JP5008702B2

JP5008702B2 - 空間多重伝送用送信方法および空間多重伝送用送信装置

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Publication number: JP5008702B2
Application number: JP2009188009A
Authority: JP
Inventors: 理一工藤; 健太郎西森; 泰司鷹取; 光一常川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2009-08-14
Filing date: 2009-08-14
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2024-12-24
Also published as: JP2009278652A

Description

本発明は複数のアンテナ素子を用い、空間多重による送信を行う空間多重伝送用送信方法および空間多重伝送用送信装置に関する。

空間多重伝送用送信装置（単に、「送信装置」ともいう）は、複数のアンテナ素子から異なる信号を送信することで、周波数域を増大することなしに高速伝送を実現する空間多重伝送用送信装置である。
図７に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理想的な空間多重伝送用送信装置を示す。図７において、符号９１０はシリアル−パラレル変換部、９２１〜９２Ｌは送信部、９３１〜９３Ｌはマルチビーム形成部、９４１〜９４Ｎは信号合成部、９５１〜９５Ｎは切り替え部、９６１〜９６Ｎはアンテナ素子、９７０は伝達係数行列推定部、９８０は特異値分解演算部である。

アンテナ素子９６１〜９６Ｎで受信された信号は切り替え部９５１〜９５Ｎにより切り替えられ、伝達係数行列推定部９７０に出力される。伝達係数行列推定部９７０は受信したプリアンブル信号から伝達係数行列を算出し、特異値分解演算部９８０に出力する。特異値分解演算部９８０は伝達係数行列に特異値分解を行い、マルチビーム形成部９３１〜９３Ｌに送信重みを出力する。

送信信号系列は、シリアル−パラレル変換部９１０により、空間分割多重数Ｌに振り分けられ、それぞれ送信部９２１〜９２Ｌにより変調され、マルチビーム形成部９３１〜９３Ｌに出力される。マルチビーム形成部９３１〜９３Ｌに入力された各信号系列は、特異値分解演算部９８０で決定された送信重みをかけられた後、信号合成部９４１〜９４Ｎの対応するポートに出力される。信号合成部９４１〜９４Ｎは入力された信号を合成し、その出力信号は、前記切り替え部９５１〜９５Ｎを介し、アンテナ素子９６１〜９６Ｎから送信される。

ここで特異値分解演算部９８０ではマルチビーム形成部９３１〜９３Ｌで送信信号にかける送信重みを以下のようにして決定する。
空間多重伝送用送信装置のアンテナ素子数をＭ_Ｔ、通信相手である空間多重伝送用受信装置（単に、「受信装置」ともいう）のアンテナ素子数をＭ_Ｒとし、Ｍ_ＸをＭ_ＲとＭ_Ｔのうち小さい方の数字とする。空間多重伝送用送信装置では、送信を行う伝搬環境の伝達係数行列Ｈの推定を行う。伝達係数行列Ｈは、例えば以下のように推定される。受信装置側から送信装置と受信装置で共に既知であるプリアンブル信号Ｓ_０（Ｍ_Ｒ×Ｍ_Ｒ行列）の送信を行い、空間多重伝送用送信装置における受信信号Ｘ_０（Ｍ_Ｔ×Ｍ_Ｒ）にプリアンブル信号の逆行列Ｓ_０ ^−１(Ｍ_Ｒ×Ｍ_Ｒ行列)を乗算することで得られる行列の転置行列として得ることができる。

伝達係数行列Ｈは下式のように特異値分解により、ユニタリ行列Ｖ(Ｍ_Ｔ×Ｍ_Ｘ行列)、Ｕ_Ｕ（Ｍ_Ｒ×Ｍ_Ｘ行列)及び固有値√λを対角要素とする対角行列Ｄ(Ｍ_Ｘ×Ｍ_Ｘ対角行列)に分けることができる。

ここで、Ｈ_ｉｊは送信装置のｊ番目のアンテナから受信装置のｉ番目のアンテナまでの伝達係数を表し、Ｖ_ｉｊは送信装置においてｊ番目の送信ビームに対するｉ番目のアンテナ素子に適用する送信重みであり、Ｕ_ｉｊは受信装置のｊ番目の送信ビームに対するｉ番目のアンテナの受信信号に適用する受信重みの複素共役となっている。ここで、固有値λは各パスの伝送容量の大きさを表す。上付きの添え字Ｈは複素共役行列を表す。

このようにして得られたＶから、対応する固有値の大きいものから通信に用いる空間多重数Ｌだけ列ベクトルを選択し得られる上り送信ウェイトＷを送信装置の送信重みとし、Ｕ^Ｈから通信に使用するＬ個の行ベクトルを選択し得られる上り受信ウェイトＷ′を受信装置の受信重みとすることで、各信号で特異値λに対応する最大の伝送容量を実現することができる。ＷとＷ′を下式に示す。

Ｌ＝Ｍ_Ｘとした場合では、送信装置で送信信号Ｓ（Ｍ_Ｘ×１ベクトル）に送信重みＶを用いて送信することで、受信信号Ｘ(ＭＲ×１ベクトル）は以下のように表せる。

よって送信信号Ｓは受信信号Ｘに例えばＵの複素共役転置行列を乗算することで、それぞれ対応する固有値の平方根を乗算された送信信号Ｓを得ることができ、各信号は固有値λだけ熱雑音Ｎに対する比(ＳＮ比)が高くなり、伝送容量が最大となる通信を実現できる。

（Miyashita，K．；Nishimura，T．；Ohgane，T．；Ogawa，Y.；Takatori，Y.；KeizoCho；"High data-rate transmission with eigenbeam-space division multiplexing(E-SDM）in a MIMO channel,‘’Vehicular Technology Conference，2002．Proceedings．VTC 2002-Fall．2002 IEEE 56th,Volume：3,24-28 Sept.2002 Pages:1302_1306 vol.3）.

上記の手段は最大の伝送容量を得ることを可能とするが、特異値分解の演算量が大きいことが問題となる。

発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、少ない演算量で送信重みを決定することができる、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。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の空間多重伝送用送信方法は、複数のアンテナ素子を備え、推定した伝達係数行列から伝搬環境に適した送信重みを決定して送信信号に送信重み付けを行ったうえで空間分割多重を用いて送信する方法であって、前記送信重みとして、推定した伝達係数行列から得られる相関行列の列ベクトルに対し直交化法を適用するか、推定した伝達係数行列から得られる相関行列の逆行列の列ベクトルに対し直交化法を適用することを特徴とする。
これにより、演算負荷の大きい特異値分解の演算を行わずに送信重みを決定することを可能にし、演算量を著しく削減できる。

また、本発明の空間多重伝送用送信方法は、前記送信重みとして、推定した伝達係数行列から得られる相関行列、または、相関行列の逆行列に対し直交化法を用いたものを用いる場合には、ノルムの大きいものから直交化法を適用することで得られる直交ベクトルを用いることを特徴とする。
これにより、演算負荷の大きい特異値分解の演算を行わずに送信重みを決定することを可能にし、演算量を著しく削減できる。

また、本発明の空間多重伝送用送信方法は、複数のアンテナ素子を備え、推定した伝達係数行列から伝搬環境に適した送信重みを決定して送信信号に送信重み付けを行ったうえで空間分割多重を用いて送信する方法であって、送信重みとして、推定した伝達係数行列の逆行列の列ベクトルをある値に規格化したものを用いることを特徴とする空間多重伝送用送信方法において、前記送信重みとして、推定した伝達係数行列の逆行列の列ベクトルに対し直交化法を適用することで得られる直交ベクトルを用いることを特徴とする。
これにより、演算負荷の大きい特異値分解の演算を行わずに送信重みを決定することを可能にし、演算量を著しく削減できる。

また、本発明の空間多重伝送用送信装置は、Ｎ個（Ｎ≧２）のアンテナ素子を用い、Ｌ（Ｎ≧Ｌ≧２）個の空間多重による送信を行う空間多重伝送用送信装置において、前記各アンテナ素子に接続され、受信信号と送信信号を切り替える切り替え部と、前記切り替え部に接続され、受信時に切り替え部から出力される信号を入力信号とし、伝達係数行列の推定を行う伝達係数行列推定部と、前記伝達係数行列推定部において推定した伝達係数行列の複素共役転置行列と伝達係数行列の積である相関行列の列ベクトルを演算するか、または、相関行列の逆行列の列ベクトルを演算し、対応する列ベクトルを送信重みとしてマルチビーム形成部に出力する送信重み決定部と、送信する入力信号にシリアル−パラレル変換を行い、空間多重数Ｌに振り分けるシリアル−パラレル変換部と、前記シリアル−パラレル変換部の出力信号を入力信号とし、送信信号系をマルチビーム形成部に出力する送信部と、前記送信部から入力された信号を入力信号とし、Ｎ個の信号に分割し、前記送信重み決定部により決定された重み付けを行った後、Ｎ個の信号合成部の対応するポートに出力を行うマルチビーム形成部と、前記マルチビーム形成部のうち、対応するＬ個のマルチビーム形成部からＬ個のポートに出力された信号を重ね合わせ、前記切り替え部の他方のポートに出力を行う信号合成部とを備え、前記送信重み決定部は、前記送信重みとして、前記伝達係数行列推定部により推定した伝達係数行列から得られる相関行列の列ベクトルに対し直交化法を適用するか推定した伝達係数行列から得られる相関行列の逆行列の列ベクトルに対し直交化法を適用することで得られる直交ベクトルを用い、マルチビーム形成部に出力することを特徴とする。
これにより、演算負荷の大きい特異値分解の演算を行わずに送信重みを決定することを可能にし、演算量を著しく削減できる。

また、本発明の空間多重伝送用送信装置は、前記送信重み決定部は、前記送信重みとして、前記伝達係数行列推定部により推定した伝達係数行列から得られる相関行列、または、相関行列の逆行列に対し直交化法を用いたものを用いる場合には、ノルムの大きいものから直交化法を適用することで得られる直交ベクトルを用いて、マルチビーム形成部に出力することを特徴とする。
これにより、演算負荷の大きい特異値分解の演算を行わずに送信重みを決定することを可能にし、演算量を著しく削減できる。

また、本発明の空間多重伝送用送信装置は、Ｎ（Ｎ≧２）個のアンテナ素子を用い、Ｌ（Ｎ≧Ｌ≧２）個の空間多重による送信を行う空間多重伝送用送信装置において、前記各アンテナ素子に接続され、受信信号と送信信号を切り替える切り替え部と、前記切り替え部に接続され、受信時に切り替え部から出力される信号を入力信号とし、伝達係数行列の推定を行う伝達係数行列推定部と、前記伝達係数行列推定部において推定された伝達係数行列の逆行列を演算し、対応する列ベクトルを送信重みとしてマルチビーム形成部に出力する送信重み決定部と、送信する入力信号にシリアル−パラレル変換を行い、空間多重数Ｌに振り分けるシリアル−パラレル変換部と、前記シリアル−パラレル変換部の出力信号を入力信号とし、送信信号系をマルチビーム形成部に出力する送信部と、前記送信部から入力された信号を入力信号とし、Ｎ個の信号に分割し、前記送信重み決定部により決定された重み付けを行った後、Ｎ個の信号合成部の対応するポートに出力を行うマルチビーム形成部と、前記マルチビーム形成部のうち、対応するＬ個のマルチビーム形成部からＬ個のポートに出力された信号を重ね合わせ、前記切り替え部の他方のポートに出力を行う信号合成部とを備えることを特徴とする空間多重伝送用送信装置において、前記送信重み決定部は、前記送信重みとして、前記伝達係数行列推定部により推定した伝達係数行列の逆行列の列ベクトルに対し直交化法を適用することで得られる直交ベクトルを用い、マルチビーム形成部に出力することを特徴とする。
これにより、演算負荷の大きい特異値分解の演算を行わずに送信重みを決定することを可能にし、演算量を著しく削減できる。

本発明の空間多重伝送用送信方法においては、複数のアンテナ素子を備え、推定した伝達係数行列から伝搬環境に適した送信重みを決定して送信信号に送信重み付けを行ったうえで空間分割多重を用いて送信する方法であって、送信重みとして、推定した伝達係数行列の複素共役転置行列と伝達係数行列の積である相関行列の列ベクトルをある値に規格化したものを用いるか、または、推定した伝達係数行列から得られる相関行列の逆行列の列ベクトルをある値に規格化したものを用いるようにしたので、演算負荷の大きい特異値分解の演算を行わずに送信重みを決定することを可能にし、演算量を著しく削減することができる。

また、本発明の空間多重伝送用送信方法においては、複数のアンテナ素子を備え、推定した伝達係数行列から伝搬環境に適した送信重みを決定して送信信号に送信重み付けを行ったうえで空間分割多重を用いて送信する方法であって、前記送信重みとして、推定した伝達係数行列から得られる相関行列の列ベクトルに対し直交化法を適用するか、推定した伝達係数行列から得られる相関行列の逆行列の列ベクトルに対し直交化法を適用するようにしたので、演算負荷の大きい特異値分解の演算を行わずに送信重みを決定することを可能にし、演算量を著しく削減できる。

また、本発明の空間多重伝送用送信方法においては、前記送信重みとして、推定した伝達係数行列から得られる相関行列、または、相関行列の逆行列に対し直交化法を用いたものを用いる場合には、ノルムの大きいものから直交化法を適用することで得られる直交ベクトルを用いるようにしたので、演算負荷の大きい特異値分解の演算を行わずに送信重みを決定することを可能にし、演算量を著しく削減できる。

また、本発明の空間多重伝送用送信方法においては、複数のアンテナ素子を備え、推定した伝達係数行列から伝搬環境に適した送信重みを決定して送信信号に送信重み付けを行ったうえで空間分割多重を用いて送信する方法であって、送信重みとして、推定した伝達係数行列の逆行列の列ベクトルをある値に規格化したものを用いることを特徴とする空間多重伝送用送信方法において、前記送信重みとして、推定した伝達係数行列の逆行列の列ベクトルに対し直交化法を適用することで得られる直交ベクトルを用いるようにしたので、演算負荷の大きい特異値分解の演算を行わずに送信重みを決定することを可能にし、演算量を著しく削減できる。

また、本発明の空間多重伝送用送信装置においては、Ｎ個（Ｎ≧２）のアンテナ素子を用い、Ｌ（Ｎ≧Ｌ≧２）個の空間多重による送信を行う空間多重伝送用送信装置において、前記各アンテナ素子に接続され、受信信号と送信信号を切り替える切り替え部と、前記切り替え部に接続され、受信時に切り替え部から出力される信号を入力信号とし、伝達係数行列の推定を行う伝達係数行列推定部と、前記伝達係数行列推定部において推定した伝達係数行列の複素共役転置行列と伝達係数行列の積である相関行列の列ベクトルを演算するか、または、相関行列の逆行列の列ベクトルを演算し、対応する列ベクトルを送信重みとしてマルチビーム形成部に出力する送信重み決定部と、送信する入力信号にシリアル−パラレル変換を行い、空間多重数Ｌに振り分けるシリアル−パラレル変換部と、前記シリアル−パラレル変換部の出力信号を入力信号とし、送信信号系をマルチビーム形成部に出力する送信部と、前記送信部から入力された信号を入力信号とし、Ｎ個の信号に分割し、前記送信重み決定部により決定された重み付けを行った後、Ｎ個の信号合成部の対応するポートに出力を行うマルチビーム形成部と、前記マルチビーム形成部のうち、対応するＬ個のマルチビーム形成部からＬ個のポートに出力された信号を重ね合わせ、前記切り替え部の他方のポートに出力を行う信号合成部とを備えるようにしたので、演算負荷の大きい特異値分解の演算を行わずに送信重みを決定することを可能にし、演算量を著しく削減できる。

また、本発明の空間多重伝送用送信装置においては、前記送信重み決定部は、前記送信重みとして、前記伝達係数行列推定部により推定した伝達係数行列から得られる相関行列の列ベクトルに対し直交化法を適用するか推定した伝達係数行列から得られる相関行列の逆行列の列ベクトルに対し直交化法を適用することで得られる直交ベクトルを用い、マルチビーム形成部に出力するようにしたので、演算負荷の大きい特異値分解の演算を行わずに送信重みを決定することを可能にし、演算量を著しく削減できる。

また、本発明の空間多重伝送用送信装置においては、前記送信重み決定部は、前記送信重みとして、前記伝達係数行列推定部により推定した伝達係数行列から得られる相関行列、または、相関行列の逆行列に対し直交化法を用いたものを用いる場合には、ノルムの大きいものから直交化法を適用することで得られる直交ベクトルを用いて、マルチビーム形成部に出力するようにしたので、演算負荷の大きい特異値分解の演算を行わずに送信重みを決定することを可能にし、演算量を著しく削減できる。

また、本発明の空間多重伝送用送信装置においては、Ｎ（Ｎ≧２）個のアンテナ素子を用い、Ｌ（Ｎ≧Ｌ≧２）個の空間多重による送信を行う空間多重伝送用送信装置において、前記各アンテナ素子に接続され、受信信号と送信信号を切り替える切り替え部と、前記切り替え部に接続され、受信時に切り替え部から出力される信号を入力信号とし、伝達係数行列の推定を行う伝達係数行列推定部と、前記伝達係数行列推定部において推定された伝達係数行列の逆行列を演算し、対応する列ベクトルを送信重みとしてマルチビーム形成部に出力する送信重み決定部と、送信する入力信号にシリアル−パラレル変換を行い、空間多重数Ｌに振り分けるシリアル−パラレル変換部と、前記シリアル−パラレル変換部の出力信号を入力信号とし、送信信号系をマルチビーム形成部に出力する送信部と、前記送信部から入力された信号を入力信号とし、Ｎ個の信号に分割し、前記送信重み決定部により決定された重み付けを行った後、Ｎ個の信号合成部の対応するポートに出力を行うマルチビーム形成部と、前記マルチビーム形成部のうち、対応するＬ個のマルチビーム形成部からＬ個のポートに出力された信号を重ね合わせ、前記切り替え部の他方のポートに出力を行う信号合成部とを備えることを特徴とする空間多重伝送用送信装置において、前記送信重み決定部は、前記送信重みとして、前記伝達係数行列推定部により推定した伝達係数行列の逆行列の列ベクトルに対し直交化法を適用することで得られる直交ベクトルを用い、マルチビーム形成部に出力するようにしたので、演算負荷の大きい特異値分解の演算を行わずに送信重みを決定することを可能にし、演算量を著しく削減できる。

本発明の空間多重伝送用送信装置の第１の構成例を示すブロック図である。本発明の空間多重伝送用送信装置の第２構成例を示すブロック図である。計算機シミュレーションに用いた伝搬環境を示す図である。計算機シミュレーションに用いた到来素波の電力分布を示す図である。本発明の効果を示す伝送容量の累積確率を示す図である。到来波グループの伝搬パラメータを示す図である。理想的な空間多重伝送用送信装置を示すブロック図である。

次に本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

［第１の実施の形態］
以下、図１を参照しながら本発明の第一の実施形態について詳細に説明する。図１は本発明の空間多重伝送用送信装置の第１の構成例を示すブロック図であり、伝搬環境に最適となる送信指向性制御により高い伝送品質を得る通信を行う場合に、送信重みをより簡易に決定することを可能とする構成を示している。

符号１１０はシリアル−パラレル変換部、１２１〜１２Ｌは送信部、１３１〜１３Ｌはマルチビーム形成部、１４１〜１４Ｎは信号合成部、１５１〜１５Ｎは切り替え部、１６１〜１６Ｎはアンテナ素子、１７０は伝達係数行列推定部、１８０は送信重み決定部である。

アンテナ素子１６１〜１６Ｎで受信された信号は切り替え部１５１〜１５Ｎにより切り替えられ、伝達係数行列推定部１７０に出力される。伝達係数行列推定部１７０は受信したプリアンブル信号から伝達係数行列を算出し、送信重み決定部１８０に出力する。送信重み決定部１８０は以下に示すように送信重みを決定し、マルチビーム形成部１３１〜１３Ｌに送信重みを出力する。

送信信号系列は、シリアル−パラレル変換部１１０により、空間分割多重数Ｌに振り分けられ、それぞれ送信部１２１〜１２Ｌより変調され、マルチビーム形成部１３１〜１３Ｌに出力される。マルチビーム形成部１３１〜１３Ｌに入力された各信号系列は、送信重み決定部１８０で決定された送信重みがアナログ量、もしくはデジタル量により乗算された後、信号合成部１４１〜１４Ｎの対応するポートに出力される。信号合成部１４１〜１４Ｎは入力された信号を合成し、その出力信号は、前記切り替え部１５１〜１５Ｎを介し、アンテナ素子１６１〜１６Ｎから送信される。

簡単のため受信装置のアンテナ素子数と送信装置のアンテナ素子数をＭとし、空間分割多重数をＬとした場合の通信を考える。

空間多重伝送用送信装置は、受信装置より送信されたプリアンブル信号Ｓ_０（Ｍ×Ｍ行列）を受信し、伝達係数行列推定部１７０において受信信号Ｘ_０（Ｍ×Ｍ）にプリアンブル信号の逆行列Ｓ_０ ^−１（Ｍ×Ｍ行列）を乗算し、転置行列を求めることで伝達係数行列Ｈを推定する。

送信重み決定部１８０では、送信重みとして伝達係数行列の複素共役転置行列を求め、送信重みＷとして、

をマルチビーム形成部に出力する。ここで、[ ]_Ｌは行列の中からＬ個の列ベクトルを選ぶ演算子であるとし、Ｐは

と表すことができ、ｐ_１〜ｐ_ＬはＶＤＵ^Ｈの対応する列ベクトルのノルムの値であり、α_１〜α_Ｌは各ビームに分配する電力値を表す。以下、簡単のためα_１〜α_Ｌを１とし、Ｌ＝Ｍの場合を考える。

マルチビーム形成部１３１〜１３Ｌにおいて、このような送信重みＷを用いて送信信号Ｓ(Ｌ×１ベクトル)の送信を行うと、受信装置で受信される信号Ｘ(Ｍ×１ベクトル)は以下のように表せる。

ここで、ＵＤ^２Ｕ^ＨＰは、

と表すことができ、対角成分の値が大きくなるため受信装置において、ＺＦ（ＺｅｒｏＦｏｒｃｉｎｇ）やＭＭＳＥ（ＭｉｎｉｍｕｍＭｅａｎＳｑｕａｒｅＥｒｒｏｒ）等による復号アルゴリズムの効果を高めることができる。また、伝達係数行列の複素共役転置行列からＬ個のベクトルを選択する際に、列ベクトルのノルムが大きいものから選択することで伝送容量を増加させることができる。

ここで選択した列ベクトルに対し、直交化法を用いることでより信号間の干渉を減らすことができる。ここで選択した列ベクトルをｖ_１，ｖ_２，・・・，ｖ_Ｌとおき、ベクトルａとｂの内債を（ａ,ｂ）と表すものとする。ｖ′_１＝ｖ_１としてグラムシュミットの直交化法を行うと、

以上のように直交ベクトルｖ′_１,ｖ′_２・・・，ｖ′_Ｌを新しく求めることができる。このとき、ノルムの大きい列ベクトルから順に直交化法を用いることで、より伝送容量を上げることができる。

また、送信重み決定部１８０において送信重みとして伝達係数行列の逆行列を求め、送信重みＷとして、

をマルチビーム形成部１３１〜１３Ｌに出力する。ここでＰは、

と表すことができ、ｐ_１〜ｐ_ＬはＶＤ^−１Ｕ^Ｈの対応する列ベクトルのノルムの値であり、α_１〜α_Ｌは各ビームに分配する電力値を表す。以下、簡単のためα_１〜α_Ｌを１とし、Ｌ＝Ｍの場合を考える。

マルチビーム形成部１３１〜１３Ｌにおいて、このような送信重みＷを用いて送信信号Ｓ（Ｌ×１ベクトル）の送信を行うと、受信装置で受信される信号Ｘ（Ｍ×１ベクトル）は以下のように表せる。

と表すことができ、受信側での復号負荷が減少する。また、伝達係数行列の複素共役転置行列からＬ個のベクトルを選択する際に、列ベクトルのノルムが小さいものから選択することで伝送容量を増加させることができる。

ここで選択した列ベクトルに対し、直交化法を用いることでより信号間の干渉を減らすことができる。ここで選択したベクトルをｖ_１，ｖ_２，・・・，ｖ_Lとおき、ベクトルａとｂの内債を（ａ,ｂ）と表すものとする。ｖ′_１＝ｖ_１としてグラムシュミットの直交化法を行うと、

以上のように直交ベクトルｖ′_１,ｖ′_２・・・，ｖ′_Ｌを新しく求めることができる。このとき、ノルムの大きい列ベクトルから順に直交化法を用いることで、より伝送容量を上げることができる。ただし、この場合ｖ′_１は最も固有値の小さい送信ウェイトと相関が高くなっているため、逆順に送信ウェイトベクトルを並び替える必要がある。

ここで、送信素子数Ｎ、受信素子数Ｍ、Ｎ＞ＭとしてＬ個の空間多重を行う場合に、伝達係数行列の複素共役転置行列から得た送信重みＷ^Ｈと、逆行列から得た送信重みＷ_Ｉを以下に示す。

上記の式と、固有値がλ_１＞λ_２・‥＞λ_Ｍの関係となっていることを考慮すると、(１４)式の各列ベクトルは(２)式で表せる理想的な送信重みの第一固有値に対応する列ベクトル(ｖ_１１，ｖ_２１，・・・，ｖ_Ｎ１)と相関が高くなることが分かる。また、（１５）式は逆に最も小さい固有値に対応する列ベクトル(ｖ_１Ｍ，ｖ_２Ｍ，・・・，ｖ_ＮＭ)と相関が高くなる。このことからＷ_ＨおよびＷ_Ｉから任意の列ベクトルを選択し、直交化法を用いることでより伝送品質を向上させることができる。

また、推定された伝達係数行列Ｈの相関行列Ｈ^ＨＨとその逆行列をＵ、Ｖ、Ｄを用いて表すと、

となる。ここで、固有値がλ₁＞λ₂＞‥・＞λ_Ｍの関係となっていることを考慮すると、（１６）式の各列ベクトルは(２)式で表せる理想的な送信重みの第一固有値に対応する列ベクトル（ｖ_１１，ｖ_２１，・・・，ｖ_Ｎ１）と相関が高くなることが分かる。また、（１７）式は逆に最も小さい固有値に対応する列ベクトル（ｖ_１Ｍ，ｖ_２Ｍ，・・・，ｖ_ＮＭ）と相関が高くなる。このことから相関行列およびその逆行列の任意の列ベクトルを選択し、これまで示してきた送信重みの直交化法に組み合わせて用いることで、より伝送品質を向上させることが期待できる。

また、本発明は通信相手局との伝達係数行列を推定する際に、通信相手局が(１)式で表せる特異値分解から得られる送信重みと相関を持つような送信重みＷ″を用いてプリアンブル信号を用いれば更に効果的となる。このとき推定される伝達係数行列Ｈ′は、

通信相手局の送信重みがＵと相関を持つため、α＞βとなる。このとき、（１４）式と（１５）式は、

と書き直すことができ、α≫βとすると、（２）式で表せる理想的な送信重みとなることが分かる。

また、伝達係数行列の推定から、送信重みの決定までの演算は、その全て、もしくは一部を通信相手局において行い、フィードバック情報により同様に指向性制御を行うこともできる。

［第２の実施の形態］
次に、図２を参照しながら本発明の第２の実施の形態について説明する。図２は本発明空間多重伝送用送信装置の第２の実施形態であり、伝搬環境に最適となる送信指向性制御により高い伝送品質を得る通信を行う場合に、送信重みをより簡易に決定することを可能とする構成を示している。

図２において、符号１１０はシリアル−パラレル変換部、１２１〜１２Ｌは送信部、１３１〜１３Ｌはマルチビーム形成部、１４１〜１４Ｎは信号合成部、１５１〜１５Ｎは切り替え部、１６１〜１６Ｎはアンテナ素子、１７０は伝達係数行列推定部、２１０は受信重み演算部、２２０は送信重み候補記憶部、２３０は直交化演算部である。

アンテナ素子1６１〜１６Ｎで受信された信号は切り替え部１５１〜１５Ｎにより切り替えられ、伝達係数行列推定部１７０に出力される。伝達係数行列推定部１７０は受信したプリアンブル信号から伝達係数行列を算出し、受信重み演算部２１０に出力する。受信重み演算部２１０は復号のための受信重みの演算を行い、その過程で生じる受信重みの候補を送信重み候補記憶部２２０に出力する。送信重み候補記憶部２２０は送信重みの候補を直交化演算部２３０に出力し、直交化された送信重みが、マルチビーム形成部１３１〜１３Ｌに送信重みとして出力される。

送信信号系列は、シリアル−パラレル変換１１０により、空間分割多重数Ｌに振り分けられ、それぞれ送信部１２１〜１２Ｌにより変調され、マルチビーム形成部１３１〜１３Ｌに出力される。マルチビーム形成部１３１〜１３Ｌに入力された各信号系列は、送信重み候補記憶部２２０で決定された送信重みをかけられた後、信号合成部１４１〜１４Ｎの対応するポートに出力される。信号合成部１４１〜１４Ｎは入力された信号を合成し、その出力信号は、前記切り替え部１５１〜１５Ｎを介し、アンテナ素子１６１〜１６Ｎから送信される。

前記の受信重み演算部２１０は、受信重みを演算する過程で生じる複素行列に含まれる任意のベクトルを送信重み候補として、送信重み演算候補記憶部２２０に出力する。例えば、伝達係数行列の逆行列を受信重みとして用いる場合には、受信重みＷ′は以下のように演算することができる（受信側の素子数が多い場合）。

この場合、伝達係数行列の複素共役転置行列Ｈ^Ｈ、逆行列(Ｈ^ＨＨ)^−１Ｈ^Ｈ、相関行列Ｈ^ＨＨ、その逆行列をそれぞれ演算の途中で計算することとなり、これらのうち任意の列ベクトルを送信重み候補記憶部に出力することで、前述のように（２）式で表せる理想的な送信重みと高い相関を持つ送信重みを直交化演算部により形成することができる。

［具体例による効果の説明］
次に、送信素子数を４、受信素子数を４とした場合に、伝達係数行列の複素共役転置行列の列ベクトルに、ノルムの大きいものから直交化演算を行ったものを送信重みとした場合の伝送容量を、送信重みを適用しないで無指向性での送信を行った従来方法と、(２)式で与えられる理想的な送信重みを適用した理想値と、それぞれ比較を行う。

本発明による指向性制御法の効果を検証するために用いる伝搬環境を示す。図３に示すように送信局と受信局それぞれの周囲にラプラシアン分布で角度拡がり２５°のクラスタをＮｏ.１からＮｏ．６まで６つずつ設置した。到来波は９０波とし、１５波ずつＮｏ.１からＮｏ．６までのグループに分けた。

到来波の素波電力と到来時間を表すグラフを図４に示す。それぞれのグループの到来波は、基地局および端末局の周りに設置した同番号のクラスタを通過する確率を５０％とし、そのほかの番号のクラスタを通過する確率をそれぞれ１０％ずつとなっている。各到来波グループに適用した伝搬パラメータを図６に示す。到来波全体での遅延スプレッドは６１ｎｓｅｃとなる。搬送波周波数を５．２ＧＨｚ、各サブキャリアの周波数帯域を０．３１ＭＨｚ、サブキャリア数を５０とした。それぞれのビームに等電力を割り当てるものとし、復号にはＭＭＳＥアルゴリズムを用いた。

上記のような伝搬環境モデルを用い、クラスタおよびそれを構成する散乱体、それぞれの到来波の位相をランダムに与え、１００回試行し、全サブキャリア数（５０）×試行回数(１００)のデータを用い、その伝送容量の累積確率を計算した。その結果を図５に示す。図５によれば、累積確率の５０％値において、理想値からは８．６％低い値をとるが、指向性制御を用いない従来方法に比べると、３７．７％の増加が得られることを示した。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の空間多重伝送用送信装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明によれば、特異値分解による空間分割多重を用いた通信において、簡易な演算で送信重みを決定することを可能とし、高い伝送速度をもつ通信を実現できるので、本発明は、空間多重伝送用送信方法および送信装置等に有用である。

１１０シリアル−パラレル変換部
１２１〜１２Ｌ送信部
１３１〜１３Ｌマルチビーム形成部
１４１〜１４Ｎ信号合成部
１５１〜１５Ｎ切り替え部
１６１〜１６Ｎアンテナ素子
１７０伝達係数行列推定部
１８０送信重み決定部
２１０受信重み演算部
２２０送信重み候補記憶部
２３０直交化演算部

Claims

複数のアンテナ素子を備え、推定した伝達係数行列から伝搬環境に適した送信重みを決定して送信信号に送信重み付けを行ったうえで空間分割多重を用いて送信する方法であって、
前記送信重みとして、推定した伝達係数行列から得られる相関行列の列ベクトルに対し直交化法を適用するか、
推定した伝達係数行列から得られる相関行列の逆行列の列ベクトルに対し直交化法を適用すること
を特徴とする空間多重伝送用送信方法。
前記送信重みとして、
推定した伝達係数行列から得られる相関行列、または、相関行列の逆行列に対し直交化法を用いたものを用いる場合には、ノルムの大きいものから直交化法を適用することで得られる直交ベクトルを用いること
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。
複数のアンテナ素子を備え、推定した伝達係数行列から伝搬環境に適した送信重みを決定して送信信号に送信重み付けを行ったうえで空間分割多重を用いて送信する方法であって、
送信重みとして、推定した伝達係数行列の逆行列の列ベクトルをある値に規格化したものを用いること
を特徴とする空間多重伝送用送信方法において、
前記送信重みとして、推定した伝達係数行列の逆行列の列ベクトルに対し直交化法を適用することで得られる直交ベクトルを用いること
を特徴とする空間多重伝送用送信方法。
Ｎ個（Ｎ≧２）のアンテナ素子を用い、Ｌ（Ｎ≧Ｌ≧２）個の空間多重による送信を行う空間多重伝送用送信装置において、
前記各アンテナ素子に接続され、受信信号と送信信号を切り替える切り替え部と、
前記切り替え部に接続され、受信時に切り替え部から出力される信号を入力信号とし、伝達係数行列の推定を行う伝達係数行列推定部と、
前記伝達係数行列推定部において推定した伝達係数行列の複素共役転置行列と伝達係数行列の積である相関行列の列ベクトルを演算するか、または、相関行列の逆行列の列ベクトルを演算し、対応する列ベクトルを送信重みとしてマルチビーム形成部に出力する送信重み決定部と、
送信する入力信号にシリアル−パラレル変換を行い、空間多重数Ｌに振り分けるシリアル−パラレル変換部と、
前記シリアル−パラレル変換部の出力信号を入力信号とし、送信信号系をマルチビーム形成部に出力する送信部と、
前記送信部から入力された信号を入力信号とし、Ｎ個の信号に分割し、前記送信重み決定部により決定された重み付けを行った後、Ｎ個の信号合成部の対応するポートに出力を行うマルチビーム形成部と、
前記マルチビーム形成部のうち、対応するＬ個のマルチビーム形成部からＬ個のポートに出力された信号を重ね合わせ、前記切り替え部の他方のポートに出力を行う信号合成部と
を備え、
前記送信重み決定部は、
前記送信重みとして、前記伝達係数行列推定部により推定した伝達係数行列から得られる相関行列の列ベクトルに対し直交化法を適用するか推定した伝達係数行列から得られる相関行列の逆行列の列ベクトルに対し直交化法を適用することで得られる直交ベクトルを用い、マルチビーム形成部に出力すること
を特徴とする空間多重伝送用送信装置。
前記送信重み決定部は、
前記送信重みとして、前記伝達係数行列推定部により推定した伝達係数行列から得られる相関行列、または、相関行列の逆行列に対し直交化法を用いたものを用いる場合には、ノルムの大きいものから直交化法を適用することで得られる直交ベクトルを用いて、マルチビーム形成部に出力すること
を特徴とする請求項４記載の空間多重伝送用送信装置。
Ｎ（Ｎ≧２）個のアンテナ素子を用い、Ｌ（Ｎ≧Ｌ≧２）個の空間多重による送信を行う空間多重伝送用送信装置において、
前記各アンテナ素子に接続され、受信信号と送信信号を切り替える切り替え部と、
前記切り替え部に接続され、受信時に切り替え部から出力される信号を入力信号とし、伝達係数行列の推定を行う伝達係数行列推定部と、
前記伝達係数行列推定部において推定された伝達係数行列の逆行列を演算し、対応する列ベクトルを送信重みとしてマルチビーム形成部に出力する送信重み決定部と、
送信する入力信号にシリアル−パラレル変換を行い、空間多重数Ｌに振り分けるシリアル−パラレル変換部と、
前記シリアル−パラレル変換部の出力信号を入力信号とし、送信信号系をマルチビーム形成部に出力する送信部と、
前記送信部から入力された信号を入力信号とし、Ｎ個の信号に分割し、前記送信重み決定部により決定された重み付けを行った後、Ｎ個の信号合成部の対応するポートに出力を行うマルチビーム形成部と、
前記マルチビーム形成部のうち、対応するＬ個のマルチビーム形成部からＬ個のポートに出力された信号を重ね合わせ、前記切り替え部の他方のポートに出力を行う信号合成部と
を備えることを特徴とする空間多重伝送用送信装置において、
前記送信重み決定部は、
前記送信重みとして、前記伝達係数行列推定部により推定した伝達係数行列の逆行列の列ベクトルに対し直交化法を適用することで得られる直交ベクトルを用い、マルチビーム形成部に出力すること
を特徴とする空間多重伝送用送信装置。