JP2011071918A

JP2011071918A - 無線通信システムおよび無線通信方法

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Publication number: JP2011071918A
Application number: JP2009223342A
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Inventors: Toru Sawara; 徹佐原
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Filing date: 2009-09-28
Publication date: 2011-04-07
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Abstract

【課題】ＭＩＭＯ受信特性を高める。
【解決手段】基地局は、移動局宛ての送信データにＭＩＭＯプリコーディングを施すことにより、その送信データを移動局が有する２つの受信アンテナにそれぞれ対応する２つのデータストリームに変換するＭＩＭＯプリコーディング部３２と、２つの受信アンテナのそれぞれについて、当該受信アンテナに指向する指向性パターンを形成するための送信ウェイトを算出するウェイト演算部と、２つのデータストリームのそれぞれを当該データストリームに対応する移動局の受信アンテナについて算出された送信ウェイトで重み付けし、重み付けされた２つのデータストリームをアンテナ２０ごとに合成することにより、アンテナ２０−１，２０−２にそれぞれ供給される２つの合成データストリームを生成する重み付け合成部３４と、を含む。２つの合成データストリームは、アンテナ２０−１，２０−２からそれぞれ送信される。
【選択図】図７

Description

本発明は、無線通信システムおよび無線通信方法、特に、ＭＩＭＯ（Multiple-Input Multiple-Output）方式の改良に関する。

近年、無線通信システムでは、種々のＭＩＭＯ方式が採用され始めている。たとえば、ＷｉＭＡＸ（Worldwide Interoperability for Microwave Access）には、伝搬路変動に強いＳＴＢＣ（Space-Time Block Coding：時空間ブロック符号化）方式やスループットの高いＳＭ（Spatial Multiplexing：空間多重化）方式が採用されている（たとえば、非特許文献１参照）。

庄納崇著、「ＷｉＭＡＸ教科書」、株式会社インプレスＲ＆Ｄ、２００８年７月、ｐ１４５，１５４

ＭＩＭＯ方式を採用する無線通信システムでは、受信特性のさらなる向上が望まれている。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ＭＩＭＯ受信特性を高めることができる無線通信システムおよび無線通信方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る無線通信システムは、複数の送信アンテナを有する送信装置と、複数の受信アンテナを有するＭＩＭＯ受信装置と、を含む無線通信システムであって、前記送信装置は、前記ＭＩＭＯ受信装置宛ての送信データに対して所定のＭＩＭＯプリコーディングを施すことにより、該送信データを前記複数の受信アンテナにそれぞれ対応する複数のデータストリームに変換するＭＩＭＯプリコーディング手段と、前記複数の受信アンテナのそれぞれについて、当該受信アンテナに指向する指向性パターンを前記複数の送信アンテナにより形成するための送信ウェイトを算出するウェイト算出手段と、前記複数のデータストリームのそれぞれを当該データストリームに対応する受信アンテナについて算出された送信ウェイトで重み付けし、該重み付けされた複数のデータストリームを送信アンテナごとに合成することにより、前記複数の送信アンテナにそれぞれ供給される複数の合成データストリームを生成する重み付け合成手段と、前記複数の合成データストリームを前記複数の送信アンテナからそれぞれ送信する手段と、を含み、前記ＭＩＭＯ受信装置は、前記複数の送信アンテナからそれぞれ送信される前記複数の合成データストリームを前記複数の受信アンテナで受信する手段と、前記複数の受信アンテナで受信された合成データストリームに対して前記所定のＭＩＭＯプリコーディングに対応するＭＩＭＯデコードを施すことにより、前記送信データを取得するＭＩＭＯデコード手段と、を含む、ことを特徴とする。

本発明では、送信装置が、ＭＩＭＯプリコーディングによりＭＩＭＯ受信装置宛ての送信データを複数のデータストリームに変換した後、それら複数のデータストリームのそれぞれを当該データストリームに対応する受信アンテナに指向する指向性パターンで送信する。このため、送信装置とＭＩＭＯ受信装置との間に介在する無線伝搬路の変動が小さい場合に、送信装置が形成する指向性パターンによるビームフォーミング利得が得られやすい。このビームフォーミング利得は、送信が無指向性である従来のＭＩＭＯ方式により得られるＭＩＭＯ受信合成利得を上回る。一方、無線伝搬路の変動が大きい場合には、指向性パターンの乱れによりビームフォーミング利得が得られにくいが、代わりに従来のＭＩＭＯ方式と同等のＭＩＭＯ受信合成利得を得ることができる。すなわち、本発明によれば、特に送信装置とＭＩＭＯ受信装置との間に介在する無線伝搬路の変動が小さい場合に、ＭＩＭＯ受信特性を高めることができる。

また、本発明の一態様では、前記ＭＩＭＯ受信装置は、互いに相関の低い既知の複数の参照シンボルを同一周波数かつ同一タイミングで前記複数の受信アンテナからそれぞれ送信する手段をさらに含み、前記送信装置は、前記複数の受信アンテナからそれぞれ送信される前記複数の参照シンボルを前記複数の送信アンテナで受信する手段をさらに含み、前記ウェイト算出手段は、前記複数の送信アンテナで受信された参照シンボルに基づき、前記複数の受信アンテナのそれぞれについて、当該受信アンテナに主ビームを向けるとともに当該受信アンテナ以外の受信アンテナにヌルを向ける指向性パターンを形成するための送信ウェイトを算出してもよい。

この態様によれば、より高いビームフォーミング利得が得られるようになるため、ＭＩＭＯ方式の受信特性をさらに高めることができる。

また、本発明の一態様では、前記データストリームは、既知の制御シンボルを含み、前記ＭＩＭＯ受信装置は、前記複数の受信アンテナで受信された合成データストリームと、前記既知の制御シンボルと、に基づいて、前記送信装置と当該ＭＩＭＯ受信装置との間に介在する無線伝搬路の特性を推定する伝搬路特性推定手段をさらに含み、前記ＭＩＭＯデコード手段は、前記伝搬路特性推定手段により推定される前記無線伝搬路の特性に基づいて、前記ＭＩＭＯデコードを施してもよい。

また、本発明の一態様では、前記所定のＭＩＭＯプリコーディングは、ＳＴＢＣ方式またはＳＭ方式のＭＩＭＯプリコーディングであってもよい。

この態様では、ＳＴＢＣ−ＭＩＭＯ方式またはＳＭ−ＭＩＭＯ方式の受信特性を高めることができる。

また、本発明に係る送信装置は、複数の送信アンテナを有する送信装置であって、ＭＩＭＯ受信装置宛ての送信データに対して所定のＭＩＭＯプリコーディングを施すことにより、該送信データを該ＭＩＭＯ受信装置が有する複数の受信アンテナにそれぞれ対応する複数のデータストリームに変換するＭＩＭＯプリコーディング手段と、前記複数の受信アンテナのそれぞれについて、当該受信アンテナに指向する指向性パターンを前記複数の送信アンテナにより形成するための送信ウェイトを算出するウェイト算出手段と、前記複数のデータストリームのそれぞれを当該データストリームに対応する受信アンテナについて算出された送信ウェイトで重み付けし、該重み付けされた複数のデータストリームを送信アンテナごとに合成することにより、前記複数の送信アンテナにそれぞれ供給される複数の合成データストリームを生成する重み付け合成手段と、前記複数の合成データストリームを前記複数の送信アンテナからそれぞれ送信する手段と、を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る無線通信方法は、複数の送信アンテナを有する送信装置と、複数の受信アンテナを有するＭＩＭＯ受信装置と、を含む無線通信システムにおける無線通信方法であって、前記送信装置が、前記ＭＩＭＯ受信装置宛ての送信データに対して所定のＭＩＭＯプリコーディングを施すことにより、該送信データを前記複数の受信アンテナにそれぞれ対応する複数のデータストリームに変換するステップと、前記送信装置が、前記複数の受信アンテナのそれぞれについて、当該受信アンテナに指向する指向性パターンを前記複数の送信アンテナにより形成するための送信ウェイトを算出するステップと、前記送信装置が、前記複数のデータストリームのそれぞれを当該データストリームに対応する受信アンテナについて算出された送信ウェイトで重み付けし、該重み付けされた複数のデータストリームを送信アンテナごとに合成することにより、前記複数の送信アンテナにそれぞれ供給される複数の合成データストリームを生成するステップと、前記送信装置が、前記複数の合成データストリームを前記複数の送信アンテナからそれぞれ送信するステップと、前記ＭＩＭＯ受信装置が、前記複数の送信アンテナからそれぞれ送信される前記複数の合成データストリームを前記複数の受信アンテナで受信するステップと、前記ＭＩＭＯ受信装置が、前記複数の受信アンテナで受信された合成データストリームに対して前記所定のＭＩＭＯプリコーディングに対応するＭＩＭＯデコードを施すことにより、前記送信データを取得するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明の実施形態に係る無線通信システムの構成を示す図である。本実施形態に係る無線通信システムにおける無線チャネル構成を示す図である。従来のＭＩＭＯ方式によるデータストリームの伝搬路を示す図である。本実施形態に係るデータストリームの伝搬路を示す図である。従来のＭＩＭＯ方式の受信特性および本実施形態の受信特性を示す図である。本実施形態に係る基地局の機能ブロック図である。本実施形態に係る移動局の機能ブロック図である。ＳＴＢＣ方式のＭＩＭＯプリコーディングおよび重み付け合成に係る構成を示す図である。ＳＭ方式のＭＩＭＯプリコーディングおよび重み付け合成に係る構成を示す図である。本実施形態に係るＰＲＵの詳細構造の一例を示す図である。本実施形態に係る無線通信方法の一例を示すシーケンス図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る無線通信システム１０の構成を示す図である。図１に示すように、無線通信システム１０は、基地局１２と、複数の移動局１４（ここでは移動局１４−１〜１４−３のみを示す）と、を含んで構成される。

基地局１２は、ＯＦＤＭＡ（Orthogonal Frequency Division Multiple Access：直交周波数分割多元接続）方式およびＴＤＭＡ／ＴＤＤ（Time Division Multiple Access/Time Division Duplex：時分割多元接続／時分割複信）方式により、複数の移動局１４と多重通信を行う。

図２は、無線通信システム１０における無線チャネル構成を示す図である。同図に示すように、無線通信システム１０では、所定時間幅のＴＤＭＡフレーム（ここでは５ｍｓ）が上りサブフレーム（２．５ｍｓ）と下りサブフレーム（２．５ｍｓ）とに区分され、さらに各サブフレームがそれぞれ複数のタイムスロット（ここではＳｌｏｔ１〜Ｓｌｏｔ４）に均等に区分されている。また、所定の周波数帯域に複数のＯＦＤＭＡサブチャネル（ここではＳｃｈ１〜Ｓｃｈ１８）が規定されている。基地局１２が移動局１４に割り当てる無線チャネルの最小単位はＰＲＵ（Physical Resource Unit）と呼ばれ、各ＰＲＵは、タイムスロット（Ｓｌｏｔ１〜Ｓｌｏｔ４）のいずれかと、サブチャネル（Ｓｃｈ１〜Ｓｃｈ１８）のいずれかと、に属している。

また、基地局１２および移動局１４は、複数のアンテナを有しており、送信データにＭＩＭＯプリコーディングを施すＭＩＭＯ方式（ＳＴＢＣ−ＭＩＭＯ方式、ＳＭ−ＭＩＭＯ方式など）により、高速通信を行うことができる。

従来のＭＩＭＯ方式では、基地局（ＭＩＭＯ送信装置）が、ＭＩＭＯプリコーディングにより移動局（ＭＩＭＯ受信装置）宛ての送信データを複数のデータストリームに変換した後、それら複数のデータストリームを複数の送信アンテナからそれぞれ送信する（図３Ａ参照）。そして、移動局は、基地局の送信アンテナからそれぞれ送信された複数のデータストリームが重なり合った多重信号を複数の受信アンテナで受信し、受信された多重信号にＭＩＭＯデコードを施すことにより、送信データを取得する。

これに対し、無線通信システム１０では、基地局１２（送信装置）が、ＭＩＭＯプリコーディングにより移動局１４（ＭＩＭＯ受信装置）宛ての送信データを複数のデータストリームに変換した後、それら複数のデータストリームのそれぞれを当該データストリームに対応する移動局１４の受信アンテナに指向する指向性パターンで空間分割多重送信する（図３Ｂ参照）。そして、移動局１４は、基地局１２から送信された複数のデータストリームのそれぞれを当該データストリームに対応する受信アンテナで受信し、受信されたデータストリームにＭＩＭＯデコードを施すことにより、送信データを取得する。

このため、無線通信システム１０では、基地局１２と移動局１４との間に介在する無線伝搬路の変動が小さい場合に、基地局１２が形成する空間分割多重の指向性パターンによるビームフォーミング利得が得られやすい。このビームフォーミング利得は、送信が無指向性である従来のＭＩＭＯ方式により得られるＭＩＭＯ受信合成利得を上回る。また、ヌルステアリングにより干渉抑圧も可能である。一方、無線伝搬路の変動が大きい場合には、空間分割多重の指向性パターンの乱れによりビームフォーミング利得が得られにくいが、代わりに従来のＭＩＭＯ方式と同等のＭＩＭＯ受信合成利得を得ることができる。すなわち、無線通信システム１０によれば、図４に示すように、特に基地局１２と移動局１４との間に介在する無線伝搬路の変動が小さい場合に、移動局１４におけるＭＩＭＯ受信特性を高めることができる。

以下では、上記処理を実現するために基地局１２および移動局１４が備える構成を具体的に説明する。

図５は、基地局１２の機能ブロック図である。図５に示すように、基地局１２は、複数のアンテナ２０（ここではアンテナ２０−１，２０−２）、無線通信部２２、１次復調部２４、ウェイト演算部２６、２次復調部２８、２次変調部３０、ＭＩＭＯプリコーディング部３２、重み付け合成部３４、および１次変調部３６を含んで構成される。

図６は、移動局１４の機能ブロック図である。図６に示すように、移動局１４は、複数のアンテナ４０（ここではアンテナ４０−１，４０−２）、無線通信部４２、１次復調部４４、チャネル演算部４６、ＭＩＭＯデコード部４８、２次復調部５０、２次変調部５２、および１次変調部５４を含んで構成される。

まず、図５に基づいて基地局１２が備える構成を説明する。

アンテナ２０−１，２０−２は、移動局１４から無線信号を受信し、受信された無線信号を無線通信部２２に出力する。また、アンテナ２０−１，２０−２は、無線通信部２２から供給される無線信号を移動局１４に対して送信する。

無線通信部２２は、低雑音増幅器、電力増幅器、周波数変換器、帯域通過フィルタ、Ａ／Ｄ変換器、およびＤ／Ａ変換器を含んで構成される。無線通信部２２は、アンテナ２０−１，２０−２から入力される無線信号を低雑音増幅器で増幅した後、中間周波数信号にダウンコンバートし、さらにディジタル信号に変換してから、１次復調部２４に出力する。また、無線通信部２２は、１次変調部３６から入力されるディジタル信号をアナログ信号に変換した後、無線信号にアップコンバートし、電力増幅器で送信出力レベルまで増幅してから、アンテナ２０−１，２０−２に供給する。

１次復調部２４は、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）部および直並列変換器を含んで構成される。１次復調部２４は、無線通信部２２から入力されるディジタル信号に、ＧＩ（Guard Interval）の除去、直並列変換、離散フーリエ変換などを施し、得られた複素シンボルをＰＲＵごとに連結した後、ＰＲＵごとに連結された複素シンボル列をウェイト演算部２６に出力する。

ウェイト演算部２６は、１次復調部２４から入力される複素シンボル列に基づいて、移動局１４のアンテナ４０−１，４０−２のそれぞれについて、空間分割多重による、当該アンテナ４０に指向する指向性パターンをアンテナ２０−１，２０−２により形成するための送信ウェイトを算出する。本実施形態では、移動局１４が、互いに相関の低い既知の複数（ここでは２種類）の参照シンボル（トレーニングシンボル）を同一周波数かつ同一タイミングでアンテナ４０−１，４０−２からそれぞれ送信し、基地局１２が、移動局１４のアンテナ４０−１，４０−２からそれぞれ送信される２種類の参照シンボルをアンテナ２０−１，２０−２で受信するものとする。こうすれば、ウェイト演算部２６は、アンテナ２０−１，２０−２で受信された参照シンボルと、既知の２種類の参照シンボルと、に基づき、移動局１４のアンテナ４０−１，４０−２のそれぞれについて、当該アンテナ４０に主ビームを向けるとともに当該アンテナ４０以外のアンテナ４０にヌルを向ける指向性パターンを形成するための受信ウェイトを算出することができる。この受信ウェイトの演算には、たとえばＬＭＳ（Least Mean Square）やＲＬＳ（Recursive Least Squares）などのアルゴリズムが用いられる。そして、ウェイト演算部２６は、算出された受信ウェイトの複素共役に予め測定しておいたキャリブレーションベクトル（校正情報）を乗じたものを送信ウェイトとする。

２次復調部２８は、受信ウェイトの複素共役で重み付け合成された複素シンボル列に対して、チャネル推定、チャネル等化、ソフトビット処理、デインターリーブ、デパンクチャ、ＦＥＣ（Forward Error Correction：前方誤り訂正）、デスクランブル、ＣＲＣ（Cyclic Redundancy Check：巡回冗長検査）などの復調処理を施し、復調された受信データを図示しない上位レイヤ（ＭＡＣレイヤ）に出力する。

２次変調部３０は、上位レイヤ（ＭＡＣレイヤ）から入力される移動局１４宛ての送信データに対して、ＣＲＣ符号の付加、スクランブル、畳み込み符号化、パンクチャ、インターリーブ、コンスタレーションマッピングなどの変調処理を施し、変調された送信データ（複素シンボル列）をＭＩＭＯプリコーディング部３２に出力する。

ＭＩＭＯプリコーディング部３２は、２次変調部３０から入力される送信データに対して、ＳＴＢＣ方式やＳＭ方式などの所定のＭＩＭＯプリコーディングを施すことにより、その送信データを移動局１４のアンテナ４０−１，４０−２にそれぞれ対応する複数（ここでは２つ）のデータストリームに変換する。そして、ＭＩＭＯプリコーディング部３２は、これら２つのデータストリームを重み付け合成部３４に出力する。

重み付け合成部３４は、ＭＩＭＯプリコーディング部３２から入力される２つのデータストリームのそれぞれを当該データストリームに対応する移動局１４のアンテナ４０について算出された送信ウェイトで重み付けし、重み付けされた複数のデータストリームをアンテナ２０ごとに合成することにより、アンテナ２０−１，２０−２にそれぞれ供給される複数（ここでは２つ）の合成データストリームを生成する。そして、重み付け合成部３４は、これら２つの合成データストリームを１次変調部３６に出力する。

１次変調部３６は、ＩＦＦＴ（Inverse Fast Fourier Transform）部および並直列変換器を含んで構成される。１次変調部３６は、重み付け合成部３４から入力される合成データストリームに、逆離散フーリエ変換、並直列変換、ＧＩの付加などを施し、得られたディジタル信号を無線通信部２２に出力する。

ここで、ＭＩＭＯプリコーディング部３２がＳＴＢＣ方式のＭＩＭＯプリコーディングを施す場合、ＭＩＭＯプリコーディング部３２がＳＭ方式のＭＩＭＯプリコーディングを施す場合、のそれぞれについて、ＭＩＭＯプリコーディングおよび重み付け合成に係る構成をより具体的に説明する。

図７は、ＳＴＢＣ方式のＭＩＭＯプリコーディングおよび重み付け合成に係る構成を示す図である。同図に示すように、２次変調部３０から出力される送信データは、ＭＩＭＯプリコーディング部３２によりＳＴＢＣ方式のＭＩＭＯプリコーディングが施され、２つのデータストリーム１，２に変換される。このデータストリーム１，２は、それぞれ移動局１４のアンテナ４０−１，４０−２に向けて送信されるものである。

ここで、ＭＩＭＯプリコーディング部３２に入力される送信データをＳ（ｔ）とし、ＭＩＭＯプリコーディング部３２から出力されるデータストリーム１，２をそれぞれＸ_１（ｔ），Ｘ_２（ｔ）とすると、Ｘ_１（ｔ），Ｘ_２（ｔ）は次式（１）で表される。

次に、ＭＩＭＯプリコーディング部３２から出力されるデータストリーム１，２は、重み付け合成部３４で重み付け合成される。すなわち、データストリーム１は、ウェイト演算部２６で算出された移動局１４のアンテナ４０−１についての送信ウェイトＷＴＸ_１（アンテナ４０−１に指向する指向性パターンをアンテナ２０−１，２０−２により形成するための送信ウェイト）で重み付けされる。また、データストリーム２は、ウェイト演算部２６で算出された移動局１４のアンテナ４０−２についての送信ウェイトＷＴＸ_２（アンテナ４０−２に指向する指向性パターンをアンテナ２０−１，２０−２により形成するための送信ウェイト）で重み付けされる。そして、重み付けされたデータストリーム１，２は、アンテナ２０ごとに合成され、アンテナ２０−１，２０−２にそれぞれ供給される合成データストリーム１，２が生成される。

この合成データストリーム１，２は、１次変調部３６を介してアンテナ２０−１，２０−２からそれぞれ送信される。これにより、移動局１４のアンテナ４０−１ではデータストリーム１が主に受信され，アンテナ４０−２ではデータストリーム２が主に受信されることになる。

一方、図８は、ＳＭ方式のＭＩＭＯプリコーディングおよび重み付け合成に係る構成を示す図である。同図に示すように、２次変調部３０から出力される送信データは、ＭＩＭＯプリコーディング部３２によりＳＭ方式のＭＩＭＯプリコーディングが施され、２つのデータストリーム１，２に変換される。このデータストリーム１，２は、それぞれ移動局１４のアンテナ４０−１，４０−２に向けて送信されるものである。

ここで、ＭＩＭＯプリコーディング部３２に入力される送信データをＳ_１（ｔ），Ｓ_２（ｔ）とし、ＭＩＭＯプリコーディング部３２から出力されるデータストリーム１，２をそれぞれＸ_１（ｔ），Ｘ_２（ｔ）とすると、Ｘ_１（ｔ），Ｘ_２（ｔ）は次式（２）で表される。

なお、ＭＩＭＯプリコーディング部３２以降の処理は上記ＳＴＢＣ方式におけるそれと同様であるため、ここではその説明を省略する。

次に、図６に基づいて移動局１４が備える構成を説明する。

アンテナ４０−１，４０−２は、基地局１２から無線信号を受信し、受信された無線信号を無線通信部４２に出力する。また、アンテナ４０−１，４０−２は、無線通信部４２から供給される無線信号を基地局１２に対して送信する。

無線通信部４２は、低雑音増幅器、電力増幅器、周波数変換器、帯域通過フィルタ、Ａ／Ｄ変換器、およびＤ／Ａ変換器を含んで構成される。無線通信部４２は、アンテナ４０−１，４０−２から入力される無線信号を低雑音増幅器で増幅した後、中間周波数信号にダウンコンバートし、さらにディジタル信号に変換してから、１次復調部４４に出力する。また、無線通信部４２は、１次変調部５４から入力されるディジタル信号をアナログ信号に変換した後、無線信号にアップコンバートし、電力増幅器で送信出力レベルまで増幅してから、アンテナ４０−１，４０−２に供給する。

１次復調部４４は、ＦＦＴ部および直並列変換器を含んで構成される。１次復調部４４は、無線通信部４２から入力されるディジタル信号に、ＧＩの除去、直並列変換、離散フーリエ変換などを施し、得られた複素シンボルをサブチャネルごとに連結した後、サブチャネルごとに連結された複素シンボル列をチャネル演算部４６に出力する。

チャネル演算部４６は、１次復調部４４から入力される複素シンボル列に基づいて、基地局１２と移動局１４との間に介在する無線伝搬路（基地局１２が移動局１４に割り当てた各ＰＲＵ）の特性を推定する。本実施形態では、基地局１２が既知の制御シンボル（パイロットシンボル）を含むデータストリームを移動局１４に割り当てたＰＲＵのそれぞれを介して送信するものとする。こうすれば、チャネル演算部４６は、アンテナ４０−１，４０−２で受信された合成データストリームと、既知の制御シンボルと、に基づいて、基地局１２と移動局１４との間に介在する無線伝搬路の特性を推定することができる。

たとえば、基地局１２のアンテナ２０−１，２０−１から送信される無線信号をそれぞれＸ_１（ｔ），Ｘ_２（ｔ）とし、移動局１４のアンテナ４０−１，４０−２で受信される無線信号をそれぞれＹ_１（ｔ），Ｙ_２（ｔ）とすると、基地局１２と移動局１４との間に介在する無線伝搬路の特性を示す伝搬路行列Ｈ（各要素の左側の添え字は移動局１４のアンテナ４０を示し、右側の添え字は基地局のアンテナ２０を示す）は、次式（３）で表される。

なお、伝搬路行列Ｈを精度よく求めるためには、各ＰＲＵにできるだけ満遍なく既知の制御シンボルが配置されるようにデータストリームを生成することが望ましい。図９は、１タイムスロットが２１シンボル分の時間幅（カードタイムを含む）からなり、１サブチャネルが２４サブキャリア（ガードバンドを含む）からなる場合の、ＰＲＵの詳細構造の一例を示す図である。たとえば、図９に示すように、制御シンボルが主にアンテナ４０−１で受信されるデータストリーム１および主にアンテナ４０−２で受信されるデータストリーム２のそれぞれに広範に含まれるよう、複数の制御シンボルを移動局１４宛てのデータシンボルの間に分散配置してもよい。

ＭＩＭＯデコード部４８は、アンテナ４０−１，４０−２で受信された合成データストリームに対して基地局１２で施されるＭＩＭＯプリコーディングに対応するＭＩＭＯデコードを施すことにより、移動局１４宛ての送信データを受信データとして取得する。ＭＩＭＯデコード部４８は、その受信データを２次復調部５０に出力する。

たとえば、基地局１２でＳＴＢＣ方式のＭＩＭＯプリコーディングが施される場合、アンテナ４０−１，４０−２でそれぞれ受信される無線信号Ｙ_１（ｔ），Ｙ_２（ｔ）と、移動局１４宛ての送信データＳ_１（ｔ），Ｓ_２（ｔ）と、の間には、式（１）および式（３）から導かれる次式（４）の関係が成立する。このため、ＭＩＭＯデコード部４８は、式（４）にチャネル演算部４６で求められる伝搬路行列Ｈを代入することにより、基地局１２からの送信データを受信データとして取得することができる。

一方、基地局１２でＳＭ方式のＭＩＭＯプリコーディングが施される場合、アンテナ４０−１，４０−２でそれぞれ受信される無線信号Ｙ_１（ｔ），Ｙ_２（ｔ）と、移動局１４宛ての送信データＳ_１（ｔ），Ｓ_２（ｔ）と、の間には、式（２）および式（３）から導かれる次式（５）の関係が成立する（ここではＺＦ（Zero Forcing）アルゴリズムを適用）。このため、ＭＩＭＯデコード部４８は、式（５）にチャネル演算部４６で求められる伝搬路行列Ｈを代入することにより、基地局１２からの送信データを受信データとして取得することができる。

２次復調部５０は、ＭＩＭＯデコード部４８から入力される受信データに対して、ソフトビット処理、デインターリーブ、デパンクチャ、ＦＥＣ、ＣＲＣなどの復調処理を施し、復調された受信データを図示しない上位レイヤ（ＭＡＣレイヤ）に出力する。

２次変調部５２は、上位レイヤ（ＭＡＣレイヤ）から入力される基地局１２宛ての送信データに対して、ＣＲＣ符号の付加、スクランブル、畳み込み符号化、パンクチャ、インターリーブ、コンスタレーションマッピング、シンボルマッピングなどの変調処理を施し、変調された送信データ（複素シンボル列）を１次変調部５４に出力する。

１次変調部５４は、ＩＦＦＴ部および並直列変換器を含んで構成される。１次変調部５４は、２次変調部５２から入力される変調後の送信データに、逆離散フーリエ変換、並直列変換、ＧＩの付加などを施し、得られたディジタル信号を無線通信部４２に出力する。

次に、基地局１２および移動局１４の動作を説明する。

図１０は、無線通信システム１０における無線通信方法の一例を示すシーケンス図である。ここでは、１スロットまたは複数スロットごとに行われる基地局１２から移動局１４へのデータ送信処理を中心に説明する。

図１０に示すように、移動局１４は、データシンボルとともに、互いに相関の低い既知の２種類の参照シンボル（ウェイト演算用）をアンテナ４０−１，４０−２から同一周波数かつ同一タイミングでそれぞれ送信する（Ｓ１００）。一方、基地局１２は、移動局１４のアンテナ４０−１，４０−２からそれぞれ送信される２種類の参照シンボルをアンテナ２０−１，２０−２で受信する。

次に、基地局１２は、アンテナ２０−１，２０−２で受信された参照シンボルと、既知の２種類の参照シンボルと、に基づき、移動局１４のアンテナ４０−１，４０−２のそれぞれについて、空間分割多重による、当該アンテナ４０に指向する指向性パターンを形成するための送信ウェイトを算出する（Ｓ１０２）。

次に、基地局１２は、移動局１４宛ての送信データに２次変調処理を施し（Ｓ１０４）、変調された送信データに対してＭＩＭＯプリコーディングを施すことにより、その送信データを移動局１４のアンテナ４０−１，４０−２にそれぞれ対応する２つのデータストリームに変換する（Ｓ１０６）。このデータストリームには、データシンボルの他に、既知の制御シンボル（伝搬路特性推定用）が含まれる。その後、基地局１２は、２つのデータストリームのそれぞれを当該データストリームに対応する移動局１４のアンテナ４０について算出された送信ウェイトで重み付けし、重み付けされた２つのデータストリームをアンテナ２０ごとに合成することにより、アンテナ２０−１，２０−２にそれぞれ供給される２つの合成データストリームを生成する（Ｓ１０８）。

そして、基地局１２は、２つの合成データストリームに逆離散フーリエ変換などの１次変調処理を施し（Ｓ１１０）、制御シンボルおよびデータシンボルを含むそれら２つの合成データストリームをアンテナ２０−１，２０−２からそれぞれ送信する（Ｓ１１２）。一方、移動局１４は、基地局１２のアンテナ２０−１，２０−２からそれぞれ送信される２つの合成データストリームをアンテナ４０−１，４０−２で受信する。実際には、Ｓ１０８での重み付け合成処理によるビームフォーミング効果により、２つのデータストリームの一方が主にアンテナ４０−１で受信され、他方が主にアンテナ４０−２で受信されることになる。

次に、移動局１４は、アンテナ４０−１，４０−２で受信された合成データストリームに離散フーリエ変換などの１次復調処理を施す（Ｓ１１４）。また、移動局１４は、アンテナ４０−１，４０−２で受信された合成データストリームと、既知の制御シンボルと、に基づいて、基地局１２と移動局１４との間に介在する無線伝搬路（基地局１２が移動局１４に割り当てた各ＰＲＵ）の特性を推定する（Ｓ１１６）。その後、移動局１４は、推定された無線伝搬路の特性に基づいて、アンテナ４０−１，４０−２で受信された合成データストリームに対してＭＩＭＯデコードを施すことにより、移動局１４宛ての送信データを受信データとして取得する（Ｓ１１８）。そして、移動局１４は、ＭＩＭＯデコードが施された受信データに２次復調処理を施す（Ｓ１２０）。

以上説明した無線通信システム１０によれば、基地局１２と移動局１４との間に介在する無線伝搬路の変動が小さい場合に、基地局１２が形成する指向性パターンによるビームフォーミング利得が得られやすくなる。このビームフォーミング利得は、送信が無指向性である従来のＭＩＭＯ方式により得られるＭＩＭＯ受信合成利得を上回る。一方、無線伝搬路の変動が大きい場合には、指向性パターンの乱れによりビームフォーミング利得が得られにくいが、代わりに従来のＭＩＭＯ方式と同等のＭＩＭＯ受信合成利得を得ることができる。このため、図４に示すように、特に基地局１２と移動局１４との間に介在する無線伝搬路の変動が小さい場合に、移動局１４におけるＭＩＭＯ受信特性を高めることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

たとえば、上記実施形態では、基地局１２を送信装置とし、移動局１４をＭＩＭＯ受信装置とする例を示したが、移動局１４を送信装置とし、基地局１２をＭＩＭＯ受信装置としてもよい。また、基地局１２のアンテナ本数および移動局１４のアンテナ数の少なくとも一方を、３つ以上としてもよい。

また、送信装置側のアンテナ間隔を、ＭＩＭＯ受信装置側のアンテナ間隔より広くしてもよい。こうすれば、送信装置側のアンテナ相関がＭＩＭＯ受信装置側のアンテナ相関より低くなるため、ビームフォーミング効果がより発揮されやすくなり、ＭＩＭＯ受信特性をさらに高めることができる。

また、本発明は、ＳＴＢＣ−ＭＩＭＯ方式やＳＭ−ＭＩＭＯ方式に限らず、送信データにＭＩＭＯプリコーディングを施すＭＩＭＯ方式を採用する無線通信システム全般に適用可能である。

１０無線通信システム、１２基地局、１４移動局、２０，４０アンテナ、２２，４２無線通信部、２４，４４１次復調部、２６ウェイト演算部、２８，５０２次復調部、３０，５２２次変調部、３２ＭＩＭＯプリコーディング部、３４重み付け合成部、３６，５４１次変調部、４６チャネル演算部、４８ＭＩＭＯデコード部。

Claims

複数の送信アンテナを有する送信装置と、複数の受信アンテナを有するＭＩＭＯ受信装置と、を含む無線通信システムであって、
前記送信装置は、
前記ＭＩＭＯ受信装置宛ての送信データに対して所定のＭＩＭＯプリコーディングを施すことにより、該送信データを前記複数の受信アンテナにそれぞれ対応する複数のデータストリームに変換するＭＩＭＯプリコーディング手段と、
前記複数の受信アンテナのそれぞれについて、当該受信アンテナに指向する指向性パターンを前記複数の送信アンテナにより形成するための送信ウェイトを算出するウェイト算出手段と、
前記複数のデータストリームのそれぞれを当該データストリームに対応する受信アンテナについて算出された送信ウェイトで重み付けし、該重み付けされた複数のデータストリームを送信アンテナごとに合成することにより、前記複数の送信アンテナにそれぞれ供給される複数の合成データストリームを生成する重み付け合成手段と、
前記複数の合成データストリームを前記複数の送信アンテナからそれぞれ送信する手段と、
を含み、
前記ＭＩＭＯ受信装置は、
前記複数の送信アンテナからそれぞれ送信される前記複数の合成データストリームを前記複数の受信アンテナで受信する手段と、
前記複数の受信アンテナで受信された合成データストリームに対して前記所定のＭＩＭＯプリコーディングに対応するＭＩＭＯデコードを施すことにより、前記送信データを取得するＭＩＭＯデコード手段と、
を含む、
ことを特徴とする無線通信システム。
請求項１に記載の無線通信システムにおいて、
前記ＭＩＭＯ受信装置は、互いに相関の低い既知の複数の参照シンボルを同一周波数かつ同一タイミングで前記複数の受信アンテナからそれぞれ送信する手段をさらに含み、
前記送信装置は、前記複数の受信アンテナからそれぞれ送信される前記複数の参照シンボルを前記複数の送信アンテナで受信する手段をさらに含み、
前記ウェイト算出手段は、前記複数の送信アンテナで受信された参照シンボルに基づき、前記複数の受信アンテナのそれぞれについて、当該受信アンテナに主ビームを向けるとともに当該受信アンテナ以外の受信アンテナにヌルを向ける指向性パターンを形成するための送信ウェイトを算出する、
ことを特徴とする無線通信システム。
請求項１または２に記載の無線通信システムにおいて、
前記データストリームは、既知の制御シンボルを含み、
前記ＭＩＭＯ受信装置は、前記複数の受信アンテナで受信された合成データストリームと、前記既知の制御シンボルと、に基づいて、前記送信装置と当該ＭＩＭＯ受信装置との間に介在する無線伝搬路の特性を推定する伝搬路特性推定手段をさらに含み、
前記ＭＩＭＯデコード手段は、前記伝搬路特性推定手段により推定される前記無線伝搬路の特性に基づいて、前記ＭＩＭＯデコードを施す、
ことを特徴とする無線通信システム。
請求項１から３のいずれかに記載の無線通信システムにおいて、
前記所定のＭＩＭＯプリコーディングは、ＳＴＢＣ（Space-Time Block Coding：時空間ブロック符号化）方式またはＳＭ（Spatial Multiplexing：空間多重化）方式のＭＩＭＯプリコーディングである、
ことを特徴とする無線通信システム。
複数の送信アンテナを有する送信装置であって、
ＭＩＭＯ受信装置宛ての送信データに対して所定のＭＩＭＯプリコーディングを施すことにより、該送信データを該ＭＩＭＯ受信装置が有する複数の受信アンテナにそれぞれ対応する複数のデータストリームに変換するＭＩＭＯプリコーディング手段と、
前記複数の受信アンテナのそれぞれについて、当該受信アンテナに指向する指向性パターンを前記複数の送信アンテナにより形成するための送信ウェイトを算出するウェイト算出手段と、
前記複数のデータストリームのそれぞれを当該データストリームに対応する受信アンテナについて算出された送信ウェイトで重み付けし、該重み付けされた複数のデータストリームを送信アンテナごとに合成することにより、前記複数の送信アンテナにそれぞれ供給される複数の合成データストリームを生成する重み付け合成手段と、
前記複数の合成データストリームを前記複数の送信アンテナからそれぞれ送信する手段と、
を含むことを特徴とする送信装置。
複数の送信アンテナを有する送信装置と、複数の受信アンテナを有するＭＩＭＯ受信装置と、を含む無線通信システムにおける無線通信方法であって、
前記送信装置が、前記ＭＩＭＯ受信装置宛ての送信データに対して所定のＭＩＭＯプリコーディングを施すことにより、該送信データを前記複数の受信アンテナにそれぞれ対応する複数のデータストリームに変換するステップと、
前記送信装置が、前記複数の受信アンテナのそれぞれについて、当該受信アンテナに指向する指向性パターンを前記複数の送信アンテナにより形成するための送信ウェイトを算出するステップと、
前記送信装置が、前記複数のデータストリームのそれぞれを当該データストリームに対応する受信アンテナについて算出された送信ウェイトで重み付けし、該重み付けされた複数のデータストリームを送信アンテナごとに合成することにより、前記複数の送信アンテナにそれぞれ供給される複数の合成データストリームを生成するステップと、
前記送信装置が、前記複数の合成データストリームを前記複数の送信アンテナからそれぞれ送信するステップと、
前記ＭＩＭＯ受信装置が、前記複数の送信アンテナからそれぞれ送信される前記複数の合成データストリームを前記複数の受信アンテナで受信するステップと、
前記ＭＩＭＯ受信装置が、前記複数の受信アンテナで受信された合成データストリームに対して前記所定のＭＩＭＯプリコーディングに対応するＭＩＭＯデコードを施すことにより、前記送信データを取得するステップと、
を含むことを特徴とする無線通信方法。