JP4425925B2 - 固有ビーム形成技術を使用するｍｉｍｏ−ｏｆｄｍシステム - Google Patents

Description

本発明は、ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output：多入力多出力）−ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing：直交波周波数分割多重）システムに関する。より詳細には、本発明は、ダウンリンクにおける固有ビーム形成技術を使用するＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムに関する。

ビーム形成技術は、アンテナアレイ利得（antenna array gain）を得て性能を改善するために使用されてきた。また、ＭＩＭＯシステムにおけるダウンリンクチャネルの空間領域（space domain）を利用するためにビーム形成技術を使用することができる。一般的に、基地局は、ダウンリンクの瞬時チャネル情報を、クローズドループダウンリンクのビーム形成技術に適用することを求められる。ＦＤＤ（Frequency Division Duplexing：周波数分割復信方式）モードでは、周波数帯域がアップリンクチャネルとダウンリンクチャネルとの間で異なるため、移動局は瞬時チャネル情報を基地局にフィードバックすることを求められる。フィードバック情報の量が多い場合、フィードバック情報は、クローズドループのビーム形成技術の障害になる。したがって、フィードバック情報を減らすことができる技術を模索することが求められる。

ブラインドビーム形成技術は、電波環境の構造が、アップリンクおよびダウンリンクの両方において類似しているため、チャネルの空間的統計特性も類似しているという仮定の下で、アップリンクチャネルを測定することによって、適応的に（adaptively）ダウンリンクビームを形成する。この技術は、チャネルの相互性を利用するため、フィードバック情報を要しないが、ビーム形成ベクトルが瞬時チャネル変動を含まないため、ダイバーシチ利得を満たさない。空間ダイバーシチ利得を得るためには、ダウンリンクの瞬時チャネル情報を必ずフィードバックすることが必要である。送信アンテナの数が増加する場合、フィードバック情報の量が増加し、チャネル変動を探知するためのフィードバック率も増加する。送信アンテナの数が多い場合、または移動局の移動速度が速い場合、ビーム形成技術を適用することは困難である。このような問題を解決するために、以下のようないくつかの技術が提案されている。

３ＧＰＰ（The 3^rd Generation Partnership Project）によって提案された固有ビーム形成技術は、空間相関性、および選択ダイバーシチを利用する。空間相関性は、フィードバック情報量の多い長期フィードバックが可能であり、短期フィードバックが瞬時チャネル変動にしたがって必要とされる場合、選択ダイバーシチは、非常に少ないフィードバック情報量を必要とする。すなわち、固有ビーム形成技術によると、移動端末が短期アップデートを必要としない空間共分散行列を利用することによって、優勢（dominant）固有モードを求めて、その優勢固有モードをフィードバックし、移動端末は、瞬時チャネル変動を利用することによって、その優勢固有モードのうち、アップリンクの最強固有モードをフィードバックする。基地局は最強固有モードを選択し、その信号を伝送する。それ故、固有ビーム形成技術は、信号対雑音比利得に加えて選択ダイバーシチ利得も得ることができる。

一般的に、基地局のアンテナアレイは、ビルの屋上のような高いところに位置するという状況から、ダウンリンクチャネルは、高い空間相関性、またはいくつかの優勢固有モードを有することを示す。基地局のアンテナアレイの周囲に局地的散乱が生じないため、信号を少ない方向で空間選択的に伝送することができる。この固有モードは、基地局と移動端末との間の独立した経路を生成すると考えられる。このような環境で固有ビーム形成技術を効果的に利用することができる。

しかし、固有ビーム形成技術をＯＦＤＭシステムに適用する場合、ＯＤＦＭの各副搬送波は、ＯＦＤＭシステムの異なる周波数で選択的にフェージングを行う。それ故、各副搬送波は、互いに異なるビーム形成ベクトルを有し、すべての副搬送波は、自らのビーム形成ベクトルをフィードバックすることが必要となる。この場合、フィードバック情報量が単一の副搬送波の場合よりも相当多くなり、そのフィードバック情報が、システムに深刻な負担を与える。

ＯＦＤＭシステムにおける固有ビーム形成のためのフィードバック情報量を減少させることが本発明の目的である。

このような目的を達成するため、本発明の一態様は、Ｌ個の送信アンテナを有する送信部と、Ｍ個の受信アンテナを有する受信部と、受信部の情報を送信部に提供するアップリンクフィードバック装置を備えたＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムであって、その送信部は、連続入力された副搬送波の数のシンボルをＫ個の並列信号に変える直列／並列変換器と、Ｋ個の並列信号を送信アンテナの数Ｌだけ再生する信号再生器と、フィードバック装置を介して、長期フィードバックされたＮｆ個の固有ビーム形成ベクトル、および短期フィードバックされた各副搬送波での最高の固有ビーム形成ベクトルの情報に基づいて、各副搬送波で信号再生器から出力された再生信号の固有ビームを生成する固有モード生成器と、固有モード生成器から出力された信号を受信し、ＯＦＤＭシンボルを生成する複数の逆フーリエ変換器を備えたことを特徴とする。

本発明の他の態様は、ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムは、連続入力された副搬送波の数のシンボルをＫ個の並列信号に変える直列／並列変換器と、その直列／並列変換器から出力されたＫ個の並列信号を実在の送信アンテナの数だけ再生する信号再生器と、アップリンクチャネル情報を利用することによって、瞬時チャネル共分散と空間共分散行列を計算し、空間共分散行列からＮｆ個の優勢固有ビーム形成ベクトルを求めて、瞬時チャネル共分散の固有値を求める固有ビーム計算機と、Ｎｆ個の固有ビーム形成ベクトルが固有ビーム計算機から入力され、瞬時チャネル共分散がアップデートされるたびに、Ｎｆ個の固有ビーム形成ベクトルのうち瞬時チャネル共分散の固有値が最も大きい固有モードを選択する固有モード選択器と、固有モード選択器から出力された信号を受信し、ＯＦＤＭシンボルを生成する複数の逆フーリエ変換器を備えたことを特徴とする。

本発明の他の態様は、Ｌ個の送信アンテナを有する送信部と、Ｍ個の受信アンテナを有する受信部と、受信部の情報を送信部に提供するアップリンクフィードバック装置を備えたＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムであって、その送信部は、連続入力された副搬送波の数のシンボルをＫ個の並列信号に変える直列／並列変換器と、直列／並列変換器から出力されたＫ個の並列信号を送信アンテナＬの数だけ再生する信号再生器と、フィードバック装置を介して提供されるＮｆ個の固有ビーム形成ベクトルに対応する長期フィードバック情報と副搬送波のグループに対応する短期フィードバック情報に基づいて、各副搬送波のグループについて１つの固有ビームを生成する固有モード生成器と、固有モード生成器から出力された信号を受信し、ＯＦＤＭシンボルを生成する複数の逆フーリエ変換器を備えたことを特徴とする。

本発明の他の態様は、Ｌ個の送信アンテナを有する送信部と、Ｍ個の受信アンテナを有する受信部を備えたＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムのビーム形成方法であって、（ａ）連続入力された副搬送波の数のシンボルをＫ個の並列信号に変えること、（ｂ）Ｋ個の並列信号を送信アンテナの数Ｌだけ再生すること、および（ｃ）Ｎｆ個の固有ビーム形成ベクトルに対応する長期フィードバック情報と副搬送波のグループに対応する短期フィードバック情報に基づいて、副搬送波の各グループについて１つの固有ビームを生成することを備えたことを特徴とする。

以下の詳細な説明において、発明者によって意図された、本発明を実行する最良の形態の説明によって、本発明の好適な実施形態を示し、説明する。当然のことながら、本発明は、本発明から離れることなく、様々な明白な箇所の修正が可能である。したがって、図面および説明は、本質的に例示的なものであり、限定的なものと見なしてはならない。本発明を明確にするため、明細書において説明されていない部分は省略し、類似する説明が提供されている部分には同一の図面符号をつける。

送信アンテナの数がＬであり、受信アンテナの数がＭである単一の搬送波を有するＭＩＭＯシステムにおいて、ｑ番目のシンボル区間での受信信号ベクトルｒ（ｑ）は以下の数式（１）によって求められる。

基地局がフィードバック情報に基づいて、最大の固有値に対応するＮｆ（＜Ｌ）個の優勢固有ベクトルを求める場合、長期空間共分散行列は徐々に変わる。したがって、この固有ビームベクトルを伝送するフィードバック率は低くなり、フィードバック情報量も少なくなる。この時、固有ビームベクトルは、ダウンリンクのビームを形成する加重値ベクトルとして使われ、直交性を有する。したがって、固有ビームベクトルは、移動端末への独立的なチャネル、または伝送モードを生成することができ、固有ビームベクトルは、固有モードとも呼ばれる。瞬時チャネル共分散の固有値は、Ｎｆ個の固有ビームベクトルの長期フィードバック、および高速フェージングから計算され、Ｎｆ個の固有ベクトル中、最大の固有値を有する最善の固有ベクトルを選択できるように情報をフィードバックする。

一方、基地局がフィードバック情報に基づいて、最大の固有値に対応するＮｆ（＜Ｌ）個の優勢固有ベクトルを認識すると仮定すると、瞬時チャネル共分散の固有値は、Ｎｆ個の固有ビームベクトルの長期フィードバック、および高速フェージングから計算され、Ｎｆ個の固有ベクトル中、最大の固有値を有する最善の固有ベクトルを選択できるように情報はフィードバックされ、Ｎｆ個の固有ベクトル中、最大の固有値を有する最善の固有ベクトルを選択できるように情報は短期フィードバックされる。短期フィードバック率は長期フィードバック率に比べて高いが、Ｎｆ個の固有ベクトル中、最善のものを単に選択することであるため、そのフィードバック情報量はｌｏｇ_２（Ｎｆ）に過ぎない。

瞬時信号対雑音比を最大にする、最適の固有ベクトルｗ（ｑ）は、以下の数式（４）のように最大の短期チャネル利得から計算することができる。

ここで、短期フィードバック率は長期フィードバック率に比べて高いが、Ｎｆ個の固有ベクトル中で最適のものを単に選択することであるため、そのフィードバック情報量はｌｏｇ_２（Ｎｆ）に過ぎない。

しかし、上記の説明のように、ビーム形成技術をＯＦＤＭシステムに適用する場合、各副搬送波が周波数選択性フェージングチャネルで互いに異なるフェージングを行うので、各副搬送波は互いに異なるビーム形成ベクトルを使うことができる。従って、互いに異なるビーム形成ベクトルを使用する場合、フィードバック量も増加する。

本発明の実施例は、空間共分散行列が全ての副搬送波について同一であり、固有ベクトルのフィードバック量を減らす固有ビーム形成技術がＯＦＤＭシステムにおいて非常に効果的であることを示す。

Ｋ個の副搬送波がＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムのダウンリンクに割り当てられ、送信アンテナの数がＬであり、受信アンテナの数がＭであると仮定する。

送信アンテナｌと受信アンテナｍとの間のチャネルの周波数応答は、以下の数式（６）によって求められる。

送信アンテナｌと受信アンテナｍとの間のチャネルインパルス応答（ＣＩＲ）であり、Ｐはチャネルインパルス応答の長さ、つまり、多重経路の数であり、ｋは副搬送波のインデックスである。チャネルインパルス応答が平均０である任意のシーケンスであり、以下の数式（７）を満たすと仮定する。

すべての多重経路において同一であり、多重経路係数（multipath coefficient）間で互いに相関性がないと仮定する。ｋ番目の副搬送波に対応するＭＩＭＯチャネル行列は、以下の数式（８）のように示すことができる。

この数式（９）は、数式（６）および数式（７）を利用して、以下の数式（１０）に展開される。

が任意の副搬送波ｋから独立しており、常に同一であることを示す。

各副搬送波は各々異なる周波数で選択的にフェージングされるため、各副搬送波はＯＦＤＭシステムにおいて互いに異なるチャネル特性を有する。しかし、数式（６）、数式（７）、および数式（１０）によると、すべての副搬送波は同一の空間共分散行列を有することが分かる。

したがって、全ての副搬送波で空間共分散行列を計算する必要がなく、１つの副搬送波で計算された空間共分散行列を全ての副搬送波で固有ビームを形成するために使用することができる。それ故、計算量を著しく減らすことができる。また、副搬送波の周波数領域と時間領域を同時に利用した２次元領域で空間共分散行列を計算することによって、平均時間を減らすことができる。このため、ＯＦＤＭシステムは、チャネル変動にもっと能動的に対応できる。また、すべての副搬送波が同じ固有ベクトルのグループを共有するため、フィードバック情報量が非常に減少して、単一の副搬送波のシステムの場合と同一になる。そのため、固有ビーム形成技術をＯＦＤＭシステムに容易に適用することができる。

以下、図面を参照して本発明の第１の実施例を詳しく説明する。

図１は、本発明の第１の実施例によるＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムを示す。図１は、ＦＤＤモードにおける本発明の概念および構造を説明するためのブロック図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施例によるＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムは、Ｋ個の副搬送波を有するＯＦＤＭシステムである。ＯＦＤＭシステムは、Ｌ個の送信アンテナ（１３１ａ、１３１ｂ、…、１３１Ｌ）を有する送信部１０、Ｍ個の受信アンテナ（２３１ａ、２３１ｂ、…、２３１Ｍ）を有する受信部２０、および受信部２０の情報を送信部１０に伝送するアップリンクフィードバック装置４０を備える。

送信部１０は、直列／並列変換器（Ｓ／Ｐ変換器）１００、信号再生器１１０、固有モード生成器１２０、逆高速フーリエ変換器（Inverse fast Fourier Transformer）（１３０ａ、１３０ｂ、…、１３０Ｌ）、およびＬ個の送信アンテナ（１３１ａ、１３１ｂ、…、１３１Ｌ）を備える。

受信部２０は、受信アンテナ（２３１ａ、２３１ｂ、…、２３１Ｍ）、高速フーリエ変換器（２３０ａ、２３０ｂ、…、２３０Ｍ）、固有ビーム計算機（Eigenbeam Calculator）２２０、シンボル検出器（Detector）２１０、および並列／直列変換器２００を備える。

送信部１０の直列／並列変換器１００は、連続入力されたＫ個のシンボルをＫ個の並列信号に変える装置である。Ｋは副搬送波の数を示す。信号再生器１１０は、直列／並列変換器１００から出力されたＫ個の並列信号（１０１ａ、１０１ｂ、…、１０１Ｋ）を送信アンテナの数であるＬ回再生する装置である。つまり、信号再生器１１０から出力される再生信号（１１１ａ、１１１ｂ、…、１１１Ｌ）のうち、ｌ番目の信号同士は互いに同一である（ｌ=１、２、…、Ｌ）。

固有モード生成器１２０は、各副搬送波でのＮｆ個の固有ビーム形成ベクトル、および最善の固有ビーム形成ベクトルの情報に基づいて、各副搬送波で信号再生器１１０から出力された再生信号（１１１ａ、１１１ｂ、…、１１１Ｌ）の固有ビームを生成する装置である。ここで、固有ビーム形成ベクトルは、受信部２０の固有ビーム計算機２２０によって計算され、アップリンクフィードバック装置４０によって長期フィードバックされるが、副搬送波は同一の固有ビーム形成ベクトルのグループを有する。さらに、最善の固有ビーム形成ベクトルの情報は、アップリンクフィードバック装置４０によって短期フィードバックされる。すなわち、固有モード生成器１２０は、長期フィードバックされたＮｆ個の固有ビーム形成ベクトルを利用することによってＮｆ個の固有モードを生成し、かつ短期フィードバックされた固有ビーム形成ベクトルの最善のビーム形成にしたがって生成されたＮｆ個の固有モード中から最善の固有モードを選択するための装置である。この時、最善の固有ビーム形成ベクトルの情報は、コヒーレント時間内にフィードバックされることが必要である。Ｎｆ個の固有モードは、固有ビーム形成ベクトルがフィードバックされるたびにアップデートされ、その中の最善の固有ビーム形成ベクトルは、短期的に選択される。

Ｌ個の逆高速フーリエ変換器（１３０ａ、１３０ｂ、…、１３０Ｌ）は、Ｋ個の信号をそれぞれ受信して、１つのＯＦＤＭシンボルを生成する装置である。Ｌ個の逆高速フーリエ変換器（１３０ａ、１３０ｂ、…、１３０Ｌ）からによって生成されたＯＦＤＭシンボルは、全て同一である。逆高速フーリエ変換器から生成されたＯＦＤＭシンボルは、対応するアンテナ（１３１ａ、１３１ｂ、…、１３１Ｌ）を介して伝送される。

受信部２０の高速フーリエ変換器（２３０ａ、２３０ｂ、…、２３０Ｍ）は、Ｍ個の受信アンテナを介して受信された信号をそれぞれ受信して、その信号に対してフーリエ変換を行い、Ｋ個の信号（２２１ａ、２２１ｂ、…、２２１Ｍ）を出力する。固有ビーム計算機２２０は、高速フーリエ変換器（２３０ａ、２３０ｂ、…、２３０Ｍ）から出力された信号に対してチャネルを推定し、数式（２）にしたがって、瞬時チャネル共分散および空間共分散行列を計算し、数式（３）にしたがってＮｆ個の優勢固有ベクトルを計算する装置である。この時、空間共分散行列を、１つの副搬送波だけから求めることもでき、または数式（１０）にしたがって、周波数領域と時間領域を両方利用した２次元領域から求めることもできる。瞬時チャネル共分散は、各チャネルについて計算される。固有ビーム計算機２２０は、Ｎｆ個の固有ビーム形成ベクトルの中で瞬時チャネル共分散の最大の固有値を有する１つのベクトル選択し、そのベクトルの番号をアップリンクフィードバック装置４０に伝送する。

シンボル検出器２１０は、固有ビーム計算機２２０から得られたチャネル推定値を利用することによって、送信部１０の信号再生器１１０に入力されたＫ個のシンボルを同時に検出する装置である。並列／直列変換器２００は、Ｋ個のシンボルを直列信号に変える装置である。

アップリンクフィードバック装置４０は、受信部２０の固有ビーム計算機２２０から得られた固有ビーム形成ベクトルを長期フィードバックし、最善の固有ビーム形成ベクトルの番号を短期フィードバックする装置である。数式（１０）によると、すべての副搬送波は同じ固有ビーム形成ベクトルを共有する。したがって、すべての副搬送波の代わりに１つの副搬送波を介してフィードバックを行うことができる。さらに、フィードバック情報を各副搬送波に分けてフィードバック遅延を減らすこともできる。しかし、瞬時チャネル共分散は各副搬送波により異なるため、全ての副搬送波についてフィードバックされることが必要である。

このように、本発明の第１の実施例によると、空間共分散行列をすべての副搬送波で計算する必要がなく、ただ１つの副搬送波で計算された空間共分散行列を、すべての副搬送波での固有ビーム形成に使用することができる。それ故、計算量を著しく減らすことができる。また、全ての副搬送波の周波数領域および時間領域を両方利用した２次元領域で空間共分散行列を計算することによって平均時間を減らすこともできる。第１の実施例によるＯＦＤＭシステムは、チャネル変動にもっと能動的に対応することができる。特に、送信機の固有ビーム形成のための情報が受信機からフィードバックされる必要があるＦＤＤモードにおいて、ただ１つの副搬送波の固有ビーム形成ベクトルをフィードバックすることが求められ、すべての副搬送波の固有ビーム形成ベクトルをフィードバックすることが求められるため、長期フィードバック情報の量を大幅に減らすことができる。

図２は、本発明の第２の実施例によるＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムを示す。図２は、時分割複信方式（ＴＤＤ：time division duplex）モードにおける本発明の概念および構造を説明するブロック図である。

図２に示すように、ＴＤＤモードにおけるチャネルの相互性によって、チャネル情報をフィードバックする必要がないため、図１に示した本発明の第１の実施例とは別に、基地局の送信部だけを説明する。

図２によると、本発明の第２の実施例によるＯＦＤＭシステムは、Ｋ個の副搬送波を有するＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムの送信部である。そして、本発明の実施例による送信部は基地局に設けられる。

図２に示すように、送信部３０は、直列／並列変換器（Ｓ／Ｐ変換器）３００、信号再生器３１０、固有ビーム計算機３２０、固有モード選択器３３０、逆高速フーリエ変換器（３４０ａ、３４０ｂ、…、３４０Ｌ）、およびＬ個の送信アンテナ（３４１ａ、３４１ｂ…、３４１Ｌ）を備える。送信部３０は、固有ビーム形成信号をＬ個の送信アンテナを介して伝送する。

送信部３０の直列／並列変換器３００は、連続入力されたＫ個のシンボルをＫ個の並列信号に変える装置である。Ｋは、副搬送波の数を示す。信号再生器３１０は、Ｋ個の並列信号（３１１ａ、３１１ｂ、…、３１１Ｌ）をＬ回再生する装置である。Ｌは、送信アンテナの数を示す。

固有ビーム計算機３２０は、数式（２）によって、基地局の受信部（図示せず）から得られたアップリンクチャネル情報から瞬時チャネル共分散および空間共分散行列を計算し、数式（３）によって、Ｎｆ個の優勢固有ビームベクトルを計算し、瞬時チャネル共分散の固有値を計算する装置である。この時、瞬時チャネル共分散は、ただ１つの副搬送波から求められるか、または数式（１０）にしたがって、周波数領域および時間領域を両方利用した２次元領域から求められる。瞬時チャネル共分散は、コヒーレント時間内に頻繁にアップデートされるが、空間共分散行列は、平均時間毎にゆっくりとアップデートされる。

固有モード選択器３３０は、Ｎｆ個の固有ビーム形成ベクトルが固有ビーム計算機３２０から入力され、瞬時チャネル共分散がアップデートされるたびに、Ｎｆ個の固有ビーム形成ベクトルのうち、瞬時チャネル共分散の固有値が最大であるただ１つの固有モードを選択する装置である。逆高速フーリエ変換器（３４０ａ、３４０ｂ、…、３４０Ｌ）のそれぞれは、Ｋ個の信号を受信し、１つのＯＦＤＭシンボルを生成する装置である。Ｌ個の逆高速フーリエ変換器（３４０ａ、３４０ｂ、…、３４０Ｌ）から生成されたＯＦＤＭシンボルは、同一である。

以下、本発明の第３の実施例を説明する。

ＯＦＤＭシステムにおいて、すべての副搬送波がＮｆ個の優勢固有ベクトルを共有するが、各副搬送波が互いに異なる周波数選択性フェージングチャネルを有するため、選択される最善の固有モードは、各副搬送波で異なることもありうる。しかし、近接した副搬送波は、類似するフェージングが行われるため、同一の固有モードを近接した副搬送波のために選択することができる。

Ｋ個の副搬送波を、Ｋｆ（≦Ｋ）個のグループ（group）に分けることができる。各グループは、近接した

個の副搬送波を含み、同一の固有モードを選択する。従って、全体のフィードバック量はＫｆ・ｌｏｇ_２（Ｎｆ）となる。つまり、フィードバック量が

ｇ番目のグループの副搬送波である場合、ｇ番目のグループの副搬送波のビーム形成ベクトルは以下の数式（１１）で表すことができる。

このように、本発明の第３の実施例は、全ての副搬送波を近接した副搬送波のグループに分け、各グループについて同じ固有モードを選択することによってフィードバック量を減少させる。

以下、添付図面を参照して本発明の第３の実施例を詳細に説明する。

本発明の第３の実施例によるＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムは、第１の実施例によるＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムと類似の構成を有する。したがって、重複する説明は省略する。

図３は、本発明の第３の実施例による固有モード生成器１２０を示す。

図３に示すように、本発明の第３の実施例による固有モード生成器１２０についての入力は、

から再生されたＬ個の並列信号（１１１ａ、１１１ｂ、…、１１１Ｌ）、およびアップリンクフィードバック装置４０を介して提供された短期フィードバック情報と長期フィードバック情報を含む。

固有モード生成器１２０は、

から再生されたＬ個の並列信号を各々

個ずつの並列信号を有するＫｆ個のグループに分ける。つまり、固有モード生成器１２０は、第１に入力されたＫ個の並列信号１１１ａを

個ずつの並列信号を有するＫｆ個のグループＧ１，Ｇ２，…，Ｇ_ｋ（２２３ａ−１、２２３ａ−２、…、２２３ａ−Ｋｆ）に分け、第２に入力されたＫ個の並列信号１１１ｂを

個ずつの並列信号を有するＫｆ個のグループ（２２３ｂ−１、２２３ｂ−２、…、２２３ｂ−Ｋｆ）に分ける。これを送信アンテナ（２２３Ｌ−１、２２３Ｌ−２、…、２２３Ｌ−Ｋｆ）の数だけ繰り返す。

さらに、固有モード生成器１２０は、Ｋｆ個の加重値ベクトルにグループ信号をかける。Ｋｆ個の加重値ベクトルは、加重値ベクトル決定器２２１から得られる。詳細には、固有モード生成器１２０は、Ｋｆ個の加重値ベクトル中の１番目のベクトル

その結果、固有モード生成器１２０は、副搬送波の各グループについて１つの固有ビームを生成し、グループ内の副搬送波は、固有ビームを共有する。固有モード生成器１２０は、全ての副搬送波についてＫｆ個の固有ビームを生成する。

図４は、固有モード生成器内の加重値ベクトル決定器２２１を詳細に示す。図４に示すように、加重値ベクトル決定器２２１は、固有ビームアップデート器３２１、およびＫｆ個の固有モード決定器（３２２−１、３２２−２、…、３２２−Ｋｆ）を備える。

図４に示すように、固有ビームアップデート器３２１は、長期フィードバック情報を受信するたびに、アップリンクフィードバック装置４０を介してＮｆ個の固有ビームベクトルをアップデートする。この時、アップデートされる固有ビームベクトルは、すべての副搬送波について同一である。Ｋｆ個の固有モード決定器（３２２−１、３２２−２、…、３２２−Ｋｆ）は、固有ビームアップデート器３２１から出力されるＮｆ個の同一固有ビームベクトルを受信し、各固有モード決定器はアップリンクフィードバック装置４０によって入力されたＮｆ個の固有ビームの中から１つを選択し、固有モードを決定する。各固有モード決定器によって選択された固有モードは、加重値ベクトルとして表示される。Ｋｆ個の固有モード決定器（３２２−１、３２２−２、…、３２２−Ｋｆ）は、各々加重値

図５は、本発明の第３の実施例による固有ビーム計算機２６０を示す。

図５に示すように、固有ビーム計算機２６０は、Ｍ個のチャネル推定器（２６１ａ、２６１ｂ、…、２６１Ｍ）、Ｋｆ個の瞬時電力測定器（２６２−１、２６２−２、…、２６２−Ｋｆ）、固有ベクトル計算機２６３、およびＫｆ個の固有ベクトル選択器（２６４−１、２６４−２、…、２６４−Ｋｆ）を備える。

チャネル推定器（２６１ａ、２６１ｂ、…、２６１Ｍ）は、各副搬送波でそれぞれ入力されたＭ対の並列信号に対するチャネルを推定する。固有ベクトル計算機２６３は、数式（７）および数式（１０）を利用することによって、チャネル推定器（２６１ａ、２６１ｂ、…、２６１Ｍ）から出力された信号から、すべての副搬送波について同一であるチャネル空間共分散行列を求める。固有ベクトル計算器２６３は、数式（２）にしたがって、Ｎｆ個の優勢固有ベクトル

を計算し、そのＮｆ個の優勢固有ベクトルをＫｆ個の固有ベクトル選択器（２６４−１、２６２−２、…、２６２−Ｋｆ）に提供する。

瞬時電力測定器（２６２−１、２６２−２、…、２６２−Ｋｆ）は、各チャネル推定器から出力された信号を受信し、瞬時電力値を測定する。つまり、各チャネル推定器による各副搬送波のチャネル推定値は、

個の信号ずつＫｆ個のグループに順次に分けられる。最初の

個の信号は、瞬時電力測定器１（２６２−１）に提供され、その次の

個の信号は、瞬時電力測定器２（２６２−２）に提供され、最後の

個の信号は、瞬時電力測定器Ｋｆ（２６２−Ｋｆ）に提供される。

各瞬時電力測定器は、Ｍ対の推定された

個の信号を利用することによって瞬時電力値を測定し、測定された瞬時電力値を固有ベクトル選択器（２６４−１、２６４−２、…、２６４−Ｋｆ）に提供する。

固有ベクトル選択器（２６４−１、２６４−２、…、２６４−Ｋｆ）は、対応する瞬時電力測定器から入力された瞬時電力値を利用することによって、予め入力されたＮｆ個の優勢固有ベクトル

中で最大の瞬時電力値を有する１つの固有ベクトルを選択する。その後、最大の瞬時電力値を有する固有ベクトルは、短期フィードバック情報になる。

詳細には、１番目の固有ベクトル選択器２６４−１は、１番目の瞬時電力測定器２６２−１から入力された瞬時電力値を利用することによって、予め入力されたＮｆ個の優勢固有ベクトル

中で瞬時電力値が最大である１つの固有ベクトルを選択する。その後、最大の瞬時電力値を有する固有ベクトルは、短期フィードバック情報１（２６５−１）になる。２番目の固有ベクトル選択器２６４−２は、２番目の瞬時電力測定器２６２−２から入力された瞬時電力値を利用することによって、予め入力されたＮｆ個の優勢固有ベクトル

中で最大の瞬時電力値を有する１つの固有ベクトルを選択する。その後、最大の瞬時電力値を有する固有ベクトルは、短期フィードバック情報２（２６５−２）になる。

Ｋｆ番目の固有ベクトル選択器２６４−Ｋｆは、Ｋｆ番目の瞬時電力測定器２６２−Ｋｆから入力された瞬時電力値を利用することによって、予め入力されたＮｆ個の優勢固有ベクトル

中で最大の瞬時電力値を有する１つの固有ベクトルを選択するまで、このような処理を繰り返す。その後、最大の瞬時電力値を有する固有ベクトルは、短期フィードバック情報Ｋｆ（２６５−Ｋｆ）になる。固有ベクトル選択器によって決定されたそれぞれの短期フィードバック情報は、Ｎｆが固有ベクトルの番号であるｌｏｇ_２（Ｎｆ）ビットで構成される。しかし、Ｋ個の副搬送波の中で近接した

個の副搬送波が固有ベクトルを共有するため、短期フィードバックは各副搬送波で構成されない。

個の副搬送波が一組のフィードバック情報を提供するため、短期フィードバック情報の量は、

に減少する。

また、長期フィードバック情報２６６は、固有ベクトル計算機２６３から得られたチャネル空間共分散行列の各優勢固有ベクトル

の振幅と位相を量子化することによって求められる。チャネル空間共分散行列はゆっくりと変わるため、長期フィードバック情報は、ゆっくりとアップデートされる。
短期フィードバック情報および長期フィードバック情報は、図１のアップリンクフィードバック装置４０を介して、受信部１０内の固有モード生成器１２０に入力される。短期フィードバック情報については、近接した

個の副搬送波は、Ｋｆ個のフィードバック情報をコヒーレント時間内に少なくとも１回フィードバックする必要がある。一方、長期フィードバック情報については、全ての副搬送波は、ただ１つの情報セットをゆっくりとフィードバックすればよい。

上述のように、本発明の実施例によれば、全体でＫ個の副搬送波の中で近接した

個の副搬送波が１つのグループを形成し、全体でＫ個の副搬送波はＫｆ（≦Ｋ）個のグループに分けられ、各グループは、同一の固有ベクトルを選択する。その結果、全体のフィードバック量が

になるため、全体のフィードバック量は

に減少する。そのため、システムの負担を減らすことができる。

本発明を最も実用的であり、かつ好適な実施形態であると現在考えられる実施例と関連して説明したが、本発明は開示された実施形態に限定されるものではなく、反対に、特許請求の範囲の要旨および範囲内に含まれる様々な修正および均等な変形にまで及ぶと理解するべきである。例えば、本発明の実施例による装置は、ハードウェアまたはソフトウェアとして具体化することができる。また、本発明をコンピュータが読み出すことができる記録媒体上のコードとして具体化することもできる。

上述のように、本発明によると、固有ビーム形成技術がＯＦＤＭシステムに適用される場合、固有ビーム形成に必要な空間共分散行列は全ての副搬送波の代わりに、１つの副搬送波について計算することが可能であり、その結果、計算量を著しく減らすことができる。さらに、全ての副搬送波の周波数領域および時間領域を同時に利用する２次元領域で空間共分散行列を計算することによって平均時間を減らすこともできる。その結果、本発明は、チャネル変動にもっと能動的に対応することができる。

また、本発明によると、固有ビーム形成技術がＯＦＤＭシステムに適用される場合、全体でＫ個の副搬送波の中で近接した副搬送波が１つのグループを形成し、全体でＫ個の副搬送波が、所定の数のグループに分けられ、各グループは、同一の固有ベクトルを選択する。そのため、全体のフィードバック量が減少するため、システムの負担を減らすことができる。

本発明の第１の実施例によるＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムを示す図である。 本発明の第２の実施例によるＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムを示す図である。 本発明の第３の実施例による固有モード生成器を示す図である。 図３に示したビーム形成をしている加重値ベクトル決定器を示す図である。 本発明の第３の実施例による固有ビーム計算機を示す図である。

Claims (20)

1. Ｌ個の送信アンテナを有する送信部と、Ｍ個の受信アンテナを有する受信部と、前記受信部の情報を前記送信部に提供するアップリンクフィードバック装置を備えたＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムであって、
   前記送信部は、
   連続入力された副搬送波の数のシンボルを、Ｋ個の並列信号に変える直列／並列変換器と、
   前記Ｋ個の並列信号を、送信アンテナの数Ｌだけ再生する信号再生器と、
   前記フィードバック装置を介して、長期フィードバックされたＮｆ個の固有ビーム形成ベクトルと短期フィードバックされた各副搬送波での最善の固有ビーム形成ベクトルの情報に基づいて、各副搬送波で前記信号再生器から出力された前記再生された信号の固有ビームを生成する固有モード生成器と、
   前記固有モード生成器から出力された前記信号を受信し、ＯＦＤＭシンボルを生成する複数の逆フーリエ変換器と
   を備え、
   前記受信部は、
   前記送信部から伝送された前記信号に対してチャネルを推定し、瞬時チャネル共分散と空間共分散行列を計算する固有ビーム計算機を備え、
   前記固有ビーム計算機は、
   各副搬送波で、各シンボルについて前記瞬時チャネル共分散を計算し、
   １つの副搬送波だけで、各シンボルについて前記空間共分散行列を計算する
   ことを特徴とするＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステム。
2. 前記固有モード生成器は、
   前記アップリンクフィードバック装置を介して、すべての副搬送波について少なくとも１つの同一の固有ビーム形成ベクトルの情報がフィードバックされるたびに、予め格納された少なくとも１つの固有ビーム形成ベクトルをアップデートすることを特徴とする請求項１に記載のＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステム。
3. 前記受信部は、
   Ｎｆ個の優勢固有ベクトルをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステム。
4. 前記固有ビーム計算機は、全ての副搬送波の周波数領域と時間領域の両方を利用する２次元領域で、前記空間共分散行列を計算することを特徴とする請求項３に記載のＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステム。
5. 前記固有ビーム計算機は、
   前記瞬時チャネル共分散の固有値を求め、コヒーレント時間内に前記固有値を前記アップリンクフィードバック装置に提供し、
   前記空間共分散行列から少なくとも１つの最善の固有ビーム形成ベクトルを求め、前記少なくとも１つの最善の固有ビーム形成ベクトルを前記アップリンクフィードバック装置に提供することを特徴とする請求項３に記載のＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステム。
6. 前記アップリンクフィードバック装置は、
   前記固有ビーム計算機から伝送された前記固有ビーム形成ベクトル情報を前記固有モード生成器に長期フィードバックし、
   前記固有ビーム計算機から伝送された前記優勢固有ビーム形成ベクトルの番号を前記固有モード生成器に短期フィードバックすることを特徴とする請求項５に記載のＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステム。
7. 連続入力された副搬送波の数のシンボルを、Ｋ個の並列信号に変える直列／並列変換器と、
   前記直列／並列変換器から出力された前記Ｋ個の並列信号を、送信アンテナの数だけ再生する信号再生器と、
   アップリンクチャネル情報を利用することによって、瞬時チャネル共分散と空間共分散行列を計算し、前記空間共分散行列からＮｆ個の優勢固有ビーム形成ベクトルを求め、前記瞬時チャネル共分散の固有値を求める固有ビーム計算機と、
   Ｎｆ個の固有ビーム形成ベクトルが前記固有ビーム計算機から入力され、瞬時チャネル共分散がアップデートされるたびに、瞬時チャネル共分散の固有値が、Ｎｆ個の優勢固有ビーム形成ベクトル中で最大である固有モードを選択する固有モード選択器と、
   前記固有モード選択器から出力された前記信号を受信し、ＯＦＤＭシンボルを生成する複数の逆フーリエ変換器と
   を備え、
   前記固有ビーム計算機は、
   各副搬送波で、各シンボルについて前記瞬時チャネル共分散を計算し、
   １つの副搬送波だけで、各シンボルについて前記空間共分散行列を計算することを特徴とするＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステム。
8. 前記固有ビーム計算機は、
   全ての副搬送波の周波数領域と時間領域を両方利用する２次元領域で前記瞬時チャネル共分散を計算することを特徴とする請求項７に記載のＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステム。
9. 前記固有ビーム計算機は、全ての副搬送波の周波数領域と時間領域を両方利用する２次元領域で、前記空間共分散行列を計算することを特徴とする請求項７に記載のＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステム。
10. 前記固有ビーム計算機は、
    前記瞬時チャネル共分散の固有値を求め、前記固有値を前記固有モード選択器に提供し、
    前記空間共分散行列から少なくとも１つの優勢固有ビーム形成ベクトルを求め、前記少なくとも１つの優勢固有ビーム形成ベクトルを前記固有モード選択器に提供することを特徴とする請求項８に記載のＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステム。
11. Ｌ個の送信アンテナを有する送信部と、Ｍ個の受信アンテナを有する受信部と、前記受信部の情報を前記送信部に提供するアップリンクフィードバック装置とを備えたＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムであって、
    前記送信部は、
    連続入力された副搬送波の数のシンボルを、Ｋ個の並列信号に変える直列／並列変換器と、
    前記直列／並列変換器から出力されたＫ個の並列信号を、送信アンテナの数だけ再生する信号再生器と、
    前記フィードバック装置を介して提供される、Ｎｆ個の固有ビーム形成ベクトルに対応する長期フィードバック情報と副搬送波のグループに対応する短期フィードバック情報に基づいて、副搬送波の各グループについて１つの固有ビームを生成する固有モード生成器と、
    前記固有モード生成器から出力された前記信号を受信し、ＯＦＤＭシンボルを生成する複数の逆フーリエ変換器を備え、
    前記受信部は、
    前記送信部から伝送された信号に対してチャネルを推定し、瞬時チャネル共分散と空間共分散行列を計算する固有ビーム計算機を備え、
    前記固有ビーム計算機は、
    各副搬送波で、各シンボルについて前記瞬時チャネル共分散を計算し、
    １つの副搬送波だけで、各シンボルについて前記空間共分散行列を計算する
    ことを特徴とするＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステム。
12. 前記固有モード生成器は、
    前記信号再生器から入力されたＫ個の並列信号を、
    

    

    個の副搬送波を有するＫｆ個のグループに分けることによって、各々の副搬送波のグループに対応する同一の固有ビームを生成し、各々の副搬送波のグループにＫｆ個の加重値ベクトルをかけることを特徴とする請求項１１に記載のＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステム。
13. 前記固有モード生成器は、前記長期フィードバック情報と前記短期フィードバック情報に基づいて、Ｋｆ個の加重値ベクトルを生成する加重値ベクトル決定器を備えたことを特徴とする請求項１２に記載のＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステム。
14. 前記加重値ベクトル決定器は、
    前記長期フィードバック情報が前記アップリンクフィードバック装置を介して提供されるたびに、すべての副搬送波が共有するＮｆ個の固有ビームベクトルをアップデートする固有ビームアップデート器と、
    前記Ｎｆ個の固有ビームベクトルと前記短期フィードバック情報を受信し、前記Ｎｆ個の固有ビームベクトルの中で１つの固有ビームを選択し、前記固有ビームベクトルを前記加重値ベクトルとして出力するＫｆ個の固有モード決定器と
    を備えたことを特徴とする請求項１３に記載のＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステム。
15. 前記受信部は、
    Ｎｆ個の優勢固有ベクトルをさらに備えたことを特徴とする請求項１１に記載のＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステム。
16. 前記固有ビーム計算機は、
    前記送信部から伝送されたＫ個の信号のチャネルを推定するＭ個のチャネル推定器と、
    前記Ｍ個のチャネル推定器から出力されたＫ個の信号の中で、所定の信号に対して各々の瞬時電力値を測定するＫｆ個の瞬時電力測定器と、
    前記チャネル推定器から出力された前記信号について、すべての副搬送波に同一のチャネル空間共分散行列を求め、Ｎｆ個の優勢固有ベクトルを計算する固有ベクトル計算機と、
    前記固有ベクトル計算機から出力されたＮｆ個の優勢固有ベクトルと、前記対応する瞬時電力測定器から入力された前記瞬時電力値を利用することによって、前記Ｎｆ個の優勢固有ベクトル中で最大の瞬時電力値を有する１つの固有ベクトルを選択し、前記最大の瞬時電力値を前記短期フィードバック情報に提供する固有ベクトル選択器と
    を備えたことを特徴とする請求項１５に記載のＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステム。
17. 前記固有ビーム計算機は、前記固有ベクトル計算機によって計算された前記チャネル空間共分散行列の前記優勢固有ベクトルの振幅と位相を量子化することによって前記長期フィードバック情報を求めることを特徴とする請求項１６に記載のＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステム。
18. 前記固有ビーム計算機は、
    前記長期フィードバック情報をコヒーレント時間内に前記アップリンクフィードバック装置に伝送し、
    前記短期フィードバック情報を前記アップリンクフィードバック装置に伝送することを特徴とする請求項１７に記載のＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステム。
19. Ｌ個の送信アンテナを有する送信部と、Ｍ個の受信アンテナを有する受信部を備えたＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムのビーム形成方法であって、
    前記送信部が
    （ａ）連続入力された副搬送波の数のシンボルをＫ個の並列信号に変えること、
    （ｂ）前記Ｋ個の並列信号を送信アンテナの数だけ再生すること、および
    （ｃ）Ｎｆ個の固有ビーム形成ベクトルに対応する長期フィードバック情報と副搬送波のグループに対応する短期フィードバック情報に基づいて、副搬送波の各グループについて１つの固有ビームを生成すること
    を備え、
    前記受信部が、
    前記送信部から伝送された信号に対してチャネルを推定し、瞬時チャネル共分散と空間共分散行列を計算することであって、前記瞬時チャネル共分散は各副搬送波で各シンボルについて計算され、前記空間共分散行列は１つの副搬送波だけで各シンボルについて計算される、ことを備える
    ことを特徴とするビーム形成方法。
20. 前記（Ｃ）は、
    前記Ｋ個の再生された並列信号を、
    

    

    個の副搬送波のＫｆ個のグループに分けること、および
    前記
    

    

    個の副搬送波のＫｆ個のグループにＫｆ個の加重値ベクトルをかけることによって、副搬送波の各グループに対応する前記同一の固有ビームを生成すること
    を備えたことを特徴とする請求項１９に記載のビーム形成方法。

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