JP2005323217A - 無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラム - Google Patents

無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラム Download PDF

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Abstract

【課題】 各MIMOチャネルへの電力配分や変調方式の割り当てを最適化してシステム全体でより大きな通信容量を得る。
【解決手段】 SVD−MIMO通信の特徴として、高品質のMIMOチャネルと低品質のMIMOチャネルが得られ易い。あまりに高い品質のMIMOチャネルができ、それに対応する変調方式がない場合には、各サブキャリヤの特異値λを入れ替えることにより、MIMOチャネル間の品質の差を少なくし、システムで利用可能な変調方式に対応する品質の範囲内に複数のMIMOチャネルの品質の差を抑える。このことによって、効率的な通信を行なうことができる。
【選択図】 図1

Description

本発明は、無線LAN(Local Area Network)のように複数の無線局間で広帯域の無線伝送を実現する無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムに係り、特に、複数のアンテナを持つ送信機と複数のアンテナを持つ受信機が対となって、空間多重を利用して複数の論理的なチャネルを形成した通信(MIMO(Multi Input Multi Output)通信)を行なうことにより伝送容量の拡大する無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムに関する。
さらに詳しくは、本発明は、送受信の各アンテナ対に対応するチャネルを要素としたチャネル行列の特異値分解(SVD)を利用したクローズドループ型のMIMO伝送を行なう無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムに係り、特に、空間多重により得られる複数のMIMOチャネル間の品質の差を少なくし、伝送効率のよい通信動作を行なう無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムに関する。
LANを始めとするコンピュータ・ネットワーキングにより、情報資源の共有や機器資源の共有を効率的に実現することができる。ここで、旧来の有線方式によるLAN配線からユーザを解放するシステムとして、無線LANが注目されている。無線LANによれば、オフィスなどの作業空間において、有線ケーブルの大半を省略することができるので、パーソナル・コンピュータ(PC)などの通信端末を比較的容易に移動させることができる。
近年では、無線LANシステムの高速化、低価格化に伴い、その需要が著しく増加してきている。特に、人の身の回りに存在する複数の電子機器間で小規模な無線ネットワークを構築して情報通信を行なうために、パーソナル・エリア・ネットワーク(PAN)の導入が検討されている。例えば、2.4GHz帯や、5GHz帯など、監督官庁の免許が不要な周波数帯域を利用して、異なった無線通信システム並びに無線通信装置が規定されている。
無線ネットワークに関する標準的な規格の1つにIEEE(The Institute of Electrical and Electronics Engineers)802.11(例えば、非特許文献1を参照のこと)や、HiperLAN/2(例えば、非特許文献2又は非特許文献3を参照のこと)やIEEE302.15.3、Bluetooth通信などを挙げることができる。IEEE802.11規格については、無線通信方式や使用する周波数帯域の違いなどにより、IEEE802.11a(例えば、非特許文献4を参照のこと),b,gといった拡張規格が存在する。
ここで、室内で無線ネットワークを構築した場合、受信装置では直接波と複数の反射波・遅延波の重ね合わせを受信するというマルチパス環境が形成される。マルチパスにより遅延ひずみ(又は、周波数選択性フェージング)が生じ、通信に誤りが引き起こされる。そして、遅延ひずみに起因するシンボル間干渉が生じるという問題がある。
主な遅延ひずみ対策として、マルチキャリヤ(多重搬送波)伝送方式を挙げることができる。例えばIEEE802.11aでは、マルチキャリヤ伝送方式の1つであるOFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing:直交周波数分割多重)変調方式が無線LANの標準規格として採用されている。OFDM変調方式では、各キャリヤがシンボル区間内で相互に直交するように各キャリヤの周波数が設定される。情報伝送時には、シリアルで送られてきた情報を情報伝送レートより遅いシンボル周期毎にシリアル/パラレル変換して出力される複数のデータを各キャリヤに割り当ててキャリヤ毎に振幅及び位相の変調を行ない、その複数キャリヤについて逆FFTを行なうことで周波数軸での各キャリヤの直交性を保持したまま時間軸の信号に変換して送信する。また、受信時はこの逆の操作、すなわちFFTを行なって時間軸の信号を周波数軸の信号に変換して各キャリヤについてそれぞれの変調方式に対応した復調を行ない、パラレル/シリアル変換して元のシリアル信号で送られた情報を再生する。
また、IEEE802.11aの規格では、最大で54Mbpsの通信速度を達成する変調方式をサポートしているが、通信速度としてさらなる高ビットレートを実現できる無線規格が求められている。例えば、IEEE802.11nでは、実効スループットで100MBPSを越える高速な無線LAN技術の開発を目指し、次世代の無線LAN規格を策定している。
無線通信の高速化を実現する技術の1つとしてMIMO(Multi−Input Multi−Output)通信が注目を集めている。これは、送信機側と受信機側の双方において複数のアンテナ素子を備え、空間多重した伝送路(以下、「MIMOチャネル」とも呼ぶ)を実現することにより、伝送容量の拡大を図り、通信速度向上を達成する技術である。MIMO通信は、空間多重を利用するので、周波数利用効率はよい。
MIMO通信方式は、送信機において複数アンテナに送信データを分配して送出し、複数の仮想的なMIMOチャネルを利用して伝送し、受信機では複数アンテナにより受信した信号から信号処理によって受信データを得るという、チャネルの特性を利用した通信方式であり、単なる送受信アダプティブ・アレーとは相違する。
図4には、MIMO通信システムを概念的に示している。同図に示すように、送受信機各々に複数のアンテナが装備されている。送信側では、複数の送信データを空間/時間符号して多重化しM本のアンテナに分配して、複数のMIMOチャネルに送出し、受信側では、チャネル経由でN本のアンテナにより受信した受信信号を空間/時間復号して受信データを得ることができる。この場合のチャネル・モデルは、送信機周りの電波環境(伝達関数)と、チャネル空間の構造(伝達関数)と、受信機周りの電波環境(伝達関数)で構成される。各アンテナから伝送される信号を多重する際、クロストーク(Crosstalk)が発生するが、受信側の信号処理により多重化された各信号をクロストーク無しに正しく取り出すことができる。
MIMO伝送を構成方法としてはさまざまな方式が提案されているが、アンテナのコンフィギュレーションに応じていかにしてチャネル情報を送受信間でやり取りするかが実装上の大きな課題となる。
チャネル情報をやり取りするには、既知情報(プリアンブル情報)を送信側から受信側のみ伝送する方法が容易であり、この場合は送信機と受信機が互いに独立して空間多重伝送を行なうことになり、オープンループ型のMIMO伝送方式と呼ばれる。また、この方法の発展形として、受信側から送信側にもプリアンブル情報をフィードバックすることによって、送受信間で理想的な空間直交チャネルを作り出すクローズドループ型のMIMO伝送方式もある。
オープンループ型のMIMO伝送方式として、例えばV−BLAST(Vertical Bell Laboratories Layered Space Time)方式を挙げることができる(例えば、特許文献1を参照のこと)。送信側では、特にアンテナ重み係数行列を与えず、単純にアンテナ毎に信号を多重化して送る。言い換えれば、アンテナ重み係数行列を得るためのフィードバック手続きが一切省略される。送信機は、多重化信号を送出する前に、受信機側でチャネル推定を行なうためのトレーニング信号を、例えばアンテナ毎に時分割で挿入する。これに対し、受信機では、チャネル推定部でトレーニング信号を利用してチャネル推定を行ない、各アンテナ対に対応したチャネル情報行列Hを算定する。そして、Zero−forcingとキャンセリングを巧妙に組み合わせることで、キャンセリングによって生じたアンテナ自由度を活用してSN比を向上させ、復号の確度を高める。
また、クローズドループ型のMIMO伝送の理想的な形態の1つとして、伝播路関数の特異値分解(SVD:Singular Value Decomposition)を利用したSVD−MIMO方式が知られている(例えば、非特許文献5を参照のこと)。
図5には、SVD−MIMO伝送システムを概念的に示している。SVD−MIMO伝送では、各アンテナ対に対応するチャネル情報を要素とした数値行列すなわちチャネル情報行列Hを特異値分解してUDVHを求め、送信側のアンテナ重み係数行列としてVを与えるとともに、受信側のアンテナ重み係数行列としてUHを与える。これによって、それぞれのMIMOチャネルは、各特異値λiの平方根を対角要素に持つ対角行列Dとして表され、全くクロストーク無しに信号を多重化して伝送することができる。この場合、送信機側と受信機側の双方において、空間分割すなわち空間直交多重された論理的に独立した複数の伝送路を実現することができる。
SVD−MIMO伝送方式によれば、理論的には最大の通信容量を達成することができ、例えば送受信機がアンテナを2本ずつ持てば、最大2倍の伝送容量が得られる。
ここで、SVD−MIMO伝送方式の仕組みについて詳細に説明する。送信機のアンテナ本数をMとすると送信信号xはM×1のベクトルで表され、また、受信機のアンテナ本数をNとすると受信信号yはN×1のベクトルで表される。この場合、チャネル特性はN×Mの数値行列すなわちチャネル行列Hとして表される。チャネル行列Hの要素hijは、j番目の送信アンテナからi番目の受信アンテナへの伝達関数である。そして、受信信号ベクトルyは、下式(1)のように、送信信号ベクトルにチャネル情報行列を掛け算し、さらに雑音ベクトルnを加算して表される。
Figure 2005323217
上述したように、チャネル情報行列Hを特異値分解すると、下式(2)のようになる。
Figure 2005323217
ここで、送信側のアンテナ重み係数行列Vと受信側のアンテナ重み行列Uは、それぞれ下式(3)、(4)を満たすユニタリ行列である。
Figure 2005323217
すなわち、HHHの正規化された固有ベクトルを並べたものが受信側のアンテナ重み行列UHであり、HHHの正規化された固有ベクトルを並べたものが送信側のアンテナ重み行列Vである。また、Dは対角行列でありHHH又はHHHの特異値λiの平方根を対角成分に持つ。大きさは、送信アンテナ数Mと受信アンテナ数Nのうち小さい数であり、min(M,N)の大きさの正方行列であり対角行列となる。
Figure 2005323217
上述では、実数での特異値分解について説明したが、虚数にまで拡張した場合の特異値分解には注意点がある。UとVは固有ベクトルで構成される行列であるが、固有ベクトルをノルムが1になるようにする操作すなわち正規化を行なった場合でも、単一のものにはならず、位相が異なる固有ベクトルが無数に存在する。UとVの位相関係によっては、上式(2)が成り立たない場合がある。つまり、UとVはそれぞれ正しいが、位相だけそれぞれ任意に回転しているからである。位相を完全一致させるためには、Vは通常通りHHHの固有ベクトルとして求める、そして、Uは、上式(2)の両辺に右からVをかけ、下式のようにして求めるようにする。
Figure 2005323217
送信側ではアンテナ重み係数行列Vを用いて重み付けをするとともに、受信側ではアンテナ重み係数行列UHで重みを付けて受信すると、UとVがユニタリ行列であることから(UはN×min(M,N)、VはM×min(M,N))、下式の通りとなる。
Figure 2005323217
ここで、受信信号yと送信信号xは、送信アンテナと受信アンテナの数で決まるベクトルではなく、(min(M,N)×1)ベクトルである。
Dは対角行列なので、各送信信号がクロストークすることなしに受信することができる。そして、独立した各MIMOチャネルの振幅は特異値λの平方根に比例するので、各MIMOチャネルの電力の大きさはλに比例する。
雑音成分nも、Uの列はノルムが1に正規化された固有ベクトルなので、UHnはその雑音電力を変えるものではない。サイズとしては、UHnは(min(M,N))ベクトルとなり、y及びxと同じサイズである。
このようにSVD−MIMO伝送では、同一の周波数及び同一の時間でありながら、クロストークのない複数の論理的に独立なMIMOチャネルを得ることができる。つまり、同時刻に同一周波数を使用して、複数のデータを無線通信で伝送することが可能となり、伝送速度の向上を実現することができる。
なお、SVD−MIMO通信システムにおいて得られるMIMOチャネル数は、一般に、送信アンテナ本数Mと受信アンテナ本数Nのうち少ない方min[M,n]に相当する。また、送信側におけるアンテナ重み係数行列Vは、MIMOチャネル数分の送信ベクトルviで構成される(V=[v1,v2,…,vmin[M,N])。また、各送信ベクトルviの要素数は送信アンテナ本数Mである。
一般に、SVD−MIMOに代表されるクローズドループ型MIMO方式は、送信機側が伝送路の情報を考慮し、最適なアンテナ重み係数算出することができる。さらに、各送信アンテナのビット・ストリームに与える符号化率や変調方式を最適化させることで、より理想的な情報伝送を実現することができるとされている。
他方、クローズドループ型MIMO方式を実システムとして導入するには、送受信機の移動によってチャネル変動が大きい場合に、受信側から送信側へのフィードバックをかける頻度が多く必要となるなどの問題もある。また、SVD−MIMO通信方式においては、特異値分解の演算をリアルタイムで行なうのは容易では無いし、導出されたV若しくはUHをあらかじめ相手方に伝えておくというセットアップ手順が必要である
SVD−MIMO伝送の適用対象となるLANシステムの1つであるIEEE802.11aすなわち5GHz対のOFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing:直交周波数分割多重)通信方式を例にとって、送信側アンテナ係数行列Vの情報量について考察してみる。送受信アンテナ素子数を3本ずつとすると、送信側のアンテナ係数行列Vは3×3行列になり、その要素数は9である。1要素当たり10ビット精度の実数と複素数で表されているとし、それが52キャリヤ分必要となると、9360ビット(=9(行列の要素数)×2(複素数の実部、虚部)×10(ビット)×52(OFDMサブキャリヤ数))を受信機から送信機へフィードバックしなければならない。
ここで、実際のSVD−MIMO送受信システムを構成する場合に考慮しなければならない点について説明しておく。
SVD−MIMO伝送方式の基本形においては、受信機では、取得したチャネル行列Hを特異値分解して、受信用の重みベクトルUHと送信機で使用する送信用の重みベクトルVを求め、このVを送信機側へフィードバックする。そして、送信機では、このVを送信用の重みとして使用する。
ところが、送信機側へフィードバックする送信重み行列Vの情報量が大きいため、Vの情報を間引いて送った場合などに、本当のVの情報との誤差のために、MIMOチャンネル間の直交状態が壊れてしまいクロストークが生じてしまう。
そこで、通常は、受信機側で取得した送信重み行列Vを送信機側へフィードバックした後、送信機はその行列Vを用いてリファレンス信号を重み付けして送信し、受信機側では改めてチャネル行列を取得する。チャネル行列をHとすると、Vで重み付けして送信したリファレンス信号から、受信機は、HVというチャネル行列を得ることができる。
受信機側で、このHVの逆行列を求め、それを受信用の重みとして使用する。H=UDVHであることから、HVは下式の通りとなる。
Figure 2005323217
これは、通常のSVD−MIMOと同じUHを受信用の重みに用いた後、分離された各MIMOチャネルのストリームに、対角行列Dの各対角要素λiから求まる定数をかけるだけである。
送信側で、行列Vを送信用の重みとして使用して、受信機側では、HVの逆行列を受信用の重みを使用するという構成は、通常のSVD−MIMOの性能と同じであり、送信機側と受信機側のVの不一致がない。したがって、実用上はこのような構成を採用することができる。
特開平10−84324号公報 International Standard ISO/IEC 8802−11:1999(E) ANSI/IEEE Std 802.11, 1999 Edition, Part11:Wireless LAN Medium Access Control(MAC) and Physical Layer(PHY) Specifications ETSI Standard ETSI TS 101 761−1 V1.3.1 Broadband Radio Access Networks(BRAN); HIPERLAN Type 2; Data Link Control(DLC) Layer; Part1: Basic Data Transport Functions ETSI TS 101 761−2 V1.3.1 Broadband Radio Access Networks(BRAN); HIPERLAN Type 2; Data Link Control(DLC) Layer; Part2: Radio Link Control(RLC) sublayer Supplement to IEEE Standard for Information technology−Telecommunications and information exchange between systems−Local and metropolitan area networks−Specific requirements−Part 11: Wireless LAN Medium Access Control(MAC) and Physical Layer(PHY) specifications: High−speed Physical Layer in the 5GHZ Band http://radio3.ee.uec.ac.jp/MIMO(IEICE_TS).pdf(平成15年10月24日現在)
上述したように、SVD−MIMO通信方式では、同一の周波数、同一の時間でありながら、混信しない(クロストークしない)複数の独立な論理的な土管すなわちMIMOチャネルを得ることができる。つまり、同時刻に同一周波数を使用して、複数のデータを無線通信で伝送することが可能となる。このようにして、伝送速度の向上を実現することができる。
SVD−MIMO通信方式では、送信側ではアンテナ重み係数行列Vを用いて重み付けをするとともに、受信側ではアンテナ重み係数行列UHで重みを付けて受信することから、送信信号xに対する受信信号yは上式(7)のように表される。そして、Dは対角行列なので、各送信信号がクロストークすることなしに受信することができる。そして、独立した各MIMOチャネルの振幅は特異値λの平方根に比例するので、各MIMOチャネルの電力の大きさは特異値λに比例する。
このようにして特異値λの大きさに比例した品質を持つ複数のMIMOチャネルができるが、さらに、これらにどのように電力を振り分けるか、また、どのような変調方式を割り当てるかという問題がある。
送信機側で送信アンテナに平等に電力を振り分けると独立な各MIMOチャネルの電力の比と同じになるが、各MIMOチャネルへの電力配分を最適化することにより、電力を各MIMOチャネルへ平等に振り分けた場合よりもさらに大きな通信容量を得ることができる。具体的には、注水定理を適用することにより、通信品質の良好な(すなわち特異値λiの大きな)MIMOチャネルにより大きな送信電力を割り当てることにより、システム全体での通信容量を大きくすることができる。
しかしながら、現実には、無線通信システムでは利用可能な変調方式のモードの数が決まっているため、究極に品質の良いMIMOチャネルを一部で形成しても、その他のMIMOチャネルの品質が劣悪であれば、システム全体としては意味がない。言い換えれば、限られた変調モードに割り振れるような品質の違いのある複数のMIMOチャネルを用意することが重要である。
例えば、64QAM3/4が最大の情報を送ることができる変調方式となるシステムの場合には、この変調方式で十分にビットエラーレートが小さいと思われる品質を確保することができれば、MIMOチャネルの品質がそれ以上良くなっても意味がないと言える。
ここで、IEEE802.11aの物理層において、OFDM変調方式にSVD−MIMOを適用する場合を例にとって考察してみる。
IEEE802.11aでは特異値分解を52個ある各サブキャリヤ毎に行なう。この場合、サブキャリヤ毎に、送信用の重みベクトルVと受信用の重みベクトルUHを取得することになる。すなわち、チャネル行列Hの取得自体を受信機側でFFT後に行なうことにより、52個のサブキャリヤ毎にHを取得するできことができる。その52個のチャネル行列Hを特異値分解することにより、52個の送信重みと受信重みが得ることができる。
ここで、特異値分解は、H=UDVHと分解される。Dは対角行列であり、その対角成分は特異値λである。この特異値は、大きいものから小さいものまで、大きさで順番を入れ替えている(通常の特異値分解は大きい順)。U及びVの各要素ベクトルは、この特異値に対応する固有ベクトルであり、特異値の順番を入れ替えたら、その固有ベクトルの順番も入れ替えられている。つまり、特異値分解には、この特異値の大きさで順番を入れ替えるという操作が含まれている。
SVD−MIMOでは、お互いに干渉のない独立な複数のMIMOチャネルを作ることができるが、通信品質はMIMOチャネル毎に異なる。例えば、2×2のMIMO通信システムの場合には、独立な2つのMIMOチャネルができる。この場合のHを特異値分解し、H=UDVHを得たとして、特異値として、√λ1と√λ2を得る。
λ1>λ2であるとすると、各MIMOチャネルの平均の信号対雑音比をS/Nとすると、λ1S/NというMIMOチャネルと、λ2S/NというMIMOチャネルができる。つまり、品質の高いMIMOチャネルと、低いMIMOチャネルである。各MIMOチャネルは、特異値の2乗の大きさに応じて品質が異なっていると言える。
ここで、OFDM変調方式について説明する。サブキャリヤ毎に、特異値分解で、特異値の順番を並び替えている。サブキャリヤ毎に一方のMIMOチャネル1はいつも品質が高く、他方のMIMOチャネル2はそれよりも通信品質が劣る。ビタビ復号を行なう前に、各サブキャリヤのMIMOチャネル1のデータを集めて1つの統合されたMIMOチャネル1にし、また、MIMOチャネル2のデータを集めて1つの統合されたMIMOチャネル2にし、それぞれをビタビ復号にかける。つまり、品質のよいMIMOチャネルと品質のよくないMIMOチャネルの2つに対してデコードを行なう。送信側では、この品質の良いMIMOチャネルには、高い変調方式(16QAM)を割り当て、品質の低いMIMOチャネルには、低い変調方式(BPSK)を割り当てる。
実際には、IEEE802.11aなどで用意される変調方式は、BPSK1/2、BPSK3/4、QPSK1/2、QPSK3/4、16QAM1/2、16QAM3/4、64QAM2/3、64QSM3/4と8種類ほどしかない。このため、2つのMIMOチャネルの品質に非常に大きな差がついた場合には、対応する変調方式が用意されておらず、高い通信品質に意味がないという事態が生じる。低い品質のMIMOチャネルには例えばQPSK3/4でよいが、高い品質のMIMOチャネルには、256QAMくらいのを送るだけの品質を備えているにも拘らず、実際には、64QAM3/4までしかないから、64QAM3/4を割り当てるより他ない。これは、伝送効率を完全に効率良く利用しているとは言えない。
そこで、それを調整するために、2つのMIMOチャネルに振り分ける電力を変えたとする。MIMOチャネル1の特異値λ1とMIMOチャネル2の特異値λ2がそれぞれ、λ1=1.0、λ1=0.1の場合に、2つのMIMOチャネルを同じレベルにするには、MIMOチャネル1に電力を0.1、MIMOチャネル2に電力を0.9だけ振り分けるべきである(電力の合計は1になるようにした)。この場合、λ1×電力1=1.0×0.1=0.1、λ2×電力2=0.1×0.9=0.09とほぼ同じになる。ところが、両方とも、0.1以下のゲインになってしまう。
本発明は、上述したような技術的課題を鑑みたものであり、その主な目的は、空間多重を利用して複数の論理的なチャネルを形成したMIMO通信を行なうことにより伝送容量の拡大を行なうことができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。
本発明のさらなる目的は、送受信の各アンテナ対に対応するチャネルを要素としたチャネル行列の特異値分解(SVD)を利用したクローズドループ型のMIMO伝送において、各MIMOチャネルへの電力配分や変調方式の割り当てを最適化してシステム全体でより大きな通信容量を得ることができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。
本発明のさらなる目的は、空間多重を利用して複数の論理的なチャネルを形成したMIMO通信において、各MIMOチャネルの品質の差を少なくすることで、システム全体での通信容量を大きくして、伝送効率のよい通信動作を行なうことができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第1の側面は、送信機と受信機間で複数の空間多重された通信チャネルを用い、マルチキャリヤ変調方式によりデータ伝送する無線通信システムであって、
各通信チャネルに割り当てる送信重みと受信重みの組み合わせをサブキャリヤ毎に切り替えて、各通信チャネルの通信品質を調整する、
ことを特徴とする無線通信システムである。
但し、ここで言う「システム」とは、複数の装置(又は特定の機能を実現する機能モジュール)が論理的に集合した物のことを言い、各装置や機能モジュールが単一の筐体内にあるか否かは特に問わない。
本発明に係る無線通信システムでは、例えばMIMO通信方式を採用し、空間多重した複数の伝送路すなわちMIMOチャネルを用いて伝送容量を拡大し、通信速度を向上することができる。この場合、前記送信機及び前記受信機はそれぞれ複数のアンテナを備え、前記送信機は伝送データを複数のストリームに分配し各送信アンテナから重み付け送信し、前記受信機は各受信アンテナでストリームを重み付け受信する。
また、本発明に係る無線通信システムでは、SVD−MIMO伝送に代表されるクローズドループMIMO通信方式を採用することができる。この場合、前記送信機は、前記受信機からのフィードバック情報に基づいて最適な送信アンテナ重み係数を得る。
ここで、特異値λの大きさに比例した品質を持つ複数のMIMOチャネルを備えた無線通信システムにおいては、より大きな通信容量を得るために、各MIMOチャネルへの電力配分や変調方式の割り当ての問題がある。
例えば、注水定理を適用することにより、通信品質の良好なMIMOチャネルにより大きな送信電力を割り当てることにより、システム全体での通信容量を大きくすることができる。
ところが、現実には、無線通信システムでは利用可能な変調方式のモードの数が決まっているため、究極に品質の良いMIMOチャネルを一部で形成しても、システム全体としては意味がない。
これに対し、本発明では、各通信チャネルに割り当てる送信重みと受信重みの組み合わせをサブキャリヤ毎に切り替えることで、サブキャリヤを統合した後の各通信チャネルが持つ通信品質の差が小さくなるように調整することができる。そして、割り当たられた送信重み及び受信重みの組み合わせにより得られた通信品質に応じて、それぞれの通信チャネルに適切な変調方式を割り当てるようにする。
すなわち、本発明では、OFDMのようなマルチキャリヤ変調方式で使用するサブキャリヤ毎に各MIMOチャネルに割り当てる順番を調整することにより、MIMOチャネル間の品質の差を少なくするようにしている。そして、利用可能な変調方式に対応する品質の範囲内にMIMOチャネルの品質の差を抑えることによって、システム全体での通信容量を大きくし、より効率的なデータ通信を実現する。これは、単純に各MIMOチャネルへの送信電力の配分を調整することよりも効率がよい。
また、本発明の第2の側面は、複数の空間多重された通信チャネルを用い、マルチキャリヤ変調方式によりデータ伝送するための処理をコンピュータ・システム上で実行するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムであって、
各通信チャネルの通信品質を取得する通信品質取得ステップと、
各通信チャネルの通信品質に基づいて、各通信チャネルに割り当てる送信重みと受信重みの組み合わせをサブキャリヤ毎に切り替え、各通信チャネルの通信品質を調整する通信品質調整ステップと、
を具備することを特徴とするコンピュータ・プログラムである。
本発明の第2の側面に係るコンピュータ・プログラムは、コンピュータ・システム上で所定の処理を実現するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムを定義したものである。換言すれば、本発明の第2の側面に係るコンピュータ・プログラムをコンピュータ・システムにインストールすることによってコンピュータ・システム上では協働的作用が発揮され、通信装置として動作する。このような通信装置を複数起動して無線ネットワークを構築することによって、本発明の第1の側面に係る無線通信システムと同様の作用効果を得ることができる。
本発明によれば、空間多重を利用して複数の論理的なチャネルを形成したMIMO通信を行なうことにより伝送容量の拡大を行なうことができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。
また、本発明によれば、送受信の各アンテナ対に対応するチャネルを要素としたチャネル行列の特異値分解(SVD)を利用したクローズドループ型のMIMO伝送において、各MIMOチャネルへの電力配分や変調方式の割り当てを最適化してシステム全体でより大きな通信容量を得ることができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。
SVD−MIMO通信の特徴として、高品質のMIMOチャネルと低品質のMIMOチャネルが得られ易い。本発明によれば、あまりに高い品質のMIMOチャネルができ、それに対応する変調方式がない場合には、各サブキャリヤの特異値λを入れ替えることにより、MIMOチャネル間の品質の差を少なくし、システムで利用可能な変調方式に対応する品質の範囲内に各MIMOチャネルの品質の差を抑えることができる。このことによって、効率的な通信を行なうことができる。
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。
本発明は、複数のアンテナを持つ送信機と複数のアンテナを持つ受信機が対となって信号を空間的に多重化して通信するMIMO通信システムに関する。この場合、空間多重した複数のMIMOチャネルを用いて伝送容量を拡大し、通信速度を向上することができる。
ここで、特異値λの大きさに比例した品質を持つ複数のMIMOチャネルを備えた無線通信システムにおいては、より大きな通信容量を得るために、各MIMOチャネルへの電力配分や変調方式の割り当ての問題がある。例えば、通信品質に応じて送信電力の配分を決定することにより、伝送効率を向上させることができる。ところが、現実には、無線通信システムでは利用可能な変調方式のモードの数が決まっているため、究極に品質の良いMIMOチャネルを一部で形成しても、システム全体としては意味がない。
そこで、本発明では、各通信チャネルに割り当てる送信重みと受信重みの組み合わせをサブキャリヤ毎に切り替えることで、サブキャリヤを統合した後の各通信チャネルが持つ通信品質の差が小さくなるように調整することができる。そして、割り当たられた送信重み及び受信重みの組み合わせにより得られた通信品質に応じて適切な変調方式をそれぞれの通信チャネルに割り当てることができるようになる。
図1には、本発明の一実施形態に係る無線通信装置の構成を示している。
同図に示す無線通信装置は、2本の送受信アンテナ11a及び11bを備え、SVD−MIMO方式によるデータ伝送を行なうことができる。すなわち、送信時は、多重化する各送信信号に送信アンテナ重み係数を与え空間/時間符号して2本のアンテナ11a及び11bに分配してチャネルに送出し、受信側では、チャネル経由で2本のアンテナ11a及び11bにより受信した多重化信号に受信アンテナ重み係数を与え空間/時間復号して受信データを得る。但し、本発明の要旨はアンテナ2本に限定されるものではなく、3本以上であってもよい。
各送受信アンテナ11a及び11bには、スイッチ12a及び12bを介して、それぞれ送信系統並びに受信系統が並列的に接続され、他の無線通信装置宛てに信号を所定の周波数チャネル上で無線送信し、あるいは他の無線通信装置から送られる信号を収集する。但し、スイッチ12a及び12bは送受信アンテナ11a及び11bを送信系統又は受信系統の一方と排他的に接続し、送受信をともに並行しては行なえないものとする。
各送信系統は、変調符号化部21と、送信用重み乗算部22と、IFFT23と、ブリアンブル/リファレンス付与部24と、D/A変換器25と、送信用アナログ処理部26を備えている。
変調符号化部21は、通信プロトコルの上位レイヤから送られてきた送信データを誤り訂正符号で符号化するとともに、BPSK、QPSK、16QAMなどの所定の変調方式により送信信号を信号空間上にマッピングする。この時点で、パイロット・シンボル挿入パターン並びにタイミングに従って、既知のデータ系列をパイロット・シンボルとして変調シンボル系列に挿入するようにしてもよい。サブキャリヤ毎あるいはサブキャリヤ数本の間隔で、既知パターンからなるパイロット信号が挿入される。
送信用重み乗算部22は、符号化後の送信信号を送信重み行列Vで乗算することにより、空間多重により複数のMIMOチャネルを得る。
送信用重み行列Vは、通信相手から送られたフィードバック情報を基に構築され、送信用重み乗算部22に設定される。この送信用重み行列Vは、特異値に対応する固有ベクトルを各要素ベクトルとするが、チャネル特性取得及びベクトル並べ替え部37において、送信用重みベクトルの並べ替えが適宜行なわれる。このような送信ベクトルの並べ替えは、各MIMOチャネルに割り当てられた送信重み及び受信重みの組み合わせを切り替えるという操作に相当し、これによって各MIMOチャネルが持つ通信品質を調整することができる。例えば、利用可能な変調方式に対応する品質の範囲内にMIMOチャネルの品質の差を抑えるように調整することができる。チャネル特性取得及びベクトル並べ替え部37の動作の詳細については、後述に譲る。
IFFT23では、変調されたシリアル形式の信号を、並列キャリヤ数並びにタイミングに従って、並列キャリヤ数分のパラレル・データに変換してまとめた後、所定のFFTサイズ並びにタイミングに従ってFFTサイズ分の逆フーリエ変換を行なう。ここで、シンボル間干渉の除去のため、1OFDMシンボルの前後にガード・インターバル区間を設けるようにしてもよい。ガード・インターバルの時間幅は、伝搬路の状況、すなわち復調に影響を及ぼす遅延波の最大遅延時間によって決定される。そして、直列の信号に直し、周波数軸での各キャリヤの直交性を保持したまま時間軸の信号に変換して、送信信号とする。
プリアンブル/リファレンス付与部24は、RTS、CTS、DATAパケットなどの送信信号の先頭にプリアンブル信号やリファレンス信号を付加する。リファレンス信号には、チャネル取得及びベクトル並べ替え部37により与えられる送信重み行列Vにより重み付けが行なわれる。
この送信信号は、D/A変換器25によりアナログのベースバンド信号に変換され、さらに送信用アナログ処理部26によりRF周波数帯にアップコンバートされてから、アンテナ11より各MIMOチャネルへ送出される。
一方、各受信系統は、受信用アナログ処理部31と、A/D変換器32と、同期獲得部33と、FFT34と、受信用重み乗算部35と、復調復号器36と、チャネル特性取得及びベクトル並べ替え部37で構成される。
アンテナ11より受信した信号を、受信用アナログ処理部31でRF周波数帯の無線信号からIF周波数帯のベースバンド信号にダウンコンバートし、A/D変換器32により、デジタル信号に変換する。
次いで、同期獲得部33により検出された同期タイミングに従って、シリアル・データとしての受信信号をパラレル・データに変換してまとめ(ここでは、ガード・インターバルまでを含む1OFDMシンボル分の信号がまとめられる)、FFT34によって有効シンボル長分の信号をフーリエ変換し、各サブキャリヤの信号を取り出すことにより、時間軸の信号を周波数軸の信号に変換する。
チャネル特性取得及びベクトル並べ替え部37では、まず通信相手が多重化送信する信号毎に重みが与えられたリファレンス信号を用いてチャネル行列Hを得る。さらにこのチャネル行列Hを特異値分解して、送信用重み行列Vと、受信用重み行列UHと、対角行列Dを得ることができる。通信相手からは、所定の間隔でリファレンス信号が送られる場合には、チャネル特性取得及びベクトル並べ替え部37はその都度新しいチャネル行列Hに更新し、これを特異値分解する。
チャネル行列を特異値分解して得られた受信用重み行列UHは自装置の受信用重み乗算部35に設定されるとともに、送信用重み行列Vは通信相手にフィードバックされる。但し、受信用重み行列として、UHではなく、HVの逆行列としてのD-Hを用いるようにしてもよい(前述並びに式(8)を参照のこと)。また、得られた送信用重み行列Vを送信用重み乗算部22へ与える。
受信用重み行列Uは、特異値に対応する固有ベクトルを各要素ベクトルとする。本実施形態では、チャネル特性取得及びベクトル並べ替え部37は、この受信用重みベクトルUの並べ替えが適宜行なわれる。このような受信ベクトルの並べ替えは、各MIMOチャネルに割り当てられた送信重み及び受信重みの組み合わせを切り替えるという操作に相当し、これによって各MIMOチャネルが持つ通信品質を調整することができる。例えば、利用可能な変調方式に対応する品質の範囲内にMIMOチャネルの品質の差を抑えるように調整することができる。チャネル特性取得及びベクトル並べ替え部37の動作の詳細については、後述に譲る。
受信用重み乗算部35は、チャネル行列Hを特異値分解して得られた受信用重み行列UH又はD-Hを受信信号に乗算することにより、空間多重された受信信号を空間分離する。
重み付けされた受信信号は、さらに復調復号器36によって、信号空間上の受信信号をBPSK、QPSK、16QAMなどの所定の方式によりデマッピングするとともに、誤り訂正並びに復号して受信データとなり、通信プロトコルの上位レイヤに渡される。
チャネル特性取得及びベクトル並べ替え部37は、行列V及びUの要素ベクトルである固有ベクトルの順番を入れ替えることにより、各MIMOチャネルに割り当てる送信重みと受信重みの組み合わせをサブキャリヤ毎に切り替え、MIMOチャネル毎の通信品質を調整する。利用可能な変調方式に対応する品質の範囲内にMIMOチャネルの品質の差を抑えるように調整する。
図2には、チャネル特性取得及びベクトル並べ替え部37の機能構成を模式的に示している。図示の通り、チャネル特性取得及びベクトル並べ替え部37は、チャネル行列取得部と、特異値分解部と、ベクトル並べ替え部で構成される。
チャネル行列取得部は、通信相手が多重化送信する信号毎に重みが与えられたリファレンス信号を用いてチャネル行列Hを得る。
特異値分解部は、得られたチャネル行列Hを特異値分解して、送信用重み行列Vと、受信用重み行列UHと、対角行列Dを得る。得られた受信用重み行列UHは自装置の受信用重み乗算部35に設定されるとともに、送信用重み行列Vは通信相手にフィードバックされる。但し、受信用重み行列として、UHではなく、HVの逆行列としてのD-Hを用いるようにしてもよい(前述並びに式(8)を参照のこと)。
行列V及びUは特異値に対応する固有ベクトルを各要素ベクトルとするが、ベクトル並べ替え部ではこれら要素ベクトルの並べ替えを行なう。このような要素ベクトルの並べ替えは、各MIMOチャネルに割り当てられた送信重み及び受信重みの組み合わせを切り替えるという操作に相当し、これによって各MIMOチャネルが持つ通信品質を調整することができる。例えば、利用可能な変調方式に対応する品質の範囲内に各MIMOチャネルの品質の差を抑えるように調整することができる。
ここで、前述と同様に、IEEE802.11aの物理層において、OFDM変調方式にSVD−MIMOを適用する場合を例にとって考察してみる。
サブキャリヤ数が2本の場合、同様に、λ1が1.0、λ2が0.1であれば、サブキャリヤ1では、MIMOチャネル1に特異値λ1を、MIMOチャネル2に特異値λ2をそれぞれ割り振る。一方、サブキャリヤ2では、MIMOチャネル1にλ2、MIMOチャネル2にλ1を割り振る(図3を参照のこと)。
このようにすると、サブキャリヤを統合したとき、MIMOチャネル1では、λ1(MIMOチャネル1)=1.1/2=0.55、λ2(MIMOチャネル2)=1.1/2=0.55となる。そこで、電力を0.5ずつ割り振ると、0.275ずつのゲインが得られる。これは、単に、電力で調整して同じ品質のMIMOチャネルにしたときよりも2つのMIMOチャネルは高品質であり、高い精度を必要とする変調方式を使用しなくても済む。
以下では、本実施形態に係る無線通信システムにおいて、MIMO通信を行なうための動作手順について説明する。
(ステップ1)
パケット通信に先立って、送信機からリファレンス信号を送信する。リファレンス信号は、各アンテナから時分割に送信して2本のアンテナが別々の時間に送信しているようにする。
(ステップ2)
受信機では、リファレンス信号を受信し、当該リファレンス信号を用いて伝達関数をFFTした後で取得し、送信アンテナと受信アンテナ間の伝達関数を行列にしたチャネル行列Hを取得する。この場合のチャネル行列Hは、2×2の行列であり、サブキャリヤ数の52個分取得することができる。H(1)からH(52)まで取得する。但し、iはi=1から52のサブキャリヤ番号であり、H(i)はi番目のサブキャリヤのチャネル行列である。
(ステップ3)
受信機では、この取得したH(i)をそれぞれ特異値分解し、U(i)D(i)V(i)Hを取得する。D(i)の対角成分は、特異値が大きい順に並び替えられている。これは、通常の特異値分解の機能である。
(ステップ4)
サブキャリヤ毎に、各MIMOチャネルに、大きいλから小さいλを割り振るかを決定する。行列UやVは、固有ベクトルλに対応する固有ベクトルの集合で構成されているので、サブキャリヤ毎にλの順番を変えると、それに対応して、行列VとUの各要素である固有ベクトルの順番も変えることになり、MIMOチャネルの通信品質を切り替える操作を行なうことになる。
(ステップ5)
送信用の重みベクトルV(但し、サブキャリヤ毎に特異値λの順番に対応して並び替え済み)又はVで重み付けしたリファレンス信号を送信側へ送信する。
(ステップ6)
送信機は、受け取ったVを送信用重みベクトルとして使用してパケットを送信する。
(ステップ7)
受信機では、受信したパケットをUH(但し、サブキャリヤ毎にλの順番に対応して並び替え済み)を受信用重みベクトルとして使用して復号する。
以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。
本発明は、空間多重してデータ伝送を行なうさまざまな無線通信システムに適用することができ、SVD−MIMO方式のように空間分割すなわち空間直交した多重伝送方式に適用範囲は限定されない。また、送信側又は受信側のいずれか一方が空間多重を行なうとともに、チャネル行列に基づいて重み付け送受信を行なう他のタイプの無線通信システムに対しても、本発明を同様に好適に適用することができる。
例えば、受信用重みのみを使用し、異なるチャンネルを別々の送信アンテナに割り振るV−BLAST方式に対しても、本発明を適用することができる。V−BLAST方式に代表されるMIMO通信方式では、チャネル行列Hの逆行列-を受信重みとすることを基本とし、送信機側では重みを用いない。
要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。
図1は、本発明の一実施形態に係る無線通信装置の構成を示した図である。 図2は、チャネル特性取得及び送信重み分離部37の機能構成を模式的に示した図である。 図3は、サブキャリヤ毎に特異値λを切り替える様子を示した図である。 図4は、MIMO通信システムを概念的に示した図である。 図5は、SVD−MIMO伝送システムを概念的に示した図である。
符号の説明
11…アンテナ
12…スイッチ
21…符号器
22…送信用重み乗算部
23…IFFT
24…ブリアンブル/リファレンス付与部
25…D/A変換器
26…送信用アナログ処理部
31…受信用アナログ処理部
32…A/D変換器
33…同期獲得部
34…FFT
35…受信用重み乗算部
36…復号器
37…チャネル特性取得及びベクトル並べ替え部

Claims (15)

  1. 送信機と受信機間で複数の空間多重された通信チャネルを用い、マルチキャリヤ変調方式によりデータ伝送する無線通信システムであって、
    各通信チャネルに割り当てる送信重みと受信重みの組み合わせをサブキャリヤ毎に切り替えて、各通信チャネルの通信品質を調整する、
    ことを特徴とする無線通信システム。
  2. 前記送信機及び前記受信機はそれぞれ複数のアンテナを備え、送受信の各アンテナ対に対応するチャネルを要素としたチャネル行列Hの特異値分解して得られる行列UDVHを利用して送信重み及び受信重みを決定して空間多重伝送を行なう、
    ことを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。
  3. サブキャリヤを統合した後の各通信チャネルが持つ通信品質の差が小さくなるように、各通信チャネルに割り当てる送信重みと受信重みの組み合わせをサブキャリヤ毎に切り替える、
    ことを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。
  4. 割り当たられた送信重み及び受信重みの組み合わせにより得られた通信品質に応じて適切な変調方式を通信チャネルに割り当てる、
    ことを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。
  5. 適切な変調方式がないほど良好な通信品質の通信チャネルが存在する場合に、各通信チャネルの通信品質の差の調整を行なう、
    ことを特徴とする請求項4に記載の無線通信システム。
  6. 通信チャネルの品質の差を利用可能な変調方式に対応する範囲内に抑制するように、各通信チャネルの通信品質の調整を行なう、
    ことを特徴とする請求項5に記載の無線通信システム。
  7. 複数の空間多重された通信チャネルを用い、マルチキャリヤ変調方式によりデータ伝送する無線通信装置であって、
    受信重みを用いて重み付け受信する受信手段と、
    送信を行なう送信手段と、
    各通信チャネルの通信品質を取得する通信品質取得手段と、
    各通信チャネルの通信品質に基づいて、各通信チャネルに割り当てる送信重みと受信重みの組み合わせをサブキャリヤ毎に切り替え、各通信チャネルの通信品質を調整する通信品質調整手段と、
    を具備することを特徴とする無線通信装置。
  8. 複数のアンテナを備え、
    前記送信手段及び前記受信手段は、送受信の各アンテナ対に対応するチャネルを要素としたチャネル行列Hの特異値分解して得られる行列UDVHを利用して送信重み及び受信重みを決定して空間多重伝送を行なう、
    ことを特徴とする請求項7に記載の無線通信装置。
  9. 前記通信品質取得手段は、送信側から送られてくるリファレンス信号を利用してチャネル行列を取得する手段と、該取得されたチャネル行列を特異値分解する特異値分解手段とを備え、該特異値分解により得られた特異値に基づいて各通信チャネルの通信品質を取得する、
    ことを特徴とする請求項7に記載の無線通信装置。
  10. 前記通信品質調整手段は、サブキャリヤを統合した後の各通信チャネルが持つ通信品質の差が小さくなるように、各通信チャネルに割り当てる送信重みと受信重みの組み合わせをサブキャリヤ毎に切り替える、
    ことを特徴とする請求項7に記載の無線通信装置。
  11. 割り当たられた送信重み及び受信重みの組み合わせにより得られた通信品質に応じて適切な変調方式を通信チャネルに割り当てる変調方式割り当て手段をさらに備える、
    ことを特徴とする請求項7に記載の無線通信装置。
  12. 前記通信品質調整手段は、適切な変調方式がないほど良好な通信品質の通信チャネルが存在する場合に、各通信チャネルの通信品質の差の調整を行なう、
    ことを特徴とする請求項11に記載の無線通信装置。
  13. 前記通信品質調整手段は、通信チャネルの品質の差を利用可能な変調方式に対応する範囲内に抑制するように、各通信チャネルの通信品質の調整を行なう、
    ことを特徴とする請求項12に記載の無線通信装置。
  14. 複数の空間多重された通信チャネルを用い、マルチキャリヤ変調方式によりデータ伝送する無線通信方法であって、
    受信重みを用いて重み付け受信する受信ステップと、
    送信を行なう送信ステップと、
    各通信チャネルの通信品質を取得する通信品質取得ステップと、
    各通信チャネルの通信品質に基づいて、各通信チャネルに割り当てる送信重みと受信重みの組み合わせをサブキャリヤ毎に切り替え、各通信チャネルの通信品質を調整する通信品質調整ステップと、
    を具備することを特徴とする無線通信方法。
  15. 複数の空間多重された通信チャネルを用い、マルチキャリヤ変調方式によりデータ伝送するための処理をコンピュータ・システム上で実行するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムであって、
    各通信チャネルの通信品質を取得する通信品質取得ステップと、
    各通信チャネルの通信品質に基づいて、各通信チャネルに割り当てる送信重みと受信重みの組み合わせをサブキャリヤ毎に切り替え、各通信チャネルの通信品質を調整する通信品質調整ステップと、
    を具備することを特徴とするコンピュータ・プログラム。
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