JPWO2007058264A1 - 送信装置、ｍｉｍｏ通信システム及び送信ダイバーシチ方法 - Google Patents

Abstract

送信ダイバーシチＭＩＭＯ通信を行う場合に、空間相関が存在する環境下でも、送信ダイバーシチ性能の劣化を抑制できる送信装置及び送信ダイバーシチ方法を提供する。直交変換によりＭ個の原始シンボルを多重してＮ個の送信シンボルを形成する直交変換部（２０１）と、Ｎ個のビーム形成パラメータを用いて、Ｎ個の送信シンボルを１シンボルずつビーム化して、ビーム化した送信シンボルを時間的に順次１シンボルずつ複数のアンテナから送信させるビーム形成部（２０４）と、を設ける。これにより、ビーム形成部（２０４）によって、各送信符号チャネル間の相関性を排除しかつ符号間干渉を排除した送信ビームを形成でき、かつ直交変換部（２０１）によって、原始シンボルのダイバーシチ合成数を向上させることができる。

Description

本発明は、多入力・多出力（ＭＩＭＯ：Multiple-Input Multiple-Output）システムにおける送信ダイバーシチ技術に関する。具体的には、空間相関ＭＩＭＯ通信システムにおいて効果的に送信ダイバーシチ性能を高めることができる送信装置、ＭＩＭＯ通信システム及び送信ダイバーシチ方法に関する。

将来、無線通信システムが直面する主な問題の一つに、情報の伝送レートがますます高くなることが挙げられる。限りある周波数スペクトル資源においてこの目標を実現するため、ＭＩＭＯ技術は、将来の無線通信において採用されるべき、不可欠な技術の一つである。ＭＩＭＯ通信システムにおいては、送信側では複数のアンテナを用いて信号の送信を行い、受信側では複数のアンテナを用いて空間信号の受信を行う。研究により、従来のシングルアンテナによる伝送方法に比べ、ＭＩＭＯ技術ではチャネル容量を顕著に向上でき、それによって情報の伝送レートも向上できることがわかっている。

送信方法から見ると、ＭＩＭＯシステムは大きく二種類に分けることができる。空間多重に基づくＭＩＭＯ送信システムと、空間ダイバーシチに基づくＭＩＭＯ送信システムである（例えば特許文献１及び非特許文献１参照）。空間多重ＭＩＭＯ送信システムは、その基本的考え方は、各送信アンテナ上の送信信号が互いに独立していることである。その目的は最大の伝送レートを得ることである。空間多重ＭＩＭＯ送信システムの代表的なものに、ＢＥＬＬ研究所の発表したＶ−ＢＬＡＳＴシステムなどがある。

空間多重ＭＩＭＯ送信システムと異なり、空間ダイバーシチＭＩＭＯ送信システムでは、通常、送信前に信号の前処理が必要である。前処理を行う目的は、一定の伝送レートのロスと引き換えに、送信ダイバーシチ能力を向上させることで、よりすぐれたＭＩＭＯの受信性能を得ることである。空間ダイバーシチＭＩＭＯ送信システムで用いる前処理の方法には多くの種類があるが、その内最も基本的なものは、時空間符号化方法である。

図１は従来の空間ダイバーシチを行うＭＩＭＯ通信システムの構成を示す図である。

この構成において、送信側と受信側はそれぞれｎ_Ｔ個とｎ_Ｒ個のアンテナで信号の送信と受信を行う。送信側では、まず符号化変調部１０１によって、送信するビットストリームを符号化及び変調することで、送信シンボルを形成する。続いて、直列の符号ストリームをシリアル／パラレル変換部（Ｓ／Ｐ部）１０２でＭ個の並列符号ストリームに分割する。シリアル／パラレル変換部１０２の後に時空間符号化部１０３が設置されており、当該時空間符号化部１０３によって送信シンボルに時空間符号化処理を施す。

具体的に言うと、時空間符号化部１０３は、シリアル／パラレル変換部１０２から入力された並列のＭ個のシンボルを読み込む都度、このＭ×１の符号ベクトルに対し、所定の時空間符号化規則に従って時空間符号化を行い、ｎ_Ｔ×Ｎの符号行列Ｘを生成する。このｎ_Ｔ×Ｎの符号行列Ｘは、連続するＮ個の送信時間間隔内にｎ_Ｔ個の送信アンテナ１０４で送信される。この際、送信時間間隔ごとに、符号行列Ｘの一列が送信される。ここでは、ＭとＮはともに自然数であり、またＭ／Ｎは時空間符号化の符号化効率と定義される。なお、採用される時空間符号化規則の違いに応じて、時空間符号化自身も時空間ブロック符号、時空間トレリス符号など、多くの種類に分けられる。

受信側では、まず、ｎ_Ｒ個の受信アンテナ１１１で、空間のすべての信号を受信する。次に、チャネル推定部１１５でその受信信号中のパイロット信号か又はその他の方法に基づいてチャネル推定を行うことで、現時点のチャネル特性行列Ｈ（ＭＩＭＯシステムにおいては、そのチャネル特性は一つのｎ_Ｒ×ｎ_Ｔ行列で記述できる）を推定する。時空間復号部１１２は、チャネル特性行列Ｈを用いて、受信信号に対し時空間復号化を行う。なお、時空間復号化は送信側の時空間符号化と逆の操作とみなしてよい。時空間復号化の出力は順次、パラレル／シリアル変換部１１３及び復調復号部１１４に入力され、復調復号部１１４から受信データが出力される。

送信ダイバーシチＭＩＭＯ通信システムは、伝送レートでは空間多重ＭＩＭＯ通信システムに及ばないが（後者の時空間符号化効率はｎ_Ｔとみなしてよい）、送信側で行われる前処理技術によって、送信信号のダイバーシチ能力が高められるので、より優れたＭＩＭＯ受信性能を得ることができる。近年、多くの専門家及び学者がＭＩＭＯにおける送信ダイバーシチ技術の研究を進め、多くの有効な時空間符号化の設計方法を発表している。
US20050047517A1 "Some Results and Insights on the Performance Gains of MIMO Systems", "IEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS, VOL. 21, NO. 5", "June 2003", "SeverineCatreux, Larry J. Greenstein, VinkoErceg 著", "IEEE 発行", "p.840, Table I: SUMMARY OF ALL SYSTEMS STUDIED (P=TOTAL TRANSMIT POWER, h=INSTANTANEOUS PATH GAIN FROM TRANSMIT ANTENNA j TO RECEIVE ANTENNA i) ((c) 2005 IEEE)

ところで、現在のＭＩＭＯシステムにおける送信ダイバーシチ方法の研究のほとんどは、ＭＩＭＯシステムのチャネル同士は互いに独立したものであるという仮定が前提となっている。しかし、実際のＭＩＭＯシステムにおいては、ＭＩＭＯシステムのチャネル同士は往々にして相関している。ＭＩＭＯシステムでチャネルの相関が起こる原因として、例えば、アンテナの配置間隔の距離が充分でないこと、アンテナの周囲に充分に多くの散乱物がないこと、送受信側間に直接波（ＬＯＳ）が存在すること等、多くの原因がある。ＭＩＭＯシステムのチャネル間に相関があるとき、そのチャネル特性行列Ｈは、次式により記述できる。

なお、式（１）において、Ｈ_ｗはｎ_Ｒ×ｎ_Ｔの独立したＭＩＭＯチャネル特性行列を表し、Ｒ_ｒとＲ_ｔはそれぞれｎ_Ｒ×ｎ_Ｒとｎ_Ｔ×ｎ_Ｔの受信、送信相関行列を表している。

従来の研究によれば、実際の環境におけるＭＩＭＯシステムのアンテナ間の相関性はＭＩＭＯのチャネルの階数（ｒａｎｋ）を低下させ、それによって送信ダイバーシチの有効合成数を低下させ、送信ダイバーシチ性能の劣化をもたらす。このため、空間相関ＭＩＭＯシステムに対しての新しい送信ダイバーシチ技術を考える必要がある。

本発明の目的は、送信ダイバーシチＭＩＭＯ通信を行う場合に、空間相関が存在する環境下でも、送信ダイバーシチ性能の劣化を抑制できる送信装置、ＭＩＭＯ通信システム及び送信ダイバーシチ方法を提供することである。

本発明の送信装置の一つの態様は、ＭＩＭＯ通信システムに用いられる送信装置であって、直交変換によりＭ個の原始シンボルを多重してＮ個の送信シンボルを形成する（但し、ＭとＮは自然数である）直交変換手段と、Ｎ個のビーム形成パラメータを用いて、前記Ｎ個の送信シンボルを１シンボルずつビーム化して、ビーム化した前記送信シンボルを時間的に順次１シンボルずつ複数のアンテナから送信させるビーム形成手段と、を具備する構成を採る。

この構成によれば、送信シンボルをビーム送信するので各送信符号チャネル間の相関性を排除できると共に、各タイミングに一つのシンボルのみを送信するので符号間干渉を排除できる。加えて、原始シンボルを直交変換して送信シンボルを得るようにしているので、各送信シンボルに複数の原始シンボルが多重され、原始シンボルのダイバーシチ合成数を向上させることができる。

また、本発明の通信システムの一つの態様は、送信装置と受信装置とを有し、前記送信装置と前記受信装置との間でＭＩＭＯ通信を行うＭＩＭＯ通信システムであって、前記送信装置は、直交変換によりＭ個の原始シンボルを多重してＮ個の送信シンボルを形成する（但し、ＭとＮは自然数である）直交変換手段と、Ｎ個のビーム形成パラメータを用いて、前記Ｎ個の送信シンボルを１シンボルずつビーム化して、ビーム化した前記送信シンボルを時間的に順次１シンボルずつ複数のアンテナから送信させるビーム形成手段と、を具備し、前記受信装置は、チャネルの二次統計特性に基づき前記Ｎ個のビーム形成パラメータを決定するパラメータ決定手段を具備し、決定したＮ個のビーム形成パラメータを、フィードバックチャネルを介して前記送信装置にフィードバックする、構成を採る。

この構成によれば、送信装置で、受信装置での受信状態を加味した適切なビーム形成パラメータを用いて送信シンボルをビーム化できるようになるので、受信装置での誤り率特性を一段と向上させることができる。

本発明によれば、送信ダイバーシチＭＩＭＯ通信を行う場合に、空間相関が存在する環境下でも、送信ダイバーシチ性能の劣化を抑制できる送信装置、ＭＩＭＯ通信システム及び送信ダイバーシチ方法を実現できる。

従来の空間ダイバーシチを用いたＭＩＭＯ通信システムの構成を示す図 本発明の実施の形態に係るＭＩＭＯ通信システムの構成を示す図 送信側と受信側で実行される処理の説明に供するフローチャート 受信側で実行される送信パラメータを決定処理の説明に供するフローチャート 本発明の方法と従来の方法の性能比較を示す特性図

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図２は、本発明の実施の形態に係るＭＩＭＯ通信システムの構成を示す図である。

図２で示すとおり、送信側（送信装置）と受信側（受信装置）は、それぞれｎ_Ｔ個とｎ_Ｒ個のアンテナを用いて信号の送信と受信を行う。送信装置は、符号化変調部１０１によって、送信されるビットストリームを符号化及び変調することで、符号ストリームを形成する。続いて、シリアル／パラレル変換部（Ｓ／Ｐ部）１０２によって、直列の符号ストリームをシリアル／パラレル変換することで、Ｍ個の並列符号ストリームに分割する。すなわち、シリアル／パラレル変換部１０２の出力はＭ×１のベクトルであり、図２においてｓで表されている。なお、ｓ＝［ｓ_１，ｓ_２，…，ｓ_Ｍ］^Ｔである。

シリアル／パラレル変換部１０２の後段には直交変換部２０１が設置されている。直交変換部２０１は、並列の符号ストリームを直交変換した後、Ｎ×１のベクトルａ＝Ｕｓ＝［ａ_１，ａ_２，…，ａ_Ｎ］^Ｔを出力する。なお、Ｕは（Ｎ×Ｍ）直交行列であり、Ｕ^ＨＵ＝Ｉ（単位行列）を満たすものである。

直交変換の後、電力分配部２０２は符号ストリームに対し電力分配を行い、Ｎ×１で表されるベクトルｂ＝Ｐａ＝［ｂ_１，ｂ_２，…，ｂ_Ｎ］^Ｔを出力する。なお、Ｐは電力分配行列を表し、Ｐ＝ｄｉａｇ｛√Ｐ_１，√Ｐ_２，…，√Ｐ_Ｎ｝となり、次式を満たす。すなわち、総電力はＰ_{ｔｏｔａｌ}で一定となる。

次に、パラレル／シリアル変換部２０３が並列の符号ストリームを直列の符号ストリームに変換し、ビーム形成部２０４が相応のビームを用いて送信アンテナ１０４を介してそれを送信する。

ビーム集合記憶部２０５には、データシンボルの送信前に、送信に用いるビーム集合Ｗ＝｛ｗ_１，ｗ_２，…，ｗ_Ｎ｝が記憶されている。なお、各送信ビームｗ_ｉは（ｎ_Ｔ×１）ベクトルである。

送信装置は、データシンボルを次のように送信する。すなわち、送信装置は、送信タイミング１に、ｎ_Ｔ個の送信アンテナ１０４でｂ_１ｗ_１を送信し、送信タイミング２にｎ_Ｔ個の送信アンテナ１０４でｂ_２ｗ_２を送信し、以下同様に、ビーム集合Ｗ中のビームｗ_１，ｗ_２，…，ｗ_Ｎを用いてＮ個の送信シンボルを時間的に順次送信する。つまり、各送信タイミングに１個のビームで１個のシンボルを送信する。

送信装置が電力分配とビーム形成を行うのに必要なパラメータ、すなわち電力分配行列Ｐと送信ビーム集合Ｗは、ともに受信装置で決定し、フィードバックチャネルを介して送信装置にフィードバックされる。電力分配行列Ｐと送信ビーム集合Ｗは、受信装置がＭＩＭＯチャネルの二次統計特性に基づいて決定する。したがって、ここでのパラメータの決定操作とパラメータフィードバック操作のプロセスは、長時間のプロセスであり、連続する２回の決定操作とパラメータフィードバック操作の時間間隔は長い。受信装置でパラメータＰとＷを決定する具体的なプロセスは後述する。

受信装置は、まずｎ_Ｒ個の受信アンテナ１１１で空間信号を受信し、その後以下の三つの操作を行う。

（１）チャネル推定部１１５で、その受信信号を基にチャネル推定を行い、現時点のチャネル特性行列Ｈを推定する。例えば、受信信号のパイロットに基づき、現時点のチャネル特性行列Ｈを推定する。

（２）送信装置が電力分配とビーム形成を行うのに必要なパラメータ、すなわち電力分配行列Ｐと送信ビーム集合Ｗを再計算する必要があるかどうかを判断し、もし必要であればパラメータ決定部２１２によってそれを計算し、その結果を送信装置にフィードバックする。前述したように、受信装置で電力分配行列Ｐと送信ビーム集合Ｗを決定するプロセスは長時間のプロセスなので、全てのタイミングでＰとＷの計算を行う必要はない。実際のシステムにおいては、タイマーを設置し、Ｔ時間間隔ごとにパラメータＰとＷの決定とフィードバック操作を行うと良い。

（３）ＭＩＭＯ検出部２１１で、現時点で受信した信号の検出を行う。その具体的操作は後に詳細に記述する。

図１に示した従来のＭＩＭＯシステムの送信ダイバーシチ方法と比較し、本実施の形態のＭＩＭＯ通信システムの送信ダイバーシチ方法が異なっているのは主として次の点である。

・送信シンボルをビーム送信し、かつ、各タイミングに一つのシンボルのみを送信する。すなわち、送信シンボルは時間上で直交している。前者の利点は各送信符号チャネル間の相関性を排除できることであり、後者の利点は従来方法で同一タイミングに複数のシンボルが送信された場合に起こる符号間干渉を排除できることである。

・送信シンボルを原始シンボルを直交変換することで得る。これによる利点は、各送信シンボルに複数の原始シンボルを多重することで、原始シンボルのダイバーシチ合成数が向上することである。

具体的には、本実施の形態の送信ダイバーシチ方法は、図３のように表現できる。図３は本実施の形態において送信側と受信側が実行する操作のフローチャートである。

図３に示すとおり、ステップＳ４０１で、受信装置は送信ビーム集合Ｗ＝｛ｗ_１，ｗ_２，…，ｗ_Ｎ｝と電力分配行列Ｐ＝ｄｉａｇ｛√Ｐ_１，√Ｐ_２，…，√Ｐ_Ｎ｝を決定し、決定結果をフィードバックチャネル２２１を介して送信装置にフィードバックする。電力分配行列は電力分配部２０２に渡され、ビーム集合は送信装置のビーム集合記憶部２０５に記憶される。次に、ステップＳ４０１の詳細な処理は、図４を用いて後述する。

ステップＳ４１１では、直交変換部２０１で原始送信シンボルを直交変換する。原始送信シンボルは、例えば図２のｓ＝［ｓ_１，ｓ_２，…，ｓ_Ｍ］^ＴのようにＭ×１ベクトルである。直交変換操作は、左乗（Ｎ×Ｍ）直交行列Ｕにより実施され、直交変換後の出力はＮ×１のベクトルａ＝Ｕｓ＝［ａ_１，ａ_２，…，ａ_Ｎ］^Ｔとなる。ここでは、直交変換行列Ｕに対して特別な要求はなく、直交性を満たすことだけが要求される。すなわち、Ｕ^ＨＵ＝Ｉ（単位行列）となることだけが要求される。例えば、Ｍ＝Ｎ＝２、Ｍ＝Ｎ＝３、Ｍ＝Ｎ＝４の場合には、それぞれ次式のような行列を用いて直交変換行列とすることができる。

ステップＳ４１２では、電力分配部２０２が受信側からフィードバックされた電力分配行列Ｐ＝ｄｉａｇ｛√Ｐ_１，√Ｐ_２，…，√Ｐ_Ｎ｝に基づいて、直交変換後の出力ａ＝Ｕｓ＝［ａ_１，ａ_２，…，ａ_Ｎ］^Ｔに対し電力分配を行う。電力分配後の出力ｂは、次式のように表される。

ステップＳ４１３では、ビーム形成部２０４が電力分配後のＮ個の送信シンボルｂ＝［ｂ_１，ｂ_２，…，ｂ_Ｎ］^Ｔを、送信ビーム集合Ｗ＝｛ｗ_１，ｗ_２，…，ｗ_Ｎ｝を用いてアンテナ１０４を介して送信する。具体的には、送信タイミング１において、送信ビームｗ_１を用いてシンボルｂ_１を送信する。すなわち、この時ｎ_Ｔ個の送信アンテナで信号ｂ_１ｗ_１を送信する。また、送信タイミング２において、送信ビームｗ_２を用いてシンボルｂ_２を送信する。すなわち、この時ｎ_Ｔ個の送信アンテナで信号ｂ_２ｗ_２を送信する。以下同様である。つまり、本実施の形態においては、各送信タイミングに１個のビームで１個のシンボルを送信するように、ビーム集合Ｗ中のビームを用いてＮ個の送信シンボルを時間的に順次送信するようになっている。このように、図２において、送信アンテナ１０４から送信された信号はＣ＝Ｗ・ｄｉａｇ｛ｂ_１，ｂ_２，…，ｂ_Ｎ｝と表される。なおここで、Ｃ＝［ｃ_１，ｃ_２，…，ｃ_Ｎ］であり、ｃ_ｉは（ｎ_Ｔ×１）ベクトルでタイミングｉにアンテナ上にある送信信号を表し、Ｗ＝［ｗ_１，ｗ_２，…，ｗ_Ｎ］であり、ｗ_ｉもまた（ｎ_Ｔ×１）ベクトルである。

このステップＳ４１１からステップＳ４１３までのデータ送信プロセスはレピティションプロセスであり、各原始符号ベクトルを送信するごとに、実行される。

送信装置で上記のようにシンボルを送信すると、受信装置は、ステップＳ４０２において、受信アンテナ１１１を介して、送信装置がＮ個のビームで時間的に順次送信した信号を受け取った後、相応のパラメータ、すなわち直交行列Ｕと送信ビーム集合Ｗ、電力分配行列Ｐ＝ｄｉａｇ｛√Ｐ_１，√Ｐ_２，…，√Ｐ_Ｎ｝及び現時点のチャネル特性行列Ｈに基づいて、信号の検出を行う。

具体的には、まずＭＩＭＯ検出部２１１において、ｎ_Ｒ個の受信アンテナで受信した信号を以下のように合成する。

上記の定義に基づき、連続するＮ個の時間帯内に受信した信号をＸとすると、受信信号Ｘは、次式で表される。

ただし、式（５）において、Ｘ＝［ｘ_１，ｘ_２，…，ｘ_Ｎ］であり、ｘ_ｉは（ｎ_Ｒ×１）ベクトルを表し、タイミングｉにアンテナが受信した信号を表す。ｎ_ｉは雑音ベクトルである。

ｘ_ｉを最大比合成すると、ｙ＝［ｙ_１，ｙ_２，…，ｙ_Ｎ］が得られる。ここで、ｙ_ｉは、次式により表されるものである。

従って、ＭＩＭＯ検出部２１１は、合成によって、次式で示される受信信号ｙを得る。

なお、式（７）における等価チャネルＨ_０は、次式で表されるものであり、かつα＝［α_１，α_２，…，α_Ｎ］であり、α_ｉは分散が（Ｈｗ_ｉ）^ＨＨｗ_ｉσ^２である白色ガウス雑音を表す。

次に、ＭＩＭＯ検出部２１１において、従来のＭＩＭＯ検出方法を用いて合成後の信号を検出する。式（７）からわかるように、信号の合成後の形式とＭＩＭＯにおいて伝送される信号の形式は完全に同じである。したがって、ここではたとえば線形検出、干渉除去検出、最尤検出など、従来のＭＩＭＯ検出のどの方法で送信信号の検出を行ってもよい。唯一異なるのは、従来のＭＩＭＯ検出で用いられるチャネル特性行列は、ここでの等価チャネル特性行列Ｈ_０で置き換えられることである。

次に、受信装置は、ステップＳ４０３で、送信装置のために送信ビーム集合Ｗ＝｛ｗ_１，ｗ_２，…，ｗ_Ｎ｝及び電力分配行列Ｐ＝ｄｉａｇ｛√Ｐ_１，√Ｐ_２，…，√Ｐ_Ｎ｝を再決定する必要があるかどうかを判断する。もしある場合は、ステップＳ４０１に移る。

前述したとおり、チャネル統計特性は長時間不変なので、ここにおけるチャネル二次統計特性の推定と、送信ビーム集合Ｗと電力分配行列Ｐの決定及びフィードバック操作は、長時間のプロセスとなる。つまり、長い時間間隔で一回行われる。その具体的な時間の長さは、上記の時間Ｔのようになる。ここでは、時間に対して計測を行い、前回送信ビーム集合を決定したタイミングからの時間間隔がＴになったとき、ステップＳ４０１に移り、新たに送信ビーム集合Ｗと電力分配行列Ｐを決定する。

次に、図４を用いて、受信装置がパラメータＰとＷを決定する操作について説明する。

受信装置は、ステップＳ４２１で、送信相関行列Ｒ_ｔを計算する。具体的には、以下の二種類の方法がある。

（１）Ｒ_ｔ（ｉ^＊Ｔ）＝Ｅ｛Ｈ^ＨＨ｝の計算により求める。ここで、Ｒ_ｔ（ｉ^＊Ｔ）はタイミングｉ^＊Ｔで計算によって得た送信相関行列を表し、Ｔは相関行列を計算する時間間隔を表し、Ｅ｛｝は時間帯［（ｉ−１）^＊Ｔ，ｉ^＊Ｔ］内での平均を求めることを表している。一般的にＴ値は大きいため、このステップは長時間のプロセスとなる。

また、実際のシステムにおいては、Ｔ値の決定には二種類の方法がある。一つは、固定値を用いる方法で、システムの初期化時に決定する。二つ目は可変であるＴ値を用いる方法である。つまり、チャネルの時間変動状況の変化（たとえば、車速変化など）に応じてＴ値を変化させる方法である。例えば、チャネルの時間変動が速いほどＴ値を小さくし、チャネルの時間変動が遅いほどＴ値は大きくすると好適である。

（２）Ｒ_ｔ（ｉ^＊Ｔ）＝ρＲ_ｔ（（ｉ−１）^＊Ｔ）＋（１−ρ）Ｅ｛Ｈ^ＨＨ｝の計算により求める。すなわち、タイミング（ｉ−１）^＊Ｔのチャネル相関値Ｒｔ（（ｉ−１）^＊Ｔ）と、時間帯［（ｉ−１）^＊Ｔ，ｉ^＊Ｔ］内の平均値Ｅ｛Ｈ^ＨＨ｝とに基づき重み付けを行うことで、タイミングｉ^＊Ｔのチャネル相関値Ｒ_ｔ（ｉ^＊Ｔ）を求める。なお、ρは忘却要素であり、その数値はシステムの初期に選定される。

受信装置は、ステップＳ４２２において、ステップＳ４２１で計算して得た送信相関行列Ｒ_ｔに対し固有値分解（ＥＶＤ）を行い、ｎ_Ｔ個の固有ベクトル及びｎ_Ｔ個の固有値を得る。なお、このｎ_Ｔ個の固有ベクトルはｎ_Ｔ個の固有値に一つ一つ対応する。

受信装置は、ステップＳ４２３において、ｎ_Ｔ個の固有値の中から最大のＮ個の固有値λ_ｉを選択する。ここで、λ_ｉは、ｉ＝１，２，…，Ｎで、かつλ_１≧λ_２≧…≧λ_Ｎを満たすものである。そして、Ｎ個のビームを含む送信ビーム集合Ｗ＝｛ｗ_１，ｗ_２，…，ｗ_Ｎ｝を取得する。ここで、ｗ_ｉは固有値λ_ｉと対応する固有ベクトルである。

受信装置は、ステップＳ４２４において、電力分配行列Ｐ＝ｄｉａｇ｛√Ｐ_１，√Ｐ_２，…，√Ｐ_Ｎ｝を決定する。ここでは、三種類の電力分配方法がある。

（１）等電力分配方法。すなわち、Ｐ_ｉ＝Ｐ_{ｔｏｔａｌ}／Ｎ， ｉ＝１，２，…，Ｎに基づいて決定する方法。ここで、Ｐ_{ｔｏｔａｌ}は送信総電力制限を表す。

（２）注水定理に基づく電力分配方法。この方法では、前記ステップＳ４２３の計算で得られたＮ個の固有値を利用し、これによって注水電力分配値Ｐ_ｉ＝（μ−Ｎσ_ｎ ^２／Ｐ_{ｔｏｔａｌ}λ_ｉ）_＋を得る。ここで、μは定数ｗ表し（μ値の選択により、送信総電力制限Ｐ_{ｔｏｔａｌ}を満たす）、σ_ｎ ^２は雑音分散を表し、関数（ｘ）_＋は次式で表されるものである。

（３）固有値に基づく電力分配方法。この方法によって得られる電力分配結果は、次式となる。

この方法では、各ビーム上の電力分配とそれに対応する固有値の大きさは比例する。この方法と上記注水電力分配は似通った考え方である。すなわち、この方法は、固有値のより大きいビーム上に、より多い送信電力を分配するものである。ただし、この方法による電力分配の方が複雑度はより低くなる。

受信装置は、ステップＳ４２５において、算出した送信ビーム集合Ｗ＝｛ｗ_１，ｗ_２，…，ｗ_Ｎ｝及び電力分配行列Ｐ＝ｄｉａｇ｛√Ｐ_１，√Ｐ_２，…，√Ｐ_Ｎ｝を、フィードバックチャネル２２１を介して送信装置にフィードバックする。そのフィードバックの時間間隔と、相関行列を決定する時間間隔は、どちらもＴとする。このようにして、受信装置のパラメータ決定操作が完了する。

このように、受信装置が決定したパラメータを送信装置にフィードバックすると、送信装置は送信タイミングごとに受信装置からフィードバックされた送信ビーム集合Ｗ＝｛ｗ_１，ｗ_２，…，ｗ_Ｎ｝及び電力分配行列Ｐ＝ｄｉａｇ｛√Ｐ_１，√Ｐ_２，…，√Ｐ_Ｎ｝に基づき、送信信号の前処理を行い、処理後の信号を送信する。

図５に、本実施の形態の送信ダイバーシチ方法と従来の送信ダイバーシチ方法の性能比較を示す。図５では、本実施の形態の送信ダイバーシチ方法と従来の送信ダイバーシチ方法とにおける、システムＢＥＲ（ビット誤り率）性能の比較を表している。図５では、送信アンテナ数ｎ_Ｔが２と４の二つの環境での性能を比較している。二種類の環境において、対応する伝送レートはそれぞれ１と１／２である。受信アンテナ数ｎ_Ｒはどちらも１で、受信側ではＺＦ(Zero Forcing)検出を採用し、変調方式はＱＰＳＫである。また、２個の送信アンテナと４個の送信アンテナの送信相関行列は、それぞれ次式により表されるものであり、ＩＴＵ(International Telecommunication Union)でのアンテナ間隔がλ／２、伝送方向が２０°、角度広がりが５°の状況で、ともに受信が非相関であると仮定する。

図５の結果からわかるように、従来の方法と比較し、本実施の形態の方法によればより良いＢＥＲ性能が得られる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、直交変換によりＭ個の原始シンボルを多重してＮ個の送信シンボルを形成する直交変換部２０１と、Ｎ個のビーム形成パラメータを用いて、Ｎ個の送信シンボルを１シンボルずつビーム化して、ビーム化した送信シンボルを時間的に順次１シンボルずつ複数のアンテナから送信させるビーム形成部２０４と、を設けるようにした。これにより、ビーム形成部２０４によって、各送信符号チャネル間の相関性を排除しかつ符号間干渉を排除した送信ビームを形成でき、かつ直交変換部２０１によって、原始シンボルのダイバーシチ合成数を向上させることができる。この結果、送信ダイバーシチＭＩＭＯ通信を行う場合に、空間相関が存在する環境下でも、送信ダイバーシチ性能の劣化を抑制できる送信装置及び送信ダイバーシチ方法を実現できる。

なお、上述した実施の形態では、受信側で電力分配行列Ｐとビーム形成集合Ｗの決定が必要で、かつまた送信側でシンボルの送信前に、それに対する電力分配操作を行う場合について説明したが、本発明はこれに限らず、当業者が理解するとおり、電力分配行列と電力分配操作は、送信する各シンボルの電力を最適化するのみでチャネル間の相関性を排除するものではないので、必須ではない。

また、本発明は、上述した実施の形態に限定されずに、種々変更して実施することができる。

本明細書は、２００５年１１月１６日出願の中国特許出願第２００５１０１２５３８８．９号に基づく。その内容はすべてここに含めておく。

本発明は、送信ダイバーシチＭＩＭＯ通信を行う場合に、空間相関が存在する環境下でも、送信ダイバーシチ性能の劣化を抑制できる効果を有し、送信ダイバーシチＭＩＭＯ通信を行う無線機器に広く適用できる。

本発明は、多入力・多出力（ＭＩＭＯ：Multiple-Input Multiple-Output）システムにおける送信ダイバーシチ技術に関する。具体的には、空間相関ＭＩＭＯ通信システムにおいて効果的に送信ダイバーシチ性能を高めることができる送信装置、ＭＩＭＯ通信システム及び送信ダイバーシチ方法に関する。

将来、無線通信システムが直面する主な問題の一つに、情報の伝送レートがますます高くなることが挙げられる。限りある周波数スペクトル資源においてこの目標を実現するため、ＭＩＭＯ技術は、将来の無線通信において採用されるべき、不可欠な技術の一つである。ＭＩＭＯ通信システムにおいては、送信側では複数のアンテナを用いて信号の送信を行い、受信側では複数のアンテナを用いて空間信号の受信を行う。研究により、従来のシングルアンテナによる伝送方法に比べ、ＭＩＭＯ技術ではチャネル容量を顕著に向上でき、それによって情報の伝送レートも向上できることがわかっている。

送信方法から見ると、ＭＩＭＯシステムは大きく二種類に分けることができる。空間多重に基づくＭＩＭＯ送信システムと、空間ダイバーシチに基づくＭＩＭＯ送信システムである（例えば特許文献１及び非特許文献１参照）。空間多重ＭＩＭＯ送信システムは、その基本的考え方は、各送信アンテナ上の送信信号が互いに独立していることである。その目的は最大の伝送レートを得ることである。空間多重ＭＩＭＯ送信システムの代表的なものに、ＢＥＬＬ研究所の発表したＶ−ＢＬＡＳＴシステムなどがある。

空間多重ＭＩＭＯ送信システムと異なり、空間ダイバーシチＭＩＭＯ送信システムでは、通常、送信前に信号の前処理が必要である。前処理を行う目的は、一定の伝送レートのロスと引き換えに、送信ダイバーシチ能力を向上させることで、よりすぐれたＭＩＭＯの受信性能を得ることである。空間ダイバーシチＭＩＭＯ送信システムで用いる前処理の方法には多くの種類があるが、その内最も基本的なものは、時空間符号化方法である。

図１は従来の空間ダイバーシチを行うＭＩＭＯ通信システムの構成を示す図である。

この構成において、送信側と受信側はそれぞれｎ_Ｔ個とｎ_Ｒ個のアンテナで信号の送信と受信を行う。送信側では、まず符号化変調部１０１によって、送信するビットストリームを符号化及び変調することで、送信シンボルを形成する。続いて、直列の符号ストリームをシリアル／パラレル変換部（Ｓ／Ｐ部）１０２でＭ個の並列符号ストリームに分割する。シリアル／パラレル変換部１０２の後に時空間符号化部１０３が設置されており、当該時空間符号化部１０３によって送信シンボルに時空間符号化処理を施す。

具体的に言うと、時空間符号化部１０３は、シリアル／パラレル変換部１０２から入力された並列のＭ個のシンボルを読み込む都度、このＭ×１の符号ベクトルに対し、所定の時空間符号化規則に従って時空間符号化を行い、ｎ_Ｔ×Ｎの符号行列Ｘを生成する。このｎ_Ｔ×Ｎの符号行列Ｘは、連続するＮ個の送信時間間隔内にｎ_Ｔ個の送信アンテナ１０４で送信される。この際、送信時間間隔ごとに、符号行列Ｘの一列が送信される。ここでは、ＭとＮはともに自然数であり、またＭ／Ｎは時空間符号化の符号化効率と定義される。なお、採用される時空間符号化規則の違いに応じて、時空間符号化自身も時空間ブロック符号、時空間トレリス符号など、多くの種類に分けられる。

受信側では、まず、ｎ_Ｒ個の受信アンテナ１１１で、空間のすべての信号を受信する。
次に、チャネル推定部１１５でその受信信号中のパイロット信号か又はその他の方法に基づいてチャネル推定を行うことで、現時点のチャネル特性行列Ｈ（ＭＩＭＯシステムにおいては、そのチャネル特性は一つのｎ_Ｒ×ｎ_Ｔ行列で記述できる）を推定する。時空間復号部１１２は、チャネル特性行列Ｈを用いて、受信信号に対し時空間復号化を行う。なお、時空間復号化は送信側の時空間符号化と逆の操作とみなしてよい。時空間復号化の出力は順次、パラレル／シリアル変換部１１３及び復調復号部１１４に入力され、復調復号部１１４から受信データが出力される。

送信ダイバーシチＭＩＭＯ通信システムは、伝送レートでは空間多重ＭＩＭＯ通信システムに及ばないが（後者の時空間符号化効率はｎ_Ｔとみなしてよい）、送信側で行われる前処理技術によって、送信信号のダイバーシチ能力が高められるので、より優れたＭＩＭＯ受信性能を得ることができる。近年、多くの専門家及び学者がＭＩＭＯにおける送信ダイバーシチ技術の研究を進め、多くの有効な時空間符号化の設計方法を発表している。
US20050047517A1 "Some Results and Insights on the Performance Gains of MIMO Systems", "IEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS, VOL. 21, NO. 5", "June 2003", "SeverineCatreux, Larry J. Greenstein, VinkoErceg 著", "IEEE 発行", "p.840, Table I: SUMMARY OF ALL SYSTEMS STUDIED (P=TOTAL TRANSMIT POWER, h=INSTANTANEOUS PATH GAIN FROM TRANSMIT ANTENNA j TO RECEIVE ANTENNA i) ((c) 2005 IEEE)

ところで、現在のＭＩＭＯシステムにおける送信ダイバーシチ方法の研究のほとんどは、ＭＩＭＯシステムのチャネル同士は互いに独立したものであるという仮定が前提となっている。しかし、実際のＭＩＭＯシステムにおいては、ＭＩＭＯシステムのチャネル同士は往々にして相関している。ＭＩＭＯシステムでチャネルの相関が起こる原因として、例えば、アンテナの配置間隔の距離が充分でないこと、アンテナの周囲に充分に多くの散乱物がないこと、送受信側間に直接波（ＬＯＳ）が存在すること等、多くの原因がある。ＭＩＭＯシステムのチャネル間に相関があるとき、そのチャネル特性行列Ｈは、次式により記述できる。

なお、式（１）において、Ｈ_ｗはｎ_Ｒ×ｎ_Ｔの独立したＭＩＭＯチャネル特性行列を表し、Ｒ_ｒとＲ_ｔはそれぞれｎ_Ｒ×ｎ_Ｒとｎ_Ｔ×ｎ_Ｔの受信、送信相関行列を表している。

従来の研究によれば、実際の環境におけるＭＩＭＯシステムのアンテナ間の相関性はＭＩＭＯのチャネルの階数（ｒａｎｋ）を低下させ、それによって送信ダイバーシチの有効合成数を低下させ、送信ダイバーシチ性能の劣化をもたらす。このため、空間相関ＭＩＭＯシステムに対しての新しい送信ダイバーシチ技術を考える必要がある。

本発明の目的は、送信ダイバーシチＭＩＭＯ通信を行う場合に、空間相関が存在する環境下でも、送信ダイバーシチ性能の劣化を抑制できる送信装置、ＭＩＭＯ通信システム及び送信ダイバーシチ方法を提供することである。

本発明の送信装置の一つの態様は、ＭＩＭＯ通信システムに用いられる送信装置であっ
て、直交変換によりＭ個の原始シンボルを多重してＮ個の送信シンボルを形成する（但し、ＭとＮは自然数である）直交変換手段と、Ｎ個のビーム形成パラメータを用いて、前記Ｎ個の送信シンボルを１シンボルずつビーム化して、ビーム化した前記送信シンボルを時間的に順次１シンボルずつ複数のアンテナから送信させるビーム形成手段と、を具備する構成を採る。

この構成によれば、送信シンボルをビーム送信するので各送信符号チャネル間の相関性を排除できると共に、各タイミングに一つのシンボルのみを送信するので符号間干渉を排除できる。加えて、原始シンボルを直交変換して送信シンボルを得るようにしているので、各送信シンボルに複数の原始シンボルが多重され、原始シンボルのダイバーシチ合成数を向上させることができる。

また、本発明の通信システムの一つの態様は、送信装置と受信装置とを有し、前記送信装置と前記受信装置との間でＭＩＭＯ通信を行うＭＩＭＯ通信システムであって、前記送信装置は、直交変換によりＭ個の原始シンボルを多重してＮ個の送信シンボルを形成する（但し、ＭとＮは自然数である）直交変換手段と、Ｎ個のビーム形成パラメータを用いて、前記Ｎ個の送信シンボルを１シンボルずつビーム化して、ビーム化した前記送信シンボルを時間的に順次１シンボルずつ複数のアンテナから送信させるビーム形成手段と、を具備し、前記受信装置は、チャネルの二次統計特性に基づき前記Ｎ個のビーム形成パラメータを決定するパラメータ決定手段を具備し、決定したＮ個のビーム形成パラメータを、フィードバックチャネルを介して前記送信装置にフィードバックする、構成を採る。

この構成によれば、送信装置で、受信装置での受信状態を加味した適切なビーム形成パラメータを用いて送信シンボルをビーム化できるようになるので、受信装置での誤り率特性を一段と向上させることができる。

本発明によれば、送信ダイバーシチＭＩＭＯ通信を行う場合に、空間相関が存在する環境下でも、送信ダイバーシチ性能の劣化を抑制できる送信装置、ＭＩＭＯ通信システム及び送信ダイバーシチ方法を実現できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図２は、本発明の実施の形態に係るＭＩＭＯ通信システムの構成を示す図である。

図２で示すとおり、送信側（送信装置）と受信側（受信装置）は、それぞれｎ_Ｔ個とｎ_Ｒ個のアンテナを用いて信号の送信と受信を行う。送信装置は、符号化変調部１０１によって、送信されるビットストリームを符号化及び変調することで、符号ストリームを形成する。続いて、シリアル／パラレル変換部（Ｓ／Ｐ部）１０２によって、直列の符号ストリームをシリアル／パラレル変換することで、Ｍ個の並列符号ストリームに分割する。すなわち、シリアル／パラレル変換部１０２の出力はＭ×１のベクトルであり、図２においてｓで表されている。なお、ｓ＝［ｓ_１，ｓ_２，…，ｓ_Ｍ］^Ｔである。

シリアル／パラレル変換部１０２の後段には直交変換部２０１が設置されている。直交変換部２０１は、並列の符号ストリームを直交変換した後、Ｎ×１のベクトルａ＝Ｕｓ＝［ａ_１，ａ_２，…，ａ_Ｎ］^Ｔを出力する。なお、Ｕは（Ｎ×Ｍ）直交行列であり、Ｕ^ＨＵ＝Ｉ（単位行列）を満たすものである。

直交変換の後、電力分配部２０２は符号ストリームに対し電力分配を行い、Ｎ×１で表されるベクトルｂ＝Ｐａ＝［ｂ_１，ｂ_２，…，ｂ_Ｎ］^Ｔを出力する。なお、Ｐは電力分配行列を表し、Ｐ＝ｄｉａｇ｛√Ｐ_１，√Ｐ_２，…，√Ｐ_Ｎ｝となり、次式を満たす。すなわち、総電力はＰ_{ｔｏｔａｌ}で一定となる。

次に、パラレル／シリアル変換部２０３が並列の符号ストリームを直列の符号ストリームに変換し、ビーム形成部２０４が相応のビームを用いて送信アンテナ１０４を介してそれを送信する。

ビーム集合記憶部２０５には、データシンボルの送信前に、送信に用いるビーム集合Ｗ＝｛ｗ_１，ｗ_２，…，ｗ_Ｎ｝が記憶されている。なお、各送信ビームｗ_ｉは（ｎ_Ｔ×１）ベクトルである。

送信装置は、データシンボルを次のように送信する。すなわち、送信装置は、送信タイミング１に、ｎ_Ｔ個の送信アンテナ１０４でｂ_１ｗ_１を送信し、送信タイミング２にｎ_Ｔ個の送信アンテナ１０４でｂ_２ｗ_２を送信し、以下同様に、ビーム集合Ｗ中のビームｗ_１，ｗ_２，…，ｗ_Ｎを用いてＮ個の送信シンボルを時間的に順次送信する。つまり、各送信タイミングに１個のビームで１個のシンボルを送信する。

送信装置が電力分配とビーム形成を行うのに必要なパラメータ、すなわち電力分配行列Ｐと送信ビーム集合Ｗは、ともに受信装置で決定し、フィードバックチャネルを介して送信装置にフィードバックされる。電力分配行列Ｐと送信ビーム集合Ｗは、受信装置がＭＩＭＯチャネルの二次統計特性に基づいて決定する。したがって、ここでのパラメータの決定操作とパラメータフィードバック操作のプロセスは、長時間のプロセスであり、連続する２回の決定操作とパラメータフィードバック操作の時間間隔は長い。受信装置でパラメータＰとＷを決定する具体的なプロセスは後述する。

受信装置は、まずｎ_Ｒ個の受信アンテナ１１１で空間信号を受信し、その後以下の三つの操作を行う。

（１）チャネル推定部１１５で、その受信信号を基にチャネル推定を行い、現時点のチャネル特性行列Ｈを推定する。例えば、受信信号のパイロットに基づき、現時点のチャネル特性行列Ｈを推定する。

（２）送信装置が電力分配とビーム形成を行うのに必要なパラメータ、すなわち電力分配行列Ｐと送信ビーム集合Ｗを再計算する必要があるかどうかを判断し、もし必要であれば計算を行い、その結果を送信装置にフィードバックする。前述したように、受信装置で電力分配行列Ｐと送信ビーム集合Ｗを決定するプロセスは長時間のプロセスなので、全てのタイミングでＰとＷの計算を行う必要はない。実際のシステムにおいては、タイマーを
設置し、Ｔ時間間隔ごとにパラメータＰとＷの決定とフィードバック操作を行うと良い。

（３）ＭＩＭＯ検出部２１１で、現時点で受信した信号の検出を行う。その具体的操作は後に詳細に記述する。

図１に示した従来のＭＩＭＯシステムの送信ダイバーシチ方法と比較し、本実施の形態のＭＩＭＯ通信システムの送信ダイバーシチ方法が異なっているのは主として次の点である。

・送信シンボルをビーム送信し、かつ、各タイミングに一つのシンボルのみを送信する。すなわち、送信シンボルは時間上で直交している。前者の利点は各送信符号チャネル間の相関性を排除できることであり、後者の利点は従来方法で同一タイミングに複数のシンボルが送信された場合に起こる符号間干渉を排除できることである。

・送信シンボルを原始シンボルを直交変換することで得る。これによる利点は、各送信シンボルに複数の原始シンボルを多重することで、原始シンボルのダイバーシチ合成数が向上することである。

具体的には、本実施の形態の送信ダイバーシチ方法は、図３のように表現できる。図３は本実施の形態において送信側と受信側が実行する操作のフローチャートである。

図３に示すとおり、ステップＳ４０１で、受信装置は送信ビーム集合Ｗ＝｛ｗ_１，ｗ_２，…，ｗ_Ｎ｝と電力分配行列Ｐ＝ｄｉａｇ｛√Ｐ_１，√Ｐ_２，…，√Ｐ_Ｎ｝を決定し、決定結果をフィードバックチャネル２２１を介して送信装置にフィードバックする。電力分配行列は電力分配部２０２に渡され、ビーム集合は送信装置のビーム集合記憶部２０５に記憶される。次に、ステップＳ４０１の詳細な処理は、図４を用いて後述する。

ステップＳ４１１では、直交変換部２０１で原始送信シンボルを直交変換する。原始送信シンボルは、例えば図２のｓ＝［ｓ_１，ｓ_２，…，ｓ_Ｍ］^ＴのようにＭ×１ベクトルである。直交変換操作は、左乗（Ｎ×Ｍ）直交行列Ｕにより実施され、直交変換後の出力はＮ×１のベクトルａ＝Ｕｓ＝［ａ_１，ａ_２，…，ａ_Ｎ］^Ｔとなる。ここでは、直交変換行列Ｕに対して特別な要求はなく、直交性を満たすことだけが要求される。すなわち、Ｕ^ＨＵ＝Ｉ（単位行列）となることだけが要求される。例えば、Ｍ＝Ｎ＝２、Ｍ＝Ｎ＝３、Ｍ＝Ｎ＝４の場合には、それぞれ次式のような行列を用いて直交変換行列とすることができる。

ステップＳ４１２では、電力分配部２０２が受信側からフィードバックされた電力分配行列Ｐ＝ｄｉａｇ｛√Ｐ_１，√Ｐ_２，…，√Ｐ_Ｎ｝に基づいて、直交変換後の出力ａ＝Ｕｓ＝［ａ_１，ａ_２，…，ａ_Ｎ］^Ｔに対し電力分配を行う。電力分配後の出力ｂは、次式のように表される。

ステップＳ４１３では、ビーム形成部２０４が電力分配後のＮ個の送信シンボルｂ＝［ｂ_１，ｂ_２，…，ｂ_Ｎ］^Ｔを、送信ビーム集合Ｗ＝｛ｗ_１，ｗ_２，…，ｗ_Ｎ｝を用いてアンテナ１０４を介して送信する。具体的には、送信タイミング１において、送信ビームｗ_１を用いてシンボルｂ_１を送信する。すなわち、この時ｎ_Ｔ個の送信アンテナで信号ｂ_１ｗ_１を送信する。また、送信タイミング２において、送信ビームｗ_２を用いてシンボルｂ_２を送信する。すなわち、この時ｎ_Ｔ個の送信アンテナで信号ｂ_２ｗ_２を送信する。以下同様である。つまり、本実施の形態においては、各送信タイミングに１個のビームで１個のシンボルを送信するように、ビーム集合Ｗ中のビームを用いてＮ個の送信シンボルを時間的に順次送信するようになっている。このように、図２において、送信アンテナ１０４から送信された信号はＣ＝Ｗ・ｄｉａｇ｛ｂ_１，ｂ_２，…，ｂ_Ｎ｝と表される。なおここで、Ｃ＝［ｃ_１，ｃ_２，…，ｃ_Ｎ］であり、ｃ_ｉは（ｎ_Ｔ×１）ベクトルでタイミングｉにアンテナ上にある送信信号を表し、Ｗ＝［ｗ_１，ｗ_２，…，ｗ_Ｎ］であり、ｗ_ｉもまた（ｎ_Ｔ×１）ベクトルである。

このステップＳ４１１からステップＳ４１３までのデータ送信プロセスはレピティションプロセスであり、各原始符号ベクトルを送信するごとに、実行される。

送信装置で上記のようにシンボルを送信すると、受信装置は、ステップＳ４０２において、受信アンテナ１１１を介して、送信装置がＮ個のビームで時間的に順次送信した信号
を受け取った後、相応のパラメータ、すなわち直交行列Ｕと送信ビーム集合Ｗ、電力分配行列Ｐ＝ｄｉａｇ｛√Ｐ_１，√Ｐ_２，…，√Ｐ_Ｎ｝及び現時点のチャネル特性行列Ｈに基づいて、信号の検出を行う。

具体的には、まずＭＩＭＯ検出部２１１において、ｎ_Ｒ個の受信アンテナで受信した信号を以下のように合成する。

上記の定義に基づき、連続するＮ個の時間帯内に受信した信号をＸとすると、受信信号Ｘは、次式で表される。

ただし、式（５）において、Ｘ＝［ｘ_１，ｘ_２，…，ｘ_Ｎ］であり、ｘ_ｉは（ｎ_Ｒ×１）ベクトルを表し、タイミングｉにアンテナが受信した信号を表す。ｎ_ｉは雑音ベクトルである。

ｘ_ｉを最大比合成すると、ｙ＝［ｙ_１，ｙ_２，…，ｙ_Ｎ］が得られる。ここで、ｙ_ｉは、次式により表されるものである。

従って、ＭＩＭＯ検出部２１１は、合成によって、次式で示される受信信号ｙを得る。

なお、式（７）における等価チャネルＨ_０は、次式で表されるものであり、かつα＝［α_１，α_２，…，α_Ｎ］であり、α_ｉは分散が（Ｈｗ_ｉ）^ＨＨｗ_ｉσ^２である白色ガウス雑音を表す。

次に、ＭＩＭＯ検出部２１１において、従来のＭＩＭＯ検出方法を用いて合成後の信号を検出する。式（７）からわかるように、信号の合成後の形式とＭＩＭＯにおいて伝送される信号の形式は完全に同じである。したがって、ここではたとえば線形検出、干渉除去
検出、最尤検出など、従来のＭＩＭＯ検出のどの方法で送信信号の検出を行ってもよい。唯一異なるのは、従来のＭＩＭＯ検出で用いられるチャネル特性行列は、ここでの等価チャネル特性行列Ｈ_０で置き換えられることである。

次に、受信装置は、ステップＳ４０３で、送信装置のために送信ビーム集合Ｗ＝｛ｗ_１，ｗ_２，…，ｗ_Ｎ｝及び電力分配行列Ｐ＝ｄｉａｇ｛√Ｐ_１，√Ｐ_２，…，√Ｐ_Ｎ｝を再決定する必要があるかどうかを判断する。もしある場合は、ステップＳ４０１に移る。

前述したとおり、チャネル統計特性は長時間不変なので、ここにおけるチャネル二次統計特性の推定と、送信ビーム集合Ｗと電力分配行列Ｐの決定及びフィードバック操作は、長時間のプロセスとなる。つまり、長い時間間隔で一回行われる。その具体的な時間の長さは、上記の時間Ｔのようになる。ここでは、時間に対して計測を行い、前回送信ビーム集合を決定したタイミングからの時間間隔がＴになったとき、ステップＳ４０１に移り、新たに送信ビーム集合Ｗと電力分配行列Ｐを決定する。

次に、図４を用いて、受信装置がパラメータＰとＷを決定する操作について説明する。

受信装置は、ステップＳ４２１で、送信相関行列Ｒ_ｔを計算する。具体的には、以下の二種類の方法がある。

（１）Ｒ_ｔ（ｉ^＊Ｔ）＝Ｅ｛Ｈ^ＨＨ｝の計算により求める。ここで、Ｒ_ｔ（ｉ^＊Ｔ）はタイミングｉ^＊Ｔで計算によって得た送信相関行列を表し、Ｔは相関行列を計算する時間間隔を表し、Ｅ｛｝は時間帯［（ｉ−１）^＊Ｔ，ｉ^＊Ｔ］内での平均を求めることを表している。一般的にＴ値は大きいため、このステップは長時間のプロセスとなる。

また、実際のシステムにおいては、Ｔ値の決定には二種類の方法がある。一つは、固定値を用いる方法で、システムの初期化時に決定する。二つ目は可変であるＴ値を用いる方法である。つまり、チャネルの時間変動状況の変化（たとえば、車速変化など）に応じてＴ値を変化させる方法である。例えば、チャネルの時間変動が速いほどＴ値を小さくし、チャネルの時間変動が遅いほどＴ値は大きくすると好適である。

（２）Ｒ_ｔ（ｉ^＊Ｔ）＝ρＲ_ｔ（（ｉ−１）^＊Ｔ）＋（１−ρ）Ｅ｛Ｈ^ＨＨ｝の計算により求める。すなわち、タイミング（ｉ−１）^＊Ｔのチャネル相関値Ｒｔ（（ｉ−１）^＊Ｔ）と、時間帯［（ｉ−１）^＊Ｔ，ｉ^＊Ｔ］内の平均値Ｅ｛Ｈ^ＨＨ｝とに基づき重み付けを行うことで、タイミングｉ^＊Ｔのチャネル相関値Ｒ_ｔ（ｉ^＊Ｔ）を求める。なお、ρは忘却要素であり、その数値はシステムの初期に選定される。

受信装置は、ステップＳ４２２において、ステップＳ４２１で計算して得た送信相関行列Ｒ_ｔに対し固有値分解（ＥＶＤ）を行い、ｎ_Ｔ個の固有ベクトル及びｎ_Ｔ個の固有値を得る。なお、このｎ_Ｔ個の固有ベクトルはｎ_Ｔ個の固有値に一つ一つ対応する。

受信装置は、ステップＳ４２３において、ｎ_Ｔ個の固有値の中から最大のＮ個の固有値λ_ｉを選択する。ここで、λ_ｉは、ｉ＝１，２，…，Ｎで、かつλ_１≧λ_２≧…≧λ_Ｎを満たすものである。そして、Ｎ個のビームを含む送信ビーム集合Ｗ＝｛ｗ_１，ｗ_２，…，ｗ_Ｎ｝を取得する。ここで、ｗ_ｉは固有値λ_ｉと対応する固有ベクトルである。

受信装置は、ステップＳ４２４において、電力分配行列Ｐ＝ｄｉａｇ｛√Ｐ_１，√Ｐ_２，…，√Ｐ_Ｎ｝を決定する。ここでは、三種類の電力分配方法がある。

（１）等電力分配方法。すなわち、Ｐ_ｉ＝Ｐ_{ｔｏｔａｌ}／Ｎ， ｉ＝１，２，…，Ｎに
基づいて決定する方法。ここで、Ｐ_{ｔｏｔａｌ}は送信総電力制限を表す。

（２）注水定理に基づく電力分配方法。この方法では、前記ステップＳ４２３の計算で得られたＮ個の固有値を利用し、これによって注水電力分配値Ｐ_ｉ＝（μ−Ｎσ_ｎ ^２／Ｐ_{ｔｏｔａｌ}λ_ｉ）_＋を得る。ここで、μは定数ｗ表し（μ値の選択により、送信総電力制限Ｐ_{ｔｏｔａｌ}を満たす）、σ_ｎ ^２は雑音分散を表し、関数（ｘ）_＋は次式で表されるものである。

（３）固有値に基づく電力分配方法。この方法によって得られる電力分配結果は、次式となる。

この方法では、各ビーム上の電力分配とそれに対応する固有値の大きさは比例する。この方法と上記注水電力分配は似通った考え方である。すなわち、この方法は、固有値のより大きいビーム上に、より多い送信電力を分配するものである。ただし、この方法による電力分配の方が複雑度はより低くなる。

受信装置は、ステップＳ４２５において、算出した送信ビーム集合Ｗ＝｛ｗ_１，ｗ_２，…，ｗ_Ｎ｝及び電力分配行列Ｐ＝ｄｉａｇ｛√Ｐ_１，√Ｐ_２，…，√Ｐ_Ｎ｝を、フィードバックチャネル２２１を介して送信装置にフィードバックする。そのフィードバックの時間間隔と、相関行列を決定する時間間隔は、どちらもＴとする。このようにして、受信装置のパラメータ決定操作が完了する。

このように、受信装置が決定したパラメータを送信装置にフィードバックすると、送信装置は送信タイミングごとに受信装置からフィードバックされた送信ビーム集合Ｗ＝｛ｗ_１，ｗ_２，…，ｗ_Ｎ｝及び電力分配行列Ｐ＝ｄｉａｇ｛√Ｐ_１，√Ｐ_２，…，√Ｐ_Ｎ｝に基づき、送信信号の前処理を行い、処理後の信号を送信する。

図５に、本実施の形態の送信ダイバーシチ方法と従来の送信ダイバーシチ方法の性能比較を示す。図５では、本実施の形態の送信ダイバーシチ方法と従来の送信ダイバーシチ方法とにおける、システムＢＥＲ（ビット誤り率）性能の比較を表している。図５では、送信アンテナ数ｎ_Ｔが２と４の二つの環境での性能を比較している。二種類の環境において、対応する伝送レートはそれぞれ１と１／２である。受信アンテナ数ｎ_Ｒはどちらも１で、受信側ではＺＦ(Zero Forcing)検出を採用し、変調方式はＱＰＳＫである。また、２個の送信アンテナと４個の送信アンテナの送信相関行列は、それぞれ次式により表されるものであり、ＩＴＵ(International Telecommunication Union)でのアンテナ間隔がλ／２、伝送方向が２０°、角度広がりが５°の状況で、ともに受信が非相関であると仮定する。

図５の結果からわかるように、従来の方法と比較し、本実施の形態の方法によればより良いＢＥＲ性能が得られる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、直交変換によりＭ個の原始シンボルを多重してＮ個の送信シンボルを形成する直交変換部２０１と、Ｎ個のビーム形成パラメータを用いて、Ｎ個の送信シンボルを１シンボルずつビーム化して、ビーム化した送信シンボルを時間的に順次１シンボルずつ複数のアンテナから送信させるビーム形成部２０４と、を設けるようにした。これにより、ビーム形成部２０４によって、各送信符号チャネル間の相関性を排除しかつ符号間干渉を排除した送信ビームを形成でき、かつ直交変換部２０１によって、原始シンボルのダイバーシチ合成数を向上させることができる。この結果、送信ダイバーシチＭＩＭＯ通信を行う場合に、空間相関が存在する環境下でも、送信ダイバーシチ性能の劣化を抑制できる送信装置及び送信ダイバーシチ方法を実現できる。

なお、上述した実施の形態では、受信側で電力分配行列Ｐとビーム形成集合Ｗの決定が必要で、かつまた送信側でシンボルの送信前に、それに対する電力分配操作を行う場合について説明したが、本発明はこれに限らず、当業者が理解するとおり、電力分配行列と電力分配操作は、送信する各シンボルの電力を最適化するのみでチャネル間の相関性を排除するものではないので、必須ではない。

また、本発明は、上述した実施の形態に限定されずに、種々変更して実施することができる。

本明細書は、２００５年１１月１６日出願の中国特許出願第２００５１０１２５３８８．９号に基づく。その内容はすべてここに含めておく。

本発明は、送信ダイバーシチＭＩＭＯ通信を行う場合に、空間相関が存在する環境下でも、送信ダイバーシチ性能の劣化を抑制できる効果を有し、送信ダイバーシチＭＩＭＯ通信を行う無線機器に広く適用できる。

従来の空間ダイバーシチを用いたＭＩＭＯ通信システムの構成を示す図 本発明の実施の形態に係るＭＩＭＯ通信システムの構成を示す図 送信側と受信側で実行される処理の説明に供するフローチャート 受信側で実行される送信パラメータを決定処理の説明に供するフローチャート 本発明の方法と従来の方法の性能比較を示す特性図

Claims (12)

1. ＭＩＭＯ通信システムに用いられる送信装置であって、
   直交変換によりＭ個の原始シンボルを多重してＮ個の送信シンボルを形成する（但し、ＭとＮは自然数である）直交変換手段と、
   Ｎ個のビーム形成パラメータを用いて、前記Ｎ個の送信シンボルを１シンボルずつビーム化して、ビーム化した前記送信シンボルを時間的に順次１シンボルずつ複数のアンテナから送信させるビーム形成手段と、
   を具備する送信装置。
2. 前記Ｎ個のビーム形成パラメータに対応するＮ個の電力分配係数を用いて、前記Ｎ個の送信シンボルに電力を分配する電力分配手段を、さらに具備する
   請求項１に記載の送信装置。
3. 送信装置と受信装置とを有し、前記送信装置と前記受信装置との間でＭＩＭＯ通信を行うＭＩＭＯ通信システムであって、
   前記送信装置は、
   直交変換によりＭ個の原始シンボルを多重してＮ個の送信シンボルを形成する（但し、ＭとＮは自然数である）直交変換手段と、
   Ｎ個のビーム形成パラメータを用いて、前記Ｎ個の送信シンボルを１シンボルずつビーム化して、ビーム化した前記送信シンボルを時間的に順次１シンボルずつ複数のアンテナから送信させるビーム形成手段と、を具備し、
   前記受信装置は、
   チャネルの二次統計特性に基づき前記Ｎ個のビーム形成パラメータを決定するパラメータ決定手段を具備し、決定したＮ個のビーム形成パラメータを、フィードバックチャネルを介して前記送信装置にフィードバックする
   ＭＩＭＯ通信システム。
4. 前記送信装置は、前記Ｎ個のビーム形成パラメータに対応するＮ個の電力分配係数を用いて、前記Ｎ個の送信シンボルに電力を分配する電力分配手段を、さらに具備し、
   前記受信装置は、パラメータ決定手段によってさらに前記Ｎ個の電力分配係数を決定し、決定したＮ個の電力分配係数を、フィードバックチャネルを介して前記送信装置にフィードバックする
   請求項３に記載のＭＩＭＯ通信システム。
5. 前記受信装置は、チャネル特性行列を推定するチャネル推定手段を、さらに具備し、
   前記パラメータ決定手段は、前記チャネル特性行列に基づき送信相関行列を求め、この送信相関行列に対し固定値分解を行うことで複数の固定ベクトルと当該複数の固定ベクトルに対応する複数の固定値を得、当該複数の固定ベクトルから、複数の固定値の中の最大のＮ個の固定値に対応するＮ個の固定ベクトルを選出し、このＮ個の固有ベクトルを前記Ｎ個のビーム形成パラメータとして決定する
   請求項３に記載のＭＩＭＯ通信システム。
6. 前記パラメータ決定手段は、前記Ｎ個の電力分配係数として、互いに同じ値の係数を決定する
   請求項４に記載のＭＩＭＯ通信システム。
7. 前記パラメータ決定手段は、注水法によって、前記Ｎ個の固有値｛λ_１，λ_２，…，λ_３｝を利用して、前記Ｎ個の電力分配係数Ｐ_ｉ（ｉ＝１〜Ｎ）を、Ｐ_ｉ＝（μ−Ｎσ_ｎ ^２／Ｐ_{ｔｏｔａｌ}λ_ｉ）_＋と決定する、ただしＰ_{ｔｏｔａｌ}は送信総電力制限値であり、μは送信総電力制限値Ｐ_{ｔｏｔａｌ}が所定値にするような定数であり、σ_ｎ ^２は雑音分散であり、関数（ｘ）_＋はｘが０以上の場合にはｘを採りかつｘが０未満の場合には０を採る関数である
   請求項４に記載のＭＩＭＯ通信システム。
8. 前記パラメータ決定手段は、前記Ｎ個の電力分配係数とその固定値の大きさが比例するよう、前記Ｎ個の電力分配係数を決定する
   請求項５に記載のＭＩＭＯ通信システム。
9. 前記パラメータ決定手段は、所定の時間間隔ごとに前記Ｎ個のビーム形成パラメータを決定する
   請求項３に記載のＭＩＭＯ通信システム。
10. 前記パラメータ決定手段は、チャネルの時間変動が速い場合においては、チャネルの時間変動が遅い場合に比べて、前記Ｎ個のビーム形成パラメータを決定する時間間隔を短くする
    請求項９に記載のＭＩＭＯ通信システム。
11. ＭＩＭＯ通信システムにおける送信ダイバーシチ方法であって、
    直交変換によりＭ個の原始シンボルを多重してＮ個の送信シンボルを形成する（但し、ＭとＮは自然数である）ステップと、
    Ｎ個のビーム形成パラメータを用いて、前記Ｎ個の送信シンボルを１シンボルずつビーム化して、ビーム化した前記送信シンボルを時間的に順次１シンボルずつ複数のアンテナから送信させるステップと、
    を含む送信ダイバーシチ方法。
12. 前記送信シンボルを受信する受信装置が、チャネルの二次統計特性に基づき前記Ｎ個のビーム形成パラメータを決定するステップと、
    前記受信装置が、決定したＮ個のビーム形成パラメータを、フィードバックチャネルを介して送信側にフィードバックするステップと、
    を、さらに含む請求項１１に記載の送信ダイバーシチ方法。

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