JP2007318730A - 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

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 Download PDF

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Abstract

【課題】送信側の端末のアンテナ本数が少ない場合に、Ｉｍｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋにより逆方向のチャネル推定結果に基づくビーム形成を行なう。
【解決手段】Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒとしての第１の端末は、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅとしての第２の端末からフィードバックされるｓｏｕｎｄパケットを受信すると、Ｍ本の空間ストリーム・トレーニングに分離して、Ｎ×Ｍの逆方向のチャネル行列を組み立てるが、自分が持つアンテナ本数を考慮して、該逆方向のチャネル行列に含まれるＭ列のうちをＮ列からなるＮ×Ｎのチャネル行列を用いて、順方向データ伝送時におけるビーム形成用のＮ×Ｎの送信重み行列を求める。
【選択図】 図１

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送られるトレーニング系列に基づいてチャネル行列を得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、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒとなる送信機の方がＢｅａｍｆｏｒｍｅｅとなる受信機よりもアンテナ本数が少ない場合において、送信機が受信機から送られるトレーニング系列を用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。
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チャネル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（ＭｉｎｉｍｕｍＭｅａｎ 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ＵＤＶH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λi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λi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た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。チャネル特性が可逆であるためには、通信システムにおけるＲＦ回路のキャリブレーションが必要である。
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、Ｉｍｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋによれば、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅとしてのクライアント端末は、ビーム形成のために単にトレーニング系列をアクセスポイントに返すだけでよい。
Ｉｍｐｌｉｃｉｔ 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について、図１２を参照しながら説明する。
まず、アクセスポイントは、クライアント端末に対して、トレーニング系列の送信を要求する。ＥＷＣ ＭＡＣ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎに則って具体的に言うと、ＭＡＣフレームのＨＴ Ｃｏｎｔｒｏｌフィールド（図１３を参照のこと）内のＬｉｎｋ Ａｄａｐｔａｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌフィールド（図１４を参照のこと）はＴＲＱ（Ｔｒａｉｎｉｎｇ Ｒｅｑｕｅｓｔ）というビットを含み、このビットに１を立てることがトレーニング系列の送信要求に相当する。
これに対し、クライアント端末は、ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを返信する。このｓｏｕｎｄｉｎｇパケットは、アクセスポイントの送信アンテナ本数Ｎとクライアント端末の受信アンテナ本数Ｍに対応したトレーニング系列を含んでおり、アクセスポイントは、このｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを受け取ると、Ｎ行Ｍ列の逆方向のチャネル行列の推定を行なうことができる。さらに、アクセスポイントは、ＳＶＤやＥＶＤ（Ｅｉｇｅｎ Ｖａｌｕｅ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ：固有値分解）、若しくはその他の行列分解手法を用いて、順方向でのビーム形成のための送信重み行列を計算し、各アンテナからの送信信号に送信重み行列を乗算することで、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。
続いて、Ｉｍｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋに従って、ＢｅａｍｆｏｒｍｅｒがＢｅａｍｆｏｒｍｅｅからのトレーニング系列を用いてビーム形成を行なうための演算処理について、図１５を参照しながら説明する。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とする。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し、添え字ＢＡはＳＴＡ−ＢからＳＴＡ−Ａへの逆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。そして、ＳＴＡ−ＡとＳＴＡ−Ｂ間のチャネルは可逆であることを前提とし、したがって、逆方向のチャネル行列ＨBAは順方向のチャネル行列ＨABの転置行列となる（すなわち、ＨBA＝ＨAB t）。
ＳＴＡ−Ｂの各アンテナから送信されるトレーニング系列を（ｔBA1，ｔBA2）とし、チャネルＨBAを経てＳＴＡ−Ａの各アンテナで受信される信号を（ｒBA1，ｒBA2，ｒBA3）とおくと、以下の式で表される。
ここで、チャネル行列ＨBAは、３×２行列であり、以下のように表されるとする。但し、ｈijは、ＳＴＡ−Ｂのｊ番目のアンテナからＳＴＡ−Ａ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ＨBAを特異値分解すると、下式の通りとなる。ここで、ＵBAはＨBAＨBA Hの正規化された固有ベクトルを並べた行列であり、ＶBAはＨBA HＨBAの正規化された固有ベクトルであり、ＤBAはＨBAＨBA H又はＨBA HＨBA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、ＵBAとＶBA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。
また、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ＨABを特異値分解して得られる行列ＶABである。ここで、ＳＴＡ−ＡとＳＴＡ−Ｂ間のチャネルは可逆であり、逆方向のチャネル行列ＨBAは順方向のチャネル行列ＨABの転置行列となることから、チャネル行列ＨABの特異値分解は以下のように計算される。
そして、チャネルの可逆性を利用すると、所望の送信重み行列ＶABは、下式のように表される。
すなわち、ＳＴＡ−Ｂからのトレーニング信号を基に推定されたチャネル行列を特異値分解して得たＵBAの複素共役行列を用いてビーム形成を行なうことができる。
ＳＴＡ−Ａからの送信信号を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＝ＨABｘとなるが、送信重み行列ＶAB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、ＤAB -1ＵAB Hを受信重みとして受信信号に乗算することで、元のストリームに空間分離することができる。
上述したように、Ｉｍｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋによれば、フィードバックに伴うＢｅａｍｆｏｒｍｅｅの負担が軽減されることから、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などに適している。しかし、この場合は、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒとなる端末局が、受信したトレーニング系列から推定されるチャネル行列を特異値分解やその他の演算処理を行なって、ビーム形成用の送信重み行列を計算しなければならない。この演算処理は負荷が高く、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅから送られてくるトレーニング系列のストリーム数に応じて処理負荷は増大する。
図１５に示した例では、ＳＴＡ−Ａのアンテナ数Ｎ（＝３）はＳＴＡ−Ｂのアンテナ数Ｍ（＝２）よりも多く、ビーム形成のための処理能力に問題はないと考えられる。何故ならば、ＳＴＡ−Ａは自局のストリーム本数Ｎ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本以下の空間ストリームのトレーニングの分離、及び分離したトレーニング系列からＮ×Ｍのチャネル行列を組み立てて、これを基に上記のビーム形成用の行列の計算処理を行なうことは可能だからである。
しかしながら、Ｎ＜ＭすなわちＢｅａｍｆｏｒｍｅｅの方のアンテナ本数が多い場合には、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒが自分の空間ストリーム本数を超えた処理能力を備えているとは限らないので、問題が生じ得る。ＳＴＡ−Ａが自分のアンテナ本数であるＮ個までのストリームまでしか対応していない場合には、Ｍ本のストリーム・トレーニングを分離できなかったり、あるいはＮ×Ｍの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かったりする可能性がある。
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、ＢｅａｍｆｏｒｍｅｒとしてのＳＴＡ−Ａ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Ｍmaxを与えるとともに（例えばＩＥＥＥ仕様準拠であればＭmax＝４）、得られたＮ×Ｍmax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−Ａのアンテナ本数がＮ＝２で、定格の最大アンテナ本数がＭmax＝４であるとき、ＳＴＡ−Ａ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。
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送られてくる空間ストリーム・トレーニングを分離し、分離したトレーニング系列から推定チャネル行列を組み立てて、この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求めて、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となる端末の方が、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅよりもアンテナ本数が少ない場合であっても、ビーム形成の特性を劣化させず、且つ、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒ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、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１の端末から前記第２の端末へ逆方向チャネルを励起するためのトレーニング信号の送信を要求するトレーニング要求手段と、
該要求に応答して、前記第２の端末から前記第１の端末へ、Ｎ×Ｍの逆方向チャネル行列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、
前記第１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ストリームに分離して、逆方向のチャネル行列を組み立てるチャネル行列作成手段と、
Ｎ＜Ｍとなる場合において、前記第１の端末が持つアンテナ本数Ｎを考慮して、該逆方向のチャネル行列に含まれるＮ列からなるＮ×Ｎのチャネル行列を用いて、順方向データ伝送時におけるビーム形成用のＮ×Ｎの送信重み行列を求める送信重み行列計算手段と、
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、前記第１の端末の各アンテナからの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、Ｉｍｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋでは、送受信機間の双方向のチャネル特性が可逆であるという前提の下で、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒとして動作する第１の端末が、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅとして動作する第２の端末から送られてくる空間ストリーム・トレーニングを分離し、分離したトレーニング系列から逆方向の推定チャネル行列を組み立て、該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。
例えば、アクセスポイントがＢｅａｍｆｏｒｍｅｒとして、クライアント端末にデータ・フレームを送信する場合には、Ｉｍｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋによれば、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅとしてのクライアント端末は、ビーム形成のために単にトレーニング系列をアクセスポイントに返すだけでよい。
しかしながら、Ｎ＜Ｍ、すなわちＢｅａｍｆｏｒｍｅｅとなる第２の端末の方のアンテナ本数が多い場合には、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒとしての第１の端末が自分の空間ストリーム本数を超えた処理能力を備えているとは限らないので、第１の端末がＭ本のストリーム・トレーニングを分離できなかったり、Ｎ×Ｍの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かったりするという問題がある。
そこで、本発明に係る無線通信システムでは、Ｉｍｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋに従って逆方向のチャネル推定結果に基づくビーム形成を行なう際に、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒとしての第１の端末は、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅとしての第２の端末からフィードバックされるｓｏｕｎｄパケットを受信すると、Ｍ本の空間ストリーム・トレーニングに分離して、Ｎ×Ｍの逆方向のチャネル行列を組み立てるが、自分が持つアンテナ本数を考慮して（例えば、Ｎ＜Ｍの場合）、該逆方向のチャネル行列に含まれるＭ列のうちをＮ列からなるＮ×Ｎのチャネル行列を用い、順方向データ伝送時におけるビーム形成用のＮ×Ｎの送信重み行列を求める、すなわちビーム形成の次元を落とした計算を行なうようにしている。
したがって、本発明に係る無線通信システムによれば、Ｉｍｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋ手順に従ってクローズドループ型のＭＩＭＯ通信を実行する際に、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒとしての第１の端末は、チャネル行列を推定する回路モジュールに関しては定格の最大アンテナ本数（例えばＩＥＥＥ仕様準拠であれば４本）に対応する処理能力を備えている必要はあるが、推定したチャネル行列からビーム形成用送信重み行列を計算するための回路規模を（Ｎ／Ｍ）2程度のオーダーで削減することができる。
上記の手順では、第２の端末からＮ×Ｍのチャネル行列を励起する空間ストリーム・トレーニングがフィードバックされる場合、第１の端末側では、ビーム形成用送信重み行列を計算するための回路規模を削減することができるが、依然としてチャネル推定用の回路モジュールを削減することはできない。これに対し、第２の端末がｓｏｕｎｄｉｎｇパケットをｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｆｏｒｍａｔで送ることによって、チャネル推定用の回路モジュールを削減することが可能になる。
ここで言うｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｆｏｒｍａｔとは、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ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットのフォーマットのことである。複数本のアンテナを備えた端末が空間多重伝送を行なう場合、すべてのアンテナ・ブランチを用いて伝送動作を行なうとは限らないが、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅは、ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットをフィードバックする際に、データ部分の空間分離処理に使用しないストリーム上でもトレーニング信号を返して、すべての空間次元においてチャネルを励起するようにしている。
このような場合、第１の端末は、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だけを用いてチャネル推定を行ない、時間的に分離して送られてくる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処理しないようにすることで、チャネル行列推定回路の規模を削減することができる。例えば、第１の端末は、第２の端末からフィードバックされるｓｏｕｎｄｉｎｇパケットのうち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推定し、残りの（Ｎ−Ｍ）個の空間次元のチャネルを推定しないようにすれば、チャネル推定回路の規模を（Ｎ／Ｍ）2程度のオーダーで削減することができる。
具体的には、第１の端末は、トレーニング信号の送信を要求する無線通信信号をＮ本のデータ・ストリームを持つフォーマットで送信する。これによって、第２の端末に対して、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個の空間次元のチャネルを励起し、残りの（Ｎ−Ｍ）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なパケット構成にすることを、暗示的若しくは明示的に示すことができる。第２の端末は、この暗示的若しくは明示的な指示に従って、第１の端末の処理能力（ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ）に応じたｓｔａｇｇｅｒｅｄフォーマットで、ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを返す。
このような場合、第１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Ｎ個の空間次元のチャネルを励起してＮ×Ｎのチャネル行列を推定するが、残りの（Ｎ−Ｍ）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−Ｍ）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。したがって、第１の端末は、ビーム形成用送信重み行列の計算回路だけでなく、チャネル行列推定回路の規模も（Ｎ／Ｍ）2程度のオーダーで削減することができる。
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送られてくる空間ストリーム・トレーニングを分離し、分離したトレーニング系列から推定チャネル行列を組み立てて、この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求めて、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となる端末の方が、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅよりもアンテナ本数が少ない場合であっても、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒ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、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では、Ｉｍｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋにより逆方向のチャネル推定結果に基づくビーム形成を行なう際、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒのアンテナ本数がＢｅａｍｆｏｒｍｅｅのアンテナ本数よりも少ない場合には、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒは、ビーム形成の次元を落とした計算を行なうことにより、回路規模を削減することができる。
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。
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“Ｉｍｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋ”手順に従って送信側の端末がビーム形成を行なう。
Ｉｍｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋでは、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒとして動作する端末は、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅとして動作する端末からの空間ストリーム・トレーニングを分離し、分離したトレーニング系列から逆方向の推定チャネル行列を組み立て、該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、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅのアンテナ本数が多いために、送られてくる空間ストリーム・トレーニングが自端末で許容するチャネル推定最大次元を超えてしまい分離できない、あるいは次元数の高いチャネル行列からビーム形成用の行列を計算できない、という問題がある。
これに対し、本発明に係る無線通信システムでは、Ｉｍｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋに従って逆方向のチャネル推定結果に基づくビーム形成を行なう際に、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒは、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅからフィードバックされるｓｏｕｎｄパケットを受信すると、Ｍ本の空間ストリーム・トレーニングに分離して、Ｎ×Ｍの逆方向のチャネル行列を組み立てるが、自分が持つアンテナ本数を考慮して、該逆方向のチャネル行列に含まれるＭ列のうちをＮ列からなるＮ×Ｎのチャネル行列を用いて、順方向データ伝送時におけるビーム形成用のＮ×Ｎの送信重み行列を求める、すなわちビーム形成の次元を落とした計算を行なうようにしている。
このような場合、Ｉｍｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋにおいてＢｅａｍｆｏｒｍｅｒとして動作する端末は、チャネル行列を推定する回路モジュールに関しては定格の最大アンテナ本数（例えばＩＥＥＥ仕様準拠であれば４本）に対応する処理能力を備えている必要はあるが、推定したチャネル行列からビーム形成用送信重み行列を計算するための回路規模を（Ｎ／Ｍ）2程度のオーダーで削減することができる。
図１には、本発明に係るＩｍｐｌｉｃｉｔ 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のアンテナ本数及びチャネル推定最大次元はともに２で、ＢｅａｍｆｏｒｍｅｅとしてのＳＴＡ−Ｂのアンテナ本数は３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。
まず、ＳＴＡ−Ａは、ＳＴＡ−Ｂに対して、トレーニング系列の送信を要求する。この要求パケットは３×２チャネルを使用するが、ＳＴＡ−Ａの送信能力及びＳＴＡ−Ｂの受信能力のうち、より次数の低いＳＴＡ−Ａの送信能力によって使用する空間ストリーム数は制限され、１〜２本の空間ストリームを用いることが相当である。
ＳＴＡ−Ｂは、この要求パケットに応答して、トレーニング系列を含んだｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを返信する。このとき、ＳＴＡ−Ｂは、ＳＴＡ−Ａが持つチャネル推定最大次元を考慮しない空間ストリーム数でパケットを送信するので３×２の逆方向チャネルを励起することになる。ＳＴＡ−Ａ側では、ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを受信すると、２×３の逆方向推定チャネル行列を生成するが、順方向データ伝送時におけるビーム形成用の２×２の送信重み行列を求める。すなわち、ビーム形成の次元を落とした計算を行なうので、ビーム形成用送信重み行列を計算するための回路規模を（Ｎ／Ｍ）2程度のオーダー（但し、この場合はＮ＝２、Ｍ＝３）で削減することができる。
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。
以下では、本発明に係る無線通信システムの具体的な実装形態について詳解する。
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であり、このＮ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。
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が各送信ストリームを要素とする送信ベクトルにこの送信重み行列Ｖを乗算して、ビーム形成が施される。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。
ビーム形成用送信重み行列計算部１１４ａは、受信機側のチャネル行列推定部２１６ａ（後述並びに図３を参照のこと）がＢｅａｍｆｏｒｍｅｅから送られた空間ストリーム・トレーニングを分離して組み立てられた逆方向のチャネル行列ＨBAを用いて送信重み行列を計算する。例えば、図４に示すように、ＳＴＡ−Ａのアンテナ本数をＮ＝２、ＳＴＡ−Ｂのアンテナ本数をＭ＝３とおくと、逆方向のチャネル行列ＨBAは、下式（７）に示すように２×３の行列となる。
ここで、双方向でチャネルの可逆性を仮定すると、下式（８）に示すように順方向のチャネル行列ＨABはＨBAの転置行列となる。
ＳＴＡ−Ａは送信アンテナが２本、すなわち２ストリームしか持たない。そこで、ビーム形成用送信重み行列計算部１１４ａは、３行×２列からなるＨABのうち任意の２行からなる２×２のチャネル行列を特異値分解して、ビーム形成用の２×２の送信重み行列を計算する。すなわち、ビーム形成の次元を落とした計算を行なうことにより、ビーム形成用送信重み行列計算部１１４ａの回路規模を削減することができる。
高速フーリエ逆変換部（ＩＦＦＴ）１１６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し、さらにガード挿入部１１８でガード・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伝搬路に送出される。Ｉｍｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋではチャネル特性が可逆であることが前提であり、ＲＦ部１２４にはキャリブレーションが施されている。
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。Ｉｍｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋではチャネル特性が可逆であることが前提であり、ＲＦ部２２８にはキャリブレーションが施されている。
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。
Ｉｍｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋにおいてＢｅａｍｆｏｒｍｅｒ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は、逆方向のチャネル行列として送信機側のビーム形成用送信重み行列計算部１１４ａに渡される。Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅからフィードバックされるトレーニング信号の空間ストリーム数Ｍが、送信機側が持つ送信ストリーム数（アンテナ・ブランチの本数）Ｎよりも大きいときには、チャネル行列推定部２１６ａには過剰な処理が必要となり、回路規模が増大してしまう。これに対し、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅからのフィードバックをｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｆｏｒｍａｔで行なうことを利用して、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が、この点の詳細については後述に譲る。
また、Ｉｍｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋ手順においてＢｅａｍｆｏｒｍｅｅとして動作するときには、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（６）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。
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。
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Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒとして動作する場合、ビーム形成してデータ・パケットの送信を開始するときや、ビーム形成用の送信重み行列を更新したいときには、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅに対してトレーニング系列の送信要求ＴＲＱ（Ｔｒａｉｎｉｎｇ Ｒｅｑｕｅｓｔ）を発行して、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅからフィードバックされるｓｏｕｎｄパケットを受信することができる。ｓｏｕｎｄパケットはＭ本の空間ストリームからなり、Ｎ×Ｍの逆方向のチャネル行列を組み立てる。そして、自分が持つアンテナ本数Ｎを考慮して（例えば、Ｎ＜Ｍの場合）、該逆方向のチャネル行列に含まれるＭ列のうちをＮ列からなるＮ×Ｎのチャネル行列を用いて、順方向データ伝送時におけるビーム形成用のＮ×Ｎの送信重み行列を求める。
したがって、無線通信装置は、ビーム形成の次元を落とした計算を行なうことによって、推定したチャネル行列からビーム形成用送信重み行列計算部１１４ａの回路規模を（Ｎ／Ｍ）2程度のオーダーで削減することができる。
但し、上記の手順では、ビーム形成用送信重み行列を計算するための回路規模を削減することができるものの、依然としてチャネル推定用の回路モジュールを削減することはできない。
これに対し、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅがｓｏｕｎｄｉｎｇパケットをｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｆｏｒｍａｔで送ることを利用して、チャネル推定用の回路モジュールを削減することが可能になる。
ここで言うｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｆｏｒｍａｔとは、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ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットのフォーマットのことである。複数本のアンテナを備えた端末が空間多重伝送を行なう場合、すべてのアンテナ・ブランチを用いて伝送動作を行なうとは限らないが、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅは、ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットをフィードバックする際に、データ部分の空間分離処理に使用しないストリーム上でもトレーニング信号を返して、すべての空間次元においてチャネルを励起するようにしている。
Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒは、トレーニング信号の送信を要求する無線通信信号をＮ本のデータ・ストリームを持つフォーマットで送信することによって、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅに対して、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個の空間次元のチャネルを励起し、残りの（Ｎ−Ｍ）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なパケット構成にすることを、暗示的若しくは明示的に示す。そして、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅは、この暗示的若しくは明示的な指示に従って、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒの処理能力（ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ）に応じたｓｔａｇｇｅｒｅｄフォーマットで、ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを返す。
このような場合、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒ側では、ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを受信すると、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だけを用いてチャネル推定を行ない、時間的に分離して送られてくる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処理しないようにすることで、チャネル推定回路の規模を削減することができる。
図５には、図２〜図３に示した無線通信装置が、Ｉｍｐｌｉｃｉｔ 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）に対して、トレーニング信号を要求する（ステップＳ１）。具体的には、ＭＡＣフレームのＨＴ Ｃｏｎｔｒｏｌフィールド内のＬｉｎｋ Ａｄａｐｔａｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌフィールドに含まれるＴＲＱビットを立てる。
このとき、トレーニング信号の送信を要求する無線通信信号をＮ本のデータ・ストリームを持つフォーマットで送信する。これによって、第２の端末に対して、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個の空間次元のチャネルを励起し、残りの（Ｎ−Ｍ）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なパケット構成にすることを、暗示的若しくは明示的に示すことができる。
そして、この要求に応答して送信端末から送られてくるｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを受信すると（ステップＳ２）、次いで、各アンテナにおいて受信したトレーニング系列をストリームに分離して逆方向のチャネル行列を作成する（ステップＳ３）。
ＢｅａｍｆｏｒｍｅｅからフィードバックされるｓｏｕｎｄｉｎｇパケットはＭ本すべての空間次元においてチャネルを励起するように構成されており、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒ側では、自分のアンテナ本数から想定される処理能力を超えたＮ×Ｍのチャネル行列の推定を行なわなければならなくなる。これに対し、ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットがｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｆｏｒｍａｔにより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、残りの（Ｎ−Ｍ）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なパケット構成であれば、ステップＳ３では、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個の空間次元のチャネルを励起してＮ×Ｎのチャネル行列を推定するが、残りの（Ｎ−Ｍ）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くなる。したがって、ビーム形成用送信重み行列計算部１１４ａの回路規模も（Ｎ／Ｍ）2程度のオーダーで削減することができる。
次いで、逆方向のチャネル行列を用いて、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）。
ｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｆｏｒｍａｔが採用されているときには、逆方向のチャネル行列として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のみによる推定を行なえば、チャネル行列はＮ×Ｎ行列となるので、これを転置して順方向のチャネル行列を得ることができ、さらにこれを特異値分解して、送信重み行列Ｖを得ることができる。また、ｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｆｏｒｍａｔが採用されないときには、逆方向のチャネル行列はＮ×Ｍ行列となるので、Ｍ列のうちＮ列のみを取り出すか、又はこれを転置したＭ×Ｎ行列のＮ行のみを取り出して、Ｎ×Ｎの順方向チャネル行列を組み立てて、これを特異値分解して、送信重み行列Ｖを求める。
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前記の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６には、図２〜図３に示した無線通信装置が、Ｉｍｐｌｉｃｉｔ 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、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅ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）から、トレーニング信号の要求を受信する（ステップＳ１１）。具体的には、送信元端末から受信したＭＡＣフレームのＨＴ Ｃｏｎｔｒｏｌフィールド内のＬｉｎｋ Ａｄａｐｔａｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌフィールドに含まれるＴＲＱビットが立てられている。
そして、この要求に応答して、送信元端末に対してｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを返信する（ステップＳ１３）。
ｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｆｏｒｍａｔを採用する場合、ステップＳ１において受信した無線通信信号に含まれるデータ・ストリーム本数Ｎ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個の空間次元のチャネルを励起し、残りの（Ｎ−Ｍ）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なパケット構成にすることを、暗示的若しくは明示的に指示しているので、ステップＳ２では、この指示に従ったフォーマットでｓｏｕｎｄパケットを返信する。
送信元端末側では、Ｎ本の各アンテナにおいて受信したトレーニング系列を空間ストリームに分離して逆方向のチャネル行列を作成し、この逆方向のチャネル行列を用いて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。そして、Ｎ本の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前記のビーム形成用の送信重み行列を用いてビーム形成して、データ・パケットが送信される。
Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅとしての無線通信装置は、送信元端末から受け取った空間ストリーム・トレーニングを分離して、順方向の推定チャネル行列を組み立て（ステップＳ１３）、さらにこのチャネル行列から受信重み行列を求める（ステップＳ１４）。受信重み行列の計算法としては、ＺＦ法やＭＭＳＥ法を用いてもよく、また、チャネル推定行列を特異値分解して得られた行列Ｕ及びＤから計算されるＤ-1ＵHを用いてもよい。
そして、送信元端末からのデータ・パケットをＮ本の各アンテナで受信すると、そのペイロード部分についての受信信号からなる受信ベクトルに受信重み行列を乗算して、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（ステップＳ１５）。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。
以下では、ｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｆｏｒｍａｔのｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを用いる場合のＩｍｐｌｉｃｉｔ 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７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。但し、ｄｉｒｅｃｔ ｍａｐｐｉｎｇを用いたと仮定している。
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・シフト遅延量である。すなわち、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るＣｙｃｌｉｃ Ｄｅｌａｙ Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＣＤＤ）を用いて、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。
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８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。但し、ｄｉｒｅｃｔ ｍａｐｐｉｎｇを用いたと仮定している。
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９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。但し、ｄｉｒｅｃｔ ｍａｐｐｉｎｇを用いたと仮定している。
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１０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。但し、ｄｉｒｅｃｔ ｍａｐｐｉｎｇを用いたと仮定している。
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１１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。但し、ｄｉｒｅｃｔ ｍａｐｐｉｎｇを用いたと仮定している。
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７〜図１１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７、図９、図１０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８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。
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７〜図１１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７〜図１１から分るように、ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットの送信元（すなわち、Ｉｍｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋでＢｅａｍｆｏｒｍｅｅとして動作する端末）におけるアンテナ本数Ｍが、ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットの送信先（すなわち、Ｉｍｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋでＢｅａｍｆｏｒｍｅｒとして動作する端末）におけるアンテナ数Ｎ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、ＢｅａｍｆｏｒｍｅｒはＭ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、Ｎ×Ｍのチャネル行列を作成することなしに）、必要なＮストリームだけを選択的に推定することができる。
なお、ＥＷＣ提案仕様では、ＭＡＣフレーム長が０となるＺＬＦ（Ｚｅｒｏ Ｌｅｎｇｔｈ Ｆｒａｍｅ）（ＮＤＰ（Ｎｕｌｌ Ｄａｔａ Ｐａｃｋｅｔ）とも呼ぶ。以下では「ＺＬＦ」と統一する）を定義するとともに、ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットのフォーマットとしてＺＬＦを使用することも規定している（ＺＬＦ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ＰＨＹヘッダ部のみからなる、ＭＡＣフレームを持たないｓｏｕｎｄｉｎｇ専用のフレームである）。しかしながら、ＺＬＦを使用してｓｏｕｎｄｉｎｇを行なう場合、Ｍ本のストリームからなるトレーニング信号から１つのストリームのチャネル推定を得ようとしても、必ず４本分のトレーニングを求める必要があることから、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒにおけるチャネル行列推定回路２１６ａの回路的負担を軽減することはできない。
Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒが２本のアンテナを備え、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅが４本のアンテナを備えている場合、図８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Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒにとって回路規模の増大を招来する。
また、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒが２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７又は図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。
Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅから図９に示したｓｏｕｎｄｉｎｇパケットがフィードバックされる場合には、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒ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Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒ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、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅから図７に示したｓｏｕｎｄｉｎｇパケットがフィードバックされる場合には、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒ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９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３本のアンテナを備え、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅが４本のアンテナを備えている場合、図８、図１０、図１１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８並びに図１０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１１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、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒ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Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒ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。
上記では、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒは、トレーニング信号の送信を要求する無線通信信号をＮ本のデータ・ストリームを持つフォーマットで送信することによって、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅに対して暗示的若しくは明示的な指示を行なうと説明したが、この点について説明しておく。
ＩＥＥＥ８０２．１１で規定されるＭＡＣ層プロトコルでは、ｒｅｓｐｏｎｓｅフレーム（例えば、ＲＴＳパケットに対するＣＴＳパケットや、ＤＡＴＡパケットに対するＡＣＫパケットなど）は、それに先立つパケットが基本レートで送られてきた場合には、これと同じ伝送レートで返すというルールがある。
例えば、ＭＣＳ＝８（すなわち、ＢＰＳＫ、符号化率１／２、２ストリーム）が基本レートに入っている場合、ＢｅａｍｆｏｒｍｅｒがＭＣＳ＝８でトレーニング要求をＲＴＳ又はＤＡＴＡパケットで送信した場合には、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅは必ずＭＣＳ＝８でＣＴＳ又はＡＣＫパケットを返すことになる。
すなわち、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅは、図９又は図１０に示すように、残りの（Ｎ−Ｍ）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なフォーマットからなるｓｔａｇｇｅｒｅｄパケットで応答するので、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒにとってチャネル推定を行なうのに都合がよい。
したがって、このような通信システムでは一般に、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒ側からは、トレーニング要求を出すパケットを、自局のアンテナ本数に相当するＮ個のストリームを用いて送信することによって、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅから返されるｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットのフォーマットを上述したように明示的若しくは暗示的に指定することができる。この結果、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒは、チャネル行列推定回路１１４ａの構成を簡略化することができる。
なお、ＭＣＳ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｄｉｎｇ Ｓｃｈｅｍｅ）とは、変調方式、符号化方式、並びにストリーム本数を決定するための値で、ＨＴパケットのＰＨＹヘッダに記載される情報の１つである。
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から送られてくるトレーニング信号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、説明の簡素化のため、送信側の端末はストリームをアンテナ・ブランチに直接割り当てる“ｄｉｒｅｃｔ ｍａｐｐｉｎｇ”を行なう実施形態についてのみ説明してきたが、“ｓｐａｔｉａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ”やストリームとアンテナ・ブランチが１対１に対応しない変換方式を採り入れた場合であっても、同様に本発明を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１は、本発明に係るＩｍｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋの動作手順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４は、ＳＴＡ−Ｂからのトレーニング信号のフィードバックによりＳＴＡ−Ａでチャネル行列を推定する仕組みを説明するための図である。 図５は、図２〜図３に示した無線通信装置がＩｍｐｌｉｃｉｔ 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６は、図２〜図３に示した無線通信装置がＩｍｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋ手順に基づいてＢｅａｍｆｏｒｍｅｅ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、ｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットのフォーマット例を示した図である。 図１１は、ｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットのフォーマット例を示した図である。 図１２は、Ｉｍｐｌｉｃｉｔ 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説明するための図である。 図１３は、ＩＥＥＥ８０２．１１で規定されているＭＡＣフレームのＨＴ Ｃｏｎｔｒｏｌフィールドのフォーマットを示した図である。 図１４は、図１３に示したＨＴ Ｃｏｎｔｒｏｌフィールド内のＬｉｎｋ Ａｄａｐｔａｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌフィールドのフォーマットを示した図である。 図１５は、Ｉｍｐｌｉｃｉｔ ｆｅｅｄｂａｃｋに従って、ＢｅａｍｆｏｒｍｅｒがＢｅａｍｆｏｒｍｅｅからのトレーニング系列を用いてビーム形成を行なうための演算処理を説明するための図である。
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計算部
１１４ｂ…送信重み行列計算部
１１６…高速フーリエ逆変換部（ＩＦＦＴ）
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…受信重み行列演算部
２１６ｃ…受信重み行列乗算部
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 (11)

  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１の端末から前記第２の端末へ逆方向チャネルを励起するためのトレーニング信号の送信を要求するトレーニング要求手段と、
    該要求に応答して、前記第２の端末から前記第１の端末へ、Ｎ×Ｍの逆方向チャネル行列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、
    前記第１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ストリームに分離して、逆方向のチャネル行列を組み立てるチャネル行列作成手段と、
    Ｎ＜Ｍとなる場合において、前記第１の端末が持つアンテナ本数Ｎを考慮して、該逆方向のチャネル行列に含まれるＮ列からなるＮ×Ｎのチャネル行列を用いて、順方向データ伝送時におけるビーム形成用のＮ×Ｎの送信重み行列を求める送信重み行列計算手段と、
    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、前記第１の端末の各アンテナからの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. 前記トレーニング要求手段は、前記第１の端末がＭＡＣフレームのＨＴ Ｃｏｎｔｒｏｌフィールド内のＬｉｎｋ Ａｄａｐｔａｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌフィールドに含まれるＴＲＱビットによりトレーニング系列を要求し、
    前記トレーニング手段は、逆方向チャネル行列を励起するためのトレーニング系列を含んだｓｏｕｎｄｉｎｇパケットを送信し、
    前記送信重み計算手段は、前記第１の端末が受信したｓｏｕｎｄｉｎｇパケットの空間ストリーム・トレーニングを分離し、その分離したトレーニング系列から逆方向のチャネル行列を組み立てる、
    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、前記第２の端末から、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 ｆｏｒｍａｔによりｓｏｕｎｄｉｎｇパケットのフィードバックを行なわせる、
    ことを特徴とする請求項２に記載の無線通信システム。
  4. 前記トレーニング要求手段は、前記第１の端末から前記第２の端末へ、トレーニング信号の送信を要求する無線通信信号をＮ本のデータ・ストリームを持つフォーマットで送信し、
    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個の空間次元のチャネルを励起し、残りの（Ｎ−Ｍ）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２の端末から前記第１の端末へフィードバックする、
    ことを特徴とする請求項３に記載の無線通信システム。
  5. 前記チャネル行列作成手段は、前記第１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個の空間次元のチャネルを励起してＮ×Ｎのチャネル行列を推定するが、残りの（Ｎ−Ｍ）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３に記載の無線通信システム。
  6. Ｎ本のアンテナを備え、Ｍ本のアンテナを備えた第２の端末に対して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）、
    前記第２の端末に対して逆方向チャネルを励起するためのトレーニング信号の送信を要求するトレーニング要求手段と、
    該要求に応答して前記第２の端末から送られてきたトレーニング系列を含んだパケットを各アンテナにおいて受信したトレーニング系列をストリームに分離して逆方向のチャネル行列を組み立てるチャネル行列作成手段と、
    Ｎ＜Ｍとなる場合において、自分が持つアンテナ本数Ｎを考慮して、該逆方向のチャネル行列に含まれるＮ列からなるＮ×Ｎのチャネル行列を用いて、順方向データ伝送時におけるビーム形成用のＮ×Ｎの送信重み行列を求める送信重み行列計算手段と、
    前記第２の端末へデータ・パケットを送信する際に、各アンテナからの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装置。
  7. 前記トレーニング要求手段は、前記第１の端末がＭＡＣフレームのＨＴ Ｃｏｎｔｒｏｌフィールド内のＬｉｎｋ Ａｄａｐｔａｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌフィールドに含まれるＴＲＱビットによりトレーニング系列を要求し、
    前記チャネル行列作成手段は、各アンテナで受信したｓｏｕｎｄｉｎｇパケットの空間ストリーム・トレーニングを分離し、その分離したトレーニング系列から逆方向のチャネル行列を組み立てる、
    ことを特徴とする請求項６に記載の無線通信装置。
  8. 前記チャネル行列作成手段は、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が時間的に分離されたｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｆｏｒｍａｔのｓｏｕｎｄｉｎｇパケットからチャネル行列を作成する、
    ことを特徴とする請求項７に記載の無線通信装置。
  9. 前記トレーニング要求手段は、トレーニング信号の送信を要求する無線通信信号をＮ本のデータ・ストリームを持つフォーマットで送信して、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、残りの（Ｎ−Ｍ）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ｓｔｔａｇｅｒｅｄ ｓｏｕｎｄｉｎｇパケットのフィードバックを前記第２の端末に要求する、
    ことを特徴とする請求項８に記載の無線通信装置。
  10. 前記チャネル行列作成手段は、受信したｓｏｕｎｄｉｎｇパケットのうち、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Ｎ×Ｎのチャネル行列を推定するが、残りの（Ｎ−Ｍ）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９に記載の無線通信装置。
  11. 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第２の端末に対して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ための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）、
    前記第２の端末に対して逆方向チャネルを励起するためのトレーニング信号の送信を要求するトレーニング要求ステップと、
    該要求に応答して前記第２の端末から送られてきたトレーニング系列を含んだパケットを各アンテナにおいて受信したトレーニング系列をストリームに分離して逆方向のチャネル行列を組み立てるチャネル行列作成ステップと、
    Ｎ＜Ｍとなる場合において、自分が持つアンテナ本数Ｎを考慮して、該逆方向のチャネル行列に含まれるＮ列からなるＮ×Ｎのチャネル行列を用いて、順方向データ伝送時におけるビーム形成用のＮ×Ｎの送信重み行列を求める送信重み行列計算ステップと、
    前記第２の端末へデータ・パケットを送信する際に、各アンテナからの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ビーム形成するビーム形成ステップと、
    を具備することを特徴とする無線通信方法。
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