JP2007318730A - 無線通信システム、並びに無線通信装置及び無線通信方法 - Google Patents

無線通信システム、並びに無線通信装置及び無線通信方法 Download PDF

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Abstract

【課題】送信側の端末のアンテナ本数が少ない場合に、Implicit feedbackにより逆方向のチャネル推定結果に基づくビーム形成を行なう。
【解決手段】Beamformerとしての第1の端末は、Beamformeeとしての第2の端末からフィードバックされるsoundパケットを受信すると、M本の空間ストリーム・トレーニングに分離して、N×Mの逆方向のチャネル行列を組み立てるが、自分が持つアンテナ本数を考慮して、該逆方向のチャネル行列に含まれるM列のうちをN列からなるN×Nのチャネル行列を用いて、順方向データ伝送時におけるビーム形成用のN×Nの送信重み行列を求める。
【選択図】 図1

Description

本発明は、空間多重を利用した無線通信システム、並びに無線通信装置及び無線通信方法に係り、特に、送受信機間でチャネル情報を共有してクローズドループ型の空間多重伝送を行なう無線通信システム、並びに無線通信装置及び無線通信方法に関する。
さらに詳しくは、本発明は、送信機がパケットを送信する際に受信機から送られるトレーニング系列に基づいてチャネル行列を得てビーム形成を行なう無線通信システム、並びに無線通信装置及び無線通信方法に係り、特に、Beamformerとなる送信機の方がBeamformeeとなる受信機よりもアンテナ本数が少ない場合において、送信機が受信機から送られるトレーニング系列を用いてビーム形成を行なう無線通信システム、並びに無線通信装置及び無線通信方法に関する。
旧来の有線通信方式における配線から解放するシステムとして、無線ネットワークが注目されている。無線ネットワークに関する標準的な規格として、IEEE(The Institute of Electrical and Electronics Engineers)802.11やIEEE802.15を挙げることができる。
例えばIEEE802.11a/gでは、無線LANの標準規格として、マルチキャリア方式の1つであるOFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing:直交周波数分割多重)変調方式が採用されている。OFDM変調方式では、OFDM変調方式によれば、送信データを相互に直交する周波数が設定された複数のキャリアに分配して伝送するので、各キャリアの帯域が狭帯域となり、周波数利用効率が非常に高く、周波数選択性フェージング妨害に強い。
IEEE802.11a/g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、さらなる高ビットレートを実現できる次世代の無線LAN規格が求められている。
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、空間多重したストリームを実現する通信方式である。送信側では、複数の送信データに空間/時間符号を施して多重化し、N本の送信アンテナに分配してチャネルに送信する。これに対し、受信側では、チャネル経由でM本の受信アンテナにより受信した受信信号を空間/時間復号して、ストリーム間のクロストークなしに受信データを得ることができる(例えば、特許文献1を参照のこと)。理想的には、送受信アンテナのうち少ない方の数(MIN[N,M])だけの空間ストリームが形成される。
MIMO通信方式によれば、周波数帯域を増大させることになく、アンテナ本数に応じて伝送容量の拡大を図り、通信速度向上を達成することができる。また、空間多重を利用するので、周波数利用効率はよい。MIMOはチャネル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。例えば、IEEE802.11a/gの拡張規格であるIEEE802.11nでは、1次変調にOFDMを用いたOFDM_MIMO方式が採用されている。現在、IEEE802.11nは、タスクグループn(TGn)において標準化作業が行なわれており、そこでまとめられつつある仕様案は2005年10月に設立された業界団体EWC(Enhanced Wireless Consortium)で作成された提案仕様に基づいている。
MIMO通信では、空間多重された受信信号yから各ストリーム信号xを空間分離するためには、何らかの方法によりチャネル行列Hを取得するとともに、さらに所定のアルゴリズムによってチャネル行列Hを用いて空間多重された受信信号から元の複数のストリームに空間分離を行なう必要がある。
チャネル行列Hは、一般的には、送信側並びに受信側で既知のトレーニング系列を送受信することで、実際に受信された信号と既知系列との差分によってチャネルの推定を行ない、送受アンテナ組み合わせ分の経路のチャネルを行列形式に並べたものである。送信側アンテナ本数がNで受信側アンテナ本数がMのときは、チャネル行列はM×N(行×列)の行列となる。したがって、送信機からN個のトレーニング系列を送信し、受信機では受信したトレーニング系列を用いてチャネル行列Hを取得することができる。
また、受信信号を空間分離する方法は、受信機がチャネル行列Hに基づいて独立して空間分離を行なうオープンループ型と、送信機側でもチャネル行列に基づいて送信アンテナ重みを掛けて受信機に向けた適切なビーム形成を行なうことによって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とに大別される。
オープンループ型のMIMO伝送方式として、Zero Force(ゼロ化規範)と(例えば、非特許文献1を参照のこと)や、MMSE(MinimumMean Square Error)(例えば、非特許文献2を参照のこと)などが挙げられる。オープンループ型のMIMO伝送方式は、受信信号を空間分離するための受信重み行列Wをチャネル行列Hから求める比較的簡単なアルゴリズムであり、送受信機間でチャネル情報を共有するフィードバック手続きが一切省略され、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。
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、チャネル行列H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3を参照のこと)。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を求める。そして、送信機側では、送信用アンテナ重み行列にVを用いて受信機に向けてビーム形成したパケットを送信し、受信機側では受信用アンテナ重み行列として典型的には(UD)-1を与える。ここで、Dは各空間ストリームの品質に相当する各特異値λiの平方根を対角要素に持つ対角行列である(添え字iはi番目の空間ストリームを意味する)。対角行列Dの対角要素には値の大きい順に特異値λiを並べ、各ストリームに対し特異値の大きさで表される通信品質に応じた電力比配分や変調方式の割り当てを施すことによって、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し、受信機側では元の複数の信号系列を全くクロストークなしに取り出すことができ、理論上は最高のパフォーマンスを達成する。
クローズドループ型のMIMO通信システムでは、送信機がパケットを送信する際には適切なビーム形成を行なうが、そのためにはパケットを受信する受信機側からチャネル行列に関する情報をフィードバックする必要がある。
例えば、EWC HT(High Throughput) MAC(Media Access Control) Specification Version V1.24では、送受信機間でチャネル行列に関する情報をフィードバックする手順として、“Implicit feedback”と“Explicit feedback”という2種類の手順を規定している。
Implicit feedbackは、送信機は、受信機から送られてくるトレーニング系列を用いて受信機から送信機への逆方向のチャネル行列を推定し、送受信機間の双方向のチャネル特性が可逆(reciprocal)であるという前提の下で、送信機から受信機への順方向のチャネル行列を計算してビーム形成を行なう。チャネル特性が可逆であるためには、通信システムにおけるRF回路のキャリブレーションが必要である。
また、Explicit feedbackでは、受信機が送信機から送られてくるトレーニング系列を用いて送信機から受信機への順方向のチャネル行列を推定し、そのチャネル行列をデータとして含んだパケットを送信機に返信し、送信機は受け取ったチャネル行列を用いてビーム形成を行なう。あるいは、受信機では、推定したチャネル行列からさらに送信機がビーム形成するための送信重み行列を計算し、この送信重み行列をデータとして含んだパケットを送信機に返信する。Explicit feedbackでは順方向の推定チャネル行列を基に重み行列が算出されるので、チャネルの可逆性を前提としなくて済む。
パケット伝送という観点からは、送信機はinitiatorで受信機はreceiverに位置付けられるが、ビーム形成という観点からは、パケットを送信する送信機(initiator)はBeamformerであり、ビーム形成されたパケットを受信する受信機(receiver)はBeamformeeである。また、BeamformerからBeamformeeへの通信を「順方向」とし、BeamformeeからBeamformerへの通信を「逆方向」とする。
例えば、アクセスポイント(AP)がBeamformerとして、クライアント端末(STA)にデータ・フレームを送信する場合には、Implicit feedbackによれば、Beamformeeとしてのクライアント端末は、ビーム形成のために単にトレーニング系列をアクセスポイントに返すだけでよい。
Implicit feedbackによりアクセスポイントがクライアント端末にビーム形成を行なうフレーム交換手順について、図12を参照しながら説明する。
まず、アクセスポイントは、クライアント端末に対して、トレーニング系列の送信を要求する。EWC MAC Specificationに則って具体的に言うと、MACフレームのHT Controlフィールド(図13を参照のこと)内のLink Adaptation Controlフィールド(図14を参照のこと)はTRQ(Training Request)というビットを含み、このビットに1を立てることがトレーニング系列の送信要求に相当する。
これに対し、クライアント端末は、soundingパケットを返信する。このsoundingパケットは、アクセスポイントの送信アンテナ本数Nとクライアント端末の受信アンテナ本数Mに対応したトレーニング系列を含んでおり、アクセスポイントは、このsoundingパケットを受け取ると、N行M列の逆方向のチャネル行列の推定を行なうことができる。さらに、アクセスポイントは、SVDやEVD(Eigen Value Decomposition:固有値分解)、若しくはその他の行列分解手法を用いて、順方向でのビーム形成のための送信重み行列を計算し、各アンテナからの送信信号に送信重み行列を乗算することで、ビーム形成したパケットをクライアント端末に送ることができる。ビーム形成することで、従来では届きにくかったところでも、高い伝送レートで通信を行なうことができるようになる。
続いて、Implicit feedbackに従って、BeamformerがBeamformeeからのトレーニング系列を用いてビーム形成を行なうための演算処理について、図15を参照しながら説明する。但し、同図では、3本のアンテナを持つSTA−AをBeamformerとし、2本のアンテナを持つSTA−BをBeamformeeとする。また、以下の説明や数式において、添え字ABはSTA−AからSTA−Bへの順方向の伝送を意味し、添え字BAはSTA−BからSTA−Aへの逆方向の伝送を意味する。また、数字の添え字は該当する端末のアンテナ番号に相当する。そして、STA−AとSTA−B間のチャネルは可逆であることを前提とし、したがって、逆方向のチャネル行列HBAは順方向のチャネル行列HABの転置行列となる(すなわち、HBA=HAB t)。
STA−Bの各アンテナから送信されるトレーニング系列を(tBA1,tBA2)とし、チャネルHBAを経てSTA−Aの各アンテナで受信される信号を(rBA1,rBA2,rBA3)とおくと、以下の式で表される。
ここで、チャネル行列HBAは、3×2行列であり、以下のように表されるとする。但し、hijは、STA−Bのj番目のアンテナからSTA−Aのi番目のアンテナへのチャネル特性値とする。
このチャネル行列HBAを特異値分解すると、下式の通りとなる。ここで、UBAはHBABA Hの正規化された固有ベクトルを並べた行列であり、VBAはHBA HBAの正規化された固有ベクトルであり、DBAはHBABA H又はHBA HBAの固有ベクトルの平方根を対角要素として持つ対角行列である。また、UBAとVBAはユニタリ行列であり、その複素共役転置行列が互いの逆行列となっている。
また、STA−AがSTA−Bへ送信するフレームをビーム形成するために必要となる送信重み行列は、順方向のチャネル行列HABを特異値分解して得られる行列VABである。ここで、STA−AとSTA−B間のチャネルは可逆であり、逆方向のチャネル行列HBAは順方向のチャネル行列HABの転置行列となることから、チャネル行列HABの特異値分解は以下のように計算される。
そして、チャネルの可逆性を利用すると、所望の送信重み行列VABは、下式のように表される。
すなわち、STA−Bからのトレーニング信号を基に推定されたチャネル行列を特異値分解して得たUBAの複素共役行列を用いてビーム形成を行なうことができる。
STA−Aからの送信信号をxとし、STA−Bでの受信信号をyとすると、ビーム形成を行なわない(un−steered)場合には、y=HABxとなるが、送信重み行列VABでビーム形成を行なうと(steered)、受信信号yは下式の通りとなる。
よって、STA−B側では、DAB -1AB Hを受信重みとして受信信号に乗算することで、元のストリームに空間分離することができる。
上述したように、Implicit feedbackによれば、フィードバックに伴うBeamformeeの負担が軽減されることから、例えば、アクセスポイント(AP)がBeamformerとして、クライアント端末(STA)にデータ・フレームを送信する場合などに適している。しかし、この場合は、Beamformerとなる端末局が、受信したトレーニング系列から推定されるチャネル行列を特異値分解やその他の演算処理を行なって、ビーム形成用の送信重み行列を計算しなければならない。この演算処理は負荷が高く、Beamformeeから送られてくるトレーニング系列のストリーム数に応じて処理負荷は増大する。
図15に示した例では、STA−Aのアンテナ数N(=3)はSTA−Bのアンテナ数M(=2)よりも多く、ビーム形成のための処理能力に問題はないと考えられる。何故ならば、STA−Aは自局のストリーム本数N相当の処理能力を備えるようにデザインされているはずであり、N本以下の空間ストリームのトレーニングの分離、及び分離したトレーニング系列からN×Mのチャネル行列を組み立てて、これを基に上記のビーム形成用の行列の計算処理を行なうことは可能だからである。
しかしながら、N<MすなわちBeamformeeの方のアンテナ本数が多い場合には、Beamformerが自分の空間ストリーム本数を超えた処理能力を備えているとは限らないので、問題が生じ得る。STA−Aが自分のアンテナ本数であるN個までのストリームまでしか対応していない場合には、M本のストリーム・トレーニングを分離できなかったり、あるいはN×Mの推定チャネル行列からビーム形成用の行列を求めることができなかったりする可能性がある。
このような問題を、ビーム形成の特性を劣化させることなく解決する1つの方法として、BeamformerとしてのSTA−Aに、定格の最大アンテナ本数に対応するチャネル推定最大次元Mmaxを与えるとともに(例えばIEEE仕様準拠であればMmax=4)、得られたN×Mmaxの推定チャネル行列に対してビーム形成用の送信重み行列を計算できる処理能力を与えることが考えられる。
例えば、STA−Aのアンテナ本数がN=2で、定格の最大アンテナ本数がMmax=4であるとき、STA−Aは自分とアンテナ本数を持つ端末との通信を想定して2×2までの行列計算しか想定していないのに、2×4の行列演算をしなければならなくなる。このような場合、2倍の演算量又は2倍の処理回路が必要になるから、装置の小型化、低価格化の障害となる。
特開2002−44051号公報 A.Benjebbour,H.Murata and S.Yoshida,"Performance of iterative successive detection algorithm for space−time transmission",Proc.IEEE VTC Spring,vol.2,pp.1287−1291,Rhodes,Greece,May 2001. A.Benjebbour,H.Murata and S.Yoshida,"Performance comparison of ordered successive receivers for space−time transmission",Proc.IEEE VTC Fall,vol.4,pp.2053−2057,Atlantic City,USA,sept.2001. http://radio3.ee.uec.ac.jp/MIMO(IEICE_TS).pdf(平成15年10月24日現在)
本発明の目的は、Beamformerとして動作する端末が、Beamformeeとして動作する端末から送られてくる空間ストリーム・トレーニングを分離し、分離したトレーニング系列から推定チャネル行列を組み立てて、このチャネル行列を基にビーム形成用の送信重み行列を好適に求めて、ビーム形成したパケットにより高い伝送レートで通信を行なうことができる、優れた無線通信システム、並びに無線通信装置及び無線通信方法を提供することにある。
本発明のさらなる目的は、Beamformerとなる端末の方が、Beamformeeよりもアンテナ本数が少ない場合であっても、ビーム形成の特性を劣化させず、且つ、Beamformerにおいてチャネル推定の処理能力やビーム形成用の行列の計算能力を高めることなく、好適にビーム形成を行なうことができる、優れた無線通信システム、並びに無線通信装置及び無線通信方法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、N本のアンテナを備えた第1の端末からM本のアンテナを備えた第2の端末へ空間多重されたストリームを用いてデータ伝送を行なう無線通信システムであって(但し、Nは2以上の整数で、Mは1以上の整数とする)、
前記第1の端末から前記第2の端末へ逆方向チャネルを励起するためのトレーニング信号の送信を要求するトレーニング要求手段と、
該要求に応答して、前記第2の端末から前記第1の端末へ、N×Mの逆方向チャネル行列を励起するためのトレーニング系列を含んだパケットを送信するトレーニング手段と、
前記第1の端末の各アンテナにおいて受信したトレーニング系列をストリームに分離して、逆方向のチャネル行列を組み立てるチャネル行列作成手段と、
N<Mとなる場合において、前記第1の端末が持つアンテナ本数Nを考慮して、該逆方向のチャネル行列に含まれるN列からなるN×Nのチャネル行列を用いて、順方向データ伝送時におけるビーム形成用のN×Nの送信重み行列を求める送信重み行列計算手段と、
前記第1の端末から前記第2の端末へデータ・パケットを送信する際に、前記第1の端末の各アンテナからの送信信号に前記のビーム形成用の送信重み行列を用いてビーム形成するビーム形成手段と、
を具備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(以下、同様)。
無線通信の高速化を実現する技術の1つとして、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、空間多重したストリームを実現するMIMO通信方式が知られている。特に、クローズドループ型のMIMO通信システムでは、データ・パケット送信側の端末が、受信側の端末からの推定チャネル行列に関する情報のフィードバックに基づいてビーム形成を行なうことで、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し、受信機側では元の複数の信号系列を全くクロストークなしに取り出すことができ、理論上は最高のパフォーマンスを達成する。
受信側の端末から送信側の端末へ、チャネル行列に関するフィードバックを行なう手順として、例えばEWC HT MAC Specificationでは、“Implicit feedback”と“Explicit feedback”という2種類の手順を規定している。このうち、Implicit feedbackでは、送受信機間の双方向のチャネル特性が可逆であるという前提の下で、Beamformerとして動作する第1の端末が、Beamformeeとして動作する第2の端末から送られてくる空間ストリーム・トレーニングを分離し、分離したトレーニング系列から逆方向の推定チャネル行列を組み立て、該チャネル行列を基に求められたビーム形成用の送信重み行列を用いて送信パケットをビーム形成して通信を行なう。
例えば、アクセスポイントがBeamformerとして、クライアント端末にデータ・フレームを送信する場合には、Implicit feedbackによれば、Beamformeeとしてのクライアント端末は、ビーム形成のために単にトレーニング系列をアクセスポイントに返すだけでよい。
しかしながら、N<M、すなわちBeamformeeとなる第2の端末の方のアンテナ本数が多い場合には、Beamformerとしての第1の端末が自分の空間ストリーム本数を超えた処理能力を備えているとは限らないので、第1の端末がM本のストリーム・トレーニングを分離できなかったり、N×Mの推定チャネル行列からビーム形成用の行列を求めることができなかったりするという問題がある。
そこで、本発明に係る無線通信システムでは、Implicit feedbackに従って逆方向のチャネル推定結果に基づくビーム形成を行なう際に、Beamformerとしての第1の端末は、Beamformeeとしての第2の端末からフィードバックされるsoundパケットを受信すると、M本の空間ストリーム・トレーニングに分離して、N×Mの逆方向のチャネル行列を組み立てるが、自分が持つアンテナ本数を考慮して(例えば、N<Mの場合)、該逆方向のチャネル行列に含まれるM列のうちをN列からなるN×Nのチャネル行列を用い、順方向データ伝送時におけるビーム形成用のN×Nの送信重み行列を求める、すなわちビーム形成の次元を落とした計算を行なうようにしている。
したがって、本発明に係る無線通信システムによれば、Implicit feedback手順に従ってクローズドループ型のMIMO通信を実行する際に、Beamformerとしての第1の端末は、チャネル行列を推定する回路モジュールに関しては定格の最大アンテナ本数(例えばIEEE仕様準拠であれば4本)に対応する処理能力を備えている必要はあるが、推定したチャネル行列からビーム形成用送信重み行列を計算するための回路規模を(N/M)2程度のオーダーで削減することができる。
上記の手順では、第2の端末からN×Mのチャネル行列を励起する空間ストリーム・トレーニングがフィードバックされる場合、第1の端末側では、ビーム形成用送信重み行列を計算するための回路規模を削減することができるが、依然としてチャネル推定用の回路モジュールを削減することはできない。これに対し、第2の端末がsoundingパケットをstaggered formatで送ることによって、チャネル推定用の回路モジュールを削減することが可能になる。
ここで言うstaggered formatとは、データ部分の空間分離処理に使用するトレーニング信号部分と、データのストリーム数以上の空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号を時間的に分離したsoundingパケットのフォーマットのことである。複数本のアンテナを備えた端末が空間多重伝送を行なう場合、すべてのアンテナ・ブランチを用いて伝送動作を行なうとは限らないが、Beamformeeは、soundingパケットをフィードバックする際に、データ部分の空間分離処理に使用しないストリーム上でもトレーニング信号を返して、すべての空間次元においてチャネルを励起するようにしている。
このような場合、第1の端末は、データ部分の空間分離処理に使用するトレーニング信号部分だけを用いてチャネル推定を行ない、時間的に分離して送られてくるデータのストリーム数以上の空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号を処理しないようにすることで、チャネル行列推定回路の規模を削減することができる。例えば、第1の端末は、第2の端末からフィードバックされるsoundingパケットのうちデータ部分の空間分離処理に使われるトレーニング信号部分ではN個の空間次元のチャネルを推定し、残りの(N−M)個の空間次元のチャネルを推定しないようにすれば、チャネル推定回路の規模を(N/M)2程度のオーダーで削減することができる。
具体的には、第1の端末は、トレーニング信号の送信を要求する無線通信信号をN本のデータ・ストリームを持つフォーマットで送信する。これによって、第2の端末に対して、soundingパケットを、データ部分の空間分離処理に使われるトレーニング信号部分ではN個の空間次元のチャネルを励起し、残りの(N−M)個の空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号を信号自体の空間分離には無関係となるようなパケット構成にすることを、暗示的若しくは明示的に示すことができる。第2の端末は、この暗示的若しくは明示的な指示に従って、第1の端末の処理能力(capability)に応じたstaggeredフォーマットで、soundingパケットを返す。
このような場合、第1の端末は、soundingパケットを受信した際に、データ部分の空間分離処理に使われるトレーニング信号部分ではN個の空間次元のチャネルを励起してN×Nのチャネル行列を推定するが、残りの(N−M)個の空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号を全く処理する必要はない。また、残りの(N−M)個のチャネルを励起するためにトレーニングの後半に付けられた部分を処理しなくても、チャネル推定やデータ・シンボル復調にも差し支えない。したがって、第1の端末は、ビーム形成用送信重み行列の計算回路だけでなく、チャネル行列推定回路の規模も(N/M)2程度のオーダーで削減することができる。
本発明によれば、Beamformerとして動作する端末が、Beamformeeとして動作する端末から送られてくる空間ストリーム・トレーニングを分離し、分離したトレーニング系列から推定チャネル行列を組み立てて、このチャネル行列を基にビーム形成用の送信重み行列を好適に求めて、ビーム形成したパケットにより高い伝送レートで通信を行なうことができる、優れた無線通信システム、並びに無線通信装置及び無線通信方法を提供することができる。
また、本発明によれば、Beamformerとなる端末の方が、Beamformeeよりもアンテナ本数が少ない場合であっても、Beamformerにおいてチャネル推定の処理能力やビーム形成用の行列の計算能力を高めることなく、好適にビーム形成を行なうことができる、優れた無線通信システム、並びに無線通信装置及び無線通信方法を提供することができる。
本発明に係る無線通信システムでは、Implicit feedbackにより逆方向のチャネル推定結果に基づくビーム形成を行なう際、Beamformerのアンテナ本数がBeamformeeのアンテナ本数よりも少ない場合には、Beamformerは、ビーム形成の次元を落とした計算を行なうことにより、回路規模を削減することができる。
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。
本発明に係る無線通信システムは、クローズドループ型でMIMO通信を行なうが、具体的には、チャネル行列に関するフィードバックを行なう手順として、例えばEWC HT MAC Specificationで規定されている“Implicit feedback”手順に従って送信側の端末がビーム形成を行なう。
Implicit feedbackでは、Beamformerとして動作する端末は、Beamformeeとして動作する端末からの空間ストリーム・トレーニングを分離し、分離したトレーニング系列から逆方向の推定チャネル行列を組み立て、該チャネル行列を基に求められたビーム形成用の送信重み行列を用いて送信パケットをビーム形成して通信を行なう。
ところが、端末装置は一般的に自分が持つアンテナ本数を前提にして、チャネル推定を行なう処理能力や、ビーム形成用の行列を計算する処理能力が与えられるので、Beamformeeのアンテナ本数が多いために、送られてくる空間ストリーム・トレーニングが自端末で許容するチャネル推定最大次元を超えてしまい分離できない、あるいは次元数の高いチャネル行列からビーム形成用の行列を計算できない、という問題がある。
これに対し、本発明に係る無線通信システムでは、Implicit feedbackに従って逆方向のチャネル推定結果に基づくビーム形成を行なう際に、Beamformerは、Beamformeeからフィードバックされるsoundパケットを受信すると、M本の空間ストリーム・トレーニングに分離して、N×Mの逆方向のチャネル行列を組み立てるが、自分が持つアンテナ本数を考慮して、該逆方向のチャネル行列に含まれるM列のうちをN列からなるN×Nのチャネル行列を用いて、順方向データ伝送時におけるビーム形成用のN×Nの送信重み行列を求める、すなわちビーム形成の次元を落とした計算を行なうようにしている。
このような場合、Implicit feedbackにおいてBeamformerとして動作する端末は、チャネル行列を推定する回路モジュールに関しては定格の最大アンテナ本数(例えばIEEE仕様準拠であれば4本)に対応する処理能力を備えている必要はあるが、推定したチャネル行列からビーム形成用送信重み行列を計算するための回路規模を(N/M)2程度のオーダーで削減することができる。
図1には、本発明に係るImplicit feedbackの動作手順を模式的に示している。但し、BeamformerとしてのSTA−Aのアンテナ本数及びチャネル推定最大次元はともに2で、BeamformeeとしてのSTA−Bのアンテナ本数は3本とする。また、図示の手順は、EWC MAC Specificationに則って行なわれるものとする。
まず、STA−Aは、STA−Bに対して、トレーニング系列の送信を要求する。この要求パケットは3×2チャネルを使用するが、STA−Aの送信能力及びSTA−Bの受信能力のうち、より次数の低いSTA−Aの送信能力によって使用する空間ストリーム数は制限され、1〜2本の空間ストリームを用いることが相当である。
STA−Bは、この要求パケットに応答して、トレーニング系列を含んだsoundingパケットを返信する。このとき、STA−Bは、STA−Aが持つチャネル推定最大次元を考慮しない空間ストリーム数でパケットを送信するので3×2の逆方向チャネルを励起することになる。STA−A側では、soundingパケットを受信すると、2×3の逆方向推定チャネル行列を生成するが、順方向データ伝送時におけるビーム形成用の2×2の送信重み行列を求める。すなわち、ビーム形成の次元を落とした計算を行なうので、ビーム形成用送信重み行列を計算するための回路規模を(N/M)2程度のオーダー(但し、この場合はN=2、M=3)で削減することができる。
以降、STA−Aがビーム形成を行なう度に、soundingパケットの要求と、soundingパケットの受信によるチャネル推定とビーム形成用送信重み行列の計算が繰り返し行なわれる。
以下では、本発明に係る無線通信システムの具体的な実装形態について詳解する。
図2及び図3には、図1に示した無線通信システムにおいて、STA−A(若しくはSTA−B)として動作することができる無線通信装置の送信機及び受信機の構成をそれぞれ示している。STA−Aのアンテナ本数はNであり、このNは例えばIEEE仕様準拠であれば最大4本であるが、各図では図面の錯綜を回避するため2本分のアンテナ・ブランチしか描いていない。
データ発生器100から供給される送信データは、スクランブラ102においてスクランブルが掛けられる。次いで、符号化器104で誤り訂正符号化を施される。例えばEWC HT PHY specificationでは、スクランブル及び符号化方式はIEEE802.11aの定義に従うと規定されている。そして、符号化信号はデータ振り分け器106に入力され、各送信ストリームに振り分けられる。
各送信ストリームでは、ストリーム毎に与えられたデータレートに従って、送信信号をパンクチャ108によりパンクチャし、インタリーバ110によりインタリーブし、マッパー112によりIQ信号空間にマッピングして複素ベースバンド信号となる。EWC HT PHY specificationでは、インタリーブ方式はIEEE802.11aの定義を拡張し、複数ストリーム間で同一のインタリーブにならないような規定となっている。また、マッピング方式もIEEE802.11aに従い、BPSK、QPSK、16QAM、64QAMを適用する。
セレクタ111は、インタリーブされた空間ストリーム毎の送信信号に、適当なタイミングでトレーニング系列を挿入して、マッパー112に供給する。トレーニング系列には、MIMOシステムにおけるAGC(自動利得制御)を向上するためのHT−STFや、受信機側で空間変調された入力信号毎にチャネル推定を行なうためのHT−LTFなどが含まれる。例えば、HT−LTF内では、送信ストリーム毎のトレーニング系列をstaggeredフォーマットで挿入する。
送信信号にビーム形成を施す場合には、空間多重部114内では、ビーム形成用送信重み行列計算部114aが特異値分解などの計算方法を用いてチャネル行列Hからビーム形成用の送信重み行列Vを算出し、送信重み行列乗算部114bが各送信ストリームを要素とする送信ベクトルにこの送信重み行列Vを乗算して、ビーム形成が施される。soundingパケットを送信する際には、送信信号にビーム形成を施さない。
ビーム形成用送信重み行列計算部114aは、受信機側のチャネル行列推定部216a(後述並びに図3を参照のこと)がBeamformeeから送られた空間ストリーム・トレーニングを分離して組み立てられた逆方向のチャネル行列HBAを用いて送信重み行列を計算する。例えば、図4に示すように、STA−Aのアンテナ本数をN=2、STA−Bのアンテナ本数をM=3とおくと、逆方向のチャネル行列HBAは、下式(7)に示すように2×3の行列となる。
ここで、双方向でチャネルの可逆性を仮定すると、下式(8)に示すように順方向のチャネル行列HABはHBAの転置行列となる。
STA−Aは送信アンテナが2本、すなわち2ストリームしか持たない。そこで、ビーム形成用送信重み行列計算部114aは、3行×2列からなるHABのうち任意の2行からなる2×2のチャネル行列を特異値分解して、ビーム形成用の2×2の送信重み行列を計算する。すなわち、ビーム形成の次元を落とした計算を行なうことにより、ビーム形成用送信重み行列計算部114aの回路規模を削減することができる。
高速フーリエ逆変換部(IFFT)116では、周波数領域に並んだ各サブキャリアを時間軸信号に変換し、さらにガード挿入部118でガード・インターバルを付加する。そして、デジタル・フィルタ120にて帯域制限した後、DAコンバータ(DAC)122にてアナログ信号に変換し、RF部124にて適当な周波数帯にアップコンバートしてから、それぞれの送信アンテナから伝搬路に送出される。Implicit feedbackではチャネル特性が可逆であることが前提であり、RF部124にはキャリブレーションが施されている。
他方、チャネルを通して受信機に届いたデータは、それぞれの受信アンテナ・ブランチにおいて、RF部228でアナログ処理し、ADコンバータ(ADC)226によりデジタル信号に変換した後、デジタル・フィルタ224に入力される。Implicit feedbackではチャネル特性が可逆であることが前提であり、RF部228にはキャリブレーションが施されている。
続いて、同期回路222にてパケット発見、タイミング検出、周波数オフセット補正などの処理が行なわれた後、データ送信区間の先頭に付加されたガード・インターバルをガード除去部220により除去する。そして、高速フーリエ変換部(FFT)218により時間軸信号が周波数軸信号となる。
空間分離部216内では、空間多重された受信信号の空間分離処理を行なう。具体的には、チャネル行列推定部216aは、soundingパケットのPHYヘッダに含まれる空間ストリーム・トレーニングを分離して、トレーニング系列から推定チャネル行列Hを組み立てる。
Implicit feedbackにおいてBeamformerとして動作するときには、チャネル行列推定部216aで得られた推定チャネル行列Hは、逆方向のチャネル行列として送信機側のビーム形成用送信重み行列計算部114aに渡される。Beamformeeからフィードバックされるトレーニング信号の空間ストリーム数Mが、送信機側が持つ送信ストリーム数(アンテナ・ブランチの本数)Nよりも大きいときには、チャネル行列推定部216aには過剰な処理が必要となり、回路規模が増大してしまう。これに対し、Beamformeeからのフィードバックをstaggered formatで行なうことを利用して、チャネル行列の推定に必要な演算量を間引くことができるが、この点の詳細については後述に譲る。
また、Implicit feedback手順においてBeamformeeとして動作するときには、アンテナ受信重み行列演算部216bは、チャネル行列推定部216aで得られたチャネル行列Hを基にアンテナ受信重み行列Wを計算する。受信パケットがビーム形成されている場合には、推定チャネル行列は特異値分解した場合にUDと等しくなっており(式(6)を参照のこと)、これからアンテナ受信重みWを計算する。但し、アンテナ受信重みWの計算方法は特異値分解に限定されるものではなく、Zero ForcingやMMSEなどの計算方法を用いることもできる。アンテナ受信重み行列乗算部216cは、各受信ストリームを要素とする受信ベクトルとアンテナ受信重み行列Wとの行列乗算を行なうことで空間多重信号の空間復号を行ない、ストリーム毎に独立した信号系列を得る。
チャネル等化回路214は、ストリーム毎の信号系列に対し、さらに残留周波数オフセット補正、チャネル・トラッキングなどを施す。そして、デマッパー212はIQ信号空間上の受信信号をデマップし、デインタリーバ210はデインターリーブし、デパンクチャ208は所定のデータレートでデパンクチャする。
データ合成部206は、複数の受信ストリームを1本のストリームに合成する。このデータ合成処理は送信側で行なうデータ振り分けと全く逆の動作を行なうものである。そして、復号器204にて誤り訂正復号した後、デスクランブラ202によりデスクランブルし、データ取得部200は受信データを取得する。
無線通信装置は、クローズドループ型のMIMO通信においてデータ送信側の端末すなわちBeamformerとして動作する場合、ビーム形成してデータ・パケットの送信を開始するときや、ビーム形成用の送信重み行列を更新したいときには、Beamformeeに対してトレーニング系列の送信要求TRQ(Training Request)を発行して、Beamformeeからフィードバックされるsoundパケットを受信することができる。soundパケットはM本の空間ストリームからなり、N×Mの逆方向のチャネル行列を組み立てる。そして、自分が持つアンテナ本数Nを考慮して(例えば、N<Mの場合)、該逆方向のチャネル行列に含まれるM列のうちをN列からなるN×Nのチャネル行列を用いて、順方向データ伝送時におけるビーム形成用のN×Nの送信重み行列を求める。
したがって、無線通信装置は、ビーム形成の次元を落とした計算を行なうことによって、推定したチャネル行列からビーム形成用送信重み行列計算部114aの回路規模を(N/M)2程度のオーダーで削減することができる。
但し、上記の手順では、ビーム形成用送信重み行列を計算するための回路規模を削減することができるものの、依然としてチャネル推定用の回路モジュールを削減することはできない。
これに対し、Beamformeeがsoundingパケットをstaggered formatで送ることを利用して、チャネル推定用の回路モジュールを削減することが可能になる。
ここで言うstaggered formatとは、データ部分の空間分離処理に使用するトレーニング信号部分と、データのストリーム数以上の空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号を時間的に分離したsoundingパケットのフォーマットのことである。複数本のアンテナを備えた端末が空間多重伝送を行なう場合、すべてのアンテナ・ブランチを用いて伝送動作を行なうとは限らないが、Beamformeeは、soundingパケットをフィードバックする際に、データ部分の空間分離処理に使用しないストリーム上でもトレーニング信号を返して、すべての空間次元においてチャネルを励起するようにしている。
Beamformerは、トレーニング信号の送信を要求する無線通信信号をN本のデータ・ストリームを持つフォーマットで送信することによって、Beamformeeに対して、soundingパケットを、データ部分の空間分離処理に使われるトレーニング信号部分ではN個の空間次元のチャネルを励起し、残りの(N−M)個の空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号を信号自体の空間分離には無関係となるようなパケット構成にすることを、暗示的若しくは明示的に示す。そして、Beamformeeは、この暗示的若しくは明示的な指示に従って、Beamformerの処理能力(capability)に応じたstaggeredフォーマットで、soundingパケットを返す。
このような場合、Beamformer側では、soundingパケットを受信すると、データ部分の空間分離処理に使用するトレーニング信号部分だけを用いてチャネル推定を行ない、時間的に分離して送られてくるデータのストリーム数以上の空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号を処理しないようにすることで、チャネル推定回路の規模を削減することができる。
図5には、図2〜図3に示した無線通信装置が、Implicit feedback手順に基づいてintiatorすなわちBeamformerとして動作する場合の処理手順をフローチャートの形式で示している。但し、Beamformerのアンテナ本数をNとし、Beamformeeのアンテナ本数をMとする。
まず、Beamformeeとして動作する送信先端末(receiver)に対して、トレーニング信号を要求する(ステップS1)。具体的には、MACフレームのHT Controlフィールド内のLink Adaptation Controlフィールドに含まれるTRQビットを立てる。
このとき、トレーニング信号の送信を要求する無線通信信号をN本のデータ・ストリームを持つフォーマットで送信する。これによって、第2の端末に対して、soundingパケットを、データ部分の空間分離処理に使われるトレーニング信号部分ではN個の空間次元のチャネルを励起し、残りの(N−M)個の空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号を信号自体の空間分離には無関係となるようなパケット構成にすることを、暗示的若しくは明示的に示すことができる。
そして、この要求に応答して送信端末から送られてくるsoundingパケットを受信すると(ステップS2)、次いで、各アンテナにおいて受信したトレーニング系列をストリームに分離して逆方向のチャネル行列を作成する(ステップS3)。
BeamformeeからフィードバックされるsoundingパケットはM本すべての空間次元においてチャネルを励起するように構成されており、Beamformer側では、自分のアンテナ本数から想定される処理能力を超えたN×Mのチャネル行列の推定を行なわなければならなくなる。これに対し、soundingパケットがstaggered formatによりデータ部分の空間分離処理に使われるトレーニング信号部分ではN個の空間次元のチャネルを励起し、残りの(N−M)個の空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号を信号自体の空間分離には無関係となるようなパケット構成であれば、ステップS3では、データ部分の空間分離処理に使われるトレーニング信号部分ではN個の空間次元のチャネルを励起してN×Nのチャネル行列を推定するが、残りの(N−M)個の空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号を全く処理する必要はなくなる。したがって、ビーム形成用送信重み行列計算部114aの回路規模も(N/M)2程度のオーダーで削減することができる。
次いで、逆方向のチャネル行列を用いて、順方向データ伝送時におけるビーム形成用の送信重み行列を求める(ステップS4)。
staggered formatが採用されているときには、逆方向のチャネル行列としてデータ部分の空間分離処理に使われるトレーニング信号部分のみによる推定を行なえば、チャネル行列はN×N行列となるので、これを転置して順方向のチャネル行列を得ることができ、さらにこれを特異値分解して、送信重み行列Vを得ることができる。また、staggered formatが採用されないときには、逆方向のチャネル行列はN×M行列となるので、M列のうちN列のみを取り出すか、又はこれを転置したM×N行列のN行のみを取り出して、N×Nの順方向チャネル行列を組み立てて、これを特異値分解して、送信重み行列Vを求める。
そして、各アンテナからの送信信号を要素とする送信ベクトルに前記のビーム形成用の送信重み行列を用いてビーム形成して、送信先端末に向けてデータ・パケットを送信する(ステップS5)。チャネル行列に基づいて送信アンテナ重みを掛けて送信先に向けた適切なビーム形成を行なうことによって、理想的な空間直交チャネルを作り出すことができる。
また、図6には、図2〜図3に示した無線通信装置が、Implicit feedback手順に基づいてreceiverすなわちBeamformeeとして動作する場合の処理手順をフローチャートの形式で示している。但し、Beamformerのアンテナ本数をNとし、Beamformeeのアンテナ本数をMとする。
まず、Beamformerとして動作する送信元端末(initiator)から、トレーニング信号の要求を受信する(ステップS11)。具体的には、送信元端末から受信したMACフレームのHT Controlフィールド内のLink Adaptation Controlフィールドに含まれるTRQビットが立てられている。
そして、この要求に応答して、送信元端末に対してsoundingパケットを返信する(ステップS13)。
staggered formatを採用する場合、ステップS1において受信した無線通信信号に含まれるデータ・ストリーム本数Nは、soundingパケットを、データ部分の空間分離処理に使われるトレーニング信号部分ではN個の空間次元のチャネルを励起し、残りの(N−M)個の空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号を信号自体の空間分離には無関係となるようなパケット構成にすることを、暗示的若しくは明示的に指示しているので、ステップS2では、この指示に従ったフォーマットでsoundパケットを返信する。
送信元端末側では、N本の各アンテナにおいて受信したトレーニング系列を空間ストリームに分離して逆方向のチャネル行列を作成し、この逆方向のチャネル行列を用いて順方向データ伝送時におけるビーム形成用の送信重み行列を求める。そして、N本の各アンテナからの送信信号を要素とする送信ベクトルに前記のビーム形成用の送信重み行列を用いてビーム形成して、データ・パケットが送信される。
Beamformeeとしての無線通信装置は、送信元端末から受け取った空間ストリーム・トレーニングを分離して、順方向の推定チャネル行列を組み立て(ステップS13)、さらにこのチャネル行列から受信重み行列を求める(ステップS14)。受信重み行列の計算法としては、ZF法やMMSE法を用いてもよく、また、チャネル推定行列を特異値分解して得られた行列U及びDから計算されるD-1Hを用いてもよい。
そして、送信元端末からのデータ・パケットをN本の各アンテナで受信すると、そのペイロード部分についての受信信号からなる受信ベクトルに受信重み行列を乗算して、空間多重信号の空間復号を行ない、ストリーム毎に独立した信号系列を得る(ステップS15)。ビーム形成することで、従来では届きにくかったところでも、高い伝送レートで通信を行なうことができるようになる。
以下では、staggered formatのsoundingパケットを用いる場合のImplicit feedbackの手順について説明する。但し、説明の簡素化のため、各ストリームがそれぞれのアンテナ・ブランチに直接割り当てられる(direct mapping)例を採り上げるが、本発明の要旨はこれに限定されるものではない。
図7には、3本のアンテナを持つBeamformeeから1ストリーム分のデータを送信する際のstaggered soundingパケットのフォーマット例を示している。但し、direct mappingを用いたと仮定している。
HT−STF(Short Training Field)は、MIMOシステムにおけるAGC(自動利得制御)を向上するためのトレーニング・シンボルであり、QPSK変調された52トーンのOFDM信号からなる。また、HT−LTF(Long Training Field)は、受信機側で空間変調された入力信号毎にチャネル推定を行なうためのトレーニング・シンボルであり、BPSK変調された56トーンからなるOFDM信号からなる。いずれもEWC提案仕様のHTモードにおいて定義されたトレーニング信号である。なお、3本目のアンテナから同時に送信するHT−LTF内に書き込まれている−400nsecという値は、異なる空間ストリームを通して同一又は類似する信号が伝送される際に意図しないビーム形成を回避するために設けられたサイクリック・シフト遅延量である。すなわち、3本目のアンテナから送られるOFDMシンボルの時間軸波形を−400ナノ秒だけシフトさせて繋ぎ合わせるCyclic Delay Diversity(CDD)を用いて、送信アンテナ・ブランチ間の相関を低減し、希望していない指向特性の発生を低減することができる。
図示の例では、1本のストリームにおいてデータ・ストリームを持つフォーマットで送信する一方、これとは時間的に分離して、データ部分の空間分離処理に使用されない他の2本のアンテナからは残りの空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号が送信されている。
また、図8には、4本のアンテナを持つBeamformeeから1ストリーム分のデータ送信する際のstaggered soundingパケットのフォーマット例を示している。但し、direct mappingを用いたと仮定している。
図示の例では、1本のストリームにおいてデータ・ストリームを持つフォーマットで送信する一方、これとは時間的に分離して、データ部分の空間分離処理に使用されない他の3本のアンテナからは残りの空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号が送信されている。現在のEWC提案仕様では、3ストリーム分のトレーニングには4個のHT−LTFを用いることが規定されている。
また、図9には、3本のアンテナを持つBeamformeeから2ストリーム分のデータ送信する際のstaggered soundingパケットのフォーマット例を示している。但し、direct mappingを用いたと仮定している。
図示の例では、2本のストリームにおいてデータ・ストリームを持つフォーマットで送信する一方、これとは時間的に分離して、データ部分の空間分離処理に使用されない他の1本のアンテナからは残りの空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号が送信されている。
また、図10には、4本のアンテナを持つBeamformeeから2ストリーム分のデータ送信する際のstaggered soundingパケットのフォーマット例を示している。但し、direct mappingを用いたと仮定している。
図示の例では、2本のストリームにおいてデータ・ストリームを持つフォーマットで送信する一方、これとは時間的に分離して、データ部分の空間分離処理に使用されない他の2本のアンテナからは残りの空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号が送信されている。
また、図11には、4本のアンテナを持つBeamformeeから3ストリーム分のデータ送信する際のstaggered soundingパケットのフォーマット例を示している。但し、direct mappingを用いたと仮定している。
図示の例では、3本のストリームにおいてデータ・ストリームを持つフォーマットで送信する一方、これとは時間的に分離して、データ部分の空間分離処理に使用されない他の1本のアンテナからは残りの空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号が送信されている。現在のEWC提案仕様では、3ストリーム分のトレーニングには4個のHT−LTFを用いることが規定されている。
図7〜図11から分るように、アンテナ本数が2本で推定可能な最大のストリーム数が2本の無線通信装置にとって、staggered soundingパケットの構造が図7、図9、図10に示す構造をしている限り、パケットのデータ部(ペイロード)を受信することは勿論、必要なチャネル行列の推定を行なうことは設計時に想定されている処理能力の範囲の範囲内である。なお、図8は、1ストリーム用のstaggered soundingパケットであるが、本発明を適用するには相応しくない。
アンテナ本数が3本で、且つ最大受信可能なストリーム数が3本である無線通信装置にとって、図7〜図11に示したstaggered soundingパケットを受信することは勿論、必要なチャネル行列の推定を行なうことは、設計時に想定される処理能力の範囲内である。最大受信可能なストリーム数が3本である無線通信装置にとって、4個のHT−LTFを受信し、そこから3ストリーム分のチャネル推定を行なうことは、仕様上は本来要求されており、いずれも装置構造上の問題ないと思料される。
図7〜図11から分るように、soundingパケットの送信元(すなわち、Implicit feedbackでBeamformeeとして動作する端末)におけるアンテナ本数Mが、soundingパケットの送信先(すなわち、Implicit feedbackでBeamformerとして動作する端末)におけるアンテナ数Nよりも大きい場合には、staggered formatを好適に活用することにより、BeamformerはMストリーム分のチャネル推定を行なわなくても(すなわち、N×Mのチャネル行列を作成することなしに)、必要なNストリームだけを選択的に推定することができる。
なお、EWC提案仕様では、MACフレーム長が0となるZLF(Zero Length Frame)(NDP(Null Data Packet)とも呼ぶ。以下では「ZLF」と統一する)を定義するとともに、soundingパケットのフォーマットとしてZLFを使用することも規定している(ZLFは、チャネルを励起するためのトレーニング系列を含んだPHYヘッダ部のみからなる、MACフレームを持たないsounding専用のフレームである)。しかしながら、ZLFを使用してsoundingを行なう場合、M本のストリームからなるトレーニング信号から1つのストリームのチャネル推定を得ようとしても、必ず4本分のトレーニングを求める必要があることから、Beamformerにおけるチャネル行列推定回路216aの回路的負担を軽減することはできない。
Beamformerが2本のアンテナを備え、Beamformeeが4本のアンテナを備えている場合、図8に示したようなフレーム・フォーマットのstaggered soundingパケットを用いても、Beamformerでの回路負担を軽減することはできない。1本目のストリームのトレーニング(HT−LTF)からチャネル推定を行なうには問題ないが、もう1本のストリームについてチャネル推定するためには、これとは時間的に分離して送られてくる、データ部分の空間分離処理に使用されない他の3本のストリームにおける各4個のHT−LTFを計算する必要があるから、2本のストリームしかサポートしていないBeamformerにとって回路規模の増大を招来する。
また、Beamformerが2本のアンテナを備え、Beamformeeが3本のアンテナを備えている場合、図7又は図9に示したフレーム・フォーマットのstaggered soundingパケットが使用される。
Beamformeeから図9に示したsoundingパケットがフィードバックされる場合には、Beamformer側では、データ部分の空間分離に使用される1〜2本目のアンテナの受信ストリームにおけるトレーニング信号部分を用いて、ビーム形成に必要となる2個の空間次元のチャネルを推定することができる。そして、これらとは時間的に分離して送られてくる、データ部分の空間分離に使用しない3〜4本目のアンテナの受信ストリームについては全く処理する必要はないので、2本のストリームしかサポートしていないBeamformerにとって回路規模が増大するという不都合はない。3〜4本目のチャネルを励起するためにトレーニングの後半に付けられた部分を処理しなくても、チャネル推定やデータ・シンボル復調にも差し支えない。
他方、Beamformeeから図7に示したsoundingパケットがフィードバックされる場合には、Beamformer側では、まず、データ部分の空間分離に使用される1本目のアンテナの受信ストリームにおけるトレーニング信号部分を用いてチャネルを推定する。しかしながら、もう1本のストリームについてチャネル推定するためには、これとは時間的に分離して送られてくる、データ部分の空間分離処理に使用されない他の2本のストリームにおける各2個のHT−LTFを計算する必要がある。2個のHT−LTFから2×2行列のチャネル推定を行ない、残り1本のストリームのチャネル推定を行なうことも可能であるが、この場合は最初の1本のストリームに対するチャネル推定結果を別の場所にバッファしておく必要があるので、このようなバッファを必要としない図9の場合に比べ回路規模はやや増加する。
また、別の例として、Beamformerが3本のアンテナを備え、Beamformeeが4本のアンテナを備えている場合、図8、図10、図11に示したフレーム・フォーマットのstaggered soundingパケットが使用される。
図8並びに図10に示したフレーム・フォーマットのsoundingパケットを使用した場合、上述と同様に、チャネル推定自体は問題なく行なわれるが、最初の1本若しくは2本のストリームに対するチャネル推定結果を別の場所にバッファしておく必要があるという問題がある。これに対し、図11に示したフレーム・フォーマットのsoundingパケットを使用した場合には、Beamformer側では、データ部分の空間分離に使用される1〜3本目のアンテナの受信ストリームにおけるトレーニング信号部分を用いて、ビーム形成に必要となる2個の空間次元のチャネルを推定することができる。そして、これらとは時間的に分離して送られてくる、データ部分の空間分離に使用しない4本目のアンテナの受信ストリームについては全く処理する必要はないので、3本のストリームしかサポートしていないBeamformerにとって回路規模が増大するという不都合はない。4本目のチャネルを励起するためにトレーニングの後半に付けられた部分を処理しなくても、チャネル推定やデータ・シンボル復調にも差し支えない。
上記では、Beamformerは、トレーニング信号の送信を要求する無線通信信号をN本のデータ・ストリームを持つフォーマットで送信することによって、Beamformeeに対して暗示的若しくは明示的な指示を行なうと説明したが、この点について説明しておく。
IEEE802.11で規定されるMAC層プロトコルでは、responseフレーム(例えば、RTSパケットに対するCTSパケットや、DATAパケットに対するACKパケットなど)は、それに先立つパケットが基本レートで送られてきた場合には、これと同じ伝送レートで返すというルールがある。
例えば、MCS=8(すなわち、BPSK、符号化率1/2、2ストリーム)が基本レートに入っている場合、BeamformerがMCS=8でトレーニング要求をRTS又はDATAパケットで送信した場合には、Beamformeeは必ずMCS=8でCTS又はACKパケットを返すことになる。
すなわち、Beamformeeは、図9又は図10に示すように、残りの(N−M)個の空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号を信号自体の空間分離には無関係となるようなフォーマットからなるstaggeredパケットで応答するので、Beamformerにとってチャネル推定を行なうのに都合がよい。
したがって、このような通信システムでは一般に、Beamformer側からは、トレーニング要求を出すパケットを、自局のアンテナ本数に相当するN個のストリームを用いて送信することによって、Beamformeeから返されるstaggered soundingパケットのフォーマットを上述したように明示的若しくは暗示的に指定することができる。この結果、Beamformerは、チャネル行列推定回路114aの構成を簡略化することができる。
なお、MCS(Modulation and Coding Scheme)とは、変調方式、符号化方式、並びにストリーム本数を決定するための値で、HTパケットのPHYヘッダに記載される情報の1つである。
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。
本明細書では、IEEE802.11nにおけるEWC提案仕様に従うMIMO通信システムに本発明を適用した実施形態を中心に説明してきたが、本発明の要旨はこれに限定されるものではない。N本のアンテナを備えた第1の端末からM本のアンテナを備えた第2の端末へ空間多重されたストリームを用いたMIMO通信システムであって、BeamformerがBeamformeeから送られてくるトレーニング信号を用いてビーム形成を行なうさまざまなタイプの通信システムに、本発明を好適に適用することができる。
また、本明細書では、説明の簡素化のため、送信側の端末はストリームをアンテナ・ブランチに直接割り当てる“direct mapping”を行なう実施形態についてのみ説明してきたが、“spatial expansion”やストリームとアンテナ・ブランチが1対1に対応しない変換方式を採り入れた場合であっても、同様に本発明を適用することができる。
また、本明細書では、主にIEEE802.11の拡張規格であるIEEE802.11nに適用した実施形態を中心に説明してきたが、本発明の要旨はこれに限定されるものではない。例えば、IEEE802.16eをベースとしたMobile WiMax(Worldwide Interoperability for Microwave)、移動体向けの高速無線通信規格であるIEEE802.20、60GHz(ミリ波)帯を使用する高速無線PAN(Personal Area Network)規格であるIEEE802.15.3c、60GHz(ミリ波)帯の無線伝送を利用して非圧縮のHD(High Definition)映像を伝送可能とするWireless HD、第4世代(4G)携帯電話など、MIMO通信方式を採用するさまざまな無線通信システムに対して、同様に本発明を適用することができる。
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、特許請求の範囲を参酌すべきである。
図1は、本発明に係るImplicit feedbackの動作手順を模式的に示した図である。 図2は、図1に示した無線通信システムにおいて、STA−A(若しくはSTA−B)として動作することができる無線通信装置の送信機側の構成を示した図である。 図3は、図1に示した無線通信システムにおいて、STA−A(若しくはSTA−B)として動作することができる無線通信装置の受信機側の構成を示した図である。 図4は、STA−Bからのトレーニング信号のフィードバックによりSTA−Aでチャネル行列を推定する仕組みを説明するための図である。 図5は、図2〜図3に示した無線通信装置がImplicit feedback手順に基づいてBeamformerとして動作する場合の処理手順を示したフローチャートである。 図6は、図2〜図3に示した無線通信装置がImplicit feedback手順に基づいてBeamformeeとして動作する場合の処理手順を示したフローチャートである。 図7は、staggered soundingパケットのフォーマット例を示した図である。 図8は、staggered soundingパケットのフォーマット例を示した図である。 図9は、staggered soundingパケットのフォーマット例を示した図である。 図10は、staggered soundingパケットのフォーマット例を示した図である。 図11は、staggered soundingパケットのフォーマット例を示した図である。 図12は、Implicit feedbackによりアクセスポイントがクライアント端末にビーム形成を行なうフレーム交換手順を説明するための図である。 図13は、IEEE802.11で規定されているMACフレームのHT Controlフィールドのフォーマットを示した図である。 図14は、図13に示したHT Controlフィールド内のLink Adaptation Controlフィールドのフォーマットを示した図である。 図15は、Implicit feedbackに従って、BeamformerがBeamformeeからのトレーニング系列を用いてビーム形成を行なうための演算処理を説明するための図である。
符号の説明
100…データ発生器
102…スクランブラ
104…符号化器
106…データ振り分け部
108…パンクチャ
110…インタリーバ
111…セレクタ
112…マッパー
114…空間多重部
114a…ビーム生成用送信重み行列計算部
114b…送信重み行列計算部
116…高速フーリエ逆変換部(IFFT)
118…ガード挿入部
120…デジタル・フィルタ
122…DAコンバータ(DAC)
124…RF部
200…データ取得部
202…デスクランブラ
204…復号器
206…データ合成部
208…デパンクチャ
210…デインタリーバ
212…デマッパー
214…チャネル等化回路
216…空間分離部
216a…チャネル行列推定部
216b…受信重み行列演算部
216c…受信重み行列乗算部
218…高速フーリエ変換部(FFT)
220…ガード除去部
222…同期回路
224…デジタル・フィルタ
226…ADコンバータ(ADC)
228…RF部

Claims (11)

  1. N本のアンテナを備えた第1の端末からM本のアンテナを備えた第2の端末へ空間多重されたストリームを用いてデータ伝送を行なう無線通信システムであって(但し、Nは2以上の整数で、Mは1以上の整数とする)、
    前記第1の端末から前記第2の端末へ逆方向チャネルを励起するためのトレーニング信号の送信を要求するトレーニング要求手段と、
    該要求に応答して、前記第2の端末から前記第1の端末へ、N×Mの逆方向チャネル行列を励起するためのトレーニング系列を含んだパケットを送信するトレーニング手段と、
    前記第1の端末の各アンテナにおいて受信したトレーニング系列をストリームに分離して、逆方向のチャネル行列を組み立てるチャネル行列作成手段と、
    N<Mとなる場合において、前記第1の端末が持つアンテナ本数Nを考慮して、該逆方向のチャネル行列に含まれるN列からなるN×Nのチャネル行列を用いて、順方向データ伝送時におけるビーム形成用のN×Nの送信重み行列を求める送信重み行列計算手段と、
    前記第1の端末から前記第2の端末へデータ・パケットを送信する際に、前記第1の端末の各アンテナからの送信信号に前記のビーム形成用の送信重み行列を用いてビーム形成するビーム形成手段と、
    を具備することを特徴とする無線通信システム。
  2. 前記トレーニング要求手段は、前記第1の端末がMACフレームのHT Controlフィールド内のLink Adaptation Controlフィールドに含まれるTRQビットによりトレーニング系列を要求し、
    前記トレーニング手段は、逆方向チャネル行列を励起するためのトレーニング系列を含んだsoundingパケットを送信し、
    前記送信重み計算手段は、前記第1の端末が受信したsoundingパケットの空間ストリーム・トレーニングを分離し、その分離したトレーニング系列から逆方向のチャネル行列を組み立てる、
    ことを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。
  3. 前記トレーニング手段は、前記第2の端末から、データ部分の空間分離処理に使用するトレーニング信号部分と、データのストリーム数以上の空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号を時間的に分離したstaggered formatによりsoundingパケットのフィードバックを行なわせる、
    ことを特徴とする請求項2に記載の無線通信システム。
  4. 前記トレーニング要求手段は、前記第1の端末から前記第2の端末へ、トレーニング信号の送信を要求する無線通信信号をN本のデータ・ストリームを持つフォーマットで送信し、
    前記トレーニング手段は、データ部分の空間分離処理に使われるトレーニング信号部分ではN個の空間次元のチャネルを励起し、残りの(N−M)個の空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号を信号自体の空間分離には無関係となる構成のsoundingパケットを前記第2の端末から前記第1の端末へフィードバックする、
    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. 前記チャネル行列作成手段は、前記第1の端末においてsoundingパケットを受信した際に、データ部分の空間分離処理に使われるトレーニング信号部分ではN個の空間次元のチャネルを励起してN×Nのチャネル行列を推定するが、残りの(N−M)個の空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号を処理しない、
    ことを特徴とする請求項3に記載の無線通信システム。
  6. N本のアンテナを備え、M本のアンテナを備えた第2の端末に対して空間多重されたストリームを用いてデータ伝送を行なう無線通信装置であって(但し、Nは2以上の整数で、Mは1以上の整数とする)、
    前記第2の端末に対して逆方向チャネルを励起するためのトレーニング信号の送信を要求するトレーニング要求手段と、
    該要求に応答して前記第2の端末から送られてきたトレーニング系列を含んだパケットを各アンテナにおいて受信したトレーニング系列をストリームに分離して逆方向のチャネル行列を組み立てるチャネル行列作成手段と、
    N<Mとなる場合において、自分が持つアンテナ本数Nを考慮して、該逆方向のチャネル行列に含まれるN列からなるN×Nのチャネル行列を用いて、順方向データ伝送時におけるビーム形成用のN×Nの送信重み行列を求める送信重み行列計算手段と、
    前記第2の端末へデータ・パケットを送信する際に、各アンテナからの送信信号に前記のビーム形成用の送信重み行列を用いてビーム形成するビーム形成手段と、
    を具備することを特徴とする無線通信装置。
  7. 前記トレーニング要求手段は、前記第1の端末がMACフレームのHT Controlフィールド内のLink Adaptation Controlフィールドに含まれるTRQビットによりトレーニング系列を要求し、
    前記チャネル行列作成手段は、各アンテナで受信したsoundingパケットの空間ストリーム・トレーニングを分離し、その分離したトレーニング系列から逆方向のチャネル行列を組み立てる、
    ことを特徴とする請求項6に記載の無線通信装置。
  8. 前記チャネル行列作成手段は、データ部分の空間分離処理に使用するトレーニング信号部分と、データのストリーム数以上の空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号が時間的に分離されたstaggered formatのsoundingパケットからチャネル行列を作成する、
    ことを特徴とする請求項7に記載の無線通信装置。
  9. 前記トレーニング要求手段は、トレーニング信号の送信を要求する無線通信信号をN本のデータ・ストリームを持つフォーマットで送信して、データ部分の空間分離処理に使われるトレーニング信号部分ではN個の空間次元のチャネルを励起し、残りの(N−M)個の空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号を信号自体の空間分離には無関係となる構成のsttagered soundingパケットのフィードバックを前記第2の端末に要求する、
    ことを特徴とする請求項8に記載の無線通信装置。
  10. 前記チャネル行列作成手段は、受信したsoundingパケットのうち、データ部分の空間分離処理に使われるトレーニング信号部分ではN個の空間次元のチャネルを励起してN×Nのチャネル行列を推定するが、残りの(N−M)個の空間次元のチャネルを励起するためのトレーニング信号を処理しない、
    ことを特徴とする請求項9に記載の無線通信装置。
  11. N本のアンテナを備えた無線通信装置において、M本のアンテナを備えた第2の端末に対して空間多重されたストリームを用いてデータ伝送を行なうための無線通信方法であって(但し、Nは2以上の整数で、Mは1以上の整数とする)、
    前記第2の端末に対して逆方向チャネルを励起するためのトレーニング信号の送信を要求するトレーニング要求ステップと、
    該要求に応答して前記第2の端末から送られてきたトレーニング系列を含んだパケットを各アンテナにおいて受信したトレーニング系列をストリームに分離して逆方向のチャネル行列を組み立てるチャネル行列作成ステップと、
    N<Mとなる場合において、自分が持つアンテナ本数Nを考慮して、該逆方向のチャネル行列に含まれるN列からなるN×Nのチャネル行列を用いて、順方向データ伝送時におけるビーム形成用のN×Nの送信重み行列を求める送信重み行列計算ステップと、
    前記第2の端末へデータ・パケットを送信する際に、各アンテナからの送信信号に前記のビーム形成用の送信重み行列を用いてビーム形成するビーム形成ステップと、
    を具備することを特徴とする無線通信方法。
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