JP4927976B2 - 広帯域ｍｉｍｏ／ｍｉｓｏシステムのためのビーム−ステアリング及びビーム−フォーミング - Google Patents

Description

本発明は、一般にデータ通信に係り、特に、広帯域ＭＩＭＯ／ＭＩＳＯシステムのためのビーム−ステアリング及びビーム−フォーミングを実施する技術に関する。

多元入力多元出力（ＭＩＭＯ）通信システムは、データ通信のために複数の（Ｎ_Ｔ）送信アンテナ及び複数の（Ｎ_Ｒ）受信アンテナを採用する。Ｎ_Ｔ個の送信及びＮ_Ｒ個の受信アンテナによって形成されたＭＩＭＯチャネルは、Ｎ_Ｓ≦ｍｉｎ｛Ｎ_Ｔ，Ｎ_Ｒ｝である、Ｎ_Ｓ個の独立したチャネルに分解されることができる。Ｎ_Ｓ個の独立したチャネルのそれぞれも、空間サブチャネル若しくはＭＩＭＯチャネルの固有モードとして呼ばれる。

多元入力単一出力（ＭＩＳＯ）通信システムは、データ送信のために複数の（Ｎ_Ｔ）の送信アンテナ及び１個の受信アンテナを採用する。Ｎ_Ｔ個の送信及び１個の受信アンテナによって形成されたＭＩＳＯチャネルは、１個のサブチャネル若しくは固有モードを含む。しかしながら、複数の送信アンテナは、送信ダイバーシティを提供するために、若しくはデータ送信に対するビーム−フォーミング若しくはビーム−ステアリングを実施するために使用される可能性がある。

広帯域システムに対して、直交周波数分割マルチプレクシング（ＯＦＤＭ）は、全体のシステム・バンド幅を複数の（Ｎ_Ｆ）の直交サブバンドに効率的に分割するために使用されることができる。直交サブバンドは、周波数ビン若しくはサブチャネルとしても呼ばれる。ＯＦＭＤを用いて、各サブバンドは、そこでデータが変調される可能性があるそれぞれのサブキャリアと関係付けられる。ＯＦＤＭを利用するＭＩＭＯ／ＭＩＳＯシステム（すなわち、ＭＩＭＯ／ＭＩＳＯ−ＯＦＤＭシステム）に対して、各空間サブチャネルの各サブバンドは、独立した送信チャネルとして見られることができる。

広帯域ＭＩＭＯ／ＭＩＳＯシステムの（複数の）空間サブチャネルは、フェーディング及びマルチパスのような、種々の要因に起因する多様なチャネル状態に遭遇する。各空間サブチャネルは、周波数選択的フェーディングを経験することがある。周波数選択的フェーディングは、全体のシステム・バンド幅の異なる周波数において異なるチャネル利得によって特徴付けられる。これは、それから各空間サブチャネルの異なる周波数において異なる信号対ノイズ比（ＳＮＲ）に帰結することがある。さらに、チャネル状態は、大部分の空間サブチャネルが大きく劣化するレベルに低下することがある。これらの状況では、改善された性能は、データ送信に対して最善の空間サブチャネルだけを使用することによって達成されることができる。

それゆえ、チャネル状態によって保証される場合に、１個の空間サブチャネル上の送信に対してデータを処理するための技術に関するこの分野におけるニーズがある。

技術は、広帯域多元入力システムにおいて１個の空間サブチャネル（若しくは固有モード）上にデータを送信するためにここに提供される。広帯域多元入力システムは、ＭＩＭＯ若しくはＭＩＳＯシステム（例えば、ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭ若しくはＭＩＳＯ−ＯＦＤＭシステム）である可能性がある。これらの技術は、不利なチャネル状態の下において改善された性能を提供するために使用されることができる。

１個の固有モード（代表的に、ＭＩＭＯシステムに対する最良の若しくは主固有モード）上のデータ送信は、ビーム−ステアリング若しくはビーム−フォーミングを使用して達成される可能性がある。広帯域ＭＩＭＯ／ＭＩＳＯシステムに対して、ビーム−ステアリング若しくはビーム−フォーミングは、各サブバンドに対して実施される。各サブバンドは、そのサブバンドに対して得られたステアリング・ベクトルに基づいてデータ送信のための使用に対して選択される。ビーム−ステアリング若しくはビーム−フォーミングも、特定の出力割当てスキームとともに実施される。出力割当てスキームは、サブバンドに対して全送信出力を割り当てる。

ある実施形態では、方法は、多元入力チャネル（例えば、ＭＩＭＯ若しくはＭＩＳＯチャネル）の１個の固有モードを介しての送信に対するデータを処理するために提供される。その方法にしたがって、ステアリング・ベクトルは、複数のサブバンドのそれぞれに対して取得される。各ステアリング・ベクトルは、Ｎ_Ｔ個の送信アンテナに対するＮ_Ｔ個のエレメントを含む。どのようにしてステアリング・ベクトルが規定されるかに依存して、ビーム−ステアリング若しくはビーム−フォーミングが、各サブバンドに対して達成される可能性がある。

全送信出力は、特定の出力割当てスキーム（例えば、全チャネル反転、選択的チャネル反転、ウォータ・フィリング、若しくは均一、これら全ては、下記に説明される）に基づいてサブバンドに割り当てられる。スケーリング値は、その後、サブバンドに割り当てられた送信出力に基づいて各サブバンドについて取得される。

送信されるべきデータは、１若しくはそれより多くのコーディング及び変調スキームに基づいてコード化され変調されて、変調シンボルを与える。各サブバンド上に送信されるべき変調シンボルは、サブバンドのスケーリング値を用いて縮尺され、そして、縮尺された変調シンボルは、サブバンドのステアリング・ベクトルを用いてさらに事前調整される。事前調整されたシンボルのストリームは、その後、各送信アンテナに対して形成され、そして、このストリームは、それぞれの送信アンテナからの送信のために適した変調された信号を生成するためにさらに処理される。

本発明の種々の態様及び実施形態は、下記にさらに詳細に述べられる。本発明は、方法、プログラム・コード、ディジタル信号プロセッサ、送信機ユニット、受信機ユニット、及び下記にさらに詳細に述べられるように、本発明の種々の態様、実施形態、及び特徴を実行する他の装置及びエレメントをさらに提供する。

図１は、ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムにおける複数のサブバンドに対する固有値分解の結果を図式的に説明する。 図２は、ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステム中の送信機システム及び受信機システムのブロック図である。 図３は、送信機システム内部の送信機ユニットのブロック図である。 図４は、送信機ユニット内部の信号スケーリング・ユニット、ビーム−ステアリング・ユニット、及びマルチプレクサのブロック図である。 図５は、ビーム−ステアリング若しくはビーム−フォーミングを使用して多元入力チャネルの１個の固有モード上に送信するためにデータを処理するためのフロー図である。

本発明の特徴、本質、及び利点は、図面を使用して以下に述べる詳細な説明から、さらに明確になるであろう。図面では、一貫して対応するものは同じ参照符号で識別する。

ここに説明されるビーム−ステアリング及びビーム−フォーミング技術は、種々の広帯域ＭＩＭＯ・ＭＩＳＯ通信システムにおいて使用される可能性がある。明確にするために、これらの技術は、ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムに対して具体的に説明される。ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムは、全体のシステム・バンド幅をＮ_Ｆ個の直交サブバンドに効率的に分割する。

ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムに関するモデルは、次式として表されることができる： ｙ（ｋ）＝Ｈ（ｋ）ｘ（ｋ）＋ｎ（ｋ）， ｋ∈｛１，．．．，Ｎ_Ｆ｝に対して 式（１）
ここで、ｙ（ｋ）は、ｋ番目のサブバンドに対してＮ_Ｒ個の受信アンテナを介して受信されたシンボルに対する、Ｎ_Ｒ個のエントリ（entry）、ｉ∈｛１，．．．，Ｎ_Ｒ｝に対する｛ｙ_ｉ（ｋ）｝、を有するベクトル（すなわち、“受信された”ベクトル）であり； ｘ（ｋ）は、ｋ番目のサブバンドに対してＮ_Ｔ個の送信アンテナから送信されたシンボルに対する、Ｎ_Ｔ個のエントリ、ｊ∈｛１，．．．，Ｎ_Ｔ｝に対する｛ｘ_ｊ（ｋ）｝、を有するベクトル（すなわち、“送信”ベクトル）であり；
Ｈ（ｋ）は、エントリ、ｉ∈｛１，．．．，Ｎ_Ｒ｝及びｊ∈｛１，．．．，Ｎ_Ｔ｝に対する｛ｈ_ｉｊ（ｋ）｝、を有する（Ｎ_Ｒ×Ｎ_Ｔ）チャネル応答行列であり、これは、ｋ番目のサブバンドに対してＮ_Ｔ個の送信アンテナからＮ_Ｒ個の受信アンテナへの複素利得であり；及び
ｎ（ｋ）は、ゼロ平均及びΛ _ｎ＝σ^２ Ｉの共分散（covariance）行列を有する、ｋ番目のサブバンドに対する付加的なホワイト・ガウシアン・ノイズ（ＡＷＧＮ）である、ここで、Ｉは、アイデンティティ（identity）行列であり、σ^２は、ノイズ分散である。

単純化のために、各サブバンドは、周波数非選択的である（すなわち、全体のサブバンドにわたり平坦な周波数応答を有する）と仮定される。この場合には、各送信チャネルに対するチャネル応答ｈ_ｉｊ（ｋ）は、１個の複素値により表されることができ、そして、チャネル応答行列Ｈ（ｋ）の要素は、スカラである。同様に単純化のために、ノイズ分散は、全ての送信チャネルにわたって一定であると仮定される。時分割二重通信（ＴＤＤ）システムに対して、順方向及び逆方向リンクは、同一のシステム・バンド幅を共有し、そして、各サブバンドは、相反（reciprocal）であると仮定される可能性がある。すなわち、Ｈ（ｋ）がアンテナ・アレイＡからアンテナ・アレイＢへのチャネル応答行列を表すならば、相反チャネルは、アレイＢからアレイＡへのカップリングが、Ｈ ^Ｈ（ｋ）により与えられることを示唆する。

各サブバンドに対するチャネル応答行列Ｈ（ｋ）は、そのサブバンドに関するＮ_Ｓ個の独立したチャネルを取得するために“対角行列化される”ことができる。これは、Ｈ（ｋ）の相関行列に固有値分解を行うことによって達成される。Ｈ（ｋ）の相関行列は、Ｒ（ｋ）＝Ｈ ^Ｈ（ｋ）Ｈ（ｋ）、ここで、Ｈ ^Ｈ（ｋ）は、Ｈ（ｋ）の共役転置を表す。相関行列Ｒ（ｋ）の固有値分解は、次式として表されることができる：
Ｒ（ｋ）＝Ｅ（ｋ）Ｄ（ｋ）Ｅ ^Ｈ（ｋ）、 ｋ∈｛１，．．．，Ｎ_Ｆ｝に対して 式（２）
ここで、Ｅ（ｋ）は、（Ｎ_Ｔ×Ｎ_Ｔ）の単位行列であり、その列はＲ（ｋ）の固有ベクトルであり；及び
Ｄ（ｋ）は、Ｒ（ｋ）の固有値に対応する対角線上のエントリを有する（Ｎ_Ｔ×Ｎ_Ｔ）の対角行列である。

単位行列は、Ｍ ^Ｈ Ｍ＝Ｉの特性によって表される。

固有値分解も、この分野で知られたように、特異値分解を使用して実施されることがある。

各サブバンドに対する対角行列Ｄ（ｋ）は、対角線に沿って負でない実数を含み、それ以外はどこでもゼロである。これらの対角線エントリは、Ｒ（ｋ）の固有値として呼ばれ、ｋ番目のサブバンドに対するＭＩＭＯチャネルの独立したチャネル（すなわち、固有モード）に対する複素利得に関係する。独立したチャネルの数は、Ｎ_Ｔ個の送信及びＮ_Ｒ個の受信アンテナを有するＭＩＭＯシステムに対してＮ_Ｓ≦ｍｉｎ｛Ｎ_Ｔ，Ｎ_Ｒ｝であるので、Ｒ（ｋ）のＮ_Ｓ個のゼロでない固有値がある。Ｒ（ｋ）の固有値は、ｉ＝｛１，．．．，Ｎ_Ｓ｝及びｋ＝｛１，．．．，Ｎ_Ｆ｝に対して、｛λ_ｉ（ｋ）｝として表される。

ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムに対して、固有値分解は、各サブバンドに対するチャネル応答行列Ｈ（ｋ）に対して独立して実施される可能性があって、そのサブバンドに関するＮ_Ｓ個の固有モードを決定する。ｋ∈｛１，．．．，Ｎ_Ｆ｝に対して、各対角行列Ｄ（ｋ）に対するＮ_Ｓ個の固有値は、｛λ_１（ｋ）≧λ_２（ｋ）≧．．．≧λ_Ｎｓ（ｋ）｝になるように順番に並べられることができる、ここで、λ_１（ｋ）は、最大の固有値であり、そしてλ_Ｎｓ（ｋ）は、ｋ番目のサブバンドに関する最小の固有値である。

図１は、ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムにおいてＮ_Ｆ個のサブバンドに対する固有値分解の結果を図式的に説明する。対角行列のセット、ｋ＝｛１，．．．，Ｎ_Ｆ｝に対するＤ（ｋ）、は、周波数の大きさを表す軸１１０に沿って順番に配列されて示される。各行列Ｄ（ｋ）の固有値、ｉ＝｛１，．．．，Ｎ_Ｓ｝に対する｛λ_ｉ（ｋ）｝、は、行列の対角線に沿って置かれる。軸１１２は、それゆえ空間的な大きさを表しているとして見られることができる。全てのサブバンドに対する固有モードｉ（若しくは単純に、固有モードｉ）は、要素のセット、ｋ＝｛１，．．．，Ｎ_Ｆ｝に対する｛λ_ｉ（ｋ）｝、に関連付けられる、これは、その固有モードに対するＮ_Ｆ個のサブバンドにわたる周波数応答を表示する。各固有モードに対する要素のセット｛λ_ｉ（ｋ）｝は、点線１１４に沿った黒い四角によって示される。図１の各黒い四角は、送信チャネルを表す。周波数選択的フェーディングを経験する各固有モードに対して、その固有モードに対する要素｛λ_ｉ（ｋ）｝は、ｋの異なる値に対して異なる可能性がある。

各対角行列Ｄ（ｋ）中の固有値が下降順（descending order）で記憶されるのであれば、固有モード１（これは、主固有モードとしても呼ばれる）は、各行列中の最大の固有値を含むはずであり、そして固有モードＮ_Ｓは、各行列中の最小の固有値を含むはずである。

条件の悪いチャネル状態下で、大多数の固有モードは、大きく劣化されることがある。このような状況において、改善された性能は、データ送信に対する最良の固有モード（すなわち、主固有モード）だけを使用することによって達成される可能性がある。

ＭＩＳＯ−ＯＦＤＭシステムに対するモデルは、次式で表されることができる：
ｙ（ｋ）＝ｈ（ｋ）ｘ（ｋ）＋ｎ（ｋ）， ｋ∈｛１，．．．，Ｎ_Ｆ｝に対してここで、ｙ（ｋ）は、ｋ番目のサブバンド上で受信されたシンボルを表し；
ｘ（ｋ）は、ｋ番目のサブバンドに対してＮ_Ｔ個の送信アンテナから送信されたシンボルに対するＮ_Ｔ個のエントリを有するベクトルであり；
ｈ（ｋ）は、エントリ、ｊ∈｛１，．．．，Ｎ_Ｔ｝に対して｛ｈ_ｊ（ｋ）｝、を有する（１×Ｎ_Ｔ）のチャネル応答ベクトルであり、これは、ｋ番目のサブバンドに対する１個の受信アンテナへのＮ_Ｔ個の送信アンテナから複素利得であり；及び
ｎ（ｋ）は、ｋ番目のサブバンドに対する付加的なホワイト・ガウシアン・ノイズ（ＡＷＧＮ）である。

ＭＩＭＯ及びＭＩＳＯシステムに対して、１個の固有モード上のデータ送信は、ビーム−ステアリング若しくはビーム−フォーミング、両者とも下記に説明される、を使用して達成される可能性がある。

１． ビーム−フォーミング
ビーム−フォーミング技術は、この固有モードに対する固有ベクトルを用いて変調シンボルを事前調整することによって１個の（例えば、主）固有モード上でデータを送信する。ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムに対して、ビーム−フォーミングは、そのサブバンドについて得られた固有ベクトルを使用して各サブバンドに対して実施される。

式（２）において、単位行列Ｅ（ｋ）は、Ｎ_Ｔ個の固有ベクトルについてのＮ_Ｔ個の列を含む、すなわち、Ｅ（ｋ）＝［ｅ _１（ｋ）ｅ _２（ｋ）．．．．ｅ _NT（ｋ）］。固有ベクトルは、ステアリング・ベクトルとも呼ばれる。各固有ベクトルは、それぞれの固有モード及び対角行列Ｄ（ｋ）の固有値に関係付けられる（すなわち、固有ベクトルｅ _i（ｋ）は、サブバンドｋに対する固有ベクトルλ_i（ｋ）に関係付けられる）。Ｄ（ｋ）の固有ベクトルが上記したように下降順にソートされる場合に、Ｅ（ｋ）の固有ベクトルも、対応する順番に再配列される。ソーティング／再配列の後で、固有ベクトルｅ _１（ｋ）は、最大の固有値λ_i（ｋ）に対応し、ｋ番目のサブバンドについての主固有モードに対する固有ベクトルである。この固有ベクトルｅ _１（ｋ）は、Ｎ_Ｔ個の送信アンテナに対するＮ_Ｔ個の要素を含み、次式として表される：
ｅ _１（ｋ）＝［ｅ _１，１（ｋ）ｅ _１，２（ｋ）．．．ｅ _１，ＮＴ（ｋ）］^Ｔ， ｋ∈｛１，．．．，Ｎ_Ｆ｝に対して 式（３）
ここで“^Ｔ”は、転置を表す。

各サブバンドに関するビーム−フォーミングを達成するために送信機において事前調整することは、次式として表されることができる：
ｘ（ｋ）＝（Ｐ（ｋ））^１／２ ｅ _１（ｋ）ｓ（ｋ）、
ｋ∈｛１，．．．，Ｎ_Ｆ｝に対して 式（４）
ここで、ｓ（ｋ）は、ｋ番目のサブバンドにおいて送信されるべき変調シンボルであり； （Ｐ（ｋ））^１／２は、ｋ番目のサブバンドに割り当てられた送信出力Ｐ（ｋ）に基いて導出されたスケーリング値であり；
ｘ（ｋ）は、ｋ番目のサブバンドに対するＮ_Ｔ個の事前調整されたシンボルを有する送信ベクトルである。

式（４）に示されたように、ビーム−フォーミング技術は、主固有モードについての固有ベクトルｅ _１（ｋ）に基づいて各サブバンドに対して１個の送信ベクトルｘ（ｋ）を発生する。固有ベクトルｅ _１（ｋ）の要素が異なる強度を有することがあるので、送信ベクトルｘ（ｋ）の要素も、異なる強度を有する可能性がある。

各送信アンテナｉに対して、シンボル・ピリオドｎにおいてＮ_Ｆ個のサブバンド上に送信されるべきＮ_Ｆ個の事前調整されたシンボルは、１個の（アンテナ当りの送信）ベクトルｘ _ｉ（ｎ）に一緒にマルチプレックスされる。これは、次式として表される：
ｘ _ｉ（ｎ）＝［ｅ_１，ｉ（１）ｓ^〜（１）ｅ_１，ｉ（２）ｓ^〜（２）．．．ｅ_１，ｉ（Ｎ_Ｆ）
ｓ^〜（Ｎ_Ｆ）］^Ｔ， ｋ∈｛１，．．．，Ｎ_Ｆ｝に対して 式（３）
ここで、ｓ^〜（ｋ）は、縮尺された変調シンボルであり、ｓ^〜（ｋ）＝（Ｐ（ｋ））^１／２ｓ（ｋ）として与えられる。

ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムに対して、ビーム−フォーミングも、そのサブバンドに対して取得されたステアリング・ベクトルを使用して各サブバンドに対して実施される。チャネル分解がチャネル応答ベクトルｈ（ｋ）上で実施されるならば、結果は、１個の固有モード（すなわち、行列Ｄ（ｋ）に対して１個のゼロでない値）及び１個のステアリング・ベクトルである。このステアリング・ベクトルは、ｈ ^＊（ｋ）に等しくなる。ＭＩＳＯに対するビーム−フォーミングは、式（４）に示されたように実施される可能性がある。

２． ビーム−ステアリング
ビーム−ステアリング技術は、変調シンボルをこの固有モードに対する“規格化された”ステアリング・ベクトルを用いて事前調整することによって主固有モード上でデータを送信する。ビーム−ステアリングも、ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムに関する各サブバンドに対して実施される。

上記されたように、主固有モードについて、ｋ∈｛１，．．．，Ｎ_Ｆ｝に対して、各固有ベクトルｅ _１（ｋ）の要素は、異なる強度を有することがある。その結果、ｉ∈｛１，．．．，Ｎ_T｝に対して、アンテナ当りの送信ベクトルｘ _ｉ（ｎ）は、異なる強度を有することがある。各送信アンテナに対する送信出力が（例えば、パワー増幅器の限界のために）制限されるならば、ビーム−フォーミング技術は、各アンテナに対して利用可能な全出力を十分に使用しない可能性がある。

ビーム−ステアリング技術は、ｋ∈｛１，．．．，Ｎ_Ｆ｝に対する、固有ベクトルｅ _１（ｋ）から位相情報だけを使用し、各送信ステアリング・ベクトルを規格化して、その結果、全てのＮ_Ｔ個の要素が等しい強度を有する。ｋ番目のサブバンドに対する規格化されたステアリング・ベクトルｅ ^〜（ｋ）は、次式として表されることができる：

ここで、Ａは、定数（例えば、Ａ＝１）であり；及び
θ_ｉ（ｋ）は、ｉ番目の送信アンテナのｋ番目のサブバンドに対する位相であり、これは、次式として与えられる：

式（５ｂ）に示されたように、ベクトルｅ ^〜（ｋ）中の各要素の位相は、固有ベクトルｅ _１（ｋ）の対応する要素から取得される（すなわち、θ_ｉ（ｋ）はｅ_１，ｉ（ｋ）から取得される）。

各サブバンドに関するビーム−ステアリングを達成するために送信機において事前調整することは、次式として表されることができる：
ｘ（ｋ）＝（Ｐ（ｋ））^１／２ ｅ ^〜（ｋ）ｓ（ｋ），
ｋ∈｛１，．．．，Ｎ_Ｆ｝に対して 式（６）式（５ａ）及び（５ｂ）に示されたように、各サブバンドに対する規格化されたステアリング・ベクトルｅ ^〜（ｋ）の要素は、等しい強度を有するが、おそらく異なる位相を有する。ビーム−ステアリング技術は、同じ強度であるがおそらく異なる位相を有するｘ（ｋ）の要素を用いて、各サブバンドに対して１個の送信ベクトルｘ（ｋ）を発生させる。

上記に説明されたように、各送信アンテナｉに対して、シンボル・ピリオドｎにおいてＮ_Ｆ個のサブバンド上に送信されるべきＮ_Ｆ個の事前調整されたシンボルは、プリアンテナ送信ベクトルｘ _ｉ（ｎ）に一緒にマルチプレックスされる。ｉ∈｛１，．．．，Ｎ_T｝に対する、各送信ベクトルｘ _ｉ（ｎ）は、（おそらく異なる位相を有するが）縮尺された変調シンボルの同じセットを含むので、各送信アンテナに対する全利用可能な送信出力は、十分に使用される可能性がある。

受信機において、変調シンボルｓ（ｋ）の推定値を得るために、各サブバンドについて受信されたベクトルｙ（ｋ）は、e ^Ｈ（ｋ）Ｈ ^Ｈ（ｋ）（ビーム−ステアリングが実施されるならば）若しくはe _１ ^Ｈ（ｋ）Ｈ ^Ｈ（ｋ）（ビーム−フォーミングが実施されるならば）のいずれかを用いて事前に掛け算される（若しくは“調整される”）ことができる。ビーム−ステアリングが実施されるならば、シンボル推定値ｓ＾（ｋ）を得るために調整することは、次式として表されることができる：

ここで、Ｄ（ｋ）は、ｋ番目のサブバンドに対するビーム−ステアリング利得であり、これは、次式として表されることができ、
Ｄ（ｋ）＝ｅ ^〜Ｈ（ｋ）Ｈ ^Ｈ（ｋ）Ｈ（ｋ）ｅ ^〜（ｋ）、及び 式（８） ｎ＾（ｋ）は、ゼロ平均及びσ^２Ｄ（ｋ）のノイズ変動を有するＡＷＧＮである。

ビーム−ステアリングを有するｋ番目のサブバンドについて受信された信号対ノイズ比（ＳＮＲ）は、次式として表されることができる：
γ_ｂｓ（ｋ）＝Ｐ（ｋ）Ｄ（ｋ）／σ^２， ∈｛１，．．．，Ｎ_Ｆ｝に対して 式（９）
ｋ番目のサブバンドに対するスペクトル効率は、能力に対して連続的に、単調に増加する対数関数に基づいて算出されることがあり、次式の通りである：
Ｃ_ｂｓ（ｋ）＝ｌｏｇ_２（１＋γ_ｂｓ（ｋ）），
ｋ∈｛１，．．．，Ｎ_Ｆ｝に対して 式（１０）スペクトル効率は、ヘルツ当りのビット／秒（ｂｐｓ／Ｈｚ）の単位で与えられる。ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムのＮ_Ｆ個のサブバンドに関する中間の（平均の）スペクトル効率は、それから次式として表される：

同様な演算は、ビーム−ステアリング技術に対して実施されることができる。

ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムに対して、ビーム−ステアリングも、そのサブバンドに対して取得された規格化されたステアリング・ベクトルを使用して各サブバンドについて実施される。ＭＩＳＯに対する規格化されたステアリング・ベクトルは、主固有モードに関する規格化されたステアリング・ベクトルｅ ^〜（ｋ）に対して上記に説明されたもののように同様な方法で（すなわち、ステアリング・ベクトルの位相を使用して）取得される可能性がある。ＭＩＳＯに対するビーム−ステアリングは、式（６）に示されたように実施されることができる。

３．サブバンドに対する出力割当て
全てのＮ_Ｔ個の送信アンテナ対する全送信出力が、特定の値Ｐ_{ｔｏｔａｌ}に制限されるのであれば、ビーム−フォーミング技術は、ビーム−ステアリング技術より良い結果を提供することができる。これは、全送信出力が主固有モードに対する固有ベクトルｅ _１（ｋ）に基づいてＮ_Ｔ個の送信アンテナにわたって、より最適に分配されることができるためである。しかしながら、各送信アンテナに対して利用可能な送信出力が（例えば、Ｐ_{ｔｏｔａｌ}／Ｎ_Ｔに）制限されるならば、ビーム−ステアリング技術は、ビーム−フォーミング技術より良い結果を達成することができるはずである。これは、ビーム−ステアリング技術が、各送信アンテナに対して利用可能な出力の全てをより十分に使用することができるためである。

いずれにせよ、全送信出力Ｐ_{ｔｏｔａｌ}は、Ｎ_Ｔ個の送信アンテナ及び種々の出力割当てスキームを使用するＮ_Ｆ個のサブバンドにわたって分配されることができる。これらのスキームは、（１）全チャネル反転、（２）選択的チャネル反転、（３）均一、及び（４）“ウォータ・フィリング”若しくは“ウォータ・ポアリング”出力割当てスキームを含む。明確にするために、これらのスキームのそれぞれは、ビーム−ステアリング技術に対して下記に具体的に説明される。

４． 全チャネル反転
同じ量の送信出力が各サブバンドに対して使用されるのであれば、ビーム−ステアリングは、Ｎ_Ｆ個のサブバンドに対して異なる受信されたＳＮＲに帰結する可能性がある。スペクトル効率を最大にするために、異なるコーディング及び変調スキームは、それから、サブバンドに対して達成されたＳＮＲに依存して各サブバンドに対して使用されることができる。しかしながら、各サブバンドに対して別々にコード化すること及び変調することは、送信機及び受信機の両者の複雑さを著しく増加させることがある。一方で、同一のコーディング及び変調スキームが全てのサブバンドに対して使用されるのであれば、受信されたＳＮＲの変動に依存して、Ｎ_Ｆ個のサブバンドに対するエラー・レートにおいて著しい変動がある可能性がある。

全チャネル反転は、サブバンドを効率的に“反転させる”ために使用されることができ、その結果、全てのサブバンドに対する受信されたＳＮＲは、ほぼ等しくなる。出力割当ては、各送信アンテナに対する全てのサブバンドに割り当てられた全出力がＰ_ａｎｔ＝Ｐ_{ｔｏｔａｌ}／Ｎ_Ｔに制限されることの制約の下で実施される可能性がある。全チャネル反転に対して、各サブバンドに割り当てるための送信出力Ｐ（ｋ）の量は、次式として表されることができる：
Ｐ（ｋ）＝α_ｋＰ_{ｔｏｔａｌ}／Ｎ_ＴＮ_Ｆ、 ｋ∈｛１，．．．，Ｎ_Ｆ｝に対して 式（１２）
ここで、α_ｋは、全チャネル反転出力割当てに対して使用されたスケーリング因子である。ｋ番目のサブバンドに対するスケーリング因子は、次式として表されることができる： α_ｋ＝ｂ／｜Ｄ（ｋ）｜、 式（１３）
ここで、ｂは、規格化因子であり、次式として表されることができる：

式（１２）及び（１３）に示されたように、全送信出力Ｐ_{ｔｏｔａｌ}は、ｋ∈｛１，．．．，Ｎ_Ｆ｝に対して、スケーリング因子α_ｋに基づいてＮ_Ｆ個のサブバンドにわたって不均一に分配される。スケーリング因子は、ビーム−ステアリング利得Ｄ（ｋ）と逆相関である。スケーリング因子α_ｋは、全てのサブバンドに対して受信されたＳＮＲがほぼ等しいことを、保証する。各サブバンドに対して受信された信号出力Ｐ_ｒｘ（ｋ）は、次式として与えられることができる：

ノイズ出力は、σ^２Ｄ（ｋ）により与えられる。サブバンドｋに対する信号対ノイズ比γ（ｋ）は、それから次式によって与えられる：

全受信された信号出力Ｐ_ｒｘは、それから次式として与えられることができる：

全送信出力Ｐ_{ｔｏｔａｌ}は、サブバンドに割り当てられて、その結果、式（１６）に示されたように、等しい受信されたＳＮＲを達成する（すなわち、各サブバンドに対して受信されたＳＮＲは、ｋの関数ではない）。これは、それから、アンテナ当りの出力制約を満足しつつ、全てのサブバンドに対して共通のコーディング及び変調スキームの使用を可能にする。

全てのＮ_Ｆ個のサブバンドに対してほぼ等しい受信されたＳＮＲを達成するために、全チャネル反転スキームは、低い利得を有する弱いサブバンドに対してより多くの送信出力を割り当てる。アンテナ当りの出力がＰ_{ｔｏｔａｌ}／Ｎ_Tに制約されているために、高い利得を有する良好なサブバンドは、より少ない送信出力を割り当てられる。これは、システム全体のスペクトル効率の低下に帰結する。しかしながら、全体のチャネルが実効的に均一であり、受信された信号のイコラーゼーションが必要ない可能性があるので、全チャネル反転は、受信機におけるプロセシングを単純化することができる。

５． 選択的チャネル反転
選択的チャネル反転スキームは、使用するために選択されたサブバンドがほぼ等しい受信されたＳＮＲを達成するように、全送信出力Ｐ_{ｔｏｔａｌ}を分配する。これは、データ送信に対して使用するためにＮ_Ｆ個のサブバンドの全て若しくは１個のサブセットだけを初めに選択することによって実施されることができる。チャネル選択は、特定のしきい値よりも下になる低いＳＮＲを有する悪いサブバンドの削除に帰結する可能性がある。このしきい値は、下記に説明されるように、スペクトル効率を最大にするように選択されることができる。全送信出力Ｐ_{ｔｏｔａｌ}は、それから、選択されたサブバンドだけにわたって分配されて、その結果、それらの受信されたＳＮＲがほぼ等しくなる。

選択的チャネル反転スキームによって出力割当てに対して使用されたスケーリング因子α^〜 _ｋは、次式として表されることができる：

ここで、ρは、しきい値を設定するために使用された値であり、Ｌ_ａｖｇは、平均利得であり、及びｂ^〜は、規格化係数である。規格化係数ｂ^〜は、式（１４）のｂと同様であるが、選択されたサブバンドだけに対して算出され、次式として表されることができる：

平均利得Ｌ_ａｖｇは、次式として算出されることができる：

式（１７）に示されたように、ビーム−ステアリング利得がしきい値より大きい若しくは等しい（すなわち、｜Ｄ（ｋ）｜≧ρＬ_ａｖｇ）のであれば、与えられたサブバンドは、使用するために選択される。送信出力がしきい値より低い利得を有する悪いサブバンドに割り当てられないので、より高いスペクトル効率が達成される可能性がある。使用するために選択されたサブバンドに対して、全送信出力Ｐ_{ｔｏｔａｌ}は、式（１５）に示されたものと同様に、自身のスケーリング因子α^〜 _ｋに基づいてこれらのサブバンドに分配され、その結果、各選択されたサブバンドに対して受信された信号出力は、ｂ^〜Ｐ_{ｔｏｔａｌ}Ｄ（ｋ）／Ｎ_ＴＮ_Ｆとして与えられ、そして全ての選択されたサブバンドは、ほぼ等しい受信されたＳＮＲを有する。

サブバンドを選択するために使用されたしきい値は、種々の基準に基づいて設定されることがある。スペクトル効率を最大にするしきい値は、以下のように決定されることができる。はじめに、全てのＮ_Ｆ個のサブバンドに対する利得Ｄ（ｋ）は、λ∈｛１，．．．，Ｎ_Ｆ｝に対する、リストＧ（λ）の下降順にランク付けされ、並べられる、その結果、Ｇ（１）＝ｍａｘ｛Ｄ（ｋ）｝及びＧ（Ｎ_Ｆ）＝ｍｉｎ｛Ｄ（ｋ）｝である。シーケンスＢ（λ）は、その後、次式のように規定される：

Ｂ（λ）は、最良のλ個のサブバンドが使用されるならば、ｂ^〜のリストである。

λ個のベスト・サブバンドが使用するために選択される場合に結果としてなる、全ての選択されたサブバンド上で受信されたＳＮＲは、次式として与えられる：
γ^（λ）＝Ｂ（λ）Ｐ_{ｔｏｔａｌ}／σ^２Ｎ_Ｔ 式（２１）
式（２１）に対して、全送信出力Ｐ_{ｔｏｔａｌ}は、λ個のベスト・サブバンドの間に割り当てられ、その結果、等しい受信されたＳＮＲを達成する。

λ個のベスト・サブバンドが使用のために選択されるならば、これらのサブバンドに対する全スペクトル効率は、次式として与えられる：
Ｃ（λ）＝λｌｏｇ_２（１＋γ^（λ）） 式（２２）
スペクトル効率Ｃ（λ）は、λ∈｛１，．．．，Ｎ_Ｆ｝に対して、λの各値に対して算出され、アレイ中に記憶されることがある。Ｃ（λ）の全てのＮ_Ｆ個の値が選択されたサブバンドのＮ_Ｆ個の可能性がある組み合わせに対して算出された後で、スペクトル効率のアレイは、トラバースされ、そしてＣ（λ）の最大値が決定される。最大のＣ（λ）に対応するλの値、λ_ｍａｘ、は、評価されようとしているチャネル状態に対する最大のスペクトル効率に帰結するサブバンドの数である。

値ρは、それから次のように算出されることができる：
ρ＝Ｇ（λ_ｍａｘ）／Ｌ_ａｖｇ 式（２３）
ここで、Ｌ_ａｖｇは、式（１９）に示されたように決定される。しきい値ρＬ_ａｖｇは、そのようにしてＤ（λ_ｍａｘ）に等しく設定されることができる、Ｄ（λ_ｍａｘ）は、スペクトル効率を最大にするサブバンドのグループ中の最悪のサブバンドの利得である。チャネル選択に対して使用されたしきい値も、ある種の他の基準に基づいて設定される可能性がある。

全ての選択されたサブバンドについて受信されたＳＮＲは、これらのサブバンドにわたり全送信出力Ｐ_{ｔｏｔａｌ}を不均一に分配することによってほぼ等しくされる可能性がある。等しく受信されたＳＮＲは、そのようにして１個のデータ・レート及び全ての選択されたサブバンドに対して共通のコーディング及び変調スキームの使用を可能にするはずである。これは、送信機及び受信機の両者に対して複雑さを大きく減少させるはずである。

全体及び選択的チャネル反転スキームは、米国特許出願番号第０９／８６０，２７４号、２００１年５月１７日提出、番号第０９／８８１，６１０号、２００１年６月１４日提出、及び番号第０９／８９２，３７９号、２００１年６月２６日提出、３件とも名称“選択的チャネル反転を使用する多元チャネル通信システムにおける送信のためのデータを処理するための方法及び装置”にさらに詳細に説明されている。これらは、本出願の譲受人に譲渡され、引用文献としてここに組み込まれている。

６． ウォータ・フィリング
ウォータ・フィリング・スキームは、サブバンドにわたって全送信出力を最適に分配するために使用されることがあり、その結果、全送信出力がＰ_{ｔｏｔａｌ}に制限されることの制約の下で、全体のスペクトル効率は、最大にされる。ウォータ・フィリング・スキームは、Ｎ_Ｆ個のサブバンドに出力を分配して、その結果、ますます高い利得を有するサブバンドは、全送信出力のますます大きな割合を受ける。所定のサブバンドに割り当てられた送信出力は、サブバンドの受信されたＳＮＲによって決定される。サブバンドの受信されたＳＮＲは、ビーム−ステアリング技術に対して式（９）に示されたように、サブバンドの利得に依存する。ウォータ・フィリング・スキームは、十分に小さな受信されたＳＮＲを有するサブバンドにゼロの送信出力を割り当てることができる。

ウォータ・フィリングを実施するための手順は、この分野で知られており、ここでは説明されない。ウォータ・フィリングを説明する１つの参考文献は、ロバート Ｇ．ギャラガー著、“情報理論及び信頼性のある通信”、ジョン・ウィリー・アンド・サンズ発行、１９６８年、であり、これは、引用文献としてここに組み込まれている。ウォータ・フィリングの結果は、Ｎ_Ｆ個のサブバンドのそれぞれに対する特定の送信出力割当てＰ_ｗ（ｋ）である。ウォータ・フィリング出力割当ては、下記の条件が満足されるように実施される：

ｋ＝｛１，．．．，Ｎ_Ｆ｝に対するＰ_ｗ（ｋ）の割り当てられた送信出力に基づいて、ここで、Ｐ_ｗ（ｋ）は、１若しくはそれより多くのサブバンドに対してゼロであることがあり、各サブバンドに対して受信されたＳＮＲは、次式として表されることができる： γ_ｗ（ｋ）＝Ｐ_ｗ（ｋ）Ｄ（ｋ）／σ^２， ｋ∈｛１，．．．，Ｎ_Ｆ｝に対して 式（２５）
各サブバンドに対するスペクトル効率Ｃは、その後、式（１０）に示されたように算出されることができ、そして、全てのＮ_Ｆ個のサブバンドに対する平均スペクトル効率は、式（１１）に示されたように算出されることができる。

ウォータ・フィリング出力割当ては、一般に、ゼロでない送信出力を割り当てられてきているサブバンドに対して異なる受信されたＳＮＲに結果としてなる。異なるコーディング及び変調スキームは、その後、自身の受信されたＳＮＲに基づいて選択されたサブバンドに対して使用されることができる。

７． 均一出力割当て
均一出力割当てスキームは、全てのＮ_Ｆ個のサブバンドにわたって均一に全送信出力Ｐ_{ｔｏｔａｌ}を分配する。各サブバンドに対して割り当てられた送信出力Ｐ_ｕ（ｋ）は、次式として表されることができる：
Ｐ_ｕ（ｋ）＝Ｐ_{ｔｏｔａｌ}／Ｎ_ＴＮ_Ｆ， ｋ∈｛１，．．．，Ｎ_Ｆ｝に対して 式（２６）
均一出力割当ても、Ｎ_Ｆ個のサブバンドに対して異なる受信されたＳＮＲに帰結する可能性がある。異なるコーディング及び変調スキームは、その後、自身の受信されたＳＮＲに基づいてそれらのサブバンドに対して使用されることができる。ＭＩＭＯシステムが大きなダイバーシティ順を有するのであれば、全及び選択的チャネル反転スキームは、均一出力スキームに対して優位性を提供しない。ＭＩＭＯシステムが大きなダイバーシティ順を有するのであれば、その後、Ｎ_Ｆ個のサブバンドに対するＮ_Ｆ個の最大の固有値は、広範に変化する可能性がない。その場合には、全および選択的チャネル反転スキームの性能は、均一出力スキームの性能と同様であるはずである。

全送信出力も、ある種の他の出力割当てスキームに基づいてサブバンドに割り当てられることがあり、そして、これは、本発明の範囲内である。

シミュレーションは、下記に対して実施された。（１）３つの異なる出力割当てスキーム（全チャネル反転、選択的チャネル反転、及び均一）を有するビーム−ステアリング技術、及び（２）均一出力割当てを有するビーム−フォーミング技術。各送信アンテナに対して利用可能な送信出力が、（例えば、Ｐ_{ｔｏｔａｌ}／Ｎ_Ｔに）制限されている場合に、ビーム−ステアリング技術は、ビーム−フォーミング技術に対する性能の改善において、ほぼ２．５ｄＢの改善を提供する。この顕著な改善は、全ての利用可能な出力が、ビーム−ステアリング技術によって使用されるという事実に帰結する可能性がある。これは、ビーム−フォーミング技術を用いた場合ではない。十分に低い受信されたＳＮＲ（これは、シミュレーションに使用した特定のシステム構成に対して−１ｄＢである）において、ビーム−ステアリング技術は、全ての固有モードを使用してデータを送信し、これらの固有モードにわたり均一に全送信出力を割り当てる技術に関して改善された性能を提供できる。これは、十分に低い受信されたＳＮＲにおいて、数個の固有モードだけが“アクティブ”であるためであり、より良い性能は、最善の固有モードに対して全送信出力を割り当てることによって達成される可能性がある。ビーム−ステアリング技術に対して、ＭＩＭＯチャネルの推定値がノイズが多い場合に、選択的チャネル反転は、低い受信されたＳＮＲにおける全チャネル反転より良い成果を生む。低い受信されたＳＮＲにおいて、選択的チャネル反転を有するビーム−ステアリングが、他のＭＩＭＯ送信スキームよりも使用に対してより良い選択であることを、シミュレーションは、示唆する。

８． システム
図２は、ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステム２００中の送信機システム２１０及び受信機システム２５０の１実施形態のブロック図である。

送信機システム２１０において、データ・ソース２１２からのトラフィック・データ（すなわち、情報ビット）は、送信（ＴＸ）データ・プロセッサ２１４に与えられる。ＴＸデータ・プロセッサ２１４は、データを、コード化し、インターリーブし、変調して、変調シンボルを与える。ＴＸ空間プロセッサ２２０は、変調シンボルをさらに処理して、事前調整されたシンボルを与える。事前調整されたシンボルは、その後、パイロット・シンボルを用いてマルチプレックスされ、各送信アンテナに対して１個のモジュレータである、Ｎ_Ｔ個のＯＦＤＭモジュレータ（ＭＯＤ）２２２ａから２２２ｔに与えられる。各ＯＦＤＭモジュレータ２２２は、事前調整されたシンボルのそれぞれのストリームを処理して、変調された信号を発生する。変調された信号は、その後、それぞれのアンテナ２２４から送信される。

受信機システム２５０において、Ｎ_Ｔ個のアンテナ２２４ａから２２４ｔからの送信された変調された信号は、Ｎ_Ｒ個のアンテナ２５２ａから２５２ｒによって受信される。各アンテナ２５２から受信された信号は、それぞれのＯＦＤＭデモジュレータ（ＤＥＭＯＤ）２５４に与えられる。各ＯＦＤＭデモジュレータ２５４は、受信された信号を調整し（例えば、フィルタし、増幅し、そして周波数ダウンコンバートする）、サンプルを与えるために調整された信号をディジタイズし、そしてサンプルをさらに処理して、受信されたシンボルのストリームを与える。ＲＸ空間プロセッサ２６０は、それから、Ｎ_Ｒ個の受信したシンボル・ストリームを処理して、再生されたシンボルを与える。再生されたシンボルは、送信機システムによって送信された変調シンボルの推定値である。

受信機システムから送信機システムへの逆の経路に対するプロセシングは、順方向経路に対するプロセシングと同様である、若しくは異なっていることがある。逆の経路は、受信機システムから送信機システムへのチャネル状態情報（ＣＳＩ）を送り返すために使用されることができる。ＣＳＩは、下記を行うために送信機システムにおいて使用される。（１）データ送信に対して使用するために適切な（複数の）データ・レート及び（複数の）コーディング及び変調スキームを選択すること、（２）ビーム−ステアリング若しくはビーム−フォーミングを実施すること、及び（３）サブバンドに対して全送信出力を割り当てることである。ＣＳＩは、各種の形式で提供される可能性がある。例えば、ビーム−ステアリングを実施するために、ＣＳＩは、使用のために選択された各サブバンドに対するＮ_Ｔ個の送信アンテナに対するＮ_Ｔ個の位相を含むことができる。

コントローラ２３０及び２７０は、それぞれ、送信機及び受信機における動作を管理する。メモリ２３２及び２７２は、それぞれ、コントローラ２３０及び２７０によって使用されるプログラム・コード及びデータのための格納を提供する。

ＭＩＳＯ−ＯＦＤＭシステム中の送信機及び受信機システムのブロック図は、図２に示されたものと同様であるはずである。しかしながら、受信機システムは、１個の受信アンテナだけを含み、ＲＸ空間プロセッサ２６０を含まないはずである。

図３は、送信機ユニット３００のブロック図である。これは、図２の送信機システム２１０の送信機部分の１実施形態である。

ＴＸデータ・プロセッサ２１４の内部で、エンコーダ３１２は、１若しくはそれより多くのコーディング・スキームにしたがってトラフィック・データ（すなわち、情報ビット）を受信し、コード化して、コード化されたビットを与える。チャネル・インターリーバ３１４は、その後、１若しくはそれより多くのインターリービング・スキームに基づいてコード化されたビットをインターリーブして、時間、空間、及び／若しくは周波数ダイバーシティを与える。シンボルマッピング・エレメント３１６は、それから、１若しくはそれより多くの変調スキーム（例えば、ＱＰＳＫ，Ｍ−ＰＳＫ，Ｍ−ＱＡＭ，等）にしたがってインターリーブされたデータをマップして、変調シンボルを与える。

サブバンドに対するコーディング及び変調は、種々の方式で実施されることができる。サブバンドに対して受信されたＳＮＲが、（例えば、全若しくは選択的チャネル反転を用いて）受信機システムにおいてほぼ等しいのであれば、共通のコーディング及び変調スキームが、データ送信に使用された全てのサブバンドに対して使用されることができる。受信されたＳＮＲが異なるのであれば、別々のコーディング及び変調スキームが、各サブバンド（若しくは、ほぼ等しい受信されたＳＮＲを有するシンボルの各グループ）に対して使用されることができる。コンボルーションの、トレリスの、及びターボ・コーディングは、データをコード化するために使用されることができる。

ＴＸ空間プロセッサ２２０の内部で、ＭＩＭＯチャネルのインパルス応答の推定値は、タイム−ドメイン・サンプル、

の行列のシーケンスとして高速フーリエ変換（ＦＦＴ）ユニット３２２に与えられる。ＦＦＴユニット３２２は、その後、Ｎ_Ｆ個の行列

の各セットにＦＦＴを実施して、Ｎ_Ｆ個の推定されたチャネル周波数応答行列、ｋ∈｛１，．．．，Ｎ_Ｆ｝に対するＨ^（ｋ）の対応するセットを与える。

ユニット３２４は、上記されたように、その後、各行列Ｈ^（ｋ）の固有値分解を実施して、単位行列Ｅ（ｋ）及び対角行列Ｄ（ｋ）を与える。利得のセットＤ（ｋ）は、その後、行列Ｈ^（ｋ）及びステアリング・ベクトル、これは、ｋ∈｛１，．．．，Ｎ_Ｆ｝に対してｅ ^〜（ｋ）若しくはｅ _１（ｋ）であることがある、に基づいて算出される。利得Ｄ（ｋ）は、出力割当てユニット３３０に供給され、そしてステアリング・ベクトルは、ビーム−ステアリング／フォーミング・ユニット３５０に与えられる。

出力割当てユニット３３０は、上記に説明されたいずれか１の出力割当てスキームを使用してサブバンドに全送信出力Ｐ_{ｔｏｔａｌ}を分配する。これは、Ｎ_Ｆ個のサブバンドについて、ｋ∈｛１，．．．，Ｎ_Ｆ｝に対する、Ｐ（ｋ）の出力割当てに帰結する。ここで、Ｐ（ｋ）は、１若しくはそれより多くのサブバンドに対して、ゼロであることがある。出力割当てユニット３３０は、信号スケーリング・ユニット３４０へのサブバンドに対するスケーリング値（Ｐ（ｋ））^１／２を与える。

ＭＩＳＯ−ＯＦＤＭシステム中の送信機ユニットのブロック図は、図３に示されたものと同様であるはずである。しかしながら、各サブバンドに対するステアリング・ベクトルは、チャネル応答行列Ｈ^（ｋ）の代わりにチャネル応答ベクトルｈ^（ｋ）に基づいて導出される。

図４は、送信機ユニット３００内部の信号スケーリング・ユニット３４０ａ、ビーム−ステアリング・ユニット３５０ａ、及びマルチプレックサ３６０ａの１実施形態のブロック図である。これらは、ビーム−ステアリングを実施するために設計される。信号スケーリング・ユニット３４０ａの内部では、変調シンボルｓ（ｋ）は、データ送信に対して使用されるべき各サブバンドに対して１個のサブストームの、（最大）Ｎ_Ｆ個のサブストリームにデマルチプレクサ４４０によってデマルチプレックスされる。各シンボル・サブストームｓ_ｋは、それぞれの増倍器４４２に供給される。

各増倍器４４２は、そのサブバンドに対して与えられたスケーリング値（Ｐ（ｋ））^１／２に基づいて関係付けられたサブバンドに対して信号スケーリングを実施する。特に、各増倍器４４２は、自身のスケーリング値（Ｐ（ｋ））^１／２を用いて自身のサブスト−ム中の各変調シンボルを縮尺して、対応する縮尺された変調シンボルを与える。各変調シンボルに対する信号スケーリングは、次式として表されることができる：
ｓ^〜 _ｋ＝ｓ_ｋ（Ｐ（ｋ））^１／２
各増倍器４４２に対するスケーリング値（Ｐ（ｋ））^１／２は、関係付けられたサブバンドに割り当てられた送信出力Ｐ（ｋ）によって決定される。縮尺された変調シンボルｓ^〜 _ｋの各サブスト−ムは、その後、それぞれのビーム−ステアリング・ユニット４５０に与えられる。

各ビーム−ステアリング・ユニット４５０は、１個の関係付けられたサブバンドに対してビーム−ステアリングを実施し、そのサブバンドに対する規格化されたステアリング・ベクトルｅ ^〜（ｋ）も受信する。各ユニット４５０の内部で、縮尺された変調シンボルｓ^〜 _ｋは、各送信アンテナに対して１個の増倍器の、Ｎ_Ｔ個の増倍器４５２ａから４５２ｔに与えられる。各増倍器４５２は、規格化されたステアリング・ベクトルｅ ^〜（ｋ）のそれぞれの要素ｅ^〜 _ｉ（ｋ）も受信し、要素ｅ^〜 _ｉ（ｋ）を用いてサブスト−ム中の各縮尺された変調シンボルを増倍し、そしてその増倍器に関係付けられた送信アンテナに対するコンバイナ４６０へ事前調整されたシンボルｘ_ｉ（ｋ）を与える。ｋ番目のサブバンドに対するビーム−ステアリング・ユニット４５０ｋによって実施された事前調整は、次式として表されることができる：
ｘ_ｉ（ｋ）＝ｅ^〜 _ｉ（ｋ）ｓ^〜 _ｋ、 ｉ∈｛１，．．．，Ｎ_T｝に対して
各ビーム−ステアリング・ユニット４５０は、Ｎ_Ｔ個の送信アンテナに対するＮ_Ｔ個のコンバイナ４６０ａから４６０ｔへ、ｉ∈｛１，．．．，Ｎ_T｝に対するＮ_Ｔ個の事前調整されたシンボルｘ_ｉ（ｋ）を与える。

信号スケーリング及び事前調整することは、上記に説明されたものと異なる順番で統合され、実施されることも可能性がある。

各コンバイナ４６０は、データ送信に対して使用された最大Ｎ_Ｆ個までのサブバンドについての最大Ｎ_Ｆ個までのビーム−ステアリング・ユニット４５０からの、ｋ∈｛１，．．．，Ｎ_Ｆ｝に対する最大Ｎ_Ｆ個までの事前調整されたシンボル、ｘ_ｉ（ｋ）を受信する。各コンバイナ４６０は、時分割マルチプレクシング、コーディング分割マルチプレクシング、及び／若しくは周波数分割マルチプレクシングを使用して、１若しくはそれより多くのサブバンド中の事前調整されたシンボルを用いてパイロット・シンボルをマルチプレックスすることができる。パイロット・シンボルは、受信機において使用される可能性があって、ＭＩＭＯチャネルを推定する。各コンバイナ４６０は、それぞれのＯＦＤＭモジュレータ２２２へ事前調整されたシンボルのストリームを供給する。

各ＯＦＤＭモジュレータ２２２の内部で、ＩＦＦＴユニット４７２は、事前調整されたシンボルのストリームを受信し、各シンボル・ピリオドに対して事前調整されたシンボルベクトルｘ _ｉ（ｎ）を形成する。各々のそのようなベクトルは、Ｎ_Ｆ個のサブバンドに対するＮ_Ｆ個の要素を有し、選択されたサブバンドに対して事前調整されたシンボルを及び選択されなかったサブバンドに対してゼロを含む（すなわち、ｘ _ｉ（ｎ）＝［ｘ_ｉ（１）ｘ_ｉ（２）．．．ｘ_ｉ（Ｎ_Ｆ）］。ＩＦＦＴユニット４７２は、その後、各ベクトルに逆ＦＦＴを実施して、ＯＦＤＭシンボルとして呼ばれる、対応する時間ドメイン表示を取得する。各ＯＦＤＭシンボルに対して、周期的プリフィックス発生器４７４は、ＯＦＤＭシンボルの部分を繰り返して、対応する送信シンボルを形成する。周期的プリフィックスは、送信シンボルがマルチパス遅延拡散の前で自身の直交特性を保有することを確実にする。送信機（ＴＭＴＲ）４７６は、その後、送信シンボルを１若しくはそれより多くのアナログ信号に変換し、アナログ信号をさらに調整して（例えば、増幅し、フィルタし、そして周波数アップコンバートして）変調された信号を発生する。変調された信号は、その後、関係するアンテナ２２４から送信される。

図５は、ビーム−ステアリング若しくはビーム−フォーミングを使用して多元入力チャネルの１個の固有モード上にデータを送信するためのプロセス５００の１実施形態のフロー図である。多元入力チャネルは、ＭＩＭＯシステム中のＭＩＭＯチャネル若しくはＭＩＳＯシステム中のＭＩＳＯチャネルである可能性がある。初めに、ステアリング・ベクトルは、Ｎ_Ｆ個のサブバンドのそれぞれに対して取得される（ステップ５１２）。各サブバンドに対するステアリング・ベクトルは、（ビーム−フォーミングに対する）そのサブバンドの固有モードに関する固有ベクトルｅ _１（ｋ）である、若しくは（ビーム−ステアリングに対する）固有ベクトルｅ _１（ｋ）に基づいて導出された規格化されたステアリング・ベクトルｅ ^〜（ｋ）であることができる。ＭＩＭＯシステムに関して、サブバンドに対する固有ベクトルは、上記に説明されたように、ｋ∈｛１，．．．，Ｎ_Ｆ｝に対して行列Ｈ^（ｋ）に固有値分解を実施することによって取得されることができる。ＭＩＳＯシステムに関して、各サブバンドに対して１個の固有モード及び１個のステアリング・ベクトルだけがある。各ステアリング・ベクトルは、Ｎ_Ｔ個の送信アンテナに対するＮ_Ｔ個の要素を含む。自身のステアリング・ベクトルによって与えられた各サブバンドに対する利得Ｄ（ｋ）は、（例えば、ビーム−ステアリングに対して式（８）に示されたように）それから決定される（スッテプ５１４）。

全送信出力Ｐ_{ｔｏｔａｌ}は、上記に説明された出力割当てスキーム（例えば、全チャネル反転、選択的チャネル反転、均一、若しくはウォータ・フィリング）のいずれか１つを使用してサブバンドに割り当てられる（ステップ５１６）。サブバンドに対する利得は、出力割当てを実施するために使用されることができる。Ｎ_Ｆ個のサブバンドの全て若しくはただ１個のサブセットは、出力割当てによるデータ送信に対する使用のために選択されることがある。スケーリング値（Ｐ（ｋ））^１／２は、その後、自身に割り当てられた出力に基づいて各選択されたサブバンドに対して取得される（ステップ５１８）。

送信されるべきデータは、１若しくはそれより多くのコーディング及び変調スキームに基づいてコード化され変調されて、変調シンボルを取得する（ステップ５２０）。共通のコーディング及び変調スキームは、サブバンドに対して受信されたＳＮＲがほぼ等しければ、使用される可能性がある。一般に、各サブバンドに対して使用するための特定のコーディング及び変調スキームは、そのサブバンドによって達成された受信されたＳＮＲに依存する。

各サブバンド上に送信されるべき変調シンボルは、それからサブバンドのスケーリング値を用いて縮尺される（ステップ５２２）。各サブバンドに関する縮尺された変調シンボルは、その後、サブバンドのステアリング・ベクトルを用いて事前調整される（ステップ５２４）。事前調整することは、ｅ ^〜（ｋ）若しくはｅ _１（ｋ）がステアリング・ベクトルとして使用されるかどうかに依存して、サブバンドに対するビーム−ステアリング若しくはビーム−フォーミングを達成する。使用のために選択された各サブバンドに対して、Ｎ_Ｔ個の事前調整されたシンボルの１個のベクトルは、各縮尺された変調シンボルに対して発生され、そしてこれらのＮ_Ｔ個の事前調整されたシンボルは、Ｎ_Ｔ個の送信アンテナからそのサブバンド上に送信されるべきである。

事前調整されたシンボルのストリームは、その後、選択されたサブバンドについての事前調整の出力をマルチプレクシングすることによって各送信アンテナに対して形成される。各事前調整されたシンボル・ストリームは、さらに処理されて（例えば、ＯＦＤＭ変調されて）、それぞれの送信アンテナからの送信のために変調された信号を与える（ステップ５２８）。

明確にするために、特定の実施形態が上記に説明されてきた。これらの実施形態の変形及び他の実施形態も、ここで説明された教示に基づいて導き出される可能性がある。例えば、サブバンドのセットは、サブバンドへの送信出力を割り当てるために使用したスキームとは無関係に、１若しくはそれより多くの基準に基づいてデータ送信のための使用に対して選択されることができる。他の１つの例として、利得Ｄ（ｋ）及びステアリング・ベクトルは、受信機システムによって導出されることができ、ＣＳＩの一部分として送信機システムへ与えられることがある。ＭＩＭＯ及びＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムに関するプロセシングは、米国特許出願第０９／９９３，０８７号、名称“多元アクセス多元入力多元出力（ＭＩＭＯ）通信システム”、２００１年１１月６日提出、にさらに詳細に説明されており、本発明の譲受人に譲渡され、ここに引用文献として組み込まれている。

明確にするために、ビーム−ステアリング及びビーム−フォーミングを実施するための技術は、ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムに対して具体的に説明されてきた。これらの技術は、ＯＦＤＭを採用しないＭＩＭＯシステムに対しても使用されることができる。各サブバンドに対するビーム−ステアリング若しくはビーム−フォーミングを達成するためのプロセシングは、上記に説明されたように実施される可能性がある。しかしながら、モジュレータ２２２よるプロセシングは、使用のために選択された固有の変調／送信スキーム依存するはずである。

ここに説明された技術は、種々の手段によって実行されることができる。例えば、これらの技術は、ハードウェア、ソフトウェア、若しくはこれらの組み合わせで実行されることができる。ハードウェア実行に対して、いずれか１つの技術（例えば、ＴＸ空間プロセッサ２２０）若しくは組み合わせを実行するために使用された素子は、1若しくはそれより多くのアプリケーション・スペシフィック集積回路（ＡＳＩＣｓ）、デジタル・シグナル・プロセッサ（ＤＳＰｓ）、デジタル・シグナル・プロセシング・デバイス（ＤＳＰＤｓ）、プログラマブル・ロジック・デバイス（ＰＬＤｓ）、フィールド・プログラマブル・ゲートアレイ（ＦＰＧＡｓ）、プロセッサ、コントローラ、マイクロ−コントローラ、マイクロプロセッサ、ここに説明した機能を実行するために設計された他の電子ユニット、若しくはこれらの組み合わせの内部で、実行される可能性がある。

ソフトウェア実行に対して、ここに説明された技術は、ここで説明された機能を実施するモジュール（例えば、手順、機能、及びその他）を用いて実行される可能性がある。ソフトウェア・コードは、メモリ・ユニット（例えば、図２のメモリ・ユニット２３２）中に記憶され、そしてプロセッサ（例えば、コントローラ２３０）によって実行されることができる。メモリ・ユニットは、プロセッサの内部で、若しくはプロセッサの外部で実行されることができる。この場合には、この分野で知られた種々の手段を介してプロセッサに通信的に接続されるはずである。

見出しは、参考のため及びあるセクションの位置を見つけることを助けるためにここに含まれる。これらの見出しは、その場所でその下で説明された概念の範囲を制限することを目的にするのではない、そしてこれらの概念は、全体の明細書を通して他のセクションにおいて適用可能性を有する可能性がある。

開示された実施形態のこれまでの説明は、本技術分野に知識のあるいかなる者でも、本発明を作成し、使用することを可能にするために提供される。これらの実施形態に対する種々の変形は、本技術分野に知識のある者に、容易に実現されるであろう。そして、ここで規定された一般的な原理は、発明の精神若しくは範囲から逸脱しないで、他の実施形態に適用される可能性がある。それゆえ、本発明は、ここに示された実施形態に制限することを意図したものではなく、ここに開示された原理及び新規な特性と整合する広い範囲に適用されるものである。

Claims (27)

1. 広帯域多元入力チャネルを介しての送信のためのデータを処理する方法、該方法は下記を具備する：
   複数のサブバンドのそれぞれに対するステアリング・ベクトルを取得すること、ここで、各ステアリング・ベクトルは複数の送信アンテナに対する複数の要素を含む；及び
   サブバンドに対するステアリング・ベクトルを用いて各サブバンド上に送信されるべき変調シンボルを事前調整すること、
   ここで、各送信アンテナに対して利用可能な送信出力は制限され、各送信アンテナに関して利用可能な出力の全てを充分に使用可能とするために、各ステアリング・ベクトルは関係付けられたサブバンドに関するビーム・ステアリングを達成する結果、各ステアリング・ベクトルの要素は等しい強度を有する、なお、前記ビーム・ステアリングを前記達成することは、全ての要素が等しい強度を有するように各送信ステアリングベクトルを正規化し、その結果、固有ベクトルの位相情報だけを使用することを備える。
2. 請求項１の方法、ここで、各ステアリング・ベクトルは、関係付けられたサブバンドに関するビーム−ステアリングを達成する。
3. 請求項１の方法、ここで、各ステアリング・ベクトルの要素は、等しい強度を有する。
4. 請求項１の方法、ここで、各ステアリング・ベクトルは、関係付けられたサブバンドに関するビーム−フォーミングを達成する。
5. 請求項１の方法であって：
   複数のサブバンドに対する複数のスケーリング値を取得すること；及び
   サブバンドに対するスケーリング値を用いて各サブバンドに関する変調シンボルを縮尺すること、
   をさらに具備する。
6. 請求項５の方法、ここで、サブバンドに対するスケーリング値は、ステアリング・ベクトルによって与えられたサブバンドに関する利得に基づいて決定される。
7. 請求項５の方法、ここで、サブバンドに対するスケーリング値は、サブバンドに割り当てられた送信出力に基づいて決定される。
8. 請求項７の方法、ここで、送信出力は、全チャネル反転に基づいてサブバンドに割り当てられる。
9. 請求項７の方法、ここで、送信出力は、選択的チャネル反転に基づいてサブバンドに割り当てられる。
10. 請求項７の方法、ここで、送信出力は、均一出力割当てに基づいてサブバンドに割り当てられる。
11. 請求項７の方法、ここで、送信出力は、ウォータ・フィリング出力割当てに基づいてサブバンドに割り当てられる。
12. 請求項１の方法、ここで、多元入力チャネルは、多元入力多元出力（ＭＩＭＯ）チャネルである。
13. 請求項１２の方法、ここで、各サブバンドに対するステアリング・ベクトルは、主固有モードに対応する固有ベクトルに基づいて導出される。
14. 請求項１の方法、ここで、多元入力チャネルは、多元入力単一出力（ＭＩＳＯ）チャネルである。
15. 請求項１の方法であって：
    変調シンボルを与えるために共通のコーディング及び変調スキームに基づいてコーディングし変調すること、
    をさらに具備する。
16. 請求項１の方法であって：
    各送信アンテナに対して事前調整されたシンボルのストリームを形成すること；及び
    それぞれの送信アンテナからの送信のための変調された信号を与えるために事前調整されたシンボルの各ストリームを処理すること、
    をさらに具備する。
17. 請求項１の方法、ここで、広帯域システムは、直交周波数分割マルチプレクシング（ＯＦＤＭ）を実行する、及びここで、複数のサブバンドは、ＯＦＤＭにより与えられた直交サブバンドに対応する。
18. 直交周波数分割マルチプレクシング（ＯＦＤＭ）を実行する多元入力通信システムにおいて、多元入力チャネルを介しての送信のためのデータを処理する方法、該方法は下記を具備する：
    複数のサブバンドのそれぞれに対するステアリング・ベクトルを取得すること、ここで、各ステアリング・ベクトルは、複数の送信アンテナに対する複数の要素を含む；
    複数のサブバンドに対する複数のスケーリング値を取得すること；
    サブバンドに対するスケーリング値を用いて各サブバンド上に送信されるべき変調シンボルを縮尺すること；
    サブバンドに対するステアリング・ベクトルを用いて各サブバンドに対する縮尺された変調シンボルを事前調整すること；及び
    各送信アンテナに対する事前調整されたシンボルのストリームを形成すること、
    ここで、各送信アンテナに対して利用可能な送信出力は制限され、各送信アンテナに関して利用可能な出力の全てを充分に使用可能とするために、各ステアリング・ベクトルは関係付けられたサブバンドに関するビーム・ステアリングを達成する結果、各ステアリング・ベクトルの要素は等しい強度を有する、なお、前記ビーム・ステアリングを前記達成することは、全ての要素が等しい強度を有するように各送信ステアリングベクトルを正規化し、その結果、固有ベクトルの位相情報だけを使用することを備える。
19. 請求項１８の方法、ここで、各ステアリング・ベクトルは、関係付けられたサブバンドに関するビーム−ステアリングを達成する。
20. 請求項１８の方法、ここで、サブバンドに対するスケーリング値は、選択的チャネル反転に基づいて決定される。
21. 多元入力通信システム中の送信機ユニット、該送信機ユニットは下記を具備する：
    変調シンボルを与えるために１若しくはそれより多くのコーディング及び変調スキームに基づいてデータをコード化し及び変調するＴＸデータ・プロセッサ；及び
    複数のサブバンドのそれぞれに対するステアリング・ベクトルを取得するため、サブバンドに対するステアリング・ベクトルを用いて各サブバンド上に送信されるべき変調シンボルを事前調整するため、及び多元入力チャネルの単一固有モードを介しての送信に対して事前調整されたシンボルを与えるためのＴＸ空間プロセッサ、
    ここで、各送信アンテナに対して利用可能な送信出力は制限され、各送信アンテナに関して利用可能な出力の全てを充分に使用可能とするために、各ステアリング・ベクトルは関係付けられたサブバンドに関するビーム・ステアリングを達成する結果、各ステアリング・ベクトルの要素は等しい強度を有する、なお、前記ビーム・ステアリングを前記達成することは、全ての要素が等しい強度を有するように各送信ステアリングベクトルを正規化し、その結果、固有ベクトルの位相情報だけを使用することを備える。
22. 請求項２１の送信機ユニット、ここで、ＴＸ空間プロセッサは、複数のサブバンドに全送信出力をさらに割り当てるためである。
23. 請求項２２の送信機ユニット、ここで、ＴＸ空間プロセッサは、サブバンドに割り当てられた送信出力に基づいて各サブバンドに対するスケーリング値をさらに決定するため、及びサブバンドに対するスケーリング値を用いて各サブバンドに関する変調シンボルをさらに縮尺するためである。
24. 請求項２１の送信機ユニット、ここで、各ステアリング・ベクトルは、関係付けられたサブバンドに関するビーム−ステアリングを達成する。
25. 直交周波数分割マルチプレクシング（ＯＦＤＭ）を実行する多元入力通信システム中の送信機ユニット、該送信機ユニットは下記を具備する：
    変調シンボルを与えるために共通のコーディング及び変調スキームに基づいてデータをコード化し及び変調するＴＸデータ・プロセッサ；及び
    複数のサブバンドのそれぞれに対するステアリング・ベクトルを取得するため、ここで、各ステアリング・ベクトルは、複数の送信アンテナに対する複数の要素を含む、
    複数のサブバンドに対する複数のスケーリング値を取得するため、
    サブバンドに対するスケーリング値を用いて各サブバンド上に送信されるべき変調シンボルを縮尺するため、
    サブバンドに対するステアリング・ベクトルを用いて各サブバンドに対する縮尺された変調シンボルを事前調整するため、及び
    多元入力チャネルの単一固有モードを介しての送信に対して事前調整されたシンボルを与えるための、
    ＴＸ空間プロセッサ、
    ここで、各送信アンテナに対して利用可能な送信出力は制限され、各送信アンテナに関して利用可能な出力の全てを充分に使用可能とするために、各ステアリング・ベクトルは関係付けられたサブバンドに関するビーム・ステアリングを達成する結果、各ステアリング・ベクトルの要素は等しい強度を有する、なお、前記ビーム・ステアリングを前記達成することは、全ての要素が等しい強度を有するように各送信ステアリングベクトルを正規化し、その結果、固有ベクトルの位相情報だけを使用することを備える。
26. 多元入力チャネルを介しての送信に対するデータを処理するための装置、該装置は下記を具備する：
    複数のサブバンドのそれぞれに対するステアリング・ベクトルを取得するための手段、ここで、各ステアリング・ベクトルは、複数の送信アンテナに対する複数の要素を含む；及び
    サブバンドに対するステアリング・ベクトルを用いて各サブバンド上に送信されるべき変調シンボルを事前調整するための手段、
    ここで、各送信アンテナに対して利用可能な送信出力は制限され、各送信アンテナに関して利用可能な出力の全てを充分に使用可能とするために、各ステアリング・ベクトルは関係付けられたサブバンドに関するビーム・ステアリングを達成する結果、各ステアリング・ベクトルの要素は等しい強度を有する、なお、前記ビーム・ステアリングを前記達成することは、全ての要素が等しい強度を有するように各送信ステアリングベクトルを正規化し、その結果、固有ベクトルの位相情報だけを使用することを備える。
27. 請求項２６の装置であって：
    ステアリング・ベクトルによって与えられたサブバンドに関する利得を取得するための手段；
    少なくとも一部分は利得に基づいてサブバンドに全送信出力を割り当てるための手段；
    サブバンドに割り当てられた送信出力に基づいてサブバンドに対するスケーリング値を決定するための手段；及び
    サブバンドに対するスケーリング値を用いて各サブバンドに対する変調シンボルを縮尺するための手段、
    をさらに具備する。

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