JPWO2015079726A1 - 無線通信装置および無線通信方法 - Google Patents

Abstract

複数のアンテナ１０１−１〜１０１−Ｍを備えた無線通信装置は、他の無線通信装置との間の伝搬路に関する情報を取得する伝搬路情報取得部１０５と、その情報を用いて、伝搬路の角度広がりに関連する指標を算出する指標算出部１０６と、その情報および指標を用いて、各アンテナに対応する重み係数を生成する重み係数生成部１０７と、各アンテナで処理する信号に対して、その信号を処理するアンテナに対応する重み係数を乗算する重み係数乗算部１１０と、を有する

Description

本発明は、無線通信システムで使用される無線通信装置およびその無線通信方法に関する。

近年、無線周波数を有効利用するために、複数のアンテナを用いる無線伝送技術が検討されている。その１つとして、各アンテナで処理する信号の振幅と位相を調整することで、複数のアンテナ全体で形成される指向性を適応的に制御するアダプティブアレーアンテナ技術がある。振幅と位相の値を伝搬路の状態に基づいて設定すれば、伝搬路品質の良好な方向へ電力を集中的に放射でき、通信品質を改善することができる。この技術では、使用するアンテナ数が多いほど、指向性のビーム幅を狭めて特定方向に放射する電力の集中度合いを高めることができる。

指向性の形成には伝搬路に関する情報が必要であるが、その情報を送信機で取得する方法は２通りある。送信機で伝搬路の状態を推定する方法と、受信機で伝搬路の状態を推定させて推定結果を送信機に報告させる方法である。どちらの方法を用いるにしても、伝搬路の状態の推定から推定結果に基づく指向性を用いた送信までの間に時間差がある。この時間差の間に伝搬路品質の良好な方向が変動すると、送信時に形成した指向性のメインローブ方向と伝搬路品質の良好な方向との間にずれが生じるので、理想的に送信時の伝搬路の状態に基づいて指向性を形成できた場合に比べて通信品質が劣化する。特に、指向性のビーム幅が狭い場合には、方向のずれがビーム幅に収まらなくて伝搬路品質の良好な方向に指向性のサイドローブやヌルが向きやすく、通信品質の劣化量が大きくなりやすい。対策として、伝搬路の状態の推定頻度を増やし、できるだけ最新の伝搬路に関する情報を利用する方法が考えられるが、演算量が増えるために好ましくない。

伝搬路の状態の推定頻度を増やすことなく、伝搬路品質の良好な方向の変動による通信品質の劣化を抑えるため、特許文献１では、送受信機間でやり取りする信号の受信電力の変動度合いに基づいて使用するアンテナ数を制御する方法が検討されている。この方法では、受信電力の変動度合いが大きい場合には、伝搬路品質の良好な方向の変動が大きいと判断して、使用するアンテナ数を減らす。アンテナ数を減らすことで、特定方向への電力の集中度合いは落ちるが、指向性のビーム幅が広がるので、伝搬路品質の良好な方向の変動による通信品質の大きな劣化は避けられる。

特開２００８−２７８０７６号公報

しかしながら、受信電力の変動が大きい場合に伝搬路品質の良好な方向の変動も大きいとは限らない。例えば、伝搬路の角度広がりが小さい場合には、受信電力は大きく変動し得るが、伝搬路品質の良好な方向が変動する範囲は小さい。そのため、特許文献１に記載の方法では、伝搬路品質の良好な方向の変動を正確に見積もれず、理想的に送信時の伝搬路の状態に基づいて指向性を形成できた場合に対する通信品質の劣化量が大きい。

そこで、本発明の目的は、伝搬路品質の良好な方向の変動を精度良く見積もり、理想的に送信時の伝搬路の状態に基づいて指向性を形成できた場合に対する通信品質の劣化量を小さくできる無線通信装置およびその無線通信方法を提供することにある。

本発明による無線通信装置は、
複数のアンテナを備えた無線通信装置であって、
他の無線通信装置との間の伝搬路に関する情報を取得する伝搬路情報取得部と、
前記情報を用いて、前記伝搬路の角度広がりに関連する指標を算出する指標算出部と、
前記情報および前記指標を用いて、前記複数のアンテナの各々に対応する重み係数を生成する重み係数生成部と、
前記複数のアンテナの各々で処理する信号に対して、当該信号を処理するアンテナに対応する前記重み係数を乗算する重み係数乗算部と、を有する。

本発明による無線通信方法は、
複数のアンテナを備えた無線通信装置における無線通信方法であって、
他の無線通信装置との間の伝搬路に関する情報を取得し、
前記情報を用いて、前記伝搬路の角度広がりに関連する指標を算出し、
前記情報および前記指標を用いて、前記複数のアンテナの各々に対応する重み係数を生成し、
前記複数のアンテナの各々で処理する信号に対して、当該信号を処理するアンテナに対応する前記重み係数を乗算する。

本発明によれば、伝搬路の状態が変動する通信状況下において、理想的に送信時の伝搬路の状態に基づいて指向性を形成できた場合に対する通信品質の劣化量を小さくできる。

本発明の第１の実施形態における無線通信システムを示す構成図である。 本発明の第１の実施形態における無線基地局の機能的な構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態における無線基地局の受信動作の一例を説明するためのフローチャートである。 本発明の第１の実施形態における無線基地局の送信動作の一例を説明するためのフローチャートである。 本発明の第１の実施形態における重み係数生成部の動作の一例を説明するためのフローチャートである。 本発明の第２の実施形態における無線通信システムを示す構成図である。 本発明の第２の実施形態における無線基地局の機能的な構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態における重み係数生成部の動作の一例を示すフローチャートである。 本発明の第４の実施形態における無線基地局のアンテナの構成を示す図である。 本発明の第４の実施形態における重み係数の設定例を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の各実施形態で説明する無線通信システムは、ＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）方式に対応するものとしているが、本発明は、他の通信方式に対応する無線通信システムにも適用可能である。

（１）第１の実施形態
（１．１）構成の説明
図１は、本発明の第１の実施形態における無線通信システムを示す構成図である。図１に示すように、本実施形態における無線通信システムは、無線基地局１００と、無線端末２００とを有する。

無線基地局１００と無線端末２００は、それぞれアンテナ１０１−１〜１０１−Ｍとアンテナ２０１−１〜２０１−Ｎを備えるものとする。ここで、Ｍは２以上の整数、Ｎは１以上の整数であり、Ｍ≧Ｎを満たす。

無線基地局１００は、無線端末２００との間の伝搬路の状態に応じて、無線端末２００宛の信号を送信する際の、アンテナ１０１−１〜１０１−Ｍにより形成される指向性を制御する。

図２は、本実施形態における無線基地局１００の機能的な構成を示すブロック図である。図２に示すように、本実施形態における無線基地局１００は、アンテナ１０１−１〜１０１−Ｍと、無線送受信部１０２−１〜１０２−Ｍと、ガードインターバル（ＧＩ：Ｇｕａｒｄ Ｉｎｔａｒｖａｌ）除去部１０３−１〜１０３−Ｍと、高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）部１０４−１〜１０４−Ｍと、伝搬路情報取得部１０５と、指標算出部１０６と、重み係数生成部１０７と、符号化部１０８と、変調部１０９と、重み係数乗算部１１０と、逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ：Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）部１１１−１〜１１１−Ｍと、ＧＩ挿入部１１２−１〜１１２−Ｍとを有する。

アンテナ１０１−１〜１０１−Ｍの各々は、無線端末２００が送信した無線周波数帯の信号を受信する。

無線送受信部１０２−１〜１０２−Ｍの各々は、アンテナ１０１−１〜１０１−Ｍの各々と対応し、その対応するアンテナが受信した信号である受信信号をベースバンド帯の信号に変換する。

ＧＩ除去部１０３−１〜１０３−Ｍの各々は、無線送受信部１０２−１〜１０２−Ｍの各々と対応し、その対応する無線送受信部にてベースバンド帯の信号に変換された受信信号からＧＩを除去する。

ＦＦＴ部１０４−１〜１０４−Ｍの各々は、ＧＩ除去部１０３−１〜１０３−Ｍの各々と対応し、その対応するＧＩ除去部にてＧＩが除去された受信信号に対してＦＦＴを行い、その受信信号を周波数領域の信号に変換する。

伝搬路情報取得部１０５は、ＦＦＴ部１０４−１〜１０４−Ｍの各々にて周波数領域の信号に変換された複数の受信信号を用いて、無線基地局１００と他の無線通信装置である無線端末２００との間の伝搬路に関する情報である伝搬路情報を取得する。伝搬路情報は、例えば、無線基地局１００のアンテナ１０１−１〜１０１−Ｍの各々と無線端末２００のアンテナ２０１−１〜２０１−Ｎの各々の間の伝搬路の周波数応答である。

伝搬路情報を取得する方法としては、無線基地局１００が伝搬路の状態を推定する第１の方法と、無線端末２００が推定した伝搬路の状態を無線基地局１００が受け取る第２の方法とがある。伝搬路情報の取得に要する演算量や伝搬路情報の精度などを考慮して適当な方法が用いられる。

指標算出部１０６は、伝搬路情報取得部１０５が取得した伝搬路情報を用いて、伝搬路の角度広がりに関連する指標を算出する。指標は、伝搬路の角度広がり自体ではなく、伝搬路の角度広がり自体よりも少ない演算量で算出できる値であるとする。なお、指標のより詳細な説明は後述する。

重み係数生成部１０７は、伝搬路情報取得部１０５が取得した伝搬路情報と、指標算出部１０６が算出した指標とを用いて、アンテナ１０１−１〜１０１−Ｍの各々に対応する重み係数を生成する。重み係数の生成方法に関する詳細な説明は後述する。

符号化部１０８は、無線端末２００宛の送信データを符号化する。なお、符号化方式は特に限定されない。

変調部１０９は、符号化部１０８にて符号化された送信データを変調する。なお、変調方式は、位相変調（ＰＳＫ：Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）や直交振幅変調（ＱＡＭ：Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）などのディジタル変調方式であるとする。

重み係数乗算部１１０は、変調部１０９にて生成された変調信号を複製してアンテナ１０１−１〜１０１−Ｍの各々で処理する信号を生成した後、その信号の各々に対して重み係数生成部１０７にて生成されたアンテナ１０１−１〜１０１−Ｍの各々に対応する重み係数を乗算する。

ＩＦＦＴ部１１１−１〜１１１−Ｍの各々は、アンテナ１０１−１〜１０１−Ｍの各々に対応し、重み係数乗算部１１０にて重み係数が乗算された送信信号のうち、その対応したアンテナで処理する送信信号に対してＩＦＦＴを行う。

ＧＩ挿入部１１２−１〜１１２−Ｍの各々は、ＩＦＦＴ部１１１−１〜１１１−Ｍの各々と対応し、その対応したＩＦＦＴ部にてＩＦＦＴが行われた送信信号にＧＩを挿入する。

無線送受信部１０２−１〜１０２−Ｍは、ＧＩ挿入部１１２−１〜１１２−Ｍの各々と対応し、その対応したＧＩ挿入部にてＧＩが挿入された送信信号を無線周波数帯の信号に変換する。

アンテナ１０１−１〜１０１−Ｍの各々は、自身と対応する無線送受信部にて無線周波数帯の信号に変換された送信信号を送信する。

（１．２）動作の説明
図３は、無線基地局１００における受信動作の一例を説明するためのフローチャートである。

先ず、無線基地局１００のアンテナ１０１−１〜１０１−Ｍの各々は、無線端末２００のアンテナ２０１−１〜２０１−Ｎの各々から送信された無線周波数帯の信号を受信し、その信号を受信信号として自身と対応する無線送受信部に出力する（ステップＳ３０１）。

無線送受信部１０２−１〜１０２−Ｍの各々は、自身と対応するアンテナから受信信号を受け付け、その受信信号をベースバンド帯の信号に変換して、自身と対応するＧＩ除去部に出力する（ステップＳ３０２）。

ＧＩ除去部１０３−１〜１０３−Ｍの各々は、自身と対応する無線送受信部から受信信号を受け付け、その受信信号からＧＩを除去し、そのＧＩを除去した受信信号を、自身と対応するＦＦＴ部に出力する（ステップＳ３０３）。

ＦＦＴ部１０４−１〜１０４−Ｍの各々は、自身と対応するＧＩ除去部から受信信号を受け付け、その受信信号に対してＦＦＴを行い、そのＦＦＴを行った受信信号を伝搬路情報取得部１０５に出力する（ステップＳ３０４）。

伝搬路情報取得部１０５は、ＦＦＴ部１０４−１〜１０４−Ｍの各々から受信信号を受け付け、その受信信号を用いて伝搬路情報を取得する。そして、伝搬路情報取得部１０５は、取得した伝搬路情報を指標算出部１０６および重み係数生成部１０７に出力する（ステップＳ３０５）。

指標算出部１０６は、伝搬路情報取得部１０５から伝搬路情報を受け付け、その伝搬路情報を用いて、指標を算出する。そして、指標算出部１０６は、算出した指標を重み係数生成部１０７に出力する（ステップＳ３０６）。

重み係数生成部１０７は、伝搬路情報取得部１０５から伝搬路情報を受け付け、指標算出部１０６から指標を受け付ける。そして、重み係数生成部１０７は、受け付けた伝搬路情報および指標を用いて、アンテナ１０１−１〜１０１−Ｍの各々に対応する複数の重み係数を生成し、その複数の重み係数を重み係数乗算部１１０に出力し（ステップＳ３０７）、受信動作を終了する。

図４は、無線基地局１００における送信動作の一例を説明するためのフローチャートである。

先ず、符号化部１０８は、無線端末２００宛の送信データを受け付け、その送信データを符号化して変調部１０９に出力する（ステップＳ４０１）。

変調部１０９は、符号化部１０８から送信データを受け付け、その送信データを変調して重み係数乗算部１１０に出力する（ステップＳ４０２）。

重み係数乗算部１１０は、変調部１０９から変調信号を受け付け、図３のステップＳ３０７で重み係数生成部１０７から出力された重み係数を受け付ける。重み係数乗算部１１０は、変調信号を複製してアンテナ１０１−１〜１０１−Ｍの各々で処理する送信信号を生成し、その送信信号の各々に対して、その送信信号を処理するアンテナに対応する重み係数を乗算する。そして、重み係数乗算部１１０は、重み係数を乗算した送信信号の各々を、その送信信号を処理するアンテナに対応するＩＦＦＴ部に出力する（ステップＳ４０３）。

ＩＦＦＴ部１１１−１〜１１１−Ｍの各々は、重み係数乗算部１１０から送信信号を受け付け、その送信信号に対してＩＦＦＴを行い、そのＩＦＦＴを行った送信信号を、自身と対応するＧＩ挿入部に出力する（ステップＳ４０４）。

ＧＩ挿入部１１２−１〜１１２−Ｍの各々は、自身と対応するＩＦＦＴ部１１１−１〜１１１−Ｍから送信信号を受け付け、その送信信号にＧＩを挿入し、そのＧＩを挿入した送信信号を、自身と対応する無線送受信部に出力する（ステップＳ４０５）。

無線送受信部１０２−１〜１０２−Ｍは、自身と対応するＧＩ挿入部１１２−１〜１１２−Ｍから送信信号を受け付け、その送信信号を無線周波数帯の信号に変換し、その無線周波数帯の信号を、自身と対応するアンテナに出力する（ステップＳ４０６）。

アンテナ１０１−１〜１０１−Ｍの各々は、自身と対応する無線送受信部１０２−１〜１０２−Ｍから無線周波数帯の信号を受け付け、その信号を送信し（ステップＳ４０７）、送信処理を終了する。

（１．３）指標の算出
以下では、指標算出部１０６が算出する伝搬路の角度広がりに関連する指標の具体例を説明する。なお、以下の各例では、伝搬路の角度広がりが大きいほど、指標も大きくなる。

第１の例では、指標算出部１０６は、伝搬路情報を用いて無線基地局１００の任意のアンテナ１０１−１〜１０１−Ｍ間の相関を求め、その相関に基づいて指標を算出する。具体的には、無線基地局１００のアンテナ１０１−ｍと無線端末２００のアンテナ２０１−ｎ間の伝搬路の周波数応答をｈ_n,mとすると、指標算出部１０６は、次の式（１）から指標ρを算出する。

ここで、Δｍは、予め定められた１以上Ｍ未満の整数である。また、式（１）の右辺の第二項は、無線基地局１００のアンテナ１０１−１〜１０１−Ｍのうち、Δｍ本離れたアンテナ間の相関に相当する。なお、式（１）で算出される指標ρは、０以上１以下となる。

第２の例では、指標算出部１０６は、伝搬路情報に基づいて無線基地局１００のアンテナ１０１−１〜１０１−Ｍと無線端末２００のアンテナ２０１−１〜２０１−Ｎ間の伝搬路の周波数応答を成分とする行列を構築し、その行列とその行列のエルミート転置との積の固有値を求め、その固有値に基づいて指標を算出する。具体的には、ｎ行ｍ列の要素が周波数応答ｈ_n,mであるＮ×Ｍ’行列をＨとすると、指標算出部１０６は、行列Ｈと行列Ｈのエルミート転置との積の固有値λ_i（１≦ｉ≦Ｎ）を用いて、次の式（２）から指標ρを算出する。

なお、固有値λ_iは、λ₁≧λ₂≧…≧λ_Nを満たす。また、式（２）による指標は、Ｎが２以上の場合にのみ算出することができる。ここで、Ｍ’は、指向性の形成に寄与するアンテナの数に相当し、２以上Ｍ以下の整数である。また、Ｍ’の値は１つに限定する必要はなく、指標算出部１０６は、複数のＭ’の各々に対応する複数の指標を算出してもよい。

また、行列Ｈの要素は、上述の例では無線基地局１００のアンテナ１０１−１〜１０１−Ｍ’に対応する周波数応答であったが、連続して並ぶＭ’本のアンテナに対応する周波数応答であればよい。また、式（２）で算出される指標は、０以上１以下となる。

第３の例では、指標算出部１０６は、伝搬路情報に基づいて無線端末２００のアンテナ２０１−１〜２０１−Ｎごとに無線基地局１００のアンテナ１０１−１〜１０１−Ｍとの間の伝搬路の周波数応答を要素とするベクトルを求め、各ベクトル間の成す角に基づいて指標を算出する。具体的には、指標算出部１０６は、第ｍ要素が周波数応答ｈ_n,mであるＭ’次元ベクトルをｈ_nとすると、次の式（３）から指標ρを算出する。

ただし、式３において、下付き添え字ｎ’は、

である。

式（３）から算出される指標では、式（２）から算出される指標と同様に、Ｍ’は、指向性の形成に寄与するアンテナの数に相当し、２以上Ｍ以下の整数である。また、Ｍ’の値は、１つに限定する必要はなく、指標算出部１０６は、複数のＭ’の各々に対応する指標を算出してもよい。

なお、ベクトルｈ_nの要素は、上述の例では無線基地局１００のアンテナ１０１−１〜１０１−Ｍ’に対応する周波数応答であったが、連続して並ぶＭ’本のアンテナに対応する周波数応答であればよい。また、式（３）で算出される指標は、０以上１未満となる。

以上説明した第１〜第３の例では、指標は、ある時刻に取得した伝搬路情報、つまり瞬時的な伝搬路の状態に基づいて算出されている。しかしながら、伝搬路の状態が激しく変動する場合には、瞬時的な伝搬路の状態に基づく指標よりも、時間的に平均化された指標から重み係数を生成する方が適切であると考えられる。

例えば、時刻ｉにおける瞬間的な指標をρ_iとし、忘却係数をα（０≦α＜１）とすると、指標算出部１０６は、時刻ｉにおける指標

を、次の式（５）から算出する。

なお、式（５）による指標の算出に必要な過去の情報は、前回算出された指標だけであるため、過去の伝搬路の周波数応答を記憶しておく必要はない。

また、以上説明した指標は、伝搬路の周波数応答を取得できるサブキャリアで算出できる。このため、複数のサブキャリアに対して伝搬路の角度広がりに関連する指標を算出できる場合には、指標算出部１０６は、複数のサブキャリアに対する指標の平均値や最大値などを指標として算出してもよい。

（１．４）重み係数の生成
図５は、重み係数生成部１０７の動作の具体例を説明するためのフローチャートである。

重み係数生成部１０７は、先ず、指標算出部１０６にて算出された指標を用いて、重み係数を０とするアンテナの数Ｍ⁽⁰⁾を決定する（ステップＳ５０１）。このとき、重み係数生成部１０７は、伝搬路の角度広がりが大きいほど、Ｍ⁽⁰⁾の値を大きくする。

続いて、重み係数生成部１０７は、伝搬路情報取得部１０５にて取得された伝搬路情報と、ステップＳ５０１で決定した、重み係数を０とするアンテナの数Ｍ⁽⁰⁾とに基づいて、重み係数を０とするアンテナの要素を除いた伝搬路行列を構築する（ステップＳ５０２）。このとき、重み係数生成部１０７は、重み係数を０とするアンテナを除いた（Ｍ−Ｍ⁽⁰⁾）本のアンテナの要素が連続して並ぶように伝搬路行列を構築する。

そして、重み係数生成部１０７は、ステップＳ５０２で構築した伝搬路行列を用いて、無線端末２００宛の信号を送信する際に用いる重み係数を生成し（ステップＳ５０３）、処理を終了する。

次にステップＳ５０１およびＳ５０３の処理について詳細に説明する。

先ず、ステップＳ５０１における、重み係数を０とするアンテナの数Ｍ⁽⁰⁾を決定する方法の具体例を示す。

第１の例では、重み係数生成部１０７は、１つの指標を用いて、重み係数を０とするアンテナの数Ｍ⁽⁰⁾を決定する。具体的には、指標をρ、Ｍ⁽⁰⁾の最大値をＭ⁽⁰⁾ _maxとした場合、重み係数生成部１０７は、Ｍ⁽⁰⁾を次の式（６）から決定する。なお、Ｍ⁽⁰⁾ _maxは予め定められているとする。

ただし、式（６）において、

は、ｘ以下の整数のうち、最大の整数を示す。

第２の例では、重み係数生成部１０７は、複数の指標を用いて、重み係数を０とするアンテナの数Ｍ⁽⁰⁾を決定する。ここで、複数の指標とは、式（２）または（３）を使用して、指向性の形成に寄与するアンテナの数ごとに算出される複数の指標を意味する。また、指向性の形成に寄与するアンテナの数が（Ｍ−ｍ⁽⁰⁾）である場合の指標を

とし、しきい値をρ_thとした場合、重み係数生成部１０７は、ｍ⁽⁰⁾を０からＭ−２まで変えたときに次の式（７）を満足する最小のｍ⁽⁰⁾を、重み係数を０とするアンテナの数Ｍ⁽⁰⁾として決定する。

重み係数を０とするアンテナの数Ｍ⁽⁰⁾が大きいと、形成される指向性のビーム幅は広がり、送信信号の電力を特定の方向に集中する度合いは小さくなる。そのため、重み係数生成部１０７は、無線端末２００における受信信号電力が小さくなり過ぎないように、伝搬路情報に応じてＭ⁽⁰⁾を制限することが望ましい。例えば、重み係数生成部１０７は、ｍ⁽⁰⁾を０からＭ−２まで変えたときに次の式（８）を満足する最大のｍ⁽⁰⁾を、重み係数を０とするアンテナの数Ｍ⁽⁰⁾の上限として決定する。

なお、式（８）において、ｈ_n,mは無線基地局１００のアンテナ１０１−ｍと無線端末２００のアンテナ２０１−ｎ間の伝搬路の周波数応答であり、βは予め定められたしきい値である。

次にステップＳ５０３における、重み係数を生成する方法の一例について説明する。ただし、以下では、説明の簡単化のために、重み係数を０とするアンテナは、アンテナ１０１−（Ｍ−Ｍ⁽⁰⁾＋１）〜１０１−Ｍであり、ステップＳ５０２で構築されたＮ×（Ｍ−Ｍ⁽⁰⁾）行列Ｈのｎ行ｍ列の要素はｈ_n,mであるものとする。

第１の例では、重み係数生成部１０７は、先ず、行列Ｈを次の式（９）のように特異値分解する。

ただし、Ｕは、行列Ｈの左特異ベクトルを列ベクトルとして持つＮ次元ユニタリ行列であり、Σは、対角要素がＨの特異値、かつ、非対角要素が零であるＮ×（Ｍ−Ｍ⁽⁰⁾）行列であり、Ｖは、行列Ｈの右特異ベクトルを列ベクトルとして持つ（Ｍ−Ｍ⁽⁰⁾）次元ユニタリ行列である。

そして、重み係数生成部１０７は、各アンテナに対応する重み係数を要素に持つＭ次元重み係数ベクトルｗを、最大の特異値に対応する右特異ベクトルｖ₁を用いて、次の式（１０）のように求める。

ただし、

は、Ｍ⁽⁰⁾次元の零ベクトルである。なお、右特異ベクトルｖ₁は、行列Ｈ^Hと行列Ｈの積の固有値分解からも導出できる。

第２の例では、行列Ｈが次の式（１１）のように

と表されるとし、重み係数生成部１０７は、ベクトルｈ_n（１≦ｎ≦Ｎ）の中でノルムが最大となるベクトルｈ_n’を用いて、重み係数ベクトルｗを、次の式（１２）から求める。

（１．４）効果
以上説明したように本実施形態によれば、伝搬路の角度広がりに関連する指標に基づいて、無線基地局１００の各アンテナ１０１−１〜１０１−Ｍに対応する重み係数が生成される。このため、伝搬路品質の良好な方向の変動を精度良く見積もって指向性を形成でき、理想的な指向性を形成した場合に対する通信品質の劣化量を小さくできる。

また、本実施形態では、無線基地局１００のアンテナ１０１−１〜１０１−Ｍ間の相関に基づいて、指標が算出されるので、伝搬路品質の良好な方向の変動を精度良く見積もることができる。

また、本実施形態では、無線基地局１００と無線端末２００間の伝搬路の周波数応答を成分とする行列と当該行列のエルミート転置との積の固有値に基づいて、指標が算出されるので、伝搬路品質の良好な方向の変動を精度良く見積もることができる。

また、本実施形態では、無線端末２００のアンテナ２０１−１〜２０１−Ｎごとに構築される、無線基地局１００のアンテナ１０１−１〜１０１−Ｍとの間の伝搬路の周波数応答を要素とするベクトル間の成す角に基づいて、指標が算出されるので、伝搬路品質の良好な方向の変動を精度良く見積もることができる。

また、本実施形態では、指標として、時間的に平均化された伝搬路の角度広がりに関連する指標、または、周波数的に平均化された伝搬路の角度広がりに関連する指標が算出されるので、伝搬路品質の良好な方向の変動をより精度良く見積もることができる。

また、本実施形態では、指標に基づいて、無線基地局１００のアンテナ１０１−１〜１０１−Ｍにより形成される指向性のビーム幅が調整されるので、理想的な指向性を形成した場合に対する通信品質の劣化量を小さくできる。

また、本実施形態では、指標に応じた数だけ重み係数が０に設定され、無線基地局１００のアンテナ１０１−１〜１０１−Ｍにより形成される指向性のビーム幅が調整されるので、容易にビーム幅を調整することができる。

また、本実施形態では、伝搬路の角度広がりが大きいほど、多くの重み係数が０に設定されるので、伝搬路品質の良好な方向の変動に適したビーム幅に調整することができる。

また、本実施形態では、伝搬路情報に基づいて、０に設定する重み係数の数の上限が決定されるので、無線端末２００における受信信号電力が小さくなり過ぎることを抑制することができる。

（２）第２の実施形態
本発明の第２実施形態では、複数のデータブロックを空間多重伝送する無線通信システムについて説明する。

（２．１）構成の説明
図６は、本発明の第２の実施形態における無線通信システムを示す構成図である。なお、図６において、図１と同様の構成には同じ符号を付し、その説明を省略する。

図６に示す本実施形態における無線通信システムは、図１に示した第１の実施形態における無線通信システムと比較して、無線基地局１００の代わりに無線基地局６００を有し、無線端末２００が複数存在する点で異なる。なお、図６では、無線端末２００はＫ個あり、そのＫ個の無線端末２００をそれぞれ無線端末２００−１〜２００−Ｋと称している。

図７は、本実施形態における無線基地局６００の機能的な構成を示すブロック図である。なお、図７において、図２と同様の構成には同じ符号を付し、その説明を省略する。

図７に示す無線基地局６００は、図２に示した第１の実施形態における無線基地局１００と比較して、重み係数生成部１０７の代わりに重み係数生成部６０１を備え、データブロック構築部６０２を新たに備え、符号化部１０８および変調部１０９の各々を複数備え、重み係数乗算部１１０の代わりに重み係数乗算部６０３を備える点で異なる。なお、図７では、符号化部１０８および変調部１０９はそれぞれＱ個あり、そのＱ個の符号化部１０８および変調部１０９をそれぞれ符号化部１０８−１〜１０８−Ｑおよび変調部１０９−１〜１０９−Ｑと称する。

重み係数生成部６０１は、指標算出部１０６で算出された指標に基づいて、空間多重伝送するデータブロックの数Ｌを決定する。ただし、ＬはＱ以下である。

データブロック構築部６０２は、無線端末２００−１〜２００−Ｋに対する複数の送信データから、重み係数生成部６０１で決定したＬ個のデータブロックを構築する。

符号化部１０８−１〜１０８−Ｑの内のＬ個の符号化部１０８−１〜１０８−Ｌは、それぞれデータブロック構築部６０２にて構築された各データブロックを符号化する。

変調部１０９−１〜１０９−Ｑの各々は、符号化部１０８〜１０８−Ｑの各々と対応し、変調部１０９−１〜１０９−Ｑの内のＬ個の変調部１０９−１〜１０９−Ｌは、その対応する符号化部にて符号化されたデータブロックを変調する。

重み係数乗算部６０３は、変調部１０９−１〜１０９−Ｌで生成された各データブロックに対応する変調信号をそれぞれアンテナの数Ｍだけ複製し、その（Ｌ×Ｍ）個の変調信号に対して重み係数生成部１０７にて生成された重み係数を乗算する。そして、重み係数乗算部６０３は、アンテナ１０１−１〜１０１−Ｍの各々について、対応するＬ個の重み係数乗算後の変調信号を足し合わせる。

（２．２）空間多重伝送するデータブロックの決定と重み係数の生成
図８は、重み係数生成部６０１の動作の一例を説明するためのフローチャートである。

図８に示すように、先ず、重み係数生成部６０１は、伝搬路情報や、無線端末２００−１〜２００−Ｋの各々に無線リソースを割り当てた頻度などに基づいて、無線端末２００−１〜２００−Ｋに優先順位を付ける（ステップＳ８０１）。ここでは、重み係数生成部６０１は、無線端末２００−１〜２００−Ｋの各々に対して、優先的にデータを送信する順番に優先順位として端末番号を付けるとする。

続いて、重み係数生成部６０１は、端末番号ｋとして最も優先順位の高い初期値１を設定し、空間多重伝送するデータブロックの数Ｌとして初期値０を設定する（ステップＳ８０２）。

その後、重み係数生成部６０１は、指標算出部１０６で算出された指標に基づいて、端末番号ｋの無線端末宛の信号を送信する際に、重み係数を０とするアンテナの数Ｍ⁽⁰⁾（ｋ）を決定する（ステップＳ８０３）。Ｍ⁽⁰⁾（ｋ）の決定方法には、第１の実施形態の重み係数を０とするアンテナの数Ｍ⁽⁰⁾の決定方法と同様な方法を用いることができる。

そして、重み係数生成部６０１は、伝搬路情報取得部１０５で取得された伝搬路情報とステップＳ８０３で決定した、重み係数を０とするアンテナの数Ｍ⁽⁰⁾（ｋ）とを用いて、端末番号ｋの無線端末宛の信号を送信する際の、データブロック数Ｌ（ｋ）を決定する（ステップＳ８０４）。例えば、データブロック数の最大値をＬ_maxとすると、重み係数生成部６０１は、Ｌ（ｋ）を次の式（１３）から求める。

なお、データブロック数Ｌ（ｋ）が大きいほど、１データブロック当たりの送信電力は小さくなり、受信電力が減少するので、重み係数生成部６０１は、伝搬路品質に基づいてデータブロック数を制限してもよい。また、データブロック数の最大値Ｌ_maxは、例えば変調部１０９や符号化部１０８の数Ｑである。

次に、重み係数生成部６０１は、重み係数を０とするアンテナの成分を除いた伝搬路行列を構築する（ステップＳ８０５）。このとき、重み係数生成部６０１は、重み係数を０とするアンテナを除いた（Ｍ−Ｍ⁽⁰⁾（ｋ））本のアンテナの要素が連続して並び、かつ、Ｌ（ｋ）個のデータブロック間で重複しないように伝搬路行列を構築する。

続いて、重み係数生成部６０１は、ステップＳ８０５で構築した伝搬路行列を用いて、端末番号ｋの無線端末に各データブロックを送信する際に用いるＭ次元重み係数ベクトルｗ（ｋ，ｊ）（１≦ｊ≦Ｌ（ｋ））を生成する（ステップＳ８０６）。例えば、重み係数生成部６０１は、第１実施形態と同様に、伝搬路行列の特異値分解から得られる右特異ベクトルを用いて、Ｍ次元重み係数ベクトルｗ（ｋ，ｊ）を生成する。

そして、重み係数生成部６０１は、伝搬路情報と重み係数ベクトルとを用いて、端末番号ｋの無線端末宛の信号を空間多重伝送すると仮定した場合に、所定の条件が満足されるか否かを判断する（ステップＳ８０７）。所定の条件は、例えば、既に空間多重伝送することが決定しているデータブロックと端末番号ｋの無線端末宛のデータブロックの各々に対応する通信品質が予め定められたしきい値を上回ることである。具体的には、既に空間多重伝送することが決定しているデータブロックに対応する無線端末の端末番号と端末番号ｋとをまとめてｉとし、端末番号ｉ’の無線端末のデータブロックｊ’に対する通信品質をγ（ｉ’，ｊ’）とし、しきい値をγ_thとし、ｎ行ｍ列の要素が無線基地局６００のアンテナ１０１−ｍと無線端末２００−ｉ’のアンテナ２０１−ｎ間の周波数応答であるＮ×Ｍ行列をＨ_i’とし、雑音電力をＮ₀とすると、所定の条件は次の式（１４）のように表せる。

所定の条件が満たされる場合（ステップＳ８０７でＹＥＳの場合）、重み係数生成部６０１は、端末番号ｋの無線端末宛のデータブロックを空間多重伝送することに決定し、データブロック数ＬにＬ（ｋ）を加算し（ステップＳ８０８）、その後、端末番号ｋまたはデータブロック数Ｌが最大値か否かを判断する（ステップＳ８０９）。

一方、所定の条件が満たされない場合（ステップＳ８０７でＮＯの場合）、重み係数生成部６０１は、ステップＳ８０８の処理を行わずに、ステップＳ８０９を行う。

端末番号ｋおよびデータブロック数Ｌが最大値でない場合（ステップＳ８０９でＮＯの場合）、重み係数生成部６０１は、端末番号に１を加算して（ステップＳ８１０）、ステップＳ８０３の処理に戻る。

一方、端末番号ｋまたはデータブロック数Ｌが最大値の場合（ステップＳ８０９でＹＥＳの場合）、
重み係数生成部６０１は、処理を終了する。

（２．３）効果
以上説明したように、本実施形態によれば、指標に応じて複数のデータブロックが空間多重伝送されるので、第１の実施形態の効果に加えて、通信速度を向上することができる。

（３）第３の実施形態
本発明の第３の実施形態では、無線基地局のアンテナが垂直偏波用のアンテナと水平偏波用のアンテナから構成され、各偏波に対する伝搬路の角度広がりを考慮して、各アンテナで処理する信号に乗算する重み係数を生成する。

（３．１）構成
本実施形態における無線通信システムおよび無線基地局は、それぞれ図１および図２に示した第１の実施形態における無線通信システムおよび無線基地局１００と同様の構成を有するが、無線基地局１００におけるアンテナ１０１−１〜１０１−Ｍは、垂直偏波用のアンテナと水平偏波用のアンテナとに分かれており、指標算出部１０６および重み係数生成部１０７は、垂直偏波と水平偏波の各々に対する伝搬路の角度広がりを考慮して処理を行う。

指標算出部１０６は、伝搬路情報取得部１０５が取得した伝搬路情報を用いて、指標を垂直偏波成分と水平偏波成分の各々に対して算出する。指標の算出には、第１の実施形態と同様に式（１）、（２）および（３）のいずれかを用いればよい。このとき、指標算出部１０６は、垂直偏波成分に対する指標を算出する場合には、垂直偏波用のアンテナに対応する周波数応答を用い、水平偏波成分に対する指標を算出する場合には、水平偏波用のアンテナに対応する周波数応答を用いる。

重み係数生成部１０７は、各偏波成分に対する指標に基づいて重み係数を生成する。このとき、重み係数生成部１０７は、図５を用いて説明した動作と同様な動作を行って重み係数を生成すればよいが、重み係数を０とするアンテナの数は偏波成分ごとに決定し、伝搬路行列において、重み係数を０としないアンテナの要素が各偏波用アンテナにおいて連続して並ぶようにする。

（３．２）効果
以上説明したように、本実施形態によれば、垂直偏波と水平偏波の各々に対する指標が算出されるので、垂直偏波と水平偏波の各々に対する伝搬路の角度広がりを考慮して、各アンテナで処理する信号に乗算する重み係数を生成することができる。したがって、垂直偏波用と水平偏波用から構成されるアンテナを用いる環境において、理想的な指向性を形成した場合に対する通信品質の劣化量を小さくできる。

（４）第４実施形態
本発明の第４実施形態では、水平方向と垂直方向の２次元に配置したアンテナを用い、各方向に対する伝搬路の角度広がりを考慮して、各アンテナで処理する信号に乗算する重み係数を生成する。

（４．１）構成
本実施形態における無線通信システムおよび無線基地局は、それぞれ図１および図２に示した第１の実施形態における無線通信システムおよび無線基地局と同様の構成を有するが、本実施形態の無線基地局におけるアンテナ１０１−１〜１０１−Ｍは、２次元に配置され、指標算出部１０６および重み係数生成部１０７は、水平方向および垂直方向の各々に対する指標に基づいて処理を行う。

図９は、本実施形態のアンテナの構成を示す図である。図９に示すように、アンテナ１０１−１〜１０１−Ｍは、第１の方向である水平方向にＭ_x本、第２の方向である垂直方向にＭ_y本の２次元に配置（Ｍ＝Ｍ_x×Ｍ_y）される。

指標算出部１０６は、伝搬路情報に基づいて、水平方向および垂直方向の各々に対する指標を算出する。なお、指標を算出する際には、指標算出部１０６は、第１の実施形態で示した式（１）、（２）および（３）のいずれかを用いればよい。

式（１）を用いる場合、指標算出部１０６は、水平方向に対する指標を、水平方向に離れたアンテナ間の相関から算出し、垂直方向に対する指標は垂直方向に離れたアンテナ間の相関から算出する。

また、式（２）または（３）を用いる場合、指標算出部１０６は、水平方向に対する指標を、水平方向に連続するアンテナに対応する周波数応答から算出し、垂直方向に対する指標を、垂直方向に連続するアンテナに対応する周波数応答から算出する。

重み係数生成部１０７は、水平方向および垂直方向の各々に対する指標を用いて、重み係数を生成する。このとき、重み係数生成部１０７は、図５を用いて説明した第１の実施形態の動作と同様に重み係数を生成すればよいが、重み係数を０とするアンテナの数は、水平方向および垂直方向の各々に対して決定し、伝搬路行列において、重み係数に０を設定しないアンテナの成分が、図１０に示すように、水平方向および垂直方向の各々に連続して並ぶようにする。ただし、図１０において、Ｍ_x ⁽⁰⁾およびＭ_y ⁽⁰⁾は、それぞれ水平方向および垂直方向に対する重み係数を０とするアンテナの数である。

（４．２）効果
以上説明したように、本実施形態によれば、水平方向と垂直方向の各々に対する指標が算出されるので、水平方向と垂直方向の各々に対する伝搬路の角度広がりを考慮して、各アンテナで処理する信号に乗算する重み係数を生成することができる。したがって、水平方向と垂直方向の２次元方向に配置されたアンテナを用いる環境において、理想的な指向性を形成した場合に対する通信品質の劣化量を小さくできる。

以上説明した各実施形態において、図示した構成は単なる一例であって、本発明はその構成に限定されるものではない。

また、上記の各実施形態の一部又は全部は、以下の付記のように記載することが可能であるが、以下には限定されない。

付記１
複数のアンテナを備えた無線通信装置であって、
他の無線通信装置との間の伝搬路に関する情報を取得する伝搬路情報取得部と、
前記情報を用いて、前記伝搬路の角度広がりに関連する指標を算出する指標算出部と、
前記情報および前記指標を用いて、前記複数のアンテナの各々に対応する重み係数を生成する重み係数生成部と、
前記複数のアンテナの各々で処理する信号に対して、当該信号を処理するアンテナに対応する前記重み係数を乗算する重み係数乗算部と、を有する無線通信装置。

付記２
前記指標算出部は、前記情報を用いて、前記複数のアンテナにおける任意のアンテナ間の相関を求め、当該相関に基づいて、前記指標を算出する、付記１に記載の無線通信装置。

付記３
前記指標算出部は、前記情報を用いて、前記伝搬路の周波数応答を要素とする行列と当該行列のエルミート転置との積の固有値を求め、当該固有値に基づいて、前記指標を算出する、付記１に記載の無線通信装置。

付記４
前記指標算出部は、前記情報を用いて、前記伝搬路の周波数応答を要素とするベクトルを前記他の無線通信装置が備えるアンテナごとに求め、前記ベクトルの間の成す角に基づいて、前記指標を算出する、付記１に記載の無線通信装置。

付記５
前記指標算出部は、前記指標として、時間的に平均化された前記伝搬路の角度広がりに関連する指標、または、周波数的に平均化された前記伝搬路の角度広がりに関連する指標を算出する、付記１ないし４のいずれか１項に記載の無線通信装置。

付記６
前記重み係数生成部は、前記複数のアンテナにより形成される指向性のビーム幅が、前記指標に対応するように、前記重み係数を生成する、付記１ないし５のいずれか１項に記載の無線通信装置。

付記７
前記重み係数生成部は、前記指標に応じた数の前記重み係数を０に設定し、前記情報を用いて、前記重み係数が０でないアンテナに対応する重み係数を生成する、付記６に記載の無線通信装置。

付記８
前記重み係数生成部は、前記指標を用いて、前記伝搬路の角度広がりが大きいほど、０に設定する前記重み係数の数を多くする、付記７に記載の無線通信装置。

付記９
前記重み係数生成部は、前記情報を用いて、０に設定する前記重み係数の数の上限を決定する、付記７または８に記載の無線通信装置。

付記１０
前記重み係数生成部は、前記指標を用いて、空間多重伝送するデータブロックの数を決定し、
前記重み係数乗算部は、前記空間多重伝送するデータブロックに対応する信号を処理する、付記１ないし９のいずれか１項に記載の無線通信装置。

付記１１
前記重み係数生成部は、前記指標を用いて、前記伝搬路の角度広がりが大きいほど、前記データブロックの数を多くする、付記１０に記載の無線通信装置。

付記１２
前記複数のアンテナは、垂直偏波用のアンテナと水平偏波用のアンテナとを含み、
前記指標算出部は、垂直偏波および水平偏波の各々に対応する前記指標を算出する、付記１ないし１１のいずれか１項に記載の無線通信装置。

付記１３
前記複数のアンテナは、第１の方向および第２の方向の２次元に配置され、
前記指標算出部は、前記第１の方向および第２の方向の各々に対応する前記指標を算出する、付記１ないし１２のいずれか１項に記載の無線通信装置。

付記１４
複数のアンテナを備えた無線通信装置における無線通信方法であって、
他の無線通信装置との間の伝搬路に関する情報を取得し、
前記情報を用いて、前記伝搬路の角度広がりに関連する指標を算出し、
前記情報および前記指標を用いて、前記複数のアンテナの各々に対応する重み係数を生成し、
前記複数のアンテナの各々で処理する信号に対して、当該信号を処理するアンテナに対応する前記重み係数を乗算する、無線通信方法。

この出願は、２０１３年１１月２９日に出願された日本出願特願２０１３−２４７６７６号公報を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１００、６００ 無線基地局
１０１−１〜１０１−Ｍ、２０１−１〜２０１−Ｎ アンテナ
１０２−１〜１０２−Ｍ 無線送受信部
１０３−１〜１０３−Ｍ ガードインターバル除去部
１０４−１〜１０４−Ｍ 高速フーリエ変換部
１０５ 伝搬路情報取得部
１０６ 指標算出部
１０７、６０１ 重み係数生成部
１０８、１０８−１〜１０８−Ｑ 符号化部
１０９、１０９−１〜１０９−Ｑ 変調部
１１０、６０３ 重み係数乗算部
１１１−１〜１１１−Ｍ 逆高速フーリエ変換部
１１２−１〜１１２−Ｍ ガードインターバル挿入部
２００、２００−１〜２００−Ｋ 無線端末
６０２ データブロック構築部

Claims (10)

1. 複数のアンテナを備えた無線通信装置であって、
   他の無線通信装置との間の伝搬路に関する情報を取得する伝搬路情報取得部と、
   前記情報を用いて、前記伝搬路の角度広がりに関連する指標を算出する指標算出部と、
   前記情報および前記指標を用いて、前記複数のアンテナの各々に対応する重み係数を生成する重み係数生成部と、
   前記複数のアンテナの各々で処理する信号に対して、当該信号を処理するアンテナに対応する前記重み係数を乗算する重み係数乗算部と、を有する無線通信装置。
2. 前記指標算出部は、前記情報を用いて、前記複数のアンテナにおける任意のアンテナ間の相関を求め、当該相関に基づいて、前記指標を算出する、請求項１に記載の無線通信装置。
3. 前記指標算出部は、前記情報を用いて、前記伝搬路の周波数応答を要素とする行列と当該行列のエルミート転置との積の固有値を求め、当該固有値に基づいて、前記指標を算出する、請求項１に記載の無線通信装置。
4. 前記指標算出部は、前記情報を用いて、前記伝搬路の周波数応答を要素とするベクトルを前記他の無線通信装置が備えるアンテナごとに求め、前記ベクトルの間の成す角に基づいて、前記指標を算出する、請求項１に記載の無線通信装置。
5. 前記重み係数生成部は、前記複数のアンテナにより形成される指向性のビーム幅が、前記指標に対応するように、前記重み係数を生成する、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の無線通信装置。
6. 前記重み係数生成部は、前記指標に応じた数の前記重み係数を０に設定し、前記情報を用いて、前記重み係数が０でないアンテナに対応する重み係数を生成する、請求項５に記載の無線通信装置。
7. 前記重み係数生成部は、前記指標を用いて、空間多重伝送するデータブロックの数を決定し、
   前記重み係数乗算部は、前記空間多重伝送するデータブロックに対応する信号を処理する、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の無線通信装置。
8. 前記複数のアンテナは、垂直偏波用のアンテナと水平偏波用のアンテナとを含み、
   前記指標算出部は、垂直偏波および水平偏波の各々に対応する前記指標を算出する、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の無線通信装置。
9. 前記複数のアンテナは、第１の方向および第２の方向の２次元に配置され、
   前記指標算出部は、前記第１の方向および第２の方向の各々に対応する前記指標を算出する、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の無線通信装置。
10. 複数のアンテナを備えた無線通信装置における無線通信方法であって、
    他の無線通信装置との間の伝搬路に関する情報を取得し、
    前記情報を用いて、前記伝搬路の角度広がりに関連する指標を算出し、
    前記情報および前記指標を用いて、前記複数のアンテナの各々に対応する重み係数を生成し、
    前記複数のアンテナの各々で処理する信号に対して、当該信号を処理するアンテナに対応する前記重み係数を乗算する、無線通信方法。

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