(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
送受信の各アンテナ対に対応するチャネルを要素としたチャネル行列Ｈの特異値分解して得られる行列ＵＤＶHを利用して送信重み及び受信重みを決定して空間多重伝送を行なう無線通信システムであって、第１の通信機から第２の通信機へのデータ伝送を行なう際に、
前記第２の通信機は、前記第１の通信機からのリファレンス信号を用いてチャネル行列Ｈを取得し、特異値分解することにより送信機から受信機への第１の通信機から第２の通信機方向の送信重みＶ並びに受信重みＵHを得て、Ｕの共役行列Ｕ*を第２の通信機から第１の通信機方向の送信重みとしてＵ*で重み付けしたリファレンス信号を第２の通信機から第１の通信機方向で送信し、
前記第１の通信機は、第１の通信機から第２の通信機方向のチャネル行列のＨ（＝ＵＤＶH）に対する転置行列ＨTをチャネル行列に持つ第２の通信機から第１の通信機方向においてＵ*で重み付けしたリファレンス信号を受信すると、ＨTＵ*＝Ｖ*ＤＵT＝Ｖ*Ｄを得て、さらにユニタリ行列の性質に基づいてＶ*Ｄから第１の通信機から第２の通信機方向の送信重みＶを分離する、
ことを特徴とする無線通信システム。
【請求項２】
送受信の各アンテナ対に対応するチャネルを要素としたチャネル行列を利用して送信重み及び受信重みを決定して空間多重伝送を行なう無線通信装置であって、
送信用の重みをかけたリファレンス信号を受信する受信手段と、
該受信した信号を基にこれとは逆方向の送信用の重み成分と対角行列の成分に分離する分離手段と、
前記分離手段により得られた送信用の重み成分を用いて前記リファレンス信号を受信したのとは逆方向のデータ送信を行なう送信手段と、
を具備し、
第２の通信機から当該無線通信装置方向は当該無線通信装置から第２の通信機方向のチャネル行列のＨ（＝ＵＤＶH）の転置行列ＨTをチャネル行列に持ち、第２の通信機へデータ通信を行なう際に、
前記受信手段は、第２の通信機から当該無線通信装置方向においてＵ*で重み付けしたリファレンス信号を受信することにより、ＨTＵ*＝Ｖ*ＤＵT＝Ｖ*Ｄを得て、
前記分離手段は、ユニタリ行列の性質に基づいて、Ｖ*Ｄから当該無線通信装置から第２の通信機方向の送信重みＶを分離する、
ことを特徴とする無線通信装置。
【請求項３】
送受信の各アンテナ対に対応するチャネルを要素としたチャネル行列Ｈの特異値分解して得られる行列ＵＤＶHを利用して送信重み及び受信重みを決定して空間多重伝送を行なう無線通信方法であって、第２の通信機からの通信方向は第２の通信機への通信方向のチャネル行列のＨ（＝ＵＤＶH）の転置行列ＨTをチャネル行列に持ち、第２の通信機へデータ通信を行なう際に、
Ｕの共役行列Ｕ*を第２の通信機から第１の通信機方向の送信重みとしてＵ*で重み付けされたリファレンス信号を受信し、ＨTＵ*＝Ｖ*ＤＵT＝Ｖ*Ｄを取得する受信ステップと、
ユニタリ行列の性質に基づいて、Ｖ*Ｄから第１の通信機から第２の通信機方向の送信重みＶを分離する分離ステップと、
Ｖを用いて第１の通信機から第２の通信機方向の重み付け送信を行なう送信ステップと、
を有することを特徴とする無線通信方法。
【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・プログラムに係り、特に、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、送受信の各アンテナ対に対応するチャネルを要素としたチャネル行列の特異値分解（ＳＶＤ）を利用したクローズドループ型のＭＩＭＯ伝送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、計算負荷の高いチャネル行列の特異値分解処理をより少ない回数にしてＳＶＤ−ＭＩＭＯ通信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。
【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を越える高速な無線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４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るが、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、伝搬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５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。これによって、それぞれのＭＩＭＯチャネルは、各特異値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に説明する。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】
0004604545.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】
0004604545.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】
0004604545.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の特異値λi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】
0004604545.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をかけ、下式のようにして求めるようにする。
【００２５】
【数５】
0004604545.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】
0004604545.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チャネルの振幅は特異値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、送信機側が伝搬路の情報を考慮し、最適なアンテナ重み係数算出することができる。さらに、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対の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】
0004604545.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】
ＳＶＳ−ＭＩＭＯ通信を行なうためには、チャネル行列などの取得か必要である。他方、通常の無線通信システムにおいては、ＣＳＭＡ／ＣＡ方式により衝突の回避を行ないながら、例えば隠れ端末問題を解くなどの目的で、いわゆるＲＴＳ／ＣＴＳ手順に基づく送信権の獲得が行なわれる。したがって、以下に示すような制御手順により、ＲＴＳ、ＣＴＳ、ＤＡＴＡ、ＡＣＫなどの各パケットを利用してチャネル行列の獲得を実現することができる（図６を参照のこと）。但し、ＲＴＳ／ＣＴＳシーケンスを開始する前に、送信機は事前に送信重みＶを取得しているものとする。
【００４６】
（ステップ１）
送信機がＲＴＳパケットを受信機に送信する。ＲＴＳパケットには、リファレンス信号が付加されている。
【００４７】
（ステップ２）
受信機では、受信したＲＴＳパケットのリファレンス信号から、チャネル行列Ｈを取得する。
【００４８】
（ステップ３）
受信機では、取得したチャネル行列Ｈから、どのような変調方式で、何個の独立した空間チャネルを使用できるかを判別する。
【００４９】
ＲＴＳを受信時に、受信機側で変調方式を決定したいという要求がある場合がある。例えば、ＣＴＳに付加するＮＡＶ（Ｎｅｔｗｏｒｋ  Ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ  Ｖｅｃｔｏｒ）で、パケットの最後まで周辺局の送信動作を停止させたい場合などである。また、ＳｈｏｒｔＮＡＶを設定する場合には、データ送信の所要時間を算出するために、チャネルにおける変調方式やビットレートを判断する必要がある。どの変調方式で送ってもらうかを決定するには、受信機側でも各ＭＩＭＯチャネルがどのような状態かを把握するために、チャネル行列Ｈを特異値分解し、各ＭＩＭＯチャネルの状態すなわち特異値λを知る必要がある。
【００５０】
（ステップ４）
受信機側から送信機側へＣＴＳを返信する。ＣＴＳには、チャネル行列推定用のリファレンス信号が付加されている。
【００５１】
（ステップ５）
送信機では、受信機から送られたＣＴＳのリファレンス信号から、逆方向のチャネル行列Ｈを取得する。
【００５２】
なお、送信機の各アンテナに属するアナログ回路の特性差と、受信機の各アンテナに属するアナログ回路の特性差を補償するキャリブレーションを行なえば、順方向と逆方向の伝達関数は同じになる。送受信機におけるアナログ回路部分特性差のキャリブレーション方法に関しては、例えば本出願人に既に譲渡されている特願２００３−４２６２９４号明細書に記載されている。
【００５３】
（ステップ６）
送信機は、取得した逆方向Ｈの特異値分解を行ない、順方向の送信用の重みＶを決定する。勿論、受信機側で特異値分解して得た順方向の送信用重みＶを送信機へ直接するようにしてもよいが、情報量が大き過ぎる。このため、このように受信機はよりデータ量の少ないリファレンス信号を送ることで、送信機はＶを取得する。
【００５４】
（ステップ７）
送信機は、受信機からＣＴＳ信号を受信したことに応答して、データ・パケットを送信する。このデータ・パケットの先頭には、Ｖで重み付けしたリファレンス信号が付加され、その直後にユーザ・データ（ペイロード）を送信する。
【００５５】
（ステップ８）
受信機では、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を取得し、その逆行列（式（８）を参照のこと）を受信用の重みとしてユーザ・データを受信する。
【００５６】
以上のような通信手順に従いＳＶＤ−ＭＩＭＯ通信を行なう場合、ＲＴＳ／ＣＴＳシーケンスにより１回のデータ伝送を行なう度に、ステップ３とステップ６の合計２回の特異値分解の計算と、ステップ８における１回の逆行列の演算を行なわなければならず、送受信機における計算負荷が過大になるという問題がある。とりわけ、特異値分解の計算は、多くの乗算器などを使用するため、実行時の消費電力も大きい。このため、一回でも特異値分解の計算量を減らしたい、という要求がある。
【００５７】
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、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。
【００５８】
本発明のさらなる目的は、送受信の各アンテナ対に対応するチャネルを要素としたチャネル行列の特異値分解を利用したクローズドループ型のＭＩＭＯ伝送を効率的に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。
【００５９】
本発明のさらなる目的は、計算負荷の高いチャネル行列の特異値分解処理を少ない回数にしてＳＶＤ−ＭＩＭＯ通信を効率的に実現することができる、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】
【００６０】
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、送受信の各アンテナ対に対応するチャネルを要素としたチャネル行列を利用して送信重み及び受信重みを決定して空間多重伝送を行なう無線通信システムであって、第１の通信機から第２の通信機へのダウンリンクのデータ伝送を行なう際に、
前記第２の通信機がアップリンク方向の送信用重みをかけたリファレンス信号を送信し、
前記第１の通信機が、受信したリファレンス信号を基にダウンリンク方向の送信用の重み成分と対角行列の成分に分離し、得られた送信用の重み成分を用いてデータ送信を行なう、
ことを特徴とする無線通信システムである。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
通常の無線通信システムでは、ＣＳＭＡ／ＣＡに基づくアクセス制御を行ないながら、通信局はＲＴＳ／ＣＴＳ手順により送信権を獲得する。この場合、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ通信を行なうためには、ＲＴＳ、ＣＴＳ、ＤＡＴＡの各パケットにチャネル行列取得用のリファレンス信号を付加することが行なわれる。
【００６５】
ところが、このような通信手順によりＳＶＤ−ＭＩＭＯ通信を行なう場合、送信機及び受信機は、互いのパケットを受信する度に、付加されているリファレンス信号を基に重み行列を得るための特異値分解若しくは逆行列の算出という演算処理を行なわなければならない。とりわけ、特異値分解の計算は、多くの乗算器などを使用するため、実行時の消費電力も大きい。
【００６６】
そこで、本発明では、通信機は、送信用の重みをかけたリファレンス信号を受信した場合には、ユニタリ行列の性質を好適に利用することで、その受信した信号をこれとは逆方向の送信用の重み成分と対角行列の成分に分離するようにした。これによって、システム全体としては１回分の特異値分解を減らすことができ、無駄な計算量を削減することができる。
【００６７】
例えば、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送システムにおける受信機としての第２の通信機は、送信機としての第１の通信機からのＲＴＳパケットに付加されているリファレンス信号を用いてチャネル行列Ｈを取得し、さらにこれを特異値分解することで、送信機から受信機へのダウンリンクの送信重みＶ並びに受信重みＵHを得ることができる。そして、受信機は、Ｕの共役行列Ｕ*をアップリンクの送信重みとして用い、Ｕ*で重み付けしたリファレンス信号を、Ｕ*で空間多重したＣＴＳパケットに付加して送る。
【００６８】
これに対し、送信機は、Ｕ*で重み付けしたリファレンス信号を受信すると、その受信した信号を、これとは逆の方向すなわちダウンリンクの送信用重み成分Ｖと対角行列Ｄの成分に分離することができる。具体的には、Ｕ*で重み付けしたリファレンス信号を受信すると、アップリンクのチャネル行列がダウンリンクのチャネル行列のＨ（＝ＵＤＶH）に対する転置行列ＨTとして表されることを利用し、ＨTＵ*＝Ｖ*ＤＵT＝Ｖ*Ｄを得る。そして、ユニタリ行列の性質に基づいて、Ｖ*Ｄからダウンリンクの送信重みＶを分離する。
【００６９】
したがって、送信機側では１回分の特異値分解が少なくなり、無駄な計算量を削減することができる。
【００７０】
また、本発明の第２の側面は、送受信の各アンテナ対に対応するチャネルを要素としたチャネル行列Ｈの特異値分解して得られる行列ＵＤＶHを利用して送信重み及び受信重みを決定して空間多重伝送を行なうための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、通信相手からのダウンリンクのデータ通信を行なう際に、
前記通信相手から受信したリファレンス信号に基づいてダウンリンクのチャネル行列Ｈを取得するステップと、
該取得されたチャネル行列ＨをＵＤＶHに特異値分解する特異値分解ステップと、
該取得されたチャネル行列Ｈから特異値分解して得られる受信重みＵHを用いて前記通信相手から順方向で送られてくるユーザ・データを重み付け受信する受信ステップと、
該取得したチャネル行列Ｈを特異値分解した結果を基に、Ｕの共役行列Ｕ*を前記通信相手へ逆方向の送信重みに用い、リファレンス信号を重み付け送信する送信ステップと、
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。
【００７１】
また、本発明の第３の側面は、送受信の各アンテナ対に対応するチャネルを要素としたチャネル行列Ｈの特異値分解して得られる行列ＵＤＶHを利用して送信重み及び受信重みを決定して空間多重伝送を行なうための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、通信相手に対してダウンリンクのデータ通信を行なう際に、
Ｕの共役行列Ｕ*をアップリンクの送信重みとしてＵ*で重み付けされたリファレンス信号を受信し、ＨTＵ*＝Ｖ*ＤＵT＝Ｖ*Ｄを取得する受信ステップと、
ユニタリ行列の性質に基づいて、Ｖ*Ｄからダウンリンクの送信重みＶを分離する分離ステップと、
Ｖを用いてダウンリンクの重み付け送信を行なう送信ステップと、
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。
【００７２】
本発明の第２及び第３の各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及び第３の各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、それぞれダウンリンクでデータ伝送を行なう通信装置同士として動作する。このような通信装置を複数起動して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】
【００７３】
本発明によれば、送受信の各アンテナ対に対応するチャネルを要素としたチャネル行列の特異値分解を利用したクローズドループ型のＭＩＭＯ伝送を効率的に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。
【００７４】
また、本発明によれば、計算負荷の高いチャネル行列の特異値分解処理を少ない回数にしてＳＶＤ−ＭＩＭＯ通信を効率的に実現することができる、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。
【００７５】
本発明によれば、通信機は、通信相手から送信用の重みをかけたリファレンス信号を受信した場合には、ユニタリ行列の性質を好適に利用することで、その受信した信号をこれとは逆方向の送信用の重み成分と対角行列の成分に分離することにより、特異値分解の計算を行なうことなく、自局の送信用重みを得ることができる。
【００７６】
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】
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
通常の無線通信システムでは、ＣＳＭＡ／ＣＡに基づくアクセス制御を行ないながら、通信局はＲＴＳ／ＣＴＳ手順により送信権を獲得する。この場合、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ通信を行なうためには、ＲＴＳ、ＣＴＳ、ＤＡＴＡの各パケットにチャネル行列取得用のリファレンス信号を付加することが行なわれる。
【００８０】
ところが、このような通信手順によりＳＶＤ−ＭＩＭＯ通信を行なう場合、送信機及び受信機は、互いのパケットを受信する度に、付加されているリファレンス信号を基に重み行列を得るための特異値分解若しくは逆行列の算出という演算処理を行なわなければならない。とりわけ、特異値分解の計算は、多くの乗算器などを使用するため、実行時の消費電力も大きい。
【００８１】
そこで、本発明では、通信機は、送信用の重みをかけたリファレンス信号を受信した場合には、ユニタリ行列の性質を好適に利用することで、その受信した信号をこれとは逆方向の送信用の重み成分と対角行列の成分に分離するようにした。これによって、システム全体としては１回分の特異値分解を減らすことができ、無駄な計算量を削減することができる。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
送信用重み乗算部２２は、符号化後の送信信号を送信重み行列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。送信用重み行列Ｖは、通信相手から送られたフィードバック情報を基に構築され、送信用重み乗算部２２に設定される。
【００８８】
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。
【００８９】
プリアンブル／リファレンス付与部２４は、ＲＴＳ、ＣＴＳ、ＤＡＴＡパケットなどの送信信号の先頭にプリアンブル信号やリファレンス信号を付加する。
【００９０】
無線通信装置がダウンリンク伝送の送信側として動作する場合、プリアンブル／リファレンス付与部２４は、Ｖを送信用重みとして、受信側へダウンリンクで送るリファレンス信号をＶで乗算する。
【００９１】
また、無線通信装置がダウンリンク伝送の受信側として動作する場合、プリアンブル／リファレンス付与部２４は、送信側へアップリンクで送るリファレンス信号をＵ*で乗算し、Ｕの共役行列Ｕ*をアップリンクの送信重みとして用いる。この場合、チャネル特性取得及び送信重み分離部３７は、ダウンリンクの送信側から送られるリファレンス信号を用いてチャネル行列Ｈを取得し、さらにこれを特異値分解することで、送信機から受信機へのダウンリンクの送信重みＶ並びに受信重みＵHを得て、Ｕ*をリファレンス信号用の送信重みとしてプリアンブル／リファレンス付与部２４へ与える。チャネル特性取得及び送信重み分離部３７の動作の詳細については、後述に譲る。
【００９２】
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より各ＭＩＭＯチャネルへ送出される。
【００９３】
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送信重み分離部３７で構成される。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
チャネル特性取得及び送信重み分離部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を得る。さらにこのチャネル行列Ｈを特異値分解して、送信用重み行列Ｖと、受信用重み行列ＵHと、対角行列Ｄを得ることができる。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る場合には、チャネル特性取得及び送信重み分離部３７はその都度新しいチャネル行列Ｈに更新し、これを特異値分解する。
【００９７】
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）。また、得られた送信用重み行列Ｖを送信用重み乗算部２２へ与える。
【００９８】
また、無線通信装置がダウンリンク伝送の受信側として動作する場合、チャネル特性取得及び送信重み分離部３７では、チャネル行列Ｈを特異値分解して得られたＵの共役行列Ｕ*をリファレンス信号用の送信重みとしてプリアンブル／リファレンス付与部２４へ与える。
【００９９】
また、チャネル特性取得及び送信重み分離部３７では、特異値分解することなしに、送信用重みＶを得ることができる。すなわち、無線通信装置がダウンリンク伝送の送信側として動作する場合には、受信側からＵ*で重み付けしたリファレンス信号をアップリンクで受信すると、アップリンクのチャネル行列がダウンリンクのチャネル行列のＨ（＝ＵＤＶH）に対する転置行列ＨTとして表されることを利用し、ＨTＵ*＝Ｖ*ＤＵT＝Ｖ*Ｄを得る。そして、ユニタリ行列の性質に基づいて、Ｖ*Ｄからダウンリンクの送信重みＶを分離する。そして、得られた送信用重み行列Ｖを送信用重み乗算部２２へ与える。
【０１００】
チャネル特性取得及び送信重み分離部３７の動作の詳細については、後述に譲る。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
ここで、ＲＴＳ／ＣＴＳ手順に従いＣＳＭＡ／ＣＡ通信方式に基づくアクセス動作を行なう場合、送受信機として動作する無線通信装置は、ＲＴＳ、ＣＴＳ、ＤＡＴＡの各パケットにチャネル行列取得用のリファレンス信号を付加し、リファレンス信号を用いて送受信重み成分を取得する。一般には、チャネル行列を特異値分解することにより重み行列を得ることができるが、特異値分解の計算は、多くの乗算器などを使用するため、実行時の消費電力も大きいという問題がある。本実施形態では、チャネル特性取得及び送信重み分離部３７は、特異値分解することなしに、重み成分を取得することができる。
【０１０４】
図２には、チャネル特性取得及び送信重み分離部３７の機能構成を模式的に示している。図示の通り、チャネル特性取得及び送信重み分離部３７は、チャネル行列取得部と、特異値分解部と、送信重み分離部で構成される。
【０１０５】
チャネル行列取得部は、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を得る。
【０１０６】
特異値分解部は、得られたチャネル行列Ｈを特異値分解して、送信用重み行列Ｖと、受信用重み行列ＵHと、対角行列Ｄを得る。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）。また、チャネル行列Ｈを特異値分解して得られたＵの共役行列Ｕ*をリファレンス信号用の送信重みとしてプリアンブル／リファレンス付与部２４へ与える。
【０１０７】
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る場合には、チャネル特性取得及び送信重み分離部３７はその都度新しいチャネル行列Ｈに更新し、これを特異値分解する。
【０１０８】
送信重み分離部は、受信側からＵ*で重み付けしたリファレンス信号をアップリンクで受信すると、アップリンクのチャネル行列がダウンリンクのチャネル行列のＨ（＝ＵＤＶH）に対する転置行列ＨTとして表されることを利用し、ＨTＵ*＝Ｖ*ＤＵT＝Ｖ*Ｄを得る。そして、ユニタリ行列の性質に基づいて、Ｖ*Ｄからダウンリンクの送信重みＶを分離する。そして、得られた送信用重み行列Ｖを送信用重み乗算部２２へ与える。
【０１０９】
ここで、送信重み分離部において、受信側からアップリンクで受信したＵ*で重み付けされたリファレンス信号から送信重みＶを分離するための演算処理について説明する。但し、以下では、送信機から受信機へのダウンリンクを順方向とし、受信機から送信機へのアップリンクを逆方向とする。
【０１１０】
この場合、順方向のチャネル行列は下式のように表される。但し送信機のアンテナ数をｎとし、受信機のアンテナ数をｍとする。また、送信機のｊ番目のアンテナから受信機のｉ番目のアンテナへの伝達関数をｈijと表す。
【０１１１】
【数８】
0004604545.tif 000009
【０１１２】
これに対し、逆方向のチャネル行列は以下のように表される。
【０１１３】
【数９】
0004604545.tif 000010
【０１１４】
言い換えれば、逆方向のチャネル行列は、順方向のチャネル行列Ｈの転置行列ＨTとして表される。
【０１１５】
送信機からのリファレンス信号を用いて受信機側で順方向のチャネル行列Ｈを取得し、これを特異値分解すると下式の通りとなる。
【０１１６】
【数１０】
0004604545.tif 000011
【０１１７】
したがって、受信機から送信機への逆方向のチャネル行列は下式の通りとなる。
【０１１８】
【数１１】
0004604545.tif 000012
【０１１９】
受信機は、送信機へアップリンクで送信するリファレンス信号に、送信用重みとして、順方向のチャネル行列Ｈを特異値分解して得られた行列Ｕの共役行列Ｕ*を送信重みに用いて送信する。
【０１２０】
この場合、送信機では、逆方向のチャネル行列ＨTにＵ*をかけてリファレンス信号を受信することになる。したがって、送信機は以下の式を得ることができる。
【０１２１】
【数１２】
0004604545.tif 000013
【０１２２】
ここで、Ｖ*ＤからＶのみを分離することができれば、送信機側で特異値分解は不要になる。Ｖ*ＤからＶとＤを分離する方法について説明する。
【０１２３】
Ｖはユニタリ行列であり、ＭＩＭＯチャネル数（＝ｍｉｎ［ｎ，ｍ］）分の特異値ベクトルで構成されている。各固有ベクトルｕはノルム１に正規化されている。
【０１２４】
【数１３】
0004604545.tif 000014
【０１２５】
したがって、受信機側で取得された一体となったＵＤ＝Ｖ*Ｄは、下式に示すように、各列にある固有ベクトルの要素に特異値をかけたものとなる。
【０１２６】
【数１４】
0004604545.tif 000015
【０１２７】
ここで、Ｖ*Ｄの列毎にその行列の要素のノルムを計算する。その列毎のノルムの大きさが行列Ｄの各対角要素となっているので、Ｖ*を分離することができる。
【０１２８】
送信機側から、送信用重みとして、Ｖをリファレンス信号とその直後にユーザ・データを送信する。受信機側では、Ｖがかけられたリファレンス信号から、ＨＶを得る。そのＨＶの逆行列を受信用の重みとして（式（８）を参照のこと）、ユーザ・データを受信する。
【０１２９】
以上で述べた方法を用いると、特異値分解を１回、逆行列演算を１回だけ行なうことにより、特異値分解２回分と逆行列演算１回分と同じ結果を得ることができる。
【０１３０】
以下では、本実施形態に係る無線通信システムにおいて、ＲＴＳ、ＣＴＳ、ＤＡＴＡというＭＩＭＯ通信を行なうための動作手順について、図３を参照しながら説明する。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。
【０１３１】
（ステップ１）
送信機から、受信機へリファレンス信号を送る。受信機では、チャネル行列Ｈを取得することができる。
【０１３２】
（ステップ２）
受信機で、チャネル行列Ｈを特異値分解し（式（１０）を参照のこと）、行列Ｕを取得する。
【０１３３】
（ステップ３）
受信機から送信機へ、Ｕ*で重み付けしたリファレンス信号を送信する。
【０１３４】
（ステップ４）
送信機では、Ｕ*で重み付けされたリファレンス信号から、Ｖ*ＤＵTＵ*＝Ｖ*Ｄを取得する（式（１３）を参照のこと）。
【０１３５】
（ステップ５）
取得したＶ*Ｄの各列のノルムを計算することにより、これらを分離する。この結果、特異値分解することなしに、Ｄを取得することができ、Ｖも取得することができる。
【０１３６】
（ステップ６）
送信機側から、Ｖで重み付けしたリファレンス信号を送信し、その直後にユーザ・データを送信する。
【０１３７】
（ステップ７）
受信機側では、送信機側からのＶで重み付けしたリファレンス信号を受信することにより、チャネル行列ＨＶ＝ＵＤを取得する。
【０１３８】
（ステップ８）
受信機では、チャネル行列ＵＤの逆行列を計算し、これを受信用の重みとして保持する。
【０１３９】
（ステップ９）
ステップ８で求めた受信用の重みを用いて送信機から送信されたユーザ・データをデコードする。
【産業上の利用可能性】
【０１４０】
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。
【０１４１】
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る。すなわち、本発明の要旨は、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必ずしも限定されず、伝搬路状況から得られるチャネル行列Ｈに基づいて重み付け送受信する他の同様の通信システムに対しても本発明を好適に適用することができる。
【０１４２】
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】
【０１４３】
【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、チャネル特性取得及び送信重み分離部３７の機能構成を模式的に示した図である。
【図３】図３は、ＲＴＳ／ＣＴＳ手順によりＭＩＭＯ通信を行なう動作を示した図である。
【図４】図４は、ＭＩＭＯ通信システムを概念的に示した図である。
【図５】図５は、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送システムを概念的に示した図である。
【図６】図６は、ＲＴＳ／ＣＴＳ手順により双方向のＭＩＭＯ通信を行なう動作を示した図である。
【符号の説明】
【０１４４】
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送信重み分離部
【図１】
0004604545.tif 000016
【図２】
0004604545.tif 000017
【図３】
0004604545.tif 000018
【図４】
0004604545.tif 000019
【図５】
0004604545.tif 000020
【図６】
0004604545.tif 000021