JP2006513675A - 複数のチャンネルをもつ通信システムにおける電力及びビットロード割り当て - Google Patents

Abstract

本発明は、複数のチャンネルを経て送信器と受信器との間でデータを転送するための通信システムにおいてビットロード及び電力割り当てを最適化することに関する。このシステムは、１組の考えられるビットロードシーケンスを与える複数の異なる変調アルファベットを有する変調回路を備えている。又、このシステムは、エラー率を最小にすることに基づき各ビットロードシーケンスに対して割り当てられる電力を決定するための回路と、最低のビットエラー率をもつビットロードシーケンスを選択するための回路とを有する。

Description

本発明は、ワイヤレス通信システムに係り、より詳細には、複数のチャンネルを経て送信器と受信器との間でデータを転送するための通信システムに係るが、これに限定されない。

高いデータレートをサポートすることのできる技術及びシステムに対する要望は、近代的な通信システムにおいて重要である。システム容量を増加する１つの方法は、多数の送信アンテナ及び多数の受信アンテナで構成されたＭＩＭＯシステムを使用することである。即ち、１人のユーザを含むＭＩＭＯシステムでは、ユーザの信号を送信アンテナ間に分配し、そして多数の受信アンテナへ送信することができる。それ故、ＭＩＭＯシステムの利点は、送信端及び受信端においてある方法でデータを合成することによりシステムの全体的クオリティ（ビットエラー率ＢＥＲ）又は容量（ビットレート）を改善できることである。

ワイヤレス通信システムに対する中心的な特徴の１つは、いわゆる多経路フェージング作用であり、これは、多経路信号により構造的及び破壊的な干渉作用を引き起こす。即ち、送信信号が、例えば、ビルのようなある媒体で跳ね返ったり遅延されたりする複数の二次信号を発生し、その結果、多数の信号経路が形成されそして受信が行なわれる。

慣習的な単一アンテナシステムは、多経路フェージングで悩まされているが、ＭＩＭＯシステムは、ランダムフェージング効果を使用して、スペクトル効率を改善することでチャンネルの容量を改善する。送信器と受信器との間に複数の独立した経路を導入することにより、悪いチャンネル条件の影響を軽減することができ、システムのいわゆる「ダイバーシティ」が改善される。

図１は、典型的なＭＩＭＯシステムを示すもので、このシステムは、Ｎ_t個の送信アンテナを有する送信器２と、Ｎ_r個の受信アンテナを有する受信器６とを備え、無線チャンネル４を経てデータが転送される。送信器２は、送信されるべき到来データ流８を受信するためのコードユニット１２を含むように示されている。このコードユニット１２は、例えば、あるＦＥＣ（前進エラー修正）コードを使用してデータをエンコードするように働き、無線チャンネル４を経て送信するときに導入されるノイズＮ₀により生じるエラーを軽減する。又、このコードユニットは、ノイズデータのバーストにより生じる問題を軽減するためにビットをインターリーブする機能を含んでもよい。

コード化された信号は、変調器１４へ送信され、ここで、エンコードされたビットは、特定の変調アルファベット、例えば、ＱＰＳＫ（直角位相シフトキーイング）又はＱＡＭ（直角振幅変調）を使用して複素数値変調記号へと変換される。幾つかの変調アルファベットは、異なるチャンネル条件又はシステム要件に良く適している。それ故、適応変調、即ち変調アルファベットが変化する変調が、ＭＩＭＯシステムのフェージングチャンネルに特に有益である。

変調された信号は、重み付けユニット１６へ送信され、該ユニットは、以下に詳細に述べるように、ビーム整形を実行すると共に、各送信アンテナにより送信されるべき電力を割り当てるように重みファクタを決定する。

次いで、信号は、ＭＩＭＯチャンネル４を経て受信ユニット６へ送信され、該受信ユニットは、送信されたデータストリームを回復するための逆重み付け機能１８、復調機能２０及びデコード機能２２を有する。

考えられる数のＮ_t＊Ｎ_r通信チャンネルが無線インターフェイス上に存在し、各チャンネルは、それ自身のチャンネル特性を有し、そこから、例えば、既知のトレーニングシーケンスを既知のやり方で使用してチャンネルマトリクスＨを決定することができる。他の幾つかの規格では、トレーニングシーケンスは、パイロットシーケンスとして知られている。ここに示す実施形態に関する限り、送信端及び受信端において知られたデータのシーケンスを使用することができる。

独特値即ち固有値のような数学的操作を使用すると、システムの固有モード、即ちどれほど多くの独立した有効チャンネルがシステムに存在するかを決定することができる。独立した有効チャンネルを使用して、図２に示すような並列データストリームを送信することができる。即ち、送信器２と受信器６との間のＭＩＭＯチャンネル４は、複数の平行な独立したサブチャンネル（固有モード）にデカップルすることができる。

図１のＭＩＭＯシステムは、Ｎ_t個の送信アンテナ及びＮ_r個の受信アンテナを有するものとして示され、ＳＶＤ（独特値分解）を使用して、チャンネルマトリクスＨを、次のように、３つのマトリクスの積に分解することができる。
Ｈ＝Ｕ^HΣＶ (1)
但し、Ｕ^Hは、Ｎ_tｘＮ_tの単位マトリクスの複素共役であり、Ｖは、Ｎ_rｘＮ_rの単位マトリクスであり、そしてΣは、ｍｉｎ（Ｎ_tｘＮ_r）独特値を有する主対角方向を除いてエレメントが全てゼロであるＮ_tｘＮ_rマトリクスである。

或いは又、Ｈ^HＨにより表わされたチャンネル相関マトリクスは、次のように分解された固有値でよい。
Ｈ^HＨ＝Ｖ^HΛＶ (2)
但し、Λ＝Σ²は、チャンネル相関マトリクスのＮ_t個の固有値λ_iを主対角方向に有する対角マトリクスである。

ビーム整形は、ＭＩＭＯシステムに使用される別の技術で、これは、あるチャンネルのエネルギーを集中させるために送信アンテナ又は受信アンテナの各々に使用することができる。例えば、送信アンテナの各々にそれらの推定チャンネルクオリティに基づいて電力重みファクタを適用することにより、システムの容量又は性能を全体的に最適化することができる。

従って、信頼性のあるチャンネル情報を有するＭＩＭＯシステム、例えば、信頼性のあるフィードバックを伴うＴＤＤ（時分割デュープレックス）又はＦＤＤ（周波数分割デュープレックス）では、送信器２が、Ｈマトリクス（即ち固有値及び固有ベクトル）並びにノイズ電力スペクトル密度Ｎ₀のほぼ完全な知識をもつと仮定することができる。この場合、最適な戦略は、ビーム整形を実行して、図２に示すように、直交ビームであって互いに全く干渉しないせいぜいｍｉｎ（Ｎ_tｘＮ_r）の固有ビームを設定することである。

過去において、いわゆる水充填(water-filling)技術を使用し、固有モードの各々に重み付けファクタとして適用される最適な電力を決定することによりシステム容量が最大にされていた。この技術は、シャノンコード定理の理論的限界に大きく依存し、最大の全体的容量に対して、各固有モードｉは、次の式で決定される電力重み付けファクタＰ_iを有する。

但し、Ｗ_sは、シャノンチャンネル帯域巾であり、λ_iは、Ｈマトリクスのｉ番目の固有モードに対する固有値であり、μは、全電力を越えないように選択しなければならないラグランジェの乗数（即ち水レベル）であり（即ちΣ_iＰ_i＝Ｐ）、そしてクアン−タッカー(Kuhn-Tucker)境界条件は、ビームに負の電力が割り当てられないよう確保する（即ちＰ_i＞０）。

水充填の背後にある基本的な考え方は、良好なチャンネルを経てより多くの情報を送信することであるから、良好なチャンネルにより強い電力重み付けファクタＰ_iが適用されるだけでなく、強いチャンネルにはより多くのビットが割り当てられるので水充填解決策にはいわゆる「ビットローディング」が内在する。

水充填解決策は、システム容量を考慮するが、その欠点は、使用されるかもしれない異なる変調方法の性能に対する影響（即ちビットエラー率）を考慮しないことである。通常、若干の異なる記号変調しか使用できず、従って、全てのビットレートが可能というのではない。

むしろ、性能を最適化する既知の方法は、参考としてここに援用するＩＥＥＥＰｒｏｃ．Ａｓｉｌｏｍａｒ、１９９９年、第１巻、第２１５−２１９ページに掲載されたヘマンス・サンパス及びアログヤスワミ・パールラ著の論文「Joint Transmit and Receive Optimization for High Data Rate Wireless Communication using Multiple Antennas」に提案されている。その考え方は、所与の変調アルファベット、例えばＱＰＳＫにおける記号が各固有モードにおいて送信され、そして線形平均２乗エラーメトリック（ＭＳＥ）が最小になるように電力が割り当てられるというものである。これは、弱い固有モードにより多くの電力が割り当てられそしてその逆のことも言える点で逆の水充填を招く。逆の水充填は、特に、高い信号対雑音比（ＳＮＲ）の領域において明らかである。

ＭＳＥを最小にすることは、記号検出に生じるエラーが最小になる（即ち、ＭＭＳＥが最小平均２乗エラーである）ことを意味する。しかしながら、記号検出エラーは、ＢＥＲ（ビットエラー率）に直接変換されない。異なる変調記号が異なる空間固有モードに使用されるときには、全記号エラーを最小にすると、準最適なビットエラー率を招く。例えば、１６−ＱＡＭ記号が第１固有モードλ₁に使用され、そしてＱＰＳＫがλ₂に使用される場合には、ＭＳＥの最小化を適用すると、１６−ＱＡＭ記号のエラーが、ＱＰＳＫ記号のエラーとおそらく同程度に生じるような解決策を導く。記号におけるビットの数は同じでないから、これは、ＢＥＲに関して最適な解決策ではない。

２００２年５月のＩＥＥＥトランザクションズ・オン・シグナル・プロセッシング、第５０巻、第５号に掲載されたアナ・スカグリオン、ペトレ・ストイカ、サージオ・バーバロッサ、ジョージオスＢ．ギアナキス、及びヘマンス・サンパス著の「Optimal designs for space-time linear precoders and decoders」と題する彼等の論文に提案された別の参照文献は、多数の異なる最適化方法について述べている。ＭＭＳＥに加えて、彼らは、全ての記号が特定の変調アルファベットを使用する場合にＢＥＲを間接的に最適化する最適化方法を構成している。これは不都合である。というのは、そこに説明されたように、フェージングチャンネルは、変調アルファベットが変化する適応変調をもつことがしばしば有利だからである。

本発明の実施形態の目的は、上述した問題の１つ以上に対処することである。
本発明の１つの態様によれば、複数のチャンネルを経て送信器と受信器との間でデータを転送するための通信システムにおいて、１組の考えられるビットロードシーケンスを与える複数のアルファベットを有する変調回路と、エラー率を最小にすることに基づいて各ビットロードシーケンスに対して電力割り当てを決定するための回路と、最低のエラー率をもつビットロードシーケンスを選択するための回路とを備えた通信システムが提供される。

好ましくは、チャンネルは、ＭＩＭＯチャンネルから分解された独立した論理チャンネルである。
或いは又、チャンネルは、ＯＦＤＭチャンネルから分解された独立した論理チャンネルである。

本発明の別の態様によれば、通信チャンネルを経て送信器と受信器との間でデータを転送するための方法において、複数の変調アルファベットから１組の考えられるビットロードシーケンスを識別するステップと、エラー率を最小にすることに基づいて各ビットロードシーケンスに対して電力割り当てを決定するステップと、最低のエラー率をもつビットロードシーケンスを選択しそして前記チャンネルに電力割り当てを適用するステップとを備えた方法が提供される。

本発明の更に別の態様によれば、通信チャンネルを経て送信器と受信器との間でデータを転送するための通信システムにおいて、通信チャンネルを複数の論理チャンネルへ分解するための回路と、異なる数のビットを使用してデータを各々表わすことのできる複数のアルファベットを有し、固定データレートに対して、各論理チャンネルにロードされるべきビットの数を指定する１組のビットロードシーケンスが識別されるようにする変調回路と、その識別されたビットロードシーケンス各々のビットエラー率を最小にするために各論理チャンネルに電力重みを割り当てる回路と、最小のビットエラー率をもつビットロードシーケンスを選択するための回路とを備えた通信システムが提供される。

本発明の更に別の態様によれば、通信チャンネルを経て送信器と受信器との間でデータを転送するための方法において、通信チャンネルを複数の論理チャンネルへ分解するステップと、データを変調するために、異なる数のビットを使用してデータを各々表わすことのできる複数のアルファベットから選択を行うステップと、固定データレートに対し、各論理チャンネルにロードされるべきビットの数を指定する１組のビットロードシーケンスを識別するステップと、その識別されたビットロードシーケンス各々のビットエラー率を最小にするために各論理チャンネルに電力重みを割り当てるステップと、最小のビットエラー率をもつビットロードシーケンスを選択するステップとを備えた方法が提供される。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態を一例として詳細に説明する。
本発明の一実施形態において、ＭＩＭＯチャンネルは、多数の実質的に独立した論理チャンネルに分解され、これらを使用して、独立したデータストリームを送信することができる。

しかしながら、別の実施形態では、ＯＦＤＭ（直交周波数分割マルチプレクシング）システムを使用することができる。広く述べると、ＯＦＤＭは、使用可能な全帯域巾を、互いに干渉しない充分な周波数分離でサブチャンネルに分割し、各サブチャンネルを経て独立したデータ流を送信するものである。このように、周波数サブキャリア（サブチャンネル）は、ＭＩＭＯ実施形態の場合と同様に、周波数固有モード、即ち実質的に独立した論理チャンネルとして自動的に働く。これら論理チャンネルの相対的強度（即ち固有モードの固有値）に関するチャンネル状態情報を送信器にもたせることにより、ビットローディング及び／又は電力割り当てをこれらチャンネルにわたって実行することができる。

ＭＩＭＯ及びＯＦＤＭ実施形態について説明したが、多数の同時に使用可能なチャンネルを有する他の実施形態も使用できることが明らかであろう。その原理は、これらチャンネルを、空間方向（多数の個別アンテナ−＞ＭＩＭＯ）、周波数方向（周波数分割マルチプレクシング＝ＦＤＭ）、時間方向（ＴＤＭ）のいずれかに分離できるというものであり、或いはチャンネルを分離できるこれら又は他のシステムを組み合わせてもよい。

限定された１組の個別の変調アルファベットについて考える。これらアルファベット及び所与の数の固有モードでは、ビットを固有モードにロードする限定された１組の考えられる方法がある。

一般に、データを送信すべきビットレートは、チャンネル条件及び多数の他のファクタに基づいて変化する。ビットレートを決定するために、おおよそのＣＱＩ（チャンネルクオリティインジケータ）計算が、送信器２においてＴＤＤ（時分割デュープレックス）システムで実行されるか、或いは受信器６においてＦＤＤ（周波数分割デュープレックス）システムで実行されて、送信器へフィードバックされる。ＣＱＩは、固有値λ_iを考慮し、そして種々の条件数字、即ち固有値の異なる比に基づくことができる。

ＣＱＩ、ＱｏＳ要求、及び／又はユーザの考えられるサービスクラスに基づいて、送信器は、送信されるべきビットレートを判断する。選択されたビットレートに対応する固定の１組の考えられるビットロードシーケンスがある。この選択は、従来の知識を使用することにより更に限定されてもよい。例えば、強く相関されたチャンネルでは、一般的に１つの固有モードが大きく、残りの固有モードが弱い。それ故、一実施形態では、弱い固有モードにビットをロードするビットロードシーケンスは、自動的に破棄されてもよい。

ＣＱＩに関しては、チャンネルを特徴付ける多数の異なる方法がある（即ちＭＩＭＯ又はＯＦＤＭ）ことが明らかである。最も完全な方法は、全ての固有値を指定することであるが、多数の独立したチャンネルがあるときには、これは、非常に大きなサイズのＬＵＴ（ルックアップテーブル）を招くことになる。例えば、各固有値が２０個の異なるＣＱＩ値を有するように固有値が量子化される場合には、サイズ２０⁴＝１６００００のテーブルが４ｘ４アンテナＭＩＭＯに対して必要となる。それ故、別の実施形態では、ほぼＣＱＩを使用するのが好ましい。

固定ビットレートと、限定数の許されたビットロードシーケンスが決定されると、各固有モードにおいて最適な電力割り当て及びビットロードを決定することが必要となる。

一例として、図１に示すように、Ｎ_t＝Ｎ_r＝４で、４つの固有モードが存在するＭＩＭＯシステムについて考え、そして１６−ＱＡＭ（４ビット）、ＱＰＳＫ（２ビット）及び「送信なし」（０）である１組の変調アルファベットを取り上げる。全部で８ビットのビットロードシーケンスのみに限定する場合には、考えられるビットロードシーケンスは、次の通りである。
１）４、４、０、０
２）４、２、２、０
３）２、２、２、２
ここで、固有モードは、小さくなる順に、即ちλ₁≧λ₂≧λ₃≧λ₄に順序付けされ、従って、より強いモードに、より多くのビットがロードされる。

順序付けされた固有モードλ₁、λ₂、λ₃、λ₄に対応するのは、電力割り当て重み付けファクタω₁、ω₂、ω₃、ω₄である。重み付けファクタω_iは、送信ビットＥ_b当りの平均電力が異なる変調アルファベットにおいて同じになるように正規化される。従って、１６−ＱＡＭ変調記号は、ＱＰＳＫ変調記号の平均電力の２倍となる。これは、１６−ＱＡＭ／ＱＰＳＫシーケンスを考慮する場合に、次の電力制約があることを意味し、
Σｂ_jω_j＝８ (9)
但し、ｂ_jは、固有モードλ_jにロードされるビットの数である。これは、異なる電力割り当ての異なるビットロードシーケンスの全送信電力が同じであることを保証する電力制約である。

最適な電力割り当ては、電力制約を受けて、ω_iに対してビットエラー確率の最小値を見出すことにより導出することができる。
λ_iで特徴付けされるチャンネルにおけるＱＰＳＫ記号の平均ＢＥＲは、次のように書き表すことができる。

電力制約ω₁＋ω₂＝２の状態で２つのＱＰＳＫ記号間で最適な重みを見つけるために、ω₁に対するＰ_QPSK(λ₁ω₁Ｅ_b／Ｎ₀)＋Ｐ_QPSK(λ₂(２−ω₁)Ｅ_b／Ｎ₀)の導関数をとり、そしてそれをゼロにセットする。これは、次の式を生じる。
ω₁＋ω₂＝２

これらは、分析で解くことはできないが、全ての実際的な目的に対し、次の式で厳密に近似することができる。
λ₁ω₁＝λ₂ω₂ (12)

２つの１６−ＱＡＭ記号の場合には、式が更に複雑になるが、同じ近似で依然正確である。それ故、同じ記号をもつ固有モードに対する受信ＳＮＲを等しくしたときには、最適に近いＢＥＲが得られる。この場合に、ＭＭＳＥ電力割り当て及びＢＥＲ最適電力割り当てが、高いＳＮＲ値において等しくなることに注意されたい。

対照的に、非均質な変調の場合には（即ち、ビットロードシーケンスに異なる変調記号が使用されるときには）、全ＢＥＲを最小にすることに基づいて電力割り当てを決定する必要がある。

４、２、２、０のＢＬシーケンスでは、ω₁及びω₂の比は、最も強い固有モードで送信される１６−ＱＡＭ記号が、固有モードλ₂及びλ₃で送信されるＱＰＳＫ記号とほぼ同じ平均性能を有するように決定される。

これらの原理によれば、この例のビットロードシーケンスに対する最適に近い電力割り当ては、次のように実行される。
１）４、４、０、０のＢＬシーケンスの場合、

更に、電力制約（９）は、ω₁＋ω₂＝２を指令する。これは、直接的に次の式を生じる。

次いで、平均ＢＥＲは、次のようになる。

２）４、２、２、０のＢＬシーケンスの場合には、同じビット数をもつ２つの中間固有モードの重みが解かれる。

従って、固有モードλ₂及びλ₃で送信されるＱＰＳＫ記号のＢＥＲは、同じである。電力制約（９）は、ここで次の式を指令する。

１６−ＱＡＭ記号とＱＰＳＫ記号との間の最適な電力割り当ては、式（１７）を条件として、ω₁及びω₂に対して次の式を最小にすることにより見出すことができる。
Ｐ_16QAM(λ₁ω₁Ｅ_b／Ｎ₀)＋Ｐ_QPSK(λ₂ω₂Ｅ_b／Ｎ₀) (18)
１６−ＱＡＭ記号の平均ＢＥＲは、ＱＰＳＫより更に複雑であるので、次のようになる。

最小化の問題に対する分析解は、あまり実際的でない。

高いＳＮＲにおいて有効な近似的解は、式（１９）の２つの最後の項を削除し、そして式（１７）を条件に、式（１８）の導関数のゼロを求めることにより、見出すことができる。従って、次の式又はその線形形態を解き、

右側の最後の対数、即ち次の項

を省略すれば充分である。線形形態、又は右側をゼロにセットすることで、最適な解の非常に良好な近似が与えられることを数値で証明することができる。

次いで、平均ＢＥＲは、次のようになる。

但し、ω₁、ω₂は、λ_jの項において上述したように解かれたものである。

３）２、２、２、２のＢＬシーケンスの場合に、
λ₁ω₁＝λ₂ω₂＝λ₃ω₃＝λ₄ω₄ (22)
は、電力制約Σω_j＝４を受ける。ここで、最適な重みは、次のようになる。
ω_j＝ｓ／λ_j (23)
但し、

平均ＢＥＲは、次のようになる。
Ｐ₂₂₂₂＝Ｐ_QPSK(λ₁ω₁Ｅ_b／Ｎ₀) (25)

全ての考えられるビットロードシーケンスに対する最適な電力割り当てが決定された後に、最良の性能をもつシーケンスが選択される（即ち最低のＢＥＲを有するビットロードシーケンス）。

従って、ビットロードシーケンスの選択は、固有モードλ₁、λ₂、λ₃、λ₄により特徴付けられたチャンネルに依存する。ここに示す例では、Ｐ₄₄₀₀、Ｐ₄₂₂₀、Ｐ₂₂₂₂の最小ＢＥＲを有するビットロードシーケンスが選択され、そしてこれに基づき、且つ最低のＢＥＲをもつ相対的ビットロードシーケンスに対して計算された最適な電力割り当て重みを使用して、ビットが送信される。

ゆっくりと移動する移動ステーションユーザの場合には、電力割り当て及びビットロードは、フレーム対フレームベースで実行されてもよい。この場合に、最適な電力割り当て及びビットロードを決定するための非常に複雑な計算を使用することができる。
しかしながら、幾つかの計算の線形近似は、極めて良好な結果を与え、そしてフィードバックチャンネル状態情報から不完全さが生じても、これを使用することができる。

迅速に移動する移動ユーザの場合には、スロット対スロット（又はＯＦＤＭの記号対記号）ベースでチャンネルの再割り当てが要求され、複雑さが問題となる。実際のアプリケーションに対しては、所与のチャンネル条件に対して最適なビットロード及び電力割り当て情報が集められたルックアップテーブルを構成することができる。

ここに開示する電力割り当て及びビットロード方法は、１組の変調アルファベットに関連して使用することができ、特に、ビット／記号／座標インターリーブを伴ったり伴わなかったりする連結チャンネルコードと共に使用することができる。ビットロード及び電力割り当ては、考えられるチャンネルコードに基づいて最適化されてもよい。以上に述べた電力割り当て及びビットロードは、全てのビットが等しく処理されるという点でビットロードシーケンスのビット間を区別しない。これは、チャンネルコードが存在しない場合、又はチャンネルコードが最大見込みデコーディングに適用され、例えば、ビタビデコーディングを伴うコンボリューションコードに適用される場合に、最適である。

しかしながら、ほぼシャノン限界性能をもつ近代的コード、例えば、ターボ、ＬＤＰＣ及びジグザグコードは、反復デコーディングを適用し、これは、ＭＬとはアルゴリズム的に非常に異なるやり方で動作するが、ほぼＭＬ性能に達する。反復デコーディングは、異なるビットを異なるやり方で処理する。系統的ビットのエラーは、パリティビットのエラーより性能に影響することが知られている。それ故、別の実施形態は、ビット間を区別し、それに応じてそれらを処理することにより、電力割り当て及びビットロードを最適化する。

例えば、図３は、系統的ビット３２がパリティビット３４から区別される実施形態を示す。図１を参照すれば、コードユニット１２は、転送されるべきデータストリーム８の主要部を構成する系統的ビット３２にパリティビット３４を追加する。受信器６は、次いで、実際のシステムビット３２とパリティビット３４との間を区別する機能を有する。

例えば、高速ダウンリンクパケットアクセス（ＨＳＤＰＡ）に適したレート３／４ターボコードを考える。ビットの３／４は系統的であり、そして１／４はパリティビットである。この例では、これは、ロードされる８ビットの中の２つがパリティビットであることを意味する。これらは、弱い固有モードにおけるＱＰＳＫ記号、又は１６−ＱＡＭ記号の最下位ビットのいずれかにマップされるのが好ましい。この例のビットロードシーケンスの各々に対して、これは、次のように解くことができる。

１．４、４、０、０のビットロードシーケンスの場合に、パリティビットは、弱い固有モードλ₂にロードされた４つのビット（１６−ＱＡＭ記号）の最下位ビットにロードされる。更に、別の実施形態では、例えば、４、４、０、０の場合に、パリティビットに対する電力割り当てを減少して、λ₂における最上位ビットの平均性能が、λ₁における全てのビット（即ち最も強い固有モードの１６−ＱＡＭ記号）の平均性能に等しくなるようにすることができる。

２．４、２、２、０のビットロードシーケンスの場合に、パリティビットは、λ₃におけるＱＰＳＫ記号で送信され、この記号に対する電力割り当てが減少される。別の実施形態では、パリティビットは、λ₁における１６−ＱＡＭ記号の最下位ビットで送信され、そして電力割り当ては、全ての系統的ビット３２の平均性能（ＢＥＲ）がほぼ等しくなるように実行される。パリティビットが１６−ＱＡＭの最下位ビットで送信される状態で、この１６ＱＡＭの最上位ビットは、パリティビットによる付加的なノイズを伴うＱＰＳＫ記号のように働く。従って、系統的ビットは、３つのＱＰＳＫ記号において効率的に送信される。式（１２）は、ＱＰＳＫ記号に電力を割り当てるためのＢＥＲのほぼ最適状態が、各記号におけるビットのＢＥＲが同じときであることを示している。従って、全ての系統的ビットの予想されるＢＥＲは、最上位の１６−ＱＡＭにマップされるか又はＱＰＳＫにマップされるかに関わらず、ほぼ同じでなければならない。固有値拡散（即ち各固有モードの強度間の大きさの差）は、そのときのシステムにどの実施形態が良く適しているかを決定する。

３．２、２、２、２のビットロードシーケンスの場合に、パリティビット３４は、λ₄におけるＱＰＳＫ記号で送信され、この場合も、この記号に対する電力割り当てが減少される。

上述した各シーケンスに対して、ビットロード及び電力割り当ての多数の異なるやり方が、コード化（系統的及びパリティ）ビットをマップするために決定された。これらシーケンスの各々は、系統的ビットに対する特定のビットエラー率（ＢＥＲ_s）及びパリティビットに対するビットエラー率（ＢＥＲ_p）を生じる。それ故、コード化ビット（デコード後）のＢＥＲは、ＢＥＲ_s及びＢＥＲ_pの関数として近似することができる。最小のコード化ＢＥＲを与えるビットロード及び電力割り当てシーケンスが選択される。この判断は、ルックアップテーブルを使用することにより簡単化することができる。

送信要素２及び受信要素６に関連したコード化、変調及び重み付け機能は、図１に示す個々のユニットによって実施される必要がないことが明らかであろう。
本発明の実施形態は、一端に多数の送信器をそして他端に多数の受信器を有する適当なワイヤレスシステムに使用することができる。送信器には単一アンテナが設けられてもよいし、或いは各送信器にアンテナアレーが設けられてもよい。

本発明の実施形態は、チャンネル状態に関するフィードバック情報に関連して使用されてもよい。フィードバック情報は、フィードバックチャンネルを使用して受信器により送信器へ供給されてもよい。位相、振幅、固有値、長時間（相関）、摂動又は差動フィードバックを含む従来の任意のフィードバック方法が適用されてもよい。

本発明の実施形態は、コード分割多重アクセス、周波数分割多重アクセス、時分割多重アクセス、直交周波数分割多重アクセス、又は他の拡散スペクトル技術、並びにその組合せのような任意の規格又はアクセス方法に関連付けられてもよい。

本発明の実施形態は、セルラー通信ネットワークにおいて実施されてもよい。セルラー通信ネットワークでは、ネットワークによりカバーされるエリアが複数のセル又はセルセクターへと分割される。一般に、各セル又はセルセクターは、エアインターフェイス（例えば、高周波を使用する）を経て各セル内のユーザ装置と通信するように構成されたベースステーションによりサービスされる。ユーザ装置は、移動電話、移動ステーション、パーソナルデジタルアシスタント、パーソナルコンピュータ、ラップトップコンピュータ等である。マルチユーザスケジューリング方法を、本発明の実施形態に関連して使用して、多数のユーザ間にリソース（時間、周波数、拡散コード等）を振り分けることもできる。

送信器は、ベースステーション又はユーザ装置でよく、同様に、受信器も、ベースステーション又はユーザ装置でよい。
又、ここでは、本発明の実施形態を説明したが、特許請求の範囲に規定された本発明の範囲から逸脱せずに、ここに開示された解決策に多数の種々の変更や修正がなされ得ることに注意されたい。

本発明の実施形態を使用できるＭＩＭＯシステムを示す図である。 本発明による独立した固有モードを示す図である。 パリティビットから区別される系統的ビットを示す図である。

Claims (21)

1. 複数のチャンネルを経て送信器と受信器との間でデータを転送するための通信システムにおいて、
   １組の考えられるビットロードシーケンスを与える複数のアルファベットを有する変調回路と、
   エラー率を最小にすることに基づいて各ビットロードシーケンスに対して電力割り当てを決定するための回路と、
   最低のエラー率をもつビットロードシーケンスを選択するための回路と、
   を備えた通信システム。
2. 前記チャンネルは、ＭＩＭＯチャンネルから分解された独立した論理チャンネルである請求項１に記載の通信システム。
3. 前記チャンネルは、ＯＦＤＭチャンネルから分解された独立した論理チャンネルである請求項１に記載の通信システム。
4. 各変調アルファベットは、異なる数のビットを使用してデータを表わすことができる請求項１から３のいずれかに記載の通信システム。
5. 固定データレートに対し、各チャンネルにロードされるべきビットの数を指定する考えられる１組のロードシーケンスが識別される請求項４に記載の通信システム。
6. 前記固定データレートは、チャンネルクオリティ指示子（ＣＱＩ）に基づいて選択される請求項５に記載のシステム。
7. 前記チャンネルクオリティ指示子は、送信器において計算される請求項５又は６に記載のシステム。
8. 前記チャンネルクオリティ指示子は、受信器において計算される請求項６又は７に記載のシステム。
9. 前記決定された電力割り当ては、各チャンネルの電力重みを与える請求項１から８のいずれかに記載の通信システム。
10. ２つ以上の論理チャンネルに同じ変調アルファベットが使用される場合には、弱い論理チャンネルに大きな電力重みが割り当てられる請求項９に記載のシステム。
11. データを転送するのに使用される電力割り当ては、前記選択されたビットロードシーケンスに対応する電力割り当てである請求項１から１０のいずれかに記載のシステム。
12. 前記送信器は、複数の送信アンテナを有する請求項１から１１のいずれかに記載のシステム。
13. 前記受信器は、複数の受信アンテナを有する請求項１から１２のいずれかに記載のシステム。
14. システムビットにパリティビットを追加すると共に、これらビット間を区別するためのコード回路を備えた請求項１から１３のいずれかに記載のシステム。
15. 前記パリティビットは、最も弱いチャンネルに転送される請求項１４に記載のシステム。
16. 少なくとも２つのチャンネルに同じアルファベットを有するビットロードシーケンスに対し、前記パリティビットが最も弱いチャンネルに転送され、そして電力割り当てが減少される請求項１４又は１５に記載のシステム。
17. 前記チャンネルに異なるアルファベットを有するビットロードシーケンスに対し、前記パリティビットが、最も強いチャンネルに使用される変調アルファベットの最下位ビットにおいて転送される請求項１４、１５又は１６に記載のシステム。
18. 通信チャンネルを経て送信器と受信器との間でデータを転送するための方法において、
    複数の変調アルファベットから１組の考えられるビットロードシーケンスを識別するステップと、
    エラー率を最小にすることに基づいて各ビットロードシーケンスに対して電力割り当てを決定するステップと、
    最低のエラー率をもつビットロードシーケンスを選択しそして前記チャンネルに電力割り当てを適用するステップと、
    を備えた方法。
19. 通信チャンネルを経て送信器と受信器との間でデータを転送するための通信システムにおいて、
    前記通信チャンネルを複数の論理チャンネルへ分解するための回路と、
    異なる数のビットを使用してデータを各々表わすことのできる複数のアルファベットを有し、固定データレートに対して、各論理チャンネルにロードされるべきビットの数を指定する１組のビットロードシーケンスが識別されるようにする変調回路と、
    前記識別されたビットロードシーケンス各々のビットエラー率を最小にするために各論理チャンネルに電力重みを割り当てる回路と、
    最小のビットエラー率をもつビットロードシーケンスを選択するための回路と、
    を備えた通信システム。
20. 通信チャンネルを経て送信器と受信器との間でデータを転送するための方法において、
    前記通信チャンネルを複数の論理チャンネルへ分解するステップと、
    データを変調するために、異なる数のビットを使用してデータを各々表わすことのできる複数のアルファベットから選択を行うステップと、
    固定データレートに対し、各論理チャンネルにロードされるべきビットの数を指定する１組のビットロードシーケンスを識別するステップと、
    前記識別されたビットロードシーケンス各々のビットエラー率を最小にするために各論理チャンネルに電力重みを割り当てるステップと、
    最小のビットエラー率をもつビットロードシーケンスを選択するステップと、
    を備えた方法。
21. 前記転送されるべきデータは、系統的ビット及びパリティビットを含み、該パリティビットは、弱い論理チャンネルにロードされるのが好ましい請求項２０に記載の方法。

Images