WO2020209093A1

WO2020209093A1 - 無線通信システム、無線通信方法、送信局装置および受信局装置

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Publication number: WO2020209093A1
Application number: PCT/JP2020/013837
Authority: WO
Inventors: 圭太栗山; 隼人福園; 吉岡　正文; 努立田
Original assignee: 日本電信電話株式会社
Priority date: 2019-04-11
Filing date: 2020-03-26
Publication date: 2020-10-15
Also published as: US20220209830A1; JP7180514B2; JP2020174290A; US11843429B2

Abstract

本発明では、送信局装置と受信局装置との間でシングルキャリアＭＩＭＯ伝送を行う無線通信システムにおいて、送信局装置は、受信局装置に送信するデータ信号からシンボル間干渉およびストリーム間干渉を除去する時間領域の線形等化部と、受信局装置が送信するトレーニング信号を受信して伝搬路特性の伝達関数行列を推定する伝搬路特性推定部と、推定された伝達関数行列を行列多項式で表し、行列多項式の逆応答を送信ウェイト行列とし、ノイマン級数により送信ウェイト行列を近似して時間領域の線形等化部のフィルタタップ係数を計算するフィルタタップ計算部とを備え、受信局装置は、伝搬路特性の推定に用いるトレーニング信号を生成して送信局装置に送信するトレーニング信号生成部を備える。

Description

無線通信システム、無線通信方法、送信局装置および受信局装置

　本発明は、周波数選択性のフェージングがある通信環境下で広帯域のシングルキャリアＭＩＭＯ（ＳＣ－ＭＩＭＯ（Single Carrier Multiple-Input Multiple-Output））伝送を行う無線通信システムにおいて、時間領域の線形等化器による送信ビーム形成を行う技術に関する。

　周波数選択性のフェージングがある通信環境下で広帯域のＳＣ－ＭＩＭＯ伝送を行う場合、通信路特性の時間的な広がりにより生じるシンボル間干渉と、複数のアンテナの空間的な広がりにより生じるストリーム間干渉とを除去する必要がある。そこで、ＦＩＲ（finite impulse response）型の時間領域の線形等化器（ＦＩＲフィルタ）を用いて時間／空間方向に送信ビーム形成を行うことで、シンボル間干渉およびストリーム間干渉を同時に除去する方法が検討されている（例えば、非特許文献１参照）。ＦＩＲフィルタによる送信ビーム形成では、チャネル推定により得られた伝搬路特性（ＣＩＲ（channel impulse response））の伝達関数行列の逆行列を送信ウェイト行列とし、送信ウェイト行列の各要素をフィルタタップ係数として時間領域の線形等化器を構成する。

栗山圭太,福園隼人,吉岡正文,立田努,"広帯域シングルキャリアＭＩＭＯ伝送のためのＦＩＲ型送信ビーム形成"信学技報,vol.118,no.435,RCS2018-247,pp.31-36,2019年1月.

　ここで、上記従来技術では、式（１）に示すように、伝達関数行列Ｈ（ｚ）の逆行列Ｈ^－１（ｚ）を送信ウェイト行列Ｗ（ｚ）として算出する。

　式（１）において、送信ウェイト行列Ｗ（ｚ）は、１／ｄｅｔ（Ｈ（ｚ））の伝達関数とａｄｊ（Ｈ（ｚ））の行列との積で表すことができる。なお、ｄｅｔ（・）、ａｄｊ（・）はそれぞれ行列式、随伴行列（adjugate matrix）を表す。また、ａｄｊは、エルミート転置を表す随伴行列（adjoint matrix）とは異なる。

　ここで、ＣＩＲの伝達関数行列Ｈ（ｚ）の逆行列を線形等化器の伝達関数に用いる方法では、伝達関数行列の行列式ｄｅｔ（Ｈ（ｚ））が非最小位相となる場合に送信ウェイト行列Ｗ（ｚ）が発散してしまい、時間領域の線形等化器によるシンボル間干渉およびストリーム間干渉の除去を行うことができないという問題がある。

　図６は、ｄｅｔ（Ｈｚ）が最小位相または非最小位相の場合のフィルタタップ係数の一例を示す。図６において、横軸はＦＩＲフィルタの遅延タップ（Ｚ^－０，Ｚ^－１，Ｚ^－２・・・）に対応する時間、縦軸は各遅延タップのフィルタタップ係数に対応する複素利得、をそれぞれ示す。図６（ａ）は、ｄｅｔ（Ｈ（ｚ））が最小位相となる場合の各遅延タップの複素利得を示し、図６（ｂ）は、ｄｅｔ（Ｈ（ｚ））が非最小位相となる場合の各遅延タップの複素利得を示す。

　図６（ａ）において、ｄｅｔ（Ｈ（ｚ））が最小位相となる場合は、遅延タップの複素利得が徐々に小さくなって収束するので、動作は安定し、ＦＩＲフィルタによる等化器の実現が可能である。一方、図６（ｂ）において、ｄｅｔ（Ｈ（ｚ））が非最小位相となる場合は、遅延タップの複素利得が徐々に大きくなって発散するので、動作は不安定となり、ＦＩＲフィルタなどの時間領域の線形等化器での実現は難しい。

　本発明は、ＳＣ－ＭＩＭＯ伝送においてＣＩＲの伝達関数行列Ｈ（ｚ）の行列式が非最小位相となる場合であっても発散しない送信ウェイト行列の算出方式を用いることにより、時間領域の線形等化器を用いてシンボル間干渉およびストリーム間干渉の除去を行うことができる無線通信システム、無線通信方法、送信局装置および受信局装置を提供することを目的とする。

　第１の発明は、送信局装置と受信局装置との間でシングルキャリアＭＩＭＯ伝送を行う無線通信システムにおいて、前記送信局装置は、前記受信局装置に送信するデータ信号からシンボル間干渉およびストリーム間干渉を除去する時間領域の線形等化部と、前記受信局装置が送信するトレーニング信号を受信して伝搬路特性の伝達関数行列を推定する伝搬路特性推定部と、推定された前記伝達関数行列を行列多項式で表し、前記行列多項式の逆応答を送信ウェイト行列とし、ノイマン級数により前記送信ウェイト行列を近似して前記時間領域の線形等化部のフィルタタップ係数を計算するフィルタタップ計算部とを備え、前記受信局装置は、伝搬路特性の推定に用いる前記トレーニング信号を生成して前記送信局装置に送信するトレーニング信号生成部を備えることを特徴とする。

　第２の発明は、第１の発明において、前記送信局装置は、前記送信ウェイト行列のノイマン級数による近似を行えるか否かの条件を判定し、前記条件を満たさない場合には、ノイマン級数による近似とは異なる方法により前記フィルタタップ計算部に前記フィルタタップ係数を計算させるウェイト算出方式判定部をさらに備えることを特徴とする。

　第３の発明は、送信局装置と受信局装置との間でシングルキャリアＭＩＭＯ伝送を行う無線通信システムにおいて、前記送信局装置は、前記受信局装置に送信するデータ信号からシンボル間干渉およびストリーム間干渉を除去する時間領域の線形等化部と、伝搬路特性の推定に用いるトレーニング信号を生成して前記受信局装置に送信するトレーニング信号生成部とを備え、前記受信局装置は、前記送信局装置が送信する前記トレーニング信号を受信して伝搬路特性の伝達関数行列を推定する伝搬路特性推定部と、推定された前記伝達関数行列を行列多項式で表し、前記行列多項式の逆応答を送信ウェイト行列とし、ノイマン級数により前記送信ウェイト行列を近似して前記時間領域の線形等化部のフィルタタップ係数を計算して、前記送信局装置に送信するフィルタタップ計算部とを備えることを特徴とする。

　第４の発明は、第３の発明において、前記受信局装置は、前記送信ウェイト行列のノイマン級数による近似を行えるか否かの条件を判定し、前記条件を満たさない場合には、ノイマン級数による近似とは異なる方法により前記フィルタタップ計算部に前記フィルタタップ係数を計算させるウェイト算出方式判定部をさらに備えることを特徴とする。

　第５の発明は、送信局装置と受信局装置との間でシングルキャリアＭＩＭＯ伝送を行う無線通信システムにおける無線通信方法であって、前記送信局装置は、前記受信局装置に送信するデータ信号からシンボル間干渉およびストリーム間干渉を除去する時間領域の線形等化処理と、前記受信局装置が送信するトレーニング信号を受信して伝搬路特性の伝達関数行列を推定する伝搬路特性推定処理と、推定された前記伝達関数行列を行列多項式で表し、前記行列多項式の逆応答を送信ウェイト行列とし、ノイマン級数により前記送信ウェイト行列を近似して前記時間領域の線形等化処理のフィルタタップ係数を計算するフィルタタップ計算処理とを実行し、前記受信局装置は、伝搬路特性の推定に用いる前記トレーニング信号を生成して前記送信局装置に送信するトレーニング信号生成処理を実行することを特徴とする。

　第６の発明は、第５の発明において、前記送信局装置は、前記送信ウェイト行列のノイマン級数による近似を行えるか否かの条件を判定し、前記条件を満たさない場合には、ノイマン級数による近似とは異なる方法により前記フィルタタップ計算処理で前記フィルタタップ係数を計算させるウェイト算出方式判定処理をさらに実行することを特徴とする。

　第７の発明は、受信局装置との間でシングルキャリアＭＩＭＯ伝送を行う送信局装置において、前記受信局装置に送信するデータ信号からシンボル間干渉およびストリーム間干渉を除去する時間領域の線形等化部と、前記受信局装置が送信するトレーニング信号を受信して伝搬路特性の伝達関数行列を推定する伝搬路特性推定部と、推定された前記伝達関数行列を行列多項式で表し、前記行列多項式の逆応答を送信ウェイト行列とし、ノイマン級数により前記送信ウェイト行列を近似して前記時間領域の線形等化部のフィルタタップ係数を計算するフィルタタップ計算部と、前記送信ウェイト行列のノイマン級数による近似を行えるか否かの条件を判定し、前記条件を満たさない場合には、ノイマン級数による近似とは異なる方法により前記フィルタタップ計算部に前記フィルタタップ係数を計算させるウェイト算出方式判定部とを備えることを特徴とする。

　第８の発明は、送信局装置との間でシングルキャリアＭＩＭＯ伝送を行う受信局装置において、前記送信局装置が送信するトレーニング信号を受信して伝搬路特性の伝達関数行列を推定する伝搬路特性推定部と、推定された前記伝達関数行列を行列多項式で表し、前記行列多項式の逆応答を送信ウェイト行列とし、ノイマン級数により前記送信ウェイト行列を近似して、伝搬路のシンボル間干渉およびストリーム間干渉を除去する前記送信局装置側の時間領域の線形等化部のフィルタタップ係数を計算して、前記送信局装置に送信するフィルタタップ計算部と、前記送信ウェイト行列のノイマン級数による近似を行えるか否かの条件を判定し、前記条件を満たさない場合には、ノイマン級数による近似とは異なる方法により前記フィルタタップ計算部に前記フィルタタップ係数を計算させるウェイト算出方式判定部とを備えることを特徴とする。

　本発明に係る無線通信システム、無線通信方法、送信局装置および受信局装置は、ＳＣ－ＭＩＭＯ伝送においてＣＩＲの伝達関数行列Ｈ（ｚ）の行列式が非最小位相となる場合であっても発散しない送信ウェイト行列の算出方式を用いることにより、時間領域の線形等化器を用いてシンボル間干渉およびストリーム間干渉の除去を行うことができる。

各実施形態における無線通信システム全体の構成例を示す図である。送信局装置および受信局装置の一例を示す図である。第１実施形態に係る送信局装置および受信局装置の一例を示す図である。第２実施形態に係る送信局装置および受信局装置の一例を示す図である。第１実施形態に係る無線通信システムまたは第２実施形態に係る無線通信システムの処理の一例を示す図である。ｄｅｔ（Ｈｚ）が最小位相または非最小位相の場合のフィルタタップ係数の一例を示す図である。

　以下、図面を参照して本発明に係る無線通信システム、無線通信方法、送信局装置および受信局装置の実施形態について説明する。

　図１は、各実施形態に共通の無線通信システム１００全体の構成例を示す。図１において、無線通信システム１００は、複数（Ｎ_Ｔ個：Ｎ_Ｔ≧２の整数）のアンテナＡＴｔ（１）からアンテナＡＴｔ（Ｎ_Ｔ）を有する送信局装置１０１と、複数（Ｎ_Ｒ個：Ｎ_Ｒ≧２の整数）のアンテナＡＴｒ（１）からアンテナＡＴｒ（Ｎ_Ｒ）を有する受信局装置１０２とを備え、送信局装置１０１と受信局装置１０２との間で無線通信を行う。ここで、以降の説明において、送信局装置１０１のアンテナＡＴｔ（１）からアンテナＡＴｔ（Ｎ_Ｔ）に共通の説明を行う場合は符号末尾の（番号）を省略してアンテナＡＴｔと表記し、特定のアンテナを指す場合は符号末尾に（番号）を付加して例えばアンテナＡＴｔ（１）のように表記する。受信局装置１０２のアンテナＡＴｒ（１）からアンテナＡＴｒ（Ｎ_Ｒ）についても同様に表記する。また、複数の同じブロックを有する場合についても同様に表記する。

　本実施形態に係る無線通信システム１００は、送信局装置１０１と受信局装置１０２との間で複数のアンテナを用いる広帯域のＳＣ－ＭＩＭＯ方式による無線通信を行う。図１（ａ）に示すように、送信局装置１０１のＮ_Ｔ個のアンテナと受信局装置１０２のＮ_Ｒ個のアンテナとの間では、空間的な広がりによるストリーム間干渉が生じる。また、送信局装置１０１および受信局装置１０２のそれぞれのアンテナ間で送受信される信号には、マルチパスなど遅延時間が異なる複数の遅延波による周波数選択性のフェージングが生じ、図１（ｂ）に示すような時間的な広がりによるシンボル間干渉が生じる。このため、無線通信システム１００では、ストリーム間干渉とシンボル間干渉とを抑制する必要がある。

　ここで、送信局装置１０１と受信局装置１０２との間の無線通信路のＣＩＲは、複数のアンテナの数に応じてＮ_Ｔ×Ｎ_Ｒを要素とする伝達関数の行列（伝達関数行列と称する）Ｈ（ｚ）で表すことができる。式（２）は、Ｎ_Ｒ＝Ｎ_Ｔ（＝Ｎ）とし、Ｎ×ＮのＭＩＭＯにおける伝達関数行列Ｈ（ｚ）を表し、Ｈ（ｚ）はＮ次の多項式行列となる。

　式（２）において、伝達関数行列Ｈ（ｚ）の各要素の伝達関数Ｈ_ｉｊ（ｚ）は、式（３）で表され、Ｌ次の多項式となる。

　ここで、ｉは１≦ｉ≦Ｎの整数、ｊは１≦ｊ≦Ｎの整数である。また、ｈ^（ｌ） _ｉｊは、第ｉ番目の受信アンテナと第ｊ番目の送信アンテナとの間のｌパス目のＣＩＲを示す。ＬはＣＩＲ長（信号が伝搬するパス数に相当）、ｚ^－ｌは伝達関数の遅延作用素である。

　そして、伝達関数行列Ｈ（ｚ）の逆行列Ｈ^－１（ｚ）を送信ウェイト行列Ｗ（ｚ）として線形等化部を構成することで、シンボル間干渉およびストリーム間干渉を同時に除去することができる。

　図２は、送信局装置１０１および受信局装置１０２の一例を示す。図２において、送信局装置１０１は、ＱＡＭ変調部２０１、線形等化部２０２、ＲＦ部２０３およびアンテナＡＴｔを備える。

　ＱＡＭ変調部２０１は、受信局装置１０２へ送信するデータ情報ビットのビット列を直交振幅変調（ＱＡＭ：Quadrature Amplitude Modulation）したデータ信号Ｓ（ｎ）を出力する。なお、ＱＡＭ変調部２０１は、ＱＡＭ変調部２０１（１）からＱＡＭ変調部２０１（Ｎ）を有し、Ｎ個のストリームに対応するデータ信号を出力する。

　線形等化部２０２は、送信局装置１０１と受信局装置１０２との間のＣＩＲに基づいて算出された送信ウェイト行列Ｗ（ｚ）により、シンボル間干渉およびストリーム間干渉の時間領域の線形等化処理を行う。ここで、送信ウェイト行列Ｗ（ｚ）の算出方法については、後で詳しく説明する。なお、等化処理と同時に送信電力を正規化する処理も行われる。

　ＲＦ部２０３は、Ｎ個のアンテナＡＴｔにそれぞれ対応するＮ個のＲＦ部２０３（１）からＲＦ部２０３（Ｎ）を有し、線形等化部２０２が出力する信号を高周波の送信信号に周波数変換して、ストリーム毎に各アンテナＡＴｔから送出する。

　アンテナＡＴｔは、アンテナＡＴｔ（１）からアンテナＡＴｔ（Ｎ）のＮ個のアンテナを有し、ＲＦ部２０３が出力するストリーム毎の高周波信号を電磁波として空間に放射する。

　このようにして、送信局装置１０１は、線形等化部２０２によりシンボル間干渉およびストリーム間干渉を除去した信号を受信局装置１０２へ送信することができる。

　図２において、受信局装置１０２は、アンテナＡＴｒ、ＲＦ部３０１およびＱＡＭ復調部３０２を備える。

　アンテナＡＴｒは、アンテナＡＴｒ（１）からアンテナＡＴｒ（Ｎ）のＮ個の送受信用のアンテナを有し、送信局装置１０１から送信された空間上の電磁波を高周波信号に変換する。

　ＲＦ部３０１は、Ｎ個のアンテナＡＴｒにそれぞれ対応するＮ個のＲＦ部３０１（１）からＲＦ部３０１（Ｎ）を有し、アンテナＡＴｒ（１）からアンテナＡＴｒ（Ｎ）が出力するそれぞれの高周波信号をベースバンドのデータ信号に周波数変換する。

　ＱＡＭ復調部３０２は、ＲＦ部３０１が出力するＮ個のストリームのデータ信号Ｓ＾（ｎ）を情報ビットに復調し、ビット列を出力する。なお、ＲＦ部３０１は、アンテナＡＴｒの数に応じてＮ個のストリームのデータ信号Ｓ＾（ｎ）を出力するので、ＱＡＭ復調部３０２は、ストリーム毎にデータ信号Ｓ＾（ｎ）を復調する。

　このようにして、受信局装置１０２は、送信局装置１０１側でシンボル間干渉およびストリーム間干渉を除去した信号を受信して、データ信号を復調することができる。

　図２において、ＱＡＭ変調部２０１が出力するデータ信号をＳ（ｎ）、線形等化部２０２の送信ウェイト行列をＷ（Ｚ）、ＣＩＲの伝達関数行列をＨ（ｚ）、ＲＦ部３０１が出力するデータ信号をＳ＾（ｎ）、付加雑音をη（ｎ）とすると、本実施形態に係る無線通信システム１００において送受信される信号の関係は、式（４）で表すことができる。

（送信ウェイト行列Ｗ（ｚ）の算出方法）
　次に、送信ウェイト行列Ｗ（ｚ）の算出方法について説明する。送信局装置１０１および受信局装置１０２のアンテナ数がＮ（Ｎは正の整数）の場合、Ｎ×ＮのＭＩＭＯ伝送がのＣＩＲの伝達関数行列Ｈ（ｚ）は、パス数をＬ（Ｌは正の整数）、ｌをパス番号とすると、式（５）のように、Ｌ次の行列多項式に分解することができる。ここで、ｚは遅延作用素、Ｈ^（ｌ）はｌパス目の伝達関数行列をそれぞれ示す。

　ここで、ｌパス目の伝達関数行列Ｈ^（ｌ）は、Ｎ×ＮのＮ次正方行列となり、式（６）で表すことができる。

　また、送信局装置１０１の線形等化器で用いる送信ウェイト行列Ｗ（ｚ）は、式（５）で示した伝達関数行列Ｈ（ｚ）の逆応答として、式（７）で表すことができる。

　そして、送信ウェイト行列Ｗ（ｚ）の各要素を時間領域の線形等化器のフィルタタップ係数とするために、式（７）を式（８）のように変形する

　ここで、式（９）に示すノイマン級数による式変形を用いる。

　式（８）に式（９）を適用すると、送信ウェイト行列Ｗ（ｚ）は、式（１０）のように変形できる。

　ここで、時間領域の線形等化器を構成するＦＩＲフィルタは、有限のタップ数Ｍ（Ｍは正の整数）により計算を打ち切るので、送信ウェイト行列Ｗ（ｚ）は式（１１）で表される。なお、ｋは０≦ｋ≦Ｍ－１の整数である。

　このようにして、Ｎ×ＮのＭＩＭＯ伝送におけるＣＩＲの伝達関数行列をｚを変数とする行列多項式に分解して、行列多項式で表される伝達関数の逆応答を用いて送信ウェイト行列Ｗ（ｚ）を求めるので、Ｗ（ｚ）の各要素をフィルタタップ係数とするＦＩＲフィルタで実現することができる。

　ここで、ノイマン級数による式変形から伝達関数行列Ｈ（ｚ）の逆行列を求める場合の適用条件は、以下の通りである。

　ノイマン級数による近似は、ｌ＝｛１，・・・，Ｌ－１｝において、下記を満たすことが条件である。

　そして、任意のｐノルムを用いて、上記の（条件１）を判定する。

　このようにして、本実施形態に係る無線通信システム１００は、（条件１）を満たすか否かを判定して、（条件１）を満たす場合、線形等化器の送信ウェイト行列Ｗ（ｚ）を求めて、シンボル間干渉およびストリーム間干渉を除去することができる。

　ここで、従来技術で説明したように、ＣＩＲの伝達関数行列Ｈ（ｚ）の行列式ｄｅｔ（Ｈ（ｚ））が非最小位相となる場合、ＦＩＲフィルタのフィルタタップ係数が発散するので、ＦＩＲフィルタによるシンボル間干渉およびストリーム間干渉の除去を行うことができないが、本実施形態に係る無線通信システム１００は、（条件１）を満たす場合において、ｄｅｔ（Ｈ（ｚ））が非最小位相となる場合であっても、ＦＩＲフィルタによるシンボル間干渉およびストリーム間干渉の除去を行うことができる。

　［変形例について］
　上述のように、（条件１）のみに基づいて送信ウェイト行列Ｗ（ｚ）算出して、シンボル間干渉およびストリーム間干渉を除去するようにしてもよいが、（条件１）を満たさない場合は、シンボル間干渉およびストリーム間干渉の除去を行うことができないので、送信処理を中断するか、アンテナの配置や使用するアンテナの組み合わせを切り替えるなどの処理が必要となる。

　そこで、本変形例では、非特許文献１の条件（（条件２）と称する）を追加して、（条件１）を満たさない場合は、（条件２）を満たすか否かを判定して、（条件２）を満たす場合は、従来技術で説明した式（１）で送信ウェイト行列Ｗ（ｚ）を算出する。

　このようにして、本変形例に係る無線通信システム１００は、第１実施形態で説明した（条件1）が適用できない部分を（条件２）でカバーし、（条件２）が適用できない部分を（条件１）でカバーするので、シンボル間干渉およびストリーム間干渉の除去が正しく行われる伝搬路特性の適用条件を拡大することができる。

　（２×２のＭＩＭＯの具体例）
　ここで、２×２のＭＩＭＯの場合の具体例を挙げて、（条件１）および（条件２）について説明する。なお、簡単化のために、２×２のＭＩＭＯ構成で、各アンテナ間の遅延波パスを２波モデルで仮定した例を示す。

　（条件１の場合）
　先ず、２×２のＭＩＭＯにおける（条件１）の具体例について説明する。２×２のＭＩＭＯにおける（条件１）は、先に説明したように、式（１２）の任意のｐノルムが１未満であることである。

　式（１２）において、ｐ＝１またはｐ＝∞の場合は、式（１３）または式（１４）の条件を満たす場合に（条件２）を満たすので、式（１１）で説明した送信ウェイト行列Ｗ（ｚ）を適用できる。

または、

　ここで、ｐ＝１は列毎に成分の絶対値の和を計算したうちでその最大のもの、ｐ＝∞は行毎に同様の和を考えたときの最大のものをそれぞれ示す。

　（条件２の場合）
　次に、２×２のＭＩＭＯにおける（条件２）の具体例について説明する。式（１５）は、２×２のＭＩＭＯにおける伝達関数行列Ｈ（ｚ）を示す。

　上式において、Ｈ（ｚ）の各要素は、式（１６）で表すことができる。

　ここで、ｉは１又は２の整数、ｊは１又は２の整数である。また、ｈ^（ｌ） _ｉｊは、第ｉ番目の受信アンテナと第ｊ番目の送信アンテナとの間のｌパス目のＣＩＲを示す。ＬはＣＩＲ長（信号が伝搬するパス数に相当）、ｚ^－ｌは伝達関数の遅延作用素である。

　そして、次の式（１７）のdet（Ｈ（ｚ））が最小位相となる場合に（条件２）を満たすと判定する。

　式（１７）が最小位相となるのは、下記の式（１８）かつ式（１９）を満たす場合である。

かつ

　このようにして、２×２のＭＩＭＯにおいて、（条件１）の判定、および、（条件２）の判定を行うことができる。

　［第１実施形態］
　図３は、第１実施形態に係る送信局装置１０１および受信局装置１０２の一例を示す。図３において、無線通信システム１００は、図２の送信局装置１０１および受信局装置１０２の詳細な構成例を示し、先に説明した（条件１）による送信ウェイト行列Ｗ（ｚ）の算出、または、（条件１）と（条件２）による送信ウェイト行列Ｗ（ｚ）の算出を行って、シンボル間干渉およびストリーム間干渉を除去する。

　図３において、送信局装置１０１は、情報ビット生成部４０１、データ信号変調部４０２、ＦＩＲフィルタ部４０３、送信信号変換部４０４、受信信号変換部４０５、ＣＩＲ推定部４０６、ウェイト算出方式判定部４０７、フィルタタップ計算部４０８およびアンテナＡＴｔ（１）からアンテナＡＴｔ（Ｎ）のＮ個のアンテナを有する。また、図３において、受信局装置１０２は、アンテナＡＴｒ（１）からアンテナＡＴｒ（Ｎ）のＮ個のアンテナ、受信信号変換部５０１、データ信号復調部５０２、情報ビット検出部５０３、トレーニング信号生成部５０４および送信信号変換部５０５を有する。

　先ず、送信局装置１０１の構成について説明する。

　情報ビット生成部４０１は、受信局装置１０２へ送信するデータ情報ビットを生成する。データ情報ビットは、例えば外部（不図示）から入力するデータ信号、内部で生成するデータ信号などに対応するビット列であり、アンテナＡＴｔの数の信号ストリーム数に分割して、データ信号変調部４０２に出力する。なお、情報ビット生成部４０１は、所定の符号化率で誤り訂正符号を生成する誤り訂正符号化機能やインターリーブ機能などを有してもよい。

　データ信号変調部４０２は、情報ビット生成部４０１が出力する信号ストリーム毎のビット列を所定の変調方式（例えば直交振幅変調（ＱＡＭ）など）で変調したデータ信号Ｓ（ｎ）を出力する。なお、本実施形態では、情報ビット生成部４０１がアンテナＡＴｔの数に応じて分割した信号ストリーム毎に変調したデータ信号を出力するので、各ストリーム毎にデータ信号変調部４０２を有する。

　ＦＩＲフィルタ部４０３は、後述するフィルタタップ計算部４０８により算出されたフィルタタップ係数を使用して、データ信号変調部４０２が出力するデータ信号Ｓ（ｎ）からシンボル間干渉およびストリーム間干渉を除去した信号を送信信号変換部４０４へ出力する。なお、ＦＩＲフィルタ部４０３は、時間領域の線形等化処理を行う線形等化部に対応する。ＦＩＲフィルタ部４０３は、例えば、データ信号変調部４０２が出力するデータ信号を保持し、一定時間毎にシフトする遅延タップを有し、各遅延タップの信号に所定のフィルタタップ係数を乗算した信号の和を出力する。このようにして、ＦＩＲフィルタ部４０３は、シンボル間干渉およびストリーム間干渉を除去するための時間領域の線形等化処理を行う。なお、ＦＩＲフィルタ部４０３は、時間領域の線形等化処理と同時に送信電力を正規化する処理も行う。

　送信信号変換部４０４は、ＦＩＲフィルタ部４０３が出力するデータ信号をアンテナＡＴｔから送出するための高周波の送信信号に周波数変換する。例えば、送信信号変換部４０４は、２０ＭＨｚ帯域のデータ信号を５ＧＨｚ帯の高周波信号にアップコンバートして、アンテナＡＴｔから送出する。ここで、複数の信号ストリームに分割された各々の信号ストリームは、それぞれ高周波信号に変換され、アンテナＡＴｔ（１）からアンテナＡＴｔ（Ｎ）のそれぞれから送出される。

　アンテナＡＴｔは、アンテナＡＴｔ（１）からアンテナＡＴｔ（Ｎ）のＮ個の送受信用のアンテナを有し、送信信号変換部４０４が出力する高周波信号を電磁波として空間に放射する。或いは、アンテナＡＴｔは、受信局装置１０２から送信された空間上の電磁波を高周波信号に変換して、受信信号変換部４０５へ出力する。

　受信信号変換部４０５は、アンテナＡＴｔ（１）からアンテナＡＴｔ（Ｎ）のそれぞれのアンテナにより受信された高周波の受信信号を低周波のベースバンド信号に周波数変換する。例えば、受信信号変換部４０５は、５ＧＨｚ帯の高周波信号をダウンコンバートして２０ＭＨｚ帯域のベースバンド信号を出力する。ここで、本実施形態では、受信信号変換部４０５は、受信局装置１０２からトレーニング信号を受信してＣＩＲ推定部４０６に出力する。

　ＣＩＲ推定部４０６は、受信局装置１０２から送信されるトレーニング信号に基づいてＣＩＲを推定する。なお、ＣＩＲ推定部４０６は、伝搬路特性推定処理を実行する伝搬路特性推定部に対応する。

　ウェイト算出方式判定部４０７は、先に説明した（条件１）、または、（条件１）と（条件２）の組み合わせにより、送信ウェイト行列Ｗ（ｚ）の算出方式を判定する（ウェイト算出方式判定処理に対応）。ウェイト算出方式判定部４０７は、例えば（条件１）のみによる判定を行って、（条件１）を満たす場合に式（１１）による送信ウェイト行列Ｗ（ｚ）の算出方式を選択する。または、ウェイト算出方式判定部４０７は、（条件１）と（条件２）の組み合わせによる判定を行って、（条件１）を満たす場合は式（１１）による送信ウェイト行列の算出方式、（条件１）を満たさず（条件２）を満たす場合は従来技術で説明した式（１）による送信ウェイト行列の算出方式、をそれぞれ選択する。

　フィルタタップ計算部４０８は、ウェイト算出方式判定部４０７が判定した送信ウェイト行列Ｗ（ｚ）の算出方式により、ＦＩＲフィルタ部４０３で使用するフィルタタップ係数を計算して、ＦＩＲフィルタ部４０３に出力する（フィルタタップ計算処理に対応）。

　このようにして、送信局装置１０１は、ＦＩＲフィルタ部４０３により、シンボル間干渉およびストリーム間干渉を除去したデータ信号を受信局装置１０２へ送信することができる。

　次に、図３に示す受信局装置１０２の構成について説明する。

　アンテナＡＴｒは、アンテナＡＴｒ（１）からアンテナＡＴｒ（Ｎ）のＮ個の送受信用のアンテナを有し、後述する送信信号変換部５０５が出力する高周波信号を電磁波として空間に放射する。或いは、アンテナＡＴｒは、送信局装置１０１から送信された空間上の電磁波を高周波信号に変換して、後述する受信信号変換部５０１へ出力する。

　受信信号変換部５０１は、送信局装置１０１の受信信号変換部４０５と同様に、アンテナＡＴｒ（１）からアンテナＡＴｒ（Ｎ）のそれぞれから受信される高周波信号をベースバンド信号に周波数変換する。ここで、送信局装置１０１から受信するデータ信号は、データ信号復調部５０２へ出力される。

　データ信号復調部５０２は、受信信号変換部５０１が出力するデータ信号Ｓ＾（ｎ）を情報ビットに復調し、ビット列を出力する。なお、受信信号変換部５０１は、アンテナＡＴｒの数に応じて複数のストリームのデータ信号を出力するので、複数のデータ信号復調部５０２は、ストリーム毎のデータ信号をそれぞれ復調する。そして、データ信号復調部５０２は、送信局装置１０１側で複数のストリームに分割されたビット列を結合したビット列を情報ビット検出部５０３に出力する。なお、データ信号復調部５０２は、送信局装置１０１側の機能に応じて、誤り訂正復号機能やデインターリーブ機能を備えてもよい。

　情報ビット検出部５０３は、データ信号復調部５０２が出力するビット列をデジタルデータに変換した受信データを出力する。なお、誤り訂正復号機能やデインターリーブ機能を情報ビット検出部５０３側で行ってもよい。

　トレーニング信号生成部５０４は、送信局装置１０１のＣＩＲ推定部４０６がＣＩＲを推定するためのトレーニング信号を生成する（トレーニング信号生成処理に対応）。トレーニング信号は、信号検出用のプリアンブルなどの予め決められた情報（例えば”０１”の交互パターン等の特定パターン）をＰＳＫ（Phase Shift Keying）など干渉を受けにくい変調方式で変調した所定の信号であり、送信局装置１０１側でＣＩＲを推定するために用いられる。なお、受信局装置１０２が送信するトレーニング信号の情報は、予め送信局装置１０１との間で既知である。

　送信信号変換部５０５は、トレーニング信号生成部５０４が出力するトレーニング信号を高周波信号に変換してアンテナＡＴｒから送出する。

　このようにして、受信局装置１０２は、送信局装置１０１側でＣＩＲを推定するためのトレーニング信号を送信し、送信局装置１０１から送信されるシンボル間干渉およびストリーム間干渉が等化されたデータ信号を受信することができる。

　［第２実施形態］
　図４は、第２実施形態に係る送信局装置１０１ａおよび受信局装置１０２ａの一例を示す。ここで、図４に示す無線通信システム１００ａと図６で説明した無線通信システム１００との違いは、受信局装置１０２ａがトレーニング信号を送信し、受信局装置１０２ａがＣＩＲを推定して送信局装置１０１ａのＦＩＲフィルタ部４０３のフィルタタップ係数を計算して、送信局装置１０１ａへ送信することである。なお、図４において、図３と同符号のブロックは、図３と同様の処理を行う。

　図４において、送信局装置１０１ａは、情報ビット生成部４０１、データ信号変調部４０２、ＦＩＲフィルタ部４０３、送信信号変換部４０４、受信信号変換部４０５、トレーニング信号生成部４１０およびアンテナＡＴｔ（１）からアンテナＡＴｔ（Ｎ）のＮ個のアンテナを有する。ここで、情報ビット生成部４０１、データ信号変調部４０２、ＦＩＲフィルタ部４０３、送信信号変換部４０４および受信信号変換部４０５は、図３の同符号のブロックと同様に動作する。

　トレーニング信号生成部４１０は、第１実施形態で説明した受信局装置１０２のトレーニング信号生成部５０４と同様に動作し、生成したトレーニング信号を送信信号変換部４０４で高周波信号に変換し、アンテナＡＴｔから送信する。なお、トレーニング信号の送信は、ＦＩＲフィルタ部４０３から出力されるデータ信号を送信する前に行われる。

　ここで、第１実施形態では、受信信号変換部４０５は、受信局装置１０２から送信されるトレーニング信号をアンテナＡＴｔを介して受信してＣＩＲ推定部４０６へ出力したが、第２実施形態では、受信信号変換部４０５は、受信局装置１０２ａから送信されるフィルタタップ係数の情報を含む信号をアンテナＡＴｔを介して受信してＦＩＲフィルタ部４０３へ出力する。

　このようにして、送信局装置１０１ａは、受信局装置１０２ａ側でＣＩＲを推定するためのトレーニング信号を送信し、受信局装置１０２ａが計算したフィルタタップ係数をＦＩＲフィルタ部４０３に設定して、シンボル間干渉およびストリーム間干渉を等化したデータ信号を送信することができる。

　図４において、受信局装置１０２ａは、アンテナＡＴｒ（１）からアンテナＡＴｒ（Ｎ）のＮ個のアンテナ、受信信号変換部５０１、データ信号復調部５０２、情報ビット検出部５０３、送信信号変換部５０５、ＣＩＲ推定部５１０、ウェイト算出方式判定部５１１およびフィルタタップ計算部５１２を有する。ここで、受信信号変換部５０１、データ信号復調部５０２、情報ビット検出部５０３および送信信号変換部５０５は、図３の同符号のブロックと同様に動作する。

　ＣＩＲ推定部５１０は、第１実施形態のＣＩＲ推定部４０６と同様に動作し、送信局装置１０１ａから送信されるトレーニング信号に基づいてＣＩＲを推定する。

　ウェイト算出方式判定部５１１は、第１実施形態のウェイト算出方式判定部４０７と同様に動作し、先に説明した（条件１）、または、（条件１）と（条件２）の組み合わせにより、送信ウェイト行列Ｗ（ｚ）の算出方式を判定する。

　フィルタタップ計算部５１２は、第１実施形態のフィルタタップ計算部４０８と同様に動作し、ウェイト算出方式判定部５１１が判定した送信ウェイト行列Ｗ（ｚ）の算出方式により、送信局装置１０１ａのＦＩＲフィルタ部４０３で使用するフィルタタップ係数を計算する。そして、フィルタタップ計算部５１２は、計算したフィルタタップ係数を送信信号変換部５０５およびアンテナＡＴｒを介して送信局装置１０１ａに送信する。

　このようにして、受信局装置１０２ａは、送信局装置１０１ａから送信されるトレーニング信号によりＣＩＲを推定し、送信局装置１０１ａのＦＩＲフィルタ部４０３でシンボル間干渉およびストリーム間干渉を等化するためのフィルタタップ係数を計算して送信局装置１０１ａに送信する。これにより、送信局装置１０１ａは、シンボル間干渉およびストリーム間干渉を等化したデータ信号を送信することができる。

　［第１実施形態および第２実施形態の処理方法］
　図５は、第１実施形態に係る無線通信システム１００または第２実施形態に係る無線通信システム１００ａの処理の一例を示す。なお、図５に示した処理は、図３に示した送信局装置１０１および受信局装置１０２、または、図４に示した送信局装置１０１ａおよび受信局装置１０２ａの各部により実行される。

　ステップＳ１０１において、ＣＩＲ推定部４０６（またはＣＩＲ推定部５１０）は、受信局装置１０２ａ（または送信局装置１０１ａ）から送信されるトレーニング信号を受信して、ＣＩＲを推定する。

　ステップＳ１０２において、ウェイト算出方式判定部４０７（またはウェイト算出方式判定部５１１）は、（条件１）を満たすか否かを判定し、満たす場合はステップＳ１０４の処理に進み、満たさない場合はステップＳ１０３の処理に進む。

　ステップＳ１０３において、ウェイト算出方式判定部４０７（またはウェイト算出方式判定部５１１）は、（条件２）を満たすか否かを判定し、満たす場合はステップＳ１０５の処理に進み、満たさない場合はステップＳ１０２の処理に戻る。

　ステップＳ１０４において、フィルタタップ計算部４０８（またはフィルタタップ計算部５１２）は、先に説明した式（１１）の送信ウェイト行列Ｗ（ｚ）に基づいて、フィルタタップ係数を算出し、ステップＳ１０６の処理に進む。

　ステップＳ１０５において、フィルタタップ計算部４０８（またはフィルタタップ計算部５１２）は、従来技術で説明した式（１）の送信ウェイト行列Ｗ（ｚ）に基づいて、フィルタタップ係数を算出する。

　ステップＳ１０６において、フィルタタップ計算部４０８（またはフィルタタップ計算部５１２）は、ステップＳ１０４またはステップＳ１０５で算出したフィルタタップ係数をＦＩＲフィルタ部４０３に設定する。

　ここで、ステップＳ１０３の（条件２）の判定処理およびステップＳ１０５の処理を行わずに、ステップＳ１０２の（条件１）の判定処理のみを行って、（条件１）を満たす場合はステップＳ１０４の処理を行い、（条件１）を満たさない場合はステップＳ１０２の処理に戻るようにしてもよい。

　このようにして、第１実施形態に係る無線通信システム１００および第２実施形態に係る無線通信システム１００ａは、トレーニング信号から推定したＣＩＲに基づいて、ウェイト算出方式を判定して、ＦＩＲフィルタ部４０３で使用可能なフィルタタップ係数を求めることができる。これにより、シンボル間干渉およびストリーム間干渉を除去する処理をＦＩＲフィルタ部４０３により実現することができる。

　以上、各実施形態で説明したように、本発明に係る無線通信システム、無線通信方法、送信局装置および受信局装置は、ＳＣ－ＭＩＭＯ伝送においてＣＩＲの伝達関数行列Ｈ（ｚ）の行列式が非最小位相となる場合であっても時間領域の線形等化器を用いてシンボル間干渉およびストリーム間干渉の除去を行うことができる。

１００，１００ａ・・・無線通信システム；１０１，１０１ａ・・・送信局装置；１０２，１０２ａ・・・受信局装置；２０１・・・ＱＡＭ変調部；２０２・・・線形等化部；２０３，３０１・・・ＲＦ部；３０２・・・ＱＡＭ復調部；４０１・・・情報ビット生成部；４０２・・・データ信号変調部；４０３・・・ＦＩＲフィルタ部；４０４，５０５・・・送信信号変換部；４０５，５０１・・・受信信号変換部；４０６，５１０・・・ＣＩＲ推定部；４０７，５１１・・・ウェイト算出方式判定部；４０８，５１２・・・フィルタタップ計算部；４１０，５０４・・・トレーニング信号生成部；５０２・・・データ信号復調部；５０３・・・情報ビット検出部；ＡＴｔ，ＡＴｒ・・・アンテナ

Claims

　送信局装置と受信局装置との間でシングルキャリアＭＩＭＯ伝送を行う無線通信システムにおいて、
　前記送信局装置は、
　前記受信局装置に送信するデータ信号からシンボル間干渉およびストリーム間干渉を除去する時間領域の線形等化部と、
　前記受信局装置が送信するトレーニング信号を受信して伝搬路特性の伝達関数行列を推定する伝搬路特性推定部と、
　推定された前記伝達関数行列を行列多項式で表し、前記行列多項式の逆応答を送信ウェイト行列とし、ノイマン級数により前記送信ウェイト行列を近似して前記時間領域の線形等化部のフィルタタップ係数を計算するフィルタタップ計算部と
　を備え、
　前記受信局装置は、
　伝搬路特性の推定に用いる前記トレーニング信号を生成して前記送信局装置に送信するトレーニング信号生成部を備える
　ことを特徴とする無線通信システム。
　請求項１に記載の無線通信システムにおいて、
　前記送信局装置は、
　前記送信ウェイト行列のノイマン級数による近似を行えるか否かの条件を判定し、前記条件を満たさない場合には、ノイマン級数による近似とは異なる方法により前記フィルタタップ計算部に前記フィルタタップ係数を計算させるウェイト算出方式判定部をさらに備える
　ことを特徴とする無線通信システム。
　送信局装置と受信局装置との間でシングルキャリアＭＩＭＯ伝送を行う無線通信システムにおいて、
　前記送信局装置は、
　前記受信局装置に送信するデータ信号からシンボル間干渉およびストリーム間干渉を除去する時間領域の線形等化部と、
　伝搬路特性の推定に用いるトレーニング信号を生成して前記受信局装置に送信するトレーニング信号生成部と
　を備え、
　前記受信局装置は、
　前記送信局装置が送信する前記トレーニング信号を受信して伝搬路特性の伝達関数行列を推定する伝搬路特性推定部と、
　推定された前記伝達関数行列を行列多項式で表し、前記行列多項式の逆応答を送信ウェイト行列とし、ノイマン級数により前記送信ウェイト行列を近似して前記時間領域の線形等化部のフィルタタップ係数を計算して、前記送信局装置に送信するフィルタタップ計算部と
　を備える
　ことを特徴とする無線通信システム。
　請求項３に記載の無線通信システムにおいて、
　前記受信局装置は、
　前記送信ウェイト行列のノイマン級数による近似を行えるか否かの条件を判定し、前記条件を満たさない場合には、ノイマン級数による近似とは異なる方法により前記フィルタタップ計算部に前記フィルタタップ係数を計算させるウェイト算出方式判定部をさらに備える
　ことを特徴とする無線通信システム。
　送信局装置と受信局装置との間でシングルキャリアＭＩＭＯ伝送を行う無線通信システムにおける無線通信方法であって、
　前記送信局装置は、
　前記受信局装置に送信するデータ信号からシンボル間干渉およびストリーム間干渉を除去する時間領域の線形等化処理と、
　前記受信局装置が送信するトレーニング信号を受信して伝搬路特性の伝達関数行列を推定する伝搬路特性推定処理と、
　推定された前記伝達関数行列を行列多項式で表し、前記行列多項式の逆応答を送信ウェイト行列とし、ノイマン級数により前記送信ウェイト行列を近似して前記時間領域の線形等化処理のフィルタタップ係数を計算するフィルタタップ計算処理と
　を実行し、
　前記受信局装置は、
　伝搬路特性の推定に用いる前記トレーニング信号を生成して前記送信局装置に送信するトレーニング信号生成処理を実行する
　ことを特徴とする無線通信方法。
　請求項５に記載の無線通信方法において、
　前記送信局装置は、
　前記送信ウェイト行列のノイマン級数による近似を行えるか否かの条件を判定し、前記条件を満たさない場合には、ノイマン級数による近似とは異なる方法により前記フィルタタップ計算処理で前記フィルタタップ係数を計算させるウェイト算出方式判定処理をさらに実行する
　ことを特徴とする無線通信方法。
　受信局装置との間でシングルキャリアＭＩＭＯ伝送を行う送信局装置において、
　前記受信局装置に送信するデータ信号からシンボル間干渉およびストリーム間干渉を除去する時間領域の線形等化部と、
　前記受信局装置が送信するトレーニング信号を受信して伝搬路特性の伝達関数行列を推定する伝搬路特性推定部と、
　推定された前記伝達関数行列を行列多項式で表し、前記行列多項式の逆応答を送信ウェイト行列とし、ノイマン級数により前記送信ウェイト行列を近似して前記時間領域の線形等化部のフィルタタップ係数を計算するフィルタタップ計算部と、
　前記送信ウェイト行列のノイマン級数による近似を行えるか否かの条件を判定し、前記条件を満たさない場合には、ノイマン級数による近似とは異なる方法により前記フィルタタップ計算部に前記フィルタタップ係数を計算させるウェイト算出方式判定部と
　を備えることを特徴とする送信局装置。
　送信局装置との間でシングルキャリアＭＩＭＯ伝送を行う受信局装置において、
　前記送信局装置が送信するトレーニング信号を受信して伝搬路特性の伝達関数行列を推定する伝搬路特性推定部と、
　推定された前記伝達関数行列を行列多項式で表し、前記行列多項式の逆応答を送信ウェイト行列とし、ノイマン級数により前記送信ウェイト行列を近似して、伝搬路のシンボル間干渉およびストリーム間干渉を除去する前記送信局装置側の時間領域の線形等化部のフィルタタップ係数を計算して、前記送信局装置に送信するフィルタタップ計算部と、
　前記送信ウェイト行列のノイマン級数による近似を行えるか否かの条件を判定し、前記条件を満たさない場合には、ノイマン級数による近似とは異なる方法により前記フィルタタップ計算部に前記フィルタタップ係数を計算させるウェイト算出方式判定部と
　を備えることを特徴とする受信局装置。