(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｋ個の一組の受信機と、
Ｎ個の一組の送信アンテナを有する少なくとも１つの送信機とを備え、
前記少なくとも１つの送信機が、
前記Ｋ個の一組の受信機のそれぞれからアップリンクパイロット信号を受信し、
Ｋ個のアップリンクパイロットシンボルであって、それぞれが前記Ｋ個の一組の受信機のうちの１つから前記アップリンクパイロット信号に含んで送信されたシンボルを基にチャンネルの推定を行い、
一組の事前符号器に接続された符号器を用いて、前記Ｋ個の一組の受信機のそれぞれに向けたＫ個のストリームデータを生成し、
前記Ｋ個の一組の受信機のそれぞれに向けた前記ストリームデータを含むダウンリンク送信信号を、推定された前記チャンネルに基づいて導出された事前符号化を用いたマルチユーザＭＩＭＯに基づいて、前記一組の事前符号器を用いて事前符号化し、
前記Ｋ個の受信機においてそれぞれの有効チャンネルの推定を可能にするために、Ｌ個のダウンリンクパイロットシンボルを、複数のダウンリンクパイロット信号を介して、前記事前符号化を用いて、前記Ｋ個の受信機に送信し、
前記ストリームデータの数Ｋは、同時に送信する前記ダウンリンクパイロットシンボルの数Ｌよりも多い、
無線通信システム。
【請求項２】
前記事前符号化が、相反性から導出された前記送信機におけるチャンネル状態情報（ＣＳＩＴ）によって導出された１つまたはそれ以上のＭＵ−ＭＩＭＯ事前符号器を用いて実行される請求項１に記載の無線通信システム。
【請求項３】
前記ＣＳＩＴが、前記Ｋ個の一組の受信機によって送信されたパイロットに基づいて前記送信機においてなされた測定によって取得される請求項２に記載の無線通信システム。
【請求項４】
双方向トレーニングを調整する双方向トレーニングモジュールをさらに備える請求項１に記載の無線通信システム。
【請求項５】
前記Ｋ個の一組の受信機および前記Ｎ個の一組の送信アンテナが、４ステージＴＤＤベーストレーニングおよび伝送プロトコルを使用する請求項１に記載の無線通信システム。
【請求項６】
前記４ステージＴＤＤベーストレーニングおよびデータ伝送プロトコルが、
受信されたＫ個のパイロットシンボルに基づいて前記送信機がチャンネルを直接に推定するステップであり、それぞれのパイロットシンボルが、前記Ｋ個の一組の受信機の中の１つによって送信される、前記推定するステップと、
前記チャンネル推定を用いて前記ＭＵ−ＭＩＭＯ事前符号器を導出するステップと、
前記Ｋ個の受信機がそれらの受信機のそれぞれの有効チャンネルを推定するのを可能にするために、前記ＭＵ−ＭＩＭＯ事前符号器を用いて前記送信機が１個〜Ｋ個のパイロットシンボルを前記Ｋ個の一組の受信機へ送信するステップと、
前記ＭＵ−ＭＩＭＯ事前符号器を用いて前記送信機がユニキャストダウンリンク送信を実行するステップと、
を備える請求項５に記載の無線通信システム。
【請求項７】
前記１個〜Ｋ個のパイロットシンボルが、前記ダウンリンク送信のデータサンプル間に拡散される請求項６に記載の無線通信システム。
【請求項８】
前記少なくとも１つの送信機が、複数の事前符号器を備え、前記複数の事前符号器のそれぞれが、１つのチャンネル専用である請求項１に記載の無線通信システム。
【請求項９】
前記少なくとも１つの送信機が、前記少なくとも１つの送信機によって生成されたチャンネル推定を用いて、複合事前符号化信号を生成し、前記複合事前符号化信号が、前記Ｋ個の一組の受信機内に存在するそれぞれの受信機がその受信機自身の信号しか復号化しないようなものである請求項１に記載の無線通信システム。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの送信機が、チャンネルを直接に推定するためのユニットと時空間符号化システムとを備え、前記時空間符号化システムが、
情報保持信号を受け取るための入力と、
前記情報保持信号を符号化してビットストリームを生成するために前記入力に結合された２進外部符号符号器と、
前記ビットストリームを受け取るように結合されたビットインターリーバと、
前記ビットインターリーバに結合されたマッピング装置およびモデムであり、前記ビットインターリーバ、前記マッピング装置、および前記モデムが、ビットインターリーブ符号化変調を実行するために協力して動作する、前記マッピング装置およびモデムと、
前記送信機の前記ユニットによって直接に推定されたチャンネル推定を示すチャンネル状態情報に基づいて、送信するための信号を成形するための一組の事前符号器と、
送信するための複数のストリームを生成するために前記一組の事前符号器に結合されたＯＦＤＭベース内部直交時空間ブロック符号器と、
を備える請求項１に記載の無線通信システム。
【請求項１１】
前記モデムと前記一組の事前符号器とが、前記ビットインターリーバの出力をシリアル形式からパラレル形式に変換することのできるシリアル−パラレル変換器を介して結合された請求項１０に記載の無線通信システム。
【請求項１２】
前記ユニットが、前記一組の事前符号器を導出する請求項１０に記載の無線通信システム。
【請求項１３】
前記前記Ｋ個の一組の受信機の中の少なくとも１つが、
ＯＦＤＭベース内部直交時空間ブロック符号による復号化を実行してシンボルを生成する内部復号器を有する線形フロントエンドと、
外部復号器と、
を備え、
前記外部復号器が、
前記線形フロントエンドからのビットに対してシンボルごとにシンボルデマッピングを実行するための内部シンボルデマッピング装置と、
前記内部シンボルデマッピング装置から受け取られた前記デマッピングされたシンボルに対してデインターリーブを実行するためのビットデインターリーバと、
外部ＭＡＰ復号器と、
を有する請求項１に記載の無線通信システム。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの送信機が、基地局内に構成されている請求項１に記載の無線通信システム。
【請求項１５】
無線通信システムにおいてＮ個の一組の送信アンテナを有する少なくとも１つの送信機とＫ個の一組の受信機との間において、双方向チャンネルトレーニングを実行する方法であって、
前記少なくとも１つの送信器においてアップリンクパイロット信号をそれぞれの前記Ｋ個の受信機から受信し、
Ｋ個のアップリンクパイロットシンボルであって、それぞれが前記Ｋ個の一組の受信機のうちの１つから前記アップリンクパイロット信号に含んで送信されたシンボルを基にチャンネルの推定を行い、
一組の事前符号器に接続された符号器を用いて、前記Ｋ個の一組の受信機のそれぞれに向けたＫ個のストリームデータを生成し、
前記Ｋ個の一組の受信機のそれぞれに向けた前記ストリームデータを含むダウンリンク送信信号を、推定された前記チャンネルに基づいて導出された事前符号化を用いたマルチユーザＭＩＭＯに基づいて、前記一組の事前符号器を用いて事前符号化し、
前記Ｋ個の受信機においてそれぞれの有効チャンネルの推定を可能にするために、Ｌ個のダウンリンクパイロットシンボルを、複数のダウンリンクパイロット信号を介して、前記事前符号化を用いて、前記Ｋ個の受信機に送信し、
前記ストリームデータの数Ｋは、同時に送信する前記ダウンリンクパイロットシンボルの数Ｌよりも多い、
方法。
【請求項１６】
前記双方向チャンネルトレーニングを実行するステップが、前記少なくとも１つの送信機において前記Ｋ個の受信機のそれぞれから前記アップリンクパイロット信号を受信することを少なくとも含むアップリンクトレーニングを実行するステップと、前記少なくとも１つの送信機から前記Ｋ個の一組の受信機のそれぞれへ送信される前記Ｌ個のシンボルを用いてダウンリンクパイロット信号を送信することを少なくとも含むダウンリンクトレーニングを実行するステップとを備える請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記事前符号化するステップが、相反性から導出された前記送信機におけるチャンネル状態情報（ＣＳＩＴ）によって導出された１つまたはそれ以上のＭＵ−ＭＩＭＯ事前符号器を用いて実行される請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記Ｋ個の一組の受信機と前記少なくとも１つの送信機との間において４ステージＴＤＤベーストレーニングおよび伝送プロトコルを実行するステップをさらに備え、前記４ステージＴＤＤベーストレーニングおよび伝送プロトコルが、少なくとも、
受信されたＫ個のパイロットシンボルに基づいて前記送信機がチャンネルを直接に推定するステップであり、それぞれの前記Ｋ個のパイロットシンボルが、前記Ｋ個の一組の受信機の中の１つによって送信される、前記推定するステップと、
前記チャンネル推定を用いてＭＵ−ＭＩＭＯ事前符号器を導出するステップと、
前記Ｋ個の受信機がそれらの受信機のそれぞれの有効チャンネルを推定するのを可能にするために、前記ＭＵ−ＭＩＭＯ事前符号器を用いて前記送信機がＬ個のパイロットシンボルを前記Ｋ個の一組の受信機へ送信するステップと、
前記ＭＵ−ＭＩＭＯ事前符号器を用いて前記送信機がユニキャストダウンリンク送信を実行するステップと、
を備える請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
複数の事前符号器を備え、ＭＵ−ＭＩＭＯ事前符号器を導出する前記送信器が、前記複数の事前符号器を使用する工程を備え、前記事前符号器は１つのチャンネル専用である請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
複数のアンテナを有する少なくとも１つの送信機とＫ個の一組の受信機とを有する無線通信システムにおいて使用するための方法であって、
Ｋ個のアップリンクパイロット信号を前記Ｋ個の一組の受信機から前記送信機が受信するステップであり、前記Ｋ個の一組の受信機におけるそれぞれが、前記Ｋ個のアップリンクパイロット信号の１つを前記送信機に送信するステップと、
Ｋ個のアップリンクパイロットシンボルであって、それぞれが前記一組の受信機のうちの１つから前記アップリンクパイロット信号に含んで受信されたシンボルに基づいて前記送信機においてチャンネルを直接に推定するステップと、
一組の事前符号器に接続された符号器を用いて、前記送信機で前記Ｋ個の一組の受信機のそれぞれに向けたＫ個のストリームデータを生成し、
前記チャンネル推定を用いてマルチユーザ・マルチプルインプット・マルチプルアウトプット（ＭＵ−ＭＩＭＯ）事前符号器である前記一組の事前符号器を導出するステップと、
前記Ｋ個の一組の受信機におけるそれぞれがそれらの受信機のそれぞれの有効チャンネルを推定するのを可能にするために、前記ＭＵ−ＭＩＭＯ事前符号器を用いてＬ個のダウンリンクパイロットシンボルを、複数のダウンリンクパイロット信号を介して前記Ｋ個の一組の受信機へ送信するステップと、
前記ＭＵ−ＭＩＭＯ事前符号器を用いて、前記Ｋ個の一組の受信機のそれぞれに向けた前記ストリームデータを含むダウンリンク伝送を前記Ｋ個の一組の受信機の中の１以上に送信するステップと、
を備え、
前記ストリームデータの数Ｋは、同時に送信する前記ダウンリンクパイロットシンボルの数Ｌよりも多い、
方法。
【請求項２１】
前記送信機は、それぞれが複数のチャンネルのうちの１つのために設けられた複数の事前符号器を備え、ＭＵ−ＭＩＭＯ事前符号器を導出するステップは、前記複数のチャンネルのうちのそれぞれの１つのために設けられるように前記複数の事前符号器のそれぞれを使用する工程を備える請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記ＭＵ−ＭＩＭＯ事前符号器を導出するステップが、相反性から導出された前記送信機におけるチャンネル状態情報（ＣＳＩＴ）を用いて実行される請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記ＭＵ−ＭＩＭＯ事前符号器が、複数の事前符号器を備え、前記複数の事前符号器のそれぞれが、１つのチャンネル専用である請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
前記ダウンリンク伝送を送信するステップが、前記少なくとも１つの送信機によって生成されたチャンネル推定を用いて、複合事前符号化信号を生成するステップを備え、前記複合事前符号化信号が、前記Ｋ個の一組の受信機内に存在するそれぞれの受信機がその受信機自身の信号しか復号化しないようなものである請求項２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信の分野に関し、より詳細には、本発明は、送信機と受信機との間における双方向トレーニングを用いたマルチユーザ（ＭＵ）ＭＩＭＯに基づいた無線伝送に関する。
［優先権］
この特許出願は、２００７年９月１９日に出願された、発明の名称が「Ａ  Ｍｅｔｈｏｄ  Ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  Ｆｏｒ  Ｒｅｓｏｕｒｃｅ−Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  Ｗｉｄｅｂａｎｄ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｂａｓｅｄ  Ｏｎ  Ｍｕｌｔｉ−Ｕｓｅｒ  ＭＩＭＯ  ａｎｄ  Ｔｗｏ−Ｗａｙ  Ｔｒａｉｎｉｎｇ」である対応する米国特許仮出願第６０／９７３，６２５号に基づく優先権を主張するものであり、この米国特許仮出願第６０／９７３，６２５号は、参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
将来の無線システムは、所与の伝送帯域幅内で達成可能なデータ伝送速度を増加させるために、無線周波数スペクトルをきわめて効率的に使用しなければならない。これは、信号処理と組み合わせられた複数の送信アンテナと複数の受信アンテナを使用することによって実現されてもよい。最近開発された多くの技術および新しい標準は、基地局において複数のアンテナを使用することに基づくものであり、また、無線システムの有効データ伝送速度を低下させることなく、無線メディアを介したデータ通信の信頼性を改善するものでもある。いわゆる時空間ブロック符号（ＳＴＢＣ）が、この目的を達成するために使用される。具体的には、無線通信の最近の発展は、シンボルが時間や基地局の複数の送信アンテナをまたがって合わせて符号化されることによって、信頼性（ダイバーシチ）利得を得ることができ、かつ、基地局からそれぞれのセルラーユーザへの単位帯域幅ごとの有効データ伝送速度を増加させることができることを実証している。これらの多重化（スループット）利得およびダイバーシチ利得は、基地局において使用される時空間符号化技術に依存するものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
多重化利得およびダイバーシチ利得は、システム内に配備される送信アンテナおよび受信アンテナの数が、基本的には、システム内の送信アンテナの数と受信アンテナの数とによって決定される多重化ダイバーシチトレードオフ曲線によって制限されるという意味において、本質的に、それらの送信アンテナおよび受信アンテナの数に依存する。音声、オーディオ、画像、および、ビデオなどのメディアを提供する場合における伝送の効率／品質を増加させる相補的な方法は、不均一誤り保護（ＵＥＰ）法を使用することである。
【０００４】
今日、高データ伝送速度のシングルユーザＭＩＭＯシステムの一種が存在する。これらの方式は、ＯＦＤＭによる時空間ビットインターリーブ符号化変調システムであり、空間、時間、および、周波数ダイバーシチを提供することができる。さらにまた、これらの方式は、本質的に、送信機における非配列アンテナ（ｎｏｎ−ｃｏｌｌｏｃａｔｅｄ  ａｎｔｅｎｎａ）からの伝送によって生成される非同期性に対処することができる。さらにまた、速度互換パンクチャード符号（ＲＣＰＣ）を外部２進符号として使用することによって、柔軟性のあるＵＥＰシステムが、メディア伝送のために実現される。しかしながら、これらのシステムに関する１つの欠点は、ほぼ最適な受信機が、場合によっては、きわめて複雑になることである。これに加えて、高い総スペクトル効率を伴うダウンリンクＳＵ−ＭＩＭＯ方式を開発するためには、本質的に、移動局において多くの受信アンテナを使用しなければならない。
【０００５】
図２および図３は、ＢＩＣＭおよびＩＤを利用するシングルユーザＭＩＭＯ／ＯＦＤＭシステムのための送信機および受信機のブロック図を示す。図４は、異なるＯＦＤＭトーン／サブチャンネルに対するＭＩＭＯ結合デマッピングユニットを有するＭＩＭＯデマッピング装置のブロック図である。
【０００６】
マルチユーザＭＩＭＯ（ＭＵ−ＭＩＭＯ）方式は、ＳＵ−ＭＩＭＯシステムの代わりとなる魅力的な代替物を提供する。また、ＭＵ−ＭＩＭＯシステムは、高い総スループットを達成することができ、しかも、移動局における多数の受信アンテナを必要とせず、受信機の複雑さは程よいものである。
【０００７】
ＳＵ−ＭＩＭＯと異なり、マルチユーザＭＩＭＯの性能利得は、送信機および受信機におけるチャンネル状態情報に大きく依存する。これは、必然的に、送信機およびそれぞれの受信機の両方においてチャンネル状態情報を取得するという問題を発生させる。これは、トレーニングおよびチャンネル推定をもたらし、これは、帯域幅および電力などのシステム資源を浪費させるものであり、それによって、データ伝送のための正味時間を減少させる。さらに、送信機と受信機との間におけるチャンネル情報の不一致によって性能が妨げられる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
ＭＵ−ＭＩＭＯおよび双方向トレーニングに基づいた無線伝送のための方法、装置、およびシステムが、本明細書で開示される。一実施形態においては、システムは、Ｋ個の一組の受信機とＮ個の一組の送信アンテナを有する少なくとも１つの送信機とを備え、送信機は、Ｋ個の一組の受信機とＮ個の一組の送信アンテナとの間における双方向チャンネルトレーニングに基づいて導出された事前符号化を用いたマルチユーザＭＩＭＯに基づいて、Ｋ個の一組の受信機内に存在するそれぞれの受信機へダウンリンク送信するための信号を事前符号化することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本発明は、以下に提供される本発明の様々な実施形態の詳細な説明および添付の図面からより完全に理解される。しかしながら、これらの説明および図面は、本発明を特定の実施形態に限定するものであると解釈されるべきではなく、ただ単に、本発明を説明および理解するためのものである。
【図１】複数の可能性がある基地局の複数のアンテナから移動受信機（端末）に向けて、非同期で発生する可能性がある無線広帯域伝送を例示する図である。
【図２】ＯＦＤＭ変調とともにビットインターリーブ符号化変調（ＢＩＣＭ）によって時空間符号化するための送信機の一実施形態を示すブロック図である。
【図３】シングルユーザＭＩＭＯシステムにおける任意の移動受信機における受信機構造の一実施形態を示すブロック図である。
【図４】ＭＩＭＯデマッピング装置の一実施形態を示すブロック図である。
【図５】マルチユーザＭＩＭＯ送信機の一実施形態を示すブロック図である。
【図６】マルチユーザＭＩＭＯのための受信機構造の一実施形態を示すブロック図である。
【図７】４ステージ事前符号化構成およびデータ伝送プロトコルの一実施形態を示す図である。
【図８Ａ】送信機においてチャンネルを推定する設定を示す図である。
【図８Ｂ】事前符号化行列Ｕによって有効チャンネルがどのように変更されるかを示す図である。
【図９】サンプルシナリオを考察する図であり、１ユーザごとのユニキャストされる速度と機能停止中のユーザの数（すなわち、その速度において高い信頼性で復号化することのできないユーザの数）との関係を示す。
【図１０】コンピュータシステムの一実施形態を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
複数の送信アンテナおよび可能性としては複数であってもよい受信アンテナによって情報を送信／受信するのを管理するための無線通信システムが開示される。システムは、複数の送信アンテナを介して送信される信号を受信する（１つまたは複数のアンテナを用いることによって）端末（例えば、移動局）を含み、送信アンテナは、複数の基地局間に分散されてもよく、または分散されなくてもよい。（すなわち、アンテナは配列されてもよく、または配列されなくてもよい）。一実施形態においては、ＯＦＤＭによる広帯域伝送が、外部２進畳み込み符号とともに使用され、この外部２進畳み込み符号は、ビットインターリーブ符号化変調に基づくものである。従来のシングルユーザＭＩＭＯシステムとは対照的に、双方向チャンネルトレーニングが使用され、また、ユーザに提供される総データ伝送速度を最適化するという目的を伴う瞬時復号可能な事前符号器法を設計するのに使用される。一実施形態においては、送信機において事前符号器が特定のチャンネルを実現するように設計および最適化されたこれらの種類のシステムは、マルチユーザＭＩＭＯシステムと呼ばれる。最後に、開示されるマルチユーザＭＩＭＯ技術は、メディア信号に対する随意的な柔軟性のある不均一誤り保護に備えて用意されたものでもある。
【００１１】
以下の記述においては、本発明をより完全に説明するために、多くの細部が、説明される。しかしながら、当業者には、本発明がこれらの具体的な細部を伴うことなく実施されてもよいことは明らかなことである。場合によっては、本発明を曖昧なものにするのを避けるために、よく知られている構造および装置は、詳細図の形ではなくブロック図の形で示される。
【００１２】
以下の詳細な説明のいくつかの部分は、コンピュータメモリ内のデータビットに施される処理のアルゴリズムおよび記号表現として提供される。これらのアルゴリズム的な記述および表現は、データ処理技術分野の当業者の研究の内容を最も効率的に別の当業者に伝達するためにそれらの当業者によって使用される手段である。アルゴリズムは、本明細書では、また一般的には、所望の結果をもたらす自己矛盾のない連続したステップであると考えられる。ステップは、物理的な量の物理的な操作を必要とするステップである。必ずしもそうであるとは限らないが、通常、これらの量は、記憶され、転送され、組み合わせられ、比較され、さもなければ、操作されることの可能な電気的または磁気的な信号の形をとる。場合によっては、主として慣用的な理由から、ビット、値、要素、シンボル、文字、用語、数値、などとしてこれらの信号に言及することは、都合がよいことが知られている。
【００１３】
しかしながら、これらのおよび類似するすべての用語は、適切な物理的な量に関連づけられ、そして、これらの量に適用される単なる便利なラベルにすぎないことに留意すべきである。特段の説明がなされない限り、あるいは、以下の説明から明らかなように、本明細書全体を通して、「処理する」、または、「コンピューティングする」、または、「計算する」、または、「決定する」、または、「表示する」、などの用語を使用する説明は、コンピュータシステムのレジスタおよびメモリ内の物理的な（電子的な）量として表現されたデータをコンピュータシステムのメモリまたはレジスタまたはそのような情報記憶装置、伝送装置、または表示装置内の物理的な量として同じように表現された別のデータに操作および変換するコンピュータシステムまたは類似する電子的コンピューティング装置の動作および処理に言及するものであることがわかる。
【００１４】
本発明は、また、本明細書で説明される処理を実行するための装置に関する。この装置は、要求される目的のために特別に構成されてもよく、あるいは、汎用コンピュータ内に記憶されたコンピュータプログラムによって選択的に活性化されまたは再構成される汎用コンピュータを備えてもよい。そのようなコンピュータプログラムは、限定はされないが、フロッピーディスク、光ティスク、ＣＤ−ＲＯＭ、および、光磁気ディスクを含む任意の種類のディスク、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、磁気カードまたは光カード、または、電子的命令を記憶するのに適した任意の種類の媒体などのコンピュータ読取可能な記憶媒体に記憶されてもよく、これらはコンピュータシステムバスに結合されてもよい。本明細書で説明されるアルゴリズムおよび表示装置は、本質的に、任意の特定のコンピュータまたはその他の装置に関連するものではない。様々な汎用システムが、本明細書で説明される教示に基づいたプログラムとともに使用されてもよく、あるいは、要求される方法ステップを実行するためにより特化された装置を構成することは、都合がよいことがわかるかもしれない。様々なこれらのシステムに要求される構造は、以下の説明から明らかとなる。さらに、本発明は、任意の特定のプログラミング言語に準拠して記述されるものではない。様々なプログラミング言語が、本明細書で説明される本発明の教示を実施するのに使用されてもよいことが理解される。
【００１５】
マシン読取可能な媒体は、マシン（例えば、コンピュータ）によって読み出すことのできる形で情報を記憶または伝送するための任意のメカニズムを含む。例えば、マシン読取可能な媒体は、リードオンリーメモリ（「ＲＯＭ」）、ランダムアクセスメモリ（「ＲＡＭ」）、磁気ディスク記憶媒体、光記憶媒体、フラッシュメモリ装置、などを含む。
【００１６】
（概説）
本明細書で説明される技術は、主として下りリンク、すなわち、基地局から移動局方向への伝送を取り扱う。１つ以上の基地局に存在する複数のアンテナから、典型的には１つまたは２つのアンテナをそれぞれが有する、可能性としては多数であってもよい指定された単純な移動受信機へ向けて、シンボルの情報保持ストリームを高い信頼性で伝送するための方法および装置が開示される。方法および装置は、送信機におけるチャンネル状態情報（ＣＳＩＴ）を使用することによって、所望の目的である信頼性の高い伝送を達成する。一実施形態においては、これは、事前符号器を使用することによって実現される。基地局から移動局へのチャンネルは、チャンネル相反性（ｃｈａｎｎｅｌ−ｒｅｃｉｐｒｏｃｉｔｙ  ｐｒｏｐｅｒｔｙ）および時分割複信（ＴＤＤ）手順を使用することによって、すなわち、逆方向チャンネル（すなわち、移動局から基地局へのチャンネル）を実証することによって、推定される。また、システムは、受信機における関連チャンネル状態情報（ＣＳＩＲ）を提供するために、下りリンク（基地局から移動局へのリンク）におけるチャンネルトレーニングを使用する。一実施形態においては、可能性としてはきわめて多数であってもよい基地局アンテナ（場合によっては非配列の）が、無線システムに含まれる。一実施形態においては、システムにおける受信機は、ただ１つの受信アンテナしか有しておらず、それほど複雑なものではない。
【００１７】
一実施形態においては、システムは、（きわめて）多数のアンテナを使用する送信機から、きわめて少ないアンテナ、好ましくは1つのアンテナしか伴わない、複数の個々のユーザへ向けて、情報を同時高速配信するように設計される。これは、伝送する前にデータストリームを事前符号化（ビームフォーミング）するための方法を設計するときに、送信する基地局においてチャンネル状態情報を利用することによって（チャンネル状態推定を介して）可能となる。マルチユーザ伝送設定において事前符号化するためにチャンネル状態情報が送信機において使用されるこのような技術は、マルチユーザＭＩＭＯ方式と呼ばれる。同時ユーザ（それぞれのユーザは、典型的には、ただ１つのアンテナを伴う）の数と比較して多数の送信アンテナが使用される場合、線形事前符号化は、高総伝送速度を提供するのに十分なものである。
【００１８】
一実施形態においては、ＴＤＤ相反性が仮定され、それによって、Ｎ個の送信アンテナとＫ人のユーザのアンテナとの間におけるすべての下りリンクチャンネルに対する送信機におけるチャンネル状態情報は、上りリンクにおいてＫ人のユーザによって送信されたパイロットに基づいて送信機でなされる測定によって取得される。送信機において結果として得られるチャンネル推定は、まとめて、送信機におけるチャンネル状態情報（ＣＳＩＴ）と呼ばれる。ＣＳＩＴ推定は、下りリンクチャンネルの「完璧な」推定ではないが、ＣＳＩＴは、ダウンリンク伝送のための事前符号化法を生成するのに使用される。一般的には、事前符号器の効率は、ＣＳＩＴの品質だけでなく、チャンネルコヒーレンス時間（そして、これは、ユーザ移動度レベルに依存する）、基地局における送信アンテナの数、および、ユーザの数Ｋのようなその他の関連するパラメータにも大きく依存する。ＭＭＳＥまたは正規化ゼロフォーシングに基づいた線形事前符号器が、送信機において使用されてもよく、実用的利益の多くの場合に、ロバストかつ効率的なシステムをもたらす。事前符号器ユニットは、送信機において最も複雑なユニットであり、その複雑さは、最大でＫ３（すなわち、Ｋの３乗）に比例する。
【００１９】
一実施形態においては、無線通信システムは、Ｋ個の一組の受信機とＮ個の一組の送信アンテナを有する少なくとも１つの送信機とを備え、ここで、送信機は、Ｋ個の一組の受信機とＮ個の一組の送信アンテナとの間における双方向チャンネルトレーニングに基づいて導出された事前符号化を用いたマルチユーザＭＩＭＯに基づいてＫ個の一組の受信機におけるそれぞれの受信機へのダウンリンク送信のための信号を事前符号化することができる。双方向トレーニングは、協働して動作させられてもよく、また、送信機における双方向トレーニングモジュールによって実行される部分であってもよい。一実施形態においては、双方向チャンネルトレーニングは、Ｋ個のパイロット信号を用いたアップリンクトレーニングおよび１〜Ｋシンボルを用いたダウンリンクトレーニングを含む。一実施形態においては、事前符号化は、送信機における相反性導出チャンネル状態情報（ＣＳＩＴ）によって導出された１つ以上のＭＵ−ＭＩＭＯ事前符号器を用いて実行される。一実施形態においては、ＣＳＩＴは、Ｋ個の一組の受信機によって送信されたパイロットに基づいて送信機においてなされた測定によって取得される。
【００２０】
一実施形態においては、Ｋ個の一組の受信機およびＮ個の一組の送信アンテナは、４ステージＴＤＤベーストレーニングおよび伝送プロトコルを使用する。一実施形態においては、４ステージＴＤＤベーストレーニングおよび伝送プロトコルは、それぞれのＫ個のパイロットシンボルがＫ個の一組の受信機の中の１つによって送信され、受信されたＫ個のパイロットシンボルに基づいて送信機が直接にチャンネルを推定するステップと、チャンネル推定を用いてＭＵ−ＭＩＭＯ事前符号器を導出するステップと、Ｋ個の受信機がそれぞれの受信機の有効チャンネルを推定するのを可能にするために、ＭＵ−ＭＩＭＯ事前符号器を用いて送信機がＫ個の一組の受信機へ１〜Ｋパイロットシンボルを送信するステップと、ＭＵ−ＭＩＭＯ事前符号器を用いて送信機がユニキャストダウンリンク送信を実行するステップとを備える。ステージ１（アップリンクパイロット通知および送信機トレーニング）は、その他のすべてのステージに先行し、ステージ２（事前符号器設計）は、ステージ３およびステージ４に先行することに注意されたい。しかしながら、ステージ３とステージ４との間における因果関係要件は存在しない。すなわち、ダウンリンクトレーニングステージのためのサンプルは、任意の方法で、ダウンリンクデータ伝送ステージのサンプルと混ぜ合わされてもよい（そして、一般的には、そのようにすることが有益である）。
【００２１】
一実施形態においては、双方向トレーニングユニットは、一組の事前符号器を導出する。一実施形態においては、送信機は、複数の事前符号器を備え、複数の事前符号器のそれぞれは、１つのチャンネル専用である。一実施形態においては、送信機は、少なくとも１つの送信機によって生成されたチャンネル推定を用いて、複合事前符号化信号を生成し、ここで、複合事前符号化信号は、Ｋ個の一組の受信機内に存在するそれぞれの受信機しか当該受信機自身の信号を復号化しないようなものである。
【００２２】
一実施形態においては、送信機は、チャンネルを直接に推定するための双方向トレーニングユニットと時空間符号化システムとを備える。一実施形態においては、双方向トレーニングユニットは、チャンネル推定を事前符号器に供給する。一実施形態においては、時空間符号化システムは、情報保持信号を受け取るための入力と、情報保持信号を符号化してビットストリームを生成するために入力に結合された２進外部符号符号器と、ビットストリームを受け取るように結合されたビットインターリーバと、ビットインターリーバに結合されたマッピング装置およびモデムとを備え、ビットインターリーバ、マッピング装置、およびモデムは協力して、ビットインターリーブ符号化変調をもたらすように動作し、さらに、この時空間符号化システムは、送信機のユニットによって直接に推定されたチャンネル推定を示すチャンネル状態情報に基づいて、送信のために信号を成形するための一組の事前符号器ユニットと、送信のための複数のストリームを生成するために一組の事前符号器ユニットに結合されたＯＦＤＭ伝送システム（例えば、ＯＦＤＭベース内部直交時空間ブロック符号符号器）とを備える。一実施形態においては、ＯＦＤＭ伝送システムは、広帯域伝送をハンドリングするように設計され、かつ、非配列アンテナから受信された信号の非同期な可能性のある性質に対してロバストな性質を持つ。一実施形態においては、モデムと一組の事前符号器とは、ビットインターリーバの出力をシリアル形式からパラレル形式に変換することのできるシリアル−パラレル変換器を介して結合される。一実施形態においては、送信機は、基地局の一部である。
【００２３】
事前符号器ユニットは、線形事前符号器または非線形事前符号器を構成し、この事前符号器は、すべてのユーザストリームに対する外部２進符号からなる出力を入力とし、そして、この事前符号器の出力は、ＯＦＤＭ伝送システムへの入力として使用される。利用できるチャンネル情報（チャンネル推定）に基づいて、事前符号器は、任意のユーザを対象にした信号がユーザによって復号化できるように、かつ、１つのアンテナを伴う簡単な受信機がこの目的に十分なものであるような形で、一緒に送信される信号を準備する。
【００２４】
一実施形態においては、無線通信システムにおける受信機は、ＯＦＤＭベース内部直交時空間ブロック符号による復号化を実行してシンボルを生成する内部復号器を有する線形フロントエンドと、外部復号器とを備え、この外部復号器は、線形フロントエンドからのビットに対してシンボルごとにシンボルデマッピングを実行するための内部シンボルデマッピング装置と、内部シンボルデマッピング装置から受け取られたデマッピングされたシンボルに対してデインターリーブを実行するためのビットデインターリーバと、外部ＭＡＰ復号器とを有する。
【００２５】
一実施形態においては、本明細書で説明される無線通信システムは、以下の主たる利点を提供する。すなわち、大きいシステム総容量が、送信機において多数の送信アンテナおよびチャンネル状態情報を使用することによって達成され、これは、ビームフォーミング利点および空間多重化をもたらす。ユーザの数と比較してきわめて多数の送信アンテナの場合、線形事前符号器が、十分なものである。１つのアンテナしか伴わない受信機構造は、良好な性能および容量をもたらし、これにより、受信機の複雑さはきわめて小さくなり、受信機の形状要素（ｆｏｒｍ  ｆａｃｔｏｒ）は好ましいものになる。性能を改善するために、反復復号化が、受信機において使用されてもよい。また、媒体伝送に対する不均一誤り保護もまた選択肢の一つである。
【００２６】
（シングルユーザおよびマルチユーザＭＩＭＯシステムのための送信機および受信機の例）
図１は、複数の基地局から移動受信機（端末）に向けての非同期の可能性がある無線広帯域伝送を例示する。図１を参照すると、複数の基地局１０２１−ｎが示され、これらの基地局のそれぞれは、可能性として、移動受信機１０３などの移動受信機と通信するための複数のアンテナを有する。基地局１０２１−ｎの中の送信する基地局のそれぞれは、受信機（１つまたは複数）１０３へ通知されるべき同一情報保持シンボルストリームを有することができる。１つの特殊な対象の場合においては、情報保持信号は、ただ１つのサイトから送信される。
【００２７】
基地局１０２１−ｎを制御するために、中央制御装置１０１が、基地局１０２１−ｎに通信可能に結合される。一実施形態においては、制御装置１０１は、含まれる基地局／送信アンテナへのおよび基地局／送信アンテナからの情報の流れ（信号）だけでなく、チャンネル識別アルゴリズムをも管理する。制御装置１０１は、利用できる基地局の集合体から送信アンテナおよび基地局を選択する。一実施形態においては、制御装置１０１は、有線（または、無線ブロードキャスト）によって、（送信する）基地局１０２１−ｎと通信する。任意の２つのアンテナ（それらのアンテナが存在する基地局が同じであるか異なるかに関わらず）から送信される信号は、典型的には、配列送信アンテナを備えたシステムに対する既存の時空間符号設計による場合と同様に、同じものではないことに注意されたい。
【００２８】
・マルチユーザＭＩＭＯ送信機の例
図５は、マルチユーザＭＩＭＯ送信機の一実施形態のブロック図であり、Ｋ人のユーザ、基地局におけるＮ個の送信アンテナ、およびＯＦＤＭシステムにおけるＦ個のトーンを含む。
【００２９】
図５を参照すると、ユーザｋ（ｋ＝１，２，．．．，Ｋ）への情報保持ディジタル信号ストリーム、すなわち、ｋ番目のユーザの入力ビットｂｋ［ｎ］５０１は、まず最初に、２進チャンネル符号器５０２を用いて、外部２進符号として符号化される。２進符号は、例えば、ブロック符号、ＬＤＰＣ符号、畳み込み符号、ＵＥＰアプリケーションのためのＲＣＰＣ符号、または、ターボ符号であってもよい。２進符号化の後に、ビットインターリーブ符号化変調（ＢＩＣＭ）システムが、ＯＦＤＭシステムにおいてＦ個のサブトーンを符号化することによって生成される（２進外部符号は、すべてのＯＦＤＭトーンにおいて効率的に動作し、周波数選択性フェージングに有効であり、周波数ダイバーシチを提供する）。このために、２進チャンネル符号器５０２に続くのはビットインターリーバ５０３であり、このビットインターリーバ５０３に続くのはマッピング装置／変調装置５０４であり、これらは、当分野でよく知られている方法で動作する。一実施形態においては、インターリーバ５０３は、２進チャンネル符号器５０２からの符号化ビットをインターリーブしてＢＩＣＭ符号化データを生成するランダムインターリーバである。マッピング装置／変調装置５０４は、インターリーバ５０３からのビットをＭ−ＱＡＭ（例えば、１６−ＱＡＭ、６４−ＱＡＭ、など）にマッピングする。そして、マッピング装置／変調装置５０４の出力は、シリアル−パラレル（Ｓ／Ｐ）変換器５０５によって、ベクトルパラレルストリームに変換される。シリアル−パラレル（Ｓ／Ｐ）変換器５０５の出力は、送信されるべきトーン１〜Ｆを表現する。
【００３０】
そして、特定のトーンに関連づけられたＫ個すべての符号化ユーザストリームは、その特定のトーンのために設計された事前符号器によって、一緒に事前符号化される。一実施形態においては、事前符号器５１０は、それぞれのチャンネルごとに１つずつ、複数の事前符号器ユニットを含む。すなわち、それぞれのチャンネルごとの事前符号器（チャンネル１のための事前符号器、チャンネル２のための事前符号器、．．．、チャンネルＦのための事前符号器）が、存在する。したがって、事前符号器によって実行される事前符号化は、それぞれのトーンに対して個々に実行される。
【００３１】
それぞれのトーンに対して、以下で説明されるように、チャンネル相反性の概念を利用して（上りリンク送信および下りリンク送信が、チャンネルのコヒーレンス時間を備えていれば、２つのチャンネルは、ほぼ同じものである）、同一のトーンの上りリンクにおけるパイロット送信によって得られるＣＳＩＴ情報を用いて事前符号化ユニットを導出することによって、事前符号器が、事前符号器５１０の事前符号器生成器５１１によって生成される。ＣＳＩＴ情報は、双方向トレーニングユニット５２０からチャンネル状態情報として供給され、この双方向トレーニングユニット５２０は、Ｋ個の受信パイロットシンボルに対応するデータを受信し、ＣＳＩＴ情報を計算する。一実施形態においては、ＣＳＩＴおよびＣＳＩＲ（受信機におけるチャンネル状態情報）は、Ｆ個のそれぞれのトーンごとに計算される。また、一実施形態においては、無線通信システムは移動度が低く、かつ、高データ伝送速度を伴うブロックフェージング型チャンネル環境であると仮定されることに注意されたい。
【００３２】
所与のトーンに対して、事前符号器５１０は、次元Ｎを伴うベクトルを生成し、ここで、Ｎは、基地局アンテナの数であり、ｉ番目の要素は、その特定のトーンに対して、ｉ番目のアンテナを介して送信される要素に対応する。チャンネル１〜Ｆに対するそれぞれの事前符号器からの出力ベクトルのｉ番目の要素は、ＯＦＤＭベース直交時空間ブロック符号システム５０６に基づいて符号化され、当分野でよく知られている方法で、送信アンテナ５０８１〜５０８Ｎを介して送信される。
【００３３】
双方向トレーニングユニット５２０は、また、以下で説明される４ステージ事前符号化構成およびデータ伝送プロトコルの中のステージ３中に１〜Ｋダウンリンクパイロットシンボルを送信機に送信させる。
【００３４】
これらの図面およびそれに関連する説明を通して、Ｎｔ＝Ｎであり、かつ、ＮｔおよびＮｒはそれぞれ、送信アンテナおよび受信アンテナの数を意味し、また、Ｆは、ＯＦＤＭ周波数成分の数を意味することに注意されたい。
【００３５】
・マルチユーザＭＩＭＯ受信機の例
一実施形態においては、移動受信機において使用される受信機は、シンボルごとのモデムデマッピング装置判定をもたらす直交非２進時空間ブロック符号のための線形フロントエンド、デインターリーバ、および、外部畳み込み符号のための最大事後確率復号器を備える。一実施形態においては、反復復号化が、デマッピング装置を内部ＭＡＰ復号器として使用することによって実行される。ビタビアルゴリズムに基づいた非反復受信機が、複雑さが低くする選択肢に対応し、使用されてもよい。
【００３６】
図６は、図５の符号器とともに使用するための移動受信機における受信機構造の一実施形態のブロック図である。図６を参照すると、受信機は、それぞれの受信機アンテナ６０１ごとにＯＦＤＭ復調を実行する線形フロントエンド６０２を備える。アンテナ６０１は、送信アンテナから送信された信号の様々な組み合わせからなる信号を検知する。線形フロントエンド６０２は、受信機アンテナ６０１の対応する信号にＦポイントＦＦＴを施すためのＦＦＴモジュールを含み、内部符号に対するＦ個のサブチャンネルを生成し、外部符号システムのための復号器がそれに続く。復調、キャリア／タイミング再生、および、ボーレートサンプリングの後に、線形受信機フロントエンド６０２は、チャンネル推定とそれぞれの送信アンテナから受信アンテナまでのチャンネルごとの到着推定の相対的遅延とを利用することによって、使用される。線形フロントエンド６０２の出力は、単一ボーレート系列であり、この単一ボーレート系列は、復調装置／デマッピング装置ユニット６０３によって復調され、デマッピングされ、デインターリーブされ、復調装置／デマッピング装置６０３の出力は、ビットデインターリーバ６０４に入力される。外部２進符号に対して軟ビット推定を提供する内部デマッピング装置ＭＡＰ復号器６０３は、複雑さがきわめて少なく、多くのシングルユーザＭＩＭＯシステムにおける対応するユニットよりもかなり小さい。１６ＱＡＭ変調の場合、例えば、マルチユーザＭＩＭＯの場合におけるこのユニットは、１６の選択肢を実行すればよい。デインターリーバ６０４および外部復号器６０６が、デマッピング装置６０３に続く。ビットデインターリーバ６０４は、ビットデインターリーブを実行する。ビットデインターリーバ６０４の出力は、外部復号器６０６に送出される。一実施形態においては、外部復号器６０６は、最大事後確率（ＭＡＰ）型であり、情報保持信号６０７の推定を得る。新しいＭＡＰ推定は、ビットインターリーバ６０５によって生成された現在のＭＡＰ推定の再インターリーブされたバージョンをデマッピング装置への入力として使用することによって、反復的に得られ、現在のＭＡＰ推定の再インターリーブされたバージョンは、復調装置／デマッピング装置６０３に送出される。したがって、外部復号器６０６が、ＭＡＰ型であれば、反復復号化（ＩＤ）も受信機において可能である（図６に示されるように）。
【００３７】
ＭＡＰ復号器６０６は、当分野でよく知られている方法で、ＭＡＰ復号化処理を実行し、送信される情報ビットに対する軟出力値を生成する。ＭＩＭＯデマッピング装置６０３によって反復処理を実行することによって、軟出力値は、より信頼性の高いものとなる。一実施形態においては、ＭＡＰ復号器６０６は、発明の名称が「Ａｄａｐｔｉｖｅ  ＭａｘＬｏｇＭＡＰ−Ｔｙｐｅ  Ｒｅｃｅｉｖｅｒ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」である２００８年５月１５日に出願された米国特許第出願第１２／１２１，６３４号に記載されたＭＡＰ復号器からなる。また、ＭＩＭＯデマッピング装置６０５は、ＭＡＰ、ＭａｘＬｏｇＭＡＰ、改善されたＭａｘＬｏｇＭＡＰ、ＳＯＭＡ、または、その他の任意の複雑さが減らされた内部デマッピング装置アルゴリズムであってもよい。
【００３８】
別の実施形態においては、非ＭＡＰ（非反復）復号器が受信機に使用されてもよいことに注意されたい。
一実施形態においては、ユーザは、複数の受信アンテナを有する。例えば、Ｋｏ人のユーザの場合、ｋ番目のユーザは、Ｎｒ（ｋ）個のアンテナを有する。したがって、システムは、Ｋ＝ｓｕｍ＿｛ｋ＝１｝＾｛Ｋ０｝Ｎｒ（ｋ）である仮想ユーザを有し、それぞれの仮想ユーザは、ただ１つの受信アンテナを備える（かつ、ｋ番目の実ユーザは、そのユーザに送信されるＮｒ（ｋ）個の仮想ユーザストリームを有する）。これらの技術は、それぞれの仮想ユーザが個々の受信アンテナを表現するようなシステムに適用されてもよい。
【００３９】
（４ステージ事前符号化構成およびデータ伝送プロトコル）
図７は、基地局においてチャンネル状態情報を得て事前符号器を設定するために、下りリンクにおいて受信機トレーニングを実行するために、そして、下りリンクにおいてデータを送信するために利用される４ステージ事前符号化構成およびデータ伝送プロトコルの一実施形態を例示する。トレーニングは、アップリンク（ＣＳＩＴ）およびダウンリンク（ＣＳＩＲ）の両方においてなされる。
【００４０】
図７を参照すると、４ステージ事前符号化構成およびデータ伝送プロトコル（これは、ＯＦＤＭシステムにおけるそれぞれのトーンに個々に適用される）において説明されるように、ステージ１（７０１）中に、Ｋ個のパイロットが上りリンクにおいて送信され、Ｎ個の基地局アンテナとＫ個のユーザアンテナとの間のすべてのチャンネルが推定される。ステージ２（７０２）において、基地局において、事前符号器が、これらの推定に基づいてコンピューティングされる。ステージ３（７０３）において、それぞれのユーザによって認識される有効チャンネルを推定するために、事前符号器は、パイロットシンボルとともに、基地局からのダウンリンク送信に使用される。ステージ４（７０４）において、事前符号器は、基地局によってダウンリンクデータ送信に使用され（図５のシステムを使用する）、図６の受信機は、ステージ３において得られたチャンネル推定とともに、それぞれの受信機において使用される。再度、実際には、ステージ３およびステージ４に関連する伝送を混ぜ合わせることによってステージ３とステージ４とを１つの共通ステージとしてグループ化することは有益であることに注意されたい。
【００４１】
４ステージ事前符号化構成およびデータ伝送プロトコルを以下でより詳細に説明する。この説明は、システムモデルの説明から開始する。
・システムモデル
基地局におけるＮ個の送信アンテナおよびＫ人のシングルアンテナユーザを伴うフラットフェージング無線通信システムの下りリンクを考え（ここで、ＯＦＤＭによる広帯域システムのために、モデルは、所与のＯＦＤＭトーンに対するチャンネルモデルを表現する）、ｓｋは、受信機ｋに送信されるべきシンボルを意味し、また、
【数１】
0005431331.tif 000002
の関係を有し、そして、ｓ＝［ｓ１…ｓＫ］Ｔとする。（Ｎ×１）ベクトルｘが、Ｎ個の基地局アンテナによって送信されるｓの事前符号化されたバージョンを意味する場合、ｋ番目のユーザにおいて受信された信号は、
【数２】
0005431331.tif 000003
によって与えられ、ここでｈｋは基地局アンテナとｋ番目の受信機との間におけるチャンネル係数の（Ｎ×１）ベクトルを意味し、ｎｋ□ＣＮ（０，１）は、白色ガウス雑音を意味する。一実施形態においては、ｈｋは、統計的に独立であり、かつ、ｈｋ□ＣＮ（０，Ｉ）であると仮定される。行列形式において、式（１）はまた、以下の式で表現することもできる。
ｙ＝Ｈｘ＋ｎ      （２）
ここで、ｙ＝［ｙ１…ｙＫ］Ｔ、Ｈ＝［ｈ１…ｈＫ］Ｔ、および、ｎ＝［ｎ１…ｎＫ］Ｔ、である。一実施形態においては、準静的チャンネルモデルが仮定される。すなわち、チャンネル行列Ｈは、Ｔ個のシンボルからなるコヒーレンス間隔において一定のままであると仮定される。
・４ステージトレーニングプロトコル
１つのコヒーレンス間隔に対応するＴシンボル期間中（およびＴ＞２Ｋと仮定すると）、４ステージプロトコルは、図７に示されるように、双方向トレーニングおよびデータ伝送に利用される。プロトコルの第１のステージにおいて、Ｋ個のパイロットが、それぞれのユーザによって、上りリンクにおいて送信される。基地局において受信されたサンプルに基づいて、および上りリンク下りリンクチャンネル相反性を利用して、送信機はＣＳＩＴを得る。すなわち、送信機は、式（２）におけるＨの推定である；
【数３】
0005431331.tif 000004
を得る。そして、この推定は、ＭＵ−ＭＩＭＯ事前符号器を生成するのに使用される（ステージ２）。一実施形態においては、事前符号器は、線形事前符号器である。すなわち、
【数４】
0005431331.tif 000005
である形式を有する事前符号器であり、ここで、下記式；
【数５】
0005431331.tif 000006
で表されるＵは、（Ｎ×Ｋ）単位ノルム事前符号化行列である。すなわち、この行列は、以下のノルム拘束を満たす。
【数６】
0005431331.tif 000007
ここで、ｕｊは、Ｕのｊ番目の列を意味する。ステージの直後には、Ｋ個の受信機のいずれもが、
【数７】
0005431331.tif 000008
またはＵ（事前符号化法）を知らないことに注意されたい。ステージ３中に、受信機の有効チャンネル推定をそれらの受信機に提供するために、Ｌ個のパイロット（１≦Ｌ≦Ｋである場合）が、ステージ２中に設計された事前符号器を用いて、下りリンクにおいて送信される。基地局は、ステージ３中にそれぞれの受信機において得られた有効チャンネル推定を知らないことに注意されたい。最後に、ステージ４中に、ステージ２において設計された事前符号器は、Ｋ人のユーザのすべてにデータを送信するために再使用される。４ステージプロトコルのそれぞれは、以下でより詳細に説明される。
【００４２】
・ステージ１：アップリンクトレーニング
第１のステージは、アップリンクチャンネル状態推定処理（図６の第１のステージ）である。ユーザは、少なくともＫ個のスロットからなる長さを有するパイロット系列を同時に送信する。このパイロット送信時の測定値を得た後、基地局は、基地局から移動局までのすべてのチャンネルの推定を受信されたパイロット系列から得るために（当分野でよく知られている方法で）、ＭＭＳＥまたは類似するチャンネル推定方式を使用する。パイロットのよく知られている１つの例は、Ｋ個のパイロットベクトルを１ユーザごとに１個を使用することに対応し、それによって、それぞれのベクトルは、次元Ｋを有し（また、ｉ番目の要素は、パイロットスロットｉ中に、何がユーザによって送信されたかを表現する）、そして、すべてのベクトルは同じ電力を有し、かつ、お互いに直交している。ＣＳＩＴ（これは、典型的には、不完全なものであり、言い換えれば、チャンネルの推定は、当該チャンネルに正確に等しいものではない）が、事前符号器を設計するのに使用される。
【００４３】
図８Ａは、基地局においてチャンネル推定を提供するために、ステージ１中に使用される上りリンクトレーニングを示す。Ｋ個のスロットが上りリンクトレーニングに費やされると仮定され、ＰＲは、それぞれの移動局における正規化パイロット電力レベルを意味する。ＡＲが、（Ｋ×Ｋ）個の直交パイロット行列を意味する場合、（ｉ，ｊ）番目の成分は、スロットｉ中にユーザｊによって送信されるパイロットを意味する。送信機におけるアップリンク−ダウンリンクチャンネル相反性およびＭＭＳＥチャンネル推定を仮定すると、結果として得られる送信機チャンネル推定は、以下の式のようにモデル化することが出来る。
【数８】
0005431331.tif 000009
ここで、Ｖは、独立したＣＮ（０，１）成分を備えた（Ｋ×Ｎ）雑音行列である。また、下記式；
【数９】
0005431331.tif 000010
がチャンネル推定誤差行列を意味する場合、ΔＨの成分は、下記式；
【数１０】
0005431331.tif 000011
で与えられる独立した確率変数であることに注意されたい。任意の事前符号器Ｕを考慮すると、式（２）におけるｙは、下記式のように表現することができる。
【数１１】
0005431331.tif 000012
【数１２】
0005431331.tif 000013
したがって、ｋ番目のユーザにおいて受信された信号は、以下のようになる。
【数１３】
0005431331.tif 000014
【数１４】
0005431331.tif 000015
図８Ｂは、式（８）の図的表現であり、事前符号化ストラテジーがマルチユーザＭＩＭＯチャンネルをＫ個の送信機とＫ個の受信機を備えた干渉チャンネルにどのように変換するかを示す。事前符号化処理全体は、Ｔ（．）によって表される。図８Ｂに示される有効チャンネルは、事前符号化ストラテジーに大きく依存する。下記推定；
【数１５】
0005431331.tif 000016
と、ＣＳＩＴ品質（ＰＲによって決定される）の知識とを考慮すると、送信機も、すべてのｊ，ｋ２｛１…Ｋ｝に対して、下記の有効チャンネル平均値
【数１６】
0005431331.tif 000017
およびΔａｋｊの統計的特徴に関する知識を有することに注意されたい。
【００４４】
・ステージ２：事前符号器設計
線形事前符号器の選択は、結果として得られる有効チャンネル利得｛ａｋｊ｝の観点から、ＭＵ−ＭＩＭＯ利得に影響を与える。最も一般的に研究された線形事前符号器は、線形ゼロフォーシング（ＺＦ）事前符号器である。この事前符号器は、以下の式の形をとる。
【数１７】
0005431331.tif 000018
の形を有する。完璧なＣＳＩＴの場合、ゼロフォーシングは、ａｋｊ＝０及び
【数１８】
0005431331.tif 000019
をもたらす。ゼロフォーシングは、最大空間多重化利得をもたらすが、以下の制限を有する。すなわち、ＫおよびＮが大きく、かつ、ＫがＮに近い場合、チャンネル係数は、ｋ番目の受信機における信号成分、すなわち、
【数１９】
0005431331.tif 000020
に関連づけられ、下記式の最小固有値に支配される量である。
【数２０】
0005431331.tif 000021
ユーザの数が増加するにつれて、信号の項は、ゼロに近づき、逆元を正規化しなければならないことを示唆している。実際のＣＳＩＴの存在下においては、チャンネル推定に雑音が存在するならば、干渉を無効にするゼロフォーシングの望ましい特性が損なわれる。
【００４５】
ＣＳＩＴ品質とシステム内のユーザの数とを考慮に入れた２つのロバストな線形事前符号器が設計される。これらの事前符号器のいずれかが使用されてもよい。
１）関連するアップリンクシナリオからのＭＭＳＥフィルター。完璧なＣＳＩＴによって、ダウンリンクのための最適な線形フィルターが、双対的なアップリンク問題を解決することによって、得られる。しかしながら、アップリンク−ダウンリンクの双対性（ｄｕａｌｉｔｙ）は、一般的には維持されないので、最適性は、完璧でないＣＳＩＴによっては保証されない。以下において、ダウンリンクに密接に関連づけられたアップリンクチャンネルが考察されるが、それらのチャンネルは、双対的なものではない。アップリンク問題のための受信機におけるチャンネル状態情報（ＣＳＩＲ）は、ダウンリンクにおけるＣＳＩＴの品質と同じ品質であると仮定される。ユーザｋに対して以下の線形ＭＭＳＥ事前符号化ベクトルを得ることができる。
【数２１】
0005431331.tif 000022
ここで、ｈｊは、チャンネル推定Ｈのｊ番目の列である。
２）Ｓｕｍ−ＭＳＥ最小化。ゼロフォーシングを正規化することが、ＭＭＳＥ最小化問題に密接に関連づけられる。以下の最適化問題を考察する。
【数２２】
0005431331.tif 000023
【数２３】
0005431331.tif 000024
となり、この解は、
【数２４】
0005431331.tif 000025
をもたらす。ここで、ｃは、電力制限を遵守することを保証し、また、Ｈは、送信機におけるチャンネル推定からなるＫ行およびＮ列の行列である。Ｋは、ユーザの数を意味する。Ｎは、送信アンテナの数を意味する。ＰＲは、上りリンク信号対雑音比（ＳＮＲ）を意味する（この量は、ＣＳＩＴ品質を得るのに使用される）。ＰＦは、下りリンクＳＮＲを意味する（ＣＳＩＲを得るのに使用され、また、データ送信に使用される）。上述した事前符号器のための解は、すべての受信機のＳｕｍ−ＭＳＥを最小化する。
【００４６】
事前符号器のｋ番目の列は、以下の式によって与えられる。
【数２５】
0005431331.tif 000026
【００４７】
シングルユーザ（ＳＵ）ビームフォーミング方式が使用されてもよい。すなわち、ｋ番目の受信機に関連づけられたベクトルチャンネルの方向に沿ってビームフォーミングすることによって、事前符号化ベクトルｕｋが選択された（他のすべてのユーザのチャンネルから独立して）方式が使用されてもよい。すなわち、
【数２６】
0005431331.tif 000027
【００４８】
・ステージ３：ダウンリンクトレーニング
ステージ３中に、送信機は、下りリンクにおけるトレーニングのためのステージ２において導出された事前符号器を介して、パイロットを送信する。ダウンリンクチャンネル推定ステージは、長さＬを有するパイロット系列からなり、ここで、Ｌの値は、チャンネルのコヒーレンス間隔に依存する設計パラメータである。一般的には、Ｌは、０（トレーニング無し）から無限大までの値をとることができるが、実際に検知することのできるＬの値は、１からＫまでの範囲である。Ｌ個のパイロットを伴う典型的なチャンネル推定方式が、以下に説明される。
パイロット系列に応じて、それぞれの受信機は、実際のチャンネル係数の推定、すなわち、送信機チャンネル推定；
【数２７】
0005431331.tif 000028
ではなく、下記式；
【数２８】
0005431331.tif 000029
の推定を得る。一実施形態においては、ダウンリンクトレーニング方式が使用され、この方式においては、Ｌ個の直交（Ｋ×１）パイロットベクトルは、ステージ２において設計された事前符号器を介したものであり、ここで、１≦Ｌ≦Ｋである。ＬがＫの因数である場合、そのような一組のパイロットベクトルの１つは、以下の形式をとる。
【数２９】
0005431331.tif 000030
ここで、ｃｎは、ピーク電力制限を遵守することを保証する。興味深い「大きいＮ」の場合においては、事前符号器の対称構造のために、
【数３０】
0005431331.tif 000031
という結果になり、これは、
【数３１】
0005431331.tif 000032
をもたらす。ここで、ｕｊは、事前符号器（線形または非線形）のｊ番目の列である。ｎ番目のトレーニングスロット中にｋ番目の受信機において受信されたサンプルは、以下の式によって与えられる。
【数３２】
0005431331.tif 000033
一実施形態においては、受信機ｋは、受信されたパイロット；
【数３３】
0005431331.tif 000034
からその受信機の望ましい信号チャンネルを推定し、ここで、
【数３４】
0005431331.tif 000035
は、ｘ以上の最も小さい整数を出力する。パイロットの残りは、それぞれのパイロット内における干渉信号のチャンネルの１つを推定するのに使用されてもよい。すなわち、（Ｋ−１）個の干渉チャンネルの中から（Ｌ−１）個が、（Ｌ−１）個のパイロットによって推定される。
【数３５】
0005431331.tif 000036
および
【数３６】
0005431331.tif 000037
が、受信機におけるチャンネル推定および推定誤差の平均２乗推定誤差を意味するとする。受信推定；
【数３７】
0005431331.tif 000038
は、ａｋｋの送信機推定である
【数３８】
0005431331.tif 000039
とは異なる。Ｌの値は、チャンネルコヒーレンス時間間隔に適合されてもよい。典型的には、遅いフェージングチャンネルの場合、Ｌ＝Ｋ個のパイロットが使用されてもよく、完璧なＣＳＩＲの場合に等しい性能をもたらす。速いフェージングチャンネルの場合、１つのパイロットシンボルが、良好な性能を達成するのに十分であることがわかる（すなわち、オーバーヘッドトレーニングとチャンネル推定品質との間における良好なトレードオフを達成する）。
【００４９】
図９は、Ｎ＝１００およびＫ＝５０に対してランダムチャンネルを実現する場合に、高い信頼性で復号化するためのしきい値速度に対する機能停止中のユーザの数を示す。Ｌ＝１，２，５，５０のダウンリンクチャンネル推定方式のロバストネスが、評価される。これの代わりとして、Ｋと同じ大きさほどの任意のＬを与えれば、パイロットが、Ｋ個の行および列を有する直交行列のＬ個の列を考え、かつ、残りの行列（Ｋ個の行およびα個の列）のｋ番目の行に存在するｎ番目のサンプルを、ｎ番目のスロットにおける事前符号器のｋ番目のステアリングベクトル（ｓｔｅｅｒｉｎｇ  ｖｅｃｔｏｒ）上に送信されるべきパイロットとして使用することによって、得ることができることに注意されたい。さらに、Ｌの値は、システム要件に応じて最適化されてもよい。例えば、差動ＰＳＫが使用されるならば、「Ｌ＝０」（すなわち、ダウンリンクトレーニング無し）である場合でも、依然として、価値があり得る。
【００５０】
・ステージ４：ダウンリンク送信
プロトコルの最後のステージにおいて、すべてのユーザにデータをユニキャストするために、送信機は、ステージ２において設計された事前符号器を使用する。そして、それぞれのユーザは、そのユーザのデータを復号化するために、ステージ３中に得られた有効チャンネル推定に基づいて、受信機を使用する。実際には、ステージ３およびステージ４は、任意の方法で混ぜ合わされてもよい。具体的には、単一ステージが、共通ステージ上に均一に拡散された「ステージ３」に対応するＬ個のサンプルとともに使用されてもよい。しかしながら、一般的には、それぞれの受信機においては、受信機のチャンネルは、最初に、この受信機が受信したＬ個のステージ３サンプルに基づいて推定され、その後に、データが、共通ステージ伝送からの残りの受信サンプルを観測することに基づいて、復号化される。したがって、ステージ３サンプルは、ステージ４のデータサンプル上に拡散されてもよい。
【００５１】
（事前符号器の導出）
以下において、上述した式（１０）および式（１２）によって所与の事前符号器が、導出される。
Ａ．双対性法
それぞれのユーザが送信電力；
【数３９】
0005431331.tif 000040
を備えたＫ人のユーザによる多重アクセスチャンネルを考える。
下記式；
【数４０】
0005431331.tif 000041
は、受信機におけるチャンネル推定；
【数４１】
0005431331.tif 000042
を備えたチャンネル行列であるとする。推定誤差；
【数４２】
0005431331.tif 000043
の成分は、ｉ．ｉ．ｄ．（互いに独立で同一の分布に従う）；
【数４３】
0005431331.tif 000044
である。チャンネル推定品質は、ダウンリンクの場合と同じようにして導出されることに注意されたい。その結果として、アップリンクの受信機において受信された信号は、
【数４４】
0005431331.tif 000045
と書くことができる。
【００５２】
チャンネル推定誤差を別の干渉項とみなすことによって、ｋ番目のユーザに対する信号対干渉・雑音比（ＳＩＮＲ）を最大化する組み合わせベクトルは、
【数４５】
0005431331.tif 000046
となる。この結果として、
【数４６】
0005431331.tif 000047
となり、ここで、スケーリング定数ｃｋが、下記式；
【数４７】
0005431331.tif 000048
を満たすように選択される。
【００５３】
Ｂ．ＭＭＳＥ最小化
問題定義は、
【数４８】
0005431331.tif 000049
である。以下の式を考える。
【数４９】
0005431331.tif 000050
電力制限は、
【数５０】
0005431331.tif 000051
に簡素化できる。以下に示されるラグランジュ公式が、開始するのに使用される。
【数５１】
0005431331.tif 000052
ここで、
【数５２】
0005431331.tif 000053
【数５３】
0005431331.tif 000054
【数５４】
0005431331.tif 000055
この結果として、
【数５５】
0005431331.tif 000056
ここで、β＊は、事前符号器電力制限を満たす。μに関するＭＳＥの制限されない最小化は、
【数５６】
0005431331.tif 000057
をもたらす。
【００５４】
（本発明の実施形態の利点）
本発明の実施形態に関連する多くの利点が存在する。シングルユーザＭＩＭＯシステムに対する本発明の実施形態の１つの利点は、マルチユーザＭＩＭＯ受信機が、同じスペクトル効率を伴う対応するシングルユーザＭＩＭＯ受信機よりも、実施するのがきわめて簡素となることである。内部復号器において複数のストリームを一緒にデマッピングしなくてもよいため、複雑さが大きく減少する。
【００５５】
また、複雑さは、マルチユーザＭＩＭＯ受信機においてさらに減少する。なぜなら、ユーザが総伝送速度において復調しなければならない従来のシングルユーザＭＩＭＯシステムと違って、それぞれのマルチユーザＭＩＭＯ受信機は、それ自身の信号だけを復号化するからである。また、受信機の形状要素は、より一層に管理しやすいものである。それぞれの受信機においてただ１つのアンテナを伴うことによって、本明細書で説明されるマルチユーザＭＩＭＯ設計は、速い総データ伝送速度を提供することができ、それどころか、６×６、さらには１２×１２のシングルユーザＭＩＭＯシステム（これらは、それぞれ、受信機において６個および２個のアンテナ素子を必要とする）よりも速い総データ伝送速度を提供することができる。
【００５６】
マルチユーザＭＩＭＯシステムにおいては、複雑さは、受信機から送信機に移される。送信機は、移動局である必要のない共通資源であるので、このことはシステムの利点である。さらにまた、（基地局）事前符号器の複雑さは、指数関数的に増大するのではなく、最大でもＫの３乗に比例して増大する。
【００５７】
１つの革新は、図７に示される一般的な４ステージのトレーニングおよび伝送であり、Ｌ個のパイロットによるダウンリンクチャンネル推定方式を含む。この方式は、Ｌ＝１であるパイロットの場合でさえも、ロバストな性能を提供する。また、この方式は、ほんの数個のパイロットによって、完璧なＣＳＩＲスループットに近づくことができる。例えば、Ｎ＝１００およびＫ＝５０である場合、Ｌ＝５は、完璧なＣＳＩＲケースにきわめて近づくのに十分なものである。理想的には、これは、５０個のパイロットを必要とする。したがって、トレーニング期間の減少は、性能の大きな損失を伴うことなく、約９０％となる。
【００５８】
本発明の一実施形態のさらなる利点は、送信アンテナの数ＮがＫよりも相当に大きい場合に、複雑さの低い線形事前符号器を使用することができるという事実である。ＫとＮとが近接していれば、例えば、「ダーティーペーパー符号化」技術を使用する事前符号器のように、非線形型の事前符号器が、使用されるべきである。事前符号器は、ＣＳＩＴ品質に対して、また、ある程度のユーザ数の増加に対して、ロバストなものである。
【００５９】
（コンピュータシステムの一実施形態の例）
図１０は、本明細書で説明された処理の１つまたは複数を実行してもよい典型的なコンピュータシステムのブロック図である。図１０を参照すると、コンピュータシステム１０００は、典型的なクライアントコンピュータシステムまたはサーバーコンピュータシステムを備えてもよい。コンピュータシステム１０００は、情報を通信するための通信機構または通信バス１０１１、および、情報を処理するためのバス１０１１に結合されたプロセッサ１０１２を備える。プロセッサ１０１２は、例えば、Ｐｅｎｔｉｕｍ（商標）、ＰｏｗｅｒＰＣ（商標）、Ａｌｐｈａ（商標）、などのマイクロプロセッサを含んでもよいが、マイクロプロセッサに限定されるものではない。
【００６０】
システム１０００は、さらに、バス１０１１に結合されたランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）またはその他の動的記憶装置１００４（メインメモリと呼ばれる）を備え、情報とプロセッサ１０１２によって実行されるべき命令とを記憶する。メインメモリ１００４はまた、プロセッサ１０１２によって命令が実行されている間に、一時的な変数またはその他の中間情報を記憶するのに使用されてもよい。
【００６１】
コンピュータシステム１０００はまた、静的情報およびプロセッサ１０１２のための命令を記憶するバス１０１１に結合されたリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）および／またはその他の静的記憶装置１００６と、磁気ディスクまたは光ディスクのようなデータ記憶装置１００７およびそれに対応するディスクドライブとを備える。データ記憶装置１００７は、バス１０１１に結合され、情報および命令を記憶する。コンピュータシステム１０００は、さらに、情報をコンピュータユーザに表示するためにバス１０１１に結合されたブラウン管（ＣＲＴ）または液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）などの表示装置１０２１に結合されてもよい。また、英数字およびその他のキーを含む英数字入力装置１０２２が、情報およびコマンド選択をプロセッサ１０１２に通知するために、バス１０１１に結合されてもよい。さらなるユーザ入力装置は、方向情報およびコマンド選択をプロセッサ１０１２に通知するために、および、表示装置１０２１上におけるカーソルの移動を制御するためにバス１０１１に結合された、マウス、トラックボール、トラックパッド、スタイラスペン、または、カーソル方向キーなどのカーソル制御装置１０２３である。
【００６２】
バス１０１１に結合されてもよいさらなる装置は、ハードコピー装置１０２４であり、このハードコピー装置１０２４は、紙、フィルム、または、それらに類似する種類の媒体などに情報を記録するのに使用されてもよい。バス１０１１に結合されてもよいさらなる装置は、電話またはハンドヘルドパーム装置と通信するための有線／無線通信機能１０２５である。
【００６３】
システム１０００の構成要素のいずれかまたはすべて、およびそれらに関連するハードウェアが本発明において使用されてもよいことに注意されたい。しかしながら、コンピュータシステムのその他の構成はこれらの装置のいくつかまたはすべてを含んでもよいことがわかるはずである。当然ながら、これまでの説明を読めば、本発明の多くの変形および変更が当業者には明らかとなるが、例として図示され説明された特定の実施形態は、本発明を限定するものであると解釈されることを決して意図するものではないことがわかるはずである。したがって、様々な実施形態の細部に言及したことは、本発明に不可欠であると考えられる本発明の特徴を記載する特許請求の範囲を限定しようとするものではない。
【図１】
0005431331.tif 000058
【図２】
0005431331.tif 000059
【図３】
0005431331.tif 000060
【図４】
0005431331.tif 000061
【図５】
0005431331.tif 000062
【図６】
0005431331.tif 000063
【図７】
0005431331.tif 000064
【図８Ａ】
0005431331.tif 000065
【図８Ｂ】
0005431331.tif 000066
【図９】
0005431331.tif 000067
【図１０】
0005431331.tif 000068