JP6275340B2 - 送信装置、受信装置、制御局および送信プレコーディング方法 - Google Patents

Description

本発明は、マルチユーザＭＩＭＯ（Multiple-Input Multiple-Output）伝送を行う送信装置、受信装置、通信システムおよび送信プレコーディング方法に関する。

近年、限られた周波数帯域で高速伝送を実現する無線通信システムとして、送受信機双方に複数のアンテナを設置したＭＩＭＯシステムに、空間分割多元接続（ＳＤＭＡ：Space Division Multiple Access）方式を適用したマルチユーザＭＩＭＯ（ＭＵ（Multi-User）-ＭＩＭＯ）システムが盛んに検討されている。ＭＵ−ＭＩＭＯシステムでは、複数のアンテナを備える基地局に対し、複数のアンテナを備える端末が複数存在し、基地局が同一の無線周波数帯において複数の端末に対して同時伝送を行う。

ＭＵ−ＭＩＭＯシステムにおけるダウンリンク、すなわち基地局から端末へ向かう方向の通信では、基地局から各端末へ同時に信号を送る。このため、一般に、端末における受信信号には、自端末向けの信号である所望信号に加えて他の端末向けの信号が含まれる。すなわち、他の端末向けの信号により生じる干渉であるユーザ間干渉（ＩＵＩ：Inter-User Interference）が生じる。ＩＵＩ対策は、端末に比べて処理量およびアンテナ数に関する制約が少ない基地局側で可能な限り行うことが望ましい。このため、ＭＵ−ＭＩＭＯシステムにおけるダウンリンクでは、基地局がＩＵＩ対策としてプレコーディングと呼ばれる処理を実施する。プレコーディングは、複数のアンテナから送信する複数の信号に重み付けをすることによりビームを形成する処理を示す。

ＭＵ−ＭＩＭＯシステムにおけるダウンリンクにおいてＩＵＩ対策として行われる代表的プレコーディング手法として、ブロック対角化（ＢＤ：Block Diagonalization）法が広く検討されている。例えば、非特許文献１、２を参照されたい。ＢＤ法は、所望端末以外にヌルを向ける、すなわち所望端末以外の端末における受信電力を０にするような指向性を形成するようにビーム空間を形成するプレコーディング手法である。全端末に対してＢＤ手法を適用することにより、ＩＵＩが生じないＭＵ−ＭＩＭＯシステムを実現することが可能となる。これにより、端末における処理および装置構成を簡易化できる。

M. Rim, "Multi-user downlink beamforming with multiple transmit and receive antennas," Electron. Lett., vol.38, no.25, pp.1725-1726, Dec. 2002. L.U. Choi and R.D. Murch, "A Transmit Preprocessing Technique for Multiuser MIMO Systems Using a Decomposition Approach," IEEE Trans. on Wireless Commun., vol.3, no.1, pp.20-24, Jan. 2004.

送信アンテナが複数存在する場合には、送信ダイバーシチ効果が得られる。しかしながら、ＢＤ手法は所望端末以外にヌルを向けるヌルステアリングを行うため、基地局の複数のアンテナから送信される複数の信号により形成されるビームの自由度が失われる。このため、ＢＤ手法を適用したプレコーディングでは、送信ダイバーシチ効果が増すように、すなわち各端末の受信信号対雑音電力比（ＳＮＲ:Signal-to-Noise power Ratio）を改善させるようにビームを形成することは難しい。特に多数の端末が存在する環境では、複数の端末に対するヌルステアリングによってビーム形成の自由度が大きく失われる。このように、ＢＤ手法では、送信ダイバーシチ利得を向上させることが難しいという課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ＢＤ法に比べて送信ダイバーシチ利得を向上させることができる送信装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる送信装置は、複数の受信装置のそれぞれに向けた複数のビームを形成可能な複数の送信アンテナ、を備える。また、本発明にかかる受信装置は、複数の受信装置のうちの送信信号の送信先となる第１の受信装置と複数の受信装置のうちの２つ以上である第２の受信装置とを除く複数の受信装置である第３の受信装置における受信電力が閾値以下となるように複数の送信アンテナから送信される信号にプレコーディングを行うプレコーダ、を備える。

本発明にかかる送信装置は、ＢＤ法に比べて送信ダイバーシチ利得を向上させることができるという効果を奏する。

実施の形態１にかかる通信システムの構成例を示す図である。 実施の形態１の基地局の構成例を示す図である。 実施の形態１の端末の構成例を示す図である。 実施の形態１の処理回路の構成例を示す図である。 実施の形態１の制御回路の構成例を示す図である。 実施の形態１のプレコーダ部における処理手順の一例を示すフローチャートを表す図である。 基地局送信アンテナ数Ｔ＝１６、端末数ｍ＝８、端末受信ブランチ数N_w＝２とした場合の、プレコーディング未適用時の平均ＳＮＲに対するプレコーディング適用時の平均ＳＮＲを示す図である。 実施の形態１のオーダリング部の処理手順の一例を示すフローチャートを表す図である。 オーダリング部を備えない基地局の構成例を示す図である。 実施の形態２の制御局の構成と制御局により制御される基地局を示す図である。 実施の形態２の基地局の構成例を示す図である。 実施の形態３の基地局の構成例を示す図である。 実施の形態３のプレコーダ部における処理手順の一例を示すフローチャートを表す図である。

以下に、本発明の実施の形態にかかる送信装置、受信装置、通信システムおよび送信プレコーディング方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる通信システムの構成例を示す図である。図１に示すように、本実施の形態の通信システムは、基地局１と、端末２−１〜端末２−ｍとを備える。ｍは、２以上の整数である。以下、端末２−１〜２−ｍをユーザと呼ぶこともある。また、端末２−１〜２−ｍを区別せずに示す場合は、端末２と記載する。基地局１は、複数のアンテナを備え、端末２−１〜２−ｍは、１本以上のアンテナを備えることとする。

本実施の形態では、基地局１からユーザ端末２への通信であるダウンリンク通信について説明する。したがって、基地局１は送信装置であり、端末２が受信装置である。本実施の形態の通信システムでは、ダウンリンク通信では、ＭＵ−ＭＩＭＯ方式を用いるとし、基地局１は、複数のアンテナから送信する送信信号に対してプレコーディングを実施して、複数の端末２を指向するビームを形成可能である。なお、基地局１と端末２とは、端末２が送信装置となり基地局１が受信装置となる通信、すなわちアップリンクの通信を行ってもよい。アップリンクの通信方法はどのような通信方式であってもよい。

ここで、まず、本実施の形態における用語について説明する。以下では、物理的な送信および受信アンテナを「アンテナ」と呼び、１つの装置が備える複数のアンテナの配列、すなわち、アンテナ群を「アレー」と呼ぶ。あるいはアレーに対応する複数の信号配列も、便宜上単にアレーと呼ぶことがある。また、複数の送信アンテナの配列を「送信アレー」と呼び、複数の受信アンテナの配列を「受信アレー」と呼ぶ。送信アレーまたは受信アレーにウェイトを示す行列であるウェイト行列を乗積した場合に観測される実効的なアンテナの数を「ブランチ」と呼ぶ。受信側のブランチである受信ブランチの数は、受信装置である端末２にパラレルに送信されるデータの数であり、端末２において乗積するウェイト行列である受信ウェイト行列の行数である。送信側のブランチである送信ブランチの数は、送信装置である基地局１において乗積するウェイト行列である送信ウェイト行列、すなわち送信プレコーディングの列数である。

端末２が備えるアンテナの数に制約は無く、端末２ごとにアンテナ数が異なる場合や、端末２ごとに受信ブランチ数が異なる場合にも本発明は適用可能である。ただし、説明を簡易にするため、以下の説明では、端末２が備えるアンテナの数は端末によらず、Ｒ（Ｒは１以上の整数）本であるとする。また、端末２では、受信アレーに対しN_w（N_w≦Ｒ）個のウェイト行列を乗積するとする。したがって、送信装置である基地局１から観測される端末２あたりの受信ブランチ数は端末２に依らずN_w本である。これにより、全端末分のブランチ数である総受信ブランチ数N_w,totalは、N_{w,total l}＝Σ_k=1 ^m(N_w)＝ｍ×N_wとなる。ここで、受信アレーに適用するウェイトはプレコーディング行列の算出において仮定されるものであって、任意のウェイトが適用可能である。例えば、N_w＝Ｒの場合のウェイトは単位行列であっても良く、または伝送路行列の固有ベクトル行列であっても良く、受信ウェイト行列にどのような行列を用いてもよい。また、以下の説明では、後述する所望端末あたりのＩＵＩ端末の数をＬ（Ｌ≧２）とすると、送信アンテナ数と受信ブランチ数は、ｔ≧N_w,total−Ｌ×N_w＝（ｍ−Ｌ)×N_wの関係を満たすものとする。

次に、ＭＵ−ＭＩＭＯ方式を採用する本実施の形態の通信システムにおけるダウンリンク通信を数式によりモデル化する。端末２−ｉ（ｉ＝１，…，ｍ）に送信する送信信号ベクトルをs（太字）_i(t)とし、端末２−ｉに対する電力配分を示す行列である送信電力配分行列をP（太字）_iとし、端末２−ｉに対応するプレコーディング行列すなわちビーム形成行列をB（太字）_iとする。また、基地局１のアンテナから端末２−ｉのアンテナまでのＲ×Ｔの真の伝送路行列をH（太字）（ハット）_iとし、端末２−ｉのN_w×Ｒの受信ウェイト行列をW（太字）_iとし、端末２−ｉの受信ウェイト乗積前の真の受信信号ベクトルをy（太字）_i(t)とする。さらに、端末２−ｉの受信ウェイト乗積後の受信信号ベクトルをr（太字）_i(t)とし、基地局１のアンテナから端末２−ｉのアンテナまでの伝送路における真の受信熱雑音ベクトルをn（太字）（ハット）_i(t)とする。このとき、本実施の形態の通信システムを数式によりモデル化したシステムモデルは、以下の式（１）で定義することができる。

更に受信ウェイト行列W（太字）_iと真の伝送路行列H（太字）（ハット）_iとを乗積したN_w×Ｔ行列を新たな伝送路行列H（太字）_iとし、真の受信熱雑音ベクトルn（太字）（ハット）_i(t)に受信ウェイト行列W（太字）_iとを乗積したN_w次ベクトルを新たな受信熱雑音ベクトルn（太字）_i(t)とすると、システムモデルは以下の式（２）で表すことができる。

上記式（２）は、以下の式（３）のように表現することができる。

ここで、H（太字）（バー）は、受信ウェイトの乗積後の基地局１のアンテナから全端末２の全ブランチまでの伝送路を示すN_w,total×Ｔのシステム伝送路行列であり、B（太字）（バー）は、基地局１における全端末２に対するＴ×N_stのシステムプレコーディング行列である。なお、N_stは、全端末２に対して並列して同時送信する総信号数である。P（太字）（バー）は全端末２への送信電力配分を定めた行列であるシステム送信電力行列であり、s（太字）（バー）(t)は、全端末２に対する送信信号を示すN_st次のシステム送信ベクトルであり、n（太字）（バー）(t)は受信ウェイト乗積後の全端末２に対する雑音ベクトルであるN_w,total次のシステム雑音ベクトルである。以下の式（４）に示すように、H（太字）（バー）とB（太字）（バー）との積は、送信ビーム形成による実効的なシステム伝送路行列H（太字）（バー）_eと捉えることができる。

式（４）で示した実効システム伝送路行列H（太字）（バー）_eにおいて、ブロック対角項、すなわち、H（太字）_iB（太字）_iの成分のみを残し、これら以外の成分である非ブロック対角項を零行列O（太字）とするプレコーディング行列を用いるプレコーディング手法がＢＤ法である。本実施の形態では、以下で詳細に説明するように、非ブロック対角項の全てを零行列O（太字）とせずに、干渉成分として送信信号の送信対象の端末２以外の１つの端末２の成分が残留するようなプレコーディング行列を用いる。これにより、送信アレーによるビーム形成の自由度を確保し、ＩＵＩを抑制しつつ、ＢＤ法に比べて送信対象の端末２におけるダイバーシチ利得を向上させることができる。

図２は、本実施の形態の基地局１の構成例を示す図である。基地局１は、一次変調部１１−１〜１１−ｍ、プレコーダ部１２、オーダリング部１３、送信波形整形部１４−１〜１４−Ｔ、アンテナ１５−１〜１５−Ｔおよび受信機１６を備える。一次変調部１１−ｉ（ｉ＝１，…，）は、端末２−ｉに送信する送信信号に対して一次変調を行い、一次変調した送信信号をプレコーダ部１２へ出力する。一次変調部１１−ｉが行う一次変調は、例えば、チャネル符号化、ＱＡＭ(Quadrature Amplitude Modulation)シンボル等の一次変調シンボルへのマッピングを含む。また、シングルキャリアブロック伝送方式を用いる際には、一次変調部１１−ｉが行う一次変調は、離散フーリエ変換処理も含む。一次変調部１１−１〜１１−ｍは、受信装置である端末２ごとに該端末２へ送信する送信信号を生成する信号生成部である。

プレコーダ部１２は、端末２−１〜２−ｍのうちの一次変調部１１−１〜１１−ｍから出力される送信信号の送信先となる端末２である第１の受信装置と端末２−１〜２−ｍのうちの第１の受信装置以外の２つ以上の端末２である第２の受信装置とを除く端末２である第３の受信装置における受信電力が０、すなわち閾値以下となるように複数の送信アンテナであるアンテナ１５−１〜１５−Ｔから送信される信号にプレコーディングを行うプレコーダである。第１の受信装置は、後述する所望端末であり、第２の受信装置は後述するＩＵＩ端末である。第２の受信装置であるＩＵＩ端末における受信電力は閾値より大きい。

具体的には、プレコーダ部１２は、一次変調部１１−１〜１１−ｍから出力される一次変調後の送信信号に対して後述する本実施の形態のシステムプレコーディング行列を乗積することによりプレコーディングを行い、プレコーディング後の送信信号をそれぞれ対応する送信波形整形部１４−１〜１４−Ｔへ出力する。オーダリング部１３は、プレコーダ部１２に対しプレコーディングにおける端末２の順序付けと端末２への電力配分を指示する。すなわち、オーダリング部１３は、プレコーディングにおける端末２の順序を決定する。送信波形整形部１４−１〜１４−Ｔは、プレコーディング後の信号に対し、それぞれ二次変調、デジタルアナログ(Ｄ／Ａ)変換、ベースバンド周波数から無線周波数（ＲＦ：Radio Frequency）への変換等を行い、処理後の信号をそれぞれアンテナ１５−１〜１５−Ｔを介して送信する。二次変調は、例えば、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplex）等のマルチキャリア方式を適用する場合にはマルチキャリア変調であり、シングルキャリアブロック伝送等のシングルキャリア方式を適用する場合にはシングルキャリア変調である。二次変調の変調方式に制約はなく、上述したＯＦＤＭ、シングルキャリアブロック伝送以外の変調を行ってもよい。送信波形整形部１４−１〜１４−Ｔは、ＯＦＤＭ、シングルキャリアブロック伝送等のブロック伝送を適用する場合には、例えば、Ｄ／Ａ変換前に離散逆フーリエ変換およびＣＰ(Cyclic Prefix)付加処理を行い、なお、ブロック伝送とは、ＯＦＤＭ、シングルキャリアブロック伝送に代表されるように離散フーリエ変換処理およびＣＰ付加により信号をブロック化する方式のことを示す。送信波形整形部１４−１〜１４−Ｔにおける信号処理は、デジタル処理であっても良くアナログ処理であっても良い。なお、一次変調部１１−１〜１１−ｍからプレコーダ部１２へ入力される送信信号は、式（３）におけるs（太字）（バー）(t)に対応し、プレコーダ部１２から送信波形整形部１４−１〜１４−Ｔへ出力される出力信号は、式（３）におけるB（太字）（バー）P（太字）（バー）s（太字）（バー）(t)に対応する。

プレコーダ部１２によるプレコーディングが実施されることにより、複数の送信アンテナであるアンテナ１５−１〜１５−Ｔは、複数の端末２のそれぞれに向けた複数のビームを形成可能である。

受信機１６は、端末２からアンテナ１５−１〜１５−Ｔを経由して受信した受信信号に対して受信処理を実施する。なお、ここでは、アンテナ１５−１〜１５−Ｔが送受信アンテナである例を示しているが、受信アンテナをアンテナ１５−１〜１５−Ｔとは別に備えてもよい。ただし、後述するプレコーディング行列の算出過程において、基地局１が、アップリンクの伝送路の推定結果をダウンリンクの伝送路情報として用いる場合には、アンテナ１５−１〜１５−Ｔは送受信アンテナであり、受信機１６は、アンテナ１５−１〜１５−Ｔから受信した受信信号に基づいて伝送路の推定を行う。伝送路の推定方法はどのような方法を用いてもよく、例えば、既知信号であるパイロット信号を用いた推定方法等を用いることができる。具体的には、端末２の複数のアンテナ間で直交するパイロット信号を端末２から送信し、基地局１の受信機１６では直交パイロットに従って端末２の各アンテナを識別して伝送路を推定することができる。また、後述するプレコーディング行列の算出過程において、基地局１が、端末２から受信した伝送路情報を用いる場合には、受信機１６は、受信した伝送路情報をプレコーダ部１２へ出力する。

図３は、本実施の形態の端末２の構成例を示す図である。端末２は、アンテナ２１−１〜２１−Ｒ、受信波形整形部２２−１〜２２−Ｒ、デコーダ部２３、復調部２４および送信機２５を備える。受信波形整形部２２−１〜２２−Ｒは、それぞれアンテナ２１−１〜２１−Ｒにより受信された受信信号に対して、無線周波数からベースバンド周波数へ変換する処理、アナログデジタル(Ａ／Ｄ)変換、信号フィルタ処理等を行い、処理後の受信信号をデコーダ部２３へ出力する。信号フィルタ処理は、例えば所望の周波数帯域の信号を抽出する処理である。また、ブロック伝送方式を適用する場合、受信波形整形部２２−１〜２２−Ｒは、ＣＰ除去処理と離散フーリエ変換処理も実施する。デコーダ部２３は、受信波形整形部２２−１〜２２−Ｒから入力される受信信号に対して所望の信号、すなわち自端末宛ての信号を抽出するための処理である後述するＭＩＭＯデコード処理を行い、処理後の信号を復調部２４へ出力する。デコーダ部２３は、基地局１から受信した信号から所望信号を抽出するデコーダである。デコーダ部２３は、ＭＩＭＯデコード処理の過程で、伝送路の推定処理を実施する。復調部２４は、デコーダ部２３から出力される信号に対してデマッピング処理、チャネル復号処理等を行い、基地局１から送信された信号を復元する。また、シングルキャリアブロック伝送方式を適用する場合は、復調部２４は、周波数歪みを補償する等化処理と離散逆フーリエ変換処理とを実施する。受信波形整形部２２−１〜２２−Ｒにおける信号処理はデジタル処理であっても良くアナログ処理であっても良い。

送信機２５は、送信信号を生成してアンテナ２１−１〜２１−Ｒから基地局１へ送信する。なお、ここでは、アンテナ２１−１〜２１−Ｒが送受信アンテナである例を示しているが、送信アンテナをアンテナ２１−１〜２１−Ｒとは別に備えてもよい。ただし、後述するプレコーディング行列の算出過程において、基地局１が、端末２から受信した伝送路情報を用いる場合には、送信機２５は、デコーダ部２３からデコーダ部２３が推定した伝送路の情報である伝送路情報を取得し、伝送路情報を基地局１へ送信する。また、後述するプレコーディング行列の算出過程において、基地局１が、アップリンクの伝送路の推定結果をダウンリンクの伝送路情報として用いる場合には、アンテナ２１−１〜２１−Ｒは送受信アンテナであり、送信機２５は、アンテナ２１−１〜２１−Ｒから送信信号を送信する。

次に、本実施の形態の基地局１および端末２のハードウェア構成について説明する。図１に示した基地局１を構成する各構成要素は、それぞれを電子回路およびアンテナ等のハードウェアとして実現できる。一次変調部１１−１〜１１−ｍは、マッパまたはモジュレータであり、一次変調に離散フーリエ変換処理を含む場合には、離散フーリエ変換処理回路が追加される。プレコーダ部１２は、プレコーディングを実施する処理回路であり、オーダリング部１３は、オーダリングを行う処理回路である。送信波形整形部１４−１〜１４−Ｔは、送信波形整形回路であり、具体的には、Ｄ／Ａコンバータ、周波数コンバータ等で構成される。また、送信波形整形部１４−１〜１４−ＴがＣＰ付加、逆離散フーリエ変換処理を行う場合には、送信波形整形部１４−１〜１４−Ｔは、ＣＰ付加回路、逆離散フーリエ変換処理回路を備える。

プレコーダ部１２、オーダリング部１３を実現する処理回路は、専用のハードウェアであっても、メモリとメモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）ともいう）とを備える制御回路であってもよい。ここで、メモリとは、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリー、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等の、不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋ）等が該当する。

プレコーダ部１２、オーダリング部１３が、専用のハードウェアで実現される場合、これらは、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、またはこれらを組み合わせたものである。処理回路が専用のハードウェアで実現される構成される場合、この処理回路は、例えば図４に示す処理回路５００である。

プレコーダ部１２、オーダリング部１３がＣＰＵを備える制御回路で実現される場合、この制御回路は例えば図５に示す構成の制御回路４００である。図５に示すように制御回路４００は、ＣＰＵであるプロセッサ４０１と、メモリ４０２とを備える。プレコーダ部１２、オーダリング部１３が図５に示すように制御回路４００により実現される場合、プロセッサ４０１がメモリ４０２に記憶された、プレコーダ部１２、オーダリング部１３のそれぞれの処理に対応するプログラムを読み出して実行することにより実現される。また、メモリ４０２は、プロセッサ４０１が実施する各処理における一時メモリとしても使用される。

また、一次変調部１１−１〜１１−ｍおよび送信波形整形部１４−１〜１４−Ｔのうちの少なくとも一部が、上記のプレコーダ部１２、オーダリング部１３と同様に、専用のハードウェアである処理回路または制御回路４００により実現されてもよい。

図２に示した端末２を構成する各構成要素は、それぞれを電子回路およびアンテナ等のハードウェアとして実現できる。受信波形整形部２２−１〜２２−Ｒは、受信波形整形回路であり、具体的には、Ａ／Ｄコンバータ、フィルタ、周波数コンバータ等で構成される。また、受信波形整形部２２−１〜２２−ＲがＣＰ除去、離散フーリエ変換処理を行う場合には、受信波形整形部２２−１〜２２−Ｒは、ＣＰ除去回路、離散フーリエ変換処理回路を備える。デコーダ部２３は、処理回路であり、復調部２４は、デモジュレータまたはデマッパである。復調部２４が等化処理、離散逆フーリエ変換処理等を行う場合には、復調部２４は、等化器、逆離散フーリエ変換回路等を含む。

デコーダ部２３を実現する処理回路は、専用のハードウェアで実現されてもよく、上述した制御回路４００により実現されてもよい。デコーダ部２３が図５に示すように制御回路４００により実現される場合、プロセッサ４０１がメモリ４０２に記憶された、デコーダ部２３の処理に対応するプログラムを読み出して実行することにより実現される。また、受信波形整形部２２−１〜２２−Ｒおよび復調部２４のうちの少なくとも一部が、上記のデコーダ部２３と同様に、専用のハードウェアである処理回路または制御回路４００により実現されてもよい。

次に、本実施の形態のプレコーダ部１２が、実施するプレコーディング処理について説明する。本実施の形態の通信システムにおけるシステムモデルは、上述の式（１）〜式（２）で述べた通りである。プレコーダ部１２は、プレコーディング行列を以下の手順により生成する。なお、以下の説明では、数式における説明には、送信波形整形部１４−１〜１４−Ｔおよび受信波形整形部２２−１〜２２−Ｒの処理を割愛しているが、プレコーディング行列の算出においてこれらの処理による影響は無い。また、以下では、基地局１のプレコーダ部１２の出力端と端末のデコーダ部２３の入力端との間を等価低域系で表現する。ここで、以下に説明するプレコーディング処理は、ＯＦＤＭまたはシングルキャリアブロック伝送においては離散周波数毎に独立して実施してもよく、周波数によらず帯域全体で一括して実施してもよい。

以下に示すプレコーディング行列算出の過程では、ダウンリンク方向の伝送路行列の情報、すなわち伝送路情報が必要となる。プレコーダ部１２が、伝送路行列を取得する方法には、特に制約は無いが、例えば、これはダウンリンクとアップリンクとで異なる周波数で通信が行われる周波数分割複信（ＦＤＤ：Frequency Division Duplex）を採用する通信システムである場合には、端末２から受信した、端末２において推定した伝送路情報を用いる。ダウンリンクとアップリンクとが時間分割複信（ＴＤＤ：Time Division Duplex）により行われる通信システムである場合は、送受の可逆性を利用することができる。このため、この場合は、端末２から受信した信号に基づいて、受信機１６が、アップリンク方向の伝送路を推定し、推定した伝送路をダウンリンクの伝送路情報として用いることができる。伝送路推定の方法は、上述した通り、どのような方法を用いてもよく、例えば、パイロット信号を用いた推定方法を用いることができる。

図６は、本実施の形態のプレコーダ部１２における処理手順の一例を示すフローチャートである。以下では、送信信号の宛先の端末２とする端末を所望端末と呼ぶ。まず、プレコーダ部１２は、オーダリング部１３により決定された順序に従って、所望端末を決定する。そして、所望端末に対するプレコーディング行列を求めるために、所望端末に対応する、ＩＵＩを許容する端末２であるＬ台、すなわちＬ個のＩＵＩ端末を選定する（ステップＳ１）。

上述したように、ＢＤ法では、所望端末以外の端末に対してはＩＵＩを避けるためにヌルを形成するようにビームをフォーミングする。これに対し、本実施の形態では、所望端末以外の１つの端末２に対してはＩＵＩを許容する。すなわち所望端末以外のＬ台の端末２に対してヌルを形成せず、所望端末以外のＬ台の端末２の方向に指向性を有するようにビームを形成する。

ＩＵＩ端末の選定方法としては、所望端末を端末２−ｉとするとき、端末２−ｉの伝送路行列であるH（太字）_iと相関の低い伝送路行列を持つ端末を選ぶ方法、各端末２の地理的情報に基づき所望端末と離れた位置の端末２を選ぶ、などが挙げられる。前者は、所望端末に対応するＩＵＩ端末を、所望端末と基地局１との間の伝送路行列と、所望端末以外の端末２と基地局１との間の伝送路行列との間の相関に基づいて選定する方法である。例えば、プレコーダ部１２は、所望端末以外の端末２を端末２−ｋとするとき、H（太字）_iと端末２−ｋの伝送路行列H（太字）_kとの相互相関行列H（太字）_k ^HH(太字)_iの対角項の二乗和をｋ＝ｉ以外の全ての端末２について求め、H（太字）_k ^HH(太字)_iの対角項の二乗和が小さい順にＬ台の端末２を選定する。また、後者は、所望端末と所望端末以外の端末２との間の地理的な離隔度に基づいて選定する方法である。後者の選定方法を用いる場合、例えば、基地局１が、各端末２の位置情報と基地局１の位置情報とに基づいて、基地局１から見込む端末２の方位角を端末２ごとに算出し、所望端末からの方位角が離れている順にＬ台の端末２を選定する。端末２の位置情報は、例えば、各端末２がＧＰＳ（Global Positioning System）を利用して求めた位置情報を端末２から受信することにより取得する。また、基地局１の位置情報としては、例えば、ＧＰＳを利用して求めた位置情報を用いる。なお、一度のプレコーディング行列算出において、ある端末２がＩＵＩ端末として選定される回数はＬ回までとする。すなわち、あるプレコーディングにおいて同一の端末を（Ｌ＋１）回以上重複してＩＵＩ端末として選定することはできない。

なお、後述するように、オーダリング部１３により、例えば隣接するすなわち次に並ぶ端末２との間の相互相関行列H（太字）_k ^HH(太字)_iの対角項の二乗和が小さくなるようにオーダリングが実施されている場合等には、端末２のインデックス順に所望端末とＬ台のＩＵＩ端末とをグルーピングする方法によりＩＵＩ端末を選択してもよい。

以下ではＩＵＩ端末数、すなわちＬを２とした例を挙げて説明するが、これに限らず、本発明はＬ≧2の任意のＩＵＩ端末数の場合について適用可能である。

次に、プレコーダ部１２は、ＩＵＩ端末を端末２−ｊ，２−ｋとするとき、システム伝送路行列から所望端末および２台のＩＵＩ端末の伝送路成分を除いた行列Ｈ（太字）（バー）_iを算出し（ステップＳ２）、Ｈ（太字）（バー）_iを特異値分解（ＳＶＤ：Singular Value Decomposition）する（ステップＳ３）。

システム伝送路行列Ｈ（太字）は、上述した通り、受信ウェイトの乗積後の基地局１のアンテナから全端末２の全ブランチまでの伝送路を示す行列であり、端末２ごとの伝送路行列に基づいて算出することができる。システム伝送路行列Ｈ（太字）から所望端末およびＩＵＩ端末の伝送路成分を除いた（N_w,total−（Ｌ＋１）×N_w)×Ｔ行列である行列Ｈ（太字）（バー）_iは、以下の式（５）で表すことができる。また、式（５）に示すように、Ｈ（太字）（バー）_iは、特異値分解ができるとし、プレコーダ部１２は、Ｈ（太字）（バー）_iを特異値分解する（ステップＳ３）。

ここで、U（太字）_iはH（太字）（バー）_iの左特異ベクトル行列であり、V（太字）_iは右特異ベクトル行列であり、Σ（太字）_iは特異値を対角項に持つ特異値行列である。Σ（太字）_iにおいて、対角項の特異値は大きさにより降べきの順となっているものとすると、式（５）に示したように、（N_w,total−（Ｌ＋１）×N_w)個の非零特異値で構成される部分対角行列Σ（太字）_i ^(s)と、（Ｔ−（N_w,total−（Ｌ＋１）×N_w)）個の零特異値に対応する零行列0（太字）に分けて表現できる。また、Σ（太字）_i ^(s)および零行列0（太字）のそれぞれに対応する右特異ベクトルV（太字）_i ^(s)およびV（太字）_i ⁽ⁿ⁾が存在する。第１の行列であるV（太字）_i ⁽ⁿ⁾を端末２−ｉのプレコーディング行列とすると、端末２−ｉに対する実効伝送路行列は以下の式（６）で表すことができる。このプレコーディング行列を用いると、端末２−ｉ、端末２−ｊおよび端末２−ｋ以外にはヌルステアリングされる。第１の行列を用いてプレコーディングを実施すると、端末２−ｉと端末２−ｊとを除いた端末２に対しては、ヌルが形成される。ヌルは、アンテナ１５−１〜１５−Ｔから送信される信号の受信電力が閾値以下となる、例えば受信電力が０となることを示す。

図６の説明に戻り、プレコーダ部１２は、式（６）における端末２−ｉに対応する成分である所望成分H（太字）_iV（太字）_i ⁽ⁿ⁾から、第２の行列である固有ベクトル行列V（太字）_i ^(e)を求める（ステップＳ４）。すなわち、プレコーダ部１２は、端末２−ｉに適した、すなわち端末２−ｉを指向するビーム空間を形成するための第２の行列を生成する。具体的には、プレコーダ部１２は、すなわち、H（太字）_iV（太字）_i ⁽ⁿ⁾を特異値分解する、またはH（太字）_iV（太字）_i ⁽ⁿ⁾の非負値エルミート行列（H（太字）_iV（太字）_i ⁽ⁿ⁾）^HH（太字）_iV（太字）_i ⁽ⁿ⁾に固有値分解を適用し、大きな固有値に対応する固有ベクトル行列V（太字）_i ^(e)を求める。大きな固有値とは複数の固有値を降べきの順に並べたときの前方側の固有値である。

次に、プレコーダ部１２は、所望端末すなわち端末２−ｉに対応するプレコーディング行列を求める（ステップＳ５）。具体的には、プレコーダ部１２は、以下の式（７）により、端末２−ｉに対応するプレコーディング行列を求める。本実施の形態では、式（７）に示すように、送信信号に対してV（太字）_i ⁽ⁿ⁾を乗積することにより、端末２−ｉと端末２−ｊとと端末２−ｋとを除いた空間に対してヌルステアリングした後に、V（太字）_i ^(e)を乗積することで、端末２−ｉと端末２−ｊと端末２−ｋとに対して信号空間を形成した上で、端末２−ｉにおける受信利得を向上させるビーム形成を実現することができる。すなわち、本実施の形態では、複数の送信アンテナから送信される信号に、所望端末とＬ台のＩＵＩ端末とを除く端末２における受信電力を閾値以下とするためのプレコーディング行列である第１の行列を乗算し、乗算結果に所望端末を指向するビームを形成するためのプレコーディング行列である第２の行列を乗算する。

プレコーダ部１２は、全ての端末２に対して処理、すなわちプレコーディング行列の算出処理を終了したか否かを判断し（ステップＳ６）、全ての端末２に対して処理を終了した場合（ステップＳ６ Ｙｅｓ）、システムプレコーディング行列B（太字）（バー）を算出し（ステップＳ７）、処理を終了する。システムプレコーディング行列B（太字）（バー）は、端末２ごとのプレコーディング行列を列方向に並べた行列である。全ての端末２に対して処理を終了していない場合（ステップＳ６ Ｎｏ）、所望端末を変更してステップＳ１へ戻る。

プレコーダ部１２は、まず、一次変調部１１−１〜１１−ｍから出力される送信信号にオーダリング部１３から通知された電力配分に基づいて生成した電力配分行列P（太字）（バー）を乗積し、以上の処理により算出したシステムプレコーディング行列B（太字）（バー）を乗積し、乗積結果を送信波形整形部１４−１〜１４−Ｔへ出力する。すなわち、プレコーダ部１２は、複数の送信アンテナから送信される信号に電力配分の結果に対応する電力配分行列とプレコーディングを実施するためのプレコーディング行列である上述したシステムプレコーディング行列B（太字）（バー）とを乗算する。式（１），（２），（３）からわかるように、電力配分行列は、端末２−ｉに配分された電力P（太字）_iの平方根を対角要素とする行列である。送信波形整形部１４−１〜１４−Ｔは、上述した処理を行って、処理後の信号をアンテナ１５−１〜１５−Ｔから送信する。

例えば、ｍ＝４とする。すなわち、４つの端末２が存在する場合に、プレコーダ部１２が、所望端末のＩＵＩ端末として、所望端末の次のインデックスの端末２とその次のインデックスの端末２とを選定するとする。すなわち、端末２−１へのビーム形成については端末２−２および端末２−３への与干渉を許容し、端末２−２へのビーム形成については端末２−３および端末２−４への与干渉を許容し、端末２−３へのビーム形成については端末２−４および端末２−１への与干渉を許容し、端末２−４へのビーム形成については端末２−１および端末２−２への与干渉を許容するとする。この場合、本実施の形態のシステムプレコーディング行列B（太字）（バー）を適用した場合の、実効システム伝送路行列は以下の式（８）で表すことができる。

ここで、所望端末における平均受信信号電力対雑音電力比（Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−Ｎｏｉｓｅ ｐｏｗｅｒ Ｒａｔｉｏ：ＳＮＲ）について、プレコーディングによる改善効果をシミュレーション結果から定量的に示す。図７は、基地局送信アンテナ数Ｔ＝１６、端末数ｍ＝８、端末受信ブランチ数N_w＝２とした場合の、プレコーディング未適用時の平均ＳＮＲに対するプレコーディング適用時の平均ＳＮＲを示すものである。このため、システム伝送路行列は１６×１６の行列であり、システム伝送路行列内の各要素は独立かつ同様の複素ガウス乱数とした。また、乱数試行回数は１００００回とした。図中の破線は従来のＢＤ法によるプレコーディングを適用した場合の特性（ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ）であり、実線は本実施の形態におけるプレコーディングを適用した場合の特性（ｉｎｖｅｎｔｅｄ）である。図７より、本発明の実施の形態におけるプレコーディングは従来のＢＤ法より平均ＳＮＲを改善できていることが分かる。例えば、プレコーディング未適用時のＳＮＲが２０ｄＢのケースで比較すると、本発明の実施の形態におけるプレコーディングを適用することで従来のＢＤ法に対して平均ＳＮＲを１０ｄＢ改善できている。これは、前述のとおり所望端末を指向するビームを形成することによりダイバーシチ効果が得られているためである。

次に、オーダリング部１３の処理について説明する。プレコーダ部１２が、ＩＵＩ端末を容易に選択できるようにするためには、端末２の並び順が重要になる。オーダリング部１３は、端末２の並び順を決定する。また、オーダリング部１３は、各端末２への電力配分を決定する。

図８は、本実施の形態のオーダリング部１３の処理手順の一例を示すフローチャートである。オーダリング部１３は、端末２の順序を決定する（ステップＳ１１）。オーダリング部１３は、決定した順序をプレコーダ部１２へ通知する。順序付けの方法としては、例えば、各端末２の伝送路利得（伝送路行列のフロベニウスノルムの二乗）の順とする、各基地局１と端末２との間の伝送路行列が持つ非負固有値あるいは非負特異値の大きい順または小さい順とする、隣接端末同士の地理的位置、例えば基地局１から見た方位角が近くなるようにまたは異なるように順序付けする、隣接端末同士の伝送路行列の相関、すなわち、前述した端末間の伝送路行列の相互相関行列の対角項の大きさが、高くなるようにまたは低くなるように順序付けする、などが挙げられるが、これらに限定されない。

オーダリング部１３が順序付けする順序は、所望端末の次の順番の端末２が、該所望端末に対応するＩＵＩ端末となるよう定められた順序としておくことができる。このような順序の例としては、隣接端末同士の地理的位置が近くなるようにまたは離れるように順序付けする、すなわち順番が連続する端末２が地理的に近接または離隔するように順序付けする方法、隣接端末同士の伝送路行列の相関が高くなるようにまたは低くなるように順序付けする、すなわち順番が連続する端末２の伝送路行列間の相関が高くなるようにまたは低くなるように順序付けする方法などがある。基地局１から見た方位角が異なるように順序付けする場合、例えば、１番目の端末２として任意の端末２を選択し、２番目の端末２として、１番目の端末２と最も地理的位置が離れた端末を選択し、３番目の端末２として、２番目の端末２と最も地理的位置が離れた端末２でありかつ順序付けされていない端末２を選択し、というように各インデックスに対応する端末２を選択していく。

オーダリング部１３は、端末２の電力配分を決定する（ステップＳ１２）。オーダリング部１３は、電力配分の結果、すなわち各端末２に配分された電力をプレコーダ部１２へ通知する。プレコーダ部１２は、電力配分の結果に基づいて、また、電力配分は、例えば、端末２の伝送路利得に基づき注水定理に従って実施する、または全端末２の受信品質を均質化するよう、すなわち、伝送路利得と配分した電力の積が全端末２の間で同等の値となるよう配分する、などが挙げられるが、これらに限定されない。なお、上記のステップＳ１１とステップＳ１２の順番は逆でもよい。

次に、端末２のデコーダ部２３における処理を説明する。上述した本実施の形態のシステムプレコーディング行列を用いて基地局１により形成されたビームを受信する受信装置である端末２で観測される伝送路成分を考える。上述のとおり、ここではＩＵＩ端末数Ｌを２と仮定しており、端末２−ｉでは、基地局１が端末２−ｐに宛てた信号と端末２−ｑに宛てた信号とが干渉信号として観測されるとする。すなわち、基地局１において、端末２−ｋのＩＵＩに端末２−ｉが選定されていたとする。このとき、端末２−ｉが受信する受信信号には、所望伝送路成分H（太字）_iB（太字）_iと端末２−ｐに宛てた信号による被干渉成分H（太字）_iB（太字）_pと端末２−ｑに宛てた信号による被干渉成分H（太字）_iB（太字）_qとが含まれるため、端末２−ｉが受信する受信信号r（太字）_i(t)は以下の式（９）で表すことができる。s（太字）_i(t)は、基地局１から端末２−ｉに宛てて送信された送信信号であり、ｓ（太字）_k(t)は、基地局１から端末２−ｋに宛てて送信された送信信号である。

端末２のデコーダ部２３は、受信信号r（太字）_i(t)から端末２−ｉに宛てて送信された送信信号s（太字）_i(t)を検出する。受信信号r（太字）_i(t)からの送信信号s（太字）_i(t)の検出は、一般的なＭＩＭＯデコード処理により実現可能である。例えば、「T. Ohgane, T. Nishimura, and Y. Ogawa, “Applications of Space Division Multiplexing and Those Performance in a MIMO Channel,” IEICE Trans. Commun., vol. E88-B, no. 5, pp. 1843-1851, May 2005.」に記載されているように、ＺＦ(Zero-Forcing)、最小平均二乗誤差（ＭＭＳＥ:Minimum Mean Square Error)基準に代表される線形検出法を適用可能である。または、最尤推定または干渉キャンセラ(ＩＣ:Interference Canceller)に代表される非線形検出法も適用可能であり、どのようなＭＩＭＯデコード処理を用いても良い。なお、デコーダ部２３が行うＭＩＭＯデコード処理は、信号処理は、受信ウェイト乗積後のr（太字）_i(t)へ実施する替わりに、受信ウェイト乗積前のy（太字）_i(t)に対して実施してもよい。この場合の、ＭＩＭＯデコード処理も一般的なＭＩＭＯデコード処理と同様である。

上記の説明では基地局１のアンテナ数Ｔおよび端末２の受信ブランチ数N_wはＴ≧N_w,total−N_w＝（ｍ−Ｌ）×N_wの関係を満たすものとしたが、端末２が備えるアンテナの数に制約は無く、端末２ごとにアンテナ数が異なる場合や、端末２ごとに受信ブランチ数が異なる場合にも本発明は適用可能である。例えばＩＵＩ端末数をＬ＝２とし、端末２−ｌのアンテナ数N_R,lとブランチ数N_w,lはN_R,l≧N_w,lの関係を満たし、所望端末である端末２−ｉに対するＩＵＩ端末を端末２−ｊ、端末２−ｋとすると、基地局１とどの所望端末の関係においてもＴ≧(Σ_l=1 ^m(N_w,l))−N_w,j−N_w,kを満たしていれば本発明を適用可能である。

また、上記の図２では、オーダリング部１３を備える例を示したが、オーダリング部１３を備えずに図９に示す構成としてもよい。図９は、オーダリング部１３を備えない基地局１ａの構成例を示す図である。図９では、図２の基地局１と同様の機能を有する構成要素は図２の基地局１と同一の符号を付している。図２に示す基地局１ａでは、オーダリング部１３による並び替えは行われないが、プレコーダ部１２が上述した選択方法により２台以上のＩＵＩ端末を選択して上述した動作を実施することができる。これにより、図９に示す基地局１ａにおいても、図２の基地局１によるビーム形成と同様に所望端末およびＩＵＩ端末以外に対してヌルを形成するビームを形成することができる。

以上のように、本実施の形態では、基地局１が、端末２ごとに与干渉を許容する２台以上のＩＵＩ端末を定め、所望端末およびＩＵＩ端末以外に対してヌルを形成するビームを形成するようにした。このため、ＩＵＩを抑制しつつ、ＢＤ法に比べて送信対象の端末２におけるダイバーシチ利得を向上させることができる。

実施の形態２．
図１０は、本発明にかかる実施の形態２の制御局３の構成と制御局３により制御される基地局１ｂ−１〜１ｂ−ｚを示す図である。ｚは２以上の整数である。実施の形態１では、基地局１が搭載するアンテナ１５−１〜１５−Ｔによりビームを形成する例を説明した。これに限らず、Ｔ本のアンテナが複数の基地局に分散して搭載されている場合にも、実施の形態１と同様のシステムプレコーディング行列を用いることができる。基地局１ｂ−１〜１ｂ−ｚを区別せずに示す場合は、基地局１ｂと記載する。本実施の形態では、基地局１ｂ−１〜１ｂ−ｚが有するアンテナの数の総数がＴであるとする。

図１０に示すように制御局３は、プレコーダ算出部３１、オーダリング部３２および送受信機３３を備える。プレコーダ算出部３１は、実施の形態１のプレコーダ部１２と同様の処理を実施する。すなわち、プレコーダ算出部３１は、基地局１ｂ−１〜１ｂ−ｚが送信する送信信号の送信先となる端末２である所望端末と所望端末以外の端末２であるＩＵＩ端末とを除く端末２における受信電力が閾値以下となるようにプレコーディングを行うためのプレコーディング行列を算出する。ただし、システムプレコーディング行列の算出に用いる伝送路情報については、送受信機３３経由で基地局１ｂ−１〜１ｂ−ｚから受信する。基地局１ｂ−１〜１ｂ−ｚが伝送路情報を取得する方法は、実施の形態１と同様である。オーダリング部３２は、実施の形態１のオーダリング部１３と同様の処理を実施する。送受信機３３は、基地局１ｂ−１〜１ｂ−ｚから受信した信号の受信処理と、基地局１ｂ−１〜１ｂ−ｚへ送信する信号に対する送信処理とを行う。送受信機３３は、プレコーダ算出部３１により算出されたプレコーディング行列であるシステムプレコーディング行列とオーダリング部３２により算出された電力配分とを基地局１ｂ−１〜１ｂ−ｚへそれぞれ送信する。基地局１ｂ−１〜１ｂ−ｚは各々が１本以上の送信アンテナを備える。

図１１は、本実施の形態の基地局１ｂの構成例を示す図である。図１１に示すように、基地局１ｂは、実施の形態１の基地局１に送受信機１７を追加し、プレコーダ部１２の替わりにプレコーダ部１２ａを備える以外は、実施の形態１の基地局１と同様である。ただし、送信波形整形部およびアンテナの数は、それぞれｃである。ｃは１以上の整数である。実施の形態１と同様の機能を有する構成要素は、実施の形態１と同一の符号を付して重複する説明を省略する。

送受信機１７は、制御局３から受信した信号の受信処理と、制御局３へ送信する信号に対する送信処理とを行う。送受信機１７は、伝送路情報を受信機１６から取得し制御局３へ送信する。また、送受信機１７は、制御局３から受信したシステムプレコーディング行列および電力配分をプレコーダ部１２ａへ出力する。プレコーダ部１２ａは、送受信機１７から受け取った電力配分に基づいて生成した電力配分行列P（太字）_iを乗積し、さらに送受信機１７から受け取ったシステムプレコーディング行列B（太字）（バー）を一次変調部１１−１〜１１−ｍから出力される送信信号に乗積して、乗積結果を送信波形整形部１４−１〜１４−ｃへ出力する。

次に、制御局３および基地局１ｂのハードウェア構成について説明する。基地局１ｂの構成要素のうち実施の形態１と同様の構成要素は、実施の形態１で述べたハードウェア構成により実現することができる。制御局３のプレコーダ算出部３１、およびオーダリング部３２は、処理回路である。プレコーダ算出部３１、およびオーダリング部３２は、実施の形態１のプレコーダ部１２、オーダリング部１３を実現する処理回路と同様に、専用のハードウェアであっても、メモリとメモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵを備える制御回路であってもよい。プレコーダ算出部３１、およびオーダリング部３２を実現する制御回路は、例えば、図５に示した制御回路４００である。また、プレコーダ部１２ａも処理回路であり、この処理回路も専用のハードウェアであっても、メモリとメモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵを備える制御回路であってもよい。プレコーダ部１２ａを実現する制御回路は、例えば、図５に示した制御回路４００である。

制御局３の送受信機３３は、送信機および受信機で構成される。基地局１ｂの送受信機１７も、送信機および受信機で構成される。

以上のように、本実施の形態では、制御局３が実施の形態１と同様のシステムプレコーディング行列B（太字）（バー）を算出し、基地局１ｂへシステムプレコーディング行列B（太字）（バー）を通知するようにした。このため、複数の基地局１ｂを備える場合にも、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
図１２は、本発明にかかる実施の形態３の基地局１ｃの構成例を示す図である。本実施の形態の基地局１ｃは、実施の形態１の基地局１のプレコーダ１２をプレコーダ部１２ｂに替え、非線形処理部１８を追加する以外は、実施の形態１の基地局１と同様である。本実施の形態の端末２−１〜２−ｍは、実施の形態１の端末２−１〜２−ｍと同様である。実施の形態１と同様の機能を有する構成要素は、実施の形態１と同一の符号を付して重複する説明を省略する。

本実施の形態では、端末２−１から端末２−（ｍ−Ｌ）までは実施の形態１と同様に所望端末ごとに１つのＩＵＩ端末を選定してプレコーディング行列を求める。Ｌは、実施の形態１で述べたＩＵＩ端末の数である。なお、ここでは、端末２−１から端末２−（ｍ−１）の符号の枝番号が、オーダリング部１３によるオーダリングの後の順序であるとし、オーダリング部１３は、所望端末の次のインデックスから順に端末２をＩＵＩ端末として選択可能なように並び替えが行われているとする。例えば、実施の形態１で述べたように、インデックスが連続する端末は地理的位置が離れているまたは伝送路行列の相関が低くなるようにオーダリングされているとする。本実施の形態では、最後からＬ台の端末２である端末２−（ｍ−Ｌ＋１）から端末２−ｍについては、ＩＵＩ端末の数をＬ未満とし、すなわちＩＵＩ端末の数を、端末２−１から端末２−（ｍ−Ｌ）まで各端末のＩＵＩ端末の数より削減する。

図１３は、本実施の形態のプレコーダ部１２ｂにおける処理手順の一例を示すフローチャートである。プレコーダ部１２ｂは、実施の形態１と同様に所望端末を選択し、所望端末が端末２−（ｍ−Ｌ＋１）から端末２−ｍまでの端末であるか否かを判断する（ステップＳ２０）。所望端末がｍ番目の端末２でない場合（ステップＳ２０ Ｎｏ）、ステップＳ１へ進む。ステップＳ１〜ステップ７は、実施の形態１と同様である。

所望端末が端末２−（ｍ−Ｌ＋１）から端末２−ｍまでの端末である場合（ステップＳ２０ Ｙｅｓ）、プレコーダ部１２ｂは、端末２−ｉ（ｉ≧ｍ−Ｌ＋１）に対応するＬ個より少ない、すなわちＬ台より少ない台数のＩＵＩ端末を選定する（ステップＳ２１）。端末２−ｉ（ｉ≧ｍ−Ｌ＋１）について、式（９）に示すシステム伝送路行列から所望伝送路成分を除いた行列H（太字）_i’（バー）を算出する（ステップＳ２２）。また、行列H（太字）_i’（バー）は、式（１０）に示すように、次の特異値分解ができるとし、プレコーダ部１２ｂは、行列H（太字）_i’（バー）を特異値分解する（ステップＳ２３）。

ここで、U（太字）_i’はH（太字）_i’（バー）の左特異ベクトル行列であり、V（太字）_i’は右特異ベクトル行列であり、Σ（太字）_i’は特異値を対角項に持つ特異値行列である。Σ（太字）_i’において、対角項の特異値は大きさにより降べきの順となっているものとすると、式（１０）に示したように、（N_w,total−N_w)個の非零特異値で構成される部分対角行列Σ（太字）_i’ ^(s)と、（Ｔ−（N_w,total−N_w)）個の零特異値に対応する零行列0（太字）に分けて表現できる。また、Σ（太字）_m ^(s)および零行列0（太字）のそれぞれに対応する右特異ベクトルV（太字）_i’ ^(s)およびV（太字）_i’ ⁽ⁿ⁾が存在する。V（太字）_i’ ⁽ⁿ⁾を端末２−ｉのプレコーディング行列とすると、端末２−ｉに対する実効伝送路行列は以下の式（１１）で表すことができる。このプレコーディング行列を用いると、端末２−ｉから端末２−ｍ以外にはヌルステアリングされる。

プレコーダ部１２ｂは、V（太字）_i’ ⁽ⁿ⁾を算出し、その後、式（１１）における所望端末である端末２−ｉ（ｉ≧ｍ-Ｌ＋１)に対応する成分、すなわち所望成分H（太字）_iV（太字）_i’ ⁽ⁿ⁾から、端末２−ｉに適したビーム空間を形成する。すなわち、H（太字）_iV（太字）_i’ ⁽ⁿ⁾にＳＶＤを適用し、または非負値エルミート行列(H（太字）_iV（太字）_i’ ⁽ⁿ⁾)^HH（太字）_iV（太字）_i’ ⁽ⁿ⁾に固有値分解を適用し、大きな固有値に対応する固有ベクトル行列V（太字）_i’ ^(e)を求める（ステップＳ２４）。大きな固有値とは閾値以上となる固有値である。V（太字）_i’ ⁽ⁿ⁾によるヌルステアリング後にV（太字）_i’ ^(e)を乗積することで、端末２−ｉから端末２−ｍのみに信号空間を形成した上で、端末２−ｉにおける受信利得を向上させるビーム形成を実現することができる。以上より、本実施の形態における端末２−ｉに対するプレコーディング行列は、次式（１２）で表すことができる。

図１３の説明に戻り、プレコーダ部１２ｂは、ｉ＝（ｍ−Ｌ＋１）からｍまでについて、式（１２）に基づいて、端末２−ｉのプレコーディング行列を算出し（ステップＳ２５）、ステップＳ６へ進む。

上述したように、ｉ≦ｍ−Ｌの場合、端末２−（ｉ＋１）から端末２−（ｉ＋Ｌ＋１）までの端末をＩＵＩ端末とし、ｉ≧ｍ−Ｌ＋１の場合、端末２−ｉから端末２−ｍを除く端末すなわち端末２−１から端末２−（ｉ−１）までの端末に対するヌルステアリングを実現するプレコーディング行列を求め、システム伝送路に適用すると、式（１３）に示す実効システム伝送路行列が観測される。なお、式（１３）の例示ではｍ＝６，Ｌ＝２，ｉ＝５としている。

本実施の形態では、ステップＳ７では、端末２−１〜２−（ｍ−Ｌ）のプレコーディング行列としてはステップＳ５で算出されたプレコーディング行列を用い、端末２−（ｍ−Ｌ＋１）から端末２−ｍのプレコーディング行列としてはステップＳ２５で算出されたプレコーディング行列を用いて、システムプレコーディング行列を生成する。すなわち、Ｋを２以上の整数とし（Ｋ＝ｍ−Ｌ）、Ｌを２以上の整数とするとき、オーダリング部１３により順序付けされた端末のうちの第１番目から第Ｋ番目までの端末２を所望端末とするプレコーディング行列は、所望端末とＬ台のＩＵＩ端末とを除く端末２である第４の受信装置に対する受信電力が閾値以下となるようにプレコーディングを行うための行列である。一方、Ｋ＋１番目以降の前記端末２を所望端末とするプレコーディング行列は、所望端末とＬ台より少ない台数の前記ＩＵＩ端末とを除く端末２である第３の受信装置における受信電力が閾値以下となるようにプレコーディングを行うための行列である。なお、Ｌ台より少ない台数には０台も含む。

式（１３）から分かるように、実施の形態１の式（８）と異なり、本実施の形態における実効システム伝送路行列はブロック下三重対角化されていることが分かる。すなわち、所望端末に対応する成分が対角成分に存在し、対角成分の下すなわち２および３階層目にＩＵＩ端末の成分が存在する階層化が実現されている。これにより、次に述べるように送信側で逐次干渉除去を行う非線形ＭＵ−ＭＩＭＯ処理が適用可能となる。

プレコーダ部１２ｂは、以上の処理により算出したシステムプレコーディング行列B（太字）（バー）と一次変調部１１−１〜１１−ｍから出力される送信信号と電力配分とを非線形処理部１８へ出力する。非線形処理部１８では、上記のブロック下三重対角化を利用して、以下に示すように、受信側で干渉信号となる成分を送信側で予め除去する処理を実施する。

非線形処理部１８は、プレコーダ部１２ｂから出力される信号に対して非線形ＭＵ−ＭＩＭＯ処理を実施する。式（１３）より、プレコーダ部１２ｂから出力された信号が端末２−ｉで受信された場合の受信信号は、以下の式（１４）で表すことができる。

なお、式（１４）の右側第２項は干渉項であり、端末２−１の場合には当該項は発生しない。したがって、送信信号s（太字）₁(t)は、既知となる。これを利用して、s（太字）₂(t)を求めるというように、逐次、求めていく。端末２−（ｉ−Ｌ）から端末２−（ｉ−１）に対する送信信号s（太字）_i-L(t)，…，s（太字）_i-1(t)が既知であるとすると、s（太字）_i(t)を式（１５）で与えられる信号に補正することで、受信側における干渉を除去可能である。

したがって、非線形処理部１８は、上記式（１５）に従って、s（太字）_i(t)を補正する。端末２−１はＩＵＩ端末として設定されない、すなわち端末２−１の受信信号にはＩＵＩが生じないため、端末２−１への送信信号s（太字）₁(t)には、上記の補正を施す必要は無い。このため、s（太字）₁(t)を既知として、s（太字）₂(t)を補正し、補正後のs（太字）₂(t)を用いてs（太字）₃(t)を補正し、というように順次送信信号を決定していくことで、受信側において生じるＩＵＩを送信側、すなわち基地局１ｃにおいて予め除去できる。すなわち、非線形処理部１８は、ＩＵＩ端末として設定されない端末２の送信信号から順次送信信号を決定して干渉を除去する逐次干渉除去を行う干渉除去部である。本実施の形態では、上記のようにＩＵＩ端末として設定されない端末２の送信信号から順次送信信号を決定して干渉を除去する処理を逐次干渉除去と呼ぶ。本実施の形態のシステムプレコーディング行列を適用することにより、端末数に比例して送信干渉キャンセル数が増大する一般的な非線形ＭＵ-ＭＩＭＯ処理とは異なり、干渉キャンセル数はＬ端末分のみに限定することができる。このため、一般的な非線形ＭＵ-ＭＩＭＯ処理に比べ、演算量削減と信号減算による悪化を抑えることができる。

非線形処理部１８は、送信信号に逐次干渉除去を施し、その後電力配分に基づいて生成した電力配分行列P（太字）_iを乗積し、さらに以上の処理により算出したシステムプレコーディング行列B（太字）（バー）を乗積したものを送信波形整形部１４−１〜１４−Ｔへ出力する。

ただし、式（１５）で与えられる送信処理により、実際に送信される信号は膨張あるいは縮小が生じ、不安定となる。このため、非線形処理部１８は、「H. Harashima and H. Miyakawa, “Matched-Transmission Technique for Channels With Intersymbol Interference,” IEEE Trans. Commun., vol.20, Aug. 1972.」に開示されているモジュロ演算、または「B.M. Hochwald, C.B. Peel, and A.L. Swindlehurst, “A Vector-Perturbation Technique for Near-Capacity Multiantenna Multiuser Communication−Part II: Perturbation,” IEEE Trans. Commun., vol.53, no.3, pp.537-544, March 2005.」に開示されている摂動処理により、送信信号波形を安定化させる処理を施しても良い。

次に、基地局１ｃのハードウェア構成について説明する。基地局１ｃの構成要素のうち実施の形態１と同様の構成要素は、実施の形態１で述べたハードウェア構成により実現することができる。本実施の形態のプレコーダ部１２ｂおよび非線形処理部１８は、処理回路である。プレコーダ部１２ｂおよび非線形処理部１８は、専用のハードウェアであっても、メモリおよびメモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵを備える制御回路であってもよい。プレコーダ部１２ｂおよび非線形処理部１８を実現する制御回路は、例えば、図５に示した制御回路４００である。

以上のように、本実施の形態では、端末２−１から２−（ｍ−Ｌ）までは、実施の形態１と同様にＬ台のＩＵＩ端末を設定し、端末２−（ｍ−Ｌ＋１）から２−ｍまでは、ＩＵＩ端末をＬ台未満としてシステムプレコーディング行列を生成し、非線形処理部１８により受信側で生じる干渉を送信側であらかじめ除去するように送信信号を補正するようにした。このため、実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、マルチユーザ空間を階層化することができ、演算量削減と信号減算による悪化を抑えた非線形ＭＵ-ＭＩＭＯ方式を実現することができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１，１ａ，１ｂ−１〜１ｂ−ｚ，１ｃ 基地局、２−１〜２−ｍ 端末、３ 制御局、１１−１〜１１−ｍ 一次変調部、１２，１２ａ，１２ｂ プレコーダ部、１３，３２ オーダリング部、１４−１〜１４−Ｔ，１４−ｃ 送信波形整形部、１５−１〜１５−Ｔ，１５−ｃ，２１−１〜２１−Ｒ アンテナ、１６ 受信機、１７，３３ 送受信機、１８ 非線形処理部、２２−１〜２２−Ｒ 受信波形整形部、２３ デコーダ部、２４ 復調部、２５ 送信機、３１ プレコーダ算出部。

Claims (15)

1. 複数の受信装置のそれぞれに向けた複数のビームを形成可能な複数の送信アンテナと、
   前記複数の受信装置のうちの送信信号の送信先となる第１の受信装置と前記複数の受信装置のうちの２つ以上である第２の受信装置とを除く前記複数の受信装置である第３の受信装置における受信電力が閾値以下となるように前記複数の送信アンテナから送信される信号にプレコーディングを行うプレコーダ、
   を備えることを特徴とする送信装置。
2. 前記第２の受信装置における受信電力は前記閾値より大きいことを特徴とする請求項１に記載の送信装置。
3. 前記複数の送信アンテナから送信される信号に、前記第３の受信装置における受信電力を閾値以下とするためのプレコーディング行列である第１の行列を乗算し、乗算結果に前記第１の受信装置を指向するビームを形成するためのプレコーディング行列である第２の行列を乗算することを特徴とする請求項１または２に記載の送信装置。
4. 前記第１の受信装置に対応する前記第２の受信装置を、前記第１の受信装置と前記送信装置との間の伝送路行列と、前記第１の受信装置以外の前記受信装置と前記送信装置との間の伝送路行列との間の相関に基づいて選定することを特徴とする請求項１、２または３に記載の送信装置。
5. 前記第１の受信装置に対応する前記第２の受信装置を、前記第１の受信装置と前記第１の受信装置以外の前記受信装置との間の地理的な離隔度に基づいて選定することを特徴とする請求項１、２または３に記載の送信装置。
6. 前記プレコーディングにおける前記受信装置の順序を決定するオーダリング部、
   を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の送信装置。
7. 前記オーダリング部は、前記受信装置に対する電力配分を実施し、
   前記プレコーダは、前記複数の送信アンテナから送信される信号に前記電力配分の結果に対応する電力配分行列と前記プレコーディングを実施するためのプレコーディング行列とを乗算することを特徴とする請求項６に記載の送信装置。
8. 前記順序は、前記第１の受信装置の次の順番の前記受信装置が、該第１の受信装置に対応する前記第２の受信装置となるよう定められた順序であることを特徴とする請求項６に記載の送信装置。
9. 前記オーダリング部は、順番が連続する前記受信装置が地理的に近接するようにまたは離隔するように順序付けする、ことを特徴とする請求項８に記載の送信装置。
10. 逐次干渉除去を行う干渉除去部、を備え、
    Ｋを２以上の整数とし、Ｌを２以上の整数とするとき、前記オーダリング部により順序付けされた前記複数の受信装置のうちの第１番目から第Ｋ番目までの前記受信装置を前記第１の受信装置とするプレコーディング行列は、前記第３の受信装置における受信電力が閾値以下となるようにプレコーディングを行うための行列であり、前記複数の受信装置のうちＫ＋１番目以降の前記受信装置を前記第１の受信装置とするプレコーディング行列は、前記第１の受信装置とＬ台より少ない台数の前記第２の受信装置とを除く前記複数の受信装置である第４の受信装置における受信電力が閾値以下となるようにプレコーディングを行うための行列であり、
    前記干渉除去部は、前記逐次干渉除去として、逐次、次の順番の前記受信装置において生じる干渉を除去する処理を実施することを特徴とする請求項８または９に記載の送信装置。
11. 前記オーダリング部は、前記順序を前記送信装置と前記受信装置との間の伝送路行列が持つ非負固有値または非負特異値の大きい順とすることを特徴とする請求項６または７に記載の送信装置。
12. 前記オーダリング部は、前記順序を前記送信装置と前記受信装置との間の伝送路行列が持つ非負固有値または非負特異値の小さい順とすることを特徴とする請求項６または７に記載の送信装置。
13. 請求項１から１２のいずれか１つに記載の送信装置から送信された信号を受信する受信装置であって、
    前記送信装置から受信した信号から所望信号を抽出するデコーダを備えることを特徴とする受信装置。
14. 複数の送信装置に搭載された複数の送信アンテナにより複数の受信装置のそれぞれに向けた複数のビームを形成可能な通信システムにおける制御局であって、
    前記複数の受信装置のうちの送信信号の送信先となる第１の受信装置と前記複数の受信装置のうちの２つ以上である第２の受信装置とを除く前記複数の受信装置である第３の受信装置における受信電力が閾値以下となるようにプレコーディングを行うためのプレコーディング行列を算出するプレコーダ算出部と、
    前記プレコーディング行列を前記複数の送信装置へ送信する送受信機と、
    を備えることを特徴とする制御局。
15. 複数の受信装置のそれぞれに向けた複数のビームを形成可能な複数の送信アンテナを備える送信装置における送信プレコーディング方法であって、
    送信信号の送信先となる前記受信装置である第１の受信装置と前記第１の受信装置以外の前記受信装置である２台以上の第２の受信装置とを決定する第１のステップと、
    前記第１の受信装置と前記第２の受信装置とを除く前記複数の受信装置における受信電力が閾値以下となるように前記複数の送信アンテナから送信される信号にプレコーディングを行う第２のステップと、
    を含むことを特徴とする送信プレコーディング方法。

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