JP2005045464A - 無線受信機、無線送信機及びインピーダンス制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、複数のアンテナ素子を利用して無線信号の送信又は受信を行う無線通信システムにおける、チャネル相関に起因するスループットの低下を抑制することの可能な無線受信機、無線送信機及びインピーダンス制御方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明による無線受信機は、無線信号を受信するための複数のアンテナ素子（１０４，１０６）と、前記複数のアンテナ素子に含まれる少なくとも１つのアンテナ素子（１０６）のインピーダンスを、指示信号に従って変化させる設定手段（１１０）と、前記インピーダンスの変化に起因する、受信信号のスループットの変化を調べる測定手段（１１４）と、測定結果に応じて、インピーダンスを変化させる指示信号を前記設定部に与える指示手段（１２８）を有する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に無線通信の技術分野に関し、特に複数のアンテナ素子を利用して無線通信を行う無線受信機、無線送信機及びインピーダンス制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の技術分野で特に注目されている技術に、多入力多出力（ＭＩＭＯ：Ｍｕｌｔｉ−Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉ−Ｏｕｔｐｕｔ）方式の通信システムがある。これは、送信側及び受信側でそれぞれ複数のアンテナ素子を用意し、アンテナ素子毎に異なる信号を同一の周波数帯域にて同時に伝送することで、容量即ち周波数当たりの伝送レート（ｂｐｓ／Ｈｚ）を向上させようとするものである。この容量は、スループットとも呼ばれる。ＭＩＭＯ方式における通信手法ついては、例えば、特許文献１及び非特許文献１に開示されている。また、ＭＩＭＯ方式の通信システムにおけるスループット（容量）の数式表現等については、非特許文献２に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
欧州特許出願公開第１２３３５６５号明細書
【０００４】
【非特許文献１】
Ｇ．Ｊ．Ｆｏｓｃｈｉｎｉ，ｅｔ ａｌ．，“Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｃｔｒａｌ ＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙＷｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ Ｍｕｌｔｉ−Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｒｒａｙｓ”，ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｎ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ａｒｅａｓ ｉｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｖｏｌ１７，Ｎｏ．１１，ｐｐ．１８４１−１８５２，Ｎｏｖｅｍｂｅｒ １９９９
【０００５】
【非特許文献２】
Ｓｉｒｉｋｉａｔ Ｌｅｋ Ａｒｉｙａｖｉｓｉｔａｋｕｌ，“Ｔｕｒｂｏ Ｓｐａｃｅ−Ｔｉｍｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｏ Ｉｍｐｒｏｖｅ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｃａｐａｃｉｔｙ”，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｃｏｍｍｕｎ，ｖｏｌ．４８，ｎｏ．８，Ａｕｇ．２０００
【０００６】
【非特許文献３】
酒井克己、玉木剛、矢野隆、「ＭＩＭＯ方式による多地点中継伝送方式」、電子情報通信学会、信学技報ＲＣＳ２００１−２６３
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ＭＩＭＯ方式では、複数のアンテナ素子の各々について、送信機及び受信機間に想定される各チャネルが、互いに独立である場合に最も効果的に容量を増加させることが可能になる。逆に、例えば見通し内環境のように、チャネル間の相関（チャネル相関）が強くなるような通信環境では、容量を増加させることが困難になる、又は達成し得る容量が減少してしまう虞がある。
【０００８】
この場合において、アンテナ素子間の距離を充分に引き離すことで、チャネル相関の影響を抑制する技術がある。しかしながら、そのような手法を採用すると、複数のアンテナ素子全体で占める面積やサイズが大きくなり、装置構成の小型化の観点からは不利になるという問題が生じる。
【０００９】
チャネル相関に対処する別の手法に、伝搬路の途中に中継器を設け、意図的にマルチパス波を生じさせ、受信機にて多くのパスを処理することで、チャネル相関の影響を抑制する技術もある（これについては、非特許文献３参照。）。しかしながら、このような手法を採用すると、無線基地局に応じて中継器を設ける必要が生じ、設備投資や維持管理に要する技術的及び経済的負担が大きくなってしまうという問題が生じる。また、自中継における周り込み波、他の中継器との間の周り込み波に対処しなければならない等の別の問題を招く虞もある。
【００１０】
ところで、受信電力が大きい場合には、受信信号のスループットも高いのが一般的である。しかしながら、上述したようなチャネル相関が大きくなるような通信環境では、受信電力の大小が必ずしもスループットの大小に対応しないことがある。場合によっては、受信電力が大きくなるようにアンテナ制御を行ったとしても、スループットは劣化してしまうことさえあり得る。
【００１１】
本発明は、このような問題点の少なくとも１つを解決するためになされたものであり、その課題は、複数のアンテナ素子を利用して無線信号の送信又は受信を行う無線通信システムにおける、チャネル相関に起因するスループットの低下を抑制することの可能な無線受信機、無線送信機及びインピーダンス制御方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明による解決手段によれば、
無線信号を受信するための複数のアンテナ素子と、
前記複数のアンテナ素子に含まれる少なくとも１つのアンテナ素子のインピーダンスを、指示信号に従って変化させる設定手段と、
前記インピーダンスの変化に起因する、受信信号のスループットの変化を調べる測定手段と、
測定結果に応じて、インピーダンスを変化させる指示信号を前記設定部に与える指示手段を有することを特徴とする無線受信機が、提供される。
【００１３】
これにより、チャネル相関に起因するスループットの低下を抑制することが可能になる。
【００１４】
本発明によれば、受信電力のみに着目するのではなく、スループットを増加させるようにアンテナ素子のインピーダンス制御が行われる。本発明によれば、無線伝搬経路に中継器を設けることは必須でないので、従来懸念されていたような、中継器に付随する経済的及び技術的な問題を回避することが可能になる。
【００１５】
本発明の一態様によれば、受信電力を測定する電力測定手段と、異なるアンテナ素子で受信された信号間の相関値を測定する相関値測定手段が設けられている。受信電力に加えて、相関値をも考慮してスループットを向上させようとするので、チャネル相関を抑制しつつスループットを向上させることが可能になる。スループット及びスループットの変化量は、受信電力、相関値及びスループットの対応関係を示すテーブルを利用して、又は数式を利用して求めることが可能である。
【００１６】
本発明の一態様によれば、受信方式に応じた等化後の信号電力を測定することで、受信電力を高精度に測定することが可能になり、スループットの推定も高精度になり得る。
【００１７】
本発明の一態様によれば、複数の給電アンテナ素子と、その周りに設けられた１以上の無給電アンテナ素子を利用し、各無給電アンテナ素子は可変インピーダンス素子を介して基準電位に接続されている。制御対象となる可変インピーダンス素子は、無給電アンテナ素子にしか設けられていないので、制御対象数が少なくて済む。従って、装置構成の簡略化の観点から、このような無給電アンテナ素子を利用することが有利である。
【００１８】
本発明の一態様によれば、１対１通信だけでなく、多数のユーザと通信する無線基地局のような１対多通信も可能である。この場合に、各ユーザに対するスループットの変化分の線形結合を算出し、その線形結合が向上するように、アンテナ素子のインピーダンスを制御することが可能である。結合係数を調整することで、特定のユーザの通信を優先させながら、システム全体のスループットを向上させることが可能になる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本願実施例による無線受信機の機能ブロック図を示す。図１では、無線受信機の内、本発明に特に関連する機能ブロックが描かれている。無線受信機１００は、無線送信機の送信アンテナ１０２から送信された無線信号を受信するための複数のアンテナ素子１０４，１０６を有する。簡単のため、送信アンテナは、１つの素子として描かれているが、複数のアンテナ素子からの信号を受信することも可能である。図１では、複数のアンテナ素子として、２つの給電アンテナ素子１０４と、２つの無給電アンテナ素子１０６とが設けられているが、一般的には、任意の数のアンテナ素子を設けることが可能である。但し、ＭＩＭＯ方式の通信を行うには、少なくとも２つの給電アンテナ素子を必要とする。
【００２０】
無給電アンテナ素子１０６の各々は、それぞれ可変インピーダンス素子１０８を介して基準電位（例えば、接地電位）に接続されている。更に、可変インピーダンス素子１０８のインピーダンスは、インピーダンス設定部１１０によって変化させることが可能である。インピーダンスは、一般的には、抵抗成分とリアクタンス成分とを含むが、本実施例では、抵抗成分を固定し、リアクタンス成分を変化させることとしている。リアクタンス成分は、例えばキャパシタの容量を変化させることによって変化させることが可能である。
【００２１】
無線受信機１００は、各給電アンテナ素子１０４に接続されたチャネル推定部１１２を有する。チャネル推定部１１２により、各アンテナ素子で受信した受信信号の振幅、遅延又は位相に関する伝搬路に起因する変化を調べることでチャネル推定が行われる。チャネルの推定は、例えば、フレーム毎に挿入されている既知信号又は参照信号を利用して行うことが可能である。給電アンテナ素子１０４で受信された信号は、チャネル推定結果と供にデータ受信部１１３に入力される。データ受信部１１３では、各チャネルに関する位相回転、信号の合成等の等化処理や、誤り訂正復号等を含む受信信号を復元するための通常の処理が行われる。
【００２２】
一方、無線受信機１００は、チャネル推定部１１２の出力に接続されたインピーダンス制御部１１４を有し、これは「測定手段」に関連付けることが可能である。インピーダンス制御部１１４は、制御部内の各要素の動作を制御するコントローラ部１１６を有する。インピーダンス制御部１１４は、受信信号の電力レベルを測定する電力測定部１１８を有する。インピーダンス制御部１１６は、各アンテナで受信した信号に関する相関値を算出する相関値算出部１２０を有する。インピーダンス制御部１１４は優先度設定部１２４を有し、これは、各ユーザの通信に関する優先度を考慮して、受信動作を制御するためのものである。更に、インピーダンス制御部１１４はメモリ部１２６を有し、これは、インピーダンス制御に必要な各種の情報を保持する。その情報には、例えば、電力値、相関値及びスループットの間の対応関係を示すテーブル情報が含まれ得る。更には、必要に応じて、空間多重数、変調多値数、符号化率等が変り得る用途に合わせてテーブル情報を用意し、より精密なスループットの測定を行うことも可能である。このようなテーブル情報は、経験的に又はシミュレーションにより、事前に求めておくことが可能である。
【００２３】
無線受信機１００はインピーダンス指示部１２８を有し、これは、インピーダンス制御部１１４からの出力に従って、可変インピーダンス素子１０８のインピーダンスをどのように変化させるかを示す指示信号を作成し、それをインピーダンス設定部１１０に与える。指示信号は、ディジタル信号でもアナログ信号でもよく、用途に応じて適宜選択することが可能である。
【００２４】
尚、説明の便宜上、インピーダンス制御部１１４に多数の機能ブロックが示されているが、これら総ての動作を行うことは本発明に必須ではなく、一部のブロックに対応する動作のみを行うようにすることが可能である。また、それらのブロックに代えて別の機能ブロックを使用するようにすることも可能である。
【００２５】
図２は、図１に示される無線受信機１００の動作例を示すフローチャート２００を示す。概して、フローチャート２００は、無線受信機１００が無線信号を受信しながら可変インピーダンス素子１０８の値を適切に調整し、受信信号のスループットを向上させる。
【００２６】
ステップ２０２では、各パラメータの初期化が行われる。例えば、総ての可変インピーダンス素子のインピーダンスが初期値に設定される。本実施例では、２つの可変インピーダンス素子１０８のインピーダンスｙ_１，ｙ_２が、インピーダンス設定部１１０によって初期値に設定される（例えば、ｙ_１＝ｙ_２＝ｙ_ｉｎｉｔ）。ｍは、制御対象１０８を区別するためのパラメータであり、本実施例では、ｍ＝１，２である。
【００２７】
ステップ２０４では、第１の可変インピーダンス素子１０８のインピーダンスｙ_１が、第１の所定量Δｙだけ変化させられる。複数のアンテナ素子１０４，１０６は、互いに影響を及ぼしながら無線信号を受信している。第１の無給電アンテナ素子１０６のインピーダンスｙ_１が変化すると、給電アンテナ素子１０４で受信される信号の強度や位相にも影響が及ぶ。
【００２８】
ステップ２０６では、そのようにインピーダンスｙ_１を変化させた後に受信される信号の受信電力及び相関値が測定される。これらの動作は、主にコントローラ部１１６の制御の下に電力測定部１１８及び相関値測定部１２０にて行われる。先ず、電力測定部１１８では、次式（１）に従って、各給電アンテナ素子１０４で受信される受信電力値Ｓｎ（ｎ＝１，２）が算出される：
【００２９】
【数１】

ここで、ｎ＝１，２は、給電アンテナ素子１０４を区別するためのパラメータである。Ｍは給電アンテナ素子数を示し、本実施例ではＭ＝２である。ｌは、無線チャネルにおけるマルチパス伝搬路の各々を区別するためのパラメータであり、本実施例では先行波（ｌ＝１）から順にＬ個のパスを想定している。ｈ_ｎｍ（ｌ）は、送信側のｎ番目のアンテナと、受信側のｍ番目のアンテナの間のｌ番目のパス（伝搬路）に関する伝達関数を示す。更に、ｈ_ｎｍ（ｌ）（ｌ＝１，．．．，Ｌ）をベクトル成分とするインパルス応答ベクトルｈ_ｎｍ＝（ｈ_ｎｍ（１），ｈ_ｎｍ（２），．．．，ｈ_ｎｍ（Ｌ））^Ｔを定義することが可能である。但し、Ｔは、転置を行うことを示す。
【００３０】
次に、相関値測定部１２０では、次式（２）に従って、相関値Ｃ_ｏ，ｎ（ｎ＝１，２）が算出される：
【００３１】
【数２】

この相関値Ｃ_ｏ，ｎは、送信側の１つのアンテナｎに関する受信側のアンテナ素子ｍ，ｍ’間の相関を示す。尚、次式（３）に示されるように、受信側の１つのアンテナｍに関する送信側のアンテナ素子ｎ，ｎ’間の相関を求めることも可能である：
【００３２】
【数３】

本実施例では、上記の数式（２）に従って、相関値を求めている。相関値の定義から明らかなように、２つのインパルス応答ベクトルが直交する場合に相関値はゼロになり、両者が区別できない程度に一致する場合に相関値は最大値１をとる。
【００３３】
ステップ２０８では、このようにして算出された受信電力Ｓｎ，相関値Ｃ_ｏ，ｎを利用して、スループットの変化ΔＴ_ｈを求める。単位周波数当たりの伝送速度（ｂｐｓ／Ｈｚ）であるスループット又は容量Ｔ_ｈは、次式（４）に示されるように、受信電力Ｓｎ及び相関値Ｃ_ｏ，ｎに依存する関数として取り扱うことが可能である。
【００３４】
Ｔ_ｈ＝Ｔ_ｈ（Ｓ_ｎ，Ｃ_ｏ，ｎ） ・・・（４）
所与の受信電力Ｓｎ，相関値Ｃ_ｏ，ｎに対するスループットＴ_ｈの値は、予めメモリ部１２６に保存されているテーブルを利用して求めることが可能である。尚、スループットの値を何らかの数学的な計算式から求めることも可能であるが、これについては後述する。ステップ２０４におけるインピーダンスの変化の前後にわたって、スループットＴ_ｈを求めることで、その差分ΔＴ_ｈを求めることができる。即ち、ステップ２０４を行う以前に、その時点でのスループットが求められていることを要する。但し、電源投入時や通信開始時のように、前回のスループットの測定値が存在しない場合は、スループットの測定のみ行い、インピーダンスの変更は行われないようにすることが可能である。
【００３５】
ステップ２１０では、ステップ２０４で変化させたインピーダンスの値を、へ変更前の値に戻す。この操作は、任意的な操作であり、省略することも可能である。但し、後述するインピーダンスの更新ステップ２１４及び２１６にて、同一の量（μΔｙ）だけインピーダンスを変化させる観点からは、この任意的なステップ２１０を行うことが望ましい。
【００３６】
ステップ２１２では、ステップ２０４でインピーダンスを変化させたことで、スループットが向上したか否かが判別される。スループットが増加していたならば（ΔＴ_ｈ≧０）、ステップ２１４に進み、そのインピーダンスの値は、第２の所定量μΔｙだけ増やされる。一方、スループットが減少していたならば（ΔＴ_ｈ＜０）、ステップ２１６に進み、インピーダンスの値は第２の所定量だけ減らされる。
【００３７】
ステップ２１８では、無給電アンテナ素子１０８を区別するパラメータｍの値を増やし、ステップ２０４に戻り、別の可変インピーダンス素子について同様の処理が反復される。尚、Ｍｐは、制御対象となる可変インピーダンス素子数であり、目下の場合はＭｐ＝２である。ｍｏｄ（ｍ＋１，Ｍｐ）は、ｍ＋１の値がＭｐより小さかったならば、ｍ＋１の値をそのまま返し、大きかったならばｍ＋１をＭｐで除算したときの剰余を返す関数を表す。
【００３８】
図３は、フローチャート２００で行われる動作を説明するための図を示す。ステップ２０４でインピーダンスを変更する前の受信電力Ｓｎ，相関値Ｃ_ｏ，ｎに基づいてスループットＴ_ｈが特定される（現在の動作点）。そして、インピーダンスを変化させた後の受信電力Ｓｎ，相関値Ｃ_ｏ，ｎに基づくスループットＴ_ｈが特定される（更新後の動作点）。ステップ２１２にて、スループットの変化する向きが判別される。スループットが増えるようであれば、その方向（＋Δｙ方向）にインピーダンスを変化させることが望ましいので、ステップ２１４にてその向きに第２の所定量（＋μΔｙ）だけインピーダンスを変化させる。逆に、インピーダンスを変化させた結果スループットが減少した場合は、その方向にインピーダンスを変化させるべきでないので、ステップ２１６にて逆向きに第２の所定量（−μΔｙ）だけインピーダンスを変化させる。このような動作を可変インピーダンス素子毎に反復することで、スループットが向上するように動作点を更新させてゆくことが可能になる。尚、更新ステップサイズを決めるμ，Δｙの値は、例えば最急勾配法等を利用して、必要に応じて適切な値に設定することが可能である。
【００３９】
図４は、図２に示される動作例を時間軸に沿って説明するための図を示す。図示されているように、無線受信機１００は、プリアンブル部Ｐとデータ部Ｄより成るフレームを継続的に受信している。プリアンブル部Ｐには、送信側及び受信側で既知の既知信号又は参照信号が含まれている。この既知信号を利用して、無線受信機はチャネル推定を行うことができる。即ち、受信電力及び相関値を測定し、スループットを特定するには、少なくとも１フレームの期間を要する。インピーダンスを変化させる前と後のスループットを求めるには、少なくとも２フレームの期間を要するので、ステップ２０４からステップ２１４又は２１６でインピーダンスの値を更新するまでには、少なくとも２フレームの期間を要することになる。言い換えれば、２フレーム毎に異なる可変インピーダンス素子を調整してゆくことが可能になる。
【００４０】
図５は、図１に示される無線受信機１００の他の動作例を示すフローチャート５００を示す。フローチャート５００は、概して図２のフローチャート２００と同様の動作を行うが、インピーダンスを第２の所定量（μΔｙ）だけ変化させた後に、スループットの変化を再び調査し、スループットが増加していなかった場合にはその第２の所定量の変化分を取り消す操作を行う点で異なる。
【００４１】
ステップ５０２では、各パラメータの初期化が行われる。例えば、２つの可変インピーダンス素子のインピーダンスｙ_１，ｙ_２が、インピーダンス設定部１１０によって初期値に設定される（例えば、ｙ_１＝ｙ_２＝ｙ_ｉｎｔ）。
【００４２】
ステップ５０４では、第１の可変インピーダンス素子１０８のインピーダンスｙ_１が、第１の所定量Δｙだけ変化させられる。
【００４３】
ステップ５０６では、そのようにインピーダンスを変化させた後に受信される信号の受信電力、及び相関値が測定される。これらの動作は、主にコントローラ部１１４の制御の下に電力測定部１１８及び相関値測定部１２０にて行われる。電力測定部１１８では、上記の数式（１）に従って、各給電アンテナ素子１０４で受信される受信電力値Ｓｎ（ｎ＝１，２）が算出される。相関値測定部１２０では、上記の数式（２）に従って、相関値Ｃ_ｏ，ｎ（ｎ＝１，２）が算出される。
【００４４】
ステップ５０８では、このようにして算出された受信電力Ｓｎ，相関値Ｃ_ｏ，ｍを利用して、スループットの変化ΔＴ_ｈが求められる。所与の受信電力Ｓｎ，相関値Ｃ_ｏ，ｎに対するスループットＴ_ｈの値は、予めメモリ部１２６に保存されているテーブルを利用して求めることが可能である。
【００４５】
ステップ５１０では、ステップ５０４で変化させたインピーダンスの値を、変更前の値に戻す。
【００４６】
ステップ５１２では、ステップ５０４でインピーダンスを変化させたことで、スループットが真に向上したか否かが判別される。スループットが増加していたならば（ΔＴ_ｈ≧０）、ステップ５１４に進み、そのインピーダンスの値は、第２の所定量μΔｙだけ増やされる。
【００４７】
ステップ５１６では、ステップ５１４でインピーダンスを変化させたことで、スループットが向上したか否かが判別される。スループットが増加していたならば（ΔＴ_ｈ≧０）、その可変インピーダンス素子についての制御を終了し、ステップ５１８に進む。
【００４８】
ステップ５１８では、無給電アンテナ素子１０８を区別するパラメータｍの値を増やし、ステップ５０４に戻り、別の可変インピーダンス素子について同様の処理が反復される。一方、ステップ５１６にて、スループットが増加していなかったと判定されたならば（ΔＴ_ｈ＜０）、フローはステップ５２０に進む。
【００４９】
ステップ５２０では、インピーダンスの値が第２の所定量だけ減らされる。即ち、ステップ５１４で行ったインピーダンスの変化分を打ち消し、元の値に戻す操作が行われ、ステップ５１８に進む。仮に、μ≦１であって、ステップ５１２とステップ５１６における測定操作の間に通信環境が顕著に変化しないならば、ステップ５１６及びステップ５２０のフローは有意義ではない。しかし、一般的には、μ＞１であるので、第１の所定量（Δｙ）と第２の所定量（μΔｙ）は異なる。したがって、ステップ５０４で第１の所定量だけインピーダンスを変化させてスループットが向上したとしても、ステップ５１４で第２の所定量変化させた場合にスループットが向上するとは限らない。現在の動作点が既に極値に達していた等の場合には、その動作点から大きく逸脱すると、却ってスループットを低くしてしまう虞もある。このような観点から、ステップ５１４でインピーダンスの値が更新された後に、ステップ５１６にて改めてスループットの変化が確認される。スループットが期待通り向上していれば、フローはステップ５１８に進み、そうでなければステップ５２０に進み、ステップ５１４で行った操作を打ち消す操作が行われる。
【００５０】
ステップ５１２で、スループットが向上していなかったならば、ステップ５２２に進む。ステップ５２２以降も、ステップ５１４以降のフロート同様の処理が行われる。即ち、ステップ５２２でインピーダンスの値が更新された後に、ステップ５２４にて改めてスループットの変化が調査される。スループットが期待通り向上していれば、フローはステップ５１８に進むが、そうでなければステップ５２６に進み、ステップ５２２で行った操作を打ち消す操作が行われる。
【００５１】
ところで、図１に示されるような複数のアンテナ素子１０４，１０６については、様々な配置があり得るが、何れの配置を採用するにせよ、チャネル相関の影響を抑制する観点から有利な配置を採用することが望ましい。
【００５２】
図６は、給電アンテナ素子６０２，６０４と無給電アンテナ素子の位置関係を説明するための図である。図示されているように、給電アンテナ素子６０２，６０４が、距離を隔てて隣接している。各給電アンテナ素子６０２，６０４は、図中の曲線６０６，６０８で示されるように、概して−９０度乃至＋９０度の方向に指向性を有する。仮に、ポイント１で示される地点に無給電アンテナ素子を設けたとする。この地点は、各給電アンテナ素子６０２，６０４にとって比較的利得の小さな方向である。従って、この地点に設けられた無給電アンテナ素子に起因するマルチパス成分（無給電アンテナ素子による反射波）は、給電アンテナ素子６０２，６０４にとって影響の少ない到来波となる。これに対して、ポイント２で示される地点に無給電アンテナ素子を設けたとする。この地点は各給電アンテナ素子６０２，６０４にとって比較的利得の大きな方向である。従って、この地点に設けられた無給電アンテナ素子に起因するマルチパス成分は、給電アンテナ素子６０２，６０４にとって影響の大きい到来波となる。無給電アンテナ素子による反射波を利用することで到来波を区別し、チャネル相関の影響を軽減させる観点からは、ポイント１ではなくポイント２に無給電アンテナ素子を設けることが望ましい。
【００５３】
尚、この例では無給電アンテナ素子が指向性を有することを想定していなかったが、無給電アンテナ素子に指向性を持たせることも可能である。ある給電アンテナ素子方向への指向性が強く、別の給電アンテナ素子方向への指向性が弱い無給電アンテナ素子を設けることで、チャネル相関を更に抑制することが可能になるからである。
【００５４】
次に、本発明によるインピーダンス制御手法を無線送信機に適用する例について説明する。先ず、上下の回線を時分割で区別し、同一周波数を利用するＴＤＤ方式の通信システムでは、送信時及び受信時に同一のインピーダンス値を用いることが可能である。即ち、既に説明した無線受信機１００に関するインピーダンス制御手法を、送信時にもそのまま利用することが可能である。ＴＤＤ方式以外の通信システムでは、送受信に同一のインピーダンス制御手法を利用することができないので、別の制御手法を行う必要が生じる。
【００５５】
図７は、本願実施例による無線受信機及び無線受信機を含む無線通信システムの概略図を示す。無線通信システム７００は、無線送信機７０２と無線受信機７０４を含む。無線送信機７０２は、無線信号を送信するための複数のアンテナ素子７０６，７０８を有する。複数のアンテナ素子には、２つの給電アンテナ素子７０６と２つの無給電アンテナ素子７０８が含まれる。無給電アンテナ素子７０８の各々は、可変インピーダンス素子７１０を通じて基準電位（例えば、接地電位）に接続される。可変インピーダンス素子７１０のインピーダンスは、インピーダンス設定部７１２により適切な値に設定される。どのような値に設定するかは、インピーダンス指示部７１４からの指示信号により決定される。
【００５６】
無線受信機７０４は、無線信号を受信するための複数の給電アンテナ素子７１６を有する。各給電アンテナ素子７１６からの信号は、チャネル推定部７１８にそれぞれ入力され、伝搬路に合わせて振幅及び位相が補償される。各チャネル推定部７１８からの出力は、電力測定部７２０及び相関値推定部７２２に入力される。簡単のため省略されているが、無線受信機７０４は、図１にて説明したようなインピーダンス制御部１１４と同様な要素を有し得る。
【００５７】
無線通信システム７００でも、図２や図５に説明したような動作を行うことが可能である。但し、無線送信機７０２及び無線受信機７０４で一連の処理が行われる点に留意を要する。先ず、無線送信機７０２側で、ある可変インピーダンス素子７１０のインピーダンスを変化させ（ステップ２０４）、無線信号を送信する。その無線信号を無線受信機７０４で受信し、電力測定部７２０で電力を測定し、相関値測定部７２２で相関値を測定し（ステップ２０６）、スループットの以前の値と今回の値の差分を求め（ステップ２０８）、以後どのようにインピーダンス値を変化させるべきかを決定する（ステップ２１２）。その結果を無線チャネルであるフィードバックチャネルを通じて、無線送信機７０２のインピーダンス指示部７１４に通知する。このフィードバック情報に基づいて、インピーダンスの更新が行われる（ステップ２１４，２１６）。
【００５８】
この例では、受信電力及び相関値の測定、スループットの変化方向の判定等を無線受信機７０４で行い、インピーダンス指示信号の生成等を無線送信機７０２で行っているが、このような役割分担は本発明に必須ではなく、これらの処理の全部又は一部を無線受信機側で又は無線送信機側で行うことが可能である。無線受信機７０４のアンテナで受信された信号に基づいて、最終的に無線送信機側のアンテナ素子に関するインピーダンス制御が行われればよいからである。
【００５９】
図１に戻って、他の実施例を説明する。上述した例では、アンテナ素子毎にＬ個のマルチパス成分を想定して受信電力及び相関値を測定した。しかし、本実施例では、Ｌ個のマルチパス成分を直接的に使用して電力測定（数式１による電力測定）を行うのではなく、データの受信方式（等化方式）に合わせた電力測定を行う。これは、受信方式により実効的に得られる受信電力が異なるためであり、例えば、ＭＭＳＥ（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅｄ Ｅｒｒｏｒ）フィルタを用いて受信する場合は、ＭＭＳＥフィルタ係数とチャネル推定値を用いることで、等化後に得られる受信電力を求めることができる。また、Ｖ−ＢＬＡＳＴ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ−Ｂｅｌｌ ｌａｂ’ｓ Ｌａｙｅｒｅｄ Ｓｐａｃｅ Ｔｉｍｅ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ）やターボ等化方式を用いる場合においても、各々の受信方式で最終的に得られると予想されるストリーム毎の受信電力を求めることが可能である。
【００６０】
上記の実施例では、スループットＴ_ｈは、メモリ部１２６に格納されたテーブルを利用して求められていた。しかしながら、テーブルを利用することは本発明に必須ではなく、次式（５）
【００６１】
【数４】

を利用してスループット又はチャネル容量を算出することも可能である。この数式（５）で算出されるスループットは、シャノンの通信路容量（Ｓｈａｎｎｏｎｃａｐａｃｉｔｙ）と呼ばれるものである。ここで、Ｉは、Ｍ×Ｍ型の単位行列である。σ^２は、雑音電力密度である。Ｈ^Ｈは、チャネル行列Ｈの共役転置行列である。従って、ＨＨ^Ｈは、Ｍ×Ｍ型の正方行列になる。尚、簡単のため、上記の数式（５）では、パスの総数Ｌ＝１とした場合を示している。受信信号に基づいてチャネル行列Ｈ（数式（６））が求められ、上記のスループットＴ_ｈが最大になるようにインピーダンス制御が行われる。
【００６２】
上記の実施例では、１対１の無線通信を想定していたが、本発明によるインピーダンス制御手法は、多数の移動端末（ユーザ）と通信を行う無線基地局のような１対多の通信に拡張され得る。
【００６３】
図８は、各ユーザに通信資源を割り当てるための資源割当テーブルの例を示す。 １フレームが４スロット分の期間を有し、各スロットでは３つの周波数で区別される３ユーザが同時に通信を行うことが可能である。無線基地局とユーザの間には、ユーザ毎に最適なインピーダンス（そのユーザとの通信におけるスループットを最大にするインピーダンス）が存在し得るが、無線基地局にてそれら総てを同時に満足させることは困難である。そこで、本実施例は、次式（７）のように各ユーザのスループットの線形結合（スループットの差分の線形結合）を求め、その総和を最大にするような制御を行うことで、個々のユーザとの通信ではなく、システム全体のスループットを向上させる。即ち、
【００６４】
【数５】

を算出し、ΔＴ＿ｔｏｔａｌが増加するように、インピーダンス制御が行われる。ここで、ｎはユーザを区別するパラメータであり、Ｇは無線基地局が通信を行うユーザ全体の集合を表す。ｗ_ｎは、線形結合の結合係数、即ち各ユーザに関する重み又は優先度を表す。重みｗ_ｎをどのように設定するかについては、以下に示されるように、目的や用途に応じて様々な手法があり得る。尚、重みｗ_ｎの算出又は設定は、優先度設定部１２４（図１）にて行われる。
【００６５】
（ａ）先ず、総ての重みｗ_ｎを１に固定し、各タイムスロットでスループットの差分の総和を求め、その総和を最大にすることが可能である。例えば、第１スロットにて、ΔＴ＿ｔｏｔａｌ＝ΔＴ_１＋ΔＴ_５＋ΔＴ_９ を算出し、これを最大にするように制御を行う。以後タイムスロット毎にこの操作が反復される。このようにすると、簡易且つ公平にシステム全体のスループットを向上させることが可能になる。
【００６６】
（ｂ）上記の数式（７）における重みｗ_ｎを、通信速度に応じて設定することも可能である。例えば、ｗ_ｎ∝ｍａｘ（Ｒｒ−Ｒｐ，０）とすることが可能である。但し、Ｒｐは、そのユーザに提供することの可能な最大通信速度であり、Ｒｒは、そのユーザが要求している通信速度である。これにより、要求の満たされていないユーザを優先させることも可能である。そのようなユーザが行う通信の通信速度は、総て最大通信速度Ｒｐであり、そのようなユーザの通信は、（要求の満たされているユーザに比べて）システム全体のスループット（ｂｐｓ／Ｈｚ）に、より大きな影響を及ぼす。従って、要求の満たされていないユーザを優先することで、システム全体のスループットを効果的に向上させることが可能になる。
【００６７】
（ｃ）上記の数式（７）における重みｗ_ｎを、更に増加させ得る送信電力量Ｐａ，ｎに関連付けることも可能である。例えば、ｗ_ｎ∝（Ｐａ，ｎ＋Ｃ）^−１とすることが可能である。但し、０≦Ｐａ，ｎ＜Ｐｍａｘ であり、Ｐｍａｘはそのユーザに送信可能な最大電力であり、そのユーザに関する現在の送信電力は、Ｐｍａｘ−Ｐａ，ｎ で表現される。Ｃは、分母がゼロになるのを回避するための任意の正の定数である。このような重みを採用すると、送信電力に余裕のないユーザを優先しながら、システム全体のスループットを向上させることが可能になる。送信電力に余裕のないユーザ（Ｐａ，ｎが小さい）に対しては、アンテナのインピーダンスをそれらのユーザに適切な値に合わせることで、通信品質の維持を図る。一方、送信電力に余裕のあるユーザに対しては、電力を増加させることで通信品質の維持を図ることが可能になる。
【００６８】
（ｄ）上記の数式（７）における重みｗ_ｎを、チャネル変動の度合いに応じて設定することも可能である。例えば、非常に高速で移動しているユーザに対しては、フレーム間のチャネル変動が大きくなり、そのようなユーザに対するスループットの改善効果は少なくなることが予測される。そこで、例えば、ｗ_ｎ∝（ΔＨｎ＋Ｃ）^−１とすることが可能である。但し、ΔＨｎは、ユーザｎに対する、チャネル推定値の差分（あるフレームで得た既知信号の受信レベルと、次のフレームで得た既知信号の受信レベルとの差分）である。Ｃは、分母がゼロになるのを回避するための任意の正の定数である。このような重みを採用すると、チャネル変動の大きなユーザよりもチャネル変動の小さなユーザを優先することができるので、効率的にシステム全体のスループットを向上させることが可能になる。
【００６９】
（ｅ）上記の数式（７）における重みｗ_ｎを、通信種別（例えば、リアルタイム通信、非リアルタイム通信、ストリーミング通信）や、課金方法等に基づいて決定することも可能である。
【００７０】
上述したように、システム全体のスループットを向上させる際に、一部のユーザの通信状況が悪化することもあり得るが、これは、優先度設定部１２４にて重みｗ_ｎを設定するときや、インピーダンス指示部１２８にて指示を行うときに予測できる場合がある。そこで、予測される次のフレームの通信環境に合わせて適切な無線送信が行われるように、図９に示されるように、そのようなユーザに送信電力制御信号（例えば、送信電力を上げることを指示する信号）を送信することが可能である。更に、変調方式（Ｍ）、符号化率（Ｒ）を適応的に変化させながら通信を行う場合に、送信電力制御信号に加えて、次のフレームに適切な変調方式や符号化率を、ＭＣＳ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｄｉｎｇ Ｓｃｈｅｍｅ）制御信号として、送信側にフィードバックすることも有利である。一般に、これらのパラメータとスループットＴ_ｈの間には、
Ｔ_ｈ＝（１−ＦＥＲ）×Ｍ×Ｒ×Ｎ_ＴＸ
の関係が成り立つ。但し、ＦＥＲは、フレームエラーレートであり、Ｎ_ＴＸはアンテナ素子数である。
【００７１】
以上説明したように、本願実施例によれば、受信電力のみに着目するのではなく、スループットを増加させるようにアンテナ素子のインピーダンス制御が行われる。本願実施例によれば、無線伝搬経路に中継器を設けることは必要ないので、従来懸念されていたような、中継器に付随する経済的及び技術的な問題を回避することが可能になる。
【００７２】
また、アンテナ素子間を大きく隔てることを要しないので、装置の小型化を図ることが可能になる。特に、アンテナ素子の指向性を利用すれば、例えば、給電アンテナ素子の間に無給電アンテナ素子を設けることが可能になるので、アンテナ素子間の距離を短くすることが可能になる。
【００７３】
本願実施例によれば、受信電力に加えて、相関値をも考慮してスループットを向上させようとするので、チャネル相関を抑制しつつスループットを向上させることが可能になる。スループット及びスループットの変化量は、受信電力、相関値及びスループットの対応関係を示すテーブルを利用して、又は数式を利用して求めることが可能である。
【００７４】
本願実施例によれば、受信方式に応じた等化後の信号電力を測定することで、受信電力を高精度に測定することが可能になり、スループットの推定も高精度になり得る。
【００７５】
本願実施例によれば、複数の給電アンテナ素子と、その周りに設けられた１以上の無給電アンテナ素子を利用し、各無給電アンテナ素子は可変インピーダンス素子を介して基準電位に接続されている。制御対象となる可変インピーダンス素子は、無給電アンテナ素子にしか設けられていないので、制御対象数が少なくて済む。従って、装置構成の簡略化の観点から、このような無給電アンテナ素子を利用することが有利である。この点、複数のアンテナ素子の総てを給電アンテナ素子にするような他の実施例と比べて有利である。
【００７６】
本願実施例によれば、１対１通信だけでなく、多数のユーザと通信する無線基地局のような１対多通信も可能である。この場合に、各ユーザに対するスループットの変化分の線形結合を算出し、その線形結合が向上するように、アンテナ素子のインピーダンスを制御することが可能である。結合係数を調整することで、特定のユーザの通信を優先させながら、システム全体のスループットを向上させることが可能になる。
【００７７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、複数のアンテナ素子を利用して無線信号の送信又は受信を行う無線通信システムにおいて、チャネル相関に起因するスループットの低下を抑制することが可能になる。
【００７８】
【図面の簡単な説明】
【図１】本願実施例による無線受信機の主要な機能に関する機能ブロック図を示す。
【図２】本願実施例による動作を示すフローチャートを示す。
【図３】図２のフローチャートで行われる動作を説明するための図を示す。
【図４】図２に示される動作例を時間軸に沿って説明するための図を示す。
【図５】本願実施例による他の動作を示すフローチャートを示す。
【図６】給電アンテナ素子と無給電アンテナ素子の位置関係を説明するための図である。
【図７】本願実施例による無線受信機及び無線受信機を含む無線通信システムの概略図を示す。
【図８】各ユーザに通信資源を割り当てるための資源割当テーブルを示す図である。
【図９】本願実施例による無線受信機及び無線受信機を含む無線通信システムの概略図を示す。
【符号の説明】
１００ 無線受信機
１０２ 送信アンテナ
１０４ 給電アンテナ素子
１０６ 無給電アンテナ素子
１０８ 可変インピーダンス素子
１１０ インピーダンス設定部
１１２ チャネル推定部
１１３ データ受信部
１１４ インピーダンス制御部
１１６ コントローラ部
１１８ 電力測定部
１２０ 相関値測定部
１２４ 優先度設定部
１２６ メモリ部
１２８ インピーダンス指示部
７００ 無線通信システム
７０２ 無線送信機
７０４ 無線受信機
７０６ 給電アンテナ素子
７０８ 無給電アンテナ素子
７１０ 可変インピーダンス素子
７１２ インピーダンス設定部
７１４ インピーダンス指示部
７１６ 給電アンテナ素子
７１８ チャネル推定部
７２０ 電力測定部
７２２ 相関値測定部

Claims (11)

1. 無線送信機から無線信号を受信するための複数のアンテナ素子と、
   前記複数のアンテナ素子に含まれる少なくとも１つのアンテナ素子のインピーダンスを、指示信号に従って変化させる設定手段と、
   前記インピーダンスの変化に起因する、受信信号のスループットの変化を調べる測定手段と、
   測定結果に応じて、インピーダンスを変化させる指示信号を前記設定部に与える指示手段を有することを特徴とする無線受信機。
2. 前記測定手段が、
   受信信号の受信電力を測定する電力測定手段と、
   異なるアンテナ素子で受信された信号間の相関値を測定する相関測定手段を有することを特徴とする請求項１記載の無線受信機。
3. 更に、
   受信電力、相関値及びスループットの各値の対応関係を示すテーブル情報を含むメモリ手段を有することを特徴とする請求項２記載の無線受信機。
4. 更に、
   受信信号を等化する等化フィルタ手段と、
   等化後の信号に基づいて、受信信号の受信電力を測定する電力測定手段を有することを特徴とする請求項１記載の無線受信機。
5. 前記複数のアンテナ素子には、複数の給電アンテナ素子と、１以上の無給電アンテナ素子が含まれることを特徴とする請求項１記載の無線受信機。
6. 前記測定手段が、当該無線受信機と通信を行う複数のユーザの各々についてのスループットの線形結合の変化を調べることを特徴とする請求項１記載の無線受信機。
7. 前記線形結合の結合係数が、各ユーザの通信に関する優先度に基づいて設定されることを特徴とする請求項６記載の無線受信機。
8. 前記指示手段は、更に前記測定の過程で想定された、送信電力、変調方式又は符号化率の少なくとも１つをフィードバック信号として無線チャネルを通じて無線送信機に与えることを特徴とする請求項１記載の無線受信機。
9. 無線信号を無線受信機に送信するための複数のアンテナ素子と、
   前記複数のアンテナ素子に含まれる少なくとも１つのアンテナ素子のインピーダンスを、フィードバック信号に従って変化させる設定手段を有する無線送信機であって、前記無線受信機が、
   前記インピーダンスの変化に起因する、受信信号のスループットの変化を調べる測定手段と、
   測定結果に応じて、フィードバック信号を、無線チャネルを通じて前記設定手段に与える指示手段を有することを特徴とする無線送信機。
10. 無線信号を受信するための複数のアンテナ素子に含まれる少なくとも１つのアンテナ素子のインピーダンスを、第１の所定量だけ変化させるステップと、
    前記インピーダンスの変化に起因する、受信信号のスループットの変化を調べるステップと、
    測定結果に応じて、前記インピーダンスを第２の所定量だけ変化させるステップより成ることを特徴とするインピーダンス制御方法。
11. 前記インピーダンスを第２の所定量だけ変化させた後に、前記インピーダンスの変化に起因する、受信信号のスループットの変化を調べるステップと、
    測定結果に応じて、第２の所定量だけ変化させられたインピーダンスの値を、変更前の値に戻すステップより成ることを特徴とする請求項１０記載のインピーダンス制御方法。

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