JP2017060138A - 無線通信装置、無線通信システムおよび送信データ制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】通信のスループットを向上させる。
【解決手段】受信装置３０は、推定部４０と、ランク特定部４１と、ストリーム数決定部４２と、プリコーディング行列決定部４３と、送信部４４とを有する。推定部４０は、送信装置から送信された既知の信号を受信し、送信装置と自装置との間のチャネルおよび受信信号品質を推定する。ランク特定部４１は、推定されたチャネルに基づいて伝搬路のランクを特定する。ストリーム数決定部４２は、推定された受信信号品質と、特定されたランクとに基づいて、データストリーム数を決定する。プリコーディング行列決定部４３は、推定された受信信号品質と、決定されたデータストリーム数とに基づいて、プリコーディング行列を決定する。送信部４４は、決定されたデータストリーム数と、決定されたプリコーディング行列に関する情報とを、送信装置へ送信する。
【選択図】図３

Description

本発明は、無線通信装置、無線通信システムおよび送信データ制御方法に関する。

送信装置および受信装置が、それぞれ複数のアンテナを有するアンテナアレイを用いて通信を行うＭＩＭＯ（Multiple−Input and Multiple−Output）通信システムが知られている。また、近年の通信帯域の増大に伴い、ミリ波を用いた通信が検討されている。ミリ波は、ＵＨＦ（Ultra High Frequency）帯の電波に比べて空間伝搬損失が大きい。そのため、ミリ波を用いた通信では、ＭＩＭＯ通信の技術を用いてビームフォーミングを行うことにより、通信品質を高めている。

また、ＭＩＭＯ通信システムにおいて、送信信号に対する位相変移を含むＲＦ（Radio Frequency）プリコーディング行列と、基底帯域において送信信号をプリコードするための基底帯域プリコーディング行列とを算出する無線通信システムが知られている。このような無線通信システムでは、送信装置と受信装置との間のチャネルから求まるランクに応じたデータストリーム数のデータ信号が、算出されたプリコーディング行列によりプリコーディングされて、送信装置から受信装置へ送信される。

特表２０１４−５２６１９１号公報

ところで、ランクに応じたデータストリーム数で送信装置からデータ信号が送信された場合、送信装置と受信装置との間の伝搬環境によっては、受信装置において受信されたデータ信号の誤りが多くなる場合がある。その場合、データ信号の再送が頻発し、データ信号によって送信されるデータのスループットが低下する。一方、送信装置と受信装置との間の伝搬環境によっては、ランクに応じたデータストリーム数よりも多いデータストリーム数でデータ信号を送信しても、受信装置において少ない誤りでデータ信号が受信される場合がある。しかし、ストリーム数はランクに応じた値に固定的に決まるため、スループットを高める余地があるにもかかわらず、スループットは一定の値に留まってしまう。

本願に開示の技術は、通信のスループットを向上させる。

１つの側面では、無線通信装置は、推定部と、特定部と、第１の決定部と、第２の決定部と、送信部とを有する。推定部は、送信装置から送信された既知の信号を受信し、送信装置と自装置との間のチャネルおよび受信信号品質を推定する。特定部は、推定部が推定したチャネルに基づいて伝搬路のランクを特定する。第１の決定部は、推定部が推定した受信信号品質と、特定部が特定したランクとに基づいて、データストリーム数を決定する。第２の決定部は、推定部が推定した受信信号品質と、第１の決定部が決定したデータストリーム数とに基づいて、プリコーディング行列を決定する。送信部は、第１の決定部が決定したデータストリーム数と、第２の決定部が決定したプリコーディング行列に関する情報とを、送信装置へ送信する。

１実施形態によれば、通信のスループットを向上させることができる。

図１は、無線通信システムの一例を示す図である。 図２は、実施例１における送信装置の一例を示すブロック図である。 図３は、実施例１における受信装置の一例を示すブロック図である。 図４は、アンテナの配置の一例を示す図である。 図５は、アンテナの配置の他の例を示す図である。 図６は、無線通信システムの動作の一例を示すシーケンス図である。 図７は、ＲＦプリコーディング行列の算出処理の一例を示すシーケンス図である。 図８は、ＲＦプリコーディング行列の算出過程の一例を説明する図である。 図９は、ＲＦプリコーディング行列の算出過程の一例を説明する図である。 図１０は、ＲＦプリコーディング行列の算出過程の一例を説明する図である。 図１１は、固有値のシミュレーション結果の一例を示す図である。 図１２は、ランク１におけるスループットの一例を示す図である。 図１３は、ランク２におけるスループットの一例を示す図である。 図１４は、ランク３におけるスループットの一例を示す図である。 図１５は、ランク４におけるスループットの一例を示す図である。 図１６は、スループットテーブルの一例を示す図である。 図１７は、閾値テーブルの一例を示す図である。 図１８は、閾値テーブルの使用方法を説明する図である。 図１９は、閾値テーブルの使用方法を説明する図である。 図２０は、閾値の決定方法の一例を示す図である。 図２１は、閾値テーブルの一例を示す図である。 図２２は、平均スループットのシミュレーション結果の一例を示す図である。 図２３は、平均スループットのシミュレーション結果の一例を示す図である。 図２４は、実施例２における送信装置の一例を示すブロック図である。 図２５は、実施例２における受信装置の一例を示すブロック図である。

以下に、本願の開示する無線通信装置、無線通信システムおよび送信データ制御方法の実施例を、図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施例は開示の技術を限定するものではない。そして、各実施例は、処理内容を矛盾させない範囲で適宜組み合わせることが可能である。

［無線通信システム１０］
図１は、無線通信システム１０の一例を示す図である。無線通信システム１０は、送信装置２０および受信装置３０を備える。本実施例における送信装置２０と受信装置３０とは、ミリ波を用いて、チャネルＨを有する伝搬路を介して無線通信を行う。無線通信システム１０は、例えばデータセンタやバックホール等における通信に用いられる。また、無線通信システム１０は、ＷＬＡＮ（Wireless Local Area Network）やＷＰＡＮ（Wireless Personal Area Network）に用いられてもよい。

送信装置２０は、Ｎ_t本の送信アンテナ２１−１〜２１−Ｎ_tを含むアレイアンテナ２１０を有する。また、受信装置３０は、Ｎ_r本の受信アンテナ３１−１〜３１−Ｎ_rを含むアレイアンテナ３１０を有する。Ｎ_tおよびＮ_rは２以上の整数である。なお、以下では、送信アンテナ２１−１〜２１−Ｎ_tのそれぞれを区別することなく総称する場合に送信アンテナ２１と記載し、受信アンテナ３１−１〜３１−Ｎ_rのそれぞれを区別することなく総称する場合に受信アンテナ３１と記載する。また、本実施例において、送信装置２０と受信装置３０とを便宜上分けて説明するが、送信装置２０および受信装置３０は、それぞれ送信機能および受信機能の両方を備えるようにしてもよい。

［送信装置２０］
図２は、実施例１における送信装置２０の一例を示すブロック図である。送信装置２０は、複数の送信アンテナ２１、複数のＦＥＣ（Forward Error Correction）符号化部２２、空間インタリーバ２３、複数のコンスタレーションマッパ２４、およびＢＢ（BaseBand）プリコーディング部２５を有する。また、送信装置２０は、複数のＲＦ部２６、複数のウェイト設定部２７、ＢＢプリコーディング行列設定部２８、コードブック２８０、およびウェイト制御部２９を有する。

本実施例において、ＲＦ部２６は、Ｎ個設けられる。本実施例において、ＲＦ部２６の数Ｎは、データストリーム数Ｎ_sの最大数以下である。また、複数の送信アンテナ２１は、ＲＦ部２６毎に、Ｎ個のサブアレイ２１１に分けられる。それぞれのサブアレイ２１１には、Ｎ_sbt個の送信アンテナ２１が含まれる。ＮおよびＮ_sbtは２以上の整数である。

本実施例において、ＦＥＣ符号化部２２、空間インタリーバ２３、コンスタレーションマッパ２４、ＢＢプリコーディング部２５、ＲＦ部２６、ウェイト設定部２７、ＢＢプリコーディング行列設定部２８、およびウェイト制御部２９は、ＬＳＩ等により実現される。ＬＳＩは、Large−Scale Integrationの略である。なお、上記機能の少なくとも一部は、プログラム可能なＰＬＤ（Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の論理回路装置によって実現されてもよい。また、送信装置２０は、処理装置と記憶装置とを備え、処理装置が記憶装置に格納されたプログラムを実行することにより、上記機能のうち、少なくとも一部を実現してもよい。処理装置は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）やＤＳＰ（Digital Signal Processor）であり、記憶装置は、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＳＳＤ（Solid State Drive）等である。

それぞれのＦＥＣ符号化部２２は、データストリームに含まれる送信ビット系列を所定の符号化率の畳み込み符号等により符号化する。それぞれのＦＥＣ符号化部２２は、受信装置３０から通知されたＭＣＳ（Modulation and Coding Scheme）に対応する符号化率を用いて符号化を行う。ＦＥＣ符号化部２２によって符号化された送信ビット系列は、空間インタリーバ２３へ出力される。本実施例において、データストリームの数はＮ_sで表される。Ｎ_sは１以上の整数である。

空間インタリーバ２３は、それぞれのＦＥＣ符号化部２２から出力された送信ビット系列を、データストリーム毎に、ビット位置を入れ替えることにより空間インタリーブを行う。そして、空間インタリーバ２３は、インタリーブ後の送信ビット系列を、データストリーム毎にそれぞれのコンスタレーションマッパ２４へ出力する。

それぞれのコンスタレーションマッパ２４は、空間インタリーバ２３から出力されたデータストリームに対して、該データストリームに含まれる送信ビット系列を１６ＱＡＭ等の所定の変調方式に従ってシンボルにマッピングする。そして、コンスタレーションマッパ２４は、マッピング後のデータストリームをＢＢプリコーディング部２５へ出力する。それぞれのコンスタレーションマッパ２４は、受信装置３０から通知されたＭＣＳに対応する変調方式を用いて、データストリームに含まれる送信ビット系列を変調する。

ＢＢプリコーディング部２５は、ＢＢプリコーディング行列設定部２８から設定されたＢＢプリコーディング行列を、それぞれのコンスタレーションマッパ２４から出力されたＮ_s個のデータストリームに乗算する。そして、ＢＢプリコーディング部２５は、Ｎ_s個のデータストリームを、Ｎ個のＲＦ部２６のそれぞれにマッピングする。

コードブック２８０には、データストリーム数毎に、複数のＢＢプリコーディング行列が格納されている。それぞれのＢＢプリコーディング行列には、インデックスが対応付けられている。ＢＢプリコーディング行列設定部２８は、受信装置３０からインデックスおよびデータストリーム数を受信した場合、コードブック２８０を参照して、データストリーム数に対応付けられている複数のＢＢプリコーディング行列を特定する。そして、ＢＢプリコーディング行列設定部２８は、特定した複数のＢＢプリコーディング行列の中で、受信装置３０から受信したインデックスが対応付けられているＢＢプリコーディング行列をさらに特定する。そして、ＢＢプリコーディング行列設定部２８は、特定したＢＢプリコーディング行列をＢＢプリコーディング部２５に設定する。

それぞれのＲＦ部２６は、ＢＢプリコーディング部２５によってマッピングされた信号に対して、ディジタル−アナログ変換、直交変調、およびアップコンバート等の処理を行う。そして、ＲＦ部２６は、処理後の信号を、対応するサブアレイ２１１に接続されたウェイト設定部２７へ出力する。なお、それぞれのＲＦ部２６は、ＲＦプリコーディング行列およびＢＢプリコーディング行列が算出される際には、ウェイト制御部２９からの指示に応じて、既知のデータ系列を有する参照信号を、送信アンテナ２１を介して受信装置３０へ送信する。参照信号は、例えばパイロット信号等であってもよい。

ウェイト制御部２９は、サブアレイ２１１毎に、サブアレイ２１１に含まれるそれぞれの送信アンテナ２１に設定されるウェイトを含む送信アンテナウェイトベクトル（以下、送信ＡＷＶと呼ぶ）を生成する。送信ＡＷＶが設定されることにより、サブアレイ２１１から所定のパターンの送信ビームが放射される。そして、ウェイト制御部２９は、サブアレイ２１１毎に生成した送信ＡＷＶに含まれるそれぞれのウェイトを、それぞれのウェイト設定部２７へ出力する。

ウェイト設定部２７は、ウェイト制御部２９から出力されたウェイトを、ＲＦ部２６から出力された信号に乗算することにより、ＲＦ部２６から出力された信号の位相を変更する。サブアレイ２１１に含まれるそれぞれのウェイト設定部２７によってＲＦ部２６から出力された信号の位相が変更されることにより、所定の方向に指向性を有する送信ビームがサブアレイ２１１から放射される。

［受信装置３０］
図３は、実施例１における受信装置３０の一例を示すブロック図である。受信装置３０は、複数の受信アンテナ３１、複数のウェイト設定部３２、複数のＲＦ部３３、ＭＩＭＯ検出部３４、複数のコンスタレーションデマッパ３５、空間デインタリーバ３６、複数のＦＥＣ復号部３７、およびウェイト制御部３８を有する。また、受信装置３０は、推定部４０、ランク特定部４１、ストリーム数決定部４２、プリコーディング行列決定部４３、コードブック４３０、送信部４４、およびＳＩＮＲ（Signal−to−Interference plus Noise power Ratio）算出部４５を有する。

本実施例において、ＲＦ部３３は、Ｎ個設けられる。また、複数の受信アンテナ３１は、ＲＦ部３３毎に、Ｎ個のサブアレイ３１１に分けられる。それぞれのサブアレイ３１１には、Ｎ_sbr個の受信アンテナ３１が含まれる。Ｎ_sbrは２以上の整数である。また、本実施例において、ウェイト設定部３２、ＲＦ部３３、ＭＩＭＯ検出部３４、コンスタレーションデマッパ３５、空間デインタリーバ３６、ＦＥＣ復号部３７、およびウェイト制御部３８は、ＬＳＩ等により実現される。また、本実施例において、推定部４０、ランク特定部４１、ストリーム数決定部４２、プリコーディング行列決定部４３、送信部４４、およびＳＩＮＲ算出部４５は、ＬＳＩ等により実現される。なお、上記機能の少なくとも一部は、論理回路装置によって実現されてもよい。また、受信装置３０は、処理装置と記憶装置とを備え、処理装置が記憶装置に格納されたプログラムを実行することにより、上記機能のうち、少なくとも一部を実現してもよい。

ウェイト制御部３８は、サブアレイ３１１毎に、サブアレイ３１１に含まれるそれぞれの受信アンテナ３１に設定するウェイトを含む受信アンテナウェイトベクトル（以下、受信ＡＷＶと呼ぶ）を生成する。そして、ウェイト制御部３８は、サブアレイ３１１毎に生成した受信ＡＷＶに含まれるそれぞれのウェイトを、それぞれのウェイト設定部３２へ出力する。

ウェイト設定部３２は、ウェイト制御部３８から出力されたウェイトを、受信アンテナ３１によって受信された信号に乗算することにより、受信アンテナ３１によって受信された信号の位相を変更する。サブアレイ３１１に含まれるそれぞれのウェイト設定部３２が受信アンテナ３１を介して受信された信号の位相を変更することにより、サブアレイ３１１において、所定の方向に指向性を有する受信ビームが形成される。

それぞれのＲＦ部３３は、対応するサブアレイ３１１に含まれるウェイト設定部３２によって位相が変更された信号に対して、ダウンコンバート、直交検波、およびアナログ−ディジタル変換等の処理を行う。そして、ＲＦ部３３は、処理後の信号を、ＭＩＭＯ検出部３４および推定部４０へ出力する。

ＭＩＭＯ検出部３４は、推定部４０によって推定されたＭＩＭＯチャネルに基づいて、それぞれのＲＦ部３３から出力された信号に対してＭＩＭＯ検出処理を実行することにより、Ｎ_s個のデータストリームを分離する。ＭＩＭＯ検出処理としては、ＺＦ（Zero−Forcing）法、ＭＭＳＥ（Minimum Mean Square Error）法、ＭＬＤ（Maximum Likelihood Detection）法等を用いることができる。そして、ＭＩＭＯ検出部３４は、分離したＮ_s個のデータストリームのそれぞれをコンスタレーションデマッパ３５へ出力する。

それぞれのコンスタレーションデマッパ３５は、ＭＩＭＯ検出部３４から出力されたデータストリームを、送信装置２０によって行われた変調方式に対応する復調方式に基づいて復調する。そして、コンスタレーションデマッパ３５は、復調後の受信ビット系列を空間デインタリーバ３６へ出力する。

空間デインタリーバ３６は、それぞれのコンスタレーションデマッパ３５から出力された受信ビット系列を、データストリーム毎に、送信装置２０によって入れ替えられたビット位置を元に戻すことにより、空間デインタリーブを行う。そして、空間デインタリーバ３６は、デインタリーブ後の受信ビット系列を、データストリーム毎にＦＥＣ復号部３７へ出力する。

それぞれのＦＥＣ復号部３７は、データストリーム毎に、ＳＩＮＲ算出部４５から出力されたＳＩＮＲに基づいて、空間デインタリーバ３６から出力された受信ビット系列に対してビタビアルゴリズムに基づく復号を行う。それぞれのＦＥＣ復号部３７は、復号後のデータストリームを出力する。

推定部４０は、それぞれのＲＦ部３３から出力された信号に含まれる参照信号に基づいて、送信装置２０と受信装置３０との間のベースバンドにおけるＭＩＭＯチャネルおよびＳＮＲ（Signal−to−Noise Ratio）を推定する。ＳＮＲは、受信信号品質の一例である。そして、推定部４０は、推定したＭＩＭＯチャネルおよびＳＮＲを、ＭＩＭＯ検出部３４、ランク特定部４１、ストリーム数決定部４２、プリコーディング行列決定部４３、およびＳＩＮＲ算出部４５へ出力する。なお、推定部４０は、ウェイト制御部３８によってそれぞれのウェイト設定部３２に設定されるウェイトを含むＲＦプリコーディング行列が算出された後に、ベースバンドにおけるＭＩＭＯチャネルおよびＳＮＲの推定を行う。

ＳＩＮＲ算出部４５は、推定部４０によって推定されたベースバンドのＭＩＭＯチャネルおよびＳＮＲに基づいて、受信信号のＳＩＮＲを算出する。そして、ＳＩＮＲ算出部４５は、算出したＳＩＮＲを各ＦＥＣ復号部３７へ出力する。

ランク特定部４１は、推定部４０によって推定されたベースバンドのＭＩＭＯチャネルおよびＳＮＲに基づいて、送信装置２０と受信装置３０との間の伝搬路のランクを特定する。そして、ランク特定部４１は、算出したランクの情報をストリーム数決定部４２へ出力する。ランク特定部４１は、特定部の一例である。ランクの特定手順については後述する。

ストリーム数決定部４２は、推定部４０が推定したＳＮＲと、ランク特定部４１が特定したランクとに基づいて、ＭＣＳおよびデータストリーム数の組合せを決定する。そして、ストリーム数決定部４２は、決定したＭＣＳおよびデータストリーム数の組合せをプリコーディング行列決定部４３へ出力する。ストリーム数決定部４２は、第１の決定部の一例である。ＭＣＳおよびデータストリーム数の決定手順については後述する。

コードブック４３０には、データストリーム数毎に、複数のＢＢプリコーディング行列が格納されている。それぞれのＢＢプリコーディング行列には、インデックスが対応付けられている。コードブック４３０の内容は、送信装置２０が有するコードブック２８０の内容と同一である。プリコーディング行列決定部４３は、コードブック４３０を参照して、ストリーム数決定部４２が決定したデータストリーム数に対応付けられた複数のＢＢプリコーディング行列を特定する。そして、プリコーディング行列決定部４３は、推定部４０が推定したＳＮＲを用いて、特定した複数のＢＢプリコーディング行列の中で所定の選択基準を満たすＢＢプリコーディング行列を決定する。そして、プリコーディング行列決定部４３は、決定したＢＢプリコーディング行列に対応付けられたインデックスを、ストリーム数決定部４２が決定したＭＣＳおよびデータストリーム数と共に送信部４４へ出力する。プリコーディング行列決定部４３は、第２の決定部の一例である。

送信部４４は、プリコーディング行列決定部４３から出力されたインデックス、ＭＣＳ、およびデータストリーム数を、図示しない送信系を介して送信装置２０へ送信する。送信部４４は、インデックス、ＭＣＳ、およびデータストリーム数の情報を、無線通信により送信装置２０へ送信してもよく、有線通信により送信装置２０へ送信してもよい。

ここで、受信装置３０において受信されるベースバンド受信信号ｙは、下記（１）式のように表される。

上記（１）式において、Ｈは、送信装置２０と受信装置３０との間の伝搬路のチャネルであり、Ｐは、送信装置２０のＢＢプリコーディング部２５に設定されるＢＢプリコーディング行列である。また、ｓは、送信データ信号であり、ｎは、ノイズベクトルである。また、Ｃ^Hは、Ｃのエルミート転置である。

また、上記（１）式において、Ｗは、送信装置２０の各ウェイト設定部２７に設定されるウェイトで構成される送信ウェイト行列であり、下記（２）式および（３）式により表される。なお、以下では、送信ウェイト行列を、送信装置２０におけるＲＦプリコーディング行列と呼ぶ場合がある。

また、上記（１）式において、Ｃは、受信装置３０の各ウェイト設定部３２に設定されるウェイトで構成される受信ウェイト行列であり、下記（４）式および（５）式により表される。なお、以下では、受信ウェイト行列を、受信装置３０におけるＲＦプリコーディング行列と呼ぶ場合がある。

また、上記（１）式において、ＢＢプリコーディング前の等価ＭＩＭＯチャネルＨ_bは、例えば下記の（６）式のように表される。

また、等価ＭＩＭＯチャネル容量Ｃ_bは、例えば下記（７）式のように表される。

ここで、ρは受信信号のＳＮＲであり、Ｉ_Nは行数および列数が共にＮである単位行列である。また、ｄｅｔ（Ｘ）は、行列Ｘの行列式を示す。

［アンテナの配置］
図４は、アンテナの配置の一例を示す図である。例えば図４に示すように、複数の送信アンテナ２１が基準の方向に対して角度θ_tをなす直線Ｌ１上に配置され、複数の受信アンテナ３１が基準の方向に対して角度θ_rをなす直線Ｌ２上に配置される場合を考える。また、図４の例では、隣接するサブアレイ２１１間の距離がＤ_tであり、それぞれのサブアレイ２１１において、隣接する送信アンテナ２１間の距離がｄ_tである。また、図４の例では、隣接するサブアレイ３１１間の距離がＤ_rであり、それぞれのサブアレイ３１１において、隣接する受信アンテナ３１間の距離がｄ_rである。また、図４の例では、それぞれの送信アンテナ２１と、それぞれの受信アンテナ３１との間の基準の方向における距離がｙであり、基準の方向と直交する方向における距離がＲである。

距離ｙが０、角度θ_tおよび角度θ_rが共に０°である場合、例えば下記（８）式の関係となるように複数の送信アンテナ２１および複数の受信アンテナ３１を配置すれば、最大容量の通信が可能となる。

ここで、λはキャリア周波数の波長であり、Ｎはサブアレイ２１１またはサブアレイ３１１の数である。例えば、ミリ波通信において、Ｒが１０ｍ程度である場合、Ｄ_tおよびＤ_rは、例えば５ｃｍから２０ｃｍ程度に設定すればよい。本実施例において、ｄ_tおよびｄ_rはλの例えば１／２倍の長さである。なお、ｄ_tおよびｄ_rは、λの例えば１／４倍から２倍の範囲内の長さであってもよい。

また、複数の送信アンテナ２１および複数の受信アンテナ３１は、例えば図５に示すように等間隔に配置されてもよい。図５は、アンテナの配置の他の例を示す図である。ただし、この場合、隣接する送信アンテナ２１間の距離ｄ_T、および、隣接する受信アンテナ３１間の距離ｄ_Rは、λの１／２倍よりも長い方が好ましい。距離ｄ_Tおよびｄ_Rは、例えば下記の（９）式に示される距離に設定されてもよい。

［無線通信システム１０の動作］
図６は、無線通信システム１０の動作の一例を示すシーケンス図である。送信装置２０および受信装置３０は、例えばデータ信号の送受信が行われる前に、図６に示すシーケンスを実行する。まず、送信装置２０および受信装置３０は、ＲＦプリコーディング行列を算出する（Ｓ１００）。

ここで、送信装置２０のｉ番目のサブアレイ２１１と、受信装置３０のｉ番目のサブアレイ３１１との間のＭＩＭＯチャネルＨ^i,iが既知である場合、ＭＩＭＯチャネルＨ^i,iについてＳＶＤを行うと、ＭＩＭＯチャネルＨ^i,iは、下記（１０）式のように表される。ＳＶＤは、Singular Value Decompositionの略である。

ＭＩＭＯチャネルＨ^i,iにＳＶＤを適用することにより、送信装置２０のｉ番目のサブアレイ２１１の送信ＡＷＶであるｗⁱは、右特異行列Ｖ^i,iの一列目で表される。また、受信装置３０のｉ番目のサブアレイ３１１の受信ＡＷＶであるｃⁱは、左特異行列Ｕ^i,iの一列目で表される。

しかし、ＭＩＭＯチャネルＨ^i,iの取得が困難である場合、送信装置２０のサブアレイ２１１に設定される複数の送信ＡＷＶと、受信装置３０のサブアレイ３１１に設定される複数の受信ＡＷＶとの組合せの中から、所定の基準を満たす組合せを特定する。複数の送信ＡＷＶおよび複数の受信ＡＷＶは、予めコードブックとして作成され、コードブックの中から選択されてもよい。

所定の基準を満たす組合せとは、例えば下記の（１１）式に示すように、受信信号のＳＮＲが最大となる組合せであってもよい。

上記（１１）式において、左辺は、送信ＡＷＶであるｗⁱの推定値、および、受信ＡＷＶであるｃⁱの推定値である。

また、所定の基準を満たす組合せとは、例えば下記の（１２）式に示すように、等価ＭＩＭＯチャネルの容量が最大となる組合せであってもよい。

なお、送信装置２０の各サブアレイ２１１に設定される送信ＡＷＶを同一にし、受信装置３０の各サブアレイ３１１に設定される受信ＡＷＶを同一にすることで、等価ＭＩＭＯチャネルの容量が最大となる組合せを高速に特定することができる。また、ＳＮＲが最大となる送信ＡＷＶおよび受信ＡＷＶの組合せを特定する処理と、等価ＭＩＭＯチャネルの容量が最大となる送信ＡＷＶおよび受信ＡＷＶの組合せを特定する処理とは、組み合わせて用いられてもよい。

［ＲＦプリコーディング行列の算出処理］
本実施例では、ＭＩＭＯチャネルＨ^i,iの取得が困難であることを前提として、以下の手順でＲＦプリコーディング行列を算出する。図７は、ＲＦプリコーディング行列の算出処理の一例を示すシーケンス図である。

まず、送信装置２０のウェイト制御部２９は、複数のサブアレイ２１１の中から任意に１個のサブアレイ２１１を選択する（Ｓ２００）。そして、ウェイト制御部２９は、選択したサブアレイ２１１について、異なる送信パターンを形成するための送信ＡＷＶを、Ｋ_t個生成する。本実施例において、ウェイト制御部２９は、例えば下記の（１３）式に示すように、ＤＦＴ（Discrete Fourier Transform）を用いて、ｋ番目の送信ビームパターンを形成する際のｍ番目の送信アンテナ２１のウェイトｗ（ｍ，ｋ）を生成する。

上記（１３）式において、Ｍはサブアレイ２１１に含まれる送信アンテナ２１の数であり、送信ビームパターンの場合にはＮ_sbtである。また、Ｋはビームパターンの総数であり、送信ビームパターンの場合にはＫ_tである。

そして、ウェイト制御部２９は、選択したサブアレイ２１１に対応するＲＦ部２６に、既知の参照信号を出力させる。そして、ウェイト制御部２９は、選択したサブアレイ２１１に接続された複数のウェイト設定部２７に、生成した送信ＡＷＶを順次設定する。これにより、例えば図８に示すように、順次切り替えられたＫ_t個の送信パターンＴＢ−１〜ＴＢ−Ｋ_tのそれぞれにおいて、選択されたサブアレイ２１１から参照信号が送信される（Ｓ２０１）。

受信装置３０のウェイト制御部３８は、複数の受信アンテナ３１の中から任意に１個の受信アンテナ３１を選択する（Ｓ２０２）。そして、選択された受信アンテナ３１に接続するＲＦ部３３は、該受信アンテナ３１を介して送信装置２０から送信された信号に対して直交検波等の処理を行い、処理後の受信信号をウェイト制御部３８へ出力する。ウェイト制御部３８は、ＲＦ部３３から出力された信号から参照信号を抽出する（Ｓ２０３）。これにより、ウェイト制御部３８は、例えば図８に示すように、選択された１個の受信アンテナ３１により無指向性の受信パターンＲＢ０で、送信装置２０からＫ_t個の送信パターンのそれぞれを用いて送信された参照信号を受信する。

次に、受信装置３０のウェイト制御部３８は、例えば前述の（１１）式に基づいて、Ｋ_t個の送信パターンの中で、受信された参照信号のＳＮＲが最大となる送信パターンを特定する。そして、ウェイト制御部３８は、特定した送信パターンの情報を送信装置２０に通知する（Ｓ２０４）。

次に、送信装置２０のウェイト制御部２９は、受信装置３０から通知された送信パターンを形成するための送信ＡＷＶを、ステップＳ２００で選択したサブアレイ２１１に接続された複数のウェイト設定部２７に設定する。これにより、例えば図９に示すように、受信装置３０から通知された送信パターンＴＢ０において、選択されたサブアレイ２１１から参照信号が送信される（Ｓ２０５）。

次に、受信装置３０のウェイト制御部３８は、ステップＳ２０２で選択した受信アンテナ３１を含むサブアレイ３１１を１個選択する（Ｓ２０６）。そして、ウェイト制御部３８は、選択したサブアレイ３１１について、異なる受信パターンを形成するための受信ＡＷＶを、Ｋ_r個生成する。ウェイト制御部３８は、例えば前述の（１３）式に基づいてＫ_r個の受信ビームパターンの受信ＡＷＶを生成する。

そして、ウェイト制御部３８は、選択したサブアレイ３１１に接続された複数のウェイト設定部３２に、生成した受信ＡＷＶを順次設定する。これにより、例えば図９に示すように、順次切り替えられたＫ_r個の受信パターンＲＢ−１〜ＲＢ−Ｋ_rのそれぞれにおいて、選択されたサブアレイ３１１によって参照信号が受信される（Ｓ２０７）。

次に、受信装置３０のウェイト制御部３８は、例えば前述の（１１）式に基づいて、Ｋ_r個の受信パターンの中で、受信された参照信号のＳＮＲが最大の受信パターンを特定する（Ｓ２０８）。

次に、送信装置２０のウェイト制御部２９は、受信装置３０から通知された送信パターンＴＢ０の方向を中心として、方向が異なるＮ_m個の送信パターンＴＢ０〜ＴＢ２の送信ＡＷＶを生成する。本実施例において、ウェイト制御部２９は、例えば下記の（１４）式に示すように、ｋ番目の送信ビームパターンを形成する際のｍ番目の送信アンテナ２１のウェイトＷＮ（ｍ，ｋ）を生成する。

上記（１４）式において、ａ（ｍ）は、受信装置３０から通知された送信パターンＴＢ０においてｍ番目の送信アンテナ２１に設定されるウェイトである。上記（１４）式において、ＫにはＮ_mの値が用いられる。本実施例において、Ｎ_mは３である。なお、Ｎ_mは５や７等であってもよい。

そして、ウェイト制御部２９は、生成したＮ_m個の送信ＡＷＶを、ステップＳ２００で選択したサブアレイ２１１に接続された複数のウェイト設定部２７に順次設定する。これにより、例えば図１０に示すように、順次切り替えられたＮ_m個の送信パターンＴＢ０〜ＴＢ２のそれぞれにおいて、サブアレイ２１１から参照信号が送信される（Ｓ２０９）。

次に、受信装置３０のウェイト制御部３８は、ステップＳ２０８で特定された受信パターンＲＢ０の方向を中心として、方向が異なるＮ_m個の受信パターンＲＢ０〜ＲＢ２の受信ＡＷＶを生成する。そして、ウェイト制御部３８は、生成したＮ_m個の受信ＡＷＶを、ステップＳ２０６で選択されたサブアレイ３１１に接続された複数のウェイト設定部３２に順次設定する。これにより、例えば図１０に示すように、順次切り替えられたＮ_m個の受信パターンＲＢ０〜ＲＢ２のそれぞれにおいて、送信装置２０から送信された参照信号がサブアレイ３１１によって受信される（Ｓ２１０）。

次に、受信装置３０のウェイト制御部３８は、Ｎ_m個の送信パターンのそれぞれと、Ｎ_m個の受信パターンのそれぞれとの組み合わせの中で、所定の評価基準を満たす組合せを１つ特定する（Ｓ２１１）。本実施例において、ウェイト制御部３８は、例えば前述の（１２）式に基づいて、Ｎ_m個の送信パターンのそれぞれと、Ｎ_m個の受信パターンのそれぞれとの組み合わせの中で、等価ＭＩＭＯチャネルの容量が最大となる組合せを１つ特定する。なお、ウェイト制御部３８は、ＭＭＳＥ、最大最小ＳＩＮＲ、最小条件数など、他の評価基準に基づいて、送信パターンと受信パターンとの組合せを１つ特定してもよい。

次に、受信装置３０のウェイト制御部３８は、特定した送信パターンの情報を送信装置２０に通知する（Ｓ２１２）。送信装置２０のウェイト制御部２９は、受信装置３０から通知された送信パターンを形成するための送信ＡＷＶを列ベクトルとして含むＲＦプリコーディング行列を作成する。そして、ウェイト制御部２９は、作成したＲＦプリコーディング行列に基づいて、各サブアレイ２１１のウェイトをウェイト設定部２７に設定する（Ｓ２１３）。また、受信装置３０のウェイト制御部３８は、ステップＳ２１２において特定した受信パターンを形成するための受信ＡＷＶを列ベクトルとして含むＲＦプリコーディング行列を作成する。そして、ウェイト制御部３８は、作成したＲＦプリコーディング行列に基づいて、各サブアレイ３１１のウェイトをウェイト設定部３２に設定する（Ｓ２１４）。これにより、送信装置２０と受信装置３０とは、ミリ波無線通信のように伝搬損失の大きな無線通信方式において、より高いスループットを実現することができる。

図６に戻って説明を続ける。ステップＳ１００において、送信装置２０および受信装置３０のＲＦプリコーディング行列が算出された後、送信装置２０の各ＲＦ部２６は、ＲＦプリコーディング行列に対応するウェイトが設定されたサブアレイ２１１を介して、参照信号を送信する（Ｓ１０１）。

受信装置３０の各ＲＦ部３３は、ＲＦプリコーディング行列に対応するウェイトが設定されたサブアレイ３１１を介して受信した信号に対して直交検波等の処理を行う。そして、各ＲＦ部３３は、処理後の受信信号をＭＩＭＯ検出部３４および推定部４０へ出力する。推定部４０は、各ＲＦ部３３から出力された受信信号に含まれる参照信号に基づいて、ベースバンドの等価ＭＩＭＯチャネルおよびＳＮＲを推定する（Ｓ１０２）。そして、推定部４０は、推定したＭＩＭＯチャネルおよびＳＮＲを、ＭＩＭＯ検出部３４、ランク特定部４１、ストリーム数決定部４２、プリコーディング行列決定部４３、およびＳＩＮＲ算出部４５へ出力する。

次に、ランク特定部４１は、推定部４０によって推定されたベースバンドのＭＩＭＯチャネルおよびＳＮＲに基づいて、送信装置２０と受信装置３０との間の伝搬路のランクを特定する（Ｓ１０３）。そして、ランク特定部４１は、算出したランクの情報をストリーム数決定部４２へ出力する。

［ランクの特定方法］
ここで、推定部４０によって推定されたベースバンドの等価ＭＩＭＯチャネルＨ_bは、ＳＶＤを実行することにより、下記の（１５）式のように表される。

上記（１５）式において、Ｄ_bは、特異値を対角値とする対角行列であり、特異値は、下記の（１６）式に示す関係を有する。

また、特異値の２乗である固有値は、λ₁（Ｈ_b）≧λ₂（Ｈ_b）≧・・・≧λ_N（Ｈ_b）の関係を有する。ランク特定部４１は、例えば、固有値λ_iの中で、所定の閾値ｔ_d1より大きい固有値λ_iの数をランクの値として特定する。なお、ランク特定部４１は、例えば、固有値λ_iの中で最大値となる固有値λ₁で固有値λ_iを正規化し、正規化された固有値λ_iの中で、所定の閾値ｔ_d1より大きい固有値λ_iの数をランクの値として特定してもよい。以下では、ランクの値がｎである場合、ランクｎと記載する場合がある。

図１１は、固有値のシミュレーション結果の一例を示す図である。図１１において、横軸は、送信装置２０と受信装置３０との間の距離を示し、縦軸は、正規化された固有値を示す。閾値ｔ_d1として例えば５０を想定する。図１１を参照すると、送信装置２０と受信装置３０との間の距離が２．５ｍである場合、閾値ｔ_d1より大きい固有値λ_iの数が１であるため、ランクの値は１となる。また、送信装置２０と受信装置３０との間の距離が５ｍである場合、閾値ｔ_d1より大きい固有値λ_iの数が２であるため、ランクの値は２となる。また、送信装置２０と受信装置３０との間の距離が７．５ｍである場合、閾値ｔ_d1より大きい固有値λ_iの数が３であるため、ランクの値は３となる。また、送信装置２０と受信装置３０との間の距離が８．５ｍである場合、閾値ｔ_d1より大きい固有値λ_iの数が４であるため、ランクの値は４となる。

なお、ランク特定部４１は、固有値λ_iの中で最も値が大きい固有値λ₁と、他の固有値λ₂〜λ_Nとの比に基づいてランクを特定してもよい。具体的には、ランク特定部４１は、例えば下記の（１７）式に示すように、固有値λ₁を各固有値λ_iで割った値であるＳＲ_iを算出し、ＳＲ_iの値に基づいてランクの値を特定してもよい。

上記（１７）式に示したＳＲ_iに基づいてランクを特定する場合、ランク特定部４１は、例えば、ｉ＝２からＮまで順にＳＲ_iが所定の閾値ｔ_d2より大きいか否かを判定し、閾値ｔ_d2より大きいＳＲ_iを検出した場合にｉ−１をランクの値として特定する。ＳＲ_Nが閾値ｔ_d2以下であった場合、ランク特定部４１は、Ｎをランクの値として特定する。

［データストリーム数の決定方法］
図６に戻って説明を続ける。ストリーム数決定部４２は、推定部４０が推定したＳＮＲと、ランク特定部４１が特定したランクとに基づいて、データストリーム数を決定する（Ｓ１０４）。そして、ストリーム数決定部４２は、決定したデータストリーム数をプリコーディング行列決定部４３へ出力する。

ここで、ランク毎のデータストリーム数とＳＮＲとの関係について説明する。図１２は、ランク１におけるスループットの一例を示す図である。図１３は、ランク２におけるスループットの一例を示す図である。図１４は、ランク３におけるスループットの一例を示す図である。図１５は、ランク４におけるスループットの一例を示す図である。図１２から図１５において、縦軸はスループットを示し、横軸は受信信号のＳＮＲを示す。また、１つのデータストリームは、１Ｇｂｐｓで正規化されている。

なお、図１２から図１５は、以下の条件で行われたシミュレーションの結果を示している。即ち、送信装置２０のＲＦ部２６の数が４、送信装置２０から送信される信号の周波数が６０ＧＨｚである。また、送信装置２０と受信装置３０との間の距離Ｒを１０メートルに設定し、前述の（８）式を用いてＤ_rＤ_tを決定する。そして、Ｒを０〜１０ｍの範囲で変化させてランクを決定する。送信装置２０のＲＦ部２６の数が４であるため、１から４までのデータストリーム数で通信が可能である。

例えば図１２に示すように、ランク１において、データストリーム数が１である場合、図１２に示したＳＮＲの値の範囲では、１Ｇｂｐｓのスループットが達成される。しかし、ＳＮＲの値が−６ｄＢ以上の範囲では、データストリーム数が２であると、２Ｇｂｐｓのスループットが達成される。また、ＳＮＲの値が０ｄＢ以上の範囲では、データストリーム数が３であると、３Ｇｂｐｓのスループットが達成される。また、ＳＮＲの値が８ｄＢ以上の範囲では、データストリーム数が４であると、４Ｇｂｐｓのスループットが達成される。

このように、ランク１では、ＳＮＲが高い場合には、データストリーム数をランクの値よりも多くした方が、スループットを高めることができる。図１３から図１５を参照すると、ランクの値が２以上の場合においても、ＳＮＲが高い場合には、データストリーム数をランクの値より多くした方が、スループットを高めることができることが分かる。

また、例えば図１２に示すように、ランク１において、データストリーム数が２である場合、ＳＮＲの値が−１０ｄＢ以下の範囲では、スループットがほぼ０になっている。また、データストリーム数が３である場合、ＳＮＲの値が−４ｄＢ以下の範囲では、スループットがほぼ０になっている。また、データストリーム数が４である場合、ＳＮＲの値が４ｄＢ以下の範囲では、スループットがほぼ０になっている。

このように、ランク１では、ＳＮＲが低い場合には、データストリーム数をランクの値よりも多くすると、スループットを高めることが困難になる。図１３から図１５を参照すると、ランクの値が２以上の場合においても、ＳＮＲが低い場合には、データストリーム数をランクの値より多くすると、スループットを高めることが困難になることが分かる。

そこで、本実施例では、各ランクにおいて、よりスループットが高くなるデータストリーム数がＳＮＲの範囲毎に予め測定され、ＳＮＲの範囲を示す閾値を有する閾値テーブルが作成される。ストリーム数決定部４２は、作成された閾値テーブルを保持する。また、ストリーム数決定部４２は、ＭＣＳ毎に、１データストリームあたりのスループットを対応付けたスループットテーブルを保持する。ストリーム数決定部４２は、閾値テーブルを参照して、推定部４０が推定したＳＮＲと、ランク特定部４１が特定したランクとに基づいて、ＭＣＳ毎にデータストリーム数を特定する。そして、ストリーム数決定部４２は、スループットテーブルを参照して、ＭＣＳ毎に特定したデータストリーム数の中で、スループットが最大となるＭＣＳおよびデータストリーム数の組合せを決定する。

図１６は、スループットテーブル５０の一例を示す図である。スループットテーブル５０は、例えば図１６に示すように、それぞれのＭＣＳを識別するインデックス５００に対応付けて、ＭＣＳ５０１と、１データストリームあたりのスループット５０２とを保持する。スループットテーブル５０は、第２のテーブルの一例である。

図１７は、閾値テーブル５１の一例を示す図である。閾値テーブル５１は、それぞれのＭＣＳを識別するインデックス５１０毎に、個別テーブル５１１を有する。それぞれの個別テーブル５１１には、ランク５１２毎に、閾値５１３が格納されている。閾値テーブル５１は、第１のテーブルの一例である。

図１８および図１９は、閾値テーブル５１の使用方法を説明する図である。例えば図１８に示すように、それぞれの個別テーブル５１１において、ランク１に対応付けられている閾値を、それぞれｔ₁₁、ｔ₁₂、およびｔ₁₃と定義し、ランク２に対応付けられている閾値を、それぞれｔ₂₁、ｔ₂₂、およびｔ₂₃と定義する。また、ランク３に対応付けられている閾値を、それぞれｔ₃₁、ｔ₃₂、およびｔ₃₃と定義し、ランク４に対応付けられている閾値を、それぞれｔ₄₁、ｔ₄₂、およびｔ₄₃と定義する。

例えば図１９に示すように、ランク１において、ＳＮＲの値を示すρが閾値ｔ₁₁未満の値である場合、データストリーム数として１が選択され、ρが閾値ｔ₁₁以上かつ閾値ｔ₁₂未満の範囲内の値である場合、データストリーム数として２が選択される。また、ランク１において、ρが閾値ｔ₁₂以上かつ閾値ｔ₁₃未満の範囲内の値である場合、データストリーム数として３が選択され、ρが閾値ｔ₁₃以上の値である場合、データストリーム数として４が選択される。他のランクに対応付けられている各閾値についても同様である。なお、図１７から図１９に例示した閾値テーブル５１では、データストリーム数の最大値が４であるが、データストリーム数の最大値は３以下であってもよく、５以上であってもよい。閾値テーブル５１の個別テーブル５１１において、各ランクには、データストリーム数の最大値−１個の閾値が格納される。

なお、図１７に例示した個別テーブル５１１では、ランク３に対応付けられている閾値ｔ₃₁と閾値ｔ₃₂とが共に「−１０ｄＢ」となっている。この場合、ランク３において、ρが閾値ｔ₃₁以上かつ閾値ｔ₃₂未満となる場合は存在しないため、データストリーム数として２は選択されない。図１７に例示した個別テーブル５１１において、ランク４の閾値ｔ₄₁および閾値ｔ₄₂についても同様である。

［閾値の決定方法］
次に、各ランクにおける閾値の決定方法について説明する。図２０は、閾値の決定方法の一例を示す図である。図２０では、一例として、図１３に例示したランク２におけるスループットのシミュレーション結果を用いている。例えば図２０を参照すると、ＳＮＲが低い方から見た場合、スループットがより高くなるデータストリーム数が１から２に変わるのは、ＳＮＲが−１１．５ｄＢより高くなった場合であることが分かる。ただし、測定値の変動等を考慮すると、−１１．５ｄＢに対して所定のマージンｍ₁を設けることが好ましい。そのため、本実施例において、データストリーム数を１から２に変更するための閾値ｔ₂₁は、例えば−１０ｄＢと決定される。

また、図２０を参照すると、スループットがより高くなるデータストリーム数が２から３に変わるのは、ＳＮＲが−８．５ｄＢより高くなった場合であることが分かる。ただし、測定値の変動等を考慮すると、−８．５ｄＢに対して所定のマージンｍ₂を設けることが好ましい。そのため、本実施例において、データストリーム数を２から３に変更するための閾値ｔ₂₂は、例えば−６ｄＢと決定される。

また、図２０を参照すると、スループットがより高くなるデータストリーム数が３から４に変わるのは、ＳＮＲが−４ｄＢより高くなった場合であることが分かる。ただし、測定値の変動等を考慮すると、−４ｄＢに対して所定のマージンｍ₃を設けることが好ましい。ここで、ランク数がデータストリーム数より小さく、かつ、ランク数とデータストリーム数との差が２以上である場合に設定されるマージンの値は、ランク数との差が２未満のデータストリーム数について設定されるマージンよりも大きい値であることが好ましい。図２０の例では、マージンｍ₃は、マージンｍ₁およびｍ₂のいずれよりも大きい値が用いられる。そのため、スループットがより高いデータストリーム数が３から４に変わる閾値ｔ₂₃は、例えば２ｄＢと決定される。

ランク１における各閾値ｔ₁₁〜ｔ₁₃、ランク３における各閾値ｔ₃₁〜ｔ₃₃、ランク４における各閾値ｔ₄₁〜ｔ₄₃についても、ランク２における各閾値ｔ₂₁〜ｔ₂₃と同様の手順で決定される。

ストリーム数決定部４２は、ＭＣＳ毎にデータストリーム数を特定した後に、スループットテーブル５０を参照して、ＭＣＳ毎に決定したデータストリーム数の中で、スループットが最大となるＭＣＳおよびデータストリーム数の組合せを決定する。そして、ストリーム数決定部４２は、決定したＭＣＳおよびデータストリーム数の組合せをプリコーディング行列決定部４３へ出力する。

［ＭＣＳおよびデータストリーム数の組合せの決定手順］
ここで、ＭＣＳおよびデータストリーム数の組合せの決定手順について、具体例を用いて説明する。例えば、図１６に例示したように、ＭＣＳが「16QAM−1/2」の場合の１データストリームあたりのスループットを「2.772Gbps」、ＭＣＳが「16QAM−3/4」の場合の１データストリームあたりのスループットを「4.158Gbps」と仮定する。また、閾値テーブル５１において、ＭＣＳが「16QAM−1/2」の場合の個別テーブル５１１として図１７に例示した個別テーブル５１１を仮定し、ＭＣＳが「16QAM−3/4」の場合の個別テーブル５１１として図２１に例示した個別テーブル５１１を仮定する。

例えば、推定部４０が推定したＳＮＲが「０ｄＢ」、ランク特定部４１が特定したランクが「１」である場合、ストリーム数決定部４２は、「16QAM−1/2」のＭＣＳについて図１７の個別テーブル５１１を参照し、データストリーム数として「２」を特定する。また、ストリーム数決定部４２は、「16QAM−3/4」のＭＣＳについて図２１の個別テーブル５１１を参照し、データストリーム数として「１」を特定する。

そして、ストリーム数決定部４２は、図１６に例示したスループットテーブル５０を参照し、「16QAM−1/2」のＭＣＳにおいて、２個のデータストリームで達成されるスループットを2.772Gbps×２＝5.544Gbpsと算出する。また、ストリーム数決定部４２は、図１６に例示したスループットテーブル５０を参照し、「16QAM−3/4」のＭＣＳにおいて、１個のデータストリームで達成されるスループットを4.158Gbpsと算出する。ＭＣＳが「16QAM−1/2」であり、かつ、データストリーム数が「２」である場合のスループットの方が、ＭＣＳが「16QAM−3/4」であり、かつ、データストリーム数が「１」である場合のスループットより大きい。従って、例えば、ＳＮＲが「０ｄＢ」、ランクが「１」である場合、ストリーム数決定部４２は、ＭＣＳおよびデータストリーム数の組合せとして、「16QAM−1/2」および「２」を決定する。

例えば、推定部４０が推定したＳＮＲが「−４ｄＢ」、ランク特定部４１が特定したランクが「３」である場合、ストリーム数決定部４２は、「16QAM−1/2」のＭＣＳについて図１７の個別テーブル５１１を参照し、データストリーム数として「４」を特定する。また、ストリーム数決定部４２は、「16QAM−3/4」のＭＣＳについて図２１の個別テーブル５１１を参照し、データストリーム数として「３」を特定する。

そして、ストリーム数決定部４２は、図１６に例示したスループットテーブル５０を参照し、「16QAM−1/2」のＭＣＳにおいて、４個のデータストリームで達成されるスループットを2.772Gbps×４＝11.088Gbpsと算出する。また、ストリーム数決定部４２は、図１６に例示したスループットテーブル５０を参照し、「16QAM−3/4」のＭＣＳにおいて、３個のデータストリームで達成されるスループットを4.158Gbps×３＝12.474Gbpsと算出する。ＭＣＳが「16QAM−1/2」であり、かつ、データストリーム数が「４」である場合のスループットは、ＭＣＳが「16QAM−3/4」であり、かつ、データストリーム数が「３」である場合のスループットより小さい。従って、例えば、ＳＮＲが「−４ｄＢ」、ランクが「３」である場合、ストリーム数決定部４２は、ＭＣＳおよびデータストリーム数の組合せとして、「16QAM−3/4」および「３」を決定する。

［本実施例において達成されるスループット］
図２２および図２３は、平均スループットのシミュレーション結果の一例を示す図である。図２２には、データストリーム数が１から４のいずれかに固定された場合のスループットと、本実施例において達成されるスループットとが例示されている。図２３には、比較例において達成されるスループットと、ランクの値およびデータストリーム数が同一の場合のスループットと、本実施例において達成されるスループットとが例示されている。比較例では、ＳＮＲの値が所定の閾値以上である場合に、ランクの値＋１がデータストリーム数として採用され、ＳＮＲの値が所定の閾値未満である場合に、ランクの値がデータストリーム数として採用される。

図２２および図２３は、以下の条件で行われたシミュレーションの結果を示している。即ち、Ｋファクタが１０ｄＢ、送信装置２０のＲＦ部２６の数が４、サブアレイ２１１内の送信アンテナ２１の数が８、ＭＣＳが１６ＱＡＭ−１／２である。また、図４に例示したアンテナ配置において、Ｒ＝１〜１０ｍ、ｙ＝−５ｍ〜＋５ｍ、θ_r＝−９０°〜＋９０°の範囲で各値をランダムに変化させた。

図２２を参照すると、本実施例におけるスループットは、どのＳＮＲにおいても、データストリーム数を固定にした場合よりスループットが高くなっていることが分かる。また、図２３を参照すると、本実施例におけるスループットは、どのＳＮＲにおいても、ランクとデータストリーム数とを同一の値にした場合よりスループットが高くなっていることが分かる。また、図２３を参照すると、本実施例におけるスループットは、比較例におけるスループットと同等かそれ以上であることが分かる。従って、本実施例の無線通信システム１０によれば、スループットを向上させることが可能である。

［ＢＢプリコーディング行列の決定手順］
図６に戻って説明を続ける。プリコーディング行列決定部４３は、データストリーム数毎に、複数のＢＢプリコーディング行列が格納されたコードブック４３０を参照して、ストリーム数決定部４２が決定したデータストリーム数に対応付けられた複数のＢＢプリコーディング行列を特定する。それぞれのＢＢプリコーディング行列には、インデックスが対応付けられている。

コードブック４３０としては、例えばＬＴＥ−Ａ（Long Term Evolution−Advanced）やＷｉＭＡＸ（Worldwide Interoperability for Microwave Access）で使用されているコードブックが用いられてもよい。また、データストリーム数の最大値が、送信装置２０のＲＦ部２６の数よりも少ない場合には、Ｎ×ＮのＤＦＴ行列における列の組合せをコードワードとするＤＦＴコードブックを用いることも可能である。ＤＦＴコードブックでは、コードワードの数は、Ｎ！／（Ｎ_ｓ！（Ｎ−Ｎ_ｓ）！）となる。

そして、プリコーディング行列決定部４３は、推定部４０が推定したＳＮＲを用いて、特定した複数のＢＢプリコーディング行列の中で所定の選択基準を満たすＢＢプリコーディング行列を決定する（Ｓ１０５）。本実施例において、プリコーディング行列決定部４３は、例えば、最大最小ＳＩＮＲ基準に基づいてＢＢプリコーディング行列を決定する。なお、他の例として、プリコーディング行列決定部４３は、最大容量、ＭＭＳＥ、最小条件数等の基準に基づいてＢＢプリコーディング行列を決定してもよい。

プリコーディング行列決定部４３は、例えば下記の（１８）式および（１９）式を用いた最大最小ＳＩＮＲ基準に基づいてＢＢプリコーディング行列を決定する。

上記（１８）式および（１９）式において、Ｐｃはコードブック４３０、Ｎｓはデータストリーム数、Ｐ_pはコードブック４３０内のコードワードである。

そして、プリコーディング行列決定部４３は、決定したＢＢプリコーディング行列に対応するインデックスを、ストリーム数決定部４２が決定したＭＣＳおよびデータストリーム数と共に送信部４４へ出力する。

なお、プリコーディング行列決定部４３は、例えば前述の（１５）式に示した右特異行列Ｖ_bにおいて、ストリーム数決定部４２が決定したデータストリーム数に対応する列を用いてＢＢプリコーディング行列を生成して送信装置２０へフィードバックしてもよい。ただし、ＢＢプリコーディング行列のデータ量は多いため、プリコーディング行列決定部４３によって決定されたＢＢプリコーディング行列は、量子化等によりデータ量を圧縮してから送信装置２０へ送信されることが好ましい。圧縮方法としては、ＩＥＥＥ（Institute of Electrical and Electronic Engineers）８０２．１１ｎやＩＥＥＥ８０２．１１ａｃに規定されている圧縮方法が用いられてもよい。

次に、送信部４４は、プリコーディング行列決定部４３から出力されたインデックス、ＭＣＳ、およびデータストリーム数を、図示しない送信系を介して送信装置２０へフィードバックする（Ｓ１０６）。

送信装置２０のＢＢプリコーディング行列設定部２８は、コードブック２８０を参照して、受信装置３０からフィードバックされたデータストリーム数に対応付けられた複数のＢＢプリコーディング行列を特定する。そして、ＢＢプリコーディング行列設定部２８は、特定した複数のＢＢプリコーディング行列の中で、受信装置３０から受信したインデックスが対応付けられているＢＢプリコーディング行列をさらに特定する。そして、ＢＢプリコーディング行列設定部２８は、特定したＢＢプリコーディング行列をＢＢプリコーディング部２５に設定する（Ｓ１０７）。

次に、送信装置２０は、受信装置３０からフィードバックされたＭＣＳおよびデータストリーム数に基づいてデータを送信する（Ｓ１０８）。受信装置３０は、送信装置２０から送信されたデータを受信する（Ｓ１０９）。

［実施例１の効果］
上述したように、本実施例の受信装置３０は、推定部４０と、ランク特定部４１と、ストリーム数決定部４２と、プリコーディング行列決定部４３と、送信部４４とを有する。推定部４０は、送信装置２０から送信された既知の信号を受信し、送信装置２０と自受信装置３０との間のベースバンドにおけるチャネルおよびＳＮＲを推定する。ランク特定部４１は、推定されたチャネルに基づいて伝搬路のランクを特定する。ストリーム数決定部４２は、推定されたＳＮＲと、特定されたランクとに基づいて、データストリーム数を決定する。プリコーディング行列決定部４３は、推定されたＳＮＲと、決定されたデータストリーム数とに基づいて、ＢＢプリコーディング行列を決定する。送信部４４は、決定されたデータストリーム数と、決定されたＢＢプリコーディング行列に関する情報とを、送信装置２０へ送信する。このように、受信装置３０は、ＳＮＲとランクに基づいてデータストリーム数を適応的に求めることにより、送信装置２０から受信されるデータのスループットを向上させることができる。

また、本実施例の受信装置３０は、複数の受信アンテナ３１と、ウェイト制御部３８とを有する。ウェイト制御部３８は、送信装置２０が有する複数の送信アンテナ２１のそれぞれのウェイトの制御に応じて、それぞれの受信アンテナ３１のウェイトを制御することにより、それぞれの受信アンテナ３１のウェイトを示すＲＦプリコーディング行列を算出する。また、推定部４０によって行われる、ベースバンドにおけるチャネルおよびＳＮＲを推定する処理は、ウェイト制御部３８によってＲＦプリコーディング行列が算出された後に行われる。これにより、ミリ波無線通信のように、伝搬損失の大きな無線通信方式において、より高いスループットを実現することができる。

また、本実施例の受信装置３０は、ランク毎に、各データストリーム数におけるＳＮＲの範囲を示す閾値が対応付けられた閾値テーブル５１を有する。ストリーム数決定部４２は、閾値テーブル５１を参照し、ランク特定部４１が特定したランクに対応付けられているＳＮＲの範囲の中で、推定部４０が推定したＳＮＲが含まれる範囲を特定し、特定した範囲に対応するデータストリーム数を決定する。これにより、受信装置３０は、推定部４０が推定したＳＮＲに応じて、より高いスループットが実現されるデータストリーム数を決定することができる。

また、本実施例の受信装置３０は、ＭＣＳ毎に、１データストリームあたりのスループットが対応付けられたスループットテーブル５０を有する。また、閾値テーブル５１は、ＭＣＳ毎に設けられる。また、ストリーム数決定部４２は、閾値テーブル５１を参照して、ＭＣＳ毎のデータストリーム数を特定し、スループットテーブル５０を参照して、スループットが最大となるＭＣＳにおけるデータストリーム数を決定する。これにより、受信装置３０は、推定部４０が推定したＳＮＲに応じて、より高いスループットが実現されるＭＣＳおよびデータストリーム数の組合せを決定することができる。

また、本実施例の受信装置３０は、ＢＢプリコーディング行列毎に、インデックスが対応付けられたコードブック４３０を有する。プリコーディング行列決定部４３は、推定部４０が推定したＳＮＲと、ストリーム数決定部４２が決定したデータストリーム数とに基づいて、コードブック４３０内のＢＢプリコーディング行列の中で、所定の選択基準を満たすＢＢプリコーディング行列を決定する。そして、プリコーディング行列決定部４３は、決定したＢＢプリコーディング行列に対応付けられたインデックスを送信部４４へ出力する。送信部４４は、プリコーディング行列決定部４３から出力されたインデックスを、ＢＢプリコーディング行列に関する情報として送信装置２０へ送信する。これにより、受信装置３０は、ＢＢプリコーディング行列に関する情報を送信装置２０へ送信する際のデータ量を削減することができる。

また、本実施例において、ランク特定部４１は、推定部４０が推定したチャネルの固有値を算出し、所定の閾値以上の固有値の数をランクとして特定する。これにより、受信装置３０は、チャネルのランクを特定することができる。

また、本実施例において、ランク特定部４１は、推定部４０が推定したチャネルの固有値を算出し、算出された固有値の中で最も値が大きい固有値と、算出されたそれぞれの固有値との比に基づいてランクを特定してもよい。これにより、受信装置３０は、チャネルのランクを特定することができる。

本実施例における無線通信システム１０は、ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）システムであり、送信装置２０においてサブキャリア毎にＢＢプリコーディングを行う点が、実施例１における無線通信システム１０とは異なる。図２４は、実施例２における送信装置２０の一例を示すブロック図である。送信装置２０は、複数の送信アンテナ２１、複数のＦＥＣ符号化部２２、空間インタリーバ２３、およびＢＢプリコーディング部２５を有する。また、送信装置２０は、複数のＲＦ部２６、複数のウェイト設定部２７、ＢＢプリコーディング行列設定部２８、コードブック２８０、およびウェイト制御部２９を有する。また、送信装置２０は、複数のパンクチャ部６０、複数の周波数インタリーバ６１、複数のコンスタレーションマッパ６２、複数のＩＦＦＴ（Inverse Fast Fourier Transform）部６３、および複数のＧＩ（Guard Interval）挿入部６４を有する。なお、以下に説明する点を除き、図２４において、図２と同一の符号を付したブロックは、図２において説明したブロックと同一または同様の機能を有するため説明を省略する。

それぞれのパンクチャ部６０は、ＦＥＣ符号化部２２によって符号化されたデータ列に対してパンクチャ処理を行う。それぞれの周波数インタリーバ６１は、パンクチャ部６０によってパンクチャ処理が行われたデータ系列に割り当てられるサブキャリア信号を入れ替えることにより、周波数インタリーブを行う。それぞれのコンスタレーションマッパ６２は、周波数インタリーバ６１によって周波数インタリーブされた各サブキャリア信号を、受信装置３０から通知されたＭＣＳに対応する変調方式を用いて変調する。

ＢＢプリコーディング部２５は、ＢＢプリコーディング行列設定部２８から設定されたＢＢプリコーディング行列に基づいて、サブキャリア毎にＢＢプリコーディングを行う。それぞれのＩＦＦＴ部６３は、ＢＢプリコーディング部２５から出力されたデータ系列を、周波数領域の信号から時間領域の信号に変換する。それぞれのＧＩ挿入部６４は、ＩＦＦＴ部６３によって変換された信号にガードインターバルを挿入してＲＦ部２６へ出力する。

図２５は、実施例２における受信装置３０の一例を示すブロック図である。本実施例において、受信装置３０は、複数の受信アンテナ３１、複数のウェイト設定部３２、複数のＲＦ部３３、ＭＩＭＯ検出部３４、空間デインタリーバ３６、複数のＦＥＣ復号部３７、およびウェイト制御部３８を有する。また、受信装置３０は、推定部４０、ランク特定部４１、ストリーム数決定部４２、プリコーディング行列決定部４３、コードブック４３０、送信部４４、およびＳＩＮＲ算出部４５を有する。また、受信装置３０は、複数のＧＩ除去部７０、複数のＦＦＴ部７１、複数のコンスタレーションデマッパ７２、複数の周波数デインタリーバ７３、および複数のデパンクチャ部７４を有する。なお、以下に説明する点を除き、図２５において、図３と同一の符号を付したブロックは、図３において説明したブロックと同一または同様の機能を有するため説明を省略する。

それぞれのＧＩ除去部７０は、ＲＦ部３３によって復調等の処理が行われた受信信号からガードインターバルを除去する。それぞれのＦＦＴ部７１は、ＧＩ除去部７０によってガードインターバルが除去された時間領域の信号を、周波数領域の信号に変換する。

それぞれのコンスタレーションデマッパ７２は、空間デインタリーバ３６から出力された信号を、送信装置２０によって行われた変調方式に対応する復調方式に基づいて復調する。それぞれの周波数デインタリーバ７３は、コンスタレーションデマッパ７２によって復調された信号において、送信装置２０によって入れ替えられたサブキャリア信号を元に戻すことにより、周波数デインタリーブを行う。それぞれのデパンクチャ部７４は、周波数デインタリーバ７３によって周波数デインタリーブされた信号に対してデパンクチャ処理を行い、処理後の信号をＦＥＣ復号部３７へ出力する。

本実施例の送信装置２０および受信装置３０によれば、ＯＦＤＭを用いたＭＩＭＯシステムにおいても、送信装置２０から受信装置３０へ送られるデータのスループットを向上させることができる。

［その他］
なお、開示の技術は、上記した各実施例に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で数々の変形が可能である。例えば、上記した各実施例では、ＲＦにおけるプリコーディングと、ＢＢにおけるプリコーディングとが行われたが、開示の技術はこれに限られない。例えば、マイクロ波など、ミリ波よりも波長の長い電波を用いて無線通信を行う無線通信システムの場合には、ミリ波ほど伝搬損失が大きくないため、ＢＢにおけるプリコーディングは行われるが、ＲＦにおけるプリコーディングは行われなくてもよい。

また、上記した各実施例において、ストリーム数決定部４２は、閾値テーブル５１を参照して、推定部４０が推定したＳＮＲと、ランク特定部４１が特定したランクとに基づいて、ＭＣＳ毎にデータストリーム数を特定するが、開示の技術はこれに限られない。例えば、ストリーム数決定部４２は、ＳＮＲにおける第１の閾値および第２の閾値を有する他の閾値テーブルを有し、該テーブルと、推定部４０が推定したＳＮＲとに基づいて、ＭＣＳ毎にデータストリーム数を決定してもよい。

具体的には、例えば、ストリーム数決定部４２は、他の閾値テーブルを参照し、推定部４０が推定したＳＮＲが第１の閾値未満である場合、ランク特定部４１が特定したランクの値から１を引いた値をデータストリーム数として決定する。また、例えば、ストリーム数決定部４２は、推定部４０が推定したＳＮＲが第１の閾値以上かつ第２の閾値未満の範囲内である場合、ランク特定部４１が特定したランクの値をデータストリーム数として決定する。また、例えば、ストリーム数決定部４２は、推定部４０が推定したＳＮＲが第２の閾値以上である場合、ランク特定部４１が特定したランクの値に１を加えた値をデータストリーム数として決定する。これにより、受信装置３０は、推定部４０が推定したＳＮＲに応じて、より高いスループットが実現されるデータストリーム数を決定することができる。

３０ 受信装置
４０ 推定部
４１ ランク特定部
４２ ストリーム数決定部
４３ プリコーディング行列決定部
４４ 送信部

本実施例において、ＲＦ部２６は、Ｎ個設けられる。本実施例において、ＲＦ部２６の数Ｎは、データストリーム数Ｎ_sの最大数以上である。また、複数の送信アンテナ２１は、ＲＦ部２６毎に、Ｎ個のサブアレイ２１１に分けられる。それぞれのサブアレイ２１１には、Ｎ_sbt個の送信アンテナ２１が含まれる。ＮおよびＮ_sbtは２以上の整数である。

Claims (10)

1. 送信装置から送信された既知の信号を受信し、前記送信装置と自装置との間のチャネルおよび受信信号品質を推定する推定部と、
   前記推定部が推定したチャネルに基づいて伝搬路のランクを特定する特定部と、
   前記推定部が推定した受信信号品質と、前記特定部が特定したランクとに基づいて、データストリーム数を決定する第１の決定部と、
   前記推定部が推定した受信信号品質と、前記第１の決定部が決定したデータストリーム数とに基づいて、プリコーディング行列を決定する第２の決定部と、
   前記第１の決定部が決定したデータストリーム数と、前記第２の決定部が決定したプリコーディング行列に関する情報とを、前記送信装置へ送信する送信部と
   を有することを特徴とする無線通信装置。
2. 複数の受信アンテナと、
   前記送信装置が有する複数の送信アンテナのそれぞれのウェイトの制御に応じて、それぞれの前記受信アンテナのウェイトを制御することにより、それぞれの前記受信アンテナのウェイトを示すＲＦプリコーディング行列を算出するウェイト制御部と
   を有し、
   前記推定部によって行われる、前記チャネルおよび前記受信信号品質を推定する処理は、前記ウェイト制御部によって前記ＲＦプリコーディング行列が算出された後に行われることを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
3. ランク毎に、各データストリーム数における受信信号品質の範囲を示す閾値が対応付けられた第１のテーブルを有し、
   前記第１の決定部は、
   前記第１のテーブルを参照し、前記特定部が特定したランクに対応付けられている受信信号品質の範囲の中で、前記推定部が推定した受信信号品質が含まれる範囲を特定し、特定した範囲に対応するデータストリーム数を決定することを特徴とする請求項１または２に記載の無線通信装置。
4. 受信信号品質における第１の閾値および第２の閾値を有する第１のテーブルを有し、
   前記第１の決定部は、
   前記第１のテーブルを参照し、前記推定部が推定した受信信号品質が前記第１の閾値未満である場合、前記特定部が特定したランクの値から１を引いた値をデータストリーム数として決定し、前記推定部が推定した受信信号品質が前記第１の閾値以上かつ前記第２の閾値未満の範囲である場合、前記特定部が特定したランクの値をデータストリーム数として決定し、前記推定部が推定した受信信号品質が前記第２の閾値以上である場合、前記特定部が特定したランクの値に１を加えた値をデータストリーム数として決定することを特徴とする請求項１または２に記載の無線通信装置。
5. ＭＣＳ（Modulation and Coding Scheme）毎に、１データストリームあたりのスループットが対応付けられた第２のテーブルを有し、
   前記第１のテーブルは、ＭＣＳ毎に設けられ、
   前記第１の決定部は、
   前記第１のテーブルを参照して、ＭＣＳ毎のデータストリーム数を特定し、前記第２のテーブルを参照して、スループットが最大となるＭＣＳにおけるデータストリーム数を決定することを特徴とする請求項３または４に記載の無線通信装置。
6. プリコーディング行列毎に、インデックスが対応付けられたコードブックを有し、
   前記第２の決定部は、
   前記推定部が推定した受信信号品質と、前記第１の決定部が決定したデータストリーム数とに基づいて、前記コードブックに含まれるプリコーディング行列の中で、所定の選択基準を満たすプリコーディング行列を決定し、決定したプリコーディング行列に対応付けられたインデックスを前記送信部へ出力し、
   前記送信部は、
   前記第２の決定部から出力されたインデックスを、前記プリコーディング行列に関する情報として前記送信装置へ送信することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の無線通信装置。
7. 前記特定部は、
   前記推定部が推定したチャネルの固有値を算出し、所定の閾値以上の固有値の数をランクとして特定することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の無線通信装置。
8. 前記特定部は、
   前記推定部が推定したチャネルの固有値を算出し、算出された固有値の中で最も値が大きい固有値と、算出されたそれぞれの固有値との比に基づいてランクを特定することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の無線通信装置。
9. 送信装置と受信装置とを有する無線通信システムにおいて、
   前記受信装置は、
   前記送信装置から送信された既知の信号を受信し、前記送信装置と自装置との間のチャネルおよび受信信号品質を推定する推定部と、
   前記推定部が推定したチャネルに基づいてランクを特定する特定部と、
   前記推定部が推定した受信信号品質と、前記特定部が特定したランクとに基づいて、データストリーム数を決定する第１の決定部と、
   前記推定部が推定した受信信号品質と、前記第１の決定部が決定したデータストリーム数とに基づいて、プリコーディング行列を決定する第２の決定部と、
   前記第１の決定部が決定したデータストリーム数と、前記第２の決定部が決定したプリコーディング行列に関する情報とを、前記送信装置へ送信する送信部と
   を有することを特徴とする無線通信システム。
10. 無線通信装置が、
    送信装置から送信された既知の信号を受信し、前記送信装置と自装置との間のチャネルおよび受信信号品質を推定し、
    推定されたチャネルに基づいてランクを特定し、
    推定された受信信号品質と、特定されたランクとに基づいて、データストリーム数を決定し、
    推定された受信信号品質と、決定されたデータストリーム数とに基づいて、プリコーディング行列を決定し、
    決定されたデータストリーム数と、決定されたプリコーディング行列に関する情報とを、前記送信装置へ送信する
    処理を実行することを特徴とする送信データ制御方法。

Images