ｌｏｇ２(１＋ｘ))である。

上記の式３で使用される信号対雑音比γ_ｍ,ｋ(t)を計算するために、Ｇ_ｍ，ｋ（ｔ）を求めるべきである。この移動端末は、ＳＩＣ(ＳｕｃｃｅｓｓｉｖｅＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅＣａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ)技術を適用するときに、ｙ(ｔ)から雑音成分を除去するためのパラメータＧ_ｍ，ｋ(ｔ)を計算する。このＧ_ｍ，ｋ(ｔ)は、ＳＩＣ技術を適用するために受信側で必ず必要なパラメータであって、下記の式４によって計算される。

ここで、Ｉ_Mt-mはＭ_ｔ-ｍ次元二乗識別マトリックスで、

はビームフォーミングされたチャンネルマトリックスのデフレートバージョン(ｄｅｆｌａｔｅｄｖｅｒｓｉｏｎ)で、

のように定義される。

前述したように、移動端末は、最大処理量が得られる加重値マトリックスを指定する加重値インデックスｋ_０を決定し、これを基地局に伝送する。ｋ_０は、基地局で送信アンテナグループを選択するためのグループ選択信号として使用されうる。

一方、基地局は、加重値インデックスｋ_０によって選択されることができるすべての加重値マトリックスを有する。この加重値マトリックスは、下記の式５によって定義される。

上記の式５に示すように、移動端末からのフィードバック情報によっては２個のマトリックスの中で一つのマトリックスが選択されうる。

移動端末からフィードバック情報としてｋ_０＝１が提供されると、第１のマトリックスＷ_１が選択される。この第１のマトリックスＷ_１が選択されるときに、第１の送信アンテナグループに対しては加重値‘１’が提供され、第２の送信アンテナグループに対しては加重値‘０’が提供される。すなわち、第１のスイッチを通じてＡＮＴ＃１に接続される経路及び第２のスイッチを通じてＡＮＴ＃２に接続される経路の加重値として‘１’が入力され、第１のスイッチを通じてＡＮＴ＃３に接続される経路及び第２のスイッチを通じてＡＮＴ＃４に接続される経路の加重値として‘０’が入力される。したがって、第１のＡＭＣ部４１２と第２のＡＭＣ部４１４の出力は、ＡＮＴ＃１とＡＮＴ＃２を含む第１の送信アンテナグループに入力される。

移動端末からフィードバック情報としてｋ_０＝２が提供されると、第２のマトリックスＷ_２が選択される。第２のマトリックスＷ_２が選択されるときに、第１の送信アンテナグループに対して加重値‘０’が提供され、第２の送信アンテナグループに対して加重値‘１’が提供される。すなわち、第１のスイッチを通じてＡＮＴ＃１に接続する経路及び第２のスイッチを通じてＡＮＴ２に接続される経路の加重値として‘０’が入力され、第１のスイッチを通じてＡＮＴ＃３に接続する経路及び前記第２のスイッチを通じてＡＮＴ＃４に接続される経路の加重値として‘１’が入力される。したがって、第１のＡＭＣ部４１２と第２のＡＭＣ部４１４からの出力は、ＡＮＴ＃３とＡＮＴ＃４を含む第２の送信アンテナグループに入力される。

以上に本発明はｋ_０＝１、ｋ_０＝２である場合を説明したが、ｋ_０＝０、ｋ_０＝１は１ビットのグループ選択信号を使用するために定義される。そして、前述した説明では、加重値マトリックスのインデックスはフィードバック情報として使用しない。しかしながら、グループ選択ビットを使用してグループ選択を実現することも可能である。すなわち、グループ選択ビットとして‘０’が提供されると、スイッチング部がオフされて第２の送信アンテナグループが選択されるようにし、グループ選択ビットとして‘１’が提供されると、スイッチング部がオンされて第１の送信アンテナグループが選択されるようにする。

本発明の第２の実施形態では、複数の送信アンテナを送信アンテナグループに分類し、フィードバック情報によって送信アンテナグループ別に異なる加重値を割り当て、ビームフォーミングを遂行する装置及び方法を提供する。そして、第２の実施形態は、送信アンテナグループ別に加重値を割り当てるためのフィードバック情報を生成するための方法を提供する。

図５は、フィードバック情報によって各信号列が伝送される送信アンテナグループ別に加重値を割り当てる信号送信部３０２(図３）の構造を示す。図５の構造は、大きく一般信号処理部と空間信号処理部に分けられる。一般信号処理部はマルチプレクサ５１０と２個のＡＭＣ部５１２，５１４を含み、空間信号処理部は２個のコンバイナ５１６，５１８と送信アンテナグループ５２０，５２２を含む。

図５を参照すると、伝送しようとするデータ列はマルチプレクサ５１０に入力される。マルチプレクサ５１０は、データ列を少なくとも２個の信号列に分類する。このマルチプレクサ５１０から出力される信号列の数は、ＡＭＣ部の個数に対応する。ＡＭＣ部の個数は、一つの送信アンテナグループの送信アンテナの数に対応する。図５で、例えば、４個の送信アンテナは２個の送信アンテナグループに分類し、マルチプレクサ５１０は２個の信号列を出力する。マルチプレクサ５１０によって分類された第１の信号列は、第１のＡＭＣ部５１２に伝送され、第２の信号列は第２ＡＭＣ部５１４に伝送される。

第１のＡＭＣ部５１２は、フィードバック情報処理部３０４(図３)からの電力制御及びＡＭＣ制御情報を用いて第１の信号列に対して電力制御、ＡＭＣ制御を遂行した後、制御された第１の信号列を拡散する。同様に、第２のＡＭＣ部５１４は、フィードバック情報処理部３０４(図３)からの電力制御及びＡＭＣ制御情報を用いて第２の信号列に対して電力制御及びＡＭＣ制御を遂行した後に、制御された第２の信号列を拡散する。このとき、電力制御及びＡＭＣ制御情報は、移動端末からのフィードバック情報によって決定される。第１のＡＭＣ部５１２と第２のＡＭＣ部５１４からの信号列は、第１及び第２のコンバイナ５１６，５１８に伝達される。

第１のコンバイナ５１６は、第１の送信アンテナグループ５２０に対応し、第１のＡＭＣ部５１２と第２のＡＭＣ部５１４からの信号列を割り当てられた加重値Ｗ_１によって乗算して出力する。第１のコンバイナ５１６から出力される信号列は、第１の送信アンテナグループの第１の送信アンテナＡＮＴ＃１と第２の送信アンテナＡＮＴ＃２に入力される。

第２のコンバイナ５１８は、第２の送信アンテナグループ５２２に対応し、第１のＡＭＣ部５１２と第２のＡＭＣ部５１４からの信号列を割り当てられた加重値Ｗ_２によって乗算して出力する。第２のコンバイナ５１８から出力される信号列は、第２の送信アンテナグループの第３の送信アンテナＡＮＴ＃３と第４の送信アンテナＡＮＴ＃４に入力される。

上記のように、本発明の第２の実施形態では、各送信アンテナグループ別に相互に異なる加重値Ｗ_１，Ｗ_２が割り当てられるが、これら加重値Ｗ_１，Ｗ_２は移動端末からのフィードバック情報に基づいてフィードバック情報処理部３０４(図３)によって決定される。フィードバック情報処理部３０４(図３）は、加重値を決定するために、基地局で使用可能な加重値を移動端末と予め設定される。このフィードバック情報処理部３０４(図３）は、移動端末から提供される加重値インデックス情報に対応する加重値を選択して第１及び第２のコンバイナ５１６，５１８に伝送する。

基地局で、フィードバック情報処理部３０４(図３）は、加重値インデックス情報ｋに基づいて送信アンテナグループに割り当てる相互に異なる加重値を計算するように実現できる。送信アンテナグループ別に加重値を割り当てるために、予め基地局と移動端末との間に約束された加重値マトリックスパターンの一例を、下記の式６のように示す。

上記の式６に提示した加重値マトリックスからわかるように、同一の送信アンテナグループに属する送信アンテナに対しては同一の加重値が割り当てられる。

下記の式７では、加重値マトリックスを完成するために必要なＷ_１，Ｗ_２を計算する一例を提案する。

上記の式７によれば、Ｗ_１は固定値を有し、Ｗ_２はフィードバック情報として提供される加重値インデックス情報ｋによって定義される。加重値インデックス情報は、０〜３の値を有することによって、加重値インデックス情報を伝送するために２ビットが使用される。

移動端末は、上記の<数７>によって最適の加重値組合を決定する。また、移動端末は、最適の加重値組合を得るために使用された加重値インデックスｋをフィードバック情報として基地局に伝送する。

基地局は、２ビットの加重値インデックス情報に基づいて使用する加重値マトリックスを決定し、これをコンバイナ５１６，５１８に提供することによって、送信アンテナグループ別に固有の加重値を提供する。

本発明の第３の実施形態では、フィードバック情報によってそれぞれの送信アンテナ別に加重値を割り当ててビームフォーミングを遂行する装置及び方法を提供する。そして、第３の実施形態は、送信アンテナ別に加重値を割り当てるためのフィードバック情報を生成する方法を提供する。

図６は、フィードバック情報によって各信号列が伝送される送信アンテナ別に加重値を割り当てる信号送信部３０２(図３）の詳細構造を示す。図６の構造は、大きく一般信号処理部と空間信号処理部に分けられる。一般信号処理部はマルチプレクサ６１０と２個のＡＭＣ部６１２，６１４を含み、空間信号処理部は一つのコンバイナ６１６と送信アンテナ６１８(ＡＮＴ＃１，ＡＮＴ＃２，ＡＮＴ＃３，ＡＮＴ＃４)を含む。第３の実施形態は、一般信号処理部の動作で第１及び第２の実施形態に類似するため、その具体的な説明を省略する。

図６を参照すると、コンバイナ６１６は、第１のＡＭＣ部６１２からの信号列を相互に異なる加重値Ｗ_１１，Ｗ_１２によって乗算し、相互に異なる加重値が乗算された２個の信号列を各々対応する送信アンテナＡＮＴ＃１、ＡＮＴ＃３に伝送する。そして、コンバイナ６１６は、第２のＡＭＣ部６１４からの信号列を相互に異なる加重値Ｗ_２１，Ｗ_２２によって乗算し、相互に異なる加重値が乗算された２個の信号列の各々は対応する送信アンテナＡＮＴ＃２、ＡＮＴ＃４に伝送される。

コンバイナ６１６での加重値Ｗ_１１，Ｗ_２１，Ｗ_１２，Ｗ_２２は、移動端末からのフィードバック情報に基づいてフィードバック情報処理部３０４(図３)によって決定される。フィードバック情報処理部３０４(図３）は、加重値Ｗ_１１，Ｗ_２１，Ｗ_１２，Ｗ_２２を決定するために基地局で使用する加重値マトリックスを移動端末と予め設定しておく。フィードバック情報処理部３０４(図３）は、移動端末から提供されるフィードバック情報に基づいて加重値Ｗ_１１，Ｗ_２１，Ｗ_１２，Ｗ_２２を計算する。フィードバック情報処理部３０４(図３）は、計算された加重値Ｗ_１１，Ｗ_２１，Ｗ_１２，Ｗ_２２が反映された加重値マトリックスによってコンバイナ６１６の動作を制御する。このとき、加重値インデックス情報は、各々２ビットで表現されるｋ１とｋ２で構成される。したがって、本発明の第３の実施形態では４ビットの加重値インデックス情報がフィードバック情報として使用される。

図７は、上記した本発明の第１〜第３の実施形態それぞれの性能を示すグラフである。図７から、本発明の実施形態による性能がほとんど類似していることがわかる。しかしながら、第３の実施形態が最も良好な性能を示す。

以上、本発明の詳細な説明においては具体的な実施形態に関して説明したが、特許請求の範囲を外れない限り、形式や細部についての様々な変更が可能であることは、当該技術分野における通常の知識を持つ者には明らかである。したがって、本発明の範囲は、前述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載及びこれと均等なものに基づいて定められるべきである。

本発明の実施形態を適用するための多重アンテナシステムの構造を示す図である。本発明の実施形態により基地局と移動端末との間のシグナリング手順を示す図である。本発明の実施形態による基地局と特定の移動端末の構造を示す図である。フィードバック情報によって、各信号列が伝送される送信アンテナグループを選択するための信号送信部の具体的な構造を示す図である。フィードバック情報によって、各信号列が伝送される送信アンテナグループ別に加重値を割り当てる信号送信部の具体的な構造を示す図である。フィードバック情報によって、各信号列が伝送される送信アンテナ別に加重値を割り当てる信号送信部の具体的な構造を示す図である。本発明の第１〜第３の実施形態の性能を各々示すグラフである。

符号の説明

１０基地局
２０第１の移動端末
２２第２の移動端末
２４第ｋの移動端末
３０２信号送信部
３０４フィードバック情報処理部
３１０多重経路送信チャンネル
３２２信号受信部
３２４フィードバック情報生成部
４１０，５１０，６１０マルチプレクサ
４１２，４１４ＡＭＣ部
４１６スイッチング部
５１２，５１４ＡＭＣ部
６１２，６１４ＡＭＣ部

Claims

多重アンテナ方式を使用する基地局で適応変調符号化を通じて出力される複数のビット列を複数の送信アンテナを通じて伝送するためのビームフォーミングを遂行する方法であって、
移動端末からのフィードバック情報を受信する段階と、
前記フィードバック情報から加重値選択情報を獲得する段階と、
前記加重値選択情報によって所定の加重値マトリックスを選択する段階と、
前記選択された加重値マトリックスにより送信アンテナ別に相異なる加重値を割り当てる段階と、
該送信アンテナを通じて伝送しようとするビット列を前記該送信アンテナに対して割り当てられた加重値によって乗算する段階と、
前記加重値によって乗算されたビット列を前記該送信アンテナに出力する段階と、
を有し、
前記加重値マトリックスは下記のようなパターンを有し、

前記加重値マトリックスで前記獲得した加重値選択情報（ｋ）による各送信アンテナグループ別加重値（Ｗ_１、Ｗ_２）は、下記の式により決定されることを特徴とするビームフォーミング遂行方法。
前記複数の送信アンテナのうち、相互干渉が最小化できる送信アンテナを一つの送信アンテナグループに分類することを特徴とする請求項１記載のビームフォーミング遂行方法。
前記送信アンテナは４個で構成され、前記４個の送信アンテナは２個の送信アンテナグループに分類されることを特徴とする請求項１記載のビームフォーミング遂行方法。
前記ビット列の個数が、前記送信アンテナグループを構成する送信アンテナの個数に比例することを特徴とする請求項１記載のビームフォーミング遂行方法。
多重アンテナ方式を使用する基地局におけるビームフォーミングを遂行する装置であって、
一つのビット列を複数のビット列に多重化し、前記複数のビット列の各々に対する適応変調符号化を遂行する一般信号処理部と、
移動端末からフィードバックされる加重値選択情報によって送信アンテナ別に相互に異なる加重値を割り当て、前記一般信号処理部から出力される複数のビット列のうち該送信アンテナを通じて伝送しようとするビット列を前記該送信アンテナに対して割り当てられた加重値によって乗算し、前記加重値によって乗算されたビット列を各送信アンテナグループの前記該送信アンテナに出力する空間信号処理部と、
前記移動端末からフィードバックされる加重値選択情報（ｋ）により各送信アンテナグループ別加重値（Ｗ_１、Ｗ_２）を決定するフィードバック情報処理部と、
前記加重値選択情報により所定の加重値マトリックスを選択し、前記選択された加重値マトリックスにより送信アンテナ別加重値を割り当てる加重値マトリックスと、
を含み、前記加重値マトリックスは、下記のようなパターンを有し、

前記加重値マトリックスで前記移動端末からフィードバックされる加重値選択情報（ｋ）による各送信アンテナグループ別加重値（Ｗ _１、Ｗ _２）は、下記の式により決定されることを特徴とするビームフォーミング遂行装置。
前記一般信号処理部は、
一つのビット列を複数のビット列に多重化するマルチプレクサと、
移動端末からのフィードバック情報によって、前記複数のビット列の各々に対する適応変調符号化を遂行する複数の適応変調符号化部と、
を含むことを特徴とする請求項５記載のビームフォーミング遂行装置。
前記空間信号処理部は、
複数の送信アンテナグループに分類される複数の送信アンテナと、
前記送信アンテナグループ別に加重値が提供され、前記複数のビット列を前記送信アンテナグループ別に加重値によって乗算して対応する送信アンテナグループに出力するコンバイナと、を含み、
ここで、前記送信アンテナグループの送信アンテナに対して同一の加重値を割り当てることを特徴とする請求項５記載のビームフォーミング遂行装置。
前記複数の送信アンテナのうち、相互干渉が最小化できる送信アンテナを一つの送信アンテナグループに分類することを特徴とする請求項５記載のビームフォーミング遂行装置。
前記送信アンテナは４個で構成され、前記４個の送信アンテナは２個の送信アンテナグループに分類されることを特徴とする請求項５記載のビームフォーミング遂行装置。
前記ビット列の個数が、各送信アンテナグループを構成する前記送信アンテナの個数に比例することを特徴とする請求項５記載のビームフォーミング遂行装置。