JP2007214759A - 無線通信装置および無線通信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】受信側の復号処理が先に述べたＺＦ法やＭＭＳＥ法のような比較的簡易な処理であったとしても、ＭＩＭＯの伝送特性を向上させる。
【解決手段】伝搬チャネル推定部７は、第２の無線通信装置２００からの伝搬チャネル推定用の信号から、Ｍ本のアンテナずつ伝搬チャネル応答を推定する。ＳＮＲ推定部３０は、推定した伝搬チャネル情報に従って、受信電力もしくはＳＮＲを求め、Ｌ本分のＳＮＲをランキングし、ＳＮＲの大きいアンテナをＫ本選択する。相関値計算部３１は、Ｋ本のアンテナを組合せ、それぞれの組合せにおける相関値を計算する。送信アンテナ選択部９は、相関値が低くなるように、Ｍ’本のアンテナを選択する。送信アンテナ制御部１０は、選択されたＰ本のアンテナと送信機２−１〜２−Ｍ’とが接続されるようにスイッチ４を切り替える。信号Ｓ_１〜Ｓ_Ｍ’は、Ｐ本のアンテナから送信される。
【選択図】図１

Description

本発明は、同一の周波数チャネルを用い、異なる複数の送信アンテナより独立な信号系列を空間多重して送信し、複数の受信アンテナを用いて信号を受信し、各送受信アンテナ間の伝達関数行列を基に受信局側でデータの復調を行うＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔ）通信を実現する高速無線アクセスシステムに係り、１つの無線通信装置と他の複数の無線通信装置が同時に、かつ同一周波数チャネル上で空間多重して通信を行う無線通信装置および無線通信方法に関する。

近年、２．４ＧＨｚ帯または５ＧＨｚ帯を用いた高速無線アクセスシステムとして、ＩＥＥＥ８０２．１１ｇ規格、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ規格などの普及が目覚しい。これらのシステムでは、マルチパスフェージング環境での特性を安定化させるための技術である直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ：Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）変調方式を用い、最大で５４Ｍｂｐｓの伝送速度を実現している。

但し、ここでの伝送速度とは、物理レイヤ上での伝送速度であり、実際には、ＭＡＣ（Ｍｅｄｉｕｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ ）レイヤでの伝送効率が５０〜７０％程度であるため、実際のスループットの上限値は３０Ｍｂｐｓ程度である。一方で、有線ＬＡＮの世界では、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）の１００Ｂａｓｅ−Ｔインタフェースを始め、各家庭にも光ファイバを用いたＦＴＴＨ（Ｆｉｂｅｒ ｔｏ ｔｈｅ ｈｏｍｅ）による１００Ｍｂｐｓの高速回線の提供が普及しており、無線ＬＡＮの世界においても更なる伝送速度の高速化が求められている。

そのための技術としては、ＭＩＭＯ技術が有力である。このＭＩＭＯ技術とは、送信局側において複数の送信アンテナから同一チャネル上で異なる独立な信号を送信し、受信局側において同じく複数のアンテナを用いて信号を受信し、各送信アンテナ／受信アンテナ間の伝達関数行列を求め、この行列を用いて送信局側で各アンテナから送信した独立な信号を推定し、データを再生するものである。

ＭＩＭＯ技術を用いた理論的な最大伝送容量Ｃは、次の数式（１）で理論的に求めることができることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。

上記数式（１）において、ρは信号対雑音電力比、Ｍは送信アンテナ素子数、Ｉ_Ｎは、受信素子数Ｎ×Ｎの単位行列である。また、Ｈは、送信アンテナと受信アンテナ間の伝搬チャネル応答を表す伝達関数行列であり、次の数式（２）で記述することができる。

ここで、ｈ_ｉｊはｉ番目の送信アンテナからｊ番目の受信アンテナへの伝搬路のチャネル応答である。数式（１）より、ＭＩＭＯ伝送においては、アンテナ素子数の増加、ＳＮＲの増加、アンテナ間の空間相関の低下が伝容容量増加の寄与につながる。この中で、アンテナ素子数を増加させることが最も効果的にＭＩＭＯ伝送の伝送容量増大につながる。しかし、アンテナ素子数の増加は、無線通信装置のハードウエア規模の増大に直接つながるため、できるだけ少ない素子数でＭＩＭＯ伝送を行い、かつ最大限の効果を得る必要がある。特に、端末局は、限られたスペースに送信機や、受信機、アンテナなどを実装する必要があり、アンテナ素子数をせいぜい数素子程度にする必要がある。
Ｉ．Ｅ． Ｔｅｌａｔａｒ， "Ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｍｕｌｔｉａｎｔｅｎｎａ Ｇａｕｓｓｉａｎ ｃｈａｎｎｅｌｓ"，Ｅｕｒｏ． Ｔｒａｎｓ． Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎ．， ｖｏｌ．１， ｎｏ．６， Ｎｏｖ．／Ｄｅｃ． １９９９．

前述したＭＩＭＯの伝送容量は、与えられたＳＮＲで理論的に最適な変調方式や、符号化などを用いて伝送する場合の容量を表しており、また、実際には，数式（１）の伝送容量を得ることはできない。また、実際には、受信側の復号処理によりその特性が大きく異なることが報告されている。この事実は、例えば、「文献：大鐘、ＭＩＭＯシステムの基礎と要素技術、アンテナ・伝播における設計・解析手法ワークショップ、Ｗ２９，３０」などに開示されている。

ここで、簡易な復号として知られているＺＦ（Ｚｅｒｏ Ｆｏｒｃｉｎｇ）法や、ＭＭＳＥ（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）法などは、アンテナ間の相関などで大きくその特性が劣化する場合がある。一方、ＯＳＵＣ（Ｏｒｄｅｒｅｄ ＳＵｃｃｅｓｓｉｖｅ Ｃａｎｃｅｌａｔｉｏｎ）や、ＭＬＤ（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）といった方法を用いることで、アンテナ間の相関が比較的大きくなる場合でも、良好な伝送特性を得ることができる。但し、これらの方法に関しては、性能と計算の複雑さにはトレードオフが存在する。すなわち、性能を向上させようとすると、信号処理部の負担が大きくなるといった問題が生じる。

また、ＺＦ（Ｚｅｒｏ Ｆｏｒｃｉｎｇ）法や、ＭＭＳＥ（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）法などの簡易な復号処理で行う良好なＭＩＭＯ伝送を実現する手法として、Ｗｅｉｇｈｔｅｄ ＳＤＭ（Ｓｐａｃｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）法（Ｗ−ＳＤＭ法）が提案されている。

図７は、従来技術によるＷ−ＳＤＭ法を用いた無線通信装置の構成を示すブロック図である。図において、Ｗ−ＳＤＭ法では、まず、送信側に送信したいデータ数よりも冗長なアンテナ数を配置する。伝搬チャネル推定部７によって、受信アンテナと冗長な数の送信アンテナ間での全ての伝達関数を推定する。推定した送受信アンテナの全ての組合せの伝搬チャネル情報を用い、伝送容量期待値計算部８では、送信データ数、送信アンテナ本数、ならびに送信アンテナ本数と送信データ数が決定された場合の送信するアンテナ番号（図７では＃１〜＃Ｌ）までの全ての組合せに関し、数式（１）で与えられる伝送容量Ｃを計算する。送信アンテナ選択部９では、この計算により得られた結果に従って、最も容量の期待値が大きくなる送信アンテナ素子数、アンテナ番号により送信アンテナを決定する。送信アンテナ制御部１０では、上記決定された送信アンテナを用いるべく、スイッチ４を切り替えて、送信機に選択された送信アンテナを接続する。

この方法を用いれば、アンテナを冗長に持つことにより、ＳＮＲ（Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）が高く、かつアンテナ間の相関が低くなるアンテナの組合せが選ばれることになり、受信側でも簡易な手法で復号を行うことができる。しかしながら、この方法では、冗長なアンテナ素子を増やすと、伝送容量期待値計算部８において、膨大な伝送容量のための組合せを計算する必要があり、せっかく受信側で簡易な処理を実現することができても、送信側の演算は膨大になるといった問題が生じる。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、Ｗ−ＳＤＭ法よりも簡易な規範でアンテナ素子を切り替えて送信することで、受信側の復号処理がＺＦ法やＭＭＳＥ法のような比較的簡易な処理であったとしても、ＭＩＭＯの伝送特性を向上させることができる無線通信装置および無線通信方法を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明は、複数のアンテナで構成される第１のアンテナ群を備え、前記第１のアンテナ群と他の無線通信装置が備える複数のアンテナで構成される第２のアンテナ群とにより構成されるＭＩＭＯチャネルを介して複数の信号系統を同一周波数チャネルおよび同一時刻に空間多重してＭＩＭＯ通信を行う無線通信装置であって、当該無線通信装置と前記他の無線通信装置との間の伝搬路のチャネル応答値を用いて前記第１のアンテナ群の各々のアンテナの受信電力を推定する受信電力推定手段と、前記第１のアンテナ群の中から、前記受信電力推定手段によって推定された受信電力が相対的に大きい複数のアンテナを選択する第１のアンテナ選択手段と、前記第１のアンテナ選択手段によって選択された複数のアンテナと該複数のアンテナ以外のアンテナとの間における相関値を算出する相関値算出手段と、前記相関値算出手段によって算出された相関値が相対的に小さくなるアンテナを、前記複数のアンテナ以外のアンテナの中から、少なくとも１つ選択する第２のアンテナ選択手段と、前記第１のアンテナ選択手段および前記第２のアンテナ選択手段によって選択されたアンテナを用いて信号を送信する送信手段とを具備することを特徴とする。

本発明は、上記の発明において、前記第１のアンテナ群は、Ｌ（Ｌは３以上の整数）本のアンテナ素子からなり、前記第２のアンテナ群は、Ｎ本のアンテナ素子からなり、前記受信電力推定手段は、前記他の無線通信装置から送信される伝搬チャネル応答を推定する伝搬チャネル推定手段と、前記伝搬チャネル推定手段によって推定された伝搬チャネル応答値に基づいて、前記Ｌ本のアンテナ素子のそれぞれで得られる受信電力を算出する受信電力算出手段とからなり、前記第１のアンテナ選択手段は、前記第１のアンテナ群の中から、前記受信電力算出手段によって算出された受信電力が相対的に大きいアンテナ素子をＫ（Ｋ＜Ｌ）本選択し、前記相関値算出手段は、前記選択されたＫ本のアンテナ素子と、（Ｌ−Ｋ）本のアンテナ素子の各々に対する（Ｌ−Ｋ）通りの空間相関を算出し、前記第２のアンテナ選択手段は、（Ｌ−Ｋ）本のアンテナ素子の中から、空間相関値が相対的に小さいアンテナ素子をＰ（Ｐ＜Ｌ−Ｋ）本選択することを特徴とする。

また、上述した課題を解決するために、本発明は、複数のアンテナで構成される第１のアンテナ群を備える第１の無線通信装置と複数のアンテナで構成される第２のアンテナ群を備える第２の無線通信装置との間で、前記第１のアンテナ群と前記第２のアンテナ群とにより構成されるＭＩＭＯチャネルを介して、複数の信号系統を同一周波数チャネルおよび同一時刻に空間多重してＭＩＭＯ通信を行う無線通信方法であって、前記第１の無線通信装置と前記第２の無線通信装置の間の伝搬路のチャネル応答値を用いて前記第１のアンテナごとの受信電力を推定する第１のステップと、前記第１のアンテナ群の中から、前記推定された受信電力が相対的に大きい複数のアンテナを選択する第２のステップと、前記選択された複数のアンテナと該複数のアンテナ以外のアンテナとの間における相関値を算出する第３のステップと、前記算出された相関値が相対的に小さくなるアンテナを、前記複数のアンテナ以外のアンテナの中から、少なくとも１つ選択する第４のステップと、前記受信電力が相対的に大きい複数のアンテナと前記相関値が相対的に小さくなる少なくとも１つアンテナとを用いて信号を送信する第５のステップとを含むことを特徴とする。

本発明は、上記の発明において、前記第１のアンテナ群は、Ｌ（Ｌは１以上の整数）本のアンテナ素子からなり、前記第２のアンテナ群は、Ｎ本のアンテナ素子からなり、前記第１のステップでは、前記第２の無線通信装置から送信される伝搬チャネル応答を推定するとともに、前記推定された伝搬チャネル応答値に基づいて、前記Ｌ本のアンテナ素子のそれぞれで得られる受信電力を算出し、前記第２のステップでは、前記第１のアンテナ群の中から、前記受信電力算出手段によって算出された受信電力が相対的に大きいアンテナ素子をＫ（Ｋ＜Ｌ）本選択し、前記第３のステップでは、前記選択されたＫ本のアンテナ素子と、（Ｌ−Ｋ）本のアンテナ素子の各々に対する（Ｌ−Ｋ）通りの空間相関を算出し、前記第４のステップでは、（Ｌ−Ｋ）本のアンテナ素子の中から、空間相関値が相対的に小さいアンテナ素子をＰ（Ｐ＜Ｌ−Ｋ）本選択することを特徴とする。

本発明は、上記の発明において、前記第１の無線通信装置が空間多重する信号系統数をＭ’とし、前記第２のステップで選択されるアンテナ素子数ＫをＫ＝Ｍ’−１とし、前記第３のステップで選択されるアンテナ素子数（Ｌ−Ｋ）を１とすることを特徴とする。

本発明は、上記の発明において、前記第１の無線通信装置が空間多重する信号系統数をＭ’とし、前記第２のステップで選択されるアンテナ素子数ＫをＫ＝Ｍ’−２とし、前記第３のステップで選択されるアンテナ素子数（Ｌ−Ｋ）を２とすることを特徴とする。

本発明は、上記の発明において、前記第１の無線通信装置のアンテナ素子を、少なくとも２種類の異なる偏波特性を有するアンテナ素子とし、前記アンテナ素子の受信電力を偏波特性毎に測定する第６のステップと、前記アンテナ素子の偏波特性に基づいて、前記アンテナ素子の組合せを決定する第７のステップと、前記偏波特性毎に測定したアンテナ素子の受信電力と前記予め決定しておいた前記アンテナ素子の組合せとに基づいて、送信に用いるアンテナ素子を決定する第８のステップとを含むことを特徴とする。

本発明は、上記の発明において、前記第１のアンテナ群をＬ（Ｌは１以上の整数）本のアンテナ素子とし、かつＬ本のアンテナ素子のうち少なくとも１本を他のアンテナ素子と異なる偏波特性を有するアンテナ素子とし、前記第２のアンテナ群をＮ本のアンテナ素子とし、前記第１のステップでは、前記第２の無線通信装置から送信される伝搬チャネル応答を推定するとともに、前記推定された伝搬チャネル応答値に基づいて、偏波特性の異なる受信アンテナ素子毎に得られる受信電力を算出し、前記第２のステップでは、ＳＮＲが相対的に大きいアンテナ素子をＫ（Ｋ＜Ｌ）本選択し、前記第４のステップでは、選択されたＫ本のアンテナ素子の偏波特性と前記Ｎ本のアンテナ素子の位置関係とに基づいて、残りの（Ｌ−Ｋ）本のアンテナ素子の中からＰ（Ｐ＜Ｌ−Ｋ）本のアンテナ素子を選択し、前記偏波特性毎に測定したアンテナ素子の受信電力と前記予め決定しておいた前記アンテナ素子の組合せとに基づいて、送信に用いるアンテナ素子を決定する第９のステップとを含むことを特徴とする。

本発明は、上記の発明において、前記第２の無線通信装置が複数である場合、前記第１のステップ〜第５のステップを前記第２の無線通信装置の各々に対して実施することを特徴とする。

この発明によれば、受信電力推定手段により、複数のアンテナで構成される第１のアンテナ群と他の無線通信装置との間の伝搬路のチャネル応答値を用いて第１のアンテナ群の各々のアンテナの受信電力を推定し、第１のアンテナ選択手段により、第１のアンテナ群の中から、推定された受信電力が相対的に大きい複数のアンテナを選択し、相関値算出手段により、選択された複数のアンテナと該複数のアンテナ以外のアンテナとの間における相関値を算出し、第２のアンテナ選択手段により、相関値が相対的に小さくなるアンテナを、複数のアンテナ以外のアンテナの中から、少なくとも１つ選択し、送信手段により、選択されたアンテナを用いて信号を送信する。したがって、Ｗ−ＳＤＭ法よりも簡易な規範でアンテナ素子を切り替えて送信することで、受信側の復号処理がＺＦ法やＭＭＳＥ法のような比較的簡易な処理であったとしても、ＭＩＭＯの伝送特性を向上させることができるという利点が得られる。

以下、本発明の一実施形態による無線通信装置を、図面を参照して説明する。

Ａ．第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態による無線通信装置の構成を示すブロック図である。なお、図７に対応する部分には同一の符号を付けている。図１において、第１の無線通信装置３００が送信側、第２の無線通信装置２００が最終的には受信側として動作する形態を示している。また、第１、２の無線通信装置３００、２００は、それぞれが基地局ならびに端末として動作する。また、以降の実施形態を含め、第１の無線装置が空間多重する信号系統数をＭ’とする。なお、Ｍ’の値は、適応的に変更可能であっても良い。

第１の無線通信装置３００は、送信信号生成部１、Ｍ個（Ｍ≧Ｍ’）の送信機２−１〜２−Ｍ、サーキュレータ３−１〜３―Ｍ、スイッチ４、Ｌ個のアンテナ＃１〜＃Ｌ、Ｍ個の受信機６−１〜６−Ｍ、伝搬チャネル推定部７、ＳＮＲ推定部３０、相関値計算部３１、送信アンテナ選択部９、送信アンテナ制御部１０を備えている。送信信号生成部１は、Ｍ’個の送信信号Ｓ_１〜Ｓ_Ｍ’を生成し、送信機２−１〜２−Ｍ’に供給する。送信機２−１〜２−Ｍ’は、サーキュレータ３−１〜３―Ｍおよびスイッチ１４を介して、選択されたＭ’本の送信アンテナから信号を送信する。なお、送信アンテナの選択については後述する。

第１の無線通信装置３００では、Ｌ＞Ｍであるので、一度にＬ本のアンテナで信号を受信できない。そこで、Ｍ本のアンテナ毎に伝搬チャネル応答を推定する。ＳＮＲ推定部３０は、Ｌ本分のＳＮＲをランキングし、ＳＮＲが相対的に大きいアンテナをＫ本（Ｋ＜Ｍ’）選択する。相関値計算部３１は、ＳＮＲが高くなるように、Ｋ本のアンテナと残りの（Ｌ−Ｋ）本の中のＰ本を組合せ、それぞれの組合せにおける相関値を計算し、該相関値が低くなるように、Ｐ本のアンテナ素子を送信アンテナとして選択する。

送信アンテナ選択部９は、選択されたアンテナの情報を送信アンテナ制御部１０へ命令する。送信アンテナ制御部１０は、上記命令に従って、選択されたアンテナと送信機２−１〜２−Ｍとを接続するようにスイッチ４を切替え制御する。スイッチ４は、送信アンテナ制御部１０による切替え制御に従って、アンテナ＃１〜＃Ｌと、送信機２−１〜２−Ｍ、もしくは受信機６−１〜６−Ｍとを接続する。

第２の無線通信装置２００は、伝搬チャネル推定用信号送信部１１、送信機１２−１〜１２−Ｎ、サーキュレータ（またはスイッチ）１３−１〜１３―Ｎ、Ｎ個のアンテナ＃１〜＃Ｎ、Ｎ個の受信機１４−１〜１４−Ｎ、伝搬チャネル推定部１５および復号処理部１６を備えている。伝搬チャネル推定用信号送信部１１は、伝搬チャネル推定用の信号Ｓｐを生成する。送信機１２−１〜１２−Ｎは、サーキュレータ１３−１〜１３―Ｎを介して、伝搬チャネル推定用の信号Ｓｐをアンテナ＃１〜＃Ｎから第１の無線通信装置３００に送信する。

受信機１４−１〜１４−Ｎは、サーキュレータ１３−１〜１３―Ｎを介して、アンテナ＃１〜＃Ｎにより第１の無線通信装置２００からの信号を受信する。伝搬チャネル推定部１５は、受信機１４−１〜１４−Ｎにより受信された信号から伝搬チャネル応答を推定する。復号処理部１６は、受信した信号を復号する。

なお、本第１実施形態では、伝搬チャネル応答を第２の無線通信装置２００が送信した信号から推定しているが、第１の無線通信装置３００が送信した信号を第２の無線通信装置２００で推定し、この推定結果を第１の無線通信装置３００にフィードバックするようにしてもよい。

次に、図２は、本第１実施形態による無線通信装置の動作を説明するためのフローチャートである。まず、第２の無線通信装置２００では、伝搬チャネル推定用信号送信部１１が伝搬チャネル推定用の信号を送信機１２−１〜１２−Ｍにより送信する（Ｓ１）。これに対して、第１の無線通信装置３００では、伝搬チャネル推定用の信号を受信機６−１〜６−Ｍにより受信し、伝搬チャネル推定部７によって、伝搬チャネル応答を推定する（Ｓ２）。

この際、第１の無線通信装置３００では、受信機６−１〜６−ＭのＭ個、アンテナ数がＬ個で、かつ、Ｌ＞Ｍであるので、一度にＬ本のアンテナで信号を受信できない。そこで、第１の無線通信装置３００は、Ｍ本のアンテナずつ伝搬チャネル応答を推定する。例えば，Ｌ＝８、Ｍ＝３とすると、＃１〜＃３、＃４〜＃６、＃７および＃８といったような組合せで推定を行う。

次に、第１の無線通信装置３００では、ＳＮＲ推定部３０によって、推定した伝搬チャネル情報に従って、受信電力もしくはＳＮＲを求める（Ｓ３）。ステップＳ２により数式（２）の伝搬チャネル応答に対応する、Ｎ×ＬのＭＩＭＯチャネルの伝搬チャネル応答を取得したとすると、ｉ番目（ｉ＝１〜Ｌ）の受信アンテナにおけるＳＮＲ_ｉは、次の数式（３）で得ることができる。

次に、第１の無線通信装置３００では、ＳＮＲ推定部３０によって、Ｌ本分のＳＮＲを大きい順にランキングし、ＳＮＲが大きいＫ本の受信アンテナの情報を送信アンテナ選択部９に送出する（Ｓ４）。ここで、Ｋ＜Ｌである。ＳＮＲが高いアンテナ素子を選択することは、ＭＩＭＯの容量増大に期待できるが、前述したように、アンテナ間の相関値ができるだけ低くなることもＭＩＭＯ伝送にとっては重要である。そこで、本第１実施形態では、ＳＮＲが高くなるようなＫ本のアンテナと残りの（Ｌ−Ｋ）本の中のＰ本を組合せ、相関値計算部３１により、それぞれの組合せにおける相関値を計算し（Ｓ５）、送信アンテナ選択部９により、相関値が低くなるＰ本のアンテナ素子の選択し、該Ｐ本のアンテナ素子の情報を、送信アンテナ選択部９に送出する（Ｓ６）。ここで、Ｐ＜Ｌ−ＫおよびＫ＋Ｐ＝Ｍ’の条件を満たす。

一例として、送信アンテナが４本、受信アンテナが４本の場合について説明する。チャネル行列は、前述した数式（２）により得られる（Ｍ＝４、Ｎ＝４）。ここで、最初に、ＳＮＲの大きい２本（Ｋ＝２）のアンテナ素子と、これらと相関が低くなる１本（Ｐ＝１）のアンテナ素子とを選択すると仮定する。ＳＮＲの大きいアンテナが、＃２、＃４とし、＃１、＃３から残りの１本のアンテナを相関値を用いて選択する。

この場合、アンテナ＃１に対する相関値ρ_１、およびアンテナ＃３に対する相関値ρ_３は、次の数式（４）、（５）で与えられる。

上記数式（４）、（５）は、選択しようとするアンテナに対し、既に選択されているアンテナとの相関和となる。数式（４）、（５）では、右辺第１項がアンテナ＃２との相関、第２項がアンテナ＃４との相関に相当する。この相関値ρ_１とρ_３とを比較し、値が小さくなる方のアンテナを３本目のアンテナ素子として選択すればよい。なお、２本以上選択する場合には、相関値が小さくなるアンテナ素子を上記数式に従って順番に選択すればよい。なお、送信機と受信機との数をそれぞれＭとした場合、例えば、ＫをＭ−１とし、Ｌ―Ｋ本の中から１本を選択してもよいし、ＫをＭ−２とし、Ｌ−Ｋ本の中から１本を選択してもよい。

次に、送信アンテナ選択部９は、上記ＳＮＲが大きいＫ本のアンテナ素子の情報と、相関値が低くなるＰ本のアンテナ素子の情報に従って、用いるべきアンテナ素子を選択し、選択したアンテナ素子の情報を送信アンテナ制御部１０に送出する（Ｓ７）。送信アンテナ制御部１０は、選択されたアンテナ素子の情報に従って、選択されたアンテナ素子と送信機２−１〜２−Ｍ’とが接続されるようにスイッチ４を切り替える（Ｓ８）。その後、第１の無線通信局３００は、送信信号生成部１で生成した信号Ｓ_１〜Ｓ_Ｍ’を選択されたＭ’本の送信アンテナから送信する（Ｓ９）。これに対して、第２の無線通信局２００では、伝搬チャネル推定部１５によって伝搬チャネル応答を推定し（Ｓ１０）、復号処理部１６によって受信した信号を復号する（Ｓ１１）。

Ｂ．第２実施形態
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図３は、本第２実施形態による無線通信装置の構成を示すブロック図である。本第２実施形態は、マルチユーザＭＩＭＯに拡張した例である。なお、図１に対応する部分には同一の符号を付けて説明を省略する。本第２実施形態では、第１の無線通信装置３０１は、複数の第２の無線通信装置（端末）２００−１、２００−２、それぞれに対する送信アンテナを決定できるように、第２の無線通信装置２００−１、２００−２毎に、図１に示した基本機能を備えている。さらに、第１の無線通信装置３０１は、選択したアンテナを用いた際に、端末間での干渉が大きくならないように、端末間の相関を検出する機能を設けている。

第１の無線通信装置３０１は、第２の無線通信装置毎に、信号処理部４０−１、４０−２を備えている。信号処理部４０−１、４０−２は、各々、前述した第１実施形態で説明した、伝搬チャネル推定部７、ＳＮＲ推定部３０、相関値計算部３１、送信アンテナ選択部９、送信アンテナ制御部１０を備えている。また、端末間相関監視部４１は、選択したアンテナを用いた際に、第２の無線通信装置２００−１、２００−２間での干渉が大きくならないように、第２の無線通信装置２００−１、２００−２間の相関を検出する。

上述した構成では、端末間相関監視部４１によって端末間の相関を検出し、端末間の相関値が大きくなった場合には、同時に接続する端末として回避するか、もしくは送信するアンテナを予め候補だったアンテナ素子の上位から順に選択し直すなどの処理を行う。

Ｃ．第３実施形態
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本第３実施形態は、マルチユーザＭＩＭＯに拡張した例である。本第３実施形態のポイントは、垂直・水平偏波のアンテナ素子は近接する場合でも、同一の偏波を近接して並べるよりも相関が大きく低下するという特徴を利用した点にある。そこで、本第３実施形態では、予めＳＮＲが高いアンテナを選択しておくことで、相関値をわざわざ求めなくても、アンテナ位置と偏波とがどうなっているかという情報だけに基づいて、ＳＮＲが高く、かつアンテナ間の相関も低くできるようにアンテナを選択することができるようになっている。

図４は、本第３実施形態による無線通信装置の構成を示すブロック図である。なお、図１に対応する部分には同一の符号を付けて説明を省略する。図において、アンテナ４−１は、垂直・水平偏波のアンテナ素子からなる。偏波別ＳＮＲ推定部５０は、偏波特性が異なるアンテナ毎にＳＮＲを測定する。組合せパターンテーブル部５１は、選択された高いＳＮＲのアンテナ素子と相関が低くなるように、できるだけ近接する異なる偏波素子が選択されるよう、テーブル化された値を記憶している。

組合せパターンとしては、例えば、最初のＫ本を選択する際には、垂直偏波のみの組合せ（ＳＮＲが高くなることを優先）を、予め選択し、次のＰ本を選択する際には、相関が低くなるアンテナの組合せとして水平偏波を選択する。例えば、垂直偏波アンテナを最初に優先的に選択するのは、一般に、垂直偏波のＳＮＲが水平偏波のＳＮＲよりもやや高いことが知られており、また、垂直偏波と水平偏波アンテナ間では、非常に低い相関が得られるので、相関が低くなる組合せが得られるという意味で有効である。

あるいは、垂直、水平、垂直、水平、…と順番に偏波を交互に変えていく組合せ（相関がそもそも低くなるように選択することを想定）としてもよい。これは、屋外のような、空間相関が高くなるような環境では、垂直偏波だけでは相関が非常に高くなるため、ある程度、相関の低くなるようなアンテナの組合せを最初から選択しておくことを意味する。

このように、本第３実施形態では、まず、偏波毎にＳＮＲの高いアンテナ素子を選んでおき、後は、近接する素子に異なる偏波のアンテナ素子を選べばよい。そこで、送信アンテナ選択部９は、ＳＮＲの高いアンテナ素子に対し、近接するアンテナ素子のうち、どのアンテナ素子が異なる偏波となっているかを判定するために、異なる偏波のアンテナ素子が予め選ばれるように組合せパターンテーブル部５１を参照する。このように、テーブル化することにより、相関値を求めなくても、効率的に送信アンテナを決定することができる。

図５は、本第３実施形態による無線通信装置の動作を説明するためのフローチャートである。まず、第２の無線通信装置２００では、伝搬チャネル推定用信号送信部１１が伝搬チャネル推定用の信号を送信機１２−１〜１２−Ｎにより送信する（Ｓ２０）。これに対して、第１の無線通信装置３０２では、伝搬チャネル推定用の信号を受信機６−１〜６−Ｍにより受信し、伝搬チャネル推定部７によって、伝搬チャネル応答を推定する（Ｓ２１）。

この際、第１の無線通信装置３０２では、受信機６−１〜６−ＭのＭ個、アンテナ数がＬ個で、かつ、Ｌ＞Ｍであるので、一度にＬ本のアンテナで信号を受信できない。そこで、第１の無線通信装置３０２は、Ｍ本のアンテナずつ伝搬チャネル応答を推定する。例えば、Ｌ＝８、Ｍ＝３とすると、まず、＃１〜＃３について推定を行い、次に、＃４〜＃６について推定を行い、最後に残りの２つである＃７と＃８について推定を行う。

次に、第１の無線通信装置３０２では、偏波別ＳＮＲ推定部５０によって、推定した伝搬チャネル情報に従って、受信電力もしくはＳＮＲを求める（Ｓ２２）。ステップＳ２１により、数式（２）の伝搬チャネル応答に対応する、Ｎ×ＬのＭＩＭＯチャネルの伝搬チャネル応答を取得したとすると、ｉ番目（ｉ＝１〜Ｌ）の受信アンテナにおけるＳＮＲ_ｉは、上述した数式（３）で得ることができる。

次に、第１の無線通信装置３０２では、偏波別ＳＮＲ推定部５０によって、Ｌ本分のＳＮＲを大きさの順にランキングし、ＳＮＲの大きいアンテナをＫ本選び、組合せパターンテーブル部５１に送る（Ｓ２３）。ここで、Ｋ＜Ｌである。ＳＮＲが高いアンテナ素子を選択することは、ＭＩＭＯの容量増大に期待できるが、前述した第１実施形態と同様に、アンテナ間の相関を低下させることも重要である。そこで、本第３実施形態では、予め選ばれたアンテナの組合せに対して、残りの送信アンテナの相関が低くなるように異なる偏波の組合せを選べるようなテーブルを、組合せパターンテーブル部５１に予め用意しておき、送信アンテナ選択部９により、この値を参照して相関値が低くなるアンテナ素子Ｐ本を残りの送信アンテナとして選択し、送信アンテナ制御部１０に送出する（Ｓ２４）。ここで、Ｐ＜Ｌ−ＫおよびＰ＋Ｋ＝Ｍ’の条件を満たす。

次に、第１の無線通信装置３０２では、送信アンテナ選択部９から、選択されたアンテナの情報を送信アンテナ制御部１０へ命令し、選択されたアンテナと送信機２−１〜２−Ｍ’とが接続されるように、送信アンテナ制御部１０によってスイッチ４を切り替える（Ｓ２５）。その後、第１の無線通信局３０２は、送信信号生成部１で生成した信号Ｓ_１〜Ｓ_Ｍ’を選択されたＭ’本の送信アンテナから送信する（Ｓ２６）。これに対して、第２の無線通信局２００では、伝搬チャネル推定部１５によって伝搬チャネル応答を推定し（Ｓ２７）、復号処理部１６によって受信した信号を復号する（Ｓ２８）。

なお、上述した第１から第３実施形態において、ｐ≧２の場合、まず、Ｋ本のアンテナを選択した後、これらＫ本のアンテナと相関の小さなアンテナを１本選択し、その後、これまでに選択したＫ＋１本のアンテナと相関の小さなアンテナを更に１本選択するという操作を繰り返すことで、後から選択されるｐ本の間の相関も小さくなるように設定することも可能である。また、同時に、ｐ本を選択し、Ｋ＋ｐ本全体での相関が小さくなるようなｐ本のアンテナを一度に求めることも可能である。

Ｄ．実施形態の効果
次に、上述した第１ないし第３実施形態の効果について説明する。
本発明では、送信側のアンテナ素子数を８、受信側のアンテナ素子数を４とし、送信機の数を３とした。すなわち、この場合、最大３個のアンテナより信号を送信することが可能である。アンテナの選択は、最大３ということになり、ＭＩＭＯチャネルとしては、３×４のＭＩＭＯ伝送を行うことになる。アンテナ間の素子間隔は、それぞれ１波長とした。復号側のアルゴリズムは、前述したように簡易にすることを目的としているため、ＺＦ法を用いた。アンテナ偏波は、全て垂直偏波とし、アレーの素子間隔は、１波長とした。

評価には、無線ＬＡＮで採用されているＩＥＥＥ８０２．１１ａ準拠の信号フォーマットを採用した。すなわち、信号はＯＦＤＭ信号であり、ＦＦＴ（Ｆｉｒｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）ポイント数は６４、サブキャリア数は５２である。変調方式は、６４ＱＡＭ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）、Ｒ＝２／３と固定とし、ＳＮＲを変化させてＢｉｔ Ｅｒｒｏｒ Ｒａｔｅ（ＢＥＲ）を求めた。また、ＭＩＭＯ伝送を実現するために、伝搬チャネル推定のために、ロングプリアンブル信号を４回繰り返すことで、４×８のＭＩＭＯチャネルの伝搬チャネル応答を得た。伝搬路は、屋内環境を模擬した多重波環境を想定した。

本発明では、ＳＮＲが高いアンテナをまず２本選択し、この２本と残りの６本の間でそれぞれ６通りの相関値を計算し、最も相関が低くなる組合せにおけるアンテナを残りの１本として選択した。一方、従来技術による手法では、８素子から３素子を選択する、全ての組合せ_８Ｃ_３＝５６通りの伝搬チャネル応答から、数式（１）のチャネル容量を求め、送信アンテナを決定した。

図６は、本発明による無線通信装置と従来技術による無線通信装置との性能を比較するための評価試験の結果を示す概念図である。図６では、アンテナ間隔を１λとし、アンテナ３本を固定配置した場合における、本発明、従来手法、送信アンテナ選択なしの３通りを比較した。図から明らかなように、本発明では、送信アンテナを決定する制御が従来手法に比べ大幅に改善しているのにもかかわらず、例えば、ＢＥＲ＝１０−３を得るのに必要な所用送信電力はわずか０．５ｄＢの増加にすぎない。また、送信アンテナ素子数を選択しない場合に対しては、送信電力の低減を４ｄＢとすることができることが分かる。

以上に説明したように、本発明を用いることで、受信側では複雑な復号方法を用いずに高い品質のＭＩＭＯ伝送を実現することができる。

本発明の第１実施形態による無線通信装置の構成を示すブロック図である。 本第１実施形態による無線通信装置の動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の第２実施形態によ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３実施形態による無線通信装置の構成を示すブロック図である。 本第３実施形態による無線通信装置の動作を説明するためのフローチャートである。 本発明による無線通信装置と従来技術による無線通信装置との性能を比較するための評価試験の結果を示す概念図である。 従来技術による無線通信装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 送信信号生成部
２−１〜２−Ｍ 送信機（送信手段）
３−１〜３−Ｍ サーキュレータ
４ スイッチ
６−１〜６−Ｍ 受信機
７ 伝搬チャネル推定部（伝搬チャネル推定手段）
９ 送信アンテナ選択部（第２のアンテナ選択手段）
１０ 送信アンテナ制御部
１１ 伝搬チャネル推定用信号送信部
１２−１〜１２−Ｎ 送信機
１３−１〜１３−Ｎ サーキュレータ
１４−１〜１４−Ｎ 受信機
１５ 伝搬チャネル推定部
１６ 復号処理部
３０ ＳＮＲ推定部（受信電力推定手段、第１のアンテナ選択手段、受信電力算出手段）
３１ 相関値計算部（相関値算出手段）
４０−１、４０−２ 信号処理部
４１ 端末間相関監視部
５０ 偏波別ＳＮＲ推定部
５１ 組合せパターンテーブル部
２００ 無線通信装置（他の無線通信装置、第２の無線通信装置）
３００、３０１、３０２ 無線通信装置（第１の無線通信装置）
＃１〜＃Ｌ アンテナ（第１のアンテナ群）
＃１〜＃Ｎ アンテナ（第２のアンテナ群）

Claims (9)

1. 複数のアンテナで構成される第１のアンテナ群を備え、前記第１のアンテナ群と他の無線通信装置が備える複数のアンテナで構成される第２のアンテナ群とにより構成されるＭＩＭＯチャネルを介して複数の信号系統を同一周波数チャネルおよび同一時刻に空間多重してＭＩＭＯ通信を行う無線通信装置であって、
   当該無線通信装置と前記他の無線通信装置との間の伝搬路のチャネル応答値を用いて前記第１のアンテナ群の各々のアンテナの受信電力を推定する受信電力推定手段と、
   前記第１のアンテナ群の中から、前記受信電力推定手段によって推定された受信電力が相対的に大きい複数のアンテナを選択する第１のアンテナ選択手段と、
   前記第１のアンテナ選択手段によって選択された複数のアンテナと該複数のアンテナ以外のアンテナとの間における相関値を算出する相関値算出手段と、
   前記相関値算出手段によって算出された相関値が相対的に小さくなるアンテナを、前記複数のアンテナ以外のアンテナの中から、少なくとも１つ選択する第２のアンテナ選択手段と、
   前記第１のアンテナ選択手段および前記第２のアンテナ選択手段によって選択されたアンテナを用いて信号を送信する送信手段と
   を具備することを特徴とする無線通信装置。
2. 前記第１のアンテナ群は、Ｌ（Ｌは３以上の整数）本のアンテナ素子からなり、
   前記第２のアンテナ群は、Ｎ本のアンテナ素子からなり、
   前記受信電力推定手段は、
   前記他の無線通信装置から送信される伝搬チャネル応答を推定する伝搬チャネル推定手段と、
   前記伝搬チャネル推定手段によって推定された伝搬チャネル応答値に基づいて、前記Ｌ本のアンテナ素子のそれぞれで得られる受信電力を算出する受信電力算出手段とからなり、
   前記第１のアンテナ選択手段は、前記第１のアンテナ群の中から、前記受信電力算出手段によって算出された受信電力が相対的に大きいアンテナ素子をＫ（Ｋ＜Ｌ）本選択し、
   前記相関値算出手段は、前記選択されたＫ本のアンテナ素子と、（Ｌ−Ｋ）本のアンテナ素子の各々に対する（Ｌ−Ｋ）通りの空間相関を算出し、
   前記第２のアンテナ選択手段は、（Ｌ−Ｋ）本のアンテナ素子の中から、空間相関値が相対的に小さいアンテナ素子をＰ（Ｐ＜Ｌ−Ｋ）本選択することを特徴とする請求項１記載の無線通信装置。
3. 複数のアンテナで構成される第１のアンテナ群を備える第１の無線通信装置と複数のアンテナで構成される第２のアンテナ群を備える第２の無線通信装置との間で、前記第１のアンテナ群と前記第２のアンテナ群とにより構成されるＭＩＭＯチャネルを介して、複数の信号系統を同一周波数チャネルおよび同一時刻に空間多重してＭＩＭＯ通信を行う無線通信方法であって、
   前記第１の無線通信装置と前記第２の無線通信装置の間の伝搬路のチャネル応答値を用いて前記第１のアンテナごとの受信電力を推定する第１のステップと、
   前記第１のアンテナ群の中から、前記推定された受信電力が相対的に大きい複数のアンテナを選択する第２のステップと、
   前記選択された複数のアンテナと該複数のアンテナ以外のアンテナとの間における相関値を算出する第３のステップと、
   前記算出された相関値が相対的に小さくなるアンテナを、前記複数のアンテナ以外のアンテナの中から、少なくとも１つ選択する第４のステップと、
   前記受信電力が相対的に大きい複数のアンテナと前記相関値が相対的に小さくなる少なくとも１つアンテナとを用いて信号を送信する第５のステップと
   を含むことを特徴とする無線通信方法。
4. 前記第１のアンテナ群は、Ｌ（Ｌは１以上の整数）本のアンテナ素子からなり、
   前記第２のアンテナ群は、Ｎ本のアンテナ素子からなり、
   前記第１のステップでは、前記第２の無線通信装置から送信される伝搬チャネル応答を推定するとともに、前記推定された伝搬チャネル応答値に基づいて、前記Ｌ本のアンテナ素子のそれぞれで得られる受信電力を算出し、
   前記第２のステップでは、前記第１のアンテナ群の中から、前記受信電力算出手段によって算出された受信電力が相対的に大きいアンテナ素子をＫ（Ｋ＜Ｌ）本選択し、
   前記第３のステップでは、前記選択されたＫ本のアンテナ素子と、（Ｌ−Ｋ）本のアンテナ素子の各々に対する（Ｌ−Ｋ）通りの空間相関を算出し、
   前記第４のステップでは、（Ｌ−Ｋ）本のアンテナ素子の中から、空間相関値が相対的に小さいアンテナ素子をＰ（Ｐ＜Ｌ−Ｋ）本選択することを特徴とする請求項３記載の無線通信方法。
5. 前記第１の無線通信装置が空間多重する信号系統数をＭ’とし、
   前記第２のステップで選択されるアンテナ素子数ＫをＫ＝Ｍ’−１とし、
   前記第３のステップで選択されるアンテナ素子数（Ｌ−Ｋ）を１とすることを特徴とする請求項４記載の無線通信方法。
6. 前記第１の無線通信装置が空間多重する信号系統数をＭ’とし、
   前記第２のステップで選択されるアンテナ素子数ＫをＫ＝Ｍ’−２とし、
   前記第３のステップで選択されるアンテナ素子数（Ｌ−Ｋ）を２とすることを特徴とする請求項４記載の無線通信方法。
7. 前記第１の無線通信装置のアンテナ素子を、少なくとも２種類の異なる偏波特性を有するアンテナ素子とし、
   前記アンテナ素子の受信電力を偏波特性毎に測定する第６のステップと、
   前記アンテナ素子の偏波特性に基づいて、前記アンテナ素子の組合せを決定する第７のステップと、
   前記偏波特性毎に測定したアンテナ素子の受信電力と前記予め決定しておいた前記アンテナ素子の組合せとに基づいて、送信に用いるアンテナ素子を決定する第８のステップと
   を含むことを特徴とする請求項３ないし６のいずれかに記載の無線通信方法。
8. 前記第１のアンテナ群をＬ（Ｌは１以上の整数）本のアンテナ素子とし、かつＬ本のアンテナ素子のうち少なくとも１本を他のアンテナ素子と異なる偏波特性を有するアンテナ素子とし、前記第２のアンテナ群をＮ本のアンテナ素子とし、
   前記第１のステップでは、前記第２の無線通信装置から送信される伝搬チャネル応答を推定するとともに、前記推定された伝搬チャネル応答値に基づいて、偏波特性の異なる受信アンテナ素子毎に得られる受信電力を算出し、
   前記第２のステップでは、ＳＮＲが相対的に大きいアンテナ素子をＫ（Ｋ＜Ｌ）本選択し、
   前記第４のステップでは、選択されたＫ本のアンテナ素子の偏波特性と前記Ｎ本のアンテナ素子の位置関係とに基づいて、残りの（Ｌ−Ｋ）本のアンテナ素子の中からＰ（Ｐ＜Ｌ−Ｋ）本のアンテナ素子を選択し、
   前記偏波特性毎に測定したアンテナ素子の受信電力と前記予め決定しておいた前記アンテナ素子の組合せとに基づいて、送信に用いるアンテナ素子を決定する第９のステップと
   を含むことを特徴とする請求項６記載の無線通信方法。
9. 前記第２の無線通信装置が複数である場合、前記第１のステップ〜第５のステップを前記第２の無線通信装置の各々に対して実施することを特徴とする請求項４の無線通信方法。
   
   

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