JP4382071B2 - 空間多重伝送用送信方法、通信相手選択方法および無線送信装置 - Google Patents

空間多重伝送用送信方法、通信相手選択方法および無線送信装置 Download PDF

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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、複数の通信相手に送信し、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、空間多重する通信相手を選択する空間多重伝送用送信方法および送信装置に関する。
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 : Orthogonal 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 Control)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、1OOMbps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、Ｂｌｏｃｋ Ｄｉａｇｏｎａｌｉｚａｔｉｏｎ（ＢＤ）指向性制御法が有力である。このＢＤ指向性制御法とは、送信局側において複数の送信アンテナから同一チャネル上で異なる独立な信号を複数の通信相手に送信し、お互いの通信相手の受信ウエイトにより形成される受信ビームに対し、ヌルを形成し、受信局側において他通信相手からの干渉を生じずに信号を受信し、それぞれの通信相手で独立に受信信号を推定し、データを再生するものである。
送信装置のアンテナ素子数をＭＴ、通信相手の数をＭｕ、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１５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。
符号900はデータ分割回路、901-I〜901-Lは変調回路、902は送信信号変換回路、903-1〜903-MTは無線部、904-1〜904-MTはアンテナ素子、905は通信品質評価通信相手選択回路、906はチャネル応答行列取得回路である。
アンテナ(904-1〜904-MT)及び無線部(903-1〜903-MT)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-MT)と通信相手の各アンテナ間のチャネル応答行列をチャネル応答行列取得回路（906）において推定することができる。このチャネル応答行列の取得方法はここでは明記しないが、アンテナ(904-1〜904-MT)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、チャネル応答行列の情報が取得される。この情報は通信品質評価通信相手選択回路（905）に入力され、各信号系列のそれぞれのアンテナにおける送信ウエイトを算出する。
次に、送信すべくデータが入力されると、データ分割回路（900）では１系統の信号をＬ系統の信号系列に分割し、変調回路901-1〜901-Lへ入力する。ここでは、MIMOチャネル推定用のプリアンブル信号等が付与され、変調された後、これらの信号は、送信信号変換回路（902）に入力される。ここで、送信データは送信ウエイトを乗算され、無線部(104-1〜104-MT)に入力され、アンテナ(105-1〜105-MT)を介して無線信号として送信される。
チャネル応答行列取得回路において得られた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応答行列Hi(MR(i)XMT行列)は下式のように特異値分解により、右特異行列ｖｉ(ＭＴＸＭＴ行列)、左特異行列Ui(MR(i)XMR(i)行列)及び固有値の二乗根√λを対角要素とし、非対角行列をOとする行列D(MR（i）XMT行列)に分けることができる。
Figure 0004382071
ここでＨi,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Ｖi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。シングルユーザに対する通信においては、Ｖ’iの列ベクトルを送信ウエイトとすることで、対応する固有値λｉで表せる信号電力を得ることができる。(λ1≧λ2≧・‥≧λMR（ｉ）)。ここで、上付きの添え字Ｈは共役複素行列を表す。
マルチユーザに対するＢＤ法による通信相手の選択方法の手段を示す。ここで、通信を行いたいMuの通信相手のうち、Mu’(l)の通信相手ごとにブロック化し、ｌ番目のタイミングでそれら複数の通信相手に同時に送信を行うことを考える。ｌ番目のタイミングで送信する通信相手の番号i∈U(ｌ)とする。ここで、Mu' (ｌ)個の通信相手にＢＤ法による送信をする際にその伝送品質を評価する方法を示す。
Mu'(ｌ)の通信相手のうちi'番目の通信相手に達成可能な伝送容量の評価方法を示す。
まず、H+ l(i)(ｌ)をl番目のタイミングで同時に同一周波数帯で送信するMu'(ｌ)個の通信相手のうち、ｌ（ｉ）番目の通信相手以外の通信相手のチャネル応答行列の集合行列とし、
Figure 0004382071
 と表す。ここでl(i)は、l番目のタイミングで同時に送信する通信相手の中でi番目の通信相手の番号のことである。Rl(j)はl(i)番目の通信相手に仮定した受信ウエイトであり、対角行列とすれば、受信ウエイトの仮定なしの条件となる。このH+ l(i)(ｌ)に対し、特異値分解を行うと、
Figure 0004382071
 と表すことができ、Ｖ＋ l(i)(l)は国有値D- l(i)(l)に対応するベクトルであり、Ｖ− l(i)(l)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、Ｖ− l(i)(l)の送信空間に対し、送信を行うと、l番目のタイミングにおけるｌ(i)以外の通信相手の受信ウエイトに対し、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、l(i)番目の通信相手のチャネル応答行列に対し、このヌル空間ウエイトＶ− l(i)(l)を乗算して得られる行列の特異値を計算すればよい。
Figure 0004382071
Do l(t)(ｌ)の対角成分の二乗値であるヌル空間固有値、λj o、に対応する品質が得られることになる。しかし、これら通信相手の組み合わせは取りうるMu'(ｌ) に対しそれぞれ、MuC Mu'(ｌ)通り存在し、各組み合わせについて上記方法で各通信相手に対するヌル空間固有値を計算していくには膨大な計算を要する。
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.
しかしながら、上記した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伝送容量を得ることを可能とするが、通信相手の組み合わせの決定には非常に大きい演算量を必要とする問題がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、通信相手が複数存在し、それらの中から一つ以上の通信相手に対し、同一時刻、同一周波数寄において異なる信号系列を送信する場合に、一つ以上の通信相手の組み合わせを簡易に決定する空間多重伝送用送信方法および送信装置を提供することにある。
上述した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、複数の通信相手に対し、同時刻同一周波数帯に信号を送信する際の空間多重伝送用方法であって、通信を行う各通信相手に対する、送信空間ベクトル群を演算するステップと、異なる通信相手の送信ベクトル群の内積値のノルムを演算するステップと、得られた１つまたは複数の内積値のノルムが小さくなる通信相手同士を同時送信する相手局として選択するステップと、を備えることを特徴とする。
また、本発明は、複数のアンテナ素子を備え、複数の通信相手に対し、同時刻同一周波数帯に信号を送信する際の空間多重伝送用送信方法であって、通信を行う各通信相手に対する、チャネル応答行列の右特異行列の固有値に対応する単位ベクトルを演算するステップと、異なる通信相手の送信に用いる右特異行列の固有値に対応するベクトル同士の内積値のノルムを演算するステップと、得られた１つまたは複数の内積値のノルムが小さくなる通信相手同士を同時送信する相手局として選択するステップと、を備えることを特徴とする。
また、本発明は、上述の空間多重伝送用送信方法であって、３以上の通信相手を選択する場合に、既に選択された２つ以上の通信相手に対しチャネル応答行列の右特異行列の固有値に対応する単位ベクトルを演算するステップと、選択されている通信相手の右特異行列の固有値に対応するベクトル同士と他の通信相手の右特異行列の固有値に対応するベクトル同士の内積値のノルムを演算するステップと、得られた１つまたは複数の内積値のノルムが小さくなる通信相手を新たに選択するステップとを備えることを特徴とする。
また、本発明は、複数のアンテナ素子を備え、複数の通信相手に対し、同時刻同一周波数帯に信号を送信する際の通信相手の選択方法であって、選択された通信相手の送信空間ベクトル群を演算するステップと、通信相手の送信空間ベクトル群と他の通信相手の送信空間ベクトル群の内積値を演算するステップと、対角要素以外を０とし、対角要素を定数とする対角行列から、得られた内積値からなる行列を減算して得られる行列の行列式を計算するステップと、得られた行列式が大きくなる通信相手同士を選択するステップと、を備えることを特徴とする。
また、本発明は、複数のアンテナ素子を備え、複数の通信相手に対し、同時刻同一周波数帯に信号を送信する際の通信相手の選択方法であって、選択された通信相手の送信空間ベクトル群を演算するステップと、各通信相手に対し、当該通信相手以外の通信相手に形成される全送信空間ベクトル群を演算するステップと、各通信相手の送信空間ベクトル群と、当該通信相手以外の全送信空間ベクトルの内積値を演算するステップと、対角要素以外を０とし、対角要素を定数とする対角行列から、得られた内積値からなる行列を減算して得られる行列の行列式を計算するステップと、得られた１つまたは複数の行列式と各通信相手に形成するストリーム数から評価値を演算するステップと、得られた評価値が最も大きい通信相手の組み合わせを選択するステップと、を備えることを特徴とする。
また、本発明は、複数のアンテナ素子を持つ送信装置から、複数の通信相手局に対し、１つまたは複数の信号系列を同一周波数チャネルおよび同一時刻に空間多重して送信を行うことが可能な無線通信システムにおける、無線送信装置において、ＭＴ（ＭＴ＞１：整数）本のアンテナ素子を具備し、前記各アンテナ素子に接続され、受信時には受信信号からベースバンド信号に変換し、チャネル情報取得回路へ出力し、送信時には送信信号を無線信号としてアンテナ素子から送信を行う無線部と、前記無線部から入力された信号から、通信相手に対するチャネル情報を推定し、送信空間ベクトル演算回路へ出力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から入力されたチャネル情報を元に、送信空間ベクトル群を演算する送信空間ベクトル演算回路と、前記送信空間ベクトル演算回路から入力される送信空間ベクトル群を、異なる通信相手同士で内積値のノルムを演算し、得られた１つまたは複数の内積値のノルムのうち最も小さくなる組み合わせを選択する内積値演算選択回路と、前記チャネル情報取得回路、送信空間ベクトル演算回路、内積値演算回路と構成される通信相手選択ブロックと、送信データを通信系列数に変調方式に応じて分割するデータ分割回路と、前記データ分割回路によって分割されたデータの各信号系列に変調を行う変調回路と、前記変調回路によって変調された各通信系列に送信ウエイト演算回路で決定された送信ウエイトを乗算し、対応するアンテナ素子に接続された無線部に出力を行う送信信号変換回路と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明は、複数のアンテナ素子を持つ送信装置から、複数の通信相手局に対し、１つまたは複数の信号系列を同一周波数チャネルおよび同一時刻に空間多重して送信を行うことが可能な無線通信システムにおける、無線送信装置において、ＭＴ（ＭＴ＞１：整数）本のアンテナ素子を具備し、前記各アンテナ素子に接続され、受信時には受信信号からベースバンド信号に変換し、チャネル情報取得回路へ出力し、送信時には送信信号を無線信号としてアンテナ素子から送信を行う無線部と、前記無線部から入力された信号から、通信相手に対するチャネル情報を推定し、送信空間ベクトル演算回路へ出力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から入力されたチャネル情報を元に、送信側相関行列の右特異行列を演算する送信空間ベクトル演算回路と、前記送信空間ベクトル演算回路から入力される右特異行列を、異なる通信相手同士で内積値のノルムを演算し、得られた１つまたは複数の内積値のノルムのうち最も小さくなる組み合わせを選択する内積値演算選択回路と、前記チャネル情報取得回路、送信空間ベクトル演算回路、内積値演算回路と構成される通信相手選択ブロックと、送信データを通信系列数に変調方式に応じて分割するデータ分割回路と、前記データ分割回路によって分割されたデータの各信号系列に変調を行う変調回路と、前記変調回路によって変調された各通信系列に送信ウエイト演算回路で決定された送信ウエイトを乗算し、対応するアンテナ素子に接続された無線部に出力を行う送信信号変換回路と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明は、上述の無線送信装置において、前記通信相手選択ブロックは、無線部から入力された信号から、通信相手に対するチャネル情報を推定し、送信空間ベクトル演算回路へ出力するチャネル情報取得回路と、チャネル情報取得回路から入力されたチャネル情報を元に、送信空間ベクトル群を演算する送信空間ベクトル演算回路と、送信空問ベクトル演算回路から入力される送信空間ベクトル群を、異なる通信相手同士で内積値を演算し、行列式演算比較回路に出力する内積値演算回路と、対角要素を定数とし、非対角要素を０とする行列から、入力された内積値からなる行列を減算し、得られた行列式が最も大きくなる組み合わせを選択する行列式演算比較回路と、から構成されることを特徴とする。
また、本発明は、上述の無線送信装置において、前記通信相手選択ブロックは、無線部から入力された信号から、通信相手に対するチャネル情報を推定し、送信空間ベクトル演算回路へ出力するチャネル情報取得回路と、チャネル情報取得回路から入力されたチャネル情報を元に、各通信相手に対する送信空間ベクトル群と、各通信相手に対し、当該通信相手以外で選択された通信相手全体での全送信空間ベクトル群を演算する送信空間ベクトル演算回路と、送信空間ベクトル演算回路から入力される送信空間ベクトル群と、対応する通信相手に演算された全送信空間ベクトル群との内積値を演算し、行列式演算比較回路に出力する内積値演算回路と、対角要素を定数とし、非対角要素を０とする行列から、入力された内積値からなる行列を減算し、得られた行列式から計算される評価値が最も大きくなる組み合わせを選択する行列式演算比較回路と、から構成されることを特徴とする。
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、MIMO通信を実施する際に、最適な送信ウエイトの組み合わせを選択することで、良好な通信特性を実現することが可能となる。
以下、本発明の種々の実施形態について、図を参照して説明する。
図１に本発明第１の実施形態における送信部の構成例を示す。100はデータ分割回路、101-1〜101-Lは変調回路、102は送信信号変換回路、103-1〜103-MTは無線部、104-1〜104-MTはアンテナ、105は送信ウエイト演算回路、106は直交空間演算回路、107はチャネル応答行列取得回路、110は送信ウエ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-MT)及び無線部(103-1〜103-MT)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-MT)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（107）において、送信部の各アンテナ(104-1〜104-MT)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応答行列を推定することができる。このチャネル応答行列の取得方法はここでは明記しないが、アンテナ(104-1〜104-MT)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、各通信相手に対するチャネル応答行列の情報が取得される。
通信相手を選択する際には、対応する通信相手のチャネル応答行列が送信空間ベクトル演算回路(106)に出力される。送信空間ベクトル演算回路(106)においては、送信空間ベクトル群を各通信相手に対し演算し、相関値演算選択回路(105)に出力する。相関値演算選択回路(105)においては、送信空間ベクトルの内積値を演算し、内積値が最も小さくなる組み合わせを選択し、データ出力回路（100−1）に対応する通信相手を指定する。なお、ここで、内積値の演算を行う場合、特に、内積値のノルムを演算し、この内積値のノルムが最も小さくなる組み合わせを選択するものとする。
送信データは、データ出力回路(100-1)からデータ分割回路（100−2）に入力され、Ｌ系統の信号系列に分割され、変調回路101-1〜101-Lへ入力される。ここで、MIMOチャネル推定用のプリアンブル信号等が付与され、変調された後、これらの信号は、送信信号変換回路（102）に入力される。ここで、送信データは送信ウエイトを乗算され、無線部(103-1〜103-MT)に入力され、アンテナ（104-1〜104-MT)を介して無線信号として送信される。
選択方法を以下に示す。チャネル応答行列取得回路は、入力された各通信相手に対するチャネル行列Hl〜HMuの共役複素数でできた行列Ｈl *〜ＨMU *の行ベクトルに対し、直交化法を行い、送信空間基底ベクトル群を求める。Ｈi *のα番目の行ベクトルをgi,aとすると、i番目の通信相手に対する送信空間基底ベクトルei.1, ei.2,・・・ei.MR(i)が演算される。
Figure 0004382071
ここで、(a,b)はベクトルａとｂの内積値を表す。 Ei=[ei,1 T,ei,2 T, ・・・ei,MR(i) T］Tがｉ番目の通信相手に対する送信空間ベクトル群である。
得られたEiは内積値演算選択回路(105)に出力される。ここで、Eiを構成する行ベクトル同士の乗算が異なる通信相手同士で評価される。α番目の通信相手とβ番目の通信相手の評価値Γαβは
Figure 0004382071
 と表すことができる。この相関評価値から、内積値演算選択回路は組み合わせるべき２通信相手を選択するかもしくは複数の通信相手に送信をしないかを選択する。（請求項１）
また、送信空間ベクトルEiとしてチャネル応答行列Hiを特異値分解することで得られる右特異行列のうち固有値に対応するベクトル群V’iを用いることもできる。（請求項２）
相関評価値の特性について示す。ここで、もともとのi番目の通信相手のj番目の固有値λi,jに対し、数４から得たｉ番目の通信相手のj番目の直交空間固有値λo i,jを
Figure 0004382071
 と表すことにする。0≦ai,j≦1となっている。
ここで、送信アンテナ素子数をMt、通信相手の受信アンテナ数がすべて１だった場合を考える。このとき、各通信相手との間に形成されるチャネルの固有値および送信空間ベクトルは１つしか存在せず、相関評価値はこの一つのベクトル同士の内積値となる。相関評価値は直交空間を求める際に削除される空間を表しており、相関評価値とａの間には
Figure 0004382071
 が成り立つ。よって相関評価値から容易に直交空間での伝送品質を推定可能である。
伝送速度の評価指標としては例えば、受信側で復号する際の信号対雑音比から、以下のようにα番目の通信相手とβ番目の通信相手に対し、マルチユーザMIMOの伝送容量を定義できる。
Figure 0004382071
 シングルユーザMIMOの伝送容量は同様に
Figure 0004382071
 と表すことができる。σ2は熱雑音の分数値である。LαとLβはそれぞれデータストリーム数である。マルチユーザMIMOがシングルユーザMIMO通信に対し、通信速度や通信品質が高くなる通信相手を組み合わせて、マルチユーザに対し同時送信を行うことにより、高い伝送速度が実現できる。マルチユーザMIMOを行った際にシングルユーザに対する伝送容量の増大度は
Figure 0004382071
 と表すことができる。このＲが高い値をとる通信相手を選択することで、システム全体の周波数利用効率が高められる。数１１においてλi,j≧ai,jλi,j≫１と仮定すると、数１１は、
Figure 0004382071
 と書き直すことができる。ここで、Ｒは固有値の変化量ａに大きく影響されていることが分かる。
ここで図３に送信素子数を２とし、受信素子数が１である通信相手をランダムに発生させ、Ｒと相関評価値の対応をプロットした結果を示す。平均受信ＳＮＲを30dBとしたものであり、チャネルはi.i.d.で与えた。相関評価値Γからａは一意に決まるにもかかわらず、値がばらついているのは、試行ごとに固有値λが変化しているためである。同様に送信素子数を８とし、受信素子数を１とした場合を図４に示す。送信素子数を増やすと、送信ダイバーシチの効果により、ばらつきが減少し、且つΓが小さい領域に分布がシフトすることがわかる。送信素子数が多いほど、相関評価値による通信相手の選択がしやすくなることを示している。
次に受信素子数を２素子に固定し、平均受信ＳＮＲを30dBとしてΓとＲの関係をプロットすると、図５のようになる。この場合、Γが１より小さいか大きいかにより分布の形状が大きく異なる。Γが１より大きくなると、ヌル空間ベクトルＶ- l(i)を乗算することにより得られる固有値のうちいずれかを完全に０、もしくは０に近づけることが可能であるため、このとき伝送容量は大きく劣化することが示されている。ただし、Γが１以下であれば、ＲはΓに対し、拡がりを持った分布をしているものの、上界や下界、もしくはその間で定義できる関数により、Γから推定することができる。受信素子数が２の場合においても、送信素子数を増やすとΓに対するＲの分散が小さくなる。図６は送信素子数を８とした場合の結果である。
図７は送信素子数を８、一方の通信相手の受信素子数を３、もう一方を２とした場合のＲとΓの対応であり、それぞれ受信素子数が異なる場合においても適用可能であることが分かる。
２つ以上の通信相手を選択する場合においては、例えば、全通信相手Mu個の中からMu’の通信相手を選択するものとして、それらMu’個についてそれぞれＲの推定値をΓから求め、もっとも推定値の和が大きくなるものを選択することができる。
または、まず２つの通信相手、α、βを選択した後、それら２つの通信相手に対し求められている送信空間ベクトルEα、Eβについて、再び直交化法を用い、第２の送信空間ベクトルEαβを求め、このEαβと残りのMu-2の通信相手との相関評価値を求め、通信相手を選択する。このときの送信相手決定ブロックについて図２に示す。内積値演算比較回路（205）において通信相手を決定した後、送信空間ベクトル演算回路（206）において第２の送信空間ベクトルを求め、内積値演算比較回路（205）においてさらに追加する通信相手を選択する。
また、複数の通信相手に同時に送信を行う際には時変動や干渉などの影響を受けやすくなるため、このとき、期待されるＲがある値以上に大きい場合のみその通信相手を同時送信することができる。
通信相手を選択する際に優先度の高い通信相手を基準とし、当該通信相手と他の通信相手の組み合わせによる相関評価値を計算し、優先度の高い通信相手と同時に送信を行う通信相手を順次決定していくこともできる。
また、上下回線に対称性が成り立つ場合には、同相関評価値を用いて、上り回線における通信相手の送信の組み合わせを選択し、通信相手に送信タイミングを指示することで、下り回線と同様に周波数利用効率増大効果が得られる。
図８に本発明第２の実施形態における通信相手決定ブロックの構成例を示す。305は内積値演算回路、306は送信空間ベクトル演算回路、307はチャネル情報取得回路、308は行列式比較回路を示す。
通信相手を選択する際には、対応する通信相手のチャネル応答行列が送信空間ベクトル演算回路(306)に出力される。送信空間ベクトル演算回路(306)においては、各通信相手に対し送信空間ベクトル群と、通信相手として選択された自分以外の通信相手に対応する総送信空間ベクトル群を演算し、相関値演算回路(305)に出力する。相関値演算選択回路においては、各通信相手に対し、送信空間ベクトル群と自分以外の通信相手に対応する総送信空間ベクトル群との内積値を演算し、行列式演算比較回路(308)に出力する。行列式演算比較回路(308)は入力された内積値からなる行列の行列式の値と、各通信相手に形成するストリーム数より周波数利用効率を推定し、もっともMU-MIMOの効果が大きい組み合わせを選択し、データ出力回路(100-1)に対応する通信相手を指定する。
選択方法を以下に示す。
まず数９および数１０はMu'(l)の通信相手について以下のように書き直すことができる。
Figure 0004382071
Figure 0004382071
 ここで、簡単のためストリーム数はLi=MR(i)を仮定している。この仮定により得られる伝送容値は、端末におけるＳＮＲが高く、送信素子数が端末の受信素了数より大きいほど、理論的な最大値に漸近する。
数７および、λi,j≧ai,jλi,j≫１が成り立つと仮定をすると、数１３及び数１４はさらに
Figure 0004382071
Figure 0004382071
 ここで、Mu'(l)の通信相手のうちのα番目の通信相手のマルチユーザMIMO通信時の伝送容量、Cm,α...ξ,α、を展開すると、
Figure 0004382071
 と表せる。つまり、シングルユーザMIMOの伝送容量および通信相手の数とその受信アンテナ素子数が分かっていれば、Πaを求めれば、マルチユーザMlMOの伝送容量が推定できることとなる。また、通信相手全体では、
Figure 0004382071
 と表せる。
次にΠaを推定することを考える。数１５より以下の関係が成り立つ。
Figure 0004382071
 数１から数１９を変形すると以下のように表せる。
Figure 0004382071
 ここで、Uｌ（ｉ）がユニタリ行列であり行列式の結果に影響を及ぼさないことと、Dl（ｉ）が固有値の平方根を対角要素とする対角行列であることを利用すると数２０はさらに
Figure 0004382071
 と表せる。ここで、数１５と比較すると、Πaｌ（ｉ）は以下のように導ける。
Figure 0004382071
 ここで、Γα... ξl(i) 01=V’l(i) HV- l(i)としており、α... ξは選択されたMu'(ｌ)の通信相手の番号を示す。よって、det(Γα... ξl(i) 01Γα... ξl(i) 01 H)を求めることで、直接BD法を用いることなくMU-MIMOの伝送容量を簡易に推定できる。しかし、V-ｌ（ｉ）やＨl(i)Ｖ− l(i)の演算をする必要があり、演算量はやや高い。そこで更なる簡易な伝送容量の推定を考える。
まず数３の左辺の行列、(Ｖ− l(i)(l),Ｖl(i)(l))とＶl(i)(l)の内積値からなる行列をΓα... ξl(i) allと定義すると、
Figure 0004382071
 と表すことができる。式中のΣMR（ｌ（i））は選択された通信相手の全受信アンテナ素子数を表す。ここで、(Ｖ− l(i)(l),Ｖl(i)(l))とＶl(i)(l)はユニタリ行列であることから、それらを乗算して得られるΓα... ξl(i) allもまたユニタリ行列である。このことから、Γα... ξl(i) allの行ベクトルに対して、以下の関係が成り立っている。
Figure 0004382071
 よって、この関係からΓα... ξl(i) 00を用いてΓα... ξl(i) 01を表すことができ、
Figure 0004382071
 が導ける。よって数１７および数１８から、マルチユーザMIMO通信時にα〜ξの通信相手Mu’(l)を選択した際のあるα番目の伝送容量Cm.α... ξ. αおよび、通信相手全体での伝送容量Cmは
Figure 0004382071
Figure 0004382071
 と推定することができ、特異値分解を用いてBDアルゴリズムから直接推定するより少ない演算量で推定を行うことができる。必ずしも正確に伝送容量を推定する必要はなく、det(I−Γα... ξl(i) 00Γα... ξl(i) 00 H)を評価値として用い、この値が大きい通信相手を選択してもよい。ここでΓα... ξl(i) 00を求めるため必要なV+ l(i)は、特異値分解を行わず、直行化法により数５と同様に求めることもできる。数５では、Hi ＊のα番目の行ベクトルを
ｇi,aとしたが、この代わりに(Ｈl(i+1) T
,・・・, Ｈl(Mu’(l))Tと定義できるl(i)番目の通信相手全体に定義できるチャネル応答行列全体の行ベクトルを用い得られる基底ベクトル群を用いることができる。
また、特に通信相手のユーザ数が２の場合、例えばα番目とβ番目の通信相手を多重すると考えると、Γαβ.α 00＝Γαβ.β 00であるため、行列式の演算が少なくてよく、それぞれ
Figure 0004382071
Figure 0004382071
 と表すことができる。ここで、det(I-AAH)=det(I-AHA)の関係から、
Figure 0004382071
 が成り立つことを示す。このように２ユーザの選択は演算量が非常に軽いことから、まず、２通信相手を選択し、組み合わせの通りを絞ってから、２より多い通信相手の組み合わせを考えると効率的である。
図９に、本発明第１の実施形態における第１の送信フローを示す。通信を行う前に、送信を行う通信相手に対するチャネル応答行列を推定する（S110）。チャネル応答行列から各通信相手について送信空間ベクトルを演算する（S111）。相関空間ベクトル同士で内積値を取った相関行列を求め、このノルム値である相関評価値を各組み合わせについて演算する(S112)。相関評価値から推定されるシングルユーザ通信との伝送速度の比が大きくなるものを同一タイミング同―周波数帯に送信する通信相手として選択する（S113）。選択された通信相手について送信データを生成する(S114)。選択された通信相手以外の通信相手についても同様に伝送速度を増大する組み合わせがあるか評価し、順次送信を行う。
図１０に、本発明第１の実施形態における第２の送信フローを示す。通信を行う前に、送信を行う通信相手に対するチャネル応答行列を推定する(S120)。チャネル応答行列から各通信相手について送信空間ベクトルを演算する(S121)。相関空間ベクトル同士で内積値を取った相関行列を求め、このノルム値である相関評価値を各組み合わせについて演算する(S122)。相関評価値から推定されるシングルユーザ通信との伝送速度の比が、予め定めておいた規定比ROより大きいかを評価し(S123)、大きければ同一タイミング同一周波数帯に送信する通信相手として選択する(S124)。大きいものがなければ、それぞれ同一タイミング同一周波数帯に送信することなしに、個別に送信する。選択された通信相手について送信データを生成する(S125)。選択された通信相手以外の通信相手についても同様に伝送速度を増大する組み合わせがあるか評価し、順次送信を行う。
図１１に、本発明第２の実施形態における送信フローを示す。通信を行う前に、送信を行う通信相手に対するチャネル応答行列を推定する(S21O)。同一タイミング同一周波数帯に送信する通信相手の多重数Muを初期値である１に設定する(S211)。チャネル応答行列から各通信相手について送信空間ベクトルを演算する(S212)。送信空間ベクトル同士で内積値を取った相関行列を求め、このノルム値である相関評価値を各組み合わせについて演算する(S213)。
相関評価値から推定されるシングルユーザ通信との伝送速度の比が、予め定めておいた規定比ROより大きいかを評価し(S214)、大きければ同一タイミング同一周波数帯に送信する通信相手として選択する(S215)。このときMu=Mu＋1として、多重数を増やす(S216)。多重数を増やしてS212に戻った場合には、当該Muの通信相手について合同の送信空間ベクトルを演算する(S212)。合同の送信空間ベクトルに対し、他の通信相手に対して演算された送信空間ベクトルとの内積値をとった相関行列を求め、このノルム値である相関評価値を各組み合わせについて演算する(S213)。相関評価値から推定されるシングルユーザ通信との伝送速度の比が、予め定めておいた規定比ROより大きいかを評価し(S214)、大きければ同一タイミング同―周波数帯に送信する通信相手として選択する(S215)。このときMu=Mu＋1として多重数を増やす。または、規定比ROより小さいと判定された場合には、通信相手数をMuとして、選択された通信相手について送信データを生成する(S217)。選択された通信相手以外の通信相手についても同様に伝送速度を増大する組み合わせがあるか評価し、順次送信を行う。
図１２に、本発明第２の実施形態における第１の送信フローの通信相手が最大でも２の場合の送信フローを示す。通信を行う前に、送信を行う通信相手に対するチャネル応答行列を推定する（S310)。チャネル応答行列から各通信相手について送信空間ベクトルを演算する（S311）。送信空間ベクトル同士で内積値を取った相関行列を求め（S312）、対角項が定数の行列からこの行列を減算することで得られる行列の行列式を演算する(S313)。この行列式の結果から数２８や数２９の推定結果や、行列式の値から通信相手を選択する（S314)、推定した結果からシングルユーザMIMOによる通信を選ぶこともできる。
図１３に、本発明第２の実施形態における第１の送信フローを示す。通信を行う前に、送信を行う通信相手に対するチャネル応答行列を推定する（S320）。チャネル応答行列から各通信相手について送信空間ベクトルと、当該通信相手以外の選択された通信相手の全送信空間ベクトルを演算する（S321)。送信空間ベクトルと全送信空間ベクトルで内積値を取った相関行列を求め（S322）、対角項が定数の行列からこの行列を減算することで得られる行列の行列式を演算する（S323）。この行列式の結果から数２６や数２７の推定結果や行列式の値などから通信相手を選択する（S324）。推定した結果からシングルユーザMIMOによる通信を選ぶこともできる。
図１４に、本発明第２の実施形態における第２の送信フローを示す。通信を行う前に、送信を行う通信相手に対するチャネル応答行列を推定する（S330）。チャネル応答行列から各通信相手について送信空間ベクトルを演算する（S331）。送信空間ベクトル同士で内積値を取った相関行列を求め（S332）、対角項が定数の行列からこの行列を減算することで得られる行列の行列式を演算する（S333）。この行列式の結果から数２８や数２９の推定結果や、行列式の値から通信相手を選択する（S334）。推定した結果、２通信相手多重においてマルチユーザMIMOが有効か、シングルユーザMIMOによる通信が有効か判定する（S335）。マルチユーザ通信が有効であれば、さらに選択された２通信相手と追加の通信相手とのマルチユーザMIMOの特性を推定する。既に選択されている２通信相手を含む任意の通信相手の組み合わせに対し、当該通信相手以外の選択された通信相手に対するチャネル応答行列から全送信空間ベクトルを演算し（S336）、送信空間ベクトルと全送信空間ベクトルで内積値を取った相関行列を求め（S337）、対角項が定数の行列からこの行列を減算することで得られる行列の行列式を演算する（S338）。この行列式の結果から数２６や数２７の推定結果や行列式の値などから通信相手を選択する（S339）。
三重県四日市市の実験場において、4.85GHzの中心周波数で、20MHz帯域に128のサフ゛キャリアを用いたＯＦＤＭ信号によりチャネル応答行列を取得し、相関評価値と伝送容量の増大比の関係を図１６のグラフにプロットした。
図１６が示すように、実伝搬環境においても相関評価値Γが伝送容量増大効果と高い相関を有しており、実環境において、相関評価値を用いることで、伝送容量増大効果を推定することが可能であることを示した。
また、本提案方法の第２の実施形態を用いて推定した伝送容量の増大比と、実際の伝送容量の増大比の関係を図１７にプロットした。
図１７が示すように、提案方法により伝送容量増大比を推定可能なことがわかる。低い増大度で推定精度が劣化するのは、λi,j≧ai,jλi,j≫1が成り立たず、数１５、数１６が仮定できないためである。しかし、実用上、伝送容量増大効果が高い通信相手を選択するため、そのような領域では推定精度が高いことも確認でき、実用に適していることが示された。
以上、この発明の実施形態について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含まれる。
また、考慮する通信相手の受信アンテナ素子数を減らしたり、その組み合わせを変えたりすることで、本発明を用いた通信相手の選択法により、通信相手の受信アンテナ素子選択としても用いることもできる。
また、本発明を用いた通信相手の選択法を用い、下りリンクだけでなく、上りリンクに同時に通信する通信相手を選択することもできる。
本発明第１の実施形態における送信部の構成例を示す図である。 本発明第１の実施形態における第１の実施形態の通信相手決定ブロックの構成例を示す図である。 本発明における、送信２素子、受信１素子の条件における相関評価値と伝送容量増大度の関係を示す図である。 本発明における送信８素子、受信１素子の条件における相関評価値と伝送容量増大度の関係を示す図である。 本発明における、送信４素子、受信２素子の条件における相関評価値と伝送容量増大度の関係を示す図である。 本発明における、送信８素子、受信２素子の条件における相関評価値と伝送容量増大度の関係を示す図である。 本発明における、送信４素子、一方が受信３素子、一方が受信２素子の条件における相関評価値と伝送容量増大度の関係を示す図である。 本発明第２の実施形態における通信相手決定ブロックの構成例を示す図である。 発明の第１の実施形態における第１の送信フローを示す図である。 本発明の第１の実施形態における第２の送信フローを示す図である。 本発明の第２の実施形態における送信フローを示す図である。 本発明第２の実施形態における第１の送信フローの通信相手が最大でも２の場合の送信フローを示す図である。 本発明第２の実施形態における第１の送信フローを示す図である。 本発明第２の実施形態における第２の送信フローを示す図である。 従来技術における第２の無線局の送信部を示す図である。 屋外実伝搬環境において取得したチャネル応答行列を用いて、相関評価値と伝送容量増大度の関係を示す図である。 本提案方法の第２の実施形態を用いて推定した伝送容量の増大比と、実際の伝送容量の増大比の関係を示す図である。
符号の説明
１００−１ データ出力回路
１００−２ データ分割回路
１０１−１〜１０１−Ｌ 変調回路
１０２ 送信信号変換回路
１０３−１〜１０３−MT 無線部
１０４−１〜１０４−MT アンテナ素子
１０５、２０５ 内積値演算比較回路
１０６、２０６ 送信空間ベクトル演算回路
１０７、２０７ チャネル情報取得回路

Claims (7)

  1. 複数のアンテナ素子を備え、複数の通信相手に対し、同時刻同一周波数帯に信号を送信する際の空間多重伝送用送信方法であって、
    通信を行う各通信相手に対する、チャネル応答行列の右特異行列の固有値に対応する単位ベクトルを演算するステップと、
    異なる通信相手の送信に用いる右特異行列の固有値に対応するベクトル同士の内積値のノルムを演算するステップと、
    得られた１つまたは複数の内積値のノルムが小さくなる通信相手同士を同時送信する相手局として選択するステップと、
    を備えることを特徴とする空間多重伝送用送信方法。
  2. 請求項１記載の空間多重伝送用送信方法であって、
    ３以上の通信相手を選択する場合に、
    既に選択された２つ以上の通信相手に対しチャネル応答行列の右特異行列の固有値に対応する単位ベクトルを演算するステップと、
    選択されている通信相手の右特異行列の固有値に対応するベクトル同士と他の通信相手の右特異行列の固有値に対応するベクトル同士の内積値のノルムを演算するステップと、
    得られた１つまたは複数の内積値のノルムが小さくなる通信相手を新たに選択するステップと、
    を備える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、複数の通信相手に対し、同時刻同一周波数帯に信号を送信する際の通信相手の選択方法であって、
    選択された通信相手の送信空間ベクトル群を演算するステップと、
    通信相手の送信空間ベクトル群と他の通信相手の送信空間ベクトル群の内積値を演算するステップと、
    対角要素以外を０とし、対角要素を定数とする対角行列から、得られた内積値からなる行列を減算して得られる行列の行列式を計算するステップと、
    得られた行列式が大きくなる通信相手同士を選択するステップと、
    を備えることを特徴とする通信相手選択方法。
  4. 複数のアンテナ素子を備え、複数の通信相手に対し、同時刻同一周波数帯に信号を送信する際の通信相手の選択方法であって、
    選択された通信相手の送信空間ベクトル群を演算するステップと、
    各通信相手に対し、当該通信相手以外の通信相手に形成される全送信空間ベクトル群を演算するステップと、
    各通信相手の送信空間ベクトル群と、当該通信相手以外の全送信空間ベクトルの内積値を演算するステップと、
    対角要素以外を０とし、対角要素を定数とする対角行列から、得られた内積値からなる行列を減算して得られる行列の行列式を計算するステップと、
    得られた１つまたは複数の行列式と各通信相手に形成するストリーム数から評価値を演算するステップと、
    得られた評価値が最も大きい通信相手の組み合わせを選択するステップと、
    を備えることを特徴とする通信相手選択方法。
  5. 複数のアンテナ素子を持つ送信装置から、複数の通信相手局に対し、１つまたは複数の信号系列を同一周波数チャネルおよび同一時刻に空間多重して送信を行うことが可能な無線通信システムにおける、無線送信装置において、
    ＭＴ（ＭＴ＞１：整数）本のアンテナ素子を具備し、
    前記各アンテナ素子に接続され、受信時には受信信号からベースバンド信号に変換し、チャネル情報取得回路へ出力し、送信時には送信信号を無線信号としてアンテナ素子から送信を行う無線部と、
    前記無線部から入力された信号から、通信相手に対するチャネル情報を推定し、送信空間ベクトル演算回路へ出力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から入力されたチャネル情報を元に、送信空間ベクトル群を演算する送信空間ベクトル演算回路と、
    前記送信空間ベクトル演算回路から入力される送信空間ベクトル群を、異なる通信相手同士で内積値のノルムを演算し、得られた１つまたは複数の内積値のノルムのうち最も小さくなる組み合わせを選択する内積値演算選択回路と、
    前記チャネル情報取得回路、送信空間ベクトル演算回路、内積値演算回路と構成される通信相手選択ブロックと、
    送信データを通信系列数に変調方式に応じて分割するデータ分割回路と、
    前記データ分割回路によって分割されたデータの各信号系列に変調を行う変調回路と、
    前記変調回路によって変調された各通信系列に送信ウエイト演算回路で決定された送信ウエイトを乗算し、対応するアンテナ素子に接続された無線部に出力を行う送信信号変換回路とを備え、
    前記通信相手選択ブロックは、
    無線部から入力された信号から、通信相手に対するチャネル情報を推定し、送信空間ベクトル演算回路へ出力するチャネル情報取得回路と、
    チャネル情報取得回路から入力されたチャネル情報を元に、送信空間ベクトル群を演算する送信空間ベクトル演算回路と、
    送信空問ベクトル演算回路から入力される送信空間ベクトル群を、異なる通信相手同士で内積値を演算し、行列式演算比較回路に出力する内積値演算回路と、
    対角要素を定数とし、非対角要素を０とする行列から、入力された内積値からなる行列を減算し、得られた行列式が最も大きくなる組み合わせを選択する行列式演算比較回路とから構成されることを特徴とする無線送信装置。
  6. 複数のアンテナ素子を持つ送信装置から、複数の通信相手局に対し、１つまたは複数の信号系列を同一周波数チャネルおよび同一時刻に空間多重して送信を行うことが可能な無線通信システムにおける、無線送信装置において、
    ＭＴ（ＭＴ＞１：整数）本のアンテナ素子を具備し、
    前記各アンテナ素子に接続され、受信時には受信信号からベースバンド信号に変換し、チャネル情報取得回路へ出力し、送信時には送信信号を無線信号としてアンテナ素子から送信を行う無線部と、
    前記無線部から入力された信号から、通信相手に対するチャネル情報を推定し、送信空間ベクトル演算回路へ出力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から入力されたチャネル情報を元に、送信空間ベクトル群を演算する送信空間ベクトル演算回路と、
    前記送信空間ベクトル演算回路から入力される送信空間ベクトル群を、異なる通信相手同士で内積値のノルムを演算し、得られた１つまたは複数の内積値のノルムのうち最も小さくなる組み合わせを選択する内積値演算選択回路と、
    前記チャネル情報取得回路、送信空間ベクトル演算回路、内積値演算回路と構成される通信相手選択ブロックと、
    送信データを通信系列数に変調方式に応じて分割するデータ分割回路と、
    前記データ分割回路によって分割されたデータの各信号系列に変調を行う変調回路と、
    前記変調回路によって変調された各通信系列に送信ウエイト演算回路で決定された送信ウエイトを乗算し、対応するアンテナ素子に接続された無線部に出力を行う送信信号変換回路とを備え、
    前記通信相手選択ブロックは、
    無線部から入力された信号から、通信相手に対するチャネル情報を推定し、送信空間ベクトル演算回路へ出力するチャネル情報取得回路と、
    チャネル情報取得回路から入力されたチャネル情報を元に、各通信相手に対する送信空間ベクトル群と、各通信相手に対し、当該通信相手以外で選択された通信相手全体での全送信空間ベクトル群を演算する送信空間ベクトル演算回路と、
    送信空間ベクトル演算回路から入力される送信空間ベクトル群と、対応する通信相手に演算された全送信空間ベクトル群との内積値を演算し、行列式演算比較回路に出力する内積値演算回路と、
    対角要素を定数とし、非対角要素を０とする行列から、入力された内積値からなる行列を減算し、得られた行列式から計算される評価値が最も大きくなる組み合わせを選択する行列式演算比較回路とから構成されることを特徴とする無線送信装置。
  7. 複数のアンテナ素子を持つ送信装置から、複数の通信相手局に対し、１つまたは複数の信号系列を同一周波数チャネルおよび同一時刻に空間多重して送信を行うことが可能な無線通信システムにおける、無線送信装置において、
    ＭＴ（ＭＴ＞１：整数）本のアンテナ素子を具備し、
    前記各アンテナ素子に接続され、受信時には受信信号からベースバンド信号に変換し、チャネル情報取得回路へ出力し、送信時には送信信号を無線信号としてアンテナ素子から送信を行う無線部と、
    前記無線部から入力された信号から、通信相手に対するチャネル情報を推定し、送信空間ベクトル演算回路へ出力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から入力されたチャネル情報を元に、送信側相関行列の右特異行列を演算する送信空間ベクトル演算回路と、
    前記送信空間ベクトル演算回路から入力される右特異行列を、異なる通信相手同士で内積値のノルムを演算し、得られた１つまたは複数の内積値のノルムのうち最も小さくなる組み合わせを選択する内積値演算選択回路と、
    前記チャネル情報取得回路、送信空間ベクトル演算回路、内積値演算回路と構成される通信相手選択ブロックと、
    送信データを通信系列数に変調方式に応じて分割するデータ分割回路と、
    前記データ分割回路によって分割されたデータの各信号系列に変調を行う変調回路と、
    前記変調回路によって変調された各通信系列に送信ウエイト演算回路で決定された送信ウエイトを乗算し、対応するアンテナ素子に接続された無線部に出力を行う送信信号変換回路と、
    を備えたことを特徴とする無線送信装置。
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