JP4372155B2 - Ｍｉｍｏ受信機及びｍｉｍｏ受信方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、ＭＩＭＯ（多入力多出力）通信システムのための装置、方法およびプロセッサ制御コードに関する。

ＭＩＭＯシステムの根底にある考えとは時空間信号処理であり、これは、事実上、複数の送信／受信アンテナ間の空間チャネルあるいはＭＩＭＯチャネルの分離性を利用して、スペクトル利用の増加を伴わずにより高いデータ転送速度を提供し、あるいは、耐性の増加およびより低い誤り率を実現するものである。大まかに言って、空間又は／及び時間的（空間、時間及び空間時間ダイバーシティ）に信号を符号化することによって、信号の多数のバージョンを効果的に与えることによって耐性が増加し、更に空間的多重化（空間多重化）が有効データレートを効果的に増加する。固定された構成のＭＩＭＯシステムでは、この空間的多重化と時空間ダイバーシチの間のトレードオフに関する選択を行わなければならないが、ＭＩＭＯシステムの主要な利点の１つは、一般に、これらがより高速のデータ伝送を提供できることであるとみなされる。

Ｈｙｐｅｒｌａｎ／２（欧州）やＩＥＥＥ８０２．１１ａ（米国）といった現世代のＷＬＡＮ（無線ローカルエリアネットワーク）規格は、最大５４Ｍｂｔ／秒のデータ転送速度を提供する。例えば、マルチメディアサービスなどでのより高いデータ転送速度は、単に、データ伝送帯域幅を増加することによって達成できるが、これは非効率的であり、費用がかさむ。ＭＩＭＯシステムは、帯域幅を増やさずにスループットを増加させる機能を有し、スループットは、潜在的に、送信／受信アンテナの数と共に直線的に増減する（例えば、Ｔｅｌａｔａｒ Ｉ．Ｅ．、「複数アンテナガウスチャネルの容量」、ベル研究所テクニカルメモランダム、１９９５年（Telatar I.E., Capacity of multi-antenna Gaussian channels. Bell Labs Technical Memorandum, 1995）、通信に関する欧州会報、第１０巻、５８５頁から５９５頁、１９９９年１１／１２月（European Transactions on Telecommunications, vol. 10, p.585-595, Nov/Dec 1999）、Ｆｏｓｃｈｉｎｉ Ｇ．Ｊ．およびＧａｎｓ Ｍ．Ｊ．、「複数のアンテナを使用するときのフェージング環境における無線通信の限界について」、無線パーソナル通信第６巻、３１１頁から３３５頁、１９９８年（Foschini G.J. and Gans, M.J., On limits of wireless communications in fading environment when using multiple antennas, Wireless Personal Communications, vol. 6, p. 311-335, 1998）などを参照）。例えば、４送信４受信アンテナシステムは、単一の送信／受信アンテナシステムの最大４倍の容量を提供する。

図１に、典型的なＭＩＭＯデータ通信システム１００を示す。データソース１０２は、（情報ビットまたはシンボルを有する）データをチャネル符号器１０４に与える。チャネル符号器は、通常、再帰的組織畳み込み（ＲＳＣ）符号器や、より強力ないわゆる（インターリーバを含む）ターボ符号器といった畳み込み符号器を含む。入力されるよりも多くのビット数が出力され、通常、この速度は、２分の１または３分の１である。チャネル符号器１０４の後にはチャネルインターリーバ１０６、および、図示の例では、時空間復号器１０８が続く。時空間復号器１０８は、１つ以上の入力シンボルを複数のコードシンボルとして符号化し、これらが、複数の送信アンテナ１１０のそれぞれからの同時送信のために、ＱＰＳＫ（直交位相偏移変調）やＭ-ＱＡＭ（多進直交振幅変調）などの複雑な変調シンボルにマッピングされる。

時空間符号化は、データに対して空間的および時間的送信ダイバーシチまたは多重化を提供するように動作する、符号化行列によって記述される符号化マシンの観点から説明することができる。この後には、通常、送信のための符号化シンボルを与える変調器が続く。さらに（または代替として）空間周波数符号化も用いることもできる。したがって、大まかに言えば、入力シンボルおよび処理されたバージョン（位相偏移され、時空間符号アルゴリズムに従って増減されたシンボルなど）は、ダイバーシチを増加させるために、空間および時間および／または周波数座標を有するグリッドに分配される。空間周波数符号化が用いられる場合、別々の周波数チャネルをＯＦＤＭ（直交周波数分割多重）搬送波上に変調することができ、チャネル分散の影響を緩和するために、一般に、サイクリックプリフィックスが各送信シンボルに付加される。

符号化送信信号は、ＭＩＭＯチャネル１１２を介して受信アンテナ１１４に伝播し、受信アンテナ１１４は、複数の入力を時空間（および／または周波数）復号器１１６に供給する。これは、符号器１０８の影響を除去するタスクを有する。復号器１１６の出力は、それぞれが、特定の値を有する送信シンボルの確率に関するいわゆる軟判定データまたは尤度データを搬送する、各送信アンテナに１つずつの、複数の信号ストリームを含む。このデータが、チャネルインターリーバ１０６の結果を反転させるチャネルデインターリーバ１１８に与えられ、次いで、ビタビ復号器などのチャネル復号器１２０に供給され、ここで畳み込み符号を復号化する。通常、チャネル復号器１２０は、ＳＩＳＯ（軟入力軟出力）復号器であり、すなわち、シンボル（またはビット）尤度データを受信し、例えば、硬判定が行われているデータではなく、類似の尤度データを出力として提供する。チャネル復号器１２０の出力は、任意の所望のやり方でデータをさらに処理するために、データシンク１２２に供給される。

いくつかの通信システムでは、いわゆるターボまたは反復復号化が用いられ、その場合、チャネル復号器１２０からの軟出力は、チャネルインターリーバ１０６に対応するチャネルインターリーバ１２４に与えられ、ここで、軟判定（尤度）データが、反復的な時空間（および／または周波数）およびチャネル復号化のために復号器１１６に供給される。（そのような構成では、チャネル復号器１２０は、復号器１１６に、完全な送信シンボル、すなわち、例えば、誤り検査ビットなどを含むシンボルを提供することが理解されるであろう。）
ＭＩＭＯシステムは、様々なタイプのチャネルに直面する可能性がある。ＭＩＭＯシステムの容量は、ＳＮ比に依存するだけでなく、チャネルのタイプにも依存する。２つのタイプのチャネルが、ＬＯＳ（見通し環境）チャネルとマルチパスリッチチャネルである（Da-Shan Shiu、Foschini,G.J.、Gans,M.J.、Kahn,J.M.、「フェージング相関およびその多素子アンテナシステムの容量に及ぼす影響」、通信に関するＩＥＥＥ会報、第４８巻、第３号、２０００年３月、５０２頁から５１３頁（Da-Shan Shiu; Foschini, G.J.; Gans, M.J.; Kahn, J.M., Fading correlation and its effect on the capacity of multielement antenna systems, Communications, IEEE Transactions on, Vol. 48, Iss. 3, Mar 2000, Pages: 502-513）参照）。様々なＭＩＭＯアルゴリズムの性能は、ＭＩＭＯチャネルのタイプに依存し、例えば、時空間ダイバーシチ技法は、ＬＯＳチャネルを用いるとより高いデータ転送速度を提供するが、多重化技法は、マルチパスリッチチャネルを用いる方がうまく機能する（Parker,S.、Sandell,M.、Lee,M.、「オフィス環境における時空間符号の性能」、車両技術会議２００３、ＶＴＣ２００３-春、第５７回ＩＥＥＥ半期、第１巻、２００３年４月２２-２５日、７４１頁から７４５頁（Parker, S., Sandell, M., Lee, M., The performance of space-time codes in office environments, Vehicular Technology Conference, 2003. VTC 2003-Spring. The 57th IEEE Semiannual, Volume: 1, 22-25 April 2003, Pages: 741-745）参照）。

一般的にいえば、公開されているＭＩＭＯ通信システムは、単一の固定されたＭＩＭＯアルゴリズムを用いるが、データ転送速度のサービス品質に対する特定のトレードオフを定義する必要を回避しようとする、いくつかの適応方式が提案されており、特に、国際公開第０３／０７３６４６号、欧州特許第１１８５００１号、およびAbe T.、Fujii H、Tomisato S.、「空間的相関を使ったハイブリッドＭＩＭＯシステム」、第５回無線パーソナルマルチメディア通信に関する国際シンポジウム、２００２（Abe T., Fujii H, Tomisato S., A hybrid MIMO System Using Spatial Correlation, Wireless Personal Multimedia Communications, The 5th International Symposium on, 2002）に記載されている。国際公開第０３／０７３６４６号には、送信電力が、注水伝送方式、選択的チャネル反転伝送方式、均一伝送方式、主要固有モードビーム形成伝送方式およびビームステアリング伝送方式を含む技法選択肢の１つに従って、アンテナに割り振られる、複数アンテナ処理方式が記述されている。欧州特許第１１８５００１号には、大まかに言えば、欧州特許第１１８５００１号で同じパケットが再送信され得る回数として定義されている、定義される最小閾値サービス品質（ＱｏＳ）を維持するために、ＯＦＤＭ副搬送波上のデータの構成が、チャネル条件に関連する３つの基準の１つに基づいて時間ダイバーシチまたは空間ダイバーシチを使用する、ＭＩＭＯ／ＯＦＤＭシステムが記載されている。選択が行われる基になる基準の１つが、チャネル行列Ｈの条件、すなわち、ＭＩＭＯチャネル行列Ｈの最大固有値と最小固有値の比である。この文献には、推定される搬送波対干渉比または信号対雑音比に基づく、各副搬送波ごとの変調方式の選択も開示されている。Ａｂｅらの論文には、選択的に、空間的多重化、または送信ダイバーシチ（選択ダイバーシチ）を用い、全送信電力が最大受信ＳＮ比を示すアンテナに供給され、ＭＩＭＯチャネル行列のデータストリーム間の空間的相関がメトリックとして使用される、ハイブリッドＭＩＭＯシステムが記載されている。受信機から送信機へのフィードバックチャネルが、伝送方式およびシンボルコンステレーションサイズを定義する伝送モードコマンドを、受信機から送信機に与えることができる。類似の構成が、低帯域幅しか必要としない送信機１２６および受信機１２８によって、図１の一般化されたシステムで実施できる。

前述の適応ＭＩＭＯシステムにはいくつかの欠点があり、戻りチャネルによって提供される可能性を十分に活用していない。特に、これらの知られているシステムは、全て、比較的単純であり、スループットおよび／またはサービス品質に改善の余地を残している。例えば、欧州特許第１１８５００１号では、一定のＳＮ比領域で動作すれば特定のサービス品質が保証されるという固有の想定がなされているが、実際には、これは該当しないことがわかっている。例えば、信号対雑音比に基づく変調方式の予測は、最適な結果を提供しないことがあり、実際の測定性能を考慮した変更から利益を得ることもできることがわかっている。

適応ＭＩＭＯシステムの別の態様に関連して、例えば、携帯用のバッテリ駆動式装置におけるＭＩＭＯ通信システムの実際の実装を考えると、異なるＭＩＭＯ通信方式は、異なるＭＩＭＯ復号化アルゴリズムの全く異なる複雑さ、したがって、処理所要電力のために、受信側で受信信号を復号化するときに著しく異なる電力量を必要とすることがわかっている。

したがって、本発明の第１の態様によれば、ＭＩＭＯ送信機およびＭＩＭＯ受信機を備え、受信機から送信機へのフィードバックパスを有する適応ＭＩＭＯ通信システムが提供され、ＭＩＭＯ送信機は、フィードバックパスを介して送信される受信機からのフィードバック信号を受信する受信機と、フィードバック信号に応答して送信機から受信機へのＭＩＭＯ送信を構成する制御装置とを含み、ＭＩＭＯ受信機は、ＭＩＭＯ送信を受信するように構成され、ＭＩＭＯ受信機は、決定モジュールを含み、決定モジュールは、所望の受信側電力消費を指示する信号を入力する電力指示入力と、ＭＩＭＯ送信機にＭＩＭＯ構成信号を送信する出力とを有し、決定モジュールは、電力指示入力に応答してＭＩＭＯ伝送構成を決定し、決定に従って送信機を構成するように送信機にフィードバックするためのＭＩＭＯ構成信号を出力するように構成される。

所望の電力消費を指示するデータなど、アプリケーションレベルのデータを用いれば、より大きな柔軟性が実現され、電力管理が円滑化される。例えば、バッテリ駆動式装置は、バッテリモニタおよび／またはおおよその電力消費を定義するユーザ定義可能電力モードを含み得る。バッテリモニタからリアルタイムで提供され得るそのような電力消費制約条件データは、例えば、バッテリが放電し、これの容量の限界に近づくにつれて、データ転送速度を低減し、またはより復号化の複雑さが低い方式を使って電力消費を低減するために、ＭＩＭＯ方式および／またはコンステレーションおよび／またはデータ転送速度を変更させることができる。

関連する一態様では、本発明は、さらに、ＭＩＭＯ送信機およびＭＩＭＯ受信機を備え、受信機から送信機へのフィードバックパスを有する適応ＭＩＭＯ通信システムを提供し、ＭＩＭＯ送信機は、フィードバックパスを介して送信される受信機からのフィードバック信号を受信する受信機と、フィードバック信号に応答して送信機から受信機へのＭＩＭＯ送信を構成する制御装置とを含み、ＭＩＭＯ受信機は、ＭＩＭＯ送信を受信するように構成され、ＭＩＭＯ受信機は、測定ＱｏＳ信号出力を有する通信サービス品質（ＱｏＳ）測定システム、および決定モジュールを含み、決定モジュールは、第１の測定ＱｏＳ入力、および所望のＱｏＳを指示する信号を入力する第２の入力と、ＭＩＭＯ構成信号を出力する出力とを有し、決定モジュールは、所望のＱｏＳ信号を入力し、所望のＱｏＳ信号に応答して第１のＭＩＭＯ伝送構成を決定し、決定に従って送信機を構成するように送信機にフィードバックするための第１のＭＩＭＯ構成信号を出力し、測定ＱｏＳ信号を入力し、測定ＱｏＳ信号に応答して第２のＭＩＭＯ伝送構成を決定し、第２の決定に従って送信機を構成するように送信機にフィードバックするための第２のＭＩＭＯ構成信号を出力するように構成される。

第２のＭＩＭＯ伝送構成は、例えば、ブロック誤り率によって定義され、任意選択で、時間で平均された、実際の測定サービス品質を考慮するように変更できる。実施形態では、例えば、ルックアップテーブルによって示されるＭＩＭＯ伝送構成の選択は、サービス品質が所望の範囲内にある場合に限って採用されてもよく、そうでない場合には、この伝送構成は変更されてもよい。しかしながら、他の実施形態では、所望のサービス品質は、例えば、ユーザに品質とバッテリ寿命をトレードオフさせるなどのために、他の要件、特に所要電力より軽視されることもある。一実施形態では、送信機は、オーディオおよび／またはビデオ圧縮モジュールなど、データ圧縮その他の入力信号前処理モジュールを含み得る。そのような場合、受信側での展開が実質的に正確に動作するように所定の最低限のサービス品質を維持することが望ましいと考えられ、この場合、受信機によって生成されるＭＩＭＯ構成信号は、低減されたデータ転送速度が用いられるよう指示することができる。送信側では、これは、例えば、圧縮率を増やし、および／またはオーディオ／ビデオデータ取り込み分解能を下げることによって実施できる。これは、そうでなければ不可能であるはずの条件下にサービスを維持するために、特に、サービス品質およびバッテリ寿命の要件を考慮に入れた、入力装置から、データ圧縮および受信後の展開を経て出力装置に至る全通信システムのインテリジェント適応を可能にする。サービス品質は、後で平均ブロック誤り率の例を示すが、さらに、または代替として、例えば、データ伝送待ち時間など他のパラメータも備え得ることを当業者は理解するであろう。

前述のＭＩＭＯ通信システムの多く、または実質的に全ては、しばしば、ソフトウェアとして、時には専用ハードウェアプロセッサと関連させて実施され、したがって、特に、決定モジュールは、通常、メモリに格納された何らかの形のコンピュータプログラムまたはプロセッサ制御コードを備えることを当業者は理解するであろう。

前述のシステムの実施形態では、所望の品質のサービス信号は、送信されるデータのタイプ、例えば、ストリーミングメディア（オーディオおよび／またはビデオ）、電子メール／Ｗｅｂトラフィック等のような多数のカテゴリの１つを示す信号で構成できる。データのこれらカテゴリの各々は、サービスレベルの最低限許容可能な品質に関連付けることができる。

また、決定モジュールは、他の要因、特に、ＭＩＭＯ伝送構成の履歴および／またはチャネルメトリックを考慮に入れることもできる。ここでは、ＭＩＭＯ伝送構成とは、ＭＩＭＯ伝送方式および／またはアルゴリズム、コンステレーションサイズ、およびデータ転送速度の１つ以上を含む。当業者は知っているように、参照してここに組み込まれる、Ａｂｅら（前掲書）が用いる信号対雑音比、電力遅延プロファイル、容量、チャネル間相関、および／または、例えば、欧州特許第１１８５００１号、段落３７（参照してここに組み込まれる）に記載されているチャネル条件の測定を含めて、用いることができる多くの可能なチャネルメトリックがある。チャネルメトリック計算は時間に亘る平均化を含む。このとき、平均が取られる時間は、ＭＩＭＯチャネルのタイプに従って変えられてもよい。例えば、屋内のオフィス環境では、ＭＩＭＯチャネルは、ただゆっくり変化するものと予想されるが、屋外では、ＭＩＭＯチャネルは、送信機と受信機の相対的運動速度に応じた速度で、例えば、歩行者の場合はゆっくり、車内のユーザの場合は速く変化するであろう。チャネルのタイプの指示は、例えば、ハードウェアでの事前構成から、あるいは受信機内のチャネル推定モジュールから、あるいは、例えば平均ブロック誤り率を観測することにより、決定モジュールからチャネルメトリック計算モジュールに与えることができる。

好ましい一実施形態では、決定モジュールは、電力制約条件やデータタイプなどのパラメータに応じてＭＩＭＯ伝送方式およびコンステレイション（並びに状況に応じてデータレート）を決定するためのルックアップテーブル、および、ブロック誤り率のようなサービスの測定品質に応じてルックアップテーブルから読み出されるデータを随意的に変更する決定変更装置を含む。他の実施形態では、サービスの所望の品質、および／または測定された品質がルックアップテーブルへの入力とすることができ、このとき、このテーブルから読み出されたデータは、最重要の電力制約条件を１つ以上の他のパラメータに優先させるために、例えば、電力制約信号によって、変更できる。他のパラメータの組み合わせもルックアップテーブルへの入力として寄与し、決定変更装置への入力も使用できることは当業者は理解するであろう。

システムのいくつかの好ましい実施形態では、受信機は、チャネルメトリック計算モジュールまたはコンポーネントと、ＭＩＭＯ復号化モジュールまたはコンポーネントの間で、計算リソースを共用するように構成される。これは、受信側で推定されるようなＭＩＭＯチャネル行列の分解、例えばＱＲまたはＳＶＤ分解を実行して達成でき、チャネルメトリック計算及び受信ＭＩＭＯ信号の復号化の両方に使用可能な中間データを提供する。さらに、または代替として、上記その他の実施形態では、受信機の速度／経済性は、ＭＩＭＯチャネル行列推定手順をＭＩＭＯチャネル行列推定分解と効率的に組み合わせることによって改善できる。ＭＩＭＯシステムでは、チャネル推定は、各送信アンテナからトレーニングシーケンスを順次送信する（全ての受信アンテナで聞く）ことによって、または全ての送信アンテナから実質上直交するトレーニングシーケンスを同時に送信することによって行うことができる。両手順、特に、前者を用いると、ＭＩＭＯチャネル推定行列を列ごとに構築することができ、ＱＲなどの行列分解も、チャネル推定行列の構築に合致して、列ごとに実行できることがわかっている。一例として、ＱＲ分解に使用される代表的なグラム-シュミットアルゴリズムは、１つのアルゴリズムステップごとにＱとＲ両方の１列を生成する（例えば、Golub G.H.、Van Loan C.F.、「行列計算第３版」、ジョーンズホプキンス大学出版、ボルチモア、メリーランド、１９９６年（Golub G.H., Van Loan C.F., Matrix computations 3rd ed., Johns Hopkins Univ. Pr. Baltimore, Md, 1996）の、特に第５．２．７項参照）。より高度な技法、すなわち、ソート付きＱＲ分解の一例については、Wubben D.、Bohnke R.、Rinas J.、Kuhn V.、Kammeyer K.D.、「レイヤード時空間符号を復号化する効率のよいアルゴリズム」、ＩＥＥＥ電子工学レター、第３７巻、第２２号、２００１年１０月（Wubben D., Bohnke R., Rinas J, Kuhn V., Kammeyer K.D., Efficient algorithm for decoding layered space-time codes, IEEE Electronics Letters, Vol. 37, No. 22, Oct. 2001）を参照することができる。同様に、定義により、チャネル推定および分解は行ごとに進めることができる。いずれにしても、その根底にある考えは、チャネル行列のチャネル推定および分解は、復号化／チャネル条件推定の前段として、実質上並列に実行することができ、したがって、復号器を高速で動作するときに役立つ。

本発明の別の態様によれば、ＭＩＭＯ送信機およびＭＩＭＯ受信機を備え、受信機から送信機へのフィードバックパスを有する適応ＭＩＭＯ通信システムが提供され、ＭＩＭＯ送信機は、フィードバックパスを介して送信される受信機からのフィードバック信号を受信する受信機と、フィードバック信号に応答して送信機から受信機へのＭＩＭＯ送信を構築する制御装置とを含み、ＭＩＭＯ受信機は、ＭＩＭＯ送信を受信するように構成され、ＭＩＭＯ受信機は、チャネルメトリック出力を有するチャネルメトリック計算モジュールと決定モジュールとを含み、決定モジュールは、チャネルメトリック入力と、ＭＩＭＯ送信機にＭＩＭＯ構成信号を送信するための出力を有し、決定モジュールは、チャネルメトリック入力に応答してＭＩＭＯ伝送構成を決定し、決定に従って送信機を構成するため送信機にフィードバックするためのＭＩＭＯ構成信号を出力するように構成され、受信機は、さらに、受信信号を復号化しチャネルメトリックを計算するために、ＭＩＭＯチャネル応答行列を推定し、チャネルメトリックを計算し、および／または受信信号を復号化するために、チャネル応答推定と並列にチャネル応答行列の分解を求めるように構成される。

関連する一態様では、本発明は、さらに、ＭＩＭＯ送信機およびＭＩＭＯ受信機を備え、受信機から送信機へのフィードバックパスを有する適応ＭＩＭＯ通信システムを提供し、ＭＩＭＯ送信機は、フィードバックパスを介して送信される受信機からのフィードバック信号を受信する受信機と、フィードバック信号に応答して送信機から受信機へのＭＩＭＯ送信を構成する制御装置とを含み、ＭＩＭＯ受信機は、ＭＩＭＯ送信を受信するように構成され、ＭＩＭＯ受信機は、チャネルメトリック出力を有するチャネルメトリック計算モジュールと決定モジュールとを含み、決定モジュールは、チャネルメトリック入力と、ＭＩＭＯ送信機にＭＩＭＯ構成信号を送信するための出力を有し、決定モジュールは、チャネルメトリック入力に応答してＭＩＭＯ伝送構成を決定し、決定に従って送信機を構成するように送信機にフィードバックするためのＭＩＭＯ構成信号を出力するように構成され、受信機は、さらに、受信信号を復号化しチャネルメトリックを計算するために、ＭＩＭＯチャネル応答行列を推定し、共用計算リソースを使ってチャネルメトリックを計算し、受信信号を復号化するために、チャネル応答行列の分解を求めるように構成される。

他の態様では、本発明は、前述のように、まず第１に送信機を、第２に受信機を提供する。

本発明は、ＭＩＭＯ送信を受信するＭＩＭＯ受信機をさらに提供し、ＭＩＭＯ受信機は、受信信号を復号化するためにＭＩＭＯチャネル応答行列を推定するＭＩＭＯチャネル行列推定器と、受信信号を復号化するためにチャネル応答行列の分解を求める行列分解モジュールとを備え、受信機は、チャネル行列応答分解の算出と並列にチャネル応答を推定するように構成される。

また、本発明は、ＭＩＭＯ送信機およびＭＩＭＯ受信機を備え、受信機から送信機へのフィードバックパスを有する適応ＭＩＭＯ通信システムを構成する方法をさらに提供し、ＭＩＭＯ送信機は、フィードバックパスを介して送信される受信機からのフィードバック信号を受信する受信機と、フィードバック信号に応答して送信機から受信機へのＭＩＭＯ送信を構成する制御装置とを含み、ＭＩＭＯ受信機は、ＭＩＭＯ伝送を受信するように構成され、この方法は、所望の受信側電力消費を指示する信号を入力し、電力指示入力に応答してＭＩＭＯ伝送構成を決定し、決定に従って送信機を構成するように送信機にフィードバックするためのＭＩＭＯ構成信号を出力することを有する。

本発明は、さらに、ＭＩＭＯ送信機およびＭＩＭＯ受信機を備え、受信機から送信機へのフィードバックパスを有する適応ＭＩＭＯ通信システムを構成する方法を提供し、ＭＩＭＯ送信機は、フィードバックパスを介して送信される受信機からのフィードバック信号を受信する受信機と、フィードバック信号に応答して送信機から受信機へのＭＩＭＯ送信を構成する制御装置とを含み、ＭＩＭＯ受信機は、ＭＩＭＯ送信を受信するように構成され、この方法は、所望の通信サービス品質（ＱｏＳ）信号を入力し、所望のＱｏＳ信号に応答して第１のＭＩＭＯ伝送構成を決定し、決定に従って送信機を構成するように送信機にフィードバックするための第１のＭＩＭＯ構成信号を出力し、通信サービス品質（ＱｏＳ）を測定し、測定ＱｏＳに応答して第２のＭＩＭＯ伝送構成を決定し、第２の決定に従って送信機を構成するように送信機にフィードバックするための第２のＭＩＭＯ構成信号を出力することを含む。

前述のシステム、送信機、受信機および方法は、ディスク、ＣＤ-ＲＯＭまたはＤＶＤ-ＲＯＭ、読取り専用メモリなどのプログラム化メモリ（ファームウェア）のようなデータキャリア、あるいは光または電気信号搬送波などのデータキャリアに装荷される、プロセッサ制御コードを使って実施できる。多くの用途では、前述のシステム、送信機、受信機および方法の実施形態は、ＤＳＰ（ディジタル信号プロセッサ）、ＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）および／またはＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）上で実施される。したがって、本発明の実施形態を実施するコード（およびデータ）は、Ｃなど従来のプログラミング言語で書かれたコードやマイクロコードで構成できる。しかしながら、本発明の実施形態を実施するコードには、代替として、ＡＳＩＣやＦＰＧＡをセットアップし、または制御するコード、あるいはＶｅｒｉｌｏｇ（商標）、ＶＨＤＬ（超高速集積回路ハードウェア記述言語）、またはＳｙｓｔｅｍＣといったハードウェア記述言語のコードで構成できる。当業者は理解するように、そのようなコードおよび／またはデータは、例えばネットワーク上で互いに通信して複数の結合コンポーネント間分配できる。

次に、本発明の上記その他の態様について、例として示すにすぎないが、添付の図を参照してさらに説明する。

大まかに言えば、以下では、ＭＩＭＯ符号化および復号化方式の決定が、様々なパラメータ、ならびに、サービス品質要件および電力制約条件など、物理層より上位の層からの情報も含む推定されたチャネルメトリックおよび信号対雑音比（またはＳＮ比範囲）に基づくものであり、さらに実性能指示も考慮に入れる、インテリジェント適応ＭＩＭＯシステムについて説明する。このようにして、適用システムの実施形態は、ＭＩＭＯ送受信システムの受信機から送信機へのフィードバックチャネルを使って最適な物理層スループットを提供することを目的とする。実施形態では、コンステレーションサイズの変調の種類など他のパラメータも変えることができる。

このシステムの実施形態では、上位（すなわち、アプリケーション）層情報には、送信機から受信機に送信されるデータのタイプに従って随意的に変わる、必要なＢＬＥＲ（ブロック誤り率）、および／またはＣＲＣ（巡回冗長検査）性能に関する制限を含めることができる。携帯用装置の場合などに採用できる電力消費制約条件は、バッテリ管理コンポーネントからリアルタイムで提供できる。決定プロセスに入力される他のパラメータには、信号対雑音比または搬送波対干渉比を含めることができる。物理層情報には、例えば、ＳＮ比などのチャネル統計に関連する情報から構築される計算されたチャネルメトリック、電力遅延プロファイル、チャネル容量、ＭＩＭＯチャネル間の相関の度合い、（例えば、特異値分解や類似の技法によって求められる）チャネル条件などが含まれ、随意的に他のあらゆる利用可能な情報も含むことができる。

図２に、受信信号をＭＩＭＯ復号器１５４とＭＩＭＯチャネル行列推定器１５６に供給する複数の受信アンテナ１５２を備える、典型的な単一方式のＭＩＭＯ復号化アーキテクチャ１５０が示される。チャネル推定器１５６は、ＭＩＭＯチャネル行列の推定値を含むＭＩＭＯ復号器１５４への第１の出力１５８ａと、動作ＳＮ比である信号対雑音比推定値を含むＭＩＭＯ復号器１５４への第２の出力１５８ｂを生成する。ＭＩＭＯ復号器１５４は、各送信アンテナから送信されるシンボルの推定値を含む、各送信アンテナに１つずつ、複数のシンボル出力１６０を提供し、これらのシンボルは、シリアルデータ出力１６４を供給するシンボル／ビットコンバータ１６２によってビットストリームに変換して戻される。また、ＭＩＭＯ復号器１５４は、シンボル／ビット復号器に、（各シンボル毎に）雑音分散推定出力１６１を供給する。雑音分散情報は、軟値出力(soft-value outputs)を生成するためにシンボル／ビット復号器によって使用される。アンテナフロントエンドおよびダウンコンバージョン回路（図２には示さず）を別にして、一般に、受信信号は初期段階でディジタル化され、したがって、図２に示すアーキテクチャはソフトウェアアーキテクチャを備えることが理解されるであろう。

次に、図３を参照すると、本発明の諸態様を実施するインテリジェント適応ＭＩＭＯ受信機２００のアーキテクチャの一例が示されている。完全を期して、対応するＭＩＭＯ送信機２８０も示されている。

図３の受信機２００は、６つの主要部、すなわち、図２のＭＩＭＯ復号器に類似するが、必要に応じて、異なるＭＩＭＯアルゴリズムおよびコンステレーションサイズを復号化するために制御できるように再構成可能なハイブリッドＭＩＭＯ復号器システム２０２、ＭＩＭＯ方式選択モジュール２０４、データ後処理モジュール２０６、チャネル条件推定モジュール２０８、決定モジュール２１０、およびフィードバックシステム２１２を備える。

ＭＩＭＯ復号器システムは、ハイブリッドＭＩＭＯ復号器２１６と、方式選択モジュール２０４のＭＩＭＯ方式およびコンステレーション（Ｑ）選択器２１８と、チャネル条件推定モジュール２０８のＭＩＭＯチャネル推定器２２０とに複数の受信信号を供給する、複数の受信側アンテナ２１４を備える。チャネル推定器２２０は、ＭＩＭＯチャネル行列Ｈの推定値、およびそれぞれの出力２２０ａ、ｂのＳＮ比推定値を提供する。方式およびコンステレーション選択器２１８は、ＭＩＭＯ送信機２８０から送信される方式およびコンステレーション選択情報を受信し、復号し、それぞれのＭＩＭＯ方式識別およびコンステレーション／Ｑ識別データ出力２１８ａ、ｂを供給する。通常は、パケット化データ伝送方式が用いられ、その場合、パケットヘッダ情報は、このＭＩＭＯ方式およびコンステレーション識別データを含むことができる。これは、所定のデフォルト符号化方式、好ましくは、復号化するのが比較的簡単なものを使って符号化できる。他の構成では、アクティブなＭＩＭＯ方式およびコンステレーションを定義する情報は、特別な（事前に構成された）パケットの送信中に、または前に送信されるパケットの後端でも送信できる。しかしながら、ハイブリッドＭＩＭＯ復号器２１６に方式を変更することを合図する情報は、復号化すべき実際のデータの前に到着する必要がある。速度を最適化するために、チャネル推定プロセスと同時にハイブリッドＭＩＭＯ復号器再構成を行うことができる。

採用できるＭＩＭＯ伝送方式の例には、これらに限定されないが、Alamouti符号化（２つの送信ダイバーシチを提供する単純な時空間符号）、垂直ＢＬＡＳＴ（ベル研究所レイヤード時空間）復号化およびベル研究所レイヤード時間、および他の技法、例えばV.Tarokh、H.JafarkhaniおよびA.R. Calderbank、「直交設計からの時空間ブロック符号」、ＩＥＥＥ会報情報理論、第４５巻、１４５６頁から１４６７頁、１９９９年７月（V. Tarokh, H. Jafarkhani and A.R. Calderbank, 「Space-time block codes from orthogonal designs」, IEEE Trans. Info. Theory., vol. 45, pp. 1456-1467, July 1999）、B.HassibiおよびB.Hochwald、「空間および時間において線形の高速符号」、ＩＥＥＥ会報情報理論、第４８巻、１８０４頁から１８２４頁、２００２年７月（B. Hassibi and B. Hochwald, 「High-rate codes that are linear in space and time,」 IEEE Trans. Info. Theory., vol. 48, pp. 1804-1824, Jul. 2002）、並びにＢＬＡＳＴについては、G.J. Foschini、「多素子アンテナを使用するときのフェージング環境における無線通信でのレイヤード時空間アーキテクチャ」、ベル研究所技術ジャーナル、第１巻、第２号、４１頁から５９頁、１９９６年（G.J. Foschini, 「Layered space-time architecture for wireless communication in fading environment when using multi-element antennas」, Bell Labs. Tech. J., vol. 1, no. 2, pp. 41-59, 1996）、Alamoutiについては、S.M.Alamouti、「無線通信のための単純な送信ダイバーシチ方式」、選択された通信分野に関するＩＥＥＥジャーナル、１４５１頁から１４５８頁、１９９８年１０月（S.M. Alamouti, 「A simple transmitter diversity scheme for wireless communications,」 IEEE J. Sel. Area Comm., pp 1451-1458, Oct. 1998）に記載された技法が含まれる。他のＭＩＭＯ復号化方式は、本出願人の同時係属の英国特許出願第０２１９０５６．９号（２００２年８月１５日出願）、第０２２７７７０．５号（２００２年１１月２８日出願）、第０３２３０７４．５号（２００３年１０月２日出願）、第０３２３２０８．９号（２００３年１０月３日出願）、第０３２３２１１．３号（２００３年１０月３日出願）、および第０３２９２３０．７号（２００３年１２月１７日出願）に記載されている。採用できる変調方式／コンステレーションには、これらに限定されないが、Ｍ-ＰＳＫおよびＭ-ＱＡＭが含まれ得る。ＭＩＭＯ方式および変調の種類を識別するには、１＝Ｖ-ＢＬＡＳＴ、１＝１６ＱＡＭなど、簡単な符号を用いることができる。

図３に戻ると、ハイブリッドＭＩＭＯ復号器２１６は、出力２１８ａ、ｂからＭＩＭＯ方式およびコンステレーション情報を、出力２２０ａ、ｂからチャネル推定および信号対雑音比情報を、そして各受信アンテナから１つずつの信号を受け取り、１つが各送信アンテナに対応する複数のシンボル出力２２２、および各シンボル（２２２）出力２２４ごとの雑音分散を提供し、これらは、出力２１８ｂからの変調／コンステレーションタイプ情報と共に、シンボル／ビットコンバータ２２６に供給される。シンボル／ビットコンバータ２２６は、ＭＩＭＯ送信機２８０に供給されるビットストリームの推定値を含む出力ビットストリーム２２８を出力する。このビットストリームは、データ後処理モジュール２０６に供給される。このモジュール２０６は、様々な他の処理２３０、例えば、ビタビ復号器などを使ったチャネル復号化や、ＣＲＣ検査２３２などを含むことができる。受信機の実装形態によって、データ後処理モジュール２０６内で様々な機能を提供することができ、図３に示すコンポーネントは、単に、一般論として、これらの選択肢のいくつかを示すにすぎないことを当業者は理解するであろう。しかしながら、大まかに言えば、データ後処理モジュール２０６は、上位レベルのモジュール、例えば、媒体アクセス制御（ＭＡＣ）層モジュールや、オーディオおよび／またはビデオ復号器などのアプリケーション層モジュールに、データ出力２３４を供給する。データ後処理モジュール２０６は、実際の（測定）チャネル性能に関連する統計データ、例えば、瞬間または平均ブロック誤り率（ＢＬＥＲ）などを含む、チャネル統計データ出力２３６も提供する。この測定統計情報は、決定モジュール２１０に供給される。

チャネル条件推定モジュール２０８、およびチャネル推定器２２０を見直すと、これは、チャネル推定器２２０のＭＩＭＯチャネル推定出力２２０ａからの入力を有し、決定モジュール２１０にチャネルメトリックデータ出力２４０を供給するチャネルメトリック計算モジュール２３８も含む。チャネルメトリック計算モジュール２３８は、任意の従来の方式で、例えば、ＱＲ分解やＳＶＤ（特異値分解）などに基づいてチャネルメトリックを計算するように動作できる。いくつかのチャネルメトリック計算法が、すでに参照している従来技術文献（特に、欧州特許第１１８５００１号およびＡｂｅらの文献）に記載されている。代替として、例えばＳＶＤが用いられる場合、チャネル条件メトリックは、最大と最小の特異値の比から求めることもできる。さらに、または代替として、最小特異値および／または対角要素を、特定のＭＩＭＯ伝送方式の適用可能性または耐性の指標として用いることもできる。

チャネル条件は時間平均値として計算でき、チャネルメトリック計算モジュール２３８には、ＭＩＭＯチャネルのタイプ、例えば、屋内かそれとも屋外かを示すチャネルタイプデータ入力２４２が供給でき、この情報を使ってどれほどの期間にわたって平均すべきかを決定することができる。例えば、屋内環境では、１から１０秒の期間にわたって平均することが適当であると考えられるが、屋外環境では、１秒未満、おそらく、０．１秒未満にわたって平均することが適当であると考えられる。さらに、または代替として、チャネルメトリック計算モジュールは、電力遅延プロファイル、チャネル容量、ＭＩＭＯチャネル間の相関などのチャネル統計の１つ以上を使ってチャネルメトリックを求めることもできる。前述したように、一般に、チャネル推定器２２０は、既知のトレーニングシーケンスを使ってチャネル推定値を求める。大まかに言えば、チャネル推定器および／またはチャネルメトリック計算モジュールは、チャネル特性またはタイプに関連する情報を提供されることにより支援され、この情報は、最適サンプリング速度に適応するときに役立ち、トラッキング性能を向上させ、より一般的には、チャネル／チャネル統計の改善された推定値を提供できる。

次に、決定モジュール２１０を参照すると、これは、ルックアップテーブル２４４と決定ロジック２４６という２つの主要なコンポーネントを組み込んでおり、随意的に平均ＳＮ比推定器２４８もさらに含めることができる。ルックアップテーブル２４４は、テーブル内のエントリを示す多数のパラメータを受信し、それぞれ、ＭＩＭＯ伝送方式およびコンステレーションサイズ／タイプを識別する１対の出力２４４ａ、ｂを出力するように構成される。図示の実施形態では、入力パラメータには、指標２４４ｃの電力制約条件入力、指標２４４ｄのデータのタイプ入力、２４０のチャネルメトリック入力、および指標２４４ｅの平均ＳＮ比が含まれる。これらの入力パラメータのそれぞれは、ルックアップテーブル２４４の１つの次元として有効に作用し、１組の入力パラメータが、出力のための所定のＭＩＭＯ方式およびコンステレーションを識別する。ルックアップテーブル２４４中のデータは、ＭＩＭＯシステムの特定の実装形態、電力制約条件、必要な性能などに依存する。ルックアップテーブルのデータは、例えば、特定のＭＩＭＯ復号化方式の電力消費を測定したり、様々な最低限のサービス品質要件を前提として、様々な条件（チャネルのタイプ、データのタイプ、平均ＳＮ比）の下で、試験的に、ＭＩＭＯ方式とコンステレーションサイズ／タイプの特定の組み合わせの性能を求めるなど、通常の試験によって容易に決定することができることは、当業者は理解するであろう。次いで、特定の１組の入力パラメータに対して、第３のＭＩＭＯ方式およびコンステレーションサイズ／タイプを決定するためにそのような決まった手順の試験の結果を検討することができる。次いで、このデータを、永続的に（またはアップグレード可能なように）、例えばＲＯＭやフラッシュＲＡＭを構成できるルックアップテーブル２４４に格納することができる。さらに、または代替として、ルックアップテーブルは、一部または全ての可能な入力パラメータ値について、（ハイブリッドＭＩＭＯ検出器がサポートできる）ＭＩＭＯ方式とコンステレーションサイズ／タイプの様々な組み合わせの期待される性能に関連するデータと、これらの方式／コンステレーションタイプのそれぞれでの期待される電力消費に関するデータを格納することができる。どちらの場合も、このとき、ルックアップテーブルは、採用する最適なＭＩＭＯ伝送方式およびコンステレーションタイプ／サイズを識別するデータを出力することによって、例えば、チャネルメトリック、ＳＮ比、データのタイプ、および／または電力制約条件により構成される決定ロジックコンポーネント２４６からの問い合わせに応答するように効率的に構成されている。例えば、電力が制約される用途では、Alamouti方式などの単純な方式が採用でき、これに対して、より多くの電力が利用可能であるときには、高性能高複雑度ＭＩＭＯ復号器を用いるＢＬＡＳＴ型方式が採用できる。

受信機の実施形態では、送信機２８０によって採用すべきＭＩＭＯ方式およびコンステレーションを規定するために、ルックアップテーブル２４４からの出力２４４ａ、ｂが利用できる。しかしながら、好ましい実施形態では、決定モジュール２１０は、特に、選択された方式／コンステレーションの実際の測定性能に基づくフィードバックを提供するために、ルックアップテーブルからの想定される最適な方式／コンステレーション出力を変更することができる決定ロジックコンポーネント２４６を組み込んでいる。この情報は、例えば、ＣＲＣ検査ユニット２３２からの出力２３６を介して、事後処理モジュール２０６から決定ロジック２４６に提供される（ただし、ＣＲＣ検査の出力は、一般に、単に１つの論理値、真または偽、合格または不合格であるため、これは統計値に変換される必要がある）。決定ロジック２４６は、様々な方法でルックアップテーブル２４４からの出力の変更を容易にする。例えば、選択された方式／コンステレーションが所望の範囲内のブロック誤り率を得る場合、この方式／コンステレーションはそのままとされ、そうでない場合には、変更できる。さらに、または代替として、ルックアップテーブル２４４は、消費電力の大きいＭＩＭＯ復号化方式を提示できるが、他の情報が、例えば、バッテリの残時間が数分しかないと示すことがあり、この場合には、選択を、復号化により少ない処理電力を必要とするより単純な方式に変更することができ、したがって利用可能なバッテリ寿命が延びる。代替として、測定ブロック誤り率（または他の統計値）が、サービス品質が必要以上に高いことを示唆する場合、この方式／コンステレーションは、より高いデータスループットを、より低いがなお許容可能なサービス品質で配信するように変更できる。（統計的誤り率はサービス品質の有用な尺度であるが、誤りのないパケット受信を実質的に保証するのに必要とする再送信の回数など、他の尺度も用いられ得ることを当業者は理解するであろう）。また、決定ロジックコンポーネントは、例えば、システムの動作モードを定義するために、ユーザ入力または設定を考慮することもできる。実施形態では、決定ロジックコンポーネント２４６は、例えば、ＢＬＥＲ要件の形で、チャネルのタイプ（例えば、これがどれほどの速さで変化するか、屋内環境であるか、それとも屋外環境であるか）、およびデータのタイプ（例えば、Ｗｅｂブラウズのための非時間制約型データ、ビデオ送信のための時間制約型データ、ビデオでの必要伝送品質など）の知識を有し、または導出することができる。

前述のように、平均ＳＮ比推定器２４８は、ルックアップテーブル２４４への入力を供給することもできる。ＳＮ比推定器２４８は、チャネル推定器２２０から推定されたＳＮ比データを受け、これの移動平均または窓かけ平均を計算し、好ましくは、例えば、ＭＩＭＯ方式／コンステレーションが変化するときや、チャネル特性が変わるかもしれないとき、決定ロジックコンポーネント２４６からの出力２４６ａによってリセット可能である。

決定モジュール２１０の決定ロジックコンポーネント２４６は、フィードバックパスモジュール２１２に、ＭＩＭＯ方式およびコンステレーションサイズ／タイプを識別するデータを備える出力２４６ｂを与える。この情報は、無線通信を含んでも含まなくてもよい、任意の好都合な通信方法によってＭＩＭＯ送信機２８０に戻される。図示の例では、この方式／コンステレーションデータは、バッファ２４８、次いで、送信アンテナ２５０に供給され、送信アンテナ２５０は、ＭＩＭＯ送信機が、この方式／コンステレーションコマンドデータを受け、然るべく伝送を構成することができるように、ＭＩＭＯ送信機２８０に結合された受信アンテナ２８２にこのデータを送り返す。図３の例に示すように、ＭＩＭＯ送信機２８０は、ビデオデータ圧縮モジュール２８４によって圧縮されたビデオデータを送信するように構成される。

受信機２００から送信機２８０へのフィードバックパスは、比較的低い帯域幅でよい。というのは、送信される情報、すなわち、反復期間での最適な方式およびコンステレーションタイプ／サイズの受信機側の推定は、わずか数ビットで規定できるからである。例えば、ＡｌａｍｏｕｔｉおよびＢＬＡＳＴ（あるいは類似の技法）など、２つの方式を用いるハイブリッド復号器での方式選択には単一ビットを用いることができ、例えば、ＢＰＳＫ（２相位相偏移変調）、ＱＰＳＫ（直交位相偏移変調）、１６-ＱＡＭ、および６４-ＱＡＭなど、４つのタイプの間で選択する場合には、２ビットを用いてコンステレーションサイズを規定することができる。したがって、例えば、この情報は、確認応答パケット内で送信されるヘッダに含めることができる（というのは、規定されたサービス品質要件を有する用途では、そのような確認応答パケットを送信することが普通だからである）。したがって、バッファ２４８は、ヘッダ送信待ち行列を含むことができる。

図４から図６に、図３を参照して詳細に説明したインテリジェント適応ＭＩＭＯシステムの一般的なアーキテクチャを示す。したがって、図４において、送信パラメータ選択／決定モジュール３００は、メトリック計算モジュール３０２、電力制約条件決定モジュール３０４、およびサービス品質要件モジュール３０６から入力を受け、メトリック計算モジュール３０２は、チャネル推定モジュール３０８から入力を受ける。図５のアーキテクチャは、選択／決定モジュール４００が１つ以上の実性能指示器４０２からの入力をさらに受けることを除いて同様である。図６の構成は、さらに、選択された送信パラメータの履歴５０２（方式および／またはコンステレーションサイズ／タイプ）の知識を受け、またはこれを有する選択／決定モジュール５００を有する。

受信機の特に好ましい実施形態では、処理を増加させ、および／または電力消費（またはおそらくシリコン領域）を低減させるために、信号処理リソースが共用できる。これは、まず第１に、ＭＩＭＯチャネル推定行列の分解は、チャネル条件またはメトリックの決定と、受信データの復号化の両方の先行情報として使用することができ、第２に、チャネル推定行列の分解は、チャネル推定行列自体の決定と並列に進めることができるという認識に基づくものである。当業者にはよく知られているように、ＭＩＭＯ復号化は、一般に、ＱＲ分解やＳＶＣ分解など、何らかの形の行列チャネル推定の分解を利用して、送信シンボルを推定する（例えば、Wubben D.、Bohnke R.、Rinas J.、Kuhn V.、Kammeyer K.D.、「レイヤード時空間符号を復号化する効率のよいアルゴリズム」、ＩＥＥＥ電子工学レター、第３７巻、第２２号、２００１年１０月（Wubben D., Bohnke R., Rinas J, Kuhn V., Kammeyer K.D., Efficient algorithm for decoding layered space-time codes, IEEE Electronics Letters, Vol. 37, No. 22, Oct. 2001）を参照）。しかしながら、チャネルメトリック計算は、行列チャネル推定の分解を利用し、またはこれによって簡略化することができ、したがって、ＭＩＭＯチャネル推定行列の分解または因数分解の共通の初期段階があるように受信機を構成することによって、受信機での計算負荷が低減できる。例えば、前述のように、チャネル条件は、特異値分解の最大対最小特異値比を取ることによって求めることができる。ＳＶＤは、ＱＲ分解によって求めることができ（例えば、参照してここに組み込まれる、Golub G.H.、Van Loan C.F.、「行列計算第３版」、ジョーンズホプキンス大学出版、ボルチモア、メリーランド、１９９６年（Golub G.H., Van Loan C.F., Matrix computations 3rd ed., Johns Hopkins Univ. Pr. Baltimore, Md, 1996）の、特に第３．５４段落、アルゴリズム３．５．１参照）、あるいは代
替として、ＱＲ分解を使ってチャネル条件を直接求めることもできる。

図７に、この手順を概略的に説明するＭＩＭＯ受信機６００の一部を示し、例えば、チャネル条件情報などを使用するこの受信機のインテリジェントまたは適応部と、図の例では後退代入アルゴリズムを用いるこの受信機の復号化部との間で、リソースがどのように共用できるかを示す。図７の２つの破線の囲み６０２、６０４は、それぞれ、この受信機の動作の訓練段階と、この受信機の動作の復号化段階とを示す。物理的には、２組の受信アンテナ６０６は同じものである。訓練段階では、受信機は、例えば、パケットの先頭においてトレーニングシーケンスを受け、これらがチャネル推定／分解モジュール６０８に与えられる。このモジュールは、好ましくは、以下でさらに説明するように並列に、チャネル推定と行列分解を実行し、ＭＩＭＯチャネル推定行列のＱＲ分解を求め、ＱおよびＲ行列出力６０８ａ、ｂ、推定される信号対雑音比出力６０８ｃ、および、例えば、最大対最小特異値比に基づいて、チャネル条件出力６０８ｄを提供する。状況に応じて、Ｑ値およびＲ値は、後続の後退代入手順を簡略化し、および／またはこれの信頼性を向上させるために、事前計算コンポーネント６１０によって前処理され、または変換されてもよい。例えば、０に極めて近い、または０に等しい行列Ｒ内の値は、事実上、これらが除算演算における除数として使用されるため、後退代入６１２を実行するときに問題を生じ得る（後退代入アルゴリズムの式については、例えば、Golub G.H.、Van Loan C.F.、「行列計算第３版」、ジョーンズホプキンス大学出版、ボルチモア、メリーランド、１９９６年（Golub G.H., Van Loan C.F., Matrix computations 3rd ed., Johns Hopkins Univ. Pr. Baltimore, Md, 1996）の、特に第３．１．２項参照）。これは、結果として送信シンボルを誤って推定することになり、復号化ハードウェアの除算演算の間に算術オーバーフローを生じることにもなり、したがって、これらの値は、調整されるかもしれない。任意の必要な事前計算が、（以下で詳細に説明するように）ブロックの先頭にあるチャネル推定の後、またはこの間に実行されてもよい。事前計算ステップ６１０は、例えば、Golubらによる文献の第５．７．１項に記載されているように、後退代入逆多重化アルゴリズム６１２の代わりに機能することもできる。

トレーニング段階６０２は、一般に、処理される受信シンボルの各ブロックごとに１回より多く実行されることはないが、復号化は、受信データシンボルの各組ごとに実行される。一般的な例として、図１０に、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ規格、ＩＥＥＥ規格８０２．１１ａ-１９９９［ＩＳＯ／ＩＥＣ８８０２-１１：１９９９／Ａｍｄ１：２０００（Ｅ）］（ＩＥＥＥ規格８０２．１１、１９９９年版への補足）第１１部：無線ＬＡＮ媒体アクセス制御（ＭＡＣ）および物理層（ＰＨＹ）仕様：５ＧＨｚ帯における高速物理層（特に、ＰＰＤＵフレーム形式）（IEEE 802.11a standard IEEE Std 802.11a-1999 [ISO/IEC8802-11:1999/Amd 1:2000(E)] (Supplement to IEEE Std 802.11, 1999 Edition) Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY)specifications: High-speed Physical Layer in the 5 GHz Band (in particular a PPDU frame format)）による１ブロックのシンボルを示す。これは、２つの部分、すなわち、送信時の最初のＯＦＤＭシンボルを占め、ＰＬＣＰプリアンブルシンボルにおけるチャネル推定に使用されるシンボルの特定の訓練シーケンスを含むヘッダ部と、後続のＯＦＤＭシンボルに使用される変調の種類および符号化速度に関する情報を提供するＳＩＧＮＡＬ部とを備える、ＯＦＤＭシンボルを用いるＯＦＤＭシステムを指定する。ＰＬＣＰプリアンブルおよびＳＩＧＮＡＬ ＯＦＤＭシンボルの（時間的な）後には、受信機（復号化段階）によって復号化されるデータシンボルを搬送するいくつかのＯＦＤＭシンボルを保持するデータ部が続く。したがって、復号化段階６０４では、必要に応じて前処理されるＱＲ分解が、例えば、さらに処理するための逆多重化された信号ストリーム６１４を提供するために量子化を用いる、後退代入モジュール６１２に与えられる。

大まかに言えば、雑音項を別として、受信信号ベクトルｙは、ｙ＝Ｑ・Ｒ・ｃによって与えられ、式中、ｃは送信信号ベクトルであり、したがって、Ｑは、これの転置が（ＱＲ分解の）定義からの逆であるため容易に反転して、ｙを掛けることができ、Ｒは上三角行列であるため、ｙ、Ｑ、Ｒは既知であり、シンボルｃは、要素ごとに求めることができ、まずＱ^Ｔｙ_ｎからｃ_ｎを求め、後方に向かって、順に各ｃ値ごとに、この値を最も近いコンステレーションポイントに量子化する。チャネル推定およびチャネルメトリック計算は、送信シンボルのブロックごとに１回だけ実行されるため、ＭＩＭＯ復号器は、量子化を用いる簡単な後退代入法を使ってブロック中の各シンボルを推定することができ、チャネルメトリック計算プロセスが簡略化される。

受信機の動作速度を向上させるために、ＱＲなどの分解は、チャネル推定手順と並列に実行できる。例えば、チャネル推定を列ごとに行い、ＱＲ分解手順もまた、列ごとの分解が可能である。一例として、ＱＲ分解に使用される修正グラムシュミット（ｍＧＳ）アルゴリズムを考える。ｍＧＳアルゴリズムの最初のステップは以下の通りである。

１．Ｒ（１，１）＝ｎｏｒｍ（Ｈの第１列）
２．Ｑの第１列＝（Ｈの第１列）／Ｒ（１，１）
３．Ｒ（１，２）＝（Ｑの第１列）’^＊（Ｈの第２列）
４．（Ｈの第２列）＝（Ｈの第２列）-Ｒ（１，２）^＊（Ｑの第１列）
５．Ｒ（１，３）＝（Ｑの第１列）’^＊（Ｈの第３列）
６．（Ｈの第３列）＝（Ｈの第３列）-Ｒ（１，３）^＊（Ｑの第１列）
７．Ｒ（１，４）＝（Ｑの第１列）’^＊（Ｈの第４列）
８．（Ｈの第４列）＝（Ｈの第４列）-Ｒ（１，４）^＊（Ｑの第１列）
９．残りのステップ
ステップ１および２は、Ｈの第１列を使用し、ステップ３および４はＨの第２列を使用し、ステップ５および６はＨの第３列を使用し、ステップ７および８はＨの第４列を使用する。したがって、これら修正グラムシュミット（ｍＧＳ）アルゴリズムの最初のステップを用いてチャネル推定プロセスを並列化することが可能である。推定および分解ステップは以下の通りである。

１．Ｈの第１列を推定する。

２．ｍＧＳのステップ１および２を実行すると同時にＨの第２列を推定する。

３．ｍＧＳのステップ３および４を実行すると同時にＨの第３列を推定する。

４．ｍＧＳのステップ５および６を実行すると同時にＨの第４列を推定する。

５．ｍＧＳのステップ７および８を実行する。

６．ｍＧＳの残りのステップを続ける。

したがって、図７において、モジュール６０８内に破線で示される２つの要素、チャネル推定および分解は、実際には、単一の、統合された手順を含むことができる。そのような場合、チャネル条件推定メトリックの決定は、このアーキテクチャの異なるコンポーネントまたはモジュールを設けることができ、このコンポーネントは、例えば、後退代入手順の間、これと並列に動作することができる。

また、ＳＶＤやＱＲ分解などの分解または因数分解を求めることによってチャネル推定を実行することも知られている。（雑音変形推定を必要としないブラインド等化を含む）そのようなチャネル推定器の例は、Edfors O.、Sandell M.、van de Beek J-J、Wilson S.K.、Borjesson P.O.、「特異値分解によるＯＦＤＭチャネル推定」、通信に関するＩＥＥＥ会報、第４６巻、第７号、１９９８年７月（Edfors O., Sandell M., van de Beek J-J, Wilson S.K., Borjesson P.O., OFDM Channel estimation by Singular Value Decomposition, IEEE Transactions on Communications, Vol. 46, No.7, July 1998）およびLi X.、Fan H.(H)、「２次統計を用いたＱＲ分解に基づくブラインドチャネル識別および等化」、信号処理に関するＩＥＥＥ会報、第４８巻、第１号、２０００年１月（Li X., Fan H.(H), QR Factorization Based Blind Channel Identification and Equalization with Second-Order Statistics, IEEE Transactions on Signal Processing, Vol. 48, No. 1, Jan 2000）に記載されている。そのようなシステムは、事実上、モジュール６０８の分解およびチャネル推定部が交換されることを可能にする。

図８に、適応ＭＩＭＯ復号器を組み込んでいる、前述の技法を実施するように構成された受信機７００を示す。

受信機７００は、それぞれが、例えば、図３のＲＦフロントエンドに類似した、個々のＲＦフロントエンド７０４ａ、ｂに、次いで、個々のアナログ／ディジタルコンバータ７０６ａ、ｂ、およびディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）７０８に結合された、１つ以上の受信アンテナ７０２ａ、ｂ（図示の実施形態にはこのうちの２つが示されている）を備えている。ＤＳＰ７０８は、通常、（例えば、フィルタ４１４の並列実装のための）１つ以上のプロセッサ７０８ａ、および作業メモリ７０８ｂを含む。ＤＳＰ７０８は、データ出力７１０、およびＤＳＰをフラッシュＲＡＭやＲＯＭなどの永続プログラムメモリ７１４に結合する、アドレス、データおよび制御バス７１２を有する。永続プログラムメモリ７１４は、ＤＳＰ７０８のためのコード、および随意的に、データ構造またはデータ構造定義を格納する。

図示のように、プログラムメモリ７１４は、ＤＳＰ７０８上で実行されるときに前述の対応する機能を実施する、ＳＮ比平均コンポーネント、チャネルメトリック計算制御コンポーネント、ルックアップテーブルインターフェースコンポーネントおよびＭＩＭＯ／コンステレーション決定コンポーネントを有する、ＭＩＭＯ方式およびコンステレーション選択コードを含む。また、プログラムメモリ７１４は、ＭＩＭＯチャネル推定値Ｈを与える列ごとのＭＩＭＯチャネル推定コード７１４ｂ、列ごとのＭＩＭＯチャネル行列分解コード７１４ｃ、（随意的な事前計算および）後退代入コード７１４ｄ、チャネルメトリック計算コード７１４ｅ、ＭＩＭＯ方式およびコンステレーションサイズ／タイプを選択するためのデータを含むルックアップテーブル７１４ｆ、ＭＩＭＯ方式およびコンステレーションサイズ／タイプ制御データ受け入れコード７１４ｇ、および随意的デインターリーバコード７１４ｈ、インターリーバコード７１４ｉ、およびチャネル復号器コード７１４ｊも含む。適当なコード７１４ｅの例は、当業者にはよく知られている。随意的に、永続プログラムメモリ７１４中のコードは、光または電気信号搬送波のように、または図７に示すように、フロッピー（登録商標）ディスク７１６などのキャリアにても提供できる。

ＤＳＰ７０８からのデータ出力７１０は、さらに、必要に応じて、受信機７００のデータ処理要素（図７には示さず）にも供給される。これらは、上位レベルのプロトコルを実施するベースバンドデータプロセッサとすることができる。

受信機フロントエンドは、一般に、ハードウェアとして実施され、他方、受信機処理は、普通、少なくとも一部はソフトウェアとして実施されるが、１つ以上のＡＳＩＣおよび／またはＦＰＧＡも用いることができる。受信機の機能は全て、ハードウェアとして実施することができ、信号がソフトウェア無線においてディジタル化される正確なポイントは、一般に、コスト／複雑さ／電力消費のトレードオフに左右されることを、当業者は認識するであろう。

図９に、図８の受信機７００のＭＩＭＯ方式およびコンステレーション選択コード７１４ａの動作を説明する概略的流れ図を示す。ステップＳ７２０で、コードは、電力制約条件データ、チャネルメトリックデータ、データのタイプデータおよび任意選択で時間平均ＳＮ比データを受け、ステップＳ７２２で、これらのデータを使って、ルックアップテーブル７１４ＦからＭＩＭＯ方式およびコンステレーションを識別するデータを読み取る。ステップＳ７２４で、コードは、平均ブロック誤り率を読み取り、ステップＳ７２６で、これが許容される範囲内にあるか否か判定し（Ｓ７２６）、否である場合には、ルックアップテーブルによって推奨されるＭＩＭＯ方式および／またはコンステレーションを変更する（Ｓ７２８）。随意的に、ステップＳ７３０で、方式／コンステレーション選択コードは、ブロック誤り率からチャネルのタイプを識別し、チャネルタイプデータをチャネルメトリック計算モジュール７１４ｅに出力する（これは、ルックアップテーブルデータによって指示されるＭＩＭＯ方式／コンステレーションを変更できる）。次いで、ステップＳ７３２で、ＭＩＭＯ方式およびコンステレーションデータが、送信機が実施するためにフィードバック（送信機制御）チャネルに出力される。変更が実施されると、受信機には、前述のように、制御データ受け取りコード７１４ｇによる解釈および実施のために、受信機に方式およびコンステレーション選択データを送信することにより知らされる。

前述の技法の実施形態は、ＭＩＭＯ通信システムの、チャネル条件その他の制約条件、特に、電力消費に関連する制約条件へのより適切な適応を円滑に行わせる。例えば、Ａｌａｍｏｕｔｉなどの時空間符号化方式は、ダイバーシチを用いてビット誤り率を低減させ、したがって、チャネル条件および雑音に耐え得る耐性を有するが、通常、１の（単入力単出力システムと比べた）最大速度を有し、他方、ＢＬＡＳＴなどの空間多重化方式は、潜在的に、送信アンテナの数に等しい最大速度を提供するが、これは、不良条件チャネルおよび／または低ＳＮ比では大幅に（１さえも下回るほど）低下できる。これにもかかわらず、携帯用装置では、電力を節約するために低ＳＮ比で動作する必要性が重要となり得るが、他の状況では、電力消費の増加という代償を払ってでもより複雑な多重化アルゴリズムが選択されてもよい。さらに、いくつかの用途では、閾値最小誤り率を必要とし、空間的多重化アルゴリズムは、ＳＮ比が低いとき、またはチャネルの不良条件が高いときに、これを提供できないことがある。注水方式（ＳＮ比に応じて送信アンテナに電力を分配する）は、ある程度の適応性を実現するが、前述の技法を用いる場合より著しく高いレベルのフィードバックを必要とするかもしれない。前述の技法は、様々な要因を考慮に入れ、従来技術の技法に優る大幅に改善された性能を提供することができる。これらの技法を実施するための一般化されたアーキテクチャが、前述のように、図４から図６に概略的に示されている。例えば、図６を参照すると、この場合は、以前に選択されたＭＩＭＯ方式／コンステレーションパラメータに関連する情報が、方式／コンステレーションタイプを選択するための入力パラメータの１つとして使用され、システムが、例えば、誤り率性能の近いアルゴリズム間での切り替えなどによって、様々な要件に徐々に適応するように、わずかな速度の変更だけが許容できる。したがって、新しいＭＩＭＯ方式／コンステレーションの選択は、現在用いられているものとの差が閾値以下である、予測される、または実際のデータ転送速度または誤り率を有する方式に依存できる。

前述の技法を用いるシステムの実施形態では、１つ以上の要件にこれらの重要度に従って重み付けすることも可能である。例えば、チャネルメトリックの推定が信頼できないと予期される場合には、結果として予期しない通信障害の危険を伴う、送信パラメータの急激な変更を引き起こさないように、これに低減された重みを付与することができる。これとは対照的に、例えば、電力制約条件など、他のパラメータにより大きな重みを付与して、これらが、例えば、端末を電源またはバッテリ動作に適応させるのに適した送信パラメータの大幅な変更を生じさせるようにすることもできるであろう。

前述の技法においては、さらに、または代替としてコンステレーションサイズ／変調オーダに適応できるる別の重要なパラメータが、チャネル符号化速度および、随意的に、符号化アルゴリズム（すなわち、図１の要素、符号器１０４、復号器１２０を指す）であり、これが、本発明の実施形態／諸態様において企図されている。したがって、本明細書では、チャネル符号化速度／アルゴリズムは、コンステレーションまたはコンステレーションパラメータへの参照に加え、および／またはこれに代わるものとして、効果的に読み取られ、理解できる。

前述の適応ＭＩＭＯ通信システムの実施形態は、所定の誤り率以下での動作を必要とする用途での最小スループット保証を提供し、チャネルおよびＳＮ比許可を提供する（したがって、サービス品質要件を満たす）ことができる。説明した技法は、受信機の電力消費を、例えば、スループットと複雑さとのトレードオフで適応させるのにも役立つ。このようにして、動作条件許可を提供すれば、このシステムの実施形態は、事実上、チャネルメトリック／ＳＮ比／ＱｏＳ要件の全てをカバーする性能下限値を保証することができる。また、本明細書では、ハードウェアの複雑さおよび／または電力消費を低減させ、および／または任意選択で速度を上げるために、計算リソース、特に、ＭＩＭＯチャネル行列分解に関連するリソースがどのように再利用できるかも説明されている。

前述の技法の実施形態は、基地局、アクセスポイント、モバイル端末／モバイル機器を含む、広範なＭＩＭＯ通信システムにおける用途を有する。適応通信プロセスで使用するためのＭＩＭＯ方式は、Ａｌａｍｏｕｔｉなどの非常に単純な方式から、ＢＬＡＳＴや球面復号化のような複雑な時空間および／または周波数ＭＩＭＯ方式に至るまで、選択できる。大まかに言えば、本発明の実施形態は、改善された、または少なくともより一貫性のあるレベルの性能、および／または、条件およびパラメータに応じて、より高いデータ転送速度、および／または、特定の実施形態では、より効率のよいハードウェアリソースの使用を円滑に実現させる。

当業者には他の多くの有効な代替形態が想起されることはいうまでもない。本発明は、説明した実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲の精神および範囲内に含まれる、当業者には明らかな変更形態を包含するものであることが理解されるであろう。

フィードバックを備えるＭＩＭＯ時間符号化通信システムの一例を示す図である。 ＭＩＭＯ受信機アーキテクチャの一例を示す図である。 本発明の一態様の一実施形態による適応ＭＩＭＯ受信機を示すブロック図である。 インテリジェント適応ＭＩＭＯシステムの一般化アーキテクチャを示す図である。 インテリジェント適応ＭＩＭＯシステムの別のアーキテクチャを示す図である。 メモリを備えるインテリジェント適応ＭＩＭＯシステムのアーキテクチャを示す図である。 リソース共用を用いるＭＩＭＯ受信機のアーキテクチャを示す図である。 本発明の一実施形態に従って動作するように構成された受信機を示す図である。 適応ＭＩＭＯプロセスを示す流れ図である。 ８０２．１１ａデータパケットのヘッダ形式の一例を示す図である。

Claims (15)

1. ＭＩＭＯ送信機からのＭＩＭＯ送信を受信するように構成され、所望の受信側電力消費を指示する信号を入力する電力指示入力と、前記ＭＩＭＯ送信機にＭＩＭＯ構成信号を送信するための出力とを有し、前記電力指示入力に応答してＭＩＭＯ伝送構成を決定し、前記決定に従って前記送信機を構成するように前記送信機にフィードバックするためのＭＩＭＯ構成信号を出力するように構成される決定モジュールを具備する、ＭＩＭＯ受信機。
2. 測定サービス品質（ＱｏＳ）信号出力を有する通信ＱｏＳ測定装置をさらに含み、前記決定モジュールは、前記測定ＱｏＳ出力からの測定ＱｏＳ入力と、所望のＱｏＳを指示する信号を入力する所望のＱｏＳ入力を含み、前記決定モジュールは、さらに、入力するように構成される、請求項１に記載のＭＩＭＯ受信機。
3. 前記所望のＱｏＳ信号は、送信されるデータが複数のカテゴリのどの１つに該当するかを指示する信号を含む、請求項２に記載のＭＩＭＯ受信機。
4. 前記複数のデータカテゴリは、複数の最低限許容可能なＱｏＳレベルを規定する、請求項３に記載のＭＩＭＯ受信機。
5. 前記複数のデータカテゴリは、複数の最大データ伝送待ち時間を規定する、請求項３または４に記載のＭＩＭＯ受信機。
6. 前記測定ＱｏＳ信号はブロック誤り率信号を含む、請求項２から５のいずれか１項に記載のＭＩＭＯ受信機。
7. 前記決定モジュールは、さらに、以前に決定されるＭＩＭＯ伝送構成に応答して前記ＭＩＭＯ伝送構成を決定するように構成される、請求項１から６のいずれか１項に記載のＭＩＭＯ受信機。
8. チャネルメトリック出力を有するチャネルメトリック計算モジュールをさらに含み、前記決定モジュールは、さらに、前記チャネルメトリック出力に応答して前記ＭＩＭＯ伝送構成を決定するように構成される、請求項１から７のいずれか１項に記載のＭＩＭＯ受信機。
9. 前記チャネルメトリック計算モジュールは時間決定入力を有し、前記チャネルメトリックは、前記時間決定入力に応答して一定期間にわたって計算され、前記決定モジュールは、前記ＭＩＭＯ送信機と前記ＭＩＭＯ受信機の間のＭＩＭＯチャネルが該当する複数のチャネルタイプカテゴリの１つを示すチャネルタイプ信号を前記時間決定入力に与えるように構成される、請求項８に記載のＭＩＭＯ受信機。
10. 受信信号を復号化し、前記チャネルメトリックを計算するためにＭＩＭＯチャネル応答行列を推定するように構成される、請求項８または９に記載のＭＩＭＯ受信機。
11. 前記チャネル応答推定と並行して、前記チャネルメトリックを計算し、および／または受信信号を復号化するために、前記チャネル応答行列の分解を決定するよう構成される、請求項１０に記載のＭＩＭＯ受信機。
12. 共用される計算リソースを使って、前記チャネルメトリックを計算し、受信信号を復号化するために、前記チャネル応答行列の分解を決定するように構成される、請求項１０に記載のＭＩＭＯ受信機。
13. 前記ＭＩＭＯ構成信号は、ＭＩＭＯ伝送方式またはアルゴリズムおよび／またはコンステレーションサイズまたは変調の種類を指示する信号を含む、請求項１から１２のいずれか１項に記載のＭＩＭＯ受信機。
14. 前記決定モジュールは、好適ＭＩＭＯ構成を示すデータを提供するルックアップテーブルと、前記測定ＱｏＳ信号に応答して前記好適ＭＩＭＯ構成を変更し、前記ＭＩＭＯ構成信号として出力するために変更ＭＩＭＯ構成を提供する決定変更装置とを備える、請求項２から１３のいずれか１項に記載のＭＩＭＯ受信機。
15. ＭＩＭＯ送信機からのＭＩＭＯ送信を受信するように構成され、
    所望の受信側電力消費を指示する信号を入力し、
    前記電力指示入力に応答してＭＩＭＯ伝送構成を決定し、
    前記決定に従って前記送信機を構成するように前記送信機にフィードバックするためのＭＩＭＯ構成信号を出力すること、
    を含む、ＭＩＭＯ受信方法。

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