JP2007124207A - 無線通信方法、無線通信システム及び無線通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】送受アンテナ素子の組合せ毎の無線伝搬路間の直交性を推定し、アダプティブアレイ方式又はＭＩＭＯ方式のいずれが優位であるかを適宜判断して優位な方を用い、通信の連続性を保った状態でアダプティブアレイ方式からＭＩＭＯ方式へ切替えることができる無線通信システムを提供する。
【解決手段】第１、２無線通信装置間の無線通信の際におけるアダプティブアレイ方式の無線通信フレームを複数のチャネルで構成し、第１又は第２の無線通信装置のいずれかから、ＭＩＭＯチャネル推定用信号を、複数のチャネルを巡回させて送信する過程を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、無線通信方法、無線通信システム及び無線通信装置に関する。

従来、移動通信システムでは、基地局が複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナを備え、送受信の指向性パターンを形成し、移動局（携帯端末）の移動に追従する制御を行なっている。また、携帯電話機等の携帯端末の対基地局追従性能（基地局との間で無線通信接続を維持し続ける能力）が、通信品質面でますます重要となっている。このため、携帯端末が基地局と同様にアレーアンテナを備え、送受信の指向性パターンを形成するものもある。

従来のアレーアンテナ指向性制御方法として、例えば、最小平均二乗誤差（ＭＭＳＥ；Minimum Mean-Squared Error）に基づいた適応アルゴリズム（ＲＬＳアルゴリズム、ＳＭＩアルゴリズム、ＬＭＳアルゴリズム等）を用いるものが知られている。この方法では、例えば移動局は、基地局から受信した受信信号について参照信号との二乗誤差を最小化するように、アレーアンテナの指向性パターンを形成するための各アンテナ素子の重み係数を適応アルゴリズムにより計算して求める。これにより、干渉波の到来方向にヌル点を向かせ、さらに所望波の到来方向にメインビームを向かせるようにアレーアンテナの指向性を制御している（例えば、非特許文献１参照）。

一方、上述したアダプティブアレイ方式の他に、アレーアンテナを用いた無線通信技術の一つとしてＭＩＭＯ（Multi Input Multi Output）方式が知られている。ＭＩＭＯ方式では、移動局と基地局の双方が複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナを備え、一移動局と基地局の間で、複数のパスを介して空間多重接続を行う。これにより、通信速度を上げることができる。例えば、４つのアンテナ素子からなるアレーアンテナを移動局と基地局の双方が備えている場合、一移動局と基地局の間で４つのパスを介して空間多重接続を行うことにより、１つのパスのみで接続するよりも４倍の通信速度を得ることが可能となる。
菊間信良著，「アレーアンテナによる適応信号処理」，株式会社科学技術出版，１９９８年１１月

上述したアダプティブアレイ方式とＭＩＭＯ方式では、無線伝播路に対する適性が異なっているので、無線伝播路の状態に応じた方式を用いることにより伝送効率を向上させることができる。送信側アレーアンテナの一アンテナ素子と受信側アレーアンテナの一アンテナ素子の組合せ（以下、「送受アンテナ素子組合せ」と称する）が複数あるとした場合、それぞれの送受アンテナ素子組合せ間で十分な直交性が得られるような無線伝播路に対してはＭＩＭＯ方式が適している。一方、あまり直交性が得られないような無線伝播路に対してはアダプティブアレイ方式の方が適している。

しかし、移動通信システムでは、送信局と受信局間の電波伝播環境が絶えず変化するので、上記した送受アンテナ素子組合せ間の直交性も変化する。従って、通信中であっても、送受アンテナ素子組合せ間の直交性は変化するので、アダプティブアレイ方式又はＭＩＭＯ方式のいずれが優位であるのかを適宜判断し、優位な方を用いることが望ましい。ところが、アダプティブアレイ方式とＭＩＭＯ方式では、アンテナ素子への信号付加方法が異なり、連続した動作で方式を変更することが難しい。特に、アダプティブアレイ方式からＭＩＭＯ方式へ切替えるときは、送受アンテナ素子組合せごとの無線伝播路（ＭＩＭＯチャネル）間の直交性を推定することが肝要であると考える。しかし、ＭＩＭＯチャネル間の直交性の推定を通信中に行うと、通信が一時的に途絶える恐れがある。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、送受アンテナ素子組合せごとの無線伝播路（ＭＩＭＯチャネル）間の直交性を推定して、アダプティブアレイ方式又はＭＩＭＯ方式のいずれが優位であるのかを適宜判断し、優位な方を用いることができるとともに、通信の連続性を保った状態でアダプティブアレイ方式からＭＩＭＯ方式へ切替えることができる無線通信方法、無線通信システム及び無線通信装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係る無線通信方法は、互いに複数のアンテナ素子を備えた第１の無線通信装置と第２の無線通信装置との間で、アダプティブアレイ方式又はＭＩＭＯ方式のいずれかに切替えて無線通信を行う無線通信方法であって、前記第１の無線通信装置と第２の無線通信装置との間の無線通信においてアダプティブアレイ方式の無線通信フレームを複数の通信チャネルで構成する通信チャネル構成ステップと、前記第１の無線通信装置と第２の無線通信装置とのいずれかの前記無線通信装置から、ＭＩＭＯチャネルの推定のための信号を前記通信チャネル構成ステップにより得られるチャネルを巡回して送信する信号送信ステップとを含むことを特徴とする。

本発明に係る無線通信方法においては、前記信号はアダプティブアレイ方式での重み付け合成の対象とならないように設定されていることを特徴とする。

本発明に係る無線通信方法は、互いに複数のアンテナ素子を備えた第１の無線通信装置と第２の無線通信装置との間で無線伝搬路を介して、アダプティブアレイ方式又はＭＩＭＯ方式のいずれかに切替えて無線通信を行う無線通信システムにおいて、前記第１の無線通信装置は、アダプティブアレイ方式の無線通信フレームを複数の通信チャネルで構成する通信チャネル構成手段と、ＭＩＭＯチャネルの推定のための信号を前記通信チャネル構成手段により得られる通信チャネルを巡回して第２の無線通信装置へ送信する信号送信手段と、前記第２の無線通信装置が前記信号を受信することにより、通信チャネルを巡回してＭＩＭＯ方式に適しているかを推定するＭＩＭＯチャネル推定手段と、ＭＩＭＯチャネルの推定結果に基づきアダプティブアレイ方式からＭＩＭＯ方式への切り替えを判断する切り替え判断手段と、前記判断に基づきアダプティブアレイ方式からＭＩＭＯ方式へ切り替える切り替え手段と、を有することを特徴とする。

本発明に係る無線通信方法は、前記ＭＩＭＯチャネルの推定は、前記無線伝播路が空間的に直交性を測定することによって行うことを特徴とする。

本発明に係る無線通信方法は、複数のアンテナ素子を備え、アダプティブアレイ方式又はＭＩＭＯ方式のいずれかに切替えて無線通信を行う無線通信装置において、
アダプティブアレイ方式の無線通信フレームを複数の通信チャネルで構成する通信チャネル構成手段と、
ＭＩＭＯチャネルの推定のための信号を前記通信チャネル構成手段により得られるチャネルを巡回して送信する信号送信手段と、を含むことを特徴とする。

本発明に係る無線通信方法は、前記信号は、アダプティブアレイ方式での重み付け合成の対象とならないように設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、送受アンテナ素子組合せごとの無線伝播路（ＭＩＭＯチャネル）間の直交性を推定して、アダプティブアレイ方式又はＭＩＭＯ方式のいずれが優位であるのかを適宜判断し、優位な方を用いることができる。さらに、通信の連続性を保った状態でアダプティブアレイ方式からＭＩＭＯ方式へ切替えることができる。そして本発明では、アダプティブアレイ方式の無線通信フレームを複数の通信チャネルで構成し、ＭＩＭＯチャネルの推定のための信号を、前記通信チャネルを巡回して送信するようにしているので、受信側ではＭＩＭＯチャネルの推定を行うための情報をより多く受け取ることが可能になる。これにより、アダプティブアレイ方式からＭＩＭＯ方式への切替えをより精度よく行うことができる。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る無線通信装置の構成を示すブロック図である。図１において、タイミング制御部（５１）によりＭＩＭＯトレーニング信号（５２）と、シリアルパラレル変換部（５３）で空挿入された信号をスイッチ部（５５ａ）により、拡散部５６で各チャネル（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４）へ挿入するタイミングを制御することによりチャネルを巡回する。

巡回するチャネルをスイッチ部（５５ｂ）によりＭＩＭＯトレーニング信号を挿入したチャネルは各アンテナ毎に、これ以外の通信チャネルはアダプティブアレイ方式の重み付け部（５８ａおよび５８ｂ）へ送られアダプティブアレイ方式の重みを生成するＡＡＡ部（５７）より与えられる重み付けを行う。ＭＩＭＯトレーニング信号を挿入されたチャネルと、重み付けされたチャネルを加算機（６０ａおよび６０ｂ）により合成し、アンテナ（６１ａおよび６１ｂ）により送信する。

［第１実施形態］
図２は、本発明の第１実施形態に係る通信方式切替え処理のシーケンス図である。 図２において、基地局１はＭＩＭＯチャネルを推定するための同期トレーニング信号（ステップ１０１）を通信チャネルi＝１からｎチャネルまで巡回して送信するループ（ステップ１００）を実行している。

次いで、端末３は、基地局１から送信された同期用信号を検知すると通信チャネルｉのＭＩＭＯチャネル推定を行い（ステップ４０１）、通信チャネルｉ以外のチャネルをつかってアダプティブアレイ方式による通信を行う（ＡＡＡ通信）。

次いで、端末３は、推定結果を基地局１へ送信する（ステップ４０２）。

次いで、基地局と、端末３から送信された推定結果を受信すると、その推定結果に基づき、アダプティブアレイ方式からＭＩＭＯ方式へ切替えるか、或いはアダプティブアレイ方式を維持するかを判断する（ステップ１０２）。次いで、基地局１は、ＭＩＭＯ方式へ切替えると判断した場合には、ＭＩＭＯ方式に切替える旨を端末３に通知する（ステップ１０３）。次いで、基地局１は、ＭＩＭＯ方式へ切替える制御を行う（ステップ１０４）。これにより、アダプティブアレイ方式からＭＩＭＯ方式への切替えが行われる。

次に、上記したＭＩＭＯ方式が適しているかを推定する処理について説明する。

送信側のアレーアンテナのアンテナ素子数がＭ個、受信側のアレーアンテナのアンテナ素子数がＮ個である場合、ＭＩＭＯチャネルのチャネル応答行列（伝達関数）Ａは（１）式で表される。

この（１）式は、例えば「中嶋信生（編）、“無線技術とその応用 第４巻 新世代ワイヤレス技術”、ＩＳＢＮ ４−６２１−０７３６４−８、丸善」に記載されるように、（２）式に変形できる。（２）式では、相関行列Ａ^ＨＡ、ＡＡ^Ｈに対して共通なＭ_０個の固有値λ_１、λ_２、・・・λ_３、λ_Ｍ０によりチャネル応答行列Ａが表されている。但し、^Ｈは複素共役転置を表す。

上記（２）式で、ｅ_ｔｉは相関行列Ａ^ＨＡの固有値λ_ｉに属する固有ベクトルＥ_ｔ、ｅ_ｒｉは相関行列ＡＡ^Ｈの固有値λ_ｉに属する固有ベクトルＥ_ｒである。

Ｅ_ｔ＝［ｅ_ｔ１ｅ_ｔ２・・・ｅ_ｔＭ０］
Ｅ_ｒ＝［ｅ_ｒ１ｅ_ｒ２・・・ｅ_ｒＭ０］
図３に、上記伝達関数Ａを固有値λで表現するように、無線通信システム１０９を等価変換したシステム１１０を示す。

図３に示す無線通信システム１０９おいて、送信局はＭ個のアンテナ素子Ｔｘ１〜ＴｘＭからなるアレーアンテナを有する。受信局はＮ個のアンテナ素子Ｒｘ１〜ＲｘＮからなるアレーアンテナを有する。この無線通信システム１０９の等価変換後のシステム１１０では、固有値λ_１、λ_２、・・・λ_３、λ_Ｍ０の個数Ｍ_０が次元を表し、実際の電波伝播路における実質的な次数が大きいほどＭＩＭＯチャネルの容量が大きいことになる。一方、次数が小さい場合は複数のパス間に相関がある状態である。この次数や、次数の大きい固有値の絶対値の大きさを監視することにより、現時点における無線通信環境がＭＩＭＯ方式に適しているか否かを判定することができる。つまり、アダプティブアレイ方式で通信中に、固有ベクトルの次元を閾値と比較し、閾値以下の次元であるときはアダプティブアレイ方式を維持し、閾値より高い次元となったときにＭＩＭＯ方式へ切替える。このときの閾値は、送受アンテナ素子組合せごとのＭＩＭＯチャネル間の直交性が十分に得られるような値に予め設定する。

なお、上記図３においては、ステップＳ３ａでは固有ベクトルの次元を演算により求める。ステップＳ３ｂでは該演算結果の次元と閾値を比較し、現時点における無線通信環境がＭＩＭＯ方式に適しているか否かを判断する。

これにより、現時点での無線伝播路が空間的に直交性を有するかを判断することができ、この判断結果に基づいて無線伝播路がＭＩＭＯ方式に適しているかの推定を行う。

このように推定用信号は、アダプティブアレイ方式での重み付け合成の対象にならないように設定される。

また、通信信号のフレーム構造を構成することにより、無線通信の同期を維持した状態でＭＩＭＯ方式が適しているかを推定する。

なお、無線伝播路がＭＩＭＯ方式に適しているかの推定は、以下に示す各種伝送方式に応じて行われる。以下、推定用信号の各種伝送方式を説明する。

図４、図５には、時分割多重方式で推定用信号を伝送する場合が示されている。図４に示す無線通信システム２００おいて、送信局は２個のアンテナ素子Ｔｘ１、Ｔｘ２からなるアレーアンテナを有する。受信局は２個のアンテナ素子Ｒｘ１、Ｒｘ２からなるアレーアンテナを有する。図５に示されるように、先ず、送信局のアンテナ素子Ｔｘ１から、推定用信号２０１（基準信号{送受信局間で既知の信号}又はＭＩＭＯチャネルトレーニング信号）を送信する。次いで、その送信時点から時間をずらして送信局のアンテナ素子Ｔｘ２から推定用信号２０２を送信する。受信局のアンテナ素子Ｒｘ１、Ｒｘ２では、送信局から送信された推定用信号２０１、２０２が各々無線伝播路の影響を受けた後に、時間差をもって、信号２０１ａ、２０１ｂ、２０２ａ、２０２ｂとして受信される。この振る舞いを観測することによって、送受アンテナ素子組合せごとのＭＩＭＯチャネル間の直交性を推定することができる。

図６、図７には、周波数分割多重方式で推定用信号を伝送する場合が示されている。図６に示す無線通信システム３００おいて、送信局は２個のアンテナ素子Ｔｘ１、Ｔｘ２からなるアレーアンテナを有する。受信局は２個のアンテナ素子Ｒｘ１、Ｒｘ２からなるアレーアンテナを有する。図７に示されるように、送信局のアンテナ素子Ｔｘ１、Ｔｘ２から、それぞれ推定用信号３０１、３０２（基準信号（送受信局間で既知の信号）又はＭＩＭＯチャネルトレーニング信号）を、周波数をずらして送信する。受信局のアンテナ素子Ｒｘ１、Ｒｘ２では、送信局から送信された推定用信号３０１、３０２が各々無線伝播路の影響を受けた後に、周波数差をもって、信号３０１ａ、３０１ｂ、３０２ａ、３０２ｂとして受信される。次いで、送信局のアンテナ素子Ｔｘ１、Ｔｘ２から送信する周波数を入れ替えて同様に推定用信号３０１、３０２の送信を行う。これらの振る舞いを観測することによって、送受アンテナ素子組合せごとのＭＩＭＯチャネル間の直交性を推定することができる。

なお、上記した推定用信号の各種伝送方式において、推定用信号の挿入周期は、アダプティブアレイ方式用フレームと同一周期であってもよく、或いは複数フレームごとに間欠的に挿入する（例えば、各アンテナ素子で送信する推定用信号を複数フレームに分散させる）ものであってもよい。例えば、アンテナ素子数が少ない場合にはアダプティブアレイ方式用フレームごとに挿入し、アンテナ素子数が多い場合には複数フレームごとに間欠的に挿入する。

上述したように本実施形態によれば、送受アンテナ素子組合せごとの無線伝播路（ＭＩＭＯチャネル）間の直交性を推定して、アダプティブアレイ方式又はＭＩＭＯ方式のいずれが優位であるのかを適宜判断し、優位な方を用いることができる。さらに、アダプティブアレイ方式の無線通信フレームを複数の通信チャネルで構成し、ＭＩＭＯチャネルの推定のための信号を、前記通信チャネルを巡回して送信するようにしているので、受信側ではＭＩＭＯチャネルの推定を行うための情報をより多く受け取ることが可能になる。これにより、アダプティブアレイ方式からＭＩＭＯ方式への切替えをより精度よく行うことができ、しかも、通信の連続性を保った状態でアダプティブアレイ方式からＭＩＭＯ方式へ切替えることができる。

また、アダプティブアレイ方式とＭＩＭＯ方式の切替えを行うために別途制御装置等を設ける必要がないので、コスト増を防止できる。

以上、本発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明の実施形態に係る無線通信装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る通信方式切替え処理のシーケンス図である。 本発明の実施形態に係るＭＩＭＯ方式の適合推定処理を説明するための説明図である。 時分割多重方式で推定用信号を伝送する場合の説明図である。 時分割多重方式で推定用信号を伝送する場合の説明図である。 周波数分割多重方式で推定用信号を伝送する場合の説明図である。 周波数分割多重方式で推定用信号を伝送する場合の説明図である。

符号の説明

５１・・・タイミング制御部、５２・・・ＭＩＭＯトレーニング信号、５３シリアルパラレル変換機部、５４…コード割り当て、５５ａ及び５５ｂ・・・スイッチ部、５７・・・アダティ部アレー部、５８・・・重み付け部、６０ａ及び６０ｂ‥・合成部、６１ａ及び６１ｂ・・・アンテナ部

Claims (6)

1. 互いに複数のアンテナ素子を備えた第１の無線通信装置と第２の無線通信装置との間で、アダプティブアレイ方式又はＭＩＭＯ方式のいずれかに切替えて無線通信を行う無線通信方法であって、
   前記第１の無線通信装置と第２の無線通信装置との間の無線通信においてアダプティブアレイ方式の無線通信フレームを複数の通信チャネルで構成する通信チャネル構成ステップと、
   前記第１の無線通信装置と第２の無線通信装置とのいずれかの前記無線通信装置から、ＭＩＭＯチャネルの推定のための信号を前記通信チャネル構成ステップにより得られるチャネルを巡回して送信する信号送信ステップと、
   を含むことを特徴とする無線通信方法。
2. 前記信号は、アダプティブアレイ方式での重み付け合成の対象とならないように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の無線通信方法。
3. 互いに複数のアンテナ素子を備えた第１の無線通信装置と第２の無線通信装置との間で無線伝搬路を介して、アダプティブアレイ方式又はＭＩＭＯ方式のいずれかに切替えて無線通信を行う無線通信システムにおいて、
   前記第１の無線通信装置は、アダプティブアレイ方式の無線通信フレームを複数の通信チャネルで構成する通信チャネル構成手段と、
   ＭＩＭＯチャネルの推定のための信号を前記通信チャネル構成手段により得られる通信チャネルを巡回して第２の無線通信装置へ送信する信号送信手段と、
   前記第２の無線通信装置が前記信号を受信することにより、通信チャネルを巡回してＭＩＭＯ方式に適しているかを推定するＭＩＭＯチャネル推定手段と、
   ＭＩＭＯチャネルの推定結果に基づきアダプティブアレイ方式からＭＩＭＯ方式への切り替えを判断する切り替え判断手段と、
   前記判断に基づきアダプティブアレイ方式からＭＩＭＯ方式へ切り替える切り替え手段と、
   を有することを特徴とする無線通信システム。
4. 前記ＭＩＭＯチャネルの推定は、前記無線伝播路が空間的に直交性を測定することによって行うことを特徴とする請求項３に記載の無線通信システム。
5. 複数のアンテナ素子を備え、アダプティブアレイ方式又はＭＩＭＯ方式のいずれかに切替えて無線通信を行う無線通信装置において、
   アダプティブアレイ方式の無線通信フレームを複数の通信チャネルで構成する通信チャネル構成手段と、
   ＭＩＭＯチャネルの推定のための信号を前記通信チャネル構成手段により得られるチャネルを巡回して送信する信号送信手段と、
   を含むことを特徴とする無線通信装置。
6. 前記信号は、アダプティブアレイ方式での重み付け合成の対象とならないように設定されていることを特徴とする請求項５に記載の無線通信装置。
   
   

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