JP5802942B2 - 無線通信システム、無線送信装置および無線通信方法 - Google Patents

Description

この発明は、複数のアンテナを有する基地局と、端末装置の存在する無線通信システムに関し、より特定的には、マルチユーザＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）通信の無線通信システムにおける送信ビームフォーミング技術に関連する、無線通信システム、無線送信装置および無線通信方法に関する。

従来から、マルチユーザＭＩＭＯ技術が提案されている（特許文献１，特許文献２、特許文献３）。マルチユーザＭＩＭＯは、基地局（またはアクセスポイント）側に多数のアンテナ素子をもたせるとともに、端末側は比較的少数のアンテナ素子をもたせ、基地局と複数の端末とで同時に仮想的なＭＩＭＯチャネルを形成するものである。

つまり、マルチユーザＭＩＭＯ送信技術とは、送信局側において複数の送信アンテナから同一周波数同一タイミングで異なる独立な信号を複数の通信相手装置に送信し、複数の通信相手装置の受信アンテナ全体を巨大な受信アレーとみなして下りスループットの向上を図る技術である。

図１３は、このようなマルチユーザＭＩＭＯ通信システムの構成を示す概念図である。

図１３に示されるように、基地局ＢＳは、アンテナ１〜Ｍから、それぞれ送信信号ｘ₁〜ｘ_Mを送信する。端末ＵＥ₁〜ＵＥ_kは、たとえば、それぞれ２本のアンテナを備えているものとする。端末ＵＥ₁は、基地局からの送信信号ｘ₁〜ｘ_Mを、その２本のアンテナにより受けて、それぞれ信号ｙ₁およびｙ₂を受信する。同様にして、他の端末ＵＥ₂〜ＵＥ_kも、それぞれ２本のアンテナにより、基地局からの送信信号ｘ₁〜ｘ_Mを受けて、信号ｙ₃およびｙ₄，…，ｙ_M-1およびｙ_Mを受信する。

すなわち、図１３の例では、（基地局の送信アンテナの本数）＝（１つの端末側の受信アンテナの本数）×（端末数）が成り立っている場合を例示している。

このとき、受信側の端末ＵＥ₁〜ＵＥ_kでの各アンテナでの受信信号ｙ₁〜ｙ_Mをまとめた受信信号ベクトルＹは、以下の式により表される。

ここで、行列Ｈの各要素は、送信側の各アンテナから受信側の各アンテナへの伝送路のインパルス応答に相当し、行列Ｈは「チャネル応答マトリックス」（または「伝送路行列」）と呼ばれる。ベクトルＸは、送信機側での各アンテナへの送信信号を並べたベクトルである。また、ベクトルＮは、受信側の各アンテナで受信される信号に含まれるノイズ成分を並べたものである。

従来のマルチユーザＭＩＭＯダウンリンクにおける送信ビーム形成(BF:Beam Forming)法としては、自端末以外の全ての端末の全受信アンテナに対してヌルを形成するＺＦ(Zero Forcing:ゼロフォーシング)法や、ＭＭＳＥ（Minimum Mean Square Error:最小二乗法）法に基づいた種々のビーム形成法が考案されている。ＭＭＳＥ法に基づくビーム形成法では、自端末以外の全ての端末の全受信アンテナに対してヌルを形成するのではなく、一定量の漏洩を許容する。

（ＭＭＳＥ法によるビーム形成の構成）
ここで、シングルキャリアの場合について、ＭＭＳＥ法により、各アンテナに与える送信信号を合成するための「重み付け係数」（ビームフォーミングウェイト行列）を推定する方法については、特許文献２（特開２００７−１１０６６４号公報）に開示されている。

以下、簡単にＭＭＳＥ法によるビーム形成について、数式を用いて説明する。

図１４は、ＭＭＳＥ法によるビーム形成の手続きを示す概念図である。

ここでは、送信機ＢＳにおいて、送信に使用されるアンテナ数はＮｔ本であり、受信側では、Ｎｔ本のアンテナで信号を受信する構成について説明している。

送信される原信号を以下のようにベクトルＸで表すものとする。

このとき、たとえば、チャネル応答マトリックスＨは、受信側（受信機ＵＥｓ）からの情報により推定されるものとする。

このような状況では、送信ビームウェイト乗算後の信号ベクトルＸハット（Ｘの上に“＾”の付加されたものを、以下、本文中では、このように表現する）は、以下の式であらわされる。

ここで、上付きのＨは、行列共役転置操作後のエルミート行列であることを示し、αは正規化係数を表し、Ｉ_Ntは、（Ｎｔ×Ｎｔ）の単位行列を表す。

送信アンテナから送出される信号Ｚは、以下の式で表される。

ここで、γは総送信電力を規格化するための係数である。ただし、｜｜は、ユークリッドノルムを表す。

チャネルを送信信号が伝達した後（すなわち、信号Ｚにチャネル応答マトリックスが乗算されたことに等価）、受信側では、加算性白色ガウス雑音(AWGN)が付加された信号に対して、√γがそれぞれ乗算されて、信号ｘ_iハットが分離される。

以上のようにして、ＭＭＳＥ法を用いたビーム形成方法により、ＭＩＭＯ通信が実現される。

しかしながら、マルチユーザＭＩＭＯは、屋外で使用されるだけでなく、たとえば、オフィスや家庭内などのような屋内で使用される場合が増加している。このような場合、各受信機が空間的に近接しており、結果として、ＭＩＭＯチャネル間の相関が高くなる。

このような場合において、上述したＭＭＳＥ法では、互いに相関の高いチャネルに対しては、規格化係数γの値が、大きくなりすぎ、規格化後の信号電力が必要以上に抑制されるチャネルが生じて、ストリームデータの一部が失われる恐れがあるという第１の問題がある。

（非線形プリコーディング法：ＶＰ法）
このような問題に対しては、たとえば、非線形プリコーディング法のＶＰ（Vector Perturbation）法が知られている。このような「非線形プリコーディング法」については、たとえば、特許文献４にも開示がある。

ＶＰ法のような非線形プリコーディング法においては、受信装置間干渉を受ける受信装置宛の送信信号に対し、プリコーディング処理が行われ、事前に干渉成分が間引かれる。しかし、このプリコーディング処理後の信号は伝搬路に起因する成分を持つため、送信電力が規定値を超える可能性がある。

そのため、プリコーディング処理前の信号に対し、モジュロ演算処理が実行される。「モジュロ演算処理」とは、入力された信号の実数部および虚数部に対し、既定の値の剰余演算を行うことである。これは、入力された信号に対し、実数部および虚数部に規定の値の整数倍の値を持つ摂動信号を加えることと等価である。 モジュロ演算により送信電力が規定値内に抑えられた信号はビームフォーミングにより伝送される。

一方、受信処理では、所望の信号（データを含む情報信号）に上述した摂動信号が加わっている受信信号に対し、再びモジュロ演算処理が行われ、上記摂動信号成分が除去されて、情報信号が取り出される。

図１５は、非線形プリコーディング法であるＶＰ法の処理を説明するための概念図である。

図１５を参照して、まず、送信機ＢＳにおいては、送信される原信号ベクトルＸに対して、ダーティペイパーコーディング（DPC）に基づく、モジュロ演算（以下、「ＤＰＣ ＭＯＤ演算」と略記する）が行われ、ベクトルＸmodが以下のように算出される。なお、このようなＶＰ法については、非特許文献１に開示がある。

このようなベクトルＸmodに対して、ＭＭＳＥ法によりビーム形成演算を行うこととすると、上述した単純なＭＭＳＥ法と同様にして、送信信号Ｚは、以下のように算出される。

受信側のＵＥｓでは、加算性白色ガウス雑音(AWGN)が付加された信号に対して、√γがそれぞれ乗算されて、さらに、ＤＰＣ逆モジュロ演算（以下、「ＤＰＣ ＤｅＭＯＤ演算」と略記する）が、以下の式により実行されて、信号ｘ_iハットが分離される。

なお、下の式で表される演算は、負方向の整数に丸め込む処理を表す。

このような非線形プリコーディング法、たとえば、ＶＰ法を用いれば、上述したような相関の高いチャネルの存在により、係数γが大きくなることで、ストリームデータの一部が失われるという問題を回避することは可能である。しかしながら、チャネル数が多くなると、このような非線形プリコーディング法の演算量は、指数関数的に増加してしまうという第２の問題がある。
（ブロック対角化ＶＰ法：ＢＤ−ＶＰ法）
さらに、特許文献３にも記載のとおり、ＭＩＭＯダウンリンクにおける送信ビーム形成法の他の例としては、ＢＤ（Block Diagonalization:ブロック対角化）法がある。

また、非特許文献２には、このＢＤ法をさらに改良したＢＤ−ＶＰ（Vector Perturbation with Block Diagonalization）法について開示がある。

以下、この非特許文献２の開示にしたがって、まず、マルチユーザＭＩＭＯ（以下、ＭＵ−ＭＩＭＯと称す）に適用されるＢＤ法について簡単に説明する。

すなわち、ＢＤ法では、以下に説明するように、チャネル応答マトリックスから、プリコーディング行列（重み付け係数を表現する送信ビームフォーミングのための行列、以下、上述した「ビームフォーミングウェイト行列」とを合わせた総称として「プリコーディング行列」と呼ぶ）を算出する。

ＭＵ−ＭＩＭＯシステムにおいて、下りリンクを想定することとする。送信アンテナは、ｎ_T本であり、ｎ_Uユーザについて、各ユーザ（各端末）ごとにｎ_R本の受信アンテナが設けられているものとする。そして、ｎ_T＝ｎ_R×ｎ_Uが成り立っているものとする。

このとき、チャネル応答マトリックスＨが以下のように表されるものとする。

ここで、チャネル応答マトリックスの部分行列Ｈiは、ｉ番目のユーザについて、送信側のｎ_T本の送信アンテナと受信側のｎ_R本の受信アンテナとの間の伝送路の応答を示す。また、記号右肩の添え字Ｔは、転置行列を示す。

以下に説明するようなブロック対角化アルゴリズム（ＢＤアルゴリズム）によれば、ユーザ間の干渉についてはキャンセルすることが可能である。

すなわち、ＢＤアルゴリズムは、ＭＵ―ＭＩＭＯをシングルユーザＭＩＭＯ（以下、ＳＵ−ＭＩＭＯと称す）のチャネルに変換するものである。ユーザ側の受信機での処理の複雑さを低減するために、プリコーディング処理により、送信側でチャネルについての等価処理が実行される。

ＢＤアルゴリズムとは、以下の式（２）で表されるような行列Ｂを見出すことを目的とするものである。

ここで、０_nRとは、ｎ_R×ｎ_Rのゼロマトリックスであり、Ｈ_eff,i＝Ｈ_iＢ_iとは、ユーザｉについての有効チャネル応答マトリックスである。

さて、さらに、式（１）のシステム全体のチャネル応答マトリックスから、ユーザｉの部分チャネル応答マトリックスを除くことで、以下の式（３）で表されるマトリックスを定義する。

式（３）のマトリックスの特異値分解は、以下の式（４）のように表現される。

そこで、ユーザｉに対するチャネル応答マトリックスＨ_iに対して、上記式（４）中のヌル空間ウェイト行列を乗算して得られる行列について、以下の式（５）で示されるように特異値分解を実行すると、プリコーディング行列Ｂiも以下の式（６）のように表現される。

特許文献３には、さらに、このようなＢＤアルゴリズムを用いて、マルチユーザＭＩＭＯ送信技術を、マルチキャリアの伝送技術である直交周波数分割多重 （ＯＦＤＭ：Orthogonal Frequency Division Multiplexing）変調方式に適用した例について開示がある。

さらに、非特許文献２においては、送信ビームフォーミングのための非線形な重み付け処理として、上述したＢＤ−ＶＰ法について開示がある。

非特許文献２に開示されるＢＤ−ＶＰ法は、簡単に説明すると、ＢＤ法により、ＭＵ−ＭＩＭＯチャネルを、ユーザ間の干渉のない並行的なＳＵ−ＭＩＭＯチャネルに変換するとともに、非線形プリコーディング法であるＶＰアルゴリズムにより、送信電力を減少させる技術である。さらに、ＶＰ法のアルゴリズムを適切に設計することで、演算負荷を抑制することも可能となる。

図１６は、ＢＤ−ＶＰ法の処理を説明するための概念図である。

以下では、マルチユーザＭＩＭＯにおいて、ユーザ数がＮ１であり、Ｎ１ストリームの送信がシングルキャリアで行われる場合を例にとって、ＢＤ−ＶＰ法について簡単に説明する。

まず、送信される原信号ベクトルＸは、以下のように、Ｎ１個の部分ベクトルに分解されるものとする。

また、チャネル応答マトリックスＨは、ブロック対角化処理部ＢＤにより、部分チャネル応答マトリックスＨ₁〜Ｈ_N1に分解されるものとする。

部分ベクトルＸiは、それぞれに対応するＤＰＣ ＭＯＤ処理部により、以下の式にしたがって、モジュロ演算処理される。

部分チャネル応答マトリックスＨ_iと部分ベクトルＸⁱ _modとにより、以下の式に従って、それぞれ対応するＭＭＳＥ処理部ＭＭＳＥiにより、ＭＭＳＥ法によるビーム形成演算が実行され、送信信号Ｚiが算出される。

これらの送信信号Ｚ₁〜Ｚ_N1について、プリコーディング行列Ｂiを演算することで、送信信号Ｚを得る。

受信側の受信機ＵＥｓでは、それぞれのストリームについて加算性白色ガウス雑音(AWGN)が付加された信号に対して、√γ_BDVPがそれぞれ乗算され、ＤＰＣ ＤｅＭＯＤ演算が実行されて、信号ｘ_iハットが分離される。

したがって、ＶＰ法とＢＤ法とを組み合わせることで、マルチユーザＭＩＭＯは、基本的には、複数のシングルユーザＭＩＭＯと等価となり、演算量の増加は抑制される。この点で、ＢＤ−ＶＰ法は、マルチユーザＭＩＭＯのビーム形成方法として、優れているといえる。

ただし、ＢＤ−ＶＰ法を用いても、ストリーム数、すなわち、チャネル数が多くなった場合に、相関の高いチャネルが存在するときに、各ストリームについての通信を良好に維持するためにどのように対処すればよいかは、従来、十分には検討されていない。
（アンテナ選択法）
一方で、相関の高いチャネルが存在する場合に、規格化の係数γ値が極端に大きくなる問題を回避するための方法として、アンテナ選択法が知られている。

図１７は、このようなアンテナ選択法の処理を説明するための概念図である。

図１７においては、図１４において説明したＭＭＳＥ法において、アンテナ選択部ＡＳを付加した構成としたものである。

すなわち、送信側においてチャネル応答マトリックスを推定できるように、受信側から、チャネル状態情報（ＣＳＩ：Channel State Information）が送信機ＢＳフィードバックされた場合に、フィードバックされたチャネル応答行列Ｈ_fbにおいて、第i行のノルムが、他の行に比べて、もっとも小さいとする。このとき、アンテナ選択部ＡＳは、フィードバックされたチャネル応答行列Ｈ_fbから、第ｉ行を除いた補正チャネル応答マトリックスＨ_ASを生成して、ＭＭＳＥ処理部に与える。

すなわち、送信機ＢＳ側では、受信側の第ｉ番目のアンテナが存在しないものとして、すなわち、受信側のアンテナがＮ_sel（＝Ｎt−１）本であるものとして、ビーム形成を実行し、信号を送信する。

このようにすれば、規格化の係数γ値が大きくなる可能性がある部分については除いて、ビーム形成がされることになる。たとえば、１つの基地局に対して、複数のユーザが接続を希望しているような場合に、事前に、通信データが失われる可能性があるユーザについては、接続を一時待機させる、というような状況では、この「アンテナ選択法」は、有効な手段である。

ただし、複数のユーザをすべて同時に基地局と通信させることが要求されるような状況で、この「アンテナ選択法」を使用すると、選択されなかった受信アンテナについてのストリームは、伝送されないことになり、不都合である。たとえば、上述したような、屋内において、複数ユーザに対するマルチユーザＭＩＭＯ通信を実行したいような場合には、この「アンテナ選択法」は、不適切である。

特開２００５−３２８３１２号公報 特開２００７−１１０６６４号公報 特開２００９−１７７６１６号公報 特開２０１０−１５４３２０号公報

Hochwald, B.M. et al., "A vector-perturbation technique for near-capacity multiantenna multiuser communication-part II: perturbation", IEEE Transactions on Communications, vol.53, no.3, pp. 537-544, March 2005；Kusume et al. (2007) Manar Mohaisen, Bing Hui, KyungHi Chang, Seunghwan Ji, and Jinsoup Joung, "Fixed-complexity vector perturbation with block diagonalization for MU-MIMO systems,"Proc. 2009 IEEE MICC, pp.238-243,15-17, Dec.2009

もっとも、ＢＤ−ＶＰ法と上記アンテナ選択法を比べると、ストリームあたりの信号対雑音比（ＳＮＲ）が、小さい領域では、むしろ、アンテナ選択法の方が、ビットエラーレート（ＢＥＲ）の観点では有利である。以下では、この点についての発明者によるシミュレーション結果について説明する。

図１８は、ＢＤ−ＶＰ法を適用する概念を説明する図である。

チャネル応答マトリックスは、８×８の行列であり、これを４×４の２つのブロックとなるように、部分チャネル応答マトリックスＨ₁〜Ｈ₂に分解した後に、ＶＰ法を用いて、プリコーディングするものとする。

この時、変調方式としては、ＱＰＳＫ変調であり、受信側からは送信側に完全なチャネル状態情報がフィードバックされるものとする。さらに、ｉ．ｉ．ｄ．チャネル（independent identically distributed channel:送受アンテナ素子間の伝送路特性が統計的に同一でかつ無相関）を仮定する。

図１９は、ＢＤ−ＶＰ法とアンテナ選択法を比較したシミュレーション結果を示す図である。

図１９においては、以下の４条件でのシミュレーション結果を示す。

ｉ）単純なＭＭＳＥ（アンテナ数Ｎｔ＝８、選択アンテナ数Ｎ_sel＝８）
ｉｉ）アンテナ選択法１（アンテナ数Ｎｔ＝８、選択アンテナ数Ｎ_sel＝７）
ｉｉｉ）アンテナ選択法２（アンテナ数Ｎｔ＝８、選択アンテナ数Ｎ_sel＝６）
ｉｖ）ＢＤ−ＶＰ法（アンテナ数Ｎｔ＝８、（４×４）ＶＰ×２ＢＤ）
すなわち、上述したように、アンテナ選択法は、ストリームについての伝送が完全に失われるという欠点がある。一方で、ＳＮＲが低い領域では、ＢＤ−ＶＰ法は、ＢＥＲがアンテナ選択法に劣っている。

したがって、チャネルの通信品質を広い範囲で良好に維持しつつ、複数ストリームをマルチユーザＭＩＭＯで伝送するという観点からは、アンテナ選択法は、不適切であるものの、ＢＤ−ＶＰ法も、必ずしも、十分であるとはいえない。

本発明の目的は、マルチユーザＭＩＭＯ通信において、複数のストリームについての伝送を安定に維持することが可能な無線通信システム、無線送信装置および無線通信方法を提供することである。

この発明のある局面に従うと、基地局と複数の端末との間で、直交周波数分割多重方式で変調された信号をＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）により無線通信する無線通信システムであって、基地局は、複数の第１のアンテナと、複数の端末について推定された伝送路のチャネル状態情報に基づいて、アンテナ指向性を制御するための重み付け係数を算出するための制御部と、送信信号に対して誤り訂正符号を付加する誤り訂正符号化処理部と、複数の第１のアンテナから複数の端末へＭＩＭＯにより無線伝送するために、変調された送信信号に、重み付け係数を乗算し合成して、複数の送信信号を生成するための重み付け処理部と、重み付け処理部の出力を複数の第１のアンテナから送信するための第１の送信処理部とを備える。各複数の端末は、第２のアンテナと、複数の送信信号のうち、対応する送信信号を受信するための受信処理部と、受信処理部で受信した受信信号に基づいて、対応する伝送路のチャネル応答行列を推定し、チャネル状態情報として、第２のアンテナから基地局に送信するための第２の送信処理部と、受信した信号に対して誤り訂正処理を行う誤り訂正部とを備える。基地局の制御部は、直交周波数分割多重方式におけるサブキャリアごとの伝送路の応答に対応するサブキャリアチャネル応答行列の要素において、複数の端末の第２のアンテナにそれぞれ対応する行方向のノルムを算出し、直交周波数分割多重方式で送信される信号の所定の期間ごとに、行方向のノルムの大きなものから第１所定数を選択し、選択された行に対応する第２のアンテナに相当するように、サブキャリアチャネル応答行列から抽出された部分行列についてのアンテナ指向性に対する第１の総電力規格化係数と、サブキャリアチャネル応答行列自身についてのアンテナ指向性に対する第２の総電力規格化係数とを比較し、規格化後の信号電力が大きい方のチャネル応答行列に基づいて重み付け係数を算出する。

好ましくは、制御部は、ブロック対角化法を用いて重み付け係数を算出し、第１の総電力規格化係数および第２の総電力規格化係数の算出を、ブロック対角化された各ブロックごとのサブキャリアチャネル応答行列について実行する。

好ましくは、制御部は、送信フレーム内の各送信シンボルについて、各サブキャリアに対応するサブキャリアチャネル応答マトリックスを算出し、送信フレームの期間ごとに、行方向のノルムをサブキャリアおよびフレーム内のシンボルについての総和をとり、総和の大きなものから第１所定数を選択し、選択された総和に相当する行について、サブキャリアチャネル応答行列から部分行列を抽出して、第１の総電力規格化係数を算出し、第１の総電力規格化係数と第２の総電力規格化係数との比較結果に応じて、送信フレーム期間内で、選択された行に対応する第２のアンテナを固定として、重み付け係数を算出する。

好ましくは、制御部は、送信フレーム内の各送信シンボルについて、各サブキャリアに対応するサブキャリアチャネル応答マトリックスを算出し、送信シンボルの期間ごとに、各サブキャリアについて、行方向のノルムの大きなものから第１所定数を選択し、選択されたノルムに相当する行について、サブキャリアチャネル応答行列から部分行列を抽出して、第１の総電力規格化係数を算出し、第１の総電力規格化係数と第２の総電力規格化係数との比較結果に応じて、送信シンボルごとに、行に対応する第２のアンテナを選択して、重み付け係数を算出する。

好ましくは、制御部は、第２の総電力規格化係数の大きなものから第２所定数のサブキャリアを対象として、行方向のノルムの大きなものから第１所定数を選択する。

この発明の他の局面に従うと、各々が第２のアンテナを有する複数の端末とＭＩＭＯにより無線通信する無線送信装置であって、複数の第１のアンテナと、複数の端末について推定された伝送路のチャネル状態情報に基づいて、アンテナ指向性を制御するための重み付け係数を算出するための制御部と、送信信号に対して誤り訂正符号を付加する誤り訂正符号化処理部と、複数の第１のアンテナから複数の端末へＭＩＭＯにより無線伝送するために、変調された送信信号に、重み付け係数を乗算し合成して、複数の送信信号を生成するための重み付け処理部と、重み付け処理部の出力を複数の第１のアンテナから送信するための第１の送信処理部とを備え、制御部は、直交周波数分割多重方式におけるサブキャリアごとの伝送路の応答に対応するサブキャリアチャネル応答行列の要素において、第２のアンテナにそれぞれ対応する行方向のノルムを算出し、直交周波数分割多重方式で送信される信号の所定の期間ごとに、行方向のノルムの大きなものから第１所定数を選択し、選択された行に対応する第２のアンテナに相当するように、サブキャリアチャネル応答行列から抽出された部分行列についてのアンテナ指向性に対する第１の総電力規格化係数と、サブキャリアチャネル応答行列自身についてのアンテナ指向性に対する第２の総電力規格化係数とを比較し、規格化後の信号電力が大きい方のチャネル応答行列に基づいて重み付け係数を算出する。

好ましくは、制御部は、ブロック対角化法を用いて重み付け係数を算出し、第１の総電力規格化係数および第２の総電力規格化係数の算出を、ブロック対角化された各ブロックごとのサブキャリアチャネル応答行列について実行する。

好ましくは、制御部は、送信フレーム内の各送信シンボルについて、各サブキャリアに対応するサブキャリアチャネル応答マトリックスを算出し、送信フレームの期間ごとに、行方向のノルムをサブキャリアおよびフレーム内のシンボルについての総和をとり、総和の大きなものから第１所定数を選択し、選択された総和に相当する行について、サブキャリアチャネル応答行列から部分行列を抽出して、第１の総電力規格化係数を算出し、第１の総電力規格化係数と第２の総電力規格化係数との比較結果に応じて、送信フレーム期間内で、選択された行に対応する第２のアンテナを固定として、重み付け係数を算出する。

好ましくは、制御部は、送信フレーム内の各送信シンボルについて、各サブキャリアに対応するサブキャリアチャネル応答マトリックスを算出し、送信シンボルの期間ごとに、各サブキャリアについて、行方向のノルムの大きなものから第１所定数を選択し、選択されたノルムに相当する行について、サブキャリアチャネル応答行列から部分行列を抽出して、第１の総電力規格化係数を算出し、第１の総電力規格化係数と第２の総電力規格化係数との比較結果に応じて、送信シンボルごとに、行に対応する第２のアンテナを選択して、重み付け係数を算出する。

好ましくは、制御部は、第２の総電力規格化係数の大きなものから第２所定数のサブキャリアを対象として、行方向のノルムの大きなものから第１所定数を選択する。

この発明のさらに他の局面に従うと、複数の第１のアンテナを有する基地局と第２のアンテナを有する複数の端末との間で直交周波数分割多重方式で変調された信号をＭＩＭＯにより無線通信する無線通信方法であって、基地局が、送信信号に対して誤り訂正符号を付加するステップと、基地局が、複数の端末について推定された伝送路のチャネル状態情報に基づいて、アンテナ指向性を制御するための重み付け係数を算出するステップとを備え、重み付け係数を算出するステップは、直交周波数分割多重方式におけるサブキャリアごとの伝送路の応答に対応するサブキャリアチャネル応答行列の要素において、受信機側の第２のアンテナにそれぞれ対応する行方向のノルムを算出するステップと、直交周波数分割多重方式で送信される信号の所定の期間ごとに、行方向のノルムの大きなものから第１所定数を選択し、選択された行に対応する第２のアンテナに相当するように、サブキャリアチャネル応答行列から抽出された部分行列についてのアンテナ指向性に対する第１の総電力規格化係数と、サブキャリアチャネル応答行列自身についてのアンテナ指向性に対する第２の総電力規格化係数とを比較し、規格化後の信号電力が大きい方のチャネル応答行列に基づいて重み付け係数を算出するステップとを含み、基地局が、複数の第１のアンテナから複数の端末へＭＩＭＯにより無線伝送するために、変調された送信信号に、重み付け係数を乗算し合成して、複数の送信信号を生成するステップと、基地局が、重み付け処理部の出力を複数の第１のアンテナから送信するステップとをさらに備える。

本発明の無線通信システム、無線送信装置および無線通信方法によれば、複数のストリームについての伝送を安定に維持することが可能である。

実施の形態の無線通信システムにおける無線送信装置１０００の構成を示すブロック図である。 実施の形態の無線通信システムにおける端末装置１１００の構成を示すブロック図である。 実施の形態の無線通信システムにおける端末装置１１００の構成を示すブロック図である。 無線通信システムの送信機側と受信機側とで実行される処理を示す概念図である。 図４で説明したような処理を説明するためのフローチャートである。 ＯＦＤＭ信号のフレーム構成について説明するための概念図である。 ＯＦＤＭシンボルの逆フーリエ変換の手順を示す概念図である。 フレームベースの選択規則について説明する概念図である。 フレームベースの選択規則により選択されるアンテナを説明する概念図である。 サブキャリアベースの選択規則について説明する概念図である。 サブキャリアベースの選択規則により選択されるアンテナを説明する概念図である。 従来のＢＤ−ＶＰ法とＡＳＰＳ法とのスペクトラム効率を比較したシミュレーション結果を示す図である。 マルチユーザＭＩＭＯ通信システムの構成を示す概念図である。 ＭＭＳＥ法によるビーム形成の手続きを示す概念図である。 非線形プリコーディング法であるＶＰ法の処理を説明するための概念図である。 ＢＤ−ＶＰ法の処理を説明するための概念図である。 アンテナ選択法の処理を説明するための概念図である。 ＢＤ−ＶＰ法を適用する概念を説明する図である。 ＢＤ−ＶＰ法とアンテナ選択法を比較したシミュレーション結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態の無線通信システムについて、図に従って説明する。なお、以下の実施の形態において、同じ符号を付した構成要素および処理工程は、同一または相当するものであり、必要でない場合は、その説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態のマルチユーザＭＩＭＯでの通信の状態を説明するための概念図である。

図１（ａ）は、比較的広い領域で、基地局ＢＳと複数の端末装置ＵＥiとが通信している状態を示す。

広い領域に端末装置ＵＥiが分散している場合は、それぞれの通信チャネルを分離したビームを形成することが可能である。

一方、図１（ｂ）は、屋内などの比較的狭い領域で、基地局ＢＳと複数の端末装置ＵＥiとが通信している状態を示す。

狭い領域に端末装置ＵＥiが存在している場合は、それぞれの通信チャネルを分離したビームを形成することが難しくなる。これは、チャネル間の相関が高くなることに相当する。

また、このような状況では、チャネル応答マトリックスにおいて、ある端末が他の端末よりもわずかに基地局からの距離が遠いというような場合が起こり、他の行の要素のノルム（大きさ）に比べて、極端に、ノルムの小さな行（受信機側のアンテナに相当）が生じる場合がある。

図２は、実施の形態の無線通信システムにおける無線送信装置１０００の構成を示すブロック図である。

なお、図２では、ＭＩＭＯ伝送される信号がＯＦＤＭ変調されているものとしている。

そして、ＮＳ個のストリーム（ＮＳ／２ユーザ）に対して、ＯＦＤＭ信号伝送用のサブキャリアがＮsub個であり、送信アンテナはＮ_T本であるものとする。なお、後に説明するように、各受信機側のアンテナは、一般には、Ｎr本であるが、ここでは、例示として、２本であるものとする。

図２を参照して、無線送信装置１０００は、入力ノード１０から与えられるデジタル信号に対して、前方誤り訂正（ＦＥＣ: Forward Error Correction）などの誤り訂正符号化を実行する符号化部２０と、符号化部２０からの信号をシリアルパラレル変換して、それぞれＮsub個ごとの並列な信号のグループにするためのシリアルパラレル変換部２２と、パラレル変換された各信号に対して、Ｎsub個のグループごとに所定の変調方式で変調するための変調部３０−１〜３０−ＮＳとを含む。

このような誤り訂正は、後述するように、送信されるＯＦＤＭフレーム内での所定ビット数までの誤りを訂正できるように構成される。なお、このような誤り訂正には、インターリーブ処理等を併せて実行される。

なお、送信シンボルは、同相成分と直行成分とを含みうるが、図２では、両者は、１つの信号線で表現されている。

無線送信装置１０００は、チャネル状態情報に基づいて、プリコーディング行列を算出するための制御部５０と、制御部５０からのプリコーディング行列中の係数を、変調部３０−１〜３０−ＮＳからの信号に乗算するための重み付け処理部４０−１〜４０−Ｎsubとを含む。すなわち、ＯＦＤＭ変調では、サブキャリアがＮsub個あることに対応して、重み付け処理部４０−１〜４０−Ｎsubは、それぞれ、対応する１つのサブキャリアの信号成分について、重み付け処理を実行する。

制御部５０は、受信側から送られ、フィードバック情報受信部８０で受信されたチャネル状態（ＣＳＩ）情報に基づいて、後に説明するように、ＯＦＤＭのサブキャリアごとにチャネル応答マトリックスを算出して、重みづけ処理のための係数を算出する。

重み付け処理部４０−１は、変調部３０−１からの信号に対して、プリコーディング行列中の係数を乗算して、アンテナ１００−１〜１００−Ｎ_Tからそれぞれ送信するための信号を生成する乗算器４２−１１−４２−Ｎ_T１を含む。重み付け処理部４０−１は、変調部３０−１に対応するのと同様の構成を、変調部３０−２〜３０−ＮＳに対応しても含んでいる。たとえば、重み付け処理部４０−１は、変調部３０−ＮＳからの信号に対しては、プリコーディング行列中の係数を乗算して、アンテナ１００−１〜１００−Ｎ_Tからそれぞれ送信するための信号を生成する乗算器４２−１ＮＳ−４２−Ｎ_TＮＳを含む。さらに、重み付け処理部４０−１は、アンテナ１００−１に対応する乗算器４２−１１〜４２−１ＮＳからの信号を統合して、アンテナ１００−１向けの信号を生成する加算器４４−１を含む。他のアンテナ１００−２〜１００−Ｎ_Tに対応しても、同様な加算器４４−２（図示せず）〜４４−Ｎ_Tを含んでいる。ここで、変調部３０−１〜３０−ＮＳからの信号について重み付け処理を実行する他の重み付け処理部４０−２〜４０−Ｎsubについても、重み付け処理部４０−１と同様な構成を有する。

なお、プリコーディング処理として上述したような非線形プリコーディングを実施する場合には、変調部３０−１〜３０−ＮＳの出力に対しては、モジュロ演算処理が実行される。このようなモジュロ演算処理についても、制御部５０の制御の下に実行されることになる。

また、このようなモジュロ演算とともに、干渉キャンセルのための符号化技術としてＤＰＣ（Dirty Paper Coding）を用いることも可能である。

無線送信装置１０００は、さらに、重み付け処理部４０−１〜４０−Ｎsubの出力をそれぞれ受けて、無線送信する信号に変換するアップコンバータ６０−１〜６０−Ｎ_Tを含む。

アップコンバータ６０−１は、重み付け処理部４０−１〜４０−Ｎsubの出力を受けて、逆フーリエ変換するための逆フーリエ変換部６２と、デジタルアナログ変換するためのＤＡ変換部６４と、ＤＡ変換部６４の信号を局部発信部７０からの信号に基づいて周波数変換するための周波数変換部６６と、周波数変換部６６の出力を増幅して、アンテナ１００−１に供給するための電力増幅部６８とを含む。他のアップコンバータ６０−２〜６０−Ｎ_Tも同様の構成を有する。

図３は、実施の形態の無線通信システムにおける端末装置１１００の構成を示すブロック図である。

図３を参照して、端末装置１１００は、アンテナ２００−１と２００−２とを含む。そして、無線通信システムとしては、図２の無線送信装置１０００の例示的構成に対応して、４つの端末を含んで、（送信アンテナの総本数）＝（端末１台当たりのアンテナ数）×（端末数）の関係が成り立っているものとして、以下、説明をする。ただし、受信側の端末装置のアンテナ数は、このような構成に限定されるものではなく、たとえば、１本でもよい。

端末装置１１００は、アンテナ２００−１および２００−２からの受信信号をダウンコンバートするためのダウンコンバータ２２０−１および２２０−２を含む。ダウンコンバータ２２０−１は、アンテナ２００−１からの受信信号を増幅するための低雑音増幅部２３２と、低雑音増幅部２２２の出力に対して、局部発信部２３０からの局部発信信号により周波数変換を行うための周波数変換部２２４と、周波数変換部２２４の出力に対して、アナログデジタル変換を実行するためのＡＤ変換部２２６と、ＯＦＤＭ復調するためのフーリエ変換部２２８とを含む。ダウンコンバータ２２０−２についても、同様の構成を有する。

端末装置１１００は、さらに、ダウンコンバータ２２０−１と２２０−２とからの信号を受けて、制御部２５０からの制御の下に、重み付け処理を実行するための重み付け処理部２４０を含む。重み付け処理部２４０は、制御部２５０からの重み付け係数をそれぞれ乗算するための乗算器２４２−１および２４２−２と、乗算器２４２−１および２４２−２からの信号を加算して合成し、端末装置１１００に対応するチャネルからの受信信号を選択的に分離するための加算器２４４とを含む。

なお、端末装置１１００側でも、送信側でプリコーディング処理として上述したような非線形プリコーディングを実施する場合には、ダウンコンバータ２２０−１および２２０−２の出力に対して、モジュロ演算処理が実行される。このようなモジュロ演算処理についても、制御部２５０の制御の下に実行されることになる。また、このようなモジュロ演算とともに、干渉キャンセルのための符号化技術としてＤＰＣ（Dirty Paper Coding）が用いられている場合は、これに対する復号処理も実行される。

重み付け処理部２４０の出力は、復調部２７０により、復調処理が実行された後に、パラレルシリアル変換部２７２において、パラレルシリアル変換されて、復号器２８０において、誤り訂正がされ、ノード２９０から受信信号として出力される。

制御部２５０における重み付け係数の演算処理には、チャネル応答推定部２６０における端末装置１１００についてのチャネル応答行列（伝送路行列）の推定結果が使用される。なお、このようなチャネル応答行列の推定処理は、上述した先行技術において開示されているのと同様の処理を使用することが可能である。

また、チャネル応答推定部２６０において推定された端末装置１１００についてのチャネル応答行列は、チャネル状態情報送信処理部２６２により、アンテナ２００−１、２００−２から、無線送信装置１０００に対して、フィードバック情報として送信される。

なお、サブキャリアごとのチャネル推定のためには、たとえば、送信側と受信側とで既知のサブキャリアで、既知のパイロット信号が送信される。受信機側では、このパイロット信号の送信されるサブキャリアについて、チャネル推定を行う。このようにして推定されたチャネルの情報が、ＣＳＩ情報として送信機側にフィードバックされる。送信機側では、フィードバックされた情報に基づいて、パイロット信号が送信されるサブキャリア以外のサブキャリアについて、たとえば、補間処理を行うことで、各サブキャリアについてのチャネル推定を実行することが可能である。ただし、チャネル推定の方法は、このような方法に限定されるわけではない。

図４は、無線通信システムの送信機側と受信機側とで実行される処理を示す概念図である。

図３で説明したように、受信機側では、フーリエ変換部（ＦＦＴ部）２２０−１および２２０−２からの出力に対して、チャネル応答推定部２６０がチャネル応答マトリックスを推定し、ＣＳＩ情報として送信側にフィードバックする。

送信側では、制御部５０が、ＯＦＤＭのサブキャリア毎にチャネル応答マトリックスを算出して、Ｎsub個のサブキャリアのうち所定の個数（たとえば、１個）の受信側のアンテナに対応するものについて非選択状態として、サブキャリア毎の送信信号Ｚ₁ ^k〜Ｚ_Nt ^k（ｋ＝１〜Ｎsub）を算出し、逆フーリエ変換部６０−１〜６０−Ｎｔでそれぞれ逆フーリエ変換して、対応するＮｔ本の送信アンテナから送信する。ここで、「Ｎsub個のサブキャリアのうち所定の個数の受信側のアンテナに対応するものについて非選択状態」とは、この非選択のサブキャリアについては送信電力が０となるように重み係数を算出することを意味する。

ここで、上記のように一部のサブキャリアを選択してこれらの選択されたサブキャリアにより、データの伝送を行うことを「部分サブキャリアアンテナ選択（ＡＳＰＳ：antenna selection for partial subcarriers）」と呼ぶことにする。したがって、図４においては、このような処理を行うための重みづけ処理を行う部分を、「部分サブキャリアアンテナ選択部（ＡＳＰＳ部）」と表示している。

なお、このようなＡＳＰＳ部の処理は、後に詳しく説明するが、大略は以下のとおりである。

１）制御部５０は、ＢＤ−ＶＰアルゴリズムによりチャネル応答マトリックスをブロック対角化し、サブキャリアごとのチャネル応答マトリックスＨ^k（１≦ｋ≦Ｎsub）を算出するとともに、各サブキャリアについて、通信の所定期間において、「総送信電力を規格化するための係数」であるγ^k _BDVP（１≦ｋ≦Ｎsub）を算出する。

ここで、送信側のアンテナの本数をＮｔ本として、受信側の各端末のアンテナ本数をＮｒ本とするとき、Ｎｔ＝Ｋ×Ｎｒ（Ｋ：自然数）の関係がなりたっているものとし、各Ｈ^kは、Ｎｔ×Ｎｔのマトリックスであるものとする。

２）制御部５０は、上述した通信の所定期間において、Ｎsub個のサブキャリアのうちから、γ^j _BDVPが大きい方からＮ_AS個（１≦Ｎ_AS≦Ｎsub）のサブキャリアの集合｛Ｓ｝を選び出す。なお、Ｎ_AS＝Ｎsubであってもよい。

ここで、「所定の通信期間」とは、後に説明するように、送信するＯＦＤＭフレームの期間（フレームベースの選択規則）、または、サブキャリアごとにＯＦＤＭの各シンボルの期間（サブキャリアベースの選択規則）のいずれかを意味する。

３）続いて、制御部５０は、集合｛Ｓ｝に属するサブキャリアｊ（ｊ∈｛Ｓ｝）について、所定の規則に従って、受信側のアンテナをＮ_sel本選択し、選択されたアンテナに対応するチャネル応答マトリックスＨ^j _ASについて、各サブキャリアごとに「総送信電力を規格化するための係数」であるγ^j _AS（１≦j≦Ｎ_AS）を算出する。

ここで、「所定の規則」とは、Ｎ_selについては、予め定められた本数（たとえば、Ｎ_sel＝Ｎｔ−１）であるものとし、後に説明するように、フレームベースの選択規則またはサブキャリアベースの選択規則にしたがって、サブキャリアごとのチャネル応答マトリックスＨ^kの行方向のノルムの大きい方からＮ_sel個を選択することを意味する。

３）制御部５０は、γ^j _AS＜γ^j _BDVPが成立すれば、ｊ番目のサブキャリアについては、アンテナ選択したチャネル応答マトリックスＨ^j _ASに従って、データを送信する。一方で、制御部５０は、γ^j _AS≧γ^j _BDVPが成立すれば、ｊ番目のサブキャリアについては、アンテナ選択をしていないチャネル応答マトリックスＨ^kに従って、データを送信する。

ここで、アンテナ選択をすることは、上述したように、非選択の受信アンテナについては、送信電力が０となるように重み係数を算出することを意味する。

以上のようにして、所定の通信期間においては、非選択のアンテナに対応するサブキャリアについては、データが送信側から受信側に伝送されないことなる。このため、受信側の非選択のアンテナには、その非選択の期間は、雑音電力しか発生しない。しかし、上述のとおり、送信される信号は、誤り訂正符号が付されているので、このような非選択のサブキャリアが存在しても、最終的に受信される信号は、誤りが訂正された後のデータが受信される。

図５は、図４で説明したような処理を説明するためのフローチャートである。

なお、ビーム形成のための演算としては、以下の説明では、ＭＭＳＥ法で説明するが、ＭＭＳＥ法に限られず、別の方法、たとえば、ＺＦ法などであってもよい。

図５にしたがって、まず、制御部５０は、図１６で説明したＢＤ−ＶＰアルゴリズムにおけるのと同様に、ブロック対角化行列Ｈ^kＢ^kとなるようなサブキャリアｋごとのチャネル応答マトリックスＨ^kを算出するとともに、非線形プリコーディングの処理を行って、送信するための信号Ｘ^k _modを算出し、ＭＭＳＥ法により、サブキャリアｋ毎に、係数γ^k _BDVPを算出する（ステップＳ１００）。

つづいて、制御部５０は、通信の所定期間において、Ｎsub個のサブキャリアのうちから、γ^j _BDVPが大きい方からＮ_AS個（１≦Ｎ_AS≦Ｎsub）のサブキャリアの集合｛Ｓ｝を選び出す（Ｓ１０２）。

ここで、制御部５０は、キャリアの番号が、集合｛Ｓ｝に属するか否かで処理を分ける。なお、以下の処理は、集合｛Ｓ｝に属さない個々のサブキャリアｋについて処理がされ、また、集合｛Ｓ｝に属する個々のサブキャリアｊについて処理がされるものであるが、図５においては、このような個々の処理は、一括して記載されているので、各サブキャリアにについて行われる処理を、一括して説明する。

まず、制御部５０は、集合｛Ｓ｝に属さない個々のサブキャリアｋについては、送信信号レベルを（√γ^k _BDVP）^-1で規格化した後（Ｓ１１０）、プリコーディング理処理（重みづけ処理）を実行する（Ｓ１５０）。

一方、制御部５０は、サブキャリアｊ∈｛S｝については、後述するフレームベースの選択規則あるいはサブキャリアベースの選択規則のいずれかの選択ルールにしたがって、得られた（Ｎsel×Ｎt）のチャネル応答マトリックスＨ^j _ASについての規格化係数γ_AS ^jをＭＭＳＥ法により算出する（Ｓ１２０）。

続いて、制御部５０は、γ^j _AS≧γ^j _BDVPが成立すれば（Ｓ１２２でＹｅｓ）、サブキャリアjについて、送信信号レベルを（√γ^j _BDVP）^-1で規格化した後、プリコーディング理処理（重みづけ処理）を実行する（Ｓ１５０）。

一方で、制御部５０は、ステップＳ１２２でＮｏの場合、すなわち、γ^j _AS＜γ^j _BDVPが成立すれば、ｊ番目のサブキャリアについては、送信信号レベルを（√γ^j _AS）^-1で規格化した後、プリコーディング理処理（重みづけ処理）を実行する（Ｓ１５０）。

以下では、上述した「フレームベースの選択規則」と「フレームベースの選択規則またはサブキャリアベースの選択規則」とについて、さらに詳しく説明する。

まず、その前提として、ＯＦＤＭ送信信号の構成について説明する。

図６は、ＯＦＤＭ信号のフレーム構成について説明するための概念図である。

ここでは、簡単のために、Ｎｔ本の送信アンテナから、Ｎｔ個のストリームが送信される場合について説明する。

各ストリームについては、ＯＦＤＭフレームから構成され、１つのＯＦＤＭフレームには、Ｋ個のＯＦＤＭシンボルが含まれる。

各ＯＦＤＭシンボルは、シリアルパラレル変換された後に、対応するアンテナの逆フーリエ変換部で逆フーリエ変換されて、アンテナ１０−１〜１０−Ｎｔから送信される。

図７は、ＯＦＤＭシンボルの逆フーリエ変換の手順を示す概念図である。

図７に示すように、各フレーム内のＯＦＤＭシンボルは、サブキャリアの個数だけのサンプルを含む。図７の各サンプルは、たとえば、ＢＰＳＫ変調、ＱＰＳＫ変調、ＱＡＭ変調等をされた信号である。

図７の例においては、複数のストリームにそれぞれ対応する複数フレームについてのサンプル［Ｘ¹ ₁，Ｘ² ₁，Ｘ³ ₁，Ｘ⁴ ₁］が、１番目のサブキャリアに対応する。他のサブキャリアについても同様である。

上述したサブキャリアごとのチャネル応答マトリックスＨ^k（１≦ｋ≦Ｎsub）とは、１つのサブキャリアごとに送信側のアンテナから受信側のアンテナへの伝送路を想定した場合のチャネル応答マトリックスに相当する。

図８は、フレームベースの選択規則について説明する概念図である。

以下の説明では、１つのＯＦＤＭフレームは、Ｋ個のＯＦＤＭシンボルを含み、１つのＯＦＤＭシンボルはＮsub個のサブキャリアで伝送されるものとし、Ｎｔ＝４, Ｎ_sel＝３, Ｎ_AS＝Ｎsub, 選択されるアンテナ={1,3,4}であるものとする。したがって、図５におけるステップＳ１０２，Ｓ１１０〜Ｓ１１６の処理を省略したことに相当する。

「フレームベースの選択規則」では、まず、制御部５０は、１つのＯＦＤＭフレーム内のＯＦＤＭシンボルの１つ１つについて、各サブキャリアに対応するチャネル応答マトリックスＨ_k ^(L)を算出する。ここで、ｋはサブキャリアの番号を表し、Ｌは、シンボルの番号を表す。

制御部５０は、各チャネル応答マトリックスＨ_k ^(L)において、以下のように行方向のノルムを算出する。

次に、制御部５０は、ノルムの総和としてＮ^(all)を以下の式により計算する。

すなわち、Ｎ^(all)は、上述したノルムについて、すべてのサブキャリアおよびフレーム内のすべてのシンボルについての総和を意味する。

制御部５０は、Ｎ^(all)のうちから、より大きな方からＮ_sel個のＰ_i1 ^(all)（１≦i1≦Ｎ_sel）を選ぶ。このようにして算出されたアンテナのインデックスは、１フレームの伝送中は、固定して変更しない。ここでは、選択されたのは、アンテナ｛１０−１，１０−３，１０−４｝であるものとする。以下では、簡単に、選択されたアンテナの集合を｛１，３，４｝と表現する。

図９は、フレームベースの選択規則により選択されるアンテナを説明する概念図である。

図８で説明したようにして、受信側のアンテナ４本のうち、３本（｛１，３，４｝）が選択されたとする。また、図９では、図７で説明したのと同様に、各アンテナから送信される信号がＸ₁，Ｘ₂，Ｘ₃，Ｘ₄であるものとする。

このとき、図５のステップＳ１２０で説明したように、制御部５０は、対角化されたブロックごとに、選択されたアンテナに対応するチャネル応答マトリックスＨ^j _AS（ｊ番目のサブキャリア）による係数γ^j _ASと、アンテナ選択を行っていない状態での係数γ^j _BDVPとを比較する。

図９の例では、サブキャリア２，３、ｉにおいて、γ^j _AS＜γ^j _BDVPが成立しているので、ｊ番目（ｊ＝２，３、ｉ）のサブキャリアについては、アンテナ選択したチャネル応答マトリックスＨ^j _ASにより、ＭＭＳＥ法によりビーム形成演算を実行される。このため、送信側では、この送信フレームでは、Ｘ₂のこれらのサブキャリアについての信号レベルは、０となるように、制御部５０は、重みづけ処理のための係数を算出する。

受信側では、これらの非選択のアンテナの非選択のサブキャリアについての受信信号レベルは、ノイズレベル（ｎ₂(j)）となる。したがって、このノイズレベルの信号については、正しいビットと判断される確率は、たとえば、５０％となる。

しかし、受信側では、１フレーム内の他の正常に受信された信号に基づいて、誤り訂正がされるので、受信信号としては、最終的には、正しいデータが受信される。

すなわち、ＣＳＩ情報に基づいて、ＣＳＩ情報で推定される１フレーム分のサブキャリアごとのチャネル応答マトリックスにより、制御部５０は、送信側で、これから送信する１フレーム分の重みづけ処理のための係数を算出する。

これが、「フレームベースの選択規則」である。

図１０は、サブキャリアベースの選択規則について説明する概念図である。

以下の説明でも、１つのＯＦＤＭフレームは、Ｋ個のＯＦＤＭシンボルを含み、１つのＯＦＤＭシンボルはＮsub個のサブキャリアで伝送されるものとし、Ｎｔ＝４, Ｎ_sel＝３, Ｎ_AS＝Ｎsubであるものとする。ただし、選択されるアンテナは、サブキャリアごとに変更される。したがって、ここでも、図５におけるステップＳ１０２，Ｓ１１０〜Ｓ１１６の処理を省略したことに相当する。

「サブキャリアベースの選択規則」でも、まず、制御部５０は、１つのＯＦＤＭフレーム内のＯＦＤＭシンボルの１つ１つについて、各サブキャリアに対応するチャネル応答マトリックスＨ_k ^(L)を算出する。ここで、ｋはサブキャリアの番号を表し、Ｌは、シンボルの番号を表す。

制御部５０は、フレームベースの選択規則と同様に、各チャネル応答マトリックスＨ_k ^(L)において、以下のように行方向のノルムを算出する。

次に、制御部５０は、各シンボルの各サブキャリアにおいて、Ｎ_k ^(L)のうちから、より大きな方からＮ_sel個のＰ_i1 ^(L)（１≦i1≦Ｎ_sel）を選ぶ。すなわち、サブキャリアベース選択規則では、選択されるアンテナのインデックスは、サブキャリア毎に変化することになる。

図１１は、サブキャリアベースの選択規則により選択されるアンテナを説明する概念図である。

図１１でも、図７で説明したのと同様に、各アンテナから送信される信号がＸ₁，Ｘ₂，Ｘ₃，Ｘ₄であるものとする。また、説明の簡単のために、図１１では、シンボル数が１であるものとしている。複数シンボルがある場合は、シンボル毎に同様の処理が行われる。

このとき、図５のステップＳ１２０で説明したように、制御部５０は、選択されたアンテナに対応するチャネル応答マトリックスＨ^j _AS（ｊ番目のサブキャリア）による係数γ^j _ASと、アンテナ選択を行っていない状態での係数γ^j _BDVPとを比較する。

図１１の例では、サブキャリア２，３、ｉにおいて、γ^j _AS＜γ^j _BDVPが成立しているので、ｊ番目（ｊ＝２，３、ｉ）のサブキャリアについては、アンテナ選択したチャネル応答マトリックスＨ^j _ASにより、ＭＭＳＥ法によりビーム形成演算を実行される。ただし、サブキャリア２で選択される受信側アンテナは｛１，２，３｝であり、サブキャリア３で選択される受信側アンテナは｛２，３，４｝であり、サブキャリアｉで選択される受信側アンテナは｛１，３，４｝である。このため、送信側では、この送信フレームでは、非選択のサブキャリアについての信号レベルは、０となるように、制御部５０は、重みづけ処理のための係数を算出する。

受信側では、これらの非選択のアンテナの非選択のサブキャリアについての受信信号レベルは、ノイズレベル（ｎ₄(２)，ｎ₁(３)，ｎ₂(ｉ)）となる。したがって、このノイズレベルの信号については、正しいビットと判断される確率は、たとえば、５０％となる。

しかし、この場合も、受信側では、１フレーム内の他の正常に受信された信号に基づいて、誤り訂正がされるので、受信信号としては、最終的には、正しいデータが受信される。

すなわち、ＣＳＩ情報に基づいて、ＣＳＩ情報で推定される１フレーム分のサブキャリアごとのチャネル応答マトリックスにより、制御部５０は、送信側で、これから送信する１フレーム分の重みづけ処理のための係数を、サブキャリア毎に算出することになる。

これが、「サブキャリアベースの選択規則」である。

図１２は、従来のＢＤ−ＶＰ法とＡＳＰＳ法とのスペクトラム効率を比較したシミュレーション結果を示す図である。

図１２においては、以下の５条件でのシミュレーション結果を示す。

送信機側のアンテナ数は８本であり、各受信端末のアンテナは４本であり、４ユーザであるものとする。変調方式は、１６ＱＡＭである。

なお、フレームベースの選択規則をＦＢＳ、サブキャリアベースの選択規則をＳＢＳと略記する。サブキャリア数Ｎsub＝１２００である。

ｉ）ＡＳＰＳ法（Ｎ_AS＝１２００，Ｎ_sel＝７，ＦＢＳ）
ｉｉ）ＡＳＰＳ法（Ｎ_AS＝６００，Ｎ_sel＝７，ＦＢＳ）
ｉｉｉ）ＡＳＰＳ法（Ｎ_AS＝１２００，Ｎ_sel＝７，ＳＢＳ）
ｉｖ）ＡＳＰＳ法（Ｎ_AS＝６００，Ｎ_sel＝７，ＳＢＳ）
ｖ）ＢＤ−ＶＰ法（アンテナ数Ｎｔ＝８、（４×４）ＶＰ×２ＢＤ）
「フレームベースの選択規則」または「サブキャリアベースの選択規則」を採用することにより、特に、ＳＮＲが低い領域で、従来のＢＤ−ＶＰ法に比べて、スペクトラム効率が向上していることがわかる。

したがって、「フレームベースの選択規則」であっても、「サブキャリアベースの選択規則」であっても、複数のストリームで伝送を行うときに、屋内のようにチャネル間の相関が高くなるなどの伝送路の状況によって、総送信電力を規格化するための係数が大きすぎる値となり、特定のストリームの送信データが失われることを回避することが可能である。特に、この特性は、低ＳＮＲ領域で、有効である。

以上説明したように、本実施の形態の無線通信システム、無線送信装置および無線通信方法によれば、複数のストリームについての伝送を安定に維持することが可能である。

今回開示された実施の形態は、本発明を具体的に実施するための構成の例示であって、本発明の技術的範囲を制限するものではない。本発明の技術的範囲は、実施の形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲の文言上の範囲および均等の意味の範囲内での変更が含まれることが意図される。

１０ 入力ノード、２０ シリアルパラレル変換部、３０−１〜３０−８ 変調部、４０−１〜４０−８ 重み付け処理部、５０ 制御部、６０−１〜６０−８ アップコンバータ、８０ フィードバック情報受信部、１００−１〜１００−Ｎｔ アンテナ、ＣＳＩ チャネル状態情報、１０００ 無線送信装置、１１００ 端末装置。

Claims (11)

1. 基地局と複数の端末との間で、直交周波数分割多重方式で変調された信号をＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）により無線通信する無線通信システムであって、
   前記基地局は、
   複数の第１のアンテナと、
   前記複数の端末について推定された伝送路のチャネル状態情報に基づいて、アンテナ指向性を制御するための重み付け係数を算出するための制御部と、
   送信信号に対して誤り訂正符号を付加する誤り訂正符号化処理部と、
   前記複数の第１のアンテナから前記複数の端末へＭＩＭＯにより無線伝送するために、変調された送信信号に、前記重み付け係数を乗算し合成して、複数の送信信号を生成するための重み付け処理部と、
   前記重み付け処理部の出力を前記複数の第１のアンテナから送信するための第１の送信処理部とを備え、
   各前記複数の端末は、
   第２のアンテナと、
   前記複数の送信信号のうち、対応する送信信号を受信するための受信処理部と、
   前記受信処理部で受信した受信信号に基づいて、対応する伝送路のチャネル応答行列を推定し、前記チャネル状態情報として、前記第２のアンテナから前記基地局に送信するための第２の送信処理部と、
   受信した信号に対して誤り訂正処理を行う誤り訂正部とを備え、
   前記基地局の制御部は、
   前記直交周波数分割多重方式におけるサブキャリアごとの伝送路の応答に対応するサブキャリアチャネル応答行列の要素において、前記複数の端末の前記第２のアンテナにそれぞれ対応する行方向のノルムを算出し、
   前記直交周波数分割多重方式で送信される信号の所定の期間ごとに、前記行方向のノルムの大きなものから第１所定数を選択し、選択された前記行に対応する前記第２のアンテナに相当するように、前記サブキャリアチャネル応答行列から抽出された部分行列についての前記アンテナ指向性に対する第１の総電力規格化係数と、前記サブキャリアチャネル応答行列自身についての前記アンテナ指向性に対する第２の総電力規格化係数とを比較し、規格化後の信号電力が大きい方のチャネル応答行列に基づいて前記重み付け係数を算出する、無線通信システム。
2. 前記制御部は、
   ブロック対角化法を用いて前記重み付け係数を算出し、
   前記第１の総電力規格化係数および前記第２の総電力規格化係数の算出を、ブロック対角化された各ブロックごとのサブキャリアチャネル応答行列について実行する、請求項１記載の無線通信システム。
3. 前記制御部は、
   送信フレーム内の各送信シンボルについて、各サブキャリアに対応する前記サブキャリアチャネル応答マトリックスを算出し、
   前記送信フレームの期間ごとに、行方向のノルムを前記サブキャリアおよび前記フレーム内のシンボルについての総和をとり、前記総和の大きなものから前記第１所定数を選択し、
   前記選択された総和に相当する行について、前記サブキャリアチャネル応答行列から前記部分行列を抽出して、第１の総電力規格化係数を算出し、
   前記第１の総電力規格化係数と前記第２の総電力規格化係数との比較結果に応じて、前記送信フレーム期間内で、選択された前記行に対応する前記第２のアンテナを固定として、前記重み付け係数を算出する、請求項２記載の無線通信システム。
4. 前記制御部は、
   送信フレーム内の各送信シンボルについて、各サブキャリアに対応する前記サブキャリアチャネル応答マトリックスを算出し、
   前記送信シンボルの期間ごとに、各サブキャリアについて、行方向のノルムの大きなものから前記第１所定数を選択し、
   前記選択されたノルムに相当する行について、前記サブキャリアチャネル応答行列から前記部分行列を抽出して、第１の総電力規格化係数を算出し、
   前記第１の総電力規格化係数と前記第２の総電力規格化係数との比較結果に応じて、前記送信シンボルごとに、前記行に対応する前記第２のアンテナを選択して、前記重み付け係数を算出する、請求項２記載の無線通信システム。
5. 前記制御部は、
   前記第２の総電力規格化係数の大きなものから第２所定数のサブキャリアを対象として、前記行方向のノルムの大きなものから第１所定数を選択する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の無線通信システム。
6. 各々が第２のアンテナを有する複数の端末とＭＩＭＯにより無線通信する無線送信装置であって、
   複数の第１のアンテナと、
   前記複数の端末について推定された伝送路のチャネル状態情報に基づいて、アンテナ指向性を制御するための重み付け係数を算出するための制御部と、
   送信信号に対して誤り訂正符号を付加する誤り訂正符号化処理部と、
   前記複数の第１のアンテナから前記複数の端末へＭＩＭＯにより無線伝送するために、変調された送信信号に、前記重み付け係数を乗算し合成して、複数の送信信号を生成するための重み付け処理部と、
   前記重み付け処理部の出力を前記複数の第１のアンテナから送信するための第１の送信処理部とを備え、
   前記制御部は、
   前記直交周波数分割多重方式におけるサブキャリアごとの伝送路の応答に対応するサブキャリアチャネル応答行列の要素において、前記第２のアンテナにそれぞれ対応する行方向のノルムを算出し、
   前記直交周波数分割多重方式で送信される信号の所定の期間ごとに、前記行方向のノルムの大きなものから第１所定数を選択し、選択された前記行に対応する前記第２のアンテナに相当するように、前記サブキャリアチャネル応答行列から抽出された部分行列についての前記アンテナ指向性に対する第１の総電力規格化係数と、前記サブキャリアチャネル応答行列自身についての前記アンテナ指向性に対する第２の総電力規格化係数とを比較し、規格化後の信号電力が大きい方のチャネル応答行列に基づいて前記重み付け係数を算出する、無線送信装置。
7. 前記制御部は、
   ブロック対角化法を用いて前記重み付け係数を算出し、
   前記第１の総電力規格化係数および前記第２の総電力規格化係数の算出を、ブロック対角化された各ブロックごとのサブキャリアチャネル応答行列について実行する、請求項６記載の無線通信装置。
8. 前記制御部は、
   送信フレーム内の各送信シンボルについて、各サブキャリアに対応する前記サブキャリアチャネル応答マトリックスを算出し、
   前記送信フレームの期間ごとに、行方向のノルムを前記サブキャリアおよび前記フレーム内のシンボルについての総和をとり、前記総和の大きなものから前記第１所定数を選択し、
   前記選択された総和に相当する行について、前記サブキャリアチャネル応答行列から前記部分行列を抽出して、第１の総電力規格化係数を算出し、
   前記第１の総電力規格化係数と前記第２の総電力規格化係数との比較結果に応じて、前記送信フレーム期間内で、選択された前記行に対応する前記第２のアンテナを固定として、前記重み付け係数を算出する、請求項７記載の無線通信装置。
9. 前記制御部は、
   送信フレーム内の各送信シンボルについて、各サブキャリアに対応する前記サブキャリアチャネル応答マトリックスを算出し、
   前記送信シンボルの期間ごとに、各サブキャリアについて、行方向のノルムの大きなものから前記第１所定数を選択し、
   前記選択されたノルムに相当する行について、前記サブキャリアチャネル応答行列から前記部分行列を抽出して、第１の総電力規格化係数を算出し、
   前記第１の総電力規格化係数と前記第２の総電力規格化係数との比較結果に応じて、前記送信シンボルごとに、前記行に対応する前記第２のアンテナを選択して、前記重み付け係数を算出する、請求項７記載の無線通信装置。
10. 前記制御部は、
    前記第２の総電力規格化係数の大きなものから第２所定数のサブキャリアを対象として、前記行方向のノルムの大きなものから第１所定数を選択する、請求項６〜９のいずれか１項に記載の無線通信装置。
11. 複数の第１のアンテナを有する基地局と第２のアンテナを有する複数の端末との間で直交周波数分割多重方式で変調された信号をＭＩＭＯにより無線通信する無線通信方法であって、
    前記基地局が、送信信号に対して誤り訂正符号を付加するステップと、
    前記基地局が、前記複数の端末について推定された伝送路のチャネル状態情報に基づいて、アンテナ指向性を制御するための重み付け係数を算出するステップとを備え、
    前記重み付け係数を算出するステップは、
    前記直交周波数分割多重方式におけるサブキャリアごとの伝送路の応答に対応するサブキャリアチャネル応答行列の要素において、受信機側の第２のアンテナにそれぞれ対応する行方向のノルムを算出するステップと、
    前記直交周波数分割多重方式で送信される信号の所定の期間ごとに、前記行方向のノルムの大きなものから第１所定数を選択し、選択された前記行に対応する前記第２のアンテナに相当するように、前記サブキャリアチャネル応答行列から抽出された部分行列についての前記アンテナ指向性に対する第１の総電力規格化係数と、前記サブキャリアチャネル応答行列自身についての前記アンテナ指向性に対する第２の総電力規格化係数とを比較し、規格化後の信号電力が大きい方のチャネル応答行列に基づいて前記重み付け係数を算出するステップとを含み、
    前記基地局が、前記複数の第１のアンテナから前記複数の端末へＭＩＭＯにより無線伝送するために、変調された送信信号に、前記重み付け係数を乗算し合成して、複数の送信信号を生成するステップと、
    前記基地局が、前記重み付け処理部の出力を前記複数の第１のアンテナから送信するステップとをさらに備える、無線通信方法。