(57)【要約】  複数の送信及び受信アンテナによる閉ループ送信にフィードバックを提供するための方法装置について記載する。本方法には、各組が送信機及び受信機にとって既知の指標によって識別される複数組の重みを含むコードブックを複数の送信アンテナの各データストリームに提供する第１ステップ（９００）を含む。同じコードブックが、送信アンテナの数までの任意の数のデータストリームに用いられる。次のステップ（９０２）は、送信機と受信機との間の複合チャネルを測定する段階を含む。次のステップ（９０４）は、コードブックの各組の重みについて少なくとも１つの性能メトリックを決定する段階を含む。次のステップ（９０６）は、性能メトリックに応じて、各データストリームに対する好適な重みを選択する段階を含む。次のステップ（９０８）は、後続の送信に用いるために、好適な重みの指標を送信機にフィードバックする段階を含む。
2010527562.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の送信アンテナ及び複数の受信アンテナを使用する閉ループ送信にフィードバックを提供するための方法であって、
前記複数の送信アンテナの各データストリームに対して複数の組の重みを含むコードブックを提供する段階であって、各組の重みは、送信機にとって既知である指標によって識別され、同じコードブックが、前記送信アンテナの数までの任意の数のデータストリームに用いられる、前記コードブックを提供する段階と、
各データストリームの後続の送信に用いるために、前記コードブックにある前記好適な組の重みの指標を前記送信機において受信する段階と
を備える方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、ｉが−１の平方根に等しいととき、前記コードブック重みは、０及びｉの累乗からなる有限アルファベットから選択された成分を含む、方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、ｉが−１の平方根に等しいととき、前記コードブック重みは、０及びｉの半整数累乗からなる有限アルファベットから選択された成分を含む、方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、前記コードブックは、各ランクに対して選択された有限アルファベットのための最適な距離を有する、方法。
【請求項５】
請求項２４に記載の方法であって、前記送信機と受信機との間の複合チャネルを測定する段階は、
各送信アンテナから送信されたパイロット符号を受信する段階と、
各送信アンテナから送信された前記受信パイロット符号に基づき、前記送信機と受信機との間の複合チャネルを測定する段階と
を含む方法。
【請求項６】
請求項２４に記載の方法であって、前記性能メトリックを決定する段階は、前記コードブックにおける各重みの組に対する複数のランクの性能メトリックを決定する段階を含む、方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法であって、下位ランク付けされた組の重みの部分は、前記コードブックにおいて上位ランク付けされた組の重みの一部として用いられる、方法。
【請求項８】
請求項２４に記載の方法であって、
前記決定する段階は、
ランク１の重みの組のランク１性能メトリックを計算する段階と、
ランク２の重みの組のランク２性能メトリックを計算する段階であって、前記ランク２の重みの一部は、前記ランク１の重みの組を含む前記段階と、を含み、前記選択する段階は、
前記ランク１及びランク２性能メトリックに基づき、前記送信の前記ランクを決定する段階と、
前記決定するサブ段階において決定された前記ランクの前記組の重みの前記指標を選択する段階と
を含む方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法であって、前記ランク２性能メトリックは、リンク容量である、方法。
【請求項１０】
複数の送信アンテナ及び複数の受信アンテナを使用する閉ループ送信にフィードバックを提供するための方法であって、
前記複数の送信アンテナの各データストリームに対して符号語行列を含むコードブックを提供する段階であって、各符号語が、送信機及び受信機にとって既知の指標によって識別され、同じコードブックが、前記送信アンテナの数までの任意の数のデータストリームに用いられ、且つｉが−１の平方根に等しいとき、前記コードブックは、０及びｉの累乗からなる有限アルファベットから選択された成分だけが含まれる、前記コードブックを提供する段階と、
前記送信機と受信機との間の複合チャネルを測定する段階と、
前記コードブックの各符号語に対して品質及び容量特性を含む性能メトリックを決定する段階と、
各符号語の前記品質及び容量特性を合同で最大にすることによって、各データストリームに対して好適な符号語を選択する段階と、
各データストリームの後続の送信に用いるために、前記好適な符号語の指標を前記送信機にフィードバックする段階と、
を備える方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の方法であって、前記提供する段階において、ランク１の符号語行列の列又は行は、ランク２の符号語行列の一部として用いられ、また、前記列又は行の数は、前記送信ランクに等しい、方法。
【請求項１２】
請求項１０に記載の方法であって、前記アルファベットは、ｉの半整数累乗だけからなる要素を含む、方法。
【請求項１３】
請求項１０に記載の方法であって、前記提供する段階において、第２コードブックからの前記行列は、ハウスホルダ変換を用いて、前記コードブック指標に関連付けられた第１コードブックにおけるベクトルから決定される、方法。
【請求項１４】
請求項１０に記載の方法であって、前記フィードバック段階において、特定の送信ランクの選択された指標に対する好適な送信ビーム形成符号語が、より高いランクの各送信ビーム形成符号語に含まれる、方法。
【請求項１５】
複数の送信アンテナ及び複数の受信アンテナを使用する閉ループ送信にフィードバックを提供するための装置であって、
前記複数の送信アンテナの各データストリーム用の複数組の重みを含むコードブックであって、各組の重みが送信機にとって既知の指標によって識別され、且つ同じコードブックが、前記送信アンテナの数までの任意の数のデータストリームに用いられる、前記コードブックと、
前記コードブックにおける前記好適な組の重みの指標を受信し、且つ後続の送信のために、前記指標を用いて、各データストリーム用の前記組の重みを選択するように動作可能な送信機と、
を備える、装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の装置であって、ｉが−１の平方根に等しいととき、前記コードブック重みは、０及びｉの累乗だけからなる有限アルファベットから選択された成分を含む、装置。
【請求項１７】
請求項１５に記載の装置であって、ｉが−１の平方根に等しいとき、前記コードブック重みは、０及びｉの半整数累乗からなる有限アルファベットから選択された成分を含む、装置。
【請求項１８】
請求項１５に記載の装置であって、前記コードブックは、各ランク用の選択された有限アルファベットに対して最適な距離を有する、装置。
【請求項１９】
請求項１５に記載の装置であって、下位ランク付けされた組の重みの部分は、前記コードブックにおいて上位ランク付けされた組の重みの一部として用いられる、装置。
【請求項２０】
請求項２１に記載の装置であって、前記受信機は、ランク１の重みの組のランク１性能メトリックを計算し、ランク２の重みの組のランク２性能メトリックを計算するように動作可能であり、前記ランク２の重みの一部には、前記ランク１の重みの組が含まれ、前記受信機は、更に、前記ランク１及びランク２性能メトリックに基づき、前記送信の前記ランクを決定し、且つ前記決定されたランクの前記組の重みの前記指標を選択するように動作可能である、装置。
【請求項２１】
請求項１５に記載の装置であって、更に、前記送信機と前記受信機との間の複合チャネルを測定し、且つ前記コードブックにある各組の重みに対する少なくとも１つの性能メトリックを決定するように動作可能である受信機であって、前記性能メトリックに応じて、各データストリームに対する好適な組の重みを選択し、且つ前記コードブックにある前記好適な組の重みの指標を前記送信機にフィードバックするようにも動作可能な前記受信機を備える、装置。
【請求項２２】
複数の送信アンテナ及び複数の受信アンテナを使用する閉ループ送信にフィードバックを提供するための装置であって、
前記複数の送信アンテナの各データストリーム用の複数組の重みを含むコードブックであって、各組の重みが受信機にとって既知の指標によって識別され、且つ同じコードブックが、前記送信アンテナの数までの任意の数のデータストリームに用いられる、前記コードブックと、
データストリームの後続の送信に用いるために、前記コードブックにおける好適な組の重みの指標を送信機にフィードバックするように動作可能な受信機と、
を備える、装置。
【請求項２３】
請求項２２に記載の装置であって、前記受信機は、更に、前記送信機と前記受信機との間の複合チャネルを測定し、且つ前記コードブックにおける各組の重みに対する少なくとも１つの性能メトリックを決定するように動作可能であり、前記受信機は、更に、前記性能メトリックに応じて、各データストリームに対する好適な組の重みを選択するように動作可能である、装置。
【請求項２４】
請求項１に記載の方法であって、更に、
前記送信機と受信機との間の複合チャネルを測定する段階と、
前記コードブックの各組の重みに対する少なくとも１つの性能メトリックを決定する段階と、
前記性能メトリックに応じて、各データストリームに対する好適な組の重みを選択する段階と
を備える方法。
【請求項２５】
複数の送信アンテナ及び複数の受信アンテナを使用する閉ループ送信にフィードバックを提供するための方法であって、
前記複数の送信アンテナの各データストリーム用の複数組の重みを含むコードブックを提供する段階であって、各組の重みが受信機にとって既知の指標によって識別され、且つ同じコードブックが、前記送信アンテナの数までの任意の数のデータストリームに用いられる、前記コードブックを提供する段階と、
データストリームの後続の送信に用いるために、前記コードブックにおける好適な組の重みの指標を前記送信機にフィードバックする段階と
を備える、方法。
【請求項２６】
請求項２５に記載の方法であって、更に、
前記送信機と受信機との間の複合チャネルを測定する段階と、
前記コードブックにおける各組の重みに対する少なくとも１つの性能メトリックを決定する段階と、
前記性能メトリックに応じて、各データストリームに対して好適な組の重みを選択する段階と
を備える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、無線通信システムに関し、特に、閉ループ送信システムにおいてフィードバックを提供するための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線通信システム伝送方法は、無線通信システムのリンク容量を大幅に増やすため、及び／又は、受信機への送信エネルギの合焦状態を改善して、効率を高め、干渉を低減するために、複数の送信アンテナ及び複数の受信アンテナを含むように進化してきた。アンテナアレイは、一群の離間されたアンテナであり、各々、他のアンテナ信号との特定の利得及び位相関係を有するアンテナ信号を送信する。アンテナは、協働してアンテナ信号を送信すると、単一のアンテナによって生成されたパターンより受信機に合焦されたアンテナパターンを生成する。尚、信号の利得及び位相を変更して、アンテナ信号を生成する処理は、一組の“アンテナアレイ加重値”を用いて信号を“重み付けする”処理と称される。同様に、アンテナアレイは、受信機において用いて信号品質を改善し得ることから、送信機及び受信機双方でアンテナアレイを用いることが提案されている。複数のアンテナが、送信機及び受信機に用いられると、それらの間の無線チャネルは、多重入力、多重出力（ＭＩＭＯ）チャネルと称される。明らかに、複数の送信アンテナに信号を供給し、且つ複数の受信アンテナから信号を受け取る方法を決定する段階は、かなり複雑になる。
【０００３】
様々な伝送方式により、送信アンテナアレイは、各送信アンテナ要素と各受信アンテナ要素との間のチャネル応答に関する何らかのレベルの情報を有する必要があり、これらの伝送方式は、“閉ループ”ＭＩＭＯと称されることが多い。送信機において全広帯域チャネル情報を得ることは、時分割二重化（ＴＤＤ）システムにおけるアップリンク探測及びＴＤＤ又は周波数分割複信（ＦＤＤ）システムのいずれかにおいてチャネルフィードバック等の技法を用いて可能である。アンテナ選択指標又はコードブックベースのビーム形成加重値選択をフィードバックする処理の様な限定的フィードバック方法は、全チャネルフィードバックとは対照的に、フィードバック量を減じ得るが、全チャネルフィードバックは、大量のチャネル資源を必要とし、これによってリンク容量が減少する。
【０００４】
１つの解決策は、送信機と受信機との間で合意し得る一組の予めコード化されたビーム形成加重値を提供することである。この予めコード化された組の加重値は、指標によって識別し得る。このように、予めコード化された用いるべき適切な加重値を送信機が知るためには、送信機へのフィードバックに指標だけを用いる必要がある。しかしながら、全ての送信条件及び全ての数のアンテナを網羅し得る加重値の指標化コードブックを提供することは、困難である。従って、依然として何らかの計算を必要とする。残念なことに、既存のコードブックは、かなり複雑であり、各指標の加重値には、アンテナ要素の数までの行列状のランクが含まれる（ランクは、送信すべきデータストリームの数を意味する）。既存の行列が、非拘束値（即ち、アルファベット）の成分を含み得るということからして、特定ランクの行列から加重値を決定するには、依然として、多数の入り組んだ計算が必要であり、これらの計算には、行列乗算等の更に複雑な数値演算を含み得る。更に、異なるコードブックが、異なるランクの加重値に提供され、予めコード化された加重値を決定するための検索の計算の複雑さにより、問題が発生する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、効率的なフィードバック方法が、ビーム形成加重値の選択を送信機に提供するのに必要である。計算の複雑さを低減するコードブックを提供することには、利点がある。ランクと独立して用いることができる１つのコードブックを提供することは、更に利点がある。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】通信チャネルの上位レベルの概略図であって、通信チャネルの一部が無線である図。
【図２】２入力、２出力ＭＩＭＯチャネルの上位レベルのブロック図。
【図３】本発明の方法及びシステムを実装するために用い得る多重ストリーム多重アンテナ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の更に詳細なブロック図。
【図５】本発明の方法及びシステムに基づく多重ストリーム多重アンテナ送受信機システムに用いるための受信機を示す図。
【図６】本発明に基づくコードブックランク付けを示す図。
【図７】従来技術と比較した本発明に基づく処理能力結果を示すグラフ。
【図８】従来技術と比較した本発明に基づく処理能力利得結果の割合を示すグラフ表現。
【図９】本発明に基づく方法を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
新規であると考えられる本発明の特徴は、添付の請求項に詳細に記載する。本発明は、その更なる目的及び利点と共に、以下の説明を参照し添付図面と共に解釈することによって最も良く理解されるであろう。それらの幾つかの図において、同じ参照番号は、同じ要素を示す。
【０００８】
本発明は、ビーム形成加重値の選択を送信機に提供するための効率的なフィードバック方法を提供する。特に、本発明は、計算の複雑さを低減するコードブックを提供する。更に、本発明は、ランクから独立して用い得る１つのコードブックを送信機に提供する。
【０００９】
多重アンテナ無線システムは、コードブックベースのフィードバックを用いて、特定のチャネル条件に信号送信をカスタマイズする。コードブックベースの方法を評価するための２つの最も重要な評価指数は、移動体におけるＦＥＲ／処理能力及びコードブック検索複雑度（量子化の場合）である。本発明の好適な実施形態において、簡易なコードブックを提案するが、この場合、コードブック登録項目は、ｉを−１の平方根とすると、ｉの累乗から構成される。好適な実施形態において、ｉの累乗は、ｉの半整数累乗に限定される。これにより、乗算を共役又は否定で置き換えることによって、コードブック検索が簡素化される。以下に示すシミュレーション結果によって実証されることは、そのようなコードブックは、処理能力について、既知の最良のコードブックと比較して、ほとんど損失を起こさないことである。本発明の他の実施形態において、コードブックの登録項目は、依然として、コードブック検索の演算の複雑さを低減する支援を行う定形のアルファベットからのものであるが、登録項目は、単なるｉの累乗以上のものである。例えば、登録項目には、０（ゼロ）並びにｉの累乗及び合計を含み得るが、この場合、１つの特定の例は、集合｛０，１，−１，ｉ，−ｉ，（１＋ｉ）／ｓｑｒｔ（２），（１−ｉ）／ｓｑｒｔ（２），（−１＋ｉ）／ｓｑｒｔ（２），（−１−ｉ）／ｓｑｒｔ（２）｝であり、ここで、ｓｑｒｔ（２）は、２の平方根を意味する。この例は、０並びに次のｉの整数及び半整数累乗、即ち、｛０，２，１，３，１／２，７／２，３／２，及び５／２｝を含む集合であることに留意されたい。
【００１０】
更に、実施が容易になる本発明の他の構造は、１つのランク独立コードブック行列を有することである（ランクは、送信データストリームの数を意味する）。本発明は、更に、コードブック行列の設計のための方法について記載するが、この場合、ランク１符号語は、ランク２符号語の部分集合であり、ランク２符号語は、ランク３符号語の部分集合であり、以下同様である。ランク独立コードブック設計は、演算の複雑さが更に低減されるように、コードブック登録項目をｉの累乗（又は他の同様な定形のアルファベット）に限定する段階と組み合わせることができる。以下に示すシミュレーション結果によって実証されることは、これらのコードブックも、既知の最良の従来技術によるコードブックと比較して、処理能力の損失がほとんど生じないことである。
【００１１】
本発明において、通信システムは、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）又は適応変調および符号化（ＡＭＣ）を含むマルチキャリアベースのアーキテクチャを利用してよい。本アーキテクチャには、更に、マルチキャリアＣＤＭＡ（ＭＣ−ＣＤＭＡ）、マルチキャリア直接拡散ＣＤＭＡ（ＭＣ−ＤＳ−ＣＤＭＡ）、直交周波数・符号分割多重（ＯＦＣＤＭ）等の１次元又は２次元拡散による拡散技法の使用を含むことができ、又は、もっと単純な時間及び／又は周波数分割多重／多元接続技法もしくはこれらの様々な技法の組合せに基づき得る。しかしながら、通信システムの他の実施形態は、これらに限定するものではないが、ＴＤＭＡ、直接拡散ＣＤＭＡ、サイクリック・プレフィックス単一キャリアシステム、インターリーブ周波数分割多元接続システム等、他のセル方式通信システムプロトコルを利用し得る。
【００１２】
図１は、無線通信チャネルの上位レベルの概略図を示す。図示するように、ｘは、受信機に無線送信されるユーザデータを表す。受信機では、
【００１３】
【数１】
2010527562.tif 000003
は、送信データの推定値ｘを表す。ユーザデータｘは、送信機で分割して、複数のデータストリーム、ｘ１，ｘ２，・・・，ｘＮを表すベクトルを生成し得る。
【００１４】
ユーザデータｘは、行列Ｖによって処理されて、適応可能な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の内の１つを送信するために用いられるアンテナアレイ加重値集合を含むベクトルである。信号ｚは、送信アンテナアレイのアンテナ要素から無線送信され、受信機アンテナアレイにおいて、受信アンテナ信号ｒとして受信される。アンテナ信号ｚと受信アンテナ信号ｒとの間の無線インターフェイス又はチャネルには、行列Ｈが含まれ、これは、信号ｚに対する無線インターフェイス又はチャネルの影響について記述する。
【００１５】
受信アンテナ信号ｒは、受信機において、行列Ｕ’によって処理され、データ
【００１６】
【数２】
2010527562.tif 000004
の推定値を生成する。
【００１７】
次に、図２を参照して、２入力、２出力ＭＩＭＯアンテナアレイシステムを示すが、本発明は、２アンテナシステムに限定されるものではなく、複数の送信及び受信アンテナに同様に好適に適用し得ることを認識されたい。本例のこのＭＩＭＯシステムは、“複合チャネル”Ｈを介して、単一の加入者ユニットに２つの異なるデータストリームｚ１及びｚ２を同時に送信するために用いられるが、“複合チャネル”Ｈは、以下の行列によって定義される。
【００１８】
【数３】
2010527562.tif 000005
上式において、ｈｍｎ、ｍ＝１，２、ｎ＝１，２は、複合チャネル値である。本明細書に用いる用語「複合チャネル」とは、チャネルの完全な測定又は説明を意味し、ここでは、送信アンテナ及び受信アンテナの全ての組合せの影響が考慮されていることに留意されたい。複合チャネルは、送信及び受信アンテナの全ての対の組合せによって定義された単一アンテナのアレイ間の全てのチャネルの集合であると見なしてよい。
【００１９】
フラットなレイリーフェージングチャネルを仮定すると、ｈｍｎは、平均パワーが１、すなわち
【００２０】
【数４】
2010527562.tif 000006
である、複素値のガウス数である。受信（基底帯域）ベクトルｒ（図１参照）は、理想的には次のように表記される。
【００２１】
ｒ＝Ｈｚ＝ＨＶｘ
ここで、
【００２２】
【数５】
2010527562.tif 000007
は、送信データストリームのベクトルであり、雑音は、考慮されていない。雑音の無いチャネルでは、チャネル行列ＨＶが最高ランクであれば、両ストリームを完全に回復できることに留意されたい。即ち、２つの式及び２つの未知数を解いて、未知数（下式）を回復することができる。
【００２３】
【数６】
2010527562.tif 000008
ｘ＝（ＨＶ）−１ｒである場合、両データストリームを回復することができて、リンク又はチャネル効率は、倍増できる。
【００２４】
次に、図３を参照して、本発明の方法及びシステムを実装するために用い得る多重ストリーム多重アンテナ閉ループ送信機を示す。図示するように、送信機２０は、ユーザデータ２２を受信して、アンテナアレイ２４を用いて、処理済みユーザデータを送信するが、アンテナアレイ２４には、アンテナ要素２６が含まれる。
【００２５】
ユーザデータ２２は、データ分配器２８に入り、データ分配器２８は、ユーザデータストリームを、データストリーム３０及びデータストリーム３２等の複数のデータストリームに分ける。図３には、２つのデータストリームを示すが、データ分配器２８は、任意の数のデータストリームを生成し得る。データ分配器２８は、コントローラ３６によって生成される制御信号３４に比例して、データを分配する。例えば、制御信号３４は、２対１の比を指定し得るが、この場合、２つのビットが、データストリーム３０に送られ、また、１つのビットが、データストリーム３２に送られる。この分配比は、両ストリームについて等しい数のビットを指定し得るが、そうでなければ、全てのデータビットが、１つのストリームに送られる。
【００２６】
データ分配器２８によって出力されたデータストリーム３０及び３２は、前方誤り訂正エンコーダ（ＦＥＣ）３８及び４０に入力される。これらの誤り訂正エンコーダは、畳み込みエンコーダ、ターボエンコーダ、ブロックエンコーダ等で実現し得る。符号化の種類及び符号化の速度は、制御信号４２によって制御され、制御信号４２は、コントローラ３６によって出力される。制御信号４２は、誤り訂正エンコーダ３８及び４０を同じ誤り符号化方式又は異なる符号化方式に設定し得ることに留意されたい。
【００２７】
誤り訂正エンコーダ３８及び４０の出力は、変調器４４及び４６の入力に結合される。変調器４４及び４６は、線形又は非線形変調方式で実現でき、振幅及び位相並びに振幅及び位相の組合せを変調する全ての様々な変調器を含み得る。用い得る変調器の例としては、二位相変位変調器（ＢＰＳＫ）、四位相偏移変調器（ＱＰＳＫ）、Ｍ−ａｒｙ位相変位変調器、Ｍ−ａｒｙ直角位相振幅変調器（ＭＱＡＭ）等が挙げられる。
【００２８】
制御信号４８は、変調器４４及び４６に用いられる変調の種類を選択する。制御信号４８は、コントローラ３６によって生成される。本発明によれば、データストリームにおける変調方式は、同じであっても異なってもよい。
【００２９】
変調器４４及び４６の出力は、オプションの拡散器４９及び５０の入力にそれぞれ結合される。拡散器４９及び５０は、拡散コード５２を用いて、その信号を拡散するが、この場合、拡散コードは、ユーザデータ２２に割り当てられる。
【００３０】
拡散器４９及び５０の出力は、パワー配分器５４の入力に結合される。パワー配分器５４は、コントローラ３６からの制御信号５６に応じて、データストリーム３０と３２とのパワー比を設定する。パワー配分器５４は、全てのパワーを１つのデータストリームに、もしくは、等しいパワーを複数のデータストリームに配分したり、又は等しくない他の比のパワー配分を行ったりできる。パワー配分器５４は、図３には図示しない他のユーザデータに属するデータストリームについては、パワーをデータストリーム３０及び３２に配分しない。これが意味することは、パワー配分器５４が、絶対レベルのパワーをユーザに配分しないということである。各データストリーム及び各ユーザに配分される絶対パワーは、電力増幅器及び図３には図示しない他の制御機能において利用可能なパワーによって決定される。
【００３１】
パワー配分器５４の出力は、アンテナアレイ信号プロセッサ５８の入力に結合され、プロセッサ５８は、アンテナアレイ加重値集合を各データストリームに適用することによって、データストリームを更に処理する。これらのアンテナアレイ加重値集合は、制御信号６０を介してコントローラ３６からやって来る。アンテナアレイ信号プロセッサは、アンテナアレイ加重値集合をデータストリーム３０及び３２に適用することによって、異なるアンテナアレイビーム形成パターンでの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の出力には、入力データストリームの重み付けされた成分が含まれる。例えば、出力６２には、データストリーム３２の位相及び利得重み付け部分が加算されたデータストリーム３０の位相及び利得重み付け部分を含み得る。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、送信アンテナの数に等しい。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大きいこともあるが、送信されるデータストリームの数は、同じままである。
【００３３】
次に、図４を参照して、アンテナアレイ信号プロセッサ５８の上位レベルのブロック図を示す。図示するように、データストリーム３０及び３２は、アンテナアレイ信号プロセッサ５８に入るが、この場合、各データストリームの複製が、アンテナアレイにおいて用いられるアンテナ要素に対応する利得乗算器に送られる。図４に示す例では、２つのアンテナが、アンテナアレイに用いられており、従って、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】
以下の各利得乗算器８０は、移相器８２であり、移相器８２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の出力は、加算器８４に結合され、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及び６４を生成する。
【００３５】
制御信号６０（図３参照）には、複数のアンテナアレイ加重値集合が含まれ、この場合、１つのアンテナアレイ加重値集合が、各データストリームと関連付けられる。例えば、制御信号６０には、加重値集合信号８６及び８８が含まれる。加重値集合信号８６には、データストリーム３０に関連付けられた各利得乗算器８０及び移相器８２用の利得及び位相加重値（即ち、複合加重値）が含まれる。従って、データストリーム３０に関連付けられた移相器８２の出力は、選択されたアンテナパターンをデータストリーム３０に提供するアンテナ信号を生成する。同様に、加重値集合信号８８には、データストリーム３２に関連付けられた各利得乗算器８０及び移相器８２用の位相及び利得加重値が含まれる。データストリーム３２に関連付けられた移相器８２の出力において、データストリーム３２用に選択されたパターンでアンテナアレイを駆動するためのアンテナ信号を生成する。
【００３６】
各データストリーム用の所望のアンテナビーム形成パターンを生成するために、データストリームに関連付けられた利得乗算器８０は、異なる利得値を有することができ、また、データストリームに関連付けられた移相器８２は、異なる位相シフト値を有することができ、これによって、協働して特定の送信パターンを形成するアンテナ信号を生成する。
【００３７】
送信機２０の幾つかの実施形態において、出力信号６２及び６４は、高い周波数に変換され、増幅され、そして、２つのアンテナ要素２６に結合され得る。
コントローラ３６は、フィードバック受信機７０から受信された情報、及びメモリ７２に記憶されたデータに基づき、制御信号３４、４２、４８、５６、６０、及び６８を出力する。図示したフィードバック受信機７０は、図５に示す受信機等の遠隔の受信機からフィードバックデータを受信するためのアンテナ７４に結合されている。図示したアンテナ７４は、アンテナアレイ２４と分離しているが、アレイ２４のアンテナ要素２６の内の１つは、フィードバックデータを受信するために用い得る。
【００３８】
フィードバック受信機７０からのフィードバックデータには、後述するコードブック指標を含み得るが、これは、メモリ７２に予め記憶されたコードブック７６にある送信パラメータを照合するために、コントローラ３６によって用い得る。
【００３９】
また、コントローラ３６は、フィードバックデータに基づき、追加の制御信号又は送信パラメータを計算又は導出するためにも用い得る。従って、フィードバックデータには、計算が基づき得る測定値、又は送信機２０において用いられるパラメータを示すデータを含み得ることを理解されたい。
【００４０】
次に、図５を参照して、本発明の方法及びシステムに基づく、多重ストリーム多重アンテナ送受信機システムにおいて用いるための受信機を示す。図示するように、受信機９８には、無線周波数信号１０４及び１０６を受信する要素１０２を有するアンテナアレイ１００が含まれる。受信ＲＦ信号１０４及び１０６は、異なる信号である可能性が極めて高いが、この理由は、アンテナ要素１０２が、離間されていること、また、送信機２０のアンテナ要素２６からの受信ＲＦ信号１０４及び１０６が通過する伝搬経路が、多重路フェージング環境では、異なる可能性が極めて高いためである。
【００４１】
送信機２０及び受信機９８から構成される多重ストリーム多重アンテナ送受信機システムでは、送信機２０と受信機９８との間のデータ処理能力を大きくするために、複数のデータストリームが送信される。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可能であり、受信機９８は、送信機２０及び受信機９８における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た状態に維持できる。従って、送信機２０におけるユーザデータ２２は、受信機９８によって受信され、そして、推定ユーザデータ１０８として出力される。
【００４２】
受信ＲＦ信号１０４及び１０６は、無線周波数受信機フロントエンド１１０に入力されるが、この場合、無線周波数信号は、低い周波数に変換され、また、デジタル化される。無線周波数受信機フロントエンド１１０の出力は、受信ＲＦ信号１０４及び１０６を表す複合基底帯域デジタルサンプルのストリームである。
【００４３】
無線周波数受信機フロントエンド１１０の出力は、受信機信号プロセッサ１１２に入力されるが、プロセッサ１１２は、受信機９８において、データストリーム３０及び３２（図３参照）を分離する機能を有する。本発明の一実施形態において、受信機信号プロセッサ１１２は、Ｕ行列の複素共役転置行列を入力信号に乗ずることによって実現し得るが、これは、複合チャネル行列Ｈの特異値分解の左特異ベクトルである。本発明の他の実施形態において、受信機信号プロセッサ１１２は、行列Ｖと複合チャネル行列Ｈとの積の疑似逆数を入力信号に乗ずることによって実現し得る。本発明の更に他の実施形態において、受信機信号プロセッサ１１２は、行列Ｖと複合チャネル行列Ｈとの積から計算されたＭＭＳＥ組合せ加重値を入力信号に乗ずることによって実現し得る。受信機信号プロセッサ１１２は、コントローラ１１３からの制御信号１１５によって制御される。
【００４４】
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、オプションの逆拡散器１１４及び１１６に入力され、これらは、拡散コード５２を用いて、信号を逆拡散し、拡散コード５２は、送信機において用いられる拡散コードと同じである。逆拡散器１１４及び１１６の出力は、それぞれ、復調器及びデコーダ１１８及び１２０の入力に結合される。各復調器及びデコーダ１１８及び１２０は、送信機において各データストリームのために選択されたものを補完する復調及び誤り訂正復号技法を用いて、その信号を復調し、また、その信号を復号する。従って、用いられる復調器及びデコーダ機能の種類は、コントローラ１１３からの制御信号１２２によって示すように、送信機２０において用いられたものに依存する。復調器及びデコーダ１１８及び１２０は、同じ機能でも異なる機能でもよい。
【００４５】
復調器及びデコーダ１１８及び１２０からの出力は、結合器１２４に入力され、結合器１２４は、受信された複数のストリームを組み合わせて、単一のストリームに戻し、推定ユーザデータ１０８として出力する。結合器１２４は、コントローラ１１３の制御下で、制御信号１２６によって指示されるように動作する。受信データストリームは、異なるデータ速度を有し得ることから、また、１つのデータストリームは、ゼロに等しいデータ速度を有し得ることから、結合器１２４は、データが図３の送信機２０においてデータ分配器２８によって当初分割されたやり方に基づき、ユーザデータを再構築しなければならない。
【００４６】
送信機において複数のアンテナを介して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、複合チャネルを測定し、また、フィードバックデータを送信機に送信しなければならない。図示するように、無線周波数フロントエンド１１０の出力も、複合チャネル推定器１２８に結合され、推定器１２８は、送信機２０の各アンテナ要素２６から送信されたパイロット信号を用いて、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。実際には、受信機は、ダウンリンクパイロットデータを受信し、送信機の各アンテナからその各受信アンテナへのダウンリンクチャネル推定値を測定する。パイロットは、好適には、送信機によって送信され、チャネル推定のために受信機によって用いられるが、ブラインド又は判定指向チャネル推定法等、他の選択肢としてのチャネル推定法が、パイロットが無い状態で又はパイロットベースのチャネル推定に対する補完的役割を果たすものとして用いられることがある。
【００４７】
複合チャネル推定器１２８の出力は、Ｈ行列によって表されるが、１３２及び１３６に入力される。
ＳＮＲコンピュータ及びパワー配分器１３２では、信号対雑音比が、試しに送られた各データストリームについて計算される。ＳＮＲ計算に基づき、ブロック１３２のパワー配分機能により、パワーが各データストリームに配分される。一旦、パワーが各データストリームに配分されると、選択されたパワー配分を用いて、最終的なＳＮＲ計算を実施し得る。
【００４８】
変調器・符号器１３４は、それが用いるＳＮＲコンピュータ及びパワー配分器１３２から情報を受信して、送信機２０において用いられる符号化方式及び変調方式を選択する。一般的に、上位の変調器が、高信号対雑音比を有するデータストリームに対して選択される。
【００４９】
フィードバック送信機１３６は、１２８、ＳＮＲコンピュータ及びパワー配分器１３２、及び変調器・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の送信モードを制御するために用いられる受信機９８において行われた計算及び選択を表す。好適な一実施形態において、フィードバック送信機１３６は、そのデータを解析し、入力データによって表される送信機パラメータに最も良く整合するコードブック値（指標及びランク）及び関連する送信機パラメータを選択する。従って、フィードバック送信機１３６には、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ためのコードブック１３８を含み得る。図示したアンテナ１４０は、受信アンテナアレイ１００から分離しているが、アンテナ１４０は、受信アンテナアレイ１００におけるアンテナ要素１０２の内の１つであってよい。フィードバック送信機１３６によって送信されたデータは、送信機２０において、フィードバック受信機７０によって受信される。
【００５０】
好適な一実施形態において本発明は、ＴＤＤ又はＦＤＤの場面において、ＭＩＭＯシステムにおける（ビーム形成を含む）線形プリコーディングを可能にするためのチャネル情報のコードブックベースのフィードバックを考慮する。送信機（例えば、基地局）並びに受信機（例えば、移動局）は、コードブックと呼ばれる固定された所定の組のプリコーディング行列の事前情報を有する。受信機は、推定されたダウンリンクチャネルに基づき、特定のコードブック入力項目（符号語）を選択し、この入力項目の索引は、低速フィードバックチャネルを用いて、送信機に送り戻される。本発明は、符号語を選択するために受信機において必要な演算の複雑さを低減するコードブックを提供する。
【００５１】
次に、ここで、コードブック形成について簡単に説明できる。送信機は、Ｍｔアンテナを有し、受信機は、Ｍｒアンテナを有すると仮定し、また、Ｍｓデータストリームが、送信されると仮定する。Ｈ（ｋ）が、ｋ番目の周波数のサブキャリア用のＭｒｘＭｔチャネル行列を表すものとする。Ｗが、本明細書において定義されたコードブックの要素である次元ＭｔｘＭｓのプリコーディング行列を表すものとする（このＷは、拡散器４９及び５０並びに逆拡散器１１４及び１１６において用いられるＷ５２と異なることに留意されたい）。符号語を選択するための判断基準は、固有ではないが、通常、選択判断基準は、形式Ｈ（ｋ）Ｗの乗算を伴う。本発明は、検索選択の複雑さを緩和するために、限定又は定形のアルファベットからコードブックを構築する
コードブックの要素を選択するための公式は、下式により表現される。
【００５２】
【数７】
2010527562.tif 000009
上式において、行列ノルムは、フロベニウスノルムであり、
【００５３】
【数８】
2010527562.tif 000010
は、Ａの成分の大きさの平方の和を意味する。Ｈ（ｋ）は、ｋ番目の周波数のサブキャリアのＭｒｘＭｔチャネル行列を表し、Ｋは、Ｋ個の隣接サブキャリアからなるクラスタのサイズを示し、Ｗは、次元ＭtｘＭｓのプリコーディング行列であり、Φ＝｛Ｗ１，Ｗ２，・・・，ＷＮ｝は、プリコーディング行列のコードブックを示し、Ｖは、クラスタの量子化されたプリコーディング行列を表すΦから選択された要素である。本発明は、α及び一般的に、限定されたアルファベットからのΦの構築を行う。
【００５４】
コードブックを評価する標準的な速い方法は、全ての符号語の最小対距離を計算することである。用いられる距離の目安は、以下のようにまとめられる。
【００５５】
【数９】
2010527562.tif 000011
上式において、下付き文字ｋは、ストリームの数（又はランク）を示す。この距離は、１≦ｋ＜Ｍtの場合に用いられる。以下の距離は、ｋ＝Ｍtの場合に用いられる。
【００５６】
【数１０】
2010527562.tif 000012
コードブックは、ｄｍｉｎ，ｋが大きいと、競争相手のコードブックより良いと見なされる。或る選択判断基準に対する同値関係は、以下の通りである。
【００５７】
【数１１】
2010527562.tif 000013
ここで、
【００５８】
【数１２】
2010527562.tif 000014
は、ランク（Ｍt−ｒ）であり、Ｗの直交補成分を示し、ｒは、ランク又はストリームの数を示す（交換可能にＭｓによっても示す）。従って、簡易なコードブックが、Ｗの場合ではなく、
【００５９】
【数１３】
2010527562.tif 000015
に対して存在する場合、
【００６０】
【数１４】
2010527562.tif 000016
からなるコードブックについて、検索することは、有益である。他の距離を用い得ることに留意されたい。１つのそのような他の選択肢は、１から
【００６１】
【数１５】
2010527562.tif 000017
の最小二乗特異値を引いた値の平方根を用いることである。
【００６２】
本発明の一実施形態は、任意のアルファベットに対する多重ランク（ランク独立）コードブック設計を提供する。好適には、コードブックは、各ランクに対して最適距離を有する。良好な最小距離特性を備えたコードブックの設計は、最小距離メトリックの極めて非線形な性質により与えられる厳密な科学ではない。しかしながら、勾配ベースのアプローチは、最小距離を増加させながら、帰納的にコードブックを設計するために用いられる。この勾配ベースのアプローチにおける第１段階は、良好な距離特性を備えたランク１ベクトルを演算することである。これらのランク１ベクトルは、最終的なコードブック行列設計の第１列を構成する。ランク１ベクトルの設計は、以下の通りである。
１．幾つかの単位ノルムの初期ベクトルｖ（１）乃至ｖ（Ｎ）（例えば、ランダムに選択された成分）及びステップサイズα（例えば、α＝．０１）で開始する。
２．最短距離の２つのベクトルを求める（この対を｛ｍ，ｐ｝と呼ぶ）。距離は、（２）式又はある適切な他の選択肢を用いて、求めることができる。
３．以下の勾配を算出する。
【００６３】
【数１６】
2010527562.tif 000018
４．以下のベクトルを更新する。
【００６４】
【数１７】
2010527562.tif 000019
５．単位ノルム制約条件を次のように課す。
【００６５】
【数１８】
2010527562.tif 000020
６．最小距離が改善される場合、最小距離がもはや改善されなくなるまで、ステップ２に戻る。そうでない場合、停止する。
【００６６】
勾配手順は、異なる出発点から複数回走らせて、更に、最良の最小距離を備えたコードブックを検索することができる。定数係数成分又は有限アルファベット成分等の他の制約条件を課す場合、ステップ５は、所望の制約条件を課す演算によって置き換えられることに留意されたい。
【００６７】
他の選択肢として、任意の距離メトリックに対する近似勾配ｄ（Ｗ１，Ｗ２）を計算することができる。本発明は、Ｗ１及びＷ２の最後の列の勾配にのみ関心があり、従って、以下の形態
【００６８】
【数１９】
2010527562.tif 000021
によりＷ１及びＷ２が与えられると、Ｕ１及びＵ２の対象の勾配ベクトルだけが、それぞれ、ｇ１及びｇ２と表記される。Ｕ１及びＵ２に対する近似勾配のｍ番目の要素は、下式のように求められる。
【００６９】
【数２０】
2010527562.tif 000022
上式において、１ｍは、ｍ番目の要素の１を除き、全てゼロのＭtｘ１ベクトルであり、δは、任意の然るべき小さい数（例えば、δ＝０．００００１）である。
【００７０】
一旦、ランク１の設計が得られると、ランク２乃至Ｍtの設計を求めることができる。まず、ランク１のコードブック行列を生成する（この第１ステップにおいて、これらは、Ｗ１（ｎ）＝ｖ（ｎ）のように、ベクトルＷ１（１）乃至Ｗ１（Ｎ）であることに留意されたい）。
【００７１】
１．ランクｎ＝２を設定。
２．幾つかの単位ノルム初期ベクトルｕ（１）乃至ｕ（Ｎ）（例えば、ランダムに選択された成分）及びステップサイズα（例えば、α＝．０１）で開始。
【００７２】
３．ランクｎコードブック行列を下式のように生成。
【００７３】
【数２１】
2010527562.tif 000023
４．最短距離の２つのランクｎ行列を求める（この対を｛ｍ，ｐ｝と呼ぶ）。この距離は、（２）式（又はランクｎ＝Ｍtの場合、（３）式）を用いて求めることができ、又はいずれか他の適切な距離であってよい。
【００７４】
５．上記したように、各対ｇｍ及びｇｎの近似勾配を算出。
６．ベクトルｕ（ｍ）＝ｕ（ｍ）＋αｇｍ及びｕ（ｐ）＝ｕ（ｐ）＋αｇｐを更新。
７．ｕ（ｍ）及びｕ（ｐ）についてユニットノルム制約条件を課し、また、更に、ｕ（ｍ）及びｕ（ｐ）が、Ｗｎ−１（ｍ）及びＷｎ−１（ｐ）にそれぞれ直交する制約条件を課す（例えば、グラム・シュミットの直交化手続きを用いる）。
【００７５】
８．最小距離が改善される場合、ステップ３へ進む。そうでない場合、ステップ９へ進む。
９．ｎ＝Ｍtである場合、停止し、そうでない場合、ｎ＝ｎ＋１として、ステップ２へ進む。
【００７６】
勾配手順は、異なる出発点から複数回走らせて、更に、各ランクにおいて最良の最小距離を備えたコードブックを検索することができる。ランク１の場合と同様に、ステップ７において、異なる制約条件（例えば、一定の係数制約条件又は定形のアルファベット制約条件）で置き換えられ得ることに留意されたい。
【００７７】
他の実施形態において、本発明は、縮小アルファベットから多重ランクコードブック設計を提供する。この場合、コードブック設計と量子情報理論に対する相互に偏りがない基底（ＭＵＢ）の設計とが結びつけられる。一組のＭＵＢは、ｉの累乗だけからなる定形のアルファベットα＝｛１，−１，ｉ，−ｉ｝からのコードブックの構築に用い得ることが分かる。しかしながら、最大の組のＭＵＢは、制限され、そして、コードブックサイズ及び次元に制約を課す或る次元においてのみ識別できることに留意されたい。幸いなことに、ほとんどの実用的な対象の場合、ＭＵＢを用いて、αからほぼ最適なコードブックを構築することが可能であると思われる。
【００７８】
与えられた多重ランクコードブックの性能の目安は、次のように定義される。次元ＤにおいてＮ要素からなる任意の多重ランクコードブックＣ＝（Ｗ１，Ｗ２，・・・，ＷＮ｝について考える。コードブックの各要素Ｗ１は、ＤｘＤユニタリー行列であることに留意されたい。
【００７９】
【数２２】
2010527562.tif 000024
によって示される任意の要素Ｗｌに対して、ＷｌのＤｘｋ部分行列は、Ｗｌの最初のｋ列からなる。関数
【００８０】
【数２３】
2010527562.tif 000025
を
【００８１】
【数２４】
2010527562.tif 000026
及び
【００８２】
【数２５】
2010527562.tif 000027
と定義する。
そして、関数
【００８３】
【数２６】
2010527562.tif 000028
は、それぞれ、ランク１，２，・・・，Ｄに対するコードブックＣの性能を測定するために用いられる。
【００８４】
Ｄ次元空間において、ＭＵＢからコードブック設計を求める場合、２つの基底Ａ及びＢが、
【００８５】
【数２７】
2010527562.tif 000029
を満たす場合、互いに不偏であると定義され、また、
【００８６】
【数２８】
2010527562.tif 000030
は、２つのベクトルａとｂとの間の角の余弦を示す。Ｄが素数の累乗である場合、Ｄ＋１個のそのような基底が存在することが分かっている。Ｄ＋１個の基底の特殊な設計は、Ｄが２又は３の累乗である場合に知られている。Ｄが２の累乗である特別な場合、（Ｄ＋１）個のＭＵＢをアルファベットαから構築し得ることが分かる。コードブックは、事前に設計されたＭＵＢから構築し得ることから、ＭＵＢの設計についての詳細について述べる必要はない。
【００８７】
Ｄ＝４（Ｍt＝４に対応する）の場合は、特に重要であり、５個のＭＵＢ（この次元で可能な最大値）には、標準基底と共に、下式のように与えられた基底Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄが含まれる。
【００８８】
【数２９】
2010527562.tif 000031
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄから、Ｍt＝４送信アンテナＭＩＭＯシステムの基数１６のコードブックΦ（又は４ビットのフィードバック）は、Φ＝｛Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ｂ０，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｃ０，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｄ０，Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３｝として構成されるが、ここで、Ａｊは、列が左側にｊ桁だけ巡回シフトされた行列Ａを表す。例として、
【００８９】
【数３０】
2010527562.tif 000032
であり、また、Ａ０＝Ａ４である。同様に、Φの他の要素は、Ｂ，Ｃ及びＤから構成される。コードブックΦは、ランク１（Ｍｓ＝１）、ランク２（Ｍｓ＝２）、ランク３（Ｍｓ＝３）及びランク４（Ｍｓ＝４）プリコーディング行列用の共通コードブックとして設計される。ランク１の場合、各行列の第１列は、一組のランク１符号語を構成し、ランク２の場合、各行列の最初の２列は、一組のランク２符号語を構成し、以下同様である。本例において、コードブックΦは、
【００９０】
【数３１】
2010527562.tif 000033
を有する。ランク１の性能は、非制約アルファベットを備えた同じサイズの最も良く知られたコードブックである、下式に匹敵する。
【００９１】
【数３２】
2010527562.tif 000034
コードブックΦは、ｉの累乗からも構成されるが、一定の回転だけ集合Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄと異なるＥ，Ｆ，Ｇ，Ｈとして示された一組のＭＵＢを求めることによって、基数３２（又は５ビット）の他のコードブックΣに拡張される。回転は、ランダムな検索を介して決定される。行列Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈの例は、下式のように与えられる。
【００９２】
【数３３】
2010527562.tif 000035
また、コードブックΣは、Σ＝｛Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ｂ０，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｃ０，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｄ０，Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｅ０，Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｆ０，Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｇ０，Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｈ０，Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３｝と定義される。コードブックΣは、下式を有する
【００９３】
【数３４】
2010527562.tif 000036
また、ランク１性能を下式の値まで向上させたランク１だけのコードブックを構築することが可能である。
【００９４】
【数３５】
2010527562.tif 000037
尚、そのようなコードブックは、送信アンテナの数が２の累乗である時はいつでも、ＭＵＢから構成し得る。そのようなコードブックは、更に、他の場合についても構成し得るが、ＭＵＢからは、構成できない。更に、ここで述べたコードブックは、固有ではなく、多くのそのような構造は、可能であり、厳密に同じ性能になる。
【００９５】
３つの送信アンテナの特別な場合、サイズ１６（又は４ビット）のランク１及びランク２用の組み合わせコードブックは、下式のように与えられる。
【００９６】
【数３６】
2010527562.tif 000038
尚、この場合、１６のコードブックサイズは、アルファベットαで可能な最大サイズである。ランク２コードブックは、各符号語Ωの直交補空間に属する符号語を含む。これは、ランク１符号語がアルファベットαからであるが、ランク２符号語がそうではないコードブックの例である。このことは、しかしながら、ランク２符号語のコードブック検索は、同様な意味合いで、ランク１符号語のコードブックの検索として表現できることから、制約条件ではない（直交補数をとる）。（一般的に、ランクｒのコードブック及び直交補空間の要素からなるランクＭt−ｒの等価なコードブックを検索することの等価性は、大規模なクラスの符号語選択判断基準に当てはまる。何らかの選択判断基準に関連する式は、付録に示す。）このコードブックは、下式を有する。
【００９７】
【数３７】
2010527562.tif 000039
このことは、下式を有する最良の既知のコードブックに匹敵する。
【００９８】
【数３８】
2010527562.tif 000040
尚、このコードブックは、ＭＵＢから導出されず、また、ランク３符号語には適用できない。
【００９９】
以下は、ＭＵＢから導出される３つの送信アンテナ及びサイズ８（又は３ビット）の場合におけるランク１、ランク２、及びランク３の組み合わせコードブックである。符号語は、ｘ＊がｘの共役を示すとすると、限定されたアルファベットβ＝｛１，ｘ，ｘ＊｝から構成される。この場合、ＭＵＢは、標準基底と共に下式のように与えられる。
【０１００】
【数３９】
2010527562.tif 000041
但し、
【０１０１】
【数４０】
2010527562.tif 000042
である。結果的に生じるコードブックΘ＝｛Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ｂ０，Ｂ１，Ｂ２，Ｃ０，Ｃ１，｝は、下式を有する。
【０１０２】
【数４１】
2010527562.tif 000043
これらは、下式を有する最良の既知のコードブックに匹敵する。
【０１０３】
【数４２】
2010527562.tif 000044
ＭＵＢからの多重ランクコードブック設計の手順は、一般化できる。次元ＤのＭＵＢからのサイズＮの多重ランクコードブックＦを設計する方法について、以下に説明する。上記したように、ランクｒプリコーディング行列は、Ｆの要素からｒ列を選択することによって、多重ランクコードブックから得ることができる。
１．所与の次元Ｄにおいて、一組のＭＵＢ又は基数Ｍの一組の集合のＭＵＢであるＭについて考える。ＭｊによってＭのｊ番目の要素を表す。
２．Ｙ＝ｆｋ（Ｘ）と定義されたｆｋとして一組の行列変換を定義する。ここで、Ｙは、ｋ桁だけＸの列を巡回シフトすることによって、Ｘから得られる
３．Ｂ＝｛ｆｏ（Ｍ０），ｆ１（Ｍ０），・・・，ｆＤ−１（Ｍ０），ｆ０（Ｍ１），ｆ１（Ｍ１），・・・，ｆＤ−１（Ｍ１），・・・，ｆ０（ＭＭ−１），ｆ１（ＭＭ−１），・・・，ｆＤ−１（ＭＭ−１）｝として，ＤＭ個の要素の基本コードブックを得る。
４．ＢからＮ要素を選択することによって、多重ランクコードブックＦを得る。
【０１０４】
Φ又はΣ等の簡易なコードブックの利点は、それらが、コードブック検索の複雑さを低減することである。なぜならば、ａ）乗算が、排除され、共役及び否定で置き換えられ、ｂ）サイズＮのコードブックには、Ｎの固有の列だけがあるため、ランク１行列を検索するための演算に必要な内積の数は、ランク２以上のランクの行列のそれと同じであるからである。更に、簡易なコードブックでは、全てのアンテナからの送信が等しいパワーになり、単一のコードブックは、全てのランクの行列に共通であることから、記憶領域が低減され、また、非制約アルファベットから構築された最良の既知のコードブックと比較して、ほぼ最適なリンク性能を提供する。
【０１０５】
他の一実施形態において、本発明は、ハウスホルダ変換を用いて、多重ランクコードブック設計を提供し、また、登録項目は、定形のアルファベット（例えば、ｉの累乗）からのものである。このアプローチにおいて、コードブックは、ハウスホルダ変換アプローチを用いて、複数のランクに対して良好な距離特性で構成される。ハウスホルダ変換は、ベクトルを行列に変換し、行列の列は、行列コードブックを設計するために用いることができる。ハウスホルダ変換行列は、下式のように与えられる。
【０１０６】
【数４３】
2010527562.tif 000045
上式において、ＩＭは、ＭtｘＭt恒等行列であり、ａは、単位ノルムベクトルである。
【０１０７】
ハウスホルダ変換を用いる場合、コードブック設計手順は、以下の通りである。
１．有限アルファベット成分（例えば、ベクトルがユニットノルムであるように変倍されたｉの累乗である成分）で設計された良好なランク１設計（単位ノルムベクトルｖ（１）乃至ｖ（Ｎ））で開始する。
２．各ランク１のハウスホルダ行列である下式を計算する。
【０１０８】
【数４４】
2010527562.tif 000046
Ｈ（ｎ）の一部は、ランク２乃至Ｍt用のコードブック成分ｎに用いられる。
３．ランクＭt行列は、Ｈ（１）乃至Ｈ（Ｎ）である。
４．ランクＭt−１の場合、最良の距離を与える列について、Ｈ（１）乃至Ｈ（Ｎ）のＭt−１列の各組を検索する。
５．ｍ＝Ｍt−２と設定する。
６．ランクｍの場合、最良の距離を与える列についてランクｍ＋１に対して選択された一部の列からの各組のｍ列を検索する。
７．ｍ＝２の場合、停止する。そうでない場合、ｍ＝ｍ−１として、ステップ６に進む。
【０１０９】
４つの送信アンテナのための特定のハウスホルダコードブック設計の場合、コードブックの設計は、表１に与えられた良好なランク１コードブックで開始する。このコードブックは、アルファベットが、｛−１，＋１，−ｊ，＋ｊ｝（ここでｊ＝ｉであることに留意）に限定されているが、最適な距離（０．８９４４）に近い距離（０．８６６０）を有する。次に、ランク２、３、及び４コードブックを、ランク１コードブックのハウスホルダ変換行列の関数として指定する必要がある。ｖ（ｎ）を、表１（ｎ＝１，・・・，１６）からｎ番目のランク１コードブックベクトルとし、また、ベクトルｎに関連付けられたハウスホルダ行列を下式とする。
【０１１０】
【数４５】
2010527562.tif 000047
（Ｉは、４ｘ４恒等行列である）。ランク４コードブックは、単に全てのハウスホルダ行列（ｎ＝１，・・・，１６）である。満足のいく設計を行う（また、演算の複雑さを低減する）ために、ランク３行列をランク４行列の一部となるように選択し、また、ランク２行列をランク３行列の部分集合になるように選択する。この設計は、距離を犠牲にすることなく可能である（ランク２距離は、０．７０７１であり、ランク３距離は、０．８６６０であった）。従って、指定する必要があるのは、ハウスホルダ行列の列選択だけであり、これは、表２に与えられる。
【０１１１】
【表１】
2010527562.tif 000048
【０１１２】
【表２】
2010527562.tif 000049
図６において、２つの４ｘ４符号語（行列）のコードブック例を示す。第１列各符号語には、上記したように、良好なランク１距離で設計されたランク１符号語の組が含まれる。各符号語の行列全体には、上記したように、良好なランク２距離で設計されたランク２符号語の組が含まれる。
【０１１３】
良好な距離の決定には、まず、ランク対間の最小距離を決定することが含まれ、次に、それらの最小値の最大値を決定することが含まれる。実証するために、２つの符号語だけを示すが、本発明は、本明細書に述べた簡易型コードブックが、１６乃至３２行列を含むことを想定している。
【０１１４】
従来技術は、ランク依存コードブックを提供したが、その場合、一組のランク１符号語について求められた距離は、ランク１符号語に対して最大化され、又は、一組のランク２符号語について求められた距離は、ランク２符号語に対して最大化される。対照的に、本発明は、ランク独立コードブックを提供し、この場合、一組のランク１符号語について求められた距離及び一組のランク２符号語について求められた距離は、合同で最大化される。更に、ランク１結果は、ランク２結果を求めるために用いられ、そして、ランク１及びランク２結果は、ランク３結果を求めるために用いられ、以下同様である。具体的には、下位ランク符号語は、上位ランク符号語の部分集合であり、例えば、ランク１符号語ベクトルは、図６に示すように、ランク２符号語行列の第１列である。
【０１１５】
次に、移動体は、各ストリームにどのコードブック加重値を用いるか決定するだけでよい。様々なパワー、ビーム形成、及び／又は容量判断基準は、当分野で知られている加重値等を決定するために用いられる。そして、予めコード化した選択された組の加重値の指標は、基地局に送り返され、基地局は、メモリに記憶されたコードブックと突き合わせてその指標をチェックして、指示された組の加重値を後続の送信において選択する。ランクｎ送信の場合、基地局は、ビーム形成加重値として、選択された行列の最初のｎ列を用いる。
【０１１６】
例
シミュレーションは、本発明に基づく本明細書に記載した技法を利用して実施した。シミュレーション結果は、以下の条件で得られた。
・１０ＭＨｚＢＷ（１０２４点ＦＦＴ、６００データ搬送サブキャリアのＯＦＤＭシステム）
・２．０ＧＨｚキャリア周波数
・独立フェージングの６線ＴＵチャネル
・基地局のＭt＝４Ｔｘアンテナ
・移動体のＭｒ＝２Ｒｘアンテナ
・４ビット行列コードブック（１６行列）
・コードブックをダウンリンク上において専用のパイロットで信号送信する
・２つの資源ブロック（２４サブキャリア）に対して、１つのコードブックベクトルを選択する。
・フィードバック誤り無し。
・データストリームの最大数＝２（ストリームの数は、処理能力を最大にするために選択される）
・ＭＣＲ選択、ストリーム数の選択、及びコードブック加重値選択と第１送信との間で１４符号遅延。
・ストリームの数及び各ストリームに対するＭＣＲ選択は、全ての再送信において用いるが、コードブック加重値は、各再送信に対して更新される。
・移動体において、ＬＭＭＳＥ（線形ＭＭＳＥ）を復号する。
・周波数についてのＴＯＡベースのチャネル推定（共通パイロットの場合）及び時間についてのＭＭＳＥ補間
・チェース合成を用いるＨＡＲＱ（即ち、各送信からのＬＬＲを合計）
・再送信の最大数＝４
・先行送信と再送信との間の４２符号遅延
・誤りのあるストリーム（１つ又は複数）だけを再送信する（元の送信で用いられた２つのストリーム及び１つのストリームだけを再送信する必要がある場合、ダミーデータを他のストリームで送る）。
・入力ワードサイズは、５１４４ビット（６４３バイト）である。
・３ＧＰＰターボコード
・ＭＣＲレベル：１／６ＱＰＳＫ、１／４ＱＰＳＫ、１／３ＱＰＳＫ、１／２ＱＰＳＫ、３／４ＱＰＳＫ、１／２＿１６ＱＡＭ、３／４＿１６ＱＡＭ、３／４＿６４ＱＡＭ、５／６＿６４ＱＡＭ
以下のコードブックを比較する。
１．距離のみの意味で最良のランク２のたに対して設計された定数係数（従来技術）コードブック。コードブックの要素は、定数係数を有するように制限される。
２．距離のみの意味で最良のランク２のために対して設計された非定数係数（従来技術）コードブック。コードブック成分のアルファベットには、制約無し。
３．本発明に基づく、コードブック成分が｛−１，＋１，−ｊ，＋ｊ｝に制限された低複雑度のランク独立コードブック。
４．本発明に基づく、コードブック成分のアルファベットに対する制約が無い非定数係数のランク独立コードブック。
【０１１７】
図７は、様々なコードブックを比較する処理能力結果を示す。この結果によって、低複雑度のランク独立コードブックは、他のコードブックとかなり類似した処理能力を有することが分かる。これらの方法間の差異を理解するために、図８は、他の方法に対するランク独立非定数係数コードブックの処理能力利得を（ＳＮＲの関数として）示す。予想されたように、ランク依存コードブックは、最適なランク２距離で設計され、（また、更に、ランク独立コードブックのランク２距離が極めて良好であった）ことから、高ＳＮＲでは、利得はない。しかしながら、低ＳＮＲでは、ランク独立コードブックは、これらのコードブックが、良好なランク１距離及び良好なランク２距離を有するように構成されていることから、性能利得を有する。
【０１１８】
図９において、本発明は、更に、複数の送信アンテナ及び複数の受信アンテナによる閉ループ送信にフィードバックを提供するための方法を提供する。
本方法には、各組の重みが送信機及び受信機にとって既知の指標によって識別された複数組の重みを含むコードブックを複数の送信アンテナの各データストリームに提供する第１ステップ９００が含まれる。各組の重みには、各送信ランク用のベクトル又は行列符号語（即ち、データストリームの数）が含まれる。同じコードブックが、送信アンテナの数までの任意の数のデータストリームに用いられ（即ち、ランク独立である）、また、各符号語用の合意された指標を備えた送信機及び受信機双方に常駐する。
【０１１９】
本発明の新規の態様は、ｉが−１の平方根に等しい場合、ｉの累乗からなる有限アルファベットを利用する成分だけが含まれるコードブックを提供することである。更に他の新規の態様は、各ランクに対する最適な距離を備えたコードブックを提供することである。
【０１２０】
本発明の他の新規の態様は、下位ランク付けされた組の重みの一部を、コードブックにおける高いランクの組の重みの一部として用いることである。特に、下位ランク付けされた組の重みの部分は、コードブックにおける上位ランクの組の重みの一部として用いられる。具体的には、ランク１符号語ベクトルの列又は行は、ランク２符号語行列の一部として用いられる（例えば、ランク２符号語行列の第１列は、ランク１符号語ベクトルであり）、また、列又は行の数は、送信ランクに等しい。このように登録項目を共有すると、演算の複雑さが減少する。他の選択肢として、第２コードブックからの行列は、ハウスホルダ変換を用いて、コードブック指標に関連付けられた第１コードブックにおけるベクトルから求められる。
【０１２１】
次のステップ９０２には、受信機が、当分野で公知のチャネル推定器を用いることによって、送信機と受信機との間の複合チャネルを測定する段階が含まれる。
次のステップ９０４には、受信機によって、コードブックの各組の重みに対する性能評価基準を求める段階が含まれる。特に、性能評価基準には、干渉、ＳＮＲ、データ速度等、当分野で公知の品質及び容量特性を含み得る。特に、このステップには、ランク１重みの組のランク１性能評価基準を計算する段階と、ランク２重みの組のランク２性能評価基準を計算する段階と、が含まれ、この場合、ランク２重みの一部には、ランク１重みの組が含まれる。コードブックが、本発明の好適な実施形態でのように、ｉの累乗（又は変倍されたｉの累乗）である登録項目で構成される場合、全てのランクに対する性能評価基準の計算は、乗算なしで行い得る。
【０１２２】
次のステップ９０６には、受信機によって性能評価基準に応じて各データストリーム用の好適な組の重みを選択する段階が含まれる。このステップには、ランク１及びランク２性能評価基準に基づき、送信のランクを決定する段階と、決定されたランクの組の重みの指標を選択する段階（即ち、決定されたランクの符号語の指標を選択する段階）と、が含まれる。好適には、決定する下位ステップには、最良の性能評価基準を備えたランクを選択する段階が含まれる。好適には、性能評価基準は、当分野で公知の品質及び容量特性であってよく、干渉、ＳＮＲ、データ速度等が含まれる。本発明の他の実施形態は、更に、ランク２性能評価基準がリンク容量であり、また、ランク１性能評価基準が受信信号対雑音比（ＳＮＲ）であることを想定する。
【０１２３】
次のステップ９０８には、送信機からの各データストリームの後続の送信に用いるために、受信機によって好適な組の重みの指標を送信機にフィードバックする段階が含まれる。特定の送信ランクの選択された指標の好適な送信ビーム形成符号語は、上位ランクの各送信ビーム形成符号語に含まれる。
【０１２４】
図示して本明細書に述べたシーケンス及び方法は、説明したものとは異なる順番で実行することができる。図示された特定のシーケンス、機能、及び動作は、単に本発明の１つ又は複数の実施形態を例示するものであり、当業者には、他の実施例が明らかである。図面は、当業者によって理解可能であるように、また然るべく実行し得る本発明の様々な実施例を示すように意図されている。同じ目的を達成するように期待された任意の構成を図示した特定の実施形態と置き換えてもよい。
【０１２５】
本発明は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア又はこれらの任意の組合せを含む任意の適切な形態で実現し得る。本発明は、オプションとして、１つ又は複数のデータプロセッサ及び／又はデジタル信号プロセッサにおいて走るコンピュータソフトウェアとして部分的に実現し得る。本発明の一実施形態の要素及び構成要素は、何らかの適切なやり方で、物理的に、機能的に、及び論理的に実現し得る。実際、機能は、単一のユニットで、複数のユニットで、又は、他の機能的なユニットの一部として実現し得る。このように、本発明は、単一のユニットで実現したり、又は、異なるユニットとプロセッサとの間に物理的に及び機能的に分散したりしてよい。
【０１２６】
幾つかの実施形態に関連して、本発明について説明したが、本明細書に記載された特定の形態に限定しようとするものではない。むしろ、本発明の範囲は、添付の請求項によってのみ制限される。更に、特定の実施形態に関連して特徴を述べたように見えるが、当業者は、説明した実施形態の様々な特徴は、本発明に基づき組み合わせ得ることを認識されたい。請求項において、用語「が含まれる」は、他の要素又はステップの存在を除外しない。
【０１２７】
更に、個別にリスト化したが、複数の手段、要素又は方法ステップは、例えば、単一のユニット又はプロセッサによって実現し得る。更に、個々の特徴は、異なる請求項に含み得るが、これらは、組み合わせると利点が生じる可能性があり、異なる請求項に含むことは、特徴の組合せが、実現可能でない及び／又は有益でないことを意味しない。更に、請求項の１つの範疇に特徴を含むことは、この範疇への限定を意味しないが、むしろ、特徴は、適宜、他の請求項範疇に同様に適用可能であることを示す。
【０１２８】
更に、請求項における特徴の順番は、それら特徴を機能させなければならない何らかの特定の順番を意味するものではなく、特に、方法請求項における個々のステップの順番は、それらステップをこの順番で実施しなければならないことを意味するものではない。むしろ、ステップは、任意の適切な順番で実施し得る。更に、単数の参照は、複数を除外しない。従って、指示詞 “第１”、“第２”等は、複数を除外しない。
【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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【国際調査報告】
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