(57)【要約】各アンテナに対して電力が制限されているＭＩＭＯ通信システム（100）において、各送信アンテナにおける各ＯＦＤＭ周波数ビンへのビンエネルギーレベルの割り当てを判断するための方法、装置、およびプロセッサ（420）を提供する。各アンテナにおける各ＯＦＤＭ周波数ビンへの割り当てのビンエネルギーレベルの成分を含む解ベクトルの推定値を判断する。判断された解ベクトルに基づいて、誤差関数も判断する。判断された誤差関数に基づいて、誤差の大きさを判断する。誤差の大きさを、誤差の閾値と比較する。プロセッサ（420）は、誤差の大きさが誤差の閾値よりも小さいときは、割り当てのビンエネルギーレベルの成分と共に解ベクトルの推定値を受け取る。
2005527128.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多重入力多重出力（multiple input multiple output, MIMO）通信システムにおいて送信機から受信機へデータを伝送するための方法であって、
受信機において複数の受信アンテナを介して複数の信号を受信し、複数の受信アンテナの各々における受信信号の各々が、送信機から伝送された１つ以上の信号の組み合わせを含むことと、
複数の受信信号を処理して、データを伝送するのに使用される、受信機と送信機との間の複数の伝送チャネルの特徴を示すチャネル状態情報（channel state information, CSI）を得ることと、
ＣＳＩを送信機へ伝送することと、
各送信アンテナにおける使用可能な制限された電力に応じて、かつ水注入式にしたがって、送信機における複数の送信アンテナ上の複数の周波数ビンの周波数ビンエネルギーを計算し、
【数１】
2005527128.tif 000011
送信機において、計算された周波数ビンエネルギーにしたがって、伝送された変調シンボルを調整し、調整された変調シンボルを送信機から受信機へ伝送することとを含む方法。
【請求項２】
非線形式の組を解き、一方で誤差の程度を許容レベルに維持することによって、周波数ビンエネルギーを計算する請求項１記載の方法。
【請求項３】
各送信アンテナに対して電力が制限されているＭＩＭＯ通信システムにおいて、各送信アンテナにおける各ＯＦＤＭ周波数ビンへのビンエネルギーレベルの割り当てを判断するための方法であって、
各アンテナにおける各ＯＦＤＭ周波数ビンへの前記割り当てのビンエネルギーレベルの成分を含む解ベクトルの推定値を判断することと、
前記判断された解ベクトルに基づいて、誤差関数を判断することと、
前記判断された誤差関数に基づいて、誤差の大きさを判断することと、
前記誤差の大きさと誤差の閾値とを比較することと、
前記誤差の大きさが前記誤差の閾値よりも小さいときは、前記割り当てのビンエネルギーレベルの前記成分と共に前記解ベクトルの前記推定値を受け取ることとを含む方法。
【請求項４】
前記解ベクトルの前記推定値の前記判断、前記誤差関数と前記誤差の大きさとの前記判断、および前記誤差の大きさと前記誤差の閾値との前記比較を、前記誤差の大きさが前記閾値よりも小さくなるまで反復的に続けることをさらに含む請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記解ベクトルの前記推定値の前記判断が、
各送信アンテナにおけるＯＦＤＭ周波数ビンの各ビンに対して、等しいエネルギーレベルを最初に割り当てることと、
各送信アンテナおよびＯＦＤＭ周波数ビンについて、前記アンテナの各々の前記周波数ビンの各々における信号対雑音比（Γｍ（ｎ））を、各ビンへの前記割り当てられた等しいエネルギーレベルに基づいて計算することと、
水注入式の組を満足させる一方で、前記計算されたΓｍ（ｎ）に基づいて、各アンテナにおけるビンエネルギーレベルと水注入パラメータとを判断することとを含み、
前記解ベクトルの前記判断された前記推定値が、各ビンの前記判断されたエネルギーレベルと前記水注入パラメータとに基づいている請求項３記載の方法。
【請求項６】
前記反復方式が、訂正ベクトルとステップ乗数とに基づいて、前記判断された解ベクトルを訂正することを含む請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記訂正係数が、前記判断された解ベクトルのヤコビアンおよび前記誤差関数に基づく請求項６記載の方法。
【請求項８】
各反復ステップにおいて、前記訂正ベクトルを調節して、新しい解ベクトルを判断する請求項６記載の方法。
【請求項９】
各反復ステップの後で、新しい誤差の大きさを判断し、新しい誤差の大きさと前記誤差の閾値とを比較するステップをさらに含む請求項８記載の方法。
【請求項１０】
各アンテナに対して電力が制限されているＭＩＭＯ通信システムにおいて、各送信アンテナにおける各ＯＦＤＭ周波数ビンへのビンエネルギーレベルの割り当てを判断するための装置であって、
各アンテナにおける各ＯＦＤＭ周波数ビンへの前記割り当てのビンエネルギーレベルの成分を含む解ベクトルの推定値を判断するための手段と、
前記判断された解ベクトルに基づいて、誤差関数を判断するための手段と、
前記判断された誤差関数に基づいて、誤差の大きさを判断するための手段と、
前記誤差の大きさと誤差の閾値とを比較するための手段と、
前記誤差の大きさが前記誤差の閾値よりも小さいときは、前記割り当てのビンエネルギーレベルの前記成分と共に前記解ベクトルの推定値を受け取るための手段とを含む装置。
【請求項１１】
前記解ベクトルの前記推定値の前記判断、前記誤差関数と前記誤差の大きさとの前記判断、および前記誤差の大きさと前記誤差の閾値との比較を、前記誤差の大きさが前記閾値よりも小さくなるまで反復的に続けるための手段をさらに含む請求項１０記載の装置。
【請求項１２】
前記解ベクトルの前記推定値を判断するための前記手段が、
前記送信アンテナにおけるＯＦＤＭ周波数ビンの各ビンに対して、等しいエネルギーレベルを最初に割り当てるための手段と、
各送信アンテナおよびＯＦＤＭ周波数ビンにおけるΓｍ（ｎ）を、各ビンへの前記割り当てられた等しいエネルギーレベルに基づいて計算するため手段と、
水注入式の組を満足させる一方で、前記計算されたΓｍ（ｎ）に基づいて、各アンテナにおけるビンエネルギーレベルと水注入パラメータとを判断するための手段とを含み、
前記解ベクトルの前記推定値の前記判断が、各ビンの前記判断されたエネルギーレベルと前記水注入パラメータとに基づく請求項１０記載の装置。
【請求項１３】
前記反復方式が、訂正ベクトルおよびステップ乗数とに基づいて、前記判断された解ベクトルを訂正することを含む請求項１１記載の装置。
【請求項１４】
前記訂正係数が、前記判断された解ベクトルのヤコビアンと前記誤差関数とに基づく請求項１３記載の装置。
【請求項１５】
各反復ステップにおいて、前記訂正ベクトルを調節して、新しい解ベクトルを判断する請求項１１記載の装置。
【請求項１６】
各反復ステップの後で、新しい誤差の大きさを判断し、かつ新しい誤差の大きさと前記誤差の閾値とを比較するための手段をさらに含む請求項１５記載の装置。
【請求項１７】
各アンテナに対して電力が制限されているＭＩＭＯ通信システムにおいて使用するように構成されているプロセッサであって、各送信アンテナにおける各ＯＦＤＭ周波数ビンへのビンエネルギーレベルの割り当てを判断するためのプロセッサであって、
前記通信システムにおいて送信機へ結合するための送信チャネルプロセッサを含み、
前記送信チャネルプロセッサが、
前記送信機の各アンテナにおける各ＯＦＤＭ周波数ビンへの前記割り当てのビンエネルギーレベルの成分を含む解ベクトルの推定値を判断し、
前記判断された解ベクトルに基づいて、誤差関数を判断し、
前記判断された誤差関数に基づいて、誤差の大きさを判断し、
前記誤差の大きさと誤差の閾値とを比較し、かつ、
前記誤差の大きさが前記誤差の閾値よりも小さいときは、前記割り当てのビンエネルギーレベルの前記成分と共に前記解ベクトルの前記推定値を受け取るように構成されているプロセッサ。
【請求項１８】
前記送信チャネルプロセッサが、前記解ベクトルの前記推定値の前記判断、前記誤差関数と前記誤差の大きさとの前記判断、および前記誤差の大きさと前記誤差の閾値との前記比較を、前記誤差の大きさが前記誤差の閾値よりも小さくなるまで反復的に続けるようにさらに構成されている請求項１７記載のプロセッサ。
【請求項１９】
前記解ベクトルの前記推定値の前記判断が、
前記送信アンテナにおけるＯＦＤＭ周波数ビンの各ビンに対して、等しいエネルギーレベルを最初に割り当てることと、
各送信アンテナおよびＯＦＤＭ周波数ビンにおけるΓｍ（ｎ）を、各ビンへの前記割り当てられた等しいエネルギーレベルに基づいて計算することと、
水注入式の組を満足させる一方で、前記計算されたΓｍ（ｎ）に基づいて、各アンテナにおけるビンエネルギーレベルと水注入パラメータとを判断することとを含み、
前記解ベクトルの前記推定値の前記判断が、各ビンの前記判断されたエネルギーレベルと前記水注入パラメータとに基づく請求項１７記載のプロセッサ。
【請求項２０】
前記反復方式が、訂正ベクトルおよびステップ乗数とに基づいて、前記判断された解ベクトルを訂正することを含む請求項１７記載のプロセッサ。
【請求項２１】
前記訂正係数が、前記判断された解ベクトルのヤコビアンと前記誤差関数とに基づく請求項２０記載のプロセッサ。
【請求項２２】
各反復ステップにおいて、前記訂正ベクトルを調節して、新しい解ベクトルを判断する請求項２０記載のプロセッサ。
【請求項２３】
各反復ステップの後で、新しい誤差の大きさを判断し、かつ新しい誤差の大きさと前記誤差の閾値とを比較するステップをさらに含む請求項２２記載のプロセッサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概ね、データ通信、とくに、多重入力多重出力（multiple-input multiple output, MIMO）通信システムにおいて、各アンテナにおけるビンエネルギーの割り当てを判断するための新規で向上した方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マルチチャネル通信システムは、音声およびデータのような種々のタイプの通信において、他のタイプの通信システムよりも、増加した伝送容量をもつ。このようなマルチチャネルシステムには、多重入力多重出力（multiple-input multiple output, MIMO）通信システム、直交周波数分割変調（orthogonal frequency division modulation, OFDM）システム、ＯＦＤＭを用いたＭＩＭＯシステム、または他のタイプのシステムがある。ＭＩＭＯシステムは、多数の送信アンテナおよび多数の受信アンテナを取入れて、空間ダイバーシティを利用している。空間ダイバーシティを使用して、多数の空間サブチャネルを支援し、空間サブチャネルの各々を使用して、データを伝送する。ＯＦＤＭシステムは、動作周波数帯域を多数の周波数サブチャネル（または、周波数ビン）へ効率的に分割し、周波数サブチャネルの各々は、データが変調される各サブキャリアと関係付けられる。したがって、マルチチャネル通信システムは、多数の“伝送”チャネルを支援し、各伝送チャネルは、ＭＩＭＯシステムの空間サブチャネル、ＯＦＤＭシステムの周波数サブチャネル、またはＯＦＤＭを用いたＭＩＭＯシステムの空間サブチャネルの周波数サブチャネルに対応する。
【０００３】
マルチチャネル通信システムの伝送チャネルは、一般に、（例えば、異なるフェージングおよびマルチパスの影響によって）異なるリンク状態を経験し、異なる信号対雑音および干渉比（signal-to-noise-plus-interference ratio, SNR）になる。したがって、特定の性能レベルにおいて伝送チャネルによって支援される伝送容量（すなわち、情報ビット率）は、チャネルごとに異なる。したがって、各チャンネルへの電力レベルの割り当てを判断するのは困難である。１チャネルに割り当てられる電力を調整すると、別のチャネルが干渉される。さらに加えて、リンク状態は、一般に、時間にしたがって変化する。このために、マルチチャネル通信システムにおいて、時間にしたがって変化するシステムでは、電力割り当ての判断は益々困難になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この目的および他の目的のために、マルチチャネル通信システムにおいて各チャネルの電力割り当てを効果的かつ効率的に判断するための技術が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
各送信アンテナに対して電力が制限されているＭＩＭＯ通信システムにおいて、各送信アンテナ各ＯＦＤＭ周波数ビンへのビンエネルギーレベルの割り当てを判断するための方法、装置、およびプロセッサが必要とされている。各アンテナにおける各ＯＦＤＭ周波数ビンへの割り当てのビンエネルギーレベルの成分を含む解ベクトルの推定値を判断する。判断された解ベクトルに基づいて、誤差関数も判断する。判断された誤差関数に基づいて、誤差の大きさを判断する。誤差の大きさを、誤差の閾値と比較する。プロセッサは、誤差の大きさが誤差の閾値よりも小さいときは、割り当てのビンエネルギーレベルの成分と共に、解ベクトルの成分を受け取る。
【０００６】
本発明の特徴、性質、および長所は、別途記載される詳細な説明を、図面と共に取入れるとき、参照符号が全体的に対応して同定され、より明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の種々の態様、実施形態、および特徴は、多数の伝送チャネルがデータ伝送に使用できるマルチチャネル通信システムに適用される。このようなマルチチャネル通信システムは、多重入力多重出力（ＭＩＭＯ）システム、直交周波数分割変調（ＯＦＤＭ）システム、ＯＦＤＭを用いたＭＩＭＯシステム、等を含む。マルチチャネル通信システムは、符号分割多重アクセス（code division multiple access, CDMA）、時分割多重アクセス（time division multiple access, TDMA）、周波数分割多重アクセス（frequency division multiple access）、または他の多重アクセス技術も実行する。多重アクセス通信システムは、多数の端末（すなわち、ユーザ）との並行通信を支援できる。
【０００８】
図１は、本発明の種々の態様および実施形態にしたがって動作する多重入力多重出力（ＭＩＭＯ）通信システム100の図である。ＭＩＭＯシステム100は、データ伝送に、多数（ＮＴ）の送信アンテナおよび多数（ＮＲ）の受信アンテナを用いる。ＭＩＭＯシステム100は、１基地局（base station, BS）104が多数の端末（terminal, T）106と並行して通信する多重アクセス通信システムのために効果的に形成される。この場合に、基地局104は多数のアンテナを用いており、ダウンリンク伝送のための多重入力（multiple-input, MI）およびアップリンク伝送のための多重出力（multiple-output, MO）を表している。ダウンリンク（すなわち、順方向リンク）は、端末から基地局への伝送を指し、アップリンク（すなわち、逆方向リンク）は、端末から基地局への伝送を指す。
【０００９】
ＭＩＭＯシステムは、データ伝送に多数（ＮＴ）の送信アンテナおよび多数（ＮＲ）の受信アンテナを用いる。ＮＴ本の送信アンテナおよびＮＲ本の受信アンテナによって形成されるＭＩＭＯチャネルは、ＮＣ≦min{ＮＴ，ＮＲ}として、ＮＣ本の独立チャネルへ分解される。ＮＣ本の独立チャネルの各々は、ＭＩＭＯチャネルの空間サブチャネルとも呼ばれ、次元に対応する。１つの共通のＭＩＭＯシステムの実行では、１送信機システムには、ＮＴ本の送信アンテナが配置されて、関係付けられ、同様に、１受信機システムには、ＮＲ本の受信アンテナが配置されて、関係付けられている。ＭＩＭＯシステムは、１基地局が多数の端末と並行して通信する多重アクセス通信システムのためにも効果的に形成される。この場合に、基地局は、多数のアンテナを取付けられ、各アンテナは、１本以上のアンテナを取付けられる。
【００１０】
ＯＦＤＭシステムは、動作周波数帯域を多数（ＮＦ）の周波数サブチャネル（すなわち、周波数ビン）へ効果的に分割する。各時間スロットにおいて、変調シンボルは、ＮＦ本の周波数サブチャネルの各々において伝送される。各時間スロットは、周波数サブチャネルのバンド幅に依存する特定の時間間隔に対応する。
【００１１】
マルチチャネル通信システムは、多数の伝送チャネルを介してデータを伝送するように動作する。ＯＦＤＭを用いないＭＩＭＯシステムでは、一般に、周波数サブチャネルは１本のみであり、各空間サブチャネルを伝送チャネルと呼ぶ。ＯＦＤＭを用いるＭＩＭＯシステムでは、各周波数サブチャネルの各空間サブチャネルを、伝送チャネルと呼ぶ。ＭＩＭＯを用いないＯＦＤＭシステムでは、各周波数サブチャネルに対して、空間サブチャネルは１本のみであり、各周波数サブチャネルを伝送チャネルと呼ぶ。
【００１２】
マルチチャネル通信システムにおける伝送チャネルは、一般に、（例えば、異なるフェージングおよびマルチパスの影響のために）異なるリンク状態を経験し、異なる信号対雑音および干渉比（ＳＮＲ）になる。したがって、伝送チャネルの容量は、チャネルごとに異なる。この容量は、情報ビット率（すなわち、１変調シンボルにおける情報ビット数）によって量子化され、情報ビットは、個々の性能レベル（例えば、個々のビット誤り率（bit error rate, BER）またはパケット誤り率（packet error rate, PER））において伝送チャネル上を伝送される。リンク状態は、一般に、時間にしたがって変化するので、伝送チャネルに対する支援される情報ビット率も時間にしたがって変化する。
【００１３】
伝送チャネルの容量をより完全に利用するために、リンク状態のチャネル状態情報（channel state information, CSI）の記述は、（一般に、受信機システムにおいて）判断され、送信機システムへ供給される。その後で、送信機システムは、データを処理し（例えば、符号化、変調、および電力割り当てをし）、各チャネルにおける伝送された情報ビット誤り率を、チャネルの伝送容量に整合させる。ＣＳＩは、“全ＣＳＩ”または“部分ＣＳＩ”の何れかとして分類される。全ＣＳＩは、ＮＲ×ＮＴのＭＩＭＯ行列における各送信−受信アンテナの対間の伝搬路のについての、システムのバンド幅の全体にわたっての（例えば、振幅および位相の）十分な特徴化（すなわち、各伝送チャネルの特徴化）を含む。部分ＣＳＩは、例えば、伝送チャネルのＳＮＲを含む。
【００１４】
多数の伝送チャネルによる伝送の前に、種々の技術を使用して、データを処理してもよい。１つの技術では、各伝送チャネルごとに、チャネルのＣＳＩに基づいて、データを符号化し、変調し、電力レベルを割り当てる。各伝送チャネルごとに、個別に、符号化し、変調し、電力を割り当てることによって、符号化、変調、および割り当てられた電力は、各チャネルが達したＳＮＲに対して最適化される。このような技術の1つの実行では、固定基準符号を使用して、データを符号化し、各伝送チャネルごとに符号化されたビットをパンクチャ（すなわち、選択的に削除）し、そのチャネルが支援する符号率を得る。この実行では、各伝送チャネルの変調方式も、チャネルの符号率およびＳＮＲに基づいて選択される。この符号化および変調の実行は、2001年2月1日に出願された米国特許第09/776,075号（“CODING SCHIEME FOR A WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM”）により詳しく記載されており、この文献は、本出願の譲り受け人に譲渡され、ここでは参考文献として取り上げられている。この第１の技術では、実質的な実行の複雑さは、一般に、各伝送チャネルごとに、符号率および変調方式が異なることと関連している。さらに加えて、受信アンテナにおいて、１チャネルからの電力は、別のチャネルの干渉として考えられるので、異なるチャネルへの電力割り当ては、何回かの反復を含む。本発明の種々の態様にしたがって、各アンテナにおける全ビンの全体にわたってのビンエネルギーと全エネルギーとを判断することによって、効率的で効果的なやり方で、異なるチャネルに対する電力割り当てを判断するための技術を提供する。
【００１５】
ＯＦＤＭを使用し、かつ全ＣＳＩが使用可能であるＭＩＭＯシステムでは、送信機システムは、各周波数サブチャネルの各送信−受信アンテナの対間の伝送路の複素数値の利得を知っている。この情報を使用して、ＭＩＭＯチャネルを各周波数サブチャネルに対して直交させ、各周波数サブチャネルの各固有モード（すなわち、空間サブチャネル）を、独立のデータストリームに対して使用する。ＯＦＤＭを使用し、かつ一部のＣＳＩが使用可能であるＭＩＭＯシステムでは、送信機は、伝送チャネルについて部分的に知っている。独立データストリームは、使用可能な送信アンテナによって、対応する伝送チャネル上で伝送され、受信機システムは、個々の線形または非線形の処理技術（すなわち、等化）を使用して、データストリームを分割する。等化により、各伝送チャネル（すなわち、各送信アンテナ、または各周波数サブチャネル、あるいはこの両者）に対応する独立データストリームを与え、これらのデータストリームの各々は、関係付けられたＳＮＲをもつ。
【００１６】
伝送チャネルのＳＮＲの組が、送信機システムにおいて使用可能であるときは、この情報を使用して、適切な符号化および変調方式を選択し、全有効伝送電力を分配する。送信機システムにおいてチャネル利得が使用可能であるときは、同様の処理を実行してもよい。実施形態では、全ての選択された伝送チャネルにおいて、共通の符号化方式（例えば、特定の符号率の特定のターボ符号）および共通の変調方式（例えば、個々のＱＡＭコンステレーション）が使用される。
【００１７】
ＮＴ本の送信アンテナとＮＲ本の受信アンテナとをもつＭＩＭＯ ＯＦＤＭシステムにおいて、ＮＲ本の受信アンテナの出力におけるｎ番目の周波数ビンの受信信号は、次のように表現される。
ｒ（ｎ）＝Ｈ（ｎ）ｘ（ｎ）＋ｚ（ｎ）；１≦ｎ≦ＮＦ          式（１）
なお、ｒ（ｎ）は、ｎ番目のＯＦＤＭ周波数ビンにおける受信シンボルベクトル（すなわち、ＭＩＭＯチャネルからのＮＲ×１のベクトルの出力であり、受信アンテナから求められる）であり、Ｈ（ｎ）は、ＮＲ×ＮＴの複素数値のチャネル係数行列であり、ｎ番目のＯＦＤＭ周波数ビンと関係付けられている周波数におけるチャネル応答を表わす。ｘ（ｎ）は、ｎ番目のＯＦＤＭ周波数ビンにおける送信シンボルベクトル（すなわち、ＭＩＭＯチャネルへのＮＴ×１のベクトルの入力）であり、ｚ（ｎ）は、ｎ番目のＯＦＤＭ周波数ビンにおけるノイズおよび干渉を表わすＮＲ×１のベクトルである。受信シンボルベクトルｒ（ｎ）は、特定の時間スロットにおいて、ＮＲ本の受信アンテナを介して受信されるＮＲ個の信号からの、ＯＦＤＭ周波数ビンｎと関係付けられているＮＲ個の変調シンボルを含む。同様に、送信シンボルベクトルｘ（ｎ）は、特定の時間スロットにおいて、ＮＴ本の送信アンテナを介して伝送されるＮＴ個の信号において、ＯＦＤＭ周波数ビンｎと関係付けられているＮＴ個の変調シンボルを含む。
【００１８】
チャネル係数行列Ｈ（ｎ）は、次のようにも書くことができる。
【００１９】
【数２】
2005527128.tif 000003
マルチチャネル通信システムにおける伝送チャネルは、一般に、異なるリンク状態を経験し、異なるＳＮＲになる。増加したチャネル減衰と関係付けられている幾つかのチャネル状態は、受信したＳＮＲを低くし、一方で、低減したチャネル減衰と関係付けられている他のチャネル状態は、受信したＳＮＲをより高くする。情報理論において、有効伝送電力が制限されているマルチチャネル通信システムにおいて、水注入（water pouring）として知られている手続きを使用して、チャネル間で有効電力を分配することによって容量を最大化することは周知であり、水注入については、[１]（Robert G. Gallager, in Information Theory and Reliable Communication, published by John Wiley and Sons, Inc., 1968）に記載されており、[１]は、ここでは、参考文献として取り上げられ、以下では、[１]として知られる。ＭＩＭＯ ＯＦＤＭ通信システムでは、送信機は全ＣＳＩをもち、送信機は、送信アンテナの組の全体にわたってビーム形成を行なうことができ、全送信アンテナからの全合成伝送電力が制限され、容量は、[１]の水注入手続きにしたがって、全周波数サブチャネルの全空間サブチャネル間で、全伝送電力を割り当てることによって最大化することができる。この手続きを、ＭＩＭＯシステムにおいて１つの周波数に適用した場合については、例えば、[２]（I. Emre Telatar, in “Capacity of Multi-antenna Gaussian Channels”, European Transactions on Telecommunications, vol. 10, pp 585-595, Nov/Dec, 1999）に記載されており、[２]は、ここでは、参考文献として取り上げられ、以下では、[２]として知られる。刊行物[３]（Daniel Perez Palomar, Javier R. Fonollosa, Miguel A. Lagunas, “Capacity results on frequency-selective Rayleigh MIMO channels”, IST Mobile Comm SUMMIT 2000, pp 491-496, Galway, Ireland, Oct 1-4, 2000）には、ＭＩＭＯシステムにおける周波数および固有モードの全体にわたっての水注入が記載されており、[３]は、ここでは、参考文献として取り上げられ、以下では、[３]として知られる。
【００２０】
しかしながら、ＭＩＭＯ ＯＦＤＭ通信システムにおいて、各アンテナごとの伝送電力が制限されているか、または送信アンテナの組の全体にわたってビーム形成を行なうことができないときは、これらの場合は、固有モードへの伝送電力の割り当てを直接に制御できないので、各送信アンテナにおける周波数サブチャネル全体の有効伝送電力の最適割り当てを見付けることが必要である。これらの場合において、周波数サブチャネルを直交させるのに、固有モードの分解を使用できないときは、各周波数サブチャネル上でＭＩＭＯ空間サブチャネルを結合するので、[１]に記載されている水注入の解法は使用できない。
【００２１】
図２は、本発明の種々の実施形態にしたがって、各アンテナにおける各ＯＦＤＭ周波数ビンに対する割り当てのビンエネルギーレベルと、全ビンおよびアンテナの全体にわたっての全エネルギーとを判断するプロセス200のフローチャートを示している。ＯＦＤＭ周波数ビンは、１ないしＮＦ（１≦ｎ≦ＮＦ）の範囲である。送信アンテナの数は、１ないしＮＴ（１≦ｎ≦ＮＴ）の範囲である。手続きの目的は、次の水注入式を満足させる、ビンエネルギーεｍ（ｎ）（１≦ｍ≦ＮＴ、１≦ｎ≦ＮＦ）および水注入パラメータＢｍ（１≦ｍ≦ＮＴ）の値を計算することである。
【００２２】
【数３】
2005527128.tif 000004
なお、Ｅｍは、アンテナｍにおける１つのＯＦＤＭシンボルの伝送に使用可能な最大エネルギーであり、Γｍ（ｎ）は、次の式によって定められる。
【００２３】
【数４】
2005527128.tif 000005
式（３）の水注入式を満足させる、ビンエネルギーεｍ（ｎ）（１≦ｍ≦ＮＴ、１≦ｎ≦ＮＦ）および水注入パラメータＢｍ（１≦ｍ≦ＮＴ）の値を得るための反復手続きの次の記述において、次のＮＴ（ＮＦ＋１）×１のベクトル、ｘは、成分と共に定められる。
【００２４】
【数５】
2005527128.tif 000006
次のＮＴ（ＮＦ＋１）×１のベクトルの関数、Ｆ（ｘ）は、成分と共に定められる。
【００２５】
【数６】
2005527128.tif 000007
解ベクトルｘは、０が、ゼロのＮＴ（ＮＦ＋１）×１のベクトルであるとき、Ｆ（ｘ）＝０を満足させる値のベクトルである。
プロセス200において、ステップ201ないし206は、解ベクトルにおける初期見積もりを設定する。次のステップ207ないし217は、誤差が特定の誤差基準よりも小さくなる、すなわち、‖Ｆ（ｘ）‖２＜Ｅｍａｘになるような、解ベクトルが求められるまで、反復される。これらのステップは、この問題を解くための非線形式を解くのに、ニュートン−ラプソン法を適用する方法である。参考文献[４]（William H. Press, Saul A. Teukolsky, William T. Vetterling, Brian T. Flannery, Numerical Recipes in C: The Art of Scientific Computing, Cambridge University Press, 1992）は、ニュートン−ラプソンを理解するのに役立ち、参考文献[４]は、ここでは、参考文献として取り上げられ、以下では、[４]として知られる。この解法には、Ｆ（ｘ）のヤコビアンＪ（ｘ）、すなわち、ｘの成分に対するＦ（ｘ）の部分導関数の行列の計算も必要である。ヤコビアン行列Ｊ（ｘ）の成分を次に示す。
【００２６】
【数７】
2005527128.tif 000008
ステップ202では、各アンテナｍ（１≦ｍ≦ＮＴ）における各ＯＦＤＭ周波数ビンｎ（１≦ｎ≦ＮＦ）の信号対雑音比（Γｍ（ｎ）によって表わされる）を、ステップ201において計算されたεｍ（ｎ）の値を使用して、式（４）にしたがって計算する。
【００２７】
ステップ203では、各送信アンテナｍにおけるビンエネルギーεｍ（ｎ）と、ＯＦＤＭ周波数ビンｎ（１≦ｎ≦ＮＦ）と、各アンテナｍ（１≦ｍ≦ＮＴ）における水注入パラメータＢｍとの組を、ステップ202において計算されたΓｍ（ｎ）の値を使用して、式（３）において与えられた水注入式を満足させるように計算する。Ｂｍおよびεｍ（ｎ）の値は、図３に示されているプロセスにしたがって計算する。
【００２８】
ステップ204では、初期解ベクトルｘｏｌｄを、式（５）に示されている関係にしたがって、ステップ203において計算されたＢｍおよびεｍ（ｎ）の値を使用して計算する。
ステップ205では、誤差関数Ｆ（ｘｏｌｄ）を、式（６）に記載されている関係にしたがって、ステップ204において計算された初期解ベクトルｘｏｌｄを使用して計算する。
【００２９】
ステップ206では、誤差の大きさＥｏｌｄを計算する。誤差の大きさＥｏｌｄは、誤差関数Ｆ（ｘｏｌｄ）の大きさの二乗に等しく、すなわち、Ｅｏｌｄ＝‖Ｆ（ｘｏｌｄ）‖２である。ステップ207では、式（７）および式（８）に記載されている関係にしたがって、ヤコビアンＪ（ｘｏｌｄ）を計算する。非線形関数のヤコビアンを使用して、大きい行列における非線形式のシステムを解く。ステップ208では、訂正ベクトル∂ｘおよびステップ乗数αを判断する。訂正ベクトル∂ｘにおいて、式∂ｘ＝−（Ｊ（ｘｏｌｄ））−１Ｆ（ｘｏｌｄ）を解くことによって、訂正ベクトルを計算する。ステップ乗数αの値は、解ベクトルの更新と関係付けられている誤差の大きさＥｎｅｗが、Ｅｏｌｄよりも小さくなることを保証するようなやり方で判断される。
【００３０】
【数８】
2005527128.tif 000009
ステップ209では、新しい解ベクトルｘｎｅｗは、古い解ベクトルｘｏｌｄ、訂正係数∂ｘ、およびステップ乗数αに基づいて計算される。新しい解ベクトルｘｎｅｗは、ｘｎｅｗ＝ｘｏｌｄ＋α∂ｘにしたがって計算される。ステップ210では、新しい誤差の大きさＥｎｅｗは、新しい解ベクトルｘｎｅｗに基づいて計算される。ステップ211では、Ｅｎｅｗは、システムにおいて許容される最大の誤差の大きさＥｍａｘと比較される。Ｅｍａｘの値は、予め選択してもよい。ステップ211では、Ｅｎｅｗの値がＥｍａｘの値よりも小さいときは、解ベクトルｘｎｅｗは、ビンエネルギーεｍ（ｎ）（１≦ｍ≦ＮＴ、１≦ｎ≦ＮＦ）と水注入パラメータＢｍ（１≦ｍ≦ＮＴ）との組に対する許容値を保持する。Ｅｎｅｗの値が、許容Ｅｍａｘの値よりも大きいときは、計算された値は、許容できない程度に誤っている。
【００３１】
ステップ212では、Ｅｎｅｗの値をＥｏｌｄの値と比較する。Ｅｎｅｗの値がＥｏｌｄの値よりも小さいときは、ステップ213では、古い解ベクトルｘｏｌｄを新しい解ベクトルｘｎｅｗに等しく設定し、Ｅｏｌｄの値をＥｎｅｗの値に等しく設定する。ステップ217では、誤差関数Ｆ（ｘｏｌｄ）の値を、ステップ213において判断された解ベクトルｘｏｌｄの値に基づいて計算する。プロセスは、ステップ217からステップ207へループバックする。ステップ217からループバックした後のステップ207では、ｘｏｌｄのヤコビアンを、ステップ217において判断されたＦ（ｘｏｌｄ）の値に基づいて判断する。
【００３２】
ステップ212において、Ｅｎｅｗの値がＥｏｌｄの値よりも大きいときは、プロセスはステップ214へループする。ステップ214において、ステップ乗数αの値を、ステップ乗数の最小値αｍｉｎと比較する。ステップ乗数αが最小値よりも大きいときは、ステップ215において、ステップ乗数αの新しい値を判断する。実施形態にしたがう新しい値は、古い値よりも、１よりも大きい係数“ｋ”分小さい。プロセスはステップ209へループバックし、新しいステップ乗数αに基づいて、新しいｘｎｅｗを計算する。ステップ214において、ステップ乗数αが最小値よりも小さいときは、ステップ216において、ｘｎｅｗの値をｘｏｌｄの値へ設定し、大きい値をＥｏｌｄに設定する。プロセスは、ステップ216からステップ207へループバックする。プロセスは、ステップ211において誤差の大きさが、最大の誤差の大きさよりも小さくなるまで、何度も繰返される。解ベクトルｘｎｅｗの最後の値は、ビンエネルギーεｍ（ｎ）（１≦ｍ≦ＮＴ、１≦ｎ≦ＮＦ）および水注入パラメータＢｍ（１≦ｍ≦ＮＴ）の組を保持する。
【００３３】
ステップ203において計算されたビンエネルギーεｍ（ｎ）（１≦ｍ≦ＮＴ、１≦ｎ≦ＮＦ）および水注入パラメータＢｍ（１≦ｍ≦ＮＴ）の値に対する初期見積もりは、図３に示されているフローチャート300に記載されているプロセスにしたがって計算される。このプロセスは、各送信アンテナｍ（１≦ｍ≦ＮＴ）に対して１回繰返される。送信機アンテナｍにおけるＯＦＤＭシンボルに使用可能な全エネルギーＥｍは分かっている。各ＯＦＤＭシンボルは、多数、すなわちＮＦ個の周波数ビンをもつ。ステップ301では、Ｂｍの値は、最初に、各アンテナにおける使用可能な全エネルギーＥｍの値に等しく設定される。ステップ302では、プロセス200のステップ202において計算されたΓｍ（ｎ）（１≦ｎ≦ＮＦ）の値から、それらを大きさの降順で分類することによって、ベクトルＧｍ（ｎ）（１≦ｎ≦ＮＦ）を生成する。ベクトルＧｍ（ｎ）（１≦ｎ≦ＮＦ）の第１の値Ｇｍ（１）は、Γｍ（ｎ）（１≦ｎ≦ＮＦ）の最大値を保持し、ベクトルＧｍ（ｎ）（１≦ｎ≦ＮＦ）の最後の値Ｇｍ（ＮＦ）は、Γｍ（ｎ）（１≦ｎ≦ＮＦ）の最小値を保持する。ステップ303では、指標ベクトルＩｍ（ｎ）は、ベクトルＧｍ（ｎ）（１≦ｎ≦ＮＦ）とΓｍ（ｎ）（１≦ｎ≦ＮＦ）との共通成分を相互参照するように定められ、したがって、Γｍ（Ｉｍ（ｎ））＝Ｇｍ（ｎ）である。ステップ304では、アンテナｍと関係付けられている変数Ｓｍ、（ｍ，１≦ｍ≦ＮＴ）は、ゼロに設定される。ステップ305では、分類されたビンエネルギーベクトルｅｍ（ｎ）（１≦ｎ≦ＮＦ）の成分は、ＯＦＤＭ周波数ビンｎ（１≦ｎ≦ＮＦ）に対してゼロに設定される。反復ループ399は、ステップ306において始まり、ステップ307において終了する。１ないしＮＦの変数ｌに対して、反復ループ399を実行する。
【００３４】
【数９】
2005527128.tif 000010
プロセスがステップ307において終了すると、ビンエネルギーεｍ（ｉ）に対する初期見積もりは、全てのＯＦＤＭ周波数ビンｎ（１≦ｎ≦ＮＦ）に対して、εｍ（Ｉｍ（ｎ））＝ｅｍ（ｎ）（１≦ｎ≦ＮＦ）にしたがって設定される。このプロセスにおいて、Ｂｍおよびεｍ（ｎ）（１≦ｎ≦ＮＦ）に対して判断される値は、処理フロー200のステップ203において使用される。
【００３５】
図４は、本発明の種々の態様および実施形態にしたがって動作することができるＭＩＭＯ通信システム400の図である。システム400において、第１のシステム410（例えば、図１の基地局104）は、第２のシステム450（例えば、端末106）と通信する。システム400は、アンテナ、周波数、および時間のダイバーシティの組み合わせを用いて、空間効率を高め、性能を向上し、融通性を増すように動作する。システム410では、データ源412は、データ（すなわち、情報ビット）を送信（TX）データプロセッサ414へ供給し、（１）特定の符号化方式にしたがってデータを符号化し、（２）特定のインターリービング方式に基づいて符号化されたデータをインターリーブ（すなわち、順序変更）し、（３）データ伝送のために選択された１本以上の伝送チャネルにおいて、インターリーブされたビットを変調シンボルへマップする。符号化は、データ伝送の信頼性を向上する。インターリービングは、符号化されたビットに時間ダイバーシティを与え、選択された伝送チャネルの平均ＳＮＲに基づいて、データの伝送を許可し、フェージングを抑制し、さらに加えて、各変調シンボルを生成するのに使用される符号化されたビット間の相関を取り去る。符号化されたビットが多数の周波数サブチャネルによって伝送されるとき、インターリービングは周波数ダイバーシティも与える。態様では、符号化およびシンボルマッピングは、制御装置434によって供給される制御信号に基づいて実行される。ＴＸチャネルプロセッサ420は、各選択された伝送チャネルに対して電力レベルを割り当て、変調シンボルのストリームを、１時間スロットに１変調シンボルづつ、各伝送チャネルに供給する。各選択された伝送チャネルは、受信機システムにおいて希望のＳＮＲを実現するように、伝送電力を割り当てられる。態様では、電力割り当ては、制御装置434によって供給される制御信号に基づいて行われる。チャネル電力割り当ては、ビンエネルギーεｍ（ｎ）（１≦ｍ≦ＮＴ、１≦ｎ≦ＮＦ）と、全ビンの全体にわたっての各アンテナにおける全エネルギーＥｍとの組に基づく。変調器（modulator, MOD）422は、アンテナからの伝送に対して各信号を変調する。
【００３６】
受信機システム450では、多数の受信アンテナ452は、伝送信号を受信し、受信信号を各復調器（demodulator, DEMOD）454へ供給する。各復調器454は、変調器422において行われる処理と相補的な処理を行なう。全復調器454からの変調シンボルは、受信（RXチャネル／データプロセッサ456へ供給され、伝送されたデータストリームを回復するように処理される。ＲＸチャネル／データプロセッサ456は、ＴＸデータプロセッサ414およびＴＸチャネルプロセッサ420によって行われた処理と相補的な処理を行ない、復号されたデータをデータシンク460へ供給する。
【００３７】
システム410では、伝送されたフィードバック信号は、アンテナ424によって受信され、復調器422によって復調され、ＲＸデータプロセッサ432へ供給される。ＲＸデータプロセッサ432は、ＴＸデータプロセッサ462によって行われた処理と相補的な処理を行ない、報告されたＣＳＩを回復し、それを制御装置434へ供給する。
【００３８】
制御装置434は、報告されたＣＳＩを使用して、多数の機能、例えば、（１）データ伝送のためのＮＳ本の最良の使用可能な伝送チャネルの組を選択すること、（２）選択された伝送チャネル上でのデータ伝送に使用される符号化および変調方式を判断すること、および（３）選択された伝送チャネルに対する電力割り当てを判断することを行なう。データ伝送に使用可能な伝送チャネルの特徴（例えば、チャネル利得および受信したＳＮＲ）は、上述の種々の技術に基づいて判断され、送信機システムへ供給される。
【００３９】
ここに記載されている技術は、１基地局から１つ以上の端末へのダウンリンク上でのデータ伝送に使用され、１つ以上の端末の各々から１基地局へのアップリンク上でのデータ伝送にも使用される。ダウンリンクでは、送信機システム410は基地局の一部を表わし、受信機システム450は端末の一部を表わす。アップリンクでは、送信機システム410は、端末の一部を表わし、受信機システム450は、基地局の一部を表わす。
【００４０】
送信機および受信機システムの素子は、１つ以上のディジタル信号プロセッサ（digital signal processor, DSP）、特定用途向け集積回路（application specific integrated circuit, ASIC）、プロセッサ、マイクロプロセッサ、制御装置、マイクロ制御装置、フィールドプログラマブルゲートアレイ（field programmable gate array, FPGA）、プログラマブル論理装置、他の電子装置、またはその組み合わせで実行される。ここに記載した機能および処理の一部は、プロセッサ上で実行されるソフトウエアでも実行される。本発明のある特定の態様は、ソフトウエアおよびハードウエアの組合せでも実行される。
【００４１】
開示された実施形態についてのこれまでの記載は、当業者が、本発明を作成または使用できるようにするために与えられている。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らかであり、ここで定義されている一般的な原理は、発明の意図および技術的範囲から逸脱しないならば、他の実施形態へ応用される。したがって、本発明は、ここに示されている実施形態に制限されることを意図されておらず、ここに開示されている原理および新規な特徴と両立する最も幅広い範囲にしたがうことを意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の種々の態様にしたがう多重入力多重出力（ＭＩＭＯ）通信システムの図。
【図２】本発明の種々の実施形態にしたがって、各選択された伝送チャネルに割り当てられる伝送電力量を判断するためのプロセスのフローチャート。
【図３】本発明の種々の実施形態にしたがって、図２に示されているフローチャートの１つ以上のステップに対して“水注入”式の解ベクトルを計算するためのフローチャート。
【図４】本発明の種々の態様および実施形態を実行することができるＭＩＭＯ通信システムの図。
【符号の説明】
【００４３】
100,400・・・ＭＩＭＯ通信システム、104・・・基地局（ＢＳ）、106・・・端末（Ｔ）、410・・・送信機システム、450・・・受信機システム。
【図１】
2005527128.tif 000012
【図２】
2005527128.tif 000013
【図３】
2005527128.tif 000014
【図４】
2005527128.tif 000015
【国際調査報告】
2005527128.tif 000016
2005527128.tif 000017
2005527128.tif 000018
2005527128.tif 000019
2005527128.tif 000020