JP5134018B2 - 多入力多出力（ｍｉｍｏ）通信システムにおける通信チャネルの最適化の方法およびシステム - Google Patents

Description

本発明は、多入力多出力（ＭＩＭＯ）通信システムにおける送信方法と、ＭＩＭＯ通信システムのための送信機と、ＭＩＭＯ通信システムとに関する。

多入力多出力（ＭＩＭＯ）通信システムでは、一般に、無線フェージングチャネルを通じて高いチャネルパフォーマンスを提供する技術を使用する。ＭＩＭＯ通信システムにおいては、チャネルパフォーマンスを向上させることが望まれている。その方策として、最適な品質のチャネルをユーザに提供することと、マルチユーザダイバーシチを使用してデータスループットを高めることとが含まれる。

閉ループ型のＭＩＭＯシステムでは、一般に、チャネル状態情報を受信機から送信機に送信する。したがって、受信機からのチャネル状態情報フィードバックを利用することにより、プリコーディング／ビームフォーミングによってチャネルの最適化を提供することができる。しかしながら、チャネル状態情報を送信するためには、一般には、本来ならばデータトラフィックを送信するために利用できる帯域幅を使用する。

プリコーディングに関しては、マルチユーザ（ＭＵ）−ＭＩＭＯシステムにおける現在のプリコーディング方法は、一般には、ブロック対角化（block diagonalization）アルゴリズムに基づいており、このアルゴリズムは、有効なチャネルをブロック対角行列の形式に強制するアルゴリズムを利用して、ユーザ間の干渉のみを打ち消す。しかしながら、これらの方法を使用するとき、一般には空間ビームの間の直交性が保証されず、したがって、このようなチャネル最適化方法は、一般には効果的ではない。さらに、一般には、このようなＭＩＭＯシステムにおいては、アンテナ構成の次元に関する制約として、送信アンテナの数を受信アンテナの総数よりも少なくすべきではないという制約も存在する。これらの方法を使用するときに生じうる１つの問題は、実際のケースにおいては一般にこの制約が満たされないことである。

１つの代替のプリコーディング方法は、特許文献１に記載されている。この文書に記載されているように、この方法では、特異値分解（ＳＶＤ）を使用して受信機からフィードバックされるチャネル情報に対して、ＱＲ分解を実行し、ＱＲ分解の結果に基づいてビームフォーミングを実行する。しかしながら、この方法を使用する場合、一般には、他のユーザの干渉をビームフォーミングによって打ち消すことができない。一般には、各受信機において他のユーザのチャネル情報は存在しないため、各受信機においてユーザ間干渉を排除することは実際には困難である。したがって、実際には、このプリコーディング方法を使用して高いデータスループットを達成することはできない。

上のプリコーディング方法においては、ＭＵ−ＭＩＭＯシステムにおける各受信機のチャネル状態情報は、一般には受信機から送信機に直接フィードバックされ、プリコーディング行列が計算される。したがって、生じうる１つの問題として、フィードバックのオーバーヘッドが増大する結果として、一般に帯域幅の非効率性につながる。

フィードバックのオーバーヘッドを低減させることに関して、送信機および受信機の両方に既知であるコードブックを利用するいくつかの方法が存在する。コードブックは、一般には、送信機がプリコーディングに使用することのできるプリコーディング情報を含んでいる。受信機は、送信機が使用するコードブック要素を、それらのコードブック要素を識別するインデックスを送信することによって、識別する。しかしながら、コードブックに基づくこれらのプリコーディング方法は、一般には単一ユーザ（ＳＵ）−ＭＩＭＯシステムにおいて使用されるのみであり、なぜなら、ＭＵ−ＭＩＭＯシステムにおける各受信機には、利用可能な他のユーザのチャネル情報が存在しないためである。言い換えれば、ＭＵ−ＭＩＭＯシステムにおいては、一般に、受信機は、送信機におけるプリコーディングに使用されるコードブック要素を直接的に識別することができない。

したがって、上記の問題のうちの少なくとも１つに対処するため、多入力多出力（ＭＩＭＯ）通信システムにおける通信チャネルの最適化の方法およびシステムのニーズが存在する。

米国特許出願公開第２００６／０１２０４７８号明細書

本発明の第１の態様によると、多入力多出力（ＭＩＭＯ）通信システムにおける送信方法であって、チャネル状態情報を表しているフィードバックデータを、ＭＩＭＯ通信システムの各受信機から受信するステップと、受信機を、受信されたフィードバックデータに基づいて１つまたは複数のグループにグループ化するステップと、受信機の各グループのためのプリコーディング行列であって、受信機の各グループの各受信機に関連付けられる、プリコーディング行列の中のプリコーディングベクトルまたは部分行列が互いに直交するような、プリコーディング行列を、受信されたフィードバックデータに基づいて得るステップと、プリコーディング行列を入力信号に適用して受信機の各グループに送信するステップと、を含んでいる、方法、を提供する。

フィードバックデータは、各受信機において導かれるチャネル行列の各右特異行列（right singular matrices）の１つまたは複数の決定的列（determinant columns）を備えていることができる。

本方法は、各受信機に割り当てられているストリームの数ｔ_ｋを求めるステップ、をさらに含んでいることができ、フィードバックデータは、各受信機において導かれる右特異行列の最初のｔ_ｋ列を備えていることができる。

ｔが、ＭＩＭＯ通信システムにおける送信機の送信アンテナの数である場合、受信機を１つまたは複数のグループにグループ化することができ、各グループがｔ個に等しいかまたはｔ個未満の受信機を備えている。

プリコーディング行列を得るステップは、各グループの他の各受信機において導かれる各右特異行列の１つまたは複数の決定的列を使用して構築されるヌル空間内に存在するものとして、各グループの各受信機のためのプリコーディングベクトルまたは部分行列を計算するステップ、を含んでいることができる。

本方法は、各受信機においてチャネル行列の各右特異行列を導くステップと、導かれた右特異行列を、コードブックの中の行列と比較するステップと、導かれた各右特異行列に最も近いコードブック要素を求めるステップと、をさらに含んでいることができ、チャネル状態情報を表しているフィードバックデータは、コードブック要素を識別している各インデックスを備えていることができる。

本方法は、各受信機に割り当てられているストリームの数ｔ_ｋを求めるステップ、をさらに含んでいることができ、各受信機のためのコードブック要素が（ｔ×ｔ_ｋ）行列であり（ｔは、ＭＩＭＯ通信システムにおける送信機アンテナの数）、各受信機において導かれる右特異行列の最初のｔ_ｋ列を、各コードブックと比較して最も近いコードブック要素を求めることができる。

受信機をグループ化するステップと、各グループのプリコーディング行列を得るステップは、識別される直交するコードブック要素を有する受信機をグループ化するステップと、各直交するコードブック要素からプリコーディング行列を構築するステップと、を含んでいることができる。

本方法は、ＭＩＭＯ通信システムにおける送信機の送信アンテナの数としてのｔをさらに備えていることができ、受信機の各グループは、ｔ個に等しいかまたはｔ個未満の受信機を備えていることができる。

本発明の第２の態様によると、多入力多出力（ＭＩＭＯ）通信システムのための送信機であって、チャネル状態情報を表しているフィードバックデータを、ＭＩＭＯ通信システムの各受信機から受信する制御モジュールと、受信機を、受信されたフィードバックデータに基づいて１つまたは複数のグループにグループ化するスケジューラユニットであって、受信機の各グループのためのプリコーディング行列であり、受信機の各グループの各受信機に関連付けられる、プリコーディング行列の中のプリコーディングベクトルまたは部分行列が互いに直交するような、プリコーディング行列、を、受信されたフィードバックデータに基づいて得ることができる、スケジューラユニットと、プリコーディング行列を入力信号に適用して受信機の各グループに送信するプリコーディングモジュールと、を備えている、送信機、を提供する。

フィードバックデータは、各受信機において導かれるチャネル行列の各右特異行列の１つまたは複数の決定的列を備えていることができる。

スケジューラユニットは、各受信機に割り当てられているストリームの数ｔ_ｋを求めることができ、フィードバックデータは、各受信機において導かれる右特異行列の最初のｔ_ｋ列を備えている。

ｔが、送信機の送信アンテナの数である場合、スケジューラユニットは、受信機を１つまたは複数のグループにグループ化することができ、各グループがｔ個に等しいかまたはｔ個未満の受信機を備えている。

プリコーディング行列を得るステップは、各グループの他の各受信機において導かれる各右特異行列の１つまたは複数の決定的列を使用して構築されるヌル空間内に存在するものとして、各グループの各受信機のためのプリコーディングベクトルまたは部分行列を計算するステップ、を含んでいることができる。

各受信機からの、チャネル状態情報を表しているフィードバックデータが、コードブックの中の１つのコードブック要素を識別しているインデックスを備えていることができ、コードブック要素は、導かれた右特異行列を、コードブックの中の行列と比較することによって、各受信機において導かれたチャネル行列の右特異行列に最も近いコードブック要素として求めることができる。

スケジューラユニットは、各受信機に割り当てられているストリームの数ｔ_ｋを求めることができ、各受信機のためのコードブック要素が（ｔ×ｔ_ｋ）行列であり（ｔは、ＭＩＭＯ通信システムにおける送信機アンテナの数）、各受信機において導かれる右特異行列の最初のｔ_ｋ列を各コードブックと比較して最も近いコードブック要素を求めることができる。

スケジューラユニットは、識別される直交するコードブック要素を有する受信機をグループ化し、各直交するコードブック要素からプリコーディング行列を構築することができる。

ｔが、ＭＩＭＯ通信システムにおける送信機の送信アンテナの数である場合、受信機の各グループは、ｔ個に等しいかまたはｔ個未満の受信機を備えていることができる。

本発明の第３の態様によると、多入力多出力（ＭＩＭＯ）通信システムであって、少なくとも１つの送信機と、少なくとも１つの送信機から受信される信号からフィードバックデータを導き、フィードバックデータを少なくとも１つの送信機に送信する１つまたは複数の受信機と、を備えており、各送信機が、チャネル状態情報を表しているフィードバックデータを、ＭＩＭＯ通信システムの各受信機から受信する制御モジュールと、受信機を、受信されたフィードバックデータに基づいて１つまたは複数のグループにグループ化するスケジューラユニットであって、受信機の各グループのためのプリコーディング行列であり、受信機の各グループの各受信機に関連付けられる、プリコーディング行列の中のプリコーディングベクトルまたは部分行列が互いに直交するような、プリコーディング行列、を、受信されたフィードバックデータに基づいて得ることができる、スケジューラユニットと、プリコーディング行列を入力信号に適用して受信機の各グループに送信するプリコーディングモジュールと、を備えている、多入力多出力（ＭＩＭＯ）通信システム、を提供する。

フィードバックデータは、各受信機において導かれるチャネル行列の各右特異行列の１つまたは複数の決定的列を備えていることができる。

スケジューラユニットは、各受信機に割り当てられているストリームの数ｔ_ｋを求めることができ、フィードバックデータは、各受信機において導かれる右特異行列の最初のｔ_ｋ列を備えていることができる。

ｔが、送信機の送信アンテナの数である場合、スケジューラユニットは、受信機を１つまたは複数のグループにグループ化することができ、各グループがｔ個に等しいかまたはｔ個未満の受信機を備えている。

プリコーディング行列を得るステップは、各グループの他の各受信機において導かれる各右特異行列の１つまたは複数の決定的列を使用して構築されるヌル空間内に存在するものとして、各グループの各受信機のためのプリコーディングベクトルまたは部分行列を計算するステップ、を含んでいることができる。

各受信機からの、チャネル状態情報を表しているフィードバックデータが、コードブックの中の１つのコードブック要素を識別しているインデックスを備えていることができ、コードブック要素は、導かれた右特異行列を、コードブックの中の行列と比較することによって、各受信機において導かれたチャネル行列の右特異行列に最も近いコードブック要素として求めることができる。

本方法は、各受信機に割り当てられているストリームの数ｔ_ｋを求めるステップ、をさらに含んでいることができ、各受信機のためのコードブック要素が（ｔ×ｔ_ｋ）行列であり（ｔは、ＭＩＭＯ通信システムにおける送信機アンテナの数）、各受信機において導かれる右特異行列の最初のｔ_ｋ列を、各コードブックと比較して最も近いコードブック要素を求めることができる。

スケジューラユニットは、識別される直交するコードブック要素を有する受信機をグループ化し、各直交するコードブック要素からプリコーディング行列を構築することができる。

ｔが、ＭＩＭＯ通信システムにおける送信機の送信アンテナの数である場合、受信機の各グループは、ｔ個に等しいかまたはｔ個未満の受信機を備えていることができる。

この技術分野における通常の技能を有する者には、例のみを目的として以下に記載した説明から、図面を参照しながら、本発明の実施形態について深くかつ容易に理解されるであろう。

多入力多出力（ＭＩＭＯ）通信システムにおける送信方法を示している概略的なフローチャートである。 マルチユーザＭＩＭＯ通信システムを示している概略的なブロック図である。 一実施形態例における受信機における信号処理を示している概略的なフローチャートである。 実施形態例における送信機における信号処理を示している概略的なフローチャートである。 別の実施形態例における受信機における信号処理を示している概略的なフローチャートである。 実施形態例における送信機における信号処理を示している概略的なフローチャートである。 実施形態例のスループットパフォーマンスを示している、システム構造に対するスループットのグラフである。

以下に説明する実施形態例では、通信システムにおける通信チャネルのパフォーマンスを高めることができ、例えば、マルチユーザＭＩＭＯ通信システムの送信パフォーマンスを高めることができる。

以下の説明の一部は、コンピュータメモリ内のデータに対する操作のアルゴリズム、および機能的表現または記号的表現を通じて明示的または暗黙的に提示してある。これらのアルゴリズム記述、および機能的表現または記号的表現は、データ処理の技術分野における当業者が、自身の開発内容の要旨を別の技術分野における当業者に最も効率的に伝えるために用いる手段である。本文書において、および一般的には、アルゴリズムは、所望の結果につながる、内部に矛盾のない一連のステップとして理解される。これらのステップは、物理量（格納、転送、結合、比較、その他の操作を行うことのできる、電気信号、磁気信号、または光信号など）の物理的操作が要求されるステップである。

特に明記しない限りは、説明から明らかであるように、本明細書の全体を通じて、「スキャンする」、「計算する」、「求める」、「置き換える」、「生成する」、「初期化する」、「出力する」などの用語を使用している説明は、コンピューティングシステムまたは類似する電子装置の動作およびプロセスであって、コンピューティングシステムの中で物理量として表されるデータを操作する、あるいは、コンピューティングシステム、またはその他の情報記憶装置、情報送信装置、または情報表示装置の中で同様に物理量として表される別のデータに変換する動作およびプロセスを意味するものと理解されたい。

本明細書では、本方法の動作を実行するための装置も開示している。このような装置は、必要な目的専用に構築することができる、あるいは、自身に格納されているコンピュータプログラムによって選択的に起動または再構成される汎用コンピュータまたは別の装置を備えていることができる。本文書に提示したアルゴリズムは、本質的に特定のコンピュータまたはその他の装置には関連していない。さまざまな汎用マシンを、本文書の教示内容に従ってプログラムを用いて使用することができる。あるいは、必要な方法ステップを実行するための、より特殊化した装置を構築することが適切なこともある。

さらに、本文書に記載した方法の個々のステップをコンピュータコードによって実行できることが、当業者には明らかであり、したがって、本明細書は、コンピュータプログラムと、コンピュータプログラムを格納しているデータ記憶媒体も、暗黙的に開示している。コンピュータプログラムは、特定のプログラミングおよび実施形態に制限されることを意図するものではない。本文書に含まれている開示の教示内容を実施する目的には、さまざまなプログラミング言語およびそのコーディングを使用できることを理解されたい。さらに、コンピュータプログラムは、何らかの特定の制御フローに限定されることを意図するものではない。本発明の概念または範囲から逸脱することなく、別の制御フローを使用することのできる、コンピュータプログラムの多数の別のバリエーションが存在する。

本発明は、ハードウェアモジュールとして実施することもできる。より具体的には、ハードウェアの意味において、モジュールとは、別のコンポーネントまたはモジュールと一緒に使用するように設計されている機能的なハードウェアユニットである。例えば、モジュールは、個別の電子コンポーネントを使用して実施することができ、あるいは、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）などの電子回路全体の一部を形成することができる。それ以外にも膨大な可能な方法が存在する。本システムは、ハードウェアモジュールとソフトウェアモジュールの組合せとしても実施できることが、当業者には理解されるであろう。

図１は、多入力多出力（ＭＩＭＯ）通信システムにおける送信方法を示している概略的なフローチャート１００である。ステップ１０２において、チャネル状態情報を表しているフィードバックデータを、ＭＩＭＯ通信システムの各受信機から受信する。ステップ１０４において、受信したフィードバックデータに基づいて、受信機を１つまたは複数のグループにグループ化する。ステップ１０６において、受信機の各グループのためのプリコーディング行列として、受信機の各グループの各受信機に関連付けられる、プリコーディング行列の中のプリコーディングベクトルまたは部分行列が互いに直交するようなプリコーディング行列を、受信したフィードバックデータに基づいて得る。ステップ１０８において、プリコーディング行列を入力信号に適用して受信機の各グループに送信する。

実施形態例においては、１つまたは複数の受信機は、送信機から受信される基準信号に基づいて、チャネル状態情報を得る。各受信機は、チャネル状態情報に対してＳＶＤを実行し、ＳＶＤの結果としての右特異行列の列情報を送信機にフィードバックする。次いで、送信機は、この列情報に基づいてプリコーディング行列を形成する。列情報は、行列／ベクトルの形式とすることができる。送信機は、プリコーディング行列を使用してデータ信号にプリコーディング重み（precoding weight）を適用する。プリコーディング重みは、チャネル状態情報のすべてまたは一部に基づくことができる。各受信機において、データ信号を受信し、フィルタ行列と、プリコーディング行列の逆行列とを使用して復号化する。これにより、データ信号のサブセットを提供することができ、このサブセットは、受信機を対象とするデータ信号のみである。

別の実施形態においては、コードブックに基づくプリコーディングを使用する。このような実施形態例においては、コードブックを使用して列情報を参照する。このような実施形態においては、送信機は、各受信機からフィードバックされるコードブック要素のインデックスを受信し、受信機を対象とする信号を複数のグループにグループ化し、このグループにおいては、フィードバックインデックスによって示されるコードブック要素が、これらの受信機の間で直交している。次いで、送信機は、グループ化された信号を時間周波数リソースにスケジューリングし、グループ化された信号に関連付けられるコードブック要素を集めて各プリコーディング行列を形成し、これによってプリコーディングを実行する。

以下の説明においては、本発明の実施形態例を実施するための、マルチユーザＭＩＭＯシステムにおける送信機および１つまたは複数の受信機の概要を最初に示し、そのあと、実施形態例においてプリコーディングのために使用されるアルゴリズムについてさらに詳しく説明する。

図２は、本発明の実施形態例を実施するための、マルチユーザＭＩＭＯ通信システム２００を示している概略的なブロック図である。システム２００は、複数の送信アンテナ（例：２０４，２０６）を有する送信機２０２と、それぞれが複数の受信アンテナ（例：２１２，２１４）を有する１つまたは複数の受信機（例：２０８，２１０）とを備えている。データストリームは、送信機２０２からマルチユーザＭＩＭＯチャネル２１６を通じて受信機（例：２０８，２１０）に送信される。

送信機２０２には、各受信機（例：２０８，２１０）から、フィードバックチャネル情報と、１つまたは複数のチャネル品質インジケータとを受信する（２２０）目的でコントローラ２１８が設けられている。送信機２０２は、スケジューラ２２２と、適応変調・符号化（ＡＭＣ）モジュール２２４と、プリコーダ２２６とをさらに備えている。一実施形態においては、プリコーディング行列を形成するステップは、受信機のグループの他の受信機から送信される右特異行列の決定的列によって構築されるヌル空間内にプリコーディングベクトル／部分行列を存在させることによって、各受信機のプリコーディングベクトル／部分行列を計算するステップ、を含んでいる。次いで、受信機のプリコーディングベクトル／部分行列を集めてプリコーディング行列を形成する。

別の実施形態においては、１つまたは複数のコードブック要素のインデックスを使用してチャネル情報がフィードバックされる場合、コントローラ２１８が、コードブックから各フィードバックチャネルベクトル／行列を特定する。チャネルベクトル／行列は、インデックスを使用して識別されるコードブック要素である。スケジューラ２２２は、フィードバックチャネルベクトル／行列に従って受信機（例：２０８，２１０）をグループ化し、すなわち、スケジューラ２２２は、互いに直交しているまたはほぼ直交しているフィードバック行列／ベクトルを有する受信機（例：２０８，２１０）をグループ化し、ベクトルを集めて、受信機のこのグループのためのプリコーディング行列を形成する。一実施形態においては、送信機２０２は、最大でｔ個の受信機を選択して１つのグループにグループ化することができ、ｔは、利用可能な空間ストリームの最大数である。次いで、スケジューラ２２２は、所定のスケジューリングポリシー（例えば、プロポーショナルフェア（ＰＦ）スケジューリング、あるいは最大のスループットに基づくスケジューリング）に従って、送信の優先度が最高である受信機のグループを選択する。

グループ化できる受信機が存在しない場合、スケジューラ２２２は、送信ストリームを使用する単一ユーザすべてのスループットを計算し、スケジューリングポリシー（例えば、ＰＦスケジューリング、あるいは最大のスループットに基づくスケジューリング）に従って、送信のためのスケジューリングに関する優先度が最高である受信機を選択する。

ＡＭＣ ２２４は、コントローラ２１８からの制御情報に従って、スケジューリングされた受信機に送信する対象のデータストリームに対して変調およびチャネル符号化を実行する。コントローラ２１８は、受信機（例：２０８，２１０）から受信されるチャネル品質インジケータに基づいて、各空間ストリームの変調およびチャネル符号化のレベルを決定する制御情報を提供する。プリコーダ２２６は、スケジューリングされた受信機のグループに対応する、スケジューラ２２２からのプリコーディング行列を、ＡＭＣモジュール２２４からの、変調および符号化された信号に適用することによって、プリコーディングを実行する。

各受信機（例：２０８，２１０）には、プロセッサ２２８と、検出器２３０と、復号器２３２とが設けられている。プロセッサ２２８は、送信機２０２からの基準信号を受信し、チャネル状態情報を推定する。基準信号は、事前に設計され、送信機２０２から送信アンテナ（例：２０４，２０６）を介して送信されるデータストリームに挿入される。次いで、プロセッサ２２８は、一実施形態例においては、チャネル状態情報に対してＳＶＤを実行し、ＳＶＤの結果としての右特異行列の決定的列を送信機２０２にフィードバックする。コードブックを使用する実施形態例においては、プロセッサ２２８は、右特異行列をコードブックの中の要素と比較して、右特異行列に最も近いフィードバックベクトル／行列としてコードブック要素を見つけ、対応するコードブック要素のインデックスを送信機２０２に送信する。右特異行列に最も近いフィードバックベクトル／行列を選択するためには、右特異行列の決定的列と、コードブックからのコードブック要素との間の距離を求め、右特異行列の決定的列からの距離が最小であるコードブック要素をフィードバックベクトル／行列として選択する。検出器２３０は、チャネル状態情報に基づく、送信機のプリコーディング行列の逆行列を使用して、受信信号を検出するために使用される。さらに、検出器２３０は、送信機２０２にフィードバックするためのチャネル品質インジケータを計算する。復号器２３２は、送信機２０２によって送信された、検出された複数のデータ信号のサブセット（受信機（例：２０８，２１０）を対象とするデータ信号のみ）を復調および復号化するために使用される。

以下では、複数の異なる実施形態例における、送信機および受信機における処理について、詳しく説明する。

図３は、一実施形態例における受信機（例：２０８，２１０）における信号処理を示している概略的なフローチャート３００である。この実施形態例においては、データ通信は、チャネル最適化のためのプリコーディングを使用してＭＵ−ＭＩＭＯチャネル上で行われる。受信機（例：２０８，２１０）は、無線ＭＩＭＯ通信デバイス（図示していない）における受信機とすることができる。ステップ３０２において、受信機は、送信機からの基準信号を受信する。ステップ３０４において、受信機は、チャネル状態情報を推定し、出力ＳＩＮＲ（信号対干渉雑音比）を測定する。このステップは、受信機が、空間チャネルの現在の状態を記述する現在のチャネル行列を計算するステップに対応する。チャネル状態情報に基づいて、チャネル状態情報行列を得る。同じステップにおいて、受信機は、チャネル状態情報行列に対してＳＶＤを実行し、その右特異行列を計算する。ステップ３０６において、受信機は、チャネルベクトルとしての右特異行列の決定的列と、対応する出力ＳＩＮＲとを、送信機にフィードバックする。ｔ_ｋが、受信機を対象とする空間ストリームの数であるならば、右特異行列の決定的列を、右特異行列からの最初のｔ_ｋ列として選択する。

図４は、この実施形態例の場合の送信機２０２（図２）における信号処理を示している概略的なフローチャート４００である。送信機２０２は、無線ＭＩＭＯ通信デバイス（図示していない）における送信機とすることができる。ステップ４０２において、送信機は、１つまたは複数の受信機からのフィードバックチャネルベクトルを受信する。ステップ４０４において、送信機は、フィードバックチャネルベクトルに基づいてプリコーディング重みを計算する。言い換えれば、各受信機を対象とするデータストリームのプリコーディングベクトルは、他の受信機のフィードバックチャネルベクトルに直交するように計算される。ステップ４０６において、送信機は、ユーザ間干渉を排除するため、スケジューリングされた受信機を対象とする対応するデータ信号にプリコーディング重みを適用することによってチャネル最適化を実行する。この実施形態例においては、受信機が１つまたは複数のグループにグループ化され、各グループがｔ個に等しいかまたはｔ個未満の受信機を備えており、ｔは、スケジューリングポリシーに基づく、送信用の送信アンテナ（例：２０４，２０６）の数である。

図５は、別の実施形態例における受信機（例：２０８，２１０）における信号処理を示している概略的なフローチャート５００である。この実施形態例においては、データ通信は、コードブックに基づくプリコーディングを使用してＭＵ−ＭＩＭＯチャネル上で行われる。受信機（例：２０８，２１０）は、無線ＭＩＭＯ通信デバイス（図示していない）における受信機とすることができる。ステップ５０２において、受信機は、送信機からの１つまたは複数の基準信号を受信する。ステップ５０４において、受信機は、チャネル状態情報を推定し、出力ＳＩＮＲを測定する。このステップは、受信機が、空間チャネルの現在の状態を記述する現在のチャネル行列を計算するステップに対応する。同じステップにおいて、受信機は、チャネル行列に対してＳＶＤを実行し、チャネル状態情報行列の右特異行列を計算する。ステップ５０６において、受信機は、右特異行列をコードブックの中の要素と比較して、フィードバックベクトル／行列を見つける。このフィードバックベクトル／行列は、送信機において形成されるプリコーディング行列の列のサブセットに対応する。ステップ５０８において、フィードバックベクトル／行列を識別するインデックスを、対応する出力ＳＩＮＲと一緒に送信機に送信／フィードバックする。

図６は、コードブックに基づくプリコーディングを使用するこの実施形態例における、送信機２０２における信号処理を示している概略的なフローチャート６００である。送信機２０２は、無線ＭＩＭＯ通信デバイス（図示していない）における送信機とすることができる。ステップ６０２において、送信機は、１つまたは複数の受信機からフィードバックされるインデックスを受信し、フィードバック行列／ベクトルとしての対応する要素をコードブックから見つける。ステップ６０４において、送信機は、フィードバック行列／ベクトルに従って受信機をグループ化する。言い換えれば、送信機は、直交するフィードバック行列／ベクトルを有する受信機をグループ化し、この場合、各グループにおける受信機の最大数はｔ個（ｔは送信アンテナ（例：２０４，２０６）の数）である。同じステップにおいて、送信機は、ベクトルを集めて、受信機のこのグループのプリコーディング行列を形成する。ステップ６０６において、送信機は、スケジューリングポリシーに従って、送信の優先度が最高である受信機のグループを選択する。グループ化できる受信機が存在しない場合、送信機は、送信ストリームを使用する単一ユーザすべてのスループットを計算し、スケジューリングポリシーに従って、スケジューリングおよび送信の優先度が最高である受信機を選択する。ステップ６０８において、送信機は、スケジューリングされた受信機に送信する対象の信号にプリコーディング行列を適用する。

以下では、実施形態例におけるプリコーディングのために使用されるアルゴリズムについて、さらに詳しく説明する。

図２を再び参照し、送信機２０２は、複数の、すなわちｔ個の送信アンテナ（例：２０４，２０６）を備えており、Ｋ個の受信機（例：２０８，２１０）と通信し、各受信機（例：２０８，２１０）は、複数の、すなわちｒ_ｋ個の受信アンテナ（例：２１２，２１４）を備えている。したがって、受信アンテナの総数ｒは、次式である。

ｋ番目の受信機に割り当てられている並列空間ストリームの数がｔ_ｋであるならば、次式が成り立つ。

受信機ｋのチャネル出力は、次式としてモデル化される。

この式において、ｓは、送信アンテナ（例：２０４，２０６）から受信機ｋに送信される（ｔ×１）入力信号ベクトルを表しており、ｚ_ｋは、受信機ｋに適用される（ｒ_ｋ×１）ランダム雑音ベクトルを表している。（ｒ_ｋ×ｔ）複素行列Ｈ_ｋは、送信機２０２と受信機ｋとの間のチャネルを表している。

したがって、マルチユーザＭＩＭＯシステム２００は、次式として表すことができる。

この式において、Ｙ＝［ｙ_１ ^Ｔ，ｙ_２ ^Ｔ，・・・，ｙ_Ｋ ^Ｔ］^Ｔは、Ｋ個の受信機（例：２０８，２１０）において受信される通信信号のベクトルであり、Ｚ＝［ｚ_１ ^Ｔ，ｚ_２ ^Ｔ，・・・，ｚ_Ｋ ^Ｔ］^Ｔは、送信される通信信号に影響する雑音のベクトルである。Ｈ（ｒ×ｔ）は、送信機２０２からＫ個の受信機（例：２０８，２１０）すべてまでのＭＵ−ＭＩＭＯチャネルであり、送信機２０２と各受信機（例：２０８，２１０）との間のチャネルＨ_ｋ（ｋ＝１，・・・，Ｋ）によって連結されている。すなわち、次式である。

マルチユーザＭＩＭＯシステム２００におけるユーザ間干渉を排除するためチャネル最適化を得る目的で、送信機２０２におけるプリコーディングＷと、Ｋ個の受信機（例：２０８，２１０）における各受信機フィルタＰとを使用することによって、等式（５）のＭＵ−ＭＩＭＯチャネルを個別のＳＵ−ＭＩＭＯチャネルに分解する。したがって、結果としての有効なチャネルは、以下のブロック対角行列である。

および

この式において、Ｐ_ｋ（ｋ＝１，・・・，Ｋ）は、各受信機（例：２０８，２１０）において適用されるフィルタ行列である。

したがって、等式（４）のシステムモデルの表現は、次式となる。

すなわち、次式となる。

以下では、送信機２０２におけるプリコーディング行列Ｗと、Ｋ個の受信機（例：２０８，２１０）における受信機フィルタＰの設計について、説明する。チャネルＨ_ｋを各受信機（例：２０８，２１０）にＳＶＤを実行するとき、ＳＶＤは次のように表すことができる。

各受信機（例：２０８，２１０）のフィルタ行列は、次式として選択される。

したがって、等式（５）、（６）、（７）を使用すると、送信機２０２と各受信機ｋ（ｋ＝１，．．．，Ｋ）との間の有効なチャネルは、以下のように表すことができる。

このとき以下のように表す。

この式において、Ｗ_ｋは、入力信号ｓ_ｋに適用されるプリコーディング行列／ベクトル（次元（ｔ×ｔ_ｋ））であり、さらに、以下のように表す。

等式（１９−１）〜等式（１９−Ｋ）に基づいて、各ユーザについて、他のユーザからの決定的な干渉を排除することができる。したがって、有効なチャネルは、以下のような構造を有する。

いま、送信機２０２に入力される送信信号を、ｓ＝［ｓ_１ ｓ_２ ・・・ ｓ_Ｋ］^Ｔとして表し、ｓ_ｋ＝［ｓ_ｋ，１ ・・・ ｓ_ｋ，ｔｋ］^Ｔ（ｋ＝１，・・・ Ｋ）を、ｋ番目の受信機を対象とする信号ストリームとして表すものと想定すると、各受信機におけるチャネル出力ｙ_ｋは、次式として表される。

実施形態例のこのチャネル最適化方法を使用すると、マルチユーザＭＩＭＯシステム２００を、近似的に個別のＳＵ−ＭＩＭＯシステムに分解することができ、特定の受信機を対象とする対応する信号のみがその受信機において検出および復号化され、なぜなら、ユーザ間干渉がプリコーディング重みによって効果的に排除されるためである。

実施形態例における、説明したチャネル最適化方法においては、チャネル行列Ｈ_ｋの右特異行列Ｖ_ｋ、またはＶ_ｋの１つまたは複数の決定的列を量子化して送信機２０２にフィードバックする。この結果としてフィードバックの帯域幅が使用されるため、フィードバックのオーバーヘッドを低減する目的で、別の実施形態例においては、コードブックと、コードブック検索手法を利用することができる。

コードブックに基づくプリコーディング行列の場合、目的のプリコーディング行列Ｗ／Ｗ_ｋは、グラスマン多様体Ｇ（Ｎ，Ｍ）上の点とみなすことができ、これは、Ｎ次元空間におけるＭ次元の一連の超平面である。グラスマン多様体Ｇ（Ｎ，Ｍ）は、等しい部分に量子化することができる。複数の異なる部分を検索して、Ｗ／Ｗ_ｋが存在している部分を求めることができ、次いで、該当する部分の対応するインデックスを送信機２０２にフィードバックすることができる。コードブックは、Ｗ／Ｗ_ｋと同じ次元を有する、コードブック要素としてインデックス化されている一連の行列を含むように、グラスマン設計（Grassmanian design）を使用して事前に定義することができる。Ｗ／Ｗ_ｋまでの距離が最小であるコードブック行列を選択し、対応するインデックスを送信機２０２にフィードバックする。次いで、送信機２０２は、送信されたインデックスによって識別されるコードブック要素を使用して、ビームフォーミングのためのプリコーディング行列を形成する。

閉ループＳＵ−ＭＩＭＯシステムにおいては、目的のプリコーディング行列は、チャネル行列の右特異行列（すなわち、Ｖ_ｋ）である。したがって、受信機は、Ｖ_ｋと、ユニタリ行列のコードブックとを比較し、次いで、プリコーディングに使用するコードブック要素を決定する。実施形態例における閉ループＭＵ−ＭＩＭＯシステム２００においては、目的のプリコーディング行列は、スケジューリングされる各受信機（例：２０８，２１０）から見られるすべてのチャネルに基づいて決定される。したがって、ＭＵ−ＭＩＭＯシステム２００の目的のプリコーディング行列は、各受信機において決定されるのではなく、各受信機（例：２０８，２１０）からのチャネルフィードバックに基づいて、送信機２０２において決定され、なぜなら、各受信機においては他の受信機のチャネル情報が利用できないためである。

プリコーディングによる、説明したＭＵ−ＭＩＭＯチャネル最適化に基づくとき、コードブックに基づくプリコーディングを使用する実施形態例においては、決定的チャネル情報のフィードバックには、ベクトルのコードブックもしくは行列のコードブック、またはその両方を使用する。決定的チャネル情報は、各受信機におけるＶ_ｋの最初のｔ_ｋ列であり、この場合、ｔ_ｋは、ｋ番目の受信機を対象とする空間ストリームの数である。このようなコードブックに基づく実施形態例においては、送信機２０２は、各受信機を対象とする信号をスケジューリングし、コードブック要素のインデックスによって示されるフィードバックチャネル情報を使用して、スケジューリングされた信号に使用するプリコーディング行列を求める。

ｔ_ｋ＞１のとき、コードブックＣの要素は行列であり、インデックスは、次式によって識別することができる。

図７は、システム構造７０４に対するスループット７０２のグラフ７００であり、既存の開ループＭＵ−ＭＩＭＯシステムと、実施形態例のＭＵ−ＭＩＭＯシステムとの間のスループットパフォーマンスの比較を示している。プロット７０６は、閉ループＭＵ−ＭＩＭＯシステムにおけるコードブックに基づくプリコーディングを使用する実施形態例のスループットパフォーマンスを示している。プロット７０８は、プリコーディングを使用しない一般的な開ループＭＵ−ＭＩＭＯシステムのスループットパフォーマンスを示している。実施形態例と、一般的なＭＵ−ＭＩＭＯシステムは、いずれも、１０個のアクティブな受信機を備えた２×２ ＭＩＭＯシステムである。プロット７０６とプロット７０８とを比較することによって、実施形態例では、一般的なシステムよりも、約２〜３ｄＢのスループットパフォーマンスの利得が達成されることがわかる。

上述したように、実施形態例では、チャネル状態情報に基づくプリコーディングを使用することによって、複数の空間チャネルを利用する無線通信システムにおける通信チャネルの最適化を提供することができる。

特定の実施形態に示した本発明には、広義に説明した本発明の概念または範囲から逸脱することなく、膨大なバリエーションもしくは変更形態、またはその両方を創案できることが、当業者には理解されるであろう。したがって、本明細書における実施形態は、あらゆる点において例示を目的としており、本発明を制限するものではないことを理解されたい。

Claims (27)

1. 多入力多出力（ＭＩＭＯ）通信システムにおける送信方法であって、
   チャネル状態情報を表しているフィードバックデータを、前記ＭＩＭＯ通信システムの各受信機から受信するステップと、
   前記受信機を、受信された前記フィードバックデータに基づいて複数のグループにグループ化するステップと、
   前記受信機のグループごとに生成されたプリコーディング行列であって、前記受信機の前記各グループの各受信機に関連付けられる、前記プリコーディング行列の中のプリコーディングベクトルまたは部分行列が互いに直交するような、前記プリコーディング行列、を、受信された前記フィードバックデータに基づいて得るステップと、
   前記プリコーディング行列を入力信号に適用して前記受信機の前記各グループに送信するステップと、
   を含んでいる、方法。
2. 前記フィードバックデータが、前記各受信機において導かれるチャネル行列の各右特異行列の１つまたは複数の決定的列を備えている、請求項１に記載の方法。
3. 前記各受信機に割り当てられているストリームの数ｔｋを求めるステップ、をさらに含んでおり、
   前記フィードバックデータが、前記各受信機において導かれる前記右特異行列の最初のｔｋ列を備えている、
   請求項２に記載の方法。
4. ｔが、ＭＩＭＯ通信システムにおける送信機の送信アンテナの数であり、前記１つまたは複数のグループのそれぞれがｔ個に等しいかまたはｔ個未満の受信機を備えている、請求項２または請求項３に記載の方法。
5. 前記プリコーディング行列を得る前記ステップが、
   前記各グループの他の各受信機において導かれる各右特異行列の前記１つまたは複数の決定的列を使用して構築されるヌル空間内に存在するものとして、各グループの各受信機のためのプリコーディングベクトルまたは部分行列を計算するステップ、
   を含んでいる、請求項２から請求項４のいずれかに記載の方法。
6. 前記各受信機においてチャネル行列の各右特異行列を導くステップと、
   前記導かれた右特異行列を、行列のコードブックと比較するステップと、
   前記導かれた各右特異行列に最も近いコードブック要素を求めるステップと、
   をさらに含んでおり、
   前記チャネル状態情報を表している前記フィードバックデータが、前記コードブック要素を識別している各インデックスを備えている、
   請求項１に記載の方法。
7. 前記各受信機に割り当てられているストリームの数ｔｋを求めるステップ、をさらに含んでおり、
   前記各受信機のための前記コードブック要素が（ｔ×ｔｋ）行列であり、ｔが、前記ＭＩＭＯ通信システムにおける送信機アンテナの数であり、前記各受信機において導かれる前記右特異行列の前記最初のｔｋ列を前記各コードブックと比較して、前記最も近いコードブック要素を求める、
   請求項６に記載の方法。
8. 前記受信機をグループ化する前記ステップと、前記各グループの前記プリコーディング行列を得る前記ステップが、
   識別される直交するコードブック要素を有する受信機をグループ化するステップと、前記各直交するコードブック要素から前記プリコーディング行列を構築するステップと、
   を含んでいる、請求項７に記載の方法。
9. ｔが、前記ＭＩＭＯ通信システムにおける送信機の送信アンテナの数であり、前記受信機の前記各グループが、ｔ個に等しいかまたはｔ個未満の受信機を備えている、請求項８に記載の方法。
10. 多入力多出力（ＭＩＭＯ）通信システムのための送信機であって、
    チャネル状態情報を表しているフィードバックデータを、前記ＭＩＭＯ通信システムの各受信機から受信する制御モジュールと、
    前記受信機を、受信された前記フィードバックデータに基づいて複数のグループにグループ化するスケジューラユニットであって、前記受信機のグループごとに生成された行列であり、受信機の前記各グループの各受信機に関連付けられる、前記プリコーディング行列の中のプリコーディングベクトルまたは部分行列が互いに直交するような、前記プリコーディング行列、を、受信された前記フィードバックデータに基づいて得ることができる、前記スケジューラユニットと、
    前記プリコーディング行列を入力信号に適用して前記受信機の前記各グループに送信するプリコーディングモジュールと、を備えている、送信機。
11. 前記フィードバックデータが、前記各受信機において導かれるチャネル行列の各右特異行列の１つまたは複数の決定的列を備えている、請求項１０に記載の送信機。
12. 前記スケジューラユニットが、前記各受信機に割り当てられているストリームの数ｔｋを求め、前記フィードバックデータが、前記各受信機において導かれる前記右特異行列の最初のｔｋ列を備えている、請求項１１に記載の送信機。
13. ｔが、前記送信機の送信アンテナの数であり、前記スケジューラユニットが、前記受信機を前記１つまたは複数のグループにグループ化することができ、各グループがｔ個に等しいかまたはｔ個未満の受信機を備えている、請求項１１または請求項１２に記載の送信機。
14. 前記プリコーディング行列を得るステップが、
    前記各グループの他の各受信機において導かれる各右特異行列の前記１つまたは複数の決定的列を使用して構築されるヌル空間内に存在するものとして、各グループの各受信機のためのプリコーディングベクトルまたは部分行列を計算するステップ、
    を含んでいる、請求項１１から請求項１３のいずれかに記載の送信機。
15. 各受信機からの、前記チャネル状態情報を表している前記フィードバックデータが、コードブックの中のコードブック要素を識別しているインデックスを備えており、前記コードブック要素が、前記導かれた右特異行列を、前記コードブックの中の行列と比較することによって、前記各受信機において導かれたチャネル行列の右特異行列に最も近いコードブック要素として求められる、請求項１０に記載の送信機。
16. 前記スケジューラユニットが、前記各受信機に割り当てられているストリームの数ｔｋを求め、
    前記各受信機のための前記コードブック要素が（ｔ×ｔｋ）行列であり、ｔが、前記ＭＩＭＯ通信システムにおける送信機アンテナの数であり、前記各受信機において導かれる前記右特異行列の前記最初のｔｋ列を、前記各コードブックと比較して前記最も近いコードブック要素を求める、請求項１５に記載の送信機。
17. 前記スケジューラユニットが、識別される直交するコードブック要素を有する受信機をグループ化し、前記各直交するコードブック要素から前記プリコーディング行列を構築する、請求項１６に記載の送信機。
18. ｔが、前記ＭＩＭＯ通信システムにおける前記送信機の送信アンテナの数であり、前記受信機の前記各グループが、ｔ個に等しいかまたはｔ個未満の受信機を備えている、請求項１７に記載の送信機。
19. 多入力多出力（ＭＩＭＯ）通信システムであって、
    少なくとも１つの送信機と、
    前記少なくとも１つの送信機から受信される信号からフィードバックデータを導き、前記フィードバックデータを前記少なくとも１つの送信機に送信する１つまたは複数の受信機と、
    を備えており、
    各送信機が、
    チャネル状態情報を表している前記フィードバックデータを、前記ＭＩＭＯ通信システムの各受信機から受信する制御モジュールと、
    前記受信機を、受信された前記フィードバックデータに基づいて複数のグループにグループ化するスケジューラユニットであって、前記受信機のグループごとに生成されたプリコーディング行列であり、前記受信機の前記各グループの各受信機に関連付けられる、前記プリコーディング行列の中のプリコーディングベクトルまたは部分行列が互いに直交するような、前記プリコーディング行列、を、受信された前記フィードバックデータに基づいて得ることができる、前記スケジューラユニットと、
    前記プリコーディング行列を入力信号に適用して前記受信機の前記各グループに送信するプリコーディングモジュールと、
    を備えている、多入力多出力（ＭＩＭＯ）通信システム。
20. 前記フィードバックデータが、前記各受信機において導かれるチャネル行列の各右特異行列の１つまたは複数の決定的列を備えている、請求項１９に記載のＭＩＭＯ通信システム。
21. 前記スケジューラユニットが、前記各受信機に割り当てられているストリームの数ｔｋを求め、前記フィードバックデータが、前記各受信機において導かれる前記右特異行列の最初のｔｋ列を備えている、請求項２０に記載のＭＩＭＯ通信システム。
22. ｔが、前記送信機の送信アンテナの数であり、前記スケジューラユニットが、前記受信機を前記１つまたは複数のグループにグループ化することができ、各グループがｔ個に等しいかまたはｔ個未満の受信機を備えている、請求項２０または請求項２１に記載のＭＩＭＯ通信システム。
23. 前記プリコーディング行列を得る前記ステップが、
    前記各グループの他の各受信機において導かれる各右特異行列の前記１つまたは複数の決定的列を使用して構築されるヌル空間内に存在するものとして、各グループの各受信機のためのプリコーディングベクトルまたは部分行列を計算するステップ、
    を含んでいる、請求項２０から請求項２２のいずれかに記載のＭＩＭＯ通信システム。
24. 各受信機からの、前記チャネル状態情報を表している前記フィードバックデータが、コードブックの中のコードブック要素を識別しているインデックスを備えており、前記コードブック要素が、前記導かれた右特異行列を、前記コードブックの中の行列と比較することによって、前記各受信機において導かれたチャネル行列の右特異行列に最も近いコードブック要素として求められる、請求項１９に記載のＭＩＭＯ通信システム。
25. 前記スケジューラユニットが、前記各受信機に割り当てられているストリームの数ｔｋを求め、
    前記各受信機のための前記コードブック要素が（ｔ×ｔｋ）行列であり、ｔが、前記ＭＩＭＯ通信システムにおける送信機アンテナの数であり、前記各受信機において導かれる前記右特異行列の前記最初のｔｋ列を、前記各コードブックと比較して前記最も近いコードブック要素を求める、請求項２４に記載のＭＩＭＯ通信システム。
26. 前記スケジューラユニットが、識別される直交するコードブック要素を有する受信機をグループ化し、前記各直交するコードブック要素から前記プリコーディング行列を構築する、請求項２５に記載のＭＩＭＯ通信システム。
27. ｔが、前記ＭＩＭＯ通信システムにおける前記送信機の送信アンテナの数であり、前記受信機の前記各グループが、ｔ個に等しいかまたはｔ個未満の受信機を備えている、請求項２６に記載のＭＩＭＯ通信システム。

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