JP5528867B2 - 時分割複信通信システムのためのチャネル校正 - Google Patents

Description

分野

本発明は、一般に通信に関し、特に、時分割複信（ＴＤＤ）通信システムにおいて下りリンク及び上りリンクのチャネル応答を校正するための技術に関する。

本出願は、「時分割複信通信システムのためのチャネル校正」と題された米国仮出願番号６０／４２１，４６２号と、「ＭＩＭＯ ＷＬＡＮシステム」と題された米国仮出願番号６０／４２１，３０９号との利益を主張する。これらはどちらも２００２年１０月２５日に出願され、本願の譲受人に譲渡され、本明細書中に参照により組み込まれている。

背景

無線通信システムにおいて、アクセスポイントとユーザー端末との間のデータ伝送は、無線チャネルにわたって起こる。システム設計により、同じまたは異なる周波数帯域を下りリンク及び上りリンク用に使うことができる。下りリンク（すなわち順リンク）は、アクセスポイントからユーザー端末への伝送を表し、上りリンク（すなわち逆リンク）は、ユーザー端末からアクセスポイントへの伝送を表す。２つの周波数帯域を利用できる場合、下りリンクと上りリンクは、周波数分割複信（ＦＤＤ）を使って別々の周波数帯域で送信することができる。１つの周波数帯域しか利用できない場合、下りリンクと上りリンクは、時分割複信（ＴＤＤ）を使って同じ周波数を共有することができる。

高性能を実現するために、多くの場合、無線チャネルの周波数応答を知る必要がある。例えば、下りリンクチャネルの応答は、ユーザー端末への下りリンクデータ伝送のための空間処理（後述する）を行うために、アクセスポイントにより必要とされ得る。下りリンクチャネル応答は、アクセスポイントにより送信されるパイロットに基づいてユーザー端末により推定することができる。次にユーザー端末は、チャネル推定をアクセスポイントに使用するよう送り戻すことができる。このチャネル推定方式のために、パイロットは下りリンク上で送信される必要があり、チャネル推定をアクセスポイントに送り戻すために付加的な遅延とリソースが生じる。

共有の周波数帯域を有するＴＤＤシステムのために、下りリンクチャネル応答及び上りリンクチャネル応答は、互いの逆数であると仮定できる。すなわち、

がアンテナアレーＡからアンテナアレーＢへのチャネル応答行列を表わす場合、逆のチャネルは、アレーＢからアレーＡへの結合が

で与えられることを示す。ここで

は行列

の転置を指す。したがって、ＴＤＤシステムのために、１つのリンクに対するチャネル応答は、他のリンク上で送られるパイロットに基づいて推定することができる。例えば、上りリンクチャネル応答は上りリンクパイロットに基づいて推定することができ、上りリンクチャネル応答推定の逆数は下りリンクチャネル応答の推定として使用することができる。

しかしながら、アクセスポイントでの送信チェインと受信チェインの周波数応答は、一般にユーザー端末での送信チェインと受信チェインの周波数応答と異なる。特に、上りリンク伝送に使用される送信／受信チェインの周波数応答は、下りリンク伝送に使用される送信／受信チェインの周波数応答と異なるであろう。そして、「有効」下りリンクチャネル応答（すなわち、送信／受信チェインを含む）は、送信／受信チェインにおける差のため、有効上りリンクチャネル応答の逆数と異なることになる（すなわち、有効チャネル応答は逆数ではない）。１つのリンクに対して得たチャネル応答推定の逆数が他のリンク上での空間処理のために使用される場合、送信／受信チェインの周波数応答におけるいかなる差も、確定されず補償されないと、性能を低下させる誤りを表わすことになる。

そのためこの技術分野において、ＴＤＤ通信システムにおける下りリンクチャネルと上りリンクチャネルを校正する技術が必要とされている。

本明細書中には、アクセスポイント及びユーザー端末での送信チェイン及び受信チェインの周波数応答の差を補償する（account for ）ために下りリンクチャネル及び上りリンクチャネルを校正する技術が提供されている。校正の後、１つのリンクに対して得られたチャネル応答の推定値を、他のリンクに対するチャネル応答の推定値を取得するために用いることができる。そしてこれは、チャネル推定と空間処理を簡略化する。

一実施形態において、無線ＴＤＤ多入力多出力（ＭＩＭＯ）通信システムにおける下りリンクチャネルと上りリンクチャネルを校正する方法が提供される。この方法に基づき、パイロットが上りリンクチャネル上で送信され、上りリンクチャネル応答の推定値を導き出すために用いられる。また、パイロットが下りリンクチャネル上で送信され、下りリンクチャネル応答の推定値を導き出すために用いられる。次に、補正因子の２つのセットが、下りリンク及び上りリンクチャネル応答の推定値に基づいて確定される。校正された下りリンクチャネルが、下りリンクチャネルのための第１の補正因子のセットを用いて形成され、校正された上りリンクチャネルが、上りリンクチャネルのための第２の補正因子のセットを用いて形成される。適切な補正因子が、各送信機で、下りリンクチャネル及び上りリンクチャネルのために用いられることになる。校正された下りリンクチャネル及び上りリンクチャネルの応答は、補正因子の２つのセットのため、ほぼ逆数である。第１及び第２の補正因子のセットは、後述するように、行列比計算または最小平均二乗誤差（ＭＭＳＥ）計算を用いて確定することができる。

校正は、無線伝送に基づいてリアルタイムで行うことができる。システムの各ユーザー端末は、それ自身で使うために第２の補正因子のセットを導き出すことができる。アクセスポイントのための第１の補正因子のセットは、複数のユーザー端末により導き出すことができる。直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）システムのために、校正を第１のサブ帯域のセットに対して行うことができ、セット内の各サブ帯域のための補正因子の２つのセットを取得することができる。他の「校正されない」サブ帯域のための補正因子は、「校正される」サブ帯域のために取得された補正因子に基づいて補間することができる。

本発明の様々な観点と実施形態が、以下に詳しく述べられている。

本発明の特徴、性質、および利点は、以下に述べる詳細な説明を図面とともに参照することでより明らかになる。図面全体を通じて同じ参照符号により対応付けがなされている。

図１は、ＭＩＭＯシステム内のアクセスポイントとユーザー端末における送信チェインと受信チェインを示す。 図２は、アクセスポイントとユーザー端末における送信／受信チェインの差を補償する補正行列の適用を示す。 図３は、ＴＤＤ ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムにおいて下りリンクチャネル応答及び上りリンクチャネル応答を校正するためのプロセスを示す。 図４は、下りリンクチャネル応答推定値及び上りリンクチャネル応答推定値から補正ベクトルの推定値を導き出すプロセスを示す。 図５は、アクセスポイント及びユーザー端末のブロック図である。 図６は、ＴＸ空間プロセッサのブロック図である。

詳細な説明

本明細書中で述べられる校正技術は、様々な無線通信システムのために使用することができる。さらに、これらの技術は１入力１出力（ＳＩＳＯ）システム、多入力１出力（ＭＩＳＯ）システム、１入力多出力（ＳＩＭＯ）システム、及び多入力多出力（ＭＩＭＯ）システムに使用することができる。

ＭＩＭＯシステムは、データ伝送のために多重（Ｎ_Ｔ）送信アンテナと多重（Ｎ_Ｒ）受信アンテナを用いる。Ｎ_Ｔ送信アンテナとＮ_Ｒ受信アンテナにより形成されたＭＩＭＯチャネルは、Ｎ_Ｓ≦ｍｉｎ｛Ｎ_Ｔ, Ｎ_Ｒ｝の状態でＮ_Ｓ独立チャネルに分解することができる。また、各Ｎ_Ｓ独立チャネルは空間サブチャネルまたはＭＩＭＯチャネルの固有モードと呼ばれ、１つの次元に対応する。複数の送信及び受信アンテナにより作られた付加的な次元の数を利用した場合、ＭＩＭＯシステムは性能を向上することができる（例えば、伝送容量が増える）。これは、一般に送信機と受信機の間のチャネル応答を正確に推定する必要がある。

図１は、ＭＩＭＯシステム内のアクセスポイント１０２とユーザー端末１０４における送信チェインと受信チェインのブロック図を示す。このシステムのために、下りリンクと上りリンクは時分割複信法で同じ周波数帯域を共有する。

下りリンクのために、アクセスポイント１０２では、シンボル（「送信」ベクトル

で表わされる）が送信チェイン（ＴＭＴＲ）１１４により処理され、Ｎ_ａｐアンテナ１１６から無線チャネル上で送信される。ユーザー端末１０４では、下りリンク信号がＮ_ｕｔアンテナ１５２により受信され、受信されたシンボル（「受信」ベクトル

で表わされる）を供給するために受信チェイン（ＲＣＶＲ）１５４により処理される。送信チェイン１１４による処理は、一般にデジタル−アナログ変換、増幅、フィルタリング、周波数アップコンバージョンなどを含む。受信チェイン１５４による処理は、一般に周波数ダウンコンバージョン、増幅、フィルタリング、アナログ−デジタル変換などを含む。

上りリンクのために、ユーザー端末１０４では、シンボル（送信ベクトル

で表わされる）が送信チェイン１６４により処理され、Ｎ_ｕｔアンテナ１５２から無線チャネル上で送信される。アクセスポイント１０２では、上りリンク信号がＮ_ａｐアンテナ１１６により受信され、受信されたシンボル（受信ベクトル

で表わされる）を供給するために受信チェイン１２４で処理される。

下りリンクのために、ユーザー端末での受信ベクトルは、

で表わされる。ここで、

は、アクセスポイントにおいてＮ_ａｐアンテナから送信されたシンボルのためのＮ_ａｐエントリを有する送信ベクトル、

は、ユーザー端末においてＮ_ｕｔアンテナ上で受信されたシンボルのためのＮ_ｕｔエントリを有する受信ベクトル、

は、アクセスポイントにおけるＮ_ａｐアンテナのための送信チェインに関連する複素ゲインのためのエントリを有するＮ_ａｐ×Ｎ_ａｐ対角行列、

は、ユーザー端末におけるＮ_ｕｔアンテナのための受信チェインに関連する複素ゲインのためのエントリを有するＮ_ｕｔ×Ｎ_ｕｔ対角行列、

は、下りリンクのためのＮ_ｕｔ×Ｎ_ａｐチャネル応答行列、
である。送信／受信チェインと無線チャネルの応答は、一般に周波数の関数である。簡単にするために、フラットフェージングチャネル（すなわち、フラットな周波数応答を有する）を想定する。

上りリンクのために、アクセスポイントにおける受信ベクトルは、

で表わされる。ここで、

は、ユーザー端末においてＮ_ｕｔアンテナから送信されたシンボルのための送信ベクトル、

は、アクセスポイントにおいてＮ_ａｐアンテナ上で受信されたシンボルのための受信ベクトル、

は、ユーザー端末におけるＮ_ｕｔアンテナのための送信チェインに関連する複素ゲインのためのエントリを有するＮ_ｕｔ×Ｎ_ｕｔ対角行列、

は、アクセスポイントにおけるＮ_ａｐアンテナのための受信チェインに関連する複素ゲインのためのエントリを有するＮ_ａｐ×Ｎ_ａｐ対角行列、

は、上りリンクのためのＮ_ａｐ×Ｎ_ｕｔチャネル応答行列、
である。

ＴＤＤシステムのために、下りリンクと上りリンクが同じ周波数帯域を共有するので、下りリンクチャネル応答と上りリンクチャネル応答の間には、高度の相関が常に存在する。このため、下りリンクチャネル応答行列と上りリンクチャネル応答行列は、互いの逆数（すなわち転置）であると想定でき、それぞれ式（１）及び（２）に示すように、

及び

と表わすことができる。しかしながら、アクセスポイントにおける送信／受信チェインの応答は、一般にユーザー端末における送信／受信チェインの応答と等しくない。そしてその差は次の不等式になる。

式（１）及び（２）から、適用できる送信チェイン及び受信チェインの応答を含む「有効」下りリンクチャネル応答及び上りリンクチャネル応答、

及び

は、

で表わすことができる。一組の式（３）の２つの式を結合することにより、以下の関係が得られる。

式（４）を再び整理すると、以下が得られる。

または

ここで、

及び

である。また、式（５）は、

と表わすことができる。

式（６）の左辺は、上りリンク上の校正されたチャネル応答を表わし、右辺は下りリンク上の校正されたチャネル応答の転置を表わす。式（６）に示すように対角行列

及び

を有効な下りリンクチャネル応答及び上りリンクチャネル応答へ適用することにより、下りリンク及び上りリンクのための校正されたチャネル応答を互いの転置として表わすことができる。アクセスポイントのための（Ｎ_ａｐ×Ｎ_ａｐ）対角行列

は、受信チェイン応答

と送信チェイン応答

との比（すなわち、

）であり、ここで比は成分を成分で割って得られる。同様に、ユーザー端末のための（Ｎ_ｕｔ×Ｎ_ｕｔ）対角行列

は、受信チェイン応答

と
送信チェイン応答

との比である。

行列

及び

は、アクセスポイントとユーザー端末における送信／受信チェインの差の原因となり得る値を含む。そして、これにより１つのリンクに対するチャネル応答を、式（６）に示すように、他のリンクに対するチャネル応答により表わすことができる。

校正は、行列

及び

を確定するために行うことができる。一般に、真のチャネル応答

と送信／受信チェイン応答は識別されていないし、またそれらを正確にまたは簡単に突き止めることもできない。その代わりに、有効な下りリンクチャネル応答及び上りリンクチャネル応答

及び

を、以下に述べるように、それぞれ下りリンク及び上りリンク上で送られるパイロットに基づいて推定することができる。次に、補正行列

及び

と呼ばれる行列

及び

の推定は、後述するように、下りリンクチャネル応答推定及び上りリンクチャネル応答推定

及び

に基づいて導き出すことができる。行列

及び

は、アクセスポイントとユーザー端末における送信／受信チェインの差を補償することができる補正因子を含む。

図２は、アクセスポイントとユーザー端末における送信／受信チェインの差を補償することができる補正行列

及び

の適用を示している。下りリンク上で、送信ベクトル

は、まずユニット１１２により行列

を掛けられる。送信チェイン１１４と受信チェイン１５４による下りリンクのためのその後の処理は、図１に示したものと同じである。同様に、上りリンク上で、送信ベクトル

は、まずユニット１６２により行列

を掛けられる。この場合もまた、送信チェイン１６４と受信チェイン１２４による上りリンクのためのその後の処理は、図１に示したものと同じである。

次に、ユーザー端末及びアクセスポイントにより監視される「校正された」下りリンクチャネル応答及び上りリンクチャネル応答は、それぞれ

で表わすことができる。ここで、

及び

は、式（６）における「真の」校正されたチャネル応答式の推定である。式（６）における式を用いて一組の式（７）における２つの式を結合することにより、

と表わすことができる。

の関係の精度は、行列

及び

の精度に依存し、そしてまた一般に下りリンクチャネル応答推定及び上りリンクチャネル応答推定

及び

の品位に依存する。

上記に示したように、校正は、アクセスポイントとユーザー端末における送信／受信チェインの応答の差を確定し、その差を補償するために、ＴＤＤシステムで行うことができる。一度送信／受信チェインが校正されると、１つのリンクのために得た校正されたチャネル応答推定（例えば、

）は、他のリンク（例えば、

）のための校正されたチャネル応答の推定を確定するのに用いることができる。

本明細書中で述べた校正技術は、ＯＦＤＭを採用する無線通信システムに用いることもできる。ＯＦＤＭは、全システム帯域幅を複数の（Ｎ_Ｆ）直交サブ帯域に有効に分割することができ、これらは周波数ビンまたはサブチャネルとも呼ばれる。ＯＦＤＭに関して、各サブ帯域は、データが変調され得る各副搬送波と関連する。ＯＦＤＭを利用するＭＩＭＯシステム（すなわち、ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステム）のために、各固有モードの各サブ帯域は、独立送信チャネルとみなすことができる。

校正は様々な方法で行うことができる。簡単にするために、以下にＴＤＤ ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムのための特定の校正方式について述べる。このシステムのために、無線リンクの各サブ帯域は逆になると想定する。

図３は、ＴＤＤ ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムにおいて下りリンクチャネル応答及び上りリンクチャネル応答を校正するためのプロセス３００の実施形態のフローチャートである。初めに、ユーザー端末は、本システムのために規定された取得手順を用いてアクセスポイントのタイミング及び周波数を取得する（ステップ３１０）。次にユーザー端末は、アクセスポイントで校正を開始するためにメッセージを送ることができる。すなわち、校正はアクセスポイントにより開始することができる。校正は、アクセスポイントにより、（例えば、呼設定の間に）ユーザー端末の登録／認証と平行して行うことができ、また保証されたときはいつでも行うことができる。

校正は、データ伝送に使用することができる全てのサブ帯域に対して行うことができる（これを「データ」サブ帯域と呼ぶ）。データ伝送に使用されないサブ帯域（例えば、ガードサブ帯域）は、一般に校正される必要はない。しかしながら、アクセスポイントとユーザー端末における送信／受信チェインの周波数応答は、一般に所定の帯域の大部分にわたってフラットであり、隣接するサブ帯域は互いに関係がありそうであるため、校正はデータサブ帯域の１つのサブセットだけに対して行うことができる。校正されたデータサブ帯域が全てのデータサブ帯域よりも少ないと、校正されるべきサブ帯域（「指定」サブ帯域と称す）を、アクセスポイントに信号で伝えることができる（例えば、校正を開始するために送られるメッセージ中に）。

校正のために、ユーザー端末は指定されたサブ帯域上のＭＩＭＯパイロットをアクセスポイントに送信する（ステップ３１２）。ＭＩＮＯパイロットの生成は、以下に詳しく述べる。上りリンクＭＩＮＯパイロット伝送の継続時間は、指定サブ帯域の数に依存することができる。例えば、校正が４つのサブ帯域のために行われる場合、８ＯＦＤＭシンボルで十分であろうが、より多いサブ帯域のためにはより多くの（例えば２０）ＯＦＤＭシンボルが必要であろう。総伝送電力は一般的に決められているので、ＭＩＭＯパイロットが少数のサブ帯域上で送られると、これらのサブ帯域のそれぞれのためにより多量の送信電力を使うことになり、各サブ帯域のためのＳＮＲが高くなるであろう。逆に、ＭＩＭＯパイロットが多数のサブ帯域上で送られると、各サブ帯域のためにより少量の送信電力を使うことになり、各サブ帯域に対するＳＮＲが悪くなるであろう。各サブ帯域のＳＮＲが十分に高くない場合、より多くのＯＦＤＭシンボルがＭＩＭＯパイロットのために送られ、サブ帯域に対するより高い全ＳＮＲを得るために受信機において統合されることになる。

アクセスポイントは、上りリンクＭＩＭＯパイロットを受信し、各指定サブ帯域のために上りリンクチャネル応答の推定値

を導き出す。ここで、ｋはサブ帯域指数を表わす。ＭＩＭＯパイロットに基づくチャネル推定を以下に述べる。上りリンクチャネル応答推定値は、量子化され、ユーザー端末に送られる（ステップ３１４）。各行列

のエントリは、ｋ番目のサブ帯域に対する上りリンクのためのＮ_ｕｔ送信アンテナとＮ_ａｐ受信アンテナとの間の複素チャネルゲインである。全ての行列のためのチャネルゲインは、全ての指定サブ帯域にわたって共通である特定の倍率によりスケーリングされ(be scaled)、望ましいダイナミックレンジを得ることができる。例えば、各行列

のチャネルゲインは、指定サブ帯域のための全ての行列

のための最も大きいチャネルゲインにより逆スケーリングすることができ、そのためその最も大きいチャネルゲインは大きさが１である。校正の目的は下りリンクと上りリンクの間のゲイン／位相差を正規化することにあるので、絶対的なチャネルゲインは重要ではない。１２ビットの複素値（すなわち、１２ビット同相（Ｉ）成分と１２ビット直交（Ｑ）成分を有する）がチャネルゲインのために使われると、下りリンクチャネル応答推定値は、３・Ｎ_ｕｔ・Ｎ_ａｐ・Ｎ_ｓｂバイトでユーザー端末に送ることができる。ここで、「３」はＩ成分及びＱ成分を表わすのに用いられる２４の全ビットのためであり、Ｎ_ｓｂは指定サブ帯域の数である。

また、ユーザー端末はアクセスポイントにより送信される下りリンクＭＩＭＯパイロットを受信し（ステップ３１６）、受信したパイロットに基づいて各指定サブ帯域のために下りリンクチャネル応答の推定値

を導き出す（ステップ３１８）。次にユーザー端末は、上りリンクチャネル応答推定値及び下りリンクチャネル応答推定値

及び

に基づく各指定サブ帯域に対して、補正因子

及び

を確定する（ステップ３２０）。

補正因子を導くために、以下のように、アクセスポイントとユーザー端末における送信／受信チェインの差を補償するためのゲイン／位相補正をした状態で、各サブ帯域に対する下りリンクチャネル応答及び上りリンクチャネル応答は逆数であると想定する。

ここで、Ｋは全てのデータサブ帯域を有するセットを表わす。校正の間に、有効な下りリンクチャネル応答及び上りリンクチャネル応答の推定値だけを指定サブ帯域に利用できるため、式（８）は

と書き換えることができる。ここで、Ｋ’は全ての指定サブ帯域を有するセットを表わす。補正ベクトル

は、

のＮ_ｕｔ対角成分だけを含むと定義できる。同様に、補正ベクトル

は、

のＮ_ａｐ対角成分だけを含むと定義できる。

補正因子

及び

は、行列比計算や最小平均二乗誤差（ＭＭＳＥ）計算による方法を含む様々な方法でチャネル推定値

及び

から導き出すことができる。これらの計算方法は、いずれも以下でより詳しく述べる。他の計算方法も用いることができ、これは本発明の範囲である。

Ａ．行列比計算
図４は行列比計算を用いて下りリンクチャネル応答推定値及び上りリンクチャネル応答推定値

及び

から補正ベクトル

及び

を導き出すためのプロセス３２０ａの実施形態のフローチャートである。プロセス３２０ａは、図３のステップ３２０のために用いることができる。

初めに、（Ｎ_ｕｔ×Ｎ_ａｐ）行列

が、次のように各指定サブ帯域のために計算される（ステップ４１２）。

ここで、比は成分を成分で割って得られる。したがって、

の各成分は、

と計算することができる。ここで、

及び

は、それぞれ

及び

の（ｉ，ｊ）番目（行，列）の成分であり、ｃ_ｉ，ｊ（ｋ）は

の（ｉ，ｊ）番目の成分である。

ある実施形態において、アクセスポイントのための補正ベクトル

は、

の正規化された行の平均値に等しくあるよう規定され、ブロック４２０のステップにより導き出される。まず

の各行は、その行の各Ｎ_ａｐ成分をその行の一番目の成分でスケーリングすることで正規化される（ステップ４２２）。したがって、

が

のｉ番目の行であると、正規化された行

は、

と表わすことができる。次に、正規化された行の平均値は、Ｎ_ｕｔで除算されたＮ_ｕｔ正規化行の合計として確定される（ステップ４２４）。補正ベクトル

は、この平均値に等しく定められ（ステップ４２６）、

と表わすことができる。正規化のため、

の一番目の成分は単位元（unity）である。

ある実施形態において、ユーザー端末のための補正ベクトル

は、

の正規化された列の逆数の平均値に等しくなるよう規定され、ブロック４３０のステップにより導き出される。まず

のｊ番目の各列は、その列の各成分をベクトル

のｊ番目の成分でスケーリングすることで正規化され、これはＫ_{ａｐ，ｊ，ｊ}（ｋ）で表わされる（ステップ４３２）。したがって、

が

のｊ番目の列である場合、正規化された列

は、

と表わすことができる。次に、正規化された列の逆数の平均値は、Ｎ_ａｐで除算されたＮ_ａｐ正規化列の逆数の合計として確定される（ステップ４３４）。補正ベクトル

は、この平均値に等しく定められ（ステップ４３６）、

と表わすことができる。ここで、正規化された列

の反転は、成分に関して行われる。

Ｂ．ＭＭＳＥ計算
ＭＭＳＥ計算のために、校正された下りリンクチャネル応答と校正された上りリンクチャネル応答との間の平均二乗誤差（ＭＳＥ）が最小になるように、補正因子

及び

が下りリンクチャネル応答推定値及び上りリンクチャネル応答推定値

及び

から導き出される。この条件は、

と表わすことができる。また、これは

と書き換えることができる。ここで、

は対角行列であるため、

である。

式（１６）は、

の先頭の成分が単位元と等しくなる（すなわち、

）よう定められる制約を受ける。この制約なしに、自明な解が、０に等しくなるよう定められる行列

及び

の全ての成分で得られることになる。式（１６）において、まず行列

が

として得られる。次に、絶対値の二乗が行列

の各Ｎ_ａｐ・Ｎ_ｕｔエントリのために得られる。次に、平均二乗誤差（または二乗誤差、Ｎ_ａｐ・Ｎ_ｕｔによる除算が省略されるため）が、全てのＮ_ａｐ・Ｎ_ｕｔ二乗値の合計に等しくなる。

ＭＭＳＥ計算は、各指定サブ帯域に対して行われ、そのサブ帯域のための補正因子

及び

を得る。１つのサブ帯域に対するＭＭＳＥ計算を以下に述べる。簡単にするために、サブ帯域指数ｋは以下の説明で省略する。また簡単にするために、下りリンクチャネル応答推定値

の成分は｛ａ_ｉｊ｝で表わされ、上りリンクチャネル応答推定値

の成分は｛ｂ_ｉｊ｝で表わされ、行列

の対角成分は｛ｕ_ｉｊ｝で表わされ、行列

の対角成分は｛ｖ_ｊ｝で表わされる。ここで、ｉ＝｛１…Ｎ_ａｐ｝及びｊ＝｛１…Ｎ_ｕｔ｝である。

平均二乗誤差は、式（１６）から次のように書き換えることができ、

再びｕ_１＝１の制約を受ける。最小二乗平均誤差は、ｕ及びｖに対して式（１７）の偏導関数を得て、この偏導関数を０に設定することで得ることができる。これらの演算の結果は、次の式のセットとなる。

式（１８ａ）において、この場合に偏導関数が無いようにｕ_ｉ＝１とし、指数ｉは２からＮ_ａｐに至る。

式のセット（１８ａ）及び（１８ｂ）における（Ｎ_ａｐ＋Ｎ_ｕｔ−１）式のセットは、次のように行列の形でより都合よく表わすことができる。

ここで、

である。

行列

は、（Ｎ_ａｐ＋Ｎ_ｕｔ−１）行を含み、第１のＮ_ａｐ−１行は式のセット（１８ａ）からのＮ_ａｐ−１式に相当し、最後のＮ_ｕｔ行は式のセット（１８ｂ）からのＮ_ｕｔ式に相当する。特に、行列

の第１の行は、式のセット（１８ａ）からｉ＝２で生成され、第２の行はｉ＝３で生成され、以下同様である。行列

のＮ_ａｐ番目の行は、式のセット（１８ｂ）からｊ＝１で生成され、以下同様であり、最後の行はｊ＝Ｎ_ｕｔで生成される。上記に示したように、行列

のエントリとベクトル

のエントリは、行列

及び

のエントリに基づいて得ることができる。

補正因子はベクトル

に含まれ、これは

で得られる。

ＭＭＳＥ計算の結果は、式（１６）に示すように、校正された下りリンクチャネル応答及び上りリンクチャネル応答における平均二乗誤差を最小にする補正行列

及び

である。行列

及び

は、下りリンクチャネル応答推定値及び上りリンクチャネル応答推定値

及び

に基づいて得られるので、補正行列

及び

の品位はチャネル推定値

及び

の品位に依存する。ＭＩＭＯパイロットは、

及び

に対するより正確な推定値を得るために受信機で平均をとることができる。

ＭＭＳＥ計算に基づいて得られた補正行列

及び

は、一般に行列比計算に基づいて得られた補正行列よりも良い。特にチャネルゲインの一部が小さく、測定雑音がチャネルゲインを大いに劣化させることができる場合に良い。

Ｃ．計算後
使用のために選択された特定の計算方法に関わらず、補正行列の計算の終了後、全ての指定サブ帯域に対して、ユーザー端末はアクセスポイントのための補正ベクトル

をアクセスポイントに送る。１２ビット複素値が

における各補正因子のために用いられる場合、全ての指定サブ帯域に対する補正ベクトル

は３・（Ｎ_ａｐ−１）・Ｎ_ｓｂバイトでアクセスポイントに送ることができる。ここで、「３」はＩ成分及びＱ成分用に用いられる２４の全ビットのためであり、（Ｎ_ａｐ−１）は、単位元に等しくそれゆえ送られる必要がない各ベクトル

における第１の成分により生じる。第１の成分が２^９−１＝＋５１１に設定される場合、１２ｄＢのヘッドルームを利用でき（正符号付きの１２ビットの最大値は２^１１−１＝＋２０４７であるため）、これにより下りリンクと上りリンクの間の最大１２ｄＢのゲインの不整合を１２ビットの値で吸収させることになる。下りリンクと上りリンクが１２ｄＢ内で整合し、第１の成分が５１１の値に正規化される場合、他の成分は絶対値で５１１・４＝２０４４よりも大きくならないはずであり、１２ビットで表わすことができる。

補正ベクトル

及び

の対は、各指定サブ帯域のために得られる。全てのデータサブ領域よりも少ないデータサブ領域のために行われる場合、「校正されない」サブ領域のための補正因子は、指定サブ領域のために得られた補正因子を補間することにより得ることができる。補間は、ｋ∈Ｋの場合に補正ベクトル

を得るためにアクセスポイントにより行うことができる。同様に、補間は、ｋ∈Ｋの場合に補正ベクトル

を得るためにユーザー端末により行うことができる。

その後、アクセスポイントとユーザー端末は、ｋ∈Ｋの場合にそれぞれ補正ベクトル

及び

または対応する補正行列

及び

を使い、後述するように、無線チャネル上で伝送する前に変調シンボルをスケーリングする。そしてユーザー端末が認識する有効な下りリンクチャネルは、

となるであろう。

上述した校正方式は、それによって補正因子のベクトルが各アクセスポイント及びユーザー端末のために得られ、校正が様々なユーザー端末により行われた場合に、「互換性がある」補正ベクトルがアクセスポイントのために導き出されることを可能にする。アクセスポイントが（例えば、１つ以上の他のユーザー端末により）すでに校正されている場合、現時の補正ベクトルは新たに導かれた補正ベクトルで更新することができる。

例えば、２つのユーザー端末が同時に校正手続きを行う場合、これらのユーザー端末からの校正結果は、性能を向上させるために平均化することができる。しかしながら、校正は一般に一時に１つのユーザー端末に対して行われる。そのため、２番目のユーザー端末は、すでに適用された１番目のユーザー端末のための補正ベクトルを用いて下りリンクを監視する。この場合、２番目の補正ベクトルと前の補正ベクトルとの積を新しい補正ベクトルとして用いることができるか、「重み付け平均」（後述する）も用いることができる。アクセスポイントは、一般に全てのユーザー端末のために単一の補正ベクトルを使い、異なるユーザー端末のために異なるものを使わない（これも実行され得るが）。複数のユーザー端末からの更新または１つのユーザー端末からの連続した更新は、同じ方法で処理することができる。更新されたベクトルは（積演算により）直接適用することができる。その代わりに、測定雑音を減少することが望まれる平均化がある場合、重み付け平均を以下に述べるように用いることができる。

したがって、アクセスポイントが、ユーザー端末が新たな補正ベクトル

を確定するＭＩＭＯパイロットを送信するために補正ベクトル

を使う場合、更新された補正ベクトル

は、現時の補正ベクトルと新たな補正ベクトルとの積である。補正ベクトル

及び

は、同一のまたは異なるユーザー端末により導き出すことができる。

１つの実施形態において、更新された補正ベクトルは、

と定義される。ここで、乗算は成分掛ける成分である。他の実施形態において、更新された補正ベクトルは、

と再定義することができる。ここで、αは重み付け平均を行うのに用いられる因子である（例えば、０＜α＜１）。校正の更新があまり行われない場合、１に近い□を行うのが最も良いであろう。校正の更新が頻繁に行われるものの雑音がある場合、□にはより小さい値がより良い。そして更新された補正ベクトル

は、再び更新されるまで、アクセスポイントにより用いることができる。

上述したように、校正は全てのデータサブ帯域よりも少ないサブ帯域に対して行うことができる。例えば、校正は全てのｎ番目のサブ帯域のために行うことができる。ここで、ｎは送信／受信チェインの予期される応答により確定することができる（例えば、ｎは２，４，８，１６，以下同様とすることができる）。また校正は、不均一な分散サブ帯域のために行うことができる。例えば、通過帯域の端部で、送信／受信チェインにおいてより多くの不整合を生み出し得るより多くのフィルタロールオフがあることがあるので、帯域端部近くのより多くのサブ帯域を校正することができる。一般に、かなりの数のどんな分布のサブ帯域でも校正することができ、これは本発明の範囲内である。

上記の説明において、ｋ∈Ｋ’の場合の補正ベクトル

及び

はユーザー端末により導き出され、ベクトル

はアクセスポイントに送り戻される。この方式は、多元接続システムのためにユーザー端末の間で校正処理を有利に割り当てる。しかしながら、補正ベクトル

及び

は、アクセスポイントにより導き出すこともでき、これはベクトル

をユーザー端末に送り戻すことになり、これは本発明の範囲内である。

上述した校正方式は、各ユーザー端末が無線伝送を通じてリアルタイムでその送信／受信チェインを校正することを可能にする。これは、異なる周波数応答を有するユーザー端末が厳格な周波数応答仕様を必要とせずに高性能を実現すること、または工場で校正を行うことを可能にする。アクセスポイントは、精度を向上するために複数のユーザー端末により校正することができる。

Ｄ．ゲイン考察
校正は、下りリンクチャネルまたは上りリンクチャネルのために「正規化された」ゲインに基づいて行うことができ、それらは受信機におけるノイズフロアに関して得られるゲインである。正規化されたゲインを使うことにより、下りリンクと上りリンクが校正された後、１つのリンクの特性（チャネルゲインと固有モード当りのＳＮＲを含む）を、他のリンクに対するゲイン測定に基づいて得ることが可能になる。

アクセスポイントとユーザー端末は、初めに、アクセスポイントとユーザー端末のための受信経路上の雑音レベルがほぼ同じになるように、それらの受信機入力レベルのバランスをとることができる。このバランスは、ノイズフロアを推定すること、すなわち、特定の継続時間（例えば、１または２シンボル期間）にわたって最小平均電力を有する受信したＴＤＤフレームの部分（すなわち、下りリンク／上りリンク伝送の単位）を見つけることにより、とることができる。一般に、どの上りリンクデータもアクセスポイントにより受信される必要があり、アクセスポイントが下りリンク上で送信する前に受信／送信ターンアラウンドタイムを必要とするので、各ＴＤＤフレームの開始直前の時間は伝送がされていない。干渉環境により、ノイズフロアは複数のＴＤＤフレームに基づいて確定することができる。次に、下りリンクチャネル応答及び上りリンクチャネル応答は、このノイズフロアに関して測定される。特に、所定の送信／受信アンテナ対の所定のサブ帯域のためのチャネルゲインが、例えば、その送信／受信アンテナ対のそのサブ帯域のための送信されたパイロットシンボルに対する受信されたパイロットシンボルの比として、最初に得られる。そして、正規化されたゲインは、ノイズフロアで除算された測定ゲインである。

アクセスポイントのための正規化されたゲインとユーザー端末のための正規化されたゲインとの大きな差は、単位元から大きく異なっているユーザー端末のための補正因子となることがある。アクセスポイントのための補正因子は、行列

の１番目の成分が１に設定されるので、単位元に近い。

ユーザー端末のための補正因子が単位元から大きく異なる場合、ユーザー端末は計算された補正因子を適用することができない可能性がある。これは、ユーザー端末がその最大送信電力に制約があり、大きな補正因子のためにその送信電力を増やすことができない可能性があるからである。さらに、小さな補正因子のための送信電力の減少は、実現可能なデータレートを低減させる可能性があるため、一般に望ましくない。

したがって、ユーザー端末は計算された補正因子のスケーリング版を用いて送信することができる。スケーリングされた校正因子は、計算された補正因子を、下りリンクチャネル応答と上りリンクチャネル応答との間のゲインデルタ（差または比）に等しく設定することができる特定のスケーリング値でスケーリングすることにより得ることができる。ゲインデルタは、下りリンクと上りリンクのための正規化されたゲインの間の差（すなわちデルタ）の平均値として計算することができる。ユーザー端末のための補正因子に用いられるスケーリング値（すなわちゲインデルタ）は、アクセスポイントのための計算された補正因子と共に、アクセスポイントに送ることができる。

補正因子及びスケーリング値すなわちゲインデルタにより、下りリンクチャネル特性は測定された上りリンクチャネル応答から確定することができ、逆の場合の同様である。アクセスポイントまたはユーザー端末でのノイズフロアが変わると、ゲインデルタは更新されることができ、更新されたゲインデルタはメッセージ中で他のエンティティに送ることができる。

上記の説明において、校正は各サブ帯域のための補正因子の２つのセット（すなわちベクトルまたは行列）となり、１つのセットは下りリンクデータ送信のためにアクセスポイントにより用いられ、他のセットは上りリンクデータ送信のためにユーザー端末により用いられる。また、校正は補正因子の２つのセットが各サブ帯域に供給されるよう行われ、１つのセットは上りリンクデータ受信のためにアクセスポイントにより用いられ、他のセットは下りリンクデータ受信のためにユーザー端末により用いられる。また、校正は補正因子の１つのセットが各サブ帯域のために得られるように行うことができ、このセットはアクセスポイントまたはユーザー端末で用いることができる。一般に校正は、補正因子がどこに適用されるかに関わらず、校正された下りリンクチャネル応答及び上りリンクチャネル応答が互いの逆数であるよう行われる。

２．ＭＩＭＯパイロット
校正のために、ＭＩＭＯパイロットがユーザー端末により上りリンク上で送信され、アクセスポイントが上りリンクチャネル応答を推定することを可能にし、ＭＩＭＯパイロットがアクセスポイントにより下りリンク上で送信され、ユーザー端末が下りリンクチャネル応答を推定することを可能にする。同一のまたは異なるＭＩＭＯパイロットを下りリンク及び上りリンクのために使うことができ、使われるＭＩＭＯパイロットは、アクセスポイントとユーザー端末の両方で識別される。

ある実施形態において、ＭＩＭＯパイロットは、各Ｎ_Ｔ送信アンテナから送信される特定のＯＦＤＭシンボル（「Ｐ」で示される）を含んでいる。ここで下りリンクに対してＮ_Ｔ＝Ｎ_ａｐであり、上りリンクに対してＮ_Ｔ＝Ｎ_ｕｔである。各送信アンテナのために、同じＰ ＯＦＤＭシンボルが、ＭＩＭＯパイロット伝送のために指定された各シンボル期間で送信される。しかしながら、各アンテナのためのＰ ＯＦＤＭシンボルは、そのアンテナに割り当てられた異なるＮチップウォルシュ系列でカバーされる。ここで下りリンクに対してＮ≧Ｎ_ａｐであり、上りリンクに対してＮ≧Ｎ_ｕｔである。ウォルシュカバーリングは、Ｎ_Ｔ送信アンテナ間の直交性を維持し、受信機が個々の送信アンテナを識別することを可能にする。

Ｐ ＯＦＤＭシンボルは、各Ｎ_ｓｂ指定サブ帯域のための１つの変調シンボルを含む。そのためＰ ＯＦＤＭシンボルは、受信機によりチャネル推定を容易にするために選択することができるＮ_ｓｂ変調シンボルの特定の「ワード」を含む。またこのワードは、送信されたＭＩＭＯパイロットにおけるピークから平均値の変動を最小にするよう定義される。そして、これは送信／受信チェインにより生成される歪みと非直線性の量を低減し、これによりチャネル推定のための精度を向上することができる。

明確にするために、特定のＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムのために特定のＭＩＭＯパイロットについて以下に述べる。このシステムのために、アクセスポイントとユーザー端末は、それぞれ４つの送信／受信アンテナを有している。システム帯域幅は、６４の直交サブ帯域（すなわち、Ｎ_Ｆ＝６４）に分割され、これらには＋３１から−３２の指標が割り当てられる。これら６４のサブ帯域のうち、４８のサブ帯域（例えば、±｛１，…，６，８，…，２０，２２，…，２６｝の指標を有する）がデータのために使われ、４つのサブ帯域（例えば、±｛７，２１｝の指標を有する）がパイロットと考えられるシグナリングのために使われ、ＤＣサブ帯域（０の指標を有する）は使われず、残りのサブ帯域も使われずにガードサブ帯域として役立つ。このＯＦＤＭサブ帯域構造は、ＩＥＥＥ規格８０２．１１ａ用の文書であり、「Ｐａｒｔ１１：無線ＬＡＮ媒体アクセス制御（ＭＡＣ）及び物理層（ＰＨＹ）仕様：５ＧＨｚ帯域における高速物理層」、１９９９年９月、により詳しく述べられており、これは公に入手でき、本明細書中に参照により組み込まれている。

Ｐ ＯＦＤＭシンボルは、４８のデータサブ帯域と４つのパイロットサブ帯域のための５２のＱＰＳＫ変調シンボルのセットを含む。このＰ ＯＦＤＭシンボルは、次のように与えられる。

Ｐ（real）＝ｇ・｛０，０，０，０，０，０，−１，−１，−１，−１，１，１，１，−１，−１，１，−１，１，１，１，１，−１，−１，１，−１，１，−１，−１，−１，−１，１，−１，０，１，−１，−１，−１，−１，１，−１，−１，−１，−１，１，１，−１，−１，１，−１，−１，１，１，−１，１，−１，１，−１，１，−，０，０，０，０，０｝
Ｐ（imag）＝ｇ・｛０，０，０，０，０，０，−１，１，１，１，−１，−１，１，−１，１，１，１，−１，１，−１，−１，−１，−１，−１，−１，１，１，−１，１，１，−１，１，０，−１，−１，−１，−１，１，１，−１，１，−１，−１，１，−１，１，−１，１，１，１，−１，１，１，１，１，１，１，−１，−１，０，０，０，０，０｝
ここで、ｇはパイロットのためのゲインである。｛｝括弧内の値は、サブ帯域指標−３２から−１のため（第１のラインのため）と、０から＋３１のため（第２のラインのため）に与えられる。したがって、Ｐ（real）及びＰ（imag）のための第１のラインは、シンボル（−１−ｊ）がサブ帯域−２６で送信され、シンボル（−１＋ｊ）がサブ帯域−２５で送信され、以下同様であることを表わす。Ｐ（real）及びＰ（imag）のための第２のラインは、シンボル（１−ｊ）がサブ帯域１で送信され、シンボル（−１−ｊ）がサブ帯域２で送信され、以下同様であることを表わす。他のＯＦＤＭシンボルも、ＭＩＭＯパイロットに使うことができる。

ある実施形態において、４つの送信アンテナには、ＭＩＭＯパイロットのためのＷ_１＝１１１１、Ｗ_２＝１０１０、Ｗ_３＝１１００、Ｗ_４＝１００１のウォルシュ系列が割り当てられる。所定のウォルシュ系列に対して、「１」の値はＰ ＯＦＤＭシンボルが送信されること、「０」の値は−Ｐ ＯＦＤＭシンボルが送信されることを表わす（すなわち、Ｐにおける５２の変調シンボルのそれぞれは反転する）。

表１は、４つのシンボル期間にわたるＭＩＭＯパイロット伝送のための４つの送信アンテナのそれぞれから送信されるＯＦＤＭシンボルを列挙している。

より長いＭＩＭＯパイロット伝送のために、各送信アンテナのためのウォルッシュ系列が単純に繰り返される。このウォルッシュ系列のセットのために、ＭＩＭＯパイロット伝送が４つのシンボル期間の整数倍で起こり、４つの送信アンテナ間の直交性を確保する。

受信機は、相補的な処理を行うことにより、受信したＭＩＭＯパイロットに基づいてチャネル応答の推定値を導き出すことができる。特に、送信アンテナｉから送られ受信アンテナｊにより受信されたパイロットを回復するために、まず受信アンテナｊにより受信されたパイロットが、送信機で行われたウォルッシュカバーリングへの相補的な方法で、送信アンテナｉに割り当てられたウォルッシュ系列で処理される。次に、ＭＩＭＯパイロットのための全てのＮ_ｐｓシンボル期間のためにディカバーされたＯＦＤＭシンボルが蓄積され、ＭＩＭＯパイロットを搬送するのに使われる５２のサブ帯域のそれぞれのために個別に蓄積が行われる。蓄積の結果は、ｋ＝±｛１，…，２６｝の場合に

であり、これは５２のデータ及びパイロットサブ帯域のための送信アンテナｉから受信アンテナｊへの有効なチャネル応答（すなわち、送信／受信チェインのための応答を含む）の推定値である。

同じ処理を、各受信アンテナにおいて各送信アンテナからのパイロットを回復するために行うことができる。パイロット処理は、有効なチャネル応答の推定値

または

の成分であるＮ_ａｐ・Ｎ_ｕｔ値を５２のサブ帯域のそれぞれに供給する。

上述したチャネル推定は、校正の間にアクセスポイントとユーザー端末の両方により行ない、その後上述した補正因子を導き出すために用いられる有効な上りリンクチャネル応答推定値

と有効な下りリンクチャネル応答推定値

とをそれぞれ得ることができる。

３．空間処理
下りリンクチャネル応答と上りリンクチャネル応答との間の相関関係は、ＴＤＤ ＭＩＭＯシステム及びＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムのためのアクセスポイント及びユーザー端末でのチャネル推定及び空間処理を簡単にするために利用することができる。この簡略化は、校正が送信／受信チェインにおける差を補償するために行われた後に可能である。上述したように、校正されたチャネル応答は、
下りリンクのために

上りリンクのために

となる。式（２１ｂ）の最後の相等性は、有効な下りリンクチャネル応答及び上りリンクチャネル応答の間の関係

を用いることで得られる。

各サブ帯域のためのチャネル応答行列

は、そのサブ帯域のためのＮ_Ｓ固有モードを得るために「対角化」することができる。これは、チャネル応答行列

上の特異値分解、または

の相関行列上の固有値分解を行うことで実現でき、これは

である。

校正された上りリンクチャネル応答行列の特異値分解

は、

と表わすことができる。ここで、

は、

の左固有ベクトルの（Ｎ_ｕｔ×Ｎ_ｕｔ）ユニタリ行列、

は、

の特異値の（Ｎ_ｕｔ×Ｎ_ａｐ）対角行列、

は、

の右固有ベクトルの（Ｎ_ａｐ×Ｎ_ａｐ）ユニタリ行列
である。

ユニタリ行列Ｍは、特性

で特徴づけられ、ここで

は単位行列である。同様に、校正された下りリンクチャネル応答行列の特異値分解

は、

と表わすことができる。したがって、行列

及び

も、それぞれ

の左固有ベクトルと右固有ベクトルの行列である。行列

及び

は、行列

の異なる形であり、行列

及び

も、行列

の異なる形である。簡単にするために、以下の説明において行列

及び

への言及も、それらの様々な他の形を参照する。行列

及び

は、空間処理のためにそれぞれアクセスポイントとユーザー端末により用いられ、それらの下付き文字によって示される。

特異値分解は、Ｇｉｌｂｅｒｔ Ｓｔｒａｎｇによる題名「線形代数及びその応用」、第２版、アカデミックプレス、１９８０年にさらに詳しく述べられている。

ユーザー端末は、アクセスポイントにより送られたＭＩＭＯパイロットに基づいて校正された下りリンクチャネル応答を推定することができる。次にユーザー端末は、校正された下りリンクチャネル応答推定値

、ｋ∈Ｋ、の特異値分解を行い、

の左固有ベクトルの対角行列

と行列

を得ることができる。この特異値分解は、

で与えることができ、ここで各行列の上のハット（「＾」）は、それが実行列の推定値であることを示す。

同様に、アクセスポイントはユーザー端末により送られたＭＩＭＯパイロットに基づいて校正された上りリンクチャネル応答を推定することができる。次にアクセスポイントは、校正された上りリンクチャネル応答推定値

、ｋ∈Ｋ、の特異値分解を行い、

、ｋ∈Ｋ、の左固有ベクトルの対角行列

と行列

を得ることができる。この特異値分解は、

で与えることができる。

相互のチャネルと校正のため、特異値分解は行列

及び

の両方を得るために、ユーザー端末またはアクセスポイントにより行われる必要があるだけである。ユーザー端末により行われる場合、行列

はユーザー端末において空間処理のために用いられ、行列

はアクセスポイントに送り戻すことができる。

またアクセスポイントは、行列

及び

を、ユーザー端末により送られたステアリングされた基準（steered reference）に基づいて得ることができる。同様にユーザー端末も、行列

及び

を、アクセスポイントにより送られたにステアリングされた基準に基づいて得ることができる。ステアリングされた基準については、前述の仮米国特許出願番号６０／４２１，３０９号に詳しく述べられている。

行列

及び

は、ＭＩＭＯチャネルのＮ_Ｓ固有モード上の独立データストリームを送信するのに用いることができ、ここで、Ｎ_Ｓ≦ｍｉｎ｛Ｎ_ａｐ，Ｎ_ｕｔ｝である。下りリンクと上りリンク上で多重のデータストリームを送信する空間処理について以下に述べる。

Ａ． 上りリンク空間処理
上りリンク伝送のためのユーザー端末による空間処理は、

と表わすことができる。ここで、

は、ｋ番目のサブ帯域のための上りリンク用の送信ベクトル、

は、ｋ番目のサブ帯域のＮ_Ｓ固有モード上で送信されるべき変調シンボルのための最大Ｎ_Ｓ非ゼロエントリを有する「データ」ベクトルである。

付加的な処理を伝送の前に変調シンボル上で行うこともできる。例えば、受信したＳＮＲが全てのデータサブ帯域にわたってほぼ等しくなるように、チャネル反転をデータ副帯域にわたって（例えば、各固有モードに）適用することができる。そして空間プロセスは、

と表わすことができ、ここで、

は、（任意の）上りリンクチャネル反転のための重みを有する行列である。

また、チャネル反転は変調が起こる前に送信電力を各サブ帯域に割り当てることにより行うことができ、この場合にはベクトル

はチャネル反転係数を含み、行列

は式（２５）から省くことができる。以下の説明において、式で行列

を使うことは、チャネル反転係数がベクトル

に組み込まれないことを示す。式に行列

が無いことにより、（１）チャネル反転が行われないか、（２）チャネル反転が行われベクトル

に組み込まれていることを示すことができる。

チャネル反転は、前述した仮米国特許出願番号６０／４２１，３０９号、及び２００２年８月２７日に出願され本出願の譲受人に譲渡された米国特許出願番号１０／２２９，２０９号、題名「固有モードごとに適用された選択的チャネル反転を有する符号化ＭＩＭＯシステム」に述べられており、これは本明細書中に参照により組み込まれている。

アクセスポイントにおける受信された上りリンク送信は、

と表わすことができ、ここで、

は、ｋ番目のサブ帯域のための上りリンク用の受信されたベクトル、

は、ｋ番目のサブ帯域のための加法的ガウス白色雑音（ＡＷＧＮ）であり、

は、式（２４）に示す通りである。

受信した上りリンク送信のためのアクセスポイントでの空間処理（すなわちマッチングされたフィルタリング）は、

と表わすことができる。ここで、

は上りリンク上でユーザー端末により送信されたベクトル

の推定値であり、

は処理後の雑音である。式（２７）は、送信機でチャネル反転が行われておらず、しかも受信されたベクトル

が式（２６）に示す通りであることを想定している。

Ｂ．下りリンク空間処理
下りリンク伝送のためのアクセスポイントによる空間処理は

と表わすことができる。ここで、

は伝送ベクトル、

は下りリンクのためのデータベクトルである。

再び、付加的な処理（例えば、チャネル反転）を、伝送の前に変調シンボル上で行うこともできる。そして、空間処理は、

と表わすことができる。ここで、

は（任意の）下りリンクチャネル反転のための重みを有する行列である。

ユーザー端末で受信された下りリンク伝送は、

と表わすことができる。ここで、

は、式（２８）で表わされるように送信ベクトルである。

受信した下りリンク伝送のためのユーザー端末での空間処理（すなわちマッチングされたフィルタリング）は、

と表わすことができる。式（３１）は、送信機でチャネル反転が行われておらず、しかも受信されたベクトル

が式（３０）に示す通りであることを想定している。

表２は、データ送信及び受信のためのアクセスポイントとユーザー端末での空間処理をまとめている。表２は、

による付加的な処理が送信機で行われることを想定している。しかしながら、この付加的な処理が行われない場合、

は単位行列とみなすことができる。

上記の説明及び表２で示すように、補正行列

及び

は、それぞれアクセスポイントとユーザー端末での送信空間処理に用いられる。これは、変調シンボルがともかくスケーリングされる必要があり得て（例えば、チャネル反転のために）、補正行列

及び

が重み行列

及び

と結合され、ゲイン行列

及び

を得ることができるため、全空間処理を簡略化できる。ここで、

及び

である。この処理は、補正行列が（送信空間処理の代わりに）受信空間処理に用いられるよう、行うこともできる。

４．ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステム
図５は、ＴＤＤ ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステム内のアクセスポイント５０２及びユーザー端末５０４の一実施形態のブロック図である。簡単にするために、以下の説明ではアクセスポイントとユーザー端末がそれぞれ４つの送信／受信アンテナを備えているものとする。

下りリンク上で、アクセスポイント５０２において、送信（ＴＸ）データプロセッサ５１０はデータソース５０８からトラヒックデータ（すなわち情報ビット）を受信し、コントローラ５３０からシグナリング及び他の情報を受信する。ＴＸデータプロセッサ５１０は、データをフォーマットし、符号化し、インタリーブし、変調して（すなわち、シンボルマップ）、データ伝送に用いられる各固有モードのために変調シンボルのストリームを供給する。ＴＸ空間プロセッサ５２０は、ＴＸデータプロセッサ５１０から変調シンボルストリームを受信して、４つの送信シンボルのストリームを各アンテナに１つずつ供給するために、空間処理を行う。またＴＸ空間プロセッサ５２０は、必要に応じてパイロットシンボル中で多重化する（例えば校正のために）。

各変調器（ＭＯＤ）５２２は、各送信シンボルを受信して処理し、対応するＯＦＤＭシンボルのストリームを供給する。さらに各ＯＦＤＭシンボルストリームは、変調器５２２内の送信チェインにより処理され、対応する下りリンク変調信号を供給する。次に、変調器５２２ａ乃至５２２ｄからの４つの下りリンク変調信号は、それぞれ４つのアンテナ５２４ａ乃至５２４ｄから送信される。

ユーザー端末５０４において、アンテナ５２２は、送信された下りリンク変調信号を受信し、各アンテナは受信した信号を各復調器（ＤＥＭＯＤ）５５４に供給する。各復調器（ＤＥＭＯＤ）５５４（受信チェインを含む）は、変調器５２２で行われたことに対して相補的な処理を行い、受信したシンボルを供給する。次に受信（ＲＸ）空間プロセッサ５６０は、全ての復調器５５４からの受信シンボル上で空間処理を行い、アクセスポイントから送られた変調シンボルの推定値である回復信号を供給する。校正の間、ＲＸ空間プロセッサ５６０は、アクセスポイントにより送信されたＭＩＭＯパイロットに基づいて、校正された下りリンクチャネル推定値

を供給する。

ＲＸデータプロセッサ５７０は、回復されたシンボルを処理し（例えば、シンボル逆マップ、デインタリーブ、及び復号）、復号データを供給する。復号データは、回復されたトラヒックデータ、シグナリングなどを含むことができ、それらは保存のためにデータシンク５７２に供給され、かつ／またはさらなる処理のためにコントローラ５８０に供給される。校正の間、ＲＸデータプロセッサ５７０は、アクセスポイントにより導き出され下りリンク上で送られた校正された上りリンクチャネル推定値

を供給する。

コントローラ５３０及び５８０は、それぞれアクセスポイントとユーザー端末において様々な処理ユニットの動作を制御する。校正の間、コントローラ５８０は、チャネル応答推定値

及び

を受信し、補正行列

及び

を導き出し、行列

を上りリンク伝送のためにＴＸ空間プロセッサ５９２に供給し、行列

をアクセスポイントに戻す伝送のためにＴＸデータプロセッサ５９０に供給することができる。メモリユニット５３２及び５８２は、それぞれコントローラ５３０及び５８０により用いられるデータとプログラムコードを記憶する。

上りリンクのための処理は、下りリンクのための処理と同じか異なる。データとシグナリングは、ＴＸデータプロセッサ５９０により処理され（例えば、符号化、インタリーブ、及び変調）、さらに校正の間にパイロットシンボル中で多重化するＴＸ空間プロセッサ５９２により空間的に処理される。パイロットシンボルと変調シンボルはさらに変調器５５４で処理され、上りリンク変調信号を生成し、そしてこれらはその後アンテナ５５２を介してアクセスポイントに送信される。

アクセスポイント１１０において、ユーザー端末で行われたことに対して相補的に、上りリンク変調信号がアンテナ５２４により受信され、復調器５２２により復調され、ＲＸ空間プロセッサ５４０とＲＸデータプロセッサ５４２により処理される。また校正の間、ＲＸ空間プロセッサ５６０は、ユーザー端末により送信されたＭＩＭＯパイロットに基づいて、校正された上りリンクチャネル推定値

を供給する。行列

は、コントローラ５３０により受信され、次にユーザー端末に戻す伝送のためにＴＸデータプロセッサ５１０に供給される。

図６は、ＴＸ空間プロセッサ５２０ａのブロック図であり、これは図５におけるＴＸ空間プロセッサ５２０及び５９２に用いることができる。簡単にするために、以下の説明では４つの固有モードの全てが用いるために選択されたものとする。

プロセッサ５２０ａ内で、デマルチプレクサ６３２は、４つの固有モード上で送信されるべき４つの変調シンボルストリーム（Ｓ_１（ｎ）乃至Ｓ_４（ｎ）で表わされる）を受信し、各ストリームをＮ_Ｄデータサブ帯域のためのＮ_Ｄサブストリームに逆多重化し、各データサブ帯域のための４つの変調シンボルを各ＴＸサブ帯域空間プロセッサ６４０に供給する。各プロセッサ６４０は、１つのサブ帯域に対して、式（２４）、（２５）、（２８）、または（２９）に示す処理を行う。

各ＴＸサブ帯域空間プロセッサ６４０内で、４つの変調シンボルサブストリーム（Ｓ_１（ｋ）乃至Ｓ_４（ｋ）で表わされる）が４つの乗算器６４２ａ乃至６４２ｄに供給され、これらは関連するサブ帯域の４つの固有モードのためのゲインｇ_１（ｋ）、ｇ_２（ｋ）、ｇ_３（ｋ）、及びｇ_４（ｋ）も受信する。下りリンクのために、各データサブ帯域のための４つのゲインは、対応する行列

の対角成分であり、ここで、

または

である。上りリンクのために、ゲインは行列

の対角成分であり、ここで、

または

である。各乗算器６４２は、その変調シンボルをそのゲインｇ_ｍ（ｋ）でスケーリングし、スケーリングされた変調シンボルを供給する。乗算器６４２ａ乃至６４２ｄは、それぞれ４つのスケーリングされた変調シンボルサブストリームを４つのビーム形成器６５０ａ乃至６５０ｄに供給する。

各ビーム形成器６５０は、１つのサブ帯域の１つの固有モード上で１つのシンボルサブストリームを送信するために、ビーム形成を行う。各ビーム形成器６５０は、１つのスケーリングされたシンボルサブストリームｓ_ｍ（ｋ）を受信し、関連する固有モードのための固有ベクトル

を用いてビーム形成を行う。各ビーム形成器６５０内で、スケーリングされた変調シンボルは４つの乗算器６５２ａ乃至６５２ｄに供給され、これらは関連する固有モードのための固有ベクトル

の４つの成分ｖ_ｍ，１（ｋ）、ｖ_ｍ，２（ｋ）、ｖ_ｍ，３（ｋ）、及びｖ_ｍ，４（ｋ）も受信する。固有ベクトル

は、下りリンクのための行列

のｍ番目の列であり、上りリンクのための行列

のｍ番目の列である。次に各乗算器６５２は、スケーリングされた変調シンボルをその固有ベクトル値ｖ_ｍ，ｊ（ｋ）で乗算し、「ビーム形成」シンボルを供給する。乗算器６５２ａ乃至６５２ｄは、それぞれ４つのビーム形成シンボルサブストリーム（これらは４つのアンテナから送信される）を加算器６６０ａ乃至６６０ｄに供給する。

各加算器６６０は、各シンボル期間にわたる４つの固有モードのための４つのビーム形成シンボルを受信して合計し、関連する送信アンテナに向け予め調整されたシンボルを供給する。加算器６６０ａ乃至６６０ｄは、４つの送信アンテナに向け予め調整されたシンボルの４つのサブストリームを、それぞれバッファ／マルチプレクサ６７０ａ乃至６７０ｄ供給する。

各バッファ／マルチプレクサ６７０は、Ｎ_Ｄデータサブ帯域に対して、ＴＸサブ帯域空間プロセッサ６４０からパイロットシンボルと調整されたシンボルを受信する。次に、各バッファ／マルチプレクサ６７０は、それぞれパイロットシンボルと、予め調整されたシンボルと、パイロットサブ帯域、データサブ帯域、及び使用されないサブ帯域のためのゼロとを多重化し、そのシンボル期間にわたるＮ_Ｆ送信シンボルの系列を形成する。校正の間、パイロットシンボルは指定されたサブ帯域上で送信される。マルチプレクサ６６８ａ乃至６６８ｄは、上記で説明し表１に示したように、それぞれ４つのアンテナのためのパイロット信号を４つのアンテナに割り当てられたウォルシュ系列Ｗ_１乃至Ｗ_４でカバーする。各バッファ／マルチプレクサ６７０は、送信シンボルｘ_ｉ（ｎ）のストリームを１つの送信アンテナに向け供給し、ここで送信シンボルストリームはＮ_Ｆ送信シンボルの連接系列を含む。

空間処理及びＯＦＤＭ変調については、前述した仮米国特許出願番号６０／４２１，３０９号にさらに詳しく述べられている。

本明細書中で述べる本発明の様々な実施形態において、同じ基本サービスセット（ＢＳＳ）または異なるＢＢＳにおける様々なユーザー端末（ＵＴまたはＳＴＡ）間のピアツーピア通信を以下に述べるように実施できる。単一のアクセスポイント（ＡＰ）で校正するＵＴまたはＳＴＡは、基本サービスセット（ＢＳＳ）のメンバーである。単一のアクセスポイントは、ＢＳＳにおける全てのＵＴに対するコモンモードである。上述した校正方法は、以下のタイプの通信を容易にする。

（１）ＢＢＳにおけるＵＴは、上りリンク（ＵＬ）上でＡＰと直接通信するためにＴＸステアリングを用いることができ、ＡＰは下りリンク（ＤＬ）上でＵＴと通信するためにＴＸステアリングを用いることができる。

（２）ＢＢＳにおけるＵＴは、ステアリングを用いて同じＢＢＳにおける他のＵＴと直接通信することができる。この場合、このピアツーピア通信は、どちらのＵＴもそれらの間のチャネルを識別しないので、ブートストラップされなければならない。様々な実施形態において、ブートストラップ手順は以下のように動作する。

−ピアツーピアリンクのイニシエータは、指定ＡＰ（ＤＡＰ）であり、他のＵＴは指定ＵＴ（ＤＵＴ）である。

−ＤＡＰは、リンクを確立するための要求に合わせてＭＩＭＯパイロットをＤＵＴに送り、これはＢＳＳ ＩＤに加えてＤＡＰ ＩＤを含む。この要求はコモンモードで送られる必要がある（すなわちＴＸダイバーシティ）。

−ＤＵＴは、ステアリングされた（steered）ＭＩＭＯパイロットにＤＵＴ ＩＤ、そのＢＳＳ ＩＤ、及び使用するＤＡＰのためのいくつかの速度指標を含む肯定応答を加えて送り戻すことにより応答する。

−その後ＤＡＰは、ＤＬ上のステアリングを用いることができ、ＤＵＴはＵＬ上のステアリングを用いることができる。速度制御及びトラッキングは、処理を可能にさせるために、ＤＬセグメント及びＵＬセグメントへの伝送をそれらの間に十分な時間をもって中断することにより、適用することができる。

（３）１つのＢＳＳ（例えばＢＳＳ１）に属するＵＴは、それぞれが異なるＡＰで校正したとしても、他のＢＳＳ（ＢＳＳ２）に属するＵＴに向かうことができる。しかしながら、この場合に（サブ帯域あたりに）位相回転のあいまいさが生じる。これは、上述した校正手続きが、それにより校正したＡＰに特有の基準を確立するからである。この基準は、複素定数

であり、ここでｋはサブ帯域指標、ｊはＡＰ指標、０はＡＰで用いられる基準アンテナ（例えばアンテナ０）の指標である。一実施形態において、この定数は所定のＢＢＳにおける全てのＵＴに共通であるが、異なるＢＢＳに対しては独立している。

結果として、ＢＳＳ１からのＵＴがＢＳＳ２のＵＴと通信する場合、この定数に対する補正または補償を伴わないステアリングは、全体的な固有系の位相回転と振幅スケーリングをもたらす。位相回転は（ステアリングされたまたはステアリングされていない）パイロットを用いて確定し、各ＵＴの受信機内で除去することができる。一実施形態において、振幅補正または補償は、単にＳＮＲスケーリングとすることができ、かつ各受信機においてノイズフロアの推定により除去することができ、速度選択に影響を与えることができる。

様々な実施形態において、異なるＢＢＳに属するＵＴ間のピアツーピア変換は、以下のように動作する。

−ピアツーピアリンクのイニシエータ（例えばＢＳＳ１におけるＵＴ）は、指定ＡＰ（ＤＡＰ）であり、他のＵＴ（例えばＢＳＳ２におけるＵＴ）は指定ＵＴ（ＤＵＴ）である。

−ＤＡＰは、リンクを確立するための要求に合わせてＭＩＭＯパイロットをＤＵＴに送り、これはそれぞれのＢＳＳ ＩＤに加えてＤＡＰ ＩＤを含む。この要求はコモンモードで送られる必要がある（すなわちＴＸダイバーシティ）。

−ＤＵＴは、ステアリングされたＭＩＭＯパイロットにＤＵＴ ＩＤ、そのＢＳＳ ＩＤ、及び使用するＤＡＰのためのいくつかの速度指標を含む肯定応答を加えて送り戻すことにより応答する。

−ＤＡＰ受信機（Ｒｘ）は、上りリンク（ＵＬ）上の位相回転を推定し、補正定数を各サブ帯域に適用することができる。その後ＤＡＰは、下りリンク（ＤＬ）上のステアリングを用いることができるが、ＤＵＴ受信機（Ｒｘ）が各サブ帯域に対するＤＬ上の位相回転に対して補正または補償することを可能にするために、少なくとも最初のステアリングされたパケット上のステアリングされた基準のプリアンブルを含む必要がある。それに続くＤＬ伝送は、ステアリングされた基準のプリアンブルを要求しなくてよい。速度制御及びトラッキングは、処理を可能にさせるために、ＤＬセグメント及びＵＬセグメントへの伝送をそれらの間に十分な時間をもって中断することにより、適用することができる。

本明細書中で述べた校正技術は、様々な手段により実施できる。例えば、これらの技術はハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの組み合わせで実施できる。ハードウェアの実施のために、この技術をアクセスポイント及びユーザー端末において、１つ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）、プログラム可能論理回路（ＰＬＤ）、フィールドプログラム可能ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）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、本明細書中で述べた機能を実行するために設計された他の電子ユニット、またはそれらの組み合わせの中で実施することができる。

ソフトウェアの実施のために、本校正技術を本明細書中で述べた機能を実行するモジュール（例えば、手続き、機能、その他）で実施することができる。ソフトウェアコードは、メモリユニット（例えば、図５におけるメモリユニット５３２及び５８２）に記憶することができ、プロセッサ（例えば、必要に応じてコントローラ５３０及び５８０）により実行することができる。メモリユニットは、プロセッサ内、またはプロセッサの外部で実施することができる。この場合、当技術分野で知られている様々な手段を介してプロセッサと通信可能に結合することができる。

本明細書中では見出しが、参照のため、さらにある項目を捜すのを助けるために含まれている。これらの見出しは、それ以下で述べられた概念の範囲を制限することを意図しておらず、これらの概念は本明細書全体の中の他の項目に適用可能である。

開示した実施形態の上記の説明は、任意の当業者が本発明を行いまたは使用できるように提供されている。これらの実施形態の様々な変更は当業者にとって容易に明らかとなり、明細書中で規定された一般的な原理は、本発明の精神と範囲を逸脱することなく他の実施形態に適用することができる。したがって本発明は、明細書中で示された実施形態に限定されることは意図されておらず、明細書中で開示された原理と新規な特徴に沿う最も広い範囲に適合することになる。

Claims (8)

1. 無線システムにおける通信のための方法であって、
   １つ以上の通信リンクと関連するチャネル応答の推定値から導き出された１つ以上の補正因子のセットに基づいて、複数のユーザー局と１つ以上のアクセスポイントとの間の１つ以上の通信リンクを校正することであり、前記複数のユーザー局は第１のユーザー局と第２のユーザー局を含むことと、
   前記第１及び第２のユーザー局の間の校正を行うことなくステアリングを用いて前記第１及び第２のユーザー局の間の通信を確立することと、
   を含み、
   前記１つ以上のアクセスポイントは、第１の基本サービスセット（ＢＳＳ）に関連する第１のアクセスポイントと第２のＢＳＳに関連する第２のアクセスポイントを含み、前記第１のユーザー局は、前記第１のアクセスポイントに対して校正され、前記第２のユーザー局は、前記第２のアクセスポイントに対して校正され、前記第１及び第２のユーザー局の間の通信を確立することは、
   前記第２のユーザー局との通信リンクを確立するために、パイロットと要求を前記第１のユーザー局から送ることと、
   第１のユーザー局からの前記パイロットと前記要求の受信に応じて、ステアリングされたパイロットと肯定応答を前記第２のユーザー局から送ることと、
   異なるアクセスポイントに対する前記第１及び第２のユーザー局の校正により起こる位相回転を補償するよう調整されるステアリングを用いて前記第１及び第２のユーザー局の間で情報を送信することとを含む方法。
2. 前記通信を確立するための要求は、前記第１のユーザー局が属する基本サービスセットの識別子と前記第１のユーザー局の識別子を含む請求項１に記載の方法。
3. 前記肯定応答は、前記第２のユーザー局の識別子、前記第２のユーザー局が属する基本サービスセットの識別子、及びデータレート指標を含む請求項１に記載の方法。
4. 前記位相回転は、前記第２のユーザー局から受信した前記ステアリングされたパイロットに基づいて確定される請求項１に記載の方法。
5. 無線システムにおける通信のための装置であって、
   １つ以上の通信リンクに関連するチャネル応答の推定値から導き出される１つ以上の補正因子のセットに基づいて、複数のユーザー局と１つ以上のアクセスポイントとの間の１つ以上の通信リンクを校正する手段であり、前記複数のユーザー局は第１のユーザー局と第２のユーザー局を含む手段と、
   前記第１及び第２のユーザー局の間の校正を行うことなくステアリングを用いて前記第１及び第２のユーザー局の間の通信を確立する手段と、
   を含み、
   前記１つ以上のアクセスポイントは、第１の基本サービスセット（ＢＳＳ）に関連する第１のアクセスポイントと第２のＢＳＳに関連する第２のアクセスポイントを含み、前記第１のユーザー局は、前記第１のアクセスポイントに対して校正され、前記第２のユーザー局は、前記第２のアクセスポイントに対して校正され、前記第１及び第２のユーザー局の間の通信を確立することは、
   前記第２のユーザー局との通信リンクを確立するために、パイロットと要求を前記第１のユーザー局から送ることと、
   第１のユーザー局からの前記パイロットと前記要求の受信に応じて、ステアリングされたパイロットと肯定応答を前記第２のユーザー局から送ることと、
   異なるアクセスポイントに対する前記第１及び第２のユーザー局の校正により起こる位相回転を補償するよう調整されるステアリングを用いて前記第１及び第２のユーザー局の間で情報を送信することとを含む装置。
6. 前記通信を確立するための要求は、前記第１のユーザー局が属する基本サービスセットの識別子と前記第１のユーザー局の識別子とを含む請求項５に記載の装置。
7. 前記肯定応答は、前記第２のユーザー局の識別子、前記第２のユーザー局が属する基本サービスセットの識別子、及びデータレート指標を含む請求項５に記載の装置。
8. 前記位相回転は、前記第２のユーザー局から受信した前記ステアリングされたパイロットに基づいて確定される請求項５に記載の装置。

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