JP2005142715A - 無線通信システム、並びに無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送を行なうに際し、セットアップ手順を簡素化するとともに、少ないアンテナ本数により良好な復号性能を得る。
【解決手段】 送信機側では、受信機から送られるリファレンス信号に基づいて送信機においてチャネル情報を測定し、チャネル情報に基づいて送信アンテナの重み係数行列を決定する。そして、多重化する信号毎の重みを算出し、該多重化する信号毎に重みを与えたトレーニング信号を受信機へ送信する。一方、受信機側では、受信したトレーニング信号に基づいて、受信アンテナ重み係数行列を決定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）のように複数の無線局間で相互に通信を行なう無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムに係り、特に、家庭内などの通信環境下で広帯域の無線伝送を実現する無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムに関する。

さらに詳しくは、本発明は、複数のアンテナを持つ送信機と複数のアンテナを持つ受信機が対となって、空間分割多重を利用した通信（ＭＩＭＯ通信）により伝送容量の拡大を行なう無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムに係り、特に、送受信の各アンテナ対に対応するチャネルを要素としたチャネル情報行列の特異値分解（ＳＶＤ）を利用したＭＩＭＯ伝送を行なう無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムに関する。

ＬＡＮを始めとするコンピュータ・ネットワーキングにより、情報資源の共有や機器資源の共有を効率的に実現することができる。ここで、旧来の有線方式によるＬＡＮ配線からユーザを解放するシステムとして、無線ＬＡＮが注目されている。無線ＬＡＮによれば、オフィスなどの作業空間において、有線ケーブルの大半を省略することができるので、パーソナル・コンピュータ（ＰＣ）などの通信端末を比較的容易に移動させることができる。

近年では、無線ＬＡＮシステムの高速化、低価格化に伴い、その需要が著しく増加してきている。特に、人の身の回りに存在する複数の電子機器間で小規模な無線ネットワークを構築して情報通信を行なうために、パーソナル・エリア・ネットワーク（ＰＡＮ）の導入が検討されている。例えば、２．４ＧＨｚ帯や、５ＧＨｚ帯など、監督官庁の免許が不要な周波数帯域を利用して、異なった無線通信システム並びに無線通信装置が規定されている。

無線ネットワークに関する標準的な規格の１つにＩＥＥＥ（Ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）８０２．１１（例えば、非特許文献１を参照のこと）などを挙げることができる。ＩＥＥＥ８０２．１１規格は、無線通信方式や使用する周波数帯域の違いなどにより、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ規格、ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ規格…などの無線通信方式に細分される。

ＩＥＥＥ８０２．１１ａの規格では、最大で、５４Ｍｂｐｓの通信速度を達成する変調方式をサポートしている。しかし、通信速度として、さらなる高ビットレートを実現できる無線規格が求められている。そこで、近年、注目を集めている技術がＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ−Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉ−Ｏｕｔｐｕｔ）通信である。これは、送信器側と受信器側の双方において、複数のアンテナ素子を備えて、空間分割多重すなわち複数の論理的に独立した伝送路を実現することにより、伝送容量の拡大を図り、通信速度向上を達成する技術である。空間分割多重を利用するので、周波数利用効率はよい。

図５には、ＭＩＭＯ通信システムを概念的に示している。同図に示すように、送受信機各々に複数のアンテナが装備されている。送信側では、Ｎ個の送信データを空間／時間符号して多重化しＭ本のアンテナに分配してチャネルに送出し、受信側では、チャネル経由でＮ本のアンテナにより受信した受信信号を空間／時間復号して受信データを得るものであり、ＭＩＭＯ通信は単なる送受信アダプティブ・アレーとは相違する。この場合のチャネル・モデルは、送信機周りの電波環境（伝達関数）と、チャネル空間の構造（伝達関数）と、受信機周りの電波環境（伝達関数）で構成される。各アンテナから伝送される信号を多重する際、クロストーク（Ｃｒｏｓｓｔａｌｋ）が発生するが、受信側の信号処理により多重化された各信号を正しく取り出す。

ＭＩＭＯ方式は、送信機において複数アンテナに送信データを分配して送信し、受信機で複数アンテナにより受信した信号から信号処理によって受信データを得るものであり、チャネルの特性を利用した通信方式である。ＭＩＭＯ伝送の構成方法としてはさまざまな方式が存在しているが、理想的な形態の１つとして、伝播路関数の特異値分解（ＳＶＤ：Ｓｉｎｇｕｌａｒ Ｖａｌｕｅ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）を利用したＳＶＤ−ＭＩＭＯ方式が知られている（例えば、非特許文献２を参照のこと）。

図６には、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送システムを概念的に示している。ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送では、各アンテナ対に対応するチャネル情報を要素とした数値行列すなわちチャネル情報行列Ｈを特異値分解してＵＤＶ^Hを求め、送信側のアンテナ重み係数行列としてＶを与えるとともに、受信側のアンテナ重み係数行列としてＵ^Hを与える。これによって、伝送路は、各固有値λ_iの平方根を対角要素に持つ対角行列として表され、全くクロストーク無しに信号を多重化して伝送することができる。但し、特異値分解の演算をリアルタイムで行なうのは容易では無いし、導出されたＶ若しくはＵ^Hをあらかじめ相手方に伝えておくというセットアップ手順が必要であるという点に留意されたい。

ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送方式によれば、理論的には最大の通信容量を達成することができ、例えば送受信機がアンテナを２本ずつ持てば、最大２倍の伝送容量が得られる。

ここで、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送方式の仕組みについて説明する。送信機のアンテナ本数をＭとすると送信信号ｘはＭ×１のベクトルで表され、また、受信機のアンテナ本数をＮとすると受信信号ｙはＮ×１のベクトルで表される。この場合、チャネル特性はＮ×Ｍの数値行列Ｈとして表される。チャネル情報行列Ｈの要素ｈ_ijは、ｊ番目の送信アンテナからｉ番目の受信アンテナへの伝達関数である。そして、受信信号ベクトルｙは、下式（１）のように、送信信号ベクトルにチャネル情報行列を掛け算し、さらに雑音ベクトルｎを加算して表される。

上述したように、チャネル情報行列Ｈを特異値分解すると、下式（２）のようになる。

ここで、送信側のアンテナ重み係数行列Ｖと受信側のアンテナ重み行列Ｕは、それぞれ下式（３）、（４）を満たすユニタリ行列である。

すなわち、ＨＨ^Hの正規化された固有ベクトルを並べたものが受信側のアンテナ重み行列Ｕ^Hであり、Ｈ^HＨの正規化された固有ベクトルを並べたものが送信側のアンテナ重み行列Ｖである。また、Ｄは対角行列でありＨ^HＨ又はＨＨ^Hの固有値の平方根を対角成分に持つ。大きさは、送信アンテナ数Ｍと受信アンテナ数Ｎのうち小さい数であり、ｍｉｎ（Ｍ，Ｎ）の大きさの正方行列であり対角行列となる。

上述では、実数での特異値分解について説明したが、虚数にまで拡張した場合の特異値分解には注意点がある。ＵとＶは固有ベクトルで構成される行列であるが、固有ベクトルをノルムが１になるようにする操作すなわち正規化を行なった場合でも、単一のものにはならず、位相が異なる固有ベクトルが無数に存在する。ＵとＶの位相関係によっては、上式（２）が成り立たない場合がある。つまり、ＵとＶはそれぞれ正しいが、位相だけそれぞれ任意に回転しているからである。位相を完全一致させるためには、Ｖは通常通りＨ^HＨの固有ベクトルとして求める、そして、Ｕは、上式（２）の両辺に右からＶを掛け、下式のようにして求めるようにする。

送信側ではアンテナ重み係数行列Ｖを用いて重み付けをするとともに、受信側では暗転重み係数行列Ｕ^Hで重みを付けて受信すると、ＵとＶがユニタリ行列であることから（ＵはＮ×ｍｉｎ（Ｍ，Ｎ）、ＶはＭ×ｍｉｎ（Ｍ，Ｎ））、下式の通りとなる。

ここで、受信信号ｙと送信信号ｘは、送信アンテナと受信アンテナの数で決まるベクトルではなく、（ｍｉｎ（Ｍ，Ｎ）×１）ベクトルである。

Ｄは対角行列なので、各送信信号がクロストークすることなしに受信することができる。そして、独立した各土管の振幅は固有値λの平方根に比例するので、各土管の電力の大きさはλに比例する。

雑音成分ｎも、Ｕの列はノルムが１に正規化された固有ベクトルなので、Ｕ^Hｎはその雑音電力を変えるものではない。サイズとしては、Ｕ^Hｎは（ｍｉｎ（Ｍ，Ｎ））ベクトルとなり、ｙ及びｘと同じサイズである。

このようにＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送では、同一の周波数及び同一の時間でありながら、クロストークのない複数の独立な論理的な土管を得ることができる。つまり、同時刻に同一周波数を使用して、複数のデータを無線通信で伝送することが可能となり、伝送速度の向上を実現することができる。

特開平１０−８４３２４号公報 Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｔａｎｄａｒｄ ＩＳＯ／ＩＥＣ ８８０２−１１：１９９９（Ｅ） ＡＮＳＩ／ＩＥＥＥ Ｓｔｄ ８０２．１１， １９９９ Ｅｄｉｔｉｏｎ， Ｐａｒｔ１１：Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＬＡＮ Ｍｅｄｉｕｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＭＡＣ） ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｌａｙｅｒ（ＰＨＹ） Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ ｈｔｔｐ：／／ｒａｄｉｏ３．ｅｅ．ｕｅｃ．ａｃ．ｊｐ／ＭＩＭＯ（ＩＥＩＣＥ＿ＴＳ）．ｐｄｆ（平成１５年１０月２４日現在）

上述したように、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ方式は、受信側でチャネル情報行列Ｈを取得し、そのＨを特異値分解し、その分解された、ＵＤＶ^HのうちＶ^Hを送信側へ伝える必要がある。実際には、送信側で使用するのは、Ｖであるので、Ｖを送信側へ伝える必要がある。

ここで、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送の適用対象となるＬＡＮシステムの１つであるＩＥＥＥ８０２．１１ａすなわち５ＧＨｚ対のＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：直交周波数分割多重）を例にとって、送信側アンテナ係数行列Ｖの情報量について考察してみる。

送受信アンテナ素子数を３本ずつとすると、送信側のアンテナ重み係数行列Ｖは３×３行列になり、その要素数は９である。１要素当たり１０ビット精度の複素数で表されているとし、それが５２キャリヤ分必要となると、９３６０ビット（＝９（行列の要素数）×２（複素数の実部、虚部）×１０（ビット）×５２（ＯＦＤＭサブキャリア数））を受信機から送信機へフィードバックしなければならない。

このようにフィードバックが必要なＭＩＭＯをクローズドループ型ＭＩＭＯと呼ぶ（反意語はオープンループ型ＭＩＭＯ）。クローズドループ型のＳＶＤ−ＭＩＭＯ方式は、通信を始めるに際し、９３６０ビットもの情報を送信側へフィードバックしなければならない。仮にＩＥＥＥ８０２．１１ａで用意されている変調方式の中で最も信頼性の高いＢＰＳＫでコードレートが１／２の変調方式のＯＦＤＭでフィードバックしようとした場合、１ＯＦＤＭシンボルで２４ビットしか送信できないので、３９０ＯＦＤＭシンボルもの時間が必要になり現実的ではない。

ＭＩＭＯ伝送における上述したようなセットアップ時の処理を比較的容易な仕組みで実現する具体的構成例の１つとして、Ｖ−ＢＬＡＳＴと呼ばれるものがある。Ｖ−ＢＬＡＳＴとは、Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｂｅｌｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ Ｌａｙｅｒｅｄ Ｓｐａｃｅ Ｔｉｍｅの略であり、旧ベル研で開発されたことに端を発する（例えば、特許文献１を参照のこと）。

図７には、Ｖ−ＢＬＡＳＴ方式の通信システムの構成を概念的に示している。送信側では、多重化するＮ個の送信データを空間／時間符号してＭ（図示の例ではＭ＝２）本のアンテナに分配してチャネルに送出し、受信側では、チャネル経由でＮ（図示の例ではＮ＝３）本のアンテナにより受信した受信信号を空間／時間復号してＮ個の受信データを得る。

ここで、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ方式との相違は、送信側では、特にアンテナ重み係数行列Ｖを与えず、単純にアンテナ毎に信号を多重化して送る。言い換えれば、アンテナ重み係数行列Ｖを与得るためのフィードバック手続きが一切省略される。そして、送信機は、多重化信号を送出する前に、受信機側でチャネル推定を行なうためのトレーニング信号を、例えばアンテナ毎に時分割で挿入する。図７に示す例では、データ・パケットに載せて、プリアンブル信号に続いて、アンテナ＃１に対応するトレーニング信号Ｔｒａｉｎｉｎｇ−１と、アンテナ＃２に対応するトレーニング信号Ｔｒａｉｎｉｎｇ−２を、時分割で送信している。

これに対し、受信機では、チャネル推定部でトレーニング信号を利用してチャネル推定を行ない、各アンテナ対に対応したチャネル情報行列Ｈを算定する。そして、第１の受信アンテナ重み係数行列算出部では、送信アンテナ毎にＺｅｒｏ−ｆｏｒｃｉｎｇ規範などを適用してゼロ化して、不要信号すなわち自身以外の信号をすべてキャンセルし、受信アンテナ重み係数行列Ｚ_Rを求める。このＺ_Rを与えた後に取り出される各受信信号のうち、最もＳＮ比の良い信号に対して、まず復号部でｘ₁を復号する。

次に、復号した信号を符号化部で再び符号化して送信信号のレプリカ（複製）を作り出し、アンテナ直後の受信信号からキャンセルする。第２の受信アンテナ重み係数行列算出部では、このキャンセルされた送信信号に対応する送信アンテナを排除して再びＺｅｒｏ−ｆｏｒｃｉｎｇを適用してゼロ化し、受信アンテナ重み係数行列Ｚ_R'を再計算する。残された受信信号のうち、やはり、ＳＮ比が最も良い信号ｘ₂を取り出して復号部で復号を行なう。

この２回目の復号では、最初に復号した送信信号が取り除かれている分だけ、受信アンテナの自由度が増し、その分、最大比合成（ＭＲＣ：Ｍａｘｉｍａｌ ｒａｔｉｏ Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ）効果が高まるという効果が得られる。以降、上記操作の繰り返しにより、多重化されたすべての送信信号を順次復号していく。

以上説明したように、Ｖ−ＢＬＡＳＴの特長の１つは、Ｚｅｒｏ−ｆｏｒｃｉｎｇとキャンセリングを巧妙に組み合わせることで、Ｚｅｒｏ−ｆｏｒｃｉｎｇのみではＳＮ比が不充分となる信号に対しても、キャンセリングによって生じたアンテナ自由度を活用してＳＮ比を向上させ、復号の確度を高める点にある。このように、Ｖ−ＢＬＡＳＴは、比較的簡単な仕組みの組み合せで、効率の良いＭＩＭＯ伝送を実現することができる。

しかしながら、送信機側では重み付けを行なわずに送信を行なうことから、受信機側では、最初の復号をキャンセリングに頼らずＺｅｒｏ−ｆｏｒｃｉｎｇのみで行なう必要がある。このため、送信アンテナ本数より受信アンテナ本数を多くして（図７に示す例では、送信アンテナ本数が２、受信アンテナ本数が３となっている）、受信アンテナの余剰自由度を確保する必要がある。

例えば送信機から受信機へのダウンリンクと、受信機から送信機へのアップリンクの双方向に対してＭＩＭＯ伝送を行ないたい場合、上述したＶ−ＢＬＡＳＴ方式では、少なくとも、システム全体で３本×３本の構成とする必要がある（図８を参照のこと）。これは、受信側において復号性能を確保するためには３本以上必須なためであり、双方向を考慮すると送受信双方の機器において３本のアンテナが必要となる。例えばＷｉｒｅｌｅｓｓ−ＬＡＮの場合、比較的電源や実装容積に余裕のあるＡｃｃｅｓｓ Ｐｏｉｎｔ（制御局）ならまだ良いが、これらに余裕が少ない小さなサイズのＳｔａｔｉｏｎ（移動局）では、アンテナ３本分の実装が困難となる場合が少なからずある。

本発明の目的は、家庭内などの通信環境下で広帯域の無線伝送を実現することができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、複数のアンテナを持つ送信機と複数のアンテナを持つ受信機が対となって、空間分割多重を利用した通信（ＭＩＭＯ通信）により伝送容量の拡大を行なうことができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、送受信の各アンテナ対に対応するチャネルを要素としたチャネル情報行列の特異値分解（ＳＶＤ）を利用したＭＩＭＯ伝送を好適に行なうことができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送を行なうに際し、受信機側から送信機側へフィードバックする情報量を圧縮することができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送を行なうに際し、受信機から送信機への情報フィードバックなどのセットアップ手順を簡素化するとともに、少ないアンテナ本数により良好な復号性能を得ることができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。

本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第１の側面は、複数のアンテナを持つ送信機と複数のアンテナを持つ受信機が対となって信号を多重化して通信する無線通信システムであって、
受信機から送信機へ送られる受信機の受信アンテナ本数分のリファレンス信号に基づいて送信機においてチャネル情報を測定し、
該取得したチャネル情報に基づいて送信アンテナの重み係数行列を決定し、
送信機において多重化する信号毎の重みを算出し、該多重化する信号毎に重みを与えたトレーニング信号を送信機から受信機へ送信し、
受信機側では、受信したトレーニング信号に基づいて、受信アンテナ重み係数行列を決定する、
ことを特徴とする無線通信システムである。

但し、ここで言う「システム」とは、複数の装置（又は特定の機能を実現する機能モジュール）が論理的に集合した物のことを言い、各装置や機能モジュールが単一の筐体内にあるか否かは特に問わない。

本発明によれば、受信機側で取得したチャネル情報行列を特異値分解して得た送信機側のアンテナ重み係数行列Ｖをフィードバックする代わりに、受信機側から送信機側へリファレンス信号を送信し、送信機側において特異値分解を行ない送信時に必要なアンテナ重み係数行列Ｖを得ることにより、受信機側から送信機側へフィードバックする情報量を圧縮することができる。

また、本発明によれば、フィードバックする情報量を圧縮しても、送信機側において送信アンテナの重み係数行列Ｖを適用して送信するので、受信側では少ないアンテナ本数により良好な復号性能を得ることができる。

ここで、受信機から送信機へ送られるリファレンス信号に基づいて送信機においてチャネル情報を測定する場合には、前記チャネル情報取得手段は、受信機から送信機へ送られるリファレンス信号に基づいて得られたチャネル情報にキャリブレーションを施して、送信機から受信機の方向におけるチャネル情報を得るようにする。

チャネル情報行列Ｈは、送信機周りの伝達関数と、空間の構造（伝達関数）と、受信機周りの伝達関数で構成される。ここで、空間の伝達関数は可逆性が成り立ち、送信機から受信機、受信機から送信機のいずれの方向で測定しても同じ値になる。これに対し、送信機周りの伝達関数や受信機周りの伝達関数には、それぞれＲＦ送受信用のアナログ回路によるばらつきがあり、可逆性は保証されない、という問題がある。

送信機へ受信機側で取得したチャネル情報行列を特異値分解して得た送信機側のアンテナ重み係数行列Ｖをフィードバックする場合にはこの不可逆性は問題とはならない。これに対し、受信機側から送信機側へリファレンス信号を送信し、送信機側において特異値分解を行ない送信時に必要なアンテナ重み係数行列Ｖ’を得る場合には、送受信機双方におけるＲＦ送受信用のアナログ回路によるばらつきの影響を受ける。送信機から受信機の方向でのアンテナ重み係数行列Ｖとは一致しない。このため、キャリブレーションが必要となる。

また、送信機側では、受信機側のアンテナ毎に最大比合成規範、不要信号をすべてキャンセルするゼロ化規範、最大比合成規範とゼロ化の組み合わせ、又は特異値分解により送信アンテナ重み係数行列を決定することができる。ここで、送信機側において特異値分解によりアンテナ重み係数行列を求める場合には、受信機側での特異値分解は不要となる。

また、受信機側では、送信機側の送信信号毎に不要信号をすべてキャンセルするゼロ化規範を適用して受信アンテナ重み係数行列を決定することができる。

また、本発明に係る無線通信システムでは、通信品質を保証するために、送信機が送信要求パケットＲＴＳ（Ｒｅｑｕｅｓｔ Ｔｏ Ｓｅｎｄ）を送信し、受信機から確認通知パケットＣＴＳ（Ｃｌｅａｒ Ｔｏ Ｓｅｎｄ）を受信したことに応答してデータ伝送を開始するＲＴＳ／ＣＴＳ方式を採用することができる。

このような場合、受信機はＣＴＳパケットにリファレンス信号を含ませて送信するようにしてもよい。これに対し、送信機は、ＣＴＳパケットに含まれるリファレンス信号に基づいて得られたチャネル情報にキャリブレーションを施して、送信機から受信機の方向におけるチャネル情報を得て、多重化する信号毎の重みを算出し、該多重化する信号毎に重みを与えたトレーニング信号を含んだデータ・パケットを送信するようにしてもよい。

また、本発明の第２の側面は、複数のアンテナを用いて信号を多重化して送信するための処理をコンピュータ・システム上で実行するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムであって、
受信先までのチャネル情報を取得するチャネル情報取得ステップと、
該取得したチャネル情報に基づいて送信アンテナの重み係数行列を決定する送信アンテナ重み係数行列決定ステップと、
多重化する信号毎の重みを算出する重み算出ステップと、
該多重化する信号毎に重みを与えたトレーニング信号を受信先へ送信するトレーニング信号送信ステップと、
を具備することを特徴とするコンピュータ・プログラムである。

本発明の第２の側面に係るコンピュータ・プログラムは、コンピュータ・システム上で所定の処理を実現するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムを定義したものである。換言すれば、本発明の第２の側面に係るコンピュータ・プログラムをコンピュータ・システムにインストールすることによってコンピュータ・システム上では協働的作用が発揮され、無線通信装置として動作する。このような無線通信装置を複数起動して無線ネットワークを構築することによって、本発明の第１の側面に係る無線通信システムと同様の作用効果を得ることができる。

本発明によれば、複数のアンテナを持つ送信機と複数のアンテナを持つ受信機が対となって、空間分割多重を利用した通信（ＭＩＭＯ通信）により伝送容量の拡大を行なうことができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。

また、本発明によれば、送受信の各アンテナ対に対応するチャネルを要素としたチャネル情報行列の特異値分解（ＳＶＤ）を利用したＭＩＭＯ伝送を好適に行なうことができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。

また、本発明によれば、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送を行なうに際し、受信機側から送信機側へフィードバックする情報量を圧縮することができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。

また、本発明によれば、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送を行なうに際し、受信機から送信機への情報フィードバックなどのセットアップ手順を簡素化するとともに、少ないアンテナ本数により良好な復号性能を得ることができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。

本発明によれば、受信機側で取得したチャネル情報行列を特異値分解して得た送信機側のアンテナ重み係数行列Ｖをフィードバックする代わりに、受信機側から送信機側へリファレンス信号を送信し、送信機側において特異値分解を行ない送信時に必要なアンテナ重み係数行列Ｖを得ることにより、受信機側から送信機側へフィードバックする情報量を圧縮することができる。

本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。

図１には、本発明の一実施形態の構成を概略的に示している。

送信機側では、多重化する各送信信号を空間／時間符号して３本のアンテナに分配してチャネルに送出し、受信側では、チャネル経由で２本のアンテナにより受信した多重化信号を空間／時間復号して受信データを得る。

図示の通信システムは、大雑把にはＶ−ＢＬＡＳＴ方式に類似するが、送信機側でアンテナ重み係数を与えて送信する構成に変更した点、並びに、送受信機間におけるアンテナ構成を送信アンテナ本数＞受信アンテナ本数（＝信号多重数）とした点が図７に示したシステムとは明らかに相違する。

図１に示すシステム構成では、送信アンテナ側に余剰自由度が生じるが、この余剰自由度を受信信号のＳＮ比の増大に寄与させるため、受信アンテナに対してＭＳＮ（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−Ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏの略、自身の信号のＳＮ比を最大とする規範）送信、又はＺｅｒｏ−ｆｏｒｃｉｎｇ送信、あるいはＭＳＮとＺｅｒｏ−ｆｏｒｃｉｎｇを組み合わせた重み係数を与えて送信を行なう。この結果、受信機側のアンテナ自由度に余剰がない（すなわち受信アンテナの本数が少ない）場合であっても、送信側の余剰自由度で補うことにより、良好な復号性能を得ることができる。

本実施形態に係る通信システムにおける動作手順について、以下に説明する。

まず準備段階として、受信機２０側より受信アンテナ毎にトレーニング信号Ｐｒｅ−ｔｒａｉｎｉｎｇ Ｓｉｇｎａｌが時分割で送られる。図示の例では、受信機は２本の受信アンテナを持つことから、２個のトレーニング信号が送出される。なお、Ｐｒｅ−ｔｒａｉｎｉｎｇ Ｓｉｇｎａｌの前に連接されているプリアンブルＰｒｅａｍｂｌｅは、信号検出やタイミング同期又は受信利得調整のための付加信号である。

送信機側１０では、受信機２０からのトレーニング信号をリファレンス信号として受信して、チャネル推定部１１によりチャネル情報行列Ｈを算定し、送信アンテナ重み係数行列算出部１３により受信アンテナ毎にＭＳＮ規範、又はＺｅｒｏ−ｆｏｒｃｉｎｇ規範、あるいはこれらの規範の組み合せにより、送信アンテナ重み係数行列Ｚ_Tを決定する。

なお、このとき、送信機１０側の送信回路と受信回路のチャネル特性に差異が生じていることがある。何故ならば、空間の伝達関数は可逆性が成り立つものの、チャネル情報行列Ｈは、送信機１０周りの伝達関数と、空間の構造（伝達関数）と、受信機２０周りの伝達関数で構成され、送信機１０周りの伝達関数や受信機２０周りの伝達関数には、それぞれＲＦ送受信用のアナログ回路によるばらつきがあり、可逆性は保証されないからである。送信機１０が受信機２０側で取得したチャネル情報行列を特異値分解して得た送信機側のアンテナ重み係数行列Ｖをそのまま送信機１０へフィードバックする場合にはこの不可逆性は問題とはならない。これに対し、本実施形態では、受信機２０側から送信機１０側へトレーニング信号を送信し、送信機１０側において送信時に必要なアンテナ重み係数行列を得るので、送受信機双方におけるＲＦ送受信用のアナログ回路によるばらつきの影響を受ける。このような場合は、送受信校正部１２により適当な校正（キャリブレーション）がＨに対して行なわれる。

続いて、送信機１０側より、トレーニング信号と空間分割された多重化信号が連接されて送信される。このとき、アンテナ重みとして上述のように求められたＺ_Tが与えられる。ここで、トレーニング信号の送出区間においても、多重化する信号毎のアンテナ重みが与えられている。図示の例では、アンテナ重み係数行列Ｚ_T（＝［ｗ₁，ｗ₂］）の各要素ベクトルｗ₁及びｗ₂毎に重みが与えられたトレーニング信号Ｔｒａｉｎｉｎｇ−１及びＴｒａｉｎｉｎｇ−２が時分割で送られる。

一方、受信機２０側では、これら多重化する信号毎に重みが与えられたトレーニング信号Ｔｒａｉｎｉｎｇ−１及びＴｒａｉｎｉｎｇ−２より、チャネル推定部２１により送信重み係数ベクトルと受信アンテナの対に対応したチャネル情報行列Ｈ'を算定する。

そして、第１の受信アンテナ重み係数行列算出部２２では、送信重み係数ベクトル成分毎にＺｅｒｏ−ｆｏｒｃｉｎｇ規範などを適用してゼロ化して、不要信号すなわち自身以外の信号をすべてキャンセルし、受信アンテナ重み係数行列Ｚ_Rを求める。このＺ_Rを与えた後に取り出される各受信信号のうち、最もＳＮ比の良い信号に対して、まず復号部２３でｘ₁を復号する。

次に、復号した信号を再び符号化部２４で符号化して送信信号のレプリカ（複製）を作り出し、アンテナ直後の受信信号からキャンセルする。第２の受信アンテナ重み係数行列算出部２５では、このキャンセルされた送信信号に対応する送信重み係数ベクトル成分を排除して再びＺｅｒｏ−ｆｏｒｃｉｎｇを適用してゼロ化し、受信アンテナ重み係数行列Ｚ_R'を再計算する。残された受信信号のうち、やはり、ＳＮ比が最も良い信号ｘ₂を取り出して復号部２３で復号を行なう。この２回目の復号では、最初に復号した送信信号が取り除かれている分だけ、受信アンテナの自由度が増し、その分、最大比合成効果が高まるという効果が得られる。以降、上記操作の繰り返しにより、多重化されたすべての送信信号を順次復号していく。

本発明の第１の実施形態では、送信機１０側がＭＳＮ送信、又はＺｅｒｏ−ｆｏｒｃｉｎｇ送信、あるいはこれらの組み合せの重み係数で送信を行なうことにより、送信アンテナ側の自由度を漏れなく使い切って、受信ＳＮ比の増大に寄与させる仕組みとなっている。したがって、受信機２０側のアンテナ自由度に余剰が無い場合でも、送信側の余剰自由度でこれを補うことができる。

図２には、本発明に係る通信システムと、Ｖ−ＢＬＡＳＴのような従来の通信システムを組み合わせてアップリンクとダウンリンクの双方向ＭＩＭＯ伝送システムを構成した例を、アンテナ構成に特化して模式的に示している。

図示の例では、送信機側では３本のアンテナを、受信機側では２本のアンテナをそれぞれ装備している。まず、ダウンリンクすなわち送信機から受信機への通信を行なう場合、本発明の第１の実施形態を適用する。すなわち、送受信機間におけるアンテナ構成を送信アンテナ本数＞受信アンテナ本数（＝信号多重数）とし、受信機側のアンテナ自由度に余剰がないが（すなわち受信アンテナの本数が少ない）、送信側の余剰自由度で補うことにより、良好な復号性能を得ることができる。

これに対し、アップリンクすなわち受信機から送信機へ通信を行なう場合には、図７に示した例に従い、Ｖ−ＢＬＡＳＴ方式により、セットアップ手順なしにＭＩＭＯ伝送を開始することができる。また、ダウンリンク時にはＶ−ＢＬＡＳＴを適用しないことから、アンテナ本数を増やさなくとも、良好な復号性能を得ることができる。

例えば、比較的電源や実装容積に余裕のあるＡｃｃｅｓｓ Ｐｏｉｎｔ（制御局）において３本のアンテナを設け（すなわち余剰自由度を与え）、これらに余裕が少ない小さなサイズのＳｔａｔｉｏｎ（移動局）では２本のアンテナを設ける（すなわち余剰自由度を与えない）、などにより、効率的なＭＩＭＯ通信システムをデザインすることができる。

また、本実施形態に係る通信システムでは、通信品質を保証するために、送信機が送信要求パケットＲＴＳ（Ｒｅｑｕｅｓｔ Ｔｏ Ｓｅｎｄ）を送信し、受信機から確認通知パケットＣＴＳ（Ｃｌｅａｒ Ｔｏ Ｓｅｎｄ）を受信したことに応答してデータ伝送を開始するＲＴＳ／ＣＴＳ方式を採用することができる。

図３には、ＲＴＳ／ＣＴＳ方式を適用した場合の、本実施形態に係る通信システムにおける送受信動作シーケンスを示している。

図示の通り、受信機は、ＲＴＳを受信すると、これに起因するＣＴＳパケットにリファレンス信号を含ませて送信するようにする。これに対し、送信機は、ＣＴＳパケットに含まれるリファレンス信号に基づいて得られたチャネル情報にキャリブレーションを施して、送信機から受信機の方向におけるチャネル情報を得て、多重化する信号毎の重みを算出し、該多重化する信号毎に重みを与えたトレーニング信号を含んだデータ・パケットを送信するようにする。データ・パケットのデータ部分は空間分割により多重化された信号となる。

図４には、本発明の第２の実施形態に係る通信システムの構成を模式的に示している。

図示の通信システムは、送信機側において多重化する各送信信号を空間／時間符号して複数のアンテナに分配してチャネルに送出し、受信側においてチャネル経由で複数のアンテナにより受信した多重化信号を空間／時間復号して受信データを得るという点では、図１に示した実施形態と同様である。

図１に示した例では、送信アンテナ重み係数行列算出部１３では、受信機２０からのトレーニング信号を利用して算出されたチャネル情報行列Ｈから、受信アンテナ毎にＭＳＮ規範、又はＺｅｒｏ−ｆｏｒｃｉｎｇ規範、あるいはこれらの規範の組み合せにより、送信アンテナ重み係数行列Ｚ_Tを決定している。これに対し、本実施形態では、特異値分解部１５は、送信アンテナ重み係数を求める規範としてＳＶＤ（特異値分解）を採用し、重み係数行列としてＶを与えて送信する。

Ｖの重み付けで送られたトレーニング信号に対してＺｅｒｏ−ｆｏｒｃｉｎｇ規範を適用すれば、受信機１０側の重み係数行列は必然的にＵ^Hとなる。したがって、送信機１０側でＳＶＤの演算が許容されれば、受信機１０側にＵ^Hを伝えることなくＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送が可能となり、受信機１０において特異値行列分解を行なう必要がなくなることは自明である。すなわち、本実施形態を用いれば、２本×２本のＭＩＭＯ構成が比較的簡単に実現できる。

なお、このとき、送信機１０側の送信回路と受信回路のチャネル特性に差異が生じていることがあり、この場合は、送受信校正部１２により適当な校正（キャリブレーション）がチャネル情報行列Ｈに対して行なわれる（同上）。

受信機２０側では、チャネル推定部２１により送信重み係数ベクトルと受信アンテナの対に対応したチャネル情報行列Ｈ'を算定する。そして、第１の受信アンテナ重み係数行列算出部２２では、送信重み係数ベクトル成分毎にＺｅｒｏ−ｆｏｒｃｉｎｇ規範などを適用してゼロ化して、不要信号すなわち自身以外の信号をすべてキャンセルし、受信アンテナ重み係数行列Ｕ^Hを求める。このＵ^Hを与えた後に取り出される各受信信号のうち、最もＳＮ比の良い信号に対して、まず復号部２３でｘ₁を復号する。

その後、復号した信号を再び符号化部２４で符号化して送信信号のレプリカ（複製）を作り出し、アンテナ直後の受信信号からキャンセルする。第２の受信アンテナ重み係数行列算出部２５では、このキャンセルされた送信信号に対応する送信重み係数ベクトル成分を排除して再びＺｅｒｏ−ｆｏｒｃｉｎｇを適用してゼロ化し、受信アンテナ重み係数行列Ｕ^H'を再計算する。残された受信信号のうち、やはり、ＳＮ比が最も良い信号ｘ₂を取り出して復号部２３で復号を行なう。あるいは、第１の受信アンテナ重み係数行列算出部２２でＵ^Hを与えた後に取り出される各受信信号から２番目の多重化信号ｘ₂を直接取り出すこともできる。

［追補］
以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。すなわち、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るＭＩＭＯ方式通信システムの構成を模式的に示した図である。 図２は、本発明に係る通信システムにおける送受信間のアンテナ構成例を示した図である。 図３は、ＲＴＳ／ＣＴＳ方式を適用した場合の本発明に係る通信システムにおける送受信動作シーケンスを示した図である。 図４は、本発明の第２の実施形態に係る通信システムの構成を模式的に示した図である。 図５は、ＭＩＭＯ通信システムを概念的に示した図である。 図６は、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送システムを概念的に示した図である。 図７は、Ｖ−ＢＬＡＳＴ方式の通信システムの構成を概念的に示した図である。 図８は、Ｖ−ＢＬＡＳＴ方式の通信システムにおける送受信間のアンテナ構成例を示した図である。

符号の説明

１０…送信機
１１…チャネル推定部
１２…送受信校正部
１３…送信アンテナ重み係数行列算出部
１５…特異値分解部
２０…受信機
２１…チャネル推定部
２２…第１の受信アンテナ重み係数行列算出部
２３…復号部
２４…符号化部
２５…第２の受信アンテナ重み係数行列算出部

Claims (15)

1. 複数のアンテナを持つ送信機と複数のアンテナを持つ受信機が対となって信号を多重化して通信する無線通信システムであって、
   送信機と受信機間のチャネル情報を取得するチャネル情報取得手段と、
   該取得したチャネル情報に基づいて送信アンテナの重み係数行列を決定する送信アンテナ重み係数行列決定手段と、
   送信機において多重化する信号毎の重みを算出する重み算出手段と、
   該多重化する信号毎に重みを与えたトレーニング信号を送信機から受信機へ送信する手段と、
   受信機側において、受信したトレーニング信号に基づいて、受信アンテナ重み係数行列を決定する受信アンテナ重み係数行列決定手段と、
   を具備することを特徴とする無線通信システム。
2. 前記チャネル情報取得手段は、受信機から送信機へ送られる受信機のアンテナ本数分のリファレンス信号に基づいて送信機においてチャネル情報を測定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
3. 前記チャネル情報取得手段は、受信機から送信機へ送られるリファレンス信号に基づいて得られたチャネル情報にキャリブレーションを施して、送信機から受信機の方向におけるチャネル情報を得る、
   ことを特徴とする請求項２に記載の無線通信システム。
4. 前記送信アンテナ重み係数行列決定手段は、受信機側のアンテナ毎に最大比合成規範、不要信号をすべてキャンセルするゼロ化規範、最大比合成規範とゼロ化の組み合わせ、又は特異値分解により送信アンテナ重み係数行列を決定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
5. 前記受信アンテナ重み係数行列決定手段は、不要信号をすべてキャンセルするゼロ化規範を適用して受信アンテナ重み係数行列を決定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
6. 送信機が送信要求パケットＲＴＳ（Ｒｅｑｕｅｓｔ Ｔｏ Ｓｅｎｄ）を送信し、受信機から確認通知パケットＣＴＳ（Ｃｌｅａｒ Ｔｏ Ｓｅｎｄ）を受信したことに応答してデータ伝送を開始するＲＴＳ／ＣＴＳ方式を採用し、
   受信機はＣＴＳパケットにリファレンス信号を含ませて送信し、
   送信機は、ＣＴＳパケットに含まれるリファレンス信号に基づいて得られたチャネル情報から多重化する信号毎の重みを算出し、該多重化する信号毎に重みを与えたトレーニング信号を含んだデータ・パケットを送信する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の無線通信システム。
7. 複数のアンテナを用いて信号を多重化して送信する無線通信装置であって、
   受信先までのチャネル情報を取得するチャネル情報取得手段と、
   該取得したチャネル情報に基づいて送信アンテナの重み係数行列を決定する送信アンテナ重み係数行列決定手段と、
   多重化する信号毎の重みを算出する重み算出手段と、
   該多重化する信号毎に重みを与えたトレーニング信号を受信先へ送信するトレーニング信号送信手段と、
   を具備することを特徴とする無線通信装置。
8. 前記チャネル情報取得手段は、受信機から送られる受信機のアンテナ本数分のリファレンス信号に基づいてチャネル情報を測定する、
   ことを特徴とする請求項７に記載の無線通信装置。
9. 前記チャネル情報取得手段は、受信機から送られるリファレンス信号に基づいて得られたチャネル情報にキャリブレーションを施して、受信機方向におけるチャネル情報を得る、
   ことを特徴とする請求項８に記載の無線通信装置。
10. 前記送信アンテナ重み係数行列決定手段は、受信機側のアンテナ毎に最大比合成規範、不要信号をすべてキャンセルするゼロ化規範、最大比合成規範とゼロ化の組み合わせ、又は特異値分解により送信アンテナ重み係数行列を決定する、
    ことを特徴とする請求項７に記載の無線通信装置。
11. 送信機が送信要求パケットＲＴＳ（Ｒｅｑｕｅｓｔ Ｔｏ Ｓｅｎｄ）を送信し、受信機から確認通知パケットＣＴＳ（Ｃｌｅａｒ Ｔｏ Ｓｅｎｄ）を受信したことに応答してデータ伝送を開始するＲＴＳ／ＣＴＳ方式を採用し、
    リファレンス信号を含んだＣＴＳパケットを受信し、
    前記チャネル情報取得手段は、ＣＴＳパケットに含まれるリファレンス信号に基づいてチャネル情報を得て、多重化する信号毎の重みを算出し、
    前記トレーニング信号送信手段は、多重化する信号毎に重みを与えたトレーニング信号を含んだデータ・パケットを送信する、
    ことを特徴とする請求項８に記載の無線通信装置。
12. 多重化された信号を複数のアンテナを用いて受信する無線通信装置であって、
    受信アンテナ本数分のリファレンス信号を前記多重化された信号の送信元に送信する手段を備える、
    ことを特徴とする無線通信装置。
13. 多重化する信号毎に重みが与えられたトレーニング信号を受信する手段と、
    該トレーニング信号に基づいて、受信アンテナ重み係数行列を決定する手段と、
    ゼロ化及びキャンセリングを繰り返し起動して多重化された各信号を取り出す手段と、
    をさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載の無線通信装置。
14. 複数のアンテナを用いて信号を多重化して送信する無線通信方法であって、
    受信先までのチャネル情報を取得するチャネル情報取得ステップと、
    該取得したチャネル情報に基づいて送信アンテナの重み係数行列を決定する送信アンテナ重み係数行列決定ステップと、
    多重化する信号毎の重みを算出する重み算出ステップと、
    該多重化する信号毎に重みを与えたトレーニング信号を受信先へ送信するトレーニング信号送信ステップと、
    を具備することを特徴とする無線通信方法。
15. 複数のアンテナを用いて信号を多重化して送信するための処理をコンピュータ・システム上で実行するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムであって、
    受信先までのチャネル情報を取得するチャネル情報取得ステップと、
    該取得したチャネル情報に基づいて送信アンテナの重み係数行列を決定する送信アンテナ重み係数行列決定ステップと、
    多重化する信号毎の重みを算出する重み算出ステップと、
    該多重化する信号毎に重みを与えたトレーニング信号を受信先へ送信するトレーニング信号送信ステップと、
    を具備することを特徴とするコンピュータ・プログラム。
    

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