(57)【要約】【課題】  ＭＬＤ方式よりも大幅に少ない演算量でより高いパフォーマンスが得られるように空間多重信号を空間分離する。【解決手段】  チャネル行列Ｈを下三角形行列Ｌと上三角形行列Ｕに分解し、送信機側では、送信重みとしてＵの逆行列Ｕ-1を用いる。まずクロストーク成分を含まない受信信号系列ｙ1についてＭＬＤ方式を適用して受信系列ｙ1に最も近い系列を最尤系列として決定し、以降の受信信号系列ｙkでは、既に尤度判定されたすべてのクロストーク成分をキャンセルしてからＭＬＤ方式を適用する演算を繰り返し実行する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信機と受信機間で空間多重された複数の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、
前記送信機と受信機間における前記の空間多重チャネルのチャネル行列Ｈを取得し、該チャネル行列ＨをＬＵ分解して得られる上三角行列Ｕ若しくは下三角行列Ｌに基づいて前記送信機側における送信重み又は前記受信機側における受信重みを算出し、空間多重伝送を行なう、
ことを特徴とする無線通信システム。
【請求項２】
前記送信機側において、送信重みとして上三角行列Ｕの逆行列Ｕ-1を用いる、
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】
前記受信機側における受信信号は、１つの送信系列のみからなりクロストーク成分のない受信系列と、以降の送信系列のクロストーク成分が１つずつ追加された受信系列で構成され、
前記受信機では、まずクロストーク成分を含まない受信系列について推定されるすべての送信系列の組み合わせと下三角行列Ｌを総当りで当てはめて受信系列に最も近い系列を最尤系列として決定し、以降は、クロストーク成分数の少ない受信系列から順に、既に尤度判定されたクロストーク成分をすべてキャンセルしてから推定されるすべての送信系列の組み合わせと下三角行列Ｌを総当りで当てはめて、受信系列に最も近い系列を最尤系列として決定するという演算を繰り返し実行して、送信系列を１つずつＭＬＤ受信する、
ことを特徴とする請求項２に記載の無線通信システム。
【請求項４】
前記送信機側では、送信系列毎のパス・ゲインを基に電力比配分を行なう、
ことを特徴とする請求項２に記載の無線通信システム。
【請求項５】
前記送信機は、複数の送信アンテナを備え、各送信アンテナ出力に含まれる送信系列の数に拘らず出力電力を平均化するように電力比配分を行なう、
ことを特徴とする請求項２に記載の無線通信システム。
【請求項６】
前記送信機は、クロストーク成分を含まないで送信される送信系列に対してより低い変調方式を割り当てる、
ことを特徴とする請求項２に記載の無線通信システム。
【請求項７】
前記受信機側において、受信重みとして下三角行列Ｌの逆行列Ｌ-1を用いる、
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８】
前記受信機側において受信重みが乗算された後の受信信号は、１つの送信系列のみからなりクロストーク成分のない受信系列と、以降の送信系列のクロストーク成分が１つずつ追加された受信系列で構成され、
前記受信機では、まずクロストーク成分を含まない受信系列について推定されるすべての送信系列の組み合わせと上三角行列Ｕを総当りで当てはめて受信系列に最も近い系列を最尤系列として決定し、以降は、クロストーク成分数の少ない受信系列から順に、既に尤度判定されたクロストーク成分をすべてキャンセルしてから推定されるすべての送信系列の組み合わせと上三角行列Ｕを総当りで当てはめて、受信系列に最も近い系列を最尤系列として決定するという演算を繰り返し実行して、送信系列を１つずつＭＬＤ受信する、
ことを特徴とする請求項７に記載の無線通信システム。
【請求項９】
前記送信機は複数の送信アンテナを備え、
前記受信機側で受信重みが乗算された後の受信信号においてクロストーク成分の数に拘らず各受信系列の電力が平均化するように、前記送信機側では各送信アンテナ出力の電力比配分を行なう、
ことを特徴とする請求項７に記載の無線通信システム。
【請求項１０】
複数のアンテナを備え、空間多重された複数のチャネルを用いて受信機に対してデータ伝送する無線通信装置であって、
前記の空間多重チャネルのチャネル行列Ｈを取得するチャネル行列取得手段と、
該チャネル行列ＨをＬＵ分解して、得られた上三角行列Ｕの逆行列Ｕ-1を送信重みとして求める送信重み算出手段と、
複数の送信系列からなる送信信号に送信重み行列Ｕ-1を乗算して、空間多重伝送する送信手段と、
を具備することを特徴とする無線通信装置。
【請求項１１】
前記送信手段は、送信系列毎のパス・ゲインを基に電力比配分を行なう、
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】
前記送信手段は、各送信アンテナ出力に含まれる送信系列の数に拘らず出力電力を平均化するように電力比配分を行なう、
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１３】
前記送信手段は、クロストーク成分を含まないで送信される送信系列に対してより低い変調方式を割り当てる、
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１４】
複数のアンテナを備え、空間多重された複数のチャネルを用いて送信機からの伝送データを受信する無線通信装置であって、前記送信機では、前記の空間多重チャネルのチャネル行列ＨをＬＵ分解して得られる上三角行列Ｕの逆行列Ｕ-1を送信重みに用いており、
前記の空間多重チャネルのチャネル行列Ｈを取得するチャネル行列取得手段と、
該チャネル行列ＨをＬＵ分解して下三角行列Ｌを求めるＬＵ分解手段と、
前記送信機からの空間多重された送信信号を前記の複数のアンテナを介して受信する受信手段と、
ＭＬＤ受信方式により受信信号に含まれる各受信系列の最尤系列を決定する尤度判定手段と、
を具備することを特徴とする無線通信装置。
【請求項１５】
前記受信手段は、前記送信機からの空間多重された送信信号を、１つの送信系列のみからなりクロストーク成分のない受信系列と、以降の送信系列のクロストーク成分が１つずつ追加された受信系列で構成される受信信号として受信し、
前記尤度判定手段は、まずクロストーク成分を含まない受信系列について推定されるすべての送信系列の組み合わせと下三角行列Ｌを総当りで当てはめて受信系列に最も近い系列を最尤系列として決定し、以降は、クロストーク成分数の少ない受信系列から順に、既に尤度判定されたクロストーク成分をすべてキャンセルしてから推定されるすべての送信系列の組み合わせと下三角行列Ｌを総当りで当てはめて、受信系列に最も近い系列を最尤系列として決定するという演算を繰り返し実行して、送信系列を１つずつＭＬＤ受信する、
ことを特徴とする請求項１４に記載の無線通信装置。
【請求項１６】
複数のアンテナを備え、空間多重された複数のチャネルを用いて送信機からの伝送データを受信する無線通信装置であって、
前記の空間多重チャネルのチャネル行列Ｈを取得するチャネル行列取得手段と、
該チャネル行列ＨをＬＵ分解して、得られた下三角行列Ｌの逆行列Ｌ-1を受信重みとして求める受信重み算出手段と、
前記の複数のアンテナを介して受信される前記送信機からの空間多重された送信信号に受信重み行列Ｌ-1を乗算して重み付け受信する受信手段と、
受信重み行列Ｌ-1が乗算された受信信号に含まれる各受信系列の最尤系列を決定する尤度判定手段と、
を具備することを特徴とする無線通信装置。
【請求項１７】
前記受信手段により受信重み行列Ｌ-1が乗算された後の受信信号は、１つの送信系列のみからなりクロストーク成分のない受信系列と、以降の送信系列のクロストーク成分が１つずつ追加された受信系列で構成され、
前記尤度判定手段は、まずクロストーク成分を含まない受信系列について推定されるすべての送信系列の組み合わせと上三角行列Ｕを総当りで当てはめて受信系列に最も近い系列を最尤系列として決定し、以降は、クロストーク成分数の少ない受信系列から順に、既に尤度判定されたクロストーク成分をすべてキャンセルしてから推定されるすべての送信系列の組み合わせと上三角行列Ｕを総当りで当てはめて、受信系列に最も近い系列を最尤系列として決定するという演算を繰り返し実行して、送信系列を１つずつＭＬＤ受信する、
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】
複数のアンテナを用いて、空間多重された複数のチャネルを用いて受信機に対してデータ伝送する無線通信方法であって、
前記の空間多重チャネルのチャネル行列Ｈを取得するチャネル行列取得ステップと、
該チャネル行列ＨをＬＵ分解して、得られた上三角行列Ｕの逆行列Ｕ-1を送信重みとして求める送信重み算出ステップと、
複数の送信系列からなる送信信号に送信重み行列Ｕ-1を乗算して、空間多重伝送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１９】
複数のアンテナを用いて、空間多重された複数のチャネルを用いて送信機からの伝送データを受信する無線通信方法であって、前記送信機では、前記の空間多重チャネルのチャネル行列ＨをＬＵ分解して得られる上三角行列Ｕの逆行列Ｕ-1を送信重みに用いており、
前記の空間多重チャネルのチャネル行列Ｈを取得するチャネル行列取得ステップと、
該チャネル行列ＨをＬＵ分解して下三角行列Ｌを求めるＬＵ分解ステップと、
前記送信機からの空間多重された送信信号を前記の複数のアンテナを介して受信する受信ステップと、
ＭＬＤ受信方式により受信信号に含まれる各受信系列の最尤系列を決定する尤度判定ステップと、
を具備することを特徴とする無線通信方法。
【請求項２０】
複数のアンテナを用いて、空間多重された複数のチャネルを用いて送信機からの伝送データを受信する無線通信方法であって、
前記の空間多重チャネルのチャネル行列Ｈを取得するチャネル行列取得ステップと、
該チャネル行列ＨをＬＵ分解して、得られた下三角行列Ｌの逆行列Ｌ-1を受信重みとして求める受信重み算出ステップと、
前記の複数のアンテナを介して受信される前記送信機からの空間多重された送信信号に受信重み行列Ｌ-1を乗算して、重み付け受信する受信ステップと、
受信重み行列Ｌ-1が乗算された受信信号に含まれる各受信系列の最尤系列を決定する尤度判定ステップと、
を具備することを特徴とする無線通信方法。
【請求項２１】
複数のアンテナを用いて、空間多重された複数のチャネルを用いて受信機に対してデータ伝送するための通信制御動作をコンピュータ・システム上で処理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、前記コンピュータ・システムに対し、
前記の空間多重チャネルのチャネル行列Ｈを取得するチャネル行列取得手順と、
該チャネル行列ＨをＬＵ分解して、得られた上三角行列Ｕの逆行列Ｕ-1を送信重みとして求める送信重み算出手順と、
複数の送信系列からなる送信信号に送信重み行列Ｕ-1を乗算して、空間多重伝送する送信手順と、
を実行させることを特徴とするコンピュータ・プログラム。
【請求項２２】
複数のアンテナを用いて、空間多重された複数のチャネルを用いて送信機からの伝送データを受信するための通信制御動作をコンピュータ・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、前記送信機では、前記の空間多重チャネルのチャネル行列ＨをＬＵ分解して得られる上三角行列Ｕの逆行列Ｕ-1を送信重みに用いており、前記コンピュータ・システムに対し、
前記の空間多重チャネルのチャネル行列Ｈを取得するチャネル行列取得手順と、
該チャネル行列ＨをＬＵ分解して下三角行列Ｌを求めるＬＵ分解手順と、
前記送信機からの空間多重された送信信号を前記の複数のアンテナを介して、１つの送信系列のみからなりクロストーク成分のない受信系列と、以降の送信系列のクロストーク成分が１つずつ追加された受信系列で構成される受信信号を受信する受信手順と、
まずクロストーク成分を含まない受信系列について推定されるすべての送信系列の組み合わせと下三角行列Ｌを総当りで当てはめて受信系列に最も近い系列を最尤系列として決定し、以降は、クロストーク成分数の少ない受信系列から順に、既に尤度判定されたクロストーク成分をすべてキャンセルしてから推定されるすべての送信系列の組み合わせと下三角行列Ｌを総当りで当てはめて、受信系列に最も近い系列を最尤系列として決定するという演算を繰り返し実行して、送信系列を１つずつＭＬＤ受信する尤度判定手順と、
を実行させることを特徴とするコンピュータ・プログラム。
【請求項２３】
複数のアンテナを用いて、空間多重された複数のチャネルを用いて送信機からの伝送データを受信するための通信制御動作をコンピュータ・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、前記コンピュータ・システムに対し、
前記の空間多重チャネルのチャネル行列Ｈを取得するチャネル行列取得手順と、
該チャネル行列ＨをＬＵ分解して、得られた下三角行列Ｌの逆行列Ｌ-1を受信重みとして求める受信重み算出手順と、
前記の複数のアンテナを介して受信される前記送信機からの空間多重された送信信号に受信重み行列Ｌ-1を乗算して、１つの送信系列のみからなりクロストーク成分のない受信系列と、以降の送信系列のクロストーク成分が１つずつ追加された受信系列で構成される受信信号として重み付け受信する受信手順と、
まずクロストーク成分を含まない受信系列について推定されるすべての送信系列の組み合わせと上三角行列Ｕを総当りで当てはめて受信系列に最も近い系列を最尤系列として決定し、以降は、クロストーク成分数の少ない受信系列から順に、既に尤度判定されたクロストーク成分をすべてキャンセルしてから推定されるすべての送信系列の組み合わせと上三角行列Ｕを総当りで当てはめて、受信系列に最も近い系列を最尤系列として決定するという演算を繰り返し実行して、送信系列を１つずつＭＬＤ受信する尤度判定手順と、
を実行させることを特徴とするコンピュータ・プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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（Ｍｕｌｔｉ  Ｉｎｐｕｔ  Ｍｕｌｔｉ  Ｏｕｔｐｕｔ）通信を適用し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・プログラムに係り、特に、空間多重された受信信号をチャネル情報に基づいて空間分離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、受信機側においてより高いパフォーマンスが得られるようにチャネル情報に基づいて空間分離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、通常のＭＬＤ方式よりも大幅に少ない演算量でより高いパフォーマンスが得られるように空間多重された受信信号を空間分離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】
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などを挙げることができる。
【０００４】
例えばＩＥＥＥ８０２．１１ａ／ｇでは、無線ＬＡＮの標準規格として、マルチキャリア方式の１つであるＯＦＤＭ（ＯｒｔｈｏｇｏｎａｌＦｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：直交周波数分割多重）変調方式が採用されている。ＯＦＤＭ変調方式では、各サブキャリアがシンボル区間内で相互に直交するように各キャリアの周波数が設定されている。サブキャリアが互いに直交するとは、任意のサブキャリアのスペクトラムのピーク点が常に他のサブキャリアのスペクトラムのゼロ点と一致していることを意味する。ＯＦＤＭ変調方式によれば、送信データを周波数の異なる複数のキャリアに分配して伝送するので、各キャリアの帯域が狭帯域となり、周波数利用効率が非常に高く、周波数選択性フェージング妨害に強い。
【０００５】
また、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が、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。
【０００６】
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）を実現する通信方式である。すなわち、送信機において複数のアンテナに送信データを分配して送出する。一方、受信機では複数のアンテナにより受信した空間信号に信号処理を行なうことによって、各信号をクロストークなしに取り出すことができる（例えば、特許文献１を参照のこと）。例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ／ｎでは、１次変調にＯＦＤＭを用いたＯＦＤＭ＿ＭＩＭＯ方式が採用されている。
【０００７】
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、ＭＩＭＯはチャネル特性を利用して空間多重伝送を行なう通信方式であり、周波数利用効率がよく、単なる送受信アダプティブ・アレーとは相違する。
【０００８】
図３には、ＭＩＭＯ通信システムを概念的に示している。図示のシステムは、例えば２ストリームの２×２構成であり、ＭＩＭＯ送信機には、２本のアンテナ、すなわち送信アンテナ０と送信アンテナ１を備え、一方のＭＩＭＯ受信機も２本の受信アンテナ０と受信アンテナ１を備えている。ここで、送信アンテナ０と受信アンテナ０の伝搬路を伝搬路ａ、送信アンテナ１と受信アンテナ０の伝搬路を伝搬路ｂ、送信アンテナ０と受信アンテナ１の伝搬路を伝搬路ｃ、送信アンテナ１と受信アンテナ１の伝搬路を伝搬路ｄとする。ここで、送信機は、送信アンテナ０に対して送信データ系列ｘ0を、送信アンテナ１に対して送信データ系列ｘ1をそれぞれ割り当てるとする。また、受信機は、受信アンテナ１において受信データ系列ｙ0を受信し、受信アンテナ１において受信データ系列ｙ1をそれぞれ受信したものとする。この場合の伝搬路状況は、以下の式（１）のように表現することができる。但し、ｙ、Ｈ、ｘ、ｎはそれぞれ受信信号、チャネル行列、送信信号、雑音成分である。
【０００９】
【数１】
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【００１０】
なお、図３では送受信アンテナがともに２本の場合を示したが、アンテナ本数が２本以上であれば、同様にしてＭＩＭＯ通信システムを構築することができる。送信側では、複数の送信データに空間／時間符号を施して多重化し、Ｍ本の送信アンテナに分配してＭＩＭＯチャネルに送信する。これに対し、受信側では、ＭＩＭＯチャネル経由でＮ本の受信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。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ＭＩＭＯストリームが形成される。
【００１１】
ＭＩＭＯ受信機は、上述したように、空間多重された受信信号ｙから各ストリーム信号ｘを空間分離するためには、何らかの方法によりチャネル行列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行列Ｈを用いて空間多重された受信信号から元の複数のストリームに空間分離を行なう必要がある。
【００１２】
上式（１）で示されるチャネル行列Ｈは、一般的には、送信側並びに受信側で既知の系列を送受信することで得られる、送受アンテナの組み合わせ分の経路の伝搬路（式（１）の例で言えば、ａ、ｂ、ｃ、ｄ）を行列形式に並べたものである。送信側アンテナ本数がＮで受信側アンテナ本数がＭのときは、チャネル行列はＭ×Ｎ（行×列）の行列となる。したがって、送信機からＭ×Ｎ個の既知系列すなわちトレーニング信号を送信し、受信機ではこのトレーニング信号を用いてチャネル行列Ｈを取得することができる。
【００１３】
但し、複数ストリームのトレーニング信号を同時に無対策で送信すると受信側ではどのアンテナから送信されたものかが判別することができなくなるので、送信機側から送信アンテナ毎のトレーニング信号を時分割送信し、受信機側では各受信アンテナで受信したトレーニング信号を基にチャネル行列Ｈを取得するという時分割法を適用する。送信機側では、トレーニング系列をＯＦＤＭ変調して送信ブランチ毎に時分割送信し、受信機側では、サブキャリア毎にチャネル行列の取得手続きを行なう。
【００１４】
また、受信信号を空間分離する方法は、受信側から送信側にチャネル情報をフィードバックし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と、このようなフィードバックを行なわずそれぞれの受信機がチャネル行列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に大別される。オープンループ型の手続により受信信号を空間分離する比較的簡単なアルゴリズムとして、完全にクロストークを取り除く論理に基づいてチャネル行列Ｈの逆行列Ｈ-1を単純に受信重み行列に用いるＺｅｒｏ  Ｆｏｒｃｅ（ゼロ化規範）と（例えば、非特許文献１を参照のこと）、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てチャネル行列Ｈから受信重み行列Ｗを算出するＭＭＳＥ（ＭｉｎｉｍｕｍＭｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ Ｅｒｒｏｒ）（例えば、非特許文献２を参照のこと）なども挙げられる。これに対し、受信重み行列を求めるのではなく、すべての送信信号系列パターンとのマッチングにより最尤の送信系列を推定するＭＬＤ（Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）方式が最も高いパフォーマンスを示す受信方式であることが知られている。
【００１５】
例えば、ＯＦＤＭ変調に複数アンテナを用いた空間・時間多重通信を組み合わせた多重信号をＭＬＤ方式で復号処理する受信機について提案がなされている（例えば、特許文献２を参照のこと）。
【００１６】
しかしながら、ＭＬＤ方式では演算規模が大きく実装が困難であるという問題がある。この点について、ＢＰＳＫ変調方式を採用した、２ストリームの２×２のＭＩＭＯ通信システムを例にとって以下に説明する。
【００１７】
ＭＬＤ方式では、チャネル情報をリファレンス信号として、すべての送信信号系列パターンとのマッチングをとり、その中から最尤の送信系列を推定する。すなわち、トレーニング信号から得られたチャネル情報Ｈと推定されるすべての送信系列ｘ*の組み合わせを総当りで上式（１）に当てはめて、このうち受信系列ｙに最も近い系列を最尤系列として決定する。ＢＰＳＫの場合、２ビットの２値信号をビット値の組み合わせに応じて（±１，±１）の４つの信号点にマッピングされるから、推定される送信系列ｘ*は以下の通りである。
【００１８】
【数２】
2007104547.tif 000004
【００１９】
この場合、２2＝４パターンの組み合わせを比較するための演算が必要となる。以下では、受信系列を獲得するために必要な演算の総数を「比較パターン総数」と呼ぶ。ＭＬＤ方式の比較パターン総数を一般化すると、硬判定（Ｈａｒｄ  Ｄｅｃｉｓｉｏｎ）、軟判定（Ｓｏｆｔ  Ｄｅｃｉｓｉｏｎ）でそれぞれ式（２）、（３）のように表すことができる。但し、ストリーム本数をＮとし、ｋは１からＮまでの整数値をとる変数である。
【００２０】
【数３】
2007104547.tif 000005
【００２１】
したがって、ストリーム数が４本のＭＩＭＯ通信システムに２５６ＱＡＭマッピングを適用した場合、８ビットの２値信号をビット値の組み合わせに応じて、信号空間上で位相と振幅の組み合わせを用いて作られた２５６個の信号点にマッピングするから、硬判定型のＭＬＤ方式の比較パターン総数は実に２５６4パターンに上り、実装の観点から難がある。
【００２２】
ＭＬＤ方式の演算量を削減するための方法については、さまざまなアプローチで提案がなされている（例えば、非特許文献４、５を参照のこと）。しかしながら、オープンループ方式のＭＩＭＯ伝送方式を対象とし、受信信号を空間分離するすべての処理を受信機側に負担を課す方法がベースとなっている。また、その多くは、特性を大きく犠牲にして演算量の削減を行なうものである。
【００２３】
【特許文献１】特開２００２−４４０５１号公報
【特許文献２】米国特許第６，６１８，４５４号明細書
【非特許文献１】ｈｔｔｐ：／／ｒａｄｉｏ３．ｅｅ．ｕｅｃ．ａｃ．ｊｐ／ＭＩＭＯ（ＩＥＩＣＥ＿ＴＳ）.ｐｄｆ（平成１５年１０月２４日現在）
【非特許文献２】Ａ．Ｂｅｎｊｅｂｂｏｕｒ，Ｈ．Ｍｕｒａｔａ  ａｎｄ  Ｓ．Ｙｏｓｈｉｄａ，“Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  ｉｔｅｒａｔｉｖｅ  ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ａｌｇｏｒｉｔｈｍ  ｆｏｒ  ｓｐａｃｅ−ｔｉｍｅ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ”，Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ  ＶＴＣ  Ｓｐｒｉｎｇ，ｖｏｌ．２，ｐｐ．１２８７−１２９１，Ｒｈｏｄｅｓ，Ｇｒｅｅｃｅ，Ｍａｙ  ２００１．
【非特許文献３】Ａ．Ｂｅｎｊｅｂｂｏｕｒ，Ｈ．Ｍｕｒａｔａ  ａｎｄ  Ｓ．Ｙｏｓｈｉｄａ，“Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ  ｏｆ  ｏｒｄｅｒｅｄ    ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅ  ｒｅｃｅｉｖｅｒｓ  ｆｏｒ  ｓｐａｃｅ−ｔｉｍｅ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ”，Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ  ＶＴＣ  Ｆａｌｌ，ｖｏｌ．４，ｐｐ．２０５３−２０５７，Ａｔｌａｎｔｉｃ  Ｃｉｔｙ，ＵＳＡ，ｓｅｐｔ．２００１．
【非特許文献４】Ｊ Ｌｉ ｅｔ．ａｌ．，“Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｆｏｒＳｙｓｔｅｍｓ ｕｓｉｎｇ Ｍｕｌｔｉ−Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｒｒａｙｓ”（ｉｎ Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ Ｇｌｏｂｅｃｏｍ，２７ Ｎｏｖ−１ Ｄｅｃ．２０００，ｐｐ．１０７２−１０７６）
【非特許文献５】Ａ．Ｍ．Ｃｈａｎ ｅｔ．ａｌ．，“Ａ Ｎｅｗ Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ Ｓｐｈｅｒｅ Ｄｅｃｏｄｅｒｆｏｒ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｎｔｅｎｎａ Ｓｙｓｔｅｍｓ”（ｉｎ Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．Ｃｏｍｍｕｎ．，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，ＵＳＡ，Ａｐｒｉｌ ２００２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本発明の目的は、空間多重を利用して複数の論理的なチャネルを形成するＭＩＭＯ通信を適用した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。
【００２５】
本発明のさらなる目的は、受信機側において、空間多重された受信信号からチャネル情報を用いてより高いパフォーマンスで空間分離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。
【００２６】
本発明のさらなる目的は、受信機側において、通常のＭＬＤ方式よりも大幅に少ない演算量でより高いパフォーマンスが得られるように空間多重信号を空間分離することができる、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】
【００２７】
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空間多重された複数の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、前記送信機と受信機間における前記の空間多重チャネルのチャネル行列Ｈを取得し、該チャネル行列ＨをＬＵ分解して得られる上三角行列Ｕ若しくは下三角行列Ｌに基づいて前記送信機側における送信重み又は前記受信機側における受信重みを算出し、空間多重伝送を行なうことを特徴とする無線通信システムである。
【００２８】
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）。
【００２９】
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形成される複数の論理的なチャネルを利用したＭＩＭＯ通信システムに関する。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。
【００３０】
ＭＩＭＯ受信機は、空間多重された受信信号ｙから各ストリーム信号ｘを空間分離するためには、何らかの方法によりチャネル行列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行列Ｈを用いて空間多重された受信信号から元の複数のストリームに空間分離を行なう必要がある。
【００３１】
例えば、送信機の各アンテナからトレーニング信号を時分割送信し、受信機側の各アンテナでそれぞれ受信して得られる送受アンテナの組み合わせ分の経路の伝搬路特性を行列形式に並べることで、チャネル行列を得ることができる。
【００３２】
また、チャネル行列Ｈから算出される受信重みＷを受信信号に乗算して空間分離する方法が比較的簡単なアルゴリズムとして知られているが、チャネル情報をリファレンス信号としてすべての送信信号系列パターンとのマッチングをとり最尤の送信系列を推定するＭＬＤ受信方式により最も高いパフォーマンスを実現することができる。しかしながら、トレーニング信号から得られたチャネル情報Ｈと推定されるすべての送信系列の組み合わせを総当りで尤度判定すると、比較パターン総数は膨大であり、実装の観点から難がある。
【００３３】
そこで、本発明に係るＭＩＭＯ通信システムでは、チャネル行列ＨをＬＵ分解して得られる下三角形行列Ｌ又は上三角形行列Ｕを用いて送信重み若しくは受信重みを決定するようにした。この場合、重み行列の上半分又は下半分の要素はすべて０になっているので、送信重み乗算又は受信重み乗算の演算量を半分に削減することができる。
【００３４】
チャネル行列ＨをＬＵ分解して送信重みを得る具体的な方法として、送信機側において送信重みとしてＵの逆行列Ｕ-1を用いる。この場合、受信信号ｙは送信信号ｘに対角要素より上半分の要素がすべて０となる下三角行列Ｌを乗算したものとなり、受信系列の中には必ず１つの送信系列のみからなる、すなわちクロストーク成分のないものが含まれ、それ以外はクロストーク成分が１つずつ追加された受信系列となる。
【００３５】
受信信号がこのような受信系列で構成される場合、まずクロストーク成分を含まない受信系列についてＭＬＤ受信を適用し、推定されるすべての送信系列の組み合わせと、トレーニング信号から得られた下三角行列Ｌを総当りで当てはめて、受信系列に最も近い系列を最尤系列として決定する。以降の受信系列では、既に尤度判定されたクロストーク成分をすべてキャンセルしてから推定されるすべての送信系列の組み合わせと下三角行列Ｌを総当りで当てはめて、受信系列に最も近い系列を最尤系列として決定するという演算を繰り返し実行する。このようにして送信系列を１つずつＭＬＤ受信することにより、比較パターン総数を通常のＭＬＤ受信の場合よりも大幅に削減しながら、高いパフォーマンスで受信信号を空間分離することができる。
【００３６】
また、この場合、送信系列毎のパス・ゲインを基に電力比配分を行なうことにより、受信機側における受信特性の改善を実現することができる。
【００３７】
また、送信重みとして上三角行列Ｕの逆行列Ｕ-1を用いるために、送信系列数が多い、すなわちクロストーク成分を多く含む送信アンテナ出力に送信電力が偏るという問題がある。このため、送信機側では各送信アンテナ出力を平均化することが好ましい。
【００３８】
また、クロストーク成分を含まない最初にＭＬＤ受信されるストリームに最も低い（若しくはより低い）変調方式を割り当てることにより、既に尤度判定されたクロストーク成分を順次キャンセルしながら送信系列を１つずつＭＬＤ受信していくという受信方法において、全体としての推定誤差をできる限り小さくすることができる。
【００３９】
また、チャネル行列ＨをＬＵ分解して送信重みを得る他の方法として、受信機側において送信重みとして下三角行列Ｌの逆行列Ｌ-1を用いることができる。この場合、受信重みが乗算された後の受信信号Ｌ-1・ｙは、送信信号ｘに対角要素より下半分の要素がすべて０となる上三角行列Ｕを乗算したものとなり、１つの送信系列のみからなる、すなわちクロストーク成分のない受信系列が必ず含まれ、それ以外はクロストーク成分が１つずつ追加された受信系列となる。したがって、まずクロストーク成分を含まない受信系列についてＭＬＤ受信を適用して受信系列に最も近い系列を最尤系列として決定した後、以降の受信系列では、既に尤度判定されたクロストーク成分をすべてキャンセルしてからＭＬＤ受信するという演算を送信系列毎に１つずつ繰り返し実行することにより、比較パターン総数を通常のＭＬＤ受信の場合よりも大幅に削減しながら、高いパフォーマンスで受信信号を空間分離することができる。
【００４０】
また、この場合は、受信重みとして下三角行列Ｌの逆行列を用いるために、クロストーク成分を多く含む送信系列の送信アンテナ出力に送信電力が偏るという問題がある。このため、受信機側における各アンテナの受信出力を平均化するように、送信機側で各アンテナ出力の電力比配分を制御することが好ましい。
【００４１】
また、本発明の第２の側面は、複数のアンテナを用いて、空間多重された複数のチャネルを用いて受信機に対してデータ伝送するための通信制御動作をコンピュータ・システム上で処理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、前記コンピュータ・システムに対し、
前記の空間多重チャネルのチャネル行列Ｈを取得するチャネル行列取得手順と、
該チャネル行列ＨをＬＵ分解して、得られた上三角行列Ｕの逆行列Ｕ-1を送信重みとして求める送信重み算出手順と、
複数の送信系列からなる送信信号に送信重み行列Ｕ-1を乗算して、空間多重伝送する送信手順と、
を実行させることを特徴とするコンピュータ・プログラムである。
【００４２】
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、本発明の第１の側面に係るＭＩＭＯ通信システムにおいて送信機として動作することができる。
【００４３】
また、本発明の第３の側面は、複数のアンテナを用いて、空間多重された複数のチャネルを用いて送信機からの伝送データを受信するための通信制御動作をコンピュータ・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、前記送信機では、前記の空間多重チャネルのチャネル行列ＨをＬＵ分解して得られる上三角行列Ｕの逆行列Ｕ-1を送信重みに用いており、前記コンピュータ・システムに対し、
前記の空間多重チャネルのチャネル行列Ｈを取得するチャネル行列取得手順と、
該チャネル行列ＨをＬＵ分解して下三角行列Ｌを求めるＬＵ分解手順と、
前記送信機からの空間多重された送信信号を前記の複数のアンテナを介して、１つの送信系列のみからなりクロストーク成分のない受信系列と、以降の送信系列のクロストーク成分が１つずつ追加された受信系列で構成される受信信号を受信する受信手順と、
まずクロストーク成分を含まない受信系列について推定されるすべての送信系列の組み合わせと下三角行列Ｌを総当りで当てはめて受信系列に最も近い系列を最尤系列として決定し、以降は、クロストーク成分数の少ない受信系列から順に、既に尤度判定されたクロストーク成分をすべてキャンセルしてから推定されるすべての送信系列の組み合わせと下三角行列Ｌを総当りで当てはめて、受信系列に最も近い系列を最尤系列として決定するという演算を繰り返し実行して、送信系列を１つずつＭＬＤ受信する尤度判定手順と、
を実行させることを特徴とするコンピュータ・プログラムである。
【００４４】
また、本発明の第４の側面は、複数のアンテナを用いて、空間多重された複数のチャネルを用いて送信機からの伝送データを受信するための通信制御動作をコンピュータ・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、前記コンピュータ・システムに対し、
前記の空間多重チャネルのチャネル行列Ｈを取得するチャネル行列取得手順と、
該チャネル行列ＨをＬＵ分解して、得られた下三角行列Ｌの逆行列Ｌ-1を受信重みとして求める受信重み算出手順と、
前記の複数のアンテナを介して受信される前記送信機からの空間多重された送信信号に受信重み行列Ｌ-1を乗算して、１つの送信系列のみからなりクロストーク成分のない受信系列と、以降の送信系列のクロストーク成分が１つずつ追加された受信系列で構成される受信信号として受信する受信手順と、
まずクロストーク成分を含まない受信系列について推定されるすべての送信系列の組み合わせと上三角行列Ｕを総当りで当てはめて受信系列に最も近い系列を最尤系列として決定し、以降は、クロストーク成分数の少ない受信系列から順に、既に尤度判定されたクロストーク成分をすべてキャンセルしてから推定されるすべての送信系列の組み合わせと上三角行列Ｕを総当りで当てはめて、受信系列に最も近い系列を最尤系列として決定するという演算を繰り返し実行して、送信系列を１つずつＭＬＤ受信する尤度判定手順と、
を実行させることを特徴とするコンピュータ・プログラムである。
【００４５】
本発明の第３乃至第４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３乃至第４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、本発明の第１の側面に係るＭＩＭＯ通信システムにおいて受信機としてそれぞれ動作することができる。
【発明の効果】
【００４６】
本発明によれば、受信機側において、空間多重された受信信号からチャネル行列Ｈを取得するとともに、チャネル行列Ｈを用いてより高いパフォーマンスが得られるように空間分離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。
【００４７】
また、本発明によれば、受信機側において、通常のＭＬＤ方式よりも大幅に少ない演算量でより高いパフォーマンスが得られるように空間多重された受信信号を空間分離することができる、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。
【００４８】
本発明によれば、例えばクローズドループ型の手順を用いて送受信機間でチャネル情報を共有するＭＩＭＯ通信システムにおいて、送信機側でチャネル行列のＬＵ分解の結果を用いた重み係数を送信信号に乗算することで、受信機側ではＭＬＤ受信を実行する際の演算量を大幅に削減しながらより高いパフォーマンスを実現することができる。例えば、比較パターン総数は、６４×６／６４4＝１／６５５３６に削減することができる。
【００４９】
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】
【００５０】
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。
【００５１】
本発明は、それぞれ複数のアンテナを持つ送信機と受信機が対となって空間多重信号の伝送を行なうＭＩＭＯ通信に関する。ＭＩＭＯ通信方式では、送信機において複数のアンテナに送信データを分配して送出し、受信機では複数のアンテナにより受信した空間信号に信号処理を行なうことによって、各信号をクロストークなしに取り出す。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。
【００５２】
また、本発明に係る通信システムは、ＯＦＤＭ変調方式を併用したＭＩＭＯ＿ＯＦＤＭ通信システムである。ＯＦＤＭ変調方式は、各サブキャリアがシンボル区間内で相互に直交するように各サブキャリアの周波数を設定したマルチキャリア伝送方式である。サブキャリアが互いに直交するとは、任意のサブキャリアのスペクトラムのピーク点が常に他のサブキャリアのスペクトラムのゼロ点と一致していることを意味する。ＯＦＤＭ変調方式によれば、周波数利用効率が非常に高く、周波数選択性フェージング妨害に強い。
【００５３】
図１には、本発明の一実施形態に係るＯＦＤＭ＿ＭＩＭＯ通信システムの構成を示している。
【００５４】
送信機は、送信データ生成部１１と、送信系列毎に設けられたＯＦＤＭ変調部１２と、複数の送信系列を複数のアンテナ１４を用いて無線送信する送信処理部１３を備えている。
【００５５】
送信データ生成部１１は、上位層アプリケーションから供給される送信データにスクランブルを掛け、訂正符号化を施してから複数の送信ブランチに送信系列を振り分ける。さらに送信系列毎に与えられたデータレートに従ってパンクチャし、次いでインターリーブしてから、ＩＱ信号空間にマッピングして複素ベースバンド信号を生成する。
【００５６】
送信ブランチ毎に設けられたそれぞれのＯＦＤＭ変調部１２では、各送信系列を情報伝送レートより遅いシンボル周期毎にシリアル／パラレル変換して出力される複数のデータを各サブキャリアに割り当ててサブキャリア毎に振幅及び位相の変調を行ない、その複数サブキャリアについて逆ＦＦＴを行なうことで周波数領域に並んだ各サブキャリアの直交性を保持したまま時間軸上に並んだ信号に変換して送信する。
【００５７】
送信処理部１３では、ＯＦＤＭ変調された複数の送信系列を空間多重し、さらにそれぞれにガード・インターバルの付加、デジタル・フィルタリングによる帯域制限、アナログ信号へのＤＡ変換を行ない、さらにＲＦ処理して適当な周波数帯にアップコンバートしてから、それぞれの送信アンテナ１４から伝搬路に空間多重伝送する。
【００５８】
一方、受信機は、複数のアンテナ２１と、各アンテナで受信した受信系列毎に設けられたＯＦＤＭ復調部２２と、受信処理部２３と、データ再現部２４を備えている。
【００５９】
各アンテナ２１で受信した無線信号を、ＲＦ処理してダウンコンバートし、デジタル信号にＡＤ変換し、さらにデジタル・フィルタリングによる帯域制限した後、パケット発見、同期獲得、周波数オフセット補正し、次いで、データ送信区間の先頭に付加されたガード・インターバルを除去する。その後、受信ブランチ毎に設けられたＯＦＤＭ復調部２２により、ＦＦＴを行なって時間軸の信号を周波数軸の信号に変換して各サブキャリアについてそれぞれの変調方式に対応した復調を行ない、パラレル／シリアル変換して元のシリアル信号で送られた各受信系列を再生する。
【００６０】
受信処理部２３では、受信系列毎に得られたトレーニング信号から送受信アンテナ毎にチャネル推定し、受信アンテナ数×送信アンテナ数の要素を持つチャネル行列Ｈを取得する。そして、このチャネル行列Ｈを用いて受信信号の空間分離処理を行なう。例えば、チャネル行列ＨからＭＭＳＥアルゴリズムに基づいてアンテナ受信重み行列Ｗを計算し、受信信号とアンテナ受信重み行列Ｗとの行列乗算を行なうことで空間多重信号の空間復号を行ない、ＭＩＭＯストリーム毎に独立した信号系列を得る。その後、各受信系列に対し、さらに残留周波数オフセット補正、チャネル・トラッキングなどを施し、ＩＱ信号空間上の受信信号をデマップし、デインターリーブし、所定のデータレートでデパンクチャする。
【００６１】
データ再現部２４では、複数の受信系列を１本のストリームに合成する。このデータ合成処理は送信機側で行なうデータ振り分けと全く逆の動作を行なうものである。そして、硬判定若しくは軟判定により誤り訂正復号した後、デスクランブルし、送信された元のデータを再現する。
【００６２】
送信機側における送信処理部１３、並びに受信機側における受信処理部２３は、チャネル行列Ｈを取得するとともにチャネル行列Ｈを利用して空間多重並びに空間分離処理をそれぞれ行なうが、その手順としてオープンループ型又はクローズドループ型のいずれを用いるかによって構成が相違する。
【００６３】
オープンループ型では受信信号を空間分離するすべての処理を受信機側に負担を課すのに対し、クローズドループ型では送受信機間でチャネル情報を共有し協調をとることで受信機側の負担を軽減することができる。オープンループ型においてチャネル行列Ｈから受信重み行列Ｗを求める方法として、完全にクロストークを取り除く論理に基づいたＺｅｒｏ  Ｆｏｒｃｅや、信号電力と２乗エラーの比を最大化する論理に基づいたＭＭＳＥなどが挙げられる。また、クローズドループ型のＭＩＭＯ伝送として、ＳＶＤ−ＭＩＭＯ方式が知られている。
【００６４】
ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送では、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として表さる。この場合、送信機側の送信処理部では送信信号ｘに対し送信重み行列Ｖを乗算して空間多重伝送するとともに、受信機側では受信信号ｙに対し受信重み行列（ＵＤ）Hを乗算することで、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でき、理論上は最高のパフォーマンスを達成する。また、受信機側では、フルランクの逆行列演算を施し干渉キャンセリングを実行するので、その演算量の負荷はオープンループ型と等しい。
【００６５】
ところが、ＳＶＤ−ＭＩＭＯではチャネル行列ＨをＳＶＤ分解して特異値を対角要素に持つ対角行列を算出するため、その演算量は少なくない。そこで、本発明者らは、ＳＶＤ分解に代えてＬＵ分解を適用して、チャネル行列Ｈを下三角形行列Ｌと上三角形行列Ｕに分解して、送信重み若しくは受信重みを決定するという空間多重方式を提案する。ＬＵ分解とは、行列を、対角要素より上方のすべての要素が０となる下三角行列（Ｌｏｗｅｒ  Ｔｒｉａｎｇｕｌａｒ  Ｍａｔｒｉｘ）と、対角要素より下方のすべての要素が０となる上三角形行列（Ｕｐｐｅｒ  Ｔｒｉａｎｇｕｌａｒ  Ｍａｔｒｉｘ）に分解する幾何学演算であり、数学若しくは物理学の分野では周知である。
【００６６】
チャネル行列ＨをＬＵ分解して送信重みを得る具体的な方法として、送信機側では、送信重みとしてＵの逆行列Ｕ-1を用いる。この場合、重み行列の上半分の要素はすべて０になっているので、ＳＶＤ分解の送信重み乗算に比べて演算量が半分で済む。チャネル行列ＨのＬＵ分解を式（４）のように表すと、この場合の受信信号は式（５）のように表現される。
【００６７】
【数４】
2007104547.tif 000006
【００６８】
そして、受信機側では、ＭＬＤ方式により受信信号の判定を行なう。この際、送信信号系列と受信信号系列はそれぞれ式（６）、（７）のように表される。但し、雑音成分ｎを無視する。
【００６９】
【数５】
2007104547.tif 000007
【００７０】
ここで式（７）に示した受信信号について考察してみると、受信系列ｙ1は送信系列ｘ1以外のストリームからのクロストーク成分のない信号系列であるが、受信系列ｙ2は送信系列ｘ1とｘ2というクロストークを含む信号を含む信号系列であり、ｙ3以降は順次クロストーク成分が１つずつ追加されていく。言い換えれば、受信信号ｙは送信信号ｘに対角要素より上半分の要素がすべて０となる下三角行列Ｌを乗算したものであるから、受信系列の中には必ず１つの送信系列のみからなる、すなわちクロストーク成分のないものが含まれ、それ以外はクロストーク成分が１つずつ追加された受信系列となる。
【００７１】
このような場合、まずクロストーク成分を含まない受信系列ｙ1についてＭＬＤ受信を適用し、推定されるすべての送信系列ｘ1*の組み合わせと、トレーニング信号から得られた下三角行列Ｌを総当りで当てはめて、受信系列ｙ1に最も近い系列を最尤系列として決定する。続いて、受信信号系列ｙ2では、既に尤度判定されたクロストーク成分ｘ1をキャンセルしてから、推定されるすべての送信系列ｘ2*の組み合わせと、トレーニング信号から得られた下三角行列Ｌを総当りで当てはめて、受信系列ｙ2に最も近い系列を最尤系列として決定する。さらに続いて、受信信号系列ｙ3では、既に尤度判定されたクロストーク成分ｘ1並びにｘ2をキャンセルしてから、推定されるすべての送信系列ｘ3*の組み合わせと、トレーニング信号から得られた下三角行列Ｌを総当りで当てはめて、受信系列ｙ3に最も近い系列を最尤系列として決定する。
【００７２】
以降は同様に、受信系列ｙkでは、既に尤度判定されたすべてのクロストーク成分ｘ1、ｘ2…をキャンセルしてから、ＭＬＤ方式を適用する。すなわち推定されるすべての送信系列ｘk*の組み合わせと、トレーニング信号から得られた下三角行列Ｌを総当りで当てはめて、受信系列ｙkに最も近い系列を最尤系列として決定するという演算を繰り返し実行する（但し、ｋは２≦ｋ≦ｎの整数）。信号系列ｘについての推定アルゴリズムをｄｅｃｉｓｉｏｎ（ｘ）のように表記すると、上記の演算処理は以下のように表現することができる。
【００７３】
【数６】
2007104547.tif 000008
【００７４】
この場合の送受信機間でのデータ伝送シーケンスを以下にまとめておく。
【００７５】
ステップ１）まず、送信機側でチャネル行列Ｈを取得する。チャネル行列Ｈは送受アンテナ組み合わせ分の経路の伝搬路を行列形式に並べたものであり、送信側アンテナ本数がＮで受信側アンテナ本数がＭのときは、送信機からＭ×Ｎ個のトレーニング信号を時分割送信し、受信機ではこのトレーニング信号を用いてチャネル行列Ｈを取得する。例えば、ＲＴＳ／ＣＴＳ伝送手順が適用されるときには、受信機はＣＴＳパケットのヘッダ部にアンテナ毎のトレーニング信号を時分割で挿入することで、送信機はチャネル行列Ｈを得ることができる。
【００７６】
ステップ２）送信機は、チャネル行列ＨにＬＵ分解を適用して、下三角形行列Ｌと上三角形行列Ｕに分解する。
【００７７】
ステップ３）送信機は、上三角行列Ｕの逆行列を送信重みに用いて、データ・パケットを空間多重送信する。但し、当該パケットのヘッダ部にＵ-1で重み付けされた送信アンテナ毎のトレーニング信号を時分割送信する。
【００７８】
ステップ４）受信機側では、Ｕ-1で重み付けされたトレーニング信号を用いて、下三角行列Ｌを取得する。但し、受信機が下三角行列Ｌを取得する方法は特に限定されない。
【００７９】
ステップ５）受信機側では、Ｕ-1で重み付けされ空間多重されたパケットの本体部分（ペイロード）について、ＭＬＤ受信を適用し、それぞれの受信系列について、推定されるすべての送信系列の組み合わせとトレーニング信号から得られた下三角行列Ｌを総当りで当てはめて、受信系列ｙに最も近い系列を最尤系列として決定する。
【００８０】
ここで、式（５）に示したように、受信信号ｙは送信信号ｘに下三角行列Ｌを乗算する形式である。この場合、式（７）に示したようにクロストーク成分を含まない受信系列が１つだけ存在することから、上記のステップ５では、まずクロストーク成分を含まない受信系列ｙ1についてＭＬＤ受信を適用し、以降は既に尤度判定されたクロストーク成分を順次キャンセルしながら送信信号系列を１つずつＭＬＤ受信していく。これによって、通常のＭＬＤ方式よりも比較パターン総数を大幅に削減しながら、すべての送信系列について高い精度で尤度判定を行なうことができる。具体的には、ストリーム数がＮ本となるＭＩＭＯ通信システムに関し、硬判定並びに軟判定それぞれについての比較パターン総数は下式（９）、（１０）のように表される。
【００８１】
【数７】
2007104547.tif 000009
【００８２】
これは、比較パターン総数を６４×６／６４4＝１／６５５３６に削減できることを意味し、言い換えればチャネル行列ＨをＬＵ分解して送受信機間で協調動作を図り、ＭＬＤ受信の演算量を大幅に削減することができる訳である。
【００８３】
ここで、送信機側で電力比配分を行なうことにより、受信機側における受信特性の改善を実現することができる。具体的には、下式から算出される送信系列毎のパス・ゲインを基に電力比配分を行なう。
【００８４】
【数８】
2007104547.tif 000010
【００８５】
また、送信重みとして上三角行列Ｕの逆行列Ｕ-1を用いるために、送信系列数が多い、すなわちクロストーク成分を多く含む送信アンテナ出力に送信電力が偏るという問題がある。このため、各送信アンテナ出力を平均化することが好ましい。図２には、送信アンテナ出力を平均化する重み付け方法の一例を図解している。
【００８６】
また、複数のストリームに対してそれぞれ異なる変調方式を割り当てることは当業界で知られているが、本実施形態の場合、クロストーク成分を含まない最初にＭＬＤ受信されるストリームに最も低い（若しくはより低い）変調方式を割り当てることにより、クロストーク成分を含まない最初の受信系列ｙ1における尤度判定をより高精度に行なうことで、上式（６）に示したような既に尤度判定されたクロストーク成分を順次キャンセルしながら送信系列を１つずつＭＬＤ受信していくという受信方法において、全体としての推定誤差をできる限り小さくすることができる。
【００８７】
これまでは、チャネル行列ＨをＬＵ分解して送信機側における送信重みを得るＭＩＭＯ通信方式について説明してきたが、ＬＵ分解した結果から受信機側における受信重みを得ることもできる。具体的には、チャネル行列ＨをＬＵ分解して得られる下三角行列Ｌの逆行列Ｌ-1を受信重みに用いるが、この場合も重み行列の上半分の要素はすべて０になっているので、ＳＶＤ分解の受信重み乗算に比べて演算量が半分で済む。受信重みを乗算した後の受信信号は式（１２）のように表現される。
【００８８】
【数９】
2007104547.tif 000011
【００８９】
そして、受信機側では、ＭＬＤ方式により受信信号の判定を行なう。この際、送信信号系列と受信信号系列はそれぞれ式（１３）、（１４）のように表される。但し、雑音成分ｎを無視する。
【００９０】
【数１０】
2007104547.tif 000012
【００９１】
ここで式（１４）に示した受信重みを乗算した受信信号について考察してみると、受信系列ｙnは送信系列ｘn以外のストリームからのクロストーク成分のない信号系列であるが、受信系列ｙn-1は送信系列ｘnとｘn-1というクロストークを含む信号を含む信号系列であり、ｙn-2以降は順次クロストーク成分が１つずつ追加されていく。言い換えれば、受信重みを乗算した後の受信信号Ｌ-1・ｙは送信信号ｘに対角要素より下半分の要素がすべて０となる上三角行列Ｕを乗算したものであるから、受信系列の中には必ず１つの送信系列のみからなる、すなわちクロストーク成分のないものが含まれ、それ以外はクロストーク成分が１つずつ追加された受信系列となる。
【００９２】
このような場合、まずクロストーク成分を含まない受信系列ｙnについてＭＬＤ受信を適用し、推定されるすべての送信系列ｘn*の組み合わせと、トレーニング信号から得られた上三角行列Ｕを総当りで当てはめて、受信系列ｙnに最も近い系列を最尤系列として決定する。続いて、受信信号系列ｙn-1では、既に尤度判定されたクロストーク成分ｘnをキャンセルしてから、推定されるすべての送信系列ｘn-1*の組み合わせと、トレーニング信号から得られた上三角行列Ｕを総当りで当てはめて、受信系列ｙn-1に最も近い系列を最尤系列として決定する。さらに続いて、受信信号系列ｙn-2では、既に尤度判定されたクロストーク成分ｘn並びにｘn-1をキャンセルしてから、推定されるすべての送信系列ｘn-2*の組み合わせと、トレーニング信号から得られた下三角行列Ｌを総当りで当てはめて、受信系列ｙ3に最も近い系列を最尤系列として決定する。
【００９３】
以降は同様に、受信系列ｙkでは、既に尤度判定されたすべてのクロストーク成分ｘ1、ｘ2…をキャンセルしてから、ＭＬＤ方式を適用する。すなわち推定されるすべての送信系列ｘk*の組み合わせと、トレーニング信号から得られた上三角行列Ｕを総当りで当てはめて、受信系列ｙkに最も近い系列を最尤系列として決定するという演算を繰り返し実行する（但し、ｋは２≦ｋ≦ｎの整数）。信号系列ｘについての推定アルゴリズムをｄｅｃｉｓｉｏｎ（ｘ）のように表記すると、上記の演算処理は以下のように表現することができる。
【００９４】
【数１１】
2007104547.tif 000013
【００９５】
この場合の送受信機間でのデータ伝送シーケンスを以下にまとめておく。
【００９６】
ステップ１）まず、送信機側から、チャネル行列取得用のトレーニング信号を各アンテナから時分割で送信する。
【００９７】
ステップ２）これに対し、受信機は、送受アンテナ組み合わせ分の経路の伝搬路を行列形式に並べて、チャネル行列Ｈを取得する。
【００９８】
ステップ３）次いで、受信機は、チャネル行列ＨにＬＵ分解を適用して、下三角形行列Ｌと上三角形行列Ｕに分解する。そして、下三角行列Ｌの逆行列Ｌ-1を受信重みとして保持しておく。
【００９９】
ステップ４）送信機は、送信重みを乗算することなく、データ・パケットを空間多重送信する。
【０１００】
ステップ５）受信機は、各アンテナから受信した空間多重信号に受信重みＬ-1を乗算する。そして、ＭＬＤ受信を適用し、それぞれの受信系列について、推定されるすべての送信系列の組み合わせとトレーニング信号から得られた上三角行列Ｕを総当りで当てはめて、受信系列ｙに最も近い系列を最尤系列として決定する。
【０１０１】
ここで、式（１２）に示したように、受信信号は送信信号に上三角行列Ｕを乗算する形式である。この場合、式（１４）に示したようにクロストーク成分を含まない受信系列が１つだけ存在することから、上記のステップ５では、まずクロストーク成分を含まない受信系列ｙnについてＭＬＤ受信を適用し、以降は既に尤度判定されたクロストーク成分を順次キャンセルしながら送信信号系列を１つずつＭＬＤ受信していく。これによって、通常のＭＬＤ方式よりも比較パターン総数を大幅に削減しながら、すべての送信系列について高い精度で尤度判定を行なうことができる。具体的には、ストリーム数がＮ本となるＭＩＭＯ通信システムに関し、硬判定並びに軟判定それぞれについての比較パターン総数は上式（９）、（１０）で示した通りである。
【０１０２】
ここで、受信重みとして下三角行列Ｌの逆行列Ｌ-1を用いるために、送信系列数が多い、すなわちクロストーク成分を多く含む受信系列に受信電力が偏るという問題がある。このため、ストリーム間での受信電力を平均化するように、送信機側で各送信アンテナ出力の電力配分を調整することが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
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。
【０１０４】
本発明に係る、チャネル行列ＨをＬＵ分解してアンテナ重み係数行列を求めるというＭＩＭＯ通信方式は、オープンループ方及びクローズドループ型のいずれの手順を採用する通信システムにも適用することができる。
【０１０５】
また、ＬＵ分解した結果から送信重み及び受信重みのいずれを算出する場合であっても、重み行列の上半分の要素はすべて０になっているので、通常のＭＩＭＯ通信機における重み乗算に比べて演算量が半分で済むとともに、クロストーク成分を含まない受信信号系列をまずＭＬＤ受信してから、クロストーク成分を含む受信信号系列については既に尤度判定されたクロストーク成分を順次キャンセルしながら１つずつ１つずつＭＬＤ受信していくことで、比較パターン総数を大幅に削減しながら、すべての送信系列について高い精度で尤度判定を行なうことができる。
【０１０６】
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、特許請求の範囲を参酌すべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係るＯＦＤＭ＿ＭＩＭＯ通信システムの構成を示した図である。
【図２】図２は、送信アンテナ出力を平均化する重み付け方法の一例を示した図である。
【図３】図３は、ＭＩＭＯ通信システムを概念的に示した図である。
【符号の説明】
【０１０８】
１１…送信データ生成部
１２…ＯＦＤＭ変調部
１３…送信処理部
１４…送信アンテナ
２１…受信アンテナ
２２…ＯＦＤＭ復調部
２３…受信処理部
２４…データ再現部
【図１】
2007104547.tif 000014
【図２】
2007104547.tif 000015
【図３】
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