JP2007515091A - 空間多重無線通信システム及びそれに用いる装置 - Google Patents

Abstract

一つの基地局（４）と複数の子局（１）〜（３）とを備え、基地局と子局（１）〜（３）との間でそれぞれ空間多重無線伝送を行う無線通信システム。基地局（４）は空間多重用のマルチビームアンテナを有し、各子局（１）〜（３）は空間多重用のマルチビームアンテナを有し、基地局（４）のマルチビームアンテナの各アンテナ素子と通信対象となるいくつかの子局のマルチビームアンテナの各アンテナ素子との間に生じる電波伝搬特性の伝達関数値に基づいて、基地局のマルチビームアンテナが形成する複数の指向性パターンを直交化する。

Description

本発明は、マルチビームアンテナを用いて一対多（Ｐｏｉｎｔ ｔｏ Ｍｕｌｔｉ−Ｐｏｉｎｔ）の空間多重無線通信を行う、無線通信システムおよびその関連技術に関するものである。

従来より、複数の内容の情報を合成し無線伝送する多重化技術として、周波数分割多重（ＦＤＭ）、時分割多重（ＴＤＭ）、符号分割多重（ＣＤＭ）が、一般的に知られている。これらの多重化技術では、情報の多重度が増加すると、必要となる無線周波数帯域幅が増加する。したがって、帯域幅が十分確保できない場合、周波数が不足してしまう。

一方、空間多重（ＳＤＭ）は、送信端末と受信端末の各々に複数のアンテナを設け、同一周波数を用いて（即ち、無線周波数帯域幅を増やすことなく）多重化する技術である。さらに、ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）はその中の代表的な通信技術である。

ＭＩＭＯでは、文献１（日本国特開平１０−１７８３６７号公報）に開示されているように、送信端末と受信端末の間に形成される複数の伝搬経路ごとに、異なる内容の情報が通信される。より具体的には、複数の指向性アンテナをそれぞれヌル・ステアリングさせることにより、無線信号を伝搬経路ごとに空間的に分離し、一対一（Ｐｏｉｎｔ ｔｏ Ｐｏｉｎｔ）の多重通信を行う。「ヌル・ステアリング」とは、希望波到来方向に指向性パターンのメインビームを合わせ、非希望波到来方向に指向性パターンのヌル点を合わせることである。

図１７（ａ）は、２アンテナ素子アレイアンテナが用いられる指向性パターンを示す。図１７（ａ）の例では、メインビーム１００が希望波到来方向に向けられ、ヌル点１０１は非希望波到来方向に向けられる。

また、図１７（ｂ）は、６アンテナ素子アレイアンテナが用いられる指向性パターンを示す。図１７（ｂ）においても、メインビーム１００が希望波到来方向に向けられ、ヌル点１０１は非希望波到来方向に向けられる。

このように、複数の伝播経路に合わせてヌル・ステアリングすることにより、指向性パターンを直交（ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ）化できる。ＭＩＭＯでは、指向性アンテナとしてマルチビームアンテナが用いられ、送信端末と受信端末の各アンテナ素子間に生ずる電波伝搬特性の伝達関数値を行列要素とするチャネル行列Ｈを、演算して指向性が制御される。

さらに、文献２（Ｇ．Ｊ．Ｆｏｓｃｈｉｎｉ著，Ｂｅｌｌ Ｌａｂｓ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ，Ｖｏｌ．１，Ｎｏ．２，Ａｕｔｕｍｎ １９９６，ｐｐ４１−５９）は、Ｂｅｌｌ ＬａｂのＦｏｓｃｈｉｎｉにより提案されたＢＬＡＳＴ（Ｂｅｌｌ Ｌａｂｓ Ｌａｙｅｒｅｄ Ｓｐａｃｅ−Ｔｉｍｅ）方式を開示する。ＢＬＡＳＴ方式では、ノルムの小さなウエイトベクトルから順番に逐次的に・繰り返し、受信端末でのチャネル行列Ｈの一般逆行列計算を行う。その繰り返しの作用により、空間多重通信の効果に加えて空間ダイバーシチの効果を得ることができる。

文献３（日本国特開２００１−２３７７５１号公報）は、送信端末と受信端末とにおいて、チャネル行列Ｈの固有値計算により固有ベクトルを求め、マルチビームアンテナのウエイトを制御する技術を開示する。この技術では、注水定理（ｗａｔｅｒ ｆａｌｌｉｎｇ ｔｈｅｏｒｅｍ）に基づく送信電力制御を組み合わせ、空間多重通信の効果に加え、高い電力利用効率が得られる。

ところが、従来技術は、一対一の多重通信を実現するものである。したがって、送信端末と受信端末のアンテナ間に形成される伝搬経路の数が少ない場合には、各々のアンテナのアンテナ素子数をいくら増やしても、多重度が、伝搬経路の数に制限されてしまう。したがって、伝播経路の少ない環境では、周波数利用効率が低下するという問題点があった。
特開平１０−１７８３６７号公報 特開２００１−２３７７５１号公報 Ｇ．Ｊ．Ｆｏｓｃｈｉｎｉ著，Ｂｅｌｌ Ｌａｂｓ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ，Ｖｏｌ．１，Ｎｏ．２，Ａｕｔｕｍｎ １９９６，ｐｐ４１−５９

そこで本発明の第一の目的は、子局と基地局の間に形成される伝播経路の数が少ない環境条件下でも、周波数利用効率の高い無線通信システムを提供することである。本発明の第二の目的は、基地局のマルチビームアンテナが形成する指向性パターンを直交化するための手法を提供することである。本発明の第三の目的は、子局のマルチビームアンテナが形成する指向性パターンを準直交化するための手法を提供することにある。

第１の発明に係る無線通信システムは、基地局と複数の子局とを備える無線通信システムであって、基地局と複数の子局は、同一周波数を用いて同時に情報を空間多重無線伝送し、複数の子局の少なくとも１つは、複数の伝送路を用いて基地局と通信し、無線通信システムは、空間多重無線伝送を制御する制御部を備え、基地局は、空間多重無線伝送に使用される基地局マルチビームアンテナを備え、基地局マルチビームアンテナは、複数の基地局アンテナ素子を有し、複数の子局のそれぞれは、空間多重無線伝送に使用される子局マルチビームアンテナを備え、子局マルチビームアンテナは、複数の子局アンテナ素子を有し、制御部は、複数の基地局マルチビームアンテナの指向性パターンを直交化する。

この構成において、制御部は、複数の基地局マルチビームアンテナの指向性パターンを直交化することにより、一対多の空間多重無線通信を行える。特に、伝播経路の数が少ない環境条件下において、周波数利用効率を向上できる。

第２の発明に係る無線通信システムでは、制御部は、複数の基地局アンテナ素子と複数の子局アンテナ素子との間における電波伝搬特性の複数の伝達関数値に基づいて、複数の基地局マルチビームアンテナの指向性パターンを直交化する。

この構成により、１つの子局のみでは伝播経路の数が少ない環境条件下でも、基地局からみて、空間的に隔てられた子局ごとに形成される伝播経路を利用して空間的な多重度を高め、周波数利用効率を向上できる。

第３の発明に係る無線通信システムでは、基地局アンテナ素子の個数は、子局アンテナ素子の最大の個数よりも大である。

この構成により、子局の負担を軽減できると共に、子局は基地局を経由して通信を行う性質を利用し、形成される伝播経路を効果的に増加できる。

第４の発明に係る無線通信システムでは、複数の子局のそれぞれは、基地局へ電波伝搬特性推定に使用されるパイロット信号を送信し、基地局は、パイロット信号を受信し、制御部は、パイロット信号に基づいて、複数の伝達関数値を計算する。

この構成により、基地局はパイロット信号を集中して管理でき、システム運用の効率を向上できる。

第５の発明に係る無線通信システムでは、制御部は、複数の伝達関数値を行列要素とするチャネル行列の固有ベクトルを求め、固有ベクトルを用いて複数の基地局アンテナ素子のウエイトを制御する。

この構成により、固有ベクトルを用いて、電波伝搬特性を的確に評価できる。

第６の発明に係る無線通信システムでは、制御部は、複数の伝達関数値を行列要素とするチャネル行列の複数の対角要素を求め、複数の対角要素を用いて複数の基地局アンテナ素子のウエイトを制御する。

この構成により、複数の対角要素を用いて、電波伝搬特性を的確に評価できる。

第７の発明に係る無線通信システムでは、複数の子局のいずれかが移動したとき、移動した子局は、基地局へ電波伝搬特性推定に使用される移動パイロット信号を送信し、基地局は、移動パイロット信号を受信し、制御部は、移動パイロット信号に基づいて、少なくとも移動した子局に関する複数の伝達関数値を再計算し、制御部は、再計算された複数の伝達関数値に基づいて、複数の基地局マルチビームアンテナの指向性パターンを直交化する。

この構成により、子局が移動した場合にも対応して、一対多の空間多重無線通信を行える。

第８の発明に係る無線通信システムでは、制御部は、複数の子局のうち移動していない子局に関する複数の伝達関数値を再計算する。

この構成により、常に正確な伝達関数値を用いて、無線通信できる。

第９の発明に係る無線通信システムでは、制御部は、複数の子局のうち移動していない子局に関する複数の伝達関数値を再計算しない。

この構成により、変化していない蓋然性が高い伝達関数値の計算を省略し、子局の移動に対応し、レスポンス良く一対多の空間多重無線通信を行える。

第１０の発明に係る無線通信システムでは、制御部は、移動度（子局が単位時間内に空間的に移動する程度）をパラメータとし、複数の基地局マルチビームアンテナの指向性パターンを直交化する優先順位を決定する。

この構成により、移動度を用いることにより、優先順位を尊重した一対多の空間多重無線通信を行える。

第１１の発明に係る無線通信システムでは、制御部は、ある移動度を持つ子局の優先順位がある移動度よりも高い移動度を持つ子局の優先順位より高くなるように優先順位を決定する。

この構成により、移動しにくい子局を優先して、一対多の空間多重無線通信を行える。

第１２の発明に係る無線通信システムでは、移動度は、複数の子局のそれぞれに予め付与される識別子により表現され、複数の子局のそれぞれは付与された識別子を基地局へ送信し、制御部は、基地局へ送信された識別子に基づいて、複数の基地局マルチビームアンテナの指向性パターンを直交化する優先順位を決定する。

この構成において、識別子を利用することにより、複雑な演算なしに優先順位を尊重した一対多の空間多重無線通信を行える。

第１３の発明に係る無線通信システムでは、制御部は、基地局に一体的に設けられる。

この構成により、基地局と複数の子局との他に、格別の要素を設ける必要がないから、無線通信システムをシンプルに構築できる。

本発明によれば、１つの子局のみでは伝播経路の数が少ない環境条件下でも、空間的に隔てられた子局ごとに形成される伝播経路を利用し、空間的な多重度を高め、周波数利用効率を向上できる。

本発明によれば、子局同士が空間的に隔てられている場合や、子局同士が基地局を介さずに互いに通信できない場合であっても、基地局が無線通信システム全体のチャネル行列Ｈが検出できるから、マルチビームアンテナの指向性パターンを容易に直交化できる。

本発明によれば、受信信号を交換する必要がないから、子局に信号交換のための回路を設ける必要がなく、それだけ子局の回路規模を削減できる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における無線通信システムの概略図である。

図１に示すように、本形態の無線通信システムは、第１子局１、第２子局２、第３子局３および基地局４を備えている。

基地局４及び各子局１〜３の詳細な説明に先立ち、まずこの無線通信システムの概要を説明する。図１の例では、基地局４と第２子局２との間に電波障害物６が存在し、基地局４と第３子局３との間に電波障害物７が存在する。このため、基地局４と第１子局１との間に伝搬経路８が形成されている。

また、基地局４と第２子局２との間に伝搬経路９と伝搬経路１０とが形成され、基地局４と第３子局３との間に、伝搬経路１１と伝搬経路１２とが、形成されている。

図２は、図１の状態において、基地局４において形成されるアンテナ指向性パターンを示す。図２において、メインビーム２１が伝搬経路８のために形成され、メインビーム２２が伝搬経路９のために形成され、メインビーム２３が伝搬経路１０のために形成され、メインビーム２４が伝搬経路１１のために形成され、メインビーム２５が伝搬経路１２のために形成されている。後に詳述するように、基地局４と各子局１〜３には、それぞれ、複数の指向性パターンを同時形成して空間多重通信を行うことができるマルチビームアンテナが搭載される。

図２に示すように、基地局４では、第１子局１との間の伝搬経路８、第２子局２との間の伝搬経路９と伝搬経路１０、第３子局３との間の伝搬経路１１と伝搬経路１２の５つの伝搬経路に対して直交ビームが形成され、空間多重通信が行われる。

本形態の場合、基地局４と一つの子局との間（一対一）に限れば、伝播経路は高々２つしかなく、２チャンネル分の空間多重無線通信しか実現できない。しかしながら、本発明によれば、基地局４と３つの子局１〜３との間の５つの伝搬経路８〜１２を利用することにより、一対多の５チャンネル分の空間多重無線通信を実現できる。したがって、単位空間あたりの周波数利用効率を大幅に改善できる。

なお本形態では、基地局４を基準にして複数の子局に対して空間多重通信を行うため、基地局４でのヌル・ステアリングの自由度を高くする。言い換えれば、基地局４のマルチビームアンテナにおいて形成できるヌル点の数を多くし、基地局４のアンテナ素子数は、全ての子局１〜３のアンテナ素子数よりも多くする。このようにすると、これらの子局１〜３は、基地局４を経由して通信する性質を利用できるから、伝搬経路の数に対して無駄が少なくて良い。

次に、基地局４における指向性パターンの直交化法について説明する。図３は、図１に示す無線通信システムの基地局４と３つの子局１〜３との間に生じる伝搬特性をマルチビームアンテナのアンテナ素子ごとに模式的に示している。

図３において、基地局４は、６つのアンテナ素子Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５、Ａ６を有するマルチビームアンテナを備える。第１子局１は、３つのアンテナ素子Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３を有するマルチビームアンテナを備え、第２子局２は、４つのアンテナ素子Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６、Ｂ７を有するマルチビームアンテナを備え、第３子局３は、３つのアンテナ素子Ｂ８、Ｂ９、Ｂ１０を有するマルチビームアンテナを備える。ここで、基地局４のアンテナ素子Ａｉと子局のアンテナ素子Ｂｊとの間の伝達関数値を、ｈｉ＿ｊで表すと、図３の場合の伝搬特性行列Ｈは、（数１）で表現できる。勿論、図３に示すアンテナ素子数は、一例に過ぎず種々変更できる。

伝達関数値ｈｉ＿ｊの周波数特性に対して十分に狭帯域な信号が空間多重通信に用いられる場合、伝達関数値ｈｉ＿ｊは、ｈｉ＿ｊ＝Ａｅ^-jθという簡単な形式で表現できる。ただし、Ａは伝播経路合成後の振幅減衰項であり、θは伝播経路合成後の位相遅れ項である。

直交ビームを形成するためには、伝搬特性行列Ｈを推定し、行列Ｈを対角化する。そうすれば、無線信号が空間的に分離され、干渉波が除去される。

行列の対角化するには、線形代数が教えるように、一般逆行列による手法、もしくは、固有値・固有ベクトルによる手法を利用できる。

図４を参照しながら、一般逆行列を用いる処理例を説明する。図４において、第１子局１、第２子局２、第３子局３に入力される一まとめの送信信号ベクトルをＸとし、送信信号ベクトルに対して乗算されるウエイト行列をＷｍとし、伝搬特性行列をＨとする。

また、基地局４で受信される受信信号ベクトルをＹとし、受信信号ベクトルに対して乗算されるウエイト行列をＷｂとし、推定される送信信号ベクトルをＸ’とする。このとき、対角化のための演算式は、（数２）、（数３）、（数４）で表される。ここで、（数３）においてＩは単位行列を、（数４）において記号−Ｉは一般逆行列を表す。

図５を参照しながら、固有値・固有ベクトルを用いる処理例を説明する。図５において、基地局４に入力される送信信号ベクトルをＸとし、送信信号ベクトルに対して乗算されるウエイト行列をＷｂとし、伝搬特性行列をＨＴとする。

また、第１子局１、第２子局２、第３子局３で受信される一まとめの受信信号ベクトルをＹとし、受信信号ベクトルに対して乗算されるウエイト行列をＷｍとし、推定される送信信号ベクトルをＸ’とする。このとき、対角化のための演算式は、（数５）、（数６）、（数７）で表される。ここで、（数５）において記号Ｔは行列の転置を、（数６）において記号＊は共役転置を表し、行列Ｐは行列（ＨＴ）＊ＨＴの各固有値に対応する固有ベクトルを正規直交化した行列である。

次に、基地局４および各子局１〜３の詳細について、具体的に説明する。

また、説明の簡単化のために、伝搬特性行列Ｈは、既に推定されているものとする。

図６は、基地局４のブロック図である。図６に示すように、基地局４は、次の要素を備える。コーデック部６０１は、入出力ポート６２０から信号を入力すると、信号をエンコードし結果を変調部６０２へ出力する。コーデック部６０１は、復調部６０４から復調結果を入力すると、復調結果をデコードし結果を入出力ポート６２０へ出力する。また、コーデック部６０１は、パイロット信号処理部６０９から処理結果を入力すると、処理結果を移動度識別部６１１へ出力する。

変調部６０２は、コーデック部６０１から信号を入力するとそれを一定変調方式で変調しその結果をアンテナ送信制御部６０３へ出力する。

アンテナ送信制御部６０３は、後に詳述するように、変調部６０２から変調結果を入力すると、ウエイト演算部６１０から入力するウエイトに従ってマルチビームアンテナ６０８の各アンテナ素子の指向性パターンを決定し、決定した指向性パターンをアンテナ受信制御部６０５へ出力する。また、アンテナ送信制御部６０３は、決定された指向性パターンに従って送信信号を生成し、その結果を周波数変換部６０６する。

復調部６０４は、アンテナ受信制御部から受信する信号を復調し、その結果をコーデック部６０１とパイロット信号処理部６０９へ出力する。

アンテナ受信制御部６０５は、周波数変換部６０６から信号を入力すると、アンテナ送信制御部６０３が決定した指向性パターンに従って入力した信号を処理し、復調部６０４へ出力する。

送／受切替え制御部６０７は、送信状態と受信状態とを切り替え、送信状態では、周波数変換部６０６から入力する信号をマルチビームアンテナ６０８へ出力し、受信状態では、マルチビームアンテナ６０８が受信する受信信号を周波数変換部６０６へ出力する。

周波数変換部６０６は、送／受切替え制御部６０７に制御され、送信状態ではアンテナ送信制御部６０３から入力する信号を変換し、その結果を送／受切替え制御部６０７へ出力し、受信状態では、送／受切替え制御部６０７から入力する信号を変換しアンテナ受信制御部６０５へ出力する。

パイロット信号処理部６０９は、復調部６０４からパイロット信号（各子局１〜３のいずれかのアンテナ素子から送信されたパイロット信号）を入力すると、このパイロット信号の位相方向のずれ及び／又は振幅方向のずれを検出し、その結果を干渉量予測部６１２及びウエイト演算部６１０へ出力する。

干渉量予測部６１２は、各子局１〜３への伝搬経路８〜１２のペアにおける干渉量を推定する。

ウエイト演算部６１０は、干渉量予測部６１２が推定した干渉量に基づいて、マルチビームアンテナ６０８の各アンテナ素子のウエイトを演算する。

アンテナ送信制御部６０３は、ウエイト演算部６１０が演算するウエイトに従って、マルチビームアンテナ６０８の指向性パターンを決定する。

移動度識別部６１１は、各子局１〜３のそれぞれに予め付与される識別子を識別する。

本形態において、ウエイト演算部６１０とアンテナ送信制御部６０３とが、制御部に対応する。この制御部は、複数の基地局マルチビームアンテナの指向性パターンを直交化し、基地局４に一体的に設けられ（内蔵され）ている。

次に、子局について説明する。但し、各子局１〜３は、同様の構成をなすので、子局１のみについて説明する。

図７は、子局１のブロック図である。図７に示すように、子局１は、コーデック部７０１、変調部７０２、アンテナ送信制御部７０３、復調部７０４、アンテナ受信制御部７０５、周波数変換部７０６、送／受切替え制御部７０７、Ｌアンテナ素子のマルチビームアンテナ７０８、ウエイト演算部７０９、パイロット信号発生部７１０、入出力ポート７２０を備える。子局１において、基地局４と同様の機能を有する要素については、図６と同一の名前を付すことにより、重複する説明を省略する。

図７において、パイロット信号発生部７０１は、基地局４へ電波伝搬特性推定に使用されるパイロット信号を発生する。

マルチビームアンテナ７０８は、パイロット信号発生部７１０が発生するパイロット信号を基地局４へ送信する。

アンテナ送信制御部７０３とアンテナ受信制御部７０５とは、基地局４において指向性パターンの直交化が行われた後に、ゼロ・フォーシング手法と最尤推定手法との少なくとも一方を用いて、干渉波除去を行う。

以下、図１において基地局４と第２子局２との間の通信を例として、本形態における無線通信法を詳細に説明する。ここで、システム全体の空間多重度をＭとし、基地局４のマルチビームアンテナ６０８のアンテナ素子数をＮとし、各子局１〜３のマルチビームアンテナ７０８のアンテナ素子数をＬとし、各子局１〜３向けの多重度をＫとする。即ち、Ｍ＝５、Ｎ＝６、Ｌ＝４、Ｋ＝２である。勿論、これらの数値も一例に過ぎず、種々変更できる。

基地局４のコーデック部６０１は、各子局１〜３に送信すべきデータを含むＭ個のフレームを作り、各フレームを、時間同期して変調部６０２に出力する。

変調部６０２は、各フレームをマルチキャリア変調する。ここで、サブキャリア帯域幅が、伝搬特性に対して十分に狭帯域であると仮定すると、前述の通り、サブキャリアごとには伝達関数値ｈｉ＿ｊは、ｈｉ＿ｊ＝Ａｅ−ｊθという簡単な形式となり、また、サブキャリア信号はそれぞれ直交しているため、周波数ごとに独立した通信ができる。そこで、以下、説明の簡単化のため、同一周波数のＭ個のサブキャリア信号の組のみを説明する。

変調部６０２は、同一周波数帯のＭ個のサブキャリア変調信号（Ｘ１，Ｘ２，...，ＸＭ）を、Ｎ個の送信信号ベクトルＸ＝（Ｘ１，Ｘ２，...，ＸＭ，．．，ＸＮ）に拡大（例えば、「０」挿入等）し、アンテナ送信制御部６０３に出力する。

次に図８を参照しながら、アンテナ送信制御部６０２の詳細を説明する。ウエイト演算部６１０は、（数４）もしくは（数７）に基づき、干渉量予測部６１２およびパイロット信号処理部６０９および移動度識別部６１１から得られるパラメータを考慮し、ウエイト行列Ｗｂを計算する。

アンテナ送信制御部６０２は、送信信号ベクトルＸにウエイト行列Ｗｂ＝（ｗ１１，ｗ１２，...，ｗ１Ｎ，...，ｗＮ１，ｗＮ２，...，ｗＮＮ）を行列乗算し、送信ビームベクトルＳ＝（Ｓ１，Ｓ２，...，ＳＭ，...，ＳＮ）を生成する。行列乗算は、ベースバンド周波数帯でのデジタル信号処理となる。

周波数変換部６０６は、送信ビームベクトルＳを高周波数帯にアップコンバートし、送／受切替え制御部６０７が送信タイミングの同期をとった後、マルチビームアンテナ６０８は、アップコンバートされた送信ビームベクトルＳを空間多重信号として各子局１〜３に向けて発射する。

子局２のマルチビームアンテナ７０８は、基地局４から自局向けの伝搬経路を通って到来する空間多重信号を受信する。受信された空間多重信号は、送／受切替え制御部７０７で受信タイミングに同期して取り込まれ、周波数変換部７０６により高周波数帯からベースバンド周波数帯にダウンコンバートされて受信信号ベクトルＹ＝（Ｙ１，Ｙ２，...，ＹＬ）となり、アンテナ受信制御部７０５に送られる。

次に図９を参照しながら、アンテナ受信制御部７０５の詳細を説明する。ウエイト演算部７０９は、（数３）もしくは（数６）に基づき、コーデック部７０１および復調部７０４から得られるパラメータを考慮し、ウエイト行列Ｗｍを計算する。

アンテナ受信制御部７０５は、受信信号ベクトルＹにウエイト行列Ｗｍ＝（ｑ１１，ｑ１２，...，ｑ１Ｌ，...，ｑＬ１，ｑＬ２，...，ｑＬＬ）を行列乗算し、推定送信ベクトルＸ’＝（Ｘ１’，Ｘ２’，...，ＸＬ’）を生成する。

アンテナ受信制御部７０５は、推定送信ベクトルＸ’を、干渉除去されたサブキャリア信号をＫ個含みＫ個の要素からなるベクトルに縮小した後、その結果を復調部７０４に出力する。復調部７０４は、全サブキャリアを総合したマルチキャリア復調を行い、最終的にＫ個の受信フレームを生成する。

以上、基地局４から第２子局２に対する動作を説明したが、第２子局２から基地局４に関する動作も同様であるので、説明は省略する。

次に、伝搬特性行列Ｈの推定法について説明する。図１０に示すように、各子局１〜３のアンテナ素子Ｂｊ（ｊ＝１，２，...，１０）の一つずつから、基地局４のアンテナ素子Ａ１、Ａ２、...、Ａ６に対して、伝達関数値（ｈ１＿ｊ，ｈ２＿ｊ，ｈ３＿ｊ，ｈ４＿ｊ，ｈ５＿ｊ，ｈ６＿ｊ）を推定するためのパイロット信号を順次送信する。こうすれば、基地局４のパイロット信号処理部６０９は、伝搬特性行列Ｈを一括して求めることができる。パイロット信号は、無変調信号、もしくは、ＰＮ符号のような擬似ランダム信号等で良く、各子１〜３局のパイロット信号発生部７１０は、パイロット信号を、伝送路特性の変動速度に応じて基地局４へ送信すればよい。

次に図１１を参照しながら、基地局４のパイロット信号要求からシステム全体の空間多重通信に至るまでの流れを説明する。まず期間Ｔ１では、基地局４が第１子局１へのパイロット信号要求を送信し、第１子局１のアンテナ素子Ｂ１〜Ｂ３から順にパイロット信号が送信される。

期間Ｔ２では、基地局４が第２子局２へのパイロット信号要求を送信し、第２子局２のアンテナ素子Ｂ４〜Ｂ７から順にパイロット信号が送信される。

期間Ｔ３では、基地局４が第３子局３へのパイロット信号要求を送信し、第３子局３のアンテナ素子Ｂ８〜Ｂ１０から順にパイロット信号が送信される。

さらに、期間Ｔ４では、基地局４が、伝搬特性行列Ｈを推定し、直交ビーム形成のためのビームフォーミングを行い、期間Ｔ５では、基地局４が各子局１〜３に、推定された伝搬特性行列Ｈを通知する。期間Ｔ６では、各子局１〜３が、直交ビーム形成のためのビームフォーミングを行い、期間Ｔ７において、空間多重通信が実行される。

本形態では、基地局４を基準にして一対多の空間多重通信を行うため、基地局４から各子局１〜３に対してではなく、各子局１〜３から基地局４に対してパイロット信号を送信している。これにより、伝搬特性行列Ｈは、容易に推定される。

なお、基地局４のアンテナ素子数Ｎと、空間多重通信に利用する伝播経路伝搬経路の総数Ｍとが、Ｍ＞Ｎという関係にある場合、伝播経路の分離度が低下し、ヌル・ステアリングの精度が低下するおそれがある。そのため、図１２に示すように、基地局４で受信するパイロット信号の数を制限し、Ｍ＜Ｎの条件を満たす行列Ｈを用いてビーム形成を行うとよい。こうすれば、ヌル・ステアリングの精度低下を防止することができる。より具体的には、（数８）に示すように行列Ｈの伝達関数値の一部に「０」を挿入して、行列のランク（Ｍ）を下げ、パイロット信号の数を制限するとよい。なお、パイロット信号の選別は、各子局１〜３に割り振られたチャネル優先順位等に基づいて決定すればよい。

次に、子局における指向性パターンの準直交化法について説明する。本形態では、図１に示すように、各子局１〜３同士が、それぞれ空間的に離れ、しかも、各子局１〜３同士が、基地局４を介さずに通信できない状態であっても対応できるようになっている。即ち、各子局１〜３のそれぞれのマルチビームアンテナを共有することは困難である。

そのため、図５のように基地局４から各子局１〜３に向けた空間多重通信の場合、各子局１〜３のそれぞれは、受信信号ベクトルＹの一部しか検出できず、厳密な意味での指向性パターンの直交性が成り立たない場合もある。

そこで、本形態では、ゼロ・フォーシング手法もしくは最尤推定手法を適用して、指向性パターンの準直交化を行う。「準直交」とは、数学的に、厳密な意味での直交性は保たれないが、形成できるヌル点の数の範囲内で、パス利得の高い伝搬経路に限定して直交性を事実上維持することを意味する。

準直交化が有効となり得る理由としては、
（１）各子局１〜３では基地局４に向けて形成される伝搬経路が少なくて済む（つまり、Ｋ＜Ｍとなる）こと、また、
（２）自局向けの伝搬経路間に十分な見開き角（θ）があれば、低アンテナ素子のアンテナでも伝搬経路相互間の干渉を少なくできること等
があげられる。

準直交化法について、図１の基地局４と第２子局２との間の空間多重通信を例にとって具体的に説明する。基地局４は、既に、一般逆行列、もしくは、固有値・固有ベクトルによる手法でウエイト行列Ｗｂを求めており、指向性パターンの直交化が既に完了した状態にあるものとする。

図１３を参照しながら、第２子局２において、ゼロ・フォーシング手法もしくは最尤推定手法を用いる処理を説明する。図１３において、基地局４に入力される送信信号ベクトルをＸとし、送信信号ベクトルＸに乗算すべきウエイト行列をＷｂとし、基地局４と第２子局２との間の伝搬特性行列をＨ２Ｔとする。

また、第２子局２で受信される受信信号ベクトルをＹとし、受信信号ベクトルＹに乗算すべきウエイト行列をＷ２ｍとし、受信信号ベクトルＹに対する誤差ノルムの計算をδとし、推定される送信信号ベクトルをＸ’とする。ここで、伝搬特性行列Ｈ２は、（数９）で表されるが、これは、（数１）の部分行列であるため、第２子局２は、基地局４からの通知により伝搬特性行列Ｈ２の情報を得ることができる。

ここで、ゼロ・フォーシング手法を用いると、第２子局２において部分行列Ｈ２を対角化するための演算式は（数１０）で表され、第２子局２は、（数１１）で表されるウエイト行列Ｗ２ｍを用いて、送信信号ベクトルＸ’を推定できる。

また、最尤推定手法を用いると、第２子局２は、（数１２）の誤差ノルムδを最小とするＸ’を、Ｘの全ての取りうる場合について総当りで計算することで送信信号ベクトルＸ’を推定できる。（数１２）において、記号｜｜・｜｜はノルムを表す。

以上の様な手法を、第１子局１、第３子局３に対して同様に適用することにより、各子局１〜３は指向性パターンを準直交化できる。

次に、基地局４における指向性パターンの直交化が不完全な場合の空間多重化手法について説明する。この状況は、図１４に示すように、基地局４から見た隣り合う伝搬経路の見開き角（θ）が小さい場合に起こりうる。例えば、図１７（ｂ）に示された６つのアンテナ素子を有するアレイアンテナについて、メインビーム１００の中心点とそれを挟むヌル点１０１がなす角度は約１５度程度である。これは、θ＜１５度の条件を満たす２つの伝搬経路に対しては、アンテナのアンテナ素子数を増やさない限り、相互に干渉を与え合うことを意味し、この場合には、子局では、（数１０）、（数１１）もしくは（数１２）の準直交化手法を適用したとしても、干渉による伝送誤りが発生する可能性がある。

そこで、基地局４において、伝搬特性行列Ｈが既知であることを利用して、基地局４の直交ビームが特定の子局での受信信号ベクトルＹに及ぼす干渉量を、基地局４の干渉量予測部６１２で推定し、もし規定レベル以上の干渉を及ぼす指向性パターンが検出された場合には、その指向性パターンを空間多重化から除外すればよい。伝送特性の変動が十分に緩やかであれば、干渉量は（数１３）を用いて推定できる。

図１５を参照しながら、この手法の適用例を説明する。図１５に示すように、基地局４が、第２子局２での干渉量を推定した結果、メインビーム２３とメインビーム２４との干渉量が規定値を超える場合、基地局４が、メインビーム２４を空間多重化から除外すればよい。この除外法により、空間多重度は多少犠牲になるものの、伝搬経路相互の干渉を効果的に低減でき、伝送誤りを防止でき、通信の信頼性を向上できる。

次に、この手法を複数の子局に対して適用すると、伝播経路伝搬経路の総数Ｍが多くなり、干渉する伝搬経路の組み合わせも多くなる。この場合、全体として最大の空間多重度を得るために、処理は複雑になるが、指向性パターンごとに各子局１〜３における干渉量の総和を計算し、干渉が規定値以下になるまで、総和の大きな指向性パターンから順に除外していけばよい。その他、簡単な処理で干渉を防止するためには、全ての見開き角θが十分大きな値を取るように伝搬経路を選別するのも有効である。なお、除外される指向性パターンは、伝送路特性に依存してランダムに選別されるので、ＱｏＳ（Ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ Ｓｅｒｖｉｃｅ）が必要な場合には、各子局１〜３の優先順位に基づいて、指向性パターンの選別を行うこともできる。

次に、各子局１〜３に対する優先順位の割り当て法について説明する。空間多重通信時には、一般的には、基地局４が静止状態にあるものと仮定できる。しかしながら、子局は、静止状態および移動状態のどちらの場合もとりうる。移動状態の子局が存在する場合、基地局４は、その子局の移動速度に追従して、伝搬特性行列Ｈの推定を行う必要がある。

また、変化する見開き角θの値によっては、全体のヌル・ステアリングができないことも考えられる。

そこで、本形態では、移動度（単位時間内に空間的に移動する程）をパラメータとして、優先順位を割り当て、基地局４での直交ビームを効果的に形成する。例えば、図１６のように、第１子局１が移動状態にあり、第２子局２と第３子局３がそれぞれ静止状態にあるとすると、基地局４は、伝搬特性行列Ｈの各要素である伝達関数値の時間変化情報から、各子局１〜３の移動状態を検出し、第１子局１には高い移動度を割り当て、また、第２子局２と第３子局３には低い移動度を割り当てる。

優先順位の設定は、アプリケーションごとに異なるが、例えば、リアルタイム性の高い、数秒以内の伝送遅延時間しか許容されない高速なデータを伝送する場合においては、移動度の低い子局の優先順位をより高く設定するとよい。これにより、直交ビームの動的な外乱要因が減り、固定割合の高い指向性パターンが優先されるので、システム全体の空間多重度を安定的に確保でき、リアルタイム通信の瞬断などを防止できる。図１６の場合、干渉が発生した際には、第１子局１に対するメインビーム２１が空間多重化から除外される。

また、子局ごとに、移動度識別子（単なる整数値等でよい）を予め付与しておけば、基地局４における、移動状態の検出処理を簡略化できる。好ましくは、想定される使用形態に合わせて、各子局１〜３に移動度識別子が、あらかじめ固定的に割り振られ、各子局１〜３のコーデック部７０１に格納しておく。

各子局１〜３は、適宜時点で、基地局４へ自分の移動度識別子を送出し、基地局４の移動度識別部６１１は、この移動度識別子を識別し、基地局４は、識別された移動度識別子を優先順位に反映させる。

本発明の無線通信システムは、例えば、一対多のネットワークトポロジーをもつ無線ＬＡＮや無線ＡＶストリーミング等において好適に利用できる。

本発明の実施の形態１における無線通信システムの概略図である。 本発明の実施の形態１におけるアンテナ指向性パターンの例示図である。 本発明の実施の形態１における伝搬特性の模式図である。 本発明の実施の形態１における直交化処理の説明図（一般逆行列）である。 本発明の実施の形態１における直交化処理の説明図（固有値）である。 本発明の実施の形態１における基地局のブロック図である。 本発明の実施の形態１における子局のブロック図である。 本発明の実施の形態１におけるアンテナ送信制御部（基地局）のブロック図である。 本発明の実施の形態１におけるアンテナ受信制御部（子局）のブロック図である。 本発明の実施の形態１におけるパイロット信号送信の説明図である。 本発明の実施の形態１におけるシーケンスチャートである。 本発明の実施の形態１におけるアンテナ素子制限の説明図である。 本発明の実施の形態１における準直交化処理の説明図である。 本発明の実施の形態１における基地局からみた見開き角θの説明図である。 本発明の実施の形態１における指向性パターン除外の説明図である。 本発明の実施の形態１における指向性パターン除外の説明図である。 （ａ）、（ｂ）は、従来のヌル・ステアリングの説明図である。

Claims (23)

1. 基地局と複数の子局とを備える無線通信システムであって、
   前記基地局と前記複数の子局は、同一周波数を用いて同時に情報を空間多重無線伝送し、前記複数の子局の少なくとも１つは、複数の伝送路を用いて前記基地局と通信し、
   前記無線通信システムは、前記空間多重無線伝送を制御する制御部を備え、
   前記基地局は、前記空間多重無線伝送に使用される基地局マルチビームアンテナを備え、
   前記基地局マルチビームアンテナは、複数の基地局アンテナ素子を有し、
   前記複数の子局のそれぞれは、前記空間多重無線伝送に使用される子局マルチビームアンテナを備え、
   前記子局マルチビームアンテナは、複数の子局アンテナ素子を有し、
   前記制御部は、前記複数の基地局マルチビームアンテナの指向性パターンを直交化する、無線通信システム。
2. 前記制御部は、前記複数の基地局アンテナ素子と前記複数の子局アンテナ素子との間における電波伝搬特性の複数の伝達関数値に基づいて、前記複数の基地局マルチビームアンテナの指向性パターンを直交化する、請求の範囲第１項記載の無線通信システム。
3. 前記基地局アンテナ素子の個数は、前記子局アンテナ素子の最大の個数よりも大である、請求の範囲第１項記載の無線通信システム。
4. 前記複数の子局のそれぞれは、前記基地局へ電波伝搬特性推定に使用されるパイロット信号を送信し、
   前記基地局は、前記パイロット信号を受信し、
   前記制御部は、前記パイロット信号に基づいて、前記複数の伝達関数値を計算する、請求の範囲第２項記載の無線通信システム。
5. 前記制御部は、前記複数の伝達関数値を行列要素とするチャネル行列の固有ベクトルを求め、
   前記固有ベクトルを用いて前記複数の基地局アンテナ素子のウエイトを制御する、請求の範囲第２項記載の無線通信システム。
6. 前記制御部は、前記複数の伝達関数値を行列要素とするチャネル行列の複数の対角要素を求め、
   前記複数の対角要素を用いて前記複数の基地局アンテナ素子のウエイトを制御する、請求の範囲第２項記載の無線通信システム。
7. 前記複数の子局のいずれかが移動したとき、移動した子局は、前記基地局へ電波伝搬特性推定に使用される移動パイロット信号を送信し、
   前記基地局は、前記移動パイロット信号を受信し、
   前記制御部は、前記移動パイロット信号に基づいて、少なくとも移動した子局に関する前記複数の伝達関数値を再計算し、
   前記制御部は、再計算された前記複数の伝達関数値に基づいて、前記複数の基地局マルチビームアンテナの指向性パターンを直交化する、請求の範囲第２項記載の無線通信システム。
8. 前記制御部は、前記複数の子局のうち移動していない子局に関する前記複数の伝達関数値を再計算する、請求の範囲第７項記載の無線通信システム。
9. 前記制御部は、前記複数の子局のうち移動していない子局に関する前記複数の伝達関数値を再計算しない、請求の範囲第７項記載の無線通信システム。
10. 前記制御部は、移動度（子局が単位時間内に空間的に移動する程度）をパラメータとし、前記複数の基地局マルチビームアンテナの指向性パターンを直交化する優先順位を決定する、請求の範囲第７項記載の無線通信システム。
11. 前記制御部は、ある移動度を持つ子局の優先順位が前記ある移動度よりも高い移動度を持つ子局の優先順位より高くなるように前記優先順位を決定する、請求の範囲第１０項記載の無線通信システム。
12. 前記移動度は、前記複数の子局のそれぞれに予め付与される識別子により表現され、
    前記複数の子局のそれぞれは付与された識別子を前記基地局へ送信し、
    前記制御部は、前記基地局へ送信された識別子に基づいて、前記複数の基地局マルチビームアンテナの指向性パターンを直交化する優先順位を決定する、請求の範囲第１０項記載の無線通信システム。
13. 前記制御部は、前記基地局に一体的に設けられる、請求の範囲第１項記載の無線通信システム。
14. 複数の子局であって、それぞれが複数の子局アンテナ素子を備える子局と共に、同一周波数を用いて同時に情報を空間多重無線伝送する無線通信システムに使用される基地局であって、
    前記基地局は、
    複数の基地局アンテナ素子を備える基地局マルチビームアンテナと、
    前記基地局アンテナ素子を経由する無線通信を制御するアンテナ制御部とを備え、
    前記アンテナ制御部は、電波伝搬特性推定に用いられるパイロット信号に基づいて、前記複数の基地局アンテナ素子と、前記複数の子局アンテナ素子との間における電波伝搬特性の複数の伝達関数値を計算し、
    前記複数の基地局マルチビームアンテナの指向性パターンを直交化する、基地局。
15. 前記基地局は、前記複数の子局への伝搬経路のペアにおける干渉量を推定する干渉量予測部をさらに備え、
    前記アンテナ制御部は、前記干渉量予測部が推定した干渉量に基づいて、前記複数の基地局マルチビームアンテナの指向性パターンを決定する、請求の範囲第１４項記載の基地局。
16. 前記基地局は、前記複数の子局のそれぞれにおける移動度（子局が単位時間内に空間的に移動する程度）を識別する移動度識別部をさらに備え、
    前記アンテナ制御部は、前記移動度識別部が識別する移動度に基づいて、前記複数の基地局マルチビームアンテナの指向性パターンを決定する、請求の範囲第１４項記載の基地局。
17. 基地局と共に、同一周波数を用いて同時に情報を空間多重無線伝送する無線通信システムに使用される子局であって、
    前記子局は、
    複数の子局アンテナ素子を備える子局マルチビームアンテナと、
    前記基地局へ電波伝搬特性推定に使用されるパイロット信号を発生するパイロット信号発生部とを備え、
    前記子局マルチビームアンテナは、前記パイロット信号発生部が発生する前記パイロット信号を前記基地局へ送信する、子局。
18. 前記子局アンテナ素子を経由する無線通信を制御するアンテナ制御部をさらに備え、
    前記アンテナ制御部は、前記基地局において指向性パターンの直交化が行われた後に、ゼロ・フォーシング手法と最尤推定手法との少なくとも一方を用いて、干渉波除去を行う、請求の範囲第１７項記載の子局。
19. 基地局と複数の子局とにおいて、同一周波数を用いて同時に情報を空間多重無線伝送し、前記複数の子局の少なくとも１つは、複数の伝送路を用いて前記基地局と通信する無線通信方法であって、
    前記複数の子局のそれぞれが、前記基地局へ電波伝搬特性推定に使用されるパイロット信号を送信するステップと、
    前記パイロット信号に基づいて、前記基地局の複数の基地局アンテナ素子と前記子局の複数の子局アンテナ素子との間における電波伝搬特性の複数の伝達関数値を計算するステップと、
    前記複数の伝達関数値に基づいて、前記複数の基地局マルチビームアンテナの指向性パターンを直交化するステップとを備える、無線通信方法。
20. 前記基地局アンテナ素子の個数は、前記子局アンテナ素子の最大の個数よりも大である、請求の範囲第１９項記載の無線通信方法。
21. 前記計算するステップでは、前記複数の伝達関数値を行列要素とするチャネル行列の固有ベクトルを求め、
    前記直交化するステップでは、前記固有ベクトルを用いて前記複数の基地局アンテナ素子のウエイトを制御する、請求の範囲第１９項記載の無線通信方法。
22. 前記計算するステップでは、前記複数の伝達関数値を行列要素とするチャネル行列の複数の対角要素を求め、
    前記直交化するステップでは、前記複数の対角要素を用いて前記複数の基地局アンテナ素子のウエイトを制御する、請求の範囲第１９項記載の無線通信方法。
23. 前記複数の子局のいずれかが移動したとき、移動した子局が、前記基地局へ電波伝搬特性推定に使用される移動パイロット信号を送信するステップと、
    前記移動パイロット信号に基づいて、少なくとも移動した子局に関する前記複数の伝達関数値を再計算するステップと、
    再計算された前記複数の伝達関数値に基づいて、前記複数の基地局マルチビームアンテナの指向性パターンを直交化するステップとをさらに備える、請求の範囲第１９項記載の無線通信方法。

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