(57)【要約】【課題】大規模ＭＩＭＯシステムにて情報を送信するための方法及び装置を提供する。【解決手段】一実施形態において、装置は、複数のアンテナ素子と、ベースバンドプロセッサと、ベースバンドプロセッサに結合されている複数の無線周波数（ＲＦ）チェーンと、複数のＲＦチェーンに結合されている複数のスイッチであって、複数のスイッチ中のスイッチの位置は、瞬時チャネル状態情報によって決定される該複数のスイッチと、複数のスイッチと複数のアンテナ素子との間に結合されている無線周波数（ＲＦ）プリプロセッサであって、ＲＦプリプロセッサは前処理行列を信号に適用するためのものであり、前処理行列の要素は平均チャネル状態情報に応じて調整される該ＲＦプリプロセッサと、を備え、スイッチの位置及び前処理行列の要素は共に選択され、前処理行列は少なくとも１つのチャネル実現態様から得られる予測性能に関する基準に基づいて選択される。【選択図】図１
2015231241.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワイヤレス通信システムにおいて使用するためのワイヤレス装置であって、
複数のアンテナ素子と、
ベースバンドプロセッサと、
前記ベースバンドプロセッサに結合されている複数の無線周波数チェーンと、
前記複数の無線周波数チェーンに結合されている複数のスイッチであって、前記複数のスイッチ中のスイッチの位置が瞬時チャネル状態情報によって決定される、当該複数のスイッチと、
前記複数のスイッチと前記複数のアンテナ素子との間に結合されている無線周波数プリプロセッサであって、前記無線周波数プリプロセッサは前処理行列を信号に適用するためのものであり、前記前処理行列の要素が平均チャネル状態情報に応じて調整される、当該無線周波数プリプロセッサと、
を備え、
前記スイッチの前記位置及び前記前処理行列の要素が共に選択され、
前記前処理行列が、少なくとも１つのチャネル実現態様から得られる予測性能に関する基準に基づいて選択される、
ワイヤレス装置。
【請求項２】
前記予測性能に関する基準が予測伝送速度である、請求項１に記載のワイヤレス装置。
【請求項３】
前記無線周波数プリプロセッサが、
複数の移相器及び複数の可変利得増幅器から成る群から選択される少なくとも１つ、
を含む、請求項１に記載のワイヤレス装置。
【請求項４】
前記無線周波数プリプロセッサが、特定の前処理行列によって達成可能なスループットの第１の近似に基づいて前記前処理行列を適合させ、
前記第１の近似が、二次統計、及び、前記複数のアンテナ中のアンテナの複数の異なるサブアレイによって達成される前記スループット間の相互相関の近似を使用して行われる、請求項１に記載のワイヤレス装置。
【請求項５】
前記達成可能なスループットの分布が、所与のパラメータ化分布として近似される、請求項４に記載のワイヤレス装置。
【請求項６】
前記パラメータ化分布がガウス分布である、請求項５に記載のワイヤレス装置。
【請求項７】
前記パラメータ化分布が対数正規分布である、請求項５に記載のワイヤレス装置。
【請求項８】
無限数のアンテナ素子が利用可能であるかのようにガウス変数の前記相互相関を計算するためのコントローラ、
をさらに備える、請求項５に記載のワイヤレス装置。
【請求項９】
所与の前処理行列について達成可能なスループットは、一部において、
相関ガウス変数の集合の最大値の関数を決定することによって求められる、請求項５に記載のワイヤレス装置。
【請求項１０】
前記前処理行列の要素が、複数の異なる前処理行列の達成可能なスループット値の関数に基づく数値探索を通じて識別される、請求項４に記載のワイヤレス装置。
【請求項１１】
前記前処理行列が角度パワースペクトルを決定することによって初期化され、さらに、前記前処理行列は、前記角度パワースペクトルに関連するビームを形成するために使用される、請求項１０に記載のワイヤレス装置。
【請求項１２】
前記スイッチの位置及び前記前処理行列が、複数のユーザへの同時送信を可能にするように選択される、請求項１に記載のワイヤレス装置。
【請求項１３】
前記複数の無線周波数チェーンが複数の送信チェーンであり、
前記無線周波数プリプロセッサが、前記前処理行列を適用して前記複数のスイッチからの信号を処理し、処理済み信号を前記複数のアンテナ素子中のアンテナ素子に結合するためのものである、請求項１に記載のワイヤレス装置。
【請求項１４】
前記複数の無線周波数チェーンが複数の受信チェーンを含み、
前記無線周波数プリプロセッサが、前記前処理行列を適用して前記複数のアンテナ素子からの信号を処理するためのものであり、
前記スイッチのマトリックスが、前記無線周波数プリプロセッサの出力を前記複数の受信チェーンに接続するためのものである、請求項１に記載のワイヤレス装置。
【請求項１５】
ワイヤレス通信システムにおいて使用するためのワイヤレス装置であって、
複数のアンテナ素子と、
ベースバンドプロセッサと、
前記ベースバンドプロセッサに結合されている複数の無線周波数チェーンと、
前記複数の無線周波数チェーンに結合されている複数のスイッチであって、前記複数のスイッチ中のスイッチの位置が瞬時チャネル状態情報によって決定される、当該複数のスイッチと、
前記複数のスイッチと前記複数のアンテナ素子との間に結合されている無線周波数プリプロセッサであって、前記無線周波数プリプロセッサは前処理行列を信号に適用するためのものであり、前記前処理行列の要素が平均チャネル状態情報に応じて調整される、当該無線周波数プリプロセッサと、
を備え、
前記スイッチの前記位置及び前記前処理行列の要素が共に選択され、
前記スイッチの位置及び前記前処理行列が、複数のユーザに対する同時送信を可能にするように選択される、ワイヤレス装置。
【請求項１６】
送信機と受信機との間の特定の瞬時チャネル実現態様を学習する必要なしに、前記送信機を有する第１のデバイスと前記受信機を有する第２のデバイスとの間のチャネル相関行列を学習するための方法であって、
前記第２のデバイスからいくつかの送信セットを受信するステップであって、前記送信セット中の各送信が、前記第２のデバイスのＮ個のアンテナの各々によって別個に送信される訓練信号の送信であり、前記送信セットが、前記第２のデバイスのＮ個のアンテナの異なるセットによって実施され、セットの数は、前記第１のデバイスのアンテナの数と、前記第２のデバイスの前記Ｎ個のアンテナとの比に等しい、当該受信するステップと、
前記第２のデバイスからの送信セットの数に基づいて前記チャネル相関行列の推定値を生成するステップと、
を含む、方法。
【請求項１７】
各送信セットが、前記第２のデバイスの前記Ｎ個のアンテナから送信される遅延ダイバーシティ信号の送信を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記訓練信号を送信するよう前記第２のデバイスにシグナリングするステップ、
をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記訓練信号を送信するための許可を、前記第２のデバイスによって要求するステップ、
をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
各訓練信号が複数のＯＦＤＭ訓練サブキャリアを含み、前記複数のＯＦＤＭ訓練サブキャリアの各々の送信が、異なる遅延ダイバーシティをもたらす、請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
前記訓練信号がデータ搬送信号を含み、前記データ搬送信号が、別の信号に変調されているデータ搬送信号系列である、請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
前記第１のデバイスが基地局を含み、前記第２のデバイスが移動局を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２３】
データのワイヤレス送信を実施するための方法であって、
ワイヤレスデバイスのスイッチングマトリックスの送信スイッチの位置及び送信機の無線周波数プリプロセッサの前処理行列の要素をまとめて選択するステップ、
を含み、
前記スイッチングマトリックスが、複数の送信チェーンを、前記ワイヤレスデバイスの前記無線周波数プリプロセッサに結合し、
前記選択するステップが、
瞬時チャネル状態情報に基づいて前記送信スイッチの位置を決定するサブステップと、
平均チャネル状態情報に応じて前記前処理行列の要素を調整するサブステップと、
を含み、
前記前処理行列が、少なくとも１つのチャネル実現態様から得られる予測性能に関する基準に基づいて選択される、
方法。
【請求項２４】
前記予測性能に関する基準が予測伝送速度である、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
少なくとも１つの受信機が、単一のアンテナ素子を含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記少なくとも１つの受信機が、複数のアンテナ素子を含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記方法は、
特定の前処理行列によって達成可能なスループットの第１の近似に基づいて前記前処理行列を適合させるステップ、
をさらに含み、
前記第１の近似が、二次統計、及び、複数のアンテナ中のアンテナの複数の異なるサブアレイによって達成される前記スループット間の相互相関の近似を使用して行われる、請求項２３に記載の方法。
【請求項２８】
前記達成可能なスループットの分布が、所与のパラメータ化分布として近似される、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記パラメータ化分布がガウス分布である、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記パラメータ化分布が対数正規分布である、請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
前記方法は、
無限数のアンテナ素子が利用可能であるかのようにガウス変数の前記相互相関を計算するステップ、
をさらに含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３２】
所与の前処理行列について達成可能なスループットは、一部において、
相関ガウス変数の集合の最大値の関数を決定することによって求められる、請求項２８に記載の方法。
【請求項３３】
前記前処理行列の要素が、複数の異なる前処理行列の達成可能なスループット値の関数に基づく数値探索を通じて識別される、請求項２７に記載の方法。
【請求項３４】
前記方法は、
角度パワースペクトルを決定することによって前記前処理行列を初期化するステップと、
前記前処理行列を使用して、前記角度パワースペクトルに関連するビームを形成するステップと、
をさらに含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記スイッチの位置及び前記前処理行列が、複数のユーザへの同時送信を可能にするように選択される、請求項２３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0002]本発明の実施形態は、多入力多出力（ＭＩＭＯ）ワイヤレス通信システムの分野に関し、より詳細には、本発明の実施形態は、ＭＩＭＯワイヤレス通信システムにおけるアンテナの選択に関する。
【０００２】
［優先権］
[0001]本特許出願は、２０１４年６月６日に出願された「Ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ｕｓｅ  ｉｎ  Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｉｎ  ａ  Ｍａｓｓｉｖｅ  ＭＩＭＯ  Ｓｙｓｔｅｍ」と題する、対応する米国特許仮出願第６２／００８，９６９号に対する優先権を主張し、同仮出願を参照により組み込む。
【背景技術】
【０００３】
[0003]大規模多入力多出力（ＭＩＭＯ）は近年、業界において大いに関心を集める話題となっている。大規模ＭＩＭＯにおいて、基地局アンテナの数は、数十、又はさらには数百にまで達し得る。大規模ＭＩＭＯによって主に保証されることは、（ｉ）単純な共役ビーム形成によって準最適な性能がもたらされるため、マルチユーザ事例について信号処理が単純であること、及び、（ｉｉ）ビーム形成利得が高いことに起因してエネルギー消費が劇的に低減され、したがって、依然として高い信号対雑音比（ＳＮＲ）を維持しながら送信電力が低減する可能性があることである。しかしながら、これらの利点は、実際には、多くのアンテナ及び多くの関連する上方／下方変換チェーンがあることに関連してハードウェア複雑度が増大すること、並びに、まったくそのハードウェアに起因してエネルギー消費が増大することによって相殺される。
【０００４】
[0004]その利点のほとんどを維持しながらＭＩＭＯ複雑度を低減するための一般的な方法は、アンテナ選択であり、Ｎ個の利用可能なアンテナ信号のセットからとられるサイズＬのサブセットが選択され、スイッチを介してＬ（Ｌ＜Ｎ）個の無線周波数（ＲＦ）チェーンに接続される。送信の場合について、各ＲＦチェーンは、変調器と、デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）と、電力増幅器とを含み、各送信アンテナがＲＦチェーンを必要とし、同様の記述が、受信の場合にも為され得る。この方法は、完全に複雑なＭＩＭＯシステムと同じダイバーシティ次数をもたらすことが示されている。しかしながら、この方法は、同じ量のビーム形成利得をもたらさず、したがって、一般的にセルラシステムにおいて行われるときに、特に角分散の小さいチャネルにおいて性能が低減することを示している。この状況を改善するために、ＲＦ前処理行列による受信信号の前処理を実施することができ、この前処理は、基本的に、受信信号をアンテナ空間からビーム空間へと変換する。その後、スイッチが、アンテナ選択ではなく「ビーム選択」を実施する。この方法の第１の提案は、固定行列、すなわち（空間）ＦＦＴ行列を前処理に使用している。もう１つの提案は、各ＲＦチェーンが、適応的位相調整器を介してアンテナ要素の固定サブセットに接続される単純な構造も考慮する。本明細書において、ベースバンドにおける最適なプリコーディング及び位相調整器の最適値が論じられる。
【０００５】
[0005]一般的なプリプロセッサ構造について、他には、前処理が瞬時チャネル状態情報に基づいて適合することができ、このとき、たとえＲＦチェーンが少数であっても、最適に近い性能を維持することができることが示されている。しかしながら、そのような高速の適合は、ハードウェア再構成の必要な速度と、（送信の場合）必要とされる速度及び必要とされるフィードバックのオーバヘッドとの両方に起因して、必ずしも容易ではなく、望ましくない。他には、前処理行列が平均ＣＳＩのみに基づいて適合されている事例が研究されており、平均ＣＳＩは、はるかに遅いタイムスケールで変化し、通常、送信機及び受信機において分かっている（ＦＤＤシステムについて、平均ＣＳＩは基本的に同一であるが、アップリンク及びダウンリンクにおける瞬時ＣＳＩは通常、無相関であることに留意されたい）。しかしながら、前処理行列のエントリの決定においては、以下の２つの主要な欠点が問題になり得る。（ｉ）この決定は近似に基づき、そのため、計算されたパラメータを使用する結果として、著しい性能損失がもたらされる場合がある。（ｉｉ）マルチユーザ事例に対して入力は容易に一般化されない。
【０００６】
[0006]相関するチャネルにおけるアンテナ選択のパフォーマンスが、シンボルエラーの確率に関して分析されている。単一アンテナの選択に関する開示が為されており、選択が瞬時チャネル特性ではなく、平均チャネル特性に基づくシステムが開示されている。相関がレイリーフェージング成分の小さい角分散ではなく、ライス成分に由来するチャネルにおけるアンテナ選択の開示も為されている。
【発明の概要】
【０００７】
[0007]大規模ＭＩＭＯシステムにおいて情報を送信するための方法及び装置が本明細書において開示される。一実施形態において、装置は、複数のアンテナ素子と、ベースバンドプロセッサと、ベースバンドプロセッサに結合されている複数の無線周波数（ＲＦ）チェーンと、複数のＲＦチェーンに結合されている複数のスイッチであって、複数のスイッチ中のスイッチの位置は、瞬時チャネル状態情報によって決定される、複数のスイッチと、複数のスイッチと複数のアンテナ素子との間に結合されている無線周波数（ＲＦ）プリプロセッサであって、ＲＦプリプロセッサは前処理行列を信号に適用するためのものであり、前処理行列の要素は平均チャネル状態情報に応じて調整される、ＲＦプリプロセッサとを備え、スイッチの位置及び前処理行列の要素は共に選択され、前処理行列は少なくとも１つのチャネル実現態様から得られる予測性能に関する基準に基づいて選択される。
【０００８】
[0008]以下に与えられる詳細な説明から、及び、本発明の様々な実施形態の添付の図面から本発明はより十分に理解されよう。しかしながら、これらは本発明を特定の実施形態に限定するものととられるべきではなく、説明及び理解のためのものに過ぎない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】基地局における複雑度が低減したベースバンド処理の一実施形態のブロック図である。
【図２】外部下位問題を解決するための方法の一実施形態の高水準の流れ図である。
【図３】内部下位問題を解決するための方法の一実施形態を示す流れ図である。
【図４】本発明において開示されている方法によるサンプルチャネルサウンディングプロトコルを示すタイミング図である。ＢＳがイニシエータ（ｉｎｉｔｉａｔｏｒ）である。
【図５】送信機を有する第１のデバイス（たとえば、基地局）と受信機を有する第２のデバイス（たとえば、移動局）との間のチャネル相関行列を学習するための工程の一実施形態の流れ図である。
【図６】データのワイヤレス送信を実施するための工程の一実施形態の流れ図である。
【図７】移動局における複雑度が低減したベースバンド処理の一実施形態のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
[0009]本発明の実施形態は、特に大規模ＭＩＭＯ通信システムを含む、ＭＩＭＯワイヤレス通信システムの性能を改善するための技法を含む。ワイヤレス通信システムは、基地局（又はアクセスポイント）とユーザ端末とを含む。一実施形態において、基地局とユーザ端末の両方は、それらの送信機及び受信機の一部として、スイッチを使用して無線周波数（ＲＦ）プリプロセッサのＲＦ前処理行列に結合され得るＲＦチェーンを含む。本明細書に記載されている技法は、ＭＩＭＯシステム（たとえば、大規模ＭＩＭＯシステム）のＲＦ前処理行列のエントリを決定すること及び適合させること、並びに、送信の一部として前処理行列に入力されるべき、ＲＦチェーンからの信号を選択するために、及び、前処理行列から受信の一部としてＲＦチェーンに入力されるべき信号を選択するために使用されるスイッチ位置（たとえば、最適である可能性があるスイッチ位置）を決定することを含む。
【００１１】
[0010]本発明の実施形態は、必要なハードウェア、及び、動作中のエネルギー消費を低減することによって、ＭＩＭＯ（特に大規模ＭＩＭＯ）の複雑度を低下させることを可能にする。ＭＩＭＯの複雑度を低下させることは、翻って送信と受信の両方に多数のＲＦチェーンが必要とされることになることに関係する、大規模ＭＩＭＯシステムに対する多大なハードウェアに関する試行の問題を解決する。
【００１２】
[0011]一実施形態において、本技法は、所与の前処理行列について、達成可能な容量を効率的に決定すること（スイッチ位置のセットにわたって最適化すること）、及び、その後、この知識を計算数値最適化手順（計算方法）の「内核」として使用することを含む。最適な手順の様々な特別の初期化も開示される。最適化手順は、前処理行列の特別の決定又は近似のいずれかに基づく、本発明者らに現在既知である方法よりも良好な性能をもたらす。
【００１３】
[0012]加えて、送信資源を効率的に使用することによって前処理行列及び関連するスイッチ位置を決定及び適合することを可能にするシグナリング実施形態が開示される。さらに、一実施形態において、このシグナリング実施形態は、この計算方法を可能にするための、資源効率的なサウンディングの選択肢を提供する。
【００１４】
[0013]以下の詳細な説明において、本発明のより完全な説明を提供するために、多数の詳細が記載される。しかしながら、本発明はこれらの具体的な詳細なしに実施されることができることは当業者には明らかであろう。他の事例において、本発明が不明瞭になるのを避けるために、既知の構造及びデバイスが、詳細にではなくブロック図形式で示されている。
【００１５】
[0014]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対する動作のアルゴリズム及び記号的表現に関連して提示されている。これらのアルゴリズム記述及び表現は、データ処理分野の当業者が、自身の研究の内容を他の当業者に最も効率的に伝達するのに使用する手段である。アルゴリズムは本明細書において、また一般的に、所望の結果をもたらす首尾一貫した一連のステップであると考えられる。ステップは、物理量の物理的操作を必要とするものである。通常、必須ではないが、これらの物理量は、記憶、転送、組み合わせ、比較、及び他の様態で操作されることが可能な電気又は磁気信号の形態をとる。時として、主に一般的な使用状況の理由から、これらの信号をビット、値、要素、記号、文字、用語、数などとして参照することが簡便であることが分かっている。
【００１６】
[0015]しかしながら、これらの及び類似の用語のすべてが適切な物理量に関連付けられるべきであり、これらの物理量に適用される簡便な標識に過ぎないことが留意されるべきである。以下の説明から明らかなように別途特記されない限り、本明細書全体を通じて、「処理（ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）」又は「計算（ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ）」又は「算出（ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ）」又は「決定（ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ）」又は「表示（ｄｉｓｐｌａｙｉｎｇ）」などのような用語を利用した説明は、コンピュータシステムのレジスタ及びメモリ内の物理（電子）量として表されるデータを操作及び変換して、コンピュータシステムメモリ若しくはレジスタ又は他のそのような情報記憶、送信若しくは表示デバイス内の物理量として同様に表わされる他のデータにするコンピュータシステム、又は類似の電子計算デバイスの動作及び工程を指すことが諒解される。
【００１７】
[0016]本発明は、本明細書における動作を実行するための装置にも関する。本装置は、必要とされる目的に特別に構築されてもよく、又は、コンピュータに記憶されているコンピュータプログラムによって選択的に起動又は再構成される汎用コンピュータを含んでもよい。そのようなコンピュータプログラムは、限定ではないが、フレキシブルディスク、光ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、及び光磁気ディスクを含む任意のタイプのディスク、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、磁気若しくは光カード、又は、電子命令を記憶するのに適しており、各々がコンピュータシステムバスに結合される任意のタイプの媒体のような、コンピュータ可読記憶媒体に記憶されてもよい。
【００１８】
[0017]本明細書に提示されているアルゴリズム及び表示は、本質的に任意の特定のコンピュータ又は他の装置に関係するものではない。様々な汎用システムが、本明細書における教示によるプログラムによって使用されてもよく、又は、必要とされる方法ステップを実行するのにより特化された装置を構築することが簡便であることが分かる場合がある。様々なこれらの汎用システムに必要とされる構造は、下記の説明から明らかになる。加えて、本発明は、いかなる特定のプログラミング言語を参照しても説明されない。本明細書に記載されているような本発明の教示を実施するのに様々なプログラミング言語が使用されてもよいことが諒解されよう。
【００１９】
[0018]機械可読媒体は、情報を機械（たとえば、コンピュータ）によって読み取り可能な形態で記憶又は送信するための任意の機構を含む。たとえば、機械可読媒体は、読み出し専用メモリ（「ＲＯＭ」）、ランダムアクセスメモリ（「ＲＡＭ」）、磁気ディスク記憶媒体、光学記憶媒体、フラッシュメモリデバイスなどを含む。
【００２０】
概説
[0019]以下の説明は、ダウンリンク方向の送信の単一ユーザ事例の一般的な解決戦略を提供する。しかしながら、開示されている技法は、チャネル特性の二重性に起因してアップリンク方向の単一ユーザ送信を可能にするように適切に修正して適用することもできる。しかしながら、この等価性を有効にするために、チャネル状態情報の同じ知識が利用可能でなければならないことに留意されたい。また、しかしながら、本明細書に開示されている方法は、マルチユーザ送信及び受信にも同様に適用可能であることに留意されたい。
【００２１】
[0020]図１は、ワイヤレスデバイスの一実施形態のブロック図である。一実施形態において、ワイヤレスデバイスは基地局を含む。別の実施形態において、ワイヤレスデバイスはユーザ機器（ＵＥ）、又は移動局を含む。図１を参照すると、ベースバンド処理ブロック１０１が、送信のための最大Ｌ個のデータストリームを生成する。ＲＦチェーン１０２１〜Ｌは、ベースバンド処理ブロック１０１からデータストリームを受信し、データストリームをＲＦ信号に変調する。一実施形態において、ＲＦチェーン１０２１〜Ｌの各々は、変調器と、デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）と、電力増幅器とを含む。スイッチ１０３は、ＲＦチェーン１０２１〜Ｌによって出力されるＲＦ信号を、アンテナ１０５１〜ＮのアンテナフィードにルーティングするＬ×Ｎスイッチである。プリプロセッサ１０４は、前処理行列又は変換行列を、スイッチ１０３によるフィード出力に適用する。プリプロセッサ１０４からの信号出力は、アンテナ１０５１〜Ｎによって送信される。
【００２２】
[0021]図１のワイヤレスデバイスは、瞬時チャネル状態情報１２１及び平均チャネル状態情報１２２に基づいて、スイッチ位置１３１及び前処理行列の要素の設定を選択するコントローラ１１０を含む。一実施形態において、ワイヤレスデバイスは、前処理行列を適合させるために、プリプロセッサ適合手順を使用する。一実施形態において、適合手順は、内側／外側組み合わせ最適化演算のセットを含む。まず、第１の演算において、手順は、任意の固定変換（前処理）行列及び送信機と受信機との間のチャネルの所与の相関行列について、ワイヤレスデバイスの容量を増大し、場合によっては最大化する、スイッチ１０３の選択スイッチの位置を決定する。本明細書においては、これを「内側」最適化演算と称する。内側最適化演算が実施されると、ワイヤレスデバイスは外側最適化演算を実施し、外側最適化演算の間に、手順は、場合によっては所与の制約内で、「内側」最適化演算によってもたらされる容量値を、増大し、場合によっては最大化する変換（前処理）行列を選択する。たとえば、１つの制約は、たとえば、可変利得増幅器がプリプロセッサ行列内で使用されるべきでないときに、プリプロセッサ行列の要素が、振幅は変化しないが、異なる位相シフトを導入し得ることである。
【００２３】
[0022]したがって、最適化手順を計算するために、所与の前処理行列について、「瞬時最大容量」の期待値が計算され、その後、外側ループ最適化において、前処理行列１０４が選択される。この前処理行列１０４の計算は、各ＣＳＩインスタントの実際のスイッチ位置を計算するのではなく、数学的近似法を使用して容量の期待値を発見する。これは、前処理行列１０４が入力としてのものであり、各瞬時チャネル実現態様について、最適なスイッチ位置が使用される実際の演算とは対照的であることに留意されたい。
【００２４】
[0023]これら２つの演算を実施するための実施形態を下記に説明する。
【００２５】
所与の前処理（変換）行列の選択スイッチ及び予測容量を決定するための実施形態
[0024]一実施形態において、内側最適化演算を実施するための方法は、所与の前処理（変換）行列について、また、送信機と受信機との間のチャネルの所与のチャネル相関行列について、選択スイッチの最適な位置及び関連する容量の値を求める下位問題に対する解答をもたらす。すなわち、伝播チャネルの異なる実現態様には異なるスイッチ位置が得られる。
【００２６】
[0025]一実施形態において、選択スイッチの位置及び関連する容量の値を決定するために、ワイヤレスデバイスは、以下の３つの演算を実施する。第１に、一実施形態において、特定のスイッチ設定（すなわち、その前処理行列の入力がＲＦチェーンに接続されている）について、容量分布（チャネルの小スケールのフェージング実現態様の集合にわたってとられる）が、ガウス関数として近似され得る。一実施形態において、固有値は同時ガウス確率変数であると仮定される。別の実施形態において、固有値は同時対数正規分布であると仮定される。第２に、その後、すべてのスイッチ位置に対応するガウス間の相互相関が計算される。その後、相関するガウス変数の集合からの最大値が識別され、最大値と関連付けられるスイッチ位置が使用のために選択される。一実施形態において、相関するガウス変数の集合の最大値の発見は、たとえば、ＭａｘＧａｕｓｓと呼ばれる既知のアルゴリズムを使用して得られるが、多数の他の方法も同様に使用されてもよい。
【００２７】
[0026]内部下位問題を解決するための開示されている方法のサンプル流れ図を図３に示す。工程は、ハードウェア（回路、専用論理など）、ソフトウェア（汎用コンピュータシステム又は専用機械上で実行されるものなど）、ファームウェア、又はこれらの３つの組み合わせを含んでもよい処理論理によって実行される。図３を参照すると処理論理は最初に、スイッチ位置を１に設定する（処理ブロック３０１）。スイッチの選択は「仮想的」にのみ行われる（すなわち、送信機のスイッチの実際の設定はなく、特定のスイッチ位置のみが結果もたらされる容量分布を計算する目的で仮定される）ことに留意されたい。
【００２８】
[0027]スイッチ位置を設定した後、処理論理は、スイッチ位置におけるガウスの平均及び分散を計算し、以前にチェックされたスイッチ位置においてガウスとの相互相関を計算する（処理ブロック３０２）。
【００２９】
[0028]その後、処理論理は、スイッチ位置がスイッチ位置の最大数に等しいか否かを調べる（処理ブロック３０３）。そうでない場合、処理論理は処理ブロック３０５に遷移し、スイッチ位置が１だけ増分され、その後、工程は処理ブロック３０２に戻って遷移して、近似容量並びにガウスの平均及び分散の計算がすべてのスイッチ位置について算出されるまで工程が反復される。
【００３０】
[0029]スイッチ位置がスイッチ位置の最大数に等しい場合、処理は処理ブロック３０４に遷移し、処理論理は、相関ガウス変数の最大値の期待値を計算し、工程は終了する。
【００３１】
[0030]したがって、上記のように、処理ブロック３０１〜３０２の動作は共に行われ、すなわち、各スイッチ位置について、平均、分散、及び相互相関が求められる。代替的な実施形態において、さらなる「ループ」が行われ、（外側ループが上述したものと同じままであると仮定して）「中間ループ」において、工程は、異なる瞬時チャネル実現態様（ただし、同じ平均ＣＳＩ及び同じ前処理行列が使用される）を通じて進み、各スイッチ位置について（確率変数の一実現態様である）容量に関する判定が為され、最大値がとられる。そして、十分な数のそのような実現態様が得られた後、最大値の期待値がとられ、使用される。
【００３２】
容量を最大化する変換（前処理）行列を決定するための方法
[0031]相関ガウスの集合から最大値が識別された後、容量を増大し、場合によっては最大化する前処理（変換）行列が決定される。これが外側最適化演算である。これらの方法の実施形態は、所与のアルゴリズムの複雑度及び他の実際的な制約の中で、前処理行列のすべての可能性のある値にわたって容量を最大化することを目標とする。言い換えれば、最適な前処理行列は、数値的に非常に要求の厳しい方法によって決定され得、真の最適値を求めるには、膨大な時間が必要になり得る。本明細書に記載されている技法は近似であり、必要とされる計算量は少ない。
【００３３】
[0032]上述した内側最適化演算の結果は、閉形式表現ではない。一般的に、外側最適化が凸問題であるか否かを判定することは不可能である。一実施形態において、「力まかせ」最適化方法のみが使用可能である。それでも、内側最適化演算が可能な限り効率的に行われることは有益であり、これは、内側最適化演算が問題解決全体の「内側ループ」を構成し、したがって多数回要求されるためである。
【００３４】
[0033]外側ループ反復（初期化段階とともに）の高水準記述を図２に示す。図２を参照すると、前処理行列を選択するための工程は、前処理行列を初期化することを含む（処理ブロック２０１）。一実施形態において、この初期化は、角度パワースペクトルを決定することによって実施される。特に、一実施形態において、デバイスは、伝播チャネルのパワー角度スペクトルを決定し、パワー角度スペクトルが有意な値をとる方向にビームを形成するように、前処理行列の要素を選択する。その後、処理論理は、前処理行列を調整する（処理ブロック２０２）。一実施形態において、前処理行列を調整することは、前処理行列の重みを調整することを含む。前処理行列を調整する工程の一部として、処理論理は、所与の、又は特定の前処理行列の予測容量を計算する（処理ブロック２０２Ａ）。重みの調整は、その予測容量が計算されている特定の前処理行列よりも高い予測容量をもたらした異なる前処理行列を単純に選択することによって実施されてもよい。数値最適化方法の１つは、勾配降下法である。前処理行列の要素の値に対して、予測容量の導関数が数値的にとられる。一実施形態において、要素の値が勾配の方向において、すなわち、要素の変更による容量増大が最大化されるように、（特定の刻み幅で）調整される。この方法の初期化は、また下記にもより詳細に説明するように、重要である。
【００３５】
[0034]この技法の重要な技術的詳細を、マルチアンテナユーザ及び基地局（ＢＳ）を有するセルラシステムのダウンリンクの文脈において、下記に説明する。
【００３６】
開示される方法の追加の技術的詳細
[0035]ダウンリンクにおけるＭＩＭＯセルラシステムを考察する。受信機（移動局）はＭ個の送信アンテナ素子を有する。ワイヤレスデバイス（たとえば、基地局）の送信機は図１に示すようなものであり、Ｎ個の受信アンテナ素子１０５１〜Ｎと、Ｌ個のＲＦチェーン１０２１〜Ｌとを有する。送信機には、アンテナ素子の前に、任意の複素数であるか、又は特定の制約を受け得るかのいずれかである重みを表すエントリを有するＮ×Ｎ前処理行列１０４がある。たとえば、重みがｃｐｑｅｘｐ（ｊφｐｑ）の形態で書かれている場合、ｃｐｑは、｛０，１｝に属するように制約され得、及び／又は、φｐｑは、任意の位相であり得るか、若しくは離散集合に属するように制約され得るかのいずれかである。これらの例は、特定のハードウェア実施態様に対応しているために言及されているが、本発明は、これらの特定の例には限定されない。前処理行列１０４の前には、Ｌ×Ｎスイッチ１０３があり、このスイッチの出力は、Ｌ個の利用可能なＲＦチェーン１０２１〜Ｌに接続されている。
【００３７】
[0036]一実施形態において、前処理行列のエントリは平均チャネル状態情報（ＣＳＩ）に基づいて更新され、一方で、スイッチ位置は瞬時ＣＳＩに基づいて決定され得る。それゆえ、この更新には、瞬時ＣＳＩが送信機において利用可能であることが必要であり、ＣＳＩは、受信機から、適切な相反性に基づく（ＴＤＤの場合）又はフィードバックに基づく（ＦＤＤの場合）方式で提供されなければならない。アップリンクの事例について、基地局（ＢＳ）における瞬時ＣＳＩはより容易に得ることができる。一実施形態において、送信機と受信機との間の伝播チャネルは平坦フェージングであり、クロネッカーモデルに従い、それによって
【数１】
2015231241.tif 000003
となり、式中、Ｇは互いに独立で同一の分布に従う（ｉｉｄ）複素ガウスエントリを有する行列であり、Ｒｔ及びＲｒは送信機及び受信機における相関行列であると仮定される。
【００３８】
[0037]所与の前処理行列及び対応するビーム選択を有するシステムの容量は以下のように書くことができる。
【数２】
2015231241.tif 000004
式中、ρは信号対雑音比（ＳＮＲ）を示し、上付き文字Ｈはエルミート（転置及び共役）演算を示し、Ｔは前処理行列であり、Ｓは選択スイッチを表す行列であり、Ｐは電力配分行列である。表記を容易にするために、Ｑ＝ＴＳＰＳＨＴＨと表現する。一実施形態において、電力配分行列は、注水定理の形式が使用されない場合、恒等行列である。別の実施形態においては、注水定理が使用され、また別の実施形態においては、水銀注水定理（Ｖｅｒｄｕ他の論文引用）が使用される。さらに、チャネル実現態様にわたる式（１）におけるこの容量の分布は、非ゼロ平均実ガウス分布によって良好に近似することができる。たとえば、Ｓｍｉｔｈ他「Ａｎ  Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅ  Ｃａｐａｃｉｔｙ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ｆｏｒ  ＭＩＭＯ  Ｓｙｓｔｅｍｓ」（ＩＥＥＥ  ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ  ＯＮ  ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ，  ＶＯＬ．  ５２，  ＮＯ．  ６，  ＪＵＮＥ  ２００４  ８８７）を参照されたい。このガウスの実現態様は、複数の異なるスイッチ位置、すなわち、アンテナ素子の複数の異なる組み合わせについて相関される。考慮されている異なるセットに共通のアンテナ素子がある場合、相関のソースは明白である。考慮されているアンテナ素子のセットが互いに分離している場合、相関は、アンテナ信号の「従来の」空間相関と同様である。これは、ＢＳにおけるアンテナの数が多くなる大規模ＭＩＭＯの事例に特に当てはまる。
【００３９】
[0038]行列
【数３】
2015231241.tif 000005
の固有値の、その平均を中心とした分布は、当該技術分野において既知であるように導出される。たとえば、Ｍａｒｔｉｎ他「Ａｓｙｍｐｔｏｔｉｃ  ｅｉｇｅｎｖａｌｕｅ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ  ａｎｄ  ｃａｐａｃｉｔｙ  ｆｏｒ  ＭＩＭＯ  ｃｈａｎｎｅｌｓ  ｕｎｄｅｒ  ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ  ｆａｄｉｎｇ」（ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，  ｖｏｌ．  ３，  ｎｏ．  ４，  ｐｐ．  １３５０−１３５９，  Ｊｕｌｙ  ２００４）を参照されたい。Ｍａｒｔｉｎ他は、各固有値の偏差は他の固有値の偏差とは無関係であることを示している。特に、λ及び
【数４】
2015231241.tif 000006
がそれぞれ固有値の（確率）ベクトル及びその平均値を示すとき、
【数５】
2015231241.tif 000007
の極限分布は、そのｉｊ番目のエントリが以下のようになる相関行列によるゼロ平均正規分布である。
【数６】
2015231241.tif 000008
式中、
【数７】
2015231241.tif 000009
は、Ｒｒのｉ番目に順序付けされた固有値である。この分布は、これらの形態、すなわち、受信機の同じ相関行列のｉ番目の形態及びｊ番目の形態の自己相関を特性化することに留意されたい。
【００４０】
[0039]開示されている方法は、形態、すなわち、ｐ番目のアンテナセットのｉ番目の形態とｑ番目のアンテナセットのｊ番目の形態との間の相互相関を導入することによって、この概念を変化させる。特に、この変化は以下のように与えられることが示され得る。
【数８】
2015231241.tif 000010
式中、
【数９】
2015231241.tif 000011
はＲｒの固有ベクトルであり、
【数１０】
2015231241.tif 000012
は
【数１１】
2015231241.tif 000013
の固有値である。
これらの式はさらに単純化することができ、形態の平均及び相互相関は以下のように表現することができる。
【数１２】
2015231241.tif 000014
式中、Ｓｐ及びＳｑは、ｐ番目のアンテナセット及びｑ番目のアンテナセットに対応する選択行列を表し、
【数１３】
2015231241.tif 000015
はＲｒのｉ番目に順序付けされた固有値である。ｐ番目のアンテナセットについて、容量は以下のように表現することができる。
【数１４】
2015231241.tif 000016
Ｎ，Ｋ→∞の極限において、また有限なＭについて、
【数１５】
2015231241.tif 000017
の分散は減少する。それゆえ、クラメルの定理を適用することによって、容量Ｃｐはガウス分布に収束することが示され得る。これは、直上で与えた式に一次テーラー展開を適用することによって単純な方法になる。
【００４１】
[0040]固有値の相関行列から、クラメルの定理を適用することによって容量の相関を単純な方法で導出することができる。一実施形態において、（複数の異なる形態にわたる）容量の平均及び相関を、一次テーラー展開を使用して固有値の相関から導出することができる。クラメルの定理から、極限Ｎ，Ｋ→∞において、これらの結果は正確である。別の実施形態において、以下のように、二次テーラー展開を使用して平均が求められてもよく、一次テーラー展開から相関が求められてもよい。
【数１６】
2015231241.tif 000018
より多くの情報については、Ｍａｒｔｉｎ他「Ａｓｙｍｐｔｏｔｉｃ  ｅｉｇｅｎｖａｌｕｅ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ  ａｎｄ  ｃａｐａｃｉｔｙ  ｆｏｒ  ＭＩＭＯ  ｃｈａｎｎｅｌｓ  ｕｎｄｅｒ  ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ  ｆａｄｉｎｇ」（ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，  ｖｏｌ．  ３，  ｎｏ．  ４，  ｐｐ．  １３５０−１３５９，  Ｊｕｌｙ  ２００４）を参照されたい。
【００４２】
[0041]上記の手法を用いて、様々なスイッチ選択位置の容量は、既知の共分散行列による相関ガウス変数の集合によって表現することができる。そのような集合の最大値は、Ｒｏｓｓ，  Ａ．  Ｍ．「Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ  ｂｏｕｎｄｓ  ｏｎ  ｔｈｅ  ｅｘｐｅｃｔｅｄ  ｍａｘｉｍｕｍ  ｏｆ  ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ  ｎｏｒｍａｌ  ｖａｒｉａｂｌｅｓ」（Ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ  ｉｎ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ，  ｖｏｌ．  １２，  ｎｏ．  １，  ｐｐ．  １１１−１３８，  ２０１０）に記載されているような既知の「ｍａｘｇａｕｓｓ」アルゴリズムによって評価することができる。これらのアルゴリズムは当該技術分野において既知であり、本明細書においては、問題の最後の演算を解決し、それによって、「内側ループ」を完結する、すなわち、所与のチャネル相関行列の性能（及び関連するスイッチ位置）を計算するためにのみ使用／適用される。
【００４３】
[0042]外側ループの反復について、上述のように内側最適化ループを使用して所与の前処理行列Ｔの平均容量Ｃ（Ｔ）を計算することができる。このとき、外側ループの反復は、Ｔの最適な選択を発見することを目標とする。一実施形態において、Ｔの最適な選択は、勾配上昇を使用して計算する。一実施形態において、行列Ｔの各成分に関するＣ（Ｔ）の勾配は、以下のように数値的に計算される。
【数１７】
2015231241.tif 000019
【００４４】
[0043]その後、その結果が実現可能な上昇の方向を発見するのに使用される。一実施形態において、最適な更新刻み幅はプレフィックス（ｐｒｅｆｉｘ）されている。別の実施形態において、最適な更新刻み幅はラインサーチアルゴリズムを使用して計算される。一実施形態において、Ｔの探索空間は無制限である。別の実施形態において、Ｔの要素は、単位振幅及び任意の位相シフトを有するように制限される。使用されるＲＦハードウェアの種類に対する制約に応じて、他の実施形態が可能である。一実施形態において、アルゴリズムは、局所的に最適なプリプロセッサＴに収束することを保証する。良好な性能を保証するために、Ｔの良好な初期選択が、アルゴリズム初期化（後述）において論じられるように使用される。
【００４５】
[0044]図６は、データのワイヤレス送信を実施するための工程の一実施形態の流れ図である。工程は、ハードウェア（回路、専用論理など）、ソフトウェア（汎用コンピュータシステム又は専用機械上で実行されるものなど）、又はその両方の組み合わせを含んでもよい処理論理によって実行される。一実施形態において、工程は基地局によって実行される。
【００４６】
[0045]図６を参照すると、工程は、ＲＦ前処理行列を初期化することによって開始する（処理ブロック６０１）。一実施形態において、ＲＦ前処理行列は、角度パワースペクトル（ＡＰＳ）を決定することによって初期化され、ＡＰＳが相当の振幅を有する方向においてビームが形成されるように、相関行列のエントリが選択される。
【００４７】
[0046]次に、処理論理は、ワイヤレスデバイスのスイッチングマトリックスの送信スイッチの位置及び送信機（たとえば、基地局の送信機）のＲＦプリプロセッサの前処理行列の要素をまとめて選択し、スイッチングマトリックスは、送信機の複数の送信チェーンを、ワイヤレスデバイスのＲＦプリプロセッサに結合する（処理ブロック６０２）。一実施形態において、この処理ブロックは、瞬時チャネル状態情報に基づいて送信スイッチの位置を決定すること、及び、平均チャネル状態情報に応じて前処理行列の要素を調整することを含む。
【００４８】
[0047]一実施形態において、スイッチの位置及び前処理行列の要素は、少なくとも１つの受信機によって所望の品質レベルで復号することができる予測伝送速度を増大させるようにまとめて選択される。一実施形態において、その受信機は、単一のアンテナ素子を含む。一実施形態において、その受信機は、複数のアンテナ素子を含む。
【００４９】
[0048]一実施形態において、前処理行列の要素（たとえば、重み）を調整することは、特定の前処理行列によって達成可能なスループットの第１の近似に基づいて前処理行列を適合させることを含み、第１の近似は、二次統計、及び、複数のアンテナ中のアンテナの複数の異なるサブアレイによって達成されるスループット間の相互相関の近似を使用して行われる。一実施形態において、固有値の二次統計は、ガウス近似を含む。別の実施形態において、二次統計は、対数正規近似を含む。一実施形態において、前処理行列の要素は、複数の異なる前処理行列の予測スループットを評価する数値探索を通じて識別される。
【００５０】
[0049]一実施形態において、ワイヤレスデバイスのスイッチングマトリックスの送信スイッチの位置及び送信機のＲＦプリプロセッサの前処理行列の要素をまとめて選択することは、無限数のアンテナ素子が利用可能であるかのようにガウス変数の相互相関を計算することを含む。一実施形態において、一部には相関ガウス変数の集合の最大値を決定することによって、所与の前処理行列について達成可能な容量が計算される。
【００５１】
[0050]一実施形態において、スイッチ位置及び前処理行列は、複数のユーザへの同時送信を可能にするように選択される。
【００５２】
[0051]その後、処理論理は、前処理行列を使用して受信機に信号を送信するためのビームを形成することを含め、まとめて選択された、ＲＦ前処理行列及びスイッチングマトリックスのスイッチ位置を使用して送信を実施する（処理ブロック６０３）。
【００５３】
アルゴリズム初期化
[0052]一実施形態において、本明細書において開示される内側／外側ループ方法の一体部分が、アルゴリズム初期化、特にビーム形成器（図１参照）の初期化選択である。各々が初期化の異なる特別の選択肢に対応する、いくつかの実施形態が存在する。
（ｉ）一実施形態において、Ｓｕｄａｒｓｈａｎ他「Ｃｈａｎｎｅｌ  Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ−Ｂａｓｅｄ  ＲＦ  Ｐｒｅ−Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｗｉｔｈ  Ａｎｔｅｎｎａ  Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ」（ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，  ｖｏｌ．  ５，  ｎｏ．  １２，  ｐｐ．  ３５０１−３５１１，  Ｄｅｃｅｍｂｅｒ  ２００６）のＩＶ．Ｂ節のビーム形成器設定が開始点として使用される。
（ｉｉ）一実施形態において、既知の幾何学的構造を有するアンテナアレイを使用するとき、最初に、たとえば、Ｂａｒｔｌｅｔｔ若しくはＣａｐｏｎのビーム形成器、ＭＵＳＩＣ、ＳＡＧＥ、又は当該技術分野において既知である他の高分解能アルゴリズムを通じて方向性解析が実施される。この分析はその後、プリプロセッサによって、主マルチパス成分の方向においてビームを形成するのに利用することができる。これは、たとえば、平均信号強度による最大比送信によって達成することができる。
【００５４】
[0053]ＲＦ前処理行列及びスイッチングマトリックスのスイッチ位置をまとめて選択することに関する、本明細書に記載されている技法は、受信機にも同様に適用可能であることに留意されたい。図７は、移動局における複雑度が低減したベースバンド処理の一実施形態のブロック図である。図７を参照すると、受信機（たとえば、移動局）は、複数のアンテナ素子７０１と、前処理行列７０２を有するＲＦプリプロセッサと、スイッチングマトリックスを有するＮ×Ｌスイッチ７０３と、複数のＲＦ受信チェーン７０４（たとえば、復調器）と、ベースバンドプロセッサ７０５とを備える。ＲＦプリプロセッサ７０２はアンテナ素子７０１の出力に結合されており、前処理行列を適用してアンテナ素子７０１からの信号を前処理する。前処理行列の要素（たとえば、重み）が、平均チャネル状態情報に応じて選択される（又は、以前に選択若しくは初期化された要素から調整される）。Ｎ×Ｌスイッチマトリックス７０３は、ＲＦプリプロセッサ７０２の出力を受信チェーン７０４に接続する複数のスイッチを有し、スイッチ７０３中のスイッチの位置は、瞬時チャネル状態情報によって決定され、スイッチの位置及び前処理行列の要素はまとめて選択される。ベースバンドプロセッサ７０５は複数の受信チェーン７０４に結合されており、ベースバンド処理を実施する。
【００５５】
マルチユーザの事例
[0054]上述の技法は、マルチユーザＭＩＭＯの事例にも適用することができる。すべての移動局が同じ相関行列を有する事例を考察する。このときアップリンクにおいて、ＢＳアンテナ素子にある受信信号全体を以下のように書くことができる。
【数１８】
2015231241.tif 000020
ここで、単一ユーザの事例のように、「有効な」チャネル行列は
【数１９】
2015231241.tif 000021
である。言い換えれば、複数の異なるユーザの各々は、単一ユーザの事例のアンテナ（又はアンテナグループ）のように行動し、類似の様式で信号を処理することができる。一実施形態において、アップリンクについて、受信機における相関行列は、単一のユーザしか送信していない場合に作成されることになる相関行列の集合である。ダウンリンクについて、信号は、複数の異なる受信機に対する信号をスタック（ｓｔａｃｋ）することによって記述され、したがって、この記述から相関行列を容易に得ることができる。
【００５６】
[0055]別の実施形態において、ダウンリンク合計容量を以下のように表現することができる。
【数２０】
2015231241.tif 000022
式中、Ｈｕはユーザｕに割り当てられるダウンリンクチャネルであり、Ｐｕはユーザｕに割り当てられる電力である。各ユーザに対するチャネル行列が同時に対角化可能であると仮定すると、（上記式中の）
【数２１】
2015231241.tif 000023
の固有値は、各ユーザに対するチャネルの個々の固有値
【数２２】
2015231241.tif 000024
の合計であり、その二次統計は、単一ユーザの事例において論じられたように計算することができる。
【００５７】
[0056]一実施形態において、アップリンクについて容量計算が行われ、この計算において、共同最尤検出が受信機において実施され得る。ダウンリンクについて、ダーティペーパ符号化が同様の性能を達成することができる。ダウンリンクについて、より複雑度の低い解決策が所望される場合、ゼロ強制又はＭＭＳＥ送信が使用されるべきである。
【００５８】
相関行列の決定のためのサウンディング信号
[0057]提案される１つの技法の中核には、前処理行列の、ＢＳアンテナにおける信号の相関行列（二次統計）に対する調整がある。「標準的な」ＭＩＭＯシステムとは対照的に、この相関行列の決定は単純ではない。この問題を解決するために、新規の訓練方法及び関連するシグナリングが本明細書において開示される。
【００５９】
[0058]相関行列が決定されるアップリンクを考察する。従来のＭＩＭＯにおいて、複数の異なるチャネル実現態様について受信機（ＲＸ）が送信機（ＴＸ）から信号を受信する。これは、ＴＸがその信号を複数の異なる時点において送ると仮定されるためである。実際、各ＴＸアンテナ素子から各ＲＸアンテナ素子へのチャネルは通常、訓練されている。このとき、ＲＸは、複数の異なる時点におけるチャネル実現態様が集合に寄与し、したがって、ＨＨ＊を、これらの実現態様にわたって平均して相関行列を得ることができると仮定することによって、単純な様式で相関行列を形成することができる。
【００６０】
[0059]単純化されたＲＸを有する、考慮されている送受信機構造において、そのような訓練は可能ではない。意図的に、複数の異なるアンテナ素子における信号は別個には利用可能ではなく、（ビーム形成器からの出力において得られる）それらの信号の組み合わせのみが利用可能である。したがって、完全な相関行列を得るために、訓練信号が、各送信機によってＮ／Ｌ回、すなわち、ＲＸがすべての可能なアンテナ素子を通じてその利用可能なＲＦチェーンをサイクルすることができるのに十分多く送出されなければならないことになる。この一連の訓練信号は、完全な相関行列が得られ得る前に、複数のチャネル実現態様を得るために、複数回送出されなければならないことになる。
【００６１】
[0060]訓練工程を大幅により効率的にするために、一実施形態において、瞬時チャネル行列を正確に推定することを目標とせず、相関行列を推定するよう試行するだけの新たな訓練系列が使用される。ＲＸ相関行列を得るために、すべてのＴＸアンテナ素子からＲＸ素子へのチャネルは必要ではなく、複数の異なるＴＸ信号を、複数の異なるチャネル実現態様に対応するととらえることができ、それによって、ＴＸ信号はすでに暗黙的な平均化を可能にすることに注意されたい。言い換えれば、送信される訓練系列の数をＮｔの倍数だけ増大させなければならない代わりに、適切な倍数だけ低減することができる。複数のＴＸアンテナによって平均チャネル状態を得ることは、遅延ダイバーシティ送信のような標準的な送信ダイバーシティ技法のいずれかによって達成することができる。ＲＸにおいて観測される、結果としての周波数選択性チャネルによって、複数の異なるアンテナ素子における複数の異なるチャネル実現態様がもたらされる。訓練パケットの送信に固有のオーバヘッドをさらに低減するために、異なる遅延ダイバーシティ（したがって、複数の異なるチャネル実現態様）をもたらす複数のＯＦＤＭシンボルが送信され得る。したがって、Ｋ１個の異なる訓練シンボルを１つのＯＦＤＭ訓練シンボルで送信しなければならないのではなく（各々が取得系列及び他のオーバヘッドを含まなければならない）、Ｋ１個の訓練シンボルを有する単一の訓練系列が送られる。この技法は、いわゆる周波数エルゴード性が有効である限り有効であり、これは、ほぼすべての実際の地上移動無線チャネルにおいて実現される。
【００６２】
[0061]相関訓練系列（複数可）の送信は、移動局（ＭＳ）又はＢＳのいずれかによって開始され得る。前者の事例では、ＭＳが送信のためにスケジュールされ得、特別な訓練系列を直接送るか、又は、ＢＳから訓練系列を送る許可を要求して、ＢＳからの許可を受信した後に送信を開始するかのいずれかである。ＢＳから開始する場合、ＢＳは、ＭＳに、特別な系列の送信を開始するための要求を送ることができる。この実施形態のサンプル実現態様を示すタイミング図を図４に示す。
【００６３】
[0062]相関行列訓練の方法の一実施形態は、相関行列が通常２つの訓練工程の間で劇的に変化しないことを実現することによって、さらにより効率的にすることができる。ここで、到来する信号が角度的に制約されている状況を考察する。このとき、以前に観測された角度範囲よりもわずかな割合だけ大きい角度範囲にあるＲＸ信号のみを訓練するだけで十分である。到来する信号の角度範囲が小さいということは、（線形アレイについて）すべてのアンテナ素子ではなく、ｑ個おきのアンテナ素子だけを訓練すればよいということを意味する。
【００６４】
[0063]一実施形態において、訓練信号は、データ搬送信号、すなわち、受信機においては未知である信号に置き換えられる。一実施形態において、送信機は、既知の訓練信号の系列を生成し、この系列に、データ搬送シンボル系列、すなわち、受信機のためのデータを搬送し、したがって、受信機においては未知であるシンボルの系列を変調する。受信機は、チャネルを推定して信号搬送系列を復号するために、送信機において使用されるその変調及び符号化方式の知識を、未知のデータシンボル系列が生成される特定の訓練信号系列の知識とともに使用して、データ搬送シンボル系列を生成する。一実施形態において、受信機は、チャネルの以前の推定値を、受信したデータ変調訓練信号とともに使用して、そのチャネル推定値を更新するが、データ変調訓練信号で搬送している情報保持シンボル系列を復号もする。
【００６５】
[0064]図５は、送信機を有する第１のデバイス（たとえば、基地局）と受信機を有する第２のデバイス（たとえば、移動局）との間のチャネル相関行列を、送信機と受信機との間の特定の瞬時チャネル実現態様を学習する必要なしに学習するための工程の一実施形態の流れ図である。工程は、ハードウェア（回路、専用論理など）、ソフトウェア（汎用コンピュータシステム又は専用機械で実行されるものなど）、又はその両方の組み合わせを含んでもよい処理論理によって実行される。一実施形態において、工程は基地局によって実行される。
【００６６】
[0065]図５を参照すると、工程は、訓練信号を送信するよう移動デバイスにシグナリングすること、又は、訓練信号を送信するための許可を移動デバイスに要求させることによって開始する（処理ブロック５０１）。
【００６７】
[0066]次に、処理論理は、移動デバイスからいくつかの送信セットを受信し、送信セット中の各送信は、移動デバイスのＮ個のアンテナの各々によって別個に送信される訓練信号の送信であり、送信セットは、移動デバイスのＮ個のアンテナの異なるセットによって実施され、セットの数は、基地局のアンテナの数と、移動デバイスのＮ個のアンテナとの比に等しい（処理ブロック５０２）。数Ｎは整数である。一実施形態において、各送信セットは、移動デバイスのＮ個のアンテナから送信される遅延ダイバーシティ信号の送信を含む。
【００６８】
[0067]一実施形態において、各訓練信号は、複数のＯＦＤＭ訓練シンボルを含み、複数のＯＦＤＭシンボルの各々の送信が、異なる遅延ダイバーシティをもたらす。別の実施形態において、訓練信号はデータ搬送信号を含み、データ搬送信号は、別の信号に変調されているデータ搬送信号系列である。
【００６９】
[0068]送信セットを受信した後、処理論理は、移動デバイスからの送信セットの数に基づいてチャネル相関行列の推定値を生成する（処理ブロック５０３）。生成された相関行列は、上述したように容量を計算するのに使用されてもよい。
【００７０】
[0069]本発明の多くの代替形態及び変更形態が、上記の説明を読んだ後の当業者には疑いなく明らかとなろうが、例示として図示及び説明されている任意の特定の実施形態は、限定として考えられるようには決して意図されていないことは理解されたい。それゆえ、様々な実施形態の詳細に対する参照は、それ自体は本発明に必須と考えられる特徴のみを記載している特許請求項の範囲を限定するようには意図されていない。
【図１】
2015231241.tif 000025
【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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【外国語明細書】
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