JP4212976B2

JP4212976B2 - Ｍｉｍｏ方式の無線通信システム及び無線通信装置

Info

Publication number: JP4212976B2
Application number: JP2003200446A
Authority: JP
Inventors: 勇太中谷; 健戸田; 泰之大石; 郁横尾
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2003-07-23
Filing date: 2003-07-23
Publication date: 2009-01-21
Anticipated expiration: 2023-07-23
Also published as: EP1890396B1; US20060131414A1; EP1890396A2; US7035672B2; US7379759B2; US20050020310A1; EP1501211B1; DE602004011431T2; EP1501211A2; JP2005045351A; EP1890396A3; EP1501211A3; DE602004011431D1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
【０００２】
本発明は、多入力多出力（ＭＩＭＯ：ＭｕｌｔｉｐｌｅＩｎｐｕｔＭｕｌｔｉｐｌｅＯｕｔｐｕｔ）方式の無線通信システム、及びＭＩＭＯ方式の無線通信システムで使用される無線通信装置に関連する。
【０００３】
【従来の技術】
【０００４】
この種の技術分野では、通信容量、通信速度、通信品質、資源利用効率等を改善する無線インターフェースに関する研究が盛んに行われている。中でも特に注目されているＭＩＭＯ方式では、送信側及び受信側の双方に複数のアンテナを設け、無線伝搬路を介した多入力多出力系を構成する。送信及び受信に使用するアンテナ数を増やすことで、空間の利用性が高まり、伝送容量の向上等を図ることが可能になる。
【０００５】
図１は、ＭＩＭＯ方式の通信システムの概念図を示す。説明の便宜上、左側を送信側とし、右側を受信側とするが、通常は双方が送受信機能を有する。送信側のＭ個のアンテナの各々を通じて送信信号ベクトルｘ（ｔ）＝（ｘ_１（ｔ），ｘ_２（ｔ），．．．，ｘ_Ｍ（ｔ））^Ｔが送信される。但し、「Ｔ」は、転置（ｔｒａｎｓｐｏｓｅ）を表し、Ｍは２以上の整数である。Ｍ個のアンテナの各々には、調整可能な重みμ_ｊを付加することが可能である。但し、ｊは、１以上Ｍ以下の整数である。同様に、受信側にはＮ個のアンテナが設けられており、各アンテナで受信した信号に基づいて、受信信号ベクトルｙ（ｔ）＝（ｙ_１（ｔ），ｙ_２（ｔ），．．．，ｙ_Ｎ（ｔ））^Ｔが得られる。但し、Ｎは２以上の整数であり、Ｍと同一であっても良いし、異なっていても良い。受信側のＮ個の各アンテナにも、調整可能な重みν_ｉを付加することが可能である。但し、ｉは、１以上Ｎ以下の整数である。
【０００６】
この場合において、送信ベクトルｘ（ｔ）及び受信ベクトルｙ（ｔ）の間には、次式（１）が成立するものとする。
【０００７】
【数１】

ここで、Ｈは、各アンテナ間の無線伝搬路の伝達特性を表すチャネル行列であり、その行列要素ｈ_ｉｊは、送信側のｊ番目のアンテナと、受信側のｉ番目のアンテナとの間の無線伝搬路に関する伝達特性（ベースバンド表現）を表す。但し、ｉは１以上Ｎ以下の整数であり、ｊは１以上Ｍ以下の整数である。従って、チャネル行列Ｈは、Ｎ行Ｍ列（Ｎ×Ｍ）型の行列である。ρは送信電力を表す。ｎ（ｔ）は、無線伝搬路で導入されるノイズベクトルを表し、加法性ガウス雑音ベクトルで表現できることを想定している。即ち、任意の時点における雑音成分が、ガウス分布に従う乱数により評価できるものとする。
【０００８】
チャネル行列Ｈに関する知識を受信側が有する場合には、周波数当たりの（最大）信号伝送速度（ｂｐｓ／Ｈｚ）で表現される通信路容量（これは、シャノン容量（Ｓｈａｎｎｏｎｃａｐａｃｉｔｙ）とも呼ばれている。）は、送信及び受信ベクトルｘ（ｔ），ｙ（ｔ）に関する条件付相互情報量Ｉ（ｘ；ｙ｜Ｈ）の期待値をとることで、次式（２）のように評価することが可能である。
【０００９】
【数２】

但し、Ｈはエルゴード性（ｅｒｇｏｄｉｃｉｔｙ）を示し、アンサンブル平均を時間平均で評価し得るものとする。ここで、Ｅ［・］は期待値をとることを表す。Ｉ_ＮはＮ次元の単位行列を表す。「＊」は、共役転置（ｔｒａｎｓｐｏｓｅｄｃｏｎｊｕｇａｔｅ）を表す。ｄｅｔ（・）は、行列式を表す。
【００１０】
更に、受信側及び送信側の双方でチャネル行列Ｈに関する知識が共有される場合には、通信路容量Ｃは、次式（３）のように表現され得る。
【００１１】
【数３】

但し、α，λ_ｉは、ＨＨ^＊で表現される行列の階数（ｒａｎｋ）及びｉ番目の固有値（ｅｉｇｅｎｖａｌｕｅ）を表す。但し、ｉは１以上α以下の整数である。
【００１２】
尚、ＭＩＭＯ方式の無線通信システム及び通信路容量については、例えば、非特許文献１乃至４に記載されている。
【００１３】
【非特許文献１】
I.E. Telatar, “Capacity of multi-antenna Gaussian channels, ”Bell Labs. echnical Memorandum, 1995. See also Europ. Trans. Telecommun., vol.10, no.6, pp.585-595, Nov.-Dec. 1999.
【００１４】
【非特許文献２】
G.J. Foschini and M. Gans, “On the limits of wireless communication in a fading environment when using multiple antennas, Wireless Personal Commun.,” vol. 6, no. 3, pp. 311-335, Mar. 1998.
【００１５】
【非特許文献３】
G.J.Foschini, “Layered space-time architecture for wireless communication in a fading environment when using multiple antennas,”Bell Syst. Tech. J., vol. 1, no. 2, pp. 41-59, 1996.
【００１６】
【非特許文献４】
J.B. Andersen,“Array gain and capacity for known random channels with multiple element arrays at both ends,” IEEE J. Sel. Areas in Commun., vol. 18, no. 11, pp. 2172-2178, Nov. 2000.
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
上記の数式（３）によれば、行列ＨＨ^＊の各固有値λ_ｉに対応する複数の通信路（通信路容量）Ｃ_ｉを考えた場合に、これらの通信路Ｃ_ｉの総和が全体の通信路容量Ｃを与える、と解釈できる。この場合において、個々の通信路容量Ｃ_ｉの大小は固有値λ_ｉの大小に対応するので、小さな固有値に対応する通信路容量は小さく、そのような通信路は、スループットや誤り率の悪い通信路を与える。このため、固有値が小さすぎる場合には、その固有値に対応する通信路容量は、実際の無線通信に使用することが困難になり、結局、全体の通信路容量Ｃの一部しか利用できないことになってしまう。
【００１９】
本願の課題は、周波数当たりの最大信号伝送速を定めるシャノンの通信路容量の内、実際の通信に利用することの可能な通信路容量を向上させるＭＩＭＯ方式の無線通信システム及びＭＩＭＯ方式の無線通信システムに使用される無線通信装置を提供することである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明によれば、
高周波信号を送信又は受信する複数のアンテナ手段と、前記複数のアンテナ手段に関する重みを与える重み付け制御手段を有する、多入力多出力方式の無線通信システムに使用される無線通信装置であって、
前記複数のアンテナ手段の少なくとも１つを形成する適応アレーアンテナ手段が、複数のアンテナエレメントを有し、複数のアンテナエレメントの各々に関する重みを変化させることで、指向性を変化させることが可能である
ことを特徴とする無線通信装置
が、提供される。
【００２２】
【作用】
【００２３】
以下、各種のシミュレーション結果を示しながら、本発明の原理を説明する。
【００２４】
図２は、Ｍ＝Ｎ＝２の場合の、行列ＨＨ^＊の固有値のばらつきに関するシミュレーション結果を示す。縦軸は固有値の累積分布を表し、横軸は固有値の大きさを表す。このシミュレーションでは、主に以下の条件及び手順が採用されている。
【００２５】
（１）平均値を０とし、標準偏差を１とする複素ガウス分布（ＣＮ（０，１））に従って乱数を発生させ、チャネル行列Ｈの行列要素ｈ_ｉｊを決定する。
【００２６】
（２）決定したチャネル行列Ｈに基づいて、ＨＨ^＊の固有値λ_１，λ_２求める。Ｍ＝Ｎ＝２であるため、ＨＨ^＊は２×２型の行列になり、その階数（ｒａｎｋ）が２であれば、２つの固有値λ_１，λ_２（λ_１≧λ_２）が得られる。
【００２７】
（３）（１）及び（２）の手順を多数回反復し、多数の固有値λ_１ ^（ｊ），λ_２ ^（ｊ）を求める（ｊは、多数の試行回数を表す）。
【００２８】
（４）大きい方の固有値λ_１に関する分布及び累積分布を調べることで、グラフＭＩＭＯｃｈ１が得られ、小さい方の固有値λ_２に関する分布及び累積分布を調べることで、グラフＭＩＭＯｃｈ２が得られる。また、固有値λ_１，λ_２の平均値λ_ａｖｅに関する分布及び累積分布を調べることで、グラフＭＩＭＯ_{ａｖｅｒａｇｅ}が得られ、固有値λ_１，λ_２の合計λ_{ｔｏｔａｌ}に関する分布及び累積分布を調べることで、グラフＭＩＭＯ_{ｔｏｔａｌ}が得られる。更に、比較のために、１入力１出力（ＳＩＳＯ：ＳｉｎｇｌｅＩｎｐｕｔＳｉｎｇｌｅＯｕｔｐｕｔ）方式の無線通信システムの場合の値（ｈ_１１ ^２）も、グラフＳＩＳＯとして描かれている。
【００２９】
図２を参照するに、固有値の大小関係に対応して、小さい固有値λ_２の累積分布を示すグラフＭＩＭＯｃｈ２が左側に位置し、大きい固有値λ_１の累積分布を示すグラフＭＩＭＯｃｈ１が右側に位置している。例えば、小さい固有値λ_２については、その９０％が０ｄＢ以下の大きさに該当するが、大きい固有値λ_１については、０ｄＢ以下の大きさに該当するのは数％程度に過ぎないことが分かる。
【００３０】
図３も、同様のシミュレーション結果を示すが、Ｍ＝Ｎ＝４の場合について行われている点で異なる。即ち、このシミュレーションでは、４種類の固有値λ_１≧λ_２≧λ_３≧λ_４についての分布及び累積分布を調べることで、順にグラフＭＩＭＯｃｈ１乃至４が得られ、固有値の平均値及び合計についての分布、累積分布を調べることで、グラフＭＩＭＯ_{ａｖｅｒａｇｅ}及びグラフＭＩＭＯ_{ｔｏｔａｌ}が得られる。更に、比較用に、ＳＩＳＯの場合のグラフも描かれている。図３を参照するに、固有値λ_１〜λ_４の大小関係に合わせて、その累積分布も並んでいることが分かる。
【００３１】
図４は、（１）〜（３）の手順により算出された固有値に基づいて通信路容量を算出し、その通信路容量に関する累積分布を調べた場合のシミュレーション結果を示す。このシミュレーションでは、信号対雑音比（ＳＮＲ：ＳｉｇｎａｌｔｏＮｏｉｓｅＲａｔｉｏ）が１８ｄＢであることが想定されている。大きい方の固有値λ_１に基づく通信路容量の分布及び累積分布を調べることで、グラフＭＩＭＯｃｈ１が得られ、小さい方の固有値λ_２に基づく通信路容量の分布及び累積分布を調べることで、グラフＭＩＭＯｃｈ２が得られる。固有値λ_１，λ_２の平均値λ_ａｖｅに基づく通信路容量の分布及び累積分布を調べることで、グラフＭＩＭＯ_{ａｖｅｒａｇｅ}が得られ、固有値λ_１，λ_２の合計λ_{ｔｏｔａｌ}に基づく通信路容量の分布及び累積分布を調べることで、グラフＭＩＭＯ_{ｔｏｔａｌ}が得られる。また、λ_ａｖｅに基づくチャネル容量を２倍にすることで、グラフＭＩＭＯ_{ａｖｅｒａｇｅｔｏｔａｌ}が得られる。更に、比較のために、１入力１出力（ＳＩＳＯ）方式の無線通信システムの場合の通信路容量も、グラフＳＩＳＯとして描かれている。
【００３２】
上述したように、固有値の大小は、通信路容量の大小に関連するので、図２の場合と同様に、図中左側に、小さい固有値λ_２に基づいて算出された通信路容量を示すグラフＭＩＭＯｃｈ２が描かれ、右側に大きい固有値λ_１に基づく通信路容量を示すグラフＭＩＭＯｃｈ１が描かれている。例えば、小さい固有値λ_２については、約９０％のチャネル容量が５ｂｐｓ／Ｈｚ以下になってしまうが、大きい固有値λ_１については、５ｂｐｓ／Ｈｚ以下になるのは数％程度に過ぎないことが分かる。更に、小さい固有値λ_２に関する通信路容量（ＭＩＭＯｃｈ２）は、ＳＩＳＯの場合より小さくなっていることも分かる。また、平均値λ_ａｖｅに基づく通信路容量の全体ＭＩＭＯ_{ａｖｅｒａｇｅｔｏｔａｌ}は、各固有値λ_ｉに基づく通信路容量の全体ＭＩＭＯ_{ｔｏｔａｌ}より大きな通信路容量を与えていることも分かる。
【００３３】
図５も同様のシミュレーション結果を示すが、Ｍ＝Ｎ＝４の場合について行われている点で異なる。即ち、このシミュレーションでは、４種類の固有値λ_１≧λ_２≧λ_３≧λ_４に基づく通信路容量の分布及び累積分布を調べることで、順にグラフＭＩＭＯｃｈ１乃至４が得られ、固有値の平均値及び合計に基づく通信路容量の分布及び累積分布を調べることで、グラフＭＩＭＯ_{ａｖｅｒａｇｅ}及びグラフＭＩＭＯ_{ｔｏｔａｌ}が得られる。また、平均値λ_ａｖｅに基づく通信路容量を４倍することでグラフＭＩＭＯ_{ａｖｅｒａｇｅｔｏｔａｌ}が得られる。更に、比較用に、ＳＩＳＯの場合のグラフも描かれている。図４を参照するに、固有値λ_１〜λ_４の大小関係に対応して、その累積分布も並んでいることが分かる。
【００３４】
図６は、行列ＨＨ^＊の各固有値に対応する通信路に、ＢＰＳＫ変調を施した信号を伝送させた場合の誤り率（ＢＥＲ）に関するシミュレーション結果を示す。ここでは、Ｍ＝Ｎ＝２であることを想定している。小さい固有値λ_２に関する通信路の誤り率を調べることで、グラフＭＩＭＯｃｈ２が得られ、大きい固有値λ_１に関する通信路の誤り率を調べることで、グラフＭＩＭＯｃｈ１が得られる。固有値の平均値及び合計値に関する通信路の誤り率を調べることで、グラフＭＩＭＯ_ａｖｅ及びグラフＭＩＭＯ_{ｔｏｔａｌ}が得られる。また、平均値λ_ａｖｅに基づく通信路容量の全体に対する誤り率を調べることで、グラフＭＩＭＯ_{ａｖｅｒａｇｅｔｏｔａｌ}が得られる。更に、比較用に、ＳＩＳＯの場合のグラフも描かれている。
【００３５】
図示されているように、大きい固有値λ_１に関する通信路の誤り率は低く、小さい固有値λ_２に関する通信路の誤り率は大きいことが分かる。即ち、大きい固有値λ_１は良好な通信路を与えるが、小さい固有値λ_２は良好な通信路を与えない。例えば、Ｅｂ／Ｎ_０が１０ｄＢの場合に、大きい固有値の通信路の誤り率（ＭＩＭＯｃｈ１）は１０^−５程度に過ぎないが、小さい固有値の通信路の誤り率（ＭＩＭＯｃｈ２）は１０^−２より悪くなってしまう。
【００３６】
図７も、行列ＨＨ^＊の各固有値に対応する通信路に、ＢＰＳＫ変調を施した信号を伝送させた場合の誤り率（ＢＥＲ）に関するシミュレーション結果を示す。但し、Ｍ＝Ｎ＝４であることを想定している。４種類の固有値λ_１≧λ_２≧λ_３≧λ_４に関する通信路の誤り率を調べることで、順にグラフＭＩＭＯｃｈ１乃至４が得られ、固有値の平均値及び合計に関する通信路の誤り率を調べることで、グラフＭＩＭＯ_{ａｖｅｒａｇｅ}及びグラフＭＩＭＯ_{ｔｏｔａｌ}が得られる。また、平均値λ_ａｖｅに基づく通信路容量の全体に対する誤り率を調べることで、グラフＭＩＭＯ_{ａｖｅｒａｇｅｔｏｔａｌ}が得られる。更に、比較用に、ＳＩＳＯの場合のグラフも描かれている。
【００３７】
図７を参照するに、固有値λ_１〜λ_４の大小関係に対応して、誤り率を示すグラフも並んでいることが分かる。即ち、大きい固有値は良好な通信路を与えるが、小さい固有値は良好な通信路を与えない。特に、最小の固有値λ_４に関する通信路の誤り率は、ＳＩＳＯの場合よりも悪くなっている。
【００３８】
このように、固有値に関する累積分布、固有値に基づいて算出される通信路容量及び誤り率によれば、小さな固有値に関する通信路は、スループットや誤り率等の観点からＳＩＳＯの場合よりも良好でない通信路となり得ることが分かる。その結果、全体の通信路容量Ｃ_ａｌｌが目減りしてしまうこともあり得る。例えば、Ｍ＝Ｎ＝２の場合に、大きい固有値λ_１に関する通信路容量をＣ_{ｌａｒｇｅ}とし、小さい固有値λ_２に関する通信路容量をＣ_{ｓｍａｌｌ}とした場合に、全体の通信路容量Ｃ_ａｌｌは、
Ｃ_ａｌｌ＝Ｃ_{ｌａｒｇｅ}＋Ｃ_{ｓｍａｌｌ}
で表される。この場合に、小さい固有値λ_２に関する通信路容量Ｃ_{ｓｍａｌｌ}の部分が実際に使用できない場合は、全体の通信路容量Ｃ_ａｌｌが少なくなってしまう。
【００３９】
本発明では、そのように極端に小さな固有値が発生することを抑制することで、通信路容量全体を有効に利用しようとするものである。本発明は、算出される固有値のばらつきが小さくなるように、行列ＨＨ^＊の行列要素、即ち通信路行列Ｈの行列要素ｈ_ｉｊを調整しながら制御を行う。より具体的には、先ず、現在のチャネル行列Ｈに基づいて、ＨＨ^＊の固有値が算出され、それら固有値の平均値λ_ａｖｅが算出される。この平均値λ_ａｖｅに等しい固有値を与えるような行列（Ｈ’）（Ｈ’）^＊、即ちチャネル行列Ｈ’の行列要素ｈ_ｉｊ’が逆算される。そして、現在のチャネル行列Ｈが、逆算されたチャネル行列Ｈ’に近づくように、アンテナの指向性が制御される。その結果、更新されたチャネル行列に基づく通信路では、固有値のばらつきは小さくなる。最もばらつきの小さくなる場合としては、総ての固有値がλ_ａｖｅに等しくなるような場合である。仮にそのような通信環境が実現されたならば、通信路容量は従来よりも有効に活用され得る。
【００４０】
例えば、Ｍ＝Ｎ＝２の場合に、固有値λ_ａｖｅに関する通信路容量をＣ_ａｖｅとすると、全体の通信路容量Ｃ_ａｌｌは、
Ｃ_ａｌｌ＝２Ｃ_ａｖｅ
で表される。固有値の平均値λ_ａｖｅに基づく通信路容量は、図４，５におけるグラフＭＩＭＯ_{ａｖｅｒａｇｅ}で示され、その場合の全体の容量は、グラフＭＩＭＯ_{ａｖｅｒａｇｅｔｏｔａｌ}で示される。図４の例では２つの通信路の各々がグラフＭＩＭＯ_{ａｖｅｒａｇｅ}で示される容量を与え、図５の例では４つの通信路の各々がグラフＭＩＭＯ_{ａｖｅｒａｇｅ}で示される容量を与える。平均値による通信路容量を階数倍することで算出された全体の通信路容量は、各固有値に基づく通信路容量の総和より大きくなる。しかも、平均値に基づく通信路容量（ＭＩＭＯ_{ａｖｅｒａｇｅ}）は、ＳＩＳＯの場合より良好な通信路を与える。より正確には、ＨＨ^＊の各固有値がそれらの平均値になるようにチャネル行列Ｈの行列要素を調整できたとすると、調整後の行列に関する通信路容量がＳＩＳＯの場合より小さくなる確率は著しく減少する。更に、図６，７に示されるように、固有値の平均値λ_ａｖｅに基づく通信路の誤り率（グラフＭＩＭＯ_{ａｖｅｒａｇｅ}）は、固有値がばらついているときの誤り率（グラフＭＩＭＯ_{ｔｏｔａｌ}）よりも非常に低くなっている。
【００４１】
このように、ばらつきの少ない固有値が得られると、それらに対応する通信路容量のばらつき及び誤り率も少なくなり、通信路容量の全体を有効に利用することが可能になる。このような傾向は、Ｍ＝Ｎ＝２，４に限らず、一般的なＮ，Ｍについても成立することが当業者には理解されるであろう。
【００４２】
【発明の実施の形態】
【００４３】
図８は、本願実施例によるＭＩＭＯ方式の無線通信システムに使用される無線通信装置８０２，８０４を示す。無線通信装置８０２は、高周波信号を送信又は受信するＭ個のアンテナ部８０６を有する。Ｍは２以上の整数である。本実施例では、アンテナ部８０６に使用するアンテナは、択一的なスイッチ又は周波数共用器（図示せず）等を利用して、送信及び受信に共用されるものである。しかし、他の実施例では送信及び受信の各々に別々のアンテナ部及びそれに付随する要素を設けることも可能である。本実施例では、これらＭ個のアンテナ部８０６の各々は、指向性を制御することの可能な適応アレーアンテナにより形成される。しかし、他の実施例では、Ｍ個の内の一部のアンテナ部８０６が適応アレーアンテナにより形成され、それ以外のアンテナ部８０６の各々は１つの給電アンテナにより形成されるようにすることも可能である。どのアンテナ部８０６を適応アレーアンテナとするかは、後述するように、調整する対象となる行列要素ｈ_ｉｊに関連して決定される。
【００４４】
無線通信装置８０２は、Ｍ個のアンテナ部８０６の各々に対応して設けられた変換部８０８を有し、各変換部８０８は、アンテナ部８０６に関するアナログ信号と、後述する重み付け制御部に関するディジタル信号との間で信号形式を変換する。変換部８０８は、送信時はディジタルアナログ変換器として機能し、受信時はアナログディジタル変換器として機能する。本実施例とは異なり、送信経路及び受信経路が別々に設けられる場合には、ディジタルアナログ変換部及びアナログディジタル変換部を別々に設けることも可能である。
【００４５】
無線通信装置８０２は、Ｍ個のアンテナ部８０６の各々に関する重み（ウエイト）等を制御する重み付け制御部８１０を有する。無線通信装置８０２は、各変換部８０８に入力されるディジタル信号、又は各変換部８０８から出力されるディジタル信号に適切な重みμ_ｊを与えることが可能である。但し、ｊは１以上Ｍ以下の整数である。
【００４６】
簡単のため、本実施例では無線通信装置８０２，８０４は同様な構成を有するものとしているので、無線通信装置８０４に関する詳細な説明は省略される。但し、無線通信装置８０４は、Ｎ個のアンテナ部８１２を有し、それら各々に変換部８１４が設けられる。Ｎも２以上の整数であり、上記のＭと同一であっても良いし、異なっていても良い。変換部８１４に対するディジタル信号には、重み付け制御部８１６により重みν_ｉが与えられる。但し、ｉは１以上Ｎ以下の整数である。
【００４７】
図９は、重み付け制御部８１０，８１６の機能ブロック図を示す。重み付け制御部は、各種の機能要素の動作を制御するコントローラ９０２を有する。重み付け制御部はアンテナ部から得られた信号を測定する測定部９０４、チャネル行列に関する情報を通信相手に通知するための通知部９０６、行列ＨＨ^＊の固有値等を算出する固有値算出部９０８、更新後のチャネル行列Ｈ’を算出する逆算部９１０、及び適応アレーアンテナの指向性を制御する重み調整部９１２を有する。指向性の制御は、希望波にメインビームを向けるビームフォーミングにより行っても良いし、干渉波にヌルを向けるヌルステアリングによって行っても良いし、又はそれらを組み合わせて行っても良い。いずれにせよ、結果的に信号対（干渉＋雑音）比が最大となるように、指向性を調整することが可能であればよい。
【００４８】
動作を次に説明する。説明の便宜上無線通信装置８０２を受信側とし、無線通信装置８０４を送信側とするが、送信側及び受信側を逆にすることも当然に可能である。先ず、無線通信装置８０２は、アンテナ部８０６から得られた高周波信号に対して、周波数変換及び帯域制限等のフロントエンドに関する処理を施し、変換部８０８にてアナログ信号をディジタル信号に変換し、適切な重みを付加してそれを重み付け制御部８１０に導入する。尚、簡単のため、フロントエンドに関する処理要素は図示されていない。重み付け制御部８１０では、受信した信号を測定することで、現在のチャネル行列Ｈの行列要素ｈ_ｉｊを測定して求める。但し、ｉは１以上Ｎ以下の整数であり、ｊは１以上Ｍ以下の整数である。測定により求められた行列要素に関する情報は、例えば無線通信装置８０４のような通信相手に、無線チャネルを通じて通知される。この通知のための信号処理は、コントローラ９０２の制御の下に通知部９０６にて行われる。このような通知が行われることで、送信側及び受信側双方の無線通信装置８０２，８０４が、現在のチャネル行列Ｈに関する知識を共有することが可能になる。測定部９０４や通知部９０６は総ての無線通信装置に必須ではないが、無線通信装置は、少なくとも、現在のチャネル行列Ｈに関する情報を利用することが可能であることを要する。
【００４９】
重み付け制御部は、測定された又は通知された現在のチャネル行列Ｈに基づいて、行列ＨＨ^＊の固有値λ_ｉ（但し、ｉは１以上ｒ以下の整数であり、ｒは行列ＨＨ^＊の階数（ｒａｎｋ）を表す。）、各固有値の合計値、固有値の平均値λ_ａｖｅ等を算出する。これらの処理は、固有値算出部９０８により行われる。本実施例では、Ｍ個のアンテナ部８０６とＮ個のアンテナ部８１２が存在するので、チャネル行列ＨはＮ×Ｍ型の行列になり、ＨＨ^＊はＮ×Ｎ型の正方行列になる。従って、一般的にはＮ個の固有値λ_ｉが得られる（λ_１≧・・・≧λ_Ｎ）。
【００５０】
重み付け制御部は、総ての固有値が平均値λ_ａｖｅとなるようなチャネル行列Ｈ_ａｖｅを、平均値λ_ａｖｅから逆算して求める。即ち、行列（Ｈ_ａｖｅ）（Ｈ_ａｖｅ）^＊の固有値が総てλ_ａｖｅとなるような、チャネル行列Ｈ_ａｖｅを算出する。これらの処理は、逆算部９１０によって行われる。
【００５１】
重み付け制御部は、現在のチャネル行列Ｈが、逆算したチャネル行列Ｈ_ａｖｅに近づくように、アンテナ部８０６の適応アレーアンテナの指向性を制御する。この処理は、重み調整部９１２によって行われる。チャネル行列の内容を調整する具体的な手法には様々なものがあり得る。例えば、行列要素ｈ_ｉｊを大きくすることは、次のようにして行うことが可能である。先ず、無線通信装置８０２側のＭ個のアンテナ部８０６の各々に、互いに直交する符号系列Ｃ_１〜Ｃ_Ｍを事前に割り当てておく。同様に、無線通信装置８０４側のＮ個のアンテナ部８１２の各々にも、互いに直交する符号系列Ｄ_１〜Ｄ_Ｎを事前に割り当てておく。これらの符号系列は送信側及び受信側の双方で既知であるとする。そして、無線通信端末８０４のｊ番目のアンテナ部８１２が、符号系列Ｃ_ｊの到来方向にメインビームを向け、無線通信端末８０２のｉ番目のアンテナ部８０６が、符号系列Ｄ_ｉの到来方向にメインビームを向ける。このような操作を双方で行うことで、チャネル行列ｈ_ｉｊを調整することが可能になる。尚、各符号は互いに直交しているので、行列要素の各々を区別することが可能である。逆に、メインビームを向ける代りにヌルを向けるようにすれば、その行列要素ｈ_ｉｊを小さくすることが可能になる。尚、指向性の制御は、アンテナ部８０６，８１２毎に設けられた重みμ_ｊ，ν_ｉと独立に行っても良いし、それらと連携して行っても良い。
【００５２】
本実施例では、Ｍ個のアンテナ部８０６，８１２の総てが適応アレーアンテナにより形成されており、アンテナ部８０６，８１２毎に別々に指向性を調整することが可能である。従って、総ての行列要素ｈ_ｉｊを調整することが可能になる。この点、総てのアンテナ部８０６，８１２が適応アレーアンテナではなく、単独のアンテナ素子によって形成されている従来のＭＩＭＯ方式における無線通信装置と大きく異なる。また、総ての行列要素ではなく、一部の行列要素ｈ_ｉｊだけが調整の対象になる場合には、複数の内の一部のアンテナ部のみを適応アレーアンテナにすることも可能である。
【００５３】
本実施例では、逆算部９１０で算出される行列は、総ての固有値が平均値λ_ａｖｅとなるものであった。上述したように、そのような通信環境が実現されたならば、固有値のばらつきは無くなり、得られる通信路は総て同一の通信路容量Ｃ_ａｖｅとなり、所与の通信路容量Ｃ_ａｌｌの総てを有効に利用することが可能になる。しかしながら、本発明の原理によれば、固有値のばらつきをゼロにするだけでなく、固有値のばらつきの幅を小さくするだけでも有利な効果が得られる。極端に小さな固有値が発生しなければ、即ちスループットや誤り率が極端に悪い通信路が発生しなければ、総ての通信路容量Ｃ_ａｌｌを現実の通信に使用することができるからである。このため、逆算部９１０で算出される行列Ｈ’に関し、（Ｈ’）（Ｈ’）^＊の固有値が、平均値λ_ａｖｅを含むが最小の固有値λ_ｍｉｎを含まない所定の範囲内に収まるように、行列Ｈ’を算出することも有利である。また、最小及び最大の固有値を含まないが平均値λ_ａｖｅを含むような範囲を設定することも可能である。いずれにせよ、新たに算出される行列（Ｈ’）（Ｈ’）^＊の固有値のばらつきが、現在の行列ＨＨ^＊の固有値のばらつきよりも狭くなればよい。
【００５４】
本実施例におけるアンテナ部８０６，８１２に使用され得る適応アレーアンテナの形式は、変換部８０８，８１４にアナログ信号を与える又はそこからアナログ信号を受けることの可能な任意の形式であり得る。例えば、アンテナ部８０６，８１２に空間合成型やフェーズドアレー型等を採用することが可能である。
【００５５】
図１０は、あるアンテナ部８０６，８１２に使用することの可能な空間合成型の適応アレーアンテナの例を示す。図示されているように、この適応アレーアンテナ１０００は、図８の変換部８０８，８１４に接続される１つの給電アンテナ素子１００２と、複数の無給電アンテナ素子１００４を有する。簡単のため、周波数変換や帯域制限等を行うフロントエンドに関する処理要素は図示されていない。各アンテナ素子は、それらの間の空間相関が大きくなるように例えば半波長以下の距離に接近して設けられる。複数の無給電アンテナ素子１００４の各々は、制御信号に応じてリアクタンスを変化させることの可能な可変リアクタンス回路部１００６を通じて接地電位に接続されている。可変リアクタンス回路部１００６に対する制御信号は、可変リアクタンス制御回路部１００８により適応制御される。この可変リアクタンス制御回路部１００８は、重み付け制御部８１０，８１６の内部に設けても良いし、別個に設けても良い。更に、その制御信号も、アンテナ部８０６，８１２に対する重みμ_ｊ，ν_ｉと連携させて形成しても良いし、独立させて形成しても良い。
【００５６】
このような空間合成型の適応アレーアンテナを採用すると、制御対象となる素子数が少なくて済むので（例えば、１つの可変リアクタンス回路部１００６は、１つのコンデンサで形成することが可能である。）、チャネル行列の行列要素ｈ_ｉｊを簡易に調整することが可能になる。
【００５７】
図１１は、あるアンテナ部８０６，８１２に使用することの可能なフェーズドアレー型の適応アレーアンテナを示す。図示されているように、この適応アレーアンテナ１１００は、複数の給電アンテナ１１０２を有する。適応アレーアンテナ１１００は、制御信号に応答して、各給電アンテナ１１０２からの信号に重みを付加する高周波重み付け回路部１１０４を有する。高周波重み付け回路部１１０４では、信号の位相が調整される（特殊な用途では、位相に加えて振幅も調整され得る。）。高周波重み付け回路部１１０４からの各出力は、高周波合成回路部１１０６に接続され、合成された１つのアナログ信号が出力され、変換部８０８，８１４に与えられる。合成されたアナログ信号は、高周波重み付け制御回路１１０８にも与えられ、これは、各給電アンテナ素子に対する重みを制御する。この高周波重み付け制御回路部１１０８も、重み付け制御部８１０，８１６の内部に設けても良いし、別個に設けても良い。更に、その制御信号も、アンテナ部８０６，８１２に対する重みμ_ｊ，ν_ｉと連携させて形成しても良いし、独立させて形成しても良い。
【００５８】
このようなフェーズドアレー型の適応アレーアンテナを採用すると、高周波重み付け回路部１１０４にて、位相を任意に調整することが可能になり、調整の自由度が大きくなるので、チャネル行列の行列要素ｈ_ｉｊを緻密に調整することが可能になる。
【００５９】
図１２は、アンテナ素子に偏波共用アンテナを利用した場合の例を示す。偏波共用アンテナ１２０２，１２０４の各々に対して、高周波重み付け回路部１２０６，１２０８が設けられている。高周波重み付け経路部１２０６，１２０８は、制御信号に応答して信号に重みを付加し、重み付けされた信号を合成する高周波合成部１２１０に与える。高周波合成部１２１０からの合成後の信号は、変換部８０８，８１４に与えられる一方、制御信号を形成する高周波重み付け制御回路にも与えられる。
【００６０】
このような構成を採用すると、振幅や位相だけでなく、無線信号の偏波特性をも考慮して、チャネル行列要素ｈ_ｉｊを更に緻密に調整することが可能になる。
【００６１】
以上本願実施例によれば、ＭＩＭＯ方式の無線通信装置に使用される複数のアンテナ部の少なくとも１つに適応アレーアンテナが設けられている。そして、無線通信装置の重み付け制御手段にて、固有値のばらつきを小さくするようなチャネル行列が算出され、そのようなチャネル行列に現在のチャネル行列が近づくように、適応アレーアンテナの指向性が制御される。固有値のばらつきが小さくなると（理想的には総ての固有値がλ_ａｖｅになるので、ばらつきがゼロになる）、それらの固有値に対応する通信路容量のばらつきも小さくなり、その結果、総ての固有値に対応する通信路容量を実際の通信に有効に利用することが可能になる。
【００６２】
以下、本発明が教示する手段を列挙する。
【００６３】
（付記１）高周波信号を送信又は受信する複数のアンテナ手段と、前記複数のアンテナ手段に関する重みを与える重み付け制御手段を有する、多入力多出力方式の無線通信システムに使用される無線通信装置であって、
前記複数のアンテナ手段の少なくとも１つを形成する適応アレーアンテナ手段が、複数のアンテナエレメントを有し、複数のアンテナエレメントの各々に関する重みを変化させることで、指向性を変化させることが可能である
ことを特徴とする無線通信装置。
【００６４】
（付記２）前記重み付け制御手段が、
前記複数のアンテナ手段の各々に関連する無線伝搬路の伝達特性を表す現在のチャネル行列と、前記現在のチャネル行列の共役転置行列との積で表現される行列の固有値を算出する手段と、
前記算出された固有値の平均値を含むが、前記固有値の最小値を含まない所定の範囲内に、総ての固有値が含まれるようなチャネル行列を算出する逆算手段と、
前記現在のチャネル行列が、前記逆算手段で算出されたチャネル行列に近づくように、前記適応アレーアンテナ手段の指向性を調整する手段
を有することを特徴とする付記１記載の無線通信装置。
【００６５】
（付記３）更に、前記複数のアンテナ手段の各々に対応して設けられ、ディジタル信号及びアナログ信号の間で信号形式を変換する変換手段を有し、前記重み制御手段が、複数の変換手段に入力される又はそこから出力される信号に重みを付加することを特徴とする付記１記載の無線通信装置。
【００６６】
（付記４）前記複数のアンテナ手段の各々が、適応アレーアンテナ手段より成ることを特徴とする付記１記載の無線通信装置。
【００６７】
（付記５）前記適応アレーアンテナ手段が、前記複数のアンテナエレメントである複数の給電アンテナと、各給電アンテナからの信号を合成する合成部とを有し、各給電アンテナに関連する高周波信号の相対的な振幅又は位相を変化させることで、前記指向性が調整されることを特徴とする付記１記載の無線通信装置。
【００６８】
（付記６）前記適応アレーアンテナ手段における複数のアンテナエレメントが、１つの給電アンテナ及び複数の無給電アンテナより成り、前記複数の無給電アンテナの各々に設けられた可変リアクタンス値を変化させることで、前記指向性が調整されることを特徴とする付記１記載の無線通信装置。
【００６９】
（付記７）前記適応アレーアンテナ手段における複数のアンテナエレメントが、偏波共用アンテナであることを特徴とする付記１記載の無線通信装置。
【００７０】
（付記８）前記重み付け制御手段が、希望波にメインローブが向くように前記指向性を適応制御することを特徴とする付記１記載の無線通信装置。
【００７１】
（付記９）前記重み付け制御手段が、干渉波にヌルが向くように前記指向性を適応制御することを特徴とする付記１記載の無線通信装置。
【００７２】
（付記１０）更に、受信した高周波信号を測定することで、前記現在のチャネル行列を求める手段を有することを特徴とする付記１記載の無線通信装置。
【００７３】
（付記１１）前記チャネル行列を求める手段が、前記複数のアンテナ手段の各々に予め割り当てられている互いに直交する符号系列を利用して、前記チャネル行列の行列要素を区別することを特徴とする付記１０記載の無線通信装置。
【００７４】
（付記１２）前記所定の範囲が、算出された複数の固有値の最大値及び前記最小値を含まないように設定されることを特徴とする付記２記載の無線通信装置。
【００７５】
（付記１３）前記逆算手段が、総ての固有値が前記平均値に等しくなるようなチャネル行列を算出することを特徴とする付記２記載の無線通信装置。
【００７６】
（付記１４）無線送信装置及び無線受信装置を有し、前記無線送信装置又は前記無線受信装置の少なくとも一方が、付記１記載の無線通信装置より成ることを特徴とする多入力多出力方式の無線通信システム。
【００７７】
（付記１５）前記無線送信装置及び前記無線受信装置の双方で、前記現在のチャネル行列が知られていることを特徴とする付記１４記載の多入力多出力方式の無線通信システム。
【００７８】
（付記１６）前記無線受信装置で求められた前記現在のチャネル行列が、前記無線送信装置に通知されることを特徴とする付記１４記載の多入力多出力方式の無線通信システム。
【００７９】
【発明の効果】
【００８０】
以上のように本発明によれば、周波数当たりの最大信号伝送速を定めるシャノンの通信路容量の内、実際の通信に利用することの可能な通信路容量を向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＭＩＭＯ方式の通信システムの部分概略図を示す。
【図２】Ｍ＝Ｎ＝２の場合の固有値の累積分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図３】Ｍ＝Ｎ＝４の場合の固有値の累積分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図４】Ｍ＝Ｎ＝２の場合の通信路容量の累積分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図５】Ｍ＝Ｎ＝４の場合の通信路容量の累積分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図６】Ｍ＝Ｎ＝２の場合の通信路容量に関する誤り率のシミュレーション結果を示す図である。
【図７】Ｍ＝Ｎ＝４の場合の通信路容量に関する誤り率のシミュレーション結果を示す図である。
【図８】本願実施例によるＭＩＭＯ方式の無線通信システムに使用される無線通信装置を示す図である。
【図９】重み付け制御部の機能ブロック図を示す。
【図１０】アンテナ部に使用することの可能な適応アレーアンテナを示す図である。
【図１１】アンテナ部に使用することの可能な適応アレーアンテナを示す図である。
【図１２】アンテナ部に使用することの可能な適応アレーアンテナを示す図である。
【符号の説明】
ｘ_１（ｔ）〜ｘ_Ｍ（ｔ）送信信号ベクトルの成分
ｙ_１（ｔ）〜ｙ_Ｎ（ｔ）受信信号ベクトルの成分
ｈ_１１〜ｈ_ＮＭチャネル行列の行列要素
μ_１〜μ_Ｍ重み
ν_１〜ν_Ｍ重み
８０２，８０４無線通信装置
８０６，８１２アンテナ部
８０８，８１４変換部
８１０，８１６重み付け制御部
９０２コントローラ
９０４測定部
９０６通知部
９０８固有値算出部
９１０逆算部
９１２重み調整部
１０００適応アレーアンテナ
１００２給電アンテナ素子
１００４無給電アンテナ素子
１００６可変リアクタンス回路部
１００８可変リアクタンス制御回路部
１１００適応アレーアンテナ
１１０２給電アンテナ素子
１１０４高周波重み付け回路部
１１０６高周波合成回路部
１１０８高周波重み付け制御回路部
１２０２，１２０４偏波共用アンテナ素子
１２０６，１２０８高周波重み付け回路部
１２１０高周波合成回路部
１２１２高周波重み付け制御回路部

Claims

高周波信号を送信又は受信する複数のアンテナ手段と、前記複数のアンテナ手段に関する重みを与える重み付け制御手段を有する、多入力多出力方式の無線通信システムに使用される無線通信装置であって、
前記複数のアンテナ手段の少なくとも１つを形成する適応アレーアンテナ手段が、複数のアンテナエレメントを有し、複数のアンテナエレメントの各々に関する重みを変化させることで、指向性を変化させることが可能であり、
前記重み付け制御手段が、
前記複数のアンテナ手段の各々に関連する無線伝搬路の伝達特性を表す現在のチャネル行列と、前記現在のチャネル行列の共役転置行列との積で表現される行列の固有値を算出する手段と、
前記算出された固有値の平均値を含むが、前記固有値の最小値を含まない所定の範囲内に、総ての固有値が含まれるようなチャネル行列を算出する逆算手段と、
前記現在のチャネル行列が、前記逆算手段で算出されたチャネル行列に近づくように、前記適応アレーアンテナ手段の指向性を調整する手段と、
を有することを特徴とする無線通信装置。
更に、前記複数のアンテナ手段の各々に対応して設けられ、ディジタル信号及びアナログ信号の間で信号形式を変換する変換手段を有し、前記重み制御手段が、複数の変換手段に入力される又はそこから出力される信号に重みを付加することを特徴とする請求項１記載の無線通信装置。
前記複数のアンテナ手段の各々が、適応アレーアンテナ手段より成ることを特徴とする請求項１記載の無線通信装置。
前記適応アレーアンテナ手段が、前記複数のアンテナエレメントである複数の給電アンテナと、各給電アンテナからの信号を合成する合成部とを有し、各給電アンテナに関連する高周波信号の相対的な振幅又は位相を変化させることで、前記指向性が調整されることを特徴とする請求項１記載の無線通信装置。
前記適応アレーアンテナ手段における複数のアンテナエレメントが、１つの給電アンテナ及び複数の無給電アンテナより成り、前記複数の無給電アンテナの各々に設けられた可変リアクタンス値を変化させることで、前記指向性が調整されることを特徴とする請求項１記載の無線通信装置。
更に、受信した高周波信号を測定することで、前記現在のチャネル行列を求める手段を有することを特徴とする請求項１記載の無線通信装置。
前記チャネル行列を求める手段が、前記複数のアンテナ手段の各々に予め割り当てられている互いに直交する符号系列を利用して、前記チャネル行列の行列要素を区別することを特徴とする請求項６記載の無線通信装置。
前記逆算手段が、総ての固有値が前記平均値に等しくなるようなチャネル行列を算出することを特徴とする請求項１記載の無線通信装置。
無線送信装置及び無線受信装置を有し、前記無線送信装置又は前記無線受信装置の少なくとも一方が、請求項１記載の無線通信装置より成ることを特徴とする多入力多出力方式の無線通信システム。
前記無線送信装置及び前記無線受信装置の双方で、前記現在のチャネル行列が知られていることを特徴とする請求項９記載の多入力多出力方式の無線通信システム。