(57)【要約】  マルチユーザＭＩＭＯダウンリンク通信を行う通信システムに適用される送信装置であって、送信プレコーディング処理を施すプレコーダと、逐次干渉除去を行う非線形処理器と、複数ビームの形成およびビーム照射方向の制御を実行するビームフォーミング制御器と、各ビームの照射方向情報から複数のユーザ端末の位置関係を推定し、特定ユーザから近い順に順序づけを行い、送信対象ユーザと干渉許容ユーザのペアリングを決定するユーザオーダリング処理器とを備え、プレコーダは、ペアリング結果に基づいてそれぞれのユーザごとに送信対象ユーザと干渉許容ユーザの２ユーザを決定し、２ユーザ以外へヌルステアリングを行うことで、送信プレコーディング処理を実行する。
2017221291.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の送信アンテナを備える送信装置に対し、１または複数の受信アンテナを備えたユーザ端末が複数存在し、マルチユーザＭＩＭＯダウンリンク通信を行う通信システムに適用される送信装置であって、
複数のユーザ端末のそれぞれに対する送信信号に送信プレコーディング処理を施すプレコーダと、
前記送信プレコーディング処理が施された後の送信信号に対して逐次干渉除去を行う非線形処理器と、
前記逐次干渉除去が行われた後の送信信号に基づいて、前記複数の送信アンテナの数よりも少ない複数のビームを形成するとともに、前記複数の送信アンテナに接続された移相器もしくはデジタル信号処理器を制御することによりビーム照射方向を制御するビームフォーミング制御器と
を備え、
前記ビームフォーミング制御器が有する各ビームの照射方向情報から前記複数のユーザ端末の位置関係を推定し、特定ユーザから近い順に順序づけを行い、送信対象ユーザと干渉許容ユーザのペアリングを決定し、決定結果を前記プレコーダへ送信するユーザオーダリング処理器をさらに備え、
前記プレコーダは、前記ユーザオーダリング処理器から受信した前記決定結果に基づいて、それぞれのユーザごとに、送信対象ユーザと干渉許容ユーザの２ユーザを決定し、前記２ユーザ以外へヌルステアリングを行うことで、前記送信プレコーディング処理を実行する
送信装置。
【請求項２】
前記プレコーダは、前記２ユーザ以外へヌルステアリングを行った後に、前記送信対象ユーザへの固有ビーム形成を行う
請求項１に記載の送信装置。
【請求項３】
前記ユーザオーダリング処理器は、
（手順１）任意のユーザをユーザ＃１として選択し、ｉ＝１に設定し、
（手順２）選択されていないユーザの中から、ユーザ＃ｉと最も近距離に位置するユーザを選択し、ユーザ＃ｉ＋１とし、
（手順３）全ユーザのオーダリングが終わるまで、未選択のユーザが存在する場合には、ｉ←ｉ＋１として、（手順２）に戻る処理を繰り返す
ことで、前記順序づけを行う
請求項１または２に記載の送信装置。
【請求項４】
前記ビームフォーミング制御器は、形成された各ビームの受信電力強度を観測する機能を有し、
前記ユーザオーダリング処理器は、前記受信電力強度に基づいて、受信電力の小さい順または受信電力の大きい順に前記順序づけを行う
請求項１から３のいずれか１項に記載の送信装置。
【請求項５】
前記プレコーダは、ユーザごとに、１以上の値としてユーザ間干渉の許容ユーザ数を設定し、前記許容ユーザ数のユーザを前記干渉許容ユーザとして決定し、前記送信対象ユーザと前記干渉許容ユーザ以外へヌルステアリングを行うことで、前記送信プレコーディング処理を実行する
請求項１から４のいずれか１項に記載の送信装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の送信装置が複数存在し、複数の送信装置を統括制御する制御局を備えた通信システムであって、
前記制御局は、前記複数の送信装置間でビームの照射領域が重複しないように、それぞれの送信装置のビーム方向情報、および順序づけ情報を生成し、それぞれの送信装置に送信し、
前記複数の送信装置のそれぞれは、前記ビーム方向情報に基づいて前記ビーム照射方向を制御し、前記順序づけ情報に基づいて前記送信プレコーディング処理を実行する
通信システム。
【請求項７】
前記制御局は、前記順序づけ情報に基づいてプレコーディングウェイトをさらに生成し、それぞれの送信装置に送信し、
前記複数の送信装置のそれぞれは、前記順序づけ情報および前記プレコーディングウェイトに基づいて前記送信プレコーディング処理を実行する
請求項６に記載の通信システム。
【請求項８】
複数の送信アンテナを備える送信装置に対し、１または複数の受信アンテナを備えたユーザ端末が複数存在し、マルチユーザＭＩＭＯダウンリンク通信を行う通信システムに適用される送信装置において実行されるプレコーディング演算方法であって、
複数のユーザ端末のそれぞれに対する送信信号に送信プレコーディング処理を施す第１ステップと、
前記送信プレコーディング処理が施された後の送信信号に対して逐次干渉除去を行う第２ステップと、
前記逐次干渉除去が行われた後の送信信号に基づいて、前記複数の送信アンテナの数よりも少ない複数のビームを形成するとともに、前記複数の送信アンテナに接続された移相器もしくはデジタル信号処理器を制御することによりビーム照射方向を制御する第３ステップと
を有し、
前記第３ステップにより制御された前記ビーム照射方向に基づいて前記複数のユーザ端末の位置関係を推定し、特定ユーザから近い順に順序づけを行い、送信対象ユーザと干渉許容ユーザのペアリングを決定する第４ステップ
をさらに有し、
前記第１ステップは、前記第４ステップにより決定された前記ペアリングに基づいて、それぞれのユーザごとに、送信対象ユーザと干渉許容ユーザの２ユーザを決定し、前記２ユーザ以外へヌルステアリングを行うことで、前記送信プレコーディング処理を実行する
プレコーディング演算方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マルチユーザＭＩＭＯダウンリンク通信における送信装置、通信システム、およびプレコーディング演算方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、限られた周波数帯域で高速伝送を実現する無線通信システムとして、送受信機双方に複数のアンテナを設置したＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｉｎｐｕｔ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔ）システムを拡張し、ＭＩＭＯシステムに空間分割多元接続（ＳＤＭＡ：Ｓｐａｃｅ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ａｃｃｅｓｓ）方式を適用したマルチユーザＭＩＭＯ（ＭＵ−ＭＩＭＯ）システムが盛んに検討されている。【０００３】
ＭＵ−ＭＩＭＯは、複数のアンテナを備える基地局に対し、複数のアンテナを備えるユーザ端末が複数存在し、同一の無線周波数帯において、複数端末に対して同時伝送を行うシステム形態である。【０００４】
本発明では、基地局から各ユーザ端末へ信号を伝送するＭＵ−ＭＩＭＯ下り回線（ダウンリンク）を対象とする。図１は、本発明で対象とするＭＵ−ＭＩＭＯダウンリンクを示す説明図である。【０００５】
ここでは、受信ユーザ端末数をＮusr（Ｎusr≧２）とし、ユーザ＃ｕ（ｕ＝１，２，…，Ｎusr）のアンテナ数をＮr,u（Ｎr,u≧１）、送信基地局のアンテナ数をＮt（Ｎt≧１）としている。このため、全ユーザの総受信アンテナ数は、
Ｎr,total＝Ｎr,1＋Ｎr,2＋・・・＋Ｎr,Nusr
である。【０００６】
また、送信基地局からユーザ＃ｕへのＮr,u×Ｎt伝送路行列をＨuとする。ＭＵ−ＭＩＭＯダウンリンクでは、基地局から各ユーザ端末へ同時に信号を送る。このため、一般に、ユーザ端末における受信信号には、所望信号に加えて、他ユーザ向けの信号が含まれる。すなわち、ユーザ間干渉（ＩＵＩ：Ｉｎｔｅｒ−Ｕｓｅｒ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）が生じる。【０００７】
ＩＵＩ対策は、ユーザ端末に比べて処理量やアンテナ数に関する制約が少ない基地局側で、可能な限り行うことが望ましい。従って、ＭＵ−ＭＩＭＯダウンリンクでは、ＩＵＩ対策として、基地局側で実施する送信プレコーディングが不可欠である。【０００８】
ＭＵ−ＭＩＭＯダウンリンクを実現する代表的なプレコーディングとして、ブロック対角化（ＢＤ：Ｂｌｏｃｋ  Ｄｉａｇｏｎａｌｉｚａｔｉｏｎ）が広く検討されている（例えば、非特許文献１、２参照）。このＢＤ法は、所望ユーザ以外にヌルを向けることで、所望ユーザのみに信号が伝達されるように、ビーム空間を形成するプレコーディング手法である。【０００９】
この操作を全ユーザに対して行うことにより、ＩＵＩが全く生じないＭＵ−ＭＩＭＯ環境を実現することが可能となり，端末での受信機構成を簡易化できる。一方で、ＢＤ法は、アンテナ自由度をＩＵＩ除去（ヌリング）に消費するため、所望電力が大きく低下する問題点を有する。【００１０】
これに対して、一部ユーザのＩＵＩを許容し、ダイバーシチ利得を確保するブロック多重対角化法（ＢＭＤ：ｂｌｏｃｋ  ｍｕｌｔｉ−ｄｉａｇｏｎａｌｉｚａｔｉｏｎ）と、残留するＩＵＩをプリキャンセリングにより抑圧する手法を組み合わせた、非線形ブロック多重対角化法（ＮＬ−ＢＭＤ：ｎｏｎｌｉｎｅａｒ−ＢＭＤ）が提案されている（例えば、非特許文献３〜５参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】M. Rim, "Multi-user downlink beamforming with multiple transmit and receive antennas," Electron. Lett., vol.38, no.25, pp.1725-1726, Dec. 2002.
【非特許文献２】L.U. Choi and R.D. Murch, "A transmit preprocessing technique for multiuser MIMO systems using a decomposition approach," IEEE Trans. Wireless Commun., vol.3, no.1, pp.20-24, Jan. 2004.
【非特許文献３】西本浩，平明徳，井浦裕貴，内田繁，岡崎彰浩，岡村敦，"5Gにおける高SHF帯・広帯域Massive MIMOの実現に向けた非線形ブロック多重対角化プリコーディングの検討，" 信学技報, vol. 115, no. 472, RCS2015-377, pp. 255-260, March 2016.
【非特許文献４】H. Harashima and H. Miyakawa, "Matched-transmission technique for channels with intersymbol interference," IEEE Trans. Commun., vol.20, Aug. 1972.
【非特許文献５】B.M. Hochwald, C.B. Peel, and A.L. Swindlehurst, "A vector-perturbation technique for near-capacity multiantenna multiuser communication- Part II: Perturbation," IEEE Trans. Commun., vol.53, no.3, pp.537-544, March 2005.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
ＢＤ法に代表される線形プリコーディング方式は、分離すべきユーザ、すなわち、ＩＵＩ抑圧を行うユーザ、が近接する場合には、所望電力が大きく低下し、受信信号対雑音電力比（ＳＮＲ：Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−Ｎｏｉｓｅ  ｐｏｗｅｒ  Ｒａｔｉｏ）が劣化することが知られている。ＢＭＤ法も、線形プリコーディングの一種であり、分離すべきユーザが近接すると、ＳＮＲが低下する。【００１３】
一方、プリキャンセリングによるＩＵＩ抑圧（ＩＵＩ−ＰＣ）は、送信側における非線形操作であり、ＩＵＩ抑圧すべきユーザの位置にはほぼ関係なく、安定した伝送特性が得られる。しかしながら、ユーザ配置は、事前に決められるものではなく、時間とともに変動する。このため、必ずしも近接ユーザをＩＵＩ許容ユーザとして指定するとは限らない。結果として、近接ユーザがＢＭＤ法によりＩＵＩ抑圧する対象として指定され、ＢＤ法と同様に、ＳＮＲが低下する問題があった。【００１４】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、従来のＢＤ法よりも送信ダイバーシチ利得を得る送信プレコーディングを提供できる送信装置、通信システム、およびプレコーディング演算方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る送信装置は、複数の送信アンテナを備える送信装置に対し、１または複数の受信アンテナを備えたユーザ端末が複数存在し、マルチユーザＭＩＭＯダウンリンク通信を行う通信システムに適用される送信装置であって、複数のユーザ端末のそれぞれに対する送信信号に送信プレコーディング処理を施すプレコーダと、送信プレコーディング処理が施された後の送信信号に対して逐次干渉除去を行う非線形処理器と、逐次干渉除去が行われた後の送信信号に基づいて、複数の送信アンテナの数よりも少ない複数のビームを形成するとともに、複数の送信アンテナに接続された移相器もしくはデジタル信号処理器を制御することによりビーム照射方向を制御するビームフォーミング制御器とを備え、ビームフォーミング制御器が有する各ビームの照射方向情報から複数のユーザ端末の位置関係を推定し、特定ユーザから近い順に順序づけを行い、送信対象ユーザと干渉許容ユーザのペアリングを決定し、決定結果をプレコーダへ送信するユーザオーダリング処理器をさらに備え、プレコーダは、ユーザオーダリング処理器から受信した決定結果に基づいて、それぞれのユーザごとに、送信対象ユーザと干渉許容ユーザの２ユーザを決定し、２ユーザ以外へヌルステアリングを行うことで、送信プレコーディング処理を実行するものである。【００１６】
また、本発明に係る通信システムは、本発明の送信装置が複数存在し、複数の送信装置を統括制御する制御局を備えた通信システムであって、制御局は、複数の送信装置間でビームの照射領域が重複しないように、それぞれの送信装置のビーム方向情報、および順序づけ情報を生成し、それぞれの送信装置に送信し、複数の送信装置のそれぞれは、ビーム方向情報に基づいてビーム照射方向を制御し、順序づけ情報に基づいて送信プレコーディング処理を実行するものである。【００１７】
また、本発明に係るプレコーディング演算方法は、複数の送信アンテナを備える送信装置に対し、１または複数の受信アンテナを備えたユーザ端末が複数存在し、マルチユーザＭＩＭＯダウンリンク通信を行う通信システムに適用される送信装置において実行されるプレコーディング演算方法であって、複数のユーザ端末のそれぞれに対する送信信号に送信プレコーディング処理を施す第１ステップと、送信プレコーディング処理が施された後の送信信号に対して逐次干渉除去を行う第２ステップと、逐次干渉除去が行われた後の送信信号に基づいて、複数の送信アンテナの数よりも少ない複数のビームを形成するとともに、複数の送信アンテナに接続された移相器もしくはデジタル信号処理器を制御することによりビーム照射方向を制御する第３ステップとを有し、第３ステップにより制御されたビーム照射方向に基づいて複数のユーザ端末の位置関係を推定し、特定ユーザから近い順に順序づけを行い、送信対象ユーザと干渉許容ユーザのペアリングを決定する第４ステップをさらに有し、第１ステップは、第４ステップにより決定されたペアリングに基づいて、それぞれのユーザごとに、送信対象ユーザと干渉許容ユーザの２ユーザを決定し、２ユーザ以外へヌルステアリングを行うことで、送信プレコーディング処理を実行するものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ＭＵ−ＭＩＭＯダウンリンクにおいて、対象ユーザの次ユーザをＩＵＩユーザとして許容するプレコーディングを行い、マルチユーザ空間を階層化することができる構成を備えている。この結果、従来のＢＤ法よりも送信ダイバーシチ利得を得る送信プレコーディングを提供できる送信装置、通信システム、およびプレコーディング演算方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明で対象とするＭＵ−ＭＩＭＯダウンリンクを示す説明図である。
【図２】本発明におけるアレーアンテナのハイブリッド構成の一例であり、フルアレー型ハイブリッド構成を示した図である。
【図３】本発明におけるアレーアンテナのハイブリッド構成の一例であり、サブアレー型ハイブリッド構成を示した図である。
【図４】本発明におけるアレーアンテナのフルデジタル型の構成を示す図である。
【図５】本発明におけるビーム形成部をまとめたアレーアンテナ構成を示す説明図である。
【図６】本発明の実施の形態１における通信システムを示す構成図である。
【図７】本発明の実施の形態１における送信装置の構成を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態１における受信装置の構成を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態２における移動通信にステムの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の送信装置、通信システム、およびプレコーディング演算方法の好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。以下では、物理的な送信アンテナまたは受信アンテナを「アンテナ」と呼び、送信アレーまたは受信アレーにウェイトを乗積した場合に観測される実効的なアレー素子を「ブランチ」と呼ぶ。
【００２１】
各実施の形態１、２では、説明を簡単化するため、各ユーザ端末の受信アンテナ数をユーザ端末に依らずＮr本とする。また、受信アレーにおいて受信信号に対しＮw（Ｎw≦Ｎr）個のウェイトを乗積し、送信基地局から観測されるユーザあたりの受信ブランチ数をユーザ端末に依らずＮw本とする。これにより、全ユーザの総受信ブランチ数は、
Ｎw,total＝Ｎusr×Ｎw
となる。
【００２２】
ここで、受信アレーに適用するウェイトは、プレコーディング行列算出において仮定されるものであって、任意のウェイトが適用可能である。また、Ｎw＝Ｎrの場合には、単位行列であってもよく、あるいは伝送路行列の固有ベクトル行列であってもよく、本発明において制限されるものではない。
【００２３】
なお、以下に説明する各実施の形態１，２は、任意の受信ブランチ数において適用可能である。従って、先の図１に示したように、ユーザ毎に異なるアンテナ数あるいはブランチ数であってもよい。
【００２４】
また、送信アンテナ数と受信ブランチ数は、
Ｎt≧Ｎw,total−Ｎw＝（Ｎusr−１）×Ｎw
の関係を満たすものとする。
【００２５】
アレーアンテナの構成法は、複数考えられるが、アンテナ数が非常に多くなるＭａｓｓｉｖｅ  ＭＩＭＯなどでは、アナログビーム形成とＭＩＭＯ信号処理を組み合わせるハイブリッド構成が用いられる。図２は、本発明におけるアレーアンテナのハイブリッド構成の一例であり、フルアレー型ハイブリッド構成を示した図である。この図２の構成では、各アンテナに接続された移相器のセットが、ビーム数であるＮｂ個用意される。
【００２６】
Ｎｂ個のＤＡＣは、各ビームから送信する信号を出力する。移相器を設定することにより、全てのアンテナを用いて送信ビームが形成される。一般的に、ビーム数は、アンテナ数に比べて十分に小さい。このため、必要とされるデジタル素子数、すなわち、ＤＡＣやＡＤＣの素子数、が抑えられ、構造を簡素化できる。
【００２７】
図３は、本発明におけるアレーアンテナのハイブリッド構成の一例であり、サブアレー型ハイブリッド構成を示した図である。この図３の構成では、アンテナは、サブアレーに分割され、サブアレー毎に移相器によってビームが形成される。
【００２８】
サブアレー構成は、フルアレー構成に比べて、１ビームが利用可能なアンテナ数が減少するものの、移相器は、アンテナ数だけ用意すればよい。このため、アナログ部が簡素化される。ただし、サブアレー構成におけるデジタル素子数は、フルアレー構成と同じく、ビーム数の分だけ必要となる。
【００２９】
図２、図３の構成は、アナログ−デジタルハイブリッドの場合に用いられることが多いが、デジタルＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯでも利用される場合がある。また、図４は、本発明におけるアレーアンテナのフルデジタル型の構成を示す図である。この図４の構成では、アンテナ数と同数のデジタル素子数が必要となる。
【００３０】
フルデジタル構成では、移相器が担ったビーム形成と等価な処理を、ビーム形成部（Ｂｅａｍ  Ｆｏｒｍｉｎｇ）におけるデジタル信号処理で行う。
【００３１】
本構成は、デジタル素子数を減らすことはできないものの、ＭＩＭＯ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇの演算において、アンテナ数Ｎｔではなくビーム数Ｎｂの空間自由度で処理を行えばよい。このため、演算処理量の削減が可能である。ビーム形成部は、フルアレー／サブアレー、どちらの処理にも対応可能である。
【００３２】
本発明は、図２〜図４のいずれのアレーアンテナの構成、およびビーム形成法にも適用できる。そこで、ビーム形成部をまとめた図５の構成を用いて、説明を行う。図５は、本発明におけるビーム形成部をまとめたアレーアンテナ構成を示す説明図である。
【００３３】
本実施の形態１では、基地局からユーザ端末へのダウンリンク通信を扱うものとし、基地局を送信装置、ユーザ端末を受信装置とする。なお、二次変調方式としては、ＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ）等のマルチキャリア方式を適用してもよく、シングルキャリアブロック伝送等のシングルキャリア方式を適用してもよい。
【００３４】
以下の説明では、ＯＦＤＭやシングルキャリアブロック伝送に代表されるように、離散フーリエ変換処理とＣＰ（Ｃｙｃｌｉｃ  Ｐｒｅｆｉｘ）付加により信号をブロック化する方式を、ブロック伝送と呼ぶこととする。なお、以下に説明する各実施の形態１，２により、本発明が限定されるものではない。
【００３５】
具体的な実施の形態を説明する前に、プレコーディングを行うＭＵ−ＭＩＭＯダウンリンクシステムを、数式によりモデル化する。ユーザ＃ｉ（ｉ＝１，２，・・・，Ｎusr）に対する送信信号ベクトルをｓi（ｔ）、送信電力配分行列をＰi、送信プレコーディング行列をＢi、送信ビーム形成用のウェイトをＦi、真のＮr×Ｎt伝送路行列を
【数１】
2017221291.tif 000003
Ｎw×Ｎr受信ウェイト行列をＷi、受信ウェイト乗積前の真の受信信号ベクトルをｙi（ｔ）、受信ウェイト乗積後の受信信号ベクトルをｒi（ｔ）、真の受信熱雑音ベクトルを
【数２】
2017221291.tif 000004
とすると、システムモデルを、以下のように定義することができる。
【００３６】
【数３】
2017221291.tif 000005
【００３７】
なお、図５のＤｉｇｉｔａｌ  ＭＩＭＯ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ部から見ると、個々のアンテナの伝送路は、観測不可能であり、特定方向に形成されたビーム単位の伝送路が観測される。
【００３８】
受信ウェイト行列と真の伝送路行列と送信ビーム形成用ウェイトＦを乗積したＮw×Ｎb行列を新たな伝送路行列Ｈiとする。さらに、真の受信熱雑音ベクトルに受信ウェイト行列を乗積したＮw次ベクトルを新たな受信熱雑音ベクトルｎiとする。このとき、システムモデルは、以下となる。
【００３９】
【数４】
2017221291.tif 000006
【００４０】
上式（１）は、下式（２）のように表現できる。
【００４１】
【数５】
2017221291.tif 000007
【００４２】
ここで、上式（２）において、
【数６】
2017221291.tif 000008
は、受信ウェイトを含めたＮw,total×Ｎbシステム伝送路行列、
【数７】
2017221291.tif 000009
は、Ｎb×Ｎstシステムプレコーディング行列（ただし，Ｎstは、全ユーザへの総ストリーム数）、
【数８】
2017221291.tif 000010
は、ユーザへの送信電力配分を定めるシステム送信電力行列、
【数９】
2017221291.tif 000011
は、Ｎst次システム送信ベクトル、
【数１０】
2017221291.tif 000012
は、受信ウェイト乗積後のＮw,total次システム雑音ベクトルと定義する。
【００４３】
【数１１】
2017221291.tif 000013
と
【数１２】
2017221291.tif 000014
の積は、送信ブランチ形成による実効的なシステム伝送路行列
【数１３】
2017221291.tif 000015
と捉えることができ、下式（３）となる。
【００４４】
【数１４】
2017221291.tif 000016
【００４５】
上式（３）で示す実効システム伝送路行列において、ブロック対角項、すなわち、ＨiＢi（ｉ＝１，２，・・・，Ｎusr）成分のみを残し、それ以外の非ブロック対角項を零行列Ｏとする送信プレコーディング法が、非特許文献１、２で開示されている従来のＢＤ法である。また、下式（４）で示す実効システム伝送路行列が、非特許文献３で開示されている、ＢＢＤ（ｂｌｏｃｋ  ｂｉ−ｄｉａｇｏｎａｌｉｚａｔｉｏｎ）である。
【００４６】
【数１５】
2017221291.tif 000017
【００４７】
ＢＭＤ法において、ＩＵＩ許容ユーザ数を１としたものが、ＢＢＤ法である。上式（４）では、Ｎｕｓｒ＝８とした場合の例を示した。第１ユーザは、第２ユーザへの干渉を許容することにより、ダイバーシチ次数２が得られていることが判る。ＩＵＩが残留するユーザペアについては、送信信号生成時のＩＵＩ−ＰＣにより、干渉が抑圧される。
【００４８】
以下では、これらの技術内容を踏まえた上で、本実施の形態１、２の詳細な説明を行う。
【００４９】
実施の形態１．
図６は、本発明の実施の形態１における通信システムを示す構成図である。本実施の形態１における通信システムは、Ｎt本の送信アンテナ１０１を備える基地局、すなわち、送信装置１００と、Ｎr本の受信アンテナ２０１を備える複数のユーザ端末、すなわち、Ｎusr台の受信装置２００（１）、・・・、２００（Ｎusr）から構成される。
【００５０】
なお、各受信装置２００（１）〜２００（Ｎusr）の構成および信号処理は、同様である。そこで、受信装置に関する以下の説明では、ある受信装置１台に焦点を当て、これを受信装置２００として説明を進める。
【００５１】
図７は、本発明の実施の形態１における送信装置１００の構成を示す図である。送信装置１００は、一次変調器１１０（１）〜１１０（Ｎusr）、プレコーダ１２０、ユーザオーダリング処理器１２１、非線形処理器１３０、ビームフォーミング処理器１４０、およびビームフォーミング制御器１４１を備えて構成される。
【００５２】
Ｎusr台の一次変調器１１０は、それぞれのユーザ向けのデータに対して一次変調を行う。プレコーダ１２０は、ＭＵ−ＭＩＭＯプレコーディングおよびＩＵＩ−ＰＣを行う。この際、ユーザオーダリング処理器１２１は、プレコーダ１２０に対し、プレコーディング適用におけるユーザの順序付けと電力配分を指示する。
【００５３】
非線形処理器１３０は、プレコーダ１２０による処理後のデータに対して、非線形処理を行う。ビームフォーミング処理器１４０は、複数のアンテナ１０１を用いて、ビームを形成する。この際、ビームフォーミング制御器１４１は、各ビームの照射方向を指示する。
【００５４】
この他の構成として、送信装置１００内には、二次変調、デジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換、ベースバンドからＲＦ（無線周波数）への変換等、を行う送信波形整形器が、機能部として存在する。ただし、先の図２〜図５に示したように、様々な構成法が考えられるため、送信波形整形器は、ビームフォーミング処理器１４０に含まれるものとする。
【００５５】
ここで、ビームフォーミング処理器１４０は、一次変調を行うに当たっては、チャネル符号化やＱＡＭ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ  Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）等の一次変調シンボルへのマッピングを行うものとする。また、ビームフォーミング処理器１４０は、シングルキャリアブロック伝送方式を用いる際には、離散フーリエ変換処理に関する機能部も含むものとする。
【００５６】
また、ビームフォーミング処理器１４０内の送信波形整形器は、ブロック伝送方式を用いる際には、Ｄ／Ａ変換前に離散逆フーリエ変換やＣＰ付加処理を行うものとする。そして、送信波形整形器における信号処理手段は、デジタル処理であってもよく、アナログ処理であってもよい。
【００５７】
なお、一次変調器１１０からプレコーダ１２０への入力信号をｓ１１０とするとき、ｓ１１０は、上式（２）における
【数１６】
2017221291.tif 000018
に対応する。また、非線形処理器１３０からビームフォーミング処理器１４０への出力信号をｓ１３０とするとき、ｓ１３０は、上式（２）における
【数１７】
2017221291.tif 000019
の部分に対応する。
【００５８】
図８は、本発明の実施の形態１における受信装置２００の構成を示す図である。受信装置２００は、受信波形整形器２１０（１）〜２１０（Ｎr）、デコーダ２２０、および復調器２３０を備えて構成される。
【００５９】
Ｎr台の受信波形整形器２１０（１）〜２１０（Ｎr）は、各受信アンテナ２０１での受信信号に対し、ＲＦからベースバンドへの変換、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換、信号フィルタ処理等を行う。デコーダ２２０は、所望信号抽出のためのＭＵ−ＭＩＭＯデコード処理を行う。さらに、復調器２３０は、ＭＵ−ＭＩＭＯデコード後の信号に対し、デマッピングおよびチャネル復号処理を行う。
【００６０】
ここで、受信波形整形器２１０は、ブロック伝送方式を用いる際には、デコーダ２２０への入力前に、ＣＰ除去と離散フーリエ変換を行うものとする。そして、受信波形整形器２１０における信号処理手段は、デジタル処理であってもよく、アナログ処理であってもよい。
【００６１】
また、復調器２３０は、シングルキャリアブロック伝送方式を用いる際には、周波数歪みを補償する等化処理と離散逆フーリエ変換処理も含むものとする。
【００６２】
次に、本実施の形態１におけるプレコーダ１２０で適用するＭＵ−ＭＩＭＯプレコーディング行列の算出方法について説明する。本発明は、ＢＭＤ法において任意のＩＵＩ許容ユーザに対応できる。ただし、本実施の形態１では、ＩＵＩ許容ユーザ数を１とした場合の例（ＢＢＤ法）で説明する。
【００６３】
以下の説明では、議論を簡単化するために、ビームフォーミング処理器１４０内に含まれる送信波形整形器、および受信波形整形器２１０の処理を割愛し、送信装置１００のプレコーダ１２０の出力と、受信装置２００のデコーダ２２０への入力との間は、等価低域系で表現されるものとする。
【００６４】
また、以下の算出過程では、プレコーダ１２０において、伝送路行列の情報が必要となる。この伝送路行列の情報は、ダウンリンクとアップリンクが周波数分割複信（ＦＤＤ：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｄｕｐｌｅｘ）で構成される場合には、受信装置２００で推定した伝送路情報を送信装置１００へフィードバックすることで実現できる。また、ダウンリンクとアップリンクが時間分割複信（ＴＤＤ：Ｔｉｍｅ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｄｕｐｌｅｘ）で構成される場合には、送受の可逆性により送信装置１００で伝送路を推定することで、伝送路情報を得ることができる。
【００６５】
ユーザ＃ｉに対するプレコーディング行列を求めるために、所望ユーザ＃ｉに加えて、ＩＵＩを許容するユーザを１ユーザ選定する。以降の説明では、選定する１ユーザのことを、ＩＵＩユーザと呼ぶ。ただし、一度、ＩＵＩユーザとして選定されたユーザは、他のユーザ＃ｐ（ｐ≠ｉ）向けのプレコーディング行列算出時には、ＩＵＩユーザとして選定不可である。
【００６６】
すなわち、同一のユーザを重複してＩＵＩユーザに選定することはできない。補足として、ＩＵＩ許容ユーザ数をＭとした場合には、同一ユーザをＭ回までＩＵＩユーザとして選定できる。
【００６７】
例として、ユーザ＃ｉに対して次のインデックスのユーザ（＃ｉ＋１）をＩＵＩユーザとした場合の具体的なプレコーディング行列の演算方法を述べる。システム伝送路行列
【数１８】
2017221291.tif 000020
から、所望ユーザ＃ｉとＩＵＩユーザ＃ｉ＋１の伝送路行列成分を除いた（Ｎw,total−２Ｎw）×Ｎb行列
【数１９】
2017221291.tif 000021
を定義し、下式（５）ように特異値分解（ＳＶＤ：Ｓｉｎｇｕｌａｒ  Ｖａｌｕｅ  Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）ができるとする。
【００６８】
【数２０】
2017221291.tif 000022
【００６９】
ここで、Ｕiは、
【数２１】
2017221291.tif 000023
の左特異ベクトル行列、Ｖiは、右特異ベクトル行列、Σiは、特異値を対角項に持つ特異値行列である。
【００７０】
特異値行列Σiにおいて、対角項の特異値は、大きさにより降べきの順となっているものとすると、上式（４）に示すように、（Ｎw,total−２Ｎw）個の非零特異値で構成される部分対角行列Σi(s)と、（Ｎt−（Ｎw,total−２Ｎw））の零特異値に対応する零行列に分けて表現できる。
【００７１】
また、分けて表現されたそれぞれの行列に対応して、右特異ベクトルＶi(s)、Ｖi(n)が存在する。Ｖi(n)をユーザ＃ｉのプレコーディング行列とすると、ユーザ＃ｉに対する実効伝送路行列は、下式（６）のようになり、ユーザ＃ｉとユーザ＃ｉ＋１以外には、ヌルステアリングされる。
【００７２】
【数２２】
2017221291.tif 000024
【００７３】
さらに、上式（６）におけるユーザ＃ｉの所望成分ＨiＶi(n)から、ユーザ＃ｉに適したビーム空間を形成する。すなわち、ＨiＶi(n)にＳＶＤを適用し、あるいは非負値エルミート行列（ＨiＶi(n)）HＨiＶi(n)に固有値分解を適用し、大きな固有値に対応する固有ベクトル行列Ｖi(e)を求める。
【００７４】
Ｖi(n)によるヌルステアリング後にＶi(e)を乗積することで、ユーザ＃ｉとユーザ＃ｉ＋１のみに信号空間を形成した上で、ユーザ＃ｉにおける受信利得を向上させるビーム形成を実現することができる。以上より、本発明におけるユーザ＃ｉに対するプレコーディング行列は、下式（７）により得られる。
【００７５】
【数２３】
2017221291.tif 000025
【００７６】
最終ユーザについては、ＩＵＩユーザを設定できない。このため、通常のＢＤと同様に、干渉を許容せず、他ユーザに対する完全ヌルステアリングを実現するプレコーディング行列を求める。具体的には、ユーザ＃Ｎusrについて、システム伝送路行列から所望伝送路成分を除いた（Ｎw,total−Ｎw）×Ｎb行列
【数２４】
2017221291.tif 000026
を定義し、下式（８）のように、特異値分解ができるとする。
【００７７】
【数２５】
2017221291.tif 000027
【００７８】
ここで、ＵNusrは、
【数２６】
2017221291.tif 000028
の左特異ベクトル行列、ＶNusrは、右特異ベクトル行列、ΣNusrは、特異値を対角項に持つ特異値行列である。ΣNusrにおいて、対角項の特異値は、大きさにより降べきの順となっているものとすると、上式（８）に示すように、（Ｎw,total−Ｎw）個の非零特異値で構成される部分対角行列ΣNusr(s)と、（Ｎb−（Ｎw,total−Ｎw））の零特異値に対応する零行列に分けて表現できる。
【００７９】
また、それぞれに対応する右特異ベクトルＶNusr(s)、ＶNusr(n)が存在する。ＶNusr(n)をユーザ＃Ｎusrのプレコーディング行列ＢNusrとすると、ユーザ＃Ｎusrに対する実効伝送路行列は、下式（９）のようになり、ユーザ＃Ｎusr以外には、ヌルステアリングされる。
【００８０】
【数２７】
2017221291.tif 000029
【００８１】
上述したように、ユーザ＃１からユーザ＃（Ｎusr−１）まで、次ユーザへの干渉を許容し、ユーザ＃Ｎusrについては、他の全ユーザへのヌルステアリングを実現するプレコーディング行列を求め、システム伝送路に適用すると、下式（１０）のような実効システム伝送路行列が観測される。
【００８２】
【数２８】
2017221291.tif 000030
【００８３】
上式（１０）から分かるように、実効システム伝送路行列は、ブロック二重対角化されていることが分かる。すなわち、干渉許容ユーザ数１の階層化が実現されている。これにより、次に述べるように、送信側で逐次干渉除去を行う非線形ＭＵ−ＭＩＭＯ処理が適用可能となる。
【００８４】
非線形処理器１３０は、上述したブロック二重対角化を活用し、受信側でＩＵＩとなる成分を送信側であらかじめ除去することが可能である。上式（１０）に示す実効システム伝送路行列より、プレコーディング時にユーザ＃ｉ（ｉ≧２）において観測される受信信号は、下式（１１）で表すことができる。
【００８５】
【数２９】
2017221291.tif 000031
【００８６】
ユーザ＃（ｉ−１）に対する送信信号ｓi-1（ｔ）が決定されているとすると、Ｓi（ｔ）を、下式（１２）で与えられる信号とすることで、受信点における干渉は、除去可能である。
【００８７】
【数３０】
2017221291.tif 000032
【００８８】
ユーザ＃１の受信信号には、ＩＵＩがない。このため、上述した処理を施す必要はない。ユーザ＃２から順に上述した処理により送信信号を決定していくことで、各受信ユーザ端におけるＩＵＩをあらかじめ除去できる。
【００８９】
また、ユーザ数に比例して送信干渉キャンセル数が増大する一般的な非線形ＭＵ−ＭＩＭＯと異なり、本実施の形態１のプレコーディング行列を適用することにより、干渉キャンセル数は、１ユーザ分のみに限定することができる。このため、演算量の削減を図るとともに、ＳＮＲの低下を抑制することができる。
【００９０】
ただし、上式（１２）で与えられる送信処理により、実際に送信される信号は、膨張あるいは縮小が生じ、不安定となる。このため、非線形処理器１３０は、非特許文献４に開示されているモジュロ演算、あるいは非特許文献５に開示されている摂動処理により、送信信号波形を安定化させる処理を施してもよい。
【００９１】
以上のように、実施の形態１によれば、ＭＵ−ＭＩＭＯダウンリンクにおいて、対象ユーザの次ユーザをＩＵＩユーザとして許容するプレコーディングを行う構成を備えている。この結果、マルチユーザ空間を階層化することができ、演算量の削減を図るとともに、ＳＮＲの低下を抑制することのできる非線形ＭＵ−ＭＩＭＯ方式を実現することができる。
【００９２】
上述したプレコーディング行列演算の与干渉ユーザ決定手順においては、ユーザの並び順が極めて重要になる。このユーザ順および電力配分を決定するのが、先の図7に示したユーザオーダリング処理器１２１である。ユーザオーダリング処理器１２１は、ユーザ順を決定し、プレコーダ１２０に順序と電力配分を指示する機能を果たす。順序付けは、ユーザの順序と、与干渉・被干渉となるＩＵＩユーザとのペアリングが重要である。
【００９３】
線形プリコーディングの性質から、伝送路相関の高い近接ユーザ同士をペアリングした場合には、受信ＳＮＲの改善効果が大きくなる。順序付けの基準の一例としては、以下のようなものが挙げられる。
【００９４】
（基準１）各ユーザの伝送路利得（伝送路行列のフロベニウスノルムの二乗）の順とする。
（基準２）各ユーザの最大固有値の順とする。
（基準３）隣接ユーザ同士の伝送路行列の相関が高くなるように順序付けする。
【００９５】
ただし、プリコーディングウェイト算出毎にこれらの計算を行うことは、演算量の点で問題がある。そこで、本実施の形態１におけるユーザオーダリング処理器１２１は、ビームフォーミング制御器１４１のビーム照射方向の情報を利用してオーダリングを行う。
【００９６】
図２〜図５に示したビームフォーミング型のＭＵ−ＭＩＭＯシステムにおいては、２段階のブランチ形成が行われる。すなわち、第１段階として、アレーアンテナを制御してユーザが位置する方向へビームを形成する。そして、第２段階として、ＭＩＭＯ信号処理により、ストリーム間の干渉を抑圧するようにビーム合成（プレコーディング）を行う。
【００９７】
ここで、第１段階のビーム形成で作られるビームは、アナログ素子で形成されるアバウトなものである。従って、第１段階で形成されたビームは、メインローブが各ユーザに向いているだけであり、ビームのサイドローブは、他ユーザにとっては干渉になる。
【００９８】
一方、複数ストリームを同時伝送する場合には、この干渉を消去しなくてはならない。そこで、このストリーム間の干渉を厳密に消去するのが、第２段階のストリーム間干渉抑圧である。
【００９９】
特に、図２、図３の構成においては、第１段階は、アナログ移相器の制御で実現され、第２段階は、デジタル信号処理により実現される。さらに、ユーザの位置は、スケジューリング速度に比較して、はるかに変動が低速である。このため、第２段階のプレコーダ１２０の動作に比べて、第１段階のビームフォーミング処理器１４０の動作頻度は、低い場合が多い。
【０１００】
この性質を利用し、ユーザオーダリング処理器１２１は、ビーム照射方向の情報を利用して、低演算量で効果的なオーダリングを行う。具体的な手順を以下に説明する。
【０１０１】
ユーザオーダリング処理器１２１は、ビームフォーミング制御器１４１からビーム照射方向の情報を受け取り、ユーザの位置関係を推定する。統計的には、ユーザ位置が近いほど、伝送路の相関は、大きい。よって、ユーザオーダリング処理器１２１は、以下の手順により、ユーザのオーダリングを実行する。
【０１０２】
（手順１）任意のユーザをユーザ＃１として選択する。ｉ＝１に設定。
（手順２）選択されていないユーザの中から、ユーザ＃ｉと最も近距離に位置するユーザを選択し、ユーザ＃ｉ＋１とする。
（手順３）全ユーザのオーダリングが終わったら終了。未選択のユーザが存在する場合には、ｉ←ｉ＋１として、（手順２）に戻る。
【０１０３】
他のオーダリング手法として、各ユーザの受信電力を利用することが考えられる。各ビームは、ユーザの位置する方向にメインビームが向けられるため、該当ユーザからの信号電力が支配的になると考えられる。したがって、ユーザオーダリング処理器１２１は、ビームフォーミング制御器１４１で観測される各ビームの受信電力に基づいてオーダリングを行うことにより、近傍に位置するユーザをペアにすることが可能である。
【０１０４】
オーダリングとしては、受信電力が高い順、もしくは低い順に並べることが考えられる。ビーム毎、もしくはユーザ毎の受信電力強度情報は、上位層など、他の機能ブロックから入手してもよい。
【０１０５】
ストリーム間の電力配分は、各ユーザの伝送路利得に基づき、注水定理により決定する、あるいは全ユーザの受信品質を均質化するよう配分する、などの手法が挙げられる。本実施の形態１では、電力分配の手法は、特に規定しない。
【０１０６】
なお、上述した実施の形態１では、ＩＵＩ許容ユーザを１としたＢＢＤの例を用いて説明した。ただし、ＩＵＩ許容ユーザの数は、任意でよい。その場合には所望ユーザとＩＵＩ許容ユーザ以外のユーザにヌルを形成する線形プリコーダ―が動作し、その後に、全てのＩＵＩユーザからの干渉を抑圧するよう、ＩＵＩ−ＰＣが適用される。
【０１０７】
さらに、ＩＵＩ許容ユーザの数は、ストリーム毎に異なってもよい。この場合には、非特許文献３に記載されたブロック三角化法（ＢＴ：ｂｌｏｃｋ  ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｉｏｎ）を採用することができる。
【０１０８】
実施の形態２．
大規模な移動通信システムを構築するためには、複数の基地局が連係動作する必要がある。そこで、本実施の形態２では、複数の基地局が存在する環境で、それら複数の基地局を統括制御する制御局３００を備えた構成について説明する。
【０１０９】
図９は、本発明の実施の形態２における移動通信にステムの構成図である。図９においては、先の実施の形態１に記載した基地局１００が、Ｎｂｓ台で構成され、Ｎｂｓ台の基地局１００（１）〜１００（Ｎｂｓ）が制御局３００によって制御される構成が示されている。
【０１１０】
この図９のような構成においては、複数の基地局１００間でビームの照射領域、あるいはブランチの照射領域が重ならないように考慮することが重要となる。そこで、制御局３００は、ビームフォーミング制御器３０１、ユーザオーダリング処理器３０２、およびプレコーダ算出器３０３を備えて構成されており、各基地局１００のビーム制御、およびプレコーディングウェイトの算出を行う。
【０１１１】
次に、本実施の形態２における制御局３００の具体的な動作を説明する。
制御局３００内のビームフォーミング制御器３０１は、各基地局１００のビームフォーミング制御器１４１に指示を出し、照射するビーム方向の制御を行う。制御局３００内のユーザオーダリング処理器３０２は、ビームフォーミング制御器３０１からユーザの位置情報を受け取り、基地局１００ごとに、近い順にユーザのオーダリングを行う。
【０１１２】
さらに、制御局３００内のプレコーダ算出器３０３は、ユーザオーダリング情報に基づいてプレコーディングウェイトを算出し、各基地局１００へ通知する。各基地局１００（１）〜１００（Ｎｂｓ）は、通知されたプリコーディングウェイト情報およびユーザオーダリング情報に基づいて、先の実施の形態１と同様の処理によってブランチを形成し、信号を送信する。
【０１１３】
以上のように、実施の形態２によれば、複数基地局が連係動作するような状況においても、制御局でユーザオーダリングを行なって、ＭＵ−ＭＩＭＯの伝送性能を改善することが可能である。
【０１１４】
なお、本実施の形態２において、ユーザオーダリング情報のみを制御局３００から基地局１００へ通知し、プレコーディングウェイトの算出は、各基地局１００で行うようにしてもよい。
【図１】
2017221291.tif 000033
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2017221291.tif 000041
【国際調査報告】
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2017221291.tif 000043
2017221291.tif 000044
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