(57)【要約】【課題】ＭＩＭＯで基地局と複数の端末局とで空間多重により通信を行う場合に、端末局の組み合わせによる伝送品質の劣化が生じないようにする。【解決手段】通信を行う相手方の端末局毎に、入力信号を並べ替えるインタリーバ１２−１〜１２−Ｋと、変調器２１と、分岐装置２２と、複数の空間チャネルを形成するための複数の指向性形成装置２３−１〜２３−Ｎを設ける。２局以上の端末局との同時通信において、指向性形成装置２３−１〜２３−Ｎによって形成した２つ以上の空間チャネルを用いて通信を行い、インタリーバ１２−１〜１２−Ｋの時間方向の適用区間を通信フレームとする１通信フレーム内で、空間多重を行う空間チャネルの組み合わせを１回以上変更して伝送する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数アンテナを有する複数の端末局と空間多重伝送を行う複数アンテナを有する基地局における送信装置であって、
通信を行う相手方の端末局毎に入力信号を並べ替えるインタリーバと、
前記インタリーバからの出力信号を前記端末局ごとに分岐させる分岐装置と、
前記分岐装置からの出力信号に所定の重み付けを行うことによって空間チャネルに基づいて指向性を形成する複数の指向性形成装置とを具備し、
２局以上の端末局との同時通信において、前記指向性形成装置によって形成した２つ以上の空間チャネルを用いて通信を行い、
前記インタリーバの時間方向の適用区間を通信フレームとする１通信フレーム内で、空間多重を行う空間チャネルの組み合わせを１回以上変更して伝送することを特徴とする送信装置。
【請求項２】
請求項１に記載の送信装置において、１通信フレーム内で空間多重を行う空間チャネルの組み合わせをランダムに選択することを特徴とする送信装置。
【請求項３】
請求項１に記載の送信装置において、１通信フレーム内で空間多重を行う空間チャネルの組み合わせを、特定の端末局が利用する空間チャネルを固定的に選択し、残りの空間チャネルをランダムに選択することを特徴とする送信装置。
【請求項４】
請求項１に記載の送信装置において、前記通信を行う相手方の端末局毎の送信データ用メモリを具備し、前記メモリに蓄積されたデータ量に応じて、選択する空間チャネルを決定することを特徴とする送信装置。
【請求項５】
複数アンテナを有する複数の端末局と空間多重伝送を行う複数アンテナを有する基地局における送信装置であって、
通信を行う相手方の端末局毎に入力信号を並べ替えるインタリーバと、
前記インタリーバからの出力信号を前記端末局ごとに分岐させる分岐装置と、
前記分岐装置からの出力信号に所定の重み付けを行うことによって空間チャネルに基づいて指向性を形成する複数の指向性形成装置とを具備し、
２局以上の端末局との同時通信において、複数の搬送波を用い、各搬送波において前記指向性形成装置によって形成した２つ以上の空間チャネルを用いて通信を行い、
前記インタリーバの周波数方向の適用区間を通信フレームとする１通信フレーム内で、空間多重を行う端末局の組み合わせを搬送波間で変更して伝送することを特徴とする送信装置。
【請求項６】
請求項５に記載の送信装置において、ある搬送波を用いて通信を行う端末局の組み合わせをランダムに選択することを特徴とする送信装置。
【請求項７】
請求項５に記載の送信装置において、前記インタリーバの周波数方向及び時間軸方向の適用区間を通信フレームとする１通信フレーム内で、空間多重を行う端末局の組み合わせを搬送波間で変更し、空間多重を行う空間チャネルの組み合わせを１回以上変更して伝送することを特徴とする送信装置。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の送信装置において、端末局における指向性パタンの伝達関数が１通信フレーム中で一定となるように、送信電力及び位相を制御することを特徴とする送信装置。
【請求項９】
複数アンテナを有し、複数アンテナを有する複数の端末局と空間多重伝送を行う基地局の送信指向性制御方法であって、
通信を行う相手方の端末局毎にインタリーバによって入力信号を並べ替えてインタリーブを行うインタリーブ工程と、
前記インタリーブ工程によってインタリーブされた信号を前記端末局ごとに分岐させる分岐工程と、
前記分岐工程によって分岐された信号に所定の重み付けを行うことによって空間チャネルに基づいて指向性を形成する指向性形成工程とを含み、
２局以上の端末局との同時通信において、前記指向性形成装置によって形成した２つ以上の空間チャネルを用いて通信を行い、
前記インタリーバの時間方向の適用区間を通信フレームとする１通信フレーム内で、空間多重を行う空間チャネルの組み合わせを１回以上変更して伝送することを特徴とする送信指向性制御方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の送信指向性制御方法において、１通信フレーム内で空間多重を行う空間チャネルの組み合わせをランダムに選択することを特徴とする送信指向性制御方法。
【請求項１１】
請求項９に記載の送信指向性制御方法において、１通信フレーム内で空間多重を行う空間チャネルの組み合わせを、特定の端末局が利用する空間チャネルを固定的に選択し、残りの空間チャネルをランダムに選択することを特徴とする送信指向性制御方法。
【請求項１２】
請求項９に記載の送信指向性制御方法において、前記通信を行う相手方の端末局毎の送信データ用メモリに蓄積されたデータ量に応じて、選択する空間チャネルを決定することを特徴とする送信指向性制御方法。
【請求項１３】
複数アンテナを有し、複数アンテナを有する複数の端末局と空間多重伝送を行う基地局の送信指向性制御方法であって、
通信を行う相手方の端末局毎にインタリーバによって入力信号を並べ替えてインタリーブを行うインタリーブ工程と、
前記インタリーブ工程によってインタリーブされた信号を前記端末局ごとに分岐させる分岐工程と、
前記分岐工程によって分岐された信号に所定の重み付けを行うことによって空間チャネルに基づいて指向性を形成する指向性形成工程とを含み、
２局以上の端末局との同時通信において、複数の搬送波を用い、各搬送波において前記形成した２つ以上の空間チャネルを用いて通信を行い、
前記インタリーバの周波数方向の適用区間を通信フレームとする１通信フレーム内で、空間多重を行う端末局の組み合わせを搬送波間で変更して伝送することを特徴とする送信指向性制御方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の送信指向性制御方法において、ある搬送波を用いて通信を行う端末局の組み合わせをランダムに選択することを特徴とする送信指向性制御方法。
【請求項１５】
請求項１３に記載の送信指向性制御方法において、前記インタリーバの周波数方向及び時間軸方向の適用区間を通信フレームとする１通信フレーム内で、空間多重を行う端末局の組み合わせを搬送波間で変更し、空間多重を行う空間チャネルの組み合わせを１回以上変更して伝送することを特徴とする送信指向性制御方法。
【請求項１６】
請求項９から請求項１５のいずれか一項に記載の送信指向性制御方法において、端末局における指向性パタンの伝達関数が１通信フレーム中で一定となるように、送信電力及び位相を制御することを特徴とする送信指向性制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数アンテナを有する基地局と、複数アンテナを有する複数の端末局とで空間多重伝送で通信を行うような通信システムに用いて好適な送信装置及び送信指向性制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、２．４ＧＨｚ帯または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規格などの普及が目覚ましい。これらのシステムでは、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。ただし、ここでの伝送速度とは物理レイヤ上での伝送速度であり、実際にはＭＡＣ（Ｍｅｄｉｕｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）レイヤでの伝送効率が５０〜７０％程度であるため、実際のスループットの上限値は３０Ｍｂｐｓ程度である。
【０００３】
一方で、有線ＬＡＮの世界ではＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）の１００Ｂａｓｅ−Ｔインタフェースをはじめ、各家庭にも光ファイバを用いたＦＴＴＨ（Ｆｉｂｅｒ  ｔｏ  ｔｈｅ  ｈｏｍｅ）の普及から、１００Ｍｂｐｓの高速回線の提供が普及しており、無線ＬＡＮの世界においても更なる伝送速度の高速化が求められている。
【０００４】
そのための技術としては、ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｉｎｐｕｔ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｏｕｔｐｕｔ）技術が有力である。このＭＩＭＯ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チャネル上で異なる独立な信号を送信し、受信局側において同じく複数のアンテナを用いて信号を受信し、各送信アンテナ／受信アンテナ間の伝達関数行列を求め、この行列を用いて送信局側で各アンテナから送信した独立な信号を推定し、データを再生するものである。
【０００５】
ここで、Ｎ本の送信アンテナを用いてＮ系統の信号を送信し、Ｍ本のアンテナを用いて信号を受信する場合を考える。まず、送受信局の各アンテナ間には（Ｍ×Ｎ）個の伝送のパスが存在し、第ｉ送信アンテナから送信され第ｊ受信アンテナで受信される場合の伝達関数をｈｊ，ｉとし、これを第（ｊ，ｉ）成分とするＭ行Ｎ列の行列をＨと表記する。更に、第ｉ送信アンテナからの送信信号をｔｉとし（ｔ１，ｔ２，ｔ３，・・・ｔＮ）を成分とする列ベクトルをＴｘ、第ｊ受信アンテナでの受信信号をｒｊとし（ｒ１，ｒ２，ｒ３，・・・ｒＭ）を成分とする列ベクトルをＲｘ、第ｊ受信アンテナの熱雑音をｎｊとし（ｎ１，ｎ２，ｎ３，‥・ｎＭ）を成分とする列ベクトルをｎと表記する。この場合、以下の関係式が成り立つ。
【０００６】
【数１】
2008131274.tif 000003
【０００７】
したがって、受信局側で受信した信号Ｒｘをもとに、送信信号Ｔｘを推定する技術が求められている。
【０００８】
このＭＩＭＯ通信においては、伝搬路の情報を利用して、その伝搬路に対して最適状況で信号を送信することにより、最も効率的に通信を行うことができる。
【０００９】
例えば、特許文献１に記載された固有モードＳＤＭ（Ｓｐａｃｅ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）方式を用いたＭＩＭＯ伝送においては、信号の伝送方向のＭＩＭＯチャネルの伝達関数行列Ｈを送信局側で取得できた場合に、この伝達関数行列に対応した送信信号の最適化を行う。具体的には、伝達関数行列Ｈとそのエルミート共役な行列ＨＨ（右肩の「Ｈ」の記号はエルミート共役を表す）との積を対角化可能なユニタリ行列Ｕを取得し、このユニタリ行列で送信信号を変換して信号を送信する。このユニタリ行列Ｕと伝達関数行列Ｈの間には以下の関係式が成り立つ。
【００１０】
【数２】
2008131274.tif 000004
【００１１】
ここで、右辺の行列Λは対角成分のみが値を持ち、その他の成分がゼロである対角行列である。このような特徴を持つユニタリ行列Ｕを列ベクトルＴｘに作用させて信号を送信することにより、（式１）は以下の様に変換される。
【００１２】
【数３】
2008131274.tif 000005
【００１３】
この変換により、送信信号はＭＩＭＯチャネル毎に直交化され、受信側での処理において簡易なＺＦ（Ｚｅｒｏ  Ｆｏｒｃｉｎｇ）方式を用いた場合であっても、各送信信号をＭＩＭＯチャネル毎のＳＮＲ特性が良好になるように調整される。また、このユニタリ行列の各列ベクトルは、送信信号である列ベクトルＴｘを各送信アンテナに分配する際の各アンテナに乗算する係数（以降、「送信ウエイト」と呼ぶ）を与える。この送信ウエイトを用いることで、各ＭＩＭＯチャネル毎に直交したビーム形成を行い、それぞれのビーム（固有ビーム）に相当するチャネルの利得がその固有ベクトルの固有値となる。したがって、全ＭＩＭＯチャネルのチャネル容量Ｃの上限は以下の式で与えられる。
【００１４】
【数４】
2008131274.tif 000006
【００１５】
ここでＢは帯域幅、Ｐｉは第１番のＭＩＭＯチャネルの総送信電力、σ２は雑音電力の分散値を意味する。この式から、どの程度の伝送レートの伝送モード（ここではＱＰＳＫ，６４ＱＡＭ等の変調方式と誤り訂正の符号化率の組み合わせにより規定されるモードを「伝送モード」と定義する）を適用可能か、また更にどの程度の数のＭＩＭＯチャネルを多重化できるかが推定できる。
【００１６】
ちなみに、式（４）の中の送信電力Ｐｉは全てのＭＩＭＯチャネルに共通の値である必要はなく、また各ＭＩＭＯチャネル毎に伝送モードを変更しても構わない。一般に、注水定理と呼ばれる手法を用いることでこのＰｉの値を最適化することが可能である。この中で、Ｐｉ＝０となるＭＩＭＯチャネルが存在した場合、そのチャネルは実際の伝搬には用いずに、他のＭＩＭＯチャネルに電力を配分した方が効率的であることを意味している。つまり、ＭＩＭＯの多重数を元々の上限値よりも少なく設定することになる。このようにして、多重化するＭＩＭＯチャネルの最適値を判断することも可能である。
【００１７】
以上の固有モードＳＤＭ技術は、送信側で指向性を持った送信ビームを形成し、空間上で多重化する信号を受信側で効率的に信号分離できるようにするものである。ここで、通常のＭＩＭＯ通信、すなわち一つの送信局と一つの受信局との間で通信を行うことをシングルユーザＭＩＭＯと呼ぶ。
【００１８】
無線ＬＡＮや携帯電話等を例に見れば、基地局はサイズ的に比較的大きく、端末局側はポータブルな端末としてサイズは基地局よりも大幅に小さい。このような小型端末の中に、ＭＩＭＯ通信のための複数のアンテナを実装しても、アンテナ間の距離が短く、アンテナ相関が非常に大きくなってしまう。この場合、（式４）における固有値λｉの値は小さくなる傾向にあり、実際に通信に利用できるＭＩＭＯチャネル数はそれほど多くはない。
【００１９】
このようなケースにおいて、一つ一つの端末との間では空間多重するＭＩＭＯチャネル数を少なくする一方、複数の異なる端末と同時に同一周波数チャネルで通信するマルチユーザＭＩＭＯ通信が有効である。
【００２０】
図９に、マルチユーザＭＩＭＯシステムの構成例を示す。図９において、１０１は基地局、１０２〜１０４は端末局を示す。実際にひとつの基地局が収容する端末局数は多数であるが、その中の数局を選び出し（図では端末局１０２〜１０４）、通信を行う。また、端末局１０２〜１０４の端末番号を＃１〜＃３とする。
【００２１】
各端末局１０２〜１０４は基地局１０１と比較して送受信アンテナ数が一般的に少ない。例えば基地局１０１から端末局１０２〜１０４方向への通信（ダウンリンク）を行う場合を考える。基地局１０１は多数のアンテナを用いて、複数の指向性ビームを形成する。例えば、基地局１０１は、各端末局１０２〜１０４に対してそれぞれ３つのＭＩＭＯチャネルを割り当て、全体としては９系統の信号系列を送信する場合を考える。
【００２２】
その際、端末局１０２に対して送信する信号は、端末局１０３及び端末局１０４方向には指向性利得が極端に低くなるように調整し、この結果として、端末局１０３及び端末局１０４への干渉を抑制する。同様に、端末局１０３に対して送信する信号は、端末局１０２及び端末局１０４方向には指向性利得が極端に低くなるように調整する。同様の処理を端末局１０４にも施す。
【００２３】
このように指向性制御を行う理由は、例えば端末局１０２においては、端末局１０３及び端末局１０４で受信した信号の情報を知る術がないため、端末間での協調的な受信処理ができないからである。つまり、３本のアンテナしかない端末局１０２のみの受信処理において、９系統の全ての信号系列を信号分離することは非常に厳しい。そこで、各端末局には他の端末局宛の信号が受信されないように、送信側で干渉分離を事前に行う。
【００２４】
以上が既存のマルチユーザＭＩＭＯシステムの概要である。次に、指向性ビームの形成方法について、以下に説明を加える。
【００２５】
例えば図９において、端末局１０２の第１受信アンテナと基地局１０１の第ｊアンテナとの間の伝達関数をｈ１ｊ表記することにする。基地局１０１のｊ＝１〜９の全てのアンテナに関する伝達関数を用い、行ベクトル（ｈ１を（ｈ１１，ｈ１２，ｈ１３，…，ｈ１８，ｈ１９）と表記する。
【００２６】
同様に端末局１０２の第２受信アンテナ及び第３受信アンテナと、基地局１０１の伝達関数をｈ２ｊ及びｈ３ｊとし、対応する行ベクトルｈ２及びｈ３をｈ２１，ｈ２２，ｈ２３，…，ｈ２８，ｈ２９）及び（ｈ３１，ｈ３２，ｈ３３，…，ｈ３８，ｈ３９）とする。
【００２７】
端末局１０３及び端末局１０４の受信アンテナにも同様の連続番をふり、端末局１０３における行ベクトルｈ４〜ｈ６を（ｈ４１，ｈ４２，ｈ４３，…，ｈ４８，ｈ４９）〜（ｈ６１，ｈ６２，ｈ６３，…，ｈ６８，ｈ６９）とし、端末局１０４における行ベクトルｈ７〜ｈ９を（ｈ７１，ｈ７２，ｈ７３，…，ｈ７８，ｈ７９）〜（ｈ９１，ｈ９２，ｈ９３，…，ｈ９８，ｈ９９）とする。
【００２８】
加えて、基地局１０１が送信する９系統の信号をｔ１〜ｔ９と表記し、これを成分とする列ベクトルをＴｘ[all]＝（ｔ１，ｔ２，ｔ３，…，ｔ８，ｔ９）Ｔと表記する。ここで、右肩のＴの文字はベクトル、行列の転置を表す。
【００２９】
また同様に、端末局１０２〜１０４の９本のアンテナでの受信信号をｒ１〜ｒ９と表記し、これを成分とする列ベクトルをＲｘ[all]＝（ｒ１，ｒ２，ｒ３，…．ｒ８，ｒ９）Ｔと表記する。最後に、行ベクトルｈ１〜ｈ９を第１から第９行成分とする行列を、全体伝達関数行列Ｈ[all]と表記する。
【００３０】
このように表記した場合、システム全体としては以下の関係式が成り立つ。
【００３１】
【数５】
2008131274.tif 000007
【００３２】
これはシングルユーザＭＩＭＯにおける（式１）に対応する。同様に（式３）に示すような送信指向性制御を行うため、９行９列の送信ウエイト行列Ｗを導入し、（式３）を以下のように書き換える。
【００３３】
【数６】
2008131274.tif 000008
【００３４】
更に、送信ウエイト行列Ｗを列ベクトルｗ１〜ｗ９に分解し、Ｗ＝（ｗ１，ｗ２，ｗ３，…，ｗ８，ｗ９）と表記すると、以下の様に表せる。
【００３５】
【数７】
2008131274.tif 000009
【００３６】
ここで、例えば６つの行ベクトルｈ４〜ｈ９と３つの列ベクトルｗ１〜ｗ３の乗算（各成分の乗算したものの総和、複素ベクトルの場合は内積とは異なる）が全てゼロになるようにｗ１〜ｗ３を選ぶことを考える。同様に、行ベクトルｈ１〜ｈ３及びｈ７〜ｈ９と列ベクトルｗ４〜ｗ６の積、行ベクトルｈ１〜ｈ６と列ベクトルｗ７〜ｗ９の積の全てがゼロになるように選ぶことにする。
【００３７】
このようにすると、（式７）に示す９行９列の行列は、３行３列の９個の部分行列を用いて表記すると以下のように表すことができる。
【００３８】
【数８】
2008131274.tif 000010
【００３９】
ここで、部分行列Ｈ[１]、Ｈ[２]、Ｈ[３]は３行３列の行列であり、φは成分が全てゼロの３行３列の行列である。このような条件を満たす変換行列Ｗを選択することで、（式８）は以下の３つの関係式に分解できる。
【００４０】
【数９】
2008131274.tif 000011
【００４１】
【数１０】
2008131274.tif 000012
【００４２】
【数１１】
2008131274.tif 000013
【００４３】
ここで、Ｔｘ[1]＝（ｔ１，ｔ２，ｔ３）Ｔ、Ｔｘ[2]＝（ｔ４，ｔ５，ｔ６）Ｔ、Ｔｘ[３]＝（ｔ７，ｔ８，ｔ９）Ｔ、Ｒｘ[１]＝（ｒ１，ｒ２，ｒ３）Ｔ、Ｒｘ[２]＝（ｒ４，ｒ５，ｒ６）Ｔ、Ｒｘ[３]＝（ｒ７，ｒ８，ｒ９）Ｔとした。このようにして、３つのシングルユーザＭＩＭＯ通信とみなすことができるようになる。
【００４４】
次に、送信ウエイトベクトルｗ１〜ｗ９の決定方法の例を以下に説明する。手順としては、端末番号＃１の端末局１０２に対する送信ウエイトベクトルｗ１〜ｗ３を決定し、順次、端末番号＃２の端末局１０３に対する送信ウエイトベクトルｗ４〜ｗ６、端末番号＃３の端末局１０４に対する送信ウエイトベクトルｗ７〜ｗ９を決定する。
【００４５】
まず第１ステップとして、６つの行ベクトルｈ４〜ｈ９が張る６次元部分空間を張る６つの基底ベクトルｅ４〜ｅ９を求める。求める方法は、グラムシュミットの直交化法の他、様々な方法があるが、ここでは例として上記グラムシュミットの直交化法を例に説明する。
【００４６】
まず、ひとつのベクトルｈ４に着目し、この方向で絶対値が１のベクトルを基底ベクトルｅ４とする。
【００４７】
【数１２】
2008131274.tif 000014
【００４８】
ここで、（ｈ４ｈ４Ｈ）は同一ベクトルの絶対値の２乗を意味するスカラー量であり、ｈ４を規格化することを意味する。次に、ベクトルｈ５に着目し、このベクトルの中からｅ４方向の成分をキャンセルしたベクトルｈ５’を求めた後、更に規格化する。
【００４９】
【数１３】
2008131274.tif 000015
【００５０】
【数１４】
2008131274.tif 000016
【００５１】
ここで（ｈ５ｅ４Ｈ）はｈ５のｅ４方向への射影を意味する。同様の処理を以下の様に行う。
【００５２】
【数１５】
2008131274.tif 000017
【００５３】
【数１６】
2008131274.tif 000018
【００５４】
ここで（式１５）のΣ（ｉ）は、４≦ｉ≦ｊ−１（ｊは４〜９の整数）の整数ｉに対する総和を意味する。つまり、既に確定した基底ベクトル方向の成分をキャンセルすることを意味する。このようにして、６つの基底ベクトルｅ４〜ｅ９を求めることができる。
【００５５】
次に第２ステップとして、端末番号＃１の端末局１０２に対する送信ウエイトベクトルｗ１〜ｗ３を求める。まず、行ベクトルｈ１〜ｈ３から、ｅ４〜ｅ９が張る６次元部分空間の成分をキャンセルする。具体的には以下の式で表せる。
【００５６】
【数１７】
2008131274.tif 000019
【００５７】
ここで、ｊは１〜３の整数であり、（式１７）のΣ（ｉ）は、４≦ｉ≦９の整数ｉに対する総和を意味する。このようにして求めたベクトルｈ１’〜ｈ３’に対し、適当な直交化処理を行う。簡単のためにここではグラムシュミットの直交化を例として用いるが、その他の方法を用いても良い。グラムシュミットの直交化法は、既に（式１２）〜（式１６）で説明しているので詳細な説明は省略するが、下記のように求めることができる。
【００５８】
【数１８】
2008131274.tif 000020
【００５９】
【数１９】
2008131274.tif 000021
【００６０】
【数２０】
2008131274.tif 000022
【００６１】
【数２１】
2008131274.tif 000023
【００６２】
【数２２】
2008131274.tif 000024
【００６３】
このようにして求める３次元空間の３つの基底ベクトルｅ１〜ｅ３を求める。更に、この基底ベクトルの複素共役ベクトルの転置ベクトル、すなわちエルミート共役なベクトルを求めることで、ｗ１＝ｅ３Ｈ、ｗ２＝ｅ２Ｈ、ｗ３＝ｅ３Ｈとして送信ウエイトベクトル（列ベクトル）が求まる。
【００６４】
以上の（式１２）から（式２２）までの処理により、端末番号＃１の端末局１０２に対する送信ウエイトベクトルｗ１〜ｗ３を決定できた。第３ステップとしては同様の処理を端末番号＃２及び＃３の端末局１０３、１０４に対しても施し、その結果として全ての送信ウエイトベクトルｗ１〜ｗ９が求まる。
【００６５】
以上が従来方式における送信ウエイト行列の求め方である。図１０に、従来技術における送信ウエイト行列Ｗの算出のフローを示す。
【００６６】
図１０において、まず、送信ウエイト行列の算出にあたり、全端末への伝達関数行列Ｈを取得する（ステップＳ１０２）。宛先とする端末に通し番号を付与し、その番号をｋと表記した場合、まずｋを０に初期化する（ステップＳ１０３）。更に、ｋをカウントアップし（ステップＳ１０４）、着目しているｋ＝１に対応した端末番号＃１に対する部分伝達関数（ここでは便宜上、Ｈｍａｉｎと表記）を抽出し（ステップＳ１０５）、それ以外の宛先の端末局の部分伝達関数行列（ここでは便宜上、Ｈｓｕｂと表記）を抽出（ステップＳ１０６）する。
【００６７】
更に、Ｈｓｕｂの各行ベクトルが張る部分空間の直交基底ベクトルを算出し、これを｛ｅｊ｝とおく（ステップＳ１０７）。次に、（式１７）に相当する処理として、着目している端末局に対する部分伝達関数がＨｍａｉｎから処理ステップＳ１０７で求めた基底ベクトル｛ｅｊ｝に関する成分をキャンセルし、これを行列Ｈ〜ｍａｉｎとする（ステップＳ１０８）。
【００６８】
更に、（式１８）〜（式２２）に対応する処理として、行列Ｈ〜ｍａｉｎの行ベクトルが張る部分空間の直交基底ベクトルを算出し、これを｛ｅｉ｝とおく（ステップＳＩ０９）。
【００６９】
その後、｛ｅｉ｝の各ベクトルのエルミート共役ベクトル（列ベクトル）として、端末局１０２宛の信号に関する送信ウエイトベクトル｛ｗｉ｝を決定する（ステップＳ１１０）。
【００７０】
ここで、全ての宛先の端末局の送信ウエイトベクトルを検定済みか否かを判断し（ステップＳ１１１）、残りの端末局があれば、処理ステップＳ１０４から処理ステップＳ１１０を繰り返す。もし全ての宛先の端末局の送信ウエイトベクトルを検定済みであれば、送信ウエイトベクトル｛ｗｉ｝を各列ベクトルとする行列として送信ウエイト行列Ｗを決定し（ステップＳ１１２）、処理を完了する（ステップＳ１１３）。
【００７１】
なお、ここまでの説明は全てシングルキャリアのシステムを仮定し、送信ウエイト行列はひとつだけ求めれば良かった。現在、ＭＩＭＯ技術は無線ＬＡＮ等で注目を集めているが、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ、ＩＥＥＥ８０２．１１ｇ等の標準規格の無線ＬＡＮでは、マルチキャリアを用いたＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）変調方式を採用している。
【００７２】
ＯＦＤＭ変調方式を用いるマルチユーザＭＩＭＯシステムの場合には、以上の処理を全てのサブキャリアにおいて個別に実施する必要がある。
【００７３】
以上、説明を行った各種処理を実現するための従来技術における送信局側の構成例（シングルキャリアの場合）を図１１に示す。
【００７４】
図１１において、１１１ａはデータ分割回路、１１２ａ−１〜１１２ａ−Ｌはプリアンブル付与回路、１１３ａ−１〜１１３ａ−Ｌは変調回路、１１４ａは送信信号変換回路、１１５ａ−１〜１１５ａ−ＭＴは無線部、１１６ａ−１〜１１６ａ−ＭＴは送受信アンテナ、１１７ａは伝達関数行列取得回路、１１８ａは送信ウエイト算出回路、１１９ａは空間多重条件判断回路を表す。
【００７５】
なお、ここでは空間多重する信号系列の総数をＬ（Ｌ）＞２、Ｌは整数）とし、無線部１１５ａ−１〜１１５ａ−ＭＴ及び送受信アンテナ１１６ａ−１〜１１６ａ−ＭＴの系総数をＭＴとした。また、送信局側の構成としたが、一般には基地局及び端末局は送信機能及び受信機能の双方を備えており、ここで示した図はその中の送信に関する機能のみを抜粋したものとなっている。したがって、受信のための機能はここには明記していない。また、ここではダウンリンクでのマルチユーザＭＩＭＯを想定し、送信局側とは基地局を暗に想定しているが、必ずしも基地局である必要はない。
【００７６】
図１１における無線部１１５ａ−１〜１１５ａ−ＭＴ及び送受信アンテナ１１６ａ−１〜１１６ａ−ＭＴでは逐次信号の受信を個別に行う。例えば、送受信アンテナ１１６ａ−１にて受信された信号は、無線部１１５ａ−１にて周波数変換を施され、所定の処理の後、伝達関数行列取得回路１１７ａにて各受信局の伝達関数情報を収集する。
【００７７】
ここでの伝達関数情報の収集方法については、受信局側から伝達関数情報を制御チャネルを用いてフィードバックする方法、伝搬チャネル推定用のプリアンブル信号を送受双方向で適宜交換する方法など、様々な方法が選択可能であり、如何なる方法を用いても構わない。このようにして取得した各受信局毎の伝達関数行列の情報は、伝達関数行列取得回路１１７ａ内にて記録、管理しておく。
【００７８】
空間多重条件判断回路１１９ａは、信号を送信する際にどの受信局を同時に空間多重するか、及びその多重度をどの様に設定するかを管理する。ここで、空間多重する受信局と多重度が規定されると、送信ウエイト算出回路１１８ａでは、先に示した条件に対応する送信ウエイト列ベクトル（ｗ１，ｗ２，ｗ３，…ｗＭＴ−１，ｗＭＴ）を算出する。これらの情報を送信信号変換回路１１４ａに入力する。
【００７９】
一方、送信すべきデータがデータ分割回路１１１ａに入力されると、空間多重条件判断回路１１９ａが判断した空間多重する受信局と多重度（全受信局でＬ多重とする）の条件に合わせて、データをＬ系統に分割する。それぞれの信号はプリアンブル付与回路１１２ａ−１〜１１２ａ−Ｌに入力され、所定のチャネル推定用プリアンブルが付与され、変調回路１１３ａ−１〜１１３ａ−Ｌに入力される。
【００８０】
変調回路１１３ａ−１〜１１３ａ−Ｌでは所定の変調処理が行われ、この出力が送信信号変換回路１１４ａに入力される。ここでは送信ウエイト算出回路１１８ａが算出したベクトル群をもとに、変調回路１１３ａ−１〜１１３ａ−Ｌからの出力信号を成分とする送信信号ベクトルに対し、変換行列Ｗ＝ｗ１，ｗ２，ｗ３…，ｗＭＴ−１，ｗＭＴ）を乗算させる。この乗算により変換されたＭＴ系統の信号は、無線部（１１５ａ−１〜１１５ａ−ＭＴ）にて周波数変換され、送受信アンテナ（１１６ａ−１〜１１６ａ−ＭＴ）を介して送信される。
【００８１】
以上がシングルキャリアの無線システムの例である。ＯＦＤＭ変調方式を用いるマルチユーザＭＩＭＯシステムの場合には、図１２に示すように、サブキャリア毎に同様の処理を行うことになる。
【００８２】
つまり、ＯＦＤＭ変調の場合には、各信号系列はデータ分割回路１１１ｂにてサブキャリア毎に分割され、各サブキャリアで同様の処理を行う。また、各サブキャリアでプリアンブル付与回路１１２ｂ−１〜１１２ｂ−Ｌ、変調回路１１３ｂ−１〜１１３ｂ−Ｌ、送信信号変換回路１１４ｂは、上記と同様の所定の処理を並列的に実施する。
【００８３】
その後、逆フーリエ変換処理をＩＦＦＴ回路１２０ｂ−１〜１２０ｂ−ＭＴを実施し、無線部１１５ｂ−１〜１１５ｂ−ＭＴ、送受信アンテナ１１６ｂ−１〜１１６ｂ−ＭＴを介して送信される。
【００８４】
次に、図１３に、従来技術における受信局の構成例を示す。ここでは端末局が受信局となるダウンリンクを想定し説明を行う。この場合、マルチユーザＭＩＭＯシステムの場合でも、送信局側での送信指向性制御により、他の受信局宛の信号が干渉とならないように制御しているため、受信局は通常のシングルユーザＭＩＭＯと同様に受信処理を行えば良い。ここではひとつの例として、３つのアンテナを備える場合を例にとり説明する。
【００８５】
図１３において、１２１−１〜１２１−３は受信アンテナ、１２２−１〜１２２−３は無線部、１２３はチャネル推定回路、１２４は受信信号管理回路、１２５は伝達関数行列管理回路、１２６は行列演算回路＃１、１２７は行列演算回路＃２、１２８は硬判定回路、１２９はデータ合成回路、１３０はＭＩＭＯ受信処理部を示す。
【００８６】
まず、第１の受信アンテナ１２１−１から第３の受信アンテナ１２１−３は、それぞれ個別に受信信号を受信する。無線部１２２−１〜１２２−３を経由して、受信した信号はチャネル推定回路１２３に入力される。送信側で付与して所定のプリアンブル信号の受信状況から、チャネル推定回路１２３にて第ｉ送信アンテナと第ｉ受信アンテナ間の伝達関数をここで取得する。このようにして取得された伝達関数行列は、伝達関数行列管理回路１２５にて伝達関数行列Ｈとして管理される。
【００８７】
行列演算回路１２６では、伝達関数行列管理回路１２５で管理された伝達関数行列Ｈをもとに、ＨＨ  、ＨＨＨ、（ＨＨＨ）−１ 、（ＨＨＨ）−１ＨＨ  を順次、演算により求める。一方、プリアンブル信号に後続するデータ信号は、１シンボル分ずつ受信信号管理回路１２４に入力される。受信信号管理回路１２４では、各アンテナの受信信号（ｒ１，ｒ２，ｒ３）を成分とした受信信号ベクトルＲｘとして一旦管理される。この受信信号ベクトルは、行列演算回路１２７にて、行列演算回路１２６で求めた（ＨＨＨ）−１ＨＨ  と乗算される。この信号は、送信信号ベクトルＴｘにノイズが乗った信号であるため、硬判定回路１２８にて信号判定がされ、各シンボル毎及び各系統の信号はデータ合成回路１２９で合成され、もとのユーザデータが再生され出力される。
【００８８】
なお、以上の説明では簡単のため、行列演算回路１２６及び行列演算回路１２７での処理は、ＺＦ（Ｚｅｒｏ  Ｆｏｒｃｉｎｇ）法と呼ばれる簡単なＭＩＭＯ信号検出法を仮定して説明を行ったが、ＭＭＳＥ（Ｍｉｎｉｍｕｍ  Ｍｅａｎ  Ｓｑｕａｒｅ  Ｅｒｒｏｒ）法や、ＭＬＤ（Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）法などを用いても構わない。また、ＺＦ法の説明として正方行列以外の伝達関数行列Ｈを想定し、擬似逆行列（ＨＨＨ）−１ＨＨを用いる場合について説明したが、伝達関数行列Ｈが正方行列であれば簡易に伝達関数行列Ｈの逆行列を用いても構わない。更に、硬判定回路１２８では硬判定を行うことを仮定していたが、誤り訂正を組み合わせ、軟判定を用いることも可能である。また更に、ＯＦＤＭ変調方式を用いる場合には、サブキャリア毎に同様の処理を行うことになる。また、以下の説明の都合上、点線で囲んだ領域をＭＩＭＯ受信処理部と呼ぶことにする。
【特許文献１】特許第３７９８３２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００８９】
しかしながら、従来のＭＩＭＯによる通信システムでは、伝達関数推定誤差があった場合に、マルチユーザＭＩＭＯ伝送を行うと、異なる端末局間の干渉が生じ伝送特性が著しく劣化する。また端末局の組み合わせによって伝送品質が大きく変動する。つまり、複数の端末局と同時に通信を行う場合に、あるタイミングで同時通信相手先に選択された端末同士の組み合わせによっては、通信品質が良くなる場合と悪くなる場合とが発生してしまう。
【００９０】
また、端末数が増大した場合には、マルチユーザＭＩＭＯを行う組み合わせが増大し、適切な組み合わせを見つけるための演算量が膨大となる。
【００９１】
本発明は、上述の課題を鑑み、端末局の組み合わせによって生じる伝送品質の著しい劣化が生じることなく、安定した伝送品質を維持できるようにした送信装置及び送信指向性制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００９２】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、複数アンテナを有する複数の端末局と空間多重伝送を行う複数アンテナを有する基地局における送信装置であって、通信を行う相手方の端末局毎に入力信号を並べ替えるインタリーバと、前記インタリーバからの出力信号を前記端末局ごとに分岐させる分岐装置と、前記分岐装置からの出力信号に所定の重み付けを行うことによって空間チャネルに基づいて指向性を形成する複数の指向性形成装置とを具備し、２局以上の端末局との同時通信において、前記指向性形成装置によって形成した２つ以上の空間チャネルを用いて通信を行い、前記インタリーバの時間方向の適用区間を通信フレームとする１通信フレーム内で、空間多重を行う空間チャネルの組み合わせを１回以上変更して伝送することを特徴とする。
【００９３】
また、本発明は、１通信フレーム内で空間多重を行う空間チャネルの組み合わせをランダムに選択することを特徴とする。
【００９４】
また、本発明は、１通信フレーム内で空間多重を行う空間チャネルの組み合わせを、特定の端末局が利用する空間チャネルを固定的に選択し、残りの空間チャネルをランダムに選択することを特徴とする。
【００９５】
また、本発明は、前記通信を行う相手方の端末局毎の送信データ用メモリを具備し、前記メモリに蓄積されたデータ量に応じて、選択する空間チャネルを決定することを特徴とする。
【００９６】
また、本発明は、複数アンテナを有する複数の端末局と空間多重伝送を行う複数アンテナを有する基地局における送信装置であって、通信を行う相手方の端末局毎に入力信号を並べ替えるインタリーバと、前記インタリーバからの出力信号を前記端末局ごとに分岐させる分岐装置と、前記分岐装置からの出力信号に所定の重み付けを行うことによって空間チャネルに基づいて指向性を形成する複数の指向性形成装置とを具備し、２局以上の端末局との同時通信において、複数の搬送波を用い、各搬送波において前記指向性形成装置によって形成した２つ以上の空間チャネルを用いて通信を行い、前記インタリーバの周波数方向の適用区間を通信フレームとする１通信フレーム内で、空間多重を行う端末局の組み合わせを搬送波間で変更して伝送することを特徴とする。
【００９７】
また、本発明は、ある搬送波を用いて通信を行う端末局の組み合わせをランダムに選択することを特徴とする。
【００９８】
また、本発明は、前記インタリーバの周波数方向及び時間軸方向の適用区間を通信フレームとする１通信フレーム内で、空間多重を行う端末局の組み合わせを搬送波間で変更し、空間多重を行う空間チャネルの組み合わせを１回以上変更して伝送することを特徴とする。
【００９９】
また、本発明は、端末局における指向性パタンの伝達関数が１通信フレーム中で一定となるように、送信電力及び位相を制御することを特徴とする。
【０１００】
また、本発明は、複数アンテナを有し、複数アンテナを有する複数の端末局と空間多重伝送を行う基地局の送信指向性制御方法であって、通信を行う相手方の端末局毎にインタリーバによって入力信号を並べ替えてインタリーブを行うインタリーブ工程と、前記インタリーブ工程によってインタリーブされた信号を前記端末局ごとに分岐させる分岐工程と、前記分岐工程によって分岐された信号に所定の重み付けを行うことによって空間チャネルに基づいて指向性を形成する指向性形成工程とを含み、２局以上の端末局との同時通信において、前記指向性形成装置によって形成した２つ以上の空間チャネルを用いて通信を行い、前記インタリーバの時間方向の適用区間を通信フレームとする１通信フレーム内で、空間多重を行う空間チャネルの組み合わせを１回以上変更して伝送することを特徴とする。
【０１０１】
また、本発明は、１通信フレーム内で空間多重を行う空間チャネルの組み合わせをランダムに選択することを特徴とする。
【０１０２】
また、本発明は、１通信フレーム内で空間多重を行う空間チャネルの組み合わせを、特定の端末局が利用する空間チャネルを固定的に選択し、残りの空間チャネルをランダムに選択することを特徴とする。
【０１０３】
また、本発明は、前記通信を行う相手方の端末局毎の送信データ用メモリに蓄積されたデータ量に応じて、選択する空間チャネルを決定することを特徴とする。
【０１０４】
また、本発明は、複数アンテナを有し、複数アンテナを有する複数の端末局と空間多重伝送を行う基地局の送信指向性制御方法であって、通信を行う相手方の端末局毎にインタリーバによって入力信号を並べ替えてインタリーブを行うインタリーブ工程と、前記インタリーブ工程によってインタリーブされた信号を前記端末局ごとに分岐させる分岐工程と、前記分岐工程によって分岐された信号に所定の重み付けを行うことによって空間チャネルに基づいて指向性を形成する指向性形成工程とを含み、２局以上の端末局との同時通信において、複数の搬送波を用い、各搬送波において前記形成した２つ以上の空間チャネルを用いて通信を行い、前記インタリーバの周波数方向の適用区間を通信フレームとする１通信フレーム内で、空間多重を行う端末局の組み合わせを搬送波間で変更して伝送することを特徴とする。
【０１０５】
また、本発明は、ある搬送波を用いて通信を行う端末局の組み合わせをランダムに選択することを特徴とする。
【０１０６】
また、本発明は、前記インタリーバの周波数方向及び時間軸方向の適用区間を通信フレームとする１通信フレーム内で、空間多重を行う端末局の組み合わせを搬送波間で変更し、空間多重を行う空間チャネルの組み合わせを１回以上変更して伝送することを特徴とする。
【０１０７】
また、本発明は、端末局における指向性パタンの伝達関数が１通信フレーム中で一定となるように、送信電力及び位相を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【０１０８】
本発明によれば、端末局の組み合わせによって生じる伝送品質の著しい劣化を避け、安定した伝送品質を提供することが可能となる。また特に伝達関数推定誤差があるような場合に、ロバストな空間チャネル形成を行うことが可能となる。また、端末局の全ての組み合わせについて空間多重した場合の伝送品質を推定した後、空間多重を行う端末局を決定する必要がなくなるため、基地局における演算量を低減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０１０９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の第１の実施形態を示す図である。この実施形態は、図２に示すように、基地局ＢＳ１と、複数の端末局ＴＳ１、ＴＳ２、…、ＴＳＫとの間で多重通信を行う無線通信システムの基地局ＢＳ１に適用される。
【０１１０】
（第１の実施形態）
図１において、１１−１〜１１−Ｋは符号化器、１２−１〜１２−Ｋはインタリーバ、１３−１〜１３−Ｋはメモリ、１４−１〜１４−Ｋは指向性形成部である。指向性形成部１４−１〜１４−Ｋは、空間多重を行うために指向性を形成するもので、各指向性形成部１４−１〜１４−Ｋは、それぞれ、変調器２１と、分岐装置２２と、指向性形成装置２３−１〜２３−Ｎとを有している。
【０１１１】
１５−１〜１５−Nは合成装置、１６−１〜１６−Ｎは無線部、１７−１〜１７−Ｎはアンテナである。合成装置１５−１〜１５−Nは、各指向性形成部１４−１〜１４−Ｋからの信号を合成する。無線部１６−１〜１６−Ｎは、各端末への送信信号を所定の周波数帯（２．４ＧＨｚ帯或いは５ＧＨｚ帯）の高周波信号として、アンテナ１７−１〜１７−Ｎの出力する。アンテナ１７−１〜１７−Ｎは、物理的に異なる位置に配置されており、各端末に送信信号を送信する。
【０１１２】
図１において、入力端子１０−１〜１０−Ｋには、それぞれ、複数の端末局ＴＳ１〜ＴＳＫのぞれぞれに対する送信データが供給される。これらの送信データは、符号化器１１−１〜１１−Ｋにそれぞれ入力され、符号化された後、インタリーバ１２−１〜１２−Ｋにより送信符号の順番が並べ替えられてインタリーブされ、メモリ１３−１〜１３−Ｋに保存される。ここで、符号化器１１−１〜１１−Ｋでの符号化は、ブロック符号やトレリス符号など、任意の符号化を用いることができる。
【０１１３】
各端末局ＴＳ１〜ＴＳＫに対する送信信号は、メモリ１３−１〜１３−Ｋから、各指向性形成部１４−１〜１４−Ｋの変調器２１にそれぞれ送られる。例えば、空間チャネル組み合わせ選択装置１８により、端末局ＴＳ１への送信が選択されている場合には、メモリ１３−１に保存されたデータは、指向性形成部１４−１の変調器２１に供給される。変調器２１により、送信信号に変調が施され、この変調された送信信号が分岐装置２２に出力される。ここで変調器２１は、ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、１６ＱＡＭ、ＦＳＫ、ＡＳＫなどの任意の変調方式の適用が可能である。
【０１１４】
更に、分岐装置２２では、空間チャネル組み合わせ選択装置１８によって決定された分岐数に分岐され、指向性形成装置２３−１〜２３−Ｎに入力される。指向性形成装置２３−１〜２３−Ｎでは、空間チャネル組み合わせ選択装置１８によって指定された空間チャネルに基づいて指向性形成を行い、合成装置１５−１〜１５−Ｎに出力する。合成装置１５−１〜１５−Ｎで合成された送信信号は、無線部１６−１〜１６−Ｎから各アンテナ１７−１〜１７−Ｎに送られ、各アンテナ１７−１〜１７−Ｎから送信される。
【０１１５】
ここで、指向性形成は、例えば以下のようにして実現する。入力信号をアンテナ数と同じ数に分岐し、各分岐された信号に対して複素数の重み付けを行い出力する。複素数の重み付け値は、基地局と通信を行う端末局の間の各アンテナ間の伝達関数情報をもとに、２乗誤差最小化のアルゴリズム（ＭＭＳＥアルゴリズム）、伝達関数行列の逆行列の各要素を重み付け値とするＺＦアルゴリズム、受信電力を最大化する最大比合成アルゴリズムなどを適用することによって、求めることができる。
【０１１６】
また、端末局側での指向性形成も考慮した最適化を行う場合には、まず各端末局での指向性の初期値を伝達関数行列に対する特異値分解によって求められる固有ベクトルから設定し、その指向性に対して２乗誤差を最小にする空間チャネル毎の指向性パタンを基地局側で計算し、以降、基地局側の指向性と複数の端末局側の指向性を２乗誤差最小規範に基づいて交互に最適化することによっても求めることができる（ＳＶＤ−ＭＭＳＥアルゴリズム）。基地局、端末局の両方、あるいは一方に２乗誤差最小規範のＭＭＳＥアルゴリズムのかわりにＺＦアルゴリズムを適用することもできる。この演算は空間チャネル組み合わせ選択装置１８内で行う。
【０１１７】
この構成において、空間チャネル組み合わせ選択装置１８は、例えば図３に示すように、空間チャネルの選択を行う。図３に示すように、１フレーム（インタリーバ適用区間）内で空間チャネルの組み合わせが異なって選択されている。
【０１１８】
つまり、基地局ＢＳ１と、２つの端末局ＴＳ１、ＴＳ２との通信を同時に行う場合（図２参照）には、図３に示すように、端末局ＴＳ１との通信に用いる空間チャネルと、端末局ＴＳ２との通信に用いる空間チャネルが設定される。また、１フレームでの空間チャネルの組み合わせを、端末ＴＳ１との通信を行うときと、端末ＴＳ２と通信を行うときとで、異なるように設定される。すなわち、この例では、フレームＦ１で、端末ＴＳ１との通信を行うときには、空間チャネルＳｃｈ１、Ｓｃｈ１、Ｓｃｈ３、Ｓｃｈ２、Ｓｃｈ１に順に切り換えているのに対して、端末ＴＳ２との通信を行うときには、空間チャネルＳｃｈ２、Ｓｃｈ４、Ｓｃｈ１、Ｓｃｈ４、Ｓｃｈ４を順に切り換えている。つまり、インタリーバ１２−１の時間方向の適用区間を通信フレームとする１通信フレーム内で、空間多重を行う空間チャネルの組み合わせを１回以上変更して伝送する。なお、ここでは、説明を簡単とするために、空間周波数をＳｃｈ１〜Ｓｃｈ４までの４つのチャネルとしているが、これは、一例である。
【０１１９】
ここで、空間チャネル形成は以下のようにして行われる。
以下では、端末局ＴＳ１において空間チャネルＳｃｈ２のみが選択され、端末局ＴＳ２において空間チャネルＳｃｈ４のみが選択された場合を例として、空間チャネル形成方法を詳述する。基地局ＢＳ１と端末局ＴＳ１、ＴＳ２とが通信するとなった場合、最初に端末局ＴＳ１、ＴＳ２は、空間チャネルに対応した指向性形成を行う。すなわち、端末局ＴＳ１で利用可能な空間チャネル数の最大値が４であった場合には、端末局で４種類の指向性を形成し、それぞれを各空間チャネルに対応させる。
【０１２０】
ここで、４種類の指向性を形成する方法としては、端末局ＴＳ１が４つのアンテナを具備する場合は、各アンテナを選択することによって形成することができる。例えば、空間チャネルＳｃｈ１に対応する指向性は、アンテナ１を選択した際に形成される指向性、空間チャネルＳｃｈ２に対応する指向性は、アンテナ２を選択した際に形成される指向性、というように、空間チャネルごとに異なった指向性アンテナを端末局ＴＳ１に用いることになる。
【０１２１】
また、他の方法として、基地局と端末局との間の伝達関数の特異値分解（ＳＶＤ分解）を用いる方法も用いることができる。この場合、特異値分解した際の左固有ベクトルは各特異値に対応する。そこで、最大の特異値に対応する左固有ベクトルの共役複素値を受信ウエイトベクトルとして形成する指向性を空間チャネルＳｃｈ１の指向性とし、２番目の特異値に対応する左固有ベクトルの共役複素値を受信ウエイトベクトルとして形成する指向性を空間チャネルＳｃｈ２の指向性とし、というようにして、各指向性を決定することが可能である。
【０１２２】
このように、空間チャネルに対応した指向性が端末局で決定され、さらに同一時刻で通信する端末局及び空間チャネルの組み合わせが決定されると、ＭＭＳＥアルゴリズムやＺＦアルゴリズムを適用することで、基地局側での各空間チャネルに対応した送信指向性を決定することができる。
さらに、基地局側で空間チャネルに対応した指向性が決定されると、端末局側の指向性をＭＭＳＥ制御によってさらに修正し、伝送品質を改善することができる。このように、初期状態の指向性を端末局で設定した後、同一タイミングを利用する端末局及び空間チャネルにおいて、端末局側の指向性と基地局側の指向性をそれぞれ交互にＭＭＳＥ制御を行うことで、より高い伝送品質が得られる空間チャネルを形成することも可能である。
【０１２３】
ここで空間チャネルの組み合わせは、完全にランダムに行う方法、一部を固定し、他をランダムに割り当てる方法が適用できる。完全にランダムで行う場合には、公平性が重視され、各端末局の平均の伝送速度が一定となる。一部を固定する例として、例えば端末局ＴＳ１は少なくとも１つの空間チャネルを常に割り当てられるものとする。この場合、２番目以降の空間チャネルを利用する端末局をランダムに選択することで、端末局ＴＳ１に高い優先度を与えることが可能となる。
【０１２４】
一般に複数の端末局と同時に通信を行うシステムでは、同時通信を行う端末局の組み合わせによって、伝送品質の差が生じる。また、指向性制御を行い、干渉除去を行う場合でも、伝達関数の推定誤差によって、伝送品質の劣化が生じる。特に伝達関数推定誤差による伝送品質の劣化は、予測が不可能であり、伝送品質の改善が困難である。
【０１２５】
本発明では、フレーム内で様々な端末局の組み合わせを行うため、伝送品質が著しく劣化する部分がフレーム内の一部に限られることになる。したがって、フレーム内で誤り訂正を適用することによって、一部誤っている部分の伝送品質も回復させ、全体で安定した伝送品質が得られることになる。
【０１２６】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図４は、本発明第２の実施形態を示すものである。前述の第１の実施形態では、変調器２１によって変調された送信信号を、分岐装置２２により分岐させて、この分岐された信号を指向性形成装置２３−１〜２３−Ｎに供給して、空間チャネルに基づいて指向性を形成している。
【０１２７】
これに対して、この第２の実施形態では、図４に示すように、送信信号を分岐装置２２により分岐させた後に、各送信信号を変調器２１−１〜２１−Ｎに供給して変調を施した後に、指向性形成装置２３−１〜２３−Ｎに供給して、空間チャネルに基づいて指向性を形成している。他の構成については、前述の第１の実施形態と同様である。
【０１２８】
このように構成することで、ある端末局に複数の空間チャネルで伝送する場合に、各空間チャネル毎に異なった伝送速度を実現することが可能となる。この場合、基地局から端末局への通信において、各空間チャネルにおいて適用する変調方式を事前に通知し、端末局では報知された変調方式にあわせて復号を行う。端末局の組み合わせによって変調方式をフレーム内で変更することも可能である。
【０１２９】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図５は、本発明の第３の実施形態を示すものである。この第３の実施形態では、周波数チャネル組み合わせ選択装置３１が設けられ、この周波数チャネル組み合わせ選択装置３１により無線部１６−１〜１６−Ｍの搬送波周波数を設定して、複数の搬送波の周波数チャネルを用いて通信が行われる。
【０１３０】
複数の搬送波を用いて通信する場合に、インタリーブの周波数方向の適用区間を通信フレームとする通信フレーム内で、周波数チャネル内で端末局の組み合わせを変更するようにしている。特に、隣接する周波数チャネルでは、周波数相関が高いことから、異なった空間チャネルの組み合わせを隣接する周波数で適用することによって、誤りがランダム化される。
【０１３１】
周波数チャネルの組み合わせを決める方法としては、各周波数チャネルで多重する端末局は、全ての端末局の組み合わせの中で、最も伝送容量が高くなるように組み合わせを選択する方法をまず適用し、隣接する周波数が同じ端末局の組み合わせになった場合には、一方の周波数チャネルでは２番目に伝送容量が高くなる組み合わせを選択する方法（方法１）や、周波数チャネル毎に優先する端末局を設定し、その端末局と組み合わせた場合に伝送容量が増大する端末局を選択する方法をまず適用し、隣接する周波数チャネルで組み合わせが同一となった場合に、一方の周波数チャネルでは２番目に伝送容量が増大する組み合わせを選ぶ方法（方法２）などがある。
【０１３２】
例えば、基地局ＢＳ１と、３つの端末局ＴＳ１、ＴＳ２、ＴＳ３のとの通信を行い、各端末局ＴＳ１、ＴＳ２、ＴＳ３はそれぞれ１空間チャネルのみ利用が可能な場合、端末局ＴＳ１とＴＳ２との通信を空間多重で行うときには周波数チャネルＦｃｈ１を使い、端末局ＴＳ１とＴＳ３との通信を空間多重で行うときには周波数チャネルＦｃｈ２を使い、端末局ＴＳ２とＴＳ３との通信を空間多重で行うときには周波数チャネルＦｃｈ３を使い、というように各周波数チャネルの組み合わせを設定する。
【０１３３】
この方法は時間方向のスロットと組み合わせて使用することも可能である。図６にその一例を示す。図６（Ａ）〜図６（Ｃ）に示すように、各周波数チャネルでは、各フレームとも端末局を組み合わせるパタンが異なっている。また、隣接するフレームでも端末局を組み合わせるパタンが異なっている。このように、時間スロット、周波数チャネルで端末局の組み合わせを変えていくことで、誤りのランダム化が実現される。したがって、様々な端末局組み合わせで誤り率が平均化、ランダム化されるため、誤り訂正の大きな効果が期待できる。
【０１３４】
例えば、端末局ＴＳ１、ＴＳ２との通信を行うときには、周波数チャネルＦｃｈ１を使って、図６（Ａ）に示すように、端末局ＴＳ１及びＴＳ２に対する空間チャネルを切り換えて、空間多重で通信が行われる。端末局ＴＳ１、ＴＳ３との通信を行うときには、周波数チャネルＦｃｈ２を使って、図６（Ｂ）に示すように、端末局ＴＳ１及びＴＳ３に対する空間チャネルを切り換えて、空間多重で通信が行われる。端末局ＴＳ２、ＴＳ３との通信を行うときには、周波数チャネルＦｃｈ３を使って、図６（Ｃ）に示すように、端末局ＴＳ２及びＴＳ３に対する空間チャネルを切り換えて、空間多重で通信が行われる。
【０１３５】
比較的遅延波の少ない環境では、周波数チャネルが変えても、伝搬環境が大きく変化しないことが知られている。したがって、周波数チャネルＦｃｈ１で端末局ＴＳ１とＴＳ２との空間多重をして伝送品質が劣化する場合、他の周波数チャネルで端末局ＴＳ１とＴＳ２との伝送をしたとしても、他の周波数チャネルでも伝送品質が劣化することが予想される。これに対して、本発明では、周波数チャネル毎に、端末局の組み合わせが変更されているため、他の周波数チャネルでは伝送品質の劣化が生じる確率が低減される。
【０１３６】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。本発明の第４の実施形態では、複数の搬送波を用いて通信する場合に、空間チャネルの組み合わせを決定する際に、伝達関数情報を用いず、ランダムに選択することを特徴とする。
【０１３７】
すなわち、端末局数、基地局のアンテナ数、端末局のアンテナ数が増大すると、空間チャネルの選択を伝達関数情報に基づいて決定する場合、演算量が超大となる。本発明では、伝送品質の劣化する空間チャネルの組み合わせを避けることが重要であることから、空間チャネルの組み合わせをランダムに変更すれば、伝送品質の劣化が限定的なものとなり、誤り訂正の適用によって伝送品質を維持することができる。この方法では、ランダムな選択を行えば良いので、演算量は大きく削減される。また、組み合わせが一定にならないように、組み合わせの変化を通信前に事前に決定することも可能となる。
なお、ランダムに選択する方法として、各周波数チャネルでの空間多重数を予め固定した値とする方法や、空間多重数も予め定めた値以下のランダムな数とする方法などが考えられる。
【０１３８】
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。図７は、本発明の第５の実施形態を示すものである。本発明の第５の実施形態では、各端末局ＴＳ１〜ＴＳＫへの送信信号を保存しているメモリ１３−１〜１３−Ｋに蓄積されたデータ量に応じて、空間チャネルの選択を決定する。メモリ１３−１〜１３−Ｋに蓄積されたデータ量が多い場合には、その端末局の選択される確率を増大させる。
【０１３９】
例えば、０から１までのランダムに発生した数字から、空間チャネルの選択を行う場合、０〜０．５の場合は端末局ＴＳ１、０．５〜０．６の場合は端末局ＴＳ２というように、数字の選択範囲を可変にすれば、端末局の優先度をつけることができる。この場合、一度選択された端末局に対しては、次の試行では優先度を下げるように設定しなおし、再度乱数を発生させていく。このようにして、１端末局が複数の空間チャネルを利用する場合にも、優先度をつけた空間チャネルの割り当てが可能となる。
【０１４０】
（第６の実施形態）
次に、本発明の第６の実施形態について説明する。図８は、本発明の第６の実施形態を示すものである。本発明の第６の実施形態では、端末局の組み合わせが変わった場合でも、受信局において推定する伝達関数の推定値が同一となるように制御する。
【０１４１】
例えば、時間スロット１において端末局ＴＳ１、ＴＳ２を空間多重して通信し、時間スロット２で端末局ＴＳ１、ＴＳ３と空間多重して通信したとする。時間スロット１で基地局ＢＳ１とＴＳ１との間の希望信号の伝達関数を推定したところ、この伝達関数がｇだったとする。
【０１４２】
一般に端末局の組み合わせを変更すると、送信局で空間多重を行うために形成した指向性が変化するため、伝達関数の変動が生じる。したがって、２乗誤差最小などのアルゴリズムによって形成した指向性を利用して、時間スロット２で通信すると、伝達関数がｇ’に変更されてしまう。
【０１４３】
そこで、端末局ＴＳ１への送信信号に対して、（ｇ／ｇ’）を乗算して送信する。具体的には、図８において、伝達関数推定部３２により（ｇ／ｇ’）を算出し、伝達関数設定部３３により、送信する送信電力、位相を変化させ、（ｇ／ｇ’）の乗算を実現する。このようにすることによって、時間スロット１、２において希望信号に対する伝達関数がｇとなり、時間スロット毎の伝達関数推定を行う必要がなくなる。
【０１４４】
本発明は、上述した実施形態に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で様々な変形や応用が可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１４５】
本発明は、広帯域無線通信において、送信局に複数のアンテナを用いて送信局の指向性を変化させ、受信局へ信号を伝送するようなシステムにおいて、複数の無線局と空間多重伝送を行う場合に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１４６】
【図１】本発明の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明が適用できる無線通信システムの説明に用いるブロック図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の説明に用いるタイミング図である。
【図４】本発明の第２の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第３の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の第３の実施形態の説明に用いるタイミング図である。
【図７】本発明の第５の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の第６の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図９】従来のマルチユーザＭＩＭＯのシステム構成の説明に用いるブロック図である。
【図１０】従来のＭＩＭＯにおける送信ウエイト行列の算出の説明に用いるフローチャートである。
【図１１】従来のＭＩＭＯにおける送信局側の構成の一例を示すブロック図である。
【図１２】従来のＭＩＭＯにおける送信局側の構成の他の例を示すブロック図である。
【図１３】従来のＭＩＭＯにおける送信局側の構成の更に他の例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【０１４７】
１１−１〜１１−Ｋ：符号化器、
１２−１〜１２−Ｋ：インタリーバ、
１３−１〜１３−Ｋ：メモリ、
１４−１〜１４−Ｋ：指向性形成部、
１５−１〜１５−Ｎ：合成装置、
１６−１〜１６−Ｎ：無線部、
１７−１〜１７−Ｎ：アンテナ、
１８：空間チャネル組み合わせ選択装置、
２１：変調器、
２２：分岐装置、
２３−１〜２３−Ｎ： 指向性形成装置
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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