JP2009033588A - 無線通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直接波のみが存在し、若しくは直接波の電力が相対的に突出して大きくなる実環境においても、チャネル行列のランクが低下する事態を回避する。
【解決手段】受信機は、電波を遮蔽する壁で仕切られた３つのアンテナ群を備え、各アンテナ群はそれぞれ３本のアンテナを含んでいる。異なるアンテナ群間ではアンテナが受信可能な反射波又は直接波は異なる。アンテナ群１は、非常に大きい直接波が到来しており、反射波は存在しているものの、直接波があまりに大きいために、チャネル行列Ｈの逆行列が解き難くなっている状況であるから、アンテナ群２やアンテナ群３を選択して、チャネル行列Ｈの逆行列が解き易くする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、送受信アンテナの組み合わせ毎の伝達関数を要素としたチャネル行列を基に空間多重して送られてきた受信信号から元の各ストリーム信号を空間分離する無線通信装置に係り、特に、チャネル行列のランクが低下する事態を回避して独立した複数のストリームを用いた空間多重伝送を行なう無線通信装置に関する。

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。

また、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、複数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、チャネル経由で複数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。

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から元の各ストリーム信号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。

図７には、ＭＩＭＯ通信システムを概念的に示している。ＭＩＭＯ送信機には、２本のアンテナ、すなわち送信アンテナ１と送信アンテナ２を備え、一方のＭＩＭＯ受信機も２本の受信アンテナ１と受信アンテナ２を備えている。ここで、送信アンテナ１と受信アンテナ１間のチャネルの伝達関数をｈ₁₁、送信アンテナ２と受信アンテナ１間のチャネルの伝達関数をｈ₁₂、送信アンテナ１と受信アンテナ２間のチャネルの伝達関数をｈ₂₁、送信アンテナ２と受信アンテナ２の伝搬路間のチャネルの伝達関数をｈ₂₂とする。そして、送信機は、送信アンテナ１に対して送信データ系列Ｘ₁を送信アンテナ２に対して送信データ系列Ｘ₂を割り当て、受信機は、受信アンテナ１において受信データ系列Ｙ₁を受信し、受信アンテナ２において受信データ系列Ｙ₂を受信したものとする。この場合のチャネル状況は、以下の式（１）のように表現することができる。

このときのチャネル行列Ｈを次式（２）のように定義すると、例えば次々式（３）のようにチャネル行列Ｈの逆行列Ｈ^-1をアンテナ受信重み行列として求めることができる。

この場合、次式（４）に示すように、受信信号系列Ｙ₁及びＹ₂にチャネル行列Ｈの逆行列Ｈ^-1を乗算することで、受信信号系列Ｘ₁及びＸ₂が求まる。

なお、図７では送受信アンテナがともに２本の場合を示したが、アンテナ本数が２本以上であっても、同様にしてＭＩＭＯ通信システムを構築することができる。すなわち、Ｍ本の送信アンテナを備えた送信側では、複数の送信データに空間／時間符号を施して多重化して各送信アンテナに分配して送信する（但し、Ｍは２以上の整数）。これに対し、Ｎ本の受信アンテナを備えた受信側では、各受信アンテナにより受信した受信信号を空間／時間復号して受信データを得ることができる（但し、Ｎは２以上の整数）。理想的には、送受信アンテナのうち少ない方の数（ＭＩＮ［Ｍ，Ｎ］）だけの空間／時間ストリームが形成される。

上述したようなＭＩＭＯ通信システムでは、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。ここで、チャネル行列Ｈのランク（ｒａｎｋ：階数）の下落が致命的となることが知られている。例えば、下式（５）に示すような行列は、逆行列を解くことができないので、独立な２つのチャネルを空間多重して伝送して、それを受信機側で分離するということはできない。

上式（５）に示したチャネル行列Ｈを２つの列ベクトルに分解して見てみると、同じ［１，２］^Tというベクトルが２つあるだけなので、独立なベクトルが１しかないためにランクが２から１へ落ちてしまっている。このように１次独立な列ベクトルが１つしかないときには、チャネル行列Ｈの逆行列を解くことはできないので、アンテナ受信重み行列を求めることができない。言い換えれば、上式（４）に示したように空間多重された受信信号を空間分離して元のストリーム信号を得ることはできない、すなわち独立した２本のストリームを得ることはできないことになる。

チャネル行列Ｈのランクが下落すると、その正確な逆行列Ｈ^−１を得られないので、Ｈ^−１を計算する際に行列式の逆数に適当な値を入れて計算すれば、オーバーフローは避けられ、装置上の破綻は生じない。例えば、チャネル行列Ｈの要素ｈ_ijを用いて、チャネル行列Ｈを２×２型行列に分割する小行列分割部と、分割された２×２型行列の余因子の計算を行なう余因子計算部と、計算された余因子を用いてチャネル行列Ｈの行列式|Ｈ|の計算を行なう行列式計算部と、前記行列式|Ｈ|を用いて，前記行列Ｈがランク落ちであるかを判定するランク落ち判定部を備えたチャンネル行列演算装置について提案がなされており（例えば、特許文献１を参照のこと）、アンテナ本数の多い送信機と受信機で構成されるＭＩＭＯ通信システムにおいても、行列式計算を２×２型以下に分割した小行列のみで処理することができる。また、行列Ｈがランク落ちであると判定されたときには余因子を前記行列式判定閾値に置き換えて出力して、逆行列計算時の数値的破綻を回避することができる。

また、時間の経過に応じてチャネルのランクも変動するので、現在のチャネルのランクが低くても、ランクが高くなるまで、複数のアンテナに対するキャリブレーション係数の導出を延期するＭＩＭＯシステムについて提案がなされている（例えば、特許文献２を参照のこと）。

チャネル行列Ｈの逆行列を得難くなる実環境として、直接波のみが存在して反射波が全く存在しない状況が挙げられる。一方、反射波が豊富にある環境ではチャネル行列Ｈの逆行列は解き易い。また、直接波と反射波がともに存在する環境であっても、直接波の電力が反射波に比べて突出して大きいときには、チャネル行列Ｈの逆行列は解き難くなる。あるいは、反射波のみ受信可能となる環境であっても、特定の反射波の電力が突出していると、チャネル行列Ｈの逆行列は解き難くなる。

特開２００７−１３４５５号公報 特開２００６−２７９９０５号公報

本発明の目的は、送受信アンテナの組み合わせ毎の伝達関数を要素としたチャネル行列を基に空間多重して送られてきた受信信号から元の各ストリーム信号を好適に空間分離することができる、ＭＩＭＯ通信方式の優れた無線通信装置を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、チャネル行列のランクが低下する事態を回避して独立した複数のストリームを用いた空間多重伝送を行なうことができる、優れた無線通信装置を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、直接波のみが存在し、若しくは直接波の電力が相対的に突出して大きくなる実環境においても、チャネル行列のランクが低下する事態を回避して独立した複数のストリームを用いた空間多重伝送を行なうことができる、優れた無線通信装置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、その第１の側面は、複数のアンテナを備え、複数のアンテナを備えた通信相手から空間多重された伝送信号を受信する無線通信装置であって、
複数の受信ブランチと、
それぞれ受信ブランチ数に応じたアンテナ本数からなり、受信可能な信号到来方向が異なる複数のアンテナ群と、
いずれのアンテナ群を用いて伝送信号を受信すべきかを決定するアンテナ群決定手段と、
前記アンテナ群決定手段による決定結果に基づいて、各受信ブランチをいずれかのアンテナ群のアンテナに択一的に接続するスイッチング手段と、
通信相手側の送信アンテナと各受信ブランチが受信に用いるアンテナの組み合わせ毎の伝達関数を要素としたチャネル行列を基に空間分離を行なう空間分離手段と、
を具備することを特徴とする無線通信装置である。

また、本発明の第２の側面は、複数のアンテナを備え、複数のアンテナを備えた通信相手から空間多重された伝送信号を受信する無線通信装置であって、
それぞれ受信に用いるアンテナを備えた複数の受信ブランチと、
通信相手からの直接波に対して反射波を生成する反射波生成手段と、
通信相手側の送信アンテナと各受信ブランチが受信に用いるアンテナの組み合わせ毎の伝達関数を要素としたチャネル行列を基に空間分離を行なう空間分離手段と、
を具備することを特徴とする無線通信装置である。

高速・大容量伝送を実現する無線通信技術として、複数のアンテナを持つ送信機と複数のアンテナを持つ受信機間で空間多重を利用したＭＩＭＯ通信が知られており、送受信アンテナの組み合わせ毎の伝達関数を要素としたチャネル行列を基に、送信側からは複数のストリームを空間多重送信するとともに、受信側では各アンテナの受信信号から元の各ストリーム信号を空間分離することができる。

しかしながら、このようなＭＩＭＯ通信システムでは、チャネル行列Ｈのランクの下落とともに、チャネル行列Ｈの逆行列は解き難くなるために、空間多重可能な独立したストリーム本数が低減してしまうという問題がある。

これに対し、本発明は、直接波の電力が相対的に突出して大きくなる実環境ではチャネル行列Ｈの逆行列は解き難くなる一方、反射波が豊富にある環境ではチャネル行列Ｈの逆行列は解き易いという点に着目して、空間多重された信号を受信する受信機側において、反射波を積極的に受信できるようなアンテナ構成を採用している。

チャネル行列Ｈの逆行列を解く易くする１つのアプローチとして、直接波を受信しないで、反射波を受けるようにするアンテナ構成が挙げられる。すなわち、本発明の第１の側面に係る無線通信装置は、複数のアンテナ及び複数の受信ブランチを有してＭＩＭＯ受信機として動作することができるが、それぞれ受信ブランチ数に応じたアンテナ本数からなる複数のアンテナ群を形成し、各アンテナ群が受信可能な信号到来方向を異ならせるとともに、通信相手からの直接波が到来しない、又は、直接波若しくは一部の反射波の受信電力が突出しないアンテナ群を受信用に決定するようになっている。したがって、反射波が豊富となる環境を無線通信装置が自ら形成することによって、チャネル行列Ｈの逆行列を解き易くすることができる。

図１には、この場合のアンテナ構成例を示している。図示の例では、受信機は３つのアンテナ群を備えており、各アンテナ群はそれぞれ３本のアンテナを含んでいる。また、送信機（図示しない）は３本のアンテナを備えており、送受信機間でＭＩＭＯ通信を行なう際には、いずれか１つのアンテナ群を択一的に用いて受信動作を行なうようになっており、いずれのアンテナ群を用いても３×３のアンテナ構成からＭＩＭＯ通信システムとして空間多重伝送が行なわれることになる。なお、アンテナ群の数や各アンテナ群におけるアンテナ本数は特定の数値に限定されない。

各アンテナ群の間は電波を通過しない壁で仕切られている。したがって、同じアンテナ群内の各アンテナはほぼ同じ方向から到来する反射波又は直接波を受信できる（すなわち、アンテナ郡内ではマルチパス環境が同じとなる）一方、異なるアンテナ群の間ではアンテナが受信可能な反射波又は直接波は異なる（すなわち、アンテナ群の間ではマルチパス環境が異なる）。

図１に示す例では、アンテナ群１は、非常に大きい直接波が到来しており、反射波は存在しているものの、直接波があまりに大きいために、チャネル行列Ｈの逆行列が解き難くなっている状況である。他方、アンテナ群＃２やアンテナ群＃３は反射波が豊富にある状況である。このような場合、アンテナ群２やアンテナ群３を選択することによって、チャネル行列Ｈの逆行列が解き易くなり、パフォーマンスが向上することが見込める。

信号対雑音電力が十分に大きい環境では、このような選択をすることによって、複数のチャネルでの伝送が可能になるためにスループットが向上する。

他方、信号対雑音電力が非常に低い場合には、大きい電力を持っている直接波が受信可能となるアンテナ群１を選択して、ＭＩＭＯ受信を止めて、１ストリームの受信のみを行なうという方法もある。

図１に示したアンテナ構成では、もともと、直接波と同じくらいの大きい反射波があった場合に不都合な場合がある。図２には、このような問題に対処したアンテナ構成例を示している。図示の例では、３方向から大きい波が到来していて、直接波のみが突出して大きい電力という状況ではない場合に、これは、アルミの板で遮るのではなく、トップに取り付けられているアンテナ群４で受信することが、電力的にも逆行列を解き易いチャネル行列Ｈを得るという意味でも適している。

また、チャネル行列Ｈの逆行列を解く易くする他のアプローチとして、直接波に対して反射波を積極的に作り出す（言い換えれば、相対的に反射波の電力を大きくする）という構成が挙げられる。すなわち、本発明の第２の側面に係る無線通信装置は、複数のアンテナ及び複数の受信ブランチを有してＭＩＭＯ受信機として動作することができるが、通信相手からの直接波に対して反射波を生成する反射波生成手段を備え、この反射波生成手段は、通信相手からの直接波が各受信ブランチのアンテナに到来するのを抑制するとともに、反射波が各アンテナに到来するように配置されている。したがって、反射波が豊富となる環境を無線通信装置が自ら形成することによって、チャネル行列Ｈの逆行列を解き易くすることができる。

図３には、積極的に反射波を作り出すことによってＭＩＭＯ通信に適した環境を作り出すことが可能となるアンテナの構成例を示している。図示の例では、ＭＩＭＯ通信のための３本のアンテナからなるアンテナ群が受信機に備えられている。また、送信機（図示しない）は３本のアンテナを備えており、３×３のアンテナ構成からＭＩＭＯ通信システムとして空間多重伝送が行なわれることになる。なお、アンテナ群におけるアンテナ本数は特定の数値に限定されない。

図３に示すように、このアンテナ群を取り囲んで、直接波がいずれのアンテナにも到来しないように複数の反射板が設置されているので、アンテナ群の付近への到来波（直接波又は反射波）は、一旦は反射板で反射しなければアンテナには届かない。すなわち、これらの反射板がアンテナ群に到来する反射波を積極的に作り出すようになっている。したがって、ほとんど直接波のみ若しくは微小に角度が異なった直接波に近い波のみが存在する環境においても、反射板によってアンテナ群に到来する反射波を作り出すことができ、チャネル行列Ｈの逆行列を生成し易い伝搬環境に変化することが可能である。

本発明によれば、送受信アンテナの組み合わせ毎の伝達関数を要素としたチャネル行列を基に空間多重して送られてきた受信信号から元の各ストリーム信号を好適に空間分離することができる、ＭＩＭＯ通信方式の優れた無線通信装置を提供することができる。

また、本発明によれば、チャネル行列のランクが低下する事態を回避して独立した複数のストリームを用いた空間多重伝送を好適に行なうことができる、優れた無線通信装置を提供することができる。

また、本発明によれば、直接波のみが存在し、若しくは直接波の電力が相対的に突出して大きくなる実環境においても、チャネル行列のランクが低下する事態を回避して独立した複数のストリームを用いた空間多重伝送を好適に行なうことができる、優れた無線通信装置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、空間多重された信号を受信する受信機側において、反射波を積極的に受信できるようなアンテナ構成を採用している。したがって、送受信機が、チャネル行列のランクが低くなるような状況、すなわち逆行列が解き難い状況に置かれた場合であっても、直接波の受信を抑制し若しくは反射波の電力を大きくすることによって、チャネル行列Ｈのランクを向上させることが可能であり、その逆行列が解き易くなることにより、複数のチャネルを独立で伝送することがし易くなり、ひいてはスループットの向上が可能になる。

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。

本発明は、複数のアンテナを持つ送信機と複数のアンテナを持つ受信機間で空間多重を利用したＭＩＭＯ通信システムに関する。

この種の通信システムでは、チャネル行列Ｈのランクが下落すると、その逆行列を解くことが困難となり、空間多重可能なストリーム本数が低減してスループットが劣化するという問題がある。チャネル行列Ｈの逆行列を得難くなる実環境として、直接波のみが存在して反射波が全く存在しない状況や、直接波の電力が反射波に比べて突出して大きい状況が挙げられる。

そこで、本発明では、受信機側において、直接波の受信を抑制して、反射波を積極的に受信するような（すなわち、相対的に反射波の電力を大きくする）アンテナ構成を適用することで、チャネル行列Ｈの逆行列を解き易くして、パフォーマンスの向上を図るようにしている。

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。

チャネル行列Ｈの逆行列を解く易くする１つのアプローチとして、図１に示したように、直接波を受信しないで反射波を受けるようにするアンテナ構成が挙げられる。

図示の例では、受信機は３つのアンテナ群を備えており、各アンテナ群はそれぞれ３本のアンテナを含んでいる。また、送信機（図示しない）は３本のアンテナを備えており、送受信機間でＭＩＭＯ通信を行なう際には、いずれか１つのアンテナ群を択一的に用いて受信動作を行なうようになっており、いずれのアンテナ群を用いても３×３のアンテナ構成からＭＩＭＯ通信システムとして空間多重伝送が行なわれることになる。なお、アンテナ群の数や各アンテナ群におけるアンテナ本数は特定の数値に限定されない。

各アンテナ群の間は電波を通過しない壁で仕切られている。したがって、同じアンテナ群内の各アンテナは同じ方向から到来する反射波又は直接波を受信できる一方（すなわち、アンテナ郡内ではマルチパス環境が同じとなる）、異なるアンテナ群間ではアンテナが受信可能な反射波又は直接波は異なる（すなわち、アンテナ群の間ではマルチパス環境が異なる）。それぞれの壁は、電波反射板で構成され、反射波を積極的に作り出すようにすることが好ましいが、勿論、電波吸収材を用いて構成してアンテナ群間を往来する電波を遮断するようにしてもよい。

例えば、アンテナ群１に非常に大きい直接波が到来するときにはチャネル行列Ｈの逆行列が解き難くなる。このような場合、受信機は反射波が豊富にあるアンテナ群＃２やアンテナ群＃３を用いることで、チャネル行列Ｈの逆行列が解き易くなり、パフォーマンスが向上することが見込める。

信号対雑音電力が十分に大きい環境では、このような選択をすることによって、複数のチャネルでの伝送が可能になるためにスループットが向上する。他方、信号対雑音電力が非常に低い場合には、大きい電力を持っている直接波が受信可能となるアンテナ群１を選択して、ＭＩＭＯ受信を止めて、１ストリームの受信のみを行なうという方法もある。

また、直接波が届かないアンテナ群であっても、特定の反射波のみの電力が突出している状況下では、直接波の電力のみが大きくなる場合と同様に、チャネル行列Ｈの逆行列は解き難くなる。例えば、図１に示したアンテナ構成において、アンテナ群＃１に電力が突出した直接波が到来し、その他のアンテナ群＃２〜＃３ではいずれも電力が突出した反射波が到来する場合である。このような場合、図２に示したように、電力が突出した直接波及び反射波のいずれからも遮断されたさらに他のアンテナ群＃４を配設することで、チャネル行列Ｈの逆行列を解き易くする通信環境を得ることができる。

図４には、ＭＩＭＯ通信方式を採用した無線ＬＡＮ規格であるＩＥＥＥ８０２．１１ｎを想定した場合のＭＩＭＯ送受信機の構成例を示している。但し、直接波を受信しないで反射波を受けるようにするアンテナ構成を採用するものとする。図示の送受信機は、図１に示したように３つのアンテナ群＃１〜＃３からなるアンテナ構成を想定しており、各アンテナ群＃１〜＃３は送受信ブランチ数に応じた本数のアンテナを含んでいる。なお、図面の錯綜を回避するため、送信及び受信のブランチ数を３としたが、勿論４本以上のブランチ数（この場合、アンテナ群が持つアンテナ本数も４本以上となる）で送受信機を構成することも可能である。

各ブランチは、リング型スイッチを介してアンテナ群＃１〜＃３のうちいずれかに属するアンテナと接続し、且つ、接続中のアンテナを送受信で共用するようになっている。

各送信ブランチでは、上位プロセッサからの送信データを各ブランチに振り分けて、それぞれに符号化処理を施す。続いて、ブランチ毎に、周波数領域に並んだ各サブキャリアに高速逆フーリエ変換（ＩＦＦＴ）を掛けて時間軸信号に変換し、さらにガード・インターバル挿入部でガード・インターバル（ＧＩ）を付加し、さらに同期獲得や周波数誤差補正、チャネル推定などに用いるプリアンブルを付与する。次いで、ＤＡ変換器により送信信号をアナログ変換し、続いて送信アナログ部によりベースバンドのアナログ送信信号をＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）帯にアップコンバートし、さらに電力増幅してから、リング型スイッチを介して接続されているアンテナから空中に放射される。

一方、各受信ブランチでは、リング型スイッチを介して接続されているアンテナで受信したＲＦ信号を、受信アナログ部では低雑音増幅してからベースバンド帯域にダウンコンバートし、ＡＤ変換器によってデジタル変換する。そして、以降のデジタル処理として、デジタル受信信号に対してパケット発見、タイミング検出、周波数誤差補正などの同期処理を施した後、データ送信区間の先頭に付加されたガード・インターバルを除去してから、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を掛けて時間軸信号を周波数軸信号に変換する。続いて、ブランチ毎の受信信号に含まれるプリアンブル部分を利用してチャネル行列Ｈを取得し、さらにその逆行列Ｈ^-1を求め、ブランチ毎の受信信号からなる受信ベクトルにこの逆行列Ｈ^-1を乗算することで受信信号を空間分離して元のストリームを再現する。その後、ストリーム毎に復号処理を行なってから１本のデータに合成して、上位プロセッサへ渡す。

同期処理部では、受信パケットのプリアンブル部分に対してパケット同期を行なうための特定パターンで相関を計算していくと、遅延プロファイルを得ることができる。アンテナ群決定部では、アンテナ群のリング型スイッチを切り替えながら遅延プロファイルの計算を行なうことで、アンテナ群＃１〜＃３毎の３種類の遅延プロファイルを取得することができる。そして、同期処理部における各アンテナ群の遅延プロファイルに基づいて、各送受信ブランチにおいて使用するアンテナ群の切り替えを制御する。

取得されたチャネル行列のランクが低くなる状況では、各ブランチにおいて使用するアンテナ群を切り替えて、チャネル行列のランクの向上を図ることができる。具体的には、３種類の取得した遅延プロファイルのうち、直接波が最も少ないアンテナ群を使用するという判断を行なうと、この判断結果に基づいて選択したアンテナ群を用いて当該プリアンブル部分以降の残りのパケットの部分を受信する。

また、チャネル行列Ｈの逆行列を解く易くする他のアプローチとして、図３に示したように、積極的に反射波を作り出すアンテナ構成が挙げられる。

図示の例では、ＭＩＭＯ通信のための３本のアンテナからなるアンテナ群が受信機に備えられている。また、送信機（図示しない）は３本のアンテナを備えており、３×３のアンテナ構成からＭＩＭＯ通信システムとして空間多重伝送が行なわれることになる。なお、アンテナ群におけるアンテナ本数は特定の数値に限定されない。

３本のアンテナからなるアンテナ群を取り囲むように複数の反射板が設置されており、これらの反射板がアンテナ群に到来する反射波を積極的に作り出すようになっている。したがって、ほとんど直接波のみ若しくは微小に角度が異なった直接波に近い波のみが存在する環境においても、反射板によってアンテナ群に到来する反射波を作り出すことができ、チャネル行列Ｈの逆行列を生成し易い伝搬環境に変化することが可能である。

ここで、本発明は、ダイバーシチ効果を狙ったものではなく、反射波を増やすことによりチャネル行列Ｈのランクを向上させる効果を狙ったものであることに十分留意されたい。したがって、図３中の反射板の設置方法として、同時に直接的にすべてのアンテナが見える確率を減らせるようにすることが好ましい。

図５には、積極的に反射波を作り出すアンテナ構成についての他の例を示している。図示の例では、ＭＩＭＯ通信のための３本のアンテナからなるアンテナ群が受信機に備えられている。図示しない送信機側も３本のアンテナを備えており、３×３のアンテナ構成からＭＩＭＯ通信システムとして空間多重伝送が行なわれることになる。

同図は、アンテナを真上から眺望した様子を示しているが、●がアンテナに相当し、それ以外の太線は反射板である。直接波がいずれのアンテナにも到来する経路はほぼ存在せず、すべてのアンテナは、直接波を受信することはなくて、必ず反射を受信することになる。したがって、反射波が豊富にある環境が形成され、且つ、電力が突出する反射波が生じにくいことが想定されるので、チャネル行列Ｈの逆行列は解き易くなることが期待される。

図６には、ＭＩＭＯ通信方式を採用した無線ＬＡＮ規格であるＩＥＥＥ８０２．１１ｎを想定した場合のＭＩＭＯ送受信機の構成例を示している。但し、積極的に反射波を作り出すアンテナ構成を採用するものとする。図示の送受信機は、図３又は図５に示したように、周囲が反射板で覆われた３本のアンテナを備え、すべてのアンテナは直接波を受信することはなくて必ず反射を受信する。なお、図面の錯綜を回避するため、送受信のブランチ数を３としたが、勿論４本以上のブランチ数で送受信機を構成することも可能である。

各ブランチは、アンテナ共用スイッチを介して各アンテナに接続され、送信系統と受信系統で１つのアンテナをそれぞれ共用するものとする。

各送信ブランチでは、上位プロセッサからの送信データを各ブランチに振り分けて、それぞれに符号化処理を施す。続いて、ブランチ毎に、周波数領域に並んだ各サブキャリアに高速逆フーリエ変換（ＩＦＦＴ）を掛けて時間軸信号に変換し、さらにガード・インターバル挿入部でガード・インターバル（ＧＩ）を付加し、さらに同期獲得や周波数誤差補正、チャネル推定などに用いるプリアンブルを付与する。次いで、ＤＡ変換器により送信信号をアナログ変換し、続いて送信アナログ部によりベースバンドのアナログ送信信号をＲＦ帯にアップコンバートし、さらに電力増幅してから、リング型スイッチを介して接続されているアンテナから空中に放射される。

一方、各受信ブランチでは、リング型スイッチを介して接続されているアンテナで受信したＲＦ信号を、受信アナログ部では低雑音増幅してからベースバンド帯域にダウンコンバートし、ＡＤ変換器によってデジタル変換する。そして、以降のデジタル処理として、デジタル受信信号に対してパケット発見、タイミング検出、周波数誤差補正などの同期処理を施した後、データ送信区間の先頭に付加されたガード・インターバルを除去してから、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を掛けて時間軸信号を周波数軸信号に変換する。続いて、ブランチ毎の受信信号に含まれるプリアンブル部分を利用してチャネル行列Ｈを取得し、さらにその逆行列Ｈ^-1を求め、ブランチ毎の受信信号からなる受信ベクトルにこの逆行列Ｈ^-1を乗算することで受信信号を空間分離して元のストリームを再現する。その後、ストリーム毎に復号処理を行なってから１本のデータに合成して、上位プロセッサへ渡す。

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。

本発明は、例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１の拡張規格であるＩＥＥＥ８０２．１１ｎ、あるいは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、直接波を受信しないで、反射波を受けるようにするアンテナ構成例を示した図である。 図２は、直接波を受信しないで、反射波を受けるようにするアンテナ構成例を示した図である。 図３は、積極的に反射波を作り出すことによってＭＩＭＯ通信に適した環境を作り出すことが可能となるアンテナの構成例を示した図である。 図４は、ＭＩＭＯ通信方式を採用した無線ＬＡＮ規格であるＩＥＥＥ８０２．１１ｎを想定した場合のＭＩＭＯ送受信機の構成例を示した図である。 図５は、積極的に反射波を作り出すアンテナ構成についての他の例を示した図である。 図６は、積極的に反射波を作り出すアンテナ構成を採用するＭＩＭＯ送受信機の構成例を示した図である。 図７は、ＭＩＭＯ通信システムを概念的に示した図である。

Claims (8)

1. 複数のアンテナを備え、複数のアンテナを備えた通信相手から空間多重された伝送信号を受信する無線通信装置であって、
   複数の受信ブランチと、
   それぞれ受信ブランチ数に応じたアンテナ本数からなり、受信可能な信号到来方向が異なる複数のアンテナ群と、
   いずれのアンテナ群を用いて伝送信号を受信すべきかを決定するアンテナ群決定手段と、
   前記アンテナ群決定手段による決定結果に基づいて、各受信ブランチをいずれかのアンテナ群のアンテナに択一的に接続するスイッチング手段と、
   通信相手側の送信アンテナと各受信ブランチが受信に用いるアンテナの組み合わせ毎の伝達関数を要素としたチャネル行列を基に空間分離を行なう空間分離手段と、
   を具備することを特徴とする無線通信装置。
2. 前記アンテナ群決定手段は、通信相手からの直接波が到来しない、又は、直接波若しくは一部の反射波の受信電力が突出しないアンテナ群を受信用に決定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
3. 各アンテナ群の間は電波を通過しない壁で仕切られている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
4. 前記壁は、電波反射板又は電波吸収板で構成される、
   ことを特徴とする請求項３に記載の無線通信装置。
5. 受信ブランチにおいて、受信パケットのプリアンブル部分に対してパケット同期を行なうための特定パターンで相関を計算して遅延プロファイルを求め、
   前記アンテナ群決定手段は、前記スイッチング手段を切り替えながらアンテナ群毎の遅延プロファイルを取得し、該遅延プロファイルに基づいて、直接波若しくは一部の反射波の受信電力が突出しないアンテナ群を受信用に決定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
6. 複数のアンテナを備え、複数のアンテナを備えた通信相手から空間多重された伝送信号を受信する無線通信装置であって、
   それぞれ受信に用いるアンテナを備えた複数の受信ブランチと、
   通信相手からの直接波に対して反射波を生成する反射波生成手段と、
   通信相手側の送信アンテナと各受信ブランチが受信に用いるアンテナの組み合わせ毎の伝達関数を要素としたチャネル行列を基に空間分離を行なう空間分離手段と、
   を具備することを特徴とする無線通信装置。
7. 前記反射波生成手段は、通信相手からの直接波が各受信ブランチのアンテナに到来するのを抑制するとともに、反射波が各アンテナに到来するように配置される、
   ことを特徴とする請求項６に記載の無線通信装置。
8. 前記反射波生成手段は、各受信ブランチのアンテナの周囲を覆う電波反射板で構成される、
   ことを特徴とする請求項７に記載の無線通信装置。
   

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