JP5280193B2

JP5280193B2 - 送信装置および送受信方法

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Publication number: JP5280193B2
Application number: JP2008333598A
Authority: JP
Inventors: 知子松本; 利則鈴木; 良晃天野
Original assignee: KDDI Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 2008-12-26
Filing date: 2008-12-26
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2028-12-26
Also published as: JP2010157805A

Description

本発明は、複数の通信装置に同時に信号を送信する送信装置および送受信方法に関する。

従来のセルラシステムなどの無線通信システムにおいて、マルチアンテナ送受信技術（ＭＩＭＯ：ＭｕｌｔｉｐｌｅＩｎｐｕｔＭｕｌｔｉｐｌｅＯｕｔｐｕｔ）を用いて空間分割多重アクセス（ＳＤＭＡ：ＳｐａｃｅＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅＡｃｃｅｓｓ）を行うことによって、伝送容量を増大させる方法が提案されている。
ＳＤＭＡでは、基地局装置のアンテナの指向性を利用し、互いに位置の離れた複数の通信端末（移動局装置）に対して、通信端末毎に異なる指向性を持った指向性ビームを割り当てることによって通信範囲内の通信信号を空間的に分離することにより、複数の通信端末が同時に送受信することができる。

しかし、ＳＤＭＡによって通信を行う際には、基地局装置から通信端末への下りリンクのチャネル情報を送信側である基地局装置が取得する必要があり、通信端末から基地局装置への上りリンクと下りリンクとで通信する周波数が異なる周波数分割複信（ＦＤＤ：ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＤｉｖｉｓｉｏｎＤｕｐｌｅｘ）方式においては、下りリンクチャネル情報の取得が困難であった。

そこで、下りリンクチャネル情報を取得する方法の一つとして、通信端末から基地局装置に下りリンクチャネル情報をフィードバックする方法がある。しかしながら、アンテナ数や通信端末の登録数の増大に伴って、通信端末から基地局装置にフィードバックする情報量の増大が問題となってきている。この通信端末から基地局装置にフィードバックする情報量を削減する方法として、部分的なチャネル情報をフィードバックして利用するマルチユーザＭＩＭＯ方式が提案されている。
マルチユーザＭＩＭＯ方式の一つとして、非特許文献１で提案されているランダムビームフォーミングでは、まず、基地局装置がユニタリ行列を用いて、通信端末毎に互いに直交する指向性ビームを形成して通信範囲内の各通信端末に送信する。各通信端末は、基地局装置から送信された指向性ビームに基づいて、有効なＳ／Ｎ比（ＥＳＮＲ：ＥｆｆｅｃｔｉｖｅＳｉｇｎａｌｔｏＮｏｉｓｅＲａｔｉｏ）を求め、そのＥＳＮＲを基地局装置にフィードバックする。その後、基地局装置では、ＥＳＮＲが最も高い通信端末にリソースの割り当てを行うという方法である。

また、下りリンクチャネル情報を取得する他の方法として、基地局装置が受信した上りリンクの受信信号に基づいて、通信端末から送信される送信信号の到来角を推定する方法がある。
その一例として、図６の概略ブロックに示すような従来のＦＤＤ方式の基地局装置５００がある。図６に示す基地局装置５００による上りリンクの処理では、まず、アンテナ１００−１，１００−２，・・・，１００−Ｍを介して受信した受信信号を、受信したアンテナ毎にダウンコンバータ１０１がダウンコンバートする。その後、到来角推定部１０５が、ダウンコンバートしたそれぞれの受信信号毎、すなわち、通信端末毎に到来角を推定する。また、図６に示す基地局装置５００による下りリンクの処理では、まず、直交ウェイト計算部１０６が、上りリンクの処理において推定した通信端末毎の到来角に基づいて、全ての通信端末への下りビームが直交するように通信に不必要な方向にゼロ（ヌル：ｎｕｌｌ）信号を送信するゼロ・フォーシング（ＺＦ：Ｚｅｒｏ−Ｆｏｒｃｉｎｇ）ウェイトを算出する。その後、通信端末に送信する送信データの変調信号に、直交ウェイト計算部１０６が算出したＺＦウェイトを乗算する処理を、それぞれの通信端末毎に行ってから下り信号を送信する。
C.Jaehak，C-S.Hwang，K.Kiho，and K.K.Young，"A random beamforming technique in MIMO system exploiting multiuser diversity,"，IEEE Journal on Selected Areas in Communications，vol.21，pp.848-855，June 2003.

しかしながら、従来のランダムビームフォーミングでは、送信側である基地局装置が指向性ビームを形成する際に用いる伝送信号の空間と、受信側である通信端末が指向性ビームを形成する際に用いる伝送信号の空間とが一致しないため、送信信号の送信電力に損失が生じ、指向性ビーム間での干渉が発生してしまうという問題がある。

また、通信端末から送信される送信信号の到来角を推定する方法を、通信チャネルの相関が高い通信端末に対して適用する場合、目的外の方向への不要放射の増大や、ＺＦウェイトのダイナミックレンジが増大してしまうなどの問題があった。

本発明は、上記の課題認識に基づいてなされたものであり、マルチアンテナ送受信における下りリンクのチャネル情報をフィードバックしないプレコーディング処理を有する送信装置の下りリンク通信において、送信信号の送信電力の損失がなく、指向性ビーム間での干渉が発生しない送信装置および送受信方法を提供することを目的としている。
また、通信チャネルの相関が高い通信端末に対しても、目的外の方向への不要放射や、非直交ウェイトのダイナミックレンジの増大を低く抑えることができる送信装置および送受信方法を提供することを目的としている。

上記の課題を解決するため、本発明の送信装置は、複数のアンテナを具備し、複数の周波数帯域を用いて１つ以上の通信装置との通信を行う無線通信システムの送信装置において、前記送信装置は、該送信装置が受信した受信信号を用いて、通信範囲内に存在し、通信相手となる相手通信装置から送信される送信信号の到来方向を示す到来角を推定する到来方向推定手段と、前記到来方向推定手段が推定した前記相手通信装置からの送信信号の到来角に基づいて、１つの相手通信装置に送信する送信ビームと、他の相手通信装置に送信する送信ビームとの干渉量を推定するための変数を算出する干渉量推定手段と、前記干渉量推定手段が算出した干渉量を推定するための変数に基づいて、前記相手通信装置に送信する送信信号から干渉量を除去する干渉除去手段と、前記到来方向推定手段が推定した前記相手通信装置からの送信信号の到来角に基づいて、前記干渉量除去手段によって干渉量が除去された送信信号から指向性を持った送信ビームを形成するビーム形成手段と、を備え、前記干渉量推定手段において、前記１つの相手通信装置に送信する送信ビームと前記他の相手通信装置に送信する送信ビームとは非直交であり、前記ビーム形成手段は前記相手通信装置毎に非直交の送信ビームを形成し、前記干渉量を推定するための変数は、前記送信装置の複数のアンテナのうちの一のアンテナを基準としたときの、各アンテナから送信される信号の前記推定された到来角θ _ｋに対する位相差を表すウェイトｗ（θ _ｋ）であり、到来角θ _ｋは、前記到来方向推定手段が推定した第ｋの前記相手通信装置からの送信信号の到来角であり、ｋは１からＫまでの正の整数であり、Ｋは前記相手通信装置の個数であり、ウェイトｗ（θ _ｋ）は、前記送信装置の各アンテナから送信される第ｋの前記相手通信装置への信号に乗算されるウェイトであり、第ｋの前記相手通信装置に送信する送信信号から除去される干渉量は、各前記相手通信装置との通信の優先順位で前記ウェイトｗ（θ _ｋ）が並べられたウェイト行列をＱＲ分解して得られた下三角行列を用いて算出される第ｋの前記相手通信装置に対する干渉成分である、ことを特徴とする。

また、本発明の送受信方法は、複数のアンテナを具備し、複数の周波数帯域を用いて１つ以上の通信装置との通信を行う無線通信システムの送信装置の送受信方法において、前記送信装置は、該送信装置が受信した受信信号を用いて、通信範囲内に存在し、通信相手となる相手通信装置から送信される送信信号の到来方向を示す到来角を推定する到来方向推定手順と、前記到来方向推定手順が推定した前記相手通信装置からの送信信号の到来角に基づいて、１つの相手通信装置に送信する送信ビームと、他の相手通信装置に送信する送信ビームとの干渉量を推定するための変数を算出する干渉量推定手順と、前記干渉量推定手順が算出した干渉量を推定するための変数に基づいて、前記相手通信装置に送信する送信信号から干渉量を除去する干渉除去手順と、前記到来方向推定手順が推定した前記相手通信装置からの送信信号の到来角に基づいて、前記干渉量除去手順によって干渉量が除去された送信信号から指向性を持った送信ビームを形成するビーム形成手順と、を含み、前記干渉量推定手順において、前記１つの相手通信装置に送信する送信ビームと前記他の相手通信装置に送信する送信ビームとは非直交であり、前記ビーム形成手順において前記相手通信装置毎に非直交の送信ビームを形成し、前記干渉量を推定するための変数は、前記送信装置の複数のアンテナのうちの一のアンテナを基準としたときの、各アンテナから送信される信号の前記推定された到来角θ _ｋに対する位相差を表すウェイトｗ（θ _ｋ）であり、到来角θ _ｋは、前記到来方向推定手順が推定した第ｋの前記相手通信装置からの送信信号の到来角であり、ｋは１からＫまでの正の整数であり、Ｋは前記相手通信装置の個数であり、ウェイトｗ（θ _ｋ）は、前記送信装置の各アンテナから送信される第ｋの前記相手通信装置への信号に乗算されるウェイトであり、第ｋの前記相手通信装置に送信する送信信号から除去される干渉量は、各前記相手通信装置との通信の優先順位で前記ウェイトｗ（θ _ｋ）が並べられたウェイト行列をＱＲ分解して得られた下三角行列を用いて算出される第ｋの前記相手通信装置に対する干渉成分である、ことを特徴とする。

本発明によれば、送信装置の通信範囲内に存在する通信相手の通信装置の方向に指向性ビームを形成し、他の通信ビームとの干渉を除去することにより、送信信号の送信電力の損失がなく、指向性ビーム間での干渉が発生しない送信装置および送受信方法を提供することができる。
また、干渉を除去することにより、目的外の方向への不要放射や、非直交ウェイトのダイナミックレンジの増大を低く抑えることができる送信装置および送受信方法を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態によるマルチユーザＭＩＭＯシステムの概略構成を示した図である。図１において、マルチユーザＭＩＭＯシステムは、予め定められた特定の位置に設置され、複数の周波数帯を使用して通信を行うことができる基地局装置１００、複数の周波数帯を使用して通信することができ、該通信端末の所有者によって移動する移動端末２０１〜２０Ｋ（Ｋは、整数）（以下、移動端末２０１〜２０Ｋをまとめて表すときは、「移動端末２００」という）から構成される。

基地局装置１００は、複数のアンテナ１００−１，１００−２，・・・，１００−Ｍ（Ｍは、整数）を備え、通信範囲内に存在する複数の移動端末２００と同時に送受信することができる。なお、図１において、基地局装置１００のアンテナの符号１００の後で“−：ハイフン”に続く数字は、基地局装置１００内のアンテナの識別番号を表す。
例えば、基地局装置１００は、移動端末２０１とは通信周波数帯ｈ_１を使用して送受信を行い、移動端末２０２とは通信周波数帯ｈ_２を使用して送受信を行い、移動端末２０Ｋとは通信周波数帯ｈ_Ｋを使用して送受信を行う。

移動端末２０１は、複数のアンテナ２０１−１，２０１−２，・・・，２０１−Ｎ（Ｎは、整数）を備え、ＭＩＭＯ技術によって空間多重された信号の送受信を行うことができる。なお、移動端末２０２〜２０Ｋも移動端末２０１と同様の構成であり、それぞれ、空間多重された信号の送受信を行う。なお、移動端末２００のアンテナの符号の後で“−：ハイフン”に続く数字は、各移動端末内のアンテナの識別番号を表す。

次に、本実施形態の基地局装置における通信方法について説明する。図２は、本実施形態による基地局装置１００の概略構成を示すブロック図である。図２において、基地局装置１００は、通信アンテナ１００−１，１００−２，・・・，１００−Ｍ、ダウンコンバータ１０１、受信処理部１０２−１，１０２−２，・・・，１０２−Ｍ（以下、受信処理部のいずれか１つを示す場合は、「受信処理部１０２」という）、送信処理部１０３−１，１０３−２，・・・，１０３−Ｍ（以下、送信処理部のいずれか１つを示す場合は、「送信処理部１０３」という）、アップコンバータ１０４、到来角推定部１０５、非直交ウェイト計算部１０７、干渉量計算部１０８、から構成される。また、受信処理部１０２は、上りビーム形成部１０２１、データ復調部１０２２、から構成される。また、送信処理部１０３は、データ変調部１０３１、下りビーム形成部１０３２、干渉除去部１０３３、から構成される。

基地局装置１００の構成は、図６に示した従来の基地局装置５００に対して干渉量計算部１０８および、送信処理部１０３内の干渉除去部１０３３が追加された構成である。また、非直交ウェイト計算部１０７は、図６に示した従来の基地局装置５００内の直交ウェイト計算部１０６と同様の機能であるが、本実施形態においては、通信を行う全ての移動端末２００への下りビームが直交する必要はない。

ダウンコンバータ１０１は、アンテナを介して受信した各移動端末２００からの受信信号をそれぞれ低周波数の信号に変換し、変換後の受信信号を、移動端末２００毎の受信処理部１０２と到来角推定部１０５に出力する。なお、ダウンコンバータ１０１は、図６に示した従来の基地局装置５００内のダウンコンバータ１０１と同様の機能である。

受信処理部１０２は、ダウンコンバータ１０１から入力された低周波数の受信信号に、例えば、アナログ・デジタル変換、フーリエ変換、データ復調処理等の処理を行って受信データを抽出し、抽出した受信データを図示しない制御装置に出力する。なお、受信処理部１０２は、基地局装置１００が備えるアンテナ数と同等数を備えており、それぞれのアンテナ毎に受信データの抽出処理を行う。また、受信処理部１０２は、図６に示した従来の基地局装置５００内の受信処理部１０２と同様の機能である。

上りビーム形成部１０２１は、ダウンコンバータ１０１から入力された低周波数の受信信号に、例えば、アナログ・デジタル変換、フーリエ変換等の処理を行って受信信号に含まれる通信補償のための処理を除去し、通信補償のための処理を除去した受信データをデータ復調部１０２２に出力する。なお、上りビーム形成部１０２１は、図６に示した従来の基地局装置５００内の上りビーム形成部１０２１と同様の機能である。

データ復調部１０２２は、上りビーム形成部１０２１から入力された通信補償のための処理を除去した受信データから予め定められた変調方式による復調を行い、さらに、受信データの誤り符号等の補償のための処理を除去して受信データを抽出し、抽出した受信データを図示しない制御装置に出力する。なお、データ復調部１０２２は、図６に示した従来の基地局装置５００内のデータ復調部１０２２と同様の機能である。

到来角推定部１０５は、ダウンコンバータ１０１から入力されたそれぞれの移動端末２００の低周波数の受信信号から、例えば、各アンテナで観測した受信信号の位相情報を検出し、アンテナ間の位相差に基づいて移動端末２００が存在する方向、すなわち、移動端末２００から送信される送信信号の到来角を推定し、その移動端末２００毎の到来角の推定結果を非直交ウェイト算出部１０７に出力する。なお、到来角推定部１０５は、図６に示した従来の基地局装置５００内の到来角推定部１０５と同様の機能である。

非直交ウェイト計算部１０７は、到来角推定部１０５から入力されたそれぞれの移動端末２００毎の到来角の推定結果に基づいて、例えば、移動端末２００毎の方向に最大電力、すなわち、各移動端末２００が受信する受信信号の受信電力が最大となる電力が得られるビームを形成するウェイト（以下、「非直交ウェイト」という）を算出し、その算出した移動端末２００毎の非直交ウェイトを送信処理部１０３に出力する。また、非直交ウェイト計算部１０７は、到来角推定部１０５から入力されたそれぞれの移動端末２００毎の到来角の推定結果の変化に基づいて、移動端末２００毎に独立の形成された非直交のビーム間に生じる干渉量を計算した結果と、通信範囲内に存在する移動端末２００との通信の優先順位を決定（以下、この優先順位の決定を「スケジューリング」という）し、そのスケジューリングした結果とを干渉量計算部１０８に出力する。なお、非直交ウェイト計算部１０７は、図６に示した従来の基地局装置５００内の直交ウェイト計算部１０６と同様の機能であるが、本実施形態においては、通信を行う全ての移動端末２００への下りビームが直交する必要はない。

干渉量計算部１０８は、非直交ウェイト計算部１０７から入力された通信範囲内のスケジューリング結果に基づいて、データ変調部１０３１が生成した変調された送信信号がそれぞれの移動端末２００に対する干渉量を算出し、その算出した移動端末２００毎の干渉量を送信処理部１０３に出力する。

送信処理部１０３は、図示しない制御装置から入力された送信データを、例えば、データ変調処理、逆フーリエ変換、アナログ・デジタル変換等の処理を行って送信信号を生成し、生成した送信信号をアップコンバータ１０４に出力する。なお、送信処理部１０３は、基地局装置１００が備えるアンテナ数と同等数を備えており、それぞれのアンテナ毎に送信データの変換処理を行う。また、送信処理部１０３は、図６に示した従来の基地局装置５００内の送信処理部１０３と同様の機能であるが、本実施形態においては、例えば、移動端末２０１に送信するために生成した送信信号が、他の移動端末２０２〜２０Ｋに干渉しないように干渉除去の機能が追加されている。

データ変調部１０３１は、図示しない制御装置から入力された送信データに誤り符号等の送信データの補償のための処理を行い、さらに、予め定められた変調方式による変調を行って、変調した送信データを干渉除去部１０３３および干渉量計算部１０８に出力する。なお、データ変調部１０３１は、図６に示した従来の基地局装置５００内のデータ変調部１０３１と同様の機能である。

干渉除去部１０３３は、データ変調部１０３１から入力された変調した送信データから、干渉量計算部１０８から入力された移動端末２００毎の干渉量に応じた干渉量を除去し、干渉量を除去した送信データを下りビーム形成部１０３２に出力する。

下りビーム形成部１０３２は、干渉除去部１０３３から入力された干渉量を除去した送信データを、非直交ウェイト計算部１０７から入力された移動端末２００毎の非直交ウェイトを乗算する処理を行い、さらに、例えば、逆フーリエ変換、アナログ・デジタル変換等の処理を行って通信補償のための処理を行う。その後、移動端末２００毎に指向性を持った低周波数の送信ビーム信号を形成し、形成した低周波数の送信ビームをアップコンバータ１０４に出力する。なお、下りビーム形成部１０３２は、図６に示した従来の基地局装置５００内の下りビーム形成部１０３２と同様の機能である。

アップコンバータ１０４は、送信処理部１０３から入力されたアンテナ毎の低周波数の送信信号を、それぞれ高周波数の信号に変換して、アンテナを介して各移動端末２００に送信する。なお、アップコンバータ１０４は、図６に示した従来の基地局装置５００内のアップコンバータ１０４と同様の機能である。

＜第１実施形態＞
以下、本実施形態の基地局装置において移動端末に送信を行う場合の処理手順について説明する。図３は、本実施形態の基地局装置１００における処理手順を示したフローチャートである。
なお、移動端末２００は、複数のアンテナを用いて基地局装置１００と通信することができるが、本実施形態の説明においては、移動端末２００のアンテナ数が１本（Ｎ＝１）の場合について説明を行う。

まず、基地局装置１００がアンテナを介して移動端末２００からの受信信号を受信すると、ダウンコンバータ１０１が低周波数に変換した受信信号から、到来角推定部１０５が到来角を推定する。続いて、非直交ウェイト算出部１０７は、ステップＳ１００において、下式（１）に基づいて受信電力が最大となる非直交ウェイトを算出する。ここで、各アンテナから送信された送信信号が、移動端末２００において同位相で受信されるとすれば、受信電力が最大であるということができる。

上式（１）において、ｄは基地局装置１００のアンテナ素子間隔、λ^（ｄ）は、入射波の波長を示す。
なお、上式（１）は、アンテナ１００−１を基準としたときの、各アンテナから送信される信号の到来角θ_kに対する位相差を表しており、各アンテナから送信する信号に上式（１）の非直交ウェイトを乗算することにより、到来角θ_kで受信された受信信号の位相が一致し、最大電力を得ることができる。
なお、非直交ウェイトは、その長さがアンテナの本数に比例したベクトルである。また、到来角θ_kは、基地局のアンテナが図１に示すように線形に並んでいるリニアアレーの場合は、０°〜１８０°までの数値である。

その後、非直交ウェイト算出部１０７が、上式（１）に基づいて全ての移動端末２００の非直交ウェイトを算出すると、下式（２）のウェイト行列Ｗを得る。
なお、到来角θ_kと上式（１）のベクトルである行列ｗ（θ_k）は、一対一関係であり、到来角推定部１０５によって推定された到来角θ_kを上式（１）のθ_kの部分に、０（０°）〜π（１８０°）の値として代入することにより、ウェイト行列Ｗを得ることができる。

上式（２）において、Ｋは移動端末２００の個数を示す。
なお、上式（２）のウェイト行列Ｗの構成要素である各移動端末２００の非直交ウェイトの並び順は、通信範囲内に存在する移動端末２００との通信の優先順位を示す。例えば、ウェイト行列Ｗ内で、左端の非直交ウェイトが最も優先順位が高く、右に行くに従って優先順位が低くなるように非直交ウェイトを並べる。

続いて、干渉量計算部１０８は、ステップＳ２００において、上式（２）のウェイト行列Ｗに対して、下式（３）に基づいてＱＲ分解して三角化を行い、下三角行列Ｌを得る。例えば、移動端末２００が３つ（Ｋ＝３）、例えば、移動端末２０１〜２０３で、基地局装置１００のアンテナ数が４本（Ｍ＝４）、例えば、アンテナ１００−１〜１００−４である場合、ウェイト行列Ｗは、下式（４）に示すような３×４の行列となる。また、下式（４）をＱＲ分解することにより下式（５）を得る。

上式（３）および上式（５）において、Ｌは下三角行列であり、下三角行列Ｌは、ｌ_ｉｊ＝０（ｉ＞ｊ）である。また、対角成分は全てスカラー量であり、その成分は複素数である。また、Ｑはユニタリ行列であり、ユニタリ行列Ｑの成分は複素数である。なお、ユニタリ行列Ｑの各行ベクトルを、それぞれ、ｑ_１，ｑ_２，ｑ_３とすると、各行ベクトルの電力は“１”であり、その行ベクトル同士は互いに直交の関係にある。

続いて、基地局装置１００が送信データを送信する際に干渉除去部１０３３は、ステップＳ３００において、データ変調部１０３１から入力された変調した送信データから、上式（３）によって得られた下三角行列Ｌに基づいて、干渉成分を逐次差し引いて送信する。例えば、移動端末２０１に送信データを送信する場合は、通信範囲内に存在する移動端末２０１以外の全ての移動端末２００に対する送信信号から、該送信データの送信信号の干渉成分を差し引く。

例えば、上述した移動端末２００が３つ（Ｋ＝３）、基地局装置１００のアンテナ数が４本である場合において、移動端末２０１〜２０３の送信シンボルを下式（６）とすると、従来のビーム形成では、送信シンボルにＺＦウェイトを乗算して、下式（７）を用いて送信信号を生成する。

本実施形態においては、下式（８）を用いて、上式（５）を変形して、下式（９）を得る。

このとき、上式（９）を上式（７）に代入して、下式（１０）を得る。

この上式（１０）において、移動端末２０１の送信信号にはＳ_１のみが含まれているが、移動端末２０２の送信信号には、移動端末２０１の送信信号成分（ｌ_１２／ｌ_２２Ｓ_１）含まれており、移動端末２０３の送信信号には、移動端末２０１の送信信号成分（ｌ_１３／ｌ_３３Ｓ_１）と、移動端末２０２の送信信号成分（ｌ_２３／ｌ_３３Ｓ_２）とが含まれている。このことにより、干渉成分が既知であることを利用して、あらかじめ干渉成分を差し引いておくことにより、干渉除去を行うことができる。
このように、下式（１１）〜（１４）の手順で、移動端末２０１から順に逐次的に干渉成分を除去した後の移動端末２０１〜２０３の送信信号Ｓ’_１，Ｓ’_２，Ｓ’_３を得ることができる。

次に、本実施形態における送信信号の送信方向と送信電力について説明する。図４は、従来の基地局装置５００と、本実施形態の基地局装置１００が送信する送信信号の送信方向と送信電力の関係を示したグラフである。図４においてＸ軸は送信信号を送信する方向を示し、Ｙ軸は基地局装置５００および基地局装置１００が送信する送信信号の送信電力を示す。

図４は、基地局装置５００および基地局装置１００が移動端末２０１に送信する送信信号が、通信範囲内の他の移動端末２０２および移動端末２０Ｋに対する送信信号の送信電力に対する影響を示している。また、基地局装置５００および基地局装置１００が存在する場所に対して、移動端末２０１は４５°の方向、移動端末２０２は０°の方向、移動端末２０Ｋは−１５°の方向に存在している。

図４において、従来の基地局装置５００が移動端末２０１に図４のＰ２０１に示す送信電力波形の送信信号を送信した場合、移動端末２０２への送信信号の送信電力波形は、図４のＰ２０２ａのような波形となり、移動端末２０Ｋへの送信信号の送信電力波形は、図４のＰ２０Ｋａのような波形となっている。図４に示す従来の基地局装置５００の送信においては、２０°の方向に移動端末２０Ｋに対する干渉が発生している。

一方、図４において、本実施形態の基地局装置１００が基地局装置５００と同様に移動端末２０１に図４のＰ２０１に示す送信電力波形の送信信号を送信した場合、移動端末２０２への送信信号の送信電力波形は、図４のＰ２０２ｂのような波形となり、移動端末２０Ｋへの送信信号の送信電力波形は、図４のＰ２０Ｋｂのような波形となる。本実施形態の基地局装置１００の送信においては、２０°の方向に移動端末２０Ｋに対して発生していた干渉が除去されている。

上記に述べたとおり、本発明の第１の実施形態によれば、マルチユーザ干渉を除去することによって、下りリンク通信における送信信号の送信電力の損失がなく、基地局装置が送信する指向性ビーム間での干渉を発生させることなく、良好な通信を行うことができる。
また、通信を行う全ての移動端末２００への下りビームが直交する必要はないので、目的外の方向への不要放射や、非直交ウェイトのダイナミックレンジの増大を低く抑えることができる。

なお、本発明の第１の実施形態の説明においては、移動端末２００のアンテナ数が１本（Ｎ＝１）の場合について説明したが、移動端末２００のアンテナ数が２本（Ｎ＝２）以上の場合についても、上記と同様に処理することができる。

＜第２実施形態＞
以下、本実施形態の基地局装置において推定した到来角の変化に基づいて移動端末との通信の優先順位をスケジューリングして送信を行う場合の処理手順について説明する。図５は、本実施形態の基地局装置１００においてスケジューリングを行う処理手順を示したフローチャートである。

まず、基地局装置１００がアンテナを介して移動端末２００からの受信信号を受信すると、ダウンコンバータ１０１が低周波数に変換した受信信号から、到来角推定部１０５が到来角を推定する。続いて、非直交ウェイト算出部１０７は、ステップＳ１０１において、図３のステップＳ１００と同様に上式（１）に基づいて受信電力が最大となる非直交ウェイトを算出する。
また、非直交ウェイト算出部１０７が、上式（１）に基づいて全ての移動端末２００の非直交ウェイトを算出が完了すると、上式（２）のウェイト行列Ｗを得る。

続いて、非直交ウェイト算出部１０７は、ステップＳ１５１において、到来角推定部１０５が推定した到来角の変化に基づいて移動端末２００との通信の優先順位をスケジューリングして、そのスケジューリングした優先順位の順に非直交ウェイト行列Ｗを並び替える。
なお、移動端末２００との通信の優先順位のスケジューリングに際しては、干渉除去部１０３３による干渉除去の処理が、他の移動端末２００との通信に与える影響を考慮して優先順位をスケジューリングする。

以下に具体的なスケジューリングに関して説明する。
まず、基地局装置１００は、移動端末２００からの送信信号を常に受信して、到来角を推定しているため、推定した到来角の変化によって、移動端末２００の移動を認識することができる。すなわち、前回の受信信号から推定した到来角と、今回の受信信号から推定した到来角とに差がある場合は、移動端末２００が移動しており、かつ、到来角の差の大きい移動端末２００は、速い速度で移動していると認識することができる。また、移動速度が低い、すなわち、到来角の差が小さい移動端末２００は、基地局装置１００の通信範囲外となる確率が低いため、基地局装置１００との通信の頻度が高いということができる。
このことによって、通信の頻度が高い移動端末２００との通信は、通信の頻度が低い移動端末２００との通信に比べて干渉除去部１０３３による干渉除去の処理が、他の移動端末２００との通信に与える影響が大きいと判断することができる。従って、到来角の変化が少ない移動端末２００との通信の優先順位を高くし、到来角の変化大きくなるに従って優先順位を低くしていく。

例えば、上述した移動端末２００が３つ（Ｋ＝３）、基地局装置１００のアンテナ数が４本である場合において、ウェイト行列Ｗが、上述の式（４）に示すようにあらかじめ決められた移動端末２００の番号の順に、移動端末２０１，２０２，２０３と並んでいるものとすると、到来角推定部１０５で定期的に移動端末２００毎の到来角θ_kを推定し、その到来角θ_k変化量を観測する。このとき、例えば、移動端末２０１の時刻ｔにおける到来角をθ_１（ｔ）とすると、その変化量は、Δ_１＝｜θ_１（ｔ）−θ_１（ｔ−１）｜となる。同様に、移動端末２０２、移動端末２０３の到来角の変化量Δ_２，Δ_３を観測し、観測した到来角の変化量Δの小さい順にウェイト行列Ｗを並び替える。
例えば、移動端末２０１〜２０３の変化量Δが、変化量Δ_１＝０．３，変化量Δ_２＝０．３，変化量Δ_３＝０．３であった場合、変化量Δの小さい順にウェイト行列Ｗを並び替え、ウェイト行列Ｗは下式（１５）のようになる。

続いて、干渉量計算部１０８は、ステップＳ２０１において、図３のステップＳ２００と同様に並べ替えたウェイト行列Ｗに対して、上式（３）に基づいたＱＲ分解による三角化を行い、下三角行列Ｌを得る。

続いて、基地局装置１００が送信データを送信する際に干渉量計算部１０８は、ステップＳ３００において、図３のステップＳ３００と同様にデータ変調部１０３１から入力された変調した送信データから、上式（３）によって得られた下三角行列Ｌに基づいて、干渉成分を逐次差し引いて送信する。

上記に述べたとおり、本発明の第２の実施形態によれば、移動端末２００の移動による到来角の不確定な変化に対しても、その移動端末２００の不確定な移動の影響が少ない、高いロバスト性を持ったプレコーディング処理を行うことができる。

なお、上述した実施形態における基地局装置１００の一部、例えば、非直交ウェイト算出部１０７や、干渉量計算部１０８の機能をコンピュータで実現するようにしても良い。その場合、この制御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、実行することによって実現しても良い。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を送信する場合の通信線のように、短時刻の間、動的にプログラムを保持するもの、その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のように、一定時刻プログラムを保持しているものも含んでも良い。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く、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であっても良い。

以上、本発明の実施形態について、図面を参照して説明してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲においての種々の変更も含まれる。

本発明の実施形態によるマルチユーザＭＩＭＯシステムの概略構成を示した図である。本発明の実施形態における基地局装置の概略構成を示すブロック図である。本実施形態の基地局装置における処理手順を示したフローチャートである。本実施形態の基地局装置が送信する送信信号の送信方向と送信電力の関係を示したグラフである。本実施形態の基地局装置においてスケジューリングを行う処理手順を示したフローチャートである。従来の基地局装置の概略構成を示したブロック図である。

符号の説明

１００，５００・・・基地局装置、１００−１，１００−２，１００−Ｍ・・・アンテナ、１０１・・・ダウンコンバータ、１０２−１，１０２−２，１０２−Ｍ・・・受信処理部、１０２１・・・上りビーム形成部、１０２２・・・データ復調部、１０３−１，１０３−２，１０３−Ｍ・・・送信処理部、１０３１・・・データ変調部、１０３２・・・下りビーム形成部、１０３３・・・干渉除去部、１０４・・・アップコンバータ、１０５・・・到来角推定部、１０６・・・直交ウェイト計算部、１０７・・・非直交ウェイト計算部、１０８・・・干渉量計算部、２０１，２０２，２０Ｋ・・・移動端末、２０１−１，２０１−２，・・・，２０１−Ｎ・・・アンテナ、ｈ_１，ｈ_２，ｈ_Ｋ・・・周波数帯

Claims

複数のアンテナを具備し、複数の周波数帯域を用いて１つ以上の通信装置との通信を行う無線通信システムの送信装置において、
前記送信装置は、
該送信装置が受信した受信信号を用いて、通信範囲内に存在し、通信相手となる相手通信装置から送信される送信信号の到来方向を示す到来角を推定する到来方向推定手段と、
前記到来方向推定手段が推定した前記相手通信装置からの送信信号の到来角に基づいて、１つの相手通信装置に送信する送信ビームと、他の相手通信装置に送信する送信ビームとの干渉量を推定するための変数を算出する干渉量推定手段と、
前記干渉量推定手段が算出した干渉量を推定するための変数に基づいて、前記相手通信装置に送信する送信信号から干渉量を除去する干渉除去手段と、
前記到来方向推定手段が推定した前記相手通信装置からの送信信号の到来角に基づいて、前記干渉量除去手段によって干渉量が除去された送信信号から指向性を持った送信ビームを形成するビーム形成手段と、を備え、
前記干渉量推定手段において、前記１つの相手通信装置に送信する送信ビームと前記他の相手通信装置に送信する送信ビームとは非直交であり、
前記ビーム形成手段は前記相手通信装置毎に非直交の送信ビームを形成し、
前記干渉量を推定するための変数は、前記送信装置の複数のアンテナのうちの一のアンテナを基準としたときの、各アンテナから送信される信号の前記推定された到来角θ _ｋに対する位相差を表すウェイトｗ（θ _ｋ）であり、
到来角θ _ｋは、前記到来方向推定手段が推定した第ｋの前記相手通信装置からの送信信号の到来角であり、
ｋは１からＫまでの正の整数であり、
Ｋは前記相手通信装置の個数であり、
ウェイトｗ（θ _ｋ）は、前記送信装置の各アンテナから送信される第ｋの前記相手通信装置への信号に乗算されるウェイトであり、
第ｋの前記相手通信装置に送信する送信信号から除去される干渉量は、各前記相手通信装置との通信の優先順位で前記ウェイトｗ（θ _ｋ）が並べられたウェイト行列をＱＲ分解して得られた下三角行列を用いて算出される第ｋの前記相手通信装置に対する干渉成分である、
ことを特徴とする送信装置。
複数のアンテナを具備し、複数の周波数帯域を用いて１つ以上の通信装置との通信を行う無線通信システムの送信装置の送受信方法において、
前記送信装置は、
該送信装置が受信した受信信号を用いて、通信範囲内に存在し、通信相手となる相手通信装置から送信される送信信号の到来方向を示す到来角を推定する到来方向推定手順と、
前記到来方向推定手順が推定した前記相手通信装置からの送信信号の到来角に基づいて、１つの相手通信装置に送信する送信ビームと、他の相手通信装置に送信する送信ビームとの干渉量を推定するための変数を算出する干渉量推定手順と、
前記干渉量推定手順が算出した干渉量を推定するための変数に基づいて、前記相手通信装置に送信する送信信号から干渉量を除去する干渉除去手順と、
前記到来方向推定手順が推定した前記相手通信装置からの送信信号の到来角に基づいて、前記干渉量除去手順によって干渉量が除去された送信信号から指向性を持った送信ビームを形成するビーム形成手順と、を含み、
前記干渉量推定手順において、前記１つの相手通信装置に送信する送信ビームと前記他の相手通信装置に送信する送信ビームとは非直交であり、
前記ビーム形成手順において前記相手通信装置毎に非直交の送信ビームを形成し、
前記干渉量を推定するための変数は、前記送信装置の複数のアンテナのうちの一のアンテナを基準としたときの、各アンテナから送信される信号の前記推定された到来角θ _ｋに対する位相差を表すウェイトｗ（θ _ｋ）であり、
到来角θ _ｋは、前記到来方向推定手順が推定した第ｋの前記相手通信装置からの送信信号の到来角であり、
ｋは１からＫまでの正の整数であり、
Ｋは前記相手通信装置の個数であり、
ウェイトｗ（θ _ｋ）は、前記送信装置の各アンテナから送信される第ｋの前記相手通信装置への信号に乗算されるウェイトであり、
第ｋの前記相手通信装置に送信する送信信号から除去される干渉量は、各前記相手通信装置との通信の優先順位で前記ウェイトｗ（θ _ｋ）が並べられたウェイト行列をＱＲ分解して得られた下三角行列を用いて算出される第ｋの前記相手通信装置に対する干渉成分である、
ことを特徴とする送受信方法。