JP4402127B2

JP4402127B2 - 空間多重伝送用送信方法および装置

Info

Publication number: JP4402127B2
Application number: JP2007069427A
Authority: JP
Inventors: 理一工藤; 泰司鷹取; 厚太田; 健太郎西森; 周治久保田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2007-03-16
Filing date: 2007-03-16
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2027-03-16
Also published as: JP2008236066A

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、送信信号の空間多重数の決定を行う空間多重伝送用送信方法および装置に関する。

近年、２．４ＧＨｚ帯または５ＧＨｚ帯を用いた高速無線アクセスシステムとして、ＩＥＥＥ８０２．１１ｇ規格、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ規格などの普及が目覚ましい。これらのシステムでは、マルチパスフェージング環境での特性を安定化させるための技術である直交周波数分割多重(OFDM:Orthogonal Frequency Division Multiplexing)変調方式を用い、最大で５４Ｍｂｐｓの伝送路を実現している。

ここでの伝送速度とは物理レイヤ上の伝送速度であり、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程度であり、情報を必要とする通信相手が増えればこの特性は更に低下する。一方で、有線ＬＡＮ(Local Area Network)の世界ではイーサネット（登録商標）の１００Ｂａｓｅ−Ｔインタフェースをはじめ、各家庭にも光ファイバを用いたＦＴＴＨ(Fiber to the home)の普及から、１００Ｍｂｐｓの高速回線の提供が普及しており、無線ＬＡＮの世界においても更なる伝送速度の高速化が求められている。

そのための技術としては、マルチユーザＭＩＭＯ(Multiple Input Multiple Output)送信方法が有力である。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する技術である（非特許文献１）。マルチユーザＭＩＭＯシステム用送信システムとしては多くの技術が提案されているが、いずれも伝搬環境の時変動に対し特性の劣化を受ける。従来技術として、受信側が簡単な演算で復号可能な、Block diagonalization法（非特許文献２）を例にとり、時変動に対する特性実化を説明する。

図７は、従来のＭＩＭＯシステムの構成例である。ここで、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）として送信を行うものとする。

図７において、符号１０１はデータ生成回路、１０２はデータ分割回路、１０３は送信信号変換回路、１０４−１〜１０４−Ｍ_Ｔは無線部、１０５−１〜１０５−Ｍ_Ｔはアンテナ素子、１０６はチャネル情報取得回路、１０７は送信ウェイト決定回路である。

アンテナ１０５−１〜１０５−Ｍ_Ｔおよび無線部１０４−１〜１０４−Ｍ_Ｔは、無線信号の送受信を行うことが可能であり、これらを介して送信部の各アンテナ１０５−１〜１０５−Ｍ_Ｔ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情報取得回路１０６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１０５−１〜１０５−Ｍ_Ｔにおいて既知信号の受信を行った際に得られる情報を元に推定するか、もしくは受信信号に含まれるフィードバック情報に含まれる情報によって、チャネル応答行列の情報が取得される。

送信を行う通信相手が決定されると、チャネル情報取得回路１０６は、対応する通信相手のチャネル情報を、送信ウェイト決定回路１０７に出力する。送信ウェイト決定回路１０７では、入力されたチャネル応答行列から、互いの通信相手に干渉を生じない直交空間チャネル応答行列を演算する。

得られた直交空間チャネル応答行列より、送信ウェイトと、変調方式や許号化率からなる変調モードをデータ生成回路１０１、データ分割回路１０２と、送信信号変換回路１０３に出力する。

次に、データ生成回路１０１から、データ分割回路１０２へ送信データが出力され、１系統の信号を指定された信号系列に分割し、送信信号変換回路１０３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、符号化された後、無線部１０４−１〜１０４−Ｍ_Ｔ）に入力され、アンテナ１０５−１〜１０５−Ｍ_Ｔを介して無線信号として送信される。

チャネル情報取得回路１０６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）×Ｍｔ行列）は、下式のように特異値分解により、右特異行列Ｖｉ（Ｍｔ×Ｍｔ行列）、左特異行列Ｕｉ（Ｍｒ（ｉ）×Ｍｒ（ｉ）行列）および固有値の二乗根√λを対角要素とし、非対角行列を０とする行列Ｄ（Ｍｒ×Ｍｔ行列）に分けることができる。

ここでＨ_{ｉ，ｊ，ｋ}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。シングルユーザに対する通信においては、Ｖｉの列ベクトルを送信ウェイトとすることで、（λ_１≧λ_２≧‥・≧λ_Ｍｒ）のように、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。なお、式中、太字の０は０で構成される行列であり、Ｍｔ≧Ｍｒを仮定しているため、Ｍｒ×（Ｍｔ−Ｍｒ）の行列となっている。上付きの添え字Ｈは共役模索行列を表す。

またチャネル情報取得回路１０６は通信を行うＭｕの通信相手のチャネル応答行列を送信ウェイト決定回路へ出力する。

また送信ウェイト決定回路１０７では、Ｍｕの通信相手のうち各通信相手に対し、非干渉空間ベクトル群を演算する。ｉ番目の通信相手に注目すると、まず、ｉ番目の通信相手以外の同一タイミング同一周波数帯で送信する通信相手のチャネル応答行列の集合行列、Ｈ_ｉ ^＋を以下のように得る。

ここで、Ｒｉはｉ番目の通信相手に仮定した受信ウェイトであり、１を対角要素とする対角行列とすれば、受信ウェイトの仮定なしの条件となる。このＨｉ^＋に対し、特異値分解を行うと、以下のように表すことができる。

Ｖｉ^＋は固有値Ｄｉ^＋に対応するベクトルであり、Ｖｉ⁻は固有値がない、もしくは固有値０に対応する非干渉空間ベクトル群である。ここで、Ｖｉ⁻の送信空間に対し、送信を行うと、ｉ以外の通信相手の受信ウェイトに対し、干渉を生じない。この非干渉空間ベクトル群から、直交空間チャネル応答行列ＨｉＶｉ⁻を演算し、ｉ番目の通信相手の直交空間チャネル応答行列に対し、特異値分解を行う。

ＢＤ法ではＶｉ⁻Ｖｉ^０を送信ウェイトとして用いることで、他の通信相手に干渉を生じることなく、Ｄｉ^０の対角成分の二乗値であるヌル空間固有値、λ_ｊ ^０、に対応する品質が得られる。ｊ番目の通信相手に定義する送信ウェイトを
Ｗｊ＝Ｖｊ⁻Ｖｊ^０
とし、送信を行った場合における、ｉ番目の通信相手における受信信号は、以下のように表すことができる。

ここで、
ＲｉＨｉＶｊ＝０（ｉ≠ｊ）
であるため、ｉ番目の通信相手への信号のみを受信することができる。ＲｉＵｉ^０は基底ベクトルとユニタリ行列であるため、信号の品質に影響を及ぼさず、Ｄｉ^０の対角成分の二乗に比例する伝送品質が得られることとなる。

ここで、チャネルの推定を行ってから、実際に送信を行うまでにタイムラグがあり、伝搬環境が変化してしまう場合を考える。送信時のチャネル応答行列Ｈｉに対し、推定したチャネル応答行列をＨｉ（ｔ）と定義する。ｔは送信を行うまでにかかるタイムラグを表し、ｔ＝０のとき、
Ｈｉ＝Ｈｉ（０）
である。ｊ番目の通信相手に対し、Ｈｊ（ｔ）から得られる送信ウェイトを、
Ｗｊ（ｔ）＝Ｖｊ⁻（ｔ）Ｖｊ^０（ｔ）と表すものとする。送信を行った際のｉ番目の通信相手における受信信号は、以下のように表すことができる。

ここで、
ＲｉＨｉＶｊ≠０（ｉ≠ｊ）
であるため、式（６）の３行目第２項が干渉信号として受信され、伝送品質を大きく低下させる。ここでは例として、ＢＤ法における時変動の影響を示したが、非特許文献１および２記載のその他のマルチユーザＭＩＭＯ送信技術においても、時変動による特性劣化が生じる。
Q. H. Spencer, C. B. Peel, A. L, Swindlehurst, and M, Haardt, "An introduction to the multi-user MIMO downlink." IEEE Comm. Magazine ,Oct. 2004, pp. 60-67. Q. H. Spencer, A. L. Swindlehurst, and M・ Haardt, ''Zero-Forcing Methods for Downlink Spatial Multiplexing in Multiuser MIMO Channels," IEEE Trans. Sig. Processing, vol. 52, issue 2, Feb. 2004, pp. 461-71.

上記の手段は複数の通信相手に対し、同一時間、同一周波数帯において、空間多重により高い伝送容量を得ることを可能とするが、時変動による特性劣化は避けられない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、時変動による特性劣化を小さくできるようにした空間多重伝送送信方法および装置を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するために、本発明は、複数のアンテナ素子を備え、通信相手の具備する受信アンテナもしくはアンテナ素子において形成する受信ビームと、送信を行う送信アンテナ間のチャネル情報を推定し、チャネル情報を用いて送信ウェイトを決定し、送信信号に送信重み付けを行ったうえで複数の通信相手に対し、ひと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ＭＩＭＯ通信を行う空間多重伝送用送信方法であって、同時に通信を行う通信相手との間のチャネル情報を推定するチャネル情報推定ステップと、各通信相手に対し、時変動に対するチャネル情報の変化量を推定する変化量推定ステップと、推定された時変動に対するチャネル情報の変化量と、チャネル推定した時刻から送信を行うタイミングまでの遅延時間から、全通信相手の前記時変動に対する伝送容量の劣化量を算出する劣化量算出ステップと、前記劣化量と当該劣化量の規定値との比較に基づいて前記通信相手それぞれに対する送信ストリーム数を増減するストリーム数決定ステップと、前記劣化量が規定値を満たす場合には前記各通信相手に対する送信データを生成する送信データ生成ステップと、を備えることを特徴とする空間多重伝送用送信方法である。

また本発明は、空間多重伝送用送信方法が、前記ストリーム数決定ステップにおいて、前記劣化量が前記規定値を満たさない場合には前記通信相手に対する送信ストリーム数を減じることを特徴とする。
また本発明は、空間多重伝送用送信方法が、前記送信ストリーム数決定ステップにおいて、最も時変動による劣化量が大きい通信相手への送信ストリームを減じることを特徴とする。
また本発明は、空間多重伝送用送信方法が、前記送信ストリームを減じた後に、送信側の前記アンテナ素子数から総送信ストリーム数を減じた値である当該送信側の自由度を用いて、新たに追加できる通信相手が存在するかを判定する追加通信相手存在判定ステップと、前記新たに追加できる通信相手が存在する場合にはその通信相手に送信ストリームを割り当てて、再度、全通信相手の前記時変動に対する伝送容量の劣化量の算出を行い、当該劣化量が前記規定値を満たす場合には、それら通信相手に対する送信データを生成するステップと、を備えることを特徴とする。
また本発明は、空間多重伝送用送信方法が、前記ストリーム数決定ステップにおいて、前記劣化量が前記規定値を満たす場合であって、前記アンテナ素子数と総送信ストリーム数とを比較して前記アンテナ素子数が多く、且つ、同じ通信相手の送信ストリーム数の増減を行っていない場合には、前記時変動に対する伝送容量の劣化量が最も少ない通信相手、またはアンテナ素子数から送信ストリーム数を減じた値である自由度が大きい通信相手へのストリーム数を増やし、再度、全通信相手の前記時変動に対する伝送容量の劣化量の算出を行い、当該劣化量が前記規定値を満たす場合には、それら通信相手に対する送信データを生成するステップと、を備えることを特徴とする。

また本発明は、複数本のアンテナ素子を備えた送信装置であり、送信装置と複数の通信相手局のアンテナ素子、もしくはそれらアンテナ素子に形成されるビームにより構成されるＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）チャネルを介して、複数の通信相手局に対し、ひと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ＭＩＭＯ通信を行うことが可能な無線通信システムにおける、同時刻にＭｊ個の通信相手に送信する空間多重伝送用送信装置であって、各アンテナ素子に接続され、受信信号もしくは、受信信号に含まれるフィードバック情報からチャネル情報を取得するチャネル情報取得回路と、各通信相手の時変動に対するチャネル情報の変化量を推定する時変動推定回路と、推定された時変動に対するチャネル情報の変化量と、チャネル推定した時刻から送信を行うタイミングまでの遅延時間から、全通信相手の前記時変動に対する伝送容量の劣化量を算出し、劣化量と当該劣化量の規定値との比較に基づいて前記通信相手に対する送信ストリーム数を増減する空間多重数決定回路と、前記劣化量が規定値を満たす場合には前記各通信相手に対する送信データを生成するデータ生成回路と、を備えたことを特徴とする空間多重伝送用送信装置である。

本発明によれば、伝達係数の時変動量を求め、その時変動量から信号劣化量を推定し、同時に送出する信号の多重数（ストリーム数）を算出することで、信号劣化の少ないストリームの組み合わせを少ない計算量で選択することができ、時変動による伝送品質劣化の影響を軽減できる。

以下、本発明の種々の実施形態について、図面を参照して説明する。図１に本発明第１の実施形態における送信部の構成例を示す。

図１において、符号１１はデータ生成回路、１２はデータ分割回路、１３は送信信号変換回路、１４−１〜１４−Ｍ_Ｔは無線部、１５−１〜１５−Ｍ_Ｔはアンテナ、１６はチャネル情報取得回路、１７は時変動推定回路、１８は空間多重数決定回路、１９は送信ウェイト決定回路である。

アンテナ１５−１〜１５−Ｍ_Ｔおよび無線部１４−１〜１４−Ｍ_Ｔは、無線信号の送受信を行うことが可能であり、これらを介して送信部の各アンテナ１５−１〜１５−Ｍ_Ｔ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情報取得回路１６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１５−１〜１５−Ｍ_Ｔにおいて既知信号の受信を行った際に得られる情報を元に推定するか、もしくは受信信号に含まれるフィードバック情報に含まれる情報によって、チャネル応答行列の情報が取得される。また、チャネル情報取得回路１６は、通信相手の端末の種類や、設置方法、端末から送信される伝搬環境の時変動に対し情報が得られる項目についても、フィードバック情報により推定することができる。

送信を行う相手が決定されると、チャネル情報取得回路１６において推定された情報は、時変動推定回路１７に出力され、各通信相手の伝搬環境の時変動に対する耐性の評価を行う。時変動推定回路１７は、対応する通信相手先のチャネル情報と時変動に対する耐性を、空間多重数決定回路１８に出力する。

空間多重数決定回路１８では、時変動に対する耐性と、通信相手の受信アンテナ数から、各通信相手に対し空間多重して送信する送信ストリーム数を決定し、送信ウェイト決定回路１９に出力する。

送信ウェイト決定回路１９では、入力された送信ストリーム数とチャネル応答行列から、送信符号化方法と変調方式や符号化率からなる変調モードを決定し、データ生成回路１１、データ分割回路１２と送信信号変換回路１３に出力する。

次に、データ生成回路１１から、データ分割回路１２へ送信データが出力され、１系統の信号を指定された信号系列に分割し、送信信号変換回路１３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、符号化された後、無線部１４−１〜１４−Ｍ_Ｔに入力され、アンテナ１５−１〜１５−Ｍ_Ｔを介して無線信号として送信される。

本発明による送信ストリーム数の決定方法を示す。本発明では、チャネル情報取得回路１６が、通信相手の時変動に対する耐性を評価する。評価の方法には通信相手から与えられる情報によるものと、推定したチャネル応答行列を用いてチャネル情報取得回路が演算するもの２つがあり、これらのどちらか、もしくは両方と、チャネル情報を推定してから送信するまでの遅延時間を考慮した上で時変動の影響を決定する。

通信相手から与えられる情報としては、１つ目として、基地局からの信号を定期的に受信することで得られる受信信号の安定度があげられる。通信相手において取得する、ｉ番目の通信相手において推定するチャネル応答行列Ｈｉを用いて時変動の評価方法を説明する。

たとえば１０ｍｓｅｃ毎に基地局の送信アンテナから送信されている既知信号を受信しているものとし、ｋ番目のタイミングで取得して得られる基地局から通信相手への通信に対するチャネル応答行列をＨ_ｉ，ｋと定義し、チャネル応答行列をＨ_ｉ，ｋのｊ番目の行ベクトルをｈ_{ｉ，ｊ，ｋ}と定義すると、チャネルの時変動は、以下のように定義できる。

ここでＴはタイミングの遅延を表す。ｈ_{ｉ，ｊ，ｋ} とｈ_{ｉ，ｊ，ｋ＋Ｔ}が等しいとき、時変動係数ρ_ｉ，ｊ（Ｔ）は１となり、変動が大きい１から０の間の小さい値をとる。

この時変動係数は、以下のように、通信相手端末の各受信アンテナで平均化を行い、平均化により得られるρ_ｉを用いることもできる。

また、受信アンテナのうち一つもしくは複数を選択し、平均化処理し、得られた値を用いることもできる。

選択の基準としては、受信レベルが大きいものを選択したり、受信レベルの大きさで重み付けをしたうえで平均化することもできる。また、ｈ_{ｉ，ｊ，ｋ}も必ずしもＨ_ｉ，ｋのｊ番目の行ベクトルを全て用いる必要はなく、１つもしくは複数のｈ_{ｉ，ｊ，ｋ}の要素を用いることができる。また、ｈ_{ｉ，ｊ，ｋ}の代わりに、式（１）の特異値分解で得られる右特異行列の列ベクトルを用いることもできる。

２つ目として、通信相手端末の形状や設置方法が挙げられるノートパソコンのように端末それ自体が動くことが少ないもの、ＰＤＡや携帯端末のように、ユーザが用いることによって端末が動き、時変動を助長するものがあり、これら端末の形状は時変動に大きく影響する。また、端末自身に振動などから安定度を評価できるようにし、机の上に固定されているのか、ユーザが手やひざの上など変動のある部分に設置しているのかの情報を受け取ることもできる。これらの状況によって時変動係数に対応する値を出力することもできる。端末の状況と時変動係数の対応は、ケーススタディの情報を蓄積し、概算値を用いることとなる。

また、時変動係数は、基地局においても、フィードバック情報に含まれるチャネル応答行列、もしくは、上りリンクにおけるチャネル応答行列の変動を用いて、式（７）と同様に演算し、得ることができる。

以上のように得られる時変動係数および、チャネル応答行列の推定した時刻から、送信を行うタイミングまでの遅延時間ｔの大きさに応じて信号劣化量を見積もる。

たとえば、伝送品質を表すパラメータとして、伝送容量の値を用いるものとすると、伝送容量の劣化量は、通信相手の余剰自由度Ｆ（ｉ）と干渉波の数Ｉ（ｉ）の比Ｒｆ（ｉ）で決まる。通信相手の余剰自由度Ｆ（ｉ）とは、通信相手受信素子数から当該通信相手に送信する送信ストリーム数Ｌ（ｊ）を引いた値であり、以下のように表すことができる。

干渉波は当該通信相手以外へ送信するストリーム数の総和であるから、以下のように表すことができる。また、通信相手において、通信を行っている基地局以外から干渉波が到来している、もしくは到来している可能性がある場合にはＩ（ｉ）にそれらの干渉波の数を加えることもできる。

Ｒｆ（ｉ）はＲｆ（ｉ）＝Ｆ（ｉ）／Ｉ（ｉ）として得ることができる。このＲｆ（ｉ）を大きく設定することで時変動に対し伝送容量の劣化量を小さく抑えることができる。よって、時変動に対する劣化量が大きいと考えられる通信相手に対する送信ストリーム数を限定することで、ある通信相手において信号品質の劣化を軽減できる。

計算機シミュレーションの結果から、本特許の効果を検証する。ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムを考え、１２８ポイントのＦＦＴ(Fast Fourier Transform)を用い、１０４のサブキャリアにおけるチャネル応答行列の結果を用いる。遅延スプレッドを１００ｎｓｅｃとし、５０ｎｓｅｃ毎に取得した３２タップの時系列データを用いる。各タップの受信電力の期待値は指数関数的に低下するよう与え、各タップにおいて８波の到来波を受信しているものと仮定した。よって３２×８＝２５６波の到来波と仮定した。各素波の到来角および放射角はランダムに与え、送信アレーおよび受信アレーは直線配列、素子間隔はそれぞれ１．０λ、０．５λとした。通信相手の１つの受信アンテナにおける平均受信信号対雑音比（ＳＮＲ）を３０ｄＢと設定した。

受信端末は任意の方向に一定速度で動くものと仮定し、ドップラー周波数ＦＤと遅延時間Ｔの乗算値を横軸にとり、伝送容量の劣化量と相関値と時変動係数の変動を評価した。

図２は、時変動係数ρをドップラー周波数と遅延時間の乗算値（Ｆ_Ｄ×Ｔ）に対し、プロットしたものである。図２において、横軸はドップラー周波数と遅延時間の乗算値（Ｆ_Ｄ×Ｔ）を示し、縦軸は時変動係数ρを示す。ここでは、ランダムにチャネルを発生させ、１０回試行した１０４サブキャリアのデータの平均値である。ここでは送信素子数を８、受信素子数を１としたが、この結果は送信素子数や受信素子数によらない。時変動係数は、ドップラー周波数と遅延時間との乗算値（Ｆ_Ｄ×Ｔ）が大きくなるにつれ大きくなるのが分かる。よって、この時変動係数と、時変動係数を測定した際の遅延時間Ｔが分かれば、ドップラー周波数Ｆ_Ｄを推定することができる。ここで示した時変動係数ρとドップラー周波数と遅延時間との乗算値（Ｆ_Ｄ×Ｔ）の関係は独立相関で生成したチャネル応答行列から得られた結果であるが、実際に端末などを使用して実伝搬環境において実験によりデータを取得し同様のグラフを得ることもできる。この場合、ドップラー周波数は厳密解である必要はなく、時変動係数として取り扱われる。また、ドップラー周波数Ｆ_Ｄは通信相手の端末の種類、設置方法などにより経験的に推定することもできる。

次に、送信素子数を１６素子、端末の受信アンテナの素子数を４素子とした場合の、伝送容量の劣化度と、ドップラー周波数と遅延時間との乗算値（Ｆ_Ｄ×Ｔ）の関数を示すグラフを図３に示す。図３において、横軸はドップラー周波数と遅延時間との乗算値（Ｆ_Ｄ×Ｔ）を示し、縦軸は伝送容量劣化比を示す。ここでは、ランダムにチャネルを発生させ、１０回試行した１０４サブキャリアのデータの平均値であり、伝送容量は以下の式で与えられる。

ＳＩＮＲ_ｉ，ｊは遅延時間ｔにおけるｉ番目の空間ストリームのＳＩＮＲを表している。よって伝送容量の劣化比Ｒｃ（ｔ）は、以下のようになる。

ここで、Ｌを当該通信相手に対する空間多重による送信ストリーム数、Ｉが当該通信相手以外の通信相手に形成する送信ストリーム数、Ｆが当該通信相手で余っている自由度、Ｒｆは自由度ＦとＩの比である。Ｒｆを大きく設定すると、時変動に対し、伝送容量が劣化を受けにくいことが分かる。ドップラー周波数と遅延時間との乗算値（Ｆ_Ｄ×Ｔ）が推定されていれば、図３で与えられる劣化量のグラフを予め定めておき、許容されるＲｆを選択することで、送信ストリーム数が決定できる。

これらの結果から、通信相手の端末の形態や設置方法、異なる時間に取得されたチャネル応答行列の相関値、ドップラー周波数Ｆ_Ｄを推定し、送信する際のチャネル推定からの遅延時間Ｔから、ドップラー周波数と遅延時間との乗算値（Ｆ_Ｄ×Ｔ）を求めることが可能であり、さらに、ドップラー周波数と遅延時間との乗算値（Ｆ_Ｄ×Ｔ）に対するＲｆと伝送容量の劣化比の関数または表を定めておけば、劣化量以下の通信品質を保持するストリーム数を選択することができる。

ここで、図３の結果は通信相手における平均受信ＳＮＲが３０ｄＢとした場合の結果である。実際の通信において、伝送容量の比ではなく、伝送容量の減少量を基準に通信相手を決定する場合には、通信相手の平均受信ＳＮＲや伝送容量で図３の結果を補正し、必要な値を得ることもできる。例えば図３のＲｆが１．５の線に注目するとＦ_Ｄ×Ｔが０．６の際に伝送容量劣化度が０．９５となっている。この通信相手がＦ_Ｄ×Ｔ＝０で伝送容量１０ｂｉｔ／ｓｅｃ／Ｈｚで達成可能であったとすると、伝送容量の劣化度は０．５ｂｉｔ／ｓｅｃ／Ｈｚである。送信ストリーム数が１であるので、式（９）からおよそのＳＩＮＲ劣化量に換算すると、約１．５ｄＢの劣化量に対応する。これに対し通信相手の受信ＳＮＲが低く、Ｆ_Ｄ×Ｔで伝送容量５ｂｉｔ／ｓｅｃ／Ｈｚを達成可能であった場合には、伝送容量の劣化量は０．２５ｂｉｔ／ｓｅｃ／Ｈｚなので、ＳＩＮＲでは、約０．７５ｄＢの劣化量に対応する。よってこれら受信側ＳＮＲや伝送容量、当該通信相手への送信ストリーム数によって規定値を設定することもできる。

次に、以上説明してきた送信ウェイト決定までの処理をフローチャートに示す。図４に、本発明の実施形態における送信フローを示す。

図４において、通信相手が決定されると（ステップＳ１００）、チャネル情報取得回路１６は、通信相手のチャネル応答行列と、時変動に対する耐性（ドップラー周波数）、推定から送信までの遅延時間を推定し（ステップＳ１０１）、空間多重数決定回路１８において、各通信相手に対する送信ストリーム数を決定し、各通信相手の通信品質が送信時に既定値を満たすか検定し（ステップＳ１０２）、既定値を満たさなければ、当該通信相手への送信ストリーム数を減らし（ステップＳ１０３）、再び検定を行う（ステップＳ１０２）。全ての通信相手への時変動に対する通信品質劣化が既定値を満たせば、通信相手に対する送信データを生成する（ステップＳ１０４）。

図５に、本発明の実施形態における別の送信フローを示す。図５において、通信相手が決定されると（ステップＳ２００）、チャネル情報取得回路１６は、通信相手のチャネル応答行列と、時変動に対する耐性（時変動係数）、推定から送信までの遅延時間を推定し（ステップＳ２０１）、空間多重数決定回路１８において、各通信相手に対する送信ストリーム数を決定し、各通信相手の通信品質が送信時に既定値を満たすか検定し（ステップＳ２０２）、既定値を満たさなければ、当該通信相手への送信ストリーム数を減らし（ステップＳ２０３）、この送信ストリーム数が減ったことによる送信側の自由度を用いてさらに別の通信相手に送信できないかを検定し（ステップＳ２０５）、追加する通信相手があれば当該通信相手に送信ストリームを割り当て（ステップＳ２０６）、各通信相手の通信品質が送信時に既定の以下とならないかを検定する（ステップＳ２０２）。全ての通信相手への時変動に対する通信品質劣化が既定値を満たせば、通信相手に対する送信データを生成する（ステップＳ２０４）。

図６に、本発明の実施形態における別の送信フローを示す。図６において、通信相手が決定されると（ステップＳ３００）、チャネル情報取得回路１６は、通信相手のチャネル応答行列と、時変動に対する耐性（時変動係数）、推定から送信までの遅延時間を推定し（ステップＳ３０１）、空間多重数決定回路１８において、各通信相手に対する送信ストリーム数を１もしくは十分小さい数に決定し（ステップＳ３０２）、各通信相手の通信品質が送信時に既定値を満たすか検定し（ステップＳ３０３）、既定値を満たさない通信相手があれば、当該通信相手への送信ストリーム数を減らし（ステップＳ３０４）、再び検定を行う（ステップＳ３０３）。

既定値を満たせば、送信素子数と総送信ストリームを比較して、送信素子数が多く、且つステップステップＳ３０４とステップステップＳ３０５において同じ通信相手の送信ストリームの増減を行っていないかを判断し（ステップＳ３０６）、前述の条件を満たせば、時変動に対し劣化が最も少ない通信相手、もしくは自由度が大きい通信相手への送信ストリーム数を増やし（ステップＳ３０５）、再び時変動に対する通信品質劣化量に対し評価を行う。

ステップステップＳ３０３とステップステップＳ３０６の間での繰り返し評価回数が一定数をこえるか、ステップステップＳ３０６の条件を満たすと、決定された通信相手に対し送信データを生成する（ステップＳ３０７）。

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、時変動による伝送品質劣化のリスクを低減できる。

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

本発明の実施形態における送信部の構成例を示すフロック図である。ドップラー周波数×遅延時間に対する時変動係数を示すグラフである。ドップラー周波数×遅延時間に対する伝送容量劣化比を示すグラフである。本発明の実施形態における第１の送信フローを示すフローチャートである。本発明の実施形態における第２の送信フローを示すフローチャートである。本発明の実施形態における第３の送信フローを示すフローチャートである。従来技術における送信部の構成例を示すブロック図である。

符号の説明

１１：データ生成回路
１２：データ分割回路
１３：送信信号変換回路
１４−１〜１４−Ｍ_Ｔ：無線部
１５−１〜１５−Ｍ_Ｔ：アンテナ
１６：チャネル情報取得回路
１７：時変動推定回路
１８：空間多重数決定回路
１９：送信ウェイト決定回路

Claims

複数のアンテナ素子を備え、通信相手の具備する受信アンテナもしくはアンテナ素子において形成する受信ビームと、送信を行う送信アンテナ間のチャネル情報を推定し、チャネル情報を用いて送信ウェイトを決定し、送信信号に送信重み付けを行ったうえで複数の通信相手に対し、ひと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ＭＩＭＯ通信を行う空間多重伝送用送信方法であって、
同時に通信を行う通信相手との間のチャネル情報を推定するチャネル情報推定ステップと、
各通信相手に対し、時変動に対するチャネル情報の変化量を推定する変化量推定ステップと、
推定された時変動に対するチャネル情報の変化量と、チャネル推定した時刻から送信を行うタイミングまでの遅延時間から、全通信相手の前記時変動に対する伝送容量の劣化量を算出する劣化量算出ステップと、
前記劣化量と当該劣化量の規定値との比較に基づいて前記通信相手それぞれに対する送信ストリーム数を増減するストリーム数決定ステップと、
前記劣化量が規定値を満たす場合には前記各通信相手に対する送信データを生成する送信データ生成ステップと、
を備えることを特徴とする空間多重伝送用送信方法。
前記ストリーム数決定ステップにおいて、前記劣化量が前記規定値を満たさない場合には前記通信相手に対する送信ストリーム数を減じることを特徴とする請求項１に記載の空間多重伝送用送信方法。
前記送信ストリーム数決定ステップにおいて、最も時変動による劣化量が大きい通信相手への送信ストリームを減じる
ことを特徴とする請求項２に記載の空間多重伝送用送信方法。
前記送信ストリームを減じた後に、送信側の前記アンテナ素子数から総送信ストリーム数を減じた値である当該送信側の自由度を用いて、新たに追加できる通信相手が存在するかを判定する追加通信相手存在判定ステップと、
前記新たに追加できる通信相手が存在する場合にはその通信相手に送信ストリームを割り当てて、再度、全通信相手の前記時変動に対する伝送容量の劣化量の算出を行い、当該劣化量が前記規定値を満たす場合には、それら通信相手に対する送信データを生成するステップと、
を備えることを特徴とする請求項３に記載の空間多重伝送用送信方法。
前記ストリーム数決定ステップにおいて、前記劣化量が前記規定値を満たす場合であって、前記アンテナ素子数と総送信ストリーム数とを比較して前記アンテナ素子数が多く、且つ、同じ通信相手の送信ストリーム数の増減を行っていない場合には、前記時変動に対する伝送容量の劣化量が最も少ない通信相手、またはアンテナ素子数から送信ストリーム数を減じた値である自由度が大きい通信相手へのストリーム数を増やし、再度、全通信相手の前記時変動に対する伝送容量の劣化量の算出を行い、当該劣化量が前記規定値を満たす場合には、それら通信相手に対する送信データを生成するステップと、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の空間多重伝送用送信方法。
複数本のアンテナ素子を備えた送信装置であり、
送信装置と複数の通信相手局のアンテナ素子、もしくはそれらアンテナ素子に形成されるビームにより構成されるＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）チャネルを介して、複数の通信相手局に対し、ひと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ＭＩＭＯ通信を行うことが可能な無線通信システムにおける、
同時刻にＭｊ個の通信相手に送信する空間多重伝送用送信装置であって、
各アンテナ素子に接続され、受信信号もしくは、受信信号に含まれるフィードバック情報からチャネル情報を取得するチャネル情報取得回路と、
各通信相手の時変動に対するチャネル情報の変化量を推定する時変動推定回路と、
推定された時変動に対するチャネル情報の変化量と、チャネル推定した時刻から送信を行うタイミングまでの遅延時間から、全通信相手の前記時変動に対する伝送容量の劣化量を算出し、劣化量と当該劣化量の規定値との比較に基づいて前記通信相手に対する送信ストリーム数を増減する空間多重数決定回路と、
前記劣化量が規定値を満たす場合には前記各通信相手に対する送信データを生成するデータ生成回路と、
を備えたことを特徴とする空間多重伝送用送信装置。