JP2006109255A - マルチアンテナ全二重無線機、およびその通信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】同一周波数で同時に全二重通信を行う無線機を実現する。
【解決手段】複数のアンテナ２２、２３、２４と、その複数のアンテナ２２、２３、２４に接続された送信部１１と、送信部１１から送信される自局の送信信号を除去する回り込み信号除去部１６と、複数のアンテナ２２、２３、２４で受信した信号のうち、所望の信号を取り出すマルチアンテナ干渉信号除去部１７と、所望の信号を受信する受信部１２とを備え、他局との間で全二重通信を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、全二重通信を行うマルチアンテナ全二重無線機、およびその通信方法に関するものである。

デジタル無線機では、双方向の通信を実現するために、様々な手段が用いられる。

例えば、通信区間の上りと下りで異なる周波数を利用する周波数領域複信（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｄｕｐｌｅｘ；略してＦＤＤ）が知られている。

図５は、従来のＦＤＤ無線機の構成を示す機能ブロック図を示している。

図５において、１００は、アンテナ１０７を除くＦＤＤ無線機の内部機能ブロックを示している。１０１は送信部、１０２は受信部、１０３は送信データ経路、１０４はサーキュレーター、１０５は帯域通過フィルタ、１０６は受信データ経路、１０７はアンテナである。

送信部１０１で生成された送信信号（周波数ｆ１）は、送信データ経路１０３を通ってサーキュレーター１０４に入り、さらにアンテナ１０７に印加され空間に放射される。

また、アンテナ１０７に入射した通信相手局からの信号（周波数ｆ２）は、サーキュレーター１０４に入り、サーキュレーター１０４によって帯域通過フィルタ１０５に送られる。帯域通過フィルタ１０５は、周波数ｆ１を阻止し、周波数ｆ２を通過する特性を持たせ、受信信号だけを取り出す。帯域通過フィルタ１０５によって取り出された受信信号は、受信データ経路１０６を通って受信部１０２に入力される。この動作によって、全二重動作が実現されている。

また、周波数資源の利用効率のよい従来の通信手段として、上りと下りで同じ周波数を使って双方向の通信を実現する半二重（時間領域複信）がある。

また、最近では、周波数資源の利用効率がよく、かつスループットを向上させる通信手段として、送信機および受信機でそれぞれ複数のアンテナを持つ、ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−２３７７５１号公報

しかしながら、周波数領域複信の場合には、上りと下りでそれぞれ周波数資源が必要となり、周波数利用効率の面で問題があった。

また、半二重の場合、上り専用、下り専用に使える時間は途切れ途切れとなり、音声、動画像などの連続データを送信する場合には断続的に送信する必要があった。この場合、音声、動画像の途切れが発生するなどの問題があった。そして、現在知られているＭＩＭＯ技術においても、同時には送受信を行えないため、同様の問題があった。

本発明は、上述した従来の課題を解決するもので、周波数利用効率が高く、かつ連続データの通信に適した全二重通信を実現できる、マルチアンテナ全二重無線機、およびその通信方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、第１の本発明は、
複数のアンテナと、
前記複数のアンテナに接続された送信部と、
前記送信部から送信される自局の送信信号を除去する回り込み信号除去部と、
前記複数のアンテナで受信した信号のうち、所望の信号を取り出すマルチアンテナ干渉信号除去部と、
前記所望の信号を受信する受信部とを備え、他局との間で全二重通信を行うマルチアンテナ全二重無線機である。

第２の本発明は、
前記回り込み信号除去部は、前記送信部および前記複数のアンテナに接続されており、
前記マルチアンテナ干渉信号除去部は、前記回り込み信号除去部および前記受信部に接続されている、第１の本発明のマルチアンテナ全二重無線機である。

第３の本発明は、
複数の他局のうちの自局と通信を行おうとする一の他局との間でのみ通信ができる時間を確保するためのパケットを、前記複数の他局に送信するステップと、
前記確保した時間に、前記一の他局との間で送受信を行うステップとを備えた、マルチアンテナ全二重無線機の通信方法である。

本発明により、周波数利用効率が高く、かつ連続データの通信に適した全二重通信を実現できる、マルチアンテナ全二重無線機、およびその通信方法を提供できる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１のマルチアンテナ全二重無線機のブロック図である。

図１で、１０は、アンテナ２２、２３、２４を除くマルチアンテナ全二重無線通信機本体を示している。１１から２１は、マルチアンテナ全二重無線通信機本体１０の内部ブロックを表す。１１は送信部、１２は受信部、１３は送受信データ経路１、１４は送受信データ経路２、１５は送受信データ経路ｎ（ここで、ｎは２以上の整数）、１６は回り込み信号除去部、１７はマルチアンテナ干渉信号除去部、１８は受信データ経路１、１９は受信データ経路２、２０は受信データ経路ｎ、２１は送信信号情報通知経路を示す。２２はアンテナ１、２３はアンテナ２、２４はアンテナｎを示す。なお、アンテナ２２、２３、２４が、本発明の複数のアンテナの一例である。

図２は、本実施の形態１のマルチアンテナ全二重無線機の１つのアンテナに入力されるデータの経路を示す模式図である。

図２で、３０および４０は、それぞれ、本実施の形態１のマルチアンテナ全二重無線機本体ａおよびｂを示しており、これらの内部ブロックは、図１に示したマルチアンテナ全二重無線通信機本体１０の内部ブロックに等しい。

３１はアンテナａ１、３２はアンテナａ２、３３はアンテナａｎ、４１はアンテナｂ１、４２はアンテナｂ２、４３はアンテナｂｎを表す。５１から５６は、各アンテナ４１〜４３、３１〜３３から、空間を通じてアンテナａ１に飛び込む電波の振幅および位相の情報を表したアンテナ間伝達関数を形式的に示したものである。５１はアンテナｂ１→アンテナａ１の伝達関数ｈ＿ｂ１ａ１、５２はアンテナｂ２→アンテナａ１の伝達関数ｈ＿ｂ２ａ１、５３はアンテナｂｎ→アンテナａ１の伝達関数ｈ＿ｂｎａ１、５４はアンテナａ１→アンテナａ１の伝達関数ｈ＿ａ１ａ１、５５はアンテナａ２→アンテナａ１の伝達関数ｈ＿ａ２ａ１、５６はアンテナａｎ→アンテナａ１の伝達関数ｈ＿ａｎａ１を表す。

次に、図１、図２を使って本実施の形態１のマルチアンテナ全二重無線機の動作について説明する。

図１で全二重通信を実現するためには、受信部１２に入力される信号が、通信相手局から到達した信号のみとなり、自局が送信した信号が混ざらないようにする必要がある。この動作を実現するために、回り込み信号除去部１６およびマルチアンテナ干渉信号除去部１７が設けられている。

回り込み信号除去部１６は、送信部１１から直接、送受信データ経路１３、１４、１５を伝わって入力された自局の送信信号を除去する。自局の送信信号は、送信部１１から送信信号情報通知経路２１を伝わって回り込み信号除去部１６に入る送信信号の情報に従って除去される。

マルチアンテナ干渉信号除去部１７は、空間を通じて飛来する信号のうち、所望の信号を取り出すための部位である。ここで、このマルチアンテナ干渉信号除去部１７の動作の一例を説明するために、図２のアンテナａ１（３１）に入射する信号について、マルチアンテナ干渉信号除去部１７が動作する仕組みを説明する。

図２において、同時に双方向の通信を行っている場合、アンテナａ１には、各アンテナ（３１、３２、３３、４１、４２、４３）から出射される信号が入力されると考えられる。いま、アンテナａ１、ａ２、ａｎ、ｂ１、ｂ２、ｂｎから出射される信号を、それぞれ、ｓ＿ａ１、ｓ＿ａ２、ｓ＿ａｎ、ｓ＿ｂ１、ｓ＿ｂ２、ｓ＿ｂｎとする。ここで、各アンテナ（４１、４２、４３、３１、３２、３３）からアンテナａ１への振幅および位相の伝達関数が何らかの手段により明らかとなっているとし、その伝達関数は、それぞれ５１、５２、５３、５４、５５、５６であるとする。

この場合、所望の信号は、ｈ＿ｂ１ａ１＊ｓ＿ｂ１、ｈ＿ｂ２ａ１＊ｓ＿ｂ２、ｈ＿ｂｎａ１＊ｓ＿ｂｎである。また、不要な信号は、ｈ＿ａ１ａ１＊ｓ＿ａ１、ｈ＿ａ２ａ１＊ｓ＿ａ２、ｈ＿ａｎａ１＊ｓ＿ａｎである。マルチアンテナ干渉信号除去部１７は、アンテナａ１に入力された信号から、ｈ＿ａ１ａ１＊ｓ＿ａ１、ｈ＿ａ２ａ１＊ｓ＿ａ２、ｈ＿ａｎａ１＊ｓ＿ａｎの信号を除去する。これらの信号を除去するためには、アンテナａ２、ａｎの入力信号と、各アンテナへの伝達関数の情報が必要である。これは、アンテナａ１の場合と同様であり、動作の説明は省略する。

このように、マルチアンテナ干渉信号除去部１７は、アンテナａ１、ａ２、ａｎに入力されている信号を、デジタル信号処理によって解析し、所望の信号と不要な信号を分けることを行う。なお、この信号処理がＭＩＭＯ技術の中核をなすものであり、既にいくつかの方法が確立されている。

なお、各アンテナから各アンテナへの振幅および位相の伝達関数を知る方法としては、例えば、既知の信号をパイロット信号として利用する方法がある。

このようにして、回り込み信号除去部１６、マルチアンテナ干渉信号除去部１７において送信側の信号が除去される。そして、受信データ経路１８、１９、２０には、各アンテナ２２、２３、２４で受信した信号のうち、自局の信号は除去されて、通信相手局からの信号のみが入力される。

回り込み信号除去部１６およびマルチアンテナ干渉信号除去部１７により、送信側の信号を除去させるようにしたことが、本実施の形態１のマルチアンテナ全二重無線機の特徴であり、この特徴により、従来のＭＩＭＯ技術では実現できなかった全二重通信を可能にする。

（実施の形態２）
図３は、ＩＥＥＥ８０２．１１無線ＬＡＮで構成される、本発明の実施の形態２のマルチアンテナ全二重無線機システムの構成図である。

図３で、２００は無線ＬＡＮのアクセスポイントＡＰであり、２０１、２０２、２０３は、それぞれ無線ＬＡＮのステーションＳＴＡ−１、ＳＴＡ−２、ＳＴＡ−ｍ（ｍは任意の自然数）である。

図４は、図３に示す無線ＬＡＮネットワークにおける通信の一例としての、通信のシーケンスチャートを示している。

図４において、３０１は、ＳＴＡ−１が送信したＲＴＳ（Ｒｅｑｕｅｓｔ ｔｏ Ｓｅｎｄ）パケットを表し、３０２は、それを受けたＡＰがＳＴＡ−１に送信したＣＴＳ（Ｃｌｅａｒ ｔｏ Ｓｅｎｄ）パケットを表す。この動作により、ＳＴＡ−２、ＳＴＡ−ｍにはＮＡＶ（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ Ｖｅｃｔｏｒ）期間３０４が設定され、この期間３０４には、ＳＴＡ−２、ＳＴＡ−ｍは送信ができない。この状態で、ＡＰとＳＴＡ−１は全二重の通信が可能である。

なお、この動作におけるＡＰが、本発明の自局の一例であり、ＳＴＡ−１が、本発明の、自局と通信を行おうとする一の他局の一例である。また、期間３０４が、本発明の、一の他局との間でのみ通信ができる時間の一例である。

以上はＤＣＦ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）による分散型アクセス制御の場合である。

次に、集中型アクセス制御であるＨＣＣＡ（Ｈｙｂｒｉｄ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｃｈａｎｎｅｌ Ａｃｃｅｓｓ）の場合について、図４を用いて説明する。

ＡＰは、まずＳＴＡ−１にＰｏｌｌパケット３１１を送信することで、ＳＴＡ−１に送信権を与える。この時点で、ＳＴＡ−２、ＳＴＡ−ｍは送信ができない。よって、ＡＰとＳＴＡ−１は、この時点に全二重通信３１２が可能となる。なお、この動作における全二重通信３１２の時点が、本発明の、一の他局との間でのみ通信ができる時間の一例である。

同様にして、ＡＰとＳＴＡ−２の場合には、ＡＰがＳＴＡ−２に向けてＰｏｌｌパケット３１３を送信した後、全二重通信３１４が可能となる。ＡＰとＳＴＡ−３の通信では、ＡＰがＳＴＡ−３にＰｏｌｌパケット３１５を送信し、その後全二重通信３１６ができる。

このようにして、ＤＣＦ、ＨＣＣＡのいずれでも全二重通信が可能である。この方式によれば、例えば８０２．１１ＭＡＣにおけるＡｃｋパケットをデータ通信に使う時間帯に送信可能なため、オーバーヘッドが削減され、システム全体のスループットの向上が期待できる。また、ＴＣＰのＡｃｋパケットを衝突なし、且つ低遅延で送信可能であるため、ＴＣＰ／ＩＰのスループット向上も見込める。

以上に説明したように、本発明のマルチアンテナ全二重無線機、およびその通信方法は、ＭＩＭＯ技術を用いて、無線機間にアンテナ本数に対応した複数のデータ伝送経路を確保して全二重通信を実現することを特徴としている。つまり、ＭＩＭＯ技術を用いて、上り下りのデータ伝送を同じ周波数で同時に行わせるようにした。これを仮に、空間領域複信と呼ぶ。この空間領域複信を実現することによって、周波数利用効率が高く、且つ連続データの通信に適した全二重の無線通信が可能となる。

本発明のマルチアンテナ全二重無線機は、従来の周波数領域複信の無線通信機と比べ、上りもしくは下りの周波数だけで上り下りの両方の通信が実現できるため、周波数利用効率が向上する。また、上り下りで途切れ途切れのデータ伝送であった時間領域複信に比べて、本発明のマルチアンテナ全二重無線機は、上り、下りとも連続的にデータが伝送できるため、音声、動画像などのデータ伝送に適している。

無線通信、特に音声、動画の双方向通信に応用が期待できる。例えば、セルラネットワーク、インターネット通信のラスト１マイルの無線ネットワークや無線ＬＡＮに応用が期待できる。

本発明の実施の形態１のマルチアンテナ全二重無線機の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態１のアンテナ３１に入力されるデータの経路を示す模式図 本発明の実施の形態２のマルチアンテナ全二重無線機システムの構成図 本発明の実施の形態２のマルチアンテナ全二重無線機システムの通信手順例を示すシーケンスチャート 従来のＦＤＤ方式の全二重無線機の構成を示す機能ブロック図

符号の説明

１０ マルチアンテナ全二重無線通信機本体
１１ 送信部
１２ 受信部
１３ 送受信データ経路１
１４ 送受信データ経路２
１５ 送受信データ経路ｎ
１６ 回り込み信号除去部
１７ マルチアンテナ干渉信号除去部
１８ 受信データ経路１
１９ 受信データ経路２
２０ 受信データ経路ｎ
２１ 送信信号情報通知経路
２２ アンテナ１
２３ アンテナ２
２４ アンテナｎ
３０ 無線機ａ
３１ アンテナａ１
３２ アンテナａ２
３３ アンテナａｎ
４０ 無線機ｂ
４１ アンテナｂ１
４２ アンテナｂ２
４３ アンテナｂｎ
５１ ｂ１→ａ１の伝達関数ｈ＿ｂ１ａ１
５２ ｂ２→ａ１の伝達関数ｈ＿ｂ２ａ１
５３ ｂｎ→ａ１の伝達関数ｈ＿ｂｎａ１
５４ ａ１→ａ１の伝達関数ｈ＿ａ１ａ１
５５ ａ２→ａ１の伝達関数ｈ＿ａ２ａ１
５６ ａｎ→ａ１の伝達関数ｈ＿ａｎａ１
１００ 従来のＦＤＤ無線機の内部ブロック
１０１ 送信部
１０２ 受信部
１０３ 送信データ経路
１０４ サーキュレーター
１０５ 帯域通過フィルタ
１０６ 受信データ経路
１０７ アンテナ
２００ 無線ＬＡＮ ＡＰ
２０１ 無線ＬＡＮ ＳＴＡ−１
２０２ 無線ＬＡＮ ＳＴＡ−２
２０３ 無線ＬＡＮ ＳＴＡ−ｍ
３０１ ＲＴＳ
３０２ ＣＴＳ
３０３ 全二重通信（ＡＰ⇔ＳＴＡ−１）
３１１ Ｐｏｌｌ（ＡＰ→ＳＴＡ−１）
３１２ 全二重通信（ＡＰ⇔ＳＴＡ−１）
３１３ Ｐｏｌｌ（ＡＰ→ＳＴＡ−２）
３１４ 全二重通信（ＡＰ⇔ＳＴＡ−２）
３１５ Ｐｏｌｌ（ＡＰ→ＳＴＡ−ｍ）
３１６ 全二重通信（ＡＰ⇔ＳＴＡ−ｍ）

Claims (3)

1. 複数のアンテナと、
   前記複数のアンテナに接続された送信部と、
   前記送信部から送信される自局の送信信号を除去する回り込み信号除去部と、
   前記複数のアンテナで受信した信号のうち、所望の信号を取り出すマルチアンテナ干渉信号除去部と、
   前記所望の信号を受信する受信部とを備え、他局との間で全二重通信を行うマルチアンテナ全二重無線機。
2. 前記回り込み信号除去部は、前記送信部および前記複数のアンテナに接続されており、
   前記マルチアンテナ干渉信号除去部は、前記回り込み信号除去部および前記受信部に接続されている、請求項１に記載のマルチアンテナ全二重無線機。
3. 複数の他局のうちの自局と通信を行おうとする一の他局との間でのみ通信ができる時間を確保するためのパケットを、前記複数の他局に送信するステップと、
   前記確保した時間に、前記一の他局との間で送受信を行うステップとを備えた、マルチアンテナ全二重無線機の通信方法。
   

Images