WO2011122618A1

WO2011122618A1 - 無線通信システム及び受信装置

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Publication number: WO2011122618A1
Application number: PCT/JP2011/057797
Authority: WO
Inventors: 宏道留場; 中村　理; 藤　晋平
Original assignee: シャープ株式会社
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2011-03-29
Publication date: 2011-10-06
Also published as: US20130016712A1; EP2555454A1; CN102823174A; US9225557B2; JP5501067B2; CN102823174B; EP2555454A4; JP2011211587A

Abstract

　複数の送信装置と、複数の受信アンテナを備えた受信装置とを含む無線通信システムであって、送信装置は、送信装置と受信装置との間で既知の信号に、異なる時間シフトを加えた信号を参照信号として生成し、データ信号と前記参照信号とを多重化して送信する。受信装置は、複数の送信装置から受信された信号に多重化されている参照信号を分離し、信号スペクトルの一部又は全体が共通の周波数を用いて送信された前記参照信号から伝搬路情報を推定する。そして、推定された伝搬路情報に基づいて、前記データ信号を復号する。これにより、既存のユーザの送信装置に大きな変更を加えることなく、信号スペクトルの部分的な空間多重を許容する上りリンクＭＵ－ＭＩＭＯ伝送システムを利用した無線通信システム等を提供することとなる。

Description

無線通信システム及び受信装置

　本発明は、複数の送信装置と、複数の受信アンテナを備えた受信装置とを含む無線通信システム等に関する。

　第３．９世代無線伝送方式として３ＧＰＰ（3rd Generation Partnership Project）において標準化が進められたＬＴＥ（Long Term Evolution）では、上りリンク（移動局→基地局）伝送方式にシングルキャリア周波数分割多重アクセス（ＳＣ－ＦＤＭＡ）方式が採用されている。

　ＳＣ－ＦＤＭＡでは、各ユーザの伝搬路品質に応じて柔軟な信号スペクトル配置を行うことで、高い周波数利用効率を実現している。また、同時アクセスする複数ユーザが仮想的な大規模アンテナアレーを形成し、各ユーザの送信信号を空間多重させることで、周波数利用効率の向上が望めるＭＵ－ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ－Ｕｓｅｒ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ｉｎｐｕｔ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ｏｕｔｐｕｔ）がＬＴＥの上りリンクでサポートされている。

　ところで、上りリンク伝送において基地局が各移動局からの送信信号を復調するためには、各移動局と基地局間の伝搬路情報を高精度に推定する必要がある。伝搬路情報は、基地局と各移動局間で予め決められていた参照信号をもとに推定することが可能であるが、ＭＵ－ＭＩＭＯによる空間多重を行う場合、各ユーザが送信する参照信号も空間多重されて受信されるため、そのままでは伝搬路情報を推定することは出来ない。

　しかしながら、ＬＴＥでは同一の信号帯域幅を有し、かつ同じ周波数帯を用いて通信を行うユーザ同士のみＭＵ－ＭＩＭＯによる空間多重を許容している（図１２（ａ））。この場合、非特許文献１に示されているような、ＭＵ－ＭＩＭＯ参加ユーザは予め与えられた同一の参照信号系列に対して、時間領域においてユーザ固有の巡回シフトを与えるサイクリックシフト（ＣＳ）方式を用いることで、参照信号のユーザ間の直交性を保つことが可能であった。しかし、同一の信号帯域幅を有し、かつ同じ周波数帯を用いて通信を行うユーザ同士のみＭＵ－ＭＩＭＯによる空間多重を許容するため、伝搬路の状態に応じて決定される周波数スケジューリングに対しても制限が生ずるため、周波数利用効率の改善には限界があった。

　現在、第４世代無線伝送方式の有力候補としてＬＴＥ－Ａ（LTE-Advanced）が提案され、その標準化活動が活発に行われている。ＬＴＥ－Ａの上りリンク伝送には、ＬＴＥと同様にシングルキャリアベースの伝送方式が採用されることになっている。ところで、ＬＴＥ－Ａの上りリンクＭＵ－ＭＩＭＯでは、周波数利用効率の更なる改善のために、ＬＴＥとは異なり、ＬＴＥ－Ａユーザ同士の一部の信号スペクトルのみの空間多重も行うことが提案されている（図１２（ｂ））。

　この場合、ＣＳ方式を単純に適用しただけでは、参照信号の直交性は崩れてしまうため、信号スペクトルの一部が空間多重されるような上りリンクＭＵ－ＭＩＭＯ伝送システムは実現できない。よって、新たな伝搬路推定方法の確立が不可欠である。

　このようにＬＴＥ－Ａユーザ同士が一部の信号スペクトルのみの空間多重も行う場合に、空間多重された参照信号から伝搬路を推定する方法について、これまでにも検討が行われており、非特許文献２では櫛の歯状の信号スペクトルを有する参照信号を用いて周波数分割多重（ＦＤＭ）させる方法について言及されており、ＦＤＭ方式を用いることで、ＬＴＥ－Ａユーザ同士の信号スペクトルの一部が空間多重されていても、伝搬路を推定することが可能である。

　また、例えば、非特許文献２では参照信号を時間方向に直交符号により符号分割多重（ＣＤＭ）させる方法についても言及されている。この方法では、時間方向にも複数の参照信号を配置することにより、信号スペクトルの一部を空間多重するＬＴＥ－Ａシステムにおいても、空間多重された各ユーザの伝搬路を推定することが可能となる。

3GPP TR 25.814, "Physical layer aspects for evolved Universal Terrestrial Radio Access (UTRA)," v7.1.0, Sep. 2006. 3GPP, R1-092801, NTT DOCOMO "UL RS enhancement for LTE-Advanced,"June 2009.

　周波数利用効率の更なる向上のためには、ＬＴＥ－Ａユーザ同士だけでなく、ＬＴＥユーザとＬＴＥ－Ａユーザの信号スペクトルの部分的な重畳が許容できる上りリンクＭＵ－ＭＩＭＯを実現する必要がある。このような上りリンクＭＵ－ＭＩＭＯを実現するためには、送信データを復調するための伝搬路情報を少ないオーバヘッドで高精度に推定する必要がある。

　しかし、非特許文献１に示された方法では、ＬＴＥ－Ａユーザ同士の直交性は保たれるものの、ＬＴＥユーザとＬＴＥ－Ａユーザの直交性は保たれず、伝搬路推定を行うことができない。

　また、非特許文献２に示された方法では、多重させるユーザ数だけ時間方向に複数の参照信号を配置しなければならず、周波数利用効率が低下してしまう上に、伝搬路の時間選択性が激しい場合には多重ユーザ数に限界がある。

　このように、既存の送信装置（ＬＴＥユーザ）との後方互換性を保たせつつ、信号スペクトルの一部が重畳する各ユーザの伝搬路を効率良く推定するのは非常に困難であり、ＬＴＥユーザとＬＴＥ－Ａユーザの信号スペクトルの一部が空間多重される上りリンクＭＵ－ＭＩＭＯ伝送システムは実現されていなかった。

　上述した課題に鑑み、本発明が目的とするところは、既存のユーザの送信装置に大きな変更を加えることなく、信号スペクトルの部分的な空間多重を許容する上りリンクＭＵ－ＭＩＭＯ伝送システムを利用した無線通信システム等を提供することである。

　上述した課題に鑑み、本発明の無線通信システムは、
　複数の送信装置と、複数の受信アンテナを備えた受信装置とを含む無線通信システムであって、
　前記送信装置は、
　前記送信装置と前記受信装置との間で既知の信号に、異なる時間シフトを加えた信号を参照信号として生成する参照信号生成部と、
　データ信号と、前記参照信号とを多重化する参照信号多重部と、
　前記参照信号多重部により多重化された信号を送信する送信部と、を有し、
　前記受信装置は、
　前記複数の送信装置から送信された信号を受信する受信部と、
　前記受信部により受信された信号に多重化されている参照信号を分離する参照信号分離部と、
　信号スペクトルの一部又は全体が共通の周波数を用いて送信された前記参照信号から伝搬路情報を推定する伝搬路推定部と、
　前記伝搬路推定部により推定された伝搬路情報に基づいて、前記データ信号を復号する復号部と、
　を備えることを特徴とする。

　また、本発明の無線通信システムにおいて、前記受信装置は前記伝搬路情報を推定するために複数の異なる伝搬路推定方法で伝搬路推定可能な伝搬路推定部を有し、前記複数の送信装置がそれぞれの信号の送信に用いる周波数の使用状況と、前記複数の伝搬路推定方法とが、関連付けられていることを特徴とする。

　また、本発明の無線通信システムにおいて、前記受信装置は、前記送信装置が信号の送信に用いる周波数の使用状況に応じて、伝搬路推定部の推定方法を切り替える制御を行う推定方法切替部を更に有することを特徴とする。

　また、本発明の無線通信システムにおいて、前記推定方法切替部は、前記伝搬路推定方法の推定方法の切り替えに応じて、前記送信装置において既知の信号に与える時間シフト量を変化させることを特徴とする。

　また、本発明の無線通信システムには、送信装置として第一の送信装置と、第二の送信装置とが含まれており、
　前記推定方法切替部は、第一の送信装置と、第二の送信装置とが用いる周波数が総て共通している場合と、第一の送信装置と第二の送信装置が用いる周波数が一部のみ共通している場合で、第一の送信装置と第二の送信装置とのそれぞれの伝搬路情報を推定するための推定方法を切り替える制御を行うことを特徴とする。

　また、本発明の無線通信システムにおいて、前記伝搬路情報を推定するための推定方法は、
　前記第一の送信装置と前記第二の送信装置が用いる周波数が一部のみ共通している場合で、ＣＳ方式を利用し、前記周波数が一部のみ共通している場合には、空間フィルタ方式を利用することを特徴とする。

　本発明の受信装置は、複数の送信装置と、複数の受信アンテナを備えた受信装置とを含む無線通信システムにおける受信装置であって、
　データ信号と、前記送信装置と前記受信装置との間で既知の信号に異なる時間シフトを加えた信号である参照信号とが多重化された信号を受信する受信部と、
　前記受信部により受信された信号に多重化されている参照信号を分離する参照信号分離部と、
　前記参照信号から伝搬路情報を推定する伝搬路推定部と、
　前記伝搬路推定部により推定された伝搬路情報に基づいて、前記データ信号を復号する復号部と、
　を備えることを特徴とする。

　本発明によれば、信号スペクトルが部分的に空間多重される上りリンクＭＵ－ＭＩＭＯの実現可能性が飛躍的に向上する。また、既存のＬＴＥユーザの送信装置に対して大きな変更を強いることなく、周波数利用効率の大幅な向上に寄与できる。

本実施形態（第１実施形態）における送信装置の機能構成を説明するための図である。本実施形態（第１実施形態）におけるフレーム構成について説明するための図である。本実施形態（第１実施形態）における受信装置の機能構成を説明するための図である。本実施形態（第１実施形態）における受信装置の機能構成を説明するための図である。本実施形態（第１実施形態）における受信装置の機能構成を説明するための図である。第１実施形態における信号の状態を示した図である。第２実施形態における信号の状態を示した図である。第２実施形態における信号の状態を示した図である。第３実施形態における信号の状態を示した図である。第３実施形態における信号の状態を示した図である。第４実施形態における信号の状態を示した図である。従来における信号の状態を示した図である。

　［１．第１実施形態］
　まず、本発明を適用した第１実施形態について説明する。第１実施形態では、Ｕユーザが同時アクセスするＳＣ－ＦＤＭＡ上りリンク伝送を対象とする。ＭＵ－ＭＩＭＯにより最大２ユーザまでの空間多重を許容するものとしたとき、部分的に空間多重された２ユーザの伝搬路情報を推定する方法について示す。なお、本実施形態では説明を簡単にするため、空間多重される２ユーザの伝送帯域幅は同一であるものとする。以降ではＭＵ－ＭＩＭＯにより空間多重されるユーザのことをＭＵ－ＭＩＭＯ参加ユーザと記述する。なお、本発明は直交周波数分割多重アクセス(ＯＦＤＭＡ)に代表されるマルチキャリアベースのアクセス方式に対しても適用することが可能である。

　本実施形態における送信装置１の機能構成を図１に示す。なお、第１実施形態においては、各ユーザの送信装置の送信アンテナ数は１とする。また、送信フレーム構成は参照信号とデータ信号が図２に示されているように時間分割多重されているものとし、参照信号多重部１０８において送信フレームが構成される。なお、総てのユーザが同じ送信フレーム構成であるものとし、参照信号および送信データはある時間長のタイムスロットにより区切られているものとする。

　送信装置１における送信信号処理について説明する。なお、本実施形態では、説明を簡単にするため、各ユーザはＭ_ｕ個の連続した周波数が伝送帯域として割り当てられているものとする。また、ｕはユーザ番号（ｕ＝０～（Ｕ－１））をあらわす。

　各ユーザの送信データ系列はチャネル符号化部１０２において、チャネル符号化が行われたのち、データ変調部１０４において、ＱＰＳＫ、１６ＱＡＭ等にデータ変調される。その後、ＤＦＴ部１０６において、Ｍ_ｕポイントの離散フーリエ変換（ＤＦＴ）が適用されてＭ_ｕ個の周波数成分に変換される。

　次いで、参照信号多重部１０８では、送信データと伝搬路推定を行うための参照信号とを多重化する。なお、参照信号の周波数成分は参照信号系列生成部１２２において、制御情報取得部１２０より得られる制御情報をもとに生成されたものとし、｛Ｐ_ｕ（ｉ）；　ｉ＝０～（Ｍ_ｕ－１）｝であるものとする。

　また、後述する受信装置２の伝搬路推定部における信号処理のために、参照信号系列生成部１２２において生成される参照信号は、伝送帯域幅に応じて決定される参照信号系列に対して、各ユーザ固有の位相回転量が与えられたものとして生成される。ここで、与えられる位相回転量は受信装置２の伝搬路推定部において用いられる伝搬路推定方法に依存して決定される。

　周波数領域の信号は制御情報取得部１２０より得られる制御情報をもとに周波数マッピング部１１０にて周波数マッピングされる。周波数マッピング部１１０では、参照信号がマッピングされた周波数以外の総ての周波数に０が挿入される。その後、ＩＦＦＴ部１１２において逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）が適用され、時間領域の参照信号が生成される。

　その後、ＣＰ挿入部１１４においてサイクリックプレフィクス（ＣＰ）が挿入されたのち、無線送信部１１６においてＲＦ（Radio Frequency）帯の信号に変換されたのち、送信アンテナより送信される。このとき、ＭＵ－ＭＩＭＯ参加ユーザ同士の送信信号（送信データと参照信号を含む）は、同一のタイムスロットにおいて、送信信号の一部、もしくは全ての周波数成分（信号スペクトル）が共通の周波数を用いて送信されることになる。

　続いて、本実施形態における受信装置２の機能構成を図３から図５に示す。ここで、図３に記載の第１構成部２０の詳細は図４に示されており、第２構成部２３の詳細は図５に示されている。また、受信装置２はＮ_ｒ個のアンテナを有するものとし、ここでは、第ｍアンテナ（ｍ＝０～（Ｎ_ｒ－１））に着目する。さらに、第１構成部２０、第２構成部２３は同一の構成の構成部が複数含まれている。

　第ｍ受信アンテナで受信されたＲＦ帯の受信信号は無線受信部２０２においてベースバンド信号に変換される。その後、ＣＰ除去部２０４においてＣＰを取り除いたのちに、ＦＦＴ部２０６において高速フーリエ変換（ＦＦＴ）が適用されて周波数領域の信号に変換される。その後、周波数領域に変換された受信信号は参照信号分離部２０８に入力され、送信データと参照信号とに分離され、それぞれ異なった信号処理が施される。

　はじめに、送信データに対する信号処理から説明する。参照信号分離部２０８において分離された送信データは、チャネル等化部２２０に入力され、後述する伝搬路推定部２１２から得られる伝搬路推定値を用いて周波数領域等化に代表されるチャネル等化処理が適用される。

　ＭＵ－ＭＩＭＯにより空間多重された送信データがチャネル等化部２２０に入力された場合、チャネル等化部２２０では、信号分離処理が併せて行われる。等化処理がされた送信データは周波数デマッピング部２２２に入力され、制御情報生成部２４０より得られる制御情報をもとに周波数デマッピングが適用され、各ユーザの等化後の受信信号が得られる。その後、ＩＤＦＴ部２３２において逆離散フーリエ変換（ＩＤＦＴ）により時間領域の信号に変換されたのち、データ復調部２３４及びチャンネル復号部２３６に入力され、各ユーザの送信データが復調される。

　次いで、参照信号に対する受信信号処理を説明する。参照信号はデータ復調の際に必要となる伝搬路情報を推定するために伝搬路推定部２１２に入力される。このとき、ＭＵ－ＭＩＭＯ参加ユーザ同士の参照信号は、周波数マッピングによって、周波数成分の一部、又は全体が共通の周波数を用いて送信されているから、お互いの参照信号の周波数成分の一部が多重されている場合と、総ての周波数成分が多重されている場合の２パターンの状態で空間多重されて受信されている。このように空間多重のされ方が異なる参照信号から各ユーザの伝搬路情報を高精度に推定するために、本実施形態では、周波数マッピングの状況に応じて、ＣＳ方式と以下に示す空間フィルタ方式を切り替える方式を用い、さらに、それらの伝搬路推定方法に適した参照信号の生成をも適応的に行う。

　ここで、伝搬路推定部２１２は、ＣＳ方式や以下に示す空間フィルタ方式といった伝搬路推定可能な複数の伝搬路推定方法を有している。そして、この伝搬路推定方法は、複数の送信装置がそれぞれの信号の送信に用いる周波数の使用状況（周波数マッピング）と関連づけられており、周波数マッピングに応じて最適な伝搬路推定方法が選択される。伝搬路推定部２１２における伝搬路推定方法の選択は、周波数マッピングに応じて、推定方法切替部２１０によって制御される。

　本実施形態では、ＭＵ－ＭＩＭＯ参加ユーザに適用されている周波数マッピングに応じて、受信装置２の推定方法切替部２１０によって最適な伝搬路推定方法を選択し、また、推定方法切替部２１０によって決定された伝搬路推定方法に応じて、送信装置１の参照信号系列生成部１２２において与えられる位相回転量も適応的に制御することで、伝搬路推定精度を高める。

　総ての周波数成分が多重されている場合、受信装置２の推定方法切替部２１０からＣＳ方式を用いるように伝搬路推定部２１２に制御情報が送られる。ＣＳ方式が適用される場合、各ユーザの送信装置１の参照信号系列生成部１２２で与えられる位相回転量はＣＳ方式に最適な値に設定されるように、受信装置２の制御情報生成部２４０から、送信装置１の参照信号系列生成部１２２に制御情報が送られる。ＣＳ方式に最適な位相回転量は、伝搬路を構成するマルチパスの中で、もっとも遅延して受信装置に受信されるパスの遅延時間に応じて決定される。

　一方、参照信号の周波数成分の一部が多重されている場合、ＣＳ方式では伝搬路推定は行えない。そこで、参照信号が多重されて受信されている周波数成分のうち、第ｋおよび第（ｋ＋１）周波数成分に着目する。第ｍ受信アンテナにおける受信信号の第ｋおよび第（ｋ＋１）周波数成分｛Ｒ_ｍ（ｋ），　Ｒ_ｍ（ｋ＋１）｝は次式で与えられる。

　ここで、Ｈ_ｍ，ｕ（ｋ）は第ｕユーザと基地局の第ｍ受信アンテナ間の複素伝搬路利得、Ｎ_ｍ（ｋ）は第ｍ受信アンテナで加わる雑音をそれぞれ表している。

　また、｛ｋ_ｕ；　ｕ＝０，　１｝は第ｋ周波数で重畳されている第ｕユーザの参照信号の周波数インデックスを表している（図６）。ここで、伝搬路の周波数選択性があまり強くないものとすると、Ｈ_ｍ，ｕ（ｋ）≒Ｈ_ｍ，ｕ（ｋ＋１）と近似できる。このとき、式（１）は次式のように行列を用いて表現できる：

　なお、

　である。

　ここで、本来推定したいものはＨであるが、Ｐを伝搬路行列、Ｈを送信信号とみなすと、式（２）は２送信アンテナと２受信アンテナを用いるＭＩＭＯ－Ｓｐａｃｅ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ　（ＭＩＭＯ－ＳＤＭ）の受信信号と等価となることが分かる。受信信号Ｒに対して、Ｐの逆行列Ｐ^－１を乗算することで伝搬路Ｈに対する推定値Ｈ＾が得られる。

　なお、この逆行列を乗算して推定する方法を、Ｚｅｒｏ－ｆｏｒｃｉｎｇ（ＺＦ）規範の空間フィルタ行列Ｗ_ＺＦ（＝Ｐ^－１）を乗算して伝搬路推定を行ったということとする。しかし、本実施形態では、送信装置１の参照信号系列生成部１２２において、各ユーザで同一の参照信号系列に対してユーザ固有の位相回転量を与えたものを、参照信号系列として生成するため、Ｐ^－１の逆行列が極端に小さくなってしまい、雑音強調により、伝搬路推定精度が大幅に劣化してしまう場合がある。

　本実施形態では、実際の伝搬路Ｈと伝搬路推定値Ｈ＾の平均二乗誤差（ＭＳＥ）を最小にするような空間フィルタ行列Ｗ_ＭＭＳＥを乗算して伝搬路推定を行う。Ｗ_ＭＭＳＥは次式で与えられる：

　これを最小ＭＳＥ（ＭＭＳＥ）規範の空間フィルタ行列を乗算して伝搬路推定を行ったということとする。なお、γは参照信号の送信電力と受信雑音電力との電力比を表し，Ｉ_ｍはｍ´ｍの単位行列である。

　空間フィルタ方式では、空間フィルタ行列の行列式の値が極端に小さい場合、たとえＭＭＳＥ規範に基づくフィルタ行列を用いたとしても、伝搬路推定精度は大幅に低下してしまう。そこで、本実施形態では、伝搬路推定精度の低下を防ぐために、受信装置２の制御情報生成部２４０は空間フィルタ行列の行列式が小さくならないような位相回転量を各送信装置１に通知し、各送信装置１の参照信号系列生成部１２２では、通知された制御情報をもとに位相回転量を決定する。

　送信装置１の参照信号系列生成部１２２が参照信号系列に与える位相回転量については、受信装置２の推定方法切替部２１０が伝搬路推定方法をＣＳ方式に切り替えたときには、ＣＳ方式に適した位相回転量に設定される。また、推定方法切替部２１０が伝搬路推定方法を空間フィルタ方式に切り替えたときには空間フィルタ方式に適した位相回転量を与えるように適応的に設定される。なお、通知に用いる制御情報量を減らすために、どちらか一方の最適値に固定しても良い。

　周波数マッピングの状態から、受信装置２の推定方法切替部２１０が空間フィルタ方式を選択している一方で、送信装置１の参照信号系列生成部１２２が与える位相回転量がＣＳ方式に適した位相回転量に固定されている場合、空間フィルタ方式で用いられる空間フィルタ行列の行列式の値が極端に小さくなってしまう可能性がある。

　この場合、空間フィルタ方式では、隣接する周波数成分に限らず、伝搬路の周波数領域での変化を無視できる範囲内（コヒーレント帯域幅内）の離れた２個の周波数成分を用いれば良いから、空間フィルタの行列式が小さくならないような２個の周波数成分を用いて空間フィルタ方式を適用しても良い。また、３個以上の周波数成分を用いて空間フィルタ方式を適用しても良い。

　周波数マッピングの状態から、受信装置２の推定方法切替部２１０がＣＳ方式を選択している一方で、送信装置１の参照信号系列生成部１２２が与える位相回転量が空間フィルタ方式に適した位相回転量に設定されている場合、位相回転量がＣＳ方式に対する条件を満たさず、各ユーザの参照信号が直交しなくなる可能性があるある。この場合は、全ての周波数成分が空間多重されていたとしても、空間フィルタ方式を用いて伝搬路推定を行っても良い。

　ここで、本実施形態では、空間多重ユーザ数は２としているが、受信装置２のアンテナ数によって与えられるＭＵ－ＭＩＭＯの最大空間多重数Ｕ_ｍａｘまで、ユーザ多重を行うことも可能である。

　また、本実施形態では、送信装置１の構成は従来のＳＣ－ＦＤＭＡ方式とほぼ同一としながら、信号スペクトルの部分的な重畳を許容する上りリンクＭＵ－ＭＩＭＯを実現できる。異なるのは、送信装置１の参照信号系列生成部１２２において与えられる位相回転量を、受信装置２の推定方法切替部２１０で適応的に変更される受信装置２の伝搬路推定方法に応じて最適化する点にあるから、ＬＴＥシステムに対しても適用することが可能であり、信号スペクトルの一部が重畳するような上りリンクＭＵ－ＭＩＭＯを行うことも可能である。

　また、本実施形態により、部分的に信号スペクトルが重なるユーザ同士を空間多重するＭＵ－ＭＩＭＯ伝送が可能となることから、従来のＭＵ－ＭＩＭＯ伝送よりも割り当て可能な周波数を無駄なく利用できる。また、空間多重数が２よりも大きくなった場合でも、各ユーザの伝搬路情報を推定できる一方で、ＣＤＭ方式のように、空間多重数に比例して、時間多重させる参照信号は増加しない。ＭＵ－ＭＩＭＯでは空間多重数に比例して、周波数利用効率は向上するため、本実施形態はシステム全体の伝送速度の飛躍的な向上にも寄与できる。

　［第２実施形態］
　続いて、第２実施形態について説明する。第１実施形態では、ＬＴＥで採用されているＳＣ－ＦＤＭＡ上りリンク伝送を対象にしている。ＳＣ－ＦＤＭＡでは送信信号スペクトルを連続した周波数に割り当てているが、チャネルの周波数選択性をより積極活用するために、信号スペクトルを離れた周波数に分割して割り当てるClustered DFT-Spread Orthogonal Frequency Division Multiplexing （Clustered DFT-Spread OFDM）がＬＴＥ－Ａ上りリンク伝送方式の一つとして、採用されている。そこで、第２実施形態では、Ｃｌｕｓｔｅｒｅｄ　ＤＦＴ－Ｓｐｒｅａｄ　ＯＦＤＭ伝送ユーザ同士をＭＵ－ＭＩＭＯによって空間多重させる場合を対象とする。以降、Ｃｌｕｓｔｅｒｅｄ　ＤＦＴ－Ｓｐｒｅａｄ　ＯＦＤＭについてはＣｌｕｓｔｅｒｅｄ　ＯＦＤＭと呼称することとする。

　なお、第２実施形態では、第１実施形態と同様に、１送信アンテナを有し、同一の伝送帯域幅を割り当てられた２ユーザ（第０ユーザと第１ユーザとする）がＭＵ－ＭＩＭＯにより空間多重されることを考えるが、第１実施形態と同様に、３ユーザ以上の空間多重も可能である。

　第２実施形態の送信装置１の構成は基本的に第１実施形態の送信装置１の構成（図１）と同様である。異なるのは送信装置の周波数マッピング部１１０における信号処理である。

　第１実施形態で対象としたＳＣ－ＦＤＭＡでは、送信データを連続する周波数にマッピングするのに対して（図７（ａ））、第２実施形態で対象とするＣｌｕｓｔｅｒｅｄ　ＯＦＤＭでは、信号スペクトルを複数の周波数ブロックに分割し、各周波数ブロックを分散して配置することとなる（図７（ｂ））。周波数マッピングを除く送信装置１における送信信号処理は第１実施形態と同様であるから、説明は省略する。

　Ｃｌｕｓｔｅｒｅｄ　ＯＦＤＭの受信装置２の構成もＳＣ－ＦＤＭＡ（図３）と同様である。Ｃｌｕｓｔｅｒｅｄ　ＯＦＤＭ伝送ユーザ同士がＭＵ－ＭＩＭＯにより空間多重される場合、図８のように受信信号スペクトルが重畳される。各ユーザの参照信号系列は、送信装置１の参照信号系列生成部１２２において、各ユーザで同一の参照信号系列に対して、各ユーザ固有の位相回転を与えたものであるから、参照信号系列の異なる部分が空間多重される場合（図８のＳ１０）、参照信号系列の同じ部分が空間多重されているが、それぞれ与えられている位相回転量は異なる場合（図８のＳ１２）、分割された周波数ブロックの一部が空間多重されている場合（図８のＳ１４）が考えられる。第２実施形態では、受信装置２の推定方法切替部２１０において、空間多重されている周波数ブロックの状態に応じてＣＳ方式と空間フィルタ方式の２つの伝搬路推定方法を適応的に切り替える。

　系列は同一であるが、位相回転が異なる周波数ブロックが空間多重される場合、受信装置２の推定方法切替部２１０からＣＳ方式を用いるように伝搬路推定部２１２に制御情報が送られる。参照信号系列の異なる部分が空間多重される場合、及び、分割された周波数ブロックの一部が空間多重されている場合、受信装置２の推定方法切替部２１０から空間フィルタ方式を用いるように伝搬路推定部２１２に制御情報が送られる。

　第１実施形態で示したように、送信装置１で与える位相回転量の最適な値は、受信装置２の伝搬路推定部２１２で適用される伝搬路推定方法に依存する。受信装置２の伝搬路推定部２１２で適用される伝搬路推定方式の適用頻度は周波数マッピングに依存するから、ＣＳ方式の適用頻度が高い場合にはＣＳ方式に適した位相回転量を与え、空間フィルタ方式の適用頻度が高い場合には空間フィルタ方式に適した位相回転量を与えても良い。

　また、第１実施形態で示したように、どちらかの伝搬路推定方法に最適化された位相回転量に固定しても良い。この場合、位相回転量が最適化されている伝搬路推定方法の適用頻度が多くなるように、周波数マッピングを適用することで、伝搬路推定精度を向上させるように、送信装置は送信信号を生成しても良い。例えば、位相回転量がＣＳ方式に対して最適化されている場合、周波数マッピング部は図８のＳ１０のような空間多重部分が多くなるように周波数マッピングを行うことで、伝搬路推定精度を向上させることが可能となる。

　ここまでは一つの参照信号系列を分割して周波数ブロックを構成するＣｌｕｓｔｅｒｅｄ　ＯＦＤＭを対象としていたが、分割後の周波数ブロックの帯域幅に合わせた短い参照信号系列を参照信号系列生成部において生成し、各周波数ブロックに割り当てるＣｌｕｓｔｅｒｅｄ　ＯＦＤＭ伝送も考えられる。この場合、受信装置２の推定方法切替部２１０は、ＣＳ方式および空間フィルタ方式のどちらに切り替えても良い。また送信装置１は、各伝搬路推定方法の伝搬路推定部２１２における適用頻度に応じて、位相回転量を最適化しても良いし、一定の値に固定しても良い。

　第２実施形態ではＣｌｕｓｔｅｒｅｄ　ＯＦＤＭを対象とした。Ｃｌｕｓｔｅｒｅｄ　ＯＦＤＭはＬＴＥ－Ａに採用されている上りリンク伝送方式であるから、本実施形態により、ＬＴＥ－Ａにおいて各ユーザの信号スペクトルの一部が空間多重されることを許容する上りリンクＭＵ－ＭＩＭＯが実現可能となり、周波数利用効率のより一層の向上に寄与できる。また、Ｃｌｕｓｔｅｒｅｄ　ＯＦＤＭにおいて、分割した周波数ブロックを連続する周波数成分に割り当てたものが、ＬＴＥで採用されているＳＣ－ＦＤＭＡ伝送方式となるから、本実施形態により、ＬＴＥ－ＡユーザとＬＴＥユーザの信号スペクトルの一部を空間多重できる上りリンクＭＵ－ＭＩＭＯが実現可能となる。その場合、ＬＴＥユーザの送信装置に対して大きな変更を強いることはないから、ＬＴＥ－Ａに要求されている後方互換性を保つこともできる。

　［第３実施形態］
　第２実施形態では、ＬＴＥ－Ａの上りリンク伝送に採用されているシングルキャリアベースのアクセス方式であるＣｌｕｓｔｅｒｅｄ　ＯＦＤＭを対象とした．また，ＳＣ－ＦＤＭＡを上りリンクアクセス方式に採用しているＬＴＥユーザとの空間多重も可能であることを示した。一方で、Ｃｌｕｓｔｅｒｅｄ　ＯＦＤＭのようにＳＣ－ＦＤＭＡの信号スペクトルを複数ブロックに分割するのではなく、各周波数成分を任意の周波数に割り当てるスペクトル分割アクセス方式（図９）も考えられ、周波数スケジューリング効果をより向上できる。第３実施形態では、スペクトル分割アクセス方式を用いる上りリンク伝送において、ＭＵ－ＭＩＭＯによって２ユーザが空間多重される場合を対象とする。

　スペクトル分割アクセスの送信装置構成は基本的にＳＣ－ＦＤＭＡ（図３）と同様である。ＳＣ－ＦＤＭＡとスペクトル分割アクセスの違いは送信装置の周波数マッピング部１１０にある。ＳＣ－ＦＤＭＡでは、送信データを連続する周波数にマッピングするのに対して、スペクトル分割アクセスでは、ＳＣ－ＦＤＭＡの信号スペクトルの各周波数成分をそれぞれマッピングする（図９）。また、周波数マッピングは後述する受信装置の伝搬路推定部２１２における伝搬路推定方法にも依存する。周波数マッピングを除く送信装置における送信信号処理は第１実施形態と同様であるから、説明は省略する。

　スペクトル分割アクセスの受信装置構成もＳＣ－ＦＤＭＡ（図３）と同様である。スペクトル分割アクセス伝送ユーザ同士の信号スペクトルが重畳された周波数における伝搬路の推定方法について説明する。

　重畳される信号スペクトルが不連続であるため、ＣＳ方式を用いることはできない。そのため、受信装置の伝搬路推定部２１２では空間フィルタ方式を用いる。空間フィルタ方式では、コヒーレント帯域幅内で、参照信号が空間多重された複数の周波数成分がなければ伝搬路情報を推定することは出来ない。そのため、受信装置の制御情報生成部２４０では、ＭＵ－ＭＩＭＯ参加ユーザの送信信号の周波数成分の２つ以上が、コヒーレント帯域幅内で空間多重されるような周波数マッピングが行われるように制御情報が生成され、送信装置では、その制御情報をもとに周波数マッピングが行われる（図１０）。

　空間フィルタ方式の伝搬路推定精度は、伝搬路推定に用いられる空間フィルタ行列の行列式に依存する。伝搬路推定精度を向上させるために、第１実施形態と同様に、送信装置の参照信号系列生成部１２２で参照信号系列に与えられる位相回転量を空間フィルタ行列の行列式が小さくならないように制御する。また、送信装置の周波数マッピング部において、空間フィルタ行列の行列式が小さくならないように、参照信号の周波数成分を、周波数方向に巡回シフトさせても良い。

　本実施形態により、スペクトル分割アクセス方式を用いるユーザ同士の信号スペクトルの一部をＭＵ－ＭＩＭＯにより空間多重させることが可能となるため、より柔軟な周波数スケジューリングが可能となり、周波数利用効率の更なる向上に寄与できる。

　［第４実施形態］
　続いて、第４実施形態について説明する。ここで、ＬＴＥのように既に伝搬路推定方法が確定しているシステムのユーザと、それとは異なるシステムのユーザ同士の信号スペクトルの一部が重畳するようなＭＵ－ＭＩＭＯがＬＴＥ－Ａにおいて提案されている。この場合、図１１のように、伝送帯域幅が同一の２ユーザがＭＵ－ＭＩＭＯで空間多重されており、そこに、別のユーザの信号スペクトルの一部がさらに空間多重されるような場合が考えられる。

　伝送帯域幅が同一の２ユーザについては、ＣＳ方式により、参照信号の直交性が保たれるが、信号スペクトルの一部が空間多重されているユーザについては空間フィルタ方式を用いることになるから、受信装置の伝搬路推定部２１２では、ＣＳ方式と空間フィルタ方式を切り替えて使うのではなく、同時に適用することになる。

　第４実施形態では、ＳＣ－ＦＤＭＡ上りリンク伝送を対象として、ＣＳ方式を用いる既存ユーザと、本実施形態の伝搬路推定方法用いるユーザ同士とがＭＵ－ＭＩＭＯにより空間多重される場合を対象とする。

　ＣＳ方式を用いる既存ユーザを第１及び第２ユーザとし、本実施形態の方式を用いるユーザを第０ユーザとし、１送信アンテナを有するものとする。第１ユーザと第２ユーザとの伝送帯域幅および周波数は同一であるものとする。

　各ユーザの送信装置構成は第１実施形態とほぼ同一であるから、詳しい説明は省略する。異なるのは、参照信号系列生成部１２２で生成される参照信号系列である。第２ユーザの送信装置の参照信号系列生成部１２２では第１ユーザと同じ参照信号系列｛Ｐ_１（ｉ）；　ｉ＝０～（Ｍ_１－１）｝に対して、受信装置の伝搬路推定部２１２においてＣＳ方式を用いたときに第１ユーザとの直交性が保たれるように、位相回転が与えられる。第２ユーザに与えられる位相回転量をτとした場合、参照信号系列は次式で与えられる。

　一方、第０ユーザの参照信号系列生成部１２２では、第１実施形態と同様に、受信装置の伝搬路推定部２１２において適用される伝搬路推定方法に応じて、適切な位相回転量を参照信号系列に与える。

　受信装置構成についても、第１実施形態とほぼ同一であり、異なるのは伝搬路推定部における信号処理であるから，伝搬路推定方法についてのみ説明する。ここでは簡単のため、図１１に示すように、第０ユーザの参照信号の周波数成分の一部が第１及び第２ユーザの参照信号と空間多重されているものとする。参照信号の一部が空間多重されているため、第０ユーザの伝搬路情報を推定するためには、空間フィルタ方式を適用することになる。

　なお、第０ユーザについても総ての周波数成分が空間多重されている場合、第１実施形態と同様に、第０ユーザに対してもＣＳ方式を適用することで、伝搬路を推定できる。第ｍ受信アンテナの第ｋ周波数における受信信号は次式で与えられる。

　第２ユーザの参照信号系列に与えられる位相回転量τは伝搬路の遅延スプレッドに応じて決定される。本実施形態における伝搬路推定部２１２での信号処理はこの位相回転量τの大きさにより異なってくる。

　位相回転量τがある程度小さい場合、隣接する参照信号の周波数成分に与えられた位相差は無視できるほど小さいと考えることが出来る。このとき、伝搬路推定は隣接する２個の周波数成分を用いて行うことができ、受信信号を式（２）のように表現することが出来る。ただし、Ｒ、　Ｐ、　ＨおよびＮは

　であり、

　である。

　第１実施形態と同様に、参照信号系列によって構成させる行列Ｐを用いてＭＭＳＥ規範のフィルタを求め受信信号Ｒに乗算することで、Ｈを推定することが出来るから、本実施形態の伝搬路推定方法を用いる第０ユーザの伝搬路情報Ｈ_ｍ，０（ｋ）はそのまま推定することができる。

　一方、ＣＳ方式を用いる既存ユーザの伝搬路情報については、本実施形態の伝搬路推定方法を用いて推定されたＨ￣_ｍ，１（ｋ）と第０ユーザとは空間多重されていない既存ユーザの参照信号の受信信号を用いて、あらためてＣＳ方式を適用することにより、各送信アンテナの伝搬路情報Ｈ_ｍ，１（ｋ）およびＨ_ｍ，２（ｋ）を推定することが出来る。

　一方で、位相回転量τがある程度大きい場合には隣接する参照信号の周波数成分に与えられた位相差を無視することは出来ない。この場合は、隣接する３個の受信周波数成分を用いて伝搬路推定を行うことが出来る。このとき、受信信号は式（２）で表現することが可能であるが、Ｒ、　Ｐ、　ＨおよびＮは次式で与えられる。

　第１実施形態と同様に、参照信号系列によって構成させる行列Ｐを用いてＭＭＳＥ規範のフィルタを求め受信信号Ｒに乗算することで、Ｈを推定することが出来るから、本発明の伝搬路推定方法を用いる第０ユーザの伝搬路情報Ｈ_ｍ，０（ｋ）はそのまま推定することができる。

　そして、ＣＳ方式を用いる既存ユーザの伝搬路情報については、位相回転量τが小さい場合と同様に、本実施形態の伝搬路推定により推定されたＨ_ｍ，１（ｋ）およびＨ_ｍ，２（ｋ）と、空間多重されてない参照信号の受信信号を用いてあらためてＣＳ方式を適用することで、伝送帯域全ての伝搬路情報を推定することが可能である。

　ＣＳ方式を用いるユーザと本実施形態の伝搬路推定を用いるユーザが混在する場合の伝搬路推定方法について説明した。ここではユーザ数や各ユーザの送信アンテナ数に制限を与えて説明をしたが、ユーザ数が２より大きい場合や、伝搬路情報を推定することは可能である。

　また、同一の帯域幅の２ユーザに対して、さらに別のユーザの信号スペクトルの一部が空間多重されても伝搬路情報を推定することが可能であることから、複数の送信アンテナを用いてシングルユーザＭＩＭＯ伝送を行うユーザの信号スペクトルに対して、別のユーザの信号スペクトルの一部が空間多重されている場合においても伝搬路情報を推定可能であることを意味しているから、各ユーザの送信アンテナ数が複数であっても本実施形態により、信号スペクトルの一部が空間多重される上りリンクＭＵ－ＭＩＭＯを実現することが可能である。

　また、第１実施形態でも述べたが、周波数マッピングにより各ユーザの伝送帯域幅や周波数が完全に一致している場合にはＣＳ方式により伝搬路情報を推定しても良い。また、第１ユーザと第２ユーザの直交性を保ちつつ、第１の実施形態と同様に、第０ユーザに適用される伝搬路推定方法に応じて、参照信号に与える位相回転量を適切に変化させても良い。

　これまで述べてきたように、本実施形態により、ＣＳ方式により既にユーザ間の直交性が保たれている信号スペクトルに対して、さらに新たなユーザの信号スペクトルの一部がＭＵ－ＭＩＭＯにより空間多重された場合でも、伝搬路推定を行うことが可能となる。例えばＬＴＥ－ＡのようにＬＴＥとの後方互換性を維持しなければならないようなシステムに対しても信号スペクトルの一部が重畳するようなＭＵ－ＭＩＭＯを適用することが可能となり、周波数利用効率のより一層の向上に寄与できる。

　［変形例］
　以上、この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等も特許請求の範囲に含まれる。

　また、本実施形態における送信装置及び受信装置で動作するプログラムは、本実施形態の機能を実現するように、ＣＰＵ等を制御するプログラム（コンピュータを機能させるプログラム）である。そして、これら装置で取り扱われる情報は、その処理時に一時的にＲＡＭに蓄積され、その後、各種ＲＯＭやＨＤＤに格納され、必要に応じてＣＰＵによって読み出し、修正・書き込みが行なわれる。プログラムを格納する記録媒体としては、半導体媒体（例えば、ＲＯＭ、不揮発性メモリカード等）、光記録媒体（例えば、ＤＶＤ、ＭＯ、ＭＤ、ＣＤ、ＢＤ等）、磁気記録媒体（例えば、磁気テープ、フレキシブルディスク等）等のいずれであってもよい。また、ロードしたプログラムを実行することにより、上述した実施形態の機能が実現されるだけでなく、そのプログラムの指示に基づき、オペレーティングシステムあるいは他のアプリケーションプログラム等と共同して処理することにより、実現される場合もある。

　また市場に流通させる場合には、可搬型の記録媒体にプログラムを格納して流通させたり、インターネット等のネットワークを介して接続されたサーバコンピュータに転送したりすることができる。この場合、サーバコンピュータの記憶装置も本発明に含まれる。

　また、上述した実施形態における送信装置及び受信装置の一部、または全部を典型的には集積回路であるＬＳＩとして実現してもよい。送信装置及び受信装置の各機能ブロックは個別にプロセッサ化してもよいし、一部、または全部を集積してプロセッサ化してもよい。また、集積回路化の手法はＬＳＩに限らず専用回路、または汎用プロセッサで実現しても良い。また、半導体技術の進歩によりＬＳＩに代替する集積回路化の技術が出現した場合、当該技術による集積回路を用いることも可能である。

１　送信装置
　１０２　チャネル符号化部
　１０４　データ変調部
　１０６　ＤＦＴ部
　１０８　参照信号多重部
　１１０　周波数マッピング部
　１１２　ＩＦＦＴ部
　１１４　ＣＰ挿入部
　１１６　無線送信部
　１１８　無線受信部
　１２０　制御情報取得部
　１２２　参照信号系列生成部
２　受信装置
　２０　第１構成部
　　２０２　無線受信部
　　２０４　ＣＰ除去部
　　２０６　ＦＦＴ部
　　２０８　参照信号分離部
　　２１０　推定方法切替部
　　２１２　伝搬路推定部
　　２１４　無線送信部
　２２０　チャネル等化部
　２２２　周波数デマッピング部
　２３　第２構成部
　　２３２　ＩＤＦＴ部
　　２３４　データ復調部
　　２３６　チャネル復号部
　２４０　制御情報生成部

Claims

　複数の送信装置と、複数の受信アンテナを備えた受信装置とを含む無線通信システムであって、
　前記送信装置は、
　前記送信装置と前記受信装置との間で既知の信号に、異なる時間シフトを加えた信号を参照信号として生成する参照信号生成部と、
　データ信号と、前記参照信号とを多重化する参照信号多重部と、
　前記参照信号多重部により多重化された信号を送信する送信部と、を有し、
　前記受信装置は、
　前記複数の送信装置から送信された信号を受信する受信部と、
　前記受信部により受信された信号に多重化されている参照信号を分離する参照信号分離部と、
　信号スペクトルの一部又は全体が共通の周波数を用いて送信された前記参照信号から伝搬路情報を推定する伝搬路推定部と、
　前記伝搬路推定部により推定された伝搬路情報に基づいて、前記データ信号を復号する復号部と、
を備えることを特徴とする無線通信システム。
　前記受信装置は前記伝搬路情報を推定するために複数の異なる伝搬路推定方法で伝搬路推定可能な伝搬路推定部を有し、前記複数の送信装置がそれぞれの信号の送信に用いる周波数の使用状況と、前記複数の伝搬路推定方法とが、関連付けられてい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。
　前記受信装置は、前記送信装置が信号の送信に用いる周波数の使用状況に応じて、前記伝搬路推定部の伝搬路推定方法を切り替える制御を行う推定方法切替部を更に有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。
　前記推定方法切替部は、前記伝搬路推定方法の切り替えに応じて、前記送信装置において既知の信号に与える時間シフト量を変化させることを特徴とする請求項３に記載の無線通信システム。
　無線通信システムには、送信装置として第一の送信装置と、第二の送信装置とが含まれており、
　前記推定方法切替部は、第一の送信装置と、第二の送信装置とが用いる周波数が総て共通している場合と、第一の送信装置と第二の送信装置が用いる周波数が一部のみ共通している場合で、第一の送信装置と第二の送信装置とのそれぞれの伝搬路情報を推定するための推定方法を切り替える制御を行うことを特徴とする請求項３に記載の無線通信システム。
　前記伝搬路情報を推定するための推定方法は、
　前記第一の送信装置と前記第二の送信装置が用いる周波数が一部のみ共通している場合で、ＣＳ方式を利用し、前記周波数が一部のみ共通している場合には、空間フィルタ方式を利用することを特徴とする請求項５に記載の無線通信システム。
　複数の送信装置と、複数の受信アンテナを備えた受信装置とを含む無線通信システムにおける受信装置であって、
　データ信号と、前記送信装置と前記受信装置との間で既知の信号に異なる時間シフトを加えた信号である参照信号とが多重化された信号を受信する受信部と、
　前記受信部により受信された信号に多重化されている参照信号を分離する参照信号分離部と、
　前記参照信号から伝搬路情報を推定する伝搬路推定部と、
　前記伝搬路推定部により推定された伝搬路情報に基づいて、前記データ信号を復号する復号部と、
　を備えることを特徴とする受信装置。