JP2010154540A - 多重伝送モードを有する多重入力、多重出力（ｍｉｍｏ）システム - Google Patents

Abstract

【課題】多重チャンネル通信システムにおいてチャンネル状態情報（ＣＳＩ）の必要性の少ない複数の送信方式を使用して多数の伝送チャンネルでデータを送信する技術を提供する。
【解決手段】単一のデータ流を、選択されて使用される各送信アンテナで送信する部分的ＣＳＩ送信方式と、および最高の性能を有する単一の伝送チャンネルに全ての送信パワーを割当てる“ビーム形成”送信方式とを含んでいてもよい。各送信方式は、特定の範囲の動作条件（または動作ＳＮＲ）に対して良好な、またはほぼ最適な性能を提供することができる。したがって、これらの複数の送信方式は、ＭＩＭＯシステムによりサポートされた全範囲の動作条件をカバーする“多重モード”送信方式を形成するように区分的に組合せられてもよい。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般にデータ通信に関し、とくに、多重チャンネル通信システム（たとえば、多重入力、多重出力（ＭＩＭＯ）システム）に関する。

無線通信システムにおいて、送信機からのＲＦ変調された信号は、複数の伝播路を介して受信機に到達する可能性がある。伝播路の特性は典型的に、フェーディングおよびマルチパスのようないくつかのファクタのために時間的に変化する。有害な通路効果に対抗するダイバーシティを提供して性能を改善するために、多数の送信および受信アンテナが使用されることができる。送信アンテナと受信アンテナとの間の伝播路が線形的に独立している（すなわち、１つの通路上の伝送が別の通路上の伝送の線形結合として形成されていない）場合、これは一般に、少なくともある程度事実であるが、データ送信を正しく受信する可能性は、アンテナの数の増加と共に増加する。一般に、送信および受信アンテナの数が増加すると、ダイバーシティは増加し、性能は改善される。

多重入力、多重出力（ＭＩＭＯ）通信システムは、データ送信のために多重送信（Ｎ_T）アンテナおよび多重受信（Ｎ_R）アンテナを使用する。Ｎ_Tの送信アンテナおよびＮ_Rの受信アンテナにより形成されたＭＩＭＯチャンネルは、Ｎ_S個の独立したチャンネルに分解されてもよく、ここでＮ_S個≦ｍｉｎ｛Ｎ_T，Ｎ_R｝である。Ｎ_S個の独立したチャンネルのそれぞれは、ＭＩＭＯチャンネルの空間サブチャンネルとも呼ばれ、あるディメンションに対応する。ＭＩＭＯシステムは、多重送信および受信アンテナにより生成された追加のディメンションが使用された場合、改善された性能（たとえば、増加した伝送容量）を提供することができる。たとえば、独立したデータ流はシステムスペクトル効率を増加させるためにＮ_S個の空間サブチャンネルのそれぞれで送信されることができる。

ＭＩＭＯシステムの空間サブチャンネルは種々のチャンネル条件（たとえば、種々のフェーディングおよびマルチパス効果）を経験する可能性があり、また、所定の量の送信パワーに対して種々の信号対雑音比（ＳＮＲ）を達成する可能性がある。その結果、空間サブチャンネルによりサポートされることのできるデータレートは、データ流に割当てられた送信パワーの量およびそれらにより得られたＳＮＲに応じて、サブチャンネルごとに異なったものになる可能性がある。チャンネル条件は典型的に時間と共に変化するため、空間サブチャンネルの伝送容量もまた時間と共に変化する。

符号化通信システムにおける重要な問題は、チャンネル条件に基づいてＮ_S個の空間サブチャンネルでデータ送信を行うために送信機で利用可能な全送信パワーＰ_totを効率的に使用することである。空間サブチャンネルでデータを送信するために種々の方式が使用されることができる。各送信方式はＭＩＭＯチャンネルに関するあるタイプの情報を必要とすることがあり、さらに、送信機および受信機におけるある信号処理を前提とすることがある。一般に、複雑さの増した送信方式は種々の量の送信パワーを種々の性能の空間サブチャンネルに割当てて、これらのサブチャンネルによる送信の前にデータ流を予め調整することにより、最適に近いスペクトル効率を達成できる可能性がある。しかしながら、これらの送信方式では一般に、ＭＩＭＯチャンネルに関して多くの情報が必要とされ、このような情報は受信機において獲得し難いことがあり、また、無線リンクリソースが送信機に報告することが要求される。複雑さの少ない送信方式は、限られた動作条件範囲にわたってしか優れた性能を提供することができないが、しかしそれが必要とするチャンネル情報は少ない。

したがって、高いスペクトル効率を達成すると共に複雑さの少ないＭＩＭＯシステムにおいてデータを送信する技術が必要とされている。

本発明によれば、システム全体のスペクトル効率が高くなり、および、またはその他の利点が達成されることができるように、多重チャンネル通信システムにおいて利用可能な伝送チャンネルによりデータを送信する技術が提供される。伝送チャンネルはＭＩＭＯシステムの空間サブチャンネル、ＯＦＤＭシステムの周波数サブチャンネル、またはＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムにおける周波数サブチャンネルの空間サブチャンネルに対応することができる。

１つの特徴において、最適に近いまたはほぼ最適の全体効率を提供するために、複数の送信方式が選択的に使用される。各送信方式は、伝送チャンネルによる送信前のデータ処理のために全チャンネル状態情報（ＣＳＩ）（以下、説明する）または部分的ＣＳＩのいずれが送信機で利用可能であるかに依存する。部分的ＣＳＩ送信方式に対しては、データ流は各送信アンテナで送信されることができる（たとえば、そのアンテナに対するピーク送信パワーで）。Ｎ_T個の送信アンテナの全てまたは一部だけがデータ送信のために任意の所定の瞬間に使用されることができる。

全ＣＳＩ送信方式について、１以上のデータ流が送信機において全ＣＳＩ処理（または以下に説明するようにその変形）に基づいて処理され、ＭＩＭＯチャンネルによって送信される。全ＣＳＩ送信方式は、ウォーターフィリング（ｗａｔｅｒ−ｆｉｌｌｉｎｇ）送信方式、“選択的チャンネル反転”送信方式、“均一”送信方式、“主要固有モード（ｅｉｇｅｎｍｏｄｅ）ビーム形成” 送信方式、および“ビーム操縦”送信方式を含んでおり、これらは全て、送信機における全ＣＳＩ処理に依存する。ウォーターフィリング送信方式は、雑音が少ない伝送チャンネルに多くの送信パワーを割当て、雑音の多いチャンネルには少ない伝送パワーを割当てる。ウォーターフィリング送信方式は最適であり、容量を達成することができる。選択的チャンネル反転送信方式は、事後検出ＳＮＲが選択された伝送チャンネルに対して類似するように伝送チャンネルの選択されたものに対して送信パワーを不均一に割当てる。均一送信方式は全送信パワーを全ての伝送チャンネルに等しく割当て、ビーム形成送信方式は、最高の性能を有する単一の伝送チャンネルに全ての送信パワーを割当てる。ビーム操縦送信方式は、単一のデータ流を送信するために使用される全ての送信アンテナに全ての送信パワーを均一に割当てるが、しかしそのデータ流はこれらの送信アンテナから適当な位相で送信される。一般的に、改善された全体的な性能を提供するために、多重モードＭＩＭＯシステムにより任意の数およびタイプの送信方式が使用されてもよい。

各送信方式は特定の動作条件範囲に対して良好な、または最適に近い性能を提供することができ、それは動作信号対雑音比（ＳＮＲ）により定量化されることができる。したがって、これらの種々のタイプの複数の送信方式（部分的ＣＳＩ、全ＣＳＩ等に基づいた）は、ＭＩＭＯシステムによりサポートされるＳＮＲの全範囲をカバーする“多重モード”送信方式を形成するように区分的に組合せられてもよい。したがって、任意の所定の瞬間にデータを送信するために使用される特定の送信方式は、システムによりその瞬間に経験される特定の動作条件に依存する。

特定の実施形態において、多重チャンネル通信システムにおいて多数の伝送チャンネルでデータを送信する方法が提供される。この方法によると、システムの動作条件（たとえば、動作ＳＮＲ）が最初に決定され、特定の送信方式が、いくつかの可能な送信方式の中からその決定された動作条件と、その送信機で利用可能なチャンネル状態情報の量とに基づいて選択される。各送信方式は各動作ＳＮＲ範囲に対する使用を指定されてもよい。その後、選択された送信方式に基づいて、送信されるべき１以上のデータ流が決定される。その後、この１以上のデータ流は選択された送信方式および利用可能なＣＳＩに基づいて処理される。たとえば、各データ流に対して使用すべきデータレートと符号化および変調方式は、ＣＳＩに基づいて決定される。１実施形態において、動作ＳＮＲがしきい値ＳＮＲより上である場合は部分的ＣＳＩ送信方式の使用が選択され、動作ＳＮＲがしきい値ＳＮＲより下である場合はビーム形成送信方式の使用が選択される。

以下において本発明の種々の特徴および実施形態がさらに詳細に説明されている。本発明はさらに、以下に詳細に説明されるように本発明の種々のアスペクト、実施形態およひ特徴を構成する方法、プロセッサ、送信装置、受信装置、基地局、ターミナル、システムおよびその他の装置および素子を提供する。

ウォーターフィリング、ＭＭＳＥ−ＳＣを伴なう部分的ＣＳＩ、およびビーム形成送信方式を使用する４×４ＭＩＭＯシステムに対して得られる３つの効率を示すグラフ。 多重モード送信方式に基づいてＭＩＭＯシステムにおいて利用可能な伝送チャンネルでデータを送信するプロセスの１実施形態のフロー図。 送信システムおよび受信システムの１実施形態のブロック図。

本発明の特徴、性質および利点は、以下の詳細な説明および添付図面からさらに明らかになるであろう。なお、図面において同じ参照符号が対応的に使用されている。
この明細書に記載されているデータ送信技術は、種々の多重チャンネル通信システムに対して使用されることができる。このような多重チャンネル通信システムには、多重入力多重出力（ＭＩＭＯ）通信システム、直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）通信システム、ＯＦＤＭを使用するＭＩＭＯシステム（すなわち、ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステム）およびその他が含まれる。多重チャンネル通信システムはまた符号分割多元アクセス（ＣＤＭＡ）、時分割多元アクセス（ＴＤＭＡ）、周波数分割多元アクセス（ＦＤＭＡ）、または別のある多元アクセス技術を実施する。簡明にするために、とくに多重アンテナ無線通信システムのようなＭＩＭＯシステムに関して、本発明のある特徴および実施形態を説明する。

ＭＩＭＯシステムは、データ送信のために多数の（Ｎ_T個の）送信アンテナおよび多数の（Ｎ_R個の）受信アンテナを使用する。Ｎ_T個の送信アンテナとＮ_R個の受信アンテナによって形成されるＭＩＭＯチャンネルは、Ｎ_R×Ｎ_T ＭＩＭＯシステムと呼ばれ、Ｎ_S個の独立したチャンネルに分割されることができ、ここで、Ｎ_S≦ｍｉｎ｛Ｎ_T，Ｎ_R｝である。Ｎ_S個の独立したチャンネルのそれぞれは、ＭＩＭＯチャンネルの空間サブチャンネル（または伝送チャンネル）とも呼ばれる。空間サブチャンネルの数は、ＭＩＭＯチャンネルに対する固有モードの数によって決定され、したがってそれはＮ_T個の送信アンテナとＮ_R個の受信アンテナとの間の応答特性を記述するチャンネル応答特性マトリックスＨに依存する。

チャンネル応答特性マトリックスＨの要素は、以下のように独立したガウス確率変数から構成されている：

ここで、ｈ_i,jはｊ番目の送信アンテナとｉ番目の受信アンテナとの間の結合（すなわち、複素数利得）である。

ＭＩＭＯシステムに対するモデルは次のように表されることができる：
ｙ＝Ｈｘ＋ｎ 式（２）
ここで、
ｙは受信されたベクトル、すなわち、

であり、ここで、｛ｙ_i｝はｉ番目の受信アンテナで受信されたエントリであり、ｉ∈｛１，・・・，Ｎ_R｝である；
ｘは送信されたベクトル、すなわち、

であり、ここで、｛ｘ_j｝はｊ番目の送信アンテナから送信されたエントリであり、ｊ∈｛１，・・・，Ｎ_T｝である；
Ｈは、ＭＩＭＯチャンネルに対するチャンネル応答特性マトリックスである；
ｎは０の平均ベクトルおよびΛ _n＝σ² Ｉの共分散マトリックスを有する加法的ホワイトガウス雑音（ＡＷＧＮ）であり、ここで、０はゼロのベクトルであり、Ｉは対角線に沿った１と他の全ての箇所における０を有する恒等行列であり、σ²は雑音の分散である；
［・］^Tは［・］の転置を示す。

簡単にするために、ＭＩＭＯチャンネルは平坦フェーディングチャンネルであると仮定される。この場合、チャンネル応答特性マトリックスＨの要素はスカラーであり、各送信・受信アンテナ対の間の結合ｈ_i,jは単一のスカラー値によって表されることが可能である。しかしながら、ここに記載されている技術は、異なった周波数において異なったチャンネル利得を有する周波数選択チャンネルに適用されてもよい。このような周波数選択チャンネルにおいては、動作帯域幅は、各帯域が平坦フェーディングチャンネルであるとみなされるように、いくつかの（等しいまたは等しくない）周波数帯域に分割されてもよい。その後、ある所定の送信アンテナの全ての周波数帯域に対して使用された全送信パワーをそのアンテナのピーク送信パワー以内に維持することのようなある制約を条件として、各周波数帯域に対して特定の送信方式が使用されてもよい。このようにして、個々の周波数帯域のチャンネル応答特性がデータ送信において考慮されることができる。

伝播環境における散乱のために、Ｎ_T個の送信アンテナから送信されたＮ_S個のデータ流は、受信機において互いに干渉する。チャンネル状態情報（ＣＳＩ）を使用して、多数のデータ流が空間サブチャンネルで送信されることができる。なお、ＣＳＩはＭＩＭＯチャンネルの特性を記述したものである。ＣＳＩは、“全ＣＳＩ”または“部分的ＣＳＩ”のいずれかに分類されることができる。全ＣＳＩは、（Ｎ_R×Ｎ_T）ＭＩＭＯマトリックスにおける各送信・受信アンテナ対の間の伝播路に対する特性を十分に表すもの（たとえば、振幅および位相等）と、およびデータ流に対する適切な変調／符号化情報とを含んでいる。部分的ＣＳＩは、たとえば、データ流の信号対雑音および妨害比（ＳＮＲ）を含んでいることができる。全または部分的ＣＳＩは、受信機において決定され（たとえば、受信されたパイロットおよび、またはトラフィックデータに基づいて）、送信機に報告されてもよい。

全または部分的ＣＳＩのどちらが送信機において利用可能であるかに応じて、種々の送信方式が使用されることができる。全ＣＳＩが利用可能である場合、データ流はＭＩＭＯチャンネルの固有モードで送信されることができる。これは、以下に説明するように、チャンネル応答特性マトリックスＨから得られた（右）固有ベクトルのセットに基づいてデータ流を送信機で予備調整することよって行われてもよい。受信機において、送信されたデータ流は、やはりこのマトリックスＨから得られた（左）固有ベクトルのセットと受信されたシンボル流を乗算することにより再生されることができる。したがって、全ＣＳＩ（または固有モード）送信方式は、チャンネル応答特性マトリックスＨの知識に依存する。以下に全ＣＳＩ送信方式およびこの方式の変形をさらに詳細に説明する。

部分的ＣＳＩだけが利用可能であるとき、データ流は送信機において予備調整されずに送信アンテナから送信されてもよい。受信機においては、データ流の分離を試みるために、受信されたシンボル流が特定の空間または空間・時間的受信機処理技術にしたがって処理される。部分的ＣＳＩ送信方式もまた以下においてさらに詳細に説明される。

全および部分的ＣＳＩ送信方式の両者について、データレートならびに各データ流に対する符号化および変調は、そのデータ流に対して得られたＳＮＲに依存する。各データ流のＳＮＲは受信機において推定されることができる。その後、推定されたＳＮＲを記述する情報または各データ流に対して使用される特定の符号化および変調方式が送信機に提供され、ＭＩＭＯチャンネルによる送信の前にそのデータ流を処理するために使用されてもよい。

全ＣＳＩが利用可能であるとき、データ流の間の干渉を除去または減少する１つの技術は、データ流が直交空間サブチャンネルで効率的に送信されるようにＭＩＭＯチャンネルを“対角化する”ことである。ＭＩＭＯチャンネルを対角化する１つの技術は、以下のように表されることのできるチャンネル応答特性マトリックスＨに関する特異値分解を行うことである：
Ｈ＝ＵＤＶ ^H 式（３）
ここで、
ＵはＮ_R×Ｎ_Rユニタリマトリックスである（すなわち、Ｕ ^H Ｕ＝Ｉ）；
ＤはＮ_R×Ｎ_Tマトリックスである；
ＶはＮ_T×Ｎ_Tユニタリマトリックスである；
“^H”はあるマトリックスの複素数転置を示す。

マトリックスＤの対角エントリは、λ_iおよびｉ∈｛１，・・・，Ｎ_S｝によって示されるＧ＝Ｈ ^H Ｈの固有値の平方根であり、ここで、Ｎ_S≦ｍｉｎ｛Ｎ_T，Ｎ_R｝は分解可能なデータ流の数である。Ｄの全ての非対角エントリはゼロである。

したがって、対角マトリックスＤは対角線に沿った負でない実数値とその他の箇所におけるゼロとを含んでおり、ここで、負でない実数値はｄ_i＝（λ_i）^1/2である。このｄ_iは、チャンネル応答特性マトリックスＨの特異値とも呼ばれる。特異値分解は、技術的に知られているマトリックス演算であり、種々の参考文献に記載されている。１つのこのような参考文献は、この明細書において参考文献とされているＧｉｌｂｅｒｔ Ｓｔｒａｎｇ氏によって著された本（“Linear Algebra and Its Applications,” Second Edition,Academic Press,1980）である。

特異値分解は、チャンネル応答特性マトリックスＨを２つのユニタリマトリックスＵおよびＶと、ならびに対角マトリックスＤに分解する。マトリックスＤは、空間サブチャンネルに対応したＭＩＭＯチャンネルの固有モードを記述する。ユニタリマトリックスＵおよびＶはそれぞれ受信機および送信機に対して“ステアリング（ｓｔｅｅｒｉｎｇ）”ベクトル（またはそれぞれ左および右固有ベクトル）を含んでおり、これがＭＩＭＯチャンネルを対角化するために使用されてもよい。とくに、ＭＩＭＯチャンネルを対角化するために、以下のように、信号ベクトルｓが送信機においてマトリックスＶと予備乗算され、送信されたベクトルｘを提供することができる：
ｘ＝Ｖｓ 式（４）
その後、このベクトルｘはＭＩＭＯチャンネルによって受信機に送信される。

受信機において、以下のように、受信されたベクトルｙ＝Ｈｘ＋ｎは、マトリックスＵ ^Hと予備乗算されて、再生されたベクトルｒを得ることができる：

式（４）に示されているように、マトリックスＶによる信号ベクトルｓの予備乗算およびマトリックスＵ ^Hによる受信されたベクトルｙの予備乗算の結果、実効的な対角チャンネルＤが得られ、これは信号ベクトルｓと再生されたベクトルｒとの間の伝達関数である。その結果、ＭＩＭＯチャンネルはＮ_S個の独立した干渉のない直交および平行チャンネルに分解される。これらの独立したチャンネルは、ＭＩＭＯチャンネルの空間サブチャンネルとも呼ばれる。空間サブチャンネルｉまたは固有モードｉは、固有値λ_iに等しい利得を有しており、ここで、ｉ∈Ｉであり、集合ＩはＩ＝｛１，・・・，Ｎ_S｝と定義される。送信機がチャンネル応答特性マトリックスＨの推定値を与えられた場合、Ｎ_S個の直交空間サブチャンネルを得るためにＭＩＭＯチャンネルの対角化が行われることができる。

全ＣＳＩ送信方式に関して、Ｎ_S個の空間サブチャンネルまたは固有モードのそれぞれで１つのデータ流が送信されることができる。データ送信に使用される各空間サブチャンネルに関して、送信機はそのサブチャンネルに適した変調／符号化情報だけでなく、（右）固有ベクトルもまた与えられる。したがって、Ｎ_S個の空間サブチャンネルの全てがデータ送信のために使用される場合、送信機はチャンネル応答特性マトリックスＨ、またはユニタリマトリックスＶのいずれかと、および適切な変調／符号化情報とを与えられる。

部分的ＣＳＩ送信方式に関しては、Ｎ_S個の送信アンテナのそれぞれで１つのデータ流が送信されることができる（Ｈはフルランク（ｆｕｌｌ−ｒａｎｋ）マトリックスであり、Ｎ_S＝Ｎ_T＝Ｎ_Rを仮定して）。部分的ＣＳＩ送信方式について、送信機は、チャンネル応答特性マトリックスＨ、またはユニタリマトリックスＶを提供される必要がない。これは、データ流がＭＩＭＯチャンネルにより送信される前に予備調整されないためである。

部分的ＣＳＩ送信方式では、受信されたシンボル流を処理して送信されたデータ流から分離するために種々の受信機処理技術が受信機で使用されることができる。これらの受信機処理技術は、空間的受信機処理技術（平坦フェーディングを有する分散的でないチャンネルに対して使用されることができる）および空間・時間的処理技術（周波数選択フェーディングを有する分散的なチャンネルに対して使用されることができる）を含んでいる。空間的受信機処理技術はチャンネル相関マトリックス反転（ＣＣＭＩ）技術および最小２乗平均エラー（ＭＭＳＥ）技術を含んでいる。空間・時間的処理技術は、ＭＭＳＥ線形等化装置（ＭＭＳＥ−ＬＥ）、決定フィードバック等化装置（ＤＦＥ）、および最大尤度シーケンス推定装置（ＭＬＳＥ）を含んでいる。一般に、これらの空間および空間・時間的受信機処理技術では、受信機（送信機ではなく）においてチャンネル応答特性の推定値が必要とされる。

改善された性能を提供するために、上述された空間または空間・時間的技術の任意のものと共に“連続的なゼロ化／等化および干渉消去”受信機処理技術（“連続的干渉消去”または“連続的消去”とも呼ばれている受信機処理技術）もまた使用されることができる。たとえば、連続的妨害消去は、受信されたシンボル流を受信機において処理してデータ流を再生するためにＭＭＳＥと共に使用されることができる（すなわち、ＭＭＳＥ−ＳＣ）。

種々の受信機処理技術は、米国特許出願第 09/993,087号明細書（“Multiple-Access Multiple-Input Multiple-Output (MIMO)Communication System,” ２００１年１１月６日出願）、米国特許出願第 09/854,235号明細書（“Method and Apparatus for Processing Data in a Multiple-Input Multiple-Output (MIMO)Communication System Utilizing Channel State Information,” ２００１年５月１１日出願）ならびに米国特許出願第 09/826,481号明細書および第 09/956,449号明細書（２００１年３月２３日および２００１年９月１８日にそれぞれ出願され、表題は共に“Method and Apparatus for Utilizing Channel State Information in a Wireless Communication System,”）に詳細に記載されている。これらの特許出願明細書は全てその権利が本出願人に譲渡され、ここにおいて参考文献とされている。

全ＣＳＩ送信方式は、ＭＩＭＯチャンネルに関する多くの情報（たとえば、マトリックスＨ）を必要とし、このような情報は典型的に受信機において得られ、送信機に報告される。したがって、全ＣＳＩ送信方式に関連した高いオーバーヘッド費用が発生する。部分的送信方式はこの追加の情報を必要としない。

典型的なＭＩＭＯシステムにおいて、Ｐ_maxのピーク送信パワーはＮ_T個の送信アンテナのそれぞれに対して課されることができる。この場合、Ｎ_T個の送信アンテナの全てに対して送信機で利用可能な全送信パワーＰ_totは、次のように表されることができる：
Ｐ_tot＝Ｎ_T・Ｐ_max 式（６）
全送信パワーは、種々の方式に基づいてデータ流に割当てられることができる。

全ＣＳＩ送信方式に基づいて、いくつかの送信方式が導出されることができ、このような送信方式はそれぞれ、全送信パワーが固有モードにどのように割当てられるかに依存（部分的に）している。これらの送信方式は、“ウォーターフィリング（ｗａｔｅｒ−ｆｉｌｌｉｎｇ）”送信方式、“選択的チャンネル反転”送信方式、“均一”送信方式、“主要固有モードビーム形成”（または単に“ビーム形成”）送信方式、および“ビーム操縦”送信方式を含んでいる。少数の追加のおよび、または別の送信方式もまた考慮されることができ、それらは本発明の技術的範囲内である。ウォーターフィリング送信方式に関して、雑音が少ない伝送チャンネルには多くの送信パワーが割当てられ、雑音の多い伝送チャンネルには少ない送信パワーが割当てられるように全送信パワーが割当てられる。選択的チャンネル反転送信方式に関して、全送信パワーは、伝送チャンネルの選択されたものがほぼ同じ事後検出ＳＮＲを達成するようにそれらに不均一に割当てられる。均一送信方式に関して、全送信パワーは伝送チャンネルの間で等しく割当てられる。ビーム形成送信方式については、全ての送信パワーは最高の性能を有する単一の伝送チャンネルに割当てられる。ビーム操縦送信方式に関して、全送信パワーは単一のデータ流を送信するために使用される全ての送信アンテナに均一に割当てられるが、しかしそのデータ流はこれらの送信アンテナから適切な位相で送信される。これらの送信方式は、使用を選択された伝送チャンネルのそれぞれに対して送信機における全ＣＳＩ処理（またはその変形）に依存する。以下、これら種々の全ＣＳＩベースの送信方式をさらに詳細に説明する。

ウォーターフィリング送信方式は、伝送容量（すなわち、スペクトル効率）が最大化されるように全送信パワーＰ_totを固有モードに割当てる。ウォーターフィリングパワー割当ては、でこぼこした底面を有する容器の中に固定された量の水を注ぐことに似ており、この場合、各固有モードは容器の底面上のある地点に対応し、任意の所定の地点における底面の高度は、固有モードに関連付けられた信号対雑音比（ＳＮＲ）の逆数に対応している。したがって、ある低い高度は高いＳＮＲに対応し、反対に高い高度は低いＳＮＲに対応している。そして、容器内のその低い地点（すなわち、高いＳＮＲ）が最初に満たされ、高い地点（すなわち、低いＳＮＲ）が後で満たされるように、全送信パワーＰ_totが容器の中に“注がれる”。パワー分配は、全送信パワーＰ_totと容器の底面までの深さとに依存する。全送信パワーが全て注ぎ込まれた後の容器に対する水面レベルは、容器内の全ての地点において一定である。その高度が水面レベルより上である地点は満たされない（すなわち、特定のしきい値より低いＳＮＲを有する固有モードは使用されない）。ウォーターフィリング分布は、この明細書において参考文献とされているＲｏｂｅｒｔ Ｇ．Ｇａｌｌａｇｅｒ氏による文献（“Information Theory and Reliable Communication,”John Wiley and Sons,1968）に記載されている。

容量は、情報がエラーの任意に低い確率で通信されることのできる最高のスペクトル効率として定義され、典型的にヘルツ当りの秒当りビット（ｂｐｓ／Ｈｚ）の単位で与えられる。γのＳＮＲを有する１つのガウスチャンネルに対する容量は以下のように表されることができる：
Ｃ＝ｌｏｇ₂（１＋γ） 式（７）

Ｐ_totの制限された全送信パワーを有するＭＩＭＯシステムに関して、ウォーターフィリング送信方式は、容量が達成されるまで全送信パワーをＮ_S個の空間サブチャンネルに最適に割当てることができる。ウォーターフィリング送信方式は、最低の雑音分散（すなわち、最高のＳＮＲ）を有する固有モードが合計パワーの最大の部分を受信するように全送信パワーＰ_totを固有モードに対して分配する。ウォーターフィリングの結果として固有モードｉに割当てられるパワーの量は、ｉ∈Ｉに対してＰ_iによって表され、ここで、

ｉ∈Ｉに対する固有モードｉとしてのＰ_iの割当てられた送信パワーに基づいて、固有モードｉに対する実効ＳＮＲ γ_iは、次のように表されることができる：
γ_i＝（Ｐ_i・λ_i）／σ² 式（９）
ここで、全てのサブチャンネルに対して同じ雑音分散を仮定すると、λ_iはサブチャンネルｉ上のチャンネル利得であり、σ²はＭＩＭＯチャンネルに対する雑音分散である。したがって、Ｎ_S個の空間サブチャンネルに対してウォーターフィリング送信方式によって達成される容量は、以下のように表されることができる：

各固有モードのスペクトル効率は、ＳＮＲにおける特定の単調に増加する関数に基づいて決定されることができる。スペクトル効率に対して使用されることのできる１つの関数は、式（７）に示されている容量関数である。この場合、固有モードｉに対するスペクトル効率は以下のように表されることができる：
ρ_i＝ｌｏｇ₂（１＋γ_i） 式（１１）
システムの合計スペクトル効率は、式（１１）に示されているようにそれぞれ決定されることのできる全ての固有モードのスペクトル効率の和である。

ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムに対してウォーターフィリングパワー割当てを行う特定のアルゴリズムは、米国特許出願第 09/978,337号明細書（“Method and Apparatus for Determining Power Allocation in a MIMO Communication System,” ２００１年１０月１５日出願）に記載されている。ＭＩＭＯシステムに対してウォーターフィリングパワー割当てを行う特定のアルゴリズムは、米国特許出願第[Attorney Docket No.020038]号明細書（“Reallocation of Excess Power in a Multi-Channel Communication System,” ２００２年１月２３日出願）に記載されている。これらの特許出願明細書は共にその権利が本出願人に譲渡され、ここにおいて参考文献とされている。

選択的チャンネル反転送信方式は、Ｎ_S個の固有モードの選択されたもので送信されたデータ流の事後検出ＳＮＲがほぼ同じになるように、これらの選択された固有モードに全送信パワーＰ_totを不均一に割当てる。この送信方式では、貧弱な固有モードは選択されず使用されない。類似した事後検出ＳＮＲは、同じ符号化および変調方式が全てのデータ流に対して使用されることを可能にし、それによって送信機および受信機の両方における処理が簡単なものになることができる。

類似した事後検出ＳＮＲを達成するために送信パワーを割当てる技術は、２００１年５月１７日に出願された米国特許出願第 09/860,274号明細書、２００１年６月１４日に出願された米国特許出願第 09/881,610号明細書、および２００１年６月２６日に出願された米国特許出願第 09/892,379号明細書に記載されている。なお、これら３つの特許出願明細書の表題は全て“Method and Apparatus for Processing Data for Transmission in a Multi-Channel Communication System Using Selective Channel Inversion,”であり、その権利は本出願人に譲渡され、この明細書において参考文献とされている。

均一送信方式は、全送信パワーＰ_totをＮ_S個の固有モードの全てに等しく割当てる。これは、Ｐ_tot／Ｎ_Sを各固有モードに割当てることによって達成される。ｉ∈Ｉに対する固有モードｉに対してＰ_tot／Ｎ_Sの割当てられた送信パワーに基づいて、

したがって、Ｎ_S個の空間サブチャンネルに対して均一送信方式により達成されるスペクトル効率は、以下のように表されることができる：

ビーム形成送信方式は、全送信パワーＰ_totを単一の固有モードに割当てる。容量に近付くために、全送信パワーは最高の固有値λ_maxに対応した固有モードに割当てられる。したがって、これは、データ送信のために単一の固有モードを使用する制約を与えられたＳＮＲを最大化する。単一（最良）の固有モードに対する実効ＳＮＲは、以下のように表されることができる：

ｉ∈Ｉに対する固有値λ_iは、値の高いものから低いもの順に並べられてもよい。したがって、この場合、λ₁は最高の固有値である（すなわち、λ₁＝λ_max）。

Ｎ_S個の空間サブチャンネルに対してビーム形成送信方式によって達成されるスペクトル効率は、以下のように表されることができる：

データ送信のために１つの固有モードしか使用されないため、式（１５）はＮ_S個の空間サブチャンネルの和を、ウォーターフィリングおよび均一送信方式のそれぞれの式（１０）および（１３）の場合のようには含まない。

ビーム形成送信方式は送信機における全ＣＳＩ処理に基づいているが、この送信方式を実施するためにチャンネル状態情報はほとんど必要とされない。これは、データ送信のために１つの固有モードしか使用されないためである。とくに、選択された固有モードに対応した１つの特異ベクトルだけが送信機に提供されればよく、この送信機はその後、ＭＩＭＯチャンネルによる伝送の前にこのベクトルを使用してデータ流を予備調整する。この特異ベクトルは受信機においてチャンネル応答特性マトリックスＨに基づいて得られ、送信機に提供されることができる。

ビーム操縦送信方式は、単一のデータ流を送信するために使用された全ての送信アンテナに対して全送信パワーＰ_totを均一に割当てる。ウォーターフィリング送信方式は、低いＳＮＲにおいて、全送信パワーの大部分を主要な固有モードに割当てる傾向があり、この主要な固有モードは最高の固有値λ_maxに対応した固有モードである。ビーム形成送信方式では、単一のデータ流は主要な固有モードで送信され、このデータ流は、データ送信に使用された各送信アンテナと関連付けられた複素数利得値によってスケールされ、この複素数利得値は主要な固有モードに対応した特異ベクトルにより決定される。複素数利得値の大きさは、送信アンテナに対して使用される送信パワーの量を決定する。

ビーム操縦送信方式はビーム形成送信方式に類似しており、ＭＩＭＯチャンネルによって単一のデータ流を送信する。しかしながら、１つのデータ流しか送信されないので、伝送チャンネルを直交させ、あるいは、主要な固有モードに対応した単一の伝送チャンネルでのこのデータ流の送信を制限する必要がない。ビーム操縦送信方式は、最良の性能を達成する主要な固有モードに依存するが、しかしデータ送信に使用された全ての送信アンテナに全送信パワーを均一に割当てる。このようにして、高い送信パワーがデータ流に対して使用され、その結果性能が改善されることができる。

ビーム操縦送信方式では、最高の固有値λ_maxに対応した固有モードが最初に識別され（たとえば、受信機において）、この固有モードに対応した特異ベクトルが決定される。この特異ベクトルは、Ｎ_T個の送信アンテナに対して使用される複素数利得に対するＮ_T個の複素数値を含んでいる。ビーム操縦送信方式は、単一のデータ流をＮ_T個の送信アンテナからフルパワーで、しかも適当な位相により送信し、これらの位相は特異ベクトル中のＮ_T個の複素数利得値の位相である。したがって、特異ベクトル中のＮ_T個の要素の位相だけが送信機に提供されればよい。その後、データ流は、Ｎ_T個の送信アンテナから正規化された（たとえば、フル）送信パワーで、しかも主要なモードに対する位相により送信される。これによってＮ_T個の送信アンテナからの送信が受信機において構成的に（またはコヒーレントに）結合されることが可能になり、改善された性能が提供されることができる。

いくつかの送信方式もまた、部分的ＣＳＩ送信方式に基づいて得られることができる。１つの方式においては、ピーク送信パワーＰ_maxが各データ流に対して使用され、Ｎ_T個のデータ流が部分的ＣＳＩ処理を使用してＮ_T個の送信アンテナから送信される（すなわち、送信機において予備調整は行われない）。別の方式（“選択的な部分的ＣＳＩ方式”と呼ばれてもよい）においては、Ｎ_T個の送信アンテナの選択されたものだけがデータ送信に使用され、選択された送信アンテナのそれぞれから１つのデータ流が送信される（たとえば、ピーク送信パワーを使用して）。部分的ＣＳＩ送信方式の別の変形もまた形成されることができる。

したがって、多数の送信方式がデータ送信のために使用されることができる。各送信方式は、全または部分的ＣＳＩ送信方式のいずれが送信機において利用可能であるかに依存する。

図１は、上述されたウォーターフィリング、均一、およびビーム形成送信方式を使用する例示的な４×４ ＭＩＭＯシステムに対して達成される３つの効率を示している。効率は相関のない複素数ガウスチャンネルモデルの仮定に基づいて決定され、このモデルではＭＩＭＯチャンネルは加法的ホワイトガウス雑音（ＡＷＧＮ）を受けるが他の妨害は受けない。

ウォーターフィリング送信方式については、非常に多くのランダムチャンネルセット（すなわち、ランダム固有値を有する空間サブチャンネルのセット）が最初に発生される。その後、雑音分散σ²の種々のディスクリートな値に対してこれらのチャンネルセットが評価され、ここで以下説明するように、各雑音分散値は特定の“動作”ＳＮＲに対応する。各チャンネルセットに対して、ウォーターフィリングは、サブチャンネルの固有値に基づいて、および種々の雑音分散値に対して、全送信パワーをそのセット中の空間サブチャンネルに割当てるために使用される。各セット中の空間サブチャンネルに対する実効ＳＮＲはそのサブチャンネルの固有値、割当てられた送信パワー、および雑音分散に依存し、式（９）に示されているように決定されることができる。その後、式（１０）に示されているように、各雑音分散値に対して各チャンネルセットの効率が決定される。その後、全てのチャンネルセットの効率の統計学的平均が各雑音分散値に対して得られる。

ビーム形成送信方式に関しては、最高の固有値に対応した固有モードだけが選択されて使用されることを除いて、同じランダムに発生されたチャンネルセットが評価される。各チャンネルセットは雑音分散σ²の種々のディスクリートな値に対して同様に評価され、これらのチャンネルセットの効率の統計学的平均が各雑音分散値に対して得られる。均一送信方式に関しては、全送信パワーはランダムに発生された各チャンネルセット中の固有モードに均一に割当てられる。各セットはまた種々のディスクリートな雑音分散値に対して評価され、チャンネルセットの効率の統計学的平均が各雑音分散値に対して得られる。

図１に示されているように、各送信方式によって得られた効率が動作ＳＮＲに対して作図されている。動作ＳＮＲは、受信機における加法的ホワイトガウス雑音の累乗の逆数であり、以下のように定義される：
γ_op＝１／σ² 式（１６）

動作ＳＮＲは、ＭＩＭＯチャンネルの動作状態の尺度である。式（１６）に示されているように、動作ＳＮＲおよび雑音分散σ²は逆比例の関連にある。したがって、理解し易くするために、雑音分散の代りに、各送信方式に対する種々の雑音分散値について得られた効率が動作ＳＮＲに対して描かれることができる。図１に示されているように、符号112で示されたウォーターフィリング送信方式のスペクトル効率は３つの送信方式の中で最良であり、容量と等しいことが示されることができる。。均一およびビーム形成送信方式に対する効率はそれぞれ、符号114および116によって示されている。低いＳＮＲでは、ビーム形成送信方式は最適（すなわち、ウォーターフィリング送信方式）に近い。これは、これらのＳＮＲで１つの固有モードだけが頻繁にアクティブであるためである。高いＳＮＲにおいては、均一送信方式がウォーターフィリング送信方式の最適性能に近付く。

符号114によって示されている均一送信方式に対する性能は、送信機において全ＣＳＩ処理を使用して得られる。とくに、式（１３）は、

を示し、式（１２）は、固有値λ_iを得るために全ＣＳＩ（たとえば、チャンネル応答特性マトリックスＨ）が必要とされることを示唆しており、この固有値λ_iはその後実効ＳＮＲを決定するために使用される。しかしながら、送信されたデータ流を処理して再生するためにＭＭＳＥ−ＳＣ受信機処理技術が受信機で使用された場合、効率：

は、部分的ＣＳＩ送信方式に対して得られることも可能であることが示されることができる。ＭＭＳＥ−ＳＣ受信機処理技術の代りに別のある受信機処理技術が受信機において使用された場合、部分的ＣＳＩ送信方式に対する効率は、式（１３）に示されているものより小さくなる可能性がある。

ウォーターフィリング送信方式の最適効率を達成するために、送信機はＭＩＭＯチャンネルの十分の知識、すなわち、全ＣＳＩを必要とする。全ＣＳＩは、チャンネル応答特性マトリックスＨおよび雑音分散σ²によって提供されることができる。その後、マトリックスＧ＝Ｈ ^H Ｈの固有モードおよび固有値を決定するために、チャンネル応答特性マトリックスＨが評価されてもよい（たとえば、特異ベクトル分解を使用して）。その後、ウォーターフィリング送信方式を使用して、全送信パワーが固有値および雑音分散に基づいて固有モードに割当てられることができる。

ウォーターフィリング送信方式は、種々のファクタのために、いくつかのＭＩＭＯシステムに対して好ましいものではなく、利用不可能である。第１に、全ＣＳＩは各送信・受信アンテナ対の間のチャンネル利得を測定する必要があるため、その獲得が難い（たとえば、典型的に受信機において）ことがある。第２に、全ての固有モードに対する全ＣＳＩを受信機から送信機に戻して報告するために追加の無線リンクリソースが必要とされる。第３に、チャンネル利得を表すために高い正確さ（すなわち、もっと多くのビット）が必要とされる可能性があり、これは、エラーが結果的に直交性における対応した損失になるためである。第４に、ＭＩＭＯチャンネルが時間的に変化している場合、チャンネル利得は測定および遅延の報告に対してさらに敏感に反応する。これらのファクタのために、いくつかのＭＩＭＯシステムに対してウォーターフィリング送信方式を使用することはできない。

１つの特徴において、最適に近いまたは最適に近付く全体的な効率を提供するために、見掛け上は準最適効率を有しているが、実施すべきＣＳＩをあまり必要としない複数の送信方式が選択的に使用される。これらの準最適送信方式は、たとえば、上述された部分的ＣＳＩ送信方式（たとえば、ＭＭＳＥ−ＳＣ受信機処理）およびビーム形成送信方式（またはビーム操縦送信方式）を含んでいてもよい。別のおよび、または追加の送信方式もまた使用されることができ、これは本発明の技術的範囲内である。

準最適送信方式に対して、必要なＣＳＩを送信機に提供することにより“最適に近い”全体的性能が達成されることができる。このＣＳＩは、以下に説明するように、空間的受信機処理を行った後に受信機において決定されるＮ_S個の固有モードでのデータ送信の“事後処理された”ＳＮＲを含んでいてもよい。事後処理されたＳＮＲは、（１）多数の可能な送信方式の中からデータ送信に使用すべき特定の送信方式を選択するために、および（２）各データ流に使用すべきデータレートならびに符号化および変調方式を選択するために送信機によって使用されることができる。

ビーム形成送信方式に関して、選択された固有モードと関連付けられたスカラー値（たとえば、最高の固有値λ_maxに対応した）の特異ベクトルｖもまた送信機に与えられ、この固有モードでのデータ送信をビーム形成するために使用される。受信機は、送信されたデータ流を再生するために受信されたベクトルｙを対応した特異ベクトルｕと予備乗算することができる。

部分的ＣＳＩだけを使用して高い性能を達成するために、受信機は、全ＣＳＩを必要とする均一送信方式により達成されるスペクトル効率を生じさせることのできるＭＭＳＥ−ＳＣ受信機処理技術を使用することができる。

ＳＮＲが減少されるにしたがって、ウォーターフィリング送信方式は、より優れた性能を有する主要固有モードに全送信パワーのより大きい部分を割当てる傾向がある。あるしきい値ＳＮＲ γ_thにおいて、ある優れた方策は、最大固有値に対応した固有モードに全送信パワーを割当てることである。図１に示されているように、ビーム形成送信方式（プロット116）の性能は、ＳＮＲが低くなるにつれて次第にウォーターフィリング送信方式（プロット112）の最適効率に近付く。反対に、ＳＮＲが増加するにしたがって、全パワーに関するウォーターフィリング送信方式により割当てられる固有モード当りのパワーの差は減少し、パワー割当てはさらに均一に見える。ＳＮＲが増加するにしたがい、雑音分散σ²は減少し、種々の固有モードの高さ(ｅｌｅｖａｔｉｏｎ)（σ²／λ_iとして決定された）は低下する。やはり図１に示されているように、均一送信方式およびＭＭＳＥ−ＳＣ方式を伴なう部分的ＣＳＩ（プロット114）の性能は、ＳＮＲが高くなるにつれて次第にウォーターフィリング送信方式の効率に近付く。

受信機におけるＭＭＳＥ−ＳＣ（または等価方式）を伴なう部分的ＣＳＩ送信方式は、ある条件下において均一送信方式のスペクトル効率を、均一送信方式により要求される全ＣＳＩに関連した追加の“コスト”を伴なわずに達成することができる。図１に示されているように、ＭＭＳＥ−ＳＣ方式を伴なう部分的ＣＳＩのスペクトル効率は低いＳＮＲにおいて実質的に減少する。

１つの特徴において、ＭＩＭＯシステムは、広範囲のＳＮＲにわたって改善された性能を提供するために複数の送信方式（たとえば、ＭＭＳＥ−ＳＣ方式を伴なう部分的ＣＳＩおよびビーム形成またはビーム操縦送信方式）を使用することが有効である。ＭＩＭＯシステムによって使用される各送信方式は各動作モードに対応していてもよい。それ故、“多重モード”ＭＩＭＯシステムは、チャンネル（または動作）状態に応じてサポートされている種々の動作モード（たとえば、部分的ＣＳＩとビーム形成モード）の間で切替えられてもよい。このようにして、高い性能を提供するために、所定の動作状態に対して最良の性能を提供する送信方式が選択されて使用されることができる。

図１はまた、部分的ＣＳＩ（ＭＭＳＥ−ＳＣを伴なう）およびビーム形成の両送信方式を使用する多重モードＭＩＭＯシステムにより達成される効率に対するプロット120（により表されている）を示している。この多重モードシステムにより任意の動作ＳＮＲで達成されるスペクトル効率Ｃ_mmは、以下のように表されることができる：

これら２つの送信方式の使用により直面する効率の最大損失は、γ_op＝０ｄＢの動作ＳＮＲ付近で発生し、それは、４個の送信アンテナおよび４個の受信アンテナを使用するこの例示的なＭＩＭＯシステムに対してほぼ１．７５ｄＢである。この多重モードシステムの構成により、効率の損失は低いおよび高いＳＮＲの両方で減少する。図１に示されているように、ビーム形成送信方式は、ＭＩＭＯシステムに対して拡大された動作範囲を提供する（すなわち、低いＳＮＲをカバーする）ために使用されることができる。ＭＭＳＥ−ＳＣを伴なう部分的ＣＳＩおよびビーム形成送信方式に対する性能は、相関のないチャンネルモデルを仮定する。チャンネルがさらに相関されるにしたがって、受信機において分解されることのできるデータ流は少なくなる。その結果、ＭＭＳＥ−ＳＣを伴なう部分的ＣＳＩとビーム形成送信方式との交差点は高いＳＮＲにシフトし、低い側における広範囲のＳＮＲに対して、ビーム形成送信方式が選択された動作モードになる。

上述された送信方式のあるもの（たとえば、ビーム操縦送信方式）はまた、システムによって使用されてもよい。別の送信方式もまた使用されることができ、これは本発明の技術的範囲内である。たとえば、“選択的固有モード”送信方式は、あるサブセットのＮ_S個の固有モードに全送信パワーを均一に割当てるために使用されてもよい。この方式は、たとえば、２以上の固有モードがあるしきい値ＳＮＲより上の実効ＳＮＲを達成した場合等にその使用を選択されてもよい。送信アンテナのいくつかだけがデータ送信に使用され、その後残りの送信アンテナはオフに切替えられる“選択的部分的ＣＳＩ”送信方式もまた使用されてもよい。

ここに記載されている送信方式の変形もまた実施されてもよく、これは本発明の技術的範囲内に含まれている。たとえば、ビーム形成なしに単一のデータ流がＮ_T個の送信アンテナの全てによってフルパワーで送信される送信ダイバーシティ方式が使用されてもよい。ある条件下において均一送信方式と同じスペクトル効率を生じさせるＭＭＳＥ−ＳＣ方式を伴なう部分的ＣＳＩでは、所定のデータ流に対して使用される実際の送信パワーは、ある所定の（量子化された）データレートに対して必要とされる最小量であるように調節されることができる。

一般に、改善された全体的な性能を提供するために任意の数および任意のタイプの送信方式が多重モードＭＩＭＯシステムにより使用されてもよい。各送信方式は、ある動作条件（たとえば、ある特定の範囲のＳＮＲ）にわたって優れたまたは最適に近い性能を提供する可能性がある。それ故、これらの複数の送信方式は、MIMOシステムによりサポートされている全ての動作条件（たとえば、全範囲のＳＮＲ）をカバーする多重モード送信方式を形成するように区分的に組合せられることができる。

図１は、一般に平均して事実である３つの（ウォーターフィリング、均一およびビーム形成）送信方式のそれぞれよって達成されるスペクトル効率を示している。しかしかながら、図１に示されているスペクトル効率は、特異ベクトルの量子化、チャンネルにおける相関およびその他のファクタに関連した損失を考慮していない。

一般に、各送信方式によって任意の所定の瞬間に達成されるスペクトル効率は、動作ＳＮＲとその瞬間のチャンネルの関数である。したがって、高い性能を得るために、チャンネル（およびその他のファクタ）は、使用すべき送信方式を選択するときに考慮されてもよい。ゆっくり変化するチャンネルに関して、可能な送信方式を推定するために瞬間的なチャンネル推定値が使用されてもよい。速く変化するチャンネルについては、チャンネルの時間平均をとってチャンネル推定値として使用してもよい。

任意の所定の瞬間にデータ送信に使用される特定の送信方式は、種々の方法で選択されてもよい。送信方式の選択は、システムによりその瞬間に経験される特有の動作条件に依存していてもよく、また、さらに別のファクタを考慮してもよい。以下、送信方式を選択するいくつかの方法を説明する。

送信方式を選択する１つの方法において、データ送信に使用すべき特定の送信方式は、動作ＳＮＲだけに基づいて選択される。この方法は実施が簡単であり、所望のレベルの性能を提供する可能性がある。

送信方式を選択する別の方法において、受信機は可能な各送信方式を評価し、最高のスペクトル効率を生じさせる送信方式を選択する。ビーム形成および部分的ＣＳＩ送信方式だけをサポートしているシステムに関して、受信機はビーム形成送信方式（量子化された特異ベクトルを使用する）およびＭＭＳＥ−ＳＣ（またはある別の受信機処理）方式を伴なう部分的ＣＳＩに対して達成された性能を評価することができる。その後、受信機は、最高のスループットを生じさせる送信方式を選択してこの情報を送信機に提供することができる。

送信方式を選択するさらに別の方法において、受信機は可能な各送信方式を評価し、達成可能なスペクトル効率およびその他の考慮事項に基づいて送信方式の１つを選択する。たとえば、受信機はビーム形成および均一送信方式に対して得られた性能を評価することができる。スペクトル効率の割合（たとえば、ビーム形成スペクトル効率／均一スペクトル効率）があるしきい値より大きい場合、ビーム形成送信方式がその使用のために選択されてもよい。その他の場合は、部分的ＣＳＩ送信方式が選択されてもよい。均一送信方式は典型的にＭＭＳＥ−ＳＣを伴なう部分的ＣＳＩ送信方式より評価し“易”く（計算的に廉価で迅速である）、また、置換物として使用されてもよい（受信機は全ＣＳＩを得ることが可能であってもよいため、均一送信方式の性能を評価することができる）。しかしながら、ある構成損失のために、均一送信方式のスペクトル効率は、ＭＭＳＥ−ＳＣを伴なう部分的ＣＳＩ送信方式のスペクトル効率と全く同じではない可能性がある。さらに、ビーム形成送信方式に関連した量子化損失が生じている。したがって、これら種々のファクタを考慮するようにしきい値が選択されてもよい。

任意の所定の瞬間に使用すべき特定の送信方式を選択する別の方法がまた考えられてもよく、これは本発明の技術的範囲内である。一般に、任意の数の可能な送信方式（またはそれらの等価なもの）が評価されてもよく、（１）達成可能なスペクトル効率、（２）評価された構成損失等のような種々のファクタに基づいて、データ送信に使用される特定の送信方式が選択されてもよい。

図２は、多重モード送信方式に基づいてＭＩＭＯシステムにおいてデータを送信するプロセス200の１実施形態のフロー図である。最初に、ＭＩＭＯシステムの動作状態が決定される（ステップ212）。この動作状態は、式（１６）に示されている雑音分散および、またはその他のファクタに基づいて決定されることのできる動作ＳＮＲにより定量化されてもよい。この動作ＳＮＲは、技術的に知られているようにデータと共に送信されたパイロットに基づいて推定されてもよい。

その後、特定の送信方式が、決定された動作状態に基づいて複数の送信方式の中から選択される（ステップ214）。上述したように、任意の数の送信方式がＭＩＭＯシステムによってサポートされることができる。データ送信に使用される特定の送信方式は、この動作ＳＮＲを１以上のしきい値ＳＮＲと比較することによって決定されてもよい。ＭＩＭＯシステムが部分的ＣＳＩおよびビーム形成送信方式だけをサポートしている場合、部分的ＣＳＩ方式は、動作ＳＮＲがしきい値ＳＮＲ γ_th以上である場合に選択されることができ、また、ビーム形成送信方式は、動作ＳＮＲがしきい値ＳＮＲより小さい場合に選択されることができる。

その後、送信されるべきデータ流の数が決定され、その数は、選択された送信方式に依存する（ステップ216）。たとえば、ビーム形成送信方式では最高の固有値に対応した単一の固有モードで単一のデータ流が送信されることができ、部分的ＣＳＩ送信方式ではＮ_T個の送信アンテナでＮ_T個のデータ流が送信されることができる。その後、システムで利用可能な全送信パワーＰ_totが選択された送信方式に基づいてその１以上のデータ流に割当てられる（ステップ218）。その後、選択された送信方式に基づくと共に割当てられた送信パワーおよび利用可能なＣＳＩにしたがってこの１以上のデータ流が処理される（ステップ220）。図２に示されているプロセスは、スケジューリングインターバルに対応していてもよい各送信インターバルで行われることができる。

この明細書に記載されている送信技術はまた、ＯＦＤＮシステム、ＭＩＭＯ−ＤＦＤＭシステム等のような別の多重チャンネル通信システムに使用されてもよい。

ＯＦＤＮシステムはシステム帯域幅を、一般に周波数ビンまたはサブバンドと呼ばれるいくつかの（Ｎ_F個の）周波数サブチャンネルに実効的に分割する。各周波数サブチャンネルは、データが変調された各サブキャリア（または周波数トーン）と関連付けられる。周波数サブチャンネルの帯域幅に依存してもよいある特定の時間インターバルである各時間スロットで、変調シンボルがＮ_F個の周波数サブチャンネルのそれぞれで送信されてもよい。ＯＦＤＮシステムでは、各周波数サブチャンネルは伝送チャンネルと呼ばれてもよく、このＯＦＤＮシステムに対してＮ_C＝Ｎ_F個の伝送チャンネルが存在する。

ＯＦＤＮシステムの周波数サブチャンネルは、周波数選択性フェーディング（すなわち、異なった周波数サブチャンネルに対する異なった量の減衰）を経験してもよい。周波数サブチャンネルに対する特定の応答特性は、送信アンテナと受信アンテナとの間の伝播路の特性（たとえば、フェーディングおよびマルチパス効果）に依存する。その結果、ある所定の量の送信パワーに対する種々の周波数サブチャンネルに対して種々の実効ＳＮＲが得られることがある。この場合、ある特定の送信方式が選択されて、固有モードについて上述した同じ方法でＮ_F個の周波数サブチャンネルに対して使用されてもよい。

ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムは、Ｎ_S個の固有モードのそれぞれに対してＮ_F個の周波数サブチャンネルを含んでいる。各固有モードの各周波数サブチャンネルは伝送チャンネルと呼ばれており、このＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムに対してＮ_C＝Ｎ_F・Ｎ_S個の伝送チャンネルが存在する。ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムにおける各固有モードの周波数サブチャンネルは同様に、異なったチャンネル状態を経験してもよく、所定の量の送信パワーに対して異なったＳＮＲを達成してもよい。この場合、上述したものと同様に、ある特定の送信方式が選択され、Ｎ_F個の周波数サブチャンネルのそれぞれに対して使用されてもよい。しかしながら、各送信アンテナはＰ_maxのピーク送信パワーにより制限されているので、ある所定の送信アンテナの全ての周波数サブチャンネルに対して使用される全送信パワーはＰ_maxに制限される。

ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムに関して、データ送信に使用すべき特定の送信方式を決定するときに、全ての伝送チャンネル（すなわち、空間および周波数の両ディメンションに対する）が考慮されることができる。その代り、送信方式の選択は、一方のディメンションだけに対する伝送チャンネルが任意の所定の時間に考慮されるように行われてもよい。

ここに記載されている技術は、伝送チャンネルのグループに対しても使用されることができる。各グループは任意の数の伝送チャンネルを含んでいてもよく、各動作ポイントと関連付けられていてもよい。各グループは、たとえば、ある特定のデータレートならびにある特定の符号化および変調方式と関連付けられていてもよい独立したデータ流に対して使用されるべき伝送チャンネルを含んでいてもよい。多元アクセス通信システムに関して、各グループは異なった受信機に割当てられる伝送チャンネルと関連付けられてもよい。

周波数選択性フェーディングを経験してもよい広帯域ＭＩＭＯシステムに対しては、動作帯域幅は、各帯域が平坦フェーディングチャンネルとして考慮されることができるように、いくつかの（等しいまたは等しくない）周波数帯域に分割されることができる。その場合、チャンネル応答特性マトリックスＨの各要素は、スカラーではなく線形伝達関数として動作し、各送信・受信アンテナ対の間の結合ｈ_i,jは、各周波数帯域に対して１つのスカラー値のＮ_F個のスカラー値のベクトルにより表されてもよい。種々の送信方式が広帯域ＭＩＭＯシステムに対して使用されてもよく、その中のいくつかを以下に説明する。

広帯域ＭＩＭＯシステムに対する第１の送信方式において、ビーム形成が各周波数帯域に対して使用される。この第１の送信方式の１形態では、最初に各周波数帯域に対して最大固有値が決定され、この固有値に対応した固有モードが選択され、使用される。その後、Ｎ_T個の送信アンテナの全てに対して送信機で利用可能な全送信パワーＰ_totに基づいて、これらの固有モードに対する“最適”パワー割当てが決定されることができる。このパワー割当ては、米国特許出願第 09/978,337号明細書に記載されているように、ウォーターフィリングを使用して行われてもよい。その後、Ｎ_F個のデータ流が処理され、Ｎ_F個の周波数帯域のＮ_F個の選択された固有モードで送信される。

チャンネル応答特性マトリックスＨおよび雑音分散σ²に応じて、Ｎ_F個の選択された固有モードで送信された各データ流は種々の事後検出ＳＮＲを達成することができる。１実施形態において、各データ流は、そのデータ流に対してその事後検出ＳＮＲに基づいて選択された各符号化および変調方式に基づいて符号化されて変調される。別の実施形態において、全送信パワーＰ_totは、全てのデータ流に対してほぼ同じ事後検出ＳＮＲが得られるように割当てられる。この実施形態に関して、全てのデータ流に対して１つの共通した符号化および変調方式が使用されることができ、それによって送信機および受信機の両者における処理を簡単なものにすることができる。

類似した事後検出ＳＮＲを得るために送信パワーを割当てる技術は、米国特許出願第 09/860,274号明細書、同第 09/881,610号明細書および同第 09/892,379号明細書に記載されている。広帯域ＭＩＭＯシステムに対して送信機および受信機の両者においてデータを処理する技術は、米国特許出願第 09/993,087号明細書および同第 10/017,308号明細書（“Time-Domain Transmit and Receive Processing with Channel Eigen-mode Decomposition with MIMO System,”2001年12月7日出願）に記載されている。これらの特許出願明細書は全て、その権利が本出願人に譲渡され、ここにおいて参考文献とされている。

広帯域ＭＩＭＯシステムに対する第２の送信方式において、部分的ＣＳＩ送信方式が各周波数帯域に対して使用される。この第２の送信方式の１形態においては、各送信アンテナに対するピーク送信パワーＰ_maxがＮ_F個の周波数帯域の間で等しく分割される。その後、Ｎ_S個のデータ流が処理され、Ｎ_F個の周波数帯域のそれぞれで送信される。１実施形態において、各データ流はその達成可能な事後検出ＳＮＲに基づいて符号化されて変調されることができる。別の実施形態において、送信機および受信機の両者における符号化および変調を簡単なものにするために、送信パワーは、（１）各周波数帯域に対するＮ_S個のデータ流の全てに対して、（２）各空間サブチャンネルに対するＮ_S個のデータ流の全てに対して、（３）Ｎ_S・Ｎ_F個の伝送チャンネルに対するデータ流の全てに対して、あるいは（４）周波数／空間サブチャンネルの任意の組合せを含んでいてもよい各伝送チャンネルグループに対するデータ流の全てに対して、ある共通の符号化および変調方式が使用されることができるように不均一に割当てられてもよい。

広帯域ＭＩＭＯシステムにおいて使用するために選択された各送信方式に関して、送信機は、送信前にデータを適切に処理するのに必要な情報を提供される。たとえば、Ｎ_F個の周波数帯域のそれぞれに対してビーム形成を使用する第１の送信方式に関して、送信機は（１）これらＮ_F個の周波数帯域に対するＮ_F個の特異ベクトルと、（２）Ｎ_F個の選択された固有モードのそれぞれに対する事後検出ＳＮＲまたは各データ流に対して使用されるべき符号化および変調方式を示す情報とを提供されることができる。Ｎ_F個の周波数帯域のそれぞれに対して部分的ＣＳＩ送信方式を使用する第２の送信方式に対して、送信機は（１）各データ流または各データ流グループに対する事後検出ＳＮＲを提供されることができる。

全ＣＳＩまたは部分的ＣＳＩに基づくことのできる別の送信方式もまた、広帯域ＭＩＭＯシステムに対して使用されることが可能であり、これは本発明の技術的範囲内にある。これら種々の送信方式により、広帯域ＭＩＭＯシステムは、データ送信用の個々の周波数帯域のチャンネル応答特性を考慮することが可能となる。

１実施形態において、１つの全ＣＳＩまたは部分的ＣＳＩベースの送信方式が選択され、第１および第２の送信方式に関して上述されたように、広帯域ＭＩＭＯシステムの全ての周波数帯域に対して使用される。これは、送信機および受信機の両者における処理を簡単なものにする。別の実施形態において、各周波数帯域は独立に処理されてもよく、ある所定の送信アンテナの全ての周波数帯域に対して使用される全送信パワーをピーク送信パワーＰ_max内に維持するように、ある制約を条件として、異なった全ＣＳＩまたは部分的ＣＳＩベースの送信方式が選択されて各周波数帯域に対して使用されてもよい。

広帯域ＭＩＭＯシステムに関して、チャンネル応答特性における周波数選択性フェーディングを等化するために、ある等化装置が受信機において使用されてもよい。この場合、狭帯域ＭＩＭＯシステムに対して利用可能な送信方式が広帯域ＭＩＭＯシステムに使用されることができる。

一般に、送信機および受信機の両方における処理を簡単化することが望ましい。これは、データを送信するために可能な限り少ない符号化および変調方式（たとえば、１つの符号化および変調方式）を使用することにより達成される。これを行う１つの方法は、伝送チャンネルに対して類似した事後検出ＳＮＲが達成されるように、選択的チャンネル反転を使用して送信パワーを不均一に割当てることである。その後、独立したデータ流が処理され（たとえば、ある共通の符号化および変調方式に基づいて）、これらの伝送チャンネルのそれぞれで送信されてもよい。その代りに、１つのデータ流が処理され（たとえば、その共通の符号化および変調方式に基づいて）、デマルチプレクスされてこれらの多数の伝送チャンネルによって送信されてもよい。たとえば、選択的チャンネル反転が上述の第１の送信方式と共に適用されてもよく、１つのデータ流が処理され、Ｎ_F個の周波数帯域のＮ_F個の選択された固有モードによって送信されてもよい。

チャンネル状態情報の量子化
全ＣＳＩ（たとえば、チャンネル応答特性マトリックス）の代りに量を減少されたＣＳＩ（たとえば、事後処理ＳＮＲおよび特異ベクトル）に依存する送信方式を使用することにより、受信機から送信機に報告されることが必要なチャンネル情報の量が大幅に減少されることができる。全ＣＳＩに依存する送信方式では、Ｎ_R・Ｎ_F個の複素数チャンネル利得プラス雑音分散、あるいは等価な情報が送信機に報告される必要がある。反対に、部分的ＣＳＩ送信方式はＮ_S個のＳＮＲ値があればよく、ここでＮ_S≦ｍｉｎ｛Ｎ_T，Ｎ_R｝である。各ＳＮＲ値はマップされ、ＭＩＭＯシステムによりサポートされている特定の“レート”で表されてもよい。このレートは、対応した送信アンテナでのデータ流に使用されるべき特定のデータレートならびに符号化および変調方式を示している。

ビーム形成送信方式は、選択された固有モード（または１つのレート値）およびこの選択された固有モードでのデータ送信をビーム形成するために使用される特異ベクトルｖに対してただ１つのＳＮＲ値があればよい。特異ベクトルは、各送信アンテナに対して１つづつであるＮ_T個の複素数チャンネル利得から構成されている。各複素数チャンネル利得の各実数または虚数ディメンションを量子化するために使用されるビットの数をＱで表した場合、特異ベクトルを符号化するために必要とされるビットの総数は、２Ｎ_TＱである。

Ｎ_T個の送信アンテナおよびＭ個の可能なレートを有するＭＩＭＯシステムに対する部分的ＣＳＩおよびビーム形成送信方式に対する異なったタイプのＣＳＩを表すために必要とされるビットの数をリストにする。表１において、

一般に、特異ベクトルに対する複素数チャンネル利得を可能な限り少いビットに量子化して、送信機に報告される情報の量を減少させることが望ましい。しかしながら、この量子化は性能を著しく劣化させてはならない。

表２は、特異ベクトルの複素数チャンネル利得の各ディメンションを表すために使用された種々の数の量子化ビットＱに対するＳＮＲの劣化を（ｄＢで）示している。表２に示されている劣化は、ビーム形成モードで動作する４×４ＭＩＭＯシステムに基づいて得られたものである。量子化によるＳＮＲの劣化は、量子化ビットの数だけの関数であり、動作ＳＮＲの関数ではない。この劣化は、２から５までの範囲のＱの種々の値に対して示されている。

表 ２
ビットの数（Ｑ） ２ ３ ４ ５
ＳＮＲの劣化（ｄＢ） ６．１２ ２．７ １．２５ ０．６
表２に示されているように、低い４ビット／ディメンション（すなわち、Ｑ＝４）、あるいは８ビット／複素数チャンネル利得が特異ベクトルを符号化するために使用されてもよい。５ビット／ディメンション（すなわち、Ｑ＝５）、あるいは１０ビット／複素数チャンネル利得値はさらに良好な性能を提供する。各複素数チャンネル利得を適切に表すために必要とされるビットの数はまた、ＭＩＭＯシステムのディメンションの関数であってもよい。たとえば、３×３または２×２ＭＩＭＯシステムは、複素数チャンネル利得の（実数または虚数）ディメンション当り４または５より少ないビットを必要とする。

システム
図３は、この明細書に記載されている種々の特徴および実施形態を実施することのできる送信システム310および受信システム350の１実施形態のブロック図である。

送信システム310において、トラフィックデータはデータソース312から送信（ＴＸ）データプロセッサ314に供給され、このＴＸデータプロセッサ314が１以上の符号化方式に基づいてトラフィックデータをフォーマット化し、符号化してインターリーブし、符号化されたデータを出力する。その後、この符号化されたデータは、たとえば、データ送信に使用される伝送チャンネルの全てまたはサブセットにおいて時分割多重方式（ＴＤＭ）または符号分割多重方式（ＣＤＭ）等を使用してパイロットデータと多重化されてもよい。パイロットデータは、それが存在するならば、典型的に既知の方法で処理された既知のデータパターンである。その後、多重化されたパイロットおよび符号化されたトラフィックデータは１以上の変調方式（たとえば、ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、Ｍ−ＰＳＫまたはＭ−ＱＡＭ等）に基づいて変調され（すなわち、シンボルマップされ）、変調シンボルを提供する。各伝送チャンネルまたは各伝送チャンネルグループに対するデータレート、符号化、インターリーブおよび変調は、制御装置330により与えられる種々の制御信号によって決定されてもよい。

ＴＸ ＭＩＭＯプロセッサ320は、送信システム310の現在の動作モードに対応した処理方式にしたがって変調シンボルをさらに処理することができる。各送信方式は、各動作モードと関連付けられてもよく、各動作モードは変調シンボルに対する特定の処理方式に対応していてもよい。各部分的ＣＳＩ送信方式に対しては、ＴＸ ＭＩＭＯプロセッサ320は各データ流に対する変調シンボル流を各送信機（ＴＭＴＲ）322に送るだけである。ビーム形成送信方式に関しては、ＴＸ ＭＩＭＯプロセッサ320は選択された固有モードに対する単一の変調シンボル流を、この固有モードに関連した特異ベクトルｖに基づいて予備調整する。予備調整はその特異ベクトルに対するＮ_T個のエントリのそれぞれと各変調シンボルを乗算することにより行われ、Ｎ_T個のスケールされたシンボルを提供することができる。したがって、特異ベクトルのＮ_T個のエントリに対してＮ_T個のスケールされたシンボル流が提供される。特異ベクトルに関する予備調整は、データ流に対してビーム形成を効率的に行う。いずれの場合も、Ｎ_T個のスケールされたあるいはスケールされない変調シンボル流が送信機322a乃至322tに提供される。

各送信機322は各シンボル流を受信して処理する。ＯＦＤＭシステムでは、各送信機はシンボルを変換して（たとえば、逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）を使用して）、ＯＦＤＭシンボルを形成し、さらに巡回プレフィックスを各ＯＦＤＭシンボルに付加して対応した伝送シンボルを形成してもよい。各送信機ａｌは、シンボル流を１以上のアナログ信号に変換し、そのアナログ信号をさらに調整して（たとえば、増幅し、濾波し、変調して）、ＭＩＭＯチャンネルによる送信に適した変調された信号を生成する。その後、送信機322a乃至322tからのＮ_T個の変調された信号はＮ_T個のアンテナ324a乃至324tからそれぞれ送信される。

受信システム350において、送信された変調された信号はＮ_R個のアンテナ352a乃至352rによって受信され、各アンテナ352から受信された信号は各受信機（ＲＣＶＲ）354に供給される。各受信機354は受信された信号を調整して（たとえば、濾波し、増幅し、下方変換して）、各サンプル流を提供する。各サンプル流はさらに処理され（再生されたパイロットにより復調され）、対応した受信されたシンボル流（ｙとして示される）を得ることができる。

その後、ＲＸ ＭＩＭＯプロセッサ360がＮ_R個のシンボル流を受信し、受信されたシンボル流をいくつかの空間的処理技術の１つに基づいて処理し、Ｎ_T個の再生されたシンボル流（ｒとして示される）を提供する。たとえば、ＲＸ ＭＩＭＯプロセッサ360はＣＣＭＩ、ＣＣＭＩ−ＳＣ、ＭＭＳＥ、ＭＭＳＥ−ＳＣまたはその他の受信機処理技術を行ってもよい。これらの種々の受信機処理技術は、上述した米国特許出願第 09/993,087号明細書に詳細に記載されている。

その後、受信（ＲＸ）データプロセッサ362は再生されたシンボルを復調し、デインターリーブし、復号して送信されたトラフィックデータを提供する。ＲＸ ＭＩＭＯプロセッサ360およびＲＸデータプロセッサ362による処理は、送信機310においてＴＸ ＭＩＭＯプロセッサ320およびＴＸデータプロセッサ314より行われた処理とそれぞれ相補的なものである。

ＲＸ ＭＩＭＯプロセッサ360はさらに、伝送チャンネルに対するＳＮＲの推定値、最高の固有値（または最良のＳＮＲ）を有する固有モードに対応した特異ベクトルに対するチャンネル利得等を導出し、この情報を制御装置370に提供することができる。ＲＸデータプロセッサ362はまた、受信された各フレームまたはパケットの状態、復号された結果を示す１以上の性能計量、およびおそらくその他の情報を提供する。制御装置370は、ＲＸ ＭＩＭＯプロセッサ360およびＲＸデータプロセッサ362から受信された情報の全てまたは一部を含んでいる可能性のある関連したＣＳＩを収集する。その後、このＣＳＩは、ＴＸデータプロセッサ378によって処理され、変調装置380によって変調され、送信機354a乃至354rによって調整されて送信システム310に返送される。

送信システム310において、受信システム350からの変調された信号がアンテナ324によって受信され、受信機322によって調整され、復調装置340によって復調され、ＲＸデータプロセッサ342によって処理されて、受信システムにより報告された関連したＣＳＩを再生する。その後、報告されたＣＳＩは制御装置330に提供されて、送信方式の選択とＴＸデータプロセッサ314およびＴＸ ＭＩＭＯプロセッサ320に対する種々の制御信号の発生のために使用される。

制御装置330および370はそれぞれ送信システムおよび受信システムにおける動作を指令する。メモリ332および372は、制御装置330および370によってそれぞれ使用されるプログラムコードおよびデータを記憶する。

上述した多重モード送信方式を実施するために、制御装置330は、事後処理されたＳＮＲ、特異ベクトルおよび、またはＭＩＭＯチャンネルの特性または動作状態を記述したある別の情報を含んでいることのできる関連したＣＳＩを受信システム350から受信する。その後、制御装置330は、（１）データを送信するために使用すべき特定の送信方式を選択し、（２）選択された各伝送チャンネルに対して使用すべきレートを決定する。選択された各伝送チャンネルに対して使用されるレート（すなわち、データレートならびに符号化および変調方式）は、データ流に割当てられた送信パワーの量に部分的に基づいて決定される。パワー割当ておよびレート決定はまた、送信システムにおいてではなく、あるネットワークエンティティによって行われてもよい。

この明細書に記載されている多重モード伝送技術は、種々の手段により実施されてもよい。たとえば、これらの技術は、ハードウェア、ソフトウェアまたはその組合せで構成されることができる。ハードウェア構成では、これらの技術を実施するために使用される素子は、１以上の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、デジタル信号処理装置（ＤＳＰＤ）、プログラム可能な論理装置（ＰＬＤ）、フィールドプログラム可能なゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、プロセッサ、制御装置、マイクロ制御装置、マイクロプロセッサ、この明細書に記載されている機能を行うように設計された他の電子装置、あるいはその組合せられたものにおいて構成されていてもよい。

ソフトウェア構成に関しては、多重モード伝送技術のある特徴は、この明細書に記載されている機能を行うモジュール（たとえば、手続き、機能等）により実施されることができる。ソフトウェアコードは、メモリ装置（たとえば、図３のメモリ332）中に記憶され、プロセッサ（たとえば、制御装置330）によって実行されることができる。メモリ装置はプロセッサ内またはプロセッサの外部に構成されることができ、後者の場合には、技術的に知られている種々の手段によってプロセッサと通信するように結合されることができる。

この明細書において、参照のため、およびある章の位置を見つけるのを助けるために見出しが含まれている。これらの見出しはここに示されている概念の範囲を制限するものではなく、また、これらの概念は明細書中の他の章に対しても適用可能なものである。

上記の開示された実施形態の説明は、当業者が本発明を形成および使用することを可能にするために与えられたものである。これらの実施形態に対して種々の修正は当業者に容易に明らかであり、また、ここに規定されている一般原理は、本発明の技術的範囲を逸脱することなく別の実施形態に適応されることができる。したがって、本発明はここに示されている実施形態に限定されるものではなく、ここに開示されている原理および新しい特徴に一致した広い技術的範囲を与えられている。

Claims (51)

1. 無線通信システムにおいて複数の伝送チャンネルによりデータを送信する方法において、
   通信システムの動作状態を決定し、
   決定された動作状態に基づいて複数の可能な送信方式の中から選択された特定の送信方式を識別し、
   選択された送信方式に基づいて送信されるべき１以上のデータ流を決定し、
   選択された送信方式に基づいて１以上のデータ流を処理するステップを含んでいる方法。
2. 特定の送信方式は、複数の可能な送信方式のそれぞれの性能を評価することにより選択される請求項１記載の方法。
3. 特定の送信方式は、動作中の信号対雑音および妨害比（ＳＮＲ）に基づいて選択される請求項１記載の方法。
4. １以上のデータ流は、チャンネル状態情報に基づいてさらに処理される請求項１記載の方法。
5. 複数の送信方式は、部分的チャンネル状態情報（ＣＳＩ）送信方式を含んでいる請求項４記載の方法。
6. 部分的ＣＳＩ送信方式に対するチャンネル状態情報は、信号対雑音および妨害比（ＳＮＲ）を含んでいる請求項５記載の方法。
7. 複数の送信方式は、ビーム形成送信方式を含んでいる請求項４記載の方法。
8. 単一の伝送チャンネルが選択されてビーム形成送信方式に使用され、ビーム形成は単一の選択された伝送チャンネルでデータを送信するために使用される請求項７記載の方法。
9. ビーム形成送信方式に対するチャンネル状態情報は、信号対雑音および妨害比（ＳＮＲ）と、単一の選択された伝送チャンネルに対する特異ベクトルとを含んでいる請求項７記載の方法。
10. 特異ベクトルの各要素は、ディメンション当り５以下のビットに量子化される請求項９記載の方法。
11. 複数の送信方式は、ビーム操縦送信方式を含んでいる請求項４記載の方法。
12. ビーム操縦送信方式に対するチャンネル状態情報は、信号対雑音および妨害比（ＳＮＲ）と、データ送信に使用された複数の送信アンテナに対する位相値のベクトルとを含んでいる請求項１１記載の方法。
13. 位相値のベクトルは、主要固有モードに対する特異ベクトルに基づいている請求項１２記載の方法。
14. 動作状態は信号対雑音および妨害比（ＳＮＲ）によって定量化され、通信システムの動作ＳＮＲがしきい値ＳＮＲより上である場合に部分的ＣＳＩ送信方式が選択されて使用され、動作ＳＮＲがしきい値ＳＮＲより下である場合にはビーム形成送信方式が選択されて使用される請求項１記載の方法。
15. 各データ流に対するレートを、そのデータ流に対して達成可能な信号対雑音および妨害比（ＳＮＲ）に基づいて選択するステップをさらに含んでいる請求項１記載の方法。
16. 無線通信システムは多重入力多重出力（ＭＩＭＯ）通信システムであり、複数の伝送チャンネルはＭＩＭＯ通信システムの複数の空間サブチャンネルに対応している請求項１記載の方法。
17. 無線通信システムは広帯域多重入力多重出力（ＭＩＭＯ）通信システムであり、複数の伝送チャンネルは複数の周波数帯域の複数の空間サブチャンネルに対応している請求項１記載の方法。
18. 全ての周波数帯域に対して使用されるために１つの送信方式が選択され、この選択された送信方式に基づいて１以上のデータ流が各周波数帯域で送信されて処理される請求項１７記載の方法。
19. 各周波数帯域に対して使用されるために１つの送信方式が選択され、その周波数帯域に対して選択された送信方式に基づいて１以上のデータ流が各周波数帯域で送信されて処理される請求項１７記載の方法。
20. 複数の周波数帯域のそれぞれに対して使用されるためにビーム形成送信方式が選択される請求項１７記載の方法。
21. 全送信パワーは、複数の周波数帯域で送信される全てのデータ流に対して共通の符号化および変調方式が使用されるように割当てられる請求項２０記載の方法。
22. 複数の周波数帯域のそれぞれに対して使用されるために部分的ＣＳＩ送信方式が選択される請求項１７記載の方法。
23. 全送信パワーは、各周波数帯域で送信される全てのデータ流に対して共通の符号化および変調方式が使用されるように割当てられる請求項２２記載の方法。
24. 全送信パワーは、各空間サブチャンネルで送信される全てのデータ流に対して共通の符号化および変調方式が使用されるように割当てられる請求項２２記載の方法。
25. 無線通信システムは直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）通信システムであり、複数の伝送チャンネルは複数の周波数サブチャンネルに対応している請求項１記載の方法。
26. 多重入力多重出力（ＭＩＭＯ）通信システムにおいて複数の空間サブチャンネルでデータを送信する方法において、
    ＭＩＭＯシステムの動作している信号対雑音および妨害比（ＳＮＲ）を決定し、
    動作ＳＮＲに基づいて複数の可能な送信方式の中から選択された特定の送信方式を識別し、複数の送信方式はそれぞれ動作ＳＮＲの各範囲に対して使用を指定されており、
    選択された送信方式に基づいて送信されるべき１以上のデータ流を決定し、
    選択された送信方式に基づいて１以上のデータ流を処理するステップを含んでいる方法。
27. 複数の送信方式は部分的ＣＳＩ送信方式およびビーム形成送信方式を含んでおり、動作ＳＮＲがしきい値ＳＮＲより上である場合には部分的ＣＳＩ送信方式が選択されて使用され、動作ＳＮＲがしきい値ＳＮＲより下である場合にはビーム形成送信方式が選択されて使用される請求項２６記載の方法。
28. 多重入力多重出力（ＭＩＭＯ）通信システムにおいてデータを送信する方法において、
    複数の伝送チャンネルの特定の１つを、それらの得られた性能に基づいて識別し、
    選択された伝送チャンネルに対応した位相値のベクトルを決定し、その位相値はデータ送信に使用された複数の送信アンテナのそれぞれに対して１つであり、
    特定の符号化および変調方式に基づいてデータを処理し、
    処理されたデータを複数の送信アンテナのそれぞれから特定の送信パワーで、送信アンテナに関連した位相値により決定された位相により送信するステップを含んでいる方法。
29. 各送信アンテナに対して全送信パワーが使用される請求項２８記載の方法。
30. 通信システムの動作状態を決定し、
    決定された動作状態に基づいて複数の可能な送信方式の中から特定の送信方式を選択し、
    選択された送信方式に基づいて送信されるべき１以上のデータ流を決定し、
    選択された送信方式に基づいて１以上のデータ流を処理するために、デジタル情報を解釈することのできるデジタル信号処理装置（ＤＳＰＤ）と通信するように接続されたメモリ。
31. 無線通信システムにおける複数の伝送チャンネルによるデータ送信を容易にするコンピュータプログラム製品において、
    通信システムの動作状態を決定するコードと、
    決定された動作状態に基づいて複数の可能な送信方式の中から特定の送信方式を選択するコードと、
    選択された送信方式に基づいて送信されるべき１以上のデータ流を決定するコードと、
    選択された送信方式に基づいて１以上のデータ流を処理するように指令するコードと、
    コードを記憶するコンピュータ使用可能な媒体とを備えているコンピュータプログラム製品。
32. 通信システムの動作状態を決定する手段と、
    決定された動作状態に基づいて複数の可能な送信方式の中から選択された特定の送信方式を識別する手段と、
    選択された送信方式に基づいて送信されるべき１以上のデータ流を決定する手段と、
    選択された送信方式に基づいて１以上のデータ流を処理する手段とを具備している無線通信システムにおける装置。
33. 無線通信システムは多重入力多重出力（ＭＩＭＯ）通信システムであり、複数の伝送チャンネルはＭＩＭＯ通信システムの複数の空間サブチャンネルに対応している請求項３２記載の装置。
34. 特定の送信方式は通信システムの動作中の信号対雑音および妨害比（ＳＮＲ）に基づいて選択され、複数の送信方式はそれぞれ動作ＳＮＲの各範囲に対して使用を指定されている請求項３２記載の装置。
35. 複数の送信方式は部分的ＣＳＩ送信方式およびビーム形成送信方式を含んでおり、動作ＳＮＲがしきい値ＳＮＲより上である場合には部分的ＣＳＩ送信方式が選択されて使用され、動作ＳＮＲがしきい値ＳＮＲより下である場合にはビーム形成送信方式が選択されて使用される請求項３４記載の装置。
36. 各データ流に対するレートを、そのデータ流によって達成可能な信号対雑音および妨害比（ＳＮＲ）に基づいて選択する手段をさらに備えている請求項３２記載の装置。
37. ＭＩＭＯシステムの動作している信号対雑音および妨害比（ＳＮＲ）を決定する手段と、
    それぞれが動作ＳＮＲの各範囲に対して使用を指定されている複数の可能な送信方式の中から選択された特定の送信方式を動作ＳＮＲに基づいて識別する手段と、
    選択された送信方式に基づいて送信されるべき１以上のデータ流を決定する手段と、
    選択された送信方式に基づいて１以上のデータ流を処理する手段とを具備している多重入力多重出力（ＭＩＭＯ）通信システムにおける装置。
38. 通信システムの動作状態を受信する手段と、
    決定された動作状態に基づいて複数の可能な送信方式の中から選択された特定の送信方式を識別する手段と、
    選択された送信方式に基づいて送信されるべき１以上のデータ流を決定する手段と、
    選択された送信方式に基づいて１以上のデータ流の処理を指令する手段とを備えている無線通信システムにおける制御装置。
39. さらに、各データ流に対するレートをそのデータ流によって達成可能な信号対雑音および妨害比（ＳＮＲ）に基づいて選択する手段を備えている請求項３８記載の制御装置。
40. 請求項３８記載の制御装置を備えている基地局。
41. 通信システムの動作状態の表示を受信し、
    その動作状態に基づいて複数の可能な送信方式の中から選択された特定の送信方式を識別し、
    選択された送信方式に基づいて送信されるべき１以上のデータ流を決定し、
    各データ流のレートをそのデータ流に割当てられた送信パワーの量に部分的に基づいて選択し、
    選択された送信方式に基づいて１以上のデータ流の処理を指令することによって、複数の伝送チャンネルによるデータ送信を指令するように動作する制御装置と、
    各データ流をその選択されたレートに基づいて処理して各シンボル流を提供するように動作する送信（ＴＸ）データプロセッサと、
    １以上のシンボル流を処理して通信チャンネルによる送信に適した１以上の変調された信号を提供するように動作する１以上の送信機とを備えている無線通信システムにおける送信装置。
42. 複数の送信方式は、部分的ＣＳＩ送信方式およびビーム形成送信方式を含んでいる請求項４１記載の送信装置。
43. 制御装置は、通信システムの動作信号対雑音および妨害比（ＳＮＲ）がしきい値ＳＮＲより上である場合には部分的ＣＳＩ送信方式を選択するように動作し、動作ＳＮＲがしきい値ＳＮＲより下である場合にはビーム形成送信方式を選択するように動作する請求項４２記載の送信装置。
44. 制御装置はさらに、部分的ＣＳＩ送信方式に対する各データ流に対してピーク送信パワーを使用し、ビーム形成送信方式に対する単一のデータ流に全ての送信パワーを割当てるように動作する請求項４２記載の送信装置。
45. さらに、ビーム形成送信方式に対する特異ベクトルに基づいて単一のデータ流に対するシンボル流を予備調整するように動作するＴＸ ＭＩＭＯプロセッサを備えている請求項４２記載の送信装置。
46. 請求項４１記載の送信装置を備えている基地局。
47. 特定の受信機処理方式にしたがって受信された複数のシンボル流を受信して処理し、少なくとも１つの再生されたシンボル流を提供すると共に、再生されたシンボル流のそれぞれに対するチャンネル状態情報（ＣＳＩ）を導出するように動作する受信（ＲＸ）ＭＩＭＯプロセッサと、
    少なくとも１つの再生されたシンボル流を少なくとも１つの復調および復号方式にしたがって処理し、復号されたデータを提供するように動作するＲＸデータプロセッサと、
    ＣＳＩを処理して送信されたものを送信装置に返送するように動作するＴＸデータプロセッサとを備えており、
    特定の送信方式がＣＳＩに基づいて複数の可能な送信方式の中から選択され、１以上のデータ流が選択された送信方式に基づいて受信装置に送信され、利用可能な全送信パワーが選択された送信方式に基づいて１以上のデータ流に割当てられる無線通信システムにおける受信装置。
48. 複数の送信方式は部分的ＣＳＩ送信方式およびビーム形成送信方式を含んでおり、動作信号対雑音および妨害比（ＳＮＲ）がしきい値ＳＮＲより上である場合には部分的ＣＳＩ送信方式が選択され、動作ＳＮＲがしきい値ＳＮＲより下である場合にはビーム形成送信方式が選択される請求項４７記載の請求項４７記載の受信装置。
49. ビーム形成送信方式に対して、ＲＸ ＭＩＭＯプロセッサはさらに、特異ベクトルにより複数の受信されたシンボル流を予備調整して単一の再生されたシンボル流を提供するように動作する請求項４８記載の受信装置。
50. 部分的ＣＳＩ送信方式に対して、ＲＸ ＭＩＭＯプロセッサはさらに、複数の受信されたシンボル流を、連続した消去を伴なう最小２乗平均エラー（ＭＭＳＥ−ＳＣ）受信機処理技術に基づいて処理し、複数の再生されたシンボル流を提供するように動作する請求項４８記載の受信装置。
51. 特定の受信機処理方式にしたがって受信された複数のシンボル流を処理し、少なくとも１つの再生されたシンボル流を提供すると共に、再生されたシンボル流のそれぞれに対するチャンネル状態情報（ＣＳＩ）を獲得する手段と、
    少なくとも１つの再生されたシンボル流を少なくとも１つの復調および復号方式にしたがって処理し、復号されたデータを提供する手段と、
    ＣＳＩを処理して送信機装置に返送する手段とを備えており、
    特定の送信方式がＣＳＩに基づいて複数の可能な送信方式の中から選択され、１以上の送信データ流が選択された送信方式に基づいて受信機装置に送信され、利用可能な全送信パワーが選択された送信方式に基づいて１以上のデータ流に割当てられる無線通信システムにおける受信機装置。

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