(57)【要約】適応変調を行うマルチアンテナシステムの送信電力制御方法および無線送信装置を開示する。この方法において、まずビット誤り率を所定範囲に抑える送信アンテナの周波数効率を算出し、連続的な伝送レートを離散の伝送レートに量子化し、ついで、量子化された伝送レートを用いて送信アンテナの送信電力を再算出する。総送信電力の上限値を守るために、現在の送信電力の利用状況を次の所定間隔の時刻に通知して、一部分の送信電力が使われなかった場合は次のタイムスロットで利用させ、平均電力より多く送信電力が使われた場合は、次の時刻で余剰の送信電力を減ずることにより、平均の送信電力を保証する。連続的な送信電力制御方法と比べて、本送信電力制御方法は実現に必要な複雑さを抑えつつ、ほぼ同様なチャネル容量を得ることができる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＩＭＯシステムに用いられる送信電力制御方法であって、
ビット誤り率（ＢＥＲ）の許容範囲に基づき、各送信アンテナの連続的な伝送レートおよび送信電力に対して量子化を施し、量子化伝送レートおよび量子化送信電力を得るステップと、
前記アンテナ毎の量子化伝送レートおよび量子化送信電力に基づき、アンテナ毎の送信電力を再算出し、現在の送信電力利用状況を次の所定間隔の時刻に伝えるステップと、
前記次の所定間隔の時刻において、前記利用状況および総送信電力に基づき、アンテナ毎の伝送レートおよび送信電力を制御し、すべての送信アンテナの送信電力の総和である総送信電力が損失しないように保証し、システムが時変チャネルの環境において最大のチャネル容量を得るステップと、
を具備する送信電力制御方法。
【請求項２】
ＭＩＭＯシステムに用いられる送信電力制御方法であって、
所定上限を用いて総送信電力の初期値を設定する初期化ステップと、
前記総送信電力の所定上限を用いて、送信アンテナに対して均等に初期の電力を配分する電力配分ステップと、
前記初期の電力を用いて、前記送信アンテナの周波数効率を算出する周波数効率算出ステップと、
前記周波数効率算出ステップにおいて得られた周波数効率と、各変調方式に対応する周波数効率とに基づき、前記周波数効率算出ステップにおいて得られた周波数効率を、もっとも接近する変調方式における周波数効率に量子化し、量子化周波数効率を得る量子化ステップと、
前記量子化周波数効率を用いて、それに対応する前記送信アンテナの送信電力を再算出する電力再算出ステップと、
前記量子化周波数効率と前記電力再算出ステップにおいて得られた送信電力を用いて、前記送信アンテナに対して適応変調を行う適応変調ステップと、
総送信電力の所定上限からすでに前記適応変調が行われた送信アンテナの送信電力を減じて、総送信電力残差を得る送信電力残差計算ステップと、
前記電力残差を用いて次の所定間隔の時刻に用いられる総送信電力の初期値を更新する更新ステップと、
すでに前記適応変調が行われた送信アンテナの個数を判断して、すでにすべての送信アンテナに対して前記適応変調が行われた場合は当該送信電力制御を終了し、そうでない場合は、次の送信アンテナに対して前記周波数効率算出ステップを継続させる判定ステップと、
を具備する送信電力制御方法。
【請求項３】
前記変調方式は多値位相変調または可変伝送レート可変電力直交振幅変調を用いる、
請求項２記載の送信電力制御方法。
【請求項４】
ＭＩＭＯシステムに用いられる送信電力制御装置であって、
所定上限を用いて総送信電力の初期値を設定する初期化手段と、
前記総送信電力の所定上限を用いて、送信アンテナに対して均等に初期の電力を配分する電力配分手段と、
前記初期の電力を用いて、前記送信アンテナの周波数効率を算出する周波数効率算出手段と、
前記周波数効率算出手段において得られた周波数効率と、各変調方式に対応する周波数効率とに基づき、前記周波数効率算出手段において得られた周波数効率を、もっとも接近する変調方式における周波数効率に量子化し、量子化周波数効率を得る量子化手段と、
前記量子化周波数効率を用いて、それに対応する前記送信アンテナの送信電力を再算出する電力再算出手段と、
前記量子化周波数効率と前記電力再算出手段において得られた送信電力を用いて、前記送信アンテナに対して適応変調を行う適応変調手段と、
前記総送信電力の所定上限からすでに前記適応変調が行われた送信アンテナの送信電力を減じて、総送信電力残差を得る送信電力残差計算手段と、
前記電力残差を用いて次の所定間隔の時刻に用いられる総送信電力の初期値を更新する更新手段と、
すでに前記適応変調が適用された送信アンテナの個数を判断して、すでにすべての送信アンテナに対して前記適応変調が行われた場合は当該送信電力制御を終了し、そうでない場合は、前記周波数効率算出手段に次の送信アンテナの周波数効率を算出させる判定手段と、
を具備する送信電力制御装置。
【請求項５】
前記変調方式は多値位相変調または可変伝送レート可変電力直交振幅変調を用いる、
請求項４記載の送信電力制御装置。
【請求項６】
請求項４記載の送信電力制御装置を具備し、
各送信アンテナに対して送信電力および伝送レートを制御する、
ＭＩＭＯシステムに用いられる無線送信装置。
【請求項７】
複数の送信アンテナを用いてＭＩＭＯ方式の通信を行うシステムに用いられる送信電力制御方法であって、
前記送信アンテナ毎の連続値である伝送レートを離散値に量子化するステップと、
前記離散値により、第１時刻における前記送信アンテナ毎の送信電力を決定するステップと、
前記第１時刻における複数の前記送信アンテナの総送信電力と、所定の総送信電力値と、の残差を算出するステップと、
前記第１時刻よりも所定間隔後の第２時刻における複数の前記送信アンテナの総送信電力を、前記残差に基づき算出するステップと、
を具備する送信電力制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、時間変動するチャネル環境において適応変調を行うマルチアンテナ無線通信システムの送信電力制御方法、送信電力制御装置、および無線送信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  無線通信システムとインターネットとが次第に融合していくなかで、ユーザが無線通信サービスの種類と品質に対する要求は高まりつつある。このため無線マルチメディアおよび高速伝送の要求に応じた新世代の無線通信システムを開発する必要が生じている。そのなか、送信側と受信側がともに多元アレーアンテナ（ＭＥＡ：Ｍｕｌｔｉ−Ｅｌｅｍｅｎｔ  Ａｎｔｅｎｎａｓ）を使用する多入力多出力（ＭＩＭＯ）技術が注目を集めている。【０００３】  ＭＩＭＯ技術によれば空間多重利得を得ることができ、受信アンテナの個数が送信アンテナの個数より多い場合、レイリーフェージング（Ｒａｙｌｅｉｇｈ  Ｆａｄｉｎｇ）チャネルの容量と送信アンテナの数とは線形関係にある。このため、ＭＩＭＯシステムは電力および周波数帯域の増加なしに、システム容量の拡大を図ることができ、伝搬路の品質を著しく向上させることができる。【０００４】  マルチアンテナシステムにおいて、現在もっとも多く研究されている２つの技術は、空間多重化（例えば、非特許文献１参照）と時空間符号化（例えば、非特許文献２参照）である。前者は、アンテナそれぞれが送信する符号を異ならせることによりシステムの伝送レートを向上させることができる。後者は、複数送信アンテナが送信する複数の符号間に符号化冗長を挿入することによりシステムのビット誤り率特性を向上させることができる。すなわち、空間多重化の技術と時空間符号化の技術を併用することによってＭＩＭＯシステムは、システム容量と伝搬路の品質を著しく向上させることができる。【０００５】  時不変のＭＩＭＯチャネルにおいては最大の総チャネル容量を得るために、総送信電力の所定上限およびチャネル行列固有値に基づいたＷＦ（Ｗａｔｅｒ  Ｆｉｌｌｉｎｇ）アルゴリズムを用いて空間領域で個々のアンテナに電力の配分する（例えば、非特許文献１参照）。一方、時間変動するＭＩＭＯチャネルにおいては、空間領域のＷＦアルゴリズムと時間領域のＷＦアルゴリズムとを結合して電力の配分を行い最大の容量を取得する。しかし、時間領域のＷＦアルゴリズムは、チャネル行列の確率密度関数（ｐｄｆ：ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ  ｄｅｎｓｉｔｙ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ）が既知であることが必要であるが、チャネル行列の確率密度関数を求めるのは複雑で演算量が膨大なため実現性に欠けている。このため、実際の時間変動するチャネルのＭＩＭＯシステムではチャネル行列の確率密度関数を求めることを避けて、チャネルの条件によって送信電力および伝送レートを適応的に調整することにより、最大の総チャネル容量を取得する。【０００６】  送信電力と伝送レートとの適応的な調整としては、可変伝送レート可変電力直交振幅変調（ＭＱＡＭ：Ｍ−ａｒｙ−Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ  Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）が考えられる。可変伝送レート可変電力ＭＱＡＭによれば、チャネル環境が良い場合はデータ伝送レートを増加させ、チャネル環境が悪い場合はデータ伝送レートを減少させることができ、ビット誤り率（ＢＥＲ：Ｂｉｔ  Ｅｒｒｏｒ  Ｒａｔｅ）を許容範囲内に抑えることができる。
【非特許文献１】Ｇ．Ｊ．Ｆｏｓｃｈｉｎｉ著、「Ｂｅｌｌ  Ｌａｂｓ  Ｔｅｃｈ．Ｊ．」、１９９６年、「Ｖｏｌ１」の「Ｌａｙｅｒｅｄ  ｓｐａｃｅ−ｔｉｍｅ  ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ  ｆｏｒ  ｗｉｒｅｌｅｓｓ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  ｉｎ  ａ  ｆａｄｉｎｇ  ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ  Ｗｈｅｎ  ｕｓｉｎｇ  ｍｕｌｔｉ−ｅｌｅｍｅｎｔ  ａｎｔｅｎｎａｓ」の部分、ｐ．４１−５９
【非特許文献２】Ｇ．Ｊ．Ｆｏｓｃｈｉｎｉ、Ｍ．Ｊ．Ｇａｎｓ著、「Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ」、１９９８年６（３）、「Ｏｎ  ｌｉｍｉｔｓ  ｏｆ  ｗｉｒｅｌｅｓｓ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ  ｉｎ  ｆａｄｉｎｇ  ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ  ｗｈｅｎ  ｕｓｉｎｇ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ａｎｔｅｎｎａｓ」の部分、ｐ．３１１−３３５
【非特許文献３】Ｉ．Ｅ．Ｔｅｌａｔａｒ著、「Ｅｕｒ．Ｔｒａｎｓ．Ｔｅｌ．」、１９９９年１１／１２月第６号、「Ｃａｐａｃｉｔｙ  ｏｆ  ｍｕｌｔｉ−ａｎｔｅｎｎａ  Ｇａｕｓｓｉａｎ  ｃｈａｎｎｅｌｓ」の部分、ｐ．５８５−５９５
【非特許文献４】Ｇ．Ｇ．Ｒａｌｅｉｇｈ、Ｊ．Ｍ．Ｃｉｏｆｆｉ著、「ＩＥＥＥ  Ｇｌｏｂｅｃｏｍ（Ｌｏｎｄｏｎ）」、１９９６年、「Ｓｐａｃｅ−ｔｅｍｐｏｒａｌ  ｃｏｄｉｎｇ  ｆｏｒ  ｗｉｒｅｌｅｓｓ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ」の部分、ｐ．１８０９−１８１４。
【非特許文献５】Ｖ．Ｔａｒｏｋｈ、Ｎ．Ｓｃｓｈａｄｒｉ、Ａ．Ｒ．Ｃａｌｄｅｒｂａｎｄ著、「ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．Ｏｎ  ＩＴ」、１９９８、４４（２）、「Ｓｐａｃｅ−ｔｉｍｅ  ｃｏｄｅｓ  ｆｏｒ  ｈｉｇｈ  ｄａｔａ  ｒａｔｅ  ｗｉｒｅｌｓｓ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ：Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｃｒｉｔｉｅｒｉｏｎ  ａｎｄ  ｃｏｄｅ  ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ」の部分、ｐ．７４４−７６５
【非特許文献６】Ａ．Ｊ．ＧｏｌｄｓｍｉｔｈおよびＳ．Ｃｈｕａ著、「ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．Ｃｏｍｍｕｎ．」、１９９７年４５（１０）、「Ｖａｒｉａｂｌｅ−ｒａｔｅ  Ｖａｒｉａｂｌｅ−ｐｏｗｅｒ  ＭＱＡＭ  ｆｏｒ  ｆａｄｉｎｇ  ｃｈａｎｎｅｌｓ［Ｊ］」の部分、ｐ．１２１８−１２３０
【非特許文献７】Ｓ．Ｃｈｕｎｇ、Ｈ．Ｃ．Ｈｏｗａｒｄ，Ａ．Ｌｏｚａｎｏ著、「Ｐｒｏｃ．ｏｆ  ＩＥＥＥ  ＶＴＣ［Ｃ］（Ｊｅｒｓｅｙ  Ｃｉｔｙ）ＩＥＥＥ  Ｐｒｅｓｓ」、２００１年「Ｌｏｗ  ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ  ａｌｇｏｒｉｔｈｍ  ｆｏｒ  ｒａｔｅ  ａｎｄ  ｐｏｗｅｒ  ｑｕａｎｔｉｚａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｅｘｔｅｎｄｅｄ  Ｖ−ＢＬＡＳＴ［Ａ］」の部分、ｐ．９１０−９１４
【発明の開示】
【０００７】  しかし、上記のように可変伝送レート可変電力ＭＱＡＭ変調技術を時間変動するマルチアンテナシステムに適用する場合、連続的な伝送レートを変調レベルに対応する離散値に量子化する量子化処理に起因する、電力損失が生じ、システム容量を低下させる問題がある。
【０００８】  よって、本発明の目的は、適応変調を行うマルチアンテナ無線通信システムに用いられる、演算量が少ない送信電力制御方法を提供することである。
【０００９】  本発明の、ＭＩＭＯシステムに用いられる送信電力制御方法は、ビット誤り率（ＢＥＲ）の許容範囲に基づき、各送信アンテナの連続的な伝送レートおよび送信電力に対して量子化を施し、量子化伝送レートおよび量子化送信電力を得るステップと、前記アンテナ毎の量子化伝送レートおよび量子化送信電力に基づき、アンテナ毎の送信電力を再算出し、現在の送信電力利用状況を次の所定間隔の時刻に伝えるステップと、前記次の所定間隔の時刻において、前記利用状況および総送信電力に基づき、アンテナ毎の伝送レートおよび送信電力を制御し、すべての送信アンテナの送信電力の総和である総送信電力が損失しないように保証し、システムが時変チャネルの環境において最大のチャネル容量を得るステップと、を具備するようにした。
【００１０】  この方法によれば、時間変動するチャネル環境においてＭＩＭＯシステムの最大の総チャネル容量を求めるのに必要な演算量を抑えつつ、送信電力および伝送レートを制御することができ、可変伝送レート可変電力ＭＱＡＭに起因する電力損失を回避することができる。
【００１１】  本発明では、マルチアンテナシステムとして、空間多重化を行い、無線送信装置１５０（基地局ＢＳ：Ｂａｓｅ  Ｓｔａｔｉｏｎ）がＭ本のアンテナ、無線受信装置１６０（ユーザ）がＮ本のアンテナを備えるＭＩＭＯシステムを例にとって、なおこのシステムの下り回線を例にとって説明する。アンテナ毎の送信電力がＰｍ、すべてのアンテナの送信電力の総和（以下、総送信電力と略称する）の上限値がＰＴである場合、ＰｍとＰＴとは下記の式（１）の関係にある。
【数１】
2006075585.tif 000002
チャネル行列Ｈに対して特異値分解（ＳＶＤ：Ｓｉｎｇｕｌａｒ  Ｖａｌｕｅ  Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）するとＨ＝ＵΛＶＨが得られ、ΛはＮ×Ｍの行列であって、以下行列の標記方法としてこのよう行列をΛＮ×Ｍを記す。なおΛＮ×Ｍは非負対角行列であって、対角要素は（λ１１／２…λＬ１／２）、Ｌ＝ｍｉｎ（Ｍ，Ｎ）である。アンテナそれぞれに対して、可変伝送レート可変電力ＭＱＡＭ変調を適用する場合、所定のビット誤り率ＢＥＲを満たせる、最大変調多値数はＭｍ＝１＋ＫＰｍλｍであり、ここで調整ファクタはＫ＝−１．５／ｌｎ（５ＢＥＲ）＜１である。なお、第ｍ送信アンテナの最大瞬間周波数効率はＲｍ（λｍ）＝ｌｏｇ２Ｍｍ＝ｌｏｇ２（１＋ＫＰｍλｍ）である。
【００１２】  本発明は、低複雑さの送信電力制御方法を提案し、その思想は以下のようである。まず送信アンテナの周波数効率を算出し、連続的な伝送レートを可能な伝送レート量子化レベルに量子化する。ついで、量子化伝送レートを用いてＢＥＲが許容範囲内に抑えられるアンテナ送信電力を再算出する。このような送信電力制御方法によれば、所定上限の総送信電力の一部分が使われない、または所定上限より多く使われすぎる場合がある。現在の送信電力利用状況を次の所定間隔の時刻に通知することにより、総送信電力上限問題を解決する。すなわち、一部分の送信電力が使われなかった場合は、使われなかった総送信電力を次の所定間隔の時刻（例えば、次のタイムスロット）において利用させ、もし使った総送信電力が上限値を超えたなら、次の時刻で余剰の送信電力を減ずることにより、平均的に総送信電力制約を保証する。
【００１３】  上記の目的を実現するために、本発明の１つの態様は、ＭＩＭＯシステムに用いられる送信電力制御方法であって、この方法はビット誤り率（ＢＥＲ）の許容範囲に基づき、各送信アンテナの連続的な伝送レートおよび送信電力に対して量子化を施し、量子化伝送レートおよび量子化送信電力を得るステップと、前記アンテナ毎の量子化伝送レートおよび量子化送信電力に基づき、アンテナ毎の送信電力を再算出し、現在の送信電力利用状況を次の所定間隔の時刻に伝えるステップと、前記次の所定間隔の時刻において、前記利用状況および総送信電力に基づき、アンテナ毎の伝送レートおよび送信電力を制御し、すべての送信アンテナの送信電力の総和である総送信電力が損失しないように保証し、システムが時変チャネルの環境において最大のチャネル容量を得るステップと、を具備するようにした。
【００１４】  本発明のもう１つの態様は、ＭＩＭＯシステムに用いられる送信電力制御方法であって、この方法は所定上限を用いて総送信電力の初期値を設定する初期化ステップと、前記総送信電力の所定上限を用いて、送信アンテナに対して均等に初期の電力を配分する電力配分ステップと、前記初期の電力を用いて、前記送信アンテナの周波数効率を算出する周波数効率算出ステップと、前記周波数効率算出ステップにおいて得られた周波数効率と、各変調方式に対応する周波数効率とに基づき、前記周波数効率算出ステップにおいて得られた周波数効率を、もっとも接近する変調方式における周波数効率に量子化し、量子化周波数効率を得る量子化ステップと、前記量子化周波数効率を用いて、それに対応する前記送信アンテナの送信電力を再算出する電力再算出ステップと、前記量子化周波数効率と前記電力再算出ステップにおいて得られた送信電力を用いて、前記送信アンテナに対して適応変調を行う適応変調ステップと、前記総送信電力の所定上限からすでに前記適応変調が行われた送信アンテナの送信電力を減じて、総送信電力残差を得る送信電力残差計算ステップと、前記電力残差を用いて次の所定間隔の時刻に用いられる総送信電力の初期値を更新する更新ステップと、すでに前記適応変調が行われた送信アンテナの個数を判断して、すでにすべての送信アンテナに対して前記適応変調が行われた場合は当該送信電力制御を終了し、そうでない場合は、次の送信アンテナに対して前記周波数効率算出ステップを継続させる判定ステップと、を具備するようにした。
【００１５】  本発明のもう１つの態様は、上記の態様において前記変調方式は多値位相変調または可変伝送レート可変電力直交振幅変調を用いる、送信電力制御方法である。
【００１６】  本発明のもう１つの態様は、ＭＩＭＯシステムに用いられる送信電力制御装置であって、この装置は所定上限を用いて総送信電力の初期値を設定する初期化手段と、前記総送信電力の所定上限を用いて、送信アンテナに対して均等に初期の電力を配分する電力配分手段と、前記初期の電力を用いて、前記送信アンテナの周波数効率を算出する周波数効率算出手段と、前記周波数効率算出手段において得られた周波数効率と、各変調方式に対応する周波数効率とに基づき、前記周波数効率算出手段において得られた周波数効率を、もっとも接近する変調方式における周波数効率に量子化し、量子化周波数効率を得る量子化手段と、前記量子化周波数効率を用いて、それに対応する前記送信アンテナの送信電力を再算出する電力再算出手段と、前記量子化周波数効率と前記電力再算出手段において得られた送信電力を用いて、前記送信アンテナに対して適応変調を行う適応変調手段と、前記総送信電力の所定上限からすでに前記適応変調が行われた送信アンテナの送信電力を減じて、総送信電力残差を得る送信電力残差計算手段と、前記電力残差を用いて次の所定間隔の時刻に用いられる総送信電力の初期値を更新する更新手段と、すでに前記適応変調が行われた送信アンテナの個数を判断して、すでにすべての送信アンテナに対して前記適応変調が行われた場合は当該送信電力制御を終了し、そうでない場合は、前記周波数効率算出手段に次の送信アンテナの周波数効率を算出させる判定手段と、を具備する構成を採る。
【００１７】  本発明のもう１つの態様は、上記の態様において、前記変調方式は多値位相変調または可変伝送レート可変電力直交振幅変調を用いる構成を採る。
【００１８】  本発明のもう１つの態様は、ＭＩＭＯシステムに用いられる無線送信装置であって、上記の態様の送信電力制御装置を具備し、各送信アンテナに対して送信電力および伝送レートを制御する構成を採る。
【００１９】  本発明のもう１つの態様は、複数の送信アンテナを用いてＭＩＭＯ方式の通信を行うシステムに用いられる送信電力制御方法であって、この方法は前記送信アンテナ毎の連続値である伝送レートを離散値に量子化するステップと、前記離散値により、第１時刻における前記送信アンテナ毎の送信電力を決定するステップと、前記第１時刻における複数の前記送信アンテナの総送信電力と、所定の総送信電力値と、の残差を算出するステップと、前記第１時刻よりも所定間隔後の第２時刻における複数の前記送信アンテナの総送信電力を、前記残差に基づき算出するステップと、を具備するようにした。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施の形態に係るＭＩＭＯシステムの構成ブロック図
【図２】本発明の一実施の形態に係るＭＩＭＯにおいて一般的な適応変調方法を行う手順を示すフロー図
【図３】本発明の一実施の形態に係る送信電力／伝送レート制御部の内部構成を示すブロック図
【図４】本発明の一実施の形態に係る送信電力／伝送レート制御部における送信電力制御方法の手順を示すフロー図
【図５】本発明の一実施の形態により得られる周波数効率を示す図
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】  以下、添付図面を参照して、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。ここで、記述する実施例は説明が目的であり、本発明の範囲を制限するものではない。【００２２】  図１は、本実施の形態にかかるＭＩＭＯシステム１００の構成を示すブロック図である。空間多重化を行うＭＩＭＯシステムの下り回線（ブロードキャストチャネル）を考慮する場合、図１に示すように、無線送信装置１５０（基地局ＢＳ）はＭ本のアンテナを備え、無線受信装置１６０（ユーザ）はＮ本のアンテナを備える。【００２３】  無線送信装置１５０は、シリアル／パラレル（Ｓ／Ｐ）変換部１０１、送信電力／伝送レート制御部１０９を備え、また同様の構成および機能を有する符号化部１０２、インターリーバ１０３、変調部１０４、拡散部１０５、パイロット挿入部１０６、発信（ＴＸ）部１０７、および送信アンテナ１０８をそれぞれＭ個備える。以下、例えば符号化部１０２は符号化部１０２−１〜１０２−Ｍを総称する。【００２４】  Ｓ／Ｐ変換部１０１は、入力される情報ビットストリームに対してシリアル／パラレル変換処理を行い、送信アンテナの本数Ｍと同じ数のアンテナブランチビットストリーム（以下、サブビットストリームと略称する）を各符号化部１０２−１〜１０２−Ｍそれぞれに出力する。符号化部１０２−１〜１０２−Ｍそれぞれは、ノイズに対処するために、Ｓ／Ｐ変換部１０１から入力される各サブビットストリームに対してターボ符号等を用いてチャネルコーディング（誤り訂正符号化）を行い、インターリーバ１０３−１〜１０３−Ｍそれぞれに出力する。インターリーバ１０３−１〜１０３−Ｍそれぞれは、符号化部１０２−１〜１０２−Ｍそれぞれから入力される各サブビットストリームに対して、インターリービング処理を行い各サブビットストリームの相関性を低減させてから、変調部１０４−１〜１０４−Ｍそれぞれに出力する。変調部１０４−１〜１０４−Ｍそれぞれは、インターリーバ１０３−１〜１０３−Ｍそれぞれから入力される各サブビットストリームに対してＢＰＳＫ（Ｂｉｎａｒｙ  Ｐｈａｓｅ  Ｓｈｉｆｔ  Ｋｅｙｉｎｇ）、ＱＰＳＫ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ  ＰＳＫ）、１６ＱＡＭ等の変調処理を行い、得られる各サブシンボルストリームを拡散部１０５−１〜１０５−Ｍそれぞれに出力する。拡散部１０５−１〜１０５−Ｍそれぞれは、変調部１０４−１〜１０４−Ｍそれぞれから入力される各サブシンボルストリームに対して擬似ランダムシーケンスを用いて、拡散処理を行い、パイロット挿入部１０６−１〜１０６−Ｍそれぞれに出力する。パイロット挿入部１０６−１〜１０６−Ｍそれぞれは、拡散部１０５−１〜１０５−Ｍそれぞれから入力される各サブシンボルストリームに同期およびチャネル推定用のパイロットシーケンスを挿入し、ＴＸ部１０７−１〜１０７−Ｍそれぞれに出力する。ＴＸ部１０７−１〜１０７−Ｍそれぞれは、パイロット挿入部１０６−１〜１０６−Ｍそれぞれから入力されるベースバンドの各サブシンボルストリームを送信キャリア周波数の信号にアップコンバートし、送信アンテナ１０８−１〜１０８−Ｍそれぞれを介して送信する。送信電力／伝送レート制御部１０９は、後述する無線受信装置１６０のチ��ネル／ＳＮＲ推定部１１０からフィードバックされる、各チャネルの利得と、送信アンテナおよび受信アンテナのＳＮＲと、に対する推定結果に基づき、各符号化部１０２−１〜１０２−Ｍ、各インターリーバ１０３−１〜１０３−Ｍ、各変調部１０４−１〜１０４−Ｍ、およびＴＸ部１０７−１〜１０７−Ｍに対して適応変調符号化の制御および送信電力の制御を行う。送信電力／伝送レート制御部１０９における送信電力および伝送レート制御処理の詳細については後述する。【００２５】  無線受信装置１６０は、チャネル／ＳＮＲ推定部１１０、同期部１１３、受信信号処理部１１５を備え、また同様の構成および機能を有する受信アンテナ１１１、受信（ＲＸ）部１１２、および逆拡散部１１４をそれぞれＮ個備える。以下、例えばＲＸ部１１２はＲＸ部１１２−１〜１１２−Ｎを総称する。【００２６】  ＲＸ部１１２−１〜１１２−Ｎそれぞれは、受信アンテナ１１１−１〜１１１−Ｎそれぞれが受信した送信キャリア周波数の信号をベースバンドの各サブシンボルストリームにダウンコンバートし、同期部１１３に出力する。同期部１１３は、ＲＸ部１１２−１〜１１２−Ｎそれぞれから入力される各サブシンボルストリームに対して、フレーム同期および追従処理を行い逆拡散部１１４−１〜１１４−Ｎそれぞれに出力する。チャネル／ＳＮＲ推定部１１０は、受信信号処理部１１５から入力されるパイロットシーケンスを用いて各チャネルの利得係数と、送信アンテナおよび受信アンテナのＳＮＲとを推定し、無線送信装置１５０のフィードバック送信部（図示せず）を介し、フィードバックチャネルを用いて推定結果を送信電力／伝送レート制御部１０９にフィードバックして、適応変調パターを選択させる。逆拡散部１１４−１〜１１４−Ｎそれぞれは、同期部１１３から入力される各サブシンボルストリームに対して逆拡散処理を行ってから、受信信号処理部１１５に出力する。受信信号処理部１１５は、逆拡散部１１４−１〜１１４−Ｎそれぞれから入力されるサブシンボルストリームに対して、復調処理、逆インターリービング処理、および復号処理を行って情報ビットストリームを復元し、出力する。【００２７】  ここで上記のような、Ｍ本の送信アンテナとＮ本の受信アンテナとを有するＭＩＭＯシステム１００において、受信信号ベクトルは、下記の式（２）に従って求められる。
【数２】
2006075585.tif 000003
この式において、ｘＭ×１送信信号ベクトル、ｙＮ×１は受信信号ベクトルであり、ＨＮ×Ｍ行列の各要素は独立ガウスランダム変数、ノイズベクトルｎの二乗偏差はδ２である。なお、演算上の便利さを考慮して、δ２およびＨ各要素は１に正規化されたものとする。アンテナ毎の送信電力をＰｍ、総送信電力をＰＴとする場合、ＰｍとＰＴとは下記の式（３）が示す関係を満たす。
【数３】
2006075585.tif 000004
上記のｘＨは行列ｘに対してＨｅｒｍｉｔｉａｎ転置を行って得られる行列である。【００２８】  チャネル行列に対して特異値分解（ＳＶＤ）すると、Ｈ＝ＵΛＶＨが得られる。ユニタリ行列ＵＮ×Ｎ、ＶＭ×Ｍはそれぞれ送信前フィルタリング行列および受信後フィルタリング行列を示す。ΛＮ×Ｍは非負対角行列、その対角要素は（λ１１／２…λＬ１／２）、Ｌ＝ｍｉｎ（Ｍ，Ｎ）である。送信信号に対して送信前フィルタリングを行い、受信信号に対して受信後フィルタリングを行うと、すなわち下記の式（４）から下記の式（５）が得られ、チャネル行列Ｈは下記の式（６）のうちのΛＮ×Ｍを構成するＬ個の固有サブチャネル（λ１１／２…λＬ１／２）に分解される。
【数４】
2006075585.tif 000005
【数５】
2006075585.tif 000006
【数６】
2006075585.tif 000007
このようにチャネル行列Ｈに対して特異値分解を行ってから、ついでＷＦアルゴリズムにより電力配分を行うと最大のチャネル容量を得ることができるが、ＷＦアルゴリムは演算量が膨大であり、実現性に欠けているため、低複雑さの実現方法を提案する必要がある。【００２９】  チャネルの一回の実施に（例えば、１サブフレーム単位または１タイムスロット単位など所定間隔の時間単位）に対して、瞬間チャネル容量は、下記の式（７）に従って求められる。
【数７】
2006075585.tif 000008
この式において、Ｐｍ＝（μ−λｍ−１）＋、μは下記の式（８）を満たす。
【数８】
2006075585.tif 000009
この式において（ｘ）＋の定義はｍａｘ｛ｘ，０｝であり、ここでλの定義は下記の式（９）の通りである。
【数９】
2006075585.tif 000010
【００３０】  レイリーフェージングの条件において平均チャネル容量は、上記の式（７）を用いて、平均を求めて得られるものであって、下記の式（１０）の通りである。
【数１０】
2006075585.tif 000011
この式において、ｐ（λ１）はλ１のｐｄｆであり、（λ１１／２…λＬ１／２）を構成するＬ個の固有値λ１、λ２、…、λＬのｐｄｆは等しい。すなわち、式（１０）はλ２、…、λＬに依存しない。【００３１】  時間変動する（ファーストフェージング：ｆａｓｔ  ｆａｄｉｎｇ）チャネルにおいて、シャノン（Ｓｈａｎｎｏｎ）容量を得るために、可変伝送レート可変電力ＭＱＡＭ変調をシングルアンテナシステムに適用する技術がある（例えば、非特許文献６参照）。すなわち伝送チャネルの異なる特性に基づき、ＭＱＡＭ変調信号レベルを適応的に変更して、伝送品質を保証しつつ高い周波数効率を得る。以下、この技術をＭＩＭＯシステムへ拡張する。【００３２】  個々の送信アンテナに対して、ＭＱＡＭ変調を行う場合のビット誤り率（ＢＥＲ）上限は、下記の式（１１）で示される。
【数１１】
2006075585.tif 000012
この式において、Ｍｍは第ｍアンテナが採用する変調多値数を示し、Ｐｍλｍは当該送信アンテナから送信された信号を受信する場合の受信品質（ＳＮＲ）を示す。逆に、ＢＥＲが既知であれば、上記の式（１１）から、下記の式（１２）が示す変調多値数が求められる。
【数１２】
2006075585.tif 000013
この式において、調整ファクタＫは、Ｋ＝−１．５／ｌｎ（５ＢＥＲ）＜１である。【００３３】  式（７）および式（１２）により、第ｍ送信アンテナの最大瞬間周波数効率（チャネル容量）は、下記の式（１３）が示す通りになる。
【数１３】
2006075585.tif 000014
この式の中の、Ｐｍは下記の式（１４）に従って求められる。
【数１４】
2006075585.tif 000015
この式において、μは、下記の式（１５）を満たす。
【数１５】
2006075585.tif 000016
なお、平均周波数効率は下記の式（１６）に従って求められる。
【数１６】
2006075585.tif 000017
【００３４】  上記の式（１６）が示す平均周波数効率を得るために、伝送レート（変調レベル）は連続的に変化するものである必要があるが、これは実現しにくい。そこで本発明では、送信アンテナ毎の伝送レートを離散な伝送レートレベルに量子化する。これは、ＭＰＳＫ（多値位相変調）、ＭＱＡＭ（可変伝送レート直交振幅変調）などの変調を用いて実現することが可能である。ここで変調多値数は、下記の式（１７）に示す通りであり、
【数１７】
2006075585.tif 000018
すべての送信アンテナは｛０，１，２，４，…，２（Ｊ−１）｝というＪ＋１種の伝送レートで信号を送信可能である。【００３５】  図２は、ＭＩＭＯシステム１００において一般的な適応変調を行う手順を示すフロー図である。図示のように、まず、無線受信装置１６０は受信したパイロットシーケンスを用いて個々の送信アンテナに対応する受信品質（ＳＮＲ）を推定し、無線送信装置１５０にフィードバックする（Ｓ２０１）。ついで無線送信装置１５０は、ＳＮＲに基づき異なるレベルの変調方式を選択する（Ｓ２０２）。ここで、Ｓ２０１の「Ｓ」はステップを表し、以下同様である。【００３６】  この方法において、ＳＮＲのみに基づき、異なる変調方式を選択して変伝送レート変調を行うため、電力損失がシステム容量に対する影響を考慮していない。この方法だけでは、システム容量が低減されるため、システム容量の低減を回避するように本発明は上記の一般的な方法に加えて、量子化に起因する電力損失を補う処理をさらに追加する。【００３７】  すなわち、本発明では上記の一般的な方法に加え低複雑さの送信電力制御方法（ＬＰＲＣ）をさらに追加する。【００３８】  図３は、送信電力／伝送レート制御部１０９の内部構成を示すブロック図である。【００３９】  ＬＰＲＣ方法を実現する送信電力／伝送レート制御装置１０９は、送信電力配分部３０１、周波数効率算出部３０２、量子化部３０３、送信電力再算出部３０４、適応変調部３０５、総送信電力残差算出部３０６、更新部３０７、および判定部３０８を備える。【００４０】  送信電力配分部３０１は、総送信電力を用いて、送信アンテナ１０８−１〜１０８−Ｍに対して均等な初期値で送信電力の仮設定を行い、この初期値を周波数効率算出部３０２に出力する。周波数効率算出部３０２は、送信電力配分部３０１から入力される送信電力の初期値およびチャネル／ＳＮＲ推定部１１０から送信されるチャネル／ＳＮＲ推定値を用いて送信アンテナ１０８の周波数効率を算出し、量子化部３０３に出力する。量子化部３０３は、各レベルの変調方式に対応する離散の周波数効率からなるデータテーブルを備え、周波数効率算出部３０２から入力される送信アンテナ１０８の周波数効率に最も近い離散値を上記のデータテーブルから選択することにより、周波数効率を量子化する。量子化部３０３は、送信アンテナ１０８の量子化された周波数効率を、送信電力再算出部３０４および適応変調部３０５に出力する。送信電力再算出部３０４は、量子化部３０３から入力される量子化された周波数効率を用いて、送信アンテナ１０８の送信電力を算出し、算出結果を適応変調部３０５および総送信電力残差算出部３０６に出力する。適応変調部３０５は、量子化部３０３から入力される周波数効率および送信電力再算出部３０４から入力される送信電力を用いて、符号化部１０２、インターリーバ１０３、変調部１０４およびＴＸ部１０７に対して制御を行い適応変調を行わせると共に、送信電力を制御する。【００４１】  総送信電力残差算出部３０６は、総送信電力の所定上限から、送信アンテナ１０８−１〜１０８−Ｍの送信電力の総和を減じて総送信電力残差を得る。更新部３０７は、総送信電力残差算出部３０６から入力される総���信電力残差を用いて総送信電力の初期上限値を更新、設定する。判定部３０８はすでに適応変調を行ったアンテナの個数を判定し、すべてのアンテナに対して電力、伝送レート制御を行った場合、制御過程を終了し、そうでない場合は、まだ適応変調を行わなかった次の送信アンテナに対して送信電力、伝送レート制御を行わせる。【００４２】  本発明の技術思想は、まず式（１３）（１４）を用いて送信アンテナの周波数効率を算出し、連続的な伝送レートを離散の伝送レートレベルに量子化し、ついで、ＢＥＲを許容範囲内に抑えるために、量子化伝送レートを用いて式（１３）を満足する送信アンテナの送信電力を再算出する。上記の伝送レート量子化、および送信電力制御によれば所定上限の総送信電力の一部分が使われ、または使われ過ぎの場合がある。現在の送信電力利用状況を次の時刻に伝えることにより送信電力損失を回避しつつ、送信電力の上限問題を解決する。すなわち一部分の送信電力が使われなかった場合は、使われなかった分の送信電力を次の所定間隔の時刻（例えば、次のタイムスロット）において利用させ、使用送信電力が所定上限の送信電力を超えた場合は、次の時刻で余剰の送信電力を減ずることにより、平均的に送信電力の所定上限を守る。換言すると、上記の伝送レート量子化、および送信電力制御によれば実際に消費した総送信電力は総送信電力の所定上限値より小さくなる場合と、大きくなる場合とがある。本実施の形態では現在の送信電力消費状況を次の時刻に通知することにより、送信電力損失を回避する。すなわち、実際に利用した総送信電力が総送信電力の所定上限値より小さい場合は、小さくなった分だけ次の時刻での総送信電力を増加させ、実際に利用した総送信電力が総送信電力の所定値より大きい場合は、大きい分だけ次の時刻での総送信電力を減少させることにより、一定の時間において平均をとった場合、総送信電力は所定上限値に維持される。【００４３】  図４は、送信電力／伝送レート制御部１０９における、送信電力および伝送レート制御の手順を示すフロー図である。【００４４】  １）まず、送信電力／伝レート制御部１０９は、ｉ＝０、ｍ＝Ｍ、送信電力Ｐｔｏｔ（ｉ）＝ＰＴとなるように初期上限値で総送信電力の仮設定を行う（Ｓ００１）。ここで、ｉは送信電力および伝送レート制御を始める時刻を示すカウンタで、０から無限大まで１インクリメントしながら時間の流れを計数し、ｍは送信アンテナの本数Ｍから１まで１デクリメントしながら、送信アンテナを係数するカウンタである。Ｐｔｏｔ（ｉ）＝ＰＴは、所定の総送信電力ＰＴをｉ＝０の場合の総送信電力Ｐｔｏｔ（ｉ）の初期値として仮設定することを意味する。【００４５】  ２）ついで、送信電力配分部３０１は総送信電力Ｐｔｏｔ（ｉ）を用いて、Ｐｍ（ｉ）＝Ｐｔｏｔ（ｉ）／Ｍとなるように第ｍ送信アンテナに対して均等に送信電力の初期配分を行う（Ｓ００２）。ここでＰｍ（ｉ）は、第ｍ送信アンテナの仮設定された送信電力の初期値である。【００４６】  ３）ついで、周波数効率算出部３０２は式（１３）（１４）に従って第ｍ送信アンテナの周波数効率Ｒｍ（ｉ）を算出する（Ｓ００３）。【００４７】  ４）ついで、量子化部３０３は第ｍ送信アンテナの���波数効率Ｒｍ（ｉ）（伝送レート）の量子化を行い、量子化された伝送レートＲｍ（ｉ）を求める（Ｓ００４）。【００４８】  ５）ついで送信電力再算出部３０４は、量子化された伝送レートＲｍ（ｉ）を用いて第ｍアンテナに対して、式（１３）に従ってＰｍ（ｉ）を再算出し、第ｍ送信アンテナの送信に実際に用いられる送信電力Ｐｍ（ｉ）を算出する（Ｓ００５）。【００４９】  ６）ついで適応変調部３０５は、量子化されたＲｍ（ｉ）および再三出されたＰｍ（ｉ）を用いて、第ｍアンテナに対応する符号化部１０２−ｍ、インターリーバ１０３−ｍ、変調部１０４−ｍ、およびＴＸ部１０７−ｍに対して適応変調符号化の制御を行い、適応ＭＱＡＭ変調を行わせる（Ｓ００６）。【００５０】  ７）ついで、総送信電力残差算出部３０６は下記の式（１８）に従って、総送信電力残差Ｐｒｅｍａｉｎ（ｉ）を算出する（Ｓ００７）。
【数１８】
2006075585.tif 000019
【００５１】  ８）ついで、更新部３０７はＰｔｏｔ（ｉ＋１）＝ＰＴ＋Ｐｒｅｍａｉｎ（ｉ）となるように、次の時刻ｉ＋１の総送信電力Ｐｔｏｔ（ｉ＋１）の初期値を仮設定する。また更新部３０７は、ｉ＝ｉ＋１となるようにｉを１インクリメントする（Ｓ００８）。【００５２】  ９）ついで、判定部３０８では、ｍの値を判定して、ｍ＝１である場合は、送信電力および伝送レート制御の処理を終了させ、ｍ＝１でない場合は、ｍ＝ｍ−１となるようにｍを１デクリメントし、Ｓ００２に戻る（Ｓ００９）。【００５３】  上記の手順は確定したものではなく、通常の技術者は他の類似した手順で実現しても良く、いくらかのステップを追加、省略、置き換え、または順序を変えても良い。【００５４】  図５は、本実施例により得られる周波数効率を示す図である。【００５５】  図５は、シミュレーションを通じて得られるＬＰＲＣ方法の性能を示す。シミュレーションのパラメータは以下のようである。送信、受信アンテナ本数Ｍ＝４、Ｎ＝４、所用ＢＥＲ＝１０−３、調整ファクタＫ＝０．２８であり、伝送レートは｛０，１，２，４，６｝という５種のレベルからなり、伝送しない、ＢＰＳＫ、４ＱＡＭ、１６ＱＡＭ、６４ＱＡＭそれぞれに対応する。なお、シミュレーションは５００回の実施に対して行われたものである。【００５６】  図５は、ＬＰＲＣ方法の周波数効率と連続伝送レート（ＣＰＲ）方法の周波数効率との比較を示し、ここでＣＰＲの周波数効率は式（１６）から求める。図５が示すように、ＬＰＲＣとＣＰＲとの性能は接近しており、送信電力および伝送レートは連続して適応的に変化しなくても、連続的に変化する場合とほぼ同様な周波数効率を得ることができる。【００５７】  上記の実施の形態に対して、通常の技術者は本発明の精神と範囲を逸脱しない限り、他の各種変更、置き換え、または追加を行って良いことは理解すべきである。【００５８】  このように、本実施の形態によれば、複雑で演算量が膨大なＷＦアルゴリズムを使うことなく、ＭＩＭＯシステムの最大の総チャネル容量を求めるため、必要な演算量を抑えつつ、送信電力および伝送レートを制御することができ、可変伝送レート可変電力ＭＱＡＭを行うことに起因する電力損失を回避することができる。【００５９】  なお、本実施の形態では、無線送信装置１５０に送信電力／伝送レート制御部１０９を設ける場合を例にとって説明したが、これに限定されず、無線受信装置１６０に送信電力／伝送レート制御部１０９を設けて、送信電力／伝送レート制御部１０９において送信電力および伝送レートを決定し、無線送信装置１５０に通知するようにしても良い。かかる場合、無線送信装置１５０は無線受信装置１６０の送信電力／伝送レート制御部１０９から通知される送信電力および伝送レートに基づき適応ＭＱＡＭ変調を行う。【００６０】  また、本実施の形態では、図４の処理手順Ｓ００８が示すように第ｉ＋１時刻の総送信電力の初期値は、１つ前の第ｉ時刻の総送信電力残差を用いて調整される場合を例にとって説明したが、これに限定されず、第ｉ時刻よりも幾つか前の時刻の総送信電力残差、例えばＰＲｒｅｍａｉｎ（ｉ−３）からＰＲｒｅｍａｉｎ（ｉ）までの４つの値を用いて第ｉ＋１時���の総送信電力の初期値を調整しても良い。【００６１】  また、ここでは、本発明をハードウェアで構成する場合を例にとって説明したが、本発明をソフトウェアで実現することも可能である。例えば、本発明に係る送信電力制御方法のアルゴリズムをプログラミング言語によって記述し、このプログラムをメモリに記憶しておいて情報処理手段によって実行させることにより、本発明に係る無線送信装置と同様の機能を実現することができる。【００６２】  本明細書は、２００５年１月１１日出願の中国特許出願第２００５１０００３７８６．３号に基づく。この内容はすべてここに含めておく。
【産業上の利用可能性】
【００６３】  本発明に係る送信電力制御方法、および無線送信装置は、時間変動するチャネル環境において適応変調を行うマルチアンテナ無線通信システム等の用途に適用することができる。
【図１】
2006075585.tif 000020
【図２】
2006075585.tif 000021
【図３】
2006075585.tif 000022
【図４】
2006075585.tif 000023
【図５】
2006075585.tif 000024
【手続補正書】
【提出日】平成19年11月21日(2007.11.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＩＭＯシステムに用いられる送信電力制御方法であって、
ビット誤り率（ＢＥＲ）の許容範囲に基づき、各送信アンテナの連続的な伝送レートおよび送信電力に対して量子化を施し、量子化伝送レートおよび量子化送信電力を得るステップと、
前記アンテナ毎の量子化伝送レートおよび量子化送信電力に基づき、アンテナ毎の送信電力を再算出し、現在の送信電力利用状況を次の所定間隔の時刻に伝えるステップと、
前記次の所定間隔の時刻において、前記利用状況および総送信電力に基づき、アンテナ毎の伝送レートおよび送信電力を制御し、すべての送信アンテナの送信電力の総和である総送信電力が損失しないように保証し、システムが時変チャネルの環境において最大のチャネル容量を得るステップと、
を具備する送信電力制御方法。
【請求項２】
ＭＩＭＯシステムに用いられる送信電力制御方法であって、
所定上限を用いて総送信電力の初期値を設定する初期化ステップと、
前記総送信電力の所定上限を用いて、送信アンテナに対して均等に初期の電力を配分する電力配分ステップと、
前記初期の電力を用いて、前記送信アンテナの周波数効率を算出する周波数効率算出ステップと、
前記周波数効率算出ステップにおいて得られた周波数効率と、各変調方式に対応する周波数効率とに基づき、前記周波数効率算出ステップにおいて得られた周波数効率を、もっとも接近する変調方式における周波数効率に量子化し、量子化周波数効率を得る量子化ステップと、
前記量子化周波数効率を用いて、それに対応する前記送信アンテナの送信電力を再算出する電力再算出ステップと、
前記量子化周波数効率と前記電力再算出ステップにおいて得られた送信電力を用いて、前記送信アンテナに対して適応変調を行う適応変調ステップと、
総送信電力の所定上限からすでに前記適応変調が行われた送信アンテナの送信電力を減じて、総送信電力残差を得る送信電力残差計算ステップと、
前記電力残差を用いて次の所定間隔の時刻に用いられる総送信電力の初期値を更新する更新ステップと、
すでに前記適応変調が行われた送信アンテナの個数を判断して、すでにすべての送信アンテナに対して前記適応変調が行われた場合は当該送信電力制御を終了し、そうでない場合は、次の送信アンテナに対して前記周波数効率算出ステップを継続させる判定ステップと、
を具備する送信電力制御方法。
【請求項３】
前記変調方式は多値位相変調または可変伝送レート可変電力直交振幅変調を用いる、
請求項２記載の送信電力制御方法。
【請求項４】
ＭＩＭＯシステムに用いられる送信電力制御装置であって、
所定上限を用いて総送信電力の初期値を設定する初期化手段と、
前記総送信電力の所定上限を用いて、送信アンテナに対して均等に初期の電力を配分する電力配分手段と、
前記初期の電力を用いて、前記送信アンテナの周波数効率を算出する周波数効率算出手段と、
前記周波数効率算出手段において得られた周波数効率と、各変調方式に対応する周波数効率とに基づき、前記周波数効率算出手段において得られた周波数効率を、もっとも接近する変調方式における周波数効率に量子化し、量子化周波数効率を得る量子化手段と、
前記量子化周波数効率を用いて、それに対応する前記送信アンテナの送信電力を再算出する電力再算出手段と、
前記量子化周波数効率と前記電力再算出手段において得られた送信電力を用いて、前記送信アンテナに対して適応変調を行う適応変調手段と、
前記総送信電力の所定上限からすでに前記適応変調が行われた送信アンテナの送信電力を減じて、総送信電力残差を得る送信電力残差計算手段と、
前記電力残差を用いて次の所定間隔の時刻に用いられる総送信電力の初期値を更新する更新手段と、
すでに前記適応変調が適用された送信アンテナの個数を判断して、すでにすべての送信アンテナに対して前記適応変調が行われた場合は当該送信電力制御を終了し、そうでない場合は、前記周波数効率算出手段に次の送信アンテナの周波数効率を算出させる判定手段と、
を具備する送信電力制御装置。
【請求項５】
前記変調方式は多値位相変調または可変伝送レート可変電力直交振幅変調を用いる、
請求項４記載の送信電力制御装置。
【請求項６】
請求項４記載の送信電力制御装置を具備し、
各送信アンテナに対して送信電力および伝送レートを制御する、
ＭＩＭＯシステムに用いられる無線送信装置。
【請求項７】
複数の送信アンテナを用いてＭＩＭＯ方式の通信を行うシステムに用いられる送信電力制御方法であって、
前記送信アンテナ毎の連続値である伝送レートを離散値に量子化するステップと、
前記離散値により、第１時刻における前記送信アンテナ毎の送信電力を決定するステップと、
前記第１時刻における複数の前記送信アンテナの総送信電力と、所定の総送信電力値と、の残差を算出するステップと、
前記第１時刻よりも所定間隔後の第２時刻における複数の前記送信アンテナの総送信電力を、前記残差に基づき算出するステップと、
を具備する送信電力制御方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、時間変動するチャネル環境において適応変調を行うマルチアンテナ無線通信システムの送信電力制御方法、送信電力制御装置、および無線送信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線通信システムとインターネットとが次第に融合していくなかで、ユーザが無線通信サービスの種類と品質に対する要求は高まりつつある。このため無線マルチメディアおよび高速伝送の要求に応じた新世代の無線通信システムを開発する必要が生じている。そのなか、送信側と受信側がともに多元アレーアンテナ(ＭＥＡ：Multi-Element Antennas)を使用する多入力多出力（ＭＩＭＯ）技術が注目を集めている。
【０００３】
ＭＩＭＯ技術によれば空間多重利得を得ることができ、受信アンテナの個数が送信アンテナの個数より多い場合、レイリーフェージング（Rayleigh Fading）チャネルの容量と送信アンテナの数とは線形関係にある。このため、ＭＩＭＯシステムは電力および周波数帯域の増加なしに、システム容量の拡大を図ることができ、伝搬路の品質を著しく向上させることができる。
【０００４】
マルチアンテナシステムにおいて、現在もっとも多く研究されている２つの技術は、空間多重化（例えば、非特許文献１参照）と時空間符号化（例えば、非特許文献２参照）である。前者は、アンテナそれぞれが送信する符号を異ならせることによりシステムの伝送レートを向上させることができる。後者は、複数送信アンテナが送信する複数の符号間に符号化冗長を挿入することによりシステムのビット誤り率特性を向上させることができる。すなわち、空間多重化の技術と時空間符号化の技術を併用することによってＭＩＭＯシステムは、システム容量と伝搬路の品質を著しく向上させることができる。
【０００５】
時不変のＭＩＭＯチャネルにおいては最大の総チャネル容量を得るために、総送信電力の所定上限およびチャネル行列固有値に基づいたＷＦ（Water Filling）アルゴリズムを用いて空間領域で個々のアンテナに電力の配分する（例えば、非特許文献１参照）。一方、時間変動するＭＩＭＯチャネルにおいては、空間領域のＷＦアルゴリズムと時間領域のＷＦアルゴリズムとを結合して電力の配分を行い最大の容量を取得する。しかし、時間領域のＷＦアルゴリズムは、チャネル行列の確率密度関数（ｐｄｆ：probability density function）が既知であることが必要であるが、チャネル行列の確率密度関数を求めるのは複雑で演算量が膨大なため実現性に欠けている。このため、実際の時間変動するチャネルのＭＩＭＯシステムではチャネル行列の確率密度関数を求めることを避けて、チャネルの条件によって送信電力および伝送レートを適応的に調整することにより、最大の総チャネル容量を取得する。
【０００６】
送信電力と伝送レートとの適応的な調整としては、可変伝送レート可変電力直交振幅変調（ＭＱＡＭ：M-ary-Quadrature Amplitude Modulation）が考えられる。可変伝送レート可変電力ＭＱＡＭによれば、チャネル環境が良い場合はデータ伝送レートを増加させ、チャネル環境が悪い場合はデータ伝送レートを減少させることができ、ビット誤り率（ＢＥＲ：Bit Error Rate）を許容範囲内に抑えることができる。
【非特許文献１】G. J. Foschini著、「Bell Labs Tech. J.」、１９９６年、「Ｖｏｌ１」の「Layered space-time architecture for wireless communication in a fading environment when using multi-element antennas」の部分、ｐ．４１−５９
【非特許文献２】G.J.Foschini、M.J.Gans著、「Wireless Personal Communications」、１９９８年６（３）、「On limits of wireless communications in fading environment when using multiple antennas」の部分、ｐ．３１１−３３５
【非特許文献３】I. E. Telatar著、「Eur. Trans. Tel.」、１９９９年１１／１２月第６号、「Capacity of multi-antenna Gaussian channels」の部分、ｐ．５８５−５９５
【非特許文献４】G.G. Raleigh、J.M. Cioffi著、「IEEE Globecom（London）」、１９９６年、「Space-temporal coding for wireless communications」の部分、ｐ．１８０９−１８１４。
【非特許文献５】V.Tarokh、N.Scshadri、A.R.Calderband著、「IEEE Trans. On IT」、１９９８、４４（２）、「Space-time codes for high data rate wireless communication: Performance critierion and code construction」の部分、ｐ．７４４−７６５
【非特許文献６】A. J. GoldsmithおよびS. Chua著、「IEEE Trans. Commun.」、１９９７年４５（１０）、「Variable-rate Variable-power MQAM for fading channels[J]」の部分、ｐ．１２１８−１２３０
【非特許文献７】S. Chung、H. C. Howard,A. Lozano著、「Proc. of IEEE VTC[C] （Jersey City）IEEE Press」、２００１年「Low complexity algorithm for rate and power quantization in extended V-BLAST[A]」の部分、ｐ．９１０−９１４
【発明の開示】
【０００７】
しかし、上記のように可変伝送レート可変電力ＭＱＡＭ変調技術を時間変動するマルチアンテナシステムに適用する場合、連続的な伝送レートを変調レベルに対応する離散値に量子化する量子化処理に起因する、電力損失が生じ、システム容量を低下させる問題がある。
【０００８】
よって、本発明の目的は、適応変調を行うマルチアンテナ無線通信システムに用いられる、演算量が少ない送信電力制御方法を提供することである。
【０００９】
本発明の、ＭＩＭＯシステムに用いられる送信電力制御方法は、ビット誤り率（ＢＥＲ）の許容範囲に基づき、各送信アンテナの連続的な伝送レートおよび送信電力に対して量子化を施し、量子化伝送レートおよび量子化送信電力を得るステップと、前記アンテナ毎の量子化伝送レートおよび量子化送信電力に基づき、アンテナ毎の送信電力を再算出し、現在の送信電力利用状況を次の所定間隔の時刻に伝えるステップと、前記次の所定間隔の時刻において、前記利用状況および総送信電力に基づき、アンテナ毎の伝送レートおよび送信電力を制御し、すべての送信アンテナの送信電力の総和である総送信電力が損失しないように保証し、システムが時変チャネルの環境において最大のチャネル容量を得るステップと、を具備するようにした。
【００１０】
この方法によれば、時間変動するチャネル環境においてＭＩＭＯシステムの最大の総チャネル容量を求めるのに必要な演算量を抑えつつ、送信電力および伝送レートを制御することができ、可変伝送レート可変電力ＭＱＡＭに起因する電力損失を回避することができる。
【００１１】
本発明では、マルチアンテナシステムとして、空間多重化を行い、無線送信装置１５０（基地局ＢＳ：Base Station）がＭ本のアンテナ、無線受信装置１６０（ユーザ）がＮ本のアンテナを備えるＭＩＭＯシステムを例にとって、なおこのシステムの下り回線を例にとって説明する。アンテナ毎の送信電力がＰｍ、すべてのアンテナの送信電力の総和（以下、総送信電力と略称する）の上限値がＰＴである場合、ＰｍとＰＴとは下記の式（１）の関係にある。
【数１】
2006075585.tif 000025
チャネル行列Ｈに対して特異値分解（ＳＶＤ：Singular Value Decomposition）するとＨ＝ＵΛＶＨが得られ、ΛはＮ×Ｍの行列であって、以下行列の標記方法としてこのよう行列をΛＮ×Ｍを記す。なおΛＮ×Ｍは非負対角行列であって、対角要素は（λ１1/2…λＬ1/2）、Ｌ＝min（Ｍ,N）である。アンテナそれぞれに対して、可変伝送レート可変電力ＭＱＡＭ変調を適用する場合、所定のビット誤り率ＢＥＲを満たせる、最大変調多値数はＭｍ＝１＋ＫＰｍλｍであり、ここで調整ファクタはＫ＝−１．５／ｌｎ（５ＢＥＲ）＜１である。なお、第ｍ送信アンテナの最大瞬間周波数効率はＲｍ（λｍ）＝ｌｏｇ２Ｍｍ＝ｌｏｇ２（１＋ＫＰｍλｍ）である。
【００１２】
本発明は、低複雑さの送信電力制御方法を提案し、その思想は以下のようである。まず送信アンテナの周波数効率を算出し、連続的な伝送レートを可能な伝送レート量子化レベルに量子化する。ついで、量子化伝送レートを用いてＢＥＲが許容範囲内に抑えられるアンテナ送信電力を再算出する。このような送信電力制御方法によれば、所定上限の総送信電力の一部分が使われない、または所定上限より多く使われすぎる場合がある。現在の送信電力利用状況を次の所定間隔の時刻に通知することにより、総送信電力上限問題を解決する。すなわち、一部分の送信電力が使われなかった場合は、使われなかった総送信電力を次の所定間隔の時刻（例えば、次のタイムスロット）において利用させ、もし使った総送信電力が上限値を超えたなら、次の時刻で余剰の送信電力を減ずることにより、平均的に総送信電力制約を保証する。
【００１３】
上記の目的を実現するために、本発明の１つの態様は、ＭＩＭＯシステムに用いられる送信電力制御方法であって、この方法はビット誤り率（ＢＥＲ）の許容範囲に基づき、各送信アンテナの連続的な伝送レートおよび送信電力に対して量子化を施し、量子化伝送レートおよび量子化送信電力を得るステップと、前記アンテナ毎の量子化伝送レートおよび量子化送信電力に基づき、アンテナ毎の送信電力を再算出し、現在の送信電力利用状況を次の所定間隔の時刻に伝えるステップと、前記次の所定間隔の時刻において、前記利用状況および総送信電力に基づき、アンテナ毎の伝送レートおよび送信電力を制御し、すべての送信アンテナの送信電力の総和である総送信電力が損失しないように保証し、システムが時変チャネルの環境において最大のチャネル容量を得るステップと、を具備するようにした。
【００１４】
本発明のもう１つの態様は、ＭＩＭＯシステムに用いられる送信電力制御方法であって、この方法は所定上限を用いて総送信電力の初期値を設定する初期化ステップと、前記総送信電力の所定上限を用いて、送信アンテナに対して均等に初期の電力を配分する電力配分ステップと、前記初期の電力を用いて、前記送信アンテナの周波数効率を算出する周波数効率算出ステップと、前記周波数効率算出ステップにおいて得られた周波数効率と、各変調方式に対応する周波数効率とに基づき、前記周波数効率算出ステップにおいて得られた周波数効率を、もっとも接近する変調方式における周波数効率に量子化し、量子化周波数効率を得る量子化ステップと、前記量子化周波数効率を用いて、それに対応する前記送信アンテナの送信電力を再算出する電力再算出ステップと、前記量子化周波数効率と前記電力再算出ステップにおいて得られた送信電力を用いて、前記送信アンテナに対して適応変調を行う適応変調ステップと、前記総送信電力の所定上限からすでに前記適応変調が行われた送信アンテナの送信電力を減じて、総送信電力残差を得る送信電力残差計算ステップと、前記電力残差を用いて次の所定間隔の時刻に用いられる総送信電力の初期値を更新する更新ステップと、すでに前記適応変調が行われた送信アンテナの個数を判断して、すでにすべての送信アンテナに対して前記適応変調が行われた場合は当該送信電力制御を終
了し、そうでない場合は、次の送信アンテナに対して前記周波数効率算出ステップを継続させる判定ステップと、を具備するようにした。
【００１５】
本発明のもう１つの態様は、上記の態様において前記変調方式は多値位相変調または可変伝送レート可変電力直交振幅変調を用いる、送信電力制御方法である。
【００１６】
本発明のもう１つの態様は、ＭＩＭＯシステムに用いられる送信電力制御装置であって、この装置は所定上限を用いて総送信電力の初期値を設定する初期化手段と、前記総送信電力の所定上限を用いて、送信アンテナに対して均等に初期の電力を配分する電力配分手段と、前記初期の電力を用いて、前記送信アンテナの周波数効率を算出する周波数効率算出手段と、前記周波数効率算出手段において得られた周波数効率と、各変調方式に対応する周波数効率とに基づき、前記周波数効率算出手段において得られた周波数効率を、もっとも接近する変調方式における周波数効率に量子化し、量子化周波数効率を得る量子化手段と、前記量子化周波数効率を用いて、それに対応する前記送信アンテナの送信電力を再算出する電力再算出手段と、前記量子化周波数効率と前記電力再算出手段において得られた送信電力を用いて、前記送信アンテナに対して適応変調を行う適応変調手段と、前記総送信電力の所定上限からすでに前記適応変調が行われた送信アンテナの送信電力を減じて、総送信電力残差を得る送信電力残差計算手段と、前記電力残差を用いて次の所定間隔の時刻に用いられる総送信電力の初期値を更新する更新手段と、すでに前記適応変調が行われた送信アンテナの個数を判断して、すでにすべての送信アンテナに対して前記適応変調が行われた場合は当該送信電力制御を終了し、そうでない場合は、前記周波数効率算出手段に次の送信アンテナの周波数効率を算出させる判定手段と、を具備する構成を採る。
【００１７】
本発明のもう１つの態様は、上記の態様において、前記変調方式は多値位相変調または可変伝送レート可変電力直交振幅変調を用いる構成を採る。
【００１８】
本発明のもう１つの態様は、ＭＩＭＯシステムに用いられる無線送信装置であって、上記の態様の送信電力制御装置を具備し、各送信アンテナに対して送信電力および伝送レートを制御する構成を採る。
【００１９】
本発明のもう１つの態様は、複数の送信アンテナを用いてＭＩＭＯ方式の通信を行うシステムに用いられる送信電力制御方法であって、この方法は前記送信アンテナ毎の連続値である伝送レートを離散値に量子化するステップと、前記離散値により、第１時刻における前記送信アンテナ毎の送信電力を決定するステップと、前記第１時刻における複数の前記送信アンテナの総送信電力と、所定の総送信電力値と、の残差を算出するステップと、前記第１時刻よりも所定間隔後の第２時刻における複数の前記送信アンテナの総送信電力を、前記残差に基づき算出するステップと、を具備するようにした。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照して、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。ここで、
記述する実施例は説明が目的であり、本発明の範囲を制限するものではない。
【００２１】
図１は、本実施の形態にかかるＭＩＭＯシステム１００の構成を示すブロック図である。空間多重化を行うＭＩＭＯシステムの下り回線（ブロードキャストチャネル）を考慮する場合、図１に示すように、無線送信装置１５０（基地局ＢＳ）はＭ本のアンテナを備え、無線受信装置１６０（ユーザ）はＮ本のアンテナを備える。
【００２２】
無線送信装置１５０は、シリアル／パラレル（Ｓ／Ｐ）変換部１０１、送信電力／伝送レート制御部１０９を備え、また同様の構成および機能を有する符号化部１０２、インターリーバ１０３、変調部１０４、拡散部１０５、パイロット挿入部１０６、発信（ＴＸ）部１０７、および送信アンテナ１０８をそれぞれＭ個備える。以下、例えば符号化部１０２は符号化部１０２−１〜１０２−Ｍを総称する。
【００２３】
Ｓ／Ｐ変換部１０１は、入力される情報ビットストリームに対してシリアル／パラレル変換処理を行い、送信アンテナの本数Ｍと同じ数のアンテナブランチビットストリーム（以下、サブビットストリームと略称する）を各符号化部１０２−１〜１０２−Ｍそれぞれに出力する。符号化部１０２−１〜１０２−Ｍそれぞれは、ノイズに対処するために、Ｓ／Ｐ変換部１０１から入力される各サブビットストリームに対してターボ符号等を用いてチャネルコーディング（誤り訂正符号化）を行い、インターリーバ１０３−１〜１０３−Ｍそれぞれに出力する。インターリーバ１０３−１〜１０３−Ｍそれぞれは、符号化部１０２−１〜１０２−Ｍそれぞれから入力される各サブビットストリームに対して、インターリービング処理を行い各サブビットストリームの相関性を低減させてから、変調部１０４−１〜１０４−Ｍそれぞれに出力する。変調部１０４−１〜１０４−Ｍそれぞれは、インターリーバ１０３−１〜１０３−Ｍそれぞれから入力される各サブビットストリームに対してＢＰＳＫ（Binary Phase Shift Keying）、ＱＰＳＫ（Quadrature  ＰＳＫ ）、１６ＱＡＭ等の変調処理を行い、得られる各サブシンボルストリームを拡散部１０５−１〜１０５−Ｍそれぞれに出力する。拡散部１０５−１〜１０５−Ｍそれぞれは、変調部１０４−１〜１０４−Ｍそれぞれから入力される各サブシンボルストリームに対して擬似ランダムシーケンスを用いて、拡散処理を行い、パイロット挿入部１０６−１〜１０６−Ｍそれぞれに出力する。パイロット挿入部１０６−１〜１０６−Ｍそれぞれは、拡散部１０５−１〜１０５−Ｍそれぞれから入力される各サブシンボルストリームに同期およびチャネル推定用のパイロットシーケンスを挿入し、ＴＸ部１０７−１〜１０７−Ｍそれぞれに出力する。ＴＸ部１０７−１〜１０７−Ｍそれぞれは、パイロット挿入部１０６−１〜１０６−Ｍそれぞれから入力されるベースバンドの各サブシンボルストリームを送信キャリア周波数の信号にアップコンバートし、送信アンテナ１０８−１〜１０８−Ｍそれぞれを介して送信する。送信電力／伝送レート制御部１０９は、後述する無線受信装置１６０のチャネル／ＳＮＲ推定部１１０からフィードバックされる、各チャネルの利得と、送信アンテナおよび受信アンテナのＳＮＲと、に対する推定結果に基づき、各符号化部１０２−１〜１０２−Ｍ、各インターリーバ１０３−１〜１０３−Ｍ、各変調部１０４−１〜１０４−Ｍ、およびＴＸ部１０７−１〜１０７−Ｍに対して適応変調符号化の制御および送信電力の制御を行う。送信電力／伝送レート制御部１０９における送信電力および伝送レート制御処理の詳細については後述する。
【００２４】
無線受信装置１６０は、チャネル／ＳＮＲ推定部１１０、同期部１１３、受信信号処理部１１５を備え、また同様の構成および機能を有する受信アンテナ１１１、受信（ＲＸ）部１１２、および逆拡散部１１４をそれぞれＮ個備える。以下、例えばＲＸ部１１２はＲＸ部１１２−１〜１１２−Ｎを総称する。
【００２５】
ＲＸ部１１２−１〜１１２−Ｎそれぞれは、受信アンテナ１１１−１〜１１１−Ｎそれぞれが受信した送信キャリア周波数の信号をベースバンドの各サブシンボルストリームに
ダウンコンバートし、同期部１１３に出力する。同期部１１３は、ＲＸ部１１２−１〜１１２−Ｎそれぞれから入力される各サブシンボルストリームに対して、フレーム同期および追従処理を行い逆拡散部１１４−１〜１１４−Ｎそれぞれに出力する。チャネル／ＳＮＲ推定部１１０は、受信信号処理部１１５から入力されるパイロットシーケンスを用いて各チャネルの利得係数と、送信アンテナおよび受信アンテナのＳＮＲとを推定し、無線送信装置１５０のフィードバック送信部（図示せず）を介し、フィードバックチャネルを用いて推定結果を送信電力／伝送レート制御部１０９にフィードバックして、適応変調パターを選択させる。逆拡散部１１４−１〜１１４−Ｎそれぞれは、同期部１１３から入力される各サブシンボルストリームに対して逆拡散処理を行ってから、受信信号処理部１１５に出力する。受信信号処理部１１５は、逆拡散部１１４−１〜１１４−Ｎそれぞれから入力されるサブシンボルストリームに対して、復調処理、逆インターリービング処理、および復号処理を行って情報ビットストリームを復元し、出力する。
【００２６】
ここで上記のような、Ｍ本の送信アンテナとＮ本の受信アンテナとを有するＭＩＭＯシステム１００において、受信信号ベクトルは、下記の式（２）に従って求められる。
【数２】
2006075585.tif 000026
この式において、ｘＭ×１は送信信号ベクトル、ｙＮ×１は受信信号ベクトルであり、ＨＮ×Ｍ行列の各要素は独立ガウスランダム変数、ノイズベクトルｎの二乗偏差はδ２である。なお、演算上の便利さを考慮して、δ２およびＨ各要素は１に正規化されたものとする。アンテナ毎の送信電力をＰｍ、総送信電力をＰＴとする場合、ＰｍとＰＴとは下記の式（３）が示す関係を満たす。
【数３】
2006075585.tif 000027
上記のｘＨは行列ｘに対してＨｅｒｍｉｔｉａｎ転置を行って得られる行列である。
【００２７】
チャネル行列に対して特異値分解（ＳＶＤ）すると、Ｈ＝ＵΛＶＨが得られる。ユニタリ行列ＵＮ×Ｎ、ＶＭ×Ｍはそれぞれ送信前フィルタリング行列および受信後フィルタリング行列を示す。ΛＮ×Ｍは非負対角行列、その対角要素は（λ１1/2…λＬ1/2）、Ｌ＝min（Ｍ,N）である。送信信号に対して送信前フィルタリングを行い、受信信号に対して受信後フィルタリングを行うと、すなわち下記の式（４）から下記の式（５）が得られ、チャネル行列Ｈは下記の式（６）のうちのΛＮ×Ｍを構成するＬ個の固有サブチャネル（λ１1/2…λＬ1/2）に分解される。
【数４】
2006075585.tif 000028
【数５】
2006075585.tif 000029
【数６】
2006075585.tif 000030
このようにチャネル行列Ｈに対して特異値分解を行ってから、ついでＷＦアルゴリズムにより電力配分を行うと最大のチャネル容量を得ることができるが、ＷＦアルゴリムは演算量が膨大であり、実現性に欠けているため、低複雑さの実現方法を提案する必要がある。
【００２８】
チャネルの一回の実施に（例えば、１サブフレーム単位または１タイムスロット単位など所定間隔の時間単位）に対して、瞬間チャネル容量は、下記の式（７）に従って求められる。
【数７】
2006075585.tif 000031
この式において、Ｐｍ＝（μ−λｍ-1）+、μは下記の式（８）を満たす。
【数８】
2006075585.tif 000032
この式において（ｘ）＋の定義はｍａｘ{ｘ,０}であり、ここでλの定義は下記の式（９）の通りである。
【数９】
2006075585.tif 000033
【００２９】
レイリーフェージングの条件において平均チャネル容量は、上記の式（７）を用いて、平均を求めて得られるものであって、下記の式（１０）の通りである。
【数１０】
2006075585.tif 000034
この式において、ｐ（λ１）はλ１のｐｄｆであり、（λ１1/2…λＬ1/2）を構成するＬ個の固有値λ１、λ２、…、λＬのｐｄｆは等しい。すなわち、式（１０）はλ２、…、λＬに依存しない。
【００３０】
時間変動する（ファーストフェージング：fast fading）チャネルにおいて、シャノン（Ｓｈａｎｎｏｎ）容量を得るために、可変伝送レート可変電力ＭＱＡＭ変調をシングルアンテナシステムに適用する技術がある（例えば、非特許文献６参照）。すなわち伝送チャネルの異なる特性に基づき、ＭＱＡＭ変調信号レベルを適応的に変更して、伝送品質を保証しつつ高い周波数効率を得る。以下、この技術をＭＩＭＯシステムへ拡張する。
【００３１】
個々の送信アンテナに対して、ＭＱＡＭ変調を行う場合のビット誤り率（ＢＥＲ）上限は、下記の式（１１）で示される。
【数１１】
2006075585.tif 000035
この式において、Ｍｍは第ｍアンテナが採用する変調多値数を示し、Ｐｍλｍは当該送信アンテナから送信された信号を受信する場合の受信品質（ＳＮＲ）を示す。逆に、ＢＥＲが既知であれば、上記の式（１１）から、下記の式（１２）が示す変調多値数が求められる。
【数１２】
2006075585.tif 000036
この式において、調整ファクタＫは、Ｋ＝−１．５／ｌｎ（５ＢＥＲ）＜１である。
【００３２】
式（７）および式（１２）により、第ｍ送信アンテナの最大瞬間周波数効率（チャネル
容量）は、下記の式（１３）が示す通りになる。
【数１３】
2006075585.tif 000037
この式の中の、Ｐｍは下記の式（１４）に従って求められる。
【数１４】
2006075585.tif 000038
この式において、μは、下記の式（１５）を満たす。
【数１５】
2006075585.tif 000039
なお、平均周波数効率は下記の式（１６）に従って求められる。
【数１６】
2006075585.tif 000040
【００３３】
上記の式（１６）が示す平均周波数効率を得るために、伝送レート（変調レベル）は連続的に変化するものである必要があるが、これは実現しにくい。そこで本発明では、送信アンテナ毎の伝送レートを離散な伝送レートレベルに量子化する。これは、ＭＰＳＫ（多値位相変調）、ＭＱＡＭ（可変伝送レート直交振幅変調）などの変調を用いて実現することが可能である。ここで変調多値数は、下記の式（１７）に示す通りであり、
【数１７】
2006075585.tif 000041
すべての送信アンテナは｛０，１，２，４，…，２（Ｊ−１）｝というＪ＋１種の伝送レートで信号を送信可能である。
【００３４】
図２は、ＭＩＭＯシステム１００において一般的な適応変調を行う手順を示すフロー図である。図示のように、まず、無線受信装置１６０は受信したパイロットシーケンスを用いて個々の送信アンテナに対応する受信品質（ＳＮＲ）を推定し、無線送信装置１５０にフィードバックする（Ｓ２０１）。ついで無線送信装置１５０は、ＳＮＲに基づき異なるレベルの変調方式を選択する（Ｓ２０２）。ここで、Ｓ２０１の「Ｓ」はステップを表し、以下同様である。
【００３５】
この方法において、ＳＮＲのみに基づき、異なる変調方式を選択して変伝送レート変調を行うため、電力損失がシステム容量に対する影響を考慮していない。この方法だけでは、システム容量が低減されるため、システム容量の低減を回避するように本発明は上記の一般的な方法に加えて、量子化に起因する電力損失を補う処理をさらに追加する。
【００３６】
すなわち、本発明では上記の一般的な方法に加え低複雑さの送信電力制御方法（ＬＰＲＣ）をさらに追加する。
【００３７】
図３は、送信電力／伝送レート制御部１０９の内部構成を示すブロック図である。
【００３８】
ＬＰＲＣ方法を実現する送信電力／伝送レート制御装置１０９は、送信電力配分部３０１、周波数効率算出部３０２、量子化部３０３、送信電力再算出部３０４、適応変調部３０５、総送信電力残差算出部３０６、更新部３０７、および判定部３０８を備える。
【００３９】
送信電力配分部３０１は、総送信電力を用いて、送信アンテナ１０８−１〜１０８−Ｍに対して均等な初期値で送信電力の仮設定を行い、この初期値を周波数効率算出部３０２に出力する。周波数効率算出部３０２は、送信電力配分部３０１から入力される送信電力の初期値およびチャネル／ＳＮＲ推定部１１０から送信されるチャネル／ＳＮＲ推定値を用いて送信アンテナ１０８の周波数効率を算出し、量子化部３０３に出力する。量子化部３０３は、各レベルの変調方式に対応する離散の周波数効率からなるデータテーブルを備え、周波数効率算出部３０２から入力される送信アンテナ１０８の周波数効率に最も近い離散値を上記のデータテーブルから選択することにより、周波数効率を量子化する。量子化部３０３は、送信アンテナ１０８の量子化された周波数効率を、送信電力再算出部３０４および適応変調部３０５に出力する。送信電力再算出部３０４は、量子化部３０３から入力される量子化された周波数効率を用いて、送信アンテナ１０８の送信電力を算出し、算出結果を適応変調部３０５および総送信電力残差算出部３０６に出力する。適応変調部３０５は、量子化部３０３から入力される周波数効率および送信電力再算出部３０４から入力される送信電力を用いて、符号化部１０２、インターリーバ１０３、変調部１０４およびＴＸ部１０７に対して制御を行い適応変調を行わせると共に、送信電力を制御する。
【００４０】
総送信電力残差算出部３０６は、総送信電力の所定上限から、送信アンテナ１０８−１〜１０８−Ｍの送信電力の総和を減じて総送信電力残差を得る。更新部３０７は、総送信電力残差算出部３０６から入力される総送信電力残差を用いて総送信電力の初期上限値を更新、設定する。判定部３０８はすでに適応変調を行ったアンテナの個数を判定し、すべてのアンテナに対して電力、伝送レート制御を行った場合、制御過程を終了し、そうでない場合は、まだ適応変調を行わなかった次の送信アンテナに対して送信電力、伝送レート制御を行わせる。
【００４１】
本発明の技術思想は、まず式（１３）（１４）を用いて送信アンテナの周波数効率を算出し、連続的な伝送レートを離散の伝送レートレベルに量子化し、ついで、ＢＥＲを許容範囲内に抑えるために、量子化伝送レートを用いて式（１３）を満足する送信アンテナの送信電力を再算出する。上記の伝送レート量子化、および送信電力制御によれば所定上限の総送信電力の一部分が使われ、または使われ過ぎの場合がある。現在の送信電力利用状況を次の時刻に伝えることにより送信電力損失を回避しつつ、送信電力の上限問題を解決する。すなわち一部分の送信電力が使われなかった場合は、使われなかった分の送信電力を次の所定間隔の時刻（例えば、次のタイムスロット）において利用させ、使用送信電力が所定上限の送信電力を超えた場合は、次の時刻で余剰の送信電力を減ずることにより、平均的に送信電力の所定上限を守る。換言すると、上記の伝送レート量子化、および送信電力制御によれば実際に消費した総送信電力は総送信電力の所定上限値より小さくなる場合と、大きくなる場合とがある。本実施の形態では現在の送信電力消費状況を次の時刻に通知することにより、送信電力損失を回避する。すなわち、実際に利用した総送信電力が総送信電力の所定上限値より小さい場合は、小さくなった分だけ次の時刻での総送信電力を増加させ、実際に利用した総送信電力が総送信電力の所定値より大きい場合は、大きい分だけ次の時刻での総送信電力を減少させることにより、一定の時間において平均をとった場合、総送信電力は所定上限値に維持される。
【００４２】
図４は、送信電力／伝送レート制御部１０９における、送信電力および伝送レート制御の手順を示すフロー図である。
【００４３】
１）まず、送信電力／伝レート制御部１０９は、ｉ＝０、ｍ＝Ｍ、送信電力Ｐｔｏｔ(i
)＝ＰＴとなるように初期上限値で総送信電力の仮設定を行う（Ｓ００１）。ここで、iは送信電力および伝送レート制御を始める時刻を示すカウンタで、０から無限大まで１インクリメントしながら時間の流れを計数し、ｍは送信アンテナの本数Ｍから１まで１デクリメントしながら、送信アンテナを係数するカウンタである。Ｐｔｏｔ(i)＝ＰＴは、所定の総送信電力ＰＴをｉ＝０の場合の総送信電力Ｐｔｏｔ(i)の初期値として仮設定することを意味する。
【００４４】
２）ついで、送信電力配分部３０１は総送信電力Ｐｔｏｔ(i)を用いて、Ｐｍ(i)＝Ｐｔｏｔ(i)／Ｍとなるように第ｍ送信アンテナに対して均等に送信電力の初期配分を行う（Ｓ００２）。ここでＰｍ(i)は、第ｍ送信アンテナの仮設定された送信電力の初期値である。
【００４５】
３）ついで、周波数効率算出部３０２は式（１３）（１４）に従って第ｍ送信アンテナの周波数効率Ｒｍ(i)を算出する（Ｓ００３）。
【００４６】
４）ついで、量子化部３０３は第ｍ送信アンテナの周波数効率Ｒｍ(i)（伝送レート）の量子化を行い、量子化された伝送レートＲｍ(i)を求める（Ｓ００４）。
【００４７】
５）ついで送信電力再算出部３０４は、量子化された伝送レートＲｍ(i)を用いて第ｍアンテナに対して、式（１３）に従ってＰｍ(i)を再算出し、第ｍ送信アンテナの送信に実際に用いられる送信電力Ｐｍ(i)を算出する（Ｓ００５）。
【００４８】
６）ついで適応変調部３０５は、量子化されたＲｍ(i)および再三出されたＰｍ(i)を用いて、第ｍアンテナに対応する符号化部１０２−ｍ、インターリーバ１０３−ｍ、変調部１０４−ｍ、およびＴＸ部１０７−ｍに対して適応変調符号化の制御を行い、適応ＭＱＡＭ変調を行わせる（Ｓ００６）。
【００４９】
７）ついで、総送信電力残差算出部３０６は下記の式（１８）に従って、総送信電力残差Ｐｒｅｍａｉｎ(i)を算出する（Ｓ００７）。
【数１８】
2006075585.tif 000042
【００５０】
８）ついで、更新部３０７はＰｔｏｔ（ｉ＋１）＝ＰＴ＋Ｐｒｅｍａｉｎ（ｉ）となるように、次の時刻i＋１の総送信電力Ｐｔｏｔ(i＋１)の初期値を仮設定する。また更新部３０７は、ｉ＝ｉ＋１となるようにiを１インクリメントする（Ｓ００８）。
【００５１】
９）ついで、判定部３０８では、ｍの値を判定して、ｍ＝１である場合は、送信電力および伝送レート制御の処理を終了させ、ｍ＝１でない場合は、ｍ＝ｍ−１となるようにｍを１デクリメントし、Ｓ００２に戻る（Ｓ００９）。
【００５２】
上記の手順は確定したものではなく、通常の技術者は他の類似した手順で実現しても良く、いくらかのステップを追加、省略、置き換え、または順序を変えても良い。
【００５３】
図５は、本実施例により得られる周波数効率を示す図である。
【００５４】
図５は、シミュレーションを通じて得られるＬＰＲＣ方法の性能を示す。シミュレーションのパラメータは以下のようである。送信、受信アンテナ本数Ｍ＝４、Ｎ＝４、所用ＢＥＲ＝10-3、調整ファクタＫ＝０．２８であり、伝送レートは｛０，１，２，４，６｝と
いう５種のレベルからなり、伝送しない、ＢＰＳＫ、４ＱＡＭ、１６ＱＡＭ、６４ＱＡＭそれぞれに対応する。なお、シミュレーションは５００回の実施に対して行われたものである。
【００５５】
図５は、ＬＰＲＣ方法の周波数効率と連続伝送レート（ＣＰＲ）方法の周波数効率との比較を示し、ここでＣＰＲの周波数効率は式（１６）から求める。図５が示すように、ＬＰＲＣとＣＰＲとの性能は接近しており、送信電力および伝送レートは連続して適応的に変化しなくても、連続的に変化する場合とほぼ同様な周波数効率を得ることができる。
【００５６】
上記の実施の形態に対して、通常の技術者は本発明の精神と範囲を逸脱しない限り、他の各種変更、置き換え、または追加を行って良いことは理解すべきである。
【００５７】
このように、本実施の形態によれば、複雑で演算量が膨大なＷＦアルゴリズムを使うことなく、ＭＩＭＯシステムの最大の総チャネル容量を求めるため、必要な演算量を抑えつつ、送信電力および伝送レートを制御することができ、可変伝送レート可変電力ＭＱＡＭを行うことに起因する電力損失を回避することができる。
【００５８】
なお、本実施の形態では、無線送信装置１５０に送信電力／伝送レート制御部１０９を設ける場合を例にとって説明したが、これに限定されず、無線受信装置１６０に送信電力／伝送レート制御部１０９を設けて、送信電力／伝送レート制御部１０９において送信電力および伝送レートを決定し、無線送信装置１５０に通知するようにしても良い。かかる場合、無線送信装置１５０は無線受信装置１６０の送信電力／伝送レート制御部１０９から通知される送信電力および伝送レートに基づき適応ＭＱＡＭ変調を行う。
【００５９】
また、本実施の形態では、図４の処理手順Ｓ００８が示すように第ｉ＋１時刻の総送信電力の初期値は、１つ前の第ｉ時刻の総送信電力残差を用いて調整される場合を例にとって説明したが、これに限定されず、第ｉ時刻よりも幾つか前の時刻の総送信電力残差、例えばＰＲｒｅｍａｉｎ（ｉ−３）からＰＲｒｅｍａｉｎ（ｉ）までの４つの値を用いて第ｉ＋１時刻の総送信電力の初期値を調整しても良い。
【００６０】
また、ここでは、本発明をハードウェアで構成する場合を例にとって説明したが、本発明をソフトウェアで実現することも可能である。例えば、本発明に係る送信電力制御方法のアルゴリズムをプログラミング言語によって記述し、このプログラムをメモリに記憶しておいて情報処理手段によって実行させることにより、本発明に係る無線送信装置と同様の機能を実現することができる。
【００６１】
本明細書は、２００５年１月１１日出願の中国特許出願第２００５１０００３７８６．３号に基づく。この内容はすべてここに含めておく。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明に係る送信電力制御方法、および無線送信装置は、時間変動するチャネル環境において適応変調を行うマルチアンテナ無線通信システム等の用途に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の一実施の形態に係るＭＩＭＯシステムの構成ブロック図
【図２】本発明の一実施の形態に係るＭＩＭＯにおいて一般的な適応変調方法を行う手順を示すフロー図
【図３】本発明の一実施の形態に係る送信電力／伝送レート制御部の内部構成を示すブロック図
【図４】本発明の一実施の形態に係る送信電力／伝送レート制御部における送信電力制御方法の手順を示すフロー図
【図５】本発明の一実施の形態により得られる周波数効率を示す図
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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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【国際調査報告】
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