(57)【要約】  本発明は、多入力・多出力無線周波数チャネルを使用して、送信機と受信機と間のデータレートの向上を可能にする。多重ストリームかつ多重アンテナの受信機は、多重アンテナ送信機と多重アンテナ受信機との間の複合チャネルを測定して、複合チャネルの測定値を生成する。受信機は、複合チャネルの測定値に応答して多重アンテナ送信機用の複数のアンテナアレイの重みセットを選択し、各アンテナアレイの重みセットは、複数のデータストリームの１つに関連付けられている。多重アンテナ送信機用の複数のアンテナアレイの重みセットについて記述する情報が次に送信される。
2005509316.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多重ストリームかつ多重アンテナの受信機におけるフィードバック方法であって、
多重アンテナ送信機と多重アンテナ受信機との間の複合チャネルを測定して、複合チャネルの測定値を生成するステップと、
前記複合チャネルの測定値に応答して、前記多重アンテナ送信機において使用するための複数のアンテナアレイの重みセットを選択するステップであって、各アンテナアレイの重みセットは、複数のデータストリームのうちの１つに関連付けられるステップと、
前記多重アンテナ送信機において使用するための前記多重アンテナアレイの重みセットについて記述した情報を送信するステップとを含む、フィードバック方法。
【請求項２】
前記複数のアンテナアレイの重みセットを選択するステップが、前記多重アンテナ送信機のアンテナアレイにおけるアンテナ素子数の逆数未満となる相互相関を有する複数のアンテナアレイの重みセットを選択することをさらに含む、請求項１記載のフィードバック方法。
【請求項３】
前記複合チャネルの測定値に応答して、各データストリームのためのデータレートを選択するステップと、
前記多重アンテナ送信機で用いるための、前記データレートの選択について記述する情報を送信するステップとをさらに含む、請求項１記載のフィードバック方法。
【請求項４】
前記多重アンテナ送信機用の各データストリームの品質について記述するために使用される情報を送信するステップをさらに含む、請求項１記載のフィードバック方法。
【請求項５】
前記複数のアンテナアレイの重みセットを選択するステップは、
予め選択された複数のアンテナアレイの重みセットを有するコードブックから、第１のアンテナアレイ重みセットを選択するステップと、
前記コードブックのサブセットから第２のアンテナアレイ重みセットを選択するステップとをさらに含む、請求項１記載のフィードバック方法。
【請求項６】
多重アンテナ送信機と多重アンテナ受信機との間の複合チャネルを測定して、複合チャネルの測定値を生成するステップであって、前記多重アンテナ送信機で使用可能なＭ個のアンテナからパイロット信号が受信されるステップと、
前記複合チャネルの測定値に応答して、使用可能なＭ個のアンテナから前記送信機で使用されるべきＮ個のアンテナを選択するステップであって、前記Ｎ個の選択されたアンテナは、前記多重アンテナ送信機でアンテナアレイを形成するために使用されるステップとをさらに含む、請求項１記載のフィードバック方法。
【請求項７】
多重ストリームかつ多重アンテナの送信機におけるフィードバック方法であって、
ユーザデータを分割して複数のデータストリームを生成するステップと、
アンテナアレイの各アンテナからパイロット信号を送信するステップと、
前記複数のデータストリームの各々に対して選択されたアンテナアレイの重みセットの指示を受信するステップであって、各アンテナアレイの重みセットは、前記アンテナアレイの各アンテナに関連付けられた重みを含み、
前記選択されたアンテナアレイの重みセットを使用して各データストリームを重み付けして、前記アンテナアレイで各アンテナのためのアンテナ信号を生成するステップと、
前記アンテナ信号を送信するステップであって、前記複数のデータストリームが送信されるステップとを含む、フィードバック方法。
【請求項８】
複数のデータストリームの各々を符号化し、変調して、変調されたデータストリームを生
成するステップと、
前記選択されたアンテナアレイの重みセットを使用して各データストリームを重み付けして、前記アンテナアレイで各アンテナのアンテナ信号を生成するステップとをさらに含む、請求項７記載のフィードバック方法。
【請求項９】
各データストリームの選択されたデータレートについての指示を受信するステップと、
各データストリームの前記選択されたデータレートに相応して、データを分割するステップと、
各データストリームの前記選択されたデータレートを使用して、複数のデータストリームを送信するステップとをさらに含む、請求項７記載のフィードバック方法。
【請求項１０】
前記選択されたデータレートに応答して、各データストリームのための符号化および変調方式を選択するステップと、
その各データストリームのために選択された符号化および変調方式を使用して、複数のデータストリームを送信するステップとをさらに含む、請求項９記載のフィードバック方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に通信システムに関し、特に多入力・多出力通信チャンネルにおいて複数のデータストリームの送信および受信を制御する方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
通信システムの設計者は、送信機と受信機との間の通信チャンネルの容量を増大させる方法を常に捜し求めている。通信チャンネルは、ある点から他の点にシンボル列を伝送するシステムとして定義することができる。例えば、移動体通信システムは、音声またはデータを表すシンボル列を電話交換装置と加入者装置との間で、相互に無線で伝送し合うチャネルを含んでいる。このチャネルの容量の増加は、シンボルの送信速度の向上を意味している。つまり、より多くのシンボルを同一時間内に送信することによって、音声はより良好となり、かつデータファイルの送信もより短時間に行うことができる。
【０００３】
無線通信チャンネルの容量を増大させるために、送信されたエネルギーを効率良く受信機に集中させるアンテナアレイが送信機に使用されてきた。アンテナアレイは、他のアンテナ信号と特定の利得や位相関係を有するアンテナ信号を各々送信する、離間されたアンテナ群である。複数のアンテナが協働してアンテナ信号を送信すると、それらの複数のアンテナは、単一のアンテナが生成したパターンよりもさらに受信機に集中したアンテナパターンを生成する。アンテナ信号を生成する信号の利得や位相を変更する過程が、一連の「アンテナアレイの重み」を使用した信号の「重み付け」と呼ばれることに注意されたい。
【０００４】
アンテナアレイは、信号品質を改善するために受信機においても同様に使用することができるので、チャネル容量を増大させるために送信機と受信機の双方でアンテナアレイを使用することもまた提案されてきた。複数のアンテナを送信機および受信機で使用する場合、それらの間の無線チャネルを多入力・多出力（ＭＩＭＯ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｉｎｐｕｔ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｏｕｔｐｕｔ）チャネルと呼ぶことができる。
【０００５】
図１は、通信チャンネルの一部分が無線である通信チャンネルの上位の概略図を示している。図に示すように、ｘは受信機に無線送信されるユーザデータを表している。受信機においては、ｘはデータの推定値
【数１】
2005509316.tif 000003
【０００６】
として表されている。ユーザデータｘは分割されて、複数のデータストリーム、ｘ１、ｘ２、．．．．を表すベクトルを生成していてもよい。
【０００７】
ユーザデータｘは行列Ｖで処理されて、アダプティブアレイアンテナ信号ｚを生成する。行列Ｖの各列は、データストリームｘｉのうちの１つを送信するのに使用されるアンテナアレイの重みセットを含むベクトルである。信号ｚは、アンテナアレイのアンテナ素子から空中を通って送信され、受信アンテナ信号ｒとして受信機アンテナアレイで受信される。アンテナ信号ｚと受信アンテナ信号ｒとの間のエアインタフェースは、信号ｚに関するエアインタフェースの効果について記述する行列Ｈを含んでいる。エアインタフェースは、信号ｚにノイズｎを加算した形式でも記述される。
【０００８】
受信アンテナ信号ｒは、受信機において行列Ｕ’で処理され、データの推定値
【数２】
2005509316.tif 000004
を生成する。
【０００９】
ここで図２を参照して、２つの入力、２つの出力を有するＭＩＭＯアンテナアレイシステムを示す。このＭＩＭＯシステムは、２つの異なったデータストリーム、ｘ１およびｘ２を、下記の行列で定義される「複合チャネル」Ｈを通じて単一の加入者装置に同時に送信するために用いることができる。
【数３】
2005509316.tif 000005
上記式中、ｈｉｊ、ｉ＝１，２、ｊ＝１，２は複素数のチャネル値である。ここに用いた用語「複合チャネル」は、チャネルの完全な測定または記述を意味しており、送信アンテナと受信アンテナのあらゆる組み合わせの効果が考慮されていることに注意されたい。複合チャネルは、送信アンテナと受信アンテナとの対のすべての組み合わせによって定義された単一アンテナの対の間のあらゆるチャネルの集合体と見なすことができる。
【００１０】
１つの平坦なレイリーフェージングチャネルを仮定すると、ｈｉｊは、Ｅ［ｈｉｊｈ＊ｉｊ］＝１となる単位平均電力を有する複素数値化されたガウス数となる。受信された（ベースバンド）ベクトルｒ（図１参照）は以下のように記述できる。
ｒ＝Ｈｘ＋ｎ
上記式中、ｘ＝［ｘ１  ｘ２］Ｔは送信されたデータストリームのベクトル、ｎは、分散σ２ｎを有する付加白色ガウス雑音を有するノイズ標本のベクトルである。
【００１１】
ノイズフリーチャネルにおいては、チャンネル行列（ｃｈａｎｎｅｌ  ｍａｔｒｉｘ）Ｈがフルランク（ｆｕｌｌ  ｒａｎｋ）の場合には、双方のストリームを完全に取り出すことができることに注意されたい。すなわち、２つの等式と２つの未知数を解いて未知数ｘ＝［ｘ１  ｘ２］Ｔを取り出すことができるｘ＝Ｈ−１ｒのときに、双方のデータストリームを取り出して、リンク、すなわちチャネルの容量を２倍にすることができる。例えば、線形の構成は、受信されたベクトルｒにＨ−１を乗算するゼロフォーシング受信機を用い得る。これは、信号対雑音比（ＳＮＲ）が高いときは良好に動作するが、ＳＮＲが低いときには望ましくないノイズを増大する。
【００１２】
他の線形の受信機の構成において、検出されたデータストリームと受信信号と間の差の平均値を最小にするために、最小平均二乗誤差（ＭＭＳＥ）受信機を用いることができる。
【００１３】
線形および非線形受信機の構成の双方はともに、雑音を有するチャンネルの複数のストリームを検出するために実施され得るが、実用上、多くの場合において、チャネルのノイズにより、構築するのにより複雑でかつ高価な非線形の受信機を使用する必要がある。改善された性能を有する非線形受信機の例として、直列干渉除去（ＳＩＣ：Ｓｅｒｉａｌ−Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ−Ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ）受信機および最大尤推定（ＭＬ）受信機がある。そうした複雑さおよび費用を考慮して、できれば非線形の受信機は避けるべきである。
【００１４】
理論的なＭＩＭＯ容量
ＭＩＭＯシステムの容量は以下の解析により示すことができる。チャンネル行列Ｈの特異値分解（ＳＶＤ）が次式で与えられると仮定する。
【００１５】
Ｈ＝ＵＳＶ’        （１）
上記式中、Ｓは特異値で構成された対角行列（すなわち、Ｈ’ＨまたはＨＨ’の固有値の平方根）、Ｕは、ＨＨ’の固有ベクトルに等しい列ベクトルを有する直交行列であり、Ｖは、Ｈ’Ｈの固有ベクトルに等しい列を有する直交行列であり、「’」演算子は、複素共役転置演算である。例として、次の複合チャネル行列を考える。
【数４】
2005509316.tif 000006
この複合チャネルのＳＶＤは、
【数５】
2005509316.tif 000007
である。
図１を参照すると、送信ベクトルは、
ｚ＝Ｖｘ                （２）
である。
したがって、入信ベクトルは、
ｒ＝Ｈｚ＋ｎ                （３）
である。
Ｈおよびｚを（１）および（２）に置き換えると次式が得られる。
ｒ＝ＵＳＶ’Ｖｘ＋ｎ＝ＵＳｘ＋ｎ          （４）
上記式中、Ｖは正規直交行列であるので、Ｖ’Ｖは同値と置き換えられる。次に、受信されたベクトルはＵが事前に乗算される。
【数６】
2005509316.tif 000008
【００１６】
再び、Ｕが正規直交Ｕ行列であるので、Ｕ’Ｕは同値と置き換えられる。正規直交行列を事前に乗算することはノイズ共分散を変更しないので、新しいノイズベクトルｅはｎと同一の共分散行列を有することに注意されたい。
【００１７】
等式（５）を２つの送信アンテナと２つの受信アンテナの場合に対して書き直すと、次式になる。
【数７】
2005509316.tif 000009
上記式中、λｉはチャンネル行列の固有値である。
シャノン限界（Ｓｈａｎｎｏｎ  ｂｏｕｎｄ）に基づいた誤りのないチャネル容量は、よく知られていており、次式で与えられる。
【００１８】
Ｃ１＝ｌｏｇ２（１＋ρ）  ビット／シンボル        （７）
上記式中、ρはチャネルのＳＮＲである。（５）および（６）から、シャノン限界に基づいたＭＩＭＯチャネル容量は、単位データストリーム当たりの容量の和になる点に注意されたい。
【数８】
2005509316.tif 000010
上記式中、Ｍは、送信機または受信機のいずれかにおけるアンテナの最少数である。２つの送信アンテナ、２つの受信アンテナの例においては、Ｍ＝２である。（８）において、総送信電力が、送信アンテナのいかなる数に対してもそれが同一なるように正規化されていることに注意することは重要である。ρ／Ｍ比は、すべてのアンテナに等しい電力が送信されることを確実にするとともに、Ｍのすべての値に対して同一となる総合電力を維持している。
【００１９】
一般に、（８）の等しい電力の送信は次善である。各データストリーム容量の総和、すなわち、
【数９】
2005509316.tif 000011
となる総容量を、総送信電力が同一のまま存続するように、高いＳＮＲストリームに対する電力を増加させたり、低いＳＮＲストリームに対する電力を減少させたりすることによって最大にすることができる。この手順は、通常「ウォーターフィリング（ｗａｔｅｒｆｉｌｌｉｎｇ）」と呼ばれている。
【００２０】
単位データストリーム当たり最適に電力を割り当てるウォーターフィリング重みを含ませると、（８）は以下のようになる。
【数１０】
2005509316.tif 000012
ここで、ウォーターフィリング重みは次式から計算できる。
【数１１】
2005509316.tif 000013
これが、アール・ジー・ガーラガー（Ｒ．Ｇ．Ｇａｌｌａｇｅｒ）によって「情報理論と高信頼性通信」、ニューヨーク、ジョン・ウイレイ  アンド  ソンズ、１９６８年（Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ  Ｔｈｅｏｒｙ  ａｎｄ  Ｒｅｌｉａｂｌｅ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ：Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ  ＆  Ｓｏｎｓ，１９６８）によって説明されているウォーターフィリング基準である。ここで、Ｋは繰り返しによって決定される定数で、ｗｉはそれに応じて設定される。
【００２１】
従来技術のシステムにおいては、送信機は複合チャネルの条件に関するデータが不足し
ているので、これらのシステムの性能はＭＩＭＯチャネルのシャノン限界に接近できない。さらに、複合のＭＩＭＯチャネルについて記述するのに必要なデータ量は膨大で、送信機に通信される際には、そのデータ量はチャネル容量の大部分を消費すると思われる。
【００２２】
したがって、多入力・多出力無線周波数チャネルにおいて、データの送信と受信を効率的に制御するためにフィードバックを使用する改善された方法とシステムの必要性が存在することは当然明らかであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の特徴をなすものとして確信される新規な機能については、添付の特許請求の範囲に記載する。但し、好ましい使用形態、さらなる目的、およびその利点とともに、本発明はそれ自身、添付の図面と共に読まれた時に、例証となる実施形態に関する以下の詳細な記述を参照することによって最もよく理解されるであろう。
【００２４】
図３を参照して、本発明による方法とシステムを実現するために用いることができる多重ストリームかつ多重アンテナの送信機を示す。図に示すように、送信機２０はユーザデータ２２を受信し、アンテナ素子２６を有するアンテナアレイ２４を用いて、ユーザデータ２２を送信する。
【００２５】
ユーザデータ２２は、ユーザデータストリームをデータストリーム３０およびデータストリーム３２のような複数のデータストリームに分離するデータスプリッタ２８に入力される。図３には２つのデータストリームを示しているが、データスプリッタ２８は任意の数のデータストリームを生成し得る。データスプリッタ２８は、制御装置３６によって生成される制御信号３４に相応してデータを分割する。例えば、制御信号３４は２ビットをデータストリーム３０に送り、１ビットをデータストリーム３２に送る、２対１の比率を指定してもよい。この分割比は、双方のストリームに等しいビット数を送るように指定してもよいし、またはすべてのデータビットを１つのストリームに送るように指定してもよい。
【００２６】
データスプリッタ２８によって出力されたデータストリーム３０，３２は、誤り訂正符号器３８，４０に入力される。これらの誤り訂正符号器は、畳み込み符号器、ターボ符号器、ブロック符号器または同種のもので実現されてもよい。符号化の形式や符号化レートは、制御装置３６によって出力される制御信号４２によって制御される。制御信号４２は、誤り訂正符号器３８，４０を同一の誤り符号化方式または異なった符号化方式に設定し得ることに注意されたい。
【００２７】
誤り訂正符号器３８，４０の出力は、変調器４４，４６の入力に接続されている。変調器４４，４６は、振幅、位相、および振幅と位相の組み合わせを変調するすべての種類の変調器を含む線形または非線形の変調方式によって実施され得る。使用できる変調器の例としては、二値位相シフトキーイング変調器（ＢＰＳＫ）、四相位相シフトキーイング変調器（ＱＰＳＫ）、Ｍ値位相シフトキーイング変調器、Ｍ値直交振幅変調器（ＭＱＡＭ）、およびそれと同種のものを含む。
【００２８】
制御信号４８が変調器４４，４６で使用される変調形式を選択する。制御信号４８は制御装置３６によって生成される。本発明によれば、データストリームの変調方式は同一であっても、または異なっていてもよい。
【００２９】
変調器４４，４６の出力は、スプレッダ４８，５０の入力にそれぞれ接続されている。スプレッダ４８，５０は、拡散コード５２を使用して信号を拡散し、その拡散コードがユーザデータ２２に割り当てられる。
【００３０】
スプレッダ４８，５０の出力は、電力割り当て器５４の入力に接続されている。電力割り当て器５４は、制御装置３６からの制御信号５６に応答してデータストリーム３０とデータストリーム３２との間の電力比を設定する。電力割り当て器５４は、１つのデータストリームにすべての電力を割り当ててもよいし、各データストリームに等しい電力を割り当ててもよいし、または等しくない他の比率の電力割り当てを行ってもよい。電力割り当て器５４は、図３に図示されていない他のユーザデータに属したデータストリームに関しては、電力をデータストリーム３０，３２には割り当てない。これは、電力割り当て器５４が１つのユーザに対して電力の絶対レベルを割り当てないことを意味している。各データストリームおよび各ユーザに対して割り当てられる電力は、図３に図示されていない電力増幅器の有効電力および他の制御機能によって決定される。
【００３１】
電力割り当て器５４の出力は、アンテナアレイ信号プロセッサ５８の入力に接続されている。アンテナアレイ信号プロセッサ５８は、各データストリームにアンテナアレイの重みセットを適用することによって、データストリームをさらに処理する。これらのアンテナアレイの重みセットは、制御信号６０を介して制御装置３６から来る。データストリーム３０，３２にアンテナアレイの重みセットを適用することで、アンテナアレイ信号プロセッサは、異なったアンテナアレイパターンを有する各データストリームの送信を可能にする。
【００３２】
アンテナアレイ信号プロセッサ５８の出力は、入力データストリームの重み付けされた成分を含んでいる。例えば、出力６２は、データストリーム３０の位相および利得が重み付けされた部分（ｐｈａｓｅ−ａｎｄ−ｇａｉｎ  ｗｅｉｇｈｔｅｄ  ｐｏｒｔｉｏｎ）に加え、一緒にデータストリーム３２の位相および利得が重み付けされた部分を含んでいてもよい。アンテナアレイ信号プロセッサ５８からの重み付けされた出力の数は、データストリームの数以上あってもよい。アンテナアレイ信号プロセッサ５８の出力の数は、データストリーム入力の数より多くてもよいが、一方、送信されるデータストリームの数は同じままである。
【００３３】
図４をここで参照して、アンテナアレイ信号プロセッサ５８の上位のブロック図を示す。図に示すように、データストリーム３０，３２は、アンテナアレイ信号プロセッサ５８に入力され、各データストリームの複製が、アンテナアレイで使用されるアンテナ素子に対応する利得乗算器に送られる。図４で示す例において、２つのアンテナがアンテナアレイで使用されているので、各データストリームの複製は２つの利得乗算器８０に送られる。
【００３４】
各利得乗算器８０の後には、制御信号入力に従って信号の位相を回転させる移相器８２が続いている。移相器８２の出力は加算器８４に接続されており、加算器８４は重み付けされたデータストリームを加算して、出力信号６２，６４を生成する。
【００３５】
制御信号６０（図３参照）は、複数のアンテナアレイの重みセットを含み、１つのアンテナアレイの重みセットは、各データストリームに関連づけられている。例えば、制御信号６０は重みセット信号８６，８８を含んでいる。重みセット信号８６は、データストリーム３０に関連づけられた各利得乗算器８０および移相器８２に対する利得および位相の重み（すなわち、合成された重み）を含んでいる。したがって、データストリーム３０に関連づけられた移相器８２の出力は、データストリーム３０に対して選択されたアンテナパターンを有するアンテナ信号を生成する。同様に、重みセット信号８８は、データストリーム３２に関連づけられた各利得乗算器８０および移相器８２の位相および利得の重み付けを含んでいる。データストリーム３２に関連づけられた移相器８２の出力において、データストリーム３２に対して選択されたパターンを有するアンテナアレイを駆動するア
ンテナ信号を生成する。
【００３６】
各データストリームの所望のアンテナパターンを生成するために、データストリームに関連づけられた利得乗算器８０は異なる利得値を有し得、またデータストリームに関連づけられた移相器８２は異なる位相シフト値を有し得る。それにより、特定の送信パターンを形成するために協働するアンテナ信号が生成される。
【００３７】
送信機２０に関するいくつかの実施形態において、出力信号６２，６４は、高周波に変換され、増幅され、さらに２つのアンテナ素子２６に接続され得る。但し、図３に示す実施形態においては、出力信号６２，６４を、制御装置３６からの制御信号６８に応答して選択されたアンテナ素子２６に接続するために、マルチプレクサー６６が使用されている。これは、制御信号６２はアンテナアレイ２４のアンテナ素子２６の任意の１つに接続され、一方、出力信号６４はアンテナ素子２６の残りの１つに接続され得ることを意味する。
【００３８】
制御装置３６は、フィードバック受信機７０から入力された情報とメモリ７２に格納されているデータとに基づいて、制御信号３４，４２，４８，５６，６０，６８を出力する。フィードバック受信機７０は、図５に示す受信機のような遠隔の受信機からのフィードバックデータを受信するために、アンテナ７４に接続されて示されている。アンテナ７４をアンテナアレイ２４から分離して示しているが、フィードバックデータを受信するために、アレイ２４のアンテナ素子２６のうちの１つを使用してもよい。
【００３９】
フィードバック受信機７０からのフィードバックデータは、メモリ７２内にあるコードブック（ｃｏｄｅｂｏｏｋ）７６の送信パラメータを調べるのに制御装置３６が使用するコードブックインデックス（ｃｏｄｅｂｏｏｋ  ｉｎｄｅｘ）を含んでいてもよい。
【００４０】
制御装置３６はまた、フィードバックデータに基づいて付加的な制御信号や送信パラメータを計算または導き出すのに使用されてもよい。したがって、フィードバックデータが、計算の根拠となり得る測定値、または送信機２０で使用されるパラメータを示すデータを含んでよいことは当然理解されるはずである。
【００４１】
図５を参照して、本発明による方法およびシステムによる、多重ストリームかつ多重アンテナの送受信システム用の受信機を示す。図に示すように、受信機９８は、無線周波数信号１０４，１０６を受信する素子１０２を有するアンテナアレイ１００を含む。アンテナ素子１０２同士は空間的に離間されているので、受信されたＲＦ信号１０４とＲＦ信号１０６とが異なる信号であることはほぼ確実であり、送信機２０のアンテナ素子２６から受信されたＲＦ信号１０４，１０６によって得られる伝搬路同士が、マルチパスフェージング環境では異なっていることもほぼ確実である。
【００４２】
送信機２０および受信機９８で構成された多重ストリームかつ多重アンテナの送受信システムでは、複数のデータストリームが送信されて、送信機２０と受信機９８との間のデータ処理能力を向上させている。送信機２０は、複数のデータストリームを同時に送信することができ、受信機９８は、送信機２０および受信機９８での複数のアンテナ間のチャネル特性の差異を利用することによって、複数のストリームを分離しておくことができる。このように、送信機２０のユーザデータ２２は受信機９８によって受信され、推定されたユーザデータ１０８として出力される。
【００４３】
受信されたＲＦ信号１０４，１０６は、無線周波数信号を低周波に変換してデジタル化する無線周波数受信機フロントエンド１１０に入力される。無線周波数受信機フロントエンド１１０の出力が、受信されたＲＦ信号１０４，１０６を表わす複合ベースバンドデジ
タル標本のストリームとなる。
【００４４】
無線周波数受信機フロントエンド１１０の出力は、受信機９８においてデータストリーム３０，３２（図３参照）を分離する機能を有する受信機信号プロセッサ１１２に入力される。本発明の１つの実施形態において、受信機信号プロセッサ１１２は、入力信号に複合チャネル行列Ｈの特異値分解の左の特異ベクトルであるＵ行列の複素共役転置を乗算して実現することができる。受信機信号プロセッサ１１２は、制御装置１１３からの制御信号１１５によって制御されている。
【００４５】
受信機信号プロセッサ１１２によって出力されたデータストリームは、送信機において使用された拡散コードと同一の拡散コード５２を使用して、信号をデスプレッドするデスプレッダ（ｄｅｓｐｒｅａｄｅｒ）１１４，１１６に入力される。デスプレッダ１１４，１１６の出力は、復調器／復号器１１８，１２０の入力にそれぞれ接続されている。各復調器／復号器１１８，１２０は、送信機において各データストリームに対して選択されたものを相補する復調および誤り訂正復号技術を使用して、信号を復調し、かつ信号を復号する。このように、制御装置１１３からの制御信号１２２で示すように、使用される復調器／復号器の機能の形態は送信機２０で使用されたものに左右される。復調器／復号器１１８と１２０は、同一の機能であってもよいし、または異なった機能であってもよい。
【００４６】
復調器／復号器１１８，１２０からの出力はコンバイナー１２４に入力され、コンバイナー１２４は、推定されるユーザデータ１０８として出力するために、受信した複数のストリームを単一のストリームに合成して戻す。制御信号１２６の指示に従って、コンバイナー１２４は制御装置１１３の制御下で動作する。受信されたデータストリームは異なったデータレートを有していてもよく、また１つのデータストリームがゼロに等しいデータレートを有していてもよいので、コンバイナー１２４は、データが図３の送信機２０のデータスプリッタ２８によって初めに分割された方法に従って、ユーザデータを必ず復元する。
【００４７】
送信機での複数のアンテナを介した複数のデータストリームの送信を制御するために、受信機９８は、必ず複合チャネルを測定して、送信機にフィードバックデータを送信する必要がある。図に示すように、無線周波数フロントエンド１１０の出力は、送信機２０の各アンテナ素子２６から送信されたパイロット信号を利用して、複数の入力アンテナと複数の出力アンテナとの間の複合チャネルを測定する複合チャネル推定器１２８にも接続されている。以下に、複合チャネル推定器１２８の機能、および受信機９８のデータフィードバック部の他の多く機能ブロックについて図８を参照してさらに十分に説明する。
【００４８】
Ｈ行列で表わされる複合チャネル推定器１２８の出力は、Ｖ行列計算機／セレクタ１３０に入力される。ブロック１３０の「計算機能」は、送信機２０において各データストリームに対して使用されるべき所望のアンテナアレイの重みセットについて記述する行列であるＶを計算する。所望のアンテナアレイの重みセットは、複合チャネルの測定値に基づいて計算される。
【００４９】
ブロック１３０の「セレクタ機能」は、所望のアンテナアレイの重みセットと最も緊密に一致するアンテナアレイの重みセットを選択し、量子化する機能である。量子化を実行することによって、送信機２０に対してＭＩＭＯチャネルを通した送信方法を指示するために必要なフィードバックデータ量を減少させることができる。
【００５０】
計算機／セレクタ１３０が出力する選択されたアンテナアレイの重みセットは、ＳＮＲ計算機／電力割り当て器１３２に入力され、選択されたアンテナアレイの重みセットを使用して、仮想的に送信された各データストリームに対して信号対雑音比が計算される。Ｓ
ＮＲ計算に基づいて、ブロック１３２の出力電力割り当て機能は各データストリームに電力を割り当て、その電力はウォーターフィリングアルゴリズムに基づいて、データ処理能力を最大にするように割り当てられる。いったん電力が各データストリームに割り当てられると、最終的なＳＮＲ計算を選択された電力割り当てを使用して実行することができる。
【００５１】
変調器／符号器１３４は、送信機２０で使用された符号化方式および変調方式を選択するために利用する情報を、ＳＮＲ計算機／電力割り当て器１３２から受信する。一般に、高い信号対雑音比を有するデータストリームに対しては、高位変調器が選択される。
【００５２】
フィードバック送信機１３６は、Ｖ行列計算機／セレクタ１３０、ＳＮＲ計算機／電力割り当て器１３２、および変調器／符号器セレクタ１３４から情報を受信する。このデータは、送信機２０の伝送モードを制御するために使用される、受信機９８でなされた計算や選択を表わしている。好ましい実施形態において、フィードバック送信機１３６はデータを解析し、入力データが表わす送信機パラメータと最も密接に一致した送信機パラメータに関連付けられたコードブック値を選択する。したがって、フィードバック送信機１３６は、アンテナ１４０を介して送信機２０に送信されるコードブック値を生成するコードブック１３８を含み得る。アンテナ１４０を受信アンテナアレイ１００から分離して示しているが、アンテナ１４０は、受信アンテナアレイ１００のアンテナ素子１０２のうちの１つであってもよい。フィードバック送信機１３６によって送信されたデータは、フィードバック受信機７０によって送信機２０で受信される。
【００５３】
図６を参照して、本発明による方法およびシステムによる多重ストリームかつ多重アンテナの受信機におけるフィードバック方法を示す上位の論理フローチャートを示す。フローチャートに示すように、その処理はブロック３００で開始され、その後、多重アンテナ送信機と多重アンテナ受信機との間の複合チャネルが測定されるブロック３０２へ進む。この測定は、図２を参照して上記に説明したように、利得および位相を表わす複素のチャネル値で構成されるＨ行列の形成をもたらす。複合チャネルの測定は、送信機で各アンテナが送信して、受信されたパイロット信号を含む受信アンテナ信号ｒ（図１参照）を解析することによって為される。
【００５４】
次に、処理は、ブロック３０４で示されるように、複合チャネルの測定値に応答して各データストリームに関連づけられたアンテナアレイの重みセットを選択する。同時に送信された各データストリームは、送信機で各アレイアンテナに対して使用される、関連付けられた重みのセットを有することに注意されたい。アンテナアレイの重みセットは、関連付けられた各データストリームのアンテナパターンを生成するために使用される。
【００５５】
好ましい実施形態において、選択されたアンテナアレイの重みセットは、複合チャネル行列ＨのＳＶＤの右側の特異ベクトルを計算して決定される。この処理を、図８を参照してより十分に説明する。アンテナアレイの重みセットを表わすのに必要なデータ量を減少させるために、所望の重みセットがコードブックの重みセットと比較され、最も近接した範囲にある１つまたは２つ以上のコードブック重みセットが選択される。コードブックの標識は単一のアンテナアレイの重みセット、またはアンテナアレイの重みセットの組み合わせを表わし得る。
【００５６】
アンテナアレイの重みセットについて事前に定義された組み合わせが使用される場合には、第１のアンテナアレイの重みセットについて記述するために第１の情報量が送信され得、第２のアンテナアレイの重みセットについて記述するために第２の情報量が送信され得、その第２の情報量は、第１の情報量より少なくなり得ることに注意されたい。同様に、第２のアンテナアレイの重みセットが、第１のアンテナアレイの重みセットに対して事
前に定義された関係を有するように制限されるか、または拘束されている場合には、第２の設定について記述するのに必要とされる情報量は、第１の設定について記述するのに必要な情報量より少ない。
【００５７】
一旦選択されると、ブロック３０６に示すように、アンテナアレイの重みセットは送信機に送信され、送信機は重みを利用して、各データストリームに対して選択されたアンテナパターンを生成する。各データストリームの各アンテナの合成の重みを表わすのに必要なデータの容量を考慮すると、受信機から送信機に送信されるデータビット数を減少させる技術を利用することが有利となり得る。上記に述べたように、いくつかの事前に定義されたアンテナアレイの重みセットを格納しておくためにコードブックを用いてもよい。使用可能なアンテナアレイの重みセットの数は、重みセットの１つの理想的な組み合わせを採用して、それを使用可能なアンテナアレイの重みセットの１つに対応付ける量子化処理の分解能を決定する。使用可能なアンテナアレイの重みセットの数が少なすぎる場合には、量子化による誤差が大きくなることに注意されたい。
【００５８】
上述したように、フィードバックデータ量を減少させる別の方法は、互いに選択された関係を有するアンテナパターンを送信するように送信機を制約することである。例えば、好ましい実施形態において、送信機におけるアンテナパターンを互いに直交するように制約してもよい。このように、第１のアンテナパターンを指定することで、その制約関係に従って、基地の残りの任意のパターンを少なくとも部分的に計算することができる。したがって、２つのデータストリームを送信する送信機において、第１のアンテナパターンが指定されると、第２のデータストリームに対するアンテナパターンが導出または計算され得、よって第２のパターンは、第１のパターンに直交するように（または、それと低い相関を有するように）制約される。
【００５９】
Ｖ行列の量子化についての詳細
行列を量子化する最も単純な方法は行列の各要素を個々に量子化することである。生憎、この方法は非効率的であり、所望の性能を求めるには多くのフィードバックビットが必要である。Ｖ行列は、２つの基本的な方法、「ブロック量子化」や「漸増的（ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌ）量子化」によって量子化することができる。第１の方法においては、Ｖ行列のすべての列が一度に量子化される。第２の方法において、Ｖ行列の列が漸増的に量子化される。
【００６０】
Ｖ行列のブロック量子化
Ｖ行列は正規直交なので、Ｖ行列はフィードバック量を減少させるのに利用できるある構成を有している。２つのアンテナ送信機と２つのアンテナの受信機の場合に、Ｖ行列は以下のように書くことができる。
【数１２】
2005509316.tif 000014
上記式中、
α＝ｃｏｓ−１（ν１１）、
θ＝∠ν２１
【００６１】
全体のＶ行列は２つの実数パラメータによって表わすことができる。この表現を用いると、受信機で処理されなければならない第２の列ベクトルに記号曖昧性が存在する。幸いに、その送信は直交したままなので、ＭＭＳＥ受信機は記号曖昧性を自動的に処理する。
パラメータ
【数１３】
2005509316.tif 000015
は、所望のレベルに一様に量子化される。図５は、５ビット（θに対して３ビット、αに対して２ビット）でＶ行列を量子化し、ＭＭＳＥ受信機を使用することが、量子化されていない場合の０．４ｄＢ以内にあることを示している。
【００６２】
一般に、Ｖ行列のコードブックを生成してインデックスを付けることができる。ベクトル量子化のような技術は、コードブックを発生し、かつＶ行列とコードブックとの間の効率的な対応付け（ｍａｐｐｉｎｇ）を生成するためにも使用することができる。２ｘ２の場合に使用されるようなパラメータの量子化をより大きなＶ行列に拡張することもできる。
【００６３】
Ｖ行列の漸増的量子化
この方法においては、Ｖ行列の列がアンテナアレイの重みのコードブックから繰り返し取り出される（例えば、３ＧＰＰ標準リリース９９からＴＸ  ＡＡコードブック、またはこれらのコードブックの拡張版を使用してもよい）。Ｖ行列の複数列の相関特性は、コードブックの徐々に小さくなるサブセットから連続したアンテナアレイの重みセットを選択することによって反映される。下記に示すように、この制約された探索がフィードバックデータ量を減少させる。
【００６４】
最も高い品質のストリームに対応するＶ行列の列が最初に選択される。この列は、受信機で最大出力を生成するアンテナアレイの重みセットとして選択される。コードブック全体がこの重みセットに対して探索される。
【００６５】
次に、Ｖ行列の第２列が選択される。アンテナアレイのコードブックのサブセットは、所望の相関しきい値より低い相関関係を有するコードブックの項目を探索することにより発見することができる。直交するサブセットを選択するのに、相関しきい値をゼロに設定してもよい。次に、受信機で最大出力を生成するアンテナアレイの重みセットが、コードブックの低い相関関係のサブセットから選択される。
【００６６】
３つのデータストリームがある場合、Ｖ行列の第３の列は、Ｖ行列の第２の列を求めて探索されたコードブック項目のサブセットのサブセットから選択される。そのサブセットは、第２の列を求めて探索されたサブセットに対して低い相関関係を有するたアンテナアレイの重みセットを含んでいる。この処理がすべてのストリームに対して続けられる。
【００６７】
Ｖ行列の連続する列が、アンテナアレイのコードブックの連続的に小さなサブセットから探索されるので、Ｖ行列の連続する列をさらに少ないフィードバックビットで表わすことができる。６４項目を有する４つの要素アンテナアレイのコードブックにおいて、Ｖ行列の第１の列に対するアンテナアレイの重みセットは、ｌｏｇ２（６４）＝６ビットで表わすことができる。適切に相関しきい値を選択することで、Ｖ行列の重みセットの第２の列は４ビット、第３の列は２ビット、および第４の列は０ビットで表わすことができる（他の３つのアンテナアレイの重みセットの相関しきい値の制約および選択が与えられた場合には、１つのアンテナアレイの重みセットのみが可能である）。したがって、全体のＶ行列は１２ビットで量子化することができる。
【００６８】
コードブックのサブセットの大きさは、２の整数べき乗ではないことがあり（それらの大きさは相関しきい値によって決定されるので）、このことは連続的に計算された重みセットが、各重みセットを別々に表わす整数ビットを使用して効率的に量子化されないことを意味している。この場合、代替の実施形態は、ベクトル量子化を使用して重みセットを一緒に符号化するか、または可変長コードワードを使用して全体のＶ行列を表わすのに必要なビット数を減少させてもよい。これらの代替の実施形態は依然、Ｖ行列を表わすのに必要なビット数を減少させるために使用されるソースコーディングとなる差で、アンテナアレイの重みセットの単一のコードブックのサブセットからアンテナアレイの重みセットを取り出していることに注意されたい。
【００６９】
選択されたアンテナアレイの重みセットをフィードバックすることに加えて、受信機はまた、前方誤り訂正の符号化方式、変調方式、各データストリームに対する電力割り当て、および送信アンテナアレイでのアンテナの選択を送信機に選択させるデータをフィードバックしてもよい。
【００７０】
ブロック３０８に示すように、処理は、複合チャネルの測定値、選択されたアンテナアレイの重みセット、および各データストリームのＳＮＲに応答して、各データストリームのデータレートを選択してもよい。好ましい実施形態において、各データストリームのＳＮＲは、等しい電力が双方のデータストリームに使用可能であると仮定して、計算された性能曲線に従って符号化と変調方法との組み合わせを検索するために使用される。この検索が総計されたデータ処理能力を提供する。この処理能力値は、最も高い信号対雑音比を有するデータストリームで電力がすべて使用されると仮定して、第２の検索と比較される。第２の検索は第２データ処理能力を与え、特定の電力設定での符号化および変調方式が最大の処理能力に基づいて選択される。
【００７１】
好ましい実施形態において、各データストリームの変調と誤りの符号化方式、および各データストリームに対する電力割り当てを指定するために、受信機から送信機へ４ビットのフィードバックを送信するシステムにおいて、下記の表１に示したコードブックが使用され得る。アンテナアレイの重みセットは、表１のコードブックに含まれないことに注意されたい。
【表１】
2005509316.tif 000016
データレートが選択された後、ブロック３１０に示すように、処理が送信機にその選択
されたデータレートを送信し、それにより送信機は各データストリームのデータの符号化および変調方式を選択し得る。本発明の好ましい実施形態において、受信機は、各データストリームのデータレート、符号化方式、変調方式、および電力レベルを計算し、これらの選択を指示するデータを送信機に送信する。代替の実施形態において、送信機が各データストリームのデータレート、符号化方式、変調方式、および電力割り当てを選択するように、受信機は送信機に測定値または測定値に基づいたデータを送信してもよい。
【００７２】
一旦フィードバックデータが受信機から送信機に送信されると、ブロック３１２に示すように、処理は終了する。受信機のフィードバック処理の終了がブロック３１２で示されているが、処理は、ブロック３０２の新しい複合チャネル測定から再び開始されて、受信機で反復して続けられてもよい。
【００７３】
図７を参照して、本発明による方法およびシステムによる多重ストリームかつ多重アンテナの送信機におけるフィードバック方法を示す上位の論理フローチャートを示す。フローチャートに示すように、処理はブロック４００で始まり、その後、処理がアンテナアレイの各アンテナにパイロット信号を送信するブロック４０２をに進む。各パイロット信号は他の信号と識別可能である。例えば、異なった拡散コードが使用されてもよく、同一の拡散コードが他のアレイアンテナに対して時間的にずれていてもよい。これらのパイロット信号は、複合チャネル測定用の基準信号を提供する。
【００７４】
次に、ブロック４０４に示すように、処理は単位データストリーム当たり１組の選択されたアレイの重みセットの指示を受信する。選択されたアレイの重みセットの指示は、送信機での各データストリームの組み合わせに対する各アンテナのアンテナ信号の利得と位相との組み合わせについて記述したデータであってもよい。好ましい実施形態において、各データストリームに対して使用される選択されたアレイの重みセットは、受信機から受信したコードブック値を使用して指定されてもよい。前記コードブック値は、アレイの重みについて予め選択された設定を検索するために使用される。
【００７５】
同様に、処理は、ブロック４０６に示すように、各データストリームのデータレートを指示するデータを受信する。各ストリームに対するデータレートを指示することで、フィードバックデータは符号化方式および変調方式も指示できる。符号化および変調方式が異なると容量も異なるので、データレートと、符号化および変調方式との間には関係が存在している。したがって、データレートの選択によって、特定の符号化および変調方式を強制的に選択させることができる。
【００７６】
次に、処理は、ブロック４０８に示すように、各データストリームに対する電力割り当ての指示を受信する。各データストリームのデータレートおよび電力割り当てを指示する「標識」としてコードブック値が使用されてもよいことに注意されたい。上記に説明したように、単一のコードブック値が符号化方式、変調方式、および電力割り当てを指定するために使用されてもよい。いくつかの実施形態において、データレートのみを指定することによって、符号器、変調器、および電力割り当てを指定してもよい。例えば、選択されたデータレートがゼロだった場合には、電力は割り当てらず、符号化および変調方式は無関係となる。
【００７７】
フィードバックデータを受信した後に、処理は、ブロック４１０に示すように、電力設定、および各データストリームの符号化および変調方式を選択する。この処理において、これらのパラメータは受信したコードブック値に従って選択されて得る。代替の実施形態において、いくつかのこれらのパラメータは受信したフィードバックデータから計算または導出されてもよい。例えば、第１のデータストリームのアンテナパターンが指示された場合、送信機での処理は、第２のデータストリームに対して使用されるアンテナパターン
を導出または計算し得る。これは、例えば、第２のストリームが第１のストリームに直交するように制約されている場合に為され得る。
【００７８】
ブロック４１０に示すように、一旦、送信パラメータが選択されると、ブロック４１２に示すように、処理は、各データストリームに対して選択された符号化および変調方式が支持している選択されたデータレートに従って、入力データをデータストリームに分離する。この処理は、図３に示すデータスプリット機能２８で実行される。例として、データストリーム１が、データストリーム２の２倍の速度で動作する場合には、２つのシンボルがデータストリーム１に送られ、１つのシンボルがデータストリーム２に送られる。同様に、１つのデータストリームに電力ゼロが割り当てられた場合には、すべてのデータシンボルは、割り当てられたある電力を有する残りのデータストリームに送られる。
【００７９】
次に、ブロック４１４に示すように、処理は各データストリームを符号化する。符号化の処理は、ブロック符号器、畳み込み符号器、ターボ符号器、および同種のもので実現することができる。
【００８０】
符号化の後、ブロック４１６に示すように、各データストリームは変調される。この変調は、ＢＰＳＫ変調器、ＱＰＳＫ変調器、Ｍ−ＰＳＫ変調器、Ｍ−ＱＵＡＭ変調器（Ｍは星座点（ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ  ｐｏｉｎｔｓ）の数である）、および同種のものを使用して実現することができる。
【００８１】
変調処理に続いて、ブロック４１８に示すように、処理は、それぞれの選択されたアレイの重みセットに従って、各変調されたデータストリームの利得および位相を修正して、各アレイアンテナのデータストリームアンテナ信号を生成する。データストリームアンテナ信号の例は、図４における移相器８２の出力である。この処理で生成されたデータストリームアンテナ信号の数は、データストリームの数とアンテナアレイにおけるアンテナ素子の数とを掛け合わせたものに等しくなる。
【００８２】
各アレイアンテナのデータストリームアンテナ信号を生成した後、ブロック４２０に示すように、同一のアレイアンテナに関連付けられたデータストリームアンテナ信号はアンテナ信号を生成するために合計される。アンテナ信号の例は図４における加算器８４の出力である。これらのアンテナ信号は、選択されたアレイの重みセットに従って、利得および位相において重み付けされた各データストリームからの信号の組み合わせとなる。この複合された信号の組み合わせは、図１に関して上述した送信機で使用されるＶ行列に従ってより簡潔に記述される。
【００８３】
最後に、ブロック４２０に示すように、各アンテナのアンテナ信号が送信される。送信処理は、無線周波数送信に必要な更なる処理、高周波変換、および増幅を含む。
ブロック４２４に示すように、フィードバック方法が終了する。処理は終了で示されるが、処理はチャネル条件の変更に応答して、各データストリームの各アンテナパターンを更新するために、送信機で反復して繰り返されてもよい。
【００８４】
次に図８を参照すると、図６により高位で示した、複合チャネルを推定しアレイ重みセットを選択する過程を示すさらに詳細な論理フローチャートが示されている。図示したように、処理はブロック５００に始まり、その後、処理は、パイロット信号が各送信機アンテナから送信され、受信したそのパイロット信号を使用して、チャンネル行列Ｈを推定するブロック５０２に進む。複数のパイロットは直交していてもよいし、していなくてもよいが、それらは受信機において識別可能であるように選択されている。
【００８５】
次に、処理は、行列Ｖを見つけるために、ブロック５０４に示すように、行列Ｈの特異
値分解を計算する。前記行列Ｈは、
【数１４】
2005509316.tif 000017
である。このＶ行列で送信することは、ＭＩＭＯチャネルがＭＩＭＯのシャノン容量の近傍で動作することを可能にする。
【００８６】
その後、ブロック５０６に示すように、処理は量子化されたＶ行列のインデックスを選択する。量子化は、上述したコードブックの検索、または他の方法によって予め決定されていてもよい。量子化されたＶ行列は選択されたアンテナアレイの重みセットを表わすことに注意されたい。アンテナアレイの重みセットは群として、または個別に量子化されてもよい。
【００８７】
量子化した後、処理は、ブロック５０８に示すように、送信機が量子化されたＶ行列を使用し、等しい電力ストリームという仮定に基づいて、各データストリームの信号対雑音比（ＳＮＲ）を推定する。
【００８８】
次に、処理は、ブロック５１０に示すように、ウォーターフィリングアルゴリズムを利用して、推定されたＳＮＲを用いて、各データストリームの電力割り当てを決定する。ウォーターフィリングの代替として、量子化されたすべての可能性を強引に探索する方法がある。好ましい実施形態において、このパラメータを少ないビット数に量子化することができる。例えば、電力割り当ての合理的な選択は、双方のストリームが「オン」であること、または単に一方のストリームが「オン」で他方が「オフ」であることに対する、１ビットの標識であり得る。
【００８９】
各ストリームに対する電力割り当ておよび各ストリームに対する推定されたＳＮＲに基づいて、ブロック５１２に示すように、処理は、次に符号化方式および変調方式を選択する。これは、変調器−符号器の組み合わせにあらゆるＳＮＲの範囲を対応付けする検索によって実現することができる。一般に、符号化および変調は、チャネル品質に従って各データストリームに対応している。例えば、高いチャネル品質が高いＳＮＲで示されている場合には、変調器は１６−ＱＡＭに設定されてもよく、さもなければ、ＱＰＳＫ変調が選択されてもよい。
【００９０】
最後に、ブロック５１４に示すように、処理は、送信機に、量子化されたＶ行列、各ストリームに対する電力割り当て、および符号化および変調方式の標識を送信する。好ましい実施形態において、処理はコードブックを使用して、量子化されたアンテナアレイの重みセットおよび他の総合変調パラメータを指示する。
【００９１】
図に示すように、処理はブロック５１６で終了する。
再び図３を参照すると、送信機２０で使用されるアンテナの数は、アンテナアレイ信号プロセッサ５８からの出力の数と等しくなる。図３に示すように、アンテナアレイ信号プロセッサ５８は、２つの出力、すなわち出力信号６２，６４を有する。
【００９２】
前述したように、出力信号６２，６４は２つのアンテナから送信されてもよいし、またはマルチプレクサー６６を用いて、アンテナアレイ２４に示されている４つのアンテナ素子２６のような多数の「使用可能なアンテナ」から、アンテナアレイを形成する２つのアンテナを選択してもよい。このように、本発明のいくつかの実施形態において、「使用可
能なアンテナ素子」のサブセットが由来する使用可能なアンテナ素子のセットが存在し、そのセットから使用可能なアンテナ素子のサブセットが選択されて、「アンテナアレイ」を形成する。前記アンテナアレイは、複数のデータストリームを送信するのに実際に使用されるアンテナ素子を有する。
【００９３】
図３の実施形態はアンテナを選択するマルチプレクサー６６を示しているが一方、代替の実施形態は、Ｖ行列を使用し、行列要素に従って、信号にゼロ、またはゼロでない値を乗算してアンテナを数学的に選択してもよい。
【００９４】
使用可能なアンテナ素子の組み合わせからアンテナ素子を選択するために、受信機９８は、すべての使用可能なアンテナ素子と、受信機でのすべてのアンテナ素子とのすべての対をなす選択の間のすべてのチャネルを含む複合チャネルを測定する。このように、図３および図５において、４つの使用可能なアンテナを有する送信機２０と２つの受信アンテナを有する受信機９８との間では、複合チャネルの測定値は、４列ｘ２行の複合チャネル行列Ｈを形成する。
【００９５】
送信機で、４つの使用可能なアンテナの組み合わせから２つのアンテナを選択するには６通りの方法がある。アンテナアレイは最も大きい容量の複合チャネルを生み出す対で形成される。選択手順は次式で記述できる。
【数１５】
2005509316.tif 000018
上記式中、（ウォーターフィリングを使用しない場合）電力の半分が各データストリームに割り当てられる。σ２はノイズ分散であり、Ｉは２ｘ２単位行列であり、さらに、
【数１６】
2005509316.tif 000019
である。
【００９６】
６つの対のうちの１つを選択するためには、３つのフィードバックビットが必要である。フィードバックデータをさらにそれより減少させるために、４つの対の１つを選択するために２ビットを使用することができる。
【００９７】
次に、受信機は、送信および受信アンテナのすべての２ｘ２ずつの組み合わせについて検討する。その場合、２つの送信アンテナと２つの受信アンテナの６つの可能な組み合わせが存在する。６つの組み合わせの各々に対して、総合データレートが計算される。その総合データレートは、データストリーム１のデータレートと、データストリーム２のデータレートとを加算して得られた合計データレートである。総合データレートの等級付けをすることによって、最も高いデータレートをサポートするアンテナの組み合わせを選択することができる。
【００９８】
送信機２０の代替の実施形態において、アンテナアレイ信号プロセッサ５８は、アンテ
ナアレイで４つのアンテナを駆動する４つの出力を生成するＶ行列を使用してもよい。しかし、４−出力Ｖ行列に対するアンテナアレイの重みセットの選択を支援するのに必要なフィードバックデータ量は、容認できない割合のフィードバックデータに使用されるリンク容量を消費し始める。したがって、２−出力Ｖ行列を用いて、４つのアンテナの使用可能な組み合わせから選択される２つのアンテナを駆動する。選択された２つのアンテナは、送信機２０と受信機９８との間の最も高い総合データレートをサポートする。使用可能なアンテナ素子のより多くの組み合わせからアンテナ素子を選択する送信機において、アップリンクフィードバックデータを減少させることと、ダウンリンクの性能を減少させることとの間でトレードオフがなされていた。
【００９９】
本発明が、多入力・多出力無線周波数チャネルを使用して、送信機と受信機との間のデータレートの向上を可能にすることは上記の議論から当然認識される。開示したフィードバック方法は、ＭＩＭＯ送受信機を制御する現実的な解決案である。
【０１００】
ＭＩＭＯ無線周波数チャネルを使用する利点は、拡散コード、電力、および帯域幅のような付加的な通信資源を使用することなく、また高位の変調器を使用することなく、有効データ処理能力を２倍にする能力を備えている。すなわち、同一の変調器を有する同一の通信資源を使用しても、効果的にＭＩＭＯ無線周波数チャネルを制御することで処理能力を２倍にすることができる。チャネルのこの効果的な制御は、受信機において複数のデータストリームを互いに分離可能な方法によって複数のデータストリームを送信することを含む。このＭＩＭＯチャネルの制御は、送信機と受信機との間の複合チャネルを測定して得られたチャネルについての特定の知識を利用している。さらに、ＭＩＭＯチャネルを適切に制御することで、さらに複雑または高価な非線形の受信機よりもむしろ線形の受信機の使用を可能にしている。チャネル固有モードに沿った信号ベクトルｘを送信（すなわち、ｘよりむしろｚ＝Ｖｘの送信）することにより、非線型検出器を使用することなく、２つのストリームを完全に分離することができる。このように、ＭＩＭＯチャネルの適切な制御により、非線形の受信機は線形の受信機を凌ぐ本質的な長所を有さない。
【０１０１】
図９に量子化されたＭＩＭＯフィードバックを量子化されていない理想的なＭＩＭＯフィードバックと比較したシミュレーション結果を示す。量子化による劣化はほとんどない。
【０１０２】
図１０に上述したＭＩＭＯ送受信システムのシミュレーション結果を示す。このシミュレーションに使用されたコードブックは、表１に示されている。Ｖ行列は５つのフィードバックビットにより選択され、符号化、変調、および電力割り当ては４つのフィードバックビットにより選択されている。シミュレーション結果は、フィードバックの９ビットを有するＭＩＭＯシステムが理論的なＭＩＭＯシャノン限界から約４ｄＢ離れて動作することを示している。変調器、符号器、および電力割り当てのある組み合わせが稀に発生した場合、それらは、性能の小さな損失により取り除くことができ、それは必要なフィードバックビットをさらに減少させることに注意されたい。
【０１０３】
本発明の好ましい実施形態の前述の説明を実例と説明によって示した。本発明はすべてを網羅するように、または開示された正確な形態に制限することを意図しているものではない。明らかな変形または変様は上の教示の観点から可能である。実施形態は、本発明およびその実用化の原理について最も良好な実例を提供すると共に、通常の当業者に種々の実施形態において、また熟考された特定の使用法に適合するような種々の変形により、本発明を利用することを可能ならしめるために選択し説明した。すべてのこのような変形や変様は、それらが公平に、合法的に、正当に権利を与えられた範囲に従って解釈された場合に、添付の請求項で決定されるように本発明の範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】通信チャンネルの一部分が無線である通信チャンネルの上位概略図。
【図２】２つの入力、２つの出力からなるＭＩＭＯチャネルの上位ブロック図。
【図３】本発明による方法およびシステムを実現するために用いることができる多重ストリームかつ多重アンテナの送信機のブロック図。
【図４】アンテナアレイ信号プロセッサについてのさらに詳細なブロック図。
【図５】本発明による方法およびシステムによる、多重ストリームかつ多重アンテナの送受信システム用の受信機を示す図。
【図６】本発明による方法およびシステムによる、多重ストリームかつ多重アンテナの受信機におけるフィードバック方法を示す上位論理フローチャート。
【図７】本発明による方法およびシステムによる、多重ストリームかつ多重アンテナの送信機におけるフィードバック方法を示す上位論理フローチャート。
【図８】本発明による方法およびシステムによる、複合チャネルを推定し、アレイの重みセットを選択する処理を示すさらに詳細論理フローチャート。
【図９】本発明による方法およびシステムによる、量子化されたＭＩＭＯフィードバックを量子化されていない理想的なＭＩＭＯフィードバックと比較したシミュレーション結果を示す図。
【図１０】本発明による方法およびシステムによる、ＭＩＭＯ送受信システムのシミュレーション結果を示す図。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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