JP2015207933A - 通信装置、制御方法、及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 通信装置が送信と受信とで異なる本数のアンテナを使用する環境における効果的なＭＩＭＯ伝送技術を提供すること。
【解決手段】 通信装置は、第１の複数のアンテナを用いて、第２の複数のアンテナを有すると共にその一部のみを送信に用いる相手装置との間で通信を行う。通信装置は、信号を受信することにより得られる、第１の複数のアンテナのそれぞれと第２の複数のアンテナの一部のそれぞれとの間の第１のチャネル行列から、第１の部分プリコーディング行列を推定する。通信装置は、第１の複数のアンテナのそれぞれと第２の複数のアンテナの残りの一部の少なくとも１つとの間の第２のチャネル行列に基づいて相手装置が推定した、第２の部分プリコーディング行列を特定する情報を取得する。そして、通信装置は、第１の部分プリコーディング行列と第２の部分プリコーディング行列とを連結して、信号の送信のためのプリコーディング行列を得る。
【選択図】 図２

Description

本発明は、マルチユーザＭＩＭＯ技術に関する。

送受信局において複数のアンテナを用いて複数のデータストリームを同時に送受信することでデータ送受信の高速化を図る、多入力多出力（ＭＩＭＯ、Ｍｕｌｔｉ−Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉ−Ｏｕｔｐｕｔ）技術が知られている。ＭＩＭＯを用いることにより、理想的には、アンテナの本数に比例して、無線通信容量を増加させることができる。このため、例えば１１２本（非特許文献１参照）や１２８本（非特許文献２参照）などの多くのアンテナを基地局に配備し、無線通信容量を大幅に増加させることが検討されている。このように多数のアンテナを基地局に配備することにより、１つ以上のアンテナを有する１つ以上のユーザ端末との間で同時に高速通信を行うことができる。

ＭＩＭＯでは、上述のようにアンテナ数を増やすことにより無線通信容量を増加させることができるが、その効果を得るためには、複数の送信アンテナのそれぞれと複数の受信アンテナのそれぞれとの間のチャネルを推定する必要がある。チャネル推定は、例えば、基地局が送信したパイロット信号を１つ以上のユーザ端末で観測し、その観測結果を基地局へフィードバックすることにより行われる。しかしながら、このようなシステムでは、フィードバックしなければならない情報量が非常に多くなるため、このフィードバックのために多量の通信リソースを割かなければならないという問題があった。

これに対して、時分割複信システムにおいて、上りリンクと下りリンクとにおけるチャネルの対称性を利用して、例えば上りリンクの信号を測定することにより、下りリンクのチャネルを推定することができる。この場合、基地局は、例えば複数のユーザ端末が上りリンクで送信したパイロット信号を観測することにより、下りリンクのチャネルを推定することができる。

Ｊ．Ｈｏｙｄｉｓ、Ｃ．Ｈｏｅｋ、Ｔ．Ｗｉｌｄ及びＳ．ｔｅｎ Ｂｒｉｎｋ、"Ｃｈａｎｎｅｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ Ｌａｒｇｅ Ａｎｔｅｎｎａ Ａｒｒａｙｓ"、ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ （ＩＳＷＣＳ）予稿、２０１２年８月 Ｓ．Ｐａｙａｍｉ及びＦ．Ｔｕｆｖｅｓｓｏｎ、"Ｃｈａｎｎｅｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ Ｖｅｒｙ Ｌａｒｇｅ Ａｒｒａｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ａｔ ２．６ ＧＨｚ"、６ｔｈ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ａｎｔｅｎｎａｓ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ， ＥｕＣＡＰ ２０１２予稿，２０１２年３月 Ｔ．Ｌ．Ｍａｒｚｅｔｔａ、"Ｎｏｎｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ Ｃｅｌｌｕｌａｒ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｗｉｔｈ Ｕｎｌｉｍｉｔｅｄ Ｎｕｍｂｅｒｓ ｏｆ Ｂａｓｅ Ｓｔａｔｉｏｎ Ａｎｔｅｎｎａｓ"、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ、ｖｏｌ．９、ｎｏ．１１、ｐｐ．３５９０−３６００、２０１０年１１月

ＭＩＭＯ環境では、ユーザ端末が送信と受信で異なる本数のアンテナを用いる場合がある。例えば、ユーザ端末は、受信には２つのアンテナを用いる一方で、送信には１つのアンテナしか用いない場合がある。この場合、基地局側でアンテナをＮ本使用する場合を考えると、チャネル行列の大きさは、下りリンクにおいて２行Ｎ列である一方で、上りリンクにおいてはＮ行１列となる。したがって、このような場合、上りリンクのチャネル行列から、下りリンクのチャネル行列を推定することが困難となってしまう。したがって、この場合、ＭＩＭＯの効果を十分に得ることが困難となる場合があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、通信装置が送信と受信とで異なる本数のアンテナを使用する環境における効果的なＭＩＭＯ伝送技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明による通信装置は、第１の複数のアンテナを用いて、第２の複数のアンテナを有すると共にその一部のみを送信に用いる相手装置との間で通信を行う通信装置であって、前記第２の複数のアンテナの前記一部から送信された信号を前記第１の複数のアンテナのそれぞれで受信することによって、前記第１の複数のアンテナのそれぞれと当該第２の複数のアンテナの前記一部のそれぞれとの間のチャネルの値を要素とする第１のチャネル行列を推定する推定手段と、前記第１の複数のアンテナのそれぞれから送信された信号が前記第２の複数のアンテナの残りの一部の少なくとも１つにおいて受信される際のチャネルの値を要素とする第２のチャネル行列に基づいて前記相手装置において推定された、第１のプリコーディング行列を特定する情報を、前記相手装置から取得する取得手段と、前記第１のチャネル行列と前記第１のプリコーディング行列とを連結して第２のプリコーディング行列を算出する算出手段と、前記第２のプリコーディング行列を、送信データを要素として含む送信データベクトルに乗じた結果の送信信号ベクトルの要素のそれぞれを、前記第１の複数のアンテナのそれぞれから送信する送信手段と、を有する。

また、本発明による別の通信装置は、第１の複数のアンテナを有し、信号の送信のためには前記第１の複数のアンテナの一部のみを用いると共に信号の受信のために前記第１の複数のアンテナの当該一部と残りの一部の少なくとも１つとを用いて、第２の複数のアンテナを有する相手装置との間で通信を行う通信装置であって、前記第２の複数のアンテナのそれぞれから送信された信号が前記第１の複数のアンテナの前記残りの一部の少なくとも１つにおいて受信される際のチャネルの値を要素とする第１のチャネル行列に基づいて、第１のプリコーディング行列を推定する推定手段と、前記第１のプリコーディング行列を特定する情報を前記相手装置へ送信する送信手段と、を有し、前記相手装置において、前記第１の複数のアンテナの前記一部のそれぞれから送信された信号が前記第２の複数のアンテナのそれぞれで受信される際のチャネルの値を要素とする第２のチャネル行列と前記第１のプリコーディング行列とに基づいて第２のプリコーディング行列が算出され、送信データを要素として含む送信データベクトルに前記第２のプリコーディング行列を乗じた結果の送信信号ベクトルの要素のそれぞれが前記第２の複数のアンテナのそれぞれから送信される、ことを特徴とする。

本発明によれば、通信装置が送信と受信とで異なる本数のアンテナを使用する環境における効果的なＭＩＭＯ伝送技術を提供することができる。

無線通信システムの構成例を示す図。 基地局およびユーザ端末の機能構成の例を示すブロック図。 基地局およびユーザ端末のハードウェア構成の例を示すブロック図。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

（無線通信システム）
図１に、本実施形態に係る無線通信システムの構成例を示す。無線通信システムは複数の無線通信装置により構成され、例えば、１つの基地局と、基地局の通信の相手装置である１つ以上のユーザ端末とを含んで構成される。なお、図示していないが、隣接セルの基地局およびその基地局に接続されるユーザ端末も存在するものとする。

基地局は複数のアンテナを有し、１つ以上のユーザ端末に対して同時に信号を送信し、同様に、１つ以上のユーザ端末から同時に信号を受信することができる。なお、ユーザ端末は、１つまたは複数のアンテナを有する。なお、基地局と１つ以上のユーザ端末とが時分割複信により通信を行うものとする。すなわち、基地局が信号を送信する時間は、ユーザ端末は信号を送信せずに基地局からの信号を受信し、ユーザ端末が信号を送信する時間は、基地局は信号を送信せずにユーザ端末からの信号を受信するものとする。

なお、本実施形態では、ユーザ端末の少なくとも一部は、送信と受信とで、異なる本数のアンテナを用いる。例えば、あるユーザ端末は、アンテナを２本有し、信号の受信のためにその両方を用い、信号の送信のためにはそのいずれかのみを用いる。なお、例えば、あるユーザ端末がアンテナを４本有し、信号の送信にそのうちの２本を用い、信号の受信には、その２本に加え、残りの２本のうちの１本の、計３本を用いてもよいなど、常に全てのアンテナが用いられなければならないわけではない。なお、以下では、ユーザ端末において送信に用いられたアンテナは、受信にも用いられるものとする。これは、チャネル行列の対称性を利用するためである。ただし、送信に用いられたアンテナの少なくとも一部が受信にも用いられればよく、残りの一部については、送信専用であってもよい。

以下では、本実施形態における基地局およびユーザ端末の処理について説明する。なお、図１では、無線通信システムに複数のユーザ端末が含まれている例を示しているが、送信と受信とで使用するアンテナ本数が異なる１つ以上のユーザ端末が存在する状況であれば、以下の議論を適用することができる。したがって、以下では、まず、ユーザ端末が１つの場合についての処理の流れを説明し、その後、複数のユーザ端末が存在する場合の処理について説明する。

（処理の概要）
以下では、基地局はＮ本のアンテナを有し、その全てを送信と受信に用いるものとする。また、ユーザ端末もＮ本のアンテナを有し、その全てを受信に用い、一方で、その一部（Ｍ本、Ｍ＜Ｎ）を送信に用いるものとする。

この場合、基地局のＮ本のアンテナのそれぞれから送信された信号は、ユーザ端末のＮ本のアンテナのそれぞれで受信され、このときのチャネルの値を要素とするチャネル行列ＨはＮ行Ｎ列の行列となる。一方、ユーザ端末のＭ本のアンテナのそれぞれから送信された信号は、基地局のＮ本のアンテナのそれぞれで受信され、このときのチャネルの値を要素とするチャネル行列Ｇは、Ｎ行Ｍ列となる。したがって、基地局は、時分割複信（ＴＤＤ）システムであっても、ユーザ端末から送信される信号により、上りリンクのチャネル行列Ｇを得ることはできるが、そのチャネル行列Ｇから、下りリンクのチャネル行列Ｈを得ることはできない。したがって、このままでは、基地局は、チャネル行列Ｈに基づくＭＩＭＯの伝送を効率的に行うためのプリコーディング行列を算出することができない。

そこで、本実施形態では、このような問題に対応するため、ユーザ端末から、チャネル行列Ｈの残りの成分に関するプリコーディング行列について情報のフィードバックを受ける。以下では、このフィードバックされるべき情報が、どのように定められるか、また、どのように送信されるかについて、詳述する。

（プリコーディング行列）
大数の法則によれば、アンテナの数Ｎが大きくなると、チャネル行列Ｈに対して、

・・・（１）
となることが分かっている（非特許文献３参照）。なお、上付きのＨは行列の共役転置を表し、Ｉ_NはＮ行Ｎ列の単位行列を示す。このため、非特許文献３では、十分に大きいＮに対して、最適なプリコーディング行列はＨ^Hであるとしている。すなわち、Ｎ個の送信データからなる送信データベクトルをｓとすると、ｘ＝Ｈ^Hｓとなるように、Ｎ本の送信アンテナのそれぞれから送信される信号を要素とする送信信号ベクトルを形成するのが最適となる。実際、このようにすることにより、雑音ベクトルをｎとし、Ｎ本の受信アンテナで受信される信号を要素とする受信信号ベクトルをｙとすると、
ｙ＝Ｈｘ＋ｎ＝ＨＨ^Hｓ＋ｎ＝ｓ＋ｎ
となり、アンテナ間の干渉の影響がなくなる。

一方、本実施形態では、ＴＤＤを用いてチャネルの対称性を利用することにより、下りリンクのチャネル行列Ｈの一部については、上りリンクのチャネル行列Ｇから推定することができる。すなわち、下りリンクのチャネル行列Ｈと上りリンクのチャネル行列Ｇとを、

・・・（２）
としたとき、チャネル行列ＨのＭ行分の要素を、

・・・（３）
のように推定することができる。なお、ここでは、上からＭ行分の成分が、ユーザ端末において送信にも使用されるアンテナにおいて受信される成分となるようにチャネル行列Ｈを定義している。

ここで、チャネル行列Ｈの残りの成分（下からＮ−Ｍ行分の成分）を行列Ｆによって表す。すなわち、

・・・（４）
とする。すると、チャネル行列Ｈは、上りリンクのチャネル行列Ｇと残りの部分のチャネル成分の行列Ｆとを連結して、

・・・（５）
と表される。なお、ここでは、上りリンクのチャネル行列Ｇに対してそのまま共役転置行列とすることによって、下りリンクのチャネル行列Ｈの一部を推定しているが、これに限られない。例えば、時間平均を取るなど、上りリンクのチャネル行列Ｇに所定の処理を施した結果の共役転置行列を、下りリンクのチャネル行列Ｈの一部の推定値としてもよい。

このとき、最適なプリコーディング行列Ｐは、Ｐ＝Ｈ^H＝［Ｇ Ｆ^H］と表すことができる。この場合、ＨＨ^H／Ｎは、Ｎが大きくなるに連れてＩ_Nに漸近するため、

・・・（６）
となる。

しかしながら、本実施形態では、基地局は行列Ｆを知ることができない。このため、基地局が、行列Ｆの代わりに行列Ｔを部分プリコーディング行列として用いる場合を考える。この場合、チャネル行列Ｈと、チャネルが推定できた部分の行列と部分プリコーディング行列とを連結して得られるプリコーディング行列Ｐとの行列積は、

・・・（７）
となる。ここで、本行列の左下の部分行列ＦＧは、式（６）に示されるように、ゼロ行列である。一方、本行列の右上の部分行列は、Ｇが平均０のガウス分布に従うため、Ｇによらずに行列Ｔを選択すれば、やはりゼロ行列に収束する。したがって、ＦＴ／Ｎ＝Ｉ_N-Mに十分近くなるような行列Ｔを選択することができれば、最適又は準最適なプリコーディング行列を用いて信号を送信することが可能となる。

しかしながら、チャネル行列Ｇが平均０のガウス分布に従うのと同様に、行列Ｆも平均０のガウス分布に従う。このため、Ｆによらずに部分プリコーディング行列Ｔを選択してしまうと、ＦＴ／Ｎも、やはりゼロ行列に収束してしまう。このため、本実施形態では、チャネル行列Ｈの一部である行列Ｆを知ることができるユーザ端末が、この部分プリコーディング行列Ｔを推定し、基地局へ、その部分プリコーディング行列についての情報を通知する。以下、基地局とユーザ端末が実行する具体的な処理の内容と、基地局およびユーザ端末の例示的な構成態様とについて説明する。

（基地局とユーザ端末が実行する処理）
まず、最も簡単な手順としては、ユーザ端末はチャネル行列Ｈの一部である行列Ｆそのもの、又はその共役転置行列を基地局へフィードバックすることができる。すなわち、ユーザ端末は、基地局のＮ本のアンテナから送信された信号を、送信に用いていないＮ−Ｍ本のアンテナで受信した際のチャネル行列又はその共役転置行列を、フィードバックすることができる。これにより、基地局は行列Ｆの共役転置行列Ｆ^Hを知ることができ、これをプリコーディング行列とすることにより、ＭＩＭＯによる最適な信号伝送を行うことができる。

一方、この手法では、フィードバックコストが高いという問題が生じうる。すなわち、行列Ｆに含まれる要素（チャネルの値）そのものを基地局にフィードバックするため、フィードバックする情報量が非常に大きくなり、伝送容量を圧迫してしまう場合がある。

このため、以下では、ユーザ端末は、予め定められた部分プリコーディング行列の複数の候補Ｔ_i（ｉはインデックス、例えば０≦ｉ＜ｎの整数）から選択することにより、部分プリコーディング行列Ｔを推定する。なお、ユーザ端末は、プリコーディング行列の候補のうちの選択されたものについてのインデックスをフィードバックすることで、情報量を大幅に削減することができる。例えば、部分プリコーディング行列Ｔの候補の数が４つの場合は、２ビットで、フィードバック情報を送信することが可能となる。

まず、事前準備として、基地局およびユーザ端末は、予め、共通して、部分プリコーディング行列の候補とインデックスとを対応付けて記憶しておく。すなわち、基地局は、ユーザ端末が選択した部分プリコーディング行列を、１つのインデックスが指定されることにより知ることができるようにしておく。ここで、基地局のアンテナの本数は一定であるとすれば、部分プリコーディング行列Ｔの列の数に応じて、すなわち、ユーザ端末における受信アンテナ数から送信アンテナ数を減じた値に応じて、部分プリコーディング行列の大きさが変わる。したがって、基地局およびユーザ端末は、部分プリコーディング行列を、行列の列数ごとに分類してインデックスと対応付けて記憶しておき、列数とインデックスとにより、１つの部分プリコーディング行列を特定するようにしてもよい。なお、この場合でも、基地局が、ユーザ端末における受信アンテナ数と送信アンテナ数との本数の差を予め知ることができる場合は、列数の情報はフィードバックされる必要はない。

まず、ユーザ端末は、基地局が複数のアンテナのそれぞれから送信した信号（例えばパイロット信号）に基づいて、下りリンクのチャネル行列Ｈを取得する。なお、ここでは、ユーザ端末は、送信には使用しないアンテナでのチャネル行列Ｆのみを取得するようにしてもよい。一方、基地局は、ユーザ端末が１つ以上のアンテナのそれぞれで送信した信号（例えばパイロット信号）を受信することにより、上りリンクのチャネル行列Ｇを取得する。なお、基地局における上りリンクのチャネル行列の取得とユーザ端末における下りリンクのチャネル行列の取得は、どちらが先に行われてもよい。

ユーザ端末は、チャネル行列Ｈの一部である行列Ｆに基づいて、記憶されている部分プリコーディング行列の複数の候補Ｔ_iの中から、１つの候補をフィードバック対象として選択する。ここで、上述のように、部分プリコーディング行列Ｔは、ＦＴ／Ｎ＝Ｉ_N-Mに十分近くなるように選択されるべきである。したがって、ユーザ端末は、

・・・（８）
のように、部分プリコーディング行列Ｔを選択する。なお、式中、Ωは、部分プリコーディング行列の候補の集合である。すなわち、取得した下りリンクのチャネル行列の一部である行列Ｆとの行列積を基地局のアンテナの本数Ｎで割った結果の行列と単位行列との差が最小となるような候補が、部分プリコーディング行列として選択される。式（８）の例では、ｉ０番目の候補が、部分プリコーディング行列Ｔとして選択された例を示している。

なお、式（８）の例では、行列Ｆとの行列積を基地局のアンテナの本数Ｎで割った結果の行列と単位行列との差が最小の候補が、部分プリコーディング行列Ｔとして選択されているがこれに限られない。例えば、行列Ｆとの行列積を基地局のアンテナの本数Ｎで割った結果の行列と単位行列との差が所定値以下となるような候補が、部分プリコーディング行列Ｔとして選択されてもよい。なお、この場合、複数の候補において、行列Ｆとの行列積を基地局のアンテナの本数Ｎで割った結果の行列と単位行列との差が所定値以下となる場合は、これらの候補の中から１つをランダムに選択してもよい。

ユーザ端末は、部分プリコーディング行列Ｔの選択を終えると、選択された候補に対応付けられたインデックスの値を、基地局へフィードバックする。式（８）の例では、ｉ０が、基地局にフィードバックされる。

基地局は、フィードバックされたインデックスに基づいて、記憶されている部分プリコーディング行列の候補の中から、使用すべき部分プリコーディング行列Ｔを抽出する。そして、上りリンクのチャネル行列Ｇと抽出された部分プリコーディング行列Ｔとを連結して、プリコーディング行列Ｐ＝［Ｇ Ｔ］を得る。

基地局は、このようにして得られたプリコーディング行列Ｐを、送信データを要素として含む送信データベクトルに乗じた結果として得られる送信信号ベクトルの各要素を、Ｎ本のアンテナのそれぞれから送信する。これにより、チャネル行列Ｈとプリコーディング行列Ｐの行列積をアンテナ本数Ｎで割った結果が単位行列に十分に近いものとなるため、ユーザ端末は、アンテナ間の干渉を大きく受けることなく、送信されたデータを抽出することができる。

なお、ユーザ端末が複数となった場合、すなわち、マルチユーザＭＩＭＯの場合も、同様の処理を適用することができる。例えば、基地局が２Ｎ本のアンテナを有して、それらの全てを送信と受信との両方に用い、２つのユーザ端末がＮ本のアンテナを有して、それらの全てを受信に用いるが、送信にはＭ本（Ｍ＜Ｎ）しか用いられない場合について説明する。この場合、例えば、下りリンクのチャネルＨは、

・・・（９）
のように表すことができる。ここでＧ₁は、第１のユーザ端末からの信号から得られる上りリンクのチャネル行列であり、Ｆ₁は、基地局の各アンテナと、第１のユーザ端末の送信には使用されないアンテナとの間の下りリンクのチャネル行列である。同様に、Ｇ₂は、第２のユーザ端末からの信号から得られる上りリンクのチャネル行列であり、Ｆ₂は、基地局の各アンテナと、第２のユーザ端末の送信には使用されないアンテナとの間の下りリンクのチャネル行列である。

この場合も、ＨＨ^H／２Ｎ＝Ｉ_2Nであるため、プリコーディング行列Ｐ＝Ｈ^Hを用いれば、

・・・（１０）
が成り立つ。

しかしながら、基地局は、行列Ｆ₁とＦ₂とを知らない。このため、基地局は、これらに代えて、別の部分プリコーディング行列ＵとＶとを用いて、プリコーディング行列Ｐを［Ｇ₁ Ｕ Ｇ₂ Ｖ］とする。この場合、チャネル行列Ｈとプリコーディング行列Ｐとの行列積は、

・・・（１１）
となる。ここで、上述の説明と同様に、Ｇ及びＦが、平均がゼロのガウス分布であるとすれば、Ｇ及びＦと関係なく部分プリコーディング行列Ｕ及びＶを選択すると、これらの行列積はゼロ行列となる。すなわち、例えば、ＵをＦ₁のみに基づいて選択すれば、Ｇ₁Ｕ、Ｇ₂ ^HＵ、Ｆ₂Ｕはそれぞれ高い確率でゼロ行列に漸近する。また、例えば、ＶをＦ₂のみに基づいて選択すれば、Ｇ₁ ^HＶ、Ｆ₁Ｖ、Ｇ₂Ｖはそれぞれ高い確率でゼロ行列に漸近する。

したがって、この場合も、Ｆ₁Ｕ／２Ｎと単位行列との差が最小となるＵ及びＦ₂Ｖ／２Ｎと単位行列との差が最小となるＶを、部分プリコーディング行列として選択すれば足りる。このため、例えば、第１のユーザ端末は、Ｆ₂やＧ₂を知らなくても、部分プリコーディング行列Ｕを選択することが可能となる。同様に、第２のユーザ端末は、Ｆ₁やＧ₁を知らなくても、部分プリコーディング行列Ｖを選択することが可能となる。なお、第１のユーザ端末は、Ｆ₁Ｕ／２Ｎと単位行列との差が所定値以下となるような部分プリコーディング行列Ｕを選択してもよい。また、第２のユーザ端末は、Ｆ₂Ｖ／２Ｎと単位行列との差が所定値以下となるような部分プリコーディング行列Ｖを選択してもよい。また、これらの部分プリコーディング行列は、各ユーザ端末に記憶されている複数の候補のうちから選択されてもよく、この場合、基地局への部分プリコーディング行列のフィードバックは、対応するインデックスを用いて行われてもよい。

このように、本実施形態に係る手法は、容易にマルチユーザＭＩＭＯにも適用することができる。

なお、マルチユーザＭＩＭＯの場合、一部のユーザ端末では、全てのアンテナを送信と受信とに用いており、残りの一部のユーザ端末では、全てのアンテナを受信には用いるが送信には用いない、などの場合が生じうる。例えば、一部のユーザ端末がアンテナを１つしか備えない場合である。このような場合、上述のような部分プリコーディング行列の推定とフィードバックは、送信と受信とで用いるアンテナ数が異なるユーザ端末のみが行えば足りる。全てのアンテナを送信と受信とに用いるユーザ端末については、上りリンクで送信された信号から得られるチャネル行列Ｇを、そのままプリコーディング行列として用いることができ、これ以外の情報は不要だからである。

（基地局とユーザ端末の構成例）
上述の各処理を行う基地局とユーザ端末との構成例を図２に示す。なお、図２では、ユーザ端末を１つだけ示しているが、マルチユーザＭＩＭＯの場合は、複数のユーザ端末が存在することとなる。図２の例では、基地局２００は、送受信部２０１、チャネル推定部２０２、部分プリコーディング行列抽出部２０３、部分プリコーディング行列候補記憶部２０４、及びプリコーディング行列取得部２０５を有する。なお、基地局２００は、他の一般的な基地局としての機能をも有するが、簡単のため、ここには示していない。また、ユーザ端末２２０は、例えば、送受信部２２１、チャネル推定部２２２、部分プリコーディング行列推定部２２３、部分プリコーディング行列候補記憶部２２４を有する。なお、ユーザ端末２２０は、他の一般的な基地局としての機能をも有するが、簡単のため、ここには示していない。

基地局２００において、送受信部２０１は、複数のアンテナを送信及び受信に用いる、ＭＩＭＯ送受信部である。チャネル推定部２０２は、ユーザ端末２２０の複数のアンテナのうちの一部から送信された信号を、基地局２００の各アンテナで受信した際の、上りリンクのチャネル行列Ｇを推定する。チャネル推定部２０２は、推定したチャネル行列Ｇを、プリコーディング行列取得部２０５に入力する。

部分プリコーディング行列抽出部２０３は、ユーザ端末２２０からフィードバックされたインデックスに応じて、部分プリコーディング行列候補記憶部２０４から、ユーザ端末により選択された部分プリコーディング行列Ｔを抽出する。抽出された部分プリコーディング行列Ｔは、プリコーディング行列取得部２０５へ入力される。部分プリコーディング行列候補記憶部２０４は、部分プリコーディング行列の複数の候補を記憶する。なお、部分プリコーディング行列候補記憶部２０４は、上述のように、行列のサイズごとに、プリコーディング行列の候補を別個に記憶しておいてもよい。例えば、基地局２００が使用するアンテナの本数を場合によって変更する場合には、プリコーディング行列の行数が変動しうるし、ユーザ端末における送信と受信とで用いるアンテナ本数の差が変動しうるためである。部分プリコーディング行列候補記憶部２０４が、複数の行数、複数の列数に対応した、様々なサイズの部分プリコーディング行列を予め記憶しておくことにより、様々な状況において、適切な部分プリコーディング行列を選択することができる。

プリコーディング行列取得部２０５は、入力された上りリンクのチャネル行列Ｇと部分プリコーディング行列Ｔとを列方向で連結して、プリコーディング行列Ｐを取得する。プリコーディング行列Ｐは送受信部２０１へ入力される。送受信部２０１は、入力されたプリコーディング行列Ｐを、送信データを要素として含む送信データベクトルに左から乗じて送信信号ベクトルを取得し、その送信信号ベクトルの各要素を対応するアンテナから送信する。

ユーザ端末２２０において、送受信部２２１は、例えば受信には２本のアンテナを用いる一方で、送信には１本のアンテナのみを用いて信号を送受信する。チャネル推定部２２２は、基地局２００の複数のアンテナから送信され、ユーザ端末の複数のアンテナでそれぞれ受信された信号により、下りリンクのチャネル行列Ｈの少なくとも一部Ｆを推定する。なお、チャネル推定部２２２は、一般的には、通常のデータの受信にチャネル行列Ｈの全体を推定するが、本実施形態の場合は、チャネル行列のうち、信号の送信には用いられないアンテナで受信された信号についての成分のみ（行列Ｆ）を推定すれば足りる。基地局２００が、プリコーディング行列Ｐを取得した後は、チャネル行列Ｈとプリコーディング行列Ｐとの行列積が単位行列に十分に近くなるため、チャネルを推定しなくても、送信されたデータを取得することができるようになるからである。

部分プリコーディング行列推定部２２３は、チャネル行列の一部である行列Ｆの推定値から、部分プリコーディング行列Ｔを推定する。例えば、部分プリコーディング行列候補記憶部２２４に記憶されている複数の候補のうち、推定された行列Ｆとの行列積を基地局２００のアンテナ本数で割った結果の行列と単位行列との差が最小となる候補が、部分プリコーディング行列として推定される。また、例えば、複数の候補のうち、推定された行列Ｆとの行列積を基地局２００のアンテナ本数で割った結果の行列と単位行列との差が所定値以下となる候補が、部分プリコーディング行列として推定される。部分プリコーディング行列候補記憶部２２４は、部分プリコーディング行列候補記憶部２０４と同様であり、記憶される部分プリコーディング行列の候補とその対応するインデックスの値とが共通しているものとする。

なお、基地局２００及びユーザ端末２２０は、一例において、図３に示すようなハードウェア構成を有し、例えば、ＣＰＵ３０１、ＲＯＭ３０２、ＲＡＭ３０３、外部記憶装置３０４、及び入出力装置３０５を有する。基地局２００及びユーザ端末２２０では、例えばＲＯＭ３０２、ＲＡＭ３０３及び外部記憶装置３０４のいずれかに記録された、上述の基地局２００及びユーザ端末２２０の各機能を実現するプログラムがＣＰＵ３０１により実行される。そして、基地局２００及びユーザ端末２２０は、入出力装置３０５を用いて、例えば、送受信部２０１及び２２１からの情報の取得と、送受信部２０１及び２２１への情報の出力とを行う。なお、ＣＰＵ３０１は、信号の送受信のために、送受信部２０１及び２２１を制御する機能を有していてもよい。

なお、基地局２００及びユーザ端末２２０は、上述の各機能を実行する専用のハードウェアを備えてもよいし、一部をハードウェアで実行し、プログラムを動作させるコンピュータでその他の部分を実行してもよい。また、以下の全機能をコンピュータとプログラムにより実行させてもよい。

このようにして、本実施形態によれば、基地局は、上りリンクのチャネル行列から、下りリンクのチャネル行列の全ての値を推定することができない状況であっても、適切なプリコーディング行列Ｐを取得することができる。また、部分プリコーディング行列のインデックスのみがフィードバックされることにより、フィードバックコストを下げることも可能となる。なお、下りリンクのチャネル行列の全体に対するプリコーディング行列を推定するのとは異なり、そのチャネル行列の一部のみに対するプリコーディング行列の推定が行われるため、計算対象となる行列のサイズが小さくなる。したがって、部分プリコーディング行列の推定は、全体のプリコーディング行列の推定ほどには計算コストを要しない。したがって、ユーザ端末のような、演算能力が限られる場合がある装置においても、部分プリコーディング行列の推定を行うことができる。

Claims (13)

1. 第１の複数のアンテナを用いて、第２の複数のアンテナを有すると共にその一部のみを送信に用いる相手装置との間で通信を行う通信装置であって、
   前記第２の複数のアンテナの前記一部から送信された信号を前記第１の複数のアンテナのそれぞれで受信することによって得られる、前記第１の複数のアンテナのそれぞれと当該第２の複数のアンテナの前記一部のそれぞれとの間のチャネルの値を要素とする第１のチャネル行列から、第１の部分プリコーディング行列を推定する推定手段と、
   前記第１の複数のアンテナのそれぞれから送信された信号が前記第２の複数のアンテナの残りの一部の少なくとも１つにおいて受信される際のチャネルの値を要素とする第２のチャネル行列に基づいて前記相手装置において推定された、第２の部分プリコーディング行列を特定する情報を、前記相手装置から受信する受信手段と、
   前記第１の部分プリコーディング行列と前記第２の部分プリコーディング行列とを連結してプリコーディング行列を取得する取得手段と、
   前記プリコーディング行列を、送信データを要素として含む送信データベクトルに乗じた結果の送信信号ベクトルの要素のそれぞれを、前記第１の複数のアンテナのそれぞれから送信する送信手段と、
   を有することを特徴とする通信装置。
2. 前記通信装置が複数の相手装置と通信を行う場合、
   前記推定手段は、前記複数の相手装置のうち、複数のアンテナを有すると共にその一部のみを送信に用いる一部の相手装置について、複数のアンテナの当該一部から送信された信号を前記第１の複数のアンテナのそれぞれで受信することによって得られる、前記第１の複数のアンテナのそれぞれと当該複数のアンテナの当該一部のそれぞれとの間のチャネルの値を要素とする前記第１のチャネル行列から、当該一部の相手装置のそれぞれについての前記第１の部分プリコーディング行列を推定し、
   前記推定手段は、さらに、前記複数の相手装置の残りの相手装置について、少なくとも１つのアンテナから送信された信号を前記第１の複数のアンテナのそれぞれで受信することによって得られる、前記第１の複数のアンテナのそれぞれと当該少なくとも１つのアンテナとの間のチャネルの値を要素とする前記第１のチャネル行列から、当該残りの相手装置のそれぞれについての前記第１の部分プリコーディング行列を推定し、
   前記受信手段は、前記一部の相手装置のそれぞれから、前記第１の複数のアンテナのそれぞれから送信された信号が前記複数のアンテナの残りの一部の少なくとも１つにおいて受信される際のチャネルの値を要素とする第２のチャネル行列に基づいて当該一部の相手装置のそれぞれにおいて推定された、第２の部分プリコーディング行列を特定する情報を受信する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の通信装置。
3. 前記第２のチャネル行列に関して相手装置において推定されるプリコーディング行列の候補とインデックスとを対応付けて記憶する記憶手段を有し、
   前記相手装置は、前記インデックスと前記候補との間の対応付けを知っていると共に、前記第２の部分プリコーディング行列を前記候補の中から選択し、
   前記受信手段は、前記第２の部分プリコーディング行列として選択された前記候補のうちの１つに対応するインデックスを、前記第２の部分プリコーディング行列を特定する情報として、前記相手装置から受信する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の通信装置。
4. 前記第２の部分プリコーディング行列は、前記第２のチャネル行列との行列積を前記第１の複数のアンテナの数で割った結果の行列と単位行列との差が最小となるような行列として推定される、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の通信装置。
5. 前記第２の部分プリコーディング行列は、前記第２のチャネル行列との行列積を前記第１の複数のアンテナの数で割った結果の行列と単位行列との差が所定値以下となるような行列として推定される、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の通信装置。
6. 第１の複数のアンテナを有し、信号の送信のためには前記第１の複数のアンテナの一部のみを用いると共に信号の受信のために前記第１の複数のアンテナの当該一部と残りの一部の少なくとも１つとを用いて、第２の複数のアンテナを有する相手装置との間で通信を行う通信装置であって、
   前記第２の複数のアンテナのそれぞれから送信された信号が前記第１の複数のアンテナの前記残りの一部の少なくとも１つにおいて受信される際のチャネルの値を要素とする第１のチャネル行列に基づいて、第１の部分プリコーディング行列を推定する推定手段と、
   前記第１の部分プリコーディング行列を特定する情報を前記相手装置へ送信する送信手段と、
   を有し、
   前記相手装置において、前記第１の複数のアンテナの前記一部のそれぞれから送信された信号が前記第２の複数のアンテナのそれぞれで受信される際のチャネルの値を要素とする第２のチャネル行列に基づいて得られる第２の部分プリコーディング行列と前記第１の部分プリコーディング行列とを連結して得られたプリコーディング行列を、送信データを要素として含む送信データベクトルに乗じた結果の送信信号ベクトルの要素のそれぞれが前記第２の複数のアンテナのそれぞれから送信される、
   ことを特徴とする通信装置。
7. 前記第１のチャネル行列に関して推定されるプリコーディング行列の候補とインデックスとを対応付けて記憶する記憶手段を有し、
   前記インデックスと前記候補との対応付けは、前記相手装置にも知られており、
   前記推定手段は、前記候補の中から前記第１の部分プリコーディング行列を選択し、
   前記送信手段は、前記第１の部分プリコーディング行列として選択された前記候補に対応するインデックスを、前記第１の部分プリコーディング行列を特定する情報として、前記相手装置へ送信する
   ことを特徴とする請求項６に記載の通信装置。
8. 前記推定手段は、前記第１のチャネル行列との行列積を前記第２の複数のアンテナの数で割った結果の行列と単位行列との差が最小となるような行列として、前記第１の部分プリコーディング行列を推定する、
   ことを特徴とする請求項６又は７に記載の通信装置。
9. 前記推定手段は、前記第１のチャネル行列との行列積を前記第２の複数のアンテナの数で割った結果の行列と単位行列との差が所定値以下となるような行列として、前記第１の部分プリコーディング行列を推定する、
   ことを特徴とする請求項６又は７に記載の通信装置。
10. 第１の複数のアンテナを用いて、第２の複数のアンテナを有すると共にその一部のみを送信に用いる相手装置との間で通信を行う通信装置の制御方法であって、
    推定手段が、前記第２の複数のアンテナの前記一部から送信された信号を前記第１の複数のアンテナのそれぞれで受信することによって得られる、前記第１の複数のアンテナのそれぞれと当該第２の複数のアンテナの前記一部のそれぞれとの間のチャネルの値を要素とする第１のチャネル行列から、第１の部分プリコーディング行列を推定する推定工程と、
    受信手段が、前記第１の複数のアンテナのそれぞれから送信された信号が前記第２の複数のアンテナの残りの一部の少なくとも１つにおいて受信される際のチャネルの値を要素とする第２のチャネル行列に基づいて前記相手装置において推定された、第２の部分プリコーディング行列を特定する情報を、前記相手装置から受信する受信工程と、
    取得手段が、前記第１の部分プリコーディング行列と前記第２の部分プリコーディング行列とを連結してプリコーディング行列を取得する取得工程と、
    送信手段が、前記プリコーディング行列を、送信データを要素として含む送信データベクトルに乗じた結果の送信信号ベクトルの要素のそれぞれを、前記第１の複数のアンテナのそれぞれから送信する送信工程と、
    を有することを特徴とする制御方法。
11. 第１の複数のアンテナを有し、信号の送信のためには前記第１の複数のアンテナの一部のみを用いると共に信号の受信のために前記第１の複数のアンテナの当該一部と残りの一部の少なくとも１つとを用いて、第２の複数のアンテナを有する相手装置との間で通信を行う通信装置の制御方法であって、
    推定手段が、前記第２の複数のアンテナのそれぞれから送信された信号が前記第１の複数のアンテナの前記残りの一部の少なくとも１つにおいて受信される際のチャネルの値を要素とする第１のチャネル行列に基づいて、第１の部分プリコーディング行列を推定する推定工程と、
    送信手段が、前記第１の部分プリコーディング行列を特定する情報を前記相手装置へ送信する送信工程と、
    を有し、
    前記相手装置において、前記第１の複数のアンテナの前記一部のそれぞれから送信された信号が前記第２の複数のアンテナのそれぞれで受信される際のチャネルの値を要素とする第２のチャネル行列に基づいて得られる第２の部分プリコーディング行列と前記第１の部分プリコーディング行列とを連結して得られたプリコーディング行列を、送信データを要素として含む送信データベクトルに乗じた結果の送信信号ベクトルの要素のそれぞれが前記第２の複数のアンテナのそれぞれから送信される、
    ことを特徴とする制御方法。
12. 第１の複数のアンテナを用いて、第２の複数のアンテナを有すると共にその一部のみを送信に用いる相手装置との間で通信を行う通信装置に備えられたコンピュータに、
    前記第２の複数のアンテナの前記一部から送信された信号を前記第１の複数のアンテナのそれぞれで受信することによって得られる、前記第１の複数のアンテナのそれぞれと当該第２の複数のアンテナの前記一部のそれぞれとの間のチャネルの値を要素とする第１のチャネル行列から、第１の部分プリコーディング行列を推定する推定工程と、
    前記第１の複数のアンテナのそれぞれから送信された信号が前記第２の複数のアンテナの残りの一部の少なくとも１つにおいて受信される際のチャネルの値を要素とする第２のチャネル行列に基づいて前記相手装置において推定された、第２の部分プリコーディング行列を特定する情報を、前記相手装置から受信するように受信手段を制御する工程と、
    前記第１の部分プリコーディング行列と前記第２の部分プリコーディング行列とを連結してプリコーディング行列を取得する取得工程と、
    前記プリコーディング行列を、送信データを要素として含む送信データベクトルに乗じた結果の送信信号ベクトルの要素のそれぞれを、前記第１の複数のアンテナのそれぞれから送信するように送信手段を制御する工程と、
    を実行させるためのプログラム。
13. 第１の複数のアンテナを有し、信号の送信のためには前記第１の複数のアンテナの一部のみを用いると共に信号の受信のために前記第１の複数のアンテナの当該一部と残りの一部の少なくとも１つとを用いて、第２の複数のアンテナを有する相手装置との間で通信を行う通信装置に備えられたコンピュータに、
    前記第２の複数のアンテナのそれぞれから送信された信号が前記第１の複数のアンテナの前記残りの一部の少なくとも１つにおいて受信される際のチャネルの値を要素とする第１のチャネル行列に基づいて、第１の部分プリコーディング行列を推定する推定工程と、
    前記第１の部分プリコーディング行列を特定する情報を前記相手装置へ送信するように送信手段を制御する工程と、
    を実行させるためのプログラムであって、
    前記相手装置において、前記第１の複数のアンテナの前記一部のそれぞれから送信された信号が前記第２の複数のアンテナのそれぞれで受信される際のチャネルの値を要素とする第２のチャネル行列に基づいて得られる第２の部分プリコーディング行列と前記第１の部分プリコーディング行列とを連結して得られたプリコーディング行列を、送信データを要素として含む送信データベクトルに乗じた結果の送信信号ベクトルの要素のそれぞれが前記第２の複数のアンテナのそれぞれから送信される、
    ことを特徴とするプログラム。

Images