WO2015087716A1 - 基地局装置、端末装置、送信方法、および受信方法 - Google Patents

基地局装置、端末装置、送信方法、および受信方法 Download PDF

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宏道 留場
良太 山田
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Definitions

  • the expansion of the transmission bandwidth is effective for realizing high-speed and large-capacity wireless communication, but the usable frequency band is limited. Therefore, securing of bandwidth by transmission using an ultra-high frequency band, which has not been assumed to be used in mobile radio communication, has been studied.
  • the propagation loss (path loss) at which the strength of radio waves attenuates exponentially with respect to the communication distance increases as the communication frequency (carrier frequency, carrier frequency) increases. This suggests that enormous transmission power is required for wireless transmission using the super-high frequency band.
  • the base station apparatus of the present invention is characterized in that information indicating a spreading code used by the signal spreading section is notified to the plurality of terminal apparatuses.
  • the terminal device of the present invention is a terminal device that includes a plurality of antennas and communicates with a base station device, and a channel estimation unit that estimates channel state information with the base station device; A signal despreading unit that despreads the signals received by the plurality of antennas in a spatial direction, a channel that demodulates a desired signal from the despread signal based on the channel state information, and the like And a conversion unit.
  • Such a terminal device can perform despreading processing in the spatial direction, interference can be suppressed by the spreading gain, and reception quality can be improved.
  • the signal despreading unit of the terminal device of the present invention further despreads the signal despread in the spatial direction in any one of the time direction, the frequency direction, and the time / frequency direction. It is characterized by that.
  • the transmission method of the present invention includes a step of acquiring channel state information with a plurality of terminal devices, and a plurality of signals addressed to each terminal device using a spreading code in the spatial direction of each terminal device. A step of spreading and multiplexing, and a step of precoding the spread-multiplexed signal based on the channel state information.
  • the reception method of the present invention includes a step of estimating channel state information with a base station device, a step of performing despreading in a spatial direction on signals received by the plurality of antennas, And demodulating a desired signal from the despread signal based on the channel state information.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of an outline of a wireless communication system according to the first embodiment of the present invention.
  • a multi-user multiple-input multiple-output (MU-MIMO) transmission is possible, and a base station apparatus 1 (also referred to as a radio transmission apparatus) provided with N t antennas.
  • Terminal devices 2 also referred to as wireless reception devices
  • N r antennas are connected in U units (four terminal devices 2-1 to 2-4 in FIG. 1).
  • R data streams are simultaneously transmitted to each terminal device 2, and R is referred to as a transmission data stream number or a rank number. Nr and R may be different values for each terminal device 2.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating one configuration example of the base station apparatus 1 according to the present embodiment.
  • the base station apparatus 1 includes a channel encoding unit 201, a data modulation unit 202, a signal spreading unit 203, a pilot multiplexing unit 204, a precoding unit 205, a radio transmission unit 206,
  • the antenna 207, the wireless reception unit 208, the channel state information acquisition unit 209, and the control unit 210 are configured.
  • the antenna 207 is preferably composed of several hundred antenna elements, but any number of antenna elements may be used.
  • the signal spreading unit 203 performs spreading multiplexing on the modulated signal addressed to each terminal apparatus 2 in the receiving antenna direction (layer direction, spatial direction) of each terminal apparatus 2 using a spreading code (step S302).
  • the spreading code can be used regardless of an Hadamard code, a discrete Fourier transform (DFT) sequence, a Gold code, or the like, an orthogonal code, or a quasi-orthogonal code.
  • the spreading factor SF of the spreading code is preferably the number of receiving antennas N r included in each terminal device 2, but may be any value equal to or less than N r . Note that the spreading code and spreading factor SF used by the signal spreading unit 203 for spreading multiplexing may be common among the terminal apparatuses 2 or may be different.
  • the base station apparatus 1 acquires channel state information used by the precoding unit 205 based on the transmission signal from each terminal apparatus 2.
  • the channel state information includes information regarding the reception quality and desired rank number of each terminal apparatus 2 and the MIMO channel matrix.
  • the MIMO channel matrix refers to a matrix whose elements are complex channel gains between the transmission antennas of the base station apparatus 1 and the reception antennas of the terminal apparatuses 2.
  • the channel state information acquisition unit 209 can grasp the channel state information from the control information associated with the channel state information included in the transmission signal from each terminal device 2. Further, the channel state information acquisition unit 209 can grasp the channel state information by performing channel estimation based on the transmission signal from each terminal apparatus 2.
  • the information associated with the channel state information is information obtained by directly quantizing the information estimated by the channel estimation unit 408 or information according to a rule determined in advance between the base station device 1 and the terminal device 2 (for example, For example, a code book in which a plurality of vectors are described, a modulation scheme for realizing a plurality of frequency utilization efficiencies, a table index in which a coding rate is described, and the like.
  • the configuration of the base station apparatus 1 according to this embodiment is the same as that of the first embodiment (see FIG. 2). However, the signal processing in the signal spreading unit 203 of the base station apparatus 1 according to this embodiment is different from that of the first embodiment. Hereinafter, signal processing in the signal spreading unit 203a according to the present embodiment will be described.
  • the signal spreading unit 203a further spreads the spread modulation signal addressed to each terminal apparatus 2 spread and multiplexed in the spatial direction in the time and frequency directions.
  • the spreading codes used by the signal spreading unit 203a to spread the spread modulation signal in the time and frequency directions are orthogonal between the terminal apparatuses 2. This is because the channel correlation is strong for adjacent frequency resources and time resources, so that the IUI can be suppressed with high efficiency by using spreading codes orthogonal to each terminal device 2.
  • spreading multiplexing and precoding taking into account despreading performed in each terminal apparatus 2 are performed on the modulated signal addressed to each terminal apparatus 2.
  • two terminal apparatuses 2 are spatially multiplexed and spread multiplexing in the direction of the receiving antenna is performed.
  • the case where the spread multiplexing performed by the base station apparatus 1 is associated with the precoding is targeted.
  • the reception SINR of each terminal apparatus 2 can be improved, and thus it is possible to realize highly efficient multiuser transmission.
  • the program when distributing to the market, can be stored and distributed on a portable recording medium, or transferred to a server computer connected via a network such as the Internet.
  • the storage device of the server computer is also included in the present invention.
  • Each functional block of the base station apparatus 1 and the terminal apparatus 2 may be individually made into a processor, or a part or all of them may be integrated into a processor.
  • the method of circuit integration is not limited to LSI, and may be realized by a dedicated circuit or a general-purpose processor.
  • an integrated circuit based on the technology can also be used.

Abstract

　大規模ＭＵ－ＭＩＭＯ伝送を行なう無線通信システムにおいて、高効率な伝送を実現する基地局装置、端末装置、送信方法、および受信方法を提供する。複数のアンテナを備え、複数の端末装置と同時に通信を行なう基地局装置であって、前記複数の端末装置との間のチャネル状態情報を取得するチャネル状態情報取得部と、拡散符号を用いて各端末装置宛ての複数の信号を各端末装置の空間方向に拡散多重する信号拡散部と、前記チャネル状態情報に基づいて前記拡散多重された信号にプリコーディングを施すプリコーディング部とを備える。

Description

基地局装置、端末装置、送信方法、および受信方法
　本発明は、多重入力多重出力伝送を行なう技術に関する。
　高速・大容量の無線通信を実現するには伝送帯域幅の拡大が有効であるが、利用可能な周波数帯域には限りがある。そこで、これまで移動無線通信での利用を想定していなかった超高周波帯を用いた伝送による帯域幅の確保が検討されている。しかし、電波の強さが通信距離に対して指数関数的に減衰する伝搬損失（パスロス）は、通信周波数（搬送波周波数、キャリア周波数）が高くなればなるほど大きくなる。このことは、超高周波帯を用いた無線伝送には、膨大な送信電力が必要となることを示唆している。
　一方、昨今の無線通信システムでは、複数の送受信アンテナを用いた多重入力多重出力(Multiple-Input Multiple-Output：ＭＩＭＯ)伝送が周波数利用効率の改善のために実用化されている。キャリア周波数が高くなれば、基地局装置および端末装置が備える複数のアンテナの間隔を小さくすることができるため、設置面積を変更せずとも、大量のアンテナを設置することが可能となる。
　このことに着目し、最近、数１００本もの大量のアンテナを用いて大容量通信を実現する超多重入力多重出力（Massive Multiple Input Multiple Output:Massive MIMO）伝送が注目を集めている（非特許文献１等に記載）。Ｍａｓｓｉｖｅ　ＭＩＭＯは、基地局装置に配置された大量のアンテナを用いたビームフォーミングにより、受信信号対雑音電力比（Signal-to-Noise power Ratio:SNR）を改善できるため、送信電力を極端に増加させることなく、超高周波伝送による伝搬損失の増加に起因する受信ＳＮＲの低下を補償できる。
　ところで、キャリア周波数が高くなると、一般に電波は直進性が卓越し、無線チャネルは比較的相関の強い状態となる。このことは、ＭＩＭＯにおいて送信ストリーム数を増加させることによる通信速度の改善が困難となることを示唆している。このような環境では、複数の端末装置を仮想的な大規模アレーアンテナと見なしてＭＩＭＯ伝送を行なうマルチユーザＭＩＭＯ（Multi-User MIMO:MU-MIMO）が有効である。ＭＵ－ＭＩＭＯ伝送では、各端末装置宛ての信号が干渉となって観測されるユーザ間干渉（Inter-User-Interference:IUI）を抑圧する必要がある。
F. Rusek, et. al., "Scaling up MIMO: Opportunities and challenges with very large arrays," IEEE Signal Process. Mag., Vol. 30, No. 1, pp. 40-60, Jan. 2013.
　超高周波数帯を用いた無線通信システムにおいては、Ｍａｓｓｉｖｅ　ＭＩＭＯによる受信ＳＮＲの確保が必須である一方で、通信速度の向上を実現するためには、ＭＵ－ＭＩＭＯ技術の適用もまた不可欠である。
　しかし、ビームフォーミングを前提とするＭａｓｓｉｖｅ　ＭＩＭＯ伝送においては、端末装置が複数のアンテナを備える場合、単純にビームフォーミングを行なうことは出来ない。また、ＭＵ－ＭＩＭＯ伝送では、ＩＵＩを抑圧するプリコーディングが必要となるが、端末装置の組み合わせによって、プレコーダを最適化する必要がある。しかし、数１００本もの送信アンテナを用いるＭａｓｓｉｖｅ　ＭＩＭＯ伝送では、プレコーダの行列サイズも数１００オーダとなり、プレコーダの変更は容易ではなく、基地局装置に与える負担が大きくなる。
　本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、大規模ＭＵ－ＭＩＭＯ伝送を行なう無線通信システムにおいて、高効率な伝送を実現する基地局装置、端末装置、送信方法、および受信方法を提供することを目的とする。
　（１）上記の目的を達成するために、本発明は、以下のような手段を講じた。すなわち、本発明の基地局装置は複数のアンテナを備え、複数の端末装置と同時に通信を行なう基地局装置であって、前記複数の端末装置との間のチャネル状態情報を取得するチャネル状態情報取得部と、拡散符号を用いて各端末装置宛ての複数の信号を各端末装置の空間方向に拡散多重する信号拡散部と、前記チャネル状態情報に基づいて前記拡散多重された信号にプリコーディングを施すプリコーディング部と、を備えることを特徴とする。
　このような基地局装置は、複数の端末装置宛ての複数の信号を各端末装置の空間方向に拡散多重することで、容易に各端末装置の伝送レートを適応的に変更することができる。
　（２）また、本発明の基地局装置のプリコーディング部は、前記チャネル状態情報と、前記拡散符号に基づいて前記拡散多重された信号にプリコーディングを施すことを特徴とする。
　このような基地局装置は、複数の端末装置との間のチャネル状態情報と、各端末装置宛ての複数の信号を各端末装置の空間方向に拡散多重するために用いる拡散符号とに基づいて、プリコーディングを行なうことができるから、各端末装置の受信品質を改善することができる。
　（３）また、本発明の基地局装置の信号拡散部は、前記プリコーディングに基づいて、拡散多重に用いる拡散符号を決定することを特徴とする。
　このような基地局装置は、プリコーディングに基づいて各端末装置宛ての複数の信号を各端末装置の空間方向に拡散多重するために用いる拡散符号を決定することができるから、各端末装置の受信品質を改善することができる。
　（４）また、本発明の基地局装置は、前記拡散符号の少なくとも一部は、前記複数の端末装置間で、異なることを特徴とする。
　このような基地局装置は、少なくとも一部の干渉を、拡散利得によって抑圧することができるため、各端末装置の受信品質を改善することができる。
　（５）また、本発明の基地局装置の信号拡散部は、前記各端末装置の空間方向に拡散多重された信号を、時間方向、周波数方向、時間・周波数方向のいずれかの方向にさらに拡散することを特徴とする。
　このような基地局装置は、少なくとも一部の干渉を、拡散利得によって抑圧することができるため、各端末装置の受信品質を改善することができる。
　（６）また、本発明の基地局装置は、前記信号拡散部が用いる拡散符号を示す情報を、前記複数の端末装置に通知することを特徴とする。
　このような基地局装置は、前記信号拡散部が用いる拡散符号を示す情報を、前記複数の端末装置に通知することにより、前記複数の端末装置は、前記信号拡散部が用いる拡散符号を把握することができるため、前記複数の端末装置は適切な逆拡散処理を行なうことが可能となり、受信品質を改善することができる。
　（７）また、本発明の基地局装置は、前記空間方向に拡散多重された信号を逆拡散するのに用いる拡散符号を示す情報と、前記プリコーディングが施された信号を復調するチャネル等化方法を示す情報を、前記複数の端末装置に通知することを特徴とする。
　このような基地局装置は、前記複数の端末装置に、逆拡散の方法と、チャネル等化の方法を示す情報を通知することができるから、前記複数の端末装置は、高効率に逆拡散と、チャネル等化を行なうことができ、受信品質を改善することができる。
　（８）また、本発明の端末装置は、複数のアンテナを備え、基地局装置と通信を行なう端末装置であって、前記基地局装置との間のチャネル状態情報を推定するチャネル推定部と、前記複数のアンテナに受信された信号に対して、空間方向に逆拡散を行なう信号逆拡散部と、前記チャネル状態情報に基づいて、前記逆拡散処理された信号より所望の信号を復調するチャネル等化部と、を備えることを特徴とする。
　このような端末装置は、空間方向に逆拡散処理を施すことができるため、拡散利得によって、干渉を抑圧することができるため、受信品質を改善することができる。
　（９）また、本発明の端末装置の信号逆拡散部は、前記空間方向に逆拡散された信号に対して、時間方向、周波数方向、時間・周波数方向のいずれかの方向にさらに逆拡散することを特徴とする。
　このような端末装置は、空間方向以外の方向にも逆拡散処理を施すことができるため、拡散利得によって、干渉を抑圧することができるため、受信品質を改善することができる。
　（１０）また、本発明の端末装置は、前記基地局装置から通知される拡散符号を示す情報に基づいて、前記信号逆拡散部が逆拡散に用いる拡散符号を決定することを特徴とする。
　このような端末装置は、逆拡散処理に用いる拡散符号を容易に特定できるため、適切な逆拡散処理が可能となり、受信品質を改善することができる。
　（１１）また、本発明の送信方法は、複数の端末装置との間のチャネル状態情報を取得するステップと、拡散符号を用いて各端末装置宛ての複数の信号を各端末装置の空間方向に拡散多重するステップと、前記チャネル状態情報に基づいて前記拡散多重された信号にプリコーディングを施すステップと、備えることを特徴とする。
　このような送信方法により、複数の端末装置宛ての複数の信号を各端末装置の空間方向に拡散多重することで、容易に各端末装置の伝送レートを適応的に変更することができる機能を基地局装置に発揮させることが可能となり、周波数利用効率の改善に寄与できる。
　（１２）また、本発明の受信方法は、基地局装置との間のチャネル状態情報を推定するステップと、前記複数のアンテナに受信された信号に対して、空間方向に逆拡散を行なうステップと、前記チャネル状態情報に基づいて、前記逆拡散処理された信号より所望の信号を復調するステップと、を備えることを特徴とする。
　このような受信方法により、空間方向に逆拡散処理を施すことによる拡散利得によって、干渉を抑圧する機能を端末装置に発揮させることが可能となり、周波数利用効率の改善に寄与できる。
　本発明によれば、大規模ＭＵ－ＭＩＭＯ伝送を行なう無線通信システムにおいて、基地局装置の負担を軽減しつつ、高効率なＭＵ－ＭＩＭＯ伝送を実現することが可能となり、無線通信システムの周波数利用効率の大幅な改善に寄与できる。
本発明の第１の実施形態に係る無線通信システムの概略の一例を示す図である。 本発明の基地局装置１の１構成例を示すブロック図である。 本発明の基地局装置１の信号処理の１例を示すフローチャートである。 本発明の端末装置２の１構成例を示すブロック図である。 本発明の端末装置２の信号処理の１例を示すフローチャートである。
　以下において、本発明の実施形態に係る通信技術について、図面を参照しながら説明を行なう。なお、実施形態において説明した事項は、発明を理解するための一態様であり、実施形態に限定して発明の内容が解釈されるものではない。
　特に断らない限り、以下では、ＡＴは行列Ａの転置行列、ＡＨは行列Ａの随伴（エルミート転置）行列、Ａ－１は行列Ａの逆行列、Ｅ［ｘ］はランダム変数ｘのアンサンブル平均、ｔｒａｃｅ（Ａ）は行列Ａのトレース演算出力をそれぞれ表すものとする。
　［１．第１の実施形態］
　図１は、本発明の第１の実施形態に係る無線通信システムの概略の一例を示す図である。第１の実施形態においては、マルチユーザ多重入力多重出力（Multi-User Multiple-Input Multiple Output：MU-MIMO）伝送が可能でＮｔ本のアンテナを備えた基地局装置１（無線送信装置とも呼ぶ）に対して、Ｎｒ本のアンテナを備えた端末装置２（無線受信装置とも呼ぶ）がＵ個（図１中では端末装置２－１～２－４の４個）接続しているものとする。各端末装置２には、Ｒ個のデータストリームが同時伝送されるものとし、Ｒを送信データストリーム数またはランク数と呼ぶ。なお、ＮｒおよびＲは、各端末装置２で異なる値でも構わない。
　［１．１．基地局装置１］
　図２は、本実施形態に係る基地局装置１の１構成例を示すブロック図である。図２に示すように、基地局装置１は、チャネル符号化部２０１と、データ変調部２０２と、信号拡散部２０３と、パイロット多重部２０４と、プリコーディング部２０５と、無線送信部２０６と、アンテナ２０７と、無線受信部２０８と、チャネル状態情報取得部２０９と制御部２１０と、から構成されている。なおアンテナ２０７は、数１００個のアンテナ素子から構成されることが好適であるが、任意のアンテナ素子数で構わない。
　図３は、基地局装置１の信号処理の１例を説明するフローチャートである。以下、図２および図３を参照しながら、基地局装置１の信号処理について説明する。
　はじめにチャネル符号化部２０１が各端末装置２宛ての送信ビット系列（送信情報）に対して、チャネル符号化を施す。そして、符号化ビット系列に対して、データ変調部２０２がディジタル変調を施し、各端末装置２宛ての変調信号（データ信号）を生成する（ステップＳ３０１）。
　次いで、信号拡散部２０３が各端末装置２宛ての変調信号に対して、拡散コードを用いて、各端末装置２の受信アンテナ方向（レイヤ方向、空間方向）に拡散多重を行なう（ステップＳ３０２）。拡散コードは、アダマール符号、離散フーリエ変換（Discrete Fourier Transform:DFT）系列、Ｇｏｌｄ符号等、直交符号、準直交符号に関わらず用いることができる。拡散コードの拡散率ＳＦは各端末装置２が備える受信アンテナ数Ｎｒであることが好適であるが、Ｎｒ以下の任意の値でも構わない。なお、信号拡散部２０３が拡散多重に用いる拡散コードやその拡散率ＳＦは各端末装置２間で共通でも良いし、異なっていても良い。
　基地局装置１が用いる拡散コードは、各端末装置２との間で予め取り決めておくことができる。例えば、基地局装置１は行列サイズがＳＦ行ＳＦ列のＷａｌｓｈ行列を拡散率ＳＦに応じて用いるものとし、そのＷａｌｓｈ行列記載の拡散コードを第１列から順番にランク数だけ使うものとすれば、基地局装置１と各端末装置２は、ランク数をやり取りすることで、拡散多重に用いられている拡散コードをお互いに把握することができる。また、基地局装置１は後述するチャネル状態情報等に基づいて、用いる拡散コードを適応的に変更しても良い。使用する拡散コードを適応的に変える場合、基地局装置１は、使用している拡散コードを示す情報を、各端末装置２に通知することができる。
　次いで、パイロット多重部２０４が参照信号を生成し、拡散多重された変調信号と多重する（ステップＳ３０３）。参照信号には、各端末装置２がチャネル状態情報を推定するためのチャネル推定用パイロットと、各端末装置２がデータ復調するために用いる復調用パイロットが含まれる。
　次いで、拡散多重された変調信号に対して、プリコーディング部２０５が各端末装置２との間のチャネル状態情報に基づいてプリコーディングを施し、送信信号を生成する（ステップＳ３０４）。拡散多重およびプリコーディング方法については後で説明する。
　次いで、無線送信部２０６が、送信信号を無線周波数（Radio Frequency:RF）帯の送信信号に変換する（ステップＳ３０５）。そして、基地局装置１は、アンテナ２０７を介して、送信信号を各端末装置２に向けて送信する（ステップＳ３０６）。
　一方、基地局装置１は、各端末装置２からの送信信号を受信する機能も有する。基地局装置１はアンテナ２０７を介して、各端末装置２からの送信信号を受信する。無線受信部２０８は、受信した送信信号をベースバンド帯に変換する。
　本実施形態に係る基地局装置１は、各端末装置２からの送信信号に基づいて、プリコーディング部２０５が用いるチャネル状態情報を取得する。チャネル状態情報には各端末装置２の受信品質や所望ランク数、およびＭＩＭＯチャネル行列に関する情報が含まれている。ＭＩＭＯチャネル行列とは、基地局装置１の各送信アンテナと、各端末装置２の各受信アンテナ間の複素チャネル利得を要素とする行列を指す。チャネル状態情報取得部２０９は、各端末装置２からの送信信号に含まれるチャネル状態情報に関連付けられた制御情報より、チャネル状態情報を把握することができる。また、チャネル状態情報取得部２０９は、各端末装置２からの送信信号に基づいてチャネル推定を行なうことでチャネル状態情報を把握することができる。
　チャネル状態情報取得部２０９が取得したチャネル状態情報はプリコーディング部２０５および制御部２１０に入力される。制御部２１０では、入力されたチャネル状態情報等に基づいて、各端末装置２宛ての送信情報に施すチャネル符号化率、データ変調方式、ランク数（拡散多重数）、リソース配置、スケジューリング等を制御する。
　プリコーディング部２０５の信号処理について説明する。第ｕ端末装置２－ｕ宛ての変調信号ベクトルをｄｕ＝［ｄｕ，１，．．．，ｄｕ，Ｒ］Ｔとし、拡散コードを構成する拡散系列を要素とするＳＦ行Ｒ列の拡散コード行列をＣとすると、拡散多重が施された端末装置２－ｕ宛ての拡散変調信号ベクトルｘｕはｘｕ＝Ｃｄｕで与えられる。この場合、変調信号ｄｕ，１，．．．，ｄｕ，Ｒがそれぞれ拡散多重の単位（拡散チップ）となる。
　ここで、基地局装置１が変調信号を空間多重して送信する全端末装置２との間のＭＩＭＯチャネル行列をＨとする。ＨはＨ＝［ｈ１ Ｔ，．．．，ｈＵ Ｔ］Ｔで与えられ、ｈｕは基地局装置１と端末装置２－ｕとの間のＮｒ行Ｎｔ列のＭＩＭＯチャネル行列である。
　プリコーディング部２０５は、ＭＩＭＯチャネル行列Ｈに基づいてプリコーディング行列Ｗを算出し、Ｗを各端末装置２宛ての拡散変調信号ベクトルｘ１，．．．，ｘＵに乗算するプリコーディングを施す。なお、プリコーディング２０５は、復調用パイロットにもＷを乗算することが可能である。
　ＷはＮｔ行（Ｕ×ＳＦ）列の行列であり、各端末装置２の受信信号対干渉プラス雑音電力比（Signal-to-Interference plus Noise power Ratio:SINR）を改善できる行列である。Ｗは例えば式（１）、式（２）および式（３）で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、ＷＺＦ２，ｕはｘｕに乗算されるＮｔ行Ｒ列の行列である。ＷＭＲＣは各端末装置２の各受信アンテナにおける受信信号対雑音電力比（Signal-to-Noise power Ratio:SNR）を最大とできる。ＷＭＲＣでは、ＩＵＩが残留するものの、送信アンテナ数Ｎｔが十分に大きければ、十分に高い受信ＳＩＮＲを確保することができる。ＷＺＦ１は各端末装置２の各受信アンテナにおける受信信号対干渉電力比（Signal-to-Interference power Ratio:SIR）を最大とできる。ＷＺＦ２は各端末装置２に同時に送信されているＲ個のデータストリームがお互いに及ぼすストリーム間干渉（Inter-Stream-Interference:ISI）のみを完全に抑圧することができる。
　なお、ＷはＨのブロック対角化を実現する重みＷＢＤでも構わない。ＷＢＤは式（５）のようにＨをブロック対角行列に変換する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここでＷＢＤ，ｕはｘｕに乗算されるＮｔ行Ｒ列の行列である。ＷＢＤは、各端末装置２が受信する干渉信号のうち、ＩＵＩを完全に抑圧することが可能である。式（５）で与えられるＷＢＤはＩＵＩを完全に抑圧するが、受信ＳＩＮＲを最大とする最小平均二乗誤差（Minimum mean square error:MMSE）規範に基づいて、プリコーディング部２０５はブロック対角化重みを算出しても構わない。なお、ＷＢＤはＩＳＩを考慮していないため、プリコーディング部２０５は、ＷＢＤ乗算後に更に、ＩＳＩ抑圧を目的としたプリコーディング行列を乗算しても良い。また、ＩＳＩは、端末装置２が抑圧することも可能である。
　従来のＭＩＭＯ伝送では、プリコーディング行列Ｗは、各端末装置２の送信ストリーム数Ｒに依存して決定される。よって、プリコーディング部２０５は、たとえチャネル状態情報が変化しなくても、送信ストリーム数Ｒが変化するたびに、Ｗを計算しなおす必要がある。しかし、送信アンテナ素子数が数１００オーダとなるＭａｓｓｉｖｅ　ＭＩＭＯ伝送においては、プリコーディング行列Ｗのサイズも数１００オーダとなるため、プレコーダを変更することに起因する基地局装置１の負担は膨大である。
　一方、本実施形態に係るプリコーディング部２０５が算出するＷのサイズは常にＮｔ行（Ｕ×ＳＦ）列の行列であり、各端末装置２の送信ストリーム数Ｒには依存しない。各端末装置２の送信ストリーム数Ｒが変化した場合は、信号拡散部２０３が拡散多重数（拡散コード行列Ｃの列数）を変更すれば良い。よって、本実施形態に係る方法によれば、基地局装置１はプリコーディング行列Ｗを変更することなく容易に送信ストリーム数を変更することが可能である。また基地局装置１は拡散多重数を小さくすることで、容易に各端末装置２の受信ＳＩＮＲを改善することができる。
　［１．２．端末装置２］
　図４は、本発明の第１の実施形態に係る端末装置２の一構成例を示すブロック図である。図４に示すように、端末装置２はアンテナ４０１と、無線受信部４０２と、パイロット分離部４０３と、信号逆拡散部４０４と、チャネル等化部４０５と、データ復調部４０６と、チャネル復号部４０７と、チャネル推定部４０８と、チャネル状態情報生成部４０９と、無線送信部４１０と、を含んで構成されている。アンテナ４０１はＮｒ個のアンテナ素子を備える。
　図５は、本発明の第１の実施形態に係る端末装置２の信号処理の一部を示すフローチャートである。以下では、図４および図５を参照しながら、本実施形態に係る端末装置２の信号処理について説明する。
　端末装置２は、アンテナ４０１を介して、基地局装置１より送信された信号を受信する。そして、無線受信部４０２は、受信された信号をベースバンド帯の信号に変換する（ステップＳ５０１）。
　次いで、パイロット分離部４０３は、受信された信号を、拡散多重信号とパイロットとに分離し、チャネル等化部４０５とチャネル推定部４０８にそれぞれ入力する（ステップＳ５０２）。
　次いで、チャネル推定部４０８はパイロットに基づいてチャネル推定を行なう。ここでチャネル推定部４０８は、復調用パイロットに基づいてチャネル推定を行ない、そのチャネル推定値をチャネル等化部４０５に入力する（ステップＳ５０３）。
　次いで、信号逆拡散部４０４は拡散多重信号に対して逆拡散を施す（ステップＳ５０４）。今、第ｕ端末装置２－ｕの各受信アンテナに受信された拡散多重信号を要素とする受信信号ベクトルをｒｕ＝［ｒｕ，１，．．．，ｒｕ，Ｎｒ］Ｔとする。逆拡散出力は式（６）で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　各端末装置２宛ての変調信号は、基地局装置１の信号拡散部２０３によって、受信アンテナ方向に拡散多重されているから、信号逆拡散部４０４は基地局装置１の信号拡散部２０３で用いられている拡散コード行列Ｃと同じ拡散コード行列Ｃを用いて受信アンテナ方向（レイヤ方向、空間方向、空間領域）に逆拡散を行なうことで、自装置宛てのＲ個の変調信号を得ることができる。各端末装置２は、基地局装置１との間で、予め逆拡散に用いる拡散コードを取り決めておいても良いし、基地局装置１からの通知情報に基づいて、逆拡散に用いる拡散コードを決定しても良い。
　次いで、チャネル等化部４０５は、チャネル推定部４０８が復調用パイロットに基づいて推定したチャネル推定値に基づいてチャネル等化を行なう（ステップＳ５０５）。なお、チャネル等化部４０５と信号逆拡散部４０４の信号処理は、適用する順番を逆にしても良い。特に、基地局装置１がＩＳＩの抑圧を行なわないＷＢＤを用いてプリコーディングを行なっている場合、端末装置２は、先にチャネル等化部４０５において、ＭＭＳＥ検出等のＩＳＩ抑圧処理を施してから、信号逆拡散部４０４にて、逆拡散を行なうことができる。
　次いで、データ復調部４０６は、チャネル等化後の信号に復調処理を施す。次いで、チャネル復号部４０７は復調処理が施された信号に対してチャネル復号処理を施し、自装置宛ての送信ビット系列を得る（ステップＳ５０６）。
　なお、各端末装置２は、基地局装置１に信号を送信する機能も有する。本実施形態に係る端末装置２は、基地局装置１との間のチャネル状態情報に関連付けられた情報を基地局装置１に送信することができる。
　チャネル推定部４０８は、チャネル推定用パイロットに基づいてチャネル推定を行ない、ＭＩＭＯチャネル行列、受信品質、および所望送信ストリーム数等を推定する。そして、チャネル状態情報生成部４０９は、チャネル推定部４０８が推定した情報に基づいて、チャネル状態情報に関連付けられた情報を生成し、基地局装置１への送信信号に多重する。チャネル状態情報に関連付けられた情報とは、チャネル推定部４０８が推定した情報を直接量子化した情報や、基地局装置１と端末装置２との間で予め取り決めたルールに従った情報（例えば、複数のベクトルが記載されたコードブックや、複数の周波数利用効率を実現する変調方式や符号化率が記載されたテーブルのインデックス等）等が該当する。
　無線送信部４１０は、チャネル状態情報に関連付けられた情報が含まれた送信信号をＲＦ帯の送信信号に変換する。そして、端末装置２は、アンテナ４０１を介して、基地局装置１に送信信号を送信する。
　なお、本実施形態に係る基地局装置１および複数の端末装置２が用いる伝送方式は、何かに限定されるものではない。例えば、直交周波数分割多重に代表されるマルチキャリア伝送や、サイクリックプレフィックスの挿入を前提とした広帯域シングルキャリア伝送に用いても好適である。この場合、各サブキャリア、または各サブキャリアをひとつにグループ化したリソースブロック、または信号全体を拡散チップとしても構わない。
　また、本実施形態に係る基地局装置１および複数の端末装置２が用いるアクセス方式は、何かに限定されるものではない。例えば、直交周波数分割多重アクセスやシングルキャリア周波数分割多重アクセス等のアクセス方式を用いる無線通信システムに用いても好適である。
　以上説明してきた基地局装置１および複数の端末装置２により、基地局装置１は、各端末装置２のランク数Ｒに依らずに算出されるプリコーディング行列Ｗに基づいて、複数の端末装置２宛ての信号を同時に送信することが可能となる。また、基地局装置１は、各端末装置２宛てのデータ信号の拡散多重数を変更することで、伝送レートや受信品質を柔軟にコントロールすることができる。よって、高効率な無線通信を実現することが可能となり、ひいては無線通信システムの周波数利用効率の改善に寄与できる。
　［２．第２の実施形態］
　第２の実施形態は、基地局装置１が各端末装置２宛ての変調信号を端末装置２の受信アンテナ方向以外にも拡散多重する。
　［２．１．基地局装置１］
　本実施形態に係る基地局装置１の構成は、第１の実施形態と同様である（図２参照）。ただし、本実施形態に係る基地局装置１の信号拡散部２０３における信号処理が第１の実施形態とは異なる。以下では、本実施形態に係る信号拡散部２０３ａにおける信号処理について説明を行なう。
　信号拡散部２０３ａは、各端末装置２宛ての変調信号を端末装置２の受信アンテナ方向（空間方向）だけではなく、時間方向および周波数方向に対しても拡散多重を行なう。以下では、時間、周波数および空間方向の拡散率をそれぞれＳＦｔ、ＳＦｆおよびＳＦｓとする。直交周波数分割多重伝送を仮定した場合、周波数方向への拡散多重とは、サブキャリア方向への拡散多重であり、時間方向への拡散多重とは、直交周波数分割多重信号方向への拡散多重である。
　はじめに信号拡散部２０３ａは、第１の実施形態と同様に、各端末装置２宛てのＲ個の変調信号を空間方向に拡散多重する。このとき、空間方向への拡散多重に用いられる拡散コード行列は、各端末装置２間で共通のもので構わない。
　次いで、信号拡散部２０３ａは、空間方向に拡散多重された各端末装置２宛ての拡散変調信号を、さらに時間および周波数方向に拡散する。このとき、信号拡散部２０３ａが、拡散変調信号を時間および周波数方向に拡散するのに用いる拡散コードは、各端末装置２間で直交していることが望ましい。これは、隣接する周波数リソースおよび時間リソースについてはチャネルの相関が強いため、各端末装置２間で直交する拡散コードを用いることで、ＩＵＩを高効率に抑圧することができるためである。
　なお、信号拡散部２０３ａが空間方向への拡散多重に用いる拡散コード行列についても、各端末装置２間で直交しているものを用いても構わない。よって、各端末装置２宛てのデータストリーム数をＲとした場合、本実施形態に係る基地局装置１は、最大で、（ＳＦｔ×ＳＦｆ×ＳＦｓ）／Ｒ個の端末装置２を拡散多重によって多重することが可能である。
　なお、直交している拡散コードを各端末装置２宛ての変調信号への拡散多重に用いる場合、基地局装置１は拡散多重に用いられている拡散コードを示す情報を各端末装置２に通知することができる。拡散コードを示す情報は、例えば、拡散コード行列の列番号である。
　なお、送信データストリーム数や拡散率が各端末装置２間で異なる場合、信号拡散部２０３ａは、直交可変拡散率（Orthogonal Variable Spreading Factor:OVSF）符号を用いることで、端末装置２間の直交性を確保することができる。
　［２．２．端末装置２］
　本実施形態に係る端末装置２の構成は、第１の実施形態と同様である（図４参照）。ただし、信号逆拡散部４０４における信号処理が異なる。本実施形態に係る信号逆拡散部４０４ａは、各受信アンテナに受信された信号に対して、受信アンテナ方向への逆拡散だけではなく、時間および周波数方向への逆拡散を行なうことで、自装置宛ての変調信号を得ることができる。
　本実施形態の方法によれば、拡散多重によって、ＩＵＩが抑圧されるため、基地局装置１のプリコーディング部２０５で用いられるプリコーディング行列Ｗは、ＩＵＩを考慮した行列（例えばブロック対角化を実現する行列）である必要がない。よって、プリコーディング部２０５は、ＷＭＲＣやＷＺＦ２を用いれば十分であるから、送信データストリーム数Ｒや、多重する端末装置２の組み合わせによって、各端末装置２宛ての拡散変調信号に乗算するプリコーディング行列Ｗを再計算する必要がない。基地局装置１は、時間、周波数および空間方向の拡散率ＳＦｔ、ＳＦｆおよびＳＦｓと、それぞれの方向での拡散多重数を調整することで、多重端末数や、送信データストリーム数を柔軟に変更できるため、高効率なマルチユーザ伝送を実現することができ、ひいては無線通信システムの周波数利用効率の改善に寄与できる。
　［３．第３の実施形態］
　第１および２の実施形態は、拡散多重によるＩＵＩの抑圧と、プリコーディングによるＩＵＩの抑圧が独立に制御されている。本実施形態においては、拡散多重とプリコーディングによるＩＵＩの抑圧を関連付ける場合を対象とする。
　［３．１．基地局装置１］
　本実施形態に係る基地局装置１の構成は、第１の実施形態と同様である（図２参照）。ただし、信号拡散部２０４およびプリコーディング部２０５における信号処理が異なる。
　本実施形態に係る信号拡散部２０４ｂおよびプリコーディング部２０５ｂでは、各端末装置２において行なわれる逆拡散を考慮した拡散多重およびプリコーディングを、各端末装置２宛ての変調信号に対して施す。以下では、簡単のため、２つの端末装置２が空間多重されており、受信アンテナ方向への拡散多重を行なう場合について説明する。
　受信アンテナ方向への拡散多重が行なわれている場合、各端末装置２は式（６）で与えられているような逆拡散処理を行なう。２つの端末装置２－１および端末装置２－２における信号逆拡散部４０４の逆拡散出力は式（７）で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　なお、式（７）では、端末装置２毎に異なる拡散コード行列が用いられることを仮定している。端末装置２－１および端末装置２－２の受信信号ベクトルｒ１およびｒ２は式（８）で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　ここで、Ｃ１’およびＣ２’は本実施形態に係る信号拡散部２０４ｂが拡散多重に用いる拡散コード行列を表す。つまり、本実施形態においては、信号拡散部２０４ｂと、信号逆拡散部４０４が用いる拡散コード行列は、必ずしも共通となるわけではない。
　本実施形態に係る信号拡散部２０４ｂおよびプリコーディング部２０５ｂが行なう拡散多重およびプリコーディングは、式（７）で与えられる逆拡散出力と、各端末装置２宛ての変調信号［ｄ１ Ｔ、ｄ２ Ｔ］Ｔとの平均二乗誤差を最小とするような信号処理である。つまり、信号拡散部２０４ｂおよびプリコーディング部２０５ｂが行なう拡散多重およびプリコーディングは式（９）を満たす。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　ここで、λは、送信電力を一定とするための拘束条件を考慮するラグランジェの未定係数、Ｐは総送信電力を表す。式（９）を満たす拡散コード行列およびプリコーディング行列を求めることで、各端末装置２の受信ＳＩＮＲを改善できる。
　なお、式（９）において、拡散コード行列Ｃ１’およびＣ２’については、第１および第２の実施形態と同様に各端末装置間で共通のものを用いるものとし、さらに、信号拡散部２０４ｂと、信号逆拡散部４０４で共通のものを用いることを仮定すれば、式（９）はプリコーディング行列Ｗのみの最適化問題となる。例えば、式（９）をＷで微分することで、最適なＷを求めることが可能である。
　また、式（９）において、プリコーディングＷをＷＭＲＣ等に予め決定してから、拡散コード行列Ｃを最適化しても構わない。更に、基地局装置１は、各端末装置２が逆拡散に用いる拡散コード行列や、チャネル等化の方法についても、同様に最適化することもできる。この場合、基地局装置１は、各端末装置２が逆拡散に用いる拡散コード行列や、チャネル等化の方法を示す情報を、各端末装置２に通知することができる。
　本実施形態では、基地局装置１が行なう拡散多重とプリコーディングとを関連付ける場合を対象とした。本実施形態の方法によれば、各端末装置２の受信ＳＩＮＲを改善することができるため、高効率なマルチユーザ伝送を実現することが可能となる。
　［４．全実施形態共通］
　上記第１から第３の実施形態では、端末装置２の受信アンテナ方向に拡散してコード多重する場合を説明したが、拡散した信号の並び替えを行なうインターリーブを行なった後、コード多重することも可能である。この場合、端末装置２は、検波後にインターリーブの逆処理であるデインターリーブを行なった後、逆拡散処理を行なう。なお、インターリーブ後に信号を多重する場合、多重する信号の各々で同じ拡散コード、異なるインターリーブパターンを用いれば良い。なお、ここで説明したインターリーブは、端末装置の受信アンテナ方向のみならず、時間方向及び／又は周波数方向にも行なうことができる。また、各端末装置２に対して、異なるインターリーブパターンが用いられても構わない。
　上記第１から第３の実施形態では、拡散処理に拡散符号を用いる場合を例にとって説明を行なってきたが、拡散処理はチャネル符号化によって行なわれる場合も本実施形態には含まれる。例えば、拡散率Ｒの拡散符号が用いられる代わりに、符号化率Ｒのチャネル符号化によって拡散処理が行なわれる場合も本実施形態には含まれる。この場合も、多重する信号の各々には、異なるインターリーブが適用されることが可能である。端末装置２は、検波後にデインターリーブを行なった後、チャネル復号を行なえば良い。また、端末装置２は、ある信号に対する逆拡散処理の際に、すでに検出済みの他の信号の情報を用いることも可能であり、当該処理を繰り返し行なうことも可能である。
　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。
　なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。本発明の基地局装置１、端末装置２は、セルラーシステム等の端末装置への適用に限定されるものではなく、屋内外に設置される据え置き型、または非可動型の電子機器、たとえば、ＡＶ機器、キッチン機器、掃除・洗濯機器、空調機器、オフィス機器、自動販売機、その他生活機器などに適用できることは言うまでもない。
　本発明に関わる基地局装置１、端末装置２で動作するプログラムは、本発明に関わる上記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良い。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、本発明の機能が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基地局装置１、端末装置２の一部、または全部を典型的には集積回路であるＬＳＩとして実現しても良い。基地局装置１、端末装置２の各機能ブロックは個別にプロセッサ化しても良いし、一部、または全部を集積してプロセッサ化しても良い。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。
　本発明は、基地局装置、端末装置、送信方法、および受信方法に用いて好適である。
　なお、本国際出願は、２０１３年１２月１３日に出願した日本国特許出願第２０１３－２５７５３９号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願第２０１３－２５７５３９号の全内容を本国際出願に援用する。
１　基地局装置
２、２－１、２－２、２－３、２－４、２－ｕ　端末装置
２０１　チャネル符号化部
２０２　データ変調部
２０３　信号拡散部
２０４　パイロット多重部
２０５　プリコーディング部
２０６、４１０　無線送信部
２０７、４０１　アンテナ
２０８、４０２　無線受信部
２０９　チャネル状態情報取得部
２１０　制御部
４０３　パイロット分離部
４０４　信号逆拡散部
４０５　チャネル等化部
４０６　データ復調部
４０７　チャネル復号部
４０８　チャネル推定部
４０９　チャネル状態情報生成部

Claims (12)

  1. 　複数のアンテナを備え、複数の端末装置と同時に通信を行なう基地局装置であって、
    　前記複数の端末装置との間のチャネル状態情報を取得するチャネル状態情報取得部と、
    　拡散符号を用いて各端末装置宛ての複数の信号を各端末装置の空間方向に拡散多重する信号拡散部と、
    　前記チャネル状態情報に基づいて前記拡散多重された信号にプリコーディングを施すプリコーディング部と、を備えることを特徴とする基地局装置。
  2. 　前記プリコーディング部は、前記チャネル状態情報と、前記拡散符号に基づいて前記拡散多重された信号にプリコーディングを施すことを特徴とする、請求項１に記載の基地局装置。
  3. 　前記信号拡散部は、前記プリコーディングに基づいて、拡散多重に用いる拡散符号を決定することを特徴とする請求項１に記載の基地局装置。
  4. 　前記拡散符号の少なくとも一部は、前記複数の端末装置間で、異なることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の基地局装置。
  5. 　前記信号拡散部は、前記各端末装置の空間方向に拡散多重された信号を、時間方向、周波数方向、時間・周波数方向のいずれかの方向にさらに拡散することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の基地局装置。
  6. 　前記信号拡散部が用いる拡散符号を示す情報を、前記複数の端末装置に通知することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の基地局装置。
  7. 　前記空間方向に拡散多重された信号を逆拡散するのに用いる拡散符号を示す情報と、前記プリコーディングが施された信号を復調するチャネル等化方法を示す情報を、前記複数の端末装置に通知することを特徴とする請求項２に記載の基地局装置。
  8. 　複数のアンテナを備え、基地局装置と通信を行なう端末装置であって、
    　前記基地局装置との間のチャネル状態情報を推定するチャネル推定部と、
    　前記複数のアンテナに受信された信号に対して、空間方向に逆拡散を行なう信号逆拡散部と、
    　前記チャネル状態情報に基づいて、前記逆拡散処理された信号より所望の信号を復調するチャネル等化部と、を備えることを特徴とする端末装置。
  9. 　前記信号逆拡散部は、前記空間方向に逆拡散された信号に対して、時間方向、周波数方向、時間・周波数方向のいずれかの方向にさらに逆拡散することを特徴とする請求項８に記載の端末装置。
  10. 　前記基地局装置から通知される拡散符号を示す情報に基づいて、前記信号逆拡散部が逆拡散に用いる拡散符号を決定することを特徴とする請求項８または請求項９に記載の端末装置。
  11. 　複数の端末装置との間のチャネル状態情報を取得するステップと、
    　拡散符号を用いて各端末装置宛ての複数の信号を各端末装置の空間方向に拡散多重するステップと、
    　前記チャネル状態情報に基づいて前記拡散多重された信号にプリコーディングを施すステップと、備えることを特徴とする送信方法。
  12. 　基地局装置との間のチャネル状態情報を推定するステップと、
    　前記複数のアンテナに受信された信号に対して、空間方向に逆拡散を行なうステップと、
    　前記チャネル状態情報に基づいて、前記逆拡散処理された信号より所望の信号を復調するステップと、を備えることを特徴とする受信方法。
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