JP4459254B2 - 無線通信装置 - Google Patents

Description

この発明は、複数のアンテナ素子を用いてビームフォーミングを行う無線通信装置に関する。

周知のように、送信機と受信機の双方が複数のアンテナを備えて通信するMIMO(Multi-Input Multi-Output)通信において、伝搬路応答が送信機側で既知の場合、送信機がその伝搬路応答から得られる送信ウェイト行列を送信信号に乗算して送信を行うことで、最大容量の伝送が可能となる。この技術は、送信ビームフォーミングと呼ばれる。

また、伝搬路応答が送信機側で既知の場合や伝搬路応答の推定誤差が非常に小さい場合に、最適な送信ウェイト行列を求める方法として、特異値分解による方法が一般的に知られている（例えば、特許文献１，２参照）。しかし、推定した伝搬路応答と実際の伝搬路応答の間に、無視できない誤差が存在する場合には、上記特異値分解を用いて得られる送信ウェイト行列は、実際の伝搬路応答との直交性が崩れてしまい、伝送特性が劣化してしまうという問題点がある。

特に実環境では、伝搬路応答を推定してからそれに基づくビームフォーミングを実施するまでに、ある程度の時間を要するため、遅延時間（フィードバック遅延）が生じることが避けられない。このため、伝搬路応答の変動によるシステムの伝送特性に与える影響は非常に大きい。

これに対して従来は、フィードバック遅延の影響などによる伝搬路誤差に起因する特性劣化を緩和する方法として、誤差をある程度許容したロバスト（robust）な送信ウェイト行列を生成する方法がある（例えば、非特許文献１参照）。この送信ウェイト行列生成法では、まず、推定された伝搬路応答と実際の伝搬路応答の誤差ノルムの上界を定め、そこから得られる拘束条件下でＳＮ比を最大化するような評価関数を用いて、送信ウェイト行列を求めるようにしている。

しかしながら、この手法は、理論的にはかなり精密な解を得ることができるが、二重の最適化の計算が必要となり、計算の負荷が大きい。また送信ウェイト行列の全ての列を一括して最適化計算する必要があり、特に伝搬路のサイズが大きいときには演算量の負荷が大きく、演算量の削減を達成することが、実装上大きな課題となる。

また、伝搬路の誤差ノルムの上界を決定する手段が明らかではないという問題点もある。すなわち、実際の伝搬路と推定した伝搬路から得られる送信ウェイト行列との間に生じる誤差のノルムの上界は、誤差の大きさに応じて決定されるべきであるが、これを測定可能なパラメータから見積もる手段がないという問題点があった。
米国特許第６０５８１０５号明細書。 米国特許第６１４４７１１号明細書。 A.Adbel-Samad, T.N.Davidson, and A.B.Gershman, "Robust Transmit Eigen Beamforming Based on Imperfect Channel State Information", IEEE Transactions on Signal Processing, vol.54, pp.1596-1609, May 2006.

従来の方式では、伝搬路を推定してこれを用いて送信ビームフォーミングを適用するまでに時間を要した場合に、送信ビームフォーミングの伝送特性が劣化するという問題があり、またこの劣化を緩和するには、演算負荷が大きいという問題がある。

この発明は上記の問題を解決すべくなされたもので、伝搬路を推定してこれを送信ビームフォーミングに適用するまでに時間を要した場合でも、演算量を増大させることなく、送信ビームフォーミングの伝送特性の劣化を抑制することが可能な無線通信装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、この発明は、送信ビームフォーミングを行う無線通信装置において、伝搬路応答の推定値を受信する受信手段と、推定値に基づいて、送信ビームフォーミングに用いるウェイト行列を計算する計算手段と、ウェイト行列の成分のうち、一部の成分を、受信電力が最大となるように受信電力を用いた評価関数を解いて求めた値に補正する補正手段と、この補正手段が補正したウェイト行列を用いてビームフォーミングを行い、無線送信するビームフォーミング手段とを具備して構成するようにした。

この発明によれば、伝搬路を推定してこれを用いて送信ビームフォーミングを適用するまでに時間を要した場合でも、演算量を増大させることなく、送信ビームフォーミングの伝送特性の劣化を抑制することが可能な無線通信装置を提供できる。

以下、図面を参照して、この発明の一実施形態について説明する。
まず、送信側の無線通信装置にＭ本、受信側の無線通信装置にＮ本のアンテナ素子を用いた狭帯域のＭＩＭＯ通信システムを考える。このとき、Ｍ次の送信信号ベクトルをsとすると、Ｎ次の受信信号ベクトルxは、Ｎ×Ｍ次の伝搬路応答行列Hを用いて下式（１）のように表される。

ここで、nはＮ次の付加雑音ベクトルであり、その共分散行列は下式（２）で与えられるとする。なお、n^Hは、nの共役転置を示す。

図１は、この発明の第１の実施形態に係わる無線通信装置の構成を示すものである。この無線通信装置は、上述の送信側の無線通信装置であり、送信系の構成として、伝搬路応答検出部１０１と、遅延時間検出部１０２と、ウェイト行列計算部１０３と、ウェイト行列補正部１０４と、変調・多重化部１０５と、ウェイト行列乗算部１０６と、無線送信部１０７−１〜１０７−Mと、アンテナ１０８−１〜１０８−Mとを備えている。

またこの無線通信装置は、上記受信側の無線通信装置からの無線信号を受信するための受信系の構成（図示しない）も備える。一方、上記受信側の無線通信装置は、Ｎ本のアンテナ素子を用いて、送信側の無線通信装置からＭ本のアンテナ素子を通じて送信される無線信号を受信し、伝搬路応答を推定して、この推定結果を示すN×M行列の伝搬路応答推定値行列H_estを求め、これを送信側の無線通信装置に送信する。

伝搬路応答検出部１０１は、上記受信側の無線通信装置から受信した無線信号から、上記受信側の無線通信装置で推定した伝搬路応答推定値行列H_estを検出する。また伝搬路応答検出部１０１は、上記伝搬路応答推定値行列H_estを検出すると、この検出したタイミングを遅延時間検出部１０２に通知する
遅延時間検出部１０２は、伝搬路応答検出部１０１から通知される検出タイミングと、後述する変調・多重化部１０５から通知されるフィードバックを要求したタイミングとから、伝搬路遅延時間を検出し、この時間をウェイト行列補正部１０４に通知する。

ウェイト行列計算部１０３は、伝搬路応答検出部１０１が検出した伝搬路応答推定値行列H_estを下式（３）に示すように特異値分解することにより、特異ベクトル列の推定値V_estと、特異値よりなる対角行列の推定値D_estとを求める。またここで、U_est、V_estは、それぞれ下式（４）、（５）に示すように、列ベクトルが互いに直交しているという特徴を有したユニタリ行列である。

またD_estは、下式（６）に示すように、直交したチャネルの伝達係数を表す特異値を要素とする対角行列である。ここでm=min(M,N)である。

ウェイト行列補正部１０４は、遅延時間検出部１０２から通知される伝搬路遅延時間と、特異ベクトル列V_estと、対角行列の推定値D_estとに基づいて、送信ビームフォーミングに適用するウェイト行列を求める。なお、以下の説明では、このウェイト行列を送信ウェイト行列と称し、図２に示すフローチャートを参照して、ウェイト行列補正部１０４の演算処理を詳細に説明する。

図２に示す処理は、ウェイト行列計算部１０３から特異ベクトル列V_estおよび対角行列の推定値D_estが与えられる度に繰り返し実行される。また以下の説明では、説明を簡明にするために、送信側の無線通信装置から受信側の無線通信装置に、２つのストリームを送信する場合（Ｍ＝２の場合）を想定し、ウェイト行列補正部１０４では、受信側で推定された伝搬路応答から得られるＭ×２次元の送信ウェイト行列の１列目のみ、すなわち２つのストリームのうち、送信電力が大きく、受信側でも受信レベルが大きい第１のストリームに対応する列のみを補正する場合を例に挙げて説明する。

まず、ステップ２ａにおいてウェイト行列補正部１０４は、遅延時間検出部１０２が検出した伝搬路遅延時間が予め設定した閾値τ₀以上か否かを判定する。ここで、上記伝搬路遅延時間が予め設定した閾値τ₀以上の場合には、ステップ２ｃに移行し、一方、上記閾値τ₀未満の場合には、ステップ２ｂに移行する。

ステップ２ｂにおいてウェイト行列補正部１０４は、ウェイト行列計算部１０３が求めた特異ベクトル列の推定値V_estを送信ウェイト行列の推定値とし、これに基づくウェイトをそれぞれ対応するウェイト行列乗算部１０６に与え、当該処理を終了する。

なぜならば、伝搬路遅延時間が小さい場合には、補正を加えなくとも、十分に精度のよい送信ウェイト行列が得られるためである。つまり、ウェイト行列計算部１０３で得られた特異ベクトル列の推定値V_estが、ウェイト行列補正部１０４で補正されずに、１０６に与えられる。この例では、特異ベクトル列の推定値V_estの左から２列分を送信ウェイト行列の推定値として採用する。

ステップ２ｃにおいてウェイト行列補正部１０４は、ウェイト行列計算部１０３が求めた対角行列の推定値D_estに基づいて、予め設定した閾値以上の成分を有する列を求め、この列を補正する送信ウェイト行列の列と決定し、ステップ２ｄに移行する。この例では、ウェイト行列計算部１０３が求めた対角行列の推定値D_estの２列の送信ウェイト行列のうち、一般に送信電力の大きい１列目を選択する。

ステップ２ｄにおいてウェイト行列補正部１０４は、遅延時間検出部１０２が検出した伝搬路遅延時間の大きさに基づいて、ウェイト行列計算部１０３で得られた特異ベクトル列の推定値V_estと、実際の伝搬路から得られる送信ウェイト行列との間に生じる誤差のノルムの上界εを決定し、ステップ２ｅに移行する。

なお、伝搬路遅延時間と、ウェイト誤差のノルムとの間には、図３に示すような相関関係があるため、ウェイト行列補正部１０４は、上記相関関係に基づくテーブルを予め保持し、このテーブルと特異ベクトル列の推定値V_estとから誤差のノルムの上界εを決定する。

またこの例では、遅延時間検出部１０２が検出した伝搬路遅延時間の大きさに基づいて、ウェイト行列計算部１０３で得られた特異ベクトル列の推定値V_estの１列目と、実際の伝搬路から得られる送信ウェイト行列の１列目との間に生じる誤差のノルムの上界εを決定する。

ステップ２ｅにおいてウェイト行列補正部１０４は、ステップ２ｄで決定したノルムの上界εを用いて、特異ベクトル列の推定値V_estを補正し、ステップ２ｆに移行する。この例では、ノルムの上界εを用いて、特異ベクトル列の推定値V_estの１列目のみを補正する。したがってここでは、MIMO伝送における１ストリーム目の受信電力を最大化する評価関数を解くことで、遅延時間の影響を考慮した送信ウェイト行列の１列目w₁が得られる。この評価関数は、数式（７）のように定めることができる。

また数式（７）は、ある拘束条件の下で最適化される。この評価関数を最大化する際の拘束条件は、数式（８）および（９）により与えられる。

ここで最終的に求めるＭ×２次元の送信ウェイト行列を下式（１０）とする。つまりw₁及びw₂は、それぞれ１ストリーム目、２ストリーム目の送信ウェイト行列に相当する。また上記数式（８）において、v_estは特異ベクトル列の１列目である。

実際に、数式（７）の評価関数では、実際の伝搬路応答Hの代わりに伝搬路応答の推定値H_estが得られる。しかし、推定送信ウェイト行列H_estをそのまま用いた場合、数式（７）を満たす送信ウェイト行列の１列目の推定値w_1estは、特異ベクトル列の推定値V_estの１列目v_estに一致する。

これを避けるために、上記数式（７）における伝搬路応答Hを下式（１０）のように置き換える。ここで、GはＭ×Ｎ次元のランダムな行列である。また、αは０から１の間から選ばれる重み係数である。

続いて、上記数式（７）の最大化問題は、下式（１１）に示す最小化問題に等価的に変換することができる。

上記数式（８）及び数式（９）の拘束条件下で、数式（１１）の最小化問題をw₁について解くことにより、新たに送信ウェイト行列の１列目の推定値が得られる。計算方法としては、例えばラグランジュの未定乗数法による解法がある。これによれば、まず数式（１２）に示されるような関数f₁を定義する。

上記数式（１１）において、送信ウェイト行列の１列目に相当するベクトルw₁に関する偏微分を行い、下式（１３）に示す偏微分を解くことで、未定乗数γ及びμを決定し、ベクトルw₁を求める。

ここで、ステップ２ｅで求めた送信ウェイト行列の１列目の推定値w_1estは、上記特異ベクトル列の推定値V_estの２列目の推定値v_2estとは、もはや直交していない。
ステップ２ｆにおいてウェイト行列補正部１０４は、ステップ２ｅで求めた特異ベクトル列の推定値V_estの２列目の推定値v_2estに基づいて、ステップ２ｅで求めた送信ウェイト行列の１列目の推定値w_1estに直交する送信ウェイト行列の２列目の推定値w_2estを求める。推定値w_2estを求める方法の一例としては、グラム・シュミットの直交化法などがあげられる。

以上より、送信ウェイト行列の１列目の推定値w_1estと、これに直交する送信ウェイト行列の２列目の推定値w_2estから、求めるべき送信ウェイト行列の推定値が下式（１４）に示すように得られる。

変調・多重化部１０５は、送信信号を用いて搬送波の変調を行い、この変調結果をK個のストリームに分離して、それぞれウェイト行列乗算部１０６に出力する。

また伝搬路推定値のフィードバックを要求する場合には、変調・多重化部１０５は、その旨を示すフラグデータを用いて搬送波の変調を行い、伝搬路推定値のフィードバックを要求した旨を遅延時間検出部１０２に通知する。これにより遅延時間検出部１０２は、伝搬路推定値を受信側から得るまでの時間の測定を開始する。

ウェイト行列乗算部１０６は、ウェイト行列補正部１０４で得られた送信ウェイト行列の推定値のうち、それぞれに対応する行の成分を変調・多重化部１０５からのK個のストリームに乗算する。これにより、K個のストリームがM個の信号にマッピングされ、ビームフォーミングが行われる。

無線送信部１０７−１〜１０７−Mは、ウェイト行列乗算部１０６から出力されるM個の信号に対応し、それぞれ対応する信号を無線周波数にアップコンバートするとともに、電力増幅して、それぞれ対応するアンテナ１０８−１〜１０８−Mに出力する。これにより、送信ビームフォーミングが為された無線信号が、アンテナ１０８−１〜１０８−Mから送信される。

次に、上記のように構成した送信側の無線通信装置を用いた無線通信システムについて、計算機シミュレーションの結果の一例を示す。図４に示す計算機シミュレーションの結果は、２つのストリームの伝送を、送信側と受信側のアンテナの素子数が共に３としたＭＩＭＯ通信環境下で実施したものである。また、図４では、受信側の無線通信装置で伝搬路を推定してから、送信側の無線通信装置で２つのストリームの送信ビームフォーミングを適用するまでに遅延時間があることを想定している。

そして、（１）常に理想的な送信ウェイト行列が得られた場合、（２）特異値分解により送信ウェイト行列を求めた場合、（３）ステップ２ｃ〜２ｆの処理によって送信ウェイト行列を求めた場合について、遅延時間を変化させたときの２つのストリームそれぞれの受信電力を表している。ストリームごとの受信電力は下式（１５）で与えられる。

まず、（１）常に理想的な送信ウェイト行列Wが得られた場合は、図４からも明らかなように、遅延時間の大きさに関わらず、受信電力はほぼ一定である。したがって、常に２つのストリームの分離検出を容易に行うことが可能である。

そして、（２）特異値分解（SVD）により送信ウェイト行列を求めた場合は、遅延時間の大きさが大きくなるにつれて、第１ストリームの受信電力が低下し、第２ストリームは第１ストリームとの干渉によって受信電力が増大していることが分かる。これは、ウェイト行列計算部１０３で得た送信ウェイト行列の推定値をそのままウェイト行列乗算部１０６で用いても、直交化できていないことを表しており、受信側での分離検出が困難になってしまう。

これに対して、（３）ステップ２ｃ〜２ｆの処理によって送信ウェイト行列を求めた場合は、図４に示すように、遅延時間の大きい範囲において、第１ストリームの受信電力の劣化が抑制されていることが分かる。したがって、第１ストリームと第２ストリームとの間の直交性が高まり、送信ビームフォーミングによる効果の改善が期待できる。

また、図４を参照すると、遅延時間が約２０ｍｓ以下の範囲では、（２）特異値分解のみを用いた方が（３）ステップ２ｃ〜２ｆの処理による場合より精度がよいという結果が得られている。このため、この例では、ステップ２ａの閾値τ₀を約２０ｍｓに設定することにより、図１に示した送信側の無線通信装置は、遅延時間が約２０ｍｓ以下の範囲では、（２）特異値分解のみによって送信ウェイト行列が求められ、一方、遅延時間が約２０ｍｓよりも大きい範囲では、ステップ２ｃ〜２ｆの処理により送信ウェイト行列が求められるので、最適な送信ウェイト行列が求められる。

以上のように、上記構成の無線通信装置では、受信側において受信電力レベルの大きなストリーム（大きな特異値が割り当てられたストリーム）の伝送特性の改善が他のストリームの伝送特性の改善につながることに着目し、特異値分解などで得た送信ウェイト行列の成分のうち、受信電力レベルの大きなストリームに対応する成分についてのみ補正を行うようにしている。

したがって、上記構成の無線通信装置によれば、従来のようにすべてのストリームに対応する送信ウェイト行列の各成分を補正する場合に比べて、演算量を少なくすることができ、かつ、伝搬路を推定してこれを送信ビームフォーミングに適用するまでに時間を要した場合でも、送信ビームフォーミングの伝送特性の劣化を抑制することができる。

また送信ウェイト行列の成分補正は、伝搬路を推定してこれを送信ビームフォーミングを適用するまでの遅延時間の大きさに応じて、推定された部分的な送信ウェイト行列と実際の部分的な送信ウェイト行列との間の誤差ノルムの上界を決定し、この上界に基づいて行うようにしている。このため、遅延時間の大きさに応じた補正を行うことができ、送信ビームフォーミングの伝送特性の劣化の抑制精度を向上させることができる。

そして、遅延時間が十分小さい場合には、最適な送信ウェイト行列が与えられた場合と比べて遜色のない伝送特性が得られることに着目し、遅延時間が予め設定した閾値よりも小さい場合には、上述した補正は行わずに、特異値分解などで得られた推定送信ウェイト行列H_estをそのまま送信ウェイト行列として採用するようにしている。このため、遅延時間が十分小さい場合には、上述した補正に関わる演算は行われないので、演算にかかる電力消費や演算リソースの浪費を防止できる。

そしてまた、送信ウェイト行列の成分補正は、上述したように、遅延時間が大きくなるにつれて、特異値の大きな値を割り当てられたストリームの受信電力が大幅に低下してしまう点に着目し、特異値分解などで得られた推定送信ウェイト行列H_estと真値との誤差ノルムの上界により与えられる拘束条件下で、支配的な上記ストリームの受信電力を最大化する評価関数を最適化することにより実現している。

さらにまた、成分補正が施されなかった送信ウェイト行列の一部に関しては、特異値分解などで得られた推定送信ウェイト行列H_estを基に、成分補正が施された送信ウェイト行列に直交するような処理を施すようにている。これにより、補正後も送信ウェイト行列の列間の直交性が保たれる。

なお、上記実施の形態では、送信ウェイト行列の成分のうち、受信側において受信電力レベルの大きなストリームに対応する成分についてのみ補正を行うようにしたが、受信電力が小さなストリームに対応する成分についてのみ補正を行うようにしてもよい。これによっても、ある程度の効果は期待できる。

次に、この発明の第２の実施形態に係わる無線送信装置について説明する。
第２の実施形態の無線送信装置は、図１に示した第１の実施形態の無線送信装置と図面上の構成と同一であり、ウェイト行列補正部１０４が図２に示した処理のステップ２ａにおいて、遅延時間に応じて特異ベクトル列の一部に補正をかけるかを判定し、補正の必要がある場合にはステップ２ｅ、２ｆにて送信ウェイト行列を計算する点も同一である。

この実施形態が第１の実施形態と異なる点は、ステップ２ｄを実施せず、常に予め設定した所定の誤差上界を用いるという点である。ここで用いられる誤差上界は、例えば、当該無線通信システムで予め見込まれる平均的な遅延時間に基づいて決定された誤差ノルムの値などである。

そしてステップ２ｃにてウェイト行列補正部１０４が、補正する列数を決定した後、予め一意に設定された誤差上界がステップ２ｅで常に採用される。これによれば、ステップ２ｄに関わる演算量を軽減でき、また遅延時間が存在しても送信ビームフォーミングの伝送特性劣化を緩和することが期待できる。

また、例えば、送信側が受信側に伝搬路推定値のフィードバックを要求してから、伝搬路を受け取って送信ビームフォーミングを適用するまでの時間に制限があるような場合に、誤差上界のばらつきがある程度抑えられ、より送信ビームフォーミングの伝送特性の劣化を抑制することができる。

次に、この発明の第３の実施形態に係わる無線送信装置について説明する。
第３の実施形態の無線送信装置は、図１に示した第１の実施形態の無線送信装置と図面上の構成と同一であり、ウェイト行列補正部１０４が図２に示した処理のステップ２ｄにおいて、遅延時間の大きさに応じて誤差の上界を設定し、ステップ２ｆにて送信ウェイト行列を計算する点も同一である。

この実施形態が第１の実施形態と異なる点は、ステップ２ａおよび２ｂを実施せず、遅延時間の大きさに関わらず、ステップ２ｃ〜２ｆの処理により、常に送信ウェイト行列を補正するという点である。したがって、ステップ２ｄにおいてウェイト行列補正部１０４が、遅延時間が非常に小さい場合には、それに応じた小さな誤差上界を与える。

またこれに先だって、ステップ２ｃにおいてウェイト行列補正部１０４が補正する列数を決定するので、ステップ２ｅにおいては、ステップ２ｃで決められた列数分のみが補正される。これにより遅延時間が存在したときの送信ビームフォーミングの伝送特性劣化を緩和することができる。

また、第１の実施形態と比べて、遅延時間を計測する遅延時間検出部１０２が不要となり、ステップ２ａ、２ｂの処理が不要になるので、回路規模の削減が可能である。したがって、例えば常に一定以上のフィードバック遅延が避けられないような通信環境下で、より効果を発揮できる。

次に、この発明の第４の実施形態に係わる無線送信装置について説明する。
第４の実施形態の無線送信装置は、図１に示した第１の実施形態の無線送信装置と図面上の構成と同一であり、ウェイト行列補正部１０４が図２に示した処理のステップ２ｄおよび２ｅにおいて、送信ウェイト行列を計算する点も同一である。

この実施形態が第１の実施形態と異なる点は、ステップ２ａおよび２ｂの双方を省き、さらに第２の実施形態と同様に、ステップ２ｄを実施せず、遅延時間の大きさに関わらず常に予め設定した所定の誤差上界を用いるという点である。ここで用いられる誤差上界は、例えば、当該無線通信システムで予め見込まれる平均的な遅延時間に基づいて決定された誤差ノルムの値などである。

そしてステップ２ｃにてウェイト行列補正部１０４が、補正する列数を決定した後、予め一意に設定された誤差上界がステップ２ｅで常に採用される。これにより、遅延時間が存在しても送信ビームフォーミングの伝送特性劣化を緩和することが期待できる。

また、第１の実施形態と比べて、遅延時間を計測する遅延時間検出部１０２が不要となり、ステップ２ａ、２ｂおよび２ｄの処理が不要になるので、回路規模の削減が可能である。

そして、実際のウェイト誤差と、設定したウェイト誤差の上界に大きな開きがあった場合、最適化計算の収束時間が増大してしまうことがある。しかしながら、伝搬路の統計的性質にばらつきが小さい環境においては、上述のようにウェイト誤差に一定値を用いることで、より効果を発揮できる。

次に、この発明の第５の実施形態に係わる無線送信装置について説明する。
第５の実施形態の無線送信装置は、図１に示した第１の実施形態の無線送信装置と図面上の構成とほぼ同一であり、ウェイト行列補正部１０４が図２に示した処理のステップ２ａにてウェイト行列の一部に補正をかけるかを判定し、補正の必要がある場合にはステップ２ｄにて遅延時間の大きさに応じて誤差の上界を設定し、ステップ２ｅおよび２ｆにて送信ウェイト行列を計算する点も同一である。

この実施形態が第１の実施形態と異なる点は、伝搬路応答の推定値をウェイト行列計算部１０３にて特異値分解する代わりに、ＱＲ分解やMMSE(Minimum Mean Square Error)を実施して、ウェイト行列を求める。

特に伝搬路応答の推定値H_estを用いた行列H_est ^HH_estを、ＱＲ分解して得られるＱ行列をウェイト行列計算部１０３で得られるウェイト行列とすることで、特異値分解よりも少ない計算量でウェイト行列が求められる。この場合、ステップ２ａにてウェイト行列の一部に補正をかけるかを判定し、補正の必要がある場合には、ステップ２ｃにて特異値の代わりに受信電力の推定値を用いて補正するウェイト行列の列を決定し、ステップ２ｄにて遅延時間の大きさに応じて誤差の上界を設定し、ステップ２ｅにて、ステップ２ｃで決めた列について補正を行う。

これにより、遅延時間が存在したときの送信ビームフォーミングの伝送特性劣化を緩和することができる。また、第１の実施形態と比べて、ウェイト行列計算部１０３における演算量を削減でき、より回路規模を削減することが可能である。

次に、この発明の第６の実施形態に係わる無線送信装置について説明する。
第６の実施形態の無線送信装置は、図１に示した第１の実施形態の無線送信装置と発明に関わる部分の構成が同一であり、ウェイト行列補正部１０４が図２に示した処理のステップ２ａにてウェイト行列の一部に補正をかけるかを判定し、補正の必要がある場合にはステップ２ｄにて遅延時間の大きさに応じて誤差の上界を設定し、ステップ２ｅおよび２ｆにて送信ウェイト行列を計算する点も同一である。

この実施形態が第１の実施形態と異なる点は、OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)などのマルチキャリア伝送方式に本発明を適用する点である。各サブキャリアについて、本発明と同様の処理を行うことで、マルチキャリア伝送方式に適用することが可能である。

したがって、マルチキャリア伝送方式に適用した場合でも、遅延時間による送信ビームフォーミングの伝送特性劣化を緩和することができる。また、サブキャリア数だけ同様の処理を施す際には、演算量を削減して回路規模を縮小することがより重要となり、本発明のように、ウェイト行列の一部についてのみ補正を行うことは、演算量を削減する効果が大きい。

なお、この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また上記実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって種々の発明を形成できる。また例えば、実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除した構成も考えられる。さらに、異なる実施形態に記載した構成要素を適宜組み合わせてもよい。

この発明に係わる無線通信装置の構成を示す回路ブロック図。 ウェイト行列補正部の処理を説明するフローチャート。 伝搬路遅延時間と、ウェイト誤差のノルムとの相関関係を示す図。 計算機シミュレーションの結果の一例を示す図。

符号の説明

１０１…伝搬路応答検出部、１０２…遅延時間検出部、１０３…ウェイト行列計算部、１０４…ウェイト行列補正部、１０５…変調・多重化部、１０６…ウェイト行列乗算部、１０７−１〜１０７−M…無線送信部、１０８−１〜１０８−M…アンテナ。

Claims (11)

1. 送信ビームフォーミングを行う無線通信装置において、
   伝搬路応答の推定値を受信する受信手段と、
   前記推定値に基づいて、前記送信ビームフォーミングに用いるウェイト行列を計算する計算手段と、
   前記ウェイト行列の成分のうち、一部の成分を、受信電力が最大となるように受信電力を用いた評価関数を解いて求めた値に補正する補正手段と、
   この補正手段が補正したウェイト行列を用いてビームフォーミングを行い、無線送信するビームフォーミング手段とを具備することを特徴とする無線通信装置。
2. 送信ビームフォーミングを行う無線通信装置において、
   伝搬路応答の推定値を受信する受信手段と、
   前記推定値に基づいて、前記送信ビームフォーミングに用いるウェイト行列を計算する計算手段と、
   前記ウェイト行列の成分のうち、一部の成分を実際の伝搬路から得られる送信ウェイト行列との間に生じる誤差のノルムの上界を用いて補正する補正手段と、
   この補正手段が補正したウェイト行列を用いてビームフォーミングを行い、無線送信するビームフォーミング手段とを具備することを特徴とする無線通信装置。
3. 送信ビームフォーミングを行う無線通信装置において、
   伝搬路応答の推定値を受信する受信手段と、
   前記推定値に基づいて、前記送信ビームフォーミングに用いるウェイト行列を計算する計算手段と、
   前記ウェイト行列の成分のうち、一部の行または列をそれぞれの行ベクトルまたは列ベクトルと一次独立な行または列に変更する補正を行う補正手段と、
   この補正手段が補正したウェイト行列を用いてビームフォーミングを行い、無線送信するビームフォーミング手段とを具備することを特徴とする無線通信装置。
4. さらに、推定値を要求する信号を送信する要求送信手段と、
   前記推定値を要求する信号を送信してから、前記推定値を受信するまでの時間を計測する計測手段とを備え、
   前記補正手段は、前記計測手段が計測した時間が予め設定した時間よりも短い場合には、前記一部の成分を補正することなくウェイト行列をそのまま出力し、一方、前記計測手段が計測した時間が予め設定した時間以上の場合には、前記一部の成分を補正してその補正したウェイト行列を出力することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の無線通信装置。
5. 前記補正手段は、前記計算手段が求めたウェイト行列の成分のうち、大きな送信電力で無線送信する信号に対応する成分を補正することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の無線通信装置。
6. 前記計算手段は、前記伝搬路応答の推定値を特異値分解して、前記ウェイト行列を求めることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の無線通信装置。
7. 前記補正手段は、前記計算手段の特異値分解の結果に基づいて、前記計算手段が求めたウェイトの成分のうち、大きな特異値に対応する成分を補正することを特徴とする請求項６に記載の無線通信装置。
8. 前記補正手段は、前記一部の成分を予め設定した誤差の範囲内で補正することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の無線通信装置。
9. さらに、前記推定値を要求する信号を送信してから、前記推定値を受信するまでの時間を計測する計測手段を備え、
   前記補正手段は、前記一部の成分を前記計測手段が計測した時間に応じた誤差の範囲内で補正することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の無線通信装置。
10. 前記補正手段は、前記計測手段が計測した時間が予め設定した時間よりも短い場合には、前記一部の成分を補正することなくウェイト行列をそのまま出力し、一方、前記計測手段が計測した時間が予め設定した時間以上の場合には、前記一部の成分を前記計測手段が計測した時間に応じた誤差の範囲内で補正してその補正したウェイト行列を出力することを特徴とする請求項９に記載の無線通信装置。
11. さらに、前記ウェイト行列の補正しなかった成分を、補正した成分と直交するように修正する修正手段を備え、
    前記ビームフォーミング手段は、前記修正手段が修正したウェイト行列を用いて、ビームフォーミングを行うことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の無線通信装置。

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