JP2008211349A - 無線通信装置、及び、無線通信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マルチユーザＭＩＭＯ通信を実施する際に、同時刻、同一周波数帯に信号を送信する際の通信相手の最適な選択方法を提供すること。
【解決手段】通信を行う前に、チャネル情報取得回路１０５は、送信を行う通信相手に対するチャネル応答行列及びシングルユーザ通信時の伝送品質を取得する。信号劣化量推定回路１０７は、通信相手の組み合わせによる固有値の減衰量の積の推定を行う。通信相手選択回路１０８は、ＢＤ法を用いた際の周波数利用効率を推定し、シングルユーザ通信時より改善が大きい通信相手の組み合わせを決定する。送信ウェイト演算回路１０９及びデータ分割回路１００−２は、推定された周波数利用効率、もしくは選択された通信相手で新たに詳細に推定した伝送品質を元に送信データを生成する。選択された通信相手以外の通信相手についても同様に伝送速度を増大する組み合わせがあるのを評価し、順次送信を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、同一の周波数チャンネルを用い、異なる複数の送信アンテナより、独立な信号系列を空間多重し、複数の通信相手に送信し、複数の通信相手への情報伝達を実現する無線通信装置、及び、無線通信方法に関する。

近年、２．４ＧＨｚ帯又は５ＧＨｚ帯を用いた高速無線アクセスシステムとして、ＩＥＥＥ８０２．１１ｇ規格、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ規格などの普及が目覚しい。近年では、Multiple Input Multiple Output（ＭＩＭＯ）技術により周波数利用効率の増大を可能にするＩＥＥＥ８０２．１１ｎ規格も商用に動いており、無線通信の更なる高速化及び大容量化が進むと考えられる。
そのための技術として、Multiuser（ＭＵ：マルチユーザ）−ＭＩＭＯ技術が知られている。ＭＵ−ＭＩＭＯ技術では、複数の通信相手に同時に送信を行い、通信相手全体の受信アンテナを仮想的なアレーのように見ることで、空間のリソースを有効に活用し、周波数利用効率を増大させることができる。

ＭＵ−ＭＩＭＯ技術のうちの多くは未だ理論検討が必要であるが、現実的な演算量で実現可能なBlock Diagonalization指向性制御法（以下、ＢＤ法ともいう）が注目されている。ＢＤ指向性制御法とは、送信局側において複数の送信アンテナから同一チャンネル上で異なる独立な信号を複数の通信相手に送信し、お互いの通信相手の受信ウェイトにより形成される受信ビームに対し、ヌルを形成し、受信曲側において、他の通信相手からの干渉を生ずることなく信号を受信し、それぞれの通信相手に独立に受信信号を推定し、データを再生するものである。
以下、送信装置のアンテナ素子数をＭ_ｔ、通信相手の数をＭｕ、ｉ番目の通信相手の受信アンテナ素子数をＭ_ｒ(i)、ｉ番目の通信相手に、同時刻、同一周波数帯において送信する通信系列数（データストリーム数）をＬ(i)、Ｍｔ≧Ｍ_ｒ(i)として、通信相手を決定する方法の一例を示す。

図９は、従来のＢＤ指向性制御法による通信装置の送信部のブロック構成図である。図９に示す通信装置８０１は、伝搬環境に最適となるように送信指向性を制御し、空間多重により伝送速度を向上させる。
通信装置８０１（送信部）は、データ出力回路９００−１、データ分割回路９００−２、変調回路９０１−１、…、９０１−Ｌ、送信信号変換回路９０２、無線部９０３−１、無線部９０３−２、…、９０３−Ｍ_ｔ、アンテナ９０４−１、９０４−２、…、９０４−Ｍ_ｔ、チャネル応答取得回路９０５、通信品質評価通信相手選択回路９０６、送信ウェイト決定回路９０７等から構成される。

無線部９０３−２、…、９０３−Ｍ_ｔ、アンテナ９０４−１、９０４−２、…、９０４−Ｍ_ｔは、無線信号の送受信を行うことが可能であり、チャネル応答取得回路９０５は、送信部の各アンテナ９０４−１、９０４−２、…、９０４−Ｍ_ｔと通信相手の各アンテナ間のチャネル応答行列を推定する。このチャネル応答行列の推定方法は、ここでは詳細に説明しないが、アンテナ９０４−１、９０４−２、…、９０４−Ｍ_ｔにおいて、既知信号の受信を行った際に得られる情報を基に推定するか、もしくは受信信号に含まれるフィードバック情報に含まれる情報によって推定することが可能である。チャネル応答行列の推定情報は、通信品質評価通信相手選択回路９０６に入力され、通信品質評価通信相手選択回路９０６は、通信相手を組み合わせた際の伝送品質を推定し、基準を満たす通信相手の組み合わせを送信ウェイト決定回路９０７に出力する。送信ウェイト決定回路９０７は、各信号系列のそれぞれのアンテナ９０４−１、９０４−２、…、９０４−Ｍ_ｔに対する送信ウェイトを出力する。

次に、送信対象となる送信データが入力されると、データ分割回路９００-２は１系統の信号をＬ系統の信号系列に分割し、変調回路９０１−１、…、９０１−Ｌに入力する。変調回路９０１−１、…、９０１−Ｌは、入力された信号にＭＩＭＯチャネル推定用のプリアンブル信号等を付与して変調した後、これらの信号を、送信信号変換回路９０２に入力する。ここで、送信データには送信ウェイトが乗算され、無線部９０３−２、…、９０３−Ｍ_ｔに入力され、アンテナ９０４−１、９０４−２、…、９０４−Ｍ_ｔを介して無線信号として送信される。

チャネル応答行列取得回路９０５において得られたｉ番目の通信相手に対するチャネル情報を表すチャネル応答行列Ｈｉ（Ｍ_r(i)×Ｍ_ｔ行列）は（１）式のように特異値分解により、右特異行列Ｖｉ（Ｍ_ｔ×Ｍ_ｔ行列）、左特異行列Ｕｉ（Ｍ_r(i)×Ｍ_r(i)行列）、及び固有値の二乗根√λを対角要素とし、非体格行列を「０」とする行列Ｄ（Ｍ_ｒ×Ｍ_ｔ行列）に分けることができる。

ここで、Ｈ_ｉ，ｊｋは送信装置のｋ番目のアンテナ９０４−ｋからｉ番目の通信相手におけるｊ番目のアンテナまでの伝達係数を表す。右特異行列Ｖｉのうち、Ｖ'ｉは固有値に対応する列ベクトル群を、Ｖ"ｉは「０」に対する列ベクトル群である。シングルユーザに対する通信において、Ｖ'ｉの列ベクトルを送信ウェイトとすることで、対応する固有値λ_ｉ，ｊで表せる信号電力を得ることができる。（λ_ｉ，１≧λ_ｉ，２≧…≧λ_{ｉ，Ｍｒ（ｉ）}）数式（１）において、行列の上付き添え字「Ｈ」は共役複素行列であることを示す。

シングルユーザにおける達成可能な周波数利用効率は、右特異行列Ｖ'ｉのＬ(i)個の列ベクトルであるＶ'_{ｉ，Ｌ（ｉ）}を送信ウェイトとして選択することで、次式のように表すことができる。

ここで、Ｌ（ｉ）はｉ番目の通信相手への送信に用いる通信系列数（データストリーム数）、σ^２は熱雑音の分散値である。

次に、マルチユーザに対するＢＤ法による通信相手の選択方法の手段を説明する。ここで、通信を行いたいマルチユーザＭｕの通信相手のうち、Ｍｕ'(t)の通信相手ごとにブロック化し、ｔ番目のタイミングでそれらの複数の通信相手に同時に送信を行う場合を考える。ｔ番目のタイミングで送信する通信相手の番号をlt(１)〜lt(Mu'(t))、ｉ∈Ｕ(l)とする。
以下、Ｍｕ'(l)個の通信相手にＢＤ法による送信を行う際の伝送品質を評価する方法について説明する。

まず、Ｍｕ'(t)の通信相手のうち、ｉ番目の通信相手に達成可能な伝送容量の評価方法について説明する。
Ｈ^＋ _lt(i)をlt(i)番目の通信相手以外のｔ番目のタイミングで同時に同一周波数帯に送信する通信相手のチャネル応答行列の集合行列として、次式で表す。

ここで、lt(i)はｔ番目のタイミングで同時に送信する通信相手の中でｉ番目の通信相手の番号である。Ｒlt(j)はlt(j)番目の通信相手に仮定した受信ウェイトであり、対角行列とすれば、受信ウェイトの仮定ナシの条件となる。このＨ^＋ _lt(i)(t)に対して特異分解値を行うと、

と表すことができ、Ｖ^＋ _lt(i)(t)は固有値Ｄ^＋ _lt(i)(t)に対応するベクトルであり、Ｖ⁻ _lt(i)(t)は固有値がない、もしくは、固有値０に対応するヌル空間ベクトルである。

ここで、Ｖ⁻ _lt(i)(t)の送信空間に対し、送信を行うと、ｔ番目のタイミングにおけるlt(i)以外の通信相手の受信ウェイトに対し、干渉を生じない。そこで、この送信空間において得られる通信品質を評価するには、lt(i)番目の通信相手のチャネル応答行列に対し、ヌル空間ウェイトＶ⁻ _lt(i)(t)を乗算して得られる特異値を計算すればよい。

ここで、Ｖ^† _lt(i)は固有値に対応する固有ベクトル、Ｖ^†† _lt(i)は「０」に対応する固有ベクトルである。Ｄ^† _lt(i)(t)の対角成分の二乗値であるヌル空間固有値λ^† _lt(i),1、…、λ^† _{lt(i),Mr(lt(i))}に対応する品質が得られることになる。
マルチユーザにおける達成可能な周波数利用効率は、送信ウェイトとして、右特異行列Ｖ⁻ _lt(i)Ｖ^† _lt(i)のうちのL(i)個の列ベクトルＷ_lt(i)L(i)を送信ウェイトとして選択することで、次式のように示される。

ここで、Ｒ'_lt(i)はlt(i)番目の通信相手で復号に用いる受信ウェイトである。

Q. H. Spencer, A. L. Swindlehurst, and M. Haardt, "Zero-Forcing Methods for Downlink Spatial Multiplexing in Multiuser MIMO Channels," IEEE Trans. Sig. Proceeding, vol.52, issue 2, Feb.2004, pp.461-71.

以上述べたように、複数の通信相手に対して、同一時刻、同一周波数帯において空間多重により高い伝送容量を得ることが可能であるが、上記に述べた方法ででは、通信相手の組み合わせは、全通信相手Ｍｕに対して「_ＭｕＣ_{Ｍｕ’（ｌ）}」通り存在し、各組み合わせに対して上記の方法で各通信相手に対するヌル空間固有値λ^†を計算し、最適な通信相手の組み合わせを決定することは膨大な計算処理を必要とする。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、通信相手が複数存在し、それらの中から一つ以上の通信相手に対し、同一時刻、同一周波数帯において、異なる信号系列を送信する場合に、一つ以上の通信相手の組み合わせにより通信を行う場合の伝送特性を簡易に決定する無線通信装置、及び、無線通信方法を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために本発明は、複数のアンテナ素子を備え、複数の通信相手に対し、同時刻、同一周波数帯に信号を送信する際の通信相手を選択し、通信を行う無線通信方法であって、通信を行う各通信相手に対する、送信空間基底ベクトルを演算するステップと、送信空間ベクトルから、同時刻、同一周波数帯で送信する通信相手を選択した際のBlock Diagonarization（ＢＤ）アルゴリズムを用いる場合に生じる信号電力の劣化量を推定するステップと、推定された劣化量から、予め定めた条件に最もよく一致する通信相手同士を選択するステップと、を具備することを特徴とする。

また、本発明は、複数のアンテナ素子を備え、複数の通信相手に対し、同時刻、同一周波数帯に信号を送信する際の通信相手の選択し、通信を行う無線通信方法であって、通信を行う各通信相手に対する、送信空間基底ベクトルを演算するステップと、送信空間ベクトルから、同時刻、同一周波数帯で送信する通信相手を選択した際のBlock Diagonarization（ＢＤ）アルゴリズムを用いる場合に生じる信号電力の劣化量を推定するステップと、推定された劣化量から、変調方式や符号化率からなる伝送モードを選択するステップと、を具備することを特徴とする。

また、本発明は、複数のアンテナ素子を備える送信装置から、複数の通信相手局に対し、一つ又は複数の信号系列を同一周波数チャネル及び同一時刻に空間多重して送信を行うことが可能な無線通信システムにおける無線通信装置であって、２以上の複数本のアンテナを具備し、前記各アンテナ素子に接続され、受信時には受信信号からベースバンド信号に変換し、チャネル情報取得回路へ出力し、送信時には送信信号を無線信号としてアンテナ素子から送信を行う無線部と、前記無線部から入力された信号から、通信相手に対するチャネル情報を推定し、送信空間ベクトル演算回路へ出力するチャネル情報取得回路と、前記チャネル情報回路から入力された前記チャネル情報を元に、送信空間ベクトル群を演算する送信空間ベクトル演算回路と、前記送信空間ベクトル演算回路から入力される送信空間ベクトル群から、通信相手を組み合わせた際に生じる信号電力の劣化量を推定し、通信相手選択回路に出力する信号劣化量推定回路と、前記信号劣化量推定回路から入力された劣化量を元に、通信相手を選択し、選択した通信相手を送信ウェイト演算回路に出力する通信相手選択回路と、前記選択された通信相手のチャネル情報を、前記チャネル情報取得回路から取得し、送信ウェイトと、変調方式や符号化率、インターリーブの方法からなる伝送モードを決定し、データ分割回路と送信信号変換回路に出力する送信ウェイト演算回路と、送信データを、変調方式に応じて通信系列数に分割するデータ分割回路と、前記各信号系列に分割された送信データを変調する変調回路と、前記変調された送信データに前記送信ウェイト演算回路で決定された送信ウェイトを乗算し、対応するアンテナ素子に接続された前記無線部に出力を行う送信信号変換回路と、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、複数の通信相手（局）宛てに、１つ又は複数の信号系列を同周波数チャネル上で同時刻に、空間体重を用いてＭＩＭＯ通信を実施する際に、最適な送信ウェイトの組み合わせを選択することで、良好な通信特性を実現することが可能となる。

以下に、添付図面を参照しながら、本発明に係る無線通信装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明および添付図面において、略同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略することにする。

図１は、本発明の本実施の形態に係る無線通信装置１の送信部のブロック構成図である。図１に示す無線通信装置１（通信部）は、データ出力回路１００−１、データ分割回路１００−２、変調回路１０１−１、…、１０１−Ｌ、送信信号変換回路１０２、無線部１０３−１、１０３−２、…、１０３−Ｍ_ｔ、アンテナ１０４−１、１０４−２、…、１０４−Ｍ_ｔ、チャネル応答取得回路１０５、送信空間ベクトル演算回路１０６、信号劣化量推定回路１０７、通信相手選択回路９０８、送信ウェイト演算回路１０９等から構成される。チャネル応答取得回路１０５、送信空間ベクトル演算回路１０６、信号劣化量推定回路１０７、通信相手選択回路９０８、送信ウェイト演算回路１０９は、通信相手決定ブロック１１０を構成する。

無線部１０３−１、１０３−２、…、１０３−Ｍ_ｔ、アンテナ１０４−１、１０４−２、…、１０４−Ｍ_ｔは、無線信号の送受信を行うことが可能であり、無線部１０３−１、１０３−２、…、１０３−Ｍ_ｔにおいて変換された受信信号を基に、チャネル応答取得回路１０５は、送信部の各アンテナ１０４−１、１０４−２、…、１０４−Ｍ_ｔと通信相手の各アンテナ間、もしくは、受信ビームとの間のチャネル応答行列を推定する。このチャネル応答行列の推定方法は、ここでは詳細に説明しないが、アンテナ１０４−１、１０４−２、…、１０４−Ｍ_ｔにおいて、既知信号の受信を行った際に得られる情報を基に推定するか、もしくは受信信号に含まれるフィードバック情報に含まれる情報によって推定することが可能である。

通信相手を選択する場合には、対応する通信相手のチャネル応答行列が、送信空間ベクトル演算回路１０６に入力される。送信空間ベクトル演算回路１０６は、各通信相手に対して送信空間ベクトル群を演算し、信号劣化量推定回路１０７に出力する。信号劣化量推定回路１０７は、送信空間ベクトルを用いた演算により、ＢＤ法を用いた場合の信号電力の減衰量を推定し、その結果を通信相手選択回路１０８に出力する。

通信相手選択回路１０８は、推定された通信信号の劣化量から、予め決定され記憶された基準値と照らし合わせて最も条件に合う通信相手を選択し、送信ウェイト演算回路１０９に出力する。送信ウェイト回路１０９は、選択された通信相手に対する送信ウェイトをＢＤアルゴリズムによって求め、各通信ストリームにおける品質、変調方式、符号化率、インターリーブ方法などからなる伝送モードを決定し、データ出力回路１００−１、データ分割回路１００−２、変調回路１０１−１、…、１０１−Ｌ、送信信号変換回路１０２へ出力する。

データ分割回路１００−２は、データ出力回路１００−１から送信された送信データを、Ｌ系統の信号系列に分割し、変調回路１０１−１、…、１０１−Ｌへ入力する。ここで、変調回路１０１−１、…、１０１−Ｌは、入力された信号にＭＩＭＯチャネル推定用のプリアンブル信号等を付与して変調した後、これらの信号を、送信信号変換回路１０２に入力する。ここで、送信データには送信ウェイトが乗算され、無線部１０３−１、１０３−２、…、１０３−Ｍ_ｔに入力され、アンテナ１０４−１、１０４−２、…、１０４−Ｍ_ｔを介して無線信号として送信される。

以下に、無線通信装置１における通信相手選択の原理について詳細に説明する。数式（５）で示される伝搬路における達成可能な周波数利用効率において、λ^† _lt(i),1、…、λ^† _{lt(i),Mr(lt(i))}＞＞σ^２となるような高いＳＮＲ（ＳＮ比、Signal to Noise ratio）における通信を考えると、数式（２）及び数式（６）は以下のようになる。

数式（８）ではユーザ選択の説明のため、lt(i)番目の通信相手として表記したが、ｉ番目として表記しても一般性は崩れない。従って、マルチユーザＭＩＭＯについても同様にｉ番目として表記すると数式（８）は次式のようになる。

更に、λ^† _ｉ,ｊをλ_ｉ，ｊを用いて表し、

と減衰量ａ_ｉ，ｊを定義する（０≦ａ_ｉ,ｊ≦１）。減衰量ａ_ｉ，ｊを用いて、マルチユーザＭＩＭＯの達成可能な周波数利用効率の、シングルユーザＭＩＭＯの達成可能な周波数利用率からの増大度は次式で表される。

ここでＡ_ｉは減衰係数の積である。シングルユーザＭＩＭＯ通信では、同じ時間領域で複数の通信相手に送信できないため、通信相手が多いほどマルチユーザＭＩＭＯの周波数利用効率の増大の効果が大きくなる。トータルで達成可能な周波数利用効率は、シングルユーザＭＩＭＯの場合は数式（１２）に、マルチユーザの場合は数式（１３）に表される。

こうして、同時に通信を行う通信相手数に対する通信特性が得られる。

次に、通信相手数に対する通信特性の算出について説明する。
(ｉ)Ｌ(1)＝Ｍr(1)，Ｌ(2)＝Ｍr(2)，Ｍ'u(t)＝２
ここでは、ユーザ数が「２」であり、データストリーム数が対応する端末の受信アンテナ素子数と等しい場合を考える。１番目の通信相手と２番目の通信相手のチャネル応答行列をＨ_１，Ｈ_２とし、１番目の通信相手に対応する固有値の減衰量の総積値Ａ_１を求める。１番目の通信相手に対応する送信ウェイトＷ_1、L(1)は次式で表される。

数式（１０）において、減衰量の積Ａ_１は数式（９）より

と表すことができる。数式（１５）の３行目から４行目でＲ_１’Ｕ_１、６行目から７行目でＶ_１ ^†Ｖ_１ ^†Ｈがそれぞれ除けるのは、受信素子数とデータストリームが同数であるためである。Ｖ_１ ^†のランクが受信素子数であり、かつＨ_１Ｖ_２"の固有ベクトルであるため、Ｈ_１Ｖ_２"に乗算しても固有値の分布に何ら影響しない。

また、数式（１３）と
ｄｅｔ（Ｉ−Ａ^ＨＡ）＝ ｄｅｔ（Ｉ−ＡＡ^Ｈ）
の関係から、

が成り立つ。数式（１６）によれば、信号劣化量推定回路１０７は、新たに固有値に対応しない信号空間Ｖ_１"やＶ_２"を求めることなく、数式（１４）を求めるだけで２つの通信相手における信号劣化量を得ることができる。複素数の乗算回数でこの演算負荷を比較すると、直行化法などを用いてＶ_１"やＶ_２"を求める場合は３乗のオーダーの計算であるのに対し、数式（１４）の計算は送信素子数に対しては１乗のオーダーであり、演算量は大変削減されることとなる。この場合の各通信相手に対する達成可能な周波数利用効率は次式で表される。

(ｉｉ)Ｌ(i)＝Ｍr(i)，ｉ＝１，２，…，Ｍ'u(t)
次に、ユーザ数がＭ'u(t)、データストリーム数が対応する端末の受信アンテナ素子数と等しい場合を考える。１番目〜Ｍ'u(t)番目の通信相手のチャネル応答行列をＨ_１，…，Ｈ_M'u(t)とし、１番目の通信相手に対応する固有値の減衰量の総積値Ａ_１を求める。ここで、各通信相手に対するシングルユーザＭＩＭＯの１番目の通信相手に対応する、同一タイミングで同一周波数帯に送信する、１番目以外の通信相手のチャネル応答行列の集合行列Ｈ⁺ _１に対して、特異値分解を行う。

よって、１番目の通信相手に対応する送信ウェイトＷ_{１，Ｌ（ｔ）}はＶ_１ ⁻Ｖ_１ ^†と表すことができる。Ｖ_１ ^†はＨＶ_１ ⁻の送信側固有ベクトルである。減衰量の総積値Ａ_１は数式（１５）から

と表すことができる。数式（１９）の３行目から４行目でＶ_１ ^†Ｖ_１ ^†Ｈが除けるのは、受信素子数とデータストリームが同数であるため、Ｖ_１ ^†のランクが受信素子数であり、かつＨ_１Ｖ_１ ⁻の固有ベクトルであるため、Ｈ_１Ｖ_１ ⁻に乗算しても固有値の分布に何ら影響しないためである。

数式（１９）によれば、Ｖ_１ ^＋が求まれば、数式（１３）から達成可能な周波数利用効率が推定できる。Ｖ_１ ^＋は２番目〜Ｍ'u(t)番目の通信相手の信号空間であるから、ＱＲ分解を用いて以下のように表せる。

ここで、（Ｖ_１ ^＋ Ｖ_１ ⁻）はＱＲ分解におけるＱに対応する（Ｍ_ｔ×Ｍ_ｔ）のユニタリ行列、Γ_１は（Ｍ_ｔ×Ｌ^＋(1)）の上三角行列である。Ｌ^＋(1)は１番目の通信相手に形成するデータストリーム数の和である。上三角行列Γ_１の「０」でない要素を含む、上側の（Ｌ^＋(1)×Ｌ^＋(1)）行列をΓ_１ ^＋と定義すると、Ｖ_１ ^＋は次式のように表せる。

よって、数式（１９）は次式のようになる。

数式（２２）によれば、信号劣化量推定回路１０７は新たに固有値に対応しない信号空間Ｖ_１"やＶ_２"を求めることなく、数式（２２）を求めるだけで２つのある組み合わせにおける通信相手に対する信号劣化量を得ることができる。
例えば、通信相手が「３」の場合、数式（２２）は次式となる。

ここで、

よって、数式（２３）の一行目のｆ２部において、（Ｌ(1)×Ｌ(1)）行列のΞ_１の演算を行えば、減衰量Ａ_１は数式（２３）を用いることによって、ＢＤ法により直接演算するよりも簡易に求めることができる。

通信相手が「３」より多い場合においても、数式（２２）の５行目ｆ１部は特殊な要素で構成されたエルミート行列であるため、実際の行列サイズより簡易に逆行列を算出することが可能である。

(ｉｉｉ)Ｌ(i)≦Ｍr(i)，ｉ＝１，２，…，Ｍ'u(t)
次に、ユーザ数がＭ'u(t)、データストリーム数が対応する端末の受信アンテナ素子数以下となる場合を考える。この場合、１番目の通信相手に対する減衰量の積Ａ_１は、数式（１９）から次式のように近似される。

ここで、Ｖ_１ ^'''はＶ_１のベクトル空間からＬ(1)次元の基底ベクトルを抽出したものである。

と定義した場合、Ｖ_１ ^’＋は（Ｍ_ｔ×Ｌ(1)）行列、Ｖ_１ ^’−は（Ｍ_ｔ×（Ｍ_ｔ−Ｌ(1)））行列となる。
Ｖ_１ ^’†は、Ｈ_１Ｖ_１ ^’−を特異値分解した際に得られる固有値に対応する固有ベクトルであり、次式となる。

数式（２５）は数式（１９）の場合とは異なり、Ｖ_１ ^†Ｖ_１ ^†Ｈを省くことができない。よって、近似により減衰量の積Ａ_１を推定する。数式（２５）は次式のように表すことができる。

ここで、α_１は１以下の係数であり、データストリーム数が受信素子数に近いほど、また、送信素子数が多いほど「１」に漸近する。この値は、実環境やシミュレーション等により経験的に設定される値である。

各通信相手へのデータストリーム数が受信素子数以下となる場合には、ＢＤ法では、数式（３）の受信ウェイトを更新することにより、通信空間をお互い影響せぬようにずらし、全体としての通信品質を向上する。このような場合、数式（２７）において、Ｖ_１ ^'''はＶ_１'の高い固有値に対応するＬ(1)個の固有ベクトルを選択したものより、低い固有値に対応する固有ベクトルを選んだ方が減衰量が小さくなることがありうる。そこで、Ｖ_１ ^'''として、Ｖ_１'から異なる組み合わせを選び、数式（２８）によりＡ_１を求めた推定値の平均を求める、もしくは、ある重みで足し合わせた値を減衰量として用いることができる。

として、例えば、Ｖ_１ ^'''として固有値の高いものからＬ(1)の固有ベクトルを選択したものを用い、数式（２７）から求めた減衰量の積をＡ_１'、最も固有値の高いＬ（１）個の固有ベクトルのうち、Ｌ（１）番目もしくは（Ｌ（１）−１）番目の固有ベクトルを（Ｌ（１）＋１）番目の固有ベクトルと入れ替えた固有ベクトル群をＶ_１ ^'''用いて得られた減衰量の積を、それぞれＡ_１"、Ａ_１ ^'''とする。ここで、高い固有ベクトルに対応する、固有ベクトルから推定されたＡ_１'が、Ａ_１"、Ａ_１ ^'''と比較して最も大きい値をとる場合は、繰り返し演算後もこの高い固有ベクトルに関連する送信ウェイトで収束すると考えられ、Ａ_１'をＡ_１として用い、周波数利用効率を推定できる。Ａ_１"、Ａ_１ ^'''がＡ_１'よりも大きい値をとるとすると、Ａ_１として
β'Ａ_１'＋β"Ａ_１"＋β^'''Ａ_１ ^'''、β'＋β"＋β^'''＝１、
と、演算することで減衰量の積Ａ_１の推定精度を高めることが可能となる。

次に、以上の方法で推定した減衰量の積Ａ_１が正しいものとしたときの通信相手の選択方法について説明する。例えば、通信相手が「２０」であり、Ｍ'u(t)ユーザずつ多重し、１０回の送信時間区間において全通信相手に送信する場合を考える。１番目〜Ｍ'u(t)番目の通信相手を組み合わせた場合、ＢＤ法による達成可能な周波数利用効率は次式のように表される。

ここで、Ｃ_m、tはＢＤ法によってｔ番目の送信時間区間で得られる達成可能な周波数利用効率であり、Ａ_t、jはｔ番目の送信時間区間におけるｉ番目の通信相手において生じる固有値の減衰量の積である。シングルユーザにおける達成可能な周波数利用効率との比をとると、

と、表せる。

数式（３０）において、各タイミングで選択される通信相手Ｍ'u(t)が定数Ｍｕ、データストリーム数Ｌ(i)も組み合わせにより変更しないと仮定すると、数式（３０）の２行目の第１項の積分値は常に一定になるため、第２項でＢＤ法による通信の効果が決定される。即ち、通信相手の組み合わせを決定する際には、減衰量Ａを計算するか、Ａを計算する途中で得られる、Ａと大きさが比例もしくは反比例する値を判定値として用いることができる。

また、各送信タイミングにより、Ｍ'u(t)を変更する場合、数式（３０）のｆ３部の値が大きくなるような通信相手に対し、Ｍu(t)を大きくすることが望ましい。これは、シングルユーザにおける達成可能な周波数利用効率
Ｃ_ｓ、tが高い通信相手であるほど、ＢＤ法による通信相手多重度Ｍ'u(t)を増大させる効果が大きいということを示す。このことから、予めＣ_ｓ、tでグループ分けを行い、それぞれの通信相手に許容できるＭ'u(t)を決定することで、通信相手選択のための演算量を減らすことが可能である。

また、通信相手を決定する際、２通信相手の組み合わせを求める演算は、それ以上（３以上）の通信相手を組み合わせる場合に比べて圧倒的に小さい。そこで、まず２通信相手同士で減衰量の積を評価し、減衰量が小さくなる通信相手同士でグループ化し、考慮する通信相手数を減らしてから、３以上の通信相手の多重を考慮することにより、演算量を削減することができる。

また、上述の演算方法は、直交周波数分割多重や、符号分割多重において、付加的にＢＤ法を用いる際や、ＢＤ法以外のマルチユーザＭＩＭＯ送信技術を用いる場合にも適用可能である。周波数分割多重通信では、全ての周波数帯のチャネル応答行列に対し、本発明の方法による固有値の減衰量を推定し、それらの総和や、平均を用いて通信相手を選択する。このとき、全ての周波数帯の情報を用いるだけでなく、一つ、もしくは、複数の周波数帯のチャネル応答行列を選択し、それらの結果から通信相手の選択を行うこともできる。選択する周波数帯としては、予め定めておくか、またはＳＮＲの高い周波数帯を選択することができる。直交周波数分割多元接続において、周波数ブロックに対し多重する通信相手を、全ての周波数帯のチャネル応答行列、もしくは一つ、もしくは複数の周波数帯のチャネル応答行列を用いて、本発明の方法を適用した結果から対応する周波数ブロックに選択する通信相手を決定していくこともできる。

前述のようにして、選択された通信相手に対し、特異値分解を数式（５）のように行い、固有値λ^†を求め、この固有値が通信路のＳＮＲ（Signal to noise ratio）に対応することから、買う通信相手の各データストリームに対し、適切な伝送モードを決定することができる。または、減衰量Ａからこの伝送モードを決定することができる。ｉ番目の通信相手にマルチユーザＭＩＭＯ送信における周波数利用効率は数式１１で表すことができる。ここで、数式１１の右辺第一項は数式７で近似できることに注目し、数式１１を書き直すと、

と表すことができる。数式３１の３行目の括弧内の値はマルチユーザＭＩＭＯ送信時にｉ番目の通信相手のｊ番目のデータストリームに対応するＳＮＲの期待値になっており、このように推定されたＳＮＲを元に、伝送モードを決定できる。

図２は、本発明第１の実施形態である無線通信装置１における送信処理のフローチャートである。通信を行う前に、無線通信装置１は、送信を行う通信相手に対するチャネル応答行列及びシングルユーザ通信時の伝送品質を取得する（ステップＳ２００）。通信相手の組み合わせによる固有値の減衰量の積の推定を行う（ステップＳ２０１）。数式（１１）を用いて、ＢＤ法を用いた際の周波数利用効率を推定し、シングルユーザ通信時より改善が大きい通信相手の組み合わせを決定する（ステップＳ２０２）。推定された周波数利用効率、もしくは選択された通信相手で新たに詳細に推定した伝送品質を元に送信データを生成する（ステップＳ２０３）。選択された通信相手以外の通信相手についても同様に伝送速度を増大する組み合わせがあるのを評価し、順次送信を行う。

図３は、本発明第２の実施形態である無線通信装置１における送信処理のフローチャートである。通信を行う前に、無線通信装置１は、送信を行う通信相手に対するチャネル応答行列及びシングルユーザ通信時の伝送品質を取得する（ステップＳ３００）。シングルユーザ時の伝送品質を用いて各通信相手に許容できる最大多重数を決定する（ステップＳ３０１）。最大多重数以下の組み合わせで固有値の減衰量の積を推定する（ステップ３０２）。数式（１１）を用いて、ＢＤ法を用いた際の周波数利用効率を推定し、シングルユーザ通信時より改善が大きい通信相手の組み合わせを決定する（ステップＳ３０３）。推定された周波数利用効率、もしくは選択された通信相手で新たに詳細に推定した伝送品質を元に送信データを生成する（ステップＳ３０４）。選択された通信相手以外の通信相手についても同様に伝送速度を増大する組み合わせがあるのを評価し、順次送信を行う。

図４は、本発明第３の実施形態である無線通信装置における送信処理のフローチャートである。通信を行う前に、無線通信装置１は、送信を行う通信相手に対するチャネル応答行列及びシングルユーザ通信時の伝送品質を取得する（ステップＳ４００）。２通信相手ずつで組にした際の固有値の減衰量の積を推定する（ステップＳ４０１）。２通信相手での組み合わせで、減衰量の積が小さくなる通信相手同士でグループ化する（ステップＳ４０２）。グループ内で新たに２通信相手以上の組み合わせで固有値の減衰量の積を推定する（ステップＳ４０３）。

数式（１１）を用いて、ＢＤ法を用いた際の周波数利用効率を推定し、シングルユーザ通信時より改善が大きい通信相手の組み合わせを決定する（ステップＳ４０４）。推定された周波数利用効率、もしくは選択された通信相手で新たに詳細に推定した伝送品質を元に送信データを生成する（ステップＳ４０５）。選択された通信相手以外の通信相手についても同様に伝送速度を増大する組み合わせがあるのを評価し、順次送信を行う。

図５は、本発明第４の実施形態である無線通信装置における送信処理のフローチャートである。通信を行う前に、無線通信装置は、送信を行う通信相手に対するチャネル応答行列及びシングルユーザ通信時の伝送品質を取得する（ステップＳ５００）。シングルユーザ時の伝送品質を用いて各通信相手に許容できる最大多重数を決定する（ステップＳ５０１）。最大多重数以下の組み合わせで固有値の減衰量の積を推定する（ステップ５０２）。減衰量の積が通信相手多重数とシングルユーザ時の伝送品質に対して規定値以上であるかどうかを判定する（ステップＳ５０３）。ステップＳ５０３において規定値より小さい場合は、通信相手の多重数を下げ（ステップＳ５０４）、通信相手の組み合わせによる固有値の減衰量数を再び推定し（ステップＳ５０５）、判定する（ステップ５０３）。

ステップＳ５０３で規定値以上となった場合は、数式（１１）を用いて、規定値以上となった組み合わせでＢＤ法を用いた際の周波数利用効率を推定し、シングルユーザ通信時より改善が大きい通信相手の組み合わせを決定する（ステップＳ５０６）。推定された周波数利用効率、もしくは選択された通信相手で新たに詳細に推定した伝送品質を元に送信データを生成する（ステップＳ５０７）。選択された通信相手以外の通信相手についても同様に伝送速度を増大する組み合わせがあるのを評価し、順次送信を行う。

以上述べたような無線通信方法に関して、受信アンテナ素子数と各通信相手へのデータストリーム数が同数である場合における効果を以下に検討する。
通信相手として３ユーザを考え、各通信相手が受信アンテナを２素子有し、送信８素子の基地局から、下り通信を行うことを考える。各通信相手と基地局との間のチャネル応答行列はそれぞれ８×２の行列で与えられ、各要素は完全無相関、複素ガウス分布で定義し、計算機シミュレーションを行った。各通信相手間で送受１素子の通信を行った際の平均ＳＮＲを３５［ｄＢ］となるように設定した。図６は、ＢＤ法により直接達成可能な周波数利用効率を数式（６）から求めた結果をｙ軸に、本発明による方法により推定した数式（１１）より得られる周波数利用効率をｘ軸にとった結果である。図６より、対角線上に点が分布していることが示され、高い精度で周波数利用効率が推定されていることがわかる。

次に、各通信相手へのデータストリーム数が受信アンテナ素子数以下の場合について本発明の方法の効果を検証する。
通信相手として２ユーザを考え、各通信相手が受信アンテナを３素子有し、送信８素子の基地局から、下り通信を行うことを考える。各通信相手と基地局との間のチャネル応答行列はそれぞれ８×３の行列で与えられ、各要素は完全無相関、複素ガウス分布で定義し、計算機シミュレーションを行った。各通信相手間で送受１素子の通信を行った際の平均ＳＮＲを３５［ｄＢ］となるように設定した。

数式（２７）と数式（１１）より得られる周波数利用効率を推定し、数式（２７）において、Ｖ_ｉ ^'''として、高い第１固有値、第２固有値に対応する固有ベクトルを用いることとした。図７は、ＢＤ法により直接達成可能な周波数利用効率を数式（６）から求めた結果をｙ軸に、本発明による方法により推定した数式（１１）より得られる周波数利用効率をｘ軸にとった結果を示す図である。ＢＤ法による直接推定法は、数式（３）で定義する受信ウェイトを、送信ウェイトが決定されるたびに更新し、５回繰り返して演算を行った結果である。図７より、データストリーム数が受信素子数より低い場合には推定精度が劣化するが、実際の周波数利用効率と高い相関を持つ値が推定できることがわかる。

同様に、通信相手として２ユーザを考え、各通信相手が受信アンテナを３素子有し、送信８素子の基地局から、下り通信を行うことを考える。各通信相手と基地局との間のチャネル応答行列はそれぞれ８×３の行列で与えられ、各要素は完全無相関、複素ガウス分布で定義し、計算機シミュレーションを行った。各通信相手間で送受１素子ずつの通信を行った際の平均ＳＮＲを３５［ｄＢ］となるように設定した。

数式（２７）と数式（１１）より得られる周波数利用効率を推定し、数式（２７）において、Ｖ_ｉ ^'''として、高い第１固有値、第２固有値に対応する固有ベクトルを用い、更に数式（１９）におけるＶ^'+ _ｉとしても、当該通信相手以外のもう一つの通信相手の、高い値を持つ第１固有値、第２固有値に対応する固有ベクトル、及び第１固有値、第３固有値に対応する固有ベクトルを用い、それぞれ高い固有値に対応する同士から得られる減衰量の積Ａ^’ _ｉ、Ｖ_ｉ ^'''として高い固有値に対応する固有ベクトルを選択し、Ｖ^'+ _ｉとして第１、第３固有ベクトルを用いて計算した減衰量の積Ａ^'' _ｉ、Ｖ_ｉ ^'''として高い固有値に対応する固有ベクトルを選択し、Ｖ^'+ _ｉとして第１、第２固有ベクトルを用いて計算した減衰量の積Ａ^''' _ｉをそれぞれ演算し、減衰量Ａ_ｉとして
β'Ａ_１'＋β"Ａ_１"＋β^'''Ａ_１ ^'''、β'＋β"＋β^'''＝１、
で定義できる値を用いた。

ここで、
Ａ^’ _ｉ＞Ａ^'' _ｉ、Ａ^’ _ｉ＞Ａ^''' _ｉの際には、β'＝１、β"＝β^'''＝０、
Ａ^’ _ｉ＜Ａ^'' _ｉ、Ａ^’ _ｉ＞Ａ^''' _ｉの際には、β'＝０．７５、β"＝０．２５、β^'''＝０、
Ａ^’ _ｉ＞Ａ^'' _ｉ、Ａ^’ _ｉ＜Ａ^''' _ｉの際には、β'＝０．７５、β"＝０、β^'''＝０．２５、
Ａ^’ _ｉ＜Ａ^'' _ｉ、Ａ^’ _ｉ＜Ａ^''' _ｉの際には、β'＝０．５、β"＝０．２５、β^'''＝０．２５、
とした。
図８は、ＢＤ法により直接達成可能な周波数利用効率を数式（６）から求めた結果をｙ軸に、本発明の方法により推定した周波数利用効率をｘ軸にとった結果を示す図である。ＢＤ法による直接推定法は、数式（３）で定義する受信ウェイトを、送信ウェイトが決定されるたびに更新し、５回繰り返し演算を行った後の結果である。このように制御することによって、図７より、推定精度を高めることが可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、複数の通信相手（局）宛てに、１つ又は複数の信号系列を同周波数チャネル上で同時刻に、空間体重を用いてＭＩＭＯ通信を実施する際に、最適な送信ウェイトの組み合わせを選択することで、良好な通信特性を実現することが可能となる。

また、図１における無線通信装置の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより無線通信を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。

また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。

以上、添付図面を参照しながら、本発明に係る無線通信装置の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本実施の形態に係る無線通信装置１（送信部）のブロック構成を示す図 本発明の第１の実施の形態における送信処理の流れを示すフローチャート 本発明の第２の実施の形態における送信処理の流れを示すフローチャート 本発明の第３の実施の形態における送信処理の流れを示すフローチャート 本発明の第４の実施の形態における送信処理の流れを示すフローチャート ユーザ数３、送信素子数８、受信素子数２の場合の、ＢＤ法及び本発明の方法による周波数利用効率の推定結果を示す図 ユーザ数２、送信素子数８、受信素子数３、データストリーム数２の場合の、ＢＤ法及び本発明の方法による周波数利用効率の推定結果を示す図 ユーザ数２、送信素子数８、受信素子数３、データストリーム数２の場合の、ＢＤ法及び本発明の方法による周波数利用効率の推定結果を示す図 従来の無線通信装置８０１（送信部）のブロック構成を示す図

符号の説明

１………無線通信装置
１００−１………データ出力回路
１００−２………データ分割回路
１０１−１、…、１０１−Ｌ………変調回路
１０２………送信信号変換回路
１０３−１、１０３−２、…、１０３−Ｍ_ｔ………無線部
１０４−１、１０４−２、…、１０４−Ｍ_ｔ………アンテナ
１０５………チャネル情報取得回路
１０６………送信空間ベクトル演算回路
１０７………信号劣化量推定回路
１０８………通信相手選択回路
１０９………送信ウェイト演算回路

Claims (4)

1. 複数のアンテナ素子を備え、複数の通信相手に対し、同時刻、同一周波数帯に信号を送信する際の通信相手の選択し、通信を行う無線通信方法であって、
   通信を行う各通信相手に対する、送信空間基底ベクトルを演算するステップと、
   送信空間ベクトルから、同時刻、同一周波数帯で送信する通信相手を選択した際のBlock Diagonarization（ＢＤ）アルゴリズムを用いる場合に生じる信号電力の劣化量を推定するステップと、
   推定された劣化量から、予め定めた条件に最もよく一致する通信相手同士を選択するステップと、
   を具備することを特徴とする無線通信方法。
2. 複数のアンテナ素子を備え、複数の通信相手に対し、同時刻、同一周波数帯に信号を送信する際の通信相手の選択し、通信を行う無線通信方法であって、
   通信を行う各通信相手に対する、送信空間基底ベクトルを演算するステップと、
   送信空間ベクトルから、同時刻、同一周波数帯で送信する通信相手を選択した際のBlock Diagonarization（ＢＤ）アルゴリズムを用いる場合に生じる信号電力の劣化量を推定するステップと、
   推定された劣化量から、変調方式や符号化率からなる伝送モードを選択するステップと、
   を具備することを特徴とする無線通信方法。
3. 複数のアンテナ素子を備える送信装置から、複数の通信相手局に対し、一つ又は複数の信号系列を同一周波数チャネル及び同一時刻に空間多重して送信を行うことが可能な無線通信システムにおける無線通信装置であって、
   ２以上の複数本のアンテナを具備し、
   前記各アンテナ素子に接続され、受信時には受信信号からベースバンド信号に変換し、チャネル情報取得回路へ出力し、送信時には送信信号を無線信号としてアンテナ素子から送信を行う無線部と、
   前記無線部から入力された信号から、通信相手に対するチャネル情報を推定し、送信空間ベクトル演算回路へ出力するチャネル情報取得回路と、
   前記チャネル情報回路から入力された前記チャネル情報を元に、送信空間ベクトル群を演算する送信空間ベクトル演算回路と、
   前記送信空間ベクトル演算回路から入力される送信空間ベクトル群から、通信相手を組み合わせた際に生じる信号電力の劣化量を推定し、通信相手選択回路に出力する信号劣化量推定回路と、
   前記信号劣化量推定回路から入力された劣化量を元に、通信相手を選択し、選択した通信相手を送信ウェイト演算回路に出力する通信相手選択回路と、
   前記選択された通信相手のチャネル情報を、前記チャネル情報取得回路から取得し、送信ウェイトと、変調方式や符号化率、インターリーブの方法からなる伝送モードを決定し、データ分割回路と送信信号変換回路に出力する送信ウェイト演算回路と、
   送信データを、変調方式に応じて通信系列数に分割するデータ分割回路と、
   前記各信号系列に分割された送信データを変調する変調回路と、
   前記変調された送信データに前記送信ウェイト演算回路で決定された送信ウェイトを乗算し、対応するアンテナ素子に接続された前記無線部に出力を行う送信信号変換回路と、
   を具備することを特徴とする無線通信装置。
4. 前記通信相手選択回路は、
   前記信号劣化推定回路から入力された劣化量を元に、通信相手を決定し、選択した通信相手を前記送信ウェイト演算回路に出力し、
   前記前記送信ウェイト演算回路は、
   形成される信号路の伝送品質を推定し、変調方式、符号化率、インターリーブ方法からなる伝送モードを推定し、データ分割回路、変調回路と送信信号変換回路に出力することを特徴とする請求項３記載の無線通信装置。

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