(57)【要約】【課題】  少ない演算量で送信重みを決定できる、空間多重伝送用送信装置を提供する。【解決手段】  Ｎ個のアンテナを用い、Ｌ個の空間多重送信を行う空間多重伝送用送信装置において、伝達係数行列推定部１７０は受信信号から伝達係数行列を推定する。送信重み決定部１８０は、伝達係数行列の相関行列に伝搬環境と相関のある推定送信重み行列を乗算し、得られる行列の列ベクトルから直交ベクトルを求め、これを送信重みとしてマルチビーム形成部１３１〜１３Ｌに出力する。シリアル−パラレル変換部１１０は、送信信号にシリアル−パラレル変換を行い、送信部１２１〜１２Ｌへ出力する。マルチビーム形成部１３１〜１３Ｌは、送信部１２１〜１２Ｌからの入力信号をＮ個の信号に分割し、送信重み決定部１８０により決定された重み付けを行った後、信号合成部１４１〜１４Ｎの対応するポートに出力する。【選択図】  図１
2006222742.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアンテナ素子を備え、伝搬環境情報を用いて送信重みを決定し、送信信号に送信重み付けを行ったうえで同一時間、同一周波数で複数の信号系列を送信する方法であって、
送信局または受信局において、
受信信号から伝達係数行列を推定し、それぞれ伝達係数行列の複素共役転置行列と伝達係数行列の積である相関行列を演算し、
前記相関行列にある演算が施された行列を乗算し、得られる行列の列ベクトル成分に対し直交化法を用いることで得られる直交ベクトルを演算し、
前記演算された直交ベクトルを送信局における送信重みとすること
を特徴とする空間多重伝送用送信方法。
【請求項２】
前記相関行列にある演算が施された行列を乗算した際に得られる行列の列ベクトルのノルムの値から、各ストリームの伝送品質を推定し、変調方式および電力配分を決定すること
を特徴とする請求項１に記載の空間多重伝送用送信方法。
【請求項３】
前記ある演算が施された行列は、伝搬環境に理論的に最適な送信重みと相関がある推定送信重み行列であること
を特徴とする請求項１または２記載の空間多重伝送用送信方法。
【請求項４】
前記ある演算が施された行列は、過去の送信時に用いた送信重み行列であること
を特徴とする請求項１または２記載の空間多重伝送用送信方法。
【請求項５】
直交波周波数分割多重を用い、複数の周波数帯でそれぞれ異なる信号系列を送信する場合に、
受信信号から、それぞれの周波数帯で伝達係数行列を推定し、それぞれ伝達係数行列の複素共役転置行列と伝達係数行列の積である相関行列を演算し、
任意の周波数帯で相関行列の固有ベクトルを演算し、得られた送信重み行列を推定送信重み行列として近隣の周波数帯の相関行列に乗算し、得られる行列の列ベクトル成分に対し直交化法を用いることで得られる直交ベクトルをその周波数帯の送信重みとすること
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の空間多重伝送用送信方法。
【請求項６】
受信信号から伝達係数行列を推定し、伝達係数行列の複素共役転置行列と伝達係数行列の積である相関行列を演算し、
伝達係数行列の複素共役転置行列、もしくは逆行列を相関行列に乗算し、得られる行列の列ベクトル成分に対し直交化法を用いることで得られる直交ベクトルを送信重みとすること
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の空間多重伝送用送信方法。
【請求項７】
受信信号から伝達係数行列を推定し、伝達係数行列の複素共役転置行列と伝達係数行列の積である相関行列を演算し、
伝達係数行列の複素共役転置行列、または逆行列の列ベクトルに直交化法を用いることで得られる行列を相関行列に乗算し、得られる行列の列ベクトル成分に対し直交化法を用いることで得られる直交ベクトルを送信重みとすること
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の空間多重伝送用送信方法。
【請求項８】
受信信号から伝達係数行列を推定し、伝達係数行列の複素共役転置行列と伝達係数行列の積である相関行列を演算し、
相関行列または、その逆行列の列ベクトルに直交化法を用いることで得られる行列を相関行列に乗算し、得られる行列の列ベクトル成分に対し直交化法を用いることで得られる直交ベクトルを送信重みとすること
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の空間多重伝送用送信方法。
【請求項９】
相関行列に乗算する、伝達係数行列の複素共役転置行列、逆行列、相関行列、相関行列の逆行列のいずれかの行列の列ベクトルに直交化法を用いる際に、列ベクトルのノルムの大きいものから順に直交化すること
を特徴とする請求項７または請求項８に記載の空間多重伝送用送信方法。
【請求項１０】
得られた送信重みからなる送信重み行列を再び相関行列に乗算し、
得られた行列の列ベクトルに対し直交化法を用いることを任意の回数行い、得られた直交ベクトルを送信重みとすること
を特徴とする請求項１に記載の空間多重伝送用送信方法。
【請求項１１】
Ｎ個のアンテナ素子を用い、Ｌ個の空間多重による送信を行う空間多重伝送用送信装置において、
前記各アンテナ素子に接続され、受信信号と送信信号を切り替える信号切り替え部と、
前記信号切り替え部に接続され、受信時に信号切り替え部から出力される信号を入力信号とし、伝達係数行列の推定を行う伝達係数行列推定部と、
前記伝達係数行列推定部において推定された伝達係数行列の複素共役転置行列と伝達係数行列の積である相関行列を演算し、行列乗算演算部に出力する相関行列演算部と、
相関行列の固有ベクトル行列と相関がある行列を記憶し、行列乗算演算部に出力する推定送信重み行列記憶部と、
相関行列演算部から入力される相関行列と推定送信重み行列記憶部から入力される推定重み行列を乗算する行列乗算演算部と、
前記行列乗算演算部において演算された行列の各列ベクトルに対し、直交化演算を行い、得られた直交ベクトルを送信重みとしてマルチビーム形成部に出力する直交化演算部と、
前記相関行列演算部、推定送信重み行列記憶部、行列乗算演算部、直交化演算部からなる送信重み決定部と、
送信する入力信号にシリアル−パラレル変換を行い、空間多重数Ｌに振り分けるシリアル−パラレル変換部と、
前記シリアル−パラレル変換部の出力信号を入力信号とし、送信信号系列をマルチビーム形成部に出力する送信部と、
前記送信部から入力された信号を入力信号とし、Ｎ個の信号に分割し、前記送信重み決定部により決定された重み付けを行った後、Ｎ個の信号合成部の対応するポートに出力を行うマルチビーム形成部と、
前記マルチビーム形成部のうち、対応するＬ個のマルチビーム形成部からＬ個のポートに出力された信号を重ね合わせ、前記信号切り替え部の他方のポートに出力を行う信号合成部と、
を備えたことを特徴とする空間多重伝送用送信装置。
【請求項１２】
前記送信重み決定部において、
推定送信重み行列記憶部は、過去に用いた送信重み行列または直交波周波数分割多重における近隣の周波数帯での送信重み行列を記憶すること
を特徴とする請求項１１に記載の空間多重伝送用送信装置。
【請求項１３】
前記送信重み決定部は、
前記伝達係数行列推定部において推定された伝達係数行列を入力信号とし、複素共役転置行列、逆行列、相関行列、相関行列の逆行列のうちいずれかを求める演算を行い、第１の直交化演算部に出力する行列演算部と、
前記行列演算部から入力される行列に直交化演算を行い、行列乗算演算部に出力する第１の直交化演算部と、
前記伝達係数行列推定部において推定された伝達係数行列を入力信号とし、相関行列を演算する相関行列演算部と、
相関行列演算部から入力される相関行列と、第１の直交化演算部から入力される行列を乗算し、第２の直交化演算部に出力を行う行列乗算演算部と、
前記行列乗算演算部から入力される行列を入力信号とし、行列の列ベクトルに対し直交化法を用いて直交ベクルを演算し、得られた直交ベクトルを送信重みとしてマルチビーム形成部に出力する第２の直交化演算部と、
を備えたことを特徴とする請求項１１に記載の空間多重伝送用送信装置。
【請求項１４】
前記送信重み決定部は、
演算された送信重み行列を、さらに相関行列と乗算し、得られる行列に直交化演算を行う動作を任意の回数繰り返す手段を有し、得られた直交ベクトルを送信重みとしてマルチビーム形成部に出力すること
を特徴とする請求項１１に記載の空間多重伝送用送信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は複数のアンテナ素子を用い、空間多重による送信を行う空間多重伝送用送信方法および送信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
空間多重伝送用送信装置は、複数のアンテナ素子から複数の信号を送信することで、周波数帯域を増大することなしに高速伝送を実現する送信装置である。
【０００３】
図７に伝搬環境に最適となるように送信指向性を制御し、空間多重を行い、伝送速度を向上させる理想的な空間多重伝送用送信装置を示す。
【０００４】
符号９１０はシリアル−パラレル変換部、９２１〜９２Ｌは送信部、９３１〜９３Ｌはマルチビーム形成部、９４１〜９４Ｎは信号合成部、９５１〜９５Ｎは信号切り替え部、９６１〜９６Ｎはアンテナ素子、９７０は伝達係数行列推定部、９８０は特異値分解演算部である。
【０００５】
アンテナ素子９６１〜９６Ｎで受信された信号は信号切り替え部９５１〜９５Ｎにより切り替えられ、伝達係数行列推定部９７０に出力される。伝達係数行列推定部９７０は受信したプリアンブル信号から伝達係数行列を算出し、特異値分解演算部９８０に出力する。特異値分解演算部９８０は伝達係数行列に特異値分解を行い、マルチビーム形成部９３１〜９３Ｌに送信重みを出力する。
【０００６】
送信信号系列は、シリアル−パラレル変換部９１０により、空間分割多重数Ｌに振り分けられ、それぞれ送信部９２１〜９２Ｌにより変調され、マルチビーム形成部９３１〜９３Ｌに出力される。マルチビーム形成部９３１〜９３Ｌに入力された各信号系列は、伝達係数行列推定部９７０および特異値分解演算部９８０で決定された送信重みをかけられた後、信号合成部９４１〜９４Ｎの対応するポートに出力される。信号合成部９４１〜９４Ｎは入力された信号を合成し、その出力信号は、前記信号切り替え部９５１〜９５Ｎを介し、アンテナ素子９６１〜９６Ｎから送信される。
【０００７】
ここで特異値分解演算部９８０ではマルチビーム形成部９３１〜９３Ｌで送信信号にかける送信重みを以下のようにして決定する。
【０００８】
空間多重伝送用送信装置のアンテナ素子数をＭＴ、通信相手である受信装置のアンテナ素子数をＭＲ、ＭＸをＭＲとＭＴのうち小さい方の数字とする。送信装置では、送信を行う伝搬環境の伝達係数行列Ｈの推定を行う。伝達係数行列Ｈは以下の（１）式で表すことができる。
【０００９】
【数１】
2006222742.tif 000003
【００１０】
（１）式において、伝達係数行列Ｈの成分Ｈｉｊはｊ番目の送信アンテナからｉ番目の受信アンテナの間の伝達係数を表す。伝達係数行列Ｈは、例えば以下のように推定される。受信装置から送信装置に、送信装置と受信装置で共に既知であるプリアンブル信号Ｓ０（ＭＲ×ＭＲ行列）の送信を行い、送信装置における受信信号Ｘ０（ＭＡ×ＭＢ）にプリアンブル信号の逆行列Ｓ０−１（ＭＢ×ＭＢ行列）を乗算することで得られる行列の転置行列として得ることができる。
【００１１】
伝達係数行列Ｈは、以下の（２）式に示す特異値分解により、ユニタリ行列Ｖ（ＭＴ×ＭＸ行列）、ＵＵ（ＭＲ×ＭＸ行列）及び固有値√λを対角要素とする対角行列Ｄ（ＭＸ×ＭＸ対角行列）に分けることができる。
【００１２】
【数２】
2006222742.tif 000004
【００１３】
（２）式において、Ｖｉｊは送信装置においてｊ番目の送信ビームに対するｉ番目のアンテナ素子に適用する送信重みであり、Ｕｉｊは受信装置のｊ番目の送信ビームに対するｉ番目のアンテナの受信信号に適用する受信重みの複素共役となっている。ここで、固有値λは各パスの伝送容量の大きさを表す。上付きの添え字Ｈは複素共役転置行列を表す。
【００１４】
このようにして得られたＶから、対応する固有値の大きいものから通信に用いる空間多重数Ｌだけ列ベクトルを選択し得られる上り送信ウェイトＷを送信装置の送信重みとし、ＵＨから通信に使用するＬ個の行ベクトルを選択し得られる上り受信ウェイトＷ′を受信装置の受信重みとすることで、各信号で特異値λに対応する最大の伝送容量を実現することができる。送信ウェイトＷを以下の（３）式に示し、受信ウェイトＷ′を（４）式に示す。
【００１５】
【数３】
2006222742.tif 000005
【００１６】
【数４】
2006222742.tif 000006
【００１７】
Ｌ＝ＭＸとした場合では、送信装置で送信信号Ｓ（ＭＸ×１ベクトル）に送信重みＶを用いて送信することで、受信信号Ｘ（ＭＲ×１ベクトル）は以下の（５）式のように表せる。
【００１８】
【数５】
2006222742.tif 000007
【００１９】
よって送信信号Ｓは受信信号Ｘに例えばＵの複素共役転置行列を乗算することで、それぞれ対応する固有値の平方根を乗算された送信信号Ｓを得ることができ、各信号は固有値λだけ熱雑音Ｎに対する比（ＳＮ比）が高くなり、伝送容量が最大となる通信を実現できる。
【非特許文献１】（Miyashita，K．；Nishimura，T．；Ohgane，T．；Ogawa，Y.；Takatori，Y.；KeizoCho；”High data-rate transmission with eigenbeam-space division multiplexing(E-SDM）in a MIMO channel,‘’Vehicular Technology Conference，2002．Proceedings．VTC 2002-Fall．2002 IEEE 56th,Volume：3,24-28 Sept.2002 Pages:1302_1306 vol.3）.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
上記の手段は最大の伝送容量を得ることを可能とするが、特異値分解の演算量が大きいことが問題となる。本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、少ない演算量で高い伝送速度を持つ通信を実現できる、空間多重伝送用送信方法および空間多重伝送用送信装置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】
【００２１】
上述した問題を解決するために、本発明の空間多重伝送用送信方法は、複数のアンテナ素子を備え、伝搬環境情報を用いて送信重みを決定し、送信信号に送信重み付けを行ったうえで同一時間、同一周波数で複数の信号系列を送信する方法であって、送信局または受信局において、受信信号から伝達係数行列を推定し、それぞれ伝達係数行列の複素共役転置行列と伝達係数行列の積である相関行列を演算し、前記相関行列にある演算が施された行列を乗算し、得られる行列の列ベクトル成分に対し直交化法を用いることで得られる直交ベクトルを演算し、前記演算された直交ベクトルを送信局における送信重みとすることを特徴とする。
これにより、送信重みを決定するために必要な演算量を削減し、高い伝送速度を持つ通信を実現できる。
【００２２】
また、本発明の空間多重伝送用送信方法は、前記相関行列にある演算が施された行列を乗算した際に得られる行列の列ベクトルのノルムの値から、各ストリームの伝送品質を推定し、変調方式および電力配分を決定することを特徴とする。
これにより、送信重みを決定するために必要な演算量を削減し、高い伝送速度を持つ通信を実現できる。
【００２３】
また、本発明の空間多重伝送用送信方法は、前記ある演算が施された行列は、伝搬環境に理論的に最適な送信重みと相関がある推定送信重み行列であることを特徴とする。
これにより、送信重みを決定するために必要な演算量を削減し、高い伝送速度を持つ通信を実現できる。
【００２４】
また、本発明の空間多重伝送用送信方法は、前記ある演算が施された行列は、過去の送信時に用いた送信重み行列であることを特徴とする。
これにより、送信重みを決定するために必要な演算量を削減し、高い伝送速度を持つ通信を実現できる。
【００２５】
また、本発明の空間多重伝送用送信方法は、直交波周波数分割多重を用い、複数の周波数帯でそれぞれ異なる信号系列を送信する場合に、受信信号から、それぞれの周波数帯で伝達係数行列を推定し、それぞれ伝達係数行列の複素共役転置行列と伝達係数行列の積である相関行列を演算し、任意の周波数帯で相関行列の固有ベクトルを演算し、得られた送信重み行列を推定送信重み行列として近隣の周波数帯の相関行列に乗算し、得られる行列の列ベクトル成分に対し直交化法を用いることで得られる直交ベクトルをその周波数帯の送信重みとすることを特徴とする。
これにより、送信重みを決定するために必要な演算量を削減し、高い伝送速度を持つ通信を実現できる。
【００２６】
また、本発明の空間多重伝送用送信方法は、受信信号から伝達係数行列を推定し、伝達係数行列の複素共役転置行列と伝達係数行列の積である相関行列を演算し、伝達係数行列の複素共役転置行列、もしくは逆行列を相関行列に乗算し、得られる行列の列ベクトル成分に対し直交化法を用いることで得られる直交ベクトルを送信重みとすることを特徴とする。
これにより、送信重みを決定するために必要な演算量を削減し、高い伝送速度を持つ通信を実現できる。
【００２７】
また、本発明の空間多重伝送用送信方法は、受信信号から伝達係数行列を推定し、伝達係数行列の複素共役転置行列と伝達係数行列の積である相関行列を演算し、伝達係数行列の複素共役転置行列、または逆行列の列ベクトルに直交化法を用いることで得られる行列を相関行列に乗算し、得られる行列の列ベクトル成分に対し直交化法を用いることで得られる直交ベクトルを送信重みとすることを特徴とする。
これにより、送信重みを決定するために必要な演算量を削減し、高い伝送速度を持つ通信を実現できる。
【００２８】
また、本発明の空間多重伝送用送信方法は、受信信号から伝達係数行列を推定し、伝達係数行列の複素共役転置行列と伝達係数行列の積である相関行列を演算し、相関行列または、その逆行列の列ベクトルに直交化法を用いることで得られる行列を相関行列に乗算し、得られる行列の列ベクトル成分に対し直交化法を用いることで得られる直交ベクトルを送信重みとすることを特徴とする。
これにより、送信重みを決定するために必要な演算量を削減し、高い伝送速度を持つ通信を実現できる。
【００２９】
また、本発明の空間多重伝送用送信方法は、相関行列に乗算する、伝達係数行列の複素共役転置行列、逆行列、相関行列、相関行列の逆行列のいずれかの行列の列ベクトルに直交化法を用いる際に、列ベクトルのノルムの大きいものから順に直交化することを特徴とする。
これにより、送信重みを決定するために必要な演算量を削減し、高い伝送速度を持つ通信を実現できる。
【００３０】
また、本発明の空間多重伝送用送信方法は、得られた送信重みからなる送信重み行列を再び相関行列に乗算し、得られた行列の列ベクトルに対し直交化法を用いることを任意の回数行い、得られた直交ベクトルを送信重みとすることを特徴とする。
これにより、送信重みを決定するために必要な演算量を削減し、高い伝送速度を持つ通信を実現できる。
【００３１】
また、本発明の空間多重伝送用送信装置は、Ｎ個のアンテナ素子を用い、Ｌ個の空間多重による送信を行う空間多重伝送用送信装置において、前記各アンテナ素子に接続され、受信信号と送信信号を切り替える信号切り替え部と、前記信号切り替え部に接続され、受信時に信号切り替え部から出力される信号を入力信号とし、伝達係数行列の推定を行う伝達係数行列推定部と、前記伝達係数行列推定部において推定された伝達係数行列の複素共役転置行列と伝達係数行列の積である相関行列を演算し、行列乗算演算部に出力する相関行列演算部と、相関行列の固有ベクトル行列と相関がある行列を記憶し、行列乗算演算部に出力する推定送信重み行列記憶部と、相関行列演算部から入力される相関行列と推定送信重み行列記憶部から入力される推定重み行列を乗算する行列乗算演算部と、前記行列乗算演算部において演算された行列の各列ベクトルに対し、直交化演算を行い、得られた直交ベクトルを送信重みとしてマルチビーム形成部に出力する直交化演算部と、前記相関行列演算部、推定送信重み行列記憶部、行列乗算演算部、直交化演算部からなる送信重み決定部と、送信する入力信号にシリアル−パラレル変換を行い、空間多重数Ｌに振り分けるシリアル−パラレル変換部と、前記シリアル−パラレル変換部の出力信号を入力信号とし、送信信号系列をマルチビーム形成部に出力する送信部と、前記送信部から入力された信号を入力信号とし、Ｎ個の信号に分割し、前記送信重み決定部により決定された重み付けを行った後、Ｎ個の信号合成部の対応するポートに出力を行うマルチビーム形成部と、前記マルチビーム形成部のうち、対応するＬ個のマルチビーム形成部からＬ個のポートに出力された信号を重ね合わせ、前記信号切り替え部の他方のポートに出力を行う信号合成部と、を備えたことを特徴とする。
これにより、送信重みを決定するために必要な演算量を削減し、高い伝送速度を持つ通信を実現できる。
【００３２】
また、本発明の空間多重伝送用送信装置は、前記送信重み決定部において、推定送信重み行列記憶部は、過去に用いた送信重み行列または直交波周波数分割多重における近隣の周波数帯での送信重み行列を記憶することを特徴とする。
これにより、送信重みを決定するために必要な演算量を削減し、高い伝送速度を持つ通信を実現できる。
【００３３】
また、本発明の空間多重伝送用送信装置は、前記送信重み決定部は、前記伝達係数行列推定部において推定された伝達係数行列を入力信号とし、複素共役転置行列、逆行列、相関行列、相関行列の逆行列のうちいずれかを求める演算を行い、第１の直交化演算部に出力する行列演算部と、前記行列演算部から入力される行列に直交化演算を行い、行列乗算演算部に出力する第１の直交化演算部と、前記伝達係数行列推定部において推定された伝達係数行列を入力信号とし、相関行列を演算する相関行列演算部と、相関行列演算部から入力される相関行列と、第１の直交化演算部から入力される行列を乗算し、第２の直交化演算部に出力を行う行列乗算演算部と、前記行列乗算演算部から入力される行列を入力信号とし、行列の列ベクトルに対し直交化法を用いて直交ベクルを演算し、得られた直交ベクトルを送信重みとしてマルチビーム形成部に出力する第２の直交化演算部と、を備えたことを特徴とする。
これにより、送信重みを決定するために必要な演算量を削減し、高い伝送速度を持つ通信を実現できる。
【００３４】
また、本発明の空間多重伝送用送信装置は、前記送信重み決定部は、演算された送信重み行列を、さらに相関行列と乗算し、得られる行列に直交化演算を行う動作を任意の回数繰り返す手段を有し、得られた直交ベクトルを送信重みとしてマルチビーム形成部に出力することを特徴とする。
これにより、送信重みを決定するために必要な演算量を削減し、高い伝送速度を持つ通信を実現できる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明の空間多重伝送用送信方法においては、受信信号から伝達係数行列を推定し、伝達係数行列から相関行列を演算し、この相関行列にある演算が施された行列を乗算し、得られる行列の列ベクトル成分に対し直交化法を用いることで得られる直交ベクトルを送信局における送信重みとするようにしたので、これにより、送信重みを決定するために必要な演算量を削減し、高い伝送速度を持つ通信を実現できる。
【００３６】
また、本発明の空間多重伝送用送信方法においては、相関行列にある演算が施された行列を乗算した際に得られる行列の列ベクトルのノルムの値から、各ストリームの伝送品質を推定し、変調方式および電力配分を決定するようにしたので、これにより、送信重みを決定するために必要な演算量を削減し、高い伝送速度を持つ通信を実現できる。
【００３７】
また、本発明の空間多重伝送用送信方法においては、ある演算が施された行列は、伝搬環境に理論的に最適な送信重みと相関がある推定送信重み行列であるようにしたので、これにより、送信重みを決定するために必要な演算量を削減し、高い伝送速度を持つ通信を実現できる。
【００３８】
また、本発明の空間多重伝送用送信方法においては、ある演算が施された行列は、過去の送信時に用いた送信重み行列であるようにしたので、これにより、送信重みを決定するために必要な演算量を削減し、高い伝送速度を持つ通信を実現できる。
【００３９】
また、本発明の空間多重伝送用送信方法においては、直交波周波数分割多重を用い、複数の周波数帯でそれぞれ異なる信号系列を送信する場合に、それぞれの周波数の伝達係数行列の相関行列を演算し、また、任意の周波数帯で相関行列の固有ベクトルを演算し、得られた送信重み行列を推定送信重み行列として近隣の周波数帯の相関行列に乗算し、得られる行列の列ベクトル成分に対し直交化法を用いて得られる直交ベクトルをその周波数帯の送信重みとするようにしたので、これにより、送信重みを決定するために必要な演算量を削減し、高い伝送速度を持つ通信を実現できる。
【００４０】
また、本発明の空間多重伝送用送信方法においては、伝達係数行列の相関行列を演算し、伝達係数行列の複素共役転置行列または逆行列を相関行列に乗算し、得られる行列の列ベクトル成分に対し直交化法を用いて得られる直交ベクトルを送信重みとするようにしたので、これにより、送信重みを決定するために必要な演算量を削減し、高い伝送速度を持つ通信を実現できる。
【００４１】
また、本発明の空間多重伝送用送信方法においては、伝達係数行列の相関行列を演算し、伝達係数行列の複素共役転置行列または逆行列の列ベクトルに直交化法を用いて得られる行列を相関行列に乗算し、得られる行列の列ベクトル成分に対し直交化法を用いて得られる直交ベクトルを送信重みとするようにしたので、これにより、送信重みを決定するために必要な演算量を削減し、高い伝送速度を持つ通信を実現できる。
【００４２】
また、本発明の空間多重伝送用送信方法においては、伝達係数行列の相関行列を演算し、相関行列または相関行列の逆行列の列ベクトルに直交化法を用いて得られる行列を相関行列に乗算し、得られる行列の列ベクトル成分に対し直交化法を用いて得られる直交ベクトルを送信重みとするようにしたので、これにより、送信重みを決定するために必要な演算量を削減し、高い伝送速度を持つ通信を実現できる。
【００４３】
また、本発明の空間多重伝送用送信方法においては、相関行列に乗算する、伝達係数行列の複素共役転置行列、逆行列、相関行列、相関行列の逆行列のいずれかの行列の列ベクトルに直交化法を用いる際に、列ベクトルのノルムの大きいものから順に直交化するようにしたので、これにより、送信重みを決定するために必要な演算量を削減し、高い伝送速度を持つ通信を実現できる。
【００４４】
また、本発明の空間多重伝送用送信方法においては、演算で得られた送信重みからなる送信重み行列に再び相関行列を乗算し、得られた行列の列ベクトルに対し直交化法を用いて直交ベクトルを得る動作を任意の回数繰り返し、得られた直交ベクトルを送信重みとするようにしたので、これにより、送信重みを決定するために必要な演算量を削減し、高い伝送速度を持つ通信を実現できる。
【００４５】
また、本発明の空間多重伝送用送信装置においては、送信重み決定部は、伝達係数行列の相関行列を演算し、この相関行列と推定重み行列を乗算し、得られた行列の各列ベクトルに対し直交化演算を行い、得られた直交ベクトルを送信重みとしてマルチビーム形成部に出力するようにしたので、これにより、送信重みを決定するために必要な演算量を削減し、高い伝送速度を持つ通信を実現できる。
【００４６】
また、本発明の空間多重伝送用送信装置においては、推定送信重み行列記憶部は、推定重み行列として、過去に用いた送信重み行列または直交波周波数分割多重における近隣の周波数帯での送信重み行列を記憶するようにしたので、これにより、送信重みを決定するために必要な演算量を削減し、高い伝送速度を持つ通信を実現できる。
【００４７】
また、本発明の空間多重伝送用送信装置においては、送信重み決定部は、伝達係数行列の複素共役転置行列、逆行列、相関行列、相関行列の逆行列のうちいずれかを求めて直交化演算を行い、この直交化演算により得られる行列に相関行列を乗算し、この乗算結果の行列の列ベクトルに対して直交化を行ない送信重みを決定するようにしたので、これにより、送信重みを決定するために必要な演算量を削減し、高い伝送速度を持つ通信を実現できる。
【００４８】
また、本発明の空間多重伝送用送信装置においては、送信重み決定部は、演算された送信重み行列をさらに相関行列と乗算し、得られた行列に直交化演算を行う動作を任意の回数繰り返すようにしたので、これにより、送信重みを決定するために必要な演算量を削減し、高い伝送速度を持つ通信を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
以下、図１を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の空間多重伝送用送信装置の構成例を示すブロック図であり、伝搬環境に最適となる送信指向性制御により高い伝送品質を得る通信を行う場合に、送信重みをより簡易に決定することを可能とする構成を示している。
【００５０】
図１において、符号１１０はシリアル−パラレル変換部、１２１〜１２１は送信部、１３１〜１３Ｌはマルチビーム形成部、１４１〜１４Ｎは信号合成部、１５１〜１５Ｎは信号切り替え部、１６１〜１６Ｎはアンテナ素子、１７０は伝達係数行列推定部、１８０は送信重み決定部、１８１は相関行列演算部、１８２は行列乗算演算部、１８３は直交化演算部、１８４は推定送信重み行列記憶部である。
【００５１】
アンテナ素子１６１〜１６Ｎで受信された信号は信号切り替え部１５１〜１５Ｎにより切り替えられ、伝達係数行列推定部１７０に出力される。伝達係数行列推定部１７０は受信したプリアンブル信号から伝達係数行列を算出し、送信重み決定部１８０の相関行列演算部１８１に出力する。相関行列演算部１８１は伝達係数行列の複素共役転置行列と伝達係数行列の積である相関行列を求める。推定送信重み行列記憶部１８４には、送信重みと相関のある推定送信重み行列を記憶しておき、行列乗算演算部１８２では、相関行列演算部１８１から入力される相関行列と、推定送信重み行列記憶部１８４から入力される推定送信重み行列とを乗算し、得られる行列を直交化演算部１８３に出力する。直交化演算部１８３は送信重みを決定し、マルチビーム形成部１３１〜１３Ｌに送信重みを出力する。
【００５２】
送信信号系列は、シリアル−パラレル変換部１１０により、空間分割多重数Ｌに振り分けられ、それぞれ送信部１２１〜１２Ｌにより変調され、マルチビーム形成部１３１〜１３Ｌに出力される。マルチビーム形成部１３１〜１３Ｌに入力された各信号系列は、送信重み決定部１８０で決定された送信重みをアナログ、もしくはデジタル量で乗算された後、信号合成部１４１〜１４Ｎの対応するポートに出力される。信号合成部１４１〜１４Ｎは入力された信号を合成し、その出力信号は、信号切り替え部１５１〜１５Ｎを介し、アンテナ素子１６１〜１６Ｎから送信される。
【００５３】
簡単のため受信装置のアンテナ素子数をＭ、空間多重伝送用送信装置のアンテナ素子数をＮ(Ｎ≧Ｍ)、とした場合の通信を考える。
【００５４】
空間多重伝送用送信装置は、伝達係数行列Ｈを既知信号の受信や、フィードバック情報の活用等により推定を行う。相関行列演算部１８１では、伝達係数行列の複素共役転置行列ＨＨと伝達係数行列Ｈを乗算し、相関行列Ｒを算出する。この相関行列Ｒは以下の（６）式で表される。
【００５５】
【数６】
2006222742.tif 000008
【００５６】
行列乗算演算部１８２では、この相関行列Ｒと、推定送信重み行列記憶部１８４から出力される理論的に最適な送信重み行列Ｖと相関を持つ推定重み行列Ｖ′を乗算する。その結果得られる行列Ｒ′は、以下の（７）式で表される。
【００５７】
【数７】
2006222742.tif 000009
【００５８】
（７）式に示す行列Ｒ′においては、ＶとＶ′が相関を持つために、α＞βとなっている。よってここで得られる行列Ｒ′はＶと高い相関を持つ。
【００５９】
直交化演算部１８３では、このＲ′の各列ベクトルｒ１′〜ｒＭ′に対し、直交化法を用いることでより理想的な送信重みに近づける。ここで選択した列ベクトルをｒ１′、ｒ２′、・・・、ｒＭ′とおき、ベクトルａとｂの内積を（ａ、ｂ）と表すものとする。ｗ１＝ｒ′１として、（８）式に示すグラムシュミットの直交化法を行うと、直交ベクトルｗ１、ｗ２、・・・、ｗＭを求めることができる。
【００６０】
【数８】
2006222742.tif 000010
【００６１】
これらの直交ベクトルｗ１、ｗ２、・・・、ｗＭは、（３）式で与えられる理想的な送信重みと相関が高い。よって、これらのベクトルを送信重みとしてマルチビーム形成部１３１〜１３Ｌに出力することで、特異値分解のような演算付加の大きい処理を行うことなく、高い伝送容量を実現することができる。
【００６２】
最適な送信重み行列Ｖと相関を持つ推定重み行列Ｖ′としては、過去に用いた送信重みや、伝達係数行列の複素共役転置行列や、伝達係数行列の逆行列や、直交波周波数分割多重を用いる場合には、近隣の周波数帯で求めた送信重み等を用いることができる。
【００６３】
次に、送信重み決定部１８０の他の構成例について説明する。図２は本発明の空間多重伝送用送信装置の送信重み決定部の他の構成例を示すブロック図である。図２において、符号２８１は相関行列演算部、符号２８２は行列乗算演算部、符号２８３は直交化演算部（第２の直交化演算部）、符号２８４は行列演算部、符号２８５は直交化演算部（第１の直交化演算部）である。
【００６４】
伝達係数行列推定部１７０によって推定された伝達係数行列を入力信号とし、相関行列演算部２８１と行列演算部２８４とはそれぞれ伝達係数行列の相関行列、伝達係数行列の複素共役転置行列を演算する。直交化演算部２８５は、行列演算部２８４から出力された行列の各列ベクトルに対し、直交化法を用いた行列を行列乗算演算部２８２に出力し、行列乗算演算部２８２では、相関行列演算部２８１により演算された相関行列と、直交化演算部２８５により入力された行列を乗算し、得られた行列を直交化演算部２８３に出力し、直交化演算部２８３においては入力された行列の各列ベクトルに対し直交化を行い、マルチビーム形成部に送信重みとして出力する。
【００６５】
行列演算部２８４において得られる伝達係数行列Ｈの複素共役転置行列ＨＨは、以下の（９）式のように表すことができる。
【００６６】
【数９】
2006222742.tif 000011
【００６７】
（９）式に示す複素共役転置行列ＨＨの固有値√λには、√λ１＞√λ２＞‥・＞√λＭの関係が成り立っており、複素共役転置行列ＨＨの列ベクトルは理想的な送信重み行列Ｖの最大固有値に対応する第一固有ベクトルと相関を持つことが期待できる。よってこの行列の各列ベクトルに直交化法を行うことで、理想的な送信重み行列Ｖと相関の高い行列を得ることができる。このような行列を行列乗算演算部２８２において相関行列と乗算することで、（７）式と同様の効果を期待できる。よって特異値分解を行うことなく、高い伝送容量を達成する送信重みによる通信を実現できる。
【００６８】
また、行列演算部２８４においては、演算する行列として伝達係数行列の逆行列、相関行列、相関行列の逆行列のいずれの行列を用いてもその効果が期待できる。伝達係数行列の逆行列Ｈ−１を以下の（１０）式に示し、相相関行列ＨＨＨを（１１）式に示し、相関行列の逆行列（ＨＨＨ）−１を（１２）式に示す。
【００６９】
【数１０】
2006222742.tif 000012
【００７０】
【数１１】
2006222742.tif 000013
【００７１】
【数１２】
2006222742.tif 000014
【００７２】
（１０）式、（１１）式、（１２）式において、固有値√λには、√λ１＞√λ２＞‥・＞√λＭ関係が成り立っており、伝達係数行列の逆行列、および相関行列の逆行列に関しては、列ベクトルが理想的な送信重み行列Ｖの最も小さい固有値に対応する固有ベクトルと相関が高くなり、相関行列の列ベクトルは理想的な送信重み行列Ｖの第一固有ベクトルと相関が高くなることが期待できる。よってこれらのうちいずれかの行列の各列ベクトルに直交化法を行うことで、理想的な送信重み行列Ｖと相関の高い行列を得ることができる。このような行列を行列乗算演算部２８２において相関行列と乗算することで、（７）式と同様の効果を期待できる。よって特異値分解を行うことなく、高い伝送容量を達成する送信重みによる通信を実現できる。
【００７３】
また、伝達係数行列の複素共役転置行列、逆行列、相関行列、相関行列の逆行列、および相関行列に対し理想的な送信重み行列と相関が高いと思われる行列を乗算した行列のいずれかに、直交化法を用いる際に、列ベクトルのノルムの大きいものから適用することで、より得られる結果を理想的な送信重み行列に近づけることができる。
【００７４】
なお、図２の直交化演算部２８５と直交化演算部２８３は共通のものを用いることも可能であり、行列演算部２８４は、相関行列の演算を行う場合には、相関行列演算部２８１で共通してこの機能を担うことができる。
【００７５】
図１の直交化演算部１８３は、その出力結果を行列乗算演算部１８２に出力することができる。また、図２の直交化演算部２８３は、その出力結果を行列乗算演算部２８２に出力することができる。行列乗算演算部１８２もしくは２８２において再び相関行列と乗算することで、さらに理想的な送信重みに近い行列が直交化演算部１８３もしくは２８３に出力され、直交化されることにより、さらに高い伝送容量を実現する送信重み行列をマルチビーム形成部に出力することができる。また、さらにここで得られた行列を再び行列乗算演算部１８２もしくは２８２に出力し、同様の処理を複数回繰り返すことでより伝送容量を高めることができる。
【００７６】
行列乗算演算部１８２もしくは２８２において、相関行列に理想的な送信重み行列と相関を持つ行列を乗算した際に得られる行列Ｒ′は（７）式のようになるが、この列ベクトルのノルムは、固有値の２乗であるλ１〜λＭと近い値をとる。送信重み行列Ｖによる通信は先に述ベたように固有値に対応する信号対雑音比を得ることができる。よってある送信ウェイトを用いる通信で適用する変調方式や電力配分の値について、この行列Ｒの列ベクトルのノルムの値を用いることができ、例えば、２５６ＱＡＭ、６４ＱＡＭ、１６ＱＡＭ、ＱＰＳＫ、ＢＰＳＫなどの変調方式から適切な変調方式を選択することができる。
【００７７】
また、特異値分解において、ベき乗法やＱＲ法のような繰りかえし演算により固有ベクトルを求める場合に、相関行列に乗算する予め求める推定送信重み行列を、初期値として用い、収束までの繰り返し回数を早めることで、演算量を削減することもできる。
【００７８】
次に、本発明の空間多重伝送用送信装置による効果を具体的な例により説明する。空間多重伝送用送信装置において送信素子数を４、受信素子数を４とした場合に、伝達係数行列の逆行列の列ベクトルに、ノルムの大きいものから直交化演算を行ったものを、相関行列に乗算し、得られる行列の列ベクトルに再び直交化演算を行ったものを送信重みとした場合の伝送容量を、送信重みを適用しないで無指向性での送信を行った従来方法と、(３)式で与えられる理想的な送信重みを適用した理想値と、それぞれ比較を行う。
【００７９】
本発明による指向性制御法の効果を検証するために用いる伝搬環境を示す。図３に示すように送信局と受信局それぞれの周囲にラプラシアン分布で角度拡がり２５°のクラスタをＮｏ.１からＮｏ.６（＃１〜＃６）まで６つずつ設置した。到来波は９０波とし、１５波ずつＮｏ.１からＮｏ.６までのグループに分けた。
【００８０】
到来波の素波電力と到来時間を表すグラフを図４に示す。それぞれのグループの到来波は、基地局および端末局の周りに設置した同番号のクラスタを通過する確率を５０％とし、そのほかの番号のクラスタを通過する確率をそれぞれ１０％ずつとなっている。
【００８１】
各到来波グループに適用した伝搬パラメータを図６に示す。到来波全体での遅延スプレッドは６１ｎｓｅｃとなる。搬送波周波数を５．２ＧＨｚ、各サブキャリアの周波数帯域を０．３１ＭＨｚ、サブキャリア数を５０とした。それぞれのビームに等電力を割り当てるものとし、復号にはＭＭＳＥアルゴリズムを用いた。
【００８２】
上記のような伝搬環境モデルを用い、クラスタおよびそれを構成する散乱体、それぞれの到来波の位相をランダムに与え、１００回試行し、全サブキャリア数（５０）×試行回数(１００)のデータを用い、その伝送容量の累積確率を計算した。その結果を図５に示す。図５によれば、累積確率の５０％値において、理想値からの劣化量は０．４％低い値程度であることが示された。
【００８３】
以上説明したように、本発明の空間多重伝送用送信装置においては、演算負荷の大きい特異値分解の演算を行わずに送信重みを決定することを可能にすることで、演算量を削減し、且つ高い伝送品質を得ることができる。
【００８４】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の空間多重伝送用送信装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明によれば、特異値分解による空間分割多重を用いた通信において、簡易な演算で送信重みを決定することを可能とし、高い伝送速度をもつ通信を実現できるので、本発明は空間多重伝送用送信方法および空間多重伝送用送信装置等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の空間多重伝送用送信装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】空間多重伝送用送信装置の送信重み決定部の他の構成例を示すブロック図である。
【図３】計算機シミュレーションに用いた伝搬環境を示す図である。
【図４】計算機シミュレーションに用いた到来素波の電力分布を示す図である。
【図５】本発明の効果を示す伝送容量の累積確率を示す図である。
【図６】到来波グループの伝搬パラメータを示す図である。
【図７】理想的な空間多重伝送用送信装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００８７】
１１０、９１０  シリアル−パラレル変換部
１２１〜１２Ｌ、９２１〜９２Ｌ  送信部
１３１〜１３Ｌ、９３１〜９３Ｌ  マルチビーム形成部
１４１〜１４Ｎ、９４１〜９４Ｎ  信号合成部
１５１〜１５Ｎ、９５１〜９５Ｎ  信号切り替え部
１６１〜１６Ｎ、９６１〜９６Ｎ  アンテナ素子
１７０、９７０  伝達係数行列推定部
１８１、２８１  相関行列演算部
１８２、２８２  行列乗算演算部
１８３、２８３、２８５  直交化演算部
１８４  推定送信重み行列記憶部
２８４  行列演算部
９８０  特異値分解演算部
【図１】
2006222742.tif 000015
【図２】
2006222742.tif 000016
【図３】
2006222742.tif 000017
【図４】
2006222742.tif 000018
【図５】
2006222742.tif 000019
【図６】
2006222742.tif 000020
【図７】
2006222742.tif 000021