JP2013509026A

JP2013509026A - Ｍｉｍｏ−ｏｆｄｍａシステムのための適応ビーム形成及び空間周波数ブロック符号化送信方式

Info

Publication number: JP2013509026A
Application number: JP2012534247A
Authority: JP
Inventors: チャーチンチョン，; フレインミン，; 富士雄渡辺
Original assignee: NTT Docomo Inc
Current assignee: NTT Docomo Inc
Priority date: 2009-10-14
Filing date: 2010-10-08
Publication date: 2013-03-07
Also published as: WO2011046825A1; US20110085504A1

Abstract

【課題】信頼性を増加させた無線通信システムが、本明細書で開示される。
【解決手段】この方法は、（ａ）データフレームの始まりに、チャネルのそれぞれについてチャネル状態を表しているメトリクスを集めるステップと、（ｂ）集められたメトリクスに基づいて、各移動局を１つ又は複数の通信チャネルに割り当てるステップと、（ｃ）フレームのシンボルごとに、いくつかの送信モードのそれぞれの平均ビット誤り率を算出し、そのシンボルについての算出された最低の平均ビット誤り率に対応する送信モードをそのシンボルに割り当てるステップと、（ｄ）それぞれの割り当てられた送信モードに従ってフレームのシンボルを送信するステップとを含む。さらに、ビットローディング最適化ステップは、送信すべきシンボルごとに変調次数を決定するために、方法と連動して実行され得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、高データレートの無線通信に関する。特に、本発明は、ビーム形成及び符号化方式を使用した高データレートの無線通信に関する。
〔関連出願の相互参照〕
本発明は、（ａ）２００９年１０月１４日に出願された「ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭＡシステムのための適応ビーム形成及び空間周波数ブロック符号化送信方式（ＡｎＡｄａｐｔｉｖｅＢｅａｍ−ｆｏｒｍｉｎｇａｎｄＳｐａｃｅ−ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＢｌｏｃｋＣｏｄｉｎｇＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＳｃｈｅｍｅｆｏｒＭＩＭＯ−ＯＦＤＭＡＳｙｓｔｅｍｓ）」という名称の米国特許仮出願第６１／２５１，４２８号、及び（ｂ）２０１０年１０月６日に出願された「ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭＡシステムのための適応ビーム形成及び空間周波数ブロック符号化送信方式（ＡｎＡｄａｐｔｉｖｅＢｅａｍ−ＦｏｒｍｉｎｇａｎｄＳｐａｃｅ−ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＢｌｏｃｋＣｏｄｉｎｇＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＳｃｈｅｍｅＦｏｒＭＩＭＯ−ＯＦＤＭＡＳｙｓｔｅｍｓ）」という名称の米国特許非仮出願第１２／８９９，３９４号に関し、その優先権を主張する。これらの米国特許仮出願及び非仮出願の開示は、全体として参照により本明細書に組み込まれる。
米国を指定国とする場合、本発明は、上記米国特許出願第１２／８９９，３９４号の継続出願である。

無線通信システムは、多様な伝搬環境において、データレートがより高く、より信頼性がある通信に向けて発展してきている。良好な通信システム設計の重要な側面は、システムにおける使用可能なダイバーシティの効率的な使用である。多入力多出力（ＭＩＭＯ）及び直交周波数分割多元接続（ＯＦＤＭＡ）の原理は、チャネルの周波数ダイバーシティ及び空間ダイバーシティを利用することができる柔軟なシステム設計を可能にする。チャネルが周波数選択的であるとき、使用可能なサブチャネルのうちのその最良のチャネルに各移動局（ＭＳ）を割り当てることによって、周波数ダイバーシティを利用することができる（「マルチユーザダイバーシティ」としても知られる）。一方、複数のアンテナを様々な方法で使用して、リンク品質を向上させることができる。例えば、送信機でのチャネル知識（ｃｈａｎｎｅｌｋｎｏｗｌｅｄｇｅ）が使用可能であるとき、ビーム形成（ＢＦ）及び事前符号化技術はアレイ利得を提供する。あるいは、送信機でチャネル情報を必要とすることなく、チャネルにおける空間ダイバーシティのために、空間周波数符号化方式を利用することができる。

周波数分割二重（ＦＤＤ）及び時分割二重（ＴＤＤ）システムにおける受信機からのフィードバックによって、又はＴＤＤシステムにおけるアップリンクチャネルを測定することによって、チャネル情報を取得することができる。送信機で、推定誤差、量子化誤差、又はフィードバック遅延によるチャネル知識の不完全性は、システム設計に影響を及ぼしている重要な要因である。近年、研究者は、送信機での不完全なチャネル知識により多重アンテナ送信を最適化することに焦点を置いていた。こうした研究は、例えば、（ａ）「多重アンテナシステムのための送信機最適化とビーム成形の最適性（Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｎｄｏｐｔｉｍａｌｉｔｙｏｆｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇｆｏｒｍｕｌｔｉｐｌｅａｎｔｅｎｎａｓｙｓｔｅｍｓ）」、Ｓ．Ａ．Ｊａｆａｒ及びＡ．Ｇｏｌｄｓｍｉｔｈ、ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ＷｉｒｅｌｅｓｓＣｏｍｍｕｎ．、第３巻、４号、１１６５〜１１７５頁、２００４年７月、（ｂ）「不完全フィードバックのある時空間送信事前符号化（Ｓｐａｃｅ−ｔｉｍｅｔｒａｎｓｍｉｔｐｒｅｃｏｄｉｎｇｗｉｔｈｉｍｐｅｒｆｅｃｔｆｅｅｄｂａｃｋ）」、Ｅ．Ｖｉｓｏｔｓｋｙ及びＵ．Ｍａｄｈｏｗ、ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．Ｉｎｆｏｒｍ．Ｔｈｅｏ．、第４７巻、６号、２６３２〜２６３８頁、２００１年９月、（ｃ）「不完全チャネル状態情報に基づくロバストな固有送信ビーム形成（Ｒｏｂｕｓｔｔｒａｎｓｍｉｔｅｉｇｅｎｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇｂａｓｅｄｏｎｉｍｐｅｒｆｅｃｔｃｈａｎｎｅｌｓｔａｔｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）」、Ａ．Ａｂｄｅｌ−Ｓａｍａｄ、Ｔ．Ｎ．Ｄａｖｉｄｓｏｎ及びＡ．−Ｂ．Ｇｅｒｓｈｍａｎ、ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．Ｓｉｇ．Ｐｒｏｃｅｓｓ．、第５４巻、５号、１５９６〜１６０９頁、２００６年５月、（ｄ）「凸最適化によるマルチユーザ多重アンテナダウンリンク通信システムのロバストな電力割当設計法（Ｒｏｂｕｓｔｐｏｗｅｒａｌｌｏｃａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｓｆｏｒｍｕｌｔｉｕｓｅｒａｎｄｍｕｌｔｉａｎｔｅｎｎａｄｏｗｎｌｉｎｋｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓｔｈｒｏｕｇｈｃｏｎｖｅｘｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ）」Ｍ．Ｐａｙａｒｏ、Ａ．Ｐａｓｃｕａｌ−Ｉｎｓｅｒｔｅ及びＭ．Ａ．Ｌａｇｕｎａｓ、ＩＥＥＥＪｏｕｒｎａｌＳｅｌｅｃｔ．Ａｒｅａ．Ｃｏｍｍｕｎ．、第２５巻、７号、２００７年９月で発表されている。これらの例は、部分的なチャネル知識が送信機で使用可能であるとき、最適な送信戦略を示す。

あるいは、チャネル品質に基づいて強力な送信を提供するために、空間ダイバーシティ方式がＢＦと結合され得る。こうした手法の例は、例えば、（ａ）「ビーム形成及び直交時空間ブロック符号化の結合（Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇａｎｄｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｓｐａｃｅ−ｔｉｍｅｂｌｏｃｋｃｏｄｉｎｇ）」、Ｇ．Ｊｏｎｇｒｅｎ及びＭ．Ｓｋｏｇｌｕｎｇ、ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．Ｉｎｆｏｒｍ．Ｔｈｅｏｒｙ、第４８巻、３号、６１１〜６２７頁、２００２年３月、（ｂ）「チャネル平均フィードバックに基づく最適送信機固有ビーム成形及び時空間ブロック符号化（Ｏｐｔｉｍａｌｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒｅｉｇｅｎ−ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇａｎｄｓｐａｃｅ−ｔｉｍｅｂｌｏｃｋｃｏｄｉｎｇｂａｓｅｄｏｎｃｈａｎｎｅｌｍｅａｎｆｅｅｄｂａｃｋ）」、Ｓ．Ｚｈｏｕ及びＧ．Ｂ．Ｇｉａｎｎａｋｉｓ、ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．Ｓｉｇ．Ｐｒｏｃｅｓｓ．、第５０巻、１０号、２５９９〜２６１３頁、２００２年１０月、及び（ｃ）「量子化フィードバックを使用したビーム形成と時空間符号化との組み合わせ（Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇａｎｄｓｐａｃｅ−ｔｉｍｅｃｏｄｉｎｇｕｓｉｎｇｑｕａｎｔｉｚｅｄｆｅｅｄｂａｃｋ）」、Ｓ．Ｅｋｔａｂａｎｉ及びＨ．Ｊａｆａｒｋｈａｎｉ、ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ＷｉｒｅｌｅｓｓＣｏｍｍｕｎ．、第７巻、３号、８９８〜９０８頁、２００８年３月で報告されている。ＢＦ空間ダイバーシティ方式においては、チャネルがフレーム全体にわたって固定されているとする準静的フェージングが仮定される。したがって、これらの分析は、一定のチャネルの不完全性に基づき、これは長いフレームの間、又は高いドップラー周波数で有効ではない可能性がある。事実、様々なチャネルの不完全性の状態がモバイルユーザによってしばしば経験される。

時空間符号化又は空間周波数符号化設計、又はＢＦ設計に焦点を置く多数の技術が報告されている。しかし、送信フレーム内で空間周波数符号化とＢＦとの間を切り替える設計は、知られていない。例えば、２００９年４月２１日発行のＧ．Ｇｉａｎｎａｋｉｓ、Ｓ．Ｚｈｏｕの「推定されたチャネル情報を使用した時空間符号化（Ｓｐａｃｅ−ｔｉｍｅｃｏｄｉｎｇｕｓｉｎｇｅｓｔｉｍａｔｅｄｃｈａｎｎｅｌｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）」という名称の米国特許第７，５２２，６７３号は、複数の送信アンテナを有する無線通信システムにおける時空間符号化のみの技術を開示する。こうしたシステムでは、送信機は、受信機からフィードバックされるチャネル情報を使用する。

２００８年６月１９日に出願された、Ａ．Ｎａｇｕｉｂによる「ビーム時空間符号化及び送信ダイバーシティ（Ｂｅａｍｓｐａｃｅｔｉｍｅｃｏｄｉｎｇａｎｄｔｒａｎｓｍｉｔｄｉｖｅｒｓｉｔｙ）」という名称の米国特許出願公開第２００８／０１４４７３８号は、ＢＦを送信ダイバーシティ時空間符号化信号に適用することによって、受信機でダイバーシティ利得を増加させるための方法及び装置を開示する。この技術を使用することによって、信号を時空間符号化することによって、送信ダイバーシティを信号源で利用することができる。送信信号は、特定の時空間符号にそれぞれ関連した複数の時空間アンテナグループを介して時空間符号化される。次いで、各時空間アンテナグループの信号は、時空間アンテナグループのアンテナを介してビーム形成される。時空間アンテナグループ内の各アンテナは、時空間グループ内の他のアンテナに対して、個別の重みで重み付けされる。

２００８年５月１日に出願されたＨ．Ｎｉｕ、Ｃ．Ｎｇｏによる「無線通信システムにおける時空間符号化のための空間拡散行列を計算するための方法及びシステム（Ｍｅｔｈｏｄａｎｄｓｙｓｔｅｍｆｏｒｃｏｍｐｕｔｉｎｇａｓｐａｔｉａｌｓｐｒｅａｄｉｎｇｍａｔｒｉｘｆｏｒｓｐａｃｅ−ｔｉｍｅｃｏｄｉｎｇｉｎｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ）」という名称の米国特許出願公開第２００８／０１０１４９３号は、時空間符号化を統計的な送信ＢＦと結合する無線通信のための方法及びシステムを開示する。統計的な送信ＢＦは、瞬間的なチャネル状態情報（ＣＳＩ）を必要とすることなく、送信相関行列の関数として最適な拡張行列を使用する。高移動性環境において、無線チャネル利得は、送信フレーム内で変化する可能性があり、それによってＢＦの手法における性能のかなりの低下をもたらす。

しかし、上記の技術は、送信フレーム内のチャネルの時間的変化に対処しておらず、したがって、フレーム内の時空間符号化とＢＦとの間の切替機構の望ましさも手段も示唆していない。

２００７年１０月９日に発行された、Ｇ．Ｇｉａｎｎａｋｉｓ、Ｘ．Ｍａの「時間選択無線通信チャネルのための時空間ドップラー符号化方式（Ｓｐａｃｅ−ｔｉｍｅｄｏｐｐｌｅｒｃｏｄｉｎｇｓｃｈｅｍｅｓｆｏｒｔｉｍｅ−ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｃｈａｎｎｅｌｓ）」という名称の米国特許第７，２８０，６０４号は、時間選択及び高ドップラー拡散チャネルについての、時空間ドップラー（ＳＴＤＯ）符号化技術を開示する。特に、ＳＴＤＯ符号化システムは、時間選択周波数フラットチャネル（ｔｉｍｅ−ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｆｌａｔｃｈａｎｎｅｌｓ）についての最大ドップラーダイバーシティを達成することができる。２００７年５月２９日に発行された、Ｇ．Ｇｉａｎｎａｋｉｓ、Ｘ．Ｍａによる「無線通信システムのための時空間マルチパス符号化方式（Ｓｐａｃｅ−ｔｉｍｅｍｕｌｔｉｐａｔｈｃｏｄｉｎｇｓｃｈｅｍｅｓｆｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ）」という名称の米国特許第７，２２４，７４４号は、周波数選択チャネルのための時空間マルチパス（ＳＴＭ）符号化技術を開示する。記載されているＳＴＭ符号化システムは、全空間マルチパスダイバーシティを保証し、帯域幅効率が高い大きい符号化利得を達成する。しかし、ＳＴＭにおける周波数ダイバーシティにもかかわらず、開示された技術のいずれも、周波数ダイバーシティ及びマルチユーザダイバーシティを同時に利用することができない。

２００９年９月１０に出願された、Ｊ．Ｙｌｉｔａｌｏによる「方法を使用した適応送信方式及び基地局（Ａｄａｐｔｉｖｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｍｅｔｈｏｄａｎｄａｂａｓｅｓｔａｔｉｏｎｕｓｉｎｇｔｈｅｍｅｔｈｏｄ）」（「Ｙｌｉｔａｌｏ」）という名称の米国特許出願公開第２００／０２２７２４９号は、ＢＳにおける次のダウンリンク送信の空間送信方法を選択するための技術に関連する。Ｙｌｉｔａｌｏにおいて、ＢＳは、次のダウンリンクフレームについて、ＢＦ、時空間符号化（ＳＴＣ）、又はＭＩＭＯの間の選択を行う。選択は、次のダウンリンクフレームが送信されることになっている特定のＭＳからのフィードバック及びアップリンク測定に基づく。しかし、Ｙｌｉｔａｌｏは、高移動性環境を表す送信フレーム内のチャネルの時間的変化を考慮しない。ＢＦ手法はチャネル知識の不整合に影響されるため、フレーム内のチャネルの変化は、Ｙｌｉｔａｌｏの手法下で性能の低下を引き起こす。

本発明は、信号対雑音比（ＳＮＲ）、変調次数（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｏｒｄｅｒ）、及びドップラー周波数に基づいて、代替の複数のアンテナ送信モードを割り振るための多数の方法を提供する。これらの方法は、信頼性を増加させる（すなわち、ビット誤り率（ＢＥＲ）を低下させる）。

従来技術の方法とは異なり、本発明の方法は、単一のフレームの間、そのフレーム内のチャネルの変化に応答して、異なる送信モードを可能にする。本発明の一実施形態では、方法は、チャネル知識が現在のままである限り、ＢＦ送信モードを割り振ることによって所与のチャネルにおける使用可能なチャネル知識を利用し、しかし、チャネル知識が古くなると、空間周波数ブロック符号化（ＳＦＢＣ）送信モードに切り替える。これらの方法で適用されるために、ＳＮＲ、変調次数、及びドップラー周波数の関数である近似のＢＥＲ式が、ＢＦ及びＳＦＢＣについても提供される。最初のチャネル知識は、フレーム全体にわたるモード割り振りの決定メトリクスを提供する。これらの方法は、すべてのＳＮＲ値において、ＢＦとＳＦＢＣのうちの優れた方と同じように機能することが示されている。

本発明の第２の実施形態によれば、マルチユーザダイバーシティを利用する方法は、フレーム内で時間に応じて単調に減少する平均チャネル電力のチャネルモデルに基づいて、フレームにおけるシンボルにわたってレート及び送信モードを適応させる。こうした方法は、チャネル状態のより効率的な使用のため、上記のＢＦ−ＳＦＢＣ方法よりさらに高い性能を提供する。

本発明は、添付の図面に関連して下記の詳細な説明を考察すると、よりよく理解される。
本発明の一実施形態による、ＯＦＤＭＡシステムにおけるフレーム構造の割り振りを示す図である。本発明の一実施形態による、初期チャネル知識を条件としたＭＩＭＯ送信モードを割り振るための第１の方法を示すフローチャートである。本発明の一実施形態による第２の方法における送信モード割り振りの後のビットローディングアルゴリズムの適用を示す図である。本発明の一実施形態による第２の方法における初期チャネル知識を条件とした多入力単出力（ＭＩＳＯ）送信モードの割り振りを示す図である。

本発明の一実施形態では、ＯＦＤＭＡ無線マルチユーザアクセスネットワークのダウンリンク（ＤＬ）は、ｎ_ｔ本のアンテナを有している送信機を、それぞれｎ_ｒ本の受信アンテナを有している各ＭＳに関与させる。シンボル時間ｎのサブチャネルｑにおけるユーザｋによる受信信号のローパス等価モデルは、以下によって得られる。

式中、

は、サブチャネルｑにおけるユーザｋについての送信信号ベクトルであり、

は、サブチャネルｑにおけるユーザｋについてのチャネル係数のｎ_ｒ×ｎ_ｔの行列（「チャネル行列」）であり、

は、ｎ_ｒ×１のノイズベクトルである。このモデルでは、チャネル係数及びノイズはそれぞれ、ゼロ平均、単位分散、円対称の複素ガウス分布を有している確率変数としてモデル化される。また、ノイズは、アンテナにわたって相関関係がないと想定され、チャネルは、異なるユーザの間で統計的に独立で同一の分布に従う（ｉｉｄ）と想定される。したがって、送信信号の平均電力

は、受信アンテナ当たりの平均ＳＮＲでもある。

高速フェージングチャネル（すなわち、フレームの間は変化するが、ＯＦＤＭシンボル時間の間は相関が高いままである動作条件を有しているチャネル）は、高いドップラー周波数、又は長いフレーム持続時間の場合に、観察され得る効果を有する。シンボル時間ｎの高速フェージングチャネルについてのチャネル行列

は、以下によってモデル化することができる。

式中、

は、フレームの始まりにおけるチャネル係数を表し、

は、ｎ個のシンボル時間にわたるチャネルにおける無相関化による摂動項（ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎｔｅｒｍ）であり、ρ_ｎは、シンボル時間ｎでの初期チャネル行列

とチャネル行列

との間の相関係数である。チャネルはフレーム内で変化するが、受信機は、時間周波数グリッドにおいてフレームにわたって拡散するパイロットシンボルを調べることによって、チャネルを推定することができる。したがって、このモデルは、フレーム全体にわたる受信機のチャネル知識を提供する。

適応チャネル割り当てを使用することによって、ＯＦＤＭＡシステムは、伝搬環境で周波数ダイバーシティ及びマルチユーザダイバーシティを利用することができる。図１は、本発明の一実施形態による、ＯＦＤＭＡシステムにおけるフレーム構造の割り振りを示す。図１に示すように、ＯＦＤＭＡスペクトルを、連続的なサブキャリアのＱ個のサブチャネルに分割することができ、経験するチャネル状態に応じて、各ＭＳを異なるサブチャネルに割り当てることができる。チャネル及び送信モードの選択を存在するＭＳに割り当てるために、基地局（ＢＳ）は、各フレームの始まりにチャネル情報を取得することができる。ＢＳが任意の時間遅延無しにフレームの始まりにチャネル情報を取得すると仮定すると、本発明の方法は、フレームの期間にわたるチャネルの不完全性に応じることを対処する。フレームの始まりにおける完全なチャネル情報は、必要ではない。例えば、フレームの始まりの前のシンボル時間の数を表している負の数である時刻μに、チャネル情報が既知である場合、ρ_ｎの値に対応して変化する式（２）で、チャネル行列

を

の代わりに使用することができる。ＢＳが、フレームの始めにおけるすべてのユーザ（すなわちｑ＝１，．．．，Ｑ）について、チャネル知識

を有すると仮定すると、ＢＳは、遅延なくチャネルをユーザに割り当てることができる。上記の方程式（２）のチャネルモデル下で、チャネルの時間選択性によって決定される任意の相関係数であるパラメータρ_ｎに従って、シンボル時間ｎに、チャネルが無相関となる（最初のチャネル知識に関して）。最初のチャネル知識

が古くなるにつれて、適応チャネル割り当ての利益は時間によって減少する。したがって、フレームの始めにおいて、周波数ダイバーシティ及びマルチユーザダイバーシティをフレームの一部分に利用することができ、その一部分は、ドップラー周波数に依存する。

実用的なシステムにおいて、チャネルは、例えば、メディアアクセス制御（ＭＡＣ）及びスケジューリングプロトコルによって課されるサービス品質要件及び公平性制約に基づいて割り当てられ得る。ＭＡＣ層プロトコルを最適化することさえなく、他の割り当て基準を使用することもできる。下記の説明において、ＭＳは、常にその最良のチャネルに割り当てられると仮定される。シングルユーザの観点から分析が行われるという文脈が明白であるとき、ユーザインデックスｋ及びそのチャネルインデックスｑは省略され得る。しかし、以下のシングルユーザ分析は、複数ユーザのために容易に一般化することができる。

各フレームの始まりに、ＢＳは、ユーザに最良のチャネルを割り当て、ＭＩＭＯ送信モードを割り当てる。シングルモードＢＦでは、最大の固有値を有するチャネルが最良の性能を提供するので、送信機は最大の最大固有値を有するチャネルを選択する。換言すれば、こうしたシステムでは、選択されたチャネルインデックスｑ^＊は、以下によって得られる。

式中、λ_{ｍａｘ，ｑ，０}は、行列Ｈ^ｋ _ｑ，０Ｈ_ｑ，０の最大固有値である。しかし、ＳＦＢＣ送信モードでは、ＳＮＲ最大化チャネルは、最大のフロベニウスノルムを有する。したがって、ＳＦＢＣ送信方式のチャネル割り当て基準は、

であり、式中、｜｜・｜｜_Ｆは、は、フロベニウスノルム演算子を示す。この説明において、表記ｇ_０，ｂｆ及びｇ_{０，ｓｆｂｃ}はそれぞれ、ＢＦ下での最大固有値

及びＳＦＢＣ下でのフロベニウスノルム

を示す。しかし、単一の受信アンテナシステム（例えば、多入力単出力（ＭＩＳＯ）システムにおいて）では、チャネル選択基準は、ＢＦ及びＳＦＢＣの両方について同じである。具体的には、最良のチャネルは、最大のフロベニウスノルムを有するものである。

本発明の一実施形態における第１の方法によれば、ＭＩＭＯ送信モードは、フレームの始まりのチャネル知識、チャネル劣化係数、平均ＳＮＲ、各モバイルユーザのドップラー周波数、及びデータレートに基づいて、フレームにわたって割り振られる。この実施形態において、例示の目的で、シングルモードＢＦ及び直交ＳＦＢＣは、代替の送信方法として提供される。フレームの始まりにおけるすべてのサブチャネルのそのチャネル知識を使用することによって、ＢＳは、最良のサブチャネルを選択し、シンボルごとにＭＩＭＯ送信モードを決定する。選択されたサブチャネルのチャネル知識及び各シンボルの相関係数を使用することによって、ＢＳは、フレームにおけるシンボルごとに平均ＢＥＲを計算し、最小平均ＢＥＲ基準に基づいて、各シンボルでの送信モードを割り振る。

以下の方法は、ＢＦ及びＳＦＢＣの送信モードのそれぞれについて、初期チャネル知識に基づいて、フレームにおけるシンボルごとに、平均ＢＥＲを引き出す。これらのＢＥＲ式は、各シンボルでの２つの送信モードの間での選択を行うために使用される。この分析において、Ｍ値直交振幅変調（Ｍ−ＱＡＭ）信号のみが考えられるが、この方法は、他の変調方式にも適用可能である。次数Ｍの変調方式でのＢＥＲ式は、次のように近似される。

式中、γは、シンボル当たりのＳＮＲである。初期チャネル知識を取得した後、所与のＳＮＲについて、ＢＦ及びＳＦＢＣの送信モード下での平均ＢＥＲ性能が算出され、最小ＢＥＲ要件に基づいて、固定レート送信での適切なＭＩＭＯ送信モードがシンボルごとに選択される。送信モードは、ＢＳから制御チャネル又はメッセージを介してＭＳに伝えられる、又は同じ選択基準を使用してＭＳによって導出される。

送信機のチャネル知識は、例えばチャネル行列の支配的固有ベクトルの方向に送信することによって、アレイ利得を提供するために使用することができる。不完全なチャネル知識により、性能は、初期チャネル行列Ｈ_０と実際のチャネル行列Ｈ_ｎとの間の固有ベクトルの不整合のために低下し得る。シングルモードのＢＦにおいて、支配的固有ベクトルを使用して受信されたＳＮＲを最大にするために、送信機は、行列

の最大固有値の方向にＢＦを選択する。現在のシステムにおいて、送信機は、フレームの始まりに（すなわち、対応するρ_ｎを有する、ｎ＝０又はいくらかの遅延ｎ＝μにおいて）チャネル知識を有する。ＢＦでは、シンボルｎでの平均ＢＥＲは、現在のチャネル実現（ｃｈａｎｎｅｌｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ）Ｈ_０に基づいて、以下によって得られることがわかり、

したがって、現在のチャネル実現Ｈ_０に基づくフレーム全体にわたる平均ＢＥＲは、以下によって得られる。

式中、Ｎは、フレームにおけるＯＦＤＭシンボルの数、Ｍ_ｎは、ｎ番目のシンボルに使用されるＭ−ＱＡＭアルファベットサイズ、γ_０は、シンボル時間ｎ＝０でのＳＮＲである。γ_０は、γ_０＝ηｇ_０，ｂｆによって得られ、式中、ηは、送信信号の平均電力である。

上記したように、ＳＦＢＣ送信モードは、チャネル知識が送信機で使用可能でないとき、チャネルの空間ダイバーシティを利用する。ＳＦＢＣにおいて、ｍ個の変調されたシンボルのブロックは、ｎ_ｆ個のサブキャリアにわたって符号化され、符号化されたベクトルは、ｎ_ｔ個のアンテナから同時に送信される。こうしたＳＦＢＣの有効な送信レートは、Ｒ＝ｍ／ｎ_ｆである。

この実施形態において、送信モードは、固定送信レート及び固定電力に合わせて最適化される。ＳＦＢＣ送信モードの送信レートが１未満（すなわち、Ｒ＜１）である場合、一定の送信レートを維持するために、ＳＦＢＣ送信モードの変調次数が増加されるものとする。この実施形態において、直交ＳＦＢＣ送信モードは、復号の複雑さを非常に低いものにする。シンボルの期間内に、チャネルが連続的なサブキャリアにわたって高い相関性を有すると仮定すると、受信機は、線形複雑度により受信シンボルを復号することができる。各アンテナからのシンボルは、一定の電力（すなわち、

）を維持するために、

によって正規化される。したがって、シンボルｎにおいて受信されたＳＮＲは、

によって得られ、式中、ηは、シンボル当たりの平均ＳＮＲである。したがって、第１のシンボル時間の間の受信されたＳＮＲは、

によって得られる。次いで、Ｍ−ＱＡＭ方式でのシンボルｎのＳＦＢＣ送信モードの平均的なＢＥＲ性能は、

によって得られ、所与のＳＮＲηでのフレームにわたる平均ＢＥＲは、

によって得られる。

準静的な想定が持続しない高速フェージングチャネルにおいて、ＢＳ局は、いくつかの方法でチャネル情報を取得することができる。例えば、不可逆チャネル（ｎｏｎ−ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌｃｈａｎｎｅｌ）（例えば、ＦＤＤシステムで）では、受信機からのフィードバックが使用され得る。同様に、可逆チャネル（ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌｃｈａｎｎｅｌ）（例えば、ＴＤＤシステムで）では、アップリンク測定が使用され得る。しかし、受信機は、常にチャネル情報に素早くアクセスすることができる。したがって、フレームの始まりに、ＢＳ及び各ＭＳは、チャネル情報を有する（すなわち、チャネル行列Ｈ_０を決定することができる）。さらに、環境に基づく平均移動速度を設計において使用することもできる。その結果、ＢＦ及びＳＦＢＣの送信モードの平均ＢＥＲは、式（６）及び（８）を使用して、ＢＳ及びＭＳで算出することができる。したがって、ＭＩＭＯ送信モードを、以下に基づいてシンボルｎにおいて割り当てることができる。

式中、ｍ^＊（ｎ）は、シンボルｎの送信モードインデックスである。あるいは、ＢＳは、初期送信モード及びその後モードを切り替えるための基準を（例えば、パケットヘッダに含まれる制御情報を介して）ＭＳに通知することができる。このように、本発明を実施する複雑度及び誤差の確率（すなわち、切替ポイントについてのＢＳとＭＳとの間の不整合の可能性）は、ＭＳ側においてかなり低減することができる。

図２は、本発明の一実施形態による、上記の方法を示すフローチャートである。図２に示すように、各フレームの始まり（すなわち、ステップ２０１）に、ＢＳは、ＣＳＩ、チャネルにおける時間的相関、平均ＳＮＲ、及び変調次数を取得する。ステップ２０２で、各ＭＳは、（例えば、チャネル行列の最大固有値に従って、又はチャネル行列のフロベニウスノルムに従って）その最良のチャネルが割り当てられる。次いで、ステップ２０３で、フレームのシンボルごとに、ＢＦ及びＳＦＢＣ送信モード下でのそのシンボルについての平均ＢＥＲが、上記の式（６）及び（８）に従って算出される。ＢＦ送信モードについての平均ＢＥＲがＳＦＢＣ送信モードについての平均ＢＥＲ未満である場合、ＢＦ送信モードが選択される（ステップ２０４）。そうでなければ、ステップ２０５で、ＳＦＢＣ送信モードが選択される。ＢＦ及びＳＦＢＣの性能特性、及び送信フレーム内の時間に伴うＣＳＩの知識の低下の増加のため、送信モード切替ポイント（ＢＦからＳＦＢＣ）が生じると、シンボルのそれぞれでの上記の計算を停止することができる。切替ポイント後の送信モードはすべて、ＳＦＢＣである。フレーム内の送信モードの可能性がある選択は、（ｉ）ＣＳＩの知識がフレーム全体にわたって信頼できる場合、すべてのシンボルについてＢＦ、（ｉｉ）ＣＳＩの知識がフレーム全体にわたって十分に信頼できない場合、すべてのシンボルについてＳＦＢＣ、又は（ｉｉｉ）フレーム内でかなりのＣＳＩの知識の低下が生じる場合、信頼できるＣＳＩの知識を有する初期のシンボルについてはＢＦ、残りのシンボルについてはＳＦＢＣ、である。次いで、ステップ２０６で、例えばＤＬ制御チャネルを介して、予め定められた方法を使用して、受信機（すなわち、ＭＳ）に、割り振られた送信モードが伝えられる。この方法下で、変調次数Ｍ_ｎは、フレーム全体にわたって固定される。

本発明の一実施例形態による第２の方法は、平均ＢＥＲを最低限に抑える最適化を提供する。この第２の方法下で、送信モードは、まず、上記の方法と同様、平均ＢＥＲに基づいてフレームに割り振られる。しかし、この第２の方法下で、ＣＳＩの知識は、送信モードの割り振りにおいてでなく、チャネル選択においてのみ使用される。第２の方法は、さらに高い性能を可能にするために、シンボルごとに変調次数選択を提供する。次いで、送信モードの割り振り後、変調次数をフレームの各シンボルに割り当てるために、統計ビットローディングアルゴリズムが実施される。チャネル知識がフレームの始まりにＢＦ及びチャネル選択（マルチユーザダイバーシティ及び周波数ダイバーシティ）によって依然として利用されることに留意されたい。フレーム全体にわたって、チャネルが無相関化するにつれて、チャネル状態情報（ＣＳＩ）は古くなり、平均受信電力は低減する。チャネル品質が変化すると、性能を向上させるために、適応ビットローディングを使用することができる。フレームの始まりにより高いデータレートで送信することによって、ビットローディングアルゴリズムは、各フレームの始まりにおけるより良好なチャネル状態を利用する。最適化問題は、以下によって要約することができ、

式中、Ｍ_ｎは、ｎ番目のシンボルの変調次数、Ｒは、（フレーム当たりのビット数における）送信レート制約、ｒ_ｍａｘは、（ビット数における）瞬間レート制約である。この最適化問題に対するソリューションは、反復的に見つけることができる。ビットが、各ステップで、ＢＥＲの最小限の増加を引き起こす方法でシンボルにロードされるように、反復型アルゴリズムは、各ステップでフレームに予め定められた数のビットを追加する。各ステップでロードされるビット数は、Ｍ_ｎの範囲によって決まる。換言すれば、ｌｏｇ_２（Ｍ_ｎ）がｒビットずつ増加する場合、各ステップでｒビットがロードされる。このアルゴリズムは、ＢＥＲ式が初期チャネル統計にわたって平均されることを必要とする。

２つ又は４つの送信アンテナを有するＭＩＳＯシステム（すなわち、実用上重要であるｎ_ｔ＝２、４）では、この第２の方法は、閉形式のＢＥＲ式で示され得る。ｎ_ｔ＝２では、ＢＦ送信モードでの平均ＢＥＲは、以下の通りとなることがわかる。

式中、Γ（・）は、ガンマ関数、ｄ_ｆは、周波数ダイバーシティ及びマルチユーザダイバーシティを利用することによるダイバーシティ次数である。ダイバーシティ次数は、ｄ_ｆ≒Ｎ_ｔａｐによって近似することができ、Ｎ_ｔａｐは時間領域チャネルタップの数である。類似のステップの後、ＳＦＢＣ送信モードについての対応する平均ＢＥＲは、以下によって得られる。

同様に、ｎ_ｔ＝４を有するＭＩＳＯのケースでは、ＢＦ送信モードについての平均ＢＥＲは、以下によって得られ、

一方、ＳＦＢＣ送信モードについての平均ＢＥＲは、以下によって得られる。

図３及び図４は、本発明の一実施形態によるこの第２の方法を示しているフローチャートである。具体的には、図４は、本発明の一実施形態による第２の方法における初期チャネル知識を条件とするＭＩＳＯ送信モードの割り振りを示す。図３は、本発明の一実施形態による第２の方法における送信モード割り振りの後のビットローディングアルゴリズムを適用することを示す。

図４に示すように、各フレームの始まり（すなわち、ステップ４０１）に、ＢＳは、ＣＳＩ、チャネルにおける時間的相関、平均ＳＮＲ、及び初期固定変調次数を取得する。ステップ４０２で、各ＭＳは、（例えば、チャネル行列のフロベニウスノルムに従って）その最良のチャネルが割り当てられる。次いで、ステップ４０３で、フレームのシンボルごとに、ＢＦ及びＳＦＢＣ送信モード下でのそのシンボルについての平均ＢＥＲが、必要に応じて、上記の式（１２）又は（１３）及び（１４）又は（１５）を使用して、アンテナ構造に従って算出される。ＢＦ送信モードについての平均ＢＥＲがＳＦＢＣ送信モードについての平均ＢＥＲ未満である場合、ＢＦ送信モードが選択される（ステップ４０４）。そうでなければ、ステップ４０５で、ＳＦＢＣ送信モードが選択される。フレームにおけるすべてのＮ個のシンボルについての送信モードが割り当てられるまで、送信モードの選択が続く。次いで、ステップ４０６で、ビットローディング最適化が必要ない場合、例えばＤＬ制御チャネルを介して、予め定められた方法を使用して、受信機（すなわち、ＭＳ）に、割り振られた送信モードが伝えられる。

図３に示すように、ステップ３０１で、図４の送信モードの割り振りが完了した後、送信データレート情報が確認される。ステップ３０２で、ビットローディング最適化（上記の一組の式（１１）においてまとめられた）は、例えば、反復型アルゴリズムを使用することによって実施される。ステップ３０３で、例えばＤＬ制御チャネルを介して、予め定められた方法を使用して、受信機（すなわち、ＭＳ）に、フレームにおけるシンボルごとのビット数及び割り振られた送信モードが伝えられる。

チャネルの時間的相関、平均ＳＮＲ、及びダイバーシティ次数が与えられると、送信モード及び変調次数は、オフラインで予め計算することができ、コードブックで提供することができ、これはＢＳ及び各ＭＳに格納することができる。あるいは、コードブックを使用することなく、ＢＳは、同じ送信フレーム内で制御チャネルを介してＭＳにモード及び変調次数情報を伝えることができる。

上述のＹｌｉｔａｌｏ特許出願に開示されたシステムとは異なり、本発明の方法は、マルチユーザダイバーシティ及び周波数ダイバーシティの両方を利用する。その結果、本発明の方法は、例えば、フレーム内のＯＦＤＭシンボルにわたる統計ビットローディングを利用することができる。さらに、Ｙｌｉｔａｌｏは、チャネル知識の遅れを想定しない。しかし、実際には、フィードバック遅延、信号処理遅延、又はその両方のために、何らかの遅延は不可避であり、したがって、Ｙｌｉｔａｌｏのシステムの性能の低下を引き起こす。チャネル知識の遅延を、本発明の方法に組み込むことができる。さらに、Ｙｌｉｔａｌｏの適合基準はＳＮＲに基づき、一方、本発明の方法の適合基準はＢＥＲに基づく。

上述したように、チャネル状態がシンボル間で変わるときでさえも、本発明は適応する。初期チャネル知識のなしでの適合は、極端に複雑な最適化技術を必要とする可能性があり、それはリアルタイムの遅延に影響される用途では非実用的である。しかし、本発明のＭＩＭＯ切替方法によって、送信機は、送信モードごとの算出された平均ＢＥＲに基づいて、空間周波数ブロック符号化（ＳＦＢＣ）とＢＦ送信モードとの間の選択を簡単に行うことができる。チャネル品質がフレームの間で低下し得る高移動性の用途で、単一のフレームで許容される異なる送信モードは、最も低い平均ＢＥＲを達成する。複数のアンテナ送信モードの他に、本発明によって、データレートを所与のフレームにおけるシンボルにわたって変えることができる。

上記の詳細な説明は、本発明の特定の実施形態を例示するために提供されており、限定のためのものではない。本発明の範囲内の多数の変形及び変更が可能である。本発明は、添付の請求の範囲に記載されている。

Claims

基地局及び複数の移動局を含む無線通信システムにおいて、直交周波数分割多元接続（ＯＦＤＭＡ）データフレームを前記移動局に送信するための方法であって、前記データフレームが複数の通信チャネルを介して送信される複数のシンボルを備えており、前記方法が、
前記データフレームの始まりに、チャネルのそれぞれについてチャネル状態を表しているメトリクスを集めるステップと、
集められた前記メトリクスに基づいて、各移動局を１つ又は複数の通信チャネルに割り当てるステップと、
前記フレームのシンボルごとに、複数の送信モードのそれぞれの平均ビット誤り率を算出し、そのシンボルについての算出された最低の平均ビット誤り率に対応する前記送信モードをそのシンボルに割り当てるステップと、
それぞれの割り当てられた送信モードに従って前記フレームの前記シンボルを送信するステップと
を含む方法。