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JP2010538580A - Mimoシステムにおいてフィードバックを供給する方法 - Google Patents

Mimoシステムにおいてフィードバックを供給する方法 Download PDF

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JP2010538580A JP2010524021A JP2010524021A JP2010538580A JP 2010538580 A JP2010538580 A JP 2010538580A JP 2010524021 A JP2010524021 A JP 2010524021A JP 2010524021 A JP2010524021 A JP 2010524021A JP 2010538580 A JP2010538580 A JP 2010538580A
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Abstract

無線通信システムにおいてN個のアンテナを有するMIMO(多入力多出力)受信機を動作させるシステム及び方法が提供される。この方法は、送信機のM個のアンテナと、受信機の対応するアンテナとの間のチャネル伝達係数をそれぞれが定義するN個のベクトルを測定することを含む。更に、測定されたN個のベクトルによって生成された線形空間におけるベクトルが選択され、これらの選択されたベクトルのM個未満の成分の量子化された値が送信機にフィードバックされる。

Description

本発明は通信システムに関する。より詳細には、本発明は複数の送信アンテナ及び複数の受信アンテナを有する無線通信システムに関する。
このセクションは読者に、後段で説明され、主張される本発明の様々な態様と関係することが可能である様々な技術態様を紹介することを意図している。この説明は、本発明の様々な態様のより良い理解を円滑にする背景情報を読者に提供することに役立つものと考えられる。従って、これらの説明は以上に鑑みて従来技術を認めるものとしてではなく読まれるべきであることを理解されたい。
過去数十年にわたって無線通信業界は信じ難い速度で成長してきた。無線通信の利便性及び有用性は軽視できない。実際、セルラー電話機、パーソナルデジタルアシスタント、及びノートブック・コンピュータを含む無線通信システムを使用するデバイスは、ほぼどこにでも存在するようになっている。人々はビジネス及び余暇のために一日中常にこれらのデバイスを使用している。
これらのデバイスの有用性及び利便性を高めようとして、無線通信業界は無線システムの容量を増加させることを絶えず追求している。無線通信システムの容量を増加させる1つの仕方は、送信機及び受信機の両方において複数のアンテナを有するようにシステムを構成することである。そのようなシステムは一般に、MIMO(多入力多出力)システムと呼ばれる。MIMOシステムはプリコーディング技術を使用することによって、受信機又は送信機のいずれにおいても単独のアンテナしか実装しないシステムと比べてより大きい容量を実現することができる。プリコーディング技術は送信機によって送信されるパイロットビームのチャネル伝達行列の測定を使用して、異なる受信機アンテナ間の干渉を低減又は解消する。これらの測定は基地局にフィードバックされ、一般にこれらの測定によって与えられるチャネルベクトルについての情報はシステム全体のスループットの劇的な増加を可能にする。
各移動デバイスが、ノルム1の2個の複素Mタプルから成る量子化コードブックCを使用することが提案されており、但し、Bは基地局にフィードバックとして送られるビットの数を表し、Mは基地局トランシーバの数を表す。数学的に述べると、以下の通りである。即ち、
Figure 2010538580
従って、各移動デバイスは、以下のステップを実行する。即ち、
1)チャネルベクトルh,...,h∈Cの範囲にわたるベクトル空間Qを定義し、但し、Nは移動体におけるトランシーバの数であり、即ち、
Q=スパン(h,...,h)={a+...+a:a,...,a∈C} (2)
2)コードベクトルとQの間で最小の角度を有するコードベクトルc∈Cを探し出し、即ち、以下、
Figure 2010538580
を探し出し、
3)基地局に指標rを送信する。
無線通信デバイスにおける全ての移動デバイスからフィードバック情報、指標rを受信した後、基地局はこれらの移動デバイスに情報をブロードキャストするためにプリコーディング技術を使用する。例えば、IEEE TRANS. INFORM. THEORY、vol. 49、1691〜1706ページ、2003年7月において発表されたG. Caire及びS. Shamaiによる「On the Achievable Throughput of a Multiantenna Gaussian Broadcast Channel」、及びhttp://ieeexplore.ieee.org/xpl/RecentCon.jsp?pnumber=4035458において入手可能な、Jindal, N、「A Feedback Reduction Technique for MIMO Broadcast Channels」、INFORMATION THEORY、2006 IEEE INTERNATIONAL SYMPOSIUM、2699〜2703ページ、2006年7月において開示されるようなゼロ強制プリコーディング技術が使用されることが可能である。前述した論文の両方が参照により本明細書に組み込まれている。
残念ながら、前述のアルゴリズムのステップ2の力ずくの実施は高いレベルの複雑さを有し、計算的に負担が大きい。例えば、20ビットが基地局に送り返される場合、即ち、B=20である場合、Cは法外に多過ぎるノルム1の220個のMタプルとなり、ステップ2は複雑になり過ぎる。ステップ2の高い複雑度の理由は部分空間Qが多次元であることである。チャネルベクトルh,...,hはランダムベクトルであり、従って、Qの次元はランダムな数である。通常、Qの次元は移動デバイスの受信機の数を表すNと等しい。コードブックCのコードベクトルの中で、ベクトルと多次元空間Qの間で最小の角度を有するコードベクトルを探し出すように探索するための高速なアルゴリズムは存在しない。このため、現在の技術を使用すると、これらの測定は受信機において大量のハードウェア及び/又はソフトウェアを要求する可能性があり、かつ/又は受信機において大量の処理時間を要求する可能性がある。しかし、限られた量の時間及びリソースだけしか受信機からのいずれのフィードバック伝送にも利用可能でない。具体的には、移動デバイスは基地局に数ビットを送り返す時間しか有さない。
G. Caire及びS. Shamai、「On the Achievable Throughput of a Multiantenna Gaussian Broadcast Channel」、IEEE TRANS. INFORM. THEORY、vol. 49、1691〜1706ページ、2003年7月 Jindal, N、「A Feedback Reduction Technique for MIMO Broadcast Channels」、INFORMATION THEORY、2006 IEEE INTERNATIONAL SYMPOSIUM、2699〜2703ページ、2006年7月
いくつかの態様が、後段で説明される開示の実施形態と範囲が相応している。これらの態様は本発明がとる可能性があるいくつかの態様の簡単な説明を読者に提供するために提示されているに過ぎないということ、及びこれらの態様は本発明の範囲を限定することを意図していないということを理解されたい。実際、本発明は後段で説明されない可能性がある様々な態様を包含することが可能である。
本発明の例示的な実施形態によれば、MIMOシステムにおいてN個のアンテナを有する受信機を動作させる方法が提供される。この方法は送信機のM個のアンテナと受信機の対応するアンテナとの間のチャネル伝達係数をそれぞれが定義するN個のベクトルを測定することを含む。測定されたN個のベクトルによって生成された線形空間におけるベクトルが選択され、これらの選択されたベクトルのM個未満の成分の量子化された値が送信機にフィードバックされる。
代替の実施形態によれば、通信システムが提供される。この通信システムはN個のアンテナを有する受信機及びM個のアンテナを有するMIMO(多入力多出力)送信機を含む。送信機はこれらM個のアンテナから受信機のN個のアンテナにデータを通信するように構成される。受信機は送信機がパイロット信号を送信したことに応答して、送信機のM個のアンテナと、受信機の対応するアンテナとの間のチャネル伝達係数をそれぞれが定義するN個のベクトルを測定するように構成される。更に、受信機はこれらの測定されたベクトルによって生成された線形空間におけるベクトルを選択し、これらの選択されたベクトルのM個未満の成分の量子化された値を送信機にフィードバックするように構成される。
本発明の利点は、以下の詳細な説明を読み、図面を参照することで明白となり得る。
本発明の例示的な実施形態による例示的な無線通信システムを示す図である。 複数のアンテナを有する基地局及び複数のアンテナを有する複数の無線デバイスを示す図である。 MIMOシステムにおいてフィードバックを供給するための技術を示す流れ図である。
本発明の1以上の特定の実施態様が後段で説明される。これらの実施形態の簡明な説明を提供するため、実際の実施態様の全ての特徴は本明細書で説明されない。いずれのそのような実際の実施態様の開発においても、工学プロジェクト又は設計プロジェクトの場合と同様に、実施態様ごとに異なる可能性があるシステム関連の制約、及びビジネス関連の制約を順守することなどの、開発者の特定の目標を実現する多数の実施態様固有の決定が行われるべきであることを認識されたい。更に、そのような開発の取り組みは複雑であり、時間がかかる可能性があるが、それでも本開示を利用する当業者には、設計、製作、及び製造の定常的な業務であることを認識されたい。
本技術によれば、MIMO(多入力多出力)無線通信システムにおいて送信機にチャネルベクトル測定をフィードバックとして効率的に供給するためのシステム及び方法が提供される。具体的には、N個の受信アンテナを有する受信機を動作させ、この受信機の各アンテナに関するM次元チャネル伝達ベクトルを特定するための方法が提供され、但し、Mはこの受信機と通信することができる送信機のアンテナの数である。チャネル伝達ベクトルのセットは線形ベクトル空間を定義する。この線形ベクトル空間の中で或るベクトルが探し出され、このベクトルの(M−[N−1])個の成分が量子化されて、送信機にフィードバックとして供給される。送信機は、送信機によって受信機の異なるアンテナに送信されるデータ間の干渉を低減するようにこれらのフィードバック成分を使用して、MIMO伝送をプリコードすることが可能である。代替の実施形態では、受信機は単純であり、かつ/又はチャネル伝達行列を測定する選択されたベクトルの成分を迅速にフィードバックすることができる。
次に図面に注目して、図1を最初に参照すると、例示的な無線通信システムが示され、全体的に符号10によって参照される。通常の大都市圏などのいずれの所与のセルラー市場においても、無線通信システム10のようなセルラーネットワークは1以上の基地局12を含むことが可能である。基地局12は無線通信チャネル20a〜20eを介して複数の無線ユニット18a〜18eと通信することができる。
基地局12は任意の適切な形態をとることができる。例えば、基地局12はRF(無線周波数)システム14、及びベースバンドシステム16を含むことが可能である。RFシステム14は通常、無線通信チャネル20a〜20eを介して移動デバイス18a〜18eと通信するアンテナ及びトランシーバ(ときとして、基地局無線機と呼ばれる)を含む。移動デバイス18a〜18eはポータブルセルラー電話機18a及び18e、無線モデムを有するコンピュータシステム18b、建造物内のセルラー電話機18c、ならびに/あるいは移動セルラー電話機及び/又はナビゲーションシステムを有する車両18dなどの音声、ビデオ、及び/又はデータを通信することができる任意の適切な通信デバイスであることが可能である。
一方、ベースバンドシステム16は通常、RFシステム14と無線ネットワークコントローラ17の間の通信を扱うプロセッサを含む。基地局12は通常、無線ネットワークコントローラ17を介してPSTN(公衆交換電話網)22に結合される。通常の無線通信システム10は、全ての無線電話呼の大部分がPSTN22を通過するためにPSTN22への接続を含む。PSTN22は接続のルーティング、統制交換機能、呼処理、データインタフェース、追跡、ページング、呼ハンドオフ、料金請求、及びユーザデータの格納などのいくつかの機能を実行する更なるスイッチ及び機器を含むことが可能である。
基地局12におけるRFシステム14は分散システムであっても集中システムであってもよい。RFシステム14内で、各トランシーバはRFサブシステム(図示せず)を形成するようにアンテナに結合されることが可能である。集中RFシステム14において、RFサブシステムはベースバンドシステム16と同一の場所に配置されることが可能である。RFシステム14及びベースバンドシステム16は、例えば、標準のより対線、光ファイバ、銅線、又は他の適切な手段を含むことが可能なネットワーク(図示せず)を介して一緒に結合されることが可能である。分散RFシステム14において、RFサブシステムはベースバンドシステム16とは離れた複数の場所に配置されることが可能である。ベースバンドシステム16は、前述したCDMAなどの無線サービスを提供するようにネットワークを介してRFサブシステムに接続されることが可能である。
RFシステム14が集中型であるか分散型であるかにかかわらず、ベースバンドシステム16はRFシステム14によって供給される無線通信チャネル20a〜20eへの電力を管理することができる。ベースバンドシステム16は基地局12に関する呼処理を管理するため、ベースバンドシステム16は基地局12に供給される限られた量の電力の制御を維持するように伝送に電力を割り当てることができ、かつ/又は伝送に割り当てられた電力を管理することができる。ベースバンドシステム16は、移動デバイス18a〜18eに関するサービスレベルを維持するように無線ユニット18a〜18eへの伝送に供給される電力を管理する。このため、ベースバンドシステム16は規定されたサービスレベルを維持する電力割り当て、又は他の移動デバイス18a〜18eに至る更なる通信チャネル20a〜20eの追加を管理する。
また、ベースバンドシステム16はTDMA、FDMA、CDMA、及びGSMなどの様々な異なる技術に関する通信リンクを管理する。具体的には、CDMAの場合、基地局12は同一の量の周波数スペクトル内でより大きい容量を提供する3G標準であるCDMA2000サービスを提供することができる。CDMA2000はCDMA2000 1xという第1段階、及びCDMA2000 1xEVDV(evolution data and voice)及びCDMA2000 1xEVDO(1x evolution data only)という第2段階を含む異なる段階を含む。第2段階はCDMA2000 1xという第1段階と後方互換性がある。このため、1xレガシーチャネルを含むことが可能なCDMA2000 1x、及び/又はEVDO高速データチャネルを含むことが可能なCDMA2000 1xEVDVを介してサービスを提供するように、様々なハードウェアデバイス及びソフトウェアプログラムが基地局12において利用されることが可能である。
基地局12又はRFシステム14には、CDMA2000などの或る特定の無線サービスに割り当てられた無線周波数スペクトルの一部分から通信チャネル20a〜20eのセットが割り当てられることが可能である。通信チャネル20a〜20eは順方向チャネル及び逆方向チャネルを含むことが可能である。順方向チャネルは基地局12から移動デバイス18a〜18eに至る信号パスである。例えば、RFサブシステム14がCDMA2000を利用する場合、順方向チャネルは移動デバイス18a〜18eにパイロットチャネル上で伝送される1以上のコードチャネルを含むことが可能である。順方向チャネルはユーザトラフィック及びシグナリングトラフィックを通信するように基地局12によって生成されることが可能である。逆方向チャネルは移動デバイス18a〜18eから基地局12に至る信号パスであることが可能である。例えば、システムがCDMAを利用する場合、逆方向チャネルは1以上のコードチャネルを含むことも可能である。逆方向チャネルは移動デバイス18a〜18eから基地局12にデータトラフィック及びシグナリングトラフィックを通信するのに利用されることが可能である。これらの順方向チャネル及び逆方向チャネルの使用を介して基地局12と移動デバイス18a〜18eは互いに通信する。
前述した通り、MIMO(多入力多出力)無線通信システムを動作させることは、受信機アンテナ間の干渉を効率的に低減すること、又は解消することによって無線システムの容量を増加させることが可能である。図2を参照すると、図1の基地局12及び移動デバイス18a〜18eが複数のアンテナを有するものとして図示されるMIMOシステム60が示されている。図2は基地局12における3つの送信アンテナ62、及び各移動デバイス18a〜18eにおける2つのアンテナ64を示すものの、任意の数のアンテナが存在することが可能であり、各移動デバイス18a〜18eはN個の受信アンテナを備えるものと想定され、基地局12はM個の送信アンテナを備えるものと想定される。基地局12は送信アンテナ62を使用して情報を移動デバイス18a〜18eに送信する。更に、異なる移動デバイスは、移動デバイス18a〜18eに関して不等式M>Nが成立したままである限り、異なる数のアンテナを有することが可能である。
最初、基地局12と移動デバイス18a〜18eの間の通信中、基地局12は移動デバイス18a〜18eにパイロット信号を送る。これらのパイロット信号は移動デバイス18a〜18eに既に知られており、移動デバイス18a〜18eが移動デバイス18a〜18eのチャネルベクトルを知ることを可能にする。具体的には、1≦i≦Mである、第i番の送信アンテナ62から、移動デバイスの、1≦j≦Nである、第j番の受信アンテナ64に着信する信号にチャネル係数hi,jが掛けられる。チャネル係数hi,j,...,hM,jは第j番のチャネルベクトルh、即ち、h=(hi,j,...,hM,j)を形成する。チャネルベクトルについての完全な情報、又は部分的な情報が基地局12において知られている場合、システム全体60のスループットの劇的な増加が実現されることが可能である。
MIMOシステム60における各移動デバイス18a〜18eには、基地局12へのフィードバックチャネル66が与えられる。フィードバックチャネル66は各移動デバイス18a〜18eのチャネルベクトルについての情報を基地局12に伝えるのに使用されることが可能である。しかし、前述した通り、このフィードバックを供給するための時間及び計算パワーなどのリソースは限られている。
これを解決するのに、図3の流れ図80に示される通り、チャネル伝達ベクトルによって定義された線形空間上で或るベクトルが探し出され、(M−[N−1])個の成分が量子化されてフィードバックとして供給される。最初、ブロック82で示される通り、基地局12が移動デバイス18a〜18eにパイロット信号を送信する。具体的には、これらのパイロット信号は基地局12における複数の送信アンテナから、移動デバイス18a〜18eにおける複数の受信アンテナに送信される。移動デバイス18a〜18eはブロック84で示される通り、チャネルベクトルを計算し、チャネル伝達行列を形成する。チャネル伝達行列は以下の通り形成されることが可能である。即ち、
Figure 2010538580
ブロック86で示される通り、次にガウスの消去法を使用して、行列が以下の形態に縮小されることが可能である。即ち、
Figure 2010538580
ブロック88で示される通り、この縮小された行列H’の最後の行を使用して、ベクトルhが形成されることが可能である。このことは、N−1個のヌル座標を有し、ベクトル部分空間Qに属するチャネルベクトルの線形結合をもたらす。具体的には、この線形結合は、
ベクトルh=(0,0,......,0,h’M−N+1,N,...,h’M,N) (6)
によって表される。
その後、ブロック90に示される通り、ベクトルhに対して最小の角度を有するコードベクトルcを探し出すアルゴリズムを使用することが可能である。これはベクトルhの0でないエントリの量子化である。この量子化を実行するのに、アルゴリズムはコードベクトルcを探し出すようにコードブックCを探索する。コードベクトルと所与のベクトルhの間で最小の距離を有するコードベクトルを探し出すようにコードブックCのコードベクトルの中で探索するための、周知の多くの高速で簡単なアルゴリズムが存在する。コードベクトルcはhに対して小さい角度を有するので、このことはコードベクトルcがベクトル部分空間Qに対しても小さい角度を有することを意味する。更に、ベクトルhはベクトル部分空間Q内にあるので、ベクトル部分空間Qはこの計算においてもはや必要ない。
コードベクトルcが探し出されると、ブロック92で示される通り、コードベクトルcの指標rがフィードバック信号として基地局12に送信されることが可能である。基地局12はコードブックCのコピーを有することが可能であり、このため、コードベクトルcを使用してチャネルベクトル測定を特定することができる。基地局12はこのチャネルベクトル測定を使用して、無線通信システムの効率を高めるように伝送をプリコードする。具体的には、基地局12は受信機における干渉を低減するように伝送をプリコードすることができる。
前述の方法は、代替の方法と比べて、より少ない時間、及びより少ない計算パワーしか必要としない。このことは、1つには、ベクトル部分空間Qが計算において使用されないという事実による。更に、ベクトルhにおける0でないエントリだけしかコードベクトルcを探し出すのに使用されない。ベクトルhのエントリの数が少ないほど、ベクトルhはコードブックCからのコードベクトルcによってより良く近似されることが可能である。例えば、ベクトルhがh=(h,h,...,h1000)の通り、1000タプルである、つまり、1000のエントリを有する場合、ベクトルhは220個のコードベクトルを有するコードブックCのいずれのベクトルによっても正確には近似され得ない。代替として、hが3タプル、(h,h,h)に過ぎない場合、hは無視できるほどの誤差だけでCからのコードベクトルによって近似されることが可能である。ステップ3で、最初のN−1個のエントリが0であり、(M−[N−1])タプルをもたらすベクトルhが獲得される。従って、hのエントリの数のこの低減は小さい量子化誤差でhの近似を可能にする。
移動デバイス18a〜18eのそれぞれは、一般にソフトウェアプログラミングの制御下にある、移動デバイス18a〜18eの機能を制御するプロセッサ68a〜eを含む。メモリ70a〜eがソフトウェアプログラムを格納し、ソフトウェアプログラムの実行を円滑にするようにプロセッサ68a〜eに結合される。メモリ70a〜eはDRAM(ダイナミックランダムアクセスメモリ)、SRAM(スタティックランダムアクセスメモリ)、ROM(読み取り専用メモリ)、CD−ROM、又は他のストレージデバイスを含むことが可能である。このため、メモリ70a〜eはプロセッサ68a〜eによって移動デバイスとの通信チャネル、及び基地局12におけるアンテナと関係することが可能なデータを格納するのに利用されることが可能である。このデータは信号エネルギー情報、及び通信チャネル20a〜20eと関係するアンテナ情報を含むことが可能である。このため、本明細書で説明される技術は、移動デバイス18a〜18eが基地局12にフィードバックを供給することを可能にするようにソフトウェア及び/又はハードウェアで実施されることが可能である。
本発明は様々な変形形態、及び代替の形態が可能となるが、特定の実施形態が図面において例として示され、本明細書で詳細に説明されてきた。しかし、本発明は、開示されるそれらの特定の形態に限定されることは意図されていないことを理解されたい。むしろ、本発明は添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の趣旨及び範囲に含まれる全ての変形形態、均等形態、及び代替形態に及ぶものとされる。

Claims (10)

  1. N個のアンテナを有する受信機を動作させる方法であって、
    送信機のM個のアンテナと、受信機の対応するアンテナとの間のチャネル伝達係数をそれぞれが定義するN個のベクトルを測定するステップ、
    前記測定されたN個のベクトルによって生成された線形空間内で或るベクトルを選択するステップ、及び
    前記選択されたベクトルのM個未満の0でない成分の量子化された値をフィードバックとして前記送信機に供給するステップ
    を備える方法。
  2. 請求項1に記載の方法であって、前記選択されたベクトルは、前記測定されたベクトルの各成分が前記送信機の前記アンテナのうちの対応する1つのアンテナのチャネル伝達行列要素に対応する基底に沿って1以上のヌル成分を有する方法。
  3. 請求項2に記載の方法であって、前記選択されたベクトルがN−1個のヌル成分を有し、Nは2以上である方法。
  4. 請求項1に記載の方法であって、前記送信機の前記M個のアンテナからパイロット信号を受信し、前記パイロット信号を使用して前記N個のベクトルを測定するステップを備える方法。
  5. N個のアンテナを有する受信機、及び
    M個のアンテナから前記受信機の前記N個のアンテナにデータを通信するように構成された、該M個のアンテナを有するMIMO(多入力多出力)送信機
    を備える通信システムであって、
    前記受信機が、前記送信機がパイロット信号を送信したことに応答して、前記送信機の前記M個のアンテナと、前記受信機の対応するアンテナとの間のチャネル伝達係数をそれぞれが定義するN個のベクトルを測定するように構成され、前記受信機が、前記測定されたベクトルによって生成された線形空間内で或るベクトルを選択し、前記選択されたベクトルのM個未満の0でない成分の量子化された値を前記送信機にフィードバックするように構成されたシステム。
  6. 請求項5に記載のシステムであって、前記送信機が、前記フィードバック成分に基づいて前記受信機に送信するためのデータをプリコードするように構成されるシステム。
  7. 無線通信システムにおいてフィードバックを供給するための方法であって、
    基地局のM個の送信機から、移動デバイスのN個の受信機においてパイロット信号を受信するステップ、
    前記受信されたパイロット信号に基づいてN個のチャネルベクトルを計算するステップ、
    N−1個のヌルエントリを有する前記N個のチャネルベクトルの線形結合を探し出すステップ、
    前記線形結合の前記0でないエントリを量子化するステップ、及び
    前記量子化された値を前記基地局に送信するステップ
    を備える方法。
  8. 請求項7に記載の方法であって、前記線形結合の0でない前記エントリを量子化するステップが、前記線形結合に対して最小の角度を有するコードベクトルをコードブックの中で探し出すステップを備える方法。
  9. 請求項7に記載の方法であって、前記受信されたパイロット信号に基づいてN個のチャネルベクトルを計算するステップが、チャネル伝達行列を計算するステップを備える方法。
  10. 請求項9に記載の方法であって、N−1個のヌルエントリを有する前記N個のチャネルベクトルの線形結合を探し出すステップが、前記行列に対してガウスの消去法を実行して前記行列を縮小するステップを備える方法。
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