JP2007036403A - 空間多重送信装置および送信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】伝達関数推定誤差の大きい環境において、伝送品質の劣化を低減可能な空間多重送信装置を提供する。
【解決手段】空間多重送信装置１は、複数の送受信手段を備え、伝搬環境に適した送信重みを決定し、送信する各信号系列に重み付けを行い空間多重及び直交波周波数分割多重により送信を行う。伝達関数行列推定部１７０１〜１７０Ｆは、直交波周波数分割多重の各周波数帯で伝達関数行列を推定する。送信重み決定ブロック００１は、推定した複数の周波数帯の伝達関数行列から各信号系列の送信重みを決定する際に、当該周波数帯からの前後の周波数帯において周波数差の等しい伝達関数行列に基づいて当該周波数帯の信号系列の送信重みを算出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、直交波周波数分割多重により送信を行う空間多重送信装置および送信方法に関する。

直交波周波数分割多重送信装置は、直交性を利用し周波数軸上でのオーバーラップを許容することで中心周波数が異なる複数の搬送波を利用でき、高い周波数効率を実現する送信装置である。また、空間多重伝送用送信装置（以下、空間多重送信装置と記載）は、複数のアンテナ素子から異なる信号を送信することで、周波数帯域を増大することなしに高速伝送を実現する送信装置である。

図８に、非特許文献１に開示されている従来のマルチビームを形成することで伝送品質を改善する空間多重送信装置を示す。空間多重送信装置は、シリアル−パラレル（Ｓ／Ｐ）（Serial/Parallel）変換部７００と、変調部７１１〜７１Ｌと、マルチビーム形成部７２１〜７２Ｌと、信号合成部７３１〜７３Ｎと、送信部７４１〜７４Ｎと、切り替え部７５１〜７５Ｎと、送信用アンテナ素子７６１〜７６Ｎと、受信部７７１〜７７Ｎと、重み決定部７８０から構成される。

以下、空間多重送信装置の動作について説明する。まず、Ｓ／Ｐ変換部７００によって入力される送信信号から複数の信号系列Ｔ_１〜Ｔ_Ｌが生成され、変調部７１１〜７１Ｌにより複数の信号系列Ｔ_１〜Ｔ_ＬからＬ系列の送信信号系列が形成される。そして、マルチビーム形成部７２１〜７２Ｌによって、各々送信重み決定部７８０により決定され、入力される重みに基づいて、異なった指向性を有する各アンテナ素子への出力信号が形成される。マルチビーム形成部７２１〜７２Ｌによって形成される出力信号は、信号合成部７３１〜７３Ｎによって同一のアンテナ素子に出力される信号ごとに足し合わされ、送信部７４１〜７４ＮによってＤ／Ａ（Digital/Analogue）変換及びアップコンバートが行われる。そして、切り替え部７５１〜７５Ｎによって、送信部７４１〜７４Ｎから出力される信号が送信用アンテナ素子７６１〜７６Ｎから、同一の時刻、かつ同一の周波数で送信される。

ここで、送信重み決定部７８０では受信部７７１〜７７Ｎにおいてダウンコンバートされ、Ａ／Ｄ（Analogue/Digital）変換されることにより得られる受信信号の情報に基づいて、マルチビーム形成部７２１から７２Ｌで送信信号にかけられる重みが以下のようにして算出される。

まず、送信重み決定部７８０は、伝達関数行列Ｈの特異値分解、すなわちＨ＝ＵＤＶ^Ｈの演算を行い、ユニタリ行列Ｕ、Ｖ及び特異値√λを対角要素とする対角行列Ｄを算出する。送信アンテナ数をＮ、受信アンテナ数をＭ、ＸをＭとＮのうち小さい方の数字とし、ベクトルｕ_１〜ｕ_ｘをＭ×１の列ベクトルとし、ベクトルｖ_１〜ｖ_ｘをＮ×１の列ベクトルとする。ここで、上添え字Ｈは共役転置を表すものとすると、伝達関数行列Ｈは次式（１）で表される。

式（１）において、伝達関数行列Ｈの要素Ｈ_ｉｊは、送信アンテナｊで送信され、受信アンテナｉで受信したときの伝達関数となっている。次に、送信重み決定部７８０は、特異値の大きい方からＬ個を選択し、各特異値に対応したユニタリ行列Ｖの列ベクトルｖ_１〜ｖ_Ｌを重みとして選択し、Ｌ個の信号Ｔ_１〜Ｔ_Ｌから各列ベクトルを用いて次式（２）によって各アンテナ素子から送信されるＳ_１〜Ｓ_Ｎを形成する。

式（２）において、ユニタリ行列Ｖは、その共役複素転置行列Ｈ^Ｈと伝達関数行列Ｈとの積のＨ^ＨＨの固有ベクトルとなっている。
受信局では、例えば送信局から送信されるビームの数Ｌ以上の受信アンテナを用いて復号を行う。以下に、送信アンテナ数をＮ、受信アンテナ数Ｍとし、ビーム数をＬ(Ｌ≦Ｎ、Ｌ≦Ｍ、Ｘ=Ｌ)とした場合の復号方法の例を示す。受信局アンテナ素子において受信される信号をＲ_１〜Ｒ_Ｌとし、各受信信号における雑音をｎ_１〜ｎ_Ｌとすると、空間多重送信装置によって信号を送信した際の受信信号Ｒ_１〜Ｒ_Ｌは次式（３）によって表すことができる。

したがって、受信部７７１〜７７Ｎでは次式（４）に基づいて演算を行うことによって、送信信号を復号することが可能となる。

ここで、式（４）において、Ｔ’_１〜Ｔ’_Ｌは受信部７７１〜７７Ｎで推定される送信信号である。複数のアンテナを用いることによって、周波数帯域を増大せずにアンテナ数倍の伝送速度を実現することが可能であり、指向性利得が得られ、さらにＮ素子からＬビームを形成する（Ｎ≧Ｌ）とすることによって良好なビームを選択できるためダイバーシチ効果も得ることができる。
Miyashita, K.;Nishimura, T.;Ohgane, T.;Ogawa, Y;Taktori, Y.;Keizo Cho;"High data-rate transmission with eigenbeam-space division multiplexing(E-SDM) in a MIMO channel"Vehicular Technology Conference, 2002.Proceedings. VTC 2002-Fall.2002 IEEE 56th, Volume:3, 24-28 Sept.2002 Pages:1302_1306 vol.3.

しかしながら、上述した空間多重送信装置おける送信方法は推定した伝達関数行列Ｈのみによって形成されるため、伝達関数推定誤差が大きい環境に適用した場合、伝送品質の大きな劣化を招くという問題がある。

本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その目的は、伝達関数推定誤差の大きい環境において、伝送品質の劣化を低減可能な空間多重送信装置および送信方法を提供することにある。

上記問題を解決するために、本発明は、複数の送受信手段を備え、伝搬環境に適した送信重みを決定し、送信する各信号系列に重み付けを行い空間多重及び直交波周波数分割多重により送信を行う空間多重送信方法であって、直交波周波数分割多重の各周波数帯で伝達関数行列を推定し、推定した複数の周波数帯の伝達関数行列から各信号系列の送信重みを決定する際に、当該周波数帯及びその前後の周波数帯において周波数差の等しい伝達関数行列を選択し、選択した伝達関数行列の共役複素転置行列と前記伝達関数行列を乗算した送信側相関行列に基づいて平均化相関行列を算出し、算出した前記平均化相関行列の固有ベクトルを当該周波数帯の信号系列の送信重みとして算出することを特徴とする空間多重送信方法である。

また、本発明は、複数の送受信手段を備え、伝搬環境に適した送信重みを決定し、送信する各信号系列に重み付けを行い空間多重及び直交波周波数分割多重により送信を行う空間多重送信方法であって、直交波周波数分割多重の各周波数帯で伝達関数行列を推定し、推定した複数の周波数帯の伝達関数行列から各信号系列の送信重みを決定する際に、当該周波数帯及びその前後の周波数帯において周波数差の等しい伝達関数行列を選択し、選択した伝達関数行列の共役複素転置行列と前記伝達関数行列を乗算した送信側相関行列を算出し、算出した送信側相関行列に当該周波数帯からの周波数差に対応する重みを乗算した上で和を求め、得られた平均化相関行列の固有ベクトルを当該周波数帯の信号系列の送信重みとして算出することを特徴とする空間多重送信方法である。

また、本発明は、上記に記載の発明において、前記推定した複数の周波数帯の伝達関数行列から各信号系列の送信重みを決定する際に、当該周波数差が等しい前後の周波数帯における伝達関数行列、もしくは前記送信側相関行列を平均して第１の行列を算出し、算出した前記第１の行列と当該周波数帯の伝達関数行列もしくは送信側相関行列との相関値、あるいはずれを表す誤差量を算出し、算出される相関値あるいは誤差量が、予め推定した伝達関数行列の誤差量に対して、十分高い相関を有する、もしくは低い誤差と判定される場合、対応する周波数差の周波数帯の伝達関数行列を用いることを特徴とする。

また、本発明は、上記に記載の発明において、前記推定した複数の周波数帯の伝達関数行列から各信号系列の送信重みを決定する際に、当該周波数帯からの周波数差が等しい前後の周波数帯における伝達関数行列、もしくは前記送信側相関行列を平均して第１の行列を算出し、算出した前記第１の行列と当該周波数帯の伝達関数行列もしくは送信側相関行列との相関値、もしくはずれを表す誤差量を算出し、算出した相関値もしくは誤差量に対し、予め推定した伝達関数行列の推定誤差量に基づき、該当する周波数差の周波数帯から得られる伝達関数行列を用いることによる雑音低減効果を判定し、雑音低減効果が異なる周波数帯の情報を用いることによる推定精度の劣化より大きいと判定される場合、対応する周波数差の周波数帯から得られる伝達関数行列を用いることを特徴とする。

また、本発明は、上記に記載の発明において、前記推定した複数の周波数帯の伝達関数行列から各信号系列の送信重みを決定する際に、当該周波数帯からの周波数差が等しい前後の周波数帯における伝達関数行列、もしくは前記送信側相関行列を平均して第１の行列を算出し、算出した前記第１の行列と、当該周波数帯の伝達関数行列もしくは送信側相関行列との相関値、もしくはずれを表す誤差量をそれぞれに等しい周波数差をもつ周波数帯で算出し、算出により得られる相関値もしくは誤差量及び予め推定した伝達関数行列の推定誤差量から各周波数帯に周波数差に対応する重みを乗算し、和をとった際の、当該周波数帯の真の伝達関数行列からのずれの分布を推定し、ずれに対応する伝送品質の劣化量との畳み込みから得られる伝送品質の期待値が最大となるように選択もしくは重み付けを行うことを特徴とする。

また、本発明は、上記に記載の発明において、前記推定した複数の周波数帯の伝達関数行列から各信号系列の送信重みを決定する際に、当該周波数帯からの周波数差が等しい前後の伝達関数行列を平均し、もしくは前記送信側相関行列を平均して第１の行列を算出し、算出した前記第１の行列と、当該周波数帯の伝達関数行列もしくは送信側相関行列との相関値、もしくはずれを表す相関値もしくは誤差量を算出し、算出により得られる相関値もしくは誤差に対し予め推定した伝達関数行列の推定誤差量を用いて補正を行い、周波数差に対応する重みを乗算し、和をとって得られる行列の当該周波数帯の真の伝達関数行列から得られる行列とのずれをカイ２乗分布により推定し、ずれに対応する伝送品質の劣化量と畳み込みから得られる伝送品質の期待値が最大となるように選択もしくは重み付けを行うことを特徴とする。

また、本発明は、上記に記載の発明において、前記伝達関数行列を通信相手局からのフィードバック情報に基づいて推定する場合に、フィードバック情報を送信する通信相手局において前後周波数帯の選択法もしくは重み量があらかじめ選択され、選択される情報をフィードバック情報に含めることで、フィードバック情報を削減しつつ、量子化誤差による推定誤差を低減することを特徴とする。

また、本発明は、上記に記載の発明において、当該周波数帯の前後に同じ周波数距離の周波数帯の前記送信側相関行列を用いるかわりに、伝達関数行列を用い、平均もしくは、周波数差に対応する重みを乗算し、和をとった後で得られた行列について、当該行列の共役複素転置行列と前記行列を乗算し、算出した行列の固有ベクトルを当該周波数帯の信号系列の送信重みとして算出することを特徴とする。

また、本発明は、Ｎ個のアンテナ素子を用い、直交波周波数分割多重を用いたＦ個の周波数多重と、Ｌ個の空間多重による送信を行う空間多重送信装置であって、前記各アンテナ素子に接続され、受信信号と送信信号を切り替える切り替え部と、前記切り替え部に接続され、前記切り替え部から出力される受信信号を入力信号として受信する受信部と、前記受信部に接続され、前記受信部が受信する前記入力信号にフーリエ変換を行い、それぞれＦ個の受信信号に変換するＮ個のフーリエ変換部と、前記フーリエ変換部の対応する周波数帯の受信信号を入力信号とし、その周波数帯での伝達関数行列を推定する伝達関数行列推定部と、送信重みを決定する送信重み決定ブロックであって、各ポートに入力される前記送信側相関行列に基づいて平均化相関行列を求め、得られた平均化相関行列の固有ベクトルを演算し、演算によって算出した前記固有ベクトルを各周波数帯における送信重みを演算して出力する送信重み演算部と、前記伝達関数行列推定部に接続され、前記伝達関数行列推定部から入力されるＦ個の伝達関数行列の共役複素転置行列と前記伝達関数行列を乗算した送信側相関行列を算出し、ｔ番目の周波数帯の送信重みを決定するための情報が入力される前記送信重み演算部のｔ番目のポートに、ｔ番目の周波数帯に対応する前記送信側相関行列及びｔ番目の周波数帯およびｔ番目の周波数帯の前後同じ周波数距離の周波数帯の前記送信側相関行列とを出力する伝達関数行列演算分配部と、を具備する送信重み決定ブロックと、送信する入力信号にシリアル−パラレル変換を行い、周波数分割多重数Ｆ×空間多重数Ｌに振り分けるシリアル−パラレル変換部と、前記シリアルーパラレル変換部の出力信号を入力信号とし、送信信号系を出力するＦ×Ｌ個の変調部と、前記変調部から出力される信号を入力信号とし、Ｎ個の信号系列に分割し、前記送信重み演算部により出力される送信重みに基づいて重み付けを行い、Ｎ×Ｆ個の信号合成部の対応するポートに出力を行うマルチビーム形成部と、前記マルチビーム形成部のうち対応するＬ個のマルチビーム形成部からＬ個のポートに入力される信号を重ね合わせて出力をする信号合成部と、前記信号合成部から出力されるＦ個の信号に逆フーリエ変換を行うＮ個の逆フーリエ変換部と、前記逆フーリエ変換部から出力される信号を前記送信信号として前記切換え部に出力するＮ個の送信部と、を備えたことを特徴とする空間多重送信装置である。

また、本発明は、上記に記載の発明において、前記送信重み演算部は、前記伝達関数行列演算分配部に接続され、各ポートに入力される前記送信側相関行列の和もしくは平均を算出して平均化相関行列を得て、得られる平均化相関行列の固有ベクトルを演算し、演算によって算出した前記固有ベクトルを各周波数帯における送信重みを演算して出力することを特徴とする。

また、本発明は、上記に記載の発明において、前記送信重み演算部は、同じ周波数差の周波数帯における前記送信側相関行列および当該周波数帯の前記送信側相関行列に対し、当該周波数帯からの周波数差に対応する予め定めた重み値を乗算した上で和を求め、得られた平均化相関行列の固有ベクトルを演算することを特徴とする。

また、本発明は、上記に記載の発明において、前記送信重み決定ブロックは、前記伝達関数行列推定部において推定されるＦ個の伝達関数行列より、ｔ番目の周波数帯において前後の周波数帯の情報をどれだけ用いるか判定する判定・重み決定部を備え、前記伝達関数行列演算分配部は、ｔ番目の周波数帯に対応する判定・重み決定部の対応するポートに、ｔ番目の周波数帯およびｔ番目の周波数帯から前後に同じ周波数ずれた周波数帯の伝達関数行列、もしくは前記送信側相関行列、もしくはその両方を出力し、前記判定・重み決定部は、前記伝達関数行列演算分配部から入力されるｔ番目の周波数帯における伝達関数行列もしくは送信側相関行列とt±α番目の伝達関数行列もしくは送信側相関行列を平均して得られる行列の比較を行い、伝達関数行列の推定誤差も考慮した上で得られるｔ番目の周波数帯の伝達関数行列もしくは前記送信側相関行列からのずれを表す誤差量もしくは相関値等の値を算出し、推定誤差に比べ、十分高い相関を有するもしくは低い誤差量であると判定される場合に、対応する周波数差の周波数帯の前記送信側相関行列に重みを乗算し、前記送信重み演算部のｔ番目のポートに出力し、前記送信重み演算部は、前記判定・重み決定部から各ポートに入力される行列の平均もしくは和をとることで得られる行列について、当該行列の共役複素転置行列と前記行列の積から各周波数帯における送信重みを演算し、前記マルチビーム形成部の送信重みとして出力することを特徴とする。

また、本発明は、上記に記載の発明において、ｔ番目の周波数帯の送信重みを決定する前記判定・重み決定部は、ｔ番目の周波数帯に対して入力されるt±α番目の周波数帯の伝達関数行列もしくは前記送信側相関行列から得られる行列について、ｔ番目の周波数帯の伝達関数行列もしくは前記送信側相関行列からのずれを表す誤差量もしくは相関値を演算し、伝達関数行列の推定誤差に基づき、α個ずれた周波数帯から得られる伝達関数行列を用いることによる雑音低減効果を判定し、雑音低減効果が異なる周波数帯の情報を用いることによる推定精度の劣化より大きい場合に、対応する周波数差の周波数帯から得られる前記送信側相関行列を、前記送信重み演算部に出力することを特徴とする。

また、本発明は、上記に記載の発明において、前記判定・重み決定部は、ｔ番目の周波数帯の送信重みを決定する判定および重み決定部において、ｔ番目の周波数帯に対して入力されるt±α番目の周波数帯の伝達関数行列、もしくは前記送信側相関行列から得られる行列について、t番目の周波数帯の伝達関数行列もしくは前記送信側相関行列からのずれを表す誤差量もしくは相関値を演算し、伝達関数行列の推定誤差から、各周波数帯に周波数差に対応する重みを乗算し、和をとった際の、当該周波数帯の真の伝達関数行列からのずれの分布を推定し、予め前記判定・重み決定部が記憶しているずれに対応する伝送品質の劣化量と畳み込みを行い、伝送品質の期待値が最大となるように選択もしくは重み付けを行い、前記送信重み演算部に出力を行うことを特徴とする。

また、本発明は、上記に記載の発明において、ｔ番目の周波数帯の送信重みを決定する前記判定・重み決定部は、ｔ番目の周波数帯に対して入力されるt±α番目の周波数帯の伝達関数行列もしくは前記送信側相関行列から得られる行列について、ｔ番目の周波数帯の伝達関数行列もしくは前記送信側相関行列からのずれを表す誤差量もしくは相関値を演算し、伝達関数行列の推定誤差によって補正を行い、周波数差に対応する重みを乗算し、和をとって得られる行列の当該周波数帯の真の伝達関数行列から得られる行列とのずれをカイ２乗分布により推定し、予め前記判定および重み決定部が記憶しているずれに対応する伝送品質の劣化量と畳み込みを行い、伝送品質の期待値が最大となるように選択もしくは重み付けを行い、前記送信重み演算部に出力を行うことを特徴とする。

また、本発明は、Ｎ個のアンテナ素子を用い、直交波周波数分割多重を用いたＦ個の周波数多重と、Ｌ個の空間多重による送信を行う空間多重送信装置であって、通信相手局において前後周波数帯の選択法もしくは重み量を予め決定され、前記通信相手局から送信されるフィードバック情報により得られる伝達関数行列および決定される前後周波数帯の選択法もしくは重みの乗算法を記憶するフィードバック情報記憶部と、前記フィードバック情報記憶部に記憶されるＦ個の伝達関数行列に基づいて、ｔ番目の周波数帯において前後の周波数帯の情報をどれだけ用いるか判定し、前記フィードバック情報記憶部からｔ番目の周波数帯における伝達関数行列もしくは伝達関数行列とt±α番目の伝達関数行列もしくは伝達関数行列の共役複素転置行列と伝達関数行列を読み出して、比較を行い、伝達関数行列の推定誤差も考慮した上で得られるｔ番目の周波数帯の伝達関数行列もしくは伝達関数行列の共役複素転置行列と伝達関数行列の積からのずれを表す誤差量もしくは相関値等の値を算出し、推定誤差に比べ、十分高い相関を有するもしくは低い誤差量であると判定される場合に、対応する周波数差から得られる伝達関数行列に重みを乗算し、前記送信重み演算部のｔ番目のポートに出力する判定・重み決定部と、前記判定・重み決定部から各ポートに入力される行列の平均もしくは和をとることで得られる行列について、当該行列の共役複素転置行列と前記行列の積から各周波数帯における送信重みを演算し、前記マルチビーム形成部の送信重みとして出力する送信重み演算部と、を備える送信重み決定ブロックと、送信する入力信号にシリアル−パラレル変換を行い、周波数分割多重数Ｆ×空間多重数Ｌに振り分けるシリアル−パラレル変換部と、前記シリアルーパラレル変換部の出力信号を入力信号とし、送信信号系を出力するＦ×Ｌ個の変調部と、前記変調部から出力される信号を入力信号とし、Ｎ個の信号に分割し、前記送信重み演算部により出力される送信重みに基づいて重み付けを行い、Ｎ×Ｆ個の信号合成部の対応するポートに出力を行うマルチビーム形成部と、前記マルチビーム形成部のうち対応するＬ個のマルチビーム形成部からＬ個のポートに入力される信号を重ね合わせて出力をする信号合成部と、前記信号合成部から出力されるＦ個の信号に逆フーリエ変換を行うＮ個の逆フーリエ変換部と、前記逆フーリエ変換部から出力される信号を前記送信信号として出力するＮ個の送信部と、を備えたことを特徴とする空間多重送信装置である。

また、本発明は、上記に記載の発明において、前記伝達関数行列演算分配部は、伝達関数行列の共役複素転置行列と伝達関数行列の積を演算し、分配するかわりに、伝達関数行列を分配し、前記送信重み演算部は、対応するポートに入力された伝達関数行列を平均もしくは、周波数差に対応する重みを乗算して和をとり、得られた行列について、当該行列の共役複素転置行列と前記行列の積から送信重みを決定することを特徴とする。

この発明によれば、空間多重送信方法は、直交波周波数分割多重の各周波数帯で伝達関数行列を推定し、推定した複数の周波数帯の伝達関数行列から各信号系列の送信重みを決定する際に、当該周波数帯及びその前後の周波数帯において周波数差の等しい伝達関数行列を選択し、選択した伝達関数行列の共役複素転置行列と前記伝達関数行列を乗算した送信側相関行列に基づいて平均化相関行列を算出し、算出した前記平均化相関行列の固有ベクトルを当該周波数帯の信号系列の送信重みとして算出することとした。これにより、前後の周波数帯において周波数差の等しい伝達関数行列と、当該伝達関数行列に対応する共役複素転置行列とを乗算した行列の平均の行列に基づいて算出した固有ベクトルを送信重みとすることで、伝達関数推定誤差の大きい環境において伝送品質の劣化を低減することが可能となる。

この発明によれば、空間多重送信方法は、直交波周波数分割多重の各周波数帯で伝達関数行列を推定し、推定した複数の周波数帯の伝達関数行列から各信号系列の送信重みを決定する際に、当該周波数帯及びその前後の周波数帯において周波数差の等しい伝達関数行列を選択し、選択した伝達関数行列の共役複素転置行列と前記伝達関数行列を乗算した送信側相関行列を算出し、算出した送信側相関行列に当該周波数帯からの周波数差に対応する重みを乗算した上で和を求め、得られた平均化相関行列の固有ベクトルを当該周波数帯の信号系列の送信重みとして算出することとした。これにより、前後の周波数帯において周波数差の等しい伝達関数行列と、当該伝達関数行列に対応する共役複素転置行列とを乗算した行列の和の行列に基づいて算出した固有ベクトルを送信重みとすることで、伝達関数推定誤差の大きい環境において伝送品質の劣化を低減することが可能となる。

この発明によれば、空間多重送信方法は、推定した複数の周波数帯の伝達関数行列から各信号系列の送信重みを決定する際に、当該周波数差が等しい前後の周波数帯における伝達関数行列、もしくは送信側相関行列を平均して第１の行列を算出し、算出した前記第１の行列と当該周波数帯の伝達関数行列もしくは送信側相関行列との相関値、あるいはずれを表す誤差量を算出し、算出される相関値あるいは誤差量が、予め推定した伝達関数行列の誤差量に対して、十分高い相関を有する、もしくは低い誤差と判定される場合、対応する周波数差の周波数帯の伝達関数行列に基づいて、送信重みを決定することとした。これにより、第１の行列と当該周波数帯の伝達関数行列との相関値、あるいは前記第１の行列と伝達関数行列とのずれを表す誤差量を考慮しつつ、送信重みを決定することができ、伝達関数推定誤差による伝送品質の劣化を低減することが可能となる。

この発明によれば、空間多重送信方法は、推定した複数の周波数帯の伝達関数行列から各信号系列の送信重みを決定する際に、当該周波数帯からの周波数差が等しい前後の周波数帯における伝達関数行列、もしくは前記送信側相関行列を平均して第１の行列を算出し、算出した前記第１の行列と当該周波数帯の伝達関数行列もしくは送信側相関行列との相関値、もしくはずれを表す誤差量を算出し、算出した相関値もしくは誤差量に対し、予め推定した伝達関数行列の推定誤差量に基づき、該当する周波数差の周波数帯から得られる伝達関数行列を用いることによる雑音低減効果を判定し、雑音低減効果が異なる周波数帯の情報を用いることによる推定精度の劣化より大きいと判定される場合、対応する周波数差の周波数帯から得られる伝達関数行列に基づいて、送信重みを決定することで、伝達関数推定誤差による伝送品質を改善することが可能となる。

この発明によれば、空間多重送信方法は、推定した複数の周波数帯の伝達関数行列から各信号系列の送信重みを決定する際に、当該周波数帯からの周波数差が等しい前後の周波数帯における伝達関数行列、もしくは送信側相関行列を平均して第１の行列を算出し、算出した前記第１の行列と、当該周波数帯の伝達関数行列もしくは送信側相関行列との相関値、もしくはずれを表す誤差量をそれぞれに等しい周波数差をもつ周波数帯で算出し、算出により得られる相関値もしくは誤差量及び予め推定した伝達関数行列の推定誤差量から各周波数帯に周波数差に対応する重みを乗算し、和をとった際の、当該周波数帯の真の伝達関数行列からのずれの分布を推定し、ずれに対応する伝送品質の劣化量と畳み込みから得られる伝送品質の期待値が最大となるように選択もしくは重み付けを行うこととした。これにより、推定したずれの分布に基づいて、ずれに対応する伝送品質の劣化量との畳み込みから得られる伝送品質の期待値が最大となるように選択もしくは重み付けを行いつつ、送信重みを決定することができ、伝達関数推定誤差による伝送品質を改善することが可能となる。

この発明によれば、空間多重送信方法は、推定した複数の周波数帯の伝達関数行列から各信号系列の送信重みを決定する際に、当該周波数帯からの周波数差が等しい前後の伝達関数行列を平均し、もしくは送信側相関行列を平均して第１の行列を算出し、算出した前記第１の行列と、当該周波数帯の伝達関数行列もしくは送信側相関行列との相関値、もしくはずれを表す相関値もしくは誤差量を算出し、算出により得られる相関値もしくは誤差に対し予め推定した伝達関数行列の推定誤差量を用いて補正を行い、周波数差に対応する重みを乗算し、和をとって得られる行列の当該周波数帯の真の伝達関数行列から得られる行列とのずれをカイ２乗分布により推定し、ずれに対応する伝送品質の劣化量と畳み込みから得られる伝送品質の期待値が最大となるように選択もしくは重み付けを行うこととした。これにより、カイ２乗分布により推定したずれの分布に基づいて、ずれに対応する伝送品質の劣化量と畳み込みから得られる伝送品質の期待値が最大となるように選択もしくは重み付けを行いつつ、送信重みを決定することができ、伝達関数推定誤差による伝送品質を改善することが可能となる。

この発明によれば、空間多重送信方法は、伝達関数行列を通信相手局からのフィードバック情報に基づいて推定する場合に、フィードバック情報を送信する通信相手局において前後周波数帯の選択法もしくは重み量があらかじめ選択され、選択される情報をフィードバック情報に含めることで、フィードバック情報を削減しつつ、量子化誤差による推定誤差を低減することとした。これにより、通信相手局から送信される信号に基づいて推定を行うことなく、送信重みを算出することが可能となる。

この発明によれば、空間多重送信方法は、当該周波数帯の前後に同じ周波数距離の周波数帯の送信側相関行列を用いるかわりに、伝達関数行列を用い、平均もしくは、周波数差に対応する重みを乗算し、和をとった後で得られた行列の共役複素転置行列を乗算し、算出した行列の固有ベクトルを当該周波数帯の信号系列の送信重みとして算出することとした。これにより、伝達関数行列と、当該伝達関数行列に対応する共役複素転置行列とを乗算した行列に対する平均を算出、あるいは予め定められる重みを乗算して乗算した値の和を算出することで、伝播環境推定誤差による伝送品質の劣化を低減することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る空間多重送信装置１の内部構成を示す概略ブロック図である。空間多重送信装置１は、伝搬環境誤差が存在する環境において空間多重伝送の伝送品質の劣化を防ぐことを可能とする構成を有している。

以下、空間多重送信装置１が備える各機能部について説明する。図１において、符号１０００はＳ／Ｐ変換部であり、入力される送信データをシリアル−パラレル変換し、送信信号を発生させる。符号１１１１〜１１ＬＦは、変調部であり、符号１２１１〜１２ＮＦは、マルチビーム形成部であり、符号１３１１〜１３ＮＦは、信号合成部であり、符号１４０１〜１４０Ｎは、逆フーリエ変換部であり、符号１５０１〜１５０Ｎは、送信部であり、符号１５１１〜１５１Ｎは、切り替え部であり、符号１５２１〜１５２Ｎはアンテナ素子である。

また、符号１５３１〜１５３Ｎは、受信部であり、符号１６０１〜１６０Ｎは、フーリエ変換部であり、符号１７０１〜１７０Ｆは、伝達関数行列推定部である。符号００１は、送信重み決定ブロックであり、送信重み決定ブロック００１には、符号１８０１〜１８０Ｆが付された伝達関数行列演算分配部と、符号１９００が付された送信重み演算部とを備えている。

以下、空間多重送信装置１の各部に係る動作について説明する。
（送信動作）
まず、入力される送信データは、Ｓ／Ｐ変換部１０００によりシリアル−パラレル変換され、周波数分割多重数Ｆ×空間多重数Ｌとして振り分けられ出力される。Ｓ／Ｐ変換部１０００により出力される送信信号は、それぞれ変調部１１１１〜１１ＬＦにより符号化され、送信信号系列として出力される。変調部１１１１〜１１ＬＦから出力される送信信号系列は、送信重み演算部１９００により決定されて入力される送信重みＶ_ｔｋ（ｔ＝１〜Ｆ，Ｋ＝１〜Ｌ）とアナログ、もしくはデジタルで、マルチビーム形成部１２１１〜１２ＬＦにより乗算されてＬ個ずつ信号合成部１３１１〜１３ＮＦに出力される。信号合成部１３１１〜１３ＮＦは、それぞれに入力されるＬ個の信号を１つの信号に合成し、Ｆ個ずつ逆フーリエ変換部１４０１〜１４０Ｎに対して出力される。

逆フーリエ変換部１４０１〜１４０Ｎは、入力されるＦ個の信号に対して逆フーリエ変換が行い出力する。逆フーリエ変換部１４０１〜１４０Ｎから出力される信号は、送信部１５０１〜１５０Ｎにより、Ｄ／Ａ変換され、アップコンバートされ、切り替え部１５１１〜１５１Ｎを介して、アンテナ素子１５２１〜１５２Ｎより送信される。

（受信動作）
アンテナ素子１５２１〜１５２Ｎにて受信された受信信号は、切り替え部１５１１〜１５１Ｎを介し、受信部１５３１〜１５３Ｎに入力され、ダウンコンバートおよび利得調整、Ａ／Ｄ変換されて出力される。受信部１５３１〜１５３Ｎから出力される信号は、フーリエ変換部１６０１〜１６０Ｎによりフーリエ変換され、周波数帯毎に分離されて出力される。伝達関数行列推定部１７０１〜１７０Ｆは、フーリエ変換部１６０１〜１６０Ｎから出力される信号の各周波数帯において伝達関数行列を算出する。

送信重み決定ブロック００１の伝達関数行列演算分配部１８０１〜１８０Ｆは、ｔ番目の周波数帯の送信重みを決定するための情報が入力される送信重み演算部１９００のｔ番目のポートに、ｔ番目の周波数帯の伝達関数行列の共役複素転置行列と伝達関数行列の積およびｔ番目の周波数帯の前後同じ周波数距離の周波数帯の伝達関数行列の共役複素転置行列と伝達関数行列の積を出力する。ここで、伝達関数行列の共役複素転置行列と当該伝達関数行列の積は、送信側相関行列とも呼ばれる。

送信重み決定ブロック００１の送信重み演算部１９００は、各ポートに入力された行列の平均もしくは和を算出することで得られる行列から各周波数帯における送信重みを演算により算出し、マルチビーム形成部１２１１〜１２ＬＦの送信重みとして出力する。

ここで、一例として、Ｎ個のアンテナ素子を有する送信装置と、Ｍ個のアンテナ素子を有する受信装置間における直交波周波数分割多重と空間多重を用いた通信における伝達関数の推定の手段について説明する。ここで、送信装置は、図１に示す空間多重送信装置１に対応する装置である。

ある周波数帯に着目すると、送信装置は、伝達関数を推定するため、まず既知の信号Ｔ’（Ｍ×Ｎ行列）を受信装置から受信し、伝達関数行列推定部１７０１〜１７０Ｆにおいて得られた受信信号Ｒ’（Ｎ×Ｎ行列）からその周波数帯での上りの伝達関数行列Ｇ(Ｎ×Ｍ行列)を式（５）及び式（６）に基づく演算により推定する。

下りの伝達関数行列Ｈ(Ｍ×Ｎ行列)は上り伝達関数行列の転置をとることで次式（７）として与えられる。

式（７）において、Ｈ_ｉｊは送信部１５０１〜１５０Ｎのアンテナ素子＃ｊから受信部１５３１〜１５３Ｎのアンテナ素子＃ｉ間の伝達関数の推定結果である。

次に、上記の送信重み演算部１９００は、例えば、１〜Ｆ番目の全周波数帯で得られた伝達関数行列Ｈ_ｔ（ｔ＝１〜Ｆ）から、複数の伝達関数行列を各周波数帯において選択し、その伝搬環境の到来波方向、到来波数、レベル、遅延の推定をＭＵＳＩＣ法(Multiple Signal Classification)やＥＳＰＲＩＴ法(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques)(Paulaj et a1，‘ESPRIT-a subspace rotation approach to signal parameter estimation’,IEEE Proceeding, 74(7),1044-1045, July 1986.参照)を用いて推定し、あらかじめ準備された重みの中から、その環境において所定の伝送品質の基準値を最大とするような重みを選択し、マルチビーム形成部１２１１〜１２ＬＦにおいて乗算される重みとして出力する。

上記の構成において、伝達関数行列演算分配部１８０１〜１８０Ｆは、伝達関数行列推定部１７０１〜１７０Ｆから出力される対応するｔ番目（ｔ＝１〜Ｆ）の周波数帯の伝達関数行列Ｈ_ｔから、例えば、伝達関数行列の共役複素転置行列と、伝達関数行列の積であるＨ_ｔ ^ＨＨ_ｔを算出して、送信重み演算部１９００のｔ番目のポートに出力する。送信重み演算部１９００は、入力される共役複素転置行列と、伝達関数行列の積に基づいて次式（８）に示す平均化相関行列を算出する。

式（８）において、Ｓ（ｔ）は考慮する前後の周波数帯の数である。送信重み演算部１９００は、平均化相関行列の固有ベクトルを演算し、演算によって算出した固有ベクトルをｔ番目の周波数帯の送信重みとして適用する。このようにして、送信重みを決定することで、伝播環境推定誤差による伝送品質の劣化を低減することができる。

なお、重みｗ_ｔ，０、ｗ_{ｔ，ｓ（ｔ）}は、例えば全て１／（１＋２Ｓ（ｔ））としたり、ｗ_ｔ，０を1／（１＋Ｓ（ｔ））、ｗ_ｔ，２〜ｗ_{ｔ，ｓ（ｔ）}を１／（２＋２Ｓ（ｔ））としたり、もしくはｗ_ｔ，０≧ｗ_ｔ，１≧‥・≧ｗ_{ｔ，ｓ（ｔ）}となるようにある値を予め決定しておくようにしてもよい。

（第２実施形態）
次に、図２を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。図２に示す第２実施形態に係る送信重み決定ブロック００２は、伝達関数行列演算分配部１８０１〜１８０Ｆと、判定および重み決定を行う判定・重み決定部２００１〜２００Ｆと、送信重み演算部１９００を備えている。第２実施形態では、送信重み決定ブロック００１が送信重み決定ブロック００２と置き換えられる点が第１実施形態と異なる点であり、それ以外の構成については第１実施形態と同様である。なお、図２では、伝達関数行列演算分配部１８０１〜１８０Ｆのうちの１８０５〜１８０９の部分と、判定・重み決定部２００１〜２００Ｆのうちの２００５〜２００９の部分について示している。

図２において、伝達関数行列演算分配部１８０１〜１８０Ｆは、ｔ番目の周波数帯に対応する判定・重み判定部２００ｔの対応するポートにｔ番目の周波数帯の前後同じ周波数距離の周波数帯の伝達関数行列、あるいは伝達関数行列の共役複素転置行列と伝達関数行列との積、もしくはその両方を出力する。判定・重み決定部２００ｔは、ｔ番目の周波数帯において、判定・重み決定部２００ｔに入力されたｔ番目の周波数帯の情報とｔ番目の周波数帯から前後にα個ずれた周波数帯の情報との比較を行い、その結果から送信重み演算部１９００のｔ番目のポートに適当な重み付けを行った次式（９）で示される平均化伝達関数行列を出力する。

送信重み演算部１９００は、入力される平均化伝達関数行列について、その共役複素転置行列と当該平均化伝達関数行列との積における固有ベクトルを演算し、演算によって得られる固有ベクトルをｔ番目の周波数帯の送信重みとして適用する。

ここで、判定・重み決定部２００１〜２００Ｆは、送信重み演算部１９００のｔ番目の周波数帯に対応するポートにおいて、伝達関数行列Ｈ_ｔとその前後α個ずれた周波数帯の平均行列（Ｈ_ｔ−α＋Ｈ_ｔ＋α）／２との相関値を以下のように演算する。まず、ｔ番目の周波数帯において前後α番目の周波数帯の平均化伝達関数行列を次式（１０）とする。

式（１０）において、Ｈ_ｔ ^（α）の各要素の絶対値の期待値はやはり１であるが、分散はσ_Ｈ ^２／２となる。このとき、Ｈ_ｔとＨ_ｔ ^（α）の相関値ρ_ｔ，αを次式（１１）のように表すことができる。

式（１１）において、上付き添え字＊は共役複素数、Ｈ_ａｂ，ｔはｔ番目の周波数帯における送信部１５０１〜１５０Ｎのアンテナ素子＃ｂから受信部１５３１〜１５３Ｎのアンテナ素子＃ａ間の伝達関数である。また、Ｈ_ａｂ，ｔ ^（α）はＨ_ｔ ^（α）のａ行ｂ列の要素を表す。ここで得られた相関値はＨ_ａｂ，ｔ、Ｈ_ａｂ，ｔ ^（α）が共に熱雑音を含むために劣化を受ける。

ここで、推定誤りを含まない真の伝達関数行列を＾Ｈ_ｉ（Ｈ_ｉハットと読み、数式において＾はＨの真上に記載される、以下同様）と定義し、Ｅ（‖＾Ｈ_ｉ‖_Ｆ ^２）＝ＭＮと定義する。Ｅ（・）は期待値を表す。下添え字のｉはｉ番目の周波数帯を表し、‖・‖_ＦはFrobenius-ノルムを表す。このとき、推定された伝達関数行列Ｈ_ｉは、次式（１２）として表される。

式（１２）において、Ｎ_ｉはＭ×Ｎの行列であり、各要素は分散σ_Ｈ ^２平均０の白色雑音であるとする。この推定誤差のために、相関値ρ_ｔ，αはσ_Ｈ ^２に応じた減衰を受けており、実際の相関値ρ’_ｔ，αは例えば次式（１３）のように推定することができる。

このようにして得られた相関値が、伝達関数行列に含まれる推定誤差に対し十分高い値
であれば式（８）や式（９）に基づいて算出することによる効果が期待でき、演算重みｗ_ｔ，αに有意な値を与え、そうでない場合にはｗ_ｔ，αに０を与えるように制御することで、推定誤差による伝送品質の劣化を低減できる。
また、相関値ではなく、次式（１４）に示すようにＨ_ｔとＨ_ｔ ^（α）のずれの大きさＤ_ｔ，αで評価することもできる。

また、このときも予めＨ_ｔとＨ_ｔ ^（α）に含まれる推定誤差を知っておくことで、誤差量を補正することが可能である式（１４）を式（１２）を用いて書き直すと、次式（１５）として表すことができる。

式（１５）において得られたＤ_ｔ，αから推定誤りを含まない＾Ｈ_ｔと＾Ｈ_ｔ ^（α）のずれの大きさＤ’_ｔ，αは、次式（１６）として得られる。

この値を元に、伝達関数行列に含まれる推定誤差に対しこのずれが十分低い値であれば、式（８）や式（９）に基づいて算出することによる効果が期待でき、演算重みｗ_ｔ，αに有意な値を与え、そうでない場合にはｗ_ｔ，αに０を与えるように制御することで、推定誤差による伝送品質の劣化を低減、すなわち雑音低減効果を得ることができる。

また、これらの相関値ρ’_ｔ，αや、ずれの大きさＤ’_ｔ，αは伝搬環境の遅延スプレッドと深い関係を持っているため、この遅延スプレッドを推定することで決定することが可能であり、伝達関数行列や、時系列のデータから推定し、重みｗ_ｔ，０〜ｗ_{ｔ，Ｓ（ｔ）}を決定することもできる。

次に、判定・重み決定部２００１〜２００Ｆにおいて、ｔ番目の周波数帯の送信重みを決定するために前後の伝達関数行列、もしくは伝達関数行列の共役複素転置行列と伝達関数行列との積にかける重みｗ_ｔ，０〜ｗ_{ｔ，Ｓ（ｔ）}を、伝達関数行列もしくは伝達関数行列の共役複素転置行列と伝達関数行列の積が、本来の誤差を含まない行列からどれだけずれているかを示す分布を推定して通信品質が最大となるように制御する手段について説明する。

式（１２）に示されるように、得られる伝達関数行列は雑音を含むため、この伝達関数行列から送信重みの計算を行うと、この推定誤差により伝送品質は劣化を受け、統計的には推定誤差量ｓ＝‖Ｎ_ｉ‖_Ｆ ^２の大きさに応じた伝送品質の劣化が想定される。Ｎ_ｉのＭ×Ｎの実部虚部それぞれの要素は分散σ_Ｈ ^２／２、平均０の正規分布で表すことができるので、‖Ｎｉ‖_Ｆ／（ＮＭ）は自由度Ｍ×Ｎ×２のカイ２乗分布で表すことでき、確率密度関数(pdf: probability density function)は次式（１７）で表すことができる。

式（１７）において、ｎは自由度を表し、ｎ＝２ＮＭである。また、推定誤差量ｓに対
応する伝送品質を表す関数をΦ（ｓ）として予め決定しておけば、伝送品質の評価指標Ｑを次式（１８）により得ることができる。

次に、伝送品質を改善するＨ’（ｔ）を重みｗ_ｔ，０〜ｗ_{ｔ，Ｓ（ｔ）}を適切に選ぶことによって実現する手段について説明する。上述したように各伝達関数行列の要素の実部虚部それぞれの成分には分散σ_Ｈ ^２／２の雑音成分が含まれているが、以下のように和をとることで、この分散を低減させることができる。すなわち、ｗ_ｔ，０＋ｗ_ｔ，１＋ｗ_ｔ，２＋…＋ｗ_{ｔ，Ｓ（ｔ）}＝１と仮定するとＨ’_ｔの分散σ’_Ｈ ^２は次式（１９）にように表すことができる。

式（１９）において、例えば、Ｓ（ｔ）＝２としてｗ_ｔ，０＝１／５、ｗ_ｔ，１＝ｗ_t，２＝２／５とすると、上式からσ’_Ｈ ^２＝σ_Ｈ ^２／５となっており、分散を１／５に低減できる。

また、分散を低減する効果のほかに伝達関数行列が実際の行列からずれていく効果もあ
る。これは、ｔ番目の周波数帯から前後にα個ずれた伝達関数行列の平均行列の期待値が必ずしもｔ番目の周波数帯の伝達関数行列と等しくないことによる効果であり、αが大きくなるほど、そのずれは大きくなる。ｔ番目の周波数帯における、α番目の前後周波数帯の伝達関数行列の平均とのずれをΔ_ｔ，αとおくと、Δ_ｔ，αは、次式（２０）によって表すことができる。

式（２０）においてΔ_１＜Δ_２＜…＜Δ_Ｓ（ｔ）の関係が成り立つ。ここでｒｅａｌ（・）は実数部を表し、ｉｍａｇ（・）は虚数部を表す。Ｈ’_ｔは分散を低減することができるが、期待値が真の伝達関数行列の和＾Ｈ_ｔからずれてしまうことになる。ずれの大きさ△_tは重みｗ_ｔ，０〜ｗ_{ｔ，Ｓ（ｔ）}を用いて、次式（２１）のように表すことができる。

上記についてまとめると、Ｈ’_ｔは＾Ｈ_ｔからのずれの分布は、分散σ’_Ｈ ^２、期待値のずれ△_ｔであり、例えば非中心カイ２乗分布で表すことができる。このとき、確率密度関数は、次式（２２）で表すことができる。

式（２２）において、Ｉ_ｙ（ｘ）は、ｙ次の第一種変形ベッセル関数であり、次式（２３）の無限級数で表される。

また、式（２２）において、ｎは自由度であり、ｎ＝２ＮＭである。このとき、伝送品質の評価指標Ｑ_ｔは次式（２４）によって表される。

式（２４）における評価指数Ｑ_ｔが高い値をとるように重みｗ_ｔ，０〜ｗ_{ｔ，Ｓ（ｔ）}を決定することで伝送品質を改善することが可能となる。

また、上記のような計算を行わなくとも、確率密度関数の期待値が最小となるように重
みｗ_ｔ，０〜ｗ_{ｔ，Ｓ（ｔ）}を決定することもできる。つまり式（１８）および式（２４）の期待値は、それぞれｎσ_Ｈ ^２およびｎ（σ’_Ｈ ^２＋Δ_ｔ ^２）と表すことができることから、α個ずれた周波数帯の情報をもちいることで、この値が減るならば、その周波数帯の情報にある重みを与えるように制御することもできる。

また、上記の計算は、ずれの大きさσ_Ｈ ^２の変わりに相関値の逆数や（１−相関値）など、伝達関数行列のずれの大きさを表す他のパラメータを用いて、同様に制御することができる。
また、上記の議論で用いた重みｗ_ｔ，０〜ｗ_{ｔ，Ｓ（ｔ）}を決定するために用いる指標ρ’_ｔ，αやＤ’_ｔ，αは、ｔを含む複数の周波数帯で用いることができ、ｔ周辺の周波数帯の重みを決定するために用いることもできる。

また、重みｗ_ｔ，０〜ｗ_{ｔ，Ｓ（ｔ）}は、得られた相関値ρ’_ｔ，αやρ_ｔ，α、ｎσ_Ｈ ^２、ｎ（σ’_Ｈ ^２＋Δ_ｔ ^２）、遅延スプレッドなど周波数相関と関連のあるその他のパラメータによりあらかじめ用意したテーブルにしたがって最適なものを選択し、ｔ番目の周波数帯の送信重みを決定することができる。

（第３実施形態）
次に、図３を参照して、本発明の第３実施形態について説明する。図３に示す第３実施形態に係る送信重み決定ブロック００３は、フィードバック情報記憶部３０００と、判定・重み決定部２００１〜２００Ｆと、送信重み演算部１９００を備えている。フィードバック情報記憶部３０００は、通信相手側で推定した伝達関数行列を記憶しているため、図１に示される第１実施形態に係る空間多重送信装置１の構成において、送信重み決定ブロック００１が送信重み決定ブロック００３に置き換えられ、さらに、受信部１５３１〜１５３Ｎと、フーリエ変換部１６０１〜１６０Ｎと、伝達関数行列推定部１７０１〜１７０Ｆの構成が除かれたものが第３実施形態の構成となる。なお、図３では、伝達関数行列演算分配部２００１〜２００Ｆのうちの２００５〜２００９の部分を示している。

図３において、フィードバック情報記憶部３０００は、通信相手から送信されてきた伝達関数行列のフィードバック情報およびその重み配分法の情報を記憶し、ｔ番目の周波数帯に対応する判定・重み決定部２００１〜２００Ｆの対応するポートにｔ番目の周波数帯の前後同じ周波数距離の周波数帯の伝達関数行列、もしくは伝達関数行列の共役複素転置行列の伝達関数行列の積と重みや配分法に関わる情報を出力する。判定・重み決定部２００１〜２００Ｆは、入力されるｔ番目の周波数帯において、入力されたｔ番目の周波数帯の情報と、ｔ番目の周波数帯から前後にα個ずれた周波数帯との情報との比較を行うか、入力される重みや配分法に関わる情報を用いるか、もしくはその両方を行い、その結果から送信重み演算部１９００のｔ番目のポートに、次式（２５）で示される平均化伝達関数行列を出力する。

送信重み演算部１９００は、入力される平均化伝達関数行列について、その共役複素転置行列と当該平均化伝達関数行列の積における固有ベクトルを演算し、演算によって得られる固有ベクトルをｔ番目の周波数帯の送信重みとして適用する。

このとき、通信相手局は伝達関数行列の選択方法および重みを第２実施形態で説明した判定・重み決定部２００１〜２００Ｆによる方法で決定することができる。

なお、上記の第２及び第３の実施形態において、判定・重み決定部２００１〜２００Ｆは、第１実施形態と同様に、入力される伝達関数行列の共役複素転置行列と伝達関数行列の積を演算し、上記の方法で決定された重みをこの積に適応させ、送信重み演算部１９００のｔ番目の周波数帯に対応するポートに対して、次式（２６）で示される平均化相関行列を出力するようにすることもできる。

このとき、送信重み演算部１９００はｔ番目のポートに入力された行列の固有ベクトルをｔ番目の周波数帯の送信重みとして適用する。このように送信重みを決定することで、伝播環境推定誤差による伝送品質の劣化を低減することができる。

（計算機シミュレーション）
本発明の上記実施形態による効果を計算機シミュレーションにより示す。
送信アンテナ素子数を４、受信アンテナ素子数を４とし、上りと下りで５．２ＭＨｚの周波数を用い直交波周波数分割多重及び空間分割多重による通信を想定する。サブキャリア数を５４とし、前後の周波数帯は最大２まで考慮するものとした。従来の固有モード伝送と比較するため、伝送品質の評価に用いるのは３番目から５２番目までの５０の周波数帯とした。伝搬路モデルとしては到来波を１００波とし、図４に示すように散乱物の集まりである５つのクラスタが送信機及び受信機のまわりに存在することとし、それぞれ角度広がりを２５°とした。伝搬環境はレイリーフェージングとし、遅延スプレッドを６０ｎｓｅｃとし、遅延波の電力分布を指数で与えた。平均受信電力を５ｄＢ〜３５ｄＢとし、送信側における伝達関数行列の推定誤差はこの平均受信電力の逆数で与えられることとし、クラスタの中心方向及び各到来波の到来方向と位相をランダムに与えてそれぞれ１０００回試行し、伝送容量の期待値を算出した。

従来の固有ベクトル制御による通信では、ｉ番目の周波数帯において推定された誤りを含む伝達関数行列Ｈ_ｉから計算した送信ウェイトをＶ’_ｉ、電力配分を表す対角行列をＰ’_ｉ、送信信号をｘ_ｉとすると、受信信号ｙ_ｉは、次式（２７）により表される。

式（２７）において、伝達関数行列Ｈ_ｉ、Ｖ_ｉ、Ｐ_ｉをそれぞれ受信部で完全既知であるとすると、復号方法をＺＦとした場合、送信信号は次式（２８）のように推定できる。

よって、Ｇ_ｉ＝（ｇ_ｉ，１，ｇ_ｉ，２，…，ｇ_ｉ，４）^Ｔとおくと、伝送容量は、次式（２９）によって与えられる。

これに対し、送信側において伝達関数行列が完全に既知であり、固有値に基づく注水定理により電力配分を行い、相関行列Ｈ_ｉ ^ＨＨ_ｉの固有ベクトルを送信重みとした場合の伝送容量は、次式（３０）によって与えられる。

式（３０）において、λ_ｉ，ｊはｉ番目の周波数帯におけるｊ番目のストリームの固有値であり、Ｐ_ｉ，ｊはｉ番目の周波数帯におけるｊ番目のストリームに適応した電力配分の値である。Ｃ_ｉは理論的な伝送容量の最大値を表し、Ｃ’_ｉは送信ウェイトＶ’_ｉ、電力配分を表す対角行列をＰ’_ｉがそれぞれ理想的なものではなく、行列Ｇ_ｉが非対角成分を含むためにこれより劣化することとなる。

これに対し、提案方法では、前後２個までの周波数帯に対し、相関値ρ’_ｔ，１、ρ’_ｔ，２を計算し、１−ρ’_ｔ，ａが推定誤りσ_Ｈ ^２より小さい場合には、重みを与え、図５に示すように制御を行った。式（９）により計算したＨ’_ｉの相関行列Ｈ’_ｉ ^ＨＨ’_ｉの固有ベクトルおよび固有値として用いることとし、得られた送信ウェイトと電力配分行列から式（２９）により伝送容量を求めた。

図６にＳＮＲに対する提案方法と従来方法の伝送容量と理論的な伝送容量との比を示す。
この比が１に近いほど理論的な最大値に近づくことを示す。図６より、提案方法は従来の
固有モード伝送より、ＳＮＲが５ｄＢ、伝達関数行列に対する推定誤差が−５ｄＢの場合においては、１５％高い伝送容量を得ることができることがわかる。

また前後のサブキャリアを平均化する効果について図７に示す。遅延スプレッドを３０ｎｓｅｃから９０ｎｓｅｃまで変化させた際のあるｔ番目の誤差を含まない伝達関数行列＾Ｈ_ｔとその前後α個ずれた伝達関数行列の平均＾Ｈ_ｔ ^（α）との相関値ら、α個ずれたの伝達関数行列＾Ｈ_ｔ＋αとの相関値をη_αとして、伝送容量の条件と同様にクラスタの中心方向及び各到来波の到来方向と位相をランダムに与えてそれぞれ１０００回試行し期待値を計算した。図７には、１−ρ_１、１−ρ_２、１−η_１、１−η_αの結果をｄＢ表記にしたものを示す。この値が低いほど相関が高いことを表すが、前後の伝達関数行列の平均をとると、近くの伝達関数行列と比べて著しく相関が高くなることが示された。

本発明によれば、直交波周波数分割多重を行う場合において、広い周波数帯の伝搬環境か
ら送信重みを決定することで、伝搬環境推定誤差による伝送品質の劣化を低減することが
できる。

本実施形態に係るマルチビームを形成する直交波周波数分割多重を用いた空間多重送信装置を示すブロック図である。 同実施形態に係るマルチビームを形成する直交波周波数分割多重を用いた空間多重送信装置の送信重み決定ブロック（その１）を示すブロック図である。 同実施形態に係るマルチビームを形成する直交波周波数分割多重を用いた空間多重送信装置の送信重み決定ブロック（その２）を示すブロック図である。 同実施形態に係る計算機シミュレーションでの伝搬環境モデルを示した図である。 同実施形態に係る計算機シミュレーションでの相関値と重み値の条件を示した図である。 同実施形態に係る実施例の重み値を用いてマルチビームを形成した場合のＳＮＲの改善状態を示した図である。 同実施形態に係る実施例の重み値を用いてマルチビームを形成した場合のサブキャリアを平均化する改善状態を示した図である。 従来のマルチビームを形成する空間多重送信装置を示したブロック図である。

符号の説明

１ 空間多重送信装置
１０００ Ｓ／Ｐ変換部
１１１１〜１１ＬＦ 変調部
１２１１〜１２ＬＦ マルチビーム形成部
１３１１〜１３ＮＦ 信号合成部
１４０１〜１４０Ｎ 逆フーリエ変換部
１５０１〜１５０Ｎ 送信部
１５１１〜１５１Ｎ 切り替え部
１５２１〜１５２Ｎ アンテナ素子
１５３１〜１５３Ｎ 受信部
１６０１〜１６０Ｎ フーリエ変換部
１７０１〜１７０Ｆ 伝達関数行列推定部
１８０１〜１８０Ｆ 伝達関数行列演算分配部
１９００ 送信重み演算部
００１ 送信重み決定ブロック

Claims (17)

1. 複数の送受信手段を備え、伝搬環境に適した送信重みを決定し、送信する各信号系列に重み付けを行い空間多重及び直交波周波数分割多重により送信を行う空間多重送信方法であって、
   直交波周波数分割多重の各周波数帯で伝達関数行列を推定し、
   推定した複数の周波数帯の伝達関数行列から各信号系列の送信重みを決定する際に、当該周波数帯及びその前後の周波数帯において周波数差の等しい伝達関数行列を選択し、
   選択した伝達関数行列の共役複素転置行列と前記伝達関数行列を乗算した送信側相関行列に基づいて平均化相関行列を算出し、
   算出した前記平均化相関行列の固有ベクトルを当該周波数帯の信号系列の送信重みとして算出することを特徴とする空間多重送信方法。
2. 複数の送受信手段を備え、伝搬環境に適した送信重みを決定し、送信する各信号系列に重み付けを行い空間多重及び直交波周波数分割多重により送信を行う空間多重送信方法であって、
   直交波周波数分割多重の各周波数帯で伝達関数行列を推定し、
   推定した複数の周波数帯の伝達関数行列から各信号系列の送信重みを決定する際に、当該周波数帯及びその前後の周波数帯において周波数差の等しい伝達関数行列を選択し、
   選択した伝達関数行列の共役複素転置行列と前記伝達関数行列を乗算した送信側相関行列を算出し、算出した送信側相関行列に当該周波数帯からの周波数差に対応する重みを乗算した上で和を求め、得られた平均化相関行列の固有ベクトルを当該周波数帯の信号系列の送信重みとして算出することを特徴とする空間多重送信方法。
3. 前記推定した複数の周波数帯の伝達関数行列から各信号系列の送信重みを決定する際に、当該周波数差が等しい前後の周波数帯における伝達関数行列、もしくは前記送信側相関行列を平均して第１の行列を算出し、
   算出した前記第１の行列と当該周波数帯の伝達関数行列もしくは送信側相関行列との相関値、あるいはずれを表す誤差量を算出し、
   算出される相関値あるいは誤差量が、予め推定した伝達関数行列の誤差量に対して、十分高い相関を有する、もしくは低い誤差と判定される場合、対応する周波数差の周波数帯の伝達関数行列を用いること
   を特徴とする請求項１または２に記載の空間多重送信方法。
4. 前記推定した複数の周波数帯の伝達関数行列から各信号系列の送信重みを決定する際に、当該周波数帯からの周波数差が等しい前後の周波数帯における伝達関数行列、もしくは前記送信側相関行列を平均して第１の行列を算出し、
   算出した前記第１の行列と当該周波数帯の伝達関数行列もしくは送信側相関行列との相関値、もしくはずれを表す誤差量を算出し、
   算出した相関値もしくは誤差量に対し、予め推定した伝達関数行列の推定誤差量に基づき、該当する周波数差の周波数帯から得られる伝達関数行列を用いることによる雑音低減効果を判定し、雑音低減効果が異なる周波数帯の情報を用いることによる推定精度の劣化より大きいと判定される場合、対応する周波数差の周波数帯から得られる伝達関数行列を用いることを特徴とする請求項１または２に記載の空間多重送信方法。
5. 前記推定した複数の周波数帯の伝達関数行列から各信号系列の送信重みを決定する際に、当該周波数帯からの周波数差が等しい前後の周波数帯における伝達関数行列、もしくは前記送信側相関行列を平均して第１の行列を算出し、
   算出した前記第１の行列と、当該周波数帯の伝達関数行列もしくは送信側相関行列との相関値、もしくはずれを表す誤差量をそれぞれに等しい周波数差をもつ周波数帯で算出し、
   算出により得られる相関値もしくは誤差量及び予め推定した伝達関数行列の推定誤差量から各周波数帯に周波数差に対応する重みを乗算し、和をとった際の、当該周波数帯の真の伝達関数行列からのずれの分布を推定し、
   ずれに対応する伝送品質の劣化量との畳み込みから得られる伝送品質の期待値が最大となるように選択もしくは重み付けを行うことを特徴とする請求項１または２に記載の空間多重送信方法。
6. 前記推定した複数の周波数帯の伝達関数行列から各信号系列の送信重みを決定する際に、当該周波数帯からの周波数差が等しい前後の伝達関数行列を平均し、もしくは前記送信側相関行列を平均して第１の行列を算出し、
   算出した前記第１の行列と、当該周波数帯の伝達関数行列もしくは送信側相関行列との相関値、もしくはずれを表す相関値もしくは誤差量を算出し、
   算出により得られる相関値もしくは誤差に対し予め推定した伝達関数行列の推定誤差量を用いて補正を行い、周波数差に対応する重みを乗算し、和をとって得られる行列の当該周波数帯の真の伝達関数行列から得られる行列とのずれをカイ２乗分布により推定し、ずれに対応する伝送品質の劣化量と畳み込みから得られる伝送品質の期待値が最大となるように選択もしくは重み付けを行うことを特徴とする請求項１または２に記載の空間多重送信方法。
7. 前記伝達関数行列を通信相手局からのフィードバック情報に基づいて推定する場合に、フィードバック情報を送信する通信相手局において前後周波数帯の選択法もしくは重み量があらかじめ選択され、選択される情報をフィードバック情報に含めることで、フィードバック情報を削減しつつ、量子化誤差による推定誤差を低減することを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の空間多重送信方法。
8. 当該周波数帯の前後に同じ周波数距離の周波数帯の前記送信側相関行列を用いるかわりに、伝達関数行列を用い、平均もしくは、周波数差に対応する重みを乗算し、和をとった後で得られた行列について、当該行列の共役複素転置行列と前記行列を乗算し、算出した行列の固有ベクトルを当該周波数帯の信号系列の送信重みとして算出することを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載の空間多重送信方法。
9. Ｎ個のアンテナ素子を用い、直交波周波数分割多重を用いたＦ個の周波数多重と、Ｌ個の空間多重による送信を行う空間多重送信装置であって、
   前記各アンテナ素子に接続され、受信信号と送信信号を切り替える切り替え部と、
   前記切り替え部に接続され、前記切り替え部から出力される受信信号を入力信号として受信する受信部と、
   前記受信部に接続され、前記受信部が受信する前記入力信号にフーリエ変換を行い、それぞれＦ個の受信信号に変換するＮ個のフーリエ変換部と、
   前記フーリエ変換部の対応する周波数帯の受信信号を入力信号とし、その周波数帯での伝達関数行列を推定する伝達関数行列推定部と、
   送信重みを決定する送信重み決定ブロックであって、各ポートに入力される前記送信側相関行列に基づいて平均化相関行列を求め、得られた平均化相関行列の固有ベクトルを演算し、演算によって算出した前記固有ベクトルを各周波数帯における送信重みを演算して出力する送信重み演算部と、
   前記伝達関数行列推定部に接続され、前記伝達関数行列推定部から入力されるＦ個の伝達関数行列の共役複素転置行列と前記伝達関数行列を乗算した送信側相関行列を算出し、ｔ番目の周波数帯の送信重みを決定するための情報が入力される前記送信重み演算部のｔ番目のポートに、ｔ番目の周波数帯に対応する前記送信側相関行列及びｔ番目の周波数帯およびｔ番目の周波数帯の前後同じ周波数距離の周波数帯の前記送信側相関行列とを出力する伝達関数行列演算分配部と、を具備する送信重み決定ブロックと、
   送信する入力信号にシリアル−パラレル変換を行い、周波数分割多重数Ｆ×空間多重数Ｌに振り分けるシリアル−パラレル変換部と、
   前記シリアルーパラレル変換部の出力信号を入力信号とし、送信信号系を出力するＦ×Ｌ個の変調部と、
   前記変調部から出力される信号を入力信号とし、Ｎ個の信号系列に分割し、前記送信重み演算部により出力される送信重みに基づいて重み付けを行い、Ｎ×Ｆ個の信号合成部の対応するポートに出力を行うマルチビーム形成部と、
   前記マルチビーム形成部のうち対応するＬ個のマルチビーム形成部からＬ個のポートに入力される信号を重ね合わせて出力をする信号合成部と、
   前記信号合成部から出力されるＦ個の信号に逆フーリエ変換を行うＮ個の逆フーリエ変換部と、
   前記逆フーリエ変換部から出力される信号を前記送信信号として前記切換え部に出力するＮ個の送信部と、
   を備えたことを特徴とする空間多重送信装置。
10. 前記送信重み演算部は、
    前記伝達関数行列演算分配部に接続され、各ポートに入力される前記送信側相関行列の和もしくは平均を算出して平均化相関行列を得て、得られる平均化相関行列の固有ベクトルを演算し、演算によって算出した前記固有ベクトルを各周波数帯における送信重みを演算して出力することを特徴とする請求項９に記載の空間多重送信装置。
11. 前記送信重み演算部は、
    同じ周波数差の周波数帯における前記送信側相関行列および当該周波数帯の前記送信側相関行列に対し、当該周波数帯からの周波数差に対応する予め定めた重み値を乗算した上で和を求め、得られた平均化相関行列の固有ベクトルを演算することを特徴とする請求項９に記載の空間多重送信装置。
12. 前記送信重み決定ブロックは、
    前記伝達関数行列推定部において推定されるＦ個の伝達関数行列より、ｔ番目の周波数帯において前後の周波数帯の情報をどれだけ用いるか判定する判定・重み決定部を備え、
    前記伝達関数行列演算分配部は、ｔ番目の周波数帯に対応する判定・重み決定部の対応するポートに、ｔ番目の周波数帯およびｔ番目の周波数帯から前後に同じ周波数ずれた周波数帯の伝達関数行列、もしくは前記送信側相関行列、もしくはその両方を出力し、
    前記判定・重み決定部は、
    前記伝達関数行列演算分配部から入力されるｔ番目の周波数帯における伝達関数行列もしくは送信側相関行列と、t±α番目の伝達関数行列もしくは送信側相関行列を平均して得られる行列の比較を行い、伝達関数行列の推定誤差も考慮した上で得られるｔ番目の周波数帯の伝達関数行列もしくは前記送信側相関行列からのずれを表す誤差量もしくは相関値等の値を算出し、推定誤差に比べ、十分高い相関を有するもしくは低い誤差量であると判定される場合に、対応する周波数差の周波数帯の前記送信側相関行列に重みを乗算し、前記送信重み演算部のｔ番目のポートに出力し、
    前記送信重み演算部は、
    前記判定・重み決定部から各ポートに入力される行列の平均もしくは和をとることで得られる行列について、当該行列の共役複素転置行列と前記行列の積から各周波数帯における送信重みを演算し、前記マルチビーム形成部の送信重みとして出力する
    ことを特徴とする請求項９に記載の空間多重送信装置。
13. ｔ番目の周波数帯の送信重みを決定する前記判定・重み決定部は、
    ｔ番目の周波数帯に対して入力されるt±α番目の周波数帯の伝達関数行列もしくは前記送信側相関行列から得られる行列について、ｔ番目の周波数帯の伝達関数行列もしくは前記送信側相関行列からのずれを表す誤差量もしくは相関値を演算し、伝達関数行列の推定誤差に基づき、α個ずれた周波数帯から得られる伝達関数行列を用いることによる雑音低減効果を判定し、雑音低減効果が異なる周波数帯の情報を用いることによる推定精度の劣化より大きい場合に、対応する周波数差の周波数帯から得られる前記送信側相関行列を、前記送信重み演算部に出力することを特徴とする請求項１２に記載の空間多重送信装置。
14. 前記判定・重み決定部は、
    ｔ番目の周波数帯の送信重みを決定する判定および重み決定部において、ｔ番目の周波数帯に対して入力されるt±α番目の周波数帯の伝達関数行列、もしくは前記送信側相関行列から得られる行列について、t番目の周波数帯の伝達関数行列もしくは前記送信側相関行列からのずれを表す誤差量もしくは相関値を演算し、伝達関数行列の推定誤差から、各周波数帯に周波数差に対応する重みを乗算し、和をとった際の、当該周波数帯の真の伝達関数行列からのずれの分布を推定し、予め前記判定・重み決定部が記憶しているずれに対応する伝送品質の劣化量と畳み込みを行い、伝送品質の期待値が最大となるように選択もしくは重み付けを行い、前記送信重み演算部に出力を行うことを特徴とする請求項１２に記載の空間多重送信装置。
15. ｔ番目の周波数帯の送信重みを決定する前記判定・重み決定部は、
    ｔ番目の周波数帯に対して入力されるt±α番目の周波数帯の伝達関数行列もしくは前記送信側相関行列から得られる行列について、ｔ番目の周波数帯の伝達関数行列もしくは前記送信側相関行列からのずれを表す誤差量もしくは相関値を演算し、伝達関数行列の推定誤差によって補正を行い、周波数差に対応する重みを乗算し、和をとって得られる行列の当該周波数帯の真の伝達関数行列から得られる行列とのずれをカイ２乗分布により推定し、予め前記判定および重み決定部が記憶しているずれに対応する伝送品質の劣化量と畳み込みを行い、伝送品質の期待値が最大となるように選択もしくは重み付けを行い、前記送信重み演算部に出力を行うことを特徴とする請求項１２に記載の空間多重送信装置。
16. Ｎ個のアンテナ素子を用い、直交波周波数分割多重を用いたＦ個の周波数多重と、Ｌ個の空間多重による送信を行う空間多重送信装置であって、
    通信相手局において前後周波数帯の選択法もしくは重み量を予め決定され、前記通信相手局から送信されるフィードバック情報により得られる伝達関数行列および決定される前後周波数帯の選択法もしくは重みの乗算法を記憶するフィードバック情報記憶部と、
    前記フィードバック情報記憶部に記憶されるＦ個の伝達関数行列に基づいて、ｔ番目の周波数帯において前後の周波数帯の情報をどれだけ用いるか判定し、前記フィードバック情報記憶部からｔ番目の周波数帯における伝達関数行列もしくは伝達関数行列とt±α番目の伝達関数行列もしくは伝達関数行列の共役複素転置行列と伝達関数行列を読み出して、比較を行い、伝達関数行列の推定誤差も考慮した上で得られるｔ番目の周波数帯の伝達関数行列もしくは伝達関数行列の共役複素転置行列と伝達関数行列の積からのずれを表す誤差量もしくは相関値等の値を算出し、推定誤差に比べ、十分高い相関を有するもしくは低い誤差量であると判定される場合に、対応する周波数差から得られる伝達関数行列に重みを乗算し、前記送信重み演算部のｔ番目のポートに出力する判定・重み決定部と、
    前記判定・重み決定部から各ポートに入力される行列の平均もしくは和をとることで得られる行列について、当該行列の共役複素転置行列と前記行列の積から各周波数帯における送信重みを演算し、前記マルチビーム形成部の送信重みとして出力する送信重み演算部と、を備える送信重み決定ブロックと、
    送信する入力信号にシリアル−パラレル変換を行い、周波数分割多重数Ｆ×空間多重数Ｌに振り分けるシリアル−パラレル変換部と、
    前記シリアルーパラレル変換部の出力信号を入力信号とし、送信信号系を出力するＦ×Ｌ個の変調部と、
    前記変調部から出力される信号を入力信号とし、Ｎ個の信号に分割し、前記送信重み演算部により出力される送信重みに基づいて重み付けを行い、Ｎ×Ｆ個の信号合成部の対応するポートに出力を行うマルチビーム形成部と、
    前記マルチビーム形成部のうち対応するＬ個のマルチビーム形成部からＬ個のポートに入力される信号を重ね合わせて出力をする信号合成部と、
    前記信号合成部から出力されるＦ個の信号に逆フーリエ変換を行うＮ個の逆フーリエ変換部と、
    前記逆フーリエ変換部から出力される信号を前記送信信号として出力するＮ個の送信部と、
    を備えたことを特徴とする空間多重送信装置。
17. 前記伝達関数行列演算分配部は、
    伝達関数行列の共役複素転置行列と伝達関数行列の積を演算し、分配するかわりに、伝達関数行列を分配し、
    前記送信重み演算部は、
    対応するポートに入力された伝達関数行列を平均もしくは、周波数差に対応する重みを乗算して和をとり、得られた行列について、当該行列の共役複素転置行列と前記行列の積から送信重みを決定することを特徴とする請求項９から１６のいずれか１つに記載の空間多重送信装置。
    
    

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