JP2009033268A - 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】チャネル行列のランクが低下する事態を回避して独立した複数のストリームを用いた空間多重伝送を行なう。
【解決手段】送信側及び受信側それぞれで一部のアンテナの偏波面を切り替え、これと直交している偏波面を使用するアンテナとの伝達関数を０に近づけることによりチャネル行列のランクを向上させ、ストリーム本数を確保する。３×３以上のアンテナ構成の場合には、基本的に垂直偏波を各アンテナで使用し、水平偏波をどのアンテナに適用したら効果的にチャネル行列の品質が向上するかを判断して、送受信機の特定のアンテナだけ偏波面を適応的に切り替える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、送受信アンテナの組み合わせ毎の伝達関数を要素としたチャネル行列を基に空間多重して送られてきた受信信号から元の各ストリーム信号を空間分離する無線通信システム、並びに無線通信装置及び無線通信方法に係り、特に、チャネル行列のランクが低下する事態を回避して独立した複数のストリームを用いた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。

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、複数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、チャネル経由で複数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。

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から元の各ストリーム信号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。

図５には、ＭＩＭＯ通信システムを概念的に示している。ＭＩＭＯ送信機には、２本のアンテナ、すなわち送信アンテナ１と送信アンテナ２を備え、一方のＭＩＭＯ受信機も２本の受信アンテナ１と受信アンテナ２を備えている。ここで、送信アンテナ１と受信アンテナ１間のチャネルの伝達関数をｈ₁₁、送信アンテナ２と受信アンテナ１間のチャネルの伝達関数をｈ₁₂、送信アンテナ１と受信アンテナ２間のチャネルの伝達関数をｈ₂₁、送信アンテナ２と受信アンテナ２の伝搬路間のチャネルの伝達関数をｈ₂₂とする。そして、送信機は、送信アンテナ１に対して送信データ系列Ｘ₁を送信アンテナ２に対して送信データ系列Ｘ₂を割り当て、受信機は、受信アンテナ１において受信データ系列Ｙ₁を受信し、受信アンテナ２において受信データ系列Ｙ₂を受信したものとする。この場合のチャネル状況は、以下の式（１）のように表現することができる。

このときのチャネル行列Ｈを次式（２）のように定義すると、例えば次々式（３）のようにチャネル行列Ｈの逆行列Ｈ^-1をアンテナ受信重み行列として求めることができる。

この場合、次式（４）に示すように、受信信号系列Ｙ₁及びＹ₂にチャネル行列Ｈの逆行列Ｈ^-1を乗算することで、受信信号系列Ｘ₁及びＸ₂が求まる。

なお、図５では送受信アンテナがともに２本の場合を示したが、アンテナ本数が２本以上であっても、同様にしてＭＩＭＯ通信システムを構築することができる。すなわち、Ｍ本の送信アンテナを備えた送信側では、複数の送信データに空間／時間符号を施して多重化して各送信アンテナに分配して送信する（但し、Ｍは２以上の整数）。これに対し、Ｎ本の受信アンテナを備えた受信側では、各受信アンテナにより受信した受信信号を空間／時間復号して受信データを得ることができる（但し、Ｎは２以上の整数）。理想的には、送受信アンテナのうち少ない方の数（ＭＩＮ［Ｍ，Ｎ］）だけの空間／時間ストリームが形成される。

上述したようなＭＩＭＯ通信システムでは、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。ここで、チャネル行列Ｈのランク（ｒａｎｋ：階数）の下落が致命的となることが知られている。例えば、下式（５）に示すような行列は、逆行列を解くことができないので、独立な２つのチャネルを空間多重して伝送して、それを受信機側で分離するということはできない。

上式（５）に示したチャネル行列Ｈを２つの列ベクトルに分解して見てみると、同じ［１，２］^Tというベクトルが２つあるだけなので、独立なベクトルが１しかないためにランクが２から１へ落ちてしまっている。このように１次独立な列ベクトルが１つしかないときには、チャネル行列Ｈの逆行列を解くことはできないので、アンテナ受信重み行列を求めることができない。言い換えれば、上式（４）に示したように空間多重された受信信号を空間分離して元のストリーム信号を得ることはできない、すなわち独立した２本のストリームを得ることはできないことになる。このようなチャネル行列Ｈのランクの低下は、例えば、送受信アンテナの組み合わせ毎の伝達関数が均一であることに起因して生じる。

チャネル行列Ｈのランク落ちがある場合、正確な逆行列が得られないので、Ｈ^−１を計算する際に行列式の逆数に適当な値を入れて計算すれば、オーバーフローは避けられ、装置上の破綻は生じない。例えば、チャネル行列Ｈの要素ｈ_ijを用いて、チャネル行列Ｈを２×２型行列に分割する小行列分割部と、分割された２×２型行列の余因子の計算を行なう余因子計算部と、計算された余因子を用いてチャネル行列Ｈの行列式|Ｈ|の計算を行なう行列式計算部と、前記行列式|Ｈ|を用いて，前記行列Ｈがランク落ちであるかを判定するランク落ち判定部を備えたチャンネル行列演算装置について提案がなされており（例えば、特許文献１を参照のこと）、アンテナ本数の多い送信機と受信機で構成されるＭＩＭＯ通信システムにおいても、行列式計算を２×２型以下に分割した小行列のみで処理することができる。また、行列Ｈがランク落ちであると判定されたときには余因子を前記行列式判定閾値に置き換えて出力して、逆行列計算時の数値的破綻を回避することができる。

また、時間の経過に応じてチャネルのランクも変動するので、現在のチャネルのランクが低くても、ランクが高くなるまで、複数のアンテナに対するキャリブレーション係数の導出を延期するＭＩＭＯシステムについて提案がなされている（例えば、特許文献２を参照のこと）。

特開２００７−１３４５５号公報 特開２００６−２７９９０５号公報

本発明の目的は、送受信アンテナの組み合わせ毎の伝達関数を要素としたチャネル行列を基に空間多重して送られてきた受信信号から元の各ストリーム信号を好適に空間分離することができる、ＭＩＭＯ通信方式の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、チャネル行列のランクが低下する事態を回避して独立した複数のストリームを用いた空間多重伝送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、それぞれ複数のアンテナを備えた送信機と受信機で構成され、送受信アンテナの組み合わせ毎の伝達関数を要素としたチャネル行列を基に空間多重伝送を行なう無線通信システムであって、
前記送信機と前記受信機間のチャネル行列を取得するチャネル行列取得手段と、 該取得したチャネル行列のランクの下落を検出するランク検出手段と、
チャネル行列のランクの下落を検出したことに応じて、前記送信機と前記受信機のいずれかの送受信アンテナの組み合わせについて偏波面を変更する偏波面制御手段と、
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。

高速・大容量伝送を実現する無線通信技術として、複数のアンテナを持つ送信機と複数のアンテナを持つ受信機間で空間多重を利用したＭＩＭＯ通信が知られており、送受信アンテナの組み合わせ毎の伝達関数を要素としたチャネル行列を基に、送信側からは複数のストリームを空間多重送信するとともに、受信側では各アンテナの受信信号から元の各ストリーム信号を空間分離することができる。

しかしながら、このようなＭＩＭＯ通信システムでは、チャネル行列Ｈのランクの下落とともに、チャネル行列Ｈの逆行列は解き難くなるために、空間多重可能な独立したストリーム本数が低減してしまうという問題がある。

これに対し、本発明に係る無線通信システムでは、チャネルの状況はそのままとし、送信側及び受信側のそれぞれについて一部のアンテナの偏波面を切り替えることで、これと直交している偏波面を使用するアンテナとの伝達関数を０に近づけるという作用を利用して、チャネル行列のランクを向上させ、より多くの独立したストリームを用いて空間多重伝送を行なえるようにしている。

例えば、図５に示した２×２の送受信アンテナで構成されるＭＩＭＯ通信システムにおいて、チャネル行列Ｈのランクが下落したときには、送信側及び受信側それぞれの２番目のアンテナの偏波面を変える。これによって、これと直交している偏波面を使用する１番目のアンテナとの伝達関数は０に近づくので、上式（５）は下式（６）のように変化する。

上式（６）では対角成分は元のままで対角成分以外が０に近くなる。このようなチャネル行列Ｈのランクは明らかに２×２行列の最大である２となる。すなわち、偏波を変えることによりチャネル行列のランクの低下を抑制して、逆行列が解けなかったものが解けるようになる。

チャネル行列Ｈのランクが下落したかどうかは、行列式を計算することで判別される。あるいは、チャネル行列ＨをＳＶＤ分解することによってもランクの状態を把握することができる。

通常、使用できる偏波は垂直偏波と水平偏波の２種類である。図５に示したＭＩＭＯ通信システムでは送信側及び受信側ともにアンテナが２本であるから、それぞれに異なった偏波を割り当てれば良かった。しかしながら、アンテナ本数が３本以上になると、偏波の数が足りないので問題である。

そこで、本発明を３本以上のアンテナを用いたＭＩＭＯ通信システムに適用する場合には、基本的に垂直偏波を各アンテナで使用するとして、水平偏波をどのアンテナに適用したら効果的にチャネル行列の品質が向上（すなわち、ランクがアップするか）するかを判断して、その判断結果に従って、送受信機の特定のアンテナだけ偏波面を適応的に切り替えるようにしている。

偏波面を変える送受信アンテナの組み合わせに応じて、チャネル行列Ｈのうちで０に近くなる要素の位置を予測することができる。そこで、その予測結果を基に、チャネル行列ＨのＳＶＤなどを行なって、ランクの状況を把握して、最も望ましいアンテナの偏波を変化させるのが効果的である。

このように、本発明に係るＭＩＭＯ通信システムによれば、偏波という限られたランクを向上させる手段を有効に使うことにより、通信品質を向上させて受信特性の向上を達成することができる。

なお、チャネル行列のランクの下落に応じたアンテナの偏波面の変更処理は、通常のパケット・シーケンスを利用して実施することができる。

送信データを複数のストリームに振り分けて空間多重伝送する送信機側も、空間多重されたストリームを各アンテナで受信して空間分離する受信機側も、初期状態では、すべてのアンテナを垂直偏波に設定しておく。

受信機は、送信機からのパケットを受信すると、そのプリアンブルに含まれる既知トレーニング系列などを利用してチャネル行列Ｈを取得する。そして、チャネル行列の行列式演算やＳＶＤ分解などを通じて、チャネル行列Ｈのランクが下落したことを検知すると、偏波を変えるべき（ランクの向上を見込むことができるような）アンテナの有効な組み合わせを決定する。また、受信機は、決定したアンテナ番号を送信機に通知する。

一方、送信機側では、通知されたアンテナのみ垂直偏波から水平偏波に変更して、以降のパケットを送信する。そして、受信機側では、決定したアンテナのみ垂直偏波から水平偏波に変更してパケットを受信する。

本発明によれば、送受信アンテナの組み合わせ毎の伝達関数を要素としたチャネル行列を基に空間多重して送られてきた受信信号から元の各ストリーム信号を好適に空間分離することができる、ＭＩＭＯ通信方式の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、チャネル行列のランクが低下する事態を回避して独立した複数のストリームを用いた空間多重伝送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ＭＩＭＯ通信システムは一部のアンテナの偏波面の切り替えという操作によってチャネル行列のランクの向上を図るように構成されている。送受信機が、チャネル行列のランクが低くなるような状況、すなわち逆行列が解き難い状況に置かれた場合であっても、一部のアンテナの偏波面の切り替えという操作によってチャネル行列のランクを向上させることが可能であり、逆行列が解き易くなることにより、複数のチャネルを独立で伝送することがし易くなり、ひいてはスループットの向上が可能になる。

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。

本発明は、複数のアンテナを持つ送信機と複数のアンテナを持つ受信機間で空間多重を利用したＭＩＭＯ通信システムにおいて、一部のアンテナの偏波面の切り替えという操作によってチャネル行列のランクの向上を図るものである。すなわち、チャネル行列Ｈのランクが低下するような局面において、チャネルの状況はそのままとし、送信側及び受信側のそれぞれについて一部のアンテナの偏波面を切り替えるように構成されている。一部のアンテナの偏波面を切り替えると、これと直交している偏波面を使用するアンテナとの伝達関数を０に近づけるという作用があることから、チャネル行列のランクを向上させ、より多くの独立したストリームを確保して空間多重伝送を行なうことができる。

具体的には、送受信機の双方において垂直偏波を各アンテナで使用することを基本動作とするが、チャネル行列Ｈのランクが低下するような局面では、一部の送受信アンテナの組み合わせにおいて、水平偏波のアンテナに切り替えるようにする。

ここで、偏波とはアンテナから放射される電界の方向に相当する。垂直偏波アンテナ並びに水平偏波アンテナの構成例を図１Ａ並びに図１Ｂに示している。垂直偏波アンテナは、天頂方向に沿って配設された１対のアンテナ素子が不平衡・平衡変換機を介して同軸ケーブルに接続されているダイポール・アンテナであり、アンテナ素子の全長は所望波長λの２分の１である。同軸ケーブルを通して不平衡伝送された信号は、不平衡・平衡変換機により平衡伝送に変換され、アンテナ素子に給電される。図示の垂直偏波アンテナは、アンテナ素子と垂直な面内では均一な指向性を有する。また、水平偏波アンテナは、水平方向に沿って配設された１対のアンテナ素子が不平衡・平衡変換機を介して同軸ケーブルに接続されている、全長がλ／２となるダイポール・アンテナである。

また、図２には、本発明に係るＭＩＭＯ通信システムに適用されるＭＩＭＯ送受信機の構成を模式的に示している。図示のＭＩＭＯ送受信機１は、２以上の送受信ブランチで構成される。

各送受信ブランチは水平偏波アンテナ１１及び垂直偏波アンテナ１２を備えている。例えば、デジタル信号処理部２０におけるチャネル行列Ｈの評価結果に基づいて、ブランチ毎に垂直偏波アンテナ１１又は水平偏波１２のうち一方を択一的に使用することが決定される。該使用が決定されたアンテナは、リング型スイッチ１３を介して、同じブランチの送信系統と受信系統で共用される。各ブランチでは通常は垂直偏波アンテナに設定されているが、取得されたチャネル行列のランクが低そうな場合には、いずれか特定の１つのブランチにおいて垂直偏波アンテナから水平偏波アンテナに切り替えて、チャネル行列の向上を図る（後述）。

送信系統は、ブランチに振り分けられたデジタル送信信号をアナログ変換するＤＡ変換器１６と、ベースバンドのアナログ送信信号をＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）帯にアップコンバートし電力増幅する送信アナログ部１４からなり、ＲＦ送信信号はいずれか一方のアンテナ１１又は１２から空中に放出される。また、受信系統は、いずれか一方のアンテナ１１又は１２で受信したＲＦ信号を低雑音増幅してからベースバンド帯域にダウンコンバートする受信アナログ部１５と、ベースバンドのアナログ受信信号をデジタル変換するＡＤ変換器１７からなる。

デジタル信号処理部２０では、送信時において、送信データを各ブランチ（ストリーム）に振り分け、チャネル行列Ｈを基に決定されるアンテナ送信重みを掛けることで空間多重処理を施し、さらにブランチ毎にＯＦＤＭなどのデジタル変調処理を施す。また、デジタル信号処理部２０は、受信時において、各ブランチでのデジタル受信信号に対しＯＦＤＭなどのデジタル復調処理を施してから、チャネル行列Ｈを基に決定されるアンテナ受信重みを掛けることで空間分離して元のストリームを再現し、各ストリームのデータを合成する。また、デジタル信号処理部２０は、チャネル行列Ｈの評価結果に基づいて、ブランチ毎にいずれか一方のアンテナ１１又は１２を択一的に使用することを決定する。各ブランチでは通常（通信の初期状態）は垂直偏波アンテナに設定されているが、取得されたチャネル行列のランクが低そうな場合には、いずれか特定の１つのブランチにおいて垂直偏波アンテナから水平偏波アンテナに切り替えて、チャネル行列の向上を図るようになっている（後述）。

なお、デジタル信号処理部２０は、チャネル行列Ｈを測定し、あるいは通信相手などからチャネル行列Ｈに関する情報を取得する必要があるが、この種の手段に関しては既に公知であるとともに（例えば、通信相手からのパケットのプリアンブルに含まれる既知のトレーニング系列を用いてチャネル行列Ｈを推定することができる）、本発明の要旨に直接関連しないので、本明細書では詳細な説明を省略する。

図２に示した装置構成では、ブランチ毎に垂直偏波アンテナと水平偏波アンテナを備え、スイッチを介してアンテナを切り替えることで偏波面の変更を実現するようになっているが、本発明の要旨はこれに限定されるものではない。各ブランチにおけるアンテナの偏波を切り替える他の方法を適用することもできる。

図５に示したような２×２のアンテナ構成からなるＭＩＭＯ通信システムの場合、上式（５）に示したようにチャネル行列Ｈのランクが１に下落したときには、送信側及び受信側それぞれの２番目のアンテナの偏波面を変えることによって、上式（６）に示したように対角成分は元のままで対角成分以外が０に近くなる。このようなチャネル行列Ｈは明らかにランクが２に向上する。すなわち、偏波を変えることにより、逆行列が解けなかったものが解けるようになる。したがって、偏波という限られたランクを向上させる手段を有効に使うことにより、通信品質を向上させて受信特性の向上を達成することができる。

ところが、通常使用できる偏波は垂直偏波と水平偏波の２種類しかないので、送信側又は受信側の少なくとも一方が３本以上のアンテナを備えたＭＩＭＯ通信システムの場合には、偏波の数が足りないので問題である。

これに対し、本発明では、３本以上のアンテナを用いたＭＩＭＯ通信システムの場合には、基本的に垂直偏波を各アンテナで使用するとして、水平偏波をどのアンテナに適用したら効果的にチャネル行列の品質が向上（すなわち、ランクがアップするか）するかを判断して、その判断結果に従って、送受信機の特定のアンテナの組み合わせについてだけ偏波面を適応的に切り替えるようにしている。

以下では、３×３のアンテナ構成からなるＭＩＭＯシステムを具体的な実施形態として、各アンテナの偏波面を変える効果がチャネル行列Ｈにどのように現れるかについて考察してみる。３×３の送受信アンテナでシステムが構成される場合には、送信側及び受信側それぞれの１乃至３番目のうちいずれかのアンテナの組み合わせについて偏波を変えることができる。

ここでは、送受信機が置かれた、チャネル行列のランクが低くなるような状況、すなわち逆行列が解き難い状況として、もともとの（すなわち、すべてのアンテナを垂直偏波にそろえた状態における）チャネル行列Ｈ（ｂａｓｅ）が以下の場合を想定する。

上式（７）に示したチャネル行列Ｈは、１列目と２列目の列ベクトルが同じであるので、ランクが２に落ちている。

ここで、送信側及び受信側それぞれの１番目のアンテナの偏波面を変えると、チャネル行列Ｈ（ａｎｔ１）は下式（８）のようになる。但し、同式中で＊で示される要素は０に近い値であることを表すものとする。

チャネル行列の（ｉ，ｊ）要素がｊ番目の送信アンテナからｉ番目の受信アンテナへの伝達関数であることを考えると、送信側及び受信側それぞれの１番目のアンテナの偏波を変えたので、１番目の送信アンテナから２番目及び３番目の受信アンテナへの伝達関数が０に近い値になることが理解できる。また、２番目及び３番目の送信アンテナから１番目の受信アンテナへの伝達関数も０に近い値になることが理解できる。このチャネル行列Ｈ（ａｎｔ１）を見ると、ランクが３×３行列としてのフルランクである３になっていることも分かる。

行列式が０でない場合にフルランクであると認識できる。言い換えれば、垂直偏波から水平偏波に切り替えることによって行列式がなるべく大きななる送受信アンテナの組み合わせを選択して、偏波面を適応的に切り替えるようにすればよい。

あるいは、チャネル行列ＨをＳＶＤ分解することによってもランクの状態を把握できることが知られている。ここで、ＳＶＤ（Ｓｉｎｇｕｌａｒ Ｖａｌｕｅ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ：特異値分解）とは、チャネル行列Ｈをユニタリ行列Ｕ及びＶと対角行列Ｄに特異値分解（Ｈ＝ＵＤＶ^H）する計算方法であるが（上付き文字Ｈは行列の共役転置を表す）、対角行列Ｄの対角要素が０に近い値になっているものがあるとチャネル行列Ｈのランクが低下していると判断することができる。言い換えれば、垂直偏波から水平偏波に切り替えることによって対角行列Ｄの対角要素がなるべく大きななる送受信アンテナの組み合わせを選択して、偏波面を適応的に切り替えるようにすればよい。

なお、ＳＶＤを利用したＭＩＭＯ通信方式では、例えば、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。対角行列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が、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た電力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。特異値λ_iは空間多重されるｉ番目のストリームの通信品質に相当し、特異値λ_iが０に近づくことは該当する独立したストリームをできなくなること、すなわちランクの下落を意味する。

また、送信側及び受信側それぞれの２番目のアンテナの偏波面を変えると、チャネル行列Ｈ（ａｎｔ２）は下式（９）のようになる。但し、同式中で＊で示される要素は０に近い値であることを表すものとする。

このように送信側及び受信側それぞれの２番目のアンテナの偏波を変えることによって、２番目の送信アンテナから１番目及び３番目の受信アンテナへの伝達関数が０に近い値になり、また、１番目及び３番目の送信アンテナから２番目の受信アンテナへの伝達関数も０に近い値になる。したがって、チャネル行列Ｈ（ａｎｔ２）も、ランクが３×３行列としてのフルランクである３になって、すなわち、元のチャネル行列Ｈ（ｂａｓｅ）よりもランクが向上していることが分かる。

また、送信側及び受信側それぞれの３番目のアンテナの偏波面を変えると、チャネル行列Ｈ（ａｎｔ３）は下式（１０）のようになる。但し、同式中で＊で示される要素は０に近い値であることを表すものとする。

このように送信側及び受信側それぞれの３番目のアンテナの偏波を変えることによって、２番目の送信アンテナから１番目及び２番目の受信アンテナへの伝達関数が０に近い値になり、また、１番目及び２番目の送信アンテナから３番目の受信アンテナへの伝達関数も０に近い値になる。しかしながら、このチャネル行列Ｈ（ａｎｔ３）は、相変わらず１列目と２列目のベクトルが同じとなるので、ランクは２のままであることが簡易に分かる。

３×３の送受信アンテナでシステムが構成されるＭＩＭＯ通信システムでは、送信側及び受信側それぞれの１乃至３番目のうちいずれかのアンテナの組み合わせについて偏波を変えることができるが、上式（７）〜（１０）で例示したチャネル状況では、送信側及び受信側それぞれの３番目のアンテナの偏波を変えることは良い選択でないことを理解できよう。

実際のＭＩＭＯ送受信機では、どのアンテナに偏波を割り当てるかを仮定すると、上述した例のようにチャネル行列Ｈのうちで０に近くなる要素の位置を予測することができる。したがって、その予測結果を基に、行列式やチャネル行列ＨのＳＶＤなどを行なって、ランクの状況を把握して、より大きな行列式を得ることができる、あるいはＳＶＤして得られる対角行列Ｄのより大きな対角要素を得ることができる、最も望ましい送受信アンテナの組み合わせについて偏波を変化させるのが効果的であると言える。

図２には本発明に係るＭＩＭＯ通信システムに適用されるＭＩＭＯ送受信機の構成を示したが、さらに図３には、ＭＩＭＯ通信方式を採用した無線ＬＡＮ規格であるＩＥＥＥ８０２．１１ｎを想定した場合のＭＩＭＯ送受信機の構成例を示している。図面の錯綜を回避するため、送信及び受信のブランチ数を３としたが、勿論４本以上のブランチ数で送受信機を構成することも可能である。

各ブランチが水平偏波アンテナ及び垂直偏波アンテナを備え、リング型スイッチを介してアンテナを共用する点、並びにＲＦ送受信処理段における構成や動作は、図２と同様である。ＩＥＥＥ８０２．１１ではＯＦＤＭ変調方式を採用しており、図３では主にデジタル信号処理部の内部構成を詳細に描いている。

各送信ブランチでは、上位プロセッサからの送信データを各ブランチに振り分けて、それぞれに符号化処理を施す。続いて、ブランチ毎に、周波数領域に並んだ各サブキャリアに高速逆フーリエ変換（ＩＦＦＴ）を掛けて時間軸信号に変換し、さらにガード・インターバル挿入部でガード・インターバル（ＧＩ）を付加し、さらに同期獲得や周波数誤差補正、チャネル推定などに用いるプリアンブルを付与した後、ＤＡ変換、送信アナログ処理が施される。

一方、各受信ブランチでは、ＡＤ変換した受信信号に対してパケット発見、タイミング検出、周波数誤差補正などの処理を施した後、データ送信区間の先頭に付加されたガード・インターバルを除去してから、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を掛けて時間軸信号を周波数軸信号に変換する。続いて、ブランチ毎の受信信号に含まれるプリアンブル部分を利用してチャネル行列Ｈを取得し、さらにその逆行列Ｈ^-1を求め、ブランチ毎の受信信号からなる受信ベクトルにこの逆行列Ｈ^-1を乗算することで受信信号を空間分離して元のストリームを再現する。その後、ストリーム毎に復号処理を行なってから１本のデータに合成して、上位プロセッサへ渡す。

偏波アンテナ決定部では、受信処理を通じて取得されたチャネル行列Ｈに基づいて、各送受信ブランチにおけるアンテナの偏波の切り替えを制御するようになっている。この制御情報は、上位プロセッサへ通知され、各ブランチのリング型スイッチの制御が行なわれる。各ブランチでは通常は垂直偏波アンテナに設定されているが、取得されたチャネル行列のランクが低そうな場合には、いずれか特定の１つのブランチにおいて垂直偏波アンテナから水平偏波アンテナに切り替えて、チャネル行列のランクの向上を図る。

以下では、チャネル行列のランクが高くするために、いずれのブランチにおいて垂直偏波アンテナから水平偏波アンテナに切り替えるべきかの判断を行なう手順について説明する。但し、説明の便宜上、ＭＩＭＯ通信システムは３×３のアンテナ構成とする。

かかる判断手順は、例えばシステムの受信機側において実行する以下のステップ１〜８で構成することができる。

ステップ１：チャネル情報を取得する。具体的には、送信機から送られてくるパケットのプリアンブルとして付加された既知トレーニング系列を基に、送受信アンテナの組み合わせ毎の伝達関数を求め、これらを要素とするチャネル行列Ｈを組み立てる。
ステップ２：チャネル行列のランクが下落した状況下において、偏波面を切り替えることによりランクの向上を実現できる送受信アンテナの組み合わせを特定するために、送信側及び受信側それぞれ１番目から３番目までのアンテナについて偏波面を順次切り替えて、以下のステップ３からステップ７までの処理を繰り返し実行する。
ステップ３：ステップ１で取得したチャネル行列のうち、選択したアンテナ番号に対応する位置の要素を０で上書きする。
ステップ４：先行するステップで該当する位置の要素を０で上書きしたチャネル行列に対する逆行列を求める。
ステップ５：先行するステップ４で求めた逆行列の各行のノルムを求める。
ステップ６：逆行列の各行のノルムの中で最も小さいものの値を保持する。
ステップ７：未処理の送受信アンテナの組み合わせがあれば、ステップ２に戻って、次の未処理の送受信アンテナの組み合わせについて同様の処理を繰り返す。
ステップ８：３本のアンテナに対応したノルムの大きさを比較する。そして、３つのアンテナに対応したノルムの中から、最も大きいノルムに対応したアンテナを選択する。

以上で述べた処理ステップのうち、逆行列を求めて最も小さいノルムの値を保持するというステップ５〜６は、ランクの向上を見込むことができるようなアンテナの有効な組み合わせを判別することを意図したものであるが、例えばチャネル行列ＨをＵＤＶ^Hに特異値分解してこのうち対角行列Ｄの対角成分λのうち最も小さい値を保持するという処理に代替することが可能である。

図４には、送受信機間において、チャネル行列のランクの下落に応じて偏波面を変更するアンテナを決定するための動作シーケンスを模式的に示している。

送信データを複数のストリームに振り分けて空間多重伝送する送信機側も、空間多重されたストリームを各アンテナで受信して空間分離する受信機側も、初期状態では、すべてのアンテナを垂直偏波に設定しておく。

受信機は、送信機からのパケットを受信すると、そのプリアンブルに含まれる既知トレーニング系列などを利用してチャネル行列Ｈを取得する。そして、チャネル行列Ｈのランクが下落したときには、例えば上記の処理手順ステップ１〜８を実施することによって、偏波を変えるべきアンテナの組み合わせを決定する。また、受信機は、決定したアンテナの組み合わせを送信機に通知する。

一方、送信機側では、通知されたアンテナのみ垂直偏波から水平偏波に変更して、以降のパケットを送信する。そして、受信機側では、決定したアンテナのみ垂直偏波から水平偏波に変更してパケットを受信する。

なお、上式（８）〜（１０）を用いた上記の説明では、送信側と受信側で偏波を変えるアンテナ番号は一致しているが、アンテナ番号の割り振り方は任意であり、あるいは偏波を変えるアンテナ番号が送受信機で一致している必要はない。アンテナ番号の不一致を許容することで、調査する組み合わせが増えて、より最適な組み合わせを見つけることができる可能性がある。

また、上式（８）〜（１０）を用いた上記の説明では、偏波を変えるアンテナは送受信機でおのおの１本であったが、２本以上のアンテナで偏波を変えるようにしてもよい。調査すべき組み合わせが増えてより最適な組み合わせを見つけることができる可能性がある。

また、図４に示した動作シーケンスの変形例として、送信機側ではあらかじめ偏波面を切り替えるアンテナ（ブランチ）を設定しておき、受信機側では当該アンテナを偏波すべき稼動賭け決定して、この決定結果を送信機にフィードバックするようにしても良い。

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。

本発明は、例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１の拡張規格であるＩＥＥＥ８０２．１１ｎ、あるいは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、垂直偏波アンテナの構成例を示した図である。 図１Ｂは、水平偏波アンテナの構成例を示した図である。 図２は、本発明に係るＭＩＭＯ通信システムに適用されるＭＩＭＯ送受信機の構成を模式的に示した図である。 図３は、ＭＩＭＯ通信方式を採用した無線ＬＡＮ規格であるＩＥＥＥ８０２．１１ｎを想定した場合のＭＩＭＯ送受信機の構成例を示した図である。 図４は、送受信機間において、チャネル行列のランクの下落に応じて偏波面を変更するアンテナを決定するための動作シーケンスを模式的に示した図である。 図５は、ＭＩＭＯ通信システムを概念的に示した図である。

符号の説明

１…ＭＩＭＯ送受信機
１１…水平偏波アンテナ
１２…垂直偏波アンテナ
１３…リング型スイッチ
１４…送信アナログ部
１５…受信アナログ部
１６…ＤＡ変換器
１７…ＡＤ変換器
２０…デジタル信号処理部

Claims (18)

1. それぞれ複数のアンテナを備えた送信機と受信機で構成され、送受信アンテナの組み合わせ毎の伝達関数を要素としたチャネル行列を基に空間多重伝送を行なう無線通信システムであって、
   前記送信機と前記受信機間のチャネル行列を取得するチャネル行列取得手段と、
   該取得したチャネル行列のランクの下落を検出するランク検出手段と、
   チャネル行列のランクの下落を検出したことに応じて、前記送信機と前記受信機のいずれかの送受信アンテナの組み合わせについて偏波方向を変更する偏波方向制御手段と、
   を具備することを特徴とする無線通信システム。
2. 前記送信機と前記受信機は、各ブランチにおいて垂直偏波アンテナ及び水平偏波アンテナと、垂直偏波アンテナ又は水平偏波アンテナのいずれかを択一的に使用するためのスイッチを備え、
   前記偏波方向制御手段は、前記スイッチの切り替え動作によって送受信アンテナの偏波方向の変更を行なう、
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
3. 前記偏波方向制御手段は、通常は各ブランチにおいて垂直偏波アンテナに設定するが、チャネル行列のランクの下落を検出したことに応じて、いずれかの送受信ブランチの組み合わせについて水平偏波アンテナに変更する、
   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. 前記偏波方向制御手段は、偏波方向を変える送受信ブランチの組み合わせに応じて、チャネル行列のうちで０に近くなる要素の位置を予測し、該予測結果を基に偏波方向を変えたときのチャネル行列のランクの状況を把握して、該ランクが向上する送受信ブランチの組み合わせについてアンテナの偏波方向を切り替える、
   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. 前記偏波方向制御手段は、偏波方向を変える送受信ブランチの組み合わせに応じて０に近くなると予測される要素に０を代入したチャネル行列の行列式の演算結果に基づいて、偏波方向を変えたときのチャネル行列のランクの状況を把握する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の無線通信システム。
6. 前記偏波方向制御手段は、偏波方向を変える送受信ブランチの組み合わせに応じて０に近くなると予測される要素に０を代入したチャネル行列を特異値分解して得られる対角行列に対角要素が０に近い値になっているものがあるかどうかに基づいて、偏波方向を変えたときのチャネル行列のランクの状況を把握する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の無線通信システム。
7. 前記偏波方向制御手段は、偏波方向を変える送受信ブランチの組み合わせに応じて０に近くなると予測される要素に０を代入したチャネル行列の逆行列を求め、該逆行列の各行のノルムの中で最小となる値に基づいて、偏波方向を変えたときのチャネル行列のランクの状況を把握する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の無線通信システム。
8. 通信の初期状態では前記送信機及び前記受信機のすべてのアンテナの偏波方向をそろえておき、
   前記チャネル行列取得手段は、前記受信機において、前記送信機から受信したパケットのプリアンブルに含まれる既知トレーニング系列などを利用してチャネル行列Ｈを取得し、
   前記偏波方向制御手段は、チャネル行列のランクが下落したことに応じて、前記受信機において、ランクの向上を見込むことができるようなアンテナの有効な組み合わせをチャネル行列に基づいて決定するとともに、該決定したアンテナの組み合わせを前記受信機から前記送信機に通知し、
   前記送信機は、通知されたアンテナのみ偏波方向を変更して以降のパケットを送信し、前記受信機は、決定したアンテナのみ偏波方向を変更してパケットを受信する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
9. 複数のアンテナを備え、複数のアンテナを備えた通信機を相手にして送受信アンテナの組み合わせ毎の伝達関数を要素としたチャネル行列を基に空間多重伝送を行なう無線通信装置であって、
   各ブランチにおいてアンテナの偏波方向の切り替えが可能であり、
   各ブランチのアンテナの偏波方向を変更する偏波方向制御手段と、
   前記偏波方向制御手段によって設定された偏波方向のアンテナを用いて、送信データを各ブランチに振り分けるとともに空間多重してから各ブランチのアンテナから伝送する送信処理を行ない、又は、各ブランチのアンテナにおける受信信号を空間分離して元のストリームを再現する受信処理を行なう通信処理手段と、
   を具備することを特徴とする無線通信装置。
10. 各ブランチにおいて垂直偏波アンテナ及び水平偏波アンテナと、垂直偏波アンテナ又は水平偏波アンテナのいずれかを択一的に使用するためのスイッチを備え、
    前記偏波方向制御手段は、ブランチ毎のスイッチ操作によってアンテナの偏波方向の切り替えを行なう、
    ことを特徴とする請求項９に記載の無線通信装置。
11. 通信相手との間のチャネル行列を取得するチャネル行列取得手段と、
    該取得したチャネル行列のランクの下落を検出するランク検出手段をさらに備え、
    前記偏波方向制御手段は、チャネル行列のランクの下落を検出したことに応じて、少なくとも一部のブランチのアンテナの偏波方向を変更する、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の無線通信装置。
12. 前記偏波方向制御手段は、通常は各ブランチにおいて垂直偏波アンテナに設定するが、チャネル行列のランクの下落を検出したことに応じて、通信相手とのいずれかのブランチの組み合わせについて水平偏波アンテナに変更する、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の無線通信装置。
13. 前記偏波方向制御手段は、偏波方向を変えるブランチの組み合わせに応じて、チャネル行列のうちで０に近くなる要素の位置を予測し、該予測結果を基に偏波方向を変えたときのチャネル行列のランクの状況を把握して、該ランクが向上するブランチの組み合わせについてアンテナの偏波方向を切り替える、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の無線通信装置。
14. 前記偏波方向制御手段は、偏波方向を変えるブランチの組み合わせに応じて０に近くなると予測される要素に０を代入したチャネル行列の行列式の演算結果に基づいて、偏波方向を変えたときのチャネル行列のランクの状況を把握する、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の無線通信装置。
15. 前記偏波方向制御手段は、偏波方向を変えるブランチの組み合わせに応じて０に近くなると予測される要素に０を代入したチャネル行列を特異値分解して得られる対角行列に対角要素が０に近い値になっているものがあるかどうかに基づいて、偏波方向を変えたときのチャネル行列のランクの状況を把握する、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の無線通信装置。
16. 前記偏波方向制御手段は、偏波方向を変えるブランチの組み合わせに応じて０に近くなると予測される要素に０を代入したチャネル行列の逆行列を求め、該逆行列の各行のノルムの中で最小となる値に基づいて、偏波方向を変えたときのチャネル行列のランクの状況を把握する、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の無線通信装置。
17. 通信の初期状態では通信相手とともにすべてのアンテナの偏波方向をそろえておき、
    前記チャネル行列取得手段は、通信相手から受信したパケットのプリアンブルに含まれる既知トレーニング系列などを利用してチャネル行列Ｈを取得し、
    前記偏波方向制御手段は、チャネル行列のランクが下落したことに応じて、ランクの向上を見込むことができるようなアンテナの有効な組み合わせをチャネル行列に基づいて決定するとともに、該決定したアンテナの組み合わせを通信相手に通知するとともに、決定したアンテナのみ偏波方向を変更してパケットを受信する、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の無線通信装置。
18. 複数のアンテナを備え、複数のアンテナを備えた通信機を相手にして送受信アンテナの組み合わせ毎の伝達関数を要素としたチャネル行列を基に空間多重伝送を行なうための無線通信方法であって、各ブランチにおいてアンテナの偏波方向の切り替えが可能であり、
    通信相手との間のチャネル行列を取得するチャネル行列取得ステップと、
    該取得したチャネル行列のランクの下落を検出するランク検出ステップと、
    チャネル行列のランクの下落を検出したことに応じて、通信相手とのいずれかのアンテナの組み合わせについて偏波方向を変更する偏波方向制御ステップと、
    を具備することを特徴とする無線通信方法。
    

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