JP5682536B2 - 送信装置、受信装置、送信方法、受信方法 - Google Patents

Description

本発明は、通信技術に関し、特に複数のアンテナを使用した無線通信を実行する送信装置、受信装置、送信方法、受信方法に関する。

無線ＬＡＮのような無線通信システムにおいて、通信速度の高速化が要求される。通信速度の高速化を実現するための技術のひとつが、ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｉｎｐｕｔ ａｎｄ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔ）である。ＭＩＭＯでは、複数の送信アンテナから独立な信号系列が空間多重して送信され、複数の受信アンテナによって信号系列が受信される。受信された信号系列は、各送受信アンテナ間の伝送路特性の行列をもとに復調される（例えば、特許文献１、２参照）。

特開２００８−２３６０５４号公報 特開２００９−４９９６６号公報

一般的に、ＭＩＭＯでは、多重伝送を実現するために、送信すべき信号系列の数に応じた数の独立した伝送路が望まれる。このような伝送路は、相関性の低い空間に相当し、例えば、反射波が存在する空間である。その場合、振幅、位相、遅延等のパラメータが異なる。しかしながら、無線通信システムを相関性の高い空間において使用されることもある。相関性の高い空間は、例えば、無反射空間に近くなる。その場合、振幅、位相、遅延のパラメータのいずれかの相関が高くなる。その結果、受信側においてデータの分離が困難になり、多重伝送が困難になる。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、さまざまな種類の伝送路環境下においても多重伝送を実現する技術を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の送信装置は、送信側の複数のアンテナのそれぞれと受信側の複数のアンテナのそれぞれとの間における伝送路特性を要素とする伝送路行列を取得する取得部と、取得部が取得した伝送路行列に対して特異値分解を実行することによって、特異値が配置された対角行列の特異値行列を導出するとともに、特異値行列に対応したユニタリ行列のウエイト行列を導出する第１導出部と、第１導出部が導出した特異値行列に配置された特異値間の違いの程度を導出する第２導出部と、第２導出部において導出した特異値間の違いの程度が予め定められた範囲内であるかを判定する判定部と、判定部が範囲内であると判定した場合、ウエイト行列に含まれたウエイトベクトルと信号との演算結果を複数のアンテナから送信し、判定部が範囲外であると判定した場合、ウエイト行列に含まれたウエイトベクトルと信号と補正行列の演算結果を複数のアンテナから送信する送信部と、を備える。

この態様によると、特異値間の違いの程度に応じて、ウエイトベクトルと補正行列との組合せを使用するか、あるいはウエイトベクトルを使用するかを決定するので、さまざまな種類の伝送路環境下においても多重伝送を実現できる。

判定部が範囲内であると判定した場合、取得部が取得した伝送路行列を記憶する記憶部と、判定部が範囲外であると判定した場合、取得部が取得した伝送路行列と、記憶部が記憶した伝送路行列をもとに、補正行列を生成する生成部をさらに備えてもよい。この場合、違いの程度が範囲内である場合の伝送路行列と、違いの程度が範囲外である場合の伝送路行列とをもとに補正行列を生成するので、違いの程度が範囲内である場合の伝送路行列に近くできる。

送信部は、補正行列とウエイト行列と信号との演算結果を複数のアンテナから送信する場合、補正行列の使用を通知してもよい。この場合、補正行列の使用を通知するので、それに適した処理を実行させることができる。

本発明の別の態様は、受信装置である。この装置は、送信側の複数のアンテナのそれぞれと受信側の複数のアンテナのそれぞれとの間における伝送路特性を要素とする伝送路行列に対して特異値分解を実行することによって、特異値が配置された対角行列の特異値行列と、特異値行列に対応したユニタリ行列のウエイト行列とが導出されるとともに、特異値行列に配置された特異値間の違いの程度が予め定められた範囲内である場合に、ウエイト行列に含まれた送信ウエイトベクトルに演算された信号を送信装置から複数のアンテナにて受信する受信部と、受信部において受信した信号をもとに、受信ウエイトベクトルを導出する導出部と、導出部において導出した受信ウエイトベクトルを使用することによって、受信部において受信した信号に対するアレイ合成を実行する処理部と、受信部において受信される信号がウエイト行列に含まれた送信ウエイトベクトルに演算された信号であるか、送信ウエイトベクトルと補正行列とに演算された信号であるかを識別する抽出部とを備える。受信部は、特異値行列に配置された特異値間の違いの程度が予め定められた範囲外である場合に、送信ウエイトベクトルと補正行列とに演算された信号を受信し、導出部は、特異値行列に配置された特異値間の違いの程度が予め定められた範囲外である場合に、受信ウエイトベクトルの導出を停止し、処理部は、特異値行列に配置された特異値間の違いの程度が予め定められた範囲外である場合に、導出部において既に導出していた受信ウエイトベクトルを使用することによって、受信部において受信した信号に対するアレイ合成を実行する。

この態様によると、特異値間の違いの程度に応じて、ウエイトベクトルと補正行列との組合せが使用されるか、あるいはウエイトベクトルが使用されるので、さまざまな種類の伝送路環境下においても多重伝送を実現できる。

本発明のさらに別の態様は、送信方法である。この方法は、送信側の複数のアンテナのそれぞれと受信側の複数のアンテナのそれぞれとの間における伝送路特性を要素とする伝送路行列を取得するステップと、取得した伝送路行列に対して特異値分解を実行することによって、特異値が配置された対角行列の特異値行列を導出するとともに、特異値行列に対応したユニタリ行列のウエイト行列を導出するステップと、導出した特異値行列に配置された特異値間の違いの程度を導出するステップと、導出した特異値間の違いの程度が予め定められた範囲内であるかを判定するステップと、範囲内であると判定した場合、ウエイト行列に含まれたウエイトベクトルと信号との演算結果を複数のアンテナから送信し、範囲外であると判定した場合、ウエイト行列に含まれたウエイトベクトルと信号と補正行列の演算結果を複数のアンテナから送信するステップと、を備える。

本発明のさらに別の態様は、受信方法である。この方法は、送信側の複数のアンテナのそれぞれと受信側の複数のアンテナのそれぞれとの間における伝送路特性を要素とする伝送路行列に対して特異値分解を実行することによって、特異値が配置された対角行列の特異値行列と、特異値行列に対応したユニタリ行列のウエイト行列とが導出されるとともに、特異値行列に配置された特異値間の違いの程度が予め定められた範囲内である場合に、ウエイト行列に含まれた送信ウエイトベクトルに演算された信号を送信装置から複数のアンテナにて受信するステップと、受信した信号をもとに、受信ウエイトベクトルを導出するステップと、導出した受信ウエイトベクトルを使用することによって、受信した信号に対するアレイ合成を実行するステップと、受信される信号がウエイト行列に含まれた送信ウエイトベクトルに演算された信号であるか、送信ウエイトベクトルと補正行列とに演算された信号であるかを識別するステップとを備える。受信するステップは、特異値行列に配置された特異値間の違いの程度が予め定められた範囲外である場合に、送信ウエイトベクトルと補正行列とに演算された信号を受信し、導出するステップは、特異値行列に配置された特異値間の違いの程度が予め定められた範囲外である場合に、受信ウエイトベクトルの導出を停止し、実行するステップは、特異値行列に配置された特異値間の違いの程度が予め定められた範囲外である場合に、既に導出していた受信ウエイトベクトルを使用することによって、受信した信号に対するアレイ合成を実行する。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、さまざまな種類の伝送路環境下においても多重伝送を実現できる。

本発明の実施例に係る通信システムの構成を示す図である。 図１の送信装置の構成を示す図である。 図３（ａ）−（ｄ）は、図１の通信システムにおける伝送路特性の一例を示す図である。 図４（ａ）−（ｃ）は、図２の第１付加器から第４付加器における設定の一例を示す図である。 図２の送信装置から送信されるパケット信号の構成を示す図である。 図１の受信装置の構成を示す図である。 図２の送信装置による送信手順を示すフローチャートである。 図６の受信装置による受信手順を示すフローチャートである。

本発明を具体的に説明する前に、まず概要を述べる。本発明の実施例は、ＭＩＭＯ伝送を実行する通信システムに関し、特に、ＳＶＤ（ｓｉｎｇｕｌａｒ ｖａｌｕｅ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって送信ウエイトベクトルを決定する通信システムに関する。前述のごとく、空間の相関性が低ければ、ＭＩＭＯによる多重伝送が可能であったが、空間の相関性が高くなるほど、受信側でのデータ分離が困難になるので、多重伝送に適さなくなってくる。そのため、空間の相関性が高い場合であっても、ＭＩＭＯ伝送を実現することが望まれる。また、ＭＩＭＯでの受信側では、一般的に演算量が増大する傾向にあるので、演算量の増大を抑制することも望まれる。そのため、本実施例に係る通信システムは、次の処理を実行する。

送信装置は、伝送路行列を取得する。伝送路行列は、送信側の複数のアンテナのそれぞれと受信側の複数のアンテナのそれぞれとの間における伝送路特性を要素とした行列である。送信装置は、伝送路行列に対して特異値分解を実行することによって、ユニタリ行列を取得する。ユニタリ行列は、ＭＩＭＯにおける複数のストリームのそれぞれに乗算すべき送信ウエイトベクトルの集合に相当する。また、特異値分解による特異値の大きい方を小さい方によって除算した値（以下、「特異値比」という）が計算される。特異値比が１に近ければ、空間の相関性が低く、特異値比が大きくなるほど、空間の相関性が高くなる。特異値比が１に近ければ、通常のＳＶＤによるＭＩＭＯ伝送と同様に、送信ウエイトベクトルによる重みづけがなされる。

一方、特異値が大きくなると、送信装置は、補正行列を生成し、送信ウエイトベクトルによる重みづけとともに、補正行列による演算を実行する。ここで、補正行列は、空間の相関性が低いときの伝送路行列から、空間の相関性が高いときの伝送路行列を減算することによって導出される。このように空間の相関性が高い場合に、補正行列を使用するので、空間の相関性にかかわらず、安定したＭＩＭＯ伝送が可能になる。

図１は、本発明の実施例に係る通信システム１００の構成を示す。通信システム１００は、送信装置１０、受信装置１２を含む。送信装置１０は、送信用アンテナ１４と総称される第１送信用アンテナ１４ａ、第２送信用アンテナ１４ｂを含み、受信装置１２は、受信用アンテナ１６と総称される第１受信用アンテナ１６ａ、第２受信用アンテナ１６ｂを含む。

ここでは、ふたつの送信用アンテナ１４のそれぞれから送信される送信信号の組合せ（以下、「送信信号ベクトル」という）がＸと示され、ふたつの受信用アンテナ１６のそれぞれにおいて受信される受信信号の組合せ（以下、「受信信号ベクトル」という）がＲと示される。さらに、ふたつの送信用アンテナ１４とふたつの受信用アンテナ１６との間の伝送路特性を要素とした行列（以下、「伝送路行列」という）がＨと示される。なお、送信信号ベクトルと受信信号ベクトルには、ふたつの要素がそれぞれ含まれ、伝送路行列には、４つの要素が含まれる。受信信号ベクトルは、次のように示される。
Ｒ ＝ ＨＸ ・・・（１）

ここで、説明を明瞭にするために、雑音項は無視している。伝送路行列に対して特異値分解を実行すると次のように示される。
Ｈ ＝ ＵΣＶ^Ｈ ・・・（２）
ＵおよびＶは、ユニタリ行列であり、Σは対角要素に特異値を有する特異値行列である。送信装置１０が送信ウエイトベクトルにＶを設定すると、式（１）は、次のように示される。
Ｒ ＝ＨＶＸ ＝ ＵΣＸ ・・・（３）

また、受信装置１２が受信ウエイトベクトルにＶ^Ｈを設定すると、アレイ信号処理結果Ｙは、次のように示される。
Ｙ ＝ Ｕ^ＨＲ ＝ΣＸ ・・・（４）
前述のごとく、Σは特異値行列であるので、送信信号ベクトルＸが特異値の大きさだけゲインを持って受信されることになる。なお、最終的には、送信信号ベクトルＸが次のように取得される。
Ｘ ＝ Σ^−１Ｙ ・・・（５）

以上の処理は、次の手順によってなされる。受信装置１２は、送信装置１０からの信号をもとに、伝送路行列Ｈを導出する。受信装置１２は、伝送路行列Ｈを送信装置１０にフィードバックし、送信装置１０は、伝送路行列ＨからＶ行列（以下、「ウエイト行列」という）を算出する。これらの処理には公知の技術が使用されればよいので、ここでは説明を省略する。

送信装置１０は、伝送路行列推定用信号（プリアンブル）の行列Ｐに、ウエイト行列を乗算した信号を送信する。受信装置１２における受信プリアンブル行列は、次のように示される。
Ｚ ＝ ＨＶＰ ＝ ＵΣＰ ・・・（６）
受信装置１２は、受信プリアンブル行列から伝送路行列を次のように推定する。
Ｅ ＝ Ｚ＊Ｐ^−１ ＝ ＵΣ ・・・（７）
このとき、推定伝送路行列ＥはＨではなく、ＵΣとして導出される。

これにつづいて、送信装置１０は、送信信号ベクトルを送信し、受信装置１２は、受信信号ベクトルを取得する。受信信号ベクトルは、式（３）のように示される。受信装置１２は、受信信号ベクトルＲを復号することによって、送信信号ベクトルＸを取得する。受信装置１２から見た送信信号ベクトルＸの等価伝送路は、ＵΣであるので、これを受信信号ベクトルからキャンセルすることによって、送信信号ベクトルＸが取得される。なお、ＵΣは、推定伝送路行列Ｅとして既に推定されている。

例えば、ＺＦ（Ｚｅｒｏ−Ｆｏｒｃｉｎｇ）受信がなされる場合は次のように示される。
Ｅ^−１Ｒ ＝ Σ^−１Ｕ^ＨＵΣＸ ＝ Ｘ ・・・（８）
つまり、伝送路推定のためのプリアンブルにもウエイト行列を乗算しておくことによって、受信装置１２において推定される伝送路行列がＵ行列とΣ行列から形成される。送信装置１０では、推定した伝送路行列を使用することによって、ＺＦ受信等にて、送信信号ベクトルＸを取得する。さらに、本実施例においては、空間の相関性の大きさに応じて、追加の処理を実行する。この処理については後述する。

図２は、送信装置１０の構成を示す。送信装置１０は、乗算部２０と総称される第１乗算部２０ａ、第２乗算部２０ｂ、第３乗算部２０ｃ、第４乗算部２０ｄ、加算部２２と総称される第１加算部２２ａ、第２加算部２２ｂ、第１発振器２４、ミキサ２６と総称される第１ミキサ２６ａ、第２ミキサ２６ｂ、第３ミキサ２６ｃ、第４ミキサ２６ｄ、補完伝送路生成部２８、第２発振器３０、取得部３２、第１導出部３４、第２導出部３６、判定部３８、記憶部４０、生成部４２、設定部４４、制御部４６を含む。補完伝送路生成部２８は、ＳＷ５０と総称される第１ＳＷ５０ａ、第２ＳＷ５０ｂ、第３ＳＷ５０ｃ、第４ＳＷ５０ｄ、分配器５２と総称される第１分配器５２ａ、第２分配器５２ｂ、付加器５４と総称される第１付加器５４ａ、第２付加器５４ｂ、第３付加器５４ｃ、第４付加器５４ｄ、加算器５６と総称される第１加算器５６ａ、第２加算器５６ｂを含む。

取得部３２は、複数の送信用アンテナ１４のそれぞれと図示しない複数の受信用アンテナ１６のそれぞれとの間における伝送路特性が要素として配置された伝送路行列Ｈを取得する。なお、伝送路行列Ｈは、図示しない受信装置１２において導出されており、取得部３２は、無線回線を介して、受信装置１２から伝送路行列Ｈを取得する。さらに、受信装置１２に伝送路行列Ｈを導出させるために、送信装置１０は、複数の送信用アンテナ１４のそれぞれから伝送路行列推定用信号を受信装置１２に予め送信する。なお、このような処理には公知の技術が使用されればよいので、ここでは詳細な説明を省略する。

第１導出部３４は、取得部３２が取得した伝送路行列Ｈに対して特異値分解を実行することによって、特異値が配置された対角行列の特異値行列Σを導出する。また、第１導出部３４は、特異値行列Σに対応したユニタリ行列のウエイト行列Ｖを導出する。第１導出部３４は、特異値行列Σを第２導出部３６に出力し、ウエイト行列Ｖを設定部４４に出力する。第２導出部３６は、第１導出部３４が導出した特異値行列Σに配置された特異値を取得する。特異値行列Σが２行２列のサイズを有する場合、第２導出部３６は、ふたつの特異値を取得する。ここでは、ふたつの特異値のうちの大きい方を第１特異値とよび、小さい方を第２特異値とよぶ。さらに、第２導出部３６は、第１特異値を第２特異値によって除算することによって、特異値比を導出する。特異値比は、特異値間の違いの程度に相当する。第２導出部３６は、特異値比を判定部３８に出力する。

判定部３８は、第２導出部３６において導出した特異値比が予め定められた範囲内であるかを判定する。例えば、特異値比が１以上であり１．４以下であるか、あるいは１．４より大きいかが判定される。これは、ふたつの特異値が近いか、大きく異なっているかを判定することに相当する。ここでは、伝送路行列Ｈと特異値比との関係を説明する。図３（ａ）−（ｄ）は、通信システム１００における伝送路特性の一例を示す。図３（ａ）は、ふたつの送信用アンテナ１４とふたつの受信用アンテナ１６との間に形成される伝送路特性８０を示す。第１伝送路特性８０ａは、第１送信用アンテナ１４ａと第１受信用アンテナ１６ａとの間に形成され、第２伝送路特性８０ｂは、第１送信用アンテナ１４ａと第２受信用アンテナ１６ｂとの間に形成され、第３伝送路特性８０ｃは、第２送信用アンテナ１４ｂと第１受信用アンテナ１６ａとの間に形成され、第４伝送路特性８０ｄは、第２送信用アンテナ１４ｂと第２受信用アンテナ１６ｂとの間に形成される。

ここでは、説明を明瞭にするために、各伝送路特性８０は実数であると仮定する。図３（ａ）では、第１伝送路特性８０ａが「１」であり、第２伝送路特性８０ｂが「−０．４」であり、第３伝送路特性８０ｃが「０．５」であり、第４伝送路特性８０ｄが「１．２」であるとする。この場合、第１特異値は「１．３０」になり、第２特異値は「１．０８」になり、特異値比は「１．２０３７」になる。この場合、前述の範囲内に含まれる。このような伝送路特性８０の相関性は低いといえる。

なお、反射波の影響が小さくなり、さらに長距離伝送になると、送信用アンテナ１４と受信用アンテナ１６間のそれぞれの伝送路特性８０がほぼ同じ位相および振幅になってしまう。これは、空間の相関性が高いと表現される。伝送路特性８０がまったく同じ場合には、伝送路行列は一次従属になるので、逆行列を求めることができなくなる。伝送路特性８０がまったく同じではなくても、伝送路特性８０がほぼ同じ位相および振幅では、逆行列の要素の値が大きくなるので、オーバフローが発生しやすくなる。図３（ｂ）では、第１伝送路特性８０ａが「１」であり、第２伝送路特性８０ｂが「０．８」であり、第３伝送路特性８０ｃが「０．９」であり、第４伝送路特性８０ｄが「１．１」であるとする。この場合、第１特異値は「１．９１」になり、第２特異値は「０．０１」になり、特異値比は「１９１」になる。これは、送信側の相関および受信側の相関がともに大きい場合に相当する。

図３（ｃ）では、第１伝送路特性８０ａが「１」であり、第２伝送路特性８０ｂが「−０．７」であり、第３伝送路特性８０ｃが「０．９」であり、第４伝送路特性８０ｄが「−０．６」であるとする。この場合、第１特異値は「１．６３」になり、第２特異値は「０．０２」になり、特異値比は「８１．５」になる。これは、送信側の相関が大きい場合に相当する。図３（ｄ）では、第１伝送路特性８０ａが「１」であり、第２伝送路特性８０ｂが「０．８」であり、第３伝送路特性８０ｃが「−０．８」であり、第４伝送路特性８０ｄが「−０．７」であるとする。この場合、第１特異値は「１．６６」になり、第２特異値は「０．０４」になり、特異値比は「４１．５」になる。これは、受信側の相関が大きい場合に相当する。図２に戻る。

記憶部４０は、判定部３８が範囲内であると判定した場合、取得部３２が取得した伝送路行列Ｈを記憶する。つまり、記憶部４０は、範囲内であると判定された最新の伝送路行列Ｈを記憶する。生成部４２は、判定部３８が範囲外であると判定した場合、取得部３２が取得した伝送路行列Ｈと、記憶部４０が記憶した伝送路行列（以下、「概知伝送路行列」という）をもとに、補正行列Ｗを生成する。前述のごとく、図３（ｂ）−（ｄ）の場合において、受信装置１２にてＭＩＭＯ伝送のための逆行列を導出することが困難になる。そのため、ＭＩＭＯ伝送による空間多重が困難になる。これに対応するために、生成部４２は、補正行列Ｗを生成し、これを送信時に実空間伝送路に加えることによって、強制的に無相関伝送路を形成させ、多重空間伝送を可能にする。なお、補正行列Ｗは、補完伝送路ということもある。

以下では、生成部４２の処理を具体的に説明する。判定部３８が範囲内であると判定した場合、生成部４２は、補正行列Ｗを生成しない。そのため、ＭＩＭＯ伝送の際に、補正行列Ｗの付加はなされない。一方、判定部３８が範囲外であると判定した場合、生成部４２は、次のように補正行列Ｗを生成する。
補正行列｜Ｗ｜=概知伝送路行列｜Ｙ｜−伝送路行列｜Ｈ｜ ・・・（９）

図４（ａ）−（ｃ）は、第１付加器５４ａから第４付加器５４ｄにおける設定の一例を示す。図４（ａ）−（ｃ）における伝送路特性８０は、図３（ｂ）−（ｄ）にそれぞれ対応する。また、概知伝送路行列は、図３（ａ）に対応する。図４（ａ）は、図３（ｂ）における伝送路特性８０に対して、導出された補正行列Ｗが付加器５４に設定される。その結果、図３（ｂ）における伝送路特性８０であっても、図３（ａ）と同様の相関性が取得される。図４（ｂ）、（ｃ）についても同様である。図２に戻る。

設定部４４は、第１導出部３４からウエイト行列Ｖを取得する。ウエイト行列Ｖが例えば２行２列の行列である場合、２行１列の送信ウエイトベクトルがウエイト行列にふたつ含まれている。設定部４４は、ひとつの送信ウエイトベクトルを第１乗算部２０ａと第２乗算部２０ｂに対して設定し、別の送信ウエイトベクトルを第３乗算部２０ｃと第４乗算部２０ｄに対して設定する。第１乗算部２０ａと第２乗算部２０ｂは、ひとつのストリーム信号とひとつの送信ウエイトベクトルとを乗算し、第３乗算部２０ｃと第４乗算部２０ｄは、別のストリーム信号と別の送信ウエイトベクトルとを乗算する。第１加算部２２ａは、第１乗算部２０ａでの乗算結果と第３乗算部２０ｃでの乗算結果とを加算する。これ（以下、「第１信号」という）は、第１送信用アンテナ１４ａから送信すべき信号に相当する。また、第２加算部２２ｂは、第２乗算部２０ｂでの乗算結果と第４乗算部２０ｄでの乗算県とを加算する。これは、第２送信用アンテナ１４ｂから送信すべき信号に相当する。

第１発振器２４は、所定の周波数のローカル信号を発生する。第１ミキサ２６ａは、第１発振器２４からのローカル信号によって第１信号を周波数変換し、第２ミキサ２６ｂは、第１発振器２４からのローカル信号によって第２信号を周波数変換する。ここでは、例えば、中間周波数帯への周波数変換がなされるとする。また、中間周波数帯への変換がなされた第１信号および第２信号もそれぞれ第１信号および第２信号というものとする。

判定部３８が範囲内であると判定した場合、第１ＳＷ５０ａは、第１信号を第３ＳＷ５０ｃに出力し、第３ＳＷ５０ｃは、第１信号を第３ミキサ２６ｃに出力する。また、判定部３８が範囲内であると判定した場合、第２ＳＷ５０ｂは、第２信号を第４ＳＷ５０ｄに出力し、第４ＳＷ５０ｄは、第２信号を第４ミキサ２６ｄに出力する。これは、補完伝送路生成部２８の処理をバイパスすることに相当し、ウエイト行列Ｖに含まれた送信ウエイトベクトルとストリーム信号との演算結果を複数の送信用アンテナ１４から送信することに相当する。

第２発振器３０は、所定の周波数のローカル信号を発生する。第３ミキサ２６ｃは、第２発振器３０からのローカル信号によって第１信号を周波数変換し、第４ミキサ２６ｄは、第２発振器３０からのローカル信号によって第２信号を周波数変換する。ここでは、例えば、無線周波数帯への周波数変換がなされるとする。また、無線周波数帯への変換がなされた第１信号および第２信号もそれぞれ第１信号および第２信号というものとする。第１送信用アンテナ１４ａは、第１信号を送信し、第２送信用アンテナ１４ｂは、第２信号を送信する。

判定部３８が範囲外であると判定した場合、第１ＳＷ５０ａは、第１信号を第１分配器５２ａに出力し、第２ＳＷ５０ｂは、第２信号を第２分配器５２ｂに出力する。第１分配器５２ａは、第１信号を第１付加器５４ａおよび第２付加器５４ｂに出力し、第２分配器５２ｂは、第２信号を第３付加器５４ｃおよび第４付加器５４ｄに出力する。第１付加器ａは、生成部４２において生成された補正行列Ｗのうち、対応する要素の値を第１信号に付加する。当該付加は、ベクトル演算にて乗算することに相当する。第２付加器５４ｂから第４付加器５４ｄも同様の処理を実行する。

第１加算器５６ａは、第１付加器５４ａからの出力信号と第３付加器５４ｃからの出力信号とを加算し、第２加算器５６ｂは、第２付加器５４ｂからの出力信号と第４付加器５４ｄからの出力信号とを加算する。第３ＳＷ５０ｃは、第１加算器５６ａから入力した信号を第３ミキサ２６ｃに出力し、第４ＳＷ５０ｄは、第２加算器５６ｂから入力した信号を第４ミキサ２６ｄに出力する。このように、空間の相関性が高い場合、ウエイト行列Ｖに含まれた送信ウエイトベクトルとストリーム信号と補正行列Ｗの演算結果が複数の送信用アンテナ１４から送信されることによって、相関性が低くされる。

図５は、送信装置１０から送信されるパケット信号の構成を示す。上段がひとつのストリーム信号に相当し、下段が別のストリーム信号に相当する。各ストリーム信号において、トレーニング信号、補完有無信号、データ信号が順に配置される。ここで、トレーニング信号は、前述の伝送路行列推定用信号に相当する。トレーニング信号は、図示しない受信装置１２にとって既知の信号であり、ひとつのストリーム信号と別のストリーム信号において互いに異なるパターンになるように規定される。

補完有無信号は、補完伝送路生成部２８において補正行列Ｗによる補完がなされているかを受信装置１２に通知するための１ビットの信号である。例えば、補完有無信号が「０」であれば、補正行列Ｗによる補完がなされておらず、補完有無信号が「１」であれば、補正行列Ｗによる補完がなされている。つまり、補正行列Ｗとウエイト行列とストリーム信号との演算結果を複数の送信用アンテナ１４から送信する場合、補正行列Ｗの使用が通知される。補完有無信号は、各ストリーム信号において同一の値である。データ信号は、ＭＩＭＯ伝送に対応するために、ふたつのストリーム信号において異なっている。

この構成は、ハードウエア的には、任意のコンピュータのＣＰＵ、メモリ、その他のＬＳＩで実現でき、ソフトウエア的にはメモリにロードされたプログラムなどによって実現されるが、ここではそれらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックがハードウエアのみ、ソフトウエアのみ、またはそれらの組合せによっていろいろな形で実現できることは、当業者には理解されるところである。

図６は、受信装置１２の構成を示す。受信装置１２は、発振器６０、ミキサ６２と総称される第１ミキサ６２ａ、第２ミキサ６２ｂ、処理部６４と総称される第１処理部６４ａ、第２処理部６４ｂ、導出部６６、伝送路行列計算部６８、抽出部７０、制御部７２を含む。第１処理部６４ａは、乗算部７４と総称される第１乗算部７４ａ、第２乗算部７４ｂ、積算部７６を含む。

発振器６０は、所定の周波数のローカル信号を発生する。第１ミキサ６２ａは、発振器６０からのローカル信号によって、第１受信用アンテナ１６ａにおいて受信した信号を周波数変換する。また、第２ミキサ６２ｂは、発振器６０からのローカル信号によって、第２受信用アンテナ１６ｂにおいて受信した信号を周波数変換する。ここでは、例えば、ベースバンドへの周波数変換がなされる。伝送路行列計算部６８は、第１ミキサ６２ａと第２ミキサ６２ｂからの信号をもとに、伝送路特性を推定することによって、伝送路行列Ｈを生成する。伝送路行列Ｈの生成には公知の技術が使用されればよいので、ここでは説明を省略する。なお、伝送路特性の推定には、図示しない送信装置１０において送信ウエイトベクトルが送信されていない信号が使用される。さらに、生成された伝送路行列Ｈは、無線回線を介して送信装置１０に送信される。

導出部６６は、第１ミキサ６２ａと第２ミキサ６２ｂからの信号を入力する。ここで、入力した信号は、図示しない送信装置１０において送信ウエイトベクトルが送信された信号に相当する。導出部６６は、入力した信号、特にトレーニング信号をもとに、受信ウエイトベクトルを導出する。受信ウエイトベクトルの導出には公知の技術が使用されればよいので、ここでは説明を省略する。

処理部６４は、導出部６６において導出した受信ウエイトベクトルを使用することによって、第１ミキサ６２ａと第２ミキサ６２ｂからの信号に対するアレイ合成を実行する。なお、第１処理部６４ａは、ひとつのストリーム信号に対する処理を実行し、第２処理部６４ｂは、別のストリーム信号に対応した処理を実行する。例えば、第１処理部６４ａにおいては、第１乗算部７４ａと第２乗算部７４ｂが受信ウエイトベクトルの乗算を実行し、積算部７６が乗算結果の積算を実行する。抽出部７０は、アレイ合成された信号から補完有無信号を抽出する。補完有無信号が「１」である場合、抽出部７０は、補正行列Ｗが使用されていることを導出部６６に通知する。補完有無信号が「０」である場合、抽出部７０による通知がなされなくてもよい。

前述のごとく、補完有無信号が「１」である場合、送信装置１０において特異値比が予め定められた範囲外になっており、入力した信号には、補正行列Ｗも演算されている。導出部６６は、抽出部７０からの通知を入力した場合、受信ウエイトベクトルの導出を停止する。その際、導出部６６は、補完有無信号が「０」である場合に既に導出した受信ウエイトベクトルを処理部６４に出力する。処理部６４は、導出部６６からの受信ウエイトベクトルを使用することによってアレイ合成を使用する。

以上の構成による通信システム１００の動作を説明する。図７は、送信装置１０による送信手順を示すフローチャートである。取得部３２は、伝送路行列Ｈを取得する（Ｓ１０）。第２導出部３６は、特異値比Ｘを計算する（Ｓ１２）。特異値比Ｘが１以上であり、かつ１．４以下であれば（Ｓ１４のＹ）、記憶部４０は、概知伝送路行列Ｙとして伝送路行列Ｈを記憶する（Ｓ１６）。送信装置１０は、ＭＩＭＯ伝送を実行する（Ｓ２２）。特異値比Ｘが１以上であり、かつ１．４以下でなければ（Ｓ１４のＮ）、生成部４２は、概知伝送路行列Ｙから伝送路行列Ｈを減算することによって、補正行列Ｗを生成する（Ｓ１８）。補完伝送路生成部２８は、補正行列Ｗによる補正を実行する（Ｓ２０）。送信装置１０は、ＭＩＭＯ伝送を実行する（Ｓ２２）。

図８は、受信装置１２による受信手順を示すフローチャートである。導出部６６は、受信ウエイトベクトルを計算する（Ｓ４０）。抽出部７０が補完有無信号「１」を抽出しなかった場合（Ｓ４２のＮ）、導出部６６は、受信ウエイトベクトルを記憶する（Ｓ４４）。処理部６４は、データ信号に対するアレイ合成を実行する（Ｓ４８）。抽出部７０が補完有無信号「１」を抽出した場合（Ｓ４２のＹ）、導出部６６は、受信ウエイトベクトルを読み出す（Ｓ４６）。処理部６４は、データ信号に対するアレイ合成を実行する（Ｓ４８）。

本発明の実施例によれば、特異値比の大きさに応じて、送信ウエイトベクトルと補正行列との組合せを使用するか、あるいは送信ウエイトベクトルを使用するかを決定するので、必要に応じて相関性を低くできる。また、空間の相関性が高い場合に、補正行列を使用して相関性を低くするので、さまざまな種類の伝送路環境下においても多重伝送を実現できる。また、特異値比が範囲内である場合の伝送路行列と、特異値比が範囲外である場合の伝送路行列とをもとに補正行列を生成するので、特異値比が範囲内である場合の伝送路行列に近くできる。また、さまざまな相関空間伝送路であってもデータ多重伝送が可能になるので、高容量データをスムーズに伝送できる。また、補正行列の使用を通知するので、それに適したアレイ合成処理を実行させることができる。

また、特異値間の違いの程度に応じて、ウエイトベクトルと補正行列との組合せが使用されるか、あるいはウエイトベクトルが使用されるので、さまざまな種類の伝送路環境下においても多重伝送を実現できる。また、予め定めた特異値比の範囲であるかを判定するだけなので、空間の相関性が低いか否かを直ちに特定でき、ランク落ち等で多くの演算時間を要する状況の発生を低減できる。また、受信装置では、概知伝送路行列あるいはこれから求められる逆行列の解を記憶させておくことによって、空間伝送路が補完されるので、伝送行列を概知伝送路行列に近くできる。また、逆行列を解くための演算時間を大幅に短縮できる。

以上、本発明を実施例をもとに説明した。この実施例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

本発明の実施例において、送信用アンテナ１４の数と受信用アンテナ１６の数はいずれも「２」であるので、特異値行列に含まれる特異値の数も「２」である。しかしながらこれに限らず例えば、送信用アンテナ１４の数や受信用アンテナ１６の数は、「２」よりも大きく、特異値行列に含まれる特異値の数が「２」よりも大きくてもよい。その際、特異値比は、最大の特異値を最小の特異値によって除算することによって取得される。また、最大の特異値を２番目に大きい特異値によって除算することによって特異値比が取得されてもよい。本変形例によれば、送信用アンテナ１４の数や受信用アンテナ１６の数が２より大きい場合であっても、本発明を適用できる。

本発明の実施例において、判定部３８は、予め定められた範囲が、１以上であり１．４以下であるとしている。しかしながらこれに限らず例えば、１．４が他の値であってもよい。この値は、例えば、シミュレーション実験等で定められればよい。本変形例によれば、最適な範囲を設定できる。

１０ 送信装置、 １２ 受信装置、 １４ 送信用アンテナ、 １６ 受信用アンテナ、 ２０ 乗算部、 ２２ 加算部、 ２４ 第１発振器、 ２６ ミキサ、 ２８ 補完伝送路生成部、 ３０ 第２発振器、 ３２ 取得部、 ３４ 第１導出部、 ３６ 第２導出部、 ３８ 判定部、 ４０ 記憶部、 ４２ 生成部、 ４４ 設定部、 ４６ 制御部、 ５０ ＳＷ、 ５２ 分配器、 ５４ 付加器、 ５６ 加算器、 ６０ 発振器、 ６２ ミキサ、 ６４ 処理部、 ６６ 導出部、 ６８ 伝送路行列計算部、 ７０ 抽出部、 ７２ 制御部、 ７４ 乗算部、 ７６ 積算部、 １００ 通信システム。

Claims (6)

1. 送信側の複数のアンテナのそれぞれと受信側の複数のアンテナのそれぞれとの間における伝送路特性を要素とする伝送路行列を取得する取得部と、
   前記取得部が取得した伝送路行列に対して特異値分解を実行することによって、特異値が配置された対角行列の特異値行列を導出するとともに、特異値行列に対応したユニタリ行列のウエイト行列を導出する第１導出部と、
   前記第１導出部が導出した特異値行列に配置された特異値間の違いの程度を導出する第２導出部と、
   前記第２導出部において導出した特異値間の違いの程度が予め定められた範囲内であるかを判定する判定部と、
   前記判定部が範囲内であると判定した場合、ウエイト行列に含まれたウエイトベクトルと信号との演算結果を複数のアンテナから送信し、前記判定部が範囲外であると判定した場合、ウエイト行列に含まれたウエイトベクトルと信号と補正行列の演算結果を複数のアンテナから送信する送信部と、
   を備えることを特徴とする送信装置。
2. 前記判定部が範囲内であると判定した場合、前記取得部が取得した伝送路行列を記憶する記憶部と、
   前記判定部が範囲外であると判定した場合、前記取得部が取得した伝送路行列と、前記記憶部が記憶した伝送路行列をもとに、補正行列を生成する生成部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の送信装置。
3. 前記送信部は、補正行列とウエイト行列と信号との演算結果を複数のアンテナから送信する場合、補正行列の使用を通知することを特徴とする請求項１または２に記載の送信装置。
4. 送信側の複数のアンテナのそれぞれと受信側の複数のアンテナのそれぞれとの間における伝送路特性を要素とする伝送路行列に対して特異値分解を実行することによって、特異値が配置された対角行列の特異値行列と、特異値行列に対応したユニタリ行列のウエイト行列とが導出されるとともに、特異値行列に配置された特異値間の違いの程度が予め定められた範囲内である場合に、ウエイト行列に含まれた送信ウエイトベクトルに演算された信号を送信装置から複数のアンテナにて受信する受信部と、
   前記受信部において受信した信号をもとに、受信ウエイトベクトルを導出する導出部と、
   前記導出部において導出した受信ウエイトベクトルを使用することによって、前記受信部において受信した信号に対するアレイ合成を実行する処理部と、
   前記受信部において受信される信号がウエイト行列に含まれた送信ウエイトベクトルに演算された信号であるか、送信ウエイトベクトルと補正行列とに演算された信号であるかを識別する抽出部とを備え、
   前記受信部は、特異値行列に配置された特異値間の違いの程度が予め定められた範囲外である場合に、送信ウエイトベクトルと補正行列とに演算された信号を受信し、
   前記導出部は、特異値行列に配置された特異値間の違いの程度が予め定められた範囲外である場合に、受信ウエイトベクトルの導出を停止し、
   前記処理部は、特異値行列に配置された特異値間の違いの程度が予め定められた範囲外である場合に、前記導出部において既に導出していた受信ウエイトベクトルを使用することによって、前記受信部において受信した信号に対するアレイ合成を実行することを特徴とする受信装置。
5. 送信側の複数のアンテナのそれぞれと受信側の複数のアンテナのそれぞれとの間における伝送路特性を要素とする伝送路行列を取得するステップと、
   取得した伝送路行列に対して特異値分解を実行することによって、特異値が配置された対角行列の特異値行列を導出するとともに、特異値行列に対応したユニタリ行列のウエイト行列を導出するステップと、
   導出した特異値行列に配置された特異値間の違いの程度を導出するステップと、
   導出した特異値間の違いの程度が予め定められた範囲内であるかを判定するステップと、
   範囲内であると判定した場合、ウエイト行列に含まれたウエイトベクトルと信号との演算結果を複数のアンテナから送信し、範囲外であると判定した場合、ウエイト行列に含まれたウエイトベクトルと信号と補正行列の演算結果を複数のアンテナから送信するステップと、
   を備えることを特徴とする送信方法。
6. 送信側の複数のアンテナのそれぞれと受信側の複数のアンテナのそれぞれとの間における伝送路特性を要素とする伝送路行列に対して特異値分解を実行することによって、特異値が配置された対角行列の特異値行列と、特異値行列に対応したユニタリ行列のウエイト行列とが導出されるとともに、特異値行列に配置された特異値間の違いの程度が予め定められた範囲内である場合に、ウエイト行列に含まれた送信ウエイトベクトルに演算された信号を送信装置から複数のアンテナにて受信するステップと、
   受信した信号をもとに、受信ウエイトベクトルを導出するステップと、
   導出した受信ウエイトベクトルを使用することによって、受信した信号に対するアレイ合成を実行するステップと、
   受信される信号がウエイト行列に含まれた送信ウエイトベクトルに演算された信号であるか、送信ウエイトベクトルと補正行列とに演算された信号であるかを識別するステップとを備え、
   前記受信するステップは、特異値行列に配置された特異値間の違いの程度が予め定められた範囲外である場合に、送信ウエイトベクトルと補正行列とに演算された信号を受信し、
   前記導出するステップは、特異値行列に配置された特異値間の違いの程度が予め定められた範囲外である場合に、受信ウエイトベクトルの導出を停止し、
   前記実行するステップは、特異値行列に配置された特異値間の違いの程度が予め定められた範囲外である場合に、既に導出していた受信ウエイトベクトルを使用することによって、受信した信号に対するアレイ合成を実行することを特徴とする受信方法。

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