(57)【要約】【課題】マルチユーザＭＩＭＯダウリンク伝送において、基地局側でＤＰＣ（Dirty Paper Coding）の原理を用いてユーザ間干渉を除去しながら、通信路容量を確保して、各ユーザに向けてマルチストリームのデータを送信することができる基地局装置及びそれを備えた通信システムを提供する。【解決手段】基地局１０と複数のユーザ端末２０−１〜２０−Ｎｕとの間でマルチユーザＭＩＭＯ−ＤＰＣ方式で通信を行う。基地局１０は、少なくとも１つのユーザ端末に対してマルチ送信ストリームを送信し、干渉減算部１１−１〜１１−ＮＴがブロック三角化とＤＰＣ伝送方式を用いて前記各ユーザ端末におけるユーザ間干渉を除去する。また、基地局１０の送信ウェイト部１３は、全システムのキャパシティーレートが上がるように前記各ユーザの送信ウェイトの選択を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のユーザ端末との間でマルチユーザＭＩＭＯ方式の通信を行う基地局装置であって、
前記複数のユーザ端末のうち少なくとも１つのユーザ端末に対してマルチ送信ストリームを送信し、ブロック三角化とＤＰＣ伝送方式を用いて前記各ユーザ端末におけるユーザ間干渉を除去することを特徴とする基地局装置。
【請求項２】
全システムのキャパシティーレートが上がるように前記各ユーザの送信ウェイトの選択を行うことを特徴とする請求項１に記載の基地局装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の基地局装置と、複数のユーザ端末との間でマルチユーザＭＩＭＯ方式の通信を行う通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ＯＦＤＭ変復調方式では、各サブキャリア通信路はフラットレイリーフェージングとなる。本発明は、フラットレイリーフェージングにおいて、マルチユーザＭＩＭＯダウンリンクにおけるユーザ間の干渉分離を行う基地局装置及びそれを備えた通信システムに関するものである。基地局アンテナ数を増やすことによって、周波数帯域幅、変調多値数を増加させることなく無線伝送速度を向上させることが可能である。また、ユーザ端末では、信号を検出、復号するときの計算量が軽減できるため、簡易な受信機構成で実現でき、優れたビット誤り率特性を実現する。
【背景技術】
【０００２】
近年、送受信双方に複数のアンテナを用い、送信信号を空間多重して通信を行うＭＩＭＯ（Multiple-Input Multiple-Output）伝送方式は、同時刻・同一周波数帯を用いて伝送容量を増加できる技術として注目を集めている。ＭＩＭＯ伝送方式の最大の利点は、受信誤り率低減及び伝送容量の増大である。しかし、下り回線無線通信路を考えた場合、基地局のアンテナ数には制限が少ないのに対し、移動ユーザ端末局のアンテナ数には制限があり、また小型化や低消費電力化が求められるため複雑な信号処理は行えない。そこで、複数の端末ユーザとＭＩＭＯ通信が可能なマルチユーザＭＩＭＯ（ＭＵ−ＭＩＭＯ）技術が注目を集めている。マルチユーザＭＩＭＯ技術では、基地局アンテナ数を増やすことにより、周波数帯域幅や変調多値数を増加させることなく、無線伝送速度を向上させることが可能となる。従って、マルチユーザＭＩＭＯ技術は、周波数資源が逼迫しているマイクロ波帯（現在、携帯電話や無線ＬＡＮで利用され、移動通信に適している）等において、有線伝送とシームレスなブロードバンド無線伝送の実現を可能にする将来技術として注目されている。
【０００３】
マルチユーザＭＩＭＯダウリング伝送における主な問題は、ユーザ端末間の信号分離である。この問題に対して、各ユーザ端末で他ユーザからの干渉波を分離するために、基地局側の送信マルチビームを制御し、ユーザ端末についてもそのサイズやコストの点からより簡易な受信機の設計を行う必要がある。
【０００４】
第１の従来技術として線形プリコーディングであるブロック対角手法（ＢＤ：Block Diagonalization）がある。これは、基地局側でユーザ間の干渉を完全に除去でき、ユーザ端末側でも簡単な受信機構成となる技術である（非特許文献１参照）。
【０００５】
また、第２の従来技術としてシングル受信アンテナを持つマルチユーザＭＩＭＯ−ＤＰＣ（Dirty Paper Coding）伝送方式がある（非特許文献２参照）。ＭＩＭＯ−ＤＰＣ方式では、基地局で事前に順序付逐次干渉除去を行う。まず、チャネル行列をＬＱ分解し、送信プリコーディングとしてＱＨを用いることによって、実効通信路行列が三角形行列になり、チャネル情報を用いて予め干渉成分を減算して送信する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】加藤、西本、小川、大鐘、西村、“マルチユーザＭＩＭＯ下り回線における不完全ブロック対角化法”、電子情報通信学会  技術報告、ＲＣＳ２００７−２４１、２００８年３月
【非特許文献２】C. Li, Y. Iwanami, E. Okamoto, “Comparison study for Tomlinson-Harashima Precoding based on MMSE criteria in Multiuser MIMO downlink system”, IEEE TENCON 2009, 2009年11月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、第１の従来技術では、各ユーザは他ユーザのチャネルの組み合わせ行列に対し少なくとも１列は独立にする必要があるため、ユーザ間チャンネルの相関性が高い場合にはシステムの通信路容量の損失が生じる。
【０００８】
また、第２の従来技術では、システムの通信容量は確保できるが、ユーザ端末の受信アンテナ数は１本に限定され、各ユーザへの送信信号は１ストリームのみであった。
【０００９】
本発明は、斯かる実情に鑑み、マルチユーザＭＩＭＯダウリンク伝送において、基地局側でＤＰＣ（Dirty Paper Coding）の原理を用いてユーザ間干渉を除去しながら、通信路容量を確保して、各ユーザに向けてマルチストリームのデータを送信することができる基地局装置及びそれを備えた通信システム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】
【００１０】
本発明は、複数のユーザ端末との間でマルチユーザＭＩＭＯ方式の通信を行う基地局装置であって、前記複数のユーザ端末のうち少なくとも１つのユーザ端末に対してマルチ送信ストリームを送信し、ブロック三角化とＤＰＣ伝送方式を用いて前記各ユーザ端末におけるユーザ間干渉を除去することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の基地局装置において、全システムのキャパシティーレートが上がるように前記各ユーザの送信ウェイトの選択を行うことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、前記基地局装置と、複数のユーザ端末との間でマルチユーザＭＩＭＯ方式の通信を行う通信システムである
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、マルチユーザＭＩＭＯダウンリンクにおける端末ユーザ間の信号分離方式に関するものである。マルチユーザＭＩＭＯ技術では、基地局から複数の端末ユーザへの送信信号を同時に送信することによって、端末ユーザの受信アンテナを同時に利用する。これによって、仮想的に大規模なＭＩＭＯ通信路を構成でき、従来のシングルユーザＭＩＭＯに対し、システム全体で飛躍的な伝送速度向上を見込むことができる。従来のマルチユーザＭＩＭＯダウンリンクＤＰＣ方式では、ユーザ端末の受信アンテナ数は１本に限定され、各ユーザへの送信信号は１ストリームのみであったが、本発明では、ユーザ端末において複数の受信アンテナによる受信と各ユーザ端末へのマルチストリーム送信を可能とした。これらにより、高速大容量データ伝送が行え、また優れたビット誤り率特性を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】マルチユーザＭＩＭＯダウンリンクモデルを示す図である。
【図２】受信アンテナ間が無相関の場合において、（ａ）は各ユーザ端末のＢＥＲ特性を示す図、（ｂ）は各ユーザのキャパシティーレート特性を示す図である。
【図３】受信アンテナ間に相関がある場合において、（ａ）は異なる相関係数におけるシステム平均ＢＥＲ特性を示す図、（ｂ）は総キャパシティーレートを示す図である。
【図４】受信アンテナ間相関がある場合、異なる相関係数における送信アンテナ等電力配分と注水定理配分を用いた総キャパシティーレート特性（実線：等電力配分、点線：注水定理配分）を示す図である。
【図５】異なる相関係数（ｃＲ：受信アンテナ相関係数、ｃＴ：送信アンテナ相関係数）を持つ通信路において注水定理を用いた場合の総キャパシティーレートの特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
まず、本発明の通信システムの概略を図１に示す。
この通信システムは、基地局１０と、各ユーザ端末２０−１〜２０−Ｎｕから構成される。基地局１０と各ユーザ端末２０−１〜２０−Ｎｕとは、マルチユーザＭＩＭＯ−ＤＰＣ方式で通信を行う。
基地局１０は、ＩＵＩ干渉を減算する干渉減算部１１−１〜１１−ＮＴ、Ｍｏｄｕｌｏ回路１２−１〜１２−ＮＴ、送信ウェイト部１３、送信アンテナ１４−１〜１４−ＮＴから構成される。
ユーザ端末２０−１〜２０−Ｎｕは、ｋ番目のユーザ端末２０−ｋを例にとると、受信アンテナ２１−１〜２１−ｎＲ（ｋ）、デコーダ２２−１〜２２−ｎＲ（ｋ）、Ｍｏｄｕｌｏ回路２３−１〜２３−−ｎＲ（ｋ）、から構成される（ｋ＝１、２、…、Ｎｕ）。
ユーザ端末２０−１〜２０−Ｎｕから基地局１０へは、チャネル情報（ユーザ選択方式とＩＵＩ除去情報）がフィードバックされる。
【００１６】
基地局１０から、各々異なった各ユーザ向けの送信信号を、送信アンテナ１４−１〜１４−ＮＴから同じキャリヤ周波数を用いて空間多重して送信する。基地局１０は、少なくとも１つのユーザ端末に対してマルチ送信ストリームを送信し、干渉減算部１１−１〜１１−ＮＴがブロック三角化とＤＰＣ伝送方式を用いて前記各ユーザ端末におけるユーザ間干渉を除去する。Ｍｏｄｕｌｏ回路１２−１〜１２−ＮＴでは送信電力の増加を抑えるためにＭｏｄｕｌｏ演算を行う。また、基地局１０の送信ウェイト部１３は、全システムのキャパシティーレートが上がるような前記各ユーザの送信ウェイトを求め、Ｍｏｄｕｌｏ回路１２−１〜１２−ＮＴの出力に対して送信ウェイトを乗算する。受信側の各ユーザ端末２０−１〜２０−Ｎｕにおいて、ｋ番目（ｋ＝１，…Ｎｕ）の端末ユーザ２２−ｋは、ｎＲ（ｋ）本の受信アンテナ２１を用いて、受信した全てのユーザ信号に対して受信デコーダ行列とＭｏｄｕｌｏ演算により同時に処理し、他のユーザからの干渉信号を分離・除去して、自らの受信信号のみを復号する。これによって、周波数帯域幅及び送信電力を増加することなく、全体として大きなダウンリンクの伝送速度の向上が計れる。
【００１７】
基地局１０の送信アンテ数をＮＴ、ユーザ端末数をＮｕ、ユーザｋの受信アンテナ数をｎＲ（ｋ）（ｋ＝１，…，Ｎｕ）とする。
【００１８】
ユーザｋのチャネル応答行列は、次式（１）で表される。
【数１】
2012257194.tif 000003
【００１９】
式（１）に於いて、ＨｋはｎＲ（ｋ）×Ｎｔの通信路行列、行列の要素ｈｉ，ｊはレイリー確率変数（ｉ．ｉ．ｄ）であり、ｊは送信アンテナ番号，ｉは受信アンテナ番号を表す。
【００２０】
システム全体の通信路行列Ｈ、プリコーディング行列Ｍとシステムの実効通信路行列は、それぞれ次式（２）で表される。
【数２】
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【００２１】
全ユーザ端末２０−１〜２０−Ｎｕに対する送信ベクトル、雑音ベクトルは、次式（３）で表せる。
【数３】
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【００２２】
ここで、ｘｋ＝［ｘ１（ｋ）  ｘ２（ｋ）  …  ｘｎＲ（ｋ）］は、ユーザ端末ｋの送信信号ベクトルであり、Ｐｋ＝Ｅ［ｘｋＨｘ］はユーザｋの送信電力である。また、ｎｋ＝［ｎ１  ｎ２  …  ｎＮｕｋ］は、ユーザ端末ｋの受信アンテナ２１−１〜２１−ｎＲ（ｋ）に於ける、分散Ｎ０／２、平均値０の複素ガウス変数ベクトルである。
【００２３】
システム全体の通信路入出関係式は、次式（４）のように表される。
【数４】
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【００２４】
ユーザ端末ｋの受信信号ベクトルは、次式（５）で表せる。
【数５】
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【００２５】
マルチユーザＭＩＭＯ方式における線型プリコーディンク手法では、チャネル行列におけるユーザ間の相関が高い場合、システムの通信路容量が減少してしまう。また、各ユーザに対する送信ウェイトの選択自由度もない。これらの問題を解決することを目的として、本発明における具体的な方法を述べる。
【００２６】
ユーザ端末１を決める。各ユーザのチャネル行列に特異値分解（ＳＶＤ）を行う。
【数６】
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ここで、ｏ（１）はシステム全体の通信路行列Ｈから選択されたユーザ１の番号である。
【００２７】
ユーザ端末ｋについて、以前に選択された（ｋ−１）のユーザで構成される通信路行列に対し特異値分解を行い、次式（７）を求める。
【数７】
2012257194.tif 000009
ここで、Ｍｋの総選択自由度はＰ（Ｎｕ−ｓｉｇｍａｉ＝１ｋ−１  ｎＴ（ｉ）ｎＴ（ｋ））である．Ωｋはユーザｋのヌルスペースであり、Ｐ（ｍ，ｎ）＝ｎ×（ｎ−１）×…×（ｎ−ｍ−１）である。
【００２８】
式（７）で得られたＭｋを用いてユーザｋの通信路行列Ｈｋを決める。最後に、システム全体のチャネル行列Ｈは式（８）のようになる。
【数８】
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【００２９】
通信路の出入力関係式は式（９）と書ける。
【数９】
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【００３０】
受信側でのデコーダー行列は次式（１０）のようになる。
【数１０】
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【００３１】
各ユーザ端末において、デコーダー行列を掛けると式（１１）となる。
【数１１】
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【００３２】
ＤＰＣ伝送方式を利用できるように、行列ｈ１１′〜ｈＮｕＮｕ′について、コレスキー分解を行うと次式（１２）が得られる。
【数１２】
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【００３３】
式（１０）は次式（１３）のように書き改められる。
【数１３】
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【００３４】
デコーダー行列にある行列Ｇ１〜ＧＮｕは次式（１４）のように書ける。
【数１４】
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【００３５】
基地局１０側の送信信号ベクトルは次式（１５）のように書ける。
【数１５】
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ここで、ｓｉ，  ｒｉ，ｊ′は、それぞれ各ユーザ端末への送信情報と行列Ｒｋの要素である。
【００３６】
式（１５）に示すように、基地局１０側での干渉信号の減算により送信信号電力が必要以上に大きくなるため、Ｍｏｄｕｌｏ操作を用いる。Ｍｏｄｕｌｏ回路の出入力関係式は式（１６）になる。
【数１６】
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【００３７】
以下、実施例に基づいて本発明の効果を具体的に説明するが、もとより本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００３８】
ＯＦＤＭ信号の各サブキャリアにおける通信路はフラットレイリーフェージング通信路であるため、本発明の実施例ではマルチユーザＭＩＭＯ準静的フラットレイリーフェージング通信路を扱う。
【００３９】
マルチユーザＭＩＭＯダウンリンクにおける準静的フラットレイリーフェージング通信路について、各ユーザ端末２０−１〜２０−Ｎｕに対し２ストリームを送信する。図１においては、基地局１０の送信アンテナ数が８本、ユーザ端末数が４、各ユーザ端末２０−１〜２０−４の受信アンテナ数を２本とする。アンテナ間が無相関と有相関の二つの場合において、システムのＢＥＲ特性とチャネルキャパシティーレートの検討を行った。
【００４０】
基地局１０で各ユーザに向け２ストリーム送信する場合において、各ユーザのＢＥＲ特性を図２（ａ）に示す。図２（ａ）において、ユーザ端末４では、行列Ｈ４の第１と第２固有ベクトルをユーザ端末４の送信ウェイトとする。ユーザ端末４以外のユーザ端末は、システムチャネル行列をブロック三角化するため、送信ウェイトの最適化は行えない。しかし、ユーザ端末４以外のＢＥＲ特性を改善するために、基地局１０側で送信ウェイトの選択を一定のアルゴリズムに従って行う。すなわち、ユーザ端末３からユーザ端末１までのユーザ端末に対して、送信ウェイトを選択する。また、図２（ａ）に示されるように、ユーザ端末の送信ウェイトの選択自由度が高い程、ユーザ端末のＢＥＲ特性が良い。図２（ｂ）の結果より、基地局１０の各アンテナから等電力送信の場合において、ユーザ端末４は最適な送信ウェイトを用いるため、通信路容量の損失が無い。ユーザ端末３，２，１では、通信路利得が最大になれず、通信路キャパシティーレートが劣化してしまう。図３（ａ）の結果により、相関係数が０．２時はＢＥＲ特性の劣化はほとんど無いが、相関係数を０．８とするとＢＥＲ特性の劣化が大きくなることが分かる。図３（ｂ）より、等送信電力の場合において、相間係数の小さい場合はキャパシティーレートの劣化が少ないが、相間係数が０．９９となるとキャパシティーレートが著しく劣化する。図４に示すように、送信アンテナ電力の配分に注水定理を用いると、キャパシティーレートを改善できるが、相関係数によるキャパシティーレートの影響は、やはり図３（ｂ）と同じである。図５に示すように、基地局１０の送信アンテナとユーザ端末２０の受信アンテナ両方が共に相関を持つ場合、キャパシティーレートの劣化は著しい。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、マルチユーザＭＩＭＯダウンリンクにおける端末ユーザ間の信号分離方式に関するものである。マルチユーザＭＩＭＯ技術では、基地局から複数の端末ユーザへの送信信号を同時に送信することによって、端末ユーザの受信アンテナを同時に利用する。これによって、仮想的に大規模なＭＩＭＯ通信路を構成でき、従来のシングルユーザＭＩＭＯに対し、システム全体で飛躍的な伝送速度向上を見込むことができる。従来のマルチユーザＭＩＭＯダウンリンクＤＰＣ方式では、ユーザ端末の受信アンテナ数は１本に限定され、各ユーザへの送信信号は１ストリームのみであったが、本発明では、ユーザ端末において複数の受信アンテナによる受信と各ユーザ端末へのマルチストリーム送信を可能とした。これらにより、高速大容量データ伝送が行え、また優れたビット誤り率特性を実現でき、産業上の大きな利用可能性がある。
【符号の説明】
【００４２】
１０  基地局
１１−１〜１１−ＮＴ  干渉減算部
１２−１〜１２−ＮＴ  Ｍｏｄｕｌｏ回路
１３  送信ウェイト部
１４−１〜１４−ＮＴ  送信アンテナ
２０−１〜２０−Ｎｕ  ユーザ端末
２１−１〜２１−ｎＲ（ｋ）  受信アンテンナ
２３−１〜２３−ｎＲ（ｋ）  Ｍｏｄｕｌｏ回路
【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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