JP3947166B2 - 通信システム、通信装置および通信方法 - Google Patents

Description

本発明は通信相手の装置にチャネル推定情報をフィードバックする通信装置、通信方法および通信システムに関し、特に、ＭＩＭＯ(Multi Input Multi Output)に係わるチャネル推定情報の交換に関する。

近年、送受信に複数のアンテナを用いて情報を送信するＭＩＭＯに関する技術が注目を集めている。ＭＩＭＯ技術を用いた無線通信システムでは、所要周波数帯域を拡大することなく通信容量の拡大が可能であるという利点がある。現在、標準化が進められている無線ＬＡＮの規格のIEEE802.11nにおいても、ＭＩＭＯの利用が有力視されている。しかしながら、ＭＩＭＯを用いた無線通信システムの場合、特にＬＯＳ(Line Of Sight)の伝搬環境下では受信側で信号処理しても各パスのチャネル状態を推定できず、複数のアンテナを用いて多重され送信されたデータを受信側で分離できない場合が生じ得るという問題がある。これは、受信側の受信特性を送信側が知ることができないことが一つの要因にある。受信側の受信特性が明らかでなければ、送信側は受信側で正常に情報の分離ができない多重数あるいはアンテナから送信すべきデータを送信してしまうということが考えられるその結果、帯域の浪費が生じ他の通信の妨げになるという問題も発生する。

この問題を解決するためには、受信側において正常に情報を分離できるように送信側がチャネル状態に応じてデータの多重数や送信に使用するアンテナを選択し、データを送信できるようにすればよい。

たとえば次に挙げるような、受信側において推定したチャネル状態の情報を送信側にフィードバックし、送信側が該チャネル状態に応じてデータの送信方法を選択する技術が知られている。受信側からのチャネル情報のフィードバックに基づき送信側の送信データの変調方式を切り替えるものや（下記特許文献１参照）、符号化率を制御するもの（下記特許文献２参照）等である。

しかしながら、ＭＩＭＯを用いて送信する送信側の制御を適切に行うためのチャネル推定情報をフィードバックするには１のアンテナによって行う従来の通信にはない技術が必要となる。例えば単純に従来技術を適用するならば、複数ある送信側のアンテナから１本ずつ順番にデータを送信させ、受信側で各アンテナごとにチャネル状態を測定して送信側にフィードバックするという方法が考えられる。だが、この方法ではアンテナ数によっては通信リソースの浪費が大きく、また、測定にかかる通信手順も複雑になる。
特開２００２−２９０２４６公報 特開２００３−６９５３１公報

本発明は多入力多出力（ＭＩＭＯ）による通信が可能な通信装置間においてチャネル推定情報を交換可能な通信システム、通信装置および通信方法を提供することを目的とする。

本発明の一観点に係る通信システムは、多入力多出力の第１の物理層プロトコルに従う通信および単一入出力の第２の物理層プロトコルによる通信が可能な通信手段を備えた第１、第２の通信装置間の通信で使用するチャネルについてのチャネル状態推定情報を交換する通信システムであって、
前記第１の通信装置は、前記第２の通信装置に該第２の通信装置における該第１の通信装置と前記第１の物理層プロトコルを用いて通信するときの受信状態に関する情報を含む第１のチャネル状態推定情報を要求するための前記第２の物理層プロトコルに基づいて送信される物理フレームに、さらに前記第１の物理層プロトコルに基づいて送信される第１のプリアンブルを所定の位置に付加して該第２の通信装置に送信する第１の送信手段を具備し、
前記第２の通信装置は、前記物理フレームを復号することにより該物理フレームが前記第１のチャネル状態推定情報を要求するものであることを検知する検知手段と、前記物理フレームに付加された前記第１のプリアンブルに基づいて前記第１のチャネル状態推定情報を求めるチャネル状態推定手段と、該チャネル状態推定手段により求めた第１のチャネル状態推定情報を前記第１の通信装置に送信する第２の送信手段を具備する。

本発明の一観点に係る通信装置は、多入力多出力の第１の物理層プロトコルに従う通信および単一入出力の第２の物理層プロトコルによる通信が可能な通信手段を備えた通信装置であって、
前記第１の物理層プロトコルを用いて送信した信号を他の通信装置において受信するときの受信状態に関する情報を含む第１のチャネル状態推定情報を該他の通信装置に対して要求するための前記第２の物理層プロトコルに基づいて送信される物理フレームに、さらに前記第１の物理層プロトコルに基づいて送信される第１のプリアンブルを所定の位置に付加して送信する第１の送信手段と、
前記他の通信装置から第１のチャネル状態推定情報を受信する受信手段と、
前記他の通信装置から受信した第１のチャネル状態推定情報に基づいて、前記第１の物理層プロトコルによる物理フレームを送信する際の送信条件を決定し、該送信条件を前記通信手段に対して通知する手段を具備する。

および本発明の一観点に係る通信方法が提供される。

本発明によれば、受信側通信装置においてＭＩＭＯを用いて通信する場合の受信特性を表すチャネル状態が推定され、このチャネル状態推定情報が送信側通信装置にフィードバックされる。送信側通信装置は、受信側通信装置からフィードバックされたチャネル状態推定情報に基づいて、情報多重数および送信に使用するアンテナ数を含む送信方法を適切に選択することができる。

また、チャネルの状態が悪くＭＩＭＯを用いた通信が可能でない状況にもかかわらずＭＩＭＯを用いて通信が開始されてしまう事態を未然に回避することが可能となる。これにより発生が予想される通信エラーによる通信路の帯域の浪費を防止することができる。

(第１実施形態)
図１は本発明の実施形態に係る通信装置の機能ブロック図の一例である。この通信装置は本実施形態に係る通信システムを構成する装置であって、ＭＡＣ層の処理ユニット１００、および物理層の処理ユニット２００を有する。これら処理ユニットは実装に応じてアナログ又はデジタルの電子回路として、あるいはＬＳＩに組み込まれたＣＰＵにより実行される例えばファームウェアとして実現される。物理層の処理ユニット２００には例えば３本のアンテナ３００が接続されている例を示す。図１に示すように、ＭＡＣ層の処理ユニット１００はＭＡＣ層管理機能１０１を有する。また、通信相手の装置に対し送信すべきチャネル情報フィードバック要求フレームをＭＡＣ層管理機能１０１からの指示に応じて作成する機能Ｔ１を有する。ＭＡＣ層の処理ユニット１００において作成されたチャネル情報フィードバック要求フレーム等のＭＡＣフレームは、物理層の処理ユニット２００に送られる。物理層の処理ユニット２００はＭＡＣフレームを符号化（エンコード）する機能Ｔ２と、これにより符号化されたデータにプリアンブルを付加して物理フレームを生成する機能Ｔ３とを有する。生成された物理フレームはアンテナ３００から送信される。

一方、物理層の処理ユニット２００は、受信時においてはアンテナ３００が受信したプリアンブルに基づいてチャネル状態の推定を行う機能Ｒ１と、このチャネル推定に基づいてデータの復号を行う機能Ｒ３とを有する。チャネル推定結果はＭＡＣ層処理ユニット１００におけるチャネル推定結果通知フレーム作成機能Ｒ２において用いられる。また、機能Ｒ３において復号されたデータはこの受信したフレームがチャネル情報フィードバック要求フレームであるか否かを判定する機能Ｒ４と、該受信したフレームがチャネル推定結果通知フレームであるか否かを判定する機能Ｒ５とを有する。受信フレームがチャネル情報フィードバック要求フレームの場合は機能Ｒ２によりチャネル推定結果通知フレームが作成され、チャネル情報の要求先に送信される。一方、受信したフレームがチャネル推定結果通知フレームの場合は、該フレームに基づいて少なくともこのフレームを送信してきた通信装置へデータを送信するときの情報多重数および送信アンテナが決定される（Ｒ６）。Ｒ６で決定された情報は符号化する機能Ｔ２に伝えられ、これにより送信時の動作が制御される。Ｒ６による情報多重数・送信アンテナの決定に関する方法の例は後述する。

本発明の実施形態に係る通信システムとして、ＭＩＭＯによる通信方式を用いた無線ＬＡＮシステムを想定する。この通信システムで用いられる通信端末（以降、ＭＩＭＯ端末と称す）はIEEE802.11aに規定された通信通信方式で使用されるフォーマットを解することができるものとする。

図２は本発明の実施形態に係る通信システムにおけるＭＩＭＯチャネルの構成例を示す図である。同図に示すように、本発明の実施形態では送受信に各３本のアンテナ３００が用意され、マトリックスチャネル（ＭＩＭＯチャネル）が形成される。送信側は３本のアンテナ３００からそれぞれ異なる情報を送信する。受信側は各アンテナ３００で多重された信号を受信し、受信した情報を信号処理によって分離する。

本実施形態ではマトリックスチャネルが無線チャネルを想定していることからチャネル状態の変動が激しく、受信側からのチャネル推定結果情報のフィードバックなしには受信側における信号の受信特性を送信側が把握することは困難である。

以下、ＭＩＭＯ端末による無線通信システムにおいて送信側へチャネル推定結果情報をフィードバックする仕組みを図３の通信手順に従って説明する。受信側から送信側へのチャネル情報のフィードバックは、主に通信の開始時や通信品質が劣化したときに行われる。または定期的にフィードバックされるようにしても良い。

図３に示すように、この通信手順は、送信側から受信側に対しチャネル情報フィードバック要求フレーム１を送信する第１のステップ５−１と、チャネル情報フィードバック要求フレーム１に基づいて受信側がチャネル推定を行う第２のステップ５−２と、受信側におけるチャネル推定結果をフレーム２−１によって送信側に通知する第３のステップ５−３と、フレーム２−１に基づいて送信側がチャネル推定を行う第４のステップ５−４と、送信側から受信側に対し、送信側のチャネル推定結果としてチャネル推定結果通知フレーム３−１、３−２、３−３のいずれかを送信する第５のステップ５−５とから構成される。

図４は、本実施形態における物理フレームの基本的な一例を示す図であり、本発明の実施形態によってはここに示した物理フレームを適宜変形して用いている。物理フレーム４００は大きくプリアンブルとＭＡＣフレーム４１１に分けられる。本実施形態ではプリアンブルに、ブリアンブル４０１とプリアンブル４０２からなる２種類のプリアンブルを有している。プリアンブル４０１はIEEE802.11aに規定された通信方式に基づいて送信されるプリアンブルであり、プリアンブル４０２はＭＩＭＯにより送信されるプリアンブルである。ＭＡＣフレーム４１１は基本的にIEEE802.11aで規定されたフレームフォーマットと同一であり、特にことわらない限りはIEEE802.11aに基づく通信方式で送信されるものである。IEEE802.11aに規定された物理フレームとは、プリアンブル４０２に相当するフィールドを持たないという点において異なる。後述するチャネル情報フィードバック要求フレームやチャネル推定結果情報フレームは、基本的には物理フレーム４００のフォーマットをベースに生成される。

図５はチャネル情報フィードバック要求フレーム１のフォーマットを示す図である。ＭＡＣ層の処理ユニット１００において、ＭＡＣ層管理機能１０１からチャネル情報のフィードバック要求の指示を受けて、チャネル情報フィードバック要求フレームのＭＡＣフレーム部分が作成される（Ｔ１）。該フレーム部分は物理層の処理ユニット２００に渡され、IEEE802.11aに規定された符号化（エンコード）、またはＭＩＭＯで送信するときの符号化が施される（Ｔ２）。その後、IEEE802.11aに規定されたプリアンブル及びＭＩＭＯのプリアンブルがＭＡＣフレームの前に付加され（Ｔ３）、アンテナ３００から送信される。

上記ＭＡＣフレーム部分は、図５にも示しているようにIEEE802.11aに規定された通信方式で送信する必要性がある。図６は、ＭＩＭＯにおいて、伝送路環境によってはデータを分離できない場合があることを説明するための図である。図６のように、送信アンテナ３本（Ｔｘ１，Ｔｘ２，Ｔｘ３）を用いて、データＳ１，Ｓ２，Ｓ３を送信するＭＩＭＯを考える。送信アンテナＴｘ１はデータＳ１を送信する。同様に、送信アンテナＴｘ２はデータＳ２を、送信アンテナＴｘ３はデータＳ３を送信する。受信側は、受信アンテナ３本（Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３）を用いて、データＳ１，Ｓ２，Ｓ３を受信する。受信アンテナＲｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３はいずれも３種類のデータＳ１，Ｓ２，Ｓ３が混在した信号を受信する。ここで、受信アンテナＲｘ１に注目すると、受信アンテナＲｘ１が受信する信号ｒ１は、

と表される。ｈ１＿１，ｈ２＿１，ｈ３＿１はチャネル状態がデータに与える影響である。つまり、送信アンテナＴｘ１と受信アンテナＲｘ１の間のチャネル状態はｈ１＿１と表され、送信アンテナＴｘ１が送信したデータＳ１は、伝送中にチャネル状態ｈ１＿１の影響を受けて変化し、受信アンテナＲｘ１ではＳ１＊ｈ１＿１として受信される。同様にデータＳ２はＳ２＊ｈ２＿１、Ｓ３はＳ３＊ｈ３＿１として受信される。

同様に、受信アンテナＲｘ２における受信信号ｒ２は、

受信アンテナＲｘ３における受信信号ｒ３は、

と表される。上記（１）〜（３）式をまとめると、（４）式となる。

受信側では、チャネル状態行列Ｈを推定できれば、（４）式の連立方程式を解いて、受信信号ｒ１，ｒ２，ｒ３からＳ１，Ｓ２，Ｓ３を分離して取り出すことができる。Ｈの推定を行うためにはデータと一緒に付加されて送信されてくるプリアンブルを用いる。ＭＩＭＯ用のプリアンブルがデータに付加されている場合は、受信側でチャネル状態行列Ｈを推定することができるため、受信信号ｒ１，ｒ２，ｒ３からＳ１，Ｓ２，Ｓ３を分離して取り出すことができる。

受信側で推定したチャネル状態行列Ｈを用いると、送信側の情報多重数・送信アンテナ決定（Ｒ６）を行うことが出来る。ここでは多重数及び送信アンテナを決定する方法の例を説明する。

まず、各パス間の相関係数αを用いる方法が考えられる。各パス間の相関係数αは、（４）式及び図６におけるチャネル状態の推定結果ｈｘ＿ｙ(ｘ=1,2,3, ｙ=1,2,3)より求められる。例えば、ある２つのパスのｈｘ＿ｙ値がほぼ等しければ、その２つのパス間の相関係数αは高い。反対に、ある２つのパスのｈｘ＿ｙ値が大きく異なれば、その2つのパス間の相関係数αは低いとみなされる。ＭＩＭＯを用いて通信する場合、相関係数αが高いパスを通って受信された複数の信号は受信側で分離することができないため、パス間の相関が高い場合にはそのどちらか１つのパスのみを使用することが望ましい。すなわち、チャネル推定結果ｈｘ＿ｙから各パス間の相関係数αを求め、相関係数αがあらかじめ定めたしきい値α＿ｔｈよりも大きい場合には、パス間で相関の高いもののうちから１つのパスを選択するようにする。他方、選択しなかった互いに相関の高いパスは使用しないこととする。そうすれば選択したパスを送信する際に使用するアンテナと、最終的に送信に使用する多重数とを決定することができる。

別の方法の例として、各パスのＣＮＲ(Carrier vs. Noise Ratio)を求め、低いＣＮＲのパスは使用しないように送信アンテナを選択する方法が考えられる。ＣＮＲが低いパスから受信された信号はパスごとの分離が困難な場合がある。このことから、あるパスのＣＮＲがあらかじめ設定したしきい値ＣＮＲ＿ｔｈよりも小さい場合には、そのパスは使用しないように設定する。各パスのＣＮＲは、式（４）及び図６におけるチャネル推定結果ｈｘ＿ｙ (ｘ=1,2,3, ｙ=1,2,3)より求めることができる。また、チャネル推定結果ｈｘ＿ｙ値が大きいパスはＣＮＲも高いため、実際にＣＮＲを求めなくてもチャネル推定結果ｈｘ＿ｙ値の大小から多重数及び送信アンテナを決定することもできる。また、判断に用いる上記のＣＮＲはＳＮＲ(Signal vs. Noise Ratio)であっても同様に判断することが可能である。

しかしながら、ＬＯＳ環境下では、送信アンテナＴｘ１，Ｔｘ２，Ｔｘ３から送信された信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３はほぼ等しいチャネルを通過するため、受信信号ｒ１，ｒ２，ｒ３の相関は高くなる。すなわち、

となり、チャネル状態行列Ｈは、

となる。この場合、（４）式は、

となり、方程式を解くことができないため、送信信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を求められない。従って、ＬＯＳ環境下でＭＩＭＯを用いた場合、受信信号ｒ１，ｒ２，ｒ３からＳ１，Ｓ２，Ｓ３を分離して取り出すことは不可能である。

このように、ＭＩＭＯでは環境によってデータを分離できない場合が生じるので、チャネル情報フィードバック要求フレーム１のＭＡＣフレーム部分は、ＭＩＭＯによって送信するのではなく、IEEE802.11aに規定された通信方法で送信する必要がある。

なお、図５に示したチャネル情報フィードバック要求フレーム１は図７に示すように構成してもよい。これは、ＭＩＭＯで送信されたプリアンブルでIEEE802.11aに規定された通信方式で送信されたフォーマットを復号するというものである。ＭＩＭＯで送信されたプリアンブルを用いる場合、全てのアンテナの組み合わせについてチャネル状態を推定でき、当然ながらＭＡＣフレームを送信したチャネルのチャネル状態も得ることができる。つまり、IEEE802.11aに規定された通信方式で送信されたフォーマットのＭＡＣフレーム部分を復号することができる。したがって、ＭＩＭＯで送信されたプリアンブルを用いれば、IEEE802.11aに規定された通信方式で送信されたフォーマットのＭＡＣフレームを復号することができ、図７のようなフレームを図５のチャネル情報フィードバック要求フレーム１の代わりに用いることが可能である。

以下、図４に示す通信手順の各ステップを詳細に説明する。
＜第１のステップ（送信側→受信側）＞
送信側から受信側に、図５に示したチャネル情報フィードバック要求フレーム１を送信する。ここで、送信側は１本のアンテナを用いてIEEE802.11aに規定された通信方式によりプリアンブルを送信する。また、３本のアンテナを用いてＭＩＭＯによってプリアンブルを送信する。ＭＡＣフレームにチャネル情報のフィードバックを要求するデータを格納し、これをIEEE802.11aに規定された通信方式に基づくプリアンブルを送信したときと同じ１本のアンテナを用いて送信する。ここでは、チャネル情報のフィードバックを要求するデータは、ＭＡＣフレームのヘッダまたはペイロードのどちらに格納してもよい。

なお、本ステップにおいて、チャネル情報フィードバック要求フレーム１の代わりにデータフレームを用いて、一般の送信データにチャネル推定結果情報のフィードバックを要求するデータを付加してＭＩＭＯによって送信するようにしてもよい。

＜第２のステップ（受信側におけるチャネル推定処理）＞
受信側において、チャネル情報フィードバック要求フレーム１を受信する。ここでは、IEEE802.11aに規定された通信方式によって送信されたプリアンブルを用いてチャネル推定を行う。また、ＭＩＭＯによって送信されたプリアンブルを用いてＭＩＭＯによる通信時のチャネル推定を行う。次に、IEEE802.11aに規定された通信方式によって送信されたプリアンブルを用いたチャネル推定の結果に基づいてＭＡＣフレーム部分を復号する。この復号により、送信側からＭＩＭＯによる通信時のチャネル推定結果情報のフィードバックを要求されていることがわかるので、ＭＩＭＯによる通信時のチャネル推定結果を通知するためのチャネル推定結果通知フレーム２−１を作成する。一般に、チャネル推定結果は位相と振幅情報を含む複素数で表現されるが、送信側にフィードバックするチャネル推定結果情報は、複素数そのものではなく簡略化した情報でもよい。例えば、複素数を量子化した概数や、チャネル状態の良否を真偽値（１／０）で表現したビットマップをチャネル推定結果情報としてフィードバックすることが考えられる。チャネル推定する通信装置側でチャネル推定結果を要約した情報とすることで、これを受け取った通信装置側での処理を軽減することができる。

＜第３のステップ（受信側→送信側）＞
受信側から送信側に、ＭＩＭＯによる通信時のチャネル推定結果通知フレーム２−２を返信する。図８にそのフォーマットの一例を示す。このステップでは、まず１本のアンテナを用いてIEEE802.11aに規定された通信方式でプリアンブルを送信する。次に３本のアンテナを用いてＭＩＭＯによりプリアンブルを送信する。そして、ＭＡＣフレームに第２のステップで得たＭＩＭＯによる通信時のチャネル推定結果情報を格納し、これをIEEE802.11aに規定された通信方式でプリアンブルを送信したときと同じ１本のアンテナを用いて送信する。ここで、チャネル推定結果情報を要求するデータは、ＭＡＣフレームのヘッダまたはペイロードのどちらに格納してもよい。

プリアンブルならびにＭＡＣフレームの送信においては、第２のステップで行ったチャネル推定結果に基づいて、チャネル状態の良いアンテナを１本選択してIEEE802.11aに規定された通信方式により送信することもできる。

また、本ステップにおいて、チャネル推定結果通知フレーム２−１の代わりにデータフレームを用い、一般の送信データにチャネル推定結果情報を付加してＭＩＭＯによって送信してもよい。

＜第４のステップ（送信側におけるチャネル推定処理）＞
送信側は、チャネル推定結果通知フレーム２−１を受信する。まず、IEEE802.11aに規定された通信方式により送信されたプリアンブルを用いてチャネル推定を行う。次に、ＭＩＭＯにより送信されたプリアンブルを用いてＭＩＭＯによる通信時のチャネル推定を行う。IEEE802.11aに規定された通信方式のプリアンブルによるチャネル推定結果を用いてＭＡＣフレーム部分を復号する。この復号により、受信側からＭＩＭＯによる通信時のチャネル推定結果情報がフィードバックされてきたことがわかるので、そのチャネル推定結果情報に基づいてＭＩＭＯによるデータの送信時の多重数と送信に用いるアンテナを決定する。このとき、ＭＩＭＯによる通信時のチャネル推定結果と受信側からフィードバックされてきた受信側におけるＭＩＭＯによる通信時のチャネル推定結果とを比較して、両者間でのチャネル推定結果の正誤を確認することができる。これは、通信装置の構成等により、送信側から受信側へのチャネル状態と、受信側から送信側へのチャネル状態が完全に等しくはならない場合があるために行う作業である。このようにするとデータの通信を開始する以前に送信側と受信側とのチャネル状態の認識上の不整合が分かり、両者で許容できる通信パラメータを設定することが可能となる。

＜第５のステップ（送信側→受信側）＞
第５のステップでは、第４のステップにおいて送信側で行ったチャネル推定の結果情報を送信側から受信側に通知する。このとき、第３のステップにおいて受信側からフィードバックされてきたチャネル推定結果から、受信側でＭＩＭＯにより送信された信号を正しく分離できると判断されたときにはチャネル推定結果通知フレーム３−１または３−２を用いる。図９にチャネル推定結果通知フレーム３−１のフォーマットの一例を、図１０にチャネル推定結果通知フレーム３−２のフォーマットの一例を示す。これらチャネル推定結果通知フレーム３−１または３−２のいずれかを使用する場合には、第４のステップにおいて決定されたデータの多重数、および本数の送信アンテナを用い、第４のステップで得られた送信側におけるチャネル推定結果情報を多重してＭＡＣフレーム部を送信する。一方、第３のステップにおいて受信側からフィードバックされてきたチャネル推定結果から、受信側でＭＩＭＯによって送信された信号を正しく分離できず、情報を多重して複数アンテナで送信するのは不可能と判断されたときには、チャネル推定結果通知フレーム３−３を用いる。図１１にフレーム３−３のフォーマットの一例を示す。この場合は、ＭＩＭＯによる通信ができず１本のアンテナによる送受信しかできない。よって第４のステップで得られた送信側におけるチャネル推定結果情報を格納したＭＡＣフレーム部は１本のアンテナで送信する。また、受信側でＭＩＭＯによって送信された信号を正しく分離できるか否かにかかわらず、第３のステップと同様にフレーム２−１を用いて第４のステップにおいて送信側で行ったチャネル推定の結果情報を送信してもよい。また、本ステップにおいて、チャネル推定結果通知フレーム３−１、３−２、３−３の代わりにデータフレームを用いて、一般の送信データにチャネル推定結果情報を付加してＭＩＭＯにより送信してもよい。

以上説明した第１乃至第５のステップの実行により、送信側の通信端末ならびに受信側の通信端末は互いのチャネル推定結果を知ることができる。これにより、送信側は受信側で正しく情報を分離できるように情報多重数や送信に使用するアンテナを選択して、データを送信することができる。

なお、本実施形態では、第４のステップにおいて、受信側からフィードバックされたチャネル推定結果に基づいて、送信側が情報多重数や送信に使用するアンテナを決定しているが、受信側がチャネル推定を行った時に、受信側がそのチャネル推定情報に基づいて情報多重数や送信アンテナを決定し、チャネル推定結果ではなく情報多重数や送信に使用するアンテナを送信側にフィードバックすることも考えられる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態は、第１実施形態と同様の無線システムにおいて、チャネル情報をフィードバックするための通信手順が第１実施形態のものとは異なる。本実施形態では、送受信間で互いにチャネル推定結果情報を送信するのではなく、チャネル推定のためのプリアンブルのみを送信して、相手側にチャネル推定させるものである。図１２に、本実施形態に係る通信手順を示す。

＜第１のステップ（送信側→受信側）＞
第１のステップは第１実施形態と同様である。

＜第２のステップ（受信側におけるチャネル推定処理）＞
まず受信側において、チャネル情報フィードバック要求フレーム１を受信する。次に、IEEE802.11aに規定された通信方式により送信されたプリアンブルを用いてチャネル推定を行う。次に、ＭＩＭＯにより送信されたプリアンブルを用いてＭＩＭＯによる通信時のチャネル推定を行う。そして、IEEE802.11aに規定された通信方式により送信されたプリアンブルに基づくチャネル推定結果を用いてＭＡＣフレーム部分を復号する。この復号により、送信側からＭＩＭＯによる通信時のチャネル推定結果情報のフィードバックを要求されていることがわかる。本ステップにおいて、ＭＩＭＯによる通信時のチャネル推定結果に基づいて、受信側から送信側へデータを送信する場合に使用する情報多重数や送信アンテナを決定することもできる。

＜第３のステップ（受信側→送信側）＞
受信側から送信側に、送信側がＭＩＭＯによる通信時のチャネル推定を行うためのチャネル推定結果フレーム２−２を返信する。図１３にチャネル推定結果フレーム２−２のフォーマットの一例を示す。

まず１本のアンテナを用いてIEEE802.11aに規定された通信方式によりプリアンブルを送信する。次に３本のアンテナを用いてＭＩＭＯによりプリアンブルを送信する。そして、IEEE802.11aに規定された通信方式によりプリアンブルを送信したときと同じ１本のアンテナを用いてＭＡＣヘッダのみのＭＡＣフレームを送信する。

このときに送信するチャネル推定結果フレームはＭＩＭＯによる送信時のチャネル推定が出来るものであれば良いので、図８に示すようなチャネル推定結果フレーム２−１であっても構わない。

IEEE802.11aに規定された通信方式によるプリアンブルの送信には、第２のステップで行ったチャネル推定結果に基づいて、チャネル状態の良いアンテナを１本選択して用いるようにすることもできる。

＜第４のステップ（送信側におけるチャネル推定処理）＞
送信側において、チャネル推定結果フレーム２−２を受信する。次に、IEEE802.11aに規定された通信方式により送信されたプリアンブルを用いてチャネル推定を行う。また、ＭＩＭＯにより送信されたプリアンブルを用いてＭＩＭＯによる通信時のチャネル推定を行う。そして、ＭＩＭＯによる通信時のチャネル推定結果情報に基づいてＭＩＭＯによるデータの送信時の多重数と送信に用いるアンテナを決定する。

第２実施形態によれば、送信側から受信側に対し送信側におけるチャネル推定結果を通知するステップを省略することにより、第１実施形態よりも受信側が通知にかかるオーバーヘッドを削減することができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態は、第１または第２実施形態と同様の無線システムにおいて、第１のステップに先立ち準備ステップを実行するよう構成される。準備ステップでは、送信側と受信側の間で、お互いの装置が有するアンテナ本数といった物理層能力情報を図１４の物理層能力情報通知フレームを用いて交換する。この物理層能力情報通知フレームにおけるＭＡＣフレームのチャネル推定結果情報部には、チャネル推定結果ではなく自装置が有するアンテナ本数といった物理層能力情報が格納される。準備ステップを実行して、お互いのアンテナ本数等の情報を得ることによって、アンテナ本数に応じたＭＩＭＯによる通信時のチャネル推定が可能なように物理ヘッダのプリアンブルをＭＡＣフレームに付加することができる。したがって、準備ステップ後に実行する第１から第５のステップでは、ＭＩＭＯによる通信時のチャネル推定を行うために必要十分な長さ・構成に設定したＭＩＭＯ通信に用いるプリアンブルをチャネル情報フィードバック要求フレーム１から物理層能力情報通知フレームに使用することができる。

なお、準備ステップに代えて、ＡＰ(Access Point)が送信するビーコンフレームに、ＡＰや各端末が有するアンテナ本数といった物理層能力情報を格納してそのＡＰのＢＳＳ(Basic Service Set)内に存在する全端末に通知してもよい。また、各端末が周辺にブロードキャストするプローブ要求フレームまたはプローブ応答フレームに、自端末の物理層能力情報を格納して周辺端末に通知してもよい。また、端末からのアソシエーション要求フレームまたはＡＰからのアソシエーション応答フレームに自端末の物理層能力情報を格納して周辺端末に通知してもよい。

これらいずれかの方法により、各端末はあらかじめ通信したい相手の物理層能力を知ることができ、第１から第５のステップを実行する際には、チャネル情報フィードバック要求フレーム１から物理層能力情報通知フレームのＭＩＭＯ通信に用いるプリアンブルを、お互いの物理層能力に応じた長さ・構成に設定することができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の実施形態に係る通信装置の概略構成の一例を示す図 本発明の実施形態に係る通信システムにおけるＭＩＭＯチャネルの構成例の一例を示す図 本発明の第１実施形態に係る通信手順の一例を示す図 本発明の第１実施形態に係る物理フレームのフォーマットの一例を示す図 本発明の第１実施形態に係るチャネル情報フィードバック要求フレーム１のフォーマットの一例を示す図 ＭＩＭＯにおいて、伝送路環境によってはデータを分離できない場合があることを説明するための図 チャネル情報フィードバック要求フレーム１のフォーマットの別の例を示す図 本発明の第１実施形態に係るチャネル推定結果通知フレーム２−１のフォーマットの一例を示す図 本発明の第１実施形態に係るチャネル推定結果通知フレーム３−１のフォーマットの一例を示す図 本発明の第１実施形態に係るチャネル推定結果通知フレーム３−２のフォーマットの一例を示す図 本発明の第１実施形態に係るチャネル推定結果通知フレーム３−３のフォーマットの一例を示す図 本発明の第２実施形態に係る通信手順の一例を示す図 本発明の第２実施形態に係るチャネル推定結果フレーム２−２のフォーマットの一例を示す図 本発明の第３実施形態に係る物理層能力情報通知フレームのフォーマットの一例を示す図

符号の説明

１００ ＭＡＣ層
２００ 物理層
３００ アンテナ
４００ 物理フレーム
４０１ プリアンブル（11a）
４０２ プリアンブル（MIMO）

Claims (14)

1. 多入力多出力の第１の物理層プロトコルに従う通信および単一入出力の第２の物理層プロトコルによる通信が可能な通信手段を備えた第１、第２の通信装置間の通信で使用するチャネルについてのチャネル状態推定情報を交換する通信システムであって、
   前記第１の通信装置は、前記第２の通信装置に該第２の通信装置における該第１の通信装置と前記第１の物理層プロトコルを用いて通信するときの受信状態に関する情報を含む第１のチャネル状態推定情報を要求するための前記第２の物理層プロトコルに基づいて送信される物理フレームに、さらに前記第１の物理層プロトコルに基づいて送信される第１のプリアンブルを所定の位置に付加して該第２の通信装置に送信する第１の送信手段を具備し、
   前記第２の通信装置は、前記物理フレームを復号することにより該物理フレームが前記第１のチャネル状態推定情報を要求するものであることを検知する検知手段と、前記物理フレームに付加された前記第１のプリアンブルに基づいて前記第１のチャネル状態推定情報を求めるチャネル状態推定手段と、該チャネル状態推定手段により求めた第１のチャネル状態推定情報を前記第１の通信装置に送信する第２の送信手段と、
   を具備することを特徴とする通信システム。
2. 前記第２の送信手段は、前記第１のチャネル状態推定情報を送信する場合に該第１のチャネル状態推定情報を含む物理フレームの少なくとも一部を、前記第１の物理層プロトコルにより送信することを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
3. 前記第１の通信装置は、前記第２の通信装置から前記第１のチャネル状態推定情報と共に受信した前記第１の物理層プロトコルで送信された第２のプリアンブルに基づいて、該第１の通信装置における該第２の通信装置と前記第１の物理層プロトコルを用いて通信するときの受信状態に関する情報を含む第２のチャネル状態推定情報を求めるチャネル状態推定手段と、該第２のチャネル状態推定情報を前記第２の通信装置に通知する通知手段とをさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
4. 前記第１の通信装置は、前記第２の通信装置から受信した第１のチャネル状態推定情報に基づいて、前記第１の物理層プロトコルによる物理フレームを送信する際の送信条件を決定し、該送信条件を前記通信手段に対して通知する手段をさらに具備することを特徴とする請求項１〜３に記載の通信システム。
5. 前記送信条件は、前記第２の通信装置との間の前記第１の物理層プロトコルによる通信時に用いるアンテナの本数および送信時における送信情報の多重化数のうちの少なくともいずれかの情報を含むことを特徴とする請求項４に記載の通信システム。
6. 多入力多出力の第１の物理層プロトコルに従う通信および単一入出力の第２の物理層プロトコルによる通信が可能な通信手段を備えた通信装置であって、
   前記第１の物理層プロトコルを用いて送信した信号を他の通信装置において受信するときの受信状態に関する情報を含む第１のチャネル状態推定情報を該他の通信装置に対して要求するための前記第２の物理層プロトコルに基づいて送信される物理フレームに、さらに前記第１の物理層プロトコルに基づいて送信される第１のプリアンブルを所定の位置に付加して送信する第１の送信手段と、
   前記他の通信装置から第１のチャネル状態推定情報を受信する受信手段と、
   前記他の通信装置から受信した第１のチャネル状態推定情報に基づいて、前記第１の物理層プロトコルによる物理フレームを送信する際の送信条件を決定し、該送信条件を前記通信手段に対して通知する手段と
   を具備することを特徴とする通信装置。
7. 前記他の通信装置から前記第１のチャネル状態推定情報と共に受信した前記第１の物理層プロトコルで送信された第２のプリアンブルに基づいて、該他の通信装置と前記第１の物理層プロトコルを用いて通信するときの受信状態に関する情報を含む第２のチャネル状態推定情報を求めるチャネル状態推定手段と、
   該第２のチャネル状態推定情報を前記他の通信装置に送信する第２の送信手段と、
   をさらに具備することを特徴とする請求項６に記載の通信装置。
8. 前記第２の送信手段は、前記第２のチャネル状態推定情報を送信する場合に該第２のチャネル状態推定情報を含む物理フレームの少なくとも一部を、前記第１の物理層プロトコルにより送信することを特徴とする請求項７に記載の通信装置。
9. 前記送信条件は、前記他の通信装置との間の前記第１の物理層プロトコルによる通信時に用いるアンテナの本数および送信時における送信情報の多重化数のうちの少なくともいずれかの情報を含むことを特徴とする請求項６〜８に記載の通信装置。
10. 多入力多出力の第１の物理層プロトコルに従う通信および単一入出力の第２の物理層プロトコルによる通信が可能な通信手段を備えた第１、第２の通信装置間の通信で使用するチャネルについてのチャネル状態推定情報を交換する通信方法であって、
    前記第２の通信装置における該第１の通信装置と前記第１の物理層プロトコルを用いて通信するときの受信状態に関する情報を含む第１のチャネル状態推定情報を要求するための前記第２の物理層プロトコルに基づいて送信される物理フレームに、さらに前記第１の物理層プロトコルに基づいて送信される第１のプリアンブルを所定の位置に付加して前記第１の通信装置から該第２の通信装置に送信するステップと、
    前記物理フレームを復号することにより前記第２の通信装置が前記第１のチャネル状態推定情報を要求されていることを検知するステップと、
    前記物理フレームに付加された前記第１のプリアンブルに基づいて前記第１のチャネル状態推定情報を求めるステップと、
    前記第１のチャネル状態推定情報を前記第１の通信装置に送信するステップと、
    を具備することを特徴とする通信方法。
11. 前記第１のチャネル状態推定情報を送信するステップは、該第１のチャネル状態推定情報を含む物理フレームの少なくとも一部を、前記第１の物理層プロトコルにより送信することを特徴とする請求項１０に記載の通信方法。
12. 前記第２の通信装置から前記第１のチャネル状態推定情報と共に受信した前記第１の物理層プロトコルで送信された第２のプリアンブルに基づいて、該第１の通信装置における該第２の通信装置と前記第１の物理層プロトコルを用いて通信するときの受信状態に関する情報を含む第２のチャネル状態推定情報を求めるステップと、
    前記第２のチャネル状態推定情報を前記第２の通信装置に通知するステップと、
    をさらに有することを特徴とする請求項１０に記載の通信方法。
13. 前記第２の通信装置から受信した第１のチャネル状態推定情報に基づいて、前記第１の通信装置が前記第１の物理層プロトコルによる物理フレームを送信する際の送信条件を決定し、該送信条件を該第１の通信装置が備える前記通信手段に対して通知するステップをさらに具備することを特徴とする請求項１０〜１２に記載の通信方法。
14. 前記送信条件は、前記第２の通信装置との間の前記第１の物理層プロトコルによる通信時に用いるアンテナの本数および送信時における送信情報の多重化数のうちの少なくともいずれかの情報を含むことを特徴とする請求項１３に記載の通信方法。

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