JP7264251B2

JP7264251B2 - 無線通信システム、無線通信方法および受信局装置

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Publication number: JP7264251B2
Application number: JP2021541385A
Authority: JP
Inventors: 圭太栗山; 隼人福園; 正文吉岡; 努立田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2019-08-20
Filing date: 2019-08-20
Publication date: 2023-04-25
Anticipated expiration: 2039-08-20
Also published as: US20220302974A1; JPWO2021033265A1; WO2021033265A1

Description

本発明は、ＦＩＲ（Finite Impulse Response）型ビーム形成を用いたＳＣ－ＭＩＭＯ（Single Carrier Multiple-Input Multiple-Output）伝送を行う無線通信システムにおいて、残留ストリーム間干渉を抑制する技術に関する。

ＳＣ－ＭＩＭＯ伝送を行う場合、ストリーム間干渉を除去するための処理が必要である。そこで、時間領域の線形等化器を構成するＦＩＲ型の送信ビーム形成（ＦＩＲ型送信ビーム形成と称する）を行うことで、ストリーム間干渉を除去する方法が検討されている（例えば、非特許文献１参照）。ＦＩＲ型送信ビーム形成では、ＣＳＩ（Channel State Information）推定により取得したＣＩＲ（Channel Impulse Response）の伝達関数行列をもとに、送信ビーム形成処理の送信ウェイトを算出する。また、ＣＩＲ行列を高頻度に取得して送信ウェイトを更新することで、残留ストリーム間干渉の発生を抑える手法が提案されている（例えば、非特許文献２参照）。さらに、チャネル予測によって、短区間で送信ウェイトの更新を行う手法が提案されている（例えば、非特許文献３参照）。

栗山圭太,福園隼人,吉岡正文,立田努,"ＦＩＲ型送信ビーム形成と双方向受信等化を適用した広帯域シングルキャリアＭＩＭＯシステム",信学総合大会,B-5-105,2019. 鍋谷寿久他,"高速無線LAN用送信ビームフォーミング技術",東芝レビュー, Vol.65 No.4, pp.48-51, 2010 山口歌奈子他,"時変動マルチユーザMIMOシステムにおけるチャネル予測手法の効果に関する考察",信学技報,AP2013-107,pp.43-48,2013-11

引用文献１では、ＣＩＲ行列を取得するタイミングで送信ウェイトの更新が行われるが、送信ウェイトの更新前にＣＩＲの変動があった場合、適切な送信ビーム形成が行えず、ストリーム間干渉が残留するという問題がある。また、引用文献２では、ＣＩＲ行列を送信側で高頻度に取得する必要があり、受信側から送信側への高頻度のフィードバックは伝送効率の劣化を招くという問題がある。さらに、引用文献３では、チャネル予測における予測誤差によりストリーム間干渉が増大する恐れがある。

本発明は、ＦＩＲ型ビーム形成を用いたＳＣ－ＭＩＭＯ伝送を行う無線通信システムにおいて、チャネル時変動によって生じる残留ストリーム間干渉を伝送レートの劣化を招くことなく抑制することにより、通信品質の劣化を回避することができる無線通信システム、無線通信方法および受信局装置を提供することを目的とする。

本発明に係る無線通信システムは、送信局装置と受信局装置との間でシングルキャリアＭＩＭＯ伝送を行う無線通信システムにおいて、前記送信局装置は、前記受信局装置と共有する予め定められた既知信号を生成するトレーニング信号生成部と、前記受信局装置が前記既知信号から推定した通信路応答に基づいて算出されたストリーム間干渉を除去するための送信ウェイトを用いて送信ビーム形成処理を行う送信ビーム形成部とを備え、前記受信局装置は、前記送信局装置から受信する前記既知信号に基づいて前記通信路応答を推定する通信路推定部と、前記送信局装置から送信される前記既知信号に基づいて推定した残留ストリーム間干渉が予め定められた閾値を超えるか否かを判定する干渉量判定部と、前記残留ストリーム間干渉が閾値を超えた場合に、残留ストリーム間干渉を抑制するための受信ビーム形成処理に用いる受信ウェイトを算出する受信ウェイト算出部と、前記受信ウェイトを用いて残留ストリーム間干渉を抑制する受信ビーム形成処理を行う受信ビーム形成部とを備え、前記送信ビーム形成部は、データ通信途中で送信ビーム形成処理を行わない前記既知信号を送信し、前記通信路推定部は、データ通信前の前記送信ウェイトの算出時に推定した前記通信路応答を第１通信路応答とし、データ通信途中で受信する送信ビーム形成処理を行わない前記既知信号から第２通信路応答を推定し、前記干渉量判定部は、前記第１通信路応答と前記第２通信路応答との差分を算出して残留ストリーム間干渉を推定し、推定した残留ストリーム間干渉が予め定められた閾値を超えるか否かを判定することを特徴とする。

本発明に係る無線通信方法は、送信局装置と受信局装置との間でシングルキャリアＭＩＭＯ伝送を行う無線通信方法であって、前記送信局装置は、前記受信局装置と共有する予め定められた既知信号を生成するトレーニング信号生成処理と、前記受信局装置が前記既知信号から推定した通信路応答に基づいて算出されたストリーム間干渉を除去するための送信ウェイトを用いて送信ビーム形成処理を行う送信ビーム形成処理とを実行し、前記受信局装置は、前記送信局装置から受信する前記既知信号に基づいて前記通信路応答を推定する通信路推定処理と、前記送信局装置から送信される前記既知信号に基づいて推定した残留ストリーム間干渉が予め定められた閾値を超えるか否かを判定する干渉量判定処理と、前記残留ストリーム間干渉が閾値を超えた場合に、残留ストリーム間干渉を抑制するための受信ビーム形成処理に用いる受信ウェイトを算出する受信ウェイト算出処理と、前記受信ウェイトを用いて残留ストリーム間干渉を抑制する受信ビーム形成処理とを実行し、前記送信ビーム形成処理では、データ通信途中で送信ビーム形成処理を行わない前記既知信号を送信し、前記通信路推定処理では、データ通信前の前記送信ウェイトの算出時に推定した前記通信路応答を第１通信路応答とし、データ通信途中で受信する送信ビーム形成処理を行わない前記既知信号から第２通信路応答を推定し、前記干渉量判定処理では、前記第１通信路応答と前記第２通信路応答との差分を算出して残留ストリーム間干渉を推定し、推定した残留ストリーム間干渉が予め定められた閾値を超えるか否かを判定することを特徴とする。

本発明に係る無線通信システム、無線通信方法および受信局装置は、ＦＩＲ型ビーム形成を用いたＳＣ－ＭＩＭＯ伝送を行う無線通信システムにおいて、チャネル時変動によって生じる残留ストリーム間干渉を伝送レートの劣化を招くことなく抑制することにより、通信品質の劣化を回避することができる。

シングルキャリアＭＩＭＯ伝送を行う無線通信システムの一例を示す図である。比較例のフレームシーケンスの一例を示す図である。本実施形態に係る無線通信システムの基本処理の一例を示す図である。フレームシーケンスの一例を示す図である。本実施形態に係る無線通信システムの構成例（１）を示す図である。本実施形態に係る無線通信システムの構成例（２）を示す図である。本実施形態に係る無線通信システムの構成例（３）を示す図である。本実施形態に係る無線通信システムの処理例（１）を示す図である。本実施形態に係る無線通信システムの処理例（２）を示す図である。

以下、図面を参照して本発明に係る無線通信システム、無線通信方法および受信局装置の実施形態について説明する。

図１は、シングルキャリアＭＩＭＯ（ＳＣ－ＭＩＭＯ）伝送を行う無線通信システム１００の一例を示す。なお、図１に示す無線通信システム１００は、Ｎ×Ｎ（Ｎ個：Ｎ≧２の整数）のＭＩＭＯの例であり、後述する実施形態に共通である。図１において、無線通信システム１００は、Ｎ個のアンテナＡＴｔ（１）からアンテナＡＴｔ（Ｎ）を有する送信局装置１０１と、Ｎ個のアンテナＡＴｒ（１）からアンテナＡＴｒ（Ｎ）を有する受信局装置１０２とを備え、送信局装置１０１と受信局装置１０２との間で無線通信を行う。ここで、以降の説明において、送信局装置１０１のアンテナＡＴｔ（１）からアンテナＡＴｔ（Ｎ）に共通の説明を行う場合は符号末尾の（番号）を省略してアンテナＡＴｔと表記し、特定のアンテナを指す場合は符号末尾に（番号）を付加して例えばアンテナＡＴｔ（１）のように表記する。受信局装置１０２のアンテナＡＴｒ（１）からアンテナＡＴｒ（Ｎ）についても同様に表記する。また、複数の同じブロックを有する場合についても同様に表記する。

以降で説明する各実施形態に係る無線通信システム１００は、送信局装置１０１と受信局装置１０２の間で複数のアンテナを用いたＳＣ－ＭＩＭＯ方式による無線通信を行う。ここで、送信局装置１０１と受信局装置１０２の間の無線通信路では、マルチパスなど遅延時間が異なる複数の遅延波が存在し、周波数選択性のフェージングが生じる。このため、図１の例では、送信局装置１０１のＮ個のアンテナと、受信局装置１０２のＮ個のアンテナとの間で空間的な広がりによるストリーム間干渉が生じる。また、送信局装置１０１と受信局装置１０２のそれぞれのアンテナ間で送受信される信号には、時間的な広がりによるシンボル間干渉が生じる。ここで、送信局装置１０１と受信局装置１０２との間の無線通信路の通信路応答（ＣＩＲ）をＨ（ｚ）とすると、通信路応答Ｈ（ｚ）は、複数のアンテナの数に応じてＮ×Ｎを要素とする伝達関数の行列（伝達関数行列と称する）で表すことができる。

図１の（ａ）は、各アンテナ間の伝達関数の一例を示し、アンテナＡＴｔ（１）とアンテナＡＴｒ（１）との間の時刻ｔの伝達関数はＨ_１１（ｚ，ｔ）、アンテナＡＴｔ（１）とアンテナＡＴｒ（Ｎ）との間の時刻ｔの伝達関数はＨ_Ｎ１（ｚ，ｔ）、アンテナＡＴｔ（Ｎ）とアンテナＡＴｒ（１）との間の時刻ｔの伝達関数はＨ_１Ｎ（ｚ，ｔ）、アンテナＡＴｔ（Ｎ）とアンテナＡＴｒ（Ｎ）との間の時刻ｔの伝達関数はＨ_ＮＮ（ｚ，ｔ）である。この場合、伝達関数行列Ｈ（ｚ，ｔ）は、式（１）で表される。

ここで、伝達関数行列Ｈ（ｚ，ｔ）は、以下のように、Ｎ×ＮのＭＩＭＯのＣＩＲを表す。

なお、Ｃは行列の要素の集合を表し、例えばＣ^Ｎ×Ｎは（Ｎ×Ｎ）個の要素を有する。

また、図１の（ｂ）は、横軸が遅延時間ｌを示し、時刻ｔにおける第ｎ_ｒ番目の受信アンテナと第ｎ_ｔ番目の送信アンテナ間の遅延波の遅延プロファイルを示す。Ｌ（Ｌは正の整数）は、０番目からＬ－１番目までの遅延波の数を示す。

ここで、式（１）の各要素は、式（２）に示すように、ＦＩＲ型の伝達関数Ｈ_ｎｒｎｔ（ｚ，ｔ）で表現される。なお、式（２）の記号Ｈおよびｈの下付き文字ｎ_ｒおよびｎ_ｔは、文書中で記載する場合、Ｈ_ｎｒｎｔ（ｚ，ｔ）のようにｎｒおよびｎｔと表記する。他の記号の下付き文字についても同様に表記する。

（残留ストリーム間干渉について）
ここで、送信局装置１０１側でＦＩＲ型送信ビーム形成を行う場合の課題について、２×２のＭＩＭＯの例を用いて説明する。

ストリーム間干渉を抑制するためのＦＩＲ型ビーム形成による等価ＣＩＲ（等価通信路応答）行列は、Ｎ＝２の２×２のＭＩＭＯの場合、式（３）で表される。

ａｄｊ（Ｈ（ｚ，ｔ））は、随伴行列（adjugate matrix）を表す。なお、ａｄｊは、エルミート転置を表す随伴行列（adjoint matrix）とは異なる。ここで、随伴行列ａｄｊ（Ｈ（ｚ，ｔ））は、以下のように、（Ｎ×Ｎ）個の要素を有する。

式（３）において、ストリーム間干渉成分を表すＨ（ｚ，ｔ）ａｄｊ（Ｈ（ｚ，ｔ））の非対角成分は０なので、ストリーム間干渉が除去されている。

ところが、送信局装置１０１側で新たにＣＩＲ取得が行われるまで、ＦＩＲ型送信ビーム形成に用いる送信ウェイトはＨ（ｚ，ｔ）をもとに算出したａｄｊ（Ｈ（ｚ，ｔ））が用いられる。つまり、新たなＣＩＲにより送信ウェイトが算出されるまで、ａｄｊ（Ｈ（ｚ，ｔ））は更新されない。特に、ＣＩＲ取得後（τ時間経過後）、時変動によりＣＩＲがＨ（ｚ，ｔ＋τ）に変動した場合でもτ時間前のａｄｊ（Ｈ（ｚ，ｔ））が送信ウェイトとして用いられるので、式（３）の非対角化成分が０にならず、式（４）に示すようにストリーム間干渉が残留し、通信品質が劣化するという問題が生じる。

ここで、式（４）は、時刻ｔ＋τにおける送信ウェイト乗算後の等価ＣＩＲ行列を示している。

なお、時刻ｔのＣＩＲ行列（送信ウェイト算出に使用される）は、式（５）で表される。

また、時刻ｔ＋τのＣＩＲ行列は、式（６）で表される。

ここで、式（６）に送信ウェイトを乗算後の等価ＣＩＲ行列が式（４）である。

残留ストリーム間干渉を防ぐためには、ＣＩＲの変動が大きくなる前に新たにＣＩＲを推定して送信ウェイトを更新する必要があり、受信局装置１０２側でのＣＩＲの推定と、推定したＣＩＲの送信局装置１０１側へのフィードバックとを高頻度で行うことが求められるが、伝送レートの劣化を招くという問題が生じる。

ここで、以降で説明する本実施形態に係る無線通信システム１００の効果が分かり易いように、ＣＩＲの推定と推定結果のフィードバックとを高頻度で行う場合を比較例として説明する。

図２は、比較例のフレームシーケンスの一例を示す。なお、図２は２×２のＭＩＭＯの例で、横軸は時間を示す。図２において、送信局装置１０１は、アンテナＡＴｔ（１）およびアンテナＡＴｔ（２）から既知信号を高頻度で送信する。受信局装置１０２は、アンテナＡＴｒ（１）およびアンテナＡＴｒ（２）で受信される既知信号によりＣＩＲを推定し、ＣＩＲの推定結果を送信局装置１０１にフィードバックする。そして、送信局装置１０１は、ＣＩＲの推定結果に基づき、送信側ビーム形成を行うための送信ウェイトを算出し、算出された送信ウェイトを用いて送信側ビーム形成を行ったデータ信号を送信する。このような一連の処理を高頻度で繰り返し実行することにより、送信局装置１０１および受信局装置１０２は、残留ストリーム間干渉の抑制されたデータ信号の通信を行うことができる。

ところが、ＣＩＲ推定と送信ウェイトの更新を高頻度で行う場合、ＣＩＲの推定結果を受信局装置１０２から送信局装置１０１にフィードバックする時間が増加するので、データ信号の通信に使用できる時間が短くなり、伝送レートが劣化するという問題が生じる。

そこで、後述の各実施形態に係る無線通信システム１００は、ＣＩＲの推定結果のフィードバックを高頻度で行わないので伝送レートの劣化を招かずに残留ストリーム間干渉を抑制することができる。このために、式（４）に示した送信ウェイト乗算後の等価ＣＩＲ行列に基づいて式（７）により受信ウェイトを算出する。

そして、式（４）の送信ウェイト乗算後の等価ＣＩＲ行列に式（７）の受信ウェイトを乗算することにより（受信ビーム形成処理）、式（８）に示すように、非対角成分が０になり、残留ストリーム間干渉を抑制することができる。

このようにして、本実施形態に係る無線通信システム１００は、ＣＩＲの推定結果のフィードバックを高頻度で行う必要がなく、受信局装置１０２側において、残留ストリーム間干渉が閾値を超える場合に、送信ウェイトとＣＩＲ行列とを乗算した等価ＣＩＲ行列を求め、等価ＣＩＲ行列から受信ウェイトを算出して受信ビーム形成処理を行うので、伝送レートの劣化を招かずに残留ストリーム間干渉を抑制することができる。

なお、各実施形態に係る無線通信システム１００は、残留ストリーム間干渉を抑制する処理を行うか否かを予め定められた閾値により判定して、当該処理を行う必要がある場合に受信ウェイトを算出して受信ビーム形成処理を実行する。

［閾値について］
ここで、残留ストリーム間干渉を抑制する処理を行う必要があるか否かを判定するための閾値について説明する。

先に説明した式（４）において、残留ストリーム間干渉成分の等価ＣＩＲは、式（９）および式（１０）で表すことができる。

ここで、Ｍは残留ストリーム間干渉成分の等価ＣＩＲ長、ξ^（ｍ）（ｔ＋τ）は残留ストリーム間干渉成分の等価ＣＩＲのｍ番目の成分である。

このとき、残留ストリーム間干渉電力Ξ（ｔ＋τ）は、式（１１）および式（１２）で表すことができる。

本実施形態では、式（１１）および式（１２）の電力値に対する閾値を予め定めておき、いずれか一方が閾値を超える場合に、残留ストリーム間干渉の抑制が必要であると判定する。例えば電力値の閾値をＰｔｈとすると、式（１３）および式（１４）のいずれかを満たす場合に、残留ストリーム間干渉の抑制が必要であると判定する。

このように、本実施形態に係る無線通信システム１００は、残留ストリーム間干渉を抑制する処理を行うか否かを判定して、当該処理を行う必要がある場合に受信ウェイトを算出して受信ビーム形成処理を行うので、時変動による残留ストリーム間干渉の増加を防ぐことができる。

図３は、本実施形態に係る無線通信システム１００の基本処理の一例を示す。なお、図３に示す送信局装置１０１および受信局装置１０２は、図１に対応する。

図３において、送信局装置１０１は、アンテナＡＴｔ（１）からアンテナＡＴｔ（Ｎ）に対応するＮ個のストリームの入力データに送信ウェイトを乗算して、ストリーム間干渉を除去するためのＦＩＲ型送信ビーム形成処理１１０を行い、Ｎ個のアンテナＡＴｔから送信する。一方、受信局装置１０２では、アンテナＡＴｒ（１）からアンテナＡＴｒ（Ｎ）のＮ個のアンテナＡＴｒの受信信号に対して、残留ストリーム間干渉の推定／判定処理１１１を行う。残留ストリーム間干渉の推定／判定処理１１１では、残留ストリーム間干渉を推定する推定処理と、推定結果が予め定められた閾値を超えるか否かの判定を行う判定処理とが行われる。そして、推定結果が閾値を超えている場合、アンテナＡＴｒ（１）からアンテナＡＴｒ（Ｎ）のＮ個のアンテナＡＴｒの受信信号に対して受信ウェイトを乗算して残留ストリーム間干渉を抑制するＦＩＲ型受信ビーム形成処理１１２を行う。そして、残留ストリーム間干渉が抑制されたＮ個のストリームの各々に対して、波形等化処理１１３（１）から波形等化処理１１３（Ｎ）による符号間干渉の除去処理が行われる。

このように、本実施形態に係る無線通信システム１００は、受信局装置１０２側で残留ストリーム間干渉を推定して、残留ストリーム間干渉が閾値を超えている場合に、受信ビーム形成処理で用いる受信ウェイトを算出して受信ビーム形成処理を実行することにより、時変動による残留ストリーム間干渉を抑制するので、伝送レートの劣化が防止される。

図４は、フレームシーケンスの一例を示す。なお、図４は、図２と同様に２×２のＭＩＭＯの例であり、横軸は時間を示す。また、図４において、（ａ）のフレームシーケンスは本実施形態に係る無線通信システム１００のフレームシーケンスを示し、（ｂ）のフレームシーケンスは図２で説明した比較例のフレームシーケンスを示す。

（ａ）のフレームシーケンスにおいて、送信局装置１０１は、先ず、ＭＩＭＯのＣＩＲを推定するための既知信号をアンテナＡＴｔ（１）およびアンテナＡＴｔ（２）から送信する。これは、ストリーム間干渉を除去するために送信局装置１０１側で行われる送信ビーム形成処理の送信ウェイトを算出するために用いられる。受信局装置１０２は、アンテナＡＴｒ（１）およびアンテナＡＴｒ（２）で受信される各々の既知信号に対するＣＩＲ（Ｈ（ｚ，ｔ））を推定し、ＣＩＲの推定結果を送信局装置１０１にフィードバックする。そして、送信局装置１０１は、ＣＩＲの推定結果に基づき、ストリーム間干渉を除去する送信側ビーム形成処理で用いる送信ウェイトを算出し、算出された送信ウェイトを用いて送信側ビーム形成を行ったデータ信号を送信する。ここまでの処理は、比較例の（ｂ）のフレームシーケンスと同じである。この後、送信局装置１０１は２回目の既知信号が送信されるが、比較例の（ｂ）のフレームシーケンスでは、再び、受信局装置１０２がＣＩＲの推定結果を送信局装置１０１側にフィードバックする一連の処理を繰り返し実行して、送信局装置１０１側でストリーム間干渉を除去するための送信ウェイトを更新する。これに対して、本実施形態の（ａ）のフレームシーケンスでは、受信局装置１０２は、１回目の既知信号によるＣＩＲ推定から２回目の既知信号（τ時間後とする）によるＣＩＲの推定結果（Ｈ（ｚ，ｔ＋τ））と、１つ前（１回目）のＣＩＲの推定結果（Ｈ（ｚ，ｔ））との差分（Δ（ｚ，ｔ＋τ））を算出し、時間τの間のストリーム間干渉の時変動による残留ストリーム間干渉を推定する。そして、残留ストリーム間干渉が予め定められた閾値を超える場合に残留ストリーム間干渉を抑制する受信ビーム形成処理で用いる受信ウェイトを算出し、受信ビーム形成処理を行う。なお、３回目以降の既知信号についても同様の処理が行われる。

ここで、比較例では、ストリーム間干渉を除去する送信ビーム形成処理の送信ウェイトを高頻度に更新することにより時変動による残留ストリーム間干渉が抑制される。これに対して、本実施形態に係る無線通信システム１００では、受信局装置１０２側において、残留ストリーム間干渉を推定して、残留ストリーム間干渉が閾値を超えるか否かを判定し、閾値を超える場合に受信ウェイトを算出して受信ビーム形成処理を実行することにより時変動による残留ストリーム間干渉が抑制される。この結果、図４に示すように、本実施形態の（ａ）のフレームシーケンスでは、比較例の（ｂ）のフレームシーケンスのようにＣＩＲの推定結果を送信局装置１０１にフィードバックする必要がないので、フィードバックに要する時間をデータ信号の送信に充てることができる。

このように、本実施形態に係る無線通信システム１００は、残留ストリーム間干渉を抑制しつつ、比較例よりも伝送レートが改善されるという効果が得られる。

以下、上述の本実施形態に係る無線通信システム１００を実現する構成について、いくつかの例を挙げて説明する。

（構成例（１））
図５は、本実施形態に係る無線通信システム１００の構成例（１）を示す。図５において、送信局装置１０１は、情報ビット生成部２０１、データ信号変調部２０２、トレーニング信号生成部２０３、送信ビーム形成部２０４、送信信号変換部２０５、受信信号変換部２０６、送信ウェイト算出部２０７およびアンテナＡＴｔ（１）からアンテナＡＴｔ（Ｎ）を有する。また、受信局装置１０２は、受信信号変換部３０１、通信路推定部３０２、送信信号変換部３０３、ストリーム間干渉量判定部３０４、受信ウェイト算出部３０５、受信ビーム形成部３０６、波形等化係数算出部３０７、波形等化部３０８、データ信号復調部３０９、情報ビット検出部３１０およびアンテナＡＴｒ（１）からアンテナＡＴｒ（Ｎ）を有する。

先ず、送信局装置１０１の各部について説明する。

情報ビット生成部２０１は、受信局装置１０２へ送信するデータ情報ビットを生成する。データ情報ビットは、例えば外部(不図示)から入力するデータ信号、内部で生成するデータ信号などに対応するビット列である。なお、情報ビット生成部２０１は、所定の符号化率で誤り訂正符号を生成する誤り訂正符号化機能やインターリーブ機能などを有してもよい。

データ信号変調部２０２は、情報ビット生成部２０１が出力するビット列を所定の変調方式（例えば直交振幅変調（ＱＡＭ：Quadrature Amplitude Modulation）など）で変調したデータ信号Ｓ（ｎ）を出力する。なお、本構成例（１）では、情報ビット生成部２０１が出力するビット列をアンテナＡＴｔの数に応じて複数のストリームに分割し、各々のストリーム毎に変調したデータ信号Ｓ（ｎ）を出力するので、各ストリーム毎にデータ信号変調部２０２を有する。

トレーニング信号生成部２０３は、通信路インパルス応答（ＣＩＲ）を推定するためのトレーニング信号（既知信号）を生成し、各ストリームに出力する（トレーニング信号生成処理）。トレーニング信号は、信号検出用のプリアンブルなどの予め定められた情報（例えば”０１”の交互パターン等の特定パターン）をＰＳＫ（Phase Shift Keying）など干渉を受けにくい変調方式で変調した所定の信号であり、受信局装置１０２でＣＩＲを推定するために用いられる。なお、送信局装置１０１が送信するトレーニング信号の情報は、予め受信局装置１０２との間で共有され、既知である。

送信ビーム形成部２０４は、後述する送信ウェイト算出部２０７にて算出された送信ウェイトに基づき、データ信号変調部２０２が出力するデータ信号に対してストリーム間干渉を除去するための送信ビーム形成処理を行う。なお、送信ビーム形成部２０４は、送信電力を正規化する機能を有してもよい。また、トレーニング信号生成部２０３が出力するトレーニング信号に送信ビーム形成処理を行って送信するか否かは、後述する通信路推定方式により選択される。

送信信号変換部２０５は、上記信号処理により生成された信号をアンテナから送出するための変換を行う。送信ビーム形成部２０４が出力するデータ信号またはトレーニング信号をアンテナＡＴｔから送出するための高周波の送信信号に周波数変換する。例えば、送信信号変換部２０５は、２０ＭＨｚ帯域のデータ信号またはトレーニング信号を５ＧＨｚ帯の高周波信号にアップコンバートして、アンテナＡＴｔから送出する。ここで、複数のストリームに分割された各々のストリームは、それぞれ高周波信号に変換され、アンテナＡＴｔ（１）からアンテナＡＴｔ（Ｎ）のそれぞれから送出される。

受信信号変換部２０６は、アンテナＡＴｔ（１）からアンテナＡＴｔ（Ｎ）のそれぞれのアンテナにより受信された高周波の受信信号を低周波のベースバンド信号に周波数変換する。例えば、受信信号変換部２０６は、５ＧＨｚ帯の高周波信号をダウンコンバートして２０ＭＨｚ帯域のベースバンド信号を出力する。ここで、本構成例（１）では、受信信号変換部２０６は、受信局装置１０２からＣＩＲなどの情報を含む受信信号を受け取り、ベースバンド信号に変換して後述する送信ウェイト算出部２０７に出力する。なお、ベースバンド信号からＣＩＲなどの情報を復調する復調部の機能は、受信信号変換部２０６が有してもよいし、送信ウェイト算出部２０７が有してもよい。

送信ウェイト算出部２０７は、受信局装置１０２側で推定したＣＩＲを用いて、送信ビーム形成部２０４により送信ビーム形成処理を行うための送信ウェイトを算出する。なお、後述する構成例（２）の無線通信システム１００のように、受信局装置１０２側で送信ウェイトの算出を行い、送信局装置１０１側にフィードバックするようにしてもよい。

このようにして、送信局装置１０１は、ＣＩＲを推定するためのトレーニング信号を送信して受信局装置１０２からＣＩＲの推定結果を受信し、ＣＩＲの推定結果に基づいて算出したストリーム間干渉を除去するための送信ウェイトを用いて送信ビーム形成処理を行ったデータ信号を受信局装置１０２へ送信することができる。

次に、受信局装置１０２の各部について説明する。

受信信号変換部３０１は、アンテナで受信された信号を信号処理するための変換を行う。送信局装置１０１の受信信号変換部２０６と同様に、アンテナＡＴｒが受信する高周波信号をベースバンド信号に周波数変換する。ここで、受信信号変換部３０１は、送信局装置１０１から受信するトレーニング信号を通信路推定部３０２へ出力し、送信局装置１０１から受信するデータ信号を後述する受信ビーム形成部３０６へ出力する。ここで、受信信号変換部３０１は、アンテナＡＴｒ（１）からアンテナＡＴｒ（Ｎ）のそれぞれから受信される高周波信号をベースバンド信号に周波数変換する。

通信路推定部３０２は、送信局装置１０１から送信されるトレーニング信号に基づいてＣＩＲを推定する（通信路推定処理）。ＣＩＲの推定結果は、後述するストリーム間干渉量判定部３０４および波形等化係数算出部３０７に出力されるとともに、送信信号変換部３０３から送信局装置１０１側に送信され、送信局装置１０１の送信ウェイト算出部２０７に入力される。なお、通信路推定部３０２は、後述する通信路推定方式によっては、送信ビーム形成処理後の信号に対して等価ＣＩＲを推定してもよい。

送信信号変換部３０３は、送信局装置１０１の送信信号変換部２０５と同様の機能を有し、通信路推定部３０２が出力するＣＩＲの情報などを高周波信号に変換してアンテナＡＴｒから送出する。例えば、本構成例（１）では、通信路推定部３０２が推定したＣＩＲの情報などをアンテナＡＴｒから送信局装置１０１側に送信する。なお、ＣＩＲの情報をベースバンド信号に変調する変調部の機能は、送信信号変換部３０３が有してもよいし、通信路推定部３０２が有してもよい。また、後述する構成例（２）の無線通信システム１００のように、受信局装置１０２が送信ウェイトの算出を行う場合は、送信信号変換部３０３が送信ウェイトの情報をアンテナＡＴｒから送信局装置１０１に送信する。

ストリーム間干渉量判定部３０４は、通信路推定部３０２により推定されたＣＩＲに基づいて、式（９）から式（１２）で説明したように残留ストリーム間干渉量を算出し、算出された残留ストリーム間干渉量と予め定められた閾値と比較して残留ストリーム間干渉の抑制が必要か否かを判定する（ストリーム間干渉量判定処理）。なお、残留ストリーム間干渉の抑制を行う場合は、受信ウェイト算出部３０５にＣＩＲの推定結果を出力する。

受信ウェイト算出部３０５は、ストリーム間干渉量判定部３０４からＣＩＲの推定結果が出力された場合に、残留ストリーム間干渉を抑制するための受信ビーム形成処理に用いる受信ウェイトを算出し、受信ビーム形成部３０６に設定する（受信ウェイト算出処理）。例えば受信ウェイトは、先に説明した式（４）の等価ＣＩＲ行列の随伴行列として、式（７）で算出される。

受信ビーム形成部３０６は、受信ウェイト算出部３０５が算出した受信ウェイトを用いて受信ビーム形成処理を行う。

波形等化係数算出部３０７は、通信路推定部３０２が推定したＣＩＲを用いて符号間干渉を除去するための等化ウェイトを算出する。なお、必要となる入力は、波形等化方式により異なる。

波形等化部３０８は、波形等化係数算出部３０７により算出された等化ウェイトを用いて受信ビーム形成部３０６が出力する受信信号のシンボル間干渉を除去するための等化処理を行う。なお、後述する構成例（３）のように、受信ビーム形成処理と波形等化処理とまとめて処理を行ってもよい。

データ信号復調部３０９は、波形等化部３０８が出力するデータ信号Ｓ＾（ｎ）を情報ビットに復調し、ビット列を出力する。なお、波形等化部３０８は、アンテナＡＴｒの数に応じて複数のストリームのデータ信号Ｓ＾（ｎ）を出力し、データ信号復調部３０９は、ストリーム毎のデータ信号Ｓ＾（ｎ）を復調する。そして、データ信号復調部３０９は、送信局装置１０１側で複数のストリームに分割されたビット列を結合したビット列を情報ビット検出部３１０に出力する。なお、データ信号復調部３０９は、送信局装置１０１側の機能に応じて、誤り訂正復号機能やデインターリーブ機能を備えてもよい。

情報ビット検出部３１０は、データ信号復調部３０９が出力するビット列をデジタルデータに変換した受信データを出力する。なお、誤り訂正復号機能やデインターリーブ機能を情報ビット検出部３１０側で行ってもよい。

このようにして、受信局装置１０２は、送信局装置１０１が送信する既知信号からＣＩＲを推定し、ＣＩＲの推定結果を送信局装置１０１にフィードバックするとともに、ストリーム間の干渉量が予め定められた閾値を超える場合に受信ウェイトを算出して、受信ビーム形成処理を行うことにより、残留ストリーム間干渉を抑制することができる。

（構成例（２））
図６は、本実施形態に係る無線通信システム１００の構成例（２）を示す。図６の構成例（２）では、図５に示す構成例（１）の送信局装置１０１の送信ウェイト算出部２０７の代わりに、受信局装置１０２側に送信ウェイト算出部３１１が配置されている。なお、送信ウェイト算出部３１１以外の各ブロックは、図５の構成例（１）の場合と同様に動作するので、重複する説明は省略する。

図６において、送信ウェイト算出部３１１は、通信路推定部３０２が推定したＣＩＲを用いて、送信局装置１０１の送信ビーム形成部２０４が送信ビーム形成処理を行うための送信ウェイトを算出する。そして、送信ウェイト算出部３１１は、算出した送信ウェイトを送信信号変換部３０３から送信局装置１０１に送信し、送信局装置１０１の受信信号変換部２０６で受信された送信ウェイトは送信ビーム形成部２０４に出力される。

なお、本構成例（２）においても、受信局装置１０２は、ＣＩＲの推定結果に基づいて残留ストリーム間干渉量を算出し、残留ストリーム間干渉量が予め定められた閾値を超える場合に受信ウェイトを算出して受信ビーム形成部３０６により受信ビーム形成処理を実行することにより、構成例（１）と同様に、残留ストリーム間干渉を抑制することができる。

（構成例（３））
図７は、本実施形態に係る無線通信システム１００の構成例（３）を示す。図７の構成例（３）では、図５に示す構成例（１）の受信局装置１０２の受信ビーム形成部３０６および波形等化部３０８を一体化して、波形等化／受信ビーム形成部３１２が配置されている。なお、波形等化／受信ビーム形成部３１２以外の各ブロックは、図５の構成例（１）の場合と同様に動作するので、重複する説明は省略する。

図７において、波形等化／受信ビーム形成部３１２は、受信ウェイト算出部３０５が出力する受信ウェイトと、波形等化係数算出部３０７が出力する等化ウェイトとを統合し、１つのＦＩＲ型等化器のウェイトとして用いる。これにより、受信ビーム形成処理と波形等化処理とを同時に行うことができるので、受信局装置１０２の構成を簡略化できる。

なお、本構成例（３）においても、受信局装置１０２は、ＣＩＲの推定結果に基づいて残留ストリーム間干渉量を算出し、残留ストリーム間干渉量が予め定められた閾値を超える場合に受信ウェイトを算出して波形等化／受信ビーム形成部３１２により、等化処理と一緒に受信ビーム形成処理を実行することにより、構成例（１）と同様に、残留ストリーム間干渉を抑制することができる。

（処理例（１））
図８は、本実施形態に係る無線通信システム１００の処理例（１）を示す。なお、図８に示す処理は、図５の構成例（１）から図７の構成例（３）で説明した無線通信システム１００の各部により実行される。なお、図６の構成例（２）では、以降で説明するステップＳ１０４の処理は受信局装置１０２側で実行される。

ステップＳ１０１において、送信局装置１０１のトレーニング信号生成部２０３は、データ通信前に既知信号を生成し、受信局装置１０２に送信する。

ステップＳ１０２において、受信局装置１０２の通信路推定部３０２は、ステップＳ１０１で送信局装置１０１から送信された既知信号を用いて、ＣＩＲ（Ｈ（ｚ，ｔ））を推定する（第１通信路応答に対応）。

ステップＳ１０３において、受信局装置１０２の通信路推定部３０２は、推定したＣＩＲ（Ｈ（ｚ，ｔ））を送信局装置１０１にフィードバックする。なお、図６の構成例（２）では、通信路推定部３０２は、ＣＩＲ（Ｈ（ｚ，ｔ））を送信ウェイト算出部３１１に出力する。

ステップＳ１０４において、送信局装置１０１の送信ウェイト算出部２０７は、受信局装置１０２からフィードバックされるＣＩＲ（Ｈ（ｚ，ｔ））に基づいて、送信ウェイトを算出する。図６の構成例（２）では、受信局装置１０２の送信ウェイト算出部３１１が送信ウェイトを算出し、送信局装置１０１側にフィードバックする。

ステップＳ１０５において、送信局装置１０１の送信ビーム形成部２０４は、ステップＳ１０４で算出した送信ウェイトを用いて送信ビーム形成処理を行ったデータ信号を送信する。

ステップＳ１０６において、送信局装置１０１のトレーニング信号生成部２０３は、データ信号の送信途中（データ通信途中）で、送信ビーム形成処理を行わない既知信号を送信する。なお、送信局装置１０１側では、ステップＳ１０５に戻って、同様の処理を繰り返し実行する。

ステップＳ１０７において、受信局装置１０２の通信路推定部３０２は、ステップＳ１０６で送信局装置１０１から送信される既知信号を用いてＣＩＲ（Ｈ（ｚ，ｔ＋τ））を推定する（第２通信路応答に対応）。

ステップＳ１０８において、受信局装置１０２のストリーム間干渉量判定部３０４は、Ｈ（ｚ，ｔ＋τ）とＨ（ｚ，ｔ）の差分Δ（ｚ，ｔ＋τ）を算出する。なお、図８において、ステップＳ１０８の処理をステップＳ１０８ａに置き換えて、線形補間式による外挿などの手法を用いてチャネル予測を行い、Ｈ（ｚ，ｔ＋τ）とＨ（ｚ，ｔ）の差分Δ（ｚ，ｔ＋τ）を算出してもよい。

ステップＳ１０９において、受信局装置１０２のストリーム間干渉量判定部３０４は、ステップＳ１０８で算出した差分Δ（ｚ，ｔ＋τ）に基づいて残留ストリーム間干渉を推定する。例えば、ストリーム間干渉量判定部３０４は、式（６）で説明した時刻ｔ＋τのＣＩＲ行列に時刻ｔのＣＩＲ行列の随伴行列（送信ウェイト）を乗算して、式（４）で説明した等価ＣＩＲ行列を算出し、等価ＣＩＲ行列の非対角成分を残留ストリーム間干渉として推定する。

ステップＳ１１０において、受信局装置１０２のストリーム間干渉量判定部３０４は、ステップＳ１０９で推定した残留ストリーム間干渉が閾値を超えるか否かを判定し、閾値を超える場合はステップＳ１１１の処理に進み、閾値を超えない場合はステップＳ１１３の処理に進む。

ステップＳ１１１において、受信局装置１０２の受信ウェイト算出部３０５は、受信ウェイトを算出する。なお、受信ウェイトは、先に説明した式（４）の等価ＣＩＲ行列の随伴行列として、式（７）で算出される。

ステップＳ１１２において、受信局装置１０２の受信ビーム形成部３０６は、受信したデータ信号に受信ビーム形成処理を行い、波形等化部３０８に出力する。なお、図７の構成例（３）では、波形等化／受信ビーム形成部３１２は受信ビーム形成処理と波形等化処理とを実行する。

ステップＳ１１３において、受信局装置１０２の受信ビーム形成部３０６は、受信したデータ信号に受信ビーム形成処理を行わない。つまり、受信信号変換部３０１が出力するデータ信号は、受信ビーム形成部３０６をスルーして波形等化部３０８に入力される。なお、図７の構成例（３）では、波形等化／受信ビーム形成部３１２は受信ビーム形成処理を行わずに波形等化処理のみを実行する。

ここで、ステップＳ１１２およびステップＳ１１３の処理を行った後、次の既知信号を受信するとステップＳ１０７に戻って、同様の処理を繰り返し実行する。つまり、受信局装置１０２は、既知信号を受信する毎に残留ストリーム間干渉が閾値を超えるか否かを判別し、受信したデータ信号に受信ビーム形成処理を行うか否かを選択する。

このようにして、本処理例（１）に係る無線通信システム１００は、残留ストリーム間干渉を推定し、予め定めた閾値を超える場合に、受信ウェイトを算出して残留ストリーム間干渉を抑制することができる。特に、本処理例（１）に係る無線通信システム１００は、受信局装置１０２側で推定したＣＩＲを最初だけ送信局装置１０１側にフィードバックするだけでよく、比較例のように、高頻度でＣＩＲを送信局装置１０１側にフィードバックする必要が無いので、伝送効率が向上する。

（処理例（２））
図９は、本実施形態に係る無線通信システム１００の処理例（２）を示す。なお、図９に示す処理は、図５の構成例（１）から図７の構成例（３）で説明した無線通信システム１００の各部により実行される。なお、図６の構成例（２）では、以降で説明するステップＳ１０４の処理は受信局装置１０２側で実行される。

図９の処理例（２）と図８の処理例（１）との違いは、図８のステップＳ１０６およびステップ１０９の処理の代わりに、図９のステップＳ１０６ａおよびステップＳ１０９ａの処理が実行されることと、図８のステップＳ１０７およびＳ１０８の処理が図９では行われないことである。なお、図９において、その他の処理は、図８の処理と同様に行われる。

ステップＳ１０６ａにおいて、送信局装置１０１は、データ信号の送信途中で、送信ビーム形成処理を行った既知信号を送信する。

ステップＳ１０９ａにおいて、受信局装置１０２は、ステップＳ１０６ａで送信局装置１０１から送信される送信ビーム形成処理を行った既知信号を用いて残留ストリーム間干渉を推定する。ここで、送信ビーム形成処理を行った既知信号のＣＩＲは、先に式（４）で示した行列式で表される。

そして、ステップＳ１１０で残留ストリーム間干渉が閾値を超えるか否かを判定し、残留ストリーム間干渉が閾値を超える場合は受信ウェイトを算出して受信ビーム形成処理を行い（ステップＳ１１１，Ｓ１１２）、残留ストリーム間干渉が閾値を超えない場合は受信ビーム形成処理を行わない（ステップＳ１１３）。

このように、本処理例（２）では、ストリーム間干渉を除去する送信ビーム形成処理を行った既知信号を送信しているので、受信局装置１０２側で推定する残留ストリーム間干渉が時変動成分そのものに相当し、τ時間前のＣＩＲとの差分を算出する必要が無くなる。これにより、処理例（１）に比べて受信局装置１０２側の処理を簡略化することができる。

以上、各実施形態で説明したように、本発明に係る無線通信システム、無線通信方法および受信局装置は、ＦＩＲ型ビーム形成を用いたＳＣ－ＭＩＭＯ伝送を行う無線通信システムにおいて、チャネル時変動によって生じる残留ストリーム間干渉を伝送レートの劣化を招くことなく抑制することにより、通信品質の劣化を回避することができる。

なお、上述の実施形態における送信局装置１０１および受信局装置１０２は、専用装置による実現に限らず、汎用コンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、こ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、実行することによって実現してもよい。

また、上記実施形態は本発明の例示に過ぎず、本発明が上記実施形態に限定されるものではないことは明らかである。したがって、本発明の技術思想及び範囲を逸脱しない範囲で構成要素の追加、省略、置換、その他の変更を行ってもよい。

１００・・・無線通信システム；１０１・・・送信局装置；１０２・・・受信局装置；２０１・・・情報ビット生成部；２０２・・・データ信号変調部；２０３・・・トレーニング信号生成部；２０４・・・送信ビーム形成部；２０５，３０３・・・送信信号変換部；２０６，３０１・・・受信信号変換部；ＡＴｔ，ＡＴｒ・・・アンテナ；３０２・・・通信路推定部；３０４・・・ストリーム間干渉量判定部；３０５・・・受信ウェイト算出部；３０６・・・受信ビーム形成部；３０７・・・波形等化係数算出部；３０８・・・波形等化部；３０９・・・データ信号復調部；３１０・・・情報ビット検出部

Claims

送信局装置と受信局装置との間でシングルキャリアＭＩＭＯ伝送を行う無線通信システムにおいて、
前記送信局装置は、
前記受信局装置と共有する予め定められた既知信号を生成するトレーニング信号生成部と、
前記受信局装置が前記既知信号から推定した通信路応答に基づいて算出されたストリーム間干渉を除去するための送信ウェイトを用いて送信ビーム形成処理を行う送信ビーム形成部と
を備え、
前記受信局装置は、
前記送信局装置から受信する前記既知信号に基づいて前記通信路応答を推定する通信路推定部と、
前記送信局装置から送信される前記既知信号に基づいて推定した残留ストリーム間干渉が予め定められた閾値を超えるか否かを判定する干渉量判定部と、
前記残留ストリーム間干渉が閾値を超えた場合に、残留ストリーム間干渉を抑制するための受信ビーム形成処理に用いる受信ウェイトを算出する受信ウェイト算出部と、
前記受信ウェイトを用いて残留ストリーム間干渉を抑制する受信ビーム形成処理を行う受信ビーム形成部と
を備え、
前記送信ビーム形成部は、データ通信途中で送信ビーム形成処理を行わない前記既知信号を送信し、
前記通信路推定部は、データ通信前の前記送信ウェイトの算出時に推定した前記通信路応答を第１通信路応答とし、データ通信途中で受信する送信ビーム形成処理を行わない前記既知信号から第２通信路応答を推定し、
前記干渉量判定部は、前記第１通信路応答と前記第２通信路応答との差分を算出して残留ストリーム間干渉を推定し、推定した残留ストリーム間干渉が予め定められた閾値を超えるか否かを判定する
ことを特徴とする無線通信システム。
請求項１に記載の無線通信システムにおいて、
前記送信ビーム形成部は、データ通信途中で送信ビーム形成処理を行った前記既知信号を送信し、
前記通信路推定部は、データ通信途中で受信する送信ビーム形成処理を行った前記既知信号から等価通信路応答を推定し、
前記干渉量判定部は、前記等価通信路応答の行列式の非対角成分を残留ストリーム間干渉成分として算出し、算出した残留ストリーム間干渉成分の電力値が予め定められた閾値を超えるか否かを判定する
ことを特徴とする無線通信システム。
送信局装置と受信局装置との間でシングルキャリアＭＩＭＯ伝送を行う無線通信方法であって、
前記送信局装置は、
前記受信局装置と共有する予め定められた既知信号を生成するトレーニング信号生成処理と、
前記受信局装置が前記既知信号から推定した通信路応答に基づいて算出されたストリーム間干渉を除去するための送信ウェイトを用いて送信ビーム形成処理を行う送信ビーム形成処理と
を実行し、
前記受信局装置は、
前記送信局装置から受信する前記既知信号に基づいて前記通信路応答を推定する通信路推定処理と、
前記送信局装置から送信される前記既知信号に基づいて推定した残留ストリーム間干渉が予め定められた閾値を超えるか否かを判定する干渉量判定処理と、
前記残留ストリーム間干渉が閾値を超えた場合に、残留ストリーム間干渉を抑制するための受信ビーム形成処理に用いる受信ウェイトを算出する受信ウェイト算出処理と、
前記受信ウェイトを用いて残留ストリーム間干渉を抑制する受信ビーム形成処理と
を実行し、
前記送信ビーム形成処理では、データ通信途中で送信ビーム形成処理を行わない前記既知信号を送信し、
前記通信路推定処理では、データ通信前の前記送信ウェイトの算出時に推定した前記通信路応答を第１通信路応答とし、データ通信途中で受信する送信ビーム形成処理を行わない前記既知信号から第２通信路応答を推定し、
前記干渉量判定処理では、前記第１通信路応答と前記第２通信路応答との差分を算出して残留ストリーム間干渉を推定し、推定した残留ストリーム間干渉が予め定められた閾値を超えるか否かを判定する
ことを特徴とする無線通信方法。
請求項３に記載の無線通信方法において、
前記送信ビーム形成処理では、データ通信途中で送信ビーム形成処理を行った前記既知信号を送信し、
前記通信路推定処理では、データ通信途中で受信する送信ビーム形成処理を行った前記既知信号から等価通信路応答を推定し、
前記干渉量判定処理では、前記等価通信路応答の行列式の非対角成分を残留ストリーム間干渉成分として算出し、算出した残留ストリーム間干渉成分の電力値が予め定められた閾値を超えるか否かを判定する
ことを特徴とする無線通信方法。