JP2007214992A

JP2007214992A - 無線通信システムおよび送信指向性制御方法

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Publication number: JP2007214992A
Application number: JP2006033917A
Authority: JP
Inventors: Taiji Takatori; 泰司鷹取; Atsushi Ota; 厚太田; Riichi Kudo; 理一工藤; Kentaro Nishimori; 健太郎西森
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2006-02-10
Filing date: 2006-02-10
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2026-02-10
Also published as: JP4624277B2

Abstract

【課題】伝送特性の劣化を防ぎ、演算量を削減することのできる送信指向性制御方法を提供する。
【解決手段】基地局装置は、空間チャネル上の１シンボルあたりに送信する情報を少なくとも２つ以上の情報群に分割する。また分割された情報群単位で適応変調を行い、さらにそれぞれ異なった指向性形成を行うウエイトを乗算する。そして乗算の結果を合成して端末局装置へ送信する。
【選択図】図１

Description

本発明は、広帯域無線通信において、送信局装置が複数のアンテナを用いて受信局装置へ送信する信号の指向性を変化させ、受信局装置へ伝送する無線通信システムとその送信指向性制御方法に関する。

近年、２．４ＧＨｚ帯または５ＧＨｚ帯を用いた高速無線アクセスシステムとして、ＩＥＥＥ８０２．１１ｇ規格、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ規格などの普及が目覚しい。これらのシステムでは、マルチパスフェージング環境での特性を安定化させるための技術である直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ：Orthogonal Frequency Division Multiplexing）変調方式を用い、最大で５４Ｍｂｐｓの伝送速度を実現している。ただし、ここでの伝送速度とは物理レイヤ上での伝送速度であり、実際にはＭＡＣ（Medium Access Control ）レイヤでの伝送効率が５０〜７０％程度であるため、実際のスループットの上限値は３０Ｍｂｐｓ程度である。一方で、有線ＬＡＮの世界ではＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）の１００Ｂａｓｅ−Ｔインタフェースをはじめ、各家庭にも光ファイバを用いたＦＴＴＨ（Fiber to the home）の普及から、１００Ｍｂｐｓの高速回線の提供が普及しており、無線ＬＡＮの世界においても更なる伝送速度の高速化が求められている。

そのための技術としては、ＭＩＭＯ技術が有力である。このＭＩＭＯ技術とは、送信局装置側において複数の送信アンテナから同一チャネル上で異なる独立な信号を送信し、受信局装置側において同じく複数のアンテナを用いて信号を受信し、各送信アンテナ／受信アンテナ間の伝達関数行列を求め、この行列を用いて送信局装置側で各アンテナから送信した独立な信号を推定し、データを再生するものである。

ここで、Ｎ本の送信アンテナを用いてＮ系統の信号を送信し、Ｍ本のアンテナを用いて信号を受信する場合を考える。まず、送受信局装置の各アンテナ間にはＭ×Ｎ個の伝送のパスが存在し、第ｉ送信アンテナから送信され第ｊ受信アンテナで受信される場合の伝達関数をｈ_ｊ，ｉとし、これを第(ｊ，ｉ)成分とするＭ行Ｎ列の行列をＨと表記する。さらに、第ｉ送信アンテナからの送信信号をｔ_ｉとし(ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３，・・・ｔ_Ｎ)を成分とする列ベクトルをＴｘ、第ｊ受信アンテナでの受信信号をｒ_ｊとし(ｒ_１，ｒ_２，ｒ_３，・・・ｒ_Ｍ)を成分とする列ベクトルをＲｘ、第ｊ受信アンテナの熱雑音をｎ_ｊとし(ｎ_１,ｎ_２,ｎ_３,・・・ｎ_Ｍ)を成分とする列ベクトルをｎと表記する。この場合、以下の関係式が成り立つ。

したがって、受信局装置側で受信した信号Ｒｘをもとに、送信信号Ｔｘを推定する技術が求められている。このＭＩＭＯ通信においては、伝搬路の情報を利用して、その伝搬路に対して最適な状況で信号を送信することにより、最も効率的に通信を行うことができる。例えば、特許文献１で示す「無線通信方法、並びに該方法を用いた無線通信システム」等に記載された固有モードＳＤＭ（Space Division Multiplexing）方式を用いたＭＩＭＯ伝送においては、信号の伝送方向のＭＩＭＯチャネルの伝達関数行列Ｈを送信局装置側で取得できた場合に、この伝達関数行列に対応した送信信号の最適化を行う。具体的には、伝達関数行列Ｈとそのエルミート共役な行列Ｈ^Ｈ（右肩の「Ｈ」の記号はエルミート共役を表す）の積を対角化可能なユニタリー行列Ｕを取得し、このユニタリ行列で送信信号を変換して信号を送信する。このユニタリ変換行列Ｕと伝達関数行列Ｈの間には以下の関係式が成り立つ。

ここで、右辺の行列Λは対角成分のみが値を持ち、その他の成分がゼロである対角行列である。この様な特徴を持つユニタリ行列Ｕを列ベクトルＴｘに作用させて信号を送信することにより、（式１）は以下の様に変換される。

この変換により、送信信号はＭＩＭＯチャネル毎に直交化され、受信側での処理において簡易なＺＦ（Zero Forcing）方式を用いた場合であっても、各送信信号をＭＩＭＯチャネル毎のＳＮＲ特性が良好になるように調整される。また、このユニタリ行列の各列ベクトルは、送信信号である列ベクトルＴｘを各送信アンテナに分配する際の各アンテナに乗算する係数（以降、「送信ウエイト」と呼ぶ）を与える。この送信ウエイトを用いることで、各ＭＩＭＯチャネル毎に直交したビーム形成を行い、それぞれのビーム（固有ビーム）に相当するチャネルの利得がその固有ベクトルの固有値となる。したがって、全ＭＩＭＯチャネルのチャネル容量Ｃの上限は以下の式で与えられる。

ここでＢは帯域幅、Ｐ_ｉは第ｉ番のＭＩＭＯチャネルの総送信電力、σ^２は雑音電力の分散値を意味する。この式から、どの程度の伝送レートの伝送モード（ここではＱＰＳＫ，６４ＱＡＭなどの変調方式と誤り訂正の符号化率の組み合わせにより規定されるモードを「伝送モード」と定義する）を適用可能か、またさらにどの程度の数のＭＩＭＯチャネルを多重化できるかが推定できる。

ちなみに、（式４）の中の送信電力Ｐ_ｉは全てのＭＩＭＯチャネルに共通の値である必要はなく、また各ＭＩＭＯチャネル毎に伝送モードを変更しても構わない。一般に、注水定理と呼ばれる手法を用いることでこのＰ_ｉの値を最適化することが可能である。この中で、Ｐ_ｉ＝０となるＭＩＭＯチャネルが存在した場合、そのチャネルは実際の伝搬には用いずに、他のＭＩＭＯチャネルに電力を配分した方が効率的であることを意味している。つまり、ＭＩＭＯの多重数を元々の上限値よりも少なく設定することになる。この様にして、多重化するＭＩＭＯチャネルの最適値を判断することも可能である。

以上の固有モードＳＤＭ技術は、送信側で指向性を持った送信ビームを形成し、空間上で多重化する信号を受信側で効率的に信号分離できるようにするものである。ここで、通常のＭＩＭＯ通信、すなわちひとつの送信局装置とひとつの受信局装置の間で通信を行うをシングルユーザＭＩＭＯと呼ぶ。無線ＬＡＮや携帯電話等を例に見れば、基地局装置はサイズ的に比較的大きく、端末局装置側はポータブルな端末としてサイズは基地局装置よりも大幅に小さい。この様な小型端末の中に、ＭＩＭＯ通信のための複数のアンテナを実装しても、アンテナ間の距離が短く、アンテナ相関が非常に大きくなってしまう。この場合、（式４）における固有値λ_ｉの値は小さくなる傾向にあり、実際に通信に利用できるＭＩＭＯチャネル数はそれほど多くはない。この様なケースにおいて、ひとつひとつの端末との間では空間多重するＭＩＭＯチャネル数を少なくする一方、複数の異なる端末と同時に同一周波数チャネルで通信するマルチユーザＭＩＭＯ通信が有効である。

マルチユーザＭＩＭＯシステムが、例えば、基地局装置１０１、端末局装置１０２〜１０４を備えているものとする。このとき実際にひとつの基地局装置が収容する端末局装置数は多数であるが、その中の数局を選び出し（端末局装置１０２〜１０４）、通信を行う。各端末局装置は基地局装置と比較して送受信アンテナ数が一般的に少ない。例えば基地局装置から端末局装置方向への通信（ダウンリンク）を行う場合を考える。基地局装置１０１は多数のアンテナを用いて、複数の指向性ビームを形成する。例えば、各端末１０２〜１０４に対してそれぞれ３つのＭＩＭＯチャネルを割り当て、全体としては９系統の信号系列を送信する場合を考える。その際、端末局装置１０２に対して送信する信号は、端末局装置１０３および端末局装置１０４方向には指向性利得が極端に低くなるように調整し、この結果として端末局装置１０３および端末局装置１０４への干渉を抑制する。同様に、端末局装置１０３に対して送信する信号は、端末局装置１０２および端末局装置１０４方向には指向性利得が極端に低くなるように調整する。同様の処理を端末局装置１０４にも施す。この様に指向性制御を行う理由は、例えば端末局装置１０２においては、端末局装置１０３および端末局装置１０４で受信した信号の情報を知る術がないため、端末間での協調的な受信処理ができない。つまり、アンテナが３本しかない端末局装置１０２のみの受信処理において、９系統の全ての信号系列を信号分離することは非常に厳しい。そこで、各端末局装置には他の端末局装置宛の信号が受信されないように、送信側で干渉分離を事前に行う。以上が既存のマルチユーザＭＩＭＯシステムの概要である。

次に、指向性ビームの形成方法について、以下に説明を加える。上記マルチユーザＭＩＭＯシステムにおいて、端末局装置１０２の第１受信アンテナと基地局装置１０１の第ｊアンテナとの間の伝達関数をｈ_１ｊと表記することにする。基地局装置１０１のｊ＝１〜９の全てのアンテナに関する伝達関数を用い、行ベクトルｈ_１を（ｈ_１１，ｈ_１２，ｈ_１３，…，ｈ_１８，ｈ_１９）と表記する。同様に端末局装置１０２の第２受信アンテナ、第３受信アンテナと基地局装置１０１の伝達関数をｈ_２ｊおよびｈ_３ｊとし、対応する行ベクトルｈ_２およびｈ_３を（ｈ_２１，ｈ_２２，ｈ_２３，…，ｈ_２８，ｈ_２９）、（ｈ_３１，ｈ_３２，ｈ_３３，…，ｈ_３８，ｈ_３９）とする。端末局装置１０３、端末局装置１０４の受信アンテナにも同様の連番をふり、行ベクトルｈ_４〜ｈ_９を（ｈ_４１，ｈ_４２，ｈ_４３，…，ｈ_４８，ｈ_４９）〜（ｈ_９１，ｈ_９２，ｈ_９３，…，ｈ_９８，ｈ_９９）とする。加えて、基地局装置１０１が送信する９系統の信号をｔ_１〜ｔ_９と表記し、これを成分とする列ベクトルをＴｘ^{［ａｌｌ］}=(ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３，…，ｔ_８，ｔ_９)^Ｔと表記する。ここで、右肩のＴの文字はベクトル、行列の転置を表す。また同様に、端末局装置１０２〜１０４の９本のアンテナでの受信信号をｒ_１〜ｒ_９と表記し、これを成分とする列ベクトルをＲｘ^{［ａｌｌ］}＝(ｒ_１，ｒ_２，ｒ_３，…，ｒ_８，ｒ_９)^Ｔと表記する。最後に、行ベクトルｈ_１〜ｈ_９を第１から第９行成分とする行列を、全体伝達関数行列Ｈ^{［ａｌｌ］}と表記する。この様に表記した場合、システム全体としては以下の関係式が成り立つ。

これはシングルユーザＭＩＭＯにおける（式１）に対応する。同様に（式３）に示すような送信指向性制御を行うため、９行９列の送信ウエイト行列Ｗを導入し、（式３）を以下のように書き換える。

さらに、送信ウエイト行列Ｗを列ベクトルｗ_１〜ｗ_９に分解し、Ｗ＝（ｗ_１，ｗ_２，ｗ_３，…ｗ_８，ｗ_９）と表記すると、以下の様に表せる。

ここで、例えば６つの行ベクトルｈ_４〜ｈ_９と３つの列ベクトルｗ_１〜ｗ_３の乗算（各成分の乗算したものの総和、複素ベクトルの場合は内積とは異なる）が全てゼロになるようにｗ_１〜ｗ_３を選ぶことを考える。同様に、行ベクトルｈ_１〜ｈ_３およびｈ_７〜ｈ_９と列ベクトルｗ_４〜ｗ_６の積、行ベクトルｈ_１〜ｈ_６と列ベクトルｗ_７〜ｗ_９の積の全てがゼロになるように選ぶことにする。すると、（式７）に示す９行９列の行列は、３行３列の９個の部分行列を用いて表記すると以下のように表すことができる。

ここで、部分行列Ｈ^［１］、Ｈ^［２］、Ｈ^［３］は３行３列の行列であり、この数式においてＱで示すものは成分が全てゼロの３行３列の行列である。この様な条件を満たす変換行列Ｗを選択することで、（式８）は以下の３つの関係式に分解できる。

ここで、Ｔｘ^［１］＝(ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３)^Ｔ、Ｔｘ^［２］＝(ｔ_４，ｔ_５，ｔ_６)^Ｔ、Ｔｘ^［３］＝(ｔ_７，ｔ_８，ｔ_９)^Ｔ、Ｒｘ^［１］＝(ｒ_１，ｒ_２，ｒ_３)^Ｔ、Ｒｘ^［２］＝(ｒ_４，ｒ_５，ｒ_６)^Ｔ、Ｒｘ^［３］＝(ｒ_７，ｒ_８，ｒ_９)^Ｔとした。この様にして、３つのシングルユーザＭＩＭＯ通信とみなすことができるようになる。

次に、送信ウエイトベクトルｗ_１〜ｗ_９の決定方法の例を以下に説明する。手順としては、端末局装置１０２に対する送信ウエイトベクトルｗ_１〜ｗ_３を決定し、順次、端末局装置１０３に対する送信ウエイトベクトルｗ_４〜ｗ_６、端末局装置１０４に対する送信ウエイトベクトルｗ_７〜ｗ_９を決定する。まず第１ステップとして、端末局装置における６つの行ベクトルｈ_４〜ｈ_９により構成される６次元部分空間の６つの基底ベクトルｅ_４〜ｅ_９を求める。求める方法は、グラムシュミットの直交化法の他、様々な方法があるが、ここでは例としてグラムシュミットの直交化法を例に説明する。

まず、ひとつのベクトルｈ_４に着目し、この方向で絶対値が１のベクトルを基底ベクトルｅ_４とする。

ここで、（ｈ_４ｈ_４ ^ｈ）は同一ベクトルの絶対値の２乗を意味するスカラー量であり、ｈ_４を規格化することを意味する。次に、ベクトルｈ_５に着目し、このベクトルの中からｅ_４方向の成分をキャンセルしたベクトルｈ_５’を求めた後、さらに規格化する。

ここで（式１５）のΣ_（ｉ）は、４≦ｉ≦ｊ−１（ｊは４〜９の整数）の整数ｉに対する総和を意味する。つまり、既に確定した基底ベクトル方向の成分をキャンセルすることを意味する。この様にして、６つの基底ベクトルｅ_４〜ｅ_９を求めることができる。

次に第２ステップとして、端末局装置１０２に対する送信ウエイトベクトルｗ_１〜ｗ_３を求める。まず、行ベクトルｈ_１〜ｈ_３から、ｅ_４〜ｅ_９により構成される６次元部分空間の成分をキャンセルする。具体的には以下の式で表せる。

ここで、ｊは１〜３の整数であり、（式１７）のΣ_（ｉ）は、４≦ｉ≦９の整数ｉに対する総和を意味する。この様にして求めたベクトルｈ_１’〜ｈ_３’に対し、適当な直交化処理を行う。簡単のためにここではグラムシュミットの直交化を例として用いるが、その他の方法を用いても良い。グラムシュミットの直交化法は、既に（式１２）〜（式１６）で説明しているので詳細な説明は省略するが、下記のように求めることができる。

この様にして求める３次元空間の３つの基底ベクトルｅ_１からｅ_３を求める。さらに、この基底ベクトルの複素共役ベクトルの転置ベクトル、すなわちエルミート共役なベクトルを求めることで、ｗ_１＝ｅ_３ ^Ｈ、ｗ_２＝ｅ_２ ^ｈ、Ｗ_３＝ｅ_３ ^ｈとして送信ウエイトベクトル（列ベクトル）が求まる。以上の（式１２）から（式２２）までの処理により、端末局装置１０２に対する送信ウエイトベクトルｗ_１〜ｗ_３を決定定できた。第３ステップとしては同様の処理を端末局装置１０３および端末局装置１０４に対しても施し、その結果として全ての送信ウエイトベクトルｗ_１〜ｗ_９が求まる。以上が従来方式における送信ウエイト行列の求め方である。

図５は、従来技術における送信ウエイト行列Wの算出のフローを示す図である。
まず、送信ウエイト行列の算出にあたり、全端末への伝達関数行列Ｈを取得する（Ｓ１０２）。宛先とする端末に通し番号を付与し、その番号をｋと表記した場合、まずｋを初期化する（Ｓ１０３）。さらに、ｋをカウントアップし（Ｓ１０４）、着目しているｋ＝１に対応した端末局装置１０２に対する部分伝達関数（ここでは便宜上、Ｈ^ｍａｉｎと表記）の抽出（Ｓ１０５）と、それ以外の宛先の端末局装置の部分伝達関数行列（ここでは便宜上、Ｈ^ｓｕｂと表記）を抽出（Ｓ１０６）する。

さらに、Ｈ^ｓｕｂの各行ベクトルにより構成される部分空間の直交基底ベクトルを算出し、これを｛ｅ_ｊ｝とおく（Ｓ１０７）。次に、（式１７）に相当する処理として、着目している端末局装置１０２に対する部分伝達関数Ｈ^ｍａｉｎから処理Ｓ１０７で求めた基底ベクトル｛ｅ_ｊ｝に関する成分をキャンセルし、これを行列Ｈ^{〜ｍａｉｎ}とする（Ｓ１０８）。さらに、（式１８）〜（式２２）に対応する処理として、行列Ｈ^{〜ｍａｉｎ}の行ベクトルにより構成される部分空間の直交基底ベクトルを算出し、これを｛ｅ_ｉ｝とおく（Ｓ１０９）。その後、｛ｅ_ｉ｝の各ベクトルのエルミート共役ベクトル（列ベクトル）として、端末局装置１０２宛の信号に関する送信ウエイトベクトル｛ｗ_ｉ｝を決定する。ここで、全ての宛先の端末局装置の送信ウエイトベクトルを検定済みか否かを判断し（Ｓ１１１）、残りの端末局装置があれば、処理Ｓ１０４から処理Ｓ１１０を繰り返す。もし全ての宛先の端末局装置の送信ウエイトベクトルを検定済みであれば、送信ウエイトベクトル｛ｗ_ｉ｝を各列ベクトルとする行列として送信ウエイト行列Ｗを決定し（Ｓ１１２）、処理を完了する（Ｓ１１３）。

なお、ここまでの説明は全てシングルキャリアのシステムを仮定し、送信ウエイト行列はひとつだけ求めれば良かった。現在、ＭＩＭＯ技術は無線ＬＡＮなどで注目を集めているが、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ、ＩＥＥＥ８０２．１１ｇなどの標準規格の無線ＬＡＮでは、マルチキャリアを用いたＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）変調方式を採用している。ＯＦＤＭ変調方式を用いるマルチユーザＭＩＭＯシステムの場合には、以上の処理を全てのサブキャリアにおいて個別に実施する必要がある。

図６は従来技術における送信局装置側の構成例（シングルキャリアの場合）を示す図である。この図は上述した各種処理を実現するための送信局装置の構成例である。
図６において、１１１ａはデータ分割回路、１１２ａ−１〜１１２ａ−Ｌはプリアンブル付与回路、、１１３ａ−１〜１１３ａ−Ｌは変調回路、１１４ａは送信信号変換回路、１１５ａ−１〜１１５ａ−Ｍ_Ｔは無線部、１１６ａ−１〜１１６ａ−Ｍ_Ｔは送受信アンテナ、１１７ａは伝達関数行列取得回路、１１８ａは送信ウエイト算出回路、１１９ａは空間多重条件判断回路を表す。なお、ここでは空間多重する信号系列の総数をＬ（Ｌ＞２、Ｌは整数）とし、無線部（１１５ａ−１〜１１５ａ−Ｍ_Ｔ）及び送受信アンテナ（１１６ａ−１〜１１６ａ−Ｍ_Ｔ）の系統数をＭ_Ｔとした。また、送信局装置側の構成としたが、一般には基地局装置及び端末局装置は送信機能および受信機能の双方を備えており、ここで示した図はその中の送信に関する機能のみを抜粋したものとなっている。したがって、受信のための機能はここには明記していない。また、ここではダウンリンクでのマルチユーザＭＩＭＯを想定し、送信局装置側とは基地局装置を暗に想定しているが、必ずしも基地局装置である必要はない。

図における無線部（１１５ａ−１〜１１５ａ−Ｍ_Ｔ）及び送受信アンテナ（１１６ａ−１〜１１６ａ−Ｍ_Ｔ）では逐次信号の受信を個別に行う。例えば、送受信アンテナ１１６ａ−１にて受信された信号は、無線部１１５ａ−１にて周波数変換を施され、所定の処理の後、伝達関数行列取得回路（１１７ａ）にて各受信局装置の伝達関数情報を収集する。ここでの伝達関数情報の収集方法については、受信局装置側から伝達関数情報を制御チャネルを用いてフィードバックする方法、伝搬チャネル推定用のプリアンブル信号を送受双方向で適宜交換する方法など、様々な方法が選択可能であり、如何なる方法を用いても構わない。この様にして取得した各受信局装置毎の伝達関数行列の情報は、伝達関数行列取得回路（１１７ａ）内にて記録・管理しておく。空間多重条件判断回路（１１９ａ）は、信号を送信する際にどの受信局装置を同時に空間多重するか、及びその多重度をどの様に設定するかを管理する。ここで、空間多重する受信局装置と多重度が規定されると、送信ウエイト算出回路（１１８ａ）では、先に示した条件に対応する送信ウエイト列ベクトル（ｗ１，ｗ２，ｗ３，…，ｗ_ＭＴ−１，ｗ_ＭＴ）を算出する。これらの情報を送信信号変換回路（１１４ａ）に入力する。

一方、送信すべきデータがデータ分割回路（１１１ａ）に入力されると、空間多重条件判断回路（１１９ａ）が判断した空間多重する受信局装置と多重度（全受信局装置でＬ多重とする）の条件に合わせて、データをＬ系統に分割する。それぞれの信号はプリアンブル付与回路（１１２ａ−１〜１１２ａ−Ｌ）に入力され、所定のチャネル推定用プリアンブルが付与され、変調回路（１１３ａ−１〜１１３ａ−Ｌ）に入力される。変調回路（１１３ａ−１〜１１３ａ−Ｌ）では所定の変調処理が行われ、この出力が送信信号変換回路（１１４ａ）に入力される。ここでは送信ウエイト算出回路（１１８ａ）が算出したベクトル群をもとに、変調回路（１１３ａ−１〜１１３ａ−Ｌ）からの出力信号を成分とする送信信号ベクトルに対し、変換行列Ｗ＝（ｗ_１，ｗ_２，ｗ_３，．．．，ｗ_ＭＴ−１，ｗ_ＭＴ）を乗算させる。この乗算により変換されたＭ_Ｔ系統の信号は、無線部（１１５ａ−１〜１１５ａ−Ｍ_Ｔ）にて周波数変換され、送受信アンテナ（１１６ａ−１〜１１６ａ−Ｍ_Ｔ）を介して送信される。以上がシングルキャリアの無線システムの例である。

図７はＯＦＤＭ変調方式を用いるマルチユーザＭＩＭＯシステムにおける送信局装置側の従来の構成例を示す図である。
ＯＦＤＭ変調方式を用いるマルチユーザＭＩＭＯシステムの場合には、図７に示すように、サブキャリア毎に同様の処理を行うことになる。図７の図６との差分としては、各信号系列はデータ分割回路（１１１ｂ）にてサブキャリア毎に分割され、各サブキャリアで同様の処理を行う。また、各サブキャリアでプリアンブル付与回路（１１２ａ−１〜１１２ａ−Ｌ）、変調回路（１１３ａ−１〜１１３ａ−Ｌ）、送信信号変換回路（１１４ａ）に相当する処理を並列的に実施する。その後、逆フーリエ変換処理をＩＦＦＴ回路（１２０ａ−１〜１２０ａ−Ｍ_Ｔ）を実施し、無線部（１１５ｂ−１〜１１５ｂ−Ｍ_Ｔ）、送受信アンテナ（１１６ｂ−１〜１１６ｂ−Ｍ_Ｔ）を介して送信される。

次に、図８は従来技術における受信局装置の構成例を示す。
ここでは端末局装置が受信局装置となるダウンリンクを想定し説明を行う。この場合、マルチユーザＭＩＭＯシステムの場合でも、送信局装置側での送信指向性制御により、他の受信局装置宛の信号が干渉とならないように制御しているため、受信局装置は通常のシングルユーザＭＩＭＯと同様に受信処理を行えばよい。ここではひとつの例として、３つのアンテナを備える場合を例にとり説明する。

図８において、１２１−１〜１２１−３は受信アンテナ、１２２−１〜１２２−３は無線部、１２３はチャネル推定回路、１２４は受信信号管理回路、１２５は伝達関数行列管理回路、１２６は行列演算回路＃１、１２７は行列演算回路＃２、１２８は硬判定回路、１２９はデータ合成回路、１３０はＭＩＭＯ受信処理部を示す。まず、第１の受信アンテナ１２１−１から第３の受信アンテナ１２１−３は、それぞれ個別に受信信号を受信する。無線部１２２−１〜１２２−３を経由して、受信した信号はチャネル推定回路１２３に入力される。送信側で付与して所定のプリアンブル信号の受信状況から、チャネル推定回路１２３にて第ｉ送信アンテナと第ｊ受信アンテナ間の伝達関数をここで取得する。この様にして取得された伝達関数行列は、伝達関数行列管理回路１２５にて伝達関数行列Ｈとして管理される。

行列演算回路＃１（１２６）では、伝達関数行列管理回路１２５で管理された伝達関数行列Ｈをもとに、Ｈ^Ｈ、Ｈ^ＨＨ、（Ｈ^ＨＨ）^−１、（Ｈ^ＨＨ）^−１Ｈ^Ｈを順次、演算により求める。一方、プリアンブル信号に後続するデータ信号は、１シンボル分づつ受信信号管理回路１２４に入力される。受信信号管理回路１２４では、各アンテナの受信信号（ｒ_１,ｒ_２,ｒ_３）を成分とした受信信号ベクトルＲｘとして一旦管理される。この受信信号ベクトルは、行列演算回路＃２（１２７）にて、行列演算回路＃１（１２６）で求めた（Ｈ^ＨＨ）^−１Ｈ^Ｈと乗算される。この信号は、送信信号ベクトルＴｘにノイズが乗った信号であるため、硬判定回路（１２８）にて信号判定がされ、各シンボル毎および各系統の信号はデータ合成回路（１２９）で合成され、もとのユーザデータが再生され出力される。

なお、以上の説明では簡単のため、行列演算回路＃１（１２６）および行列演算回路＃２（１２７）での処理は、ＺＦ（Zero Forcing）法と呼ばれる簡単なＭＩＭＯ信号検出法を仮定して説明を行ったが、ＭＭＳＥ（Minimum Mean Square Error）法や、ＭＬＤ（Maximum Likelihood Detection）法などを用いても構わない。また、ＺＦ法の説明として正方行列以外の伝達関数行列Ｈを想定し、擬似逆行列（Ｈ^ＨＨ）^−１Ｈ^Ｈを用いる場合について説明したが、伝達関数行列Ｈが正方行列であれば簡易に伝達関数行列Ｈの逆行列を用いても構わない。さらに、硬判定回路（１２８）では硬判定を行うことを仮定していたが、誤り訂正を組み合わせ、軟判定を用いることも可能である。またさらに、ＯＦＤＭ変調方式を用いる場合には、サブキャリア毎に同様の処理を行うことになる。また、以下の説明の都合上、点線で囲んだ領域をＭＩＭＯ受信処理部と呼ぶことにする。
国際公開第ＷＯ２００５／０５５４８４Ａ１パンフレット

しかしながら、従来方法では伝達関数推定誤差があった場合に、干渉が生じ伝送特性が著しく劣化する。またＭＬＤなどの復号方法を用いた場合には状態数が増大し、演算量が莫大なものとなる。

そこでこの発明は、伝送特性の劣化を防ぎ、演算量を削減することのできる無線通信システムおよびその送信指向性制御方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は、複数のアンテナを有する基地局装置と複数のアンテナを有する複数の端末局装置の間で、空間多重伝送を行い、少なくとも一つの空間チャネル上で１シンボルあたり２ビット以上の信号を送信する変調方式を用いる無線通信システムの送信指向性制御方法であって、前記基地局装置は、前記空間チャネル上の前記１シンボルあたりに送信する情報を少なくとも２つ以上の情報群に分割する群分け処理と、前記分割された情報群単位で適応変調を行い、さらにそれぞれ異なった指向性形成を行うウエイトを乗算する適応指向性形成処理と、前記乗算の結果を合成して前記端末局装置へ送信する送信処理と、を有することを特徴とする送信指向性制御方法である。

また本発明は、前記端末局装置のうちの少なくとも１つは受信信号と送信信号の間の尤度情報に基づいて情報を復号化する復号化処理を行い、前記基地局装置は前記適応指向性形成処理において、前記群分けの処理を行わない状態で通信を行った場合と同等の信号配置となり、前記端末局装置が受信信号と送信信号の間の尤度情報に基づいて情報を復号する場合における信号点候補の状態数が許容値以内となる条件に基づいて、前記群分けした情報群ごとに異なった指向性を形成することを特徴とする。

また本発明は、前記端末局装置のうちの少なくとも１つは、２シンボル以上のデータシンボルに対して前記尤度情報を用いて情報を復号化する復号化処理を行うことを特徴とする。

また本発明は、複数のアンテナを有する基地局装置と複数のアンテナを有する複数の端末局装置の間で、空間多重伝送を行い、少なくとも一つの空間チャネル上で１シンボルあたり２ビット以上の信号を送信する変調方式を用いる無線通信システムであって、前記基地局装置は、前記空間チャネル上の前記１シンボルあたりに送信する情報を少なくとも２つ以上の情報群に分割する群分け手段と、前記分割された情報群単位で適応変調を行い、さらにそれぞれ異なった指向性形成を行うウエイトを乗算する適応指向性形成手段と、前記乗算の結果を合成して前記端末局装置へ送信する送信手段と、を備えることを特徴とする無線通信システムである。

本発明によれば、端末局装置に干渉キャンセラ機能を備えることを想定して、指向性制御の要求が緩和されることを利用し、ある状態数の干渉に対しては、端末局装置が干渉をキャンセルできるとした場合に、それに応じた干渉となるように干渉量を制御する。これにより、基地局装置に端末局装置が近接してきた場合でも干渉を制御することによって良好な伝送品質が維持される効果が得られる。

以下、本発明の一実施形態による無線通信システムを図面を参照して説明する。
図１はＭＩＭＯの通信方式による無線通信システムの構成を示す図である。
この図において、１０１は基地局装置、１０２〜１０４は端末局装置＃１〜＃３を示す。なお無線通信システムにおいて、実際は１つの基地局装置１０１が収容する端末局装置数は多数であるが、その中の数局装置を選び出し（図では端末局装置＃１〜＃３:１０２〜１０４）通信を行う。各端末局装置は基地局装置１０１と比較して送受信アンテナ数が一般的に少ない。

図２は同実施形態による無線通信システムの基地局装置の構成を示すブロック図である。この図より、無線通信システムの基地局装置１０１は、群分け処理部１１、適応変調処理部１２、適応指向性形成処理部１３、許容干渉状態数記憶部１４、変調・符号化制御処理部１５、指向性制御処理部１６、伝達関数推定処理部１７、合成処理部１８を備えている。

図３は無線通信システムの基地局装置の処理フローを示す図である。
次に図３を用いて同実施形態による無線通信システムの基地局装置の処理フローについて順を追って説明する。
まず、各端末局装置への送信信号の入力を基地局装置１０１の群分け処理部１１が受付ける（ステップＳ１０１）。群分け処理部１１では端末局装置ｋが１シンボルあたりに送信するＬｋビットを複数の群に分けて出力する（ステップＳ１０２）。例えば、端末局装置ｋが１６ＱＡＭで伝送する場合について説明する。変調方式として１６ＱＡＭを用いる場合１シンボルあたり４ビットのデータを伝送することができる。分割する数は、その他の端末局装置が許容する干渉の状態数に応じて決定される。例えば適応指向性形成処理部１３が、その他の端末局装置が許容する干渉の状態数が２の場合には、このとき２つの群（群１および群２）に分割し、群１に１ビットを割り当てて、群２に３ビットを割り当て、群２の信号を送信する際の送信指向性では、他の端末局装置に干渉が届かないようにし、群１の信号は他の端末局装置への干渉は考慮せず、端末局装置ｋでの受信信号レベルが最大となるように指向性を決定する。指向性形成の方法は後述する。このようにすると、他端末局装置への干渉は群１からの信号のみとなり、１シンボルあたり１ビット（２状態）の干渉のみが到来することとなる。

ここで各群のビット数は異なっていてもよい。次に各群単位で適応変調処理部１２において適応変調を行い（ステップＳ１０３）、さらにそれぞれ異なった指向性形成用のウェイトを適応指向性形成処理部１３において乗算し（ステップＳ１０４）、すべての端末局装置への信号を各アンテナへの入力端子の手前で合成処理部１８が合成し（ステップＳ１０５）、各アンテナに出力する（ステップＳ１０６）。例えば１６ＱＡＭ伝送の例では、１ビットを割り当てた群ではＢＰＳＫ、３ビットを割り当てた群ではＩチャネルが２値、Ｑチャネルが４値をとる８つの信号点を利用した変調を適用する。ここで、各適応指向性形成処理部１３は異なった端末局装置に対して、干渉を抑圧させる指向性形成を行う。他端末局装置に対する干渉抑圧用の指向性形成は、ＭＭＳＥやＺＦなどのアルゴリズムを用いる方法や、方向拘束型のアダプティブアレーアンテナ指向性制御アルゴリズム方法などによって実現できる。

さらに、各適応指向性形成処理部１３が送信パワー、位相を調整することによって、端末局装置側で希望する信号を一括で復号できるように送信する。たとえば、ＱＰＳＫの信号を送信する場合、ＩチャネルとＱチャネルで異なった指向性を用いて送信し、端末局装置側ではＱＰＳＫとして復号する、といったことが可能である。一般にこの方法は任意のＱＡＭ変調方式において適用が可能である。また、「線形合成によって表現可能な変調方式」であれば、それらの変調方式を適用することも可能である。ここで「線形合成によって表現可能な変調方式」は以下の式で表すことができる。

ここでＳｋはＭｋビットに対して変調をある時間Ｔ内で伝送する変調方式を表し、この変調方式で時間Ｔの聞に伝送される合計のビット数は以下の式で表される。

そして端末局装置側においては復調処理部が２^Ｍ個の候補となる信号に対して、受信信号との相関を計算し、相関値が最も高くなる信号に判定を行う。誤り訂正方式は図２の各端末局装置の送信信号を生成する際に適用することが可能である。また、ＯＦＤＭ方式のように複数の搬送波を用いて伝送する方法では、各搬送波に対して本手法を適用することが可能である。さらにＣＤＭ方式の場合でも各拡散符号に本方式を適用することによって実現が可能である。

次に第２の実施形態について説明する。
端末局装置では、受信信号と送信信号の間の尤度情報から復号する復号処理部を備えているとする。そして端末局装置は復号処理部で復号が可能な範囲で干渉を許容する。なお、端末局装置のうちの少なくとも１つは、２シンボル以上のデータシンボルに対して尤度情報を用いて情報を復号化するものとする。このときＭｒブランチのアンテナを有する端末局装置での受信信号ベクトルは以下のように表すことができる。

ここでrはＭｒ×１の列ベクトル、ＡはＭｒ×Ｐの行列、ＳはＰ×１の列ベクトル、ＢはＭｒ×Ｑの行列、ＩはＱ×１の列ベクトル、ｎはＭｒ×１の列ベクトルである。またＰは端末局装置に送信する信号を複数の群に分割した分割数、Ｑは他の端末局装置への送信信号を分割した分割数の合計である。行列Ａおよび行列Ｂの各成分、各群の送信信号を送信する際に用いた指向性形成処理部によって制御が可能である。今、この端末局装置でＬｓ個の信号系列に対して、最尤推定を行うことが可能であるとする。ここで最尤推定とは、ある信号の組み合わせで送信した場合の、受信信号位置を予め設定し、受信信号が予め設定された受信信号位置のいずれが最も近いかを判断し、送信信号を決定する方法である。なお、演算量を削減した方法として、「Sphere decoding（A.Paulraj, R.Naber, and D. Gore, Introduction to Space-Time Wireless Communications. Cambridge, U.K.: Cambridge Univ. Press, to be published.）」などを用いることも可能である。ただしＬｓ＞Ｐとする。

このとき基地局装置１０１は、ＢのうちＰ十Ｑ−Ｌ個の列成分が小さい値となるように、他の端末局装置に送信する送信指向性を制御する。要素を小さい値に制御する方法は、干渉を抑圧することと等価であるため、よく知られているＭＭＳＥアルゴリズムやＺＦアルゴリズムによって実現することができる。ここで、Ｐ＋Ｑ−Ｌ個の列成分の選択方法としては、たとえば行列Ｂの列要素のうち、列要素の大きさが小さい方から選択することによって決定することができる（選択法Ａとする）。その他行列Ｂの列要素のうち、列要素の大きさが大きい列ベクトルに着目し、その列ベクトルに対応する群とあわせて一つの変調信号を表す他の群を選択する方法も連用可能である（選択法Ｂ）。また基地局装置１０１は、一つの変調信号を複数に分割した群のうち予め定めた群の数を選択する方法も適用可能である（選択法Ｃ）。全端末局装置の送信指向性形成処理部１０３を希望信号に対する最大比合成パターンで形成し、その後、選択法ＡまたはＢを各ユーザごとに順番に行っていき、それぞれ修正していくことによっても実現可能である。

図４は本発明の一実施形態による効果を説明する為の図である。
図４では、２つの端末局装置（ＵＳＥＲ）のそれぞれに対して基地局装置１０１が１６ＱＡＭ伝送を行うことを想定する。従来方法では、２つのビームを形成し、両方のビームとも他方のユーザにヌルを向け干渉を抑圧していた。これに対して、本発明では端末局装置２はＢＰＳＫの干渉に対しては最尤推定によって干渉抑圧が可能であるとし、端末局装置１に対して２ビームを形成し、両方からＱＰＳＫ信号を送信し、一方のビームのみ端末局装置２にヌルが形成されるようにしている。図４に示すように、本発明では端末局装置が近づいてきた場合にもユーザ１での受信レベルの劣化が抑えられていることが分る。

なお上述の基地局装置や端末局装置は内部に、コンピュータシステムを有している。そして、上述した処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。

また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。

ＭＩＭＯの通信方式による無線通信システムの構成を示す図である。基地局装置の構成を示すブロック図である。無線通信システムの基地局装置の処理フローを示す図である。効果を説明する為の図である。従来技術における送信ウエイト行列Wの算出のフローを示す図である。従来技術における送信局装置側の構成例（シングルキャリアの場合）を示す図である。ＯＦＤＭ変調方式を用いるマルチユーザＭＩＭＯシステムにおける送信局装置側の従来の構成例を示す図である。従来技術における受信局装置の構成例を示す。

符号の説明

１０１・・・基地局装置
１０２〜１０４・・・端末局装置
１１・・・群分け処理部
１２・・・適応変調処理部
１３・・・適応指向性形成処理部
１４・・・許容干渉状態数記憶部
１５・・・変調・符号化制御処理部
１６・・・指向性制御処理部
１７・・・伝達関数推定処理部
１８・・・合成処理部

Claims

複数のアンテナを有する基地局装置と複数のアンテナを有する複数の端末局装置の間で、空間多重伝送を行い、少なくとも一つの空間チャネル上で１シンボルあたり２ビット以上の信号を送信する変調方式を用いる無線通信システムであって、
前記基地局装置は、
前記空間チャネル上の前記１シンボルあたりに送信する情報を少なくとも２つ以上の情報群に分割する群分け手段と、
前記分割された情報群単位で適応変調を行い、さらにそれぞれ異なった指向性形成を行うウエイトを乗算する適応指向性形成手段と、
前記乗算の結果を合成して前記端末局装置へ送信する送信手段と、
を備えることを特徴とする無線通信システム。
前記端末局装置のうちの少なくとも１つは受信信号と送信信号の間の尤度情報に基づいて情報を復号化する復号化処理を行い、
前記基地局装置は前記適応指向性形成処理において、前記群分けの処理を行わない状態で通信を行った場合と同等の信号配置となり、前記端末局装置が受信信号と送信信号の間の尤度情報に基づいて情報を復号する場合における信号点候補の状態数が許容値以内となる条件に基づいて、前記群分けした情報群ごとに異なった指向性を形成する
ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
前記端末局装置のうちの少なくとも１つは、２シンボル以上のデータシンボルに対して前記尤度情報を用いて情報を復号化する復号化処理を行う
ことを特徴とする請求項２に記載の無線通信システム。
複数のアンテナを有する基地局装置と複数のアンテナを有する複数の端末局装置の間で、空間多重伝送を行い、少なくとも一つの空間チャネル上で１シンボルあたり２ビット以上の信号を送信する変調方式を用いる無線通信システムの送信指向性制御方法であって、
前記基地局装置は、
前記空間チャネル上の前記１シンボルあたりに送信する情報を少なくとも２つ以上の情報群に分割する群分け処理と、
前記分割された情報群単位で適応変調を行い、さらにそれぞれ異なった指向性形成を行うウエイトを乗算する適応指向性形成処理と、
前記乗算の結果を合成して前記端末局装置へ送信する送信処理と、
を有することを特徴とする送信指向性制御方法。
前記端末局装置のうちの少なくとも１つは受信信号と送信信号の間の尤度情報に基づいて情報を復号化する復号化処理を行い、
前記基地局装置は前記適応指向性形成処理において、前記群分けの処理を行わない状態で通信を行った場合と同等の信号配置となり、前記端末局装置が受信信号と送信信号の間の尤度情報に基づいて情報を復号する場合における信号点候補の状態数が許容値以内となる条件に基づいて、前記群分けした情報群ごとに異なった指向性を形成する
ことを特徴とする請求項４に記載の送信指向性制御方法。
前記端末局装置のうちの少なくとも１つは、２シンボル以上のデータシンボルに対して前記尤度情報を用いて情報を復号化する復号化処理を行う
ことを特徴とする請求項５に記載の送信指向性制御方法。