WO2011030369A1

WO2011030369A1 - 送信装置及び方法

Info

Publication number: WO2011030369A1
Application number: PCT/JP2009/004426
Authority: WO
Inventors: 森浩樹; 青木亜秀; 東坂悠司
Original assignee: 株式会社東芝
Priority date: 2009-09-08
Filing date: 2009-09-08
Publication date: 2011-03-17

Abstract

　送信装置は、信号をストリームに割り当てる処理、第ｎ受信装置への干渉を低減するためのプリコーディング処理、送信電力を既定値内に抑えるためのモジュロ演算処理を行う。信号をストリームへ割り当てる処理は、第Ｘ－１ストリームに信号を割り当てた後、第ｎ受信装置への干渉を除去するためのフィードバック係数の絶対値の和の大きさが、第２閾値以下又は最小となる第ｎ信号を、第Ｘストリームへ割り当てる。

Description

送信装置及び方法

　本発明は、無線通信に関する。

　複数の送信アンテナを用いて同一周波数、同一時間に複数のユーザ（無線端末）へ信号を送信する空間分割多重接続（Ｓｐａｔｉａｌ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ａｃｃｅｓｓ（ＳＤＭＡ））方式は、周波数を有効活用できる技術として知られている。この技術では、各ユーザは、他ユーザ宛の信号を受信（干渉）することなく自局向けの信号を受信可能である。

　ＺＦ（ｚｅｒｏ－ｆｏｒｃｉｎｇ）－ＤＰＣ（Ｄｉｒｔｙ　Ｐａｐｅｒ　Ｃｏｄｉｎｇ）方式（非特許文献１）では、送信端末は、複数のユーザ間の干渉を除去するためのプリコーディングで、送信信号の送信電力が増加するという問題がある。

　その問題を解決するため、Ｔｏｍｌｉｎｓｏｎ－Ｈａｒａｓｈｉｍａ　Ｐｒｅｃｏｄｉｎｇ（ＴＨＰ）では、モジュロ演算（モジュロリダクション）で送信電力の低減を行う（非特許文献２）。しかし、非特許文献２に開示される技術では、モジュロ演算によって信号（摂動ベクトル）が付加されるため、受信端末によって受信される信号の受信電力が大きく変動しうるという問題があった。受信端末に要求される受信信号のダイナミックレンジは、大きくなると言う問題があった。

Ｇ．　Ｃａｉｒｅ　ａｎｄ　Ｓ．　Ｓｈａｍａｉ　（Ｓｈｉｔｚ），　"Ｏｎ　ｔｈｅ　ａｃｈｉｅｖａｂｌｅ　ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ　ｏｆ　ａ　ｍｕｌｔｉａｎｔｅｎｎａ　Ｇａｕｓｓｉａｎ　ｂｒｏａｄｃａｓｔ　ｃｈａｎｎｅｌ，"　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．　ｏｎ　Ｉｎｆｏ．　Ｔｈｅｏｒｙ，　ｖｏｌ．　４９，　ｎｏ．　７，　ｐｐ．　１６９１－１７０６，　Ｊｕｌ．　２００３．Ｃ．　Ｗｉｎｄｐａｓｓｉｎｇｅｒ，　Ｒ．　Ｆｉｓｃｈｅｒ，　Ｔ．　Ｖｅｎｃｅｌ，　ａｎｄ　Ｊ．Ｂ．　Ｈｕｂｅｒ，　"Ｐｒｅｃｏｄｉｎｇ　ｉｎ　ｍｕｌｔｉａｎｔｅｎｎａ　ａｎｄ　ｍｕｌｔｉｕｓｅｒ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，"　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，　ｖｏｌ．３，　ｎｏ．４，　ｐｐ．１３０５－１３１６，　Ｊｕｌｙ　２００４．

　この発明の課題の１つは、ＳＤＭＡ方式において、少ない演算量のスケジューリングで、送信端末から送信される信号の送信電力の増大を抑制し、受信端末に要求される受信ダイナミックレンジの増大を抑制できる送信装置を提供することを目的とする。

　上記鑑みて、本発明の一実施の形態に係る送信装置は、複数のアンテナを用いて空間分割多重方式で複数の受信装置に対してそれぞれ無線信号を送信する送信装置であって、第１受信装置宛ての第１信号を、第１ストリームへ割り当てる割当部と、第ｎ（ｎは２以上の整数）受信装置宛ての第ｎ信号はストリームにまだ割り当てられていない信号のいずれかであって、ストリームに既に割り当てられ摂動ベクトルが付加された信号と、前記第ｎ受信装置への干渉を低減するためのフィードバック係数とを乗算したものに、前記第ｎ信号を加算することにより加算信号を求める加算部と、基本信号の整数倍の摂動ベクトルのうち、前記加算信号と摂動ベクトルの和の振幅の大きさが第１閾値以下となる摂動ベクトルを、前記加算信号に付加する付加部とを備え、前記割当部は、前記第Ｘ－１（Ｘは、２以上の整数）ストリームに信号を割り当てた後、前記第ｎ受信装置への干渉を除去するためのフィードバック係数の絶対値の和の大きさが、第２閾値以下又は最小となる第ｎ信号を、第Ｘストリームへ割り当てることを特徴とする。

　本発明によれば、ＳＤＭＡ方式において、少ない演算量のスケジューリングで、送信端末から送信される信号の送信電力の増大を抑制し、受信端末に要求される受信ダイナミックレンジの増大を抑制できる。

送信装置を示す図。受信装置を示す図。ビームフォーミングを示す図。プリコーディングおよびビームフォーミングを示す図。ＩＱ平面上での送信信号点のコンスタレーションを示す図。ＩＱ平面上での受信信号点のコンスタレーションを示す図。フィードバック処理後の信号と摂動ベクトルの関係を示す図。スケジューリング部の動作を示すフローチャート。

　以下、本発明の実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
　第１の実施形態では、送信装置が３本の送信アンテナを用いて３人のユーザ（受信装置）にそれぞれ１つの送信ストリームに割り当てる例について述べる。送信アンテナの数をさらに増やせば、各ユーザに２以上の送信ストリームに割り当てることも可能であるし、ユーザ数を増やすことも可能である。送信ストリームとは、送信信号のベクトルの要素である。「信号を送信ストリームに割り当てる」処理とは、何番目かのユーザ宛の信号を、送信信号ベクトルの何番目かの要素に割り当てる処理である。

　第１の実施形態に係る無線システムは、送信装置（基地局）と、複数の受信装置（ユーザが有する無線端末：以下、ユーザと略す）とを備える。送信装置は、複数のアンテナを用いて同一周波数、同一時間に、複数のユーザへ無線信号を送信（多重）するＳＤＭＡ方式を採用する。

　図１は、第１の実施形態に係る送信装置（基地局）を示す図である。送信装置は、スケジューリング部１０１と、ユーザ割り当て部１０２と、減算部１０３と、モジュロ演算部１０４と、フィードバック部１０５と、ビームフォーマ１０６と、ＩＦＦＴ（ｉｎｖｅｒｓｅ　ｆａｓｔ　Ｆｏｕｒｉｅｒ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ（逆高速フーリエ変換））部１０７と、ＤＡＣ（Ｄｉｇｉｔａｌ－ｔｏ－Ａｎａｌｏｇ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：デジタル－アナログ変換器）１０８と、ｎ個の送信ＲＦ（Ｒａｄｉｏ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）部１０９－１～ｎと、ｎ個のアンテナ１１０－１～ｎとを備える。

　スケジューリング部１０１は、受信装置から送信されるチャネル情報（伝搬路情報）を用いてフィードバック行列ＲとウェイトＱを算出する。スケジューリング部１０１は、算出したフィードバック行列ＲとウェイトＱの双方を用いて、スケジューリングを行う。フィードバック部１０５は、フィードバック行列Ｒを用いてプリコーディングを行う。ビームフォーマ１０６は、ウェイトＱを用いて、ビームフォーミングを行う。

　ユーザ割り当て部１０２には、ユーザ１～３へ送信すべき信号Ｄ１～Ｄ３が入力される。ユーザ割り当て部１０２は、スケジューリング部１０１のスケジューリング結果に従い、送信信号ｓを“フィードバック処理／モジュロ演算部”へ逐次送る。データ信号Ｄ１～Ｄ３は、図示しない変調部により、種々のデジタル変調方式、例えばＢＰＳＫ（Ｂｉｎａｒｙ　Ｐｈａｓｅ　Ｓｈｉｆｔ　Ｋｅｙｉｎｇ）、ＱＰＳＫ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ　Ｐｈａｓｅ　Ｓｈｉｆｔ　Ｋｅｙｉｎｇ）、ＡＳＫ（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　Ｓｈｉｆｔ　Ｋｅｙｉｎｇ）、ＦＳＫ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｓｈｉｆｔ　Ｋｅｙｉｎｇ）、１６ＱＡＭ（１６　Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ　Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）、あるいは６４ＱＡＭなどの変調方式によって変調されている。

　“フィードバック処理／モジュロ演算部”（破線で囲まれたユニット）は、減算部１０３と、モジュロ演算部１０４と、フィードバック部１０５とを有する。減算部１０３は、ユーザ割り当て部１０２から逐次送られてくる送信信号ｓから、フィードバック部１０５から送られるフィードバック信号を減算する。モジュロ演算部１０４は、送信信号ｓからフィードバック信号が減算された信号に対して、摂動ベクトルを付加するモジュロ演算を行う。フィードバック部１０５は、モジュロ演算部１０４によって摂動ベクトルが付加された信号に対して、ゲインを乗じ、フィードバック信号を生成する。

　ビームフォーマ１０６は、摂動ベクトルが付加された信号ｖに、複数のユーザ向けの送信ビームを形成する処理、すなわちビームフォーミング処理を行う。直交周波数分割多重（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ（ＯＦＤＭ））伝送あるいは直交周波数分割多重アクセス（ＯＦＤＭＡ）を用いる場合、ビームフォーミング処理後のデータ信号は、ＩＦＦＴ部１０７によりＯＦＤＭ信号に変換される。そして、ＤＡＣ１０８は、ＯＦＤＭ信号をアナログ信号へ変換する。

　シングルキャリア伝送の場合、つまりＯＦＤＭ伝送やＯＦＤＭＡ伝送のようなマルチキャリア伝送を用いない場合、ＩＦＦＴ部１０７は必要なく、ビームフォーマ１０６からの出力信号はＤＡＣ１０８に直接入力される。シングルキャリア伝送でも、マルチキャリア伝送でも、ＤＡＣ１０８の前段に帯域制限のためのデジタルフィルタなどを用いることもある。

　送信ＲＦ部１０９－１～１０９－ｎは、周波数変換器（アップコンバータ）と、電力増幅器と、必要に応じてフィルタとを有する。送信ＲＦ部１０９－１～１０９－ｎは、ＤＡＣ１０８よってアナログ信号に変換されたパイロット信号およびデータ信号を、ＲＦ帯の周波数にアップコンバートし、電力増幅し、送信アンテナ１１０－１～１１０－ｎへ出力する。

　図２は、第１の実施形態に係る受信装置（ユーザが有する無線端末：以下ユーザと略す）を示す図である。受信装置は、送信装置（基地局）と通信を行う。受信装置は、受信アンテナ３０１と、受信ＲＦ部３０２と、ＡＤＣ３０３と、ＦＦＴ３０４と、モジュロ演算部３０５と、チャネル推定部３０６と、復調部３０７とを備える。

　受信ＲＦ部３０２は、低雑音増幅器（ＬＮＡ）と、周波数変換器（ダウンコンバータ）と、必要に応じてフィルタとを有する。受信ＲＦ部３０２は、受信信号３１を増幅し、ＲＦ帯から例えばベースバンド帯の周波数へダウンコンバートする。

　アナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）３０３は、受信ＲＦ部３０２によってベースバンド帯へダウンコンバートされた受信信号を、アナログ信号からデジタル信号に変換する。

　ＦＦＴ（Ｆａｓｔ　Ｆｏｕｒｉｅｒ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ（高速フーリエ変換））ユニット３０４は、デジタル信号を復調（サブキャリア復調）する。ＦＦＴユニット３０４によって復調された信号のうち、未知信号部分はチャネル等化部３０８に、既知信号部分はチャネル推定部３０６に送られる。

　チャネル推定部３０６は、既知信号を用いて、伝搬路応答３２を推定する。チャネル推定部３０６は、送信装置の送信アンテナ１１０－１～１１０－ｎと各受信装置との間のチャネル推定、すなわち伝搬路応答（以下、チャネル応答という）を推定する。

　チャネル等化部３０８は、チャネル推定部３０６で推定した伝搬路応答３２を用いて、未知信号のチャネル等化を行う。モジュロ演算部３０５は、チャネル等化された信号に対してモジュロ演算を行う。モジュロ演算部３０５は、送信装置が備えるモジュロ演算部１０４によってなされたモジュロ演算に対応するモジュロ演算を行う。復調部３０７は、モジュロ演算された信号に対して、復調処理を行う。復調部３０７は、送信装置が有する変調部１０１、１０２の変調に対応した復調処理、即ち変調信号を信号点へデマッピングする。

　送信装置がＯＦＤＭ伝送のようなマルチキャリア伝送を用いる例であるため、受信装置はＦＦＴユニット３０４を備える。しかし、送信装置がシングルキャリア伝送を行う場合には、ＦＦＴユニット３０４は不要である。ＡＤＣ３０３によってデジタル信号へ変換された信号のうち、未知信号部分はチャネル等化部３０８へ、既知信号部分はチャネル推定部３０６へ入力される。なお、いずれの場合も、ＡＤＣ３０３の後に帯域制限のためのデジタルフィルタを備えても良い。

　次に、送信装置および受信装置の動作について、ＣＩ方式、ＺＦ－ＤＰＣ方式、及びＴＨＰ方式と共に説明する。送信装置は、２つの送信アンテナＴｘ１およびＴｘ２（例えば、アンテナ１１０－１、２）を有する。ユーザ１の無線端末は１本の受信アンテナＲｘ１を有する。ユーザ２の無線端末は１本の受信アンテナＲｘ２を有する。ユーザ１およびユーザ２の無線端末への送信ストリームをそれぞれ

とする。ユーザ１およびユーザ２の無線端末で受信される雑音信号を　

とする。ユーザ１およびユーザ２の無線端末で受信される信号ｙは　

となる。ここでＨは送信装置と受信装置間のチャネル行列である。ｈ_１１は送信アンテナＴｘ１からユーザ１の無線端末の受信アンテナＲｘ１までのチャネル応答である。ｈ_１２は送信アンテナＴｘ２から受信アンテナＲｘ１までのチャネル応答である。ｈ_２１は送信アンテナＴｘ１からユーザ２の無線端末の受信アンテナＲｘ２までのチャネル応答である。ｈ_２２は送信アンテナＴｘ２から受信アンテナＲｘ２までのチャネル応答である。

　ここで、送信信号ｓに対してビームフォーミング処理をおこなうために、

というウェイトＷを乗算する。このウェイトＷが乗算された信号が送信されると、受信装置が受信する無線信号は、

となる。ユーザ１およびユーザ２の無線端末は互いに干渉なく、それぞれｓ_１およびｓ_２のみを受信することが可能になり、ＳＤＭＡを実現できる。これがＣＩ方式である。

　図３、図４は、ビームフォーミング及びプリコーディングを示す図である。次に、ＺＦ－ＤＰＣについて説明する。ＺＦ－ＤＰＣでは、前述したチャネル行列Ｈのエルミート転置Ｈ^ＨをＱＲ分解して得られるＱをビームフォーミングのウェイトとして用いる。即ち、

として計算されたＱをウェイトＷ（ウェイトＱ）として用いる。Ｑは直交行列であり、かつユニタリ行列であるから、ＣＩ方式で問題になる送信電力の増加は生じない。

　ビームフォーマ１０６がビームフォーミングによって送信信号ｓにウェイトＷ（ウェイトＱ）を乗算すると、ユーザ１およびユーザ２の無線端末の受信信号は次式となる。

　ユーザ１の無線端末はユーザ１向けの送信信号ｓ_１のみを受信し、ユーザ２の無線端末はユーザ１向けの送信信号ｓ_１およびユーザ２向けの送信信号ｓ_２の両方を受信する。

　図３は、ウェイトＷを用いて形成するビームを示す。ユーザ１の無線端末の受信信号は、ｙ_１＝ｒ^＊ _１１ｓ_１＋ｎ_１となる。ユーザ１向けの送信信号ｓ_１は、一例として、ユーザ１の無線端末において最大ゲインが得られるようなビームで送信される。このユーザ１向けのビームについては、干渉抑圧を考慮する必要がないため、最大比合成ダイバーシチのためのビームとすることが可能になり、ＣＩ方式よりも特性が良い。ユーザ１の無線端末のダイバーシチオーダは２となる。このユーザ１向けのビームはユーザ２の無線端末を考慮していないため、ユーザ１向けの送信信号ｓ_１はユーザ２の無線端末にも受信される。

　ユーザ２向けの送信信号ｓ_２は、ユーザ１の無線端末への干渉を抑圧する必要がある。ユーザ２向けの送信信号ｓ_２は、ユーザ１の無線端末には受信されないものの、ユーザ２の無線端末にも最大利得で受信されない。ユーザ２の無線端末のダイバーシチオーダは１になる。

　ユーザ２の無線端末は、ユーザ１向けの送信信号ｓ_１からの干渉を受ける。ユーザ２の無線端末の受信信号はｙ_２＝ｒ＊_２１ｓ_１＋ｒ^＊ _２２ｓ_２＋ｎ_２となる。ｒ^＊ _２１ｓ_１がユーザ１宛ての信号ｓ_１からの干渉成分である。

　図４は、プリコーディングを行った信号に対して、ウェイトＷを用いて形成するビームを示す。“フィードバック処理／モジュロ演算部”は、送信信号ｓ_１およびｓ_２にフィードバック処理を含むプリコーディングを施してから、ビームフォーミングを行う。フィードバック部１０５は、モジュロ演算部１０４で摂動ベクトルが付加された信号Ｓ１に、フィードバック係数“ｒ＊_１２／ｒ＊_２２”を乗算する。減算部１０３は、ユーザ割り当て部１０２から送られてきた信号ｓ_２から、フィードックバック部１０５から送られてきたフィードバック信号“ｓ_１ｒ＊_１２／ｒ＊_２２”を減算する。このようにして、プリコーディング信号ｓ’を生成する。

　このプリコーディング（フィードバック処理）を施すと、プリコーディング信号ｓ’にウェイトＷによるビームフォーミングを施して得られる送信信号ｘ’は次式となる。

　このときのユーザ１、２の無線端末における受信信号ｙ’は次式となる。

　ここでＢは

　［数１０］より、ビームフォーミングとプリコーディングを併用することにより、ユーザ１、２の無線端末とＳＤＭＡ方式で干渉なく通信することが可能になる。

　図４に示す、ユーザ１の無線端末の受信信号は、プリコーディングを行わない図３の場合と同様にｙ_１＝ｒ^＊ _１１ｓ_１＋ｎ_１となる。ユーザ２の無線端末の受信信号は、ｙ_２＝ｒ^＊ _２２ｓ_２＋ｎ_２となり、干渉成分ｒ^＊ _２１ｓ_１が除去（キャンセル）される。このようにビームフォーミングとプリコーディングを併用することにより、ユーザ１およびユーザ２の無線端末は互いの干渉なく基地局と通信を行うことが可能になる。

　［数１０］で示すとおり、送信信号に対してプリコーディングを施した場合、フィードバック処理後の信号ｓ’は［数８］に示す通りとなる。

　送信信号ｓ_１、ｓ_２の送信電力を“１”に規格化した場合、［数８］ｓ_２－ｓ_１ｒ^＊ _１２／ｒ^＊ _２２（ｓ_２－ｓ_１ｒ^＊ _１２ ^（１）／ｒ^＊ _２２ ^（１）とする）は、１より大きくなってしまう可能性があるため、送信電力が増大するという問題がある。この問題を避けるため、ＴＨＰを用いて送信電力を低減する。

　図５は、送信信号点のＩＱ平面上でのコンスタレーションを示す図である。図６は、受信信号点のＩＱ平面上でのコンスタレーションを示す図である。まず、キャンセリング前の送信信号のｓ_１およびｓ_２の振幅Ａを下記で表すとする。

　Ｍは変調多値数、ｍは電力を１に規格化するための係数である。ＱＰＳＫの場合はＭ＝４、ｍ＝√２である。よって、ＱＰＳＫの信号点は

となる。図５において左上の信号点ｓ２＝（－１／√２＋ｊ／√２）を送信する場合、信号点ｓ_２がプリコーディングにより右上の白抜きの点ｓ_２’に移ったとする。このとき、モジュロ演算部１０４は、プリコーディング後の信号ｓ_２－ｓ_１ｒ^＊ _１２ ^（１）／ｒ^＊ _２２ ^（１）（減算器１０３の減算結果）に対して、基本信号Ｎ＝２√Ｍ／ｍ＝２√２の整数倍（摂動ベクトル）を実軸上および虚軸上で引き算あるいは足し算し、振幅がＩ相、Ｑ相共に±√Ｍ／ｍ＝±√２以内になるようにして電力低減を行う。

　モジュロ演算部１０４は、モジュロ演算においてＩ相に対してＮを１回、Ｑ相に対してＮを１回減算し、

としたときに、振幅±√Ｍ／ｍが±√２以下になったとする。すなわち、信号点ｓ_２’が矢印のように振幅が±√Ｍ／ｍ＝±√２以内の点ｓ_２”に移ったとする。このように、モジュロ演算部１０４がモジュロ演算（モジュロリダクション）を行うことで、送信シンボルは±√Ｍ／ｍ＝±√２に収まるため、送信電力を増加させることなく送信を行うことができる。

　一方、受信装置は、雑音成分を無視すれば［数１０］に従うと、

が受信される。［数１５］の受信信号をチャネル応答に相当するゲインｒ^＊ _２２で除算すると、受信信号はｓ_２－Ｎ－ｊＮとなり、図６の白抜き点となる。この受信信号は振幅±√Ｍ／ｍ＝±√２を超えているため、受信側ではＩ相およびＱ相で１回ずつ［数１３］のＮを加算することで、信号ｓ_２を復元できる。このようにＴＨＰを行うことによって、送信電力を増加させることなくユーザを同一時間、同一周波数で多重しながら、受信品質を改善できる。

　［数１５］に示す通り、受信信号はモジュロ演算で付加された信号成分（－Ｎ－ｊＮ）により変化する。よって、受信信号［数１５］の受信電力は、チャネル（伝搬路）の状態によって大きく変動する。このため、受信装置に入力される受信信号のダイナミックレンジは非常に大きくなるという問題がある。［数１５］の受信信号を、安価な受信装置で受信できないという問題がある。

　そこで、ダイナミックレンジの増大を以下のように抑制する。ここで、３ユーザをそれぞれ１つの送信ストリームに割り当てて送信を行う場合を例とする。モジュロ演算まで考慮すると、ＴＨＰを用いたときの受信信号をベクトルで表すと次式となる。

　ここで、摂動ベクトル（ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ　ｖｅｃｔｏｒ）ｄの要素は［数１４］の例では“－Ｎ－ｊＮ”に相当し、モジュロ演算部１０４によりプレコーディング後の信号が±√Ｍ／ｍ以内にはいるように演算された値である．
　［数１６］のｓ１～ｓ３は、それぞれ、ユーザ１～ユーザ３への送信ストリームを示す。［数１６］の受信信号ベクトルｙの一番上の要素から順に第１送信ストリーム～第３送信ストリームと呼ぶ。［数１６］はユーザの番号と送信ストリームの番号が同じになるように各ユーザ宛の信号を送信ストリームに割り当てる例である。［数１６］によると、受信信号のダイナミックレンジは摂動ベクトルｄ（ｄ_１，ｄ_２，ｄ_３）の大きさによって左右される。

　次に、どのようにして摂動ベクトルｄが送信側で加えられるかについて説明する。フィードバック処理／モジュロ演算部の出力（モジュロ演算後の信号）をｖ＝Ｂ^－１（ｓ＋ｄ）と置くと、ｖの各要素ｖｉはｖ１から順に計算されて次式となる。

　ここで、モジュロ演算の処理を改めて以下のように定義する。

　モジュロ演算部１０４は、モジュロ演算後の信号ｖ_ｉはＩ相、Ｑ相共に±√Ｍ／ｍ以内となるように、プリコーディング後の信号ｓ_ｉ’に対して摂動ベクトルｄ_ｉを付加する［数１８］。［数１８］の処理はＩ相およびＱ相で独立に行われる。

　モジュロ演算部１０４は、第１送信ストリームでは、キャンセルすべき信号（干渉）成分がないため摂動ベクトルｄ１＝０を付加する。モジュロ演算後の信号はｖ１＝ｓ１’である。モジュロ演算部１０４は、第２送信ストリームでは、ユーザ２宛ての送信信号ｓ２に対して、ユーザ１宛ての送信信号の干渉成分ｖ１（ｒ＊_１２／ｒ＊_２２）を引いたｓ_２’が±√Ｍ／ｍ以内に収まるように、摂動ベクトルｄ_２を付加しｖ２を生成する。例えばｄ_２の実数成分は［数１８］よりｒｅａｌ（ｄ_２）＝ｒｅａｌ（ｓ’_２）－ｒｅａｌ（ｖ_２）である。ｒｅａｌ（）は実数成分を表す。第３送信ストリームの摂動ベクトルｄ３の実数成分はｒｅａｌ（ｄ３）＝ｒｅａｌ（ｓ’３）－ｒｅａｌ（ｖ３）となる。

　図７は、フィードバック処理後の信号ｓ_ｉ’と摂動ベクトルｄ_ｉの関係を示す図である。図７に示す通り、モジュロ演算の特性上、摂動ベクトルｄ_ｉはプリコーディング後の信号ｓ_ｉ’に対して階段状に変化することがわかる。

　下位の送信ストリームほど干渉キャンセルを考慮する上位の送信ストリームが多くなるため、第１送信ストリームでの摂動ベクトルｄ_１の大きさよりも、第２送信ストリームでの摂動ベクトルｄ_２の大きさが大きい傾向がある。第２送信ストリームでの摂動ベクトルｄ_２の大きさよりも、第３送信ストリームでの摂動ベクトルｄ_３の大きさが大きい傾向がある。ユーザ３宛ての送信信号ｓ_３の場合、第３送信ストリームでの摂動ベクトルｄ_３の実数部が最も大きくなるのは

が最大のときと考えられる。図７よりｓ_ｉ’の増加に対してｄ_ｉは増加するから、ｄ_ｉの最大値はｓ_ｉ’の最大値のときに得られる。ｓ３、ｖ１、ｖ２の最大の大きさを考慮し、摂動ベクトルｄ_３の実部の最大値は、次式となる。

　一般には、第ｋ送信ストリームにおける摂動ベクトルｄ_ｋの実数成分の最大値は次式となる。

　一般に、第ｉ番目の送信ストリームに割り当てられたユーザの無線端末で受信される受信信号は、

となる。［数２２］右辺第２項および第３項は、摂動ベクトルｄ_ｉの実数成分および虚数成分の最大値を表す。

　［数２３］より、摂動ベクトルｄ_ｉの最大値ｄ_{ｉ，ｍａｘ}が小さければ受信信号のダイナミックレンジは小さく、ｄ_{ｉ，ｍａｘ}が大きければ受信信号のダイナミックレンジは大きい。従って、受信信号のダイナミックレンジを小さくするには、［数２３］のｄ_{ｉ，ｍａｘ}を小さくすれば良い。

　ｄ_{ｉ，ｍａｘ}は、

に依存する。これは［数６］、［数２５］に基づくチャネル行列のＱＲ分解により計算した値である。［数２４］は、フィードバック部１０５が、摂動ベクトルが付加された信号に対して乗算するフィードバック係数の絶対値の和である。［数２４］は、フィードバック部１０５が、第ｋ送信ストリームに対して信号を割り当てる際に、ストリームに既に割り当てられた信号に乗算するフィードバック係数の絶対値の和である。

　チャネル行列Ｈ^Ｈ＝［ｈ_１　ｈ_２　ｈ_３］を表す場合、上記の通り、ＱＲ分解は、Ｇｒａｍ－Ｓｃｈｍｉｔ直交化法により実現できる。

　［数１６］では第１送信ストリームにユーザ１宛ての信号、第２送信ストリームにユーザ２宛ての信号、第３送信ストリームにユーザ３宛ての信号をそれぞれ割り当てた。しかし、［数２５］の性質上、どのストリームにどのユーザを割り当てるかを変えると［数２４］の値も変化する。スケジューリング部１０１は、各ユーザ宛の信号を送信ストリームに割り当てたときのｄ_{ｉ，ｍａｘ}の値を予め計算し、ｄ_{ｉ，ｍａｘ}が閾値以下、あるいは最小となるように、各ユーザ宛の信号を各送信ストリームに割り当てる。

　スケジューリング部１０１は、受信信号のダイナミックレンジ（ｄ_{ｉ，ｍａｘ}）が閾値以下又は最小となるユーザ割り当てを計算により求める。スケジューリング部１０１は、各ストリームにいずれのユーザ宛の信号を割り当てるかの情報（スケジューリング結果）を定める。ユーザ割り当て部１０２は、スケジューリング結果に従い、各ユーザ宛の信号を送信ストリームに割り当てる。

　図８は、スケジューリング部１０１の動作を示すフローチャートである。例として、３ユーザを対象にスケジューリングを行う場合の説明をする。スケジューリング対象となるユーザのインデックスの集合ＵをＵ＝｛１，２，３｝とする。

　まず、スケジューリング部１０１は、ユーザ１，２，３宛ての信号のいずれかを第１送信ストリームに割り当てる（ステップＳ１０１）。［数１７］より、第１ストリームに割り当てられる信号に付加される摂動信号ｄは、大きさが０であり、ＴＨＰを用いることによって、受信端末に要求するダイナミックレンジの増大させることはない。スケジューリング部１０１は、第１ストリームに割り当てるユーザ宛の信号を、［数２６］の規範に従って、チャネルのノルムが最大となるユーザを選択してもよく、別の規範により決定しても構わない。

　ステップＳ１０１で、スケジューリング部１０１がユーザ２宛ての信号を第１送信ストリームに割り当てたとする。スケジューリング部１０１は、ユーザ２を以後のスケジューリング対象から外し、Ｕ＝｛１，３｝とする。スケジューリング部１０１は、スケジューリングにより選択されたユーザの集合ＳをＳ＝｛２｝とする。

　次に、スケジューリング部１０１は、スケジューリングする対象となるユーザが１つ以上あるか確認する（ステップＳ１０２）。スケジューリング対象となるユーザが存在しない場合（ステップＳ１０２の“いいえ”）は、スケジューリング部１０１は、スケジューリングを終了する。

　一方、スケジューリング対象となるユーザが存在する場合（ステップＳ１０２の“はい”）は、スケジューリング部１０１は、ユーザ１，３宛ての信号のいずれかを第２送信ストリームに割り当てる（ステップＳ１０３）。スケジューリング部１０１は、ユーザ１または３宛ての信号を第２送信ストリームに割り当てるにあたり、［数２７］の規範により、受信端末に要求するダイナミックレンジが閾値以下又は最小のユーザ宛の信号を選択する。

　ステップＳ１０３で、スケジューリング部１０１がユーザ３宛ての信号を第２送信ストリームに割り当てたとする。スケジューリング部１０１は、ユーザ３を以後のスケジューリング対象から外し、Ｕ＝｛１｝とする。スケジューリング部１０１は、スケジューリングにより選択されたユーザの集合ＳをＳ＝｛２，３｝とする。

　次に、スケジューリング部１０１は、スケジューリングにより選択されたユーザの数（＝｜Ｓ｜）が、送信装置が送信可能な最大ストリーム数と同一か確認する（ステップＳ１０４）。スケジューリングにより選択されたユーザの数が、送信装置が送信可能な最大ストリーム数と同一である場合（ステップＳ１０４の“はい”）、スケジューリング部１０１は、スケジューリングを終了する。送信装置が送信可能な最大ストリーム数とは、送信装置の有するアンテナの数、信号処理能力などに依存する（ここでは例えば３つとする）。

　一方、スケジューリングにより選択されたユーザの数が、送信装置が送信可能な最大ストリーム数未満である場合（ステップＳ１０４の“いいえ”）、スケジューリング部１０１は、ステップＳ１０２～Ｓ１０４を繰り返す。

　ステップＳ１０２（２周目）において、スケジューリング部１０１は、スケジューリング対象となるユーザが存在する（ステップＳ１０２の“はい”）ため（Ｕ＝｛１｝）、ステップＳ１０３の処理を行う。ステップＳ１０３（２周目）において、スケジューリング部１０１は、ユーザ１宛ての信号を第３送信ストリームに割り当てる（ステップＳ１０３）。スケジューリング部１０１は、ユーザ３宛ての信号を第３送信ストリームに割り当てるにあたり、［数２８］の規範により、受信端末に要求するダイナミックレンジが閾値以下又は最小のユーザ宛の信号を選択する。

　ここで、送信装置が送信可能な最大ストリーム数３本に対し３ユーザ宛の信号の割り当て（スケジューリング）が完了した（ステップＳ１０４の“はい”）ため、スケジューリング部１０１は動作を完了する。

　上記の通り、スケジューリング部１０１のスケジューリングにより、第１送信ストリームにユーザ３、第２送信ストリームにユーザ２、第３送信ストリームにユーザ１がそれぞれ割り当てられた。ユーザ割り当て部１０２は、スケジューリング結果に従い、送信ストリームｓの入れ替え、すなわち各送信ストリームに対する各ユーザの割り当ての変更を行う。ユーザ割り当て部１０２による入れ替え後の送信ストリームのベクトルは、ｓ’＝［ｓ’_３，ｓ’_２，ｓ’_１］^Ｔとなる。

　次に、“フィードバック処理／モジュロ演算部”は、スケジューリング部１０１で計算されたフィードバック行列Ｒを用いて処理を行う。このスケジューリングを行った後のフィードバック処理／モジュロ演算部の出力（モジュロ演算後の信号）ｖ’は、スケジューリング後のウェイトＢ’および摂動ベクトルｄ’を用いてｖ’＝Ｂ’^－１（ｓ’＋ｄ’）と表される。このモジュロ演算後の信号ｖ’は、ビームフォーマ１０６に送られ、スケジューリング部１０１で保存されたウェイトＱ’を用いて処理が行われる。ビームフォーマ１０６の出力は、ｘ’＝Ｑ’ｖ’＝Ｂ’^－１（ｓ’＋ｄ’）となる。

　一方、受信装置における受信信号は、［数１６］で、スケジューリング後の信号に置き換えて次式となる。

　このときモジュロ演算により受信信号に付加されている信号成分である摂動ベクトルｄ’_１，ｄ’_２，ｄ’_３は、スケジューリング部１０１のスケジューリングによって小さくなっており、受信装置に要求される受信信号ｙ’のダイナミックレンジは小さい。

　このようにすることで、受信装置のアナログ回路（受信ＲＦ部３０２）およびデジタル回路（ＡＤＣ３０３、ＦＦＴユニット３０４等）に対する負担が軽減され、廉価な無線受信装置を実現することが可能になる。

　上記説明では、３本の送信ストリームに対し３ユーザを割り当てるスケジューリング例を説明した。総ユーザ数が送信ストリームの総数を上回っても良い。例えば、５ユーザがスケジューリングの対象となる場合は、３本の送信ストリームに対し５ユーザから３ユーザが上記の通りのスケジューリング方法によって割り当てられる。

（変形例１）
　第１の実施形態では、スケジューリング部１０１は、送信装置が送信可能なストリームすべてに、各ユーザ宛の信号を割り当てる。しかし、スケジューリング部１０１は、受信装置に要求する受信信号のダイナミックレンジが一定値Γ以下とならなければ、いずれのユーザ宛ての信号もストリームに割り当てなくても良い。

　即ち、スケジューリング部１０１は、図８に示すステップＳ１０３において、いずれのユーザ宛の信号を送信ストリームに割り当てたとしても、受信装置に要求する受信信号のダイナミックレンジが一定値Γを超える場合には、スケジューリングを終了しても良い。

　スケジューリング部１０１は、第ｋ（ｋ≠１）送信ストリームにユーザ宛ての信号を割り当てる際に、次式に示す条件

を満たさないユーザ宛の信号については、スケジューリングの対象外とすることができる。スケジューリング部１０１は、いずれのユーザ宛ての信号を第ｋ（ｋ≠１）送信ストリームに割り当てたとしても、［数３０］の条件を満たさない場合はスケジューリングを終了し、それまでに割り当てたユーザ宛ての信号のみを対象に送信する。

　このようにスケジューリングを行うことで、送信装置のスケジューリングに要する演算量の増大、送信装置の送信信号の送信電力の増大、受信装置に要求する受信信号のダイナミックレンジの増大を抑制させながら、通信品質を向上できる。

　上記では、シングルキャリア方式を仮定して説明を行ったが、マルチキャリア方式を用いてもよい。チャネル情報は、送信装置が、受信装置からフィードバックを受けても良く、送信装置自身が受信装置から受信した信号を用いて推定しても良い。

　上記では、スケジューリング部１０１は、ユーザ宛の信号の送信ストリームへの割り当てを、受信装置に要求する受信信号のダイナミックレンジが閾値以下または最小となるように行った。しかし、スケジューリング部１０１は、一部の送信ストリームを、ユーザ宛の信号のＱｏＳ要求や遅延許容時間の残り時間などに応じてスケジューリングを行っても良い。たとえば、スケジューリング部１０１は、ＱｏＳ要求が厳しい／遅延許容時間の残り時間が僅かなユーザ宛の信号を、まず第１送信ストリーム乃至第ｍ－１送信ストリームに割り当てる（ｍは、２以上の整数）。その後、スケジューリング部１０１は、受信装置に要求する受信信号のダイナミックレンジが閾値以下または最小となるように、ユーザ宛の信号を第ｍ以降の送信ストリームに割り当てても良い。

　送信装置は、例えば、半導体集積回路（チップ）として実現することができる。即ち、スケジューリング部１０１と、ユーザ割り当て部１０２と、減算部１０３と、モジュロ演算部１０４と、フィードバック部１０５と、ビームフォーマ１０６と、ＩＦＦＴ部１０７とを、１つまたは複数の半導体集積回路で実現できる。この１つまたは複数の半導体集積回路は、コネクタピンを介して、外部（アンテナや、他の半導体集積回路、無線部、ファームウェアなど）と信号の入出力を行う。

　受信装置は、例えば、半導体集積回路（チップ）として実現することができる。即ち、ＡＤＣ３０３と、ＦＦＴ３０４と、モジュロ演算部３０５と、チャネル推定部３０６と、復調部３０７とを、１つまたは複数の半導体集積回路で実現できる。この１つまたは複数の半導体集積回路は、コネクタピンを介して、外部（アンテナや、他の半導体集積回路、無線部、ファームウェアなど）と信号の入出力を行う。

（その他の実施形態）
　本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張、変更可能であり、拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

　１０１・・・スケジューリング部
　１０２・・・ユーザ割り当て部
　１０３・・・減算部
　１０４・・・モジュロ演算部
　１０５・・・フィードバック部
　１０６・・・ビームフォーマ
　１０７・・・ＩＦＦＴユニット
　１０８・・・デジタル－アナログ変換器
　１０９－１～１０９－ｎ・・・送信ＲＦ部
　１１０－１～１１０－ｎ・・・送信アンテナ
　３０１・・・受信アンテナ
　３０２・・・受信ＲＦ部
　３０３・・・アナログ－デジタル変換器
　３０４・・・ＦＦＴユニット
　３０５・・・モジュロ演算部
　３０６・・・チャネル推定部
　３０７・・・復調部

Claims

　複数のアンテナを用いて空間分割多重方式で複数の受信装置に対してそれぞれ無線信号を送信する送信装置であって、
　第１受信装置宛ての第１信号を、第１ストリームへ割り当てる割当部と、
　第ｎ（ｎは２以上の整数）受信装置宛ての第ｎ信号はストリームにまだ割り当てられていない信号のいずれかであって、ストリームに既に割り当てられ摂動ベクトルが付加された信号と、前記第ｎ受信装置への干渉を低減するためのフィードバック係数とを乗算したものに、前記第ｎ信号を加算することにより加算信号を求める加算部と、
　基本信号の整数倍の摂動ベクトルのうち、前記加算信号と摂動ベクトルの和の振幅の大きさが第１閾値以下となる摂動ベクトルを、前記加算信号に付加する付加部とを備え、
　前記割当部は、前記第Ｘ－１（Ｘは、２以上の整数）ストリームに信号を割り当てた後、前記第ｎ受信装置への干渉を除去するためのフィードバック係数の絶対値の和の大きさが、第２閾値以下又は最小となる第ｎ信号を、第Ｘストリームへ割り当てることを特徴とする送信装置。
　前記第２閾値は、前記第ｎ受信装置の受信信号のダイナミックレンジを示す評価値を用いて、定められることを特徴とする請求項１に記載の送信装置。
　前記摂動ベクトルが付加された信号に対して、ビームフォーミング処理を行うビームフォーマと、
　前記ビームフォーミング処理後の信号を送信する送信部とをさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の送信装置。
　ストリームにまだ割り当てられていない信号のいずれを前記第Ｘストリームへ割り当てたとしても、干渉を除去するためのフィードバック係数の和の大きさが第３閾値を超える場合に、前記割当部は、前記第Ｘストリームへの信号の割り当てを行わないことを特徴とする請求項３に記載の送信装置。
前記摂動ベクトルを付加するステップは、Ｔｏｍｌｉｎｓｏｎ－Ｈａｒａｓｈｉｍａ　Ｐｒｅｃｏｄｉｎｇを用いることを特徴とする請求項１記載の無線送信方法
　複数のアンテナを用いて空間分割多重方式で複数の受信装置に対してそれぞれ無線信号を送信する送信装置の送信方法であって、
　第１受信装置宛ての第１信号を、第１ストリームへ割り当て、
　第ｎ（ｎは２以上の整数）受信装置宛ての第ｎ信号はストリームにまだ割り当てられていない信号のいずれかであって、ストリームに既に割り当てられ摂動ベクトルが付加された信号と、前記第ｎ受信装置への干渉を低減するためのフィードバック係数とを乗算したものに、前記第ｎ信号を加算することにより加算信号を求め、
　基本信号の整数倍の摂動ベクトルのうち、前記加算信号と摂動ベクトルの和の振幅の大きさが第１閾値以下となる摂動ベクトルを、前記加算信号に付加するものであって、
　前記第Ｘ－１（Ｘは、２以上の整数）ストリームに信号を割り当てた後、前記第ｎ受信装置への干渉を除去するためのフィードバック係数の絶対値の和の大きさが、第２閾値以下又は最小となる第ｎ信号を、第Ｘストリームへ割り当てることを特徴とする送信方法。