(57)【要約】  アンテナ毎の電力制限を有するマルチアンテナを用いて信号を送信する方法、装置、及びシステムが提供される。前記方法は、プリコーディングアルゴリズムを複素行列に初期化するステップを含む。前記プリコーディングアルゴリズムは、複数のアンテナにより送信される信号をプリコーディングするためのものである。また、前記方法は、アンテナ毎に基づいて、前記プリコーディングアルゴリズムを繰り返して処理し、それぞれの繰り返しで、前記複数のそれぞれのアンテナのためのプリコーダを順に更新するステップを含む。また、前記方法は、それぞれの繰り返しの後に、繰り返しによる伝達情報量の変化率に基づいて、前記プリコーディングアルゴリズムが収束されたか否かを判断するステップを含む。また、前記方法は、前記プリコーディングアルゴリズムが収束されたと判断されると、前記プリコーディングアルゴリズムを用いて前記信号を送信するステップを含む。【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線通信システムにおける信号送信方法であって、
複数のアンテナにより送信される信号をプリコーディング（ｐｒｅｃｏｄｉｎｇ）するためのプリコーディングアルゴリズムを複素行列（ｃｏｍｐｌｅｘ  ｍａｔｒｉｘ）に初期化するステップと、
アンテナ毎に基づいて、前記プリコーディングアルゴリズムを繰り返して処理し、それぞれの繰り返しで、前記複数のそれぞれのアンテナのためのプリコーダを順に更新するステップと、
それぞれの繰り返しの後に、繰り返しによる伝達情報量の変化率に基づいて、前記プリコーディングアルゴリズムが収束されたか否かを判断するステップと、
前記プリコーディングアルゴリズムが収束されたと判断されると、前記プリコーディングアルゴリズムを用いて前記信号を送信するステップと、を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記プリコーディングアルゴリズムが収束されていないと判断されると、次の繰り返しで、アンテナ毎に基づいて前記プリコーディングアルゴリズムを繰り返して処理し続けるステップと、をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
送信されるべきストリームの個数を確認するステップと、
送信されるべきストリームがシングルストリームであると、ｉ番目のアンテナのプリコーダ（ｖｉ）を下記数式のように順に更新するステップと、をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【数１】
2014529965.tif 000061
【請求項４】
送信されるべきストリームの個数を確認するステップと、
送信されるべきストリームがマルチストリームであると、ｉ番目のアンテナ及びｋ番目のストリームのプリコーダ（ｖｉｋ）を下記数式のように順に更新するステップと、をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【数２】
2014529965.tif 000062
【請求項５】
無線通信システムにおける信号送信装置であって、
複数のアンテナにより送信される信号をプリコーディング（ｐｒｅｃｏｄｉｎｇ）するためのプリコーディングアルゴリズムを複素行列（ｃｏｍｐｌｅｘ  ｍａｔｒｉｘ）に初期化し、アンテナ毎に基づいて前記プリコーディングアルゴリズムを繰り返して処理し、それぞれの繰り返しで、前記複数のそれぞれのアンテナのためのプリコーダを順に更新し、それぞれの繰り返しの後に、繰り返しによる伝達情報量の変化率に基づいて、前記プリコーディングアルゴリズムが収束されたか否かを判断する制御部と、
前記プリコーディングアルゴリズムが収束されたと判断されると、前記プリコーディングアルゴリズムを用いて前記信号をプリコーディングするプリコーディング部と、
プリコーディングされた信号を送信する前記複数のアンテナと、を含むことを特徴とする装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記プリコーディングアルゴリズムが収束されていないと判断されると、次の繰り返しで、アンテナ毎に基づいて前記プリコーディングアルゴリズムを繰り返して処理し続けることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記制御部は、送信されるべきストリームの個数を確認し、送信されるべきストリームがシングルストリームであると、ｉ番目のアンテナのプリコーダ（ｖｉ）を下記数式のように順に更新することを特徴とする、請求項５に記載の装置。
【数３】
2014529965.tif 000063
【請求項８】
前記制御部は、送信されるべきストリームの個数を確認し、送信されるべきストリームがマルチストリームであると、ｉ番目のアンテナ及びｋ番目のストリームのプリコーダ（ｖｉｋ）を下記数式のように順に更新することを特徴とする、請求項５に記載の装置。
【数４】
2014529965.tif 000064
【請求項９】
無線通信システムであって、
信号を送信する送信機と、
信号を受信する受信機と、を含み、
前記送信機は、複数のアンテナにより送信される信号をプリコーディング（ｐｒｅｃｏｄｉｎｇ）するためのプリコーディングアルゴリズムを複素行列（ｃｏｍｐｌｅｘ  ｍａｔｒｉｘ）に初期化し、アンテナ毎に基づいて前記プリコーディングアルゴリズムを繰り返して処理し、それぞれの繰り返しで、前記複数のそれぞれのアンテナのためのプリコーダを順に更新し、それぞれの繰り返しの後に、繰り返しによる伝達情報量の変化率に基づいて、前記プリコーディングアルゴリズムが収束されたか否かを判断し、前記プリコーディングアルゴリズムが収束されたと判断されると、前記プリコーディングアルゴリズムを用いて前記信号をプリコーディング及び送信して、
前記受信機は、前記送信機から送信された信号を受信することを特徴とする、システム。
【請求項１０】
前記送信機は、前記プリコーディングアルゴリズムが収束されていないと判断されると、次の繰り返しで、アンテナ毎に基づいて前記プリコーディングアルゴリズムを繰り返して処理し続けることを特徴とする、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記複数のそれぞれのアンテナのプリコーダを順に更新するために、送信機は、以下の数式のようにｉ番目のアンテナのプリコーダ（ｕｉ）を順に更新することを特徴とする、請求項１、５、又は９に記載の方法、装置、又はシステム。
【数５】
2014529965.tif 000065
【請求項１２】
前記送信機は、以下の数式のように、前記プリコーディングアルゴリズムを前記複素行列に初期化することを特徴とする、請求項１１に記載の方法、装置、又はシステム。
【数６】
2014529965.tif 000066
【請求項１３】
送信機は、以下の数式のように、前記プリコーディングアルゴリズムを前記複素行列に初期化することを特徴とする、請求項３又は７に記載の方法又は装置。
【数７】
2014529965.tif 000067
【請求項１４】
送信機は、以下の数式のように、前記プリコーディングアルゴリズムを前記複素行列に初期化することを特徴とする、請求項４又は８に記載の方法又はシステム。
【数８】
2014529965.tif 000068
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マルチアンテナ（ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ａｎｔｅｎｎａ）無線通信システムに関し、より詳細には、アンテナ毎の電力制限（ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ）を有するマルチアンテナ送信方式に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＩＭＯ（ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｉｎｐｕｔ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｏｕｔｐｕｔ）技術が数年にわたって開発されており、これにつれて、ＭＩＭＯシステムに採用されるアンテナの数が急激に増加している。数百又は数千の複数のアンテナを用いる概念が、情報理論観点（ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｔｈｅｏｒｙ  ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ）から導出されている。しかし、従来のセルラ（ｃｅｌｌｕｌａｒ）システムにおいて、数百又は数千のアンテナを具現するための試みには、非常に多くの困難があった。例えば、２ＧＨｚ帯域で１０２４個の半波長（ｈａｌｆ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）アンテナを収容するために必要なアンテナアレイ（ａｎｔｅｎｎａ  ａｒｒａｙ）の大きさ（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）は、約２．４平方メートル（ｍ２）である。
【０００３】
ＭＭＢ（ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ−ｗａｖｅ  ｂａｎｄ）を利用するモバイルブロードバンドシステム（ｍｏｂｉｌｅ  ｂｒｏａｄｂａｎｄ  ｓｙｓｔｅｍ）のための提案により、数百又は数千個のアンテナで構成された大型のＭＩＭＯアンテナアレイを導入する機会が開かれた。例えば、約３０ＧＨｚのミリ波（ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ−ｗａｖｅ）の周波数を用いる場合、１０２４個のアンテナを有するアンテナアレイの大きさは、約１６平方センチメートル（ｃｍ２）となり得る。これは、典型的なセルラ基地局のための単一セクター（ｓｉｎｇｌｅ  ｓｅｃｔｏｒ）アンテナより小さい。
【０００４】
ＭＭＢシステムにおける送信機及び受信機のビームフォーミング（ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ）は、セルラシステムにおけるＭＩＭＯ動作とは異なる。基地局で数千個のアンテナを用い、端末で数百個のアンテナを用いる場合、ＭＭＢシステムの空間自由度（ｓｐａｔｉａｌ  ｄｅｇｒｅｅ  ｆｒｅｅｄｏｍ）はセルラシステムの空間自由度より大きい。数百又は数千個のアンテナを駆動するためには、複数の電力増幅器（ｐｏｗｅｒ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ）が必要であり、各電力増幅器はそれぞれの電力制限（ｐｏｗｅｒ  ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ）を有する。前記全ての電力増幅器の電力を最大に活用するための効果的なビームフォーミング技法の設計が、実際的意義（ｐｒａｃｔｉｃａｌ  ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ）を有する問題となる。
【０００５】
したがって、マルチアンテナ無線通信システムにおける送信方法を改善するための技術が要求されている。特に、アンテナ毎の電力制限（ｗｉｔｈ  ｐｅｒ−ａｎｔｅｎｎａ  ｐｏｗｅｒ  ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ）を有するマルチアンテナ送信方式が可能な装置及び方法が要求されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
アンテナ毎の電力制限を有するマルチアンテナを用いて信号を送信するための方法、装置、及びシステムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
多様な実施形態において、本発明による方法は、複数のアンテナにより送信された信号をプリコーディング（ｐｒｅｃｏｄｉｎｇ）するためのプリコーディングアルゴリズムを複素行列（ｃｏｍｐｌｅｘ  ｍａｔｒｉｘ）に初期化するステップと、アンテナ毎に基づいて、前記プリコーディングアルゴリズムを繰り返して処理し、それぞれの繰り返しで、前記複数のそれぞれのアンテナのためのプリコーダを順に更新するステップと、それぞれの繰り返しの後に、繰り返しによる伝達情報量の変化率に基づいて、前記プリコーディングアルゴリズムが収束されたか否かを判断するステップと、前記プリコーディングアルゴリズムが収束されたと判断されると、前記プリコーディングアルゴリズムを用いて前記信号を送信するステップと、を含む。
【０００８】
多様な実施形態において、本発明による装置は、複数のアンテナにより送信される信号をプリコーディング（ｐｒｅｃｏｄｉｎｇ）するためのプリコーディングアルゴリズムを複素行列（ｃｏｍｐｌｅｘ  ｍａｔｒｉｘ）に初期化し、アンテナ毎に基づいて、前記プリコーディングアルゴリズムを繰り返して処理し、それぞれの繰り返しで、前記複数のそれぞれのアンテナのためのプリコーダを順に更新し、それぞれの繰り返しの後に、繰り返しによる伝達情報量の変化率に基づいて、前記プリコーディングアルゴリズムが収束されたか否かを判断する制御部と、前記プリコーディングアルゴリズムが収束されたと判断されると、前記プリコーディングアルゴリズムを用いて前記信号をプリコーディングするプリコーディング部と、プリコーディングされた信号を送信する前記複数のアンテナと、を含む。
【０００９】
下記の発明を実施するための形態について述べる前に、本特許文献全体にわたって用いられる特定の単語及び構文の定義を説明することが有利であろう。すなわち、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ、ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」という用語及びその派生語は制限なく含むことを意味し、「又は（ｏｒ）」という用語は包括的な意味であって、「及び／又は」を意味する。「〜と関連付けられた（ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ  ｗｉｔｈ、ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ  ｔｈｅｒｅｗｉｔｈ）」という構文及びその派生語は「〜を含む、〜内に含まれる、〜と互いに接続する、〜を含有する、〜に含有される、〜と接続する又は〜に接続させる、〜と連結する又は〜に連結させる、〜と通信可能である、〜と協力する、〜を挟む、〜と並置する、〜に近い、〜に縛られる又は〜で縛られる、〜を持つ、〜の特性を持つ」などを意味する場合があり、「制御機」という用語は少なくとも１つの動作を制御するものの、ハードウェア、ファームウエア、ソフトウェア、又はこれらのうち少なくとも２つの一部の組み合わせに具現され得る任意のデバイス、システム又はこれらの一部を意味する。任意の特定制御機と関連付けられる機能が、近距離、遠距離にかかわらず中央に集中するか分配され得るという点に留意すべきである。特定の単語及び構文に対する定義は本特許文献全体にわたって提供され、当業者であれば、多くの場合にそのような定義が、ここで定義される以前の単語及び構文、及び今後の使用に適用されるということを理解するはずである。
【００１０】
本発明及びその利点に対するより完全な理解のために、これから添付図面と結びつけられて次の説明が参照され、図面における類似の参照符号は同じ部分を指す。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態によりメッセージを送信する無線ネットワークの例を図示した図面である。
【図２】本発明の実施形態によるＯＦＤＭＡ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ａｃｃｅｓｓ）送信経路の上位レベルダイアグラムを図示した図面である。
【図３】本発明の実施形態によるＯＦＤＭＡ受信経路の上位レベルダイアグラムを図示した図面である。
【図４】本発明の実施形態による無線通信システムのブロックダイアグラムを図示した図面である。
【図５】本発明の多様な実施形態による無線通信システムにおけるマルチアンテナ送信のためのチャネル状態モデル（ｃｈａｎｎｅｌ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ  ｍｏｄｅｌ）の例示を図示した図面である。
【図６】アンテナ毎の電力制限を有するマルチアンテナ送信のための解（ｓｏｌｕｔｉｏｎ）の計算を示すグラフのプロット（ｐｌｏｔ）を図示した図面である。
【図７】本発明の多様な実施形態によるアンテナ毎の電力制限を考慮した、マルチアンテナを用いた信号送信の手順を図示した図面である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に説明する図１〜図７及び本明細書における本発明の原理を説明するために用いられる多様な実施形態は、例示のためのものにすぎず、本発明の範囲を限定するものと解釈されてはならない。当業者であれば、本発明の原理が適切に構成された任意のシステム又は装置に具現され得ることが理解できる。
【００１３】
以下、図１〜図３により、ＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）又はＯＦＤＭＡ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ａｃｃｅｓｓ）通信技術を用いた無線通信システムで具現される多様な実施形態を説明する。図１〜図３の説明は、他の実施形態に具現され得る方式の物理的又は構造的な制限を暗示する意味ではない。本発明と異なる実施形態が、適切に構成された通信システムに具現することができる。
【００１４】
図１は本発明の実施形態によりメッセージを送信する無線システム１００の例を図示したものである。例示的な実施形態において、無線システム１００は、基地局１０１、基地局１０２、基地局１０３、及びその他の類似の基地局又は中継局（ｒｅｌａｙ  ｓｔａｔｉｏｎ）（不図示）を含む。前記基地局１０１は、前記基地局１０２及び前記基地局１０３と通信する。また、前記基地局１０１は、インターネット（ｉｎｔｅｒｎｅｔ）１３０又は類似のＩＰ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ  Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）に基づくネットワーク（不図示）と通信する。
【００１５】
基地局１０２は、基地局１０２のカバレッジ領域（ｃｏｖｅｒａｇｅ  ａｒｅａ）１２０内の第１複数の加入者局又はユーザ装置（ＵＥ：Ｕｓｅｒ  Ｅｑｉｐｍｅｎｔ）に、（基地局１０１を介して）インターネット１３０への広帯域無線接続（ｗｉｒｅｌｅｓｓ  ｂｒｏａｄｂａｎｄ  ａｃｃｅｓｓ）を提供する。前記第１複数の加入者局は、小企業（ＳＢ：Ｓｍａｌｌ  Ｂｕｓｉｎｅｓｓ）内に位置し得る加入者局１１１、大企業（Ｅ：Ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ）内に位置し得る加入者局１１２、ＷｉＦｉ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｆｉｄｅｌｉｔｙ）ホットスポット（ＨＳ：ＨｏｔＳｐｏｔ）内に位置し得る加入者局１１３、第１居住地（Ｒ）内に位置し得る加入者局１１４、第２居住地（Ｒ）内に位置し得る加入者局１１５、携帯電話、無線ラップトップコンピュータ、無線ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）などの移動装置（Ｍ：Ｍｏｂｉｌｅ）である加入者局１１６、を含む。
【００１６】
基地局１０３は、基地局１０３のカバレッジ領域１２５内の第２複数の加入者局に、（基地局１０１を介して）インターネット１３０への広帯域無線接続を提供する。前記第２複数の加入者局は、加入者局１１５及び加入者局１１６を含む。例示的な実施形態において、基地局１０１〜１０３は、ＯＦＤＭ又はＯＦＤＭＡ技術を用いて加入者局１１１〜１１６と通信することができる。
【００１７】
図１には６つの加入者局のみが図示されているが、前記無線システム１００は追加の加入者局に広帯域無線接続を提供することができることが理解されるであろう。加入者局１１５及び加入者局１１６が、カバレッジ領域１２０及びカバレッジ領域１２５の両端に位置することに注目すべきである。加入者局１１５及び加入者局１１６は、公知のように、基地局１０２及び基地局１０３の両方とそれぞれ通信し、ハンドオフモード（ｈａｎｄｏｆｆ  ｍｏｄｅ）で動作しているといえる。
【００１８】
前記加入者局１１１〜１１６は、インターネット１３０を介して、音声、データ、ビデオ、画像会議、及び／又はその他の広帯域サービスにアクセスすることができる。例示的な実施形態において、加入者局１１１〜１１６のうち一つ以上の加入者局は、ＷｉＦｉ  ＷＬＡＮ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｌｏｃａｌ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）のアクセスポイント（ＡＰ）と連関され得る。加入者局１１６は、無線接続可能なラップトップコンピュータ（ｗｉｒｅｌｅｓｓ−ｅｎａｂｌｅｄ  ｌａｐｔｏｐ  ｃｏｍｐｕｔｅｒ）、個人携帯情報端末、ノートパソコン、携帯用装置、又はその他の無線接続可能な装置を含む複数の移動装置のうち一つであり得る。加入者局１１４、１１５は、例えば、無線接続可能なパーソナルコンピュータ（ＰＣ）、ラップトップコンピュータ、ゲートウェイ、又はその他の装置であり得る。
【００１９】
図２は、送信経路回路（ｔｒａｎｓｍｉｔ  ｐａｔｈ  ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ）２００の上位レベルダイアグラムを図示したものである。例えば、前記送信経路回路２００は、ＯＦＤＭＡ通信のために用いることができる。図３は、受信経路回路（ｒｅｃｅｉｖｅ  ｐａｔｈ  ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ）３００の上位レベルダイアグラムを図示したものである。例えば、前記受信経路回路３００は、ＯＦＤＭＡ通信のために用いることができる。前記図２及び前記図３において、ダウンリンク通信のために、前記送信経路回路２００は前記基地局１０２又は中継局で具現され、前記受信経路回路３００は加入者局（例えば、図１の加入者局１１６）で具現することができる。また、他の例として、アップリンク通信のために、前記受信経路回路３００は基地局（例えば、図１の基地局１０２）又は中継局で具現され、前記送信経路回路２００は加入者局（例えば、図１の加入者局１１６）で具現することができる。
【００２０】
前記送信経路回路２００は、チャンネルコーディング及び変調ブロック２０５と、直列‐並列（Ｓ‐ｔｏ‐Ｐ）ブロック２１０と、Ｎ‐ＩＦＦＴ（Ｉｎｖｅｒｓｅ  ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）ブロック２１５と、並列‐直列（Ｐ−ｔｏ‐Ｓ）ブロック２２０と、ＣＰ（Ｃｙｃｌｉｃ  Ｐｒｅｆｉｘ）挿入ブロック２２５と、アップ変換部（ＵＣ：ｕｐ−ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）２３０と、を含む。前記受信経路回路３００は、ダウン変換部（ＤＣ：ｄｏｗｎ−ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）２５５と、ＣＰ除去ブロック２６０と、直列‐並列（Ｓ‐ｔｏ‐Ｐ）ブロック２６５と、Ｎ‐ＦＦＴ（Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）ブロック２７０と、並列‐直列ブロック２７５と、チャンネルデコーディング及び復調ブロック２８０と、を含む。
【００２１】
前記図２及び図３の構成要素のうち少なくとも一部はソフトウェアで構成され、その他の構成要素は設定可能なハードウェア、又はソフトウェアと設定可能なハードウェアとの結合により構成することができる。特に、詳細な説明に開示された前記ＦＦＴブロック及び前記ＩＦＦＴブロックは、設定可能なソフトウェアアルゴリズムとして具現されることができ、その具現例により、サイズＮの値が変更され得るという点に注目すべきである。
【００２２】
さらに、この開示内容がＦＦＴ及びＩＦＦＴを具現する実施形態に関するものではあるが、これは例示的なものにすぎず、この開示内容の範囲を限定すると理解されてはならない。発明の他の実施形態において、ＦＦＴ関数及びＩＦＦＴ関数は、それぞれＤＦＴ（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）関数及びＩＤＦＴ（Ｉｎｖｅｒｓｅ  Ｄｉｓｃｒｅｔｅ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）関数に容易に代替され得る。ＤＦＴ及びＩＤＦＴ関数において、Ｎ変数の値は任意の整数（即ち、１、２、３、４など）である一方、ＦＦＴ及びＩＦＦＴ関数において、Ｎ変数の値は２の累乗である任意の整数（即ち、１、２、４、８、１６など）であることを理解するべきである。
【００２３】
前記送信経路回路２００において、前記チャンネルコーディング及び変調ブロック２０５は、情報ビットの集合を受信し、コーディング（例えば、ＬＤＰＣ（Ｌｏｗ  Ｄｅｎｓｉｔｙ  Ｐａｒｉｔｙ  Ｃｏｄｅ）コーディング）を適用し、入力ビットを変調（例えば、ＱＰＳＫ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ  Ｐｈａｓｅ  Ｓｈｉｆｔ  Ｋｅｙｉｎｇ）、ＱＡＭ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ  Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ））して、一連の周波数領域変調シンボルを生成する。前記直列‐並列ブロック２１０は、直列変調されたシンボルを並列データに変換して、即ち、逆多重化して、Ｎ個の並列シンボルストリームを生成する(ここで、Ｎは、基地局１０２及び加入者局１１６で用いられるＩＦＦＴ／ＦＦＴサイズである)。その後、Ｎ-ＩＦＦＴブロック２１５は、Ｎ個の並列シンボルストリームに対してＩＦＦＴ動作を実行し、直列時間領域信号（ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ  ｓｉｇｎａｌ）を生成する。次に、前記ＣＰ挿入ブロック２２５は、ＣＰを時間領域信号に挿入する。最後に、前記アップ変換部２３０は、前記ＣＰ挿入ブロック２２５の出力を、無線チャンネルを介して送信用ＲＦ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）周波数に変調する（即ち、アップ変換する）。また、前記信号は、ＲＦ周波数に変換される前に、基底帯域でフィルタリングすることができる。
【００２４】
送信されたＲＦ信号は、無線チャンネルを経て前記加入者局１１６に到逹し、前記基地局１０２で前記信号に対する逆動作が実行される。前記ダウン変換部２５５は、受信された信号を基底帯域周波数にダウン変換し、前記ＣＰ除去ブロック２６０は、ＣＰを除去して直列時間領域基底帯域信号（ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ  ｂａｓｅｂａｎｄ  ｓｉｇｎａｌ）を生成する。前記直列‐並列ブロック２６５は、時間領域基底帯域信号を並列時間領域信号に変換する。その後、前記Ｎ-ＦＦＴブロック２７０は、ＦＦＴアルゴリズムを実行してＮ個の並列周波数領域信号（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｄｏｍａｉｎ  ｓｉｇｎａｌ）を生成する。前記並列‐直列ブロック２７５は、並列周波数領域信号を一連の変調されたデータシンボルに変換する。前記チャンネルデコーディング及び復調ブロック２８０は、変調されたシンボルを復調した後、デコーディングすることで、元の入力データストリームを復元する。
【００２５】
それぞれの基地局１０１〜１０３は、ダウンリンクで、前記加入者局１１１〜１１６に送信することと類似する送信経路回路２００を具現することができ、アップリンクで、前記加入者局１１１〜１１６から受信することと類似の受信経路回路３００を具現することができる。同様に、それぞれの加入者局１１６は、アップリンクで、前記基地局１０１〜１０３に送信するための構造に対応する前記送信経路回路２００を具現することができ、ダウンリンクで、前記基地局１０１〜１０３から受信するための構造に対応する前記受信経路回路３００を具現することができる。
【００２６】
多数のアンテナを有するアレイ（ａｒｒａｙ）を用いたビームフォーミングを考慮した本発明の多様な実施形態は、ミリ波（ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ−ｗａｖｅ）移動通信において根本的な実現技術（ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ  ｅｎａｂｌｉｎｇ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）となる。送信機及び受信機のビームフォーミングは、ミリ波リンク（ｌｉｎｋ）の範囲を拡張するとともに、信号受信を改善し、隣接セル及びビームの間の干渉を抑制することができる。ミリ波リンクによる効果的な通信のために、送信機及び受信機が最も強い反射（ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）を識別し、この経路に沿って送信機及び受信機のビーム（ｂｅａｍ）を構成することが非常に重要である。これは、大型アンテナアレイを用いたビームフォーミングにより達成することができる。
【００２７】
全体電力制限及び送信機でのチャンネル状態情報が与えられた場合の最適の送信方式は、チャンネル行列（ｃｈａｎｎｅｌ  ｍａｔｒｉｘ）の送信機側の特異ベクトル（ｓｉｎｇｕｌａｒ  ｖｅｃｔｏｒ）による「注水定理（ｗａｔｅｒ−ｆｉｌｌｉｎｇ）」方式であると知られている。しかし、アンテナ毎（ｐｅｒ−ａｎｔｅｎｎａ）の電力制限を有する前記最適の送信方式は、難しい問題を有している。一般に、アンテナ毎の電力制限を有するＭＩＭＯシステムの性能及び最適の送信方式に対する理解が欠けている。
【００２８】
本発明は、凸領域（ｃｏｎｖｅｘ  ｒｅｇｉｏｎ）で凸計画問題（ｃｏｎｖｅｘ  ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ  ｐｒｏｂｌｅｍ）としてのアンテナ毎の電力制限を有する最適の送信方式を提供し、ＫＫＴ（Ｋａｒｕｓｈ−Ｋｈｕｎ−Ｔｕｃｋｅｒ）条件に基づいて、最適化のための必要十分条件（ｎｅｃｅｓｓａｒｙ  ａｎｄ  ｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ）を導出する。また、本発明は、最適解（ｏｐｔｉｍａｌ  ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ）に収束する反復アルゴリズム（ｉｔｅｒａｔｉｖｅ  ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ）を提供する。
【００２９】
本発明は、ミリ波移動通信の問題点に対する解決方案を説明しているが、本発明の実施形態は、従来の３Ｇ、４Ｇ通信システムにおけるＭＩＭＯ及びビームフォーミングにも同様に適用可能である。
【００３０】
図４は、本発明の実施形態による無線通信システム４００のブロックダイアグラムを図示したものである。前記無線通信システム４００は、送信機４０２及び受信機４０４を含む。前記送信機４０２は、前記無線通信システム４００の送信端で信号を送信する。例えば、前記送信機４０２は、ダウンリンク通信のための基地局（例えば、図１の基地局１０２）又は中継局の送信機であり、前記送信機４０２は、アップリンク通信のための加入者局（例えば、図１の加入者局１１６）の送信機であり得る。
【００３１】
前記送信機４０２は、アンテナ４１０を介して送信されるべきデータストリーム（ｄａｔａ  ｓｔｒｅａｍｓ）４０８をプリコーディング（ｐｒｅｃｏｄｉｎｇ）するプリコーディング部（ｐｒｅｃｏｄｉｎｇ  ｕｎｉｔ）４０６を含む。また、前記送信機４０２は、チャンネル特性（ｃｈａｎｎｅｌ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ）を推正し、前記受信機４０４の特性（ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ）に関する情報を受信する制御部４１２を含む。例えば、本発明の実施形態において、前記送信機４０２は、図２に図示された送信経路を具現することができる。また、前記送信機４０２は複数の電力増幅器（ＰＡ：Ｐｏｗｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）４１４を含む。前記電力増幅器４１４は、前記アンテナ４１０を介して送信される信号の送信電力を増幅させる。前記図４に、前記アンテナ４１０に直列連結された電力増幅器４１４を図示したが、前記送信機４０２において、前記電力増幅器４１４と前記アンテナ４１０との間の如何なる形態の連結も可能である。例えば、多様な実施形態において、一つの電力増幅器４１４が、アンテナアレイ４１０内のマルチアンテナ又はシングルアンテナと連結されていてもよい。他の例として、前記それぞれの電力増幅器４１４が前記それぞれのアンテナ４１０と連結されていてもよい。
【００３２】
前記受信機４０４は、前記無線通信システム４００の受信端で信号を受信する。例えば、前記受信機４０４は、ダウンリンク通信のための加入者局（例えば、図１の加入者局１１６）の受信機であり得る。他の例として、前記受信機４０４は、アップリンク通信のための基地局（例えば、図１の基地局１０２）又は中継局の送信機であり得る。前記受信機４０４は、前記無線通信システム４００で送信された信号を受信するためのアンテナ４１６を含む。また、前記受信機４０４は、受信されたデータストリーム４２０を識別するために、受信された信号を処理する受信処理部（ｒｅｃｅｉｖｅｒ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ）４１８を含む。例えば、本発明の実施形態において、前記受信機４０４は、前記図３に図示された受信経路を具現することができる。
【００３３】
図示された実施形態において、前記送信機４０２は、要素方式（ｅｌｅｍｅｎｔ−ｗｉｓｅ）電力制限（ｐｏｗｅｒ  ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ）を有する前記マルチアンテナ４１０を用いて、データのマルチストリーム又はシングルストリームを送信する。例えば、前記送信アンテナ４１０の個数はＮｔ、前記受信アンテナ４１６の個数はＮｒで示す。この例において、送信機ビームフォーミングのための一般的な信号モデルは、以下の数式１で表することができる。
【００３４】
【数１】
2014529965.tif 000002
【００３５】
アンテナ毎の電力制限なしに、容量を達成する（ｃａｐａｃｉｔｙ−ａｃｈｉｅｖｉｎｇ）送信及び受信方式は容易に得られる。本発明は、アンテナ毎の電力制限を有する伝達情報量（ｍｕｔｕａｌ  ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）を最大化又は増加させる送信機ビームフォーミング方式を提供する。
【００３６】
ＭＭＢシステムにおいて、ミリ波の送信及び受信が高い方向性を有することがしばしばあり、この方向性は、信号が前記送信機４０２から前記受信機４０４に伝達され得る経路の数を制限する。また、受信機に到逹でき、且つ前記受信機４０４により検出可能な程度に、十分に強い光線（ｒａｙ）の数は、大きい伝搬損失（ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  ｌｏｓｓ）及び散乱（ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）の不足（ｓｃａｒｃｉｔｙ）により小さくなるであろう。したがって、本発明は、ＭＭＢチャンネルを特徴化した単純な光線追跡モデル（ｒａｙ  ｔｒａｃｉｎｇ  ｍｏｄｅｌ）を用いる。
【００３７】
図５は本発明の多様な実施形態による無線通信システム５００において、マルチアンテナ送信のためのチャネル状態モデル（ｃｈａｎｎｅｌ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ  ｍｏｄｅｌ）の例示を図示したものである。例えば、前記図５の前記無線通信システム５００は、前記図４の無線通信システム４００の一例である。前記無線通信システム４００において、基地局５０２は端末（ｍｏｂｉｌｅ  ｓｔａｔｉｏｎ）５０４にマルチ無線信号を送信する。前記信号の一部は、前記基地局５０２から前記端末５０４まで直接的なＬｏＳ（Ｌｉｎｅ  ｏｆ  Ｓｉｇｈｔ）を有することができる。その他の信号は、前記基地局５０２から前記端末５０４までの経路に沿って、障害物（例えば、建物５０６、木５０８）で反射（ｒｅｆｌｅｃｔ）又は屈折（ｒｅｆｒａｃｔ）され得る。
【００３８】
前記図５は、単純化したＭＭＢチャンネルモデルを図示したものである。前記基地局５０２から前記端末５０４への光線（ｒａｙ）の数はＣで示される。ｃ番目の光線のＡｏＡ（ａｎｇｌｅ  ｏｆ  ａｒｒｉｖａｌ）及びＡｏＤ（ａｎｇｌｅ  ｏｆ  ｄｅｐａｒｔｕｒｅ）は、それぞれθc及びφcで示される。直線アレイの例を仮定すると、ＡｏＡθのための受信機アレイ応答ベクトル（ａｒｒａｙ  ｒｅｓｐｏｎｓｅ  ｖｅｃｔｏｒ）は、以下の数式２で表すことができる。
【００３９】
【数２】
2014529965.tif 000003
【００４０】
【数３】
2014529965.tif 000004
【００４１】
【数４】
2014529965.tif 000005
【００４２】
前記図４を参照すれば、シングルストリームビームフォーミング（例えば、Ｎｓ＝１）は、ＭＩＭＯシステムにおいてしばしば発生するシングルストリーム送信として実質的な考慮対象となる。低いＳＮＲ（Ｓｉｇｎａｌ  ｔｏ  Ｎｏｉｓｅ  Ｒａｔｉｏ）条件での送信はシングルストリームである。また、シングルアンテナを有する端末からの、又は端末への送信は、シングルストリームである。チャンネルが高い相関関係を有する（ｈｉｇｈｌｙ  ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ）場合も、送信はシングルストリームであり得る。
【００４３】
アンテナ毎の電力制限下で、最適の送信機ビームフォーマは次の最適化問題の解（ｓｏｌｕｔｉｏｎ）であり、以下の数式５で表すことができる。
【００４４】
【数５】
2014529965.tif 000006
【００４５】
【数６】
2014529965.tif 000007
【００４６】
【数７】
2014529965.tif 000008
【００４７】
【数８】
2014529965.tif 000009
【００４８】
【数９】
2014529965.tif 000010
【００４９】
【数１０】
2014529965.tif 000011
【００５０】
【数１１】
2014529965.tif 000012
【００５１】
【数１２】
2014529965.tif 000013
【００５２】
前記数式１２は、前記数式１０で表された最適化条件と等価である。また、この解は、前記数式５で表された問題のための最適解でもある。
【００５３】
したがって、その解が前記数式１２を満たすかぎり、前記解は、前記数式５で表された問題の最適解となる。以下の表１に、次のようにシングルストリームビームフォーミングの最適解を探すための反復アルゴリズム（ｉｔｅｒａｔｉｖｅ  ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）を提供する。
【００５４】
【表１】
2014529965.tif 000014
【００５５】
【数１３】
2014529965.tif 000015
【００５６】
【数１４】
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【００５７】
【数１５】
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【００５８】
【数１６】
2014529965.tif 000018
【００５９】
本発明の多様な実施形態は、要素‐方式の電力制限を有するマルチストリームビームフォーミング（例えば、Ｎｓ＞１）のためのプリコーディング（ｐｒｅｃｏｄｉｎｇ）アルゴリズムを提供する。要素方式の電力制限がないと、容量を達成する送信及び受信方式は、チャンネルの左、右の特異ベクトル（ｌｅｆｔ  ａｎｄ  ｒｉｇｈｔ  ｓｉｎｇｕｌａｒ  ｖｅｃｔｏｒｓ）を用いて送信機及び受信機のビームフォーミングによりチャンネルを対角化（ｄｉａｇｏｎａｌｉｚｅ）し、対角化されたチャンネルに「注水定理」を適用する方式である。本発明は、要素方式の電力制限を有する伝達情報量を最大化する送信機のビームフォーミング方式を提供する。例えば、多様な実施形態において、本発明は、マルチストリームビームフォーミングアンテナ毎の電力制限を分析するために、シングルストリームビームフォーミングと類似の方式を適用する。
【００６０】
アンテナ毎の電力制限は各ＭＩＭＯストリームで適用されることを仮定する。これは、しばしばマルチストリームのうち電力割り当てが支援されない場合である。例えば、ＬＴＥ（Ｌｏｎｇ  Ｔｅｒｍ  Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）での単一ユーザＭＩＭＯにおいて、信号オーバヘッド（ｓｉｇｎａｌｉｎｇ  ｏｖｅｒｈｅａｄ）を避け、且つ送受信機モデムの具現を単純化するために、マルチストリームの間の電力が同一であると仮定される。この例において、アンテナ毎の電力制限を有する最適化問題は、以下の数式１４のようにまとめることができる。
【００６１】
【数１７】
2014529965.tif 000019
【００６２】
【数１８】
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【００６３】
【数１９】
2014529965.tif 000021
【００６４】
【数２０】
2014529965.tif 000022
【００６５】
【数２１】
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【００６６】
【数２２】
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【００６７】
【数２３】
2014529965.tif 000025
【００６８】
マルチストリームビームフォーミングのための最適解を探すための反復アルゴリズムは、以下の表２のとおりである。
【００６９】
【表２】
2014529965.tif 000026
【００７０】
【数２４】
2014529965.tif 000027
【００７１】
シングルストリームビームフォーミングの場合と同様に、上述の収束を明確に判断するための式（ｆｏｒｍｕｌａ）が、繰り返しに対する中止の基準として用いられることができ、上述の伝達情報量の差（ｇａｐ）は、繰り返しによる収束率の基準として用いることができる。
【００７２】
本発明の多様な実施形態は、アンテナ毎の電力制限を有する最適のＭＩＭＯ送信方式を提供する。全体電力制限を有する単一ユーザ（ｓｉｎｇｌｅ−ｕｓｅｒ）ＭＩＭＯシステムのための、容量を達成するＭＩＭＯ送信方式は容易に決定することができる。本発明は、アンテナ毎の電力制限を有する単一ユーザＭＩＭＯシステムにおける最適のＭＩＭＯ送信方式を提供する。アンテナ毎の電力制限を満たし、且つ伝達情報量を最大化するための最適のＭＩＭＯ送信方式は、以下の数式２０のようにまとめることができる。
【００７３】
【数２５】
2014529965.tif 000028
【００７４】
アンテナ毎の最適化のために、ｉ番目のアンテナに対するプリコーダは、以下の数式２１のように定義することができる。
【００７５】
【数２６】
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【００７６】
【数２７】
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【００７７】
【数２８】
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【００７８】
【数２９】
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【００７９】
【数３０】
2014529965.tif 000033
【００８０】
【数３１】
2014529965.tif 000034
【００８１】
ｉ番目のアンテナからの送信の伝達情報量に対する寄与は、以下の数式２７のように、他のアンテナの寄与から分離され得る。
【００８２】
【数３２】
2014529965.tif 000035
【００８３】
【数３３】
2014529965.tif 000036
【００８４】
【数３４】
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【００８５】
【数３５】
2014529965.tif 000038
【００８６】
【数３６】
2014529965.tif 000039
【００８７】
【数３７】
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【００８８】
【数３８】
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【００８９】
【数３９】
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【００９０】
【数４０】
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【００９１】
【数４１】
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【００９２】
【数４２】
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【００９３】
このような最適化問題は、ラグランジュ乗数（Ｌａｇｒａｎｇｅ  ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）の方法により容易に解決することができる。前記数式３５により定義された問題の最適解は、以下の数式３６によるＫＫＴ条件を満たすべきである。
【００９４】
【数４３】
2014529965.tif 000046
【００９５】
【数４４】
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【００９６】
【数４５】
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【００９７】
【数４６】
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【００９８】
【数４７】
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【００９９】
【数４８】
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【０１００】
【数４９】
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【０１０１】
【数５０】
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【０１０２】
【数５１】
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【０１０３】
【数５２】
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【０１０４】
【数５３】
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【０１０５】
換言すれば、全ての他のアンテナから与えられた送信信号に対して、ｉ番目のアンテナからの最適の送信方式が確認することができる。このような知識を用いて、前記数式３０で表された問題の最適解が解決することができる。前記数式２７及び前記数式４７を用いると、前記数式３０で表された問題のＫＫＴ条件が以下の数式４８で表することができる。
【０１０６】
【数５４】
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【０１０７】
前記数式４８に基づいて、本発明は、最適解を探すための反復アルゴリズムを提供する。前記反復アルゴリズムを、以下の表３に説明する。
【０１０８】
【表３】
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【０１０９】
【数５５】
2014529965.tif 000059
【０１１０】
【数５６】
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【０１１１】
図７は本発明の多様な実施形態によるアンテナ毎の電力制限を考慮したマルチアンテナを用いた信号送信の手順を図示したものである。例えば、前記図７に図示された手順は、前記図４の制御部４１２及び送信機４０２により行うことができる。前記手順は、アップリンク又はダウンリンク通信における送信に用いることができる。例えば、前記送信機４０２は、基地局、中継局又はユーザ装置（ｕｓｅｒ  ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ）に含めることができる。
【０１１２】
前記手順は、信号の送信に用いられる送信方式を確認することで開始される（７０５ステップ）。例えば、７０５ステップで、データのシングルストリーム送信であるか又はマルチストリーム送信であるかを判断することができる。シングルストリーム送信の場合には、前記表１で説明されたアルゴリズムが選択されることができ、マルチストリーム送信の場合には、前記表２で説明されたアルゴリズムが選択することができる。アンテナ毎の電力制限を有する最適のＭＩＭＯ送信の場合には、前記表３で説明されたアルゴリズムが選択することができる。
【０１１３】
次いで、プリコーディング（ｐｒｅｃｏｄｉｎｇ）アルゴリズムを複素行列に初期化する（７１０ステップ）。その後、アンテナ毎に基づいて、プリコーディングアルゴリズムを繰り返して処理する（７１５ステップ）。次に、多数のそれぞれのアンテナのためのプリコーダを順に更新する（７２０ステップ）。例えば、７２０ステップで、一つの繰り返しで、それぞれのアンテナのプリコーダを更新する。ここで、前記プリコーダはプリコーディング行列（ｐｒｅｃｏｄｉｎｇ  ｍａｔｒｉｘ）と称することができる。
【０１１４】
その後、プリコーディングアルゴリズムが収束されたか否かを判断する（７２５ステップ）。例えば、７２５ステップで、前記数式４９で説明された繰り返しによる伝達情報量の変化率に基づいて、前記プリコーディングアルゴリズムが収束されたか否かを判断することができる。
【０１１５】
もし、前記プリコーディングアルゴリズムが収束されていないと判断される場合には、前記７１５ステップに戻り、アンテナ毎に基づいてプリコーディングアルゴリズムを繰り返して処理し続ける。例えば、それぞれのアンテナのためのプリコーダを順に更新する次の繰り返しを実行する。もし、前記プリコーディングアルゴリズムが収束されたと判断される場合には、プリコーディングした後、その信号を送信する（７３０ステップ）。これにより、手順が終了する。
【産業上の利用可能性】
【０１１６】
本発明は、最適のシングルストリーム送信機ビームフォーミング、マルチストリーム送信機ビームフォーミング、アンテナ毎の電力制限を有する最適のＭＩＭＯ送信のための必要十分条件を提供する。また、本発明は、最適のシングルストリームビームフォーミング、マルチストリームビームフォーミング、アンテナ毎の電力制限を有するＭＩＭＯ送信を達成するための反復アルゴリズムを提供する。本発明は、このようなアルゴリズムが最適解に収束することを示す。このようなアルゴリズムは、チャンネルに対する如何なる仮定もなしに、アンテナ毎の電力制限を有するＭＩＭＯ及びビームフォーミングに広く適用可能である。シミュレーション研究では、アンテナ毎の電力制限を有する最適のビームフォーミング及び送信方式が、アンテナ毎の電力制限を有していないチャンネル容量に近似した伝達情報量を達成することが示された。平均的に、反復アルゴリズムは、３回の繰り返しの後に、最大達成可能な伝達情報量の９９％以上の量を達成する。
【０１１７】
本発明が具体的な実施形態により説明されたが、多様な変形及び変更が当業者によりなすることができる。本発明は、添付の特許請求の範囲の範疇内で、その変形及び変更を含む。
【符号の説明】
【０１１８】
Ｓ７０５  送信方式を確認するステップ
Ｓ７１０  プリコーディングアルゴリズムを複素行列に初期化するステップ
Ｓ７１５  アンテナ毎のプリコーディングアルゴリムを繰り返して処理するステップ
Ｓ７２０  プリコーディングアルゴリズムが収束されたか否かを判断するステップ
Ｓ７３０  プリコーディング後に信号を送信するステップ
【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６】
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【図７】
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【図５】
2014529965.tif 000075
【国際調査報告】
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