JP4474934B2 - 無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラム - Google Patents

Description

本発明は、無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）のように複数の無線局間で相互に通信を行なう無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムに係り、特に、家庭内などの通信環境下で広帯域の無線伝送を実現する無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムに関する。

さらに詳しくは、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が対となって、空間分割多重を利用した通信（ＭＩＭＯ通信）により伝送容量の拡大を行なう無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムに係り、特に、送受信の各アンテナ対に対応するチャネルを要素としたチャネル情報行列の特異値分解（ＳＶＤ）を利用したＭＩＭＯ伝送を行なう無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムに関する。

ＬＡＮを始めとするコンピュータ・ネットワーキングにより、情報資源の共有や機器資源の共有を効率的に実現することができる。ここで、旧来の有線方式によるＬＡＮ配線からユーザを解放するシステムとして、無線ＬＡＮが注目されている。無線ＬＡＮによれば、オフィスなどの作業空間において、有線ケーブルの大半を省略することができるので、パーソナル・コンピュータ（ＰＣ）などの通信端末を比較的容易に移動させることができる。

近年では、無線ＬＡＮシステムの高速化、低価格化に伴い、その需要が著しく増加してきている。特に、人の身の回りに存在する複数の電子機器間で小規模な無線ネットワークを構築して情報通信を行なうために、パーソナル・エリア・ネットワーク（ＰＡＮ）の導入が検討されている。例えば、２．４ＧＨｚ帯や、５ＧＨｚ帯など、監督官庁の免許が不要な周波数帯域を利用して、異なった無線通信システム並びに無線通信装置が規定されている。

無線ネットワークに関する標準的な規格の１つにＩＥＥＥ（Ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）８０２．１１（例えば、非特許文献１を参照のこと）や、ＨｉｐｅｒＬＡＮ／２（例えば、非特許文献２又は非特許文献３を参照のこと）やＩＥＥＥ３０２．１５．３、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ通信などを挙げることができる。ＩＥＥＥ８０２．１１規格については、無線通信方式や使用する周波数帯域の違いなどにより、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ（例えば、非特許文献４を参照のこと），ｂ，ｇといった拡張規格が存在する。

ＩＥＥＥ８０２．１１ａ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。しかし、通信速度として、さらなる高ビットレートを実現できる無線規格が求められている。そこで、近年、注目を集めている技術がＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ−Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉ−Ｏｕｔｐｕｔ）通信である。これは、送信器側と受信器側の双方において、複数のアンテナ素子を備えて、空間分割多重すなわち複数の論理的に独立した伝送路（以下、「ＭＩＭＯチャネル」とも呼ぶ）を実現することにより、伝送容量の拡大を図り、通信速度向上を達成する技術である。ＭＩＭＯ通信は、空間分割多重を利用するので、周波数利用効率はよい。

図７には、ＭＩＭＯ通信システムを概念的に示している。同図に示すように、送受信機各々に複数のアンテナが装備されている。送信側では、複数の送信データを空間／時間符号して多重化しＭ本のアンテナに分配して、複数のＭＩＭＯチャネルに送出し、受信側では、チャネル経由でＮ本の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ものであり、ＭＩＭＯ通信は単なる送受信アダプティブ・アレーとは相違する。この場合のチャネル・モデルは、送信機周りの電波環境（伝達関数）と、チャネル空間の構造（伝達関数）と、受信機周りの電波環境（伝達関数）で構成される。各アンテナから伝送される信号を多重する際、クロストーク（Ｃｒｏｓｓｔａｌｋ）が発生するが、受信側の信号処理により多重化された各信号をクロストーク無しに正しく取り出すことができる。

要するに、ＭＩＭＯ通信方式は、送信機において複数アンテナに送信データを分配して送出し、複数の仮想的なＭＩＭＯチャネルを利用して伝送し、受信機では複数アンテナにより受信した信号から信号処理によって受信データを得るものであり、チャネルの特性を利用した通信方式である。ＭＩＭＯ伝送の構成方法としてはさまざまな方式が存在しているが、理想的な形態の１つとして、伝播路関数の特異値分解（ＳＶＤ：Ｓｉｎｇｕｌａｒ Ｖａｌｕｅ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）を利用したＳＶＤ−ＭＩＭＯ方式が知られている（例えば、非特許文献５を参照のこと）。

図８には、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送システムを概念的に示している。ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送では、各アンテナ対に対応するチャネル情報を要素とした数値行列すなわちチャネル情報行列Ｈを特異値分解してＵＤＶ^Hを求め、送信側のアンテナ重み係数行列としてＶを与えるとともに、受信側のアンテナ重み係数行列としてＵ^Hを与える。これによって、それぞれのＭＩＭＯチャネルは、各固有値λ_iの平方根を対角要素に持つ対角行列Ｄとして表され、全くクロストーク無しに信号を多重化して伝送することができる。

但し、特異値分解の演算をリアルタイムで行なうのは容易では無いし、導出されたＶ若しくはＵ^Hをあらかじめ相手方に伝えておくというセットアップ手順が必要であるという点に留意されたい。

ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送方式によれば、理論的には最大の通信容量を達成することができ、例えば送受信機がアンテナを２本ずつ持てば、最大２倍の伝送容量が得られる。

ここで、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送方式の仕組みについて詳細説明する。送信機のアンテナ本数をＭとすると送信信号ｘはＭ×１のベクトルで表され、また、受信機のアンテナ本数をＮとすると受信信号ｙはＮ×１のベクトルで表される。この場合、チャネル特性はＮ×Ｍの数値行列Ｈとして表される。チャネル情報行列Ｈの要素ｈ_ijは、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。そして、受信信号ベクトルｙは、下式（１）のように、送信信号ベクトルにチャネル情報行列を掛け算し、さらに雑音ベクトルｎを加算して表される。

上述したように、チャネル情報行列Ｈを特異値分解すると、下式（２）のようになる。

ここで、送信側のアンテナ重み係数行列Ｖと受信側のアンテナ重み行列Ｕは、それぞれ下式（３）、（４）を満たすユニタリ行列である。

すなわち、ＨＨ^Hの正規化された固有ベクトルを並べたものが受信側のアンテナ重み行列Ｕ^Hであり、Ｈ^HＨの正規化された固有ベクトルを並べたものが送信側のアンテナ重み行列Ｖである。また、Ｄは対角行列でありＨ^HＨ又はＨＨ^Hの固有値の平方根を対角成分に持つ。大きさは、送信アンテナ数Ｍと受信アンテナ数Ｎのうち小さい数であり、ｍｉｎ［Ｍ，Ｎ］の大きさの正方行列であり対角行列となる。

上述では、実数での特異値分解について説明したが、虚数にまで拡張した場合の特異値分解には注意点がある。ＵとＶは固有ベクトルで構成される行列であるが、固有ベクトルをノルムが１になるようにする操作すなわち正規化を行なった場合でも、単一のものにはならず、位相が異なる固有ベクトルが無数に存在する。ＵとＶの位相関係によっては、上式（２）が成り立たない場合がある。つまり、ＵとＶはそれぞれ正しいが、位相だけそれぞれ任意に回転しているからである。位相を完全一致させるためには、Ｖは通常通りＨ^HＨの固有ベクトルとして求める、そして、Ｕは、上式（２）の両辺に右からＶを掛け、下式のようにして求めるようにする。

送信側ではアンテナ重み係数行列Ｖを用いて重み付けをするとともに、受信側ではアンテナ重み係数行列Ｕ^Hで重みを付けて受信すると、ＵとＶがユニタリ行列であることから（ＵはＮ×ｍｉｎ［Ｍ，Ｎ］、ＶはＭ×ｍｉｎ［Ｍ，Ｎ］）、下式の通りとなる。

ここで、受信信号ｙと送信信号ｘは、送信アンテナと受信アンテナの数で決まるベクトルではなく、（ｍｉｎ［Ｍ，Ｎ］×１）ベクトルである。

Ｄは対角行列なので、各送信信号がクロストークすることなしに受信することができる。そして、独立した各ＭＩＭＯチャネルの振幅は固有値λの平方根に比例するので、各ＭＩＭＯチャネルの電力の大きさはλに比例する。

雑音成分ｎも、Ｕの列はノルムが１に正規化された固有ベクトルなので、Ｕ^Hｎはその雑音電力を変えるものではない。サイズとしては、Ｕ^Hｎは（ｍｉｎ［Ｍ，Ｎ］）ベクトルとなり、ｙ及びｘと同じサイズである。

このようにＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送では、同一の周波数及び同一の時間でありながら、クロストークのない複数の論理的に独立なＭＩＭＯチャネルを得ることができる。つまり、同時刻に同一周波数を使用して、複数のデータを無線通信で伝送することが可能となり、伝送速度の向上を実現することができる。

なお、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ通信システムにおいて得られるＭＩＭＯチャネル数は、一般に、送信アンテナ本数Ｍと受信アンテナ本数Ｎのうち少ない方ｍｉｎ［Ｍ，Ｎ］に相当する。また、送信側におけるアンテナ重み係数行列Ｖは、ＭＩＭＯチャネル数分の送信ベクトルｖ_iで構成される（Ｖ＝［ｖ₁，ｖ₂，…，ｖ_min[M,N]）。また、各送信ベクトルｖ_iの要素数は送信アンテナ本数Ｍである。

Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｔａｎｄａｒｄ ＩＳＯ／ＩＥＣ ８８０２−１１：１９９９（Ｅ） ＡＮＳＩ／ＩＥＥＥ Ｓｔｄ ８０２．１１， １９９９ Ｅｄｉｔｉｏｎ， Ｐａｒｔ１１：Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＬＡＮ Ｍｅｄｉｕｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＭＡＣ） ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｌａｙｅｒ（ＰＨＹ） Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ ＥＴＳＩ Ｓｔａｎｄａｒｄ ＥＴＳＩ ＴＳ １０１ ７６１−１ Ｖ１．３．１ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｒａｄｉｏ Ａｃｃｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ（ＢＲＡＮ）； ＨＩＰＥＲＬＡＮ Ｔｙｐｅ ２； Ｄａｔａ Ｌｉｎｋ Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＤＬＣ） Ｌａｙｅｒ； Ｐａｒｔ１： Ｂａｓｉｃ Ｄａｔａ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ＥＴＳＩ ＴＳ １０１ ７６１−２ Ｖ１．３．１ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｒａｄｉｏ Ａｃｃｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ（ＢＲＡＮ）； ＨＩＰＥＲＬＡＮ Ｔｙｐｅ ２； Ｄａｔａ Ｌｉｎｋ Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＤＬＣ） Ｌａｙｅｒ； Ｐａｒｔ２： Ｒａｄｉｏ Ｌｉｎｋ Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＲＬＣ） ｓｕｂｌａｙｅｒ Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ ｔｏ ＩＥＥＥ Ｓｔａｎｄａｒｄ ｆｏｒ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ−Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｙｓｔｅｍｓ−Ｌｏｃａｌ ａｎｄ ｍｅｔｒｏｐｏｌｉｔａｎ ａｒｅａ ｎｅｔｗｏｒｋｓ−Ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ−Ｐａｒｔ １１： Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＬＡＮ Ｍｅｄｉｕｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＭＡＣ） ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｌａｙｅｒ（ＰＨＹ） ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ： Ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｌａｙｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ５ＧＨＺ Ｂａｎｄ ｈｔｔｐ：／／ｒａｄｉｏ３．ｅｅ．ｕｅｃ．ａｃ．ｊｐ／ＭＩＭＯ（ＩＥＩＣＥ＿ＴＳ）.ｐｄｆ（平成１５年１０月２４日現在）

ＳＶＤ−ＭＩＭＯ方式では、受信側でチャネル情報行列Ｈを取得し、そのＨを特異値分解し、その分解された、ＵＤＶ^HのうちＶ^Hを送信側へ伝える必要がある。実際に送信側で使用するのはＶであるので、Ｖを送信側へ伝える必要がある。

ここで、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送の適用対象となるＬＡＮシステムの１つであるＩＥＥＥ８０２．１１ａすなわち５ＧＨｚ対のＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：直交周波数分割多重）通信方式を例にとって、送信側アンテナ係数行列Ｖの情報量について考察してみる。

送受信アンテナ素子数を３本ずつとすると、送信側のアンテナ係数行列Ｖは３×３行列になり、その要素数は９である。１要素当たり１０ビット精度の実数と複素数で表されているとし、それが５２キャリヤ分必要となると、９３６０ビット（＝９（行列の要素数）×２（複素数の実部、虚部）×１０（ビット）×５２（ＯＦＤＭサブキャリヤ数））を受信機から送信機へフィードバックしなければならない。

このようにフィードバックが必要なＭＩＭＯをクローズドループ型ＭＩＭＯと呼ぶ（反意語はオープンループ型ＭＩＭＯ）。クローズドループ型のＳＶＤ−ＭＩＭＯ方式は、通信を始めるに際し、９３６０ビットもの情報を送信側へフィードバックしなければならない。仮にＩＥＥＥ８０２．１１ａで用意されている変調方式の中で最も信頼性の高いＢＰＳＫ（Ｂｉｎａｒｙ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）でコードレートが１／２の変調方式のＯＦＤＭでフィードバックしようとした場合、１ＯＦＤＭシンボルで２４ビットしか送信できないので、３９０ＯＦＤＭシンボルもの時間が必要になり現実的ではない。

また、受信側から送信側へ最初にアンテナ重み係数行列Ｖを伝えると通信を開始できるものの、経時変化によりチャネル行列Ｈの各要素（すなわち伝達関数）が変化してくる。このようなチャネル行列Ｈの経時変化の主な原因は、屋内での人や物の移動に伴う反射路の変化や、温度の変動である。

このようにチャネル特性が時間的に変化した場合、受信側では、再度チャネル行列Ｈを取得し、新しいＨを特異値分解し、新しい送信側重み係数行列Ｖを送信側にフィードバックして、新しいＶで重み付して送信してもらう（すなわちＶの再学習）とともに、受信側でも受信信号を新しいＵ^Hでデコードする必要がある。

そこで、本発明者らは、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送を行なうに際し、受信機側から送信機側へフィードバックする情報量を圧縮することが必要であると思料する。

本発明は、上述した技術的課題を勘案したものであり、その主な目的は、家庭内などの通信環境下で広帯域の無線伝送を実現することができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、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が対となって、空間分割多重を利用した通信（ＭＩＭＯ通信）により伝送容量の拡大を行なうことができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、送受信の各アンテナ対に対応するチャネルを要素としたチャネル情報行列の特異値分解（ＳＶＤ）を利用したＭＩＭＯ伝送を好適に行なうことができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送を行なうに際し、受信機側から送信機側へフィードバックする情報量を圧縮することができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラム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、その第１の側面は、送受信機間では伝送するデータを（振幅，位相）で表す表現形式を共有し、
データ送信側において送信データをデータ値に対応した信号空間上の信号点に割り当ててデータ送信し、
データ受信側において受信した信号点における振幅と位相の組み合わせから、元のデータ値を取り出す、
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。

例えば、送信機から受信機へのダウンリンクにおいてＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送を行なう場合には、受信機から送信機へ送信重み係数行列Ｖに関する情報をフィードバックする必要がある。本発明では、受信機から送信機へＶのデータを伝送する手段として、伝送すべきデータ値に対して振幅並びに位相の変調を施し、ＢＰＳＫ（Ｂｉｎａｒｙ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）信号を用いる。

通常のＢＰＳＫ変調方式では、キャリヤの位相を０、キャリヤとは逆の位相（１８０度ずれた位相）を１に割り当て、信号空間上の２点（１，０）及び（−１，０）にデータが配置される。そして、受信側では、このキャリヤからの位相のずれを検出することで、送られた信号が０なのか１なのかを識別する。

これに対し、本発明では、送受信機間では、伝送するデータを（振幅，位相）で表す表現形式、すなわち実データを複素データに変換する形式を共有している。言い換えれば、送信データはデータ値に対応した信号空間上の信号点に割り当てられ、データ送信される。そして、データ受信側では、受信した信号点における振幅と位相の組み合わせから、元のデータ値を取り出すことができ、伝送データの情報量を圧縮することができる。

ここで言う伝送するデータとは、具体的には送信側重み係数行列Ｖを構成する送信ベクトルｖである。すなわち、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送における受信側では、特異値分解により得られたベクトルｖに対応した振幅と位相を与えて送信する。

ここで、例えば、ＶをＶ＝［０．８＋０．１ｊ，−０．５＋０．５ｊ］^Tとする。これは、送信アンテナが２本の場合の例であり、ベクトルｖの要素が２個になっている。ベクトルｖは各サブキャリヤ分だけ存在し、これは、ある１つのサブキャリヤ用のｖとする。このｖの各要素を振幅と位相を変化させて送信する。例えば、この０．８＋０．１ｊという値は図１のようにして、また、−０．５＋０．５ｊは図２のように信号配置して送信する。この場合では、２ＯＦＤＭシンボルのベクトルｖ用の振幅及び位相変調信号を用いて送信する。そして、このベクトルｖ用の伝送信号の前段でリファレンス信号を送信する。これを受信する送信機側では、リファレンス信号を使用して、受信したベクトルｖ用の振幅及び位相変調信号から伝搬路の変動を取り除き、望みのベクトルｖを復元する。

ＩＥＥＥ８０２．１１ａなどの規格では、物理層にＯＦＤＭ変調方式を用いている。ＯＦＤＭ変調方式では、サブキャリヤ毎にベクトルｖが得られる。このため、ＯＦＤＭサブキャリヤ毎に、送信アンテナ数×ＭＩＭＯチャネル数分のベクトルｖを送る必要がある。

例えば、送信機側のアンテナ本数が２で受信機側のアンテナ本数が３、すなわち２×３の送受信アンテナで構成されるＳＶＤ−ＭＩＭＯ通信システムの場合には、１つのサブキャリヤ用のベクトルｖとして、２×１のベクトルｖが２個得られる。この２個とは、送信する独立のストリームの数、すなわち独立なＭＩＭＯチャネル数であり、送信アンテナと受信アンテナの少ない方の数以下である。この２×１のベクトル２個が１つのサブキャリヤ用に生成され、８０２．１１ａの場合は、５２キャリヤ分生成されることになる。

ベクトル用の振幅及び位相変調信号を１ＯＦＤＭシンボル送信すると、５２キャリヤ分のベクトルｖを１個ずつ送信することができる。したがって、２×３のＳＶＤ−ＭＩＭＯ通信システムの場合には、リファレンス信号の後に続いて、ベクトルｖ用振幅及び位相変調信号を２ＯＦＤＭシンボルだけ送信すればよいことになる。

また、本発明の第２の側面は、複数のアンテナを持つ送信機からの多重化された信号を複数のアンテナを用いて受信するための処理をコンピュータ・システム上で実行するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムであって、
送信機から送られたリファレンス信号からチャネル行列Ｈを求めるチャネル推定ステップと、
チャネル行列ＨをＵＤＶ^Hに特異値分解して受信用重み行列Ｕと対角行列Ｄと送信用重み行列Ｖを取得する特異値分解ステップと、
送信アンテナ重み行列Ｖを構成する各要素ベクトルを信号空間上の信号点に割り当てて符号化する符号化ステップと、
該符号化された信号を前記送信機へフィードバックする送信アンテナ重み行列フィードバック・ステップと、
を具備することを特徴とするコンピュータ・プログラムである。

本発明の第２の側面に係るコンピュータ・プログラムは、コンピュータ・システム上で所定の処理を実現するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムを定義したものである。換言すれば、本発明の第２の側面に係るコンピュータ・プログラムをコンピュータ・システムにインストールすることによってコンピュータ・システム上では協働的作用が発揮され、無線通信装置として動作する。このような無線通信装置を複数起動して無線ネットワークを構築することによって、本発明の第１の側面に係る無線通信システムと同様の作用効果を得ることができる。

本発明によれば、送受信の各アンテナ対に対応するチャネルを要素としたチャネル情報行列の特異値分解（ＳＶＤ）を利用したＭＩＭＯ伝送を好適に行なうことができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。

また、本発明によれば、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送を行なうに際し、受信機側から送信機側へフィードバックする情報量を圧縮することができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。

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。

図３には、本発明の一実施形態に係る無線通信装置１の構成を模式的に示している。同図に示す無線通信装置１は、２本の送受信アンテナ１１ａ及び１１ｂを備え、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ方式によるデータ伝送を行なうことができる。すなわち、送信時は、多重化する各送信信号に送信アンテナ重み係数を与え空間／時間符号して２本のアンテナ１１ａ及び１１ｂに分配してチャネルに送出し、受信側では、チャネル経由で２本のアンテナ１１ａ及び１１ｂにより受信した多重化信号に受信アンテナ重み係数を与え空間／時間復号して受信データを得る。但し、本発明の要旨はアンテナ２本に限定されるものではなく、３本以上であってもよい。

各送受信アンテナ１１ａ及び１１ｂには、スイッチ１２ａ及び１２ｂを介して、それぞれ送信系統並びに受信系統が並列的に接続され、他の無線通信装置宛に信号を所定の周波数チャネル上で無線送信し、あるいは他の無線通信装置から送られる信号を収集する。但し、スイッチ１２ａ及び１２ｂは送受信アンテナ１１ａ及び１１ｂを送信系統又は受信系統の一方と排他的に接続し、送受信をともに並行しては行なえないものとする。

各送信系統は、符号器２１と、送信用重み乗算部２２と、ＩＦＦＴ２３と、ブリアンブル／リファレンス付与部２４と、Ｄ／Ａ変換器２５と、送信用アナログ処理部２６を備えている。

符号器２１は、通信プロトコルの上位レイヤから送られてきた送信データを誤り訂正符号で符号化する。この時点で、パイロット・シンボル挿入パターン並びにタイミングに従って、既知のデータ系列をパイロット・シンボルとして変調シンボル系列に挿入するようにしてもよい。サブキャリヤ毎あるいはサブキャリヤ数本の間隔で、既知パターンからなるパイロット信号が挿入される。

送信用重み乗算部２２は、送信先から送られてくるアンテナ本数分のリファレンス・シンボルを受信しチャネル推定して得られるチャネル行列Ｈを特異値分解して得られた送信用重み行列Ｖを保持しており、符号化後の送信信号をこの重み行列Ｖで乗算する。この送信用重み行列Ｖは、通信相手となる無線通信装置（図示しない）から送られた情報を基に構築され、送信用重み乗算部２２に設定される。

ＩＦＦＴ（逆フーリエ変換部）２３では、変調されたシリアル形式の信号を、並列キャリヤ数並びにタイミングに従って、並列キャリヤ数分のパラレル・データに変換してまとめた後、所定のＦＦＴサイズ並びにタイミングに従ってＦＦＴサイズ分の逆フーリエ変換を行なう。ここで、シンボル間干渉の除去のため、１ＯＦＤＭシンボルの前後にガード・インターバル区間を設けるようにしてもよい。ガード・インターバルの時間幅は、伝搬路の状況、すなわち復調に影響を及ぼす遅延波の最大遅延時間によって決定される。そして、直列の信号に直し、周波数軸での各キャリヤの直交性を保持したまま時間軸の信号に変換して、送信信号とする。

この送信信号は、Ｄ／Ａ変換器２５によりアナログのベースバンド信号に変換され、さらに送信用アナログ処理部２６によりＲＦ周波数帯にアップコンバートされてから、アンテナ１１よりチャネルへ送出される。

一方、各受信系統は、受信用アナログ処理部３１と、Ａ／Ｄ変換器３２と、同期獲得部３３と、ＦＦＴ３４と、受信用重み乗算部３５と、復号器３６と、チャネル特性取得部３７で構成される。

アンテナ１１より受信した信号を、受信用アナログ処理部３１でＲＦ周波数帯からベースバンド信号にダウンコンバートし、Ａ／Ｄ変換器３２により、デジタル信号に変換する。

次いで、同期獲得部３３により検出された同期タイミングに従って、シリアル・データとしての受信信号をパラレル・データに変換してまとめ（ここでは、ガード・インターバルまでを含む１ＯＦＤＭシンボル分の信号がまとめられる）、ＦＦＴ（フーリエ変換部）３４によって有効シンボル長分の信号をフーリエ変換し、各サブキャリヤの信号を取り出すことにより、時間軸の信号を周波数軸の信号に変換する。

チャネル特性取得部３７は、通信相手が多重化送信する信号毎に重みが与えられたリファレンス信号を用いてチャネル行列Ｈを得る。さらにこのチャネル行列を特異値分解して、送信用重み行列Ｖと、受信用重み行列Ｕ^Hと、対角行列Ｄを得ておく。通信相手からは、所定の間隔でリファレンス信号が送られ、チャネル特性取得部３７はその都度新しいチャネル行列に更新し、これを特異値分解する。

チャネル行列を特異値分解して得られた受信用重み行列Ｕ^Hは、自装置１の受信用重み乗算部３５に設定され、送信用重み行列Ｖは通信相手にフィードバックされる。

そして、パラレル・シリアル変換器２０７によって受信用重み乗算部３５は、チャネル行列Ｈを特異値分解して得られた受信用重み行列Ｕ^Hを受信信号に乗算する。

重み付けされた受信信号は、さらに復号器２０８によって誤り訂正並びに復号され、受信データとなり、通信プロトコルの上位レイヤに渡される。

既に述べたように、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送を行なう場合には、受信機から送信機へ送信重み係数行列Ｖに関する情報をフィードバックする必要がある。ここで、送信側アンテナ係数行列Ｖは、ＭＩＭＯチャネル数分の送信ベクトルｖ_iで構成され（Ｖ＝［ｖ₁，ｖ₂，…，ｖ_min[M,N]）、その情報量が大きいことから、フィードバックする情報量を圧縮することが好ましい。

本実施形態では、受信機から送信機へＶのデータを伝送する手段として、伝送すべきデータ値に対して振幅並びに位相の変調を施し、ＢＰＳＫ（Ｂｉｎａｒｙ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）信号を用いる。

無線通信装置１は、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送を行なう通信相手との間で、伝送するデータを（振幅，位相）で表す表現形式、すなわち実データを複素データに変換する形式を共有している。送信データはデータ値に対応した信号空間上の信号点に割り当てられ、データ送信される。そして、データ受信側では、受信した信号点における振幅と位相の組み合わせから、元のデータ値を取り出す。

伝送データとして、送信アンテナ重み係数行列Ｖを構成する送信ベクトルｖ_iを考える。送信ベクトルｖ_iの要素数は送信アンテナ本数である。この場合、アンテナ本数は２本であることから、ベクトルｖ_i＝（ｖ_i(1)，ｖ_i(2)）とおく。例えば、ｖ_i(1)を送る場合、信号空間上の既知の点Ａｅ^jθを用いて変調した場合、受信側では受信信号に１／Ａ・ｅ^−jθを乗算することにより、振幅と位相を取り出し、_ｖi(1)を得ることができる。

したがって、ベクトル用の振幅及び位相変調信号を１ＯＦＤＭシンボル送信すると、５２キャリヤ分のベクトルｖを１個ずつ送信することができる。したがって、２×３のＳＶＤ−ＭＩＭＯ通信システムの場合には、リファレンス信号の後に続いて、ベクトルｖ用振幅及び位相変調信号を２ＯＦＤＭシンボルだけ送信すればよいことになる。

送信重み係数行列Ｖをフィードバックする手順について、以下に説明する。但し、送信アンテナが２本、受信アンテナが３本で、独立なＭＩＭＯチャネル数は２本とする。

ステップ１：
送信機は、受信機に対して、チャネル行列Ｈを取得するためのＨ取得用リファレンス信号を送信する。図４には、リファレンス信号の送信に使用されるフレーム構成例を示している。図示の例では、伝送フレームは、同期獲得並びに自動利得制御のためのブリアンブル信号に続いて、２個のＨ取得用リファレンス信号と、制御データが付加されている。例えばＲＴＳ／ＣＴＣ方式でメディア・アクセス制御が行なわれる場合には、図４に示す伝送フレームはＲＴＳフレームとして構成することができる。

ステップ２：
受信機側では、Ｈ取得用リファレンス信号を受信すると、リファレンス信号からチャネル推定によりチャネル行列Ｈを計算し、保存する。このチャネル行列Ｈは、送信機のアンテナが２本、受信器のアンテナが３本なので、３×２の行列になる。この３×２の行列をＯＦＤＭサブキャリヤ分に相当する５２個取得できて、これを保存する。

ステップ３：
さらに、受信機は、取得したチャネル行列Ｈに対し特異値分解を行なって、Ｈ＝ＵＤＶ^Hと分解する。これも５２キャリヤ分だけ行なう。そして、受信機用の受信重み係数行列Ｕ^Hと、送信器用の送信重み係数行列Ｖを、独立なＭＩＭＯチャネルの本数分、すなわち２個×５２キャリヤ分だけ得る。送信重み係数行列を構成する送信ベクトルｖは２×１ベクトルである。

ステップ４：
次いで、受信機から送信機へ、送信ベクトルｖを送信する。チャネル行列Ｈ推定用のリファレンス信号を１ＯＦＤＭシンボル、ベクトルＶ用のＢＰＳＫ信号を２ＯＦＤＭシンボル送信する。送信ベクトルｖを送信するために使用される伝送フレームの構成例を図５に示している。例えば、ＲＴＳ／ＣＴＣ方式でメディア・アクセス制御が行なわれる場合には、図５に示す伝送フレームはＣＴＳフレームとして構成することができる。

ステップ５：
送信機側では、受信機から送信されたリファレンス信号及び送信ベクトルｖ用の振幅及び位相変調信号から、リファレンス信号を用いて伝送路のフェージングなどの影響を除去した後、送信用の重みベクトルｖを受信し、これから送信重み係数行列Ｖを構築し、送信重み乗算部２２に設定する。

ステップ６：
送信機では、送信用の重みＶを用いて送信する。これに対し、受信機では、受信用の重みＵ^Hを用いて受信することにより（図６）、独立な２つのストリームを同一周波数、及び同一時刻で送受信可能なＳＶＤ−ＭＩＭＯの通信を行なうことができる。

［追補］
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。すなわち、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、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。

図１は、伝送データが信号空間上にマッピングされた様子を示した図である。 図２は、伝送データが信号空間上にマッピングされた様子を示した図である。 図３は、本発明の一実施形態に係る無線通信装置１の構成を模式的に示した図である。 図４は、リファレンス信号の送信に使用されるフレーム構成例を示した図である。 図５は、送信ベクトルｖを送信するために使用される伝送フレームの構成例を示した図である。 図６は、送信用の重みＶを用いて送信されるデータ・フレームの構成例を示した図である。 図７は、ＭＩＭＯ通信システム（従来例）を概念的に示した図である。 図８は、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送システム（従来例）を概念的に示した図である。

符号の説明

１…無線通信装置
１１…アンテナ
１２…スイッチ
２１…符号器
２２…送信用重み乗算部
２３…ＩＦＦＴ
２４…ブリアンブル／リファレンス付与部
２５…Ｄ／Ａ変換器
２６…送信用アナログ処理部
３１…受信用アナログ処理部
３２…Ａ／Ｄ変換器
３３…同期獲得部
３４…ＦＦＴ
３５…受信用重み乗算部
３６…復号器
３７…チャネル特性取得部

Claims (6)

1. 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が対となり、送受信機間で伝送するデータを信号空間上の既知の信号点で表す表現形式を共有し、信号を多重化して通信する空間分割多重通信方式を採用し、
   空間分割多重通信の送信機から受信機へ向かうチャネル行列Ｈを取得し、該チャネル行列をＵＤＶ^Hに特異値分解して、それぞれ送信アンテナ本数分の要素からなる空間分割多重チャネル毎の送信ベクトルを要素とする送信アンテナ重み行列Ｖを求める特異値分解手段と、
   複素数で表わされる送信ベクトルの各要素を基に前記既知の信号点の振幅及び位相を変化させて振幅及び位相変調信号に変調し、送信ベクトル用の振幅及び位相変調信号を用いて送信アンテナ重み行列Ｖを前記受信機から前記送信機へフィードバックする送信アンテナ重み行列フィードバック手段と、
   前記送信機において、受信した各振幅及び位相変調信号を前記既知の信号点を基に送信ベクトルを復調し、送信アンテナ重み行列Ｖを復元する重み行列受信手段と、
   を備えることを特徴とする無線通信システム。
2. 前記送信アンテナ重み行列フィードバック手段はリファレンス信号を符号化信号に付加して送信し、
   前記重み行列受信手段は、該リファレンス信号を基に伝送路による変動分を除去して送信アンテナ重み行列Ｖの受信処理を行なう、
   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. 複数のアンテナと、
   複数のアンテナを持つ送信機からの多重化された信号を受信する受信手段と、
   送信機から送られたリファレンス信号からチャネル行列Ｈを求めるチャネル推定手段と、
   チャネル行列ＨをＵＤＶ^Hに特異値分解して、受信用重み行列Ｕと、対角行列Ｄと、それぞれ送信アンテナ本数分の要素からなる空間分割多重チャネル毎の送信ベクトルを要素とする送信用重み行列Ｖを取得する特異値分解手段と、
   複素数で表わされる送信ベクトルの各要素を基に信号空間上の既知の信号点の振幅及び位相を変化させて振幅及び位相変調信号に変調する変調手段と、
   該送信ベクトル用の振幅及び位相変調信号を用いて送信アンテナ重み行列Ｖを前記送信機へフィードバックする送信アンテナ重み行列フィードバック手段と、
   を備えることを特徴とする無線通信装置。
4. 前記送信アンテナ重み行列フィードバック手段はリファレンス信号を符号化信号に付加して送信する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の無線通信装置。
5. 複数のアンテナを持つ送信機からの多重化された信号を複数のアンテナを用いて受信するための無線通信方法であって、
   送信機から送られたリファレンス信号からチャネル行列Ｈを求めるチャネル推定ステップと、
   チャネル行列ＨをＵＤＶ^Hに特異値分解して、受信用重み行列Ｕと、対角行列Ｄと、それぞれ送信アンテナ本数分の要素からなる空間分割多重チャネル毎の送信ベクトルを要素とする送信用重み行列Ｖを取得する特異値分解ステップと、
   複素数で表わされる送信ベクトルの各要素を基に信号空間上の既知の信号点の振幅及び位相を変化させて振幅及び位相変調信号に変調する変調ステップと、
   該送信ベクトル用の振幅及び位相変調信号を用いて送信アンテナ重み行列Ｖを前記送信機へフィードバックする送信アンテナ重み行列フィードバック・ステップと、
   を有することを特徴とする無線通信方法。
6. 複数のアンテナを持つ送信機からの多重化された信号を複数のアンテナを用いて受信するための処理をコンピュータ上で実行するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムであって、前記コンピュータを、
   複数のアンテナを持つ送信機からの多重化された信号を受信する受信手段と、
   送信機から送られたリファレンス信号からチャネル行列Ｈを求めるチャネル推定手段と、
   チャネル行列ＨをＵＤＶ^Hに特異値分解して、受信用重み行列Ｕと、対角行列Ｄと、それぞれ送信アンテナ本数分の要素からなる空間分割多重チャネル毎の送信ベクトルを要素とする送信用重み行列Ｖを取得する特異値分解手段と、
   複素数で表わされる送信ベクトルの各要素を基に信号空間上の既知の信号点の振幅及び位相を変化させて振幅及び位相変調信号に変調する変調手段、
   該送信ベクトル用の振幅及び位相変調信号を用いて送信アンテナ重み行列Ｖを前記送信機へフィードバックする送信アンテナ重み行列フィードバック手段、
   として機能させるためのコンピュータ・プログラム。
   

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