CN101091344B - 无线通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供无线通信系统、通信装置、接收装置和无线通信方法。发送装置(1)利用多个天线(15-1～15-4)形成多个发送波束(1～M)。选择相关性低且接收质量良好的发送波束(2、3)。利用发送波束(2)发送数据流(1)，利用发送波束(3)发送数据流(2)。由此实现利用自适应天线阵的MIMO复用传输。

Description

无线通信系统 

技术领域

本发明涉及无线通信系统和在无线通信系统中使用的通信装置，特别涉及在无线通信系统中以多输入多输出(MIMO：Multi-InputMulti-Output)传输方式进行数据传输的发送装置和接收装置。 

背景技术

近年来在无线通信系统中，通过从多个发送天线并行发送不同的数据流而与发送天线数量成比例地增大传输容量的空间复用传输技术受到关注。此时多个发送天线配置于分离开的位置上以使得彼此无相关性，从各个天线发送的数据流经由各自独立的衰落传输路径被传送而被接收天线接收。另外，如果利用配置成彼此无相关性的多个接收天线来构成MIMO系统，则能够生成高自由度的信道相关矩阵，并且能够提高分离被空间复用的多个数据流时的SNR(Signal to Noise Ratio，信噪比)。 

图1是表示通常的MIMO系统的结构的图。在图1所示MIMO系统中，发送装置具有M根发送天线，而接收装置具有N根接收天线。 

发送装置对M个数据流S₁～S_M分别进行数据调制、采样、D/A转换、正交调制、上变频(up-convert)、频带限制滤波等，并经由对应的发送天线发送这些数据流。从各个天线发送的信号通过彼此独立的衰落信道h_mn，在空间被复用后被接收天线接收。另外，“h_ij”表示从第i个发送天线到第j个接收天线的信道的特性。 

接收装置对接收到的信号分别进行滤波、下变频、正交检波、A/D转换，从而生成N个接收数据流x₁～x_N。对于各个接收数据流，由于M个发送数据被复用，因此通过对全部接收数据流进行信号处理，而能够分离/再现发送数据流S₁～S_M。另外，作为在接收装置中用于分离发送数据流的信号处理算法，已知有利用信道相关矩阵的逆矩阵的ZF (Zero-Forcing，迫零)或者MMSE(Minimum Mean Square Error，最小均方误差)。此外还有作为不进行信道相关矩阵的逆矩阵运算的信号处理算法的MLD(Maximum Likelihood Decoding，最大似然译码)。 

作为在无线通信系统中使用多个发送/接收天线的其它技术已知有使用发送天线阵的波束形成以及使用接收天线阵的自适应天线阵。在使用这些技术的系统中，与MIMO传输方式不同，构成天线阵的多个天线元件彼此接近配置，而使得天线间的相关性高。 

图2是表示使用天线阵进行发送波束形成的系统的图。图2中，数据流S₁被复制与天线数相同的份数，并针对每个天线乘以不同的权值。由此形成具有指向性的发送波束，而在接收装置中对应于指向性天线的增益，接收质量提高。 

另外，在下一代移动通信系统中可能采用5GHz等较高的载波频率，这种情况下传输损失增大而传输距离缩短。并且随着传输速率的高速化或者宽带化，而需要提高发送信号功率。因此在下一代移动通信系统中，要求通过使用能够获得大的天线增益的天线阵来增大传输距离并抑制发送功率增大的技术。另外，MIMO传输方式中，传输速度与发送天线的根数成比例地提高，频率利用效率显著提高，因而被认为是下一代移动通信系统中的重要技术。 

这样，MIMO传输和天线阵都是下一代移动通信系统中的重要技术。因此，如果在同一基站系统中并用这些技术，则有望提高通信性能。但是在MIMO传输技术中，期望天线间的相关性低。因此，天线间隔多为载波波长的10倍以上。而另一方面，对于天线阵则希望天线间的相关性高。因此，例如在通常的蜂窝移动通信的基站中，天线阵的天线间隔为载波的半波长到一个波长左右是合适的。因此难以在同一基站系统中并用MIMO传输技术和天线阵技术而不使装置的规模大型化。 

在专利文献1中记载了并用MIMO传输和天线阵的技术。图3是表示专利文献1所述的系统的图。图3所示系统的发送装置具有两组副天线阵。其中各个副天线阵分别由多个天线元件构成，并且对每个天线元件分别设定适当的权值。由此，各个副天线阵形成各自独立的发送波束。 并且，经由各个副天线阵发送不同的数据流，从而能够进行MIMO复用传输。 

另外，为了减小从各个副天线阵发送的指向性波束间的相关性，这些副天线阵隔着载波波长的10倍以上的间隔来配置。因此导致用于设置天线的空间增大。另外，在专利文献1所述的发送装置中构成为：“发送天线的根数”＝“构成各个副天线阵的天线元件的数量”ד副天线阵的数量(MIMO复用数)”，因此导致装置规模增大。 

在专利文献2中记载了对每个数据流乘以不同的权值来进行MIMO传输的技术。但是在专利文献2所述的系统中必须的条件是要使用发送装置中的发送天线权值和接收装置中的接收天线权值这两者。另外，发送天线权值可以利用信道矩阵H和相关矩阵R来计算多个固有矢量而得到。因此，认为MIMO的信号分离方法受到限制而降低了设计自由度，并且用于获得天线权值的算法变得复杂(即运算量大)。 

专利文献1：日本特开2003-338781号公报(图1，说明书0038～0044段) 

专利文献2：日本特开2004-72566号公报(图1、2、5，说明书0010、0046～0047段) 

发明内容

本发明的目的在于实现通信质量良好的高速数据传输而不会使通信装置的规模增大。 

本发明的通信装置在无线通信系统中使用，该通信装置具有：多个天线；发送波束形成单元，其通过对上述多个天线乘以多个模式的发送权值组而形成多个发送波束；以及发送单元，其利用上述多个发送波束中相关性比预先确定的相关性阈值低的两个以上的发送波束来发送互不相同的数据流。根据本发明，即使在上述多个天线的间隔窄的情况下，也能够实现并行传送多个数据流的空间复用传输。即，实现了能够进行高速数据传输的通信装置的小型化。 

上述发送单元也可以利用上述多个发送波束中的相关性比预先确定 的相关性阈值低且接收质量比预先确定的质量阈值高的两个以上的发送波束来发送互不相同的数据流。通过引入该结构，可以提高通信质量。 

另外，上述发送单元也可以在没有选择两个以上的发送波束时，利用接收质量最好的一个发送波束来发送数据。通过引入该结构，可以根据传输路径的状态自适应地控制传输速度。 

本发明另一方式的通信装置在对互不相同的多个数据流进行空间复用来传输的无线通信系统中使用，该通信装置具有：多个天线；接收波束形成单元，其通过对上述多个天线乘以多个模式的接收权值组而形成多个接收波束；选择单元，其从上述多个接收波束中选择相关性比预先确定的相关性阈值低的两个以上的接收波束；以及分离单元，其利用经由上述选择单元所选择的两个以上的接收波束所得到的接收信号来分离上述多个数据流。根据本发明，能够从多个接收波束中选择适合于MIMO信号分离的波束，因而提高了通信质量。 

附图说明

图1是表示通常的MIMO系统的结构的图。 

图2是表示使用天线阵进行发送波束形成的系统的图。 

图3是表示专利文献1所述的系统的图。 

图4是说明本发明的概念的图。 

图5是乘法电路的实施例。 

图6是说明形成指向性波束的方法的图。 

图7是表示第一实施例的发送装置的结构的图。 

图8是表示信道复用的一例的图。 

图9是表示第一实施例的接收装置的结构的图。 

图10是表示第二实施例的发送装置的结构的图。 

图11是表示第二实施例的接收装置的结构的图。 

图12是表示第三实施例的发送装置的结构的图。 

图13是表示第四实施例的接收装置的结构的图。 

具体实施方式

图4是说明本发明的概念的图。另外，在对无线通信系统的设计中，使小区(cell)半径增大的同时抑制终端的发送功率是非常重要的要素。因此，本发明的无线通信系统为了满足该要素，至少发送装置安装天线阵。此外，本发明的无线通信系统引入了能够进行高速数据传输的MIMO复用传输，而不会导致装置规模大型化(即不会增加天线和发送器的数量)。另外在以下叙述中，“MIMO复用传输”不限于包含多个发送天线和多个接收天线的系统，而广泛地包含对互不相同的多个数据流进行空间复用来传输的系统。 

图4中，发送装置1例如为基站装置(BS)，接收装置2例如为移动机(MS)。但是本发明不限于该结构，也适用于从移动机向基站装置发送数据的情况。另外在图4所示例子中，发送装置1能够利用具有4个天线元件的自适应天线阵来形成M个发送波束。 

发送装置1具有输入端口11(11-1～11-M)、乘法电路12(12-1～12-M)、加法电路13(13-1～13-4)、发送器14(14-1～14-4)和天线15(15-1～15-4)。各个输入端口11分别向对应的乘法电路12的各个乘法器分配输入数据流。例如，输入端口11-1将输入数据流分配给乘法电路12-1的各个乘法器。 

如图5所示，乘法电路12-1～12-M分别具有四个乘法器21-1～21-4。并且对乘法电路12-1～12-M分别赋予对应的权值组(或者权值模式)。其中，权值组1～M分别由四个权值构成。例如，赋予给乘法电路12-1的权值组1由W11～W14构成，赋予给乘法电路12-M的权值组M由Wm1～Wm4构成。另外，乘法器21-1～21-4分别对输入信号乘以权值。 

各个加法电路13分别将对应的乘法器的输出相加。例如，加法电路13-1计算各个乘法电路12的乘法器21-1的输出之和，加法电路13-4计算各个乘法电路12的乘法器21-4的输出之和。发送器14-1～14-4分别根据对应的加法电路13-1～13-4的输出而生成发送信号。另外，天线15-1～15-4分别发送由对应的发送器14-1～14-4生成的 信号。 

发送装置1对乘法电路12-1～12-M分别恰当地设定不同的权值组1～M，从而能够形成M个希望的发送波束。 

各个发送波束按如下所述形成。例如图6所示，在以间隔d配置天线15-1～15-4的线性天线阵中，通过对各个天线乘以对应的权值W_n (n＝1～4)，从而能够获得式(1)所示的指向性模式。其中，“y(θ)”表示指向性模式。权值W_n由式(2)表示。导向矢量(steering vector)V_n(θ)由式(3)表示。“λ”为载波的波长。这样，对各个天线乘以权值W_n，从而能够形成在φ方向上具有最大指向性的发送波束。即，通过恰当地设定权值W_n，而能够形成在希望的方向上具有最大指向性的发送波束。 

[数式1] 

$y\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{n=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{w}_n\·V_n\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{n=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{j\frac{2\mathrm{nd}}{\mathrm{\λ}}n(\sin \mathrm{\φ}-\sin \mathrm{\θ})}...\left(1\right)$

$w_n=e^{j\frac{2\mathrm{\πd}}{\mathrm{\λ}}n\sin \mathrm{\φ}}...\left(2\right)$

$v_n\left(\mathrm{\θ}\right)=e^{-j\frac{2\mathrm{\πd}}{\text{\λ}}n\sin \mathrm{\θ}}...\left(3\right)$

如图4所示，发送装置1形成在不同方向(φ1、φ2、...、φM)上具有最大指向性的M个发送波束。另外，发送装置1从这M个发送波束中选择相关性低而接收质量高的多个波束，使用这多个发送波束进行MIMO复用传输。在图4所示例子中选择发送波束2和发送波束3。并且，利用这两个发送波束同时发送两个数据流1、2。即，数据流1利用发送波束2来进行发送，而数据流2利用发送波束3来进行发送。此时，在乘法电路12-2中对数据流1乘以用于形成发送波束2的天线权值，同样地在乘法电路12-3中对数据流2乘以用于形成发送波束3的天线权值。 

另外，在选择了三个相关性低而接收质量高的发送波束时，使用该选择的三个发送波束进行三复用的MIMO传输，在选择了四个发送波束 时使用该选择的四个发送波束进行四复用的MIMO传输。另外，当没有相关性低的发送波束的组合时，使用接收质量最高的发送波束进行通常的波束形成发送。 

发送装置1的天线的基本结构与天线阵相同。另外，当存在多个相关性低而接收质量高的天线时，进行MIMO复用传输。由此能够实现频率利用效率良好的高速数据通信。另外，不会像图3所示现有结构那样增加天线根数，能通过使天线阵和MIMO复用传输共存，并且根据传输路径状态切换有效的传输方式，从而实现高效的通信系统。 

在图4中，当选择相关性低而接收质量高的发送波束时，不必同时发送M个波束，也能够一边以某一定间隔顺序切换一边来发送。例如，如果以由发送侧决定的定时一边对从波束1到波束M顺序地切换一边发送信号，则在接收侧能够计算在各个定时从波束1到波束M的传输路径特性(信道响应)。此时，如果传输路径的状态变化比切换波束的速度慢，则能够在求出全部波束的传输路径特性的时刻计算天线间的相关性。如果使用这样的方法，则能够通过以微小的角度间隔来扫描发送波束，从而搜索相关性低而接收质量良好的多个波束。 

如上所述，发送装置1利用一个或者多个发送波束来发送数据流。此时，在使用多个发送波束的情况下，能够进行MIMO复用传输。另外，发送装置1利用与数据信道不同的控制信道等将最终决定的传输方法(即MIMO复用数和所选择的发送波束)通知给接收装置2。 

接收装置2根据所通知的传输方法进行MIMO信号分离等解调处理。其中，MIMO信号分离例如使用ZF算法、MMSE算法、MLD算法等进行。虽然是公知技术，以下对ZF、MMSE、MLD进行简单说明。 

如果发送数据流由M维复数矩阵S表示，接收数据流由N维复数矩阵X表示，则得到下式(4)和式(5)。 

[数式2] 

X＝HS+V           (4) 

E

VV^*

＝σ_vI    (5) 

另外，“H”是表示发送装置和接收装置之间的传输路径状态的N×M的复信道矩阵。另外，“V”是具有离散“σ_v”的平均值为零的复数“白”噪声矩阵。“*”表示矩阵的复共轭转置。“I”是N维单位矩阵。 

另外，在ZF算法中，接收装置通过下述式(6)由接收数据流X推定发送数据流S。其中，“H^*H”是信道相关矩阵。其中，由于存在信道相关矩阵的逆矩阵，所以需要满足“N≥M”。 

[数式3] 

$\hat{S}={\left(H^{*}H\right)}^{-1}{H}^{*}X...\left(6\right)$

在MMSE算法中，接收装置通过下述式(7)～(9)由接收数据流X推定发送数据流S。其中，“ρ”相当于每一根接收天线的SNR。 

[数式4] 

$\hat{S}={(H^{*}H+\mathrm{\αI})}^{-1}{H}^{*}X...\left(7\right)$

α＝σ_v/σ_s＝M/ρ (8) 

E

SS^*

＝σ_sI    (9) 

另外，MMES算法需要高精度地推定SNR，但是由于能够降低ZF算法中的噪声强调的影响，因而通常特性比ZF算法更优良。 

在MLD算法中，接收装置通过下述式(10)根据接收数据流X来推定发送数据流S。其中，“Q”为调制数据的信号点的数量，在QPSK中Q＝4，16QAM中Q＝16，64QAM中Q＝64。“Si”为表示在发送数据调制时使用的各个信号点的矢量。 

[数式5] 

$\hat{S}={\arg }_k\min {\left|\right|X-{\mathrm{HS}}_k\left|\right|}^2$ S_k∈{S₁...S_K}  K＝Q^M(10) 

在MLD算法中，多值调制的运算量变得膨大，并且运算量相对于发送天线数量以指数函数的方式增大。但是，在MLD算法中，由于不必进行信道相关矩阵的逆矩阵运算，因而无需满足“N≥M”的关系。另外，MLD算法与ZF或MMSE相比，通常能够提高接收质量。 

下面说明对相关性低而接收质量高的多个发送波束进行选择的方 法。这里说明以下方法，即在接收装置中测定波束间的相关系数和接收质量，使用逆链路的控制信道等对发送装置进行反馈的方法。 

该情况下，发送装置发送与每个发送波束正交的导频信号。导频信号的正交例如通过使用正交码的方法或者使每个发送波束的导频的发送时间彼此错开的方法来实现。另外，在使用正交码时，使用多个码元的导频信号，对各个导频码元分别乘以正交码。由此，接收装置能够分别提取出各个发送波束的导频信号。 

接收装置基于按上述提取出的各个波束的导频信号来计算传输路径信息(信道信息)h。即，在利用第k个发送波束来发送导频信号S_p时，由接收装置所检测出的导频信号X_p由下述式(11)表示。 

x_p＝h_k·S_p    (11) 

此时，由于预先知道导频信号S_p，因此在接收装置中通过检测导频信号x_p从而能够计算出关于第k个发送波束的传输路径信息h_k。 

另外，在考虑在发送装置中产生的噪声n来计算传输路径信息h时，按照以下顺序。其中，设发送数据为“s”，设接收信号为“x”。此时，接收信号x由下述式(12)表示。 

x＝h·s+n    (12) 

另外，若设发送数据s为已知的导频信号，噪声n是可以推定的，则能够通过下述式(13)求出传输路径信息的推定值h’。 

[数式6] 

$h^{\′}=x\·\frac{s^{*}}{{\left|s\right|}^2}=h+n\·\frac{s^{*}}{{\left|s\right|}^2}=h+n^{\′}...\left(13\right)$

另外，考虑使用权值形成发送波束的情况。以下，设第i个发送天线的权值为“w_i”，第i个发送天线和接收天线(这里设接收天线为一根)之间的传输路径信息为“h_i”。这样，接收信号x由下述式(14)表示。另外，“N”为发送天线的根数。另外，“h_BF”为波束形成后的传输路径信息，由下述式(15)表示。 

[数式7] 

$\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i\·w_i\·s+n=h_{\mathrm{BF}}\·s+n...\left(14\right)$

[数式8] 

$h_{\mathrm{BF}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i\·w_i...\left(15\right)$

这样，表示使用发送波束时的接收信号的式(14)与表示一般的接收信号的式(12)相同。因此，使用发送波束时的传输路径信息也能够通过与式(13)相同的方法来推定。 

接着对计算发送波束间的相关性的方法进行说明。以下，设时刻t时的第k个波束的传输路径推定值为“h_k(t)”。另外，设第L个波束的传输路径信息为“h_l(t)”。这样，第k个波束与第L个波束之间的相关系数ρ_(k，l)能够使用下述式(16)进行计算。 

[数式9] 

${\mathrm{\&rho;}}_{(k,l)}=\frac{<h_k^{*}\left(t\right)\&CenterDot;h_l\left(t\right)>}{\sqrt{<{\left|h_k\left(t\right)\right|}^2><{\left|h_l\left(t\right)\right|}^2>}}...\left(16\right)$

另外，第k个波束的接收质量例如能够通过下述式(17)或者(18)来计算。在式(17)中利用接收功率来表示接收质量。另外，在式(18)中利用接收SIR(Signal to Interference Ratio)来表示接收质量。另外，在式(16)～(18)中，“<·>”表示总体均值。另外，式(18)的分母的第二项为“h_k(t)”短区间内的平均值。 

[数式10] 

S_k＝<|h_k(t)|²>    (17) 

${\mathrm{SIR}}_k\frac{S_k}{<{|h_k\left(t\right)-{\stackrel{\&OverBar;}{h}}_k|}^2>}...\left(18\right)$

在本发明中基于按上述求出的波束间的相关系数和每个波束的接收质量信息，来决定MIMO复用数和应使用的发送波束。例如在相关系数的阈值为“0.5”、接收SIR的阈值为“10dB”的情况下，首先选择彼此的相关系数为0.5以下的发送波束，从中选择SIR为10dB以上的波束。另外，发送波束的选择可以由测定了波束间的相关系数和接收质量的接收装置来进行，也可以在将波束间的相关系数和接收质量反馈到发送装 置后由发送装置来进行。 

作为选择相关性低而接收质量高的多个发送波束的其它方法，有在发送装置中测定波束间的相关系数和通信质量的方法。此时利用从接收装置向发送装置传输的逆链路的传输路径。例如在蜂窝移动通信系统中，在将应用本发明的发送装置作为基站而将接收装置作为移动站的情况下，利用从移动站到基站的传输路径。其中，假定基站为能够形成具有与发送波束基本相同的指向性的接收波束。实际上，由于基站所具有的发送器和接收器的RF传输特性、发送和接收的载波频率互不相同，因此需要预先进行装置内部的传输系统的校准。假定如果正确进行了校准，则通过测定基站的接收波束间的相关系数和每个接收波束的通信质量，从而能够推定发送波束间的相关系数和通信质量。 

其中，设时刻t时的第k个波束的接收信号为“r_k(t)”。另外，设第L个接收波束的接收信号为“r_l(t)”。这样，第k个发送波束和第L个发送波束之间的相关系数的推定值可以使用下述式(19)来计算。 

[数式11] 

${\mathrm{\&rho;}}_{(k,l)}=\frac{<r_k^{*}\left(t\right)\&CenterDot;r_l\left(t\right)>}{\sqrt{<{\left|r_k\left(t\right)\right|}^2><{\left|r_l\left(t\right)\right|}^2>}}...\left(19\right)$

另外，第k个发送波束的推定接收质量可以利用下述式(20)或者式(21)来计算。式(20)利用接收功率来表示通信质量，而式(21)利用接收SIR来表示通信质量。另外，“<·>”表示总体均值。另外，式(21)的分母的第二项为“r_k(t)”短区间内的平均值。 

[数式12] 

S_k＝<|r_k(t)|²>    (20) 

${\mathrm{SIR}}_k=\frac{S_k}{<{|r_k\left(t\right)-{\stackrel{\&OverBar;}{r}}_k|}^2>}...\left(21\right)$

另外，在式(19)～式(21)中使用的接收信号“r_k(t)”例如由下式(22)表示。另外在式(22)中，“M”为基站(该发送装置)的接收天线的根数。“s”为移动机的发送导频信号。“wi”为基站的第i个接收 天线的权值。“hi”为移动机的发送天线(设为1根)和基站的第i个接收天线之间的信道信息。“ni”为各个天线的接收器中产生的热噪声。 

[数式13] 

$r_k=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}(w_i\&CenterDot;h_i\&CenterDot;s+n_i)...\left(22\right)$

另外，发送装置的发送波束和接收波束的指向性彼此相同，利用来自移动机的导频信号来推定发送波束间的相关系数和各个发送波束的质量。基于发送波束间的相关系数和每个波束的质量来选择应使用的一个或者多个发送波束的方法基本上为如上所述。 

是否存在多个相关系数低的波束取决于发送装置和接收装置之间的传输路径。在将本发明应用于蜂窝移动通信时，根据传输路径的条件而将基站应用为发送站。这是由于如图4所示，移动站中的电波到来方向通常为全方位的情况居多，而与此相对，在基站中由于天线高度高，电波从大致一定的方向角到来。通常，蜂窝基站中的电波的角度范围有5～10度。根据这种传输路径的性质，本发明中作为有效的传输路径状态考虑以下两种情况。其一，较强的电波反射(漫反射)体从基站看存在于彼此离开的角度的情况。此时选择朝向各个电波反射(漫反射)体的方向的波束。其二，基站的角度范围相对于波束的范围而言足够大的情况。此时由于针对每个波束合成并接收不同的元波，因此选择波束间的相关性低且相邻的多个波束。 

本发明不仅适用于发送装置，也同样适用于接收装置中的MIMO信号分离。即，能够利用式(19)～(21)中说明的方法选择相关性低而通信质量高的多个接收波束，并且使用所选择的多个接收波束的信号来进行MIMO信号分离。此时，用于MIMO信号分离的算法可以使用上述的ZF、MMSE、MLD等任意算法。其中，在MIMO信号分离中本发明特别有效的情况是，能够处理的接收分支数K比天线阵的根数N小的情况(即N≥K)。例如，假定为进行MIMO信号分离的运算电路能够处理最大达到K分支的接收信号的情况下，当天线阵的根数N比分支数K大时，通过选择相关性低而接收质量高的K个波束，从而能够以最高效率进行MIMO信号分离。 

下面对本发明的具体实施方式进行说明。 

<实施例1> 

图7是表示第一实施例的发送装置的结构的图。另外，发送装置的基本结构是参照图4进行说明的那样，具有输入端口11-1～11-M、乘法电路12-1～12-M、加法电路13-1～13-4、发送器14-1～14-4以及天线15-1～15-4。即，该发送装置能够利用四根天线元件来形成M个发送波束。另外，天线15-1～15-4没有特别限定，例如以载波波长的一半到载波波长左右的间隔来配置。 

控制信道译码部31对来自接收装置(例如移动机)的逆链路的控制信道进行译码。其中，该控制信道将在后面详细说明，该控制信道包含指示应使用的发送波束数量的选择波束数量信息、和识别应使用的发送波束的波束编号信息。另外，“应使用的发送波束数量”相当于MIMO复用数。 

指示部32将“选择波束数量K”通知给串/并行转换部33，并将“波束编号”通知给端口分配部34。 

串/并行转换部33根据“选择波束数量K”对发送数据S进行串/并行转换。即由串行形式的发送数据生成K个发送数据流S₁～S_K。另外，当“选择波束数量K＝1”时则不进行串/并行转换。 

端口分配部34将发送数据流S₁～S_K导入由“端口编号”指示的输入端口11-1～11-M。另外，端口分配部34具有以下功能，即将MIMO复用数和识别自身实际使用的输入端口的信息(即端口编号)，利用控制信道通知给接收装置的功能。 

导频信号生成部35生成彼此正交的导频信号P₁～P_M，并赋予给对应的输入端口11-1～11-M。即，导频信号被复用到全部的发送波束1～M中。另外，各个导频信号P₁～P_M的码元值和发送功率由接收装置识别。 

用于传输导频信号的导频信道P、用于传输控制数据的控制信道C和用于传输数据流的数据信道例如按图8所示被时分复用。或者，这些信道也可以被以其它方式(例如频率复用、码复用等)来复用。 

在上述结构的发送装置中，通知例如“选择波束数量K＝2”以及“端口编号＝2、3”。此时，串/并行转换部33由发送数据流S生成发送数据流S1、S2。另外，端口分配部34将发送数据流S1导入输入端口11-2，并将发送数据流S2导入输入端口11-3。这样，发送数据流S1在乘法电路12-2中乘以权值组2，所以通过发送波束2被发送。另外，发送数据流S2在乘法电路12-3中乘以权值组3，所以通过发送波束3被发送。另外，导频信号P₁～P_M分别利用对应的发送波束1～M进行发送。

图9是表示第一实施例的接收装置的结构的图。另外，该接收装置利用一根接收天线接收从图7所示的发送装置发送的信号。 

信道推定部41-1～41-M分别对在对应的发送波束1～M中复用的导频信号P₁～P_M进行解调，计算信道信息h。例如，信道推定部41-1对在发送波束1中复用的导频信号P1进行解调，计算信道信息h₁。而信道推定部41-M对在发送波束M中复用的导频信号P_M进行解调，计算信道信息h_M。另外，信道信息h的计算按照参照式(11)～(15)所说明的那样来进行。 

相关性/质量计算部42基于由信道推定部41-1～41-M所得到的信道信息h₁～h_M，对各个发送波束的组合计算相关系数。其中，任意的两个发送波束间的相关系数通过上述式(16)计算。另外，相关性/质量计算部42对各个发送波束计算接收质量。其中，每个发送波束的接收质量通过上述式(17)或者式(18)来计算。 

波束选择部43基于相关性/质量计算部42的计算结果，从发送波束1～M中选择相关系数比预先确定的阈值低的多个发送波束。另外，波束选择部43从相关系数比阈值低的多个发送波束中选择接收质量比预先确定的阈值高的发送波束。另外，当没有相关系数比阈值低的发送波束时，波束选择部43选择能够获得最好接收质量的发送波束。 

控制信道生成部44将通过波束选择部43选择的发送波束的数量(选择波束数量信息)和所选择的发送波束的波束编号(波束编号信息)经由逆链路的控制信道通知给图7所示的发送装置。由此，选择相关系数比阈值低而接收质量比阈值高的发送波束并通知给图7所示的发送装置。其中，也可以不监视接收质量，而仅基于相关系数来通知所选择的发送波束。 

控制信道译码部45通过对控制信道进行译码来检测图7所示的发送装置中的发送方法(MIMO复用数、波束编号等)。MIMO信号分离部46根据由控制信道译码部45检测出的发送方法对接收信号进行MIMO分离处理。另外，MIMO信号分离部46也可以根据通过波束选择部43所得到的信息来进行MIMO信号分离处理。另外，数据译码部47根据由MIMO信号分离部46分离所得的信号来再现发送数据流S。 

对MIMO信号处理进行说明。其中，设MIMO复用数为“2”，从图7所示的发送装置利用发送波束2、3发送数据流S1、S2。另外，设调制方式为QPSK。另外，假设各个数据码元配置于(+1、+1)(-1、+1)(-1、-1)(+1、-1)中的任一信号点上进行发送。另外，根据MLD算法进行MIMO信号分离。 

此时，根据上述式(10)，由接收信号X来推定数据流S1、S2。此时，在与发送波束1～M对应的M个信道信息h₁～h_M中，仅使用与发送波束2对应的信道信息h₂和与发送波束3对应的信道信息h₃。具体而言，计算下述的欧几里得(Euclid)距离D1～D16。 

D1＝|x-h₂·S_+1’+1-h₃·S_+1’+1| 

D2＝|x-h₂·S_+1’+1-h₃·S_-1’+1| 

D3＝|x-h₂·S_+1’+1-h₃·S_-1’-1| 

D4＝|x-h₂·S_+1’+1-h₃·S_+1’-1| 

D5＝|x-h₂·S_-1’+1-h₃·S_+1’+1| 

D6＝|x-h₂·S_-1’+1-h₃·S_-1’+1| 

D7＝|x-h₂·S_-1’+1-h₃·S_-1’-1| 

D8＝|x-h₂·S_-1’+1-h₃·S_+1’-1| 

D9＝|x-h₂·S_-1’-1-h₃·S_+1’+1| 

D10＝|x-h₂·S_-1’-1-h₃·S_-1’+1| 

D11＝|x-h₂·S_-1’-1-h₃·S_-1’-1| 

D12＝|x-h₂·S_-1’-1-h₃·S_+1’-1| 

D13＝|x-h₂·S_+1’-1-h₃·S_+1’+1| 

D14＝|x-h₂·S_+1’-1-h₃·S_-1’+1| 

D15＝|x-h₂·S_+1’-1-h₃·S_-1’-1| 

D16＝|x-h₂·S_+1’-1-h₃·S_+1’-1| 

求出D1～D16中的最小值。这样，获得该最小值的S2、S3的组合被推定为最正确的发送数据码元。例如，当D1～D16中D1最小时，得到“S2＝(+1、+1)”“S3＝(+1、+1)”作为发送码元的推定值。 

另外，在图9所示例子中，接收装置构成为仅利用一根接收天线来接收信号，但是也可以构成为具有多个接收天线。此时，经由各个接收天线接收到的信号被分配到控制信道译码部45、MIMO信号分离部46、信道推定部41-1～41-M。如果利用多个接收天线并对由各个天线求出的欧几里得距离进行合成处理，则能够通过分集增益提高接收质量。 

这样，在第一实施例中，在接收装置中选择相关性低而接收质量良好的多个发送波束并通知给发送装置。另外，发送装置利用该通知的发送波束来发送数据流。此时，当选择了多个发送波束时，进行MIMO复用传输。另外，在没有选择多个发送波束时，利用能够获得最好接收质量的一个发送波束来进行数据发送。 

<实施例2> 

在第二实施例的通信系统中，在接收装置中测定的波束间的相关系数和每个波束的接收质量信息被利用逆链路直接反馈给发送装置。另外，在发送装置中，通过和预先设定的阈值进行比较，来决定选择波束数量(MIMO复用数)和波束编号。 

因此，如图10所示，第二实施例的发送装置具有基于各个发送波束间的相关系数和每个发送波束的接收质量来决定MIMO复用数和波束编号的波束选择部36。另外，波束选择部36的功能基本上与图9所示的波束选择部43相同。另外，第二实施例的接收装置如图11所示具有波束选择部43。 

在蜂窝移动通信中，假定发送装置为基站，因此由基站根据相关系数和通信质量的信息来决定MIMO复用数，从而能够使通信系统整体的传输效率最佳化。 

<实施例3> 

图12是表示第三实施例的发送装置的结构的图。第三实施例的发送装置形成与发送波束相同的指向性的接收波束，从而来推定发送波束间的相关系数和每个发送波束的质量。另外，由天线15-1～15-4构成的天线阵被共用于发送和接收。 

乘法电路52-1～52-M分别对经由对应的接收器51-1～51-M接收到的信号乘以对应的权值组1～M。其中，该权值组1～M预先经过适当的校准以使得形成具有与发送波束1～M相同的指向性的接收波束1～M。另外，乘法电路52-1～52-M的结构基本上与乘法电路12-1～12-M相同。 

相关性/质量计算部54基于经由输出端口53-1～53-M接收的信号r₁～r_M来推定发送波束间的相关性和各个发送波束的质量。其中，信号r₁～r_M可以根据上式(22)来计算。另外，发送波束间的相关系数的推定值利用式(19)来计算。另外，各个发送波束的质量的推定值利用式(20)或者(21)来计算。 

波束选择部36如参照图10进行说明的那样，选择选择波束数量(MIMO复用数)和应使用的发送波束。另外，发送装置利用所选择的发送波束来发送数据流。 

在第三实施例中，发送装置能够利用具有与发送波束相同的指向性的接收波束来选择应使用的一个或者多个发送波束。此时，接收装置不必测定发送波束间的相关性等。 

<实施例4> 

图13是表示第四实施例的接收装置的结构的图。在第四实施例中，本发明适用于接收装置中的MIMO信号分离。 

第四实施例的接收装置使用接收天线阵形成多个波束(接收波束1～M)。接收波束1～M通过在乘法电路61-1～61-M中对接收信号乘以权值组1～M来实现。其结果，接收端口62-1～62-M分别输出利用对应的接收波束1～M所接收到的信号。 

相关性/质量计算部63计算接收波束间的相关系数和每个接收波束的质量。另外，信道信息h利用从发送装置发送的导频信号而预先求出。另外，接收波束间的相关系数通过上述式(16)来计算。另外，每个接收波束的质量通过式(17)或者(18)来计算。 

波束选择部64将由相关性/质量计算部63所得到的计算结果分别和对应的阈值进行比较，从而求出分支数和端口编号。另外，波束选择部64的动作与图9所示的波束选择部43相同。另外，“分支数”相当于选择波束数量。另外，对于“分支数”选择比进行MIMO信号分离的运算电路所能够处理的分支数小的值。 

端口选择部65从输出端口62-1～62-M中选择波束选择部64所指示的端口。由此，仅经由相关性低且接收质量良好的接收波束而接收到的信号被发送到MIMO信号分离部66。MIMO信号分离部66根据由波束选择部64通知的分支数来进行MIMO信号分离处理。另外，MIMO信号分离处理本身基于现有的算法(例如上述ZF、MMSE、MLD等)。 

这样，在第四实施例中，从多个接收波束中适当选择MIMO信号分离电路支持的分支数的波束，从而能够最大限度提高通信质量。 

根据包含第一～第四实施例的本发明而能够获得下述效果。 

(1)在安装了天线阵的发送装置中，不必变更天线根数和发送器等的结构而能够实现MIMO复用传输。因此，能够在同一发送装置中并用基于天线阵的传输和MIMO复用传输。 

(2)由于不必增加发送装置的天线数量，所以能够低成本地实现并用MIMO复用传输和天线阵的系统。 

(3)能够利用天线阵实现覆盖范围的增大以及终端的消耗功率的降低，同时能够对满足规定条件的用户提供基于MIMO复用传输的高速传输。 

(4)由于一边根据传输路径状态来自适应地切换天线阵发送和MIMO复用传输一边进行数据发送，因而能够提高系统的传输效率。 

(5)在将本发明应用于接收处理时，在所安装的MIMO信号分离电路能够处理的分支数范围内，选择适当的接收波束，从而能够根据天线阵的根数使接收特性最佳化而不必变更MIMO信号分离电路。 

Claims (14)

1.一种通信装置，在无线通信系统中使用，该通信装置具有：

多个天线；

发送波束形成单元，其通过对上述多个天线乘以多个模式的发送权值组，来形成多个发送波束；以及

发送单元，其利用上述多个发送波束中相关性比预先确定的相关性阈值低的两个以上的发送波束来发送互不相同的数据流。

2.根据权利要求1所述的通信装置，

上述发送单元利用上述多个发送波束中的相关性比预先确定的相关性阈值低且接收质量比预先确定的质量阈值高的两个以上的发送波束来发送互不相同的数据流。

3.根据权利要求1所述的通信装置，

上述发送单元在没有选择两个以上的发送波束时，利用接收质量最好的一个发送波束来发送数据。

4.根据权利要求1或2所述的通信装置，该通信装置还具有：

接收波束形成单元，其形成具有与由上述发送波束形成单元所形成的多个发送波束相同的天线指向性的多个接收波束；以及

选择单元，其基于利用上述多个接收波束所接收的信号来推定上述多个发送波束间的相关性和关于各个发送波束的接收质量，并基于该推定结果来选择两个以上的发送波束。

5.一种接收装置，该接收装置接收从权利要求1～3中的任一项所述的通信装置发送的信号，该接收装置具有：

测定单元，其通过接收利用上述多个发送波束分别发送的导频信号，来测定上述多个发送波束间的相关性和关于各个发送波束的接收质量；以及

发送单元，其将上述测定单元的测定结果发送给上述通信装置。

6.一种接收装置，该接收装置接收从权利要求1～3中的任一项所述的通信装置发送的信号，该接收装置具有：

测定单元，其通过接收利用上述多个发送波束分别发送的导频信号，来测定上述多个发送波束间的相关性和关于各个发送波束的接收质量；

选择单元，其基于上述测定单元的测定结果来选择上述通信装置应使用的发送波束；以及

通知单元，其将由上述选择单元所选择的发送波束通知给上述通信装置。

7.一种无线通信系统，该无线通信系统从具有多个天线的发送装置向接收装置发送数据，该无线通信系统具有：

发送波束形成单元，其设置于上述发送装置上，通过对上述多个天线乘以多个模式的发送权值组来形成多个发送波束；

测定单元，其设置于上述接收装置上，通过接收利用上述多个发送波束分别发送的信号来测定上述多个发送波束间的相关性；

选择单元，其设置于上述接收装置或上述发送装置上，基于上述测定单元的测定结果，从上述多个发送波束中选择相关性比预先确定的相关性阈值低的两个以上的发送波束；以及

发送单元，其设置于上述发送装置上，利用由上述选择单元所选择的两个以上的发送波束来发送互不相同的数据流。

8.根据权利要求7所述的无线通信系统，

上述测定单元通过接收利用上述多个发送波束分别发送的信号来测定上述多个发送波束间的相关性和关于各个发送波束的接收质量，

上述选择单元从上述多个发送波束中选择相关性比预先确定的相关性阈值低且接收质量比预先确定的质量阈值高的两个以上的发送波束。

9.根据权利要求7或8所述的无线通信系统，

上述接收装置还具有分离单元，该分离单元基于表示在上述发送装置中上述发送单元实际使用的发送波束的信息，来分离从上述发送装置发送的数据流。

10.根据权利要求9所述的无线通信系统，

表示上述发送波束的信息从上述发送装置被通知给上述接收装置。

11.一种无线通信方法，该无线通信方法从具有多个天线的发送装置向接收装置发送数据，其特征在于，该无线通信方法中，

通过对上述多个天线乘以多个模式的发送权值组来形成多个发送波束；

基于利用上述多个发送波束分别发送的信号来测定上述多个发送波束间的相关性；

基于上述测定结果从上述多个发送波束中选择相关性比预先确定的相关性阈值低的两个以上的发送波束；

利用上述选择的两个以上的发送波束来发送互不相同的数据流。

12.根据权利要求11所述的无线通信方法，

该无线通信方法还测定关于各个发送波束的接收质量；

利用上述多个发送波束中相关性比预先确定的相关性阈值低且接收质量比预先确定的质量阈值高的两个以上的发送波束来发送互不相同的数据流。

13.一种通信装置，该通信装置在对互不相同的多个数据流进行空间复用来传输的无线通信系统中使用，该通信装置具有：

多个天线；

接收波束形成单元，其通过对上述多个天线乘以多个模式的接收权值组而形成多个接收波束；

选择单元，其从上述多个接收波束中选择相关性比预先确定的相关性阈值低的两个以上的接收波束；以及

分离单元，其利用经由上述选择单元所选择的两个以上的接收波束所得到的接收信号来分离上述多个数据流。

14.根据权利要求13所述的通信装置，

上述选择单元从上述多个接收波束中选择相关性比预先确定的相关性阈值低且接收质量比预先确定的质量阈值高的两个以上的接收波束。

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