(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭもしくはＮが１より大きいときに、第１のユニット（１２）のＭ本の送信アンテナ（１６）と第２のユニット（１４）のＮ本の受信アンテナ（１８）との間の実際の通信チャネル（１０）の通信信号を送信する方法であって、該方法が、
前記第１のユニットと前記第２のユニットとにおいて前記実際の通信チャネルの特性を表す伝搬情報の少なくとも一部分を使用することにより、仮想サブチャネルを生成する段階と、
前記仮想サブチャネルの少なくとも１個の部分集合に対応する構成成分（y11，y12，y13）を有する仮想送信信号を前記第１のユニットによって生成する段階と、
前記伝播情報の少なくとも一部分を使用することによって仮想受信信号へ前記第２のユニットが変換するために前記第２のユニットへ実際の通信チャネルを介して送信するために、前記伝播情報の少なくとも一部分を使用して、前記仮想送信信号を構成部分（st1，st2，st3）実際の送信信号へ変換する段階とからなることを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、
該実際の送信信号を、該Ｍ本の送信アンテナ（１６）により、該実際の通信チャネル（１０）へ送り出す送信段階を含むことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法において、該送信段階は、
該Ｍ本の送信アンテナ（１６）のそれぞれ１本を使って該実際の送信信号の各構成成分（ｓt1，ｓt2，ｓt3）を送信する段階を含むことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法において、
該伝搬情報の該少なくとも一部分からユニタリ行列を生成する段階を含むことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法において、
該ユニタリ行列を使って、該仮想送信信号を該実際の送信信号にユニタリ変換する段階と、
該実際の送信信号の各構成成分（ｓt1，ｓt2，ｓt3）を同一周波数の搬送波に送信する段階とを含むことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法において、
第１のユニットがデータソース（２８）から情報ストリームを受信する段階と、
該伝搬情報の少なくとも一部分を使って該情報ストリームを複数の信号ストリームに分割し、該仮想送信信号を形成する分割段階とを含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法において、
該実際の通信チャネル（１０）の該仮想サブチャネル（ｄ11，ｄ22，ｄ33）に対応する、非ゼロ対角値を含む該伝搬情報の少なくとも該一部分から対角行列Ｄを生成する段階を含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項６に記載の方法において、該分割段階が、
該伝搬情報の少なくとも該一部分からの対角行列の数値を用いて、該情報ストリームを該対角行列の該数値に従って複数の信号ストリームに分割する段階を含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法において、
該対角行列の該数値を用いて、該仮想送信信号の各構成成分を送信するための電力を割り当てる段階を含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
ＭもしくはＮが１より大きいときに、第１のユニット（１２）のＭ本の送信アンテナ（１６）と第２のユニット（１４）のＮ本の受信アンテナ（１８）との間の実際の通信チャネル（１０）から通信信号を受信する方法であって、該方法が、
該実際の通信チャネルの特性を表す伝播情報の少なくとも一部分を使用して該第２のユニット（１４）によって、該実際の通信チャネル（１０）から受信した実際の受信信号の複数の構成部分（xt1、xt2、xt3）を、該Ｎ本の受信アンテナ（１８）で該実際の通信チャネル（１０）から該実際の受信信号も受信しつつ、該伝播情報の少なくとも一部分を使用して該第１のユニットにて生成された後に
変換する段階と、
該伝播情報の少なくとも一部分を使用して、仮想受信信号へ該実際の受信信号を変換する段階とを含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の方法において、
該Ｎ本の受信アンテナ（１８ａ，１８ｂ，１８ｃ）のそれぞれを使って該実際の受信信号の各構成成分（xt1、xt2、xt3）を受信する段階を含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
情報信号を送信する送信機（１２）であって、該送信機は、
複数のアンテナと、
該複数のアンテナと複数の受信アンテナ（１８）との間の実際の通信チャネル（１０）についての伝搬情報を入手するように構成された処理回路（２２，２４，３０）とを含み、該処理回路は、
情報信号ストリームおよび該伝搬情報の少なくとも一部分を受信するように構成されたチャネル符号器（２４）を含み、該チャネル符号器（２４）は、該伝搬情報の該少なくとも一部分を使って該情報信号ストリームを分割し、該通信チャネルのサブチャネル（ｄ11，ｄ22，ｄ33）に対応する構成成分（yt1、yt2、yt3）の仮想送信信号を形成するように構成されており、
該処理回路は、該伝搬情報の別の少なくとも一部分を使って、該仮想送信信号についてユニタリ変換（３０）を行い、実際の送信信号を形成するように構成されており、そして該方法は、さらに、
該複数のアンテナ（１６）と結合し、同一周波数の搬送波上で該複数のアンテナ（１６）のそれぞれを通じて該実際の送信信号の各構成成分（ｓt1，ｓt2，ｓt3）を送信するように構成された送信回路（４８）とからなることを特徴とする送信機。
【請求項１３】
情報信号を受信する受信機（１４）であって、該受信機は、
複数のアンテナと、
該複数のアンテナ（１８）へ結合され、該複数のアンテナ（１８）のそれぞれを通じて実際の受信信号の各構成成分（xt1、xt2、xt3）を受信するように構成された受信回路（６２）と、
該複数のアンテナ（１８）と複数の送信アンテナ（１６）との間の通信チャネル（１０）について伝播情報を入手するように構成された処理回路（３４，３６，３２）とからなり、該処理回路は該伝搬情報の少なくとも一部分を使って該実際の受信信号についてユニタリ変換（３４）を行い、仮想受信信号を形成するように構成されており、
該処理回路は、該仮想受信信号と、該伝搬情報のうち少なくとも別の一部分とを受信するように構成されたチャネル復号器（３６）からなり、該チャネル復号器（３６）は、該伝搬情報の少なくとも別の一部分を使って該仮想受信信号を情報ストリームに結びつけるように構成されていることを特徴とする受信機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
【発明の分野】
本発明は、無線通信システムに関し、さらに詳細には、多重アンテナ通信システムに関する。
【０００２】
【従来技術】
デジタル無線通信システムがデータをやりとりする際の最高ビットレートは、シャノンの情報理論から導くことができる（通常、シャノンの限界と呼ばれる）。最高ビットレートは、送信機の総放射電力、送信機および受信機のアンテナ数、帯域幅、受信機での雑音電力、伝搬環境の特性など、多数の異なるパラメータに基づいている。いわゆるレイリーフェージング環境（Ｒｅｙｌｅｉｇｈ  ｆａｄｉｎｇ  ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ）  で送信機や受信機に多数のアンテナを用いる無線送信では、最高ビットレートは非常に大きな数字になることがある。たとえば、送信機と受信機の両方が３０本のアンテナを使っている、平均信号対雑音比が１６ｄＢのシステムの場合、これは、１ヘルツあたり毎秒数百ビットにもなることがある。
【０００３】
費用効果が高く、比較的単純な方法で高いビットレートを実現する無線通信システムが必要とされている。
【０００４】
【発明の概要】
本発明は、ＭもしくはＮが１より大きいとき、第１のユニットのＭ本の送信アンテナと第２のユニットのＮ本の受信アンテナとの間の実際の通信チャネルにおいて、実際の通信チャネルから複数の仮想サブチャネルを作り出すことにより、高いビットレートを実現する通信システムに関する。多重アンテナシステムは、第１のユニットおよび第２のユニットにおいて実際の通信チャネルの特性を表す伝搬情報を用いることにより、実際の通信チャネルから複数の仮想サブチャネルを作り出す。第１のユニットから第２のユニットへの送信を行うには、第１のユニットは、伝搬情報の少なくともある一部分を用いて、仮想サブチャネルの少なくとも一つの部分集合を通じて仮想送信信号を送る。第２のユニットは、上記伝搬情報のうちから、上記のものとは別の少なくとも一部分を用いて、仮想サブチャネルの同じ集合から対応する仮想受信信号を検索する。
【０００５】
一般に、伝搬係数の伝搬行列により、第１のユニットの送信アンテナと第２のユニットの受信アンテナとの間の通信信号の伝搬特性が表される。実際の通信チャネル（多重アンテナチャネル）の伝搬特性を知ることにより、多重アンテナシステムは、実際の通信チャネルを複数の仮想サブチャネルに分解することができる。第１のユニットから第２のユニットへの送信にあたっては、第１のユニットと第２のユニットの双方が、第１のユニットから第２のユニットへの送信の特性を示す伝搬情報を入手する。いくつかの実施形態では、第１のユニットが伝搬情報のうちの少なくとも一部分を入手し、第２のユニットが伝搬情報のうち、これとは別の少なくとも一部分を入手する。伝搬情報のそれぞれの部分を用いて、第１のおよび第２のユニットは協力して実際の通信チャネルを仮想サブチャネルにし、これにより比較的単純な方法で高いビットレートもしくはスループットを実現する。
【０００６】
いくつかの実施形態では、第１のおよび第２のユニットは、第１のユニットから第２のユニットへの送信用の伝搬情報として伝搬行列を入手する。まず、第１のユニットおよび第２のユニットが、信号の交換により伝搬行列を入手する。たとえば、第１のユニットは第２のユニットにトレーニング信号を送信する。実際の通信チャネルで送信されたトレーニング信号並びに受信されたトレーニング信号から、伝搬行列を決定することができる。ひとたび伝搬行列が決定されれば、各ユニットは伝搬行列の特異値分解を行うことができる。伝搬行列の特異値分解により、Ｄ、Φ、Ψ＋の３つの因子の積としての伝搬行列が得られる。ここで、Ｄは対角行列、ΦおよびΨ＋は二つのユニタリ行列であり、上付文字の「＋」は共役転置（ｃｏｎｊｕｇａｔｅ  ｔｒａｎｓｐｏｓｅ）を示している。特異値分解は、伝搬行列を対角化する役目を果たす。対角行列Ｄの非ゼロ対角要素の数は、実際の通信チャネルに対する並列の独立仮想サブチャネルの数に対応する。いくつかの実施形態では、第１のユニットから第２のユニットへの送信にあたって、第１のユニットが対角行列Ｄおよびユニタリ行列Φを含む伝搬情報の少なくとも一部分を取得する。第１のユニットは対角行列Ｄをチャネル符号器／変調器に供給し、対角行列Ｄの数値に従って、入ってくるビットまたは情報ストリームを符号化し、変調して、独立した仮想サブチャネルに流して、仮想送信信号を生成する。こうして、対角行列Ｄはビットレートの相対的スケーリングを提供することができる。第１のユニットは、次に、仮想送信信号をユニタリ行列Ψの共役転置を用いて乗じることにより、仮想送信信号のユニタリ変換を行い、実際の送信信号を生成する。
【０００７】
いくつかの実施形態では、第２のユニットは、ユニタリ行列Ψ＋および対角行列Ｄを含む伝搬情報のうち、上記とは別の少なくとも一部分を取得する。第２のユニットは、ユニタリ行列Ψを用いて実際の受信信号を乗じることにより、実際の受信信号についてユニタリ変換を行い、仮想受信信号を生成する。第１のユニットおよび第２のユニットでのユニタリ行列による乗算により、仮想送信信号と仮想受信信号との間の実際の通信チャネルから仮想チャネルが確立される。これは、並列の独立した仮想サブチャネルとして扱うことができる。第２のユニットは対角行列Ｄをチャネル復号器／復調器に提供し、行列Ｄに従って仮想受信信号の復号および復調を行い、情報ストリームを生成する。こうして、多重アンテナシステムは、同じ周波数帯の中で並列の独立したサブチャネルを効果的に提供することにより、高い容量を実現する。また、多重アンテナシステムは、対角行列Ｄの数値に関連する仮想サブチャネル上でビットを送信することから、多くの情報を送信するために強力な仮想サブチャネルが用いられることになるため、性能も強化される。
【０００８】
本発明の他の態様および利点は、以下の詳細な説明を読み、以下の図面を参照することにより明らかになるであろう。
【０００９】
【発明の詳細な記述】
本発明の原理による多重アンテナ通信システムの実施形態を、高ビットレートおよび高性能を実現する多重アンテナ通信システムとして、以下に説明する。多重アンテナシステムは、送信機および受信機のいずれかまたは両方において多重アンテナ列を用い、また、第１のユニットのアンテナと第２のユニットのアンテナとの間の多重アンテナチャネルについて得た伝搬特性を利用することにより、これを達成する。第１のユニットと第２のユニットの実際の通信チャネル（多重アンテナチャネル）のいくつかの伝搬特性を知ることにより、多重アンテナシステムは、第１のユニットと第２のユニットが協力して実際の通信チャネルを多数の仮想サブチャネルに分解することで、高いビットレートを実現することができる。第１のユニットから第２のユニットへの送信にあたって、第１のユニットおよび第２のユニットは、第１のユニットから第２のユニットへの送信の特性を表す伝搬情報の少なくとも一部分をそれぞれ取得する。第１のおよび第２のユニットは、実際の通信チャネルを、伝搬情報のうち少なくともそれぞれの一部分を用いて、通信信号が送信される多重仮想サブチャネルに分解する。こうして、多重アンテナ通信システムは、同じ周波数帯の中の仮想サブチャネルを用いることにより、総電力や帯域幅を増加させることなく、比較的単純な方法で、高いビットレートを達成する。さらに、多重アンテナシステムは、伝搬情報によって決まるさらに強力なサブチャネルを通じてさらに多数のビットを送信することにより、性能を強化する。
【００１０】
図１は、実際の通信チャネル１０のベースバンドを表しており、ここで第１のユニット１２が、同一周波数の搬送波上の実際の送信信号ｓｔ１，ｓｔ２およびｓｔ３の各構成成分に対応するＲＦ信号を、それぞれの多重アンテナ１６ａ−ｃを通じて第２のユニット１４へ送信する。この特定の実施形態においては、第１のユニット１２は３本のアンテナ１６ａ−ｃを備えており、第２のユニット１４は３本のアンテナ１８ａ−ｃを備えている。第２のユニット１４は、実際の受信信号の構成成分ｘｔ１，ｘｔ２およびｘｔ３に対応するそれぞれの受信アンテナ１８ａ−ｃでＲＦ信号を受信する。各受信アンテナ１８ａ−ｃは、複素数をとるスカラー伝搬係数ｈｍｎを通じて、各送信アンテナ１６ａ−ｃに応答する。ここで、ｍは各送信アンテナ１６ａ−ｃを、ｎは各受信アンテナ１８ａ−ｃを示す。こうして、実際の受信信号ｘｔ１，ｘｔ２およびｘｔ３については、以下のように特性を示すことができる。
【外１】
0003563272.tif 000002
ここで、｛ｗｔ１，ｗｔ２，ｗｔ３｝は、第２のユニット１４において付加される受信ノイズである。ベクトル表現において、ｘｔ  ＝［ｘｔ１，ｘｔ２，ｘｔ３］、ｓｔ＝［ｓｔ１，ｓｔ２，ｓｔ３］、ｗｔ  ＝［ｗｔ１，ｗｔ２，ｗｔ３］のとき、ｘｔ  ＝ｓｔ×Ｈ＋ｗｔ
であり、伝搬行列は以下のように表すことができる。
【外２】
0003563272.tif 000003
【００１１】
この特定の実施形態において、第２のユニット１４は、第１のユニット１２とは反対方向に信号を送信することができる。第２のユニット１４は、その受信アンテナ１８ａ−ｃを用いて信号を送信することができ、第１のユニット１２はその送信アンテナ１６ａ−ｃを用いて信号を受信することができる。同一の周波数が双方向に用いられた場合（いくつかの二方向通信の実施形態では時分割二重送信（ＴＤＤ）方式を用いて）、第２のユニット１４から第１のユニット１２への送信の際の伝搬係数は、第１のユニット１２から第２のユニット１４への送信の際の伝搬係数と同等であると考えることができ（相互性の原理により）、したがって、Ｈ２ｔｏ１＝ＨＴ１ｔｏ２  である。ここで、上付文字のＴは、転置を示す。両方向で別々の周波数が用いられる場合（周波数分割二重方式を用いて）、両方向に伝搬する信号についての伝搬係数は決まってくる。適切なトレーニングとセットアップの体系を用いることにより、第１のユニット１２および第２のユニット１４は、第１のユニット１２から第２のユニット１４への伝搬係数と、第２のユニット１４から第１のユニット１２への伝搬係数との両方を知ることができる。たとえば、ユニット１２および１４は、１本のアンテナで複数の既知のトレーニング信号を一度に送信するか、各アンテナで同時に送信される直交信号を用いてトレーニング信号を送信するかのいずれかまたは両方を行うことができる。
【００１２】
わかりやすくするために、本発明の原理による多重アンテナ方式を、第１のユニット１２から第２のユニット１４への送信を特に考えながら説明する。多重アンテナ方式が一方向通信にも二方向通信にも適用できることはもちろんである。この特定の実施形態によれば、ユニット１２および１４の両方が、ユニット１２および１４の両方の取得した３×３伝搬行列Ｈの特異値分解（ＳＶＤ）を行う。この特定の実施形態で、ＨのＳＶＤから、Ｈ＝Φ×Ｄ×Ψ＋である。ここで、Ｄは実数値を取る、非負の３ｘ３の対角行列で、
【外３】
0003563272.tif 000004
であって、ΦおよびΨ＋は３ｘ３の複素数ユニタリ行列であって、上付文字「＋」は「共役転置」を示す。ユニタリ行列の列は単位長があり、互いに直交している。ベクトルにユニタリ行列を乗じても、ベクトルの長さは変わらず、単にベクトルの方向が変わるだけである。ユニタリ行列の逆行列は、この行列の共役転置に等しく、たとえば、Φ＋  ×Φ＝Ｉである。あるいは、ｌ＝１から３のとき、ΣΦｉｊ＊  ｘ×Φｉｊは、ｉ＝ｊならば、１に等しく、ｉ≠ｊならば、０に等しい。ここで、上付文字「＊」は、「複素共役」を示している。
【００１３】
第２のユニット１４は、行列Ψを用いて、受信信号ｘｔ  に３×３ユニタリ行列Ψを乗じ、ｒｔ  ＝［ｒｔ１，ｒｔ２，ｒｔ３］＝ｘｔ  ×Ψを得る。第１のユニット１２は、行列Φを用いて仮想送信信号ｙｔを実際の送信信号ｓｔに変換する。これは、実際の送信信号ｓｔ  を、仮想送信信号ｙｔ  ，ｓｔ  ＝ｙｔ  ×Φ＋  のΦ倍の３ｘ３ユニタリ行列を共役転置したものに等しくさせて行う。ここで、ｙｔ  ＝［ｙｔ１，ｙｔ２，ｙｔ３］である。ユニタリ行列の乗算は可逆演算であり、情報の損失はない。実際に、仮想送信信号ｙｔ  と仮想受信信号ｒｔ  との間にはリンクが確立される。ここで
【外４】
0003563272.tif 000005
上記の式にＨ＝ΦｘＤｘΨ＋  を代入すると、以下の通りとなる。
【外５】
0003563272.tif 000006
このように、ｓｔ  とｘｔ  の間の元々のリンク１０は、図２に示すｙｔ  とｒｔ  との間のずっと単純な仮想リンク２０と同等である。実際の通信チャネルでは、Ｎ本の受信アンテナのそれぞれは、Ｍ本の送信アンテナのそれぞれに応答する。仮想リンクまたは仮想チャネル１０の利点は、これが仮想サブチャネルからなり、複数の仮想受信アンテナのそれぞれが、正確にそれぞれの仮想送信アンテナに応答するということである。実際に、図１で交差結合している実際の通信チャネル１０は、本発明の原理により、図２に示す並列で独立した３つの仮想サブチャネルｄ１１，ｄ２２，ｄ３３として扱うことができる。
【００１４】
第１および第２のユニット１２および１４は、他の方法でも、第１のユニット１２と第２のユニット１４との間の仮想サブチャネルの確立に必要なそれぞれの伝搬情報を定めることができる。たとえば、行列ＨＨ＋  ＝Φ×Ｄ×Ｄ＋  ×Φ＋  であるので、第１のユニット１２や第２のユニット１４は、行列ＨＨ＋  の固有ベクトルからユニタリ行列Φ＋  を、ＨＨ＋  の固有値から対角行列Ｄを定めることができる。また、Ｈ＋  Ｈ＝Ψ×Ｄ＋  ×Ｄ×Ψ＋  であるので、第１のユニット１２や第２のユニット１４は、Ｈ＋  Ｈの固有ベクトルからユニタリ行列Ψを、Ｈ＋  Ｈの固有値から対角行列Ｄを定めることができる。
【００１５】
図３は、第１のユニット１２と第２のユニット１４との間で送信を行うための、本発明の原理による多重アンテナ通信システム１０の一実施形態を示している。この特定の実施形態において、第１のユニット１２は送信側として、第２のユニット１４は受信側として示されている。逆方向の送信に関して、第１のユニット１２は、第２のユニット１４に関して以下に述べる受信側構成部品（図示せず）を標準的に含み、第２のユニット１４は、第１のユニット１２に関して以下に述べる送信側構成部品（図示せず）を標準的に含んでいる。本発明のいくつかの実施形態によれば、第１のユニット１２は多重アンテナ列１６を使って通信信号の送受信を行い、第２のユニット１４は多重アンテナ列１８を使って通信信号の送受信を行っている。
【００１６】
第１のユニット１２から第２のユニット１４への送信を行うこの特定の実施形態において、実際の通信チャネル１０での信号の伝搬はベースバンドの特徴を備えており、送信アンテナ１６ａ−ｃと受信アンテナ１８ａ−ｃとの間に、複素数（実数部分と虚数部分がある）を取る伝搬係数の行列からなる。この特定の実施形態において、第１のユニット１２および第２のユニット１４は、伝搬行列の数値を習得し、適切な伝搬情報を決定して、第１のユニット１２と第２のユニット１４との間に仮想サブチャネルを確立する。あるいは、第１のユニット１２および第２のユニット１４のいずれかまたは両方は伝搬行列を習得せず、そのかわり、ユニット１２および１４が、対角行列Ｄなどの伝搬情報の一部分を入手もしくは決定し、また、第２のユニット１４がユニタリ行列Ψを入手もしくは決定している間に、第１のユニット１２は、ユニタリ行列Φ＋などの他の伝搬情報を入手または決定する。
【００１７】
第１のユニット１２から第２のユニット１４への通信に用いる伝搬行列を知るために（もしくは一定の実施形態について適切な伝搬情報を導くために）、第１のユニット１２は、ユニット１４にトレーニング信号を送ることができる。ユニット１４は、この信号から伝搬行列（または伝搬情報）を決定するか、または予測する。ユニット１４は、次に、第１のおよび第２のユニット１２および１４の単数または複数のアンテナを用いて、従来の通信方式によりユニット１２へ伝搬行列（または伝搬情報）を送ることができる。あるいは、ユニット１４は、電話線など、他の通信リンクを用いてユニット１２に伝搬行列（または伝搬情報）を送ることができる。さらに、ユニット１４は、ユニット１２から受信したトレーニング信号を、ユニット１２に対して単に返送することもでき、ユニット１２が、伝搬行列（または伝搬情報）を決定する。ユニット１２は、次に、伝搬行列（または伝搬情報）をユニット１４に送る。
【００１８】
同じように、ユニット１４からユニット１２へと伝搬する信号に用いる伝搬行列（または伝搬情報）を知るために、ユニット１４はユニット１２にトレーニング信号を送り、ユニット１２はこの信号から伝搬行列（または伝搬情報）を決定、または予測する。ここでも、ユニット１２からユニット１４への送信についての伝搬行列（または伝搬情報）の決定に関連して述べたように、ユニット１２は、実施形態によって異なる、様々な形態または分量の伝搬情報をユニット１４に対して、様々な通信方式を用いて、提供するか、または導き出すことができる。
【００１９】
ユニット１２とユニット１４との間の二方向送信は、時分割二重（Ｔｉｍｅ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｄｕｐｌｅｘ：ＴＤＤ）または周波数分割二重（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｄｕｐｌｅｘ：ＦＤＤ）などの様々な方式を用いて行うことができる。ＴＤＤには、第１のユニット１２から第２のユニット１４へ伝搬する信号のチャネル特性が、一般に、第２のユニット１４から第２のステーション１２に伝搬する信号のチャネル特性と同一であるという利点がある。ＴＤＤの場合、ユニット１２および１４とも、同じ周波数帯を占有する。従って、第１のユニット１２から第２のユニット１４への送信に関する伝搬行列は、Ｄ．Ｓ．Ｊｏｎｅｓ  の「音響および電磁波（Ａｃｏｕｓｔｉｃ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｗａｖｅｓ）」（Ｏｘｆｏｒｄ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ，  １９８９，第６３頁乃至第６４頁）に記載の相互性の原理により、互いの転置であると考えられ、それ以上のトレーニング信号の交換は不要である（ただし、伝搬行列や伝搬情報の更新は行うことができる）。いくつかの実施形態で利用しているＦＤＤでは、第２のユニット１４は第１のユニット１２に対して、第１のユニット１２から第２のユニット１４への送信のための伝搬行列（または伝搬情報）を送信する。さらに、第２のユニット１４から第１のユニット１２への送信のために適切なセットアップまたはトレーニングの体系が実施された後で、第１のユニット１２は、第２のユニット１４に対し、第２のユニット１４から第１のユニット１２への送信に関する伝搬行列（または伝搬情報）を送ることができる。
【００２０】
特に図３を参照すると、第１のおよび第２のユニット１２および１４は、伝搬行列（あるいは、伝搬行列または他の伝搬情報を導き出すのに用いることのできる伝搬行列または伝搬情報から導き出せる伝搬情報）を承知しているので、伝搬行列（またはそれぞれの伝搬情報）を使って、複雑な多重アンテナチャネル１０を多数の独立した仮想サブチャネルに効率的に分解することができる。この特定の実施形態において、ユニット１２および１４は、伝搬行列の特異値分解から導かれる伝搬情報を使うことにより、多重アンテナチャネル１０から多数の仮想サブチャネルを導き出す。第１のユニット１２から第２のユニット１４への送信についての伝搬行列を習得した後、第１のユニット１２は、伝搬行列Ｈを、特異値分解ブロック２２に与える。特異値分解ブロック２２は、伝搬行列Ｈの特異値分解を行い、ここから、対角行列Ｄならびに二通りのユニタリ行列ΦおよびΨ＋などの伝搬情報が生成される。ここで、上付文字「＋  」は共役転置を示している。行列Ｄでの非ゼロ対角要素の数が、並列の独立した仮想サブチャネルの数を表す。
【００２１】
この特定の実施形態における第１のユニット１２から第２のユニット１４への送信に際して、第１のユニット１２は、対角行列Ｄをチャネル符号器／変調器２４に送り、データソース２８から入ってくる情報ストリームを符号化し、変調する。チャネル符号器／変調器２４は、情報ストリームを符号化し、変調して、対角行列Ｄの非ゼロ値によって異なる複数のサブ情報ストリームを形成し、仮想送信信号を作り出す。仮想送信信号はベクトルとして表すことができ、その各構成成分は、各仮想サブチャネルで送信される。この特定の実施形態で、ユニタリ変換ブロック３０は、ユニタリ行列Φの共役転置を用いて仮想送信信号を多重化することにより、仮想送信信号についてユニタリ変換を行う。最後に、第１のユニット１２は、ユニタリ変換３０の結果を利用して、実際の送信信号のベースバンドバージョンを生成する。
【００２２】
この特定の実施形態で、第２のユニット１４も、伝搬行列Ｈを特異値分解３２に送り、特異値分解３２の結果を用いて、実際の受信信号のユニタリ変換３４を行う。この特定の実施形態で、ユニタリ変換ブロック３４は、ユニタリ行列Ψを用いて実際の受信信号を多重化し、仮想受信信号を生成する。この特定の実施形態で、ユニタリ変換３０および３４でのユニタリ行列による多重化は、ノイズを増幅する傾向が無く、可逆演算であるので情報が失われない。ユニタリ行列による多重化でリンクができる。これは、第１のユニット１２の仮想送信信号と、第２のユニット１４の仮想受信信号との間の並列で独立した仮想サブチャネルとして扱うことができる。第２のユニット１４は、チャネル復調／復号器３６に対角行列Ｄを送る。チャネル復調／復号器は対角行列Ｄを使って仮想受信信号ベクトルを復号および復調し、第１のユニット１２においてチャネル符号器／変調器２４に送られた情報ストリームに対応する単独の情報ストリームを生成する。さらに、第１のユニット１２は、対角行列の非ゼロ値に従う強力な仮想サブチャネル上にさらに多くのビットを送ることにより、対角行列Ｄを用いて性能を強化することができる。行列Ｄの非ゼロ値の振幅が一定のレベルより低い場合、多重アンテナシステムは、対応する仮想サブチャネルを利用しないことができるという利点がある。これにより、強力な仮想サブチャネルから成る部分集合を利用できることになる。こうして、多重アンテナシステムは、同一の周波数帯の中に並列で独立の仮想サブチャネルを効果的に提供し、性能を強化することにより、狭い帯域幅の中でデータレートを高めることができる。
【００２３】
図４は、本発明の原理に従って、ユニット１２または１４で用いる３本のアンテナ１６ａ−ｃを具備する多重アンテナ列１６を備えた送信機４０のブロック図である。わかりやすくするために、送信機４０は、ユニット１２の中に含まれている（図３）ものとして説明する。本発明の原理による多要素アンテナ通信システムについては、第１のユニット１２（図３）から第２のユニット１４（図３）へ送信を行うという場合でここまで説明してきたからである。しかし、この特定の実施形態におけるユニット１２および１４（図３）は、本発明の原理に従って信号の送信、受信の両方を行うことができる。それにより、ユニット１２および１４は、トレーニング信号を交換して、両者間で通信を行うための伝搬行列（または伝播情報。いくつかの実施形態ではこれを実際のトレーニング信号とすることができる）を予測する。第１のユニット１２（図３）から第２のユニット１４（図３）へ伝搬する信号についての伝搬行列Ｈを習得した後、送信機４０は、伝搬行列Ｈを特異値分解ブロック２２に送る。
【００２４】
特異値分解ブロック２２は、伝搬行列Ｈの特異値分解を行って（これはどのようなＨに対してでも行うことができる）、Ｈ＝Φ×Ｄ×Ψ＋  を得る。ここで、Ｄは実数値を取る、非負の対角行列であり、ΦおよびΨ＋  はユニタリ行列である。非ゼロ対角要素の数は、送信機４０および第２のユニット１４（図３）のアンテナ１６の数の少ない方と同じか、これより少なく、同じ周波数帯の中で利用できる並列で独立の仮想サブチャネルの数を表している。さらに、非ゼロ対角要素の大きさは、仮想サブチャネルの相対的な信号対雑音比を示している。本発明のある態様によれば、送信機４０は、対角行列Ｄの非ゼロ対角要素の値によって決まるサブチャネルの相対的信号対雑音比により、仮想サブチャネルに電力を割り当てる。こうして、条件のよいサブチャネルの方が送信機の電力を多く得ることができ、多くのデータを運ぶことができる。本発明のこの態様の特定の実施形態によれば、送信機４０は、総電力に制限があるため、一般には電力を様々なサブチャネルに割り当てて、より高い、信頼できるビットレートを得る。こうすることで、送信機４０は、Ｒｏｂｅｒｔ  Ｇ．  Ｇａｌｌａｇｅｒの  「情報理論と信頼性ある通信（Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ  Ｔｈｅｏｒｙ  ａｎｄ  Ｒｅｌｉａｂｌｅ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）」（Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ  ＆  Ｓｏｎｓ，  １９６８，第３４３頁乃至第３４５頁）に開示されたＷａｔｅｒ  Ｐｏｕｒｉｎｇ  アルゴリズムの一種を用いて、様々なサブチャネルに電力を割り当てることができる。
【００２５】
送信機４０はデータソース２８から情報信号を受信し、情報ストリームはバッファ４３に入力される。本発明のいくつかの態様によれば、対角行列Ｄの非ゼロ対角要素がすべて、この特定の実施形態において同等または相対的に類似していた場合、チャネル符号器／変調器２４は、バッファ４３からのビットストリーム４２の第１のビットをエンコーダ／変調器４４ａに送り、ビットストリームの第２のビットをエンコーダ／変調器４４ｂに送り、ビットストリーム４２の第三ビットをエンコーダ／変調器４４ｃに送ることができる。この特定の実施形態において、第１の仮想サブチャネルに対応する行列Ｄの非ゼロ対角値の振幅が、第２のおよび第３の仮想サブチャネルに対応する行列Ｄの非ゼロ対角値の２倍の大きさであった場合、チャネル符号器／変調器２４は、ビットストリーム４２の最初の２ビットをエンコーダ／変調器４４ａに送り、ビットストリーム４２の次の２ビットをエンコーダ／変調器４４ｂとエンコーダ／変調器４４ｃとの間で分割して送ることができる。ノイズの影響に対抗するため、チャネル符号器／変調器２４は、従来の付加的なガウスノイズチャネルに一般的に用いられる通常の誤り補正コードを利用することができる。このことは、四相位相偏移変調（ＱＰＳＫ）などの従来の変調方式との組み合わせで、当業者であれば当然理解されるとおりである。
【００２６】
この特定の実施形態において、チャネル符号器／変調器２４は、仮想送信信号の３種の信号ベクトル構成成分ｙｔ１，ｙｔ２，ｙｔ３を生成する。仮想送信信号の構成成分は、実施方法によって固定小数点または浮動小数点とすることのできる、デジタルな複素数である。エンコーダ／変調器４４ａ−ｃからの仮想送信信号の３つの構成成分ｙｔ１，ｙｔ２，ｙｔ３は、ユニタリ変換ブロック３０に送られる。ユニタリ変換ブロックは、ユニタリ行列Φ＋を用いて、構成成分ｙｔ１，ｙｔ２，ｙｔ３に対して３ｘ３行列乗算を行う。ユニタリ変換３０の結果は、構成成分としてｓｔ１，ｓｔ２，ｓｔ３を有する実際の送信信号であり、各送信回路４８ａ−ｃへ送られ、必要に応じて高周波（ＲＦ）領域に変換される。この特定の実施形態において、送信回路４８ａ−ｃは、実際の送信信号の構成成分ｓｔ１，ｓｔ２，ｓｔ３を同じ搬送波上で変調し、実際の送信信号の各構成成分ｓｔ１，ｓｔ２，ｓｔ３を、それぞれのアンテナ１６ａ−ｃを通じて送信する。
【００２７】
図５は、送信回路４８の実施形態についての一般的な図である。この特定の実施形態において、仮想送信信号ベクトルの各構成成分ｓｔ１，ｓｔ２，ｓｔ３は、ブロック５０により実数部分と虚数部分に分割される。各構成成分ｓｔ１，ｓｔ２，ｓｔ３の実数部分と虚数部分はデジタル／アナログコンバータに５１に入力される。乗算器５２は、各構成成分ｓｔ１，ｓｔ２，ｓｔ３のアナログ実数部分にｃｏｓωｃ  ｔを乗じ（ωｃ  は搬送波周波数（ラジアン／秒））、各構成成分ｓｔ１，ｓｔ２，ｓｔ３のアナログ虚数部分にｓｉｎωｃ  ｔを乗じる。この後、各構成成分ｓｔ１，ｓｔ２，ｓｔ３の実数部分、虚数部分のそれぞれを合計器５３によって合計し、同一の搬送波周波数ωｃ  上の各構成成分ｓｔ１，ｓｔ２，ｓｔ３についてＲＦ信号を生成する。この特定の実施形態では、各ＲＦ信号は、次に、それぞれのＲＦ電力増幅器５４により増幅され、各アンテナ１６ａ−ｃを通じて送信される。送信回路４８については、これと異なる実施形態も可能である。
【００２８】
図６は、本発明の原理に従って、ユニット１２または１４（図３）で用いる３本のアンテナ１８ａ−ｃを具備する多重アンテナ列１８を備えた受信機６０のブロック図である。わかりやすくするために、受信機６０は、ユニット１４の中に含まれている（図３）ものとして説明する。本発明の原理による多要素アンテナ通信システムについては、第１のユニット１２（図３）から第２のユニット１４（図３）へ送信を行うという場合でここまで説明してきたからである。上述の通り、この特定の実施形態におけるユニット１２および１４（図３）は、本発明の原理に従って信号の送信、受信の両方を行うことができる。
【００２９】
この特定の実施形態について上述したとおり、受信機６０は、送信機４０（図４）からトレーニング信号を受信し、送信機４０（図４）から受信機６０への通信のための伝搬行列Ｈを予測する。送信機４０（図４）から受信機６０へ伝搬する信号についての伝搬行列Ｈを習得した後、受信機６０は、伝搬行列Ｈを特異値分解ブロック３２に送る。送信機４０（図４）の場合と同様、特異値分解ブロック３２は、伝搬行列Ｈの特異値分解を行って、Ｈ＝Φ×Ｄ×Ψ＋  を得る。ここで、Ｄは実数値を取る、非負の対角行列であり、ΦおよびΨ＋は３×３の複素数ユニタリ行列である。上付文字「＋」は「共役転置」を示す。
【００３０】
受信機６０は、多重アンテナ列１８を通じて送信機４０（図４）から伝搬する信号を受信し、受信回路６２ａ−ｃは、各アンテナ１８ａ−ｃからベースバンドに受信した信号を処理する。この特定の実施形態において、実際の受信信号ベクトルｘｔは、デジタル化された上でユニタリ変換ブロック３４に送られる。ユニタリ変換ブロック３４は、伝搬行列Ｈから導き出したその伝搬情報を使って実際の受信信号ｘｔ  に３×３ユニタリ行列Φを乗じ、仮想受信信号ｒｔ  ＝［ｒｔ１，ｒｔ２，ｒｔ３］＝ｘｔ  ×Ψを得る。チャネル復調器／復号器３６は、ユニタリ変換ブロック３４から仮想受信信号ｒｔ  を、それぞれの並列構成成分ｒｔ１，ｒｔ２，ｒｔ３と共に受け取る。構成成分ｒｔ１，ｒｔ２，ｒｔ３は、各並列復調器／復号器６８ａ−ｃに送られる。並列復調器／復号器６８ａ−ｃは、送信機４０（図４）が用いている変調および符号化の方式に従って、仮想受信信号ｒｔ  を復調および復号する。
【００３１】
ＳＶＤブロック３２から得た対角行列Ｄの非ゼロ対角値を使い、送信機４０（図４）での行列Ｄの利用を反映して、チャネル復調器／復号器３６は、仮想受信信号の並列構成成分ｒｔ１，ｒｔ２，ｒｔ３から情報ビットの単独のストリーム７０を構成する。こうして、受信機６０において並列ストリーム６４ａ−ｃから情報ストリーム７０を構築するのに用いられた対角行列Ｄは、送信機４０（図４）において単独のストリーム４２（図４）を並列なストリーム４６ａ−ｃに分割するのに用いられたものと同じ行列Ｄである。そして、情報ストリーム７０は、その送り先３８に出力される前に、データバッファも含めた追加処理または追加回路７２を通ることができる。
【００３２】
図７は、受信回路６２の実施形態についての一般的な図を示している。この特定の実施形態において、送信回路４８（図５）から送信されたＲＦ信号は、アンテナ１８ａ−ｃにより受信される。各アンテナ１８ａ−ｃで受信されたＲＦ信号は、それぞれの前置増幅器８０により増幅される。乗算器８２は、各ＲＦ信号にｃｏｓωｃ  ｔおよびｓｉｎωｃ  ｔを乗じる。ここで、ωｃ  は、同じ周波数ωｃ  の搬送波に変調された実際の受信信号の構成成分の実数部分と虚数部分のアナログバージョンを生成する搬送波周波数である。実際の受信信号の各構成成分についての実数部分と虚数部分のアナログバージョンは、フィルタ８３によりローパスフィルタにかけられ、アナログ／デジタルコンバータ８４に送られて、各構成成分の実数部分と虚数成分のデジタルバージョンを生成する。結合器８６は、各構成成分の実数部分と虚数部分とを結合して、実際の受信信号の構成成分ｘｔ１，ｘｔ２，ｘｔ３を複素数デジタル値として生成する。上記のこの特定の実施形態において、実際の受信信号の構成成分ｘｔ１，ｘｔ２，ｘｔ３は、ユニタリ変換ブロック３４（図６）に送られる。受信回路６２は、図ではホモダイン受信機となっているが、受信回路６２については他の実施形態も可能である。
【００３３】
本発明のいくつかの実施形態によると、多重アンテナシステムは、動作条件が変化するにつれて、伝搬行列または情報を、定期的にまたは連続的に更新する。こうして、アンテナ１６（図４）または１８が利用できなくなった場合、多重アンテナシステムは、伝搬行列もしくは伝搬情報を、二つのユニット１２および１４で更新し、それによりユニット１２と１４との間の通信を維持して、なおも高いビットレートを提供する。さらに、仮想サブチャネルの条件によって（これは対角行列Ｄの非ゼロ対角値により測定することができる）、多重アンテナシステムを用いている二つのユニット１２と１４との間のビットレートを測定することができる。従って、信号対雑音比、仮想サブチャネル利得またはその他の仮想サブチャネルに関する測定値が、一定のしきい値レベルおよび他のサブチャネルと比較した相対的なレベルのいずれかまたは両方よりも低くなった場合、多重アンテナシステムは、仮想サブチャネルで送信されるビット数を減らすか、あるいは仮想サブチャネルを打ち切ることができる。これにより、伝搬行列もしくは情報から、仮想サブチャネルが上記のしきい値レベルや相対レベルを超えたことがわかるまで、ビットレートを落としておく。さらに、同様の方法により、本発明のいくつかの原理による多重アンテナシステムは、対角行列Ｄの非ゼロ値、または仮想サブチャネルに対応するその他の測定値により定められる様々な仮想サブチャネルの条件に基づいて、様々な仮想サブチャネルに電力を割り当てることができる。
【００３４】
多重アンテナシステムは、単独アンテナシステムに比べて、電力や帯域幅を増やすことなく、ビットレートを向上させることができる。いくつかの実施形態によれば、信号の伝搬は、平坦なフェージング（フェージングに周波数依存がない）としてモデル化できる。さらに、受信機のノイズや外部の干渉が生じた場合、多重アンテナシステムは、そうした受信機のノイズや外部の干渉の特性を示す共分散行列等を利用して効果的に伝搬情報を修正したり、その共分散行列等を伝搬情報の一部分に含めたりすることができる。伝搬行列Ｈの全要素が、統計的に独立で、同じように分布しており、振幅はレイリー分布に、位相は均一な分布になっているなら、チャネルの容量は、送信機と受信機のアンテナ数の少ない方の数値に対して線形を描いて増加する。理論的には、多重アンテナシステムで使用できるアンテナの数に制限はなく、これにより、狭い帯域幅で膨大な容量を実現する潜在的な可能性を示している。たとえば、送信機と受信機に１７０本のアンテナがあり、帯域幅は３０ｋＨｚ（ＨＤＴＶ）、信号対雑音比は２０ｄＢである場合、高品位テレビ（ＨＤＴＶ）の２０Ｍｂ／ｓのデータを、本発明の原理に従って１７０の仮想サブチャネルに分割した後、多重アンテナチャネルを通じて送ることができる。
【００３５】
本発明の原理による多要素アンテナシステムは、送信機と受信機との両方で多重アンテナを用いて、多重アンテナチャネルを多重独立仮想サブチャネルに分解することにより、狭い帯域幅で、単純な方法で、このような高いビットレートを実現することができる。多重アンテナシステムを用いている一対のユニットは、多重アンテナチャネルを通じて互いに通信するに当たり、別個の周波数帯を利用する。こうして、ユニットの様々な対に、周波数分割多重処理が施される。一対のユニットは、たとえば無線ローカルエリアネットワークで音声やデータを扱うことのできるユニットなど、多様な形態を取ることができる。さらに、多重アンテナシステムは、一対のユニット間での通信において機密を保持することができる。対になっているユニットの間での実際の通信チャネルの特性を表す伝搬情報は、その対に固有だからである。そこで、たとえ第三者がその対の伝搬情報を入手しても、第三者とその一対のユニットのそれぞれとの間の実際の通信チャネルについての伝搬情報はそれとは別のものとなるので、その対の間の通信にその第三者が割り込むのは困難である。
【００３６】
上記の実施形態に加え、構成部品の省略や追加を行ったり、あるいは上記の多重アンテナシステムの変種もしくは部分を用いたりして、本発明の原理による多重アンテナシステムを別の形で構成することもできる。たとえば、多重アンテナシステムは、第１のユニットと第２のユニットの双方にアンテナ３本を備えて３本の仮想サブチャネルを提供するものとして説明してきたが、第１のユニットおよび第２のユニットにおけるアンテナ数が異なってもよい。さらに、多重アンテナシステムは、第１のユニットから第２のユニットへの多重アンテナチャネルを通じての通信に関連して用いるものとして説明した。しかし、多重アンテナシステムは、本発明の原理に従って送信や受信を行うユニットを含んでいる。いくつかの実施形態では、ユニットは、送信と受信の両方に同じ多重アンテナを使用する。しかし、多重アンテナシステムを利用するユニットとしては、多重アンテナチャネルの他端にあるユニットのアンテナ数によって、あるいは反対方向の対角行列の数値によって、送信や受信に多重アンテナの部分集合を用いる、別の実施形態も可能である。
【００３７】
上記の多重アンテナシステムは、複数の構成部品もしくはブロックから成るものとして説明したが、多重アンテナシステムおよびその部分は、この開示から通常の当業者に理解されるような、ＡＳＩＣ、ソフトウェア駆動の処理回路、またはその他の個別部品配列として実現できるものであることはもちろんである。上述の内容は、単に本発明の原理の利用法を説明するものである。当業者であれば、本書において説明、記載している例示としての利用法に厳密に従うことなく、かつ本発明の精神および範囲から逸脱することなく、上記のような、またはその他の修正、調整および方法を本発明に施せることが、容易に認識されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理に従って用いられた多重アンテナチャネルもしくは実際の通信チャネルのベースバンドを表す図である。
【図２】本発明のいくつかの原理に従って実際の通信チャネルから導かれた仮想サブチャネルのベースバンドを表す図である。
【図３】本発明の原理による多重アンテナシステムの実施形態のブロック図である。
【図４】本発明の特定の原理に従った多重アンテナ送信機の実施形態のブロック図である。
【図５】図４の送信機の送信回路の特定の実施形態のブロック図である。
【図６】本発明のいくつかの原理に従った多重アンテナ受信機の実施形態のブロック図である。
【図７】図６の受信機の受信回路の実施形態のブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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