(57)【要約】【課題】近年、無線通信において高速大容量通信の需要が高まり、送受信共に複数本のアンテナを用いたMIMO (Multiple-Input Multiple-Output)システムについての研究が盛んに行われている。MIMOシステムでは同一周波数で同時刻に多重の信号伝送ができ、SISO(Single Input Single Output)システムに比べ、送信アンテナ数をM、受信アンテナ数をNとしたとき通信路容量がアンテナ数min(M,N )倍に増加することが明らかとなっている。各アンテナ間通信路に遅延波が存在する周波数選択性通信路に於いては遅延波及び干渉波の影響により特性が劣化するといった問題が生ずる。【解決手段】周波数選択性MIMO通信路システムにおけるデータ伝送方式として、MIMO固有モードシステムに於いて、あらかじめ送信機側で信号にガードインターバルと呼ばれるゼロ区間を挿入することにより固有モード伝送を実現する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
送受信機ともに複数のアンテナを用いた単一送信機によるマルチ入力、単一受信機によるマルチ出力（multiple-input multiple-output，MIMO、以下MIMOと称す）伝送のうち、周波数選択性通信路環境下に於いて遅延波電力を含めた送信機側でのチャネル制御を行い、各チャネルとして送信する固有モード伝送を用いて送信機の電力制御を行い、伝送効率を上げる伝送方法。
【請求項２】
請求項１記載の固有モード伝送方法に於いてMIMOに対し特に送受信アンテナが一本である（single-input single-output，SISO、以下SISOと称す）マルチパス通信路に適用することにより各チャネルの干渉、符号間干渉（Inter-Symbol Interference，ISI、以下ISIと称す）の除去を行う伝送方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディジタル無線通信方式におけるデータ伝送方式に関するものである。特に、周波数選択性通信路に於けるマルチ入力マルチ出力（multiple-input multiple-output, MIMO、以下MIMOと称す）システムにおいて伝送速度を向上させる誤り制御方式を実現させる方法を提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来技術として固有モード伝送がある。送受信機の双方が通信路情報（channel statement information, CSI）を既知としている時、通信路行列についての特異値分解を行い送受信機で処理を行うことによって、M×Nの行列で与えられた通信路をmin(M,N)本のシングル入力シングル出力（single-input single-output, SISO）システムとして扱うことが出来る。分解されたSISO通信路に対して送信機は通信路利得を知ることが出来るため、あらかじめ利得の大きい通信路には大きい送信電力を与え、利得の小さい通信路には小さい電力を配分、又は電力を配分しないことで通信路容量を拡大することが可能となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述の従来技術に於いて、実際の無線通信路環境下ではマルチパスの影響を無視することは出来ない。しかし、これまでMIMO固有モード伝送は周波数非選択性通信路に於いてのみ考えられ、周波数選択性通信路ではあまり考えられてこなかった。
【０００４】
本発明は、MIMO固有モード伝送システムに於いて周波数選択性通信路環境下での適用方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に於ける第1の発明は、周波数選択性MIMO通信路環境下に於いて送信信号にガードインターバルを付加することにより、通信路チャネル行列の特異値分解による固有モード伝送に適用し、各固有モードチャネルに注水定理に基づく電力の最適配分を行うことを特徴としている。
【０００６】
また本発明に於ける第2の発明は、第1の発明をSISOマルチパス通信路に適用することを特徴としている。
このように本発明は、送受信機での通信路チャネル行列が既知である時、直接波のみではなく遅延波の電力を含めた特異値分解を行うことによって送信電力を無駄なく使用することが出来、伝送効率を向上させることが出来る。
【０００７】
請求項1に記載の発明では、周波数選択性MIMO通信路に於いて送信信号にガードインターバル区間を挿入することによって、遅延波電力を含めた固有モード伝送を行うことにより、伝送効率の良いシステムを実現することが出来る。
【０００８】
請求項2に記載の発明では、固有モード伝送をSISOマルチパス通信路に適用することで遅延波電力を無駄にしない伝送を実現することが出来る。
【０００９】
まず本発明の概略を、図１を用いて説明する。送信側ではまず情報系列のQAM又はPSK変調を行い、特異値分解（singular value decomposition，SVD）によるユニタリー行列演算をした後、各アンテナに閾値内での電力をそれぞれ配分した注水定理に基づき各固有モードチャネルへ最適電力配分を行い送信を行う。受信側ではユニタリー行列演算によって固有モードチャネルの分離を行う。周波数選択性通信路に於けるチャネル行列を時空間方向に拡張すると次式で与えられる。
【００１０】
【数１】
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【００１１】
この時、nRを受信アンテナ本数、nTを送信アンテナ本数、Lを各通信路のマルチパス数とすると通信路行列のサイズはnRL×nT(2L-1)、送信行列のサイズはnT(2L-1)×1、受信行列のサイズはnRL×1で与えられる。ただし、受信行列は一般的に任意のnRN次元列ベクトルとして表記が可能であり、この時の通信路行列のサイズはnRN×nT(N+L-1)、受信行列のサイズはnRN×1として与えられる。ここで送信信号のエネルギーの100％の活用を受信側で図るため、あらかじめ送信信号ベクトルの前後に各(L-1)個のガードインターバル区間を付加しゼロを挿入する。この時の通信路行列のサイズはnR(N+2L-2)×nT(N+3L-3)、送信行列のサイズはnT(N+3L-3)×1、受信行列のサイズはnR(N+2L-2)×1となるが、整理をすると次式の用になる。
【００１２】
【数２】
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【００１３】
数２に於いて通信路行列のサイズはnR(N+L-1)×nTN、送信行列のサイズはnTN×1、受信行列のサイズは1×nR(N+L-1)となる。従ってK≡rank(H)≦min{nR(N+L-1), nTN}となり、通信路行列Hを特異値分解して得られる独立な固有モードチャネルの数は最大でK個となる。
【００１４】
また、物理チャネルのシンボル時間区間に関する伝送レートはR=N/(N+L-1)となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、もとより本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【００１６】
図２に例として4×1MIMOシステムに於ける4パス通信路モデルの処理概略図を示す。1シンボル毎に3シンボルのガードインターバルを挿入することで、送信信号のエネルギーを全て活用している。
【００１７】
SISOへの適用はnT=nR=1の場合であり、この時の受信信号は次式で与えられる。
【００１８】
【数３】
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【００１９】
以下に本発明の実施の形態を説明する。
【００２０】
通信路は4×1MIMOシステムであり、各通信路は0dB、3dBまたは6dB減衰準静的レイリーフェージング通信路（Quasi-static Rayleigh fading channel）とし、1シンボル毎遅延のタップ付き遅延線マルチパスモデルを仮定している。各アンテナに等しく電力を割り当てた場合と、注水定理に基づいた最適電力配分を行った場合とで伝送容量を計算した。
【００２１】
図３に各伝送容量を示す。横軸は、受信アンテナ1本あたりの平均受信SNRである。送信アンテナに電力を最適配分することによって、電力を等配分したものに比べ伝送容量の向上が見られた。また等電力配分、最適電力配分とも各マルチパスが等電力である場合が最も伝送容量が大きい結果が見られた。
【００２２】
図４に2×2MIMOシステム、図５に4×4MIMOシステムの計算機シミュレーションによる誤り率（Bit Error Rate，BER）特性を示す。比較対象としてSC/MMSE(Soft Canceller followed by Minimum Mean Square Error)等化器を用いている。ただし、どちらも符号化率0.5のLDPC符号化を行っている。図４に於いては約2dB、図５に於いては約1.5dBのSC/MMSE等化器に対する利得が得られている。また注水定理を用いた場合、若干ではあるが等電力に比べ利得が得られている。
【００２３】
図６にSISOシステムの計算機シミュレーションによるBER特性を示す。比較対象としてDFE(Decision Feedback Equalizer)を用いている。10-3付近で約15dBの利得が得られている。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
ディジタル無線通信方式におけるデータ伝送方式に関するものである。特に、周波数選択性が考えられるMIMOシステムにおいて伝送速度を向上させる誤り制御方式を実現させる方法として利用可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】Lのマルチパスを持つM×M MIMO固有モード伝送のシステムモデルを示す図である。
【図２】4×1MIMOシステムに於ける4パス通信路モデルの概略を示すモデル図である。
【図３】4×1MIMOシステムに於ける4パス通信路モデルでの伝送容量の特性を示す図である。
【図４】2×2MIMOシステムに於ける2パス通信路モデルでのBER特性をSC/MMSE等化器と比較した図である。
【図５】4×4MIMOシステムに於ける2パス通信路モデルでのBER特性をSC/MMSE等化器と比較した図である。
【図６】SISOシステムに於ける5パス通信路モデルでのBER特性をDFE等化器と比較した図である。
【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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