(57)【要約】【課題】整数演算により重み係数行列を算出する際の演算誤差やオーバーフローに伴う行ノルムの変動を抑制し、送信電力が上限値を超える可能性を減らす。【解決手段】重み係数行列を演算する処理の最終段において重み係数行列の正規化処理を行なうことで、重み係数行列演算で混入する演算誤差やオーバーフローの影響を小さくする。また、正規化部へ想定外となる入力信号が入力されたときや正規化の演算途中でのオーバーフロー又はアンダーフローが発生したときには、あらかじめ記憶されている行ノルムが保証された重み係数行列を用いて送信信号を重み付けし、送信電力が電波法規制で設定される上限を超える危険を回避する。【選択図】  図２
2008124533.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアンテナを持つ送信機と複数のアンテナを持つ受信機間で空間多重通信を行なう無線通信システムであって、
送受信間の各アンテナ対の伝達関数を要素とするチャネル情報行列を取得するチャネル情報行列取得手段と、
該取得したチャネル情報行列を基に重み係数行列を求める重み係数行列演算手段と、
該重み係数行列の正規化処理を行なう正規化手段と、
前記重み係数行列演算手段又は前記正規化手段による処理における異常の有無を検出する検出手段と、
前記検出手段による検出結果に応じて、前記送信機から送信する送信信号に対して該重み係数行列に基づく重み付け処理を行なう重み付け処理手段と、
前記重み付け処理手段により重み付け処理された送信信号を前記送信機から前記受信機へ伝送する伝送手段と、
を具備することを特徴とする無線通信システム。
【請求項２】
前記正規化手段は、前記重み係数行列演算手段によりチャネル情報行列の共分散行列の固有値から求めた固有ベクトルに対して行ノルムが規定の値となるように正規化を行なう、
ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
【請求項３】
前記検出手段は、前記正規化手段へ所定の範囲外となる入力信号が入力されたこと、又は、正規化の演算途中でのオーバーフロー又はアンダーフローが発生したことを異常として検出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
【請求項４】
前記重み付け処理手段は、前記検出手段により処理の異常が検出されたときには、前記重み係数行列演算手段により演算された重み係数行列により送信信号を重み付けすることに代えて、行ノルムが保証された他の重み付け送信信号を出力する、
ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
【請求項５】
行ノルムが保証された１以上の重み係数行列をあらかじめ記憶する不揮発性記憶手段をさらに備え、
前記重み付け処理手段は、前記検出手段により異常が検出されたときには、前記不揮発性記憶手段に記憶されている重み係数行列を用いて送信信号を重み付けする、
ことを特徴とする請求項４に記載の無線通信システム。
【請求項６】
前記不揮発性記憶手段は、単位行列、適当な角度を持った回転行列、鏡像行列、Ｗａｌｓｈ−Ｈａｄａｍａｒｄ行列、又はこれらの２以上の行列を組み合わせた行列をあらかじめ記憶する、
ことを特徴とする請求項５に記載の無線通信システム。
【請求項７】
前記不揮発性記憶手段は複数の異なった重み係数行列を記憶し、
前記重み付け処理手段は、前記検出手段が異常を検出したときには、前記不揮発性記憶手段に記憶されている重み係数行列の中から最適のものを適宜選択して送信信号を重み付けする、
ことを特徴とする請求項５に記載の無線通信システム。
【請求項８】
前記不揮発性記憶手段は角度が異なる複数の回転行列を記憶し、
前記重み付け処理手段は、前記検出手段が異常を検出したときには、前記不揮発性記憶手段に記憶されている回転行列の中から、正規化前の重み係数行列に最も近い角度を持つ回転行列を選択して送信信号を重み付けする、
ことを特徴とする請求項５に記載の無線通信システム。
【請求項９】
前記重み係数行列演算手段は、該取得したチャネル情報行列の共分散行列から求まる固有値を基に固有ベクトルの複数の組を作成し、これらの中から適したものを選択する、
ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
【請求項１０】
前記重み係数行列演算手段は、作成した固有ベクトルの複数の組のうち、最終的に演算誤差の生じる可能性が小さい行列を選択する、
ことを特徴とする請求項９に記載の無線通信システム。
【請求項１１】
前記送信機及び受信機はともに２本のアンテナを備え、
前記重み係数行列演算手段は、該取得したチャネル情報行列ＨをＵＤＶHに特異値分解して得られる行列Ｖを基に重み係数行列を生成し、チャネル情報行列Ｈの共分散行列Ａ＝ＨHＨの各要素を［［ａ11，ａ21］T、［ａ12，ａ22］T］とし、該共分散行列Ａの固有値をλ1、λ2とし（但し、λ1≧λ2）、
ａ11＞ａ22、あるいは、ａ11≧ａ22のときは下式、
【数１】
2008124533.tif 000023
を固有ベクトル［ｖ1，ｖ2］として選択して重み係数行列を求め、
ａ11≦ａ22、あるいは、ａ11＜ａ22のときは下式、
【数２】
2008124533.tif 000024
を固有ベクトル［ｖ1，ｖ2］として選択して重み係数行列を求める、
ことを特徴とする請求項１０に記載の無線通信システム（但し、ｋ1、ｋ2、ｋ3、ｋ4は０以外の任意の値（実数及び複素数を含む））。
【請求項１２】
複数のアンテナを持つ送信機と複数のアンテナを持つ受信機間で空間多重通信を行なう無線通信システムであって、
送受信間の各アンテナ対の伝達関数を要素とするチャネル情報行列を取得するチャネル情報行列取得手段と、
該取得したチャネル情報行列を基に重み係数行列を求める重み係数行列演算手段と、
前記送信機から送信する送信信号に対して該重み係数行列に基づく重み付け処理を行なう重み付け処理手段と、
各送信アンテナの送信信号の電力が規定の値となるように前記重み付け処理手段により重み付けされた送信信号の正規化処理を行なう送信信号正規化手段と、
前記送信機から送信する送信信号に所定の行列を乗算して重み付けを行なう行列積演算手段と、
前記重み付け処理手段又は前記正規化手段による処理における異常の有無を検出する検出手段と、
前記検出手段による検出結果に応じて、前記重み付け処理手段により重み付け処理された送信信号、又は、前記行列積演算手段により求められた送信信号のいずれかを前記送信機から前記受信機へ伝送する伝送手段と、
を具備することを特徴とする無線通信システム。
【請求項１３】
前記検出手段は、前記送信信号正規化手段へ所定の範囲外となる入力信号が入力されたこと、又は、正規化の演算途中でのオーバーフロー又はアンダーフローが発生したことを異常として検出する、
ことを特徴とする請求項１２に記載の無線通信システム。
【請求項１４】
前記行列積演算手段は、行ノルムが保証された重み係数行列をあらかじめ用意して、送信機から送信する送信信号に乗算して重み付けを行なう、
ことを特徴とする請求項１２に記載の無線通信システム。
【請求項１５】
前記行列積演算手段は、単位行列、適当な角度を持った回転行列、鏡像行列、Ｗａｌｓｈ−Ｈａｄａｍａｒｄ行列、又はこれらの２以上の行列を組み合わせた行列をあらかじめ用意する、
ことを特徴とする請求項１４に記載の無線通信システム。
【請求項１６】
複数のアンテナを備え、複数のアンテナを持つ受信機との間で空間多重通信を行なう無線通信装置であって、
送受信間の各アンテナ対の伝達関数を要素とするチャネル情報行列を基に重み係数行列を求める重み係数行列演算手段と、
該重み係数行列の正規化処理を行なう正規化手段と、
前記重み係数行列演算手段又は前記正規化手段による処理における異常の有無を検出する検出手段と、
前記検出手段による検出結果に応じて、送信信号に対して該重み係数行列に基づく重み付け処理を行なう重み付け処理手段と、
該重み付けされた送信信号を前記アンテナから送出する送信手段と、
を具備することを特徴とする無線通信装置。
【請求項１７】
前記正規化手段は、前記重み係数行列演算手段によりチャネル情報行列の共分散行列の固有値から求めた固有ベクトルに対して行ノルムが規定の値となるように正規化を行なう、
ことを特徴とする請求項１６に記載の無線通信装置。
【請求項１８】
前記検出手段は、前記正規化手段へ所定の範囲外となる入力信号が入力されたこと、又は、正規化の演算途中でのオーバーフロー又はアンダーフローが発生したことを異常として検出する、
ことを特徴とする請求項１６に記載の無線通信装置。
【請求項１９】
前記重み付け処理手段は、前記検出手段により処理の異常が検出されたときには、前記重み係数行列演算手段により演算された重み係数行列により送信信号を重み付けすることに代えて、行ノルムが保証された他の重み付け送信信号を出力する、
ことを特徴とする請求項１６に記載の無線通信装置。
【請求項２０】
行ノルムが保証された１以上の重み係数行列をあらかじめ記憶する不揮発性記憶手段をさらに備え、
前記重み付け処理手段は、前記検出手段により処理の異常が検出されたときには、前記不揮発性記憶手段に記憶されている重み係数行列を用いて送信信号を重み付けする、
ことを特徴とする請求項１９に記載の無線通信装置。
【請求項２１】
前記不揮発性記憶手段は、単位行列、適当な角度を持った回転行列、鏡像行列、Ｗａｌｓｈ−Ｈａｄａｍａｒｄ行列、又はこれらの２以上の行列を組み合わせた行列をあらかじめ記憶する、
ことを特徴とする請求項２０に記載の無線通信装置。
【請求項２２】
前記不揮発性記憶手段は複数の異なった重み係数行列を記憶し、
前記重み付け処理手段は、前記検出手段が異常を検出したときには、前記不揮発性記憶手段に記憶されている重み係数行列の中から最適のものを適宜選択して送信信号を重み付けする、
ことを特徴とする請求項２０に記載の無線通信装置。
【請求項２３】
前記不揮発性記憶手段は角度が異なる複数の回転行列を記憶し、
前記重み付け処理手段は、前記検出手段が異常を検出したときには、前記不揮発性記憶手段に記憶されている回転行列の中から、正規化前の重み係数行列に最も近い角度を持つ回転行列を選択して送信信号を重み付けする、
ことを特徴とする請求項２０に記載の無線通信装置。
【請求項２４】
前記重み係数行列演算手段は、該取得したチャネル情報行列の共分散行列から求まる固有値を基に固有ベクトルの複数の組を作成し、これらの中から適したものを選択する、
ことを特徴とする請求項１６に記載の無線通信装置。
【請求項２５】
前記重み係数行列演算手段は、作成した固有ベクトルの複数の組のうち、最終的に演算誤差の生じる可能性が小さい行列を選択する、
ことを特徴とする請求項２４に記載の無線通信装置。
【請求項２６】
２本のアンテナを備えるとともに、前記受信機は２本のアンテナを備えており、
前記重み係数行列演算手段は、該取得したチャネル情報行列ＨをＵＤＶHに特異値分解して得られる行列Ｖを基に重み係数行列を生成し、チャネル情報行列Ｈの共分散行列Ａ＝ＨHＨの各要素を［［ａ11，ａ21］T、［ａ12，ａ22］T］とし、該共分散行列Ａの固有値をλ1、λ2とし（但し、λ1≧λ2）、
ａ11＞ａ22、あるいは、ａ11≧ａ22のときは下式、
【数３】
2008124533.tif 000025
を固有ベクトル［ｖ1，ｖ2］として選択して重み係数行列を求め、
ａ11≦ａ22、あるいは、ａ11＜ａ22のときは下式、
【数４】
2008124533.tif 000026
を固有ベクトル［ｖ1，ｖ2］として選択して重み係数行列を求める、
ことを特徴とする請求項２５に記載の無線通信装置（但し、ｋ1、ｋ2、ｋ3、ｋ4は０以外の任意の値（実数及び複素数を含む））。
【請求項２７】
複数のアンテナを備え、複数のアンテナを持つ受信機との間で空間多重通信を行なう無線通信装置であって、
送受信間の各アンテナ対の伝達関数を要素とするチャネル情報行列を基に重み係数行列を求める重み係数行列演算手段と、
前記アンテナから送信する送信信号に対して該重み係数行列に基づく重み付け処理を行なう重み付け処理手段と、
各送信アンテナの送信信号の電力が規定の値となるように前記重み付け処理手段により重み付けされた送信信号の正規化処理を行なう送信信号正規化手段と、
前記アンテナから送信する送信信号に所定の行列を乗算して重み付けを行なう行列積演算手段と、
前記重み付け処理手段又は前記正規化手段による処理における異常の有無を検出する検出手段と、
前記検出手段による検出結果に応じて、前記重み付け処理手段により重み付け処理された送信信号、又は、前記行列積演算手段により求められた送信信号のいずれかを前記アンテナから送出する送信手段と、
を具備することを特徴とする無線通信装置。
【請求項２８】
前記検出手段は、前記送信信号正規化手段へ所定の範囲外となる入力信号が入力されたこと、又は、正規化の演算途中でのオーバーフロー又はアンダーフローが発生したことを異常として検出する、
ことを特徴とする請求項２７に記載の無線通信装置。
【請求項２９】
前記行列積演算手段は、行ノルムが保証された重み係数行列をあらかじめ用意して、前記アンテナから送信する送信信号に乗算して重み付けを行なう、
ことを特徴とする請求項２７に記載の無線通信装置。
【請求項３０】
前記行列積演算手段は、単位行列、適当な角度を持った回転行列、鏡像行列、Ｗａｌｓｈ−Ｈａｄａｍａｒｄ行列、又はこれらの２以上の行列を組み合わせた行列をあらかじめ用意する、
ことを特徴とする請求項２９に記載の無線通信装置。
【請求項３１】
複数のアンテナを用いて、複数のアンテナを持つ受信機との間で空間多重通信を行なう無線通信方法であって、
送受信間の各アンテナ対の伝達関数を要素とするチャネル情報行列を基に重み係数行列を求める重み係数行列演算ステップと、
該重み係数行列の正規化処理を行なう正規化ステップと、
前記重み係数行列演算ステップ又は前記正規化ステップにおける処理の異常の有無を検出する検出ステップと、
前記検出ステップにおける検出結果に応じて、送信信号に対して該重み係数行列に基づく重み付け処理を行なう重み付け処理ステップと、
該重み付けされた送信信号を前記アンテナから送出する送信ステップと、
を具備することを特徴とする無線通信方法。
【請求項３２】
前記正規化ステップでは、前記重み係数行列演算ステップにおいてチャネル情報行列の共分散行列の固有値から求めた固有ベクトルに対して行ノルムが規定の値となるように正規化を行なう、
ことを特徴とする請求項３１に記載の無線通信方法。
【請求項３３】
前記検出ステップでは、前記正規化ステップに対して所定の範囲外となる入力信号が投入されたこと、又は、前記正規化ステップにおける正規化処理の演算途中でのオーバーフロー又はアンダーフローが発生したことを異常として検出する、
ことを特徴とする請求項３１に記載の無線通信方法。
【請求項３４】
前記重み付け処理ステップでは、前記検出ステップにおいて処理の異常が検出されたときには、前記重み係数行列演算ステップにおいて演算された重み係数行列により送信信号を重み付けすることに代えて、行ノルムが保証された他の重み付け送信信号を出力する、
ことを特徴とする請求項３１に記載の無線通信方法。
【請求項３５】
前記重み付け処理ステップでは、前記検出ステップにおいて処理の異常が検出されたときには、事前に用意された行ノルムが保証されている重み係数行列を用いて送信信号を重み付けする、
ことを特徴とする請求項３４に記載の無線通信方法。
【請求項３６】
前記重み付け処理ステップでは、前記検出ステップにおいて処理の異常が検出されたときには、単位行列、適当な角度を持った回転行列、鏡像行列、Ｗａｌｓｈ−Ｈａｄａｍａｒｄ行列、又はこれらの２以上の行列を組み合わせた行列のいずれかを用いて送信信号を重み付けする、
ことを特徴とする請求項３５に記載の無線通信方法。
【請求項３７】
前記重み付け処理ステップでは、前記検出ステップにおいて異常を検出したときには、事前に用意された行ノルムが保証されている複数の重み係数行列の中から最適のものを適宜選択して送信信号を重み付けする、
ことを特徴とする請求項３５に記載の無線通信方法。
【請求項３８】
前記の事前に用意された重み係数行列は角度が異なる複数の回転行列であり、
前記重み付け処理ステップでは、前記検出ステップにおいて異常を検出したときには、前記複数の回転行列の中から、前記正規化ステップにおいて正規化する前の重み係数行列に最も近い角度を持つ回転行列を選択して送信信号を重み付けする、
ことを特徴とする請求項３５に記載の無線通信方法。
【請求項３９】
前記重み係数行列演算ステップでは、該取得したチャネル情報行列の共分散行列から求まる固有値を基に固有ベクトルの複数の組を作成し、これらの中から適したものを選択する、
ことを特徴とする請求項３１に記載の無線通信方法。
【請求項４０】
前記重み係数行列演算ステップでは、作成した固有ベクトルの複数の組のうち、最終的に演算誤差の生じる可能性が小さい行列を選択する、
ことを特徴とする請求項３９に記載の無線通信方法。
【請求項４１】
２本のアンテナを用いるとともに、前記受信機は２本のアンテナを備えており、
前記重み係数行列演算手段は、該取得したチャネル情報行列ＨをＵＤＶHに特異値分解して得られる行列Ｖを基に重み係数行列を生成し、チャネル情報行列Ｈの共分散行列Ａ＝ＨHＨの各要素を［［ａ11，ａ21］T、［ａ12，ａ22］T］とし、該共分散行列Ａの固有値をλ1、λ2とし（但し、λ1≧λ2）、
ａ11＞ａ22、あるいは、ａ11≧ａ22のときは下式、
【数５】
2008124533.tif 000027
を固有ベクトル［ｖ1，ｖ2］として選択して重み係数行列を求め、
ａ11≦ａ22、あるいは、ａ11＜ａ22のときは下式、
【数６】
2008124533.tif 000028
を固有ベクトル［ｖ1，ｖ2］として選択して重み係数行列を求める、
ことを特徴とする請求項４０に記載の無線通信方法（但し、ｋ1、ｋ2、ｋ3、ｋ4は０以外の任意の値（実数及び複素数を含む））。
【請求項４２】
複数のアンテナを備え、複数のアンテナを持つ受信機との間で空間多重通信を行なう無線通信方法であって、
送受信間の各アンテナ対の伝達関数を要素とするチャネル情報行列を基に重み係数行列を求める重み係数行列演算ステップと、
前記アンテナから送信する送信信号に対して該重み係数行列に基づく重み付け処理を行なう重み付け処理ステップと、
各送信アンテナの送信信号の電力が規定の値となるように前記重み付け処理ステップにおいて重み付けされた送信信号の正規化処理を行なう送信信号正規化ステップと、
前記アンテナから送信する送信信号に所定の行列を乗算して重み付けを行なう行列積演算ステップと、
前記重み付け処理ステップ又は前記正規化ステップで実行する処理における異常の有無を検出する検出ステップと、
前記検出ステップによる検出結果に応じて、前記重み付け処理ステップにおいて重み付け処理された送信信号、又は、前記行列積演算ステップにおいて求められた送信信号のいずれかを前記アンテナから送出する送信ステップと、
を具備することを特徴とする無線通信方法。
【請求項４３】
前記検出ステップでは、前記送信信号正規化ステップの処理へ所定の範囲外となる入力信号が入力されたこと、又は、正規化の演算途中でのオーバーフロー又はアンダーフローが発生したことを異常として検出する、
ことを特徴とする請求項４２に記載の無線通信方法。
【請求項４４】
前記行列積演算ステップでは、行ノルムが保証された重み係数行列を用いて、前記アンテナから送信する送信信号に重み付けを行なう、
ことを特徴とする請求項４２に記載の無線通信装置。
【請求項４５】
前記行列積演算ステップでは、単位行列、適当な角度を持った回転行列、鏡像行列、Ｗａｌｓｈ−Ｈａｄａｍａｒｄ行列、又はこれらの２以上の行列を組み合わせた行列を使用する、
ことを特徴とする請求項４４に記載の無線通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）のように複数の無線局間で相互に通信を行なう無線通信システム、並びに無線通信装置及び無線通信方法に係り、特に、伝送路の多重化により高速なデータ伝送を実現する無線通信システム、並びに無線通信装置及び無線通信方法に関する。
【０００２】
さらに詳しくは、本発明は、複数のアンテナを持つ送信機と複数のアンテナを持つ受信機間で空間多重を利用したＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｉｎｐｕｔ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｏｕｔｐｕｔ）通信により高速なデータ伝送を実現する無線通信システム、並びに無線通信装置及び無線通信方法に係り、特に、チャネル情報行列Ｈの特異値分解（ＳＶＤ：Ｓｉｎｇｕｌａｒ  Ｖａｌｕｅ  Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）を利用したＳＶＤ−ＭＩＭＯ通信方式により、全くクロストーク無しに信号を多重化して伝送する無線通信システム、並びに無線通信装置及び無線通信方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
旧来の有線通信方式における配線から解放するシステムとして、無線ネットワークが注目されている。無線ネットワークに関する標準的な規格として、ＩＥＥＥ（Ｔｈｅ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）８０２．１１やＩＥＥＥ８０２．１５を挙げることができる。
【０００４】
ＩＥＥＥ８０２．１１ａ／ｇの規格では最大で５４Ｍｂｐｓの通信速度を達成する変調方式をサポートしているが、最近ではさらなる高ビットレートを実現できる次世代の無線ＬＡＮ規格が求められている。
【０００５】
無線通信の高速化を実現する技術の１つとして、ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ−Ｉｎｐｕｔ  Ｍｕｌｔｉ−Ｏｕｔｐｕｔ）通信が注目を集めている。これは、送信機側と受信機側の双方において複数のアンテナ素子を備え、空間多重したストリームを実現する通信方式である。ＭＩＭＯ通信方式によれば、周波数帯域を増大させることになく、アンテナ本数に応じて伝送容量の拡大を図り、通信速度向上を達成することができる。また、空間多重を利用するので、周波数利用効率はよい。ＭＩＭＯはチャネル特性を利用した通信方式であり、単なる送受信アダプティブ・アレーとは相違する。
【０００６】
例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ／ｇの拡張規格であるＩＥＥＥ８０２．１１ｎでは、１次変調にＯＦＤＭを用いたＯＦＤＭ＿ＭＩＭＯ方式が採用されており、１００〜６００Ｍｂｐｓの伝送速度で通信が可能となっている。現在では、２００５年１０に月に設立された業界団体ＥＷＣ（Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｃｏｎｓｏｒｔｉｕｍ）によって、ＭＩＭＯをベースにしたＩＥＥＥ８０２．１１ｎ仕様の開発やプロモーションが行なわれている。
【０００７】
ＭＩＭＯ通信システムは、何らかの方法により送受信間のチャネル情報行列Ｈを取得するとともに、さらに所定のアルゴリズムによってチャネル情報行列Ｈを用いて送信時に空間多重された伝送信号から元の複数のストリームに空間分離を行なうことにより構成される。
【０００８】
チャネル情報行列Ｈは、通常、送受信間の各アンテナ対で既知のトレーニング系列を送受信し、実際に受信された信号と既知系列との差分によってチャネルの伝達関数を推定し、送受アンテナ組み合わせ分の伝達関数を行列形式に並べたものである。送信側アンテナ本数がＭで受信側アンテナ本数がＮのときは、チャネル情報行列はＮ×Ｍ（行×列）の行列となる。
【０００９】
また、受信信号を空間分離する方法は、受信機がチャネル情報行列Ｈに基づいて独立して空間分離を行なうオープンループ型と、送信機側でもチャネル情報行列に基づいて送信アンテナ重みを掛けて受信機に向けた適切なビーム形成を行なうことによって理想的な空間直交チャネルを作り出すクローズドループ型に大別される。クローズドループ型のＭＩＭＯ伝送の理想的な形態の１つとして、チャネル情報行列Ｈの特異値分解（ＳＶＤ：Ｓｉｎｇｕｌａｒ  Ｖａｌｕｅ  Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）を利用したＳＶＤ−ＭＩＭＯ通信方式が知られている。
【００１０】
図７には、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ通信システムを概念的に示している。ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送では、各アンテナ対に対応するチャネル情報（伝達関数）を要素としたチャネル情報行列Ｈを特異値分解してＵＤＶHを求め、送信側のアンテナ重み係数行列としてＶを与えるとともに、受信側のアンテナ重み係数行列としてＵHを与える（上付きのＨは複素共役転置を表す）。
【００１１】
ここで、Ｄはチャネル情報行列Ｈの共分散行列Ａの固有値λiの平方根を対角要素に持つ対角行列であり（添え字ｉはｉ番目の空間ストリームを意味する）、各固有値λiは対応する空間ストリームの品質に相当する。対角行列Ｄの対角要素に値の大きい順に特異値λiを並べ、各ストリームに対し特異値の大きさで表される通信品質に応じた電力比配分や変調方式の割り当てを施すことによって、空間直交多重された論理的に独立した複数の伝送路を実現し、受信機側では元の複数の信号系列を全くクロストークなしに取り出すことができ、理論上は最高のパフォーマンスを達成する。
【００１２】
図７に示す例では、送信機はＭ本の送信アンテナを備えており、送信データをＫ本の送信ストリームに分配するとともにこれらを空間／時間符号を施して多重化し、各送信アンテナに分配してチャネルに送信する。このときの送信信号ｘ’はＭ×１のベクトルで表される。また、受信機はＮ本の受信アンテナを備え、Ｎ×１のベクトルで表される受信信号ｙ’を空間／時間復号して、ストリーム間のクロストークなしにＫ本の受信ストリームからなる受信データを得る。この場合のチャネル情報行列はＮ×Ｍの行列Ｈとして表され、理想的には、送受信アンテナのうち少ない方の数（ＭＩＮ［Ｍ，Ｎ］）だけの空間ストリームが形成される。
【００１３】
チャネル情報行列Ｈの要素ｈijは、ｊ番目の送信アンテナからｉ番目の受信アンテナへの伝達関数である（但し、ｉは１〜Ｎの性の整数であり、ｊは１〜Ｍの正の整数である）。そして、受信信号ベクトルｙ’は、下式（１）のように、送信信号ベクトルにチャネル情報行列を掛け、雑音ベクトルｎを加算して表される。
【００１４】
【数１】
2008124533.tif 000003
【００１５】
上述したようにチャネル情報行列Ｈを特異値分解すると、下式（２）のように表される。
【００１６】
【数２】
2008124533.tif 000004
【００１７】
ここで、送信側のアンテナ重み係数行列Ｖと受信側のアンテナ重み係数行列ＵHは、それぞれ下式（３）、（４）を満たすユニタリ行列である。但し、Ｉは単位行列を表す。
【００１８】
【数３】
2008124533.tif 000005
【００１９】
すなわち、ＨＨHの正規化された固有ベクトルを並べたものが受信側のアンテナ重み係数行列ＵHであり、ＨHＨの正規化された固有ベクトルを並べたものが送信側のアンテナ重み係数行列Ｖである。また、Ｄは対角行列でありＨHＨ又はＨＨHの固有値λの平方根を対角成分に持つ。つまり、対角行列Ｄは送信アンテナ数Ｍと受信アンテナ数Ｎのうち小さい数をＬ（＝ｍｉｎ（Ｍ，Ｎ））として、下式（５）に示すようなＬ×Ｌの正方行列となる。
【００２０】
【数４】
2008124533.tif 000006
【００２１】
図７に示したシステムでは、送信機は送信時のアンテナ重み係数行列Ｖを用いて重み付け送信を行なうとともに、受信機はＵHを受信時のアンテナ重み係数行列として重みを付け受信を行なう。したがって、ＵとＶがユニタリ行列であることから（ＵはＮ×Ｌ、ＶはＭ×Ｌ）、受信信号ｙは下式（６）の通りとなる。
【００２２】
【数５】
2008124533.tif 000007
【００２３】
ここで、受信信号ｙと送信信号ｘは、送信アンテナと受信アンテナの数で決まるベクトルではなく、（Ｌ×１）ベクトルである。Ｄは対角行列なので、ストリーム毎の送信信号がクロストークすることなしに受信することができる。そして、行列Ｄの対角要素は固有値λiの平方根となるので、各受信信号の電力はλiに比例する。また雑音成分ｎも、Ｕの列はノルムが１に正規化された固有ベクトルなので、ＵHｎはその雑音電力を変えるものではない。サイズとしては、ＵHｎは（Ｌ×１）ベクトルとなり、ｙ及びｘと同じサイズである。
【００２４】
このようにＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送では、同一の周波数及び同一の時間でありながら、クロストークのない複数の独立な論理的なパスを得ることができる。つまり、同時刻に同一周波数を使用して、複数のデータを無線通信で伝送することが可能となり、伝送速度の向上を実現することができる。
【００２５】
上述したように、送信機におけるアンテナ重み付けの方法、特にＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送（固有モード伝送）のための重み付け方法は数式で表すことができる。通常の実機では、現実的な回路規模で構成された演算回路を用いて実時間での処理を行なう必要から、チャネル情報行列Ｈから重み係数行列の算出には整数演算が行なわれる。整数演算は実数演算と異なり、語長制限の影響により演算誤差の増大や、オーバーフローやアンダーフローなどの問題が発生し、重み係数行列の行ノルムが大きく変動する可能性が大きい。
【００２６】
一方、無線送信機の送信出力には電波法規制などにより上限が設定されているのが一般的である。ここで、送信出力は通信距離に直結しているため、通常はこの上限を超えない範囲で出来るだけ大きな出力で送信を行なうことになる。前述の重み付け送信を行なう送信機においても、重み係数行列として行ノルムが１に正規化された行列Ｖを用いることで、どのような重み係数行列に対しても、送信出力が変動しないように（すなわち上限を超えないように）している。
【００２７】
しかしながら、重み係数行列を演算する過程において、前述のような整数演算などに伴う演算誤差やオーバーフローなどが発生した場合には、重み係数行列が想定外の値となる可能性がある。送信機は、送信信号に対して想定外となる大きな値の送信重み係数行列を乗算し、この結果、送信出力の上限を超えてしまい、電波法の規制に抵触してしまうおそれがある。
【００２８】
【特許文献１】特開２００５−１６００３０、段落００１１〜００２６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２９】
本発明の目的は、複数のアンテナを持つ送信機と複数のアンテナを持つ受信機間で空間分割多重を利用したＭＩＭＯ通信により高速なデータ伝送を実現することができる、優れた無線通信システム、並びに無線通信装置及び無線通信方法を提供することにある。
【００３０】
本発明のさらなる目的は、チャネル情報行列Ｈの特異値分解を利用したＳＶＤ−ＭＩＭＯ通信方式により、全くクロストーク無しに信号を多重化して伝送することができる、優れた無線通信システム、並びに無線通信装置及び無線通信方法を提供することにある。
【００３１】
本発明のさらなる目的は、送信機において語調制限された整数演算回路を用いて重み係数行列を計算して、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送により伝送速度の向上を実現することができる、優れた無線通信システム、並びに無線通信装置及び無線通信方法を提供することにある。
【００３２】
本発明のさらなる目的は、送信機において語調制限された整数演算回路を用いて重み係数行列を求める際の、演算誤差やオーバーフローに伴う重み係数行列の行ノルムの変動を抑制することによって、送信電力が上限値を超える可能性を減らして、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送により伝送速度の向上を実現することができる、優れた無線通信システム、並びに無線通信装置及び無線通信方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第１の側面は、複数のアンテナを持つ送信機と複数のアンテナを持つ受信機間で空間多重通信を行なう無線通信システムであって、
送受信間の各アンテナ対の伝達関数を要素とするチャネル情報行列を取得するチャネル情報行列取得手段と、
該取得したチャネル情報行列を基に重み係数行列を求める重み係数行列演算手段と、
該重み係数行列に関する正規化処理を行なう正規化手段と、
前記重み係数行列演算手段又は前記正規化手段による処理における異常の有無を検出する検出手段と、
前記検出手段による検出結果に応じて、前記送信機から送信する送信信号に対して該重み係数行列に基づく重み付け処理を行なう重み付け処理手段と、
を具備することを特徴とする無線通信システムである。
【００３４】
但し、ここで言う「システム」とは、複数の装置（又は特定の機能を実現する機能モジュール）が論理的に集合した物のことを言い、各装置や機能モジュールが単一の筐体内にあるか否かは特に問わない（以下、同様）。
【００３５】
無線通信の高速化を実現する技術の１つとして、ＭＩＭＯ通信が広く知られている。なかでも、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ通信方式によれば、各アンテナ対に対応するチャネル情報を要素としたチャネル情報行列Ｈを特異値分解してＵＤＶHを求め、送信側のアンテナ重み係数行列としてＶを与えるとともに、受信側のアンテナ重み係数行列としてＵHを与えることで、空間直交多重された論理的に独立した複数の伝送路を実現し、受信機側では元の複数の信号系列を全くクロストークなしに取り出すことが可能であり、理論上は最高のパフォーマンスを達成することができる。
【００３６】
ここで、送信機におけるアンテナ重み付けの方法は数式で表され、通常の実機では、現実的な回路規模で構成された演算回路を用いて実時間での処理を行なう必要から、チャネル情報行列Ｈから重み計数行列の算出には整数演算が行なわれる。整数演算は実数演算と異なり、語長制限の影響により演算誤差の増大や、オーバーフローやアンダーフローなどの問題が発生し、重み係数行列の行ノルムが大きく変動する可能性が大きい。このため、重み係数行列として行ノルムが１に正規化された行列を用いるにも拘わらず、重み係数行列算出時に発生する演算誤差やオーバーフローなどのために、想定外に大きな重み係数行列が算出され、送信信号の出力が電波法などで規制される上限値を超えてしまう危険がある。
【００３７】
そこで、本発明に係る無線通信システムでは、重み係数行列演算手段や正規化手段などの演算手段は整数演算モジュールにより構成されるが、正規化手段は重み係数行列を演算する処理の最終段において重み係数行列の正規化処理を行なうことで、重み係数行列演算で混入する演算誤差やオーバーフローの影響を小さくするようにしている。
【００３８】
具体的には、正規化手段は、重み係数行列演算手段においてチャネル情報行列の共分散行列の固有値から求めた固有ベクトルに対して正規化を行なう。あるいは、重み付け処理手段において重み係数行列に基づく重み付け処理を行なった後の送信信号ベクトルに対して正規化を行なうようにする。
【００３９】
このような正規化手段が正しく動作すれば出力される重み係数行列の行ノルムは常に一定の値になる。しかしながら、語長制限された整数演算においては、重み係数行列演算手段への入力信号が想定の範囲を超えるような場合には、演算誤差の発生や、演算の途中でオーバーフローやアンダーフローが発生する可能性があり、正しい動作が必ずしも保証されている訳ではない。特に、正規化処理は２乗和の平方根を基に割算を行なうことから、大き過ぎる入力や小さ過ぎる入力に対する演算誤差が大きくなる可能性が高い。
【００４０】
そこで、前記検出手段は、前記正規化手段へ所定の範囲外となる入力信号が入力されたこと、又は、正規化の演算途中でのオーバーフロー又はアンダーフローが発生したことを異常として検出するようにしている。
【００４１】
そして、前記検出手段により正規化処理の異常が検出されたときには、前記重み係数行列演算手段により演算された重み係数行列により送信信号を重み付けすることに代えて、行ノルムが保証された他の重み付け送信信号を出力することによって、送信電力が電波法規制で設定される上限を超える危険を回避することができる。
【００４２】
例えば、行ノルムが保証された１以上の重み係数行列をあらかじめ記憶する不揮発性記憶手段をさらに備え、前記重み付け処理手段は、前記検出手段により正規化処理の異常が検出されたときには、前記不揮発性記憶手段に記憶されている重み係数行列を用いて送信信号を重み付けすることによって、送信電力が電波法規制で設定される上限を超える危険を回避する。
【００４３】
行ノルムが保証された重み係数行列は、例えば単位行列や、適当な角度を持った回転行列、鏡像行列、Ｗａｌｓｈ−Ｈａｄａｍａｒｄ行列、又はこれらの２以上の行列を組み合わせた行列などである。
【００４４】
また、前記不揮発性記憶手段は複数の異なった重み係数行列を記憶しておき、前記重み付け処理手段は、検出手段が異常を検出したときには、前記不揮発性記憶手段に記憶されている重み係数行列の中から最適のものを適宜選択して送信信号を重み付けするようにしてもよい。
【００４５】
具体的には、前記不揮発性記憶手段は角度が異なる複数の回転行列を記憶しておき、前記重み付け処理手段は、検出手段が異常を検出したときには、前記不揮発性記憶手段に記憶されている回転行列の中から、正規化前の重み係数行列に最も近い角度を持つ回転行列を選択して送信信号を重み付けするようにする。
【００４６】
また、該取得したチャネル情報行列の共分散行列から求まる固有値を基に、固有ベクトルの複数の組を作成することができる。前記重み係数行列演算手段は、これらの中から適したもの、すなわち最終的に演算誤差の生じる可能性が小さい行列を選択するようにしてもよい。
【００４７】
また、本発明の第２の側面は、複数のアンテナを持つ送信機と複数のアンテナを持つ受信機間で空間多重通信を行なう無線通信システムであって、
送受信間の各アンテナ対の伝達関数を要素とするチャネル情報行列を取得するチャネル情報行列取得手段と、
該取得したチャネル情報行列を基に重み係数行列を求める重み係数行列演算手段と、
前記送信機から送信する送信信号に対して該重み係数行列に基づく重み付け処理を行なう重み付け処理手段と、
前記重み付け処理手段により重み付けされた送信信号の正規化処理を行なう送信信号正規化手段と、
前記送信機から送信する送信信号に所定の行列を乗算して重み付けを行なう行列積演算手段と、
前記重み付け処理手段又は前記正規化手段による処理における異常の有無を検出する検出手段と、
前記検出手段による検出結果に応じて、前記重み付け処理手段により重み付け処理された送信信号、又は、前記行列積演算手段により求められた送信信号のいずれかを前記送信機から前記受信機へ伝送する伝送手段と、
を具備することを特徴とする無線通信システムである。
【００４８】
本発明の第２の側面に係る無線通信システムでは、前記検出手段は、前記送信信号正規化手段へ所定の範囲外となる入力信号が入力されたこと、又は、正規化の演算途中でのオーバーフロー又はアンダーフローが発生したことを異常として検出する。また、前記行列積演算手段は、行ノルムが保証された重み係数行列をあらかじめ用意して、送信機から送信する送信信号に乗算して重み付けを行なう。そして、異常が検出された際には、前記重み付け処理手段により重み付け処理された送信信号に代えて、前記行列積演算手段により求められた送信信号を送信機から受信機へ伝送することによって、正規化処理の際に混入する演算誤差やオーバーフローの影響を小さくするようにしている。
【発明の効果】
【００４９】
本発明によれば、チャネル情報行列Ｈの特異値分解を利用したＳＶＤ−ＭＩＭＯ通信方式により、全くクロストーク無しに信号を多重化して伝送することができる、優れた無線通信システム、並びに無線通信装置及び無線通信方法を提供することができる。
【００５０】
また、本発明によれば、送信機において語調制限された整数演算回路を用いて重み係数行列を求める際の、演算誤差やオーバーフローに伴う重み係数行列の行ノルムの変動を抑制することによって、送信電力が上限値を越える可能性を減らして、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送により伝送速度の向上を実現することができる、優れた無線通信システム、並びに無線通信装置及び無線通信方法を提供することができる。
【００５１】
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５２】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。
【００５３】
図１には、本発明の一実施形態に係る無線通信システムの構成を模式的に示している。図示の無線通信システムは、それぞれ２本のアンテナを持つ端末１及び端末２で構成され、空間分割多重を利用したＭＩＭＯ通信が行なわれる。端末１から端末２への伝送を下り方向すなわち「ダウンリンク」、端末２から端末１への伝送を上り方向すなわち「アップリンク」と位置付けることにする。
【００５４】
なお、以下ではシングルキャリア通信を例にとって説明するが、勿論、ＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：直交周波数分割多重）変調方式に代表されるマルチキャリア通信に対しても同様に本発明を適用することができる。また、図示した２×２以外のアンテナ構成の通信システムであっても、同様に本発明を適用することができる。
【００５５】
無線ＬＡＮなどでは、通常、通信端末間で伝送路が時分割多重で用いられる。時分割多重通信において、上り方向と下り方向の通信がほぼ同じ時間で行なわれ、チャネルが変動する速度に比べて非常に短い時間間隔の中で各方向の通信が行なわれている場合には、上り方向と下り方向でチャネルが可逆、すなわちチャネルの対称性を仮定することができる。このような場合、上り方向のチャネル情報行列Ｈupと下り方向のチャネル情報行列Ｈdnの間には下式（７）が成り立つ。但し、上付きのＴは行列の転置を表す。
【００５６】
【数６】
2008124533.tif 000008
【００５７】
端末１から端末２に向けてＳＶＤ−ＭＩＭＯ通信を行なう場合、端末１はダウンリンクでのチャネル重み係数行列Ｖdnを取得する必要がある。端末１内のチャネル情報行列推定部１１は、例えば端末２の各アンテナから時分割で送られてくる既知トレーニング系列を端末１側の各アンテナで受信して得られる送受信アンテナの組み合わせ毎の伝達関数を求め、これらの伝達関数をアンテナの配列に従ってマトリクスを構成することで、トレーニング期間を利用してアップリンクでのチャネル情報行列Ｈupを推定することができる。
【００５８】
上式（７）に示したように、ダウンリンクでのチャネル情報行列Ｈdnはアップリンクでのチャネル情報行列Ｈupの転置行列（すなわちＨupT）である。そして、端末１内の重み係数行列演算部１２は、このチャネル情報行列Ｈdnをさらに下式（８）のように特異値分解することによって、重み係数行列Ｖdnを求めることができる。
【００５９】
【数７】
2008124533.tif 000009
【００６０】
このようにして、重み係数行列Ｖdnを得ると、端末１からＭＩＭＯ方式によりデータ伝送を行なう際には、重み付け部１３は、下式（９）に示すように、送信信号を送信アンテナ毎に分配した送信信号ベクトルｘに対して重み係数行列Ｖdnを複素乗算して、空間多重した送信信号ベクトルｘ’を求め、これを各アンテナから送出する。
【００６１】
【数８】
2008124533.tif 000010
【００６２】
上述した説明では、データ送信元である端末１側では端末２からのトレーニング信号を利用して重み係数行列Ｖdnを算出することでＭＩＭＯ通信システムが構成されるが、他の実現方法により構成することも可能である。例えば、端末２側に上記と同様のチャネル情報推定部（図示しない）を備え、このチャネル情報推定部が例えば端末１から受信したトレーニング系列を基にダウンリンクのチャネル情報行列Ｈdnを推定して端末１に通知するようにしてもよい。あるいは、端末２側でさらに上記と同様の重み係数行列演算部を備えてチャネル情報行列Ｈdnから重み係数行列Ｖdnを計算してこれを端末１に通知するように構成することができる。以下では、便宜上、送信側となる端末１にチャネル情報推定部及び重み係数行列演算部を配置した実施形態について説明するが、これらの機能モジュールを受信側となる端末２側に配置することも可能である。
【００６３】
図２には、端末１内の重み係数行列演算部１２の構成例を示している。ここで、図１に示したように、ＭＩＭＯ通信システムが送信アンテナ及び受信アンテナがともに２本で構成される場合を例にとって、端末１内の重み係数行列演算部１２においてダウンリンク送信時のアンテナ重み係数行列Ｖdnを求める算出方法について説明する。
【００６４】
まず、共分散行列演算部１２１は、チャネル情報推定部１１で推定されたアップリンクのチャネル情報行列Ｈupの転置行列からなるダウンリンクのチャネル情報行列Ｈdnに対し、その複素共役転置行列ＨdnHを乗算して、共分散行列Ａを計算する。ここで、共分散行列Ａの各要素を下式（１０）のように定義する。
【００６５】
【数９】
2008124533.tif 000011
【００６６】
ここで、λを共分散行列Ａの固有値とし、ｖを固有ベクトルとすると、以下の式（１１）、（１２）に示す関係が成り立つ。
【００６７】
【数１０】
2008124533.tif 000012
【００６８】
ｄｅｔは行列式を表す。そして、上式（１０）及び（１２）より、以下に示す２次方程式（１３）を得ることができる。
【００６９】
【数１１】
2008124533.tif 000013
【００７０】
固有値演算部１２２は、この２次方程式（１３）を解いて、共分散行列Ａの固有値λ1及びλ2を求める。既に述べたように、Ｄdnはこれらの固有値λ1及びλ2それぞれの平方根を対角項に持つ対角行列である。
【００７１】
続いて、固有ベクトル演算部１２３は、これらの固有値λ1及びλ2を上式（１１）に代入して、固有ベクトルを求める。ここで求まる固有ベクトルとしては多数の組み合わせが存在する。その１つは、次式（１４）で表される。
【００７２】
【数１２】
2008124533.tif 000014
【００７３】
正規化部１２４は、この固有ベクトルを正規化して、重み係数行列Ｖdnを得る。ここで正規化を行なうのは、後段の重み付け部１３において重み係数行列として行ノルムが１となるように正規化された行列を用いることで、どのような重み係数行列に対しても、送信出力が変動しないように（上限を超えないように）するためである。重み係数行列Ｖdnは、下式（１５）又は（１６）のいずれかとなる。
【００７４】
【数１３】
2008124533.tif 000015
【００７５】
【数１４】
2008124533.tif 000016
【００７６】
後段の重み付け部１３は、上記の重み係数行列Ｖdnを基に、送信信号ベクトルｘに対して重み付けを行なう。
【００７７】
上述したようなアンテナ重み係数行列Ｖdnの計算を現実的な回路規模で構成された演算回路を用いて実時間での処理を行なう必要から、実機上では整数演算が行なわれる。整数演算は実数演算と異なり、語長制限の影響により演算誤差の増大や、オーバーフローやアンダーフローなどが生じることにより、重み係数行列Ｖdnの行ノルムが大きく変動する可能性が大きい。この結果、重み係数行列が想定外の値となり、端末１において送信出力が電波法の規制する上限を越える危険がある。
【００７８】
これに対し、本実施形態では、図２に示したように、重み係数行列演算部１２の最終段で正規化を行なうことで、重み係数行列Ｖdnの行ノルムの変動を効果的に抑制するようにしている。仮に正規化よりも前の演算において演算誤差などが混入したとしても、正規化部１２４における正規化が正しく動作すれば、出力される重み係数行列Ｖdnの行ノルムは常に一定の値になる。
【００７９】
上述したように重み係数行列演算の最終段で重み係数行列Ｖdnの正規化を行なう方法との対比として、例えばアップリンクのチャネル情報行列ＨUPに対して特異値分解を行ない（ＨUP＝ＵUPＤUPＶUPH）、上述と同様にしてＤUP及びＶUPを求め（但し、ＶUPは最終段で正規化する）、次式の関係からダウンリンク時の送信用アンテナ重み係数行列Ｖdnを求めることができる。
【００８０】
【数１５】
2008124533.tif 000017
【００８１】
この場合、正規化した後にさらに演算を行なうため、演算誤差により送信用アンテナ重み係数行列Ｖdnの行ノルムの変動が発生する可能性が高くなる。
【００８２】
よって、図２に示したように、重み係数行列演算部１２では、最終段で重み係数行列Ｖdnの正規化を行なうことで、出力される重み係数行列Ｖdnの行ノルムの変動を抑制することが可能となる。
【００８３】
ここまでは、正規化が正しく動作すれば出力される重み係数行列Ｖdnの行ノルムは常に一定の値になるとして説明してきた。しかしながら、語長制限された整数演算においては、重み係数行列演算部１２の正しい動作が必ずしも保証されている訳ではない。例えば、重み係数行列演算部１２への入力信号が想定の範囲を超えるような場合には、演算誤差の発生や、演算の途中でオーバーフローやアンダーフローが発生する可能性がある。特に、最終段の正規化部１２４は、２乗和の平方根を基に割算を行なうため（例えば、上式（１５）、（１６）を参照のこと）、大き過ぎる入力や小さ過ぎる入力に対する演算誤差が大きくなる可能性が高い。
【００８４】
そこで、本実施形態では、このような問題にも対応するために、重み係数行列演算部１２は、以下のような異常な事態の発生を検出する検出器１２６を備えている。
【００８５】
（１）正規化部１２４への入力信号が想定の範囲外（大き過ぎ、又は小さ過ぎ）。
（２）正規化の演算途中でのオーバーフロー又はアンダーフロー。
【００８６】
これらの事態が検出された場合には、出力される重み係数行列の行ノルムが想定される値とは大きく異なり、送信電力が電波法規制で設定される上限を超える可能性が高くなる。このため、スイッチ１２７は、検出器１２６による検出出力に応じて、正規化部１２４による演算結果に代えて、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）１２５内にあらかじめ格納されているデフォルトの重み係数行列を後段の重み付け部１３に出力するようになっている。
【００８７】
ここで、ＲＯＭ１２５内には、正規化されている重み係数行列を用意しておくことにより、行ノルムは想定通りとなる。また、ＲＯＭ１２５にあらかじめ格納する重み係数行列として、例えば単位行列や、適当な角度を持った回転行列、鏡像行列、Ｗａｌｓｈ−Ｈａｄａｍａｒｄ行列、又はこれらの２以上の行列を組み合わせた行列などを用いることができる。
【００８８】
また、ＲＯＭ１２５内に複数の異なった重み係数行列を用意しておき、検出器１２６が正規化部１２４への入力信号や演算の途中結果などを基に異常を検出したときには、ＲＯＭ１２５内の重み係数行列の中から最も適していると思われるものを適宜選択して、正規化部１２４の演算結果に代えて出力するようにしても良い。例えば、複数の角度を持った回転行列をＲＯＭ１２５内に用意しておき、正規化を行なう前の重み係数行列に最も近い角度を持つ回転行列を選択しても良い。
【００８９】
図３には、重み係数行列演算部１２についての他の構成例を示している。固有値演算部１２２が算出した固有値λ1及びλ2を上式（１１）に代入して、固有ベクトルとして多数の組み合わせが存在することは既に述べた通りである。図３に示した構成例では、固有ベクトル演算部１２３は、固有値λ1及びλ2を演算して得られる固有ベクトルの複数の組を作成し、これらの中から適したものをスイッチ１２８で選択して、後続の正規化部１２４に出力するようになっている。
【００９０】
スイッチ１２８において複数の固有ベクトルから選択する選択基準として、例えば「最終的に演算誤差の生じる可能性が小さい行列」を挙げることができる。
【００９１】
固有ベクトルの１つとして上式（１４）を既に挙げたが、さらに次式（１７）も固有ベクトルである。
【００９２】
【数１６】
2008124533.tif 000018
【００９３】
正規化部１２４において上式（１７）に示す固有ベクトルを正規化すると、上述と同様に、下式（１８）又は（１９）に示す重み係数行列Ｖdnを求めることができる。
【００９４】
【数１７】
2008124533.tif 000019
【００９５】
【数１８】
2008124533.tif 000020
【００９６】
ここで、チャネル情報行列Ｈが縮退するようなケースについて考察してみる。この場合、固有値λ2が０となるので、上式（１４）及び（１７）はそれぞれ以下の式（２０）及び（２１）の通りとなる。
【００９７】
【数１９】
2008124533.tif 000021
【００９８】
【数２０】
2008124533.tif 000022
【００９９】
このとき、共分散行列の要素ａ22が０に近いような場合には、上式（１５）中のｓ2、あるいは式（１６）中のｔ1が０に近くなる可能性が高い。分母が０に近くなると、整数除算の演算誤差は一般に大きくなる。そのため、この場合は式（２０）に示した固有ベクトルから重み係数行列Ｖdnの正規化演算を行なう方が、式（２１）に示した固有ベクトルから重み係数行列Ｖdnの正規化演算を行なうよりも、最終的に誤差を持つ可能性が高くなる。
【０１００】
一方、共分散行列の要素ａ11が０に近いような場合には、上式（１８）中のｓ2、あるいは式（２０）中のｔ2が０に近くなる可能性が高くなるため、この場合は式（２１）に示した固有ベクトルから重み係数行列Ｖdnの正規化演算を行なう方が、式（２０）に示した固有ベクトルから重み係数行列Ｖdnの正規化演算を行なうよりも、最終的に誤差を持つ可能性が高くなる。
【０１０１】
したがって、チャネル情報行列Ｈが縮退するような通信環境下では、複数の固有ベクトルの中から「最終的に演算誤差の生じる可能性が小さい行列」を選択するという選択基準に従い、スイッチ１２８において以下のようなスイッチング制御を行なうことで、演算誤差を減らすことができる。
【０１０２】
（１）ａ11＞ａ22、あるいは、ａ11≧ａ22のときは式（１７）に示した固有ベクトルの組を選択して、正規化部１２４に供給する。
（２）ａ11≦ａ22、あるいは、ａ11＜ａ22のときは式（１４）に示した固有ベクトルの組を選択して、正規化部１２４に供給する。
【０１０３】
ここまでの説明では、重み係数行列演算部１２で正規化を行なうことについて述べてきたが、図４に示すように、重み係数行列演算部１２では正規化を行なわずに重み係数行列を出力し、重み付けした後の送信信号に対して（重み係数行列演算部１２の外に配置されている）送信信号正規化部１８で正規化を行なうように構成することができる。
【０１０４】
図２に示した構成例では、重み係数行列演算部１２の最終段で正規化を行なうことで、整数演算により重み係数行列を計算する際の演算誤差やオーバーフローの影響を小さくして、重み係数行列Ｖdnの行ノルムの変動を効果的に抑制するようにしている。これに対し、図４に示した構成例では、固有ベクトルで送信信号ベクトルｘを重み付けした後に、送信信号正規化部１８で正規化処理を行なうようになっており、同様に演算誤差やオーバーフローの影響を小さくして、重み係数行列Ｖdnの行ノルムの変動を効果的に抑制することができる。
【０１０５】
図４に示す重み係数行列演算部１２は、例えば図５又は図６に示すような構成になる。
【０１０６】
図５に示す構成例では、重み係数行列演算部１２内において、共分散行列演算部１２１はダウンリンクのチャネル情報行列から共分散行列を計算し、固有値１２２は共分散行列Ａの固有値を求め、固有ベクトル演算部１２３は固有ベクトルを演算して、出力する。
【０１０７】
固有ベクトルとしては、多数の組み合わせが存在する（前述）。図６に示した構成例では、固有値λ1及びλ2を演算して得られる固有ベクトルの複数の組を用意し、これらの中から適したものをスイッチ１２８で選択して、後続の重み付け部１２４に出力する。スイッチ１２８において複数の固有ベクトルから選択する選択基準として、例えば「最終的に演算誤差の生じる可能性が小さい行列」を挙げることができる（同上）。
【０１０８】
図５又は図６に示した重み係数行列演算部１２から重み係数行列Ｖdnが出力されると、後続の重み付け部１３では、送信アンテナ毎に送信データを分配してなる送信信号ベクトルｘに対して重み係数行列Ｖdnを複素乗算して重み付け処理を行なう。続いて、送信信号を重み付けした後に送信信号正規化部１８により送信信号の正規化処理を行なう。
【０１０９】
正規化が正しく動作すれば、出力される送信ベクトルのノルムは常に一定の値になる。しかしながら、送信信号正規化部１８での処理は正しい動作が必ずしも保証されている訳ではない。何故ならば、２乗和の平方根を基にした割算などが含まれ、かかる処理を語長制限された整数演算により実施する際、入力信号が想定の範囲を超えて、演算誤差の発生や、演算の途中でオーバーフローやアンダーフローが発生する可能性があるからである。
【０１１０】
そこで、検出器１５は、以下のような異常な事態の発生を検出する機能を備えている。
【０１１１】
（１）送信信号正規化部１８への入力信号が想定の範囲外（大き過ぎ、又は小さ過ぎ）。
（２）送信信号正規化部１８による正規化の演算途中でのオーバーフロー又はアンダーフロー。
【０１１２】
これらの事態が検出された場合には、出力される重み係数行列の行ノルムが想定される値とは大きく異なり、送信電力が電波法規制で設定される上限を超える可能性が高くなる。このため、スイッチ１６は、検出器１５による検出出力に応じて、送信信号正規化部１８による演算結果に代えて、行列積演算部１７が送信信号ベクトルｘと所定の行列を乗算した行列積を選択し、この行列積の各要素をそれぞれ送信アンテナから送出する。行列積演算部１７は、例えば単位行列や、適当な角度を持った回転行列、鏡像行列、Ｗａｌｓｈ−Ｈａｄａｍａｒｄ行列、又はこれらの２以上の行列を組み合わせた行列など、行ノルムが保証された重み係数行列をあらかじめＲＯＭなどに備えている。この場合、行ノルムが想定外に大きな値となる重み係数行列で送信重み付けを行なわないことから、送信電力が電波法規制で設定される上限を超える可能性は極めて低くなる。
【０１１３】
なお、図４に示す例では、行列積演算部１７では正規化した重み係数行列をあらかじめ用意してもよいし、送信信号を重み付けした後に正規化するようにしてもよい。
【０１１４】
また、図４に示した回路構成においても、ＲＯＭ（図示しない）内にあらかじめ重み係数行列を格納しておき、語長制限の影響により演算誤差の増大や、オーバーフローやアンダーフローなどの問題が発生したことを検出して、送信信号正規化部１８による演算結果に代えて、ＲＯＭからデフォルトの重み係数行列を後段の重み付け部１３に出力することによって、重み係数行列の行ノルムが想定外に変動することを防止できる。ＲＯＭにあらかじめ格納する重み係数行列として、例えば単位行列や、適当な角度を持った回転行列、鏡像行列、Ｗａｌｓｈ−Ｈａｄａｍａｒｄ行列、又はこれらの２以上の行列を組み合わせた行列などを用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１５】
以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。すなわち、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１１６】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る無線通信システムの構成を模式的に示した図である。
【図２】図２は、重み係数行列演算部１２の構成例を示した図である。
【図３】図３は、重み係数行列演算部１２についての他の構成例を示した図である。
【図４】図４は、重み係数行列演算部１２では正規化を行なわずに重み係数行列を出力し、重み付けした後の送信信号に対して送信信号正規化部１８で正規化を行なう端末１の構成例を示した図である。
【図５】図５は、図４に示した端末１に適用される重み係数行列演算部１２の内部構成例を示した図である。
【図６】図６は、図４に示した端末１に適用される重み係数行列演算部１２の内部構成例を示した図である。
【図７】図７は、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ通信システムを概念的に示した図である。
【符号の説明】
【０１１７】
１…端末（送信側）
１１…チャネル情報推定部
１２…重み係数行列演算部
１２１…共分散行列演算部
１２２…固有値演算部
１２３…固有ベクトル演算部
１２４…正規化部
１２５…ＲＯＭ
１２６…検出器
１２７、１２８…スイッチ
１３…重み付け部
１５…検出器
１６…スイッチ
１７…行列積演算部
１８…送信信号正規化部
２…端末（受信側）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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