WO2015029570A1

WO2015029570A1 - Ｍｕ－ｍｉｍｏシステムとｍｕ－ｍｉｍｏの通信方法

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Publication number: WO2015029570A1
Application number: PCT/JP2014/067004
Authority: WO
Inventors: 賢史森田; 勇平長尾; 正行黒崎; 博尾知
Original assignee: RADRIX Co Ltd; Kyushu Institute of Technology NUC
Current assignee: RADRIX Co Ltd; Kyushu Institute of Technology NUC
Priority date: 2013-08-29
Filing date: 2014-06-26
Publication date: 2015-03-05
Anticipated expiration: 2016-02-29
Also published as: JP2015046839A; JP6172670B2

Abstract

ビームフォーマ１１が、複数のビームフォーミ１２～１５それぞれに対応する複数のデータ１２ａ～１５ａを、ストリーム１２ｓ～１５ｓに割り当ててプリコーディングし、複数のビームフォーミ１２～１５それぞれに送信するＭＵ－ＭＩＭＯシステム１０であって、複数のビームフォーミ１２、１３間でチャネルの相関が高いビームフォーミグループごとに、複数のビームフォーミ１２、１３それぞれに対応する複数のデータ１２ａ、１３ａを一つにまとめたデータ群１２１３ａを、ストリーム１２ｓ、１３ｓに割り当てる割り当て手段２４と、データ群１２１３ａをプリコーディングする演算手段２５と、プリコーディングされたデータ群１２１３ａをビームフォーミ１２、１３に送信する送出手段２１を備える。

Description

ＭＵ－ＭＩＭＯシステムとＭＵ－ＭＩＭＯの通信方法

本発明は、ＭＵ－ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ－Ｕｓｅｒ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ｉｎｐｕｔ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ｏｕｔｐｕｔ）により無線通信を行うＭＵ－ＭＩＭＯシステムと、ＭＵ－ＭＩＭＯの通信方法に関する。

近年、通信の無線化が多くの分野で進められている。産業用ロボットの通信に用いられる産業用イーサネットもその例外ではない。産業用イーサネットで無線通信が望まれる理由としては、通信ケーブルを設ける必要がないことから、有線通信に比べて設置が容易で、通信ケーブルの交換が不要である点等が挙げられる。
無線通信の技術には、ＭＵ－ＭＩＭＯがあり、非特許文献１には、そのＭＵ－ＭＩＭＯ技術を用いる国際標準規格の１つであるＩＥＥＥ８０２．１１ａｃが記載されている。

ＩＥＥＥ８０２．１１ａｃ規格等におけるＭＵ－ＭＩＭＯ技術は、ビームフォーマ（Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒ）が同時に、同周波数帯で、複数のビームフォーミ（Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｅ）に対して高速通信できる点で着目されている。
そして、産業用ロボットに指令信号を送る制御装置をビームフォーマとし、産業用ロボットをビームフォーミとして、ＭＵ－ＭＩＭＯによる無線通信を行うことにより、制御装置は、高速通信環境下で、複数の産業用ロボットに対し同時に指令信号を送ることが可能となる。従って、ＭＵ－ＭＩＭＯを産業用イーサネットに適用できれば、１つの制御装置で同時に複数の産業用ロボットの動作を円滑に制御可能となる。

ＭＵ－ＭＩＭＯの仕組みを、図８に示すシステムを例にして、以下に説明する。
なお、このシステムでは、ビームフォーマ１００が同時にパラレルでデータを送ることができる数（ストリーム数）とビームフォーミ１０１、１０２、１０３、１０４が同数であるが、ＭＵ－ＭＩＭＯはこれに限定されず、ストリーム数がビームフォーミ数より多いこともあるのは言うまでもない。

ビームフォーマ１００は、まず、ビームフォーミ１０１、１０２、１０３、１０４に送る各データを、ストリーム１０１ａ、１０２ａ、１０３ａ、１０４ａそれぞれに割り当てる。次に、ビームフォーマ１００は、ビームフォーマ１００から発信されるデータに重み付けをするプリコーディングによって、それぞれのデータを発信前に予め処理して、ビームフォーミ１０１、１０２、１０３、１０４間で干渉を生じさせないようにする。

プリコーディングによるデータへの重み付けとは、ビームフォーマ１００が、ビームフォーミ１０１、１０２、１０３、１０４のチャネル（伝送路）情報を基にして、ビームフォーミ１０１、１０２、１０３、１０４間で干渉を生じないようにする重み行列を求め、この重み行列をデータに乗算することを意味する。
そして、ビームフォーマ１００は、プリコーディングを行った各データをビームフォーミ１０１、１０２、１０３、１０４にそれぞれ送信する。

ところで、複数の産業用ロボットが設置されている現場の多くにおいては、連続するタイムサイクルごとに、制御装置から複数の産業用ロボットに指令信号を含むデータを伝送する同期通信が採用されている。各産業用ロボットは、タイムサイクルごとに指令信号を受信することにより他の産業用ロボットと精密に連関して作動でき、複数の産業用ロボット全体の作業効率を高めることが可能である。
この同期通信は、産業用ロボットの設置現場に限らず、複数の機器が連関して作動する他の現場においても利用されている。

ＩＥＥＥ　Ｐ８０２．１１ａｃＴＭ／Ｄ４．０，Ｏｃｔｏｂｅｒ　２０１２，"Ｐａｒｔ　１１：Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ＬＡＮ　Ｍｅｄｉｕｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＭＡＣ）　ａｎｄ　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｌａｙｅｒ（ＰＨＹ）　ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ"

ここで、ＭＵ－ＭＩＭＯの従来の設計思想（以下、「従来のＭＵ－ＭＩＭＯ」とも言う）においては、ビームフォーマが通信状態のよいビームフォーミと優先的に通信を行いシステム全体で高スループットを維持しようとするため、通信状態が劣悪なビームフォーミは通信が滞った状態となる。即ち、従来のＭＵ－ＭＩＭＯでは、複数のビームフォーミ全てに通信機会の公平性を確保する点が重視されていない。
一方、同期通信の同期精度を上げるには、複数のビームフォーミの中で最も通信状態が悪い通信レベルを向上させることが重要である。
従って、ＭＵ－ＭＩＭＯを同期精度の高い（例えば、数μｓｅｃオーダ）同期通信に適用するには、ＭＵ－ＭＩＭＯにおいて、ビームフォーミの通信レベルの底上げが求められる。

そして、ＭＵ－ＭＩＭＯにおいて通信状態が劣悪となる典型的な例に、ビームフォーミ間でチャネルの相関が高い状況が挙げられる。例えば、ビームフォーミ間の距離が短く、チャネル状態が近似している際に、そのビームフォーミ間でチャネルの相関が高くなる。
以下、図８に示すシステムにおいて、ビームフォーミ１０１、１０２間でチャネルの相関が高い場合に起こる現象を説明する。なお、ビームフォーミ１０３、１０４は、他のビームフォーミとチャネルの相関が低いものとする。

ビームフォーミ１０１、１０２間でチャネルの相関が高いことにより、ビームフォーマ１００は、ストリーム１０１ａに割り当てたデータ、及び、ストリーム１０２ａに割り当てたデータそれぞれから、ビームフォーミ１０１、１０２間で干渉を生じさせないような重み行列を求めることができない。
その結果、ビームフォーミ１０３、１０４がそれぞれ通信を完了しているのに対し、ビームフォーミ１０１、１０２は、その干渉の影響により、通信エラーが多発し、通信未完了の状態が継続する。

このため、ビームフォーマ１００とビームフォーミ１０３、１０４それぞれの間では順調に通信が行われるが、ビームフォーマ１００とビームフォーミ１０１、１０２それぞれの間では通信が滞ることになり、所定の精度の同期通信を行うことができない。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされるもので、チャネルの相関が高いビームフォーミが安定的に通信を行うことができるＭＵ－ＭＩＭＯシステムとＭＵ－ＭＩＭＯの通信方法を提供することを目的とする。

前記目的に沿う第１の発明に係るＭＵ－ＭＩＭＯシステムは、ビームフォーマが、複数のビームフォーミそれぞれに対応する複数のデータを、ストリームに割り当ててプリコーディングし、前記複数のビームフォーミそれぞれに送信するＭＵ－ＭＩＭＯシステムであって、複数の前記ビームフォーミ間でチャネルの相関が高くなっているビームフォーミグループごとに、該複数のビームフォーミそれぞれに対応する複数の前記データを一つにまとめたデータ群を、１つ又は複数の前記ストリームに割り当てる割り当て手段と、前記データ群をプリコーディングする演算手段と、プリコーディングされた前記データ群を該データ群に含まれる複数の前記データにそれぞれ対応する前記ビームフォーミに送信する送出手段とを備える。
ここで、チャネルの相関が高いとは、チャネルの相関によるビームフォーミのパケットエラー率、あるいは、符号誤り率が所定の値以上となるチャネルの相関レベルであることを意味する。

第１の発明に係るＭＵ－ＭＩＭＯシステムにおいて、前記割り当て手段は、前記複数のビームフォーミそれぞれのチャネル状態から検出した該ビームフォーミ間のチャネルの相関を基にして、前記データ群にまとめる複数の前記データを決定するのが好ましい。

第１の発明に係るＭＵ－ＭＩＭＯシステムにおいて、前記ビームフォーミは産業用ロボットであり、前記ビームフォーマは前記産業用ロボットに指令信号を送る制御装置であるのが好ましい。

前記目的に沿う第２の発明に係るＭＵ－ＭＩＭＯの通信方法は、ビームフォーマが、複数のビームフォーミそれぞれに対応する複数のデータを、ストリームに割り当ててプリコーディングし、前記複数のビームフォーミにそれぞれ送信するＭＵ－ＭＩＭＯの通信方法において、複数の前記ビームフォーミ間でチャネルの相関が高くなっているビームフォーミグループごとに、該複数のビームフォーミそれぞれに対応する複数の前記データを一つにまとめたデータ群を、１つ又は複数の前記ストリームに割り当てる工程Ａと、前記データ群をプリコーディングする工程Ｂと、プリコーディングされた前記データ群を、該データ群に含まれる複数の前記データそれぞれに対応する前記ビームフォーミに送信する工程Ｃとを有する。

第２の発明に係るＭＵ－ＭＩＭＯの通信方法において、前記データ群にまとめる複数の前記データを、前記複数のビームフォーミそれぞれのチャネル状態から検出した該ビームフォーミ間のチャネルの相関を基に決定するのが好ましい。

第１の発明に係るＭＵ－ＭＩＭＯシステム、及び、第２の発明に係るＭＵ－ＭＩＭＯの通信方法は、複数のビームフォーミ間でチャネルの相関が高くなっているビームフォーミグループごとに、複数のビームフォーミそれぞれに対応する複数のデータを一つにまとめたデータ群を、１つ又は複数のストリームに割り当て、データ群をプリコーディングし、プリコーディングされたデータ群を、データ群に含まれる複数のデータそれぞれに対応するビームフォーミに送信するので、チャネルの相関が高い複数のビームフォーミが、そのビームフォーミそれぞれに対応するデータを一つにまとめたデータ群の受信によって、そのビームフォーミに対応するデータを取得でき、安定的に通信を行うことが可能である。

本発明の一実施の形態に係るＭＵ－ＭＩＭＯシステムの説明図である。同ＭＵ－ＭＩＭＯシステムのデータの処理を示す説明図である。（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、同ＭＵ－ＭＩＭＯシステムのデータの処理を示す説明図、及び、変形例に係るＭＵ－ＭＩＭＯシステムのデータの処理を示す説明図である。実施例及び比較例それぞれにおけるビームフォーミ１のＢＥＲ特性を示すグラフである。実施例及び比較例それぞれにおけるビームフォーミ２のＢＥＲ特性を示すグラフである。実施例及び比較例それぞれにおけるビームフォーミ３のＢＥＲ特性を示すグラフである。実施例及び比較例それぞれにおけるビームフォーミ４のＢＥＲ特性を示すグラフである。従来例に係るＭＵ－ＭＩＭＯシステムの説明図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１、図２に示すように、本発明の一実施の形態に係るＭＵ－ＭＩＭＯシステム１０は、ビームフォーマ１１が、複数のビームフォーミ１２、１３、１４、１５それぞれに対応する複数のデータ１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａを、ストリーム１２ｓ、１３ｓ、１４ｓ、１５ｓに割り当ててプリコーディングし、複数のビームフォーミ１２、１３、１４、１５それぞれに送信する無線通信システムである。以下、詳細に説明する。

ＭＵ－ＭＩＭＯシステム１０は１つのビームフォーマ１１を有し、そのビームフォーマ１１は、図１、図２に示すように、複数の送受信用アンテナ１６、１７、１８、１９と、その複数の送受信用アンテナ１６、１７、１８、１９に接続された送受信処理回路２０を備えている。
ＯＳＩ参照モデルを含む複数のレイヤから構成された送受信処理回路２０は、ビームフォーミ１２、１３、１４、１５それぞれに対して送信するデータ１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａを生成し、プリコーディング処理を行う。

送受信処理回路２０で生成されプリコーディングされたデータ１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａは、複数の送受信用アンテナ１６、１７、１８、１９及び図示しない複数のアンプを備える送出手段２１を介して、ビームフォーミ１２、１３、１４、１５にそれぞれ送信される。
ビームフォーマ１１と無線通信を行う複数のビームフォーミ１２、１３、１４、１５もそれぞれ、図示しないアンプに接続された送受信用アンテナ２２を有し、ビームフォーマ１１から送られたデータ１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａを受信する。
本実施の形態では、ビームフォーミ１２、１３、１４、１５はそれぞれ産業用ロボットであり、ビームフォーマ１１は、ビームフォーミ１２、１３、１４、１５に指令信号を送る制御装置である。指令信号とは、ビームフォーミ１２、１３、１４、１５の動作を決定する信号を意味する。

送受信処理回路２０には、図２に示すように、ビームフォーミ１２、１３、１４、１５それぞれに対応した（供給すべき）データ１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａを生成するデータ処理手段２３と、データ処理手段２３で生成されたデータ１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａを複数のストリーム１２ｓ、１３ｓ、１４ｓ、１５ｓに割り当てる（あてがう）割り当て手段２４と、データ１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａをプリコーディングし送出手段２１に与える演算手段２５が設けられている。データ処理手段２３、割り当て手段２４及び演算手段２５は、例えば、記憶媒体の中に格納されたプログラムである。

データ１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａはそれぞれ、ビームフォーミ１２、１３、１４、１５に対応する指令信号を含んだ所定長（本実施の形態では６バイト）のデジタル情報列である。
ビームフォーミ１２は複数の動作パターンを行うことができ、各動作パターンに対して異なる指令信号が設けられている。データ１２ａを構成するデジタル情報列は、ビームフォーミ１２の動作パターンごとに異なり、ビームフォーミ１２はデータ１２ａのデジタル情報列に応じて所定の動作パターンを行う。この点、ビームフォーミ１３とデータ１３ａの関係、ビームフォーミ１４とデータ１４ａの関係、及び、ビームフォーミ１５とデータ１５ａの関係も、ビームフォーミ１２とデータ１２ａの関係とそれぞれ同じである。

データ１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａは、まず、データ処理手段２３により、予め定められた設定に従って生成され、データ処理手段２３から割り当て手段２４に与えられる。
割り当て手段２４は、ビームフォーミ１２、１３、１４、１５のチャネル状態（情報）を、所定の時間間隔でビームフォーミ１２、１３、１４、１５からそれぞれ取得する。次に、割り当て手段２４は、ビームフォーミ１２、１３、１４、１５の各チャネル状態を基にして、データ処理手段２３から受け取ったデータ１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａそれぞれの割り当て先を、ストリーム１２ｓ、１３ｓ、１４ｓ、１５ｓの中から選択する。

複数のデータ１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａのストリーム１２ｓ、１３ｓ、１４ｓ、１５ｓへの割り当ては、具体的には、以下のように行われる。
複数のビームフォーミ１２、１３、１４、１５がそれぞれ他のビームフォーミ１２、１３、１４、１５との関係でチャネルの相関が低い場合、複数のデータ１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａはそれぞれ別個のストリーム１２ｓ、１３ｓ、１４ｓ、１５ｓに割り当てられる。本実施の形態では、データ１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａが、図２に示すように、ストリーム１２ｓ、１３ｓ、１４ｓ、１５ｓにそれぞれ割り当てられる。
ここで、チャネルの相関が低いとは、チャネルの相関によるビームフォーミ１２、１３、１４、１５のパケットエラー率がＸ％（所定の値）未満となるチャネルの相関レベルを意味し、反対に、パケットエラー率がＸ％以上のチャネルの相関レベルはチャネルの相関が高いということになる。Ｘ％は、例えば、２０～８０％の範囲の値であり、この値は、ＭＵ－ＭＩＭＯシステムを利用する現場で要求される通信レベルに応じて異なる。

一方、割り当て手段２４が、複数のビームフォーミ１２、１３、１４、１５の中に、他のビームフォーミ１２、１３、１４、１５との関係でチャネルの相関が高い（チャネルの相関によるパケットエラー率がＸ％以上となるチャネルの相関レベルである）ものを検出した場合、割り当て手段２４は、チャネルの相関の高くなっている組み合わせを基に複数のビームフォーミ１２、１３、１４、１５を、１又は複数のビームフォーミグループにグループ分けする。そして、割り当て手段２４は、ビームフォーミグループごとに、ビームフォーミグループに属する複数のビームフォーミそれぞれに対応する複数のデータを一つにまとめたデータ群をストリーム１２ｓ、１３ｓ、１４ｓ、１５ｓに割り当てる。
なお、１つのデータ群は複数のデータを備えたデジタル情報列のかたまり（パケット）である。

割り当て手段が、複数のビームフォーミの中に、例えば、合計Ｍ組のチャネルの相関が高いビームフォーミの群を検出したとすると、割り当て手段は、チャネルの相関が高くなっている複数のビームフォーミをＭ個のビームフォーミグループにグループ分けし、Ｍ個のビームフォーミグループ各々に対して、ビームフォーミグループに属する複数のビームフォーミそれぞれに対応する複数のデータを一つにまとめたデータ群を、ストリームに割り当てる。
そして、Ｋ番目のビームフォーミグループにおいて、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）のビームフォーミ間でチャネルの相関が高くなっているとすると、割り当て手段は、そのＮ個のビームフォーミそれぞれに対応するデータを１つにまとめたデータ群（以下、「データ群Ｋ」とも言う）を、１つ又は複数のストリームに割り当てる。データ群Ｋが割り当てられるストリームは、データ群Ｋに含まれるデータに対応するビームフォーミに対して割り当てられた（対応した）ストリームである。

ここで、各ビームフォーミに１つのストリームが割り当てられている場合、割り当て手段は、データ群ＫをＮ個のストリームにそれぞれ割り当てる。
一方、各ビームフォーミがＬ（Ｌ≧２）個の送受信用アンテナを備え、各ビームフォーミにＬ個のストリームが割り当てられる場合、割り当て手段は、データ群Ｋを、（Ｎ×Ｌ）個のストリームにそれぞれ割り当てる。
なお、一つのビームフォーミに複数のストリームを対応させることで、ダイバーシチ（ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ）効果による通信の安定性向上を図れることは言うまでもない。

ＭＵ－ＭＩＭＯシステム１０においては、ビームフォーマ１１が、ビームフォーミ１２、１３、１４、１５にストリーム１２ｓ、１３ｓ、１４ｓ、１５ｓをそれぞれ割り当てて通信を行う。このＭＵ－ＭＩＭＯシステム１０において、割り当て手段２４が、ビームフォーミ１２、１３間でチャネルの相関が高く、ビームフォーミ１４、１５はそれぞれ、他のビームフォーミ１２、１３、１４、１５との関係でチャネルの相関が低いのを検出した場合、図３（Ａ）に示すように、ビームフォーミ１２、１３間でチャネルの相関が高くなっているビームフォーミグループについて、データ１２ａ、１３ａを一つにまとめたデータ群１２１３ａを、ストリーム１２ｓ、１３ｓにそれぞれ割り当てる。

データ１４ａ、１５ａは、まとめられることなく、データ１４ａがストリーム１４ｓに割り当てられ、データ１５ａがストリーム１５ｓにそれぞれ割り当てられる。
因って、割り当て手段２４は、複数のビームフォーミ１２、１３、１４、１５それぞれのチャネル状態から検出したビームフォーミ間のチャネルの相関を基にして、どのデータをデータ群として一つにまとめるかを決定し、更に、データ群にまとめるデータが存在する場合、そのデータ群にまとめる複数のデータを決定することになる。
なお、データ１４ａ、１５ａ及びデータ群１２１３ａをストリームに割り当てるアルゴリズムとしては、最大チャネル容量選択法や、最大最小特異値法等の周知の方法を採用することができる。

そして、ストリーム１２ｓ、１３ｓにそれぞれ割り当てられたデータ群１２１３ａは、演算手段２５によってプリコーディングされ、送受信用アンテナ１６、１７から発信され、ビームフォーミ１２、１３によってそれぞれ受信される。
ビームフォーミ１２（ビームフォーミ１３についても同じ）は、ビームフォーマ１１から受け取ったプリコーディングされたデータ群１２１３ａに含まれているデータ１２ａ（ビームフォーミ１３については、データ１３ａ）を基に、次に行うべき動作パターンを決定する。

ここで、ビームフォーミ１２、１３はチャネルの相関が高いため、ビームフォーミ１２、１３は共に、送受信用アンテナ１６から発信されたプリコーディングされたデータ群１２１３ａと、送受信用アンテナ１７から発信されたプリコーディングされたデータ群１２１３ａを受信することができる。
従って、ビームフォーミ１２、１３はそれぞれ、少なくとも送受信用アンテナ１６、１７のうち一方から発信されたデータ群１２１３ａの受信に成功することで、次に行うべき動作パターンを決定可能なダイバーシチ効果を得られる状態にある。

また、データ１４ａ、１５ａは、演算手段２５によりプリコーディングされ、ビームフォーマ１１の送受信用アンテナ１８、１９から発信され、それぞれビームフォーミ１４、１５によって受信される。ビームフォーミ１４、１５はそれぞれ、プリコーディングされたデータ１４ａ、１５ａを基に、次に行うべき動作パターンを決定する。
プリコーディングには、演算方法が異なるＣＩ（Ｃｈａｎｎｅｌ　Ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）、ＲＣＩ（Ｒｅｇｕｌａｒｉｚｅｄ　Ｃｈａｎｎｅｌ　Ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）、及び、ＢＤ（Ｂｌｏｃｋ　Ｄｉａｇｏｎａｌｉｚａｔｉｏｎ）の各手法があり、本実施の形態では、プリコーディングの手法として、ＢＤを採用しているが、これに限定されないのは言うまでもない。

ＢＤ手法では、まず、ビームフォーミのチャネル状態を基に得られるチャネル行列Ｈを特異値分解することで重み行列Ｗ^ＢＤが生成され、この重み行列Ｗ^ＢＤをデータ（送信シンボル）ｕに乗算してプリコーディングが行われる。
データｕと、データｕをプリコーディングしたデータｓは、以下の式１の関係にある。

正規化ゲインを１／√γ_ＢＤとし、正規化後の送信信号をｘとすると、ビームフォーマからビームフォーミに伝搬した信号である受信信号ｙ_ＢＤは以下の式２で表される。なお、ｘ＝（１／√γ_ＢＤ）ｓである。式２において、Ｈ_ＢＤは、ＢＤ手法によるプリコーディングがなされたチャネル行列であり、具体的にはチャネル行列ＨにＷ^ＢＤを乗算したものであり、ｎは、熱雑音ベクトルである。

このとき、チャネルは以下の式３に示すチャネルＨ_ＢＤとして取り扱うことができる。ここで、Ｍ_ｋは、ビームフォーマの送受信アンテナからビームフォーミｋの送受信アンテナへの行列を表す。

式３より、チャネル行列Ｈ_ＢＤは各ビームフォーミのチャネル行列Ｍ_１、Ｍ_２、・・・、Ｍ_ｋ、・・・、Ｍ_Ｋで構成される部分対角行列となり、相関を生じる成分を除去、あるいは、減少した状態で、通信が行われる。
そして、重み行列Ｗ^ＢＤは、以下の式４で示すように、各ビームフォーミへの重み行列ｗ_ｋで構成されるため、各ビームフォーミごとの重み行列ｗ_ｋを求めることで、重み行列Ｗ^ＢＤを得ることできる。

ビーフォーミｋの重み行列の生成は、はじめに、チャネル行列Ｈからビーフォーミｋのチャネル行列を除去したチャネル行列Ｈ_ｋ’を得る。チャネル行列Ｈ_ｋ’はビームフォーマの全ての送受信用アンテナからビームフォーミｋを除くビームフォーミの送受信用アンテナへのチャネルを意味する。チャネル行列Ｈ及びチャネル行列Ｈ_ｋ’は以下の式５及び式６でそれぞれ示される。　

ここで、ビームフォーマの送受信用アンテナの数をＮ_ＴＸ、１つのビームフォーミが備える送受信用アンテナの数をＮ_ＲＸ、ビームフォーミの数をＫとして、Ｈ_ｋ’に特異値分解を適用すると、Ｈ_ｋ’は以下の式７で表される。

Ｈ_ｋ’は、Ｎ_ＲＸ（Ｋ－１）×Ｎ_ＴＸの非正方行列であり、ランク落ちが生じない前提で、Ｎ_ＲＸ×（Ｋ－１）個の特異値を持ち、Σ_ｋ’と表される。それぞれの特異値に対する特異ベクトルをＶ_ｋ’とし、Ｈ_ｋ’に、Ｎ_ＴＸ－Ｎ_ＲＸ（Ｋ－１）の零空間と零ベクトルＶ_ｋ”が存在するとすると、零ベクトルＶ_ｋ”をチャネル行列Ｈに乗算することで、ビームフォーミｋ以外のビームフォーミに対しヌルを向け相関成分を除去することが可能となる。全てのビームフォーミについて、特定のビームフォーミ以外のビームフォーミに対してヌルを向ける零ベクトルＶ_ｋ”を求めることで、以下の式８に示す重み行列Ｗ^ＢＤを得ることができる。

ＭＵ－ＭＩＭＯシステム１０において、ビームフォーミ１２、１３間、及び、ビームフォーミ１４、１５間でそれぞれ相関が高くなっていると、データ群１２１３ａはストリーム１２ｓ、１３ｓにそれぞれ割り当てられ、データ１４ａ、１５ａを一つにまとめたデータ群１４１５ａはストリーム１４ｓ、１５ｓにそれぞれ割り当てられる。
このとき、ビームフォーミ１２に対応するＨ_１，２’は以下の式９で表される。

Ｈ_１，２’を特異値分解することで、ビームフォーミ１２、１３以外にヌルを向ける零ベクトルＶ_１，２”が算出され、このＶ_１，２”をビームフォーミ１２、１３に対する重み行列ｗ_１，２　とする。
この処理を、ビームフォーミ１３、１４、１５について行うことにより、以下の式１０で示される重み行列Ｗ^ＢＤ２が生成される。

重み行列Ｗ^ＢＤ２は、４×２の行列であり、相関を生じる成分を除去したＨＷ^ＢＤ２は、以下の式１１で表される。

ここで、ＭＵ－ＭＩＭＯシステム１０においては、相関が高いビームフォーミ１２、１３に対し、同じデータ群１２１３ａが送信されるので、ビームフォーミ１２、１３はそれぞれ、データ１２、１３を安定的に得ることができ、結果として、ビームフォーミ１２、１３間の高い相関による影響を抑制可能である。この点、ビームフォーミ１４、１５についても同じことが言える。

また、各ビームフォーミのチャネルの相関関係が固定されている現場では、複数のビームフォーミ間でチャネルの相関が高くなっているビームフォーミグループそれぞれに対し、１つのストリームを割り当てるようにしてもよい。
ＭＵ－ＭＩＭＯシステム１０の変形例である図３（Ｂ）に示すＭＵ－ＭＩＭＯシステム３０は、ビームフォーミ１２、１３、１４、１５のチャネルの相関が固定されている。
以下、ＭＵ－ＭＩＭＯシステム３０について説明する。なお、ＭＵ－ＭＩＭＯシステム１０と同様の構成については、ＭＵ－ＭＩＭＯシステム１０と同一の符号を付して詳しい説明は省略する。

ＭＵ－ＭＩＭＯシステム３０においては、ビームフォーマ３１及びビームフォーミ１２、１３、１４、１５の配置が固定され、ビームフォーミ１２、１３、１４、１５それぞれのチャネル状態が固定されている。本実施の形態では、ビームフォーミ１２、１３間でチャネルの相関が高く、ビームフォーミ１４、１５間でチャネルの相関が高い。
ビームフォーマ３１が備える割り当て手段２４は、ストリーム３２ｓ、３３ｓそれぞれに割り当てるデータ群が定められた設定テーブルを有している。本実施の形態では、その設定テーブルに、データ１２ａ、１３ａを一つにまとめたデータ群１２１３ａをストリーム３２ｓに割り当て、データ１４ａ、１５ａを一つにまとめたデータ群１４１５ａをストリーム３３ｓに割り当てることが予め定められている。

割り当て手段２４は、設定テーブルに従い、ストリーム３２ｓにデータ群１２１３ａを割り当て、ストリーム３３ｓにデータ群１４１５ａを割り当てる。
そして、ストリーム３２ｓに割り当てられたデータ群１２１３ａは、ビームフォーマ３１が備える演算手段２５によりプリコーディングされ、送受信用アンテナ１６からビームフォーミ１２、１３に送信される。ストリーム３３ｓに割り当てられたデータ群１４１５ａもデータ群１２１３ａと同様に、演算手段２５によりプリコーディングされ、送受信用アンテナ１７からビームフォーミ１４、１５に送信される。

従って、ＭＵ－ＭＩＭＯシステム１０では、ビームフォーマ１１が複数のビームフォーミ１２、１３、１４、１５と同数の送受信用アンテナ１６、１７、１８、１９を備えていたのに対し、ＭＵ－ＭＩＭＯシステム３０においては、ビームフォーマ３１が、複数のビームフォーミ１２、１３、１４、１５より少ない送受信用アンテナ１６、１７を備えることで無線通信を行うことができる。
ここまで記載したように、ＭＵ－ＭＩＭＯシステムのシステム設計に応じて、割り当て手段は、複数のデータを一つにまとめたデータ群を１つ又は複数のストリームに割り当てることになる。

なお、ＭＵ－ＭＩＭＯシステム１０は、４つのビームフォーミ１２、１３、１４、１５に対し４つのストリーム１２ｓ、１３ｓ、１４ｓ、１５ｓにより無線通信を行うシステムであり、ＭＵ－ＭＩＭＯシステム３０は、４つのビームフォーミ１２、１３、１４、１５に対し２つのストリーム３２ｓ、３３ｓで無線通信を行うシステムであるが、ビームフォーミの数や、ストリームの数はこれに限定されない。

次に、ＭＵ－ＭＩＭＯシステム１０に適用可能な本発明の一実施の形態に係るＭＵ－ＭＩＭＯの通信方法を、以下に説明する。
まず、割り当て手段は、所定の時間間隔で取得する複数のビームフォーミそれぞれのチャネル状態から検出したビームフォーミ間のチャネルの相関を基に、データ群にまとめる複数のデータを動的に決定する。
そして、割り当て手段は、決定した内容に従って、複数のビームフォーミ間でチャネルの相関が高くなっているビームフォーミグループごとに、複数のデータをデータ群にまとめ、その複数のデータを一つにまとめたデータ群を１つ又は複数のストリームに割り当てる（工程Ａ）。

また、割り当て手段は、チャネルの相関がないビームフォーミに対応したデータを、データ群を割り当てたストリームとは別のストリームに割り当てる。
そして、演算手段は、ストリームに割り当てられたデータ群、及び、ストリームに割り当てられたデータをプリコーディングし（工程Ｂ）、それらを送出手段に与える。
送出手段は、プリコーディングされたデータ群を、そのデータ群に含まれる複数のデータそれぞれに対応するビームフォーミに送信すると共に、プリコーディングされたデータを、そのデータに対応するビームフォーミに送信する（工程Ｃ）。

次に、本発明の作用効果を確認するために行った実施例について説明する。
本実施例では、ＩＥＥＥ８０２．１１ａｃ規格に準拠したシミュレータを用いて、１つのビームフォーマと４つのビームフォーミの通信をシミュレーションした。シミュレーション諸元を以下に記載する。
ＳＮＲ［ｄＢ］：３０～５０（５刻み）
各ビームフォーミに対する総送信パケット数：１０００
各ビームフォーミに対する総送信ビット数：８．０×１０^６
各ビームフォーミのアンテナ数：１
ビームフォーマのアンテナ数：４
変調方式：６４ＱＡＭ
符号比率：５／６
チャネルモデル：ＴＧａｃ　Ｍｏｄｅｌ　Ｂ
プリコーディング手法：ＢＤ
ストリーム割り当てアルゴリズム：最大チャネル容量選択法

ビームフォーミ１はビームフォーミ２とチャネルの相関が高い関係にあり、ビームフォーミ３、４は他のビームフォーミ１、２、３、４との関係でチャネルの相関が低い条件設定をし、ビームフォーミ１～４それぞれのＢＥＲ（Ｂｉｔ　Ｅｒｒｏｒ　Ｒａｔｅ）をシミュレーションにより算出した。ストリームへのデータの割り当ては、１）ビームフォーミ１～４それぞれのデータをそれぞれ４つのストリームに割り当てる比較例の方法と、２）ビームフォーミ１、２のデータをまとめたデータ群を２つのストリームにそれぞれ割り当て、ビームフォーミ３のデータを他の１つのストリームに割り当て、ビームフォーミ４のデータを残りの１つのストリームに割り当てる実施例の方法とでそれぞれ行った。

ビームフォーミ１～４それぞれについて、比較例の方法と実施例の方法の各シミュレーション結果を図４～図７のグラフに示す。なお、図４～図７で、Ｕｓｅｒ１、２、３、４は、それぞれビームフォーミ１、２、３、４を示し、Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｍｅｔｈｏｄは比較例の方法を表し、Ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｍｅｔｈｏｄは実施例の方法を意味する。
シミュレーション結果より、ビームフォーミ１、２で、実施例の方法が、比較例の方法に比べ、ＢＥＲ特性が良くなり、通信の安定性が大幅に増すことが明らかとなった。比較例の方法では、ビームフォーミ１、２のいずれにおいても、ＢＥＲが１０^－１以下になることはなく、これは、通信ができない状態であると考えられる。

また、ビームフォーミ３、４においても、実施例の方法で、比較例の方法に比べ、ＢＥＲ特性が良くなっている。これは、ビームフォーマの２つの送受信用アンテナで同じデータ群を送信することで、この２つのアンテナから異なるデータを送信するのに比較して、ビームフォーマの送受信用アンテナ間の相関が低減したことによるものと考えられる。
また、最大チャネル容量選択法の代わりに、最大最小特異値法を採用した場合も、同様のシミュレーション結果が得られることが確認されている。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記した形態に限定されるものでなく、要旨を逸脱しない条件の変更等は全て本発明の適用範囲である。
例えば、ビームフォーミは産業用ロボットに限定されず、タブレット端末等の通信端末であってもよく、ビームフォーマも産業用ロボットの動作を制御する制御装置に限定されず、通信端末に信号を送信する基地局端末であってもよい。

１０：ＭＵ－ＭＩＭＯシステム、１１：ビームフォーマ、１２～１５：ビームフォーミ、１２ａ～１５ａ：データ、１２ｓ～１５ｓ：ストリーム、１６～１９：送受信用アンテナ、２０：送受信処理回路、２１：送出手段、２２：送受信用アンテナ、２３：データ処理手段、２４：割り当て手段、２５：演算手段、３０：ＭＵ－ＭＩＭＯシステム、３１：ビームフォーマ、３２ｓ、３３ｓ：ストリーム、１２１３ａ、１４１５ａ：データ群

Claims

ビームフォーマが、複数のビームフォーミそれぞれに対応する複数のデータを、ストリームに割り当ててプリコーディングし、前記複数のビームフォーミそれぞれに送信するＭＵ－ＭＩＭＯシステムであって、
複数の前記ビームフォーミ間でチャネルの相関が高くなっているビームフォーミグループごとに、該複数のビームフォーミそれぞれに対応する複数の前記データを一つにまとめたデータ群を、１つ又は複数の前記ストリームに割り当てる割り当て手段と、
前記データ群をプリコーディングする演算手段と、
プリコーディングされた前記データ群を該データ群に含まれる複数の前記データにそれぞれ対応する前記ビームフォーミに送信する送出手段とを備えることを特徴とするＭＵ－ＭＩＭＯシステム。
請求項１記載のＭＵ－ＭＩＭＯシステムにおいて、前記割り当て手段は、前記複数のビームフォーミそれぞれのチャネル状態から検出した該ビームフォーミ間のチャネルの相関を基にして、前記データ群にまとめる複数の前記データを決定することを特徴とするＭＵ－ＭＩＭＯシステム。
請求項１又は２記載のＭＵ－ＭＩＭＯシステムにおいて、前記ビームフォーミは産業用ロボットであり、前記ビームフォーマは前記産業用ロボットに指令信号を送る制御装置であることを特徴とするＭＵ－ＭＩＭＯシステム。
ビームフォーマが、複数のビームフォーミそれぞれに対応する複数のデータを、ストリームに割り当ててプリコーディングし、前記複数のビームフォーミにそれぞれ送信するＭＵ－ＭＩＭＯの通信方法において、
複数の前記ビームフォーミ間でチャネルの相関が高くなっているビームフォーミグループごとに、該複数のビームフォーミそれぞれに対応する複数の前記データを一つにまとめたデータ群を、１つ又は複数の前記ストリームに割り当てる工程Ａと、
前記データ群をプリコーディングする工程Ｂと、
プリコーディングされた前記データ群を、該データ群に含まれる複数の前記データそれぞれに対応する前記ビームフォーミに送信する工程Ｃとを有するＭＵ－ＭＩＭＯの通信方法。
請求項４記載のＭＵ－ＭＩＭＯの通信方法において、前記データ群にまとめる複数の前記データを、前記複数のビームフォーミそれぞれのチャネル状態から検出した該ビームフォーミ間のチャネルの相関を基に決定することを特徴とするＭＵ－ＭＩＭＯの通信方法。