(57)【要約】    【課題】      収容ユーザ数を増加させるために送受信アンテナ数を増加させても、既知シンボルによるオーバヘッドに起因する伝送速度低下を起こさないようにすること。    【解決手段】  独立成分分析法を用いて信号分離を行う信号分離部２１１を設ける。これにより、信号分離用の既知シンボルが無くても、伝送路上で混ざり合った信号を分離できるようになるので、信号分離用の既知シンボルによるオーバヘッドに起因する伝送速度低下が生じないようにすることができる。  【選択図】      図６
2006186804.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアンテナで受信された複数の受信信号を入力し、当該複数の受信信号に独立成分分析法を用いたブラインド信号分離処理を施すことにより、互いに独立な複数の分離信号を得る信号分離手段と、
前記信号分離手段により得られた前記複数の分離信号を復調する復調手段と
を具備することを特徴とするＭＩＭＯ受信装置。
【請求項２】
前記信号分離手段によって得られた前記複数の分離信号の順序を並び替える順序修正手段を、さらに具備する
ことを特徴とする請求項１に記載のＭＩＭＯ受信装置。
【請求項３】
前記順序修正手段は、前記分離信号中に含まれている、送信アンテナを特定する既知シンボルに基づいて、前記複数の分離信号の順序を並び替える
ことを特徴とする請求項２に記載のＭＩＭＯ受信装置。
【請求項４】
前記分離信号中に含まれている、各送信アンテナから送信された既知シンボルに基づいて、前記複数の分離信号の歪みを補正する歪み補正手段を、さらに具備する
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のＭＩＭＯ受信装置。
【請求項５】
複数のアンテナから異なる既知シンボルを含む送信信号を送信する送信機と、
複数のアンテナで受信された複数の受信信号を入力し、当該複数の受信信号に独立成分分析法を用いたブラインド信号分離処理を施すことにより、互いに独立な複数の分離信号を得る信号分離手段と、前記分離信号中に含まれている前記既知シンボルに基づいて、前記複数の分離信号の順序を並び替える順序修正手段と有する受信機と
を具備することを特徴とするＭＩＭＯ通信システム。
【請求項６】
複数アンテナで受信された受信信号を、独立成分分析法を用いて互いに独立な信号に分離する信号分離ステップと、
分離した信号の順序を並び替える順序修正ステップと
を含むＭＩＭＯ受信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線ＬＡＮ（Local Area Network）やセルラシステム等の無線通信システムに用いられるＭＩＭＯ受信装置、ＭＩＭＯ通信システム及びＭＩＭＯ受信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線通信システムにおいて、より高速な伝送あるいはより多くのユーザ収容を実現するためのチャネル多重技術は、周波数・時間・空間といった物理資源の観点から以下のように大別される。また各チャネル多重化技術は、１チャネル当りの伝送速度を共通にしてチャネル数を増やしていくと各々以下のような傾向がある。
【０００３】
・ＦＤＭ（Frequency Division Multiplex）：チャネル数に応じて所要帯域が増加する。
・ＴＤＭ（Time Division Multiplex）：チャネル数に応じて伝送クロックが高くなり、帯域が増加する。
・ＣＤＭ（Code Division Multiplex）：チャネル数に応じて拡散比を大きくする必要があり、帯域が増加する。
・ＳＤＭ（Space Division Multiplex）：チャネル数に応じてアンテナ数は増える（ＭＩＭＯ伝送）が、帯域は増加しない。
【０００４】
このようにＳＤＭは、チャネルが増えても帯域が増加しない唯一の方式であり、ＭＩＭＯ（Multiple-Input Multiple-Output）伝送は将来実用化されなければならない技術として現在盛んに研究されている。ＭＩＭＯ伝送技術に関しては、例えば特許文献１で開示されたものがある。
【０００５】
図９に、現在研究されているＭＩＭＯ伝送の模式図を示す。図９Ａに送信機の概略構成を示し、図９Ｂに送信信号のフレーム構成を示し、図９Ｃに受信機の概略構成を示す。
【０００６】
送信機１０は、ＭＩＭＯ送信装置１１で形成したｍ系列の信号をそれぞれ送信無線回路１２−１〜１２−ｍによって無線信号に変換した後、ｍ本のアンテナＴＡＮ−１〜ＴＡＮ−ｍから送信する。
【０００７】
受信機２０は、ｎ（ｎ≧ｍ）本のアンテナＲＡＮ−１〜ＲＡＮ−ｎで受信した信号をそれぞれ受信無線回路２１−１〜２１−ｎによってベースバンド信号に変換した後、ＭＩＭＯ受信装置２２に入力する。ＭＩＭＯ受信装置２２は、受信無線回路２１−１〜２１−ｎの出力をスイッチ回路２４に入力する。また受信無線回路２１−１から出力された信号はフレーム同期部２３に入力される。
【０００８】
フレーム同期部２３は、受信信号に含まれる同期用シンボルに基づいてスイッチ回路２４を制御する。これにより、既知シンボル区間の信号は伝達関数推定部２５−１〜２５−ｎに入力され、データ区間の信号は信号分離部２６に入力される。因みに、図９ＣのＭＩＭＯ受信装置２２は、各受信信号のフレームが一致していることを前提とした構成となっている。
【０００９】
伝達関数推定部２５−１〜２５−ｎは、各送信アンテナＴＡＮ−１〜ＴＡＮ−ｍから送信された既知シンボルに基づいて、送受信アンテナ間の伝達関数を推定し、推定した伝達関数を信号分離部２６に送出する。信号分離部２６は、各送受信アンテナ間の伝達関数を用いて、伝送路上で混ざり合った信号を分離する。
【００１０】
具体的に説明する。図９Ｂに示すように、１送信フレームは、既知シンボル送信期間と、データ送信期間とに分けられる。既知シンボル送信期間では、各アンテナＴＡＮ−１〜ＴＡＮ−ｍからの既知シンボルを異なる時間に（時分割で）送信する。データ送信期間では、各アンテナＴＡＮ−１〜ＴＡＮ−ｍから同一時間にデータシンボルを多重送信する。なお図９Ｂの例では、各アンテナＴＡＮ−１〜ＴＡＮ−ｍからは、ｋチャネル分のＴＤＭ（Time Division  Multiple）信号が送信される。
【００１１】
各アンテナＴＡＮ−１〜ＴＡＮ−ｍから送信された信号は、伝送路上で交じり合って受信機２０のｎ本のアンテナＲＡＮ−１〜ＲＡＮ−ｎで受信される。ＭＩＭＯ受信装置２２は、伝達関数推定部２５−１〜２５−ｎによって受信アンテナ毎に既知シンボルパターン歪を検出することで伝達関数を推定し、信号分離部２６によってそれを基に信号を分離する。
【００１２】
ここでサービスエリアが狭くマルチパスの伝送経路遅延差による周波数選択性フェージングを無視できる場合、受信既知シンボル値を送信既知シンボル値で除算することにより、伝達関数は１個の複素数として求められる。従って、送信シンボルと受信シンボルの間に次式が成立ち、この連立１次方程式を送信シンボルについて解くことにより信号分離を行うことができる。
【数１】
2006186804.tif 000003
【００１３】
つまり、ＳＤＭ方式は、複数の送受信アンテナ間での電波の伝搬経路の違いに基づいてユーザ信号分離を行うというもので、具体的には各送信アンテナ毎に異なる既知シンボル信号を付加して信号を送出し、各受信アンテナで既知シンボル信号がどのように歪んで受信されたかを検出することにより送受信アンテナ間の全伝達関数の逆特性を求め、これを受信信号に掛けることにより信号を分離する。従ってこの方式では送受信アンテナを増やすことにより、伝送帯域は増加させず収容ユーザ数を増加させることができる。
【特許文献１】特開２００１−２３７７５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、従来のＳＤＭ方式では、各送信アンテナの既知シンボルは他の信号から干渉を受けずに受信されることを前提とするので、ある送信アンテナが既知シンボルを送出している瞬間は他のアンテナは送信を停止する必要がある。このため収容ユーザ数の大きいサービスを本格的に実現しようとアンテナ数を増やしてゆくと、既知シンボル送出時間が増大し、そのオーバヘッドのために高速通信が不可能になるという問題があった。すなわち、図９Ｂからも明らかなように送信アンテナ数が増加すると１フレーム中の既知シンボル送信期間が増大すると共にデータ送信期間が短くなる。この結果、伝送速度が低下する。
【００１５】
例えば、屋外喫茶などを想定して、半径２０ｍのエリアに通路等も含め面積（１．８ｍ）２毎に１ユーザが分布すると仮定すると、およそ３８４ユーザ(≒π×２０２／１．８２)を収容する必要があるが、これを６セクタに分けて通信するとセクタ当たり６４ユーザ（＝３８４／６）を収容できなければならない。この場合、８多重ＴＤＭを行うとすれば、結局８アンテナ（＝６４／８）のＭＩＭＯ伝送をする必要がある。従って、１アンテナ当たりの既知シンボル送信時間とデータ送信時間の比が１／８以上であるとＭＩＭＯ伝送時にはデータを送れなくなってしまうのである。
【００１６】
また各送信アンテナが異なる端末のものとする上り回線においては（すなわちｍ個の端末から送信された信号を１つの受信機で受信して各端末からの信号を分離するようなシステムにおいては）、各端末がフレーム同期することが必須なため、タイムアライメントなどの送受信間でのフィードバック機構が必要となる。この結果、システムが複雑化する上に、同期精度も考慮しなければならないので、さらに大きな伝送速度の低下をもたらすことになる。
【００１７】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、従来方式に比べて、収容ユーザ数を増加させるために送受信アンテナ数を増加させても、既知シンボルによるオーバヘッドに起因する伝送速度低下を起こさないようにすることができるＭＩＭＯ受信装置、ＭＩＭＯ通信システム及びＭＩＭＯ受信方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
かかる課題を解決するため本発明のＭＩＭＯ受信装置は、複数のアンテナで受信された複数の受信信号を入力し、当該複数の受信信号に独立成分分析法を用いたブラインド信号分離処理を施すことにより、互いに独立な複数の分離信号を得る信号分離手段と、信号分離手段により得られた複数の分離信号を復調する復調手段とを具備する構成を採る。
【００１９】
この構成によれば、独立成分分析法を用いて信号分離を行うようにしたので、従来の信号分離処理と比較して、信号分離のための既知シンボルが無くても信号分離を行うことができるようになる。この結果、信号分離のための既知シンボルを時分割で配置する必要がなくなるため、データ送信期間を長くとることができるようになる。
【００２０】
また本発明のＭＩＭＯ受信装置は、信号分離手段によって得られた複数の分離信号の順序を並び替える順序修正手段を、さらに具備する構成を採る。
【００２１】
この構成によれば、独立成分分析法によって生じる信号順序の不定性を修正することができるので、正しい順序のデータを得ることができるようになる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、信号分離用の既知シンボルが無くても、伝送路上で混ざり合った信号を分離できるようになるので、既知シンボルによるオーバヘッドに起因する伝送速度低下が生じないようにすることができるＭＩＭＯ受信装置及びＭＩＭＯ受信方法を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の発明者は、既に音声の分野などで提案されている独立成分分析法をＭＩＭＯ受信装置に適用すれば、信号分離用の既知シンボルが無くても信号分離処理を良好に行うことができると考え、本発明に至った。すなわち、本発明の骨子は、ＭＩＭＯ受信装置において独立成分分析法を用いて信号分離を行うようにしたことである。また本発明では、ＭＩＭＯ受信装置で独立成分分析法を用いた処理を行うにあたっての種々の工夫を提案する。
【００２４】
本発明のように独立成分分析法によるＭＩＭＯ受信処理を行うと、送信信号に信号分離用の既知シンボルを付加しなくても済むようになる。以下の説明では、信号分離用の既知シンボルを付加しない方式を、ブラインドＭＩＭＯ伝送と呼ぶことにする。
【００２５】
（１）原理
先ず、実施の形態の構成を説明する前に、本発明の原理について説明する。
【００２６】
（１−１）ＭＩＭＯ受信装置における分離処理の分類
図１に、ＭＩＭＯ伝送の模式図を示す。図１において、送信機３０はＭチャネル信号発生器３１で発生したＭチャネル信号ｓ１（ｔ）〜ｓＭ（ｔ）をＭ本のアンテナを用いて送信する。これらの送信信号ｓ１（ｔ）〜ｓＭ（ｔ）は、伝送路で混合される。そして受信機４０のＮ本のアンテナによって、それぞれ伝送路でＭ個の送信信号が混合されているＮ個の信号ｘ１（ｔ）〜ｘＮ（ｔ）が受信される。この過程は行列Ａを用いて、ｘ（ｔ）＝Ａｓ（ｔ）と表される。受信機４０に設けられた信号分離部４１は、この受信信号ｘ（ｔ）に行列Ｗを掛けてＮ個の分離信号ｙ１（ｔ）〜ｙＮ（ｔ）を得る。
【００２７】
ここでブラインドＭＩＭＯ伝送の受信機４０は、送信チャネル数Ｍを知らないことになっているので一般にＭとＮは異なるが、Ｍ≦Ｎは成り立つものとする。もしＭ＝Ｎで行列Ａの逆行列が存在するならば、明らかにＷ＝Ａ−１の時に、ｙ（ｔ）＝ｓ（ｔ）となって理想的な信号分離が実現される。また逆行列が存在しない場合やＭ＜Ｎの時は行列Ａの逆行列の代わりに一般化逆行列で最適になると考えられる。但し、簡単のために以下ではＭ＝Ｎとして行列Ａの逆行列が存在するものとして説明する。
【００２８】
受信機４０において、各送信信号ｓ１（ｔ）〜ｓＭ（ｔ）に挿入された既知シンボルを用いてＷ＝Ａ−１を求め、このＷを使って分離信号ｙ１（ｔ）〜ｙＭ（ｔ）を求めるのが、従来の一般的なＭＩＭＯ受信装置における分離処理である。
【００２９】
これに対して、本発明の発明者は、ブラインドＭＩＭＯ伝送を実現するためには、分離信号ｙ１（ｔ）〜ｙＭ（ｔ）が互いに無相関になるように決める主因子分析法（以下これを単にＰＣＡ（Principal Component Analysis）と呼ぶことがある）を用いる方法と、分離信号が互いに独立になるように決める独立成分分析法（以下これを単にＩＣＡ（Independent Component Analysis）と呼ぶことがある）を用いる方法とを候補として考えた。
【００３０】
そして、以下のような考察に基づき、独立成分分析法を用いれば、良好にブラインドＭＩＭＯを実現できると考えた。
【００３１】
（１−２）独立と相関との違い
大まかに言うと、ＰＣＡとＩＣＡの違いは、無相関性で分離するか独立性で分離するかの違いだが、無相関と独立とは以下の点で大きく異なる。結果から言うと、「独立であれば無相関だが、無相関だからと言って独立とは限らない」のである。
【００３２】
無相関と独立を式で示すと、平均値が０の信号ｓ１（ｔ）とｓ２（ｔ）について次式のようになる。但し、Ｅ［・］は集合平均を示す。
【数２】
2006186804.tif 000004
【数３】
2006186804.tif 000005
【００３３】
ここで次式のように、もし（３）式が成立って独立ならば確かに無相関でもあることが示される。
【数４】
2006186804.tif 000006
【００３４】
ところが、（２）式が成り立って無相関であっても（３）式の独立の条件が成り立つとは限らない。
【００３５】
このことを、図２を用いて簡単に説明する。平均０で、−１．０〜＋１．０に一様に分布する信号ｓ１（ｔ）とｓ２（ｔ）が互いに独立とすると、その分布は図２Ａのようになる。この信号対を反時計回りに４５°回転させる変換を行って得た信号ｓ’１（ｔ）とｓ’２（ｔ）は、次式
【数５】
2006186804.tif 000007
より無相関であることが分かる。
【００３６】
ところがｓ’１（ｔ）とｓ’２（ｔ）の分布は、図２Ｂのようになるので、例えばｓ’１（ｔ）が大きい値のときにはｓ’２（ｔ）は小さい値をとらなければならないし、その逆もあり、互いに拘束し合っている。つまりｓ’１（ｔ）とｓ’２（ｔ）は無相関だが独立ではないのである。
【００３７】
このように「独立であれば無相関だが、無相関だからと言って独立とは限らない」ので、ＩＣＡはＰＣＡよりもより厳密な信号分離アルゴリズムであると言える。
【００３８】
このように、本発明では、独立成分分析法（ＩＣＡ）を用いた信号分離を行うようにしたことにより、ＰＣＡを用いてブラインド分離を行う場合と比較して、良好な信号分離結果を得ることができる。
【００３９】
（１−３）独立成分分析法（ＩＣＡ：Independent Component Analysis）
（１−３−１）概要
図３に、ＩＣＡによる信号分離処理を実現するための構成例を示す。先ず、Ｎ本のアンテナで受信したＮ系統の受信信号ｘ（ｔ）を、前処理部としてのＳｐｈｅｒｉｎｇ処理部５０に入力する。因みに、受信信号ｘ（ｔ）は受信無線処理後のベースバンド信号である。
【００４０】
Ｓｐｈｅｒｉｎｇ処理部５０では、先ずＣｅｎｔｅｒｉｎｇ部５１によって各受信信号の直流成分を取り除き、ＳΛ行列算出部５３によって受信信号ベクトルｘの共分散行列Ｒxxの固有値と固有ベクトルを求めて、行列Ｓを算出する。そしてＷｈｉｔｅｎｉｎｇ部５２によってｘ’＝Ｓｘの演算を行うことにより、直流除去後の受信信号ｘ（ｔ）を、各要素が同電力で無相関な受信信号ベクトルｘ’に変換する。このような前処理が施された信号はＩＣＡ処理部６０に入力される。
【００４１】
ここで図４に、Ｎ＝２の受信信号の分布が、前処理部としてのＳｐｈｅｒｉｎｇ処理部５０によって変化する様子を２次元イメージで示す。Ｃｅｎｔｅｒｉｎｇ部５１によって、図４Ａのような信号が図４Ｂのように中心化され、さらにＷｈｉｔｅｎｉｎｇ部５２によって図４Ｃの状態とされる。因みに、ここでの白色化（Ｗｈｉｔｅｎｉｎｇ）とは周波数スペクトラムを平坦にすることではなく、図４Ｃのように固有値を均一化することである。
【００４２】
ＩＣＡ処理部６０は、独立分離部６１と、Ｒ（直交）行列算出部６２とを有する。Ｒ行列算出部６２は、受信信号ベクトルｘ’の各要素が互いに独立になるように直交行列Ｒを決める。独立分離部６１は、ｙ＝Ｒｘ’の演算を行うことにより、信号を分離する。ＩＣＡ処理部６０により得られた分離信号ｙ（ｔ）は、後処理部としての並替え・レベル調整部７０に送出される。因みに、上記の各パラメータは、ｘ（ｔ）＝Ａ・ｓ（ｔ）で表すことができ、ｙ（ｔ）＝Ｗ・ｘ（ｔ）＝ＲＳΛ・ｘ（ｔ）で表すことができるものである（但し、これはＣｅｎｔｅｒｉｎｇ処理を省略した場合の記述である）。
【００４３】
並替え・レベル調整部７０は、分離信号ｙ（ｔ）の並替えとレベル調整を行う。これにより、分離順番やレベルが不安定なＩＣＡ処理後の信号から、送信されたＭ系列の信号に相当する信号を得ることができる。すなわち、ＩＣＡ処理では、独立性以外の信号分離則を用いないことから、分離順番やレベルが不定になるので、並替え・レベル調整部７０によって後処理を行う。この並替え・レベル調整部７０は、従来の無線伝送で用いられているチャネル推定処理で実現できる。
【００４４】
ところで、ＩＣＡには様々な観点から複数のアルゴリズムが提案されている。例えばＰＣＡが用いられるＳｐｈｅｒｉｎｇは、受信機雑音が無視できない場合にはうまく無相関化できないことが知られており、Ｓｐｈｅｒｉｎｇを不要とするアルゴリズムも提案されている。以下、本発明を実施する際の参考となるように、好適なＩＣＡアルゴリズムの用い方を具体的に説明する。なお以下では、比較的イメージが分かり易い、勾配法によるＩＣＡに絞って説明する。
【００４５】
（１−３−２）基本的な考え方（独立性だけで分離するための条件と理由）
まず、勾配法によるＩＣＡを行うためには次のような条件が必要となる（但しここではＳｐｈｅｒｉｎｇも含めてＩＣＡとする）。
【００４６】
条件１：源信号ベクトルｓ（ｔ）の各要素の平均値は０とする。
Ｅ［ｓｋ］＝０，ｋ＝１，２，・・・，Ｍ
条件２：源信号ベクトルｓ（ｔ）の各要素は互いに独立である。
ｐ（ｓ）＝ｐ１（ｓ１）・ｐ２（ｓ２）・・・・ｐＭ（ｓＭ）
ここで、ｐｋは各々の信号の確率密度分布関数であり、未知であるがガウス分布ではないものとする。
条件３：源信号ベクトルｓ（ｔ）の各要素は時不変線形結合で混合され、Ｍ個の受信信号ｘｋ（ｔ）となる
ｘ（ｔ）＝Ａ・ｓ（ｔ）
上記条件１〜３の下において、ｙ（＝Ｗｘ）ベクトルの各要素が独立になるように行列Ｗ（＝Ａ−１）を推定する。
【００４７】
なお、条件１は事前に直流除去処理をすれば一般性を失わない。条件２は、例えばＥ［ｓ］＝Ｅ［ｓ１，ｓ２，・・・，ｓＭ］＝Ｅ［ｓ１］・Ｅ［ｓ２］・・・・Ｅ［ｓＭ］と同値である。条件３は、マルチパスも受信機雑音も当初は考慮しないことを示す。従って、Ｅ［ｙｋ］＝Ｅ［ｘｋ］＝Ｅ［ｓｋ］＝０である。なお、Ｅ［・］は集合平均を意味する。
【００４８】
次に、勾配法ＩＣＡの基本的な考え方を４つの形式（（ｉ）もっとも直感的な形式、（ｉｉ）最尤推定法の観点から整理された形式、（ｉｉｉ）Ｓｐｈｅｒｉｎｇを前提としたときの形式、（ｉｖ）情報幾何の観点からより一般化された形式）に分け、互いに関連させながら説明していく。勾配法は比較的直感的なイメージが得られやすいためこのような関連付けができる。
【００４９】
（ｉ）最も直感的な形式
推定値Ｗは、次式のように逐次修正すると好適である。
【数６】
2006186804.tif 000008
【００５０】
（６）式は推定値Ｗの（ｉ，ｊ）要素の修正を、ｙｉ（ｔ）とｙｊ（ｔ）に関する写像で行うという意味である。ｙ＝Ｗｘより、本来Ｗｉｊはｘｊからｙｉへの伝達係数であるからその修正にはｘｊとｙｉを用いるべきであろう。しかし、ここではとりあえずｘｊの代わりにこれらの情報を含むｙｊを用いる。
【００５１】
まず、（６）式をｔについて加算していくと、次式のようになる。
【数７】
2006186804.tif 000009
【００５２】
このとき、ｙｉ（ｔ）とｙｊ（ｔ）が互いに独立になっていけば、信号のエルゴート性を仮定して時間平均を集合平均に置換えることで、次式を得ることができる。
【数８】
2006186804.tif 000010
【００５３】
集合平均は正確には時間関数であるが、エルゴート性の下では定数であるから、（８）式はＷ（ｔ）が一定値に収束することを意味している。
【００５４】
このように、（６）式でΔＷｉｊをｙｉとｙｊの関数で表すと、ベクトルｙの要素が独立にさえなればＷ（ｔ）が収束することを簡単に示すことができる。そして、源信号ベクトルｓの各要素は互いに独立なことが前提なので、収束後はベクトルｙは源信号ベクトルｓに一致しているはずというわけである（図２の例で示したように、各要素が独立なｓに、行列を掛けて得られるｙの要素が、必ずしも互いに独立というわけはない。逆に独立にしたら分離できているだろうという論理である）。
【００５５】
ただし、以上の議論では具体的に関数φ，ψを何にすべきかということには触れていない。そればかりか（８）式はこれらの関数の選び方によって収束値が異なることを示唆している。実は、ΔＷｉｊをｙｉと（ｘｊでなく受信ベクトルｘ全体の情報を含む）ｙｊの関数としたためにＩＣＡの分離信号、ベクトルｙの要素は順番不定になってしまうのである。また（８）式の収束には独立性（波形と言い換えてもよい）は用いられているが振幅は無関係なので、分離信号のスケールも不定になる。つまりＩＣＡは源信号ベクトルｓの各要素が互いに独立であることを前提に分離信号を独立にすることのみを目的に動作するので、分離信号の順番やスケールは不定となってしまう（つまり波形は保たれるが順番や大きさは不定）。ＩＣＡは潜在的にこれらの不定性を有するため、関数φ，ψの選び方によって当然収束値が変わってしまうのである。もちろん収束速度も変わってしまうだろう。
【００５６】
因みに、ＩＣＡを行うと、分離信号の順番とスケールが不定となるのは、推定値がＷ＝Ａ−１に収束するというよりも、Ｗ＝ＰＤＡ−１に収束していると表現できる。ここで行列Ｄはスケールを変換する適当な対角行列で、行列Ｐは各行各列の要素に１個の”１”がある並び替えを行うものである。
【００５７】
（ｉｉ）最尤推定法の観点から整理した形式
ＩＣＡのアルゴリズムは最尤推定や情報理論の観点から検討が行われ、現在では、次式の形式がよく使われるようになっている。
【数９】
2006186804.tif 000011
【００５８】
（９）式は、ｇｒａｄｉｅｎｔ演算の本来の意味に立返って導かれたもので、特に自然勾配法と呼ばれている。推定関数Ｆ（ｘ｜Ｗ）については、仮に源信号ベクトルの確率密度関数ｐ（ｓ）が既知だとすると、最尤推定アルゴリズムを適用して、次式のようにして解くことができる。
【数１０】
2006186804.tif 000012
【００５９】
つまり、（１０）式が本来求めたい解である。ところがブラインド推定であるＩＣＡではｐ（ｓ）は未知なので、（１０）式はこの部分をｐ（ｓ）を含まない都合のよい推定関数に置換えて推定するものである。実際に、（１０）式では、変数名のみ変わってｐ（ｙ）となっており、その代わり任意の可測関数φ（ｙ）が導入されている。
【００６０】
推定関数は、推定値Ｗ（ｔ）が真値Ａ−１に一致したときのみ、（９）式のΔＷ（ｔ）が０になって更新がとまるように、次式を満たすものとする。
【数１１】
2006186804.tif 000013
【００６１】
しかもＥＷ，ｐ（Ｓ）［  ］とは、各時刻の推定値Ｗ（ｔ）及び源信号ベクトルの確率密度関数ｐ（ｓ）に関する集合平均を求めるという意味なので、（１１）式はｐ（ｓ）に依存せずに成立つブラインド推定の条件でもある。
【００６２】
ここで、（９）式の推定関数については、行列φ（ｙ）ｙＴのｉｊ成分を考えたとき、ｉ≠ｊならば独立性により０になり、ｉ＝ｊなら非零数になるから、次式となるようにφ（ｙ）の各要素関数をスケーリングしておくことができる。
【数１２】
2006186804.tif 000014
従って（９）式の推定関数は（１１）式の条件を満たしているのである。
【００６３】
なお（１１）式から逆に推定関数Ｆ（ｘ｜Ｗ）が与えられた場合、収束値はＥＷ，ｐ（Ｓ）［Ｆ（ｘ｜Ｗ）］＝０の解として得られることが分かるが、代数の法則により、次式の解としてもよい。これを推定方程式という。
【数１３】
2006186804.tif 000015
【００６４】
（ｉｉｉ）Ｓｐｈｅｒｉｎｇを前提とした形式
図３のようなＳｐｈｅｒｉｎｇを伴うＩＣＡの推定関数は、次式のようになる。
【数１４】
2006186804.tif 000016
【００６５】
この場合のＩＣＡではＷ（ｔ）が直交行列でなければならないから、常にＷＷＴ＝Ｉであり、推定関数の部分をεΔとおいてＷが（Ｉ＋εΔ）Ｗに更新されたとしてもこれを満たさなければならない。すると、次式のようになり、ε２の項を無視するとΔＴ＋Δ＝０でなければならないことがわかる。
【数１５】
2006186804.tif 000017
【００６６】
つまり、推定関数Δ（εはスケールを合わせるだけのもので、ＩＣＡとしては重要では
ないので省略可能）は、対角成分が０で、ｉ-ｊ成分とｊ-ｉ成分が異符号の関係にある形式でなければならない。このような条件を満たすには、（１１）式に示したような推定関数と、その転置の差を用いればよいから、次式のようになる。
【数１６】
2006186804.tif 000018
【００６７】
（ｉｖ）情報幾何の観点からより一般化した形式
上述のような推定関数の候補は無限に存在する。但し情報幾何の理論から、次式のような形式の推定関数から選択すればよいことが示されている。その他の形式の推定関数では、一般に推定誤差が大きくなる。
【数１７】
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【００６８】
なお、推定関数Ｆ（ｘ｜Ｗ（ｔ））に正則行列Ｒを掛けたものも推定関数になる（Ｒはより正確には行列から行列への可逆な写像で、Ｗに依存しても構わないので、Ｒ（Ｗ）と記述した方がよい）。
【００６９】
（１−３−３）アルゴリズムの種類
上述したように本発明においては、独立成分分析アルゴリズムを用いることにより、信号分離用の既知信号を必要としないブラインド信号分離を実現することを特徴とする。図５に、これまでに提案されている独立成分分析アルゴリズムの代表的なものを示す。本発明においては、これらの独立成分アルゴリズムの中から、適用されるマルチアンテナ無線システムに応じて、適切なものを選んで用いてもよく、図５の従来の独立成分分析アルゴリズムをよりＭＩＭＯ伝送に適応するように改良して用いるようにしてもよい。
【００７０】
（２）実施の形態１
図６は、本発明の実施の形態１の構成及び動作の説明に供する図である。図６Ａに本実施の形態の送信機１００の構成を示し、図６Ｂに送信機１００の各アンテナＴＡＮ−１〜ＴＡＮ−ｍから送信される信号のフレーム構成を示し、図６Ｃに本実施の形態の受信機２００の構成を示す。
【００７１】
送信機１００は、図６Ａに示すように、ＭＩＭＯ送信装置１１０と、送信無線回路１１１−１〜１１１−ｍと、複数のアンテナＴＡＮ−１〜ＴＡＮ−ｍとを有する。ＭＩＭＯ送信装置１１０は、各アンテナＴＡＮ−１〜ＴＡＮ−ｍから送信する信号についてのベースバンド処理を行う。例えば各アンテナＴＡＮ−１〜ＴＡＮ−ｍから送信する信号について、誤り訂正符号化や変調（マッピング）を施したり、各アンテナＴＡＮ−１〜ＴＡＮ−ｍへの信号の配分等を行う。各送信無線回路１１１−１〜１１１−ｍは、ＭＩＭＯ送信装置１１０から入力されたベースバンド信号を無線信号に変換する。
【００７２】
受信機２００は、図６Ｃに示すように、複数のアンテナＲＡＮ−１〜ＲＡＮ−ｎと、受信無線回路２０１−１〜２０１−ｎと、ＭＩＭＯ受信装置２１０とを有する。各受信無線回路２０１−１〜２０１−ｎは、各アンテナＲＡＮ−１〜ＲＡＮ−ｎで受信された無線信号をベースバンド信号に変換し、変換後のベースバンド信号をＭＩＭＯ受信装置２１０の信号分離部２１１に送出する。
【００７３】
信号分離部２１１は、上述した（１）項で説明したような独立成分分析法を用いた信号分離処理を行うことにより、分離信号ｙ１〜ｙｎを得る。この実施の形態では、信号処理部２１１が、例えば図５に示した独立成分分析アルゴリズムのうち、Jutten and Heraultのアルゴリズムを用いて信号分離を行う場合について説明する。この場合、信号分離部２１１は、次式を実行することにより、分離信号ｙ１〜ｙｎを得る。なお次式はｍ＝ｎの場合のアルゴリズムである。
【数１８】
2006186804.tif 000020
【００７４】
（１８）式を実行すると、推定値Ｗ（ｔ）は実際の伝達係数行列に近づいてゆき、その逆行列を用いて受信信号を正しく分離できる。因みに、移動通信において、（１８）式のアルゴリズムに要求される条件は、
１．送信信号が互いに独立であること
２．Ｗ（ｔ）が収束に向かっている間は伝達係数行列が一定であること
のみで、既知シンボルも同期も不要である。これにより、本実施の形態においては、信号分離のための既知シンボルも、信号分離のための同期処理も不要となる。分離信号ｙ１〜ｙｎは、デマッピング部２１２−１〜２１２−ｎ及びフレーム同期部２１４−１〜２１４−ｎに送出される。
【００７５】
フレーム同期部２１４−１〜２１４−ｎは、分離信号ｙ１〜ｙｎを用いてフレーム同期タイミングを検出し、同期タイミングをデマッピング部２１２−１〜２１２−ｎ及び誤り訂正復号部２１３−１〜２１３−ｎに通知する。このように本実施の形態においては、信号分離前の信号を用いてフレーム同期を検出するのではなく、分離信号ｙ１〜ｙｎ毎にフレーム同期を検出する。これにより、信号分離によって互いの干渉が低減された信号を用いてフレーム同期を検出することができる。
【００７６】
このように、本実施の形態では、独立成分分析を用いれば、信号分離前にフレーム同期をとらなくても分離処理を行うことができるといった特徴を有効に利用して、信号分離後にフレーム同期をとるようになされている。
【００７７】
分離信号ｙ１〜ｙｎは、デマッピング部２１２−１〜２１２−ｎによってデマッピングされた後に誤り訂正復号部２１３−１〜２１３−ｎによって誤り訂正復号される。誤り訂正復号後のデータは、順序修正部２１５に送出される。
【００７８】
順序修正部２１５は、各誤り訂正復号部２１３−１〜２１３−ｎから入力されるデータを観測し、観測結果に応じてデータを並び替える。例えばデータ中に含まれるＩＰアドレスのような情報を観測することでデータを並び替える。これにより、独立信号分析アルゴリズムを行うことによって不定となった信号の順序を正しい順序に戻すことができる。
【００７９】
次に、本実施の形態のＭＩＭＯ通信システムの動作について説明する。
【００８０】
送信機１００は、図６Ｂに示すようなフレーム構成の信号を送信する。図６Ｂでは、横軸が時間方向となっている。図６Ｂは、１フレーム内にｋチャネル分の信号Ｕ１〜Ｕｋが時分割多重されて伝送される例を示すものである。すなわち、図６Ｂの例では、チャネル１の信号Ｕ１が同一時間にｍ個のアンテナＴＡＮ−１〜ＴＡＮ−ｍから送信され、チャネル２の信号Ｕ２が同一時間にｍ個のアンテナＴＡＮ−１〜ＴＡＮ−ｍから送信され、………、チャネルｋの信号Ｕｋが同一時間にｍ個のアンテナＴＡＮ−１〜ＴＡＮ−ｍから送信される。これにより、例えばチャネル１〜ｋの信号Ｕ１〜Ｕｋとして各アンテナＴＡＮ−１〜ＴＡＮ−ｍから異なる信号を送信すれば、同一時間に１フレーム期間内でｍ×ｋチャネル分の信号を送信できるようになっている。
【００８１】
ここで本実施の形態の送信機１００においては、信号分離のための既知シンボルを送信しない。これにより、従来の送信フレームを示す図９Ｂと比較すれば明らかなように、１フレーム内に既知シンボル送信期間が存在しないので、１フレーム全てをデータ送信期間とすることができる。これにより、従来と比較して、信号分離のための既知シンボルを送信しない分だけ送信データ量を増やすことができる。
【００８２】
このような信号分離のための既知システムが存在しない信号を受信する受信機２００は、ＭＩＭＯ受信装置２１０の信号分離部２１１によって独立成分分析アルゴリズムを実行することにより、伝送路上で混ざり合った信号を、互いに独立な信号ｙ１〜ｙｎに分離する。
【００８３】
ここで一般に独立成分分析を行うと、分離信号の順序が不定となる。これを考慮して、本実施の形態のＭＩＭＯ受信装置２１０には順序修正部２１５が設けられ、順序修正部２１５によって分離信号ｙ１〜ｙｎの順序を修正するようになっている。
【００８４】
かくして本実施の形態によれば、独立成分分析法を用いて信号分離を行う信号分離部２１１を設けたことにより、信号分離用の既知シンボルが無くても、伝送路上で混ざり合った信号を分離できるようになるので、信号分離用の既知シンボルによるオーバヘッドに起因する伝送速度低下が生じないようにすることができるようになる。
【００８５】
この結果、多数ユーザを収容できるようにアンテナ数を増加しても伝送速度の低下を生じなくすることができる。また上り回線に適用しても信号間の高精度な同期をとる必要もなくすることができる。つまり、各送信アンテナＴＡＮ−１〜ＴＡＮ−ｍが異なる端末のものとする上り回線においては（すなわちｍ個の端末から送信された信号を１つの受信機で受信して各端末からの信号を分離するようなシステムにおいては）、各端末がフレーム同期することが必須なため、タイムアライメントなどの送受信間でのフィードバック機構が必要となるが、本実施の形態ではこれを行う必要がなくなるので、システムの簡略化できると共に伝送速度を高速化できるようになる。
【００８６】
また本実施の形態によれば、順序修正部２１５を設けたことにより、独立信号分析アルゴリズムを行うことによって不定となった信号の順序を正しい順序に戻すことができるようになる。
【００８７】
（３）実施の形態２
図６との対応部分に同一符号を付して示す図７は、実施の形態２の構成及び動作の説明に供する図である。図７Ａに本実施の形態の送信機３００の構成を示し、図７Ｂに送信機３００の各アンテナＴＡＮ−１〜ＴＡＮ−ｍから送信される信号のフレーム構成を示し、図７Ｃに本実施の形態の受信機４００の構成を示す。
【００８８】
図７Ａに示す本実施の形態の送信機３００は、図７Ｂに示すように送信アンテナＴＡＮ−１〜ＴＡＮ−ｍを識別するための既知シンボルを配置する。具体的には、各送信アンテナＴＡＮ−１〜ＴＡＮ−ｍから互いに異なる既知シンボルを送信する。例えば、アンテナ間でシンボルパターンの異なる既知シンボルを送信すればよい。この既知シンボルは、ＭＩＭＯ送信装置３１０によって形成される。
【００８９】
図７Ｃに示す本実施の形態の受信機４００は、実施の形態１の受信機と比較して、フレーム同期部２１４−１〜２１４−ｎに換えて、フレーム同期・信号識別部４１１−１〜４１１−ｎを有する。フレーム同期・信号識別部４１１−１〜４１１−ｎは、分離信号ｙ１〜ｙｎを用いてフレーム同期タイミングを検出し、それをデマッピング部２１２−１〜２１２−ｎ及び誤り訂正復号部２１３−１〜２１３−ｎに通知する。加えて、フレーム同期・信号識別部４１１−１〜４１１−ｎは、分離信号ｙ１〜ｙｎに含まれる既知シンボルに基づいて、分離信号ｙ１〜ｙｎがどの送信アンテナＴＡＮ−１〜ＴＡＮ−ｍから送信されたものであるかを識別し、この識別情報を順序修正部４１２に送出する。
【００９０】
順序修正部４１２は、フレーム同期・信号識別部４１１−１〜４１１−ｎからの識別情報に基づいて、誤り訂正復号部２１３−１〜２１３−ｎから入力されたデータを正しい順序に並び替える。これにより、独立成分分析法によって分離信号の順序が不定になっても、最終的に正しい順序のデータを得ることができるようになる。
【００９１】
このように本実施の形態によれば、各送信アンテナＴＡＮ−１〜ＴＡＮ−ｍから送信する信号中に送信アンテナを識別するための既知シンボルを配置しておき、独立成分分析法を用いて分離した信号の順序を当該既知シンボルに基づいて正しい順序に並び替えるようにしたことにより、実施の形態１と比較して、分離信号がどの送信アンテナから送信されたものかを素早く判定することができるので、独立成分分析法による分離後の信号の並び替えを迅速に行うことができるようになる。
【００９２】
すなわち、実施の形態１のように、受信データ中に含まれるＩＰアドレス等のデータを観測する方法では、一般に上位レイヤにまで進まないと順序制御を行うことができないが、本実施の形態においては、物理レイヤ処理でデータの順序を識別可能となる。この結果、例えば再送を伴うパケット伝送等に適用すると、スループット低下を防ぐ効果がある。
【００９３】
また本実施の形態における送信アンテナ識別用の既知シンボルは信号分離には用いないので、従来の信号分離用の既知シンボルのように送出時間が重ならないように配慮する必要はないので、すなわち時分割で送信する必要がないので、送信アンテナ数が増えても伝送速度は低下しない。
【００９４】
なお、独立成分分析アルゴリズムの中には非ホロノミックな性質を有するものがあり、送信アンテナ数ｍが受信アンテナ数ｎより少ない場合には、ｎ個の分離信号ｙ１〜ｙｎ中の（ｎ−ｍ）個を０にすることができる（主成分分析の場合は０になるべきｎ−ｍ個にも信号が現れてしまう）。従って、フレーム同期・信号識別部４１２によって無信号を識別するようにすると、より好適である。
【００９５】
（４）実施の形態３
図７との対応部分に同一符号を付して示す図８は、実施の形態３の構成及び動作の説明に供する図である。図８Ａに本実施の形態の送信機３００の構成を示し、図８Ｂに送信機３００の各アンテナＴＡＮ−１〜ＴＡＮ−ｍから送信される信号のフレーム構成を示し、図８Ｃに本実施の形態の受信機５００の構成を示す。
【００９６】
本実施の形態が実施の形態２と異なるのは、受信機５００のＭＩＭＯ受信装置５１０にレベル・位相補正部５１１−１〜５１１−ｎが設けられている点である。レベル・位相補正部５１１−１〜５１１−ｎは、信号分離部２１１から入力される分離信号ｙ１〜ｙｎのレベル及び位相を補正し、補正後の信号をデマッピング部２１２−１〜２１２−ｎに送出する。この際、レベル・位相補正部５１１−１〜５１１−ｎは、分離信号中ｙ１〜ｙｎに含まれる既知シンボルの受信振幅と受信位相に基づいて、伝送路で加わった歪みを推定しその歪みを補正する。
【００９７】
この歪推定・補正処理は一般にチャネル推定・補正と呼ばれているものと同じものである。実際上、このような歪推定・補正処理は、既知シンボルに他の干渉波が重畳する場合には適用できないのであるが、本実施の形態では、信号分離部２１１によってＳＮ（信号対雑音比）が改善された後の分離信号ｙ１〜ｙｎに歪推定・補正処理を行っているので、精度の良い補正処理を行うことができる。
【００９８】
かくして本実施の形態によれば、実施の形態２の構成に加えて、分離信号ｙ１〜ｙｎ中の既知シンボルに基づいて、分離信号ｙ１〜ｙｎの歪みを補正するレベル・位相補正部５１１−１〜５１１−ｎを設けたことにより、実施の形態２の効果に加えて、高精度な歪み補正が可能となり、フェージング伝送路や多値変調方式にも適用できるようになる。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
本発明のＭＩＭＯ受信装置、ＭＩＭＯ通信システム及びＭＩＭＯ受信方法は、信号分離用の既知信号が配置されていなくても信号分離を行うことができ、無線ＬＡＮやセルラシステム等の無線システムに広く適用して好適である。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】ＭＩＭＯ伝送の原理の説明に供する図
【図２】独立と無相関との違いの説明に供する図であり、図２Ａは互いに独立な信号を示し、図２Ｂは互いに無相関であるが独立でない信号を示す図
【図３】独立成分分析法による信号分離処理を行うための構成例を示すブロック図
【図４】Ｓｐｈｅｒｉｎｇによる受信信号の分布の変化を２次元的に示した図であり、図４ＡはＳｐｈｅｒｉｎｇ前の信号を示し、図４Ｂは直流除去後の信号を示し、図４Ｃは白色化後の信号を示す図
【図５】独立成分分析アルゴリズムの一覧図
【図６】実施の形態１の構成及び動作の説明に供する図であり、図６Ａは送信機の構成を示し、図６Ｂは送信信号のフレーム構成を示し、図６Ｃは受信機の構成を示す図
【図７】実施の形態２の構成及び動作の説明に供する図であり、図７Ａは送信機の構成を示し、図７Ｂは送信信号のフレーム構成を示し、図７Ｃは受信機の構成を示す図
【図８】実施の形態３の構成及び動作の説明に供する図であり、図８Ａは送信機の構成を示し、図８Ｂは送信信号のフレーム構成を示し、図８Ｃは受信機の構成を示す図
【図９】従来のＭＩＭＯ伝送システムの構成及び動作の説明に供する図であり、図９Ａは送信機の構成を示し、図９Ｂは送信信号のフレーム構成を示し、図９Ｃは受信機の構成を示す図
【符号の説明】
【０１０１】
３０、１００、３００  送信機
４０、２００、４００、５００  受信機
４１、２１１  信号分離部
５０  Ｓｐｈｅｒｉｎｇ処理部
５１  Ｃｅｎｔｅｒｉｎｇ処理部
５２  Ｗｈｉｔｅｎｉｎｇ処理部
５３  ＳΛ行列算出部
６０  ＩＣＡ処理部
６１  独立分離部
６２  Ｒ行列算出部
７０  並替え・レベル調整部
１１０、３１０  ＭＩＭＯ送信装置
２１０、４１０、５１０  ＭＩＭＯ受信装置
２１２−１〜２１２−ｎ  デマッピング部
２１３−１〜２１３−ｎ  誤り訂正復号部
２１４−１〜２１４−ｎ  フレーム同期部
２１５、４１２  順序修正部
４１１−１〜４１１−ｎ  フレーム同期・信号識別部
５１１−１〜５１１−ｎ  レベル・位相補正部
【図１】
2006186804.tif 000021
【図２】
2006186804.tif 000022
【図３】
2006186804.tif 000023
【図４】
2006186804.tif 000024
【図５】
2006186804.tif 000025
【図６】
2006186804.tif 000026
【図７】
2006186804.tif 000027
【図８】
2006186804.tif 000028
【図９】
2006186804.tif 000029