(57)【要約】【課題】ＭＩＭＯ通信システムにおいて、ウェイト行列の算出回路の規模を最小限に抑えること。【解決手段】複数のストリームが空間多重された信号を複数のアンテナで受信するアンテナ２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃと、空間多重されたチャネルのチャネル行列を推定するチャネル行列推定部２１４と、推定されたチャネル行列の共役転置行列を用いて当該チャネル行列の共分散行列を算出する共分散行列算出部３０２と、受信可能な最大ストリーム数に比べて受信ストリーム数が少ない場合に、共分散行列の対角の要素０を１に変更する行列変形部３０６と、共分散行列の逆行列と共役転置行列とから受信信号を分離するウェイト行列を算出する行列掛算回路３１２と、各アンテナの受信信号に前記ウェイト行列を掛け合わせ、各ストリームの信号に分離する空間分離回路２１８と、を備える。【選択図】図３
2009272698.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のストリームが空間多重された信号を複数のアンテナで受信する受信部と；
空間多重されたチャネルのチャネル行列を推定するチャネル行列推定部と；
推定されたチャネル行列の共役転置行列を用いて当該チャネル行列の共分散行列を算出する共分散行列算出部と；
受信可能な最大ストリーム数に比べて受信ストリーム数が少ない場合に、前記共分散行列の対角の要素０を１に変更する行列変形部と；
前記共分散行列の逆行列と前記共役転置行列とから受信信号を分離するウェイト行列を算出するウェイト行列算出部と；
各アンテナの受信信号に前記ウェイト行列を掛け合わせ、各ストリームの信号に分離する空間分離部と；
を備える、受信装置。
【請求項２】
ゼロ・フォーシングアルゴリズム、又はＭＭＳＥアルゴリズムに従って前記ウェイト行列を算出する、請求項１に記載の受信装置。
【請求項３】
前記ウェイト行列算出部は、前記共分散行列の逆行列に前記共役転置行列を乗算して前記ウェイト行列を算出し、当該乗算における前記共分散行列の行列式による除算回路が前記共役転置行列の乗算回路の後段に配置された、請求項１に記載の受信装置。
【請求項４】
前記複数のアンテナのそれぞれで受信した受信信号は、周波数軸上で互いに直交する複数のサブキャリアにＯＦＤＭマッピングされたＯＦＤＭ変調信号であり、前記空間分離部は、フーリエ変換後の各受信信号にウェイト行列を乗算して各ストリームに分離する、請求項１に記載の受信装置。
【請求項５】
空間多重されたチャネルのチャネル行列の共役転置行列を用いて当該チャネル行列の共分散行列を算出する共分散行列算出部と；
受信可能な最大ストリーム数に比べて受信ストリーム数が少ない場合に、前記共分散行列の対角の要素０を１に変更する行列変形部と；
前記共分散行列の逆行列と前記共役転置行列とから受信信号を分離するウェイト行列を算出するウェイト行列算出部と；
を備える、ウェイト行列演算回路。
【請求項６】
受信機に対して複数のストリームが空間多重された信号を送信し、空間多重されたチャネルのチャネル行列を推定するためのリファレンス信号を送信する送信機と；
前記送信機から送信された信号を複数のアンテナで受信する受信部と、前記リファレンス信号に基づいて前記チャネル行列を推定するチャネル行列推定部と、推定されたチャネル行列の共役転置行列を用いて当該チャネル行列の共分散行列を算出する共分散行列算出部と、受信可能な最大ストリーム数に比べて受信ストリーム数が少ない場合に、前記共分散行列の対角の要素０を１に変更する行列変形部と、前記共分散行列の逆行列と前記共役転置行列とから受信信号を分離するウェイト行列を算出するウェイト行列算出部と、各アンテナの受信信号に前記ウェイト行列を掛け合わせ、各ストリームの信号に分離する空間分離部と、を有する受信機と；
を備える、通信システム。
【請求項７】
複数のストリームが空間多重された信号を複数のアンテナで受信するステップと；
空間多重されたチャネルのチャネル行列を推定するステップ；
推定されたチャネル行列の共役転置行列を用いて当該チャネル行列の共分散行列を算出するステップ；
受信可能な最大ストリーム数に比べて受信ストリーム数が少ない場合に、前記共分散行列の対角の要素０を１に変更するステップ；
前記共分散行列の逆行列と前記共役転置行列とから受信信号を分離するウェイト行列を算出するステップ；
各アンテナの受信信号に前記ウェイト行列を掛け合わせ、各ストリームの信号に分離するステップ；
を備える、受信方法。
【請求項８】
複数のストリームが空間多重された信号を複数のアンテナで受信する手段；
空間多重されたチャネルのチャネル行列を推定する手段；
推定されたチャネル行列の共役転置行列を用いて当該チャネル行列の共分散行列を算出する手段；
受信可能な最大ストリーム数に比べて受信ストリーム数が少ない場合に、前記共分散行列の対角の要素０を１に変更する手段；
前記共分散行列の逆行列と前記共役転置行列とから受信信号を分離するウェイト行列を算出する手段；
各アンテナの受信信号に前記ウェイト行列を掛け合わせ、各ストリームの信号に分離する手段；
としてコンピュータを機能させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受信装置、ウェイト行列演算回路、通信システム、受信方法及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近時では、家庭内、オフィスなどにおいて、無線ネットワークが導入されつつある。無線通信の国際的な標準規格として、ＩＥＥＥ（The  Institute  Of  Electrical  And  Electronics  Engineers）８０２．１１が知られている。
【０００３】
また、近時では、無線通信の高速化を実現する技術の一つであるＭＩＭＯ（Multi−Input  Multi−Output）システムが注目されている。ＭＩＭＯは、送信機および受信機のそれぞれが複数のアンテナを備え、空間多重を利用して高速化を実現する通信方式である。ＭＩＭＯ通信システムの送信機では、送信データを複数のアンテナに分配して送信し、ＭＩＭＯ通信システムの受信機では、複数のアンテナで受信した信号を信号処理により空間分離を行う。
【０００４】
ＭＩＭＯ通信システムでは、周波数帯域を増大させることなく、複数のアンテナを用いることにより伝送容量を拡大している。ＭＩＭＯ通信システムでは、空間多重を利用して通信を行うため、周波数利用効率を高めることが可能である。
【０００５】
図５は、ＭＩＭＯ通信システムの概念を示す模式図である。図５では、送信にＭ本のアンテナを用い、受信にＮ本のアンテナを用いた場合の概念図であり、送信データをＭ本の送信アンテナに分配して送信し、受信側でＮ本の受信アンテナで受信して様子を示している。ＭＩＭＯ通信システムでは、理想的には、送信アンテナ、受信アンテナのうち少ない方のアンテナの数だけのストリーム分の送信が可能である。
【０００６】
ＭＩＭＯ通信システムでは、何らかの方法でチャネル行列Ｈを取得し、所定のアルゴリズムによってチャネル行列Ｈからウェイト行列Ｇを求め、空間多重された受信信号ｙにこのウェイト行列を乗算することにより各ストリーム信号ｘを得ている。例えば、送信機から既知のパターン信号をリファレンス信号として送信し、受信側でこのリファレンス信号を用いることで、チャネル行列Ｈを取得する事ができる。
【０００７】
このチャネル行列Ｈからウェイト行列Ｗを求めるアルゴリズムとして、ゼロ・フォーシング(Zero  Forcing)アルゴリズムとＭＭＳＥアルゴリズムが知られているゼロ・フォーシングは完全にクロストークを取り除く理論に基づいており、得られるウェイト行列Wはチャネル行列Ｈの一般化逆行列となる。また、ＭＭＳＥでは、信号電力と二乗エラーの比を最大化する理論に基づいており、受信機の雑音電力を考慮したウェイト行列Ｗを求める事ができる。
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−１６００３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ウェイト行列Ｗを求める際に算出される共分散行列の行列サイズは送信ストリーム数の正方行列となり、送信ストリーム数の正方行列の逆行列を算出する必要がある。
【００１０】
正方行列の逆行列を求める手法として、クラメールの公式などが知られているが、対象となる行列のサイズによって算出方法は異なる。このため、受信機が許容するストリーム本数に相当する数の逆行列算出回路が必要になる。そして、複数の逆行列演算回路の中から、ストリーム数に応じた回路を選択して逆行列を算出することとなる。このため、演算回路の規模が増大するという問題が生じる。
【００１１】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、ＭＩＭＯ通信システムにおいて、ウェイト行列の算出回路の規模を最小限に抑えることが可能な、新規かつ改良された受信装置、ウェイト行列演算回路、通信システム、受信方法、及び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】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、複数のストリームが空間多重された信号を複数のアンテナで受信する受信部と、空間多重されたチャネルのチャネル行列を推定するチャネル行列推定部と、推定されたチャネル行列の共役転置行列を用いて当該チャネル行列の共分散行列を算出する共分散行列算出部と、受信可能な最大ストリーム数に比べて受信ストリーム数が少ない場合に、前記共分散行列の対角の要素０を１に変更する行列変形部と、前記共分散行列の逆行列と前記共役転置行列とから受信信号を分離するウェイト行列を算出するウェイト行列算出部と、各アンテナの受信信号に前記ウェイト行列を掛け合わせ、各ストリームの信号に分離する空間分離部と、を備える無線受信装置が提供される。
【００１３】
また、ゼロ・フォーシングアルゴリズム、又はＭＭＳＥアルゴリズムに従って前記ウェイト行列を算出するものであってもよい。
【００１４】
また、前記ウェイト行列算出部は、前記共分散行列の逆行列に前記共役転置行列を乗算して前記ウェイト行列を算出し、当該乗算における前記共分散行列の行列式による除算回路が前記共役転置行列の乗算回路の後段に配置されたものであってもよい。
【００１５】
また、前記複数のアンテナのそれぞれで受信した受信信号は、周波数軸上で互いに直交する複数のサブキャリアにＯＦＤＭマッピングされたＯＦＤＭ変調信号であり、前記空間分離部は、フーリエ変換後の各受信信号にウェイト行列を乗算して各ストリームに分離するものであってもよい。
【００１６】
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、空間多重されたチャネルのチャネル行列の共役転置行列を用いて当該チャネル行列の共分散行列を算出する共分散行列算出部と、受信可能な最大ストリーム数に比べて受信ストリーム数が少ない場合に、前記共分散行列の対角の要素０を１に変更する行列変形部と、前記共分散行列の逆行列と前記共役転置行列とから受信信号を分離するウェイト行列を算出するウェイト行列算出部と、を備えるウェイト行列演算回路が提供される。
【００１７】
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、受信機に対して複数のストリームが空間多重された信号を送信し、空間多重されたチャネルのチャネル行列を推定するためのリファレンス信号を送信する送信機と、前記送信機から送信された信号を複数のアンテナで受信する受信部と、前記リファレンス信号に基づいて前記チャネル行列を推定するチャネル行列推定部と、推定されたチャネル行列の共役転置行列を用いて当該チャネル行列の共分散行列を算出する共分散行列算出部と、受信可能な最大ストリーム数に比べて受信ストリーム数が少ない場合に、前記共分散行列の対角の要素０を１に変更する行列変形部と、前記共分散行列の逆行列と前記共役転置行列とから受信信号を分離するウェイト行列を算出するウェイト行列算出部と、各アンテナの受信信号に前記ウェイト行列を掛け合わせ、各ストリームの信号に分離する空間分離部と、を有する受信機と、を備える通信システムが提供される。
【００１８】
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、複数のストリームが空間多重された信号を複数のアンテナで受信するステップと、空間多重されたチャネルのチャネル行列を推定するステップと、推定されたチャネル行列の共役転置行列を用いて当該チャネル行列の共分散行列を算出するステップと、受信可能な最大ストリーム数に比べて受信ストリーム数が少ない場合に、前記共分散行列の対角の要素０を１に変更するステップと、前記共分散行列の逆行列と前記共役転置行列とから受信信号を分離するウェイト行列を算出するステップと、各アンテナの受信信号に前記ウェイト行列を掛け合わせ、各ストリームの信号に分離するステップと、を備える受信方法が提供される。
【００１９】
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、複数のストリームが空間多重された信号を複数のアンテナで受信する手段、空間多重されたチャネルのチャネル行列を推定する手段、推定されたチャネル行列の共役転置行列を用いて当該チャネル行列の共分散行列を算出する手段、受信可能な最大ストリーム数に比べて受信ストリーム数が少ない場合に、前記共分散行列の対角の要素０を１に変更する手段、前記共分散行列の逆行列と前記共役転置行列とから受信信号を分離するウェイト行列を算出する手段、各アンテナの受信信号に前記ウェイト行列を掛け合わせ、各ストリームの信号に分離する手段、としてコンピュータを機能させるためのプログラムが提供される。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、ＭＩＭＯ通信システムにおいて、ウェイト行列の算出回路の規模を最小限に抑えることが可能な受信装置、ウェイト行列演算回路、通信システム、受信方法、及びプログラムを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２２】
図１は、本発明の一実施形態にかかる通信システムにおいて、ＭＩＭＯ送信機１００の構成を示す模式図である。また、図２は、本発明の一実施形態にかかる通信システムにおいて、ＭＩＭＯ受信機２００の構成を示す模式図である。図１に示す送信機１００は２本本のアンテナを備え、図２に示す受信機２００は３本のアンテナを備えている。このため、２系統のＭＩＭＯ送受信ストリームが形成されることになるが、本実施形態においてストリーム数は特に限定されるものではない。
【００２３】
本実施形態は、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通信システムに関する。ＭＩＭＯ通信方式では、送信機１００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２００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、周波数利用効率を高めることができる。
【００２４】
また、本実施形態において、通信システムは、ＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ
Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：直交周波数分割多重）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。この方式では、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おり、サブキャリアが互いに直交している。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対する耐性が高い。
【００２５】
図１のＭＩＭＯ送信機１００において、データ発生器１０２から供給される送信データは、スクランブラ１０４においてスクランブルが掛けられる。次いで、符号化器１０６で誤り訂正符号化の処理が行われる。この際の符号化器の種類としては、例えばＩＥＥＥ８０２．１１ａであればＲ＝１／２、Ｋ＝７の畳み込み符号化器などが採用される。そして、符号化信号はデータ振分器１０８に入力され、ストリーム毎に振り分けられる。
【００２６】
各ＭＩＭＯ送信ストリームでは、ストリーム毎に与えられたデータレートに従って、送信信号をパンクチャし、ダミービット挿入器１１０ａ，１１０ｂによりダミービットを挿入する。その後、送信信号をインターリーバ１１２ａ又は１１２ｂによりインターリーブし、マッパー１１４ａ又は１１４ｂによりＩＱ信号空間にマッピングして複素ベースバンド信号とする。周波数領域に並んだ各サブキャリアをＩＦＦＴ１１６ａ又は１１６ｂを通過させて時間軸信号に変換した後に、ガード・インターバル挿入部１１８ａ，１１８ｂにてガード・インターバルを付加する。そして、デジタル・フィルタ１２０ａ又は１２０ｂにて帯域制限した後、ＤＡコンバータ１２２ａ又は１２２ｂにてアナログ信号に変換し、ＲＦ部１２４ａ又は１２４ｂに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から伝搬路に送出される。
【００２７】
ＭＩＭＯチャネルを通してＭＩＭＯ受信機２００に届いたデータは、それぞれのＭＩＭＯ受信ストリームにおいて、図２に示すように、アンテナ２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃで受信され、ＲＦ部２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃでアナログ処理される。その後、ＡＤコンバータ２０４ａ，２０４ｂ，２０４ｃによりデジタル信号に変換した後、デジタル・フィルタ２０６ａ，２０６ｂ，２０６ｃに入力される。そして、同期回路２０８にてパケット発見、タイミング検出、周波数オフセット補正などの処理が行なわれた後、データ送信区間の先頭に付加されたガード・インターバルをガード除去部２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃにより除去する。そして、ＦＦＴ２１２ａ，２１２ｂ，２１２ｃにより、時間軸信号が周波数軸信号に変換される。
【００２８】
一方、空間チャネル行列推定回路２１４は、例えば送信機１００から送られたリファレンス信号に基づいて、空間チャネル行列Ｈを推定する。アンテナ重み行列演算器（受信ウェイト行列算出部）２１６は、推定されたチャネル行列Ｈから例えばＭＭＳＥアルゴリズムに基づいて受信ウェイト行列Ｗを計算する。そして、空間分離回路２１８では、元々の受信信号とアンテナ重み行列Ｗとの行列乗算を行なうことにより空間多重信号の空間復号を行ない、ストリーム毎に独立した信号系列を得る。このように、チャネル行列Ｈを取得し、所定のアルゴリズムによってチャネル行列Ｈからウェイト行列Ｗを求め、空間多重された受信信号にウェイト行列Ｗを乗算することにより、各ストリームの信号を取り出すことができる。
【００２９】
チャネル等化器２２０は、ストリーム毎の信号系列に対し、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す。そして、デインターリーバ２２２ａ，２２２ｂは、デインターリーブし、デマッパー２２４ａ，２２４ｂはＩＱ信号空間上の受信信号をデマップする。
【００３０】
デパーサ２２６は、ＭＩＭＯ受信ストリーム毎の受信信号を１本のストリームに合成する。この処理は送信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。デパンクチャ２２８は所定のデータレートでデパンクチャする。そして、復号器２３０にて軟判定により誤り訂正復号した後、デスクランブラ２３２によりデスクランブルし、データ取得部２３４は受信データを取得する。
【００３１】
空間チャネル行列推定部２１４でチャネル行列Ｈを取得する方法としては、幾つかの手法が想定できるが、本実施形態では、送信機１００側から送信アンテナ毎にトレーニング信号（リファレンス信号）を時分割送信し、受信機２００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。但し、チャネル行列Ｈの取得方法は、これに限定されるものではない。
【００３２】
また、受信ウェイト行列演算部２１６でチャネル行列Ｈから受信ウェイト行列Ｗを求める比較的簡単なアルゴリズムとして、ＭＭＳＥを採用することができる。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る。ＭＭＳＥは、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を求めるので、雑音が大きい環境に適している。また、受信ウェイト行列を求めるアルゴリズムとして、雑音電力を０としたゼロ・フォーシング(Zero Forcing)を採用することもできる。
【００３３】
次に、図２の受信ウェイト行列算出部２１６の構成について説明する。図３は、ウェイト行列算出部の構成を示す模式図である。図３に示すように、ウェイト行列算出部２１６は、共役転置行列生成回路３００、共分散行列算出回路３０２、雑音電力加算回路３０４、行列変形回路３０６、行列式算出回路３０８、余因子行列算出回路３１０、行列掛算回路３１２、及び除算回路３１４を備える。なお、図１〜４に示す各ブロックは、ハードウェア（回路）によって構成されることができる。各ブロックを演算処理部（ＣＰＵ）とこれを機能させるソフトウエア（プログラム）によって構成される場合、そのプログラムは、無線通信装置１００が備えるメモリ等の記録媒体に格納されることができる。
【００３４】
以下、図３に示すウェイト行列算出部２１６によりウェイト行列を算出する手法について説明する。上述したように、ウェイト行列算出部２１６は、チャネル行列Ｈからウェイト行列Ｗを算出するアルゴリズムとして、ゼロ・フォーシングやＭＭＳＥを用いる。
【００３５】
一般的には、ゼロ・フォーシングの場合は、ウェイト行列Ｗは次の式のようにして求められる。
Ｗ＝（Ｈ＊ＴＨ）−１Ｈ＊Ｔ            （数式１）
【００３６】
また、MMSEの場合は、ウェイト行列Wは次の式のようにして求められる。
Ｗ＝（Ｈ＊ＴＨ＋σＩ）−１Ｈ＊Ｔ              （数式２）
但し、Ｈ，Ｈ＊Ｔ，Ｉ，σ，Ｈ＊ＴＨは以下の値を表している。
Ｈ：チャネル行列
Ｈ＊Ｔ：チャネル行列の共役転置行列
I：単位行列
σ：雑音電力
Ｈ＊ＴＨ：共分散行列
【００３７】
例えば、送信アンテナ４本、受信アンテナ４本で最大４本のストリームを送受信する場合の受信機を考える。ここではMMSEアルゴリズムを例に挙げて説明するため、雑音電力をσとするが、このσ＝0のときがゼロ・フォーシングのアルゴリズムとなる。
【００３８】
このときの推定チャネル行列をＨ４ｘ４としたとき、Ｈ４ｘ４の共分散行列に雑音電力を加えたＨ４ｘ４＊ＴＨ４ｘ４＋σを以下の（数式３）とする。
【００３９】
【数１】
2009272698.tif 000003
（数式３）式の行列式ｄｅｔ｜Ｈ４ｘ４＊ＴＨ４ｘ４＋σ｜は、以下のようになる。
【００４０】
【数２】
2009272698.tif 000004
【００４１】
そして、Ｈ４ｘ４＊ＴＨ４ｘ４＋σの逆行列は、以下の（数式４）式となる。
【００４２】
【数３】
2009272698.tif 000005
【００４３】
（数式４）式において、ｂ１１，ｂ１２，ｂ１３，ｂ１４，ｂ２１，ｂ２２，ｂ２３，ｂ２４，ｂ３１，ｂ３２，ｂ３３，ｂ３４，ｂ４１，ｂ４２，ｂ４３，ｂ４４は、以下の値とする。
【００４４】
【数４】
2009272698.tif 000006
【００４５】
次に、この最大４ストリーム受信可能な受信機で、受信アンテナ４本を用いて３ストリーム受信する場合を考えると、推定チャネル行列Ｈ４ｘ３を以下の（数式５）式とする。
【００４６】
【数５】
2009272698.tif 000007
【００４７】
Ｈ４ｘ３の共分散行列に雑音電力を加えたＨ４ｘ３＊ＴＨ４ｘ３＋σは（数式６）式のように表現できる。
【００４８】
【数６】
2009272698.tif 000008
【００４９】
（数式６）の行列の行列式は、以下の（数式７）式となる。
【００５０】
【数７】
2009272698.tif 000009
【００５１】
従って、Ｈ４ｘ３＊ＴＨ４ｘ３＋σの逆行列は、（数式８）式のように表現できる。
【００５２】
【数８】
2009272698.tif 000010
【００５３】
但し、（数式８）式において、ｂ１１，ｂ１２，ｂ１３，ｂ２１，ｂ２２，ｂ２３，ｂ３１，ｂ３２，ｂ３３は、以下の値とする。
【００５４】
【数９】
2009272698.tif 000011
【００５５】
このように、ＭＩＭＯ受信機２００では、ストリーム数の正方行列の逆行列を演算する必要があり、上述の３ストリームの場合では、ＭＩＭＯ受信機２００が３×３の正方行列の逆行列を算出する回路を有している必要がある。しかしながら、送信ストリーム数の全てにおいて、正方行列の逆行列を求めるためには、受信機が許容するストリーム本数分の逆行列算出回路が必要になる。このため、回路規模が増大してしまう。
【００５６】
そこで、本実施形態では、受信機が許容する最大ストリーム本数を受信した場合のウェイト行列Ｗを算出する回路を最大限利用することで、受信機が許容する最大ストリーム本数より少ないストリーム本数を受信した場合のウェイト行列を算出するようにしている。
【００５７】
最初に、最大４ストリーム受信できるＭＩＭＯ受信機２００において、３ストリームを受信する場合について説明する。本実施形態では、４ストリーム受信する場合の回路を利用してウェイト行列を求めるため、推定チャネル行列Ｈ４ｘ３を、以下の（数式９）式のようにおく。ここで、推定チャネル行列Ｈ４ｘ３は、空間チャネル行列推定回路２１４により推定された行列である。推定チャネル行列Ｈ４ｘ３は、ウェイト行列算出部２１６へ入力され、共役転置行列生成回路３００、及び共分散行列算出回路３０２へ入力される。共役転置行列生成回路３００は、推定チャネル行列Ｈ４ｘ３の共役転置行列Ｈ４ｘ３＊Ｔを生成する。生成された共役転置行列Ｈ４ｘ３＊Ｔは、共分散行列算出回路３０２へ入力される。
【００５８】
【数１０】
2009272698.tif 000012
【００５９】
（数式９）の推定チャネル行列Ｈ４ｘ３の共分散行列に雑音電力を加えた行列は、以下の（数式１０）となる。ここで、共分散行列算出回路３０２には推定チャネル行列Ｈ４ｘ３と共役転置行列Ｈ４ｘ３＊Ｔが入力されており、Ｈ４ｘ３の共分散行列Ｈ４ｘ３＊ＴＨ４ｘ３は、共分散行列算出回路３０２により算出される。共分散行列算出回路３０２により算出された共分散行列Ｈ４ｘ３＊ＴＨ４ｘ３は、雑音電力加算回路３０４に入力され、雑音電力σが加算される。
【００６０】
【数１１】
2009272698.tif 000013
【００６１】
ここで、（数式１０）の共分散行列の逆行列を上述した４ストリーム受信のときと同様に求めると、行列式が以下の（数式１１）となり、逆行列を求めることができない。
【００６２】
【数１２】
2009272698.tif 000014
【００６３】
このため、本実施形態では、行列変形回路３０６により（数式１０）の行列を変形し、以下の（数式１２）のように、４行４列の要素を１にする。これにより、行列式は、以下の（数式１３）のようになり、（数式７）と同一の値となる。従って、４行４列の要素を１にしたことにより、行列式が０とならず、逆行列を求めることができる。行列式は、行列式算出回路３０８により算出される。なお、この行列式は、受信信号のそれぞれのストリームの縮退の度合いを示している。縮退に近い状態にあれば行列式がゼロに近くなり、直交していれば大きくなる。分離の性能を向上させるには、この行列式の計算精度を上げる必要がある。また、この行列式の値は除算に使用されるので、一般的には浮動小数点で取り扱い、仮数部の逆数テーブルと指数部のビットシフト演算によりデジタル回路を構成する。
【００６４】
また、この場合の逆行列は、（数式１４）となる。余因子行列算出回路３１０は、（数式１４）の余因子行列を算出する。行列式算出回路３０８及び余因子行列算出回路３１０の出力は、除算回路３１４に入力され、余因子行列を行列式で除算することにより、（数式１４）に示される逆行列が算出される。
【００６５】
【数１３】
2009272698.tif 000015
【００６６】
但し、（数式１４）式において、ｂ１１，ｂ１２，ｂ１３，ｂ２１，ｂ２２，ｂ２３，ｂ３１，ｂ３２，ｂ３３，ｂ４４は、以下の値とする。
【００６７】
【数１４】
2009272698.tif 000016
【００６８】
行列掛算回路３１２では、（数式１４）で表される行列に対して、共役転置行列生成回路３００で生成された共役転置行列（数式９）を右から乗算する。ここで、行列変形回路３０６により（数式１０）の行列を変形し、４行４列の要素を１にしているため、（数式１４）では、４行４列の要素ｂ４４が０ではない。しかし、（数式９）の共役転置行列を右から乗算するため、乗算した結果に要素ｂ４４が現れることがなく、要素ｂ４４の存在は無いに等しい。従って、（数式１０）の行列において４行４列の要素を１に変形したことによる演算結果への影響を回避することが可能である。
【００６９】
行列掛算回路３１２には、除算回路３１４から（数式１４）に示される逆行列が入力される。また、行列掛算回路３１２には、共役転置行列生成回路３００で生成された共役転置行列が入力される。行列掛算回路３１２では、（数式１４）に示される逆行列に示される逆行列に共役転置行列を乗算する処理を行う。これにより、（数式２）におけるウェイト行列Ｗ＝（Ｈ＊ＴＨ＋σＩ）−１Ｈ＊Ｔが求まる。
【００７０】
同様に、この最大４ストリーム受信可能な受信機で、受信アンテナ４本を用いて２ストリーム受信する場合について説明する。図３のウェイト行列算出回路による処理は、３ストリーム受信する場合と同様である。２ストリームの場合の推定チャネル行列Ｈ４ｘ２を以下の（数式１５）で表す。
【００７１】
【数１５】
2009272698.tif 000017
【００７２】
Ｈ４ｘ２の共分散行列に雑音電力を加えたＨ４ｘ２＊ＴＨ４ｘ２＋σは、以下の（数式１６）と表現できる。
【００７３】
【数１６】
2009272698.tif 000018
【００７４】
数式（１８）の行列の行列式は、以下の（数式１７）となる。
【００７５】
【数１７】
2009272698.tif 000019
従って、Ｈ４ｘ２＊ＴＨ４ｘ２＋σの逆行列は、以下の（数式１８）となる。
【００７６】
【数１８】
2009272698.tif 000020
【００７７】
４ストリーム受信する場合の回路を利用するために、推定チャネル行列Ｈ４ｘ２を、以下の（数式１９）のようにおく。
【００７８】
【数１９】
2009272698.tif 000021
【００７９】
（数式１９）の共分散行列に雑音電力を加えた行列Ｈ４ｘ２＊ＴＨ４ｘ２＋σは、以下の（数式２０）となる。
【００８０】
【数２０】
2009272698.tif 000022
【００８１】
（数式２０）では、行列式が０になるため、3行3列の要素と4行4列の要素を1にして行列を変形すると。以下の（数式２１）が得られる。
【００８２】
【数２１】
2009272698.tif 000023
【００８３】
（数式２１）の共分散行列の逆行列の行列式は、以下の（数式２２）のようになり、（数式１７）と同じ値となる。
【００８４】
【数２２】
2009272698.tif 000024
【００８５】
また、この場合の逆行列は（数式２３）となる。従って、3行3列の要素と４行４列の要素を１にしたことにより、行列式が０とならず、逆行列を求めることができる。
【００８６】
【数２３】
2009272698.tif 000025
【００８７】
但し、（数式２３）において、ｂ１１，ｂ１２，ｂ２１，ｂ２２，ｂ３３，ｂ４４は、以下の値とする。
【００８８】
【数２４】
2009272698.tif 000026
【００８９】
この場合も、共分散行列の逆行列の３行３列および４行４列の要素が０ではなくなるが、（数式２３）に右から（数式１９）の共役転置行列を乗算するため、これらの要素は無視できる。
【００９０】
同様に、この最大４ストリーム受信可能な受信機で、受信アンテナ４本を用いて２ストリーム受信する場合について説明する。１ストリーム受信の場合のチャネル推定行列Ｈ４ｘ１を以下の（数式２４）とする。
【００９１】
【数２５】
2009272698.tif 000027
【００９２】
（数式２１）の共分散行列に雑音電力を加えた行列Ｈ４ｘ１＊ＴＨ４ｘ１＋σは、以下の（数式２５）となる。
【００９３】
【数２６】
2009272698.tif 000028
【００９４】
このままでは行列式が０になるため、２行2列の要素、３行３列の要素、及び４行４列の要素を１として行列を変形すると、以下の（数式２６）が得られる。
【００９５】
【数２７】
2009272698.tif 000029
【００９６】
（数式２６）の行列式は、ｄｅｔ｜Ｈ４ｘ１＊ＴＨ４ｘ１＋σ｜＝ａ１１となり、逆行列は、以下の（数式２７）となる。従って、２行2列の要素、３行３列の要素、及び４行４列の要素を１にしたことにより、行列式が０とならず、逆行列を求めることができる。
【００９７】
【数２８】
2009272698.tif 000030
【００９８】
但し、（数式２７）において、ｂ１１＝ａ１１，ｂ２２＝ａ１１，ｂ３３＝ａ１１，ｂ４４＝ａ１１である。この場合も、共分散行列の逆行列の２行２列、３行３列および４行４列の要素が０ではないが、（数式２７）に右から（数式２４）の共役転置行列を乗算するので、これらの要素は無視できる。
【００９９】
以上、３ストリーム受信する場合、２ストリーム受信する場合、１ストリーム受信する場合について説明した。これらを一般化すると、Ｒ本アンテナで、Ｍ本ストリーム受信可能な受信機では、その共分散行列に雑音電力を加えた行列ＨＭｘＲ＊ＴＨＭｘＲ＋σは以下の数式（２８）となる。
【０１００】
【数２９】
2009272698.tif 000031
【０１０１】
受信機２００は、この逆行列を算出する機能を有している。受信機２００でＮ本ストリーム（Ｍ＞Ｎ）を受信した場合、共分散行列に雑音電力を加えた行列ＨＮｘＲ＊ＴＨＮｘＲ＋σは以下の数式（２９）となる。
【０１０２】
【数３０】
2009272698.tif 000032
【０１０３】
行列変形回路３０６は、（数式２９）のＮ＋１列〜Ｍ列の対角項を１と置き換える。これにより、以下の（数式３０）が得られる。（数式３０）では、行列式が０とならないため、逆行列を算出することができ、ウェイト行列Ｗを求めることが可能である。
【０１０４】
【数３１】
2009272698.tif 000033
【０１０５】
図４は、ウェイト行列Ｗを算出する過程で出現する共分散行列（ＭＭＳＥの場合はその対角項に雑音電力を加えた行列）の行列式による除算を、ウェイト行列Ｗの算出回路の後段に配置した例を示す模式図である。図４に示すように、除算回路３１４は行列掛算回路３１２の後段に設けられている。図４では、行列掛算回路３１２及び除算回路３１４の配置が図３と相違しているが、図４の他の構成は図３と同様である。
【０１０６】
図４において、余因子行列算出回路３１０の出力は、行列掛算回路３１２へ入力される。また、行列掛算回路３１２には、共役転置行列生成回路３００で生成された共役転置行列が入力される。行列掛算回路３１２では、余因子行列に共役転置行列を乗算する。除算回路３１４では、行列掛算回路３１２の演算結果に対して、行列式算出回路３０８で算出された行列式を除算する処理を行う。これにより、（数式２）におけるウェイト行列Ｗ＝（Ｈ＊ＴＨ＋σＩ）−１Ｈ＊Ｔが求まる。
【０１０７】
行列同士の掛け算は、通常、積算の後に加算が行われる。その為、行列式による除算が行列同士の掛け算の前にあると、加算の際のダイナミックレンジが広く必要になる。このため、図４に示すように、共役転置行列の積算後に行列式の除算を行う場合は、最終的に必要なレンジ・精度で除算を行えばよいので、演算回路の規模を縮小することが可能である。
【０１０８】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明の一実施形態にかかる通信システムにおいて、ＭＩＭＯ送信機の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる通信システムにおいて、ＭＩＭＯ受信機の構成を示す模式図である。
【図３】ウェイト行列算出部の構成を示す模式図である。
【図４】ウェイト行列Ｗを算出する過程で出現する共分散行列の行列式による除算を、ウェイト行列Ｗの算出回路の後段に配置した例を示す模式図である。
【図５】ＭＩＭＯ通信システムの概念を示す模式図である。
【符号の説明】
【０１１０】
２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃ    アンテナ
２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃ    ＲＦ部
２１４    空間チャネル行列推定回路
２１８    空間分離回路
３０２    共分散行列算出部
３０６    行列変形回路
３０８    行列式算出回路
３１０    余因子行列算出回路
３１２    行列掛算回路
３１４    除算回路
【図１】
2009272698.tif 000034
【図２】
2009272698.tif 000035
【図３】
2009272698.tif 000036
【図４】
2009272698.tif 000037
【図５】
2009272698.tif 000038