JP6325465B2 - 無線通信システム、無線通信方法、及び無線通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信システム、無線通信方法、及び無線通信装置に関する。

近年、スマートフォンや無線ＬＡＮ（Local Area Network）の普及や無線伝送される画像や動画等の高精細化により、無線トラフィックが急増しており、マイクロ波帯の周波数逼迫が問題となっている。そのため、無線通信システムの更なる高速化が求められている。そのニーズに応えるために、潤沢な周波数帯域を用いて超高速無線伝送が可能なミリ波帯の利用が検討されている。例えば６０ＧＨｚ帯は、日本国内においては９ＧＨｚ幅の広帯域を無線局免許なしで利用可能であり、ＩＥＥＥ８０２．１１ａｄやＷｉｒｅｌｅｓｓＨＤ等のミリ波無線規格の標準化が進められており、近年注目されている周波数帯である。

ミリ波通信のユースケースとして、情報端末（例えばキオスク端末）と携帯端末との間の非接触通信（通信距離数ｃｍ）などが検討されている。具体的には、街頭、駅、空港等の公共施設、コンビニエンスストア等の店舗などに設置された情報端末にユーザが携帯端末をタッチし、電子書籍や音楽、映画などの大容量コンテンツを瞬時にダウンロードするサービスが考えられている。

上記ユースケースに代表される非接触通信において、更なる通信速度の向上を目的とし、ＭＩＭＯ（Multiple-Input Multiple-Output）伝送技術の適用が検討されている。ＭＩＭＯ伝送では、複数の送信アンテナから同一時間、同一周波数で複数の信号を送信し、使用周波数帯域を広げることなく、送受アンテナ素子数に応じて通信速度を向上させることができる。移動体通信や無線ＬＡＮにおけるＭＩＭＯ伝送では、送信機と受信機との間がマルチパス環境であることを前提としている。マルチパス環境においては送受信アンテナ素子間の空間相関が低くなるため、ＭＩＭＯ伝送により高いチャネル容量を達成することができる。ところが、近年、例えば非特許文献１に示されているように、送信機と受信機とがアレーアンテナの素子間隔に対して無視できないほど近接する場合、直接波が支配的な環境においても、直接波の経路差により得られる空間相関は低く、ＭＩＭＯ伝送が適用可能であることが注目されている。以下、送信機と受信機が近接した環境におけるＭＩＭＯ伝送を近距離ＭＩＭＯ伝送と称する。

この近距離ＭＩＭＯ伝送によって実際に高速無線通信を実現するためには、送受信アンテナ素子が近接に配置されていることに加えて、送受信機においてＭＩＭＯ信号分離を行う信号処理技術が必要である。例えば非特許文献１では、ＭＩＭＯ伝送の最適送受信方法として知られている固有モード伝送法の特性と、低演算負荷でＭＩＭＯ伝送が可能なゼロフォーシング法（以下、ＺＦ法と称する）の特性の比較が行われている。固有モード伝送法は送受信機の両方で信号処理を行う手法であり、ＺＦ法は送信機か受信機のどちらか一方で信号処理を行う手法である。

ここで、情報端末と携帯端末との間の非接触通信を考えると、携帯端末は回路規模や消費電力の制約が厳しいため、携帯端末側で信号処理を行う方式は適していない。したがって、送信側（情報端末側）でのみ信号処理を行うＺＦ法が有力であると考えられる。以下では、送信側でＺＦ法による送信ビームフォーミングを行う方式をＺＦ−ＢＦ法と称する。

ＺＦ−ＢＦ法では、送信ビームフォーミングを行うために必要となるＺＦウェイト行列を生成するために、送信機が送受信機間の伝搬チャネル情報を把握する必要がある。複信方式としてＴＤＤ（Time Division Duplex：時分割複信）方式を採用する場合、上りと下りでのチャネルの対称性を利用した送信ビームフォーミング法の検討が行われている。すなわち、携帯端末から情報端末に送信される上り信号から伝搬チャネル情報を取得し、その伝搬チャネル情報をもとにウェイト行列を生成し、ウェイト行列を下り信号に乗算することで送信ビームフォーミングを行う。

以下に、数式を用いて送信ＢＦを用いる近距離ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency-Division Multiplexing）伝送の原理を説明する。
情報端末は携帯端末から周期ｔ_ｕｐで時刻ｔ_ｎ＝ｎ×ｔ_ｕｐ（ｎは０以上の整数）に送信される上り信号を用いて伝搬チャネル情報を推定する。そして、情報端末は、取得した伝搬チャネル情報から送信ウェイトを生成し送信ビームフォーミングにより携帯端末への下り通信を行う。時刻ｔ_ｎにおけるｋ番目のサブキャリアの伝搬チャネル情報Ｈ_ｋ（ｔ_ｎ）から生成される送信ウェイトをＷ_ｋ（ｔ_ｎ）、情報端末側での処理遅延をτとすると、携帯端末のｋ番目のサブキャリアの受信信号ベクトルｙ_ｋは次の式（１）で表される。

ここで、ｘ_ｋは情報端末の送信信号ベクトル、ｚ_ｋは受信機（携帯端末）における雑音ベクトル、Ｈ_ｋ（ｔ_ｎ＋τ）は下り通信時刻の伝搬チャネルを表す。
ＺＦ−ＢＦ法の場合、時刻ｔ_ｎにおける伝搬チャネル情報Ｈ_ｋ（ｔ_ｎ）から次の式（２）及び式（３）のとおり、逆行列演算によりＺＦウェイトＷ’_ＺＦ，ｋ（ｔ_ｎ）を生成する。

ここで、式（３）分母の｜｜（ベクトル）｜｜_Ｆはフロベニウスノルムを表す。式（３）のＺＦウェイトＷ’_ＺＦ，ｋ（ｔ_ｎ）により送信ビームフォーミングを行ったとき、受信信号ベクトルｙ_ｋは次の式（４）のように計算できる。

伝搬チャネルの時変動がない場合、Ｈ_ｋ（ｔ_ｎ＋τ）＝Ｈ_ｋ（ｔ_ｎ）であるため、式（４）は次の式（５）のように計算でき、送信アンテナから送信された信号は互いに干渉することなく携帯端末に伝送される。

一方、伝搬チャネルが時変動する場合、チャネル推定時の伝搬チャネルＨ_ｋ（ｔ_ｎ）と下り信号送信時の伝搬チャネルＨ_ｋ（ｔ_ｎ＋τ）に誤差が生じる。すなわちＨ_ｋ（ｔ_ｎ＋τ）≠Ｈ_ｋ（ｔ_ｎ）となるため、送信ビームフォーミングの伝送特性が劣化する。

上述のユースケースで考えると、ユーザが携帯端末を情報端末にタッチしてコンテンツダウンロードを行うとき、ユーザが手ぶれを起こすことにより、携帯端末のアンテナの位置変動が生じ、伝搬チャネルが時変動する。

西森，関，本間，平賀，溝口，"近距離ＭＩＭＯ通信に適した伝送方法に関する検討" 信学技報，AP2009-83，Sep. 2009

ＺＦ−ＢＦ法を用いる近距離ＭＩＭＯ伝送においてミリ波帯を用いる場合、情報端末におけるチャネル推定から下り通信開始までの処理遅延τの間に携帯端末のアンテナが数ｍｍ移動するだけで、伝送特性が大きく劣化する。ＺＦ−ＢＦ法では、ＺＦウェイトを生成するための逆行列演算は演算量が多く、大きな処理遅延の要因となる。

上記事情に鑑み、本発明は、ＭＩＭＯ通信に用いられる送信ウェイト行列をより短い時間で生成することができる無線通信装置を提供することを目的としている。

本発明の一態様は、第１の無線通信装置と第２の無線通信装置とが複数のアンテナ素子を用いてＭＩＭＯ通信を行う無線通信システムであって、前記第１の無線通信装置は、複数のアンテナ素子で構成された第１のアレーアンテナと、前記第２の無線通信装置にチャネル推定用信号を送信する送信部と、を備え、前記第２の無線通信装置は、複数のアンテナ素子で構成された第２のアレーアンテナと、前記第１の無線通信装置から送信された前記チャネル推定用信号に基づいて伝搬チャネル情報を取得するチャネル推定部と、前記チャネル推定部により取得された伝搬チャネル情報に基づいて第１の送信ウェイトを算出し、算出した前記第１の送信ウェイトで前回算出した第１の送信ウェイトを更新する第１の送信ウェイト算出部と、前記チャネル推定部により取得された伝搬チャネル情報と前回取得された伝搬チャネル情報とに基づいてチャネル変動情報を生成し、前記第１の送信ウェイト算出部により前回生成された第１の送信ウェイトと、前記チャネル変動情報とに基づいて、第２の送信ウェイトを生成する第２の送信ウェイト生成部と、前記第２の送信ウェイト生成部により生成された第２の送信ウェイトを送信データに乗算するウェイト乗算部と、を備える。

本発明の一態様は、上記の無線通信システムであって、前記第１の送信ウェイト算出部は、前記チャネル推定部により取得された伝搬チャネル情報に対して逆行列演算を行ってＺＦウェイトを算出し、前記第２の送信ウェイト生成部は、前記チャネル変動情報に基づいて前記ＺＦウェイトの変動を近似したＺＦウェイト変動情報を生成し、前記第１の送信ウェイト算出部により前回生成されたＺＦウェイトと、前記ＺＦウェイト変動情報とに基づいて前記第２の送信ウェイトを生成する。

本発明の一態様は、上記の無線通信システムであって、前記第２のアレーアンテナを構成するアンテナ素子の中から、前記第１のアレーアンテナを構成するアンテナ素子の近傍にあるアンテナ素子を選定するアンテナ選定部と、前記選定されたアンテナ素子からデータが送信されるように切り替えを行うスイッチ部とを更に備える。

本発明の一態様は、上記の無線通信システムであって、前記第１の送信ウェイト算出部は、前記第１のアレーアンテナと前記第２のアレーアンテナとの位置ずれの速さ、又は前記伝搬チャネル情報の変動の大きさに基づいて、前記第１の送信ウェイトの更新頻度を変更する。

本発明の一態様は、複数のアンテナ素子で構成された第１のアレーアンテナを備える第１の無線通信装置と、複数のアンテナ素子で構成された第２のアレーアンテナを備える第２の無線通信装置とがＭＩＭＯ通信を行う無線通信方法であって、前記第１の無線通信装置が前記第２の無線通信装置にチャネル推定用信号を送信するチャネル推定用信号送信ステップと、前記第２の無線通信装置が前記第１の無線通信装置から送信されたチャネル推定用信号を受信して伝搬チャネル情報を取得するチャネル推定ステップと、前記第２の無線通信装置がチャネル推定ステップにおいて取得された伝搬チャネル情報に基づいて第１の送信ウェイトを算出し、算出した前記第１の送信ウェイトで前回算出した第１の送信ウェイトを更新する第１のウェイト算出ステップと、前記第２の無線通信装置が前記チャネル推定ステップにおいて取得された伝搬チャネル情報と前回取得された伝搬チャネル情報とに基づいてチャネル変動情報を生成し、前記第１のウェイト算出ステップにおいて前回生成された第１の送信ウェイト、前記チャネル変動情報とに基づいて、第２の送信ウェイトを生成する第２の送信ウェイト生成ステップと、前記第２の無線通信装置が前記第２の送信ウェイト生成ステップにおいて生成された第２の送信ウェイトを送信データに乗算して前記第１の無線通信装置に送信する送信ステップとを有する。

本発明の一態様は、他の無線通信装置から送信されるチャネル推定用信号に基づいてデータ送信を行う無線通信装置であって、複数のアンテナ素子から構成されたアレーアンテナと、前記チャネル推定用信号に基づいて伝搬チャネル情報を取得するチャネル推定部と、前記チャネル推定部により取得された伝搬チャネル情報に基づいて第１の送信ウェイトを算出する第１の送信ウェイト算出部と、前記チャネル推定部により取得された伝搬チャネル情報と前回取得された伝搬チャネル情報とに基づいてチャネル変動情報を生成し、前記第１の送信ウェイト算出部により前回生成された第１の送信ウェイトと、前記チャネル変動情報とに基づいて、第２の送信ウェイトを生成する第２の送信ウェイト生成部と、前記第２の送信ウェイト生成部により生成された第２の送信ウェイトを送信データに乗算するウェイト乗算部と、を備える。

本発明によれば、ＭＩＭＯ通信に用いられる送信ウェイト行列をより短い時間で生成することが可能となる。

本発明の第１の実施形態が適用できる無線通信システムの概要の説明図である。 本発明の第１の実施形態における無線通信システムの概略構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態における無線通信システムの送信ウェイト行列の生成の説明図である。 本発明の第１の実施形態における無線通信システムの送信ウェイト行列の生成の説明図である。 本発明の第１の実施形態における無線通信システムの送信ウェイト行列の生成の説明図である。 本発明の第１の実施形態における無線通信システムの通信手順の説明に用いるシーケンス図である。 本発明の第１の実施形態における通信システムの特性の説明に用いるグラフである。 従来のＺＦ−ＢＦ法におけるチャネル時変動耐性の説明図である。 本発明の第１の実施形態における通信システムの特性の説明に用いるグラフである。 本発明の第２の実施形態における無線通信システムの概略構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態における無線通信システムのアンテナ選定の説明図である。 本発明の第２の実施形態における無線通信システムのアンテナ選定の説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳しく説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態が適用できる無線通信システムの概要を示すものである。図１に示すように、無線通信システム１は、携帯端末２と、情報端末３からなる。携帯端末２は、ユーザが保持する無線通信装置であり、アレーアンテナ１０を有している。情報端末３は、コンテンツを提供する無線通信装置であり、アレーアンテナ２０を有している。情報端末３は、街頭、駅、空港等の公共施設、コンビニエンスストア等の店舗などに設置されている。携帯端末２のユーザは、携帯端末２を情報端末３にタッチすることで、電子書籍や音楽、映画などの大容量コンテンツを瞬時にダウンロードすることができる。

図２は、本発明の第１の実施形態における無線通信システム１の概略構成を示すブロック図である。図２に示すように、無線通信システム１は、携帯端末２（第１の無線通信装置）と、情報端末３（第２の無線通信装置）とを備える。携帯端末２は、アレーアンテナ１０と、送受信部１２−１〜１２−４（送信部）とを備える。アレーアンテナ１０（第１のアレーアンテナ）は、４本のアンテナ素子１１−１〜１１−４で構成される。

情報端末３は、アレーアンテナ２０と、送受信部２２−１〜２２−４と、チャネル推定部２３と、チャネル変動算出部２４と、ＺＦウェイト算出部２５と、記憶部２６と、送信ウェイト生成部２７と、ウェイト乗算部２８とを備える。アレーアンテナ２０（第２のアレーアンテナ）は、４本のアンテナ素子２１−１〜２１−４で構成される。

ここで、携帯端末２のアレーアンテナ１０を構成するアンテナ素子１１−１〜１１−４は同一平面上に格子状に配置され、それぞれのアンテナ素子の間隔はｄである。同様に、情報端末３のアレーアンテナ２０を構成するアンテナ素子２１−１〜２１−４は同一平面上に格子状に配置され、それぞれのアンテナ素子の間隔はｄである。また、アレーアンテナ１０の平面とアレーアンテナ２０の平面は平行であり、アレーアンテナ１０及び２０は、アレーアンテナ面の垂直方向に距離Ｄ離れて配置されている。

無線通信システム１は、４ブランチＭＩＭＯ（送信側と受信側それぞれ４本のアンテナ素子を用いるＭＩＭＯ伝送）において、情報端末３から携帯端末２への、４個のデータ系列Ｓ１〜Ｓ４のデータ通信を行う。また、携帯端末２から情報端末３へは、ビームフォーミングを行うために、チャネル推定用信号が送られる。

携帯端末２の送受信部１２−１〜１２−４は、それぞれ、チャネル推定用信号を取得し、変調等の処理を行い、ＴＤＭ（Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）で、チャネル推定用信号を出力する。アンテナ素子１１−１〜１１−４は、このチャネル推定用信号を情報端末３のアンテナ素子２１−１〜２１−４に向けて送信する。以下では、チャネル推定用信号の送信周期をｔ_ｕｐで表し、送信時刻をｔ_ｎ＝ｎ×ｔ_ｕｐ（ｎ＝０，１，２，・・・）で表す。ここで、時刻ｔ_ｎが現在の時刻なら、時刻ｔ_ｎ−１は前回の時刻となる。なお、チャネル推定用信号の送信制御は、ＴＤＭ送信に限られることはなく、直交符号を用いて、アンテナ素子１１−１〜１１−４から同時にチャネル推定用信号を送信するようにしても良い。

アンテナ素子２１−１〜２１−４は、アンテナ素子１１−１〜１１−４から送信されるチャネル推定用信号を受信する。そして、アンテナ素子２１−１〜２１−４は、このチャネル推定用信号をチャネル推定部２３に出力する。

チャネル推定部２３は、アンテナ素子２１−１〜２１−４から取得したチャネル推定用信号を用いて、時刻ｔ_ｎにおける送受信のアレーアンテナ１０及び２０の間の伝搬チャネル情報を示すチャネル行列を推定する。そして、チャネル推定部２３は、推定結果をチャネル変動算出部２４と記憶部２６とＺＦウェイト算出部２５とに出力する。

チャネル変動算出部２４は、記憶部２６から出力される時刻ｔ_ｎ−１におけるチャネル行列と、チャネル推定部２３から出力される時刻ｔ_ｎにおけるチャネル行列とから、時刻ｔ_ｎと時刻ｔ_ｎ−１との間のチャネル変動情報を算出する。そして、チャネル変動算出部２４は、このチャネル変動情報を送信ウェイト生成部２７に出力する。

ＺＦウェイト算出部２５（第１の送信ウェイト算出部）は、チャネル推定部２３から出力される時刻ｔ_ｎにおけるチャネル行列の逆行列演算を行うことにより、時刻ｔ_ｎにおけるＺＦウェイト行列（第１の送信ウェイト、ゼロフォーシングウェイト）を生成する。そして、ＺＦウェイト算出部２５は、このＺＦウェイト行列を記憶部２６に出力する。

記憶部２６は、時刻ｔ_ｎ−１におけるチャネル行列と、時刻ｔ_ｎ−１におけるＺＦウェイト行列とを保持している。記憶部２６は、保持している時刻ｔ_ｎ−１におけるチャネル行列をチャネル変動算出部２４に出力し、また、保持している時刻ｔ_ｎ−１におけるＺＦウェイト行列を送信ウェイト生成部２７に出力する。記憶部２６は、保持しているチャネル行列及びＺＦウェイト行列を出力すると、これらの情報を消去し、時刻ｔ_ｎにおけるチャネル行列及びＺＦウェイト行列を新たに記録する。

送信ウェイト生成部２７（第２の送信ウェイト生成部）は、記憶部２６から出力される時刻ｔ_ｎ−１におけるＺＦウェイト行列と、チャネル変動算出部２４から出力される時刻ｔ_ｎと時刻ｔ_ｎ−１との間のチャネル変動情報とを用いて、時刻ｔ_ｎにおける送信ウェイト行列（第２の送信ウェイト）を生成する。そして、送信ウェイト生成部２７は、生成された送信ウェイト行列をウェイト乗算部２８に出力する。

送受信部２２−１〜２２−４は、それぞれ、データ系列Ｓ１〜Ｓ４を取得し、符号化や変調等の処理を行って得られる信号をウェイト乗算部２８に出力する。ここで、データ系列Ｓ１〜Ｓ４は、互いに独立した系列であっても良いし、相関を有する系列であっても良い。

ウェイト乗算部２８は、送受信部２２−１〜２２−４から出力されるデータ系列Ｓ１〜Ｓ４の信号に、送信ウェイト生成部２７から出力される送信ウェイト行列を乗算し、それにより得られる４個の信号をアンテナ素子２１−１〜２１−４により無線送信する。

アンテナ素子１１−１〜１１−４は、いずれも、アンテナ素子２１−１〜２１−４から送信される４個の無線信号の合成信号を受信し、送受信部１２−１〜１２−４に出力する。

送受信部１２−１〜１２−４は、それぞれ、アンテナ素子１１−１〜１１−４から出力される信号に対して復調や復号等の処理を行って、情報端末３から送信されたデータ系列Ｓ１〜Ｓ４を復元する。

次に、図３、図４及び図５を参照して、送信ウェイト行列の生成法について説明する。図３は、携帯端末２のアレーアンテナ１０と、情報端末３のアレーアンテナ２０との位置ずれを示す説明図である。図３において、横軸は、アレーアンテナ１０の各アンテナ素子１１−１〜１１−４及びアレーアンテナ２０の各アンテナ素子２１−１〜２１−４のＸ軸方向の位置を示し、縦軸は、そのＹ軸方向の位置を示す。

情報端末３には、アレーアンテナ２０を構成する４本のアンテナ素子２１−１〜２１−４が配置されている。図３では、情報端末３の４本のアンテナ素子２１−１〜２１−４の中心位置をｘｙ平面の原点としている。４本のアンテナ素子２１−１〜２１−４は、それぞれ、図３における位置ＬＡ１〜ＬＡ４にあるとする。一方、携帯端末２には、アレーアンテナ１０を構成する４本のアンテナ素子１１−１〜１１−４が配置されている。時刻ｔ_ｎ−１では、４本のアンテナ素子１１−１〜１１−４は、それぞれ、図３における位置ＬＢ１〜ＬＢ４にあるとする。ここで、時刻ｔ_ｎ−１から時刻ｔ_ｎの間に携帯端末２が動かされ、アンテナ素子１１−１〜１１−４が位置ＬＢ１１〜ＬＢ１４に、ｘ軸方向にΔｘ、ｙ軸方向にΔｙだけ移動したとする。

アンテナ素子１１−１〜１１−４が移動すると、これに伴って、チャネル伝搬特性が変化し、チャネル行列が変動する。時刻ｔ_ｎ−１でのチャネル行列Ｈ_ｋ（ｔ_ｎ−１）と、時刻ｔ_ｎでのチャネル行列Ｈ_ｋ（ｔ_ｎ）との間のチャネル変動行列ΔＨ_ｋを、式（６）及び式（７）で定義する。

ここで、式（７）において、ｈ_{ｉ，ｊ，ｋ}（ｔ_ｎ）｛ｉ，ｊはそれぞれ４以下の自然数、ｋはサブキャリア番号｝は、時刻ｔ_ｎにおけるアンテナ素子２１−ｊからアンテナ素子１１−ｉへのチャネルを伝搬した信号の位相及び振幅の変化率を、例えば複素数表現により示す変数である。また、ここではｈ_{ｉ，ｊ，ｋ}（ｔ_ｎ−１）はΔｘ＝Δｙ＝０におけるチャネル行列Ｈ_ｋ（ｔ_ｎ−１）の各要素である。

図４（ａ）は、携帯端末のアンテナ素子１１−１〜１１−４がｘ軸方向にΔｘ、ｙ軸方向にΔｙだけ移動したときの、式（６）及び式（７）で表されるチャネル変動行列ΔＨ_ｋの各要素の振幅（すなわち、チャネルの振幅変動）を示す説明図である。同様に図５（ａ）は、チャネル変動行列ΔＨ_ｋの各要素の位相（すなわち、チャネルの位相変動）を示す説明図である。なお、中心周波数を６１．５６ＧＨｚ、サブキャリア間隔を５．１６ＭＨｚ、サブキャリア数を１６７５とし、中心サブキャリアである８３８番目のサブキャリア（ｋ＝８３８）におけるチャネル変動を示している。また、アレーアンテナ１０及び２０の各アンテナ素子１１−１〜１１−４及び２１−１〜２１−４のそれぞれの間隔ｄは８．０ｍｍとし、アレーアンテナ１０及び２０の距離Ｄは４０ｍｍとした。チャネル推定のための上り通信において、４つのアンテナ素子１１−１〜１１−４からの総送信電力を１０．０ｄＢｍ、受信機の雑音電力を−６７．６ｄＢｍとしている。また、チャネル推定用信号となるパイロットシンボルは、各アンテナ素子１１−１〜１１−４から１シンボルずつＴＤＭ送信してチャネル推定を行った。なお、アンテナ配置の関係から、ｈ_{１，１，ｋ}（ｔ_ｎ）＝ｈ_{２，２，ｋ}（ｔ_ｎ）＝ｈ_{３，３，ｋ}（ｔ_ｎ）＝ｈ_{４，４，ｋ}（ｔ_ｎ）、ｈ_{１，１，ｋ}（ｔ_ｎ−１）＝ｈ_{２，２，ｋ}（ｔ_ｎ−１）＝ｈ_{３，３，ｋ}（ｔ_ｎ−１）＝ｈ_{４，４，ｋ}（ｔ_ｎ−１）であり、式（７）よりΔＨ_ｋの対角成分は０となるため、図４（ａ）および図５（ａ）に図示していない。

また、ＺＦウェイト行列は、チャネル行列の逆行列から求められる、したがって、時刻ｔ_ｎ−１から時刻ｔ_ｎの間に、アンテナ素子１１−１〜１１−４が移動すると、チャネル行列の変動に伴って、ＺＦウェイト行列が変動する。図４（ｂ）は、携帯端末２のアンテナ素子１１−１〜１１−４がｘ軸方向にΔｘ、ｙ軸方向にΔｙだけ移動したときの、ＺＦウェイト変動行列ΔＷ_ｋの各要素の振幅を示す説明図である。同様に図５（ｂ）は、ＺＦウェイト変動行列ΔＷ_ｋの各要素の位相を示す説明図である。ここで、ＺＦウェイト変動行列ΔＷ_ｋは、移動前の時刻ｔ_ｎ−１でのチャネル行列Ｈ_ｋ（ｔ_ｎ−１）の逆行列であるＺＦウェイト行列Ｗ_ＺＦ，ｋ（ｔ_ｎ−１）のi行j列要素ｗ_{ＺＦ，ｉ，ｊ，ｋ}（ｔ_ｎ−１）と、移動後の時刻ｔ_ｎでのチャネル行列Ｈ_ｋ（ｔ_ｎ）の逆行列であるＺＦウェイト行列Ｗ_ＺＦ，ｋ（ｔ_ｎ） のi行j列要素ｗ_{ＺＦ，ｉ，ｊ，ｋ}（ｔ_ｎ）とを用いて、式（８）及び式（９）で定義する。なお、アンテナ配置の関係から、ｗ_{ＺＦ，１，１，ｋ}（ｔ_ｎ）＝ｗ_{ＺＦ，２，２，ｋ}（ｔ_ｎ）＝ｗ_{ＺＦ，３，３，ｋ}（ｔ_ｎ）＝ｗ_{ＺＦ，４，４，ｋ}（ｔ_ｎ）、ｗ_{ＺＦ，１，１，ｋ}（ｔ_ｎ−１）＝ｗ_{ＺＦ，２，２，ｋ}（ｔ_ｎ−１）＝ｗ_{ＺＦ，３，３，ｋ}（ｔ_ｎ−１）＝ｗ_{ＺＦ，４，４，ｋ}（ｔ_ｎ−１）であり、式（９）よりΔＷ_ｋの対角成分は０となるため、図４（ｂ）および図５（ｂ）に図示していない。

図４（ａ）と図４（ｂ）とを、また図５（ａ）と図５（ｂ）とを比較すればわかるように、チャネル変動行列ΔＨ_ｋの各要素と、ＺＦウェイト変動行列ΔＷ_ｋの各要素とでは、振幅はほぼ一致している。また、位相については、ほぼ同相のものとほぼ逆相のものとがある。したがって、式（１０）のように、一部の要素の位相を変換すれば、ウェイト変動行列ΔＷ_ｋは、チャネル変動行列ΔＨ_ｋの要素を使って概略表すことができる。

式（７）においてｈ_{１，１，ｋ}（ｔ_ｎ）≒ｈ_{１，１，ｋ}（ｔ_ｎ−１）とみなし、式（９）においてｗ_{ＺＦ，１，１，ｋ}（ｔ_ｎ）≒ｗ_{ＺＦ，１，１，ｋ}（ｔ_ｎ−１）とみなした場合、Δｈ’_{ｉ，ｊ，ｋ}＝ｈ_{ｉ，ｊ，ｋ}（ｔ_ｎ）−ｈ_{ｉ，ｊ，ｋ}（ｔ_ｎ−１）、Δｗ’_{ｉ，ｊ，ｋ}＝ｗ_{ＺＦ，ｉ，ｊ，ｋ}（ｔ_ｎ）−ｗ_{ＺＦ，ｉ，ｊ，ｋ}（ｔ_ｎ−１）と置けば、式（１０）は式（１１）及び式（１２）のように書き換えることができる。

したがって、時刻ｔ_ｎにおけるチャネルＨ_ｋ（ｔ_ｎ）と時刻ｔ_ｎ−１におけるチャネルＨ_ｋ（ｔ_ｎ−１）とＺＦウェイトＷ_ＺＦ，ｋ（ｔ_ｎ−１）を用いて、時刻ｔ_ｎにおけるＺＦウェイトＷ_ＺＦ，ｋ（ｔ_ｎ）を式（１３）で近似することができる。

式（１２）より、式（１３）一行目の右辺第２項はΔＷ’_ｋである。すなわち、式（１３）は、時刻ｔ_ｎにおけるＺＦウェイトＷ_ＺＦ，ｋ（ｔ_ｎ）が、時刻ｔ_ｎ−１におけるＺＦウェイトＷ_ＺＦ，ｋ（ｔ_ｎ−１）とΔＷ’_ｋとの和で近似されることを表している。すなわち、換言すれば、ΔＷ’_ｋはＺＦウェイトの変動情報（ゼロフォーシングウェイト変動情報）であると言える。そして、式（１３）により生成される時刻ｔ_ｎにおけるＺＦウェイトで近似した送信ウェイトをＷ_ｐ，ｋ（ｔ_ｎ）と定義し、そのフロベニウスノルムで規格化した次の式（１４）で表される送信ウェイトＷ’_ｐ，ｋ（ｔ_ｎ）により送信ビームフォーミングを行う。

図２における送信ウェイト生成部２７は、記憶部２６からの時刻ｔ_ｎ−１でのＺＦウェイト行列Ｗ_ＺＦ，ｋ（ｔ_ｎ−１）と、チャネル変動算出部２４からの時刻ｔ_ｎ−１におけるチャネルＨ_ｋ（ｔ_ｎ−１）と時刻ｔ_ｎにおけるチャネルＨ_ｋ（ｔ_ｎ）との間のチャネル変動情報とから、式（１３）と式（１４）に示す演算により、送信ウェイト行列Ｗ’_ｐ，ｋ（ｔ_ｎ）を生成する。

ここで、式（１３）と式（１４）により時刻ｔ_ｎでの送信ウェイト行列Ｗ’_ｐ，ｋ（ｔ_ｎ）を生成する際に用いる、時刻ｔ_ｎ−１におけるチャネル行列Ｈ_ｋ（ｔ_ｎ−１）及びＺＦウェイト行列Ｗ_ＺＦ，ｋ（ｔ_ｎ−１）は、記憶部２６に保持している情報である。このため、式（１３）と式（１４）により時刻ｔ_ｎにおける送信ウェイト行列Ｗ’_ｐ，ｋ（ｔ_ｎ）を生成する際の演算量は１サブキャリア当たりＯ（Ｍ^２）である。ここで、Ｍは送受信アンテナ素子数であり、この例では、Ｍ＝４である。一方、時刻ｔ_ｎにおけるチャネル行列Ｈ_ｋ（ｔ_ｎ）の逆行列演算により、式（２）に示す時刻ｔ_ｎにおけるＺＦウェイト行列Ｗ’_ＺＦ，ｋ（ｔ_ｎ）を生成する場合の演算量は１サブキャリア当たりＯ（Ｍ^３）である。したがって、式（１３）と式（１４）による送信ウェイト行列Ｗ’_ｐ，ｋ（ｔ_ｎ）の生成に要する演算量は、ＺＦウェイト行列Ｗ’_ＺＦ，ｋ（ｔ_ｎ）の生成に要する演算量の１／Ｍ倍である。ここで、ＭＡＴＬＡＢの時間計測関数により、ＺＦウェイトＷ’_ＺＦ，ｋ（ｔ_ｎ）と送信ウェイトＷ’_ｐ，ｋ（ｔ_ｎ）の生成時間の比較評価を行った。ＺＦウェイトの生成における逆行列演算には、低演算量なＬＵ分解法を用いた。比較の結果、ＺＦウェイトＷ’_ＺＦ，ｋ（ｔ_ｎ）の生成時間の２６．３％の時間で送信ウェイトＷ’_ｐ，ｋ（ｔ_ｎ）を生成できることがわかった。

次に、図６を参照して本実施形態における通信手順を説明する。時刻ｔ_０において、ユーザが携帯端末２を情報端末３にタッチすると、携帯端末２から情報端末３にチャネル推定用信号が送信される（ステップＳＴ１）。

情報端末３では、携帯端末２からのチャネル推定用信号が受信される。チャネル推定用信号が受信されると、チャネル推定部２３はチャネル行列Ｈ_ｋ（ｔ_０）を推定する（ステップＳＴ２）、また、ＺＦウェイト算出部２５はＺＦウェイト行列Ｗ_ＺＦ，ｋ（ｔ_０）の生成を行う（ステップＳＴ３）。チャネル推定部２３で推定されたチャネル行列Ｈ_ｋ（ｔ_０）及びＺＦウェイト算出部２５で生成されたＺＦウェイト行列Ｗ_ＺＦ，ｋ（ｔ_０）は、記憶部２６に記録される（ステップＳＴ４）。

時刻ｔ_１において、携帯端末２から情報端末３にチャネル推定用信号が送信される（ステップＳＴ５）。情報端末３のチャネル推定部２３は、受信したチャネル推定用信号により、チャネル行列Ｈ_ｋ（ｔ_１）を推定する（ステップＳＴ６）。

チャネル変動算出部２４は、記憶部２６に保持されていた時刻ｔ_０におけるチャネル行列Ｈ_ｋ（ｔ_０）と、チャネル推定部２３で推定された時刻ｔ_１におけるチャネル行列Ｈ_ｋ（ｔ_１）とから、チャネル変動情報を算出する。送信ウェイト生成部２７は、チャネル変動算出部２４からの時刻ｔ_０と時刻ｔ_１との間のチャネル変動情報と、記憶部２６に保持されていた時刻ｔ_０におけるＺＦウェイト行列Ｗ_ＺＦ，ｋ（ｔ_０）とから、式（１３）と式（１４）により、送信ウェイト行列Ｗ’_ｐ，ｋ（ｔ_１）を生成する（ステップＳＴ７）。

ウェイト乗算部２８は、求められた送信ウェイト行列Ｗ’_ｐ，ｋ（ｔ_１）により送信ビームフォーミングを行い、下り信号を携帯端末２に送信する（ステップＳＴ８）。このとき、処理遅延をτとすると、データ送信時刻はｔ_１＋τで表される。携帯端末２は、情報端末３からの下り信号を受信し、復調や復号等の処理を行って、データ系列を復元する（ステップＳＴ９）。

また、これと並行して、情報端末３のＺＦウェイト算出部２５は、時刻ｔ_１におけるＺＦウェイト行列Ｗ_ＺＦ，ｋ（ｔ_１）の生成を行う（ステップＳＴ１０）。記憶部２６は、それまで保持していた時刻ｔ_０におけるチャネル行列Ｈ_ｋ（ｔ_０）及びＺＦウェイト行列Ｗ_ＺＦ，ｋ（ｔ_０）を消去し、時刻ｔ_１におけるチャネル行列Ｈ_ｋ（ｔ_１）及びＺＦウェイト行列Ｗ_ＺＦ，ｋ（ｔ_１）を新たに記録する（ステップＳＴ１１）。時刻ｔ_２以降は、同様の処理が繰り返される。

次に、図７を参照して、処理遅延がない（τ＝０）理想的な場合において、本発明の第１の実施形態における無線通信システム１の送信ウェイトＷ’_ｐ，ｋ（ｔ_ｎ）を用いた送信ビームフォーミングと、従来のＺＦウェイトＷ’_ＺＦ，ｋ（ｔ_ｎ）を用いたＺＦ−ＢＦとの伝送特性の比較を行う。図７において、縦軸は伝送特性の指標である平均ＳＩＮＲ（Signal-to-Interference Noise Ratio）を示しており、全受信アンテナ素子における全サブキャリアのＳＩＮＲの平均値と定義する。ここでは、時刻ｔ_ｎ−１では携帯端末２のアンテナ素子１１−１〜１１−４の中心位置が（ｘ，ｙ）＝（−１，−２）にあり、時刻ｔ_ｎに中心位置が（−１＋Δｘ，−２＋Δｙ）に移動したとしている。

図７（ａ）は、時刻ｔ_ｎにおけるチャネルＨ_ｋ（ｔ_ｎ）から生成したＺＦウェイトＷ’_ＺＦ，ｋ（ｔ_ｎ）でＺＦ−ＢＦを行ったときの伝送特性である。図７（ｂ）は、時刻ｔ_ｎ−１におけるチャネルＨ_ｋ（ｔ_ｎ−１）とＺＦウェイトＷ_ＺＦ，ｋ（ｔ_ｎ−１）と時刻ｔ_ｎにおけるチャネルＨ_ｋ（ｔ_ｎ）とを用いて生成した送信ウェイトＷ’_ｐ，ｋ（ｔ_ｎ）で送信ビームフォーミングを行ったときの伝送特性である。

ここでは、中心周波数を６１．５６ＧＨｚ、サブキャリア間隔を５．１６ＭＨｚ、サブキャリア数を１６７５とした。また、アレーアンテナ１０及び２０の各アンテナ素子１１−１〜１１−４及び２１−１〜２１−４のそれぞれの間隔ｄは８．０ｍｍとし、アレーアンテナ１０及び２０の距離Ｄは４０ｍｍとした。上り通信と下り通信の両方において、４つのアンテナ素子からの総送信電力を１０．０ｄＢｍ、受信機の雑音電力を−６７．６ｄＢｍとしている。

図７（ａ）と図７（ｂ）を比較するとわかるように、時刻ｔ_ｎ−１から時刻ｔ_ｎまでの間の携帯端末２のアンテナ素子１１−１〜１１−４の移動量が大きくなるほど送信ウェイトＷ’_ｐ，ｋ（ｔ_ｎ）による送信ビームフォーミングのＳＩＮＲは劣化するものの、５ｍｍ程度移動しても３０ｄＢ以上の高いＳＩＮＲが得られ、ＺＦ−ＢＦに近い伝送特性を達成することができる。ユーザの手ぶれによる携帯端末２の移動速度を１．０ｍ／ｓとすると、５ｍｍ移動するには５ｍｓｅｃかかるため、上り信号の送信周期ｔ_ｕｐを５ｍｓｅｃと長く設定した場合においても、送信ウェイトＷ’_ｐ，ｋ（ｔ_ｎ）はＺＦウェイトＷ’_ＺＦ，ｋ（ｔ_ｎ）に十分近似すると言える。

また、図８を参照して、処理遅延がある（τ≠０）場合の伝送特性の評価により、ＺＦ−ＢＦのチャネル時変動耐性について説明する。ここでは、時刻ｔ_ｎでは携帯端末２のアンテナ素子１１−１〜１１−４の中心位置が（ｘ，ｙ）＝（−１，−２）にあり、時刻ｔ_ｎ＋τに中心位置が（−１＋Δｘ，−２＋Δｙ）に移動したとしている。時刻ｔ_ｎにおけるチャネルＨ_ｋ（ｔ_ｎ）からＺＦウェイトＷ’_ＺＦ，ｋ（ｔ_ｎ）を生成し、時刻ｔ_ｎ＋τにＺＦ−ＢＦによる下り通信を行う。その他のシミュレーション条件は上記の評価と同じである。図８からわかるように、１．５ｍｍほどの移動によってＳＩＮＲが約１３ｄＢまで劣化する。これは、１６ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）伝送が困難なレベルである。このように、チャネル推定から下り通信開始までの処理遅延τの間に、手ぶれによって携帯端末が数ｍｍ移動するだけで、ＺＦ−ＢＦの伝送特性は大きく劣化する。

次に、処理遅延τや送信ウェイト生成時間の差やフレーム長等の時間的要素を考慮した評価により、本発明の有効性を示す。図９は、ＺＦ−ＢＦの場合と、本実施形態による送信ウェイトＷ’_ｐ，ｋ（ｔ_ｎ）を用いた送信ビームフォーミングの場合の、フレームの先頭及び末尾における平均ＳＩＮＲを示す説明図である。

１６７５個のサブキャリアにおけるＺＦウェイト行列の生成に要する時間を０．７６ｍｓｅｃとし、送信ウェイト行列Ｗ’_ｐ，ｋ（ｔ_ｎ）の生成に要する時間はその２６．３％の０．２ｍｓｅｃとした。ユーザの手ぶれによる携帯端末の移動速度を１．０ｍ／ｓ、情報端末が上り信号を受信してからチャネル推定を完了するまでの時間を０．２ｍｓｅｃ、ウェイト行列を送信信号に乗算して下り通信を開始するまでの時間を０．２ｍｓｅｃ、フレーム長は０．５ｍｓｅｃとした。

以上より、上り信号の送信周期ｔ_ｕｐは、本実施形態では１．１ｍｓｅｃ、ＺＦ−ＢＦでは１．７６ｍｓｅｃである。なお、チャネル推定から下り通信開始までの処理遅延τは、本実施形態では０．６ｍｓｅｃであり、ＺＦ−ＢＦでは１．１６ｍｓｅｃである。図９より、本実施形態ではＺＦ−ＢＦに比べて、フレーム先頭において平均ＳＩＮＲを５．７ｄＢ、フレーム末尾において３．７ｄＢ改善できることがわかる。

このように、本実施形態の情報端末３は、送信ウェイト生成時間を短縮することで、チャネルの時変動による送信ビームフォーミングの特性劣化を軽減することができる。上記の例では、ウェイト生成時間は０．７６ｍｓｅｃから０．２ｍｓｅｃに短縮される。そのため、一連の通信処理の中の下り通信の時間の割合が高められ、伝送効率が向上する。その結果、上記の例では、上り信号の送信周期を１．７６ｍｓｅｃから１．１ｍｓｅｃに短縮でき、伝送効率を約１．６倍向上することができる。

なお、式（１３）のｈ_{１，１，ｋ}（ｔ_ｎ−１）はこれに限られるものではなく、ｈ_{２，２，ｋ}（ｔ_ｎ−１）又はｈ_{３，３，ｋ}（ｔ_ｎ−１）又はｈ_{４，４，ｋ}（ｔ_ｎ−１）、又はｈ_{１，１，ｋ}（ｔ_ｎ−１）とｈ_{２，２，ｋ}（ｔ_ｎ−１）とｈ_{３，３，ｋ}（ｔ_ｎ−１）とｈ_{４，４，ｋ}（ｔ_ｎ−１）のいずれか２つ以上の平均値を用いても良い。

同様に式（１３）のｗ_{ＺＦ，１，１，ｋ}（ｔ_ｎ−１）はこれに限られるものではなく、ｗ_{ＺＦ，２，２，ｋ}（ｔ_ｎ−１）又はｗ_{ＺＦ，３，３，ｋ}（ｔ_ｎ−１）又はｗ_{ＺＦ，４，４，ｋ}（ｔ_ｎ−１）、又はｗ_{ＺＦ，１，１，ｋ}（ｔ_ｎ−１）とｗ_{ＺＦ，２，２，ｋ}（ｔ_ｎ−１）とｗ_{ＺＦ，３，３，ｋ}（ｔ_ｎ−１）とｗ_{ＺＦ，４，４，ｋ}（ｔ_ｎ−１）のいずれか２つ以上の平均値を用いても良い。

なお、上述の例では、４ブランチＭＩＭＯの場合について説明してきたが、２ブランチＭＩＭＯの場合の時刻ｔ_ｎにおけるＺＦウェイトＷ_ＺＦ，ｋ（ｔ_ｎ）は、次の式（１５）で近似することができ、式（１５）を式（１４）に代入することで送信ウェイトＷ’_ｐ，ｋ（ｔ_ｎ）を求めることができる。

このように構成された第１の実施形態の情報端末３は、ある時刻（例えば時刻ｔ_ｎ）においてチャネル推定部２３により取得された伝搬チャネル情報と前回（例えば時刻ｔ_ｎ−１）取得された伝搬チャネル情報とに基づいてチャネル変動情報を生成し、ＺＦウェイト算出部２５により前回（例えば時刻ｔ_ｎ−１）生成されたＺＦウェイトと、前記チャネル変動情報とに基づいて、ある時刻（例えば時刻ｔ_ｎ）における送信ウェイトを生成する。このようにして送信ウェイトを生成することにより、情報端末３は、ＭＩＭＯ通信に用いられるウェイト行列をより短い時間で生成することができる。

なお、上述の例では、情報端末３はチャネル推定用信号を受信する度にＺＦウェイト行列を生成し、記憶部２６に記録されているＺＦウェイト行列を更新する場合について説明した。これにより、図７に示したように、本発明による送信ウェイト行列は５ｍｍ程度の位置ずれが生じても３０ｄＢ以上の高いＳＩＮＲを達成できる。このため、必ずしも毎回記憶部２６のＺＦウェイト行列を更新する必要はない。アンテナ素子１１−１〜１１−４の移動速度もしくはチャネルの変動量によって、複数回に一度更新する等、記憶部２６の更新頻度を適応的に、変更を行うようにしても良い。更新頻度を適切に設定することで、消費電力を低減することができる。

また、本実施形態では、情報端末３と携帯端末２が４つのアンテナ素子を具備し、通信手順の一つ目の「ユーザが携帯端末を情報端末にタッチ」による初期位置が、図３に示すようにｘｙ平面の原点に比較的近いものと仮定して説明した。初期位置が原点から遠くなる可能性があるようなケースでは、後述の第２の実施形態と同様に、情報端末３に携帯端末２より多くのアンテナ素子を具備し、その中から初期位置に近い４つのアンテナ素子を用いて、本実施形態の通信手順を実施すれば良い。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。上述の第１の実施形態では、図１に示したような無線通信システム１において、ユーザが携帯端末２を情報端末３にタッチしたときの手ぶれによるアンテナ素子の位置変動を想定した。手ぶれによる位置変動は、ユーザが携帯端末２を情報端末３にタッチしたときの初期位置の周辺を往復運動するような種類の位置変動である。

この他にも、人が改札を通過する際の改札機と携帯端末との間の近距離通信、又は地面に設置された無線通信装置とその上を通過する自動車や電車が備える無線通信装置との間の近距離通信（いわゆる路車間通信）などのように、一方の無線通信装置の正面を他方の無線通信装置が通過するような種類の位置変動が考えられる。このような通過タイプの位置変動においては、時間の経過とともに対向位置からの位置ずれが大きくなると、各送受信アンテナ素子間の直接波の経路差が小さくなる。その結果、チャネルの空間相関が高くなり、ＭＩＭＯ伝送の伝送特性が劣化する。以下では、説明の都合上、前者の改札通過時の近距離通信を対象として第２の実施形態の説明を行う。なお、以下では、改札機を情報端末と言い換えている。

図１０は、本発明の第２の実施形態における無線通信システム１０１の概略構成を示す構成図である。図１０に示すように、本発明の第２の実施形態における無線通信システム１０１は、携帯端末１０２と、情報端末１０３とを備える。携帯端末１０２は、アンテナ素子１１１−１〜１１１−４で構成されるアレーアンテナ１１０と、送受信部１１２−１〜１１２−４とを備える。アンテナ素子１１１−１〜１１１−４及び送受信部１１２−１〜１１２−４の構成は、第１の実施形態におけるアンテナ素子１１−１〜１１−４及び送受信部１２−１〜１２−４と同様である。

情報端末１０３は、アンテナ素子１２１−１〜１２１−Ｍで構成されるアレーアンテナ１２０と、送受信部１２２−１〜１２２−４と、チャネル推定部１２３と、チャネル変動算出部１２４と、ＺＦウェイト算出部１２５と、記憶部１２６と、送信ウェイト生成部１２７と、ウェイト乗算部１２８と、アンテナ選定部１３１と、スイッチ部１３２を備える。送受信部１２２−１〜１２２−４、チャネル推定部１２３、チャネル変動算出部１２４、ＺＦウェイト算出部１２５、記憶部１２６、送信ウェイト生成部１２７、ウェイト乗算部１２８の構成は、第１の実施形態における送受信部２２−１〜２２−４、チャネル推定部２３、チャネル変動算出部２４、ＺＦウェイト算出部２５、記憶部２６、送信ウェイト生成部２７、ウェイト乗算部２８と同様である。

本実施形態における無線通信システム１０１と、第１の実施形態における無線通信システム１の構成と異なる点は、情報端末１０３が備えるアンテナ素子１２１−１〜１２１−Ｍの数がＭ（Ｍ＞４）である点と、情報端末１０３がアンテナ選定部１３１とスイッチ部１３２とを備える点である。

アンテナ素子１２１−１〜１２１−Ｍは、それぞれ、携帯端末１０２から送信されるチャネル推定用信号を受信し、このチャネル推定用信号をチャネル推定部１２３に出力する。

チャネル推定部１２３は、アンテナ素子１２１−１〜１２１−Ｍから得たチャネル推定用信号を用いて、時刻ｔ_ｎにおける送受信のアレーアンテナ１１０及び１２０間のチャネルを推定し、アンテナ選定部１３１に出力する。

アンテナ選定部１３１は、チャネル推定部１２３から出力される時刻ｔ_ｎにおける伝搬チャネル情報を用いて、携帯端末１０２側のアンテナ素子１１１−１〜１１１−４の位置を推定する。そして、アンテナ選定部１３１は、アンテナ素子１２１−１〜１２１−Ｍからアンテナ素子１１１−１〜１１１−４に近い格子状に配置された４つのアンテナ素子を信号送信用アンテナとして選定し、選定結果をスイッチ部１３２とチャネル推定部１２３に出力する。

スイッチ部１３２は、送受信部１２２−１〜１２２−４から出力される信号が、アンテナ選定部１３１で選定された４つのアンテナ素子から送信されるように、スイッチを切り替える。

チャネル推定部１２３は、アンテナ選定部１３１で選定された４つのアンテナ素子とアンテナ素子１１１−１〜１１１−４との間の時刻ｔ_ｎにおける伝搬チャネル情報をチャネル変動算出部１２４と記憶部１２６とＺＦウェイト算出部１２５に出力する。その他の各処理部における処理は、第１の実施形態と同じである。

次に、図１１及び図１２を参照して、本実施形態におけるアンテナ選定とその効果について説明する。図１１は、携帯端末１０２のアレーアンテナ１１０と、情報端末１０３のアレーアンテナ１２０との位置ずれの説明図である。図１１において、横軸は、アレーアンテナ１１０の各アンテナ素子１１１−１〜１１１−４及びアレーアンテナ１２０の各アンテナ素子１２１−１〜１２１−ＭのＸ軸方向の位置を示し、縦軸は、そのＹ軸方向の位置を示す。ここでは、情報端末１０３のアレーアンテナ１２０を構成するアンテナ素子１２１−１〜１２１−Ｍの数が１００本（Ｍ＝１００）の場合について説明する。図１１では、情報端末１０３の１００本のアンテナ素子１２１−１〜１２１−１００の中心位置をｘｙ平面の原点としている。なお、図１２は、図１１におけるアンテナ素子１２１−７８〜１２１−７９とアンテナ素子１２１−８８〜１２１−８９の部分を拡大して示したものである。

ここで、時刻ｔ_ｎ−１において、携帯端末１０２のアレーアンテナ１１０の中心がｘｙ平面の原点にあるとする。そして、時刻ｔ_ｎにおいて、携帯端末２のアレーアンテナ１１０の中心が座標（Δｘ'，Δｙ'）の位置に移動した場合を考える。

携帯端末１０２のアレーアンテナ１１０の中心がｘｙ平面の原点にある場合、図１１に示すように、アレーアンテナ１１０の中心とアレーアンテナ１２０の中心とが対向する。そして、アンテナ素子１１１−１はアンテナ素子１２１−４５に、アンテナ素子１１１−２はアンテナ素子１２１−４６に、アンテナ素子１１１−３はアンテナ素子１２１−５５に、アンテナ素子１１１−４はアンテナ素子１２１−５６にそれぞれ対向する。したがって、時刻ｔ_ｎ−１においては、アンテナ素子１２１−４５、１２１−４６、１２１−５５、１２１−５６の４つが信号送信用アンテナとして選定される。そして、この４つのアンテナ素子１２１−４５、１２１−４６、１２１−５５、１２１−５６とアンテナ素子１１１−１、１１１−２、１１１−３、１１１−４との間の伝搬チャネル情報からチャネル行列Ｈ_ｋ（ｔ_ｎ−１）が求められ、各処理部での処理が行われる。

次に、携帯端末１０２のアレーアンテナ１１０の中心が座標（Δｘ'，Δｙ'）の位置に移動したとする。携帯端末１０２のアレーアンテナ１１０の中心が座標（Δｘ'，Δｙ'）の位置にある場合、図１１及び図１２に示すように、アンテナ素子１１１−１はアンテナ素子１２１−７８に、アンテナ素子１１１−２はアンテナ素子１２１−７９に、アンテナ素子１１１−３はアンテナ素子１２１−８８に、アンテナ素子１１１−４はアンテナ素子１２１−８９にそれぞれ近接する。したがって、時刻ｔ_ｎにおいては、アンテナ素子１２１−７８、１２１−７９、１２１−８８、１２１−８９の４つが信号送信用アンテナとして選定される。そして、この４つのアンテナ素子１２１−７８、１２１−７９、１２１−８８、１２１−８９と、アンテナ素子１１１−１、１１１−２、１１１−３、１１１−４との間の伝搬チャネル情報からチャネル行列Ｈ_ｋ（ｔ_ｎ）が求められ、各処理部での処理が行われる。

このように、本発明の第２の実施形態では、アンテナ選定を行うことで、図１１における時刻ｔ_ｎ−１と時刻ｔ_ｎとの位置ずれ（Δｘ'，Δｙ'）を、図１２における位置ずれ（Δｘ，Δｙ）に変換することができる。したがって、アレーアンテナ１１０の移動に合わせて信号送信用アンテナを切り替えることで、対向位置からの位置ずれが時間の経過とともに大きくなることを防ぎ、ＭＩＭＯ伝送の伝送特性の劣化を防ぐことができる。

なお、上述の例では、携帯端末１０２から送信されるチャネル推定用信号を用いて、携帯端末１０２側のアンテナ素子１１１−１〜１１１−４の位置を推定する場合について説明したが、位置推定手法は電波を用いるものに限られるものではない。例えば、情報端末１０３が内蔵するカメラで携帯端末１０２のアンテナ素子１１１−１〜１１１−４の位置を検出しても良い。また、携帯端末１０２のアレーアンテナ１１０周辺に内蔵された赤外線の光源から照射された赤外線を情報端末１０３の赤外線センサで受光して、アンテナ素子１１１−１〜１１１−４の位置を検出しても良い。また、情報端末１０３が内蔵するスピーカーから携帯端末１０２に向けて超音波を発信し、携帯端末１０２から反射してくる超音波をマイクロホンで受信して、アンテナ素子１１１−１〜１１１−４の位置を検出しても良い。

なお、無線通信システム１及び１０１の全部または一部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各部の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、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）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を送信する場合の通信線のように、短時間の間、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、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詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

１，１０１：無線通信システム
１０，１１０：アレーアンテナ
１１−１〜１１−４，１１１−１〜１１１−４：アンテナ素子
１２−１〜１２−４，１１２−１〜１１２−４：送受信部
２０，１２０：アレーアンテナ
２１−１〜２１−４，１２１−１〜１２１−Ｍ：アンテナ素子
２２−１〜２２−４，１２２−１〜１２２−４：送受信部
２３，１２３：チャネル推定部
２４，１２４：チャネル変動算出部
２５，１２５：ＺＦウェイト算出部
２６，１２６：記憶部
２７，１２７：送信ウェイト生成部
２８，１２８：ウェイト乗算部

Claims (5)

1. 第１の無線通信装置と第２の無線通信装置とが複数のアンテナ素子を用いてＭＩＭＯ通信を行う無線通信システムであって、
   前記第１の無線通信装置は、
   複数のアンテナ素子で構成された第１のアレーアンテナと、
   前記第２の無線通信装置にチャネル推定用信号を送信する送信部と、
   を備え、
   前記第２の無線通信装置は、
   複数のアンテナ素子で構成された第２のアレーアンテナと、
   前記第１の無線通信装置から送信された前記チャネル推定用信号に基づいて伝搬チャネル情報を取得するチャネル推定部と、
   前記チャネル推定部により取得された伝搬チャネル情報に基づいて第１の送信ウェイトを算出し、算出した前記第１の送信ウェイトで前回算出した第１の送信ウェイトを更新する第１の送信ウェイト算出部と、
   前記チャネル推定部により取得された伝搬チャネル情報と前回取得された伝搬チャネル情報とに基づいてチャネル変動情報を生成し、前記第１の送信ウェイト算出部により前回生成された第１の送信ウェイトと、前記チャネル変動情報とに基づいて、第２の送信ウェイトを生成する第２の送信ウェイト生成部と、
   前記第２の送信ウェイト生成部により生成された第２の送信ウェイトを送信データに乗算するウェイト乗算部と、
   を備え、
   前記第１の送信ウェイト算出部は、前記チャネル推定部により取得された伝搬チャネル情報に対して逆行列演算を行い、前記逆行列演算により得られるゼロフォーシングウェイトを前記第１の送信ウェイトとして算出し、
   前記第２の送信ウェイト生成部は、前記チャネル変動情報に基づいて前記ゼロフォーシングウェイトの変動を近似したゼロフォーシングウェイト変動情報を生成し、前記第１の送信ウェイト算出部により前回生成されたゼロフォーシングウェイトと、前記ゼロフォーシングウェイト変動情報とに基づいて前記第２の送信ウェイトを生成する、
   無線通信システム。
2. 前記第２のアレーアンテナの構成するアンテナ素子が前記第１のアレーアンテナを構成するアンテナ素子より多く、かつ、前記第１及び第２のアレーアンテナがそれぞれを構成する第１及び第２の平面が平行となるように配置されている場合に、
   前記第２のアレーアンテナを構成するアンテナ素子の中から、前記第１のアレーアンテナを構成するアンテナ素子のそれぞれについて前記第１及び第２の平面に沿う方向のずれが最小であるアンテナ素子を選定するアンテナ選定部と、
   前記選定されたアンテナ素子からデータが送信されるように切り替えを行うスイッチ部と、
   を更に備える、
   請求項１に記載の無線通信システム。
3. 前記第１の送信ウェイト算出部は、前記第１のアレーアンテナと前記第２のアレーアンテナとの位置ずれの速さ、又は前記伝搬チャネル情報の変動の大きさに基づいて、前記第１の送信ウェイトの更新頻度を変更する、
   請求項１又は２に記載の無線通信システム。
4. 複数のアンテナ素子で構成された第１のアレーアンテナを備える第１の無線通信装置と、複数のアンテナ素子で構成された第２のアレーアンテナを備える第２の無線通信装置とがＭＩＭＯ通信を行う無線通信方法であって、
   前記第１の無線通信装置が、前記第２の無線通信装置にチャネル推定用信号を送信するチャネル推定用信号送信ステップと、
   前記第２の無線通信装置が、前記第１の無線通信装置から送信されたチャネル推定用信号を受信して伝搬チャネル情報を取得するチャネル推定ステップと、
   前記第２の無線通信装置が、チャネル推定ステップにおいて取得された伝搬チャネル情報に基づいて第１の送信ウェイトを算出し、算出した前記第１の送信ウェイトで前回算出した第１の送信ウェイトを更新する第１の送信ウェイト算出ステップと、
   前記第２の無線通信装置が、前記チャネル推定ステップにおいて取得された伝搬チャネル情報と前回取得された伝搬チャネル情報とに基づいてチャネル変動情報を生成し、前記第１の送信ウェイト算出ステップにおいて前回生成された第１の送信ウェイトと、前記チャネル変動情報とに基づいて、第２の送信ウェイトを生成する第２の送信ウェイト生成ステップと、
   前記第２の無線通信装置が、前記第２の送信ウェイト生成ステップにおいて生成された第２の送信ウェイトを送信データに乗算して前記第１の無線通信装置に送信する送信ステップと、
   を有し、
   前記第１の送信ウェイト算出ステップでは、前記第２の無線通信装置が、前記チャネル推定ステップにおいて取得された伝搬チャネル情報に対して逆行列演算を行い、前記逆行列演算により得られるゼロフォーシングウェイトを前記第１の送信ウェイトとして算出し、
   前記第２の送信ウェイト生成ステップでは、前記第２の無線通信装置が、前記チャネル変動情報に基づいて前記ゼロフォーシングウェイトの変動を近似したゼロフォーシングウェイト変動情報を生成し、前記第１の送信ウェイト算出ステップにおいて前回生成されたゼロフォーシングウェイトと、前記ゼロフォーシングウェイト変動情報とに基づいて前記第２の送信ウェイトを生成する、
   無線通信方法。
5. 他の無線通信装置から送信されるチャネル推定用信号に基づいてデータ送信を行う無線通信装置であって、
   複数のアンテナ素子から構成されたアレーアンテナと、
   前記チャネル推定用信号に基づいて伝搬チャネル情報を取得するチャネル推定部と、
   前記チャネル推定部により取得された伝搬チャネル情報に基づいて第１の送信ウェイトを算出する第１の送信ウェイト算出部と、
   前記チャネル推定部により取得された伝搬チャネル情報と前回取得された伝搬チャネル情報とに基づいてチャネル変動情報を生成し、前記第１の送信ウェイト算出部により前回生成された第１の送信ウェイトと、前記チャネル変動情報とに基づいて、第２の送信ウェイトを生成する第２の送信ウェイト生成部と、
   前記第２の送信ウェイト生成部により生成された第２の送信ウェイトを送信データに乗算するウェイト乗算部と、
   を備え、
   前記第１の送信ウェイト算出部は、前記チャネル推定部により取得された伝搬チャネル情報に対して逆行列演算を行い、前記逆行列演算により得られるゼロフォーシングウェイトを前記第１の送信ウェイトとして算出し、
   前記第２の送信ウェイト生成部は、前記チャネル変動情報に基づいて前記ゼロフォーシングウェイトの変動を近似したゼロフォーシングウェイト変動情報を生成し、前記第１の送信ウェイト算出部により前回生成されたゼロフォーシングウェイトと、前記ゼロフォーシングウェイト変動情報とに基づいて前記第２の送信ウェイトを生成する、
   無線通信装置。

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