空間・周波数分割多元接続装置および空間・周波数分割多元接続方法
【課題】 周波数選択性フェージング伝搬環境や独立な伝送路の形成が難しいサブキャリアの存在する伝搬環境において、伝送速度が高くかつビット誤り率を低減する。
【解決手段】 サブキャリア割当部が送信可能なビット数または所要送信電力を参照し、送信ビット数が増加し、所要送信電力が低減するように、送信データの系統数およびサブキャリアごとの受信アンテナの組を伝搬環境の変動に応じて適応的に選択し、所要品質を満足するように各サブキャリアの送信ビット数および送信電力を調整する。
【解決手段】 サブキャリア割当部が送信可能なビット数または所要送信電力を参照し、送信ビット数が増加し、所要送信電力が低減するように、送信データの系統数およびサブキャリアごとの受信アンテナの組を伝搬環境の変動に応じて適応的に選択し、所要品質を満足するように各サブキャリアの送信ビット数および送信電力を調整する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のアンテナを用いて同時に、同一周波数帯域内の複数のチャネルの信号を送受信するＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output) 通信を行う空間・周波数分割多元接続装置および空間・周波数分割多元接続方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の光アクセス等の普及に伴う様々な大容量サービスに対応するため、無線通信の伝送速度の向上が要求されている。伝送速度は占有する周波数帯域に比例するため、周波数帯域を拡大することにより伝送速度の向上は可能である。しかし、実際の周波数資源は有限であるため、周波数帯域の拡大には限界がある。また、周波数帯域を増加させずに伝送速度を向上する方法として、１シンボルあたり２ビットを伝送するＱＰＳＫや、１シンボルあたり６ビットを伝送する64ＱＡＭのような変調多値数の大きい変調方式を用いる方法がある。しかし、多値数の増加に伴い信号点間距離が減少することでノイズによる誤りやハードウェアの特性による誤りが発生しやすくなり、良好な通信品質を確保するために高い信号対雑音比が必要となり、この方法で伝送速度を大きく向上させる難しい。
【０００３】
そこで、これらの方法を用いずに周波数の利用効率を上げて伝送速度を向上する空間分割多元接続が提案されている。空間分割多元接続は、図６に示すように、送信機のアンテナから送信する信号に位相・振幅の重み付けをすることにより、あるいは受信機のアンテナに受信する信号に位相・振幅の重み付けをすることにより、同一周波数を用いる各受信機への送信信号１，２，３を空間的に分離し、同時に送信可能になる。これにより、空間分割多元接続を行わない場合の伝送速度に比べて、空間分割多元接続を行った場合の合計の伝送速度を増加させることができる。
【０００４】
図７は、従来の空間分割多元接続装置の構成例を示す。ここでは、２本のアンテナを搭載する送信機２１と、１本のアンテナを搭載する２台の受信機２２ａ，２２ｂとの間で空間分割多元接続する構成について説明する。また、本構成では、複数のサブキャリアを用いて信号を伝送するＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 変調を併用するものとする。また、本構成ではサブキャリア数を２とした場合を示すが、実際のシステムでは数十から数千程度のサブキャリアが使用される。
【０００５】
送信データ部１ａは、送信機２１から受信機２２ａへ送信する系統１の送信データを保持する。送信データ部１ｂは、送信機２１から受信機２２ｂへ送信する系統２の送信データを保持する。各系統の送信データは、分配部２ａ，２ｂでそれぞれ各サブキャリアに分配される。なお、各系統の送信データが使用するサブキャリアは、いずれもサブキャリア１およびサブキャリア２であり、使用するサブキャリアを共有するものとする。分配部２ａ，２ｂで分配された送信データは、サブキャリア変調部９ａ，９ｂでサブキャリア変調される。サブキャリア変調には、１シンボル当たり１ビットを伝送するＢＰＳＫや１シンボル当たり８ビットを伝送する 256ＱＡＭなど、システム設計に応じた様々な変調方式が用いられる。
【０００６】
ここで、ある時刻の系統１、サブキャリア１、サブキャリア変調後における送信シンボルをＡとし、系統２、サブキャリア１、サブキャリア変調後における送信シンボルをＢとする。これらから構成される送信信号ｄは
【０００７】
【数１】
【０００８】
と表される。
この送信信号ｄは空間分割多元接続が可能になるように、すなわち受信機２２ａ，２２ｂがシンボルＡおよびシンボルＢをそれぞれ受信できるように、重み乗算部４ａで位相・振幅の調整が行われる。この重み乗算部４ａの重みは、重み計算部１１が伝搬パラメータ推定部１２の保有する送受信アンテナ間の伝搬パラメータを参照して算出する。サブキャリア２に対応する送信信号についても同様に、重み乗算部４ｂで位相・振幅の調整が行われる。
【０００９】
ここで、伝搬パラメータの定義と伝搬パラメータ推定部１２の動作について説明する。本構成では、２本の送信アンテナ６ａ，６ｂから信号が送信され、各送信信号はそれぞれ異なる空間を通過して異なる変動を受け、２本の受信アンテナ７ａ，７ｂで受信される。送信アンテナ６ａから出力アンテナ７ａへの伝搬パラメータをｈ11、送信アンテナ６ａから出力アンテナ７ｂへの伝搬パラメータをｈ21、送信アンテナ６ｂから出力アンテナ７ａへの伝搬パラメータをｈ12、送信アンテナ６ｂから出力アンテナ７ｂへの伝搬パラメータをｈ22とし、これらから伝搬パラメータＨは
【００１０】
【数２】
【００１１】
と表される。伝搬パラメータＨは、受信アンテナ数の行数と送信アンテナ数の列数をもち、図７の構成の場合には２行２列となる。
【００１２】
受信機２２ａ，２２ｂからの逆リンクが存在する場合は、Ｈは逆リンクの信号から伝搬パラメータ推定部１２が推定する。または、受信機２２ａ，２２ｂが推定し、その結果を伝搬パラメータ推定部１２に別途通知し、伝搬パラメータ推定部１２が保有する。
【００１３】
仮に、重み乗算部４ａ，４ｂを用いずに信号を送信した場合には、各送信アンテナからの信号をｘとすると、各受信アンテナではｘが重畳されて受信され、ｘとＨから受信アンテナにおける信号ｙは、
ｙ＝Ｈｘ …(1)
と表される。前述の条件より、この場合はｘ＝ｄである。
【００１４】
ここで、受信機において重みの調整を行い、その受信信号から送信された信号を取り出すことで空間分割多元接続が実現する。なお、複数のアンテナにより複数の異なる送信信号を分離する代表的な計算方法には、特許文献１や非特許文献１のZero Forcingによる方法、非特許文献２のMaximum Likelihood Detectionによる方法、非特許文献３のMinimum Mean Square Error による方法等がある。
【００１５】
また、送信機において重みの調整を行い、その結果として各受信機の受信アンテナに希望の送信信号が受信されることでも空間分割多元接続が実現する。図７において、この計算を担う重み計算部１１について、上記のZero Forcingによる方法に基づいてその動作を説明する。簡単のために、信号の雑音の表示については省略する。
【００１６】
重み計算部１１は、伝搬パラメータ推定部１２から得た伝搬パラメータ行列Ｈを参照して重みを計算する。ここで得られる重みを行列Ｃとすると、重み適用後の送信信号ｘは、
ｘ＝Ｃｄ …(2)
と表される。式(1) と式(2) とにより、重みＣがＨの逆行列であれば所望の結果が得られることがわかる。この行列計算を一般化し、重みＣは疑似逆行列を用いて、
Ｃ＝Ｈ*(ＨＨ*)-1 …(3)
と表される。ここで、＊は行列の転置を表し、−１は通常の逆行列計算を表す。
【００１７】
この計算で得られた重みＣが重み乗算部４ａ，４ｂで送信信号に乗算される。重み乗算部４ａの出力は、系統１，２のサブキャリア１を用いて送信アンテナ６ａ，６ｂから送信する信号を表す。同様に、重み乗算部４ｂの出力は、系統１，２のサブキャリア２を用いて送信アンテナ６ａ，６ｂから送信する信号を表す。
【００１８】
重み乗算部４ａ，４ｂの出力は、ＩＦＦＴ（Inverse Fast Fourier Transform) 演算部５ａ，５ｂでそれぞれＩＦＦＴ演算された後にガードインターバルが付加され、ＯＦＤＭ信号に変換される。このＯＦＤＭ信号は送信アンテナ６ａ，６ｂから送信され、空間上で伝搬パラメータ行列Ｈの変動を受けた後に受信アンテナ７ａ，７ｂに到達する。この時点で、受信機２２ａ，２２ｂにはそれぞれ所望とする信号が受信され、受信部８ａ，８ｂが送信シンボルＡ，Ｂを復元する。このようにして空間分割多元接続が実現する。
【特許文献１】特許３６３１６９８号公報
【非特許文献１】Q.H.Spencer, et al.,"An introduction to the multi-user MIMO downlink", IEEE Commun. Mag.,Oct.2004
【非特許文献２】R.van Nee, et al.,"Maximum Likelihood decoding in a space division multiplexing system", Proc.IEEE VTC 2000, pp.6-10, May 2000
【非特許文献３】A.Benjebbour, et al.,"A Semi-Adaptive MNSE Weights Generation Approach for Ordered Successive Detection in MIMO Systems",IEICE Trans.Commun.,Vol.E87-B,No.2,Feb.2004
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
空間分割多元接続が理想的に行われるには、送受信アンテナ間の伝搬環境が良く、かつ複数の受信アンテナに対してＭＩＭＯ伝送路が形成される必要がある。しかし、実際の電波伝搬ではこれらの条件を満足するとは限らない。
【００２０】
ここで、第１の条件である送受信アンテナ間の伝搬環境について説明する。無線通信では、一般に送信アンテナから送信された信号は伝搬経路中の障害物により様々な経路を通過し、反射を受けた後に受信アンテナに到達し、これら複数の異なる遅延時間をもつ信号が合成されて受信する。このとき、各信号は周波数ごとに異なる位相関係で合成されるため、帯域内に振幅偏差が発生する。この現象は周波数選択性フェージングと呼ばれる。
【００２１】
周波数選択性フェージングは、図８に示すように周波数ごとにレベルが大きく異なることがわかる。なお、図８の横軸はＯＦＤＭ信号のサブキャリア番号、すなわち周波数に対応している。縦軸は、受信機における瞬時信号電力対雑音電力比（以下「Ｃ／Ｎ」という）であり、各サブキャリアの雑音電力の期待値を一定とみなした場合の受信電力レベルの相対値に相当する。図８の帯域全体を使ってシングルキャリア伝送を行った場合、その帯域内の振幅偏差が原因となってビット誤り率が悪化する。これに対し、ＯＦＤＭ信号は図８の帯域を複数の狭帯域信号（サブキャリア）に分割して伝送されるので、各サブキャリアで発生する振幅偏差は小さく、サブキャリアごとには一様振幅とみなすことができ、帯域内の振幅偏差に起因するビット誤り率を改善することができる。
【００２２】
しかし、図８に示すように、周波数選択性フェージング環境下における各サブキャリアの受信電力レベルは大きく異なっている。このような周波数選択性フェージング伝搬環境で複数のサブキャリアに対して単一のサブキャリア変調方式を用いて信号を伝送した場合、Ｃ／Ｎの低いサブキャリアのビット誤り率ＢＥＲは極端に悪化し、結果として全体の通信ができなくなるおそれがある。
【００２３】
次に、第２の条件であるＭＩＭＯ伝送路の形成について説明する。空間分割多元接続を行うためには、図６に示すように各端末に対して独立な伝送路が形成され、必要な情報のみが送信されることが理想である。一方、実伝搬環境では干渉を回避する重みを計算した結果、受信機の受信アンテナにおける信号の位相条件次第では受信レベルが低下するおそれがある。これは、伝搬環境がよいサブキャリアを用いた場合にも発生する。このような伝搬環境において空間分割多元接続を行った場合には、受信機の誤り率を満足するための十分な受信電力が得られず、場合によっては信号の復元ができない問題がある。これを克服するには送信電力を増加する方法があるが、一般に送信電力は有限であるため、送信電力の増加で解決できるとは限らない。
【００２４】
このように、空間分割多元接続装置は周波数選択性フェージング伝搬環境において、伝搬環境の悪いサブキャリアを用いて通信を行った場合や、独立な伝送路の形成が難しい伝搬環境でＭＩＭＯ伝送を行った場合に、受信機におけるビット誤り率が悪化する問題があった。
【００２５】
本発明は、周波数選択性フェージング伝搬環境や独立な伝送路の形成が難しいサブキャリアの存在する伝搬環境において、伝送速度が高くかつビット誤り率を低減した空間・周波数分割多元接続装置および空間・周波数分割多元接続方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
第１の発明は、複数の送信アンテナを有する１つの送信機と、それぞれが１以上の受信アンテナおよび受信部を有する１以上の受信機との間で、空間および周波数を分割して接続する空間・周波数分割多元接続装置において、送信機は、受信機の各受信部に送信する送信データを系統別に保有する送信データ部と、送信データ部から各系統の送信データを入力し、系統ごとに送信データが占有する１以上のサブキャリアに分配する分配部と、分配部から各サブキャリアに分配した送信データを入力し、所要の通信品質を満足する条件下で、各サブキャリアが送信する送信ビット数および送信電力を決定するサブキャリア変調・電力割当部と、サブキャリア変調・電力割当部の出力のうち、同一のサブキャリアを用いる１以上の送信データに対して重みを乗算するサブキャリア数と同数の重み乗算部と、重み乗算部の出力のうち、１つの送信アンテナから送信するすべてのサブキャリアの信号を逆フーリエ変換（ＩＦＦＴ変換）し、各送信アンテナにそれぞれ接続するＩＦＦＴ演算部と、各送信アンテナと各受信アンテナ間のサブキャリアごとの伝搬パラメータを推定する伝搬パラメータ推定部と、サブキャリア変調・電力割当部の割当結果を参照し、受信部に送信する送信データの系統数、要求ビットレート、送信アンテナの送信電力、および変動する伝搬パラメータに応じて、各送信データが使用するサブキャリアを決定して分配部に通知するサブキャリア割当部と、サブキャリア割当部のサブキャリア割り当てに従い、伝搬パラメータ推定部の出力から空間分割多重するための各送信アンテナから送信する各サブキャリアの重みを決定し、サブキャリア変調・電力割当部および重み乗算部に通知する重み計算部とを備える。
【００２７】
ここで、重み計算部は、空間分割多重により伝送される各系統の送信データをそれぞれ対応する受信部が復元できる（例えば直交ビームを形成する）重みを算出する構成である。
【００２８】
第１の発明の空間・周波数分割多元接続装置のサブキャリア割当部は、各系統の送信データが同一のサブキャリアを占有するように割り当てる構成である。特に、サブキャリア割当部は、サブキャリア変調・電力割当部から割当可能ビット数を参照し、全系統の送信データの合計ビットレートが最大になるようにサブキャリアの割り当てを行う構成としてもよい。また、サブキャリア割当部は、サブキャリア変調・電力割当部から割当可能ビット数を参照し、各系統の送信データの所要ビットレートを満足するようにサブキャリアの割り当てを行う構成としてもよい。また、サブキャリア割当部は、サブキャリア変調・電力割当部から割当可能ビット数を参照し、全系統の送信データの合計ビットレートが最大になり、かつ各系統の送信データの所要ビットレートを満足するようにサブキャリアの割り当てを行う構成としてもよい。さらに、サブキャリア割当部は、各系統の送信データが占有するサブキャリアの組み合わせを未知変数とし、未知変数に値を入力したときの全系統の送信データの合計ビットレートおよび各系統の送信データの所要ビットレートを最大化する目的関数として、遺伝的アルゴリズムを用いて未知変数の解を得る構成としてもよい。
【００２９】
第１の発明の空間・周波数分割多元接続装置のサブキャリア割当部は、サブキャリア変調・電力割当部から所要送信電力を参照し、各系統の送信データの所要ビットレートを満足する所要送信電力が最小になるようにサブキャリアの割り当てを行う構成としてもよい。さらに、サブキャリア割当部は、各系統の送信データが占有するサブキャリアの組み合わせを未知変数とし、未知変数に値を入力したときの各系統の送信データの所要ビットレートを満足する所要送信電力を最小化する目的関数として、遺伝的アルゴリズムを用いて未知変数の解を得る構成としてもよい。
【００３０】
また、第１の発明の空間・周波数分割多元接続装置は、１つの受信機が複数の受信アンテナおよび受信部を備え、当該受信機が１または複数の系統の送信データを受信する構成としてもよい。
【００３１】
また、第１の発明の空間・周波数分割多元接続装置は、複数の送信アンテナが空間的に離れた位置に設置され、各送信アンテナがサブキャリアごとに異なるサービスエリアを形成し、サブキャリア割当部は、各系統の送信データが干渉しないサブキャリアの組み合わせを選択する構成としてもよい。
【００３２】
第２の発明は、複数の送信アンテナを有する１つの送信機と、それぞれが１以上の受信アンテナおよび受信部を有する１以上の受信機との間で、空間および周波数を分割して接続する空間・周波数分割多元接続方法において、送信機は、送信データ部が受信機の各受信部に送信する送信データを系統別に保有し、分配部が送信データ部から各系統の送信データを入力し、系統ごとに送信データが占有する１以上のサブキャリアに分配し、サブキャリア変調・電力割当部が分配部から各サブキャリアに分配した送信データを入力し、所要の通信品質を満足する条件下で、各サブキャリアが送信する送信ビット数および送信電力を決定し、重み乗算部がサブキャリア変調・電力割当部の出力のうち、同一のサブキャリアを用いる１以上の送信データに対して重みを乗算し、ＩＦＦＴ演算部が重み乗算部の出力のうち、１つの送信アンテナから送信するすべてのサブキャリアの信号を逆フーリエ変換（ＩＦＦＴ変換）し、各送信アンテナにそれぞれ接続し、伝搬パラメータ推定部が各送信アンテナと各受信アンテナ間のサブキャリアごとの伝搬パラメータを推定し、サブキャリア割当部がサブキャリア変調・電力割当部の割当結果を参照し、受信部に送信する送信データの系統数、要求ビットレート、送信アンテナの送信電力、および変動する伝搬パラメータに応じて、各送信データが使用するサブキャリアを決定して分配部に通知し、重み計算部がサブキャリア割当部のサブキャリア割り当てに従い、伝搬パラメータ推定部の出力から空間分割多重するための各送信アンテナから送信する各サブキャリアの重みを決定し、サブキャリア変調・電力割当部および重み乗算部に通知する。
【００３３】
第２の発明のサブキャリア割当部は、各系統の送信データが同一のサブキャリアを占有するように割り当てるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００３４】
本発明の空間・周波数分割多元接続装置は、サブキャリア割当部が送信可能なビット数または所要送信電力を参照し、送信ビット数が増加し、所要送信電力が低減するように、送信データの系統数およびサブキャリアごとの受信アンテナの組を伝搬環境の変動に応じて適応的に選択し、所要品質を満足するように各サブキャリアの送信ビット数および送信電力を調整することができる。
【００３５】
本発明の空間・周波数分割多元接続装置のサブキャリア割当部は、各サブキャリアに対して送信可能ビット数が増加するような伝搬パラメータの組となる受信アンテナを選択することにより、優れたビット誤り率を維持しつつビットレートの高い通信を行うことができる。
【００３６】
また、本発明の空間・周波数分割多元接続装置のサブキャリア割当部は、各サブキャリアに対して所要送信ビット数を満たしつつ所要送信電力が低減するような伝搬パラメータの組となる受信アンテナを選択することにより、優れたビット誤り率を維持しつつ送信電力を低減した通信を行うことができる。
【００３７】
さらに、本発明の空間・周波数分割多元接続装置は、１台の受信機が複数の受信アンテナおよび受信部を備えることにより、受信機当たりのビットレートを高めることができる。
【００３８】
さらに、本発明の空間・周波数分割多元接続装置は、互いに干渉を与えにくい伝搬環境をもつ送受信アンテナの組を選択することにより、複数の独立な通信路を形成してビットレートを高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の空間・周波数分割多元接続装置の第１の実施形態を示す。ここでは、２本のアンテナを搭載する送信機２１と、１本のアンテナを搭載する２台の受信機２２ａ，２２ｂとの間で空間・周波数分割多元接続する構成について説明する。また、本構成では、周波数選択性フェージングに有効な複数のサブキャリアを用いて信号を伝送するＯＦＤＭ変調を併用するものとし、簡単のために最大サブキャリア数を２とする。
【００４０】
図において、送信データ部１ａ，１ｂ、分配部２ａ，２ｂ、重み乗算部４ａ，４ｂ、ＩＦＦＴ演算部５ａ，５ｂ、送信アンテナ６ａ，６ｂ、受信アンテナ７ａ，７ｂ、受信部８ａ，８ｂ、重み計算部１１、伝搬パラメータ推定部１２は、図６に示す従来構成と同様である。
【００４１】
本実施形態の特徴は、従来の空間分割多元接続装置のサブキャリア変調部９ａ，９ｂをサブキャリア変調・電力割当部３ａ，３ｂに置き換え、重み計算部１１の出力に応じて通信品質を満足するように各サブキャリアの送信ビット数と送信電力を調整するとともに、その情報を新たに設けたサブキャリア割当部１０に与え、分配部２ａ，２ｂがサブキャリア割当部１０を参照し、送信ビットレートが増加するように各系統が使用するサブキャリアを選択するところにある。
【００４２】
以下、本実施形態の構成による動作例について説明する。
送信データ部１ａは、送信機２１から受信機２２ａへ送信する系統１の送信データを保持する。送信データ部１ｂは、送信機２１から受信機２２ｂへ送信する系統２の送信データを保持する。各系統の送信データは、分配部２ａ，２ｂがサブキャリア割当部１０を参照し、使用するサブキャリアに分配される。ここでは、分配部２ａはサブキャリア１およびサブキャリア２を使用し、分配部２ｂはサブキャリア１のみを使用する。これに対応するようにサブキャリア割当部１０が指示するサブキャリア割当用行列Ｄは、
【００４３】
【数３】
【００４４】
と表わされる。ここで、各列は送信データの系統を表し、各列はサブキャリアの番号を表し、サブキャリアを使用する場合を「１」、使用しない場合を「０」としている。サブキャリア割当用行列Ｄの決定方法については後述する。
【００４５】
まず、重み計算部１１の動作について説明する。重み計算部１１は、伝搬パラメータ推定部１２から得た伝搬パラメータ行列Ｈと、サブキャリア割当部１０が出力するサブキャリア割当用行列Ｄを参照し、空間分割多元接続が可能になるように重みを計算する。ここで得られるサブキャリア１の重みＣ(1) およびサブキャリア２の重みＣ(2) は、疑似逆行列を用いて、
Ｃ(1) ＝Ｈ(1)*(Ｈ(1)Ｈ(1)*)-1
Ｃ(2) ＝Ｈ(2)*(Ｈ(2)Ｈ(2)*)-1 …(4)
で表される。ここで、＊は行列の転置を表し、−１は通常の逆行列計算を表す。Ｈ(1) およびＨ(2) は、各サブキャリアが使用する受信アンテナに関する伝搬パラメータで構成され、
【００４６】
【数４】
【００４７】
と表される。
分配部２ａ，２ｂで分配された送信ビットは、サブキャリア変調・電力分配部３ａ，３ｂでサブキャリア変調される。ここでは、各サブキャリアの重みＣ(1) ，Ｃ(2) と、伝搬パラメータＨ(1) ，Ｈ(2) とを参照し、受信機２２ａ，２２ｂが必要とする誤り率を満足するように変調方式と電力とを決定する。
【００４８】
サブキャリア変調・電力分配部３ａ，３ｂの動作について、図２を参照して説明する。ここでは、Greedy water-filling algorithmに従った変調方式の決定と送信電力の配分について示すが、これ以外の方法を用いてもよいし、変調方式を固定として送信電力のみを調整する方法、あるいは送信電力を固定として変調方式のみを調整する方法を用いてもよい。また、サブキャリア変調には、１シンボル当たり２ビットを伝送するＱＰＳＫ、１シンボル当たり４ビットを伝送する16ＱＡＭ、１シンボル当たり６ビットを伝送する64ＱＡＭを用いるものとする。
【００４９】
まず、各サブキャリアに配分する送信電力Ｐ(n) をすべて０、変調方式番号Ｍ(n) を０として初期化する（Ｓ１）。ここで、ｎはサブキャリア番号であり１〜Ｎの整数とする。Ｎは使用サブキャリア数であり、本実施形態では系統１は２、系統２は１である。Ｍ(n) が０の場合はサブキャリアｎへのビットの割り当てなし、１の場合は２ビット割り当て（ＱＰＳＫ）、２の場合は４ビット割り当て（16ＱＡＭ）、３の場合は６ビット割り当て（64ＱＡＭ）とする。
【００５０】
次に、各サブキャリアごとに現在の状態よりも２ビット多く伝送する、すなわち変調方式を１段階増加するために必要な加算電力ΔＰ0(n)を次式に基づいて計算する（Ｓ２）。
ΔＰ0(n)＝｛Ｒ(Ｍ(n)＋１)−Ｒ(Ｍ(n))｝／｛ΣＨ(n)Ｃ(n)｝2
ΔＰ(n) ＝ΔＰ0(n)Σ｜Ｃ(n)｜2
ここで、Ｒ(Ｍ(n)) は変調方式番号Ｍ(n) のときに必要な受信電力、ΣＨ(n)Ｃ(n)はサブキャリアごとの目的の受信アンテナが関連する成分の和を表す。ΔＰ0(n)はサブキャリア変調・電力割当部３ａ，３ｂの出力におけるレベルであり、これを送信アンテナから出力される電力に換算したものがΔＰ(n) である。伝搬パラメータＨ(n) は、受信機から送出されるリバースリンクのトレーニング信号から推定する構成であり、送信機において既知であるものとする。
【００５１】
次に、ステップＳ２で求めた各サブキャリアの加算電力ΔＰ(1) 〜ΔＰ(N) の最小値をΔＰmin と、そのときのサブキャリア番号ｎmin を探索する（Ｓ３）。なお、ステップＳ３のarg(min(ΔＰ(n))) は、ΔＰmin におけるｎを出力する関数である。
【００５２】
次に、これまでに各サブキャリアに配分した送信電力Ｐ(1) 〜Ｐ(N) の合計sum(Ｐ(n))とステップＳ３で探索したΔＰmin の和と、最大送信電力Ｐmax を比較し（Ｓ４）、sum(Ｐ(n))＋ΔＰmin がＰmax を超えた場合には、このビットの割り当てを行うことはできないので処理を終了する。一方、sum(Ｐ(n))＋ΔＰmin がＰmax を超えない場合には、加算電力が最小となるサブキャリアｎmin に変調方式番号および電力を割り当てる。すなわち、サブキャリアｎmin の送信電力Ｐ(ｎmin)にΔＰmin を増加し、変調方式番号Ｍ(ｎmin)に１を増加し（Ｓ５）、再度ステップＳ２からの手順を繰り返す。これにより、サブキャリア番号ｎmin に対して、常に品質を一定に保ったまま、変調方式番号（Ｍ(ｎmin)＋１)と送信電力（Ｐ(ｎmin)＋ΔＰmin) の割り当てが行われる。
【００５３】
なお、最大送信電力Ｐmax は総送信電力を系統数で割ってもよいし、総送信電力を超えない範囲でユーザごとに異なる電力を割り当ててもよい。この段階で、変調方式番号Ｍ(n) が初期値０のままのサブキャリアは送信電力Ｐ(n) も０であり、送信ビットおよび送信電力が配分されないサブキャリアである。
【００５４】
ここで、ある時刻の系統１、サブキャリア１、サブキャリア変調・電力割当部３ａの出力における送信シンボルをＡとし、系統２、サブキャリア１、サブキャリア変調・電力割当部３ｂの出力における送信シンボルをＢとする。
【００５５】
これらの信号は、重み計算部１１で先に求めた重みＣが乗算され、位相・振幅の調整が行われる。重み乗算部４ａの出力は、系統１，２のサブキャリア１を用いて送信アンテナ６ａ，６ｂから送信する信号を表す。同様に、重み乗算部４ｂの出力は、系統１のサブキャリア２を用いて送信アンテナ６ａ，６ｂから送信する信号を表す。
【００５６】
重み乗算部４ａ，４ｂの出力は、ＩＦＦＴ演算部５ａ，５ｂでそれぞれＩＦＦＴ演算された後にガードインターバルが付加され、ＯＦＤＭ信号に変換される。このＯＦＤＭ信号は送信アンテナ６ａ，６ｂから送信され、空間上で伝搬パラメータ行列Ｈの変動を受けた後に受信アンテナ７ａ，７ｂに到達する。この時点で、受信機２２ａ，２２ｂにはそれぞれ所望とする信号が受信され、受信部８ａ，８ｂが送信シンボルＡ，Ｂを復元する。
【００５７】
サブキャリア割当部１０は、指示したサブキャリア割当用行列Ｄに対してサブキャリア変調・電力割当部３ａ，３ｂが行った割り当て結果を参照し、各系統の送信信号の合計ビットレートを最大化するようにサブキャリア割当用行列Ｄを調整する。また、各系統の送信信号の所要ビットレートを満足するようにサブキャリア割当用行列Ｄを調整してもよい。また、全系統の送信信号の合計ビットレートの増加と各系統の送信信号の所要ビットレートが両立するようにサブキャリア割当用行列Ｄを調整してもよい。また、サブキャリア割当部１０におけるサブキャリア割当用行列Ｄの決定と、サブキャリア変調・電力割当部３ａ，３ｂにおけるビット数の通知を繰り返し行った後に信号を送出するようにしてもよい。
【００５８】
ここまで、送信アンテナを２本搭載する１台の送信機２１と、受信アンテナを１本搭載する２台の受信機２２ａ，２２ｂで構成される例を示したが、送信アンテナが３本以上であっても、また受信機が１台または３台以上であっても同様である。また、複数の受信アンテナからその数よりも少ない数の一連の計算に用いる受信アンテナ、すなわち送信系統数を事前に定めてもよい。以上により、伝送速度が高くかつ優れたビット誤り率を維持する通信が可能となる。
【００５９】
（第２の実施形態）
本発明の空間・周波数分割多元接続装置の第２の実施形態は、図１に示す第１の実施形態の構成において、サブキャリア変調・電力割当部３ａ，３ｂの動作規範が異なり、各系統が所要ビットレートを満足するように動作することを特徴とする。サブキャリア変調・電力割当部３ａ，３ｂ以外の動作は第１の実施形態と同様である。
【００６０】
本実施形態のサブキャリア変調・電力分配部３ａ，３ｂの動作について、図３を参照して説明する。ここでは、Greedy water-filling algorithmに従った変調方式の決定と送信電力の配分について示すが、これ以外の方法を用いてもよいし、変調方式を固定として送信電力のみを調整する方法、あるいは送信電力を固定として変調方式のみを調整する方法を用いてもよい。
【００６１】
図３において、ステップＳ11〜Ｓ13は、図２に示す第１の実施形態のステップＳ１〜Ｓ３と同じであり、ステップＳ13の次に、加算電力が最小となるサブキャリアｎmin に変調方式番号および電力を割り当てる。すなわち、サブキャリアｎmin の送信電力Ｐ(ｎmin)にΔＰmin を増加し、変調方式番号Ｍ(ｎmin) に１を増加する（Ｓ14）。この演算を行うことにより、次に品質を一定に保ったままで電力と変調方式の割り当てを行うことができる。
【００６２】
次に、これまでに各サブキャリアに配分した変調方式番号Ｍ(1) 〜Ｍ(N) の合計sum(Ｍ(n))と、所要ビットレートＭmax を比較し（Ｓ15）、sum(Ｍ(n))がＭmax を超えない場合には、再度ステップＳ12からの手順を繰り返す。そして、sum(Ｍ(n))がＭmax を超えた時点で処理を終了する。この段階で、変調方式番号Ｍ(n) が初期値０のままのサブキャリアは送信電力Ｐ(n) も０であり、送信ビットおよび送信電力が配分されないサブキャリアである。以上により、伝送速度が高くかつ優れたビット誤り率を維持する通信が可能となる。
【００６３】
（第３の実施形態）
本発明の空間・周波数分割多元接続装置の第３の実施形態は、図１に示す第１の実施形態の構成において、サブキャリア割当部１０の動作に遺伝的アルゴリズムを導入するところに特徴とする。サブキャリア割当部１０以外の動作は第１の実施形態または第２の実施形態と同様である。
【００６４】
本実施形態のサブキャリア割当部１０の動作について、図４を参照して説明する。
サブキャリア割当部１０は、その内部に第１の実施形態で示したサブキャリア割当用行列Ｄを複数個保有している（Ｓ21）。ここでは、サブキャリア割当用行列Ｄ1 ，Ｄ2 の２つを保有しているものとし、これがサブキャリア割当の候補となる。各サブキャリア割当用行列Ｄ1 ，Ｄ2 の初期値は全零、全１、または０と１の乱数で与える。初期値における各サブキャリア割当用行列Ｄ1 ，Ｄ2 の要素は同じであっても異なっていてもよい。
【００６５】
次に、各サブキャリア割当用行列Ｄ1 ，Ｄ2 の性能の評価を行う（Ｓ22）。すなわち、Ｄ1 またはＤ2 を図１における分配部２ａ，２ｂに与えた際のサブキャリア変調・電力割当部３ａ，３ｂの計算結果（第１の実施形態における所要ビット数、第２の実施形態における所要電力）を得る。Ｄ1 に対する結果をＥ1 、Ｄ2 に対する結果をＥ2 とする。ここで、Ｅ1 またはＥ2 が所要のビット数または電力を満足しているか否かを判断し（Ｓ23）、満足している場合には処理を終了し、満足していない場合には次のステップに進む。
【００６６】
次に、サブキャリア割当用行列Ｄ1 ，Ｄ2 の選択を行う（Ｓ24）。これは、先の評価結果から特性の優れるものを次の世代に確率的に残りやすくするものである。ここでは、元のＤ1 ，Ｄ2 からＤ2 を削除し、Ｄ1 を複製して新たにＤ1 ，Ｄ2 を生成する。
【００６７】
次に、新たなサブキャリア割当用行列Ｄ1 ，Ｄ2 の交叉を行う（Ｓ25）。これは、行列間での要素の入れ替えであり、確率的に発生させる。ここでは、元のＤ1 を構成する成分ｃ，ｄと、Ｄ2 を構成する成分ｇ，ｈとを入れ替え、新たにＤ1 ，Ｄ2 を生成する。
【００６８】
次に、新たなサブキャリア割当用行列Ｄ1 ，Ｄ2 の突然変異を行い（Ｓ26）、ステップＳ22に戻る。これは、行列内での要素の変化であり、確率的に発生させる。ここでは、ビットの反転を意味し、Ｄ1 を構成する成分ｃ（例えば０）がビット反転し、成分ｃが１となった新たなＤ1 を生成する。
【００６９】
このステップＳ22からステップＳ26までの処理は、所要のビット数または電力の条件が達成されるまで繰り返される。以上により、伝送速度が高くかつ優れたビット誤り率を維持する通信が可能となる。
【００７０】
（第４の実施形態）
図５は、本発明の空間・周波数分割多元接続装置の第４の実施形態を示す。
本実施形態は、図１に示す第１の実施形態と同様に、２本のアンテナを搭載する送信機２１と、１本のアンテナを搭載する２台の受信機２２ａ，２２ｂとの間で空間・周波数分割多元接続する構成であるが、送信機２１の送信アンテナ６ａ，６ｂが大幅に離れた位置に配置される場合を想定している。そのため、送信アンテナ６ａの送信信号が到達する領域Ａと、送信アンテナ６ｂの送信信号が到達する領域Ｂが大きく異なる。なお、領域Ａ，Ｂは、あるサブキャリアに対する例であり、周波数選択性フェージングが生ずる伝搬環境ではサブキャリアごとに生じる領域は異なる。
【００７１】
ここで、領域Ａおよび領域Ｂに属さない領域は信号が到達しないため、このサブキャリアで通信を行うことはできない。ただし、他のサブキャリアではいずれか一方の領域、または両方の領域に含まれる可能性はある。
【００７２】
領域Ａおよび領域Ｂに属する領域は、第１〜第３の実施形態に示す動作で空間分割多元接続が可能である。
【００７３】
領域Ａのみに属する領域は、領域Ｂの影響を受けない。図５では、この領域に受信機２２ａが位置している。したがって、受信機２２ａは送信アンテナ６ｂからの信号に関わらず通信を行うことができる。同様に、領域Ｂのみに属する領域は、領域Ａの影響を受けない。図５では、この領域に受信機２２ｂが位置している。したがって、受信機２２ｂは送信アンテナ６ａからの信号に関わらず通信を行うことができる。サブキャリア割当部１０は、このような組合せを選択するように動作する。この結果、同一サブキャリアを使用する独立した複数の伝送経路が形成され、システム全体の伝送速度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の空間・周波数分割多元接続装置の第１の実施形態を示す図。
【図２】第１の実施形態におけるサブキャリア変調・電力分配部３ａ，３ｂの動作例を示すフローチャート。
【図３】第２の実施形態におけるサブキャリア変調・電力分配部３ａ，３ｂの動作例を示すフローチャート。
【図４】第３の実施形態におけるサブキャリア割当部１０の動作例を示すフローチャート。
【図５】本発明の空間・周波数分割多元接続装置の第４の実施形態を示す図。
【図６】従来の空間分割多元接続の例を示す図。
【図７】従来の空間分割多元接続装置の構成例を示す図。
【図８】周波数選択性フェージングの例を示す図。
【符号の説明】
【００７５】
１ａ，１ｂ 送信データ部
２ａ，２ｂ 分配部
３ａ，３ｂ サブキャリア変調部
４ａ，４ｂ 重み乗算部
５ａ，５ｂ ＩＦＦＴ演算部
６ａ，６ｂ 送信アンテナ
７ａ，７ｂ 受信アンテナ
８ａ，８ｂ 受信部
９ａ，９ｂ サブキャリア変調・電力割当部
１０ サブキャリア割当部
１１ 重み計算部
１２ 伝搬パラメータ推定部
２１ 送信機
２２ａ，２２ｂ 受信機
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のアンテナを用いて同時に、同一周波数帯域内の複数のチャネルの信号を送受信するＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output) 通信を行う空間・周波数分割多元接続装置および空間・周波数分割多元接続方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の光アクセス等の普及に伴う様々な大容量サービスに対応するため、無線通信の伝送速度の向上が要求されている。伝送速度は占有する周波数帯域に比例するため、周波数帯域を拡大することにより伝送速度の向上は可能である。しかし、実際の周波数資源は有限であるため、周波数帯域の拡大には限界がある。また、周波数帯域を増加させずに伝送速度を向上する方法として、１シンボルあたり２ビットを伝送するＱＰＳＫや、１シンボルあたり６ビットを伝送する64ＱＡＭのような変調多値数の大きい変調方式を用いる方法がある。しかし、多値数の増加に伴い信号点間距離が減少することでノイズによる誤りやハードウェアの特性による誤りが発生しやすくなり、良好な通信品質を確保するために高い信号対雑音比が必要となり、この方法で伝送速度を大きく向上させる難しい。
【０００３】
そこで、これらの方法を用いずに周波数の利用効率を上げて伝送速度を向上する空間分割多元接続が提案されている。空間分割多元接続は、図６に示すように、送信機のアンテナから送信する信号に位相・振幅の重み付けをすることにより、あるいは受信機のアンテナに受信する信号に位相・振幅の重み付けをすることにより、同一周波数を用いる各受信機への送信信号１，２，３を空間的に分離し、同時に送信可能になる。これにより、空間分割多元接続を行わない場合の伝送速度に比べて、空間分割多元接続を行った場合の合計の伝送速度を増加させることができる。
【０００４】
図７は、従来の空間分割多元接続装置の構成例を示す。ここでは、２本のアンテナを搭載する送信機２１と、１本のアンテナを搭載する２台の受信機２２ａ，２２ｂとの間で空間分割多元接続する構成について説明する。また、本構成では、複数のサブキャリアを用いて信号を伝送するＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 変調を併用するものとする。また、本構成ではサブキャリア数を２とした場合を示すが、実際のシステムでは数十から数千程度のサブキャリアが使用される。
【０００５】
送信データ部１ａは、送信機２１から受信機２２ａへ送信する系統１の送信データを保持する。送信データ部１ｂは、送信機２１から受信機２２ｂへ送信する系統２の送信データを保持する。各系統の送信データは、分配部２ａ，２ｂでそれぞれ各サブキャリアに分配される。なお、各系統の送信データが使用するサブキャリアは、いずれもサブキャリア１およびサブキャリア２であり、使用するサブキャリアを共有するものとする。分配部２ａ，２ｂで分配された送信データは、サブキャリア変調部９ａ，９ｂでサブキャリア変調される。サブキャリア変調には、１シンボル当たり１ビットを伝送するＢＰＳＫや１シンボル当たり８ビットを伝送する 256ＱＡＭなど、システム設計に応じた様々な変調方式が用いられる。
【０００６】
ここで、ある時刻の系統１、サブキャリア１、サブキャリア変調後における送信シンボルをＡとし、系統２、サブキャリア１、サブキャリア変調後における送信シンボルをＢとする。これらから構成される送信信号ｄは
【０００７】
【数１】
【０００８】
と表される。
この送信信号ｄは空間分割多元接続が可能になるように、すなわち受信機２２ａ，２２ｂがシンボルＡおよびシンボルＢをそれぞれ受信できるように、重み乗算部４ａで位相・振幅の調整が行われる。この重み乗算部４ａの重みは、重み計算部１１が伝搬パラメータ推定部１２の保有する送受信アンテナ間の伝搬パラメータを参照して算出する。サブキャリア２に対応する送信信号についても同様に、重み乗算部４ｂで位相・振幅の調整が行われる。
【０００９】
ここで、伝搬パラメータの定義と伝搬パラメータ推定部１２の動作について説明する。本構成では、２本の送信アンテナ６ａ，６ｂから信号が送信され、各送信信号はそれぞれ異なる空間を通過して異なる変動を受け、２本の受信アンテナ７ａ，７ｂで受信される。送信アンテナ６ａから出力アンテナ７ａへの伝搬パラメータをｈ11、送信アンテナ６ａから出力アンテナ７ｂへの伝搬パラメータをｈ21、送信アンテナ６ｂから出力アンテナ７ａへの伝搬パラメータをｈ12、送信アンテナ６ｂから出力アンテナ７ｂへの伝搬パラメータをｈ22とし、これらから伝搬パラメータＨは
【００１０】
【数２】
【００１１】
と表される。伝搬パラメータＨは、受信アンテナ数の行数と送信アンテナ数の列数をもち、図７の構成の場合には２行２列となる。
【００１２】
受信機２２ａ，２２ｂからの逆リンクが存在する場合は、Ｈは逆リンクの信号から伝搬パラメータ推定部１２が推定する。または、受信機２２ａ，２２ｂが推定し、その結果を伝搬パラメータ推定部１２に別途通知し、伝搬パラメータ推定部１２が保有する。
【００１３】
仮に、重み乗算部４ａ，４ｂを用いずに信号を送信した場合には、各送信アンテナからの信号をｘとすると、各受信アンテナではｘが重畳されて受信され、ｘとＨから受信アンテナにおける信号ｙは、
ｙ＝Ｈｘ …(1)
と表される。前述の条件より、この場合はｘ＝ｄである。
【００１４】
ここで、受信機において重みの調整を行い、その受信信号から送信された信号を取り出すことで空間分割多元接続が実現する。なお、複数のアンテナにより複数の異なる送信信号を分離する代表的な計算方法には、特許文献１や非特許文献１のZero Forcingによる方法、非特許文献２のMaximum Likelihood Detectionによる方法、非特許文献３のMinimum Mean Square Error による方法等がある。
【００１５】
また、送信機において重みの調整を行い、その結果として各受信機の受信アンテナに希望の送信信号が受信されることでも空間分割多元接続が実現する。図７において、この計算を担う重み計算部１１について、上記のZero Forcingによる方法に基づいてその動作を説明する。簡単のために、信号の雑音の表示については省略する。
【００１６】
重み計算部１１は、伝搬パラメータ推定部１２から得た伝搬パラメータ行列Ｈを参照して重みを計算する。ここで得られる重みを行列Ｃとすると、重み適用後の送信信号ｘは、
ｘ＝Ｃｄ …(2)
と表される。式(1) と式(2) とにより、重みＣがＨの逆行列であれば所望の結果が得られることがわかる。この行列計算を一般化し、重みＣは疑似逆行列を用いて、
Ｃ＝Ｈ*(ＨＨ*)-1 …(3)
と表される。ここで、＊は行列の転置を表し、−１は通常の逆行列計算を表す。
【００１７】
この計算で得られた重みＣが重み乗算部４ａ，４ｂで送信信号に乗算される。重み乗算部４ａの出力は、系統１，２のサブキャリア１を用いて送信アンテナ６ａ，６ｂから送信する信号を表す。同様に、重み乗算部４ｂの出力は、系統１，２のサブキャリア２を用いて送信アンテナ６ａ，６ｂから送信する信号を表す。
【００１８】
重み乗算部４ａ，４ｂの出力は、ＩＦＦＴ（Inverse Fast Fourier Transform) 演算部５ａ，５ｂでそれぞれＩＦＦＴ演算された後にガードインターバルが付加され、ＯＦＤＭ信号に変換される。このＯＦＤＭ信号は送信アンテナ６ａ，６ｂから送信され、空間上で伝搬パラメータ行列Ｈの変動を受けた後に受信アンテナ７ａ，７ｂに到達する。この時点で、受信機２２ａ，２２ｂにはそれぞれ所望とする信号が受信され、受信部８ａ，８ｂが送信シンボルＡ，Ｂを復元する。このようにして空間分割多元接続が実現する。
【特許文献１】特許３６３１６９８号公報
【非特許文献１】Q.H.Spencer, et al.,"An introduction to the multi-user MIMO downlink", IEEE Commun. Mag.,Oct.2004
【非特許文献２】R.van Nee, et al.,"Maximum Likelihood decoding in a space division multiplexing system", Proc.IEEE VTC 2000, pp.6-10, May 2000
【非特許文献３】A.Benjebbour, et al.,"A Semi-Adaptive MNSE Weights Generation Approach for Ordered Successive Detection in MIMO Systems",IEICE Trans.Commun.,Vol.E87-B,No.2,Feb.2004
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
空間分割多元接続が理想的に行われるには、送受信アンテナ間の伝搬環境が良く、かつ複数の受信アンテナに対してＭＩＭＯ伝送路が形成される必要がある。しかし、実際の電波伝搬ではこれらの条件を満足するとは限らない。
【００２０】
ここで、第１の条件である送受信アンテナ間の伝搬環境について説明する。無線通信では、一般に送信アンテナから送信された信号は伝搬経路中の障害物により様々な経路を通過し、反射を受けた後に受信アンテナに到達し、これら複数の異なる遅延時間をもつ信号が合成されて受信する。このとき、各信号は周波数ごとに異なる位相関係で合成されるため、帯域内に振幅偏差が発生する。この現象は周波数選択性フェージングと呼ばれる。
【００２１】
周波数選択性フェージングは、図８に示すように周波数ごとにレベルが大きく異なることがわかる。なお、図８の横軸はＯＦＤＭ信号のサブキャリア番号、すなわち周波数に対応している。縦軸は、受信機における瞬時信号電力対雑音電力比（以下「Ｃ／Ｎ」という）であり、各サブキャリアの雑音電力の期待値を一定とみなした場合の受信電力レベルの相対値に相当する。図８の帯域全体を使ってシングルキャリア伝送を行った場合、その帯域内の振幅偏差が原因となってビット誤り率が悪化する。これに対し、ＯＦＤＭ信号は図８の帯域を複数の狭帯域信号（サブキャリア）に分割して伝送されるので、各サブキャリアで発生する振幅偏差は小さく、サブキャリアごとには一様振幅とみなすことができ、帯域内の振幅偏差に起因するビット誤り率を改善することができる。
【００２２】
しかし、図８に示すように、周波数選択性フェージング環境下における各サブキャリアの受信電力レベルは大きく異なっている。このような周波数選択性フェージング伝搬環境で複数のサブキャリアに対して単一のサブキャリア変調方式を用いて信号を伝送した場合、Ｃ／Ｎの低いサブキャリアのビット誤り率ＢＥＲは極端に悪化し、結果として全体の通信ができなくなるおそれがある。
【００２３】
次に、第２の条件であるＭＩＭＯ伝送路の形成について説明する。空間分割多元接続を行うためには、図６に示すように各端末に対して独立な伝送路が形成され、必要な情報のみが送信されることが理想である。一方、実伝搬環境では干渉を回避する重みを計算した結果、受信機の受信アンテナにおける信号の位相条件次第では受信レベルが低下するおそれがある。これは、伝搬環境がよいサブキャリアを用いた場合にも発生する。このような伝搬環境において空間分割多元接続を行った場合には、受信機の誤り率を満足するための十分な受信電力が得られず、場合によっては信号の復元ができない問題がある。これを克服するには送信電力を増加する方法があるが、一般に送信電力は有限であるため、送信電力の増加で解決できるとは限らない。
【００２４】
このように、空間分割多元接続装置は周波数選択性フェージング伝搬環境において、伝搬環境の悪いサブキャリアを用いて通信を行った場合や、独立な伝送路の形成が難しい伝搬環境でＭＩＭＯ伝送を行った場合に、受信機におけるビット誤り率が悪化する問題があった。
【００２５】
本発明は、周波数選択性フェージング伝搬環境や独立な伝送路の形成が難しいサブキャリアの存在する伝搬環境において、伝送速度が高くかつビット誤り率を低減した空間・周波数分割多元接続装置および空間・周波数分割多元接続方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
第１の発明は、複数の送信アンテナを有する１つの送信機と、それぞれが１以上の受信アンテナおよび受信部を有する１以上の受信機との間で、空間および周波数を分割して接続する空間・周波数分割多元接続装置において、送信機は、受信機の各受信部に送信する送信データを系統別に保有する送信データ部と、送信データ部から各系統の送信データを入力し、系統ごとに送信データが占有する１以上のサブキャリアに分配する分配部と、分配部から各サブキャリアに分配した送信データを入力し、所要の通信品質を満足する条件下で、各サブキャリアが送信する送信ビット数および送信電力を決定するサブキャリア変調・電力割当部と、サブキャリア変調・電力割当部の出力のうち、同一のサブキャリアを用いる１以上の送信データに対して重みを乗算するサブキャリア数と同数の重み乗算部と、重み乗算部の出力のうち、１つの送信アンテナから送信するすべてのサブキャリアの信号を逆フーリエ変換（ＩＦＦＴ変換）し、各送信アンテナにそれぞれ接続するＩＦＦＴ演算部と、各送信アンテナと各受信アンテナ間のサブキャリアごとの伝搬パラメータを推定する伝搬パラメータ推定部と、サブキャリア変調・電力割当部の割当結果を参照し、受信部に送信する送信データの系統数、要求ビットレート、送信アンテナの送信電力、および変動する伝搬パラメータに応じて、各送信データが使用するサブキャリアを決定して分配部に通知するサブキャリア割当部と、サブキャリア割当部のサブキャリア割り当てに従い、伝搬パラメータ推定部の出力から空間分割多重するための各送信アンテナから送信する各サブキャリアの重みを決定し、サブキャリア変調・電力割当部および重み乗算部に通知する重み計算部とを備える。
【００２７】
ここで、重み計算部は、空間分割多重により伝送される各系統の送信データをそれぞれ対応する受信部が復元できる（例えば直交ビームを形成する）重みを算出する構成である。
【００２８】
第１の発明の空間・周波数分割多元接続装置のサブキャリア割当部は、各系統の送信データが同一のサブキャリアを占有するように割り当てる構成である。特に、サブキャリア割当部は、サブキャリア変調・電力割当部から割当可能ビット数を参照し、全系統の送信データの合計ビットレートが最大になるようにサブキャリアの割り当てを行う構成としてもよい。また、サブキャリア割当部は、サブキャリア変調・電力割当部から割当可能ビット数を参照し、各系統の送信データの所要ビットレートを満足するようにサブキャリアの割り当てを行う構成としてもよい。また、サブキャリア割当部は、サブキャリア変調・電力割当部から割当可能ビット数を参照し、全系統の送信データの合計ビットレートが最大になり、かつ各系統の送信データの所要ビットレートを満足するようにサブキャリアの割り当てを行う構成としてもよい。さらに、サブキャリア割当部は、各系統の送信データが占有するサブキャリアの組み合わせを未知変数とし、未知変数に値を入力したときの全系統の送信データの合計ビットレートおよび各系統の送信データの所要ビットレートを最大化する目的関数として、遺伝的アルゴリズムを用いて未知変数の解を得る構成としてもよい。
【００２９】
第１の発明の空間・周波数分割多元接続装置のサブキャリア割当部は、サブキャリア変調・電力割当部から所要送信電力を参照し、各系統の送信データの所要ビットレートを満足する所要送信電力が最小になるようにサブキャリアの割り当てを行う構成としてもよい。さらに、サブキャリア割当部は、各系統の送信データが占有するサブキャリアの組み合わせを未知変数とし、未知変数に値を入力したときの各系統の送信データの所要ビットレートを満足する所要送信電力を最小化する目的関数として、遺伝的アルゴリズムを用いて未知変数の解を得る構成としてもよい。
【００３０】
また、第１の発明の空間・周波数分割多元接続装置は、１つの受信機が複数の受信アンテナおよび受信部を備え、当該受信機が１または複数の系統の送信データを受信する構成としてもよい。
【００３１】
また、第１の発明の空間・周波数分割多元接続装置は、複数の送信アンテナが空間的に離れた位置に設置され、各送信アンテナがサブキャリアごとに異なるサービスエリアを形成し、サブキャリア割当部は、各系統の送信データが干渉しないサブキャリアの組み合わせを選択する構成としてもよい。
【００３２】
第２の発明は、複数の送信アンテナを有する１つの送信機と、それぞれが１以上の受信アンテナおよび受信部を有する１以上の受信機との間で、空間および周波数を分割して接続する空間・周波数分割多元接続方法において、送信機は、送信データ部が受信機の各受信部に送信する送信データを系統別に保有し、分配部が送信データ部から各系統の送信データを入力し、系統ごとに送信データが占有する１以上のサブキャリアに分配し、サブキャリア変調・電力割当部が分配部から各サブキャリアに分配した送信データを入力し、所要の通信品質を満足する条件下で、各サブキャリアが送信する送信ビット数および送信電力を決定し、重み乗算部がサブキャリア変調・電力割当部の出力のうち、同一のサブキャリアを用いる１以上の送信データに対して重みを乗算し、ＩＦＦＴ演算部が重み乗算部の出力のうち、１つの送信アンテナから送信するすべてのサブキャリアの信号を逆フーリエ変換（ＩＦＦＴ変換）し、各送信アンテナにそれぞれ接続し、伝搬パラメータ推定部が各送信アンテナと各受信アンテナ間のサブキャリアごとの伝搬パラメータを推定し、サブキャリア割当部がサブキャリア変調・電力割当部の割当結果を参照し、受信部に送信する送信データの系統数、要求ビットレート、送信アンテナの送信電力、および変動する伝搬パラメータに応じて、各送信データが使用するサブキャリアを決定して分配部に通知し、重み計算部がサブキャリア割当部のサブキャリア割り当てに従い、伝搬パラメータ推定部の出力から空間分割多重するための各送信アンテナから送信する各サブキャリアの重みを決定し、サブキャリア変調・電力割当部および重み乗算部に通知する。
【００３３】
第２の発明のサブキャリア割当部は、各系統の送信データが同一のサブキャリアを占有するように割り当てるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００３４】
本発明の空間・周波数分割多元接続装置は、サブキャリア割当部が送信可能なビット数または所要送信電力を参照し、送信ビット数が増加し、所要送信電力が低減するように、送信データの系統数およびサブキャリアごとの受信アンテナの組を伝搬環境の変動に応じて適応的に選択し、所要品質を満足するように各サブキャリアの送信ビット数および送信電力を調整することができる。
【００３５】
本発明の空間・周波数分割多元接続装置のサブキャリア割当部は、各サブキャリアに対して送信可能ビット数が増加するような伝搬パラメータの組となる受信アンテナを選択することにより、優れたビット誤り率を維持しつつビットレートの高い通信を行うことができる。
【００３６】
また、本発明の空間・周波数分割多元接続装置のサブキャリア割当部は、各サブキャリアに対して所要送信ビット数を満たしつつ所要送信電力が低減するような伝搬パラメータの組となる受信アンテナを選択することにより、優れたビット誤り率を維持しつつ送信電力を低減した通信を行うことができる。
【００３７】
さらに、本発明の空間・周波数分割多元接続装置は、１台の受信機が複数の受信アンテナおよび受信部を備えることにより、受信機当たりのビットレートを高めることができる。
【００３８】
さらに、本発明の空間・周波数分割多元接続装置は、互いに干渉を与えにくい伝搬環境をもつ送受信アンテナの組を選択することにより、複数の独立な通信路を形成してビットレートを高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の空間・周波数分割多元接続装置の第１の実施形態を示す。ここでは、２本のアンテナを搭載する送信機２１と、１本のアンテナを搭載する２台の受信機２２ａ，２２ｂとの間で空間・周波数分割多元接続する構成について説明する。また、本構成では、周波数選択性フェージングに有効な複数のサブキャリアを用いて信号を伝送するＯＦＤＭ変調を併用するものとし、簡単のために最大サブキャリア数を２とする。
【００４０】
図において、送信データ部１ａ，１ｂ、分配部２ａ，２ｂ、重み乗算部４ａ，４ｂ、ＩＦＦＴ演算部５ａ，５ｂ、送信アンテナ６ａ，６ｂ、受信アンテナ７ａ，７ｂ、受信部８ａ，８ｂ、重み計算部１１、伝搬パラメータ推定部１２は、図６に示す従来構成と同様である。
【００４１】
本実施形態の特徴は、従来の空間分割多元接続装置のサブキャリア変調部９ａ，９ｂをサブキャリア変調・電力割当部３ａ，３ｂに置き換え、重み計算部１１の出力に応じて通信品質を満足するように各サブキャリアの送信ビット数と送信電力を調整するとともに、その情報を新たに設けたサブキャリア割当部１０に与え、分配部２ａ，２ｂがサブキャリア割当部１０を参照し、送信ビットレートが増加するように各系統が使用するサブキャリアを選択するところにある。
【００４２】
以下、本実施形態の構成による動作例について説明する。
送信データ部１ａは、送信機２１から受信機２２ａへ送信する系統１の送信データを保持する。送信データ部１ｂは、送信機２１から受信機２２ｂへ送信する系統２の送信データを保持する。各系統の送信データは、分配部２ａ，２ｂがサブキャリア割当部１０を参照し、使用するサブキャリアに分配される。ここでは、分配部２ａはサブキャリア１およびサブキャリア２を使用し、分配部２ｂはサブキャリア１のみを使用する。これに対応するようにサブキャリア割当部１０が指示するサブキャリア割当用行列Ｄは、
【００４３】
【数３】
【００４４】
と表わされる。ここで、各列は送信データの系統を表し、各列はサブキャリアの番号を表し、サブキャリアを使用する場合を「１」、使用しない場合を「０」としている。サブキャリア割当用行列Ｄの決定方法については後述する。
【００４５】
まず、重み計算部１１の動作について説明する。重み計算部１１は、伝搬パラメータ推定部１２から得た伝搬パラメータ行列Ｈと、サブキャリア割当部１０が出力するサブキャリア割当用行列Ｄを参照し、空間分割多元接続が可能になるように重みを計算する。ここで得られるサブキャリア１の重みＣ(1) およびサブキャリア２の重みＣ(2) は、疑似逆行列を用いて、
Ｃ(1) ＝Ｈ(1)*(Ｈ(1)Ｈ(1)*)-1
Ｃ(2) ＝Ｈ(2)*(Ｈ(2)Ｈ(2)*)-1 …(4)
で表される。ここで、＊は行列の転置を表し、−１は通常の逆行列計算を表す。Ｈ(1) およびＨ(2) は、各サブキャリアが使用する受信アンテナに関する伝搬パラメータで構成され、
【００４６】
【数４】
【００４７】
と表される。
分配部２ａ，２ｂで分配された送信ビットは、サブキャリア変調・電力分配部３ａ，３ｂでサブキャリア変調される。ここでは、各サブキャリアの重みＣ(1) ，Ｃ(2) と、伝搬パラメータＨ(1) ，Ｈ(2) とを参照し、受信機２２ａ，２２ｂが必要とする誤り率を満足するように変調方式と電力とを決定する。
【００４８】
サブキャリア変調・電力分配部３ａ，３ｂの動作について、図２を参照して説明する。ここでは、Greedy water-filling algorithmに従った変調方式の決定と送信電力の配分について示すが、これ以外の方法を用いてもよいし、変調方式を固定として送信電力のみを調整する方法、あるいは送信電力を固定として変調方式のみを調整する方法を用いてもよい。また、サブキャリア変調には、１シンボル当たり２ビットを伝送するＱＰＳＫ、１シンボル当たり４ビットを伝送する16ＱＡＭ、１シンボル当たり６ビットを伝送する64ＱＡＭを用いるものとする。
【００４９】
まず、各サブキャリアに配分する送信電力Ｐ(n) をすべて０、変調方式番号Ｍ(n) を０として初期化する（Ｓ１）。ここで、ｎはサブキャリア番号であり１〜Ｎの整数とする。Ｎは使用サブキャリア数であり、本実施形態では系統１は２、系統２は１である。Ｍ(n) が０の場合はサブキャリアｎへのビットの割り当てなし、１の場合は２ビット割り当て（ＱＰＳＫ）、２の場合は４ビット割り当て（16ＱＡＭ）、３の場合は６ビット割り当て（64ＱＡＭ）とする。
【００５０】
次に、各サブキャリアごとに現在の状態よりも２ビット多く伝送する、すなわち変調方式を１段階増加するために必要な加算電力ΔＰ0(n)を次式に基づいて計算する（Ｓ２）。
ΔＰ0(n)＝｛Ｒ(Ｍ(n)＋１)−Ｒ(Ｍ(n))｝／｛ΣＨ(n)Ｃ(n)｝2
ΔＰ(n) ＝ΔＰ0(n)Σ｜Ｃ(n)｜2
ここで、Ｒ(Ｍ(n)) は変調方式番号Ｍ(n) のときに必要な受信電力、ΣＨ(n)Ｃ(n)はサブキャリアごとの目的の受信アンテナが関連する成分の和を表す。ΔＰ0(n)はサブキャリア変調・電力割当部３ａ，３ｂの出力におけるレベルであり、これを送信アンテナから出力される電力に換算したものがΔＰ(n) である。伝搬パラメータＨ(n) は、受信機から送出されるリバースリンクのトレーニング信号から推定する構成であり、送信機において既知であるものとする。
【００５１】
次に、ステップＳ２で求めた各サブキャリアの加算電力ΔＰ(1) 〜ΔＰ(N) の最小値をΔＰmin と、そのときのサブキャリア番号ｎmin を探索する（Ｓ３）。なお、ステップＳ３のarg(min(ΔＰ(n))) は、ΔＰmin におけるｎを出力する関数である。
【００５２】
次に、これまでに各サブキャリアに配分した送信電力Ｐ(1) 〜Ｐ(N) の合計sum(Ｐ(n))とステップＳ３で探索したΔＰmin の和と、最大送信電力Ｐmax を比較し（Ｓ４）、sum(Ｐ(n))＋ΔＰmin がＰmax を超えた場合には、このビットの割り当てを行うことはできないので処理を終了する。一方、sum(Ｐ(n))＋ΔＰmin がＰmax を超えない場合には、加算電力が最小となるサブキャリアｎmin に変調方式番号および電力を割り当てる。すなわち、サブキャリアｎmin の送信電力Ｐ(ｎmin)にΔＰmin を増加し、変調方式番号Ｍ(ｎmin)に１を増加し（Ｓ５）、再度ステップＳ２からの手順を繰り返す。これにより、サブキャリア番号ｎmin に対して、常に品質を一定に保ったまま、変調方式番号（Ｍ(ｎmin)＋１)と送信電力（Ｐ(ｎmin)＋ΔＰmin) の割り当てが行われる。
【００５３】
なお、最大送信電力Ｐmax は総送信電力を系統数で割ってもよいし、総送信電力を超えない範囲でユーザごとに異なる電力を割り当ててもよい。この段階で、変調方式番号Ｍ(n) が初期値０のままのサブキャリアは送信電力Ｐ(n) も０であり、送信ビットおよび送信電力が配分されないサブキャリアである。
【００５４】
ここで、ある時刻の系統１、サブキャリア１、サブキャリア変調・電力割当部３ａの出力における送信シンボルをＡとし、系統２、サブキャリア１、サブキャリア変調・電力割当部３ｂの出力における送信シンボルをＢとする。
【００５５】
これらの信号は、重み計算部１１で先に求めた重みＣが乗算され、位相・振幅の調整が行われる。重み乗算部４ａの出力は、系統１，２のサブキャリア１を用いて送信アンテナ６ａ，６ｂから送信する信号を表す。同様に、重み乗算部４ｂの出力は、系統１のサブキャリア２を用いて送信アンテナ６ａ，６ｂから送信する信号を表す。
【００５６】
重み乗算部４ａ，４ｂの出力は、ＩＦＦＴ演算部５ａ，５ｂでそれぞれＩＦＦＴ演算された後にガードインターバルが付加され、ＯＦＤＭ信号に変換される。このＯＦＤＭ信号は送信アンテナ６ａ，６ｂから送信され、空間上で伝搬パラメータ行列Ｈの変動を受けた後に受信アンテナ７ａ，７ｂに到達する。この時点で、受信機２２ａ，２２ｂにはそれぞれ所望とする信号が受信され、受信部８ａ，８ｂが送信シンボルＡ，Ｂを復元する。
【００５７】
サブキャリア割当部１０は、指示したサブキャリア割当用行列Ｄに対してサブキャリア変調・電力割当部３ａ，３ｂが行った割り当て結果を参照し、各系統の送信信号の合計ビットレートを最大化するようにサブキャリア割当用行列Ｄを調整する。また、各系統の送信信号の所要ビットレートを満足するようにサブキャリア割当用行列Ｄを調整してもよい。また、全系統の送信信号の合計ビットレートの増加と各系統の送信信号の所要ビットレートが両立するようにサブキャリア割当用行列Ｄを調整してもよい。また、サブキャリア割当部１０におけるサブキャリア割当用行列Ｄの決定と、サブキャリア変調・電力割当部３ａ，３ｂにおけるビット数の通知を繰り返し行った後に信号を送出するようにしてもよい。
【００５８】
ここまで、送信アンテナを２本搭載する１台の送信機２１と、受信アンテナを１本搭載する２台の受信機２２ａ，２２ｂで構成される例を示したが、送信アンテナが３本以上であっても、また受信機が１台または３台以上であっても同様である。また、複数の受信アンテナからその数よりも少ない数の一連の計算に用いる受信アンテナ、すなわち送信系統数を事前に定めてもよい。以上により、伝送速度が高くかつ優れたビット誤り率を維持する通信が可能となる。
【００５９】
（第２の実施形態）
本発明の空間・周波数分割多元接続装置の第２の実施形態は、図１に示す第１の実施形態の構成において、サブキャリア変調・電力割当部３ａ，３ｂの動作規範が異なり、各系統が所要ビットレートを満足するように動作することを特徴とする。サブキャリア変調・電力割当部３ａ，３ｂ以外の動作は第１の実施形態と同様である。
【００６０】
本実施形態のサブキャリア変調・電力分配部３ａ，３ｂの動作について、図３を参照して説明する。ここでは、Greedy water-filling algorithmに従った変調方式の決定と送信電力の配分について示すが、これ以外の方法を用いてもよいし、変調方式を固定として送信電力のみを調整する方法、あるいは送信電力を固定として変調方式のみを調整する方法を用いてもよい。
【００６１】
図３において、ステップＳ11〜Ｓ13は、図２に示す第１の実施形態のステップＳ１〜Ｓ３と同じであり、ステップＳ13の次に、加算電力が最小となるサブキャリアｎmin に変調方式番号および電力を割り当てる。すなわち、サブキャリアｎmin の送信電力Ｐ(ｎmin)にΔＰmin を増加し、変調方式番号Ｍ(ｎmin) に１を増加する（Ｓ14）。この演算を行うことにより、次に品質を一定に保ったままで電力と変調方式の割り当てを行うことができる。
【００６２】
次に、これまでに各サブキャリアに配分した変調方式番号Ｍ(1) 〜Ｍ(N) の合計sum(Ｍ(n))と、所要ビットレートＭmax を比較し（Ｓ15）、sum(Ｍ(n))がＭmax を超えない場合には、再度ステップＳ12からの手順を繰り返す。そして、sum(Ｍ(n))がＭmax を超えた時点で処理を終了する。この段階で、変調方式番号Ｍ(n) が初期値０のままのサブキャリアは送信電力Ｐ(n) も０であり、送信ビットおよび送信電力が配分されないサブキャリアである。以上により、伝送速度が高くかつ優れたビット誤り率を維持する通信が可能となる。
【００６３】
（第３の実施形態）
本発明の空間・周波数分割多元接続装置の第３の実施形態は、図１に示す第１の実施形態の構成において、サブキャリア割当部１０の動作に遺伝的アルゴリズムを導入するところに特徴とする。サブキャリア割当部１０以外の動作は第１の実施形態または第２の実施形態と同様である。
【００６４】
本実施形態のサブキャリア割当部１０の動作について、図４を参照して説明する。
サブキャリア割当部１０は、その内部に第１の実施形態で示したサブキャリア割当用行列Ｄを複数個保有している（Ｓ21）。ここでは、サブキャリア割当用行列Ｄ1 ，Ｄ2 の２つを保有しているものとし、これがサブキャリア割当の候補となる。各サブキャリア割当用行列Ｄ1 ，Ｄ2 の初期値は全零、全１、または０と１の乱数で与える。初期値における各サブキャリア割当用行列Ｄ1 ，Ｄ2 の要素は同じであっても異なっていてもよい。
【００６５】
次に、各サブキャリア割当用行列Ｄ1 ，Ｄ2 の性能の評価を行う（Ｓ22）。すなわち、Ｄ1 またはＤ2 を図１における分配部２ａ，２ｂに与えた際のサブキャリア変調・電力割当部３ａ，３ｂの計算結果（第１の実施形態における所要ビット数、第２の実施形態における所要電力）を得る。Ｄ1 に対する結果をＥ1 、Ｄ2 に対する結果をＥ2 とする。ここで、Ｅ1 またはＥ2 が所要のビット数または電力を満足しているか否かを判断し（Ｓ23）、満足している場合には処理を終了し、満足していない場合には次のステップに進む。
【００６６】
次に、サブキャリア割当用行列Ｄ1 ，Ｄ2 の選択を行う（Ｓ24）。これは、先の評価結果から特性の優れるものを次の世代に確率的に残りやすくするものである。ここでは、元のＤ1 ，Ｄ2 からＤ2 を削除し、Ｄ1 を複製して新たにＤ1 ，Ｄ2 を生成する。
【００６７】
次に、新たなサブキャリア割当用行列Ｄ1 ，Ｄ2 の交叉を行う（Ｓ25）。これは、行列間での要素の入れ替えであり、確率的に発生させる。ここでは、元のＤ1 を構成する成分ｃ，ｄと、Ｄ2 を構成する成分ｇ，ｈとを入れ替え、新たにＤ1 ，Ｄ2 を生成する。
【００６８】
次に、新たなサブキャリア割当用行列Ｄ1 ，Ｄ2 の突然変異を行い（Ｓ26）、ステップＳ22に戻る。これは、行列内での要素の変化であり、確率的に発生させる。ここでは、ビットの反転を意味し、Ｄ1 を構成する成分ｃ（例えば０）がビット反転し、成分ｃが１となった新たなＤ1 を生成する。
【００６９】
このステップＳ22からステップＳ26までの処理は、所要のビット数または電力の条件が達成されるまで繰り返される。以上により、伝送速度が高くかつ優れたビット誤り率を維持する通信が可能となる。
【００７０】
（第４の実施形態）
図５は、本発明の空間・周波数分割多元接続装置の第４の実施形態を示す。
本実施形態は、図１に示す第１の実施形態と同様に、２本のアンテナを搭載する送信機２１と、１本のアンテナを搭載する２台の受信機２２ａ，２２ｂとの間で空間・周波数分割多元接続する構成であるが、送信機２１の送信アンテナ６ａ，６ｂが大幅に離れた位置に配置される場合を想定している。そのため、送信アンテナ６ａの送信信号が到達する領域Ａと、送信アンテナ６ｂの送信信号が到達する領域Ｂが大きく異なる。なお、領域Ａ，Ｂは、あるサブキャリアに対する例であり、周波数選択性フェージングが生ずる伝搬環境ではサブキャリアごとに生じる領域は異なる。
【００７１】
ここで、領域Ａおよび領域Ｂに属さない領域は信号が到達しないため、このサブキャリアで通信を行うことはできない。ただし、他のサブキャリアではいずれか一方の領域、または両方の領域に含まれる可能性はある。
【００７２】
領域Ａおよび領域Ｂに属する領域は、第１〜第３の実施形態に示す動作で空間分割多元接続が可能である。
【００７３】
領域Ａのみに属する領域は、領域Ｂの影響を受けない。図５では、この領域に受信機２２ａが位置している。したがって、受信機２２ａは送信アンテナ６ｂからの信号に関わらず通信を行うことができる。同様に、領域Ｂのみに属する領域は、領域Ａの影響を受けない。図５では、この領域に受信機２２ｂが位置している。したがって、受信機２２ｂは送信アンテナ６ａからの信号に関わらず通信を行うことができる。サブキャリア割当部１０は、このような組合せを選択するように動作する。この結果、同一サブキャリアを使用する独立した複数の伝送経路が形成され、システム全体の伝送速度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の空間・周波数分割多元接続装置の第１の実施形態を示す図。
【図２】第１の実施形態におけるサブキャリア変調・電力分配部３ａ，３ｂの動作例を示すフローチャート。
【図３】第２の実施形態におけるサブキャリア変調・電力分配部３ａ，３ｂの動作例を示すフローチャート。
【図４】第３の実施形態におけるサブキャリア割当部１０の動作例を示すフローチャート。
【図５】本発明の空間・周波数分割多元接続装置の第４の実施形態を示す図。
【図６】従来の空間分割多元接続の例を示す図。
【図７】従来の空間分割多元接続装置の構成例を示す図。
【図８】周波数選択性フェージングの例を示す図。
【符号の説明】
【００７５】
１ａ，１ｂ 送信データ部
２ａ，２ｂ 分配部
３ａ，３ｂ サブキャリア変調部
４ａ，４ｂ 重み乗算部
５ａ，５ｂ ＩＦＦＴ演算部
６ａ，６ｂ 送信アンテナ
７ａ，７ｂ 受信アンテナ
８ａ，８ｂ 受信部
９ａ，９ｂ サブキャリア変調・電力割当部
１０ サブキャリア割当部
１１ 重み計算部
１２ 伝搬パラメータ推定部
２１ 送信機
２２ａ，２２ｂ 受信機
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の送信アンテナを有する１つの送信機と、それぞれが１以上の受信アンテナおよび受信部を有する１以上の受信機との間で、空間および周波数を分割して接続する空間・周波数分割多元接続装置において、
前記送信機は、
前記受信機の各受信部に送信する送信データを系統別に保有する送信データ部と、
前記送信データ部から前記各系統の送信データを入力し、前記系統ごとに前記送信データが占有する１以上のサブキャリアに分配する分配部と、
前記分配部から各サブキャリアに分配した送信データを入力し、所要の通信品質を満足する条件下で、各サブキャリアが送信する送信ビット数および送信電力を決定するサブキャリア変調・電力割当部と、
前記サブキャリア変調・電力割当部の出力のうち、同一のサブキャリアを用いる１以上の送信データに対して重みを乗算するサブキャリア数と同数の重み乗算部と、
前記重み乗算部の出力のうち、１つの送信アンテナから送信するすべてのサブキャリアの信号を逆フーリエ変換（ＩＦＦＴ変換）し、前記各送信アンテナにそれぞれ接続するＩＦＦＴ演算部と、
前記各送信アンテナと前記各受信アンテナ間のサブキャリアごとの伝搬パラメータを推定する伝搬パラメータ推定部と、
前記サブキャリア変調・電力割当部の割当結果を参照し、前記受信部に送信する送信データの系統数、要求ビットレート、前記送信アンテナの送信電力、および変動する伝搬パラメータに応じて、各送信データが使用するサブキャリアを決定して前記分配部に通知するサブキャリア割当部と、
前記サブキャリア割当部のサブキャリア割り当てに従い、前記伝搬パラメータ推定部の出力から空間分割多重するための前記各送信アンテナから送信する各サブキャリアの重みを決定し、前記サブキャリア変調・電力割当部および前記重み乗算部に通知する重み計算部と
を備えたことを特徴とする空間・周波数分割多元接続装置。
【請求項２】
請求項１に記載の空間・周波数分割多元接続装置において、
前記サブキャリア割当部は、前記各系統の送信データが同一のサブキャリアを占有するように割り当てる構成である
ことを特徴とする空間・周波数分割多元接続装置。
【請求項３】
請求項２に記載の空間・周波数分割多元接続装置において、
前記サブキャリア割当部は、前記サブキャリア変調・電力割当部から割当可能ビット数を参照し、全系統の送信データの合計ビットレートが最大になるようにサブキャリアの割り当てを行う構成である
ことを特徴とする空間・周波数分割多元接続装置。
【請求項４】
請求項２に記載の空間・周波数分割多元接続装置において、
前記サブキャリア割当部は、前記サブキャリア変調・電力割当部から割当可能ビット数を参照し、各系統の送信データの所要ビットレートを満足するようにサブキャリアの割り当てを行う構成である
ことを特徴とする空間・周波数分割多元接続装置。
【請求項５】
請求項２に記載の空間・周波数分割多元接続装置において、
前記サブキャリア割当部は、前記サブキャリア変調・電力割当部から割当可能ビット数を参照し、全系統の送信データの合計ビットレートが最大になり、かつ各系統の送信データの所要ビットレートを満足するようにサブキャリアの割り当てを行う構成である
ことを特徴とする空間・周波数分割多元接続装置。
【請求項６】
請求項２に記載の空間・周波数分割多元接続装置において、
前記サブキャリア割当部は、前記サブキャリア変調・電力割当部から所要送信電力を参照し、各系統の送信データの所要ビットレートを満足する所要送信電力が最小になるようにサブキャリアの割り当てを行う構成である
ことを特徴とする空間・周波数分割多元接続装置。
【請求項７】
請求項３〜請求項５のいずれかに記載の空間・周波数分割多元接続装置において、
前記サブキャリア割当部は、各系統の送信データが占有するサブキャリアの組み合わせを未知変数とし、未知変数に値を入力したときの全系統の送信データの合計ビットレートおよび各系統の送信データの所要ビットレートを最大化する目的関数として、遺伝的アルゴリズムを用いて未知変数の解を得る構成である
ことを特徴とする空間・周波数分割多元接続装置。
【請求項８】
請求項６に記載の空間・周波数分割多元接続装置において、
前記サブキャリア割当部は、各系統の送信データが占有するサブキャリアの組み合わせを未知変数とし、未知変数に値を入力したときの各系統の送信データの所要ビットレートを満足する所要送信電力を最小化する目的関数として、遺伝的アルゴリズムを用いて未知変数の解を得る構成である
ことを特徴とする空間・周波数分割多元接続装置。
【請求項９】
請求項１〜請求項８のいずれかに記載の空間・周波数分割多元接続装置において、
１つの受信機が複数の受信アンテナおよび受信部を備え、当該受信機が１または複数の系統の送信データを受信する構成である
ことを特徴とする空間・周波数分割多元接続装置。
【請求項１０】
請求項１〜請求項９のいずれかに記載の空間・周波数分割多元接続装置において、
前記複数の送信アンテナが空間的に離れた位置に設置され、各送信アンテナがサブキャリアごとに異なるサービスエリアを形成し、
前記サブキャリア割当部は、前記各系統の送信データが干渉しないサブキャリアの組み合わせを選択する構成である
ことを特徴とする空間・周波数分割多元接続装置。
【請求項１１】
複数の送信アンテナを有する１つの送信機と、それぞれが１以上の受信アンテナおよび受信部を有する１以上の受信機との間で、空間および周波数を分割して接続する空間・周波数分割多元接続方法において、
前記送信機は、
送信データ部が前記受信機の各受信部に送信する送信データを系統別に保有し、
分配部が前記送信データ部から前記各系統の送信データを入力し、前記系統ごとに前記送信データが占有する１以上のサブキャリアに分配し、
サブキャリア変調・電力割当部が前記分配部から各サブキャリアに分配した送信データを入力し、所要の通信品質を満足する条件下で、各サブキャリアが送信する送信ビット数および送信電力を決定し、
重み乗算部が前記サブキャリア変調・電力割当部の出力のうち、同一のサブキャリアを用いる１以上の送信データに対して重みを乗算し、
ＩＦＦＴ演算部が前記重み乗算部の出力のうち、１つの送信アンテナから送信するすべてのサブキャリアの信号を逆フーリエ変換（ＩＦＦＴ変換）し、前記各送信アンテナにそれぞれ接続し、
伝搬パラメータ推定部が前記各送信アンテナと前記各受信アンテナ間のサブキャリアごとの伝搬パラメータを推定し、
サブキャリア割当部が前記サブキャリア変調・電力割当部の割当結果を参照し、前記受信部に送信する送信データの系統数、要求ビットレート、前記送信アンテナの送信電力、および変動する伝搬パラメータに応じて、各送信データが使用するサブキャリアを決定して前記分配部に通知し、
重み計算部が前記サブキャリア割当部のサブキャリア割り当てに従い、前記伝搬パラメータ推定部の出力から空間分割多重するための前記各送信アンテナから送信する各サブキャリアの重みを決定し、前記サブキャリア変調・電力割当部および前記重み乗算部に通知する
ことを特徴とする空間・周波数分割多元接続方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の空間・周波数分割多元接続方法において、
前記サブキャリア割当部は、前記各系統の送信データが同一のサブキャリアを占有するように割り当てる
ことを特徴とする空間・周波数分割多元接続方法。
【請求項１】
複数の送信アンテナを有する１つの送信機と、それぞれが１以上の受信アンテナおよび受信部を有する１以上の受信機との間で、空間および周波数を分割して接続する空間・周波数分割多元接続装置において、
前記送信機は、
前記受信機の各受信部に送信する送信データを系統別に保有する送信データ部と、
前記送信データ部から前記各系統の送信データを入力し、前記系統ごとに前記送信データが占有する１以上のサブキャリアに分配する分配部と、
前記分配部から各サブキャリアに分配した送信データを入力し、所要の通信品質を満足する条件下で、各サブキャリアが送信する送信ビット数および送信電力を決定するサブキャリア変調・電力割当部と、
前記サブキャリア変調・電力割当部の出力のうち、同一のサブキャリアを用いる１以上の送信データに対して重みを乗算するサブキャリア数と同数の重み乗算部と、
前記重み乗算部の出力のうち、１つの送信アンテナから送信するすべてのサブキャリアの信号を逆フーリエ変換（ＩＦＦＴ変換）し、前記各送信アンテナにそれぞれ接続するＩＦＦＴ演算部と、
前記各送信アンテナと前記各受信アンテナ間のサブキャリアごとの伝搬パラメータを推定する伝搬パラメータ推定部と、
前記サブキャリア変調・電力割当部の割当結果を参照し、前記受信部に送信する送信データの系統数、要求ビットレート、前記送信アンテナの送信電力、および変動する伝搬パラメータに応じて、各送信データが使用するサブキャリアを決定して前記分配部に通知するサブキャリア割当部と、
前記サブキャリア割当部のサブキャリア割り当てに従い、前記伝搬パラメータ推定部の出力から空間分割多重するための前記各送信アンテナから送信する各サブキャリアの重みを決定し、前記サブキャリア変調・電力割当部および前記重み乗算部に通知する重み計算部と
を備えたことを特徴とする空間・周波数分割多元接続装置。
【請求項２】
請求項１に記載の空間・周波数分割多元接続装置において、
前記サブキャリア割当部は、前記各系統の送信データが同一のサブキャリアを占有するように割り当てる構成である
ことを特徴とする空間・周波数分割多元接続装置。
【請求項３】
請求項２に記載の空間・周波数分割多元接続装置において、
前記サブキャリア割当部は、前記サブキャリア変調・電力割当部から割当可能ビット数を参照し、全系統の送信データの合計ビットレートが最大になるようにサブキャリアの割り当てを行う構成である
ことを特徴とする空間・周波数分割多元接続装置。
【請求項４】
請求項２に記載の空間・周波数分割多元接続装置において、
前記サブキャリア割当部は、前記サブキャリア変調・電力割当部から割当可能ビット数を参照し、各系統の送信データの所要ビットレートを満足するようにサブキャリアの割り当てを行う構成である
ことを特徴とする空間・周波数分割多元接続装置。
【請求項５】
請求項２に記載の空間・周波数分割多元接続装置において、
前記サブキャリア割当部は、前記サブキャリア変調・電力割当部から割当可能ビット数を参照し、全系統の送信データの合計ビットレートが最大になり、かつ各系統の送信データの所要ビットレートを満足するようにサブキャリアの割り当てを行う構成である
ことを特徴とする空間・周波数分割多元接続装置。
【請求項６】
請求項２に記載の空間・周波数分割多元接続装置において、
前記サブキャリア割当部は、前記サブキャリア変調・電力割当部から所要送信電力を参照し、各系統の送信データの所要ビットレートを満足する所要送信電力が最小になるようにサブキャリアの割り当てを行う構成である
ことを特徴とする空間・周波数分割多元接続装置。
【請求項７】
請求項３〜請求項５のいずれかに記載の空間・周波数分割多元接続装置において、
前記サブキャリア割当部は、各系統の送信データが占有するサブキャリアの組み合わせを未知変数とし、未知変数に値を入力したときの全系統の送信データの合計ビットレートおよび各系統の送信データの所要ビットレートを最大化する目的関数として、遺伝的アルゴリズムを用いて未知変数の解を得る構成である
ことを特徴とする空間・周波数分割多元接続装置。
【請求項８】
請求項６に記載の空間・周波数分割多元接続装置において、
前記サブキャリア割当部は、各系統の送信データが占有するサブキャリアの組み合わせを未知変数とし、未知変数に値を入力したときの各系統の送信データの所要ビットレートを満足する所要送信電力を最小化する目的関数として、遺伝的アルゴリズムを用いて未知変数の解を得る構成である
ことを特徴とする空間・周波数分割多元接続装置。
【請求項９】
請求項１〜請求項８のいずれかに記載の空間・周波数分割多元接続装置において、
１つの受信機が複数の受信アンテナおよび受信部を備え、当該受信機が１または複数の系統の送信データを受信する構成である
ことを特徴とする空間・周波数分割多元接続装置。
【請求項１０】
請求項１〜請求項９のいずれかに記載の空間・周波数分割多元接続装置において、
前記複数の送信アンテナが空間的に離れた位置に設置され、各送信アンテナがサブキャリアごとに異なるサービスエリアを形成し、
前記サブキャリア割当部は、前記各系統の送信データが干渉しないサブキャリアの組み合わせを選択する構成である
ことを特徴とする空間・周波数分割多元接続装置。
【請求項１１】
複数の送信アンテナを有する１つの送信機と、それぞれが１以上の受信アンテナおよび受信部を有する１以上の受信機との間で、空間および周波数を分割して接続する空間・周波数分割多元接続方法において、
前記送信機は、
送信データ部が前記受信機の各受信部に送信する送信データを系統別に保有し、
分配部が前記送信データ部から前記各系統の送信データを入力し、前記系統ごとに前記送信データが占有する１以上のサブキャリアに分配し、
サブキャリア変調・電力割当部が前記分配部から各サブキャリアに分配した送信データを入力し、所要の通信品質を満足する条件下で、各サブキャリアが送信する送信ビット数および送信電力を決定し、
重み乗算部が前記サブキャリア変調・電力割当部の出力のうち、同一のサブキャリアを用いる１以上の送信データに対して重みを乗算し、
ＩＦＦＴ演算部が前記重み乗算部の出力のうち、１つの送信アンテナから送信するすべてのサブキャリアの信号を逆フーリエ変換（ＩＦＦＴ変換）し、前記各送信アンテナにそれぞれ接続し、
伝搬パラメータ推定部が前記各送信アンテナと前記各受信アンテナ間のサブキャリアごとの伝搬パラメータを推定し、
サブキャリア割当部が前記サブキャリア変調・電力割当部の割当結果を参照し、前記受信部に送信する送信データの系統数、要求ビットレート、前記送信アンテナの送信電力、および変動する伝搬パラメータに応じて、各送信データが使用するサブキャリアを決定して前記分配部に通知し、
重み計算部が前記サブキャリア割当部のサブキャリア割り当てに従い、前記伝搬パラメータ推定部の出力から空間分割多重するための前記各送信アンテナから送信する各サブキャリアの重みを決定し、前記サブキャリア変調・電力割当部および前記重み乗算部に通知する
ことを特徴とする空間・周波数分割多元接続方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の空間・周波数分割多元接続方法において、
前記サブキャリア割当部は、前記各系統の送信データが同一のサブキャリアを占有するように割り当てる
ことを特徴とする空間・周波数分割多元接続方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−２９０４０６（Ｐ２００９−２９０４０６Ａ）
【公開日】平成２１年１２月１０日（２００９．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１３９０５７（Ｐ２００８−１３９０５７）
【出願日】平成２０年５月２８日（２００８．５．２８）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月１０日（２００９．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月２８日（２００８．５．２８）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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