JP6536159B2 - 無線通信装置およびウェイト行列の決定方法 - Google Patents
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Description
このようなマルチアンテナ技術に関する用語として、MIMO(Multiple Input Multiple Output)がある。MIMOとは、通信用語として用いられる場合、送信側及び受信側両方が複数のアンテナを用いる通信方式を指すことが多いが、マルチアンテナ技術全般を指して使われることもある(例えば、非特許文献1参照)。
(1)空間ダイバーシチ(Spatial Diversity)
(2)合成利得(Coherent Gain)
(3)干渉波除去(Interference Mitigation)
(4)空間多重(Spatial Multiplexing)
前記合成利得は、受信側・送信側の各アンテナの信号に対して伝搬路の情報(振幅、位相の変化)を利用した重み(ウェイト)をかけることで、希望方向からの受信電力と雑音の比を大きくすることである。
前記空間多重は、干渉波除去を応用して同時に複数の通信路を確立する方法である。一人のユーザが複数のアンテナから異なる信号を送信して通信容量を増やす方法と、複数のユーザが同時に通信を行って周波数利用効率を高める方法とがある。後者の方法は、SDMA(Space Division Multiple Access)と呼ばれる。
最初に本発明の実施形態の内容を列記して説明する。
(1)本発明の実施形態に係る無線通信装置は、同一の領域向けの複数の送信信号を生成するベースバンド部と、複数のアンテナ素子を有するアンテナと、前記ベースバンド部で生成された複数の送信信号それぞれを前記複数のアンテナ素子それぞれに対応して分配し、分配された複数の送信信号それぞれにウェイト行列の対応する成分を乗算した後に各アンテナ素子に対応する送信信号同士を合成する信号処理部と、を備えている。
ここで、「領域」とは、単一のセクタ、または複数のセクタに分割されていない単一のセルであって、無線通信装置と無線通信を行う移動端末がハンドオーバーせずに移動可能な領域を意味する。
また、移相器は増幅器の前段に設けられるため、移相器には増幅前の送信信号が与えられる。増幅前の送信信号は、増幅後の送信信号と比較してより低い電力であるため、取り扱うことが可能な信号電力の値が比較的低い移相器の使用が可能となる。これにより、より小型で低コストな移相器を用いることが可能となり、より低コストとすることができるとともに小型化も可能となる。
この場合、ベースバンド部で生成された送信信号の分配から合成までの信号処理をデジタル信号処理によって行うことができるため、当該信号処理をアナログ信号処理によって行う場合と比較して高度な通信制御を行うことができる。
前記アンテナよりも前段側に設けられ、複数の送信信号それぞれを増幅する複数の増幅器をさらに備えていてもよい。
この場合、ベースバンド部で生成された送信信号の分配から合成までの信号処理をデジタル信号処理によって行うことができるため、当該信号処理をアナログ信号処理によって行う場合と比較して高度な通信制御を行うことができる。
ここで、ウェイト行ベクトル同士またはウェイト列ベクトル同士が互いに「直交している」とは、2つのウェイト行ベクトルまたはウェイト列ベクトルの相互相関の和が0になることを意味する。
この場合、同一の領域向けの複数の送信信号の相互相関を小さくすることができる。
このため、前記ウェイト行列は、離散コサイン変換行列に基づいて生成されるものであるのが好ましい。この場合、移動端末は、一のアンテナから送信された複数の送信信号をバランス良く受信することができる。これにより、移動端末が複数の送信信号を受信したときに送信信号間の電力はばらつかないため、離散フーリエ変換行列に基づいてウェイト行例を生成する場合に比べてMIMO通信の効果を発揮しやすくなる。
以下、本発明の実施形態について添付図面に基づき詳細に説明する。
<無線通信装置の全体構成について>
図1は、本発明の第1実施形態に係る無線通信装置を示す図である。図中、無線通信装置1は、例えば、LTE(Long Term Evolution)が適用される携帯電話用の無線通信システムにおいて基地局装置として用いられるものであり、携帯電話といった移動端末(図示せず)と無線通信を行う機能を有している。
図1に示すように、無線通信装置1は、ベースバンド部であるベースバンドユニット(BBU)2と、アンテナシステム3とを備えている。
ベースバンドユニット2は、上位ネットワークから与えられる送信データに対してデジタル変調処理を行い、デジタル信号として、同一のセルC(後述)向けの複数の送信ベースバンド信号を生成する機能を有している。
ベースバンドユニット2は、送信データを変調して得た送信ベースバンド信号(I/Q信号)を信号伝送路4を介してアンテナシステム3に与える。
このように、ベースバンドユニット2は、無線通信によって送受信されるデータ及びベースバンド信号に対してデジタル変復調処理等の処理を行う機能を有している。
各アンテナ6は、無線通信装置1の周囲を3つに分割したときの内の1つの領域が移動端末との間で通信可能な領域であるセルCとして設定される。
アンテナシステム3は、3つのアンテナ6を備えることで、移動端末との間で通信可能なセルCを当該アンテナシステム3の周囲に形成する。
なお、本実施形態における「領域」はセクタ分割なしの単一のセルCとされているが、単一のセルCを複数のセクタに分割している場合には単一のセクタを「領域」としても良い。すなわち、「領域」は、無線通信装置1と無線通信を行う移動端末がハンドオーバーせずに移動できる領域であれば良い。
図2は、第1実施形態に係るアンテナシステム3の送信側の構成を示したブロック図である。本実施形態におけるアンテナシステム3は、送信信号の分配、位相調整および合成等の信号処理をアナログ信号処理によって行うように構成されたアクティブアンテナシステムからなる。
アンテナシステム3は、デジタル信号処理部10と、アナログ信号処理部7と、アンテナ6とを備えている。アンテナ6は、複数(図例では6つ)のアンテナ素子9と、これらのアンテナ素子9それぞれに対応する複数(図例では6つ)の電力増幅器18とを有している。
デジタル信号処理部10は、第1送信ベースバンド信号及び第2送信ベースバンド信号に対し必要に応じてデジタル信号処理を行った後、これら送信ベースバンド信号をアナログ信号処理部7に与える。
アナログ信号処理部7は、複数のデジタルアナログ変換器11と、複数のアップコンバータ12と、分配器14と、複数の可変減衰器15と、複数の移相器16と、複数の合成器17とを備えている。
デジタルアナログ変換器11(11a、11b)は、アナログ信号に変換した第1送信ベースバンド信号および第2送信ベースバンド信号をアップコンバータ12に与える。
アップコンバータ12bは、発振器13が生成する無線周波数のローカル信号を第2送信ベースバンド信号に乗算することで第2送信ベースバンド信号を無線周波数の信号(第2無線周波数信号)に変換(アップコンバート)する機能を有している。
アップコンバータ12(12a、12b)は、第1送信ベースバンド信号を周波数変換することにより得た第1無線周波数信号、および第2送信ベースバンド信号を周波数変換することにより得た第2無線周波数信号を分配器14に与える。
また、分配器14bは、第2無線周波数信号を複数のアンテナ素子9それぞれに対応して複数に分配する。
本実施形態において、アンテナ6はアンテナ素子9を6つ備えているので、分配器14a、14bは、アップコンバータ12から与えられる無線周波数信号を6つに分配する。
各合成器17は、互いに同一のアンテナ素子に対応して分配された無線周波数信号同士を合成するように構成されている。
各合成器17は、これら同一のアンテナ素子9に対応する無線周波数信号同士を合成し、その合成信号を出力する。
各アンテナ素子9に与えられた合成信号は、各アンテナ素子9から空間に放射され、無線信号として送信される。
第1可変減衰器15aおよび第2可変減衰器15bは、いずれも複数のアンテナ素子9それぞれに対応して複数(6つ)設けられている。
複数の第1可変減衰器15aは、分配器14aによって分配された第1無線周波数信号それぞれに対して利得調整を行う。
複数の第2可変減衰器15bは、分配器14bによって分配された第2無線周波数信号それぞれに対して利得調整を行う。
このように、可変減衰器15は、複数のアンテナ素子9における複数の送信信号(第1無線周波数信号および第2無線周波数信号)ごとに利得調整を行う。
複数の第1移相器16aは、第1可変減衰器15aによって利得調整された第1無線周波数信号それぞれに対して位相調整を行う。これによって、複数の第1移相器16aは、第1無線周波数信号が複数のアンテナ素子9のそれぞれから送信されたときの当該アンテナ素子9のチルト角(指向性)を制御することができる。
複数の第2移相器16bは、第2可変減衰器15bによって利得調整された第2無線周波数信号それぞれに対して位相調整を行う。これによって、複数の第2移相器16bは、第2無線周波数信号が複数のアンテナ素子9のそれぞれから送信されたときの当該アンテナ素子9のチルト角(指向性)を制御することができる。
各合成器17は、これら同一のアンテナ素子9に対応する第1無線周波数信号および第2無線周波数信号を合成し、合成信号を出力する。
また、各アンテナ素子9から送信される第2無線周波数信号は、複数の第2移相器16bによるチルト角を、複数の第1移相器16aによるチルト角とは異なるように制御されて送信される。
これによって、アンテナシステム3は、同一の領域に向けて互いに異なるチルト角で複数の信号を送信信号を送信することができる。
図3は、無線通信装置1の制御構成を示すブロック図である。
無線通信装置1は、複数の可変減衰器15および複数の移相器16をそれぞれ個別に制御する制御部30を備えている。
制御部30は、CPUや記憶部等を含むコンピュータによって構成されており、記憶部に記憶されたプログラム等を読み出して以下に説明する当該制御部30が有する各機能部を実現するとともに各種処理を実行する機能を有している。
制御部30は、ベースバンドユニット2から受けた制御情報に基づいて、分配器14により分配された複数の無線周波数信号に乗算するウェイト行列を決定する機能を有している。そして、制御部30は、決定されたウェイト行列の各成分を分配器14により分配された複数の無線周波数信号に乗算するために、当該各成分に基づいて対応する可変減衰器15および移相器16を制御する機能を有している。
y=wHx ・・・(1)
ここで、上付のHは、複素共役転置を表す。
例えば、制御部30は、図3中、紙面上最も上側に分配された第1無線周波数信号には、ウェイト行ベクトルw1(w11・・・w16)の一の成分w11を乗算するために、紙面上最も上側に位置する可変減衰器15aおよび移相器16aを成分w11に基づいて制御する。
例えば、制御部30は、図3中、紙面上最も下側に分配された第2無線周波数信号には、ウェイト行ベクトルw2(w21・・・w26)の一の成分w26を乗算するために、紙面上最も下側に位置する可変減衰器15bおよび移相器16bを成分w26に基づいて制御する。
なお、本実施形態のウェイト行列wは、ウェイト行ベクトルを無線周波数信号に乗算するように設定されているが、ウェイト列ベクトルを乗算するように設定されていても良い。
図3において、制御部30は、ウェイト行列wの各ウェイト行ベクトルw1,w2の候補として複数のウェイト候補を選択する選択部31と、選択されたウェイト候補のうちからウェイト行ベクトルw1,w2を決定する決定部32とを有している。
具体的には、決定部32は、まず選択された複数のウェイト候補のうちから、任意の2個のウェイト候補を2つのウェイト行ベクトルw1,w2として実際に無線通信を行うことによって、その通信品質を判定する。
そして、決定部32は、最も所望の通信品質を満たす一組をウェイト行ベクトルw1,w2として決定する。
まず、制御部30の選択部31は、第1無線周波数信号および第2無線周波数信号それぞれに対応するウェイト行ベクトルw1,w2の候補として、離散コサイン変換行列BのN個の行ベクトルから、ウェイト行ベクトルw1,w2の数よりも多いk個のウェイト候補を、ビームのチルト角に基づいて選択する(ステップS1、選択ステップ)。
一方、ステップS6の判定結果が肯定的である場合、決定部32は、変数i=i+1に設定した後(ステップS8)、変数i=kであるか否かを判定する(ステップS9)。
一方、ステップS9の判定結果が肯定的である場合、すなわち、選択されたk個のウェイト候補のうち2個一組として組み合わせ可能な全ての組についての通信品質の判定が終了すると、決定部32は、最も所望の通信品質を満たすウェイト候補の組を、ウェイト行列wのウェイト行ベクトルw1,w2として決定する(ステップS10、決定ステップ)。
本実施形態のウェイト行列wは、DCT行列に基づいて生成されているが、離散フーリエ変換(Discrete Fourier Transform;DFT)行列に基づいて生成されていても良い。この場合、DFT行列B’のm行n列の成分B’mnは、下記式(7)のように表される。
なお、ウェイト行列wは、DCT行列、DFT行列及びアダマール変換行列以外の他の行列に基づいて生成されていても良い。
図5は、ウェイト行列をDFT行列に基づいて生成した場合におけるアンテナの垂直面指向性を示す図である。また、図6は、ウェイト行列をDCT行列に基づいて生成した場合におけるアンテナの垂直面指向性を示す図である。
なお、図5及び図6に示す両アンテナでは、4つの送信信号を送信した場合の垂直面指向性を示しており、各送信信号の垂直面指向性は、線種を、太実線、点線、細実線及び破線に分けて表示している。
以上、本実施形態の無線通信装置1によれば、ベースバンドユニット2で生成された同一の領域向けの複数の送信信号それぞれを、一のアンテナ6が有する複数のアンテナ素子9それぞれに対応して分配し、分配された複数の送信信号それぞれにウェイト行列を乗算して各アンテナ素子9に対応する送信信号同士を合成することになる。このため、同一の領域向けの複数の送信信号を、一のアンテナ6を共用して送信することができる。この結果、同一の領域向けの複数の送信信号を、その送信信号の数よりも少ない数のアンテナ6により送信することができる。
また、ウェイト行列wは、DCT行列Bに基づいて生成されるので、移動端末は一のアンテナ6から送信された複数の送信信号をバランス良く受信することができる。これにより、移動端末が複数の送信信号を受信したときに送信信号間の電力はばらつかないため、DFT行列に基づいてウェイト行例wを生成する場合に比べてMIMO通信の効果を発揮しやすくなる。
図7は、本発明の第2実施形態に係る無線通信装置1が備えるアンテナシステム3の送信側の構成を示すブロック図である。
本実施形態におけるアンテナシステム3は、送信信号の分配、位相調整および合成等の信号処理をアナログ信号処理によって行うように構成されたパッシブアンテナシステムからなる。すなわち、本実施形態のアンテナシステム3は、電力増幅器18がアンテナ6よりも前段側に設けられている点で、第1実施形態のアンテナシステム3と相違している。
アップコンバータ12(12a、12b)は、第1送信ベースバンド信号を周波数変換することにより得た第1無線周波数信号、および第2送信ベースバンド信号を周波数変換することにより得た第2無線周波数信号を電力増幅器18に与える。
なお、電力増幅器18は、アナログ信号処理部7に含まれているが、アナログ信号処理部7とアンテナ6との間、すなわち複数の合成器17それぞれと対応する複数のアンテナ素子9との間に設けられていても良い。
各アンテナ素子9に与えられた合成信号は、各アンテナ素子9から空間に放射され、無線信号として送信される。
本実施形態のアナログ信号処理部7は、両分配器14a、14bによって分配された複数の無線周波数信号それぞれにウェイト行列wの対応する各成分を乗算するためにバトラーマトリックス回路21を有している。このバトラーマトリックス回路21により、ウェイト行列wはDFT行列とされている。
バトラーマトリックス回路21は、4つの90度ハイブリッド22〜25と、2つの−45度移相器26,27とを備えている。
また、90度ハイブリッド24には一対の出力端子29B,29Bが接続され、90度ハイブリッド25には一対の出力端子29C,29Dが接続されている。出力端子29A〜29Dは、対応する合成器17(図7参照)に接続されている。
90度ハイブリッド23の出力の一方は、−45度移相器27を介して90度ハイブリッド25に接続され、出力の他方は90度ハイブリッド24に接続されている。
以上の構成により、各入力端子28A〜28Dに入力された無線周波数信号は、互いに異なる位相に調整されて出力端子29A〜29Dから出力される。
なお、本実施形態のウェイト行列wは、DFT行列以外に、DCT行列やアダマール変換行列等に基づいて生成されていても良い。
図9は、本発明の第3実施形態に係る無線通信装置1が備えるアンテナシステム3の送信側の構成を示すブロック図である。
本実施形態におけるアンテナシステム3は、送信信号の分配、位相調整および合成等の信号処理をデジタル信号処理によって行うように構成されたアクティブアンテナシステムからなる。
デジタル信号処理部10は、分配した第1送信ベースバンド信号それぞれに対して利得調整および位相調整を行うとともに、分配した第2送信ベースバンド信号それぞれに対して利得調整および位相調整を行う。
さらに、デジタル信号処理部10は、利得調整と位相調整を行った第1送信ベースバンド信号および第2送信ベースバンド信号のうち、互いに同一のアンテナ素子9に対応して分配された送信ベースバンド信号同士を合成し、これらの合成信号をアナログ信号処理部7に与える。
デジタルアナログ変換器11は、6つのアンテナ素子9それぞれに対応して6つ設けられている。各デジタルアナログ変換器11は、対応するデジタル信号の合成信号をアナログ信号に変換する機能を有している。各デジタルアナログ変換器11は、アナログ信号に変換した合成信号をアップコンバータ12に与える。
各アップコンバータ12は、対応する合成信号を周波数変換することにより得た無線周波数信号をアンテナ6の対応する電力増幅器18に与える。
本実施形態の制御部30は、ベースバンドユニット2から受けた制御情報に基づいて、デジタル信号処理部10において分配された複数の送信ベースバンド信号に乗算するウェイト行列を決定する機能を有している。そして、制御部30は、決定されたウェイト行列の各成分に基づいて、対応する送信ベースバンド信号の利得調整および移相調整を行うようにデジタル信号処理部10を制御する機能を有している。その他の点については、第1実施形態と同様である。
なお、本実施形態のウェイト行列wは、DCT行列以外に、DFT行列やアダマール変換行列等に基づいて生成されていても良い。
図11は、本発明の第4実施形態に係る無線通信装置1が備えるアンテナシステム3の送信側の構成を示すブロック図である。
本実施形態におけるアンテナシステム3は、第3実施形態のアンテナシステム3の変形例であり、送信信号の分配、位相調整および合成等の信号処理をデジタル信号処理によって行うように構成されたパッシブアンテナシステムからなる。
なお、本実施形態のアナログ信号処理部7は、デジタルアナログ変換器11とアップコンバータ12と電力増幅器18とにより構成されているが、少なくともデジタルアナログ変換器11とアップコンバータ12とを含んでいれば良い。また、本実施形態のウェイト行列wは、DCT行列以外に、DFT行列やアダマール変換行列等に基づいて生成されていても良い。
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
2 ベースバンドユニット(ベースバンド部)
3 アンテナシステム
4 信号伝送路
5 支柱
6 アンテナ
7 アナログ信号処理部
9 アンテナ素子
10 デジタル信号処理部
11 デジタルアナログ変換器
11a デジタルアナログ変換器
11b デジタルアナログ変換器
12 アップコンバータ
12a アップコンバータ
12b アップコンバータ
13 発振器
14 分配器
14a 分配器
14b 分配器
15 可変減衰器
15a 第1可変減衰器
15b 第2可変減衰器
16 移相器
16a 第1移相器
16b 第2移相器
17 合成器
18 電力増幅器
21 バトラーマトリックス回路
22 90度ハイブリッド
23 90度ハイブリッド
24 90度ハイブリッド
25 90度ハイブリッド
26 −45度移相器
27 −45度移相器
28A 入力端子
28B 入力端子
28C 入力端子
28D 入力端子
29A 出力端子
29B 出力端子
29C 出力端子
29D 出力端子
30 制御部
31 選択部
32 決定部
C セル(領域)
Claims (9)
- 同一の領域向けの複数の送信信号を生成するベースバンド部と、
複数のアンテナ素子を有するアンテナと、
前記ベースバンド部で生成された複数の送信信号それぞれを前記複数のアンテナ素子それぞれに対応して分配し、分配された複数の送信信号それぞれにウェイト行列の対応する成分を乗算した後に各アンテナ素子に対応する送信信号同士を合成する信号処理部と、
前記ウェイト行列における、前記ベースバンド部で生成された複数の送信信号それぞれに対応するウェイト行ベクトルまたはウェイト列ベクトルの候補として、前記アンテナ素子のチルト角に対応する複数のウェイト候補から、前記ウェイト行ベクトルまたはウェイト列ベクトルの数よりも多い数のウェイト候補を、前記アンテナ素子から前記領域へのビームのチルト角に基づいて選択する選択部と、
前記選択部で選択されたウェイト候補のうちから所望の通信品質を満たすウェイト候補を前記ウェイト行ベクトルまたはウェイト列ベクトルとして決定する決定部と、
を備えている無線通信装置。 - 前記信号処理部は、
前記ベースバンド部で生成された複数のデジタルの送信信号それぞれをアナログの送信信号に変換する複数のデジタルアナログ変換器と、
変換された送信信号それぞれを前記複数のアンテナ素子それぞれに対応して分配する複数の分配器と、
分配された送信信号それぞれに前記ウェイト行列の対応する成分に基づいて位相調整を行う複数の移相器と、
位相調整された送信信号のうち、各アンテナ素子に対応する送信信号同士を合成する複数の合成器と、を有し、
前記アンテナは、前記合成器で合成された送信信号それぞれを増幅して対応する前記アンテナ素子に与える複数の増幅器をさらに有する請求項1に記載の無線通信装置。 - 前記信号処理部は、
前記ベースバンド部で生成された複数のデジタルの送信信号それぞれをアナログの送信信号に変換する複数のデジタルアナログ変換器と、
変換された送信信号それぞれを前記複数のアンテナ素子それぞれに対応して分配する複数の分配器と、
分配された送信信号それぞれに前記ウェイト行列の対応する成分に基づいて位相調整を行う複数の移相器と、
位相調整された送信信号のうち、各アンテナ素子に対応する送信信号同士を合成する複数の合成器と、を有し、
前記アンテナよりも前段側に設けられ、複数の送信信号それぞれを増幅する複数の増幅器をさらに備えている請求項1に記載の無線通信装置。 - 前記信号処理部は、前記ベースバンド部で生成された複数のデジタルの送信信号それぞれを前記複数のアンテナ素子それぞれに対応して分配し、分配された複数のデジタルの送信信号それぞれに前記ウェイト行列の対応する成分を乗算した後に各アンテナ素子に対応する送信信号同士を合成するデジタル信号処理部であり、
前記アンテナは、前記デジタル信号処理部で合成された送信信号それぞれを増幅して対応する前記アンテナ素子に与える複数の増幅器をさらに有する請求項1に記載の無線通信装置。 - 前記信号処理部は、前記ベースバンド部で生成された複数のデジタルの送信信号それぞれを前記複数のアンテナ素子それぞれに対応して分配し、分配された複数のデジタルの送信信号それぞれに前記ウェイト行列の対応する成分を乗算した後に各アンテナ素子に対応する送信信号同士を合成するデジタル信号処理部であり、
前記アンテナよりも前段側に設けられ、複数の送信信号それぞれを増幅する複数の増幅器をさらに備えている請求項1に記載の無線通信装置。 - 前記ウェイト行列において、前記ベースバンド部で生成された複数の送信信号それぞれに対応するウェイト行ベクトル同士またはウェイト列ベクトル同士が互いに直交している請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の無線通信装置。
- 前記ウェイト行列は、離散コサイン変換行列に基づいて生成されるものである請求項6に記載の無線通信装置。
- 前記離散コサイン変換行列の行ベクトルまたは列ベクトルは、前記選択部が選択する前記ウェイト候補とされている請求項7に記載の無線通信装置。
- 無線通信装置のベースバンド部で生成された同一の領域向けの複数の送信信号それぞれを、前記無線通信装置の複数のアンテナ素子それぞれに対応して分配し、分配した複数の送信信号に乗算するウェイト行列を前記無線通信装置で決定するウェイト行列の決定方法であって、
前記ウェイト行列における、前記ベースバンド部で生成された複数の送信信号それぞれに対応するウェイト行ベクトルまたはウェイト列ベクトルの候補として、前記アンテナ素子のチルト角に対応する複数のウェイト候補から、前記ウェイト行ベクトルまたはウェイト列ベクトルの数よりも多い数のウェイト候補を、前記アンテナ素子から前記領域へのビームのチルト角に基づいて選択する選択ステップと、
前記選択ステップで選択されたウェイト候補のうちから所望の通信品質を満たすウェイト候補を前記ウェイト行ベクトルまたはウェイト列ベクトルとして決定する決定ステップと、を含むウェイト行列の決定方法。
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