(57)【要約】【課題】ＭＩＭＯの通常伝送方式及び最大比伝送方式の利点を活かし、変化する通信路状態や受信ＳＮＲに応じて通信方式を切り換え、常に最大の通信容量を実現すること。【解決手段】送信局１０と受信局２０の間でＭＩＭＯの通常伝送方式と最大比合成伝送方式の２種類の伝送モードで通信可能な無線通信システムであって、受信局２０において、受信信号に基づいてチャネル情報を識別するチャネル推定部２１と、受信信号の受信レベル（受信電力情報）を識別する受信レベル測定部２２と、を有し、送信局１０において、チャネル推定部２１及び受信レベル測定部２２の各識別結果（チャネル情報、受信電力情報）に基づいて２種類の伝送モードごとに通信容量の計算を行う通信容量計算部１４を有し、送信局１０において、計算された２種類の伝送モードの各通信容量の比較結果に応じて２種類の伝送モードを切り換える伝送方式選択部１５を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信局と受信局の間でＭＩＭＯの通常伝送方式と最大比合成伝送方式の２種類の伝送モードで通信可能な無線通信システムであって、
前記受信局において、受信信号に基づいて伝送環境を識別する伝送環境識別手段と、受信信号の受信電力を識別する受信電力識別手段と、を有し、
前記送信局又は前記受信局において、前記伝送環境識別手段及び前記受信電力識別手段の各識別結果に基づいて前記２種類の伝送モードごとに通信容量の計算を行う通信容量計算手段を有し、
前記送信局において、計算された前記２種類の伝送モードの各通信容量の比較結果に応じて前記２種類の伝送モードを切り換える伝送方式選択手段を有することを特徴とする無線通信システム。
【請求項２】
前記送信局又は前記受信局において、計算された前記２種類の伝送モードの各通信容量を比較して伝送モードを決定し、決定された伝送モードに係る制御情報を比較結果として伝送方式選択手段に供給する伝送モード比較手段を有することを特徴とする請求項１記載の無線通信システム。
【請求項３】
前記伝送モード比較手段は、前記各通信容量のうち大きい方の伝送モードに決定することを特徴とする請求項２記載の無線通信システム。
【請求項４】
前記伝送モード比較手段は、各通信容量の比較動作に関し、ヒステリシス特性を有することを特徴とする請求項２又は３記載の無線通信システム。
【請求項５】
前記通信容量計算手段は、
前記通常伝送方式の通信容量の計算の際、前記伝送環境識別手段の識別結果から、その相関行列の固有値を計算し、計算された固有値と、前記受信電力識別手段の識別結果とに基づいて、前記通常伝送方式の通信容量を計算し、
前記最大比合成伝送方式の通信容量の計算の際、計算された固有値と、前記受信電力識別手段の識別結果とに基づいて、前記最大比合成伝送方式の通信容量を計算することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載の無線通信システム。
【請求項６】
前記送信局において、通常伝送方式又は最大比合成伝送方式で入力された信号に対して送信ウェイトの乗算を制御する送信ウェイト乗算手段を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一に記載の無線通信システム。
【請求項７】
前記送信ウェイト乗算手段は、
前記通常伝送方式で信号が入力された場合、送信ウェイトマトリクスを乗算せずにそのまま前記送信局の各アンテナに信号を分配し、
前記最大比合成伝送方式で信号が入力された場合、前記伝送環境識別手段の識別結果に基づいて、前記送信局の各アンテナに送る信号に送信ウェイトマトリクスを乗算することを特徴とする請求項６記載の無線通信システム。
【請求項８】
前記伝送方式選択手段からの信号を前記通常伝送方式となるように、前記送信局の各アンテナから送信される信号に対して等しい電力を分配する信号処理及び信号制御を行い、処理された信号を前記送信ウェイト乗算手段に供給する通常伝送信号処理手段と、
前記伝送方式選択手段からの信号を前記最大比合成伝送方式となるように、各ストリームのうち最大の固有値に対応したストリームを進む信号に対して全送信電力を分配し、それ以外のストリームを進む信号に対しては電力を分配しない信号処理及び信号制御を行い、処理された信号を前記送信ウェイト乗算手段に供給する最大比合成伝送信号処理手段と、
を備えることを特徴とする請求項６又は７記載の無線通信システム。
【請求項９】
前記通常伝送信号処理手段は、前記受信電力識別手段及び前記伝送環境識別手段の各識別結果に応じて、注水定理に基づいて、前記送信局の各アンテナから送信される信号に対して電力を分配することを特徴とする請求項８記載の無線通信システム。
【請求項１０】
受信局との間でＭＩＭＯの通常伝送方式と最大比合成伝送方式の２種類の伝送モードで通信可能な送信局側の無線通信装置であって、
前記２種類の伝送モードの各通信容量の比較結果に応じて前記２種類の伝送モードを切り換える伝送方式選択手段を備えることを特徴とする無線通信装置。
【請求項１１】
前記受信局からの伝送環境及び受信電力に係る各識別結果に基づいて前記２種類の伝送モードごとに通信容量の計算を行う通信容量計算手段を備えることを特徴とする請求項１０記載の無線通信装置。
【請求項１２】
計算された前記２種類の伝送モードの各通信容量を比較して伝送モードを決定し、決定された伝送モードに係る制御情報を比較結果として伝送方式選択手段に供給する伝送モード比較手段を備えることを特徴とする請求項１１記載の無線通信装置。
【請求項１３】
送信局との間でＭＩＭＯの通常伝送方式と最大比合成伝送方式の２種類の伝送モードで通信可能な受信局側の無線通信装置であって、
受信信号に基づいて伝送環境を識別する伝送環境識別手段と、
受信信号の受信電力を識別する受信電力識別手段と、
前記伝送環境識別手段及び前記受信電力識別手段の各識別結果に基づいて前記２種類の伝送モードごとに通信容量の計算を行う通信容量計算手段と、
を備えることを特徴とする無線通信装置。
【請求項１４】
計算された前記２種類の伝送モードの各通信容量を比較して伝送モードを決定し、決定された伝送モードに係る制御情報を比較結果として前記送信局に供給する伝送モード比較手段を備えることを特徴とする請求項１３記載の無線通信装置。
【請求項１５】
送信局と受信局の間でＭＩＭＯの通常伝送方式と最大比合成伝送方式の２種類の伝送モードで通信可能な無線通信方法であって、
前記受信局において、受信信号に基づいて伝送環境を識別する工程と、
前記受信局において、受信信号の受信電力を識別する工程と、
前記送信局又は前記受信局において、前記伝送環境及び前記受信電力の各識別結果に基づいて前記２種類の伝送モードごとに通信容量の計算を行う工程と、
前記送信局において、計算された前記２種類の伝送モードの各通信容量の比較結果に応じて前記２種類の伝送モードを切り換える工程と、
を含むことを特徴とする無線通信方法。
【請求項１６】
前記２種類の伝送モードを切り換える工程の前に、前記送信局又は前記受信局において、計算された前記２種類の伝送モードの各通信容量を比較して伝送モードを決定する工程を含み、
決定された伝送モードに係る制御情報を比較結果とすることを特徴とする請求項１５記載の無線通信方法。
【請求項１７】
受信局との間でＭＩＭＯの通常伝送方式と最大比合成伝送方式の２種類の伝送モードで通信可能な送信局側の無線通信装置を構成するコンピュータに、
前記２種類の伝送モードの各通信容量の比較結果に応じて前記２種類の伝送モードを切り換える処理を実行させることを特徴とするプログラム。
【請求項１８】
請求項１７記載のプログラムにおいて、
前記受信局からの伝送環境及び受信電力に係る各識別結果に基づいて前記２種類の伝送モードごとに通信容量の計算を行う処理を実行させることを特徴とするプログラム。
【請求項１９】
請求項１８記載のプログラムにおいて、
計算された前記２種類の伝送モードの各通信容量を比較して伝送モードを決定し、決定された伝送モードに係る制御情報を比較結果とする処理を実行させることを特徴とするプログラム。
【請求項２０】
送信局との間でＭＩＭＯの通常伝送方式と最大比合成伝送方式の２種類の伝送モードで通信可能な受信局側の無線通信装置を構成するコンピュータに、
受信信号に基づいて伝送環境を識別する処理と、
受信信号の受信電力を識別する処理と、
前記伝送環境及び前記受信電力の各識別結果に基づいて前記２種類の伝送モードごとに通信容量の計算を行う処理と、
を実行させることを特徴とするプログラム。
【請求項２１】
請求項２０記載のプログラムにおいて、
計算された前記２種類の伝送モードの各通信容量を比較して伝送モードを決定し、決定された伝送モードに係る制御情報を比較結果として前記送信局に供給する処理を実行させることを特徴とするプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＩＭＯの通常伝送方式とＭＩＭＯの最大比合成伝送方式を切り換えて使用する無線通信システム、装置、方法、及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のアンテナ通信方法において、図５に示すような１対１伝送方式では、その１Ｈｚ当たりの通信容量の上限値Ｃは、シャノンの情報理論より、数式１で与えられる（非特許文献１参照）。
【０００３】
【数１】
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【０００４】
従来は、これより大きな通信容量を得ることができないと考えられていた。ところが、近年、この上限を拡大するＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output：複数アンテナ間での送受信通信システム）という技術が考案され、実用化され始めた（非特許文献２参照）。ＭＩＭＯには、図６に示すような通常モード伝送方式と、図７に示すような最大比合成伝送方式がある。まず、それぞれの原理と特徴につき説明する。
【０００５】
図６はＭＩＭＯを用いた伝送方式の中で通常の伝送方式であり、アンテナ２０１とアンテナ２０２に割り当てられる電力は等しく、違うデータがそれぞれ並列に伝送される。図６の通信系においてはアンテナ２０１、２０２から送信される信号ｘ１、ｘ２のベクトルＴ＝（ｘ１，ｘ２）とアンテナ２０３、アンテナ２０４で受信される信号ｙ１、ｙ２のベクトルＲ＝（ｙ１，ｙ２）の関係は、行列Ｈを用いると、数式２のように表すことができる。
【０００６】
【数２】
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【０００７】
ここで、Ｎは、各受信アンテナにおけるノイズベクトルであり、行列Ｈは、チャネル応答行列と呼ばれる。図７の場合も同様である。
【０００８】
ところで、チャネル応答行列の相関行列ＨＨＨ、ＨＨＨの共通の固有値をλ１、λ２とし、全ての受信アンテナで受信されたＳＮＲ（信号雑音比）の和をγ０とすると、この通信方式の通信容量は、非特許文献３より、数式３のようになる。
【０００９】
【数３】
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【００１０】
図７は、図６と同様にさらに大きな通信容量を得ることができないかと考えられたもう１つのＭＩＭＯ伝送方式であり、最大比合成伝送方式と呼ばれる。図７は、２×２ＭＩＭＯを用いた伝送方式で最大比合成伝送方式である。最大比合成伝送方式では、一番目のストリーム（通信路）を伝搬するデータには全送信電力が分配され、それ以外のストリームを伝搬するデータには送信電力は分配されない。アンテナ３０３、３０４は全送信電力が分配されたデータにウェイト乗算部３０１でベクトルが乗算された信号が送信される。
【００１１】
ここで、乗算されるベクトルＶとは、数式４のようにチャネル応答行列Ｈを特異値分解した時のベクトルｅ１、ｅ２である。行列Ｖを送信ウェイトマトリクスという。
【００１２】
【数４】
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【００１３】
この通信方式の通信容量は、非特許文献３より、数式５のようになる。
【００１４】
【数５】
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【００１５】
図８において、レイリーフェージング環境を想定したチャネル応答行列の各要素は、数式６のように表される。
【００１６】
【数６】
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【００１７】
ここで、Ｒｉｊはレイリー分布、φｉｊは一様分布なので、レイリー分布Ｒｉｊは数式７のように表すことができる。
【００１８】
【数７】
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【００１９】
ここで、σ２＝１／４、｜ｘｉｊ｜＝１／√２とおき、代表的な例としてφ１１＝φ２２＝０、φ１２＝φ２１＝π／４とおくと、チャネル応答行列Ｈは数式８のように表すことができる。
【００２０】
【数８】
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【００２１】
数式８からλ１、λ２を求めると、λ１＝３．７、λ２＝０．６となり、これを図８に用いた。
【００２２】
図８は、受信ＳＮＲを変化させた時の１対１伝送方式の通信容量に対する通常伝送方式と最大比合成伝送方式の通信容量の比を表したものである。図８を参照すると全受信ＳＮＲが低いほどＭＩＭＯの最大比合成伝送方式の通信容量の方が大きく、全受信ＳＮＲが高いほどＭＩＭＯの通常伝送方式の通信容量の方が大きい値を示すことがわかる。
【００２３】
ここで、ＭＩＭＯの通常伝送方式とＭＩＭＯの最大比合成伝送方式の通信容量の大小が切り換わる地点での受信ＳＮＲγ（ｄＢ）について考える。通信容量の大小が切り換わる地点においては、数式３のＣと数式５のＣが等しいので、数式３と数式５より、数式９のように表すことができる。
【００２４】
【数９】
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【００２５】
数式９を整理すると、数式１０のようになる。
【００２６】
【数１０】
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【００２７】
また、γ＞０より、数式１０は数式１１のように変形することができる。
【００２８】
【数１１】
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【００２９】
数式１１について、γをｄＢで表現すると、数式１２のようになる。
【００３０】
【数１２】
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【００３１】
図９にλ１、λ２を変化させた時の１／λ２−１／λ１と通常伝送方式と最大比合成伝送方式の大小が切り換わる地点での受信ＳＮＲγ（ｄＢ）との関係をグラフに表す。図９をみれば明らかに１／λ２−１／λ１が小さい時では、通常伝送方式と最大比合成伝送方式の通信容量の大小が切り換わるポイントでの受信ＳＮＲγの値は小さくなるので、低い受信ＳＮＲでＭＩＭＯの通常伝送方式の方がＭＩＭＯの最大比合成伝送方式より通信容量が大きくなることがわかる。そのため、携帯電話が使用している大部分の受信ＳＮＲの領域でＭＩＭＯの通常伝送方式の方がＭＩＭＯの最大比合成伝送方式より通信容量が勝っていると言える。
【００３２】
また、１／λ２−１／λ１が大きい時では通常伝送方式と最大比合成伝送方式の大小が切り換わるポイントでの受信ＳＮＲγの値が大きくなるので、高い受信ＳＮＲでＭＩＭＯの通常伝送方式の方がＭＩＭＯの最大比合成伝送方式より通信容量が大きくなることがわかる。そのため、携帯電話が使用している大部分の受信ＳＮＲの領域でＭＩＭＯの最大比合成伝送方式の方がＭＩＭＯの通常伝送方式より通信容量が勝っていると言える。
【００３３】
このように、通信路の状態によってλ１、λ２は変化するので、通信路の状態によりＭＩＭＯの通常伝送方式とＭＩＭＯの最大比合成伝送方式の通信容量の大小が変化することが考えられる。
【００３４】
【特許文献１】特開２００５−３５４６６５号公報
【特許文献２】特表２００５−５１８７５５号公報
【非特許文献１】福村晃夫、「情報理論」、コロナ社、１９７０年
【非特許文献２】中嶋信生、「新世代ワイヤレス技術」、丸善株式会社、２００４年３月
【非特許文献３】唐沢好男、「ＭＩＭＯ伝搬チャネルモデリング」、電子情報通信学会論文誌、電子情報通信学会、２００３年、ｖｏｌ．Ｊ８６−ｂ、Ｎｏ．９、ｐ．１７０６−１７２０
【非特許文献４】尾崎一幸、外２名、「ターボ符号化ＨＡＲＱを用いる固有モードＭＩＭＯの多重のスループット特性」、電子情報通信学会技報、電子情報通信学会、２００５年１０月、ＲＣＳ２００５-８９、ｐ．２５-３０
【非特許文献５】伊理正夫、線形代数II、岩波書店、１９９４年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３５】
以上より、従来のようにＭＩＭＯの通常伝送方式に通信方式を固定した場合には、受信ＳＮＲの悪い時に通信容量の特性が劣化するという問題点が生じる。また、その劣化が発生する受信ＳＮＲは、通信環境によって変動する。
【００３６】
また、ＭＩＭＯの最大比伝送方式に通信方式を固定した場合では、受信ＳＮＲが良い時に通信容量の特性が劣化するという問題点が生じる。また、その劣化が発生する受信ＳＮＲは通信環境によって変動する。
【００３７】
このように、それぞれの通信方式では受信ＳＮＲが悪すぎる時やかなり良い時に加え、様々な状況での通信路状態でできるだけ最大の通信容量の実現という観点でデメリットを生ずることがわかる。
【００３８】
ところで、ＭＩＭＯの通信方式を切り換える技術は、特許文献１、２に記載されているが、通信容量に基づいて通信方式を切り換えているわけではないので、常に通信容量の最大化されない可能性がある。
【００３９】
本発明の主な課題は、ＭＩＭＯの通常伝送方式及び最大比伝送方式のそれぞれの利点を活かすべく、変化する通信路状態や受信ＳＮＲに応じて通信方式を切り換え、常に最大の通信容量を実現する無線通信システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００４０】
本発明の第１の視点においては、送信局と受信局の間でＭＩＭＯの通常伝送方式と最大比合成伝送方式の２種類の伝送モードで通信可能な無線通信システムであって、前記受信局において、受信信号に基づいて伝送環境を識別する伝送環境識別手段と、受信信号の受信電力を識別する受信電力識別手段と、を有し、前記送信局又は前記受信局において、前記伝送環境識別手段及び前記受信電力識別手段の各識別結果に基づいて前記２種類の伝送モードごとに通信容量の計算を行う通信容量計算手段を有し、前記送信局において、計算された前記２種類の伝送モードの各通信容量の比較結果に応じて前記２種類の伝送モードを切り換える伝送方式選択手段を有する。
【００４１】
本発明の第２の視点においては、受信局との間でＭＩＭＯの通常伝送方式と最大比合成伝送方式の２種類の伝送モードで通信可能な送信局側の無線通信装置であって、前記２種類の伝送モードの各通信容量の比較結果に応じて前記２種類の伝送モードを切り換える伝送方式選択手段を備える。
【００４２】
本発明の第３の視点においては、送信局との間でＭＩＭＯの通常伝送方式と最大比合成伝送方式の２種類の伝送モードで通信可能な受信局側の無線通信装置であって、受信信号に基づいて伝送環境を識別する伝送環境識別手段と、受信信号の受信電力を識別する受信電力識別手段と、前記伝送環境識別手段及び前記受信電力識別手段の各識別結果に基づいて前記２種類の伝送モードごとに通信容量の計算を行う通信容量計算手段と、を備える。
【００４３】
本発明の第４の視点においては、送信局と受信局の間でＭＩＭＯの通常伝送方式と最大比合成伝送方式の２種類の伝送モードで通信可能な無線通信方法であって、前記受信局において、受信信号に基づいて伝送環境を識別する工程と、前記受信局において、受信信号の受信電力を識別する工程と、前記送信局又は前記受信局において、前記伝送環境及び前記受信電力の各識別結果に基づいて前記２種類の伝送モードごとに通信容量の計算を行う工程と、前記送信局において、計算された前記２種類の伝送モードの各通信容量の比較結果に応じて前記２種類の伝送モードを切り換える工程と、を含む。
【００４４】
本発明の第５の視点においては、受信局との間でＭＩＭＯの通常伝送方式と最大比合成伝送方式の２種類の伝送モードで通信可能な送信局側の無線通信装置を構成するコンピュータに実行させるプログラムであって、前記２種類の伝送モードの各通信容量の比較結果に応じて前記２種類の伝送モードを切り換える処理を実行させる。
【００４５】
本発明の第６の視点においては、送信局との間でＭＩＭＯの通常伝送方式と最大比合成伝送方式の２種類の伝送モードで通信可能な受信局側の無線通信装置を構成するコンピュータに実行させるプログラムであって、受信信号に基づいて伝送環境を識別する処理と、受信信号の受信電力を識別する処理と、前記伝送環境及び前記受信電力の各識別結果に基づいて前記２種類の伝送モードごとに通信容量の計算を行う処理と、を実行させる。
【発明の効果】
【００４６】
本発明によれば、通信路の状態や送信電力の大小にかかわらず常にＭＩＭＯの通常伝送方式とＭＩＭＯの最大比合成伝送方式での最大の通信速度を送信側と受信側で実現することができるようになる。つまり、従来において、通信路の状態や送信電力の大きさによりＭＩＭＯの通常伝送方式とＭＩＭＯの最大比合成伝送方式の大小が入れかわり、それぞれの通信方式で固定した場合、通信容量がどちらか一方の通信方式に比べ劣化していたという問題が解決される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
本発明の実施形態に係る無線通信システムは、送信局（図１の１０）と受信局（図１の２０）の間でＭＩＭＯの通常伝送方式と最大比合成伝送方式の２種類の伝送モードで通信可能な無線通信システムであって、受信局（図１の２０）において、受信信号に基づいて伝送環境（例えば、図１のチャネル情報）を識別する伝送環境識別手段（例えば、図１のチャネル推定部２１）と、受信信号の受信電力（例えば、図１の受信電力情報）を識別する受信電力識別手段（例えば、図１の受信レベル測定部２２）と、を有し、送信局（図１の１０）において、前記伝送環境識別手段及び前記受信電力識別手段の各識別結果に基づいて前記２種類の伝送モードごとに通信容量の計算を行う通信容量計算手段（例えば、図１の通信容量計算部１４）を有し、送信局（図１の１０）において、計算された前記２種類の伝送モードの各通信容量の比較結果に応じて前記２種類の伝送モードを切り換える伝送方式選択手段（例えば、図１の伝送方式選択部１５）を有する。
【００４８】
本発明の実施形態に係る無線通信方法は、送信局（図１の１０）と受信局（図１の２０）の間でＭＩＭＯの通常伝送方式と最大比合成伝送方式の２種類の伝送モードで通信可能な無線通信方法であって、受信局（図１の２０）において、受信信号に基づいて伝送環境（例えば、図２のチャネル情報）を識別する工程（例えば、図２のステップＡ７、Ａ８）と、受信局（図１の２０）において、受信信号の受信電力（例えば、図２の受信レベル）を識別する工程（例えば、図２のステップＡ９）と、送信局（図１の１０）において、前記伝送環境及び前記受信電力の各識別結果に基づいて前記２種類の伝送モードごとに通信容量の計算を行う工程（図２のステップＡ２）と、送信局（図１の１０）において、計算された前記２種類の伝送モードの各通信容量の比較結果に応じて前記２種類の伝送モードを切り換える工程（図２のステップＡ３）と、を含む。
【実施例１】
【００４９】
本発明の実施例１に係る無線通信システムについて図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施例１に係る無線通信システムの構成を模式的に示したブロック図である。
【００５０】
実施例１に係る無線通信システムは、送信局１０と受信局２０の間で無線通信するシステムであり、携帯電話や無線ＬＡＮなどの通信方式に用いられる。図１の無線通信システムは、２×２ＭＩＭＯの場合を例にとったものである。無線通信システムでは、送信局１０の伝送方式がＭＩＭＯの通常伝送方式かＭＩＭＯの最大比合成伝送方式かを送信局１０が決定し、受信局２０が送信局１０の伝送方式を決定するのに必要な情報であるチャネル情報と受信電力情報を送信局１０に送る。
【００５１】
送信局１０は、送信信号を無線で送信する無線通信装置（送信装置）であり、プログラムに基づいて所定の動作を行うコンピュータ機能を有する。送信局１０は、受信局２０から通知（無線で通知）されるチャネル情報及び受信電力情報に基づいて、ＭＩＭＯの通常モード伝送方式とＭＩＭＯの最大比合成伝送方式のそれぞれの通信容量を計算し、通信容量の大きい方の伝送方式を選択して、送信信号を伝送する機能を有する。送信局１０は、送信ウェイト乗算部１１と、通常伝送信号処理部１２と、最大比合成伝送信号処理部１３と、通信容量計算部１４と、伝送方式選択部１５と、デジタル信号処理部１６と、を有する。
【００５２】
送信ウェイト乗算部１１は、入力された信号に対して送信ウェイトの乗算を制御してアンテナに向けて出力する送信ウェイト乗算手段である。送信ウェイト乗算部１１は、通常伝送信号処理部１２から信号が入力された場合、送信ウェイトマトリクスを乗算せずにそのまま各アンテナに信号を分配する。送信ウェイト乗算部１１は、信号を最大比合成伝送信号処理部１３から信号が入力された場合、受信局２０のチャネル推定部２１からのチャネル情報に基づいて、各アンテナに送る信号に送信ウェイトマトリクスを乗算する。
【００５３】
ここで、送信ウェイトマトリクスＶは、送信ウェイト乗算部１１にて数式１３のように表されるチャネル情報Ｈを特異値分解して得られる。
【００５４】
【数１３】
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【００５５】
なお、任意の行列Ｈは２つのユニタリ行列Ｕ、Ｖと対角行列Ｄを用いてＨ＝ＵＤＶＨと分解できる。また、ＶＨは、Ｖのエルミート共役転置行列を意味する。これを特異値分解という（非特許文献５参照）。また、ユニタリ行列、対角行列の意味も非特許文献５に記載されている。
【００５６】
通常伝送信号処理部１２は、伝送方式選択部１５からの信号をＭＩＭＯの通常伝送方式となるように、各アンテナから送信される信号に対して等しい電力を分配する信号処理及び信号制御を行い、処理された信号を送信ウェイト乗算部１１に向けて出力する送信制御手段の一部である。なお、通常伝送信号処理部１２は、受信局２０からの受信電力情報及びチャネル情報に応じて、注水定理（非特許文献４）に基づいて、各アンテナから送信される信号に対して電力を分配するようにしてもよい。
【００５７】
最大比合成伝送信号処理部１３は、伝送方式選択部１５からの信号をＭＩＭＯの最大比合成伝送方式となるように、各ストリーム（通信路）のうち最大の固有値に対応したストリームを進む信号に対して全送信電力を分配し、それ以外のストリームを進む信号に対しては電力を分配しない（１つのストリームを伝搬する送信データに全送信電力を割り当て、残りのストリームを伝搬する送信信号に対しては送信電力を分配しない）信号処理及び信号制御を行い、処理された信号を送信ウェイト乗算部１１に向けて出力する送信制御手段の一部である。
【００５８】
通信容量計算部１４は、受信局２０からの受信電力情報及びチャネル情報に基づいて伝送方式ごとに通信容量の計算を行い、計算された各通信容量の比較を行う通信容量計算手段及び伝送モード比較手段である。なお、通信容量計算部１４は、通信容量の計算と、各通信容量の比較の両方を行っているが、計算と比較を別々の構成部で行うようにしてもよい。また、通信容量計算部１４は、各通信容量の比較動作に関し、現在の条件だけでなく、過去の経路の影響を受けるヒステリシス特性を有するようにしてもよい。
【００５９】
通信容量計算部１４は、通信容量の計算の際、まず、ＭＩＭＯの通常伝送方式の通信容量Ｃ１から計算する。通信容量Ｃ１の計算では、受信局２０からのチャネル情報Ｈから、その相関行列ＨＨＨ、ＨＨＨの共通の固有値λ１、λ２を計算し、計算された固有値λ１、λ２と、受信局２０からの受信電力情報に含まれる全受信電力γ０とに基づいて、数式１４により、ＭＩＭＯの通常伝送方式の通信路容量Ｃ１が計算される。
【００６０】
【数１４】
2009038447.tif 000016
【００６１】
次に、通信容量計算部１４は、ＭＩＭＯの最大比合成伝送方式の通信容量Ｃ２を計算する。通信容量Ｃ２の計算では、計算された固有値λ１と、受信局２０からの受信電力情報に含まれる全受信電力γ０に基づいて、数式１５により、ＭＩＭＯの最大比合成伝送方式の通信容量Ｃ２が計算される。
【００６２】
【数１５】
2009038447.tif 000017
【００６３】
通信容量計算部１４は、各通信容量を比較の際、計算されたＣ１、Ｃ２の値の大小を比較し、比較結果に基づいて送信方式を決定し、決定された送信方式に係る送信方式制御情報を伝送方式選択部１５に向けて出力する。ここで、送信方式制御情報は、Ｃ１がＣ２よりも大きい場合はＭＩＭＯの通常伝送方式を選択するための情報を含み、Ｃ１がＣ２以下の場合はＭＩＭＯの最大比合成伝送方式を選択するための情報を含む。
【００６４】
伝送方式選択部１５は、通信容量計算部１４からの送信方式制御情報に従って、デジタル信号処理部１６からの信号を通常伝送信号処理部１２に送るか最大比合成伝送信号処理部１３に送るかの切り換えを制御する伝送方式選択手段の一部である。
【００６５】
デジタル信号処理部１６は、入力された信号をデジタル信号処理し、処理された信号を伝送方式選択部１５に向けて出力する。
【００６６】
受信局２０は、送信局１０から伝送された送信信号を無線で受信する無線通信装置（受信装置）であり、プログラムに基づいて所定の動作を行うコンピュータ機能を有する。受信局２０は、常に伝送環境（チャネル）を識別し、かつ、受信信号（送信局１０からの送信信号）の受信レベル（受信電力）を測定し、識別された伝送環境に関するデータを含むチャネル情報と、測定された受信レベルに関する情報を含む受信電力情報とを送信局１０に伝送する機能を有する。受信局２０は、チャネル推定部２１と、受信レベル測定部２２と、を有する。
【００６７】
チャネル推定部２１は、アンテナで受信された受信信号に基づいて伝送環境に係るチャネルを推定する伝送環境識別手段である。チャネル推定部２１は、推定されたチャネル情報を送信局１０の通信容量計算部１４に向けて送信（フィードバック）する。
【００６８】
受信レベル測定部２２は、アンテナで受信された受信信号の受信レベルに係る全受信電力γ０を測定する受信電力識別手段である。受信レベル測定部２２は、測定された全受信電力γ０を含む受信電力情報を送信局１０の通信容量計算部１４に向けて送信（フィードバック）する。
【００６９】
次に、本発明の実施例１に係る無線通信システムの動作について図面を用いて説明する。図２は、本発明の実施例１に係る無線通信システムの動作を模式的に示したフローチャートである。
【００７０】
まず、送信局１０は、受信局２０に対して送信信号を送信する（ステップＡ１）。
【００７１】
次に、受信局２０は、送信局１０からの送信信号を受信すると、その受信信号（送信局１０からの送信信号に対応）の全受信電力γ０を測定する（ステップＡ７）。
【００７２】
次に、受信局２０は、測定した全受信電力γ０を含む受信電力情報を送信局１０に向けて送信する（ステップＡ８）。
【００７３】
次に、受信局２０は、受信信号から推定したチャネル情報を送信局１０に向けて送信する（ステップＡ９）。その後、受信局２０では、ステップＡ７に戻る。
【００７４】
ステップＡ９の後、送信局１０では、受信局２０からのチャネル情報に基づいてチャネル応答行列の相関行列の共通の固有値を算出し、算出された固有値と、受信電力情報に含まれる全受信電力γ０とに基づいてＭＩＭＯの通常伝送方式とＭＩＭＯの最大比合成伝送方式の各通信容量を計算する（ステップＡ２）。
【００７５】
次に、送信局１０は、ＭＩＭＯの通常伝送方式の通信容量Ｃ１がＭＩＭＯの最大比合成伝送方式の通信容量Ｃ２より大きいか否かの比較を行う（ステップＡ３）。
【００７６】
Ｃ１がＣ２よりも大きい場合（ステップＡ３のＹＥＳ）、送信局１０は、送信信号に対して通常伝送信号処理を行う（ステップＡ４）。その後、送信局１０では、ステップＡ１に戻り、送信信号を各アンテナから送信することになる。ここで、通常伝送信号処理とは、図６に示すように各アンテナ２０１、２０２から送信される信号に対して等しい電力を分配した信号処理及び信号制御である。
【００７７】
Ｃ１がＣ２以下の場合（ステップＡ３のＮＯ）、送信局１０は、送信信号に対して最大比合成伝送信号処理を行う（ステップＡ５）。ここで、最大比合成伝送信号処理とは、図７に示すように、１つのストリームを伝搬する送信データに全送信電力を割り当て、残りのストリームを伝搬する送信信号に対しては送信電力を分配しない信号処理及び信号制御である。
【００７８】
ステップＡ５の後、送信局１０は、最大比合成伝送信号処理がなされた各送信信号に送信ウェイトを乗算する（ステップＡ６）。その後、送信局１０では、ステップＡ１に戻り、送信信号を各アンテナから送信することになる。
【００７９】
実施例１によれば、通信路の状態や送信電力の大小にかかわらず常にＭＩＭＯの通常伝送方式とＭＩＭＯの最大比合成伝送方式での最大の通信速度を送信側と受信側で実現することができるようになる。つまり、従来において、通信路の状態や送信電力の大きさによりＭＩＭＯの通常伝送方式とＭＩＭＯの最大比合成伝送方式の大小が入れかわり、それぞれの通信方式で固定した場合、通信容量がどちらか一方の通信方式に比べ劣化していたという問題が解決される。
【実施例２】
【００８０】
本発明の実施例２に係る無線通信システムについて図面を用いて説明する。図３は、本発明の実施例２に係る無線通信システムの構成を模式的に示したブロック図である。
【００８１】
実施例２に係る無線通信システムでは、送信局３０の伝送方式がＭＩＭＯの通常伝送方式かＭＩＭＯの最大比合成伝送方式かを受信局４０が決定し、決定した伝送方式を制御するための送信方式制御情報を受信局４０から送信局３０に送る。そのため、送信局３０には通信容量計算部がなく、受信局４０に通信容量計算部４２と全送信方式決定部４３を有する。その他の構成は実施例１と同様である。
【００８２】
通信容量計算部４２は、チャネル推定部４１からのチャネル情報と、受信レベル測定部４４からの受信電力情報（全受信電力γ０を含む）とに基づいてＭＩＭＯの通常伝送方式の通信容量Ｃ１とＭＩＭＯの最大比合成伝送方式の通信容量Ｃ２を算出する通信容量計算手段である。通信容量の計算では、まず、ＭＩＭＯの通常伝送方式の通信容量Ｃ１から計算する。通信容量Ｃ１の計算では、チャネル推定部４１からのチャネル情報Ｈから、その相関行列ＨＨＨ、ＨＨＨの共通の固有値λ１、λ２を計算し、計算された固有値λ１、λ２と、受信レベル測定部４４からの受信電力情報に含まれる全受信電力γ０とに基づいて、数式１６により、ＭＩＭＯの通常伝送方式の通信容量Ｃ１が計算される。
【００８３】
【数１６】
2009038447.tif 000018
【００８４】
次に、通信容量計算部４２は、ＭＩＭＯの最大比合成伝送方式の通信容量Ｃ２を計算する。通信容量Ｃ２の計算では、計算された固有値λ１と、受信レベル測定部４４からの受信電力情報に含まれる全受信電力γ０とに基づいて、数式１７により、ＭＩＭＯの最大比合成伝送方式の通信容量Ｃ２が計算される。
【００８５】
【数１７】
2009038447.tif 000019
【００８６】
次に、通信容量計算部４２は、計算された通信容量Ｃ１、Ｃ２を全送信方式決定部４３に向けて出力する。
【００８７】
全送信方式決定部４３は、通信容量計算部４２からの通信容量Ｃ１、Ｃ２の値の大小を比較し、比較結果に基づいて決定された送信方式を含む送信方式制御情報を送信局３０の伝送方式選択部３４に向けて出力する伝送モード比較手段である。全送信方式決定部４３は、各通信容量の比較動作に関し、現在の条件だけでなく、過去の経路の影響を受けるヒステリシス特性を有するようにしてもよい。ここで、送信方式制御情報は、Ｃ１がＣ２よりも大きい場合はＭＩＭＯの通常伝送方式を選択するための情報を含み、Ｃ１がＣ２以下の場合はＭＩＭＯの最大比合成伝送方式を選択するための情報を含む。
【００８８】
次に、本発明の実施例２に係る無線通信システムの動作について図面を用いて説明する。図４は、本発明の実施例２に係る無線通信システムの動作を模式的に示したフローチャートである。
【００８９】
まず、送信局３０は、受信局４０に対して送信信号を送信する（ステップＢ１）。
【００９０】
次に、受信局４０は、送信局３０からの送信信号を受信すると、その受信信号（送信局３０からの送信信号に対応）の全受信電力γ０を測定する（ステップＢ６）。
【００９１】
次に、受信局４０は、測定した全受信電力γ０を含む受信電力情報を通信容量計算部４２に入力する（ステップＢ７）。
【００９２】
次に、受信局４０は、受信信号から推定したチャネル情報を通信容量計算部４２に入力し、通信容量計算部４２にて、チャネル情報に基づいてチャネル応答行列の相関行列の共通の固有値を算出し、算出された固有値と、受信電力情報に含まれる全受信電力γ０とに基づいてＭＩＭＯの通常伝送方式とＭＩＭＯの最大比合成伝送方式の各通信容量を計算し、計算された各通信容量を全送信方式決定部４３に向けて出力する（ステップＢ８）。
【００９３】
次に、受信局４０は、通信容量計算部４２からの各通信容量に基づいて、全送信方式決定部４３にてＭＩＭＯの通常伝送方式の通信容量Ｃ１がＭＩＭＯの最大比合成伝送方式の通信容量Ｃ２より大きいか否かの比較を行う（ステップＢ９）。
【００９４】
Ｃ１がＣ２よりも大きい場合（ステップＢ９のＹＥＳ）、受信局４０は、送信局３０に通常伝送信号処理を指示すべく、全送信方式決定部４３にてＭＩＭＯの通常伝送方式を選択するための情報を含む送信方式制御情報を送信局３０に向けて送信する（ステップＢ１０）。その後、受信局４０では、ステップＢ６に戻る。ここで、通常伝送信号処理とは、図６のように各アンテナ２０１、２０２から送信される信号に対して等しい電力を分配した信号処理及び信号制御である。
【００９５】
Ｃ１がＣ２以下の場合（ステップＢ９のＮＯ）、受信局４０は、送信局３０に最大比合成伝送信号処理を指示すべく、全送信方式決定部４３にてＭＩＭＯの最大比合成伝送方式を選択するための情報を含む送信方式制御情報を送信局３０に向けて送信する（ステップＢ１１）。その後、受信局４０では、ステップＢ６に戻る。ここで、最大比合成伝送信号処理とは、図７のように１つのストリームを伝播する送信データに全送信電力を割り当て、残りのストリームを伝搬する送信信号に対しては送信電力を分配しない信号処理及び信号制御である。
【００９６】
ステップＢ１０又はステップＢ１１での送信方式制御情報の送信の後、送信局３０は、受信局４０からの送信方式制御情報が通常伝送信号処理に関するものか否かを判定する（ステップＢ２）。
【００９７】
送信方式制御情報が通常伝送信号処理に関するものである場合（ステップＢ２のＹＥＳ）、送信局３０は、送信信号に対して通常伝送信号処理を行う（ステップＢ３）。その後、送信局３０では、ステップＢ１に戻り、送信信号を各アンテナから送信することになる。
【００９８】
送信方式制御情報が通常伝送信号処理に関するものでない場合（ステップＢ２のＮＯ）、送信局３０は、送信信号に対して最大比合成伝送信号処理を行う（ステップＢ４）。
【００９９】
ステップＢ４の後、送信局３０は、最大比合成伝送信号処理がなされた各送信信号に送信ウェイトを乗算する（ステップＢ５）。その後、送信局３０では、ステップＢ１に戻り、送信信号を各アンテナから送信することになる。
【０１００】
実施例２によれば、実施例１と同様な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明の実施例１に係る無線通信システムの構成を模式的に示したブロック図である。
【図２】本発明の実施例１に係る無線通信システムの動作を模式的に示したフローチャートである。
【図３】本発明の実施例２に係る無線通信システムの構成を模式的に示したブロック図である。
【図４】本発明の実施例２に係る無線通信システムの動作を模式的に示したフローチャートである。
【図５】従来例１に係る１対１伝送方式の無線通信システムを示した模式図である。
【図６】従来例２に係る通常モード伝送方式の無線通信システムを示した模式図である。
【図７】従来例３に係る最大比合成伝送方式の無線通信システムを示した模式図である。
【図８】受信ＳＮＲを変化させた時の１対１伝送方式の通信容量に対する通常伝送方式と最大比合成伝送方式の通信容量の比を表したグラフである。
【図９】λ１、λ２を変化させた時の１／λ２−１／λ１と通常伝送方式と最大比合成伝送方式の大小が切り換わる地点での受信ＳＮＲγ（ｄＢ）との関係を表したグラフである。
【符号の説明】
【０１０２】
１０  送信局
１１  送信ウェイト乗算部（送信ウェイト乗算手段）
１２  通常伝送信号処理部（通常伝送信号処理手段）
１３  最大比合成伝送信号処理部（最大比合成伝送信号処理手段）
１４  通信容量計算部（通信容量計算手段、伝送モード比較手段）
１５  伝送方式選択部（伝送方式選択手段）
１６  デジタル信号処理部
２０  受信局
２１  チャネル推定部（伝送環境識別手段）
２２  受信レベル測定部（受信電力識別手段）
３０  送信局
３１  送信ウェイト乗算部（送信ウェイト乗算手段）
３２  通常伝送信号処理部（通常伝送信号処理手段）
３３  最大比合成伝送信号処理部（最大比合成伝送信号処理手段）
３４  伝送方式選択部（伝送方式選択手段）
３５  デジタル信号処理部
４０  受信局
４１  チャネル推定部（伝送環境識別手段）
４２  通信容量計算部（通信容量計算手段）
４３  全送信方式決定部（伝送モード比較手段）
４４  受信レベル測定部（受信電力識別手段）
１０１、１０２  アンテナ
２０１、２０２、２０３、２０４  アンテナ
２０５  信号処理部
３０１、３０２、３０７、３０８  ウェイト乗算部
３０３、３０４、３０５、３０６  アンテナ
３０９  信号処理部
【図１】
2009038447.tif 000020
【図２】
2009038447.tif 000021
【図３】
2009038447.tif 000022
【図４】
2009038447.tif 000023
【図５】
2009038447.tif 000024
【図６】
2009038447.tif 000025
【図７】
2009038447.tif 000026
【図８】
2009038447.tif 000027
【図９】
2009038447.tif 000028