JPWO2006070478A1 - 無線通信システム - Google Patents

Abstract

送信装置（１）は、複数のアンテナ（１５−１〜１５−４）を利用して複数の送信ビーム１〜Ｍを形成する。相関が低くかつ受信品質の良好な送信ビーム２、３が選択される。送信ビーム２を利用してデータストリーム１を送信し、送信ビーム３を利用してデータストリーム２を送信する。これにより、アダプティブアレーアンテナを利用したＭＩＭＯ多重伝送が実現される。

Description

本発明は、無線通信システムおよび無線通信システムにおいて使用される通信装置に係わり、特に、無線通信システムにおいて多入力多出力（ＭＩＭＯ：Multi-Input Multi-Output）伝送方式でデータ伝送を行う送信装置および受信装置に係わる。

近年、無線通信システムにおいて、複数の送信アンテナから異なるデータストリームを並列に送信することにより、送信アンテナ数に比例して伝送容量を増大させる空間多重伝送技術が注目されてきている。この場合、複数の送信アンテナは、互いに無相関になるように離れた位置に配置され、各アンテナから送信されるデータストリームは、それぞれ独立したフェージング伝搬路を介して伝送されて受信アンテナにより受信される。さらに、互いに無相関になるように配置された複数の受信アンテナを利用してＭＩＭＯシステムを構成すれば、自由度の高いチャネル相関行列を生成でき、空間多重された複数のデータストリームを分離する際のＳＮＲ（Signal to Noise Ratio）を向上させることができる。

図１は、一般的なＭＩＭＯシステムの構成を示す図である。図１に示すＭＩＭＯシステムにおいて、送信装置はＭ本の送信アンテナを有し、受信装置はＮ本の受信アンテナを有している。

送信装置は、Ｍ個のデータストリームＳ₁ 〜Ｓ_M について、それぞれ、データ変調、サンプリング、Ｄ／Ａ変換、直交変調、周波数アップコンバート、帯域制限フィルタリング等を行い、それらのデータストリームを対応する送信アンテナを介して送信する。各アンテナから送信された信号は、互いに独立したフェージングチャネルｈ_mnを通り、空間で多重された後、受信アンテナにより受信される。なお、「ｈ_ij」は、ｉ番目の送信アンテナからｊ番目の受信アンテナへのチャネルの特性を表す。

受信装置は、受信した信号について、それぞれ、フィルタリング、周波数ダウンコンバート、直交検波、Ａ／Ｄ変換を行うことにより、Ｎ個の受信データストリームｘ₁ 〜ｘ_N を生成する。各受信データストリームは、それぞれ、Ｍ個の送信データが多重されているので、すべての受信データストリームに対して信号処理を行うことにより、送信データストリームＳ₁ 〜Ｓ_M が分離／再生される。なお、受信装置において送信データストリームを分離するための信号処理アルゴリズムとしては、チャネル相関行列の逆行列を利用するＺＦ（Zero-Forcing）あるいはＭＭＳＥ（MinimumMean Square Error）が知られている。また、チャネル相関行列の逆行列演算を行わない信号処理アルゴリズムとしては、ＭＬＤ（Maximum Likelihood Decoding）が知られている。

無線通信システムにおいて複数の送信／受信アンテナを使用する他の技術として、送信アレーアンテナを用いるビームフォーミングや、受信アレーアンテナを用いるアダプティブアレーアンテナが知られている。これらの技術を利用するシステムでは、ＭＩＭＯ伝送方式と異なり、アレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子は、アンテナ間の相関が高くなるように互いに近接して配置される。

図２は、アレーアンテナを用いて送信ビームフォーミングを行うシステムを示す図である。図２において、データストリームＳ₁ は、アンテナ数と同じ数だけコピーされ、アンテナ毎に異なるウエイトが乗算される。これにより、指向性を持った送信ビームが形成され、受信装置においては、指向性アンテナの利得に応じて受信品質が向上する。

ところで、次世代の移動通信システムでは、５GHzなどの比較的高いキャリア周波数が用いられる可能性があり、この場合、伝搬ロスが増大して伝送距離が短くなる。また、伝送レートの高速化あるいは広帯域化に伴い、送信信号の電力を大きくする必要がある。そこで、次世代の移動通信システムでは、大きなアンテナ利得が得られるアレーアンテナを使用することで、伝送距離を増大させるとともに、送信電力の増大を抑える技術が要求される。また、ＭＩＭＯ伝送方式は、送信アンテナの本数に比例して伝送速度が高くなり、周波数利用効率が大幅に向上するので、次世代の移動通信システムにおいて重要な技術と考えられる。

このように、ＭＩＭＯ伝送およびアレーアンテナは、いずれも次世代の移動通信システムにおいて重要な技術である。よって、同一の基地局システムにおいてこれらの技術を共存させれば、通信パフォーマンスの向上が期待される。しかし、ＭＩＭＯ伝送技術では、アンテナ間の相関が低いことが望ましい。このため、アンテナ間隔はキャリア波長の１０倍以上にすることが多い。一方、アレーアンテナは、アンテナ間の相関が高いことが望ましい。このため、例えば、一般的なセルラ移動通信の基地局においては、アレーアンテナのアンテナ間隔はキャリア波の半波長から１波長程度が適当である。したがって、同一の基地局システムにおいて装置の規模を大きくすることなくＭＩＭＯ伝送技術およびアレーアンテナ技術を共存させることは容易ではない。

特許文献１には、ＭＩＭＯ伝送およびアレーアンテナを共存させる技術が記載されている。図３は、特許文献１に記載のシステムを示す図である。図３に示すシステムの送信装置は、２セットのサブアレーアンテナを備える。ここで、各サブアレーアンテナは、それぞれ複数のアンテナ素子から構成されており、アンテナ素子ごとにそれぞれ適切なウエイトが設定される。これにより、各サブアレーアンテナは、それぞれ独立した送信ビームを形成する。そして、各サブアレーアンテナを介して異なるデータストリームを送信することにより、ＭＩＭＯ多重伝送が行われる。

ところが、各サブアレーアンテナから送信される指向性ビーム間の相関を小さくするためには、これらのサブアレーアンテナは、キャリア波の波長の１０倍以上の間隔を隔てて配置される。このため、アンテナを設置するためのスペースが大きくなってしまう。さらに、特許文献１に記載の送信装置では、「送信アンテナの本数」＝「各サブアレーアンテナを構成するアンテナ素子の数」×「サブアレーアンテナの数（ＭＩＭＯ多重数）」となるので、装置の規模が大きくなってしまう。

特許文献２には、データストリーム毎に異なるアレーウエイトを乗算してＭＩＭＯ伝送を行う技術が記載されている。ただし、特許文献２に記載のシステムでは、送信装置における送信アンテナウエイトおよび受信装置における受信アンテナウエイトの双方を用いることが必須要件となっている。また、送信アンテナウエイトは、チャネル行列Ｈおよび相関行列Ｒを利用して複数の固有ベクトルを計算することにより得られる。よって、ＭＩＭＯの信号分離方法が限定されるため、設計の自由度が低く、また、アンテナウエイトを得るためのアルゴリズムが複雑（すなわち、演算量が多い）になるものと思われる。
特開２００３−３３８７８１号公報（図１、明細書の段落００３８〜００４４） 特開２００４−７２５６６号公報（図１、２、５、明細書の段落００１０、００４６〜００４７）

本発明の目的は、通信装置の規模を大きくすることなく、通信品質の良好な高速データ伝送を実現することである。
本発明の通信装置は、無線通信システムにおいて使用され、複数のアンテナと、上記複数のアンテナに対して複数パターンの送信ウエイトセットを乗算することにより複数の送信ビームを形成する送信ビーム形成手段と、上記複数の送信ビームの中で相関が予め決められた相関閾値よりも低い２以上の送信ビームを利用して互いに異なるデータストリームを送信する送信手段、を有する。この発明によれば、上記複数のアンテナの間隔が狭い場合であっても、複数のデータストリームを並列に伝送する空間多重伝送を実現できる。すなわち、高速データ伝送が可能な通信装置の小型化が図れる。

上記送信手段は、上記複数の送信ビームの中で相関が予め決められた相関閾値よりも低く、且つ受信品質が予め決められた品質閾値よりも高い２以上の送信ビームを利用して互いに異なるデータストリームを送信するようにしてもよい。この構成を導入すれば、通信品質の向上が図れる。

また、上記送信手段は、２以上の送信ビームが選択されなかったときは、受信品質の最も良好な１つの送信ビームを利用してデータを送信するようにしてもよい。この構成を導入すれば、伝送路の状態に応じて、伝送速度を適応的に制御できる。

本発明の他の態様の通信装置は、互いに異なる複数のデータストリームを空間多重して伝送する無線通信システムにおいて使用され、複数のアンテナと、上記複数のアンテナに対して複数パターンの受信ウエイトセットを乗算することにより複数の受信ビームを形成する受信ビーム形成手段と、上記複数の受信ビームの中から相関が予め決められた相関閾値よりも低い２以上の受信ビームを選択する選択手段と、上記選択手段により選択された２以上の受信ビームを介して得られる受信信号を利用して上記複数のデータストリームを分離する分離手段、を有する。この発明によれば、複数の受信ビームの中からＭＩＭＯ信号分離に適したビームが選択されるので、通信品質が向上する。

一般的なＭＩＭＯシステムの構成を示す図である。 アレーアンテナを用いて送信ビームフォーミングを行うシステムを示す図である。 特許文献１に記載のシステムを示す図である。 本発明の概念を説明する図である。 乗算回路の実施例である。 指向性ビームを形成する方法を説明する図である。 第１の実施例の送信装置の構成を示す図である。 チャネルの多重化の一例を示す図である。 第１の実施例の受信装置の構成を示す図である。 第２の実施例の送信装置の構成を示す図である。 第２の実施例の受信装置の構成を示す図である。 第３の実施例の送信装置の構成を示す図である。 第４の実施例の受信装置の構成を示す図である。

図４は、本発明の概念を説明する図である。なお、無線通信システムを設計するうえでセル半径を大きくすると共に端末の送信電力を抑えることは非常に重要な要件である。よって、本発明に係る無線通信システムは、その要件を満たすために、少なくとも送信装置はアレーアンテナを実装するものとする。その上で、本発明に係る無線通信システムは、装置の規模を大きくすることなく（即ち、アンテナや送信機の数を増やすことなく）高速データ伝送が可能なＭＩＭＯ多重伝送を導入する。なお、以下の記載において「ＭＩＭＯ多重伝送」は、複数の送信アンテナおよび複数の受信アンテナを含むシステムに限定されるものではなく、互いに異なる複数のデータストリームを空間多重して伝送するシステムを広く含むものとする。

図４において、送信装置１は、例えば、基地局装置（ＢＳ）であり、受信装置２は、例えば、移動機（ＭＳ）である。ただし、本発明はこの構成に限定されるものではなく、移動機から基地局装置へデータを送信する場合にも適用される。また、図４に示す例では、送信装置１は、４本のアンテナ素子を有するアダプティブアレーアンテナを利用してＭ個の送信ビームを形成できるものとする。

送信装置１は、入力ポート１１（１１−１〜１１−Ｍ）、乗算回路１２（１２−１〜１２−Ｍ）、加算回路１３（１３−１〜１３−４）、送信機１４（１４−１〜１４−４）、およびアンテナ１５（１５−１〜１５−４）を備える。各入力ポート１１は、それぞれ、入力データストリームを対応する乗算回路１２の各乗算機に分配する。例えば、入力ポート１１−１は、入力データストリームを乗算回路１２−１の各乗算機に分配する。

乗算回路１２−１〜１２−Ｍは、図５に示すように、それぞれ４個の乗算機２１−１〜２１−４を有する。また、乗算回路１２−１〜１２−Ｍには、それぞれ対応するウェイトセット（または、ウェイトパターン）が与えられる。ここで、ウェイトセット１〜Ｍは、それぞれ４個のウェイトから構成される。例えば、乗算回路１２−１に与えられるウェイトセット１は、Ｗ11〜Ｗ14から構成され、乗算回路１２−Ｍに与えられるウェイトセットＭは、Ｗm1〜Ｗm4から構成される。そして、乗算機２１−１〜２１−４は、それぞれ入力信号にウェイトを乗算する。

各加算回路１３は、それぞれ対応する乗算機の出力を加算する。例えば、加算回路１３−１は、各乗算回路１２の乗算機２１−１の出力の和を算出し、加算回路１３−４は、各乗算回路１２の乗算機２１−４の出力の和を算出する。送信機１４−１〜１４−４は、それぞれ対応する加算回路１３−１〜１３−４の出力から送信信号を生成する。そして、アンテナ１５−１〜１５−４は、それぞれ対応する送信機１４−１〜１４−４により生成された信号を送信する。

送信装置１は、乗算回路１２−１〜１２−Ｍにそれぞれ異なるウェイトセット１〜Ｍを適切に設定することにより、Ｍ本の所望の送信ビームを形成できる。
各送信ビームは、以下のようにして形成される。例えば、図６に示すように、アンテナ１５−１〜１５−４が間隔ｄで配置されたリニアアレーアンテナにおいては、各アンテナに対応するウェイトｗ_n （ｎ＝１〜４）を乗算することにより、（１）式に示す指向性パターンが得られる。ここで、「ｙ（θ）」は指向性パターンを表す。ウェイトｗ_n は、（２）式で表される。ステアリングベクトルV_n （θ）は、（３）式で表される。「λ」はキャリア波の波長である。このように、各アンテナにウェイトｗ_n を乗算することにより、φ方向に最大の指向性を持った送信ビームを形成できる。すなわち、ウェイトｗ_n を適切に設定することにより、所望の方向に最大指向性を持った送信ビームを形成できる。

送信装置１は、図４に示すように、異なる方向（φ１、φ２、．．．、φＭ）に最大指向性を持ったＭ個の送信ビームを形成する。そして、送信装置１は、これらのＭ個の送信ビームの中から、相関が低くかつ受信品質の高いビームを複数選択し、それら複数の送信ビームを利用してＭＩＭＯ多重伝送を行う。図４に示す例では、送信ビーム２および送信ビーム３が選択されている。そして、これらの２つの送信ビームを利用して、２つのデータストリーム１、２が同時に送信されている。すなわち、データストリーム１は、送信ビーム２を利用して送信され、データストリーム２は、送信ビーム３を利用して送信されている。このとき、データストリーム１に対しては、乗算回路１２−２において、送信ビーム２を形成するためのアンテナウェイトが乗算され、同様に、データストリーム２に対しては、乗算回路１２−３において、送信ビーム３を形成するためのアンテナウェイトが乗算される。

なお、相関が低くかつ受信品質の高い送信ビームが３つ選択されたときは、その選択された３つの送信ビームを使って３多重のＭＩＭＯ伝送を行い、４つの送信ビームが選択されたときは、その選択された４つの送信ビームを使って４多重のＭＩＭＯ伝送を行う。また、相関の低い送信ビームの組合せが存在しなかった場合は、受信品質の最も高い送信ビームを使用して通常のビームフォーミング送信を行う。

送信装置１のアンテナの基本構成は、アレーアンテナと同じである。そして、相関が低く且つ受信品質の高いアンテナが複数存在した場合には、ＭＩＭＯ多重伝送を行う。これにより、周波数利用効率の良い高速データ通信が実現される。また、図３に示した従来の構成のようにアンテナ本数を増やすことなく、アレーアンテナとＭＩＭＯ多重伝送を共存させ、かつ伝搬路状態に応じて有効な伝送方式を切り換えることで、効率的な通信システムを実現できる。

図４において、相関が低くかつ受信品質が高い送信ビームを選択する際に、Ｍ個のビームは同時に送信される必要はなく、ある一定間隔で順番に切り替えながら送信することも可能である。例えば、送信側から決められたタイミングでビーム１からビームＭを順番に切り替えながら信号を送信すれば、受信側では、それぞれのタイミングでビーム１からビームＭの伝搬路特性（チャネル応答）を計算できる。このとき、伝搬路の状態変化がビームを切り替えるスピードよりも遅ければ、すべてのビームの伝搬路特性が求まった時点でアンテナ間の相関を計算することができる。このような方法を用いれば、送信ビームを細かい角度間隔でスイープすることにより、相関が低く且つ受信品質の良好な複数のビームをサーチすることができる。

上述のように、送信装置１は、１または複数の送信ビームを利用してデータストリームを送信する。このとき、複数の送信ビームを使用する場合には、ＭＩＭＯ多重伝送が行われる。そして、送信装置１は、最終的に決定された伝送方法（すなわち、ＭＩＭＯ多重数および選択された送信ビーム）を、データチャネルとは別の制御チャネルなどを利用して受信装置２に通知する。

受信装置２は、通知された伝送方法に応じて、ＭＩＭＯ信号分離等の復調処理を行う。ここで、ＭＩＭＯ信号分離は、例えば、ＺＦアルゴリズム、ＭＭＳＥアルゴリズム、ＭＬＤアルゴリズム等により行われる。以下、公知の技術ではあるが、ＺＦ、ＭＭＳＥ、ＭＬＤについて簡単に説明する。

送信データストリームをＭ次元の複素行列Ｓ、受信データストリームをＮ次元の複素行列Ｘで表すと、下記（４）および（５）式が得られる。

なお、「Ｈ」は、送信装置と受信装置との間の伝送路の状態を表すＮ×Ｍの複素チャネル行列である。また、「Ｖ」は、分散σ_v を持った平均値がゼロの複素白色雑音行列である。「＊」は、行列の複素共役転置を表す。「Ｉ」は、Ｎ次元の単位行列である。

そして、ＺＦアルゴリズムでは、受信装置は、下記（６）式により、受信データストリームＸから送信データストリームＳを推定する。ここで、「Ｈ^* Ｈ」は、チャネル相関行列である。ただし、チャネル相関行列の逆行列が存在するためには、「Ｎ≧Ｍ」を満たしている必要がある。

ＭＭＳＥアルゴリズムでは、受信装置は、下記の（７）〜（９）式により、受信データストリームＸから送信データストリームＳを推定する。ここで、「ρ」は、受信アンテナ１本当りのＳＮＲに相当する。

なお、ＭＭＥＳアルゴリズムは、ＳＮＲを精度よく推定する必要があるが、ＺＦアルゴリズムにおける雑音強調の影響を低減することができるため、一般に、ＺＦアルゴリズムよりも特性が優れている。

ＭＬＤアルゴリズムでは、受信装置は、下記の（１０）式により受信データストリームＸから送信データストリームＳを推定する。ここで、「Ｑ」は、変調データの信号点の数であり、ＱＰＳＫではＱ＝４、１６ＱＡＭではＱ＝１６、６４ＱＡＭではＱ＝６４である。「Ｓi 」は、送信データ変調する際に使用される各信号点を表すベクトルである。

ＭＬＤアルゴリズムでは、多値変調の演算量が膨大となり、かつ演算量は送信アンテナ数に対して指数関数的に増大する。しかし、ＭＬＤアルゴリズムでは、チャネル相関行列の逆行列演算を必要としないため、「Ｎ≧Ｍ」の関係を満たす必要はない。また、ＭＬＤアルゴリズムは、一般に、ＺＦまたはＭＭＳＥと比べて受信品質を向上させることができる。

次に、相関が低くかつ受信品質の高い複数の送信ビームを選択する方法について説明する。ここでは、受信装置においてビーム間の相関係数および受信品質を測定し、逆リンクの制御チャネルなどを用いて送信装置にフィードバックする方法について説明する。

この場合、送信装置は、送信ビーム毎に直交したパイロット信号を送信する。パイロット信号の直交は、例えば、直交コードを用いる方法、あるいは送信ビーム毎のパイロットの送信時間を互いにずらす方法により実現される。なお、直交コードを用いる場合は、複数シンボルのパイロット信号が使用され、各パイロットシンボルにそれぞれ直交コードが乗算される。これにより、受信装置は、各送信ビームのパイロット信号をそれぞれ抽出することができる。

受信装置は、上述のようにして抽出した各ビームのパイロット信号に基づいて伝搬路情報（チャネル情報）ｈを計算する。即ち、パイロット信号Ｓ_p がｋ番目の送信ビームを利用して送信されたとき、受信装置で検出されるパイロット信号ｘ_p は、下記の（１１）式で表される。
ｘ_p ＝ｈ_k ・Ｓ_p （１１）
このとき、パイロット信号Ｓ_p は予め分かっているので、受信装置においてパイロット信号ｘ_p を検出することにより、ｋ番目の送信ビームについての伝搬路情報ｈ_k を算出することができる。

また、受信装置において発生する雑音ｎを考慮して伝搬路情報ｈを算出する場合は、以下の手順に従う。ここでは、送信データを「ｓ」、受信信号を「ｘ」とする。この場合、受信信号ｘは、下記の（１２）式で表される。
ｘ＝ｈ・ｓ＋ｎ （１２）
そして、送信データｓが既知のパイロット信号であり、雑音ｎが推定可能であるものとすると、下記の（１３）式により伝搬路情報の推定値ｈ’を求めることができる。

さらに、ウェイトを用いて送信ビームを形成する場合を考える。以下では、ｉ番目の送信アンテナのウェイトを「ｗ_i 」、ｉ番目の送信アンテナと受信アンテナ（ここでは、受信アンテナは１本であるものとする。）との間の伝搬路情報を「ｈ_i 」とする。そうすると、受信信号ｘは、下記の（１４）式で表される。なお、「Ｎ」は、送信アンテナの本数である。また、「ｈ_BF」は、ビームフォーミング後の伝搬路情報であり、下記の（１５）式で表される。

このように、送信ビームを用いた場合の受信信号を表す（１４）式は、一般的な受信信号を表す（１２）式と同じ式である。よって、送信ビームを用いた場合の伝搬路情報も、（１３）式と同様の方法で推定することができる。

続いて、送信ビーム間の相関を計算する方法について説明する。以下では、時刻ｔにおけるｋ番目のビームの伝搬路推定値を「ｈ_k(t)」とする。また、Ｌ番目のビームの伝搬路情報を「ｈ_l(t)」とする。そうすると、ｋ番目のビームとＬ番目のビームとの間の相関係数ρ_(k,l) は、下記の（１６）式を用いて計算できる。

また、ｋ番目のビームの受信品質は、例えば、下記の（１７）または（１８）式で計算できる。（１７）式では、受信電力により受信品質が表されている。また、（１８）式では、受信ＳＩＲ（Signal to Interference Ratio ）により受信品質が表されている。なお、（１６）〜（１８）式において、「＜・＞」は、アンサンブル平均を意味する。また、（１８）式の分母の第２項は、「ｈ_k(t)」の短区間での平均値である。

本発明では、このようにして求めた、ビーム間の相関係数およびビーム毎の受信品質情報に基づいて、ＭＩＭＯ多重数および使用すべき送信ビームを決定する。例えば、相関係数の閾値を「０．５」、受信ＳＩＲの閾値を「１０ｄＢ」とした場合、まず、互いの相関係数ρが０．５以下となる送信ビームを選択し、その中からＳＩＲが１０ｄＢ以上であるビームを選択する。なお、送信ビームの選択は、ビーム間の相関係数および受信品質を測定した受信装置で行ってもよいし、ビーム間の相関係数および受信品質を送信装置にフィードバックした後に送信装置で行うようにしてもよい。

相関が低くかつ受信品質の高い複数の送信ビームを選択する他の方法としては、送信装置においてビーム間の相関係数および通信品質を測定する方法がある。この場合、受信装置から送信装置に送られる逆リンクの伝搬路を利用する。例えば、セルラ移動通信システムにおいては、本発明を適用する送信装置を基地局、受信装置を移動局とした場合に、移動局から基地局への伝搬路を利用する。ここで、基地局は、送信ビームとほぼ同じ指向性を持った受信ビームを形成できるものと仮定する。実際には、基地局が備える送信機および受信機のＲＦ伝送特性や、送信と受信のキャリア周波数が互いに異なるため、あらかじめ装置内部の伝送系のキャリブレーションを行っておく必要がある。仮に、キャリブレーションが正確に行われていると仮定すると、基地局の受信ビーム間の相関係数および受信ビーム毎の通信品質を測定することで、送信ビーム間の相関係数および通信品質を推定することが可能になる。

ここで、時刻ｔにおける、ｋ番目のビームの受信信号を「ｒ_k(t)」とする。また、Ｌ番目の受信ビームの受信信号を「ｒ_l(t)」とする。そうすると、ｋ番目の送信ビームとＬ番目の送信ビームとの相関係数の推定値は、下記の（１９）式を用いて計算できる。

また、ｋ番目の送信ビームの推定受信品質は、下記の（２０）または（２１）式を利用して計算できる。（２０）式は、受信電力により通信品質を表しており、（２１）は、受信ＳＩＲにより通信品質を表している。なお、「＜・＞」は、アンサンブル平均を意味している。また、（２１）式の分母の第２項は、「ｒ_k(t)」の短区間での平均値である。

なお、（１９）〜（２１）式で用いる受信信号「ｒ_k(t)」は、例えば、下記の（２２）式で表される。なお、（２２）式において、「Ｍ」は、基地局（当該送信装置）の受信アンテナの本数である。「ｓ」は、移動機の送信パイロット信号である。「ｗi 」は、基地局のｉ番目の受信アンテナのウェイトである。「ｈi 」は、移動機の送信アンテナ（１本とする）と基地局のｉ番目の受信アンテナとの間のチャネル情報である。「ｎi 」は、各アンテナの受信機で発生する熱雑音である。

そして、送信装置は、送信ビームおよび受信ビームの指向性が互いに同じであるものとして、移動機からのパイロット信号を利用して送信ビーム間の相関係数および各送信ビームの品質を推定する。送信ビーム間の相関係数およびビーム毎の品質に基づいて使用すべき１または複数の送信ビームを選択する方法は、基本的に、上述した通りである。

相関係数が低いビームが複数本存在するか否かは、送信装置と受信装置との間の伝搬路に依存している。本発明をセルラ移動通信に適用する場合は、伝搬路の条件から、基地局が送信局として適している。なぜならば、図４に示すように、移動局における電波の到来方向は、一般に全方位となる場合が多いのに対して、基地局では、アンテナ高が高いために、電波はほぼ一定の方角から到来するからである。一般に、セルラ基地局における電波の角度広がりは、５〜１０度と言われている。このような伝搬路の性質から、本発明が有効となる伝搬路の状態としては、以下の２つのケースが考えられる。１つは、比較的強い電波の反射（散乱）体が、基地局から見て互いに離れた角度に存在している場合である。このような場合は、それぞれの電波の反射（散乱）体の方向に向けたビームが選択される。２つめのケースは、基地局の角度広がりがビームの幅に対して十分に広い場合である。この場合、ビーム毎に異なる素波が合成され受信されるため、ビーム間の相関が低くなり、隣り合った複数のビームが選択される。

本発明は、送信装置に適用されるだけでなく、受信装置におけるＭＩＭＯ信号分離にも同様に適用することができる。すなわち、（１９）〜（２１）式で説明した方法を利用して、相関が低くかつ通信品質が高い複数の受信ビームを選択し、選択した複数の受信ビームの信号を用いてＭＩＭＯ信号分離を行うことができる。この場合、ＭＩＭＯ信号分離のためのアルゴリズムは、上述したＺＦ、ＭＭＳＥ、ＭＬＤなど任意のアルゴリズムを使用することができる。ただし、ＭＩＭＯ信号分離において本発明が特に有効となるのは、アレーアンテナの本数Ｎより処理できる受信ブランチの数Ｋが少ない場合（すなわち、Ｎ≧Ｋ）である。例えば、ＭＩＭＯ信号分離を行う演算回路が最大Ｋブランチまでの受信信号を処理できると仮定した場合に、アレーアンテナの本数Ｎがブランチ数Ｋより大きい場合には、相関が低くかつ受信品質が高いＫ本のビームを選択することにより、ＭＩＭＯ信号分離を最も効率よく行うことができる。

次に、本発明の具体的な実施形態について説明する。
＜実施例１＞
図７は、第１の実施例の送信装置の構成を示す図である。なお、送信装置の基本構成は図４を参照しながら説明した通りであり、入力ポート１１−１〜１１−Ｍ、乗算回路１２−１〜１２−Ｍ、加算回路１３−１〜１３−４、送信機１４−１〜１４−４、およびアンテナ１５−１〜１５−４を備える。すなわち、この送信装置は、４本のアンテナ素子を利用してＭ個の送信ビームを形成することができる。なお、アンテナ１５−１〜１５−４は、特に限定されるものではないが、例えば、キャリア波の波長の半分からキャリア波の波長程度の間隔で配置される。

制御チャネル復号部３１は、受信装置（例えば、移動機）からの逆リンクの制御チャネルを復号する。ここで、この制御チャネルは、後で詳しく説明するが、使用すべき送信ビームの数を指示する選択ビーム数情報、および使用すべき送信ビームを識別するビーム番号情報を含んでいる。なお、「使用すべき送信ビームの数」は、ＭＩＭＯ多重数に相当する。

指示部３２は、「選択ビーム数Ｋ」をシリアル／パラレル変換部３３に通知し、「ビーム番号」をポート割当て部３４に通知する。
シリアル／パラレル変換部３３は、「選択ビーム数Ｋ」に従って送信データＳをシリアル／パラレル変換する。すなわち、シリアル形式の送信データからＫ個の送信データストリームＳ₁ 〜Ｓ_K を生成する。なお、「選択ビーム数Ｋ＝１」のときは、シリアル／パラレル変換は実行されない。

ポート割当て部３４は、送信データストリームＳ₁ 〜Ｓ_K を「ポート番号」により指示された入力ポート１１−１〜１１−Ｍに導く。また、ポート割当て部３４は、ＭＩＭＯ多重数および自分が実際に使用している入力ポートを識別する情報（すなわち、ポート番号）を、制御チャネルを利用して受信装置に通知する機能を有する。

パイロット信号生成部３５は、互いに直交するパイロット信号Ｐ₁ 〜Ｐ_M を生成し、対応する入力ポート１１−１〜１１−Ｍに与える。すなわち、パイロット信号は、すべての送信ビーム１〜Ｍに多重化される。なお、各パイロット信号Ｐ₁ 〜Ｐ_M のシンボル値および送信電力は、受信装置により認識されているものとする。

パイロット信号を伝送するためのパイロットチャネルＰ、制御データを伝送するための制御チャネルＣ、およびデータストリームを伝送するためのデータチャネルは、例えば、図８に示すように、時間分割多重される。あるいは、これらのチャネルは、他の方式（例えば、周波数多重、コード多重など）多重化されてもよい。

上記構成の送信装置において、例えば、「選択ビーム数Ｋ＝２」および「ポート番号＝２、３」が通知されたものとする。この場合、シリアル／パラレル変換部３３は、送信データストリームＳから送信データストリームＳ1 、Ｓ2 を生成する。また、ポート割当て部３４は、送信データストリームＳ1 を入力ポート１１−２に導き、送信データストリームＳ2 を入力ポート１１−３に導く。そうすると、送信データストリームＳ1 は、乗算回路１２−２においてウェイトセット２が乗算されるので、送信ビーム２により送信される。また、送信データストリームＳ2 は、乗算回路１２−３においてウェイトセット３が乗算されるので、送信ビーム３により送信される。なお、パイロット信号Ｐ₁ 〜Ｐ_M は、それぞれ、対応する送信ビーム１〜Ｍを利用して送信される。

図９は、第１の実施例の受信装置の構成を示す図である。なお、この受信装置は、図７に示す送信装置から送信された信号を、１本の受信アンテナを利用して受信するものとする。

チャネル推定部４１−１〜４１−Ｍは、それぞれ、対応する送信ビーム１〜Ｍに多重化されているパイロット信号Ｐ₁ 〜Ｐ_M を復調し、チャネル情報ｈを計算する。たとえば、チャネル推定部４１−１は、送信ビーム１に多重化されているパイロット信号Ｐ1 を復調し、チャネル情報ｈ₁ を計算する。また、チャネル推定部４１−Ｍは、送信ビームＭに多重化されているパイロット信号Ｐ_M を復調し、チャネル情報ｈ_M を計算する。なお、チャネル情報ｈの計算は、（１１）〜（１５）式を参照しながら説明した通りである。

相関・品質計算部４２は、チャネル推定部４１−１〜４１−Ｍにより得られたチャネル情報ｈ₁ 〜ｈ_M に基づいて、各送信ビームの組合せついて相関係数を計算する。ここで、任意の２つの送信ビーム間の相関係数は、上述した（１６）式により計算される。また、相関・品質計算部４２は、各相信ビームについて受信品質を計算する。ここで、送信ビーム毎の受信品質は、上述した（１７）または（１８）式により計算される。

ビーム選択部４３は、相関・品質計算部４２による計算結果に基づいて、送信ビーム１〜Ｍの中から相関係数が予め決められた閾値よりも低い複数の送信ビームを選択する。さらに、ビーム選択部４３は、相関係数が閾値よりも低い複数の送信ビームの中から、受信品質が予め決められた閾値よりも高い送信ビームを選択する。なお、相関係数が閾値よりも低い送信ビームが存在しないときは、ビーム選択部４３は、最も良好な受信品質が得られる送信ビームを選択する。

制御チャネル生成部４４は、ビーム選択部４３により選択された送信ビームの数（選択ビーム数情報）および選択した送信ビームのビーム番号（ビーム番号情報）を、逆リンクの制御チャネルを介して図７に示す送信装置へ通知する。これにより、相関係数が閾値よりも低くかつ受信品質が閾値よりも高い送信ビームが選択されて図７に示す送信装置に通知される。ただし、受信品質をモニタすることなく、相関係数のみに基づいて選択した送信ビームを通知するようにしてもよい。

制御チャネル復号部４５は、制御チャネルを復号することにより、図７に示す送信装置における送信方法（ＭＩＭＯ多重数、ビーム番号など）を検出する。ＭＩＭＯ信号分離部４６は、制御チャネル復号部４５により検出された送信方法に従って、受信信号に対してＭＩＭＯ分離処理を実行する。なお、ＭＩＭＯ信号分離部４６は、ビーム選択部４３により得られる情報に従ってＭＩＭＯ信号分離処理を行ってもよい。そして、データ復号部４７は、ＭＩＭＯ信号分離部４６により分離された信号から送信データストリームＳを再生する。

ＭＩＭＯ信号処理について説明する。ここでは、ＭＩＭＯ多重数が「２」であり、図７に示す送信装置から送信ビーム２、３を利用してデータストリームＳ1 、Ｓ2 が送信されたものとする。また、変調方式は、ＱＰＳＫであるものとする。そして、各データシンボルは、（＋１、＋１）（−１、＋１）（−１、−１）（＋１、−１）のいずれか１つの信号点に配置されて送信されるものとする。さらに、ＭＬＤアルゴリズムに従ってＭＩＭＯ信号分離を行うものとする。

この場合、上述した（１０）式に従って、受信信号ＸからデータストリームＳ1 、Ｓ2 を推定する。このとき、送信ビーム１〜Ｍに対応するＭ個のチャネル情報ｈ₁ 〜ｈ_M の中で、送信ビーム２に対応するチャネル情報ｈ₂ および送信ビーム３に対応するチャネル情報ｈ₃ のみが使用される。具体的には、下記のユークリッド距離Ｄ1 〜Ｄ16を計算する。
Ｄ1 ＝｜ｘ−ｈ₂ ・Ｓ₊₁,₊₁ −ｈ₃ ・Ｓ₊₁,₊₁ ｜
Ｄ2 ＝｜ｘ−ｈ₂ ・Ｓ₊₁,₊₁ −ｈ₃ ・Ｓ_-1,₊₁ ｜
Ｄ3 ＝｜ｘ−ｈ₂ ・Ｓ₊₁,₊₁ −ｈ₃ ・Ｓ_-1,_-1 ｜
Ｄ4 ＝｜ｘ−ｈ₂ ・Ｓ₊₁,₊₁ −ｈ₃ ・Ｓ₊₁,_-1 ｜
Ｄ5 ＝｜ｘ−ｈ₂ ・Ｓ_-1,₊₁ −ｈ₃ ・Ｓ₊₁,₊₁ ｜
Ｄ6 ＝｜ｘ−ｈ₂ ・Ｓ_-1,₊₁ −ｈ₃ ・Ｓ_-1,₊₁ ｜
Ｄ7 ＝｜ｘ−ｈ₂ ・Ｓ_-1,₊₁ −ｈ₃ ・Ｓ_-1,_-1 ｜
Ｄ8 ＝｜ｘ−ｈ₂ ・Ｓ_-1,₊₁ −ｈ₃ ・Ｓ₊₁,_-1 ｜
Ｄ9 ＝｜ｘ−ｈ₂ ・Ｓ_-1,_-1 −ｈ₃ ・Ｓ₊₁,₊₁ ｜
Ｄ10＝｜ｘ−ｈ₂ ・Ｓ_-1,_-1 −ｈ₃ ・Ｓ_-1,₊₁ ｜
Ｄ11＝｜ｘ−ｈ₂ ・Ｓ_-1,_-1 −ｈ₃ ・Ｓ_-1,_-1 ｜
Ｄ12＝｜ｘ−ｈ₂ ・Ｓ_-1,_-1 −ｈ₃ ・Ｓ₊₁,_-1 ｜
Ｄ13＝｜ｘ−ｈ₂ ・Ｓ₊₁,_-1 −ｈ₃ ・Ｓ₊₁,₊₁ ｜
Ｄ14＝｜ｘ−ｈ₂ ・Ｓ₊₁,_-1 −ｈ₃ ・Ｓ_-1,₊₁ ｜
Ｄ15＝｜ｘ−ｈ₂ ・Ｓ₊₁,_-1 −ｈ₃ ・Ｓ_-1,_-1 ｜
Ｄ16＝｜ｘ−ｈ₂ ・Ｓ₊₁,_-1 −ｈ₃ ・Ｓ₊₁,_-1 ｜
Ｄ1 〜Ｄ16の中で最小値を求める。そうすると、その最小値が得られるＳ2 、Ｓ3 の組合せが、最も確からしい送信データシンボルと推定される。たとえば、Ｄ1 〜Ｄ16の中でＤ1 が最小であったものとすると、送信シンボルの推定値として「Ｓ2 ＝（＋１、＋１）」「Ｓ3 ＝（＋１、＋１）」が得られる。

なお、図９に示す例では、受信装置は、１本の受信アンテナのみで信号を受信する構成であるが、複数の受信アンテナを備える構成であってもよい。この場合、各受信アンテナを介して受信した信号が、制御チャネル復号部４５、ＭＩＭＯ信号分離部４６、チャネル推定部４１−１〜４１−Ｍに分配される。複数の受信アンテナを利用して、それぞれのアンテナで求めたユークリッド距離を合成して処理すれば、ダイバーシチ利得により受信品質が向上する。

このように、第１の実施例においては、受信装置において相関が低く且つ受信品質の良好な複数の送信ビームが選択されて送信装置に通知される。そして、送信装置は、その通知された送信ビームを利用してデータストリームを送信する。このとき、複数の送信ビームが選択されたときは、ＭＩＭＯ多重伝送が行われる。また、複数の送信ビームが選択されなかったときは、最も良好な受信品質が得られる１つの送信ビームを利用してデータ送信が行われる。
＜実施例２＞
第２の実施例における通信システムでは、受信装置において測定されたビーム間の相関係数およびビーム毎の受信品質情報が、逆リンクを利用してそのまま送信装置にフィードバックされる。そして、送信装置において、予め設定された閾値と比較することにより、選択ビーム数（ＭＩＭＯ多重数）およびビーム番号が決定される。

このため、第２の実施例の送信装置は、図１０に示すように、各送信ビーム間の相関係数および送信ビーム毎の受信品質に基づいて、ＭＩＭＯ多重数およびビーム番号を決定するビーム選択部３６を備える。なお、ビーム選択部３６の機能は、基本的に、図９に示したビーム選択部４３と同じである。また、第２の実施例の受信装置は、図１１に示すように、ビーム選択部４３を備えていない。

セルラ移動通信では、送信装置が基地局であることが想定されるため、相関係数および通信品質の情報に基づくＭＩＭＯ多重数の決定を基地局で行うことにより、通信システム全体の伝送効率を最適化することが可能になる。
＜実施例３＞
図１２は、第３の実施例の送信装置の構成を示す図である。第３の実施例の送信装置は、送信ビームと同じ指向性の受信ビームを形成することで、送信ビームの間の相関係数および送信ビーム毎の品質を推定する。なお、アンテナ１５−１〜１５−４から構成されるアレーアンテナは、送信および受信のために共用される。

乗算回路５２−１〜５２−Ｍは、それぞれ、対応する受信機５１−１〜５１−Ｍを介して受信した信号に対して対応するウェイトセット１〜Ｍを乗算する。ここで、このウェイトセット１〜Ｍは、送信ビーム１〜Ｍと同じ指向性を持った受信ビーム１〜Ｍが形成されるように予め適切にキャリブレーションされているものとする。なお、乗算回路５２−１〜５２−Ｍの構成は、基本的に、乗算回路１２−１〜１２−Ｍと同じである。

相関・品質計算部５４は、出力ポート５３−１〜５３−Ｍを介して受け取る信号ｒ₁ 〜ｒ_M に基づいて、送信ビーム間の相関および各相信ビームの品質を推定する。ここで、信号ｒ₁ 〜ｒ_M は、上述した（２２）に従って計算するようにしてもよい。そして、送信ビーム間の相関係数の推定値は、（１９）式を利用して計算される。また、各相信ビームの品質の推定値は、（２０）または（２１）式を利用して計算される。

ビーム選択部３６は、図１０を参照しながら説明した通り、選択ビーム数（ＭＩＭＯ多重数）および使用すべき送信ビームを選択する。そして、送信装置は、選択し送信ビームを利用してデータストリームを送信する。

第３の実施例においては、送信装置は、送信ビームと同じ指向性を持った受信ビームを利用することにより使用すべき１または複数の送信ビームを選択できる。このとき、受信装置は、送信ビーム間の相関等を測定する必要はない。
＜実施例４＞
図１３は、第４の実施例の受信装置の構成を示す図である。第４の実施例では、本発明が受信装置におけるＭＩＭＯ信号分離に適用されている。

第４の実施例の受信装置は、受信アレーアンテナを用いてマルチビーム（受信ビーム１〜Ｍ）を形成する。受信ビーム１〜Ｍは、乗算回路６１−１〜６１−Ｍにおいて受信信号に対してウェイトセット１〜Ｍを乗算することにより実現される。この結果、受信ポート６２−１〜６２−Ｍは、それぞれ、対応する受信ビーム１〜Ｍを利用して受信した信号を出力する。

相関・品質計算部６３は、受信ビーム間の相関係数および受信ビーム毎の品質を計算する。なお、チャネル情報ｈは、送信装置から送信されるパイロット信号を利用して予め求められているものとする。そして、受信ビーム間の相関係数は、上述した（１６）式により計算される。また、受信ビーム毎の品質は、（１７）または（１８）式により計算される。

ビーム選択部６４は、相関・品質計算部６３により得られた計算結果をそれぞれ対応する閾値と比較することにより、ブランチ数およびポート番号を求める。なお、ビーム選択部６４の動作は、図９に示したビーム選択部４３と同じである。また「ブランチ数」は、選択ビーム数に相当する。但し、「ブランチ数」には、ＭＩＭＯ信号分離を行う演算回路が処理できるブランチ数より小さい値が選択される。

ポート選択部６５は、出力ポート６２−１〜６２−Ｍの中からビーム選択部６４が指示するポートを選択する。これにより、相関が低くかつ受信品質の良好な受信ビームを介して受信した信号のみがＭＩＭＯ信号分離部６６に送られる。ＭＩＭＯ信号分離部６６は、ビーム選択部６４から通知されるブランチ数に従って、ＭＩＭＯ信号分離処理を行う。なお、ＭＩＭＯ信号分離処理自体は、既存のアルゴリズム（例えば、上述したＺＦ、ＭＭＳＥ、ＭＬＤなど）に従う。

このように第４の実施例では、複数の受信ビームの中から、ＭＩＭＯ信号分離回路がサポートするブランチ数のビームが適切に選択されるので、通信品質を最大限に向上させることができる。

第１〜第４の実施例を含む本発明によれば、下記の効果が得られる。
（１）アレーアンテナを実装した送信装置において、アンテナ本数や送信機などの構成を変更することなく、ＭＩＭＯ多重伝送を実現することができる。このため、アレーアンテナによる伝送およびＭＩＭＯ多重伝送を同一の送信装置内に共存させることができる。

（２）送信装置のアンテナ数を増やす必要がないので、ＭＩＭＯ多重伝送およびアレーアンテナが共存するシステムを低コストで実現できる。
（３）アレーアンテナを利用してカバレッジの増大および端末の消費電力の低減を図りながら、所定の条件を満たすユーザに対しては、ＭＩＭＯ多重伝送による高速レート伝送を提供することができる。

（４）伝搬路の状態に応じて、アレーアンテナ送信およびＭＩＭＯ多重伝送を適応的に切り換えながらデータ送信が行われるので、システムの伝送効率が向上する。
（５）本発明を受信処理に適用した場合、実装されているＭＩＭＯ信号分離回路が処理できるブランチ数の範囲内で、好適な受信ビームが選択されるので、ＭＩＭＯ信号分離回路を変更することなく、アレーアンテナの本数に応じて、受信特性を最適化することができる。

本発明は、無線通信システムおよび無線通信システムにおいて使用される通信装置に係わり、特に、無線通信システムにおいて多入力多出力（ＭＩＭＯ：Multi-Input Multi-Output）伝送方式でデータ伝送を行う送信装置および受信装置に係わる。

近年、無線通信システムにおいて、複数の送信アンテナから異なるデータストリームを並列に送信することにより、送信アンテナ数に比例して伝送容量を増大させる空間多重伝送技術が注目されてきている。この場合、複数の送信アンテナは、互いに無相関になるように離れた位置に配置され、各アンテナから送信されるデータストリームは、それぞれ独立したフェージング伝搬路を介して伝送されて受信アンテナにより受信される。さらに、互いに無相関になるように配置された複数の受信アンテナを利用してＭＩＭＯシステムを構成すれば、自由度の高いチャネル相関行列を生成でき、空間多重された複数のデータストリームを分離する際のＳＮＲ（Signal to Noise Ratio）を向上させることができる。

図１は、一般的なＭＩＭＯシステムの構成を示す図である。図１に示すＭＩＭＯシステムにおいて、送信装置はＭ本の送信アンテナを有し、受信装置はＮ本の受信アンテナを有している。

送信装置は、Ｍ個のデータストリームＳ₁ 〜Ｓ_M について、それぞれ、データ変調、サンプリング、Ｄ／Ａ変換、直交変調、周波数アップコンバート、帯域制限フィルタリング等を行い、それらのデータストリームを対応する送信アンテナを介して送信する。各アンテナから送信された信号は、互いに独立したフェージングチャネルｈ_mnを通り、空間で多重された後、受信アンテナにより受信される。なお、「ｈ_ij」は、ｉ番目の送信アンテナからｊ番目の受信アンテナへのチャネルの特性を表す。

受信装置は、受信した信号について、それぞれ、フィルタリング、周波数ダウンコンバート、直交検波、Ａ／Ｄ変換を行うことにより、Ｎ個の受信データストリームｘ₁〜ｘ_N を生成する。各受信データストリームは、それぞれ、Ｍ個の送信データが多重されているので、すべての受信データストリームに対して信号処理を行うことにより、送信データストリームＳ₁〜Ｓ_M が分離／再生される。なお、受信装置において送信データストリームを分離するための信号処理アルゴリズムとしては、チャネル相関行列の逆行列を利用するＺＦ（Zero-Forcing）あるいはＭＭＳＥ（MinimumMean Square Error）が知られている。また、チャネル相関行列の逆行列演算を行わない信号処理アルゴリズムとしては、ＭＬＤ（Maximum Likelihood Decoding）が知られている。

無線通信システムにおいて複数の送信／受信アンテナを使用する他の技術として、送信アレーアンテナを用いるビームフォーミングや、受信アレーアンテナを用いるアダプティブアレーアンテナが知られている。これらの技術を利用するシステムでは、ＭＩＭＯ伝送方式と異なり、アレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子は、アンテナ間の相関が高くなるように互いに近接して配置される。

図２は、アレーアンテナを用いて送信ビームフォーミングを行うシステムを示す図である。図２において、データストリームＳ₁ は、アンテナ数と同じ数だけコピーされ、アンテナ毎に異なるウエイトが乗算される。これにより、指向性を持った送信ビームが形成され、受信装置においては、指向性アンテナの利得に応じて受信品質が向上する。

ところで、次世代の移動通信システムでは、５GHzなどの比較的高いキャリア周波数が
用いられる可能性があり、この場合、伝搬ロスが増大して伝送距離が短くなる。また、伝送レートの高速化あるいは広帯域化に伴い、送信信号の電力を大きくする必要がある。そこで、次世代の移動通信システムでは、大きなアンテナ利得が得られるアレーアンテナを使用することで、伝送距離を増大させるとともに、送信電力の増大を抑える技術が要求される。また、ＭＩＭＯ伝送方式は、送信アンテナの本数に比例して伝送速度が高くなり、周波数利用効率が大幅に向上するので、次世代の移動通信システムにおいて重要な技術と考えられる。

このように、ＭＩＭＯ伝送およびアレーアンテナは、いずれも次世代の移動通信システムにおいて重要な技術である。よって、同一の基地局システムにおいてこれらの技術を共存させれば、通信パフォーマンスの向上が期待される。しかし、ＭＩＭＯ伝送技術では、アンテナ間の相関が低いことが望ましい。このため、アンテナ間隔はキャリア波長の１０倍以上にすることが多い。一方、アレーアンテナは、アンテナ間の相関が高いことが望ましい。このため、例えば、一般的なセルラ移動通信の基地局においては、アレーアンテナのアンテナ間隔はキャリア波の半波長から１波長程度が適当である。したがって、同一の基地局システムにおいて装置の規模を大きくすることなくＭＩＭＯ伝送技術およびアレーアンテナ技術を共存させることは容易ではない。

特許文献１には、ＭＩＭＯ伝送およびアレーアンテナを共存させる技術が記載されている。図３は、特許文献１に記載のシステムを示す図である。図３に示すシステムの送信装置は、２セットのサブアレーアンテナを備える。ここで、各サブアレーアンテナは、それぞれ複数のアンテナ素子から構成されており、アンテナ素子ごとにそれぞれ適切なウエイトが設定される。これにより、各サブアレーアンテナは、それぞれ独立した送信ビームを形成する。そして、各サブアレーアンテナを介して異なるデータストリームを送信することにより、ＭＩＭＯ多重伝送が行われる。

ところが、各サブアレーアンテナから送信される指向性ビーム間の相関を小さくするためには、これらのサブアレーアンテナは、キャリア波の波長の１０倍以上の間隔を隔てて配置される。このため、アンテナを設置するためのスペースが大きくなってしまう。さらに、特許文献１に記載の送信装置では、「送信アンテナの本数」＝「各サブアレーアンテナを構成するアンテナ素子の数」×「サブアレーアンテナの数（ＭＩＭＯ多重数）」となるので、装置の規模が大きくなってしまう。

特許文献２には、データストリーム毎に異なるアレーウエイトを乗算してＭＩＭＯ伝送を行う技術が記載されている。ただし、特許文献２に記載のシステムでは、送信装置における送信アンテナウエイトおよび受信装置における受信アンテナウエイトの双方を用いることが必須要件となっている。また、送信アンテナウエイトは、チャネル行列Ｈおよび相関行列Ｒを利用して複数の固有ベクトルを計算することにより得られる。よって、ＭＩＭＯの信号分離方法が限定されるため、設計の自由度が低く、また、アンテナウエイトを得るためのアルゴリズムが複雑（すなわち、演算量が多い）になるものと思われる。
特開２００３−３３８７８１号公報（図１、明細書の段落００３８〜００４４） 特開２００４−７２５６６号公報（図１、２、５、明細書の段落００１０、００４６〜００４７）

本発明の目的は、通信装置の規模を大きくすることなく、通信品質の良好な高速データ伝送を実現することである。
本発明の通信装置は、無線通信システムにおいて使用され、複数のアンテナと、上記複数のアンテナに対して複数パターンの送信ウエイトセットを乗算することにより複数の送信ビームを形成する送信ビーム形成手段と、上記複数の送信ビームの中で相関が予め決められた相関閾値よりも低い２以上の送信ビームを利用して互いに異なるデータストリームを送信する送信手段、を有する。この発明によれば、上記複数のアンテナの間隔が狭い場合であっても、複数のデータストリームを並列に伝送する空間多重伝送を実現できる。すなわち、高速データ伝送が可能な通信装置の小型化が図れる。

上記送信手段は、上記複数の送信ビームの中で相関が予め決められた相関閾値よりも低く、且つ受信品質が予め決められた品質閾値よりも高い２以上の送信ビームを利用して互いに異なるデータストリームを送信するようにしてもよい。この構成を導入すれば、通信品質の向上が図れる。

また、上記送信手段は、２以上の送信ビームが選択されなかったときは、受信品質の最も良好な１つの送信ビームを利用してデータを送信するようにしてもよい。この構成を導入すれば、伝送路の状態に応じて、伝送速度を適応的に制御できる。

本発明の他の態様の通信装置は、互いに異なる複数のデータストリームを空間多重して伝送する無線通信システムにおいて使用され、複数のアンテナと、上記複数のアンテナに対して複数パターンの受信ウエイトセットを乗算することにより複数の受信ビームを形成する受信ビーム形成手段と、上記複数の受信ビームの中から相関が予め決められた相関閾値よりも低い２以上の受信ビームを選択する選択手段と、上記選択手段により選択された２以上の受信ビームを介して得られる受信信号を利用して上記複数のデータストリームを分離する分離手段、を有する。この発明によれば、複数の受信ビームの中からＭＩＭＯ信号分離に適したビームが選択されるので、通信品質が向上する。

図４は、本発明の概念を説明する図である。なお、無線通信システムを設計するうえでセル半径を大きくすると共に端末の送信電力を抑えることは非常に重要な要件である。よって、本発明に係る無線通信システムは、その要件を満たすために、少なくとも送信装置はアレーアンテナを実装するものとする。その上で、本発明に係る無線通信システムは、装置の規模を大きくすることなく（即ち、アンテナや送信機の数を増やすことなく）高速データ伝送が可能なＭＩＭＯ多重伝送を導入する。なお、以下の記載において「ＭＩＭＯ多重伝送」は、複数の送信アンテナおよび複数の受信アンテナを含むシステムに限定されるものではなく、互いに異なる複数のデータストリームを空間多重して伝送するシステムを広く含むものとする。

図４において、送信装置１は、例えば、基地局装置（ＢＳ）であり、受信装置２は、例えば、移動機（ＭＳ）である。ただし、本発明はこの構成に限定されるものではなく、移動機から基地局装置へデータを送信する場合にも適用される。また、図４に示す例では、送信装置１は、４本のアンテナ素子を有するアダプティブアレーアンテナを利用してＭ個の送信ビームを形成できるものとする。

送信装置１は、入力ポート１１（１１−１〜１１−Ｍ）、乗算回路１２（１２−１〜１２−Ｍ）、加算回路１３（１３−１〜１３−４）、送信機１４（１４−１〜１４−４）、およびアンテナ１５（１５−１〜１５−４）を備える。各入力ポート１１は、それぞれ、入力データストリームを対応する乗算回路１２の各乗算機に分配する。例えば、入力ポート１１−１は、入力データストリームを乗算回路１２−１の各乗算機に分配する。

乗算回路１２−１〜１２−Ｍは、図５に示すように、それぞれ４個の乗算機２１−１〜２１−４を有する。また、乗算回路１２−１〜１２−Ｍには、それぞれ対応するウェイトセット（または、ウェイトパターン）が与えられる。ここで、ウェイトセット１〜Ｍは、それぞれ４個のウェイトから構成される。例えば、乗算回路１２−１に与えられるウェイトセット１は、Ｗ11〜Ｗ14から構成され、乗算回路１２−Ｍに与えられるウェイトセットＭは、Ｗm1〜Ｗm4から構成される。そして、乗算機２１−１〜２１−４は、それぞれ入力信号にウェイトを乗算する。

各加算回路１３は、それぞれ対応する乗算機の出力を加算する。例えば、加算回路１３−１は、各乗算回路１２の乗算機２１−１の出力の和を算出し、加算回路１３−４は、各乗算回路１２の乗算機２１−４の出力の和を算出する。送信機１４−１〜１４−４は、それぞれ対応する加算回路１３−１〜１３−４の出力から送信信号を生成する。そして、アンテナ１５−１〜１５−４は、それぞれ対応する送信機１４−１〜１４−４により生成された信号を送信する。

送信装置１は、乗算回路１２−１〜１２−Ｍにそれぞれ異なるウェイトセット１〜Ｍを適切に設定することにより、Ｍ本の所望の送信ビームを形成できる。
各送信ビームは、以下のようにして形成される。例えば、図６に示すように、アンテナ１５−１〜１５−４が間隔ｄで配置されたリニアアレーアンテナにおいては、各アンテナに対応するウェイトｗ_n（ｎ＝１〜４）を乗算することにより、（１）式に示す指向性パターンが得られる。ここで、「ｙ（θ）」は指向性パターンを表す。ウェイトｗ_n は、（２）式で表される。ステアリングベクトルV_n（θ）は、（３）式で表される。「λ」は
キャリア波の波長である。このように、各アンテナにウェイトｗ_n を乗算することにより、φ方向に最大の指向性を持った送信ビームを形成できる。すなわち、ウェイトｗ_nを適切に設定することにより、所望の方向に最大指向性を持った送信ビームを形成できる。

送信装置１は、図４に示すように、異なる方向（φ１、φ２、．．．、φＭ）に最大指向性を持ったＭ個の送信ビームを形成する。そして、送信装置１は、これらのＭ個の送信ビームの中から、相関が低くかつ受信品質の高いビームを複数選択し、それら複数の送信ビームを利用してＭＩＭＯ多重伝送を行う。図４に示す例では、送信ビーム２および送信ビーム３が選択されている。そして、これらの２つの送信ビームを利用して、２つのデータストリーム１、２が同時に送信されている。すなわち、データストリーム１は、送信ビーム２を利用して送信され、データストリーム２は、送信ビーム３を利用して送信されている。このとき、データストリーム１に対しては、乗算回路１２−２において、送信ビーム２を形成するためのアンテナウェイトが乗算され、同様に、データストリーム２に対しては、乗算回路１２−３において、送信ビーム３を形成するためのアンテナウェイトが乗算される。

なお、相関が低くかつ受信品質の高い送信ビームが３つ選択されたときは、その選択された３つの送信ビームを使って３多重のＭＩＭＯ伝送を行い、４つの送信ビームが選択されたときは、その選択された４つの送信ビームを使って４多重のＭＩＭＯ伝送を行う。また、相関の低い送信ビームの組合せが存在しなかった場合は、受信品質の最も高い送信ビームを使用して通常のビームフォーミング送信を行う。

送信装置１のアンテナの基本構成は、アレーアンテナと同じである。そして、相関が低く且つ受信品質の高いアンテナが複数存在した場合には、ＭＩＭＯ多重伝送を行う。これにより、周波数利用効率の良い高速データ通信が実現される。また、図３に示した従来の構成のようにアンテナ本数を増やすことなく、アレーアンテナとＭＩＭＯ多重伝送を共存させ、かつ伝搬路状態に応じて有効な伝送方式を切り換えることで、効率的な通信システムを実現できる。

図４において、相関が低くかつ受信品質が高い送信ビームを選択する際に、Ｍ個のビームは同時に送信される必要はなく、ある一定間隔で順番に切り替えながら送信することも可能である。例えば、送信側から決められたタイミングでビーム１からビームＭを順番に切り替えながら信号を送信すれば、受信側では、それぞれのタイミングでビーム１からビームＭの伝搬路特性（チャネル応答）を計算できる。このとき、伝搬路の状態変化がビームを切り替えるスピードよりも遅ければ、すべてのビームの伝搬路特性が求まった時点でアンテナ間の相関を計算することができる。このような方法を用いれば、送信ビームを細かい角度間隔でスイープすることにより、相関が低く且つ受信品質の良好な複数のビームをサーチすることができる。

上述のように、送信装置１は、１または複数の送信ビームを利用してデータストリームを送信する。このとき、複数の送信ビームを使用する場合には、ＭＩＭＯ多重伝送が行われる。そして、送信装置１は、最終的に決定された伝送方法（すなわち、ＭＩＭＯ多重数および選択された送信ビーム）を、データチャネルとは別の制御チャネルなどを利用して受信装置２に通知する。

受信装置２は、通知された伝送方法に応じて、ＭＩＭＯ信号分離等の復調処理を行う。ここで、ＭＩＭＯ信号分離は、例えば、ＺＦアルゴリズム、ＭＭＳＥアルゴリズム、ＭＬＤアルゴリズム等により行われる。以下、公知の技術ではあるが、ＺＦ、ＭＭＳＥ、ＭＬＤについて簡単に説明する。

送信データストリームをＭ次元の複素行列Ｓ、受信データストリームをＮ次元の複素行列Ｘで表すと、下記（４）および（５）式が得られる。

なお、「Ｈ」は、送信装置と受信装置との間の伝送路の状態を表すＮ×Ｍの複素チャネル行列である。また、「Ｖ」は、分散σ_v を持った平均値がゼロの複素白色雑音行列である。「＊」は、行列の複素共役転置を表す。「Ｉ」は、Ｎ次元の単位行列である。

そして、ＺＦアルゴリズムでは、受信装置は、下記（６）式により、受信データストリームＸから送信データストリームＳを推定する。ここで、「Ｈ^*Ｈ」は、チャネル相関行列である。ただし、チャネル相関行列の逆行列が存在するためには、「Ｎ≧Ｍ」を満たしている必要がある。

ＭＭＳＥアルゴリズムでは、受信装置は、下記の（７）〜（９）式により、受信データストリームＸから送信データストリームＳを推定する。ここで、「ρ」は、受信アンテナ１本当りのＳＮＲに相当する。

なお、ＭＭＥＳアルゴリズムは、ＳＮＲを精度よく推定する必要があるが、ＺＦアルゴリズムにおける雑音強調の影響を低減することができるため、一般に、ＺＦアルゴリズムよりも特性が優れている。

ＭＬＤアルゴリズムでは、受信装置は、下記の（１０）式により受信データストリームＸから送信データストリームＳを推定する。ここで、「Ｑ」は、変調データの信号点の数であり、ＱＰＳＫではＱ＝４、１６ＱＡＭではＱ＝１６、６４ＱＡＭではＱ＝６４である。「Ｓi 」は、送信データ変調する際に使用される各信号点を表すベクトルである。

ＭＬＤアルゴリズムでは、多値変調の演算量が膨大となり、かつ演算量は送信アンテナ数に対して指数関数的に増大する。しかし、ＭＬＤアルゴリズムでは、チャネル相関行列の逆行列演算を必要としないため、「Ｎ≧Ｍ」の関係を満たす必要はない。また、ＭＬＤアルゴリズムは、一般に、ＺＦまたはＭＭＳＥと比べて受信品質を向上させることができる。

次に、相関が低くかつ受信品質の高い複数の送信ビームを選択する方法について説明する。ここでは、受信装置においてビーム間の相関係数および受信品質を測定し、逆リンクの制御チャネルなどを用いて送信装置にフィードバックする方法について説明する。

この場合、送信装置は、送信ビーム毎に直交したパイロット信号を送信する。パイロット信号の直交は、例えば、直交コードを用いる方法、あるいは送信ビーム毎のパイロットの送信時間を互いにずらす方法により実現される。なお、直交コードを用いる場合は、複数シンボルのパイロット信号が使用され、各パイロットシンボルにそれぞれ直交コードが乗算される。これにより、受信装置は、各送信ビームのパイロット信号をそれぞれ抽出することができる。

受信装置は、上述のようにして抽出した各ビームのパイロット信号に基づいて伝搬路情報（チャネル情報）ｈを計算する。即ち、パイロット信号Ｓ_pがｋ番目の送信ビームを利用して送信されたとき、受信装置で検出されるパイロット信号ｘ_p は、下記の（１１）式で表される。
ｘ_p ＝ｈ_k ・Ｓ_p （１１）
このとき、パイロット信号Ｓ_p は予め分かっているので、受信装置においてパイロット信号ｘ_p を検出することにより、ｋ番目の送信ビームについての伝搬路情報ｈ_kを算出することができる。

また、受信装置において発生する雑音ｎを考慮して伝搬路情報ｈを算出する場合は、以下の手順に従う。ここでは、送信データを「ｓ」、受信信号を「ｘ」とする。この場合、受信信号ｘは、下記の（１２）式で表される。
ｘ＝ｈ・ｓ＋ｎ （１２）
そして、送信データｓが既知のパイロット信号であり、雑音ｎが推定可能であるものとすると、下記の（１３）式により伝搬路情報の推定値ｈ’を求めることができる。

さらに、ウェイトを用いて送信ビームを形成する場合を考える。以下では、ｉ番目の送信アンテナのウェイトを「ｗ_i 」、ｉ番目の送信アンテナと受信アンテナ（ここでは、受信アンテナは１本であるものとする。）との間の伝搬路情報を「ｈ_i」とする。そうすると、受信信号ｘは、下記の（１４）式で表される。なお、「Ｎ」は、送信アンテナの本数である。また、「ｈ_BF」は、ビームフォーミング後の伝搬路情報であり、下記の（１５）式で表される。

このように、送信ビームを用いた場合の受信信号を表す（１４）式は、一般的な受信信号を表す（１２）式と同じ式である。よって、送信ビームを用いた場合の伝搬路情報も、（１３）式と同様の方法で推定することができる。

続いて、送信ビーム間の相関を計算する方法について説明する。以下では、時刻ｔにおけるｋ番目のビームの伝搬路推定値を「ｈ_k(t)」とする。また、Ｌ番目のビームの伝搬路情報を「ｈ_l(t)」とする。そうすると、ｋ番目のビームとＬ番目のビームとの間の相関係数ρ_(k,l)は、下記の（１６）式を用いて計算できる。

また、ｋ番目のビームの受信品質は、例えば、下記の（１７）または（１８）式で計算できる。（１７）式では、受信電力により受信品質が表されている。また、（１８）式では、受信ＳＩＲ（Signal to Interference Ratio ）により受信品質が表されている。な
お、（１６）〜（１８）式において、「＜・＞」は、アンサンブル平均を意味する。また、（１８）式の分母の第２項は、「ｈ_k(t)」の短区間での平均値である。

本発明では、このようにして求めた、ビーム間の相関係数およびビーム毎の受信品質情報に基づいて、ＭＩＭＯ多重数および使用すべき送信ビームを決定する。例えば、相関係数の閾値を「０．５」、受信ＳＩＲの閾値を「１０ｄＢ」とした場合、まず、互いの相関係数ρが０．５以下となる送信ビームを選択し、その中からＳＩＲが１０ｄＢ以上であるビームを選択する。なお、送信ビームの選択は、ビーム間の相関係数および受信品質を測定した受信装置で行ってもよいし、ビーム間の相関係数および受信品質を送信装置にフィードバックした後に送信装置で行うようにしてもよい。

相関が低くかつ受信品質の高い複数の送信ビームを選択する他の方法としては、送信装置においてビーム間の相関係数および通信品質を測定する方法がある。この場合、受信装置から送信装置に送られる逆リンクの伝搬路を利用する。例えば、セルラ移動通信システムにおいては、本発明を適用する送信装置を基地局、受信装置を移動局とした場合に、移動局から基地局への伝搬路を利用する。ここで、基地局は、送信ビームとほぼ同じ指向性を持った受信ビームを形成できるものと仮定する。実際には、基地局が備える送信機および受信機のＲＦ伝送特性や、送信と受信のキャリア周波数が互いに異なるため、あらかじめ装置内部の伝送系のキャリブレーションを行っておく必要がある。仮に、キャリブレーションが正確に行われていると仮定すると、基地局の受信ビーム間の相関係数および受信ビーム毎の通信品質を測定することで、送信ビーム間の相関係数および通信品質を推定することが可能になる。

ここで、時刻ｔにおける、ｋ番目のビームの受信信号を「ｒ_k(t)」とする。また、Ｌ番目の受信ビームの受信信号を「ｒ_l(t)」とする。そうすると、ｋ番目の送信ビームとＬ番目の送信ビームとの相関係数の推定値は、下記の（１９）式を用いて計算できる。

また、ｋ番目の送信ビームの推定受信品質は、下記の（２０）または（２１）式を利用して計算できる。（２０）式は、受信電力により通信品質を表しており、（２１）は、受信ＳＩＲにより通信品質を表している。なお、「＜・＞」は、アンサンブル平均を意味している。また、（２１）式の分母の第２項は、「ｒ_k(t)」の短区間での平均値である。

なお、（１９）〜（２１）式で用いる受信信号「ｒ_k(t)」は、例えば、下記の（２２）式で表される。なお、（２２）式において、「Ｍ」は、基地局（当該送信装置）の受信アンテナの本数である。「ｓ」は、移動機の送信パイロット信号である。「ｗi 」は、基地局のｉ番目の受信アンテナのウェイトである。「ｈi 」は、移動機の送信アンテナ（１本とする）と基地局のｉ番目の受信アンテナとの間のチャネル情報である。「ｎi 」は、各アンテナの受信機で発生する熱雑音である。

そして、送信装置は、送信ビームおよび受信ビームの指向性が互いに同じであるものとして、移動機からのパイロット信号を利用して送信ビーム間の相関係数および各送信ビームの品質を推定する。送信ビーム間の相関係数およびビーム毎の品質に基づいて使用すべき１または複数の送信ビームを選択する方法は、基本的に、上述した通りである。

相関係数が低いビームが複数本存在するか否かは、送信装置と受信装置との間の伝搬路に依存している。本発明をセルラ移動通信に適用する場合は、伝搬路の条件から、基地局が送信局として適している。なぜならば、図４に示すように、移動局における電波の到来方向は、一般に全方位となる場合が多いのに対して、基地局では、アンテナ高が高いために、電波はほぼ一定の方角から到来するからである。一般に、セルラ基地局における電波の角度広がりは、５〜１０度と言われている。このような伝搬路の性質から、本発明が有効となる伝搬路の状態としては、以下の２つのケースが考えられる。１つは、比較的強い電波の反射（散乱）体が、基地局から見て互いに離れた角度に存在している場合である。このような場合は、それぞれの電波の反射（散乱）体の方向に向けたビームが選択される。２つめのケースは、基地局の角度広がりがビームの幅に対して十分に広い場合である。この場合、ビーム毎に異なる素波が合成され受信されるため、ビーム間の相関が低くなり、隣り合った複数のビームが選択される。

本発明は、送信装置に適用されるだけでなく、受信装置におけるＭＩＭＯ信号分離にも同様に適用することができる。すなわち、（１９）〜（２１）式で説明した方法を利用して、相関が低くかつ通信品質が高い複数の受信ビームを選択し、選択した複数の受信ビームの信号を用いてＭＩＭＯ信号分離を行うことができる。この場合、ＭＩＭＯ信号分離のためのアルゴリズムは、上述したＺＦ、ＭＭＳＥ、ＭＬＤなど任意のアルゴリズムを使用することができる。ただし、ＭＩＭＯ信号分離において本発明が特に有効となるのは、アレーアンテナの本数Ｎより処理できる受信ブランチの数Ｋが少ない場合（すなわち、Ｎ≧Ｋ）である。例えば、ＭＩＭＯ信号分離を行う演算回路が最大Ｋブランチまでの受信信号を処理できると仮定した場合に、アレーアンテナの本数Ｎがブランチ数Ｋより大きい場合には、相関が低くかつ受信品質が高いＫ本のビームを選択することにより、ＭＩＭＯ信号分離を最も効率よく行うことができる。

次に、本発明の具体的な実施形態について説明する。
＜実施例１＞
図７は、第１の実施例の送信装置の構成を示す図である。なお、送信装置の基本構成は図４を参照しながら説明した通りであり、入力ポート１１−１〜１１−Ｍ、乗算回路１２−１〜１２−Ｍ、加算回路１３−１〜１３−４、送信機１４−１〜１４−４、およびアンテナ１５−１〜１５−４を備える。すなわち、この送信装置は、４本のアンテナ素子を利用してＭ個の送信ビームを形成することができる。なお、アンテナ１５−１〜１５−４は、特に限定されるものではないが、例えば、キャリア波の波長の半分からキャリア波の波長程度の間隔で配置される。

制御チャネル復号部３１は、受信装置（例えば、移動機）からの逆リンクの制御チャネルを復号する。ここで、この制御チャネルは、後で詳しく説明するが、使用すべき送信ビームの数を指示する選択ビーム数情報、および使用すべき送信ビームを識別するビーム番号情報を含んでいる。なお、「使用すべき送信ビームの数」は、ＭＩＭＯ多重数に相当する。

指示部３２は、「選択ビーム数Ｋ」をシリアル／パラレル変換部３３に通知し、「ビーム番号」をポート割当て部３４に通知する。
シリアル／パラレル変換部３３は、「選択ビーム数Ｋ」に従って送信データＳをシリアル／パラレル変換する。すなわち、シリアル形式の送信データからＫ個の送信データストリームＳ₁〜Ｓ_K を生成する。なお、「選択ビーム数Ｋ＝１」のときは、シリアル／パラレル変換は実行されない。

ポート割当て部３４は、送信データストリームＳ₁ 〜Ｓ_K を「ポート番号」により指示された入力ポート１１−１〜１１−Ｍに導く。また、ポート割当て部３４は、ＭＩＭＯ多重数および自分が実際に使用している入力ポートを識別する情報（すなわち、ポート番号）を、制御チャネルを利用して受信装置に通知する機能を有する。

パイロット信号生成部３５は、互いに直交するパイロット信号Ｐ₁ 〜Ｐ_M を生成し、対応する入力ポート１１−１〜１１−Ｍに与える。すなわち、パイロット信号は、すべての送信ビーム１〜Ｍに多重化される。なお、各パイロット信号Ｐ₁〜Ｐ_M のシンボル値および送信電力は、受信装置により認識されているものとする。

パイロット信号を伝送するためのパイロットチャネルＰ、制御データを伝送するための制御チャネルＣ、およびデータストリームを伝送するためのデータチャネルは、例えば、図８に示すように、時間分割多重される。あるいは、これらのチャネルは、他の方式（例えば、周波数多重、コード多重など）多重化されてもよい。

上記構成の送信装置において、例えば、「選択ビーム数Ｋ＝２」および「ポート番号＝２、３」が通知されたものとする。この場合、シリアル／パラレル変換部３３は、送信データストリームＳから送信データストリームＳ1 、Ｓ2 を生成する。また、ポート割当て部３４は、送信データストリームＳ1 を入力ポート１１−２に導き、送信データストリームＳ2 を入力ポート１１−３に導く。そうすると、送信データストリームＳ1 は、乗算回路１２−２においてウェイトセット２が乗算されるので、送信ビーム２により送信される。また、送信データストリームＳ2 は、乗算回路１２−３においてウェイトセット３が乗算されるので、送信ビーム３により送信される。なお、パイロット信号Ｐ₁〜Ｐ_M は、それぞれ、対応する送信ビーム１〜Ｍを利用して送信される。

図９は、第１の実施例の受信装置の構成を示す図である。なお、この受信装置は、図７に示す送信装置から送信された信号を、１本の受信アンテナを利用して受信するものとする。

チャネル推定部４１−１〜４１−Ｍは、それぞれ、対応する送信ビーム１〜Ｍに多重化されているパイロット信号Ｐ₁ 〜Ｐ_Mを復調し、チャネル情報ｈを計算する。たとえば、チャネル推定部４１−１は、送信ビーム１に多重化されているパイロット信号Ｐ1 を復調し、チャネル情報ｈ₁を計算する。また、チャネル推定部４１−Ｍは、送信ビームＭに多重化されているパイロット信号Ｐ_M を復調し、チャネル情報ｈ_Mを計算する。なお、チャネル情報ｈの計算は、（１１）〜（１５）式を参照しながら説明した通りである。

相関・品質計算部４２は、チャネル推定部４１−１〜４１−Ｍにより得られたチャネル情報ｈ₁ 〜ｈ_M に基づいて、各送信ビームの組合せついて相関係数を計算する。ここで、任意の２つの送信ビーム間の相関係数は、上述した（１６）式により計算される。また、相関・品質計算部４２は、各相信ビームについて受信品質を計算する。ここで、送信ビーム毎の受信品質は、上述した（１７）または（１８）式により計算される。

ビーム選択部４３は、相関・品質計算部４２による計算結果に基づいて、送信ビーム１〜Ｍの中から相関係数が予め決められた閾値よりも低い複数の送信ビームを選択する。さらに、ビーム選択部４３は、相関係数が閾値よりも低い複数の送信ビームの中から、受信品質が予め決められた閾値よりも高い送信ビームを選択する。なお、相関係数が閾値よりも低い送信ビームが存在しないときは、ビーム選択部４３は、最も良好な受信品質が得られる送信ビームを選択する。

制御チャネル生成部４４は、ビーム選択部４３により選択された送信ビームの数（選択ビーム数情報）および選択した送信ビームのビーム番号（ビーム番号情報）を、逆リンクの制御チャネルを介して図７に示す送信装置へ通知する。これにより、相関係数が閾値よりも低くかつ受信品質が閾値よりも高い送信ビームが選択されて図７に示す送信装置に通知される。ただし、受信品質をモニタすることなく、相関係数のみに基づいて選択した送信ビームを通知するようにしてもよい。

制御チャネル復号部４５は、制御チャネルを復号することにより、図７に示す送信装置における送信方法（ＭＩＭＯ多重数、ビーム番号など）を検出する。ＭＩＭＯ信号分離部４６は、制御チャネル復号部４５により検出された送信方法に従って、受信信号に対してＭＩＭＯ分離処理を実行する。なお、ＭＩＭＯ信号分離部４６は、ビーム選択部４３により得られる情報に従ってＭＩＭＯ信号分離処理を行ってもよい。そして、データ復号部４７は、ＭＩＭＯ信号分離部４６により分離された信号から送信データストリームＳを再生する。

ＭＩＭＯ信号処理について説明する。ここでは、ＭＩＭＯ多重数が「２」であり、図７に示す送信装置から送信ビーム２、３を利用してデータストリームＳ1 、Ｓ2 が送信されたものとする。また、変調方式は、ＱＰＳＫであるものとする。そして、各データシンボルは、（＋１、＋１）（−１、＋１）（−１、−１）（＋１、−１）のいずれか１つの信号点に配置されて送信されるものとする。さらに、ＭＬＤアルゴリズムに従ってＭＩＭＯ信号分離を行うものとする。

この場合、上述した（１０）式に従って、受信信号ＸからデータストリームＳ1 、Ｓ2 を推定する。このとき、送信ビーム１〜Ｍに対応するＭ個のチャネル情報ｈ₁〜ｈ_M の中で、送信ビーム２に対応するチャネル情報ｈ₂ および送信ビーム３に対応するチャネル情報ｈ₃のみが使用される。具体的には、下記のユークリッド距離Ｄ1 〜Ｄ16を計算する。Ｄ1 ＝｜ｘ−ｈ₂ ・Ｓ₊₁,₊₁−ｈ₃ ・Ｓ₊₁,₊₁ ｜
Ｄ2 ＝｜ｘ−ｈ₂ ・Ｓ₊₁,₊₁ −ｈ₃ ・Ｓ_-1,₊₁｜
Ｄ3 ＝｜ｘ−ｈ₂ ・Ｓ₊₁,₊₁ −ｈ₃ ・Ｓ_-1,_-1｜
Ｄ4 ＝｜ｘ−ｈ₂ ・Ｓ₊₁,₊₁ −ｈ₃ ・Ｓ₊₁,_-1｜
Ｄ5 ＝｜ｘ−ｈ₂ ・Ｓ_-1,₊₁ −ｈ₃ ・Ｓ₊₁,₊₁｜
Ｄ6 ＝｜ｘ−ｈ₂ ・Ｓ_-1,₊₁ −ｈ₃ ・Ｓ_-1,₊₁｜
Ｄ7 ＝｜ｘ−ｈ₂ ・Ｓ_-1,₊₁ −ｈ₃ ・Ｓ_-1,_-1｜
Ｄ8 ＝｜ｘ−ｈ₂ ・Ｓ_-1,₊₁ −ｈ₃ ・Ｓ₊₁,_-1｜
Ｄ9 ＝｜ｘ−ｈ₂ ・Ｓ_-1,_-1 −ｈ₃ ・Ｓ₊₁,₊₁｜
Ｄ10＝｜ｘ−ｈ₂ ・Ｓ_-1,_-1 −ｈ₃ ・Ｓ_-1,₊₁｜
Ｄ11＝｜ｘ−ｈ₂ ・Ｓ_-1,_-1 −ｈ₃ ・Ｓ_-1,_-1｜
Ｄ12＝｜ｘ−ｈ₂ ・Ｓ_-1,_-1 −ｈ₃ ・Ｓ₊₁,_-1｜
Ｄ13＝｜ｘ−ｈ₂ ・Ｓ₊₁,_-1 −ｈ₃ ・Ｓ₊₁,₊₁｜
Ｄ14＝｜ｘ−ｈ₂ ・Ｓ₊₁,_-1 −ｈ₃ ・Ｓ_-1,₊₁｜
Ｄ15＝｜ｘ−ｈ₂ ・Ｓ₊₁,_-1 −ｈ₃ ・Ｓ_-1,_-1｜
Ｄ16＝｜ｘ−ｈ₂ ・Ｓ₊₁,_-1 −ｈ₃ ・Ｓ₊₁,_-1｜
Ｄ1 〜Ｄ16の中で最小値を求める。そうすると、その最小値が得られるＳ2 、Ｓ3 の組合せが、最も確からしい送信データシンボルと推定される。たとえば、Ｄ1 〜Ｄ16の中でＤ1 が最小であったものとすると、送信シンボルの推定値として「Ｓ2 ＝（＋１、＋１）」「Ｓ3 ＝（＋１、＋１）」が得られる。

なお、図９に示す例では、受信装置は、１本の受信アンテナのみで信号を受信する構成であるが、複数の受信アンテナを備える構成であってもよい。この場合、各受信アンテナを介して受信した信号が、制御チャネル復号部４５、ＭＩＭＯ信号分離部４６、チャネル推定部４１−１〜４１−Ｍに分配される。複数の受信アンテナを利用して、それぞれのアンテナで求めたユークリッド距離を合成して処理すれば、ダイバーシチ利得により受信品質が向上する。

このように、第１の実施例においては、受信装置において相関が低く且つ受信品質の良好な複数の送信ビームが選択されて送信装置に通知される。そして、送信装置は、その通知された送信ビームを利用してデータストリームを送信する。このとき、複数の送信ビームが選択されたときは、ＭＩＭＯ多重伝送が行われる。また、複数の送信ビームが選択されなかったときは、最も良好な受信品質が得られる１つの送信ビームを利用してデータ送信が行われる。
＜実施例２＞
第２の実施例における通信システムでは、受信装置において測定されたビーム間の相関係数およびビーム毎の受信品質情報が、逆リンクを利用してそのまま送信装置にフィードバックされる。そして、送信装置において、予め設定された閾値と比較することにより、選択ビーム数（ＭＩＭＯ多重数）およびビーム番号が決定される。

このため、第２の実施例の送信装置は、図１０に示すように、各送信ビーム間の相関係数および送信ビーム毎の受信品質に基づいて、ＭＩＭＯ多重数およびビーム番号を決定するビーム選択部３６を備える。なお、ビーム選択部３６の機能は、基本的に、図９に示したビーム選択部４３と同じである。また、第２の実施例の受信装置は、図１１に示すように、ビーム選択部４３を備えていない。

セルラ移動通信では、送信装置が基地局であることが想定されるため、相関係数および通信品質の情報に基づくＭＩＭＯ多重数の決定を基地局で行うことにより、通信システム全体の伝送効率を最適化することが可能になる。
＜実施例３＞
図１２は、第３の実施例の送信装置の構成を示す図である。第３の実施例の送信装置は、送信ビームと同じ指向性の受信ビームを形成することで、送信ビームの間の相関係数および送信ビーム毎の品質を推定する。なお、アンテナ１５−１〜１５−４から構成されるアレーアンテナは、送信および受信のために共用される。

乗算回路５２−１〜５２−Ｍは、それぞれ、対応する受信機５１−１〜５１−Ｍを介して受信した信号に対して対応するウェイトセット１〜Ｍを乗算する。ここで、このウェイトセット１〜Ｍは、送信ビーム１〜Ｍと同じ指向性を持った受信ビーム１〜Ｍが形成されるように予め適切にキャリブレーションされているものとする。なお、乗算回路５２−１〜５２−Ｍの構成は、基本的に、乗算回路１２−１〜１２−Ｍと同じである。

相関・品質計算部５４は、出力ポート５３−１〜５３−Ｍを介して受け取る信号ｒ₁ 〜ｒ_M に基づいて、送信ビーム間の相関および各相信ビームの品質を推定する。ここで、信号ｒ₁〜ｒ_M は、上述した（２２）に従って計算するようにしてもよい。そして、送信ビーム間の相関係数の推定値は、（１９）式を利用して計算される。また、各相信ビームの品質の推定値は、（２０）または（２１）式を利用して計算される。

ビーム選択部３６は、図１０を参照しながら説明した通り、選択ビーム数（ＭＩＭＯ多重数）および使用すべき送信ビームを選択する。そして、送信装置は、選択し送信ビームを利用してデータストリームを送信する。

第３の実施例においては、送信装置は、送信ビームと同じ指向性を持った受信ビームを利用することにより使用すべき１または複数の送信ビームを選択できる。このとき、受信装置は、送信ビーム間の相関等を測定する必要はない。
＜実施例４＞
図１３は、第４の実施例の受信装置の構成を示す図である。第４の実施例では、本発明が受信装置におけるＭＩＭＯ信号分離に適用されている。

第４の実施例の受信装置は、受信アレーアンテナを用いてマルチビーム（受信ビーム１〜Ｍ）を形成する。受信ビーム１〜Ｍは、乗算回路６１−１〜６１−Ｍにおいて受信信号に対してウェイトセット１〜Ｍを乗算することにより実現される。この結果、受信ポート６２−１〜６２−Ｍは、それぞれ、対応する受信ビーム１〜Ｍを利用して受信した信号を出力する。

相関・品質計算部６３は、受信ビーム間の相関係数および受信ビーム毎の品質を計算する。なお、チャネル情報ｈは、送信装置から送信されるパイロット信号を利用して予め求められているものとする。そして、受信ビーム間の相関係数は、上述した（１６）式により計算される。また、受信ビーム毎の品質は、（１７）または（１８）式により計算される。

ビーム選択部６４は、相関・品質計算部６３により得られた計算結果をそれぞれ対応する閾値と比較することにより、ブランチ数およびポート番号を求める。なお、ビーム選択部６４の動作は、図９に示したビーム選択部４３と同じである。また「ブランチ数」は、選択ビーム数に相当する。但し、「ブランチ数」には、ＭＩＭＯ信号分離を行う演算回路が処理できるブランチ数より小さい値が選択される。

ポート選択部６５は、出力ポート６２−１〜６２−Ｍの中からビーム選択部６４が指示するポートを選択する。これにより、相関が低くかつ受信品質の良好な受信ビームを介して受信した信号のみがＭＩＭＯ信号分離部６６に送られる。ＭＩＭＯ信号分離部６６は、ビーム選択部６４から通知されるブランチ数に従って、ＭＩＭＯ信号分離処理を行う。なお、ＭＩＭＯ信号分離処理自体は、既存のアルゴリズム（例えば、上述したＺＦ、ＭＭＳＥ、ＭＬＤなど）に従う。

このように第４の実施例では、複数の受信ビームの中から、ＭＩＭＯ信号分離回路がサポートするブランチ数のビームが適切に選択されるので、通信品質を最大限に向上させることができる。

第１〜第４の実施例を含む本発明によれば、下記の効果が得られる。
（１）アレーアンテナを実装した送信装置において、アンテナ本数や送信機などの構成を変更することなく、ＭＩＭＯ多重伝送を実現することができる。このため、アレーアンテナによる伝送およびＭＩＭＯ多重伝送を同一の送信装置内に共存させることができる。

（２）送信装置のアンテナ数を増やす必要がないので、ＭＩＭＯ多重伝送およびアレーアンテナが共存するシステムを低コストで実現できる。
（３）アレーアンテナを利用してカバレッジの増大および端末の消費電力の低減を図りながら、所定の条件を満たすユーザに対しては、ＭＩＭＯ多重伝送による高速レート伝送を提供することができる。

（４）伝搬路の状態に応じて、アレーアンテナ送信およびＭＩＭＯ多重伝送を適応的に切り換えながらデータ送信が行われるので、システムの伝送効率が向上する。
（５）本発明を受信処理に適用した場合、実装されているＭＩＭＯ信号分離回路が処理できるブランチ数の範囲内で、好適な受信ビームが選択されるので、ＭＩＭＯ信号分離回路を変更することなく、アレーアンテナの本数に応じて、受信特性を最適化することができる。

一般的なＭＩＭＯシステムの構成を示す図である。 アレーアンテナを用いて送信ビームフォーミングを行うシステムを示す図である。 特許文献１に記載のシステムを示す図である。 本発明の概念を説明する図である。 乗算回路の実施例である。 指向性ビームを形成する方法を説明する図である。 第１の実施例の送信装置の構成を示す図である。 チャネルの多重化の一例を示す図である。 第１の実施例の受信装置の構成を示す図である。 第２の実施例の送信装置の構成を示す図である。 第２の実施例の受信装置の構成を示す図である。 第３の実施例の送信装置の構成を示す図である。 第４の実施例の受信装置の構成を示す図である。

Claims (16)

1. 無線通信システムにおいて使用される通信装置であって、
   複数のアンテナと、
   上記複数のアンテナに対して複数パターンの送信ウエイトセットを乗算することにより複数の送信ビームを形成する送信ビーム形成手段と、
   上記複数の送信ビームの中で相関が予め決められた相関閾値よりも低い２以上の送信ビームを利用して互いに異なるデータストリームを送信する送信手段、
   を有する通信装置。
2. 請求項１に記載の通信装置であって、
   上記送信手段は、上記複数の送信ビームの中で相関が予め決められた相関閾値よりも低く、且つ受信品質が予め決められた品質閾値よりも高い２以上の送信ビームを利用して互いに異なるデータストリームを送信する。
3. 請求項１または２に記載の通信装置であって、
   上記送信手段は、２以上の送信ビームが選択されなかったときは、受信品質の最も良好な１つの送信ビームを利用してデータを送信する。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の通信装置であって、
   上記送信ビーム形成手段により形成される複数の送信ビームと同じアンテナ指向性を有する複数の受信ビームを形成する受信ビーム形成手段と、
   上記複数の受信ビームを利用して受信する信号に基づいて上記複数の送信ビーム間の相関および各送信ビームについての受信品質を推定し、その推定結果に基づいて２以上の送信ビームを選択する選択手段、をさらに有する。
5. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の通信装置から送信される信号を受信する受信装置であって、
   上記複数の送信ビームを利用してそれぞれ送信されたパイロット信号を受信することにより、上記複数の送信ビーム間の相関および各送信ビームについての受信品質を測定する測定手段と、
   上記測定手段による測定結果を上記通信装置に送信する送信手段、
   を有する受信装置。
6. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の通信装置から送信される信号を受信する受信装置であって、
   上記複数の送信ビームを利用してそれぞれ送信されたパイロット信号を受信することにより、上記複数の送信ビーム間の相関および各送信ビームについての受信品質を測定する測定手段と、
   上記測定手段による測定結果に基づいて上記通信装置が使用すべき送信ビームを選択する選択手段と、
   上記選択手段により選択された送信ビームを上記通信装置に通知する通知手段、
   を有する受信装置。
7. 複数のアンテナを備える送信装置から受信装置へデータを送信する無線通信システムであって、
   上記送信装置に設けられ、上記複数のアンテナに対して複数パターンの送信ウエイトセットを乗算することにより複数の送信ビームを形成する送信ビーム形成手段と、
   上記受信装置に設けられ、上記複数の送信ビームを利用してそれぞれ送信された信号を受信することにより、上記複数の送信ビーム間の相関を測定する測定手段と、
   上記測定手段による測定結果に基づいて、上記複数の送信ビームの中から相関が予め決められた相関閾値よりも低い２以上の送信ビームを選択する選択手段と、
   上記送信装置に設けられ、上記選択手段により選択された２以上の送信ビームを利用して互いに異なるデータストリームを送信する送信手段、
   を有する無線通信システム。
8. 請求項７に記載の無線通信システムであって、
   上記測定手段は、上記複数の送信ビームを利用してそれぞれ送信された信号を受信することにより、上記複数の送信ビーム間の相関および各送信ビームについての受信品質を測定し、
   上記選択手段は、上記複数の送信ビームの中から相関が予め決められた相関閾値よりも低く、且つ受信品質が予め決められた品質閾値よりも高い２以上の送信ビームを選択する。
9. 請求項７または８に記載の無線通信システムであって、
   上記選択手段は、上記受信装置に設けられる。
10. 請求項７または８に記載の無線通信システムであって、
    上記選択手段は、上記送信装置に設けられる。
11. 請求項７または８に記載の無線通信システムであって、
    上記受信装置は、上記送信装置において上記送信手段が実際に使用している送信ビームを表す情報に基づいて、上記送信装置から送信されたデータストリームを分離する分離手段をさらに有する。
12. 請求項１１に記載の無線通信システムであって、
    上記送信ビームを表す情報は、上記送信装置から上記受信装置に通知される。
13. 複数のアンテナを備える送信装置から受信装置へデータを送信する無線通信方法であって、
    上記複数のアンテナに対して複数パターンの送信ウエイトセットを乗算することにより複数の送信ビームを形成し、
    上記複数の送信ビームを利用してそれぞれ送信された信号に基づいて、上記複数の送信ビーム間の相関を測定し、
    上記測定結果に基づいて、上記複数の送信ビームの中から相関が予め決められた相関閾値よりも低い２以上の送信ビームを選択し、
    上記選択された２以上の送信ビームを利用して互いに異なるデータストリームを送信する、
    ことを特徴とする無線通信システム。
14. 請求項１３に記載の無線通信方法であって、
    各送信ビームについての受信品質をさらに測定し、
    上記複数の送信ビームの中から相関が予め決められた相関閾値よりも低く、且つ受信品質が予め決められた品質閾値よりも高い２以上の送信ビームを利用して互いに異なるデータストリームを送信する。
15. 互いに異なる複数のデータストリームを空間多重して伝送する無線通信システムにおいて使用される通信装置であって、
    複数のアンテナと、
    上記複数のアンテナに対して複数パターンの受信ウエイトセットを乗算することにより複数の受信ビームを形成する受信ビーム形成手段と、
    上記複数の受信ビームの中から相関が予め決められた相関閾値よりも低い２以上の受信ビームを選択する選択手段と、
    上記選択手段により選択された２以上の受信ビームを介して得られる受信信号を利用して上記複数のデータストリームを分離する分離手段、
    を有する通信装置。
16. 請求項１５に記載の通信装置であって、
    上記選択手段は、上記複数の受信ビームの中から相関が予め決められた相関閾値よりも低く、且つ受信品質が予め決められた品質閾値よりも高い２以上の受信ビームを選択する。