(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｍ個（Ｍは２以上の整数）のアンテナ素子を備える送信装置とＮ個（Ｎは２以上の整数）のアンテナ素子を備える受信装置とが、空間分割多重伝送方式（ＳＤＭ）で通信する通信システムにおける、前記送信装置であって、
前記送信装置が備えるＭ個のアンテナ素子にそれぞれ接続され、ＳＤＭにおける伝搬方向に対応するｋ個（ｋは２以上の整数）の指向性を形成するｋ個の指向性形成装置と、
前記ｋ個の指向性形成装置に接続され、指向性形成装置の指向性を制御する指向性制御装置と、
前記ｋ個の指向性形成装置に接続され、入力される送信信号に対して直並列変換や多値化などの処理を施し、これを前記ｋ個の指向性形成装置に出力する信号分配装置と、
前記受信装置から送信される、前記受信装置が備えるチャネル応答推定装置により推定された、前記送信装置の各アンテナ素子と前記受信装置の各アンテナ素子の間のチャネル応答を受信するチャネル応答受信装置と、を備え、
前記指向性制御装置は、前記受信したチャネル応答を要素とするＮ×Ｍの大きさの行列Ａを用いＡHＡ（Hはエルミート変換）の行列から複数の固有ベクトルを算出する算出手段と、前記算出手段により算出した複数の固有ベクトルを固有値の大きい方から順にｋ個選択する選択手段と、前記選択手段により選択されたｋ個の固有ベクトルで定まるｋ個の指向性を、前記ｋ個の指向性形成装置が形成するｋ個の指向性として設定する手段と、を有することを特徴とする送信装置。
【請求項２】
Ｍ個（Ｍは２以上の整数）のアンテナ素子を備える送信装置とＮ個（Ｎは２以上の整数）のアンテナ素子を備える受信装置とが、空間分割多重伝送方式（ＳＤＭ）で通信する通信システムにおける、前記送信装置であって、
前記送信装置が備えるＭ個のアンテナ素子にそれぞれ接続され、ＳＤＭにおける伝搬方向に対応するｋ個（ｋは２以上の整数）の指向性を形成するｋ個の指向性形成装置と、
前記ｋ個の指向性形成装置に接続され、指向性形成装置の指向性を制御する指向性制御装置と、
前記ｋ個の指向性形成装置に接続され、入力される送信信号に対して直並列変換や多値化などの処理を施し、これを前記ｋ個の指向性形成装置に出力する信号分配装置と、
前記送信装置の各アンテナ素子と前記受信装置の各アンテナ素子の間のチャネル応答を推定するチャネル応答推定装置と、を備え、
前記指向性制御装置は、前記チャネル応答推定装置により推定したチャネル応答を要素とするＮ×Ｍの大きさの行列Ａを用いＡHＡ（Hはエルミート変換）の行列から複数の固有ベクトルを算出する算出手段と、前記算出手段により算出した複数の固有ベクトルを固有値の大きい方から順にｋ個選択する選択手段と、前記選択手段により選択されたｋ個の固有ベクトルで定まるｋ個の指向性を、前記ｋ個の指向性形成装置が形成するｋ個の指向性として設定する手段と、を有することを特徴とする送信装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、送信装置に関し、特に、基地局から端末へ送信する信号の伝送容量を増やすことのできる送信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
１つの基地局が多数のユーザと通信を行う無線通信として、移動通信がある。近年、この移動通信の普及に伴い、無線通信ユーザが急速に増加している。また、近年、マルチメデイア通信の普及に伴い、通信される情報量も急速に増加している。かかる無線ユーザの増加および通信される情報量の増加に対処するためには、多数のユーサが通信を行うための広い帯域が必要であるが、無線周波数資源は限られているため、現在、周波数をより有効に利用することが求められている。
【０００３】
周波数を有効に利用する方式としては、通信用に割り当てられた周波数を細かく分割し、これを複数のユーザに割り当てて通信を行う周波数分割多重アクセス方式（ＦＤＭＡ）、周波数チャネルを時間的に分割し、これを複数のユーザに割り当てて通信を行う時間分割多重アクセス方式（ＴＤＭＡ）、各ユーザに他の符号と直交性のある固有の符号を割り当て、帯域内に信号を拡散させて通信を行う符号分割多量アクセス方式（ＣＤＭＡ）などが提案され、実際のシステムで使用されている。
【０００４】
空間分割多重伝送方式（Ｓｐａｃｅ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕ１１ｉｐ１ｅｘ：ＳＤＭ）も、これらの方式と同様に、周波数を有効に利用する方式として、提案されている方式である。
【０００５】
この空間分割多重伝送方式とは、移動通信で一般的に生じるマルチパス環境の下、限られた帯域で情報の伝送容量を増加させる方式であって、基地局および端末に複数のアンテナを配置し、各アンテナから互いに異なる信号を同時に送信し、端末側の複数のアンテナアレーの指向性により、この同時に送信された複数の異なる信号を空間的に分離し受信する方式である（参考文献：例えば、Ｒｉｃｈａｒｄ  ｖａｎ  Ｎｅｅ、Ａｌｌｅｒｔ  ｖａｎ  Ｚｅｓｌｔ  ａｎｄ  Ｇｅｅｒｔ  Ａｗａｔｅｒ、“Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄ  Ｄｅｃｏｄｉｎｇ  ｉｎ  ａ  Ｓｐａｃｅ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕ１１ｉｐ１ｅｘ  Ｓｙｓｔｅｍ”、ＩＥＥＥ５１ｓｔ  ＶＴＣ  ２０００−Ｓｐｒｉｎｇ  ｖｏｌ．１、ｐｐ．６−１０、Ｍａｙ  ２０００  Ｔｏｋｙｏ、Ｊａｐａｎ）。
【０００６】
なお、ＳＤＭのように基地局と端末のアンテナをアレーとする構成は、一般に、ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ  Ｉｎｐｕｔ  Ｍｕｌｔｉ  Ｏｕｔｐｕｔ）構成と言われる。
【０００７】
図６は、従来のＳＤＭの構成例を示す図である。６−１は基地局のアンテナ、６−２は信号を各素子へ分配する信号分配装置、６−３は基地局装置、６−４は端末のアンテナ、６−５は信号復号装置、６−６は端末である。
【０００８】
図６における基地局の各アンテナ素子から送信された信号Ｓ1〜Ｓｎは、マルチパス伝搬路を通して端末に到来する。端末において信号Ｓ1〜Ｓｎを復号するためには、基地局の各アンテナと端末のアンテナ間のチャネル応答を推定すればよい。
【０００９】
この基地局の各アンテナと端末アンテナ間のチャネル応答は、例えば、基地局において、各アンテナから端末に対し異なるタイミングでトレーニング信号を送信した後、端末において、このトレーニング信号と受信する基地局の各アンテナからの信号との相関をとればよい。
【００１０】
以上説明したように、上記従来のＳＤＭを用いれば、周波数帯域を広げることなく、基地局または端末のいずれかアンテナ素子数の少ない方のアンテナの数だけ、信号を多重して伝送することが、理想的には可能である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来のＳＤＭでは、基地局にアレーアンテナを配置しているが、このアレーアンテナを構成する各アンテナ素子からは、異なる信号が送信される。したがって、上記基地局のアレーアンテナでは、指向性の形成ができない。
【００１２】
また、通常、アレーアンテナを構成するアンテナには、放射特性のほぼ等しいアンテナが用いられる。したがって、上記従来のＳＤＭにおける、指向性を形成することができないアレーアンテナの各アンテナ素子から送信された信号は、ほほ同じ伝搬経路を通って端末に到来する。よって、上記従来のＳＤＭでは、端末において多重化された信号を分離する際に、分離特性が劣化するという問題があった。
【００１３】
そこで、本発明は、かかる事情に鑑み、ＳＤＭにおいて、上記分離特性を向上することができる送信装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、上記課題は、前記特許請求の範囲に記載の手段により解決される。すなわち、請求項１に記載の発明は、Ｍ個（Ｍは２以上の整数）のアンテナ素子を備える送信装置とＮ個（Ｎは２以上の整数）のアンテナ素子を備える受信装置とが、空間分割多重伝送方式（ＳＤＭ）で通信する通信システムにおける、前記送信装置であって、
【００１５】
前記送信装置が備えるＭ個のアンテナ素子にそれぞれ接続され、ＳＤＭにおける伝搬方向に対応するｋ個の指向性を形成するｋ個の指向性形成装置と、前記ｋ個の指向性形成装置に接続され、指向性形成装置の指向性を制御する指向性制御装置と、前記ｋ個の指向性形成装置に接続され、入力される送信信号に対して直並列変換や多値化などの処理を施し、これを前記ｋ個の指向性形成装置に出力する信号分配装置と、
【００１６】
前記受信装置から送信される、前記受信装置が備えるチャネル応答推定装置により推定された、前記送信装置の各アンテナ素子と前記受信装置の各アンテナ素子の間のチャネル応答を受信するチャネル応答受信装置と、を備え、
【００１７】
前記指向性制御装置は、前記受信したチャネル応答を要素とするＮ×Ｍの大きさの行列Ａを用いＡHＡ（Hはエルミート変換）の行列から複数の固有ベクトルを算出する算出手段と、
【００１８】
前記算出手段により算出した複数の固有ベクトルを固有値の大きい方から順にｋ個選択する選択手段と、前記選択手段により選択されたｋ個の固有ベクトルで定まるｋ個の指向性を、前記ｋ個の指向性形成装置が形成するｋ個の指向性として設定する手段と、を有することを特徴とする送信装置である。
【００１９】
請求項２に記載の発明は、Ｍ個（Ｍは２以上の整数）のアンテナ素子を備える送信装置とＮ個（Ｎは２以上の整数）のアンテナ素子を備える受信装置とが、空間分割多重伝送方式（ＳＤＭ）で通信する通信システムにおける、前記送信装置であって、
【００２０】
前記送信装置が備えるＭ個のアンテナ素子にそれぞれ接続され、ＳＤＭにおける伝搬方向に対応するｋ個（ｋは２以上の整数）の指向性を形成するｋ個の指向性形成装置と、前記ｋ個の指向性形成装置に接続され、指向性形成装置の指向性を制御する指向性制御装置と、前記ｋ個の指向性形成装置に接続され、入力される送信信号に対して直並列変換や多値化などの処理を施し、これを前記ｋ個の指向性形成装置に出力する信号分配装置と、前記送信装置の各アンテナ素子と前記受信装置の各アンテナ素子の間のチャネル応答を推定するチャネル応答推定装置と、を備え、
【００２１】
前記指向性制御装置は、前記チャネル応答推定装置により推定したチャネル応答を要素とするＮ×Ｍの大きさの行列Ａを用いＡHＡ（Hはエルミート変換）の行列から複数の固有ベクトルを算出する算出手段と、前記算出手段により算出した複数の固有ベクトルを固有値の大きい方から順にｋ個選択する選択手段と、前記選択手段により選択されたｋ個の固有ベクトルで定まるｋ個の指向性を、前記ｋ個の指向性形成装置が形成するｋ個の指向性として設定する手段と、を有することを特徴とする送信装置である。
【００２２】
一般に、ＳＤＭにおいては、複数の伝搬方向が存在する。この伝搬方向の数をｋ個とすると、本発明に係る送信装置は、ｋ個の指向性形成装置を備える。すなわち、本発明に係る送信装置は、ＳＤＭにおける伝搬方向に対応する数の指向性形成装置を備える。
【００２３】
本発明によれば、ＳＤＭにおいて使用される複数の指向性は、基地局と端末とが有する素子間のチャネル応答に基づき設定される。したがって、本発明に係る送信装置を用いれば、ＳＤＭの端末における分離特性を向上させることができる。
【００２４】
以下に、指向性の決定の有効性に関する原理について述べる。
送信信号をＳ（ｔ）、指向性形成装置の量みベクトルをｗ、雑音をｎ、端末アンテナでの受信信号ベクトルをｒとすると、受信信号ｒは以下の式で表される。
【００２５】
【数１】
0003798325.tif 000002
ただし、
【００２６】
【数２】
0003798325.tif 000003
【００２７】
【数３】
0003798325.tif 000004
【００２８】
【数４】
0003798325.tif 000005
ここで、端末のアンテナにおいて、送信信号に対して最大比合成受信を行う場合、端末アンテナアレーのウェイトは（ＡＷH）で表されるため、最大比合成受信時の端末での出力信号ｙは、
【００２９】
【数５】
0003798325.tif 000006
となる。ここで、行列ＡHＡは非負のエルミート行列である。よって、出力ｙの希望波成分を最大とするためには、数５のＡHＡの最大固有値に対応する固有ベクトルを用いればよい、
【００３０】
また、ｎ番目に大きい固有値に対応する固有ベクトルを重みとする放射特性は、ｎ−１番目までの固有値に対応する固有ベクトルを重みとした放射特性と直交する特性を有するため、このような指向性を基地局に順次与えることにより、その直交性から、異なる信号系列の分離特性がよくなる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照しつつ、本発明に係る適応アレーアンテナ装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００３２】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る送信装置を示す図である。図１に示す送信装置を備えた基地局は、受信装置を備えた端末と通信する。図１において、１−１は送信装置アンテナ素子、１−２は指向性形成装置、１−３は信号分配装置、１−４は指向性制御装置、１−５は送信装置、１−６は受信装置アンテナ素子、１、７はチャネル応答推定装置、１−８は受信装置である。
【００３３】
基地局は、各アンテナからトレーニング信号を順次信号を送信し、端末は、各アンテナを介して該送信されたトレーニング信号を受信する。端末に配置されたチャネル応答推定装置は、この受信したトレーニング信号を用いて、基地局の各アンテナと端末の各アンテナ間のチャネル応答を推定する。ここで、基地局のｉ番目の素子と端末のｋ番目の素子間のチャネル応答はaikと表記する。
【００３４】
端末は、推定したチャネル応答を基地局へ返送する。返送されたチャネル応答の情報は、基地局のチャネル応答情報受信手段により受信された後、指向性制御装置に入力される。
【００３５】
なお、本実施の形態においては、端末がチャネル応答推定装置を備えているが、このチャネル応答推定装置は、基地局が備えてもよい。この場合、基地局が備えるチャネル応答推定装置は、端末から送信される信号に基づいて基地局の各アンテナと端末の各アンテナ間のチャネル応答を推定し、この推定したチャネル応答の情報を指向性制御装置へ出力する。
【００３６】
基地局は、数６に示すチャネル応答行列の積で与えられる行列の固有値及び固有ベクトルを求め、固有べクトルの値を各アンテナの指向性のウェイトとして、固有値の大きな方から順次、指向性形成装置に与える。
【００３７】
すなわち、基地局の送信装置は、得られた複数の固有ベクトルを固有値の大きい方から順にＳＤＭにおける伝搬方向に対応するｋ個選択し、それらｋ個の固有ベクトルで定まる指向性をｋ個の指向性形成装置の指向性として設定する。
【００３８】
【数６】
0003798325.tif 000007
直並列変換装置は、送信信号を入力され、この送信信号を並列変換し、各指向性形成装置へ出力する。この送信信号は、各指向性形成装置への出力に際し、必ずしも等分配される必要はない。また、直並列変換装置は、並列変換した送信信号を多値変調を行う信号分配装置へ出力してもよい。この場合、信号分配装置は、入力された送信信号に多値変調を施した後、これを各指向性形成装置へ出力する。
【００３９】
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る送信装置を示す図である。送信装置には、指向性形成装置２−２が一つだけ配置され、信号分配装置２−３は、信号を１６ＱＡＭ変調信号に変換している。ここでは、基地局アンテナの素子数を２素子、端末の素子数を２素子としている。
【００４０】
端末は、求めた基地局の各アンテナと端末の各アンテナの間のチャネル応答を、アップリンク信号などで基地局に返送する。
図３は、第２の実施の形態における送信電力と平均誤り率の関係のシミュレーション結果を示す図である。ここで、送信電力は、無指向性アンテナ１素子について平均Ｅs／Ｎ0（多値化された信号の電力と雑音電力の比）が０ｄＢとなるときの送信電力で規格化した総送信電力である。
【００４１】
伝搬環境は、各送信・受信アンテナごとに独立な準性的レイリーフェージングとした。また、各素子間のチャネル応答行列Ａは既知とした。比較のために、送信装置の各アンテナから異なる信号を送信して端末のアレーアンテナで受信する従来のＳＤＭを用いたときの誤り率特性も第３図に併せて示す。
【００４２】
このＳＤＭによる伝送容量は、本実施の形態における伝送容量と等しくしている。図３に示すように、本発明によれば、誤り率１０3を得る送信電力を１５ｄＢ以上低減できる。
【００４３】
図４は、本発明の第３の実施の形態を示す図である。図４においては、送信装置には、指向性形成装置が２つ配置されており（４−２−１、４−２−２）、一方の指向性形成装置４−２−１の重みには最大固有値に対応する固有ベクトルを用い、他方の指向性形成装置４−２−２の重みには２番目に大きい固有値に対応する固有ベクトルを用いている。
【００４４】
図５は、第３の実施の形態における送信電力と平均誤り率の関係のシミュレーション結果を示す図である。ここで、送信装置の素子数は４である。信号分配装置は、指向性形成装置４−２−１（最大固有値に対応する固有ベクトルを重みとしたビーム）へ６４ＱＡＭで変調した信号を出力し、指向性形成装置４−２−２（第２固有値に対応する固有ベクトルを重みとしたビーム）へＱＰＳＫで変調した信号を出力している。
【００４５】
その他の計算条件は図３の場合と同様である。比較として、４素子を用いたＳＤＭでの結果、および第２の実施の形態の構成で２５６ＱＡＭ変調した信号を送信した場合の結果を、図５に併せて示す。ここでも、３つの構成の場合の総伝送容量は同じとなっている。
【００４６】
図５より、本実施の形態のように、送信装置に２つの指向性形成回路を配置し、固有値の大きい順に固有ベクトルを指向性形成装置の重みとすることによって伝送特性が改善できることがわかる。本実施の形態では、最大固有値に対する指向性形成装置と他方の指向性形成装置に入力する信号の多値度が６４ＱＡＭとＱＰＳＫと異なるが、これは１６ＱＡＭと１６ＱＡＭのように同等にしてもよい。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、周波数帯域を広げることなく無線信号の伝送容量をあげることができるため、次世代の無線通信に求められている大容量通信を実現することができるとともに、限りのある周波数資源を有効に活用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る送信装置を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る送信装置を示す図である
【図３】第２の実施の形態における送信電力と平均誤り率の関係のシミュレーション結果を示す図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態を示す図である。
【図５】第３の実施の形態における送信電力と平均誤り率の関係のシミュレーション結果を示す図である。
【図６】従来のＳＤＭの構成例を示す図である。
【符号の説明】
１−１    基地局アンテナ素子
１−２    指向性形成装置
１−３    信号分配装置
１−４    指向性制御装置
１−５    基地局装置
１−６    端末アンテナ索子
１−７    チャネル応答推定装置
１−８    端末装置
２−１    基地局アンテナ素子
２−２    指向性形成装置
２−３    信号分配装置
２−４    指向性制御装置
２−５    基地局装置
２−６    端末アンテナ素子
２−７    チャネル応答推定装置
２−８    端末装置
４−１    基地局アンテナ素子
４−２−１    指向性形成装置
４−２−２    指向性形成装置
４−３    信号分配装置
４−４    指向性制御装置
４−５    基地局装置
４−６    端末アンテナ素子
４−７    チャネル応答推定装置
４−８    端末装置
６−１    基地局アンテナ素子
６−２    信号分配装置
６−３    基地局装置
６−４    端末アンテナ素子
６−５    信号復号装置
６−６    端末装置
【図１】
0003798325.tif 000008
【図２】
0003798325.tif 000009
【図３】
0003798325.tif 000010
【図４】
0003798325.tif 000011
【図５】
0003798325.tif 000012
【図６】
0003798325.tif 000013