JP6207760B2 - 無線通信装置および無線通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数のアンテナを備えた無線通信装置および無線通信方法に関する。

無線通信において、大容量通信を実現するための１つの方法に、信号帯域幅の広帯域化がある。数ＧＨｚ以下の周波数帯では、多数のシステムに周波数が既に割り当てられ、数１００ＭＨｚ以上の広い信号帯域を確保することが困難である。また、１つの無線基地局がカバーする通信エリアが数１００ｍ以上となるセルラー通信では、数ＧＨｚ以下の周波数帯を利用せざるを得ない。

一方、数１０ＧＨｚの高い周波数帯では、未割り当ての周波数、すなわち、空き領域も多く、数１００ＭＨｚ以上の広い信号帯域幅を確保できる可能性が高い。しかし、数１０ＧＨｚの高い周波数帯では、伝搬距離減衰量が大きいため、通信エリアを広く確保できないデメリットがある。ここで、高い周波数帯では、１波長の長さが短くなることを利用して、一定の面積当たりに実装可能なアンテナ素子数を大幅に増加でき、高利得なビーム形成を可能とし、伝搬距離減衰を補償することが考えられている。

大容量伝送を実現するため、広帯域化に加えて、多数のアンテナ素子で複数ビームを形成することで、送信信号を空間多重する超多素子ＭＩＭＯ（Multiple−Input Multiple−Output）またはＭａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯと呼ばれる技術がある。超多素子ＭＩＭＯの通信装置は、一般的に、アンテナ素子毎に一連の送信回路および受信回路を有し、アンテナ素子数に対応可能なディジタル信号処理部を有している。例えば、超多素子ＭＩＭＯにおいてアンテナ素子が２５６素子ある場合、通信装置では、２５６個の送信回路および受信回路、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等を用い、２５６素子に対応可能なディジタル信号処理部が必要であり、コスト面、実現性に課題がある。

上記課題に対し、ビーム形成をディジタル信号処理部ではなく、可変アンプおよび可変位相器からなるアナログ回路で実現する方法がある。すなわち、アナログビームを形成する方法である。これにより、必要とされる送信回路および受信回路の数は、アンテナ素子数と同数ではなく形成するビーム数と同数となる。また、ディジタル信号処理部についても形成するビーム数と同数に対応できればよい。一例として、１つのアナログビームを１６アンテナ素子で形成する場合、送信回路および受信回路の数を１／１６にできる。このように回路規模の増加を抑える技術が、下記特許文献１において開示されている。

また、近年の無線通信では、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）またはＯＦＤＭＡ（Orthogonal Frequency Division Multiple Access）と呼ばれる技術が広く利用されている。ＯＦＤＭまたはＯＦＤＭＡは、サブキャリアと呼ばれる直交する複数の周波数毎にＯＦＤＭシンボルを割り当てる。

ここで、基地局である無線通信装置と、配下にある複数端末からネットワークが構成されるセルラー通信を想定する。無線通信装置と各端末間の伝送路が異なる周波数選択性を持つ場合、伝送路利得が高いサブキャリアのみを利用し、１つのＯＦＤＭシンボルを複数端末で共有することで、ユーザ間で周波数ダイバーシチ効果を得るユーザダイバーシチがある。ユーザダイバーシチは、ＯＦＤＭＡにおける最も重要な機能の１つである。複数端末がある場合、ビーム形成は端末毎の個別制御である。ある端末向けのビームを他端末が受信しても、受信電力が低くなることが多く、ＣＮＲ（Carrier to Noise Ratio）も小さい。

特開２０１４−２７６５３号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、無線通信装置が複数端末へ信号を送信する場合、端末が移動すると通信エリア内での端末の分布が変化し、各端末との間の伝送路状況も変化する。そのため、各端末との間の伝送路状況によっては、伝送効率の良い各端末へのＯＦＤＭシンボルの割り当て方式、すなわち多重方式が異なるおそれがある、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、端末との間の伝送路状況に基づいて送信シンボルの割り当て方式を選択可能な無線通信装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、複数のアンテナを含むアナログビーム形成回路を複数備えた無線通信装置であって、通信対象の端末と各アナログビーム形成回路との間のチャネルである伝送路の状況を示す伝送路係数を推定するチャネル推定手段と、前記伝送路係数に基づいて、空間多重による送信シンボルのマッピング情報およびマッピング後の信号への重み付け演算に用いる送信ウェイト情報を生成し、また、周波数多重によるマッピング情報および送信ウェイト情報を生成し、いずれかの多重方式によるマッピング情報および送信ウェイト情報を選択して出力するリソーススケジューラ手段と、前記リソーススケジューラ手段からのマッピング情報に基づいて、送信シンボルを周波数軸上にマッピングするマッピング手段と、前記リソーススケジューラ手段からの送信ウェイト情報に基づいて、前記マッピング手段でマッピングされた信号について重み付け演算を行うプレコーダ手段と、を備えることを特徴とする。

本発明にかかる無線通信装置は、端末との間の伝送路状況に基づいて送信シンボルの割り当て方式を選択できる、という効果を奏する。

従来のＭａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯ構成の無線通信装置を示す図 本発明の実施の形態にかかるサブアレー構成の無線通信装置の構成例を示す図 本発明の実施の形態にかかるフルアレー構成の無線通信装置の構成例を示す図 サブアレー型ＭＩＭＯを用いた通信システムの構成例を示す図 無線通信装置の回路構成例を示す図 ＯＦＤＭマッパ部によるデータマッピングの例を示す図 無線通信装置において伝送路係数に基づいてＯＦＤＭシンボルの割り当て方式を選択する処理を示すフローチャート リソーススケジューラ部の構成例を示す図 リソーススケジューラ部においてマッピング情報および送信ウェイト情報を選択して出力するまでの処理を示すフローチャート 空間多重伝送の場合の各レイヤーにおけるサブキャリアの割り当てを示す図 周波数多重伝送の場合の各レイヤーにおけるサブキャリアの割り当てを示す図 無線通信装置の処理回路を専用のハードウェアで構成する場合の例を示す図 無線通信装置の処理回路をＣＰＵおよびメモリで構成する場合の例を示す図

以下に、本発明の実施の形態にかかる無線通信装置および無線通信方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
近年の高速無線アクセスシステムでは、幅広い信号周波数帯域を確保可能なＳＨＦ（Super High Frequency）による数ＧＨｚから数１０ＧＨｚのキャリア周波数の利用が検討されている。従来の無線アクセスシステムのキャリア周波数は数１００ＭＨｚから数ＧＨｚであるため、無線通信装置が備える送受信アンテナ数は、設置面積の観点から数本から数１０本程度までであった。しかし、キャリア周波数がＳＨＦ帯となると１波長当りの長さが短くなり、無線局に設置可能なアンテナ数は、２次元配置することで数１００本から数１０００本となり、Ｍａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯの構成が可能となる。

図１は、従来のＭａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯ構成の無線通信装置を示す図である。アンテナ数が数本から数１０本程度の場合、図１に示すように、無線通信装置は、全アンテナ１毎に送信部２、受信部３、ＤＡ（Digital to Analog）変換部４、ＡＤ（Analog to Digital）変換部５を備え、アンテナ１の数に対応可能なディジタル信号処理部６ａを備えている。無線通信装置は、各アンテナ１に単体で信号送受信可能な一連の回路、すなわち、送信部２、受信部３、ＤＡ変換部４、ＡＤ変換部５を備えている。一方で、無線通信装置において、アンテナ数が数１００本から数１０００本の場合、実装性および経済性の観点から、図１に示すように、アンテナ１毎に一連の回路、アンテナ１の数に対応可能なディジタル信号処理部６ａを実装することは現実的ではない。

そのため、本実施の形態の無線通信装置では、複数アンテナによりサブアレーを構成する。図２は、本発明の実施の形態にかかるサブアレー構成の無線通信装置１０の構成例を示す図である。アンテナ１と、出力を調整可能な増幅器である可変アンプ７と、信号の位相を調整可能な可変位相器８と、からなる１組の回路を複数合成し、サブアレー９を構成する。サブアレー９は、可変アンプ７と可変位相器８を特定の振幅位相に設定することで、アナログビームを形成するアナログビーム形成回路である。無線通信装置１０は、複数のサブアレー９を持つサブアレー型ＭＩＭＯの構成による装置である。例えば、１つのサブアレー９を構成するアンテナ数がＮ_tsのとき、無線通信装置１０では、送信部２、受信部３、ＤＡ変換部４、ＡＤ変換部５の個数を１／Ｎ_tsにでき、ディジタル信号処理部６の規模を１／Ｎ_tsにできる。

以降の説明ではサブアレー構成を前提とするが、図３のように、１つのアンテナ１を複数の送信部２、受信部３、ＤＡ変換部４、ＡＤ変換部５で共有するフルアレー構成においても同様の方式が適用可能である。図３は、本発明の実施の形態にかかるフルアレー構成の無線通信装置の構成例を示す図である。

つぎに、サブアレー型ＭＩＭＯを用いた通信システムについて説明する。図４は、サブアレー型ＭＩＭＯを用いた通信システムの構成例を示す図である。ここでは、無線通信装置１０が備えるサブアレー９の個数が２の場合について説明するが、一例であり、２以上の任意のサブアレー個数にも適用可能である。基地局である無線通信装置１０は、アンテナ１をＮ_t本持ち、端末２０ａにアナログビーム２１ａを向け、端末２０ｂにアナログビーム２１ｂを向ける。アナログビーム２１ａは、アンテナ１の数がＮ_ts本のサブアレー９から形成されるアナログビームであり、端末２０ａ向けに形成される。また、アナログビーム２１ｂは、アンテナ１の数がＮ_ts本のサブアレー９から形成されるアナログビームであり、端末２０ｂ向けに形成される。図４ではサブアレー９の個数を記載していないが、アナログビームの数はサブアレー９の個数と同じ、すなわち２となる。

図５は、無線通信装置１０の回路構成例を示す図である。図５に示す構成は一例であり、サブアレー９の数、無線通信装置１０内部の処理順序等によって、本発明を限定するものではない。ここでは、無線通信装置１０は、２つのサブアレー９を持ち、１サブアレー当りＮ_ts＝Ｎ_t／２本のアンテナを持つ。また、送信ビットデータは、一般に誤り訂正符号化後のパリティビットを含むビットデータである。

まず、無線通信装置１０における送信側の各構成の動作について説明する。図５において点線で示す送信側回路１０ａの部分である。

各変調部１１は、送信ビットデータをＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）、ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）等のシステム指定の変調方式に従い、ＩＱ平面上にシンボルマッピングする。ここでは、２つの変調部１１が、入力された送信ビットデータを別々にＩＱ平面上にシンボルマッピングし、１つのＯＦＤＭマッパ部１２へ出力している。

ＯＦＤＭマッパ部１２は、２つの変調部１１から入力されたシンボルマッピング後の送信シンボルを、周波数軸上にデータマッピングするマッピング手段である。図６は、ＯＦＤＭマッパ部１２によるデータマッピングの例を示す図である。図６（ａ）は端末２０ａ向けのアナログビーム２１ａであるレイヤー＃１を示し、図６（ｂ）は端末２０ｂ向けのアナログビーム２１ｂであるレイヤー＃２を示す。図６（ａ）および図６（ｂ）ともに、縦方向は周波数軸方向でサブキャリアの配置を示し、横方向は時間軸方向でＯＦＤＭシンボルの配置を示す。ＯＦＤＭマッパ部１２の出力ポート数、すなわち、レイヤー数は、ＩＦＦＴ（Inverse Fast Fourier Transform）部１４からサブアレー９に至る一連の回路数であり、同時形成可能なアナログビーム数である。ここではレイヤー数が２である。

ＲＳ２２ａ，２２ｂは、各々レイヤー＃１，＃２にマッピングされる送信シンボルである。パイロット２３ａ，２３ｂは、各々レイヤー＃１，＃２にマッピングされるパイロットシンボルである。ヌル２４ａ，２４ｂは、各々レイヤー＃１，＃２のヌルサブキャリアである。ＯＦＤＭマッパ部１２は、データマッピング後の２つの信号をプレコーダ部１３へ出力する。なお、ＲＳ２２ａ，２２ｂへの送信シンボルのマッピング情報は、後述するリソーススケジューラ部１９から与えられる。

プレコーダ手段であるプレコーダ部１３は、ＯＦＤＭマッパ部１２から入力されたデータマッピング後の２つの信号について、ウェイト行列Ｗを用いて式（１）により重み付け演算を行う。

ｓ（ｔ，ｆ）＝Ｗｘ（ｔ，ｆ） …（１）

ここで、ｓ（ｔ，ｆ）はレイヤー数次元のプレコーダ部１３の出力縦ベクトル、ｘ（ｔ，ｆ）はレイヤー数次元のＯＦＤＭマッパ部１２の出力縦ベクトルである。前述のように、レイヤー数は２である。ｓ（ｔ，ｆ）およびｘ（ｔ，ｆ）の要素は、ｔ番目のＯＦＤＭシンボル、ｆ番目のサブキャリアの周波数軸上の信号である。プレコーダ部１３は、重み付け後のｓ（ｔ，ｆ）の信号を、レイヤー別に異なるＩＦＦＴ部１４へ出力する。なお、送信ウェイト情報であるウェイト行列Ｗは、後述するリソーススケジューラ部１９からサブキャリア毎に与えられる。

各ＩＦＦＴ部１４は、プレコーダ部１３から入力された、対応するレイヤーについての重み付け後のｓ（ｔ，ｆ）の信号である周波数領域信号をＩＦＦＴにより、時間領域信号へ変換する。各ＩＦＦＴ部１４は、変換後の時間領域信号を、対応するレイヤーのＧＩ（Guard interval）挿入部１５へ出力する。

各ＧＩ挿入部１５は、対応するＩＦＦＴ部１４から入力された時間領域信号について、１つの信号ブロックの後方の数サンプル分の信号を信号ブロックの先頭にコピー、すなわち、ＧＩを挿入する。各ＧＩ挿入部１５は、ＧＩ挿入後の信号を、対応するＤＡ変換部４へ出力する。

各ＤＡ変換部４は、対応するＧＩ挿入部１５から入力されたＧＩ挿入後の信号であるディジタル信号をアナログ信号に変換する。各ＤＡ変換部４は、変換後のアナログ信号を、対応する送信部２へ出力する。

各送信部２は、対応するＤＡ変換部４から入力されたアナログ信号について、アップコンバート等の送信処理を行って、対応するサブアレー９から信号を送信する。

送信側回路１０ａは、ＯＦＤＭマッパ部１２およびプレコーダ部１３を１つずつ備え、他の変調部１１、ＩＦＦＴ部１４、ＧＩ挿入部１５、ＤＡ変換部４、送信部２、サブアレー９についてはレイヤー数分の２つずつ備える構成となる。なお、サブアレー９は、後述する受信側回路１０ｂと共用となる。

つぎに、無線通信装置１０における受信側の各構成の動作について説明する。図５において点線で示す受信側回路１０ｂの部分である。ここで、サブアレー９は、送信側回路１０ａと受信側回路１０ｂで共通の構成である。ＴＤＤ（Time Division Duplex）システムの場合、図示しない制御部により、時間分割でサブアレー９の送受信を切り替える。

各受信部３は、対応するサブアレー９で受信された受信信号について、ダウンコンバート等の受信処理を行って、対応するＡＤ変換部５へ出力する。

各ＡＤ変換部５は、対応する受信部３から入力された入力信号をサンプリングし、アナログ信号をディジタル信号に変換する。各ＡＤ変換部５は、変換後のディジタル信号を、対応するＧＩ除去部１６へ出力する。

各ＧＩ除去部１６は、対応するＡＤ変換部５から入力されたディジタル信号から、送信側の端末で挿入されていたＧＩを除去し、時間領域信号を作成する。各ＧＩ除去部１６は、時間領域信号を、対応するＦＦＴ部１７へ出力する。

ＦＦＴ部１７は、対応するＧＩ除去部１６から入力された時間領域信号をＦＦＴにより、周波数領域信号に変換する。各ＦＦＴ部１７は、変換後の周波数領域信号を１つのチャネル推定部１８へ出力する。

以降の処理については、フローチャートを用いて説明する。図７は、無線通信装置１０において伝送路係数に基づいてＯＦＤＭシンボルの割り当て方式を選択する処理を示すフローチャートである。

チャネル推定手段であるチャネル推定部１８は、端末２０ａから２つのサブアレー９または２つのＡＤ変換部５までの伝送路係数、および、端末２０ｂから２つのサブアレー９または２つのＡＤ変換部５までの伝送路係数を推定する（ステップＳ１）。伝送路係数は、端末２０ａ，２０ｂと各サブアレー９との間のチャネルである伝送路の状況を示す情報であり、伝送路の利得を示す情報とすることができるが、これに限定するものではない。チャネル推定部１８は、ＯＦＤＭシンボル内に含まれるパイロット信号を用いてサブキャリア毎の伝送路係数を推定する。

チャネル推定部１８では、端末２０ａ，２０ｂからの送信フレーム構成が図６に示す構成と同等であった場合、パイロット２３ａ，２３ｂが配置された複数のサブキャリアの伝送路係数を用いて、パイロット２３ａ，２３ｂが配置されていない他のサブキャリアの伝送路係数を推定および補間することで、全サブキャリアの伝送路係数を求める。推定および補間の方法については、従来からある方法で可能であり、本実施の形態において特定の方法に限定するものでない。チャネル推定部１８は、推定した伝送路係数を、リソーススケジューラ部１９へ出力する。

リソーススケジューラ部１９は、チャネル推定部１８から入力された伝送路係数を用いて、送信シンボルであるＯＦＤＭシンボルのマッピング情報および送信ウェイト情報を生成する（ステップＳ２）。

図８は、リソーススケジューラ部１９の構成例を示す図である。リソーススケジューラ部１９は、チャネル推定部１８からの伝送路係数を用いて、空間多重による伝送方法を用いる場合のマッピング情報および送信ウェイト情報、周波数多重による伝送方法を用いる場合のマッピング情報および送信ウェイト情報を生成し、いずれかの多重方式によるマッピング情報および送信ウェイト情報を選択して出力するリソーススケジューラ手段である。

図７のステップＳ２に示すリソーススケジューラ部１９の処理について、図９のフローチャートを用いて詳細に説明する。図９は、リソーススケジューラ部１９においてマッピング情報および送信ウェイト情報を選択して出力するまでの処理を示すフローチャートである。

まず、空間多重評価手段である空間多重評価部３１の動作について説明する。図１０は、空間多重伝送の場合の各レイヤーにおけるサブキャリアの割り当てを示す図である。空間多重評価部３１では、図１０に示すように、各レイヤーで同じ周波数のサブキャリアに複数の端末宛て、すなわち異なるシンボルを割り当て、空間多重する伝送方式について評価する。ここでは、アナログビーム２１ａであるレイヤー＃１のシンボル４０ａから５１ａは端末２０ａ宛のシンボルであり、アナログビーム２１ｂであるレイヤー＃２のシンボル４０ｂから５１ｂは端末２０ｂ宛のシンボルである。

干渉回避プレコーディング手段である干渉回避プレコーディング部３２は、まず、各レイヤーについて図１０に示すように、複数の端末２０ａ，２０ｂに対して同一時間、同一周波数において複数端末宛の信号を同時送信するためのサブキャリア割り当てを行う。つぎに、干渉回避プレコーディング部３２は、端末の数が２の場合、チャネル推定部１８で推定された伝送路係数を用いて、無線通信装置１０および端末２０ａ，２０ｂからなる通信システム規定の空間多重のためのディジタルプレコーディングを実施し、プレコーディング後の等価チャネル行列を生成する。例えば、ＭＩＭＯチャネル行列Ｈを式（２）で定義する。

式（２）において、ｈ_ijはｉ番目ユーザとｊ番目サブアレー間の伝送路係数である。Ｚｅｒｏ−Ｆｏｒｃｉｎｇを適用する場合、ディジタルプレコーディングのウェイト行列Ｗは式（３）で表すことができる。

この場合、等価チャネル行列Ｈ_eは「Ｈ_e＝ＨＷ」となる。なお、式（３）において、γは総送信電力一定化のための係数である。干渉回避プレコーディング部３２は、ディジタルプレコーディングのウェイト行列Ｗを用いて等価チャネル行列Ｈ_eを生成する（ステップＳ１１）。

空間多重チャネル容量評価手段であるチャネル容量評価部３３は、等価チャネル行列Ｈ_eの対角項が所望信号となるため、対角項の電力をＰ₁，Ｐ₂、受信部３の雑音電力をσ²とすると、チャネル容量Ｃを式（４）より求める。

Ｃ＝ｌｏｇ２（１＋Ｐ₁／σ²）＋ｌｏｇ２（１＋Ｐ₂／σ²） …（４）

式（４）は端末数２の場合のチャネル容量Ｃを表すものであるが、端末数Ｎの場合のチャネル容量Ｃは式（５）で表すことができる。

さらに、チャネル容量評価部３３は、第ｐサブキャリアのチャネル容量ＣをＣ_{p_sdm}とし、サブキャリア数をＮ_scとし、空間多重による全帯域チャネル容量Ｃ_{all_sdm}を式（６）により算出する（ステップＳ１２）。

なお、チャネル容量評価部３３において、全帯域チャネル容量Ｃ_{all_sdm}の算出方法は一例であり、他の計算方法により全帯域チャネル容量を算出してもよい。

チャネル容量評価部３３は、比較選択部３８へ、算出した全帯域チャネル容量Ｃ_{all_sdm}、干渉回避プレコーディング部３２で生成された全帯域チャネル容量Ｃ_{all_sdm}を達成するサブキャリア割り当て、干渉回避プレコーディング部３２で生成された各サブキャリアにおけるプレコーディングのウェイト行列Ｗを出力する。なお、全帯域チャネル容量Ｃ_{all_sdm}を達成するサブキャリア割り当てとは、図１０に示すサブキャリア割り当てのことである。

つぎに、周波数多重評価手段である周波数多重評価部３４の動作について説明する。図１１は、周波数多重伝送の場合の各レイヤーにおけるサブキャリアの割り当てを示す図である。サブキャリア割り当て手段であるサブキャリア割り当て部３５は、図１１に示すように、レイヤー＃１とレイヤー＃２とで同じ周波数のサブキャリアに同じシンボルを割り当てるサブキャリア割り当てを行う（ステップＳ１３）。すなわち、周波数多重となり、空間多重はしない。シンボル５２ａから５７ａは端末２０ａ宛のシンボルであり、シンボル５８ｂから６３ｂは端末２０ｂ宛のシンボルである。複数端末に対して異なるサブキャリアにおいて複数端末宛の信号を同時送信するものである。サブキャリア割り当て部３５では、サブキャリア毎の端末２０ａ，２０ｂの伝送路係数の利得を比較し、伝送路係数の利得の高い方の端末宛のデータを割り当てることができるが、一例であり、他の割り当て方法を用いてもよい。

ビーム形成部３６は、サブキャリア毎に適切な重み付け係数をコードブックの中から割り当てる重み付け係数選択手段、もしくは伝送路係数に基づいて重み付け係数を生成する重み付け係数生成手段である。コードブックとは、同一サブキャリア内で異なるレイヤーに割り当てられた同一シンボルに対する重み付け係数群である。例えば、Ｌ個の重み付け係数からなるコードブックは、Ｗ_CB＝［Ｗ_{CB_1}，Ｗ_{CB_2}，…，Ｗ_{CB_L}］であり、Ｗ_{CB_k}＝［Ｗ_{CB_k_1}，Ｗ_{CB_k_2}］^Tとし、Ｗ_{CB_k_j}は複素数とする。ここで、［ ］^Tは転置を示す。ビーム形成部３６は、サブキャリア割り当て部３５においてあるサブキャリアのレイヤー＃１，＃２に割り当てられたシンボルをＳとし、サブキャリアのアナログビーム２１ａ，２１ｂからシンボルの宛先端末までの伝送路係数をｈ＝［ｈ_１，ｈ_２］とすると、式（７）により、最大電力Ｐ_maxが得られる重み付け係数をコードブックから選択する（ステップＳ１４）。サブキャリア毎に伝送路係数およびシンボルの宛先端末が異なるため、サブキャリア毎に重み付け係数も異なる。

重み付け係数を生成する場合は上記のサブキャリアのアナログビーム２１ａ，２１ｂからシンボルの宛先端末までの伝送路係数ｈ＝［ｈ₁，ｈ₂］を用いて式（８）のように最大比合成をする。ここで、（・）^*は複素共役を示す。

周波数多重チャネル容量評価手段であるチャネル容量評価部３７は、ビーム形成部３６で選択されたコードブック内の重み付け係数から得られる最大電力Ｐ_maxにより、式（９）を用いてチャネル容量Ｃを求める。

Ｃ＝ｌｏｇ２（１＋Ｐ_max／σ²） …（９）

周波数多重評価部３４では、ビーム形成部３６による式（７）およびチャネル容量評価部３７による式（９）を用いた処理をサブキャリア数分実施する。そして、チャネル容量評価部３７では、全サブキャリアの合計チャネル容量を計算する。チャネル容量評価部３７は、第ｐサブキャリアのチャネル容量ＣをＣ_{p_fdm}とし、サブキャリア数をＮ_scとし、周波数多重による全帯域チャネル容量Ｃ_{all_fdm}を式（１０）により算出する（ステップＳ１５）。

なお、チャネル容量評価部３７において、全帯域チャネル容量Ｃ_{all_fdm}の算出方法は一例であり、他の計算方法により全帯域チャネル容量を算出してもよい。

チャネル容量評価部３７は、比較選択部３８へ、算出した全帯域チャネル容量Ｃ_{all_fdm}、サブキャリア割り当て部３５で生成された全帯域チャネル容量Ｃ_{all_fdm}を達成するサブキャリア割り当て、ビーム形成部３６で選択することにより生成された各サブキャリアにおけるコードブック内の重み係数を出力する。なお、全帯域チャネル容量Ｃ_{all_fdm}を達成するサブキャリア割り当てとは、図１１に示すサブキャリア割り当てのことである。

比較選択手段である比較選択部３８では、チャネル容量評価部３３からの出力である空間多重の場合の全帯域チャネル容量Ｃ_{all_sdm}と、チャネル容量評価部３７からの出力である周波数多重の場合の全帯域チャネル容量Ｃ_{all_fdm}とを比較する。比較選択部３８は、全帯域チャネル容量の大きい方の多重方式によるサブキャリア割り当てをマッピング情報とし、ＯＦＤＭマッパ部１２へ出力する。また、比較選択部３８は、全帯域チャネル容量の大きい方の多重方式によるプレコーディングのウェイト行列Ｗまたはコードブック内の重み係数を送信ウェイト情報とし、プレコーダ部１３へ出力する（ステップＳ１６）。

受信側回路１０ｂは、チャネル推定部１８およびリソーススケジューラ部１９を１つずつ備え、他のサブアレー９、受信部３、ＡＤ変換部５、ＧＩ除去部１６、ＦＦＴ部１７についてはレイヤー数分の２つずつ備える構成となる。なお、サブアレー９は、前述のように送信側回路１０ａと共用となる。

図７のフローチャートに戻り、ＯＦＤＭマッパ部１２は、リソーススケジューラ部１９の比較選択部３８から入力され与えられたマッピング情報に基づいて、２つの変調部１１から入力されたシンボルマッピング後の送信シンボルを周波数軸上にマッピングする（ステップＳ３）。また、プレコーダ部１３は、リソーススケジューラ部１９の比較選択部３８から入力され与えられた送信ウェイト情報に基づいて、ＯＦＤＭマッパ部１２から入力されたデータマッピング後の２つの信号について重み付け演算を行う（ステップＳ４）。

これにより、２つのアナログビーム２１ａ，２１ｂを用いたディジタルビームを形成する無線通信装置１０では、端末２０ａ，２０ｂとの間の伝送路状況に基づいて、ＯＦＤＭシンボルの割り当て方式、すなわち図１０に示す空間多重または図１１に示す周波数多重を選択することができる。

従来では、ディジタル回路によるディジタルビーム形成は、サブキャリア毎に異なるビームを形成、すなわち、周波数軸上でのビーム形成である。そのため、周波数軸上に複数端末を割り当てることで、周波数ダイバーシチ効果を得ることができる。一方、アナログ回路によるアナログビーム形成は、全サブキャリアに渡って同一の重み付けとなるビーム形成である。そのため、１ＯＦＤＭシンボルあたりに１ユーザのみの割り当てしかできない。アナログビーム形成では、周波数選択性により伝送路利得の低いサブキャリアがあっても、ディジタルビーム形成のようにサブキャリアを他端末に割り当てることができず、周波数ダイバーシチ効果を得ることができない。

本実施の形態では、無線通信装置１０は、端末分布、端末毎の伝送路状況に基づいて、２つ以上のアナログビームを用いてディジタルビームを形成する。特に、周波数多重において、アナログビーム上で、さらに、ディジタルビームを形成することにより、周波数ダイバーシチ効果を得る。端末位置が近く、端末を空間分離できない場合において、アナログビームにおいてもユーザダイバーシチを得ることができる。

なお、図９のフローチャートの説明において、空間多重評価部３１の動作の次に周波数多重評価部３４の動作を説明したが、リソーススケジューラ部１９では、空間多重評価部３１および周波数多重評価部３４の動作を並行して行うことにより、マッピング情報および送信ウェイト情報を出力するまでの処理時間を短縮することができる。また、図９において、干渉回避プレコーディング部３２によるステップＳ１１およびチャネル容量評価部３３によるステップＳ１２の処理をまとめて、空間多重評価部３１による空間多重評価ステップとしてもよい。同様に、図９において、サブキャリア割り当て部３５によるステップＳ１３、ビーム形成部３６によるステップＳ１４、およびチャネル容量評価部３７によるステップＳ１５の処理をまとめて、周波数多重評価部３４による周波数多重評価ステップとしてもよい。

以上説明したように、本実施の形態によれば、複数のアンテナ１を含むサブアレー９を２以上の複数備えた無線通信装置１０では、チャネル推定部１８が、通信対象の端末２０ａ，２０ｂと各サブアレー９との間の伝送路について伝送路係数を推定し、リソーススケジューラ部１９が、伝送路係数に基づいて、空間多重と周波数多重による送信シンボルのマッピング情報およびマッピング後の信号への重み付け演算に用いる送信ウェイト情報を生成し、いずれかの多重方式によるマッピング情報および送信ウェイト情報を選択し、選択したマッピング情報をＯＦＤＭマッパ部１２へ出力し、選択した送信ウェイト情報をプレコーダ部１３へ出力することとした。これにより、無線通信装置１０では、端末２０ａ，２０ｂとの間の伝送路の状況に基づいて、空間多重または周波数多重を適応的に選択して信号を送信することができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

つづいて、無線通信装置１０のハードウェア構成について説明する。無線通信装置１０において、変調部１１はモジュレータにより実現される。ＩＦＦＴ部１４はＩＦＦＴ回路により実現される。ＧＩ挿入部１５はＧＩ挿入回路により実現される。ＤＡ変換部４はＤＡコンバータにより実現される。送信部２および受信部３は、例えば、無線通信のインタフェースカードなどのインタフェース回路により実現される。サブアレー９はアンテナ素子、可変アンプおよび可変位相器により実現される。ＡＤ変換部５はＡＤコンバータにより実現される。ＧＩ除去部１６はＧＩ除去回路により実現される。ＦＦＴ部１７はＦＦＴ回路により実現される。以降の説明では、無線通信装置１０の構成のうち、ＯＦＤＭマッパ部１２、プレコーダ部１３、チャネル推定部１８およびリソーススケジューラ部１９の部分について説明する。

無線通信装置１０において、ＯＦＤＭマッパ部１２、プレコーダ部１３、チャネル推定部１８およびリソーススケジューラ部１９の各機能は、処理回路により実現される。すなわち、無線通信装置１０は、伝送路係数を推定し、伝送路係数を用いて送信シンボルのマッピング情報および送信ウェイト情報を生成し、マッピング情報に基づいて送信シンボルを周波数軸上にマッピングし、送信ウェイト情報に基づいてデータマッピング後の信号について重み付け演算を行うための処理回路を備える。処理回路は、専用のハードウェアであってもよいし、メモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメモリであってもよい。

図１２は、本実施の形態にかかる無線通信装置１０の処理回路を専用のハードウェアで構成する場合の例を示す図である。処理回路が専用のハードウェアである場合、図１２に示す処理回路９１は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、またはこれらを組み合わせたものが該当する。ＯＦＤＭマッパ部１２、プレコーダ部１３、チャネル推定部１８およびリソーススケジューラ部１９の各部の機能各々を処理回路９１で実現してもよいし、各部の機能をまとめて処理回路９１で実現してもよい。

図１３は、本実施の形態にかかる無線通信装置１０の処理回路をＣＰＵおよびメモリで構成する場合の例を示す図である。処理回路がＣＰＵ９２およびメモリ９３で構成される場合、ＯＦＤＭマッパ部１２、プレコーダ部１３、チャネル推定部１８およびリソーススケジューラ部１９の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアまたはファームウェアはプログラムとして記述され、メモリ９３に格納される。処理回路では、メモリ９３に記憶されたプログラムをＣＰＵ９２が読み出して実行することにより、各部の機能を実現する。すなわち、無線通信装置１０は、処理回路により実行されるときに、伝送路係数を推定するステップ、伝送路係数を用いて送信シンボルのマッピング情報および送信ウェイト情報を生成するステップ、マッピング情報に基づいて送信シンボルを周波数軸上にマッピングするステップ、送信ウェイト情報に基づいてデータマッピング後の信号について重み付け演算を行うステップが結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリ９３を備える。また、これらのプログラムは、ＯＦＤＭマッパ部１２、プレコーダ部１３、チャネル推定部１８およびリソーススケジューラ部１９の手順および方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。ここで、ＣＰＵ９２は、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、またはＤＳＰ（Digital Signal Processor）などであってもよい。また、メモリ９３とは、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable ROM）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically EPROM）などの、不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、またはＤＶＤ（Digital Versatile Disc）などが該当する。

なお、ＯＦＤＭマッパ部１２、プレコーダ部１３、チャネル推定部１８およびリソーススケジューラ部１９の各機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するようにしてもよい。例えば、ＯＦＤＭマッパ部１２およびプレコーダ部１３については専用のハードウェアとしての処理回路９１でその機能を実現し、チャネル推定部１８およびリソーススケジューラ部１９についてはＣＰＵ９２がメモリ９３に格納されたプログラムを読み出して実行することによってその機能を実現することが可能である。

このように、処理回路は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせによって、上述の各機能を実現することができる。

１ アンテナ、２ 送信部、３ 受信部、４ ＤＡ変換部、５ ＡＤ変換部、６，６ａ ディジタル信号処理部、７ 可変アンプ、８ 可変位相器、９ サブアレー、１０ 無線通信装置、１０ａ 送信側回路、１０ｂ 受信側回路、１１ 変調部、１２ ＯＦＤＭマッパ部、１３ プレコーダ部、１４ ＩＦＦＴ部、１５ ＧＩ挿入部、１６ ＧＩ除去部、１７ ＦＦＴ部、１８ チャネル推定部、１９ リソーススケジューラ部、２０ａ，２０ｂ 端末、３１ 空間多重評価部、３２ 干渉回避プレコーディング部、３３ チャネル容量評価部、３４ 周波数多重評価部、３５ サブキャリア割り当て部、３６ ビーム形成部、３７ チャネル容量評価部、３８ 比較選択部。

Claims (10)

1. 複数のアンテナを含むアナログビーム形成回路を複数備えた無線通信装置であって、
   通信対象の端末と各アナログビーム形成回路との間のチャネルである伝送路の状況を示す伝送路係数を推定するチャネル推定手段と、
   前記伝送路係数に基づいて、空間多重による送信シンボルのマッピング情報およびマッピング後の信号への重み付け演算に用いる送信ウェイト情報を生成し、また、周波数多重によるマッピング情報および送信ウェイト情報を生成し、いずれかの多重方式によるマッピング情報および送信ウェイト情報を選択して出力するリソーススケジューラ手段と、
   前記リソーススケジューラ手段からのマッピング情報に基づいて、送信シンボルを周波数軸上にマッピングするマッピング手段と、
   前記リソーススケジューラ手段からの送信ウェイト情報に基づいて、前記マッピング手段でマッピングされた信号について重み付け演算を行うプレコーダ手段と、
   を備えることを特徴とする無線通信装置。
2. 前記リソーススケジューラ手段は、
   前記伝送路係数に基づいて、空間多重によるマッピング情報および送信ウェイト情報を生成し、前記空間多重による全帯域チャネル容量を算出する空間多重評価手段と、
   前記伝送路係数に基づいて、周波数多重によるマッピング情報および送信ウェイト情報を生成し、前記周波数多重による全帯域チャネル容量を算出する周波数多重評価手段と、
   前記空間多重による全帯域チャネル容量と前記周波数多重による全帯域チャネル容量とを比較して、全帯域チャネル容量の大きい方の評価手段からのマッピング情報および送信ウェイト情報を選択して出力する比較選択手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
3. 前記空間多重評価手段は、
   通信対象の端末が複数ある場合に、前記伝送路係数に基づいて、複数端末に対して同一時間、同一周波数において複数端末宛の信号を同時送信するためのサブキャリア割り当てを行い、プレコーディングのウェイト行列を用いてプレコーディング後の等価チャネル行列を生成する干渉回避プレコーディング手段と、
   前記等価チャネル行列を用いて前記空間多重による全帯域チャネル容量を算出し、前記干渉回避プレコーディング手段によるサブキャリア割り当ての情報およびプレコーディングのウェイト行列を空間多重によるマッピング情報および送信ウェイト情報とし、前記空間多重による全帯域チャネル容量とともに出力する空間多重チャネル容量評価手段と、
   を備えることを特徴とする請求項２に記載の無線通信装置。
4. 前記周波数多重評価手段は、
   通信対象の端末が複数ある場合に、前記伝送路係数に基づいて、複数端末に対して異なるサブキャリアにおいて複数端末宛の信号を同時送信するためのサブキャリア割り当てを行うサブキャリア割り当て手段と、
   前記伝送路係数に基づいてサブキャリア毎にコードブックから重み付け係数を選択する重み付け係数選択手段、もしくは前記伝送路係数に基づいて重み付け係数を生成する重み付け係数生成手段と、
   前記重み付け係数を用いて得られる受信電力から前記周波数多重による全帯域チャネル容量を算出し、前記サブキャリア割り当て手段によるサブキャリア割り当ての情報および前記重み付け係数選択手段で選択された重み付け係数、もしくは前記伝送路係数に基づいて重み付け係数を生成する前記重み付け係数生成手段で生成された重み付け係数を周波数多重によるマッピング情報および送信ウェイト情報とし、前記周波数多重による全帯域チャネル容量とともに出力する周波数多重チャネル容量評価手段と、
   を備えることを特徴とする請求項２または３に記載の無線通信装置。
5. 前記サブキャリア割り当て手段は、各端末の伝送路係数が示す利得に基づいて、各端末にサブキャリアを割り当てる、
   ことを特徴とする請求項４に記載の無線通信装置。
6. 複数のアンテナを含むアナログビーム形成回路を複数備えた無線通信装置における無線通信方法であって、
   通信対象の端末と各アナログビーム形成回路との間のチャネルである伝送路の状況を示す伝送路係数を推定する伝送路係数推定ステップと、
   前記伝送路係数に基づいて、空間多重による送信シンボルのマッピング情報およびマッピング後の信号への重み付け演算に用いる送信ウェイト情報を生成し、また、周波数多重によるマッピング情報および送信ウェイト情報を生成し、いずれかの多重方式によるマッピング情報および送信ウェイト情報を選択するリソーススケジュールステップと、
   前記リソーススケジュールステップで選択されたマッピング情報に基づいて、送信シンボルを周波数軸上にマッピングするマッピングステップと、
   前記リソーススケジュールステップで選択された送信ウェイト情報に基づいて、前記マッピングステップにおいてマッピングされた信号について重み付け演算を行うプレコーダステップと、
   を含むことを特徴とする無線通信方法。
7. 前記リソーススケジュールステップは、
   前記伝送路係数に基づいて、空間多重によるマッピング情報および送信ウェイト情報を生成し、前記空間多重による全帯域チャネル容量を算出する空間多重評価ステップと、
   前記伝送路係数に基づいて、周波数多重によるマッピング情報および送信ウェイト情報を生成し、前記周波数多重による全帯域チャネル容量を算出する周波数多重評価ステップと、
   前記空間多重による全帯域チャネル容量と前記周波数多重による全帯域チャネル容量とを比較して、全帯域チャネル容量の大きい方の評価ステップによるマッピング情報および送信ウェイト情報を選択する比較選択ステップと、
   を含むことを特徴とする請求項６に記載の無線通信方法。
8. 前記空間多重評価ステップは、
   通信対象の端末が複数ある場合に、前記伝送路係数に基づいて、複数端末に対して同一時間、同一周波数において複数端末宛の信号を同時送信するためのサブキャリア割り当てを行い、プレコーディングのウェイト行列を用いてプレコーディング後の等価チャネル行列を生成する干渉回避プレコーディングステップと、
   前記等価チャネル行列を用いて前記空間多重による全帯域チャネル容量を算出し、前記干渉回避プレコーディングステップにおけるサブキャリア割り当ての情報およびプレコーディングのウェイト行列を空間多重によるマッピング情報および送信ウェイト情報とし、前記空間多重による全帯域チャネル容量とともに出力する空間多重チャネル容量評価ステップと、
   を含むことを特徴とする請求項７に記載の無線通信方法。
9. 前記周波数多重評価ステップは、
   通信対象の端末が複数ある場合に、前記伝送路係数に基づいて、複数端末に対して異なるサブキャリアにおいて複数端末宛の信号を同時送信するためのサブキャリア割り当てを行うサブキャリア割り当てステップと、
   前記伝送路係数に基づいて、サブキャリア毎にコードブックから重み付け係数を選択する重み付け係数選択ステップと、
   前記重み付け係数を用いて得られる受信電力から前記周波数多重による全帯域チャネル容量を算出し、前記サブキャリア割り当てステップにおけるサブキャリア割り当ての情報および前記重み付け係数選択ステップにおける重み付け係数を周波数多重によるマッピング情報および送信ウェイト情報とし、前記周波数多重による全帯域チャネル容量とともに出力する周波数多重チャネル容量評価ステップと、
   を含むことを特徴とする請求項７または８に記載の無線通信方法。
10. 前記サブキャリア割り当てステップでは、各端末の伝送路係数が示す利得に基づいて、各端末にサブキャリアを割り当てる、
    ことを特徴とする請求項９に記載の無線通信方法。

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