(57)【要約】  幾何学的位置関係が固定された見通し内通信路へのＭＩＭＯの適用で通信路容量を増加させる決定論的通信路を有するＭＩＭＯ通信システムを提供する。複数の伝送路を有する見通し内ＭＩＭＯ通信システムは、送信側または受信側、或いは送受信側共に通信路行列演算処理部を備える。通信路行列演算処理部にて直交伝送路形成用行列を送信アンテナ又は受信アンテナの位置変動又は伝送路の変動により更新する。
2008059985.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の伝送路を有する見通し内ＭＩＭＯ(Multiple-Input Multiple-Output)通信システムであって、
送信側または受信側、或いは送受信側共に通信路行列演算処理部を備え、
該通信路行列演算処理部にて直交伝送路形成用行列を送信アンテナ又は受信アンテナの位置変動又は伝送路の変動により更新することを特徴とするＭＩＭＯ通信システム。
【請求項２】
前記通信路行列の固有値が重根になるべく通信路の幾何学的パラメータを設定し、該固有値に基づき得られる固有ベクトル或いはその線形和によって得られる固有ベクトルに基づいて構成されるユニタリー行列演算を、送信側或いは受信側のどちらか一方のみにおいて行うことにより仮想的な直交伝送路を形成することを特徴とする請求項１に記載のＭＩＭＯ通信システム。
【請求項３】
前記ＭＩＭＯ通信システムが、複数のアンテナを用いた固定マイクロ波通信システムであって、
送信側または受信側、或いは送受信共にアンテナ毎に独立な局部発振器を用いて構成されることを特徴とする請求項１に記載のＭＩＭＯ通信システム。
【請求項４】
前記仮想的な直交伝送路を形成する為の行列演算処理を受信側のみで行うことを特徴とする請求項３に記載のＭＩＭＯ通信システム。
【請求項５】
前記送信アンテナ又は受信アンテナの位置変動又は伝送路の変動を検出する手段を有し、
該検出結果を用いて仮想的な直交伝送路形成用行列の更新を行うことを特徴とする請求項１に記載のＭＩＭＯ通信システム。
【請求項６】
送信側から受信側へのパイロット信号を送出する手段を有し、
該パイロット信号によって前記送信アンテナ又は受信アンテナの位置変動又は伝送路の変動を検出し、該検出結果を用いて仮想的な直交伝送路形成用行列の更新を行うことを特徴とする請求項５に記載のＭＩＭＯ通信システム。
【請求項７】
送信側から受信側へアンテナ毎のパイロット信号を送出する手段を有し、
該パイロット信号を元に仮想的な直交伝送路を形成する為の行列演算処理を受信側のみで行うことを特徴とする請求項３に記載のＭＩＭＯ通信システム。
【請求項８】
送信側から受信側へ送られる各パイロット信号は、該局部発振器による処理より前に生成されることを特徴とする請求項７に記載のＭＩＭＯ通信システム。
【請求項９】
送信側から受信側へ送られたパイロット信号の検出は、受信における局部発振器による処理の後に行われることを特徴とする請求項７に記載のＭＩＭＯ通信システム。
【請求項１０】
送信側から受信側へのパイロット信号は、アンテナ毎に互いに直交することを特徴とする請求項７に記載のＭＩＭＯ通信システム。
【請求項１１】
前記複数伝送路による通信路は、光通信路であることを特徴とする請求項１に記載のＭＩＭＯ通信システム。
【請求項１２】
前記複数伝送路による通信路は、見通し内無線通信路であることを特徴とする請求項１に記載の空間多重方式。
【請求項１３】
前記複数伝送路による通信路は、見通し内音響通信路であることを特徴とする請求項１に記載のＭＩＭＯ通信システム。
【請求項１４】
複数の前記送信アンテナ又は受信アンテナ間距離及びそれらの方向、もしくはどちらか一方を可変とすることを特徴として構成される請求項２に記載のＭＩＭＯ通信システム。
【請求項１５】
複数の伝送路を有する見通し内通信システムにおけるＭＩＭＯ通信方法であって、
送信側または受信側、或いは送受信側共に通信路行列演算処理を行うステップにおいて、直交伝送路形成用行列を送信アンテナ又は受信アンテナの位置変動又は伝送路の変動により更新することを特徴とするＭＩＭＯ通信方法。
【請求項１６】
前記通信路行列の固有値が重根になるべく通信路の幾何学的パラメータを設定し、該固有値に基づき得られる固有ベクトル或いはその線形和によって得られる固有ベクトルに基づいて構成されるユニタリー行列演算を、送信側或いは受信側のどちらか一方のみにおいて行うことにより仮想的な直交伝送路を形成することを特徴とする請求項１５に記載のＭＩＭＯ通信方法。
【請求項１７】
前記通信システムが、複数のアンテナを用いた固定マイクロ波通信システムであって、
送信側または受信側、或いは送受信共にアンテナ毎に独立な局部発振器を用いることを特徴とする請求項１５に記載のＭＩＭＯ通信方法。
【請求項１８】
前記仮想的な直交伝送路を形成する為の行列演算処理を受信側のみで行うことを特徴とする請求項１７に記載のＭＩＭＯ通信方法。
【請求項１９】
前記送信アンテナ又は受信アンテナの位置変動又は伝送路の変動を検出し、
該検出結果を用いて仮想的な直交伝送路形成用行列の更新を行うことを特徴とする請求項１５に記載のＭＩＭＯ通信方法。
【請求項２０】
送信側から受信側へパイロット信号を送出し、
該パイロット信号によって前記送信アンテナ又は受信アンテナの位置変動又は伝送路の変動を検出し、該検出結果を用いて仮想的な直交伝送路形成用行列の更新を行うことを特徴とする請求項１９に記載のＭＩＭＯ通信方法。
【請求項２１】
送信側から受信側へアンテナ毎のパイロット信号を送出し、
該パイロット信号を元に仮想的な直交伝送路を形成する為の行列演算処理を受信側のみで行うことを特徴とする請求項１７に記載のＭＩＭＯ通信方法。
【請求項２２】
送信側から受信側へ送られる各パイロット信号は、該局部発振器による処理より前に生成されることを特徴とする請求項２１に記載のＭＩＭＯ通信方法。
【請求項２３】
送信側から受信側へ送られたパイロット信号の検出は、受信における局部発振器による処理の後に行われることを特徴とする請求項２１に記載のＭＩＭＯ通信方法。
【請求項２４】
送信側から受信側へのパイロット信号は、アンテナ毎に互いに直交することを特徴とする請求項２１に記載のＭＩＭＯ通信方法。
【請求項２５】
前記複数伝送路による通信路として、光通信路を用いることを特徴とする請求項１５に記載のＭＩＭＯ通信方法。
【請求項２６】
前記複数伝送路による通信路として、見通し内無線通信路を用いることを特徴とする請求項１５に記載の空間多重方式。
【請求項２７】
前記複数伝送路による通信路として、見通し内音響通信路を用いることを特徴とする請求項１５に記載のＭＩＭＯ通信方法。
【請求項２８】
複数の前記送信アンテナ又は受信アンテナ間距離及びそれらの方向、もしくはどちらか一方を可変とすることを特徴として構成される請求項１６に記載のＭＩＭＯ通信方法。
【請求項２９】
複数の伝送路を有する見通し内ＭＩＭＯ通信システムの送信装置であって、
直交伝送路形成用行列を送信アンテナの位置変動又は伝送路の変動により更新処理する通信路行列演算処理部を備えることを特徴とするＭＩＭＯ送信装置。
【請求項３０】
複数の伝送路を有する見通し内ＭＩＭＯ通信システムの受信装置であって、
直交伝送路形成用行列を受信アンテナの位置変動又は伝送路の変動により更新処理する通信路行列演算処理部を備えることを特徴とするＭＩＭＯ受信装置。
【請求項３１】
複数の伝送路を有する見通し内ＭＩＭＯ通信システムの送信装置の制御プログラムであって、
直交伝送路形成用行列を送信アンテナの位置変動又は伝送路の変動により更新処理する機能を前記送信装置に実現させることを特徴とするＭＩＭＯ送信装置の制御プログラム。
【請求項３２】
複数の伝送路を有する見通し内ＭＩＭＯ通信システムの受信装置の制御プログラムであって、
直交伝送路形成用行列を受信アンテナの位置変動又は伝送路の変動により更新処理する機能を前記受信装置に実現させることを特徴とするＭＩＭＯ受信装置の制御プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通信システムにおける空間分割多重方式（以下、「ＭＩＭＯ(Multiple-Input Multiple-Output)」と略す）に関し、特に見通し内の固定マイクロ波通信システムに適用して好適なＭＩＭＯ通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、無線通信では、ＭＩＭＯを用いた技術が盛んに使われ始めており、ＭＩＭＯ自体もはや新しい技術では無くなりつつある。しかし、従来のＭＩＭＯを用いた技術の中心は移動体通信であって、固定通信への応用はあまり検討されてこなかった。移動通信における電波伝搬路では、送信アンテナから到来した電波が周囲の地形などに応じて反射や散乱を受け、一群の素波の集まりとなって受信機に到着する。そのため、品質の高い通信を実現する上で常に障害となっていたのが、これらの結果から生じるところのフェージング現象である。移動体通信におけるＭＩＭＯ技術は、このフェージング現象を悪者扱いするのではなく、逆にこのフェージングを移動通信における電波伝搬に内在する可能性を秘めた環境資源として見直した点で画期的であった。【０００３】
このようなＭＩＭＯ技術を電波伝搬路が確定されている見通し内固定無線通信へ適用した場合にどうなるかといった疑問に対し、移動体に比べて数は少ないが、見通し内ＭＩＭＯの記載が非特許文献１に開示されている。【０００４】
上述のような移動体通信では、通信路を確率的なマトリクスとして扱う。これに対して、見通し内固定通信路では、送信側及び受信側の各アンテナ間の幾何学的位置が固定的なものとして、決定論的に扱う必要がある。【０００５】
上記の文献には、送信側及び受信側ともにアンテナ間隔を広げることによって、その各アンテナ間の伝搬路（チャネル）を構成する通信路行列（チャネル行列）Ｈに対し、次のような記載がある。
【数１】
2008059985.tif 000003
ここで、ｎはアンテナの数である。また、ＨＨはＨのエルミート転置行列、Ｉは単位行列である。【０００６】
同文献によると、送信側及び受信側間で対向するように直線配置された送信アンテナ番号ｉ、受信アンテナ番号ｋに対して、信号の位相回転を、
【数２】
2008059985.tif 000004
のように直線アンテナで構成することができる。【０００７】
このため、例えばｎ＝２の場合、通信路行列Ｈは、
【数３】
2008059985.tif 000005
となる。ここで、ｊは虚数を表す記号である。【０００８】
この場合、［数１］の条件を満足するアンテナ構成が可能である。［数１］の条件を満足すると、ＭＩＭＯ構成による通信路容量がＨｍａｘによって最大となることが同文献に記載されている。【０００９】
すなわち、反射や散乱による移動体環境でなく、決定論的な見通し内通信環境であっても、ＭＩＭＯによる通信路容量の増大が可能である。【００１０】
一方、小型固定マイクロ波通信では、数ＧＨｚ〜数十ＧＨｚの周波数帯を用いる。波長にして数ｍｍ〜数ｃｍである。従って、風や周囲温度等の微妙な気象条件に対する感度の高いアンテナ方向の動きで、激しい位相変位を生ずることになる。このような条件では、上述の確定的な通信路行列を確保することが困難であるといった問題がある。【００１１】
なお、後述の理論解析では、このような感度の高いアンテナ方向の変位があっても、上述の大容量化のための通信路容量は変わらないことを解析的に示している。【００１２】
ＭＩＭＯ技術では、複数の独立な信号を同一帯域で同時に送受信する。そのため、信号分離／検出が必要である。そのための手段の一つとして、特異値分解（以下、「ＳＶＤ(Singular Value Decomposition)」と略す）によって得られるユニタリー行列を使ったマトリクス演算による方法がある（以下、「ＳＶＤ方式」と略す）。このＳＶＤ方式において、受信端から送信端へ理想的にユニタリー行列構築のためのフィードバック情報を受け渡すことができたとする。そうすると、上述の感度の高いアンテナ方向の変位があったとしても、それを補償すべくユニタリー行列が作用する。その結果として、ＭＩＭＯによる大容量固定マイクロ波通信が実現できることになる。
【非特許文献１】IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS, VOL.47, NO.2, FEBRUARY 1999、PP.173-176、On the Capacity Formula for Multiple Input-Multiple Output Wireless Channels: A Geometric Interpretation
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、このようなフィードバック情報は、システムのオーバーヘッドを増やすばかりでなく、逆回線も用意しなければならないといった問題がある。なお、後述の通信路行列Ｈのモデリングは、感度の高いアンテナ変位も含めて解析している。【００１４】
ところで、上述の伝搬路が確定されている見通し内固定通信路を特異値解析すると、固有値が重根となって特異点の生じるアンテナ間位置がある。特異値は一意に決まるが、特異ベクトル(Singular Vectors)は一意ではない。特にこの状態は解析的に厄介で、これによって特異ベクトルの激しい遷移を生ずることもあるといった問題がある。【００１５】
なお、この現象を逆に利用すると、色々な構成が可能である。この特性を生かした各種の構成例については後の章で詳しく説明する。【００１６】
更に決定論的な見通し内ＭＩＭＯの大きな問題として、上述の従来の方法では送信側或いは受信側におけるアンテナ間のキャリア同期を取る必要があった。すなわち、送信側或いは受信側における複数のアンテナ間の位相は同相かまたは或る一定の位相差をもって構成する必要があった。【００１７】
一方、固定マイクロ波通信システムでは、扱う周波数の関係からアンテナ間隔を広く取る必要がある。これに伴って、局部発振器を含む各無線機は、アンテナ近くに設置される。すなわち、アンテナ間のキャリア同期の問題が、固定マイクロ波通信システム構築上の大きな制約となるといった問題があった。【００１８】
そこで、本発明は、幾何学的位置関係が固定された見通し内通信路へのＭＩＭＯの適用で通信路容量を増加させる決定論的通信路を有するＭＩＭＯ通信システム及び方法を提供することを目的とする。【００１９】
更に本発明は、受信端から送信端へユニタリー行列構築のためのフィードバック情報を必要とする従来のＳＶＤ方式と違い、フィードバック情報を必要とせずＳＶＤ方式と等価な性能を発揮するＭＩＭＯ通信システムを提供するものである。【００２０】
更に本発明の最大の目的は、固定マイクロ波通信システム構築上の制約となっていたアンテナ間キャリア同期の問題を解決したＭＩＭＯ通信システムを提供するものである。【００２１】
更に本発明は、風や周囲温度等の微妙な気象条件に対する感度の高いアンテナ方向の動きで激しい位相変位が生じ確定的な通信路行列を確保することが困難な状況であっても、ＳＶＤ方式と等価な性能を発揮するＭＩＭＯ通信システムを提供するものである。【００２２】
なお、本発明のＭＩＭＯは、見通し内通信であるため、アンテナ間の信号に相関がある状態で使用している点で、従来の移動通信で使用されているＭＩＭＯとは異なる。すなわち、従来の移動通信や室内無線ＬＡＮでは、アンテナ間の信号が無相関であることを前提に成り立っている。したがって、従来のＭＩＭＯは本発明のようなアンテナ間の相関のある状態では動作しない点に注意が必要である。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上述の課題を解決するため、本発明に係るＭＩＭＯ通信システムは、複数の伝送路を有する見通し内ＭＩＭＯ通信システムであって、送信側または受信側、或いは送受信側共に通信路行列演算処理部を備え、該通信路行列演算処理部にて直交伝送路形成用行列を送信アンテナ（例えば、電波伝搬で用いる送信アンテナ、発光素子、スピーカ等）又は受信アンテナ（例えば、電波伝搬で用いる受信アンテナ、受光素子、マイクロフォン等）の位置変動又は伝送路の変動により更新することを特徴とする。【００２４】
また、通信路行列の固有値が重根になるべく通信路の幾何学的パラメータを設定し、該固有値に基づき得られる固有ベクトル或いはその線形和によって得られる固有ベクトルに基づいて構成されるユニタリー行列演算を、送信側或いは受信側のどちらか一方のみにおいて行うことにより仮想的な直交伝送路を形成することを特徴とする。【００２５】
また、ＭＩＭＯ通信システムが、複数のアンテナを用いた固定マイクロ波通信システムであって、送信側または受信側、或いは送受信共にアンテナ毎に独立な局部発振器を用いて構成されることを特徴とする。【００２６】
また、送信アンテナ又は受信アンテナの位置変動又は伝送路の変動を検出する手段を有し、該検出結果を用いて仮想的な直交伝送路形成用行列の更新を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２７】
本発明は、複数の伝送路を有する見通し内ＭＩＭＯ通信システムにおいて、送信側または受信側、或いは送受信側共に通信路行列演算処理部を備え、該通信路行列演算処理部にて直交伝送路形成用行列を送信アンテナ又は受信アンテナの位置変動又は伝送路の変動により更新するので、送信アンテナ又は受信アンテナの位置変動又は伝送路の変動を吸収して最大の通信容量を実現出来るＭＩＭＯ通信システムを提供出来る。【００２８】
更に、通信路行列の固有値が重根になるべく通信路の幾何学的パラメータを設定し、該固有値に基づき得られる固有ベクトル或いはその線形和によって得られる固有ベクトルに基づいて構成されるユニタリー行列演算を、送信側或いは受信側のどちらか一方のみにおいて行うことにより仮想的な直交伝送路を形成することによって、逆回線によるフィードバック情報のいらない構成や送信のみ処理とする構成など柔軟なシステム設計が可能となる。【００２９】
更に、ＭＩＭＯ通信システムが、複数のアンテナを用いた固定マイクロ波通信システムであって、送信側または受信側、或いは送受信共にアンテナ毎に独立な局部発振器を用いて構成することによって、固定マイクロ波通信システム構築上の制約となっていたアンテナ間キャリア同期の問題を解決することが出来る。【００３０】
更に、仮想的な直交伝送路を形成する為の行列演算処理を受信側のみで行うことによって、送信側行列処理の為の逆回線による周期的で頻繁なフィードバック情報のいらないＭＩＭＯ通信システムを提供出来る。【００３１】
更に、送信アンテナ又は受信アンテナの位置変動や伝送路の変動を検出する手段を有し、該検出結果を用いて仮想的な直交伝送路形成用行列の更新を行うことによって、精密な設置と強固な筐体等のシステム構築上の問題点のないＭＩＭＯ通信システムを提供出来る。【００３２】
更に、送信側から受信側へのパイロット信号を送出する手段を有し、該パイロット信号によって送信アンテナ又は受信アンテナの位置変動や伝送路の変動を検出し、その検出結果を用いて仮想的な直交伝送路形成用行列の更新を行うことによって、簡単な構成で精密な設置と強固な筐体等のシステム構築上の問題点のないＭＩＭＯ通信システムを提供出来る。【００３３】
更に、送信側から受信側へアンテナ毎のパイロット信号を送出する手段を有し、該パイロット信号を元に仮想的な直交伝送路を形成する為の行列演算処理を受信側のみで行うことによって、簡単な処理で、送信側行列処理の為の逆回線による周期的で頻繁なフィードバック情報のいらないＭＩＭＯ通信システムを提供出来る。【００３４】
更に、送信側から受信側へ送られる各パイロット信号が、該局部発振器による処理より前に生成されることによって、送信側で発生した局部発振器間の位相雑音を受信端で検出することが出来、発生した位相雑音を補償すべく行列の更新を行うことが出来る。【００３５】
更に、送信側から受信側へ送られたパイロット信号の検出が、受信における局部発振器による処理の後に行われることによって、受信側で発生した局部発振器間の位相雑音を受信端で検出することが出来、発生した位相雑音を補償すべく行列の更新を行うことが出来る。【００３６】
更に、送信側から受信側へのパイロット信号が、アンテナ毎に互いに直交することによって、簡単な相関器で局部発振器間の位相雑音や気象条件等によって生じる感度の高いアンテナ方向の変位を検出することが出来、それらを補償すべく行列の更新を行うことが出来る。【００３７】
更に本発明は、見通し内通信路が電波伝搬路に限らず光通信路であっても、音響通信路であってもＭＩＭＯ通信システムを提供することが出来る。【００３８】
更に、複数の送信アンテナ又は受信アンテナ間距離及びそれらの方向、もしくはどちらか一方を可変とすることによって、見通し内通信路がどの様な幾何学的形態であったとしても送信アンテナ又は受信アンテナ間隔或いはそれらの軸方向、或いはそれら全てを操作すれば常に最大の通信容量を実現出来るＭＩＭＯ通信システムを提供出来る。【００３９】
なお、本発明は、上述の効果について、同時に達成するものである必要は必ずしも無く、少なくともいずれか１つの効果を達成するものであればよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の見通し内ＭＩＭＯの構成例で任意のアンテナ間距離で感度の高いアンテナ変位を考慮したＳＶＤ方式を使用した例を示す図である。
【図２】本発明の見通し内ＭＩＭＯの実施例１（構成例１）で、送信側のみのユニタリー行列Ｖによる演算を用いた例を示す図である。
【図３】本発明の見通し内ＭＩＭＯの実施例２（構成例２）で、送信側のみのマトリクス演算で、異なる値の仮想直交伝送路を形成した例を示す図である。
【図４】本発明の見通し内ＭＩＭＯの実施例３（構成例３）で、受信側のみのユニタリー行列による演算で、送信局部発振器独立構成の例を示す図である。
【図５】本発明の見通し内ＭＩＭＯの実施例４（構成例４）で、受信側のみのユニタリー行列による演算で、送信側及び受信側共に局部発振器が独立構成の例を示す図である。
【図６】本発明の見通し内ＭＩＭＯの実施例５（構成例５）で、受信側のみのマトリクス演算で、異なる値の仮想直交伝送路を形成し、更に送信側及び受信側共に局部発振器が独立構成の例を示す図である。
【図７】本発明の見通し内ＭＩＭＯの実施例６（構成例６）で、アンテナ数が送受共に３本、送受共に局部発振器が独立構成の例を示す図である。
【図８】本発明の見通し内ＭＩＭＯの実施例７（構成例７）で、アンテナ数が送受共に４本、送受共に局部発振器が独立構成の例を示す図である。
【図９】各方式によるアンテナ間距離に対する各仮想直交伝送路のＳＮＲの比較を表す図である。
【図１０】送受信で異なるアンテナ間距離を用いた場合の構成例を示す図。
【図１１】図１０の伝送路のモデリングを示す図である。
【図１２】図１０の送受で異なるアンテナ間距離を用いた場合の通信容量を表す図である。
【図１３】送受信アンテナ形状がアンテナ配置方向に菱形状にずれた場合の構成例を示す図である。
【図１４】アンテナ配置方向に菱形状にずれた送受信アンテナ形状で、受信側のみのユニタリー行列による演算の構成例を示す図である。
【図１５】任意の幾何学形状によるアンテナ配置の場合を示す図である。
【図１６】決定論的通信路が光通信路である場合の例を示す図である。
【図１７】決定論的通信路が音響通信路である場合の例を示す図である。
【図１８】任意の幾何学形状によるアンテナ配置で用いるアンテナの構成例を示す図である。
【図１９】仮想直交伝送路上の固有値を表す図である。
【図２０】送信側のみのマトリクス演算構成の応用例を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０１、２０１  ユニタリー行列Ｖによるマトリクス演算処理部
１０２、１０８、４０２、５０２、５１０、６０２、６１０  周波数変換部
１０３、１０５、１０９、１１１、４０３、４０７、５０３、５０７、５１１、５１５、６０３、６０７、６１１、６１５  ミキサ
１０４、１１０、４０４、４０５、５０４、５０５、５１２、５１３、６０４、６０５、６１２、６１３  局部発振器
１０６、１０７、２０２、２０３、３０２、３０３、４０８、４０９、５０８、５０９、６０８、６０９  固定アンテナ部
１１２、４１０、５１７  ユニタリー行列Ｕによるマトリクス演算処理部
３０１  行列Ｖによるマトリクス演算処理部
４０１、５０１、６０１  パイロット信号生成部
４０６、５０６、５１４、６０６、６１４  キャリア同期していないことによる位相雑音のモデリング
５１６、６１６  パイロット検出部
６１７  行列Ｕによるマトリクス演算処理部
１６０１  レーザダイオード（ＬＤ）
１６０２  フォトディテクタ（ＰＤ）
１７０１  超音波振動子
１７０２  超音波マイクロフォン
１８０１、１８０２  アンテナエレメント
１８０３  結合棒
１８０４  ヒンジ
２００１  送信局
２００２  受信局１
２００３  受信局２
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
次に、本発明の実施形態について、式と図面を参照しながら説明する。その前に、先ず決定論的な見通し内通信路であっても通信路容量がＭＩＭＯの最大容量となる理論的な裏付けを解析的に示す。【００４３】
ＭＩＭＯ構成による仮想直交伝送路の通信路容量は、各パスの固有値によって表される。そこで、２つのアンテナを用いた構成の場合を例に固有値解析を行う。下記モデリングは、感度の高いアンテナ方向の変位も考慮し、アンテナ構成及び符号は、図１に準ずる。なお、説明の都合で２つのアンテナを用いた場合で記すが、任意のアンテナ数でも同様に計算できる。【００４４】
ここでは、送受間距離Ｒによる距離減衰、共通位相シフトは、相対的な位相シフトで決まるから、無視して考える。まず、対角経路との経路差は、［数４］となる。
【数４】
2008059985.tif 000006
【００４５】
ここで、経路差による位相回転αは、［数５］となる。
【数５】
2008059985.tif 000007
【００４６】
ちなみに、ＲＦ周波数３０ＧＨｚ、Ｒ＝５０００ｍ、アンテナ間距離ｄＴ＝ｄＲ＝５ｍとすると、［数６］となる。
【数６】
2008059985.tif 000008
【００４７】
従って、送信側で信号ｓ１、ｓ２を送出する２つの送信アンテナのうち、ｓ２を送出する送信アンテナの位置変動による位相シフトΦを考慮したチャネル行列Ｈは、［数７］となる。
【数７】
2008059985.tif 000009
【００４８】
従って、［数８］となる。
【数８】
2008059985.tif 000010
【００４９】
これより、仮想的な直交伝送路の通信路容量である固有値λ１及びλ２は、以下のように計算できる。ここで、ＨＨはチャネル行列Ｈのエルミート転置行列である。
【数９】
2008059985.tif 000011
【００５０】
［数９］による数値計算結果を図１９に記す。図１９の解析結果はアンテナ毎に単位電力送信の場合であるから、通信路容量がアンテナ本数分の２倍になっていることを示している。ここで注意を要するのは、上記の計算で用いているモデリングに感度の高いアンテナ方向の変位も含まれている点である。それにも関わらず、最終的な通信容量である固有値の結果には、その変位成分は現れてこない。すなわち、電波伝搬路が確定されている見通し内固定無線通信であっても、ＭＩＭＯによって大容量化が可能である。それは、感度の高いアンテナ変位に関係ないアンテナ間距離で決定されている。【００５１】
上記の例では、２つのアンテナを用いた場合であったが、それ以上のアンテナを用いた場合の例を以下に記す。【００５２】
送受間で互いに直線配置されたアンテナ素子間の対角経路との経路差による位相回転は［数５］より得られ素子間隔を共通のｄとすると、［数１０］となる。
【数１０】
2008059985.tif 000012
【００５３】
そこで、
【数１１】
2008059985.tif 000013
となるように、ｄと送受間距離Ｒを定め、３つのアンテナを用いた構成をとると、以下の信路行列Ｈ３を得る。
【数１２】
2008059985.tif 000014
【００５４】
従って、
【数１３】
2008059985.tif 000015
となる。よって、仮想的な直交伝送路の通信路容量である三つの固有値全てが３となり、全体の通信路容量がアンテナ本数分の３倍になっていることが分かる。【００５５】
同様に、
【数１４】
2008059985.tif 000016
となるようにｄと送受間距離Ｒを定め、４つのアンテナを用いた構成をとると、以下の通信路行列Ｈ４を得る。【００５６】
【数１５】
2008059985.tif 000017
【００５７】
従って、
【数１６】
2008059985.tif 000018
となる。よって、仮想的な直交伝送路の通信路容量である４つの固有値全てが４となり、全体の通信路容量がアンテナ本数分の４倍になっていることが分かる。【００５８】
すなわち、アンテナ本数が２を超える値であっても、決定論的な見通し内通信路の通信路容量がＭＩＭＯの最大容量となるアンテナ本数分に拡大されていることが分かる。なお、以下の例では、説明の都合上、２つのアンテナを用いた場合で記すが、それを超えるアンテナ本数であっても同様のことがいえ、アンテナ本数が２本に限ったことでは無いことはいうまでもない。【００５９】
次に、ＭＩＭＯにおける信号分離／検出の方法として特異値分解によって得られるユニタリー行列を使ったマトリクス演算による方法（以下ＳＶＤ方式と略す。）について記す。ＳＶＤ方式では、送信側でのユニタリー行列Ｖによるマトリクス演算と、受信側でのユニタリー行列Ｕによるマトリクス演算とが必要となる。ユニタリー行列Ｖによるマトリクス演算のためには、受信端から送信端へユニタリー行列構築のためのフィードバック情報を受け渡す必要がある。【００６０】
以下、本発明の実施形態について式と図面を参照しながら詳細に説明する。【００６１】
図１において、送信側（送信装置）でのユニタリー行列Ｖによるマトリクス演算処理部１０１で処理された送信信号は、送信側における局部発振器１０４とミキサ１０３、ミキサ１０５を含む周波数変換部１０２によって無線周波数に周波数変換された後、複数のアンテナからなる固定アンテナ部１０６からｓ１及びｓ２として送出される。ここで、ｓ１、ｓ２は等価低域表現による信号表記を用いている。【００６２】
ここで注意を要するのは、局部発振器は１０４一つであり、それをミキサ１０３と１０５に供給することにより、アンテナ間のキャリア同期を取っている点である。これは、決定論的通信路が各パスの位相差によって確定されるという空間分割多重型固定マイクロ波通信システム構築上の制約からくるものである。しかしながら、後述するように、この局部発振器をアンテナ毎に独立に設けることも可能であることを追記しておく。【００６３】
このようにして送出された信号は、受信側（受信装置）における複数のアンテナからなる固定アンテナ部１０７にｒ１及びｒ２として受信される。ここで、ｒ１、ｒ２は等価低域表現による信号表記を用いている。受信信号ｒ１及びｒ２は、受信側における局部発振器１１０と、ミキサ１０９及びミキサ１１１を含む周波数変換部１０８によってベースバンド周波数に周波数変換された後、受信におけるユニタリー行列Ｕによるマトリクス演算処理部１１２で処理され、ＭＩＭＯの信号分離／検出が完了する。【００６４】
ここで注意を要するのは、局部発振器が１１０一つであり、それをミキサ１０９及び１１１に供給することによりアンテナ間のキャリア同期を取っているという点である。これは、決定論的通信路が各パスの位相差によって確定されるという空間分割多重型固定マイクロ波通信システム構築上の制約からくるものである。【００６５】
しかしながら、後述するように、この受信側の場合にも、送信側同様に局部発振器をアンテナ毎に独立に設ける構成も可能である。また、使用するアンテナとしては、パラボラアンテナやホーンアンテナ等色々なものがあるが、これらに限定されるものでもない。また、マトリクス演算処理部１０１、１１２は、プログラム制御によって実現することもできるし、ＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit)等によるハードウェアで構成することもできる。【００６６】
以下、任意のアンテナ間距離と感度の高いアンテナ変位を考慮した以下の通信路行列Ｈを用いて、上述のユニタリー行列Ｖ、Ｕの算出の方法を、詳細に具体的に数式を交えて説明する。【００６７】
ここで用いる見通し内伝搬路の通信路行列Ｈは、
【数１７】
2008059985.tif 000019
である。【００６８】
また、以降、前述の固有値からの特異値直交行列Λ1/2を次のように表すことにする。
【数１８】
2008059985.tif 000020
【００６９】
以下、上記の通信路行列Ｈを用いてユニタリー行列Ｖ、ユニタリー行列Ｕの順で計算する。【００７０】
［ユニタリー行列Ｖ］
まず、ユニタリー行列Ｖの計算について説明する。上記の通信路行列Ｈ、すなわち、
【数１９】
2008059985.tif 000021
に対する固有ベクトルを、
【数２０】
2008059985.tif 000022
とすると、
【数２１】
2008059985.tif 000023
であるから、
【数２２】
2008059985.tif 000024
より、
【数２３】
2008059985.tif 000025
となる。【００７１】
ところで、
【数２４】
2008059985.tif 000026
の両辺に左からｖＨを掛けて
【数２５】
2008059985.tif 000027
となる。【００７２】
そこで、直交するｖを集めて、
【数２６】
2008059985.tif 000028
を得る。【００７３】
また、
【数２７】
2008059985.tif 000029
より、
【数２８】
2008059985.tif 000030
であるから、上記の固有ベクトル、すなわち
【数２９】
2008059985.tif 000031
を集めて、
【数３０】
2008059985.tif 000032
を得る。【００７４】
ここで、正規化と直交性を考慮し特解として、
【数３１】
2008059985.tif 000033
とすると、
【数３２】
2008059985.tif 000034
を得る。【００７５】
［ユニタリー行列Ｕ］
次に、ユニタリー行列Ｕの計算について説明する。
【数３３】
2008059985.tif 000035
より、固有ベクトルｕを
【数３４】
2008059985.tif 000036
とすると、
【数３５】
2008059985.tif 000037
より、
【数３６】
2008059985.tif 000038
を得る。【００７６】
ところで、
【数３７】
2008059985.tif 000039
の両辺に左からｕＨを掛けて、
【数３８】
2008059985.tif 000040
を得る。【００７７】
そこで、直交するｕを集めて、
【数３９】
2008059985.tif 000041
であるから、上記の固有ベクトル、すなわち
【数４０】
2008059985.tif 000042
を集めて、
【数４１】
2008059985.tif 000043
を得る。【００７８】
ここで、正規化と直交性を考慮して特解として、
【数４２】
2008059985.tif 000044
とすると、
【数４３】
2008059985.tif 000045
を得る。【００７９】
以上の計算より得られたユニタリー行列Ｖ、Ｕの確認のため、通信路行列ＨをＶ、Ｕで特異値分解してみる。【００８０】
［特異値分解Ｈ＝Ｕ・Λ・ＶＨ］
通信路行列ＨをＶ、Ｕで特異値分解すると、
【数４４】
2008059985.tif 000046
となる。よって、上述の例のように、Ｒ＝５０００ｍ、ｄＴ＝ｄＲ＝５ｍといった最適位置でも、そうでなくとも直交伝送路の形成が可能なことが分かる。ただし、それぞれの伝送路品質は、√２及び√２から、√（２＋２cosα）及び√（２−２cosα）に比例し、異なる伝送路品質となる。【００８１】
図１のブロック図に太い矢印で書かれている√（２＋２cosα）及び√（２−２cosα）が構築された仮想直交伝送路を示している。ここで注意を要するのは、上記のユニタリー行列は、風や周囲温度等の微妙な気象条件に対する感度の高いアンテナ位置変動（同図中Φでモデリングしている。）等の外部要因によって生じた伝送路の変動を含んでいる点である。これによって、感度の高いアンテナ方向の変位があったとしても、それを補償すべくユニタリー行列が作用する。後述するように、アンテナ毎に独立した局部発振器を用いた構成でも、その位相差がこのアンテナ位置変動へとモデリングされるので、同構成でも局部発振器を独立した構成が可能となる。【００８２】
なお、この構成は、受信端から送信端へＶ行列構築のためのフィードバック情報を受け渡す必要があるが、受信端のみで補償することによってフィードバック情報を無くすことも可能である。【００８３】
上述の説明は、構築されたパスの太さが異なる場合も含む一般的な仮想直交伝送路の場合であったが、次に、見通し内固定通信路が重根となる特異点での場合について記す。【００８４】
伝搬路が確定されている見通し内の固定通信路を上述のように特異値解析すると、固有値が重根となって特異点の生じるアンテナ間位置が存在する。特異値は一意に決まるが、特異ベクトル(Singular Vectors)は一意ではない。特にこの状態(Deficient matrix)は解析的に厄介で、これによって固有ベクトルの激しい遷移を生ずることもある。この現象を逆に利用すると、色々な構成が可能である。この特性を生かした各種の構成例をこれから説明するが、その前に原理的な部分について記す。【００８５】
ここでは、
【数４５】
2008059985.tif 000047
なるαで、
【数４６】
2008059985.tif 000048
となるアンテナ間位置の場合を考える。【００８６】
この状態での通信路行列Ｈは、
【数４７】
2008059985.tif 000049
となる。【００８７】
ここで、
【数４８】
2008059985.tif 000050
であるから、
【数４９】
2008059985.tif 000051
より固有方程式が重根となる。重根の場合、以下のような変換が可能である。【００８８】
今、固有値λに対する或る固有ベクトルｕ１に対して、
【数５０】
2008059985.tif 000052
が成り立つ。【００８９】
同様に固有値λに対する別の固有ベクトルｕ２に対して、
【数５１】
2008059985.tif 000053
が成り立つ。【００９０】
従って、両固有ベクトルの線形和に対して、
【数５２】
2008059985.tif 000054
が成り立つ。そのため、線形和（ｃ１・ｕ１＋ｃ２・ｕ２）も固有ベクトルとなる。【００９１】
そこで、重根に対して他条件からの漸近的な固有ベクトルを、
【数５３】
2008059985.tif 000055
とすると、
【数５４】
2008059985.tif 000056
より、
【数５５】
2008059985.tif 000057
となる。【００９２】
ところで、
【数５６】
2008059985.tif 000058
の両辺に左からｕＨを掛けて、
【数５７】
2008059985.tif 000059
を得る。【００９３】
そこで、直交するｕを集めて
【数５８】
2008059985.tif 000060
となる。【００９４】
また、
【数５９】
2008059985.tif 000061
であるから、上記の固有ベクトル、すなわち
【数６０】
2008059985.tif 000062
を集め、正規化と直交性を考慮して、
【数６１】
2008059985.tif 000063
を得る。【００９５】
そこで、線形結合として、和と差を考えると、
【数６２】
2008059985.tif 000064
となり、これより、
【数６３】
2008059985.tif 000065
を得る。【００９６】
また、
【数６４】
2008059985.tif 000066
であるから、
【数６５】
2008059985.tif 000067
となる。【００９７】
試しに、ここで求めた各行列Ｕ、Λ1/2、ＶＨを用いて、通信路行列Ｈを計算してみると、
【数６６】
2008059985.tif 000068
となって、確かに成り立っていることが分かる。これは、一例であって、重根による特異点によって、同様な方法で色々な分解方法が存在する。
【実施例１】
【００９８】
(送信側のみのマトリクス演算の場合)
まず、本発明の実施例１（構成例１）として、送信側のみのマトリクス演算による上記を用いた構成例を示す。【００９９】
［特異値直交行列Λ1/2］
この場合、同じ値の仮想直交伝送路を有する場合となるから、特異値直交行列Λ1/2は、
【数６７】
2008059985.tif 000069
である。【０１００】
［通信路行列Ｈ］
よって、通信路行列Ｈは、
【数６８】
2008059985.tif 000070
となる。【０１０１】
以上の結果を元に構成したのが図２である。同図において、送信側でのユニタリー行列Ｖによるマトリクス演算処理部２０１で処理された送信信号は、複数のアンテナからなる固定アンテナ部２０２からｓ１及びｓ２として送出される。ここで、ｓ１及びｓ２は等価低域表現による信号表記を用いており、周波数変換の処理は煩雑になることを避けるために省略している。【０１０２】
このようにして送出された信号は受信側における複数のアンテナからなる固定アンテナ部２０３にｒ１、ｒ２として受信される。ここで、ｒ１、ｒ２は等価低域表現による信号表記を用いており、ベースバンドへの周波数変換は省略している。ここで、受信側でのユニタリー行列Ｕによるマトリクス演算処理部は全く無く全ての行列演算は送信側のみで行われている点に特徴がある。【０１０３】
［数６８］より送信側だけのマトリクス演算のみでも、風や周囲温度等の微妙な気象条件に対する高感度のアンテナ位置変動（同図中Φでモデリングしている。）等の外部要因によって生じた伝送路の変動を上記の行列は含んでいてこれによって高感度のアンテナ方向の変位があったとしても、それを補償すべくユニタリー行列が作用する点に特徴がある。【０１０４】
なお、この構成は、受信端から送信端へＶ行列構築のためのフィードバック情報を受け渡す必要がある。図中の太い矢印は伝送路品質が√２及び√２に比例して構築された仮想直交伝送路を示している。また、使用するアンテナとしては、パラボラアンテナやホーンアンテナ等色々なものがあるがこれらに限定されるものでもない。また、マトリクス演算処理部２０１は、プログラム制御によって実現することもできるし、ＡＳＩＣ等によるハードウェアで構成することもできる。
【実施例２】
【０１０５】
(送信側のみのマトリクス演算で異なるパスの太さを持った仮想直交伝送路の場合)
次に、本発明の実施例２（構成例２）として、異なる太さの仮想直交伝送路を形成し送信側のみのマトリクス演算による構成例を示す。【０１０６】
［特異値直交行列Λ1/2］
この場合、異なる値の仮想直交伝送路を有する場合となるから、特異値直交行列Λ1/2は、
【数６９】
2008059985.tif 000071
である。【０１０７】
［通信路行列Ｈ］
よって、通信路行列Ｈは、
【数７０】
2008059985.tif 000072
となる。これにより、行列ＶＨは、
【数７１】
2008059985.tif 000073
である。【０１０８】
ここで、
【数７２】
2008059985.tif 000074
であるから、行列ＶＨとして、
【数７３】
2008059985.tif 000075
を得る。【０１０９】
ただし、ベクトルの二乗ノルムを見ると、
【数７４】
2008059985.tif 000076
であるから、ＶＨはもはやユニタリー行列ではない。従って、行列Ｖを求めるには、逆行列演算が必要となる。【０１１０】
試しに、ここで求めた各行列Ｕ、Λ1/2、ＶＨを用いて、通信路行列Ｈを計算してみると、
【数７５】
2008059985.tif 000077
となって、確かに成り立っていることが分かる。【０１１１】
次に、ＶＨの逆行列Ｖを考えると、任意の行列Ａ、すなわち
【数７６】
2008059985.tif 000078
の逆行列Ａ−１は、
【数７７】
2008059985.tif 000079
となる。【０１１２】
従って、行列Ｖとして、
【数７８】
2008059985.tif 000080
を得る。以上の結果を基に構成したのが図３である。【０１１３】
図３において、送信側での行列Ｖによるマトリクス演算処理部３０１で処理された送信信号は、複数のアンテナからなる固定アンテナ部３０２からｓ１及びｓ２として送出される。ここで、ｓ１及びｓ２は等価低域表現による信号表記を用いており、周波数変換の処理は煩雑になることを避けるために省略している。【０１１４】
このようにして送出された信号は、受信側における複数のアンテナからなる固定アンテナ部３０３にｒ１、ｒ２として受信される。ここで、ｒ１、ｒ２は等価低域表現による信号表記を用いており、ベースバンドへの周波数変換は省略している。ここで、受信側での行列Ｕによるマトリクス演算処理部は全く無く全ての行列演算は送信側のみで行われているのが特徴である。【０１１５】
［数７８］より送信側だけのマトリクス演算でも、風や周囲温度等の微妙な気象条件に対する感度の高いアンテナ位置変動（同図中Φでモデリングしている。）等の外部要因によって生じた伝送路の変動を上記の行列は含んでいて、これによって感度の高いアンテナ方向の変位があったとしてもそれを補償すべく送信側の行列が作用する点に特徴がある。【０１１６】
なお、この構成は、受信端から送信端へＶ行列構築のためのフィードバック情報を受け渡す必要がある。また、使用するアンテナとしては、パラボラアンテナやホーンアンテナ等色々なものがあるが、これらに限定されるものでもない。また、マトリクス演算処理部３０１は、プログラム制御によって実現することもできるし、ＡＳＩＣ等によるハードウェアで構成することもできる。【０１１７】
このようにＲ＝５０００ｍ、ｄＴ＝ｄＲ＝５ｍといった最適位置でなくとも仮想的な直交伝送路の形成が可能でしかも送信側の行列処理だけで実現できていることが分かる。【０１１８】
上述の送信側のみのマトリクス演算構成の応用例を図２０に示す。同図において、基幹網に近い送信局２００１に複数のアンテナを装備し、ユーザー網に近い受信局２００２及び受信局２００３にはそれぞれ一個のアンテナを装備する。受信局２００１と受信局２００３の間は距離が離れており、マトリクス演算を行うことができない。一方、送信局２００１では送信マトリクス演算を行うことができるので、上記で説明した送信側のみのマトリクス演算構成が適用できる。なお、このような一局対多局構成の考え方は次に説明する受信側のみのマトリクス演算構成でも多局対一局として適用できるのはいうまでもない。
【実施例３】
【０１１９】
(受信側のみのユニタリー行列演算で送信局部発振器独立構成の場合)
次に、本発明の実施例３（構成例３）として、受信側のみのユニタリー行列演算による構成例を示す。この構成例３は、受信端から送信端へのフィードバック情報を必要とせず、また送信端で独立なアンテナ毎の局部発振器を用いることができる構成で、しかも特性はＳＶＤ方式と全く同じである。【０１２０】
［特異値直交行列Λ1/2］
この場合、同じ値の仮想直交伝送路を有する場合となるから、特異値直交行列Λ1/2は、
【数７９】
2008059985.tif 000081
となる。【０１２１】
［通信路行列Ｈ］
よって、通信路行列Ｈとして、
【数８０】
2008059985.tif 000082
を得る。【０１２２】
以上の結果を基に構成したのが図４である。図４において、送信側でのユニタリー行列Ｖによるマトリクス演算処理部は全く無く、全ての行列演算は受信側のみで行われている点がこの構成の特徴である。【０１２３】
［数８０］より、受信側だけのマトリクス演算のみでも、風や周囲温度等の微妙な気象条件に対する感度の高いアンテナ位置変動（同図中ΦAでモデリングしている。）等の外部要因によって生じた伝送路の変動を上記の行列は含んでいる。これによって、感度の高いアンテナ方向の変位があったとしても、それを補償すべくユニタリー行列が作用する点に特徴がある。【０１２４】
更に、この構成の最大の特徴は、固定マイクロ波通信システムで扱う周波数の関係からアンテナ間隔を広く取る必要があるが、それに伴って局部発振器をアンテナ近くに設置している点である。すなわち、送信側でアンテナ毎に独立な局部発振器を用いている点に特徴がある。【０１２５】
図４において、送信信号は、パイロット信号生成部４０１によってアンテナ毎のパイロット信号を付加された後、送信側における局部発振器４０４、４０５とミキサ４０３、４０７を含む周波数変換部４０２によって無線周波数に周波数変換され、複数のアンテナからなる固定アンテナ部４０８からｓ１及びｓ２として送出される。ここで、ｓ１及びｓ２は等価低域表現による信号表記を用いている。【０１２６】
ここで注意を要するのは、アンテナ毎に独立の局部発振器４０４、４０５を用いている点で、そのためにアンテナ毎のキャリア間でキャリア同期していないことによって生じる位相雑音ΦLが発生する。図中の４０６が、それをモデリングしたものである。【０１２７】
このようにして送出された信号は、受信側における複数のアンテナからなる固定アンテナ部４０９にｒ１、ｒ２として受信される。ここで、ｒ１、ｒ２は等価低域表現による信号表記を用いており、ベースバンドへの周波数変換は省略している。それぞれの受信信号ｒ１、ｒ２は、受信側のユニタリー行列Ｕによるマトリクス演算処理部４１０で処理され、ＭＩＭＯの信号分離／検出が完了する。【０１２８】
ここで注意を要するのは、送信側でのユニタリー行列Ｖによるマトリクス演算処理部は全く無く全ての行列演算は受信側のみで行われている点である。【０１２９】
［数８０］より、受信側だけのマトリクス演算のみでも、風や周囲温度等の微妙な気象条件に対する感度の高いアンテナ位置変動（同図中ΦAでモデリングしている）等の外部要因によって生じた伝送路の変動を上記の行列は含んでいる。更に、キャリア同期していないことによる位相雑音ΦLを含んでいる。このため、感度の高いアンテナ方向の変位やキャリア間の位相変位があったとしても、それを補償すべくユニタリー行列が作用する。【０１３０】
なお、この構成による最大のメリットは、受信端から送信端へＶ行列構築のためのフィードバック情報を受け渡す必要がないという点である。図中の太い矢印は伝送路品質が√２及び√２に比例して構築された仮想直交伝送路を示している。また、使用するアンテナとしては、パラボラアンテナやホーンアンテナ等色々なものがあるが、これらに限定されるものでもない。また、マトリクス演算処理部４１０は、プログラム制御によって実現することもできるし、ＡＳＩＣ等によるハードウェアで構成することもできる。【０１３１】
このように送信端でユニタリー行列演算を用いない構成でも、直交伝送路の形成が可能である。また、パイロット信号によって位相差Φ＝ΦL＋ΦAが検出可能であれば、送信端で独立の局部発振器を用いたとしても、仮想直交伝送路の構築が可能となる。これによって形成される直交伝送路は、この位相差Φの影響を受けない。更に、受信端から送信端へのフィードバックを必要としない。使っている行列はユニタリー行列なので、特性はＳＶＤ方式と全く同じになる。
【実施例４】
【０１３２】
(受信側のみのユニタリー行列演算で送受局部発振器独立構成の場合)
次に、本発明の実施例４（構成例４）として、同じ太さの仮想直交伝送路を形成し、受信側のみユニタリー演算で送信側及び受信側共にアンテナ毎に独立な局部発振器を用いた場合による構成例を示す。【０１３３】
この構成例４も、受信端から送信端へのフィードバック情報を必要としない。また、送信、受信共に独立なアンテナ毎の局部発振器を用いることができる構成で、しかも特性はＳＶＤ方式と全く同じである。更に、送信アンテナ及び受信アンテナ共に、風や周囲温度等の微妙な気象条件に対する感度の高いアンテナ方向の動きで激しい位相変位を生じても全てアンテナ毎の局部発振器による位相変動と同じモデリングに帰着することができることを利用して解析している。なお、上述の理論解析では、このような感度の高いアンテナ方向の変位があっても、上述の大容量化のための通信路容量は変わらないことを解析的に示している。【０１３４】
［特異値直交行列Λ1/2］
この場合、特異値直交行列Λ1/2は、
【数８１】
2008059985.tif 000083
となる。【０１３５】
［通信路行列Ｈ］
よって、通信路行列Ｈとして、
【数８２】
2008059985.tif 000084
を得る。【０１３６】
以上の結果を基に構成したのが図５である。図５において、送信側でのユニタリー行列Ｖによるマトリクス演算処理部は全く無く、全ての行列演算は受信側のみで行われている。受信側だけのマトリクス演算のみでも、風や周囲温度等の微妙な気象条件に対する感度の高い送信側及び受信側のアンテナ位置変動（同図中ΦA及びφAでモデリングしている。）等の外部要因によって生じた伝送路の変動を上記の行列は含んでいる。これによって、感度の高いアンテナ方向の変位があったとしても、それを補償すべくユニタリー行列が作用する。更に、この構成の特徴として、固定マイクロ波通信システムで扱う周波数の関係からアンテナ間隔を広く取る必要があり、それに伴って局部発振器をアンテナ近くに設置している。すなわち、送信側及び受信側共にアンテナ毎に独立な局部発振器を用いている点に最大の特徴がある。このように送信側、受信側共にアンテナ独立の局部発振器を用いたとしても、パイロット信号を適切に検出すれば、ＳＶＤ方式と等価な特性を得るとこができる。【０１３７】
図５において、送信信号は、パイロット信号生成部５０１によってアンテナ毎のパイロット信号を付加された後、送信側における局部発振器５０４、５０５とミキサ５０３、５０７を含む周波数変換部５０２によって無線周波数に周波数変換され、複数のアンテナからなる固定アンテナ部５０８からｓ１及びｓ２として送出される。ｓ１及びｓ２は等価低域表現による信号表記を用いている。ここで注意を要するのは、アンテナ毎に独立の局部発振器５０４、５０５を用いているために、アンテナ毎のキャリア間でキャリア同期していないことによって生じる位相雑音ΦLが発生する点である。図中に示した５０６が、それをモデリングしたものである。【０１３８】
このようにして送出された信号は、受信側における複数のアンテナからなる固定アンテナ部５０９にｒ１、ｒ２として受信される。ここで、ｒ１、ｒ２は等価低域表現による信号表記を用いている。受信信号ｒ１及びｒ２は、受信側における局部発振器５１２、５１３とミキサ５１１、５１５を含む周波数変換部５１０によってベースバンド信号に周波数変換された後、パイロット信号検出部５１６を通って受信側のユニタリー行列Ｕによるマトリクス演算処理部５１７で処理され、これによってＭＩＭＯの信号分離／検出が完了する。受信側の処理で注意を要するのは、アンテナ毎に独立の局部発振器５１２、５１３を用いている点で、そのためにアンテナ毎のキャリア間でキャリア同期していないことによって生じる位相雑音φLが発生する。図中の５１４が、それをモデリングしたものである。また、使用するアンテナとしては、パラボラアンテナやホーンアンテナ等色々なものがあるがこれらに限定されるものでもない。また、マトリクス演算処理部５１７は、プログラム制御によって実現することもできるし、ＡＳＩＣ等によるハードウェアで構成することもできる。【０１３９】
パイロット信号検出部５１６では、パイロット信号生成が送信側の局部発振器による処理より前にあり、且つパイロット検出が受信側の局部発振器による処理より後に配置されているので、［数８２］におけるΦ＝ΦL＋ΦA及びφ＝φL＋φAの検出を行うことができる。これによって、送信側でのユニタリー行列Ｖによるマトリクス演算処理部を全て省略して全ての行列演算を受信側のみで行うことができる。［数８２］より風や周囲温度等の微妙な気象条件に対する感度の高いアンテナ位置変動（同図においてΦA及びφAでモデリングしている。）等の外部要因によって生じた伝送路の変動、及び、キャリア同期していないことによる位相雑音ΦLやφLを補償すべくユニタリー行列が作用するからである。なお、この構成による最大のメリットは、受信端から送信端へＶ行列構築のためのフィードバック情報を受け渡す必要がないという点である。図中の太い矢印は、伝送路品質が√２及び√２に比例して構築された仮想直交伝送路を示している。【０１４０】
このように送信端でユニタリー行列演算を用いない構成でも直交伝送路の形成が可能で、またパイロット信号によって位相差Φ＝ΦL＋ΦA及びφ＝φL＋φAの検出が可能である。このため、送信端で独立の局部発振器を用いても、更に受信端で独立な局部発振器を用いても、仮想直交伝送路を形成することができる。これによる直交伝送路は、この位相差Φやφの影響を受けない。更に受信端から送信端へのフィードバックを必要としない。更に、使っている行列は、ユニタリー行列なので、特性はＳＶＤ方式と全く同じになる。
【実施例５】
【０１４１】
(異なる太さの仮想直交伝送路で、受信側のみの行列演算、送受共にアンテナ毎の局部発振器)
次に、本発明の実施例５（構成例５）として、異なる太さの仮想直交伝送路を形成し、受信側のみのマトリクス演算で、更に、送信側及び受信側共にアンテナ毎に独立な局部発振器を用いた構成例を示す。【０１４２】
異なる値の仮想直交伝送路を形成する例である。この構成例５も受信端から送信端へのフィードバック情報を必要としない。また、送信及び受信共に独立なアンテナ毎の局部発振器を用いることができる構成である。更に送信アンテナ及び受信アンテナ共に、風や周囲温度等の微妙な気象条件に対する感度の高いアンテナ方向の動きで激しい位相変位を生じても全てアンテナ毎の局部発振器による位相変動と同じモデリングに帰着することができることを利用して解析している。実用的なフレキシビリティのある構成とするため、最適なアンテナ位置と異なるアンテナ間距離で構成されている。従って、特性はＳＶＤ方式と異なってくる。この構成の特性解析については後述する。【０１４３】
［特異値直交行列Λ1/2］
異なる値の仮想直交伝送路を形成する例であるから、
【数８３】
2008059985.tif 000085
となる。【０１４４】
［通信路行列Ｈ］
【数８４】
2008059985.tif 000086
となる。
ここで、送信側の感度の高いアンテナ変位ΦAは、送信側の独立なアンテナ毎の局部発振器による位相変動ΦLに含めてΦとし、受信側の感度の高いアンテナ変位φAは、受信側の独立なアンテナ毎の局部発振器による位相変動φLに含めてφとしている。【０１４５】
【数８５】
2008059985.tif 000087
であるから、
【数８６】
2008059985.tif 000088
となる。【０１４６】
また、
【数８７】
2008059985.tif 000089
であるから、
【数８８】
2008059985.tif 000090
となる。【０１４７】
ただし、ベクトルの二乗ノルムを見ると、
【数８９】
2008059985.tif 000091
である。このため、Ｕは、もはやユニタリー行列ではない。従って、ＵＨを求めるには、逆行列演算が必要となる。【０１４８】
試しに、ここで求めた各行列Ｕ、Λ1/2、ＶＨを用いて、通信路行列Ｈを計算してみると、
【数９０】
2008059985.tif 000092
となって、確かに成り立っていることが分かる。【０１４９】
次に、行列Ｕの逆行列Ｕ-1を考える。任意の行列Ａ、すなわち
【数９１】
2008059985.tif 000093
の逆行列Ａ-1は、
【数９２】
2008059985.tif 000094
となる。【０１５０】
従って、
【数９３】
2008059985.tif 000095
を得る。以上の結果を基に構成したのが図６である。【０１５１】
上記は、異なる値の仮想直交伝送路の場合であるが、パイロット検出を適切に行えば、送受信端共にアンテナ毎の局部発振器を用いた場合でも、直交伝送路の形成が可能である。送信側でのマトリクス演算を用いない構成なので受信端から送信端へのフィードバック情報を必要とせず、送信端位相変動Φや受信端位相変動φといった速い位相変動に対応できる。【０１５２】
また、Ｒ＝５０００ｍ、ｄＴ＝ｄＲ＝５ｍといった最適アンテナ間位置でなくとも、送信側マトリクス処理をすることなく、異なる伝送路品質をもった直交伝送路の形成が可能となる。ただし、ＵＨは、もはやユニタリー行列ではなく、逆行列Ｕ-1となる。このため、ＳＶＤ方式からの特性劣化が予想される。ＳＶＤ方式と、この方式との特性差については後述する。【０１５３】
図６において、送信信号はパイロット信号生成部６０１によってアンテナ毎に互いに直交するパイロット信号が付加される。用いる直交パイロット信号としてはアダマール行列から得られた直交パターンや、或いは、ＣＡＺＡＣ系列を用いてもよい。このようにしてパイロットが付加された送信信号は、送信側における局部発振器６０４、６０５とミキサ６０３、６０７を含む周波数変換部６０２によって無線周波数に周波数変換され、複数のアンテナからなる固定アンテナ部６０８からｓ１及びｓ２として送出される。ｓ１及びｓ２は等価低域表現による信号表記を用いている。ここで注意を要するのは、アンテナ毎に独立の局部発振器６０４、６０５を用いているために、アンテナ毎のキャリア間でキャリア同期していないことによって生じる位相雑音ΦLが発生する点である。図中に示した６０６が、それをモデリングしたものである。【０１５４】
このようにして送出された信号は、受信側における複数のアンテナからなる固定アンテナ部６０９にｒ１、ｒ２として受信される。ここで、ｒ１、ｒ２は等価低域表現による信号表記を用いている。受信信号ｒ１及びｒ２は、受信側における局部発振器６１２、６１３とミキサ６１１、６１５を含む周波数変換部６１０によってベースバンド信号に周波数変換された後、パイロット信号検出部６１６を通って受信側行列Ｕによるマトリクス演算処理部６１７で処理され、これによってＭＩＭＯの信号分離／検出が完了する。【０１５５】
受信側の処理では、アンテナ毎に独立の局部発振器６１２及び６１３を用いている。そのため、アンテナ毎のキャリア間でキャリア同期していないことによって生じる位相雑音φLが発生する。同図の中の６１４が、それをモデリングしたものである。また、使用するアンテナとしては、パラボラアンテナやホーンアンテナ等色々なものがあるが、これらに限定されるものでもない。また、マトリクス演算処理部６１７は、プログラム制御によって実現することもできるし、ＡＳＩＣ等によるハードウェアで構成することもできる。【０１５６】
パイロット信号検出部６１６では、互いに直交するパイロット信号の生成が送信側の局部発振器による処理より前にあり、且つパイロット検出が受信側の局部発振器による処理より後に配置されている。このため、［数９３］におけるΦ＝ΦL＋ΦA及びφ＝φL＋φAの検出を行うことができる。パイロット信号で用いているパターンは、アダマール系列やＣＡＺＡＣ系列といった直交パターンなので、図示はしていないが、簡単な相関器によってΦ及びφの検出が可能である。全ての行列演算を受信側のみで行うことができるようになる。すなわち、［数９３］より風や周囲温度等の微妙な気象条件に対する感度の高いアンテナ位置変動（同図においてΦA及びφAでモデリングしている。）等の外部要因によって生じた伝送路の変動、及び、キャリア同期していないことによる位相雑音ΦLやφLを補償すべく受信側の行列が作用する。【０１５７】
なお、この構成による最大のメリットは、受信端から送信端へＶ行列構築のためのフィードバック情報を受け渡す必要がないという点である。図中の太い矢印は仮想直交伝送路で、前の構成例と違って異なる太さになっている。しかし、後述するように、この構成を用いると、同じ伝送路品質となる点に特徴がある。【０１５８】
以上は、２つのアンテナを用いた構成例で示してきた。しかし、上述したように、本発明は２つのアンテナを用いた構成に限らず、複数のアンテナを用いた構成が可能である。【０１５９】
煩雑になるので送受のアンテナのみ図で、他の箇所は省略するが、以下、２アンテナを超えるアンテナ数の場合で説明する。
【実施例６】
【０１６０】
（３アンテナによる受信信側のみのユニタリー行列演算）
次に、本発明の実施例６（構成例６）として、３つのアンテナを用いた構成例について説明する。【０１６１】
［特異値直交行列Λ1/2］
特異値直交行列Λ1/2は、
【数９４】
2008059985.tif 000096
となる。【０１６２】
［通信路行列Ｈ］
通信路行列Ｈは、図７より、
【数９５】
2008059985.tif 000097
として、
【数９６】
2008059985.tif 000098
となる。【０１６３】
従って、
【数９７】
2008059985.tif 000099
を得る。【０１６４】
ここで、［数９７］のΦA及びφAは、送信側、及び受信側における風や周囲温度等の微妙な気象条件に対する感度の高いアンテナ位置変動によるキャリア位相変位を示している。添え字の１及び２は、最上部のアンテナを基準とした二番目と三番目のアンテナの位相変位を示している。【０１６５】
また、固定マイクロ波通信で扱う周波数の関係からアンテナ間隔を広く取る必要があり、それに伴って局部発振器をアンテナ近くに設置している。すなわち、送信側及び受信側共にアンテナ毎に独立な局部発振器を用いている。従って、キャリア同期していないことによる位相雑音ΦLやφLが発生する。添え字の１及び２は、最上部のアンテナを基準とした二番目と三番目のアンテナの位相変位を示している。【０１６６】
上記の送信アンテナ及び受信アンテナ共に、風や周囲温度等の微妙な気象条件に対する感度の高いアンテナ方向の動きによる激しい位相変位は、全てアンテナ毎の局部発振器による位相変動と同じモデリングに帰着する。そのため、［数９７］による解析では、最上部のアンテナを基準に送信側の二番目、三番目のアンテナで、Φ1=ΦL1＋ΦA1、Φ2=ΦL2＋ΦA2、受信側における二番目、三番目のアンテナで、φ1=φL1＋φA1、φ2=φL2＋φA2として解析している。すなわち、３アンテナでも受信のユニタリー行列演算のみで仮想直交伝送路の形成が可能である。図中の太い矢印は伝送路品質がそれぞれ√３、√３及び√３に比例して構築された仮想直交伝送路を示している。【０１６７】
また、それぞれの位相変位をパイロット信号によりを適切に検出すればＳＶＤ方式と等価な特性を得ることができる。通信路容量は全アンテナ電力比較で３倍になる。
【実施例７】
【０１６８】
（４アンテナによる受信信側のみのユニタリー行列演算、送受共に局部発振器独立）
次に、本発明の実施例７（構成例７）として、４つのアンテナを用いた構成例について説明する。【０１６９】
［特異値直交行列Λ1/2］
特異値直交行列Λ1/は、
【数９８】
2008059985.tif 000100
となる。【０１７０】
［通信路行列Ｈ］
通信路行列Ｈは、図８より、
【数９９】
2008059985.tif 000101
として、
【数１００】
2008059985.tif 000102
となる。【０１７１】
従って、
【数１０１】
2008059985.tif 000103
を得る。【０１７２】
ここで、［数１０１］のΦA及びφAは、送信側、及び受信側における風や周囲温度等の微妙な気象条件に対する感度の高いアンテナ位置変動によるキャリア位相変位を示している。添え字の１、２、及び３は、最上部のアンテナを基準とした二番目、三番目と四番目のアンテナの位相変位を示している。【０１７３】
ところで、固定マイクロ波通信で扱う周波数の関係からアンテナ間隔を広く取る必要がありそれに伴って局部発振器をアンテナ近くに設置している。すなわち、送信側及び受信側共にアンテナ毎に独立な局部発振器を用いている。従って、キャリア同期していないことによる位相雑音ΦLやφLが発生する。添え字の１、２及び３は、最上部のアンテナを基準とした二番目、三番目と四番目のアンテナの局部発振器の位相変位を示している。【０１７４】
上記の送信アンテナ及び受信アンテナ共に、風や周囲温度等の微妙な気象条件に対する感度の高いアンテナ方向の動きによる激しい位相変位は、全てアンテナ毎の局部発振器による位相変動と同じモデリングに帰着する。そのため、［数１０１］による解析では最上部のアンテナを基準に送信側の二番目、三番目、及び四番目のアンテナで、Φ1=ΦL1＋ΦA1、Φ2=ΦL2＋ΦA2、及びΦ3=ΦL3＋ΦA3、受信側における二番目、三番目、及び四番目のアンテナで、φ1=φL1＋φA1、φ2=φL2＋φA2、及びφ3=φL3＋φA3として解析している。すなわち、４アンテナでも受信のユニタリー行列演算のみで仮想直交伝送路の形成が可能である。図中の太い矢印は伝送路品質がそれぞれ√４、√４、√４及び√４に比例して構築された仮想直交伝送路を示している。【０１７５】
また、それぞれの位相変位をパイロット信号によりを適切に検出すればＳＶＤ方式と等価な特性を得ることができる。通信路容量は全アンテナ電力比較で４倍になる。【０１７６】
更に任意のアンテナ本数で、受信のみ、送信のみ、且つ、送受共にマトリクス演算を用いた場合について説明する。【０１７７】
［任意のアンテナ本数Ｎ本の構成（一般解）］
任意のアンテナ本数Ｎ本の構成を考える。【０１７８】
［特異値直交行列Λ1/2］
この場合、特異値直交行列Λ1/2は、
【数１０２】
2008059985.tif 000104
となる。【０１７９】
［通信路行列Ｈ］
また、通信路行列Ｈは、
【数１０３】
2008059985.tif 000105
として、送受位相変位の無い理想的な見通し内伝送路行列を以下のように記す。
【数１０４】
2008059985.tif 000106
【０１８０】
また、送信側位相変位行列Ｔを以下のように定義する。
【数１０５】
2008059985.tif 000107
【０１８１】
同様に、受信側位相変位行列Ｗを以下のように定義する。
【数１０６】
2008059985.tif 000108
【０１８２】
ここで、
【数１０７】
2008059985.tif 000109
且つ、
【数１０８】
2008059985.tif 000110
である。ΦA及びφAは、送信側、及び受信側における風や周囲温度等の微妙な気象条件に対する感度の高いアンテナ位置変動による位相変位を示している。ΦLやφLはキャリア同期していないことによる位相変動を示している。また、添え字は、最上部のアンテナを基準としたアンテナに対応した場所を示している。【０１８３】
従って、送受位相変位のある実際の見通し内伝送路行列は以下のようになる。
【数１０９】
2008059985.tif 000111
【０１８４】
（受信のみユニタリー行列演算構成の場合）
この場合は、
【数１１０】
2008059985.tif 000112
であるから、
【数１１１】
2008059985.tif 000113
となる。【０１８５】
従って、
【数１１２】
2008059985.tif 000114
を得る。すなわち、任意のＮアンテナ構成でも、局部発振器独立や感度の高いアンテナ方向のアンテナ変位に対しても受信側のみのマトリクス演算処理によって仮想直交行列を構築することができる。【０１８６】
ちなみに、
【数１１３】
2008059985.tif 000115
である。【０１８７】
ここで、
【数１１４】
2008059985.tif 000116
である。【０１８８】
何とならばＮが偶数の時上記の任意の列ベクトル、或いは任意の行ベクトルはＣｈｕ系列を巡回シフトさせたものであり、その自己相関（Ｅ［ａ・ａ*］）が直交することによる。また、Ｎが奇数の場合は巡回シフトとならないが、後述より直交していることが分かる。【０１８９】
（送信側のみユニタリー行列演算構成の場合）
この場合は、
【数１１５】
2008059985.tif 000117
であるから、
【数１１６】
2008059985.tif 000118
となる。【０１９０】
従って、
【数１１７】
2008059985.tif 000119
を得る。すなわち、任意のＮアンテナ構成でも、局部発振器独立や感度の高いアンテナ方向のアンテナ変位に対しても送信側のみのマトリクス演算処理Ｖによって仮想直交行列を構築することができる。【０１９１】
（送受共にユニタリー行列演算構成の場合）
［特異値直交行列Λ1/2］
この場合、特異値直交行列Λ1/2は、
【数１１８】
2008059985.tif 000120
となる。【０１９２】
従って、
【数１１９】
2008059985.tif 000121
となる。【０１９３】
ここで、任意のユニタリー行列をＶとして用いると、
【数１２０】
2008059985.tif 000122
を得る。【０１９４】
ちなみに、
【数１２１】
2008059985.tif 000123
となって、任意のユニタリー行列をＶとして用いても、Ｕはユニタリー行列となる。【０１９５】
従って、
【数１２２】
2008059985.tif 000124
を得る。【０１９６】
すなわち、送受共にユニタリー行列演算構成によるＮアンテナ構成でも、局部発振器独立や感度の高いアンテナ方向のアンテナ変位に対しても受信側のみのマトリクス演算処理によって仮想直交行列を構築することができる。【０１９７】
この時、固定された送信行列Ｖは、ユニタリー行列であれば何でも良く、受信側のユニタリー行列演算は、
【数１２３】
2008059985.tif 000125
となって、局部発振器やアンテナ変位による変動を補償するように作用する。【０１９８】
（例）
簡単な例として、２アンテナ構造に上式を適用してみる。固定された任意の送信行列として、例えば、
【数１２４】
2008059985.tif 000126
を選ぶ。【０１９９】
ここで、
【数１２５】
2008059985.tif 000127
であるから、
【数１２６】
2008059985.tif 000128
となる。【０２００】
以下、上記［数１１４］で用いた直交関係について説明する。【０２０１】
ここでは、
【数１２７】
2008059985.tif 000129
における任意のｍ行ベクトルと任意のｎ列ベクトルの積を計算する。【０２０２】
まず、ｍ＜ｎの場合は、
【数１２８】
2008059985.tif 000130
である。【０２０３】
ここで、
【数１２９】
2008059985.tif 000131
と置くと、
【数１３０】
2008059985.tif 000132
となる。従って、直交する。【０２０４】
次に、ｍ＞ｎの場合は、
【数１３１】
2008059985.tif 000133
である。【０２０５】
同様に、
【数１３２】
2008059985.tif 000134
であるから、直交する。【０２０６】
以上より、
【数１３３】
2008059985.tif 000135
となる。【０２０７】
以上、複数のアンテナによる構成で、アンテナ毎の感度の高いアンテナ方法の変位、並びに、アンテナ毎の局部発振器を用いた場合のキャリア同期ができない構成による位相雑音を受信側のユニタリー行列Ｕのみで補正し通信容量がアンテナ本数倍になる構成について記した。【０２０８】
以下、このような理想的でないアンテナ間距離における状態、すなわち、仮想直交伝送路が異なる太さになっている状態での特性がどうなるかについて説明する。一例として、構成例５を用いて記す。【０２０９】
［見通し内固定通信路によるＳＶＤ方式と提案の構成例５による特性解析］
（異なる太さの仮想直交伝送路で、受信側のみの行列演算、送受共にアンテナ毎の局部発振器）
実用的なフレキシビリティのある構成とするため、最適なアンテナ位置とは異なるアンテナ間距離で構成された構成例５について、ＳＶＤ方式と比較しながら特性解析を行う。【０２１０】
まず、構成例５より、受信信号ベクトルをｒとすると、受信マトリクス演算後の信号ベクトルは、
【数１３４】
2008059985.tif 000136
となる。ここで、Ｓは送信信号ベクトル、ｎは雑音ベクトルを表す。【０２１１】
また、構成例５より、
【数１３５】
2008059985.tif 000137
であるから、
【数１３６】
2008059985.tif 000138
とする。更に相対的な値で比較するため、
【数１３７】
2008059985.tif 000139
として正規化する。【０２１２】
そうすると、λ１チャネルのＳＮＲ(Signal to Noise Ratio)１は、
【数１３８】
2008059985.tif 000140
となる。【０２１３】
同様にλ２チャネルのＳＮＲ２は、
【数１３９】
2008059985.tif 000141
となる。よって、直交チャネルの太さがλ1＝２＋２cosα、λ2＝２−２cosαと異なるにも関わらず、ＳＮＲは共にsin2αとなる。【０２１４】
（ＳＶＤ方式の場合）
以下、上記構成例５との比較のため、ＳＶＤ方式の特性解析を行う。【０２１５】
まず、図１の構成図より、ＳＶＤ方式のユニタリーマトリクス演算後の受信信号ベクトルは、
【数１４０】
2008059985.tif 000142
となる。【０２１６】
次に、［数４３］より
【数１４１】
2008059985.tif 000143
であるから、正規化後のλ１チャネルのＳＮＲ１は、
【数１４２】
2008059985.tif 000144
となる。【０２１７】
同様にλ２チャネルのＳＮＲ２は、
【数１４３】
2008059985.tif 000145
となる。よって、直交チャネルの太さがλ1＝２＋２cosα、λ2＝２−２cosαに比例して各ＳＮＲもSNR1＝１＋１cosα、SNR2＝１−１cosαとなる。【０２１８】
（各方式によるアンテナ間距離に対する各直交チャネルのＳＮＲの比較）
以上の構成例５及びＳＶＤ方式による特性解析結果をアンテナ間距離ｄＴ、ｄＲで比較すると図９になる。【０２１９】
提案方式は、直交チャネルλ１、λ２に関係なく同じＳＮＲ値を示し、アンテナ間距離に対する変化が小さいことが分かる。【０２２０】
実用的なフレキシビリティのある構成にするために、固有値が重根となって特異点の生じるアンテナ間位置とは異なる構成も、送信側にフィードバック情報を送る必要がない受信側のみの処理として解析した。【０２２１】
受信マトリクス演算後の信号電力は、提案の方式もＳＶＤ方式も同じで、固有値に比例した電力となる。ＳＶＤ方式の場合、受信マトリクス演算がユニタリー行列なので、雑音電力は固有値が変わっても変化せず常に同じ値を保つ。そのため、ＳＶＤ方式の各パスのＳＮＲは、固有値に比例した、異なる値でアンテナ間距離と共に変化する。一方、提案の方式は、もはやユニタリー行列ではないので、雑音電力が固有値とともに変化する。その結果、信号電力が固有値に比例した大きな電力と小さな電力にも関わらず、各パスのＳＮＲは常に同じ値を示し、アンテナ間距離に応じて同じ値で同じように変化するという解析結果を図９は示している。【０２２２】
従って、提案の方式は、アンテナ間距離変動しても仮想直交伝送路に対するＳＮＲが同じで、更にその変化が小さいということを示しているので、ＳＶＤ方式よりも実用的で使いやすい方式といえる。【０２２３】
なお、上記アンテナ毎の局部発振器独立として理論解析した内容は、感度の高いアンテナ方向の動きに対しても同じモデリングに帰着するので、風等の微妙な気象条件による影響も全てカバーしていることになる。【０２２４】
次に、実際の設置場所を考慮した配置について記す。よりユーザーに近い位置ではアンテナ設定場所の確保が厳しいことが予想される。一方、基幹網に近い対向するアンテナは比較的アンテナ設置場所の確保に恵まれている可能性がある。両者のアンテナ設定位置の関係から図１０のような送受間で異なるアンテナ間距離を用いた場合について記す。【０２２５】
図１０の伝送路を上下対称として下半分をモデリングした図１１より以下のように解析する。【０２２６】
相対的な位相シフト量で決まるから送受間距離Ｒによる距離減衰、共通位相シフトは無視して考える。以下、Ｒを基準に考えて、Ｒに対する角度Δθ1の対角経路の経路差は、
【数１４４】
2008059985.tif 000146
となる。【０２２７】
同様にＲに対する角度Δθ2の対角経路の経路差は、
【数１４５】
2008059985.tif 000147
となる。【０２２８】
受信点における二波の経路差による位相回転αは、
【数１４６】
2008059985.tif 000148
となる。【０２２９】
ちなみに、ＲＦ周波数３０ＧＨｚ、Ｒ＝２０００ｍ、ｄＴ＝５ｍ、ｄＲ＝２ｍとすると、
【数１４７】
2008059985.tif 000149
となる。【０２３０】
角度Δθ1の対角経路で正規化されたチャネル行列Ｈは、信号ｓ２を送出する送信アンテナの位置変動による位相シフトΦを考慮し、
【数１４８】
2008059985.tif 000150
となって、今までの結果と同様の条件となる。【０２３１】
また、
【数１４９】
2008059985.tif 000151
より、
【数１５０】
2008059985.tif 000152
を得る。これをグラフにしたのが図１２である。【０２３２】
同結果より、
【数１５１】
2008059985.tif 000153
とすると、今までの結果と同じである。提案の方式もそのまま使えることになる。【０２３３】
更に変形して、送受アンテナ間でアンテナ配置方向に菱形状のズレが生じた場合について記す。【０２３４】
図１３において、上記同様にＲを基準に考える。Ｒに対する対角経路の経路差は、ｄ１１の場合、
【数１５２】
2008059985.tif 000154
となる。【０２３５】
また、ｄ１２の場合、
【数１５３】
2008059985.tif 000155
となる。【０２３６】
また、ｄ２１の場合、
【数１５４】
2008059985.tif 000156
となる。【０２３７】
さらに、ｄ２２の場合、
【数１５５】
2008059985.tif 000157
となる。【０２３８】
経路差による位相回転を
【数１５６】
2008059985.tif 000158
とすると、経路ｄ１１で正規化されたチャネル行列Ｈは、以下のようになる。
【数１５７】
2008059985.tif 000159
【０２３９】
従って、
【数１５８】
2008059985.tif 000160
となる。【０２４０】
これより、
【数１５９】
2008059985.tif 000161
となって、菱形状にズレが生じても各パスの太さである固有値への影響がないことが分かる。【０２４１】
（特異値分解Ｈ＝Ｕ・Λ1/2・ＶＨ）
上記チャネル行列Ｈの特異値分解は、
【数１６０】
2008059985.tif 000162
となる。【０２４２】
また上記Ｕ、Ｖは、
【数１６１】
2008059985.tif 000163
となる。よって、上記Ｕ、Ｖがユニタリー行列で、Ｈの特異値分解が成り立っていることが確認できる。【０２４３】
すなわち、菱形状にズレが生じてもずれる前の各パスの太さである固有値のままで、上記チャネル行列Ｈの特異値分解もユニタリー行列Ｕ、Ｖで実現できる。なお、送信アンテナ位置変動による位相シフトΦがあっても上述と同様の構成が可能であることはいうまでもない。【０２４４】
次に、このような菱形状のズレが生じた場合、提案の受信端のみのマトリクス演算の構成がどうなるかについて記す。【０２４５】
［受信端のみのマトリクス演算で送受信アンテナ間形状が菱形の場合］
本発明の受信端のみのマトリクス演算の構成で、送受アンテナ間でアンテナ配置方向に菱形状のズレが生じた場合について記す。上述の検討で得られた菱形状の通信路行列Ｈをそのまま用いる。【０２４６】
［特異値直交行列Λ1/2］
図１４より、一例としてｅjα＝ｊとなるアンテナ間位置の場合を考えると、特異値直交行列Λ1/2は、
【数１６２】
2008059985.tif 000164
となる。【０２４７】
［通信路行列Ｈ］
また、通信路行列Ｈは、
【数１６３】
2008059985.tif 000165
となる。【０２４８】
ここで、
【数１６４】
2008059985.tif 000166
となる。よって、菱形状のズレが生じた場合であっても、提案の受信端のみのユニタリー行列演算で構成できることが分かる。なお、局部発振器やアンテナ位置変動による位相シフトΦやφがあっても上述と同様の構成が可能である。【０２４９】
［更に一般化した送受信アンテナ間形状の場合］
更に一般化した送受アンテナ間形状の場合を記す。見通し内で構成される無線ＬＡＮ等を含む設置位置の自由度が高い応用例である。【０２５０】
図１５より、ｄ１１、ｄ１２、ｄ２１、ｄ２２は、
【数１６５】
2008059985.tif 000167
である。【０２５１】
また、各受信アンテナにおける位相差のみに注目した通信路行列Ｈは、図１５より、
【数１６６】
2008059985.tif 000168
である。【０２５２】
これより、
【数１６７】
2008059985.tif 000169
となる。【０２５３】
従って、固有値が重根になるためには、第１項、すなわち
【数１６８】
2008059985.tif 000170
と、第２項、すなわち
【数１６９】
2008059985.tif 000171
とが互いに逆位相になればよい。【０２５４】
すなわち、
【数１７０】
2008059985.tif 000172
であればよい。【０２５５】
或いは、第１項と第２項の差がπということで、
【数１７１】
2008059985.tif 000173
であればよい。【０２５６】
これより、
【数１７２】
2008059985.tif 000174
を得る。【０２５７】
この関係にｄ１１〜ｄ２２を代入すると、
【数１７３】
2008059985.tif 000175
となって、
【数１７４】
2008059985.tif 000176
を得る。【０２５８】
従って、重根となる条件として以下を得る。
【数１７５】
2008059985.tif 000177
【０２５９】
この条件を満足するアンテナ構成ならば同じ太さのパスで色々な構成が可能である。なお、ここで用いたＲと上述で用いたＲとでは若干定義が異なるので注意を要する。すなわち、図１５では送受アンテナが互いに平行した配置では無いため、送受アンテナ間距離をｄ１１に相当する底辺に置かれた送受アンテナエレメント間距離をＲとしている（［数１６５］参照）。これに対して他の構成は、送受アンテナが互いに平行して配置されているので送受アンテナ間距離をＲとしている。【０２６０】
なお、以上の説明では外部要因によって生じるアンテナ変動や伝送路の変動、或いは、アンテナ毎に独立な局部発振器を用いることによって生じた位相変動の検出手段としてパイロット信号を用いて説明してきたが、パイロット信号を用いない処理によって検出することも可能である。例えば、情報を運ぶデータを用いる。特に図示はしていないが、等化後の判定結果を用いて位相変動を推定する方法や誤り訂正後の信号を再符号化して推定する方法等がある。以下、その方法について、説明の都合上、２アンテナの場合で説明する。【０２６１】
ここでは、上述で説明した通信路行列、すなわち
【数１７６】
2008059985.tif 000178
を用いて説明する。【０２６２】
まず、送信信号ベクトル及び受信信号ベクトルをそれぞれ
【数１７７】
2008059985.tif 000179
とすると、以下を得る。
【数１７８】
2008059985.tif 000180
【０２６３】
ここで、等化後の判定結果、或いは誤り訂正後の信号再生によって上式におけるｓ１、ｓ２が正しく得られたとすると、
【数１７９】
2008059985.tif 000181
の関係より、
【数１８０】
2008059985.tif 000182
を得る。これより、Φを検出することができる。【０２６４】
次に、この検出されたΦを用いるが、その前に［数１７８］の関係より、
【数１８１】
2008059985.tif 000183
であるから、
【数１８２】
2008059985.tif 000184
を得る。これよりφを検出することができる。【０２６５】
従って、パリロット信号を用いなくとも情報を運ぶデータにより、外部要因によって生じるアンテナ変動や伝送路の変動、或いは、アンテナ毎に独立な局部発振器を用いることによって生じた位相変動の検出を行うことができる。なお、本動作は、初期立ち上げ後の動作を示しているが、一度立ち上げを完了すると、データが絶え間なく流れているので、定常的に上記による位相変動の検出は継続される。【０２６６】
以上の結果を基に本発明の方式をマイクロ波通信装置以外の伝送路に応用した例を以下に記す。【０２６７】
図１６は、決定論的通信路として光通信路を用いた場合の例である。同図において、光アンテナとして、送信側ではレーザダイオード（ＬＤ）１６０１を、また受信側ではフォトディテクタ（ＰＤ）１６０２を用いている。電波を用いる見通し内ＭＩＭＯと同様に光りにおいても見通し内ＭＩＭＯを実現することができる。【０２６８】
図１７は、決定論的通信路として音響光通信路を用いた場合の例である。同図において、送信側においては超音波振動子１７０１を、また受信側では超音波マイクロフォン１７０２を用いている。電波を用いる見通し内ＭＩＭＯと同様に音響環境においても見通し内ＭＩＭＯを実現することができる。【０２６９】
図１８は、決定論的通信路として簡易無線装置（無線ＬＡＮを含む）等の見通し内通信路に用いられるＭＩＭＯ用アンテナの例である。固定マイクロ波通信システムのように規則正しい構造と違って、簡易無線装置では見通し内通信路が複雑な構成となる。見通し内通信路がどのような幾何学的形態であっても［数１７５］の条件を満足すれば、見通し内ＭＩＭＯによる通信容量の拡大が図れる。【０２７０】
同図のＭＩＭＯ用のアンテナは、アンテナエレメント１８０１及び１８０２の間隔（ｄ）が結合棒１８０３によって自由に伸び縮みできる構造になっている。また、アンテナエレメント１８０１及び１８０２によって形成される角度（θ）がヒンジ１８０４によって自由に設定できる構造になっている。【０２７１】
上述の導出された［数１７５］は、アンテナ間距離ｄＴ、ｄＲと角度θＴ、θＲを操作することによって最大の通信容量を実現することができることを示している。このため、同図のＭＩＭＯ用アンテナの間隔（ｄ）及び角度（θ）を操作することによって見通し内通信路がどのような幾何学的形態であっても最大通信容量を達成することができる。【０２７２】
以下、本発明の他の実施の形態について説明する。【０２７３】
本実施の形態に係る見通し内ＭＩＭＯ通信システムは複数の伝送路を有し、送信側または受信側、或いは送受信側共に通信路行列演算処理部を備える。通信路行列演算処理部にて直交伝送路形成用行列を送信アンテナ（例えば、電波伝搬で用いる送信アンテナ、発光素子、スピーカ等）又は受信アンテナ（例えば、電波伝搬で用いる受信アンテナ、受光素子、マイクロフォン等）の位置変動又は伝送路の変動により更新する。これによれば、送信アンテナ又は受信アンテナの位置変動又は伝送路の変動を吸収して最大の通信容量を実現できるＭＩＭＯ通信システムを提供できる。【０２７４】
更に、通信路行列の固有値が重根になるべく通信路の幾何学的パラメータを設定し、該固有値に基づき得られる固有ベクトル或いはその線形和によって得られる固有ベクトルに基づいて構成されるユニタリー行列演算を、送信側或いは受信側のどちらか一方のみにおいて行うことにより仮想的な直交伝送路を形成してもよい。これによれば、逆回線によるフィードバック情報のいらない構成や送信のみ処理とする構成など柔軟なシステム設計が可能となる。【０２７５】
更に、ＭＩＭＯ通信システムが、複数のアンテナを用いた固定マイクロ波通信システムであって、送信側または受信側、或いは送受信共にアンテナ毎に独立な局部発振器を用いて構成されてもよい。これによれば、固定マイクロ波通信システム構築上の制約となっていたアンテナ間キャリア同期の問題を解決することができる。【０２７６】
更に、送信アンテナ又は受信アンテナの位置変動又は伝送路の変動を検出する手段を有し、該検出結果を用いて仮想的な直交伝送路形成用行列を更新してもよい。これによれば、精密な設置と強固な筐体等のシステム構築上の問題点のないＭＩＭＯ通信システムを提供できる。【０２７７】
更に、仮想的な直交伝送路を形成するための行列演算処理を受信側のみで行ってもよい。これによれば、送信側行列処理のための逆回線による周期的で頻繁なフィードバック情報のいらないＭＩＭＯ通信システムを提供できる。【０２７８】
更に、送信側から受信側へのパイロット信号を送出する手段を有し、該パイロット信号によって送信アンテナ又は受信アンテナの位置変動や伝送路の変動を検出し、その検出結果を用いて仮想的な直交伝送路形成用行列を更新してもよい。これによれば、簡単な構成で精密な設置と強固な筐体等のシステム構築上の問題点のないＭＩＭＯ通信システムを提供できる。【０２７９】
更に、送信側から受信側へアンテナ毎のパイロット信号を送出する手段を有し、該パイロット信号を元に仮想的な直交伝送路を形成するための行列演算処理を受信側のみで行ってもよい。これによれば、簡単な処理で、送信側行列処理のための逆回線による周期的で頻繁なフィードバック情報のいらないＭＩＭＯ通信システムを提供できる。【０２８０】
更に、送信側から受信側へ送られる各パイロット信号が、該局部発振器による処理より前に生成されてもよい。これによれば、送信側で発生した局部発振器間の位相雑音を受信端で検出することができ、発生した位相雑音を補償すべく行列の更新を行うことができる。【０２８１】
更に、送信側から受信側へ送られたパイロット信号の検出が、受信における局部発振器による処理の後に行われてもよい。これによれば、受信側で発生した局部発振器間の位相雑音を受信端で検出することができ、発生した位相雑音を補償すべく行列の更新を行うことができる。【０２８２】
更に、送信側から受信側へのパイロット信号が、アンテナ毎に互いに直交してもよい。これによれば、簡単な相関器で局部発振器間の位相雑音や気象条件等によって生じる感度の高いアンテナ方向の変位を検出することができ、それらを補償すべく行列の更新を行うことができる。【０２８３】
更に、見通し内通信路は、電波伝搬路に限らず、光通信路でも、音響通信路でもよい。この場合でも、ＭＩＭＯ通信システムを提供することができる。【０２８４】
更に、複数の送信アンテナ又は受信アンテナ間距離及びそれらの方向、もしくはどちらか一方を可変としてもよい。これによれば、見通し内通信路がどのような幾何学的形態であったとしても送信アンテナ又は受信アンテナ間隔或いはそれらの軸方向、或いはそれら全てを操作すれば常に最大の通信容量を実現できるＭＩＭＯ通信システムを提供できる。【０２８５】
なお、本発明は、上述の効果について、同時に達成するものである必要は必ずしも無く、少なくともいずれか１つの効果を達成するものであればよい。【０２８６】
以上、上記各実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記各実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。【０２８７】
この出願は、２００６年１１月１７日に出願された日本出願特願２００６−３１２２７７号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【図１】
2008059985.tif 000185
【図２】
2008059985.tif 000186
【図３】
2008059985.tif 000187
【図４】
2008059985.tif 000188
【図５】
2008059985.tif 000189
【図６】
2008059985.tif 000190
【図７】
2008059985.tif 000191
【図８】
2008059985.tif 000192
【図９】
2008059985.tif 000193
【図１０】
2008059985.tif 000194
【図１１】
2008059985.tif 000195
【図１２】
2008059985.tif 000196
【図１３】
2008059985.tif 000197
【図１４】
2008059985.tif 000198
【図１５】
2008059985.tif 000199
【図１６】
2008059985.tif 000200
【図１７】
2008059985.tif 000201
【図１８】
2008059985.tif 000202
【図１９】
2008059985.tif 000203
【図２０】
2008059985.tif 000204
【国際調査報告】
2008059985.tif 000205
2008059985.tif 000206
2008059985.tif 000207
2008059985.tif 000208