JP2011182150A - 通信システム、送信装置、受信装置、通信方法 - Google Patents

通信システム、送信装置、受信装置、通信方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ＴＨＰによる空間多重を用いた通信システムにおいて、ＤＲＳ挿入による送信レートの低下を最小限に抑える。
【解決手段】複数の受信装置に対して、同一チャネル・同一時刻に信号を送信する、複数の送信アンテナを備えた送信装置であって、前記各受信装置宛の固有参照信号を生成する固有信号生成部と、前記各受信装置宛のデータ信号を生成するデータ信号生成部と、前記固有参照信号の少なくとも一部と前記データ信号の少なくとも一部とを空間多重する空間多重部と、空間多重した信号を送信する送信部と、を有し、前記空間多重部において空間多重する固有参照信号とデータ信号との宛先は、異なる受信装置とすることが好ましく、前記空間多重部は、所望信号から干渉信号を逐次減算する非線形処理を用いて行う空間多重を行う非線形空間多重部である。
【選択図】図３

Description

本発明は、移動通信技術に関する。
1.THPについて
Tomlinson Harashima Precoding (THP)は、送受信装置間のデータ通信の際に受信装置が干渉を受ける状況下において、送信装置があらかじめ干渉を把握し、送信信号から干渉をキャンセルしてから受信装置に信号を送信する技術である。その際、送受信両装置でModulo（モジュロ、剰余）演算を行うことで、干渉をキャンセルすることによる送信電力の増加を抑圧した信号の送受信をする(下記非特許文献1参照)。
まず、THPにおいて送受信の両側で行われるModulo演算について説明する。このModulo演算は送信信号を一定振幅以下に保つことによって送信電力を低減する処理である。具体的にいうと、Modulo演算は、送信信号のI-ch(In-phase channel), Q-ch(Qudrature channel)に対して送受信両側で既知の値τの整数倍の信号を加算することにより、送信信号が[-τ /2, τ /2]の範囲に収まる信号になるように変換する演算である。このModulo演算の一例を図１７に示した。図１７中では、Modulo演算は、●で表される信号が○の位置に移動する処理で表され、●に摂動ベクトルd(=(-2) τ+j *(-1))を加算することで○に移動させている。ここで、jは虚数単位である。○はI-ch，Q-chともに原点から[-τ /2, τ /2]の範囲に収まっている。このようにModulo演算は信号の振幅を一定範囲内に収める効果を持つ。通常、Modulo幅τは、変調シンボルの平均電力を1に正規化した場合、変調方式に応じて、あらかじめ送受信側で既知な所定の値となる。例えば、ＱＰＳＫではτ＝２√２、１６ＱＡＭでは、τ＝８／√１０、６４ＱＡＭではτ＝１６／√４２である。
このModulo演算により、受信側が大きな干渉を受ける環境にあっても、干渉除去による送信電力の増加を抑えながら、信号を送信することができる。またModulo演算を式で示すと、
Figure 2011182150
 となる。ここで、jは虚数単位、Re(x)はxの実部を表し、Im(x)はxの虚部を表す。floor(x)はx を超えない最大の整数を表す。
次に、THPの原理を説明する。所望信号をsとし、干渉をfとする。送信装置は、まず干渉fを所望信号sから減算する。THPは干渉fをあらかじめ把握しているのが前提だからである。しかし、減算した信号s - f は通常振幅が大きいため、このまま送信すると送信電力が増加してしまう。そこで、送信装置は、この信号s - f に対してModulo演算を行って、Modτ(s - f )で示される信号を送信する。
すると、送信装置は、送信信号をI-ch Q-chともに原点から[-τ /2, τ /2]の範囲に収めることができており、信号s - f を送るときに比べて、電力を抑圧した信号を送信できる。ここで、伝搬路の特性を１とし、雑音の影響を無視すると、受信信号はModτ(s - f )+ f となる。受信装置は干渉fを受けるからである。受信装置が、この受信信号に対してModulo演算を行うと、
Figure 2011182150
 となり、受信装置が所望信号を検出できる。このように受信側でもModulo演算を行うことにより、所望信号sを受信側で復元することができる。以上が、THPの仕組みである。
2.DL MU-MIMO THP
（全体のシステム構成）
図１８に示したように、基地局 (Base Station: BS) が同一時刻・同一周波数で複数の端末(Mobile Terminal: MT) に対して信号を送信すると、通常はユーザ間干渉 (Multi User Interference: MUI) が発生する。THPを用いてこのMUIを電力効率良く除去して、複数のMTを多重する方法が、ダウンリンク (Downlink: DL)のMU-MIMO(Multi-User Multi Input Multi Output) THPである。
DL MU-MIMO THPは、BSがMTの伝搬路状態情報 (Channel State Information: CSI)を全て把握していることが前提の技術である。なぜなら、上述の通りTHPは、送信装置であるBSが、受信装置であるMTの受ける干渉を把握していることが必要であり、DL MU-MIMO THPでは、その干渉を算出するために、CSIを用いる必要があるからである。
以降、図面を参照して、このDL MU-MIMIO THPにおけるBSとMTとの構成について説明する。ここでは、簡潔に説明するために、MTが２台の場合を例にして説明するが、任意の台数のMTをDL MU-MIMO THPで多重する場合も同様に実現できる(非特許文献２参照)。
BS構成図(2MTs)
BSは、各MT宛のCSIを把握していて、同時に２つのMTに同一時刻・同一周波数で信号を送信する。このとき、図１８に示したように、２つのMT（ MT１、 MT２）が互いに干渉を受けないようにするために、MT1宛の信号がMT2に及ぼす干渉と、MT2宛の信号がMT1に及ぼす干渉という相互に及ぼし合う２つの干渉を除去する必要がある。BSは、この２つの干渉のうち一方を、THPを用いて除去し、もう一方を、線形フィルタを乗算して除去する。２つのMTとの通信を実現するための具体的なBSの構成図を図１９に示した。以下、この構成図に従ってBSの構成について説明する。
（ＢＳの構成例）
まず、符号部１０１−１、１０１−２は、各MT宛の情報ビットを誤り訂正符号化し、各MT宛の符号化ビットを変調部１０３−１、１０３−２に入力する。変調部１０３−１、１０３−２は入力された各MT宛の符号化ビットを変調し、各MT宛の変調信号を生成する。MT1宛の変調信号を生成した変調部１０３−１は、干渉算出部１１３と線形フィルタ乗算部１１５にMT1宛の変調シンボルを入力する。MT2宛の変調信号を生成した変調部１０３−２は、干渉減算部１０７にMT2宛の変調シンボルを入力する。
線形フィルタ算出部１１７は、BSが把握しているCSIを用いて線形フィルタと干渉係数情報を算出し、それぞれ線形フィルタ乗算部１１５と干渉算出部１１３に入力する。次に、干渉算出部１１３は、MT1宛の変調信号を生成した変調部１１３−１から入力された変調信号と干渉係数情報を用いてMT2が受ける干渉を算出し、干渉減算部１０７に入力する。干渉減算部１０７は、MT2宛の変調信号から、MT2が受ける干渉を減算した後、その減算後の信号をModulo演算部１１１に入力する。
Modulo演算部１１１は、減算後の信号に対して式(１)で示したModulo演算を施し、Modulo演算後の信号を線形フィルタ乗算部１１５に入力する。図１９において、破線で囲んだ干渉減算部１０７、干渉算出部１１３、Modulo演算部１１１を、非線形空間多重部１０５と呼ぶ。
線形フィルタ乗算部１１５は、入力されたMT1宛の信号と、MT2宛の信号に対して線形フィルタを乗算する。これにより、MT2宛の信号のNullが、MT1の方向に向き、MT2宛信号がMT1に干渉を及ぼさないようになる。
その後、線形フィルタ乗算部１１５は、線形フィルタ乗算後の信号を送信部１２１−１、１２１−２に入力する。送信部１２１−１、１２１−２は、線形フィルタ乗算後の信号をデジタル／アナログ変換した後に、搬送波周波数にアップコンバージョンしてMT1及びMT2宛に信号を送信する。
MTの構成例(2MTs)
MT1, MT2は、BSから送信された信号を受信する。各MTは受信信号に対してBSと同じModulo演算を用いて受信処理を行う。図２０を用いてMTの詳細な説明を行う。
（構成）
受信部１３１は、アンテナＡＴで受信した信号を搬送波周波数からベースバンドにダウンコンバージョンし、アナログ／デジタル変換を行い、ベースバンドデジタル信号を生成する。その後、受信部１３１はベースバンドデジタル信号を伝搬路補償部１３３に入力する。伝搬路補償部１３３は、ベースバンドデジタル信号に対して伝搬路補償を行って、伝搬路補償後の信号をModulo演算部１３５に入力する。Modulo演算部１３５は伝搬路補償後の信号に対して式(１)で表されるModulo演算を施して復調部１３７に信号を入力する。復調部１３７は、Modulo後の信号に対して復調を行って復調結果を復号部１４１に入力する。
（理論説明）
図１９及び図２０で説明したように、DL MU-MIMO THPの仕組みは、MT1宛の信号とMT2宛の信号が相互に及ぼし合う干渉のうち一方を、THPによって除去し、もう一方を線形フィルタの乗算によって除去することである。次は、このDL MU-MIMO THPの仕組みを理論的な側面から詳細に説明する。
（変数定義）
いま、BSの持つ２本のアンテナからMT1への伝搬路の複素利得を、h11, h12とする。また同様にMT2への伝搬路の複素利得をh21, h22とする。これらの値を用いて伝搬路行列Hを
Figure 2011182150
 とおく。またMT1とMT2宛の変調信号をそれぞれs1, s2とする。
線形フィルタの計算
図１９、図２０に示すように、線形フィルタ乗算部１１５は、線形フィルタを用いてMT2宛の信号をMT1に対してNullを向けることで、MT2宛の信号がMT1に及ぼす干渉を除去する。この線形フィルタは、線形フィルタ乗算部１１５が、伝搬路行列Hのエルミート共役HHをQR分解することによって求められる。QR分解は任意の行列をユニタリ行列Qと上三角行列Rの積に分解する方法であり、HHをQR分解すると、
Figure 2011182150
 と表される。ここではQ、R共に２行２列の行列であり、Rは２行１列成分が０となる上三角行列である。線形フィルタ乗算部で乗算する線形フィルタは、この式(４)中のユニタリ行列Qである。線形フィルタQと実際の伝搬路行列Hを併せたHQを、等価的に一つの伝搬路として考えると、
Figure 2011182150
 となる。Rが上三角行列であることからRHは下三角行列となる。すなわち等価伝搬路RHの１行２列成分が０となる。MT1とMT2の受信信号y1, y2を雑音は０であると仮定して計算すると、
Figure 2011182150
 となる。ここでRのk行l列成分をrklで表している。また*は複素共役を示す。式(6)を見ると、y1はs2の成分が入っていないことがわかる。つまり、BSは、MT宛の信号に、線形フィルタQを乗算することで、MT1にはMT2宛の信号が届かないようにしている。言い換えれば、BSは、MT2宛の信号のNullをMT1に対して向けていることになる。
（干渉の算出）
線形フィルタにより、MT2宛の信号がMT1に及ぼす干渉を除去できたので、次はMT1宛の信号がMT2に及ぼす干渉を上述のTHPを用いて除去する。
式(２)にあるように、BSがTHPを行うためにはまず、干渉fを計算しなければならない。ここでは、MT2が伝搬路補償をした後の干渉をfとして、この値を求める。式(６)より、MT2が伝搬路補償をした後の受信信号をz2すると、
Figure 2011182150
 となる。ここで干渉成分fは、MT2宛の信号s2以外の項を指すので、
Figure 2011182150
Figure 2011182150
（THP）
BSは、干渉fとMT2宛の変調信号s2を用いて、干渉減算部１０７及びModulo演算部１１１で信号Modτ(s2 - f )を算出し、この信号を線形フィルタ乗算部１１５に入力する。線形フィルタ乗算部１１５は、信号Modτ(s2 - f )とMT1宛の信号s1に対して線形フィルタQを乗算して送信信号を算出する。ここで、図１９に示した干渉減算部１０７、干渉算出部１１３、及びModulo演算部１１１を、非線形空間多重部１０５と呼び、変調信号から干渉除去及びModulo演算を施して線形フィルタ乗算部１１５に入力する信号を計算する処理を非線形空間多重と呼ぶ。
（受信信号）
式(６)のs2をModτ(s2- f )に替えて受信信号を求めると、
Figure 2011182150
 となる。ここでMT2が受信信号y2に対して伝搬路補償を行った後、Modulo演算を行う。すると、
Figure 2011182150
 というようにMT2は、自分宛の変調信号s2を検出することができる。またMT1においても伝搬路補償を行った後、Modulo演算を行うことで変調信号を取り出すことができる。
Figure 2011182150
 このようにMT1とMT2の両方で自分宛の信号を検出することができる。
３. 複数の受信アンテナを持つMTに対するマルチストリーム通信
上に説明したのは、データストリームを１つずつ別のMTに送信する方法であるが、図２１に示したように、複数の受信アンテナを持ち、SU-MIMOによる複数のデータストリーム通信を行うMT同士を、さらに同一時刻・同一周波数でDL MU-MIMO THPによって空間多重する技術も存在する(非特許文献３参照)。この技術により、複数受信アンテナを持つMTに対しても空間リソースを有効活用することができる。このように、１つの端末に対して複数ストリーム通信を行っている時も、BSは各MT宛の各データストリームにModulo演算を施して送信している。
４. 固有参照信号 (Dedicated Reference Signals: DRS)について
DL MU-MIMO THPでは、データ信号はDL MU-MIMO THPによる空間多重を行って全MTにデータ信号を送信している。一方、各MT宛の復調用固有参照信号 (Dedicated Reference Signals: DRS)を送信するときには、直交した無線リソース（時間方向及び周波数方向に分割した領域であって、データ信号や参照信号を割り当てても互いに干渉しない領域）に各MT宛のDRSを分割して配置する時間分割や周波数分割を用いている。
例えば、図２２のように、BSはMT1宛のDRS(DRS-MT1)、MT2宛のDRS(DRS-MT2)等を異なる時間に分割して送信しているが、データ信号はDL MU-MIMO THPによる空間多重を行って送信している。仮に、MTがTHPによって空間多重をしたDRSを受信しても、受信信号の振幅がわからないためDRSに対してModulo演算ができず、Modulo演算を施されて送信されたDRSに基づいて伝搬路推定ができないからである(特許文献１参照)。
直交した無線リソースで各MTにDRSを送信する場合、BSは、あらかじめBSとMTの両方で既知のDRS (信号点平面上において複素数qで表されるとする。)を送信する。このとき、BSは、一つの直交した無線リソースで一つのMTに対してのみDRSを送信し、他のMTに対しては信号を送信しない。そのため、MTは、干渉の影響を受けずに、BSが送信したDRSを受信でき、DRSの受信信号点y をqで除算することで、伝搬路h = y/q と求めることができる。
一方、BSが、データ信号と同様にTHPによる空間多重をして、DRSを同時に複数MTに対して送信しても、MTは、伝搬路推定することができない。なぜなら、BSは、DRSに対してModulo演算を施してから送信するので、MTは基準となる信号がqではなく、信号qに対してModulo演算によって摂動ベクトルdが加算されているからである。つまり基準となる信号は、q+dであらわされる点であり、MTは、DRSの受信信号点yをq+dで除算すべきところ、dの値をあらかじめ知ることはできないので、 伝搬路hの値を推定できない。
そのため、DL MU-MIMO THPは各MT宛のDRSを空間多重する方法を用いず、直交DRSを用いている (下記特許文献１参照)。
特開2009-182894号公報
H. Harashima and H. Miyakawa, "Matched-Transmission Technique for Channels With Intersymbol Interference", IEEE Transactions On Communications, Vol. Com-20, No. 4, pp. 774-780, August 1972. J.Liu and A.Krzymien, "Improved Tomlinson-Harashima Precoding for the Dowinlink of Multiple Antenna Multi-User Systems", Proc. IEEE Wireless and Communications and Networking Conference, pp. 466-472, March 2005. V. Stankovic and M. Haardt, "Successive optimization Tomlinson-Harashima precoding (SO THP) for multi-user MIMO systems", Proc. IEEE Int. Conf. Acoust., Speech, and Signal Processing (ICASSP), Vol. III, pp.1117-1120, Philadelphia, PA, USA, March 2005.
しかしながら、図２２に代表されるように、直交した無線リソースに各MT宛のDRSを配置する方法は、DRS専用の無線リソースがMT数分だけ必要であり、DRS挿入によるオーバーヘッドの増加が大きくなるという問題があった。
本発明は係る事情に鑑みてなされたものであり、THPによる空間多重を用いた通信システムにおいて、DRS挿入による送信レートの低下を最小限に抑える技術を提供することを目的とする。
基地局(BS)があるMTに対して復調用パイロットを送信するとき、DL MU-MIMO THPにおける干渉除去順が、当該MTよりも後のMTに対してのみデータ信号を多重して送信する。
本発明の一観点によれば、複数の受信装置に対して、同一チャネル・同一時刻に信号を送信する、複数の送信アンテナを備えた送信装置であって、前記各受信装置宛の固有参照信号を生成する固有信号生成部と、前記各受信装置宛のデータ信号を生成するデータ信号生成部と、前記固有参照信号の少なくとも一部と前記データ信号の少なくとも一部とを空間多重する空間多重部と、空間多重した信号を送信する送信部と、を有することを特徴とする送信装置が提供される。前記空間多重部において空間多重する固有参照信号とデータ信号との宛先は、異なる受信装置とすることが好ましい。前記空間多重部は、所望信号から干渉信号を逐次減算する非線形処理を用いて行う空間多重を行う非線形空間多重部であることが好ましい。
前記非線形空間多重部は、前記複数の受信装置に対して順番を付けて、前記固有参照信号の宛先となる受信装置よりも前記順番が後の受信端末宛のデータ信号と前記固有参照信号を多重することが好ましい。
前記非線形空間多重部は、順番が先の受信装置宛の前記固有参照信号が前記順番よりも後の受信端末に及ぼす干渉を算出し、前記順番が後の受信装置宛のデータ信号から前記干渉を除去する処理を含むことが好ましい。前記非線形空間多重部は、前記干渉を除去した前記データ信号に対してModulo演算を施すことが好ましい。１つ又は複数の無線リソースの１つずつ又は複数の前記無線リソースを一単位として、前記順番を、各受信端末で均一になるように割り当てるようにしても良い。前記順番は、前記一単位毎に、巡回的に入れ替えることが好ましい。前記固有参照信号と空間多重するデータ信号は、制御情報を含むことが好ましい。
前記送信装置は、前記順番が後の受信装置宛の信号になるほど、情報ビットに対して低い符号化率で誤り訂正符号化を施して送信することが好ましい。
本発明は、送信装置が、同一チャネル・同一時刻に、複数の受信装置に信号を送信する通信システムにおいて、前記信号を受信する受信装置であって、他の受信装置宛の固有参照信号に空間多重された自装置宛のデータ信号を受信する受信部と、前記データ信号に対してModulo演算を施すMoudlo演算部と、を有することを特徴とする受信装置であっても良い。
また、本発明は、複数の受信装置に対して、同一チャネル・同一時刻に信号を送信する複数の送信アンテナを備えた送信装置からなる通信システムであって、前記送信装置は、前記各受信装置宛の固有参照信号（ＤＲＳ）を生成する固有信号生成部と、前記各受信装置宛のデータ信号を生成するデータ信号生成部と、前記固有参照信号の少なくとも一部と前記データ信号の少なくとも一部を空間多重する空間多重部と、空間多重した信号を送信する送信部と、を有し、前記受信装置は、他の前記受信装置宛の固有参照信号に空間多重された自装置宛のデータ信号を受信する受信部と、前記データ信号をに対してModulo演算を施すMoudlo演算部と、を有することを特徴とする通信システムである。
本発明の他の観点によれば、複数の受信装置に対して、同一チャネル・同一時刻に信号を送信する、複数の送信アンテナを備えた送信装置で行われる送信方法であって、前記各受信装置宛の固有参照信号（ＤＲＳ）を生成するステップと、前記各受信装置宛のデータ信号を生成するステップと、前記各受信装置宛の前記固有参照信号の少なくとも一部と前記データ信号の少なくとも一部とを空間多重するステップと、空間多重した信号を送信するステップと、を特徴とする通信方法が提供される。本発明は、上記通信方法をコンピュータに実行させるためのプログラムであっても良く、該プログラムを記録するコンピュータ読み取り可能な記録媒体であっても良い。
本発明は、複数の受信装置に対して、同一チャネル・同一時刻に信号を送信する複数の送信アンテナを備えた送信装置で使用されるプロセッサであって、前記各受信装置宛の固有参照信号（ＤＲＳ）を生成する固有信号生成部と、前記各受信装置宛のデータ信号を生成するデータ信号生成部と、前記固有参照信号の少なくとも一部と前記データ信号の少なくとも一部とを空間多重する空間多重部と、空間多重した信号を送信する送信部と、を有することを特徴とするプロセッサである。
また、本発明は、送信装置が、同一チャネル・同一時刻に、複数の受信装置に信号を送信する通信システムにおいて、前記信号を受信する受信装置で使用されるプロセッサであって、他の前記受信装置宛の固有参照信号に空間多重された自装置宛のデータ信号を受信する受信部と、前記データ信号をに対してModulo演算を施すMoudlo演算部と、を有することを特徴とするプロセッサである。
本発明によれば、THPによる空間多重を用いた通信システムにおいて、復調用パイロットに干渉を及ぼすことなく、同じ無線リソースでデータ信号を多重でき、DRS挿入による送信レートの低下を最小限に抑えることができる。
本発明の実施の形態におけるBSの一構成例を示す機能ブロック図である。 Ｎ個のMT宛の信号を計算する非線形空間多重部を示す機能ブロック図である。 図２に示す部分の処理の流れを示すフローチャート図である。 固有信号生成部による、従来例における固有信号配置例を示す図である。 本実施の形態による固有信号の構成例を示す図である。 固有信号の別の構成として周波数方向にDRS用無線リソースを配置した例を示す図である。 固有信号の別の構成として時間と周波数方向との両方にDRS用無線リソースを配置した例を示す図である。 本実施の形態によるMTの一構成例を示す図である。 本実施の形態による通信技術によるBS（Ｃ）の一構成例を示す機能ブロック図であり、図１に対応する図である。 各MT宛のデータ信号を、サブチャネル毎に巡回的に入れ替えた例を示す図である。 送信レートが全MTで均一になる固有信号の構成例を示す図である。 本実施の形態におけるBSの一構成例を示す図である。 図１２は、多重するMT数が２であり、各MTが２ストリームの通信をする場合を例にして示している。 本発明の第４の形態におけるMTの構成例を示す機能ブロック図である。 本発明の変形例によるフレーム構成であり、図１２と異なり、BSが受信フィルタを送信しないかわりに、各MT宛のDRSを、MT毎ではなく、ストリーム毎に直交する無線リソースで送信している例を示す図である。 MT2宛の信号がMT1に届かない状態にするフィルタを算出する（Null Spaceの算出）際のＢＳとＭＴとの構成例を示す図である。 BSとMTとが共有する表 (「Codebook」) の一例を示す図である。 Modulo演算処理の原理を示す図である。 基地局 (Base Station: BS) が同一時刻・同一周波数で複数の端末 (Mobile Terminal: MT) に対して信号を送信する際における、THPを用いてこのMUIを電力効率良く除去して、複数のMTを多重する方法として、ダウンリンク (Downlink: DL)のMU-MIMO(Multi-User Multi Input Multi Output)を利用した基地局の一構成例を示す機能ブロック図である。 図１８に対応する端末局の送信機能の一構成例を示す図である。 図１８に対応する端末局の受信機能の一構成例を示す図である。 複数の受信アンテナを持ち、SU-MIMOによる複数のデータストリーム通信を行うMT同士を、さらに同一時刻・同一周波数でDL MU-MIMO THPによって空間多重する構成例を示す図である(非特許文献３参照)。 BSはMT1宛のDRS(DRS-MT1)、MT2宛のDRS(DRS-MT2)等を異なる時間に分割して送信しているが、データ信号はDL MU-MIMO THPによる空間多重を行って送信している構成を示す図である。
以下に、本発明の実施の形態による移動体通信技術について図面を参照しながら説明する。
＜第１の実施の形態＞
従来のDL MU-MIMIO THPでは、BSが直交した無線リソースで各MT宛にDRSを送信する。本実施の形態は、DRS専用だった無線リソースに、データ信号を多重して送信する方法を提供することを目的とする。これにより、DRS挿入による送信レートの低下を最小限に抑えることができる。ここでデータ信号とは、参照信号以外の変調された信号のことを言い、制御信号でもよい。以下、図面を参照しながら本実施例の詳細な構成について説明する。
１）BSの構成
図１は、本実施の形態における基地局装置（BS）の一構成例を示す機能ブロック図である。上記の従来例では、簡潔に説明するためにMT数とBSのアンテナ数とがともに２つの場合について説明したが、図１の構成例では、MT数が任意のＮ個存在する場合を例として示している。
BS（Ａ）は、まず、アンテナＡＴ−１〜Ｎ毎に共通参照信号 (Common Reference Signals: CRS) を生成して、IFFT部２１−１〜ＮにCRSを入力する。IFFT部２１−１〜Ｎは、CRSに対し、IFFTを行い、ベースバンドデジタル信号を作成して、GI (Guard Interval: ガードインターバル) 挿入部２３−１〜Ｎにベースバンドデジタル信号を入力する。GI挿入部２３−１〜Ｎは、ベースバンドデジタル信号に対し、GIを付加し、GIが付加された信号を送信部２５−１〜Ｎに入力する。送信部２５−１〜Ｎは、入力されたCRSに対してデジタル／アナログ変換を行い、アップコンバージョンし、搬送波周波数の無線信号を生成して、アンテナＡＴ−１〜Ｎを介してMTにCRSを送信する。
その後、MTがCRSに基づいてBSの各アンテナから当該MTまでの伝搬路状態を推定し、伝搬路状態情報を含む無線信号 (伝搬路状態信号) をBSに送信する。BSの受信部２９−１〜Ｎは、アンテナＡＴ−１〜Ｎを介して伝搬路状態信号を受信し、伝搬路状態信号をダウンコンバージョンしてベースバンドデジタル信号を生成後、GI除去部３１−１〜Ｎに、当該ベースバンドデジタル信号を入力する。GI除去部３１−１〜Ｎは、受信部入力されたベースバンドデジタル信号からGIを除去し、FFT部３３−１〜Ｎに入力する。FFT部３３−１〜ＮはGIが除去されたベースバンドデジタル信号に対してFFTを行い、周波数方向の信号を算出した後、当該周波数方向の信号を伝搬路状態情報取得部３５に入力する。伝搬路状態情報取得部３５は、当該ベースバンドデジタル信号から伝搬路状態情報を取得し、線形フィルタ算出部３７に入力する。
線形フィルタ算出部３７は、伝搬路状態情報に基づいて線形フィルタと干渉係数情報を算出して、線形フィルタと干渉係数情報を非線形空間多重部１７に入力する。この線形フィルタ算出部３７の動作は、MT数がＮ＝２のときは、先行技術に示したと同じ動作であるが、ここでは一般的にMT数がＮであるときの動作を記述する。
ここで、BSのq番目の送信アンテナからp番目のMTへの伝搬路の複素利得を表す行列をベクトルH (以下、「伝搬路行列」と呼ぶ。)で表す。また、固有信号生成部１１で生成した固有信号をベクトルsとおく。sはN次元複素数縦ベクトルであり、sの各成分は、情報ビットに対して符号化と変調を施した変調信号又はDRSである。まず線形フィルタ算出部は、線形フィルタと干渉係数情報を計算する。具体的には、エルミート共役H Hに対してQR分解を施す。
Figure 2011182150
次に、ベクトルQを線形フィルタとして実際の伝搬路Hを合わせたものを一つの等価的伝搬路としてみると、この等価伝搬路は、
Figure 2011182150
 という形で表される。いま、R Hは下三角行列であり、１行目は対角成分 (１行１列成分) 以外は０となっている。また、行列AをR Hの対角成分のみを取り出した対角行列とする。線形フィルタ算出部が出力する線形フィルタはQで表され、干渉係数情報は A -1 R H - I (=Fとおく。) で表される。
A -1はA の逆行列を表す。A -1をR Hに対して乗算したのは、式(８)と同様に、各MTが伝搬路補償した後の受信信号に含まれる干渉信号を得るための係数を算出する必要があるからである。
また、単位行列Iを減算するのは、データ信号に対応する成分を取り除き、干渉信号の成分のみを算出するためである。線形フィルタ算出部３７は、ここで説明した方法により、線形フィルタと干渉係数情報を算出して、線形フィルタQと干渉係数情報Fを非線形空間多重部１７に入力する。
符号化部５−１〜Ｎは、各MT宛の情報ビットに誤り訂正符号化を施して符号化後のビットを変調部７−１〜Ｎに入力する。変調部７−１〜Ｎは、入力されたビットを変調して、変調信号を生成し、固有信号生成部１１に入力する。ここで、符号部５−１〜Ｎと変調部７−１〜Ｎを合わせた構成部分をデータ信号生成部３と呼ぶ。また、DRS生成部１５は各MTに対するDRSを生成して固有信号生成部１１に入力する。
固有信号生成部１１は、データ信号とDRSとを用いて、固有信号を生成する。この固有信号とは、各MTに対して送信する信号であって、他のMTとの間での干渉除去の処理を全く行っていない状態の信号である。本実施の形態では、この固有信号において、元々DRS用だった無線リソースに、一定の規則に従ってデータ信号を配置する。この配置方法により、DRS用の無線リソースでデータを多重できなかった先行技術よりも高い送信レートを実現することができる。この配置方法は、本実施の形態の主要部分であり、次に説明する非線形空間多重部の原理を利用しているので、詳細な説明は非線形空間多重部の説明の後に述べる。尚、固有信号生成部１１は、固有信号を生成した後、非線形空間多重部に入力する。
非線形空間多重部１７は、線形フィルタ算出部３７から入力された干渉係数情報と線形フィルタを用いて、各MT宛の信号に対して非線形空間多重を施す。非線形空間多重とは、先行技術の非線形空間多重部が行う処理と同じ非線形処理であり、各固有信号のMUIをBS側であらかじめTHPと線形フィルタによって除去して、各固有信号を空間多重する処理である。
ここで、MT数がＮ個の場合に一般化したときの、非線形空間多重について説明する。図２は、Ｎ個のMT宛の信号を計算する非線形空間多重部１７を示しており、当該部分の処理の流れを示すフローチャート図を図３に示した。また、Ｎ個のMTを上から順番にMT1〜MTＮと呼ぶ。
まず、データ信号のみを空間多重するときの非線形空間多重部１７の動作について説明し、DRSとデータ信号を多重する方法については固有信号生成部１１の動作とともに記述する。処理が開始されると、最初に、干渉算出部３２が、線形フィルタ算出部３７の計算した干渉係数情報を取得する（図３のステップＳ１）。その後、1からＮまでの値を取る変数ｋに１を代入する（ステップＳ２）。その次に、MT1宛のデータ信号s1をv1とおく（ステップＳ３）。ここでv1, …, vN は固有信号生成部１１に入力する信号とし、ステップＳ４からステップＳ１０までの処理でv2, …, vN を計算する。以降kが2〜Nまでのいずれかの値をとったときの動作を、変数kを用いて一般的に説明する。
まず、変数kに1を足す（ステップＳ４）。その後、干渉算出部３２で、MTkが受ける干渉信号fkを下の式で算出する（ステップＳ５）。
Figure 2011182150
ここで、式(１３)のRのp行q列成分をrpqと表した。干渉算出部３２は、干渉信号fk をMTkに対応する干渉減算部３４―２〜Ｎに入力する。次に、データ信号skからfk を減算して信号sk−fk を算出する（ステップＳ６）。また干渉減算部３４―２〜Ｎは、信号sk−fkをMTkに対応するModulo演算部３６―２〜Ｎに入力する。Modulo演算部３６―２〜Ｎは、MT2〜MTNまでの各MTに対応する干渉減算部３４―２〜Ｎに接続する形で配置されている。Modulo演算部３６―２〜Ｎは、入力された信号に対して式(１)で表されるModulo演算を行って算出した信号Mod(sk−fk)をvkとおく（ステップＳ７）。また、Modulo演算部３６―２〜Ｎは、vkを干渉算出部３２に入力する（ステップＳ８）。k = N であればステップＳ１０に進み、k = NでないならステップＳ４に戻って次の番号のMTのvk+1を計算する（ステップＳ９）。このように、非線形空間多重部１７では、順番に各MT宛の信号に干渉除去を施していくが、この非線形空間多重部１７が干渉除去を行うMTの順番を干渉除去順という。最終的に信号v = (v1, v2,…,vN)T を線形フィルタ乗算部３０に入力し、線形フィルタ乗算部３０は、信号vに線形フィルタQを乗算する。乗算後の信号Qvの各成分は、各アンテナから送信される信号であり、各アンテナＡＴ−１〜Ｎに対応するIFFT部２１−１〜Ｎに入力される（ステップＳ１０）。
IFFT部２１−１〜Ｎは、線形フィルタから入力された信号に対してIFFTを行い、ベースバンドデジタル信号を作成して、GI挿入部２３−１〜Ｎにベースバンドデジタル信号を入力する。GI挿入部２３−１〜Ｎは、ベースバンドデジタル信号に対してGIを付加し、GIが付加された信号を送信部２５−１〜Ｎに入力する。送信部２５−１〜Ｎは、GIが付加された信号に対してデジタル／アナログ変換を行い、アップコンバージョンし、搬送波周波数の無線信号を生成して、アンテナを介して各MTにそれぞれ固有信号を送信する。
最後に、本実施の形態の主要部分である固有信号生成部１１の動作について説明する。まず、従来例における固有信号配置を図４Ａ（ａ）に示した。図４Ａは、各MTに対して送信するDRSをDRS-MT1, DRS-MT2,…と表しており、図４Ａ（ａ）はBS側で生成する固有信号を表し、図４Ａ（ｂ）は、MTが受信する信号を示している。図４Ａを見ると、BSは、DRS用の無線リソースで他の信号を全く送信していないことがわかる。BSがDRS用の無線リソースでデータ信号を送信すると、DRSも干渉を受けることになり、DRSに対してもTHPを施すことも考えられるが、従来例で述べたように、DRSに対してもTHPを施すと、MTはDRSを用いて伝搬路推定ができなくなる。
この状況について式(１３)で算出した等化伝搬路RHを用いて説明する。BSが、MT2にDRS pを送信した無線リソースで、MT1宛にデータ信号s1を空間多重して送信したとすると、各MTの受信信号は以下の式で示される。
Figure 2011182150
Figure 2011182150
一方、BSは、データ信号を送信するとき、非線形空間多重部でフローチャート図３に従って、逐次的に各MT宛のデータ信号の干渉除去をする。このとき、線形フィルタも考慮に入れた等価伝搬路RHが下三角行列であることから、実は、MT宛の信号は、当該MTよりも干渉除去順が後のMTに対してのみ干渉を及ぼす一方で、干渉除去順が先のMTに対しては、干渉を及ぼさない。干渉除去順が先のMTに干渉を及ぼさない理由を、等化伝搬路RHを用いて説明する。
BSが、MT2にDRS pを送信した無線リソースで、MT2よりも干渉除去順が後のMT3宛にデータ信号s3、MT4宛にデータ信号s4を空間多重して送信したとしても、MT2は干渉の無いDRSを受信することができる。式で示すと、
Figure 2011182150
Figure 2011182150
つまり、BSが、DRSの宛先となるMTよりも干渉除去順が先のMTに対して、同じ無線リソースでデータ信号を送信すると、DRSの宛先となるMT が干渉を受けてしまう。一方、DRSの宛先となるMTよりも干渉除去順が後のMTに対して、同じ無線リソースでデータ信号を送信しても、DRSの宛先となるMTが干渉を受けることはない。
そこで、本実施の形態では、図４Ｂに示したような固有信号の構成を行う。図４Ｂは、図４Ａと同様に各MTに対して送信するDRSをDRS-MT1, DRS-MT2,…と表しており、図４Ｂ（ａ）はBSが生成する固有信号を表し、図４Ｂ（ｂ）はMTが受信する信号を示している。MT3とMT4に対して、式(１６)で計算した干渉の除去とModulo演算を施すTHPを行ってデータ信号を送信できることを示している。そのため、図４Ｂ（ａ）のように、BSはDRS用の無線リソースにおいて、DRSの宛先となるMTよりも干渉除去順が後のMTに対してデータ信号をTHPによる空間多重をして送信することができる。
なお、ここでは簡単のため、図４Ａと図４Ｂでは、時間方向に各DRSを配置する方法を示しているが、これに限られるわけではなく、例えば図５のように周波数方向にDRS用無線リソースを配置しても良いし、図６のように時間と周波数方向の両方に配置しても良い。
以上、説明した方法によって、BSは図４Ｂのようにデータ信号を、従来例よりも多く送信でき、送信レートを向上させることができる。DRSは少なくともMT数の無線リソースを使用するため、MT数が多くなるほど、従来例に対する本実施例の送信レート向上効果が大きくなる。
MTの構成
本実施の形態における移動局（MT）の構成例について、図７を参照しながら説明する。MT（Ｂ）の受信部５１は、BSが送信したCRSを含む信号を、アンテナＡＴを介して受信部５１で受信し、ダウンコンバージョンして、ベースバンドデジタル信号を生成後、GI除去部５３に、当該ベースバンドデジタル信号を入力する。GI除去部５３は、受信部５１に入力されたベースバンドデジタル信号からGIを除去し、FFT部５５に入力する。FFT部５５は、GIが除去されたベースバンドデジタル信号に対してFFTを行い、周波数方向の信号を算出した後、当該周波数方向の信号を信号分離部に入力する。信号分離部５７は、ベースバンドデジタル信号から、BSのアンテナ毎に対応するCRSを分離してCRS用伝搬路推定部６１に入力する。CRS用伝搬路推定部６１は、受信したCRSに基づいて、BSから当該MTへの伝搬路状態を推定し、推定した伝搬路状態情報を伝搬路状態情報生成部６３に入力する。伝搬路状態情報生成部６３は、伝搬路状態情報を用いて伝搬路状態信号をIFFT部６５に入力する。IFFT部６５は、伝搬路状態情報生成部６３から入力された信号に対してIFFTを行い、ベースバンドデジタル信号を作成して、GI挿入部６７にベースバンドデジタル信号を入力する。GI挿入部６７は、ベースバンドデジタル信号に対してGIを付加し、GIが付加された信号を送信部７１に入力する。送信部７１は、入力された伝搬路状態信号に対してデジタル／アナログ変換を行った後、アップコンバージョンして搬送波周波数の無線信号を生成して、アンテナＡＴを介してBSにCRSを送信する。
また、MTの受信部５１は、DRS及びデータ信号を含む信号を、アンテナＡＴを介して受信し、ダウンコンバージョンしてベースバンドデジタル信号を生成後、GI除去部５３に、当該ベースバンドデジタル信号を入力する。GI除去部５３は、受信部５１に入力されたベースバンドデジタル信号からGIを除去し、FFT部５５に入力する。FFT部５５はGIが除去されたベースバンドデジタル信号に対してFFTを行い、周波数方向の信号を算出した後、当該周波数方向の信号を信号分離部５７に入力する。信号分離部５７は、当該ベースバンドデジタル信号を、DRS、及びデータ信号に分離して、DRSをDRS用伝搬路推定部７３に、データ信号を伝搬路補償部７５に入力する。このときに図４Ｂのような信号の構成に基づいて信号分離を行う。DRS用伝搬路推定部７３は、入力されたDRSに基づいて伝搬路を推定して、伝搬路状態を示す情報を伝搬路補償部７５に入力する。また、DRS用伝搬路補償部７５は、伝搬路状態を示す情報を用いて、データ信号を伝搬路補償して、Modulo考演算部７７に入力する。Modulo演算部７７は、データ信号に対してModulo演算を施し、Modulo演算を施されたデータ信号を復調部８１に入力する。復調部８１は、Modulo演算を施されたデータ信号を復調して、復調結果を復号部８３に入力する。復号部８３は入力された復調結果を用いて復号を行って情報ビットを出力する。
（チップへの適用について）
また、上記方法のBSに係る機能は図１に示したようにプロセッサ１内で実行されてもよい。当該プロセッサ１は本実施の形態による方法を実行するDRS生成部１５、固有信号生成部１１、非線形空間多重部１７、データ信号生成部３、及び送信部２５以外に、受信部２９、伝搬路情報取得部３５、CRS生成部２７、GI除去部３１、FFT部３３、GI挿入部２３、及びIFFT部２１を有しているが、DRS生成部１５、固有信号生成部１１、非線形空間多重部１７、データ信号生成部３、及び送信部２５のみからなっていてもよく、これらや他の機能を併せ持つような構成でもよく、どの構成が含まれるかは限定されない。チップは、モノリシックＩＣ又はハイブリッドＩＣで構成されていても良く、その他の電子部品を含んでいても良い。どのような構成になっているかにかかわらず、上記実施の形態において説明したように機能するものであれば、本発明の範囲内にあるものである。
また、上記方法のMTに係る機能は図７に示したようにプロセッサ２内で実行されてもよい。当該プロセッサは本願の方法を実行する受信部５１、信号分離部５７、及び、DRS用伝搬路推定部７３以外に、伝搬路補償部７５、CRS用伝搬路推定部６１、伝搬路状態情報生成部６３、送信部７１、Modulo演算部７７、復調部８１、復号部８３、GI除去部５３、FFT部５５、GI挿入部６７、及びIFFT部７１を持っているが、これに限定されず、受信部５１、信号分離部５７、及び、DRS用伝搬路推定部７３のみからなっていてもよく、これらや他の機能を併せ持つような構成でもよく、限定されない点、すなわちチップ構成要素が非限定的である点は上記と同様である。
（第２の実施の形態）
上記第１の実施の形態は、従来例と比較して送信レートを増やすことができるが、干渉除去順によって増える送信レートにMT同士で差があった。例えば、干渉除去順が最初のMT1は、従来例と同じ送信レートとなるが、MT4では、MT1〜MT3宛のDRSと新たにデータ信号を多重できるようになり、送信レートの増加が大きい。送信レートに差が生じると割り当てる符号化ブロック単位が固定されていたり、割り当てるビット数があらかじめ標準化仕様などで固定されていたりするときに不都合が生じる。
そこで、本実施の形態においては、かかる事情に鑑み、各MTの送信レートを均一にすることを可能にすることを目的とする。
図８は、本実施の形態による通信技術によるBS（Ｃ）の一構成例を示す機能ブロック図であり、図１に対応する図である。図８は、図１と比較して、データ信号を置換する信号置換部９を、データ信号生成部３と固有信号生成部１１との間に有している。この信号置換部９は、各MT宛のデータ信号を、例えば、図９に示すように、サブチャネル毎に巡回的に入れ替える。すると、各MTは、同じ回数だけ各干渉除去順が割り当てられるので、図１０に示した固有信号の構成のように、送信レートが全MTで均一になる。尚、サブチャネルとは、OFDM通信におけるサブキャリアの１個又は複数からなる周波数帯域のことである。
本実施の形態は、全MTで送信レートを等しく増加させることができるため、BSは、DRSと空間多重するデータ信号に、通常各MTで送信ビット数を固定しなければならない制御信号を割り当てることもできる。
また、信号置換部９は、変更した干渉除去順を線形フィルタ算出部３７に入力する必要がある。干渉除去順が変わると、線形フィルタと干渉係数情報も変わるからである。線形フィルタ算出部３７は、干渉除去順が変わったときは、伝搬路Hの各行を干渉除去順に従って入れ変えた後に第１の実施の形態において説明した動作をする。
また、本実施の形態によるBS及びMTの構成例は、上記の信号置換部以外は第１の実施の形態による構成例と同じで良いため、他の部分の説明は第１の実施の形態によるものを援用してここでの説明は省略する。
尚、図９と図１０では、一例として周波数軸に並んだサブチャネルごとに干渉除去順を入れ替えた例を示したが、時間軸上に並んだ信号毎に干渉除去順を入れ替えても良いし、その組み合わせでもよいし、それ以外にも、異なる無線リソースで干渉除去順を均一に入れ替える方法でもよく、いずれかに限定されるものではない。
（第３の実施の形態）
第１の実施の形態に示したDL MU-MIMO THPにおける各MTの受信SNRは、平均的に見れば干渉除去順が後になるほど下がる。これは式(１２)で行ったQR分解が原因で生じることである。本実施の形態では、かかる事情に鑑み、各MTの受信特性を均一にすることを目的とする。
本実施の形態で説明したQR分解によるDL MU-MIMO THPは、等価伝搬路RHの対角成分で各MTの受信SNRが決まる。物理的概念で説明すれば、線形フィルタ算出部３７は、ある干渉除去順のMTはそれより前の干渉除去順のMTに対して干渉を及ぼさないという条件で、等価伝搬路RHを決定している。そのため、干渉除去順が後のMTであるほど、条件による制約が多く、結果的に特性の悪い伝搬路しか確保できなくり、受信SNRが低下する。
一方、DRS用無線リソースに、第１の実施の形態において説明した方法により新たに割り当てることかできるデータ信号は干渉除去順が後のMTであるほど多い。
そのため、BSは、DRS用無線リソースに新たに割り当てることができるデータ信号の数に対応するように符号化率を下げることで、干渉除去順が後であるほど低受信SNRであったために起こる特性劣化を符号化利得によって抑圧することができる。例えば、BSは、DRS用無線リソースに新たに割り当てることができるデータ信号に、従来例ではパンクチャリングをしていた冗長ビットを割り当てることができる。また冗長ビットではなく、情報ビットを再度送信してもよい。
また、本実施の形態によるBS及びMTの構成は、冗長ビット等が増加したことを考慮して復号することを除けば第１の実施の形態と同じであるので、説明は省略する。
尚、本実施の形態では、QR分解を用いたDL MU-MIMO THPについて説明したが、本実施の形態では、QR分解を用いない方式にも適用できる。QR分解を用いなても、逐次的にBSが干渉を除去していくDL MU-MIMO THPは、干渉を与えてはならないMTの数が増加する後の方のMTであるほど、特性の良い伝搬路を確保できなくなる傾向を持つことは変わりないからである。電力制御を行ってMTの受信SNRを一定に保つなどの方法を使わなければ、他のDL MU-MIMO THP方式で、干渉除去順が後のMTである平均的に小さくなる方法が存在することは明らかであり、そのような方式にも本実施の形態においても適用することができる。
（第４の実施の形態）
上記第１の実施の形態から第３の実施の形態までは、各MTが１つのデータ信号を同一時刻・同一周波数で受信する単一ストリーム通信の場合の例である。本発明の第４の実施の形態では、第１から第３までの実施の形態を図２１に描いてあるような複数ストリームで通信するMT（ＭＴａからｃまでの例）同士を、空間多重する状況にも拡張できることについて説明する。
以下に、この場合について、BSとMTとの構成を、図面を用いながら説明する。本実施の形態では、一例として各MTがMストリームずつ通信する場合について説明するが、これに限られるものではなく、各MTの通信ストリーム数が異なっていても良い。
本実施の形態のBS及びMTの動作は、第１から第３までの実施の形態と比較して、以下の４点が異なる。
(i) 線形フィルタの算出方法
(ii) Mストリーム毎に逐次的に干渉除去する点
(iii) BSが受信フィルタをMTに通知する点
(iv) MTが受信フィルタを取得して受信信号に対して乗算する点
以下に、順番に説明する。
(i)線形フィルタの算出方法について
図１１は、本実施の形態におけるBSの一構成例を示す図である。図１１は、第１の実施の形態における図１の構成と同様に、線形フィルタと干渉係数情報を算出する線形フィルタ算出部３７を有している。本実施の形態における線形フィルタ算出部３７は、線形フィルタと干渉係数情報に加えて、受信フィルタを算出して受信フィルタ情報挿入部１８に入力する。この線形フィルタ算出部３７の動作は、第１の実施の形態とは異なるため、後に詳細に説明する。
(ii) Mストリーム毎に逐次的に干渉除去する点について
第１から第３までの実施の形態に示した非線形空間多重部１７においては、１ストリーム単位で干渉除去していた。一方、本実施の形態では、Mストリーム単位（すなわちMT単位）で干渉除去する。そのため、図２の干渉算出部３２、干渉減算部３４、Modulo演算部３６は、それぞれMストリーム単位で信号を算出する。
１ストリーム単位で干渉除去する処理と、Mストリーム単位（すなわちMT単位）で干渉除去する処理との相違について以下に説明する。
図２に示した非線形空間多重部を使って説明する。第１〜第３の実施の形態では、図２の結線すべて１つのデータストリームが通ることを示したが、本実施の形態では、各結線でM本ずつのデータストリームが通る。
図２中の矢印全てM本毎のデータストリームが通っていることになる。図１１では、データ信号生成部３から入力されるデータストリームの数がMN本になっている。そのデータ信号生成部３から信号の入力をうける非線形空間多重部（図２）の結線はN本である。これはM本ずつデータストリームが通っているからである。
本実施の形態では、非線形空間多重部は、MT1宛のM本のデータストリームをまとめて、干渉算出部３２に入力した後、干渉算出部が、MT2のM本の各ストリームそれぞれに対応するM個の干渉信号を算出して、干渉減算部３４−２に入力する。その後、干渉減算部３４−２はMT2宛のM本のデータストリームから、各ストリームそれぞれに対応するM個の干渉信号を減算して、減算したM本の信号をModulo演算部３６−２に入力する。Modulo演算部３６−２はM本それぞれに対して式(1)で表されるModulo演算を施す。Modulo演算部３６−２は算出したM本のModulo演算後信号を干渉算出部に入力するとともに、線形フィルタ乗算部３０に入力する。
このように第１〜第３の実施の形態は、順番に干渉を除去していく処理を１ストリームずつ行うが、本実施の形態はM本ずつまとめて行う。このM本ずつ処理することが、第４の実施の形態の特徴である。
(iii) 受信フィルタを通知する点について
BSはMストリーム毎に各MT宛に同時に信号を送信するため、MTが受信したM本のストリームを分離できるようにする必要がある。そのため、BSが算出した受信フィルタを、各MTに通知する。MTは、この受信フィルタを、受信した自分宛の信号に対して乗算する。
また、図１１に構成を示したBSは、図１に示した構成と比較して、受信フィルタ情報挿入部１８を新たに持っていることがわかる。受信フィルタ情報挿入部１８は、線形フィルタ算出部が生成した受信フィルタ情報を、非線形空間多重部１７が生成した固有信号に挿入し、受信フィルタ情報を挿入した固有信号を線形フィルタ乗算部３０に入力する。
この固有信号の構成は例えば、図１２のようになる。ここで図１２は、多重するMT数が２であり、各MTが２ストリームの通信をする場合を例にして示している。図１２に示した固有信号には、各MT宛の受信フィルタ情報、各MT宛のDRS、及びデータ信号が含まれる。DRSとデータ信号は、受信フィルタを乗算することで分離できるため、同一MTに送信するものは空間多重できる。
(iv)MTが受信フィルタを取得して受信信号に対して乗算する点
本実施の形態におけるMTの構成を図１３に示した。図１３は、M本のアンテナを持つMT（Ｅ）の一構成例について示している。本実施の形態におけるMTは、第１の実施の形態によるMTの構成例と比較して、アンテナ（ＡＴ）数、受信部５１、及び送信部７１がM個に増えており、受信フィルタ乗算部５８と受信フィルタ取得部６０とが新たに設けられている。データ信号、DRS、及び受信フィルタ情報からなるMストリームの信号を受信したMTは、まず、受信フィルタ取得部６０で受信フィルタ情報から受信フィルタを取得する。受信フィルタ取得部６０は、取得した受信フィルタを受信フィルタ乗算部５８に入力する。受信フィルタ乗算部５８は、受信信号のうち、データ信号、及びDRSに対して受信フィルタを乗算することで、Mストリームの信号を全て分離することができる。また、受信フィルタ乗算部５８は、分離したMストリームの信号を信号分離部５７に入力する。以後、MTは各ストリームを完全に独立したものとして扱うことができる。
信号分離部５７以降の動作は、第１から第３までの各実施の形態の場合と同様であるが、分離したMストリーム毎に信号分離、伝搬路推定などの処理を行う点で異なる。また、CRSを受信したときは、受信フィルタ乗算部５８は、伝搬路状態を推定するために、何のフィルタも乗算せずにCRSを信号分離部５７に入力する。
なお、本実施の形態では、BSが、受信フィルタ情報を送信して、MTが受信フィルタ情報の示す受信フィルタをDRSとデータ信号に乗算することで、自分宛の複数ストリームを分離する方法について説明したが、この方法に限られるものではなく、後述の変形例に示したように、MTが自分宛の複数ストリームを分離するような他の方法を用いてでもよい。
以上の４点が、本実施の形態と、上記第１から第３までの各実施の形態との相違点である。その他の処理は、いずれも第１から第３までの各実施の形態をそのまま適用すればよい。以下に、線形フィルタ算出部３７の線形フィルタ、干渉係数情報、受信フィルタの算出方法の詳細を説明する。
本実施の形態による線形フィルタ算出部３７は、i）Null Spaceの算出、ii）MT個別フィルタの算出、iii）線形フィルタの算出、iv）干渉係数フィルタの算出、の４つのプロセスを実行する。最終的に、線形フィルタ算出部３７は、非線形空間多重部１７に、線形フィルタと干渉係数情報を、受信フィルタ情報生成部１８に、受信フィルタを入力する。
ここで、線形フィルタ算出部３７の動作を簡単に説明するため、まず２本のアンテナを持つMTが２つ、BSの送信アンテナが４つの場合を例に以下に説明する。
i）Null Spaceの算出
MT2の信号に対して乗算する線形フィルタであって、図１５に示したように、MT2宛の信号がMT1に届かない状態にするフィルタを算出することを、Null Spaceの算出という。
BSの各送信アンテナからk番目のMTの受信アンテナまでの伝搬路の複素利得を2×4行列Hkで表す。ここでkはオーダリング後におけるMTの番号である。ここでは、全体の伝搬路行列は、
Figure 2011182150
 で表される。
Figure 2011182150
Figure 2011182150
 ここで、式(１８)の右辺の左から１つ目の行列、及び３つ目の行列はそれぞれユニタリ行列である。また２つ目の行列は１行１列成分と２行２列成分だけが正の実数となる。３つ目の行列の３行目と４行目に相当する行列のエルミート共役を、
Figure 2011182150
Figure 2011182150
Figure 2011182150
Figure 2011182150
Figure 2011182150
Figure 2011182150
Figure 2011182150
Figure 2011182150
Figure 2011182150
iii）線形フィルタの算出
Figure 2011182150
Figure 2011182150
 とする。この線形フィルタPを乗算することでMT1宛の信号に対して、BSからMT1のSU-MIMIOと考えた時の最適なMT個別フィルタを乗算し、同時にMT2宛の信号に対して、MT1にNullが向いているという制限下でのMT個別フィルタを乗算することができる。このPは第１の実施の形態におけるQに相当し、フィルタ乗算部は線形フィルタ乗算部３０にこのPを入力する。
iv）干渉係数フィルタの算出
HPを等価的伝搬路とすると、
Figure 2011182150
 とおくことができる。
ここでT11, T21, T22は２×２行列である。T11, T22はBSがMT1,2に送信した信号がそれぞれ正しいMTに届くときの伝搬路状態を表している。またT21はBSがMT1宛に送信した信号がMT2に干渉として届くときの伝搬路を表す。式(２３)の右上の成分が０というのはMT2宛の信号がMT1に干渉として届かないことを示している。
BSはこの等価伝搬路Tを用いて干渉係数フィルタを算出する。干渉係数フィルタは、等価伝搬路Tを用いてMT2が伝搬路を補償した後に残留する干渉成分を、算出するためのフィルタてある。等価伝搬路Tの一部分のT21は、MT1宛の信号がMT2に及ぼす干渉となる信号が通る伝搬路を示している。しかし、TはMT2が伝搬路を補償する前の干渉成分を示しているため、本方式では、伝搬路補償した後の干渉信号の伝搬路を、算出することが必要である。
いま、データ信号の伝搬路のみを取り出すと、
Figure 2011182150
 と表すことができる。これは実施例１のAを複数受信アンテナの場合に拡張したものに相当する。伝搬路を補償するにはBの逆行列を乗算すればよいので、これに伴って干渉成分は、
Figure 2011182150
Figure 2011182150
以上のようにして計算した干渉係数フィルタを干渉算出部とModulo演算切り換え部に入力し、線形フィルタを線形フィルタ乗算部３０に入力する。また受信フィルタは式(２０)と式(２１)の右辺の左から１つ目の行列のエルミート共役である。すなわち、
Figure 2011182150
 となる。線形フィルタ算出部３７は、この受信フィルタを受信フィルタ情報挿入部１８に入力する。
ここまでは、２本のアンテナを持つMTが２つ、BSの送信アンテナが４つのときについて説明したが、次に、線形フィルタ算出部３７の動作を、M本のアンテナを持つMTがN個有る場合について、以下に、一般化して説明する。
i）Null Spaceの算出
BSの各アンテナからk番目のMTのアンテナまでの伝搬路の複素利得をM×MN行列Hkで表す。ここで、kはオーダリング後におけるMTの番号である。つまりH1に対応するMTがTHP非対応MTであり、残りのMTはTHP対応MTである。全体の伝搬路行列は、
Figure 2011182150
 で表される。いま、この伝搬路行列の1〜k-1番目までの伝搬路を取り出した行列を、
Figure 2011182150
Figure 2011182150
Figure 2011182150
Figure 2011182150
ii）MT個別フィルタの算出
Figure 2011182150
Figure 2011182150
Figure 2011182150
iii）線形フィルタの算出
Figure 2011182150
Figure 2011182150
 とする。このPが実施例1におけるQに相当し、フィルタ乗算部は線形フィルタ乗算部３０にこのPを入力する。
iv）干渉係数フィルタの算出
HPを等価的伝搬路とすると
Figure 2011182150
Figure 2011182150
Figure 2011182150
 と表すことができる。これは、第１の実施の形態のAを複数受信アンテナの場合に拡張したものに相当する。第１の実施の形態と同様に、データ信号が式(２１)で表される伝搬路を通った後に、MTが受ける干渉を相殺できる信号を計算するため、以下のように干渉係数フィルタを算出する。
Figure 2011182150
Figure 2011182150
以上が、本実施の形態による通信システムに係る線形フィルタ算出部の動作の詳細である。
また、受信フィルタの乗算を含めた等価的な伝搬路は、式(３０)と式(３１)より、
Figure 2011182150
Figure 2011182150
以上が、本実施の形態による通信システムに係る線形フィルタ算出部の動作の詳細である。
＜第１の変形例＞
本実施の形態においては、上記(iii)に述べたように、BSが受信フィルタを送信し、MTがこの受信フィルタを用いてDRS及びデータ信号を各々のストリームに分離する方法ついて説明した。本第１変形例は、BSがこの受信フィルタを送らずに、MTがデータ信号を各々のストリームに分離する方法について説明する。
まずフレーム構成を、図１４に示した構成を例にして説明する。図１４に示した本変形例のフレーム構成では、図１２と異なり、BSが受信フィルタを送信しないかわりに、各MT宛のDRSを、MT毎ではなく、ストリーム毎に直交する無線リソースで送信している点が異なる。
Figure 2011182150
そのため、MTは、伝搬路補償部７５で、この行列の逆行列をデータ信号に乗算し、データ信号を各々のストリームに分離し、かつデータ信号の振幅を正規化することができる。MTは伝搬路補償部７５で算出した信号をModulo演算部７７に入力する。
（チップクレームに関する説明）
また、上記方法のBSに係る機能は、図１１に示したようにプロセッサ１内で実行されてもよい。当該プロセッサ１（Ｄ）は本願の方法を実行するDRS生成部１５、非線形空間多重部１７、及び送信部２５以外に、受信部２９、伝搬路情報取得部３５、CRS生成部２７、受信フィルタ情報挿入部１８、及びデータ信号生成部３を持っているが、これに限定されず、DRS生成部１５、非線形空間多重部１７、及び、送信部２５のみからなっていてもよく、これらや他の機能を併せ持つような構成でもよく、どこまでをチップ内で構成するかについて限定されない。
また、上記方法のMTに係る機能は図１３に示したようにプロセッサ２内で実行されてもよい。当該プロセッサ２は、本願の方法を実行する受信部５１及びDRS用伝搬路推定部７３以外に、信号分離部５７、伝搬路補償部７５、CRS用伝搬路推定部６１、伝搬路状態情報生成部６３、送信部７１、Modulo演算部７７、復調部８１、復号部８３、受信フィルタ乗算部５８、及び受信フィルタ取得部６０を持っているが、これに限定されず、受信部５１及びDRS用伝搬路推定部７３のみからなっていてもよく、これらや他の機能を併せ持つような構成でもよく、限定されない。
（全実施例共通）
以上のような実施の形態、その変形例において、以下のような点を考慮することができる。
すなわち、本実施の形態等を例で示した線形フィルタ算出方法以外にも、上記非特許参考文献２記載されているMMSE規範に基づく線形フィルタを用いたDL MU-MIMO THPに対して本実施の形態による技術を適用しても良いし、同じく、上記非特許参考文献２記載されているようにオーダリングを用いた方法でもよい。
MTがCRSに基づいて推定した情報をBSに通知する時に、伝搬路状態を行列で表したHの各成分を示す値を量子化したものをBSに通知しても良い。もしくは、BSとMTとが、図１６に示したような表(以下、「Codebook」という。) をあらかじめ共有しておき、MTがCRSに基づいて図１６の８個の伝搬路情報の値の中から自分宛の伝搬路に対する０〜７の番号の１つを選択し、BSに選択した番号を通知する方法を用いても良い。もちろん図１６に記載したCodebookはこれに限られるものではなく、他のCodebookを用いてもよい。
各実施例における固有信号の構成は、簡単のため、図４Ｂなどのように、時間方向に各DRSを配置する方法を示しているが、これに限られるわけではない。本発明の固有信号の構成は、例えば図５のように周波数方向にDRS用無線リソースを配置しても良いし、図６のように時間と周波数方向との両方に配置しても良い。
ここでも、例えばMT多重するMTが４つのときは、DRS-MT1を送信する無線リソースでは、MT2〜MT4宛のデータ信号を送信でき、DRS-MT2を送信する無線リソースでは、MT3とMT4宛のデータ信号を送信できるなど、DRSの宛先となるMTよりも干渉除去順が後のMTに対してデータ信号を多重することができる。
また、本発明の実施例ではOFDM通信を行う場合を述べてきたが、ダウンリンク、アップリンク、又はその両方でOFDM通信以外のシングルキャリア通信などを行うシステムに対しても、本発明は適用可能である。
さらに、各実施例に示したBS及びMTの持つアンテナの本数は便宜上MTが通信するデータストリーム数と一致させているが、示した本数と、物理的には異なった本数のアンテナを持つMTであってもよい。例えば、あるMTが、物理的に２本のアンテナで信号を受信するが、受信した信号を１つの信号に合成する設計である場合、本発明の記載では、便宜的にアンテナが１本として扱っている。
尚、以上の実施の形態等では、所望の送信信号からユーザ間干渉の一部を減算して、実際に送信すべき信号を生成する非線形MU-MIMO伝送を対象とし、DRSとデータ信号を空間多重する例について示してきた。DRSとデータ信号のこのような空間多重は線形MU-MIMO伝送を行う場合にも適用可能である。線形MU-MIMO伝送では、伝搬路行列に応じた線形フィルタを信号に乗算することによりユーザ間干渉を除去する方法であるが、DRSが伝送されるリソースにおいても線形フィルタを乗算して送信することにより、DRSとデータ信号が干渉し合う状況を回避することが可能となり、DRSとデータ信号を空間多重することができる。
また、本発明に関わる移動局装置および基地局装置で動作するプログラムは、本発明に関わる上記実施の形態等の機能を実現するように、ＣＰＵ等を制御するプログラム（コンピュータを機能させるプログラム）である。そして、これら装置で取り扱われる情報は、その処理時に一時的にＲＡＭに蓄積され、その後、各種ＲＯＭやＨＤＤに格納され、必要に応じてＣＰＵによって読み出し、修正・書き込みが行なわれる。プログラムを格納する記録媒体としては、半導体媒体（例えば、ROM、不揮発性メモリカード等）、光記録媒体（例えば、DVD、MO、MD、CD、BD等）、磁気記録媒体（例えば、磁気テープ、フレキシブルディスク等）等のいずれであってもよい。また、ロードしたプログラムを実行することにより、上述した実施形態の機能が実現されるだけでなく、そのプログラムの指示に基づき、オペレーティングシステムあるいは他のアプリケーションプログラム等と共同して処理することにより、本発明の機能が実現される場合もある。
また市場に流通させる場合には、可搬型の記録媒体にプログラムを格納して流通させたり、インターネット等のネットワークを介して接続されたサーバコンピュータに転送したりすることができる。この場合、サーバコンピュータの記憶装置も本発明に含まれる。また、上述した実施形態における移動局装置および基地局装置の一部、または全部を典型的には集積回路であるＬＳＩとして実現してもよい。移動局装置および基地局装置の各機能ブロックは個別にプロセッサ化してもよいし、一部、または全部を集積してプロセッサ化してもよい。また、集積回路化の手法はＬＳＩに限らず専用回路、または汎用プロセッサで実現しても良い。また、半導体技術の進歩によりＬＳＩに代替する集積回路化の技術が出現した場合、当該技術による集積回路を用いることも可能である。
以上、この発明の実施の形態を、図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も特許請求の範囲に含まれる。
本発明は、通信装置に利用可能である。
Ａ…基地局、１…プロセッサ、３…データ信号生成部、５…符号部、７…変調部、９…信号置換部、１１…固有信号生成部、１５…ＤＲＳ生成部、１７…非線形空間多重部、１８…受信フィルタ情報挿入部、２１…ＩＦＦＴ部、２３…ＧＩ挿入部、２５…送信部、ＡＴ…アンテナ、２７…ＣＲＳ生成部、２９…受信部、３０…線形フィルタ乗算部、３１…ＧＩ除去部、３２…干渉算出部、３３…ＦＦＴ部、３４…干渉減算部、３５…伝搬路情報取得部、３６…Ｍｏｄｕｌｏ演算部、３７…線形フィルタ算出部、Ｂ…端末局（ＭＴ）、５１…受信部、５３…ＧＩ除去部、５５…ＦＦＴ部、５７…信号分離部、５８…受信フィルタ乗算部、６０…受信フィルタ取得部、６１…ＣＲＳ用伝搬路推定部、６３…伝搬路状態情報生成部、６５…ＩＦＦＴ部、６７…ＧＩ挿入部、７１…送信部、７３…ＤＲＳ用伝搬路推定部、７５…伝搬路補償部、７７…Ｍｏｄｕｌｏ演算部、８１…復調部、８３…復号部。

Claims (16)

  1. 複数の受信装置に対して、同一チャネル・同一時刻に信号を送信する、複数の送信アンテナを備えた送信装置であって、
    前記各受信装置宛の固有参照信号を生成する固有信号生成部と、
    前記各受信装置宛のデータ信号を生成するデータ信号生成部と、
    前記固有参照信号の少なくとも一部と前記データ信号の少なくとも一部とを空間多重する空間多重部と、
    空間多重した信号を送信する送信部と、を有することを特徴とする送信装置。
  2. 前記空間多重部において空間多重する固有参照信号とデータ信号との宛先は、異なる受信装置とすることを特徴とする請求項１に記載の送信装置。
  3. 前記空間多重部は、非線形処理を用いて行う空間多重を行う非線形空間多重部であることを特徴とする請求項２に記載の送信装置。
  4. 前記非線形空間多重部は、
    前記複数の受信装置に対して順番を付けて、
    前記固有参照信号の宛先となる受信装置よりも前記順番が後の受信装置宛のデータ信号と前記固有参照信号を多重することを特徴とする請求項３に記載の送信装置。
  5. 前記非線形空間多重部は、
    順番が先の受信装置宛の前記固有参照信号が前記順番よりも後の受信装置に及ぼす干渉を算出し、
    前記順番が後の受信装置宛のデータ信号から前記干渉を除去する処理を含むことを特徴とする請求項４に記載の送信装置。
  6. 前記非線形空間多重部は、
    前記干渉を除去した前記データ信号に対してModulo演算を施すことを特徴とする請求項４又は５に記載の送信装置。
  7. １つ又は複数の無線リソースを一単位として、前記順番を、各受信装置で均一になるように割り当てることを特徴とする請求項４から６までのいずれか１項に記載の送信装置。
  8. 前記順番は、前記一単位毎に、巡回的に入れ替えることを特徴とする請求項７に記載の送信装置。
  9. 前記固有参照信号と空間多重するデータ信号は、制御情報を含むことを特徴とする請求項１に記載の送信装置。
  10. 前記送信装置は、前記順番が後の受信装置宛の信号になるほど、
    情報ビットに対して低い符号化率で誤り訂正符号化を施して送信することを特徴とする請求項４から６までのいずれか１項に記載の送信装置。
  11. 送信装置が、同一チャネル・同一時刻に、複数の受信装置に信号を送信する通信システムにおいて、前記信号を受信する受信装置であって、
    他の受信装置宛の固有参照信号に空間多重された自装置宛のデータ信号を受信する受信部と、
    前記データ信号に対してModulo演算を施すMoudlo演算部と、を有する
    ことを特徴とする受信装置。
  12. 複数の受信装置に対して、同一チャネル・同一時刻に信号を送信する複数の送信アンテナを備えた送信装置からなる通信システムであって、
    前記送信装置は、
    前記各受信装置宛の固有参照信号を生成する固有信号生成部と、
    前記各受信装置宛のデータ信号を生成するデータ信号生成部と、
    前記固有参照信号の少なくとも一部と前記データ信号の少なくとも一部を空間多重する空間多重部と、
    空間多重した信号を送信する送信部と、を有し、
    前記受信装置は、
    他の受信装置宛の固有参照信号に空間多重された自装置宛のデータ信号を受信する受信部と、
    前記データ信号に対してModulo演算を施すMoudlo演算部と、を有することを特徴とする通信システム。
  13. 複数の受信装置に対して、同一チャネル・同一時刻に信号を送信する、複数の送信アンテナを備えた送信装置で行われる送信方法であって、
    前記各受信装置宛の固有参照信号を生成するステップと、
    前記各受信装置宛のデータ信号を生成するステップと、
    前記各受信装置宛の前記固有参照信号の少なくとも一部と前記データ信号の少なくとも一部とを空間多重するステップと、
    空間多重した信号を送信するステップと、
    を特徴とする通信方法。
  14. 請求項１３に記載の通信方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
  15. 複数の受信装置に対して、同一チャネル・同一時刻に信号を送信する複数の送信アンテナを備えた送信装置で使用されるプロセッサであって、
    前記各受信装置宛の固有参照信号を生成する固有信号生成部と、
    前記各受信装置宛のデータ信号を生成するデータ信号生成部と、
    前記固有参照信号の少なくとも一部と前記データ信号の少なくとも一部とを空間多重する空間多重部と、
    空間多重した信号を送信する送信部と、を有することを特徴とするプロセッサ。
  16. 送信装置が、同一チャネル・同一時刻に、複数の受信装置に信号を送信する通信システムにおいて、前記信号を受信する受信装置で使用されるプロセッサであって、
    他の前記受信装置宛の固有参照信号に空間多重された自装置宛のデータ信号を受信する受信部と、
    前記データ信号に対してModulo演算を施すMoudlo演算部と、を有することを特徴とするプロセッサ。
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