(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信機と受信機間で複数の空間多重された通信チャネルを用いてデータ伝送する無線通信システムであって、
前記送信機において、送信電力を各通信チャネルに配分し信号空間にマッピングし空間多重してデータ送信し、
前記受信機において、空間分離した後のユーザ・データの受信電力に基づいて各通信チャネルの電力配分を推定し、受信したデータを空間分離しさらに推定した各通信チャネルの電力配分に基づいてデマッピングする、
ことを特徴とする無線通信システム。
【請求項２】
前記受信機は、空間分離した後のユーザ・データに含まれるパイロット・キャリヤの受信電力に基づいて各通信チャネルの電力配分を推定する、
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３】
送信機と受信機間で複数の空間多重された通信チャネルを用いてデータ伝送する無線通信システムであって、
前記送信機において、送信電力を各通信チャネルに配分し信号空間にマッピングし空間多重してデータ送信し、
前記受信機において、受信信号を空間分離した後のストリーム毎のユーザ・データの受信電力と、各ストリーム信号の尤度情報の双方に基づいて、各ストリームの電力配分を推定し、受信したデータを空間分離しさらに推定した各通信チャネルの電力配分に基づいてデマッピングする、
ことを特徴とする無線通信システム。
【請求項４】
前記受信機は、受信信号を空間分離した後のストリーム毎のユーザ・データに含まれるパイロット・キャリヤの受信電力と、各ストリーム信号の尤度情報の双方に基づいて、各ストリームの電力配分を推定する、
ことを特徴とする請求項３に記載の無線通信システム。
【請求項５】
前記送信機及び前記受信機はそれぞれ複数のアンテナを備え、前記送信機は伝送データを複数のストリームに分配し各送信アンテナから重み付け送信し、前記受信機は各受信アンテナでストリームを重み付け受信する、
ことを特徴とする請求項１又は３のいずれかに記載の無線通信システム。
【請求項６】
前記送信機は、前記受信機からのフィードバック情報に基づいて最適な送信アンテナ重み係数を得る、
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】
前記送信機は、各通信チャネルの通信品質に応じて送信電力を配分する、
ことを特徴とする請求項１又は３のいずれかに記載の無線通信システム。
【請求項８】
前記受信機は、各通信チャネルに割り当てた電力配分値を用い、各通信チャネルにおける受信信号点の信号空間上の振幅の大きさを元に戻す、
ことを特徴とする請求項１又は３のいずれかに記載の無線通信システム。
【請求項９】
前記受信機は、前記送信機から送られてくるリファレンス信号に含まれる電力情報に基づいて各通信チャネルの電力配分情報を取得する、
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】
複数の空間多重された通信チャネルを用いて伝送されるデータを受信する無線通信装置であって、送信側では通信チャネル毎に電力配分がなされており、
各通信チャネルから信号を受信し空間分離する受信手段と、
空間分離した後のユーザ・データの受信電力に基づいて各通信チャネルの電力配分を推定する電力配分情報取得手段と、
空間分離された各通信チャネルにおける受信信号を該推定された電力配分情報に基づいてデマッピングする復調手段と、
を具備することを特徴とする無線通信装置。
【請求項１１】
前記電力配分情報取得手段は、空間分離した後のユーザ・データに含まれるパイロット・キャリヤの受信電力に基づいて各通信チャネルの電力配分を推定する、
ことを特徴とする請求項１０に記載の無線通信装置。
【請求項１２】
複数の空間多重された通信チャネルを用いて伝送されるデータを受信する無線通信装置であって、送信側では通信チャネル毎に電力配分がなされており、
各通信チャネルから信号を受信し空間分離する受信手段と、
各通信チャネルの電力配分情報を取得する電力配分情報取得手段と、
空間分離された各通信チャネルにおける受信信号を該取得された電力配分情報に基づいてデマッピングする復調手段と、
受信信号を空間分離した後の各ストリーム信号の尤度情報を推定する尤度推定手段と、
を具備し、
前記電力配分情報取得手段は、受信信号を空間分離した後のストリーム毎のユーザ・データの受信電力と、各ストリーム信号の尤度情報の双方に基づいて、各ストリームの電力配分を推定する、
ことを特徴とする無線通信装置。
【請求項１３】
前記電力配分情報取得手段は、受信信号を空間分離した後のストリーム毎のユーザ・データに含まれるパイロット・キャリヤの受信電力と、各ストリーム信号の尤度情報の双方に基づいて、各ストリームの電力配分を推定する、
ことを特徴とする請求項１２に記載の無線通信装置。
【請求項１４】
前記電力配分情報取得手段は、受信信号を空間分離した後のストリームのユーザ・データに含まれるパイロット・キャリヤの受信電力に当該ストリーム信号の尤度振幅で重み付け平均して、当該ストリームの電力推定値を得る、
ことを特徴とする請求項１２に記載の無線通信装置。
【請求項１５】
複数の受信アンテナを備え、複数のアンテナを備えた送信機との間で形成される複数の論理チャネルを用いて空間多重データ伝送を行ない、
前記受信手段は、論理チャネルのチャネル行列を推定するとともに、該推定チャネル行列に基づいてアンテナ重み行列を求め、各アンテナからの受信信号に該アンテナ重み行列を乗算して各ストリームの信号に空間分離し、
前記尤度推定手段は、アンテナ重み行列に基づいて尤度情報を推定する、
ことを特徴とする請求項１２に記載の無線通信装置。
【請求項１６】
前記受信手段は、信号電力と２乗エラーの比を最大化する論理に基づくＭＭＳＥ（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ
Ｅｒｒｏｒ）アルゴリズムに従ってチャネル行列を推定し、
前記尤度推定手段は、推定されたチャネル行列とアンテナ受信重み行列と推定雑音電力から尤度情報を推定する、
ことを特徴とする請求項１５に記載の無線通信装置。
【請求項１７】
前記尤度推定手段は、推定されたチャネル行列とアンテナ受信重み行列と推定雑音電力から、空間復号した後のストリーム信号毎に信号電力Ｓと干渉電力Ｉと雑音電力Ｎとをそれぞれ算出し、Ｓ／（Ｉ＋Ｎ）の平方根からなる尤度振幅を尤度情報とする、
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１８】
前記尤度推定手段は、空間復号後の各ストリームに含まれる雑音電力値Ｎを、当該ストリームのアンテナ重みベクトルの２乗ノルムと空間復号前の信号に含まれる雑音電力の積で求める、
ことを特徴とする請求項１７に記載の無線通信装置。
【請求項１９】
前記尤度推定手段は、空間復号後の各ストリームにおけるアンテナ重みベクトルとチャネル・ベクトルのスカラ積の２乗ノルムから求まる電力値に雑音電力値を減算した結果を、当該ストリームの真の信号電力推定値Ｓとして求める、
ことを特徴とする請求項１７に記載の無線通信装置。
【請求項２０】
前記尤度推定手段は、空間復号した後の各ストリームの干渉信号電力Ｉを、当該ストリームのアンテナ重みベクトルと、それ以外のストリームのチャネル・ベクトルのスカラ積の２乗ノルムの総和から求める、
ことを特徴とする請求項１７に記載の無線通信装置。
【請求項２１】
複数の受信アンテナを備え、
前記受信手段は、複数のストリームに分配して重み付け送信された伝送データを各受信アンテナで重み付け受信する、
ことを特徴とする請求項１０又は１２のいずれかに記載の無線通信装置。
【請求項２２】
送信側では各通信チャネルの通信品質に応じて通信チャネル毎に電力配分がなされている、
ことを特徴とする請求項１０又は１２のいずれかに記載の無線通信装置。
【請求項２３】
前記復調手段は、各通信チャネルに割り当てた電力配分値を用い、各通信チャネルにおける受信信号点の信号空間上の振幅の大きさを元に戻す、
ことを特徴とする請求項１０又は１２のいずれかに記載の無線通信装置。
【請求項２４】
前記電力配分情報取得手段は、送信側から送られてくるリファレンス信号に含まれる電力情報に基づいて各通信チャネルの電力配分情報を取得する、
ことを特徴とする請求項１０又は１２のいずれかに記載の無線通信装置。
【請求項２５】
複数の空間多重された通信チャネルを用いて伝送されるデータを受信する無線通信方法であって、送信側では通信チャネル毎に電力配分がなされており、
各通信チャネルから信号を受信し空間分離する受信ステップと、
空間分離した後のユーザ・データの受信電力に基づいて各通信チャネルの電力配分を推定する電力配分情報取得ステップと、
空間分離された各通信チャネルにおける受信信号を該取得された電力配分情報に基づいてデマッピングする復調ステップと、
を有することを特徴とする無線通信方法。
【請求項２６】
複数の空間多重された通信チャネルを用いて伝送されるデータを受信する無線通信方法であって、送信側では通信チャネル毎に電力配分がなされており、
各通信チャネルから信号を受信し空間分離する受信ステップと、
各通信チャネルの電力配分情報を取得する電力配分情報取得ステップと、
空間分離された各通信チャネルにおける受信信号を該取得された電力配分情報に基づいてデマッピングする復調ステップと、
受信信号を空間分離した後の各ストリーム信号の尤度情報を推定する尤度推定ステップと、
を有し、
前記電力配分情報取得ステップでは、受信信号を空間分離した後のストリーム毎のユーザ・データの受信電力と、各ストリーム信号の尤度情報の双方に基づいて、各ストリームの電力配分を推定する、
ことを特徴とする無線通信方法。
【請求項２７】
複数の空間多重された通信チャネルを用いて伝送されるデータを受信する処理をコンピュータ上で実行するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムであって、送信側では通信チャネル毎に電力配分がなされており、前記コンピュータを、
各通信チャネルから信号を受信し空間分離する受信手段、
空間分離した後のユーザ・データの受信電力に基づいて各通信チャネルの電力配分を推定する電力配分情報取得手段、
空間分離された各通信チャネルにおける受信信号を該推定された電力配分情報に基づいてデマッピングする復調手段、
として機能させるためのコンピュータ・プログラム。
【請求項２８】
複数の空間多重された通信チャネルを用いて伝送されるデータを受信する処理をコンピュータ上で実行するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムであって、送信側では通信チャネル毎に電力配分がなされており、前記コンピュータを、
各通信チャネルから信号を受信し空間分離する受信手段、
各通信チャネルの電力配分情報を取得する電力配分情報取得手段、
空間分離された各通信チャネルにおける受信信号を該取得された電力配分情報に基づいてデマッピングする復調手段、
受信信号を空間分離した後の各ストリーム信号の尤度情報を推定する尤度推定手段、
として機能させ、
前記電力配分情報取得手段は、受信信号を空間分離した後のストリーム毎のユーザ・データの受信電力と、各ストリーム信号の尤度情報の双方に基づいて、各ストリームの電力配分を推定する、
コンピュータ・プログラム。
【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、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムに係り、特に、家庭内などの通信環境下で広帯域の無線伝送を実現する無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムに関する。
【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が対となって、空間多重を利用して複数の論理的なチャネルを形成した通信（ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ  Ｉｎｐｕｔ  Ｍｕｌｔｉ  Ｏｕｔｐｕｔ）通信）を行なうことにより伝送容量の拡大を行なう無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムに係り、特に、空間多重により得られる複数の論理チャネルに最適な送信電力の配分を行なうことにより大きな通信容量を得て伝送効率のよい通信動作を行なう無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムに関する。
【背景技術】
【０００３】
ＬＡＮを始めとするコンピュータ・ネットワーキングにより、情報資源の共有や機器資源の共有を効率的に実現することができる。ここで、旧来の有線方式によるＬＡＮ配線からユーザを解放するシステムとして、無線ＬＡＮが注目されている。無線ＬＡＮによれば、オフィスなどの作業空間において、有線ケーブルの大半を省略することができるので、パーソナル・コンピュータ（ＰＣ）などの通信端末を比較的容易に移動させることができる。
【０００４】
近年では、無線ＬＡＮシステムの高速化、低価格化に伴い、その需要が著しく増加してきている。特に、人の身の回りに存在する複数の電子機器間で小規模な無線ネットワークを構築して情報通信を行なうために、パーソナル・エリア・ネットワーク（ＰＡＮ）の導入が検討されている。例えば、２．４ＧＨｚ帯や、５ＧＨｚ帯など、監督官庁の免許が不要な周波数帯域を利用して、異なった無線通信システム並びに無線通信装置が規定されている。
【０００５】
無線ネットワークに関する標準的な規格の１つにＩＥＥＥ（Ｔｈｅ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）８０２．１１（例えば、非特許文献１を参照のこと）や、ＨｉｐｅｒＬＡＮ／２（例えば、非特許文献２又は非特許文献３を参照のこと）やＩＥＥＥ３０２．１５．３、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ通信などを挙げることができる。ＩＥＥＥ８０２．１１規格については、無線通信方式や使用する周波数帯域の違いなどにより、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ（例えば、非特許文献４を参照のこと），ｂ，ｇといった拡張規格が存在する。
【０００６】
ＩＥＥＥ８０２．１１ａ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。しかし、通信速度として、さらなる高ビットレートを実現できる無線規格が求められている。例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１ｎでは、実効スループットで１００ＭＢＰＳを超える高速な無線ＬＡＮ技術の開発を目指し、次世代の無線ＬＡＮ規格を策定している。
【０００７】
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、空間多重した伝送路（以下、「ＭＩＭＯチャネル」とも呼ぶ）を実現することにより、伝送容量の拡大を図り、通信速度向上を達成する技術である。ＭＩＭＯ通信は、空間多重を利用するので、周波数利用効率はよい。
【０００８】
ＭＩＭＯ通信方式は、送信機において複数アンテナに送信データを分配して送出し、複数の仮想的なＭＩＭＯチャネルを利用して伝送し、受信機では複数アンテナにより受信した信号から信号処理によって受信データを得るという、チャネルの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。
【０００９】
図８には、ＭＩＭＯ通信システムを概念的に示している。同図に示すように、送受信機各々に複数のアンテナが装備されている。送信側では、複数の送信データを空間／時間符号して多重化しＭ本のアンテナに分配して、複数のＭＩＭＯチャネルに送出し、受信側では、チャネル経由でＮ本のアンテナにより受信した受信信号を空間／時間復号して受信データを得ることができる。この場合のチャネル・モデルは、送信機周りの電波環境（伝達関数）と、チャネル空間の構造（伝達関数）と、受信機周りの電波環境（伝達関数）で構成される。各アンテナから伝送される信号を多重する際、クロストーク（Ｃｒｏｓｓｔａｌｋ）が発生するが、受信側の信号処理により多重化された各信号をクロストーク無しに正しく取り出すことができる。
【００１０】
ＭＩＭＯ伝送を構成方法としてはさまざまな方式が提案されているが、アンテナのコンフィギュレーションに応じていかにしてチャネル情報を送受信間でやり取りするかが実装上の大きな課題となる。
【００１１】
チャネル情報をやり取りするには、既知情報（プリアンブル情報）を送信側から受信側のみ伝送する方法が容易であり、この場合は送信機と受信機が互いに独立して空間多重伝送を行なうことになり、オープンループ型のＭＩＭＯ伝送方式と呼ばれる。また、この方法の発展形として、受信側から送信側にもプリアンブル情報をフィードバックすることによって、送受信間で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のＭＩＭＯ伝送方式もある。
【００１２】
オープンループ型のＭＩＭＯ伝送方式として、例えばＶ−ＢＬＡＳＴ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｂｅｌｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ  Ｌａｙｅｒｅｄ Ｓｐａｃｅ Ｔｉｍｅ）方式を挙げることができる（例えば、特許文献１を参照のこと）。送信側では、特にアンテナ重み係数行列を与えず、単純にアンテナ毎に信号を多重化して送る。言い換えれば、アンテナ重み係数行列を得るためのフィードバック手続きが一切省略される。送信機は、多重化信号を送出する前に、受信機側でチャネル推定を行なうためのトレーニング信号を、例えばアンテナ毎に時分割で挿入する。これに対し、受信機では、チャネル推定部でトレーニング信号を利用してチャネル推定を行ない、各アンテナ対に対応したチャネル情報行列Ｈを算定する。そして、Ｚｅｒｏ−ｆｏｒｃｉｎｇとキャンセリングを巧妙に組み合わせることで、キャンセリングによって生じたアンテナ自由度を活用してＳＮ比を向上させ、復号の確度を高める。
【００１３】
また、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、伝播路関数の特異値分解（ＳＶＤ：Ｓｉｎｇｕｌａｒ  Ｖａｌｕｅ  Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）を利用したＳＶＤ−ＭＩＭＯ方式が知られている（例えば、非特許文献５を参照のこと）。
【００１４】
図９には、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送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を要素とした数値行列すなわちチャネル情報行列Ｈを特異値分解してＵＤＶHを求め、送信側ではアンテナ重み係数行列としてＶを与えるとともに、受信側ではアンテナ重み係数行列としてＵHを与える。これによって、それぞれのＭＩＭＯチャネルは、各固有値λiの平方根を対角要素に持つ対角行列Ｄとして表され、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。この場合、送信機側と受信機側の双方において、空間分割すなわち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することができる。
【００１５】
ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送方式によれば、理論的には最大の通信容量を達成することができ、例えば送受信機がアンテナを２本ずつ持てば、最大２倍の伝送容量が得られる。
【００１６】
ここで、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送方式の仕組みについて詳細説明する。送信機のアンテナ本数をＭとすると送信信号ｘはＭ×１のベクトルで表され、また、受信機のアンテナ本数をＮとすると受信信号ｙはＮ×１のベクトルで表される。この場合、チャネル特性はＮ×Ｍの数値行列すなわちチャネル行列Ｈとして表される。チャネル行列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。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算し、さらに雑音ベクトルｎを加算して表される。
【００１７】
【数１】
0004604798.tif 000002
【００１８】
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）のようになる。
【００１９】
【数２】
0004604798.tif 000003
【００２０】
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行列Ｕは、それぞれ下式（３）、（４）を満たすユニタリ行列である。
【００２１】
【数３】
0004604798.tif 000004
【００２２】
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の固有値の平方根を対角成分に持つ。大きさは、送信アンテナ数Ｍと受信アンテナ数Ｎのうち小さい数であり、ｍｉｎ［Ｍ，Ｎ］の大きさの正方行列であり対角行列となる。
【００２３】
【数４】
0004604798.tif 000005
【００２４】
上述では、実数での特異値分解について説明したが、虚数にまで拡張した場合の特異値分解には注意点がある。ＵとＶは固有ベクトルで構成される行列であるが、固有ベクトルをノルムが１になるようにする操作すなわち正規化を行なった場合でも、単一のものにはならず、位相が異なる固有ベクトルが無数に存在する。ＵとＶの位相関係によっては、上式（２）が成り立たない場合がある。つまり、ＵとＶはそれぞれ正しいが、位相だけそれぞれ任意に回転しているからである。位相を完全一致させるためには、Ｖは通常通りＨHＨの固有ベクトルとして求める、そして、Ｕは、上式（２）の両辺に右からＶを掛け、下式のようにして求めるようにする。
【００２５】
【数５】
0004604798.tif 000006
【００２６】
送信側ではアンテナ重み係数行列Ｖを用いて重み付けをするとともに、受信側ではアンテナ重み係数行列ＵHで重みを付けて受信すると、ＵとＶがユニタリ行列であることから（ＵはＮ×ｍｉｎ［Ｍ，Ｎ］、ＶはＭ×ｍｉｎ［Ｍ，Ｎ］）、下式の通りとなる。
【００２７】
【数６】
0004604798.tif 000007
【００２８】
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、（ｍｉｎ［Ｍ，Ｎ］×１）ベクトルである。
【００２９】
Ｄは対角行列なので、各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、独立した各ＭＩＭＯチャネルの振幅は固有値λの平方根に比例するので、各ＭＩＭＯチャネルの電力の大きさはλに比例する。
【００３０】
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（ｍｉｎ［Ｍ，Ｎ］）ベクトルとなり、ｙ及びｘと同じサイズである。
【００３１】
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論理的に独立なＭＩＭＯチャネル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。
【００３２】
なお、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ通信システムにおいて得られるＭＩＭＯチャネル数は、一般に、送信アンテナ本数Ｍと受信アンテナ本数Ｎのうち少ない方ｍｉｎ［Ｍ，ｎ］に相当する。また、送信側におけるアンテナ重み係数行列Ｖは、ＭＩＭＯチャネル数分の送信ベクトルｖiで構成される（Ｖ＝［ｖ1，ｖ2，…，ｖmin[M,N］）。また、各送信ベクトルｖiの要素数は送信アンテナ本数Ｍである。
【００３３】
一般に、ＳＶＤ−ＭＩＭＯに代表されるクローズドループ型ＭＩＭＯ方式は、送信機側が伝送路の情報を考慮し、最適なアンテナ重み係数算出、並びに各送信アンテナのビット・ストリームに与える符号化率や変調方式を最適化させることで、より理想的な情報伝送を実現することができるとされている。
【００３４】
他方、クローズドループ型ＭＩＭＯ方式を実システムとして導入するには、送受信機の移動によってチャネル変動が大きい場合に、受信側から送信側へのフィードバックをかける頻度が多く必要となるなどの問題もある。また、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ通信方式においては、特異値分解の演算をリアルタイムで行なうのは容易では無いし、導出されたＶ若しくはＵHをあらかじめ相手方に伝えておくというセットアップ手順が必要である
【００３５】
ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送の適用対象となるＬＡＮシステムの１つであるＩＥＥＥ８０２．１１ａすなわち５ＧＨｚ帯のＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：直交周波数分割多重）通信方式を例にとって、送信側アンテナ係数行列Ｖの情報量について考察してみる。送受信アンテナ素子数を３本ずつとすると、送信側のアンテナ係数行列Ｖは３×３行列になり、その要素数は９である。１要素当たり１０ビット精度の実数と複素数で表されているとし、それが５２キャリヤ分必要となると、９３６０ビット（＝９（行列の要素数）×２（複素数の実部、虚部）×１０（ビット）×５２（ＯＦＤＭサブキャリヤ数））を受信機から送信機へフィードバックしなければならない。
【００３６】
ここで、実際のＳＶＤ−ＭＩＭＯ送受信システムを構成する場合に考慮しなければならない点について説明しておく。
【００３７】
ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送方式の基本形においては、受信機では、取得したチャネル行列Ｈを特異値分解して、受信用の重みベクトルＵHと送信機で使用する送信用の重みベクトルＶを求め、このＶを送信機側へフィードバックする。そして、送信機では、このＶを送信用の重みとして使用する。
【００３８】
ところが、送信機側へフィードバックする送信重み行列Ｖの情報量が大きいため、Ｖの情報を間引いて送った場合などに、本当のＶの情報との誤差のために、ＭＩＭＯチャンネル間の直交状態が壊れてしまいクロストークが生じてしまう。
【００３９】
そこで、通常は、受信機側で取得した送信重み行列Ｖを送信機側へフィードバックした後、送信機はその行列Ｖを用いてリファレンス信号を重み付けして送信し、受信機側では改めてチャネル行列を取得する。チャネル行列をＨとすると、Ｖで重み付けして送信したリファレンス信号から、受信機は、ＨＶというチャネル行列を得ることができる。
【００４０】
受信機側で、このＨＶの逆行列を求め、それを受信用の重みとして使用する。Ｈ＝ＵＤＶHであることから、ＨＶは下式の通りとなる。
【００４１】
【数７】
0004604798.tif 000008
【００４２】
これは、通常のＳＶＤ−ＭＩＭＯと同じＵHを受信用の重みに用いた後、分離された各ＭＩＭＯチャネルのストリームに、対角行列Ｄの各対角要素λiから求まる定数をかけるだけである。
【００４３】
送信側で、行列Ｖを送信用の重みとして使用して、受信機側では、ＨＶの逆行列を受信用の重みを使用するという構成は、通常のＳＶＤ−ＭＩＭＯの性能と同じであり、送信機側と受信機側のＶの不一致がない。したがって、実用上はこのような構成を採用することができる。
【００４４】
【特許文献１】特開平１０−８４３２４号公報
【非特許文献１】Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｔａｎｄａｒｄ ＩＳＯ／ＩＥＣ ８８０２−１１：１９９９（Ｅ） ＡＮＳＩ／ＩＥＥＥ Ｓｔｄ ８０２．１１， １９９９  Ｅｄｉｔｉｏｎ， Ｐａｒｔ１１：Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＬＡＮ Ｍｅｄｉｕｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＭＡＣ） ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｌａｙｅｒ（ＰＨＹ） Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ
【非特許文献２】ＥＴＳＩ Ｓｔａｎｄａｒｄ ＥＴＳＩ ＴＳ １０１ ７６１−１ Ｖ１．３．１ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｒａｄｉｏ Ａｃｃｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ（ＢＲＡＮ）； ＨＩＰＥＲＬＡＮ Ｔｙｐｅ ２； Ｄａｔａ Ｌｉｎｋ Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＤＬＣ） Ｌａｙｅｒ； Ｐａｒｔ１： Ｂａｓｉｃ Ｄａｔａ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ
【非特許文献３】ＥＴＳＩ ＴＳ １０１ ７６１−２ Ｖ１．３．１ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｒａｄｉｏ Ａｃｃｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ（ＢＲＡＮ）； ＨＩＰＥＲＬＡＮ Ｔｙｐｅ ２； Ｄａｔａ Ｌｉｎｋ Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＤＬＣ） Ｌａｙｅｒ； Ｐａｒｔ２： Ｒａｄｉｏ Ｌｉｎｋ Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＲＬＣ） ｓｕｂｌａｙｅｒ
【非特許文献４】Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ  ｔｏ  ＩＥＥＥ  Ｓｔａｎｄａｒｄ  ｆｏｒ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ−Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ  ａｎｄ  ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｅｘｃｈａｎｇｅ  ｂｅｔｗｅｅｎ  ｓｙｓｔｅｍｓ−Ｌｏｃａｌ  ａｎｄ  ｍｅｔｒｏｐｏｌｉｔａｎ  ａｒｅａ  ｎｅｔｗｏｒｋｓ−Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ−Ｐａｒｔ  １１：  Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  ＬＡＮ  Ｍｅｄｉｕｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＭＡＣ）  ａｎｄ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｌａｙｅｒ（ＰＨＹ）  ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ：  Ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｌａｙｅｒ  ｉｎ  ｔｈｅ  ５ＧＨＺ  Ｂａｎｄ
【非特許文献５】ｈｔｔｐ：／／ｒａｄｉｏ３．ｅｅ．ｕｅｃ．ａｃ．ｊｐ／ＭＩＭＯ（ＩＥＩＣＥ＿ＴＳ）．ｐｄｆ（平成１５年１０月２４日現在）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００４５】
上述したように、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ通信方式では、同一の周波数、同一の時間でありながら、混信しない（クロストークしない）複数の独立な論理的な土管（ＭＩＭＯチャネル）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る。このようにして、伝送速度の向上を実現することができる
【００４６】
ＳＶＤ−ＭＩＭＯ通信方式では、送信側ではアンテナ重み係数行列Ｖを用いて重み付けをするとともに、受信側ではアンテナ重み係数行列ＵHで重みを付けて受信することから、送信信号ｘに対する受信信号ｙは上式（７）のように表される。そして、Ｄは対角行列なので、各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、独立した各ＭＩＭＯチャネルの振幅は固有値λの平方根に比例するので、各ＭＩＭＯチャネルの電力の大きさはλに比例する。
【００４７】
このことは、送信機側で送信アンテナに平等に電力を振り分けると独立な各ＭＩＭＯチャネルの電力の比と同じになることを意味する。
【００４８】
ところで、ＭＩＭＯチャネルの通信品質は均一ではなく、ＳＮ比のよいＭＩＭＯチャネルからＳＮ比のよくないＭＩＭＯチャネルが混在している。ｉ番目のＭＩＭＯチャネルの通信品質は対角行列Ｄの対角要素である固有値λiの大きさに相当する。
【００４９】
ここで、各ＭＩＭＯチャネルへの電力配分を最適化することにより、電力を各ＭＩＭＯチャネルへ平等に振り分けた場合よりもさらに大きな通信容量を得ることができる。（具体的には、通信品質の良好な（すなわち固有値λiの大きな）ＭＩＭＯチャネルにより大きな送信電力を割り当てることにより、通信容量は増すが、この点については後に詳解する。）
【００５０】
例えば、２つのＭＩＭＯチャネルが用意されていて、送信機側では、全体の送信電力を１．０とすると、０．７と０．３と電力を配分して送信したりする。
【００５１】
ところが、このように空間多重されたチャネル毎に電力配分を変えた場合、受信機側では正確にデマッピングすることができない、という問題が生じる。
【００５２】
何故ならば、電力配分が変わることによって、信号空間上の受信信号点の振幅の大きさが区々になってしまうからである。ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、１６ＱＡＭ、６４ＱＡＭ、２５６ＱＡＭいずれのマッピング方式においても、通常であれば、信号空間上のすべての信号点が均一に使用されたという仮定の下では電力平均が１となるように正規化されて、信号点がマッピングされる。これに対し、電力配分を変えることにより、電力平均が１となることが保証されなくなる。
【００５３】
例えば、ＢＰＳＫ（Ｂｉｎａｒｙ  Ｐｈａｓｅ  Ｓｈｉｆｔ  Ｋｅｙｉｎｇ）やＱＰＳＫ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ  Ｐｈａｓｅ  Ｓｈｉｆｔ  Ｋｅｙｉｎｇ）の場合には、信号空間における受信信号点の各座標軸上の正負関係のみを参照してデマッピングすることができるので、電力平均が１であることが保証される必要は必ずしもない。これに対し、１６ＱＡＭなどでは、信号空間の１つの象限に複数の信号点がマッピングされることから、各座標軸上の正負関係のみで正確なデマッピングを保証することはできず、電力平均が１であることが保証される必要がある。すなわち、電力配分を変えた場合には、受信器側では受信信号点を元の振幅の大きさに戻す必要がある。
【００５４】
本発明は、上述したような技術的課題を鑑みたものであり、その主な目的は、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が対となって、空間多重を利用して複数の論理的なチャネルを形成したＭＩＭＯ通信を行なうことにより伝送容量の拡大を行なうことができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。
【００５５】
本発明のさらなる目的は、空間多重により得られる各ＭＩＭＯチャネルに最適な送信電力の配分を行なうことによって、より大きな通信容量を得て伝送効率のよい通信動作を行なうことができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。
【００５６】
本発明のさらなる目的は、送信機側でＭＩＭＯチャネル毎に電力配分を変えて空間多重して送出された送信データを、受信機側では空間分離しさらに電力配分値に基づいて正確にデマッピングすることができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００５７】
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、送信機と受信機間で複数の空間多重された通信チャネルを用いてデータ伝送する無線通信システムであって、
前記送信機において、送信電力を各通信チャネルに配分し信号空間にマッピングし空間多重してデータ送信し、
前記受信機において、各通信チャネルの電力配分情報を取得し、受信したデータを空間分離しさらに電力配分情報に基づいてデマッピングする、
ことを特徴とする無線通信システムである。
【００５８】
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。
【００５９】
本発明に係る無線通信システムでは、例えばＭＩＭＯ通信方式を採用し、空間多重した複数の伝送路すなわちＭＩＭＯチャネルを用いて伝送容量を拡大し、通信速度を向上することができる。この場合、前記送信機及び前記受信機はそれぞれ複数のアンテナを備え、前記送信機は伝送データを複数のストリームに分配し各送信アンテナから重み付け送信し、前記受信機は各受信アンテナでストリームを重み付け受信する。
【００６０】
また、本発明に係る無線通信システムでは、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送に代表されるクローズドループＭＩＭＯ通信方式を採用することができる。この場合、前記送信機は、前記受信機からのフィードバック情報に基づいて最適な送信アンテナ重み係数を得る。
【００６１】
ここで、各ＭＩＭＯチャネルへの電力配分を最適化することにより、電力を各ＭＩＭＯチャネルへ平等に振り分けた場合よりもさらに大きな通信容量を得ることができる。具体的には、通信品質の良好なＭＩＭＯチャネルにより大きな送信電力を割り当てることにより、通信容量は増す。
【００６２】
ところが、このように空間多重されたチャネル毎に電力配分を変えた場合、受信機側では正確にデマッピングすることができない、という問題が生じる。
【００６３】
そこで、本発明に係る無線通信システムでは、受信機側では、各通信チャネルの電力配分情報を取得し、受信したデータを空間分離しさらに電力配分情報に基づいてデマッピングするようにした。すなわち、受信機は、各通信チャネルに割り当てた電力配分値を用い、各通信チャネルにおける受信信号点の信号空間上の振幅の大きさを元に戻すことにより、正確なデマッピング処理を行なう。
【００６４】
前記受信機は、例えば、前記送信機から送られてくるリファレンス信号に含まれる電力情報に基づいて各通信チャネルの電力配分情報を取得することができる。
【００６５】
但し、リファレンス信号を用いて電力配分情報の伝達を行なう場合、伝送フレームには、ユーザ・データ以外に余分なリファレンス信号が付加され、伝送効率がよくないという問題がある。
【００６６】
そこで、前記受信機は、空間分離した後のユーザ・データの受信電力に基づいて各通信チャネルの電力配分を推定するようにしてもよい。
【００６７】
具体的には、前記受信機は、空間分離した後のユーザ・データに含まれるパイロット・キャリヤの受信電力に基づいて各通信チャネルの電力配分を推定することができる。
【００６８】
ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送の適用対象となるＬＡＮシステムの１つであるＩＥＥＥ８０２．１１ａでは、５２本のＯＦＤＭサブキャリヤには４本の既知パイロット・キャリヤを挿入することが取り決められている。このパイロット・キャリヤは±１の値をとることから、１つのパイロット・キャリヤの値をユーザ・データから取り出すようにしてもよい。あるいは、ユーザ・データから取り出された複数個のパイロット・キャリヤの値の平均を取ることによって雑音の影響を除外し、そのＭＩＭＯチャネルにおける電力配分をより正確に推定することが可能である。
【００６９】
なお、パイロット・キャリヤは、本来は周波数分割多重した際における位相変動すなわち位相回転を修正することを主な用途とするが、本発明では、これを信号点における振幅変動すなわち電力方向の修正にも用いるという点に特徴がある。
【００７０】
また、受信機側で電力配分推定の精度を高めることによって、その後段のデマッピングの判定精度を高めることができ、ひいては受信機全体のパフォーマンス向上にもつながる。
【００７１】
例えば、受信機は、受信信号の信号電力だけでなく、各ストリーム信号の尤度情報を利用することによって、各ストリームのより正確な電力配分を推定することができ、この電力配分推定情報を鑑みることによって、より精度の高いデマッピングを実現することができる。
【００７２】
具体的には、受信機は、ユーザ・データに含まれるパイロット・キャリヤの信号電力を検出し、その検出値の正確さの拠り所として、当該信号の尤度推定値を活用することによって、各ストリームの電力配分をより正確に推定することができる。実際には、複数の信号電力の検出値を平均化して各ストリームの電力配分の推定を行なうが、その際に尤度推定値で重み付けを行なう。すなわち、ストリームの受信電力に当該ストリーム信号の尤度振幅で重み付け平均することによって、当該ストリームについてのより正確な電力推定値を得るようにする。
【００７３】
受信機が、空間分離した後の受信信号の信号電力とともに、各信号の尤度情報を用いて各ストリームの電力配分を取得する場合、何らかの方法によって各ストリームの尤度情報を取得する必要がある。
【００７４】
ＭＩＭＯ伝送では、前記受信手段は、論理チャネルのチャネル行列を推定するとともに、該推定チャネル行列に基づいてアンテナ重み行列を求め、各アンテナからの受信信号に該アンテナ重み行列を乗算して各ストリームの信号に空間分離する。このような場合、前記尤度推定手段は、アンテナ重み行列に基づいて尤度情報を推定することができる。例えば、空間復号後の信号振幅の期待値が一様に１となることを見込んで、各ストリームの重みベクトルの２乗ノルムが雑音電力のゲインに等しくなると仮定した場合、空間復号後の各ストリームのＳＮＲを当該ストリームのアンテナ重みベクトルの２乗ノルムの逆数から求め、ＳＮＲ推定値の平方根からなる尤度振幅を尤度情報として用いることができる。
【００７５】
また、信号電力と２乗エラーの比を最大化する論理に基づくＭＭＳＥ（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ Ｅｒｒｏｒ）アルゴリズムに従ってチャネル行列を推定する場合には、アンテナ重み行列の算出時に（ストリーム間の干渉となる）クロストークを意図的に発生させることや、なお且つ空間復号後の信号振幅値の期待値が１と限らないことから、アンテナ受信重み行列のみを用いた尤度推定値では正確を期し難いと考えられる。そこで、推定されたチャネル行列とアンテナ受信重み行列と推定雑音電力という３つの情報に基づいて尤度情報をより正確に推定するようにしてもよい。具体的には、推定されたチャネル行列とアンテナ受信重み行列と推定雑音電力から、空間復号した後のストリーム信号毎に信号電力Ｓと干渉電力Ｉと雑音電力Ｎとをそれぞれ直接算出し、Ｓ／（Ｉ＋Ｎ）の平方根からなる尤度振幅を尤度情報とする。
【００７６】
ここで、空間復号後の各ストリームに含まれる雑音電力値を、当該ストリームのアンテナ重みベクトルの２乗ノルムと空間復号前の信号に含まれる雑音電力の積で求めることができる。
【００７７】
また、空間復号した後の各ストリームの信号振幅の期待値は、当該ストリームにおけるアンテナ重みベクトルとチャネル・ベクトルのスカラ積より求めることができる。そこで、各ストリームにおけるアンテナ重みベクトルとチャネル・ベクトルのスカラ積の２乗ノルムから求まる電力値に雑音電力値を減算した結果を、当該ストリームの真の信号電力推定値として求めることができる。
【００７８】
また、空間復号した後の各ストリームの干渉信号の振幅は、当該ストリームのアンテナ重みベクトルと、それ以外のストリームのチャネル・ベクトルのスカラ積から求められる。そこで、これらスカラ積の２乗ノルムの総和から当該ストリームにおける干渉信号電力を得ることができる。
【００７９】
このように、アンテナ重み行列Ｗだけでなく、ＭＭＳＥ処理に用いられる雑音電力推定値（すなわち、空間復号前の受信信号に含まれる雑音電力の推定値）と、推定チャネル行列をも用い、空間復号後の各ストリーム信号における雑音電力、信号電力、干渉電力をそれぞれ直接的に推定し、これらの推定値よりＳＩＮＲを求めることによって、その平方根からなる尤度振幅情報はより確度の高い尤度情報として利用することができる。
【００８０】
また、本発明の第２の側面は、複数の空間多重された通信チャネルを用いて伝送されるデータを受信する処理をコンピュータ・システム上で実行するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムであって、送信側では通信チャネル毎に電力配分がなされており、
各通信チャネルから信号を受信し空間分離する受信ステップと、
各通信チャネルの電力配分情報を取得する電力配分情報取得ステップと、
空間分離された各通信チャネルにおける受信信号を該取得された電力配分情報に基づいてデマッピングする復調ステップと、
を具備することを特徴とするコンピュータ・プログラムである。
【００８１】
本発明の第２の側面に係るコンピュータ・プログラムは、コンピュータ・システム上で所定の処理を実現するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムを定義したものである。換言すれば、本発明の第２の側面に係るコンピュータ・プログラムをコンピュータ・システムにインストールすることによってコンピュータ・システム上では協働的作用が発揮され、複数のアンテナを備えた通信装置がＭＩＭＯ受信機として動作することができる。このようなＭＩＭＯ受信機を起動して、複数のアンテナを備えたＭＩＭＯ送信機とともに複数の無線ネットワークを構築することによって、本発明の第１の側面に係る無線通信システムと同様の作用効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００８２】
本発明によれば、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が対となって、空間多重を利用して複数の論理的なチャネルを形成したＭＩＭＯ通信を行なうことにより伝送容量の拡大を行なうことができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。
【００８３】
また、本発明によれば、空間多重により得られる各ＭＩＭＯチャネルに最適な送信電力の配分を行なうことによって、より大きな通信容量を得て伝送効率のよい通信動作を行なうことができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。
【００８４】
また、本発明によれば、送信機側でＭＩＭＯチャネル毎に電力配分を変えて空間多重して送出された送信データを、受信機側では空間分離しさらに電力配分値に基づいて正確にデマッピングすることができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。
【００８５】
また、受信機は、受信信号を空間分離すなわち空間復号した後のストリーム毎のユーザ・データの受信電力だけでなく、各ストリーム信号の尤度情報を利用することによって、各ストリームのより正確な電力配分を推定することができる。この電力配分推定情報を鑑みることによって、より精度の高いデマッピングを実現することができ、ひいては受信機全体のパフォーマンス向上にもつながる。
【００８６】
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】
【００８７】
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。
【００８８】
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が対となって信号を空間的に多重化して通信するＭＩＭＯ通信システムに関する。以下では、ＭＩＭＯ伝送の適用対象となるＬＡＮシステムの１つであるＩＥＥＥ８０２．１１ａを例に挙げるものとする。
【００８９】
各ＭＩＭＯチャネルへの電力配分を最適化することにより、電力を各ＭＩＭＯチャネルへ平等に振り分けた場合よりもさらに大きな通信容量を得るようにしている。具体的には、通信品質の良好なＭＩＭＯチャネルにより大きな送信電力を割り当てることにより、通信容量は増す。
【００９０】
このように空間多重されたチャネル毎に電力配分を変えた場合、受信機側では正確にデマッピングすることができない、という問題が生じるが、本発明では、受信機は、各通信チャネルの電力配分情報を取得し、受信したデータを空間分離しさらに電力配分情報に基づいてデマッピングするようにした。すなわち、受信機は、各通信チャネルに割り当てられた電力配分値を用い、各通信チャネルにおける受信信号点の信号空間上の振幅の大きさを元に戻すことにより、正確なデマッピング処理を行なうようにしている。
【００９１】
図１には、本発明の一実施形態に係る無線通信装置の構成を示している。
【００９２】
同図に示す無線通信装置は、２本の送受信アンテナ１１ａ及び１１ｂを備え、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ方式によるデータ伝送を行なうことができる。すなわち、送信時は、多重化する各送信信号に送信アンテナ重み係数を与え空間／時間符号して２本のアンテナ１１ａ及び１１ｂに分配してチャネルに送出し、受信側では、チャネル経由で２本のアンテナ１１ａ及び１１ｂにより受信した多重化信号に受信アンテナ重み係数を与え空間／時間復号して受信データを得る。但し、本発明の要旨はアンテナ２本に限定されるものではなく、３本以上であってもよい。
【００９３】
各送受信アンテナ１１ａ及び１１ｂには、スイッチ１２ａ及び１２ｂを介して、それぞれ送信系統並びに受信系統が並列的に接続され、他の無線通信装置宛に信号を所定の周波数チャネル上で無線送信し、あるいは他の無線通信装置から送られる信号を収集する。但し、スイッチ１２ａ及び１２ｂは送受信アンテナ１１ａ及び１１ｂを送信系統又は受信系統の一方と排他的に接続し、送受信をともに並行しては行なえないものとする。
【００９４】
各送信系統は、変調符号化部２１と、送信用重み乗算部２２と、ＩＦＦＴ２３と、ブリアンブル／リファレンス付与部２４と、Ｄ／Ａ変換器２５と、送信用アナログ処理部２６を備えている。
【００９５】
変調符号化部２１は、通信プロトコルの上位レイヤから送られてきた送信データを誤り訂正符号で符号化するとともに、ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、１６ＱＡＭ、６４ＱＡＭ、２５６ＱＡＭなどの所定の変調方式により送信信号を信号空間上にマッピングする。この時点で、パイロット・シンボル挿入パターン並びにタイミングに従って、既知のデータ系列をパイロット・シンボルとして変調シンボル系列に挿入するようにしてもよい。サブキャリヤ毎あるいはサブキャリヤ数本の間隔で、既知パターンからなるパイロット信号が挿入される。
【００９６】
送信用重み乗算部２２は、送信先から送られてくるアンテナ本数分のリファレンス・シンボルを受信しチャネル推定して得られるチャネル行列Ｈを特異値分解して得られた送信用重み行列Ｖを保持しており、符号化後の送信信号をこの重み行列Ｖで乗算することにより、空間多重により複数のＭＩＭＯチャネルを得る。この送信用重み行列Ｖは、通信相手となる無線通信装置から送られた情報を基に構築され、送信用重み乗算部２２に設定される。
【００９７】
ＩＦＦＴ２３では、変調されたシリアル形式の信号を、並列キャリヤ数並びにタイミングに従って、並列キャリヤ数分のパラレル・データに変換してまとめた後、所定のＦＦＴサイズ並びにタイミングに従ってＦＦＴサイズ分の逆フーリエ変換を行なう。ここで、シンボル間干渉の除去のため、１ＯＦＤＭシンボルの前後にガード・インターバル区間を設けるようにしてもよい。ガード・インターバルの時間幅は、伝搬路の状況、すなわち復調に影響を及ぼす遅延波の最大遅延時間によって決定される。そして、直列の信号に直し、周波数軸での各キャリヤの直交性を保持したまま時間軸の信号に変換して、送信信号とする。
【００９８】
この送信信号は、Ｄ／Ａ変換器２５によりアナログのベースバンド信号に変換され、さらに送信用アナログ処理部２６によりＲＦ周波数帯にアップコンバートされてから、アンテナ１１よりチャネルへ送出される。本実施形態では、各ＭＩＭＯチャネルへの電力配分を最適化することにより、電力を各ＭＩＭＯチャネルへ平等に振り分けた場合よりもさらに大きな通信容量を得るようにしている。具体的には、通信品質の良好なＭＩＭＯチャネルにより大きな送信電力を割り当てるようにしている。
【００９９】
一方、各受信系統は、受信用アナログ処理部３１と、Ａ／Ｄ変換器３２と、同期獲得部３３と、ＦＦＴ３４と、受信用重み乗算部３５と、復調復号器３６と、チャネル特性取得及び電力配分取得部３７で構成される。
【０１００】
アンテナ１１より受信した信号を、受信用アナログ処理部３１でＲＦ周波数帯からベースバンド信号にダウンコンバートし、Ａ／Ｄ変換器３２により、デジタル信号に変換する。
【０１０１】
次いで、同期獲得部３３により検出された同期タイミングに従って、シリアル・データとしての受信信号をパラレル・データに変換してまとめ（ここでは、ガード・インターバルまでを含む１ＯＦＤＭシンボル分の信号がまとめられる）、ＦＦＴ３４によって有効シンボル長分の信号をフーリエ変換し、各サブキャリヤの信号を取り出すことにより、時間軸の信号を周波数軸の信号に変換する。
【０１０２】
チャネル特性取得及び電力配分取得部３７では、まず通信相手が多重化送信する信号毎に重みが与えられたリファレンス信号を用いてチャネル行列Ｈを得て、このチャネル行列からアンテナ重みを記述した受信用重み行列を計算する。例えば、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ通信システムの場合には、取得したチャネル行列を特異値分解して、送信用重み行列Ｖと、アンテナ重み行列Ｗとしての受信用重み行列ＵHと、対角行列Ｄを得ておく。通信相手からは、所定の間隔でリファレンス信号が送られ、チャネル特性取得部３７はその都度新しいチャネル行列に更新し、これを特異値分解する。
【０１０３】
また、チャネル特性取得及び電力配分取得部３７では、送信側において施された各ＭＩＭＯチャネルへの電力配分に関する情報を取得する。例えば、送信機がストリーム毎のリファレンス信号中に電力情報を記載しておき、チャネル特性取得及び電力配分取得部３７で解読するようにしてもよい。あるいは、受信信号を空間分離した後のストリーム毎のユーザ・データの受信電力に基づいて、電力配分を推定することができる。また、電力配分を推定する際、各ストリーム信号の尤度情報も鑑みることによって、その推定精度を高めることができる。電力配分を取得する方法の詳細については、後述に譲る。
【０１０４】
チャネル行列を特異値分解して得られた受信用重み行列ＵHは、自装置の受信用重み乗算部３５に設定されるとともに、送信用重み行列Ｖは通信相手にフィードバックされる。但し、受信用重み行列としてＵHではなくＨＶの逆行列としてのＤ-ＵHを用いるようにしてもよい（前述並びに式（８）を参照のこと）。
【０１０５】
そして、受信用重み乗算部３５は、チャネル行列Ｈを特異値分解して得られた受信用重み行列ＵH又はＤ-ＵHを受信信号に乗算することにより、空間多重された受信信号を空間分離する。
【０１０６】
重み付けされた受信信号は、さらに復調復号器３６によって、信号空間上の受信信号をＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、１６ＱＡＭ、６４ＱＡＭ、２５６ＱＡＭなどの所定の方式によりデマッピングするとともに、誤り訂正並びに復号して受信データとなり、通信プロトコルの上位レイヤに渡される。
【０１０７】
なお、本発明の要旨は、チャネル行列から受信用重み行列を求める方式としてＳＶＤに限定されるものではない。チャネル行列Ｈから受信重み行列Ｗを求める比較的簡単なアルゴリズムとして、例えばＺｅｒｏ  Ｆｏｒｃｅ（ゼロ化規範）や、ＭＭＳＥ（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ Ｅｒｒｏｒ）が知られているが、これらのアルゴリズムを用いて本発明を実現することも可能である。Ｚｅｒｏ  Ｆｏｒｃｅは、完全にクロストークを取り除く論理に基づいた方法である。一方のＭＭＳＥは、信号電力と２乗エラー（クロストーク電力と雑音電力の和）の比を最大化する論理に基づいた方法であり、受信機の雑音電力の概念を導入し、クロストークを意図的に発生させて受信重み行列Ｗを求める（チャネル行列Ｈを逆行列演算する）。両者を比較すると、雑音が大きい環境下では、ＭＭＳＥの方が優れていることが知られている。
【０１０８】
本実施形態に係る無線通信システムでは、送信機側では、通信品質の良好なＭＩＭＯチャネルにより大きな送信電力を割り当てることにより、各ＭＩＭＯチャネルへの電力配分を最適化し、通信容量を向上させている。ここで、送信側では空間多重されたチャネル毎に電力配分を変えているので、受信側では正確にデマッピングすることができないという問題が生じる。そこで、本実施形態では、チャネル特性取得及び電力配分取得部３７が各ＭＩＭＯチャネルの電力配分情報を取得するようにしている。さらに、受信用重み乗算部３５では、受信信号に受信用重み行列ＵH又はＤ-ＵHを乗算して空間分離した後、各通信チャネルに割り当てられた電力配分値を用い、各通信チャネルにおける受信信号点の信号空間上の振幅の大きさを元に戻すことにより、正確なデマッピング処理を行なうことができるようにしている。
【０１０９】
ＳＶＤ−ＭＩＭＯ通信システムを例にとって、受信機側での受信処理の手順を以下に示す。但し、送信機側で送信重み行列Ｖを取得するための処理は事前に行なわれているものとする。
【０１１０】
（ステップ１）
送信重み行列Ｖで重み付けされたリファレンス信号を受信し、ＨＶをチャネル行列情報として取得する。
（ステップ２）
ＨＶの逆行列を計算する（式（８）を参照のこと）。
（ステップ３）
ＨＶの逆行列を用いて、ユーザ・データを重み付け受信し空間分離する。
（ステップ４）
各ＭＩＭＯチャネルに割り当てた電力配分値を使って、大きさを元に戻す（受信信号点の信号空間上の振幅の大きさを元に戻す）。
【０１１１】
このステップ４を実現するためには、受信機側では各ＭＩＭＯチャネルにどのように電力を分配したのかを事前に知っておく必要がある。
【０１１２】
以下では、チャネル特性取得及び電力配分取得部３７において、送信側において施された各ＭＩＭＯチャネルへの電力配分に関する情報を取得するための方法について説明する。但し、説明の便宜上、２本のＭＩＭＯチャネルが形成されているものとし、それぞれの送信重みベクトルをｖ1及びｖ2とする（すなわち、Ｖ＝［ｖ1，ｖ2］）。
【０１１３】
受信機側で、電力配分に関する情報を取得するための方法の１つとして、送信機が電力配分に関する情報を伝送フレームに含め、受信側でこれを解釈することで各ＭＩＭＯチャネルの電力配分情報を取得する方法を挙げることができる。
【０１１４】
図２には、この場合の伝送フレームの構成例を示している。図示の通り、伝送フレームは、受信側でチャネル特性Ｈを得るためのリファレンス信号（若しくは受信重みを得るためのＨＶを取得するためにＶで重み付けされたリファレンス信号）と、送信重み行列を用いて空間多重されたユーザ・データに先立ち、多重化されない電力配分情報が付加されている。
【０１１５】
チャネル特性取得及び電力配分取得部３７では、この電力配分情報の記載を解釈することにより、送信側において施された各ＭＩＭＯチャネルへの電力配分に関する情報を取得することができる。
【０１１６】
ここで、電力配分情報はユーザ・データに対する余分な情報であり、伝送効率の低下を招来する。特に、ＭＩＭＯチャネル毎の電力配分を実数で記述することからビット・サイズは意外に大きく、伝送効率への影響は無視し難い。
【０１１７】
また、チャネル特性取得及び電力配分取得部３７において各ＭＩＭＯチャネルの電力配分情報を取得するための他の方法として、送信機から送られてくるリファレンス信号に含まれる電力情報に基づいて各ＭＩＭＯチャネルの電力配分情報を取得するという方法を挙げることができる。
【０１１８】
図３には、この場合の伝送フレームの構成例を示している。図示の通り、伝送フレームは、受信側でチャネル特性Ｈを得るためのリファレンス信号（若しくは受信重みを得るためのＨＶを取得するためにＶで重み付けされたリファレンス信号）とともに、ＭＩＭＯチャネル毎の電力配分情報を取得するためのリファレンス信号が、ユーザ・データに付加されている。
【０１１９】
この場合、チャネル特性Ｈを得るためのリファレンス信号は、送信アンテナ毎に送信重みｖ1及びｖ2をそれぞれかけたリファレンス信号を時分割多重して構成される。これに対し、電力配分情報を得るためのリファレンス信号は、ユーザ・データと同様、チャネル毎の電力配分が施され、送信重みｖ1及びｖ2を用いて重み付け空間多重して送られる。図４には、図３に示した伝送フレームの時間及び空間多重構成を模式的に示している。
【０１２０】
この場合、チャネル特性取得及び電力配分取得部３７では、送信重みｖ1及びｖ2を用いて重み付け空間多重して送られるリファレンス信号を空間分離し、各ＭＩＭＯチャネルの受信電力に基づいてこれらの電力配分を取得することができる。
【０１２１】
但し、電力配分情報を得るためのリファレンス信号は、ユーザ・データに対する余分な情報であり、伝送効率の低下を招来する。
【０１２２】
また、チャネル特性取得及び電力配分取得部３７において各ＭＩＭＯチャネルの電力配分情報を取得するための他の方法として、チャネル特性Ｈを得るための、送信アンテナ毎に送信重みｖ1及びｖ2をそれぞれかけた時分割多重されたリファレンス信号に、電力配分情報を併せて送信するという方法も考えられる。
【０１２３】
図５には、この場合の伝送フレームの構成例を示している。図示の通り、伝送フレームは、受信側でチャネル特性Ｈを得るためのリファレンス信号（若しくは受信重みを得るためのＨＶを取得するためにＶで重み付けされたリファレンス信号）が、ユーザ・データに先立ち付加されている。
【０１２４】
この場合、チャネル特性Ｈを得るためのリファレンス信号は、送信アンテナ毎に送信重みｖ1及びｖ2をそれぞれかけた信号を時分割多重して構成される。図６には、図５に示した伝送フレームの時間及び空間多重構成を模式的に示している。
【０１２５】
そして、リファレンス信号の時分割されたそれぞれの送信重み部分ｖ1及びｖ2には、空間多重時と同様に該当するＭＩＭＯチャネルと同様の電力配分が施されている。例えば、２本のＭＩＭＯチャネルに対する電力配分が７：３であれば、送信電力を１とすれば０．７：０．３の送信電力比となる。
【０１２６】
この場合、電力配分情報通知用の余分な情報がユーザ・データに付加されないので、伝送効率への影響はない。ところが、電力配分に大きな差がある場合には、信頼性に問題がある。例えば、電力配分が９：１であれば、一方のチャネルの送信電力が０．９であるのに対し、他方のチャネルの送信電力は０．１となり、これは１０ｄＢの信号劣化に相当することから著しい信頼度低下となる。
【０１２７】
そこで、受信機側で電力配分に関する情報を取得するための他の方法として、空間分離した後のユーザ・データの受信電力に基づいて各通信チャネルの電力配分を推定する方法についてさらに提案する。この方法によれば、電力配分情報を通知するための余分な情報がユーザ・データに付加されないので、伝送効率への影響はない。
【０１２８】
この場合、受信機側ではＶで重み付けされたリファレンス信号を受信する。そして、チャネル特性取得及び電力配分取得部３７は、Ｖで重み付けされたリファレンス信号から、チャネル行列ＨＶを得る。このＨＶの逆行列を計算する（式（８）を参照のこと）。そして、ユーザ・データを一度メモリに格納する。
【０１２９】
チャネル特性取得及び電力配分取得部３７は、メモリの中のユーザ・データの最初の１ＯＦＤＭシンボルを取り出し、ＨＶの逆行列をかける。ＨＶの逆行列をかけると、複数の空間チャネル信号が分離され、目的とする空間チャネルの信号のみ取り出すことができる。同時に伝送路のフェージングの影響も取り除かれる。この信号は、電力配分の分だけ振幅が変化している信号である。全体で１．０の電力で送信するところを０．３の電力で送った信号は、（１／０．３）の平方根を乗算することにより、振幅を元のコンスタレーション（信号空間）上の信号点に戻すことができる。
【０１３０】
図７には、この場合の電力配分推定部分における機能構成を模式的に示している。図示の通り、受信信号に対しＨＶの逆行列をかけて複数の空間チャネル信号に分離する空間分離部と、空間分離された各チャネル信号の電力を取得する電力取得部と、電力取得結果に基づいてチャネル毎の電力配分を推定する電力配分推定部を備えている。そして、この電力推定結果に基づいて各チャネルの受信信号を信号空間上に再マッピングすることにより、復調復号部３６において正確なデマッピングが可能となる。
【０１３１】
このようなユーザ・データに基づいて電力配分を推定する方法について以下に説明する。
【０１３２】
ユーザ・データは、送信側で、変調方式がどのようなものでも、各信号点の電力の平均は、１．０になるようにマッピングされている。したがって、電力配分推定部は、このユーザ・データの１ＯＦＤＭシンボル（ＨＶの逆行列をかけた後のもの）中の５２個のデータ（１ＯＦＤＭシンボルが５２サブキャリヤで構成されている場合）について電力を計算し平均する。その値が例えば、０．３であった場合は、電力配分が０．３であったと推定することができる。
【０１３３】
信号マッピング方式としてＢＰＳＫを採用する場合は、信号空間上には信号点が−１と＋１のものしかない。これに対し、１６ＱＡＭの場合、信号点の電力は数種類存在するが、すべての信号点が平均的に同じ頻度で使われた場合に電力が１になるように正規化されている。また、送信機側ではユーザ・データにスクランブラをかけるので、１６ＱＡＭの各信号点は平均的に同じ確率で使用されることが保証される。したがって、電力推定部３７による上述したような電力配分の推定が可能となる。勿論、１ＯＦＤＭシンボルよりも２ＯＦＤＭシンボルを使用した方が、より正確な電力を推定することができるのは言うまでもない。
【０１３４】
電力配分の推定方法として、もう１つ説明する。
【０１３５】
ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送の適用対象となるＬＡＮシステムの１つであるＩＥＥＥ８０２．１１ａでは、ＯＦＤＭのサブキャリヤは５２本と決められており、さらにその中の４本はパイロット・キャリヤになる。本来このパイロット・キャリヤは、送受信機間のクロックの誤差に伴う位相回転を補償するために用いられるが、ＯＦＤＭにＳＶＤ−ＭＩＭＯを適用した通信においては、このパイロット信号を送信電力配分にも使用することができる。
【０１３６】
パイロット・キャリヤは、送信側で、信号空間で±１の値で送られているので、受信側で数ＯＦＤＭシンボルに渡りこのパイロット・キャリヤの電力を測定し、その値を基に、該当するＭＩＭＯチャネルにおける電力配分を推定する。上述と同様に、各ＭＩＭＯチャネルにおける受信信号に、１／（パイロット・キャリヤの電力）の平方根をかけることにより、受信信号点の信号空間上の振幅の大きさを元に戻すことができる。すなわち、位相補償を本来の用途とするパイロット・キャリヤを振幅変動すなわち電力方向の修正に用いるという点に特徴がある。
【０１３７】
図１０には、この場合の電力配分推定部分における機能構成を模式的に示している。
【０１３８】
各アンテナ１１ａ及び１１ｂからの受信信号１〜２はＦＦＴ３４によってフーリエ変換され、時間軸の信号から周波数軸上に連続して配置された複数のサブキャリヤからなるＯＦＤＭシンボルとなる。
【０１３９】
チャネル特性取得部３７−１は、例えばリファレンス信号部分を用いてチャネル行列Ｈを得て、このチャネル行列からアンテナ重みを記述した受信用重み行列を計算する。例えば、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ通信システムであれば、チャネル行列Ｈを特異値分解して、アンテナ重み行列Ｗとしての受信用重み行列ＵHを得る。勿論、チャネル特性取得部３７−１は、Ｚｅｒｏ  ＦｏｒｃｅやＭＭＳＥなどのアルゴリズムを用いてアンテナ重み行列Ｗを計算するようにしてもよい。
【０１４０】
電力配分取得部３７−２は、数ＯＦＤＭシンボルに渡り各ストリームのパイロット・キャリヤの電力を測定し、１／（パイロット・キャリヤの電力）の平方根Ａ-1を当該信号における電力配分として推定する。但し、電力配分取得部３７−２内に空間分離処理が内包されており、空間分離後の受信信号に基づいて電力配分の推定が行なわれる。
【０１４１】
そして、アンテナ重み行列乗算部３５では、各アンテナからの受信信号１〜２に、アンテナ重み行列Ｗに電力配分Ａ-1を乗算して得られた行列を乗算することによって、ストリーム毎の信号に分離する際に受信信号点の信号空間上の振幅の大きさを元に戻すことができる。
【０１４２】
ここで、受信機側で電力配分推定の精度を高めることによって、その後段のデマッピングの判定精度を高めることができ、ひいては受信機全体のパフォーマンス向上にもつながる。
【０１４３】
その具体例として、受信信号を空間分離すなわち空間復号した後のストリーム毎のユーザ・データの受信電力だけでなく、各ストリーム信号の尤度情報を利用することによって、各ストリームのより正確な電力配分を推定することができ、この電力配分推定情報を鑑みることによって、より精度の高いデマッピングを実現することができる。図１１には、この場合の電力配分推定部分における機能構成を模式的に示している。
【０１４４】
各アンテナ１１ａ及び１１ｂからの受信信号１〜２はＦＦＴ３４によってフーリエ変換され、時間軸の信号から周波数軸上に連続して配置された複数のサブキャリヤからなるＯＦＤＭシンボルとなる。
【０１４５】
チャネル特性取得部３７−１は、例えばリファレンス信号部分を用いてチャネル行列Ｈを得て、このチャネル行列からアンテナ重みを記述した受信用重み行列を計算する。例えば、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ通信システムであれば、チャネル行列Ｈを特異値分解して、アンテナ重み行列Ｗとしての受信用重み行列ＵHを得る。勿論、チャネル特性取得部３７−１は、Ｚｅｒｏ  ＦｏｒｃｅやＭＭＳＥなどのアルゴリズムを用いてアンテナ重み行列Ｗを計算するようにしてもよい。
【０１４６】
電力配分取得部３７−２は、数ＯＦＤＭシンボルに渡り各ストリームのパイロット・キャリヤの電力を検出する。その検出値の正確さの拠り所として、尤度推定部３８から得られる当該信号の尤度推定値を活用する。そして、１／（パイロット・キャリヤの電力）の平方根Ａ-1を当該信号におけるより正確な電力配分推定値として出力する。但し、電力配分取得部３７−２内に空間分離処理が内包されており、空間分離後の受信信号に基づいて電力配分の推定が行なわれる（同上）。電力配分取得部３７−２は、実際には、複数の信号電力の検出値を平均化して各ストリームの電力配分の推定を行なうが、その際に下式で示すように当該ストリームの尤度推定値で重み付けを行なう。但し、ｌはストリームの通し番号、Ｐlはｌ番目のストリームの信号電力、Ｙlはｌ番目のストリームの尤度振幅である。
【０１４７】
【数８】
0004604798.tif 000009
【０１４８】
そして、アンテナ重み行列乗算部３５では、各アンテナからの受信信号１〜２に、受信信号に、アンテナ重み行列Ｗに電力配分Ａ-1を乗算して得られた行列を乗算することによって、ストリーム毎の信号に分離する際に受信信号点の信号空間上の振幅の大きさを元に戻す。
【０１４９】
上式（９）で示したように、尤度振幅で重み付け平均を行なうことにより、より正確な電力配分推定値を得ることができる。これによって、その後段のデマッピングの判定精度の向上が期待され、ひいては受信機全体のパフォーマンス向上につながる。
【０１５０】
図１１に示したように、空間分離した後の受信信号の信号電力とともに、各信号の尤度情報を用いて各ストリームの電力配分を取得する場合、受信機側では、尤度推定部３８が何らかの方法によって各ストリームの尤度情報を取得する必要がある。
【０１５１】
ＭＩＭＯ伝送では、受信機側では、論理チャネルのチャネル行列を推定するとともに、該推定チャネル行列に基づいてアンテナ重み行列を求め、各アンテナからの受信信号に該アンテナ重み行列を乗算して各ストリームの信号に空間分離する。例えば、Ｚｅｒｏ  Ｆｏｒｃｅの場合、空間復号後のＳＮＲの相対的推定値として、下式（１０）を用いることができる。これは、空間復号後の信号振幅の期待値が一様に１となることを見込んで、各ストリームの重みベクトルの２乗ノルムが雑音電力のゲインに等しくなることを根拠としたものである。
【０１５２】
【数９】
0004604798.tif 000010
【０１５３】
上式（１１）は、ｌ番目のストリームのアンテナ重みベクトルが各受信ブランチｎとの間のアンテナ重みｗlnを要素とするベクトルであることを示している。また、上式（１２）は、アンテナ重み行列Ｗは、ストリーム毎のアンテナ重みベクトルを行ベクトルとする行列の転置行列であることを示している。各ストリームにおける空間復号処理に伴うゲインは、当該ストリームのアンテナ重みベクトルの２乗ノルムである。そして、上式（１０）は、空間復号後のｌ番目のストリームについてのＳＮＲを、当該ストリームのアンテナ重みベクトルの２乗ノルムの逆数から求めている。
【０１５４】
そして、尤度推定部３８は、下式（１３）に示すＳＮＲ推定値の平方根を尤度振幅Ｙとして電力配分取得部３７−２に渡す。このような尤度情報は、上式（１０）からも分かるように、アンテナ重み行列のみを用いて推定されたものである。
【０１５５】
【数１０】
0004604798.tif 000011
【０１５６】
一方、ＭＭＳＥの場合、アンテナ重み行列の算出時に（ストリーム間の干渉となる）クロストークを意図的に発生させることや、なお且つ空間復号後の信号振幅値の期待値が１と限らないという側面を鑑みると、上式（１３）に示したようなアンテナ受信重み行列のみを用いた尤度推定値では正確を期し難いと考えられる。
【０１５７】
そこで、図１１の変形例として、尤度推定部３８は、推定されたチャネル行列と、アンテナ受信重み行列と、推定雑音電力という３つの情報に基づいて尤度情報をより正確に推定して、これを電力配分取得部３７−２に与えるようにしている。具体的には、推定されたチャネル行列とアンテナ受信重み行列と推定雑音電力から、空間復号した後のストリーム信号毎に信号電力Ｓと干渉電力Ｉと雑音電力Ｎとをそれぞれ算出し、Ｓ／（Ｉ＋Ｎ）の平方根からなる尤度振幅情報を電力配分取得部３７−２に渡す。図１２には、この場合の電力配分推定部分における機能構成を模式的に示している。
【０１５８】
各アンテナ１１ａ及び１１ｂからの受信信号１〜２はＦＦＴ３４によってフーリエ変換され、時間軸の信号から周波数軸上に連続して配置された複数のサブキャリヤからなるＯＦＤＭシンボルとなる。チャネル特性取得部３７−１は、例えばリファレンス信号部分から得られたチャネル行列Ｈから、ＭＭＳＥアルゴリズムを用いてアンテナ重み行列Ｗを計算する。
【０１５９】
電力配分取得部３７−２は、数ＯＦＤＭシンボルに渡り各ストリームのパイロット・キャリヤの電力を検出する。その検出値の正確さの拠り所として、尤度推定部３８から得られる当該信号の尤度推定値を活用し、１／（パイロット・キャリヤの電力）の平方根Ａ-1を当該信号におけるより正確な電力配分推定値として出力する（同上）。また、電力配分取得部３７−２内に空間分離処理が内包されており、空間分離後の受信信号に基づいて電力配分の推定が行なわれる。そして、アンテナ重み行列乗算部３５では、各アンテナからの受信信号１〜２に、アンテナ重み行列Ｗに電力配分Ａ-1を乗算して得られた行列を乗算することによって、ストリーム毎の信号に分離する際に受信信号点の信号空間上の振幅の大きさを元に戻す。
【０１６０】
ここで、尤度推定部３８は、推定されたチャネル行列Ｈとアンテナ受信重み行列Ｗと推定雑音電力σr2という３つの情報を入力に持ち、これらの値から空間復号後の各ストリーム信号における雑音電力、信号電力、干渉電力をそれぞれ直接的に推定し、これらの推定値よりＳＩＮＲを求める。
【０１６１】
【数１１】
0004604798.tif 000012
【０１６２】
そして、尤度推定部３８は、算出されたＳＩＮＲの平方根からなる尤度振幅情報を電力配分取得部３７−２に与える。
【０１６３】
【数１２】
0004604798.tif 000013
【０１６４】
入力された推定されたチャネル行列Ｈとアンテナ受信重み行列Ｗと推定雑音電力σr2から雑音電力、信号電力、並びに干渉電力を直接求める計算式は以下の通りである。
【０１６５】
【数１３】
0004604798.tif 000014
【０１６６】
σr2は、空間復号前の信号に含まれる雑音電力である。また、各ストリームにおける空間復号処理に伴うゲインは、当該ストリームのアンテナ重みベクトルの２乗ノルムである。したがって、上式（１６）では、空間復号後の各ストリームに含まれる雑音電力値を、当該ストリームのアンテナ重みベクトルの２乗ノルムと空間復号前の信号に含まれる雑音電力の積で求めている。
【０１６７】
また、上式（１９）はｌ番目のストリームのチャネル・ベクトルが各受信ブランチｎとの間のチャネル推定値ｈnlを要素とするベクトルであることを示している。また、上式（２０）は、チャネル行列Ｈは、ストリーム毎のチャネル・ベクトルの転置ベクトルを列ベクトルとする行列であることを示している。ここで、空間復号した後の各ストリームの信号振幅の期待値は、当該ストリームにおけるアンテナ重みベクトルとチャネル・ベクトルのスカラ積より求めることができる。そのスカラ積の２乗ノルムが空間復号した後の各ストリームの信号電力と言えるが、この電力値には雑音電力も混入している。そこで、上式（１７）では、このスカラ積の２乗ノルムで算出した電力値から、上式（１６）で求めた雑音電力値を減算した結果を、当該ストリームの真の信号電力推定値として求めている。
【０１６８】
また、空間復号した後の各ストリームの干渉信号の振幅は、当該ストリームのアンテナ重みベクトルと、それ以外のストリームのチャネル・ベクトルのスカラ積から求められる。そこで、上式（１８）では、これらスカラ積の２乗ノルムの総和から当該ストリームにおける干渉信号電力を得ている。
【０１６９】
上式（１６）〜（１８）を用いて求められた雑音電力、信号電力、並びに干渉電力を上式（１４）に代入することによって、ＭＭＳＥアルゴリズムに基づいてアンテナ重み行列を得る際のより妥当なＳＩＮＲ値を求めることができる。そして、上式（１５）に示すように、ＳＩＮＲ値の平方根からなる尤度振幅を、より確度の高い尤度情報として得ることができる。したがって、クロストークを意図的に発生せしめるＭＭＳＥの場合であっても、比較的確度の高い尤度情報を電力配分取得部３７−２に渡すことができるので、受信機全体のパフォーマンス劣化を抑制することができる。
【０１７０】
以下では、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送方式を例にとって、本実施形態に係る無線通信システムにおける送受信の手順について説明する。但し、ＲＴＳ／ＣＴＳ手順に基づいて送信権を獲得する場合を例にとっているが、本発明の要旨はこれに限定されるものではない。
【０１７１】
（ステップ１）
送信機から受信機へ、送信要求ＲＴＳパケットを送信する。
【０１７２】
（ステップ２）
受信機から送信機へ、送信確認応答ＣＴＳパケットを返信する。このＣＴＳパケットの先頭には、チャネル行列Ｈを推定するためのリファレンス信号が付加されている。
【０１７３】
（ステップ３）
送信機は、ＣＴＳのリファレンス信号からチャネル行列Ｈを取得する。そして、送受信機でキャリブレーションが行なわれていれば、アップリンクのＨもダウンリンクのＨも同じである。
【０１７４】
（ステップ４）
送信機は、取得したチャネル行列Ｈを特異値分解する。Ｈ＝ＵＤＶHを得る。
【０１７５】
（ステップ５）
送信機は、取得したＶを用いて、ＤＡＴＡパケットを送信する。ＤＡＴＡパケットは、Ｖで重み付けされたＭＩＭＯチャネル毎に時分割多重されたリファレンス信号の領域と、これに続く、Ｖで重み付けされ空間多重ユーザ・データで構成される。
【０１７６】
（ステップ６）
受信機は、ＤＡＴＡパケットのＶで重み付けされたリファレンス信号の領域から、チャネル行列ＨＶを取得する。
【０１７７】
（ステップ７）
受信機は、チャネル行列ＨＶの逆行列を計算する（式（８）を参照のこと）。
【０１７８】
（ステップ８）
受信機は、ＨＶの逆行列を用いて、ユーザ・データの１シンボル目に掛け合わせる。
【０１７９】
（ステップ９）
受信機は、ＨＶの逆行列をかけたユーザ・データの５２個のサブキャリヤにおける電力の平均（又はパイロット・キャリヤの電力）を求め、それを配分された電力値の推定値とする。
【０１８０】
（ステップ１０）
受信機は、ユーザ・データの１ＯＦＤＭシンボル目から改めて、ＨＶの逆行列をかける。
【０１８１】
（ステップ１１）
受信機は、ＨＶの逆行列をかけたユーザ・データに対し、ｓｑｒｔ（１．０／（電力配分推定値））をかけて、受信信号点の信号空間における振幅の大きさを調整する。
【０１８２】
（ステップ１２）
受信機は、デマッッピングを行ない、ユーザ・データを受信する。
【０１８３】
最後に、送信電力配分によるＭＩＭＯ通信容量の最適化について説明しておく。
【０１８４】
ＳＶＤ−ＭＩＭＯ通信方式では、送信機側で送信アンテナに平等に電力を振り分けると独立な各ＭＩＭＯチャネルの電力の比と同じになる。複数のストリームを伝送する際の伝送容量がいくらになるかは、例えば、Ｇ．Ｊ．Ｆｏｓｃｈｉｎｉ及びＭ．Ｊ．Ｇａｎｓ共著“Ｏｎ ｌｉｍｉｔｓ ｏｆ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ａ ｆａｄｉｎｇ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｗｈｅｎ ｕｓｉｎｇ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ａｎｔｅｎｎａｓ”（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ｖｏｌ．６，ｎｏ．３， ｐｐ．３１１−３３５，Ｍａｒｃｈ １９９８）などの文献に定量的に記載されている。
【０１８５】
各受信アンテナでの平均の雑音電力をＮ、ｎt本のアンテナで電力Ｓの信号を送信し、ｎr本のアンテナで受信したとし、複数の独立したＭＩＭＯチャネルの通信容量が当該ＭＩＭＯ通信システムの通信システムの通信容量Ｃ［ｂｉｔｓ／ｓｅｃ／Ｈｚ］であるとすると、下式のように表される。
【０１８６】
【数１４】
0004604798.tif 000015
【０１８７】
ここで、ｌｏｇＡ＋ｌｏｇＢ＝ｌｏｇＡＢという公式を用いると、上式（２１）は下式のように変形される。
【０１８８】
【数１５】
0004604798.tif 000016
【０１８９】
さらに、行列式の公式ｄｅｔ｜Ａ｜＝λ1λ2…λn、及びｄｅｔ（Ｉ＋Ａ）＝｜Ｉ＋Ａ｜＝（１＋λ1）（１＋λ2）…（１＋λn）という公式から、上式（２２）は下式のように変形される。
【０１９０】
【数１６】
0004604798.tif 000017
【０１９１】
上式（２３）で示した通信容量は、各ＭＩＭＯチャネルに均一な電力を配分したときのものである。実際には、ＳＮ比のよい（固有値λの値が大きい）ＭＩＭＯチャネルからＳＮ比のよくない（固有値λの値が小さい）ＭＩＭＯチャネルまでさまざまであり、電力の配分次第で、上式（２３）で示したよりもさらに大きな通信容量を得ることができる。
【０１９２】
上式（２１）において、Ｓ／ｍｉｎ（ｎt，ｎr）の部分は、全体の送信電力Ｓを論理的に独立な複数のＭＩＭＯチャネルに平等に配分することを表している。ＭＩＭＯチャネル毎に異なる電力を振り分けて最適化するので、各ＭＩＭＯチャネルに割り振られた送信電力をＰnとし、雑音成分Ｎをσ2とすると、システム全体の通信容量Ｃは下式のように書き換えられる。
【０１９３】
【数１７】
0004604798.tif 000018
【０１９４】
送信電力Ｐiをどのように配分したら全体の通信容量が最大になるかは、例えば注水定理を用いて解くことができる。説明の便宜上、途中の計算式を省略し、結論を言えば、通信容量を最大にする電力Ｐnは下式で表される。
【０１９５】
【数１８】
0004604798.tif 000019
【０１９６】
そして、このときの通信容量Ｃ［ｂｉｔｓ／ｓｅｃ／Ｈｚ］は下式の通りとなる。
【０１９７】
【数１９】
0004604798.tif 000020
【０１９８】
これがＭＩＭＯシステムの最大の通信容量である。このように、送受信のアンテナを設置した場合、その間の空間伝達関数が決まり、その共分散行列の固有値が求まると、その通信用量の最大値が一意に決まることになる。
【０１９９】
注水定理とは、上式（１３）のように、各送信電力をチャネルの減衰に比例する量から引いた値に設定する定理である。これを見ると、良好なチャネルにより大きい送信電力を割り当てることに相当する。
【０２００】
通信品質に基づいて送信ストリーム毎に異なる変調方式を割り当てるときには、ストリーム間で通信品質が均等に近づくように、注水定理を用いて各ストリームの電力配分を決定することができる。注水定理によれば、帯域又は時刻により雑音電力が異なる場合に、測定した雑音電力と信号電力との和（基準電力）とが等しくなるように帯域又は時刻毎に電力を設定して通信を行なうことで、平均送信信号電力当たりの通信容量を大きくすることができる。基準電力は、例えば符号化に用いる符号の誤り訂正能力や、受信機側の受信状態のフィードバックに基づいて決定する。
【産業上の利用可能性】
【０２０１】
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。
【０２０２】
本発明は、空間多重してデータ伝送を行なうさまざまな無線通信システムに適用することができ、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ方式のように空間分割すなわち空間直交した多重伝送方式に適用範囲は限定されない。また、送信側又は受信側のいずれか一方が空間多重を行なうとともに、空間多重された通信チャネル毎に電力配分を行なうその他のタイプの無線通信システムに対しても、本発明を同様に好適に適用することができる。
【０２０３】
要するに、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、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。
【図面の簡単な説明】
【０２０４】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る無線通信装置の構成を示した図である。
【図２】図２は、伝送フレームの構成例を示した図である。
【図３】図３は、伝送フレームの構成例を示した図である。
【図４】図４は、伝送フレームの構成例を示した図である。
【図５】図５は、伝送フレームの構成例を示した図である。
【図６】図６は、伝送フレームの構成例を示した図である。
【図７】図７は、電力配分推定部分における機能構成を模式的に示した図である。
【図８】図８は、ＭＩＭＯ通信システムを概念的に示した図である。
【図９】図９は、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送システムを概念的に示した図である。
【図１０】図１０は、電力配分推定部分における機能構成を模式的に示した図である。
【図１１】図１１は、電力配分推定部分における機能構成を模式的に示した図である。
【図１２】図１２は、電力配分推定部分における機能構成を模式的に示した図である。
【符号の説明】
【０２０５】
１１…アンテナ
１２…スイッチ
２１…符号器
２２…送信用重み乗算部
２３…ＩＦＦＴ
２４…ブリアンブル／リファレンス付与部
２５…Ｄ／Ａ変換器
２６…送信用アナログ処理部
３１…受信用アナログ処理部
３２…Ａ／Ｄ変換器
３３…同期獲得部
３４…ＦＦＴ
３５…受信用重み乗算部
３６…復号器
３７…チャネル特性取得及び電力配分取得部
３８…尤度推定部
【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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