JP2008160532A - 無線通信装置及び無線通信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】処理時間が少なく簡易的な方法で最適なアンテナ制御を行うことが可能な無線通信装置を提供する。
【解決手段】複数のアンテナを用いてデータを送受信する無線通信装置であって、受信に用いられるアンテナ１１０の制御パターンを切り替えるアンテナ制御部１５６と、制御パターン毎に受信電力を測定する受信電力測定部１５２と、受信される信号に基づいて制御パターンに対応するチャネルを推定するチャネル推定部１５４と、を備える無線通信装置１００が提供される。受信電力測定部１５２は、データの受信開始前に、全ての制御パターンにおける受信電力を測定し、アンテナ制御部１５６は、受信電力が大きい順に制御パターンを切り替え、チャネル推定部１５４による推定結果に基づいて制御パターンを切り替える。
【選択図】図２

Description

本発明は、無線通信装置及び無線通信方法に係り、特に、複数の送受信アンテナを用いてデータを送受信する無線通信装置及び無線通信方法に関する。

従来より、無線通信において高速伝送を実現するための様々な方法が提案されており、中でも高い周波数利用効率を実現可能とされるＭＩＭＯ（Multi-Input Multi-Output）方式が注目されている。ＭＩＭＯは、複数のアンテナを用いて、複数のデータを同一周波数により同時に送受信する空間多重伝送技術であり、同時に複数のデータを送信可能なことから、理論上はアンテナの数に比例して通信速度を高速化させることが可能といわれている。また、同一周波数によりデータを伝送可能なことから、多重化のために広い周波数帯域を確保する必要がなく、周波数の利用効率にも優れている。

このようなＭＩＭＯ方式による伝送では、基地局や端末局で使用されるアンテナ条件や、周囲の伝搬環境により伝送特性が大きな影響を受けることが知られている。従って、高い通信品質を確保するために、伝搬環境に応じて受信時に用いられるアンテナの組み合わせやアンテナの特性（指向性等）を制御することが行われており、効果的な制御を行うための方法が研究されている。

このようなアンテナの制御パターン（使用するアンテナの組み合わせや、指向性パターン等の組み合わせ）を選択するために、受信装置側で受信される信号からチャネル容量や受信電力等を求め、それらの値によって最適な制御パターンを選択する方法がとられている。例えば、非特許文献１には、チャネル推定を行ってチャネル容量を求め、最も高いチャネル容量が得られた場合におけるアンテナを選択したり、あるいは同じアンテナ特性が得られるようにアンテナ特性を制御する方法が記載されている。この方法では、アンテナの制御パターンを選択するのにチャネル容量を用いるため、最もチャネル容量を大きくすることができる制御パターンを選択することができ、理想的なアンテナ制御が行えることが期待できる。

また、チャネル容量の代わりに全ての制御パターンにおける受信電力を測定し、最も高い受信電力が得られる制御パターンを選択する方法もある。受信電力は、最初に受信されるフレームのパイロットキャリア等から測定することができるため、チャネル容量を用いる方法よりも簡単であり、また、処理時間も短縮できるというメリットがある。

また、特許文献１には、チャネル行列の固有値を用いてアンテナの指向性を制御する方法が開示されている。この方法では、受信した信号から伝送路の伝送特性を表すチャネル行列Ｈを求め、チャネル行列Ｈとチャネル行列の共役転置行列との積で表される固有値λ_iを計算する。そして、全ての固有値λ_iが固有値の平均値λ_aveに近い所定の範囲内の値になるようにチャネル行列Ｈ’を計算し、実際のチャネル行列がＨ’に近づくように、アンテナの指向性を制御する。

特開２００５−４５３５１号公報 A.F.Molisch,"MIMOSystems with Antenna Selection",IEEE microwave magazine, March 2004, pp.46-56

非特許文献１に記載の方法を用いる場合、チャネル推定を行うためには、チャネル行列Ｈを求めた後、行列計算を行う必要があり、計算処理量が増大するという問題がある。一方、受信電力を用いる方法の場合、チャネル容量を用いる場合と比較すると、計算処理量の点では大きなメリットがあるものの、伝搬環境によっては性能が劣化する可能性があり、アンテナ制御を最適に行うことができない場合がある。

また、特許文献１に記載の方法では、非特許文献１の方法と同様に行列計算を必要とする。また、チャネル行列から固有値を計算し、さらに、固有値からチャネル行列Ｈ’を逆算する必要があるため、非特許文献１の方法以上に処理時間が増大する可能性がある。また、特許文献１に記載の方法では、実際のチャネル行列がＨ’に近づくようにアンテナを制御するために、到来方向推定をする必要がある。到来方向推定を行うためには、少なくとも４〜８本程度のアンテナを必要とし、ハードウェア構成が複雑化する可能性があるため、移動端末への適用が難しいという問題がある。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、処理時間が少なく簡易的な方法で最適なアンテナ制御を行うことが可能な、新規かつ改良された無線通信装置及び無線通信方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、複数のアンテナを用いてデータを送受信する無線通信装置であって、受信に用いられるアンテナの制御パターンを切り替えるアンテナ制御部と、制御パターン毎に、受信される信号に対応する受信電力を測定する受信電力測定部と、受信される信号に基づいて制御パターンに対応するチャネルを推定するチャネル推定部と、を備える無線通信装置が提供される。さらに、受信電力測定部は、データの受信開始前に、全ての制御パターンにおける受信電力を測定し、アンテナ制御部は、受信電力測定部により測定された受信電力が大きい順に制御パターンを切り替え、チャネル推定部による推定結果に基づいて制御パターンを切り替える。

かかる構成により、受信アンテナの制御パターン切り替えを２段階に分けて実行し、第１段階で受信電力による短時間での制御を行い、第２段階で最小固有値による精度の高い制御を行うことができる。受信電力に基づいて制御を行う場合、最大のチャネル容量を得ることは出来ない可能性があるが、通信に必要なＳＮＲ（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）は十分確保できる。また、受信電力は、チャネル推定や固有値計算と比較して、短時間で測定が可能であるため、通信開始までにかかる時間を短縮することができる。さらに、受信が進行するに従って受信電力が大きい順にチャネル推定を行っていくことにより、よりチャネル容量を増加させることが可能な制御パターンに順次切り替えて通信性能を向上させることができる。

また、アンテナ制御部は、複数のアンテナのうち、信号を送受信するために用いられるアンテナの組み合わせを切り替えることにより上記制御パターンを切り替えるようにしてもよい。あるいは、アンテナ制御部は、各々のアンテナの指向性パターンの組み合わせを切り替えることにより上記制御パターンを切り替えるようにしてもよい。これにより、複数のアンテナのうちのいくつかのアンテナを選択して送信データを受信する場合や、受信アンテナの指向性を制御する場合に、伝搬環境に最も適したアンテナの組み合わせや指向性パターンの組み合わせを選択することができ、通信品質を向上させることができる。

また、アンテナ制御部は、チャネル推定部による推定結果から求められる最小固有値が、他の制御パターンの最小固有値よりも大きい場合、チャネル推定部による推定結果から求められる最小固有値に対応する制御パターンに切り替えるようにしてもよい。あるいは、アンテナ制御部は、チャネル推定部による推定結果から求められるチャネル容量が、他の制御パターンのチャネル容量よりも大きい場合、チャネル推定部による推定結果から求められるチャネル容量に対応する制御パターンに切り替えるようにしてもよい。これにより、受信電力等を用いる場合に比べて、よりチャネル容量を増加させることが可能な制御パターンを選択することができる。

また、アンテナ制御部は、各フレームの受信前に制御パターンを切り替え、チャネル行列計算部は、アンテナ制御部により切り替えられた制御パターンにより受信された既知の符号パターンであるトレーニング信号に基づいて、フレームの受信中にチャネル推定を行うようにしてもよい。これにより、計算量の多いチャネル行列や固有値の計算をデータの受信と並行して行うことができ、計算処理にかかる時間を短縮することが可能となる。

また、アンテナ制御部は、最初のフレームの受信前に、受信電力が最大となる制御パターンに切り替えるようにしてもよい。上述したように、受信電力の測定は、チャネル推定や固有値計算と比較して短時間で行うことが可能である。また、受信電力に基づく制御は、チャネル容量や最小固有値の場合と比べて精度が落ちるものの、伝搬環境によってはこれらと同程度の効果をあげることが可能であるため、最初に受信電力に基づいた制御を行うことにより、短時間で効果的に制御を行うことができる。

また、アンテナ制御部は、２番目以降のフレームの受信前に、現在の制御パターンの次に受信電力が大きい制御パターンに切り替え、トレーニング信号受信後に、切り替え前の制御パターンに再度切り替えるようにしてもよい。このように、トレーニング信号を受信するときだけまだ固有値やチャネル容量の計算が終わっていない制御パターンに切り替えることにより、データの受信は、受信電力やそれ以前に計算された最小固有値等に基づいて選択された制御パターンを用いて行う一方で、別の制御パターンに対応する固有値の計算を並行して行うことができる。

また、アンテナ制御部は、受信電力が所定の閾値以下の制御パターンには切り替えを行わないようにしてもよい。これにより、ＳＮＲが極めて低い場合の制御パターンは除外することができるため、通信に必要なＳＮＲは確保でき、トレーニング信号が復調できずに通信が断絶する恐れがなくなる。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、複数のアンテナを用いてデータを送受信する無線通信方法であって、データの受信開始前に、受信に用いられるアンテナの全ての制御パターンにおいて、受信される信号に対応する受信電力を測定する受信電力測定ステップと、各フレームの受信前に、受信電力が大きい順に制御パターンを切り替えて既知の符号パターンであるトレーニング信号を受信するトレーニング信号受信ステップと、フレームの受信中に、受信されるトレーニング信号に基づいて制御パターンに対応するチャネルを推定するチャネル推定ステップと、チャネル推定ステップにおける推定結果に基づいて制御パターンを切り替える制御パターン切替ステップと、を含む無線通信方法が提供される。

かかる構成により、受信アンテナの制御パターン切り替えを２段階に分けて実行し、第１段階で受信電力による短時間での制御を行い、第２段階で最小固有値による精度の高い制御を行うことができる。受信電力に基づいて制御を行う場合、最大のチャネル容量を得ることは出来ない可能性があるが、通信に必要なＳＮＲは十分確保できる。また、受信電力は、チャネル推定や固有値計算と比較して、短時間で測定が可能であるため、通信開始までにかかる時間を短縮することができる。さらに、受信が進行するに従って受信電力が大きい順にチャネル推定を行っていくことにより、よりチャネル容量を増加させることが可能な制御パターンに順次切り替えて通信性能を向上させることができる。また、計算量の多いチャネル行列や固有値の計算を、データの受信と並行して行うことができ、計算処理にかかる時間を短縮することが可能となる。

また、複数のアンテナのうち、信号を送受信するために用いられるアンテナの組み合わせを切り替えることにより制御パターンを切り替えるようにしてもよい。あるいは、各々のアンテナの指向性パターンの組み合わせを切り替えることにより制御パターンを切り替えるようにしてもよい。これにより、複数のアンテナのうちのいくつかのアンテナを選択して送信データを受信する場合や、受信アンテナの指向性を制御する場合に、伝搬環境に最も適したアンテナの組み合わせや指向性パターンの組み合わせを選択することができ、通信品質を向上させることができる。

制御パターン切替ステップにおいて、チャネル推定ステップにおける推定結果から求められる最小固有値が、他の制御パターンの最小固有値よりも大きい場合、推定結果から求められる最小固有値に対応する制御パターンに切り替えるようにしてもよい。あるいは、制御パターン切替ステップにおいて、チャネル推定ステップにおける推定結果から求められるチャネル容量が、他の制御パターンのチャネル容量よりも大きい場合、推定結果から求められるチャネル容量に対応する制御パターンに切り替えるようにしてもよい。これにより、受信電力等を用いる場合に比べて、よりチャネル容量を増加させることが可能な制御パターンを選択することができる。

また、トレーニング信号受信ステップにおいて、最初のフレームの受信前に、受信電力が最大となる制御パターンに切り替えるようにしてもよい。上述したように受信電力の測定は、チャネル推定や固有値計算と比較して短時間で行うことが可能である。また、受信電力に基づく制御は、チャネル容量や最小固有値の場合と比べて精度が落ちるものの、伝搬環境によってはこれらと同程度の効果をあげることが可能であるため、最初に受信電力に基づいた制御を行うことにより、短時間で効果的に制御を行うことができる。

また、トレーニング信号受信ステップにおいて、２番目以降のフレームの受信前に、現在の制御パターンの次に受信電力が大きい制御パターンに切り替え、トレーニング信号受信後に、切り替え前の制御パターンに再度切り替えるようにしてもよい。このように、トレーニング信号を受信するときだけまだチャネル推定が終わっていない制御パターンに切り替えることにより、データの受信は、受信電力やそれ以前に計算された最小固有値等に基づいて選択された制御パターンを用いて行う一方で、別の制御パターンに対応する固有値の計算を並行して行うことができる。

また、受信電力が所定の閾値以下の制御パターンには切り替えを行わないようにしてもよい。これにより、ＳＮＲが極めて低い場合の制御パターンは除外することができるため、通信に必要なＳＮＲは確保でき、トレーニング信号が復調できずに通信が断絶する恐れがなくなる。

以上説明したように本発明によれば、処理時間が少なく簡易的な方法で最適なアンテナ制御を行うことが可能となる。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

（ＭＩＭＯ方式無線通信システムの構成例）
まず、本発明の好適な実施形態にかかる無線通信装置を用いた、ＭＩＭＯ方式の無線通信システムの構成例について、図１を参照して簡単に説明する。図１は、本実施形態にかかる無線通信装置を用いた、ＭＩＭＯ方式の無線通信システムの構成例を示すブロック図である。図１に示すように、ＭＩＭＯ方式無線通信システム１０は、送信側の無線通信装置２００と、受信側の無線通信装置１００とにより構成される。ここで、本発明にかかる無線通信装置は、主に受信側に特徴を有するものであるため、以下の説明においては、受信側の無線通信装置１００を中心に説明する。

なお、本実施形態に係る無線通信通信システム１０は、ＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）変調方式を併用したＭＩＭＯ＿ＯＦＤＭ通信システムである。ＯＦＤＭ変調方式は、各サブキャリアがシンボル区間内で相互に直交するように各サブキャリアの周波数を設定したマルチキャリア伝送方式である。

（送信側の無線通信装置２００）
まず、送信側の無線通信装置２００について説明する。無線通信装置２００は、Ｍ本（Ｍ≧２）の送信アンテナ２１０−１〜２１０−ｍを備え、Ｍ系統の信号を送信する装置である。無線通信装置２００は、外部から入力される送信データをＭ系統に分離し、分離された各々のデータの先頭にトレーニング信号を付与する。トレーニング信号は、各送信アンテナに対して互いに直交する符号で変調された信号であって、システムにおいて既知の符号パターンである。トレーニング信号は、例えば、Ｍ系列やＨａｄａｍａｒｄ系列が用いられてもよい。

さらに、無線通信装置２００は、トレーニング信号が付与された各系統の信号を変調し、所定の無線周波数帯の信号に周波数変換し、所定のレベルに増幅して出力する。このようにして出力されたＭ系統の出力信号は、各々送信アンテナ２１０−１〜２１０−ｍによってＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号として送信される。なお、図示していないが、無線通信装置２００は受信手段を同時に備えるものであってもよい。

（受信側の無線通信装置１００）
次に、受信側の無線装置１００について説明する。無線通信装置１００は、Ｎ本（Ｎ≧２）の受信アンテナを用いて、無線通信装置２００より送信されたＭ系統の信号を受信する。従って、無線通信装置２００及び無線通信装置１００の各アンテナ間にはＮ×Ｍ個の伝送路が存在する。ここで、第ｉ送信アンテナから送信され第ｊ受信アンテナで受信される場合の伝達関数をｈ_ｊｉとすると、これを第（ｊ，ｉ）成分とするＮ行Ｍ列の行列がチャネル行列である。以下、チャネル行列をＨと表記する。

図２を参照して、本実施形態にかかる無線通信装置１００について説明する。図２は、本実施形態にかかる無線通信装置１００の概略構成を示すブロック図である。本実施形態にかかる無線通信装置１００は、複数の指向性パターンを切替可能な複数の受信アンテナを含み、伝搬環境に応じて最適な指向性パターンの組み合わせを切り替えることを特徴とする。

図２に示すように、無線通信装置１００は、上述した無線通信装置１００と同様に、Ｎ本の受信アンテナ１１０−１〜１１０−ｎ（以下、まとめて受信アンテナ１１０という）と、アンテナパターン切替部１２０と、Ｎ個の無線部１３０−１〜１３０−ｎ（以下、まとめて受信無線部１３０という）と、Ｎ個のＡＤ変換部１４０−１〜１４０−ｎ（以下、まとめてＡＤ変換部１４０という）と、信号処理部１５０と、により構成される。なお、図示していないが、無線通信装置１００は、送信手段を同時に備えるものであってもよい。以下、無線通信装置１００の各部について説明する。

受信アンテナ１１０は、無線信号を受信するためのものである。なお、ここでは、受信アンテナ１１０は、信号の受信にのみ用いられるものとするが、信号の送信にも用いられるものであってもよい。受信アンテナ１１０の各々は、指向性を制御することが可能なアレーアンテナであり、複数の指向性パターンを切り替え可能に構成される。本実施形態においては、各受信アンテナ１１０は、それぞれＬ個の指向性パターンを有するものとし、各パターンをＰ_１〜Ｐ_Ｌと表す。従って、Ｎ本のアンテナから選択可能な指向性パターンの組み合わせはＬ^Ｎ個となる。

アンテナパターン切替部１２０は、受信アンテナ１１０の各々の指向性パターン切り替えるための機能部である。アンテナパターン切替部１２０は、信号処理部１５０によって制御され、受信アンテナ１１０各々の指向性パターンを切り替える。アンテナパターン切替部１２０は、例えば、ＲＦスイッチおよびその駆動回路等で構成されてもよい。

受信アンテナ１１０によって受信された信号は、アンテナパターン切替部１２０を経由して、無線部１３０に入力される。無線部１３０は、受信アンテナ１１０からそれぞれ出力されるＲＦ信号を各受信系統毎に、所定帯域でフィルタリングし、所定の増幅及び周波数変換等を行ってベースバンド信号に変換する。変換されたベースバンド信号は、ＡＤ変換部１４０によって各受信系統毎にデジタル信号に変換され、信号処理部１５０に入力される。無線部１３０は、例えば、ＲＦフィルタ、低雑音増幅器、周波数変換器等で構成され、ＡＤ変換部１４０は、例えばＡＤ変換器等で構成される。

信号処理部１５０は、受信アンテナ１１０によって受信され、無線部１３０及びＡＤ変換部１４０−１によって処理されたＮ系統の信号を受け取って、最適なアンテナの指向性パターンを決定し、アンテナを制御するための機能部である。図２に示すように、信号処理部１５０は、トレーニング信号検出部１５１と、受信電力測定部１５２と、受信電力テーブル記憶部１５３と、チャネル推定部１５４と、固有値計算部１５５と、アンテナ制御部１５６とにより構成される。以下、信号処理部１５０の各構成要素について説明する。

トレーニング信号検出部１５１は、受信される各フレームに含まれるトレーニング信号を検出するための機能部である。トレーニング信号検出部１５１は、各フレームの先頭に付加されているトレーニング信号を検出し、フレーム同期を確立する。また、フレームタイミング信号によって、受信電力測定部１５２における受信電力測定のタイミングおよびチャネル推定部１５４におけるチャネル推定のタイミングが決定される。

受信電力測定部１５２は、トレーニング信号に基づいて各指向性パターンに対応する受信電力Ｐ_ｉ（１≦ｉ≦Ｌ^Ｎ）を測定するための機能部である。受信電力測定部１５２は、トレーニング信号検出部１５１によって最初のフレームに含まれるトレーニング信号が検出されると、アンテナ制御部１５６によりアンテナの指向性パターンの組み合わせが切り替えられる毎に、受信電力Ｐ_ｉを測定する。あるいは、送信信号がIEEE802.11aのようなＯＦＤＭ信号であれば、トレーニング期間でなくても、最初に受信したフレームのパイロットキャリアを用いて受信電力を測定するようにしてもよい。受信電力測定のタイミングは、トレーニング信号検出部１５１により決定される。測定された受信電力Ｐ_ｉの値は、受信電力テーブル記憶部１５３に受信電力テーブルとして格納される。受信電力測定部１５２は、受信電力Ｐ_ｉの値が大きい順にソートして受信電力テーブルを作成し、受信電力テーブルを作成するようにしてもよい。

受信電力テーブル記憶部１５３は、受信電力測定部１５２によって作成された受信電力テーブルを記憶するための記憶部である。受信電力テーブル記憶部１５３は、受信アンテナの各指向性パターンと受信電力Ｐ_ｉ（１≦ｉ≦Ｌ^Ｎ）とを対応付けて受信電力テーブル内に格納する。

チャネル推定部１５４は、トレーニング信号を用いてチャネル推定を行うための機能部である。チャネル推定部１５４は、受信した各フレームの先頭に付加されたトレーニング信号からチャネル推定を行い、チャネル行列Ｈ_ｉ（１≦ｉ≦Ｌ^Ｎ）を求める。チャネル推定部１５４は、各受信アンテナ１１０の出力信号に対し相関演算を行うことにより、チャネル行列Ｈ_ｉの各要素を計算する。チャネル推定のタイミングは、トレーニング信号検出部１５１によって決定される。チャネル推定の処理は、データ信号の受信と並行して実行されてもよい。計算によって求められたチャネル行列は、固有値計算部１５５に与えられる。

固有値計算部１５５は、チャネル推定部１５４によって計算されたチャネル行列Ｈ_ｉからＨ_ｉの固有値λを計算し、最小固有値λ_i（１≦ｉ≦Ｌ^Ｎ）を求める。固有値λは、以下の数式１により求められる値である。ここで、Ｅは、単位行列を表す。

固有値計算部１５５における固有値の計算処理は、データ信号の受信と並行して行われる。計算によって求められた最小固有値λ_iの値は、アンテナ制御部１５６に与えられる。

アンテナ制御部１５６は、各受信アンテナ１１０の指向性パターンのＬ^Ｎ通りの組み合わせの中から１つを選択し、各受信アンテナ１１０の指向性パターンが選択された組み合わせに設定されるように、アンテナパターン切替部１２０に対して制御用の信号を送信する。アンテナ制御部１５６は、以下の２段階において、アンテナパターンの切替制御を行う。まず、第１段階で受信電力による短時間での制御を行い、第２段階で最小固有値による精度の高い制御を行う。

まず、第１段階の切替制御は、最初のフレームのトレーニング期間において行われる。トレーニング信号検出部１５１によって最初のフレームの先頭に付加されたトレーニング信号が検出された場合、アンテナ制御部１５６は、全ての指向性パターンの組み合わせにおける受信電力の測定を行うために、各受信アンテナの指向性を順次切り替えるようにアンテナパターン切替部１２０を制御する。指向性切り替えのタイミングは、受信電力測定部１５２によって各指向性パターンの組み合わせにおける受信電力の測定が完了したタイミングによって決定される。全ての指向性パターンの組み合わせの切り替えが終了すると、受信電力テーブル記憶部１５３から受信電力テーブルを取得する。

最初のフレームのトレーニング期間が終了しデータ信号を受信する前に、アンテナ制御部１５６は、取得した受信電力テーブルの中で受信電力Ｐ_ｉの値が最大となる指向性パターンの組み合わせに切り替えるように、アンテナパターン切替部１２０を制御する。

次に、第２段階の切替制御は、２番目以降のフレームのトレーニング期間において行われる。まず、固有値計算に用いるトレーニング信号を受信するための切替制御を行う。トレーニング信号検出部１５１によって２番目以降のフレームに含まれるトレーニング信号が検出されると、アンテナ制御部１５６は、受信電力テーブルの中で、現在設定されている指向性パターンの組み合わせの次に受信電力が大きいパターンに切り替えるようにアンテナパターン切替部１２０を制御する。さらに、トレーニング期間が終了し、データ信号の受信が開始される前に、再び切替前の組み合わせに切り替えるように、アンテナパターン切替部１２０を制御する。

さらに、第２フレーム以降のデータ信号受信と並行して固有値計算部１５５で行われる最小固有値の計算処理終了後、計算された最小固有値を用いた切替制御が行われる。ここで、アンテナ制御部１５６は、固有値計算部１５５によって計算された最小固有値λ_ｉと、現在の指向性パターンの組み合わせに対応する最小固有値λ_ｋ（１≦ｋ≦Ｌ^Ｎ）とを比較し、λ_ｉの方が大きい場合、λ_ｉに対応する指向性パターンの組み合わせに切り替えるように、アンテナパターン切替部１２０を制御する。一方、λ_ｋの方が大きい場合、アンテナ制御部１５６は、パターン切替を行わない。

また、第２段階の切替制御においては、受信電力テーブル内で最小受信電力（閾値）を予め決定し、その値よりも受信電力Ｐ_ｉの方が小さい組み合わせに対しては、切替を行わないようにしてもよい。このとき、受信電力の閾値には、例えば、システムで規定されたトレーニング信号を受信するために必要な最小受信電力の値を用いてもよい。例えば、IEEE Std.802.11a-1999, P31, Table91には、受信側の無線通信装置に要求される感度（Ｍｉｎｉｍｕｍ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）、即ち信号を受信するために必要な最小受信電力が規定されている。この値は、データレートにより異なるが、トレーニング信号は確実に復調されることを目的として最低データレートで送られるので、６Ｍｂｐｓとなり、このときの最小受信電力は−８２ｄＢｍである。この値はあくまで規格値（最低性能）であり、実際には受信に用いられる無線通信装置の性能に応じて最小受信電力の値を決定するようにしてもよい。例えば上述した例の場合、受信電力の閾値として−９０ｄＢｍ等の値を採用するようにしてもよい。

以上、本実施形態にかかる無線通信装置１００の構成について説明した。なお、無線通信装置１００は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）や各種の記憶媒体等により構成されてもよい。なお、記憶媒体としては、例えば、半導体メモリ、光ディスク、磁気ディスクまたはその他の記憶媒体等であってもよい。また、信号処理部１５０を構成する各部の一部又は全部の機能は、上記のような記憶媒体に記憶されたプログラムに基づいてＣＰＵにより実現されるものであってもよく、あるいは、上述した各機能を実行可能なプロセッサ等のハードウェアによりその機能が実現されてもよい。

（変形例）
次に、図３を参照して、上述した無線通信装置１００の変形例である無線通信装置３００について説明する。図３は、本実施形態の変形例にかかる無線通信装置３００の概略構成を示すブロック図である。

送信側の無線通信装置２００によってＭ系統の信号が送信される場合、受信側の無線通信装置３００は、各系統の信号を各々１本の受信アンテナによって受信する。したがって、Ｍ＜Ｎの場合、Ｎ本の受信アンテナ３１０のうち、信号の受信に用いられるアンテナはＭ本だけとなる。このような場合、Ｎ本の受信アンテナからＭ本を選択する組み合わせの数は_ＮＣ_Ｍであるが、このうち、最も受信状態の良い組み合わせを選択することによって、通信品質を向上させることができる。本変形例にかかる無線通信装置は、上述した実施形態と同様の方法を用いて、伝播環境に最も適したアンテナの組み合わせ選択の制御を行う。

本変形例にかかる無線通信装置３００は、他の無線通信装置から２系統の信号を送信され、送信された信号を４本の受信アンテナのうちの２本により受信する場合の例を示したものである。この場合、無線通信装置３００は、図３に示すように、４本の受信アンテナ３１０−１〜３１０−４（以下、まとめて受信アンテナ３１０という）を備え、４本の受信アンテナのうち受信に用いるアンテナの組み合わせを切り替えるアンテナ切替部３２０と、受信した２系統の信号に対応する無線部３３０−１及び３３０−２（以下、まとめて無線部３３０という）と、受信した２系統の信号に対応するＡＤ変換部３４０−１及び３４０−２（以下、まとめてＡＤ変換部３４０という）と、信号処理部３５０とにより構成される。

本変形例にかかる無線通信装置の中で、アンテナ切替部３２０のみが上述した実施形態の構成と異なる。上述の実施形態にかかるアンテナパターン切替部１２０が受信アンテナの指向性パターンの組み合わせを切り替えるものであったのに対し、本変形例にかかるアンテナ切替部３２０は、受信に用いられるアンテナの組み合わせを切り替えるための機能部である。アンテナ切替部３２０は、４本の受信アンテナ３１０−１〜３１０−４のうち、信号受信に用いられるアンテナ２本の組み合わせとして、_４Ｃ_２＝６通りの組み合わせのうち１つが選択されるように切替を行う。アンテナ切替部３２０において、どの受信アンテナを選択するかは信号処理部３５０から伝達される制御信号によって制御される。アンテナ切替部３２０は、例えば、ＲＦスイッチおよびその駆動回路で構成されてもよい。

次に、図４及び図５に基づいて、上述の実施形態にかかる無線通信装置１００の信号処理部１５０により実行される無線通信処理の一例を説明する。ここで、図４は、通信開始から第１フレーム受信終了までの無線通信処理の流れを示すフローチャートである。また、図５は、第２フレーム以降の受信時の無線通信処理の流れを示すフローチャートである。

本実施形態にかかる無線通信処理は、受信アンテナの制御パターン切り替えを２段階に分けて実行し、第１段階で受信電力による短時間での制御を行い、第２段階で最小固有値による精度の高い制御を行うことを特徴とする。ここで、受信アンテナの制御パターン（以下、単に制御パターンという）とは、受信アンテナの指向性パターンの組み合わせや、信号受信に用いられる受信アンテナの組み合わせ等を指す。

なお、以下では、制御パターン数をｎとし、各制御パターンをＴ_ｋ（１≦ｋ≦ｎ）と表す。ここで、ｋは、受信電力テーブル内で制御パターンを受信電力順にソートしたときの順番を表し、Ｔ_１は受信電力が最大の制御パターンを表し、Ｔ_ｎは受信電力が最小の制御パターンを表すものとする。また、各制御パターンＴ_ｋのときのチャネル行列をＨ_ｋ、最小固有値をλ_ｋと表す。また、受信されるフレームの番号をｉと表し、フレーム数をｍとする。

まず、通信が開始されると、ステップＳ４００で、トレーニング信号検出部１５１がトレーニング信号を受信する。次いで、ステップＳ４０２で、受信電力測定部１５２がトレーニング信号から受信電力を測定する。あるいは、送信信号がIEEE802.11aのようなＯＦＤＭ信号であれば、最初に受信したフレームのパイロットキャリアを用いて受信電力を測定するようにしてもよい。

次いで、ステップＳ４０４で、全ての制御パターンＴ_ｋについて受信電力の測定が終了したか否かを判定する。まだ終了していない場合は、アンテナ制御部１５６によって次の制御パターンへの切り替えを行い、ステップＳ４０２に戻る。このように、ステップＳ４０２〜Ｓ４０６をｎ回繰り返して、ｎ個全ての制御パターンについて受信電力の測定が行われる。

ステップＳ４０４で、全ての制御パターンについての受信電力の測定が終了したと判定されたら、ステップＳ４０８に遷移し、測定された受信電力の値から、受信電力テーブルが作成され、受信電力テーブル記憶部１５３に記憶される。受信電力テーブル記憶部１５３には、受信電力と対応する制御パターンとが対応付けられた受信電力テーブルが記憶される。ここで、受信電力テーブルは、受信電力の大きい順にソートされて記憶されるようにしてもよい。

次いで、ステップＳ４１０で、アンテナ制御部１５６が、受信電力テーブル記憶部１５３から、受信電力が最大となる制御パターンＴ_１を読み出し、受信アンテナの制御パターンがＴ_１となるようにアンテナパターン切替部１２０を制御する。さらに、ステップＳ４１２で、トレーニング信号検出部１５１は、第１フレームのトレーニング信号を受信する。

第１フレームのトレーニング期間が終了すると、ステップＳ４１４で第１フレームのデータ信号の受信処理と並行して、チャネル推定部１５４は、ステップＳ４１２で受信されたトレーニング信号に基づいてチャネル推定を行ってチャネル行列Ｈ_１を求める。その後、固有値計算部１５５は、チャネル行列Ｈ_１の最小固有値λ_１を計算する。これにより、第１フレームのデータ信号受信中に、制御パターンＴ_１のときの最小固有値λ_１が計算される。

次いで、図６を参照して、第２フレーム以降の受信処理について説明する。ステップＳ４１６で、アンテナ制御部１５６は、受信電力テーブル記憶部１５３に記憶された受信電力テーブルを参照して、制御パターンＴ_１の次に受信電力が大きい制御パターンＴ_２を読み出す。そして、受信アンテナの制御パターンがＴ_２となるようにアンテナパターン切替部１２０を制御する。

次いで、ステップＳ４１８で、トレーニング信号検出部１５１は、第２フレームのトレーニング信号を受信する。第２フレームのトレーニング期間が終了すると、ステップＳ４２０で、アンテナ制御部１５６が、制御パターンをステップＳ４１６の前の状態、即ち制御パターンＴ_１に切り替える。

次いで、ステップＳ４２２で、ステップＳ４１８で受信されたトレーニング信号を基に、チャネル推定部１５４がチャネル推定を行ってチャネル行列Ｈ_２を求め、固有値計算部１５５がチャネル行列Ｈ_２の最小固有値λ_２を計算する。またこのとき、チャネル行列及び固有値計算と並行して第２フレームのデータ信号が受信される。

次いで、ステップＳ４２４で、ステップＳ４２２で計算された最小固有値λ_２を、第２フレームの受信時の制御パターンＴ_１のときの最小固有値λ_１と比較する。ここで、最小固有値λ_２の方が大きい場合、ステップＳ４２６に遷移して、次フレーム以降の受信時の制御パターンをＴ_２に切り替える。

一方、制御パターンＴ_１のときの最小固有値λ_１の方が大きい場合は、ステップＳ４２８に遷移して、次フレームの受信時においても制御パターンＴ_１のまま受信する。

ステップＳ４３０で、全てのフレームの受信が終了したか否かを判断し、受信が終了していない場合はステップＳ４１６に戻って次のフレームを受信する。通信終了時、通信途絶時、またはＢＥＲ劣化等で上位レイヤからの指示があった場合は、再びＳ４００へ戻る。

このようにして、第２フレームから第ｍフレームまでステップＳ４１６〜Ｓ４３０の処理を繰り返し、作成した受信電力テーブルにしたがって、受信電力の大きい順に該当する制御パターンに切り替えてチャネル行列を計算し、最小固有値を求める。もし、最小固有値において、前のフレーム受信時に用いられた制御パターンのときよりも大きな値が得られたら、次のフレームからはその最小固有値に対応する制御パターンに切り替えて、通信を続行する。

ただし、ＳＮＲが極めて低い場合、トレーニング信号が復調できずに通信が断絶する恐れがあるので、あらかじめ受信電力の下限を定めておき、受信電力テーブルにおいて下限以下の受信電力であった制御パターンへの切り替えは行わないようにしてもよい。

（ＭＩＭＯ性能向上に対する効果）
ここで、ＭＩＭＯ性能の向上に対する、本実施形態による効果について説明する。図６に、切り替え時の判断基準として用られるパラメータとＭＩＭＯ性能（チャネル容量）との関係を明らかにしたシミュレーション結果を示す。図６は、２×２ＭＩＭＯにアンテナ指向性パターンの制御を行った場合の性能向上率（通常の２×２ＭＩＭＯに比べた場合）と、パターン制御に使用したパラメータとの関係を表している。横軸は伝搬環境の変化を示している。また、Ｅｉｇｅｎ ｖａｌｕｅとは、チャネル行列Ｈから求めた固有値であり、ＭＩＭＯにより構成される空間パスの性能を表す。

図６によると、受信電力に基づいて指向性パターンの制御を行った場合、例えばＮＬＯＳ４５のときのように、伝搬環境によっては性能劣化が起きているのに対し、最小固有値（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｅｉｇｅｎ Ｖａｌｕｅ）を用いた場合は、ほとんど性能劣化は無く、チャネル容量による制御を行った場合と同程度の性能が得られることが分かる。従って、最小固有値を用いて制御を行う本実施形態の方法では、ＭＩＭＯ性能向上に対して極めて効果的なアンテナパターン制御を行うことができる。

但し、最小固有値の計算は計算量が多く、受信開始時に全てのパターンについて固有値計算を行うと処理速度の劣化を招く恐れがある。これに対し、本実施形態にかかる無線通信装置及び無線通信処理では、最初のフレームを受信する段階では短時間で計測可能な受信電力により制御を行い、受信中に計算された最小固有値に基づいて順次補正を行っていくため、処理時間におけるロスを最小限にとどめることができる。また、受信電力による制御を行った場合、最大のチャネル容量を得ることは出来ない可能性があるが、通信に必要なＳＮＲは確保できているので、通信を開始することは十分可能である。また、図６に示すように、受信電力を用いた場合でも、伝搬環境によっては、最小固有値の場合と同程度の効果を得ることもできる。

（処理時間短縮に対する効果）
次に、処理時間短縮についての本実施形態による効果について説明する。まず、（１）全ての制御パターンについてチャネル推定を行ってチャネル容量または固有値を求め、最も高いチャネル容量が得られた場合における制御パターンを選択する（または、同じアンテナ特性が得られるようにアンテナを制御する）場合、性能向上効果は大きいが、計算量が大きく、処理時間の増加を招く。一方、（２）全ての制御パターンについて受信電力を測定し、最も高い受信電力が得られる場合における制御パターンを選択する（または、同じアンテナ特性が得られるようにアンテナを制御する）場合、測定時間や処理量は小さいものの、性能向上効果は比較的小さい。

本実施形態にかかる無線通信装置及び無線通信処理では、上記（１）の場合と同じ計算をデータ受信と並行して行うため、（１）にかかる処理時間は考慮しなくてもよい。従って、（２）の測定時間で（１）の性能を実現することができると考えることができ、通信開始までの時間短縮効果としては、（１）と（２）との比較により求められる。

まず、（１）の場合、トレーニング期間に全ての制御パターン（Ｌⁿまたは_ＮＣ_Ｍ）のチャネル推定をおこなう必要がある。チャネル推定のためには送信側で各送信アンテナから互いに直交する符号（例えばアダマール符号など）で変調された信号をトレーニング信号として送信する必要がある。例えば、信号のシンボル長が４μ秒で、３２次アダマール符号で変調した場合、１回のチャネル推定に必要な測定時間は、４μ秒×３２＝１６８μ秒となる。したがって、全ての組み合わせパターンについてチャネル推定を行うのに要する時間、すなわち通信開始までに要する時間は、Ｌⁿ×１６８μ秒または_ＮＣ_Ｍ×１６８μ秒である。Ｌ＝４かつｎ＝４の場合の例で計算すると、通信開始までに要する時間は、４^４×１６８μ秒＝２５６×１６８μ秒＝約４３ミリ秒と計算できる。

一方、（２）の場合、全ての制御パターンに対して受信電力を測定し、ただ１つの組み合わせに対してチャネル推定を行うことで通信を開始することが出来る。例えば、１回の受信電力測定に要する時間を１μ秒とすると、通信開始までに要する時間は、Ｌⁿ×１μ秒＋１６８μ秒または_ＮＣ_Ｍ×１μ秒＋１６８μ秒である。上記（１）の場合の例と同様に、Ｌ＝４かつｎ＝４の場合の例で計算すると、通信開始までに要する時間は、４^４×１μ秒＋１６８μ秒＝２５６μ秒＋１６８μ秒＝約０．４ミリ秒と計算でき、（１）の場合と比べて通信開始までの時間を約１００分の１に短縮することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態では、制御パターンの切り替えを判断するために最小固有値を用いたが、本発明はかかる例に限定されず、例えば、チャネル容量を用いて行ってもよい。

本発明の好適な実施形態にかかる無線通信装置を用いた無線通信システムの構成例を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態にかかる無線通信装置の概略構成を示すブロック図である。 同実施形態にかかる無線通信装置の変形例の概略構成を示すブロック図である。 無線通信処理の流れを示すフローチャートである。 無線通信処理の流れを示すフローチャートである。 指向性パターンの制御を行った場合の性能向上率と、パターン制御に使用したパラメータとの関係を表すグラフである。

符号の説明

１００、２００、３００ 無線通信装置
１１０、３１０ 受信アンテナ
１２０ アンテナパターン切替部
１３０、３３０ 無線部
１４０、３４０ ＡＤ変換部
１５０、３５０ 信号処理部
１５１ トレーニング信号検出部
１５２ 受信電力測定部
１５３ 受信電力テーブル記憶部
１５４ チャネル推定部
１５５ 固有値計算部
１５６ アンテナ制御部
２１０ 送信アンテナ
３２０ アンテナ切替部

Claims (17)

1. 複数のアンテナを用いてデータを送受信する無線通信装置であって、
   受信に用いられるアンテナの制御パターンを切り替えるアンテナ制御部と、
   前記制御パターン毎に、受信される信号に対応する受信電力を測定する受信電力測定部と、
   受信される信号に基づいて前記制御パターンに対応するチャネルを推定するチャネル推定部と、
   を備え、
   前記受信電力測定部は、データの受信開始前に、全ての前記制御パターンにおける前記受信電力を測定し、
   前記アンテナ制御部は、前記受信電力測定部により測定された受信電力が大きい順に前記制御パターンを切り替え、前記チャネル推定部による推定結果に基づいて前記制御パターンを切り替えることを特徴とする、無線通信装置。
2. 前記アンテナ制御部は、前記複数のアンテナのうち、信号を送受信するために用いられる前記アンテナの組み合わせを切り替えることにより前記制御パターンを切り替えることを特徴とする、請求項１に記載の無線通信装置。
3. 前記アンテナ制御部は、各々の前記アンテナの指向性パターンの組み合わせを切り替えることにより前記制御パターンを切り替えることを特徴とする、請求項１に記載の無線通信装置。
4. 前記アンテナ制御部は、前記チャネル推定部による推定結果から求められる最小固有値が、他の制御パターンの最小固有値よりも大きい場合、前記チャネル推定部による推定結果から求められる最小固有値に対応する前記制御パターンに切り替えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の無線通信装置。
5. 前記アンテナ制御部は、前記チャネル推定部による推定結果から求められるチャネル容量が、他の制御パターンのチャネル容量よりも大きい場合、前記チャネル推定部による推定結果から求められるチャネル容量に対応する前記制御パターンに切り替えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の無線通信装置。
6. 前記アンテナ制御部は、各フレームの受信前に前記制御パターンを切り替え、
   前記チャネル行列計算部は、前記アンテナ制御部により切り替えられた前記制御パターンにより受信された、既知の符号パターンであるトレーニング信号に基づいて、前記フレームの受信中に前記チャネルの推定を行うことを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の無線通信装置。
7. 前記アンテナ制御部は、最初のフレームの受信前に、受信電力が最大となる前記制御パターンに切り替えることを特徴とする、請求項６に記載の無線通信装置。
8. 前記アンテナ制御部は、２番目以降のフレームの受信前に、現在の前記制御パターンの次に受信電力が大きい制御パターンに切り替え、前記トレーニング信号受信後に、切り替え前の前記制御パターンに再度切り替えることを特徴とする、請求項６または７のいずれかに記載の無線通信装置。
9. 前記アンテナ制御部は、前記受信電力が所定の閾値以下の前記制御パターンには切り替えを行わないことを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の無線通信装置。
10. 複数のアンテナを用いてデータを送受信する無線通信方法であって、
    データの受信開始前に、受信に用いられるアンテナの全ての制御パターンにおいて、受信される信号に対応する受信電力を測定する受信電力測定ステップと、
    各フレームの受信前に、前記受信電力が大きい順に前記制御パターンを切り替えて既知の符号パターンであるトレーニング信号を受信するトレーニング信号受信ステップと、
    前記フレームの受信中に、前記受信されるトレーニング信号に基づいて前記制御パターンに対応するチャネルを推定するチャネル推定ステップと、
    前記チャネル推定ステップにおける推定結果に基づいて前記制御パターンを切り替える制御パターン切替ステップと、
    を含むことを特徴とする、無線通信方法。
11. 複数の前記アンテナのうち、信号を送受信するために用いられる前記アンテナの組み合わせを切り替えることにより前記制御パターンを切り替えることを特徴とする、請求項１０に記載の無線通信方法。
12. 各々の前記アンテナの指向性パターンの組み合わせを切り替えることにより前記制御パターンを切り替えることを特徴とする、請求項１０に記載の無線通信方法。
13. 前記制御パターン切替ステップにおいて、前記チャネル推定ステップにおける推定結果から求められる最小固有値が、他の制御パターンの最小固有値よりも大きい場合、前記推定結果から求められる最小固有値に対応する前記制御パターンに切り替えることを特徴とする、請求項１０〜１２のいずれかに記載の無線通信方法。
14. 前記制御パターン切替ステップにおいて、前記チャネル推定ステップにおける推定結果から求められるチャネル容量が、他の制御パターンのチャネル容量よりも大きい場合、前記推定結果から求められるチャネル容量に対応する前記制御パターンに切り替えることを特徴とする、請求項１０〜１２のいずれかに記載の無線通信方法。
15. 前記トレーニング信号受信ステップにおいて、最初のフレームの受信前に、受信電力が最大となる前記制御パターンに切り替えることを特徴とする、請求項１０〜１４のいずれかに記載の無線通信方法。
16. 前記トレーニング信号受信ステップにおいて、２番目以降のフレームの受信前に、現在の前記制御パターンの次に受信電力が大きい制御パターンに切り替え、前記トレーニング信号受信後に、切り替え前の前記制御パターンに再度切り替えることを特徴とする、請求項１０〜１５のいずれかに記載の無線通信方法。
17. 前記受信電力が所定の閾値以下の前記制御パターンには切り替えを行わないことを特徴とする、請求項１０〜１６のいずれかに記載の無線通信方法。

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