以下、本発明の好ましい実施形態について� ��付図面を参照しながら説明する。
 図1は、MIMO無線通信システム1を示している� ��このMIMO無線通信システム1は、複数のアン� �ナ素子(送信アンテナ素子)を有する送信側の 無線通信装置2と、複数のアンテナ素子(受信� ��ンテナ素子)を有する受信側の無線通信装置 3とを有している。

 このMIMO無線通信システム1は、OFDM(Orthogonal  Frequency Division Multiplexing;直交周波数分割多� �)によって通信を行うよう構成されている(OFD M-MIMO無線通信システム)。
 OFDMは、複数の搬送波(サブキャリア)を周波� ��軸上に多数配置するとともに、複数の搬送� ��を一部重ならせて周波数利用効率を上げた� ��のである。つまり、本システム1では、複数 の周波数によって通信が行われる。

 図2は、本システム1が適用され得る無線� �信規格であるWiMAX(Worldwide Interoperability for M icrowave Access,IEEE802.16)におけるOFDMのサブキャ� ��ア配置を示している。OFDMは、周波数多重方 式の一種であり、周波数軸上で直交するよう に多数配置された搬送波(サブキャリア)にQAM� ��調などのデジタル変調をかけ、デジタル情� ��の伝送を行う通信方式である。

 OFDMのサブキャリアには、データサブキャリ ア(Data Sub-Carrier)、パイロットサブキャリア(P ilot Sub-Carrier)、ヌルサブキャリア(Null Sub-Carr ier)の3種類がある。
 データサブキャリアは、データや制御用メ� ��セージを送信するためのサブキャリアであ� ��る。パイロットサブキャリアは、受信側及� ��送信側で既知の信号(パイロット信号)であ� �、受信側において伝送路特性の推定等に用� �られる。

 ヌルサブキャリアは、実際には何も送信� ��れないサブキャリアであり、低周波数域側� ��ガードサブバンド(ガードサブキャリア)、� �周波数域側のガードサブバンド(ガードサブ� ��ャリア)、及びDCサブキャリア(中心周波数サ ブキャリア)によって構成されている。

 図3は、前記無線通信装置2において送信� �ための処理を行う処理部20を示している。こ の処理部20は、マップ処理部21、IFFT部22a,22b、 送信ビーム形成部23、CP部24a,24b、及びD/A変換� ��25a,25bを備えている。

 前記マップ処理部21は、送信シンボルに対� �てマップ処理を行うものである。ここで、� �3における送信シンボルは、インタリーブ、� ��号化、多値変調などの信号処理が行われた� ��の信号をいうものとする。
 前記マップ処理部21は、送信シンボルをOFDM� ��おける周波数軸上の各サブキャリア(データ サブキャリア)に割り当てる処理を行う。ま� �、前記マップ処理部21では、空間割り当ても 行われ、送信シンボル(送信信号)が多重化(空 間多重化度:L)される。
 なお、マップ処理部21における処理は、周� �数領域で行われる。

 多重化された送信シンボルは、それぞれ、I FFT部22a,22bによって逆離散フーリエ変換され� �周波数領域の信号から時間領域の信号(サブ� ��トリーム)s ₁ ,・・・,s _L に変換される。
 時間領域の信号となった空間多重化送信信� ��は、送信ビーム形成部23によって送信ビー� �フォーミング処理がなされ、送信アンテナ� �子2a,2bの数Mに応じた数の送信信号(送信ビー� ��)x ₁ ,・・・,x _M が生成される。なお、送信ビームフォーミン グ処理の詳細は、後述する。

 各送信信号x ₁ ,・・・,x _M には、それぞれ、CP部24a,24bによってCP(Cyclic P refix)が付加される。CPは、送信信号の先頭に� ��加される。
 そして、各送信信号x ₁ ,・・・,x _M は、D/A変換部25a,25bによってアナログ信号に� �換された上で、M個のアンテナ素子2a,2bから� �信される。

 図1に示すように、M個のアンテナ素子2a,2bか ら送信された信号x ₁ ,・・・,x _M は、伝送路(伝送路特性H)を通って、受信側の 無線通信装置3のN個のアンテナ素子3a,3bによ� �て受信される。N個のアンテナ素子3a,3bによ� �て受信された信号y ₁ ,・・・,y _N には、ウェイト処理部32によって受信ウェイ� ��Vを乗算する処理が施される。さらに、ウェ イト処理部32は、ウェイトを乗じた受信信号� ��合成し、合成後信号(送信信号の推定信号)� �得る。

 さて、前記送信ビーム形成部23は、多重度L� ��送信信号s ₁ ,・・・,s _L に、行列サイズM×Lの送信ビーム行列(送信ビ� ��ムフォーミング行列)Uを掛けることで、ア� �テナ素子数Mに応じた数の送信信号(送信ビー ム)x ₁ ,・・・,x _M を得る。
 本実施形態において、前記送信ビーム行列U は、周波数の関数行列U(jω)として構成されて いる。なお、ωは角周波数であり、ω=2πf(fは� ��波数)であるが、以下では、ωを単に「周波� ��」という。

 OFDM方式においては、複数の周波数のサブキ ャリアが用いられるため、多重度Lの送信信� �Sも、周波数ωの関数S(jω)として表すことが� �きる。つまり、S(jω)=(s ₁ (jω)・・・s _L (jω)) ^T である。
 ここでは、同様に、伝送路特性H及び受信ウ ェイトVも、それぞれ、周波数ωの関数行列H(j ω)、V(jω)として表すものとする。

 すると、受信側の無線通信装置3における 合成後信号(送信信号Sの推定信号)は、次のよ うに表される。

 ここで、M個のアンテナ素子2a,2bから送信さ� ��る送信ビーム(送信信号)は、(U(jω)S(jω))であ る。U(jω)が周波数の関数であるため、送信ビ ームは、周波数(サブキャリア)によって異な� ��ものとなり、周波数特性を持つことになる� ��
 また、受信側3からみた仮想的なチャネル特 性は、(H(jω)U(jω))である。U(jω)が周波数の関� ��であるため、(H(jω)U(jω))も同様に周波数特� �を有する。この結果、実際のチャネル特性H( jω)が空間チャネルによって特性差があるも� �であっても、受信側3から観察されるチャネ� ��特性(H(jω)U(jω))は、周波数(サブキャリア)に よって異なるものとなり、周波数軸上で仮想 的にランダム化される。

 つまり、空間チャネル間で特性が平均化さ� ��、ある送信サブストリームs ₁ に対応する空間チャネルの特性が良く、他の 送信サブストリームs ₂ に対応する空間チャネルの特性が劣悪である といった空間チャネル間の特性差が抑えられ る。

 そして、受信ウェイトV(jω)が(H(jω)U(jω)) ^-1 となるZFウェイトである場合、合成後信号(送 信信号Sの推定信号)は、次のように表される� ��

 上記のように、受信側3から観察されるチャ ネル特性(H(jω)U(jω))が、周波数軸上で仮想的� ��ランダム化されるため、(H(jω)U(jω)) ^-1 N(jω)で示される送信信号の推定誤差も、各空 間チャネルにおいて平均化される。この結果 、特性が劣悪な空間チャネルについても特性 が改善され、良好な復調特性を得ることがで きる。

 ここで、例えば、伝送路の特性H(jω)及び� ��信ビーム行列U(jω)が、下記のとおりであっ� ��とする。ただし、多重度L=送信アンテナ素� �数M=受信アンテナ素子数N=2とする。

 この場合、(H(jω)U(jω)) ^-1 は、次の通りとなる。

 ここで、上記e ^-jω は、下記のように、遅延時間=1の遅延素子に� ��応する。

 さて、伝送路におけるノイズn ₁ (jω),n ₂ (jω)は互いに無相関であり、ノイズn ₁ (jω),n ₂ (jω)の平均電力をPnとすると、上記例におい� �、送信サブストリームs ₁ (jω)と送信サブストリームs ₂ (jω)の推定誤差は、それぞれ次のようになる� ��

 送信サブストリームs ₁ (jω)と送信サブストリームs ₂ (jω)とは十分に広帯域(1024本のサブキャリア� �相当)の信号であるから、空間チャネル間の� ��性差は、周波数軸上で拡散される。
 これにより、MIMOチャネルのランダム化が達 成され、ある空間チャネルの特性が良くて、 他の空間チャネルの特性が劣悪であるという 状態を少なくすることができる。

[送信ビーム形成部の構成例(第1例)]
 図4は、送信ビーム形成部23の具体例を示し� ��いる。ここでは、送信ビーム行列U(jω)は、� ��記例と同様に、

であるものとする。なお、L=M=N=2である。� �の送信ビーム行列は、各アンテナ素子2a,2bに おける各送信サブストリームの電力及び位相 の重みが、周波数によって異なるように構成 されている。

 本実施形態において、送信ビーム形成部23� �、IFFT後に処理を行うものであるため、時間� ��域で送信サブストリームs ₁ (jω),s ₂ (jω)に対する送信ビームフォーミング処理が� ��われる。
 送信ビームフォーミング処理は、周波数領� ��で考えた場合、X(jω)=U(jω)S(jω)であり、送信 信号S(jω)に対し、周波数の関数行列である送 信ビーム行列U(jω)を掛ける演算となり、複雑 な演算となる。

 一方、本実施形態では、時間領域で送信ビ� ��ムフォーミング処理を行うため、送信ビー� ��行列Uが周波数の関数行列であっても、送信 ビーム形成部23は、遅延処理部41と加算部42と によって簡易に構成することができる(図4参� ��)。
 なお、図4において、Z ^-1 は、e ^-jω であり、遅延時間=1の遅延処理を行う。また� ��前記加算部42は、減算を行うものを含むも� �とする。減算は負の値を加算するものだか� �である。

[送信ビーム行列U(jω)の好ましい条件]
 送信ビーム行列U(jω)は、MIMOチャネルのラン ダム化を達成するだけであれば、周波数の関 数でさえあれば足りる。ただし、下記条件1~3 のいずれか一つ又は複数、好ましくは全てを 満たすのが良い。
(条件1)
 条件1は、行列サイズM×Lの送信ビーム行列U( jω)を、下記のように、送信サブストリームs ₁ (jω),・・・,s _L (jω)に対応する送信ビームベクトルu ₁ (jω),・・・u _L (jω)で表したときに、

 下記式が成り立つことである。

 上記条件1は、各送信サブストリームs ₁ (jω),・・・,s _L (jω)に対する送信電力を等分するための条件� ��ある。この条件を満たすことで、各送信サ� ��ストリームs ₁ (jω),・・・,s _L (jω)の空間チャネル特性に偏りが発生するの� ��防止できる。

(条件2)
 条件2は、行列サイズM×Lの送信ビーム行列U( jω)を、上記のように、送信サブストリームs ₁ (jω),・・・,s _L (jω)に対応する送信ビームベクトルu ₁ (jω),・・・u _L (jω)で表したときに、下記式が成り立つこと� ��ある。

 上記条件2は、直交条件であり、この条件を 満たすことで、各送信サブストリームs ₁ (jω),・・・,s _L (jω)間で干渉が発生するのを防止できる。

(条件3)
 条件3は、行列サイズM×Lの送信ビーム行列U( jω)を、下記のように、M個の送信アンテナ素� ��における送信サブストリームx ₁ (jω),・・・,s _M (jω)のウェイトベクトルu’ ₁ (jω),・・・u’ _M (jω)で表したときに、

 下記式が成り立つことである。

 なお、送信ビーム行列U(jω)が正方行列(M=L )である場合、送信ビーム行列U(jω)はユニタ� �行列であるのが好ましい。

 ここで、図4に示す送信ビーム形成部23に� ��応する前記送信ビーム行列U(jω)(行列サイズ =2×2)の場合、下記に示すように、上記条件1~3 は、満たされている。

[送信ビーム形成部の構成例(第2例)]
 図5は、送信ビーム形成部23の他の具体例を� ��している。ここでは、送信ビーム行列U(jω)� ��行列サイズ=3×2である。つまり、送信信号� �多重化度L=2であり、送信アンテナ素子数M=3� �ある。
 ここでの送信ビーム行列U(jω)は、下記の通� ��である。この送信ビーム行列も、各アンテ� ��素子2a,2b,2cにおける各送信サブストリーム� �電力及び位相の重みが、周波数によって異� �るように構成されている。

 図5に示す送信ビーム形成部23も、遅延処� ��部41と加算部42とによって簡易に構成するこ とができる。

 上記送信ビーム行列U(jω)(行列サイズ=3×2) の場合、下記に示すように、上記条件1~3は、 満たされている。

[送信ビーム形成部の構成例(第3例)]
 図6は、送信ビーム形成部23の他の具体例を� ��している。ここでは、送信ビーム行列U(jω)� ��行列サイズ=4×2である。つまり、送信信号� �多重化度L=2であり、送信アンテナ素子数M=4� �ある。
 ここでの送信ビーム行列U(jω)は、下記の通� ��である。この送信ビーム行列も、各アンテ� ��素子2a,2b,2c,2dにおける各送信サブストリー� �の電力及び位相の重みが、周波数によって� �なるように構成されている。

 図6に示す送信ビーム形成部23も、遅延処� ��部41と加算部42とによって簡易に構成するこ とができる。

 上記送信ビーム行列U(jω)(行列サイズ=4×2) の場合、下記に示すように、上記条件1~3は、 満たされている。

[遅延処理部について]
 前記遅延処理部41による遅延処理は、信号� �遅延量Tに応じて時間的に遅らせばよいため� ��遅延処理部41は、遅延量Tほど信号の出力を� ��らせるバッファによって構成できる。

 ここで、図7Aに示すように、遅延量=0である 時間領域のデータシンボルをs(t)とすると、� �延量Tであるデータシンボルs(t-T)=s(t)×e ^-jωT は、図7Bに示すようになる。このように遅延� ��Tほど遅らせる単純な遅延の場合、遅延処理 部41として遅延量T分の容量のバッファがあれ ば良いため、バッファサイズとしては比較的 小さいもので足りる。
 ただし、図7Bのような遅延の場合、データ� �ンボルの送信開始タイミングが、t1からTほ� �遅れてしまい、データシンボルの送信終了� �イミングも、t2からTほど遅れてしまう。受� �側でデータシンボルs(t)の復調に使えるのはt 1~t2の波形だけであるから、t2よりも後の波形 は復調に用いることができない。また、t2よ� ��も後の波形は、次のデータシンボルと干渉� ��るおそれがある。

 そこで、単純な遅延ではなく、図7Cに示す� �うに循環遅延を行うことで、データシンボ� �の送信開始タイミングは図7Aと同様にして遅 延をなくし、各サブキャリアについては図7B� ��同様に位相回転をさせることができる。
 循環遅延は、図7Bに示すように遅延させた� �ータシンボルのうち終わりのT[s]の範囲を、� ��ータシンボルの先頭に付加することで行わ� ��る。これにより、循環遅延したデータシン� ��ル全体を復調に用いることができるととも� ��、次のデータシンボルとの干渉を防止でき� ��。
 なお、循環遅延を行う場合、図7Bの遅延に� �べて、バッファサイズを大きくする必要が� �る。

[送信ビームの時間方向へのランダム化につ� �て]
 図8は、送信ビーム形成部23の他の例を示し� ��いる。この送信ビーム形成部23は、送信ビ� �ム行列U(jω)を変更する手段を備えている。� �まり、送信ビーム行列U(jω)の構成を、例え� �時間に従って変化させることで、ランダム� �の効果を高めることができる。図8では、送� ��ビーム行列U(jω)を変更する手段として、遅� ��処理部41における遅延量を変更するための� �延制御部43を示した。なお、送信ビーム行列 U(jω)を変更する手段としては、互いに異なる 複数の送信ビーム行列U(jω)に対応した複数の 送信ビーム形成部23を用意しておき、いずれ� ��の送信ビーム形成部23を選択して送信に用� �ることで実現してもよい。

 また、送信ビーム行列U(jω)の構成を変化� ��せるのは、時間に従うことに限られない。� ��えば、データシンボルの再送時には、最初� ��送信とは送信ビーム行列U(jω)が異なるよう� ��することで、ダイーバシティを得ることが� ��きる。

[送信ビーム行列(送信ビームパターン)の受信 側への通知について]
 受信側3においては、送信ビームパターンU(j ω)は既知でなくとも、(H(jω)U(jω))さえわかれ� ��よいため、送信信号を推定することはでき� ��。
 例えば、送信アンテナが2本、送信サブスト リームが2つ(s ₁ ,s ₂ )の場合、異なる送信タイミングにおいて、� �信及び受信の双方で既知であるパイロット� �号(s ₁ ,s ₂ )=(1,0)と(s ₁ ,s ₂ )=(0,1)とを送れば、送信ビームU(jω)と伝送路� �性H(jω)による変化であるH(jω)U(jω)を、受信� �で知ることができる。
 受信側では、このようにして知ったH(jω)U(j� �)を、受信したデータ信号に適用して送信信� ��を推定することができる。
 ただし、送信側2が、受信側3へ送信ビーム� �ターンU(jω)を通知することもできる。この� �合、受信側3では、送信元の各アンテナ素子2 a,2bから受信側3の各アンテナ素子3a,3bまでの� �送路特性H(=HU×U ^-1 )を求めることができる。求めた伝送路特性H� ��、伝送路環境の遅延プロファイルやアンテ� ��の角度広がりを計算するのに用いることが� ��きる。

[第2実施形態]
 図9~図11は、本発明の第2実施形態を示して� �る。第2実施形態では、送信側の無線通信装� ��2が、送信アンテナ2a,2bから受信アンテナま� ��の3a,3bまでの伝送路特性Hを推定した場合に� ��その推定値の信頼性が低い場合に、周波数� ��関数である送信ビーム行列によって送信ビ� ��ムフォーミングを行い、その推定値の信頼� ��が高い場合には、伝送路特性の推定値に応� ��て最適な送信ビームフォーミングを行うよ� ��に構成されている。なお、第2実施形態にお いて、特に説明しない点については、図1~図8 のものと同様である。

 図9に示すように、送信側の無線通信装置(� �えば、移動端末にとの間で通信を行う基地� �装置)2は、受信信号(受信したパイロット信� �)に基づいて、伝送特性を推定する伝送路特� ��推定部27を備えている。
 また、無線通信装置2は、前記推定部27によ� ��て推定した伝送路特性の情報が信頼できる� ��のであるか(正確であるか)、それとも信頼� �きないものであるか(不正確であるか)を判定 する信頼性判定部28を備えている。

 前記送信ビーム形成部23は、推定した伝� �路特性が信頼できるものである場合には、� �の伝送路特性に応じた送信ビーム行列(周波� ��の関数ではない)を生成する。この場合、信 頼でき正確な伝送路特性に基づいて送信ビー ム行列が生成されるため、最適なビームフォ ーミングを行うことができる。

 一方、送信ビーム形成部23は、推定した伝� �路特性が信頼できないものである場合には� �周波数の関数である前述の送信ビーム行列� �用いてビームフォーミングを行う。
 本第2実施形態によれば、信頼できる伝送路 特性の推定値が得られる場合には、最適なビ ームフォーミングを行いつつも、伝送路特性 が信頼できない場合には、伝送路特性を必要 としない「周波数の関数である送信ビーム行 列」を用いることで、通信効率を落とさずに 通信を行うことができる。

 図10は、信頼性判定部28による伝送路特性推 定値の信頼性判定処理を示している。この信 頼性判定処理では、まず、伝送路特性の推定 値を取得してから、信号の送信のタイミング までの経過時間で、信頼性(正確か否か)を判� ��する(ステップS1)。
 図11に示すように、基地局装置2から端末装� ��3への送信を行うダウンリンク(DL)と、端末� �置3から基地局装置2への送信を行うアップリ ンク(UL)とが、時間的に交互に行われるTDD(時� ��割複信)では、基地局装置2が、伝送路特性� �推定できるのは、端末装置3からパイロット� ��号を受信できるアップリンク(UL)の期間であ る。
 一方、基地局装置2が、信号を送信するのは 、ダウンリンク(DL)であるから、伝送路特性� �推定値を取得してから、信号の送信のタイ� �ングまでに、ある程度の時間が経過する。

 したがって、移動端末が高速移動する場合� ��信号の送信のタイミングでは、推定した伝� ��路特性が、実際には大きく変化している可� ��性がある。図11に示すように、ダウンリン� �サブフレームの前半部分であれば、伝送路� �性推定から送信タイミングまでの経過時間� �T1であって、比較的小さいが、ダウンリンク の後半部分では、伝送路特性推定から送信タ イミングまでの経過時間はT2となって、比較� ��大きくなる。
 また、次のアップリンク(UL)で、伝送路特性 推定値を取得できなかった場合には、さらに その次のダウンリンク(DL)では、伝送路特性� �定から送信タイミングまでの経過時間はT3と なって更に大きくなる。

 そこで、ステップ1の判定では、伝送路特 性の推定値を取得してからの経過時間が、閾 値であるT秒以下であるか否かを判定する。� �の閾値Tは、前のアップリンクサブフレーム� ��の伝送路特性推定タイミングを起点として� ��次のダウンリンクサブフレームの途中の時� ��となるように設定されるのが好ましい。つ� ��り、図11においてT1とT2の間の時間に設定さ� ��るのが好ましい。

 ステップS1において、経過時間がT秒を超� ��ている場合、伝送路特性の推定値が不正確( 低信頼性)であると判定する(ステップS3)。送� ��ビーム形成部23は、伝送路特性の推定値が� �正確であるという判定結果を受けて、周波� �の関数である送信ビーム行列によってビー� �フォーミング処理を行う。

 ステップS1において、経過時間がT秒以下で� ��る場合、さらに、伝送路特性の相関値が、� ��値X以上であるか否かを判定する(ステップS2 )。
 ステップS2の判定は、時間あたりの伝送路� �性の変化量を判定するものであり、当該変� �量が大きければ、伝送路特性の推定値が不� �確(低信頼性)であると判定するためのもので ある。つまり、伝送路の推定タイミング(ア� �プリンクサブフレーム中のタイミング)と、� ��信タイミング(ダウンリンクサブフレーム中 のタイミング)とが一致しない以上、時間に� �って伝送路特性が大きく変化するような環� �の場合、伝送路特性の推定値は送信タイミ� �グの時点では不正確であって信頼できない� �判定することができる。

 例えば、図11に示すように、異なる時間t _n ,t _n+1 ,t _n+2 において、それぞれ伝送路特性の推定値h(t _n ),h(t _n+1 ),h(t _n+2 )を取得したとする。ステップS2では、これら の推定値h(t _n ),h(t _n+1 ),h(t _n+2 )の相関を取り、相関値が低ければ、伝送路� �化が大きいと判定できる。

 なお、一定回数(N回)取得した伝送路特性� ��の相関は、下記のようにして求めることが� ��きる。

 また、相関値には重みα(0<α<1)を掛け て、下記のようにして求めても良い。重みα� ��、新しい伝送路特性ほど大きくなるように� ��るのが好ましい。

 ステップS2において、伝送路特性の推定� �の相関がXよりも小さければ、伝送路特性の� ��定値が不正確(低信頼性)であると判定する(� ��テップS3)。この場合も、送信ビーム形成部2 3は、伝送路特性の推定値が不正確であると� �う判定結果を受けて、周波数の関数である� �信ビーム行列によってビームフォーミング� �理を行う。

 ステップS2において、伝送路特性の推定� �の相関がX以上であれば、伝送路特性の推定� ��が正確(高信頼性)であると判定する(ステッ� ��S4)。この場合、送信ビーム形成部23は、周� �数の関数である送信ビーム行列ではなく、� �送路特性に応じた最適な送信ビーム行列を� �該伝送路特性に応じて生成し、当該送信ビ� �ム行列によってビームフォーミング処理を� �う。

 なお、上記ステップS1及びステップS2の判 定は、両方行う必要はなく、いずれか一方だ けであってもよい。また、ステップS2のよう� ��、時間あたりの伝送路特性の変化量が大き� ��環境であるか否かを判定する処理は、上記� ��ものに限られない。例えば、移動端末3の移 動速度、マルチパス、送受信アンテナ間の特 性差、アンテナ特性の時間変化などを測定す る手段を設け、その測定結果によって判定を 行っても良い。

 なお、今回開示された実施の形態はすべ� ��の点で例示であって制限的なものではない� ��考えられるべきである。本発明の範囲は、� ��記した意味ではなく、特許請求の範囲によ� ��て示され、特許請求の範囲と均等の意味、� ��び範囲内でのすべての変更が含まれること� ��意図される。

 本出願は2008年6月25日出願の日本特許出願 (特願2008-166521)に基づくものであり、その内� �はここに参照として取り込まれる。