JP5969374B2

JP5969374B2 - 無線通信システム及びその方法、送信装置及びその方法、受信装置及びその方法、並びに無線通信装置

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Publication number: JP5969374B2
Application number: JP2012275056A
Authority: JP
Inventors: ウサマスイヒリ; 養幸畑川; 小西　聡; 聡小西
Original assignee: KDDI Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 2012-12-17
Filing date: 2012-12-17
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2032-12-17
Also published as: JP2014120950A

Description

本発明は、多入力多出力（ＭＩＭＯ）を用いて複数のデータストリームを同時に送受信する無線通信技術に関する。

送受信局において複数のアンテナを用いて複数のデータストリームを同時に送受信することでデータ送受信の高速化を図る、ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ−ＩｎｐｕｔＭｕｌｔｉ−Ｏｕｔｐｕｔ）技術が知られている。ＭＩＭＯ技術においては、複数の送信側アンテナから同時に出力された信号が、受信側アンテナにおいて互いに干渉するため、受信側アンテナにおいてその干渉（レイヤ間干渉）を除去する技術が重要となる。

受信側におけるレイヤ間干渉を低減する技術として、受信されることが予想される干渉を、送信側において送信信号に加算するダーティペーパー符号化（ＤｉｒｔｙＰａｐｅｒＣｏｄｉｎｇ、ＤＰＣ）が知られている（非特許文献１）。非特許文献１に記載の、送受信局において１本のアンテナを有する最も簡単なＤＰＣのモデルにおいては、送信局が、受信局で受信される干渉信号の波形を知っており、その波形を希望信号の波形から減算した後に送信する。すなわち、例えば、ｘを希望信号、ｓを干渉、そしてｚを雑音とすると共に、信号ｘを送信したときに、受信信号がｙ＝ｘ＋ｓ＋ｚで表される場合、送信局は送信信号としてｕ＝ｘ−ｓを送信する。すると、受信局においては、信号はｙ＝ｕ＋ｓ＋ｚとして受信され、ｕ＋ｓ＋ｚ＝（ｘ−ｓ）＋ｓ＋ｚ＝ｘ＋ｚとなるため、干渉ｓがキャンセルされた形で受信される。このようにして、送信側において干渉を考慮して信号を変形して送信することで、受信側において、干渉の影響を受けずに希望信号を取り出すことが可能となる。

非特許文献２には、送信局と受信局との少なくともいずれかが複数のアンテナを有する場合に干渉を抑圧するためのＤＰＣの拡張技術として、トムリンソン−ハラシマ事前符号化（ＴＨＰ）が記載されている。ＤＰＣをＭＩＭＯに拡張することを考えると、各送信アンテナから各受信アンテナまでのチャネルを規定するチャネル行列が三角（上三角又は下三角）行列である必要がある。チャネル行列が三角行列でない場合には、逐次的に干渉をキャンセルすることができないからである。逆に、チャネル行列が例えば、下三角行列であれば、例えば、第ｎ行のチャネル行列に対応するデータストリームに対する干渉は、第１行から第ｎ−１行に対応するデータストリームからの干渉のみとなるため、ＤＰＣの手法を用いて、事前にキャンセルできる。しかしながら、チャネル行列が三角行列であることは極めて稀であり、単純にＤＰＣをＭＩＭＯに適用することはできなかった。

これに対し、チャネル行列を三角化するために、従来のＴＨＰ手法では、チャネル行列のＬＱ分解（非特許文献３及び４参照）を採用していた。以下、ＴＨＰ手法について簡単に説明する。なお、以下では、送信アンテナと受信アンテナは共にＮ本のアンテナを有するものとする。

ＭＩＭＯ受信局において受信される信号は、ベクトルと行列とを用いて、

と表すことができる。ここで、ｙは各受信アンテナで受信される受信信号を示すＮ×１ベクトルであり、ｘは各送信アンテナで送信アンテナが送信する送信信号を示すＮ×１ベクトルである。また、ＨはＮ×Ｎのチャネル行列であり、ｚは各受信アンテナにおける雑音を示すＮ×１ベクトルである。

非特許文献２に記載のＴＨＰでは、チャネル行列のＬＱ分解を用いてチャネルを三角化する。ここで、チャネル行列ＨのＬＱ分解とは、Ｈ＝ＬＱとなるように、下三角行列Ｌとユニタリ行列Ｑとを探す処理のことである。このような行列ＬとＱに対しては、Ｑがユニタリ行列であるからＱＱ^H＝Ｉ（Ｉは単位行列）が成立するため、Ｈ＝ＬＱの両辺に右からＱ^Hを乗ずることにより、ＨＱ^H＝Ｌが成り立つ。したがって、例えば、Ｎ＝３の場合、

が成り立つ。なお、上付きのＨは共役転置を示す。

このことから、例えば、送信信号ベクトルｘに左からＱ^Hを乗じたベクトル（Ｑ^Hｘ）を送信することで、受信側では、下三角行列のチャネル行列を経て信号が受信されたものとして処理することが可能となる。この場合、受信アンテナｉにおける受信信号ｙ_iは、それぞれ以下の通りとなる。

この段階で、受信側においては、第ｎ番目のアンテナで受信した信号については、第１番目から第ｎ−１番目までに受信した信号を用いて干渉をキャンセルすることができるが、ＤＰＣの手法に基づいて、さらに、送信信号を変形させる。すなわち、上述のベクトルｘを以下のベクトルｕに置き換え、ｖ＝Ｑ^Hｕを送信する。

このようにすることにより、受信信号は、以下のようになる。

このように、ＴＨＰによれば、送信側で適切に信号を変形して送信することにより、受信側においては、干渉の影響を何ら考慮することなく、信号を受信することができる。

Ｍ．Ｃｏｓｔａ、"ダーティペーパーへの書き込み（Ｗｒｉｔｉｎｇｏｎｄｉｒｔｙｐａｐｅｒ（Ｃｏｒｒｅｓｐ．））"、ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｈｅｏｒｙ、１９８３年、ｐｐ．４３９−４４１Ｒ．Ｆ．Ｈ．Ｆｉｓｃｈｅｒ、Ｃ．Ｗｉｎｄｐａｓｓｉｎｇｅｒ、Ａ．Ｌａｍｐｅ、及びＪ．Ｂ．Ｈｕｂｅｒ、"低レート逆方向通信路に対する時空間伝送におけるトムリンソン−ハラシマ事前符号化（Ｔｏｍｌｉｎｓｏｎ−ＨａｒａｓｈｉｍａＰｒｅｃｏｄｉｎｇＩｎＳｐａｃｅ−ＴｉｍｅＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＦｏｒＬｏｗ−ＲａｔｅＢａｃｋｗａｒｄＣｈａｎｎｅｌ）"、Ｐｒｏｃ．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＺｕｒｉｃｈＳｅｍｉｎａｒｏｎＢｒｏａｄｂａｎｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ（ＩＺＳ）、スイス、２００２年２月Ｊ．Ｆｒａｎｃｉｓ、"ＱＲ変換Ｉ（ＴｈｅＱＲＴｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｉ）"、ＴｈｅＣｏｍｐｕｔｅｒＪｏｕｒｎａｌ、１９６１年、ｖｏｌ．４、ｎｏ．３、ｐｐ．２５６−２６１Ｇ．Ｈ．Ｇｏｌｕｂ及びＣ．Ｆ．ＶａｎＬｏａｎ、"行列計算（ＭａｔｒｉｘＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｓ）"、Ｂａｌｔｉｍｏｒｅ：ＪｏｈｎｓＨｏｐｋｉｎｓＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＰｒｅｓｓ、１９９６年Ｔ．Ｌ．Ｍａｒｚｅｔｔａ、"無制限な数の基地局アンテナを伴う非協調セルラ無線電信（ＮｏｎｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅＣｅｌｌｕｌａｒＷｉｒｅｌｅｓｓｗｉｔｈＵｎｌｉｍｉｔｅｄＮｕｍｂｅｒｓｏｆＢａｓｅＳｔａｔｉｏｎＡｎｔｅｎｎａｓ）"、ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＷｉｒｅｌｅｓｓＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ、２０１０年、ｖｏｌ．９、ｎｏ．１１、ｐｐ．３５９０−３６００

上述のＴＨＰでは、チャネル行列をＬＱ分解することにより、干渉の影響を事前に取り除くことができる。しかしながら、良好な性能を得るためには、極めて大きいシグナリングコストが要求される。すなわち、チャネル行列Ｈのすべてが送信局へフィードバックされる必要がある。１つのチャネル行列Ｈに対しては、一意にＬとＱとが定まるため、チャネル行列の１つの要素が欠けることだけでも、ＬＱ分解の結果が正確でなくなり、干渉を効果的にキャンセルすることが困難となる。さらに、ＬＱ分解は非常に複雑な計算を必要とし、その計算量（乗算回数）はアンテナ本数Ｎの３乗に比例する。これは、アンテナ本数が十分に小さい場合は問題とならないが、アンテナ本数が増加し、非特許文献５のような大規模なＭＩＭＯに対しては、実現が困難なほどの計算量が生じうるという課題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ＭＩＭＯ通信におけるレイヤ間干渉を抑圧するためのフィードバック情報量及び計算量を抑える技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明による無線通信システムは、複数の送信アンテナを有する送信局と、複数の受信アンテナを有する受信局とが、多入力多出力（ＭＩＭＯ）による無線通信を行う無線通信システムであって、前記受信局は、前記複数の送信アンテナのそれぞれと前記複数の受信アンテナのそれぞれとの間のチャネルの状態を示す値を要素とするチャネル行列を取得する取得手段と、前記チャネル行列に基づいて重み行列を算出する算出手段と、前記重み行列の上三角部分の各要素を、前記送信局へフィードバックするフィードバック手段と、を有し、前記送信局は、希望信号と前記受信局からフィードバックされた情報とに基づいて、再帰的演算によって前記複数の送信アンテナで送信する送信信号を生成する生成手段と、前記複数の送信アンテナのそれぞれにおいて、前記生成手段で生成した前記送信信号を送信する送信手段と、を有し、前記受信局は、さらに、前記送信局が送信した前記送信信号を前記チャネルを介して前記複数の受信アンテナで受信する受信手段と、前記複数の受信アンテナのそれぞれで受信される受信信号と、前記重み行列の下三角部分とを用いて、前記希望信号を推定する推定手段と、を有し、前記複数の送信アンテナのそれぞれが送信する送信信号を示す送信信号ベクトルが、前記受信局へ送信するべきシンボルを要素とする希望信号ベクトルと当該重み行列の上三角部分とを用いて前記再帰的演算により算出され、前記重み行列は、前記送信信号ベクトルの前記チャネル行列による射影が、当該重み行列の下三角部分からなる下三角行列による前記希望信号ベクトルの射影と一致するように構成される、ことを特徴とする。

また、本発明による受信装置は、複数の送信アンテナを有する送信装置と、複数の受信アンテナを有する受信装置とが、多入力多出力（ＭＩＭＯ）による無線通信を行う無線通信システムにおける受信装置であって、前記複数の送信アンテナのそれぞれと前記複数の受信アンテナのそれぞれとの間のチャネルの状態を示す値を要素とするチャネル行列を取得する取得手段と、前記チャネル行列に基づいて重み行列を算出する算出手段と、前記重み行列の上三角部分の各要素を、前記送信装置へフィードバックするフィードバック手段と、前記送信装置において希望信号と前記受信装置からフィードバックされた情報とに基づいて再帰的演算によって生成され、前記複数の送信アンテナのそれぞれから送信された送信信号を、前記チャネルを介して前記複数の受信アンテナで受信する受信手段と、前記複数の受信アンテナのそれぞれで受信される受信信号と、前記重み行列の下三角部分とを用いて、前記希望信号を推定する推定手段と、を有し、前記複数の送信アンテナのそれぞれが送信する送信信号を示す送信信号ベクトルが、前記受信装置へ送信するべきシンボルを要素とする希望信号ベクトルと当該重み行列の上三角部分とを用いて前記再帰的演算により算出され、前記重み行列は、前記送信信号ベクトルの前記チャネル行列による射影が、当該重み行列の下三角部分からなる下三角行列による前記希望信号ベクトルの射影と一致するように構成される、ことを特徴とする。

また、本発明による送信装置は、複数の送信アンテナを有する送信装置と、複数の受信アンテナを有する受信装置とが、多入力多出力（ＭＩＭＯ）による無線通信を行う無線通信システムにおける送信装置であって、前記受信装置から、前記複数の送信アンテナのそれぞれと前記複数の受信アンテナのそれぞれとの間のチャネルの状態を示す値を要素とするチャネル行列に基づく重み行列の要素のうち、上三角部分の各要素をフィードバックとして受信する受信手段と、希望信号と前記受信装置からフィードバックとして受信した情報とに基づいて、再帰的演算によって送信信号を生成する生成手段と、前記複数の送信アンテナのそれぞれにおいて、前記生成手段で生成した前記送信信号を送信する送信手段と、を有し、前記複数の送信アンテナのそれぞれが送信する送信信号を示す送信信号ベクトルが、前記受信装置へ送信するべきシンボルを要素とする希望信号ベクトルと当該重み行列の上三角部分とを用いて前記再帰的演算により算出され、前記重み行列は、前記送信信号ベクトルの前記チャネル行列による射影が、当該重み行列の下三角部分からなる下三角行列による前記希望信号ベクトルの射影と一致するように構成される、ことを特徴とする。

本発明によれば、ＭＩＭＯ通信におけるレイヤ間干渉を抑圧するためのフィードバック情報量及び計算量を抑えることができる。

従来のＴＨＰ手法を実装する無線通信システムの概略構成を示す図。実施形態に係るＴＨＰ手法を実装する無線通信システムの概略構成を示す図。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

（概要）
図１と図２は、それぞれ、従来及び本実施形態のＴＨＰ手法を実装する無線通信システムを示す概略図である。図１と図２には明示していないが、それぞれの無線通信システムにおいて、送信局と受信局とが、それぞれ複数の送信アンテナ及び複数の受信アンテナを有し、多入力多出力（ＭＩＭＯ）による無線通信を行う。

図１及び図２から分かるように、従来の無線通信システムにおいては、受信局はチャネル推定を実行してチャネル推定値（ＣＳＩ）をそのままフィードバックするのに対し、本実施形態では、行列Ａ及び行列Ｂを生成して出力している点で異なる。また、ＴＨＰを実行する部分について、従来では送信局側にのみ存在していたのに対し、本実施形態に係る無線通信システムでは、送信局側と受信局側の双方にその機能部が存在する。すなわち、本実施形態に係る無線通信システムでは、従来と異なり、ＴＨＰの機能を送信局側と受信局側とに分割し、送信局側の計算負荷を減らす構成となっている。また、本実施形態に係る無線通信システムでは、チャネル行列Ｈから生成した行列Ａ（の要素）をフィードバックするが、後述するように、行列Ａの要素の約半分が値０をとる。したがって、０の要素を送信しないことにより、行列Ａについて送信すべき要素の数は、従来のチャネル行列Ｈそのものをフィードバックする場合と比べて、実質的に半分程度となる。なお、０の要素を送信しなくても、送信局と受信局とで、行列Ａが上三角行列であることを共通的に認識していれば、送信局において行列Ａを再構成することは容易である。

（従来のＴＨＰ手法）
図１に示す従来の無線通信システムについては上で大まかに説明したが、ここでも簡単に説明する。従来の無線通信システムにおいては、送信局は、まず、フィードバックされたチャネル行列ＨをＬＱ分解する。そして、送信局は、受信側に送信するべきシンボルを要素とする希望信号ベクトルｘが入力されると、行列Ｌを用いて希望信号ベクトルｘを変形して、別の送信信号ベクトルｕを生成する。その後、変形後の送信信号ベクトルｕに、Ｑ^Hを左から乗じ、受信局に向けて送信する。受信局では、干渉がない状態で受信され、受信信号とチャネル行列とに基づいて、希望信号ベクトルの推定値ｘ’を再生する。詳細な動作原理は、先述したとおりである。

（本実施形態に係るＴＨＰ手法）
一方、本実施形態に係る無線通信システムでは、ＬＱ分解を行わず、まず、所定の重み行列Σを算出する。この重み行列Σは、送信局で使用される部分と、受信局で使用される部分とに分かれる。具体的には、送信局は、受信局へ送信すべき信号を示す希望信号ベクトルとこの重み行列Σの上三角部分（行列の対角成分を含む右上の部分）とを使用して、再帰的演算により、送信アンテナのそれぞれが送信する送信信号を要素とする送信信号ベクトルを算出する。そして、受信局は、受信アンテナのそれぞれが受信した受信信号を要素とする受信信号ベクトルと、重み行列Σの下三角部分（行列の対角成分を含む左下の部分）を用いて、希望信号ベクトルを再生する。なお、行列Σは、送信信号ベクトルのチャネル行列Ｈによる射影が、希望信号ベクトルの、行列Σの下三角部分以外を０とした下三角行列との射影と一致するように構成される。なお、上述の通り、行列Σの要素は、その上三角部分と下三角部分とが、それぞれ送信局と受信局とで使用されることとなる。そして、送信局は、下三角部分の要素を使用することはない。このため、フィードバックするのは、重み行列Σの上三角部分のみでよいこととなり、結果としてフィードバック情報量を低減することができる。なお、以下では、重み行列Σの上三角成分以外を０とする上三角行列を行列Ａと呼び、下三角成分以外を０とする下三角行列を行列Ｂと呼ぶ。

以下、詳細に説明する。受信局は、チャネル推定によりチャネル行列Ｈを取得すると、まず、重み行列Σを以下のようにして算出する。

なお、ｈ_ijは、チャネル行列Ｈのｉ行ｊ列成分である。この重み行列Σは、以下の式が成り立つように構成されている。

なお、ｘ_iは、送信局が受信局へ送信すべき希望信号であり、ｕは、各送信アンテナから実際に送信される送信信号ｕ_iを要素とする送信信号ベクトルである。すなわち、重み行列Σは、その上三角部分を用いて再帰的演算により算出された送信信号ベクトルｕが実際に送受信された場合の受信信号ベクトルが、行列Ｂによる希望信号ベクトルｘの射影に一致するように構成される。なお、受信信号ベクトルは、一般に、送信信号ベクトルｕのチャネル行列Ｈによる射影（Ｈｕ）として表される。したがって、受信局は、重み行列Σの上三角成分である行列Ａのみを送信局へフィードバックするだけで、送信局が適切な再帰的演算によって送信信号ベクトルｕを算出して送信するだけで、チャネル行列の下三角化をすることができる。

なお、式２における送信信号ベクトルは、より厳密に説明すると、その対角成分を除く上三角部分の各要素を各行の対角成分の値で除算した値と送信信号ベクトルｕとを乗じた結果を、希望信号ベクトルｘから減算した結果のベクトルである。ただし、本発明は、重み行列Σの上三角成分と下三角成分が、それぞれ送信局と受信局で使用されることが特徴であり、この式に限定されるものではない。すなわち、送信側において上三角成分のみを用いて希望信号を加工することで、チャネル行列Ｈを下三角化し、その下三角化した行列が、重み行列Σの下三角部分となる行列であれば、ほかの形態であってもよい。例えば、式２の構成では、再帰的演算に使用されるのは、α_ij／α_iiである。すなわち、重み行列Σの上三角部分の各要素について、その要素が含まれる行の対角成分の値で除算した結果のみが再帰的演算で使用されている。このことから、重み行列Σの対角成分を除く上三角部分の各要素について、その要素が含まれる行の対角成分の値で除算した結果で置き換えた行列Σ’を重み行列としてもよい。

重み行列Σが計算されると、以下のように、重み行列Σの上三角部分である行列Ａと下三角部分である行列Ｂとを生成する。

受信局は、行列Ａ及び行列Ｂを生成すると、行列Ａのみを送信局へフィードバックする。

送信局は、フィードバック情報である行列Ａを受信すると、送信した送信信号ベクトルが、伝送路を経た後に受信側において行列Ｂと希望信号ベクトルｘとの積となるように、送信信号ベクトルｕを構成する。すなわち、上述の式２における送信信号ベクトルｕの再帰的演算による算出式に従って、送信信号ベクトルｕを算出する。なお、ここまで説明してきた通り、式２においては再帰的演算が行われる。すなわち、ｉ本目の送信アンテナで送信される（送信信号ベクトルｕのｉ番目の要素である）ｕ_iの計算には、別の要素ｕ_j（ｉ＜ｊ）が使用される。このため、実際は、他の要素の影響を受けない最後の要素ｕ_Nから他の全ての要素の影響を受ける１番目の要素ｕ₁へ向けて、再帰的演算により１つずつ送信信号ベクトルｕの要素の値が確定される。なお、送信信号ベクトルｕの各要素ｕ_iに着目して式２を記述すると、以下の式が得られる。

そして、送信局は、このようにして得られた送信信号ベクトルｕの各成分ｕ_iを、それぞれ対応する送信アンテナを介して受信局へ送信する。これにより、受信局では、式２のように、チャネル行列Ｈを経た後の信号として、希望信号ベクトルｘの行列Ｂによる射影として与えられる受信信号ベクトルｙを受信することとなる。この受信信号ベクトルｙの要素ｙ_iを数式で表現すると、以下の通りとなる。

したがって、受信局では、希望信号ベクトルの推定値ｘ’の要素ｘ_i’を、以下の式に従って得ることが可能となる。

すなわち、受信局は、まず、受信信号ベクトルｙの要素のうち、希望信号ベクトルの要素を１つのみ含む１番目の要素ｙ₁から、希望信号ベクトルの要素ｘ₁’の推定値ｘ’を計算して推定する。そして、それ以降は、希望信号ベクトルｘの要素を２つ以上含む受信信号ベクトルｙから、推定された１つ以上の推定値ｘ’と行列Ｂの要素とにより構成される干渉成分のレプリカを減算して、次の要素を逐次的に推定する。このようにして、送信局は、ｘ₁’から順に、ｘ_N’まで、希望信号ベクトルの要素を推定することができる。なお、行列Ｂの逆行列を求めて、逆行列を受信信号ベクトルの左から乗じることによって、希望信号ベクトルの要素を推定してもよい。

なお、送信信号ベクトルｕの計算は、式２からも明らかなように、希望信号ベクトルｘの他は、重み行列Σの上三角部分、すなわち行列Ａの要素のみが使用される。すなわち、重み行列Σの下三角部分（行列Ｂ）は送信側においては使用されない。したがって、送信側においては、行列Σ全部を保持する必要はなく、その上三角部分である行列Ａだけを保持していればよいこととなる。ここで、行列Ａは重み行列Σの上三角部分であることから、０以外の値をとり得る要素は、Ｎ（Ｎ＋１）／２個である。０の要素はフィードバックする必要がないため、このような構成をとることにより、フィードバック情報量を減らすことができる。具体的には、Ｎが十分に大きい場合には、フィードバック情報量は約半分となる。なお、行列Ａに代えて、上述の行列Σ’の対角成分を除く上三角成分、すなわち、行列Ａの対角成分以外の要素をその要素が含まれる行の対角成分の値で除算し、対角成分を０としたものをフィードバックしてもよい。このようにすることで、フィードバックする要素の数が（Ｎ−１）Ｎ／２個にまで減少することになり、フィードバックの量を半分以下に抑えることが可能となる。

また、式６から明らかなように、希望信号ベクトルｘの推定には、重み行列Σの下三角部分のみを使用することとなる。このため、受信局においては、重み行列Σのうち、下三角部分（行列Ｂ）のみを保持していればよいこととなり、例えば、メモリの記憶領域を必要以上に使用することを防ぐことが可能となる。

（Ｎ＝３の場合の例）
続いて、本実施形態に係るＴＨＰ手法を実行した場合の動作について、Ｎ＝３の場合の例について説明する。

［受信局の動作１］
まず、受信局において、チャネル行列Ｈを推定する。このチャネル推定は、例えば、パイロットチャネルやトレーニング系列を用いて行う。チャネル行列Ｈは以下のように表されるものとする。

次に、チャネル行列Ｈから重み行列Σを計算する。この場合、重み行列Σは、以下のようになる。

受信局は、重み行列Σから行列Ａを以下のように生成し、送信局へ０以外の要素を送信（フィードバック）する。

［送信局の動作］
送信局は、行列Ａの要素と希望信号ベクトルｘとを用いて、以下の送信信号ベクトルｕの要素ｕ_iを生成して、各アンテナから送信する。

［受信局の動作２］
受信局において、受信される信号は、以下のように表される。

ここで、受信局は行列Ｂの内容を知っているため、以下のようにして、希望信号ベクトルｘの推定値ｘ’を以下のように推定する。

このようにして、従来のように、送信局のみが干渉キャンセル動作をするのではなく、送信局と受信局とで分担して干渉キャンセルすることにより、フィードバック情報量を半分程度に減らすことが可能となる。

（フィードバック情報量）
なお、上述の通り、チャネル行列をＬＱ分解し、Ｑ^Hを希望信号ベクトルｘの左から乗じることにより、受信信号ベクトルｙを下三角行列Ｌと希望信号ベクトルｘとの積として表すことができる。この場合、受信側において行列Ｌを用いて逐次的に希望信号を推定できる。この方法は、チャネル行列又は行列Ｑを、送信側へフィードバックすることとなる。このとき、チャネル行列そのものを送信する場合は、フィードバック情報量が大きいことが問題であると上述したが、この議論は行列Ｑをフィードバックする場合にも適用される。すなわち、行列Ｑは三角行列ではないため、無視できる成分はない。また、行列Ｑの１つの値が異なるだけで、受信側においてチャネル行列を下三角化することができない。したがって、行列Ｑをフィードバックする場合も、その全成分を送信することとなる。したがって、本実施形態に係る手法は、ＬＱ分解による手法と比べて、フィードバック情報量を減らすことができる。

例えば、倍精度複素浮動小数点数を用いてチャネルの要素を送信することを考える。この場合、各要素の送信には１２８ビットを要する。すると、送受信アンテナ数をそれぞれＮ本とすると、従来のようにチャネル情報（ＣＳＩ、Channel State Information）を１回フィードバックするのに必要な情報量は、１２８×Ｎ²ビットとなる。すなわち、例えば、Ｎ＝４の場合は２０４８ビット、Ｎ＝８の場合は８１９２ビット、Ｎ＝３２の場合は１３１０７２ビットが、それぞれ必要となる。チャネル情報は、チャネルの状態が一定であるうちに可能な限り高速にフィードバックされる必要がある。したがって、チャネル情報のフィードバックのために、高速なフィードバックリンクが必要となる。例えば、チャネルの状態が一定であるのが１ミリ秒とし、その間に１０回フィードバックが実行される環境では、Ｎ＝４の場合は約２０Ｍｂｐｓ、Ｎ＝８の場合は約８０Ｍｂｐｓ、Ｎ＝３２の場合は約１．３Ｇｂｐｓもの高速なリンクが必要となる。

これに対し、本実施形態に係る手法では、Ｎが十分に大きい場合にはフィードバック情報量が半分となる。１回のフィードバックに要するビット数は、同様に倍精度複素浮動小数点数を用いる場合、Ｎ＝４の場合は１２８０ビット、Ｎ＝８の場合は４６０８ビット、Ｎ＝３２の場合は６７５８４ビットとなる。これらから、従来の手法と比べると、情報量が、それぞれ３７．５％（Ｎ＝４）、４３．７５％（Ｎ＝８）、及び４８．４４％（Ｎ＝３２）だけ減少していることが分かる。そして、上述の条件と同様の条件で、フィードバックリンクに要求される速度は、それぞれ約１２Ｍｂｐｓ（Ｎ＝４）、約４６Ｍｂｐｓ（Ｎ＝８）、及び約０．７Ｇｂｐｓ（Ｎ＝３２）となる。このように、本実施形態の手法は、フィードバックリンクに対する要求を大きく緩和させることができることが分かる。

（計算量）
また、本実施形態では、ＬＱ分解を行わないため、計算量を削減することが可能となる。以下、詳述する。

Ｎ×Ｎ行列ＨのＬＱ分解は、Ｎ回の行列の乗算（例えば、Ｎ回のギブンス回転又はＮ回のハウスホルダー変換）を実行することで行われる。各行列の乗算は、要素ごとの処理のための２つの（行及び列に対応する）入れ子構造のＦＯＲループにより実行される。したがって、ＬＱ分解の全体としての計算の複雑度を示すＣ_LQは、Ｃ_LQ＝Ｎ×Ｏ(Ｎ²)＝Ｏ(Ｎ³)となる。ここで、Ｏはラージオーダーを意味する。すなわち、従来手法においてＬＱ分解の複雑度（計算量）は、チャネル行列ＨのサイズであるＮの３次式のオーダーとなる。

一方、本実施形態の手法では、ＬＱ分解を行わず、重み行列Σの要素α_ijの計算のみを行う。上述の通り、このような要素の計算は、要素ごとの処理のための２つの（行及び列に対応する）入れ子構造のＦＯＲループによってのみ実行される。したがって、要素α_ijの計算の複雑度Ｃ_propは、Ｃ_prop＝Ｏ(Ｎ²)となる。すなわち、本実施形態に係る手法では、複雑度（計算量）は、チャネル行列ＨのサイズＮの２次式のオーダーに抑えられる。

このように、本実施形態に係る方法によれば、従来技術と比べてフィードバック情報量と共に計算量を抑えながら、干渉をキャンセルしてＭＩＭＯによる通信を行うことが可能となる。

なお、上述のチャネル推定、重み行列の計算などの各処理は、専用のハードウェアにより実現してもよいし、当該計算等を実現するプログラムをＣＰＵ等のプロセッサを含むコンピュータに実行させることによりソフトウェア的に実現してもよい。

また、基地局や携帯電話などの無線通信装置は、上述の送信局と受信局とのいずれかを含んでもよいし、両方を含んでもよい。すなわち、上述の処理を行う送信装置と受信装置との少なくともいずれかが、無線通信装置に含まれることにより、当該無線通信装置が本発明の技術範囲に属することとなる。

Claims

複数の送信アンテナを有する送信局と、複数の受信アンテナを有する受信局とが、多入力多出力（ＭＩＭＯ）による無線通信を行う無線通信システムであって、
前記受信局は、
前記複数の送信アンテナのそれぞれと前記複数の受信アンテナのそれぞれとの間のチャネルの状態を示す値を要素とするチャネル行列を取得する取得手段と、
前記チャネル行列に基づいて重み行列を算出する算出手段と、
前記重み行列の上三角部分の各要素を、前記送信局へフィードバックするフィードバック手段と、
を有し、
前記送信局は、
希望信号と前記受信局からフィードバックされた情報とに基づいて、再帰的演算によって前記複数の送信アンテナで送信する送信信号を生成する生成手段と、
前記複数の送信アンテナのそれぞれにおいて、前記生成手段で生成した前記送信信号を送信する送信手段と、
を有し、
前記受信局は、さらに、
前記送信局が送信した前記送信信号を前記チャネルを介して前記複数の受信アンテナで受信する受信手段と、
前記複数の受信アンテナのそれぞれで受信される受信信号と、前記重み行列の下三角部分とを用いて、前記希望信号を推定する推定手段と、
を有し、
前記複数の送信アンテナのそれぞれが送信する送信信号を示す送信信号ベクトルが、前記受信局へ送信するべきシンボルを要素とする希望信号ベクトルと当該重み行列の上三角部分とを用いて前記再帰的演算により算出され、
前記重み行列は、前記送信信号ベクトルの前記チャネル行列による射影が、当該重み行列の下三角部分からなる下三角行列による前記希望信号ベクトルの射影と一致するように構成される、
ことを特徴とする無線通信システム。
前記送信信号ベクトルは、前記重み行列の対角成分を除く上三角部分の各要素を当該要素の含まれる行の対角成分の値で除算した値と、前記送信信号ベクトルとを乗じた結果を、前記希望信号ベクトルから減算した結果のベクトルである、
ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
前記フィードバック手段は、前記重み行列の上三角部分の各要素に代えて、当該重み行列の上三角部分の対角成分を除く各要素を当該要素が含まれる行の対角成分の値で除算した値を、前記送信局へフィードバックする、
ことを特徴とする請求項２に記載の無線通信システム。
前記重み行列は、前記チャネル行列のｉ行ｊ列成分をｈ_ijとするときに、

のように計算される行列Σである、
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の無線通信システム。
前記再帰的演算は、ｉ本目の前記送信アンテナで送信される、前記送信信号ベクトルのｉ番目の要素をｕ_iとするときに、

のように定められる、
ことを特徴とする請求項４に記載の無線通信システム。
複数の送信アンテナを有する送信装置と、複数の受信アンテナを有する受信装置とが、多入力多出力（ＭＩＭＯ）による無線通信を行う無線通信システムにおける受信装置であって、
前記複数の送信アンテナのそれぞれと前記複数の受信アンテナのそれぞれとの間のチャネルの状態を示す値を要素とするチャネル行列を取得する取得手段と、
前記チャネル行列に基づいて重み行列を算出する算出手段と、
前記重み行列の上三角部分の各要素を、前記送信装置へフィードバックするフィードバック手段と、
前記送信装置において希望信号と前記受信装置からフィードバックされた情報とに基づいて再帰的演算によって生成され、前記複数の送信アンテナのそれぞれから送信された送信信号を、前記チャネルを介して前記複数の受信アンテナで受信する受信手段と、
前記複数の受信アンテナのそれぞれで受信される受信信号と、前記重み行列の下三角部分とを用いて、前記希望信号を推定する推定手段と、
を有し、
前記複数の送信アンテナのそれぞれが送信する送信信号を示す送信信号ベクトルが、前記受信装置へ送信するべきシンボルを要素とする希望信号ベクトルと当該重み行列の上三角部分とを用いて前記再帰的演算により算出され、
前記重み行列は、前記送信信号ベクトルの前記チャネル行列による射影が、当該重み行列の下三角部分からなる下三角行列による前記希望信号ベクトルの射影と一致するように構成される、
ことを特徴とする受信装置。
前記送信信号ベクトルは、前記重み行列の対角成分を除く上三角部分の各要素を当該要素の含まれる行の対角成分の値で除算した値と、前記送信信号ベクトルとを乗じた結果を、前記希望信号ベクトルから減算した結果のベクトルである、
ことを特徴とする請求項６に記載の受信装置。
前記フィードバック手段は、前記重み行列の上三角部分の各要素に代えて、当該重み行列の上三角部分の対角成分を除く各要素を当該要素が含まれる行の対角成分の値で除算した値を、前記送信装置へフィードバックする、
ことを特徴とする請求項７に記載の受信装置。
請求項６から８のいずれか１項に記載の受信装置を含むことを特徴とする無線通信装置。
複数の送信アンテナを有する送信装置と、複数の受信アンテナを有する受信装置とが、多入力多出力（ＭＩＭＯ）による無線通信を行う無線通信システムにおける送信装置であって、
前記受信装置から、前記複数の送信アンテナのそれぞれと前記複数の受信アンテナのそれぞれとの間のチャネルの状態を示す値を要素とするチャネル行列に基づく重み行列の要素のうち、上三角部分の各要素をフィードバックとして受信する受信手段と、
希望信号と前記受信装置からフィードバックとして受信した情報とに基づいて、再帰的演算によって送信信号を生成する生成手段と、
前記複数の送信アンテナのそれぞれにおいて、前記生成手段で生成した前記送信信号を送信する送信手段と、
を有し、
前記複数の送信アンテナのそれぞれが送信する送信信号を示す送信信号ベクトルが、前記受信装置へ送信するべきシンボルを要素とする希望信号ベクトルと当該重み行列の上三角部分とを用いて前記再帰的演算により算出され、
前記重み行列は、前記送信信号ベクトルの前記チャネル行列による射影が、当該重み行列の下三角部分からなる下三角行列による前記希望信号ベクトルの射影と一致するように構成される、
ことを特徴とする送信装置。
前記送信信号ベクトルは、前記重み行列の対角成分を除く上三角部分の各要素を当該要素の含まれる行の対角成分の値で除算した値と、前記送信信号ベクトルとを乗じた結果を、前記希望信号ベクトルから減算した結果のベクトルである、
ことを特徴とする請求項１０に記載の送信装置。
請求項１０又は１１に記載の送信装置を含むことを特徴とする無線通信装置。
複数の送信アンテナを有する送信局と、複数の受信アンテナを有する受信局とが、多入力多出力（ＭＩＭＯ）による無線通信を行う無線通信システムにおける通信方法であって、
前記受信局において、
取得手段が、前記複数の送信アンテナのそれぞれと前記複数の受信アンテナのそれぞれとの間のチャネルの状態を示す値を要素とするチャネル行列を取得する取得工程と、
算出手段が、前記チャネル行列に基づいて重み行列を算出する算出工程と、
フィードバック手段が、前記重み行列の上三角部分の各要素を、前記送信局へフィードバックするフィードバック工程と、
を有し、
前記送信局において、
生成手段が、希望信号と前記受信局からフィードバックされた情報とに基づいて、再帰的演算によって前記複数の送信アンテナで送信する送信信号を生成する生成工程と、
送信手段が、前記複数の送信アンテナのそれぞれにおいて、前記生成手段で生成した前記送信信号を送信する送信工程と、
を有し、
前記受信局において、さらに、
受信手段が、前記送信局が送信した前記送信信号を前記チャネルを介して前記複数の受信アンテナで受信する受信工程と、
前記複数の受信アンテナのそれぞれで受信される受信信号と、前記重み行列の下三角部分とを用いて、前記希望信号を推定する推定工程と、
を有し、
前記複数の送信アンテナのそれぞれが送信する送信信号を示す送信信号ベクトルが、前記受信局へ送信するべきシンボルを要素とする希望信号ベクトルと当該重み行列の上三角部分とを用いて前記再帰的演算により算出され、
前記重み行列は、前記送信信号ベクトルの前記チャネル行列による射影が、当該重み行列の下三角部分からなる下三角行列による前記希望信号ベクトルの射影と一致するように構成される、
ことを特徴とする通信方法。
複数の送信アンテナを有する送信装置と、複数の受信アンテナを有する受信装置とが、多入力多出力（ＭＩＭＯ）による無線通信を行う無線通信システムにおける受信装置の受信方法であって、
取得手段が、前記複数の送信アンテナのそれぞれと前記複数の受信アンテナのそれぞれとの間のチャネルの状態を示す値を要素とするチャネル行列を取得する取得工程と、
算出手段が、前記チャネル行列に基づいて重み行列を算出する算出工程と、
フィードバック手段が、前記重み行列の上三角部分の各要素を、前記送信装置へフィードバックするフィードバック工程と、
受信手段が、前記送信装置において希望信号と前記受信装置からフィードバックされた情報とに基づいて再帰的演算によって生成され、前記複数の送信アンテナのそれぞれから送信された送信信号を、前記チャネルを介して前記複数の受信アンテナで受信する受信工程と、
推定手段が、前記複数の受信アンテナのそれぞれで受信される受信信号と、前記重み行列の下三角部分とを用いて、前記希望信号を推定する推定工程と、
を有し、
前記複数の送信アンテナのそれぞれが送信する送信信号を示す送信信号ベクトルが、前記受信装置へ送信するべきシンボルを要素とする希望信号ベクトルと当該重み行列の上三角部分とを用いて前記再帰的演算により算出され、
前記重み行列は、前記送信信号ベクトルの前記チャネル行列による射影が、当該重み行列の下三角部分からなる下三角行列による前記希望信号ベクトルの射影と一致するように構成される、
ことを特徴とする受信方法。
複数の送信アンテナを有する送信装置と、複数の受信アンテナを有する受信装置とが、多入力多出力（ＭＩＭＯ）による無線通信を行う無線通信システムにおける送信装置の送信方法であって、
受信手段が、前記受信装置から、前記複数の送信アンテナのそれぞれと前記複数の受信アンテナのそれぞれとの間のチャネルの状態を示す値を要素とするチャネル行列に基づく重み行列の要素のうち、上三角部分の各要素をフィードバックとして受信する受信工程と、
生成手段が、希望信号と前記受信装置からフィードバックとして受信した情報とに基づいて、再帰的演算によって送信信号を生成する生成工程と、
送信手段が、前記複数の送信アンテナのそれぞれにおいて、前記生成手段で生成した前記送信信号を送信する送信工程と、
を有し、
前記複数の送信アンテナのそれぞれが送信する送信信号を示す送信信号ベクトルが、前記受信装置へ送信するべきシンボルを要素とする希望信号ベクトルと当該重み行列の上三角部分とを用いて前記再帰的演算により算出され、
前記重み行列は、前記送信信号ベクトルの前記チャネル行列による射影が、当該重み行列の下三角部分からなる下三角行列による前記希望信号ベクトルの射影と一致するように構成される、
ことを特徴とする送信方法。