JP2007318729A - 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 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒの方がＢｅａｍｆｏｒｍｅｅよりもアンテナ本数が少ない場合において、Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋを行なう。
【解決手段】第１の端末は、最大次元Ｎ_maxに対応したチャネルを励起するためのトレーニング系列を含んだｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを送信する。第２の端末は自分のｃａｐａｂｉｌｉｔｙの範囲内でｓｏｕｎｄパケットを受信することが保証され、回路規模や消費電力を削減できる。また、第１の端末は、Ｎ_max本の空間ストリームをＮ本すべての送信アンテナ・ブランチに割り当てる変換を行なうようにして、送信ダイバーシティの分だけ、特性の低下を補う。
【選択図】 図１Ａ

Description

本発明は、空間多重を利用した無線通信システム、並びに無線通信装置及び無線通信方法に係り、特に、送受信機間でチャネル情報を共有してクローズドループ型の空間多重伝送を行なう無線通信システム、並びに無線通信装置及び無線通信方法に関する。

さらに詳しくは、本発明は、送信機がパケットを送信する際に受信機からフィードバックされる情報に基づいてビーム形成を行なう無線通信システム、並びに無線通信装置及び無線通信方法に係り、特に、アンテナ本数若しくはサポートするストリーム数が不均一となるＢｅａｍｆｏｒｍｅｒとＢｅａｍｆｏｒｍｅｅ間でビーム形成のための情報をフィードバックしてビーム形成を行なう無線通信システム、並びに無線通信装置及び無線通信方法に関する。

旧来の有線通信方式における配線から解放するシステムとして、無線ネットワークが注目されている。無線ネットワークに関する標準的な規格として、ＩＥＥＥ（Ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）８０２．１１やＩＥＥＥ８０２．１５を挙げることができる。

例えばＩＥＥＥ８０２．１１ａ／ｇでは、無線ＬＡＮの標準規格として、マルチキャリア方式の１つであるＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：直交周波数分割多重）変調方式が採用されている。ＯＦＤＭ変調方式では、ＯＦＤＭ変調方式によれば、送信データを相互に直交する周波数が設定された複数のキャリアに分配して伝送するので、各キャリアの帯域が狭帯域となり、周波数利用効率が非常に高く、周波数選択性フェージング妨害に強い。

また、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ／ｇ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が、さらなる高ビットレートを実現できる次世代の無線ＬＡＮ規格が求められている。

無線通信の高速化を実現する技術の１つとして、ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ−Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉ−Ｏｕｔｐｕｔ）通信が注目を集めている。これは、送信機側と受信機側の双方において複数のアンテナ素子を備え、空間多重したストリームを実現する通信方式である。送信側では、複数の送信データに空間／時間符号を施して多重化し、Ｎ本の送信アンテナに分配してチャネルに送信する。これに対し、受信側では、チャネル経由でＭ本の受信アンテナにより受信した受信信号を空間／時間復号して、ストリーム間のクロストークなしに受信データを得ることができる（例えば、特許文献１を参照のこと）。理想的には、送受信アンテナのうち少ない方の数（ＭＩＮ［Ｎ，Ｍ］）だけの空間ストリームが形成される。

ＭＩＭＯ通信方式によれば、周波数帯域を増大させることになく、アンテナ本数に応じて伝送容量の拡大を図り、通信速度向上を達成することができる。また、空間多重を利用するので、周波数利用効率はよい。ＭＩＭＯはチャネル特性を利用した通信方式であり、単なる送受信アダプティブ・アレーとは相違する。例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ／ｇの拡張規格であるＩＥＥＥ８０２．１１ｎでは、１次変調にＯＦＤＭを用いたＯＦＤＭ＿ＭＩＭＯ方式が採用されている。現在、ＩＥＥＥ８０２．１１ｎは、タスクグループｎ（ＴＧｎ）において標準化作業が行なわれており、そこでまとめられつつある仕様案は２００５年１０月に設立された業界団体ＥＷＣ（Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｎｓｏｒｔｉｕｍ）で作成された提案仕様に基づいている。

ＭＩＭＯ通信では、空間多重された受信信号ｙから各ストリーム信号ｘを空間分離するためには、何らかの方法によりチャネル行列Ｈを取得するとともに、さらに所定のアルゴリズムによってチャネル行列Ｈを用いて空間多重された受信信号から元の複数のストリームに空間分離を行なう必要がある。

チャネル行列Ｈは、一般的には、送信側並びに受信側で既知のトレーニング系列を送受信することで、実際に受信された信号と既知系列との差分によってチャネルの推定を行ない、送受アンテナ組み合わせ分の経路の伝搬路を行列形式に並べたものである。送信側アンテナ本数がＮで受信側アンテナ本数がＭのときは、チャネル行列はＭ×Ｎ（行×列）の行列となる。したがって、送信機からＮ個のトレーニング系列を送信し、受信機では受信したトレーニング系列を用いてチャネル行列Ｈを取得することができる。

また、受信信号を空間分離する方法は、受信機がチャネル行列Ｈに基づいて独立して空間分離を行なうオープンループ型と、送信機側でもチャネル行列に基づいて送信アンテナ重みを掛けて受信機に向けた適切なビーム形成を行なうことによって理想的な空間直交チャネルを作り出すクローズドループ型とに大別される。

オープンループ型のＭＩＭＯ伝送方式として、Ｚｅｒｏ Ｆｏｒｃｅ（ゼロ化規範）と（例えば、非特許文献１を参照のこと）や、ＭＭＳＥ（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ Ｅｒｒｏｒ）（例えば、非特許文献２を参照のこと）などが挙げられる。オープンループ型のＭＩＭＯ伝送方式は、受信信号を空間分離するための受信重み行列Ｗをチャネル行列Ｈから求める比較的簡単なアルゴリズムであり、送受信機間でチャネル情報を共有するフィードバック手続きが一切省略され、送信機と受信機が互いに独立して空間多重伝送を行なう。

また、クローズドループ型のＭＩＭＯ伝送の理想的な形態の１つとして、チャネル行列Ｈ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３を参照のこと）。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を求める。そして、送信機側では、送信用アンテナ重み行列にＶを用いて受信機に向けてビーム形成したパケットを送信し、受信機側では受信用アンテナ重み行列として典型的には（ＵＤ）^-1を与える。ここで、Ｄは各空間ストリームの品質に相当する各特異値λ_iの平方根を対角要素に持つ対角行列である（添え字ｉはｉ番目の空間ストリームを意味する）。対角行列Ｄの対角要素には値の大きい順に特異値λ_iを並べ、各ストリームに対し特異値の大きさで表される通信品質に応じて電力比配分や変調方式の割り当てを施すことによって、空間直交多重された論理的に独立した複数の伝送路を実現し、受信機側では元の複数の信号系列を全くクロストークなしに取り出すことができ、理論上は最高のパフォーマンスを達成する。

クローズドループ型のＭＩＭＯ通信システムでは、送信機がパケットを送信する際には適切なビーム形成を行なうが、そのためにはパケットを受信する受信機側からチャネル行列に関する情報をフィードバックする必要がある。

例えば、ＥＷＣ ＨＴ（Ｈｉｇｈ Ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ） ＭＡＣ（Ｍｅｄｉａ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ） Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｖｅｒｓｉｏｎ Ｖ１．２４では、送受信機間でチャネル行列に関する情報をフィードバックする手順として、“Ｉｍｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋ”と“Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋ”という２種類の手順を規定している。

Ｉｍｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋは、送信機は、受信機から送られてくるトレーニング系列を用いて受信機から送信機への逆方向のチャネル行列を推定し、送受信機間の双方向のチャネル特性が可逆（ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ）であるという前提の下で、送信機から受信機への順方向のチャネル行列を計算してビーム形成を行なう。

また、Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋでは、受信機が送信機から送られてくるトレーニング系列を用いて送信機から受信機への順方向のチャネル行列を推定し、そのチャネル行列をデータとして含んだパケットを送信機に返信し、送信機は受け取ったチャネル行列を用いてビーム形成を行なう。あるいは、受信機では、推定したチャネル行列からさらに送信機がビーム形成するための送信重み行列を計算し、この送信重み行列をデータとして含んだパケットを送信機に返信する。Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋでは順方向の推定チャネル行列を基に重み行列が算出されるので、チャネルの可逆性を前提としなくて済む。

パケット伝送という観点からは、送信機はｉｎｉｔｉａｔｏｒで受信機はｒｅｃｅｉｖｅｒに位置付けられるが、ビーム形成という観点からは、パケットを送信する送信機（ｉｎｉｔｉａｔｏｒ）はＢｅａｍｆｏｒｍｅｒであり、ビーム形成されたパケットを受信する受信機（ｒｅｃｅｉｖｅｒ）はＢｅａｍｆｏｒｍｅｅである。また、ＢｅａｍｆｏｒｍｅｒからＢｅａｍｆｏｒｍｅｅへの通信を「順方向」とし、ＢｅａｍｆｏｒｍｅｅからＢｅａｍｆｏｒｍｅｒへの通信を「逆方向」とする。例えば、アクセスポイント（ＡＰ）がＢｅａｍｆｏｒｍｅｒとして、クライアント端末（ＳＴＡ）にデータ・フレームを送信する場合には、Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋによれば、アクセスポイントは、クライアントから送られてくるチャネル情報に基づいてビーム形成を行なう。

図１４には、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒから送信されるトレーニング信号によって励起されるチャネル行列をＢｅａｍｆｏｒｍｅｅ側で推定する様子を示している。但し、同図では、３本のアンテナを持つＳＴＡ−ＡをＢｅａｍｆｏｒｍｅｒとし、２本のアンテナを持つＳＴＡ−ＢをＢｅａｍｆｏｒｍｅｅとして、ＣＳＩフォーマットに基づいてフィードバックが行なわれる。また、以下の説明や数式において、添え字ＡＢはＳＴＡ−ＡからＳＴＡ−Ｂへの順方向の伝送を意味する。また、数字の添え字は該当する端末のアンテナ番号に相当する。

ＳＴＡ−Ａの各アンテナから送信されるトレーニング系列を（ｔ_AB1，ｔ_AB2，ｔ_AB3）とし、チャネルＨ_ABを経てＳＴＡ−Ａの各アンテナで受信される信号を（ｒ_BA1，ｒ_BA2）とおくと、以下の式で表される。

ここでチャネル行列Ｈ_ABは、２×３行列であり、以下のように表されるとする。但し、ｈ_ijは、ＳＴＡ−Ａのｊ番目のアンテナからＳＴＡ−Ｂのｉ番目のアンテナへのチャネル特性値とする。

このチャネル行列Ｈ_ABを特異値分解すると、下式の通りとなる。ここで、Ｕ_ABはＨ_ABＨ_AB ^Hの正規化された固有ベクトルを並べた行列であり、Ｖ_ABはＨ_AB ^HＨ_ABの正規化された固有ベクトルであり、Ｄ_ABはＨ_ABＨ_AB ^H又はＨ_AB ^HＨ_ABの固有ベクトルの平方根を対角要素として持つ対角行列である。また、Ｕ_ABとＶ_ABはユニタリ行列であり、その複素共役転置行列が互いの逆行列となっている。

ＳＴＡ−ＡがＳＴＡ−Ｂへ送信するフレームをビーム形成するために必要となる送信重み行列は、順方向のチャネル行列Ｈ_ABを特異値分解して得られる行列Ｖ_ABである。Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅは、ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを受信すると、これを空間ストリーム・トレーニングに分離し、推定チャネル行列Ｈ_ABを組み立てる。チャネル行列の各要素となっているＭＩＭＯチャネル係数値ｈ₁₁、ｈ₁₂…からなるＣＳＩを収集して、ＳＴＡ−Ａにフィードバックする。

ＳＴＡ−Ａの各アンテナにおける送信信号からなる送信ベクトルをｘとし、ＳＴＡ−Ｂでの受信信号をｙとすると、ビーム形成を行なわない（ｕｎ−ｓｔｅｅｒｅｄ）場合には、ｙ＝Ｈ_ABｘとなるが、送信重み行列Ｖ_ABでビーム形成を行なうと（ｓｔｅｅｒｅｄ）、受信信号ｙは下式の通りとなる。

よって、ＳＴＡ−Ｂ側では、Ｄ_AB ^-1Ｕ_AB ^Hを受信重みとして、各アンテナにおける受信信号からなる受信ベクトルに乗算することで、元のストリームに空間分離することができる。

図１５には、Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋによりアクセスポイントがクライアント端末にビーム形成を行なうフレーム交換手順を示している。

この処理手順は、アクセスポイントがＣＳＩフィードバック要求を含んだｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを送信することで開始する。

ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットには、チャネル行列を励起するトレーニング系列が含まれている。したがって、クライアント端末は、ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを受信すると、空間ストリーム・トレーニングを分離することでチャネル行列Ｈを推定して、ＣＳＩを収集する。そして、ＣＦＢ（ＣＳＩ ＦｅｅｄＢａｃｋ）メッセージとしてＣＳＩデータそのものをパケット内に含めて、アクセスポイントに返信する。

アクセスポイントは、受け取ったＣＦＢからビーム形成用の送信重み行列を計算し、それを送信信号に乗算することによって、ビーム形成したパケットをクライアント端末に送ることができる。ビーム形成することで、従来では届きにくかったところでも、高い伝送レートで通信を行なうことができるようになる。

上述したように、Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋでは、ＢｅａｍｆｏｒｍｅｒはＢｅａｍｆｏｒｍｅｅから推定チャネル行列に関する明示的なフィードバックを受けることができる。推定チャネル行列に関するフィードバックのフォーマットとして、ＭＩＭＯチャネル係数が送られる場合と、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅで計算されたビーム形成用の送信重み行列Ｖが送られる場合に大別される。

前者のフォーマットはＣＳＩ（Ｃｈａｎｎｅｌ Ｓｔａｔｅ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）と呼ばれ、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒ側では、受け取ったＣＳＩからチャネル行列Ｈを組み立てて特異値分解することにより自らビーム形成用の送信重み行列Ｖを計算する必要がある。

また、後者は、さらに、ビーム形成用の送信重み行列Ｖが非圧縮の形式で送られる場合と、圧縮形式で送られる場合に大別される。Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋによれば、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒ側における、チャネル行列を推定する処理負担、さらにはチャネル行列から送信重み行列を計算する処理負担が軽減される。

図１６には、ＥＷＣ提案仕様で規定されるＭＡＣフレームのＨＴ Ｃｏｎｔｒｏｌフィールドの構造を示している。このＨＴＣフィールドは３２ビットからなるが、このうち２２〜２３番目の設けられたＣＳＩ／Ｓｔｅｅｒｉｎｇフィールドでは、Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋにおいてＢｅａｍｆｏｒｍｅｅから受けるフィードバック方法を指定することができる（図１７を参照のこと）。

上述したように、Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋを行なうことにより、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒが送信フレームにビーム形成を施す処理負担が軽減される。しかしながら、ＢｅａｍｆｏｒｍｅｒとＢｅａｍｆｏｒｍｅｅ間でアンテナ本数若しくはサポートするストリーム数が不均一である場合には、ビーム形成時において幾つかの問題がある。

空間多重を行なうタイプの通信装置においては、チャネル行列Ｈの推定、ビーム形成用送信重み行列の計算、送信ベクトルに対するビーム形成用送信重み行列Ｖの乗算といった処理能力で許容される次元数は、自分が持つアンテナ本数に応じてデザインされるのが一般的である。このため、許容次元数を超えるアンテナ本数を持つＢｅａｍｆｏｒｍｅｒから送られたトレーニング信号を空間分離してチャネル行列を組み立てられない、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅからフィードバックされたチャネル行列からビーム形成用送信重み行列を計算できない、あるいはＢｅａｍｆｏｒｍｅｅからフィードバックされたビーム形成用送信重み行列を送信ベクトルに乗算できない、といった障害を起こす可能性がある。

まず、ＣＳＩフォーマットでＥｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋを行なう場合について考察してみる。

ＳＴＡ−Ａのアンテナ本数Ｎ≦ＳＴＡ−Ｂのアンテナ本数Ｍである場合、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅ側には特段の問題はないと思料する。図１８には、Ｎ＝２でＭ＝３の場合に、ＣＳＩフォーマットでＥｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋを行なう様子を示している。ＳＴＡ−ＢはＭストリームの処理能力を備えているはずであり、Ｎ個のストリームからなるトレーニング信号で励起されるＭ×Ｎのチャネル行列を推定することができ、これを収集したＣＳＩ情報をＳＴＡ−Ａにフィードバックすればよい。また、ＳＴＡ−Ａ側では、フィードバックされたＭ×Ｎのチャネル行列をＮ行の範囲に抑制して、Ｎ×Ｎの行列から特異値分解などによりビーム形成用の送信重み行列を計算することができる。

しかしながら、Ｎ＞Ｍの場合には問題がある。何故ならば、ＳＴＡ−ＢはＭ個までのストリームまでしか対応していない場合には、ＳＴＡ−Ａ側からＮ次元の空間チャネル行列を励起するｓｏｕｎｄｉｎｇパケットが送信されたにも拘らず、ＳＴＡ−ＢではそのうちのＭ個を用いたＭ×Ｍ次元の推定チャネル行列しか得ることができないからである。図１９には、Ｎ＝３でＭ＝２の場合に、ＣＳＩフォーマットでＥｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋを行なう様子を示している。

ＥＷＣ提案仕様では、Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋを適用する場合には、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅ側のｃａｐａｂｉｌｉｔｙの１つとしてチャネル推定最大次元に関する情報を報知するための仕組みが取り決められている。高速伝送に対応したＨＴ端末は、所定のマネジメント・フレームにＨＴ Ｃａｐａｂｉｌｉｔｙフィールドを含めることで、自分がＨＴ端末であることを宣言することが規定されている。

図２０には、ＨＴ Ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｅｌｅｍｅｎｔのフォーマットを示している。このうち、ＴｘＢＦ（Ｔｒａｎｓｍｉｔ Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ） ｃａｐａｂｉｌｉｔｙフィールドにおいて、ビーム形成に関する任意のＨＴ機能が指定される。図２１には、さらにＴｘ Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙフィールドの構成を示している。Ｔｘ Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙフィールドは３２ビットからなるが、このうち１９〜２０番目のビットはＣＳＩ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒ ａｎｔｅｎｎａｅに、２１〜２２番目のビットはＵｎｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｍａｔｒｉｘ ｏｆ ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒ ａｎｔｅｎｎａｅに、２３〜２４番目のビットはＣｏｍｐｒｅｓｓｅｄ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｍａｔｒｉｘ ｏｆ ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒ ａｎｔｅｎｎａｅに、それぞれ割り当てられている。これらのフィールドには、ＢｅａｍｆｏｒｍｅｅとしてそれぞれのフォーマットでＥｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋを行なう際に、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒから受信することができるｓｏｕｎｄｉｎｇパケットの空間次元数が記載される。

しかしながら、ＥＷＣ提案仕様では、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒがどのようなｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを送信すべきかを規定していないため、ＳＴＡ−Ｂが上述した仕組みにより自分の最大次元数を報知しても、依然としてＳＴＡ−ＡがＭ次元を超えるチャネルを励起するｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを送信する可能性があり、ＳＴＡ−Ｂに対してＭ×Ｎ次元のチャネル行列の推定を強要することになる。

このような問題を、ビーム形成の特性を劣化させることなく解決する１つの方法として、ＢｅａｍｆｏｒｍｅｅとしてのＳＴＡ−Ｂに、定格の最大アンテナ本数に対応するチャネル推定最大次元Ｍ_maxを与えること（例えばＩＥＥＥ仕様準拠であればＭ_max＝４）が考えられる。

例えば、ＳＴＡ−Ｂのアンテナ本数がＭ＝２で、定格の最大アンテナ本数がＮ_max＝４であるとき、ＳＴＡ−Ｂは自分とアンテナ本数を持つ端末との通信を想定して２×２までの行列計算しか想定していないのに、２×４の行列演算をしなければならなくなる。このような場合、２倍の演算量又は２倍の処理回路が必要になるから、装置の小型化、低価格化の障害となる。

同様のことが、ＣＳＩフォーマットではなくビーム形成用の送信重み行列ＶをフィードバックするＥｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋにおいても当てはまる。

ＳＴＡ−Ａのアンテナ本数Ｎ≦ＳＴＡ−Ｂのアンテナ本数Ｍである場合、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅ側には特段の問題はないと思料する。図２２には、Ｎ＝２でＭ＝３の場合に、Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋによりビーム形成用の送信重み行列Ｖをフィードバックする様子を示している。ＳＴＡ−ＢはＭストリームの処理能力を備えているはずであり、Ｎ個のストリームからなるトレーニング信号で励起されるＭ×Ｎのチャネル行列を推定することができ、その推定チャネル行列から特異値分解などによりビーム形成用のＮ×Ｍの送信重み行列Ｖを計算し、その送信重み行列情報をＳＴＡ−Ａにフィードバックすればよい。また、ＳＴＡ−Ａ側では、フィードバックされたビーム形成用の送信重み行列を用いてビーム形成することができる。

しかしながら、Ｎ＞Ｍの場合には問題がある。何故ならば、ＳＴＡ−ＢはＭ個までのストリームまでしか対応していない場合には、ＳＴＡ−Ａ側からＮ次元の空間チャネル行列を励起するｓｏｕｎｄｉｎｇパケットが送信されたにも拘らず、ＳＴＡ−ＢではそのうちのＭ個を用いたＭ×Ｍ次元の推定チャネル行列しか得ることができないからである。図２３には、Ｎ＝３でＭ＝２の場合に、Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋによりビーム形成用の送信重み行列Ｖをフィードバックする様子を示している。

ＥＷＣ提案仕様では、Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋを適用する場合には、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅ側のｃａｐａｂｉｌｉｔｙの１つとしてチャネル推定最大次元に関する情報を報知するための仕組みが取り決められている（前述）。しかしながら、ＳＴＡ−Ｂが上述した仕組みにより自分の最大次元数を報知しても、依然としてＳＴＡ−ＡがＭ次元を超えるチャネルを励起するｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを送信する可能性があり、ＳＴＡ−Ｂに対してＭ×Ｎ次元のチャネル行列の推定を強要することになる。

このような問題を、ビーム形成の特性を劣化させることなく解決する１つの方法として、ＢｅａｍｆｏｒｍｅｅとしてのＳＴＡ−Ｂに、定格の最大アンテナ本数に対応するチャネル推定最大次元Ｍ_maxを与えるとともに（例えばＩＥＥＥ仕様準拠であればＭ_max＝４）、得られたＭ_max×Ｎの推定チャネル行列に対してビーム形成用の送信重み行列を計算できる処理能力を与えることが考えられる。

例えば、ＳＴＡ−Ｂのアンテナ本数がＭ＝２で、定格の最大アンテナ本数がＮ_max＝４であるとき、ＳＴＡ−Ｂは自分とアンテナ本数を持つ端末との通信を想定して２×２までの行列計算しか想定していないのに、２×４の行列演算をしなければならなくなる。このような場合、２倍の演算量又は２倍の処理回路が必要になるから、装置の小型化、低価格化、低消費電力化の障害となる。

特開２００２−４４０５１号公報 Ａ．Ｂｅｎｊｅｂｂｏｕｒ，Ｈ．Ｍｕｒａｔａ ａｎｄ Ｓ．Ｙｏｓｈｉｄａ，"Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｉｔｅｒａｔｉｖｅ ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｓｐａｃｅ−ｔｉｍｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ"，Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ ＶＴＣ Ｓｐｒｉｎｇ，ｖｏｌ．２，ｐｐ．１２８７−１２９１，Ｒｈｏｄｅｓ，Ｇｒｅｅｃｅ，Ｍａｙ ２００１． Ａ．Ｂｅｎｊｅｂｂｏｕｒ，Ｈ．Ｍｕｒａｔａ ａｎｄ Ｓ．Ｙｏｓｈｉｄａ，"Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｏｒｄｅｒｅｄ ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅ ｒｅｃｅｉｖｅｒｓ ｆｏｒ ｓｐａｃｅ−ｔｉｍｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ"，Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ ＶＴＣ Ｆａｌｌ，ｖｏｌ．４，ｐｐ．２０５３−２０５７，Ａｔｌａｎｔｉｃ Ｃｉｔｙ，ＵＳＡ，ｓｅｐｔ．２００１． ｈｔｔｐ：／／ｒａｄｉｏ３．ｅｅ．ｕｅｃ．ａｃ．ｊｐ／ＭＩＭＯ（ＩＥＩＣＥ＿ＴＳ）.ｐｄｆ（平成１５年１０月２４日現在）

本発明の目的は、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒとして動作する端末が、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅとして動作する端末からフィードバックされる推定チャネル行列を基にビーム形成用の送信重み行列を好適に設定して、ビーム形成したパケットにより高い伝送レートで通信を行なうことができる、優れた無線通信システム、並びに無線通信装置及び無線通信方法を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、ＢｅａｍｆｏｒｍｅｒとＢｅａｍｆｏｒｍｅｅ間でアンテナ本数若しくはサポートするストリーム数が不均一である場合であっても、ビーム形成の特性を劣化させず、且つ、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅにおいてチャネル推定の処理能力やビーム形成用の行列の計算能力を高めることなく、Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋにより好適にビーム形成を行なうことができる、優れた無線通信システム、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、Ｎ本のアンテナを備えた第１の端末からＭ本のアンテナを備えた第２の端末へ空間多重されたストリームを用いてデータ伝送を行なう無線通信システムであって（但し、Ｎは２以上の整数で、Ｍは１以上の整数とする）、
前記第２の端末が持つチャネル行列推定時における最大次元Ｎ_maxを前記第１の端末に通知する通知手段と（但し、Ｎ_maxはＭ以下の整数）、
前記第１の端末から前記第２の端末へ、前記最大次元Ｎ_maxに対応したチャネルを励起するためのトレーニング系列を含んだパケットを送信するトレーニング手段と、
Ｎ＞Ｍとなる場合において、前記第２の端末の各アンテナにおいて受信したトレーニング系列をＮ_max本以下のストリームに分離して行数がＭで列数がＮ_max以下となるチャネル行列を推定するチャネル行列推定手段と、
前記第２の端末において推定されたチャネル行列を基に、前記第１の端末においてビーム形成用送信重み行列を算出するために必要となるビーム形成用情報を作成して、前記第２の端末から前記第１の端末にフィードバックするビーム形成用情報フィードバック手段と、
前記第２の端末から前記第１の端末にフィードバックされたビーム形成用情報に基づいて、前記第１の端末から前記第２の端末へのデータ伝送時におけるビーム形成用の送信重み行列を設定する送信重み行列設定手段と、
前記第１の端末から前記第２の端末へデータ・パケットを送信する際に、送信信号に前記のビーム形成用の送信重み行列を用いて前記第１の端末の各アンテナをビーム形成するビーム形成手段と、
を具備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（以下、同様）。

無線通信の高速化を実現する技術の１つとして、送信機側と受信機側の双方において複数のアンテナ素子を備え、空間多重したストリームを実現するＭＩＭＯ通信方式が知られている。特に、クローズドループ型のＭＩＭＯ通信システムでは、データ・パケット送信側の端末が、受信側の端末からの推定チャネル行列に関する情報のフィードバックに基づいてビーム形成を行なうことで、空間直交多重された論理的に独立した複数の伝送路を実現し、受信機側では元の複数の信号系列を全くクロストークなしに取り出すことができ、理論上は最高のパフォーマンスを達成する。

受信側の端末から送信側の端末へ、チャネル行列に関するフィードバックを行なう手順として、例えばＥＷＣ ＨＴ ＭＡＣ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎでは、“Ｉｍｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋ”と“Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋ”という２種類の手順を規定している。このうち、Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋでは、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒとして動作する第１の端末が、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅとして動作する第２の端末からフィードバックされるチャネル情報に基づくビーム形成用の送信重み行列を用いて送信パケットをビーム形成して通信を行なうものであり、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒ側においてビーム形成を行なうために必要となる処理負担が軽減される。

しかしながら、ＢｅａｍｆｏｒｍｅｒとＢｅａｍｆｏｒｍｅｅ間でアンテナ本数若しくはサポートするストリーム数が不均一である場合には、ビーム形成時において幾つかの問題がある。アンテナ本数が少ない端末側では、設計時に想定した以上の次元数でチャネル推定、送信重み行列の算出、送信重み行列の乗算を行なう必要が生じるからである。

具体的には、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒのアンテナ本数Ｎ＞Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅのアンテナ本数Ｍである場合、ＳＴＡ−ＢはＭ個までのストリームまでしか対応していないと、ＳＴＡ−Ａ側からＮ次元の空間チャネル行列を励起するｓｏｕｎｄｉｎｇパケットが送信されたにも拘らず、ＳＴＡ−ＢではＭ×Ｍ次元の推定チャネル行列までしか対応しておらず、推定チャネル行列を得ることができない。

そこで、本発明に係る無線通信システムでは、Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋに従ってビーム形成を行なう際には、第２の端末が持つチャネル行列推定時における最大次元Ｎ_maxを第１の端末に通知し、これに対し、第１の端末は、この最大次元Ｎ_maxに対応したチャネルを励起するためのトレーニング系列を含んだｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを送信するようになっている。ここで、「この最大次元Ｎ_maxに対応した」と言うのは、必ずしも励起する空間次元をＮ_maxに制限することを意味しない。典型的にはそのように構成されるが、より一般的に言うと、第２の端末がチャネルを推定する際に、Ｍ×Ｎ_maxを超えた次元の推定処理を行なわなくて済むようなフォーマットにすることを意味している。１つの例として、後述するｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットが挙げられる。この場合、全体として励起するチャネル次元はＮ（＞Ｎ_max）となるが、トレーニング系列はＮ_max次元のチャネルを励起する部分とそれ以外の（Ｎ−Ｎ_max）次元のチャネルを励起する部分とに分けられており、チャネルを推定する第２の端末においては、処理可能なＮ_maxの部分のみを用いてチャネル推定を行なうことが可能である。すなわち、励起するチャネル空間次元はＮ_maxよりも大きな次元である場合であっても、第２の端末が持つチャネル行列推定時における最大次元Ｎ_maxを考慮して、その処理能力でもチャネル推定が可能であるように考慮されたｓｏｕｎｄｉｎｇパケットは、「この最大次元Ｎ_maxに対応した」に相当するものであると言うことができる。

すなわち、第１の端末は、第２の端末がチャネル行列を推定する処理能力に応じてｓｏｕｎｄパケットが励起するチャネルのストリーム数を抑制するので、第２の端末は自分が通知した最大次元数の範囲内でｓｏｕｎｄパケットを受信することが保証される。このような場合、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅとしての第２の端末におけるチャネル行列推定回路の規模を低減することができ、ひいては装置の低コスト化や低消費電力化を達成することできる。

第１の端末は、自局のストリーム本数相当の処理能力を備えるようにデザインされているはずであり、Ｎ×Ｎ次元以下のチャネル行列からビーム形成用送信重み行列を求める計算や、Ｎ×Ｎ次元以下のビーム形成用送信重み行列を送信ベクトルに乗算する処理能力は備えている。したがって、第２の端末からＣＳＩ情報すなわちＭ×Ｎ_maxのチャネル行列がフィードバックされる場合、第１の端末はビーム形成用送信重み行列を計算することができる。あるいは、チャネル行列から計算されたＭ×Ｎ_maxのビーム形成用送信重み行列が（圧縮又は非圧縮形式で）第２の端末からフィードバックされた場合であっても、自分の処理能力の範囲内でビーム形成用送信重み行列を送信ベクトルに乗算することができるので、問題はない。

ＥＷＣ提案仕様に則ったプロトコル上では、所定のマネジメント・フレームにおいて、Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋにおけるＢｅａｍｆｏｒｍｅｅとしてトレーニング系列を含んだパケットを受信する際の可能な最大の空間次元をｃａｐａｂｉｌｉｔｙとして記述する能力記述フィールドが定義されている。したがって、通知手段は、この能力記述フィールドを記載したマネジメント・フレームを用いて、第２の端末が持つチャネル行列推定時における最大次元Ｎ_maxを第１の端末に通知することができる。マネジメント・フレームとは、例えば、アクセスポイントがフレーム周期毎に報知するビーコン、Ｍｅａｓｕｒｅ Ｐｉｌｏｔ、クライアント端末からのアソシエーションの要求に対して返信するＡｓｓｓｉｃｉａｔｉｏｎ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ並びにＲｅ−ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ、クライアント端末からのＢＢＳ情報の要求に対して返信するＰｒｏｂｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ、あるいはクライアント端末（若しくはアクセスポイント以外の通信局）がネットワーク・アソシエーション要求するためのＡｓｓｓｉｃｉａｔｉｏｎ Ｒｅｑｕｅｓｔ並びにＲｅ−ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ Ｒｅｑｕｅｓｔ、アクセスポイントに対してＢＢＳ情報を要求するためのＰｒｏｂｅ Ｒｅｑｕｅｓｔなどのタイプの伝送フレームである。したがって、第２の端末がアクセスポイント又はクライアント端末のいずれとして動作する場合であっても、通知手段は通知を行なうことができる。

また、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒは、チャネルを励起するためのトレーニング系列を含んだｓｏｕｎｄｉｎｇパケットの中にＣＳＩ情報を要求する信号を含めることができる。具体的には、ＭＡＣフレームのＨＴ Ｃｏｎｔｒｏｌフィールド内に設けられたＣＳＩ／Ｓｔｅｅｒｉｎｇフィールドで、Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋにおいてＢｅａｍｆｏｒｍｅｅから受けるフィードバック方法を指定することで、ＣＳＩ情報を要求することができる。したがって、トレーニング手段は、チャネルを励起するためのｓｏｕｎｄｉｎｇパケットの中に第１の端末から第２の端末に対してチャネル情報のフィードバックを要求する要求信号を含めることができる。

また、ＥＷＣ提案仕様では、ｓｏｕｎｄｉｎｇ専用、すなわちチャネルを励起するためのトレーニング系列を含んだＰＨＹヘッダ部のみからなり、ＭＡＣフレームを持たないＺＬＦ（Ｚｅｒｏ Ｌｅｎｇｔｈ Ｆｒａｍｅ）（ＮＤＰ（Ｎｕｌｌ Ｄａｔａ Ｐａｃｋｅｔ）とも呼ぶ。以下では「ＺＬＦ」と統一する）が規定されている。ＺＬＦはＭＡＣヘッダを持たないから、ＨＴ ＣｏｎｔｒｏｌフィールドでＣＳＩ情報の要求を行なうことができない。この場合、トレーニング手段は、ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットの中にＣＳＩ情報を要求する信号を含めるのではなく、それに先立って伝送される通常のパケット内のＨＴ ＣｏｎｔｒｏｌフィールドでＣＳＩ情報の要求を行なうようにすればよい。

また、第１の端末から第２の端末へ、データ部分の空間分離処理に使用するトレーニング信号部分と、データのストリーム数以上の空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号を時間的に分離したｓｔａｇｇｅｒｅｄフォーマットでｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを送信することによって、チャネル行列の推定に必要な演算量を間引くことができる。

具体的には、第１の端末は、ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを、データ部分の空間分離処理に使われるトレーニング信号部分ではＮ_max個の空間次元のチャネルを励起し、残りの（Ｎ−Ｎ_max）個の空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号を信号自体の空間分離には無関係となるようにする。

このような場合、第２の端末は、ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを受信した際に、データ部分の空間分離処理に使われるトレーニング信号部分では励起されたＮ_max個の空間次元のチャネルに対してＭ×Ｎ_maxのチャネル行列を推定するが、残りの（Ｎ−Ｎ_max）個の空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号を全く処理する必要はない。また、残りの（Ｎ−Ｎ_max）個のチャネルを励起するためにトレーニングの後半に付けられた部分を処理しなくても、チャネル推定やデータ・シンボル復調にも差し支えない。

ここで、第１の端末が第２の端末が許容する最大次元Ｎ_max以下に抑制したストリームでｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを送信する際に、送信ストリーム毎に１本のアンテナ・ブランチを割り当てるｄｉｒｅｃｔ ｍａｐｐｉｎｇを行なうと、ビーム形成の効果が低下するという問題がある。何故ならば、第１の端末において、せっかくＮ本のアンテナを備えているにも拘らず、それらが全く使われることがなく、本来はＭ×Ｎのチャネル行列に対してビーム形成すべきところをＭ×Ｎ_maxに次元数を抑制して計算するので、ビーム利得が小さくなり、送信ダイバーシティ利得まで落としてしまうことになる。また、送信に使用されるＮ_max本のアンテナ・ブランチの送信電力は大きくならざるを得ず、送信段における信号の歪が大きくなることも懸念される。

そこで、第１の端末は、ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットの次元数を抑制する際に、例えば空間拡張（ｓｐａｃｅ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）などの方法により、Ｎ_max本の空間ストリームをＮ本すべての送信アンテナ・ブランチに割り当てる変換を行なうようにして、送信ダイバーシティの分だけ、特性の低下を補うようにしてもよい。例えば、第２の端末から指定されたＮ_max次元のｓｏｕｎｄｉｎｇパケットに対して、Ｎ×Ｎ_maxのマッピング行列を乗算することで、Ｎ本の送信アンテナ・ブランチに割り当てることができる。

また、マッピング行列の乗算のみでは、送信アンテナ・ブランチ間の相関がまだ十分には低くならない可能性がある。そこで、第１の端末では、マッピング行列を乗算した後の各送信アンテナ・ブランチに異なるサイクリック・シフト遅延量を与えるようにしてもよい。異なる空間ストリームを通して同一又は類似する信号が伝送される際に意図しないビームが形成されるおそれがあるが、異なるサイクリック・シフト遅延量を与えることで、送信アンテナ・ブランチ間の相関を低減し、希望していない指向特性の発生を低減することができる。但し、ここで言うサイクリック・シフト遅延とは、ＯＦＤＭシンボルの時間軸波形の一部を切り取ってそれを反対側の端につなぎ合わせるという操作（周波数軸上での位相回転に相当）のことであり（図１０を参照のこと）、送信アンテナ・ブランチ間で送信タイミングを単純に遅らせることとは相違する。

また、第１の端末において、Ｎ_max本の空間ストリームをＮ本すべての送信アンテナ・ブランチに割り当てる変換を行なう場合に、図１１に例示したように、各送信アンテナ・ブランチに、サブキャリア単位で異なるマッピングを施すようにしてもよい。この場合、サブキャリア単位で見ると送信アンテナ・ブランチ間の相関が高いので、上述と同様に、サイクリック・シフト遅延と併用するようにしてもよい。

本発明によれば、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒとして動作する端末が、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅとして動作する端末からフィードバックされる推定チャネル行列を基にビーム形成用の送信重み行列を好適に設定して、ビーム形成したパケットにより高い伝送レートで通信を行なうことができる、優れた無線通信システム、並びに無線通信装置及び無線通信方法を提供することができる。

また、本発明によれば、ＢｅａｍｆｏｒｍｅｒとＢｅａｍｆｏｒｍｅｅ間でアンテナ本数若しくはサポートするストリーム数が不均一である場合であっても、ビーム形成の特性を劣化させず、且つ、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅにおいてチャネル推定の処理能力やビーム形成用の行列の計算能力を高めることなく、Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋにより好適にビーム形成を行なうことができる、優れた無線通信システム、並びに無線通信装置及び無線通信方法を提供することができる。

本発明に係る無線通信システムによれば、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒのアンテナ本数の方がＢｅａｍｆｏｒｍｅｅのアンテナ本数よりも多い場合であっても、ＣＳＩ情報又はビーム形成用送信重み行列をフィードバックするＥｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋを行なう際、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒから送信するｓｏｕｎｄパケットの次元数をＢｅａｍｆｏｒｍｅｅ側の処理能力に応じて抑制することによって、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅとなる通信端末の回路的な複雑さや消費電力を低減することができる。

また、本発明によれば、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒ側から送信するｓｏｕｎｄｉｎｇパケットの次元数を抑制する際に、送信ストリームをすべての送信アンテナ・ブランチに割り当てることによって、送信ダイバーシティ効果をある程度まで保ったままビーム形成を行なうことができる。

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。

本発明に係る無線通信システムは、クローズドループ型でＭＩＭＯ通信を行なうが、具体的には、チャネル行列に関するフィードバックを行なう手順として、例えばＥＷＣ ＨＴ ＭＡＣ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎで規定されている“Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋ”手順に従って送信側の端末がビーム形成を行なう。Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋでは、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒが、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅからフィードバックされる推定チャネル行列を基に求められたビーム形成用の送信重み行列を用いて送信パケットをビーム形成して通信を行なう。

ところが、端末装置は一般的に自分が持つアンテナ本数を前提にして、チャネル推定を行なう処理能力や、ビーム形成用の行列を計算する処理能力が与えられるので、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒの方のアンテナ本数が多い場合には、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒからｓｏｕｎｄパケットを送信してチャネルを励起しても、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅにとって空間次元数が過大であるために、空間ストリーム・トレーニングに分離してチャネル行列を推定することができない、あるいは推定チャネル行列からビーム形成用の行列を求めることができない可能性がある。

そこで、本発明に係る無線通信システムでは、Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋに従ってビーム形成を行なう際には、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅが持つチャネル行列推定時における最大次元Ｎ_maxをＢｅａｍｆｏｒｍｅｒに通知し、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒから送信するｓｏｕｎｄｉｎｇパケットで励起し、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅ側で推定しなければならないチャネルの空間次元数をこの最大次元Ｎ_max以下に抑制するようになっている。したがって、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅは、自分のｃａｐａｂｉｌｉｔｙの範囲内でｓｏｕｎｄパケットを受信することが保証されるので、チャネル行列推定回路の規模を低減することができ、ひいては装置の低コスト化や低消費電力化を達成することできる。

図１Ａには、本発明に係るＥｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋの動作手順を模式的に示している。但し、ＢｅａｍｆｏｒｍｅｒとしてのＳＴＡ−Ａのアンテナ本数は３で、ＢｅａｍｆｏｒｍｅｅとしてのＳＴＡ−Ｂのアンテナ本数及びビーム形成用の送信重み行列計算時の最大の空間次元数はともに２本とする。また、図示の手順は、ＥＷＣ ＭＡＣ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎに則って行なわれるものとする。

ＳＴＡ−Ｂは、チャネル行列推定時における最大次元数２をＳＴＡ−Ａに事前に通知しておく。ＳＴＡ−Ａは、ＳＴＡ−Ｂが推定しなければならないチャネルの空間次元数を２×２に抑制したフォーマットでチャネルを励起し、２ストリームを用いてＳＴＡ−Ｂに対してｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを送信する。

ＳＴＡ−Ｂは、このｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを自分のｃａｐａｂｉｌｉｔｙの範囲内で受信するので、２×２の順方向推定チャネル行列を問題なく生成することができる。そして、この推定チャネル行列の係数からなるＣＳＩ情報を作成して、２ストリームを用いてＳＴＡ−Ａにフィードバックする。

ＳＴＡ−Ａでは、このＣＳＩ情報フィードバックを３本のアンテナで受信するので、３×２の空間次元で受信することになるが、自局のストリーム本数相当の処理能力を備えるようにデザインされているはずであるから、正しく処理することができる。また、ＣＳＩ情報から２×２のチャネル行列を取り出すと、特異値分解などの計算を行なうことで、２×２のビーム形成用送信重み行列Ｖを問題なく求めることができる。

そして、ＳＴＡ−Ａは、データ・パケットを送信する際には、２次元の送信ベクトルに２×２のビーム形成用送信重み行列Ｖを乗算してビーム形成を施し、２本の送信ストリームとして伝送する。あるいは、２本の送信ストリームを空間拡張などにより３本のアンテナにマッピングして、送信ダイバーシティ効果をある程度まで保ったままビーム形成を行なう。

以降、ＳＴＡ−Ａがビーム形成を行なう度に、ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットの要求と、ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットの受信によるチャネル推定とビーム形成用送信重み行列の計算が繰り返し行なわれる。

このように、ＳＴＡ−Ｂは、自分のｃａｐａｂｉｌｉｔｙの範囲内でｓｏｕｎｄパケットを受信することが保証されるので、チャネル行列推定回路の規模を低減することができ、ひいては装置の低コスト化や低消費電力化を達成することできる。

また、図１Ｂには、ＣＳＩ情報ではなくビーム形成用送信重み行列Ｖをフィードバックする場合のＥｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋの動作手順を模式的に示している。但し、ＳＴＡ−Ａのアンテナ本数は３で、ＳＴＡ−Ｂのアンテナ本数及びビーム形成用の送信重み行列計算時の最大の空間次元数はともに２本とする。

ＳＴＡ−Ｂは、チャネル行列推定時における最大次元数２をＳＴＡ−Ａに事前に通知しておく。ＳＴＡ−Ａは、ＳＴＡ−Ｂが推定しなければならないチャネルの空間次元数を２×２に抑制したフォーマットでチャネルを励起し、２ストリームを用いてＳＴＡ−Ｂに対してｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを送信する。

ＳＴＡ−Ｂは、このｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを自分のｃａｐａｂｉｌｉｔｙの範囲内で受信するので、２×２の順方向推定チャネル行列を問題なく生成することができる。そして、２×２のチャネル行列から、特異値分解などの計算を行なうことで、２×２のビーム形成用送信重み行列Ｖを求めて、２ストリームを用いてＳＴＡ−Ａにフィードバックする。

ＳＴＡ−Ａでは、このフィードバック情報を３本のアンテナで受信するので、３×２の空間次元で受信することになるが、自局のストリーム本数相当の処理能力を備えるようにデザインされているはずであるから、正しく処理して、ビーム形成用送信重み行列Ｖを取り出す。

そして、ビーム形成用送信重み行列Ｖの空間次元数２×２は３本のアンテナを持つＳＴＡ−Ａにとって想定されるｃａｐａｂｉｌｉｔｙの範囲内であるから、データ・パケットを送信する際には、２次元の送信ベクトルに２×２のビーム形成用送信重み行列Ｖを問題なく乗算することができ、ビーム形成を施して２本の送信ストリームとして伝送する。あるいは、２本の送信ストリームを空間拡張などにより３本のアンテナにマッピングして、送信ダイバーシティ効果をある程度まで保ったままビーム形成を行なう。

以降、ＳＴＡ−Ａがビーム形成を行なう度に、ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットの要求と、ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットの受信によるチャネル推定とビーム形成用送信重み行列の計算が繰り返し行なわれる。

このように、ＳＴＡ−Ｂは、自分のｃａｐａｂｉｌｉｔｙの範囲内でｓｏｕｎｄパケットを受信することが保証されるので、チャネル行列推定回路の規模を低減することができ、ひいては装置の低コスト化や低消費電力化を達成することできる。

図１Ａ及び図１Ｂに示した動作手順ではいずれも、ＳＴＡ−Ｂは、チャネル行列推定時における最大次元数２をＳＴＡ−Ａに通知する必要がある。ＥＷＣ提案仕様では、Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋを適用する場合には、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅ側のｃａｐａｂｉｌｉｔｙの１つとしてチャネル推定最大次元に関する情報を報知するための仕組みが取り決められており、これを利用することができる。

ＥＷＣ提案仕様では、高速伝送に対応したＨＴ端末は、ＨＴ Ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｅｌｅｍｅｎｔを送信することで、自分がＨＴ端末であることを宣言することが規定されている。ＨＴ端末は、所定のマネジメント・フレームにＨＴ Ｃａｐａｂｉｌｉｔｙフィールドを含めることができ、ＨＴ Ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｅｌｅｍｅｎｔによってＨＴ機能のうち任意となっている要素を宣言するようになっている。

ＨＴ Ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｅｌｅｍｅｎｔのフォーマット（図２０を参照のこと）に含まれるＴｘＢＦ（Ｔｒａｎｓｍｉｔ Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ） ｃａｐａｂｉｌｉｔｙフィールドにおいて（図２１を参照のこと）、ビーム形成に関する任意のＨＴ機能が指定される。

Ｔｘ Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙフィールドは３２ビットからなるが、このうち１９〜２０番目のビットはＣＳＩ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒ ａｎｔｅｎｎａｅに、２１〜２２番目のビットはＵｎｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｍａｔｒｉｘ ｏｆ ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒ ａｎｔｅｎｎａｅに、２３〜２４番目のビットはＣｏｍｐｒｅｓｓｅｄ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｍａｔｒｉｘ ｏｆ ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒ ａｎｔｅｎｎａｅに、それぞれ割り当てられている。これらのフィールドには、ＢｅａｍｆｏｒｍｅｅとしてそれぞれのフォーマットでＥｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋを行なう際に、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒから受信することができるｓｏｕｎｄｉｎｇパケットの空間次元数が記載される。

ＨＴ Ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｅｌｅｍｅｎｔは、所定のマネジメント・フレームに含めることができる。例えば、ＳＴＡ−Ｂがアクセスポイントとして動作する場合には、フレーム周期毎に報知するビーコン、Ｍｅａｓｕｒｅ Ｐｉｌｏｔ、クライアント端末からのアソシエーションの要求に対して返信するＡｓｓｓｉｃｉａｔｉｏｎ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ並びにＲｅ−ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ、クライアント端末からのＢＢＳ情報の要求に対して返信するＰｒｏｂｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅなどのタイプの伝送フレームにＨＴ Ｃａｐａｂｉｌｉｔｙフィールドを含めることで、ＳＴＡ−Ｂが運営するネットワークに参入中のＳＴＡ−ＡにＣＳＩ情報の次元数を通知することができる。また、ＳＴＡ−Ｂがクライアント端末（若しくはアクセスポイント以外の通信局）として動作する場合には、アクセスポイントとして動作するＳＴＡ−Ａに対してネットワーク・アソシエーション要求するためのＡｓｓｓｉｃｉａｔｉｏｎ Ｒｅｑｕｅｓｔ並びにＲｅ−ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ Ｒｅｑｕｅｓｔ、アクセスポイントに対してＢＢＳ情報を要求するためのＰｒｏｂｅ Ｒｅｑｕｅｓｔなどのタイプの伝送フレームにＨＴ Ｃａｐａｂｉｌｉｔｙフィールドを含めることができる。したがって、ＳＴＡ−Ｂはアクセスポイント又はクライアント端末のいずれとして動作する場合であっても、ＨＴ Ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｅｌｅｍｅｎｔを送信することによって、ＣＳＩ情報で許容される最大の次元数をＳＴＡ−Ｂに通知することができる。

図１Ａ及び図１Ｂに示したビーム形成手順では、ＢｅａｍｆｏｒｍｅｒとしてのＳＴＡ−Ａは、チャネルを励起するためのトレーニング系列を含んだｓｏｕｎｄｉｎｇパケットの中にＣＳＩ情報を要求する信号を含めている。具体的には、ＭＡＣフレームのＨＴ Ｃｏｎｔｒｏｌフィールド（図１６を参照のこと）内に設けられたＣＳＩ／Ｓｔｅｅｒｉｎｇフィールドで、Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋにおいてＢｅａｍｆｏｒｍｅｅから受けるフィードバック方法を指定することができる（図１７を参照のこと）。

また、ＥＷＣ提案仕様では、ｓｏｕｎｄｉｎｇ専用、すなわちチャネルを励起するためのトレーニング系列を含んだＰＨＹヘッダ部のみからなり、ＭＡＣフレームを持たないＺＬＦ（Ｚｅｒｏ Ｌｅｎｇｔｈ Ｆｒａｍｅ）が規定されている。ＺＬＦはＭＡＣヘッダを持たないから、ＨＴ ＣｏｎｔｒｏｌフィールドでＣＳＩ情報の要求を行なうことができない。このような場合には、ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットの中にＣＳＩ情報を要求する信号を含めるのではなく、それに先立って伝送される通常のパケット内のＨＴ ＣｏｎｔｒｏｌフィールドでＣＳＩ情報の要求を行なうようにすればよい。

図４Ａには、ＺＬＦパケットの送信動作の一例を示している。図示のように、ＺＬＦパケットは、通常のデータ・パケットを送信してから、短いフレーム間隔（ＳＩＦＳ（Ｓｈｏｒｔ Ｉｎｔｅｒ Ｆｒａｍｅ Ｓｐａｃｅ）又はＲＩＦＳ（Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｉｎｔｅｒ Ｆｒａｍｅ Ｓｐａｃｅ））が経過した後に伝送される。通常のデータ・パケットに含まれるＭＡＣヘッダ内のＨＴ Ｃｏｎｔｒｏｌフィールドにおいて、ＣＳＩ／Ｓｔｅｅｒｉｎｇを指定することで、後続のＺＬＦパケットに対するＣＳＩ要求を行なうようにすればよい。

図４Ｂに示す例では、ＳＴＡ−Ａは、即時応答（Ｉｍｍｅｄｉａｔｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ）を要求するデータ・フレームにおいてＣＳＩ情報のフィードバックを要求するが、その中でＺＬＦを続けて伝送することを宣言する。ＳＴＡ−Ｂが即時応答に応じてＡＣＫを返すと、ＳＴＡ−Ａは、ＡＣＫを受信してからＳＩＦＳが経過した後に、ＺＬＦを送信する。

これまでに、ＳＴＡ−ＡはＳＴＡ−Ｂが持つ処理能力に応じて励起するチャネルの空間次元数を抑制してｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを送信することについて述べてきた。チャネルの空間次元数を抑制する１つのパケット伝送方法として、ｓｔａｇｇｅｒｅｄフォーマットを挙げることができる。

ｓｔａｇｇｅｒｅｄパケットは、データ部分の空間分離処理に使用するトレーニング信号部分と、データのストリーム数以上の空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号を時間的に分離したパケット構造を持ち、受信側では、チャネル行列の推定に必要な演算量を間引くことができる。

ＳＴＡ−Ａは、ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを、データ部分の空間分離処理に使われるトレーニング信号部分ではＳＴＡ−Ｂの処理能力に相当するＮ_max個の空間次元のチャネルを励起し、残りの（Ｎ−Ｎ_max）個の空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号を信号自体の空間分離には無関係となるようにする。この場合、ＳＴＡ−Ｂは、ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを受信した際に、データ部分の空間分離処理に使われるトレーニング信号部分ではＮ個の空間次元のチャネルを励起してＭ×Ｎ_maxのチャネル行列を推定するが、残りの（Ｎ−Ｎ_max）個の空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号を全く処理する必要はない。また、残りの（Ｎ−Ｎ_max）個のチャネルを励起するためにトレーニングの後半に付けられた部分を処理しなくても、チャネル推定やデータ・シンボル復調にも差し支えない。

ここで、ｓｔａｇｇｅｒｅｄフォーマットのｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを用いる場合のＥｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋの手順について説明する。但し、説明の簡素化のため、各ストリームがそれぞれのアンテナ・ブランチに直接割り当てられる（ｄｉｒｅｃｔ ｍａｐｐｉｎｇ）例を採り上げるが、本発明の要旨はこれに限定されるものではない。

図５には、３本のアンテナを持つＢｅａｍｆｏｒｍｅｅから１ストリーム分のデータを送信する際のｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットのフォーマット例を示している。

ＨＴ−ＳＴＦ（Ｓｈｏｒｔ Ｔｒａｉｎｉｎｇ Ｆｉｅｌｄ）は、ＭＩＭＯシステムにおけるＡＧＣ（自動利得制御）を向上するためのトレーニング・シンボルであり、ＱＰＳＫ変調された５２トーンのＯＦＤＭ信号からなる。また、ＨＴ−ＬＴＦ（Ｌｏｎｇ Ｔｒａｉｎｉｎｇ Ｆｉｅｌｄ）は、受信機側で空間変調された入力信号毎にチャネル推定を行なうためのトレーニング・シンボルであり、ＢＰＳＫ変調された５６トーンからなるＯＦＤＭ信号からなる。いずれもＥＷＣ提案仕様のＨＴモードにおいて定義されたトレーニング信号である。なお、３本目のアンテナから同時に送信するＨＴ−ＬＴＦ内に書き込まれている−４００ｎｓｅｃという値は、異なる空間ストリームを通して同一又は類似する信号が伝送される際に意図しないビーム形成を回避するために設けられたサイクリック・シフト遅延量であり、３本目のアンテナから送られるＯＦＤＭシンボルの時間軸波形を−４００ナノ秒だけシフトさせて繋ぎ合わせている。

図５に示す例では、１本のストリームにおいてデータ・ストリームを持つフォーマットで送信する一方、これとは時間的に分離して、データ部分の空間分離処理に使用されない他の２本のアンテナからは残りの空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号が送信されている。

また、図６には、４本のアンテナを持つＢｅａｍｆｏｒｍｅｅから１ストリーム分のデータ送信する際のｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットのフォーマット例を示している。図示の例では、１本のストリームにおいてデータ・ストリームを持つフォーマットで送信する一方、これとは時間的に分離して、データ部分の空間分離処理に使用されない他の３本のアンテナからは残りの空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号が送信されている。現在のＥＷＣ提案仕様では、３ストリーム分のトレーニングには４個のＨＴ−ＬＴＦを用いることが規定されている。

また、図７には、３本のアンテナを持つＢｅａｍｆｏｒｍｅｅから２ストリーム分のデータ送信する際のｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットのフォーマット例を示している。図示の例では、２本のストリームにおいてデータ・ストリームを持つフォーマットで送信する一方、これとは時間的に分離して、データ部分の空間分離処理に使用されない他の１本のアンテナからは残りの空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号が送信されている。

また、図８には、４本のアンテナを持つＢｅａｍｆｏｒｍｅｅから２ストリーム分のデータ送信する際のｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットのフォーマット例を示している。図示の例では、２本のストリームにおいてデータ・ストリームを持つフォーマットで送信する一方、これとは時間的に分離して、データ部分の空間分離処理に使用されない他の２本のアンテナからは残りの空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号が送信されている。

また、図９には、４本のアンテナを持つＢｅａｍｆｏｒｍｅｅから３ストリーム分のデータ送信する際のｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットのフォーマット例を示している。図示の例では、３本のストリームにおいてデータ・ストリームを持つフォーマットで送信する一方、これとは時間的に分離して、データ部分の空間分離処理に使用されない他の１本のアンテナからは残りの空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号が送信されている。現在のＥＷＣ提案仕様では、３ストリーム分のトレーニングには４個のＨＴ−ＬＴＦを用いることが規定されている。

図５〜図９から分るように、アンテナ本数が２本で推定可能な最大のストリーム数が２本の無線通信装置にとって、ｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットの構造が図５、図７、図８に示す構造をしている限り、パケットのデータ部（ペイロード）を受信することは勿論、必要なチャネル行列の推定を行なうことは設計時に想定されている処理能力の範囲の範囲内である。なお、図６は、１ストリーム用のｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットであるが、本発明を適用するには相応しくない。

また、アンテナ本数が３本で、且つ最大受信可能なストリーム数が３本である無線通信装置にとって、図５〜図９に示したｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを受信することは勿論、必要なチャネル行列の推定を行なうことは、設計時に想定される処理能力の範囲内である。最大受信可能なストリーム数が３本である無線通信装置にとって、４個のＨＴ−ＬＴＦを受信し、そこから３ストリーム分のチャネル推定を行なうことは、仕様上は本来要求されており、いずれも装置構造上の問題ないと思料される。

図５〜図９から分るように、ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットの送信元（すなわち、Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋでＢｅａｍｆｏｒｍｅｒとして動作する端末）におけるアンテナ本数Ｎが、ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットの送信先（すなわち、Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋでＢｅａｍｆｏｒｍｅｅとして動作する端末）におけるアンテナ数Ｍよりも大きい場合には、ｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｆｏｒｍａｔを好適に活用することにより、ＢｅａｍｆｏｒｍｅｅはＮストリーム分のチャネル推定を行なわなくても（すなわち、Ｍ×Ｎのチャネル行列を作成することなしに）、必要なＭストリームだけを選択的に推定することができる。

Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒが４本のアンテナを備え、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅが２本のアンテナを備えている場合、図６に示したようなフレーム・フォーマットのｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを用いても、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒでの回路負担を軽減することはできない。１本目のストリームのトレーニング（ＨＴ−ＬＴＦ）からチャネル推定を行なうには問題ないが、もう１本のストリームについてチャネル推定するためには、これとは時間的に分離して送られてくる、データ部分の空間分離処理に使用されない他の３本のストリームにおける各４個のＨＴ−ＬＴＦを計算する必要があるから、２本のストリームしかサポートしていないＢｅａｍｆｏｒｍｅｅにとって回路規模の増大を招来する。

また、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒが３本のアンテナを備え、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅが２本のアンテナを備えている場合、図５又は図７に示したフレーム・フォーマットのｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットが使用される。

Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒから図７に示したｓｏｕｎｄｉｎｇパケットが送信される場合には、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅ側では、データ部分の空間分離に使用される１〜２本目のアンテナの受信ストリームにおけるトレーニング信号部分を用いて、ビーム形成に必要となる２個の空間次元のチャネルを推定することができる。そして、これらとは時間的に分離して送られてくる、データ部分の空間分離に使用しない３〜４本目のアンテナの受信ストリームについては全く処理する必要はないので、２本のストリームしかサポートしていないＢｅａｍｆｏｒｍｅｅにとって回路規模が増大するという不都合はない。３〜４本目のチャネルを励起するためにトレーニングの後半に付けられた部分を処理しなくても、チャネル推定やデータ・シンボル復調にも差し支えない。

他方、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒから図５に示したｓｏｕｎｄｉｎｇパケットが送信される場合には、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅ側では、まず、データ部分の空間分離に使用される１本目のアンテナの受信ストリームにおけるトレーニング信号部分を用いてチャネルを推定する。しかしながら、もう１本のストリームについてチャネル推定するためには、これとは時間的に分離して送られてくる、データ部分の空間分離処理に使用されない他の２本のストリームにおける各２個のＨＴ−ＬＴＦを計算する必要がある。２個のＨＴ−ＬＴＦから２×２行列のチャネル推定を行ない、残り１本のストリームのチャネル推定を行なうことも可能であるが、この場合は最初の１本のストリームに対するチャネル推定結果を別の場所にバッファしておく必要があるので、このようなバッファを必要としない図７の場合に比べ回路規模はやや増加する。

また、別の例として、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒが４本のアンテナを備え、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅが３本のアンテナを備えている場合、図６、図８、図９に示したフレーム・フォーマットのｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットが使用される。

図６並びに図８に示したフレーム・フォーマットのｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを使用した場合、上述と同様に、チャネル推定自体は問題なく行なわれるが、最初の１本若しくは２本のストリームに対するチャネル推定結果を別の場所にバッファしておく必要があるという問題がある。これに対し、図９に示したフレーム・フォーマットのｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを使用した場合には、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅ側では、データ部分の空間分離に使用される１〜３本目のアンテナの受信ストリームにおけるトレーニング信号部分を用いて、ビーム形成に必要となる２個の空間次元のチャネルを推定することができる。そして、これらとは時間的に分離して送られてくる、データ部分の空間分離に使用しない４本目のアンテナの受信ストリームについては全く処理する必要はないので、３本のストリームしかサポートしていないＢｅａｍｆｏｒｍｅｅにとって回路規模が増大するという不都合はない。４本目のチャネルを励起するためにトレーニングの後半に付けられた部分を処理しなくても、チャネル推定やデータ・シンボル復調にも差し支えない。

ところで、ＳＴＡ−ＡがＳＡＴ−Ｂが許容する最大次元Ｎ_max以下に抑制したストリームでｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを送信する際に、送信ストリーム毎の１本のアンテナ・ブランチを割り当てるｄｉｒｅｃｔ ｍａｐｐｉｎｇを行なうと、ビーム形成の効果が低下するという問題がある。何故ならば、ＳＴＡ−Ａにおいて、せっかくＮ本のアンテナを備えているにも拘らず、それらが全く使われることがなく、本来はＭ×Ｎのチャネル行列に対してビーム形成すべきところをＭ×Ｎ_maxに次元数を抑制して計算するので、ビーム利得が小さくなり、送信ダイバーシティ利得まで落としてしまうことになる。また、送信に使用されるＮ_max本のアンテナ・ブランチの送信電力は大きくならざるを得ず、送信段における信号の歪が大きくなることも懸念される。

このような問題に対し、ＳＴＡ−Ａは、ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットの次元数を抑制する際に、例えば空間拡張（ｓｐａｔｉａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）などの方法により、Ｎ_max本の空間ストリームをＮ本すべての送信アンテナ・ブランチに割り当てる変換を行なうようにして、送信ダイバーシティの分だけ、特性の低下を補うようにしてもよい。例えば、ＳＴＡ−Ｂから指定されたＮ_max次元のｓｏｕｎｄｉｎｇパケットに対して、Ｎ×Ｎ_maxのマッピング行列を乗算することで、Ｎ本の送信アンテナ・ブランチすべてに送信信号を割り当てることができる。

例えば、ＳＴＡ−Ａのアンテナ本数をＮ＝３、ＳＴＡ−Ｂのアンテナ本数をＭ＝２とした場合、ＳＴＡ−Ａからｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを伝送する際には２次元の送信ストリーム（ｓ₁，ｓ₂）に抑制されるが、例えば以下に示すようなマッピング行列Ｅを用いることで３本の送信アンテナに送信信号を割り当てることができる。

すなわち、ＳＴＡ−Ａにおいて、２次元の送信ストリーム（ｓ₁，ｓ₂）に３×２のマッピング行列Ｅを乗算することで３次元の送信ベクトルが得られる。そして、式（２）に示したような２×３次元からなるチャネルを伝搬することで、ＳＴＡ−Ｂ側では２次元のストリーム（ｒ₁，ｒ₂）として受信される。

但し、ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットの送信時にこのようなストリーム変換を行なった場合には、ビーム形成してデータ・ストリームを送る際にも同じマッピング行列Ｅを乗算する必要がある。

また、マッピング行列を用いて送信ストリームを各送信アンテナ・ブランチに割り当てる場合、各アンテナから送信される時点での各々の信号間の相関が強いことに起因して、希望していない指向特性が発生してしまうという典型的な問題がある。この問題を回避するには、アンテナ送信信号間での相関を低減するように、できるだけ直交した行列を用いることが好ましい。

例えば、２ストリームを４本の送信アンテナ・ブランチに割り当てる場合、以下に示すマッピング行列を乗算すればよい。

また、直交しない例として、例えば２ストリームを３本の送信アンテナ・ブランチに割り当てる場合に、以下に示すマッピング行列を乗算すればよい。

また、マッピング行列の乗算のみでは、送信アンテナ・ブランチ間の相関がまだ充分には低くならない可能性がある。そこで、ＳＴＡ−Ａでは、マッピング行列を乗算した後の各送信アンテナ・ブランチに異なるサイクリック・シフト遅延量を与えるようにしてもよい。異なる空間ストリームを通して同一又は類似する信号が伝送される際に意図しないビームが形成されるおそれがあるが、異なるサイクリック・シフト遅延量を与えることで、送信アンテナ・ブランチ間の相関を低減し、希望していない指向特性の発生を低減することができる。

例えば、ＯＦＤＭシンボルの有効シンボル長が３．２マイクロ秒程度であり、ガードインターバルが８００マイクロ秒程度であるような場合に、４本の各送信アンテナ・ブランチに対してそれぞれ０ナノ秒、５０ナノ秒、１００ナノ秒、１５０ナノ秒といったサイクリック・シフト遅延量を与えることにより、各アンテナからの送信信号間の相関を低減して、指向特性の発生を低減することができる。この場合のサイクリック・シフト遅延量は、行列形式で以下のように記述することができる。

上式において、Δ_Fはサブキャリア間隔であり、ｋはサブキャリアの通し番号を示す。このような行列を上述したマッピング行列Ｅに左から乗算することによって（マッピング乗算した後にサイクリック・シフト遅延を与えるという順番に相当する）、ストリームから送信アンテナ・ブランチへのマッピングを簡単に実現することができ、しかも、各アンテナからの送信信号の相互相関を低減して、非希望の指向特性の問題も軽減することができる。このような変換方式は、ＥＷＣ提案仕様で規定されている“ｓｐａｃｔｉａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ”（空間拡張）と呼ばれる。

なお、ここで言うサイクリック・シフト遅延とは、ＯＦＤＭシンボルの時間軸波形の一部を切り取ってそれを反対側の端につなぎ合わせるという操作（周波数軸上での位相回転に相当）のことであり（図１０を参照のこと）、送信アンテナ・ブランチ間で送信タイミングを単純に遅らせることとは相違する。

また、ＳＴＡ−Ａにおいて、Ｎ_max本の空間ストリームをＮ本すべての送信アンテナ・ブランチに割り当てる変換を行なう場合に、各送信アンテナ・ブランチに、サブキャリア単位で異なるマッピングを施すようにしてもよい。図１１には、ＳＴＡ−Ａのアンテナ本数をＮ＝３、ＳＴＡ−Ｂのアンテナ本数をＭ＝２とした場合の、サブキャリア単位で各送信アンテナへのマッピングを行なった一例を示している。この場合、サブキャリア単位で見ると送信アンテナ・ブランチ間の相関が高いので、上述と同様に、サイクリック・シフト遅延と併用するようにしてもよい。

図２及び図３には、図１に示した無線通信システムにおいて、ＳＴＡ−Ａ（若しくはＳＴＡ−Ｂ）として動作することができる無線通信装置の送信機及び受信機の構成をそれぞれ示している。ＳＴＡ−Ａのアンテナ本数はＮ（ＳＴＡ−Ｂのアンテナ本数はＭ）であり、Ｎ（若しくはＭ）は例えばＩＥＥＥ仕様準拠であれば最大４本であるが、各図では図面の錯綜を回避するため２本分のアンテナ・ブランチしか描いていない。

データ発生器１００から供給される送信データは、スクランブラ１０２においてスクランブルが掛けられる。次いで、符号化器１０４で誤り訂正符号化を施される。例えばＥＷＣ ＨＴ ＰＨＹ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎでは、スクランブル及び符号化方式はＩＥＥＥ８０２．１１ａの定義に従うと規定されている。そして、符号化信号はデータ振り分け器１０６に入力され、各送信ストリームに振り分けられる。

なお、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒとして動作する場合、Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋするときには、データ発生器１００は、ＣＳＩ情報を要求することを記載したＭＡＣフレームを生成する。また、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅとして動作しているときには、ＣＳＩ情報要求を受信したことに応答して、受信機側のチャネル行列推定部２１６ａにおいて推定されたチャネル行列を基にＣＳＩ情報を含むデータ・フレームを組み立てる。あるいは、推定チャネル行列から算出されたビーム形成用送信重み行列の係数からなる圧縮又は非圧縮形式のデータ・フレームを組み立てる。

各送信ストリームでは、ストリーム毎に与えられたデータレートに従って、送信信号をパンクチャ１０８によりパンクチャし、インタリーバ１１０によりインタリーブし、マッパー１１２によりＩＱ信号空間にマッピングして複素ベースバンド信号となる。ＥＷＣ ＨＴ ＰＨＹ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎでは、インタリーブ方式はＩＥＥＥ８０２．１１ａの定義を拡張し、複数ストリーム間で同一のインタリーブにならないような規定となっている。また、マッピング方式もＩＥＥＥ８０２．１１ａに従い、ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、１６ＱＡＭ、６４ＱＡＭを適用する。

セレクタ１１１は、インタリーブされた空間ストリーム毎の送信信号に、適当なタイミングでトレーニング系列を挿入して、マッパー１１２に供給する。トレーニング系列には、ＭＩＭＯシステムにおけるＡＧＣ（自動利得制御）を向上するためのＨＴ−ＳＴＦや、受信機側で空間変調された入力信号毎にチャネル推定を行なうためのＨＴ−ＬＴＦなどが含まれる。例えば、ＨＴ−ＬＴＦ内では、送信ストリーム毎のトレーニング系列をｓｔａｇｇｅｒｅｄフォーマットで挿入する。

送信信号にビーム形成を施す場合には、空間多重部１１４内では、ビーム形成用送信重み行列計算部１１４ａが特異値分解などの計算方法を用いてチャネル行列Ｈからビーム形成用の送信重み行列Ｖを算出し、送信重み行列乗算部１１４ｂは、各送信ストリームを要素とする送信ベクトルに、送信重み行列設定部１１４ａが設定した送信重み行列Ｖを乗算して、ビーム形成を施す。ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを送信する際には、送信信号にビーム形成を施さない。

送信重み行列設定部１１４ａは、ＢｅａｍｆｏｒｍｅｅからＣＳＩ情報がフィードバックされる場合には、ＣＳＩ情報を基にビーム形成用の送信重み行列Ｖを算出して、これを送信重み行列乗算部１１４ｂに設定する。また、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅから圧縮又は非圧縮形式のビーム形成用の送信重み行列Ｖがフィードバックされる場合には、これをそのまま送信重み行列乗算部１１４ｂに設定する。

高速フーリエ逆変換部（ＩＦＦＴ）１１５では、周波数領域に並んだ各サブキャリアを時間軸信号に変換する。

ストリーム数調整部１１６では、ＢｅａｍｆｏｒｍｅｅとしてのＳＴＡ−Ｂから通知された最大次元Ｎ_max以下に送信ストリームの本数を調整する。但し、ｄｉｒｅｃｔ ｍａｐｐｉｎｇを行なうと、ビーム形成の効果が低下するという問題があることから、Ｎ×Ｎ_maxのマッピング行列を乗算することで、Ｎ本の送信アンテナ・ブランチすべてに送信信号を割り当てて、送信ダイバーシティの分だけ、特性の低下を補うようにしてもよい。さらに、送信ブランチ毎に異なるサイクリック・シフト遅延量を与えて、希望していない指向特性の発生を低減するようにしてもよい。ストリーム数調整部１１６は、送信ベクトルにまずマッピング行列を乗算し、続いてサイクリック・シフト遅延用の行列を乗算するという構成で実現することができる。

続くガード挿入部１１８ではガードインターバルを付加する。そして、デジタル・フィルタ１２０にて帯域制限した後、ＤＡコンバータ（ＤＡＣ）１２２にてアナログ信号に変換し、ＲＦ部１２４にて適当な周波数帯にアップコンバートしてから、それぞれの送信アンテナからチャネルに送出される。

他方、チャネルを通して受信機に届いたデータは、それぞれの受信アンテナ・ブランチにおいて、ＲＦ部２２８でアナログ処理し、ＡＤコンバータ（ＡＤＣ）２２６によりデジタル信号に変換した後、デジタル・フィルタ２２４に入力される。

続いて、同期回路２２２にてパケット発見、タイミング検出、周波数オフセット補正などの処理が行なわれた後、データ送信区間の先頭に付加されたガードインターバルをガード除去部２２０により除去する。そして、高速フーリエ変換部（ＦＦＴ）２１８により時間軸信号が周波数軸信号となる。

空間分離部２１６内では、空間多重された受信信号の空間分離処理を行なう。具体的には、チャネル行列推定部２１６ａは、ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットのＰＨＹヘッダに含まれる空間ストリーム・トレーニングを分離して、トレーニング系列から推定チャネル行列Ｈを組み立てる。

アンテナ受信重み行列演算部２１６ｂは、チャネル行列推定部２１６ａで得られたチャネル行列Ｈを基にアンテナ受信重み行列Ｗを計算する。受信パケットがビーム形成されている場合には、推定チャネル行列は特異値分解した場合にＵＤと等しくなっており（式（３）を参照のこと）、これからアンテナ受信重みＷを計算する。但し、アンテナ受信重みＷの計算方法は特異値分解に限定されるものではなく、Ｚｅｒｏ ＦｏｒｃｉｎｇやＭＭＳＥなどの計算方法を用いることもできる。アンテナ受信重み行列乗算部２１６ｃは、各受信ストリームを要素とする受信ベクトルとアンテナ受信重み行列Ｗとの行列乗算を行なうことで空間多重信号の空間復号を行ない、ストリーム毎に独立した信号系列を得る。

また、Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋにおいてＢｅａｍｆｏｒｍｅｅとして動作するときには、チャネル行列推定部２１６ａで得られた推定チャネル行列ＨからＣＳＩ情報が組み立てられ、送信データとして送信機側からＢｅａｍｆｏｒｍｅｒにフィードバックされる。また、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒからは、ＣＳＩ情報ではなくビーム形成用送信重み行列Ｖが要求されている場合には、アンテナ受信重み行列演算部２１６ｂにおいて推定チャネル行列Ｈを特異値分解して得られた行列Ｖがフィードバックされる。

チャネル等化回路２１４は、ストリーム毎の信号系列に対し、さらに残留周波数オフセット補正、チャネル・トラッキングなどを施す。そして、デマッパー２１２はＩＱ信号空間上の受信信号をデマップし、デインタリーバ２１０はデインターリーブし、デパンクチャ２０８は所定のデータレートでデパンクチャする。

データ合成部２０６は、複数の受信ストリームを１本のストリームに合成する。このデータ合成処理は送信側で行なうデータ振り分けと全く逆の動作を行なうものである。そして、復号器２０４にて誤り訂正復号した後、デスクランブラ２０２によりデスクランブルし、データ取得部２００は受信データを取得する。

なお、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒとして動作する場合、Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋするときに、データ取得部２００で取得されたＣＳＩ情報、又は圧縮／非圧縮形式のビーム形成用送信重み行列Ｖは、送信機側の送信重み行列設定部１１４ａに渡される。

無線通信装置は、クローズドループ型のＭＩＭＯ通信においてデータ送信側の端末すなわちＢｅａｍｆｏｒｍｅｅとして動作する場合、自分が許容する最大次元Ｎ_maxをＢｅａｍｆｏｒｍｅｒに通知し、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒから送信するｓｏｕｎｄｉｎｇパケットで励起するチャネルの空間次元数をこの最大次元Ｎ_max以下に抑制するようになっている。したがって、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅは、自分のｃａｐａｂｉｌｉｔｙの範囲内でｓｏｕｎｄパケットを受信することが保証されるので、チャネル行列推定部２１６ａの回路規模を低減することができ、ひいては装置の低コスト化や低消費電力化を達成することできる。

図１２には、図２〜図３に示した無線通信装置が、Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋ手順に基づいてｉｎｔｉａｔｏｒすなわちＢｅａｍｆｏｒｍｅｒとして動作する場合の処理手順をフローチャートの形式で示している。但し、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒのアンテナ本数をＮとし、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅのアンテナ本数をＭとする。

まず、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅとして動作する送信先端末（ｒｅｃｅｉｖｅｒ）から、最大の空間次元数Ｎ_maxの通知を受信する（ステップＳ１）。以下では、Ｎ_max＝Ｍとする。ＨＴ Ｃａｐａｂｉｌｉｔｙフィールドを含んだビーコンやネットワーク・アソシエーションのメッセージなどのマネジメント・フレームを受信することで、この通知が行なわれる。

続いて、励起するチャネルの空間次元数をＭ×Ｍに抑制し、２ストリームを用いてＳＴＡ−Ｂに対してｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを送信して、ＣＳＩ情報又はビーム形成用送信重み行列Ｖのフィードバックを要求する（ステップＳ２）。

ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットのトレーニング信号部分ではＭ個の空間次元のチャネルを励起し、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅ側ではこれをＭ本のアンテナで受信するので、Ｍ×Ｍのチャネル行列を推定することができる。そして、ＣＳＩ情報要求に応じて、推定チャネル行列を基にＣＳＩ情報を作成し、これをデータ部分に乗せたパケットをＢｅａｍｆｏｒｍｅｒに返信する。あるいは、ビーム形成用送信重み行列Ｖのフィードバックが要求されている場合には、推定チャネル行列を特異値分解して、ビーム形成用送信重み行列Ｖの係数データを圧縮又は非圧縮形式で含んだパケットをＢｅａｍｆｏｒｍｅｒに返信する。

Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒは、ＣＳＩ情報を受信すると、チャネル行列を組み立てて（ステップＳ３）、順方向データ伝送時におけるビーム形成用の送信重み行列を求める（ステップＳ４）。あるいは、ステップＳ３では、ビーム形成用送信重み行列Ｖを受信し、ステップＳ４をスキップする。

そして、各アンテナからの送信信号を要素とする送信ベクトルにビーム形成用の送信重み行列を用いてビーム形成して、送信先端末に向けてデータ・パケットを送信する（ステップＳ５）。チャネル行列に基づいて送信アンテナ重みを掛けて送信先に向けた適切なビーム形成を行なうことによって、理想的な空間直交チャネルを作り出すことができる。

また、図１３には、図２〜図３に示した無線通信装置が、Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋ手順に基づいてｒｅｃｅｉｖｅｒすなわちＢｅａｍｆｏｒｍｅｅとして動作する場合の処理手順をフローチャートの形式で示している。但し、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒのアンテナ本数をＮとし、Ｂｅａｎｆｏｒｍｅｅのアンテナ本数をＭとする。

まず、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒとして動作する送信元端末（ｉｎｉｔｉａｔｏｒ）に対して、自分が処理することができるｓｏｕｎｄｉｎｇパケットの最大の空間次元数Ｎ_maxを通知する（ステップＳ１１）。以下では、Ｎ_max＝Ｍとする。ＨＴ Ｃａｐａｂｉｌｉｔｙフィールドを含んだビーコンやネットワーク・アソシエーションのメッセージなどのマネジメント・フレームを受信することで、この通知が行なわれる。

続いて、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒからｓｏｕｎｄｉｎｇパケットが送られてくると、そのトレーニング信号部分ではＭ個の空間次元のチャネルが励起される。Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅ側ではこれをＭ本のアンテナで受信して（ステップＳ１２）、Ｍ×Ｍのチャネル行列を推定する（ステップＳ１３）。

そして、推定チャネル行列からＣＳＩ情報を作成して、これを含んだデータ部分に含んだパケットをＢｅａｍｆｏｒｍｅｒに返信する（ステップＳ１４）。

あるいは、ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットでビーム形成用送信重み行列Ｖのフィードバックが要求されている場合には、ステップＳ１３では、推定チャネル行列を特異値分解して、ビーム形成用送信重み行列Ｖを求める。そして、ステップＳ１４では、ＣＳＩ情報ではなく、ビーム形成用送信重み行列Ｖの係数データを圧縮又は非圧縮形式で含んだパケットをＢｅａｍｆｏｒｍｅｒに返信する。

このように、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅは、自分のｃａｐａｂｉｌｉｔｙの範囲内でｓｏｕｎｄパケットを受信することが保証されるので、チャネル行列推定部２１６ａの回路規模を低減することができ、ひいては装置の低コスト化や低消費電力化を達成することできる。

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。

本明細書では、ＩＥＥＥ８０２．１１ｎにおけるＥＷＣ提案仕様に従うＭＩＭＯ通信システムに本発明を適用した実施形態を中心に説明してきたが、本発明の要旨はこれに限定されるものではない。Ｎ本のアンテナを備えた第１の端末からＭ本のアンテナを備えた第２の端末へ空間多重されたストリームを用いたＭＩＭＯ通信システムであって、ＢｅａｍｆｏｒｍｅｒがＢｅａｍｆｏｒｍｅｅからフィードバックされるチャネル情報を用いてビーム形成を行なうさまざまなタイプの通信システムに、本発明を好適に適用することができる。

また、本明細書では、主にＩＥＥＥ８０２．１１の拡張規格であるＩＥＥＥ８０２．１１ｎに適用した実施形態を中心に説明してきたが、本発明の要旨はこれに限定されるものではない。例えば、ＩＥＥＥ８０２．１６ｅをベースとしたＭｏｂｉｌｅ ＷｉＭａｘ（Ｗｏｒｌｄｗｉｄｅ Ｉｎｔｅｒｏｐｅｒａｂｉｌｉｔｙ ｆｏｒ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ）、移動体向けの高速無線通信規格であるＩＥＥＥ８０２．２０、６０ＧＨｚ（ミリ波）帯を使用する高速無線ＰＡＮ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）規格であるＩＥＥＥ８０２．１５．３ｃ、６０ＧＨｚ（ミリ波）帯の無線伝送を利用して非圧縮のＨＤ（Ｈｉｇｈ Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ）映像を伝送可能とするＷｉｒｅｌｅｓｓ ＨＤ、第４世代（４Ｇ）携帯電話など、ＭＩＭＯ通信方式を採用するさまざまな無線通信システムに対して、同様に本発明を適用することができる。

要するに、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、特許請求の範囲を参酌すべきである。

図１Ａは、本発明に係るＥｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋの動作手順（但し、ＣＳＩ情報をフィードバックする場合）を模式的に示した図である。 図１Ｂは、本発明に係るＥｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋの動作手順（但し、ビーム形成用送信重み行列をフィードバックする場合）を模式的に示した図である。 図２は、図１に示した無線通信システムにおいて、ＳＴＡ−Ａ（若しくはＳＴＡ−Ｂ）として動作することができる無線通信装置の送信機側の構成を示した図である。 図３は、図１に示した無線通信システムにおいて、ＳＴＡ−Ａ（若しくはＳＴＡ−Ｂ）として動作することができる無線通信装置の受信機側の構成を示した図である。 図４Ａは、ＺＬＦパケットの送信動作の一例を示した図である。 図４Ｂは、ＺＬＦパケットの送信動作の一例を示した図である。 図５は、ｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットのフォーマット例を示した図である。 図６は、ｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットのフォーマット例を示した図である。 図７は、ｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットのフォーマット例を示した図である。 図８は、ｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットのフォーマット例を示した図である。 図９は、ｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットのフォーマット例を示した図である。 図１０は、ＯＦＤＭシンボルにサイクリック・シフト遅延を与える様子を示した図である。 図１１は、ＳＴＡ−Ａのアンテナ本数をＮ＝３、ＳＴＡ−Ｂのアンテナ本数をＭ＝２とした場合の、サブキャリア単位で各送信アンテナへのマッピングを行なった一例を示した図である。 図１２は、Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋ手順に基づいてＢｅａｍｆｏｒｍｅｒとして動作する場合の処理手順を示したフローチャートである。 図１３は、Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋ手順に基づいてＢｅａｍｆｏｒｍｅｒとして動作する場合の処理手順を示したフローチャートである。 図１４は、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅから送信されるトレーニング信号によって励起されるチャネル行列をＢｅａｍｆｏｒｍｅｅ側で推定する様子を示した図である。 図１５は、Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋによりアクセスポイントがクライアント端末にビーム形成を行なうフレーム交換手順を示した図である。 図１６は、ＥＷＣ提案仕様で規定されるＭＡＣフレームのＨＴ Ｃｏｎｔｒｏｌフィールドの構造を示した図である。 図１７は、ＨＴ Ｃｏｎｔｒｏｌフィールドに含まれているＣＳＩ／Ｓｔｅｅｒｉｎｇフィールドの構造を示した図である。 図１８は、ＣＳＩフォーマットでＥｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋを行なう様子を示した図である。 図１９は、ＣＳＩフォーマットでＥｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋを行なう様子を示した図である。 図２０は、ＨＴ Ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｅｌｅｍｅｎｔのフォーマットを示した図である。 図２１は、ＨＴ Ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｅｌｅｍｅｎｔに含まれるＴｘ Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙフィールドの構成を示した図である。 図２２は、Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋによりビーム形成用の送信重み行列Ｖをフィードバックする様子を示した図である。 図２３は、Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋによりビーム形成用の送信重み行列Ｖをフィードバックする様子を示した図である。

符号の説明

１００…データ発生器
１０２…スクランブラ
１０４…符号化器
１０６…データ振り分け部
１０８…パンクチャ
１１０…インタリーバ
１１１…セレクタ
１１２…マッパー
１１４…空間多重部
１１４ａ…ビーム生成用送信重み行列設定部
１１４ｂ…送信重み行列計算部
１１５…高速フーリエ逆変換部（ＩＦＦＴ）
１１６…ストリーム数調整部
１１８…ガード挿入部
１２０…デジタル・フィルタ
１２２…ＤＡコンバータ（ＤＡＣ）
１２４…ＲＦ部
２００…データ取得部
２０２…デスクランブラ
２０４…復号器
２０６…データ合成部
２０８…デパンクチャ
２１０…デインタリーバ
２１２…デマッパー
２１４…チャネル等化回路
２１６…空間分離部
２１６ａ…チャネル行列推定部
２１６ｂ…アンテナ重み行列演算部
２１６ｃ…アンテナ重み行列乗算部
２１８…高速フーリエ変換部（ＦＦＴ）
２２０…ガード除去部
２２２…同期回路
２２４…デジタル・フィルタ
２２６…ＡＤコンバータ（ＡＤＣ）
２２８…ＲＦ部

Claims (30)

1. Ｎ本のアンテナを備えた第１の端末からＭ本のアンテナを備えた第２の端末へ空間多重されたストリームを用いてデータ伝送を行なう無線通信システムであって（但し、Ｎは２以上の整数で、Ｍは１以上の整数とする）、
   前記第２の端末が持つチャネル行列推定時における最大次元Ｎ_maxを前記第１の端末に通知する通知手段と（但し、Ｎ_maxはＭ以下の整数）、
   前記第１の端末から前記第２の端末へ、前記最大次元Ｎ_maxに対応したチャネルを励起するためのトレーニング系列を含んだパケットを送信するトレーニング手段と、
   Ｎ＞Ｍとなる場合において、前記第２の端末の各アンテナにおいて受信したトレーニング系列をＮ_max本以下のストリームに分離して行数がＭで列数がＮ_max以下となるチャネル行列を推定するチャネル行列推定手段と、
   前記第２の端末において推定されたチャネル行列を基に、前記第１の端末においてビーム形成用送信重み行列を算出するために必要となるビーム形成用情報を作成して、前記第２の端末から前記第１の端末にフィードバックするビーム形成用情報フィードバック手段と、
   前記第２の端末から前記第１の端末にフィードバックされたビーム形成用情報に基づいて、前記第１の端末から前記第２の端末へのデータ伝送時におけるビーム形成用の送信重み行列を設定する送信重み行列設定手段と、
   前記第１の端末から前記第２の端末へデータ・パケットを送信する際に、送信信号に前記のビーム形成用の送信重み行列を用いて前記第１の端末の各アンテナをビーム形成するビーム形成手段と、
   を具備することを特徴とする無線通信システム。
2. 所定の標準仕様に準じて前記第１の端末から前記第２の端末への順方向の空間多重ストリーム伝送が行なわれ、該標準仕様に則ったプロトコル上では、所定のマネジメント・フレームにおいて、Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋにおけるＢｅａｍｆｏｒｍｅｅとしてトレーニング系列を含んだパケットを受信する際の可能な最大の空間次元を記述する能力記述フィールドが定義されており、
   前記通知手段は、前記能力記述フィールドを記載したマネジメント・フレームを用いて、前記第２の端末が持つチャネル行列推定時における最大次元Ｎ_maxを前記第１の端末に通知する、
   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. 前記トレーニング手段は、チャネルを励起するためのｓｏｕｎｄｉｎｇパケットの中に前記第１の端末から前記第２の端末に対してビーム形成用情報のフィードバックを要求する要求信号を含める、
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
4. 前記トレーニング手段は、データ・シンボルを含まないチャネルを励起する専用のｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを送信するときには、該ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットに先立って送信されるデータ・シンボルを含むパケットの中に前記第１の端末から前記第２の端末に対してチャネル情報のフィードバックを要求する要求信号を含める、
   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. 前記トレーニング手段は、前記第１の端末から前記第２の端末へ、データ部分の空間分離処理に使用するトレーニング信号部分と、データのストリーム数以上の空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号を時間的に分離したｓｔａｇｇｅｒｅｄフォーマットによりｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを送信する、
   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. 前記トレーニング手段は、データ部分の空間分離処理に使われるトレーニング信号部分ではＮ_max個の空間次元のチャネルを励起し、残りの（Ｎ−Ｎ_max）個の空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号を信号自体の空間分離には無関係となる構成のｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを前記第１の端末から前記第２の端末へ送信する、
   ことを特徴とする請求項５に記載の無線通信システム。
7. 前記チャネル行列作成手段は、前記第２の端末においてｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを受信した際に、データ部分の空間分離処理に使われるトレーニング信号部分ではＮ_max個の空間次元のチャネルを励起して行数がＭで列数がＮ_max以下となるチャネル行列を推定するが、残りの（Ｎ−Ｎ_max）個の空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号を処理しない、
   ことを特徴とする請求項６に記載の無線通信システム。
8. 前記トレーニング手段は、データ部分の空間分離処理に使われるトレーニング信号部分ではＮ_max個の空間次元のチャネルを励起し、残りの（Ｎ−Ｎ_max）個の空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号を含まないｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを前記第１の端末から前記第２の端末へ送信する、
   ことを特徴とする請求項６に記載の無線通信システム。
9. 前記トレーニング手段は、第１の端末においてｓｏｕｎｄｉｎｇパケットの次元数を前記最大次元Ｎ_max以下に抑制する際に、Ｎ_max本以下の送信ストリームをＮ本すべての送信アンテナ・ブランチに割り当てる変換を行なう、
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
10. 前記トレーニング手段は、Ｎ_max次元の送信ストリームに対して行数がＮで列数がＮ_max以下となるマッピング行列を乗算することで、Ｎ本の送信アンテナ・ブランチに割り当てる、
    ことを特徴とする請求項９に記載の無線通信システム。
11. 前記ビーム形成手段を用いて形成された送信ストリームに対して、前記トレーニング手段と同一となる送信アンテナ・ブランチへの割り当てを行なう、
    ことを特徴とする請求項９に記載の無線通信システム。
12. 無線通信信号としてＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：直交周波数分割多重）変調が用いられ、
    前記トレーニング手段は、マッピング行列を乗算した後の各送信アンテナ・ブランチに異なるサイクリック・シフト遅延量を与える、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の無線通信システム。
13. 無線通信信号としてＯＦＤＭ変調が用いられ、
    前記トレーニング手段は、Ｎ_max次元の送信ストリームをＮ本すべての送信アンテナ・ブランチに割り当てる変換を行なう際に、サブキャリア単位で異なる割り当てを行なう、
    ことを特徴とする請求項９に記載の無線通信システム。
14. 前記ビーム形成用情報フィードバック手段は、前記チャネル行列推定手段において推定された行数がＭで列数がＮ_max以下となるチャネル行列をＣＳＩ情報として、前記第２の端末から前記第１の端末へフィードバックし、
    前記送信重み行列設定手段は、前記第１の端末において受信されたＣＳＩ情報を基にビーム形成用の送信重み行列を算出する、
    ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
15. 前記ビーム形成用情報フィードバック手段は、前記チャネル行列推定手段において推定されたチャネル行列から算出される行数がＭで列数がＮ_max以下となるビーム形成用の送信重み行列を、前記第２の端末から前記第１の端末へ圧縮又は非圧縮形式でフィードバックし、
    前記送信重み行列設定手段は、前記第１の端末において受信されたビーム形成用の送信重み行列を用いる、
    ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
16. Ｎ本のアンテナを備え、Ｍ本のアンテナを備えた送信先端末へ空間多重されたストリームを用いてデータ伝送を行なう無線通信装置であって（但し、Ｎは２以上の整数で、Ｍは１以上の整数とする）、
    前記送信先端末が持つチャネル行列推定時における最大次元Ｎ_maxの通知を受信する通知受信手段と（但し、Ｎ_maxはＭ以下の整数）、
    前記最大次元Ｎ_maxに対応したチャネルを励起するためのトレーニング系列を含んだパケットを前記送信先端末へ送信するトレーニング手段と、
    Ｎ＞Ｍとなる場合において、前記送信先端末において該パケットを用いて推定された行数がＭで列数がＮ_max以下となるチャネル行列から作成される、ビーム形成用送信重み行列を算出するために必要となるビーム形成用情報を受信するビーム形成用情報受信手段と、
    該受信したビーム形成用情報に基づいてビーム形成用の送信重み行列を設定する送信重み行列設定手段と、
    該設定したビーム形成用の送信重み行列を用いて各アンテナをビーム形成して、前記送信先端末へデータ・パケットを送信するデータ送信手段と、
    を具備することを特徴とする無線通信装置。
17. 所定の標準仕様に準じて前記送信先端末への順方向の空間多重ストリーム伝送が行なわれ、該標準仕様に則ったプロトコル上では、所定のマネジメント・フレームにおいて、Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋにおけるＢｅａｍｆｏｒｍｅｅとしてトレーニング系列を含んだパケットを受信する際の可能な最大の空間次元を記述する能力記述フィールドが定義されており、
    前記通知受信手段は、前記能力記述フィールドを記載したマネジメント・フレームを前記送信先端末から受信することで、チャネル行列推定時における最大次元Ｎ_maxの通知を受信する、
    ことを特徴とする請求項１６に記載の無線通信装置。
18. 前記トレーニング手段は、チャネルを励起するためのｓｏｕｎｄｉｎｇパケットの中に前記送信先端末に対してビーム形成用情報のフィードバックを要求する要求信号を含める、
    ことを特徴とする請求項１６に記載の無線通信装置。
19. 前記トレーニング手段は、データ・シンボルを含まないチャネルを励起する専用のｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを送信するときには、該ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットに先立って送信されるデータ・シンボルを含むパケットの中に前記第１の端末から前記第２の端末に対してチャネル情報のフィードバックを要求する要求信号を含める、
    ことを特徴とする請求項１６に記載の無線通信装置。
20. 前記トレーニング手段は、前記送信先端末へ、データ部分の空間分離処理に使用するトレーニング信号部分と、データのストリーム数以上の空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号を時間的に分離したｓｔａｇｇｅｒｅｄフォーマットによりｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを送信する、
    ことを特徴とする請求項１６に記載の無線通信装置。
21. 前記トレーニング手段は、データ部分の空間分離処理に使われるトレーニング信号部分ではＮ_max個の空間次元のチャネルを励起し、残りの（Ｎ−Ｎ_max）個の空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号を信号自体の空間分離には無関係となる構成のｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを前記送信先端末へ送信する、
    ことを特徴とする請求項２０に記載の無線通信装置。
22. 前記トレーニング手段は、データ部分の空間分離処理に使われるトレーニング信号部分ではＮ_max個の空間次元のチャネルを励起し、残りの（Ｎ−Ｎ_max）個の空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号を含まないｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを前記送信先端末へ送信する、
    ことを特徴とする請求項２１に記載の無線通信装置。
23. 前記トレーニング手段は、送信ストリームの次元数を前記最大次元Ｎ_max以下に抑制する際に、Ｎ_max本以下の送信ストリームをＮ本すべての送信アンテナ・ブランチに割り当てる変換を行なう、
    ことを特徴とする請求項１６に記載の無線通信装置。
24. 前記トレーニング手段は、Ｎ_max次元の送信ストリームに対して行数がＮで列数がＮ_max以下となるマッピング行列を乗算することで、Ｎ本の送信アンテナ・ブランチに割り当てる、
    ことを特徴とする請求項２３に記載の無線通信装置。
25. 前記データ送信手段は、前記ビーム形成手段を用いて形成された送信ストリームに対して、前記トレーニング手段と同一となる送信アンテナ・ブランチへの割り当てを行なう、
    ことを特徴とする請求項２３に記載の無線通信装置。
26. 無線通信信号としてＯＦＤＭ変調が用いられ、
    前記トレーニング手段は、マッピング行列を乗算した後の各送信アンテナ・ブランチに異なるサイクリック・シフト遅延量を与える、
    ことを特徴とする請求項２４に記載の無線通信装置。
27. 無線通信信号としてＯＦＤＭ変調が用いられ、
    前記データ送信手段は、Ｎ_max次元の送信ストリームをＮ本すべての送信アンテナ・ブランチに割り当てる変換を行なう際に、サブキャリア単位で異なる割り当てを行なう、
    ことを特徴とする請求項２４に記載の無線通信装置。
28. 前記ビーム形成用情報受信手段は、前記送信先端末において推定された行数がＭで列数がＮ_max以下となるチャネル行列をＣＳＩ情報として受信し、
    前記送信重み行列設定手段は、該受信したＣＳＩ情報を基にビーム形成用の送信重み行列を算出する、
    ことを特徴とする請求項１６に記載の無線通信装置。
29. 前記ビーム形成用情報受信手段は、前記送信先端末において推定チャネル行列から算出される行数がＭで列数がＮ_max以下となるビーム形成用の送信重み行列を圧縮又は非圧縮形式で受信し、
    前記送信重み行列設定手段は、該受信したビーム形成用の送信重み行列を用いる、
    ことを特徴とする請求項１６に記載の無線通信装置。
30. Ｎ本のアンテナを備えた無線通信装置において、Ｍ本のアンテナを備えた送信先端末へ空間多重されたストリームを用いてデータ伝送を行なう無線通信方法であって（但し、Ｎは２以上の整数で、Ｍは１以上の整数とする）、
    前記送信先端末が持つチャネル行列推定時における最大次元Ｎ_maxの通知を受信する通知受信ステップと（但し、Ｎ_maxはＭ以下の整数）、
    前記最大次元Ｎ_maxに対応したチャネルを励起するためのトレーニング系列を含んだパケットを前記送信先端末へ送信するトレーニング・ステップと、
    Ｎ＞Ｍとなる場合において、前記送信先端末において該パケットを用いて推定された行数がＭで列数がＮ_max以下となるチャネル行列から作成される、ビーム形成用送信重み行列を算出するために必要となるビーム形成用情報を受信するビーム形成用情報受信ステップと、
    該受信したビーム形成用情報に基づいてビーム形成用の送信重み行列を設定する送信重み行列設定ステップと、
    該設定したビーム形成用の送信重み行列を用いて各アンテナをビーム形成して、前記送信先端末へデータ・パケットを送信するデータ送信ステップと、
    を具備することを特徴とする無線通信方法。