(57)【要約】  本発明は、多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送・受信機及び送・受信方法に関するもので、特に、送信機で送信機フィルタを改善された方法で計算し、該計算した送信機フィルタをワンウェイチャネルサウンディング方法で受信機に送信する送信装置及び方法、並びに前記送信機フィルタをチャネルを介して受信し、該受信した前記送信機フィルタとチャネルマトリクスとを乗算した値を受信機フィルタとして使用する受信装置及び方法に関する。
2009512388.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信機であって、
複数のユーザ各々に対する送信機フィルタを計算し、計算した前記送信機フィルタを出力する空間多重送信フィルタ部と、
前記空間多重送信フィルタ部からの前記送信機フィルタを対応するユーザ各々に送信する複数のアンテナと、を備える多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信機。
【請求項２】
前記送信機フィルタの計算は、有効チャネルマトリクスの疑似反転によりＮユーザに対してＮ個の送信機フィルタを得る方法を使用することを特徴とする請求項１に記載の多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信機。
【請求項３】
前記空間多重送信フィルタ部で受信機フィルタを計算する場合に、初期受信機フィルタをランダムユニタリーベクトルとして設定することを特徴とする請求項１に記載の多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信機。
【請求項４】
前記送信機は、複数のユーザに対するデータ送信スケジュールを決定し、決定した前記送信スケジュールを前記空間多重送信フィルタ部に伝達する機能をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信機。
【請求項５】
前記送信機フィルタは、送信機とユーザ受信機との間のチャネルマトリクスを利用して求めることを特徴とする請求項１に記載の多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信機。
【請求項６】
前記チャネルマトリクスは、ユーザ受信機からのアップリンクサウンディングパイロットを利用して推定することを特徴とする請求項５に記載の多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信機。
【請求項７】
前記チャネルマトリクスは、ユーザ受信機から送信されることを特徴とする請求項５に記載の多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信機。
【請求項８】
前記送信機フィルタを計算するアルゴリズムは、以下のとおりであることを特徴とする請求項１に記載の多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信機。
＜アルゴリズム＞
【数１】
2009512388.tif 000029
初期化Ｎｉ：
【数２】
2009512388.tif 000030
繰り返し終了Ｎｉ：
ここで、Ｈｅｆｆは、有効チャネル（受信機が実際に経験するチャネル）マトリクス、
【数３】
2009512388.tif 000031
は、有効チャネルマトリクスＨｅｆｆの疑似反転マトリクスを表し、Ｍｋは、ｋユーザに対する送信機マトリクス、Ｗｋは、ｋユーザの受信機マトリクス、ここで、Ｔは、転置を、＊は、複素共役転置を表す。
【請求項９】
前記送信機フィルタを計算するアルゴリズムは、以下のとおりであることを特徴とする請求項１に記載の多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信機。
＜アルゴリズム＞
初期化
【数４】
2009512388.tif 000032
Ｎｉ回繰り返し
【数５】
2009512388.tif 000033
繰り返し終了
最後に受信機フィルタを正規化し、計算する。
【数６】
2009512388.tif 000034
終了（ｅｎｄ）
ここで、Ｈｋは、チャネルマトリクス、
【数７】
2009512388.tif 000035
は、修正されたマッチチャネルマトリクス、Ｈｅｆｆは、有効チャネル（受信機が実際に経験するチャネル）マトリクスを表し、Ｍｋは、ｋユーザに対する送信機マトリクス、Ｗｋは、ｋユーザの受信機マトリクスである。ここで、Ｔは、転置を、＊は、複素共役転置を表す。
【請求項１０】
多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信機であって、
各々のユーザに対する送信機フィルタを計算し、計算した前記送信機フィルタが適用された複数のアンテナを介してトレーニングシーケンスを対応する各々のユーザに送信する多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信機。
【請求項１１】
前記送信機フィルタの計算は、有効チャネルマトリクスの疑似反転によりＮユーザに対してＮ個の送信機フィルタを同時に得る方法を使用することを特徴とする請求項１０に記載の多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信機。
【請求項１２】
前記送信機が受信機フィルタを共に計算する場合に、前記受信機フィルタの計算において初期受信機フィルタをランダムユニタリーベクトルとして設定することを特徴とする請求項１０に記載の多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信機。
【請求項１３】
前記送信機は、複数のユーザに対するデータ送信スケジュールを決定し、決定した前記送信スケジュールを前記空間多重送信フィルタ部に伝達する機能をさらに有することを特徴とする請求項１０に記載の多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信機。
【請求項１４】
前記送信機フィルタは、前記送信機とユーザ受信機との間のチャネルマトリクスを利用して求めることを特徴とする請求項１０に記載の多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信機。
【請求項１５】
前記送信機フィルタを計算するアルゴリズムは、以下のとおりであることを特徴とする請求項１０に記載の多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信機。
＜アルゴリズム＞
初期化
【数８】
2009512388.tif 000036
繰り返し回数Ｎｉ：
【数９】
2009512388.tif 000037
繰り返し終了
ここで、Ｈｅｆｆは、有効チャネル（受信機が実際に経験するチャネル）マトリクス、
【数１０】
2009512388.tif 000038
は、有効チャネルマトリクスＨｅｆｆの疑似反転マトリクスを表し、Ｍｋは、ｋユーザに対する送信機マトリクス、Ｗｋは、ｋユーザの受信機マトリクス、ここで、Ｔは、転置を、＊は、複素共役転置を表す。
【請求項１６】
前記送信機フィルタを計算するアルゴリズムは、以下のとおりであることを特徴とする請求項１０に記載の多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信機。
＜アルゴリズム＞
初期化
【数１１】
2009512388.tif 000039
Ｎｉ回繰り返し：
【数１２】
2009512388.tif 000040
繰り返し終了
最後に受信機フィルタを正規化し、計算する。
【数１３】
2009512388.tif 000041
終了
ここで、Ｈｋは、チャネルマトリクス、
【数１４】
2009512388.tif 000042
は、修正されたマッチチャネルマトリクス、Ｈｅｆｆは、有効チャネル（受信機が実際に経験するチャネル）マトリクスを表し、Ｍｋは、ｋユーザに対する送信機マトリクス、Ｗｋは、ｋユーザの受信機マトリクスである。ここで、Ｔは、転置を、＊は、複素共役転置を表す。
【請求項１７】
多重ユーザ多重アンテナ通信システムの受信機であって、
送信機からの送信機フィルタを受信する一つ以上のアンテナと、
前記アンテナを介して受信した前記送信機フィルタとチャネルマトリクスとを乗算した後に正規化して、受信機フィルタを求める空間多重受信フィルタ部と、を備える多重ユーザ多重アンテナ通信システムの受信機。
【請求項１８】
前記送信機フィルタは、前記送信機からワンウェイチャネルサウンディング方法で送信されたことを特徴とする請求項１７に記載の多重ユーザ多重アンテナ通信システムの受信機。
【請求項１９】
前記受信機が前記受信機フィルタを求める方法は、以下の式を利用することを特徴とする請求項１７に記載の多重ユーザ多重アンテナ通信システムの受信機。
【数１５】
2009512388.tif 000043
ここで、Ｈｋは、チャネルマトリクス、Ｍｋは、ｋユーザに対する送信機マトリクス、Ｗｋは、ｋユーザの受信機マトリクスである。
【請求項２０】
多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信方法であって、
各々のユーザに対する送信機フィルタを計算するステップと、
計算した前記送信機フィルタをワンウェイチャネルサウンディング方法で対応する各々のユーザに複数のアンテナを介して送信するステップと、
各々のユーザにデータを送信するステップと、を含む多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信方法。
【請求項２１】
前記送信機フィルタの計算は、有効チャネルマトリクスの疑似反転によりＮユーザに対してＮ個の送信機フィルタを得る方法を使用することを特徴とする請求項２０に記載の多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信方法。
【請求項２２】
前記空間多重送信フィルタ動作ステップにおいて受信機フィルタを共に計算する場合に、前記受信機フィルタの計算で初期受信機フィルタをランダムユニタリーベクトルとして設定することを特徴とする請求項２０に記載の多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信方法。
【請求項２３】
前記送信方法で複数のユーザに対するデータ送信スケジュールを決定し、決定した前記送信スケジュールを前記空間多重送信フィルタ部に伝達するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２０に記載の多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信方法。
【請求項２４】
前記送信機フィルタは、送信機とユーザ受信機との間のチャネルマトリクスを利用して求めることを特徴とする請求項２０に記載の多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信機。
【請求項２５】
前記チャネルマトリクスは、ユーザ受信機からのアップリンクサウンディングパイロットを利用して推定することを特徴とする請求項２０に記載の多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信機。
【請求項２６】
前記チャネルマトリクスは、ユーザ受信機から送信されることを特徴とする請求項２０に記載の多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信機。
【請求項２７】
前記送信機フィルタを計算するアルゴリズムは、以下のとおりであることを特徴とする請求項２０に記載の多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信方法。
＜アルゴリズム＞
初期化
【数１６】
2009512388.tif 000044
繰り返し回数Ｎｉ：
【数１７】
2009512388.tif 000045
繰り返し終了
ここで、Ｈｅｆｆは、有効チャネル（受信機が実際に経験するチャネル）マトリクス、
【数１８】
2009512388.tif 000046
は、有効チャネルマトリクスＨｅｆｆの疑似反転マトリクスを表し、Ｍｋは、ｋユーザに対する送信機マトリクス、Ｗｋは、ｋユーザの受信機マトリクス、ここで、Ｔは、転置を、＊は、複素共役転置を表す。
【請求項２８】
前記送信機フィルタを計算するアルゴリズムは、以下のとおりであることを特徴とする請求項２０に記載の多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信方法。
＜アルゴリズム＞
初期化
【数１９】
2009512388.tif 000047
Ｎｉ回繰り返し：
【数２０】
2009512388.tif 000048
繰り返し終了
最後に受信機フィルタを正規化し、計算する。
【数２１】
2009512388.tif 000049
終了
ここで、Ｈｋは、チャネルマトリクス、
【数２２】
2009512388.tif 000050
は、修正されたマッチチャネルマトリクス、Ｈｅｆｆは、有効チャネル（受信機が実際に経験するチャネル）マトリクスを表し、Ｍｋは、ｋユーザに対する送信機マトリクス、Ｗｋは、ｋユーザの受信機マトリクスである。ここで、Ｔは、転置を、＊は、複素共役転置を表す。
【請求項２９】
多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信方法であって、
各々のユーザに対する送信機フィルタを計算するステップと、
計算した前記送信機フィルタが適用された複数のアンテナを介して、トレーニングシーケンスを対応する各々のユーザに送信するステップと、を含む多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信方法。
【請求項３０】
前記送信機フィルタの計算は、有効チャネルマトリクスの疑似反転によりＮユーザに対してＮ個の送信機フィルタを同時に得る方法を使用することを特徴とする請求項２９に記載の多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信方法。
【請求項３１】
前記送信機フィルタ計算において受信機フィルタを共に計算する場合に、前記受信機フィルタの計算で初期受信機フィルタをランダムユニタリーベクトルとして設定することを特徴とする請求項２９に記載の多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信方法。
【請求項３２】
前記送信方法は、複数のユーザに対するデータ送信スケジュールを決定し、決定した前記送信スケジュールを前記空間多重送信フィルタ部に伝達するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２９に記載の多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信方法。
【請求項３３】
前記送信機フィルタは、前記送信機とユーザ受信機との間のチャネルマトリクスを利用して求めることを特徴とする請求項２９に記載の多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信機。
【請求項３４】
前記送信機フィルタを計算するアルゴリズムは、以下のとおりであることを特徴とする請求項２９に記載の多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信方法。
＜アルゴリズム＞
初期化
【数２３】
2009512388.tif 000051
繰り返し回数Ｎｉ：
【数２４】
2009512388.tif 000052
繰り返し終了
ここで、Ｈｅｆｆは、有効チャネル（受信機が実際に経験するチャネル）マトリクス、
【数２５】
2009512388.tif 000053
は、有効チャネルマトリクスＨｅｆｆの疑似反転マトリクスを表し、Ｍｋは、ｋユーザに対する送信機マトリクス、Ｗｋは、ｋユーザの受信機マトリクス、ここで、Ｔは、転置を、＊は、複素共役転置を表す。
【請求項３５】
前記送信機フィルタを計算するアルゴリズムは、以下のとおりであることを特徴とする請求項２９に記載の多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信方法。
＜アルゴリズム＞
初期化
【数２６】
2009512388.tif 000054
Ｎｉ回繰り返し：
【数２７】
2009512388.tif 000055
繰り返し終了
最後に受信機フィルタを正規化し、計算する。
【数２８】
2009512388.tif 000056
終了
ここで、Ｈｋは、チャネルマトリクス、
【数２９】
2009512388.tif 000057
は、修正されたマッチチャネルマトリクス、Ｈｅｆｆは、有効チャネル（受信機が実際に経験するチャネル）マトリクスを表し、Ｍｋは、ｋユーザに対する送信機マトリクス、Ｗｋは、ｋユーザの受信機マトリクスである。ここで、Ｔは、転置を、＊は、複素共役転置を表す。
【請求項３６】
多重ユーザ多重アンテナ通信システムの受信方法であって、
送信機からの送信機フィルタを一つ以上のアンテナを介して受信するステップと、
前記アンテナを介して受信した前記送信機フィルタを、チャネルマトリクスを乗算した後に正規化して受信機フィルタを求めるステップと、
受信したデータを、前記受信機フィルタを利用してデコードするステップと、を含む多重ユーザ多重アンテナ通信システムの受信方法。
【請求項３７】
前記送信機フィルタは、前記送信機からワンウェイチャネルサウンディング方法で送信されたことを特徴とする請求項３６に記載の多重ユーザ多重アンテナ通信システムの受信方法。
【請求項３８】
前記ワンウェイチャネルサウンディング方法は、前記送信機フィルタが適用された送信機アンテナを介してトレーニングシーケンスを送信することを特徴とする請求項３６に記載の多重ユーザ多重アンテナ通信システムの受信方法。
【請求項３９】
前記受信機が前記受信機フィルタを求める方法は、以下の式を利用することを特徴とする請求項３６に記載の多重ユーザ多重アンテナ通信システムの受信方法。
【数３０】
2009512388.tif 000058
ここで、Ｈｋは、チャネルマトリクス、Ｍｋは、ｋユーザに対する送信機マトリクス、Ｗｋは、ｋユーザの受信機マトリクスである。
【請求項４０】
多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信機であって、
各々のユーザに対する送信機フィルタを計算し、計算した前記送信機フィルタが適用された複数のアンテナを介してパイロットをワンウェイチャネルサウンディング方法で対応する各々のユーザにデータ送信と同時に送信する多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信機。
【請求項４１】
前記送信機フィルタの計算は、
Ｋユーザ各々の初期受信機フィルタをランダムユニタリーベクトルとして設定する方法と、
現在の受信機フィルタを使用して有効チャネルマトリクスを計算するステップと、現在の受信機フィルタとチャネルマトリクスとを利用して、有効チャネルマトリクスの疑似反転マトリクスを計算するステップと、次には、Ｋユーザ各々に対して現在の送信機フィルタを反転された有効チャネルマトリクスの正規化されたｋ番目の列にアップデートするステップと、ｋユーザ各々に対する受信機フィルタを各々のユーザのチャネルマトリクスと現在の送信機フィルタとを乗算して求めるステップと、この正規化ステップをＮｉ回繰り返す方法と、を使用して行うことを特徴とする請求項１に記載の多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信機。
【請求項４２】
前記送信機フィルタの計算は、
Ｋユーザ各々の初期受信機フィルタをランダムユニタリーベクトルとして設定する方法と、
現在の受信機フィルタを使用して有効チャネルマトリクスを計算するステップと、現在の受信機フィルタとチャネルマトリクスとを利用して、有効チャネルマトリクスの疑似反転マトリクスを計算するステップと、次には、Ｋユーザ各々に対して現在の送信機フィルタを反転された有効チャネルマトリクスの正規化されたｋ番目の列にアップデートするステップと、ｋユーザ各々に対する受信機フィルタを各々のユーザのチャネルマトリクスと現在の送信機フィルタとを乗算して求めるステップと、この正規化ステップをＮｉ回繰り返す方法と、を使用して行うことを特徴とする請求項１０に記載の多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信機。
【請求項４３】
前記送信機フィルタの計算は、
Ｋユーザ各々の初期受信機フィルタを１Ｎ＋ｉ１Ｎを設定し、Ｋユーザ各々に対して、ユーザｋのチャネルマトリクスの共役転置マトリクスをチャネルマトリクスに乗算した初期化マトリクスを求める方法と、
現在の送信機フィルタと初期化マトリクスとを使用して、有効チャネルマトリクスを計算するステップと、有効チャネルマトリクスの疑似反転マトリクスを計算するステップと、次には、Ｋユーザ各々に対して現在の送信機フィルタを反転された有効チャネルマトリクスの正規化されたｋ番目の列にアップデートするステップと、をＮｉ回繰り返す方法と、
ｋユーザ各々に対する送信機フィルタを正規化し、各々のユーザｋに対してユーザのチャネルマトリクスと送信機フィルタとを乗算して受信機フィルタを計算し、これを正規化する方法と、を使用して行うことを特徴とする請求項１に記載の多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信機。
【請求項４４】
前記送信機フィルタの計算は、
Ｋユーザ各々の初期受信機フィルタを１Ｎ＋ｉ１Ｎ設定し、Ｋユーザ各々に対して、ユーザｋのチャネルマトリクスの共役転置マトリクスをチャネルマトリクスに乗算した初期化マトリクスを求める方法と、
現在の送信機フィルタと初期化マトリクスとを使用して、有効チャネルマトリクスを計算するステップと、有効チャネルマトリクスの疑似反転マトリクスを計算するステップと、次には、Ｋユーザ各々に対して現在の送信機フィルタを反転された有効チャネルマトリクスの正規化されたｋ番目の列にアップデートするステップと、をＮｉ回繰り返す方法と、
ｋユーザ各々に対する送信機フィルタを正規化し、各々のユーザｋに対してユーザのチャネルマトリクスと送信機フィルタとを乗算して、受信機フィルタを計算し、これを正規化する方法と、を使用して行うことを特徴とする請求項１０に記載の多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送・受信機及び送・受信方法に関し、特に、送信機で送信機フィルタを改善された方法で計算し、該計算した送信機フィルタをワンウェイチャネルサウンディング方法で受信機に送信する送信装置及び方法、並びに前記送信機フィルタを、チャネルを介して受信し、該受信した前記送信機フィルタとチャネルマトリクスとを乗算した値を受信機フィルタとして使用する受信装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多重送信多重受信（ＭＩＭＯ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｉｎｐｕｔ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｏｕｔｐｕｔ）チャネルに対しては、１０年以上研究されてきたのであり、最近では、多重ユーザ多重アンテナ通信システムに対する研究も進められている。多重ユーザ多重アンテナ通信に対する研究は、送信機に多重アンテナを使用する場合に、周波数効率（ｓｐｅｃｔｒａｌ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）が増加し、受信機にも多重アンテナを備える場合には、周波数効率がさらに増加するという点を多重ユーザ通信システムに利用しようとするものである。
【０００３】
ＭＩＭＯ通信システムは、送信機と単一ユーザ（ｓｉｎｇｌｅ−ｕｓｅｒ）との間でマルチリンクが形成されて、周波数効率が増加する技術である。すなわち、ＭＩＭＯ通信では、チャネルの資源（副搬送波、拡張符号、セルセクター等）に対し、同時に与えられた資源を割り当てられることは、一つのユーザの場合である。すなわち、一定時点で独立的なデータの流れであるＭＩＭＯリンクは、送信機と一つの受信機との間でのみ存在する。しかしながら、多重ユーザ多重アンテナ通信は、複数のユーザ（端末機）が同時に同じ資源に接近することを許容するものであり、一定時点で独立的なデータの流れが送信機と複数の受信機との間で行われる。ここで、使用する多重処理方式を多重ユーザ空間多重化（ｍｕｌｔｉ  ｕｓｅｒ  ｓｐａｔｉａｌ  ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）という。
【０００４】
図１は、複数の送信アンテナを有する送信機と複数の受信アンテナを有する複数の受信機との間の通信を示す多重ユーザ多重アンテナ通信システムを示す図である。すなわち、基地局の送信機１１０がＮ個のアンテナを備え、複数個のアンテナを備えたＫ名のユーザ受信機１２０、１３０、１４０と通信するシステムを示す。送信機は、同時にこれらの複数のユーザに多重ユーザ空間多重化方式により独立的なデータの流れを送信する。
【０００５】
多重ユーザ多重アンテナ通信の一例であるＭＩＭＯ放送チャネルは、基地局（送信機）が多重送信アンテナを備えたセルラネットワークのダウンリンクチャネルである。セルラシステムにおいて、ＭＩＭＯ放送チャネルに対する理論的研究（Ｍ．Ｃｏｓｔａ，“Ｗｒｉｔｉｎｇ  Ｏｎ  Ｄｉｒｔｙ  Ｐａｐｅｒ，”ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ  Ｔｈｅｏｒｙ，Ｖｏｌ．２９，Ｎｏ．３；ｐｐ．４３９〜４４１，Ｍａｙ  １９８３）があるが、このような研究は、送信機とすべてのユーザの受信機がすべてのユーザのチャネルを正確に知っていると仮定するものであって、現実的でない。また、非線形先符号化（ｎｏｎ−ｌｉｎｅａｒ  ｐｒｅｃｏｄｉｎｇ）技術を使用しなければならないが、複雑度が過度に高いという問題がある。
【０００６】
図２は、複数の送信アンテナを有する送信機と複数の受信アンテナを有する複数の受信機との間の多重ユーザ多重アンテナ通信システムにおいて、送信機が送信機フィルタを使用し、受信機が受信機フィルタを使用する構成を示す図である。実際の通信では、送信機は、送信機フィルタを使用し、受信機は、受信機フィルタを使用する。送信機の空間多重送信フィルタ部２１０、２２０、２３０は、送信機フィルタＭ１，Ｍｋ．．．Ｍｎを備え、受信機のそれぞれは、受信機フィルタＷ１，Ｗｋ．．．Ｗｎを備える空間多重受信フィルタ部２４０、２５０、２６０を有する。
【０００７】
Ｃｈｏｉなどが提案した多重ユーザ空間多重化方式は、誰かが（ｓｏｍｅ  ｅｎｔｉｔｙ）（ある端末機が）すべてのユーザ（端末機）のチャネルマトリクスを知って、これらを利用して通信を最適化する送信機フィルタと受信機フィルタとの計算を行うことができると仮定し、計算した後に送信機がすべてのユーザとデータ送信を始めることができると仮定する（Ｌａｉ−Ｕ  Ｃｈｏｉ  ａｎｄ  Ｒｏｓｓ  Ｄ．Ｍｕｒｃｈ，”Ａ  Ｔｒａｎｓｍｉｔ  Ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ  ｆｏｒ  Ｍｕｌｔｉｕｓｅｒ  ＭＩＭＯ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｕｓｉｎｇ  ａ  Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ａｐｐｒｏａｃｈ”，ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｖｏｌ．２，Ｎｏ．４，ｐｐ．７７３−７８６，Ｊｕｌｙ  ２００３）。
【０００８】
しかしながら、この提案は、どこでこのような計算が行われるか、またどのようにフィルタの情報（ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ）が送信機と受信機とに送信されうるかに対して言及していない。ここで、送信機と受信機との間のそれぞれのチャネルマトリクスの全てに対する情報を受信機が利用可能な場合に包括（ｇｌｏｂａｌ）チャネル情報（ｃｈａｎｎｅｌ  ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ）というが、これも、実際のシステムでは可能でないという問題がある。
【０００９】
図３は、多重ユーザ多重アンテナ通信システムのアルゴリズムに従う周波数効率を示すグラフである。ここで、ローカル（ｌｏｃａｌ）チャネル状態情報（ＣＳＩ；Ｃｈａｎｎｅｌ  Ｓｔａｔｅ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ；以下、ＣＳＩと略する）は、受信機が自身のチャネル（マトリクス）のみを知っている場合であり（現実的な場合である）、包括（ｇｌｏｂａｌ）ＣＳＩは、受信機が全受信機のチャネルマトリクスを認知する場合（非現実的な場合である）を意味する。一部（ｐａｒｔｉａｌ）ＣＳＩは、送信機が信号対雑音比（ＳＮＲ）のようにＣＳＩを表す一定の測定値を使用する場合であり、完全（ｃｏｍｐｌｅｔｅ）ＣＳＩは、送信機がチャネルＣＳＩの複素（ｃｏｍｐｌｅｘ）エントリー自体を使用する場合を意味する。
【００１０】
図３を参照してみると、単一ユーザ（単一ユーザ閉ループ：ローカルＣＳＩ、完全ＣＳＩである場合）に送信する方法は、４個の送信アンテナ、４名のユーザ及び４個の受信アンテナを有した多重ユーザ通信システムの理論的最大送信率であるサムキャパシティ（Ｓｕｍ−ｃａｐａｃｉｔｙ：非線形先符号化方法を使用し、包括ＣＳＩ、完全ＣＳＩである場合）から４．６ｂｉｔｓ／ｓｅｃ／Ｈｚだけ離れていることが分かる。また、図示していないが、ユーザに多重で送信するが、送信機で一部ＣＳＩを使用するか、又は受信機でローカルＣＳＩを使用する場合には、周波数効率が落ちる。
【００１１】
図３に示しているさらに他の提案として、共同ビーム形成アルゴリズム（Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄ  Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ  ａｌｇｏｒｉｔｈｍ；包括ＣＳＩ、完全ＣＳＩである場合）がある。この方法は、サムキャパシティから０．７ｂｉｔｓ／ｓｅｃ／Ｈｚだけ離れている。共同ビーム形成においてそれぞれのユーザに一つのレイヤを送信する場合には、単に一つのレイヤをそれぞれのユーザに送ることによって、受信機フィルタに対する情報をユーザに伝達する効果的な方法を設計できる（Ｂ．Ｆａｒｈａｎｇ−Ｂｏｒｏｕｊｅｎｙ，Ｑ．Ｓｐｅｎｃｅｒ  ａｎｄ  Ｌ．Ｓｗｉｎｄｌｅｈｕｒｓｔ，“Ｌａｙｅｒｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ  ｆｏｒ  Ｓｐａｃｅ−Ｔｉｍｅ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｍｕｌｔｉ−Ｕｓｅｒ  Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，”ｉｎ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＩＥＥＥ  Ｖｅｈｉｃｕｌａｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（ＶＴＣ’０３  Ｆａｌｌ），Ｏｒｌａｎｄｏ，ＦＬ，Ｏｃｔｏｂｅｒ  ６〜９，２００３，Ｖｏｌ．２，ｐｐ．１３３９〜１３４３）。
【００１２】
以下では、この共同ビーム形成アルゴリズムについて具体的に説明する。
まず、送信機と受信機フィルタを計算するアルゴリズムは、以下のとおりである。
計算ステップ
行列Ａにおいて、Ａｉは、Ａのｉ番目の列（ｃｏｌｕｍｎ）である。行列Ａを単一値分解（ＳＶＤ：ｓｉｎｇｕｌａｒ  ｖａｌｕｅ  ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）すると、Ａ＝ＵＤＶ＊である。ここで、ＵとＶは、単一行列であり、Ｄは、対角線要素が降順に整列されたＡの単一値である。行列Ａの主な左側単一ベクトルは、Ｕ１と表示され、行列Ｕの１番目の列である。
【００１３】
ここでは、基地局が完全ＣＳＩを有していると仮定して、以下の計算を行う。
初期化（ｉｎｉｔｉａｌｉｚａｔｉｏｎ）
【数１】
2009512388.tif 000003
繰り返し（Ｒｅｐｅａｔ  ｔｉｍｅｓ）：
効率的なチャネルベクトルの計算
【数２】
2009512388.tif 000004
送信機と受信機フィルタの更新
【数３】
2009512388.tif 000005
繰り返し終了（ｅｎｄ  ｏｆ  ｉｔｅｒａｔｉｏｎｓ）
【００１４】
ここで、ＳＶＤは、単一値分解、Ｄは、ダイアゴナル（ｄｉａｇｏｎａｌ）マトリクス、ＵとＶは、ユニタリーマトリクスを表す。Ｈｅｆｆ，ｋは、ｋユーザの有効チャネル（受信機が実際に経験するチャネル）マトリクスを表し、Ｈｓｔａｃｋｅｄ，ｋは、ｋユーザ以外の他のすべてのユーザ受信機の有効チャネルを表す。Ｍｋは、ｋユーザに対する送信機フィルタマトリクス、Ｗｋは、ｋユーザの受信機フィルタマトリクス、Ｖｋ，ｎは、Ｈｓｔａｃｋｅｄ，ｋのナルスペース（ｎｕｌｌ  ｓｐａｃｅ）に位置するシンギュラーベクトル（ｓｉｎｇｕｌａｒ  ｖｅｃｔｏｒ）である。ここで、Ｔは、転置（ｔｒａｎｓｐｏｓｅ）を、＊は、複素共役転置（ｃｏｍｐｌｅｘ  ｃｏｎｊｕｇａｔｅ  ｔｒａｎｓｐｏｓｅ）を表す。
【００１５】
このアルゴリズムが繰り返されて収斂（ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ）されると、受信機フィルタがチャネルに含まれている有効チャネルマトリクス（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ  ｃｈａｎｎｅｌ  ｍａｔｒｉｘ）に基づいて、送信機でそれぞれのユーザに対してゼロフォーシング（ｚｅｒｏ−ｆｏｒｃｉｎｇ）ビーム形成を行う。
【００１６】
上記のアルゴリズムで表示していないが、ＭｋからＷｋを求める過程においてＳＶＤが再度使用される。そのため、このアルゴリズムは、送信機フィルタと受信機フィルタとを計算するステップでそれぞれのユーザに対して単一値分解（ＳＶＤ）を２回行い、初期化ステップでＳＶＤを１回行うので、複雑度が問題となる。
【００１７】
また、このアルゴリズムにおいて基地局は、Ｎ名のユーザの各々のための最適の送信機フィルタと受信機フィルタとを知っているが、ユーザは、これらのフィルタを知っていない。しかしながら、このアルゴリズムは、受信機に最適の受信機フィルタを知らせる技術に対する言及がないので、受信機に受信フィルタを知らせる方法を提供する必要がある。
【００１８】
したがって、送信機フィルタを計算する改善された単純な方法を提供し、受信機が受信機フィルタを容易に求めることができるようにする改善された方法を提供する多重アンテナ通信システムの送信装置及び方法の提供が必要である。また、送信機から改善された方法で計算した送信フィルタを效率的に受信する多重アンテナ通信システムの受信装置及び方法の提供が必要である。結局、受信機が他の受信機のチャネルを知っていない場合にも実現可能であり、システムの複雑度を減少させることができる周波数効率の高い多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信装置及び方法、並びに受信装置及び方法が要求される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、改善された方法で送信機フィルタを計算する多重アンテナ通信システムの送信機及び送信方法を提供することにある。
【００２０】
本発明の他の目的は、改善された方法で計算した送信機フィルタを受信機に送信する多重アンテナ通信システムの送信機及び送信方法を提供することにある。
【００２１】
本発明のさらに他の目的は、送信機が改善された方法で計算した送信機フィルタを送信機から受信し、これを利用して受信機フィルタを計算する多重アンテナ通信システムの受信機及び受信方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
このような本発明の目的を達成すべく、本発明は、送信機フィルタを計算し、計算した前記送信機フィルタを出力する空間多重送信フィルタ部及び前記空間多重送信フィルタ部からの送信機フィルタを送信する複数のアンテナを備える多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信機を提供する。
【００２３】
また、本発明の目的を達成すべく、本発明は、送信機からの送信機フィルタを受信する一つ以上のアンテナ及び前記アンテナを介して受信した前記送信機フィルタを利用して受信機フィルタを計算して、前記送信機とのデータ通信に使用するようにする空間多重受信フィルタ部を備える多重ユーザ多重アンテナ通信システムの受信機を提供する。
【００２４】
また、本発明の目的を達成すべく、本発明は、送信機フィルタを計算し、計算した前記送信機フィルタを出力する空間多重送信フィルタ部の動作ステップ及び前記送信機フィルタを送信する複数のアンテナを介して送信するステップを含む多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信方法を提供する。
【００２５】
また、本発明の目的を達成すべく、本発明は、送信機からの送信機フィルタを一つ以上のアンテナを介して受信するステップと、前記アンテナを介して受信した前記送信機フィルタを利用して受信機フィルタを計算して、前記送信機とのデータ通信に使用するようにする空間多重受信フィルタステップと、を含む多重ユーザ多重アンテナ通信システムの受信方法を提供する。
その他、本発明の目的を達成するための多様な実施の形態の具現が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、添付した図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態を詳しく説明する。本発明を説明するにおいて本発明と関連した公知機能又は構成に対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る場合には、その詳細な説明を省略すべきである。
【００２７】
本発明は、送信機で送信機フィルタを改善された方法で計算し、該計算した送信機フィルタをワンウェイチャネルサウンディング方法で受信機に送信する多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信機及び送信方法、並びに前記送信機フィルタを、チャネルを介して受信し、該受信した前記送信機フィルタとチャネルマトリクスとを乗算した値を受信機フィルタとして使用する多重ユーザ多重アンテナ通信システムの受信機及び受信方法に関する。
【００２８】
本発明では、送信機が受信機へのダウンリンクチャネル状態情報を知っている通信システムを前提とする。具体的に説明すると、基地局送信機がアップリンクチャネルを推定してダウンリンクチャネルの情報を得ることができる時分割二重（ＴＤＤ：Ｔｉｍｅ−Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｄｕｐｌｅｘｉｎｇ）多重ユーザ多重アンテナ通信システムを例に挙げて説明する。
【００２９】
図１に示すように、多重ユーザ多重アンテナ通信システムで基地局の送信機がＮ個の送信アンテナを有し、複数のユーザのうち、ユーザｋ１３０の受信機がアンテナＮｋ個を有する場合を考慮する。送信機とユーザｋとの間のチャネルは、Ｎｋ×Ｎの複素エントリー（ｃｏｍｐｌｅｘ  ｅｎｔｒｉｅｓ）を有する行列（マトリクス）Ｈｋで表現される。ダウンリンクとアップリンクフレーム期間に比べて、チャネルの変化が遅い場合には、チャネルは、何フレームの間に一定であり、ダウンリンクとアップリンクとで同じであるといえる。この場合に、基地局とユーザは、同じチャネルを推定する。基地局は、ユーザ受信機が送信したデータ又はアップリンクサウンディングパイロットを使用して、基地局送信機と受信機との間のすべてのチャネル行列Ｈｋ，ｋ＝１，．．．ｋ，を推定できる。他の方法では、ユーザ受信機ｋは、行列Ｈｋを推定でき、推定したＨｋを基地局送信機に送信する。送信機と受信機におけるチャネルの推定は、公知の方法によって行う。
【００３０】
基地局から一つのレイヤ（ｌａｙｅｒ）が送信機アンテナ数と同じＮ個のユーザに各々送信される。このような送信模型は、図２に示されている。ユーザを選択することは、スケジューリングアルゴリズムにより選択される。周波数、時間、空間を割り当てるスケジューリングアルゴリズムは、作業量、遅延、ＱｏＳ（Ｑｕａｌｉｔｙ  ｏｆ  Ｓｅｒｖｉｃｅ）などのような要素を考慮し、送信効率を最大化するための方法を使用する。このようなスケジューリングアルゴリズムは、既存に知られた方法を使用することができ、このアルゴリズムを具現するスケジューラは、図２の空間多重送信フィルタ部２１０、２２０、２３０の前に位置する。
【００３１】
Ｎ名のユーザに対するスケジューリングが行われた後には、送信機で計算ステップが行われる。
【００３２】
計算ステップ
各ユーザに一つのレイヤを送信する場合に、複雑度を減少させるために簡単に送信機フィルタＭｋを計算する方法を使用する。本発明は、有効チャネルマトリクスの疑似反転（ｐｓｅｕｄｏ−ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）によりＮユーザに対してＮ個の送信機フィルタを同時に得ることができる。このようにすることによって、受信機ごとに各繰り返しステップで２回ずつあるべきデジタル信号プロセッサ上に具現される複雑な作業である、単一値分解（ＳＶＤ）を避けることができるから、計算を単純化できる。
【００３３】
また、受信機ごとに初期化に必要なＳＶＤは、初期受信機フィルタをランダムユニタリーベクトルとして設定することによって、避けることができる。
【００３４】
アルゴリズムの複雑度の減少は、以下の２つの方法を使用することによって可能である。第１の方法は、Ｋユーザ各々の初期受信機フィルタをランダムユニタリーベクトルとして設定する方法である。第２の方法は、現在の受信機フィルタを使用して有効チャネルマトリクスを計算するステップと、現在の受信機フィルタとチャネルマトリクスとを利用して、有効チャネルマトリクスの疑似反転マトリクスを計算するステップと、次には、Ｋユーザ各々に対して現在の送信機フィルタを反転された有効チャネルマトリクスの正規化されたｋ番目の列にアップデートするステップと、ｋユーザ各々に対する受信機フィルタを各々のユーザのチャネルマトリクスと現在の送信機フィルタとを乗算して求めるステップと、この正規化ステップをＮｉ回繰り返すことによって可能である。
【００３５】
本発明によって複雑度を減少させたアルゴリズムは、以下のとおりである。
初期化
【数４】
2009512388.tif 000006
繰り返し回数Ｎｉ：
【数５】
2009512388.tif 000007
繰り返し終了
【００３６】
ここで、Ｈｋは、ｋ受信機のチャネルマトリクス、Ｈｅｆｆは、有効チャネル（受信機が実際に経験するチャネル）マトリクス、
【数６】
2009512388.tif 000008
は、有効チャネルマトリクスＨｅｆｆの疑似反転マトリクスを表し、Ｍｋは、ｋユーザに対する送信機マトリクス、Ｗｋは、ｋユーザの受信機マトリクス、ここで、Ｔは、転置を、＊は、複素共役転置を表す。
【００３７】
他の計算方法もある。この方法は、送信機フィルタの初期値を１Ｎ＋ｉ１Ｎと設定する。ここで、１Ｎは、全てのエントリーが１である長さＮの列ベクトルである。初期値は、最適化されていないが、性能は、任意の初期値と同じであるため、固定された初期値を設定することがより容易であり、性能は、以前の方法と同じである。このアルゴリズムは、以下に要約される。
【００３８】
このアルゴリズムの複雑度の減少は、以下の方法を使用することによって可能である。第１の方法は、Ｋユーザ各々の初期受信機フィルタを１Ｎ＋ｉ１Ｎと設定し、Ｋユーザ各々に対して、ユーザｋのチャネルマトリクスの転置共役マトリクスをチャネルマトリクスに乗算した初期化マトリクスを求める。第２の方法は、現在の送信機フィルタと初期化マトリクスとを使用して、有効チャネルマトリクスを計算するステップと、有効チャネルマトリクスの疑似反転マトリクスを計算するステップと、次には、Ｋユーザ各々に対して現在の送信機フィルタを反転された有効チャネルマトリクスの正規化されたｋ番目の列にアップデートするステップと、をＮｉ回繰り返す。
【００３９】
第３の方法は、ｋユーザ各々に対する送信機フィルタを正規化し、各々のユーザｋに対してユーザのチャネルマトリクスと送信機フィルタとを乗算して受信機フィルタを計算し、これを正規化する。
初期化
【数７】
2009512388.tif 000009
Ｎｉ回繰り返し：
【数８】
2009512388.tif 000010
繰り返し終了
最後に受信機フィルタを正規化する。
【数９】
2009512388.tif 000011
終了
【００４０】
ここで、Ｈｋは、チャネルマトリクス、
【数１０】
2009512388.tif 000012
は、修正されたマッチチャネル（ｍｏｄｉｆｉｅｄ  ｍａｔｃｈｅｄ  ｃｈａｎｎｅｌ）マトリクス、Ｈｅｆｆは、有効チャネル（受信機が実際に経験するチャネル）マトリクスを表し、Ｍｋは、ｋユーザに対する送信機マトリクス、Ｗｋは、ｋユーザの受信機マトリクスである。ここで、Ｔは、転置を、＊は、複素共役転置を表す。
【００４１】
チャネル行列は時間に応じて変化するため、このアルゴリズムを、送信機フィルタを一定に更新する手順として使用することができる。初期化に対する計算が簡便であるという点は長所であり、チャネル変化が十分に遅いならば単に何回の繰り返しだけで時間の経過による性能の維持が可能である。このアルゴリズムは、送信機フィルタの計算だけでなく、受信機フィルタの計算にも単一値分解（ＳＶＤ）を必要としないという点で注目すべきであり、単一ユーザ閉ループ（ｃｌｏｓｅｄ  ｌｏｏｐ）ＭＩＭＯ送信よりもフィルタ計算の複雑度が低い。さらに、単一ユーザ開ループ（ｏｐｅｎ  ｌｏｏｐ）レイヤ送信に比べて、受信機の構造がすべてのユーザに対してより単純である。送信効率は、単一ユーザの場合よりはるかに大きい。
【００４２】
トレーニングステップ（ｔｒａｉｎｉｎｇ  ｐｈａｓｅ）
本発明は、上記のように送信機で計算した送信機フィルタをワンウェイチャネルサウンディング方法で受信機に送信し、受信機がチャネルを介して前記送信機フィルタを受信し、該受信した前記送信機フィルタとチャネルマトリクスとを乗算した値を受信機フィルタとして使用する（送信機で計算した受信機フィルタを受信機に送信することではなく）。よって、受信機では、受信機フィルタを求めるためのチャネル推定を必要としない。ここで、ワンウェイチャネルサウンディング方法を使用して、送信機フィルタを受信機に送信する。ワンウェイチャネルサウンディング方法は、基地局送信機から受信機へのダウンリンクのシンボル（例えば、パイロット信号）を使用して、送信機と受信機との間に約束されたシーケンス（例えば［１１１１］）（信号）に送信機フィルタを乗算して受信機に送信する方法である。他の方法として、送信機は、既知の列（ｋｎｏｗｎ−ｓｅｑｕｅｎｃｅ）（例えば、パイロット信号）を送信機の送信機フィルタを介して送信し、受信機は、送信機フィルタ及びダウンリンクチャネルを介して送信された既知の列を受信する（送信機フィルタとダウンリンクチャネルとの乗算）。
【００４３】
本発明は、上記で言及したように、ユーザの受信機に受信機フィルタを伝達する代わりに、送信機フィルタを送信し、チャネルを通過した以後に受信機が送信機フィルタとチャネルマトリクスとを乗算した値を受信機フィルタとして使用して、受信したデータをデコードする。
【００４４】
本発明では、以下に示すユーザｋに対した最適の送信機フィルタと受信機フィルタとの関連特性を利用して正規化する。
【数１１】
2009512388.tif 000013
ここで、ａｋは、正規化変数である。
【００４５】
ユーザｋに対したパイロット信号が副搬送波ｋに送信され、このとき、チャネル行列がいくつのかの副搬送波に対して一定である。これは、副搬送波により伝達された周波数帯域がチャネルのコヒーレンス帯域幅（ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  ｂａｎｄｗｉｄｔｈ）より小さな場合である。基地局により送信されたパイロット信号は、ユーザｋと約束されたシーケンス（信号）をビーム形成することによって見られることができる。ここでは、例えば約束されたシーケンス（信号）は、電力Ｐｔを有して送信された［１］である。もちろん、約束されたシーケンスは、他のものも可能である。送信機ビーム形成ベクトルは、ユーザｋのための送信機フィルタである。
【００４６】
すなわち、副搬送波ｋでユーザｋに送信したパイロット信号は、
【数１２】
2009512388.tif 000014
【００４７】
副搬送波ｋでユーザｋにより受信された信号は、
【数１３】
2009512388.tif 000015
【００４８】
ここで、ｗｋは、Ｎｋ×１の白色雑音（ＡＷＧＮ；Ａｄｄｉｔｉｖｅ  Ｗｈｉｔｅ  Ｇａｕｓｓｉａｎ  Ｎｏｉｓｅ）ベクトルである。
【００４９】
受信された信号を再度書くと、
【数１４】
2009512388.tif 000016
と書くことができる。
【００５０】
次には、
【数１５】
2009512388.tif 000017
である。
【００５１】
この受信されたベクトルを正規化し、受信機フィルタの推定として使用する。
【数１６】
2009512388.tif 000018
【００５２】
再度書くと、
【数１７】
2009512388.tif 000019
と書くことができる。
【００５３】
ここで、Ｈｋは、ｋユーザの受信機と送信機との間のチャネル、Ｍｋは、ｋユーザに対する送信機マトリクス、Ｗｋは、ｋユーザの受信機マトリクス、Ｐｔは、送信電力、Ｖｋ，ｎは、Ｈｓｔａｃｋｅｄ，ｋのナルスペースに位置するシンギュラーベクトルである。
【００５４】
雑音がない場合又はパイロット信号の電力が大きな値に増加するときは、
【数１８】
2009512388.tif 000020
になる。
【００５５】
パイロットトレーニング手順の性格上、ユーザは、実際に複素係数で構成する自身のチャネル行列を推定することが必要でない。その代りに、ＮＲ（受信機アンテナの数）複素係数各々を推定することのみが必要である。このような特徴は、チャネルの推定において少ないパイロットが必要であるから、受信機の複雑度を減少させ、かつシステムの帯域幅効用を増加させる。
【００５６】
これらのパイロット信号は、データパケットの一部としてフレームのプリアンブルに又はデータパケットの一部としてユーザに送信されることができる。パイロット信号は、専用チャネル又は共用制御チャネルを介して送信することが可能である。
【００５７】
このような本発明は、ＯＦＤＭＡ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ａｃｃｅｓｓ）ＴＤＤ（Ｔｉｍｅ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｄｕｐｌｅｘｉｎｇ）基盤の多重ユーザＭＩＭＯチャネルシステムに容易に適用可能である。
【００５８】
図４Ａと図４Ｂは、本発明による多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信機と受信機との間の通信過程を示すフローチャートである。図４Ａに示すように、まず送信機からどのユーザにデータを送信するかを決定するスケジューリングと、必要な適応的変調及び符号化（ＡＭＣ：Ａｄａｐｔｉｖｅ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｃｏｄｉｎｇ）などを行う（４１０）。次には、送信機は、本発明によって改善された方法で送信機フィルタを計算する（４２０）。送信機は、計算した送信機フィルタを本発明によるワンウェイサウンディング方法で受信機に送信する（４３０）。具体的に説明すると、送信機の空間多重送信フィルタ部２１０、２２０、２３０で送信機フィルタを計算する。このステップは、図示していないが、受信機２４０、２５０、２６０、２７０では、送信された送信機フィルタとチャネルマトリクスとを乗算した値を受信機フィルタとして使用する。受信機は、以下の式により受信機フィルタを正規化して使用する。具体的に説明すると、受信機各々が備える空間多重受信フィルタ部２４０、２５０、２６０で、このような正規化が行われる。
【数１９】
2009512388.tif 000021
【００５９】
次には、送信機から受信機にデータ通信が行われる（４４０）。受信機は、受信したデータを上記の受信機フィルタを使用してデコードする。一定の時間が経過した後には、送信機では、送信機フィルタに対するアップデートが行われ、ワンウェイサウンディング方法でアップデートした送信機フィルタを受信機に送信する（４５０）。受信機では、送信された送信機フィルタとチャネルマトリクスとを乗算した値を正規化して、受信機フィルタとして使用する。次には、送信機から受信機にダウンリンクデータ通信が行われる（４６０）。受信機は、受信したデータを正規化した受信機フィルタを使用してデコードする。
【００６０】
図４Ｂに示すように、まず送信機でどのユーザにデータを送信するかを決定するスケジューリングと必要な適応的変調及び符号化などを行う（４７０）。次には、送信機は、本発明によって改善された方法で送信機フィルタを計算する（４７１）。送信機の空間多重送信フィルタ部２１０、２２０、２３０で計算した送信機フィルタをワンウェイサウンディング方法で受信機に送信する（４８０）。このような送信は、ダウンリンクデータ送信４９０と同時に行われる。受信機２４０、２５０、２６０、２７０では、送信された送信機フィルタとチャネルマトリクスとを乗算した値を受信機フィルタとして使用するが、空間多重受信フィルタ部２４０、２５０、２６０で正規化を行って使用する。一定の時間が経過した後に送信機で送信機フィルタをアップデートすると、再度次回のダウンリンクデータ送信４９１と同時にアップデートした送信機フィルタ送信４８１が行われる。
【００６１】
ＯＦＤＭＡシステムで実際に設計する際には、以下の変数を考慮する。ユーザ当たり送信できるパイロットの数を検知して、最適の受信機ベクトルをどれくらい信頼性あるように推定できるかを検知することが必要である。ここでは、制御信号のために必要な資源の数を得るために、ベクトル量子化基盤の方法を考慮する。Ｎユーザは、チャネルのコヒーレンス帯域幅をスパン（ｓｐａｎ）するサブバンド（ｓｕｂｂａｎｄ）にかけて、副搬送波（ｓｕｂｃａｒｒｉｅｒ）各々に同時にサブされる。
【００６２】
・ 副搬送波の数：１０２４
・ コヒーレンス帯域幅：２５６副搬送波
・ コヒーレンス帯域幅当たりのユーザの数＝送信アンテナの数（Ｎ）＝４
・ 制御ビットの符号率：Ｒ＝１／２０から１／８
・ ベクトル量子化基盤設計のための制御ビットの数：Ｂ＝６
・ 制御ビットに使用されるコンステレーション（ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ）：ＱＰＳＫ
【００６３】
制御ビットの符号率ＲとユーザＮ名システムにおいて、コヒーレンス帯域幅当たりユーザ当たりＢビットを送信するためには、ＢＮ／Ｒ、すなわちＢＮ／（２Ｒ）ＱＰＳＫシンボルを送信する必要がある。仮に、ＢＮ／（２Ｒ）＜２５６であると、ＯＦＤＭシンボル当たりＢＮ／（２Ｒ）副搬送波を使用する１ＯＦＤＭシンボル上に遂行可能である。同じ数のユーザと同じコヒーレンス帯域幅を有する場合には、コヒーレンス帯域幅当たり、ユーザ当たりデータ信号と同じ平均電力を有するパイロット信号を送信する一つの副搬送波のみが必要である。したがって、１ＯＦＤＭシンボル上に動作するＮ個の副搬送波が必要である。
【００６４】
仮に、以前の場合のように、同じ数の副搬送波を使用することと決定すると、各々のパイロット信号をＢＮ／（２Ｒ）／Ｎ＝Ｂ／（２Ｒ）回送信できるので、Ｂ／（２Ｒ）倍だけパイロット送信電力を上げる。受信機でパイロットにＬＭＭＳＥをすると、パイロットの平均ＳＮＲは、データ信号の平均ＳＮＲに対し１０ｌｏｇ１０（Ｂ／２Ｒ）ｄＢまで増加されうる。また、パイロットを２．５ｄＢまで上げることができるため、全体増加は、約２．５＋１０ｌｏｇ１０（Ｂ／２Ｒ）ｄＢまで可能である。上記で与えられた変数を有し、これは、各々１／８と１／２０の符号率である場合に、各々１６．３ｄＢと２０．３ｄＢとの間に効率的なパイロット電圧が増加するようになる。
【００６５】
データの送信ステップ
次には、データの送信ステップについて具体的に説明する。
基地局送信機は、変調シンボルｓのベクトルに送信機フィルタを乗算して送信する（ここで、ＳＫは、ユーザｋに送られるシンボルである）。ここで、このシンボルは、全体送信電力Ｐ０下でチャネルを介して送信される。
全体送信電力は、Ｎ個のレイヤ（送信アンテナＮ個から各々のユーザ受信機各々１個ずつＮ個のレイヤ）に均等に割り当てられる。
【００６６】
送信されたベクトルは、
【数２０】
2009512388.tif 000022
であり、
ユーザｋが受信した信号は、
【数２１】
2009512388.tif 000023
である。
【００６７】
ユーザｋは、受信した信号にその受信機フィルタを乗算して
【数２２】
2009512388.tif 000024
【００６８】
理論上は、仮に
【数２３】
2009512388.tif 000025
であると、
【数２４】
2009512388.tif 000026
である。
【００６９】
したがって、理論上は、
【数２５】
2009512388.tif 000027
である。
【００７０】
ここで、Ｈｋは、ｋユーザの受信機と送信機との間のチャネル、Ｍｎは、ｎユーザに対する送信機マトリクス、Ｗｋは、ｋユーザの受信機マトリクス、Ｐ０は、全体送信電力、ｗｋとｗｎとは、百色雑音である。
【００７１】
基地局は、ユーザが最適の受信機フィルタを完璧に推定できるという前提で均等電力割り当て方法の代りに、従来に知られたウォーターフィーリング（ｗａｔｅｒｆｉｌｌｉｎｇ）方法を使用して、各々のレイヤに割り当てられる電力を適応的にして送信効率を増加させることも可能である。
【００７２】
図５Ａと図５Ｂは、本発明によるアルゴリズムを使用する多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信手順を示すフローチャートである。まず、図５Ａに示すように、送信機がどの受信機（ユーザ）にデータを送信するかを決定するスケジューリングを行う（５１０）。ここで、必要な適応的変調及び符号化などが行われるときもある。次には、送信機は、本発明によって改善された方法で送信機フィルタを計算する（５２０）。送信機は、計算した送信機フィルタを本発明によるワンウェイサウンディング方法で受信機に送信する（５３０）。次には、送信機から受信機にデータを送信する（５４０）。
【００７３】
受信機は、受信した送信機フィルタにチャネルマトリクスを乗算して、受信機フィルタを求め、以下の式を利用して受信機フィルタを正規化する。
【数２６】
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【００７４】
受信機は、正規化した受信機フィルタを使用して、受信したデータをデコードする（５５０）。
【００７５】
図５Ｂに示すように、まず送信機がどの受信機（ユーザ）にデータを送信するかを決定するスケジューリングを行う（５６０）。ここで、必要な適応的変調及び符号化などが行われるときもある。次には、送信機は、本発明によって改善された方法で送信機フィルタを計算する（５７０）。送信機は、計算した送信機フィルタを本発明によるワンウェイサウンディング方法で受信機にデータ送信と同時に送信する（５８０）。
【００７６】
受信機は、受信した送信機フィルタにチャネルマトリクスを乗算して、受信機フィルタを求めて正規化し、正規化した受信機フィルタを使用して受信したデータをデコードする（５９０）。
【００７７】
シミュレーション結果
本発明の性能をＭｏｎｔｅ−Ｃａｒｌｏシミュレーションにより周波数効率の側面から説明する。
図６は、本発明によるアルゴリズムを使用する多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信機アンテナ数に応じる周波数効率を示すグラフである。図６は、図３と同じ条件である。実際のシステムで具現されうる本発明による方法が、理論的限界であるＤＰＣ（Ｄｉｒｔｙ  Ｐａｐｅｒ  Ｃｏｄｉｎｇ）に極めて近いということが分かり、現実的でない共同ビーム形成とも性能が極めて似ていることが分かる。
【００７８】
図７は、本発明によるアルゴリズムを使用する多重ユーザ多重アンテナ通信システムの信号対雑音比（ＳＮＲ）に応じる周波数効率を示すグラフである。送信機の送信アンテナ４個、受信機の受信アンテナ４個、受信機４個である場合に対したものである。ここでも、実際のシステムで具現されうる本発明による方法が、理論的限界であるＤＰＣに極めて近いということが分かり、現実的でない共同ビーム形成とも性能が極めて似ていることが分かる。
【００７９】
本発明は、送信機で送信フィルタと受信フィルタとを改善された方法で計算し、該計算した送信フィルタをワンウェイチャネルサウンディング方法で受信機に送信する送信装置及び方法と、前記送信機フィルタを、チャネルを介して受信し、該受信した前記送信機フィルタとチャネルマトリクスとを乗算した値を受信機フィルタとして使用することによって、システムの複雑度を減少させることができ、受信機は、チャネル推定が必要でないから、複雑度を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】複数の送信アンテナを有する送信機と複数の受信アンテナを有する複数の受信機との間の通信を示す多重ユーザ多重アンテナ通信システムを示す図である。
【図２】複数の送信アンテナを有する送信機と複数の受信アンテナを有する複数の受信機との間の多重ユーザ多重アンテナ通信システムにおいて、送信機が送信機フィルタを使用し、受信機が受信機フィルタを使用する構成を示す図である。
【図３】多重ユーザ多重アンテナ通信システムのアルゴリズムに従う周波数効率を示すグラフである。
【図４Ａ】本発明による多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信機と受信機との間の通信過程を示すフローチャートである。
【図４Ｂ】本発明による多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信機と受信機との間の通信過程を示すフローチャートである。
【図５Ａ】本発明によるアルゴリズムを使用する多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信手順を示すフローチャートである。
【図５Ｂ】本発明によるアルゴリズムを使用する多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信手順を示すフローチャートである。
【図６】本発明によるアルゴリズムを使用する多重ユーザ多重アンテナ通信システムの送信機アンテナ数に応じる周波数効率を示すグラフである。
【図７】本発明によるアルゴリズムを使用する多重ユーザ多重アンテナ通信システムの信号対雑音比（ＳＮＲ）に応じる周波数効率を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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