JP4594881B2

JP4594881B2 - 多入力多出力通信装置

Info

Publication number: JP4594881B2
Application number: JP2006056971A
Authority: JP
Inventors: 勇太中谷
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2006-03-02
Filing date: 2006-03-02
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2026-03-02
Also published as: EP1830487A3; EP1830487B1; US7831232B2; EP1830487A2; US20070207837A1; JP2007235761A

Description

本発明は、無線通信システムに係り、特に、送受信に複数のアンテナを用いて無線通信を行うＭＩＭＯ（多入力多出力）システムにおける通信装置に関する。

無線通信における受信信号ｒは、次式に示すように、アンテナの指向性Ｇ（θ，φ）と伝搬路の特性Ｈ（θ，φ）との積を積分した結果として与えられる。

ここで、θおよびφは、それぞれ受信側における方位角と仰角を表す。一般的に、Ｈ（θ，φ）は物理現象のため、人間が制御できる変数ではなく、空間的に偏った到来波分布を示す。このため、受信電力を向上させるには、人間が制御可能なＧ（θ，φ）を空間的に一様（無指向性アンテナ）にすることが望まれるが、現実的にはそのようなアンテナを製作することは不可能である。

結果として、アンテナの指向性がヌルとなる方向と電波の到来方向が重なる場合があり、その場合は受信電界密度が高いにもかかわらず、受信電力が著しく減少する。
一方、近年の無線通信においては、周波数利用効率を改善する技術として、送信側／受信側双方においてそれぞれ複数のアンテナを用いて通信を行う、ＭＩＭＯシステムが注目されている。ＭＩＭＯシステムの送信側では、複数の送信アンテナから同時に同じ周波数を用いて異なる情報を送信することで、空間多重が行われる。受信側では、複数の受信アンテナを用いて信号を受信し、それぞれの信号を分離することにより情報を抽出する。

このとき、受信側で空間多重された信号を分離するためには、アンテナ間のフェージング相関が十分小さくなるように、それぞれのアンテナを配置する必要がある。
図５は、下記の特許文献１に記載された電波送受信装置の構成図である。この電波送受信装置１は、４つのアンテナ素子群１０ａ〜１０ｄと本体部２０からなる。アンテナ素子群１０ａはアンテナ素子１０１ａ〜１０４ａを含み、アンテナ素子群１０ｂはアンテナ素子１０１ｂ〜１０４ｂを含み、アンテナ素子群１０ｃはアンテナ素子１０１ｃ〜１０４ｃを含み、アンテナ素子群１０ｄはアンテナ素子１０１ｄ〜１０４ｄを含む。

本体部２０は、スイッチ部２０１、信号受信部２０２、アンテナ制御部２０３、アンテナ選択部２０４、およびアンテナ決定部２０５を含み、アンテナ素子１０１ａ〜１０４ａ、１０１ｂ〜１０４ｂ、１０１ｃ〜１０４ｃ、および１０１ｄ〜１０４ｄの中から、アンテナ素子間のフェージング相関を最小にする組み合わせを選択する。
特開２００４−３１２３８１号公報

しかしながら、上述した従来のアンテナ選択方法には、次のような問題がある。
ＭＩＭＯシステムでは、アンテナ間でのフェージング相関の他にも、特性を決定付ける要因がいくつか存在する。したがって、フェージング相関のみを基準としてアンテナの組み合わせを選択することは、必ずしも最適なアンテナ選択方法であるとは言えない。

本発明の課題は、ＭＩＭＯシステムにおけるフェージング相関以外の要因を考慮して、アンテナの最適な組み合わせを選択することである。

図１は、本発明のＭＩＭＯ通信装置の原理図である。図１のＭＩＭＯ通信装置は、無線通信を行うＰ個のアンテナ手段３０１−１〜３０１−Ｐと、アンテナ手段３０１−１〜３０１−Ｐを切り替えるスイッチ手段３０２と、制御手段３０３とを備える。

制御手段３０３は、所定の選択基準に従って、アンテナ手段３０１−１〜３０１−ＰのうちＭＩＭＯ通信に用いる２個以上のアンテナ手段の組み合わせを決定し、それらのアンテナ手段を選択する選択信号をスイッチ手段３０２に出力する。

第１の原理において、制御手段３０３は、信号対干渉雑音比（ＳＩＮＲ）情報と空間フェージング相関情報を所定の選択基準として用いる。
第２の原理において、制御手段３０３は、ＳＩＮＲ情報と遅延スプレッド情報を所定の選択基準として用いる。

第３の原理において、制御手段３０３は、ＭＩＭＯ通信における伝搬路行列（チャネル行列）の条件数情報を所定の選択基準として用いる。
スイッチ手段３０２は、制御手段３０３から受け取った選択信号に従って、ＭＩＭＯ通信に用いるアンテナ手段の組み合わせを選択する。

アンテナ手段３０１−１〜３０１−Ｐは、例えば、後述する図２のアンテナ４２５−ｍ−１〜４２５−ｍ−Ｌ_mに対応し、スイッチ手段３０２は、例えば、ＲＦスイッチ４２３−ｍに対応する（ｍ＝１，．．．，Ｍ）。制御手段３０３は、例えば、後述する図３のＣＰＵ（中央処理装置）４３３およびメモリ４３４に対応する。

本発明によれば、フェージング相関の他に、ＳＩＮＲ、遅延スプレッド、またはチャネル行列の条件数を考慮してアンテナの組み合わせが選択されるため、フェージング相関のみを選択基準とする方法に比べて、通信品質が良好となる。このため、同じ変調方式を用いた場合は誤り率が改善され、同じ誤り率で評価した場合は通信距離が伸びる、という効果が得られる。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。
本実施形態では、フェージング相関の他に、ＳＩＮＲ、遅延スプレッド、およびチャネル行列の条件数を選択基準として採用し、環境に応じて最適な選択基準の組み合わせを決定する。そして、その組み合わせに基づいてアンテナ選択を行うことで、ＭＩＭＯシステムの特性を向上させる。

図２は、このようなＭＩＭＯ通信システムの構成図である。このシステムにおいて、ＭＩＭＯ通信装置４０１とＭＩＭＯ通信装置４０２は、伝搬路上のＭＩＭＯチャネル４０３を介して無線通信を行う。以下では、一例として、ＭＩＭＯ通信装置４０１からＭＩＭＯ通信装置４０２に信号を送信する場合について説明する。

送信側のＭＩＭＯ通信装置４０１は、ＭＩＭＯ送信器４１１とＮ本のブランチを備え、ｎ番目のブランチ（ｎ＝１，．．．，Ｎ）は、無線（ＲＦ）部４１２−ｎとアンテナ４１３−ｎからなる。

一方、受信側のＭＩＭＯ通信装置４０２は、ＭＩＭＯ受信器４２１とＭ本のブランチを備え、ｍ番目のブランチ（ｍ＝１，．．．，Ｍ）は、ＲＦ部４２２−ｍ、ＲＦスイッチ４２３−ｍ、デジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換器４２４−ｍ、およびＬ_m 本のアンテナ４２５−ｍ−１〜４２５−ｍ−Ｌ_m からなる。各ブランチでは、ＲＦスイッチ４２３−ｍにより、搬送波周波数（高周波）帯域でアンテナ４２５−ｍ−１〜４２５−ｍ−Ｌ_m の中から１本のアンテナが選択される。

ＲＦ部４２２−ｍは、主にフィルタ、ミキサ、および増幅器で構成され、送信時にはベースバンド信号を高周波信号に変換し、受信時には高周波信号をベースバンド信号に変換する。ＲＦ部４２２−ｍには、上記以外の他の部品が含まれていても構わない。

ＭＩＭＯ受信器４２１は、図３に示すように、ベースバンド処理部４３１とＭ個のアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器４３２−１〜４３２−Ｍを備え、ベースバンド処理部４３１は、ＣＰＵ（中央処理装置）４３３およびメモリ４３４を含む。Ａ／Ｄ変換器４３２−ｍは、ｍ番目のブランチからの受信信号をデジタル信号に変換し、ベースバンド処理部４３１は、そのデジタル信号を用いてベースバンド処理を行う。

ところで、アンテナ選択時には、ＣＰＵ４３３は、メモリ４３４を利用して所定の評価関数を計算し、計算結果に基づいて、アンテナ選択信号をＤ／Ａ変換器４２４−１〜４２４−Ｍに出力する。

Ｄ／Ａ変換器４２４−１〜４２４−Ｍは、アンテナ選択信号をアナログ信号に変換してＲＦスイッチ４２３−１〜４２３−Ｍにそれぞれ出力し、ＲＦスイッチ４２３−ｍは、そのアンテナ選択信号に従って、アンテナ４２５−ｍ−１〜４２５−ｍ−Ｌ_m の中から１本のアンテナを選択し、ＲＦ部４２２−ｍに接続する。

なお、ＲＦスイッチ４２３−ｍがデジタル信号で制御される場合は、Ｄ／Ａ変換器４２４−１〜４２４−Ｍの代わりにデジタル／デジタル変換器が用いられる。
ここで、評価関数として用いられるＳＩＮＲ、アンテナ間でのフェージング相関、遅延スプレッド、およびチャネル行列の条件数の計算方法について説明する。

まず、ＭＩＭＯ通信装置４０２におけるＭ個の受信信号は、次式のｙ（ｔ）により与えられるものとする。

ここで、ｔおよびτは、それぞれ時刻および遅延時間を表す。また、ＭＩＭＯ通信装置４０１のｎ番目のアンテナ４１３−ｎから、ＭＩＭＯ通信装置４０２のｍ番目のブランチにおけるｌ_m 番目のアンテナ４２５−ｍ−ｌ_m までの伝搬路応答を

とすると、希望信号（送信信号）のチャネル行列Ｈ（τ）、希望信号ｓ（ｔ）、および雑音ｎ（ｔ）は、それぞれ（３）、（４）、および（５）式で定義される。

また、Ｇ_v （τ）およびｕ_v （ｔ）は、それぞれｖ番目の干渉局（ｖ＝１，．．．，Ｖ）のチャネル行列と送信信号を表し、Ｖは最大干渉局数を表す。
（ａ）ＳＩＮＲ
受信信号の既知信号部分を利用してＨ（τ）を推定した結果を

とする。さらに、推定結果の行列のｍ行目を次式で表す。

このとき、アンテナ４２５−ｍ−ｌ_m におけるＳＩＮＲは、（６）式を用いて次式により計算される。

ただし、Ｅ［・］は期待値操作を表す。以下の計算においては、Ｈ（τ）として推定値を用いるものとする。
（ｂ）フェージング相関
フェージング相関は、狭帯域通信の場合、ＷＳＳＵＳ（Wide-Sense Stationary Uncorrelated Scattering ）が成り立つ範囲で空間的に少しずつ位置をずらして平均操作を行うことで求められる。しかし、広帯域通信の場合、周波数軸上で平均操作したものと近い値となる。その説明を以下にする。

ＭＩＭＯ通信装置４０２のアンテナ４２５−ｍ₁−ｌ_m1および４２５−ｍ₂−ｌ_m2におけるチャネルレスポンスのフーリエ変換対を、それぞれ

および

とすると、フェージング相関は次式で与えられる。

ここで、＊は複素共役を意味し、ｆ_max およびｆ_min はそれぞれ対象にしている周波数の最大値と最小値を表す。
（ｃ）遅延スプレッド
遅延スプレッドは、遅延時間に対する電力分布の広がりを示す遅延プロファイルの標準偏差である。ＭＩＭＯ通信装置４０２のアンテナ４２５−ｍ−ｌ_m における遅延スプレッドは、次式で与えられる。

（ｄ）条件数
行列

の特異値の最大値と最小値をそれぞれλ_max およびλ_min と定義すると、条件数は次式で与えられる。

次に、ＳＩＮＲ、フェージング相関、遅延スプレッド、および条件数を用いた評価関数の具体例について説明する。これらの例では、１番目〜Ｍ番目のブランチにおいてそれぞれアンテナ４２５−１−ｌ₁〜４２５−Ｍ−ｌ_Mが選択された場合の評価関数が示されている。
（Ａ）ＳＩＮＲとフェージング相関
ＭＩＭＯ通信システムでは、基本的にＳＩＮＲは大きいほど特性が良くなり、またフェージング相関は小さいほど特性が良くなる。そこで、ＳＩＮＲとフェージング相関を選択基準とする際に、例えば、次式で示される評価関数が大きくなるようなアンテナの組み合わせを選ぶことで、特性を向上させることができる。

ここで、分母の総乗記号は、ｍ₁とｍ₂の値が異なるすべての組み合わせ（ｍ₁，ｍ₂＝１，．．．，Ｍ，ｍ₁＜ｍ₂）について、フェージング相関Ｃ_{m1, m2}を乗算する演算を表す。
（Ｂ）ＳＩＮＲと遅延スプレッド
ＭＩＭＯ無線通信システムでは、一般的に周波数選択性フェージング時に誤り訂正技術を用いて符号化利得を得るよう設計されているため、遅延スプレッドが大きいほど特性は良くなる。ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）の場合は、ガードインターバル以内に遅延波が収まっている必要があるが、適応キャンセラを用いればこれを実現することも不可能ではない。

ＳＩＮＲと遅延スプレッドを選択基準とする際には、例えば、次式で示される評価関数が大きくなるようなアンテナの組み合わせを選べばよい。

（Ｃ）フェージング相関と遅延スプレッド
フェージング相関と遅延スプレッドを選択基準とする際に、例えば、次式で示される評価関数が大きくなるようなアンテナの組み合わせを選べばよい。

（Ｄ）ＳＩＮＲとフェージング相関と遅延スプレッド
ＳＩＮＲ、フェージング相関、および遅延スプレッドを選択基準とする際に、例えば、次式で示される評価関数が大きくなるようなアンテナの組み合わせを選べばよい。

（Ｅ）条件数
ＭＩＭＯ無線通信システムでは、一般的にチャネル行列の条件数が小さいほど、希望信号ｓ（ｔ）に対する雑音ｎ（ｔ）の影響が緩和されるため、特性は良くなる。そこで、例えば、アンテナ４２５−１−ｌ₁〜４２５−Ｍ−ｌ_Mを選択して推定されたＨ（τ）から得られる条件数κ(ｌ₁，ｌ₂，．．．，ｌ_M)を評価関数として用いて、その値が小さくなるようなアンテナの組み合わせを選べばよい。

図４は、このような評価関数を用いたアンテナ選択処理のフローチャートである。ＣＰＵ４３３は、まず、既知信号を用いて伝搬路推定を行い、チャネル行列Ｈ（τ）を推定する（ステップ５０１）。ここでは、Ｍ個のブランチにおけるＭ本のアンテナのすべての組み合わせについて、チャネル行列Ｈ（τ）がそれぞれ推定される。

次に、制御変数ｉに１を設定して（ステップ５０２）、Ｍ本のアンテナのｉ番目の組み合わせについて、あらかじめ決められた評価関数を用いて評価関数値Ｃ_i を計算する（ステップ５０３）。

次に、ｉに１を加算して（ステップ５０４）、加算結果を最大組み合わせ数と比較する（ステップ５０５）。この場合、最大組み合わせ数はＬ₁×Ｌ₂×・・・×Ｌ_Mで与えられる。

ｉが最大組み合わせ数を超えていなければ、ステップ５０３以降の処理を繰り返し、ｉが最大組み合わせ数を超えていれば、計算された評価関数値のうち最適値を選択する（ステップ５０６）。例えば、（１３）式〜（１６）式の評価関数を用いた場合は、評価関数値の最大値が最適値となり、条件数κ(ｌ₁，ｌ₂，．．．，ｌ_M)を評価関数として用いた場合は、評価関数値の最小値が最適値となる。

そして、その評価関数値に対応したアンテナの組み合わせを選択するアンテナ選択信号を、Ｄ／Ａ変換器４２４−１〜４２４−Ｍに出力する（ステップ５０７）。これにより、ｍ番目のブランチ（ｍ＝１，．．．，Ｍ）において、Ｌ_m 本のアンテナの中から１本のアンテナが選択され、ＲＦ部４２２−ｍに接続される。

なお、アンテナ選択に用いる評価関数は、上記（Ａ）〜（Ｅ）に示したものに限られるわけではなく、ＳＩＮＲ、フェージング相関、遅延スプレッド、および条件数を用いた他の評価関数を用いてもよい。

（付記１）無線通信を行う複数のアンテナ手段と、
前記複数のアンテナ手段を切り替えるスイッチ手段と、
信号対干渉雑音比情報と空間フェージング相関情報を選択基準として、前記複数のアンテナ手段のうち多入力多出力通信に用いる２個以上のアンテナ手段の組み合わせを決定し、該２個以上のアンテナ手段を選択する選択信号を前記スイッチ手段に出力する制御手段と
を備えることを特徴とする多入力多出力通信装置。
（付記２）前記制御手段は、信号対干渉雑音比が大きくなるほど値が大きくなり、かつ、空間フェージング相関が小さくなるほど値が大きくなる評価関数を用いて、該評価関数の値が最大となるように、前記２個以上のアンテナ手段の組み合わせを決定することを特徴とする付記１記載の多入力多出力通信装置。
（付記３）前記制御手段は、さらに遅延スプレッド情報を前記選択基準に加えて、前記２個以上のアンテナ手段の組み合わせを決定することを特徴とする付記１記載の多入力多出力通信装置。
（付記４）前記制御手段は、信号対干渉雑音比が大きくなるほど値が大きくなり、かつ、空間フェージング相関が小さくなるほど値が大きくなり、かつ、遅延スプレッドが大きくなるほど値が大きくなる評価関数を用いて、該評価関数の値が最大となるように、前記２個以上のアンテナ手段の組み合わせを決定することを特徴とする付記３記載の多入力多出力通信装置。
（付記５）無線通信を行う複数のアンテナ手段と、
前記複数のアンテナ手段を切り替えるスイッチ手段と、
信号対干渉雑音比情報と遅延スプレッド情報を選択基準として、前記複数のアンテナ手段のうち多入力多出力通信に用いる２個以上のアンテナ手段の組み合わせを決定し、該２個以上のアンテナ手段を選択する選択信号を前記スイッチ手段に出力する制御手段と
を備えることを特徴とする多入力多出力通信装置。
（付記６）前記制御手段は、信号対干渉雑音比が大きくなるほど値が大きくなり、かつ、遅延スプレッドが大きくなるほど値が大きくなる評価関数を用いて、該評価関数の値が最大となるように、前記２個以上のアンテナ手段の組み合わせを決定することを特徴とする付記５記載の多入力多出力通信装置。
（付記７）無線通信を行う複数のアンテナ手段と、
前記複数のアンテナ手段を切り替えるスイッチ手段と、
多入力多出力通信における伝搬路行列の条件数情報を選択基準として、前記複数のアンテナ手段のうち該多入力多出力通信に用いる２個以上のアンテナ手段の組み合わせを決定し、該２個以上のアンテナ手段を選択する選択信号を前記スイッチ手段に出力する制御手段と
を備えることを特徴とする多入力多出力通信装置。

本発明のＭＩＭＯ通信装置の原理図である。ＭＩＭＯ通信システムの構成図である。ＭＩＭＯ受信器の構成図である。アンテナ選択処理のフローチャートである。従来のアンテナ選択方法を示す図である。

符号の説明

１電波送受信装置
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄアンテナ素子群
２０本体部
１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄ、１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ、１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ、１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄアンテナ素子
２０１スイッチ部
２０２信号受信部
２０３アンテナ制御部
２０４アンテナ選択部
２０５アンテナ決定部
３０１−１、３０１−Ｐアンテナ手段
３０２スイッチ手段
３０３制御手段
４０１、４０２ＭＩＭＯ通信装置
４０３ＭＩＭＯチャネル
４１１ＭＩＭＯ送信器
４１２−１、４１２−Ｎ、４２２−１、４２２−ＭＲＦ部
４１３−１、４１３−Ｎ、４２５−１−１、４２５−１−Ｌ₁ 、４２５−Ｍ−１、４２５−Ｍ−Ｌ_M アンテナ
４２１ＭＩＭＯ受信器
４２４−１、４２４−ＭＤ／Ａ変換器
４３１ベースバンド処理部
４３２−１、４３２−ＭＡ／Ｄ変換器
４３３ＣＰＵ
４３４メモリ

Claims

無線通信を行う複数のアンテナ手段と、
前記複数のアンテナ手段を切り替えるスイッチ手段と、
信号対干渉雑音比情報と空間フェージング相関情報を選択基準として、前記複数のアンテナ手段のうち多入力多出力通信に用いる２個以上のアンテナ手段の組み合わせを決定し、該２個以上のアンテナ手段を選択する選択信号を前記スイッチ手段に出力する制御手段とを備え、
前記複数のアンテナ手段はＭ個のブランチに分割され、各ブランチは２個以上のアンテナ手段を含み、
前記制御手段は、前記Ｍ個のブランチのうちｍ番目のブランチのｌ _m 番目のアンテナ手段の信号対干渉雑音比
と、前記Ｍ個のブランチのうちｍ１番目のブランチのｌ _m1 番目のアンテナ手段とｍ２番目のブランチのｌ _m2 番目のアンテナ手段の間のフェージング相関
とを用いて、
なる評価関数の値が最大となるように１乃至Ｍ番目のブランチからそれぞれｌ ₁ 乃至ｌ _M 番目のアンテナ手段を選択することで、Ｍ個のアンテナ手段の組み合わせを決定することを特徴とする多入力多出力通信装置。
前記制御手段は、さらに遅延スプレッド情報を前記選択基準に加えて、前記Ｍ個のアンテナ手段の組み合わせを決定することを特徴とする請求項１記載の多入力多出力通信装置。
無線通信を行う複数のアンテナ手段と、
前記複数のアンテナ手段を切り替えるスイッチ手段と、
信号対干渉雑音比情報と遅延スプレッド情報を選択基準として、前記複数のアンテナ手段のうち多入力多出力通信に用いる２個以上のアンテナ手段の組み合わせを決定し、該２個以上のアンテナ手段を選択する選択信号を前記スイッチ手段に出力する制御手段とを備え、
前記複数のアンテナ手段はＭ個のブランチに分割され、各ブランチは２個以上のアンテナ手段を含み、
前記制御手段は、前記Ｍ個のブランチのうちｍ番目のブランチのｌ _m 番目のアンテナ手段の信号対干渉雑音比
と、ｍ番目のブランチのｌ _m 番目のアンテナ手段の遅延スプレッド
とを用いて、
なる評価関数の値が最大となるように１乃至Ｍ番目のブランチからそれぞれｌ ₁ 乃至ｌ _M 番目のアンテナ手段を選択することで、Ｍ個のアンテナ手段の組み合わせを決定することを特徴とする多入力多出力通信装置。