JP4633644B2 - 無線通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、同一の周波数チャネルを用い、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て送信し、複数の受信アンテナを用いて信号を受信し、各送受信アンテナ間の伝達関数行列をもとに受信局側でデータの復調を行うMIMO（Multiple-Input Multiple-Output）通信を実現する高速無線アクセスシステムにおいて、ひとつの無線局と他の複数の無線局が、同時にかつ同一周波数チャネル上で空間多重して通信を行うマルチユーザMIMO通信技術を用いた無線通信方法に関する。

近年、２．４ＧＨz帯または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規格などに対応したシステムの普及が目覚しい。これらのシステムにおいては、マルチパスフェージング環境での特性を安定化させるための技術である直交周波数分割多重（OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing）変調方式を用い、最大で５４Ｍbpsの伝送速度を実現している。ただし、ここでの伝送速度とは物理レイヤ上での伝送速度であり、実際にはMAC（Medium Access Control ）レイヤでの伝送効率が５０〜７０%程度であるため、実際のスループットの上限値は３０Ｍbps程度である。

一方で、有線LAN（Local Area Network）の世界ではEthernet（登録商標）の１００Base-Tインタフェースをはじめ、各家庭にも光ファイバを用いたFTTH（Fiber to the home）の普及から、１００Ｍbpsの高速回線の提供が普及しており、無線LANの世界においても更なる伝送速度の高速化が求められている。
そのための技術としては、MIMO技術が有力である。このMIMO技術とは、送信局側において複数の送信アンテナから同一チャネル上で異なる独立な信号を送信し、受信局側において同じく複数のアンテナを用いて信号を受信し、各送信アンテナ／受信アンテナ間の伝達関数行列を求め、この行列を用いて送信局側で各アンテナから送信した独立な信号を受信側にて推定し、データを再生するものである。

ここで、Ｎ本の送信アンテナを用いてＮ系統の信号を送信し、Ｍ本のアンテナを用いて信号を受信する場合を考える。まず、送受信局の各アンテナ間にはＭ×Ｎ個の伝送のパスが存在し、第ｉ送信アンテナから送信され第ｊ受信アンテナで受信される場合の伝達関数をｈ_j,iとし、これを第（ｊ，ｉ）成分とするＭ行Ｎ列の行列をＨと表記する。さらに、第ｉ送信アンテナからの送信信号をｔ_iとし（ｔ₁，ｔ₂，ｔ₃，・・・ ｔ_N）を成分とする列ベクトルをＴx、第ｊ受信アンテナでの受信信号をｒ_jとし（ｒ₁，ｒ₂，ｒ₃，・・・ｒ_M）を成分とする列ベクトルをＲｘ、第ｊ受信アンテナの熱雑音をｎ_jとし（ｎ₁，ｎ₂,ｎ₃，・・・ｎ_M）を成分とする列ベクトルをｎと表記する。

上述した条件の場合、以下（１）式の関係式が成り立つ。
Ｒx＝Ｈ・Ｔx＋ｎ …（１）
したがって、受信局側で受信した信号Ｒｘをもとに、送信信号Ｔｘを推定する技術が求められている。
このMIMO通信においては、信号の伝搬路の情報を利用して、その伝搬路に対して最適な状況にて信号を送信することにより、最も効率的な通信を行うことができる。

例えば、特許文献１の「無線通信方法、並びに該方法を用いた無線通信システム」等に記載された固有モードSDM（Space Division Multiplexing）方式を用いたMIMO伝送においては、信号の伝送方向のMIMOチャネルの伝達関数行列Ｈを送信局側で取得できた場合に、この伝達関数行列に対応した送信信号の最適化を行う。具体的には、伝達関数行列Ｈとそのエルミート共役な行列Ｈ^Ｈ（右肩の「Ｈ」の記号はエルミート共役を表す）の積を、対角化することが可能なユニタリ行列Ｕを取得し、このユニタリ行列により送信信号を変換して信号を送信する（各アンテナから発信する）。

このユニタリ変換行列Ｕと伝達関数行列Ｈとの間には以下の（２）式の関係式が成り立つ。
Ｕ^H・Ｈ^H ・Ｈ・Ｕ＝Λ …（２）
上記（２）式において、右辺の行列Λは対角成分のみが値を持ち、その他の成分がゼロである対角行列である。この様な特徴を持つユニタリ行列Ｕを列ベクトルＴｘに作用させて信号を送信することにより、（１）式は以下の（３）式の様に変換される。
Ｒx＝Ｈ・（Ｕ・Ｔｘ）＋ｎ …（３）

この変換により、送信信号はMIMOチャネル毎に直交化され、受信側での処理において簡易なZF（Zero Forcing）方式を用いた場合であっても、各送信信号をMIMOチャネル毎のSNR特性が良好になるように調整される。また、このユニタリ行列の各列ベクトルは、送信信号である列ベクトルＴxを各送信アンテナに分配する際の各アンテナに乗算する係数（以降、「送信ウエイトベクトル」と呼ぶ）を与える。この送信ウエイトベクトルを用いることで、各MIMOチャネル毎に直交したビーム形成を行い、それぞれのビーム（固有ビーム）に相当するチャネルの利得がその固有ベクトルの固有値となる。したがって、全MIMOチャネルのチャネル容量Ｃの上限は以下の（４）式で与えられる。

上記（４）式において、Ｂは帯域幅、Ｐ_iは第ｉ番のMIMOチャネルの総送信電力、λ_ｉは第ｉ固有値、σ²は雑音電力の分散値を意味する。この（４）式から求まるチャネル容量Ｃから、どの程度の伝送レートの伝送モード（ここではQPSK, 64QAM等の変調方式と誤り訂正の符号化率の組み合わせにより規定されるモードを「伝送モード」と定義する）を適用可能か、またさらにどの程度の数のMIMOチャネルを多重化できるかが推定できる。
ちなみに、上記（４）式の中の送信電力Ｐ_iは全てのMIMOチャネルに共通の値である必要はなく、また各MIMOチャネル毎に伝送モードを変更しても構わない。

一般に、注水定理と呼ばれる手法を用いることにより、この総送信電力Ｐ_iの値を最適化することが可能である。このMIMOチャネルの中において、総送信電力Ｐ_i＝０となるMIMOチャネルが存在した場合、そのMIMOチャネルを実際の伝搬に用いず、このMIMOチャネルの電力を、他のMIMOチャネルに対して配分した方が効率的な伝送が行えることを意味している。つまり、MIMOチャネルの多重数を、元々の多重可能な上限値よりも少なく設定することになる。この様にして、多重化するMIMOチャネルの最適値を判断することも可能である。

以上の固有モードSDM技術は、送信側で指向性を持った送信ビームを形成し、空間上で多重化する信号を受信側において効率的に信号分離できるようにするものである。ここで、通常のMIMO通信、すなわち、ひとつの送信局とひとつの受信局との間で通信を行う通信形態をシングルユーザMIMOと呼ぶ。ここで、無線LANや携帯電話等を例に見れば、基地局はサイズ的に比較的大きく、無線端末局側はポータブルな端末としてサイズは無線基地局よりも大幅に小さい。この様な小型で携帯可能な端末の中に、MIMO通信のための複数のアンテナを実装したとしても、実装したアンテナ間の距離が短く、アンテナ相関が非常に大きくなってしまう。この場合、（４）式における固有値λ_iの値は小さくなる傾向にあり、実際に通信に利用できるMIMOチャネル数はそれほど多くはない。

上述した様なケースにおいて、ひとつひとつの端末（個々の端末）との間においては空間多重するMIMOチャネル数を少なくする一方、複数の異なる端末と同時に同一周波数チャネルで通信するマルチユーザMIMO通信が有効である。図５に、このマルチユーザMIMOシステムの構成例を示す。図５において、１０１は無線基地局、１０２〜１０４は無線端末局＃１〜＃３を示す。実際にひとつの無線基地局が収容する無線端末局数は多数であるが、その中の数局（図５においては無線端末局＃１〜＃３：１０２〜１０４）を選び出して通信を行う。各無線端末局は無線基地局と比較して送受信アンテナ数が一般的に少ない。

例えば、無線基地局から無線端末局方向への通信（ダウンリンク）を行う場合を考える。無線基地局１０１は、多数のアンテナを用いて、複数の指向性ビームを形成する。例えば、各無線端末局１０２〜１０４に対して、それぞれ３つのMIMOチャネルを割り当て、全体としては９系統の信号系列を送信する場合を考える。
その際、無線端末局＃１（１０２）に対して送信する信号は、無線端末局＃２（１０３）および無線端末局＃３（１０４）方向には指向性利得が極端に低くなるように調整する。この結果として無線端末局＃２（１０３）および無線端末局＃３（１０４）への干渉を抑制することができる。同様に、無線端末局＃２（１０３）に対して送信する信号は、無線端末局＃１（１０２）および無線端末局＃３（１０４）方向には指向性利得が極端に低くなるように調整する。同様の処理を無線端末局＃３（１０４）にも施す。

この様に指向性制御を行う理由は、例えば無線端末局＃１（１０２）においては、無線端末局＃２（１０３）および無線端末局＃３（１０４）で受信した信号の情報を知る術がないため、無線端末間での協調的な受信処理ができない。つまり、３本しかアンテナのない無線端末局＃１（１０２）のみの受信処理において、９系統の全ての信号系列を信号分離することは非常に厳しい。そこで、各無線端末局に対して他の無線端末局宛の信号が受信されないように、送信側の無線基地局において干渉分離を事前に行う。

以上の説明が既存のマルチユーザMIMOシステムの概要に対する説明である。
次に、指向性ビームの形成方法について、以下に説明を加える。例えば、図５において、無線基地局（１０１）の第ｊアンテナと無線端末局＃１（１０２）の第１受信アンテナとの間の伝達関数をｈ_１ｊと表記することにする。無線基地局（１０１）のｊ＝１〜９の全てのアンテナに関する伝達関数を用い、行ベクトルｈ₁を（ｈ₁₁，ｈ₁₂，ｈ₁₃，…，ｈ₁₈，ｈ₁₉）と表記する。同様に無線基地局１０１と無線端末局＃１（１０２）の第２受信アンテナ、第３受信アンテナとの伝達関数をｈ_2jおよびｈ_3jとし、対応する行ベクトルｈ₂およびｈ₃を（ｈ₂₁，ｈ₂₂，ｈ₂₃，…，ｈ₂₈，ｈ₂₉）、（ｈ₃₁，ｈ₃₂，ｈ₃₃，…，ｈ₃₈，ｈ₃₉）とする。

無線端末局＃２（１０３）、無線端末局＃３（１０４）の受信アンテナにも同様の連番をふり、行ベクトルｈ₄〜ｈ₉を（ｈ₄₁，ｈ₄₂，ｈ₄₃，…，ｈ₄₈，ｈ₄₉）〜（ｈ₉₁，ｈ₉₂，ｈ₉₃，…，ｈ₉₈，ｈ₉₉）とする。加えて、無線基地局１０１が送信する９系統の信号をｔ₁〜ｔ₉と表記し、これを成分とする列ベクトルをＴｘ^[all]＝（ｔ₁，ｔ₂，ｔ₃，…，ｔ₈，ｔ₉）^Tと表記する。ここで、右肩のＴの文字はベクトル行列の転置を表す。また、同様に、無線端末局＃１〜＃３（１０２〜１０４）の９本のアンテナでの受信信号をｒ₁〜ｒ₉と表記し、これを成分とする列ベクトルをＲｘ^[all]＝（ｒ₁，ｒ₂，ｒ₃，…，ｒ₈,，ｒ₉）^Tと表記する。最後に、行ベクトルｈ₁〜ｈ₉を第１から第９行成分とする行列を、全体伝達関数行列Ｈ^[all]と表記する。

この様に表記した場合、システム全体としては以下の（５）式の関係式が成り立つ。
Ｒx^[all]＝Ｈ^[all]・Ｔx^[all]＋ｎ …（５）
この（５）式はシングルユーザMIMOにおける（１）式に対応する。同様に、（３）式に示すような送信指向性制御を行うため、９行９列の送信ウエイト行列Ｗを導入し、（３）式を以下の（６）式のように書き換える。
Ｒx^[all]＝Ｈ^[all]・Ｗ・Ｔx^[all]＋ｎ …（６）
さらに、送信ウエイト行列Ｗを列ベクトルｗ₁〜ｗ₉に分解し、Ｗ＝（ｗ_１，ｗ_２，ｗ_３，…，ｗ_８，ｗ_９）と表記すると、以下の（７）式の様に表せる。

上記（７）式において、例えば６つの行ベクトルｈ₄〜ｈ₉と３つの列ベクトルｗ₁〜ｗ₃の乗算（各成分の乗算したものの総和、複素ベクトルの場合は内積とは異なる）が全てゼロになるように、列ベクトルｗ₁〜ｗ₃を選択することとする。同様に、行ベクトルｈ₁〜h₃および行ベクトルｈ₇〜ｈ₉と列ベクトルｗ₄〜ｗ₆の積、行ベクトルｈ₁〜ｈ₆と列ベクトルｗ₇〜ｗ₉の積の全てがゼロになるように選択することとする。すると、（７）式に示す９行９列の行列は、３行３列の９個の部分行列を用いて表記すると以下のように表すことができる。

上記（８）式において、部分行列Ｈ^［１］、Ｈ^［２］、Ｈ^［３］ は３行３列の行列であり、他の部分行列Ｏは成分が全てゼロの３行３列の行列である。この様な条件を満たす変換行列Ｗを選択することにより、（８）式は以下に示す（９）式〜（１１）式により表される３つの関係式に分解することができる。
Ｒｘ^［１］＝Ｈ^［１］・Ｔｘ^［１］＋ｎ_１ …（９）
Ｒｘ^［２］＝Ｈ^［２］・Ｔｘ^［２］＋ｎ_２ …（１０）
Ｒｘ^［３］＝Ｈ^［３］・Ｔｘ^［３］＋ｎ_３ …（１１）
上記（９）式から（１１）式において、Ｔｘ^［１］＝（ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３）^Ｔ、Ｔｘ^［２］＝（ｔ_４，ｔ_５，ｔ_６）^Ｔ、Ｔｘ^［３］＝（ｔ_７，ｔ_８，ｔ_９）^Ｔ、Ｒｘ^［１］＝（ｒ_１，ｒ_２，ｒ_３）^Ｔ、Ｒｘ^［２］＝（ｒ_４，ｒ_５，ｒ_６）^Ｔ、Ｒｘ^［３］＝（ｒ_７，ｒ_８，ｒ_９）^Ｔとした。この様に、全体伝達関数行列Ｈ^{［ａｌｌ］}を、部分行列Ｈ^［１］、Ｈ^［２］、Ｈ^［３］ に分解することにより、無線基地局と３つの無線端末局とにおける各々の通信を、３つのシングルユーザMIMO通信とみなすことができるようになる。

次に、送信ウエイトベクトルｗ_１〜ｗ_９の決定方法の例を以下に説明する。手順としては、無線端末局＃１（１０２）に対する送信ウエイトベクトルｗ_１〜ｗ_３を決定し、順次、無線端末局＃２（１０３）に対する送信ウエイトベクトルｗ_４〜ｗ_６、無線端末局＃３（１０４）に対する送信ウエイトベクトルｗ_７〜ｗ_９を決定する。
そして、まず、第１ステップとして、無線端末局＃２及び＃３に対応する６つの行ベクトルｈ_４〜ｈ_９が張る６次元部分空間における６つの基底ベクトルｅ_４〜ｅ_９を求める。この基底ベクトルを求める方法としては、グラムシュミットの直交化法の他、様々な方法があるが、ここでは例としてグラムシュミットの直交化法を例に説明する。

まず、ひとつのベクトル、例えば行ベクトルｈ_４に着目し、この方向で絶対値が１のベクトルを基底ベクトルｅ_４とする。この基底ベクトルｅ_４を下記の（１２）式で表す。
ｅ_４＝（ｈ_４・ｈ_４ ^Ｈ ）^−１／２・ ｈ_４ …（１２）
上記（１２）式において、（ｈ_４・ｈ_４ ^Ｈ）は同一ベクトルの絶対値の２乗を意味するスカラー量であり、この平方根の逆数の乗算は、行ベクトルｈ_４を規格化することを意味する。
次に、行ベクトルｈ_５に着目し、この行ベクトルｈ_５の中から、上記（１２）式により求めた基底ベクトルｅ_４方向の成分をキャンセルした行ベクトルｈ_５’を、下記の（１３）式により求めた後、さらに、この行ベクトルｈ_５’を、（１４）式により規格化する。
ｈ_５’＝ｈ_５−（ｈ_５・ｅ_４ ^Ｈ ）・ｅ_４ …（１３）
ｅ_５＝（ｈ_５’・ｈ_５’^Ｈ ）^−１／２・ｈ_５’ …（１４）
上記（１３）式において、（ｈ_５・ｅ_４ ^Ｈ ）はベクトルｈ_５の基底ベクトルｅ_４方向への射影を意味する。

同様の基底ベクトルの算出処理を、各ベクトルに対して、以下の（１５）式及び（１６）式を用いて行う。
ｈ_ｊ’＝ｈ_ｊ−Σ_（ｉ）（ｈ_ｊ・ｅ_ｉ ^Ｈ ）・ｅ_ｉ …（１５）
ｅ_ｊ＝（ｈ_ｊ’・ｈ_ｊ’^Ｈ ）^−１／２ ・ｈ_ｊ’ …（１６）
上記（１５）式におけるΣ_(i)は、４≦ｉ≦ｊ−１（ｊは４〜９の整数）の整数ｉに対する総和を意味する。つまり、既に確定した基底ベクトル方向の成分をキャンセルすることを意味している。上述した基底ベクトルの算出処理により、６つの基底ベクトルｅ_４〜ｅ_９を求めることができる。

次に、第２ステップとして、端末局＃１（１０２）に対する送信ウエイトベクトルｗ_１〜ｗ_３を求める。
まず、行ベクトルｈ_１〜ｈ_３から、基底ベクトルｅ_４〜ｅ_９が張る６次元部分空間の成分をキャンセルする。具体的には以下の（１７）式により表せる。
ｈ_ｊ’＝ｈ_ｊ−Σ_（ｉ）（ｈ_ｊ・ｅ_ｉ ^Ｈ）・ｅ_ｉ …（１７）
上記（１７）式において、ｊは１〜３の整数であり、Σ_(i)は、４≦ｉ≦９の整数ｉに対する総和を意味する。
この（１７）式を用いて求めた行ベクトルｈ_１’〜ｈ_３’に対し、適当な直交化処理を行う。簡単のためにここではグラムシュミットの直交化を例として用いるが、その他の方法を用いても良い。

グラムシュミットの直交化法は、既に（１２）〜（１６）式において説明しているので詳細な説明は省略するが、３次元空間の３つの基底ベクトルｅ_１〜ｅ_３各々を、下記の（１８）式から（２２）式により求めることができる。
ｅ_１＝（ｈ_１’・ｈ_１’^Ｈ）^−１／２ ・ｈ_１’ …（１８）
ｈ_２”＝ｈ_２’−（ｈ_２’・ｅ_１ ^Ｈ）・ｅ_１ …（１９）
ｅ_２＝（ｈ_２”・ｈ_２”^Ｈ）^−１／２ ・ｈ_２” …（２０）
ｈ_３”＝ｈ_３’−（ｈ_３’・ｅ_１ ^Ｈ）・ｅ_１−（ｈ_３’・ｅ_２ ^Ｈ）・ｅ_２ …（２１）
ｅ_３＝（ｈ_３”・ｈ_３”^Ｈ）^−１／２ ・ｈ_３” …（２２）

さらに、上記基底ベクトルｅ_１〜ｅ_３各々に対応する複素共役ベクトルの転置ベクトル、すなわちエルミート共役なベクトルを求めることにより、各基底ベクトルに対応するベクトルｗ_１＝ｅ_３ ^Ｈ、ｗ_２＝ｅ_２ ^Ｈ、ｗ_３＝ｅ_３ ^Ｈ として送信ウエイトベクトル（列ベクトル）が求まる。
上記（１２）式から（２２）式までの処理により、無線端末局＃１（１０２）に対する送信ウエイトベクトルｗ_１〜ｗ_３を決定することができる。

次に、第３ステップとして、第２のステップと同様の送信ウェイトベクトルの算出処理を、無線端末局＃２（１０３）および無線端末局＃３（１０４）に対しても施し、その結果として全ての送信ウエイトベクトルｗ_１〜ｗ_９が求まる。
上述した第１ステップから第３のステップが従来方式における送信ウエイト行列の求める処理方法である。ここで、図６に、従来技術における送信ウエイト行列Ｗの算出のフローチャートを示す。以下に、図６のフローチャートを簡単に説明する。

まず、送信ウエイト行列の算出にあたり、全無線端末への伝達関数行列Ｈを取得する（Ｓ１０２）。宛先とする無線端末局に通し番号を付与し、その通し番号をｋと表記した場合、まず通し番号ｋを初期化する（Ｓ１０３）。さらに、通し番号ｋをカウントアップし（Ｓ１０４）、着目しているｋ＝１に対応した端末局＃１（１０２）に対する部分伝達関数（ここでは便宜上、Ｈ^ｍａｉｎと表記）の抽出（Ｓ１０５）と、それ以外の宛先の無線端末局の部分伝達関数行列（ここでは便宜上、Ｈ^ｓｕｂと表記）とを抽出（Ｓ１０６）する。

さらに、Ｈ^ｓｕｂの各行ベクトルが張る部分空間の直交基底ベクトルを算出し、この基底ベクトルを｛ｅ_ｊ｝とおく（Ｓ１０７）。次に、上記（１７）式に相当する処理として、着目している無線端末局＃１（１０２）に対する部分伝達関数Ｈ^ｍａｉｎの各行ベクトルから、上記ステップＳ１０７で求めた基底ベクトル｛ｅ_ｊ｝に関する成分をキャンセルし、これを行列Ｈ^ｍａｉｎ’とする（Ｓ１０８）。さらに、（１８）〜（２２）式に対応する処理として、上記行列Ｈ^ｍａｉｎ’の行ベクトルが張る部分空間の直交基底ベクトルを算出し、これを｛ｅ_ｉ｝とおく（Ｓ１０９）。

次に、直交基底ベクトル｛ｅ_ｉ｝の各ベクトルのエルミート共役ベクトル（列ベクトル）として、無線端末局＃１（１０２）宛の信号に関する送信ウエイトベクトル｛ｗ_ｉ｝を決定する。ここで、全ての宛先の端末局の送信ウエイトベクトルを決定済みか否かを判断し（Ｓ１１１）、残りの無線端末局があれば、ステップＳ１０４からステップＳ１１０の処理を繰り返す。また、上記ステップＳ１１１において、もし全ての宛先の無線端末局の送信ウエイトベクトルを決定済みであれば、送信ウエイトベクトル｛ｗ_ｉ｝を各列ベクトルとする行列として送信ウエイト行列Ｗを決定し（Ｓ１１２）、処理を完了する（Ｓ１１３）。

なお、ステップＳ１０１〜ステップＳ１１３における説明は全てシングルキャリアのシステムを仮定し、送信ウエイト行列をひとつだけ求めれば良かった。
現在、MIMO技術は無線LAN等で注目を集めているが、IEEE802.11a、IEEE802.11g等の標準規格の無線LANにおいては、マルチキャリアを用いたOFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）変調方式を採用している。このOFDM変調方式を用いるマルチユーザMIMOシステムの場合には、以上の処理を全てのサブキャリアにおいて個別に実施する必要がある。

以上、説明を行った各種処理を実現するための従来技術における送信局側の構成例（シングルキャリアの場合）を図７に示す。
この図７において、１１１ａはデータ分割回路、１１２ａ−１〜１１２ａ−Ｌはプリアンブル付与回路、、１１３ａ−１〜１１３ａ−Ｌは変調回路、１１４ａは送信信号変換回路、１１５ａ−１〜１１５ａ−Ｍ_Ｔは無線部、１１６ａ−１〜１１６ａ−Ｍ_Ｔは送受信アンテナ、１１７ａは伝達関数行列取得回路、１１８ａは送信ウエイト算出回路、１１９ａは空間多重条件判断回路を表す。

なお、ここでは空間多重する信号系列の総数をＬ（Ｌ＞２、Ｌは整数）とし、無線部（１１５ａ−１〜１１５ａ−Ｍ_Ｔ）及び送受信アンテナ（１１６ａ−１〜１１６ａ−Ｍ_Ｔ）の系統数をＭ_Ｔとした。さらに、装置として備える変調回路の数と、条件により適応的に決定される空間多重する信号系統数は常に一致するとは限らないが、簡単のために、本説明においては両者共に数がＬであるとする。
また、送信局側の構成としたが、一般には無線基地局及び無線端末局は送信機能および受信機能の双方を備えており、ここで示した図８はその中の送信に関する機能のみを抜粋したものとなっている。
したがって、受信のための機能はここには明記していない。また、ここではダウンリンクでのマルチユーザMIMOを想定し、送信局側とは無線基地局を暗に想定しているが、必ずしも無線基地局である必要はない。

図７における無線部１１５ａ−１〜１１５ａ−Ｍ_Ｔ及び送受信アンテナ１１６ａ−１〜１１６ａ−Ｍ_Ｔにおいては、逐次信号の受信を個別に行う。例えば、送受信アンテナ１１６ａ−１にて受信された信号は、無線部１１５ａ−１にて周波数変換を施され、所定の処理の後、伝達関数行列取得回路１１７ａにおいて各受信局の伝達関数情報を収集する。ここで、伝達関数情報の収集方法については、受信局側から伝達関数情報を制御チャネルを用いてフィードバックする方法、伝搬チャネル推定用のプリアンブル信号を送受双方向で適宜交換する方法など、様々な方法が選択可能であり、如何なる方法を用いても構わない。

この様にして取得した各受信局毎の伝達関数行列の情報は、伝達関数行列取得回路１１７ａ内において記録・管理しておく。空間多重条件判断回路１１９ａは、信号を送信する際にどの受信局を同時に空間多重するか、及びその多重度をどの様に設定するかを管理する。ここで、空間多重する受信局と多重度が規定されると、送信ウエイト算出回路１１８ａにおいては、先に示した条件に対応する送信ウエイト列ベクトル（ｗ_１，ｗ_２，ｗ_３，…，ｗ_Ｌ−１，ｗ_Ｌ）を算出する。また、送信ウエイト算出回路１１８ａは、これらの情報を送信信号変換回路１１４ａに入力する。

一方、データ分割回路１１１ａは、送信すべきデータが入力されると、空間多重条件判断回路１１９ａが判断した空間多重する受信局と多重度（全受信局でＬ多重とする）との条件に合わせて、データをＬ系統に分割する。
上記Ｌ系統に分割されたそれぞれの信号は、プリアンブル付与回路１１２ａ−１〜１１２ａ−Ｌに入力され、所定のチャネル推定用プリアンブルが付与され、変調回路１１３ａ−１〜１１３ａ−Ｌに入力される。
変調回路１１３ａ−１〜１１３ａ−Ｌにおいては、所定の変調処理が行われ、この変調処理された出力信号が送信信号変換回路１１４ａに入力される。

この送信信号変換回路１１４ａは、送信ウエイト算出回路１１８ａが算出したベクトル群をもとに、変調回路１１３ａ−１〜１１３ａ−Ｌからの出力信号を成分とする送信信号ベクトルに対し、変換行列Ｗ＝（ｗ_１，ｗ_２，ｗ_３，…，ｗ_Ｌ−１，ｗ_Ｌ）を乗算する。この乗算により変換されたＭ_Ｔ系統の信号は、無線部１１５ａ−１〜１１５ａ−Ｍ_Ｔにて周波数変換され、各々対応する送受信アンテナ１１６ａ−１〜１１６ａ−Ｍ_Ｔを介して送信される。
以上がシングルキャリアの無線システムの例である。OFDM変調方式を用いるマルチユーザMIMOシステムの場合には、図８に示すように、サブキャリア毎に同様の処理を行うことになる。

この図８に示すMIMOシステムと、図７に示す送信局側の構成例との差分として、各信号系列はデータ分割回路１１１ｂにてサブキャリア毎に分割され、各サブキャリアで同様の処理が行われる。また、各サブキャリアにおいて、プリアンブル付与回路１１２ａ−１〜１１２ａ−Ｌ、変調回路１１３ａ−１〜１１３ａ−Ｌ、送信信号変換回路１１４ａに相当する処理を並列的に実施する。その後、逆フーリエ変換処理をＩＦＦＴ回路１２０ａ−１〜１２０ａ−Ｍ_Ｔにおいて実施し、無線部１１５ｂ−１〜１１５ｂ−Ｍ_Ｔ、送受信アンテナ１１６ｂ−１〜１１６ｂ−Ｍ_Ｔを介して送信される。

次に、図９に、従来技術における受信局の構成例を示す。この図９においては無線端末局が受信局となるダウンリンクを想定し説明を行う。この場合、マルチユーザMIMOシステムの場合においても、送信局側での送信指向性制御により、他の受信局宛の信号が干渉とならないように制御しているため、受信局は通常のシングルユーザMIMOと同様に受信処理を行えばよい。ここではひとつの例として、３つのアンテナを備える場合を例にとり説明する。

図９において、１２１−１〜１２１−３は受信アンテナ、１２２−１〜１２２−３は無線部、１２３はチャネル推定回路、１２４は受信信号管理回路、１２５は伝達関数行列管理回路、１２６は行列演算回路＃１、１２７は行列演算回路＃２、１２８は硬判定回路、１２９はデータ合成回路、１３０はＭＩＭＯ受信処理を示す。
まず、第１の受信アンテナ１２１−１から第３の受信アンテナ１２１−３は、それぞれ個別に受信信号を受信する。無線部１２２−１〜１２２−３を経由して、受信した信号はチャネル推定回路１２３に入力される。チャネル推定回路１２３は、送信側で付与された所定のプリアンブル信号の受信状況から、第ｉ送信アンテナと第ｊ受信アンテナとの間の伝達関数を取得する。

この様にして取得された伝達関数行列は、伝達関数行列管理回路１２５にて伝達関数行列Ｈとして管理される。行列演算回路＃１（１２６）では、伝達関数行列管理回路１２５で管理された伝達関数行列Ｈをもとに、Ｈ^Ｈ、Ｈ^Ｈ・Ｈ、（Ｈ^Ｈ・Ｈ）^−１、（Ｈ^Ｈ・Ｈ）^−１ Ｈ^Ｈを順次、演算により求める。
一方、プリアンブル信号に後続するデータ信号は、１シンボル分づつ受信信号管理回路１２４に入力される。受信信号管理回路１２４においては、各アンテナの受信信号（ｒ_１， ｒ_２， ｒ_３）を成分とした受信信号ベクトルＲｘが一旦管理される。この受信信号ベクトルＲｘは、行列演算回路＃２（１２７）において、行列演算回路＃１（１２６）にて求められた（Ｈ^Ｈ・Ｈ）^−１・Ｈ^Ｈと乗算される。この乗算結果により得られた信号は、送信信号ベクトルＴｘにノイズが乗った信号であるため、硬判定回路１２８にて信号判定がされ、各シンボル毎および各系統の信号はデータ合成回路１２９で合成され、もとのユーザデータが再生され出力される。

なお、上述した説明においては簡単のため、行列演算回路＃１（１２６）および行列演算回路＃２（１２７）における処理は、ZF（Zero Forcing）法と呼ばれる簡単なMIMO信号検出法を仮定して説明したが、MMSE（Minimum Mean Square Error）法や、MLD（Maximum Likelihood Detection）法などを用いても構わない。また、ZF法の説明として正方行列以外の伝達関数行列Ｈを想定し、擬似逆行列（Ｈ^Ｈ・Ｈ）^−１・Ｈ^Ｈを用いる場合について説明したが、伝達関数行列Ｈが正方行列であれば簡易に伝達関数行列Ｈの逆行列を用いても構わない。

さらに、硬判定回路１２８においては硬判定を行うことを仮定していたが、誤り訂正を組み合わせ、軟判定を用いることも可能である。
上述した各場合には、図９において点線で囲ったＭＩＭＯ受信処理部１３０の構成の詳細が変更になるのであるが、以降の説明においてはその具体例に依存しないので、ここではその詳細は省略する。また、以上はシングルキャリアを前提とした説明であったが、OFDM変調方式を用いる場合には、サブキャリア毎に同様の処理を行うことになる。

次に、図９の従来例の受信部の受信処理の動作を説明する。図１０は、従来の受信部の受信処理の動作を示すフローチャートである。
従来技術においては、仮にマルチユーザMIMO通信の場合であっても、基本的に送信側が送信指向性制御を行い干渉除去を行っていることを前提とし、受信側では特にマルチユーザMIMO通信を意識した処理は行わない。つまり、通常のシングルユーザMIMO通信と同様のの受信処理が行われる。

受信局において、無線部（１２１−１〜１２１−３）が信号を受信すると（Ｓ２０１）、チャンネル推定回路１２３は自局宛の全信号系列のチャネル推定を行い、これを伝達関数行列Ｈ^［ｉ］とし、伝達関数行列Ｈ管理回路１２５へ記憶させる（Ｓ２０２）。
次に、ＭＩＭＯ受信処理部１３０は、受信受信信号管理回路１２４を介して、この伝達関数行列をもとに、後続するデータ信号を受信し、信号検出処理を行う（Ｓ２０３）。
そして、ＭＩＭＯ受信処理部１３０は、後続するシンボルにデータが存在することを検出した場合（Ｓ２０４）、処理Ｓ２０３に戻り受信処理を継続する。
一方、ＭＩＭＯ受信処理部１３０は、全シンボルの信号検出が完了したことを検出した場合処理を終了し（Ｓ２０４）、データ合成回路１２９はこれまでの信号検出済みの信号からデータ合成・再生を行、再生したデータの出力を行う（Ｓ２０５）。

以上説明した様に、従来技術によりマルチユーザMIMO通信が実現可能であるが、マルチユーザMIMOにおいては、同時に通信を行う端末局の選び方によって、伝達関数等の特性が異なる。例えば、ひとつの基地局から見た際、ほぼ同方向に存在する無線端末局に対して、同時に空間多重を行う場合を考える。この場合、無線通信局から発信される電波に対して、無線端末局間のアンテナ相関が非常に強くなる危険性がある。
この際、マルチユーザMIMO通信においては、上記（７）式に示した送信指向性制御を行うことにより、無線端末局間の干渉を低減することになる。しかしながら、この干渉の低減処理は、言わば他の無線通信局宛の送信ビーム方向に対して、アンテナ利得を極端に下げるヌル形成を行うことを意味する。

ところが、有限の数の送信アンテナで形成される送信ビームには所定のビーム幅が存在し、一方向に対してヌル点を向けた場合、その一方向の近傍においてもアンテナ利得が下がってしまう欠点がある。
この結果、送信先である無線基地局に対する希望信号を、効率的な電力により送信することができず、目的の送信先である無線基地局に対する通信の品質をも低下させてしまうことになる。このアンテナ干渉の低減処理における結果は、マルチユーザMIMO通信の利点を活かす利用方法とはいえず、更なる効率化が求められている。

このための解決手法としては、特許文献２の「複数送受信アンテナを用いる移動通信システムにおけるスケジューリングマルチユーザのための方法と装置」などに記載されているように、複数の無線端末局に対する送信ウエイトベクトルを事前に生成しておき、多数の送信待ちの宛先無線端末局の中から、それぞれの送信ウエイトベクトルの内積が小さくなるような組み合わせを選択し、その送信ウエイトベクトルに対応した無線端末局を選択して通信を行うという方法がある。
なお、ここでの無線端末局の選択処理は、従来技術においては、図７または図９の空間多重条件判断回路（１１９ａまたは１１９ｂ）にて実施される処理に対応する。
ＷＯ２００５／０５５４８４Ａ１ ＵＳ２００５／００３２５２１Ａ１

ここで、上述した従来の無線通信方法において、送信データが送信バッファ内に存在し、送信待ちの宛先である無線端末局がＮ局あったとする。
そのとき、例えば、無線端末局のＮ個の中の４局を選択して割り当てを行う場合、組み合わせの数としては_ＮＣ_４となる。仮に、Ｎ＝８であったとしても、_８Ｃ_４＝７０となり、選択した４局に対して、７０通りの組み合わせを確認する必要がある。
このとき、それぞれの無線端末局が２系統の空間多重を行うとすれば、送信ウエイトベクトルの内積演算は、各組み合わせで２４回ずつ行う必要がある。しかも、ここで求められる送信ウエイトベクトルが９次元の複素ベクトルであるため、この複素ベクトルに対する複素乗算の数は、９×２４×７０＝１５１２０回が必要となる。

これではあまりにも演算量が多く、送信処理が煩雑となるため、簡単に相関が小さな組み合わせを簡易な処理で検索できる必要があった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、マルチユーザＭＩＭＯ通信を行う際の送信指向性制御において、各無線端末局に関する部分伝達関数行列から行う干渉成分除去処理における内積演算を無線端末局の組合せ毎に行うことなく、簡易にマルチユーザＭＩＭＯに適した組合せの無線端末局を選択することが可能な無線通信方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するために、本発明の無線通信方法は、一つの第１の無線局と複数の第２の無線局により構成され、該第１の無線局は複数本のアンテナで構成される第１のアンテナ群を備え、該第２の無線局は複数本のアンテナで構成される第２のアンテナ群を備え、前記第１の無線局の前記第１のアンテナ群および前記第２の無線局の全てないしはその一部の備える前記第２のアンテナ群により構成されるMIMO（Multiple Input Multiple Output）チャネルを介して複数の信号系統を同一周波数チャネルおよび同一時刻に空間多重してMIMO通信することが可能な無線通信システムにおける無線通信方法であって、前記第１の無線局の送信処理は、前記第１の無線局の前記第１のアンテナ群と前記複数の第２の無線局の各第２のアンテナ群との間のMIMOチャネルの各伝達関数情報を取得する伝達関数行列取得ステップと、前記第１の無線局の前記第１のアンテナ群と複数の中の一つの前記第２の無線局の前記第２のアンテナ群との間の伝達関数情報により構成される伝達関数行列または該行列と該行列のエルミート共役である行列との積のいずれかの行列の固有ベクトル及び固有値を求める固有値算出ステップと、求められた該固有ベクトルの中の全てまたは一部のベクトルに対し、第１のアンテナ群の中から該ベクトルの各成分の絶対値または絶対値の近似値の中で最大の値の成分を与えるアンテナをメインビームとして選択するメインビーム選択ステップと、前記第２の無線局毎に、該第２の無線局の固有値の絶対値の大きい方から所定の数だけ各固有ベクトルのメインビームに関する情報を記憶するメインビーム情報記憶ステップと、複数の前記第２の無線局に対して空間多重を行いながら信号を送信する際には、送信すべきデータの存在する宛先の前記第２の無線局をリストアップする宛先リストアップステップと、リストアップされた第２の無線局に対して順番に、空間多重を行う行う数だけ固有値の大きい方から順番に固有ベクトルのメインビーム情報を読み出すメインビーム情報読出ステップと、読み出されたメインビームが既に割り当て済みか否かを判断するメインビーム割当判断ステップと、該判断で割り当て済みでない場合には当該固有ベクトルに対応した信号系統の信号送信の実施可を判断し、一方、該判断で割り当て済みの場合には当該固有ベクト
ルに対応した信号系統の信号送信の実施不可と判断する送信不可判断ステップと、該判断で当該固有ベクトルに対応した信号系統の信号送信の実施可が判断された場合には該メインビーム及びまたは該メインビームに隣接するメインビームを割り当て済みとして記録するメインビーム割当記録ステップと、割り当て可能なメインビームが残っている場合には次の固有ベクトルないしは次の第２の無線局への割り当てを行うため、宛先リストアップステップに処理を戻す再処理ステップとを実施することを特徴とする。

本発明の無線通信方法は、一つの第１の無線局と複数の第２の無線局とにより構成され、該第1の無線局は複数本のアンテナで構成される第１のアンテナ群を備え、該第２の無線局は複数本のアンテナで構成される第２のアンテナ群を備え、前記第１の無線局の前記第1のアンテナ群および前記第2の無線局の全てないしはその一部の備える前記第２のアンテナ群により構成されるMIMO（Multiple Input Multiple Output）チャネルを介して複数の信号系統を同一周波数チャネルおよび同一時刻に空間多重してMIMO通信することが可能な無線通信システムにおける無線通信方法であって、前記第１の無線局の送信処理は、前記第１の無線局の前記第１のアンテナ群と前記複数の第２の無線局の各第２のアンテナ群との間のMIMOチャネルの各伝達関数情報を取得する伝達関数情報取得ステップと、前記第１の無線局の前記第１のアンテナ群と複数の中のひとつの前記第２の無線局の前記第２のアンテナ群との間の伝達関数情報により構成される伝達関数行列または該行列と該行列のエルミート共役である行列との積のいずれかの行列の固有ベクトル及び固有値を求める固有値算出ステップと、求められた該固有ベクトルの中の全てまたは一部のベクトルに対し、第１のアンテナ群の中から該ベクトルの各成分の絶対値または絶対値の近似値の中で最大の値の成分を与えるアンテナをメインビームとして選択するメインビーム選択ステップと、前記第２の無線局毎に、該第２の無線局の固有値の絶対値の大きい方から所定の数だけ各固有ベクトルのメインビームに関する情報及び固有ベクトルの各成分を記憶するメインビーム情報記憶ステップと、複数の前記第２の無線局に対して空間多重を行いながら信号を送信する際には、送信すべきデータの存在する宛先の前記第２の無線局をリストアップする宛先リストアップステップと、リストアップされた第２の無線局に対して順番に、空間多重を行う行う数だけ固有値の大きい方から順番に固有ベクトルのメインビーム情報を読み出すメインビーム情報読出ステップと、読み出されたメインビームが既に割り当て済みか否かを判断する第１の割り当て判断ステップと、割り当て済みの固有ベクトルのうちのメインビームに対応するアンテナ以外の各成分の絶対値ないしは絶対値の近似値の累積値が所定の閾値を超えているか否かを
判断する第２の割り当て判断ステップと、本固有ベクトルの割り当てが行われた場合、新たな割り当てにより既に割り当て済みのメインビームに対応するアンテナに関する前記累積値が新たに所定の閾値を超えることになるか否かを判断する第３の割り当て判断ステップと、前記第１の割り当て判断ステップで割り当て済みではないと判断され、かつ前記第２の割り当て判断ステップで前記累積値が所定の閾値を超えていないと判断され、かつ前記第３の割り当て判断ステップで前記累積値が新たに所定の閾値を超えることはないと判断された場合にのみ当該固有ベクトルに対応した信号系統の信号送信の実施可を判断し、一方、その他の場合には当該固有ベクトルに対応した信号系統の信号送信の実施不可と判断する送信不可判断ステップと、該判断で当該固有ベクトルに対応した信号系統の信号送信の実施可が判断された場合、該メインビームを割り当て済みとして記録するメインビーム割当記録ステップと、該固有ベクトルのうちのメインビームに対応するアンテナ以外の各成分の絶対値ないしは絶対値の近似値を逐次加算し累積値を記憶する累積値記憶ステップと、割り当て可能なメインビームが残っている場合には次の固有ベクトルないしは次の第２の無線局への割り当てを行うため、宛先リストアップステップに処理を戻す再処理ステップとを実施することを特徴とする。

本発明の無線通信方法は、上記記載の無線通信方法であって、前記第１の無線局における前記第１のアンテナ群を構成するアンテナがそれぞれ別々の指向性をもつ指向性アンテナであることを特徴とする。
本発明の無線通信方法は、上記記載の無線通信方法であって、前記第１の無線局における前記第１のアンテナ群が、複数のアンテナ素子の結合として指向性が形成された複数の仮想アンテナによって構成されることを特徴とする。

すなわち、本発明によれば、多数の無線端末の中から効果的に空間多重できる端末の組合せを容易に探すため、複数の指向性ビームアンテナを形成し、各アンテナの通信ウエイトによりメインビームを選び、メインビームが重複しないような端末の組合せを選択することにより、内積演算を無線端末局の組合せ毎に大量に行うことなく、簡単にマルチユーザＭＩＭＯ通信を行うに有効な組合せとなる無線端末局を選択することが可能となる。
これにより、本発明は、マルチユーザＭＩＭＯ通信における送信指向性制御の効率が向上し、伝送する電力の損失を抑制することができ、品質を低下させずに送信指向性制御を行うことができる。

以上説明したように、本発明によれば、マルチユーザMIMO通信を行う際、無線基地局から各無線端末局への送信指向性制御において、内積演算を無線端末局の組合せ毎に大量に行うことなく、かつ各端末局に関する部分伝達関数行列から行う干渉成分除去処理を、必要最低限の干渉除去に範囲を限定的に行うことにより、部分伝達関数行列の各行ベクトルが縮小するのを防ぎ、伝送する電力の空間上での損失を抑制することができ、その結果として効率的に伝送を行うことが可能となる。

本発明の無線通信システムにおける無線通信方法を説明する前に、本発明における無線基地局におけるデータの送受信処理の動作原理を説明する。
まず、複数の指向性アンテナを用いて、例えば、図５に示した無線基地局１０１の９本のアンテナ（第１のアンテナ群）が、図１に示すように全方位を９分割したビームを形成し、サービスエリアを分割的にカバーしている場合を例として考える。
ここでの指向性ビームは、物理的にセクタアンテナを用いて形成しても良いし、複数のアンテナアレー素子により構成されるものであっても構わない。以降の説明では、一例として複数のアレー素子をアナログ的に結合し、指向性ビームを形成した仮想アンテナが存在するものとして説明を行う。

図１は本発明実施形態における指向性アンテナによる指向性ビーム形成例を示す。図において、Ｂ１〜Ｂ９は各仮想アンテナの指向性ビームを表す。図１の中心にアンテナが存在し、３６０度の全方位を９等分する形で指向性ビームＢ１〜Ｂ９を形成している。
マルチユーザMIMO通信を行う際に、デジタル的に行う送受信指向性制御においては、この仮想アンテナを実際のアンテナとみなし、これらを線形結合して、更なる指向性ビーム形成を行う。

ここで、ある無線端末局（無線端末局１０２〜１０４のいずれか）とのシングルユーザMIMO通信を行う場合を考える。
このとき、無線基地局の送信部においては、送受信先の無線端末局のアンテナと、上記仮想アンテナとの間の伝達関数行列Ｈを取得する。この伝達関数行列Ｈの取得方法は、如何なるフィードバック手法を用いても構わない。最終的にはマルチユーザMIMO通信を行うことが目的であるが、ここでは簡単化のためまずシングルユーザMIMO通信とみなして考える。例えば、図５に示すように各無線端末局が３本のアンテナを備えているとすると、伝達関数行列Ｈは３行９列の行列となる。

これに対し、固有モードSDMを行う場合には、上記（２）式に示した様に伝達関数行列Ｈに対する対角化のため、伝達関数行列Ｈに乗ずるユニタリー行列を求める。
ここで、実際には、行列Ｈ^Ｈ・Ｈはランクが「３」であり、非ゼロの固有値は３個しか存在しない。つまり有意な固有ベクトルは３つあり、これらが送信ウエイトベクトルとなる。これらの送信ウエイトベクトルは９つの成分からなるベクトルであり、その絶対値の値が各仮想アンテナの利用の重みを意味する。したがって、その重みが大きい仮想アンテナが、実際の送信において主として用いられるアンテナを意味し、ここではこれをメインビームと呼ぶことにする。このメインビームは固有ベクトル毎に規定される。

次に、マルチユーザMIMO通信において、一つの無線端末局に対して空間多重可能な最大信号系統数は、無線端末局の受信アンテナ数であり、図５の例においては、各無線端末局毎に３系統まで空間多重可能である。
しかし、一例として、一つの無線端末局が２系統（後述する第１及び第２固有ビーム）までの信号系列を空間多重することができるという条件を仮定し説明を行う。
この条件の場合には、３つの送信ウエイトベクトルのうち、固有値の大きい方から二つの固有ベクトルの指向性を主として利用することを意味する。ただし、上述した固有ベクトルは、シングルユーザMIMOの場合に有効な送信ウエイトベクトルであり、マルチユーザＭＩＭＯ通信において、実際にはこれとは別の送信ウエイトベクトルを用いることとなる。あくまでも、この固有ベクトルは空間多重する信号系列毎のメインビームを選択するために用いるものである。

上述の様にして求めたメインビームの定性的な性質を考える。ある無線端末局へのある信号系列に対するメインビームと、他の無線端末局へのある信号系列に対するメインビームとが共通となるとき、それらの信号系列を同時に空間多重した場合、送信ウエイトベクトルの相関が強い可能性が高く、信号の分離が効率的に行えない危険性が高くなる。
逆に言えば、上述した様にメインビームが重ならない状態に、無線端末局および信号系列を選択して空間多重することにより、無線端末局において受信時の信号分離が効果的に行える可能性が高くなる。
そこで、空間多重を行う相手として無線端末局を選択する際、このメインビームが重ならないようなルールの下で無線端末局、ないしは信号系列を選択すればよい。その後、割り当てられた信号系列に対し、送信ウエイト行列を算出する。

以降、具体例を用い、上述した指向性ビームの生成について説明する。無線基地局１０１における９つの仮想アンテナ（指向性ビーム）に対し、無線端末局の第１、第２固有ビームの方向を各仮想アンテナに対応させ、第１端末局の第１固有ビーム、第２固有ビームから順番に各無線端末局間で重複のないように、空間多重を行う無線端末局を選択する。
例えば、端末局＃１が仮想アンテナＢ１およびＢ４を選択、端末局＃２が仮想アンテナＢ３及びＢ７を選択したとする。
続けて、端末局＃３の第１固有ビームは仮想アンテナＢ１であった場合、端末局＃３の割り当てはメインビームが端末局＃１の第１固有ベクトルのメインビーム（第１固有ビーム）と重なるため、で割り当ては行わず、次の端末局の割り当てを行う。

次に、端末局＃４の第１固有ビームが仮想アンテナＢ６、第２固有ビームが仮想アンテナＢ１であったとすると、第１固有ビームは未占有の仮想アンテナＢ６なので、メインビームとしての割り当ては可能であるが、第２固有ビームは仮想アンテナＢ１なので割り当ては不可となる。したがって、ひとつの信号系列だけ割り当てを行うか、全ての割り当てを行わないかのいずれかとする。この様に順番に割り当てを行い、全仮想アンテナのメインビームとしての割り当てが終わったら割り当てを確定する。

なお、実際にはメインビーム以外にも信号の漏れ込みがあるため、その漏れ込み量が各仮想アンテナにどの程度洩れ込むかを累積し、
（１）非占有の仮想アンテナにおける漏れ込み量の累積値が閾値を越えたらその仮想アンテナは占有仮想アンテナとみなす、
（２）新たな信号系列の割り当てにより、既占有仮想アンテナの累積値が閾値（固定の閾値、ないしはその仮想アンテナをメインビームにするビームの電力に係数をかけたものを閾値としてもよい）を超える場合には、その新たな信号系列の割り当てを禁止する、
等の処理をおこなうことにより、信号系列間干渉を一定レベル以下に抑えることも可能である。

また、必ずしも全ての仮想アンテナに対してメインビームの割り当てを行わず、一部の仮想アンテナを残しても構わない。特に、仮想アンテナの本数が多い場合には、隣接した仮想アンテナに同時に割り当てを行わないように、隣接させないように仮想アンテナを割り当てるようにすることで、相互干渉を低減することも可能である。
また、本発明における実施形態の送信部及び受信部の構成は従来例と同様であり、メインビームを用いた割り当て判断を行う点において異なっている。

上述した動作原理に対し、以下に処理のフローチャートを具体的な実施形態例として示す。図２は、本発明の第１の実施形態におけるメインビームの選択動作を示すフローチャートである。このフローチャートの動作を図８の送信局に基づいて説明する。
まず、伝達係数行列取得回路１１７ｂは、何らかのフィードバック手法により、ある無線端末局に対する伝達関数情報を入手すると（Ｓ１）、空間多重条件判断回路１１９ｂは、特異値分解により、その伝達関数行列Ｈに対する第１固有値および第２固有値を求め、これらの固有値に対する固有ベクトルを算出する（Ｓ２）。

次に、空間多重条件判断回路１１９ｂは、各固有ベクトルの各成分の絶対値（またはその近似値）の大小比較を行い（Ｓ３）、絶対値が最大となる成分の方向に対応する仮想アンテナを固有ベクトル毎に選択することでメインビームを選択する（Ｓ４）。
そして、空間多重条件判断回路１１９ｂは、選択したメインビーム（場合によっては各固有ベクトルの成分またはその絶対値）を内部に記憶し（Ｓ６）、メインビーム選択処理を完了する（Ｓ７）。

次に図を参照して、本発明の第１の実施形態における送信先の無線端末局の選択処理について説明する。図３は、本発明の第１の実施形態における送信先の無線端末局の選択動作を示すフローチャートである。
空間多重条件判断回路１１９ｂは、データの送信の準備が起動されると（Ｓ１１）、送信バッファ内に送信すべきデータが存在する宛先である無線端末局のリストアップを行う（Ｓ１２）。
そして、空間多重条件判断回路１１９ｂは、送信データのある宛先の無線端末局として、メインビームの割り当ての順番待ちをしている次の無線端末局がある場合には（Ｓ１３）、その先頭の無線端末局を選択し（Ｓ１４）、第１の固有値に対応した信号系列のメインビームＢ_ｊを記憶されたデータテーブルから取得し（Ｓ１５）、そのメインビームＢ_ｊが割り当て可能であるか否かを、他の無線端末局のメインビーム、すなわち仮想アンテナと重ならないか否かにより判断する（Ｓ１６）。

このとき、空間多重条件判断回路１１９ｂは、メインビームＢ_ｊが割り当て不可能であることを検出すると、次の無線端末局の割り当てのため、処理をステップＳ１３へ戻し、一方、割り当てが可能であれば、処理をステップＳ１７へ進める（Ｓ１６）。
次に、空間多重条件判断回路１１９ｂは、そのメインビームＢ_ｊを上記無線端末局へ割り当てる（Ｓ１７）。
そして、空間多重条件判断回路１１９ｂは、全体の仮想アンテナ（ないしは指向性ビーム）へのメインビームの割り当てが完了したか否か（すなわち、これ以上の割り当てが不可能となる状況であるか否か）を、割当の行われていない仮想アンテナが存在する（残っている）か否かにより判断する（Ｓ１８）。

このとき、空間多重条件判断回路１１９ｂは、まだメインビームの割り当てを行える仮想アンテナが残っている場合、第２の固有値に対応した信号系列のメインビームＢ_ｊを記憶されたデータテーブルから取得し（Ｓ１９）、そのメインビームＢ_ｊが割り当て可能であるか否かを、ステップＳ１６と同様の処理により判断する（Ｓ２０）。
ここで、空間多重条件判断回路１１９ｂは、メインビームＢ_ｊの割り当てが不可能であることを検出すると、次の無線端末局の割り当てのために処理をステップＳ１３へ戻す。
一方、空間多重条件判断回路１１９ｂは、メインビームＢ_ｊの割り当てが可能であることを検出すると、そのメインビームを、無線端末局に割り当てる（Ｓ２１）。

そして、空間多重条件判断回路１１９ｂは、全体の仮想アンテナへのメインビームの割り当てが完了したか否かを、ステップＳ１８と同様の処理により判断する（Ｓ２２）。
このとき、空間多重条件判断回路１１９ｂは、まだ割り当てを行える仮想アンテナが残っていることを検出した場合、ステップＳ１３に処理を戻して割り当ての処理を続ける。
ここで、空間多重条件判断回路１１９ｂは、ステップＳ１３において、割り当て待ちの次の無線端末局がない場合、ないしはステップＳ１８およびステップＳ２２にて割り当てが完了している場合、割り当て処理を終了する（Ｓ２３）。
この後、送信ウエイト算出回路１１８ｂにて、割り当てられた信号系列に対する送信ウエイト行列を、例えば、図６に示すような手法により求める。これ以降の処理はすでに説明した従来技術と同様である。

次に、図を参照して本発明の第２の実施形態におけるメインビームの選択動作を説明する。図４は、本発明の第２の実施形態におけるメインビームの選択動作を示すフローチャートである。このフローチャートの動作を、第１の実施形態と同様に、図８の送信局に基づいて説明する。
この図４に示す第２の実施形態のフローチャートと、図３に示す第１の実施形態のフローチャートとの差分は、ステップＳ２４およびステップＳ２５において、干渉情報の加算処理が加わる点である。この干渉情報は、割り当て済みの固有ベクトルの内、メインビームに対応する仮想アンテナ以外の各成分の絶対値ないしは絶対値の近似値である。
これは、メインビームに設定された仮想アンテナ以外の仮想アンテナの成分が、メインビームに設定された仮想アンテナへ干渉の漏れこみを考慮するものである。この考慮としては、図２のステップＳ６において、空間多重条件判断回路１１９ｂが、各固有ベクトルの成分またはその絶対値を記憶した場合、その絶対値（その近似値、またはそのべき乗値でも可）を仮想アンテナ毎に累積する処理を行うことを意味している。

この場合、空間多重条件判断回路１１９ｂは、ステップＳ１６およびステップＳ２０における当該メインビームの割り当てが可能か否かを判断する際、まだメインビームとしての割り当てがなされていない仮想アンテナであっても、上記仮想アンテナ毎に累積された固有ベクトルの成分の累積値が閾値を超えている場合、その仮想アンテナの割り当てを不可とする判断がなされる。
また、空間多重条件判断回路１１９ｂは、当該信号系列のメインビームの割り当てを、割当のされていない仮想アンテナに対して行うことにより、一旦割り当てがなされた他のメインビームにおける仮想アンテナにおける累積干渉が閾値を越え、この割り当て済みの他のメインビームに悪影響を及ぼすと判断した場合、上記割当がされていない仮想アンテナに対してメインビームの割り当てを不可とすることも可能である。

さらには、図３および図４におけるフローチャートにおける共通の動作として、空間多重条件判断回路１１９ｂを、割当を行おうとする仮想アンテナに隣接する仮想アンテナに対して、すでにメインビームの割り当てが行われている場合、その割当を行おうとする仮想アンテナをメインビームとする割り当てを不可と判断するように構成することも可能である。
また、図３及び図４におけるステップＳ２０の処理において、例えば、ある無線端末局の第２固有値が所定の閾値以下である場合、充分な通信の品質が得られないとして、メインビームの割り当て状況に関係なく、仮想アンテナの割り当てを行わない（ＮＯ：割り当て不可とする）ことも可能である。

以上の実施形態を説明するための図中においては、アンテナの本数など、各種パラメータを特定の条件（例えばアンテナの本数を送信側９本としたり、第１及び第２固有値ベクトルに対応させて各無線端末局に２系統までの信号系列を空間多重するとしていた）に仮定して説明を行ったが、当然ながらその他の一般的なパラメータによって実施可能である。また、ダウンリンクにおけるマルチユーザＭＩＭＯにおける同時に空間多重する無線端末局の選択に加えて、アップリンクにおいても適用することが可能である。特に、ダウンリンクとアップリンクでは近似的にメインビームが等しいと仮定して、ダウンリンク用として求めたメインビーム情報を、そのままアップリンク用として流用して用いることも可能である。
また、従来方式の場合の拡張と同様に、全ての処理を各サブキャリア毎に実施することにより、OFDM変調方式との併用も可能である。またさらに、複数の端末局の中で、同時に空間多重を行う端末局が固定的な場合であっても、ないしは時間と共に適応的に一部のユーザを選択してマルチユーザMIMO通信を行う場合であっても、すなわち、以上述べた実施形態は全て本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様及び変更態様で実施することが出来る。従って本発明の範囲は特許請求の範囲及びその均等範囲によってのみ規定されるものである。

なお、図３及び図４における送信局側の送信部の各処理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送信処理を行ってもよい。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、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）を備えたＷＷＷシステムも含むものとする。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が送信された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（ＲＡＭ）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、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。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。

本発明における仮想アンテナ（指向性アンテナ）によりメインビーム形成例を示す概念図である。 本発明の第１の実施形態におけるメインビームの選択の動作例を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施形態における無線端末局の選択の動作例を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態における無線端末局の選択の動作例を示すフローチャートである。 マルチユーザMIMOシステムの構成例を示す概念図である。 従来技術における送信ウエイト行列Ｗの算出の動作を示すフローチャートである。 従来技術における送信局側の構成例（シングルキャリアの場合）を示すブロック図である。 従来技術における送信局側の構成例（OFDMの場合）を示すブロック図である。 従来技術における受信局の構成例を示すブロック図である。 従来技術における送信局側における信号受信の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１０１…基地局
１０２，１０３，１０４…無線端末局＃１〜＃３
１１１ａ，１１１ｂ…データ分割回路
１１２ａ−１，１１２ａ−２，１１２ａ−Ｌ…プリアンブル付与回路
１１２ｂ−１，１１２ｂ−２，１１２ｂ−Ｌ…プリアンブル付与回路
１１３ａ−１，１１３ａ−２，１１３ａ−Ｌ…変調回路
１１３ｂ−１，１１３ｂ−２，１１３ｂ−Ｌ…変調回路
１１４ａ，１１４ｂ…送信信号変換回路
１１５ａ−１，１１５ａ−２，１１５ａ−Ｍ_Ｔ…無線部
１１５ｂ−１，１１５ｂ−２，１１５ｂ−Ｍ_Ｔ…無線部
１１６ａ−１，１１６ａ−２，１１６ａ−Ｍ_Ｔ…送受信アンテナ
１１６ｂ−１，１１６ｂ−２，１１６ｂ−Ｍ_Ｔ…送受信アンテナ
１１７ａ，１１７ｂ…伝達関数行列取得回路
１１８ａ，１１８ｂ…送信ウエイト算出回路
１１９ａ，１１９ｂ…空間多重条件判断回路
１２０ａ−１，１２０ａ−２，１２０ａ−Ｌ…ＩＦＦＴ（逆フーリエ変換）回路
１２０ｂ−１，１２０ｂ−２，１２０ｂ−Ｌ…ＩＦＦＴ（逆フーリエ変換）回路
１２１−１，１２１−２，１２１−３…受信アンテナ
１２２−１，１２１−２，１２２−３…無線部
１２３…チャネル推定回路 １２４…受信信号管理回路
１２５…伝達関数行列管理回路 １２６…行列演算回路＃１
１２７…行列演算回路＃２ １２８…硬判定回路
１２９…データ合成回路 １３０…ＭＩＭＯ受信処理部

Claims (4)

1. 一つの第１の無線局と複数の第２の無線局により構成され、該第１の無線局は複数本のアンテナで構成される第１のアンテナ群を備え、該第２の無線局は複数本のアンテナで構成される第２のアンテナ群を備え、前記第１の無線局の前記第１のアンテナ群および前記第２の無線局の全てないしはその一部の備える前記第２のアンテナ群により構成されるMIMO（Multiple Input Multiple Output）チャネルを介して複数の信号系統を同一周波数チャネルおよび同一時刻に空間多重してMIMO通信することが可能な無線通信システムにおける無線通信方法であって、
   前記第１の無線局の送信処理は、
   前記第１の無線局の前記第１のアンテナ群と前記複数の第２の無線局の各第２のアンテナ群との間のMIMOチャネルの各伝達関数情報を取得する伝達関数行列取得ステップと、
   前記第１の無線局の前記第１のアンテナ群と複数の中の一つの前記第２の無線局の前記第２のアンテナ群との間の伝達関数情報により構成される伝達関数行列または該行列と該行列のエルミート共役である行列との積のいずれかの行列の固有ベクトル及び固有値を求める固有値算出ステップと、
   求められた該固有ベクトルの中の全てまたは一部のベクトルに対し、第１のアンテナ群の中から該ベクトルの各成分の絶対値または絶対値の近似値の中で最大の値の成分を与えるアンテナをメインビームとして選択するメインビーム選択ステップと、
   前記第２の無線局毎に、該第２の無線局の固有値の絶対値の大きい方から所定の数だけ各固有ベクトルのメインビームに関する情報を記憶するメインビーム情報記憶ステップと、
   複数の前記第２の無線局に対して空間多重を行いながら信号を送信する際には、送信すべきデータの存在する宛先の前記第２の無線局をリストアップする宛先リストアップステップと、
   リストアップされた第２の無線局に対して順番に、空間多重を行う行う数だけ固有値の大きい方から順番に固有ベクトルのメインビーム情報を読み出すメインビーム情報読出ステップと、
   読み出されたメインビームが既に割り当て済みか否かを判断するメインビーム割当判断ステップと、
   該判断で割り当て済みでない場合には当該固有ベクトルに対応した信号系統の信号送信の実施可を判断し、一方、該判断で割り当て済みの場合には当該固有ベクトルに対応した信号系統の信号送信の実施不可と判断する送信不可判断ステップと、
   該判断で当該固有ベクトルに対応した信号系統の信号送信の実施可が判断された場合には該メインビーム及びまたは該メインビームに隣接するメインビームを割り当て済みとして記録するメインビーム割当記録ステップと
   を実施することを特徴とする無線通信方法。
2. 一つの第１の無線局と複数の第２の無線局とにより構成され、該第1の無線局は複数本のアンテナで構成される第１のアンテナ群を備え、該第２の無線局は複数本のアンテナで構成される第２のアンテナ群を備え、前記第１の無線局の前記第1のアンテナ群および前記第２の無線局の全てないしはその一部の備える前記第２のアンテナ群により構成されるＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）チャネルを介して複数の信号系統を同一周波数チャネルおよび同一時刻に空間多重してＭＩＭＯ通信することが可能な無線通信システムにおける 無線通信方法であって、
   前記第１の無線局の送信処理は、
   前記第１の無線局の前記第１のアンテナ群と前記複数の第２の無線局の各第２のアンテナ群との間のMIMOチャネルの各伝達関数情報を取得する伝達関数情報取得ステップと、
   前記第１の無線局の前記第１のアンテナ群と複数の中のひとつの前記第２の無線局の前記第２のアンテナ群との間の伝達関数情報により構成される伝達関数行列または該行列と該行列のエルミート共役である行列との積のいずれかの行列の固有ベクトル及び固有値を求める固有値算出ステップと、
   求められた該固有ベクトルの中の全てまたは一部のベクトルに対し、第１のアンテナ群の中から該ベクトルの各成分の絶対値または絶対値の近似値の中で最大の値の成分を与えるアンテナをメインビームとして選択するメインビーム選択ステップと、
   前記第２の無線局毎に、該第２の無線局の固有値の絶対値の大きい方から所定の数だけ各固有ベクトルのメインビームに関する情報及び固有ベクトルの各成分を記憶するメインビーム情報記憶ステップと、
   複数の前記第２の無線局に対して空間多重を行いながら信号を送信する際には、送信すべきデータの存在する宛先の前記第２の無線局をリストアップする宛先リストアップステップと、
   リストアップされた第２の無線局に対して順番に、空間多重を行う行う数だけ固有値の大きい方から順番に固有ベクトルのメインビーム情報を読み出すメインビーム情報読出ステップと、
   読み出されたメインビームが既に割り当て済みか否かを判断する第１の割り当て判断ステップと、
   割り当て済みの固有ベクトルのうちのメインビームに対応するアンテナ以外の各成分の絶対値ないしは絶対値の近似値の累積値が所定の閾値を超えているか否かを判断する第２の割り当て判断ステップと、
   本固有ベクトルの割り当てが行われた場合、新たな割り当てにより既に割り当て済みのメインビームに対応するアンテナに関する前記累積値が新たに所定の閾値を超えることになるか否かを判断する第３の割り当て判断ステップと、
   前記第１の割り当て判断ステップで割り当て済みではないと判断され、かつ前記第２の割り当て判断ステップで前記累積値が所定の閾値を超えていないと判断され、かつ前記第３の割り当て判断ステップで前記累積値が新たに所定の閾値を超えることはないと判断された場合にのみ当該固有ベクトルに対応した信号系統の信号送信の実施可を判断し、一方、その他の場合には当該固有ベクトルに対応した信号系統の信号送信の実施不可と判断する送信不可判断ステップと、
   該判断で当該固有ベクトルに対応した信号系統の信号送信の実施可が判断された場合、該メインビームを割り当て済みとして記録するメインビーム割当記録ステップと、
   該固有ベクトルのうちのメインビームに対応するアンテナ以外の各成分の絶対値ないしは絶対値の近似値を逐次加算し累積値を記憶する累積値記憶ステップと
   を実施することを特徴とする無線通信方法。
3. 前記請求項１または請求項２に記載の無線通信方法であって、
   前記第１の無線局における前記第１のアンテナ群を構成するアンテナがそれぞれ別々の指向性をもつ指向性アンテナであることを特徴とする無線通信方法。
4. 前記請求項１または請求項２に記載の無線通信方法であって、
   前記第１の無線局における前記第１のアンテナ群が、複数のアンテナ素子の結合として指向性が形成された複数の仮想アンテナによって構成されることを特徴とする無線通信方法。

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