JP6416869B2 - 無線通信制御方法および無線通信システム - Google Patents

Description

本発明は、無線通信制御方法および無線通信システムに関する。

無線通信の分野において、近年、送信機側と受信機側との双方で複数のアンテナを用いて送受信を実行することにより、信号伝送の高速化及び高品質化を実現するＭＩＭＯ（Multiple-Input and Multiple-Output）伝送方式が活用されている。

また、信号伝送の更なる高速化と干渉低減とを図るために、アンテナの小型化と広い帯域幅の確保とが可能な高周波数帯（例えば、10 GHz以上）において、大量のアンテナ素子（例えば、100素子以上）を使用したＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ伝送方式が検討されている（例えば、特許文献１）。

Ｍａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯにおいては、従来のＭＩＭＯと比較して、大量のアンテナ素子を用いた高度なビームフォーミング（Beam Forming，ＢＦ）が実現され得る。ビームフォーミングは、複数のアンテナ素子を制御することによりビーム（送信アンテナに対応する送信ビーム、受信アンテナに対応する受信ビーム）の指向性や形状を制御する技術である。ＭＩＭＯでは、各アンテナ素子について位相及び振幅の制御が可能であるので、使用されるアンテナ素子の数が多いほどビーム制御の自由度が高まる。

なお、伝送信号に対して施されるビームフォーミングは、数学的には、伝送信号を示すベクトルに対するビームフォーミングウェイト行列（以下、ＢＦウェイト行列と称する場合がある）の乗算として表現され得る。ＢＦウェイト行列は、複数のビームフォーミングウェイトベクトル（以下、ＢＦウェイトベクトルと称する場合がある）を成分として含む行列として表現され得る。以下、ＢＦウェイト行列とＢＦウェイトベクトルとを総称して「ＢＦウェイト」と称する場合がある。

特開2013-232741号公報

ＭＩＭＯ伝送を適切に実行するには、ビームフォーミングを適切に実行すること、すなわち、好適なＢＦウェイトを決定することが重要であると考えられる。ＢＦウェイトを決定するためには、大量の演算処理、例えば、候補となる全てのＢＦウェイトの各々を用いて総当り的にチャネル推定を実行し、チャネル推定結果を比較して最適なＢＦウェイトを選択することが想定される。

しかしながら、全ての組合せパターンについて演算を実行すると、演算処理の負荷が過大となる。特に、Ｍａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ伝送方式においては大量のアンテナ素子が採用されるため、以上の処理負荷増の問題は一層顕著となる。

以上の事情を考慮して、本発明は、演算量を低減しつつ好適なＢＦウェイトを決定し、適切なＭＩＭＯ伝送を実現することを目的とする。

本発明の無線通信制御方法は、Ｍ（Ｍは２以上の整数）本のストリームに対して、プリコーディングウェイト行列を用いてディジタルプリコーディングを施すプリコーディング部と、前記ディジタルプリコーディングが施された後の信号に対して、送信ＢＦ（ビームフォーミング）ウェイト行列に相当する位相および振幅の変化を付与するアナログ送信ビームフォーミングを施す送信ビームフォーミング部と、前記アナログ送信ビームフォーミングが施された信号を送信する複数の送信アンテナとを備える送信機と、前記送信機から送信され空間を伝搬した信号を受信する複数の受信アンテナと、複数の前記受信アンテナが受信した前記信号に対して、受信ＢＦウェイト行列に相当する位相および振幅の変化を付与するアナログ受信ビームフォーミングを施す受信ビームフォーミング部と、前記アナログ受信ビームフォーミングが施された後の信号に対して、ポストコーディングウェイト行列を用いてディジタルポストコーディングを施すことにより、Ｍ本の前記ストリームを再生するポストコーディング部とを備える受信機とを備える無線通信システムにおける無線通信制御方法であって、Ｍ本の前記ストリームの各々について、複数の送信ＢＦウェイトベクトルの候補から、当該ストリームに対応する候補送信ＢＦウェイトベクトルを選択することと、選択された前記候補送信ＢＦウェイトベクトルを含む候補送信ＢＦウェイト行列に基づいてアナログ送信ビームフォーミングが施された第１参照信号を、前記送信機から送信することと、前記受信機にて受信された前記第１参照信号に対して、試験受信ＢＦウェイト行列に基づいてアナログ受信ビームフォーミングを施した結果を示す第１送受信特性を推定することと、前記選択すること、前記送信すること、および前記推定することを複数の前記送信ＢＦウェイトベクトルの候補について実行することにより取得された複数の第１送受信特性に基づいて、複数の前記送信ＢＦウェイトベクトルの候補から好適送信ＢＦウェイトベクトルを決定することと、複数の受信ＢＦウェイトベクトルの候補から、当該ストリームに対応する候補受信ＢＦウェイトベクトルを選択することと、決定された前記好適送信ＢＦウェイトベクトルを含む試験送信ＢＦウェイト行列に基づいてアナログ送信ビームフォーミングが施された第２参照信号を、前記送信機から送信することと、前記受信機にて受信された前記第２参照信号に対して、選択された前記候補受信ＢＦウェイトベクトルを含む候補受信ＢＦウェイト行列に基づいてアナログ受信ビームフォーミングを施した結果を示す第２送受信特性を推定することと、前記選択すること、前記送信すること、および前記推定することを複数の前記受信ＢＦウェイトベクトルの候補について実行することにより取得された複数の第２送受信特性に基づいて、複数の前記受信ＢＦウェイトベクトルの候補から好適受信ＢＦウェイトベクトルを決定することとを備える。

本発明の無線通信システムは、Ｍ（Ｍは２以上の整数）本のストリームに対して、プリコーディングウェイト行列を用いてディジタルプリコーディングを施すプリコーディング部と、前記ディジタルプリコーディングが施された後の信号に対して、送信ＢＦ（ビームフォーミング）ウェイト行列に相当する位相および振幅の変化を付与するアナログ送信ビームフォーミングを施す送信ビームフォーミング部と、前記アナログ送信ビームフォーミングが施された信号を送信する複数の送信アンテナとを備える送信機と、前記送信機から送信され空間を伝搬した信号を受信する複数の受信アンテナと、複数の前記受信アンテナが受信した前記信号に対して、受信ＢＦウェイト行列に相当する位相および振幅の変化を付与するアナログ受信ビームフォーミングを施す受信ビームフォーミング部と、前記アナログ受信ビームフォーミングが施された後の信号に対して、ポストコーディングウェイト行列を用いてディジタルポストコーディングを施すことにより、Ｍ本の前記ストリームを再生するポストコーディング部とを備える受信機とを備える無線通信システムである。無線通信システムは、Ｍ本の前記ストリームの各々について、複数の送信ＢＦウェイトベクトルの候補から当該ストリームに対応する候補送信ＢＦウェイトベクトルを選択し、選択した前記候補送信ＢＦウェイトベクトルを含む候補送信ＢＦウェイト行列に基づいてアナログ送信ビームフォーミングが施された第１参照信号を送信するように前記送信機を制御する送信ＢＦウェイト制御部と、前記受信機にて受信された前記第１参照信号に対して、試験受信ＢＦウェイト行列に基づいてアナログ受信ビームフォーミングを施した結果を示す第１送受信特性を推定する送受信特性推定部とをさらに備える。前記送信ＢＦウェイト制御部は、複数の前記送信ＢＦウェイトベクトルの候補について前記送受信特性推定部が推定した複数の第１送受信特性に基づいて、複数の前記送信ＢＦウェイトベクトルの候補から好適送信ＢＦウェイトベクトルを決定する。無線通信システムは、複数の受信ＢＦウェイトベクトルの候補から当該ストリームに対応する候補受信ＢＦウェイトベクトルを選択する受信ＢＦウェイト制御部をさらに備える。前記送信ＢＦウェイト制御部は、前記送信ＢＦウェイト制御部が決定した前記好適送信ＢＦウェイトベクトルを含む試験送信ＢＦウェイト行列に基づいてアナログ送信ビームフォーミングが施された第２参照信号を送信するように前記送信機を制御する。前記送受信特性推定部は、前記受信機にて受信された前記第２参照信号に対して、前記受信ＢＦウェイト制御部が選択した前記候補受信ＢＦウェイトベクトルを含む候補受信ＢＦウェイト行列に基づいてアナログ受信ビームフォーミングを施した結果を示す第２送受信特性を推定する。前記受信ＢＦウェイト制御部は、複数の前記受信ＢＦウェイトベクトルの候補について前記送受信特性推定部が推定した複数の第２送受信特性に基づいて、複数の前記受信ＢＦウェイトベクトルの候補から好適受信ＢＦウェイトベクトルを決定する。

本発明によれば、各ストリームについて、ウェイト行列が段階的に決定される。すなわち、好適送信ＢＦウェイトと好適受信ＢＦウェイトとが先に決定される。したがって、ウェイト行列の組合せを全て試行して決定する構成と比較して、演算対象となる組合せ数が抑制される。結果として、ウェイト行列決定に要する演算量が低減されつつ、好適なＢＦウェイト行列が決定される。

実施形態に係るＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ伝送方式の概要説明図である。 実施形態に係る無線通信システムの概略構成図である。 実施形態に係るＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ伝送の機能的構成を示す図である。 実施形態に係る送信機の回路構成の例を示す図である。 実施形態に係る受信機の回路構成の例を示す図である。 実施形態に係るＢＦウェイト決定の概説図である。 実施形態に係るスイッチング回路の構成図である。 実施形態のスモール基地局の機能ブロック図である。 実施形態のユーザ装置の機能ブロック図である。 実施形態のＢＦウェイト決定を示す動作フローの一部である。 実施形態のＢＦウェイト決定を示す動作フローの一部である。

１． 実施形態
１（１）． Ｍａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ伝送
本発明の実施形態に係るＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ伝送方式について説明する。基地局が多数の送信アンテナＡ_Ｔを用いて無線通信を実行するＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ伝送方式においては、多重化による高い無線通信速度（データレート）が実現される。また、ビームフォーミングを行う際のアンテナ制御の自由度が高まるため、従来よりも高度なビームフォーミングが実現される。そのため、干渉量の低減や無線リソースの有効利用が実現される。なお、Ｍａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯに適応した基地局が備える送信アンテナＡ_Ｔの数は、以下に限定されるものではないが、３２本以上、６４本以上、９６本以上、１００本以上、１２８本以上、１９２本以上、２００本以上、２５６本以上、５００本以上、５１２本以上、１０００本以上、または１０２４本以上であると好適である。

Ｍａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ伝送方式において、高周波数帯（例えば、10 GHz以上の周波数帯）が使用されると好適である。高周波数帯では、低周波数帯と比較して、広い帯域幅（例えば、200 MHz以上）の無線リソースを確保しやすい。また、アンテナ素子の大きさは信号の波長に比例することから、無線信号の波長が相対的に短い高周波数帯を用いる場合には、アンテナをより小型化することが可能である。その一方で、周波数が高いほど伝搬損失が増大するため、仮に同じ送信電力で基地局から無線信号を送信しても、高周波数帯を用いた場合には、低周波数帯を用いる場合と比較して、移動局における受信信号強度が低下する結果となる。

しかしながら、以上のような、高周波数帯を用いることによる受信信号強度の低下は、ビームフォーミング利得により補償可能である。図１は、周波数に応じたビーム（無線信号）の到達範囲を模式的に示す図である。従来の基地局（マクロ基地局ＭｅＮＢ）は低周波数帯を用いて無線通信を行うので、幅の広い放射パターンのビームを用いてもより遠くまでビームが到達する。他方、本実施形態のＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ伝送方式に対応する基地局（スモール基地局ＭＭＮＢ）は高周波数帯を用いて無線通信を行うので、幅の広い放射パターンのビームを用いる場合にはマクロ基地局ＭｅＮＢと比較してビームの到達する距離が短い。ところが、ビームフォーミングによってビームの放射パターンの幅を狭くする場合には、高周波数帯を用いるスモール基地局ＭＭＮＢであっても遠くまでビームを到達させることが可能である。

図２は、実施形態に係る無線通信システム１の概略構成図である。無線通信システム１は、マクロ基地局ＭｅＮＢ、スモール基地局ＭＭＮＢ、中央制御局ＭＭＥ、およびユーザ装置ＵＥを備える。スモール基地局ＭＭＮＢは、Ｍａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ伝送方式に対応する基地局である。

マクロ基地局ＭｅＮＢはその周囲にマクロセルＣｍを形成し、スモール基地局ＭＭＮＢはその周囲にＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯセル（ＭＭセル）Ｃｍｍを形成する。スモール基地局ＭＭＮＢが用いる周波数帯（例えば、10 GHz帯）は、マクロ基地局ＭｅＮＢが用いる周波数帯（例えば、2 GHz帯）よりも周波数が高く伝搬損失も大きいので、ＭＭセルＣｍｍのセルサイズはマクロセルＣｍのセルサイズよりも小さい。そのため、スモール基地局ＭＭＮＢとユーザ装置ＵＥとは見通し線（line-of-sight）で接続される可能性が高い。

図２に示されるように、ＭＭセルＣｍｍは、マクロセルＣｍなど他の無線アクセス技術（Radio Access Technology, ＲＡＴ）による無線通信可能エリアとオーバーラップすることが可能である。結果として、オーバーラップする領域に位置するユーザ装置ＵＥに対しては、複数の無線アクセス技術による同時接続（Multiple Connectivity）がサポートされる。さらに、Ｍａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ伝送方式に対応するスモール基地局ＭＭＮＢと通信中のユーザ装置ＵＥに対して、異なる無線アクセス技術に対応するマクロ基地局ＭｅＮＢから制御信号を送信することも可能である。なお、他の無線アクセス技術として、公衆またはローカルの無線ＬＡＮが例示される。

前述の通り、高周波数帯域を用いるＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ伝送において、ビームフォーミングにより実現される利得によって伝搬損失が補償されると好適である。また、さらなる高速無線通信を実現するために、複数のデータストリームが空間的に多重されて伝送されると好適である。以上のような多重伝送においては、ビームフォーミングによるビーム自体の制御のみならず、プリコーディングによるストリーム間多重の補償が実現されるとより好適である。

より具体的には、図３に示すように、送信機（例えば、スモール基地局ＭＭＮＢ）のプリコーダおよび送信ビームフォーマがそれぞれプリコーディングおよび送信ビームフォーミングを実行し、受信機（例えば、ユーザ装置ＵＥ）の受信ビームフォーマおよびポストコーダがそれぞれ受信ビームフォーミングおよびポストコーディングを実行すると好適である。

数学的には、プリコーディング処理は、Ｍ本（Ｍは２以上の整数，例えばＭ＝１６）のストリームを表すＭ行１列の信号ベクトル

に対して、Ｍ行Ｍ列のプリコーディングウェイト行列

を乗算する処理である。送信ビームフォーミング処理は、プリコーディングが施された信号に対して、Ｎ_Ｔ行Ｍ列（Ｎ_Ｔは送信アンテナ数，例えばＮ_Ｔ＝２５６）の送信ＢＦ（ビームフォーミング）ウェイト行列

を乗算する処理である。送信ビームフォーミング後、送信アンテナＡ_Ｔから送信された信号に対して、空間の伝搬に対応するＮ_Ｒ行Ｎ_Ｔ列（Ｎ_Ｒは受信アンテナ数，例えばＮ_Ｒ＝１６）のチャネル特性行列

が乗算される。受信ビームフォーミング処理は、受信アンテナＡ_Ｒで受信された信号に対して、Ｍ行Ｎ_Ｒ列の受信ＢＦウェイト行列

を乗算する処理である。ポストコーディング処理は、受信ビームフォーミングが施された信号に対して、Ｍ行Ｍ列のポストコーディングウェイト行列

を乗算する処理である。以上から、ポストコーディング後のＭ行１列の信号ベクトル

は、以下の数式で表現される。

なお、以上の数式（１）において加算される別項である

は、Ｍ行１列の雑音ベクトルである。

本実施形態では、Ｍａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ伝送のより好適な態様として、プリコーディングとしてディジタルプリコーディングが採用され、送信および受信ビームフォーミングとしてアナログビームフォーミングが採用され、ポストコーディングとしてディジタルポストコーディングが採用される。具体的な回路構成の例を図４および図５に非限定的に示す。図４が送信機側の等価回路を示し、図５が受信機側の等価回路を示す。

図４のように、送信機側では、Ｍ本のストリームに対して、複数の乗算器ＭＰおよび加算器ＡＤを有するディジタル信号処理回路ＤＣ_Ｔによってディジタル的にプリコーディング（行列演算）が施された後、変換器ＣＶ_ＴによってＤＡ変換およびアップコンバートが実行され高周波送信信号が生成される。高周波送信信号は、複数の可変移相器ＰＳおよび振幅調整器ＡＡのいずれか一方または双方、並びに加算器ＡＤを有するアナログ信号処理回路ＡＣ_Ｔによって位相および振幅に変化が付与された後（すなわち、アナログ的に送信ビームフォーミングが施された後）、Ｎ_Ｔ本の送信アンテナＡ_Ｔから送信される。

図５のように、受信機側では、Ｎ_Ｒ本の受信アンテナＡ_Ｒにて受信された高周波受信信号に対して、複数の可変移相器ＰＳ、振幅調整器ＡＡおよび加算器ＡＤを有するアナログ信号処理回路ＡＣ_Ｒによって位相および振幅に変化が付与される（すなわち、アナログ的に受信ビームフォーミングが施される）。そして、受信ビームフォーミング後の信号に対して、変換器ＣＶ_ＲによってＡＤ変換およびダウンコンバートが実行され、ディジタル信号処理回路ＤＣ_Ｒによってディジタル的にポストコーディング（行列演算）が施された結果、Ｍ本のストリームが生成（再生）される。

なお、アナログ信号処理回路ＡＣ（ＡＣ_Ｔ，ＡＣ_Ｒ）は、以上のように可変移相器ＰＳおよび振幅調整器ＡＡによって複数のビーム候補（ＢＦウェイト候補）のいずれかを実現する他、複数のビーム候補に相当する複数の処理回路を備え、制御スイッチによっていずれかの処理回路が選択されるように構成されてもよい。

以上の構成は、とりわけ、伝送すべきストリーム数Ｍに対して送信アンテナ数Ｎ_Ｔが十分に多い（すなわち、Ｍ＜＜Ｎ_Ｔである）Ｍａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ伝送方式において好適である。一般的に、送信ストリーム数Ｍ＜送信アンテナ数Ｎ_Ｔの場合、無線信号の送信に先立って、Ｍ個のストリーム成分をＮ_Ｔ個の送信アンテナ成分に変換するＮ_Ｔ行Ｍ列の行列演算が必要である。本実施形態では、前述の通り、数学的には、Ｍ行Ｍ列のプリコーディングウェイト行列

およびＮ_Ｔ行Ｍ列の送信ＢＦウェイト行列

による行列演算によって、Ｍ個のストリーム成分がＮ_Ｔ個の送信アンテナ成分に変換される。

以上の構成では、送信側において、プリコーディングのみがディジタル信号処理回路ＤＣ_Ｔによって実行される。そのため、プリコーディングと送信ビームフォーミングとの双方をディジタル処理する構成と比較して、ディジタル信号処理回路ＤＣ_Ｔの回路規模および演算量を削減できる上、ＤＡコンバータ（変換器ＣＶ_Ｔ）のチャネル数も削減できる。したがって、構成の簡素化と多数の送信アンテナＡ_Ｔの使用とが併せて実現される。受信側（ポストコーディングおよび受信ビームフォーミング）についても同様である。

１（２）． ウェイト行列の決定
Ｍａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ伝送の信号処理においては、上述した複数のウェイト行列

が使用される。Ｍａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ伝送におけるチャネル容量Ｃは、これらのウェイト行列を用いて以下の数式（２）により算定される。

なお、数式（２）（変形されたシャノンの式）において、

は単位行列であり、γは受信ＳＮＲ（Signal-to-Noise Ratio）である。また、

は共役転置行列を示す。

複数の候補から適切なウェイト行列を選択することにより、チャネル容量Ｃを増大させる（好適には、最大化させる）ことが可能である。従来技術の一例では、複数のウェイト行列について、候補ウェイト行列を１つずつ選択した組合せの全てについて試行を行うことにより、最適なウェイト行列の組合せを決定する。

より具体的には、ストリーム数がＭであり、プリコーディングウェイト行列

の候補数がＮ_Ｐであり、送信ＢＦウェイト行列（送信ビームパターン）

の候補数がＮ_ＷＴであり、受信ＢＦウェイト行列（受信ビームパターン）

の候補数がＮ_ＷＲであり、ポストコーディングウェイト行列

の候補数がＮ_Ｂである場合には、Ｎ_Ｐ・（Ｎ_ＷＴ）^Ｍ・（Ｎ_ＷＲ）^Ｍ・Ｎ_Ｂ回の演算が必要となる。Ｍａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ伝送方式では、従来のＭＩＭＯ伝送方式と比較してアンテナ本数が多いため、候補ビームパターンの数も多い。そのため、以上の組合せ決定方式を採用すると、演算量が等比級数的に増大し、処理負荷が増大するという問題が生じる。

また、アナログビームフォーミングを採用する構成においては、チャネル行列

そのものを観測することができないため、実際に無線信号の送受信を行って伝送特性を測定する必要がある。

そこで、本実施形態においては、ウェイト行列の組合せを全て試行することに代えて、先に送信ＢＦウェイト行列

および受信ＢＦウェイト行列

を決定し、決定された以上のＢＦウェイト行列を用いて、プリコーディングウェイト行列

およびポストコーディングウェイト行列

を決定する。以上のようにウェイト行列を段階的に決定することにより、演算対象となる組合せ数を減らすことで、演算量を削減することが可能である。

Ｍａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ伝送方式においては、受信機（ユーザ装置ＵＥ）のアンテナ数に比較して送信機（スモール基地局ＭＭＮＢ）のアンテナ数が多いため、より大きな送信ビームフォーミング利得を得ることが可能である。したがって、本実施形態においては、先に送信ＢＦウェイトを決定し、その後に受信ＢＦウェイトを決定する。

図６は、本実施形態に係るＢＦウェイト決定の概説図である。ＢＦウェイト決定は、Ｍ本のストリームの各々について逐次に実行される。第１段階では、スモール基地局ＭＭＮＢにおける送信ＢＦウェイト（送信ビーム）の候補の切替えと、ユーザ装置ＵＥにおける受信アンテナＡ_Ｒの切替えとが繰り返されることにより、試行された送信ＢＦウェイトと受信アンテナＡ_Ｒとの組合せの中でユーザ装置ＵＥでの受信品質が最も良い送信ＢＦウェイトが選択される。第２段階では、ユーザ装置ＵＥにおける受信ＢＦウェイト（受信ビーム）の候補の切り替えが繰り返されることにより、試行された受信ＢＦウェイトの中でユーザ装置ＵＥでの受信品質が最も良い受信ＢＦウェイトが選択される。なお、第２段階では、第１段階にて選択された送信ＢＦウェイトに基づいて、スモール基地局ＭＭＮＢが送信信号の振幅および位相を変化させる。

図７は、ユーザ装置ＵＥにおける受信アンテナＡ_Ｒの切替えを実現するスイッチング回路の構成図である。図７では、前述（図５等）と同様に、受信アンテナＡ_Ｒとそれに接続される可変移相器ＰＳとが示される（作図の便宜上、後段の振幅調整器ＡＡおよび加算器ＡＤの図示は省略されている）。加えて、受信アンテナＡ_Ｒと可変移相器ＰＳとの間に切替器ＳＷが設けられる。切替器ＳＷは、受信アンテナＡ_Ｒと可変移相器ＰＳ等とを接続することにより受信信号の振幅および位相を変化させる第１状態（接続状態）、可変移相器ＰＳ等をバイパスする第２状態（バイパス状態）、および受信アンテナＡ_Ｒをどこにも接続しない第３状態（非接続状態）のいずれかの状態を取る。各受信アンテナＡ_Ｒについて以上の切替器ＳＷが設けられる。

以下、本実施形態のＢＦウェイト決定の詳細を、図８から図１２を参照しながら具体的に説明する。

図８は、実施形態のスモール基地局ＭＭＮＢ（送信機）の主要な構成要素を示す機能ブロック図である。スモール基地局ＭＭＮＢは、データ信号生成部１０と参照信号生成部２０とベースバンド処理部３０とＤＡ変換部４０とＲＦ処理部５０とフィードバック部６０と送信ＢＦウェイト制御部７０と記憶部８０とを備える。ベースバンド処理部３０はプリコーディング部３２を備え、ＲＦ処理部５０はアップコンバート部５２と送信ビームフォーミング部５４とを備える。Ｎ_Ｔ本の送信アンテナＡ_Ｔが、送信ビームフォーミング部５４に接続される。

データ信号生成部１０は、ユーザ装置ＵＥに対する送信信号に含まれるべきデータ信号を生成する。データ信号生成部１０は、複数系列のストリームとしてデータ信号を生成することが可能である。本実施形態において、データ信号生成部１０はＭ（Ｍは２以上の整数）本のストリームのデータ信号を生成すると想定する。参照信号生成部２０は、ユーザ装置ＵＥに対する送信信号に含まれるべき参照信号を生成する。参照信号は、例えば、ユーザ装置ＵＥとスモール基地局ＭＭＮＢとの初期同期や、ユーザ装置ＵＥにおけるスモール基地局ＭＭＮＢの識別に用いられる信号である。参照信号生成部２０も、複数系列（Ｍ本のストリーム）の参照信号を生成することが可能である。生成されたデータ信号および参照信号は、ベースバンド信号としてベースバンド処理部３０に入力される。

ベースバンド処理部３０は、入力されたベースバンド信号（データ信号、参照信号）を処理する要素である。ベースバンド処理部３０は、Ｍ本のストリームに対して、Ｍ行Ｍ列のプリコーディングウェイト行列

を用いてディジタルプリコーディング（行列演算）を施すプリコーディング部３２を備える。

通常の無線送信においては、データ信号と参照信号とを組み合わせた信号がプリコーディング部３２にてプリコードされ、ベースバンド処理部３０から出力される。一方、本実施形態のＢＦウェイト決定においては、プリコードされていない参照信号がベースバンド処理部３０から出力される。また、本実施形態のＢＦウェイト決定に用いられる参照信号が含む複数の系列は、互いに直交する。

ＤＡ変換部４０は、ベースバンド処理部３０から出力されたディジタル信号をアナログ信号に変換し、ＲＦ処理部５０へ出力する。

ＲＦ処理部５０は、入力されたアナログ信号を処理して送信アンテナＡ_Ｔから送信する要素である。ＲＦ処理部５０は、入力されたアナログ信号を無線周波数（Radio Frequency）のＲＦ信号に周波数変換するアップコンバート部５２と、周波数変換後の信号に対して、Ｎ_Ｔ行Ｍ列の送信ＢＦウェイト行列

に基づいてアナログ送信ビームフォーミングを施す送信ビームフォーミング部５４とを備える。送信ビームフォーミング部５４から出力された高周波信号は、Ｎ_Ｔ本の送信アンテナＡ_Ｔから送信される。以上のアナログ送信ビームフォーミングは、送信ＢＦウェイト行列の乗算に相当する位相および振幅の変化を、可変移相器ＰＳおよび振幅調整器ＡＡを用いてＭ本のアナログ信号に付与する処理である。換言すると、以上のアナログ送信ビームフォーミングにおいては、複数の送信アンテナＡ_Ｔ間（複数の送信アンテナＡ_Ｔから送信される信号間）の位相および振幅が、送信ＢＦウェイト行列の乗算に相当するようにアナログ的に変化する。

フィードバック部６０は、ユーザ装置ＵＥと制御に関する通信を行う要素であり、特に、ユーザ装置ＵＥからのフィードバック情報をプリコーディング部３２および送信ＢＦウェイト制御部７０に供給する。送信ＢＦウェイト制御部７０は、送信ビームフォーミング部５４にて用いられるＢＦウェイトの制御を行う。記憶部８０は、無線通信の制御に関する情報（例えば、ＢＦウェイト）等を記憶する。

スモール基地局ＭＭＮＢに含まれる要素のうち、ディジタル的な処理を実行する要素（例えば、データ信号生成部１０、参照信号生成部２０、ベースバンド処理部３０、フィードバック部６０、送信ＢＦウェイト制御部７０）は、不図示のＣＰＵ（Central Processing Unit）が、記憶部８０に記憶されたコンピュータプログラムを実行し、そのコンピュータプログラムに従って機能することにより実現される機能ブロックである。

図９は、実施形態のユーザ装置ＵＥ（受信機）の主要な構成要素を示す機能ブロック図である。ユーザ装置ＵＥは、ＲＦ処理部１１０とＡＤ変換部１２０とベースバンド処理部１３０と信号解析部１４０と送受信特性推定部１５０と受信ＢＦウェイト制御部１６０とフィードバック部１７０と記憶部１８０とを備える。ＲＦ処理部１１０は受信ビームフォーミング部１１２とダウンコンバート部１１４とを備え、ベースバンド処理部１３０はポストコーディング部１３２を備える。Ｎ_Ｒ本の受信アンテナＡ_Ｒが、受信ビームフォーミング部１１２に接続される。

送信機であるスモール基地局ＭＭＮＢから送信され空間を伝搬した無線信号が、Ｎ_Ｒ本の受信アンテナＡ_Ｒに受信されてＲＦ処理部１１０に入力される。

ＲＦ処理部１１０は、複数の受信アンテナＡ_Ｒが受信した信号を処理する要素である。ＲＦ処理部１１０は、受信された信号に対して、Ｍ行Ｎ_Ｒ列の受信ＢＦウェイト行列

に基づいてアナログ受信ビームフォーミングを施す受信ビームフォーミング部１１２と、入力された信号をベースバンド信号に周波数変換して出力するダウンコンバート部１１４とを備える。以上のアナログ受信ビームフォーミングは、受信ＢＦウェイト行列の乗算に相当する位相および振幅の変化を、可変移相器ＰＳおよび振幅調整器ＡＡを用いてＮ_Ｒ本のアナログ信号に付与する処理である。換言すると、以上のアナログ受信ビームフォーミングにおいては、複数の受信アンテナＡ_Ｒ間（複数の受信アンテナＡ_Ｒ間にて受信される信号間）の位相および振幅が、受信ＢＦウェイト行列の乗算に相当するようにアナログ的に変化する。

なお、受信ビームフォーミング部１１２は、図７を参照して前述した受信アンテナＡ_Ｒの切替えを実行可能である。第１状態（接続状態）の受信アンテナＡ_Ｒは受信ビームフォーミング部１１２内の可変移相器ＰＳに接続され、第２状態（バイパス状態）の受信アンテナＡ_Ｒは受信ビームフォーミング部１１２内のバイパス回路に接続され、第３状態（非接続状態）の受信アンテナＡ_Ｒはいずれにも接続されない。可変移相器ＰＳおよび振幅調整器ＡＡを通った信号も、可変移相器ＰＳおよび振幅調整器ＡＡを通らずバイパスされた信号も、いずれもダウンコンバート部１１４に入力される。

ＡＤ変換部１２０は、ＲＦ処理部１１０から出力されたアナログ信号をディジタル信号に変換し、ベースバンド処理部１３０へ出力する。

ベースバンド処理部１３０は、入力されたベースバンド信号を処理してＭ本のストリームを復元する要素である。ベースバンド処理部１３０は、ＡＤ変換部１２０から出力された信号に対して、Ｍ行Ｍ列のポストコーディングウェイト行列

を用いてディジタルポストコーディング（行列演算）を施すポストコーディング部１３２を備える。以上のポストコーディングにより、Ｍ本のストリームが再生される。再生されたＭ本のストリームは、信号解析部１４０に入力されて解析される。

送受信特性推定部１５０は、後述される送受信特性の推定を実行する。受信ＢＦウェイト制御部１６０は、受信ビームフォーミング部１１２にて用いられるＢＦウェイトの制御を行う。フィードバック部１７０は、スモール基地局ＭＭＮＢと制御に関する通信を行う要素であり、特に、送受信特性推定部１５０および受信ＢＦウェイト制御部１６０からのフィードバック情報をスモール基地局ＭＭＮＢに送信する。記憶部１８０は、無線通信の制御に関する情報（例えば、ＢＦウェイト）を記憶する。

ユーザ装置ＵＥに含まれる要素のうち、ディジタル的な処理を実行する要素（例えば、ベースバンド処理部１３０、信号解析部１４０、送受信特性推定部１５０、受信ＢＦウェイト制御部１６０、フィードバック部１７０）は、不図示のＣＰＵが、記憶部１８０に記憶されたコンピュータプログラムを実行し、そのコンピュータプログラムに従って機能することにより実現される機能ブロックである。

図１０および図１１は、本実施形態のＢＦウェイト決定を示す動作フローである。概略的には、本実施形態のＢＦウェイト決定によれば、Ｍ本のストリームの各々について、第１段階（好適送信ＢＦウェイトベクトルの決定，ステップS120〜S220）と第２段階（好適受信ＢＦウェイトベクトルの決定，ステップS230〜S280）とが実行される結果、好適な（すなわち、試行された範囲においては最適な）送信ＢＦウェイト行列

および受信ＢＦウェイト行列

が決定される。

送信ＢＦウェイト行列に含まれる

は、第ｍストリームに対応するＮ_Ｔ行１列の送信アナログＢＦウェイトベクトルである。また、受信ＢＦウェイト行列に含まれる

は、第ｍストリームに対応するＮ_Ｒ行１列の受信アナログＢＦウェイトベクトルである。

以下、ＢＦウェイトの決定を詳細に説明する。ＢＦウェイトの決定が開始すると、スモール基地局ＭＭＮＢの送信ＢＦウェイト制御部７０が、Ｍ本のストリームのうち第１番目のストリーム（ｍ＝１）を指定し選択する（S100, S110）。なお、以降の説明において、ステップS110で選択されたストリームｍを「対象ストリームｍ」と称する場合がある。

送信ＢＦウェイト制御部７０は、複数（Ｘ個）の送信ＢＦウェイトベクトルの候補から、対象ストリーム（ｍ＝１）に対応する候補送信ＢＦウェイトベクトル

を選択する（S120）。次いで、送信ＢＦウェイト制御部７０は、選択された候補送信ＢＦウェイトベクトルを含むＮ_Ｔ行Ｍ列の候補送信ＢＦウェイト行列

に相当する位相および振幅の変化を参照信号に付与し（すなわち、参照信号にアナログ送信ビームフォーミングを施し）、Ｎ_Ｔ本の送信アンテナＡ_Ｔから送信するように、送信ビームフォーミング部５４を制御する（S130）。ここで、

はＮ_Ｔ行１列の零ベクトルである。前述の通り、ＢＦウェイトの決定においては、プリコーディングされていない参照信号に対して送信ビームフォーミングが施され送信される。以下では、ステップS130にて送信される参照信号を、第１参照信号ＲＳ１と称する場合がある。

ステップS110において選択された対象ストリームｍを示す情報は、フィードバック部６０を介してユーザ装置ＵＥにも通知される。その通知を受けると、ユーザ装置ＵＥの受信ＢＦウェイト制御部１６０は、第１参照信号ＲＳ１を受信すべき１以上の受信アンテナＡ_Ｒを選択するように、受信ビームフォーミング部１１２を制御する（S140）。本例では、第ｎ_ｒ番目の１本の受信アンテナＡ_Ｒが選択される。

受信ＢＦウェイト制御部１６０は、選択された受信アンテナＡ_Ｒに受信された第１参照信号ＲＳ１に対して、Ｍ行Ｎ_Ｒ列の試験受信ＢＦウェイト行列

に相当する位相および振幅の変化を付与するように（すなわち、アナログ受信ビームフォーミングを施すように）、受信ビームフォーミング部１１２を制御する（S150）。ここで、

は、選択された受信アンテナＡ_Ｒのインデックスである第ｎ_ｒ番目の要素が１（切替器ＳＷの第２状態（バイパス状態）に相当）であり、他の要素が０（切替器ＳＷの第３状態（非接続状態）に相当）であるＮ_Ｒ行１列の単位ベクトルである。また、

は、Ｎ_Ｒ行１列の零ベクトルである。

受信ビームフォーミング部１１２に受信された第１参照信号ＲＳ１は、ダウンコンバート部１１４とＡＤ変換部１２０とを経て送受信特性推定部１５０に入力される。送受信特性推定部１５０は、入力された第１参照信号ＲＳ１を用いて、Ｍ行Ｍ列の送受信特性

を推定する（S160）。以上の送受信特性は、送信ビームフォーミング、空間伝搬（チャネル行列）、および受信ビームフォーミングによる信号の変化を示す特性行列である。以上の送受信特性の推定は、一般的なチャネル推定と同様に実行される。例えば、最小二乗法を用いた送受信特性の推定が採用可能である。以下では、ステップS160にて推定される送受信特性を、第１送受信特性と称する場合がある。

推定された第１送受信特性は、フィードバック部１７０を介してユーザ装置ＵＥからフィードバックされ（S170）、スモール基地局ＭＭＮＢに受信される（S180）。

以上のステップS140〜S180によって、選択された受信アンテナＡ_Ｒについて第１送受信特性が推定される。以上のステップは、全ての受信アンテナＡ_Ｒが選択されるまで繰り返される。すなわち、ステップS190にて、まだ全ての受信アンテナＡ_Ｒが選択されていないと受信ＢＦウェイト制御部１６０が判定すると（S190；NO）、処理がステップS140に戻って新たな受信アンテナＡ_Ｒが選択され、その受信アンテナＡ_Ｒについて第１送受信特性が推定される。結果として、全ての受信アンテナＡ_Ｒについて第１送受信特性が推定される。受信アンテナＡ_Ｒを１本ずつ選択する本例においては、受信アンテナＡ_Ｒの本数を示すＮ_Ｒ回、以上のステップが繰り返される。

全ての受信アンテナＡ_Ｒが選択されたと判定されると（S190；YES）、受信ＢＦウェイト制御部１６０は、全ての受信アンテナＡ_Ｒの選択が終了したことを、フィードバック部１７０を介してスモール基地局ＭＭＮＢに通知する（S200）。

以上のステップS120〜S200によって、選択された候補送信ＢＦウェイトベクトルについて、各受信アンテナＡ_Ｒに対応する第１送受信特性が推定される。以上のステップは、全ての送信ＢＦウェイトベクトルの候補が選択されるまで繰り返される。すなわち、ステップS210にて、まだ全ての送信ＢＦウェイトベクトルの候補が選択されていないと送信ＢＦウェイト制御部７０が判定すると（S210；NO）、処理がステップS120に戻って新たな候補送信ＢＦウェイトベクトルが選択され、その候補送信ＢＦウェイトベクトルについて、各受信アンテナＡ_Ｒに対応する第１送受信特性が推定される。Ｘ個の送信ＢＦウェイトベクトルの候補が存在する本例においては、以上のステップがＸ回繰り返される。

以上のように、ステップS120〜S210が実行されることにより、全ての送信ＢＦウェイトベクトルの候補と受信アンテナＡ_Ｒとの組合せについて、Ｍ行Ｍ列の第１送受信特性

が取得される。

送信ＢＦウェイト制御部７０は、対象ストリーム（ｍ＝１）について取得された複数（Ｎ_Ｒ・Ｘ個）の第１送受信特性に基づいて、複数の送信ＢＦウェイトベクトルの候補から好適送信ＢＦウェイトベクトル

を決定する（S220）。任意の基準により好適送信ＢＦウェイトベクトルが決定され得る。例えば、各ストリームの受信電力値の総和と相関するフロベニウスノルム

が最も大きい第１送受信特性

に対応する送信ＢＦウェイトベクトルの候補

を、好適送信ＢＦウェイトベクトルとして決定できる。なお、フロベニウスノルム中の

は、第１送受信特性

の（ｉ，ｊ）成分を示す。また、フロベニウスノルムに限らず、第１送受信特性の特徴を表すスカラー値を、好適送信ＢＦウェイトベクトルの決定基準として採用することが可能である。その他、各ストリームの受信電力を最大化する送信ＢＦウェイトベクトルや、各ストリーム間の直交度を最大化する送信ＢＦウェイトベクトルが、好適送信ＢＦウェイトベクトルとして採用されてもよい。

以上のように、ステップS110〜S220が実行されることにより、対象ストリーム（ｍ＝１）について、１つの好適送信ＢＦウェイトベクトルが決定される。好適送信ＢＦウェイトベクトルが決定されたことがスモール基地局ＭＭＮＢからユーザ装置ＵＥに通知される。

ＢＦウェイト決定の動作フローは図１１に続く。送信ＢＦウェイト制御部７０は、ステップS220にて決定された好適送信ＢＦウェイトベクトル

を含むＮ_Ｔ行Ｍ列の試験送信ＢＦウェイト行列

に相当する位相および振幅の変化を参照信号に付与し（すなわち、参照信号にアナログ送信ビームフォーミングを施し）、Ｎ_Ｔ本の送信アンテナＡ_Ｔから送信するように、送信ビームフォーミング部５４を制御する（S230）。前述と同様に、プリコーディングされていない参照信号に対して送信ビームフォーミングが施され送信される。以下では、ステップS230にて送信される参照信号を、第２参照信号ＲＳ２と称する場合がある。

受信ＢＦウェイト制御部１６０は、複数（Ｙ個）の受信ＢＦウェイトベクトルの候補から、対象ストリーム（ｍ＝１）に対応する候補受信ＢＦウェイトベクトル

を選択する（S240）。次いで、受信ＢＦウェイト制御部１６０は、受信アンテナＡ_Ｒに受信された第２参照信号ＲＳ２に対して、選択された候補受信ＢＦウェイトベクトルを含むＭ行Ｎ_Ｒ列の候補受信ＢＦウェイト行列

に相当する位相および振幅の変化を付与するように（すなわち、アナログ受信ビームフォーミングを施すように）、受信ビームフォーミング部１１２を制御する（S250）。

受信ビームフォーミング部１１２に受信された第２参照信号ＲＳ２は、ダウンコンバート部１１４とＡＤ変換部１２０とを経て送受信特性推定部１５０に入力される。送受信特性推定部１５０は、入力された第２参照信号ＲＳ２を用いて、Ｍ行Ｍ列の送受信特性

を推定する（S260）。以上の送受信特性には、ステップS160と同様の説明が適用される。以下、ステップS260にて推定される送受信特性を第２送受信特性と称する場合がある。

以上のステップS240〜S260によって、選択された候補受信ＢＦウェイトベクトルについて、第２送受信特性が推定される。以上のステップは、全ての受信ＢＦウェイトベクトルの候補が選択されるまで繰り返される。すなわち、ステップS270にて、まだ全ての受信ＢＦウェイトベクトルの候補が選択されていないと受信ＢＦウェイト制御部１６０が判定すると（S270；NO）、処理がステップS240に戻って新たな候補受信ＢＦウェイトベクトルが選択され、その候補受信ＢＦウェイトベクトルについて第２送受信特性が推定される。Ｙ個の受信ＢＦウェイトベクトルの候補が存在する本例においては、以上のステップがＹ回繰り返される。

以上のように、ステップS240〜S270が実行されることにより、全ての受信ＢＦウェイトベクトルの候補について、Ｍ行Ｍ列の第２送受信特性

が取得される。

受信ＢＦウェイト制御部１６０は、対象ストリーム（ｍ＝１）について取得された複数（Ｙ個）の第２送受信特性に基づいて、複数の受信ＢＦウェイトベクトルの候補から好適受信ＢＦウェイトベクトル

を決定する（S280）。好適送信ＢＦウェイトベクトルと同様、任意の基準（例えば、第２送受信特性の特徴を表すスカラー値）により、好適受信ＢＦウェイトベクトルが決定され得る。

以上のように、ステップS110およびステップS230〜S280が実行されることにより、対象ストリーム（ｍ＝１）について、１つの好適受信ＢＦウェイトベクトルが決定される。決定された好適受信ＢＦウェイトベクトルは、ユーザ装置ＵＥからスモール基地局ＭＭＮＢにフィードバックされる。

好適受信ＢＦウェイトベクトルと好適受信ＢＦウェイトベクトルとを決定すべきストリームが他にも存在する場合、以上のステップS110〜S280が繰り返される。すなわち、ステップS290において、まだ全てのストリーム（１〜Ｍ）が選択されていないと送信ＢＦウェイト制御部７０が判定すると（S290；NO）、ステップS300にて次のストリームｍが指定された上で（ｍ＝ｍ＋１）、処理がステップS110に戻って新たな対象ストリームｍ（２，３，…，Ｍ）が選択され、選択されたストリームｍについてステップS110〜S280が実行される。

２回目以降のステップS110〜S280は、以上に説明した第１回目のステップS110〜S280と概ね同様に実行される。以下、第１回目との相違点を説明する。

ステップS130の送信ビームフォーミングにおいて、既に決定された第１から第（ｍ−１）までのストリームについては好適送信ＢＦウェイトベクトル

が用いられ、対象ストリームｍについては前述と同様に候補送信ＢＦウェイトベクトル

が用いられる。すなわち、ステップS130において、送信ＢＦウェイト制御部７０は、候補送信ＢＦウェイト行列

に基づいて第１参照信号に送信ビームフォーミングを施して送信するように、送信ビームフォーミング部５４を制御する。

ステップS150の受信ビームフォーミングにおいて、既に決定された第１から第（ｍ−１）までのストリームについては好適受信ＢＦウェイトベクトル

が用いられ、対象ストリームｍについては前述と同様に、選択された受信アンテナＡ_Ｒに対応する第ｎ_ｒ番目の要素が１である単位ベクトル

が用いられる。すなわち、ステップS150において、受信ＢＦウェイト制御部１６０は、第１参照信号ＲＳ１に対して、試験受信ＢＦウェイト行列

に基づいてアナログ受信ビームフォーミングを施すように、受信ビームフォーミング部１１２を制御する。

ステップS220にて決定される好適送信ＢＦウェイトベクトルは、一般化されて

と表される。

ステップS230の送信ビームフォーミングにおいて、既に決定された第１から第ｍまでのストリームについての好適送信ＢＦウェイトベクトルが用いられる。すなわち、ステップS230の試験送信ＢＦウェイト行列は

と表される。

ステップS250の受信ビームフォーミングにおいて、既に決定された第１から第（ｍ−１）までのストリームについては好適受信ＢＦウェイトベクトル

が用いられ、対象ストリームｍについては前述と同様に候補受信ＢＦウェイトベクトル

が用いられる。すなわち、ステップS250の候補受信ＢＦウェイト行列は

と表される。

ステップS280にて決定される好適受信ＢＦウェイトベクトルは、一般化されて

と表される。

以上のように、２回目以降のステップS110〜S280では、ビームフォーミングにおいて、既に決定された好適送信ＢＦウェイトベクトルおよび好適受信ＢＦウェイトベクトル（以下、好適ＢＦウェイトベクトルと総称する場合がある）に基づいてアナログビームフォーミングが実行される点が第１回目のステップS110〜S280と異なる。

なお、以上のように決定された好適ＢＦウェイトベクトルを用いず、第１回目のステップS110〜S280と同様に零ベクトルを用いる構成も採用可能である。ただし、決定された好適ＢＦウェイトベクトルを用いることにより、より高い容量を得られる好適ＢＦウェイトベクトルを対象ストリームｍについて決定することが可能となる。対象ストリームｍの好適ＢＦウェイトベクトルを決定するに際し、既に決定された他ストリームのＢＦウェイトの影響（例えば、各ストリームの直交度）が考慮されるからである。

以上のステップS110〜S290がＭ回にわたって実行されることにより、Ｍ本のストリームの各々について好適ＢＦウェイトベクトルが決定される。ひいては、好適送信ＢＦウェイトベクトルを含む好適送信ＢＦウェイト行列

および好適受信ＢＦウェイトベクトルを含む好適受信ＢＦウェイト行列

が決定される。

次いで、決定された好適送信ＢＦウェイト行列および好適受信ＢＦウェイト行列（以下、好適ＢＦウェイト行列と総称する場合がある）に基づいて、好適プリコーディングウェイト行列

と好適ポストコーディングウェイト行列

とが決定される。以下、具体的に説明する。

スモール基地局ＭＭＮＢの送信ＢＦウェイト制御部７０は、好適送信ＢＦウェイト行列に基づいて参照信号にアナログ送信ビームフォーミングを施してＮ_Ｔ本の送信アンテナＡ_Ｔから送信するように、送信ビームフォーミング部５４を制御する（S310）。以下、ステップS310にて送信される参照信号を、第３参照信号ＲＳ３と称する場合がある。

ユーザ装置ＵＥの受信ＢＦウェイト制御部１６０は、受信アンテナＡ_Ｒに受信された第
３参照信号ＲＳ３に対して、好適受信ＢＦウェイト行列に基づいてアナログ受信ビームフォーミングを施すように、受信ビームフォーミング部１１２を制御する（S320）。

受信ビームフォーミング部１１２に受信された第３参照信号ＲＳ３は、ダウンコンバート部１１４とＡＤ変換部１２０とを経て送受信特性推定部１５０に入力される。送受信特性推定部１５０は、入力された第３参照信号ＲＳ３を用いて、Ｍ行Ｍ列の第３送受信特性

を推定する（S330）。以上の第３送受信特性には、ステップS160と同様の説明が適用される。推定された第３送受信特性は、フィードバック部１７０を介してユーザ装置ＵＥからフィードバックされ（S340）、スモール基地局ＭＭＮＢに受信される（S350）。

その後、推定された第３送受信特性に基づいて、好適プリコーディングウェイト行列および好適ポストコーディングウェイト行列が決定される（S360）。より具体的には以下の通りである。第３送受信特性を特異値分解すると、以下の式（３）のように表される。

ここで、

および

はいずれもＭ行Ｍ列のユニタリ行列であり、

は第３送受信特性

の特異値を対角要素とするＭ行Ｍ列の対角行列である。したがって、

のように好適プリコーディングウェイト行列および好適ポストコーディングウェイト行列を決定する。以上の決定の結果として、ＭＩＭＯ伝送路上に固有モードチャネルが形成されるため、Ｍ本のストリームを相互に分離することが可能である。

以上のような特異値分解によるウェイト行列の他、以下に説明するように、ＭＭＳＥ（最小二乗誤差）規範に基づいて好適ポストコーディングウェイト行列を決定することも可能である。

好適プリコーディングウェイト行列は、前述と同様に特異値分解によって決定される。ＭＭＳＥ規範に従うと、好適ポストコーディングウェイト行列は以下の式（４）のように表される。

式（４）において、γは受信ＳＮＲであり、

はＭ行Ｍ列の単位行列である。

以上のようにＭＭＳＥ規範に基づいて好適ポストコーディングウェイト行列を決定する場合には、受信ＳＮＲを用いることにより第３送受信特性の推定誤差を低減することができる。したがって、より精度良く好適ポストコーディングウェイト行列を決定することが可能である。

また、以上のように好適プリコーディングウェイト行列および好適ポストコーディングウェイト行列を決定する他、従来技術である、コードブックに基づくプリコーディングおよびポストコーディングが採用されてもよい。

なお、本例においては、好適プリコーディングウェイト行列および好適ポストコーディングウェイト行列の決定が、スモール基地局ＭＭＮＢ（プリコーディング部３２）にて実行される。決定された好適ポストコーディングウェイト行列は、フィードバック部６０を介してユーザ装置ＵＥに通知される。

１（３）． 本実施形態の効果
以上の本実施形態の構成によれば、各ストリームについて、ウェイト行列が段階的に決定される。すなわち、好適送信ＢＦウェイトと好適受信ＢＦウェイトとが先に決定され、それらに基づいて好適プリコーディングウェイトと好適ポストコーディングウェイトとが決定される。したがって、ウェイト行列（送信ＢＦウェイト、受信ＢＦウェイト、プリコーディングウェイト、およびポストコーディングウェイト）の組合せを全て試行して決定する構成と比較して、演算対象となる組合せ数が抑制される。結果として、ウェイト行列決定に要する演算量が低減されつつ、好適なウェイト行列が決定される。

２． 変形例
以上の実施形態は多様に変形される。具体的な変形の態様を以下に例示する。以上の実施の形態および以下の例示から任意に選択された２以上の態様は、相互に矛盾しない限り適宜に併合され得る。

２（１）． 変形例１
以上の実施形態において、スモール基地局ＭＭＮＢとユーザ装置ＵＥとの制御情報の通信は、任意のルートにて実行され得る。例えば、スモール基地局ＭＭＮＢとユーザ装置ＵＥとの間に無線リンクが確立されている場合には、無線信号を直接的に送受信することで制御情報を交換してもよい。また、以上の無線リンクが確立されていない場合には、マクロ基地局ＭｅＮＢ経由でスモール基地局ＭＭＮＢとユーザ装置ＵＥとが制御情報を送受信してもよい。

２（２）． 変形例２
以上の実施形態では、スモール基地局ＭＭＮＢにて使用される好適送信ＢＦウェイトベクトルを決定する際（S120〜S220）に、ユーザ装置ＵＥにおいて受信アンテナＡ_Ｒの切替えが実行される（S140, S190）。しかしながら、ユーザ装置ＵＥにおいて受信アンテナＡ_Ｒの切替えを行わず、固定された１以上の受信アンテナＡ_Ｒを用いて好適送信ＢＦウェイトベクトルを決定する構成も採用可能である。以上の構成によれば、各候補受信ＢＦウェイトベクトルについての受信アンテナＡ_Ｒの切替えが省略されるので、処理負荷が低減される。

ただし、受信アンテナＡ_Ｒの切替えを実行しない構成では、チャネル状態によっては必ずしも最適な送信ＢＦウェイトベクトルが得られない場合が生じ得るため、伝送品質の観点からは、受信アンテナＡ_Ｒの切替えを実行する構成が好適である。

２（３）． 変形例３
以上の実施形態では、好適送信ＢＦウェイトベクトルの決定に際し、１本の受信アンテナＡ_Ｒが逐次に選択する構成が例示される。しかしながら、複数の受信アンテナＡ_Ｒが同時に選択されてもよい。すなわち、１つの候補送信ＢＦウェイトベクトルについて第１送受信特性を推定するステップS140〜S190において、ｎ本の受信アンテナＡ_Ｒの選択がｎ／Ｎ_Ｒ回にわたって実行されてもよい。ユーザ装置ＵＥはＭストリーム分の処理回路を有するため、最大でＭ本の受信アンテナＡ_Ｒが同時に選択され得る。

複数の受信アンテナＡ_Ｒを同時に選択する以上の構成において、選択された受信アンテナＡ_Ｒからの受信信号は、単独で用いられてもよいし、合成して用いられてもよい。より具体的には、受信信号を単独で用いる場合には、前述の実施形態と同様に、各受信アンテナＡ_Ｒについて、試験受信ＢＦウェイト行列

に基づいてアナログ受信ビームフォーミングを実行し、第１送受信特性の推定を実行する。

また、複数の受信信号を単純加算によって合成して用いる場合には、試験受信ＢＦウェイト行列

に基づいてアナログ受信ビームフォーミングを実行し、第１送受信特性の推定を実行する。ここで、

は選択された受信アンテナＡ_Ｒのインデックスに相当する成分が１であり、その他の成分が０であるＮ_Ｒ行１列のベクトルである。例えば、第ｎ_ｒ１番目と第ｎ_ｒ２番目の受信アンテナＡ_Ｒが選択される場合には、以上のベクトルの第ｎ_ｒ１番目の成分と第ｎ_ｒ２番目の成分とが１となる。なお、受信アンテナＡ_Ｒの受信信号に重み付けを行って合成する構成も採用可能である。以上の場合、伝送品質によって各受信信号に重み付けを行うと好適である。

２（４）． 変形例４
ＢＦウェイトベクトルを一度仮に決定した後、仮決定されたＢＦウェイトベクトルに基づいて好適ＢＦウェイトベクトルを決定する構成も採用可能である。以上の構成において、仮決定されたＢＦウェイトベクトルを基準とし、その基準を中心とする所定範囲にわたって詳細に試行を行うことにより好適ＢＦウェイトベクトルを決定する（すなわち、パータベーションを実行する）と好適である。以上のパータベーションは、送信側および受信側のいずれか一方のみで実行されてもよいし、双方にて実行されてもよい。

２（５）． 変形例５
以上の実施形態においては、Ｍ本以下のストリームについて同時に伝送を実行することができる。また、好適ＢＦウェイトベクトルはＭ本の各ストリームについて決定される。別の態様として、Ｍ本全てのストリームを常に使用して伝送を実行するのではなく、実際に使用するストリーム数を伝搬路の状態に応じて適応的に選択し、選択されたストリームについて既に決定された好適ＢＦウェイトベクトルに基づいて伝送を実行してもよい。

２（６）． 変形例６
以上の実施形態においては、送信機としてスモール基地局ＭＭＮＢが例示され、受信機としてユーザ装置ＵＥが例示される。しかしながら、前述のウェイト行列決定において、ユーザ装置ＵＥが送信側の装置として機能し、スモール基地局ＭＭＮＢが受信側の装置として機能してもよい。すなわち、上りリンク伝送に関しても前述のウェイト行列決定が適用され得る。

２（７）． 変形例７
以上の実施形態においては、下りリンク伝送について好適ＢＦウェイト行列が決定される。無線通信システム１に時分割複信（Time Division Duplex，ＴＤＤ）が採用される場合には、上りリンクと下りリンクとで共通の周波数が用いられるので、下りリンク伝送について決定された好適ＢＦウェイト行列を、上りリンク伝送にも使用することが可能である。他方、無線通信システム１に周波数分割複信（Frequency Division Duplex，ＦＤＤ）が採用される場合には、下りリンク伝送について好適ＢＦウェイト行列を決定した後に、上りリンク伝送についても前述の実施形態と同様に好適ＢＦウェイト行列を決定する。ビームフォーミング利得を活かして、送信側のアンテナ数が多い方（すなわち、下りリンク伝送）から好適ＢＦウェイト行列を決定すると好適である。

２（８）． 変形例８
以上の実施形態では、送信側（スモール基地局ＭＭＮＢ）にて好適送信ＢＦウェイト（ベクトル、行列）が決定され、受信側（ユーザ装置ＵＥ）にて好適受信ＢＦウェイト（ベクトル、行列）が決定される。しかしながら、無線通信システム１内の任意の箇所でウェイト決定が実行され得る。例えば、送信側で好適受信ＢＦウェイトが決定されてもよいし、受信側で好適送信ＢＦウェイトが決定されてもよい。

また、以上の実施形態では、送信側（スモール基地局ＭＭＮＢ）が好適プリコーディングウェイト行列および好適ポストコーディングウェイト行列を決定する。しかしながら、受信側（ユーザ装置ＵＥ）が好適プリコーディングウェイト行列および好適ポストコーディングウェイト行列を決定してもよい。他に、送信側が好適プリコーディングウェイト行列を決定し、受信側が好適ポストコーディングウェイト行列を決定する構成も採用可能である。

２（９）． 変形例９
ユーザ装置ＵＥは、ネットワーク内の基地局（マクロ基地局ＭｅＮＢ、スモール基地局ＭＭＮＢ）と無線通信が可能な任意の装置である。ユーザ装置ＵＥは、例えば、フィーチャーフォンまたはスマートフォン等の携帯電話端末でもよく、タブレット端末でもよく、デスクトップ型パーソナルコンピュータでもよく、ノート型パーソナルコンピュータでもよく、ＵＭＰＣ（Ultra-Mobile Personal Computer）でもよく、携帯用ゲーム機でもよく、その他の無線端末でもよい。

２（１０）． 変形例１０
無線通信システム１内の各要素（ユーザ装置ＵＥおよびスモール基地局ＭＭＮＢ）においてＣＰＵが実行する各機能は、ＣＰＵの代わりに、ハードウェアで実行してもよいし、例えばＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）等のプログラマブルロジックデバイスで実行してもよい。

１……無線通信システム、１０……データ信号生成部、２０……参照信号生成部、３０……ベースバンド処理部、３２……プリコーディング部、４０……ＤＡ変換部、５０……ＲＦ処理部、５２……アップコンバート部、５４……送信ビームフォーミング部、６０……フィードバック部、７０……送信ＢＦウェイト制御部、８０……記憶部、１１０……ＲＦ処理部、１１２……受信ビームフォーミング部、１１４……ダウンコンバート部、１２０……ＡＤ変換部、１３０……ベースバンド処理部、１３２……ポストコーディング部、１４０……信号解析部、１５０……送受信特性推定部、１６０……受信ＢＦウェイト制御部、１７０……フィードバック部、１８０……記憶部、ＡＡ……振幅調整器、ＡＣ（ＡＣ_Ｔ，ＡＣ_Ｒ）……アナログ信号処理回路、ＡＤ……加算器、Ａ_Ｒ……受信アンテナ、Ａ_Ｔ……送信アンテナ、Ｃ……チャネル容量、ＣＶ（ＣＶ_Ｔ，ＣＶ_Ｒ）……変換器、Ｃｍ……マクロセル、Ｃｍｍ……ＭＭセル、ＤＣ（ＤＣ_Ｔ，ＤＣ_Ｒ）……ディジタル信号処理回路、ＭＭＥ……中央制御局、ＭＭＮＢ……スモール基地局、ＭｅＮＢ……マクロ基地局、ＭＰ……乗算器、ＰＳ……可変移相器、ＲＳ……参照信号、ＳＷ……切替器、ＵＥ……ユーザ装置。

Claims (5)

1. Ｍ（Ｍは２以上の整数）本のストリームに対して、プリコーディングウェイト行列を用いてディジタルプリコーディングを施すプリコーディング部と、
   前記ディジタルプリコーディングが施された後の信号に対して、送信ＢＦ（ビームフォーミング）ウェイト行列に相当する位相および振幅の変化を付与するアナログ送信ビームフォーミングを施す送信ビームフォーミング部と、
   前記アナログ送信ビームフォーミングが施された信号を送信する複数の送信アンテナと
   を備える送信機と、
   前記送信機から送信され空間を伝搬した信号を受信する複数の受信アンテナと、
   複数の前記受信アンテナが受信した前記信号に対して、受信ＢＦウェイト行列に相当する位相および振幅の変化を付与するアナログ受信ビームフォーミングを施す受信ビームフォーミング部と、
   前記アナログ受信ビームフォーミングが施された後の信号に対して、ポストコーディングウェイト行列を用いてディジタルポストコーディングを施すことにより、Ｍ本の前記ストリームを再生するポストコーディング部と
   を備える受信機とを備える無線通信システムにおける無線通信制御方法であって、
   Ｍ本の前記ストリームの各々について、
   複数の送信ＢＦウェイトベクトルの候補から、当該ストリームに対応する候補送信ＢＦウェイトベクトルを選択することと、
   選択された前記候補送信ＢＦウェイトベクトルを含む候補送信ＢＦウェイト行列に基づいてアナログ送信ビームフォーミングが施された第１参照信号を、前記送信機から送信することと、
   前記受信機にて受信された前記第１参照信号に対して、試験受信ＢＦウェイト行列に基づいてアナログ受信ビームフォーミングを施した結果を示す第１送受信特性を推定することと、
   前記選択すること、前記送信すること、および前記推定することを複数の前記送信ＢＦウェイトベクトルの候補について実行することにより取得された複数の第１送受信特性に基づいて、複数の前記送信ＢＦウェイトベクトルの候補から好適送信ＢＦウェイトベクトルを決定することと、
   複数の受信ＢＦウェイトベクトルの候補から、当該ストリームに対応する候補受信ＢＦウェイトベクトルを選択することと、
   決定された前記好適送信ＢＦウェイトベクトルを含む試験送信ＢＦウェイト行列に基づいてアナログ送信ビームフォーミングが施された第２参照信号を、前記送信機から送信することと、
   前記受信機にて受信された前記第２参照信号に対して、選択された前記候補受信ＢＦウェイトベクトルを含む候補受信ＢＦウェイト行列に基づいてアナログ受信ビームフォーミングを施した結果を示す第２送受信特性を推定することと、
   前記選択すること、前記送信すること、および前記推定することを複数の前記受信ＢＦウェイトベクトルの候補について実行することにより取得された複数の第２送受信特性に基づいて、複数の前記受信ＢＦウェイトベクトルの候補から好適受信ＢＦウェイトベクトルを決定することとを備え、
   前記好適送信ＢＦウェイトベクトルを決定するに際し、複数の前記送信ＢＦウェイトベクトルの候補の各々について、１以上の前記受信アンテナを逐次に選択して前記第１参照信号を受信し、複数の前記第１送受信特性を推定する
   無線通信制御方法。
2. 複数の前記第１送受信特性の各々の特徴を示すスカラー値に基づいて前記好適送信ＢＦウェイトベクトルを決定し、
   複数の前記第２送受信特性の各々の特徴を示すスカラー値に基づいて前記好適受信ＢＦウェイトベクトルを決定する
   請求項１の無線通信制御方法。
3. 第ｍ番目（ｍ≧２）のストリームに対応する候補送信ＢＦウェイト行列は、既に決定された第（ｍ−１）番目以前のストリームに対応する前記好適送信ＢＦウェイトベクトルを含み、
   第ｍ番目（ｍ≧２）のストリームに対応する候補受信ＢＦウェイト行列は、既に決定された第（ｍ−１）番目以前のストリームに対応する前記好適受信ＢＦウェイトベクトルを含む
   請求項１の無線通信制御方法。
4. Ｍ本の前記ストリームについて決定された前記好適送信ＢＦウェイトベクトルを含む好適送信ＢＦウェイト行列に基づいてアナログ送信ビームフォーミングが施された第３参照信号を、前記送信機から送信することと、
   前記受信機にて受信された前記第３参照信号に対して、Ｍ本の前記ストリームについて決定された前記好適受信ＢＦウェイトベクトルを含む好適受信ＢＦウェイト行列に基づいてアナログ受信ビームフォーミングを施した結果を示す第３送受信特性を推定することと、
   推定された前記第３送受信特性に基づいて、好適プリコーディングウェイト行列および好適ポストコーディングウェイト行列を決定することとをさらに備える
   請求項１の無線通信制御方法。
5. Ｍ（Ｍは２以上の整数）本のストリームに対して、プリコーディングウェイト行列を用いてディジタルプリコーディングを施すプリコーディング部と、
   前記ディジタルプリコーディングが施された後の信号に対して、送信ＢＦ（ビームフォーミング）ウェイト行列に相当する位相および振幅の変化を付与するアナログ送信ビームフォーミングを施す送信ビームフォーミング部と、
   前記アナログ送信ビームフォーミングが施された信号を送信する複数の送信アンテナと
   を備える送信機と、
   前記送信機から送信され空間を伝搬した信号を受信する複数の受信アンテナと、
   複数の前記受信アンテナが受信した前記信号に対して、受信ＢＦウェイト行列に相当する位相および振幅の変化を付与するアナログ受信ビームフォーミングを施す受信ビームフォーミング部と、
   前記アナログ受信ビームフォーミングが施された後の信号に対して、ポストコーディングウェイト行列を用いてディジタルポストコーディングを施すことにより、Ｍ本の前記ストリームを再生するポストコーディング部と
   を備える受信機とを備える無線通信システムであって、
   Ｍ本の前記ストリームの各々について、
   複数の送信ＢＦウェイトベクトルの候補から当該ストリームに対応する候補送信ＢＦウェイトベクトルを選択し、選択した前記候補送信ＢＦウェイトベクトルを含む候補送信ＢＦウェイト行列に基づいてアナログ送信ビームフォーミングが施された第１参照信号を送信するように前記送信機を制御する送信ＢＦウェイト制御部と、
   前記受信機にて受信された前記第１参照信号に対して、試験受信ＢＦウェイト行列に基づいてアナログ受信ビームフォーミングを施した結果を示す第１送受信特性を推定する送受信特性推定部とをさらに備え、
   前記送信ＢＦウェイト制御部は、複数の前記送信ＢＦウェイトベクトルの候補について前記送受信特性推定部が推定した複数の第１送受信特性に基づいて、複数の前記送信ＢＦウェイトベクトルの候補から好適送信ＢＦウェイトベクトルを決定し、
   複数の受信ＢＦウェイトベクトルの候補から当該ストリームに対応する候補受信ＢＦウェイトベクトルを選択する受信ＢＦウェイト制御部をさらに備え、
   前記送信ＢＦウェイト制御部は、前記送信ＢＦウェイト制御部が決定した前記好適送信ＢＦウェイトベクトルを含む試験送信ＢＦウェイト行列に基づいてアナログ送信ビームフォーミングが施された第２参照信号を送信するように前記送信機を制御し、
   前記送受信特性推定部は、前記受信機にて受信された前記第２参照信号に対して、前記受信ＢＦウェイト制御部が選択した前記候補受信ＢＦウェイトベクトルを含む候補受信ＢＦウェイト行列に基づいてアナログ受信ビームフォーミングを施した結果を示す第２送受信特性を推定し、
   前記受信ＢＦウェイト制御部は、複数の前記受信ＢＦウェイトベクトルの候補について前記送受信特性推定部が推定した複数の第２送受信特性に基づいて、複数の前記受信ＢＦウェイトベクトルの候補から好適受信ＢＦウェイトベクトルを決定する無線通信システムにおいて、
   前記送受信特性推定部は、前記送信ＢＦウェイト制御部が前記好適送信ＢＦウェイトベクトルを決定するに際し、複数の前記送信ＢＦウェイトベクトルの候補の各々について、１以上の前記受信アンテナを逐次に選択して前記第１参照信号を受信し、複数の前記第１送受信特性を推定する
   無線通信システム。
   

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