JP4698346B2

JP4698346B2 - 無線伝送システム、基地局及び無線伝送方法

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Publication number: JP4698346B2
Application number: JP2005258604A
Authority: JP
Inventors: 学三上; 輝也藤井
Original assignee: SoftBank BB Corp
Current assignee: SoftBank Corp
Priority date: 2005-09-06
Filing date: 2005-09-06
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2025-09-06
Also published as: JP2007074318A

Description

本発明は、MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）に代表される次世代無線通信（高度無線技術）に用いられる無線伝送システム、基地局及び無線伝送方法に関する。

近年、無線ネットワーク技術において、実効速度を向上させる通信方式として、MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）と呼ばれる技術が注目されている。このMIMO技術では、無線通信の送信と受信に使われる複数のアンテナにおいて、送受双方ともに空間多重化することによって、無線周波数帯域幅を拡大することなく、実質的な通信速度をアップさせる。

現在、MIMOシステムにおける伝送方式として、送信側でチャネル情報を必要とせず複数のサブストリームを等電力で送信するSDM（Space Division Multiplexing）方式、送信側でチャネル情報に基づいてサブストリーム毎に異なる送信ビームを形成する固有モード伝送（E-SDM : Eigenbeam-SDM）方式等があり、様々な無線伝送方式（セルラ移動通信方式やIEEE802.11無線LAN方式等）への適用検討されている（非特許文献1参照）。

その一例について詳述すると、例えば上記固有モード伝送方式における下り回線では、空間多重数（データストリーム数）が受信端末アンテナのアレー自由度を上回る場合、受信端末側で同一チャネル干渉を除去できないことから、基地局（送信側）で当干渉を予め低減あるいは除去するアンテナウェイト制御が必要となる。

従来より、このようなアンテナウェイト制御法として、干渉端末の割当空間多重数のチャネル応答ベクトルのみをヌル形成することによって、同一チャネル干渉を除去しながら高い送信ダイバーシチ利得を得る方法が提案されている。

このアンテナウェイト制御におけるアンテナウェイトの決定方法を以下に記す。
（1）各端末に空間多重数を割り当てる
（2）他端末の割当空間多重数のチャネル応答ベクトルに対しヌル形成
（3）残った送信アレー自由度を用いて固有ビームを形成
このようなアンテナウェイトの決定方法によれば、全割当空間多重数のチャネル応答ベクトルを互いに直交化できるため、受信側では任意の受信アンテナウェイト制御後、同一チャネル干渉を全て除去することが可能である。また、干渉端末が空間多重で利用しない部分空間に対してヌル形成することがないため、送信アレー自由度を最大限有効利用でき、高いダイバーシチ利得を得ることができる。

この送信アンテナウェイト決定方法は、いわゆるZero Forcing規範と呼ばれる方法であり、具体的には、図4に示すシステムにおいて、移動局における受信信号での干渉成分が0となるように、基地局において、送信信号に固有モード伝送用のアンテナウェイトV_i及び送信アンテナウェイトの要素である変換行列W_iを重畳する。

一方、移動局側では受信アンテナウェイトU_i ^Hにより、受信信号から複数のストリームを分離検出する。このとき、移動局MS#iにおける受信シンボルr_i(t)は、次式で表される。なお、ここでは、チャネル情報（チャネル行列H_i）は、送受側双方において完全に既知であることを前提としている。

ここで、基地局から移動局MS#iに対するチャネル行列をH_i、受信機雑音をn_i(t)、送信シンボルをs_i(t)とする。

Zero Forcing規範に基づくアンテナウェイト決定方法では、各移動局における受信信号で他ユーザ干渉成分が0となるW_iの条件を、干渉成分に関する空間相関行列を

とおき、上記式(1)における送信アンテナウェイトW_iを、

を満たすように定める。このとき、W_iはR_uu ⁽ⁱ⁾の零固有値に対応する固有ベクトルから構成される行列となる。

このような送信アンテナウェイトの要素である変換行列W_iを用いることで、それぞれの移動局側で相手側に対する信号成分を0とすることができ、他ユーザに対する干渉が生じるのを回避することができる（非特許文献2参照）。

ところで、上記固有モード伝送方式では送信側でチャネル情報を必要とする。伝搬路変動が存在する環境下で上記固有モード伝送方式を適用する場合、伝送路変動が発生すると、周波数分割複信方式(FDD : Frequency Division Duplex)ではフィードバック遅延や制御遅延等の影響、時分割複信方式(TDD : Time Division Duplex)では上下回線の送信タイミングが異なることにより送信アンテナウェイト決定時とデータ受信時でチャネル状態が変化するため、特性が劣化する。そこで、従来より、この特性劣化を軽減する手法が検討されている（非特許文献3参照）。
大鐘武雄, 西村寿彦, 小川恭孝, "MIMOチャネルにおける空間分割多重方式とその特性,"信学論(B), vol.J87-B, no.9, Sept.2004. （及びその参考文献）藤野洋輔，内田大誠，加々見修，梅比良正弘，"マルチユーザMIMOにおける適応空間多重数割り当ての効果，"2005年5月，電子情報通信学会総合大会，B-5-81，p.530 堤貴彦, 西村寿彦, 大鐘武雄, 小川恭孝,"各種空間分割多重方式におけるチャネル情報誤差の影響に関する検討,"信学論(B), vol.J87-B, no.9, pp.1496-1504, Sept. 2004.

しかしながら、上述したZero Forcing規範に基づいた干渉除去では、受信機雑音を考慮していないため、干渉波方向が接近している場合等にあっては、希望波方向への利得低下に伴う受信SNRの劣化が発生する。

そこで、本発明は、以上の点を鑑みてなされたものであり、MIMO技術等、複数アンテナを用い、複数の移動局が同一周波数によって同一時刻で通信を行う次世代無線通信において、送信側に白色化フィルタを適用して下り回線の同一セル内干渉を抑制して、無線ネットワークにおける実効速度を向上させることのできる無線伝送システム、基地局及び無線伝送方法を提供することをその課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、複数のアンテナを有する基地局と、複数のアンテナを有する移動局との間で、信号を複数のアンテナから同一時刻に同一搬送波周波数で、周波数分割複信または時分割複信により相互に送受信する際に、基地局において、下り回線におけるチャネル情報を該移動局から取得し、取得された前記チャネル情報に基づいて、他の移動局に対する送信信号及び雑音によって発生する当該移動局側における干渉雑音成分を、時空間的に無相関なガウス雑音と等価な信号に変換するための変換行列を要素とする送信アンテナウェイトを生成し、これを送信信号に重畳し、下り回線を通じて移動局に送信する。そして、移動局において、干渉雑音成分がガウス雑音と等価な信号に変換された受信信号から、下り回線の所望の信号をチャネル情報に基づいて生成される受信アンテナウェイトによって分離検出する。

このような本発明によれば、他ユーザ干渉抑圧用の送信アンテナウェイトの要素となる変換行列として、他の移動局に対する送信信号及び雑音によって発生する、移動局側における干渉雑音成分を、時空間的に無相関なガウス雑音と等価な信号に変換する変換行列、いわゆる白色化フィルタを用いる。この白色化フィルタは、干渉成分を完全に0とするのではなく、干渉波信号を無相関なガウス雑音と等価な信号へ変換するため、受信SNRを劣化させることなく、移動局間の相互干渉を抑制することができる。

かかる白色化フィルタについて具体的に説明すると、図1に示すシステムにおいて、移動局側で受信アンテナウェイトU_i ^Hにより受信信号から複数のストリームを分離検出する際、移動局MS#iにおける受信シンボルr_i(t)は、次式で表される。

ここで、基地局から移動局MS#iに対するチャネル情報を表す行列（チャネル行列）をH_i、受信機雑音をn_i(t)、ガウス雑音と等価な信号に変換するための変換行列をW_i、送信シンボルをs_i(t)とする。また、上記合成アンテナウェイトW_iV_iは、そのノルムが常に1になるとは限らないことから、送信電力を規定するために、基地局側で、スケーリング係数α_iを各移動局に対し重畳する。

そして、本発明における白色化フィルタは、上式(2)の代わりに次式(3)及び(4)を満たすW_iに相当する。

ここで，P_nは受信機雑音電力を表す。このとき，受信シンボルr_i(t)は次式(5)及び(6)で表され、他ユーザ干渉のない場合と等価に扱うことができる。

ここで，L_iはR_uu ⁽ⁱ⁾の固有値を対角要素とする対角行列であり、Q_iはR_uu ⁽ⁱ⁾の固有値展開の結果得られる固有ベクトルから構成される固有ベクトル行列を表す。

本発明において、前記送信アンテナウェイトには、等価チャネル行列（A_i = H_iW_i）及び当該等価チャネル行列のエルミート転置行列（A_i ^H ）との固有値展開によって得られる固有ベクトル行列V_iが含まれる。すなわち、上式(5)〜式(6)より、送受信アンテナウェイトV_i，U_iを、それぞれA_i ^HA_i，A_iA_i ^Hの固有値展開の結果得られる固有ベクトルから構成される固有ベクトル行列とおくことで、同一セル内他ユーザ干渉が存在する場合の下り回線における固有モード伝送が可能となる。

このとき、行列 A_iと、行列A_i ^HA_i，A_iA_i ^Hの固有値を対角要素とする対角行列L_i，A_iA_i ^Hの固有ベクトル（単位ベクトル）によって構成される行列U_iと、A_i ^HA_iの固有ベクトル（単位ベクトル）によって構成される行列V_iとの間には一般に、

が成立する。特に、式(7)におけるS_i （= L_i ^1/2）の対角要素は特異値と呼ばれ、また、式(7)のような展開は特異値分解と呼ばれている（例えば、「唐沢好男,“MIMO伝搬チャネルモデリング,”信学論(B), vol.J86-B, no.9, pp.1706-1720, Sept. 2003」参照）。

結果的に、前記送信アンテナウェイトには、次式に示すように、前記チャネル情報H_i及び前記変換行列W_iの積を要素とする等価チャネル行列A_i（= H_iW_i）の特異値分解によって得られる固有ベクトル行列V_iが含まれることとなる。

そして、基地局が有する複数のアンテナは、前記固有ベクトル行列V_iを用いて、前記固有ベクトル行列に含まれる固有ベクトル毎にビームフォーミングを行うことにより、サブストリーム毎に固有の伝搬路を形成し、複数のサブストリーム毎に個々の変調処理及び送信電力を制御するようにしてもよい。

なお、本発明において、チャネル情報H_iは、少なくとも送信側（基地局）において既知とする。移動局側のチャネル情報H_iを基地局で取得する方式としては、例えば、上下回線で異なる搬送波周波数を用いて送信と受信を同時に行うFDD（Frequency Division Duplex：周波数分割複信）では、移動局からのフィードバックにより、通信経路を時間軸で分割し送信と受信を切り替えて同時送受信を行うTDD（Time Division Duplex：時分割複信）では、上り回線でのチャネル推定結果を利用する等が挙げられる。

また、上記発明では、受信アンテナウェイトについて、上述したZero Forcing規範やMMSE規範の受信アンテナウェイト等を用いることでも同様の結果が得られる。例えば、上記受信アンテナウェイトU_i ^Hに代えて、変換行列W_iと固有ベクトル行列V_iを含む合成アンテナウェイトW_iV_iと、チャネル情報H_iとの積（合成行列）である拡張チャネル行列H_iW_iV_iを、受信側で個別パイロットシンボルを利用して取得し、この拡張チャネル行列H_iW_iV_iを利用して得られる行列や、Zero Forcing規範に基づき、拡張チャネル行列H_iW_iV_iの擬似逆行列(H_iW_iV_i)^-1等を受信アンテナウェイトとして用いることができる。（なお、ある正方行列Xが零固有値を持たない場合、逆行列が存在し、Xの逆行列とXの擬似逆行列は同じである。従って、H_iW_iV_iが零固有値を持たない正方行列である場合、H_iW_iV_iの逆行列を受信アンテナウェイトとすることができる。）
このような受信アンテナウェイトを用いると、A_iA_i ^Hの固有ベクトル行列U_i ^Hをそのまま用いる場合に比べ、伝搬路変動により発生する送信側のチャネル情報H_iと実際のチャネル情報のミスマッチに伴う特性劣化を軽減することができる。

以上説明したように本発明によれば、複数の移動局方向が互いに接近している場合であっても、上述した白色化フィルタにより、隣接する移動局への干渉信号を抑制し、無線ネットワークにおける伝送特性を向上させることができる。

（無線伝送方法の概要）
本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。図1は、本実施形態に係る無線伝送方法の概要を示す説明図である。

同図に示すように、本実施形態では、Nt本のアンテナを有する基地局BSと、Nr本のアンテナを有する移動局MS#i（#1,#2）との間で、信号を複数のアンテナから同一時刻に同一搬送波周波数で相互に送受信するMIMO方式による無線伝送システムを用いる。なお、ここでは、説明を簡単にするため、移動局数が2の場合を例として説明するが、本発明は、本実施形態に限定されるものではなく、移動局数が３以上となっても適用することができる。

同図において、基地局BSから移動局#iに対するチャネル情報をH_i、送信シンボルをs_i(t)とする。基地局BS側では、各移動局MS#iへの送信シンボルs_i(t)に対し、固有モード伝送用のアンテナウェイト（固有ベクトル行列）V_i、及び他ユーザ干渉を抑圧する空間フィルタとして動作する変換行列（アンテナウェイト）W_iがそれぞれ重畳される。

本実施形態において、変換行列W_iは、移動局MS側における干渉雑音成分を、無相関なガウス雑音と等価な信号に変換するためのアンテナウェイト（白色化フィルタ）である。また、このアンテナウェイトに含まれる固有モード伝送用のアンテナウェイトV_iは、チャネル情報H_iと変換行列W_iを要素とする等価チャネル行列A_i（= H_iW_i）のエルミート転置行列A_i ^Hと、及び当該チャネル行列A_iとを用いた固有値展開（数8参照）によって得られる固有ベクトル行列である。

そして、基地局BSが有する複数のアンテナNtは、アンテナウェイトV_iを用いて、固有ベクトル行列V_iに含まれる固有ベクトル毎にビームフォーミングを行うことにより、サブストリーム毎に固有の伝搬路を形成し、複数のサブストリーム毎に個々の変調処理及び送信電力を制御する。なお、これらの合成アンテナウェイトW_iV_iはそのノルムが常に1になるとは限らないことから、送信電力を規定するために送信シンボルs_i(t)に対してスケーリング係数α_iが、各移動局毎に重畳されている。

この信号列は、x_i(t)として各移動局MS#iで受信され、移動局MS#i側では、受信された信号列x_i(t)に対し、受信アンテナウェイトW_riを乗算することによって複数の(t)ストリームである受信シンボルr_iを分離検出する。このとき、チャネル情報（チャネル行列H_i）は、移動局MS#i側から通知することによって、基地局BS側において常に取得され、双方において完全に既知となっている。

なお、この受信アンテナウェイトW_riとしては、上式(3)〜(5)を満たすA_iA_i ^Hの固有ベクトル行列U_i ^Hを用いることができるが、上述したZero Forcing規範やMMSE規範の受信アンテナウェイト等を用いることでも同様の結果が得られる。

例えば、本実施形態のようなFDD方式の固有モード伝送における送信にあっては、上述したZero Forcing規範の受信アンテナウェイトW_riとして、受信側で個別パイロットシンボルを利用して得られるチャネル行列H_i及び送信アンテナウェイトの合成行列（拡張チャネル行列）H_iW_iV_iの擬似逆行列(H_iW_iV_i)^-1等を用いることができる。なお、この擬似逆行列は一般化逆行列とも呼ばれるものであり、その詳細は「G.ストラング著, 山口昌哉(監訳), 線形代数とその応用, 産業図書, 1978」等に説明がなされている）。

このような受信アンテナウェイトを用いると、A_iA_i ^Hの固有ベクトル行列を用いる場合に比べ、伝搬路変動により発生する送信側のチャネル情報と実際のチャネル情報のミスマッチに伴う特性劣化を軽減することができる。なお、合成行列に含まれる変換行列W_iとしては、式(3)を満たすような送信アンテナウェイト（変換行列）W_iだけでなく、Zero Forcing規範に基づいて算出される、上式(2)を満たすような送信アンテナウェイトの要素である変換行列W_iの使用を前提として、受信アンテナウェイトを算出することもできる。

（無線伝送システムの構成）
次いで、本実施形態に係る無線伝送システムの構成についてFDD (Frequency Division Duplex)に適用する場合をとりあげ説明する。この無線伝送システムを動作させることによって、上述した本発明の無線伝送方法を実施することができる。図2は、本実施形態に係る無線伝送システムの構成を示すブロック図である。

同図に示すように、基地局BSは、送信信号を生成する送信信号生成部11と、送信信号を単数または複数のサブストリームに分割する送信信号分割部12と、下り回線を通じて移動局に対して送信される送信信号に対して変調処理や個別既知シンボル付加処理を行う複数の送信処理部131（132）と、送信信号に種々の係数を乗算または付加する送信アンテナウェイト乗算部16と、Nt本の送信アンテナと、アンテナ毎に共通制御チャネルを用いた共通パイロットシンボルを付加する共通既知シンボル付加部17tとを備えている。なお、各送信アンテナには、他の移動局に対する送信信号を多重するための装置やベースバンド信号をＲＦ帯の信号に変換するアップコンバータである周波数変換装置や（図示せず）が設けられている。

前記送信アンテナウェイト乗算部16は、送信信号に、送信アンテナウェイトを重畳する送信アンテナウェイト重畳手段であり、具体的には、上記係数やアンテナウェイト（スケーリング係数α_i，固有モード伝送用のアンテナウェイトV_i，他ユーザ干渉抑圧用の送信アンテナウェイトW_i）を送信シンボルs_i(t)に乗算する。

そして、各送信処理部131及び132は、送信信号変調部141（142）と、既知のシンボルを付加する個別既知シンボル付加部151及び152を備えている。

また、基地局BSは、送信アンテナウェイトを生成するためのモジュールとして、移動局MS#iにおけるチャネル情報H_iを取得するチャネル情報取得部18と、取得されたチャネル情報H_iに基づいて、移動局側における干渉雑音成分を、他の移動局に対する送信信号と無相関なガウス雑音と等価な信号に変換しつつ固有モード伝送を実現するための合成アンテナウェイトW_iV_iを算出する送信アンテナウェイト生成部19とを備えている。

送信アンテナウェイト乗算部16は、チャネル情報取得部18で取得されたチャネル情報に基づいて、当該移動局側における干渉雑音成分をガウス雑音と等価な信号に変換するための変換行列W_iや、単数または複数のサブストリーム毎に固有の伝搬路を形成するためのV_iが乗算される。具体的に送信アンテナウェイト生成部19は、チャネル情報通知部28から通知されたチャネル情報H_iに基づいて、上記式(1')及び(3)〜(6)を満たすように合成アンテナウェイトW_iV_iを算出する。

他方、移動局MS#iは、Nr本の受信アンテナと、受信信号x_i(t)から既知シンボル成分を分離検出する共通既知シンボル成分分離部21と、各サブストリームにおいて既知の信号である個別制御チャネルを用いた個別パイロットシンボルを分離して受信アンテナウェイト生成部26に入力する個別既知シンボル成分分離部22と、アンテナウェイト（受信アンテナウェイト）W_riを用いて干渉雑音成分をガウス雑音と等価な信号に変換された受信信号から所望の受信シンボルr_i(t)を分離検出する受信アンテナウェイト乗算部23と、各サブストリーム毎に受信信号を復調する受信信号復調部241，242と、各信号を結合する受信信号結合部25とを備えている。なお、各受信アンテナには、ＲＦ帯の信号をベースバンド信号に変換するダウンコンバータ等の周波数変換器（図示せず）が設けられている。

また、移動局MS#iは、共通パイロットシンボル部分の受信信号から送受信アンテナ間のチャネル情報を推定するチャネル推定部27と、上記個別パイロットシンボル部分の受信信号から上記チャネル情報H_i、上記合成アンテナウェイトW_iV_i、が含まれた拡張チャネル行列を推定する拡張チャネル行列推定部29と、既知シンボルに基づいて受信アンテナウェイトW_riを生成する受信アンテナウェイト生成部26と、受信信号のチャネル情報を抽出して基地局BSに通知するチャネル情報通知部28とを備えている。本実施形態では、基地局BSは、チャネル情報取得部18により、移動局MS#iのチャネル情報通知部28から、フィードバック回線を利用して、チャネル情報を取得する。

さらに基地局BSは、チャネル情報取得部18で取得したチャネル情報及び送信アンテナウェイト生成部19で生成したアンテナウェイトから各サブストリーム毎に固有な伝搬路の利得を求めることにより、適切なサブストリーム数と各サブストリームに対する変調方式を各移動局毎に決定するサブストリーム数・変調方式制御部20が設けられ、それぞれ送信信号分割部12及び送信信号変調部141及び142を制御する。なお、前記各サブストリーム毎に固有な伝搬路の利得は前記チャネル情報H_iと前記変換行列Wiの積である等価チャネル行列A_i=H_iW_iの特異値から求められる。

（無線伝送方法）
以上の構成を有する無線伝送システムを動作させることによって、本発明の無線伝送方法を実施することができる。

先ず、送信信号生成部11で生成された送信信号を、送信信号分割部12により複数の信号系列（サブストリーム）S₁(t)及びS₂(t)に分割する。分割されたサブストリームS₁(t)及びS₂(t)は、それぞれ送信信号変調部141（142）により、複数のサブストリーム毎に変調処理が行われ、受信アンテナウェイトW_riを算定するための個別パイロットシンボルが個別既知シンボル付加部151（152）において付加される。

次いで、送信アンテナウェイト乗算部16において、各移動局のサブストリームに対応するスケーリング係数α_iが重畳された後、固有モード伝送用のアンテナウェイト（固有ベクトル行列）V_i、及び他ユーザ干渉抑圧用の空間フィルタとして動作する変換行列（白色化フィルタ、アンテナウェイト）W_iがそれぞれ重畳される。この送信アンテナウェイト乗算部16で乗算される白色化フィルタW_iと固有モード伝送用のアンテナウェイトV_iの積（合成アンテナウェイトW_iV_i）は、チャネル情報通知部28及びチャネル情報取得部18を通じて取得されたチャネル情報H_iに基づいて生成されたものである。

その後、各送信信号系列は、対応する送信アンテナNt毎に加算されて重畳され、さらに共通パイロットシンボルを付加され、複数のアンテナNtにより、サブストリーム毎に形成される固有の伝搬路を通じて送信される。

移動局MSでは、基地局で送信された信号は無線伝送路を通じて受信される。移動局#iの各アンテナで受信された信号x_i(t)は、共通既知シンボル成分分離部21において共通パイロットシンボルの成分と送信情報シンボルの成分とに分離され、送信情報シンボル成分は個別既知シンボル成分分離部22に入力され、共通パイロットシンボル成分はチャネル推定部27に入力される。

チャネル推定部27は、共通パイロットシンボル成分に基づいて各送受信アンテナ間の伝搬路特性を推定し、この伝搬路特性を示すチャネル情報を算出し、チャネル情報通知部28に出力する。基地局BSは、チャネル情報取得部18により、移動局MSのチャネル情報通知部28から、フィードバック回線を利用して、チャネル情報を取得する。

さらにサブストリーム数及び変調方式の選択は、サブストリーム数・変調方式制御部20により、チャネル情報取得部18で取得したチャネル情報及び送信アンテナウェイト生成部19で生成したアンテナウェイトから各サブストリーム毎に固有な伝搬路の利得を求め、スループットが最大あるいは誤り率が最小となるように適切なサブストリーム数と各サブストリームに対する変調方式を各移動局毎に決定すると共に、それぞれ送信信号分割部12及び送信信号変調部141及び142を制御する。なお、前記各サブストリーム毎に固有な伝搬路の利得は前記チャネル情報H_iと前記変換行列Wiの積である等価チャネル行列A_i=H_iW_iの特異値から求められる。

個別既知シンボル成分分離部22では、個別パイロットシンボル成分を分離し、分離した個別パイロットシンボルを拡張チャネル行列推定部29及び受信アンテナウェイト生成部26に入力する。拡張チャネル行列推定部29では、個別パイロットシンボルに基づいて拡張チャネル行列H_iW_iV_iを推定し、その推定結果を受信アンテナウェイト生成部26に入力する。受信アンテナウェイト生成部26では、推定された拡張チャネル行列H_iW_iV_iに基づいて受信アンテナウェイトW_ri（ここでは、拡張チャネル行列H_iW_iV_iの擬似逆行列である(H_iW_iV_i)^-1）を算出し、各信号分離検出部の受信アンテナウェイト乗算部23に入力する。（なお、ある正方行列Xが零固有値を持たない場合、逆行列が存在し、Xの逆行列とXの擬似逆行列は同じである。従って、H_iW_iV_iが零固有値を持たない正方行列である場合、H_iW_iV_iの逆行列を受信アンテナウェイトとすることができる。）
一方、個別パイロットが分離された送信情報シンボル成分は、受信アンテナウェイト乗算部23において受信アンテナウェイトW_riが乗算されて合成され、さらに各サブストリーム毎に受信信号復調部241（242）で復調処理される。そして、復調処理後の受信信号は、受信信号結合部25において送信信号分割部12の分割処理に対応した方式で結合され、送信信号系列が復元される。

（本実施形態における作用・効果）
以上説明した本実施形態に係る無線伝送システム及び無線伝送法によれば、他ユーザ干渉抑圧用の送信アンテナウェイトとして、移動局側における干渉雑音成分を他の移動局に対する送信信号と無相関なガウス雑音に変換する、いわゆる白色化フィルタを用いるため、受信SNRを劣化させることなく、移動局間の相互干渉を抑制することができる。

次いで、本発明のシミュレーションモデル及びシミュレーション結果について説明する。本シミュレーションの諸元を表1に示す。

表1に示すように、本実施例において、アレーアンテナ形状は送受信とも半波長等間隔リニアアレーとし、送信アンテナ数Ntを4、受信アンテナ数Nrを2とした。移動局数を2とし，移動局の方向をθ_t（＝θ_t1，θ_t2）とする。ここでは簡単のため、移動局毎に割り当てる送信電力は全て等しく、平均受信電力も移動局間で等しく、チャネル情報は送受ともに完全に既知とする。

また、本実施例において、伝送は4ビット伝送を基本とし、変調方式は表1に示す(1)QPSK×2ストリーム、または(2)16QAM×1ストリームの2つのモードのうち、平均誤り率が小さくなる方を選択するものとする。なお、(1)のモードの場合，各サブストリームへ割り当てる送信電力は平均ビット誤り率が最小となるように最適配分している。

以上のシミュレーションの結果として、図3に2つの移動局の方向θ_tを（-40°，60°(CaseI)）、（40°，60°(CaseII)）とした場合の平均ビット誤り率特性をそれぞれ示す。図3より、本発明の白色化フィルタを用いた場合(with W.F.)は、従来のZero Forcing規範の送信アンテナウェイトを用いた場合(with Z.F.)に比べて誤り率特性が大きく改善できることがわかる。

また、平均誤り率が10^-2となる平均受信SNRで比較すると、本発明の白色化フィルタを用いるとCaseIの場合で約2dB，CaseIIの場合で約6dB、従来のZero Forcing規範の送信アンテナウェイトに比べて改善されている。なお、移動局間の方向差が狭まると両手法とも特性は劣化するが、白色化フィルタを用いた場合、Zero Forcing規範の送信アンテナウェイトを用いた場合に比べてその劣化量が小さいことがわかる。

実施形態に係る無線伝送方法の概要を示す説明図である。実施形態に係る無線伝送システムの構成を示すブロック図である。実施例におけるシミュレーション結果としての平均ビット誤り率特性を示すグラフ図である。従来の無線伝送方法の概要を示す説明図である。

符号の説明

BS…基地局
H_i…チャネル情報
MS…移動局
Nr…受信アンテナ数
Nt…送信アンテナ数
U_i ^H…受信アンテナウェイト
W_i…送信アンテナウェイト
α_i…スケーリング係数
r_i(t)…受信シンボル
s_i(t)…送信シンボル
x_i(t)…受信信号
11…送信信号生成部
12…送信信号分割部
16…送信アンテナウェイト乗算部
17t…共通既知シンボル付加部
18…チャネル情報取得部
19…送信アンテナウェイト生成部
20…サブストリーム数・変調方式制御部
21…共通既知シンボル成分分離部
22…個別既知シンボル成分分離部
23…受信アンテナウェイト乗算部
25…受信信号結合部
26…受信アンテナウェイト生成部
27…チャネル推定部
28…チャネル情報通知部
29…拡張チャネル行列推定部
131，132…送信処理部
141，142…送信信号変調部
151，152…個別既知シンボル付加部
241，242…受信信号復調部

Claims

複数のアンテナを有する基地局と、複数のアンテナを有する複数の移動局との間で、信号を前記複数のアンテナから同一時刻に同一搬送波周波数で、周波数分割複信または時分割複信により相互に送受信する無線伝送システムであって、前記基地局は、
下り回線における前記基地局と前記複数の移動局間の各チャネル情報を前記複数の移動局から送信される信号に基づき、取得するチャネル情報取得手段と、
取得された前記チャネル情報に基づいて、前記基地局との間で信号を送受信する他の移動局に対する送信信号及び雑音によって発生する当該移動局側における干渉雑音成分を、ガウス雑音と等価な信号に変換するための変換行列を生成する変換行列生成手段と、
下り回線を通じて前記複数の移動局に対して送信される送信信号から生成される各移動局のサブストリームに、前記変換行列を要素とする送信アンテナウェイトをそれぞれ重畳する送信アンテナウェイト重畳手段と、
前記送信アンテナウェイト重畳手段によって送信アンテナウェイトが重畳された各サブストリームを、対応する前記アンテナ毎に加算して重畳し、前記複数のアンテナにより、サブストリーム毎に形成される固有の伝搬路を通じて送信する手段と
を備え、
前記移動局は、干渉雑音成分がガウス雑音と等価な信号に変換された受信信号から、前記下り回線における所望の信号を前記チャネル情報に基づいて生成される受信アンテナウェイトによって分離検出する信号分離検出手段を備える
ことを特徴とする無線伝送システム。
前記送信アンテナウェイトには、前記チャネル情報と前記変換行列の積である等価チャネル行列及び当該等価チャネル行列のエルミート転置行列との固有値展開によって得られる固有ベクトル行列が含まれ、
前記基地局は、前記固有ベクトル行列を用いて前記固有ベクトル行列に含まれる固有ベクトル毎にビームフォーミングを行うことにより、単数または複数のサブストリーム毎に固有の伝搬路を形成し、サブストリーム毎に個々のサブストリームに対する変調処理及び送信電力制御をする
ことを特徴とする請求項1に記載の無線伝送システム。
前記移動局の信号分離検出手段は、移動局毎に設定される個別パイロットシンボルを利用して前記変換行列と前記固有ベクトル行列を含む前記送信アンテナウェイトと前記チャネル情報の積である拡張チャネル行列を受信側で取得し、前記拡張チャネル行列を利用して得られる行列を前記受信アンテナウェイトとして用いる
ことを特徴とする請求項2に記載の無線伝送システム。
前記移動局の前記受信アンテナウェイトは、前記拡張チャネル行列の擬似逆行列とすることを特徴とする請求項3に記載の無線伝送システム。
複数のアンテナを有する移動局に対して、信号を複数のアンテナから同一時刻に同一搬送波周波数で、周波数分割複信または時分割複信により相互に送受信する基地局であって、
下り回線における前記基地局と前記複数の移動局間の各チャネル情報を前記複数の移動局から送信される信号に基づき、取得するチャネル情報取得手段と、
取得された前記チャネル情報に基づいて、前記基地局との間で信号を送受信する他の移動局に対する送信信号及び雑音によって発生する当該移動局側における干渉雑音成分を、ガウス雑音と等価な信号に変換するための変換行列を生成する変換行列生成手段と、
下り回線を通じて前記複数の移動局に対して送信される送信信号から生成される各移動局のサブストリームに、前記変換行列を要素とする送信アンテナウェイトをそれぞれ重畳する送信アンテナウェイト重畳手段と、
前記送信アンテナウェイト重畳手段によって送信アンテナウェイトが重畳された各サブストリームを、対応する前記アンテナ毎に加算して重畳し、前記複数のアンテナにより、サブストリーム毎に形成される固有の伝搬路を通じて送信する手段と
を備えることを特徴とする基地局。
前記送信アンテナウェイトには、前記チャネル情報を要素とする等価チャネル行列と、当該等価チャネル行列のエルミート転置行列とを用いた固有値展開によって得られる固有ベクトル行列が含まれ、
前記固有ベクトル行列を用いて、前記固有ベクトル行列に含まれる固有ベクトル毎にビームフォーミングを行うことにより、サブストリーム毎に単数または複数のサブストリーム毎に固有の伝搬路を形成し、個々のサブストリームに対する変調処理及び送信電力制御をする
ことを特徴とする請求項5に記載の基地局。
複数のアンテナを有する基地局と、複数のアンテナを有する移動局との間で、信号を前記複数のアンテナから同一時刻に同一搬送波周波数で、相互に送受信する無線伝送方法であって、
前記基地局において、下り回線における前記基地局と前記複数の移動局間の各チャネル情報を前記複数の移動局から送信される信号に基づき、取得するステップ(1)と、
前記基地局において、取得された前記チャネル情報に基づいて、前記基地局との間で信号を送受信する他の移動局に対する送信信号及び雑音によって発生する当該移動局側における干渉雑音成分を、ガウス雑音と等価な信号に変換するための変換行列を生成する変換行列を生成するステップ(2)と、
前記基地局において、送信信号から生成された各移動局のサブストリームに、前記変換行列を要素とする送信アンテナウェイトをそれぞれ重畳し、該移動局に対し、下り回線を通じて送信し、前記送信アンテナウェイトが重畳された各サブストリームを、対応する前記アンテナ毎に加算して重畳し、前記複数のアンテナにより、サブストリーム毎に形成される固有の伝搬露を通じて送信するステップ(3)と、
前記移動局において、干渉雑音成分がガウス雑音と等価な信号に変換された受信信号から、所望の信号を前記チャネル情報に基づいて生成される受信アンテナウェイトによって分離検出するステップ(4)と
を備えることを特徴とする無線伝送方法。
前記送信アンテナウェイトには、前記チャネル情報と前記変換行列の積である等価チャネル行列と、当該等価チャネル行列のエルミート転置行列とを用いた固有値展開または特異値分解によって得られる固有ベクトルから構成される固有ベクトル行列が含まれ、
前記ステップ(3)において、前記基地局は、前記固有ベクトル行列を用いて、前記固有ベクトル行列に含まれる固有ベクトル毎にビームフォーミングを行うことにより、単数または複数のサブストリーム毎に固有の伝搬路を形成し、サブストリーム毎に個々のサブストリームに対する変調処理及び送信電力を制御する
ことを特徴とする請求項7に記載の無線伝送方法。
前記ステップ(4)において、移動局毎に設定される個別パイロットシンボルを利用して前記変換行列と前記固有ベクトル行列を含む前記送信アンテナウェイトと前記チャネル情報の積である拡張チャネル行列を受信側で取得し、前記拡張チャネル行列を利用して得られる行列を前記受信アンテナウェイトとして用いる
ことを特徴とする請求項8に記載の無線伝送方法。
前記移動局の前記受信アンテナウェイトは、前記拡張チャネル行列の擬似逆行列とすることを特徴とする請求項9に記載の無線伝送方法。