JP6153184B1 - 送信装置、受信装置、制御局、通信システムおよび送信プリコーディング方法 - Google Patents

Abstract

送信装置としての基地局１は、受信装置である複数の端末２を指向するビームを形成可能な複数の送信アンテナ１５と、複数の送信アンテナ１５から送信する送信信号に対して外的プリコーディングを行うプリコーダ部１２とを備え、複数の端末２は、送信信号の送信先となる１つ以上の第１の受信装置と、第１の受信装置以外の第２の受信装置とを含み、プリコーダ部１２は、複数の受信装置のうち第２の受信装置における受信電力が閾値以下となるように複数の送信アンテナ１５から送信される送信信号に対して外的プリコーディングを行う。

Description

本発明は、送信装置、受信装置、制御局、通信システムおよび送信プリコーディング方法に関し、特に、マルチユーザＭＩＭＯ（Multiple-Input Multiple-Output）伝送を行う送信装置、受信装置、通信システムおよび送信プリコーディング方法に関する。

近年、限られた周波数帯域で高速伝送を実現する無線通信システムとして、送受信機双方に複数のアンテナを設置したＭＩＭＯシステムに、空間分割多元接続（ＳＤＭＡ：Space Division Multiple Access）方式を適用したマルチユーザＭＩＭＯ（ＭＵ（Multi-User）-ＭＩＭＯ）システムが盛んに検討されている。ＭＵ−ＭＩＭＯシステムでは、複数のアンテナを備える基地局に対し、複数のアンテナを備える端末が複数存在し、基地局が同一の無線周波数帯において複数の端末に対して同時伝送を行う。

ＭＵ−ＭＩＭＯシステムにおけるダウンリンク、すなわち、基地局から端末へ向かう方向の通信では、基地局から各端末へ同時に信号を送る。このため、一般的に、端末における受信信号には、自端末向けの信号である所望信号だけでなく、他の端末向けの信号も含まれる。そのため、この他の端末向けの信号により干渉が生じる。当該干渉を、ユーザ間干渉（ＩＵＩ：Inter-User Interference）と呼ぶ。当該ＩＵＩが、ＭＵ−ＭＩＭＯ特有の課題である。ＩＵＩ対策は、端末に比べて、処理量が少なく、かつ、アンテナ数に関する制約が少ない基地局側で可能な限り行うことが望ましい。このため、ＭＵ−ＭＩＭＯシステムにおけるダウンリンクでは、基地局が、ＩＵＩ対策として、プリコーディングと呼ばれる処理を実施する。プリコーディングは、複数のアンテナから送信する複数の信号に対して重み付けをすることによりビームを形成する処理を示す。

ＭＵ−ＭＩＭＯシステムにおけるダウンリンクにおいてＩＵＩ対策として行われる代表的プリコーディング手法として、ブロック対角化（ＢＤ：Block Diagonalization）法が広く検討されている。例えば、非特許文献１、２を参照されたい。ＢＤ法は、所望端末以外の方向にヌルを向ける、すなわち、所望端末以外の端末における受信電力を０にするような指向性を形成するようにビーム空間を形成するプリコーディング手法である。全端末に対してＢＤ手法を適用することにより、ＩＵＩが生じないＭＵ−ＭＩＭＯシステムを実現することが可能となる。これにより、端末における処理および装置構成を簡易化できる。

一方、ＢＤ法よりも高い性能を実現するプリコーディング手法として、ＴＨＰ（Tomlinson-Harashima Precoding）法やＶＰ（Vector Perturbation）法に代表される非線形プリコーディング（ＮＬＰ：Non-Linear Precoding）や、ＢＤよりも高いポテンシャルを有する線形プリコーディングであるブロック多重対角化法が報告されている。ＴＨＰについては例えば非特許文献３、４を、ＶＰ法については非特許文献５を、ブロック多重対角化法については非特許文献６を参照されたい。ＮＬＰは、受信端末で生じるＩＵＩを、送信基地局側で予め減算する方式であり、ＢＤ法よりも演算負荷が大きいものの、優れた特性が得られる。また、非特許文献６によれば、ブロック多重対角化法はＩＵＩ対策が必要であり、ＮＬＰと組み合わせて適用することで優れた性能を得ることができる。

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上述したように、ＢＤ法よりも高い性能を実現するプリコーディング手法として、ＮＬＰ法が用いられている。しかしながら、ＮＬＰ法は、基地局側のＩＵＩ減算に要する演算負荷がユーザ数の二乗に比例して増大するため、ユーザ数が多い場合に装置規模が大きくなるという課題があった。また、ＭＵ−ＭＩＭＯのプリコーディング方法に依らず、ユーザ数が多い場合には、スケジューリングが複雑化するという課題があった。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、ユーザ数が多い場合においても、ＩＵＩ対策を簡易に行うことが可能な、送信装置、受信装置、制御局、通信システムおよび送信プリコーディング方法を提供することを目的とする。

本発明は、複数の受信装置を指向するビームを形成可能な複数の送信アンテナと、前記複数の送信アンテナから送信する送信信号に対して線形プリコーディングを行う線形プリコーダ部とを備えた送信装置であって、前記複数の受信装置は、前記送信信号の送信先となる１つ以上の第１の受信装置と、前記第１の受信装置以外の第２の受信装置とを含み、前記線形プリコーダ部は、前記複数の受信装置のうち前記第２の受信装置における受信電力が閾値以下となるように前記複数の送信アンテナから送信される前記送信信号に対して前記線形プリコーディングを行い、前記送信装置は、前記複数の送信アンテナから送信される前記送信信号に対して、前記第１の受信装置間の干渉を事前に除去するための非線形プリコーディングを実施する非線形プリコーダ部をさらに備え、前記線形プリコーダ部は、前記非線形プリコーダ部から出力される前記非線形プリコーディング実施後の前記送信信号に対して、前記第２の受信装置における受信電力を前記閾値以下とするためのプリコーディング行列である線形プリコーディング行列を乗算する、ことを特徴とする送信装置である。

本発明によれば、ＭＵ−ＭＩＭＯダウンリンクにおいて、ユーザクラスタに対するＢＤ法により求めた送信プリコーディングを行うことで複数のユーザクラスタを空間的に直交分離することができ、これによりＭＵ−ＭＩＭＯダウンリンク全体がユーザクラスタ毎の小規模なＭＵ−ＭＩＭＯダウンリンク問題に分割できるので、ユーザ数が多い場合においても、ＩＵＩ対策を簡易に行うことが可能という優れた効果を奏する。

本発明で対象とするＭＵ−ＭＩＭＯシステムを示す図である。 本発明の原理であるユーザクラスタリングを説明する図である。 本発明の原理であるユーザクラスタリングを実施した場合のクラスタ内のＩＵＩ解消を説明する図である。 本発明の原理を説明する図である。 本発明の実施の形態１における基地局装置の構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１におけるプリコーダ部の構成の一例を示す図である。 本発明の受信装置の構成の一例を示す図である。 本発明のプリコーダ部のハードウェアによる構成の一例を示す図である。 本発明のプリコーダ部のＣＰＵによる構成の一例を示す図である。 本発明のプレコーダ部における処理手順の一例を示すフローチャートである。 本発明のオーダリング部における処理手順の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１における基地局の構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１におけるプリコーダ部の構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２における送信装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態２における基地局の構成を示す図である。

以下に、本発明の実施の形態にかかる送信装置、通信システムおよび送信プリコーディング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１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる通信システムの構成例を示す図である。図１に示すように、本実施の形態の通信システムは、基地局１と、複数の端末２−１〜２−ｍと、制御局３と、を備える。端末２−１〜２−ｍは、ユーザ端末である。ｍは、２以上の整数である。以下、端末２−１〜２−ｍをユーザと呼ぶこともある。また、端末２−１〜２−ｍを区別せずに示す場合は、端末２と記載する。基地局１は、複数のアンテナ１５−１〜１５−Ｔを備え、端末２−１〜２−ｍは、１本以上のアンテナ２１を備える。端末２と基地局１とは、無線通信による双方向通信を行う。また、制御局３は、基地局１に接続されている。制御局３は、ｍ台を超える通信候補端末から、通信対象となるｍ台の端末を選択するスケジューリングを実施する。以降説明する本発明の実施の形態では、制御局３でスケジューリングが実施され、端末２−１〜２−ｍが通信対象として選択され、その選択情報が基地局１へ通知される場合を例に挙げて説明する。制御局３と基地局１とは通信回線で接続されているが、制御局３と基地局１との間も無線通信を行うようにしてもよい。

本実施の形態では、ダウンリンク通信について説明する。ダウンリンク通信とは、基地局１から端末２への通信のことである。したがって、基地局１は送信装置であり、端末２が受信装置である。本実施の形態の通信システムでは、ダウンリンク通信では、ＭＵ−ＭＩＭＯ方式を用いるとし、基地局１は、複数のアンテナから送信する送信信号に対してプリコーディングを実施して、複数の端末２を指向する送信ビームを形成することが可能である。なお、基地局１と端末２とは、端末２が送信装置で、基地局１が受信装置となる通信、すなわち、アップリンク通信を行ってもよい。アップリンクの通信方法はどのような通信方式であってもよい。

ここで、まず、本実施の形態における用語について説明する。以下では、物理的な送信アンテナおよび受信アンテナを「アンテナ」と呼び、１つの装置が備える複数のアンテナの配列、すなわち、アンテナ群を「アレー」と呼ぶ。あるいはアレーに対応する複数の信号配列も、便宜上単にアレーと呼ぶことがある。また、複数の送信アンテナの配列を「送信アレー」と呼び、複数の受信アンテナの配列を「受信アレー」と呼ぶ。送信アレーまたは受信アレーへの重みを示す行列であるウェイト行列を乗積した場合に観測される実効的なアンテナの数を「ブランチ」と呼ぶ。受信側のブランチである受信ブランチの数は、受信装置である端末２にパラレルに送信されるデータの数であり、端末２において乗積するウェイト行列である受信ウェイト行列の行数である。送信側のブランチである送信ブランチの数は、送信装置である基地局１において乗積するウェイト行列である送信ウェイト行列、すなわち送信プリコーディングの列数である。

端末２が備えるアンテナ２１の数に制約は無く、端末２ごとにアンテナ数が異なる場合や、端末２ごとに受信ブランチ数が異なる場合にも、本発明は適用可能である。ただし、説明を簡易にするため、以下の説明では、端末２が備えるアンテナ２１の数は、端末によらず、Ｒ（Ｒは１以上の整数）本であるとする。また、端末２では、受信アレーに対しＮ_w（Ｎ_w≦Ｒ）個のウェイト行列を乗積するとする。したがって、送信装置である基地局１から観測される端末２あたりの受信ブランチ数は、端末２に依らず、Ｎ_w本である。これにより、全端末分のブランチ数である総受信ブランチ数Ｎ_w,totalは、Ｎ_w,total＝Σ_k=1 ^m（Ｎ_w）＝ｍ×Ｎ_wとなる。ここで、受信アレーに適用するウェイトはプリコーディング行列の算出において仮定されるものであって、任意のウェイトが適用可能である。例えば、Ｎ_w＝Ｒの場合のウェイトは単位行列であっても良く、あるいは、伝送路行列の固有ベクトル行列であっても良く、受信ウェイト行列にどのような行列を用いてもよい。なお、以下の説明では、基地局１のアンテナ数Ｔおよび端末２の受信ブランチ数Ｎ_wはＴ≧Ｎ_w,total＝ｍ×Ｎ_wの関係を満たすものとする。

本実施の形態では、計ｍ台の端末２を、Ｃ個（Ｃ≦ｍ）のグループ（以降、ユーザクラスタ、あるいは単にクラスタと呼ぶ）に分割するものとする。以降で説明する本実施の形態では、説明を簡易にするため、ユーザクラスタに含まれる端末数は全ユーザクラスタで同一であるものとし、ユーザクラスタに含まれる端末２の端末数をｐとする。すなわち、ｍ＝ｐ×Ｃを満たすものとする。しかしながら、これに限らず、ユーザクラスタに含まれる端末数はユーザクラスタ毎に異なっていても良い。

次に、ＭＵ−ＭＩＭＯ方式を採用する本実施の形態の通信システムにおけるダウンリンク通信を数式によりモデル化する。端末２−ｉ（ｉ＝１，…，ｍ）に送信する送信信号ベクトルをｓ_i（ｔ）とし、端末２−ｉに対する電力配分を示す行列である送信電力配分行列をＰ_iとし、端末２−ｉに対応するプリコーディング行列すなわちビーム形成行列をＢ_iとする。また、基地局１のアンテナから端末２−ｉのアンテナ２１までのＲ行Ｔ列の真の伝送路行列をＨハット_iとし、端末２−ｉのＮ_w行Ｒ列の受信ウェイト行列をＷ_iとし、端末２−ｉの受信ウェイト乗積前の真の受信信号ベクトルをｙ_i（ｔ）とする。さらに、端末２−ｉの受信ウェイト乗積後の受信信号ベクトルをｒ_i（ｔ）とし、基地局１のアンテナ１５から端末２−ｉのアンテナ２１までの伝送路における真の受信熱雑音ベクトルをｎハット_i（ｔ）とする。このとき、本実施の形態の通信システムを数式によりモデル化したシステムモデルは、以下の式（１）で定義することができる。

更に、受信ウェイト行列Ｗ_iと真の伝送路行列Ｈハット_iとを乗積したＮ_w行Ｔ列の行列を新たな伝送路行列Ｈ_iとし、真の受信熱雑音ベクトルｎハット_i（ｔ）と受信ウェイト行列Ｗ_iとを乗積したＮ_w次ベクトルを、新たな受信熱雑音ベクトルｎ_i（ｔ）とすると、システムモデルは以下の式（２）で表すことができる。

上記式（２）は、以下の式（３）のように表現することができる。

ここで、Ｈバーは、受信ウェイトの乗積後の基地局１のアンテナから全端末２の全ブランチまでの伝送路を示すＮ_w,total行Ｔ列のシステム伝送路行列であり、Ｂバーは、基地局１における全端末２に対するＴ行Ｎ_st列のシステムプリコーディング行列である。Ｐバーは全端末２への送信電力配分を定めた行列であるシステム送信電力行列であり、ｓバー（ｔ）は、全端末２に対する送信信号を示すＮ_st次のシステム送信ベクトルであり、ｎバー（ｔ）は受信ウェイト乗積後の全端末２に対する雑音ベクトルであるＮ_w,total次のシステム雑音ベクトルである。以下の式（４）に示すように、ＨバーとＢバーとの積は、送信ビーム形成による実効的なシステム伝送路行列Ｈバー_eと捉えることができる。

式（４）で示した実効的なシステム伝送路行列Ｈバー_eにおいて、ブロック対角項、すなわち、Ｈ_iＢ_iの成分のみを残し、これら以外の成分である非ブロック対角項を零行列Ｏとするプリコーディング行列を用いるプリコーディング手法が、ＢＤ法である。ＢＤ法は、送信信号の送信先となる１つ以上の端末以外の他の端末に対してはヌルを向ける、すなわち、当該他の端末における受信電力を閾値以下にするような指向性を形成するように、ビーム空間を形成するプリコーディング手法である。これにより、送信信号の送信先の端末における受信電力は閾値より大きく、他の端末における受信電力は閾値以下となる。本実施の形態では、以下で詳細に説明するように、複数ユーザをグルーピングしたユーザクラスタを疑似的なユーザ（疑似ユーザ）として扱い、疑似ユーザに対してＢＤ法を適用する。これにより、疑似ユーザ間の干渉、すなわち、ユーザクラスタ間干渉（ＩＵＣＩ：Inter-User-Cluster Interference）を消去することができ、ＭＵ−ＭＩＭＯダウンリンク全体を各ユーザクラスタ内の小規模なＭＵ−ＭＩＭＯダウンリンク問題に細分化することができる。

次に、本実施の形態において実施する外的プリコーディング処理について説明する。以下に説明するプリコーディング処理は、ＯＦＤＭやシングルキャリアブロック伝送においては離散周波数毎に独立して実施してもよく、周波数によらず帯域全体で一括して実施してもよい。

以下に示す外的プリコーディング行列算出の過程では、ダウンリンク方向の伝送路行列の情報、すなわち、伝送路情報が必要となる。プリコーダが伝送路行列を取得する方法には、特に制約は無いが、例えば、これはダウンリンクとアップリンクとで異なる周波数で通信が行われる周波数分割複信（ＦＤＤ：Frequency Division Duplex）を採用する通信システムである場合には、端末２から受信した、端末２において推定した伝送路情報を用いる。ダウンリンクとアップリンクとが時間分割複信（ＴＤＤ：Time Division Duplex）により行われる通信システムである場合は、送受の可逆性を利用することができる。このため、この場合は、端末２から受信した信号に基づいて、アップリンク方向の伝送路を推定し、推定した伝送路をダウンリンクの伝送路情報として用いることができる。伝送路推定の方法は、上述した通り、どのような方法を用いてもよく、例えば、パイロット信号を用いた推定方法を用いることができる。

例として、端末２の端末数ｍ＝１６、各端末２の受信ブランチ数Ｎ_w＝２、基地局１の送信アンテナ数Ｔ＝３２、ユーザクラスタ数Ｃ＝４、クラスタ内端末数ｐ＝４の場合について、実効的なシステム伝送路行列のイメージを例示して説明する。端末２−１〜２−４をクラスタ１、端末２−５〜２−８をクラスタ２、端末２−９〜２−１２をクラスタ３、端末２−１３〜２−１６をクラスタ４として、グルーピングして、それぞれ疑似ユーザ１〜４とし、疑似ユーザ１〜４に対してＢＤ法を適用する。これにより、送信信号の送信先のクラスタに含まれる端末２における受信電力は閾値より大きく、他のクラスタに含まれる端末２における受信電力は閾値以下となる。各疑似ユーザの受信ブランチ数はｐ×Ｎ_w＝８であるため、得られる各疑似ユーザ１〜４のプリコーディング行列は３２行８列の行列となる。これを外的プリコーディング行列と呼ぶ。クラスタｊに対応する外的プリコーディング行列をＢ_ojとすると、システム伝送路行列と外的プリコーディング行列を掛け合わせた実効的なシステム伝送路行列は図２のようになる。すなわち、ＩＵＣＩを抑圧することができる。

外的プリコーディングにより、ユーザクラスタ間の空間直交は実現されるが、ユーザクラスタ内のＩＵＩは依然として残っている。ここでは例としてクラスタ１を取り上げる。クラスタ１には、端末２−１〜２−４が含まれており、各端末２−１〜２−４に対応する実効的な伝送路行列はＨ₁Ｂ_o1、Ｈ₂Ｂ_o1、Ｈ₃Ｂ_o1、Ｈ₄Ｂ_o1である。これらを新たな伝送路行列として捉え、これらを用いて４ユーザ間のＩＵＩを解決する内的プリコーディングを行う。内的プリコーディングには、従来より開示されているＭＵ−ＭＩＭＯ用プリコーディング技術が適用可能であり、ＢＤ法に代表される線形プリコーディングや、ＴＨＰ法やＶＰ法に代表されるＮＬＰ法が適用可能である。また、ユーザクラスタ毎に異なる内的プリコーディング法を適用することも可能である。ここでは簡単のため、内的プリコーディングとしてＢＤ法を適用した場合を例示する。ＢＤ法で算出される端末２−１〜２−４向けの８行２列の内的プリコーディング行列をそれぞれＢ_i1-1〜Ｂ_i1-4とすると、外的プリコーディングと内的プリコーディングを適用した実効的な伝送路行列は図３のようになる。すなわち、各端末２−１〜２−４に対応する実効的な伝送路行列は、それぞれ、Ｈ₁Ｂ_o1Ｂ_i1-1、Ｈ₂Ｂ_o1Ｂ_i1-2、Ｈ₃Ｂ_o1Ｂ_i1-3、Ｈ₄Ｂ_o1Ｂ_i1-4である。これにより、ユーザクラスタ１内のＩＵＩを抑圧することができる。

上述の内的プリコーディングをユーザクラスタ２、３、４にも同様に適用すると、結果として図４に示すような全端末２が空間直交するＭＵ−ＭＩＭＯ環境を実現できる。ここで、端末２−１向けのプリコーディング行列はＢ₁＝Ｂ_o1Ｂ_i1-1、端末２−２向けはＢ₂＝Ｂ_o1Ｂ_i1-2、端末２−３向けはＢ₃＝Ｂ_o1Ｂ_i1-3、端末２−４向けはＢ₄＝Ｂ_o1Ｂ_i1-4である。また、端末２−５については、ユーザクラスタ２に含まれるため、端末２−５向けのプリコーディング行列はＢ₅＝Ｂ_o2Ｂ_i2-1となり、同様に、端末２−６向けはＢ₆＝Ｂ_o2Ｂ_i2-2となる。このように、図４では、外的プリコーディング行列と内的プリコーディング行列をまとめて一括表記している。上述の例におけるシステムプリコーディング行列Ｂバーは、Ｂ₁〜Ｂ₁₆を列方向に並べたＴ行（ｍ×Ｎ_w）列行列となる。上述の例では内的プリコーディングにもＢＤ法を用いているため、結果としてＭＵ−ＭＩＭＯシステム全体にＢＤ法を適用したときと同様の環境が実現される。

以上、本発明の実施の形態にかかる送信プリコーディング方法の原理を説明した。本発明は、外的プリコーディングとして、ユーザクラスタ単位に、ＢＤ法を適用することで、ＩＵＣＩを抑圧するものである。上述の説明では、実効的な伝送路空間を分割するプロセスを説明する都合上、始めに外的プリコーディングを説明し、次に内的プリコーディングを説明したが、実際の送信信号処理の手順は、始めに内的プリコーディングを実施し、次に外的プリコーディングを実施する。また、上述の説明では、説明を簡易にするため、送信電力配分を定めたシステム送信電力行列Ｐバーを省略して説明したが、電力配分はプリコーディング実施の各端末２向けの信号に適用しても良く、内的プリコーディング行列及び外的プリコーディング行列に電力配分を含めても良い。また、上記の例では、内的プリコーディングとしてＢＤ法、すなわち線形プリコーディングを用いる例を示したが、これに限らず、伝送路行列と外的プリコーディングを掛け合わせた行列を新たな伝送路行列と捉えることで、内的プリコーディングとしてＴＨＰ法やＶＰ法に代表されるＮＬＰ法も適用することが可能である。

次に、具体的な構成例を用いて本実施の形態を説明する。図５は、本実施の形態の基地局１の構成例を示す図である。基地局１は、一次変調部１１−１〜１１−ｍ、プリコーダ部１２、オーダリング部１３、送信波形整形部１４−１〜１４−Ｔ、アンテナ１５−１〜１５−Ｔおよび受信機１６を備える。一次変調部１１−ｉ（ｉ＝１，…，ｍ）は、少なくとも端末２の個数と同じ個数だけ設けられている。各一次変調部１１−ｉは、各端末２−ｉに送信する送信信号に対して一次変調を行い、一次変調した送信信号をプリコーダ部１２へ出力する。一次変調部１１−ｉが行う一次変調は、例えば、チャネル符号化、ＱＡＭ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）シンボル等の一次変調シンボルへのマッピングを含む。また、シングルキャリアブロック伝送方式を用いる際には、一次変調部１１−ｉが行う一次変調は、離散フーリエ変換処理も含む。一次変調部１１−１〜１１−ｍは、受信装置である端末２ごとに、端末２へ送信する送信信号を生成する信号生成部である。

プリコーダ部１２は、一次変調部１１−１〜１１−ｍで生成された送信信号に対して、ユーザクラスタリング、すなわち信号の並び替えとグルーピングを行った上で、ユーザクラスタ毎に内的プリコーディングを施し、その後、全ユーザクラスタの信号に対して外的プリコーディングを施し、プリコーディング適用後の全送信信号を多重した信号を送信波形整形部１４−１〜１４−Ｔに出力する。

図６はプリコーダ部１２の内部構成を示す図である。プリコーダ部１２は、ユーザクラスタリング部１２１と、内的プリコーダ部１２２−１〜１２２−Ｃと、外的プリコーダ部１２３と、多重部１２４と、外的プリコーディング算出部１２５と、内的プリコーディング算出部１２６と、から構成される。

これらの各構成について、具体的に説明する。

ユーザクラスタリング部１２１は、一次変調部１１−１〜１１−ｍから出力される一次変調後の各ユーザの送信信号に対して、オーダリング部１３で決定されるユーザオーダリング情報に従って、信号の並び順を変更し、内的プリコーダ部１２２−１〜１２２−Ｃへ出力する。このとき、並び順変更後の送信信号をｓ１２１−１−１、ｓ１２１−１−２、…、ｓ１２１−１−ｐ、ｓ１２１−２−１、ｓ１２１−２−２、…、ｓ１２１−２−ｐ、…、ｓ１２１−Ｃ−１、ｓ１２１−Ｃ−２、…、ｓ１２１−Ｃ−ｐとすると、並び順変更後の送信信号は、順にｐ個毎に、ユーザクラスタ１、ユーザクラスタ２、…、ユーザクラスタＣに割り当てられ、ユーザクラスタｊ（ｊ＝１、…、Ｃ）の信号は、内的プリコーダ部１２２−ｊにそれぞれ出力される。なお、ｐは１以上の整数である。

内的プリコーダ部１２２−１〜１２２−Ｃでは、各疑似ユーザ１〜Ｃ、すなわち、それぞれ、ｐ個の端末分の信号群が入力され、端末間のＩＵＩを解決する処理を行う。後述する次段の外的プリコーダ部１２３によりユーザクラスタ間の直交変換は実現されるが、ユーザクラスタ内のＩＵＩは残っている。この問題の解決には、従来より開示されているＭＵ−ＭＩＭＯ用プリコーディング技術が適用可能であり、ＢＤ法に代表される線形プリコーディングや、ＴＨＰ法やＶＰ法に代表されるＮＬＰ法が適用可能である。内的プリコーダ部１２２−１〜１２２−Ｃでは、いずれかの方法を内的プリコーディングとして用い、入力信号に適用する。このとき必要となる外的プリコーディングの適用を仮定した実効的な伝送路行列、及び、内的プリコーディング行列の情報は、内的プリコーディング算出部１２６から供給される。ＩＵＩを解消された各信号は外的プリコーダ部１２３へ出力される。

外的プリコーダ部１２３では、入力されるｐ個ずつの疑似ユーザ信号に対して外的プリコーディング行列を乗積する。外的プリコーディング行列の情報は、外的プリコーディング算出部１２５から供給される。外的プリコーディングによりＩＵＣＩを解消された各信号は多重部１２４へ出力される。

多重部１２４では、入力されるｍ（＝ｐ×Ｃ）台の端末分の内的プリコーディング及び外的プリコーディング適用後の信号を全て加算し、送信波形整形部１４−１〜１４−Ｔへ出力する。

外的プリコーディング算出部１２５では、疑似ユーザ、すなわち、ユーザクラスタＣ個に対してＢＤ法を適用し、外的プリコーディング行列を算出する。算出に用いる端末ｍ台分の基地局−端末間の伝送路情報と電力配分情報とユーザオーダリング情報はオーダリング部１３から供給される。ＢＤ法による算出では、各疑似ユーザの伝送路を（ｐ×Ｎ_w）行Ｔ列の行列として扱う。疑似ユーザに対するＢＤ法適用により、疑似ユーザ間、すなわちユーザクラスタ間でのＩＵＣＩは抑圧され、Ｃ個のユーザクラスタは互いに直交する空間を形成できる。算出された外的プリコーディング行列の情報は外的プリコーダ部１２３へ入力される。

内的プリコーディング算出部１２６では、各ユーザクラスタのＩＵＩを解決するための内的プリコーディング行列を算出する。算出に用いる各ユーザクラスタの外的プリコーディング行列の情報は外的プリコーディング算出部１２５から供給され、基地局−端末間の伝送路情報と電力配分情報とユーザオーダリング情報はオーダリング部１３から供給される。内的プリコーディング算出部１２６では、各ユーザクラスタについて、いずれかのＭＵ−ＭＩＭＯ用プリコーディングを適用し、内的プリコーディング行列を算出する。算出された内的プリコーディング行列の情報は内的プリコーダ部１２２−１〜１２２−Ｃへ入力される。算出された行列を用いて内的プリコーダ部１２２−１〜１２２−Ｃにおいて内的プリコーディングを実施することで、各ユーザクラスタ内のｐ台の端末間のＩＵＩは解消される。

オーダリング部１３は、プリコーダ部１２に対しプリコーディングにおける端末２の順序付けと、Ｃ個のユーザクラスタの構成（すなわち、各ユーザクラスタに含まれる端末の決定）と、端末２への電力配分とを決定し指示する。併せて、プリコーダ部１２に対し、全端末２についての基地局−端末間の伝送路行列情報を供給する。

送信波形整形部１４−１〜１４−Ｔは、プリコーダ部１２によるプリコーディング後の信号に対し、それぞれ二次変調、デジタルアナログ（Ｄ／Ａ）変換、ベースバンド周波数から無線周波数への変換等を行い、処理後の信号をそれぞれアンテナ１５−１〜１５−Ｔを介して送信する。二次変調は、例えば、ＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ）等のマルチキャリア方式を適用する場合にはマルチキャリア変調であり、シングルキャリアブロック伝送等のシングルキャリア方式を適用する場合にはシングルキャリア変調である。二次変調の変調方式に制約はなく、上述したＯＦＤＭ、シングルキャリアブロック伝送以外の変調を行ってもよい。送信波形整形部１４−１〜１４−Ｔは、ＯＦＤＭ、シングルキャリアブロック伝送等のブロック伝送を適用する場合には、例えば、Ｄ／Ａ変換前に離散逆フーリエ変換およびＣＰ（Ｃｙｃｌｉｃ Ｐｒｅｆｉｘ）付加処理を行う。なお、ブロック伝送とは、ＯＦＤＭ、シングルキャリアブロック伝送に代表されるように離散フーリエ変換処理およびＣＰ付加により信号をブロック化する方式のことを示す。送信波形整形部１４−１〜１４−Ｔにおける信号処理は、デジタル処理であっても良くアナログ処理であっても良い。なお、一次変調部１１−１〜１１−ｍからプリコーダ部１２へ入力される送信信号は、式（３）におけるｓバー（ｔ）に対応し、プリコーダ部１２から送信波形整形部１４−１〜１４−Ｔへ出力される出力信号は、式（３）におけるＢバー×Ｐバー×ｓバー（ｔ）に対応する。ただし、内的プリコーダ部１２２−１〜１２２−ＣのいずれかにおいてＮＬＰ法が適用された場合は、信号ｓバー（ｔ）に非線形処理が施されるため、プリコーダ部１２から出力される信号は必ずしもＢバー×Ｐバー×ｓバー（ｔ）のような線形モデルで表現できるわけではない。

プリコーダ部１２によるプリコーディングが実施されることにより、複数の送信アンテナであるアンテナ１５−１〜１５−Ｔは、複数の端末２のそれぞれに向けた複数の信号送信が可能である。

受信機１６は、端末２からアンテナ１５−１〜１５−Ｔを経由して受信した受信信号に対して受信処理を実施する。なお、ここでは、アンテナ１５−１〜１５−Ｔが送受信アンテナである例を示しているが、アンテナ１５−１〜１５−Ｔを送信アンテナとしてのみ用いることとし、Ｔ個の受信アンテナをアンテナ１５−１〜１５−Ｔとは別に備えてもよい。ただし、プリコーダ部１２のプリコーディング行列の算出において、基地局１が、アップリンクの伝送路の推定結果をダウンリンクの伝送路情報として用いる場合には、アンテナ１５−１〜１５−Ｔは送受信アンテナである必要があり、受信機１６は、アンテナ１５−１〜１５−Ｔから受信した受信信号に基づいて伝送路の推定を行う。伝送路の推定方法はどのような方法を用いてもよく、例えば、既知信号であるパイロット信号を用いた推定方法等を用いることができる。具体的には、端末２の複数アンテナ間で直交するパイロット信号を端末２から送信し、基地局１の受信機１６では直交パイロットに従って端末２の各アンテナを識別して伝送路を推定することができる。また、プリコーディング行列の算出において、基地局１が、端末２から受信した伝送路情報を用いる場合には、受信機１６は、受信した伝送路情報をオーダリング部１３を経由してプリコーダ部１２へ供給する。

図７は、本実施の形態の端末２の構成例を示す図である。図７に示すように、各端末２は、アンテナ２１−１〜２１−Ｒ、受信波形整形部２２−１〜２２−Ｒ、デコーダ部２３、復調部２４および送信機２５を備える。

受信波形整形部２２−１〜２２−Ｒは、それぞれアンテナ２１−１〜２１−Ｒにより受信された受信信号に対して、無線周波数からベースバンド周波数へ変換する処理、アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換、及び、信号フィルタ処理等の受信波形整形処理を行い、処理後の受信信号をデコーダ部２３へ出力する。信号フィルタ処理は、例えば所望の周波数帯域の信号を抽出する処理である。また、ブロック伝送方式を適用する場合、受信波形整形部２２−１〜２２−Ｒは、ＣＰ除去処理と離散フーリエ変換処理も実施する。

デコーダ部２３は、受信波形整形部２２−１〜２２−Ｒから入力される受信信号に対して、所望の信号、すなわち、自端末宛ての信号を抽出するための処理を行い、処理後の信号を復調部２４へ出力する。なお、この「自端末宛ての信号を抽出するための処理」を、ＭＩＭＯデコード処理と呼び、これについては後述する。デコーダ部２３は、基地局１から受信した信号から、所望信号を抽出するデコーダである。デコーダ部２３は、ＭＩＭＯデコード処理の過程で、伝送路の推定処理を実施する。

復調部２４は、デコーダ部２３から出力される信号に対して、デマッピング処理及びチャネル復号処理等の復調処理を行い、基地局１から送信された信号を復元する。また、シングルキャリアブロック伝送方式を適用する場合は、復調部２４は、周波数歪みを補償する等化処理と離散逆フーリエ変換処理とを実施する。また、基地局１の内的プリコーディングとしてＴＨＰ法を用いる場合は、復調部２４のデマッピング処理の前にｍｏｄｕｌｏ演算を行い、内的プリコーディングとしてＶＰ法を用いる場合は、復調部２４のデマッピング処理の前に摂動ベクトル減算処理を行う。受信波形整形部２２−１〜２２−Ｒにおける信号処理はデジタル処理であっても良くアナログ処理であっても良い。

送信機２５は、送信信号を生成してアンテナ２１−１〜２１−Ｒから基地局１へ送信する。なお、ここでは、アンテナ２１−１〜２１−Ｒが送受信アンテナである例を示しているが、送信アンテナをアンテナ２１−１〜２１−Ｒとは別に備えてもよい。ただし、基地局でのプリコーディング行列の算出において、基地局１が、端末２から受信した伝送路情報を用いる場合には、送信機２５は、デコーダ部２３から、デコーダ部２３が推定した伝送路の情報である伝送路情報を取得し、伝送路情報を基地局１へ送信する。また、基地局１でのプリコーディング行列の算出において、基地局１が、アップリンクの伝送路の推定結果をダウンリンクの伝送路情報として用いる場合には、アンテナ２１−１〜２１−Ｒは送受信アンテナであり、送信機２５は、アンテナ２１−１〜２１−Ｒから送信信号を送信する。

次に、本実施の形態の基地局１および端末２のハードウェア構成について説明する。図５に示した基地局１を構成する各構成要素は、それぞれを電子回路およびアンテナ等のハードウェアとして実現できる。一次変調部１１−１〜１１−ｍは、マッパまたはモジュレータであり、一次変調に離散フーリエ変換処理を含む場合には、離散フーリエ変換処理回路が追加される。プリコーダ部１２は、プリコーディングを実施する処理回路であり、オーダリング部１３は、オーダリングを行う処理回路である。送信波形整形部１４−１〜１４−Ｔは、送信波形整形回路であり、具体的には、Ｄ／Ａコンバータ、フィルタ、周波数コンバータ等で構成される。また、送信波形整形部１４−１〜１４−ＴがＣＰ付加、逆離散フーリエ変換処理を行う場合には、送信波形整形部１４−１〜１４−Ｔは、ＣＰ付加回路、逆離散フーリエ変換処理回路を備える。

プリコーダ部１２及びオーダリング部１３を実現する処理回路は、専用のハードウェアであっても、メモリとメモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ、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、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）ともいう）とを備える制御回路であってもよい。ここで、メモリとは、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリー、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等の、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、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋ）等が該当する。

プリコーダ部１２及びオーダリング部１３が、専用のハードウェアで実現される場合、これらは、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（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、またはこれらを組み合わせたものである。処理回路が専用のハードウェアで実現される構成される場合、この処理回路は、例えば図８に示す処理回路５００である。

プリコーダ部１２及びオーダリング部１３がＣＰＵを備える制御回路で実現される場合、この制御回路は例えば図９に示す構成の制御回路４００である。図９に示すように制御回路４００は、ＣＰＵであるプロセッサ４０１と、メモリ４０２とを備える。プリコーダ部１２及びオーダリング部１３が、図９に示すように制御回路４００により実現される場合、プロセッサ４０１がメモリ４０２に記憶された、プリコーダ部１２及びオーダリング部１３のそれぞれの処理に対応するプログラムを読み出して実行することにより実現される。また、メモリ４０２は、プロセッサ４０１が実施する各処理における一時メモリとしても使用される。

また、一次変調部１１−１〜１１−ｍおよび送信波形整形部１４−１〜１４−Ｔのうちの少なくとも一部が、上記のプリコーダ部１２及びオーダリング部１３と同様に、専用のハードウェアである処理回路または制御回路４００により実現されてもよい。

図７に示した端末２を構成する各構成要素は、それぞれを電子回路およびアンテナ等のハードウェアとして実現できる。受信波形整形部２２−１〜２２−Ｒは、受信波形整形回路であり、具体的には、Ａ／Ｄコンバータ、フィルタ、周波数コンバータ等で構成される。また、受信波形整形部２２−１〜２２−ＲがＣＰ除去、離散フーリエ変換処理を行う場合には、受信波形整形部２２−１〜２２−Ｒは、ＣＰ除去回路、離散フーリエ変換処理回路を備える。デコーダ部２３は、処理回路であり、復調部２４は、デモジュレータまたはデマッパである。復調部２４が等化処理、離散逆フーリエ変換処理等を行う場合には、復調部２４は、等化器、逆離散フーリエ変換回路等を含む。

デコーダ部２３を実現する処理回路は、専用のハードウェアで実現されてもよく、上述した図９に示すような制御回路４００により実現されてもよい。デコーダ部２３が図９に示すような制御回路４００により実現される場合、プロセッサ４０１がメモリ４０２に記憶された、デコーダ部２３の処理に対応するプログラムを読み出して実行することにより実現される。また、受信波形整形部２２−１〜２２−Ｒおよび復調部２４のうちの少なくとも一部が、上記のデコーダ部２３と同様に、専用のハードウェアである処理回路または制御回路４００により実現されてもよい。

図１０は、本実施の形態のプリコーダ部１２における処理手順の一例を示すフローチャートである。まず、プリコーダ部１２は、オーダリング部１３により決定された順序及びユーザクラスタ構成に従って、全ユーザクラスタの外的プリコーディング行列を算出する（ステップＳ１２−１）。これは外的プリコーディング算出部１２５の処理に相当する。次に、ステップＳ１２−１で求めた外的プリコーディング行列とオーダリング部１３から入力された伝送路行列とに基づき、ユーザクラスタ毎の内的プリコーディング行列を算出する（ステップ１２−２）。これは内的プリコーディング算出部１２６の処理に相当する。外的プリコーディング行列と内的プリコーディング行列とが算出された後、オーダリング部１３より通知されるユーザオーダリング情報に従って、ユーザクラスタ１〜Ｃを構成するように全端末２の送信信号を並び替える（ステップＳ１２−３）。これはユーザクラスタリング部１２１の処理に相当する。並び替えた信号に対し、ユーザクラスタ毎に内的プリコーディングを実施する（ステップＳ１２−４）。これは内的プリコーダ部１２２−１〜１２２−Ｃの処理に相当する。内的プリコーディングにより各ユーザクラスタ内のＩＵＩが解消された信号に対し、外的プリコーディングを実施する（ステップＳ１２−５）。これは外的プリコーダ部１２３の処理に相当する。最後に、全端末２のプリコーディング適用後の信号を足し合わせる（ステップＳ１２−６）。これは多重部１２４の処理に相当する。

次に、オーダリング部１３の処理について説明する。プリコーダ部１２においてユーザクラスタリングを行うために、オーダリング部１３はユーザクラスタ構成と端末２の並び順を決定する。以降、ユーザクラスタ構成と端末２の並び順を決定することをユーザオーダリングと呼び、ユーザクラスタ構成と端末２の並び順に関する情報をユーザオーダリング情報と呼ぶ。また、オーダリング部１３は、各端末２への電力配分を決定する。

図１１は、本実施の形態のオーダリング部１３の処理手順の一例を示すフローチャートである。オーダリング部１３は、後述のいずれか方法により、端末２のユーザクラスタ構成を決定し（ステップＳ１３−１）、ユーザクラスタ内の端末２の順序を決定する（ステップＳ１３−２）。オーダリング部１３は、決定したユーザオーダリング情報をプリコーダ部１２へ通知する。ユーザクラスタ構成を決定する方法としては、例えば隣接端末同士の地理的位置、特に基地局１から見た方位角が近い端末同士または異なる端末同士をグルーピングする、あるいは、基地局１からの距離が近い端末同士または距離が遠い端末同士をグルーピングする、あるいは、隣接端末同士の伝送路行列の相関、すなわち、前述した端末間の伝送路行列の相互相関行列の対角項の大きさが高い端末同士または低い端末同士をグルーピングする、あるいは、要求される伝送速度が同等の端末同士または異なる端末同士をグルーピングする、あるいは移動速度が同等の端末同士または異なる端末同士をグルーピングする、などが挙げられるが、これらに限定されない。ユーザクラスタ内の端末２の順序を決定する方法としては、例えば、各端末２の伝送路利得（伝送路行列のフロベニウスノルムの二乗）の大きい順または小さい順とする、あるいは、各基地局１と端末２との間の伝送路行列が持つ非負固有値あるいは非負特異値の大きい順または小さい順とする、あるいは、隣接端末同士の地理的位置、例えば基地局１から見た方位角が近くなるようにまたは遠くなるように順序付けする、あるいは、基地局１からの距離が近くなるようにまたは遠くなるように順序付けする、あるいは、隣接端末同士の伝送路行列の相関、すなわち、前述した端末間の伝送路行列の相互相関行列の対角項の大きさが、高くなるようにまたは低くなるように順序付けする、などが挙げられるが、これらに限定されない。

オーダリング部１３は、端末２の電力配分を決定する（ステップＳ１３−３）。オーダリング部１３は、電力配分の結果、すなわち各端末２に配分された電力をプリコーダ部１２へ通知する。このとき、電力配分情報と併せて、ユーザオーダリングを適用した、すなわち決定した端末の並び順にしたがった基地局‐端末２間の伝送路情報もプリコーダ部１２へ通知する。電力配分は、例えば、端末２の伝送路利得に基づき注水定理に従って実施する、または全端末２の受信品質を均質化するよう、すなわち、伝送路利得と配分した電力との積が全端末２の間で同等の値となるよう配分する、などが挙げられるが、これらに限定されない。なお、上記のステップＳ１３−１〜Ｓ１３−２と、ステップＳ１３−３の順番は逆でもよい。すなわち、ステップＳ１３−３、Ｓ１３−１、Ｓ１３−２の順に実施しても良い。

次に、端末２のデコーダ部２３における処理を説明する。ここでは、上述した本実施の形態のシステムプリコーディング行列、すなわち、Ｂ₁〜Ｂ_mを列方向に並べたＴ行（ｍ×Ｎ_w）列の行列を用いて基地局１により形成されたビームを受信する受信装置である端末２で観測される伝送路成分を考える。ＩＵＩは送信基地局におけるプリコーディングにより全て解決されるため、端末２−ｉで観測される実効的な伝送路行列のうち、所望成分、すなわち、Ｈ_iＢ_iを用いてＭＩＭＯデコード処理を実施すれば良い。

端末２のデコーダ部２３は、受信信号ｒ_i（ｔ）に基づいて、端末２−ｉに宛てて送信された送信信号ｓ_i（ｔ）を検出する。受信信号ｒ_i（ｔ）からの送信信号ｓ_i（ｔ）の検出は、一般的なＭＩＭＯデコード処理により実現可能である。例えば、「T. Ohgane, T. Nishimura, and Y. Ogawa、「Applications of Space Division Multiplexing and Those Performance in a MIMO Channel」、IEICE Trans. Commun.、vol. E88-B、no. 5、pp. 1843-1851、May 2005.」に記載されているように、ＺＦ（Zero-Forcing）、最小平均二乗誤差（ＭＭＳＥ：Minimum Mean Square Error）基準に代表される線形検出法を適用可能である。または、最尤推定または干渉キャンセラ（ＩＣ：Interference Canceller）に代表される非線形検出法も適用可能であり、どのようなＭＩＭＯデコード処理を用いてもよい。なお、デコーダ部２３が行うＭＩＭＯデコード処理は、信号処理は、受信ウェイト乗積後のｒ_i（ｔ）へ実施する替わりに、受信ウェイト乗積前のｙ_i（ｔ）に対して実施してもよい。この場合の、ＭＩＭＯデコード処理も一般的なＭＩＭＯデコード処理と同様である。

上記の説明では、基地局１のアンテナ数Ｔおよび端末２の受信ブランチ数は、Ｔ≧Ｎ_w,total−Ｎ_w＝（ｍ−１）×Ｎ_wの関係を満たすものとしたが、端末２が備えるアンテナの数に制約は無く、端末２ごとにアンテナ数が異なる場合や、端末２ごとに受信ブランチ数が異なる場合にも本発明は適用可能である。端末２−ｊのアンテナ数Ｎ_R,jとブランチ数Ｎ_w,jはＮ_R,j≧Ｎ_w,jの関係を満たし、所望端末２−ｉに対するＩＵＩ端末を端末２−ｊとすると、基地局１とどの所望端末２の関係においてもＴ≧（Σ_k=1 ^m（Ｎ_w,k））を満たしていれば本発明を適用可能である。

また、上記の説明では、図１に示すようにスケジューリングを実施する制御局３が基地局１とは独立に存在する形態を例示したが、これに限らず、同一の装置内に制御局３と基地局１が存在していても良い。

また、上記の図５では、オーダリング部１３を備える例を示したが、オーダリング部１３を備えずに、図１２に示す構成としてもよい。図１２は、オーダリング部１３を備えない基地局１ａの構成例を示す図である。図１２では、図５の基地局１と同様の機能を有する構成要素については、図５と同一の符号を付している。このことからもわかるように、図１２と図５との違いは、図１２においては、オーダリング部１３が設けられていない点と、図５のプリコーダ部１２の代わりにプリコーダ部１２ａが設けられている点であり、他の構成については同じである。図１２に示す基地局１ａでは、オーダリング部１３による並び替えは行われないが、プリコーダ部１２ａが、上述したユーザクラスタ構成及びクラスタ内端末並び順決定によりユーザクラスタリングを実施することができる。すなわち、オーダリング部１３の機能がプリコーダ部１２ａに含まれている。従って、図１２に示す基地局１ａにおいても、図５の基地局１による外的プリコーディングと同様に直交したユーザクラスタを形成することができる。

また、上記の図６では、内的プリコーダ部１２２−１〜１２２−Ｃと外的プリコーダ部１２３が独立してプリコーディングを実施する例を示したが、これに限らず、図１３に示すように、内的プリコーディングと外的プリコーディングを一括して実施する構成としても良い。図１３は、内的プリコーディングと外的プリコーディングとを一括して実施する一括プリコーダ部１２７を備えるプリコーダ部１２ｂの構成例を示す図である。図１３では、図６のプリコーダ部１２と同様の機能を有する構成要素については、図６と同一の符号を付している。このことからもわかるように、図６と図１３との違いは、図１３においては、図６の内的プリコーダ部１２２−１〜１２２−Ｃと外的プリコーダ部１２３との代わりに、一括プリコーダ部１２７が設けられている点と、図６の内的プリコーディング算出部１２６の代わりに、一括プリコーディング算出部１２８が設けられている点である。他の構成については、図６と図１３は同じである。図１３に示すプリコーダ部１２ｂでは、一括プリコーダ部１２７において、上述の内的プリコーディングと外的プリコーディングを一括して行う一括プリコーディングを実施する。一括プリコーディングは、一括プリコーディング算出部１２８から供給されるプリコーディング行列を用いる。一括プリコーディング算出部１２８では、外的プリコーディング算出部１２５から入力される外的プリコーディング行列に基づき内的プリコーディング行列を算出し、外的プリコーディング行列と内的プリコーディング行列を掛け合わせた行列、すなわち、システムプリコーディング行列Ｂバーを求め、一括プリコーダ部１２７に出力する。図１３に示すプリコーダ部１２ｂにおいても、図６のプリコーダ部１２と同様のプリコーディングを実現することができる。

以上のように、本実施の形態では、基地局１が、複数の端末２をグルーピングしたユーザクラスタを疑似ユーザとして扱い、疑似ユーザに対してＢＤ法を適用する外的プリコーディングを実施することにより、ＩＵＣＩを解消することができる。本実施の形態によれば、ユーザクラスタに対するＢＤ法により求めた送信プリコーディングを行うことで、複数のユーザクラスタを空間的に直交分離することができ、これにより、ＭＵ−ＭＩＭＯダウンリンク全体を各ユーザクラスタ毎の小規模なＭＵ−ＭＩＭＯダウンリンク問題に細分化することができる。これにより、ユーザ数が多い場合においても、装置規模が大きくなることもなく、且つ、スケジューリングが複雑化することもなく、簡易に、ＭＵ−ＭＩＭＯダウンリンクの課題を解決することができるという効果が得られる。

実施の形態２．
図１４は、本発明にかかる実施の形態２の通信システムの構成例を示す図である。但し、図１４では、端末２の図示を省略している。図１４に示すように、本実施の形態における通信システムは、制御局３ａと、複数の基地局１ｂ−１〜１ｂ−ｑとを備えている。基地局１ｂ−１〜１ｂ−ｑは、制御局３ａにより制御される。ｑは２以上の整数である。上記の実施の形態１では、基地局１が搭載するアンテナ１５−１〜１５−Ｔによりビームを形成する例を説明した。これに限らず、Ｔ本のアンテナが複数の基地局に分散して搭載されている場合にも、実施の形態１と同様のシステムプリコーディング行列を用いることができる。従って、本実施の形態では、Ｔ本のアンテナが複数の基地局に分散して搭載されている場合について説明する。なお、基地局１ｂ−１〜１ｂ−ｑを区別せずに示す場合は、基地局１ｂと記載する。本実施の形態では、基地局１ｂ−１〜１ｂ−ｑが有するアンテナの数の総数がＴであるとする。また、実施の形態１と同様に、制御局３ａは、ｍ台を超える通信候補端末から通信対象となるｍ台の端末を選択するスケジューリングを実施するものとし、以降説明する実施の形態では、制御局３ａでスケジューリングが実施され、端末２−１〜２−ｍが通信対象として選択されたものとする。

図１４に示すように、制御局３ａは、プリコーダ算出部３１、オーダリング部３２および送受信機３３を備える。プリコーダ算出部３１は、実施の形態１のプリコーダ部１２ｂにおける外的プリコーディング算出部１２５と一括プリコーディング算出部１２８の処理を合わせて実施することと同様の処理を実施する。すなわち、プリコーダ算出部３１は、基地局１ｂ−１〜１ｂ−ｑが送信する送信信号の送信先となる端末２について複数のユーザクラスタにグルーピングした上で、ＩＵＣＩをＢＤ法により解決する外的プリコーディング行列と、各ユーザクラスタ内のＩＵＩを解決するための内的プリコーディングと、を算出し、外的プリコーディング行列と内的プリコーディング行列を掛け合わせたシステムプリコーディング行列を求め、送受信機３３に出力する。ただし、システムプリコーディング行列の算出に用いる伝送路情報については、送受信機３３経由で基地局１ｂ−１〜１ｂ−ｑから受信する。基地局１ｂ−１〜１ｂ−ｑが伝送路情報を取得する方法は、実施の形態１と同様である。オーダリング部３２は、実施の形態１のオーダリング部１３と同様の処理を実施する。送受信機３３は、基地局１ｂ−１〜１ｂ−ｑから受信した信号の受信処理と、基地局１ｂ−１〜１ｂ−ｑへ送信する信号に対する送信処理とを行う。送受信機３３は、プリコーダ算出部３１により算出されたプリコーディング行列であるシステムプリコーディング行列とオーダリング部３２により算出されたユーザオーダリング情報と電力配分情報とを基地局１ｂ−１〜１ｂ−ｑへそれぞれ送信する。基地局１ｂ−１〜１ｂ−ｑは各々が１本以上の送信アンテナを備える。

図１５は、本実施の形態の基地局１ｂの構成例を示す図である。図１５に示すように、基地局１ｂは、実施の形態１の基地局１に送受信機１７を追加し、プリコーダ部１２ｂの替わりにプリコーダ部１２ｃを備える以外は、実施の形態１の基地局１ａと同様である。ただし、送信波形整形部およびアンテナの数は、それぞれＤ個である。Ｄは１以上の整数である。実施の形態１と同様の機能を有する構成要素は、実施の形態１と同一の符号を付して重複する説明を省略する。

送受信機１７は、制御局３ａから受信した信号の受信処理と、制御局３ａへ送信する信号に対する送信処理とを行う。送受信機１７は、伝送路情報を受信機１６から取得し制御局３へ送信する。また、送受信機１７は、制御局３ａから受信したシステムプリコーディング行列情報、伝送路行列情報、ユーザオーダリング情報および電力配分情報をプリコーダ部１２ｃへ出力する。プリコーダ部１２ｃは、送受信機１７から受け取った電力配分に基づいて生成した電力配分行列Ｐｉを乗積し、さらに送受信機１７から受け取ったシステムプリコーディング行列Ｂバーを一次変調部１１−１〜１１−ｍから出力される送信信号に乗積して、乗積結果を送信波形整形部１４−１〜１４−Ｄへ出力する。プリコーダ部１２ｃでは、線形プリコーディングだけでなく、システムプリコーディング行列と伝送路行列を用いて送信信号にＮＬＰ法を適用しても良い。

次に、制御局３ａおよび基地局１ｂのハードウェア構成について説明する。基地局１ｂの構成要素のうち実施の形態１と同様の構成要素は、実施の形態１で述べたハードウェア構成により実現することができる。制御局３ａのプリコーダ算出部３１およびオーダリング部３２は、処理回路である。プリコーダ算出部３１、およびオーダリング部３２は、実施の形態１のプリコーダ部１２、１２ａ、１２ｂおよびオーダリング部１３を実現する処理回路と同様に、専用のハードウェアであっても、メモリとメモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵを備える制御回路であってもよい。プリコーダ算出部３１およびオーダリング部３２を実現する制御回路は、例えば、図９に示した制御回路４００である。また、プリコーダ部１２ｃも処理回路であり、この処理回路も専用のハードウェアであっても、メモリとメモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵを備える制御回路であってもよい。プリコーダ部１２ａを実現する制御回路は、例えば、図９に示した制御回路４００である。

制御局３ａの送受信機３３は、送信機および受信機で構成される。基地局１ｂの送受信機１７も、送信機および受信機で構成される。

以上のように、本実施の形態では、制御局３ａが実施の形態１と同様のシステムプリコーディング行列Ｂバーを算出し、基地局１ｂへシステムプリコーディング行列Ｂバーと伝送路行列とユーザオーダリング情報および電力配分情報を通知するようにした。このため、複数の基地局１ｂを備える場合にも、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

なお、上記の実施の形態１，２で示した構成は、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。

Claims (19)

1. 複数の受信装置を指向するビームを形成可能な複数の送信アンテナと、
   前記複数の送信アンテナから送信する送信信号に対して線形プリコーディングを行う線形プリコーダ部と
   を備えた送信装置であって、
   前記複数の受信装置は、
   前記送信信号の送信先となる１つ以上の第１の受信装置と、
   前記第１の受信装置以外の第２の受信装置と
   を含み、
   前記線形プリコーダ部は、前記複数の受信装置のうち前記第２の受信装置における受信電力が閾値以下となるように前記複数の送信アンテナから送信される前記送信信号に対して前記線形プリコーディングを行い、
   前記送信装置は、
   前記複数の送信アンテナから送信される前記送信信号に対して、前記第１の受信装置間の干渉を事前に除去するための非線形プリコーディングを実施する非線形プリコーダ部
   をさらに備え、
   前記線形プリコーダ部は、前記非線形プリコーダ部から出力される前記非線形プリコーディング実施後の前記送信信号に対して、前記第２の受信装置における受信電力を前記閾値以下とするためのプリコーディング行列である線形プリコーディング行列を乗算する、
   ことを特徴とする送信装置。
2. 前記第１の受信装置は、前記複数の受信装置と前記送信装置との間の伝送路行列の相関に基づいて前記複数の受信装置の中から選定される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の送信装置。
3. 前記第１の受信装置は、前記複数の受信装置の間の地理的な離隔度に基づいて前記複数の受信装置の中から選定される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の送信装置。
4. 前記第１の受信装置は、前記複数の受信装置の要求される伝送速度に基づいて前記複数の受信装置の中から選定される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の送信装置。
5. 前記第１の受信装置は、前記複数の受信装置の移動速度に基づいて前記複数の受信装置の中から選定される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の送信装置。
6. 前記線形プリコーディングにおける前記第１の受信装置の組み合わせ及び前記第２の受信装置の組み合わせを決定するオーダリング部
   をさらに備えた、
   ことを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の送信装置。
7. 前記オーダリング部は、前記第１の受信装置に対する電力配分を決定し、
   前記線形プリコーダ部は、前記複数の送信アンテナから送信される前記送信信号に対して、前記電力配分の結果に対応する電力配分行列と前記線形プリコーディングを実施するための線形プリコーディング行列とを乗算する、
   ことを特徴とする請求項６に記載の送信装置。
8. 前記オーダリング部は、前記電力配分を注水定理に従って決定する、
   ことを特徴とする請求項７に記載の送信装置。
9. 前記オーダリング部は、前記受信装置における受信品質が均等化するように、前記電力配分を決定する、
   ことを特徴とする請求項７に記載の送信装置。
10. 前記オーダリング部は、前記第１の受信装置間の地理的位置に基づいて、前記第１の受信装置の組み合わせを決定する、
    ことを特徴とする請求項６から９までのいずれか１項に記載の送信装置。
11. 前記オーダリング部は、前記第１の受信装置の伝送路行列間の相関に基づいて、前記第１の受信装置の組み合わせを決定する、
    ことを特徴とする請求項６から９までのいずれか１項に記載の送信装置。
12. 前記オーダリング部は、前記第１の受信装置の移動速度に基づいて、前記第１の受信装置の組み合わせを決定する、
    ことを特徴とする請求項６から９までのいずれか１項に記載の送信装置。
13. 請求項１から１２までのいずれか１項に記載の前記送信装置から送信された前記送信信号を受信する受信装置であって、
    前記送信装置から受信した前記送信信号から所望の信号を抽出するデコーダ部と、
    前記デコーダ部で抽出された信号からビット情報を抽出する復調部と
    を備えたことを特徴とする受信装置。
14. 前記復調部は、ビット情報抽出の前処理としてｍｏｄｕｌｏ演算を行う、
    ことを特徴とする請求項１３に記載の受信装置。
15. 前記復調部は、ビット情報抽出の前処理として摂動ベクトルの加減算を行う、
    ことを特徴とする請求項１３に記載の受信装置。
16. 複数の送信装置に搭載された複数の送信アンテナにより、複数の受信装置を指向するビームを形成可能な通信システムにおける制御局であって、
    前記複数の受信装置は、
    前記送信アンテナから送信する送信信号の送信先となる１つ以上の第１の受信装置と、
    前記第１の受信装置以外の第２の受信装置と
    を含み、
    前記制御局は、
    前記複数の受信装置のうち前記第２の受信装置における受信電力が閾値以下となるように前記複数の送信アンテナから送信される前記送信信号に対して線形プリコーディングを行うための線形プリコーディング行列を算出するプリコーダ算出部と、
    前記線形プリコーディング行列を前記複数の送信装置へ送信する送受信機と
    を備え、
    各前記複数の送信装置は、
    前記線形プリコーディング行列を受信する送受信機と、
    前記送受信機により受信された前記線形プリコーディング行列を用いて線形プリコーディングを行う線形プリコーダ部と、
    前記複数の送信アンテナから送信される前記送信信号に対して、前記第１の受信装置間の干渉を事前に除去するための非線形プリコーディングを実施する非線形プリコーダ部と、
    を備え、
    前記線形プリコーダ部は、前記非線形プリコーダ部から出力される前記非線形プリコーディング実施後の前記送信信号に対して、前記送受信機により受信された前記線形プリコーディング行列を乗算する、
    ことを特徴とする制御局。
17. 請求項１から１２までのいずれか１項に記載の前記送信装置と、
    請求項１３から１５までのいずれか１項に記載の前記受信装置と
    を備えたことを特徴とする通信システム。
18. 制御局と、複数の送信装置とを備え、前記複数の送信装置に搭載された複数の送信アンテナにより、複数の受信装置を指向するビームを形成可能な通信システムであって、
    前記複数の受信装置は、
    前記送信アンテナから送信する送信信号の送信先となる１つ以上の第１の受信装置と、
    前記第１の受信装置以外の第２の受信装置と
    を含み、
    前記制御局は、
    前記複数の受信装置のうち前記第２の受信装置における受信電力が閾値以下となるように前記複数の送信アンテナから送信される前記送信信号に対して線形プリコーディングを行うための線形プリコーディング行列を算出するプリコーダ算出部と、
    前記線形プリコーディング行列を前記複数の送信装置へ送信する送受信機と
    を備え、
    前記送信装置は、
    前記線形プリコーディング行列を受信する送受信機と、
    前記送受信機により受信された前記線形プリコーディング行列を用いて線形プリコーディングを行う線形プリコーダ部と、
    前記複数の送信アンテナから送信される前記送信信号に対して、前記第１の受信装置間の干渉を事前に除去するための非線形プリコーディングを実施する非線形プリコーダ部と
    を備え、
    前記線形プリコーダ部は、前記非線形プリコーダ部から出力される前記非線形プリコーディング実施後の前記送信信号に対して、前記送受信機により受信された前記線形プリコーディング行列を乗算する、
    ことを特徴とする通信システム。
19. 複数の受信装置を指向するビームを形成可能な複数の送信アンテナを備える送信装置における送信プリコーディング方法であって、
    前記複数の受信装置は、
    前記複数の送信アンテナから送信する送信信号の送信先となる１つ以上の第１の受信装置と、
    前記第１の受信装置以外の第２の受信装置と
    を含み、
    前記送信プリコーディング方法は、
    前記複数の受信装置の中から前記第１の受信装置を決定する第１のステップと、
    前記第１の受信装置間の干渉を事前に除去するために、前記複数の送信アンテナから送信される前記送信信号に対して非線形プリコーディングを行う第２のステップと、
    前記第２の受信装置における受信電力が閾値以下となるように、前記非線形プリコーディング実施後の前記送信信号に対して線形プリコーディングを行う第３のステップと
    を含む、ことを特徴とする送信プリコーディング方法。

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