(57)【要約】  本発明に係るチャネル情報予測システム（１０）は、送信機（１００）及び受信機（２００）において送信アンテナ＃１〜＃Ｔ又は受信アンテナ＃１〜＃Ｒによって構成されるアンテナアレイが用いられるマルチアンテナ伝送システム（１）において、送信機（１００）と受信機（２００）との間の伝送路特性を示すMIMO CSIと、変換行列とを用いて、未来におけるMIMO CSIの予測値であるMIMO CSI予測値を計算する。チャネル情報予測システム（１０）は、無線信号の到来方向または放射方向の少なくとも一方を推定する方向推定技術を用いて到来方向または放射方向の少なくとも一方と関連付けられたアンテナアレイのアレイ応答またはアレイウェイトに基づいて変換行列を計算する。
2009107738.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線信号の送信側または受信側の少なくとも何れか一方において複数のアンテナによって構成されるアンテナアレイが用いられるマルチアンテナ伝送システムにおいて、前記送信側と前記受信側との間の伝送路特性を示すチャネル情報と、変換行列とを用いて、未来における前記チャネル情報の予測値である未来チャネル情報を計算するチャネル情報予測システムであって、
前記無線信号の到来方向または放射方向の少なくとも一方を推定する方向推定技術を用いて前記到来方向または前記放射方向の少なくとも一方と関連付けられた前記アンテナアレイのアレイ応答またはアレイウェイトに基づいて、前記変換行列を計算する変換行列計算部を備えるチャネル情報予測システム。
【請求項２】
前記変換行列計算部での前記変換行列の計算で変換された前記チャネル情報によって区別される複数のアンテナ間要素のうち、前記無線信号に含まれる素波の数が所定数よりも少ない前記アンテナ間要素である低素波要素を用いて前記予測フィルタ係数を計算するフィルタ係数計算部と、
前記フィルタ係数計算部によって計算された第１の前記予測フィルタ係数を用いて、前記無線信号の未来の送信時における前記チャネル情報を予測する第１の予測を実行し、かつ、前記低素波要素に含まれている前記素波の成分を抑圧するチャネル情報予測部と
を更に備え、
前記フィルタ係数計算部は、前記チャネル情報予測部で前記素波の成分が抑圧された低素波成分を用いて第２の前記予測フィルタ係数を計算し、
前記チャネル情報予測部は、前記第２の予測フィルタ係数を用いて、前記無線信号の未来の送信時における前記チャネル情報を予測する第２の予測を実行する請求項１に記載のチャネル情報予測システム。
【請求項３】
前記変換行列計算部は、前記方向推定技術を用いて前記到来方向または前記放射方向の少なくとも一方を推定し、推定した前記到来方向または前記放射方向の少なくとも一方に基づいて前記変換行列を計算する請求項１に記載のチャネル情報予測システム。
【請求項４】
前記アンテナアレイは、前記受信側において用いられ、
前記受信側の前記アンテナアレイの受信指向性は、前記変換行列に応じて制御され、
前記変換行列計算部は、前記変換行列を用いて、前記無線信号を構成する複数の素波のうち、少なくとも１つの素波の前記到来方向に前記受信指向性の落ち込み点であるヌルを向ける請求項３に記載のチャネル情報予測システム。
【請求項５】
前記少なくとも１つの素波の前記到来方向に前記ヌルが向けられた状態で推定される前記チャネル情報を、変換チャネル情報として取得する変換チャネル情報取得部を更に備える請求項４に記載のチャネル情報予測システム。
【請求項６】
前記アンテナアレイは、前記送信側において用いられ、
前記送信側の前記アンテナアレイの送信指向性は、前記変換行列に応じて制御され、
前記変換行列計算部は、前記変換行列を用いて、前記無線信号を構成する複数の素波のうち、少なくとも１つの素波の前記放射方向に前記送信指向性の落ち込み点であるヌルを向ける請求項３に記載のチャネル情報予測システム。
【請求項７】
前記少なくとも１つの素波の前記放射方向に前記ヌルが向けられた状態で推定される前記チャネル情報を、変換チャネル情報として取得する変換チャネル情報取得部を更に備える請求項６に記載のチャネル情報予測システム。
【請求項８】
前記変換行列は、良条件の行列である請求項１に記載のチャネル情報予測システム。
【請求項９】
前記変換行列は、ユニタリ行列である請求項８に記載のチャネル情報予測システム。
【請求項１０】
前記変換行列計算部は、
前記方向推定技術を用いて受信アレイ応答行列を計算し、
計算した前記受信アレイ応答行列のＱＲ分解を実行し、
前記ＱＲ分解によって得られた直交行列を前記変換行列として用いる請求項１に記載のチャネル情報予測システム。
【請求項１１】
前記方向推定技術は、前記無線信号の到来方向の推定結果を用いて前記無線信号の放射方向を推定する、または、前記無線信号の放射方向の推定結果を用いて前記無線信号の到来方向を推定する技術である請求項１に記載のチャネル情報予測システム。
【請求項１２】
無線信号の送信側または受信側の少なくとも何れか一方において複数のアンテナによって構成されるアンテナアレイが用いられるマルチアンテナ伝送システムにおいて、前記送信側と前記受信側との間の伝送路特性を示すチャネル情報と、変換行列とを用いて、未来における前記チャネル情報の予測値である未来チャネル情報を計算するチャネル情報予測方法であって、
前記無線信号の到来方向または放射方向の少なくとも一方を推定する方向推定技術を用いて前記到来方向または前記放射方向の少なくとも一方と関連付けられた前記アンテナアレイのアレイ応答またはアレイウェイトに基づいて、前記変換行列を計算するステップを備えるチャネル情報予測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マルチアンテナ伝送システムにおいて、チャネル情報と変換行列とを用いてチャネル情報の予測値を計算するチャネル情報予測システム及びチャネル情報予測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、無線周波数の利用効率を向上するため、送信機及び受信機が複数のアンテナを用いて無線信号を送受信するマルチアンテナ伝送システムが実現されている。マルチアンテナ伝送システムでは、一般的にMuli-Input Multi-Output（MIMO）技術が導入されている。【０００３】
このようなマルチアンテナ伝送システムでは、時分割多重（TDD）における伝搬路の可逆性、或いは周波数分割多重（FDD）でもフィードバックチャネルを利用すれば、MIMO環境における受信機側での伝送路特性を示すチャネル情報（以下、MIMO CSIと適宜省略する）を送信機側において推定できる。そこで、過去及び現在のMIMO CSIを用いて、未来、つまり、次の無線信号の送信時におけるMIMO CSIを予測する方法が知られている（非特許文献１及び非特許文献２参照）。【０００４】
具体的には、シンプルなビームスペース変換行列をMIMO CSIに乗算する方法が提案されている。当該方法では、MIMO CSIにビームスペース変換行列が乗算された変換MIMO CSIの各要素において、自己回帰（AR）モデルに基づく線形予測（AR-LP）が実行される。さらに、線形予測が実行された変換MIMO CSIの予測値を逆変換することによって、次の無線信号送信時におけるMIMO CSIの予測値を取得できる。
【非特許文献１】T. Eyceoz, S. Hu, and A. Duel-Hallen, "Performance Analysis of Long Range Prediction for Fast Fading Channels," Proc. of 33rd Annual Conf. on Inform. Sciences and Systems CISS'99, Vol. II, pp. 656 - 661、１９９９年３月
【非特許文献２】T. Svantesson, A. L. Swindlehurst,“A Performance Bound for Prediction of MIMO Channels”, IEEE Trans. Signal Process., vol.54, no.2, pp.520-529、２００６年２月
【発明の開示】
【０００５】
しかしながら、上述した従来のMIMO CSIの予測方法には、次のような問題があった。すなわち、ビームスペース変換行列が用いられる場合、特定のビームスペースに多くの素波、具体的には伝搬路上に存在する多くの反射波や散乱波が含まれると、MIMO CSIの予測性能が十分に改善しない問題がある。
【０００６】
また、条件数が悪い変換行列が用いられると、変換MIMO CSIの予測値に含まれるノイズが当該予測値の逆変換時に増幅されてしまい、MIMO CSIの予測性能が十分に改善しない問題もある。
【０００７】
そこで、本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、送信側と受信側との間の伝送路特性を示すチャネル情報と、変換行列とを用いて、未来における前記チャネル情報の予測値である未来チャネル情報を計算するマルチアンテナ伝送システムにおいて用いられ、当該チャネル情報の予測性能がさらに改善されたチャネル情報予測システム及びチャネル情報予測方法を提供することを目的とする。
【０００８】
上述した問題を解決するため、本発明は、次のような特徴を有している。まず、本発明の第１の特徴は、無線信号の送信側（送信機１００）または受信側（受信機２００）の少なくとも何れか一方において複数のアンテナ（送信アンテナ＃１〜＃Ｔ又は受信アンテナ＃１〜＃Ｒ）によって構成されるアンテナアレイが用いられるマルチアンテナ伝送システム（マルチアンテナ伝送システム１）において、前記送信側と前記受信側との間の伝送路特性を示すチャネル情報（MIMO CSI）と、変換行列とを用いて、未来における前記チャネル情報の予測値である未来チャネル情報（MIMO CSI予測値）を計算するチャネル情報予測システム（チャネル情報予測システム１０）であって、前記無線信号の到来方向または放射方向の少なくとも一方を推定する方向推定技術を用いて前記到来方向または前記放射方向の少なくとも一方と関連付けられた前記アンテナアレイのアレイ応答またはアレイウェイトに基づいて、前記変換行列を計算する変換行列計算部（変換行列計算部９３）を備えることを要旨とする。
【０００９】
このようなチャネル情報予測システムによれば、無線信号の到来方向または放射方向の少なくとも一方を推定する方向推定技術を用いて到来方向または放射方向の少なくとも一方と関連付けられたアンテナアレイのアレイ応答またはアレイウェイトに基づいて変換行列が計算される。これにより、チャネル情報と変換行列とを用いて未来チャネル情報を予測する予測性能を改善することができる。
【００１０】
本発明の第２の特徴は、本発明の第１の特徴に係り、前記変換行列計算部での前記変換行列の計算で変換された前記チャネル情報によって区別される複数のアンテナ間要素のうち、前記無線信号に含まれる素波の数が所定数よりも少ない前記アンテナ間要素である低素波要素を用いて前記予測フィルタ係数を計算するフィルタ係数計算部（予測フィルタ係数計算部９５）と、前記フィルタ係数計算部によって計算された第１の前記予測フィルタ係数を用いて、前記無線信号の未来の送信時における前記チャネル情報を予測する第１の予測を実行し、かつ、前記低素波要素に含まれている前記素波の成分を抑圧するチャネル情報予測部（線形予測部９６）とを更に備え、前記フィルタ係数計算部は、前記チャネル情報予測部で前記素波の成分が抑圧された低素波成分を用いて第２の前記予測フィルタ係数を計算し、前記チャネル情報予測部は、前記第２の予測フィルタ係数を用いて、前記無線信号の未来の送信時における前記チャネル情報を予測する第２の予測を実行することを要旨とする。
【００１１】
本発明の第３の特徴は、本発明の第１または第２の特徴に係り、前記変換行列計算部は、前記方向推定技術を用いて前記到来方向または前記放射方向の少なくとも一方を推定し、推定した前記到来方向または前記放射方向の少なくとも一方に基づいて前記変換行列を計算することを要旨とする。
【００１２】
本発明の第４の特徴は、本発明の第３の特徴に係り、前記アンテナアレイは、前記受信側において用いられ、前記受信側の前記アンテナアレイの受信指向性は、前記変換行列に応じて制御され、前記変換行列計算部は、前記変換行列を用いて、前記無線信号を構成する複数の素波のうち、少なくとも１つの素波の前記到来方向に前記受信指向性の落ち込み点であるヌルを向けることを要旨とする。
【００１３】
本発明の第５の特徴は、本発明の第４の特徴に係り、前記少なくとも１つの素波の前記到来方向に前記ヌルが向けられた状態で推定される前記チャネル情報を、変換チャネル情報として取得する変換チャネル情報取得部を更に備えることを要旨とする。
【００１４】
本発明の第６の特徴は、本発明の第３の特徴に係り、前記アンテナアレイは、前記送信側において用いられ、前記送信側の前記アンテナアレイの送信指向性は、前記変換行列に応じて制御され、前記変換行列計算部は、前記変換行列を用いて、前記無線信号を構成する複数の素波のうち、少なくとも１つの素波の前記放射方向に前記送信指向性の落ち込み点であるヌルを向けることを要旨とする。
【００１５】
本発明の第７の特徴は、本発明の第６の特徴に係り、前記少なくとも１つの素波の前記放射方向に前記ヌルが向けられた状態で推定される前記チャネル情報を、変換チャネル情報として取得する変換チャネル情報取得部を更に備えることを要旨とする。
【００１６】
本発明の第８の特徴は、本発明の第１の特徴に係り、前記変換行列は、良条件の行列であることを要旨とする。
【００１７】
本発明の第９の特徴は、本発明の第８の特徴に係り、前記変換行列は、ユニタリ行列であることを要旨とする。
【００１８】
本発明の第１０の特徴は、本発明の第１の特徴に係り、前記変換行列計算部は、前記方向推定技術を用いて受信アレイ応答行列を計算し、計算した前記受信アレイ応答行列のＱＲ分解を実行し、前記ＱＲ分解によって得られた直交行列を前記変換行列として用いることを要旨とする。
【００１９】
本発明の第１１の特徴は、本発明の第１の特徴に係り、前記方向推定技術は、前記無線信号の到来方向の推定結果を用いて前記無線信号の放射方向を推定する、または、前記無線信号の放射方向の推定結果を用いて前記無線信号の到来方向を推定する技術であることを要旨とする。
【００２０】
本発明の第１２の特徴は、無線信号の送信側または受信側の少なくとも何れか一方において複数のアンテナによって構成されるアンテナアレイが用いられるマルチアンテナ伝送システムにおいて、前記送信側と前記受信側との間の伝送路特性を示すチャネル情報と、変換行列とを用いて、未来における前記チャネル情報の予測値である未来チャネル情報を計算するチャネル情報予測方法であって、前記無線信号の到来方向または放射方向の少なくとも一方を推定する方向推定技術を用いて前記到来方向または前記放射方向の少なくとも一方と関連付けられた前記アンテナアレイのアレイ応答またはアレイウェイトに基づいて、前記変換行列を計算するステップを備えることを要旨とする。
【００２１】
本発明の特徴によれば、送信側と受信側との間の伝送路特性を示すチャネル情報と、変換行列とを用いて、未来における前記チャネル情報の予測値である未来チャネル情報を計算するマルチアンテナ伝送システムにおいて用いられ、当該チャネル情報の予測性能がさらに改善されたチャネル情報予測システム及びチャネル情報予測方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係るマルチアンテナ伝送システムの全体概略構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態に係るMIMO CSIの推定時刻と送信時刻の関係を示す図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態に係るチャネル予測部の構成を示す機能ブロック構成図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態に係るチャネル予測部の機能を説明するための概念図である。
【図５】図５は、本発明の実施形態に係るマルチアンテナ伝送システムの全体動作を示すフローチャートである。
【図６】図６は、本発明の実施形態に係るチャネル予測部の動作を示すフローチャートである。
【図７】図７は、アンテナ数が4x4、予測フィルタの次数が20の時の予測特性を示す図である。
【図８】図８は、変換MIMO CSIの各成分におけるRMSE特性を示す図である。
【図９】図９は、アンテナ数が2×2〜5×5の場合の特性を示す図である。
【図１０】図１０は、アンテナ数が4×4で、遅延時間を10msecとした場合の、フィルタ係数の次数に対するRMSE特性を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
次に、本発明の実施形態について説明する。具体的には、（１）全体概略構成、（２）チャネルモデル、（３）ビームスペース線形予測処理の概要、（４）チャネル予測部の構成、（５）ビームスペース線形予測処理の詳細、（６）マルチアンテナ伝送システムの動作、（７）効果、（８）その他の実施形態について説明する。【００２４】
なお、以下の図面の記載において、同一または類似の部分には、同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。【００２５】
（１）全体概略構成
図１は、本実施形態に係るマルチアンテナ伝送システム１の全体概略構成図である。図１に示すように、マルチアンテナ伝送システム１は、送信機１００、受信機２００及びチャネル情報予測システム１０を含む。【００２６】
図１の例では、チャネル情報予測システム１０は、送信機１００及び受信機２００と個別に設けられているが、送信機１００又は受信機２００のいずれか一方、あるいは送信機１００及び受信機２００に分散してチャネル情報予測システム１０を設けることができる。チャネル情報予測システム１０は、送信機１００と受信機２００との間の伝送路特性を示すMIMO CSIと、変換行列とを用いて、未来におけるMIMO CSIの予測値（以下、MIMO CSI予測値と適宜省略する）を計算する。【００２７】
送信機１００は例えば無線基地局又は無線端末のいずれか一方に設けられ、受信機２００は残る一方に設けられる。本実施形態では、受信機２００は無線端末に設けられるものとする。以下では、受信機２００の移動、あるいは送信機１００−受信機２００間に存在する散乱体の移動などにより、伝搬路４が変動している場合を想定する。【００２８】
本実施形態では、送信機１００及び受信機２００のそれぞれに複数のアンテナが設けられる。具体的には、送信機１００は、送信処理部２及び複数の送信アンテナ＃１〜＃Ｔを含む（Ｔ≧２）。送信アンテナ＃１〜＃Ｔによってアンテナアレイが構成される。送信処理部２は、チャネル情報予測システム１０から得られるMIMO CSI予測値に基づき、送信データの制御、例えば、適応変調制御や、プリコーディングによる送信ビームフォーミングを実行する。【００２９】
受信機２００は、伝搬路４を介して、送信機１００によって送信される無線信号を受信する。受信機２００は、受信処理部６及び複数の受信アンテナ＃１〜＃Ｒを含む（Ｒ≧２）。受信アンテナ＃１〜＃Ｒによってアンテナアレイが構成される。受信処理部６は、受信アンテナ＃１〜＃Ｒが受信した無線信号（受信信号）を復調処理し、受信データを出力する。【００３０】
チャネル情報予測システム１０は、チャネル推定部８及びチャネル予測部９を含む。チャネル推定部８は、受信信号に基づき、現在のMIMO CSIを推定する。MIMO CSIは、送信機１００における何れかの送信アンテナと、受信機２００における何れかの受信アンテナとの間における伝送路特性によって区別される複数のアンテナ間要素からなる行列として表現される。【００３１】
チャネル予測部９は、チャネル推定部８によって推定された現在のMIMO CSIおよび過去のMIMO CSIに基づき、ビームスペース線形予測処理によりMIMO CSI予測値を計算する。すなわち、送信機１００における次回送信時のMIMO CSIが予測される。【００３２】
チャネル予測部９は、変換行列を用いてMIMO CSIを変換して得られる変換MIMO CSIに対して予測を行い、変換MIMO CSIに対して得られた予測値を逆変換することで、MIMO CSIの予測値（MIMO CSI予測値）を得る。具体的には、MIMO CSIに変換行列が乗算された変換MIMO CSIの各要素において、自己回帰（AR）モデルに基づく線形予測（AR-LP）が実行される。【００３３】
（２）チャネルモデル
引き続き図１を参照して、本実施形態に適用されるチャネルモデルについて説明する。【００３４】
無線通信においては、送信機１００から放射された電波（無線信号）は、様々な散乱体によって反射され、複数の伝搬路（マルチパス）を通って受信機２００に到達する。各反射波は素波と呼ばれ、マルチパス伝搬路４は、素波の重ね合わせによって表現される。【００３５】
近年主流となっているＯＦＤＭシステムでは、各サブキャリアは十分狭帯域であるため、本実施形態では各パスの遅延時間差は無視できるフラットフェージング環境を想定する。受信機２００や散乱体が移動している場合、素波はそれぞれドップラーシフトを受ける。素波lのドップラー周波数は次式で与えられる。
【数１】
2009107738.tif 000003
【００３６】
vは受信機２００の移動速度、λは波長、θlは受信機２００の進行方向と素波の到来角がなす角度である。したがって、時刻tにおけるマルチパス伝搬路４は、L個の素波によって次式のように表現することができる。
【数２】
2009107738.tif 000004
【００３７】
αlは素波lの複素散乱係数である。次に、各素波に対して空間の次元を加えると、次式のMIMOマルチパス伝搬路表現へ拡張することができる。
【数３】
2009107738.tif 000005
【００３８】
αr,l及びαt,lはそれぞれ素波lに対する受信/送信アレイ応答ベクトルであり、そのサイズは受信アンテナ数R、送信アンテナ数Tである。アンテナ素子間隔がdの等間隔リニアアレイアンテナを想定すると、素波lに対する送信アレイ応答ベクトルは、次式のように表される。
【数４】
2009107738.tif 000006
【００３９】
φt,lは素波lの放射方向(以下、DoDと略記する)である。式(3)は、行列表現によって、次式のように表すことができる。
【数５】
2009107738.tif 000007
【００４０】
Ar及びAtのサイズはそれぞれR×L及びT×Lであり、L個の素波に対する受信、送信アレイ応答集合である。推定されたMIMO CSIには、ノイズの影響による誤差が含まれるため、次式で表される。
【数６】
2009107738.tif 000008
【００４１】
（３）ビームスペース線形予測処理の概要
ここでは、本実施形態で共通して使用するAR-LPと、ビームスペース変換について説明する。【００４２】
（３．１）ARモデルに基づく線形予測(AR-LP)
チャネル係数がARモデルに従うと想定することは、多くのチャネル予測にける共通のアプローチである。AR-LPは、チャネルの自己相関特性におけるサイドローブを利用することで実現されている。MIMO CSIの推定時刻と送信時刻の関係を図２に示す。【００４３】
1タップ予測（τ=ΔTs）のAR-LPは、間隔ΔTsで推定された過去P個のMIMO CSI、h^(tn-1)〜h^(tn-P)に基づき、次式で表される。
【数７】
2009107738.tif 000009
【００４４】
d(j)は線形予測フィルタ係数である。最適フィルタ係数d=[d(1) … d(P)]は、予測値の平均2乗誤差を最小化するものであり、次式で与えられる。
【数８】
2009107738.tif 000010
【００４５】
Rは係数Rij=E[h(tn-i)h*(tn-j)]を持つ自己相関行列であり、rは係数rj=E[h(tn)h*(tn-j)]を持つ自己相関ベクトルである。【００４６】
本実施形態では、過去のMIMO CSIを用いて、サンプル平均により自己相関行列と自己相関ベクトルを計算する。複数タップ予測（τ＞ΔTs）の場合は、予測値をフィルタ入力に使うことで予測を繰り返す。【００４７】
（３．２）ビームスペース変換
無限数の素波がレイリーフェージングを形成するチャネルの場合、その自己相関特性は第1種0次ベッセル関数で表される。一方で、実環境、特に端末の移動が予想される屋外環境のチャネル変動は、電力の大きい有限数の素波による影響が支配的となる。【００４８】
このような場合、自己相関特性のサイドローブはずっと大きな値を持つ。これは、支配的な素波数が少ないほど顕著である。支配的な素波数をLとした場合、MIMOチャネルの各成分は、全てL個の素波の影響を受けている。【００４９】
そこで、次式のように推定されたMIMO CSIを変換することで、各成分に存在する素波数が減少すれば、予測性能が改善するはずである。
【数９】
2009107738.tif 000011
【００５０】
Wr，WtはそれぞれR×R，T×Tの受信側、送信側変換行列である。変換MIMO CSIの各成分においてAR-LPを行い、次式のように逆変換を行うことで、MIMO CSIの予測値（MIMO CSI予測値）が得られる。
【数１０】
2009107738.tif 000012
【００５１】
Y^(t+τ)は、変換MIMO CSIにおける予測値である。【００５２】
（４）チャネル予測部の構成
図３は、チャネル予測部９の構成を示す機能ブロック構成図である。【００５３】
図３に示すように、チャネル予測部９は、方向推定部９１、アレイ応答行列計算部９２、変換行列計算部９３、ＣＳＩ変換部９４、予測フィルタ係数計算部９５、線形予測部９６及び予測ＣＳＩ逆変換部９７を含む。【００５４】
方向推定部９１は、方向推定技術を用いて無線信号（素波）の到来方向(DoA)及び放射方向(DoD)を推定する。アレイ応答行列計算部９２は、方向推定部９１によって推定された到来方向(DoA)及び放射方向(DoD)からアレイ応答行列を計算する。例えば、方向推定技術としてESPRITアルゴリズムを用いる場合、素波の到来方向が得られ、その到来方向からアンテナアレイのアレイ応答が得られる。このようなアレイ応答は、素波の到来方向と関連付けられている。あるいは、方向推定技術として最小ノルム法を用いる場合、アレイ応答ではなく、到来方向と関連付けられたアレイウェイトが得られる。【００５５】
変換行列計算部９３は、アンテナアレイのアレイ応答またはアレイウェイトに基づいて、変換行列を計算する。変換行列は、良条件、つまり行列のノルムと逆行列のノルムとの積が小さいことが好ましい。本実施形態では、このような変換行列としてユニタリ行列を用いる。【００５６】
方向推定部９１によって推定された到来方向からアレイ応答行列が計算される場合、変換行列計算部９３は、計算されたアレイ応答行列のＱＲ分解を実行し、ＱＲ分解によって得られたユニタリ行列を変換行列として用いる。【００５７】
本実施形態では、受信機２００のアンテナアレイの受信指向性は、変換行列に応じて制御される。変換行列計算部９３は、変換行列を用いて、無線信号を構成する複数の素波のうち、少なくとも１つの素波の到来方向(DoA)に、受信指向性の落ち込み点であるヌルを向ける。また、送信機１００のアンテナアレイの送信指向性は、変換行列に応じて制御される。変換行列計算部９３は、変換行列を用いて、無線信号を構成する複数の素波のうち、少なくとも１つの素波の放射方向(DoD)に、送信指向性の落ち込み点であるヌルを向ける。【００５８】
ＣＳＩ変換部９４は、チャネル推定部８によって推定されたMIMO CSIと、変換行列計算部９３によって計算された変換行列とを乗算して変換MIMO CSIを得る。変換MIMO CSIにおいては、MIMO CSIと比較して、成分中の素波の数が削減される。【００５９】
具体的には、ＣＳＩ変換部９４は、少なくとも１つの素波の到来方向にヌルが向けられた状態で推定されるMIMO CSIを、変換MIMO CSIとして取得する。また、ＣＳＩ変換部９４は、少なくとも１つの素波の放射方向にヌルが向けられた状態で推定されるMIMO CSIを、変換MIMO CSIとして取得する。【００６０】
例えば、図４（ａ）に示すように、送信機１００及び受信機２００がそれぞれ２つのアンテナを具備し、３つの素波＃１〜＃３が存在する場合には、チャネル推定部８によって推定されたMIMO CSIは、図４（ｂ）に示すような行列となる。図４（ｂ）に示すMIMO CSIでは、MIMO CSIの各成分（ｈ１１，ｈ１２，ｈ２１，ｈ２２）は、素波＃１〜＃３の影響を含んでいる。【００６１】
図４（ｂ）に示すMIMO CSIに対し、変換行列計算部９３によって計算される変換行列ＷｒＨ及びＷｔを乗算すると、図４（ｃ）に示すような変換MIMO CSIが得られる。図４（ｃ）に示す変換MIMO CSIでは、成分ｙ２２は素波＃１の影響を受け、成分ｙ２１は素波＃１及び＃２の影響を受け、成分ｙ１２は素波＃１及び＃３の影響を受け、成分ｙ１１は素波＃１〜＃３の影響を受けている。【００６２】
予測フィルタ係数計算部９５は、変換MIMO CSIの各成分のうち、まず、素波の数が最も少ない低素波要素を用いて予測フィルタ係数を計算する。低素波要素については、素波の数が少ないために高精度な予測が可能となる。図４（ｃ）の例では、成分ｙ２２は素波の数が最も少ない低素波要素である。線形予測部９６は、低素波要素についての予測フィルタ係数を用いてチャネル予測を実行する。【００６３】
次に予測フィルタ係数計算部９５及び線形予測部９６は、図４（ｄ）に示すように、素波の数が次に少ない成分ｙ１２について、成分ｙ２２についての予測フィルタ係数を用いてチャネル予測を実行する。チャネル予測は、予測対象の時刻に対してのみではなく、推定時刻に対しても行われる。そして、成分ｙ１２から、チャネル予測により得られた推定時刻に対する予測値を減算することによって、成分ｙ１２において素波＃１の成分を抑圧する。【００６４】
さらに、素波＃１の成分が抑圧された成分ｙ１２について、予測フィルタ係数が計算され、予測値が計算される。この予測値は、成分ｙ２２についての予測フィルタ係数を用いたチャネル予測によって得られた予測値に加算される。このような処理（以下、シリアルキャンセラ(SC)と適宜称する）は、成分ｙ２１及びｙ１１についても繰り返し適用される。その結果、変換MIMO CSIの各成分（ｙ１１，ｙ１２，ｙ２１，ｙ２２）についての予測値が得られる。【００６５】
予測ＣＳＩ逆変換部９７は、このようにして得られた変換MIMO CSIの予測値を逆変換することによってMIMO CSI予測値を計算する。【００６６】
（５）ビームスペース線形予測処理の詳細
ここでは、本実施形態に係る変換行列、および、線形予測手法について説明する。本実施形態では、推定されたMIMO CSIに対して方向推定技術を用いることにより、それぞれR−1個、T−1個の素波のDoA/DoD推定が可能であるものとする。 【００６７】
（５．１）DoA/DoDに基づくビームスペース(DBS)変換行列
ここでは、推定された素波のDoA/DoDに基づき、変換MIMO CSIの各成分に存在する素波数を減少させることができ、かつ、条件数の良い変換行列を提案する。【００６８】
まず、振幅の大きい順に、R−1個の素波のDoAを推定できたと想定する。つまり、
【数１１】
2009107738.tif 000013
【００６９】
において、φr,1〜φr,R-1の情報を得たとする。このDoAから、次式のように、R×(R−1)の受信アレイ応答小行列が得られる。
【数１２】
2009107738.tif 000014
【００７０】
この逆行列を変換行列として使用すると、受信アレイ応答小行列が対角化され、変換MIMO CSIの各成分に存在する素波数は減少する。しかしながら、この逆行列は一般的に条件数の悪いものになってしまう。 そこで、(16)式に対してQR分解を行うことで、次式で表されるR×Rのユニタリ行列と、R×(R−1)の上三角行列の積に分解する。
【数１３】
2009107738.tif 000015
【００７１】
ユニタリ行列の条件数は最も良く、ノイズの増幅を引き起こさないことから、受信側変換行列としてQrを使用すると、受信側アレイ応答小行列を上三角行列Rrに変換することができる。次に、Qrの第R列によるMIMO CSIの変換を行うと、変換MISO CSIが得られる。素波1〜R−1はヌルによって抑圧されるため、他の素波から新たにT−1個のDoDが推定できると想定する。つまり、変換後の素波振幅
【数１４】
2009107738.tif 000016
【００７２】
において、φr,R〜φr,R+T-2の情報を得たとする。送信側についても、受信側と同様の処理を行うと、次式で表される(T−1)×Tの下三角行列と、T×Tのユニタリ行列の積に分解される。
【数１５】
2009107738.tif 000017
【００７３】
送信側変換行列としてQt*を使用すると、MIMO CSIは次式のように変換される。
【数１６】
2009107738.tif 000018
【００７４】
この式より、右下の成分ほど存在する素波数が減少した形に変換されていることがわかる。【００７５】
このように、推定した上記ＤｏＡ及びＤｏＤに対してヌルを向けるようなビームスペースを形成することによって、変換MIMO CSIの各成分に存在する素波数は減少し、チャネル変動の複雑さが軽減されるため、予測性能が改善する。最終的には、変換MIMO CSIの予測値を逆変換することで、MIMO CSIの予測値（MIMO CSI予測値）が得られる。【００７６】
なお、前述したＤｏＡ／ＤｏＤに基づくビームスペース（ＤＢＳ）変換行列の説明では、最初に、振幅の大きい順に、T−１個の素波のＤｏＡを推定できたと想定した場合について説明したが、これとは別に、最初に、振幅の大きい順に、Ｒ−１個の素波のＤｏＤを推定できたと想定した場合には、ＭＩＭＯ ＣＳＩの変換を行うと、結果として、変換ＳＩＭＯ ＣＳＩが得られる。【００７７】
（５．２）シリアルキャンセラ(SC)を導入した線形予測
一方で、アレイ応答小行列は対角化されず、三角化されるのみであるため、変換MIMO CSIの左上成分では、存在する素波数があまり減少しない。このため、予測性能が十分には改善しない。【００７８】
ここで、(20)式の第3項を見ると、素波R+T−1〜Lは全ての成分に含まれている。一方で、(R，T)成分にはこれらの素波しか存在していない。そこで、(R，T)成分で計算された線形予測フィルタ係数を利用することにより、他の成分に含まれるこれらの素波成分を除去する。以下で、詳しく説明する。説明の簡略化のため、ノイズ成分は省略する。まず、(R，T)成分において計算された線形予測フィルタ係数をdR,Tとする。次に、このフィルタ係数を利用して(R−1，T)成分の線形予測を行うと、次式のようになる。
【数１７】
2009107738.tif 000019
【００７９】
[・]x,yは、行列の(x、y)成分を意味する。説明の簡略化のため、対象とする素波に対して線形予測が完全とすると、右辺第2項は(R−1、T)成分に含まれる素波R+T−1〜Lのレプリカである。そこで、CSI推定時刻に対応する線形予測も行い、推定値から予測値を減算すると、
【数１８】
2009107738.tif 000020
【００８０】
となる。この信号は素波R−1のみに影響を受けているため、高性能なAR-LPが期待できる。(25)式のCSIに対してAR-LPを行い、次の予測値
【数１９】
2009107738.tif 000021
【００８１】
が得られたとすると、最終的な(R−1,T)成分の予測値は、
【数２０】
2009107738.tif 000022
【００８２】
となる。以上の予測処理を、(Ra,Ta)成分の線形予測として一般化すると、次式で表される。
【数２１】
2009107738.tif 000023
【００８３】
ただし、
【数２２】
2009107738.tif 000024
【００８４】
である。（）については、送信側変換行列によるヌルが、受信側でDoAを推定した素波に向いてしまった場合の動作を保証するためである。理想的には、AR-LPは最大でもL−R−T+2個の素波に対して行われるだけになり、予測性能の改善が期待できる。【００８５】
（６）マルチアンテナ伝送システムの動作
次に、マルチアンテナ伝送システム１の動作について説明する。【００８６】
（６．１）全体動作
図５は、マルチアンテナ伝送システム１の全体動作を示すフローチャートである。【００８７】
ステップＳ１００において、受信機２００の受信処理部６は、受信アンテナ＃１〜＃Ｒが受信した無線信号（受信信号）を復調処理し、受信データを出力する。【００８８】
ステップＳ２００において、チャネル推定部８は、MIMO CSIを推定する。【００８９】
ステップＳ３００において、チャネル予測部９は、ビームスペース線形予測処理によりMIMO CSI予測値を計算する。【００９０】
ステップＳ４００において、送信機１００は、チャネル予測部９によって計算されたMIMO CSI予測値に基づき、送信データの制御、例えば、適応変調制御や、プリコーディングによる送信ビームフォーミングを実行する。【００９１】
（６．２）チャネル予測部の動作
図６は、チャネル予測部９の動作を示すフローチャートである。【００９２】
ステップＳ３０１において、方向推定部９１は、方向推定技術を用いて素波の到来方向(DoA)及び放射方向(DoD)を推定する。【００９３】
ステップＳ３０２において、アレイ応答行列計算部９２は、方向推定部９１によって推定されたDoA/DoDから、アレイ応答行列を計算する。【００９４】
ステップＳ３０３において、変換行列計算部９３は、アレイ応答行列計算部９２によって計算されたアレイ応答行列から、変換行列を計算する。【００９５】
ステップＳ３０４において、ＣＳＩ変換部９４は、チャネル推定部８によって推定されたMIMO CSIと、変換行列計算部９３によって計算された変換行列とを乗算し、変換MIMO CSIを得る。【００９６】
次に、Loop A及びLoop Bの各ループが開始される。Loop Aは、変換MIMO CSIの各成分に対する処理が終了するまで繰り返されるループである。例えば、送信アンテナ4本×受信アンテナ2本の場合、4×2=8回繰り返されることになる。【００９７】
Loop Bは、計算済みの予測フィルタ係数を利用するループである。例えば、図４（ｄ）では、成分ｙ２２については当該ループが省略され、成分ｙ１２及びｙ２１については当該ループが１回実行され、成分ｙ１１については当該ループが２回実行されることになる。予測処理は変換MIMO CSIのうち低素波要素（成分）から開始されるため、先にステップＳ３０７〜ステップＳ３０９について説明する。【００９８】
ステップＳ３０７において、予測フィルタ係数計算部９５は、変換MIMO CSIのうち予測対象の成分について予測フィルタ係数を計算する。【００９９】
ステップＳ３０８において、線形予測部９６は、予測フィルタ係数計算部９５によって計算された予測フィルタ係数を用いて、変換MIMO CSIのうち予測対象の成分について線形予測を行う。【０１００】
ステップＳ３０９において、線形予測部９６は、線形予測により、変換MIMO CSIのうち予測対象の成分についての予測値を計算する。【０１０１】
（第１の予測）
ステップＳ３０５において、線形予測部９６は、変換MIMO CSIのうち次の予測対象となる成分に対し、ステップＳ３０７で計算された予測フィルタ係数を用いて線形予測を行う。なお、この線形予測は、予測時刻（予測の対象となる未来の時刻）に対してだけでなく、推定時刻（MIMO CSIを推定した時刻）に対しても行う。【０１０２】
ステップＳ３０６において、線形予測部９６は、上記次の予測対象となる成分から、計算済みの予測フィルタ係数を用いて得られた予測値（MIMO CSIの推定時刻に対する予測値）を減算することによって、上記次の予測対象となる成分における素波の数を抑圧する。【０１０３】
（第２の予測）
再度ステップＳ３０７において、予測フィルタ係数計算部９５は、素波の数が抑圧された次の予測対象となる成分について、予測フィルタ係数を計算する。【０１０４】
ステップＳ３０８において、線形予測部９６は、素波の数が抑圧された次の予測対象となる成分について、予測フィルタ係数を用いて線形予測を行い、予測値を計算する。【０１０５】
（最終予測）
ステップＳ３０９において、線形予測部９６は、次の予測対象となる成分について、計算済みの予測フィルタ係数を用いて得られた予測値（第１の予測による予測値）と、素波の抑圧後の予測値（第２の予測による予測値）とを加算し、当該次の予測対象となる成分についての最終的な予測値を得る。【０１０６】
このようにして、変換MIMO CSIの各成分について予測値が計算される。【０１０７】
ステップＳ３１０において、予測ＣＳＩ逆変換部９７は、変換MIMO CSIの各成分についての予測値を逆変換することによって、MIMO CSI予測値を計算する。【０１０８】
（７）効果
次に、本実施形態によって得られる効果について、比較例を挙げて説明する。具体的には、次の（ａ）〜（ｄ）の各チャネル予測方式を比較して説明する。【０１０９】
（ａ）AR-LP：ARモデルに基づく線形予測であって、ビームスペース変換行列を使用しない方式（従来技術１）
（ｂ）BS-AR：ARモデルに基づく線形予測であって、シンプルなビームスペース変換行列を使用する方式（従来技術２）
（ｃ）DBS-AR：ARモデルに基づく線形予測であって、DoA/DoDに基づくビームスペース(DBS)変換行列を使用する方式（本実施形態）
（ｄ）DBS-AR w/SC：ARモデルに基づく線形予測であって、DoA/DoDに基づくビームスペース(DBS)変換行列を使用し、かつ、シリアルキャンセラ(SC)を導入した方式（本実施形態）
上記の方式を、計算機シミュレーションによって評価する。遅延時間τに対するチャネル予測誤差を、次式で定義するルート平均二乗誤差(RMSE)によって評価する。
【数２３】
2009107738.tif 000025
【０１１０】
||・||Fはフロベニウスノルムを示す。また、推定CSIの信号対雑音電力比(SNR)を次式のように定義する。
【数２４】
2009107738.tif 000026
【０１１１】
評価は、1000スナップで行う。各スナップでは、各素波のDoA/DoDおよび受信機２００の移動方向が360度一様分布に従って、複素散乱係数は平均0、分散1の複素ガウス分布に従ってランダムに設定される。また、設定されたパラメータは、スナップ内では一定とする。素波数は10、最大ドップラー周波数は100Hz、CSIの推定レートは500Hzとする。1000サンプルの推定CSIによって予測フィルタ係数が計算され、続く100サンプルのCSIにおいて予測誤差の評価を行う。 推定CSIのSNRは30dBとする
。【０１１２】
図７に、アンテナ数が4x4、予測フィルタの次数が20の時の予測特性を示す。【０１１３】
従来のAR-LPに対して、シンプルなBS-ARでは、素波の数が減少することで、予測性能が改善している。本実施形態に係る変換行列を用いると、積極的に素波数を減少させることで、予測性能が改善している。しかし、左上の成分では素波の数が十分減少しないため、遅延時間に対する劣化度はあまり改善していない。これに対して、シリアルキャンセラを導入すると、遅延時間の増加に対する予測性能特性が大きく改善している。【０１１４】
図８に、変換MIMO CSIの各成分におけるRMSE特性を示す。【０１１５】
本実施形態に係る変換行列を用いただけでは、左上の成分においては予測性能が改善していないが、シリアルキャンセラを導入することで、いずれの成分においても高い予測性能改善が得られている。【０１１６】
図９に、アンテナ数が2×2〜5×5の場合の特性を示す。【０１１７】
ビームスペース変換のみ行う場合は、ある程度アンテナ数を増やさないと高い予測性能が得られない。これに対して、シリアルキャンセラを導入すると、少ないアンテナ数においても高い改善効果が得られている。【０１１８】
図１０に、アンテナ数が4×4で、遅延時間を10msecとした場合の、フィルタ係数の次数に対するRMSE特性を示す。【０１１９】
シンプルなビームスペース変換の場合、あるビームスペースに多くの素波が含まれてしまうと、十分な予測性能の改善が得られない。一方、本実施形態によれば、効率良く素波数を減らすことによって、各AR-LPは少ない素波に対して行われるため、少ない次数においても高い予測性能が得られる。【０１２０】
（８）その他の実施形態
上述したように、本発明の一実施形態を通じて本発明の内容を開示したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態が明らかとなろう。【０１２１】
例えば、上述した実施形態では、送信機１００及び受信機２００がそれぞれ複数のアンテナを有するシステム構成について説明したが、送信機１００が１つのアンテナを有し、かつ受信機２００が複数のアンテナを有するＳＩＭＯシステムや、送信機１００が複数のアンテナを有し、かつ受信機２００が１つのアンテナを有するＭＩＳＯシステムに対して本発明を適用可能である。【０１２２】
また、上述した実施形態では、変換行列としてユニタリ行列を使用していたが、良条件の行列であれば、ユニタリ行列に限らず他の行列を使用してもよい。なお、「良条件」とは、例えば、以下のような場合をいう。すなわち、行列Aに対して条件数は、
【数２５】
2009107738.tif 000027
【０１２３】
として定義され、||・||は行列のノルムを示す。例えば、ユークリッドノルムの場合、条件数が5以下であれば「良条件」であり、それより大きければ「悪条件」と考えることができる。そして、ユニタリ行列の場合、ユークリッドノルムが共に1であるため、条件数も1であり、「良条件」である。【０１２４】
上述した実施形態では、シリアルキャンセラ(SC)において、他の成分で計算された予測フィルタ係数を用いて予測対象の成分の素波を抑圧していたが、このような方法に限定されない。例えば、変換MIMO CSIにおいて、他の成分に適切な係数を乗算し、予測対象の成分から減算する方法もある。すなわち、変換行列の係数比を利用することで、到来角が分かっている素波を、他の成分から除去することができる。【０１２５】
このように、本発明は、ここでは記載していない様々な実施の形態などを含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は、上述の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。【０１２６】
なお、日本国特許出願第２００８−４７３４８号（２００８年２月２８日出願）の全内容が、参照により、本願明細書に組み込まれている。
【産業上の利用可能性】
【０１２７】
以上のように、本発明に係るチャネル情報予測システム及びチャネル情報予測方法は、チャネル情報の予測性能をさらに改善することができるため、移動体通信などの無線通信において有用である。
【図１】
2009107738.tif 000028
【図２】
2009107738.tif 000029
【図３】
2009107738.tif 000030
【図４】
2009107738.tif 000031
【図５】
2009107738.tif 000032
【図６】
2009107738.tif 000033
【図７】
2009107738.tif 000034
【図８】
2009107738.tif 000035
【図９】
2009107738.tif 000036
【図１０】
2009107738.tif 000037
【国際調査報告】
2009107738.tif 000038
2009107738.tif 000039
2009107738.tif 000040
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