JP4619392B2 - 空間多重伝送用送信方法及び通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、同一の周波数チャネルを用い、異なる複数の送信アンテナより独立な信号系列を空間多重し、複数の通信相手への情報伝達を実現する高速無線アクセスシステムにおいて、時変動による特性劣化を考慮した空間多重伝送用送信方法及び通信装置に関する。

近年、２．４ＧＨｚ帯または５ＧＨｚ帯を用いた高速無線アクセスシステムとして、ＩＥＥＥ８０２．１１ｇ規格、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ規格などの普及が目覚ましい。これらのシステムでは、マルチパスフェージング環境での特性を安定化させるための技術である直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ : Orthogona1 Frequency Division Multiplexing）変調方式を用い、最大で５４Ｍｂｐｓの伝送速度を実現している。ただし、ここでの伝送速度とは物理レイヤ上での伝送速度であり、実際にはＭＡＣ（Medium Access Contro1）レイヤでの伝送効率が５０〜７０％程度であるため、実際のスループットの上限値は３０Ｍｂｐｓ程度である。一方で、有線ＬＡＮの世界ではＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）の１００Ｂａｓｅ−Ｔインタフェースをはじめ、各家庭にも光ファイバを用いたＦＴＴＨ（Fiber to the home）の普及から、１００Ｍｂｐｓの高速回線の提供が普及しており、無線ＬＡＮの世界においても更なる伝送速度の高速化が求められている。

そのための技術としては、マルチユーザＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）送信技術がよく知られている。マルチユーザＭＩＭＯ送信技術とは、送信局側において複数の送信アンテナから同一周波数同一タイミングで異なる独立な信号を複数の通信相手に送信し、複数の通信相手の受信アンテナ全体を巨大な受信アレーとみなして下りスループットの向上を実現する技術である。

マルチユーザＭＩＭＯ送信技術の一例としてＢＤ（Block Diagonalization）送信技術を例として示す。送信装置のアンテナ素子数をＭｔ、通信相手の数をＭａ、ｉ番目の通信相手の受信アンテナ素子数をＭｒ（ｉ）、ｉ番目の通信相手に同時、同周波数帯において送信する通信系列数をＬ（ｉ）、Ｍｔ≧Ｍｒ（ｉ）として通信相手を決定する方法の一例を示す。

図６は伝搬環境に最適となるように送信指向性を制御し、空間多重を行い伝送速度を向上させる、従来技術におけるＢＤ指向性制御法の構成例である。図６において、符号９０１はデータ分割回路、９０２は送信信号変換回路、９０３−１〜９０３−Ｍ_Ｔは無線部、９０４−１〜９０４−Ｍ_Ｔはアンテナ素子、９０５はチャネル情報取得回路、９０６は通信相手選択回路、９０７は送信符号化法決定回路、９０８は送信モード決定回路である。

アンテナ９０４−１〜９０４−Ｍ_Ｔ及び無線部９０３−１〜９０３−Ｍ_Ｔは、無線信号の送受信を行うことが可能であり、これらを介して送信部の各アンテナ９０４−１〜９０４−Ｍ_Ｔと通信相手の各アンテナ間のチャネル情報をチャネル情報取得回路９０５において推定することができる。このチャネル情報の取得方法はここでは明記しないが、アンテナ９０４−１〜９０４−Ｍ_Ｔにおいて既知信号の受信を行った際に得られる情報を元に推定するか、もしくは受信信号に含まれるフィードバック情報に含まれる情報によって、チャネル情報が取得される。

通信相手選択回路９０６において通信を行う複数の通信相手が決定されると、当該通信相手のチャネル情報が送信符号化法決定回路９０７に入力される。送信符号化法決定回路９０７は入力されたチャネル情報を用いて各信号系列の送信ウェイトと通信品質を算出し、送信モード決定回路９０８は、データストリーム数、データストリームに対応する変調方式と符号化率等からなる送信モードを決定し、送信信号変換回路９０２へ出力する。

データ出力回路９０１では対応する通信相手へのデータを生成し、既知信号の付与や、符号化などの変換を送信信号変換回路９０２で行った後、無線部９０３−１〜９０３−Ｍ_Ｔに入力され、アンテナ９０４−１〜９０４−Ｍ_Ｔを介して無線信号として送信される。

以下、マルチユーザＭＩＭＯ送信の例として、ＢＤ指向性制御法について示す。図６において、チャネル情報取得回路９０５において得られたｉ番目の通信相手に対するチャネル情報を表すチャネル行列Ｈ_ｉ（Ｍｒ（ｉ）×Ｍｔ行列）は下式のように特異値分解により、右特異行列Ｖ_ｉ（Ｍｔ×Ｍｔ行列）、左特異行列Ｕ_ｉ（Ｍｒ（ｉ）×Ｍｒ（ｉ）行列）及び固有値の二乗根√λ_ｉ，１，√λ_ｉ，2，・・・√λ_{ｉ，Ｍｒ（ｉ）}を対角要素とし、非対角行列を０とする行列Ｄ（Ｍｒ（ｊ）×Ｍｔ行列）に分けることができる。

ここでＨ_ｉ，ｊｋは送信装置のｋ番目のアンテナからｉ番目の通信相手におけるｊ番目のアンテナまでの伝達係数を表す。右特異行列Ｖ_ｉのうち、Ｖ'_ｉは固有値に対応する列ベクトル群、Ｖ''_ｉは０に対応する列ベクトル群である。

シングルユーザ通信において、最大の周波数利用効率が得られる方法として知られる固有ベクトル送信においては、列ベクトルＶ'_ｉを送信ウェイトとすることで、対応する固有値λ_ｉで表せる信号電力を得ることができる（λ_ｉ，１≧λ_ｉ，２≧…≧λ_{ｉ，Ｍｒ（ｉ）}）。上付きの添え字Ｈは共役複素行列を表す。

ＢＤ法を用いて、Ｍａの通信相手に同一周波数同一タイミングのチャネルを用いて送信することを考え、通信相手Ｍａのうちｉ番目の通信相手に注目する。まず基地局はｉ番目の通信相手に対し、ｉ番目の通信相手以外の通信相手Ｍａ−１のチャネル行列からなる集合行列を以下のように算出する。

Ｒ'_ｊはｊ番目の通信相手に仮定した受信ウェイトである。このＨ^＋ _ｉに対し、特異値分解を行うと、

と表すことができる。ここで、Ｖ^＋ _ｉは平方根を対角要素にもつ対角行列Ｄ^＋ _ｉに対応する信号空間ベクトルでありＶ⁻ _ｉは固有値がないもしくは固有値０に対応するヌル空間ベクトルである。

ここで、ヌル空間Ｖ⁻ _ｉに対し、送信を行うと、ｉ以外の通信相手が形成する受信ウェイトに対し、干渉を生じない。そこで、この送信空間において得られる通信品質を評価するには、ｉ番目の通信相手のチャネル行列に対し、このヌル空間ウェイトＶ⁻ _ｉを乗算して得られる行列の特異値を計算すればよい。

よって送信ウェイトとして、Ｖ⁻ _ｉ［Ｖ'''_ｉ］_Ｌ（ｉ）を送信ウェイトとすることで、Ｄ'''_ｉの対角成分の二乗値であるヌル空間固有値、λ'_ｉ，１，…，λ'_{ｉ，Ｍｒ（ｉ）}に対応する品質が得られることになる。ここで、［Ａ］_Ｌは右特異行列Ａの列ベクトルから、高い固有値に対応するＬ個の列ベクトルからなるＭｔ×Ｌの行列を表すこととする。

また、このヌル空間固有値は繰り返し演算により増大させることが可能であり、数式（４）で得られた左特異行列Ｕ'''_ｉのエルミート行列を、数式（２）で用いた受信ウェイトＲ'_ｉとして用いることで、通信品質を向上させることができる。ＢＤ法の達成可能な周波数利用効率を求めると、

と表すことができる。ここで、熱雑音の分数値は１と仮定しており、Ｐ'_ｉ ^２は電力配分を表す対角行列、対角要素はＰ'_ｉ，１ ^２，…，Ｐ'_{ｉ，Ｍｒ（ｉ）} ^２と表すことができる。｜Ａ｜は行列Ａの行列式を表す。ｉ番目の通信相手の達成可能な周波数利用効率は、

とあらわせる。

しかし、上記送信ウェイトを求めるために用いたチャネル行列が、実際に通信を行う際のチャネル行列との間に誤差が生じると、ユーザ間に干渉が生じ、通信品質が劣化する。よって、データストリーム数、変調方式、符号化率をこの時変動による通信品質の劣化を考慮せず決定すると、受信側で大きなビット誤りが生じ、マルチユーザＭＩＭＯ通信による通信速度の増大効果を得られなくなる。
Q.H.Spencer, A.L.Swindlehurst, and M. Haardt, "Zero-Forcing Methods for Downlink Spatia1 Multiplexing in Multiuser MIMO Channels," IEEE Trans. Sig. Processing, vol.52, issue 2, Feb.2004,pp.461- 71.

上記の手段は複数の通信相手に対し、同一時間、同一周波数帯において、空間多重により高い周波数利用効率を得ることを可能とするが、チャネルが時間変動する場合には、通信の大きな障害となる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、時変動による通信品質の劣化の大きさをあらかじめ考慮し、受信側においで情報に大きな誤りが生じるのを防ぐことができる空間多重伝送用送信方法及び通信装置を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するために、本発明は、複数のアンテナ素子を備え、複数の通信相手通信装置に対し、同一周波数チャネル及び同一時刻に空間多重して送信を行う通信装置における通信方法であって、前記通信相手通信装置から受信した受信信号に基づいて、前記通信相手通信装置に対応するチャネル情報を推定して取得するチャネル情報取得ステップと、取得したチャネル情報、もしくはチャネル情報から得られる情報を記憶するチャネル記憶ステップと、前記チャネル記憶ステップにて記憶された複数の時間に対応するチャネル情報を用い、時変動による通信品質劣化量を推定する時変動特性劣化評価ステップと、時変動特性劣化評価ステップで推定されたチャネルの時変動量と、送信ウェイト決定に用いるチャネル情報の推定時間と送信予定時間との差から、送信により得られる信号品質を推定し、データストリーム数、データストリームにわりあてる変調方式、符号化率等からなる送信モードを決定する送信モード決定ステップと、を含むことを特徴とする。

本発明は、複数のアンテナ素子を備え、複数の通信相手通信装置に対し、同一周波数チャネル及び同一時刻に空間多重して送信を行う通信装置における通信方法であって、前記通信相手通信装置から受信した受信信号に基づいて、前記通信相手通信装置に対応するチャネル情報を推定して取得するチャネル情報取得ステップと、チャネル情報から信号空間ベクトルを算出する信号空間算出ステップと、取得した信号空間ベクトルを記憶するチャネル記憶ステップと、前記チャネル記憶ステップにて記憶された複数の時間に対応する信号空間ベクトルを用い、時変動による通信品質劣化量を推定する時変動特性劣化評価ステップと、時変動特性劣化評価ステップで推定されたチャネルの時変動量と、送信ウェイト決定に用いるチャネル情報の推定時間と送信予定時間との差から、送信により得られる信号品質を推定し、データストリーム数、データストリームにわりあてる変調方式、符号化率等からなる送信モードを決定する送信モード決定ステップと、を含むことを特徴とする。

本発明は、複数のアンテナ素子を備え、複数の通信相手通信装置に対し、同一周波数チャネル及び同一時刻に空間多重して送信を行う通信装置における通信方法であって、前記通信相手通信装置から受信した受信信号に基づいて、前記通信相手通信装置に対応するチャネル情報を推定して取得するチャネル情報取得ステップと、チャネル情報から信号空間ベクトルを算出する信号空間算出ステップと、取得した信号空間ベクトルを記憶するチャネル記憶ステップと、前記チャネル記憶ステップに記憶された複数の時間に対応する信号空間ベクトルの内積値を演算し、時変動による干渉電力の増大量を推定する時変動特性劣化評価ステップと、時変動特性劣化評価ステップで推定されたチャネルの時変動量と、送信ウェイト決定に用いるチャネル情報の推定時間と送信予定時間との差から、送信により得られる信号品質を推定し、データストリーム数、データストリームにわりあてる変調方式、符号化率等からなる送信モードを決定する送信モード決定ステップと、を含むことを特徴とする。

上記発明において、前記送信モード決定ステップは、前記時変動特性劣化評価ステップで推定されたチャネルの時変動量と、送信ウェイト決定に用いるチャネル情報の推定時間と送信予定時間との差から、各通信相手通信装置における干渉量を推定し、干渉量がある規定値より小さくなるように電力配分を決定し、決定された電力配分を用いた送信により得られる信号品質を推定し、データストリーム数、データストリームにわりあてる変調方式、符号化率等からなる送信モードを決定する送信モード決定ステップ、を含むことを特徴とする。

本発明は、複数の通信相手通信装置に対し、同一周波数チャネル及び同一時刻に空間多重して送信を行う通信装置であって、複数のアンテナと、前記複数のアンテナを通じて無線信号を送受信する無線部と、前記無線部が前記通信相手通信装置から受信した受信信号に基づいて、前記通信相手通信装置のチャネル情報を推定して取得するチャネル情報取得回路と、前記チャネル情報取得回路が推定したチャネル情報もしくはチャネル情報から得られる情報を記憶するチャネル情報記憶回路と、前記チャネル情報記憶回路に記憶された情報を用い、時変動による通信品質劣化量を推定する時間変動判定回路と、前記チャネル情報取得回路が取得した前記チャネル情報もしくは、通信相手通信装置からの信号に基づいて、送信ウェイトと対応するストリームの通信品質を演算する送信符号化法決定回路と、演算された通信品質に対し、時変動特性および送信ウェイトを決定するのに用いたチャネルを推定した時間と、送信予定時間との遅延時間から、劣化度を考慮したうえで、データストリーム数とデータストリームに変調方式、符号化率等からなる送信モードを決定する送信モード決定回路と、を備えることを特徴とする。

本発明は、複数の通信相手通信装置に対し、同一周波数チャネル及び同一時刻に空間多重して送信を行う通信装置であって、複数のアンテナと、前記複数のアンテナを通じて無線信号を送受信する無線部と、前記無線部が前記通信相手通信装置から受信した受信信号に基づいて、前記通信相手通信装置ごとにチャネル情報を推定して取得するチャネル情報取得回路と、前記チャネル情報取得回路が推定したチャネル情報から、信号空間ベクトルを演算し、記憶するチャネル情報記憶回路と、前記チャネル情報記憶回路に記憶された複数の時間に対応する信号空間ベクトルを用い、時変動による通信品質劣化量を推定する時間変動判定回路と、前記チャネル情報取得回路が取得した前記チャネル情報もしくは、通信相手通信装置からの信号に基づいて、送信ウェイトと対応するストリームの通信品質を演算する送信符号化法決定回路と、演算された通信品質に対し、時変動特性および送信ウェイトを決定するのに用いたチャネルを推定した時間と、送信予定時間との遅延時間から、劣化度を考慮したうえで、データストリーム数とデータストリームに変調方式、符号化率等からなる送信モードを決定する送信モード決定回路と、を備えることを特徴とする。

本発明は、複数の通信相手通信装置に対し、同一周波数チャネル及び同一時刻に空間多重して送信を行う通信装置であって、複数のアンテナと、前記複数のアンテナを通じて無線信号を送受信する無線部と、前記無線部が前記通信相手通信装置から受信した受信信号に基づいて、前記通信相手通信装置ごとにチャネル情報を推定して取得するチャネル情報取得回路と、前記チャネル情報取得回路が推定したチャネル情報から、信号空間ベクトルを演算し、記憶するチャネル情報記憶回路と、前記チャネル情報記憶回路に記憶された複数の時間に対応する信号空間ベクトルとの内積値を演算し、時変動による干渉電力の増大量を推定する時間変動判定回路と、前記チャネル情報取得回路が取得した前記チャネル情報もしくは、通信相手通信装置からの信号に基づいて、送信ウェイトと対応するストリームの通信品質を演算する送信符号化法決定回路と、演算された通信品質に対し、時変動特性および送信ウェイトを決定するのに用いたチャネルを推定した時間と、送信予定時間との遅延時間から、劣化度を考慮したうえで、データストリーム数とデータストリームに変調方式、符号化率等からなる送信モードを決定する送信モード決定回路と、を備えることを特徴とする。

上記発明において、前記送信モード決定回路は、前記時間変動判定回路で推定されたチャネルの時変動量と、送信ウェイトを決定するチャネルの推定時間と送信予定時間との差から、各通信相手通信装置における干渉量を推定し、干渉量がある規定値より小さくなるように電力配分を決定し、決定された電力配分を用いた送信により得られる信号品質を推定し、データストリーム数、データストリームにわりあてる変調方式、符号化率等からなる送信モードを決定する、ことを特徴とする。

本発明によれば、複数の通信相手局宛に、１つまたは複数の信号系列を同一周波数チャネル上で同時刻に空間多重を用いる際に、時変動の影響による送信により得られる信号品質を推定し、データストリーム数、データストリームにわりあてる変調方式、符号化率等からなる送信モードを決定することができる。時変動の影響による送信により得られる信号品質を予め推定し、送信モードを決定することで、受信側においで情報に大きな誤りが生じるのを防止できる。

以下、本発明の種々の実施形態について、図面を参照して説明する。図１に本発明の第１の実施形態における送信部の構成例を示す。図１において、１０１はデータ分割回路、１０２は送信信号変換回路、１０３−１〜１０３−Ｍ_Ｔは無線部、１０４−１〜１０４−Ｍ_Ｔはアンテナ、１０５はチャネル情報取得回路、１０６は通信相手選択回路、１０７は送信符号化法決定回路、１０８は送信モード決定回路、１０９は時間変動判定回路、１９０は送信ウェイト決定ブロックを示す。

従来技術の場合と同様に、アンテナ１０４−１〜１０４−Ｍ_Ｔ及び無線部１０３−１〜１０３−Ｍ_Ｔは、無線信号の送受信を行うことが可能であり、無線部１０３−１〜１０３−Ｍ_Ｔにおいて変換された受信信号をもとに、チャネル情報取得回路１０５において、送信部の各アンテナ１０４−１〜１０４−Ｍ_Ｔと複数の通信相手の受信アンテナ、もしくは受信ビームとの間のチャネル情報を推定することができる。

このチャネル情報の取得方法はここでは明記しないが、アンテナ１０４−１〜１０４−Ｍ_Ｔにおいて既知信号の受信を行った際に得られる情報を元に推定するか、もしくは受信信号に含まれるフィードバック情報によって、各通信相手に対するチャネル行列の情報が取得され、チャネル情報記憶回路１０９に出力される。

時間変動判定回路１１０は、チャネル情報記憶回路１０９、もしくは通信相手からのフィードバック情報から各通信相手のチャネルの時間に対する変動量を推定する。

通信相手選択回路１０６から通信相手が出力されると、チャネル情報記憶回路１０９は対応する通信相手のチャネル情報を送信符号化法決定回路１０７に出力し、時間変動判定回路１１０は送信モード決定回路１０８に対応する通信相手のチャネル時変動特性を出力する。

送信符号化法決定回路１０７では、チャネル情報をもとに送信符号化方法と対応するデータストリームの通信品質を推定し、送信モード決定回路１０８に出力する。

送信モード決定回路１０８は、送信符号化法決定回路１０７から入力された符号化方法とデータストリームの通信品質、時間変動判定回路１１０から入力されたチャネル時変動特性、チャネルの推定を行った時間から送信を行うまでの遅延時間から、通信時のデータストリームの通信品質を推定し、データストリーム数、変調方式、符号化率等からなる送信モードを決定し、送信信号変換回路１０２に出力する。

時間変動判定回路１１０での時変動による干渉量の増大の評価方法を以下に示す。ここで、時刻ｔにおけるｉ番目の通信相手と基地局の間のチャネル行列をＨ_ｉ，ｔとおく。チャネルを時間ｔｌ、ｔ２で推定し、時刻ｔに送信を行う場合を考える。相関値を用いる場合には、

を求める。時間ｔ２において推定したチャネル行列を用いて時刻ｔに送信を行う際には、遅延時間はｔ−ｔ２となる。この際のチャネルのずれを評価する場合には、たとえば

のように線形補間により推定することができる。または、実際のチャネルの測定結果から相関値の時間に対する推移を関数で以下のように定義する。

ここで、τは時変動を規格化するための定数であり、数式（７）のρ_{ｔ２−ｔ１}とこれに対する遅延時間Δｔ＝ｔ２−ｔ１を数式（９）に代入することで求めることができる。遅延時間ｔ−ｔ２に対応する相関値は、ここで得られた時変動τと、遅延時間ｔ−ｔ２の値を数式（９）に代入することで得られる。基地局は相関値と干渉電力とを関数で定義しておき、送信を行った際の干渉電力量Ｉを推定する。

ここで、Ｐ_ｉはｉ番目の通信相手以外の通信相手に割り当てた送信電力を表す。

時変動が存在しない場合に得られるｉ番目の通信相手のｊ番目のデータストリームの信号電力をＳ_ｉ，ｊとすると、信号対干渉伝量ＳＩＮＲ（Signal to Interference ratio）_ｉ，ｊは、

と推定される。この推定された信号品質を用いて、変調方式、符号化率などの送信モードを決定することができる。

ここで、αはリスク定数であり、α＝１で本来の推定値が得られるが、αを１より小さくすることで、時変動に対して影響を受けにくく、通信速度の低い通信が、αを１以上にすることで、時変動に対して影響を受けやすいが、通信速度の高い通信を形成することができる。

また、数式（７）で得られる相関値は、数式（１）で導出した、固有値に対応する右特異行列Ｖ'_ｉを用いて求めることができる。時刻ｔにおける右特異行列をＶ'_ｉ，ｔとすると、

と定義することができる。時間ｔ２で推定したチャネル行列を用いて時間ｔに送信を行う際の、遅延時間Δｔ＝ｔ−ｔ２に対応する相関値ρ’は、数式（８）、（９）と同様に得られる。干渉電力Ｉは数式（１０）のように得ることができる。または、データストリーム数Ｌによって異なる関数を以下のように用意することもできる。

次に干渉電力を直接推定することを考える。再びｉ番目の通信相手に信号を送信することを考えると、時刻ｔのチャネル情報を用いて形成されている送信ウェイトＷ_ｉ，ｔは以下のように表すことができる。

チャネルに時変動がない場合には、ヌル空間固有値、λ'_ｉ，ｊに対応する信号電力を得ることができる。チャネルに時変動がある場合に、時間ｔ０に推定した送信ウェイトＷ_ｉ，ｔ０を時刻ｔのチャネルに適用すると、信号電力の減少と、干渉電力の増大の２つの信号劣化要因が生じる。ｉ番目の通信相手に対するｊ番目のストリームに注目すると、時間ｔにおける送信で得られる信号対干渉雑音電力は

と表すことができる。ここで、βは信号電力の劣化度を表し、Ｉ_ｉ，ｊは干渉電力量、ｌは熱雑音の分散値を表す。数式（１５）における１行目から２行目への近似は、信号電力の減少によるＳＩＮＲへの影響は、干渉電力の増大Ｉ_ｉ，ｊに比べると無視できることによる。

ここで、ｉ番目の通信相手以外の通信相手への送信を考え、ｉ番目の通信相手以外の通信相手に対する送信ウェイトの集合行列をＷ^＋ _ｉ，Ｔ０と定義する。Ｔ０は１〜Ｍａ番目の通信相手のチャネルの推定時間から構成されるベクトルである。時刻ｔに送信を行った際に、チャネルに時変動がなければ、この送信ウェイトとｉ番目の通信相手に対する時間ｔのチャネル行列の間には

が成り立っている。Ｐ''_ｉ，Ｔ０はｉ番目の通信相手以外の通信相手への電力配分を表す対角行列である。ここで、Ｒ_ｉ，ｔはｉ番目の端末で時刻ｔの信号を受信した際に用いるｉ番目の端末への送信信号に対する受信ウェイトであり、各通信相手とのチャネル行列、送信ウェイト、などの情報から決定でき、例えば、数式（１）、数式（４）の左特異行列Ｕ_ｉ，Ｕ_ｉ'''や、最大比合成ウェイト、（Ｈ_ｉ，ｔＷ_ｉ，ｔ０）^ＨやZero-forcingウェイト、（Ｈ_ｉ，ｔＷ_ｉ，ｔ０）^−１や、（Ｈ_ｉ，ｔＷ_Ｔ０）^−１の行ベクトルもしくは、Minimum Mean Square Error ウェイトなどを用いることができる。ここで、Ｗ_Ｔ０は、全通信相手への送信ウェイトの集合行列であり、（Ａ）^−１は、行列Ａの擬似逆行列を表す。

チャネル時間変動が存在すれば、数式（１６）は成り立たず、以下のように行列が値を持つ。

生じる全体の干渉電力は‖Γ_{ｉ，ｔ−ｔ０}‖_Ｆ ^２と表すことができる。以下Γ_{ｉ，ｔ−ｔ０}を干渉空間行列と呼ぶ。ｉ番目の通信相手のｊ番目のストリームにおける干渉電力Ｉ_ｉ，ｊは

として得ることができる。ｒ_{ｉ，ｊ，ｔ}は、Ｒ_ｉ，ｔのｊ番目の列ベクトルである。

チャネル情報記憶回路１０９は、干渉電力を推定する通信相手に対し、複数の時間におけるチャネルの情報を記憶する。通信相手候補となる全ての通信相手に対して時間ｔｌ＿ｋにチャネル行列を推定し（1≦ｋ≦Ｍａ）、干渉電力を推定するｉ番目の通信相手については時間ｔ２＿ｉにもチャネル行列を推定する。１番目からＭａ番目の通信相手においてそれぞれ推定されたチャネル行列Ｈ_{１，ｔ１＿１}〜Ｈ_{Ｍａ，ｔ１＿Ｍａ}を用いて、ＢＤ法による送信ウェイトを計算し、得られた送信ウェイトＷ_{１，ｔ１＿１}〜Ｗ_{１，ｔ１＿Ｍａ}のうちｉ番目の通信相手に対応する送信ウェイト以外の送信ウェイトから構成された集合送信ウェイト行列を

と定義する。ｉ番目の通信相手のｊ番目のデータストリームに生じる干渉電力は、ｉ番目の通信相手に対し時間ｔ２＿ｉで推定したチャネル行列を用いて、

と表すことができる。時刻ｔに時間ｔ２で推定したチャネル行列を用いて送信した場合の干渉電力は、

のように線形補完により推定することができる。αは補正係数であり、１より大きく設定すれば干渉電力を大きく見積もることで、安定した通信を実現でき、１より小さく設定すればまたは、高いスループットを得る変調方式を割り当てることができる。実際のチャネルの測定結果から干渉電力の時間に対する増大の仕方により、干渉電力の時間に対する推移を関数で定義することもできる。例えば、以下のように関数ｇを用いる。

ここで、Ｐ_ｉはｉ番目の通信相手以外に割り当てた送信電力であり、τはＩ'_ｉ，ｊにＩ''_ｉ，ｊを代入し、Δｔにｔ２−ｔ１を代入することで得られ、再びΔｔ＝ｔ−ｔ２を代入することで、Ｉ''_ｉ，ｊを得ることができる。

しかし、送信ウェイトの集合行列Ｗ^＋ _ｉ，Ｔ０の演算負荷は非常に大きい。そこで、他通信相手の情報を用いずに干渉電力の推定を行う対象となる端末の情報を用いて干渉電力を推定することを考える。

数式（１）を時刻ｔの情報を含めて再び書き直すと以下のように表せる。

Ｖ'_ｉ，ｔは信号空間に対応する右特異行列であり、Ｖ''_ｉ，ｔはヌル空間に対応する右特異行列である。Ｄ_ｉ，ｔの対角要素は固有値λ_{ｉ，１，ｔ}、…λ_{ｉＭｒ（ｉ），ｔ}の二乗根となっている。ここで、ＢＤ法による通信を行った際にｉ番目の通信相手の受信ウェイトがＵ_ｉ，ｔであったと仮定する。このとき、他通信相手への送信信号はヌル空間である右特異行列Ｖ''_ｉ，ｔを用いて送信された送信空間を介して放射されることとなる。時間が経過したことによる干渉空間行列は、ヌル空間に対応する右特異行列Ｖ''_ｉ，ｔにより以下のように表現できる。

マルチユーザＭＩＭＯ通信における時間経過による干渉電力の増大は、ヌル空間に送信されていた信号が信号空間に入ることにより生じるものとして扱うことができる。よって数式（２３）により表現できる干渉空間行列は数式（１７）で表現される干渉空間行列と高い相関を有する。

数式（２３）において、ｊ番目の固有値に対応するデータストリームのＳＩＮＲ_{ｉ，ｊ，ｔ}は

と表すことができる。ここで、Ｐ'''_ｉ ^２はｊ番目の通信相手以外の通信相手へ割り当てた送信電力Ｐ_ｉを他通信相手へのストリーム数で割ったものであり、Ｖ'_{ｉ，ｊ，ｔ}は時間ｔにおける右特異行列Ｖ'_ｉ，ｔのｊ番目に高い固有値に対応する列ベクトルを表し、ＳＩＮＲ_{ｉ,ｊ,ｔ０}は時間ｔ０つまり遅延なしでチャネルが正確であった場合のＳＩＮＲを表す。実際には干渉電力が０であるため、ＳＩＮＲ_{ｉ,ｊ,ｔ０}＝Ｐ'^２ _{ｉ,ｊ,ｔ０}λ_{ｉ,ｊ,ｔ０}である。Ｐ'^２ _{ｉ,ｊ,ｔ０}はｉ番目の通信相手のｊ番目のデータストリームに用いる送信電力である。

数式（２４）の２行目から３行目、３行目から４行目の展開では、干渉電力の増大に比べると、固有値の変動は無視できると仮定しており、λ_{ｉ，ｊ，ｔ０}≒λ_{ｉ，ｊ，ｔ}を用いている。数式（２４）から、ｉ番目の通信相手のｊ番目のデータストリームにおけるＳＩＮＲの減少比の推定値χ''_{ｉ，ｊ，ｔ−ｔ０}は、

で表すことができる。
ここで、時間ｔ１とｔ２のチャネル情報からχ''_{ｉ，ｊ，ｔ２−ｔ１}を求め、送信予定時間ｔにおけるＳＩＮＲの減少比を推定することを考えると、関数を以下のように定義し、用いることができる。

ここで、τは、χ'_{ｉ，ｊ，Δｔ}にχ''_{ｉ，ｊ，ｔ２−ｔ１}を代入し、Δｔにｔ２−ｔ１を代入することで得られ、再びΔｔ＝ｔ−ｔ２を代入することでχ'_{ｉ，ｊ，ｔ−ｔ２}を得ることができる。
また、遅延時間ｔ−ｔ０に対応する干渉電力の推定地Ｉ''_ｉ，ｊは

として得ることができ、数式（２１）や数式（２２）を用いて、送信予定時間における干渉電力を推定できる。

チャネル情報記憶回路１０９は、干渉電力を推定するｉ番目の通信相手について、時間ｔ１、ｔ２に対応するチャネル行列Ｈ_ｊ，ｔ１、Ｈ_ｊ，ｔ２を推定する。時間変動判定回路１１０は、チャネル行列Ｈ_ｊ，ｔ１、とＨ_ｊ，ｔ２に特異値分解を行い、信号に対応する右特異行列Ｖ'_ｉ，ｔ１、Ｖ'_ｉ，ｔ２をそれぞれ求める。時間ｔ１からｔ２のチャネルの変動に対するＳＩＮＲの干渉電力は、

と表すことができる。ここで、ｐ'''^２ _ｉはｉ番目以外の通信相手に用いる送信電力を他通信相手へのデータストリーム数で割ったものである。

数式（２７）において、時間変動判定回路１１０は、特異値分解を行わずにチャネル行列から得られる基底ベクトルをＶ'_ｉ，ｔやｖ'_{ｉ，ｊ，ｔ}として用いることができる。例えば、グラムシュミットの直交化法を用いて、チャネル行列Ｈ_ｉ，ｔとＨ_ｉ，ｔの信号空間に対応する基底ベクトルを算出し、数式（２７）のＶ'_ｉ，ｔやｖ'_{ｉ，ｊ，ｔ}として用いることができ、グラムシュミットの繰り返し演算によるパワーメソッドによりえられる基底ベクトルを用いることもできる。

時間ｔ２から時間ｔ１への干渉電量の増大量がわかれば、時間ｔ１に時間ｔ２で推定したチャネル行列を用いて送信した場合の時刻ｔにおける干渉電力は、

のように線形補間により推定することができる。または、実際のチャネルの測定結果から干渉電力の時間に対する増大の仕方により、干渉電力の時間に対する推移を関数で定義することもできる。例えば、数式（２２）を用いて時間ｔにおける干渉電力を推定できる。

送信符号化法決定回路１０７においては、推定したチャネル行列を用いた送信符号化法とその際得られる品質を推定し、時間変動判定回路１１０で推定された、干渉電力の増大と、時変動がない場合の信号電力とを考慮し、送信モード決定回路１０８において、各通信相手通信装置における干渉量を推定し、干渉量がある規定値より小さくなるように電力配分を決定し、決定された電力配分を用いた送信により得られる信号品質を推定し、データストリーム数、データストリームにわりあてる変調方式、符号化率等からなる送信モードを決定する。
すなわち、数式（１５）からSINRを推定し、データストリームに適した変調方式、符号化率からなる送信モードを割り当てることができる。また、数式（１０）、（１３）、（２２）の推定された送信予定時間における干渉電力や、数式（２６）の劣化比χ_{ｉ，ｊ，Δ†}は他の通信相手に対する電力割り当て量によって値を制御できるため、これらの値に閾値を予め設け、この閾値以下の干渉電力、もしくはＳＩＮＲの劣化量になるように電力配分を決定することもできる。
また、これらの干渉電力、ＳＩＮＲの劣化量の推定は、直交波周波数分割多重方式などのマルチキャリア伝送に適用することも可能であり、この場合、干渉電力、もしくはＳＩＮＲの劣化量の値は、マルチキャリア全体で平均化したものを用いたり、任意の一つもしくは複数のシングルキャリアでの推定値を用いたり、各シングルキャリアでの推定値を個別に用いたりすることができる。
また、送信予定時間とチャネル情報の推定時間差による干渉電量やＳＩＮＲの劣化量の推定については、複数の時間に取得されたチャネル情報を用い、予め容易した関数でフィッティングを行い、送信予定時間における干渉電量やＳＩＮＲの劣化量を得ることができる。

本発明の実施形態の効果を示すため、送信アンテナ素子数を８、各通信相手の受信アンテナ数を４、通信相手数を２とした際のマルチユーザＭＩＭＯのＢＤにおける干渉電力の増大を数式（２７）から推定される推定干渉電力と、実際の干渉電力との比較で示す。ここで、例としてマルチキャリア伝送である直交波周波数分割多重方式（ＯＦＤＭ）を用いることとする。

チャネル行列は屋内実験で実際に測定したものを用いる。信号形式を８０２．１１ａと同様に作成したＦＦＴポイント６４のＯＦＤＭ信号を送信し、４８のサブキャリアでチャネル行列を得た。装置は１ｍｓｅｃごとにチャネル行列の取得が可能であり、ここで、１００ｍｓｅｃの時間変動分のデータを示す。測定は４０ｍ×２６ｍの部屋で行われ、屋内には、１０人程度が作業をしており、伝搬環境は時間的に変動する。

２ユーザのうちの１ユーザの最も大きい値を持つ１番目のヌル固有値から順に２番目、３番目、４番目に対応するデータストリームに対する、推定された干渉電力と、実際の干渉電力の結果をそれぞれ図２〜図５に示す。

図２〜図５において、縦軸は熱雑音を１として規格化された干渉電力である。図２（Ａ）、図３（Ａ）、図４（Ａ）、及び図５（Ａ）に示すグラフが実際の干渉電力が時間に対し増大していくのを示し、図２（Ｂ）、図３（Ｂ）、図４（Ｂ）、及び図５（Ｂ）に示すグラフが時間０（ｍｓｅｃ）のチャネル行列から得られる右特異行列と固有値、ｔ（ｍｓｅｃ）後のチャネル行列の右特異行列から、干渉電力を推定した結果である。５つのラインはそれぞれ異なる時間の測定結果を用いている。図２〜図５に示すグラフからわかるように、本発明による推定結果では、１ユーザ分のチャネル情報しか用いないにもかかわらず、干渉電力の推移を推定可能であることが示された。

以上詳細に説明した様に、本発明によれば、複数の通信相手局宛に、１つまたは複数の信号系列を同一周波数チャネル上で同時刻に空間多重を用いる際に、干渉電力を推定し、最適な送信モードを決定することが可能となる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。

本発明の実施形態における送信部の構成例を示す図である。 本発明の実施形態における効果を説明するためのグラフである。 本発明の実施形態における効果を説明するためのグラフである。 本発明の実施形態における効果を説明するためのグラフである。 本発明の実施形態における効果を説明するためのグラフである。 従来技術における無線局の送信部の構成例を示す図である。

符号の説明

１０１ データ出力回路
１０２ 送信信号変換回路
１０３−１〜１０３−Ｍ_Ｔ 無線部
１０４−１〜１０４−Ｍ_Ｔ アンテナ
１０５ チャネル情報取得回路
１０６ 通信相手選択回路
１０７ 送信符号化法決定回路
１０８ 送信モード決定回路
１０９ チャネル情報記憶回路
１１０ 時間変動判定回路

Claims (8)

1. 複数のアンテナ素子を備え、複数の通信相手通信装置に対し、同一周波数チャネル及び同一時刻に空間多重して送信を行う通信装置における通信方法であって、
   前記通信相手通信装置から受信した受信信号に基づいて、前記通信相手通信装置に対応するチャネル情報を推定して取得するチャネル情報取得ステップと、
   取得したチャネル情報、もしくはチャネル情報から得られる情報を記憶するチャネル記憶ステップと、
   前記チャネル記憶ステップにて記憶された複数の時間に対応するチャネル情報を用い、時変動による通信品質劣化量を推定する時変動特性劣化評価ステップと、
   時変動特性劣化評価ステップで推定されたチャネルの時変動量と、送信ウェイト決定に用いるチャネル情報の推定時間と送信予定時間との差から、送信により得られる信号品質を推定し、データストリーム数、データストリームにわりあてる変調方式、符号化率等からなる送信モードを決定する送信モード決定ステップと、
   を含むことを特徴とする空間多重伝送用送信方法。
2. 複数のアンテナ素子を備え、複数の通信相手通信装置に対し、同一周波数チャネル及び同一時刻に空間多重して送信を行う通信装置における通信方法であって、
   前記通信相手通信装置から受信した受信信号に基づいて、前記通信相手通信装置に対応するチャネル情報を推定して取得するチャネル情報取得ステップと、
   チャネル情報から信号空間ベクトルを算出する信号空間算出ステップと、
   取得した信号空間ベクトルを記憶するチャネル記憶ステップと、
   前記チャネル記憶ステップにて記憶された複数の時間に対応する信号空間ベクトルを用い、時変動による通信品質劣化量を推定する時変動特性劣化評価ステップと、
   時変動特性劣化評価ステップで推定されたチャネルの時変動量と、送信ウェイト決定に用いるチャネル情報の推定時間と送信予定時間との差から、送信により得られる信号品質を推定し、データストリーム数、データストリームにわりあてる変調方式、符号化率等からなる送信モードを決定する送信モード決定ステップと、
   を含むことを特徴とする空間多重伝送用送信方法。
3. 複数のアンテナ素子を備え、複数の通信相手通信装置に対し、同一周波数チャネル及び同一時刻に空間多重して送信を行う通信装置における通信方法であって、
   前記通信相手通信装置から受信した受信信号に基づいて、前記通信相手通信装置に対応するチャネル情報を推定して取得するチャネル情報取得ステップと、
   チャネル情報から信号空間ベクトルを算出する信号空間算出ステップと、
   取得した信号空間ベクトルを記憶するチャネル記憶ステップと、
   前記チャネル記憶ステップに記憶された複数の時間に対応する信号空間ベクトルの内積値を演算し、時変動による干渉電力の増大量を推定する時変動特性劣化評価ステップと、
   時変動特性劣化評価ステップで推定されたチャネルの時変動量と、送信ウェイト決定に用いるチャネル情報の推定時間と送信予定時間との差から、送信により得られる信号品質を推定し、データストリーム数、データストリームにわりあてる変調方式、符号化率等からなる送信モードを決定する送信モード決定ステップと、
   を含むことを特徴とする空間多重伝送用送信方法。
4. 前記送信モード決定ステップは、
   前記時変動特性劣化評価ステップで推定されたチャネルの時変動量と、送信ウェイト決定に用いるチャネル情報の推定時間と送信予定時間との差から、各通信相手通信装置における干渉量を推定し、干渉量がある規定値より小さくなるように電力配分を決定し、決定された電力配分を用いた送信により得られる信号品質を推定し、データストリーム数、データストリームにわりあてる変調方式、符号化率等からなる送信モードを決定する送信モード決定ステップ、
   を含むことを特徴とする請求項１から３記載のうちいずれかに記載の空間多重伝送用送信方法。
5. 複数の通信相手通信装置に対し、同一周波数チャネル及び同一時刻に空間多重して送信を行う通信装置であって、
   複数のアンテナと、
   前記複数のアンテナを通じて無線信号を送受信する無線部と、
   前記無線部が前記通信相手通信装置から受信した受信信号に基づいて、前記通信相手通信装置のチャネル情報を推定して取得するチャネル情報取得回路と、
   前記チャネル情報取得回路が推定したチャネル情報もしくはチャネル情報から得られる情報を記憶するチャネル情報記憶回路と、
   前記チャネル情報記憶回路に記憶された情報を用い、時変動による通信品質劣化量を推定する時間変動判定回路と、
   前記チャネル情報取得回路が取得した前記チャネル情報もしくは、通信相手通信装置からの信号に基づいて、送信ウェイトと対応するストリームの通信品質を演算する送信符号化法決定回路と、
   演算された通信品質に対し、時変動特性および送信ウェイトを決定するのに用いたチャネルを推定した時間と、送信予定時間との遅延時間から、劣化度を考慮したうえで、データストリーム数とデータストリームに変調方式、符号化率等からなる送信モードを決定する送信モード決定回路と、
   を備えることを特徴とする通信装置。
6. 複数の通信相手通信装置に対し、同一周波数チャネル及び同一時刻に空間多重して送信を行う通信装置であって、
   複数のアンテナと、
   前記複数のアンテナを通じて無線信号を送受信する無線部と、
   前記無線部が前記通信相手通信装置から受信した受信信号に基づいて、前記通信相手通信装置ごとにチャネル情報を推定して取得するチャネル情報取得回路と、
   前記チャネル情報取得回路が推定したチャネル情報から、信号空間ベクトルを演算し、記憶するチャネル情報記憶回路と、
   前記チャネル情報記憶回路に記憶された複数の時間に対応する信号空間ベクトルを用い、時変動による通信品質劣化量を推定する時間変動判定回路と、
   前記チャネル情報取得回路が取得した前記チャネル情報もしくは、通信相手通信装置からの信号に基づいて、送信ウェイトと対応するストリームの通信品質を演算する送信符号化法決定回路と、
   演算された通信品質に対し、時変動特性および送信ウェイトを決定するのに用いたチャネルを推定した時間と、送信予定時間との遅延時間から、劣化度を考慮したうえで、データストリーム数とデータストリームに変調方式、符号化率等からなる送信モードを決定する送信モード決定回路と、
   を備えることを特徴とする通信装置。
7. 複数の通信相手通信装置に対し、同一周波数チャネル及び同一時刻に空間多重して送信を行う通信装置であって、
   複数のアンテナと、
   前記複数のアンテナを通じて無線信号を送受信する無線部と、
   前記無線部が前記通信相手通信装置から受信した受信信号に基づいて、前記通信相手通信装置ごとにチャネル情報を推定して取得するチャネル情報取得回路と、
   前記チャネル情報取得回路が推定したチャネル情報から、信号空間ベクトルを演算し、記憶するチャネル情報記憶回路と、
   前記チャネル情報記憶回路に記憶された複数の時間に対応する信号空間ベクトルとの内積値を演算し、時変動による干渉電力の増大量を推定する時間変動判定回路と、
   前記チャネル情報取得回路が取得した前記チャネル情報もしくは、通信相手通信装置からの信号に基づいて、送信ウェイトと対応するストリームの通信品質を演算する送信符号化法決定回路と、
   演算された通信品質に対し、時変動特性および送信ウェイトを決定するのに用いたチャネルを推定した時間と、送信予定時間との遅延時間から、劣化度を考慮したうえで、データストリーム数とデータストリームに変調方式、符号化率等からなる送信モードを決定する送信モード決定回路と、
   を備えることを特徴とする通信装置。
8. 前記送信モード決定回路は、
   前記時間変動判定回路で推定されたチャネルの時変動量と、送信ウェイトを決定するチャネルの推定時間と送信予定時間との差から、各通信相手通信装置における干渉量を推定し、干渉量がある規定値より小さくなるように電力配分を決定し、決定された電力配分を用いた送信により得られる信号品質を推定し、データストリーム数、データストリームにわりあてる変調方式、符号化率等からなる送信モードを決定する、
   ことを特徴とする請求項５から７記載のうちいずれかに記載の通信装置。

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