JP4965127B2 - Ｍｉｍｏシステムのためのレート適応送信スキーム - Google Patents

Description

この出願は、この出願の譲受人に譲渡され、参照することによりすべての目的に対してその全体としてここに組み込まれる、２００２年１０月１６日に出願された、「レート適応システムのためのＭＩＭＯシグナリングスキーム」(MIMO Signaling Schemes for Rate Adaptive Systems)というタイトルの米国仮特許出願６０／４１９，３１９の利益を請求する。

この発明は、一般にデータ通信に関し、特に、多重入力多重出力(ＭＩＭＯ）通信システムに関する。

ＭＩＭＯシステムはデータ送信のために多重(Ｎ_T）送信アンテナおよび多重(Ｎ_R）受信アンテナを採用する。Ｎ_T送信アンテナおよびＮ_R受信アンテナにより形成されるＭＩＭＯチャネルは、Ｎ_Sの独立したチャネルに分解される。この場合Ｎ_S≦ｍｉｎ｛Ｎ_T，Ｎ_R}である。Ｎ_Sの独立したチャネルの各々は、次元に相当する。多重送信アンテナおよび多重受信アンテナにより作られたさらなる次元が利用されるなら、ＭＩＭＯシステムは改良された性能（例えば、より高いスループットおよび／またはより大きな信頼性)を提供することができる。

無線通信システムにおいて、送信されるデータは、典型的に処理され（例えば、コード化され変調され)データシンボルを供給する。ＭＩＭＯシステムの場合、１つのまたは複数のデータシンボルのストリームは、送信器から受信器に送信されるかもしれない。多重データシンボルストリームは、空間多重化を用いて多重送信アンテナから並列に送信されるかもしれない。空間多重化は、ＭＩＭＯチャネルのさらなる次元を利用する。高いスループットを得るためには、できるだけ並列に多くのデータシンボルストリームを送信することが望ましい。しかしながら、送信されるかもしれないデータシンボルストリームの数、およびこれらのストリームのために使用されるかもしれないレートは、チャネル条件に典型的に依存する。空間多重化のための種々の送信スキームが現在利用可能である。これらのスキームは下記を含む。（１）各アンテナから１つのデータシンボルストリームを送信する「アンテナ多重化」スキーム、および(２)ＭＩＭＯチャネルの各独立したチャネル上に１つのデータシンボルストリームを送信する「固有モード多重化」スキーム。

あるいは、データ送信の信頼性を高めるために、送信ダイバーシティを用いて、単一のデータシンボルストリームが多重送信アンテナから送信されるかもしれない。ダイバーシティは、多重送信アンテナ並びに多重受信アンテナの使用により達成され、データシンボルストリームのための多数の伝播経路を提供する。より大きな信頼性を望むなら、またはチャネル条件が貧弱で１つのデータシンボルストリームにすべての利用可能な送信電力を使用したほうがよいなら、送信ダイバーシティが使用されるかもしれない。送信ダイバーシティのための種々の送信スキームが現在利用可能である。これらのスキームには下記のものが含まれる。(１)「無線通信のための簡単な送信ダイバーシティ」(A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications)（ＩＥＥＥ ＪＳＡＣ、１９９８年１０月)というタイトルの論文の中のＳ．Ｍ．Ａｌａｍｏｕｔｉにより記載された「空間−時間ダイバーシティ」、および(２)「フィードバック遅延を有する閉ループ送信ダイバーシティの性能」(Performance of Closed Loop Transmit Diversity with Feedback Delay)(信号、システム、およびコンピュータに関する第３４回Ａｓｉｌｏｍａｒ会議(Thirty-Fourth Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers)、２０００年)の論文の中でＢ．Ｒａｇｈｏｔｈａｍａｎ他により記載された「遅延ダイバーシティ」。［０００６］ 高性能を達成するために、ＭＩＭＯシステムは、空間多重化のために１つ以上の送信スキームをサポートするように、および送信ダイバーシティのために１つ以上の送信スキームをサポートするように設計されるかもしれない。そのようなＭＩＭＯシステムの場合、所定の送信間隔において、チャネル条件および所望の結果（例えば、より高いスループットまたはより大きな信頼性)に応じて、特定の送信スキームが使用のために選択されるかもしれない。しかしながら、空間多重化のための従来の送信スキームは、送信ダイバーシティのための従来の送信スキームと、設計において多くの場合全く異なる。したがって、送信器および受信器が、空間多重化および送信ダイバーシティのために多重の（かつ異なる)送信スキームをサポートする必要があるなら、システム内の送信器と受信器の複雑性が非常に増大するかもしれない。さらに、高性能のためには、送信されるデータシンボルストリームの数に関係無く、システムに対して利用可能な合計送信電力を完全に利用し、かつデータ送信のためのＮTの送信アンテナの各々に対して利用可能な全出力を完全に利用することが望ましい。

それゆえ、空間多重化をサポートすることができ、送信ダイバーシティを供給することができ、かつＭＩＭＯシステムにおける利用可能な送信電力を完全に利用することができる送信スキームのための技術的必要性がある。

空間多重化をサポートし、ＭＩＭＯシステムのために送信ダイバーシティを供給するレート適応送信スキームがここに提供される。レート適応送信スキームは多数の望ましい特性を有し、下記を含む。
（１）可変数のデータシンボルストリームの送信をサポートし、従ってレート適応システムのための使用に適するようにする。(２)データシンボルストリーム毎に送信ダイバーシティを供給する。(３)送信されるデータシンボルストリームの数に関係無く、各送信アンテナに対して利用可能な全出力がデータ送信のために使用可能にし、電力効率を良くする。

レート適応送信スキームは単一キャリアＭＩＭＯシステムに良く適しており、マルチキャリアＭＩＭＯシステムのために使用してもよい。

一実施形態において、ＭＩＭＯシステムにおける送信のためにデータを処理する方法が提供される。この方法に従って、少なくとも１つのデータシンボルのストリームが複数の送信アンテナからの送信のために受信される。各データシンボルストリームは、そのデータシンボルストリームに割り当てられた送信電力の量に対応するそれぞれの重みでスケーリング(scaling)される。少なくとも１つのデータシンボルストリームのすべてに割り当てられた送信電力の合計量は、システムに利用可能な合計送信電力以下である。次に、スケーリング(scaling)されたデータシンボル（複数の場合もある)は、送信基礎マトリクスと乗算され、各送信アンテナにつき１つの送信シンボルストリームの割合で、複数の送信シンボルのストリームを供給する。

送信基礎マトリックスは、(１)各データシンボルストリームが複数の送信アンテナから送信される、および(２)各送信シンボルストリームは、関連するアンテナに対して利用可能な全出力（またはその付近)で送信されるように、定義される。送信基礎マトリックスは、ウオルシュ−アダマールマトリックス、離散的フーリエ変換（ＤＦＴ）マトリックスあるいはその他のマトリックスであってもよい。

この発明の種々の観点および実施形態は、以下に詳細に記載される。

本発明の特徴、性質および利点は、類似の参照文字が全体にわたって対応して特定する図面とともに以下に述べる詳細な説明からより明白になるであろう。

ＭＩＭＯシステムのための適応送信スキームがここに記載される。マルチキャリアＭＩＭＯシステムの場合、送信スキームは、データ送信のために利用可能なマルチキャリアの各々に対して使用してもよい。明確にするために、レート適応送信スキームは、単一キャリアＭＩＭＯシステムの場合について以下に記載される。

単一キャリアのＭＩＭＯシステムの場合、Ｎ_T送信アンテナおよびＮ_R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}を条件としてＮ_Sの独立チャネルに分解してもよい。独立チャネルの数は、ＭＩＭＯチャネル用の固有モードの数によって決定される。ＭＩＭＯチャネルは、ＮT送信アンテナおよびＮR受信アンテナとの間の応答を記載するチャネル応答マトリクスＨに依存する。簡単にするために、下記の記載は、Ｎ_T＜Ｎ_Rを仮定し、およびチャネル応答マトリクスＨは、最大階数（すなわち、Ｎ_S＝Ｎ_T≦Ｎ_R)であると仮定する。これらの仮定に従って、シンボルピリオド毎に、Ｎ_Tまでのシンボルは、Ｎ_T送信アンテナから並列送信することができる。

単一キャリアＭＩＭＯシステムのためのモデルは次のように表現してもよい。

但しｘは、ＮTの送信アンテナから送信されるデータシンボルのためのＮ_Tエントリを有する｛Ｎ_T×１}「データ」ベクトルである。ｙはＮR受信アンテナを介して受信されたシンボルのためのＮ_Rエントリを有した｛Ｎ_R×１}「受信」ベクトルである。Ｈは｛Ｎ_RｘＮ_T｝チャネル応答マトリックスである。；およびｎは加法的白色ガウス雑音（ＡＷＧＮ）のベクトルである。データベクトルｘは

であるように仮定される。但し、Ｅは、期待演算であり、^”Ｈ”は、共役転置であり、およびＩは、対角線に沿った「１」と他のいずれかの場所における「０」を有した恒等マトリクスである。ベクトルｎは、ゼロ平均値および

の共分散マトリクスを有すると仮定される。但し、σ²は、雑音の分散である。

典型的なシステムにおいて、(１)すべてのＮTの送信アンテナのために使用してもよい合計送信電力、Ｐ_tot、および（２)各送信アンテナのための最大または全出力、Ｐ_antに制約がある。典型的には、アンテナ当たりの電力Ｐ_antは、Ｐ_ant＝Ｐ_tot／Ｎ_Tとして与えられる。これらの制約は、（１）各送信アンテナを駆動するために使用される電力増幅器の限定、（２)規制基準、および(３)おそらく他の因子により課せられてもよい。

従って、これらの電力制約を備えたＭＩＭＯシステムのためのモデルは次のように表現してもよい：

但し、

は、合計およびアンテナ当たりの電力制約に対処する倍率である。

１つの従来の送信スキームにおいて、Ｎ_Dのデータシンボルストリームは、アンテナ多重化を用いたＮ_Tの送信アンテナから同時に送信される。この場合、Ｎ_Dは１からＮ_Tの任意の整数である（すなわち、Ｎ_T≧Ｎ_D≧１)。この従来の送信スキームの場合、所定のシンボル期間において、Ｎ_Dのデータシンボルは、Ｎ_Dのアンテナから同時に送信され、（Ｎ_T−Ｎ_D)の残りのアンテナは使用されない。合計送信電力およびアンテナ当たりの電力が上述されるように制約されるなら、この送信スキームは、Ｎ_Tより少ないアンテナがデータ送信のために使用されるなら、電力損失を提示するであろう。Ｎ_D＜Ｎ_Tなら、それがこの場合である。アンテナ当たりの電力制約のために、Ｎ_D＜Ｎ_Tのとき、合計送信電力Ｐ_totよりもっと多くの電力を、データ送信のために使用されるＮ_Dのアンテナに割り当てることはできない。さらに、Ｎ_Dデータシンボルストリームが冗長な（すなわち、同じ)ストリームなら、受信器において、これらのストリームをキャンセルする危険がある。

送信すべきデータシンボルストリームの特定の数は、例えばチャネル条件、送信すべきデータ量などのような様々な要因に依存していてもよい。上述するように、異なる独立したチャネルは異なるチャネル条件を経験し、異なる信号対雑音比（ＳＮＲ）を達成するかもしれない。階数が不足したＭＩＭＯチャネルの場合、最適な方法は、Ｎ_Tより少ないデータシンボルストリームを送信するが、合計送信電力Ｐ_totよりももっと多くの電力を、より高いＳＮＲｓを達成するデータシンボルストリームに割り当てることである。しかしながら、各データシンボルストリームが１つのアンテナから送信される上述したアンテナ多重化送信スキームの場合、合計送信電力の最適な割り当ては、アンテナ当たりの電力制約のために達成することができない。その結果、性能にある損失が生じるであろう。

ここに記載するレート適応送信スキームは、空間多重化をサポートし、送信ダイバーシティを供給し、以下の有益な特徴を有する。

・キー特性を維持しながら、同じ送信および受信空間処理を使用して、（１からＮ_T間での)可変数のデータシンボルストリームの送信をサポートする。

・すべてのＮ_T送信アンテナからの送信を介して単一のデータシンボルストリームに対して空間−時間ダイバーシティスキームより良い性能を供給する。

・送信されるデータシンボルストリームの数に関係なく、Ｎ_Tの送信アンテナの各々の全出力Ｐ_antをデータ送信のために使用可能にし、従って、Ｎ_Tより少ないデータシンボルストリームが送信されるとき電力損失が無い状態で電力を効率良くする。

送信されるデータシンボルストリームの間で合計送信電力Ｐ_totの柔軟な割り当てを可能にする。レート適応送信スキームおよびその有益な特徴が以下にさらに詳細に記載される。

単一キャリアＭＩＭＯシステムのためのおよびレート適応送信スキームに適用可能な一般的なモデルは以下のように表してもよい。

但し、Ｍはユニタリマトリクスである、｛Ｎ_T×Ｎ_T}の送信基礎マトリクスである。Λは、｛Ｎ_T×Ｎ_T}の対角マトリクスである。

は、Ｎ_Tの送信アンテナから送信されたＮ_Tの送信シンボルのためのＮ_Tエントリを有する｛Ｎ_T×１}「送信」ベクトルである。Ｈ _effは、「効率的な」チャネル応答マトリクスであり、これはＨ _eff＝ＨＭとして定義される。ユニタリー行列Ｕは特性Ｕ ^H Ｕ＝Iによって特徴づけられる。これは、ユニタリマトリクスの各列がマトリクスのすべての他の列に直交しており、ユニタリマトリクスの各行も他のすべての行に直交していることを示す。

対角マトリクスΛは対角線に沿って、非負数の実価および他のどの場所においてもゼロを含む。これらの対角線のエントリーは、送信されているＮDのデータシンボルストリームに割り当てられた送信電力の量を示す。

以下にさらに詳細に記載するように、対角マトリクスΛはＰ_totの合計送信電力制約に準拠しながら、Ｎ_Dのデータシンボルストリームに異なる送信電力を割り当てるために使用してもよい。送信基礎マトリクスＭは、各データシンボルストリームがＮ_Tの送信アンテナから送信可能にし、さらに各送信アンテナの全出力Ｐ_antがデータ送信のために利用可能にする。

方程式（３）から、送信ベクトル

は以下のように表してもよい。

ｋ番目の送信アンテナのための送信シンボル

（すなわち、送信ベクトル

のｋ番目のエレメントは以下のように表してもよい。

但し、Ｍk,iは送信基礎マトリクスＭのｋ番目の行かつｉ番目の列の要素である。λi,iはマトリクスΛのｉ番目の対角マトリクスである。ｘiはデータベクトルｘのｉ番目の要素である。

は、送信ベクトル

のｋ番目の要素である。Ｋはすべての送信アンテナのセットである（すなわち、Ｋ＝｛１，２，．．．，Ｎ_T}。

方程式（３）は、方程式(１)および(２)の両方をカバーする一般モデルを表わす。これは、送信基礎マトリクスＭおよび対角マトリクスΛを適切に定義することにより達成される。例えば、方程式（３）は（１）送信基礎マトリクスを

として定義する（但し、ｍ _iは、Ｍのｉ番目の列に対する｛Ｎ_T×１}「インデックス」ベクトルであり、ｉ番目の位置において「１」で定義され、他の場所では「０」で定義される)、および(２)対角マトリクスΛを

として定義することにより、方程式(２)と等しくすることができる。しかしながら、以下に記載するように、その他の方法で送信基礎マトリクスＭおよび対角マトリクスΛを定義することにより、他の有益な特性を得てもよい。

以下の解析の場合、任意の送信基礎マトリクスＭ及び非負数の対角エントリを有する任意の対角マトリクスΛを考察する。ベクトルｘのための送信電力は、Λの対角エレメントの二乗の合計に等しい。従って、合計送信電力制約は以下のように表してもよい。

方程式(５)から、Ｎ_Tの送信アンテナの各々の送信電力は、以下のように表してもよい。

但し”＊”は複素共役を示す。従って、アンテナあたりの電力制約は以下のように表してもよい。

方程式(６)に示すように、

なので、方程式(８)におけるアンテナ当たりの電力制約は、任意の最大階数マトリクスＭにより定義してもよく、このマトリクスの要素は、以下を満足する。

方程式（９）は、有効なマトリクスＭの要素が

と等しい大きさを持っていることを示す。方程式（９）は、アンテナ当たりの電力制約を満足するのに必要な十分な条件（しかし、必要な条件ではない)を表す。

マトリックスＭはアンテナ当たりの電力制約を満足しながら、種々の方法で定義してもよい。一実施形態において、マトリックスＭは次のように定義される：

ここでＷはウォルシュ−アダマールマトリクスである。例証するように、Ｎ_T＝４の場合、ウォルシュ―アダマールマトリクス

は以下のように表してもよい。

より大きなサイズのウォルシュ−アダマールマトリックス

は、以下のように表してもよい。

他の実施形態において、マトリクスＭは次のように定義される：

ここでＱは離散的フーリエ変換（ＤＦＴ）マトリクスである。

実例として、Ｎ_T＝４の場合、ＤＦＴマトリクスＱは以下のように表してもよい。

一般に、ＮｘＮ ＤＦＴマトリクスＱ _nxnは、（ｋ，ｉ)番目のエントリ

が以下として与えられるように定義してもよい。

ここで、ｋは、マトリクスＱ _nxnの行インデックスであり、ｉはマトリクスＱ _nxnの列インデックスである。マトリクスＭはまた、種々の他のマトリクスで定義されてもよく、これはこの発明の範囲内である。

適切な送信基礎マトリクスＭおよび適切な対角マトリクスΛを使用することにより、合計送信電力制約およびアンテナ当たりの電力制約の両方を満足することができる。

特に、合計送信電力制約は、方程式(６)が満足されるようにΛの対角線要素を定義することにより満足してもよい。次に、アンテナ当たりの電力制約は、方程式(９)が満足されるようにＭの要素を定義することにより満足してもよい。Λ内の各対角線要素λ_i,iは、関連するデータシンボルストリームｘ_iに使用するための送信電力量を示す。Λの任意の個々の対角線要素の値に制約は無いので、（但し、

を除く)依然として合計送信電力およびアンテナ毎の電力制約を満足しながら、合計送信電力Ｐ_totをＮ_Dのデータシンボルストリームに種々の方法で割り当ててもよい。従って、これは、Ｎ_Dのデータシンボルストリームの中で利用可能な送信電力を割り当てる際に大きな柔軟性の余裕がある。

レート適応送信スキームを使用して任意の数のデータシンボルストリームを送信してもよい（すなわち、Ｎ_Dは、１からＮ_Tの任意の値であってよい)。送信器は、送信されているデータシンボルストリームの数にかかわらず方程式（４）によって示された空間処理を行なう。データベクトルｘは、Ｎ_DのデータシンボルストリームのためのＮ_Dの非ゼロエントリーおよびＮ_T−Ｎ_Dのゼロエントリーを含む。Ｎ_Dのデータシンボルストリームの各々はマトリックスΛ内のそれぞれの非ゼロ対角線要素に関連している。Ｎ_Dのデータシンボルストリームの各々はさらに、それぞれの空間チャネル上に送信するために送信基礎マトリクスＭのそれぞれの行を用いて処理される。それぞれの空間チャネルは、有効チャネル応答マトリクスＨ _effの特定の列または固有ベクトルにより定義される。

レート適応送信スキームが一般的な送信ダイバーシティスキームに対して改良された性能を供給することができることを示すことができる。例えば、Ｓ．Ｍ．Ａｌａｍｏｕｔｉによって記載された空間−時間ダイバーシティスキームは、多くの場合使用されて、単一の送信アンテナペアから単一のデータシンボルストリームを送信し、送信ダイバーシティを達成する。しかしながら、レート適応送信スキームは、単一データシンボルストリームの送信のために改良された性能を供給することができることを示すことができる。Ｈeffの最良の列を有したレート適応送信スキームを用いて送信されたデータシンボルストリームの場合、受信されたＳＮＲ、ＳＮＲ_raは以下のように表してもよい。

ここで、

は、比例を示す。

は、ｈeff,iの２−ノルムであり、これは、有効チャネル応答マトリクスＨ _effのｉ番目の列または固有ベクトルである。方程式（１６）は、レート適応送信スキームを用いた単一の最良データシンボルストリームのＳＮＲは、Ｈ _effの最良の固有ベクトルの２−ノルムに比例することを示す。方程式（１６）のＳＮＲを得るために、レシーバーは、送信器による使用のためのＨ _effの最良の列を示す情報を送り返す必要があるだろう。

空間−時間ダイバーシティスキームを用いて送信された単一データシンボルストリームの場合、受信されるＳＮＲ、ＳＮＲ_st、は以下のように表してもよい。

方程式（１７）は、空間−時間ダイバーシティスキームを用いた単一データシンボルストリームのＳＮＲは、Ｈ _effのＮ_Tの固有ベクトルの２−ノルムの平均に比例することを示す。方程式（１６）および（１７）は両方とも完全レート（すなわち、レート損失無し)での送信を仮定する。しかしながら、空間−時間ダイバーシティスキームは、単一のデータシンボルストリームを送信するのに２つのアンテナしか使用しないので、Ｎ_T＞２なら、レート損失があるであろう。

以下の式が常に真であることは良く知られている。

従って

方程式（１８ａ）および（１８ｂ）は、レート適応送信スキームが空間−時間ダイバーシティスキームと同じかまたはそれより良い性能を供給することができることを示す。さらに、データシンボルストリームは、すべてのＮ_Tのアンテナから送信されるので、レート適応送信スキームは、より大きな送信ダイバーシティを供給することができる。対照的にスペース−時間ダイバーシティスキームは１ペアだけの送信アンテナから単一データシンボルストリームを送信する。複数のペアのアンテナを介した単一データシンボルストリームの送信は、空間−時間ダイバーシティスキームにとって可能かもしれないが、レート損失あるいは他のある性能に不利な条件を生じるかもしれない。

さらに、レート適応送信スキームによる送信基礎マトリクスＭの使用は、送信されているデータシンボルストリームの数に関係なくデータ送信のための合計送信電力Ｐ_totおよびアンテナ当たりの電力Ｐ_antの両方の完全な利用を可能にすることにも留意する必要がある。送信基礎マトリックスＭが使用されず（すなわち、Ｍ＝Ｉ)、単一データシンボルストリームがアンテナ多重化を使用して、単一の最良のアンテナから送信されるなら、このデータシンボルストリームのための受信されるＳＮＲは以下のように表現してもよい。

また、下記式も常に真であることも示すことができる。

したがって、レート適応送信スキームはまたアンテナ多重化送信スキームより性能が優れている。

図１は、レート適応送信スキームを用いてＮ_TのアンテナからＮ_Dのデータシンボルストリームを送信するためのプロセス１００の一実施形態のフロー図である。上述するように、Ｎ_Dは、１からＮ_Tの任意の値であってよい（すなわち、Ｎ_T≧Ｎ_D≧１)。

初めに、合計送信電力Ｐ_totは、（ｘにより示される)Ｎ_Dのデータシンボルストリームに割り当てられる。送信するデータシンボルストリームの特定の数および各データシンボルストリームに割り当てられる電力の量は両方ともチャネル条件に基づいて決定してもよい。例えば、「水充填」手続きは、全体のスループットを最大化するように、送信するデータシンボルストリームの数、および各データシンボルストリームに使用するための電力の量を決定するために使用してもよい。水−充填は、２００２年１月２３日に出願された「フルチャネル状態情報（ＣＳＩ）多重入力、多重出力（ＭＩＭＯ）システムのための余剰電力の再割り当て」(Reallocation of Excess Power for Full Chyannel-State Information (CSI) Multiple-Input, Multiple-Output (MIMO) Systems)というタイトルの同一出願人による米国特許出願シリアル番号１０／０５６，２７５、およびロバート・ジ−・ギャラガー（Robert G. Gallager)著「情報理論および信頼できる通信」(Information Theory and Reliable Communication)、John Wiley and Sons社、１９６８年に詳細に記載されている。上述の文献はともに参照することによりここに組み込まれる。

各データシンボルストリームｘ_iに割り当てられた送信電力の量は、それぞれの重みλ_i,iにより示される。マトリクスΛのＮ_Tの対角線要素は、Ｎ_DのデータシンボルストリームのＮ_Dの重みと（Ｎ_T−Ｎ_D)のゼロから成る。Ｎ_Dのデータシンボルストリームに割り当てられた送信電力の合計量は、システムの合計送信電力以下である（すなわち、

)。

送信基礎マトリックスＭは、使用のために次に選ばれる（ステップ１１４)。送信基礎マトリックスＭは、各データシンボルストリームがすべてのＮ_Tのアンテナから送信され、各アンテナの全出力は、データ送信のために使用されるように定義してもよい。送信基礎マトリックスＭは、（１）方程式（１０）乃至（１２）に記載されたウオルシュ−アダマールマトリクスＷとして、(２)方程式(１３)乃至(１５)に記載されたＤＦＴマトリクスとして、または(３)その他のマトリクスとして定義してもよい。

次に、各データシンボルストリームｘ_iは、対角マトリクスΛ内の関連する重みλ_i,iでスケーリング(scaling)される（ステップ１１６）。このスケーリング(scaling)は、各データシンボルストリームがその割り当てられた電力で送信されることを結果として生じる。Ｎ_Dのスケーリング(scaling)されたデータシンボルストリームは、次に、送信基礎マトリクスＭと乗算され、Ｎ_Tの送信アンテナのための（

で示される)Ｎ_Tの送信シンボルストリームを得る(ステップ１１８)。対角マトリクスΛを備えたＮ_Dのデータシンボルストリームのスケーリング(scaling)および送信基礎マトリクスＭとの乗算は、方程式(４)に示される。各送信シンボルストリーム

はさらに処理され、次に関連するアンテナから送信される（ステップ１２０)。

図２は、ＭＩＭＯシステム２００内の送信器システム２１０および受信器システム２５０の一実施形態のブロック図を示す。送信器システム２１０において、Ｎ_Dのストリームのためのデータはデータソース２１２により供給され、送信(ＴＸ）データプロセッサ２１４によりコード化され変調され変調シンボルを供給する。変調シンボルはデータシンボルとも呼ばれる。各ストリームのためのデータレート、コーディングおよび変調はコントローラー２３０により供給される制御により決定してもよい。データシンボルはさらに対角マトリクスΛでスケーリング(scaling)され、ＴＸ空間プロセッサ２２０により送信基礎マトリクスＭで空間的に処理され送信シンボルを供給する。チャネル推定のために使用してもよいパイロットシンボルは、送信シンボルと乗算される。多重化された送信およびパイロットシンボルの１つのストリームが各送信器(ＴＭＴＲ）２２２に供給され、ＴＭＴＲ２２２により処理され、対応するＲＦ変調信号を供給する。次に、送信器２２２ａ乃至２２２ｔからのＮ_Tの変調された信号は、Ｎ_Tのアンテナ２２４ａ乃至２２４ｔから送信される。

レシーバーシステム２５０において、ＮTの送信された信号は、ＮRのアンテナ２５２ａ乃至２５２ｒにより受信される。各受信器（ＲＣＶＲ）２５４は、関連するアンテナ２５２からの受信信号を処理し、対応する受信シンボルストリームを供給する。次に、受信(ＲＸ）空間プロセッサ２６０は、Ｎ_Rの受信器２５４ａ乃至２５４ｒからのＮ_Rの受信シンボルストリームを処理し、Ｎ_Dの「回復された」シンボルストリームを供給する。このシンボルストリームは、送信器システムにより送信されたＮ_Dのデータシンボルストリームの推定値である。Ｎ_Dの回復されたシンボルストリームは、さらにＲＸデータプロセッサ２７０により処理され、復号されたデータを得る。この復号されたデータは、送信器システムにより送信されたデータの推定値である。

また、ＲＸの空間プロセッサ２６０は、（例えば、パイロットシンボルに基づいて)Ｎ_Tの送信アンテナおよびＮRの受信アンテナとの間のチャネル応答の推定値を派生してもよい。チャネル推定は、この発明の譲受人に譲渡され、参照することによりここに組み込まれる、２００３年１月７日に出願された「無線マルチキャリア通信システムのためのパイロット送信スキーム」(Pilot Transmission Schemes for Wireless Multi-Carrier Communication Systems)というタイトルの米国仮特許出願シリアル番号６０／４３８，６０１に詳細に記載されている。チャネル応答推定値

を用いて受信器において、空間処理または等化を実行してもよい。ＲＸ空間プロセッサ２６０は、回復されたシンボルストリームおよび／または受信されたパイロットシンボルのＳＮＲｓをさらに推定してもよい。コントローラー２８０はチャネル応答推定値

および受信されたＳＮＲｓを受信し、ＭＩＭＯチャネルおよび／またはストリームに関するフィードバックを供給する。例えば、フィードバックは、送信すべきデータシンボルストリームの数、空間チャネルまたは固有ベクトルどちらをデータ送信のために使用するか、および受信されたＳＮＲまたは各ストリームのためのレートを示してもよい。フィードバックはＴＸデータプロセッサ２８８により処理され、さらにＴＸ空間プロセッサ２９０により処理され、送信器２５４ａ乃至２５４ｒにより調節され、送信器システム２１０に返送される。

送信器システム２１０では、受信器システム２５０からの送信された変調された信号は、アンテナ２２４によって受信され、受信器２２２ａ乃至２２２ｔによって条件付けられ、ＲＸ空間プロセッサ２４０によって復調され、ＲＸデータプロセッサ２４２により処理され、受信器システムにより送られるフィードバックを回復する。次に、フィードバックはコントローラー２３０に供給され、（１）送信すべきデータシンボルストリームの数を決定し、（２）各データシンボルストリームに対して使用するためのレート、コーディングおよび変調スキームを決定し、および(３)ＴＸデータプロセッサ２１４およびＴＸ空間プロセッサ２２０に対して種々の制御を発生するために使用してもよい。

コントローラー２３０および２８０は、それぞれ送信器システムおよび受信器システムにおける動作を指示する。メモリユニット２３２および２８２は、それぞれコントローラ２３０および２８０により使用されるプログラムコードおよびデータのための記憶装置を提供する。

図３は、レート適応送信スキームのための送信器システムおよび受信器システムにおける空間処理のブロック図を示す。送信器システム２１０におけるＴＸ空間プロセッサ２２０内では、最初にユニット３１０によってデータベクトルｘに対角マトリクスΛが乗算され、さらにユニット３１２により送信基礎マトリクスＭと乗算され、送信ベクトル

を得る。

次に、ベクトル

は、送信器３１４により処理され、ＭＩＭＯチャネルを介して受信器システム２５０に送信される。ユニット３１２は、送信器システムのための空間処理を実行する。

受信器システム２５０では、送信された信号は、受信器３５４により処理され受信ベクトルｙを得る。ＲＸの空間プロセッサ２６０内では、最初にユニット３５６によって受理ベクトルｙがマトリックス

と乗算される。有効チャネル応答推定マトリクス

は、

として得てもよく、マトリクス

は、

の共役転置である。マトリクス

はまたレート適応送信スキームのための照合フィルターとも呼ばれる。ユニット３５６から結果として生じるベクトルは、さらにユニット３５８により逆対角マトリクス

によりスケーリング(scaling)され、ベクトルｘの推定値であるベクトル

を得る。

ユニット３５６および３５８は受信器システムのための空間処理（すなわち、照合フィルタリング)を実行する。

図４は、図２のＴＸ空間プロセッサ２２０の一実施形態であるＴＸ空間プロセッサのブロック図を示す。ＴＸ空間プロセッサ２２０ｘは、送信されるＮ_Dのデータシンボルストリームの各々に対して１つのプロセッサの割合で多数のシンボルストリーム空間プロセッサ４１０ａ乃至４１０ｔを含む。各プロセッサ４１０は、割り当てられたデータシンボルストリームｘ_i、割り当てられたストリームに対する重みλ_i,i、および送信基礎マトリックスＭからの対応するベクトルｍ _iを受信する。

各プロセッサ４１０内において、割り当てられたストリーム内のデータシンボルが最初に乗算器４１２により重みλ_i,iでスケーリング(scaling)される。スケーリング(scaling)されたシンボルはさらに、乗算器４１４ａ乃至４１４ｔにより、ベクトルｍ _iからのＮTの要素

とそれぞれ乗算される。従って各データシンボルストリームｘ_iは、すべてのＮ_Tのアンテナから送信され、ベクトル

により表される。これは以下のように表してもよい。

乗算器４１４ａ乃至４１４ｔからの出力シンボルは、各送信アンテナに１つの加算器の割合で、それぞれＮ_Tの加算器４２０ａ乃至４２０ｔに供給される。各加算器４２０は、その割り当てられたアンテナのための出力シンボルを受信する。出力シンボルは、Ｎ_Dのデータシンボルストリームを処理するために割り当てられたＮ_Dのプロセッサ４１０内のＮ_Dの乗算器４１４からのものである。次に、各加算器４２０は出力シンボルを加算し、その割り当てられたアンテナに対して送信シンボルを供給する。各加算器４２０によって実行される加算は、以下のように表してもよい。

この場合、

は、ｉ番目のデータシンボルストリームのためのベクトル

内のｋ番目の要素である。

は、ｋ番目の送信アンテナのための送信シンボルストリームである。各加算器４２０からの送信シンボルはそれぞれのマルチプレクサー４３０に供給され、パイロットシンボルと多重化されて、関連するアンテナのための多重化された送信およびパイロットシンボルのストリームを供給する。

ここに記載したレート適応送信スキームは、単一キャリアＭＩＭＯシステム並びにマルチキャリアＭＩＭＯシステムに使用してもよい。マルチキャリアＭＩＭＯシステムの場合、データ送信のために利用可能な複数のキャリアの各々は単一のキャリアＭＩＭＯシステムとして見てもよい。合計送信電力Ｐ_totとアンテナ当たりの電力Ｐ_antは、

であるようにＮ_Fのキャリアの中で均等に（またはおそらく不均等に)分割してもよい。

従って、レート適応送信スキームは、

のキャリア当たりの合計電力制約および

のアンテナ／キャリア当たりの電力制約に従って、Ｎ_Fのキャリアの各々に適用してもよい。ここに記載されるレート適応送信スキームは、送信器システムおよび受信器システムにおいて、種々の手段により実施してもよい。例えば、レート適応送信スキームのための処理は、ハードウエア、ソフトウエア、またはそれらの組み合わせで実施してもよい。

ハードウェアで実施する場合、送信器システムおよび受信器システムにおける処理を実行するために使用されるエレメントは、１つ以上の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣｓ）、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰｓ）、デジタルシグナル処理装置（ＤＳＰＤｓ）、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、ここに記載した機能を実行するために設計された他の電子装置、またはこれらの組み合わせ内で実施してもよい。

ソフトウェアで実施する場合、レート適応送信スキームのための処理は、ここに記載した機能を実行するモジュール（例えば、手続き、機能等）を用いて実施してもよい。

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および２８２)に記憶して、プロセッサ（例えば、コントローラ２３０および２８０)により実行してもよい。各メモリユニットは、プロセッサ内部またはプロセッサ外部に実施してもよい。プロセッサ外部に実施する場合には、メモリユニットは、技術的に良く知られた種々の手段を介して、プロセッサに通信可能に接続することができる。

開示された実施形態の上述の記載は、当業者がこの発明を製作または使用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更は、当業者には容易に明白であり、ここに定義される包括的原理は、この発明の精神または範囲を逸脱することなく、他の実施形態に適用してもよい。したがって、この発明は、ここに示された実施形態に限定されることを意図したものではなく、ここに開示される原理と新規な特徴に一致する最も広い範囲に一致されるべきである。

図１は、レート適応送信スキームを使用してＮ_TのアンテナからＮ_Dのデータシンボルストリームを送信するためのプロセスのフロー図を示す。 図２は、ＭＩＭＯシステムにおける送信器システムおよび受信器システムのブロック図である。 図３は、レート適応送信スキームのための送信器および受信器システムにおける空間処理を示す。 図４は、送信器システム内の送信（ＴＸ）空間プロセッサのブロック図を示す。

Claims (22)

1. 下記を具備する、多重入力多重出力(ＭＩＭＯ）通信システムにおける送信のためのデータを処理する方法：
   送信器における複数のアンテナからの送信のためにデータシンボルの少なくとも１つのストリームを受信する、ここにおいて、設定可能な数のデータシンボルストリームが送信のために選択可能である；
   前記データシンボルストリームに割り当てられた送信電力の量に対応するそれぞれの重みで、少なくとも１つのデータシンボルストリームの各々をスケーリング(scaling)する、ここにおいて、前記少なくとも１つのデータシンボルストリームに割り当てられた送信電力の合計量は、前記送信器に利用可能な合計送信電力以下である；
   前記少なくとも１つのデータシンボルストリームを、送信基礎マトリクスを用いて処理し、前記複数のアンテナの各々に対して１つの送信シンボルストリームの割合で、複数の送信シンボルのストリームを供給する、ここにおいて、前記送信基礎マトリクスは、チャネル応答マトリクスの分解に基づかず、前記送信器により使用できる少なくとも１つの所定の送信基礎マトリクスの１つであり、前記送信基礎マトリクスは前記少なくとも１つのデータシンボルストリームの各々が前記複数のアンテナから送信され、各送信シンボルストリームは、関連するアンテナから送信されるように定義され、各データストリームは、前記複数のアンテナの異なるアンテナに関する異なる直交コードを用いて拡散されない。
2. 前記送信基礎マトリクスは、ウオルシューアダマールマトリクスである、請求項１の方法。
3. 前記送信基礎マトリクスは離散的フーリエ変換（ＤＦＴ）マトリクスである、請求項１の方法。
4. さらに下記を具備する請求項１の方法：
   前記合計送信電力を前記少なくとも１つのデータシンボルストリームに割り当てる、各データシンボルストリームのための前記重みは、前記データシンボルストリームに割り当てられた送信電力の量に基づいて決定される。
5. 前記少なくとも１つのデータシンボルストリームの各々に割り当てられた送信電力の量は、チャネル条件に基づいて決定される、請求項４の方法。
6. 単一データシンボルストリームは、前記複数のアンテナから送信される、請求項１の方法。
7. 前記単一データシンボルストリームは、最も高い受信される信号品質に関連した空間のチャネル上に送信される、請求項６の方法。
8. ＮTのデータシンボルストリームは、ＮTのアンテナから送信され、ＮTは１より大きい整数である、請求項１の方法。
9. ＮDのデータシンボルストリームは、ＮTのアンテナから送信され、ＮTは１より大きい整数であり、ＮDはＮT以下の整数である、請求項１の方法。
10. 可変数のデータシンボルストリームがチャネル条件に基づいて送信される、請求項１の方法。
11. 前記少なくとも１つのデータシンボルストリームの各々は、前記データシンボルストリームの受信される信号品質に少なくとも一部基づいて決定された特定のレートに関連する、請求項１の方法。
12. 前記複数の送信シンボルストリームの各々においてパイロットシンボルを多重化することをさらに具備する、請求項１の方法。
13. 下記を具備する、多重入力多重出力（ＭＩＭＯ）通信システムにおける通信のためにシンボルを処理する方法：
    送信器における複数のアンテナからの送信のために少なくとも１つのデータシンボルのストリームを受信する、ここにおいて、設定可能な数のデータシンボルストリームが送信のために選択可能である；
    前記送信器のために利用可能な合計送信電力を少なくとも１つのデータシンボルストリームに割り当てる、前記少なくとも１つのデータシンボルストリームに割り当てられた送信電力の合計量は、前記合計利用可能送信電力以下である；
    前記少なくとも１つのデータシンボルの各々を、前記データシンボルに割り当てられた送信電力の量に対応するそれぞれの重みでスケーリング(scaling)する；
    送信基礎マトリクスを用いて前記少なくとも１つのスケールされたデータシンボルストリームを処理し、前記複数のアンテナの各々に対して１つの送信シンボルストリームの割り合いで、複数の送信シンボルのストリームを供給する、ここにおいて、前記送信基礎マトリクスは、チャネル応答マトリクスの分解に基づかず、前記送信器により使用できる少なくとも１つの所定の送信基礎マトリクスの１つであり、前記送信器基礎マトリクスは、前記少なくとも１つのデータシンボルストリームの各々が前記複数のアンテナから送信され、各送信シンボルストリームは、関連するアンテナから送信されるように定義され、各データストリームは、前記複数のアンテナの異なるアンテナに関する異なる直交コードにより拡散されない。
14. 下記を具備する、多重入力多重出力（ＭＩＭＯ）通信システムにおいて受信されるシンボルを処理する方法：
    受信器において複数の受信アンテナに関して受信されたシンボルの複数のストリームを得る、前記複数の受信されたシンボルストリームは、送信基礎マトリクスを用いて送信器により処理されたデータシンボルの少なくとも１つのストリームを含み、前記送信器における複数の送信アンテナに関して送信シンボルの複数のストリームを形成し、設定可能な数のデータシンボルストリームが送信のために選択可能であり、前記送信基礎マトリクスは、チャネル応答マトリクスの分解に基づかず、前記送信器により使用できる少なくとも１つの所定の送信基礎マトリクスの１つであり、前記送信基礎マトリクスは、前記少なくとも１つのデータシンボルストリームの各々が前記複数の送信アンテナから送信され、各送信シンボルストリームは、関連する送信アンテナから送信されるように定義され、各データストリームは、前記複数の送信アンテナの異なるアンテナに関する異なる直交コードにより拡散されない；
    前記複数の受信されるシンボルストリームを処理し、前記少なくとも１つのデータシンボルストリームをリカバー(recover)する。
15. 前記処理は、
    前記複数の受信したシンボルストリームを等化して前記少なくとも１つのデータシンボルストリームの推定値を得ることと、
    および前記少なくとも１つのデータシンボルストリームの前記推定値を復号することとを含む、請求項１４の方法。
16. 前記等化は、前記送信基礎マトリクスを含む照合フィルタマトリクスに基づいて実行される、請求項１５の方法。
17. さらに下記を具備する、請求項１４の方法：
    前記少なくとも１つのデータシンボルストリームの各々に関して受信される信号品質を推定する；および
    前記推定された受信された信号品質に基づいて前記少なくとも１つのデータシンボルストリームの各々のためのレートを決定する。
18. 下記を具備する多重入力多重出力（ＭＩＭＯ）通信システムにおける送信器装置：
    送信器における複数のアンテナからの送信のためにデータシンボルの少なくとも１つのストリームを受信する手段、ここにおいて、設定可能な数のデータシンボルストリームが送信のために選択可能である；
    データシンボルストリームに割り当てられた送信電力の量に対応するそれぞれの重みで、少なくとも１つのデータシンボルストリームの各々をスケーリング(scaling)する手段、前記少なくとも１つのデータシンボルストリームに割り当てられた送信電力の合計量は、前記送信器のために利用可能な合計送信電力以下である；
    および前記少なくとも１つのデータシンボルストリームを、送信基礎マトリクスを用いて処理し、前記複数のアンテナの各々に対して１つの送信シンボルの割合で、複数の送信シンボルのストリームを供給する手段、 前記送信基礎マトリクスは、チャネル応答マトリクスの分解に基づかず、前記送信器により使用できる少なくとも１つの所定の送信基礎マトリクスの１つであり、前記送信基礎マトリクスは、前記少なくとも１つのデータシンボルストリームの各々が前記複数のアンテナから送信され、各送信シンボルストリームは、関連するアンテナから送信されるように定義され、各データストリームは、前記複数のアンテナの異なるアンテナに関する異なる直交コードにより拡散されない。
19. 前記送信基礎マトリクスは、ウオルシュ−アダマールマトリクスまたは離散的フーリエ変換（ＤＦＴ）マトリクスである、請求項１８の送信器装置。
20. 下記を具備する多重入力多重出力通信システムにおける送信器装置：
    データを処理し、送信器における複数のアンテナからの送信のために、データシンボルの少なくとも１つのストリームを供給するように機能的に作用する送信(ＴＸ）データプロセッサ、ここにおいて、設定可能な数のデータシンボルストリームが送信のために選択可能である；
    および前記データシンボルストリームに割り当てられた送信電力の量に対応するそれぞれの重みで前記少なくとも１つのデータシンボルストリームの各々をスケール(scale)し、前記少なくとも１つのデータシンボルストリームを送信基礎マトリクスを用いて処理し、前記複数のアンテナの各々に対して１つの送信シンボルストリームの割り合いで、複数の送信シンボルのストリームを供給するように機能的に作用するＴＸ空間プロセッサ、前記送信基礎マトリクスは、チャネル応答マトリクスの分解に基づいておらず、前記送信器により使用可能な少なくとも１つの所定の送信基礎マトリクスの１つであり、前記送信基礎マトリクスは、前記少なくとも１つのデータシンボルストリームの各々が前記複数のアンテナから送信され、各送信シンボルストリームが関連するアンテナから送信されるように定義される。
21. さらに下記を具備する、請求項２０の送信器装置：
    前記複数のアンテナに関連する複数の送信器モジュール、各送信器モジュールは、前記関連するアンテナからの送信のためにそれぞれの送信シンボルストリームを処理するように機能的に作用する、請求項２０の送信器装置。
22. 下記を具備する多重入力多重出力(ＭＩＭＯ）通信システムにおける受信器装置：
    受信されたシンボルの複数のストリームを処理し、少なくとも１つのデータシンボルのストリームの推定値を供給するように機能的に作用する受信(ＲＸ）空間プロセッサ、ここにおいて、設定可能な数のデータシンボルストリームが送信のために選択可能であり、前記少なくとも１つのデータシンボルストリームは、送信基礎マトリクスを用いて送信器により処理され、前記送信器における複数の送信アンテナのための複数の送信シンボルのストリームを形成する、
    および前記送信基礎マトリクスは、チャネル応答マトリクスの分解に基づいておらず、前記送信器により使用できる少なくとも１つの所定の送信基礎マトリクスの１つであり、前記少なくとも１つのデータシンボルストリームの各々は、前記複数の送信アンテナから送信され、各送信シンボルストリームは、関連する送信アンテナから送信されるように定義され、各データストリームは前記複数の送信アンテナの異なるアンテナに関する異なる直交コードにより拡散されない；
    前記少なくとも１つのデータシンボルのストリームの推定値を処理し、復号されたデータを供給するように機能的に作用するＲＸデータプロセッサ。

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