(57)【要約】【課題】伝送路の状態を示すチャネル行列が正確に得られない場合においても、マルチユーザＭＩＭＯ送信により通信速度を向上させることができる無線通信方法を提供する。【解決手段】無線通信方法は、複数の無線端末装置と、複数のアンテナ素子との伝送路の状態を示すチャネル情報を推定するステップと、複数の無線端末装置から受信した既知信号により、推定されたチャネル情報の推定誤差を算出するステップと、算出された推定誤差に基づいて、複数の無線端末装置ごとに、空間的に多重してデータを送信する場合における、他の無線端末装置に割り当てる送信電力の上限値を示す許容送信電力条件を算出する送信電力条件決定ステップと、算出された許容送信電力条件に基づいて、複数の無線端末装置からデータの送信対象となる無線端末装置を選択するステップと、選択された無線端末装置に対してデータを空間多重して送信するステップとを有する。【選択図】図１
2011188446.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、複数の無線端末装置に対し、同一周波数チャネル及び同一時間に空間多重してデータを送信する無線通信装置における無線通信方法であって、
前記複数の無線端末装置と、前記複数のアンテナ素子との伝送路の状態を示すチャネル情報を推定するチャネル情報取得ステップと、
推定された前記チャネル情報の推定誤差を、信号対雑音電力比、伝搬環境の時間変動、チャネル推定から送信までに要する時間、チャネル情報のフィードバックに用いたビット数、の少なくとも一つから算出するチャネル情報誤差・条件判定ステップと、
算出された前記推定誤差に基づいて、前記複数の無線端末装置ごとに、該無線端末装置と共に空間多重されたデータを送信する他の無線端末装置に対して割り当てる送信電力の上限値を示す許容送信電力条件を算出する送信電力条件決定ステップと、
前記複数の無線端末装置から算出された前記許容送信電力条件を満たす無線端末装置の組み合わせを選択し、選択した無線端末装置それぞれに対して送信電力配分、符号化率、変調方式を決定する通信方法決定ステップと、
選択された無線端末装置のチャネル情報から、送信ウエイトを演算する送信ウエイト決定ステップと、
選択された無線端末装置それぞれに対して、決定された送信電力、符号化率、変調方式、及び送信ウエイトによりデータを空間多重して送信する送信ステップと
を有することを特徴とする無線通信方法。
【請求項２】
通信方法決定ステップにおいて選択した無線端末装置それぞれに対し、データを空間的に多重して送信する際の干渉抑圧処理による受信信号電力の減衰量を算出する減衰量ステップを有し、
前記通信方法決定ステップにおいて、算出された前記許容送信電力条件と、選択した無線端末装置それぞれに対して算出された受信号電力の減衰量とに基づいて、送信電力配分、符号化率、変調方式、送信ウエイトを決定する
ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信方法。
【請求項３】
前記通信方法決定ステップにおいて、選択した無線端末装置のうち信号電力対干渉雑音電力比の大きさが、予め定めた最小信号電力対干渉雑音電力比より小さくなる無線端末装置を、同一周波数チャネル及び同一時間に空間多重してデータを送信する無線端末装置の組み合わせから外す
ことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の無線通信方法。
【請求項４】
前記通信方法決定ステップにおいて、選択した無線端末装置のうち最もチャネル推定誤差が大きい無線端末装置を、同一周波数チャネル及び同一時間に空間多重してデータを送信する無線端末装置の組み合わせから外した際に、残りの無線端末装置で得られるスループットの上昇が、外された無線端末装置へのスループットより大きい場合、選択した無線端末装置の組み合わせから最もチャネル推定誤差が大きい無線端末装置を外す
ことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の無線通信方法。
【請求項５】
前記許容送信電力条件は、無線端末装置に備えられているアンテナの全て、または一部に対するチャネル情報が得られない場合、該無線端末装置に備えられているアンテナの数に対するチャネル情報が得られないアンテナの数の比を、信号電力対熱雑音電力比に乗じて算出されるチャネル推定誤差に基づいて算出される
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか1項に記載の無線通信方法。
【請求項６】
前記通信方法決定ステップにおいて、データを送信したい無線端末装置を第一の無線端末装置として選択し、第一の無線端末装置の許容送信電力条件に基づいて、同一周波数チャネル及び同一時間に空間多重してデータを送信する無線端末装置の組み合わせを決定し、各無線線端末装置に対する送信電力分配、符号化率、変調方式、及び送信ウエイトを算出する
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の無線通信方法。
【請求項７】
前記通信方法決定ステップにおいて、自無線通信装置が通信対象としない他の無線通信装置が通信している無線端末装置が、通信可能領域内にある場合、該無線端末装置との間のチャネル情報を推定し、推定したチャネル情報に基づいて、該無線端末装置における干渉電力が予め定められた干渉電力値以下となる送信電力分配、符号化率、変調方式、及び送信ウエイトを、選択した無線端末装置に対して決定する
ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか1項に記載の無線通信方法。
【請求項８】
前記通信方法決定ステップにおいて、無線端末装置の複数の組み合わせを選択し、無線端末装置の組み合わせごとに送信電力分配、符号化率、変調方式、及び送信ウエイトを決定し、無線端末装置の組み合わせごとに異なる周波数チャネルを割り当て、無線端末装置の各組み合わせに対して同一時間に空間多重してデータを送信する
ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか1項に記載の無線通信方法。
【請求項９】
複数のアンテナ素子を備え、複数の無線端末装置に対し、同一周波数チャネル及び同一時間に空間多重してデータを送信する無線通信装置であって、
前記複数の無線端末装置と、前記複数のアンテナ素子との伝送路の状態を示すチャネル情報を推定するチャネル情報取得回路と、
前記チャネル情報取得回路により推定されたチャネル情報を記憶するチャネル情報記憶回路と、
前記チャネル情報記憶回路に記憶されてているチャネル情報に基づいて、前記複数の無線端末装置それぞれのチャネル情報の推定誤差を、信号対雑音電力比、伝搬環境の時間変動、チャネル推定から送信までに要する時間、チャネル情報のフィードバックに用いたビット数、チャネル推定可能なアンテナと受信アンテナ全体の比、の少なくとも一つから算出するチャネル情報誤差・条件判定回路と、
算出された前記推定誤差に基づいて、前記複数の無線端末装置ごとに、該無線端末装置と共に空間多重されたデータを送信する他の無線端末装置に割り当てる送信電力の上限値を示す許容送信電力条件を算出する送信電力条件決定回路と、
前記複数の無線端末装置から算出された前記許容送信電力条件を満たす無線端末装置の組み合わせを選択し、選択した無線端末装置それぞれに対して送信電力配分、符号化率、変調方式を決定する通信方法決定回路と、
選択された無線端末装置のチャネル情報から、送信ウエイトを演算する送信ウエイト決定回路と、
選択された無線端末装置それぞれに対して、決定された送信電力、符号化率、変調方式、及び送信ウエイトによりデータを空間多重して送信する無線部と
を具備することを特徴とする無線通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信方法、及び無線通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、２．４ＧＨｚ帯又は５ＧＨｚ帯を用いた高速無線アクセスシステムとして、ＩＥＥＥ８０２．１１ｇ規格、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ規格などに基づいたアクセスポイント（基地局装置）が広く普及している。これらの規格に基づいたシステムでは、マルチパスフェージング環境での特性を安定化させるための技術である直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ：Orthogonal Frequency Division Multiplexing）変調方式を用い、最大で５４Ｍｂｐｓの伝送速度を実現している。
【０００３】
なお、ここでの伝送速度とは物理レイヤ上での伝送速度である。ユーザにとって有効なデータのスループットは、ＭＡＣ（Medium Access Control）レイヤでの伝送効率が５０〜７０％程度であるために、３０Ｍｂｐｓ程度が上限値となっている。しかし、ＩＥＥＥ８０２．１１ｎが２０１０年に標準化完了予定であり、ＭＩＭＯ（Multiple input multiple output）技術により１００Ｍｂｐｓ超の高速通信の実現を目指している。
【０００４】
また、有線ＬＡＮの通信速度もＦＴＴＨ（Fiber to the home）の普及から、上昇の一途をたどっており、今後無線ＬＡＮにおいても更なる伝送速度の高速化が求められることが想定される。
更なる無線ＬＡＮにおける伝送速度の高速化の技術として、最も注目されているのがマルチユーザＭＩＭＯ送信技術である。マルチユーザＭＩＭＯ送信技術とは、送信局側において複数の送信アンテナから同一周波数同一タイミングで異なる独立な信号を複数のアンテナを備える複数の通信相手に送信する。また、複数の通信相手の受信アンテナ全体を巨大な受信アレーとみなして下りスループットの向上を実現する技術である。
【０００５】
マルチユーザＭＩＭＯ送信技術の一例としてブロック対角化（Ｂｌｏｃｋ  ｄｉａｇｏｎａｌｉｚａｔｉｏｎ；ＢＤ）送信技術を示す。ここでは、無線通信装置から複数の無線端末装置にデータを伝送する場合において、送信側の無線通信装置のアンテナ素子数をＭｔ、受信側の無線端末装置の数をＭａ、ｉ番目の無線端末装置の受信アンテナ素子数をＭｒ（ｉ）、ｉ番目の無線端末装置に同時に、且つ、同周波数帯において送信する通信系列数をＬ（ｉ）、Ｍｔ≧Ｍｒ（ｉ）としたときの無線通信装置について説明する。
【０００６】
図１１は、伝搬環境に応じて送信指向性を制御し、空間多重化により伝送速度を向上させる無線通信装置９００の構成を示す概略ブロック図である。同図に示すように、無線通信装置９００は、データ出力回路９０１と、送信信号変換回路９０２と、無線部９０３−１〜９０３−Ｍｔと、アンテナ素子９０４−１〜９０４−Ｍｔと、チャネル情報取得回路９０５と、通信相手選択回路９０６と、送信符号化法決定回路９０７と、送信モード決定回路９０８とを具備している。
【０００７】
データ出力回路９０１は、無線通信装置９００の通信相手であるＭａ個の無線端末装置に対して送信するデータを生成する。
送信信号変換回路９０２は、送信モード決定回路から入力される送信モード情報に応じて、データ出力回路９０１により生成されたデータに対して誤り訂正符号化と変調とを行いベースバンド信号に変換する。ここで、送信モード情報には、誤り訂正符号化における符号化率と、変調方式とを示す情報が含まれている。
【０００８】
無線部９０３−１〜９０３−Ｍｔは、それぞれが送信信号変換回路９０２により変換されたベースバンド信号に対して周波数変換（アップコンバート）をして、接続されたアンテナ素子９０４−１〜９０４−Ｍｔを介して無線端末装置に対して送信する。
また、無線部９０３−１〜９０３−Ｍｔは、それぞれがアンテナ素子９０４−１〜９０４−Ｍｔを介して、無線端末装置より送信された信号を受信する。チャネル情報取得回路９０５は、無線部９０３−１〜９０３−Ｍｔにより受信された信号に含まれる既知信号（プリアンブル）などに基づいて、アンテナ素子９０４−１〜９０４−Ｍｔそれぞれと、無線端末装置のアンテナ素子との間のチャネル状態を示すチャネル情報を公知の方法を用いて算出（推定）する。
【０００９】
なお、無線端末装置は、チャネル情報を算出し、算出されたチャネル情報を含むフィードバック情報を無線通信装置９００に送信するようにしてもよい。この場合、チャネル情報取得回路９０５は、無線部９０３−１〜９０３−Ｍｔにより受信された信号からフィードバック情報を抽出するようにしてもよい。
【００１０】
通信相手選択回路９０６は、予め定められた方法によりデータを送信する相手となる無線端末装置を少なくとも１つ選択し、選択した無線端末装置を示す情報を送信符号化法決定回路９０７に出力する。
送信符号化法決定回路９０７は、通信相手選択回路９０６により選択された無線端末装置との間の伝送路に対応するチャネル情報をチャネル情報取得回路９０５により得られたチャネル情報から選択する。また、送信符号化法決定回路９０７は、選択したチャネル情報により各アンテナ素子９０４−１〜９０４−Ｍｔから送信される信号系列それぞれの送信ウエイトと、通信品質とを無線端末装置ごとに算出する。
【００１１】
送信モード決定回路９０８は、送信符号化法決定回路９０７により算出された無線端末装置ごとの送信ウエイト及び通信品質に基づいて、各無線端末装置に送信する信号系列における変調方式及び符号化率とを含む送信モード情報を信号系列ごとに生成する。例えば、送信モード決定回路９０８に、送信ウエイト及び通信品質と、変調方式及び符号化率とが予め対応付けられたテーブルを設けておく。送信モード決定回路９０８は、送信符号化法決定回路９０７により算出された送信ウエイト及び通信品質に対応付けられた変調方式及び符号化率をテーブルから読み出すことにより送信モード情報を生成する。
【００１２】
以下、マルチユーザＭＩＭＯ送信を行う無線通信装置９００における、送信符号化法決定回路９０７が、ＢＤ指向性制御法に基づいて行う演算処理について説明する。
【００１３】
チャネル情報取得回路９０５は、次式（１）に示すチャネル情報を示すチャネル行列Ｈｉ（Ｍｒ（ｉ）×Ｍｔ行列）を算出する。
【００１４】
【数１】
2011188446.tif 000003
【００１５】
ここで、チャネル情報取得回路９０５により算出された式（１）に示したチャネル行列Ｈｉは、次式（２）に示す特異値分解により、右特異行列Ｖｉ（Ｍｔ×Ｍｔ行列）、左特異行列Ｕｉ（Ｍｒ（ｉ）×Ｍｒ（ｉ）行列）、及び固有値の二乗根√λを対角要素とし、非対角要素を０とする行列Σｉ（Ｍｒ（ｉ）×Ｍｔ行列）に分けることができる。なお、行列ＶｉＨは、行列Ｖｉの共役複素数行列を示し、行列（Ｖ'ｉＶ''ｉ）Ｈは、行列（Ｖ'ｉＶ''ｉ）の共役複素数行列を示す。
【００１６】
【数２】
2011188446.tif 000004
【００１７】
ここで、行列Ｈｉの要素Ｈｉ，ｊｋは、無線通信装置９００のｋ番目のアンテナからｉ番目の無線端末装置におけるｊ番目のアンテナまでの伝達係数を表す。また、右特異行列Ｖｉのうち、Ｖ'ｉは固有値に対応する列ベクトル群を示し、Ｖ''ｉは０に対応する列ベクトル群を示す。
【００１８】
また、無線通信装置９００から１つの無線端末装置にのみ信号系列を送信するシングルユーザ通信において、最大の周波数利用効率が得られる方法として固有ベクトル送信が知られている。この固有ベクトル送信において、Ｖ'ｉの列ベクトルを送信ウエイトとし、送信電力をｐとすることで、固有値λｉと送信電力ｐの乗算値ｐλｉで表せる信号電力を得ることができる（λ１≧λ２≧・・・≧λＭｒ（ｉ））。このとき、送信電力ｐが一定であれば、固有値が大きいほど信号電力は大きくなる。
【００１９】
ＢＤ法を用いて、Ｍａ個の無線端末装置に対して同一周波数、且つ、同一タイミングのチャネルを用いて送信する場合において、Ｍａ個の無線端末装置のうちｉ番目の無線端末装置に着目する。このとき、送信符号化法決定回路９０７は、ｉ番目の通信相手に対し、ｉ番目の通信相手以外のＭａ−１の通信相手のチャネル行列Ｈ＋ｉからなる集合行列を次式（３）として設定する。
【００２０】
【数３】
2011188446.tif 000005
【００２１】
ここで、行列Ｒ'ｉは、ｉ番目の通信相手に仮定した受信ウエイトである。式（３）に示す集合行列Ｈ＋ｉに対して、特異値分解を行うと、次式（４）と表すことができる。
【００２２】
【数４】
2011188446.tif 000006
【００２３】
ここで、ベクトルＶ＋ｉは、固有値Σ＋ｉに対応する信号空間ベクトルである。また、ベクトルＶ−ｉは、固有値がない、もしくは固有値が０であるヌル空間ベクトルである。このとき、無線通信装置９００が、ベクトルＶ−ｉのヌル空間に対して送信を行うと、ｉ番目以外の無線端末装置が形成する受信ウエイトに対して干渉を生じさせることがない。
また、ｉ番目の通信相手のチャネル行列に対し、次式（５）に示すように、このヌル空間ウエイトＶ−ｉを乗算して得られる行列の特異値を計算することで、この送信空間において得られる通信品質を評価（算出）することができる。
【００２４】
【数５】
2011188446.tif 000007
【００２５】
式（５）において、行列Ｕ'''ｉと、行列Ｖ'''ｉとはそれぞれ、行列（ＨｉＶ−ｉ）の左特異行列と右特異行列である。行列Σ'''ｉは、行列（ＨｉＶ−ｉＶ−ｉＨＨｉＨ）の固有値の自乗根を対角要素とする対角行列である。
ここで、ベクトル（Ｖ−ｉ［Ｖ'''ｉ］Ｌ（ｉ））を送信ウエイトＷｉとすることで、行列Σ'''ｉの対角成分の二乗値であるヌル空間固有値、λ'ｉ，１，…，λ'ｉ，Ｍｒ（ｉ）に対応する品質が得られることになる。ここで、［Ａ］Ｌは右特異行列Ａの列ベクトルから、高い固有値に対応するＬ個の列ベクトルからなるＭｔ×Ｌの行列を示す。
【００２６】
また、このヌル空間固有値は、繰り返し演算により増大させることが可能である。つまり、式（３）で仮定した受信ウエイトＲ'１〜Ｒ'Ｍａが、Ｖ−ｉ［Ｖ'''ｉ］Ｌ（ｉ）を送信ウエイトとした場合の対応する通信装置の受信ウエイトに近づくほど、行列Σ'''ｉの対角成分の二乗値であるヌル空間固有値、λ'ｉ，１，…，λ'ｉ，Ｍｒ（ｉ）は大きくなる。このヌル空間固有値を大きくするために、Ｒ'１〜Ｒ'Ｍａの初期値として、各チャネル行列の左特異行列のエルミート行列Ｕ１Ｈ〜ＵＭａＨを用いたり、式（５）まで演算し、得られた左特異行列のエルミート行列Ｕ'''ｉＨを式（３）に示した受信ウエイトＲ'ｉとし、更に式（５）までを計算し、左特異行列のエルミート行列Ｕ'''ｉＨを受信ウエイトＲ'ｉとする計算を繰り返すことで、通信品質を向上させることができる。
【００２７】
ＢＤ法の達成可能な周波数利用効率Ｃ（Ｍａ）は、次式（６）により表すことができる。
【００２８】
【数６】
2011188446.tif 000008
【００２９】
ここで、σ２は、熱雑音の分散であり、Ｐｉは、対角要素をｐｉ，１，・・・，ｐｉ，Ｍｒ（ｉ）の二乗根とする電力配分を表す対角行列である。また、｜Ａ｜は行列Ａの行列式を示す。また、Ｃｉ（Ｍａ）はｉ番目の通信相手に対応する周波数利用効率であり、次式（７）と表される。
【００３０】
【数７】
2011188446.tif 000009
【００３１】
ここで、ｉ番目の通信相手のｊ番目のアンテナの通信ストリームに対応する信号対雑音比（Signal-Noise Ratio；ＳＮＲ）Ｓｉ，ｊは、次式（８）のように表される。
【００３２】
【数８】
2011188446.tif 000010
【００３３】
送信符号化法決定回路９０７は、信号対雑音比Ｓｉ，ｊにより、電力分配の設定、変調方式の選択、及び符号化率の設定を行う。なお、送信電力ｐｉ，ｊとσ２の単位は、例えば、［Ｗ］やｄＢｍである。また、固有値λ'ｉ，ｊの単位は、例えば、ｄＢとする。この場合、ＳＮＲは、ｄＢで表される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００３４】
【非特許文献１】Q. H. Spencer, A. L. Swindlehurst, and M. Haardt,“Zero-Forcing Methods for Downlink Spatial Multiplexing in Multiuser MIMO Channels,” IEEE Trans. Sig. Processing, vol. 52, issue 2, Feb. 2004, pp. 461-71.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３５】
上述したように、複数の通信相手に対し、複数のアンテナから複数の信号列を同時に送信することで、送信可能な情報量を高めることができる。ここで示したＢＤ法の他にも、Successive optimization（ＳＯ）アルゴリズムや、Zero forcing（ＺＦ）アルゴリズム、Dirty paper codingなど複数のアルゴリズムにより、ＢＤ法と同様に伝送する情報量を向上することが可能である。しかし、いずれのアルゴリズムを用いた場合においても、送信側の無線通信装置は、送信側に備えられた各アンテナと、各無線端末装置に備えられた各アンテナとの間のチャネル情報（チャネル行列Ｈｉ）を取得することが必要となる。
【００３６】
ＢＤ法において、チャネル行列Ｈｉが全く誤り及び誤差を含まない場合、上述したように、無線通信装置から各無線端末装置に送信する信号が互いに干渉しないように通信ウエイトを選択することができる。また、その場合のＳＮＲは、式（８）により表される。
しかし、チャネル行列Ｈｉに誤り又は誤差が含まれる場合、無線通信装置から各無線端末装置に送信される信号が互いに干渉して、伝送品質が劣化してしまう。
そのため、無線通信装置と各無線端末装置との間の伝送路の推定の誤差、すなわち、チャネル行列Ｈｉの誤差を考慮する必要がある。このとき、チャネル行列Ｈｉに含まれる誤差を考慮せずに、データストリーム数、変調方式、符号化率を設定すると、受信側の無線端末装置において、ビット誤りが生じて再送が頻繁に発生することにより通信速度が低下してしまう可能性が高い。この場合、マルチユーザＭＩＭＯ通信による通信速度の効果を十分に得ることができないことがあるとともに、マルチユーザＭＩＭＯ送信を利用しない場合よりも通信速度が低下してしまう可能性もある。
【００３７】
マルチユーザＭＩＭＯ送信における通信速度などの通信品質は、式（１）に示したチャネル行列Ｈｉの全ての要素が正確に得られるか否かに依存している。
つまり、チャネル行列Ｈｉの全ての要素が得られない場合、例えば、無線端末装置が無線通信装置にチャネル情報を送信する機能を有していない場合など、無線通信装置と各無線端末装置との間の伝送路を示すチャネル行例Ｈｉを正確に得ることができないので、マルチユーザＭＩＭＯ通信において互いの送信信号が干渉して通信品質が劣化して、通信速度の低下を招いてしまう可能性がある。
【００３８】
これは、後方互換を求める無線ＬＡＮ規格であるＩＥＥＥ８０２．１１で問題となる。例えば、マルチユーザＭＩＭＯ機能を有する標準化が行われた場合においても、アクセスポイントとなる無線通信装置は、マルチユーザＭＩＭＯ機能を有さない過去の標準化規格であるＩＥＥＥ８０２．１１ａ、１１ｂ、１１ｇ、１１ｎそれぞれの規格に準拠した無線端末装置もサポートする必要がある。しかし、これらの規格に準拠した無線端末装置において、チャネル情報を無線通信装置に送信する機能は、必須の機能ではないので、実装されて否ことが多い。このため、無線通信装置が過去の標準化規格に準拠した無線端末装置と通信をする場合、不完全なチャネル行列Ｈｉに基づいてマルチユーザＭＩＭＯ通信を行わなければならない状況が考えられる。なお、マルチユーザＭＩＭＯ通信において、ＢＤ法以外のアルゴリズムを用いた場合においても、ＢＤ法と同様にチャネル行列Ｈｉに基づいて送信を行うため、通信速度の低下などの通品品質の劣化を避けることができない。
【００３９】
上述のように、マルチユーザＭＩＭＯ技術は複数の無線端末装置に対し、同一時間、同一周波数帯において、空間多重により高い周波数利用効率を得ることを可能とする。しかし、伝送路の状態を示すチャネル行列Ｈｉに誤差が含まれる場合、また、伝送路の状態を示す情報を得ることができずにチャネル行列Ｈｉが不完全な場合、マルチユーザＭＩＭＯ技術による効果を十分に得ることができないばかりか、逆に通信速度が遅くなってしまうという問題がある。
【００４０】
本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その目的は、伝送路の状態を示すチャネル行列が正確に得られない場合においても、マルチユーザＭＩＭＯ送信により通信速度を向上させることができる無線通信方法、及び無線通信装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００４１】
［１］上記問題を解決するために、本発明は、複数のアンテナ素子を備え、複数の無線端末装置に対し、同一周波数チャネル及び同一時間に空間多重してデータを送信する無線通信装置における無線通信方法であって、前記複数の無線端末装置と、前記複数のアンテナ素子との伝送路の状態を示すチャネル情報を推定するチャネル情報取得ステップと、推定された前記チャネル情報の推定誤差を、信号対雑音電力比、伝搬環境の時間変動、チャネル推定から送信までに要する時間、チャネル情報のフィードバックに用いたビット数、の少なくとも一つから算出するチャネル情報誤差・条件判定ステップと、算出された前記推定誤差に基づいて、前記複数の無線端末装置ごとに、該無線端末装置と共に空間多重されたデータを送信する他の無線端末装置に対して割り当てる送信電力の上限値を示す許容送信電力条件を算出する送信電力条件決定ステップと、前記複数の無線端末装置から算出された前記許容送信電力条件を満たす無線端末装置の組み合わせを選択し、選択した無線端末装置それぞれに対して送信電力配分、符号化率、変調方式を決定する通信方法決定ステップと、選択された無線端末装置のチャネル情報から、送信ウエイトを演算する送信ウエイト決定ステップと、選択された無線端末装置それぞれに対して、決定された送信電力、符号化率、変調方式、及び送信ウエイトによりデータを空間多重して送信する送信ステップとを有することを特徴とする無線通信方法である。
【００４２】
［２］また、本発明は、上記に記載の発明において、通信方法決定ステップにおいて選択した無線端末装置それぞれに対し、データを空間的に多重して送信する際の干渉抑圧処理による受信信号電力の減衰量を算出する減衰量ステップを有し、前記通信方法決定ステップにおいて、算出された前記許容送信電力条件と、選択した無線端末装置それぞれに対して算出された受信号電力の減衰量とに基づいて、送信電力配分、符号化率、変調方式、送信ウエイトを決定することを特徴とする。
【００４３】
［３］また、本発明は、上記に記載の発明において、前記通信方法決定ステップにおいて、選択した無線端末装置のうち信号電力対干渉雑音電力比の大きさが、予め定めた最小信号電力対干渉雑音電力比より小さくなる無線端末装置を、同一周波数チャネル及び同一時間に空間多重してデータを送信する無線端末装置の組み合わせから外すことを特徴とする。
【００４４】
［４］また、本発明は、上記に記載の発明において、前記通信方法決定ステップにおいて、選択した無線端末装置のうち最もチャネル推定誤差が大きい無線端末装置を、同一周波数チャネル及び同一時間に空間多重してデータを送信する無線端末装置の組み合わせから外した際に、残りの無線端末装置で得られるスループットの上昇が、外された無線端末装置へのスループットより大きい場合、選択した無線端末装置の組み合わせから最もチャネル推定誤差が大きい無線端末装置を外すことを特徴とする。
【００４５】
［５］また、本発明は、上記に記載の発明において、前記許容送信電力条件は、無線端末装置に備えられているアンテナの全て、または一部に対するチャネル情報が得られない場合、該無線端末装置に備えられているアンテナの数に対するチャネル情報が得られないアンテナの数の比を、信号電力対熱雑音電力比に乗じて算出されるチャネル推定誤差に基づいて算出されることを特徴とする。
【００４６】
［６］また、本発明は、上記に記載の発明において、前記通信方法決定ステップにおいて、データを送信したい無線端末装置を第一の無線端末装置として選択し、第一の無線端末装置の許容送信電力条件に基づいて、同一周波数チャネル及び同一時間に空間多重してデータを送信する無線端末装置の組み合わせを決定し、各無線線端末装置に対する送信電力分配、符号化率、変調方式、及び送信ウエイトを算出することを特徴とする。
【００４７】
［７］また、本発明は、上記に記載の発明において、前記通信方法決定ステップにおいて、自無線通信装置が通信対象としない他の無線通信装置が通信している無線端末装置が、通信可能領域内にある場合、該無線端末装置との間のチャネル情報を推定し、推定したチャネル情報に基づいて、該無線端末装置における干渉電力が予め定められた干渉電力値以下となる送信電力分配、符号化率、変調方式、及び送信ウエイトを、選択した無線端末装置に対して決定することを特徴とする。
【００４８】
［８］また、本発明は、上記に記載の発明において、前記通信方法決定ステップにおいて、無線端末装置の複数の組み合わせを選択し、無線端末装置の組み合わせごとに送信電力分配、符号化率、変調方式、及び送信ウエイトを決定し、無線端末装置の組み合わせごとに異なる周波数チャネルを割り当て、無線端末装置の各組み合わせに対して同一時間に空間多重してデータを送信することを特徴とする。
【００４９】
［９］また、本発明は、複数のアンテナ素子を備え、複数の無線端末装置に対し、同一周波数チャネル及び同一時間に空間多重してデータを送信する無線通信装置であって、前記複数の無線端末装置と、前記複数のアンテナ素子との伝送路の状態を示すチャネル情報を推定するチャネル情報取得回路と、前記チャネル情報取得回路により推定されたチャネル情報を記憶するチャネル情報記憶回路と、前記チャネル情報記憶回路に記憶されてているチャネル情報に基づいて、前記複数の無線端末装置それぞれのチャネル情報の推定誤差を、信号対雑音電力比、伝搬環境の時間変動、チャネル推定から送信までに要する時間、チャネル情報のフィードバックに用いたビット数、チャネル推定可能なアンテナと受信アンテナ全体の比、の少なくとも一つから算出するチャネル情報誤差・条件判定回路と、算出された前記推定誤差に基づいて、前記複数の無線端末装置ごとに、該無線端末装置と共に空間多重されたデータを送信する他の無線端末装置に割り当てる送信電力の上限値を示す許容送信電力条件を算出する送信電力条件決定回路と、前記複数の無線端末装置から算出された前記許容送信電力条件を満たす無線端末装置の組み合わせを選択し、選択した無線端末装置それぞれに対して送信電力配分、符号化率、変調方式を決定する通信方法決定回路と、選択された無線端末装置のチャネル情報から、送信ウエイトを演算する送信ウエイト決定回路と、選択された無線端末装置それぞれに対して、決定された送信電力、符号化率、変調方式、及び送信ウエイトによりデータを空間多重して送信する無線部とを具備することを特徴とする無線通信装置である。
【発明の効果】
【００５０】
この発明によれば、伝送路の状態を示すチャネル行列が正確に得られない場合においても、マルチユーザＭＩＭＯ送信により通信速度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１実施形態における無線通信装置１００の構成を示す概略ブロック図である。
【図２】干渉電力対熱雑音比（Ｉｉ，ｊ／σ２）と、減少量Ｄｉ，ｊとの関係の一例を示すグラフである。
【図３】本実施形態における無線通信装置１００の通信相手となる無線端末装置の一例を示す図である。
【図４】同実施形態の無線通信装置１００における送信処理を示すフローチャートである。
【図５】同実施形態において、マルチユーザＭＩＭＯ送信の受信対象の無線端末装置を３つ以上にした場合の送信電力を算出する処理を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第２実施形態における無線通信装置２００の構成を示す概略ブロック図である。
【図７】同実施形態の無線通信装置２００における送信処理を示すフローチャートである。
【図８】同実施形態における計算機シミュレーションの結果を示すグラフである。
【図９】同実施形態における、無線端末装置の割り当てのイメージを示した模式図である。
【図１０】同実施形態における効果を示す計算機シミュレーションの結果を示すグラフである。
【図１１】伝搬環境に応じて送信指向性を制御し、空間多重化により伝送速度を向上させる無線通信装置９００の構成を示す概略ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
図面を参照して、本発明の実施形態による無線通信方法及び無線通信装置を説明する。以下、無線通信装置からデータを送信する相手である無線端末装置の数がＭａ（Ｍａは、２以上の自然数）個である場合について説明する。
【００５３】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態における無線通信装置１００の構成を示す概略ブロック図である。同図に示すように、無線通信装置１００は、データ出力回路１０１と、送信信号変換回路１０２と、無線部１０３−１〜１０３−Ｍｔ（Ｍｔは、２以上の自然数）と、アンテナ素子１０４−１〜１０４−Ｍｔと、チャネル情報取得回路１０５と、チャネル情報記憶回路１０６と、チャネル情報誤差・条件判定回路１０７と、電力条件決定回路１０８と、通信方法決定回路１０９と、送信ウエイト決定回路１１０とを具備している。
【００５４】
データ出力回路１０１は、無線通信装置１００の通信相手であるＭａ個の無線端末装置へ送信するデータを生成する。また、データ出力回路１０１は、通信方法決定回路１０９から入力される情報に示されている各無線端末装置に対して送信するデータを送信信号変換回路１０２に出力する。
【００５５】
送信信号変換回路１０２は、通信方法決定回路１０９より入力される送信モード情報に基づいて、データ出力回路１０１より入力された各無線端末装置のデータに対して誤り訂正符号化及び変調を行いベースバンド信号を生成する。ここで、送信モード情報には、データの送信対象となる無線端末装置ごとに変調方式及び符号化率と、ユーザあたり又はストリームごとの送信電力とを示す情報が含まれている。
また、送信信号変換回路１０２は、送信ウエイト決定回路１１０から入力される送信ウエイト情報に基づいて、送信信号に送信ウエイトを乗算する。
【００５６】
無線部１０３−１〜１０３−Ｍｔは、それぞれに接続されたアンテナ素子１０４−１〜１０４−Ｍｔを通じて、送信信号変換回路１０２から入力されるベースバンド信号をアップコンバートして無線端末装置に送信する。また、無線部１０３−１〜１０３−Ｍｔは、各無線端末装置から受信した信号を周波数変換（ダウンコンバート）及び復調しデジタル信号に変換した後、チャネル情報取得回路１０５に出力する。
【００５７】
チャネル情報取得回路１０５は、無線部１０３−１〜１０３−Ｍｔにより受信された信号に含まれる既知信号（プリアンブル）に基づいて公知の技術により、アンテナ素子１０４−１〜１０４−Ｍｔと、各無線端末装置のアンテナ（又は、受信ビーム）との間のチャネル情報を算出（推定）する。又は、チャネル情報取得回路１０５は、各無線端末装置から受信するフィードバック情報に含まれるチャネル情報を抽出する。また、チャネル情報取得回路１０５は、算出したチャネル情報、もしくは抽出したチャネル情報とをチャネル情報記憶回路１０６に記憶させる。なお、チャネル情報には、無線通信装置１００と無線端末装置との間の伝送路の状態を示す情報と、無線通信装置１００と無線端末装置と相対的な位置関係を示す情報とが含まれる。更に、チャネル情報取得回路１０５は、入力されたデジタル信号の中にチャネル情報の誤差を示す情報が含まれる場合には、抽出し、チャネル情報記憶回路１０６へ出力する。
【００５８】
チャネル情報記憶回路１０６は、チャネル情報から得られる信号対雑音比（Signal to Noise Ratio：ＳＮＲ）、及びチャネル情報推定方法から、チャネル情報に含まれる推定誤差を求め、チャネル情報誤差・条件判定回路１０７に出力する。また、複数の時間で得られる同じ無線端末装置のチャネル情報の時間変動から、チャネルの時間変動による推定誤差を推定し、チャネル情報誤差・条件判定回路１０７に出力するようにしてもよい。チャネル情報誤差・条件判定回路１０７は、入力された情報から無線端末装置ごとのチャネル情報誤差を推定する。なお、チャネル情報をフィードバックデータから得る場合には、チャネル情報記憶回路１０６は、量子化雑音によるチャネル推定誤差量を、チャネル情報誤差・条件判定回路１０７は、に入力することもできる。
【００５９】
電力条件決定回路１０８は、チャネル情報誤差・条件判定回路１０７により算出されるチャネル情報の誤差量に基づいて、無線端末装置ごとに対する許容送信電力条件を算出する。この許容送信電力条件は、任意の無線端末装置Ａと、少なくとも１つの他の無線端末装置とに対してマルチユーザＭＩＭＯ送信を行う場合に、無線端末装置Ａ以外の他の無線端末装置に割り当てられる総送信電力の上限値である。この許容送信電力条件より小さい総送信電力を他の無線端末装置に割り当てた場合、他の無線端末装置に対する送信信号の干渉の影響を受けたとしても、無線端末装置Ａにおいて生じる干渉量を一定値以下に制御することができる。
【００６０】
通信方法決定回路１０９は、外部から指定された通信相手、優先順位の高い通信相手、ＳＮＲや推定誤差量の順番、又は、予め定められたアルゴリズム、例えば、ラウンドロビン・スケジューリングなどにより無線通信装置１００の通信対象である無線端末装置のうち１つの無線端末装置を選択する。通信方法決定回路１０９は、電力条件決定回路１０８により算出された許容送信電力条件に基づいて、選択された無線端末装置と組み合わせる無線端末装置を選択し、選択された無線端末装置にそれぞれ決定された許容送信電力条件を満たすように、各無線端末装置に対する送信電力を決定する。また、通信方法決定回路１０９は、選択した無線端末装置にデータを送信する際のデータストリーム数、符号化率及び変調方法を設定する。
【００６１】
通信方法決定回路１０９は、選択した無線端末装置を示す情報をデータ出力回路１０１に出力する。また、通信方法決定回路１０９は、選択した無線端末装置を示す情報と、選択した無線端末装置それぞれに割り当てた送信電力を示す情報とを送信ウエイト決定回路１１０に出力する。また、通信方法決定回路１０９は、選択した無線端末装置ごとに設定した符号化率及び変調方法を示す送信モード情報を送信信号変換回路１０２に出力する。
【００６２】
送信ウエイト決定回路１１０は、通信方法決定回路１０９から入力された情報に示される各無線端末装置に対応するチャネル情報をチャネル情報記憶回路１０６から読み出す。
また、送信ウエイト決定回路１１０は、通信方法決定回路１０９から入力された情報に示される無線端末装置の組み合わせと、読み出したチャネル情報を用いて、各送信ビームが、対象となる無線端末装置のＳＮＲを向上させ、それ以外の無線端末装置に干渉を生じないように送信ウエイトを算出する。また、送信ウエイト決定回路１１０は、無線端末装置ごとに算出した送信ウエイトと、無線端末装置ごとに割り当てられた送信電力とを示す送信ウエイト情報を送信信号変換回路１０２に出力する。
【００６３】
なお、送信ウエイト決定回路１１０は、選択された無線端末装置それぞれに割り当てられた送信電力と、選択された無線端末装置の組み合わせとに基づいて、各通信ストリームに期待される伝送品質を算出して通信方法決定回路１０９に出力するようにしてもよい。
ここで、期待される伝送品質としては、例えば、式（５）で得られる行列Σｉ'''の対角要素の自乗値、ヌル空間固有値と、熱雑音の分散値との比を期待されるＳＮＲとして用いることができる。この場合、通信方法決定回路１０９は、入力された伝送品質を満たす符号化率及び変調方式を選択して送信信号変換回路１０２に出力するようにしてもよい。このとき、通信方法決定回路１０９には、例えば式（８）で得られるＳＮＲの値ごとに対応付けられ、伝送品質を満たす符号化率及び変調方式を記憶したテーブルを予め設けておき、推定されたＳＮＲに対応する符号化率及び変調方式を当該テーブルから読み出して選択するようにしてもよい。
【００６４】
以下、本実施形態の無線通信装置１００がチャネル情報に含まれる誤差に対して行う処理について説明する。
まず、チャネル情報誤差・条件判定回路１０７がチャネル情報（チャネル行列Ｈｉ）の誤差から許容送信電力条件を算出する過程について説明する。
無線通信装置１００から各無線端末装置にデータを送信する際に用いるチャネル情報に誤差が含まれる場合、式（７）に示した周波数利用効率Ｃ（Ｍａ）ｉは、次式（９）と表すことができる
【００６５】
【数９】
2011188446.tif 000011
【００６６】
ここで、Ｉｉ，ｊはｉ番目の無線端末装置のｊ番目の通信ストリームに影響する干渉電力を表している。この干渉電力Ｉｉ，ｊの量は無線端末装置で用いる受信アルゴリズムに依存するが、式（９）の２行目に示すように、無線端末装置が線形の受信ウエイトｗｒ，ｉ，ｊを用いた表すことができる。ここで、受信ウエイトｗｒ，ｉ，ｊは、例えば、ＭＭＳＥ（Minimum Mean Square Error；最小２乗誤差）法を用い、次式（１０）のように表すことができる受信ウエイト行列のｊ番目の行ベクトルを用いることができる。ここで、（ａ）*は、ａの複素共役を表す。
【００６７】
【数１０】
2011188446.tif 000012
【００６８】
チャネル情報取得回路１０５が算出するチャネル情報に誤差がない場合、Ｗｉを算出するために用いた推定チャネル行列Ｇ１〜ＧＭａは、実際の伝送路の状態を示すチャネル行列Ｈ１〜ＨＭａと一致する。このとき、チャネル行列Ｇｉ（＝Ｈｉ）と、行列Ｗｊ（ｉ≠ｊ）とは、直交するため、式（９）の右辺に含まれる干渉電力Ｉｉ，ｊは、０となり、式（９）は、式（７）に示した周波数利用効率Ｃ（Ｍａ）ｉと一致する。以下、式（９）で用いたように、干渉電力Ｉｉ，jを線形の受信ウエイトｗｒ，ｉ，ｊを用いて次式（１１）により表される。
【００６９】
【数１１】
2011188446.tif 000013
【００７０】
一方、チャネル情報に誤差がある場合、Ｗｉを算出するために用いたチャネル情報取得回路１０５により推定されたチャネル行列Ｇｉは、誤差を含み実際のチャネル行列Ｈｉと異なる。このため、チャネル行列Ｈｉと行列Ｗｊ（ｉ≠ｊ）とは、完全には直交しない。この場合におけるチャネル情報取得回路１０５が推定したチャネル行列Ｇｉを次式（１４）と表すことができる。
【００７１】
【数１２】
2011188446.tif 000014
【００７２】
ここで、行列ΔＨｉは、チャネル推定における誤差を示す行列である。なお、送信ウエイト算出に用いた推定されたチャネル行列Ｇｉは、Ｗｊ（ｉ≠ｊ）と直行するため、周波数利用効率Ｃ（Ｍａ）ｉを表す式（９）を、行列Ｇｉと行列ΔＨｉとを用いて書き直すと、次式（１３）となる。
【００７３】
【数１３】
2011188446.tif 000015
【００７４】
式（１３）において、１行目から２行目への変換は行列Ｇｉと行列Ｗｉ（ｉ≠ｊ）との積が０行列になる関係（Ｇｉ・Ｗｊ＝０、ｉ≠ｊ）を用いている。また、式（１３）は、ｉ番目の無線端末装置への通信の伝送品質には、ｉ番目の無線端末装置と、無線通信装置１００との間の伝送路に対するチャネル推定の誤差のみが影響することを示している。すなわち、ｉ番目の無線端末装置以外の無線端末装置と、無線通信装置１００との間の伝送路に対するチャネル推定の誤差には、影響されないことを示している。
【００７５】
更に、式（１３）において、次式（１４）で表される２行目の右辺分母の第２項を小さくするほど、高い伝送品質を得られることがわかる。
【００７６】
【数１４】
2011188446.tif 000016
【００７７】
このことから、Ｍａ個の無線端末装置のうちｉ番目の無線端末装置以外の無線端末装置に割り当てる電力Ｐｊ２（ｊ≠ｉ）を小さくすることにより、伝送品質の劣化を低減できることが分かる。つまり、マルチユーザＭＩＭＯ送信を行う場合、許容される干渉電力による特性劣化量が予め決定され、誤差を示す行列ΔＨｉの大きさに関する情報を得ることができれば、誤差により生じる伝送品質の劣化を抑制するための電力Ｐｊ２（ｊ≠ｉ）の和に対する条件を定めることができる。
【００７８】
無線通信装置１００と各無線端末装置との間の各通信ストリームにおける伝送品質の劣化の程度は、行列ΔＨｉにより表現することができる。ここで、式（８）の表記と、受信側の無線端末装置における受信ウエイトｗｉ，ｊとを用いて、ｉ番目の無線端末装置がｊ番目の通信ストリームの復号を行ったとすると、信号対雑音干渉電力比（Signal to Interference and Noise Ratio；ＳＩＮＲ）は、次式（１５）により表される。
【００７９】
【数１５】
2011188446.tif 000017
【００８０】
ここで、干渉電力Ｉｉ，ｊを正確に求めることはできないが、ｗｒ，ｉ，ｊ、ＷｌがΔＨｉと無相関であることを利用し、期待値であれば次式（１６）により推定することができる。
【００８１】
【数１６】
2011188446.tif 000018
【００８２】
ここで、ＰＡ，ｉは、ｉ番目の無線端末装置に割り当てた電力の総和であるとする。式（１６）において、１行目から２行目の変換では、ｗｒ，ｉ，ｊをＭｒ×Ｍｒのユニタリ行列のうちの1ベクトルとみなし、２行目から３行目の変換では、送信ウエイトＷiがＭｔ×Ｍｔのユニタリ行列のうちのＬ（ｉ）のベクトルであることから、変換している。
また、３行目から４行目への変換では、ｊ番目の無線端末装置への送信において、各ストリームに割り当てる電力は、等電力であり、ＰＡ，ｉ／Ｌ（ｊ）で表せると仮定している。４行目から５行目の変換では、行列ΔＨｉの要素における、分散値σＨ，ｉ２を用いて、ΔＨｉのフロベニウスノルムの二乗値‖ΔＨｉ‖Ｆ２が、ＭｒＭｔσＨ，ｉ２と表せることを利用している。
式（１６）において、ｉ番目の通信相手へのＳＩＮＲの期待値はすなわち、ｉ番目の無線端末装置に対するチャネル推定誤差σＨ，ｉ２と、ｉ番目の無線端末装置以外に送信電力Γｉに依存することがわかる。ｉ番目の無線端末装置以外に送信電力Γｉは次式（１７）のように表せる。
【００８３】
【数１７】
2011188446.tif 000019
【００８４】
式（１５）で表されるＳＩＮＲｉ，ｊと、式（８）で表される信号対雑音比Ｓｉ，ｊとを比較した減少量の期待値Ｄｉ，ｊは、（ＳＩＮＲｉ，ｊ）／（Ｓｉ，ｊ）として、次式（１８）と表される。
【００８５】
【数１８】
2011188446.tif 000020
【００８６】
よって、伝送品質を表すＳＩＮＲの減少量の期待値Ｄｉ，ｊは、熱雑音σ２と、推定誤差σＨ，ｉ２と、ｉ番目以外の無線端末装置への送信電力Γｉにより表される。
【００８７】
ΔＨｉの要素成分の分散値σＨ，ｉ２は、通信方式や、チャネル推定に用いるパイロット信号の長さ、チャネルを推定してから送信するまでにかかる遅延時間、チャネルの時間変動、チャネル情報のフィードバックを用いる場合にはそのビット量により決定される。これらの通信方式や通信条件により、σＨ，ｉ２を推定してもよいし、経験的に得られる値を参照してもよい。いずれの場合でも、チャネル推定の際には無線通信装置１００と無線端末装置との通信時の無線通信装置１００の送信電力Γ０と信号対雑音電力比がσＨ，ｉ２に影響を与える。例えば、チャネルが静的で、時間変動がない場合に、送信を行う装置のアンテナ数分のパイロットシンボルを用いてチャネル推定を行えば、σＨ，ｉ２＝σ２／Γ０と表せる。この倍だけチャネル推定用の信号を用いれば、σＨ，ｉ２＝０．５σ２／Γ０となる。チャネル推定用の信号の送信電力Γ０を高く設定し、チャネル推定誤差を低減することもできる。まず、チャネル推定に用いることができるパイロット数で基本的な値が決まり、これに、チャネルの時変動や、フィードバックのための量子化誤差が付加されていく。よって、以下、チャネル推定誤差σＨ，ｉ２がαｉσ２/Γ０と表せるものとして、この場合には、式（１４）で表せる干渉電力の期待値は、式（１６）から、次式（１９）のように表せる。
【００８８】
【数１９】
2011188446.tif 000021
【００８９】
ここで、αiは、前述のパイロット信号を1つ用い、送信電力Γ０で通信を行って得られるチャネル推定誤差に対するずれを表す係数であり、大きく設定するほど、推定誤差を大きく見積もることになる。αiとして、チャネル推定時の送信アンテナ数を、チャネル推定に用いるパイロット信号の数により割った数を用いたり、チャネルの時変動を表す係数ψiと、推定してから送信するまでに要する時間ｔiの積ψiｔiの関数にしたり、その両方の乗算値とすることもできる。また、複数のアンテナを備える無線端末装置において、アンテナの全て、又は一部のアンテナに対するチャネル情報が得られない場合、無線端末装置に備えられているアンテナの数に対する、チャネル情報が得られないアンテナの数の比をαｉとしてもよい。また、信号電力対熱雑音電力比にαｉを乗じて算出される値をチャネル推定誤差としてもよい。
または、信号対雑音比が小さいほど、時間位置検出や、周波数ずれ補償などのアルゴリズムの精度が下がるため、αｉをｉ番目の無線端末装置の信号対雑音比がさがるほど大きくなるように設定することもできる。
【００９０】
図２は、干渉電力対熱雑音比（Ｉｉ，ｊ／σ２）と、減少量の期待値Ｄｉ，ｊとの関係の一例を示すグラフである。同図において、横軸方向は、干渉電力対熱雑音比（Ｉｉ，ｊ／σ２）を示し、縦軸方向は、減少量の期待値Ｄｉ，ｊを示している。ＳＩＮＲの減少量の期待値Ｄｉ，ｊは、図示するように、干渉電力対熱電力比（Ｉｉ，ｊ／σ２）と１対１に対応している。そこで、許容し得るＳＩＮＲの減少量の期待値Ｄｉ，ｊを設定すれば、対応する干渉電力対熱雑音比（Ｉｉ，ｊ／σ２）が一意に定まる。
【００９１】
例えば、マルチユーザＭＩＭＯ送信において、各ストリームのＳＩＮＲの劣化量を−３ｄＢまで許容できる伝送システムを設計する場合には、ｉ番目の無線端末装置以外の無線端末装置に送信する信号の送信電力Γｉをσ２／σＨ，ｉ２以下にすればよい。
【００９２】
また、各ストリームのＳＩＮＲの劣化量を１ｄＢまで許容する伝送システムを設計にする場合には、干渉電力は熱雑音０．２５８９３σ２まで許容される。（図２において、Ｉｉ，ｊ／σ２を約−５．８６８７ｄＢ以下に対応）この場合も同様に、式（１９）において、Ｅ（Ｉｉ，ｊ）に０．２５８９３σ２を代入して、Γｉの電力条件を０．２５８９３σ２／σＨ，ｉ２と算出できる。ＳＩＮＲの許容し得る減衰量を減衰量の期待値Ｄと設定した場合の、ｉ番目の通信相手以外に送信できる送信電力の許容される送信電力の総和Γｉの最大値Γｍａｘ，ｉ（以下、許容送信電力条件という）は、次式（２０）により表される。
【００９３】
【数２０】
2011188446.tif 000022
【００９４】
この送信電力の総和Γｉの最大値Γｍａｘ，ｉが、許容送信電力条件である。許容送信電力条件は、チャネル推定誤差の熱雑音レベルに対する比αｉとＳＩＮＲの減衰量の期待値Ｄ、チャネル推定時の送信電力Γ０から得られる。ここで、チャネル推定誤差の熱雑音レベルに対する比の大きさに応じて許容送信電力は小さくなることが分かる。
【００９５】
次に、許容送信電力条件Γｍａｘ，ｉを設定する過程を説明する。ここで、熱雑音の受信電力を−８０ｄＢｍとし、ｉ番目の無線通信端末のチャネル行列の推定誤差σＨ，ｉ２のフロベニウスノルムが−６０ｄＢの場合を例にして説明する。この場合、無線通信装置１００は、送信電力１５ｄＢｍで送信する。また、シングルユーザＭＩＭＯ送信により、単一ストリームを送信して、受信ダイバーシチを行わないとき、ｉ番目の無線端末装置の受信電力は、１５ｄＢｍ−６０ｄＢ＝−４５ｄＢｍとなり、ＳＮＲは、３５ｄＢとなる。
【００９６】
以下、簡単のため、チャネル推定時の送信電力は通信時の送信電力と同じ１５ｄＢｍであることとする。このｉ番目の無線端末装置において、１シンボル分の既知信号を用いてチャネル行列Ｈｉを推定し、時変動によるチャネル推定精度の劣化がない場合、推定精度はＳＮＲに対応する精度が期待できるため、推定誤差σＨ，ｉ２はチャネル行列のフロベニウスノルムよりＳＮＲの大きさだけ小さい−６０ｄＢ−３５ｄＢ＝−９５ｄＢと表すことができる（αｉ＝１）。ここで、許容できる減少量Ｄを−３ｄＢとすると、式（２０）において、許容送信電力条件Γｍａｘ，ｉは、Γｍａｘ，ｉ＝（σ２−Ｄσ２）／（ＤσＨ，ｉ２）＝（−８３ｄＢｍ）−（−３−９５）ｄＢ＝１５ｄＢｍとなる。
【００９７】
また、許容できる減衰量Ｄ＝−１ｄＢとすると、条件は厳しくなり、許容送信電力条件Γｍａｘ，ｉは、Γｍａｘ，ｉ＝（０．２５８９３）×１５ｄＢｍ＝−５．８６８７ｄＢ＋１５ｄＢｍ＝９．１３１７ｄＢｍがｉ番目の無線端末装置以外の無線端末装置に対して割り当てられる送信電力の最大値となる。行列ΔＨｉは、ＩＥＥＥ８０２．１１ａに記載のロングプリアンブルを使ったり、複数のシンボルからチャネルを推定することで、ＳＮＲ以上の推定精度を得ることができ、許容送信電力条件を大きくできる。
【００９８】
しかし、チャネルの推定時から送信するまでに、時間変動により行列Ｈｉが変化してしまったり、フィードバック情報に基づいて量子化ビットによりチャネルを推定した場合には、対応する通信装置のＳＮＲより推定精度が悪くなることが考えられる。この場合、無線端末装置、又は無線通信装置１００が、過去のチャネル情報を記憶しておき、時間的な変化を相関値により評価し、チャネルの時間変動による推定誤差を評価するようにしてもよい。具体的には時間ｔに推定したチャネル行列と時間ｔ+Δｔに推定したチャネル行列の変動を相関値もしくは誤差で評価し、時間ずれ量Δｔで規格化してチャネル推定誤差とし、送信する際にはチャネル推定から送信までの時間差Δｔ０の値で補正し、推定誤差とすることができる。又は、チャネル情報のフィードバックを行う場合には、量子化誤差を推定誤差として与えるようにしてもよい。
【００９９】
次に、許容送信電力条件を決定する過程について説明する。
まず、無線通信装置１００が通信を行う無線端末装置が、チャネル情報を無線通信装置１００に送信できない場合について説明する。この場合には、無線通信装置１００は、無線端末装置が有するアンテナ素子それぞれとの伝送路の状態を取得することができないため、チャネル行列Ｈｉを推定することができない。しかし、チャネル行列Ｈｉのフロベニウスノルムの値は、送信及び受信における信号の信号対雑音比から推定することができる。
【０１００】
例えば、平均送信電力１０ｄＢｍの通信端末装置から信号を受信し、平均受信電力が−６０ｄＢｍの場合、平均送信電力及び平均受信電力より伝送路における減衰量は、−７０ｄＢであると推定できる。すなわち、チャネル行列Ｈｉのフロベニウスノルムの値は、−７０ｄＢであると推定できる。
これにより、チャネル行列の推定ができない場合においても、式（１１）の場合と同様に、チャネル推定における誤差を定義することができる。また、チャネル情報取得回路１０５が推定したチャネル行列Ｇｉは、式（２１）のようにとらえることができる。
【０１０１】
【数２１】
2011188446.tif 000023
【０１０２】
Ｅ（‖Ｇｉ‖Ｆ２）＝Ｅ（‖Ｈｉ‖Ｆ２）と設定すれば、チャネル誤差の大きさはチャネル行列のフロベニウスノルムと同じとして扱える。以下、例を示し、許容送信電力条件Γｍａｘ，ｉの設定方法について説明する。
チャネル行列のフロベニウスノルムが−８０ｄＢと推定される通信端末装置に対して、許容できる減衰量Ｄ＝−３ｄＢとし、熱雑音電力を−８０ｄＢｍとする場合について説明する。
【０１０３】
まず、通信端末装置がチャネル情報を通知する機能を有していない場合、チャネル推定における推定誤差σＨ，ｉ２はチャネル行列のフロベニウスノルムに同じ−８０ｄＢに設定する。送信電力が１５ｄＢｍのとき、無線端末装置における受信電力は、１５ｄＢｍ−８０ｄＢｍ＝−６５ｄＢｍであるため、信号対雑音比は、−６５ｄＢｍ−（−８０ｄＢｍ）＝１５ｄＢである。ここで、式（２０）において、σＨ，ｉ２＝−６０ｄＢ、σ２＝−８０ｄＢｍを代入すると、チャネル行列の推定誤差−８０ｄＢ、許容送信電力条件Γｍａｘ，ｉは、Γｍａｘ，ｉ＝（−８０ｄＢ−３ｄＢ）−（−３ｄＢ−８０ｄＢ）＝０ｄＢｍに設定できる。
また、許容できる減衰量Ｄ＝−１ｄＢと条件を厳しくした場合、許容送信電力条件Γｍａｘ，ｉは、Γｍａｘ，ｉ＝（−８０ｄＢｍ−（−８０ｄＢｍ））×０．２５８９３＝０ｄＢｍ−５．８６８３ｄＢ＝−５．８６８３ｄＢｍに設定できる。
【０１０４】
次に、通信端末装置がチャネル情報を通知する機能を有していないが、チャネル行列の一部の情報について通知可能な場合における許容送信電力条件Γｍａｘ，ｉの設定方法について説明する。
この場合は、例えば、無線端末装置からパイロット信号や、プリアンブルなどのチャネルを推定することのできる信号を送信する場合や、無線端末装置が有する複数のアンテナ素子のうち一部のアンテナ素子に対応するチャネル情報を無線通信装置１００にフィードバックする場合が該当する。このような場合、無線通信装置１００は、通信する無線端末装置に対するチャネル行列の全ての要素を得ることはできないが、一部の要素について推定することができる。
【０１０５】
例えば、無線端末装置が２つのアンテナ素子を有し、いずれか一方のアンテナ素子を送信に使う場合である。この場合、チャネル情報取得回路１０５は、送受信の対称性を利用して、無線端末装置の一方のアンテナ素子に対応するチャネル行列を推定することができる。無線端末装置が２つのアンテナ素子を有する場合、チャネル行列は、２×Ｍｔ行列となるが、このうち、１×Ｍｔ行列を推定することができる。つまり、推定されるチャネル行列Ｇｉは、次式（２２）と表すことができる。
【０１０６】
【数２２】
2011188446.tif 000024
【０１０７】
チャネル行列Ｈｉの１番目の行ベクトルｈｉ，１について推定することができるため、ベクトルΔｈｉ，１のフロベニウスノルムは、通信したＳＮＲに対応する精度分だけ、ベクトルｈｉ，１より小さい値とすることができる。このとき、ベクトルｈｉ，２は、全く推定できないため、Δｈｉ，２のフロベニウスノルムは、チャネル行列の行ベクトルの期待値と同じ値を設定する。つまり、チャネルの推定条件は、Δｈｉ，１を通信したＳＮＲに対応する精度分だけ小さくすることができるので、前述の通信端末装置がチャネル情報を通知する機能を有していない場合に比べて、推定誤差のフロベニウスノルムを小さくすることができる。
【０１０８】
例えば、通信端末装置が２つのアンテナ素子を有し、いずれか一方のアンテナ素子に対応するチャネルベクトルが推定可能の場合を例にして説明する。ここで、通信端末装置に対するチャネル行列のフロベニウスノルムが−８０ｄＢであり、許容し得る減衰量Ｄ＝−３ｄＢとし、送信電力を１５ｄＢｍとし、熱雑音電力を−８０ｄＢｍとする。この場合、チャネル推定誤差には、チャネル行列のうち半分は既知であるためにチャネル行列のフロベニウスノルムより３ｄＢ（≒１０ｌｏｇ１０２）小さく推定でき、−８３ｄＢ（＝−８０ｄＢ−３ｄＢ）が設定される。
【０１０９】
このとき、式（２０）から、許容送信電力条件Γｍａｘ，ｉを導出すると、Γｍａｘ，ｉ＝（−８３ｄＢｍ）−（−３ｄＢ−８３ｄＢ）＝３ｄＢｍが得られる。また、許容し得る減衰量Ｄ＝−１ｄＢと条件を厳しくしたとき、許容送信電力条件Γｍａｘ，ｉには、Γｍａｘ，ｉ＝（−８０ｄＢｍ−（−８３ｄＢ））×０．２５８９３＝３ｄＢｍ−５．８７＝−２．８７ｄＢｍを設定する。
このように、チャネル行列のうち推定可能なアンテナ素子の割合が増えると、許容送信電力条件Γｍａｘ，ｉを大きく設定することができる。
【０１１０】
続いて、許容送信電力条件Γｍａｘ，ｉを用いて、通信相手となる無線端末装置の組み合わせの選択する過程と、選択した無線端末装置に対する送信電力を設定する過程とについて説明する。
図３は、本実施形態における無線通信装置１００の通信相手となる無線端末装置の一例を示す図である。図示するように、無線端末装置Ｍ１〜Ｍ６それぞれに対して、チャネル行列のノルムと、チャネル情報を送信するチャネル通知機能の有無と、無線通信装置１００からの送信電力が１５ｄＢｍのときの信号対雑音比と、チャネル推定誤差と、チャネル推定誤差におけるずれを表すαと、許容し得る減衰量Ｄ＝−３ｄＢにおける許容送信電力Γｍａｘ，ｉと、許容し得る減衰量Ｄ＝−１ｄＢにおける許容送信電力Γｍａｘ，ｉとを示している。ここでは、熱雑音レベルは、−８０ｄＢとしている。
【０１１１】
また、チャネル通知機能において、「ＮＧ」は、チャネル情報を通知する機能を有していない無線端末装置を示し、「ＯＫ」は、チャネル情報を通知する機能を有している無線端末装置を示し、「Ｐａｒｔｉａｌ」は、上述したように、一部のアンテナ素子に対してチャネル情報を取得することができる無線端末装置を示している。
また、チャネル推定誤差には、チャネル情報を通知する機能を有していない無線端末装置に対してチャネル行列のノルムと同じ値が設定され、一部のアンテナ素子に対してチャネル情報を取得することができる無線端末装置に対してチャネル行列のノルムより３ｄＢ小さい値が設定されている。例えば、４素子のアンテナを無線端末装置が有し、１素子に対応するチャネル情報のみが得られる場合にはチャネル行列のノルムより１．２５ｄＢ（＝１０ｌｏｇ１０（３／４））小さい値を設定できる。
【０１１２】
無線端末装置Ｍ１は、送信を行う無線通信装置１００の近傍に存在する通信装置であり、チャネル通知機能を持たない端末である。無線通信装置１００の近傍に位置する無線端末装置Ｍ１では、他の無線端末装置Ｍ２〜Ｍ６に対する送信信号からの干渉を受けやすいので、送信電力条件は非常に小さく設定しなければならない。
許容し得る減衰量Ｄ＝−３ｄＢとしたとき、無線端末装置Ｍ１の許容送信電力条件は−２０ｄＢｍである。また、他の無線端末装置Ｍ２〜Ｍ６のチャネル行列ノルムが−５５ｄＢ以下であるため、送信電力−２０ｄＢｍにより送信すると、各無線端末装置Ｍ２〜Ｍ６における受信電力は、最大でも熱雑音より５ｄＢしか高くならず、−７５ｄＢｍ以下となってしまう。信号対雑音電力比５ｄＢ以下で伝送可能な変調方式や誤り訂正符号がない場合、無線端末装置Ｍ１は、他の無線端末装置Ｍ２〜Ｍ６と組み合わせるマルチユーザＭＩＭＯ送信の対象にはならないため、シングルユーザモードで送信を行う必要がある。
【０１１３】
このようにマルチユーザＭＩＭＯが可能かの判定に用いることもできる。例えば、許容送信電力条件×チャネル行列ノルムの熱雑音レベルに対する比がある値以下になる場合（例えば５ｄＢなど）、マルチユーザＭＩＭＯ通信を行わない、などの設定が可能である。又は、許容送信電力条件が−６０ｄＢｍ以下ならマルチユーザＭＩＭＯ送信を行わないなど、許容送信電力条件のみでマルチユーザＭＩＭＯ通信の可否を判定することもできる。ここで、マルチユーザＭＩＭＯ通信とは、同一時刻、同一周波数で複数の無線端末装置に異なる信号を送信することである。
【０１１４】
無線端末装置Ｍ２についても、無線端末装置Ｍ１と同様に評価する。無線端末装置Ｍ２における許容し得る減衰量Ｄを−１ｄＢとした場合、許容送信電力条件Γｍａｘ，ｉは、−５．８７ｄＢｍとなる。このとき、無線端末装置Ｍ４〜Ｍ６それぞれの受信電力は、熱雑音電力（−８０ｄＢ）より高いので、無線端末装置Ｍ４〜Ｍ６のうちいずれか１つの無線端末装置は、無線端末装置Ｍ１と同時に同一周波数で送信可能である。すなわち、無線端末装置Ｍ２と、無線端末装置Ｍ４〜Ｍ６のうちいずれか１つの無線端末装置とは、マルチユーザＭＩＭＯ送信の選択対象となる。
【０１１５】
例えば、無線端末装置Ｍ２と無線端末装置Ｍ４とに対して同時に同一周波数で送信する場合、無線端末装置Ｍ２の許容送信電力条件が、−５．８７ｄＢｍであるので、無線端末装置Ｍ４への送信電力は−５．８７ｄＢｍ以下とする必要がある。ここで無線通信装置１００は、−６ｄＢｍの送信電力により無線端末装置Ｍ４へ送信したとき、無線端末装置Ｍ４における受信電力は−６６ｄＢｍとなる。ここで、熱雑音レベルが−８０ｄＢｍであるので、無線端末装置Ｍ４は、ＳＮＲ１４ｄＢが得られる。
【０１１６】
また、無線端末装置Ｍ２とＭ４でマルチユーザＭＩＭＯ通信を行う場合、どちらか一方の許容送信電力のみを考慮することもできるし、無線端末装置Ｍ４の許容送信電力条件が９．１３ｄＢｍであるので、無線端末装置Ｍ２への送信電力を９．１３ｄＢｍ以下に設定することもできる。ここでは、無線端末装置Ｍ２に対する送信電力を９ｄＢｍに設定する。この場合、単純に送信電力９ｄＢｍで送信すれば、無線端末装置Ｍ２の受信信号電力は９−８０＝−７１ｄＢであり、ＳＮＲは−７１−（−８０）＝９ｄＢとなる。また、無線端末装置Ｍ４への干渉電力はチャネル情報を用いることを前提としているため、無線端末装置Ｍ４のチャネル情報を用いて、無線端末装置Ｍ２への送信ウエイトを決定することが必要となる。
【０１１７】
すなわち、無線端末装置Ｍ２への送信ウエイトは、式（４）のヌル空間ウエイトＶ−ｉの一部、またはＶ−ｉに任意のベクトルを乗算したものを、無線端末装置Ｍ２へ送信ウエイトとする。この制御により、無線端末装置Ｍ２のＳＮＲは９ｄＢより低下する場合がある。このＳＮＲの低下の大きさはチャネル行列の相関値に比例する。ここで、この干渉抑圧信号処理により、１ｄＢ信号電力が低下したとき、無線端末装置Ｍ２へのＳＮＲは８ｄＢとなる。
【０１１８】
この指向性制御による信号電力の低減はチャネル行列の固有値λと、ヌル空間固有値λ'の比に対応しており、ヌル空間固有値λ'が小さくなるほど相関値が高く、このＳＮＲの低下量が大きい。無線端末装置の組み合わせごとに固有値λと、ヌル空間固有値λ'との比を求めてもよいし、予め期待値の低下量をユーザの多重数に応じて決めておいてもよい。例えば、２ユーザで多重する場合は、３ｄＢ、３ユーザでは４ｄＢ、などとして決定できる。
【０１１９】
ここで、無線通信装置１００において、通信方法決定回路１０９は、マルチユーザＭＩＭＯ送信による信号電力の低下量を１ｄＢとし、無線端末装置Ｍ２へＳＮＲ８ｄＢ、無線端末装置Ｍ４へＳＮＲ１４ｄＢで送信できる符号化率及び変調方式が選択できるか否かを判定する。また、通信方法決定回路１０９は、マルチユーザＭＩＭＯ送信したときの伝送速度が、無線端末装置Ｍ２及び無線端末装置Ｍ４それぞれに対して個別に送信電力１５ｄＢｍにより送信したときの伝送速度より高いか否かを判定することもできる。
通信方法決定回路１０９は、上記の符号化率及び変調方式が選択でき、かつ、マルチユーザＭＩＭＯ送信の伝送速度が個別に送信したときより高い場合、無線端末装置Ｍ２、Ｍ４とを対象とするマルチユーザＭＩＭＯ送信によりデータを送信することを選択する。
【０１２０】
また、チャネル推定誤差が無線端末装置Ｍ４より小さい無線端末装置Ｍ６と、無線端末装置Ｍ２とを組み合わせたマルチユーザＭＩＭＯ送信を行う場合、無線端末装置Ｍ２のＳＮＲを大きく設定することができる。無線端末装置Ｍ６の許容送信電力条件Γｍａｘ，ｉは、許容し得る減衰量Ｄを−１ｄＢとした場合、１２．１３ｄＢであるので、無線端末装置Ｍ２に対する送信電力を１２ｄＢとすることができる。このとき、干渉抑圧信号処理による信号電力の減少が１ｄＢとしても、無線端末装置Ｍ２に対してＳＮＲ１１ｄＢとし、無線端末装置Ｍ６に対してＳＮＲ９ｄＢとしてマルチユーザＭＩＭＯ送信することができる。
【０１２１】
無線端末装置Ｍ４〜Ｍ６は、チャネル通知機能を有しているため、同時に同一周波数でデータを多重して送信するマルチユーザＭＩＭＯ送信により伝送容量を大きく向上することが期待できる。なお、図３に示す例では、チャネル推定誤差Ｅｉが様々な値をとるケースを示している。
無線端末装置Ｍ４は、平均ＳＮＲと同等のチャネル推定精度を有する（αｉ＝１＝０ｄＢ）。無線端末装置Ｍ５は、チャネルの推定から送信までの時間変動か、もしくは量子化誤差などの要因によりチャネル推定精度が無線端末装置Ｍ４より３ｄＢ低くなっている（αｉ＝３ｄＢ）。無線端末装置Ｍ６は、複数のシンボルを用いてチャネル情報を推定することができ、チャネル推定誤差が無線端末装置Ｍ４より３ｄＢ高くなっている（αｉ＝−３ｄＢ）。
【０１２２】
以下、無線端末装置Ｍ４と無線端末装置Ｍ５を組み合わせた場合、無線端末装置Ｍ４と無線端末装置Ｍ６を組み合わせた場合、無線端末装置Ｍ４〜Ｍ６を組み合わせた場合のそれぞれにおける送信電力を設定する過程について説明する。以下、許容し得る減衰量Ｄを−１ｄＢとする。
【０１２３】
無線端末装置Ｍ４と無線端末装置Ｍ６を組み合わせる場合について説明する。許容し得る減衰量Ｄが−１ｄＢのとき、無線端末装置Ｍ６の許容送信電力条件Γｍａｘ，ｉは、１２．１３ｄＢｍであり、無線端末装置Ｍ４の許容送信電力条件Γｍａｘ，ｉは、９．１３ｄＢｍである。したがって、無線端末装置Ｍ４に許容される送信電力は１２．１３ｄＢｍであり、無線端末装置Ｍ６に許容される送信電力は９．１３ｄＢｍである。
簡単のため、通信方法決定回路１０９は、例えば、無線端末装置Ｍ４に対する送信電力を１２ｄＢｍとし、無線端末装置Ｍ６に対する送信電力を９ｄＢｍとした場合を考える。
【０１２４】
マルチユーザＭＩＭＯ用の干渉抑圧信号処理を考慮しなければ、無線端末装置Ｍ４はＳＮＲ３２ｄＢが得られ、無線端末装置Ｍ６ではＳＮＲ２４ｄＢが得られる。例えば、無線端末装置Ｍ４、Ｍ６の組み合わせによる干渉抑圧信号処理による所望信号の減少量を３ｄＢと予め設定したとき、無線端末装置Ｍ４はＳＮＲ２９ｄＢが得られ、無線端末装置Ｍ６はＳＮＲ２１ｄＢが得られる。
【０１２５】
このとき、通信方法決定回路１０９は、無線端末装置Ｍ４と無線端末装置Ｍ６とが上記のＳＮＲで送信できる符号化率及び変調方式を選択できるか否かを判定する。また、通信方法決定回路１０９は、無線端末装置Ｍ４及び無線端末装置Ｍ６を組み合わせてマルチユーザＭＩＭＯ送信したときの伝送速度が、無線端末装置Ｍ４及び無線端末装置Ｍ６それぞれに対して個別に送信電力１５ｄＢｍにより送信したときの伝送速度より高いか否かを判定する。
【０１２６】
そして、通信方法決定回路１０９は、符号化率及び変調方式を選択でき、且つ、マルチユーザＭＩＭＯ送信したときの伝送速度が高い場合、無線端末装置Ｍ４及び無線端末装置Ｍ６を組み合わせたマルチユーザＭＩＭＯ送信を選択する。一方、通信方法決定回路１０９は、符号化率及び変調方式を選択できないか、又は、マルチユーザＭＩＭＯ送信したときの伝送速度が高くない場合、無線端末装置Ｍ４に対するシングルユーザＭＩＭＯ送信を選択する。
【０１２７】
次に、無線端末装置Ｍ４と無線端末装置Ｍ５とを組み合わせる場合について説明する。許容し得る減衰量Ｄが−１ｄＢのとき、無線端末装置Ｍ４に許容される送信電力は、６．１３ｄＢｍ、無線端末装置Ｍ６に許容される送信電力は、９．１３ｄＢｍである。通信方法決定回路１０９は、例えば、それぞれに６ｄＢｍ、９ｄＢｍの送信電力を割り当てる。この場合、マルチユーザＭＩＭＯ用の干渉抑圧信号処理を考慮しなければ、無線端末装置Ｍ４はＳＮＲ２６ｄＢを得ることができ、無線端末装置Ｍ５はＳＮＲ３４ｄＢを得ることができる。
【０１２８】
また、無線端末装置Ｍ４と６の組み合わせによる干渉抑圧信号処理による所望信号の減少が３ｄＢであったとすると、無線端末装置Ｍ４には、ＳＮＲ２３ｄＢ、無線端末装置Ｍ６にはＳＮＲ３４ｄＢが得られる。
そして、通信方法決定回路１０９は、同様の判定を行い、判定結果に応じて、無線端末装置Ｍ４及び無線端末装置Ｍ５を組み合わせたマルチユーザＭＩＭＯ送信と、無線端末装置Ｍ４に対するシングルユーザＭＩＭＯ送信とのいずれか一方を選択する。
【０１２９】
次に、無線端末装置Ｍ４、Ｍ５、Ｍ６を組み合わせる場合には、各無線端末装置に対し、自無線端末装置以外の無線端末装置に対して既定される許容送信電力条件Γｍａｘ，ｉの最小値により組み合わせられるか否かの判定を行う。無線端末装置Ｍ４、Ｍ５、Ｍ６の中では無線端末装置Ｍ５の許容送信電力条件Γｍａｘ，ｉが小さいので、無線端末装置Ｍ５の許容送信電力条件Γｍａｘ，ｉに基づいて判定を行う。
このとき、無線端末装置Ｍ４に割り当てる送信電力は、無線端末装置Ｍ５の許容送信電力条件Γｍａｘ，ｉから６．１３ｄＢｍ−３ｄＢ＝３．１３ｄＢとして得られる。ここで、３ｄＢを引いているのは、無線端末装置Ｍ４と無線端末装置Ｍ６とで、６．１３ｄＢｍの電力を等分しているからである。同様に、無線端末装置Ｍ６の送信電力条件も３．１３ｄＢｍとなる。
【０１３０】
次に無線端末装置Ｍ５には、無線端末装置Ｍ４と６の許容送信電力条件Γｍａｘ，ｉのうち小さい無線端末装置Ｍ４の許容送信電力条件Γｍａｘ，ｉが規定する９．１３ｄＢｍ以下に設定する。なお、９．１３ｄＢｍは無線端末装置Ｍ５とＭ６の総和の値での規定であることに注意が必要である。
無線端末装置Ｍ５に割り当てる送信電力は、無線端末装置Ｍ６に既に３．１３ｄＢｍ＝２．０５ｍＷの送信電力を割り当てているので、９．１３ｄＢｍ−２．０５ｍＷ＝６．１３ｍＷ＝７．８７ｄＢｍが設定される。
【０１３１】
この場合、無線端末装置Ｍ４〜Ｍ６に対して割り当てる送信電力は、それぞれ３．１３ｄＢｍ、７．８７ｄＢｍ、３．１３ｄＢｍと設定される。干渉抑圧のための信号処理による信号電力の低下が各４ｄＢであったとすると、無線端末装置Ｍ４〜６における平均受信ＳＮＲはそれぞれ、１９．１３ｄＢ、２８．８７ｄＢ、１４．１３ｄＢとなる。
そして、通信方法決定回路１０９は、同様の判定を行い、判定結果に応じて、無線端末装置Ｍ４〜Ｍ６を組み合わせたマルチユーザＭＩＭＯ送信と、無線端末装置Ｍ４に対するシングルユーザＭＩＭＯ送信とのいずれか一方を選択する。
【０１３２】
または、複数の無線端末装置に送信を行う際に、許容送信電力条件の設定はそれらのうちいずれか一つにのみ決定し、他の無線端末装置への送信は、干渉電力に対する条件を用いないこともできる。例えば、許容し得る減少量Ｄ＝１ｄＢとして、無線端末装置Ｍ４〜Ｍ６へ通信する場合に、代表無線端末装置を一つ決定する。例えば、無線端末装置Ｍ４を代表無線端末装置に選択した場合、無線端末装置Ｍ４の許容送信電力条件９．１３ｄＢｍを無線端末装置Ｍ５とＭ６に割り当て、無線端末装置Ｍ５とＭ６の許容送信電力条件は考慮しないことができる。
【０１３３】
無線端末装置Ｍ４への送信電力は、無線通信装置１００の最大送信電力値と、許容送信電力条件とから、（最大送信電力）―（許容送信電力条件）により決定することができる。代表無線端末装置への最小代表無線端末装置送信電力Ｐ０を予め設定しておき、（最大送信電力）−（許容送信電力条件）がＰ０を下回る場合には、無線端末装置Ｍ４への送信電力をＰ０とするように制御できる。無線端末装置Ｍ５とＭ６へ生じる干渉電力は式（１１１）や式（１９）により推定でき、この値に応じて、変調方式や符号化率、ストリーム数などを決定することができる。
【０１３４】
また、この干渉電力を考慮したＳＩＮＲの値が一定値を下回る場合に、これらの無線端末装置へのマルチユーザＭＩＭＯによる送信を行わないこともできる。また、この代表無線端末装置が送信を行うそれぞれの無線端末装置に対し決定することで、無線端末装置間の公平性を保つことができる。また、それぞれの無線端末装置を代表無線端末装置として決定した送信方法を、別の時間、または別の周波数チャネルに振り分けて送信することもできる。別の周波数チャネルへの振り分け方としては、ＯＦＤＭシステムを用い、代表無線端末の数で周波数チャネルを振り分け、各周波数チャネルでそれぞれに割り振られた代表無線端末装置を基準にした送信を行うこともできる。
【０１３５】
また、各無線端末装置への電力割り当てを決定する際に、最小割り当て電力を予め決定しておき、この電力を下回る送信電力が割り当てられる場合には、同時に送信する通信相手数を減らし、無線端末装置へ割り当てられる送信電力が最小割り当て電力を上回るように設定することができる。このように制御することで、送信装置のデジタル・アナログ変換回路の量子化ビットの不足により、量子化雑音により生じる送信信号の誤差が増加することを抑制することができる。
【０１３６】
また、無線端末装置Ｍ１〜Ｍ６が無線通信装置と直接通信を行う無線端末装置ではなく、他の無線通信装置と通信している無線端末装置だったとしても、同様に送信電力の制御を行うことができる。このような場合には、当該他無線通信装置に属する無線端末装置と、自無線通信装置との間のチャネル行列を式（３）で表せる集合行列に含め、この無線端末装置以外の通信を行う無線端末装置への送信ウエイトを計算することで、当該他無線通信装置と通信する無線端末装置へ干渉電力を送信しないように送信することができる。
【０１３７】
この場合も、当該他無線通信装置と通信する無線端末装置のチャネル誤差に応じて、許容送信電力を式（２０）のように設定できる。また、この無線端末に対応するαｉを、自無線通信装置と通信する無線端末装置とは異なる値に設定することで、当該他無線通信装置と通信する無線端末装置への干渉条件を厳しくしたり、緩めたりすることができる。ここでαｉを大きく設定すると、干渉電力を小さく設定でき、αｉを大きく設定すると、干渉電力を大きく設定できる。また、このような場合、他の無線通信装置が送信する信号が、自無線通信装置が信号を送信した際に干渉電力として無線端末装置において受信されることが考えられるため、この干渉電力を考慮して、変調方式や符号化率などを決定し送信を行うこともできる。
【０１３８】
図４は、同実施形態の無線通信装置１００における送信処理を示すフローチャートである。
まず、チャネル情報取得回路１０５は、無線部１０３−１〜１０３−Ｍｔを通じて、各無線端末装置との間のチャネル情報を取得して、チャネル情報記憶回路１０６に記憶させる（ステップＳ４０１)。
チャネル情報取得回路１０５は、受信される信号に無線端末装置の時間変動を通知する信号が含まれていれば取得し、これもチャネル情報記憶回路１０６に出力する。チャネル情報誤差・条件判定回路１０７は、チャネル情報記憶回路１０６に記憶されているチャネル情報の信号対雑音比から推定される推定誤差、複数の時間に対して記憶されたチャネル情報の時間変動から推定される環境の変化による推定誤差、チャネル推定のために用いたフィードバック信号のビット数、チャネル推定から送信までに要する時間、の少なくとも一つから、無線端末装置に対応するチャネル推定誤差を推定する（ステップＳ４０２）。
【０１３９】
電力条件決定回路１０８は、チャネル情報誤差・条件判定回路１０７の推定したチャネル情報の誤差から式（２２）により各無線端末装置の許容送信電力条件Γｍａｘ，ｉを算出する（ステップＳ４０３）。
通信方法決定回路１０９は、通信対象とする無線端末装置のうちから第一の無線端末装置を１つ選択する（ステップＳ４０４)。通信方法決定回路１０９は、電力条件決定回路１０８により算出された許容送信電力条件Γｍａｘ，ｉに基づいて、選択した第一の無線端末装置と同時に同一周波数によりデータを送信する無線通信端末を選択し、選択された無線通信端末の許容送信電力条件を満たすか判定する（ステップＳ４０５)。
すなわち、ステップＳ４０５では、選択した第一の無線端末装置の許容送信電力条件Γｍａｘ，ｉを満たす無線端末装置を選択（スケジューリング）し、データを送信する対象の無線端末装置の組み合わせを決定する。
【０１４０】
送信ウエイト決定回路１１０は、選択された無線端末装置の組み合わせと、チャネル情報記憶回路１０６に記憶され、選択された無線端末装置に対応するチャネル情報とにより送信ウエイトと得られる信号対雑音電力比を算出する（ステップＳ４０６）。
また、通信方法決定回路１０９は、選択された無線端末装置の組み合わせから得られる信号対雑音比と、選択された無線端末装置それぞれに割り当てられた送信電力とに基づいて符号化率及び変調方式を無線端末装置ごとに選択する（ステップＳ４０７）。
【０１４１】
送信信号変換回路１０２は、通信方法決定回路１０９により選択された符号化率及び変調方式により、データ出力回路１０１から出力されるデータに対して誤り訂正符号化及び変調と、直交波周波数分割多重方式やシングルキャリア伝送などの伝送方式に応じた信号形式に変換とを行い、ベースバンド信号を生成する。また、送信信号変換回路１０２は、送信ウエイト決定回路１１０の算出した送信ウエイト及び送信電力値を乗算し、生成したベースバンド信号を増幅し、無線部１０３−１〜１０３−Ｍｔを介して無線端末装置に送信する（ステップＳ４０８）。
【０１４２】
また、ステップＳ４０５において、通信方法決定回路１０９は、電力条件決定回路１０８により算出された許容送信電力条件Γｍａｘ，ｉに基づいて、選択した第一の無線端末装置に関してのみ許容送信電力条件を満たす送信電力配分を行い、同時に同一周波数によりデータを送信する無線通信端末に対しては、生じる干渉電力について推定し、（例えば式（１９）を用いることができる）、後述する信号対雑音比電力の評価や変調方式・符号化率、スループットの決定に用いることができる。
また、通信を行う複数の無線端末に対し、それぞれを第一の無線端末装置として、通信相手の組み合わせ、電力割り当て、変調方式・符号化率を決定し、異なる時間・周波数チャネルでそれぞれを第一無線端末装置とした送信を行うことができる。すなわち、無線端末装置の複数の組み合わせを選択し、無線端末装置の組み合わせそれぞれに対して異なる周波数チャネルを割り当て、同時にデータを送信するようにしてもよい。また、無線端末装置の組み合わせそれぞれに対して異なる時間においてデータを送信するようにしてもよい。
【０１４３】
また、ステップＳ４０４において、通信方法決定回路１０９は、基地局装置１から送信するデータが存在する無線端末装置を優先的に選択するようにしてもよい。そして、通信方法決定回路１０９は、選択した無線端末装置（第一の無線端末装置）の許容送信電力条件Γｍａｘ，ｉに基づいて、同一周波数チャネル及び同一時間に空間多重してデータを送信する無線端末装置の組み合わせを決定し、各無線線端末装置に対する送信電力分配、符号化率、変調方式、及び送信ウエイトを算出するようにしてもよい。
【０１４４】
なお、ステップＳ４０６と、ステップＳ４０７との順序を入れ替えて、変調方式及び符号化率を選択して、送信するデータのパケット長を定めてから、送信ウエイトを算出するようにしてもよい。また、ステップＳ４０４をステップＳ４０１の前に行い、通信相手が選択された後に、チャネル情報を取得し、チャネル推定誤差から許容送信電力条件Γｍａｘ，ｉを算出するようにしてもよい。
【０１４５】
なお、ステップＳ４０６で送信ウエイトを求める際に得られた固有値の情報から推定できる信号対干渉雑音電力比や、ステップ４０７で決定される各無線端末装置への送信ビット数から、予め定めた値より低い信号対雑音電力比や、スループットとなる無線端末装置が存在しないか確認し、このような無線端末装置がいる場合、または同時同一周波数で送信する無線端末装置の数が、現状より少ない場合の信号対雑音電力比またはスループットより、現状の信号対雑音電力比またはスループットが低下している場合に、再度無線端末の選択をやり直し、ステップ４０５に戻すこともできる。このようにステップ４０５〜４０７を繰り返し、最適な無線端末装置の組み合わせを選択するようにしてもよい。
【０１４６】
または、ステップＳ４０５において、マルチユーザＭＩＭＯ送信による空間多重化する無線端末装置を１つ増加させた場合に得られる伝送速度の向上の度合が、所定の条件を満たす場合にのみ、多重数を増加させるようにしてもよい。例えば、所定の条件として、多重化する無線端末装置を１つ増やした場合に得られる伝送速度が、予め定めた規定数倍を超えること、などとする。または、最もチャネル推定誤差が大きい無線端末装置を空間多重化する無線端末装置から外した際に得られるスループットの上昇が、外された無線端末装置へのスループットより大きい場合、当該無線端末装置を空間多重化する無線端末装置から外すようにしてもよい。
【０１４７】
ここで、規定値を１．５とした場合について、一例を示す。シングルユーザＭＩＭＯ送信（同時同一周波数で単一通信相手と通信する方法）において、無線端末装置ＡとＢに対し、それぞれ１６ＱＡＭ変調と６４ＱＡＭ変調とで誤り訂正符号化率３／４によりデータを送信していた場合、無線通信装置１００は、単位時間当たりにそれぞれ３ｂｉｔ、４．５ｂｉｔ送信することができる。これをマルチユーザＭＩＭＯ送信としてデータを多重化して送信するとき、式（１５）により得られるＳＩＮＲの値からそれぞれ１６ＱＡＭ変調と１／２の符号化率とにより送信できるとき、同時に２ｂｉｔずつ送れるため、４ｂｉｔの送信が可能となる。
【０１４８】
このとき、シングルユーザＭＩＭＯ送信における単位時間当たりの伝送量の平均値は、（３＋４．５）／２＝３．７５ｂｉｔであるのに対し、マルチユーザＭＩＭＯ送信の単位時間当たりの伝送量は、４ｂｉｔであり、０．２５ｂｉｔ増加する。しかし、規定値から算出される条件値５．６２５ｂｉｔ（＝３．７５×１．５）より小さいので、マルチユーザＭＩＭＯ送信を行わずに、シングルユーザＭＩＭＯ送信を行うことになる。このようにある程度の伝送速度の増大を求めるのは、ＭＡＣサブレイヤなどでマルチユーザＭＩＭＯ通信を行うことで、伝送効率が低下することを鑑みているためである。
【０１４９】
このように、マルチユーザＭＩＭＯ送信を行うことにより伝送量が増える場合であっても、規定値により予め定められた伝送量の増加が得られないときには、マルチユーザＭＩＭＯ送信を行わないようにする。これにより、マルチユーザＭＩＭＯ送信により所望の効果が得られない場合は、シングルユーザＭＩＭＯ送信を行うことにより無線通信装置１００の演算量を増加させずにデータの伝送を行うことができ、無線通信装置１００の消費電力の増加を抑えることができる。
なお、条件を規定値による倍数ではなく、増加するビット数で定めてもよい。
【０１５０】
図５は、同実施形態において、マルチユーザＭＩＭＯ送信の受信対象の無線端末装置を３つ以上にした場合の送信電力を算出する処理を示すフローチャートである。
３つ以上の無線端末装置がマルチユーザＭＩＭＯ送信の受信対象となるとき、まず、通信方法決定回路１０９は、送信相手となる無線端末装置を選択すると、その中で第一の無線端末装置を決定し（ステップＳ５０１）、第一の無線端末の許容送信電力条件Γｍａｘ，ｉを算出する。他の無線端末装置への送信電力をΓｍａｘ，ｉとしてもよいが、無線通信装置１００の最大送信電力の制約があるため、この値が大きいと第一の無線端末装置に十分な送信電力を割り当てられなくなる場合がある。このため、第一の無線端末装置への最低送信電力は、予め定めておく。例えば、７ｄＢｍなど、電力値で設定するようにしてもよいし、通信装置で送信できる最大電力（１５ｄＢｍなど）を同時同一周波数チャネルで送信する無線端末装置で割ったものとしてもよい。同様に、第一の無線端末装置以外の無線端末装置へ送信する送信電力に最大値を設定し、１０ｄＢｍ以下、のように定めておいてもよい。ここで、第一の無線端末装置以外への送信電力の最大値をＰＭとすると、第一の無線端末装置以外への送信電力はｍｉｎ(ＰＭ，Γｍａｘ，ｉ)と表すことができる。（ステップＳ５０２）。なお、許容送信電力条件Γｍａｘ，ｉで示される電力を割り当てる際には、それぞれの無線端末装置に等分して割り当ててもよいし、予め定められた優先度に応じて割り当ててもよい。
【０１５１】
次に、通信方法決定回路１０９は、決定された第一の無線端末装置以外への送信電力を上述のように設定した場合に、第一の無線端末装置以外の無線端末装置における、信号電力対干渉雑音電力比や、変調方式や符号方式を割り当てたスループットを算出し、条件を満たすか判定する。例えば、各無線端末装置に対し、信号対雑音電力比、スループット、干渉電力量のいずれか一つ以上が予め定められた既知値以上かどうかを判定する。または、総スループットが既定値以上となっているか否かを判定する（ステップＳ５０３）。
総スループットの既定値は例えば、シングルユーザＭＩＭＯ通信におけるスループットの既定値倍（１．５倍など）としたり、ステップＳ５０２で選択した無線端末装置の数より低い無線端末装置の数の時の総スループットを用いてもよい。または、スループットではなくＳＮＲやＳＩＮＲを用いた指標としてもよい。
【０１５２】
既定値以上でない場合（ステップＳ５０３、Ｎｏ）、ステップＳ５０２に戻り、同時同一周波数チャネルで送信を行う無線端末装置の組み合わせを変更する。具体的には、既定値を満たさなかった無線端末装置を組み合わせから除外したり、組み合わせの中で最も低いスループット・信号対干渉雑音比となった無線端末装置を除外したり、各無線端末装置へのデータストリーム数を変更したりしてもよい。
また、ステップＳ５０３において伝送品質をチェックする際に、第一の無線端末装置以外の無線端末装置への許容送信電力条件のみを考慮することもできるし、第一の無線端末装置以外の無線端末装置においても、許容送信電力条件を考慮し、これらの許容送信電力条件も満たすように送信電力の分配を決定し、それぞれの無線端末装置に対して、伝送品質の判定を行うようにしてもよい。
【０１５３】
規定値以上である場合（ステップＳ５０３、Ｙｅｓ）、通信方法決定回路１０９は、送信電力分配、送信ウエイト、変調方式、及び符号化率を決定する（ステップＳ５０４）。なお、無線端末装置Ｍ４〜Ｍ６を組み合わせてマルチユーザＭＩＭＯ送信をする例において示したように、干渉抑圧のための信号処理による信号電力の低下を考慮して、送信電力を設定してもよく、各無線端末装置の組み合わせに対してヌル空間固有値を計算することもできる。
【０１５４】
また、送信を行う全ての無線端末が第一の無線端末装置となるまでステップＳ５０１〜Ｓ５０４の動作を続け、得られた複数の組み合わせの送信ウエイト、電力分配、変調方式、及び符号化率を異なる時間や周波数チャネルに用いることで、全ての無線端末装置が自端無線末装置を第一の無線端末装置とした通信を受けることで、公平性を保つことができる。
【０１５５】
また、ステップＳ５０２において、第一の無線端末装置以外の無線端末装置への送信電力が決定された際に、当該送信電力、または各データストリームあたりの送信電力が既定値を上回っているかを確認し、上回っていなければ、Ｓ５０１にもどり、第一の無線端末装置以外の無線端末装置を選択しなおしたり、データストリーム数を変更したりすることができる。このように制御することで、送信側におけるデジタル・デジタル変換器により量子化誤差が増幅されることを防ぐことができる。また、この既定値は総送信電力の比で設定してもよく、例えば、無線端末装置に割り当てる送信電力が、総送信電力の１／１０以下になる場合に、Ｓ５０１において第一の無線端末装置以外の無線端末装置の数を減らし、無線端末装置に割り当てる送信電力が、総送信電力の１／１０以上になる送信電力となるように設定することができる。
【０１５６】
また、無線通信装置１００の通信対象ではなく、他の無線通信装置が通信を行っている無線端末装置が、無線通信装置１００の通信可能な空間的な領域（セル）内に位置する場合、以下のようにして、当該無線端末装置に対する干渉を抑制するようにしてもよい。
チャネル情報取得回路１０５は、セルの内側に位置する他の無線通信装置と通信する無線端末装置との間のチャネル情報を推定する。そして、通信方法決定回路１０９は、通信対象の無線端末装置に対する送信電力を決定する際に、セルの内側に位置する無線端末装置のチャネル情報に基づいて、当該無線端末装置における干渉電力が予め定められた干渉電力値以下となるように送信電力を決定するようにしてもよい。また、この送信電力に応じて、符号化率、変調方式、及び送信ウエイトを決定するようにしてもよい。
これにより、他の無線通信装置への干渉を抑制することができ、他の無線通信装置が送信を行っている時間においても送信することが可能となる。
【０１５７】
＜第２実施形態＞
図６は、本発明の第２実施形態における無線通信装置２００の構成を示す概略ブロック図である。同図に示すように、無線通信装置２００は、データ出力回路１０１と、送信信号変換回路１０２と、無線部１０３−１〜１０３−Ｍｔ（Ｍｔは、２以上の自然数）と、アンテナ素子１０４−１〜１０４−Ｍｔと、チャネル情報取得回路１０５と、チャネル情報記憶回路１０６と、チャネル情報誤差・条件判定回路１０７と、電力条件決定回路１０８と、通信方法決定回路２０９と、送信ウエイト決定回路１１０と、組み合わせ評価回路２１１とを具備している。本実施形態の無線通信装置２００は、第１実施形態の無線通信装置１００における通信方法決定回路１０９に替えて通信方法決定回路２０９を具備した点と、組み合わせ評価回路２１１を具備した点とが異なる。
なお、無線通信装置２００において、第１実施形態の各部と同じ構成には、同じ符号を付してその説明を省略する。
【０１５８】
通信方法決定回路２０９は、予め定められた順番、又は、予め定められたアルゴリズムにより無線通信装置２００の通信対象である無線端末装置のうち１つの無線端末装置を選択する。通信方法決定回路２０９は、電力条件決定回路１０８により算出された許容送信電力条件に基づいて、選択された無線端末装置と組み合わせる無線端末装置を選択する。通信方法決定回路２０９は、組み合わせる無線端末装置に送信電力を割り当てる。
【０１５９】
また、通信方法決定回路２０９は、組み合わせる無線端末装置に対応する無線端末装置ごとの受信信号電力の減衰量を示す情報を組み合わせ評価回路２１１から読み出し、読み出した情報に基づいて符号化率及び変調方式を選択する。
また、通信方法決定回路２０９は、選択した無線端末装置の組み合わせを示す情報をデータ出力回路１０１に出力する。また、通信方法決定回路２０９は、選択した無線端末装置の組み合わせを示す情報と、各無線端末装置に割り当てた送信電力を示す情報とを送信ウエイト決定回路１１０に出力する。また、通信方法決定回路２０９は、選択した無線端末装置ごとに設定した符号化率及び変調方法を示す送信モード情報を送信信号変換回路１０２に出力する。
【０１６０】
組み合わせ評価回路２１１は、チャネル情報記憶回路１０６に記憶されているチャネル情報から無線端末装置を組み合わせごとに各無線端末装置における受信信号電力の減衰量を算出して、算出した減衰量を示す情報を記憶する。
【０１６１】
組み合わせ評価回路２１１は、無線端末装置を組み合わせることによる信号電力の低下量、通信ストリームの伝送品質について予め推定する。ＤＢ法の場合、ヌル空間の固有値λ'ｉ，ｊや、このヌル空間固有値の元の固有値から算出される減衰量λ'ｉ，１／λｉ，ｊを用いることができる。減衰量λ'ｉ，１／λｉ，ｊは、次式（２３）として評価することもできる。
【０１６２】
【数２３】
2011188446.tif 000025
【０１６３】
なお、組み合わせ評価回路２１１は、無線端末装置の組み合わせごとに、単にチャネル行列又は、チャネル行列から得られる特異行列の相関値から減衰量を算出し、算出した減衰量と、無線端末装置の組み合わせとを対応付けたテーブルを設けるようにしてもよい。このとき、通信方法決定回路２０９は、無線端末装置の組み合わせを選択する際に、選択の候補となる無線端末装置の組み合わせそれぞれの減衰量を読み出して、無線端末装置の組み合わせを選択する基準としてもよい。
【０１６４】
図７は、同実施形態の無線通信装置２００における送信処理を示すフローチャートである。
まず、チャネル情報取得回路１０５は、無線部１０３−１〜１０３−Ｍｔを通じて、各無線端末装置との間のチャネル情報を取得して、チャネル情報記憶回路１０６に記憶させる（ステップＳ７０１)。
チャネル情報誤差・条件判定回路１０７は、無線部１０３−１〜１０３−Ｍｔにより受信される信号に含まれる既知信号により、チャネル情報の時間変動を推定する。そして、チャネル情報誤差・条件判定回路１０７は、チャネル情報記憶回路１０６に記憶されているチャネル情報と、推定したチャネル情報の時間変動とからチャネル情報の誤差とチャネル情報推定条件のいずれか一方、もしくは両方を推定する（ステップＳ７０２）。
【０１６５】
電力条件決定回路１０８は、チャネル情報誤差・条件判定回路１０７の推定したチャネル情報の誤差又はチャネル情報推定条件から式（２２）により各無線端末装置の許容送信電力条件Γｍａｘ，ｉを算出する（ステップＳ７０３）。通信方法決定回路２０９は、通信対象とする無線端末装置のうちから無線端末装置を１つ選択する（ステップＳ７０４)。
組み合わせ評価回路２１１は、チャネル情報記憶回路１０６にチャネル情報が記憶されると（ステップＳ７０１が完了すると）、チャネル情報記憶回路１０６に記憶されているチャネル情報に基づいて、無線端末装置の組み合わせごとに各無線端末装置の受信信号電力の減衰量を推定（算出）し、算出した減衰量を示す減衰量情報を記憶する（ステップＳ７０９）。
【０１６６】
通信方法決定回路２０９は、電力条件決定回路１０８により算出された許容送信電力条件Γｍａｘ，ｉと、組み合わせ評価回路２１１に記憶されている減衰量情報とに基づいて、選択した無線端末装置と同一時刻に同一周波数によりデータを送信する無線通信端末を選択するスケジューリングを行う（ステップＳ７０５)。
【０１６７】
送信ウエイト決定回路１１０は、選択された無線端末装置の組み合わせと、チャネル情報記憶回路１０６に記憶され、選択された無線端末装置に対応するチャネル情報とにより送信ウエイトを算出する（ステップＳ７０６）。なお、ステップＳ７０６に用いるチャネル情報は、通信相手となる無線端末装置にチャネル情報の通知を要求し、最新のチャネル情報を取得しなおし、送信ウエイトを算出するようにしてもよい。
通信方法決定回路２０９は、選択された無線端末装置の組み合わせと、選択された無線端末装置それぞれに割り当てられた送信電力に基づいて符号化率及び変調方式を無線端末装置ごとに選択する（ステップＳ７０７）。
【０１６８】
送信信号変換回路１０２は、通信方法決定回路２０９により選択された符号化率及び変調方式により、データ出力回路１０１から出力されるデータに対して誤り訂正符号化及び変調を行い、ベースバンド信号を生成する。また、送信信号変換回路１０２は、送信ウエイト決定回路１１０の算出した送信ウエイト及び送信電力値に応じて、生成したベースバンド信号を増幅し、無線部１０３−１〜１０３−Ｍｔを介して無線端末装置に送信する（ステップＳ７０８）。
【０１６９】
なお、ステップＳ７０６と、ステップＳ７０７との順序を入れ替えて、変調方式及び符号化率を選択して、送信するデータのパケット長を定めてから、送信ウエイトを算出するようにしてもよい。
また、ステップＳ７０４をステップＳ７０１の前に行い、通信相手が選択された後に、チャネル情報を取得し、チャネル推定誤差から許容送信電力条件Γｍａｘ，ｉを算出するようにしてもよい。このとき、ステップＳ７０９において、組み合わせ評価回路２１１は、選択された無線端末装置に対し、チャネル情報記憶回路１０６に記憶されているチャネル情報から受信信号電力の減衰量を推定するようにしてもよい。また、チャネル情報取得回路１０５は、ステップＳ７０６が行われる前に、チャネル情報の更新を行ってもよい。これにより、送信ウエイトの算出に最新のチャネル情報と減衰量情報とを用いることができ、チャネル推定誤差を小さくすることができる。
【０１７０】
また、ステップＳ７０５において、マルチユーザＭＩＭＯ送信による空間多重化する無線端末装置を１つ増加させた場合に得られる伝送速度の向上の度合が、所定の条件を満たす場合にのみ、多重数を増加させるようにしてもよい。例えば、所定の条件として、多重化する無線端末装置を１つ増やした場合に得られる伝送速度が、予め定めた規定数倍を超えること、などとする。
【０１７１】
また、本実施形態においても、第1実施形態におけるステップＳ５０３(図５)のように、組み合わせ評価回路２１１は、各無線端末装置それぞれに対して算出した信号電力の減衰量から、信号対雑音干渉電力比やスループットを評価して、無線端末装置の組み合わせを選択するようにしてもよい。具体的には、算出された信号電力対干渉雑音電力比の大きさが、予め定められた最小信号電力対干渉雑音電力比より小さい無線端末装置を組み合わせから除外するようにしてもよい。
【０１７２】
また、上記の第1実施形態及び第２実施形態では、それぞれ１つのパラメータを用いて説明したが、例えば、ＯＦＤＭを用いた通信方式においては、複数のサブキャリアそれぞれから得られる値の平均値を用いたり、複数のサブキャリアのうち特定のサブキャリアの値を代表値として用いるようにしてもよい。
また、無線部１０３−１〜１０３−Ｍｔに設けられるデジタル−アナログ変換器（Digital-Analogue Converter；ＤＡＣ）の有効ビット数からチャネル推定誤差を算出し、送信可能となる電力制限値を予め定めておき、この電力制限値より大きい電力値をとる場合のみ送信可能としてもよい。
また、熱雑音の分散値σ２は予め既知のものとして記載したが、無信号区間において計測してもよいし、予めメモリに保持しておいてもよい。
また、送信電力条件を求める際に用いる熱雑音の分散値σ２は正確な値である必要はなく、実際の熱雑音の分散値より小さめ、又は大きめに設定するようにしてもよい。
【０１７３】
また、通信方法決定回路１０９（２０９）は、チャネル情報推定誤差の大きい無線端末装置と組み合わされる無線端末装置に対して優先的に送信の機会を与えるようにしてもよい。これは、チャネル推定誤差の大きい無線端末装置と組み合わされた無線端末装置は、大きな送信電力を割り当てることができない場合が多く、スループットが低下する可能性が高い。そこで、優先的に送信の機会を与えるスケジューリングを行うことで、スループットの低下を抑制することができる。
【０１７４】
次に、式（１９）で表記した干渉電力の推定の有効性を計算機シミュレーションにより確認する。ユーザ数を４、送信素子数を８、受信素子数を２、データストリーム数を２とし、チャネル行列Ｈを平均０、分散σＳ２として与え、各ユーザごとに完全無相関、シングルユーザでＳＩＳＯ通信を行った際のＳＮＲσｓ２/σ２を各ユーザとも３０ｄＢとした。このとき、チャネル推定誤差をσ２とし、チャネル推定時の送信電力とデータ通信における送信電力が等しいとすると、式（１９）から、干渉電力の期待値は、
他の無線端末装置への送信電力Γｉと送信電力Γ０の比、つまり電力の分配比となっていることが予想される。４ユーザへの送信電力を等電力に配分すると、この比Γｉ/Γ０は０．７５となる。式（１９）でαi＝１とすれば、干渉対雑音比の期待値は０．７５であるはずである。
【０１７５】
図８は、上述の条件における計算機シミュレーションの結果を示すグラフである。
同図において、横軸はＩＮＲを示し、縦軸は累積確率分布（Cumulative Distribution function；ＣＤＦ）を示している。同図には、２つのデータストリームそれぞれに対し、累積確率分布（ＣＤＦ）を示している。ＭＭＳＥによる線形の受信ウエイトによる復号を行った。図８において、第１ストリーム（First data stream）と、第２ストリーム（Second data stream）の結果が示されているが、期待値はそれぞれ０．７４０と０．７４８になっており、ほぼ予測された結果になっている。ただし、図８で明らかなように、期待値は予想できるが、実際の値はおおきくばらついている。よって、最悪ケースを考える設計にすることもでき、式（１９）及び式（２０）においてαｉを大きめに設定するなどして、干渉電力の増大を抑えることもできる。
【０１７６】
図９は、本実施形態における、無線端末装置の割り当てのイメージを示した模式図である。同図において、横軸はリソースを示し、縦軸は送信電力を示している。また、同図において、一般的なシングルユーザ通信、及びマルチユーザＭＩＭＯ通信のケースと比較して示す。図９は、それぞれ３つ無線端末装置への送信をリソースと送信電力により表現している。無線端末装置１〜３におけるチャネル推定誤差は、無線端末装置１が一番小さく、無線端末装置３が最も大きい場合について説明する。図９（ａ）は、シングルユーザＭＩＭＯ通信を表しており、リソースを３分割してそれぞれ３つの無線端末装置へ送信する例を示している。
【０１７７】
ここで、リソースとは時間、周波数、符号化の少なくとも一つを示している。時間と解釈すると、異なる時間で、周波数と解釈すると、異なる周波数チャネルで、符号化と解釈すると、異なる直交符号で、３つの無線端末装置に送信を行うことが示されている（時間分割多重接続、周波数分割多重接続、符号分割多重接続に対応）。この場合、同時・同一周波数・同一直交符号において送信する通信相手は１つの無線端末装置であるために、空間リソースにより得られるゲインは小さくなる。
【０１７８】
図９（ｂ）は、マルチユーザＭＩＭＯ通信を表しており、同時・同一周波数・同一直交符号に無線端末装置を多重することで、空間リソースにより大きなゲインが得られる場合を示している。しかし、チャネル推定誤差が大きい無線端末装置が存在する場合、その無線端末装置のスループット・伝送品質は大きく劣化する。この無線端末装置は、シングルユーザによる送信時よりも特性が劣化するため、無線端末装置間でのスループットの差が大きくなる。よって、チャネル推定誤差に応じて、シングルユーザＭＩＭＯ通信と、マルチユーザＭＩＭＯ通信とを切り替えたり、その間の特性を持つ通信が必要である。
【０１７９】
図９（ｃ）は、本実施形態における無線端末装置に対するリソース割り当てのイメージを示した図である。
ここで、図９（ｃ）では、３つの無線端末装置をそれぞれ第一の無線端末と指定した３つの送信ブロックに分けて送信しており、許容送信電力条件を第一の無線端末装置にのみ指定した例を示している。無線端末装置３を第一の無線端末装置とした際に、無線端末装置２が同時・同一周波数チャネルで送信されていない理由は、同図に示された電力配分において、無線端末装置２へのデータストリームが予め定めた品質を満たさなかったためである。ここで、無線端末装置１はチャネル推定誤差が小さいため、他の無線端末への許容送信電力条件が大きく、無線端末装置３を第一の無線端末装置とした場合の許容送信電力条件は小さいことが分かる。このように制御すると、チャネル推定誤差が大きい場合は図９（ａ）に近づき、チャネル推定誤差が小さい場合は図９（ｂ）になるため、このシングルユーザＭＩＭＯ通信と、マルチユーザＭＩＭＯ通信の中間の特性を有することが分かる。
【０１８０】
また、図９（ｃ）において、３番目のリソースに何らかの規定値を満たさなかったために、無線端末装置２が割り当てられていない。よって、無線端末装置間の公平性をある程度保つため、無線端末装置２が第一の無線端末として選択された際に、無線端末装置３を同時同一周波数チャネルで送信する通信相手として選択しないこともできる。この場合、図９（ｃ）で、中央のリソースにおける無線端末装置３を削除することができる。
【０１８１】
図１０は、本実施形態における効果を示す計算機シミュレーションの結果を示すグラフである。同図において、横軸は周波数帯域あたりの周波数利用効率の和（伝送レート）を示し、縦軸は累積確率分布（ＣＤＦ）を示している。ここでは、無線端末装置数を４、各無線端末装置ごとに完全無相関のチャネル行列を与え、チャネル行列の各要素の電力値σｓ２と熱雑音の電力値σ２の比を各ユーザとも３０ｄＢとし、チャネル推定誤差σＨ，ｉ２はσ２／２〜１０σ２の範囲でランダムに各無線端末装置に与え、計算機シミュレーションにより４つの無線端末装置に対する周波数利用効率の合計を算出した。総送信電力は、シングルユーザ通信の場合には電力配分ｐｉ，ｊのｊがとりうる範囲で総和をとった値Σｐｉ，ｊが１になるように設定し、マルチユーザＭＩＭＯ通信では、ｐｉ，ｊのｉとｊがとりうる範囲において総和をとったΣｐｉ，ｊが１となるように設定した。式（１６）のＰＡ，ｉを用いると、全てのｉについて総和をとったΣＰＡ，ｉが１に設定されたといいかえることもできる。
【０１８２】
また、図１０において、ＣＳＵは、シングルユーザ通信を行った際の各通信相手の周波数利用効率の累積確率分布である。また、ＣＭＵは、各通信相手に等電力配分でマルチユーザＭＩＭＯ通信を行った際の周波数利用効率の累積確率分布である。また、ＣＰは、本実施形態における電力配分方法を用い、第一の無線端末装置のみに許容送信電力条件を指定し、送信した際の周波数利用効率の累積確率分布である。ここで、本実施形態における電力配分方法では、４つの無線端末装置それぞれを第一の無線端末装置とした際に、無線端末装置の割り当て及び送信電力配分の割り当ての決定を行った。第一の無線端末装置に割り当てる送信電力は次式（２４）のように定義した。
【０１８３】
【数２４】
2011188446.tif 000026
【０１８４】
ここで、ｉ番目の無線端末装置が第一の無線端末装置である場合の例が示されている。他の無線端末装置に割り当てられる許容送信電力Γｍａｘ，ｉと、無線端末装置で等電力配分を行った場合のうち大きい方の値となっている。ここで、Ｍａは同時に通信を行う無線端末装置の数である。よって、第一の無線端末装置以外のｊ番目の無線端末装置（ｊ≠ｉ）には、次式（２５）により表される送信電力が割り当てられる。
【０１８５】
【数２５】
2011188446.tif 000027
【０１８６】
ここで、図１０の例では、割り当てられた送信電力ＰＡ，ｊが０．１を下回る場合には、同時に通信する無線端末装置を一つ減らし、Ｍａ＝Ｍａ−１として、再度、無線端末装置の組み合わせをやり直し、チャネル推定精度σＨ，ｊ２が大きい無線端末装置から同時同一周波数チャネルに配分する無線端末装置から除外した。ここで、通信機会の公平性から、ｉ番目の無線端末装置を第一の無線端末装置とした際に、ｊ番目の無線端末装置への送信電力の割り当てが０．１以下となり、このｊ番目の無線端末装置が同時同一周波数チャネルでの組み合わせから外した場合、ｊ番目の無線端末装置が第一の無線端末装置となった際の、同時同一周波数チャネルでの送信組み合わせから、ｉ番目の無線端末装置は外すこととしている。計算機シミュレーションにおいて、チャネル係数およびチャネル誤差は、ランダムに与えられて、５０００回の試行が行われた。
【０１８７】
図１０（ａ）では、ユーザ数を４、送信素子数を４、無線端末装置の受信素子数を１に設定した場合の結果である。また、図１０（ｂ）では、ユーザ数を４、送信素子数を８、無線端末装置の受信素子数を２に設定している。周波数利用効率の全無線通信端末への和は、中央値、最大値共に、等電力配分のマルチユーザＭＩＭＯ通信で得られており、本実施形態の電力制御の方が、等電力配分の特性をやや下回っていることが分かる。しかし、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）においてそれぞれの累積確率が１０％以下の値にの場合、本実施形態の電力分配方法における伝送レートが、等電力配分マルチユーザＭＩＭＯ通信の伝送レートを上回っていることが分かる。累積確率１％値では、本実施形態の周波数量効率は等電力配分マルチユーザＭＩＭＯの２．３倍、１．１倍になっており、チャネル推定誤差のため周波数利用効率が低下しているケースで、スループットの低下を抑制したことが確認できる。
【０１８８】
本発明は、複数の通信端末装置に向けてデータを送信する無線通信装置において、同一時刻に同一周波数チャネル上において空間多重を用いて、１つ又は複数の信号系列を送信する際に、複数の通信端末装置と無線通信装置との間の伝送路の推定に誤差がある場合でも、干渉電力を最小化してスループットの増加を図ることができる。
【符号の説明】
【０１８９】
１００、２００…無線通信装置
１０１…データ出力回路
１０２…送信信号変換回路
１０３−１〜１０３−Ｍｔ…無線部
１０４−１〜１０４−Ｍｔ…アンテナ素子
１０５…チャネル情報取得回路
１０６…チャネル情報記憶回路
１０７…チャネル情報誤差・条件判定回路
１０８…電力条件決定回路
１０９、２０９…通信方法決定回路
１１０…送信ウエイト決定回路
２１１…組み合わせ評価回路
【図１】
2011188446.tif 000028
【図２】
2011188446.tif 000029
【図３】
2011188446.tif 000030
【図４】
2011188446.tif 000031
【図５】
2011188446.tif 000032
【図６】
2011188446.tif 000033
【図７】
2011188446.tif 000034
【図８】
2011188446.tif 000035
【図９】
2011188446.tif 000036
【図１０】
2011188446.tif 000037
【図１１】
2011188446.tif 000038