JP4401881B2

JP4401881B2 - 空間多重伝送用送信方法および装置

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Publication number: JP4401881B2
Application number: JP2004203200A
Authority: JP
Inventors: 理一工藤; 健太郎西森; 泰司鷹取; 光一常川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2004-07-09
Filing date: 2004-07-09
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2024-07-09
Also published as: JP2006025328A

Description

本発明はＮ個のアンテナ素子を用い、直交周波数分割多重を用いたＦ個の周波数多重と、Ｌ個の空間多重による送信を行う空間多重伝送用送信方法および装置に関する。

直交波周波数分割多重送信装置は、直交性を利用し周波数軸上でのオーバーラップを許容することで中心周波数が異なる複数の搬送波を利用でき、高い周波数効率を実現する送信装置である。また、空間多重伝送用送信装置は、複数のアンテナ素子から異なる信号を送信することで、周波数帯域を増大することなしに高速伝送を実現する送信装置である。

従来、非特許文献１に記載されるように、マルチビームを形成することで伝送品質を改善する空間多重伝送用送信装置がある。

図７にこの種の従来の空間多重伝送用送信装置を示す。シリアル−パラレル変換装置７００と、送信装置７１１〜７１Ｌと、マルチビ−ム形成装置７２１〜７２Ｌと、信号合成装置７３１〜７３Ｎと、切替え装置７４１〜７４Ｎと、送信用アンテナ素子７５１〜７５Ｎと、重み決定装置７６０から構成される。

送信信号はシリアル−パラレル変換器７００によって複数の信号系列Ｔ１〜ＴＬを生成し、送信装置７１１〜７１ＬによってＬ系列の送信信号系列が形成され、マルチビ−ム形成装置７２１〜７２Ｌによって各々重み決定装置７６０により決定された重みを用い、異なった指向性を形成するための各アンテナ素子への出力信号が形成され、信号合成装置７３１〜７３Ｎにより同一のアンテナ素子に出力された信号を足し合わせ、切替え装置７４１〜７４Ｎから送信用アンテナ素子７５１〜７５Ｎに出力し、同一の時刻，同一の周波数で送信される。ここで重み決定装置７６０ではマルチビーム形成装置で送信信号にかける重みを以下のようにして決定する。

まず伝達係数行列Hの特異値分解（H＝UDV^Ｈ）を行い、ユニタリ行列Ｖ及び特異値√λを対角要素とする対角行列を求める。送信アンテナ数をＮ、受信アンテナ数をM、XをＭとＮのうち小さい方の数字とし、ｕ_１〜ｕ_ｘをM×１の列ベクトル、ｖ_１〜ｖ_ｘをＮ×１の列ベクトル、上添え字Ｈは共役転置を表するものとすると、伝達係数行列は以下の式で表される。

ここで、伝達係数行列の要素Ｈijは送信アンテナｊで送信され、受信アンテナｉで受信したときの伝達係数となっている。

次に特異値の大きい方からＬ個を選択し、各特異値に対応したユニタリ行列Ｖの列ベクトルｖ_１〜ｖ_ｘを重みとして選択し、Ｌ個の信号Ｔ_１〜Ｔ_Ｌから各列ベクトルを用いて以下の式によって各アンテナ素子から送信する信号Ｓ_１〜Ｓ_Ｎを形成する。

ユニタリ行列Vは、その複素共役転置行列Ｈ^Ｈと伝達係数行列Hとの積Ｈ^ＨHの固有ベクトルとなっている。

受信局では、例えば送信局で送信されたビームの数Ｌ以上の受信アンテナを用いて復号を行う。以下に受信アンテナ数をＮ、受信アンテナ数とビーム数をＬ(Ｌ≦Ｎ、Ｌ≦Ｍ、Ｘ=Ｌ)とした場合の復号方法の例を示す。受信局アンテナ素子において受信される信号をＲ_１〜Ｒ_Ｌ、各受信信号における雑音をｎ_１〜ｎ_Ｌとすると、空間多重伝送用送信装置によって信号を送信すると受信信号Ｒ_１〜Ｒ_Ｌは以下のようにあらわすことができる。

したがって、受信装置では以下の演算を行うことによって、送信信号を復号することが可能となる。

と表すことができる。ここでＴ´_１〜Ｔ´_Ｌは受信装置で推定した送信信号である。

このようにすることによって、周波数帯域を増大せずにアンテナ数倍の伝送速度を実現することが可能であり、指向性利得が得られ、さらにＮ素子からＬビームを形成する（Ｎ≧Ｌ）とすることによって良好なビームを選択できるためダイバーシチ効果も得ることができる。
Miyashita,K.;Nishimura,T.;Ohgane,T.;Ogawa,Y.;Takatori,Y.;KeizoCho;"Highdata-rate transmission with eigenbeam-space division multiplexing (E-SDM）in a MIMO channel," Vehicular Technology Conference,2002.Proceedings.VTC2002-Fall.2002 IEEE 56th ,Volume:3,24-28 Sept.2002 Pages:1302-1306 vol.3

ただし、上記の従来の方法は推定した伝達係数行列のみによって形成されるため、伝達関数推定に誤差が生じると伝送品質の大きな劣化を招くという問題があり、伝達関数推定誤差の大きい環境には適用できない。また、固有ベクトルを求める演算は負荷が大きく、直交周波数分割多重の各周波数帯で求めると演算量が非常に大きくなるという問題がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、伝搬環境の推定誤差による通信品質劣化を防ぎ、演算量を削減することにある。

上述した課題を解決するために、本発明は、複数のアンテナ素子を用い、直交波周波数分割多重を用いた周波数多重と空間多重による送信を行う際に、伝搬環境に適した送信重みを決定して各送信系列に重み付けを行ったうえで直交周波数分割多重をして送信する方法であって、受信信号に直交周波数分割多重復調を行い、フーリエ変換により周波数領域に変換された直交周波数分割多重の各周波数帯で伝達係数行列を推定し、複数の周波数帯の伝達係数行列から各信号系列の送信重みを決定することとし、送信重みを決定するにあたって、各周波数帯ごとに伝達係数行列の複素共役転置行列と当該伝達係数行列との積を求め、それらの積を複数選択し、その平均もしくは和をとって得られる同一の行列の固有ベクトルを複数の周波数帯の信号系列の共通の送信重みとすることを特徴とする空間多重伝送用送信方法を提供するものである。

また本発明は、複数のアンテナ素子を用い、直交波周波数分割多重を用いた周波数多重と空間多重による送信を行う際に、伝搬環境に適した送信重みを決定して各送信系列に重み付けを行ったうえで直交周波数分割多重をして送信する方法であって、受信信号に直交周波数分割多重復調を行い、フーリエ変換により周波数領域に変換された直交周波数分割多重の各周波数帯で伝達係数行列を推定し、複数の周波数帯の伝達係数行列から各信号系列の送信重みを決定することとし、送信重みを決定するにあたって、各周波数帯ごとに伝達係数行列の複素共役転置行列と当該伝達係数行列との積を求め、それらの積を複数選択し、選択したそれぞれの積に重みを乗算し、その和をとって得られる同一の行列の固有ベクトルを複数の周波数帯の信号系列の共通の送信重みとすることを特徴とする空間多重伝送用送信方法を提供するものである。

また本発明は、上述した空間多重伝送用送信方法において、前記選択したそれぞれの積に乗算する重みは、送信重みを適用する周波数帯の伝達係数行列、または伝達係数行列から得られるパラメータと、選択した積の周波数帯の伝達係数行列、または伝達係数行列から得られるパラメータとの相関値により決定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用い、直交波周波数分割多重を用いた周波数多重と空間多重による送信を行う際に、伝搬環境に適した送信重みを決定して各送信系列に重み付けを行ったうえで直交周波数分割多重をして送信する方法であって、上記空間多重伝送用送信方法に記載の送信重み、もしくは送信重みを決定するために必要となる情報を通信相手局からフィードバックすることで、当該周波数帯の信号系列の送信重みとすることを特徴とする空間多重伝送用送信方法を提供するものである。

また本発明は、上記空間多重伝送用送信方法において、前記送信重みとして、複数の周波数帯で共通のものを用いることを特徴とする。

また本発明は、Ｎ、Ｆ、およびＬをそれぞれ２以上の整数として、Ｎ個のアンテナ素子を用い、直交波周波数分割多重を用いたＦ個の周波数多重と、Ｌ個の空間多重による送信を行う空間多重伝送用送信装置において、前記各アンテナ素子に接続され、受信信号と送信信号を切り替える切り替え装置と、前記切り替え装置に接続され、受信時に切り替え装置から出力される信号を入力信号とし、入力信号にフーリエ変換を行い、それぞれＦ個の受信信号に変換するＮ個のフーリエ変換装置と、前記フーリエ変換装置の対応する周波数帯の受信信号を入力信号とし、その周波数帯での伝達係数行列を推定する伝達係数行列推定装置と、前記伝達係数行列推定装置において推定されたＦ個の伝達係数行列より複数の伝達係数行列を選び、対応する周波数帯における送信重みを決定する送信重み決定装置と、送信する入力信号にシリアル−パラレル変換を行い、周波数分割多重数Ｆ×空間多重数Ｌに振り分けるシリアル−パラレル変換装置と、前記シリアル−パラレル変換装置の出力信号を入力信号とし、送信信号系を出力するＦ×Ｌ個の送信装置と、前記送信装置から出力された信号を入力信号とし、Ｎ個の信号に分割し、前記送信重み決定装置により決定された重み付けを行った後、Ｎ×Ｆ個の信号合成装置の対応するポ−トに出力を行うマルチビーム形成装置と、前記マルチビ−ム形成装置のうち対応するＬ個のマルチビーム形成装置からＬ個のポ−トに入力された信号を重ね合わせ、逆フーリエ変換装置の対応するポ−トに出力を行う信号合成装置と、前記信号合成装置から出力されたＦ個の信号に逆フーリエ変換を行い、前記切り替え装置の他方のポ−トに出力を行うＮ個の逆フーリエ変換装置と、を備え、前記送信重み決定装置は、Ｍを２以上Ｆ以下の整数として、複数の周波数帯に前記マルチビーム形成装置で乗算する共通の送信重みを、前記Ｆ個の伝達係数行列から選択したＭ個の伝達係数行列から、それぞれの複素共役転置行列と伝達係数行列との積を求め、Ｍ個の平均もしくは和をとった同一の行列の固有ベクトルとして出力することを特徴とする空間多重伝送用送信装置を提供するものである。

また本発明は、Ｎ、Ｆ、およびＬをそれぞれ２以上の整数として、Ｎ個のアンテナ素子を用い、直交波周波数分割多重を用いたＦ個の周波数多重と、Ｌ個の空間多重による送信を行う空間多重伝送用送信装置において、前記各アンテナ素子に接続され、受信信号と送信信号を切り替える切り替え装置と、前記切り替え装置に接続され、受信時に切り替え装置から出力される信号を入力信号とし、入力信号にフーリエ変換を行い、それぞれＦ個の受信信号に変換するＮ個のフーリエ変換装置と、前記フーリエ変換装置の対応する周波数帯の受信信号を入力信号とし、その周波数帯での伝達係数行列を推定する伝達係数行列推定装置と、前記伝達係数行列推定装置において推定されたＦ個の伝達係数行列より複数の伝達係数行列を選び、対応する周波数帯における送信重みを決定する送信重み決定装置と、送信する入力信号にシリアル−パラレル変換を行い、周波数分割多重数Ｆ×空間多重数Ｌに振り分けるシリアル−パラレル変換装置と、前記シリアル−パラレル変換装置の出力信号を入力信号とし、送信信号系を出力するＦ×Ｌ個の送信装置と、前記送信装置から出力された信号を入力信号とし、Ｎ個の信号に分割し、前記送信重み決定装置により決定された重み付けを行った後、Ｎ×Ｆ個の信号合成装置の対応するポートに出力を行うマルチビーム形成装置と、前記マルチビーム形成装置のうち対応するＬ個のマルチビーム形成装置からＬ個のポートに入力された信号を重ね合わせ、逆フーリエ変換装置の対応するポートに出力を行う信号合成装置と、前記信号合成装置から出力されたＦ個の信号に逆フーリエ変換を行い、前記切り替え装置の他方のポートに出力を行うＮ個の逆フーリエ変換装置と、を備え、前記送信重み決定装置が、Ｍを２以上Ｆ以下の整数として、複数の周波数帯に前記マルチビーム形成装置で乗算する共通の送信重みを、前記Ｆ個の伝達係数行列から選択したＭ個の伝達係数行列から、それぞれの複素共役転置行列と伝達係数行列との積を求め、得られた行列のそれぞれに重みを乗算し、和をとることで得られる同一の行列の固有ベクトルとして出力することを特徴とする空間多重伝送用送信装置を提供するものである。

また本発明は、上述した空間多重伝送用送信装置において、前記得られた行列のそれぞれに乗算する重みとして、送信重みを適用する周波数帯の伝達係数行列、または伝達係数行列から得られるパラメータと、選択した積の周波数帯の伝達係数行列、または伝達係数行列から得られるパラメータとの相関値に応じた重みを用いることを特徴とする。

また本発明は、Ｎ、Ｆ、およびＬをそれぞれ２以上の整数として、Ｎ個のアンテナ素子を用い、直交波周波数分割多重を用いたＦ個の周波数多重と、Ｌ個の空間多重による送信を行う空間多重伝送用送信装置において、前記各アンテナ素子に接続され、受信信号と送信信号を切り替える切り替え装置と、受信時に前記切り替え装置から出力される信号を入力信号とし、入力信号から、前記送信重みを決定するための演算の全て、もしくは一部を行った結果の情報を含むフィールドバック情報を抽出するフィードバック情報抽出装置と、前記フィードバック情報抽出装置の出力を入力信号とし、前記送信重みを決定する演算を行う送信重み決定装置と、送信する入力信号にシリアル−パラレル変換を行い、周波数分割多重数Ｆ×空間多重数Ｌに振り分けるシリアル−パラレル変換装置と、前記シリアル−パラレル変換装置の出力信号を入力信号とし、送信信号系を出力するＦ×Ｌ個の送信装置と、前記送信装置から出力された信号を入力信号とし、Ｎ個の信号に分割し、前記送信重み決定装置により決定された重み付けを行った後、Ｎ×Ｆ個の信号合成装置の対応するポートに出力を行うマルチビーム形成装置と、前記マルチビーム形成装置のうち対応するＬ個のマルチビーム形成装置からＬ個のポートに入力された信号を重ね合わせ、逆フーリエ変換装置の対応するポートに出力を行う信号合成装置と、前記信号合成装置から出力されたＦ個の信号に逆フーリエ変換を行い、前記切り替え装置の他方のポートに出力を行うＮ個の逆フーリエ変換装置と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、直交波周波数分割多重を行う場合において、広い周波数帯の伝搬環境から重みを決定しマルチビ−ムによる送信を行うことで、伝搬環境推定誤差による伝送品質の劣化を低減することができ、また複数の周波数帯に同一の送信重みを適用すれば演算量を減らすことができる。

以下、図１〜図３、図８、図９を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態におけるマルチビ−ムを形成する直交波周波数分割多重を用いた空間多重伝送用送信装置を示すブロック図である。この実施形態は、伝搬環境誤差が存在する環境において空間多重伝送の伝送品質の劣化を防ぐことを可能とする構成を示している。

同図において、符号１００はシリアル−パラレル（Ｓ／Ｐ）変換装置、１１１１〜１１ＬＦは送信装置、１２１１〜１２ＮＦは逆フ−リエ変換装置、１３１１〜１３ＮＦは信号合成装置、１１４１〜１４Ｎは逆フ−リエ変換装置、１５１〜１５Ｎは切り替え装置、１６１〜１６Ｎはアンテナ素子、１７１〜１７Ｎはフ−リエ変換装置、１８１〜１８Ｆは伝達係数行列推定装置、１９０は送信重み決定装置、００１は送信重み決定ブロックである。

シリアル−パラレル変換装置１００により、シリアル−パラレル変換され周波数分割多重数Ｆ×空間多重数Ｌに振り分けられた送信信号はそれぞれ送信装置１１１１〜１１ＬＦにより符号化され送信信号系列として１２１１〜１２ＬＦのマルチビ−ム形成装置にそれぞれ出力される。マルチビ−ム形成装置に入力された信号は送信重み決定装置により決定される送信重みＶｔｋ（ｔ＝１〜Ｆ，ｋ＝１〜Ｌ）をアナログ、もしくはデジタルで乗算され、Ｆ個ずつ逆フ−リエ変換装置１４１〜１４Ｎに出力される。入力された信号は逆フ−リエ変換され、切り替え装置１５１〜１５Ｎを介し、アンテナ素子１６１〜１６Ｎから送信される。

送信重み決定ブロック１は、フ−リエ変換装置１７１〜１７Ｎと伝達係数行列推定装置１８１〜１８Ｆと送信重み決定装置１９０から構成され、フ−リエ変換装置１７１〜１７Ｎは切り替え装置１５１〜１５Ｎの受信時の出力を入力信号としてフ−リエ変換を行い、周波数帯毎に分離し、伝達係数行列推定装置１８１〜１８Ｆに出力する。また、伝達係数行列推定装置１８１〜１８Ｆは、各周波数帯において伝達係数行列を算出し、送信重み決定装置１９０に出力する。送信重み決定装置１９０は推定された伝達係数行列から所定の伝送品質を満たす送信重みを決定する。

ここで、Ｎ個のアンテナ素子を持つ送信装置と、Ｍ個のアンテナ素子数を持つ受信装置間において上りと下りの伝搬環境が同一と見なせる場合について、直交波周波数分割多重と空間多重を用いた通信を考える。

ある周波数帯に着目すると、送信装置はまず既知の信号Ｔ´（Ｍ×Ｍ行列）を受信し、前記伝達係数行列推定装置において得られた受信信号Ｒ´（Ｎ×Ｍ行列）からその周波数帯での上りの伝達係数行列Ｇ(Ｎ×Ｍ行列)を以下のように推定する。

下りの伝達係数行列Ｈ(Ｍ×Ｎ行列)は上り伝達係数行列の転置をとることで

として与えられる。Ｈ_ｉｊは送信装置のアンテナ素子＃ｊから受信装置のアンテナ素子＃ｉ間の伝達係数の推定結果を表わしている。

図８は第１の実施形態における送信重み決定装置の概略を示すブロック図である。同図において伝搬環境推定部８０１は、例えば、１〜Ｆ番目の全周波数帯で得られた伝達係数行列Ｈｋ(ｋ=１〜Ｆ)から、複数の伝達係数行列を各周波数帯において選択し、その伝搬環境の到来波方向、到来波数、レベル、遅延の推定をＭＵＳＩＣ法(Multiple Signal Classification)やＥＳＰＲＩＴ法(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques)(Paulaj et al, ESPRIT-a subspace rotation approach to signal parameter estimation' ,IEEE Proceeding,74(7),1044-1045,July 1986)を用いて推定するものである。

重み格納部８０２は、複数の伝搬環境モデルに対応する重みを格納するものである。伝搬環境を類型化して各環境において所定の伝送品質の基準を最大とするような重みをあらかじめ設定しておき、この重み格納部８０３に格納している。重み選択部８０３は、伝搬環境推定部８０１の推定結果に基づいて、重み格納部８０２から重みを選択し、マルチビ−ム形成装置１２１１〜１２ＬＦにおいて乗算される重みとして出力する。

次に本発明の第２の実施形態を説明する。図２は第２の実施形態における送信重み決定装置を示すブロック図である。同図に示すように第２の実施形態では、送信重み決定装置は、伝達係数行列演算装置２１１〜２１Ｆと、選択分配装置２２０と、送信重み演算装置２３１〜２３Ｆで構成される。その他の構成は第１の実施形態と同様である。

上記構成において、伝達係数演算装置２１１〜２１Ｆは、伝達係数行列推定装置から出力される対応するｋ番目（ｋ=１〜Ｆ）の周波数帯の伝達係数行列H_ｋから、例えば、伝達係数行列の複素共役転置行列と、伝達係数行列の積H_Ｋ ^ＨＨ_Ｋを求め、選択配分装置に出力する。選択分配装置２２０は、Ｆ個の演算された行列を入力信号とし、ｔ番目の周波数帯の送信重み演算装置２３ｔに対し、Ｆ個の周波数帯で演算された行列の中からM_ｔ個（１≦M_ｔ≦Ｆ）の行列を選択し、出力する。また、送信重み演算装置２３１〜２３Ｆは、入力された複数の行列の平均もしくは和を求め、得られた行列の固有ベクトルをｔ番目の周波数帯の送信重みとして適用する。このように重みを決定することで、伝播環境推定誤差による伝送品質の劣化を低減することができる。

次に本発明の第３の実施形態を説明する。図９は第３の実施形態における送信重み決定装置を示すブロック図である。この実施形態においては、選択分配装置９００は、伝達係数行列演算装置から出力されたＦ個の演算された行列を入力信号とし、それぞれの周波数帯の送信重み演算装置２３ｔ（１≦ｔ≦Ｆ）に対し、M個（１≦Ｍ≦Ｆ）の行列を選択し、それぞれｋ番目（１≦ｋ≦Ｍ）の行列に対して重みｗｋを乗算し出力する。この他は第２の実施形態と同様である。

次に本発明の第４の実施形態を説明する。図３は第４の実施形態における送信重み決定装置を示すブロック図である。この実施形態においては、選択分配装置３００は、伝達係数行列演算装置から出力されたＦ個の演算された行列を入力信号とし、ｔ番目の周波数帯の送信重み演算装置２３ｔに対し、Ｆ個の周波数帯で演算された行列の中からM_ｔ個（１≦Ｍ_ｔ≦Ｆ）の行列を選択し、ｋ番目（１≦ｋ≦Ｍ）の行列に対してそれぞれ重みｗ_ｔｋを乗算し出力する。

ここで、選択された複数の周波数帯のH_Ｋ ^ＨＨ_Ｋに乗算する重みｗ_ｔｋは、例えばＨ_ｋ、もしくはＨ_ｋから得られる固有値、固有ベクトルなどのパラメ−タと、Ｈ_ｔ、もしくはＨ_ｔから得られる固有値、固有ベクトルなどのパラメ−タとの相関値の大きさにより決定し、ｗ_ｔｋH_Ｋ ^ＨＨ_Ｋの和をとった行列の固有ベクトルをｔ番目の周波数帯の送信重みとして適用する。この他は第2の実施形態と同様である。

次に本発明の第５の実施形態を説明する。図４は第５の実施形態における空間多重伝送用送信装置を示すブロック図である。この実施形態は、下り伝達係数行列が送信装置において上り伝達係数行列から推定できない場合への対応である。この実施形態においては、送信重み決定ブロック１は、フィードバック情報抽出装置４１０と送信重み決定装置４２０で構成される。この他は第1の実施形態と同様である。ここで、伝達係数行列は通信相手局において推定することができ、送信装置にフィ−ドバックを行うものとする。

上記構成においてフィ−ドバック情報抽出装置４１０は、切替え装置１５１〜１５Ｎの受信時の出力を入力信号として得られる信号系列から送信時にマルチビ−ム形成装置によって乗算する送信重みを決定するのに必要な情報を通信相手局から受け取り、送信重み決定装置に出力する。また、送信重み決定装置は前記した送信重みを求めるための情報を入力信号とし、前記した演算により送信重みを決定する。

また、ここまで記載した送信重みを求めるための演算は複数の周波数帯で同一の送信重みを用いることによって、伝搬環境推定誤差による伝送品質劣化を低減させつつ、演算量も削減することができる。

次に本発明の効果を検証するために行った計算機シミュレ−ションを説明する。
送信アンテナ素子数を４、受信アンテナ素子数を２とし、上りと下りで５．２MHzの周波数を用い直交波周波数分割多重及び空間分割多重による通信を考える。伝搬路モデルとしては到来波を１００波とし、図５に示すように散乱物の集まりである５つのクラスタが送信機及び受信機のまわりに存在することとし、それぞれ角度広がりを２５°とした。伝搬環境は仲上−ライスフェ−ジングとし、Ｋファクタを３［ｄＢ］、散乱波の遅延スプレッドを１００nsec、遅延波の電力分布を指数で与えた。平均受信電力を３０ｄＢとし、クラスタの中心方向及び各到来波の到来方向と位相をランダムに与えて１０００回試行し誤り率の累積確率をとった。

空間多重数を２とし、周波数帯域幅を４００ｋＨｚとしたサブキャリアのうちｔ番目の周波数帯に着目することとし、従来例によるものは、推定されたｔ番目の周波数帯の伝達係数行列から、特異値分解によるマルチビ−ムを形成するものとし、本実施形態によるものは、ｔ番目の周波数帯および前後の周波数帯から得られる３つの伝達係数行列複素共役転置行列と伝達係数行列の積H_Ｋ ^ＨＨ_Ｋ（ｋ=ｔ−１，ｔ，ｔ＋１）の平均行列から周波数で得られた伝達係数行列を用いて特異値分解によるマルチビ−ムを形成するものとした。

伝搬環境推定誤差がある場合に、固有値の大きいビ−ムの受信側で得られるＣＮＲから伝送容量を求めた図６に示す。伝播環境推定誤差が１０^―２より大きくなった場合に提案方法が有効であることが示された。

以上、この発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

なお上述の各装置は内部に、コンピュータシステムを有している。そして、上述した処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。

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い。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、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。

本発明の第1の実施形態における空間多重伝送用送信装置を示すブロック図。本発明の第2の実施形態における送信重み決定装置を示すブロック図。本発明の第4の実施形態における送信重み決定装置を示すブロック図。本発明の第5の実施形態における空間多重伝送用送信装置を示すブロック図。本発明の検証で用いた計算機シミュレーションでの伝搬環境モデルの図。計算機シミュレーションにおける受信信号のCNRと伝送容量の関係を示す図。従来のマルチビ−ムを形成する空間多重伝送用送信装置を示すブロック図。本発明の第１の実施形態における送信重み決定装置を示すブロック図。本発明の第３の実施形態における送信重み決定装置を示すブロック図。

符号の説明

１送信重み決定ブロック
１００、７００シリアル−パラレル変換装置
１１１１〜１１ＬＦ、７１１〜７１Ｌ送信装置
１２１１〜１２ＬＦ、７２１〜７２Ｌマルチビ−ム形成装置
１３１１〜１３ＮＦ、７３１〜７３Ｎ信号合成装置
１４１〜１４Ｎ逆フ−リエ変換装置
１５１〜１５Ｎ、７４１〜７４Ｎ切替え装置
１６１〜１６Ｎ、７５１〜７５Ｎアンテナ素子
１７１〜１７Ｎフ−リエ変換装置
１８１〜１８Ｆ伝達係数行列推定装置
１９０、７６０、４２０送信重み決定装置
２１１〜２１Ｆ伝達係数行列演算装置
２２０、３００、９００選択分配装置
２３１〜２３Ｆ送信重み演算装置
４１０フィ−ドバック情報抽出装置

Claims

複数のアンテナ素子を用い、直交波周波数分割多重を用いた周波数多重と空間多重による送信を行う際に、伝搬環境に適した送信重みを決定して各送信系列に重み付けを行ったうえで直交周波数分割多重をして送信する方法であって、
受信信号に直交周波数分割多重復調を行い、フーリエ変換により周波数領域に変換された直交周波数分割多重の各周波数帯で伝達係数行列を推定し、複数の周波数帯の伝達係数行列から各信号系列の送信重みを決定することとし、
送信重みを決定するにあたって、各周波数帯ごとに伝達係数行列の複素共役転置行列と当該伝達係数行列との積を求め、それらの積を複数選択し、その平均もしくは和をとって得られる同一の行列の固有ベクトルを複数の周波数帯の信号系列の共通の送信重みとする
ことを特徴とする空間多重伝送用送信方法。
複数のアンテナ素子を用い、直交波周波数分割多重を用いた周波数多重と空間多重による送信を行う際に、伝搬環境に適した送信重みを決定して各送信系列に重み付けを行ったうえで直交周波数分割多重をして送信する方法であって、
受信信号に直交周波数分割多重復調を行い、フーリエ変換により周波数領域に変換された直交周波数分割多重の各周波数帯で伝達係数行列を推定し、複数の周波数帯の伝達係数行列から各信号系列の送信重みを決定することとし、
送信重みを決定するにあたって、各周波数帯ごとに伝達係数行列の複素共役転置行列と当該伝達係数行列との積を求め、それらの積を複数選択し、選択したそれぞれの積に重みを乗算し、その和をとって得られる同一の行列の固有ベクトルを複数の周波数帯の信号系列の共通の送信重みとする
ことを特徴とする空間多重伝送用送信方法。
前記選択したそれぞれの積に乗算する重みは、送信重みを適用する周波数帯の伝達係数行列、または伝達係数行列から得られるパラメータと、選択した積の周波数帯の伝達係数行列、または伝達係数行列から得られるパラメータとの相関値により決定する
ことを特徴とする請求項２に記載の空間多重伝送用送信方法。
複数のアンテナ素子を用い、直交波周波数分割多重を用いた周波数多重と空間多重による送信を行う際に、伝搬環境に適した送信重みを決定して各送信系列に重み付けを行ったうえで直交周波数分割多重をして送信する方法であって、
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の送信重み、もしくは送信重みを決定するために必要となる情報を通信相手局からフィードバックすることで、当該周波数帯の信号系列の送信重みとする
ことを特徴とする空間多重伝送用送信方法。
Ｎ、Ｆ、およびＬをそれぞれ２以上の整数として、Ｎ個のアンテナ素子を用い、直交波周波数分割多重を用いたＦ個の周波数多重と、Ｌ個の空間多重による送信を行う空間多重伝送用送信装置において、
前記各アンテナ素子に接続され、受信信号と送信信号を切り替える切り替え装置と、
前記切り替え装置に接続され、受信時に切り替え装置から出力される信号を入力信号とし、入力信号にフーリエ変換を行い、それぞれＦ個の受信信号に変換するＮ個のフーリエ変換装置と、
前記フーリエ変換装置の対応する周波数帯の受信信号を入力信号とし、その周波数帯での伝達係数行列を推定する伝達係数行列推定装置と、
前記伝達係数行列推定装置において推定されたＦ個の伝達係数行列より複数の伝達係数行列を選び、対応する周波数帯における送信重みを決定する送信重み決定装置と、
送信する入力信号にシリアル−パラレル変換を行い、周波数分割多重数Ｆ×空間多重数Ｌに振り分けるシリアル−パラレル変換装置と、
前記シリアル−パラレル変換装置の出力信号を入力信号とし、送信信号系を出力するＦ×Ｌ個の送信装置と、
前記送信装置から出力された信号を入力信号とし、Ｎ個の信号に分割し、前記送信重み決定装置により決定された重み付けを行った後、Ｎ×Ｆ個の信号合成装置の対応するポ−トに出力を行うマルチビーム形成装置と、
前記マルチビ−ム形成装置のうち対応するＬ個のマルチビーム形成装置からＬ個のポ−トに入力された信号を重ね合わせ、逆フーリエ変換装置の対応するポ−トに出力を行う信号合成装置と、
前記信号合成装置から出力されたＦ個の信号に逆フーリエ変換を行い、前記切り替え装置の他方のポ−トに出力を行うＮ個の逆フーリエ変換装置と、
を備え、
前記送信重み決定装置は、
Ｍを２以上Ｆ以下の整数として、複数の周波数帯に前記マルチビーム形成装置で乗算する共通の送信重みを、前記Ｆ個の伝達係数行列から選択したＭ個の伝達係数行列から、それぞれの複素共役転置行列と伝達係数行列との積を求め、Ｍ個の平均もしくは和をとった同一の行列の固有ベクトルとして出力する
ことを特徴とする空間多重伝送用送信装置。
Ｎ、Ｆ、およびＬをそれぞれ２以上の整数として、Ｎ個のアンテナ素子を用い、直交波周波数分割多重を用いたＦ個の周波数多重と、Ｌ個の空間多重による送信を行う空間多重伝送用送信装置において、
前記各アンテナ素子に接続され、受信信号と送信信号を切り替える切り替え装置と、
前記切り替え装置に接続され、受信時に切り替え装置から出力される信号を入力信号とし、入力信号にフーリエ変換を行い、それぞれＦ個の受信信号に変換するＮ個のフーリエ変換装置と、
前記フーリエ変換装置の対応する周波数帯の受信信号を入力信号とし、その周波数帯での伝達係数行列を推定する伝達係数行列推定装置と、
前記伝達係数行列推定装置において推定されたＦ個の伝達係数行列より複数の伝達係数行列を選び、対応する周波数帯における送信重みを決定する送信重み決定装置と、
送信する入力信号にシリアル−パラレル変換を行い、周波数分割多重数Ｆ×空間多重数Ｌに振り分けるシリアル−パラレル変換装置と、
前記シリアル−パラレル変換装置の出力信号を入力信号とし、送信信号系を出力するＦ×Ｌ個の送信装置と、
前記送信装置から出力された信号を入力信号とし、Ｎ個の信号に分割し、前記送信重み決定装置により決定された重み付けを行った後、Ｎ×Ｆ個の信号合成装置の対応するポートに出力を行うマルチビーム形成装置と、
前記マルチビーム形成装置のうち対応するＬ個のマルチビーム形成装置からＬ個のポートに入力された信号を重ね合わせ、逆フーリエ変換装置の対応するポートに出力を行う信号合成装置と、
前記信号合成装置から出力されたＦ個の信号に逆フーリエ変換を行い、前記切り替え装置の他方のポートに出力を行うＮ個の逆フーリエ変換装置と、
を備え、
前記送信重み決定装置は、
Ｍを２以上Ｆ以下の整数として、複数の周波数帯に前記マルチビーム形成装置で乗算する共通の送信重みを、前記Ｆ個の伝達係数行列から選択したＭ個の伝達係数行列から、それぞれの複素共役転置行列と伝達係数行列との積を求め、得られた行列のそれぞれに重みを乗算し、和をとることで得られる同一の行列の固有ベクトルとして出力する
ことを特徴とする空間多重伝送用送信装置。
前記得られた行列のそれぞれに乗算する重みとして、送信重みを適用する周波数帯の伝達係数行列、または伝達係数行列から得られるパラメータと、選択した積の周波数帯の伝達係数行列、または伝達係数行列から得られるパラメータとの相関値に応じた重みを用いる
ことを特徴とする請求項６に記載の空間多重伝送用送信装置。
Ｎ、Ｆ、およびＬをそれぞれ２以上の整数として、Ｎ個のアンテナ素子を用い、直交波周波数分割多重を用いたＦ個の周波数多重と、Ｌ個の空間多重による送信を行う空間多重伝送用送信装置において、
前記各アンテナ素子に接続され、受信信号と送信信号を切り替える切り替え装置と、
受信時に前記切り替え装置から出力される信号を入力信号とし、
入力信号から請求項１に記載の送信重みを決定するための演算の全て、もしくは一部を行った結果の情報を含むフィールドバック情報を抽出するフィードバック情報抽出装置と、
前記フィードバック情報抽出装置の出力を入力信号とし、請求項５に記載の送信重みを決定する演算を行う送信重み決定装置と、
送信する入力信号にシリアル−パラレル変換を行い、周波数分割多重数Ｆ×空間多重数Ｌに振り分けるシリアル−パラレル変換装置と、
前記シリアル−パラレル変換装置の出力信号を入力信号とし、送信信号系を出力するＦ×Ｌ個の送信装置と、
前記送信装置から出力された信号を入力信号とし、Ｎ個の信号に分割し、前記送信重み決定装置により決定された重み付けを行った後、Ｎ×Ｆ個の信号合成装置の対応するポートに出力を行うマルチビーム形成装置と、
前記マルチビーム形成装置のうち対応するＬ個のマルチビーム形成装置からＬ個のポートに入力された信号を重ね合わせ、逆フーリエ変換装置の対応するポートに出力を行う信号合成装置と、
前記信号合成装置から出力されたＦ個の信号に逆フーリエ変換を行い、前記切り替え装置の他方のポートに出力を行うＮ個の逆フーリエ変換装置と、
を備えたことを特徴とする空間多重伝送用送信装置。
Ｎ、Ｆ、およびＬをそれぞれ２以上の整数として、Ｎ個のアンテナ素子を用い、直交波周波数分割多重を用いたＦ個の周波数多重と、Ｌ個の空間多重による送信を行う空間多重伝送用送信装置において、
前記各アンテナ素子に接続され、受信信号と送信信号を切り替える切り替え装置と、
受信時に前記切り替え装置から出力される信号を入力信号とし、
入力信号から請求項２に記載の送信重みを決定するための演算の全て、もしくは一部を行った結果の情報を含むフィールドバック情報を抽出するフィードバック情報抽出装置と、
前記フィードバック情報抽出装置の出力を入力信号とし、請求項６に記載の送信重みを決定する演算を行う送信重み決定装置と、
送信する入力信号にシリアル−パラレル変換を行い、周波数分割多重数Ｆ×空間多重数Ｌに振り分けるシリアル−パラレル変換装置と、
前記シリアル−パラレル変換装置の出力信号を入力信号とし、送信信号系を出力するＦ×Ｌ個の送信装置と、
前記送信装置から出力された信号を入力信号とし、Ｎ個の信号に分割し、前記送信重み決定装置により決定された重み付けを行った後、Ｎ×Ｆ個の信号合成装置の対応するポートに出力を行うマルチビーム形成装置と、
前記マルチビーム形成装置のうち対応するＬ個のマルチビーム形成装置からＬ個のポートに入力された信号を重ね合わせ、逆フーリエ変換装置の対応するポートに出力を行う信号合成装置と、
前記信号合成装置から出力されたＦ個の信号に逆フーリエ変換を行い、前記切り替え装置の他方のポートに出力を行うＮ個の逆フーリエ変換装置と、
を備えたことを特徴とする空間多重伝送用送信装置。
前記フィードバック情報抽出装置は、入力信号から請求項３に記載の送信重みを決定するための演算の全て、もしくは一部を行った結果の情報を含むフィールドバック情報を抽出し、
前記送信重み決定装置は、前記フィードバック情報抽出装置の出力を入力信号とし、請求項７に記載の送信重みを決定する演算を行う
ことを特徴とする請求項９に記載の空間多重伝送用送信装置。