JP3992489B2 - 無線通信方法及びその装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の送信機からなる送信装置と複数の受信機から成る受信装置を用いて、同一周波帯域に複数の信号を多重して伝送する無線通信方法とその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今後の無線通信において映像配信等の高速伝送を実現するためには、周波数利用効率の高い無線通信方法が要求される。一般的な定義としての周波数利用効率は、通信量と使用したスペクトル空間の大きさの比で表せる。使用したスペクトル空間とは、使用した周波数帯域幅と、占有した物理空間の大きさと、使用した時間の積である。周波数利用効率を増大させる方法には主に以下の3つの方法が挙げられる。(1)単位周波数あたりに伝送する情報伝送量を増加させる。(2)セル半径を短くし、繰り返し利用可能な周波数の数を増加させる。(3)インターリーブチャネル配置により帯域あたりの使用可能なチャネル数を増加させる。
【０００３】
例えば、ディジタル変調方式においては、多値化により単位周波数ありの情報伝送量を増加できる。この例としては、固定マイクロは通信における16QAM(Quadrature Amplitude Modulation)から256QAMへの適用がある。周波数帯域幅を狭くした例では。移動通信におけるインターリーブチャネル配置の例がある。物理空間を狭くした例では、PHS(Personal Handyphone System)のようにマイクロセルを実現した例がある。使用する時間を短くした例では、PDC(Personal Digital Cellular)におけるフルレート音声符号化からハーフレート音声符号化を実現した例がある。
【０００４】
このように周波数利用効率を高めるためには、各種無線伝送技術を組み合わせる。例えば、PDCにおいて、セクタによる周波数配置、高能率音声符号化、時分割多重接続方式などの技術を組み合わせることにより、３セクタ、１搬送波周波数に３チャネル又は６チャネルの音声チャネルを多重化している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
周波数利用効率を高める単純な方法は、複数の送信機の使用周波数帯域を互いに接近させればよいが、使用帯域が重なるにつれ、信号の分離が困難となり、その結果、干渉量が増加し、通信品質が劣化する。
この発明の目的は、複数の送信機を有する送信装置により複数の送信信号を空間多重して送信しても、受信側においてそれぞれのチャネルの受信信号を分離可能な無線通信方法及びその装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明では、各送信信号間の伝搬特性の相互相関が小さいことを利用し信号分離を行い、高い周波数利用効率を達成する無線通信方法において、各送信信号間に周波数差を与え、送信信号帯域の一部を互いに重畳させ、各送信信号の伝達特性間の相互相関が小さくなるように送信する。そして、これを空間ダイバーシチ受信し信号分離を行う。これにより送信アンテナ間が狭い場合でも、各送信信号の伝達特性間の相互相関を小さくし、信号分離を行い通信する。さらに、複数の送信装置の送信系統間で伝達特性の相互相関が小さい送信信号を同一搬送波周波数で多重し伝送することでマルチプルアクセスを行う無線通信法とその装置を提供する。
【０００９】
請求項１記載の発明によれば、受信装置はアレーアンテナとチャネル間干渉除去器と複数の受信機によって構成される。また、受信機は周波数変換器と復調器によって構成される。受信信号は、複数の異なる搬送波を含み、各搬送波周波数帯は互いにその一部が重なっている。受信信号間の相互相関を最小化する信号処理を受信信号に施して全ての情報系列の信号成分を分離する。分離された信号成分は各受信機において中間周波数信号又はベースバンド信号に変換され、復調されて各情報系列を再生する。
【００１０】
請求項２記載の発明によれば、チャネル間の干渉を除去する手段は、それぞれの受信アンテナ素子から受信信号を分配し、重み付け係数をかけ、合成する。合成された各出力信号に基づいて各出力信号間の相関を最小にするように重み付け係数を適応的に制御する。この制御された重み付け係数が最適となるとき、各チャネル間の相互干渉を最小にできる。これにより、複数の送信装置からの異なる情報系列を同一搬送波周波数帯で多重伝送できる。
請求項３記載の発明によれば、受信装置にてそれぞれの直交符号で受信信号を相関検波することで送信信号を復元する。これにより、チャネル間干渉除去器での不完全性を含めて各情報系列の信号成分の検出精度を高められる。
【００１１】
請求項４記載の発明によれば、受信装置にて送信装置側で用いた誤り訂正符号に対応する復号器を用いる。これにより、各情報系列の信号成分の検出精度を高める。
請求項５記載の発明によれば、各送信機を隣接配置した場合において受信アレーアンテナ間の受信信号の相互相関を小さくするため、隣接した各送信系統における搬送波周波数を違えることで周波数相関を小さくする。その結果、受信装置における信号分離精度を上げる。また、受信信号を分配し、重み付け合成して合成信号を得、合成信号間の相互相関が小さくなるよう重み付け係数を適応的に制御する。これにより、同一周波数帯域もしくは、隣接し互いに信号帯域の一部が重なる隣接周波数帯域に多重伝送し、受信装置で全ての情報系列を分離する無線通信方法を具体化する。
【００１２】
請求項６記載の発明によれば、各送信装置で、信号帯域の一部は重畳しているが、周波数相関が小さい送信信号を送信し、さらに、送信信号間の伝達特性の相互相関が小さい送信装置からの送信信号を同一搬送波帯で多重して伝送し、空間ダイバーシチ受信し、全ての情報系列の間の相互相関を小さくし、受信装置におけるチャネル間干渉除去器の信号分離を行う無線通信方法を具現化する。
請求項７記載の発明によれば、送信側からトレーニング系列を送信し、各チャネル間の干渉を除去する手段の重み付け係数の初期収束を行う。
請求項８の発明によれば、受信装置において同一チャネル干渉信号の分離精度を高めるため、送信側で直交符号を乗算し、受信側で対応する直交符号に対する相関検波を行う。
【００１３】
請求項９記載の発明によれば、受信装置において同一チャネル干渉信号の分離制度を高めるため、送信側で誤り訂正符号化し、受信側で復号器を用いて復号する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図1に本発明の原理構成を示す。送信局装置100はそれぞれＮ個（Ｎは２以上の整数）の送信機TR-m1〜TR-mN(m=1,...,M)で構成されるＭ個（Ｍは１以上の整数）の送信装置10-1〜10-Mを用いた場合を示している。送信側全体に２つ以上の送信機があればよく、従って、Ｎを１以上の整数、Ｍを２以上の整数としてもよい。また、各送信機TR-mn(m=1,...,M; n=1,...,N)は、伝送される情報系列を生成する情報系列生成器SG-nとその情報系列を変調する変調器11-nを有している。なお、計Ｎ×Ｍ=K個の情報系列は全て異なるものとする。また、送信装置10-1〜10-M間で同じ番号ｎに対応する送信機11-1n〜11-Mnは、同じ周波数fnの搬送波を用いて情報系列を送信するものとする。図１の例では、各送信装置10-m(m=1,...,M)はＮ個の送信アンテナTA-m1〜TA-mNを有し、対応する送信機TR-m1〜TR-mNからの変調された搬送波を送出する。
【００１５】
例えば、送信装置10-1の送信機TR-11で用いる搬送波周波数f1と、送信装置10-Mの送信機TR-M1で用いる搬送波周波数f1は等しいものとする。また、各送信装置10-mにおいて、各送信機TR-m1〜TR-mNから送信される信号は、異なる搬送波周波数f1〜fNであり、各送信機TR-m1, TR-mNの各送信信号帯域は他の少なくとも１つの送信機の送信信号帯域と互いにずれて重なっている。
受信装置２０はM×N=K個の素子RA-1〜RA-K（以下K=M×Nである）を有するアレーアンテナとチャネル間干渉除去器21とK=Ｍ×Ｎ個の受信機RC-1〜RC-Kによって構成される。各受信機RC-k(k=1,...,K)は、分離された受信信号を復調する復調器22-kと、復調された信号を識別して情報系列を再生する識別器23-kとによって構成される。ここで、各送信装置10-mは通常各ユーザに対応するため、送信装置間の距離は送信装置内の各送信アンテナ間の距離よりも十分離れた位置に配置される。一般的に送受信各アンテナ配置間隔を広げることで、各送受信アンテナ間で一意に決まる伝達特性の相互相関は小さくなり、受信信号の分離がしやすくなるので、受信装置２０において受信アンテナ素子間は適度に離して配置する。
【００１６】
チャネル間干渉除去器２１には受信アレーアンテナ素子RA-1〜RA-Kからの受信信号を入力する。各受信信号には、それぞれ同じ中心周波数でＭ個の送信信号が多重化されている。チャネル間干渉除去器２１はその出力信号間の相互相関が最小化となるようにアンテナ素子RA-1〜RA-Kからの受信信号を処理することにより、チャネル間干渉を除去する。これにより、全送信機から送信された情報系列成分を含む送信信号を分離することができる。分離された受信信号は各受信機RC-kの復調器22-kで復調され、識別器23-kで識別され、情報系列を再生する。
次に信号分離の原理を具体的に説明する。説明の都合上、Ｍ＝２とするが、Ｍは１以上の任意の整数でこの発明を実施することができる。図２にその構成を示す。送信装置10-1の送信アンテナTA-11から受信アンテナ素子RA-1〜RA-4への経路をそれぞれP11-1, P11-2, P11-3, P11-4とする。また、送信装置10-1の送信アンテナTA-12から受信アンテナ素子RA-1〜RA-4への経路をそれぞれP12-1, P12-2, P12-3, P12-4とする。送信装置10-2についても同様に経路P21-1〜P21-4及びP22-1〜P22-4を規定する。
【００１７】
各送信装置10-mのＮ個の送信アンテナTA-m1〜TA-mNからそれぞれ異なった搬送波周波数で信号が送信される。伝搬特性は、伝搬路のインパルス応答として表され、周波数の関数となる。従って、異なる搬送波周波数によって送信された信号間の伝搬特性は一般に異なる。異なる伝搬特性を受けた各送信信号がアンテナで受信された場合、その受信レベル変動の様相はそれぞれ異なる。この時求められる各送信信号に対応する受信信号間の相互相関は周波数相関と呼ばれる。また、周波数相関は対象となる２つの受信信号の搬送波周波数差が大きいほど小さくなる。つまり、送信機の搬送波周波数を違えることで、周波数相関を小さくし、受信アレーアンテナで受信される各受信信号間の相互相関を小さくすることができる。その結果、各送信アンテナを隣接して設置することが可能となる。
【００１８】
例えば、経路P11-1とP12-1において、見通し内通信では、同一送信装置10-1内の送信アンテナTA-11, TA-12の配置間隔を半波長とし、両経路にて同一搬送波周波数で信号を伝送した場合、受信アンテナRA-1における２つの受信信号間の相関は非常に高くなる。しかし、同じ送信アンテナ配置間隔であっても、両送信信号に搬送波周波数差を適当に与え、周波数相関を小さくすることで受信信号間の相互相関を小さくすることができる。各送信装置では、複数の送信機の搬送波周波数が互いに異なるので、アンテナヘの給電前に複数の送信機ごとに送信信号を合成し、１つの送信アンテナに供給することによりアンテナ数を減らしてもよい。
【００１９】
また、Ｍ個の送信装置は互いに離れた位置に配置する。ここで、異なる送信装置から送信される信号間の伝達特性の相互相関は一般に小さい。従って、異なる送信装置間で同一周波数の搬送波を用いて、同一搬送波周波数帯域に複数の送信信号を多重して伝送することができる。
各送信装置10-m(m=1, 2)において送信機TR-m1の搬送波周波数をf1とし、送信機TR-m2の搬送波周波数をf2とする。各送信アンテナから送信される信号スペクトル及び受信アンテナ素子に受信される信号スペクトルを図２中のそれぞれのアンテナに隣接して示す。全ての送信信号は各伝搬路を伝送し、受信アンテナ素子RA-1〜RA-4に受信される。送信アンテナTA-11とTA-21からの送信信号は同じ中心周波数f1の帯域で多重伝送される。同様に送信アンテナTA-12とTA-22からの送信信号も同じ中心周波数f2の帯域で多重伝送される。また、搬送波周波数f1の帯域信号と搬送波f2の帯域信号は一部スペクトルが互いに重畳して伝送される。
【００２０】
受信装置２０では、各受信信号に以下に示すようなチャネル間干渉除去のための信号処理を施し、各情報系列の信号成分を分離する。その原理を、図３を参照して以下に説明する。
説明の都合、送信装置数M=2、送信機数N=1、受信アンテナ素子数２、受信機数２を対象とするが、これ以上の系統数についても同様に考えられる。対象とする送信アンテナと受信アンテナ素子間の経路ijの減衰係数をａij、位相係数をθijとすると、各経路の伝達関数は以下の式で与えられる。
【００２１】
【数１】
送信信号系列をｘ、受信信号系列をｙ、送信アンテナから受信アンテナヘの経路行列をPとすれば、
ｙ＝Ｐｘ (2)
ｘ＝(ｘ1ｘ2)T (3)
ｙ＝(ｙ1ｙ2)T (4)
【数２】
チャネル間干渉除去器２１において、受信アンテナ素子RA-1から受信機RC-1への経路の重み付け係数をw11、受信アンテナ素子RA-2から受信機RC-2への経路の重み付け係数をw12、受信アンテナ素子RA-2から受信機RC-1への経路の重み付け係数をw21、受信アンテナ素子RA-2から受信機RC-2への経路の重み付け係数をw22とし、重み付け係数行列をＷとする。この時の受信機入力信号系列をｚとすれば、
【００２２】
【数３】
と表すことができる。式(2)と(6)から
【数４】
ここで、式(9) の行列ＷＰを対角行列にする行列Ｗがあれば、送信アンテナと受信アンテナ間の経路でのチャネル間干渉を除去できる。即ち、行列の非対角要素が
p11w21 + p21w22 ＝ 0
p12w11 + p22w12 ＝ 0 (10)
となるように重み付け係数w11, w12, w21, w22を決めることにより、送信されたＮチャネル信号を受信側で分離復元できる。この発明では、重み付け係数行列Ｗを操作することで行列ＷＰを対角化する。
【００２３】
重み付け係数行列Ｗは各伝搬経路の伝達特性を推定しこれらを用いて適応的に制御する。Ｗを適応的に制御するアルゴリズムとして、ゼロフォーシング規範、最小自乗誤差規範といった規範を用いることができる。これらのアルゴリズムは適応信号処理で一般に使用されており、本発明においても同様の信号処理を利用できる。一例として、Ｗの初期収束のために、各送信信号にトレーニング信号を用い、適応アルゴリズムにより重み付け係数行列Ｗを更新する方法を以下に示す。
式(9) において、重み付け係数設定用送信信号として既知の系列（トレーニング系列）をそれぞれの送信機TR-1, TR-2からアンテナTA-1, TA-2を経て別々に送信し、受信機RC-1, RC-2で受信を行った後、一括して重み付け係数行列Ｗを計算する。
【００２４】
ステップ１：まず、係数乗算器21W11〜21W22に係数初期値w11 (0)〜w22 (0)として、対角成分wij (0), i=j, に例えば全て１を設定し、非対角成分wij (0), i≠j,に０を設定する。
ステップ２：それぞれの送信機TR-1, TR-2から順次送信された既知のトレーニング系列ｘ(x1, x2, ...)を受信アンテナ素子RA-1, RA-2で受信し、伝達関数行列Ｐ＝(p11, ..., p22)を得る。具体的には、例えば最初に送信機TR-1からのみ送信を行い、受信アンテナRA-1, RA-2で送信信号を受信する。係数乗算器21W11,..., 21W22には対角成分係数wij (0)=1, i=jと非対角成分wij (0)=0, i≠j, が設定されている。従って、それぞれの受信アンテナ素子RA-1, RA-2で受信された信号は互いに合成されることなく、そのままそれぞれ対応する受信機RC-1, RC-2で検波される。送信機TR-1から送信され、受信アンテナ素子RA-jで受信された信号をy1jとする。Ｐｘ＝ｙであり、推定伝達関数Ｐ’とトレーニング信号ｘから計算したレプリカP'xと受信信号y1jとの誤差が最小となるように適応的にＰ’を決めることにより、トレーニング信号ｘに対し推定伝達関数値p'11, p'22が求まる。
【００２５】
次に送信機TR-2からトレーニング信号の送信を行い、受信信号y2jに対し同様な受信を行う。これにより推定伝達関数値p'12, p'21が求まる。このようにして伝達関数行列Ｐの推定行列Ｐ’を収束させる。これにより、次の推定伝達関数行列Ｐ’が求まる。
【数５】
得られた行列Ｐ’は、それぞれの送信機からそれぞれの受信アンテナ素子への伝達関数の推定行列であり、理想的な状況では、Ｐ’＝Ｐとなる。
ステップ３：理想的な状況とみなして、式(9) における行列ＷＰが単位行列となる伝達関数行列Ｐの逆行列を計算により求める。例えばここでは２×２行列なので以下のようになる。
【００２６】
【数６】
このようにして対角化された行列Ｗを決めることにより、受信機において送信信号x1, x2を理論的には完全に分離できることがわかる。
以降の情報系列信号の受信には、トレーニング系列の受信により求められた伝搬路の伝達関数推定値から求められた重み付け係数w11〜w22を初期設定値とし、参照信号として復調結果（復号結果）を使って適応アルゴリズムにより重み付け係数w11〜w22を更新し、チャネル間干渉除去器２１の乗算器21W11〜21W22にそれぞれ設定し、以降の情報系列信号の受信を行う。この情報系列信号の受信時に、例えば一定時間ごとにトレーニング信号か又は受信機RC-1, RC-2による復調結果（復号結果）を使って適応アルゴリズムにより重み付け係数w11〜w22を更新してもよい。
【００２７】
注目すべき点は、図３の原理的構成では、互いに異なる位置の送信アンテナから送信を行っているので、送信機の送信搬送波周波数について何も制限が要らないことである。即ち、２つの送信機TR-1, TR-2が同じ周波数を使用しても異なる位置の２つの送信アンテナTA-1, TA-2を使用することにより受信信号の分離が可能なことである。更に重要なことは、送信信号x1, x2を同一アンテナから送信しても、送信周波数が互いに異なっていれば、伝搬路で受ける伝達関数が異なるので、やはり信号の分離が可能であることである。
【００２８】
【発明の実施の形態】
実施例
図４はこの発明による送信局装置の実施例であり、送信局装置100を構成する各送信装置はＮ個の送信機から構成され、各送信機は変調器と搬送波発生器とから構成される。図４では、送信装置数Ｍ＝２、送信機数Ｎ＝２の場合を示す。送信装置10-1の送信機TR-11は変調器11-1と、周波数変換器12-1と、搬送波発生器13-1とを有している。この例では、情報系列生成器SGで生成された情報系列は直列並列変換器（Ｓ／Ｐ）１５で２系列の信号に分離され、互いに異なる情報系列としてそれぞれ送信機TR-11, TR-12に入力される。他の送信機TR-12, TR-21, TR-22も同様の構成とされている。
【００２９】
搬送波発生器13-1は設定された周波数fL1の搬送波信号を発生させる。変調器11-1の出力は周波数変換器12-1において搬送波周波数fL1でアップコンバートされ、送信アンテナTA-11に供給される。同じ送信装置10-1内の送信機TR-12においては、搬送波周波数fL2として周波数fL1と異なる周波数を使用する他は送信機TR-11と同様の構成である。搬送波の設定周波数fL1, fL2は、各送信装置間で同じ組み合わせの周波数を用いるが、どのような組み合わせにも対応できるよう搬送波発信器は周波数可変式であることが望ましい。
図４の送信局装置100に対する受信装置２０の実施例を図５に示す。図４と対応させて、受信アンテナ素子数４における構成を示す。アンテナ素子RA-1〜RA-4で受信された受信信号をそれぞれチャネル間干渉除去器２１に入力する。入力される信号はＲＦ帯の信号でも、ＩＦ帯にダウンコンバートされた信号でも、ベースバンド信号でも、それらをＡ／Ｄ変換行ったディジタル信号でもよく、それらの違いによって基本的構成は変わらない。後述する手段によるチャネル間干渉除去器２１によって分離された各情報系列の信号成分は従属する受信機RC-1〜RC-4にそれぞれ入力される。それぞれの受信機RC-1〜RC-4では局部信号発生器25-1〜25-4により入力信号に対応する周波数fL1, fL2の局部信号を発生させ、周波数変換器24-1〜24-4により受信信号を中間周波あるいはベースバンド周波帯に変換する。周波数変換された受信信号は復調器22-1〜22-4により検波され、信号z1, z2, z3, z4を再生する。再生された信号z1, z2, z3, z4は、並列直列変換器26-1, 26-2を通すことで、元の情報系列が復元される。なお、復調器22-1〜22-4による検波方法は、同期検波、遅延検波等、どのような検波方法を用いてもよい。
【００３０】
次に、チャネル間干渉除去器２１の実施例を図６に示す。図６では、MN=2として示してある。チャネル間干渉除去器２１は各アンテナ素子からの入力受信信号を全受信機数に電力分配する電力分配器21A-1, 21A-2と、入出力間の経路ごとに適応アルゴリズムで求められる重み付け係数(タップ係数)を乗算するための振幅位相調整用乗算器21W11, 21W12, 21W12, 21W22と、振幅位相調整された各入力信号を合成する電力合成器21B-1, 21B-2と、タップ係数を演算し、振幅位相調整用乗算器21W11〜21W22に与えるタップ係数制御器21Cとにより構成される。
トレーニング信号受信時には、端子21Rにトレーニング信号を供給し、参照信号として使用する。情報系列信号受信時には、端子21Rに受信機の復調信号又は判定信号z1, z2を帰還し、参照信号として用いる。タップ係数制御器21Cは、これら参照信号に基づいて各経路の重み付け係数を適応的に制御する。タップ係数を適応的に制御する方法としては、従来から知られているピーク歪規範や最小自乗誤差規範を用いたアルゴリズムが適用できる。
【００３１】
タップ係数の初期収束値の設定法については、前述のように送信装置側で、それぞれトレーニング信号を送信し、それらを用いることで、従来と同様に設定することができる。これらの回路は、サンプリング時点によってアナログ回路で実現してもよいし、ディジタル回路で実現してもよい。
図４の送信局装置100の各送信機において用いる搬送波の位相の揺らぎや変動を揃えるため、各送信装置内の各送信機で共通の局部発信機をソースとした搬送波発生器を用いてもよい。各送信装置にも同様な構成を用いる。さらに、各送信装置でソースとして用いる局部発信機を共通の局部発信機に同期させ動作させることも可能である。例えば、各送信装置にＧＰＳ受信機を搭載し、衛生から基準信号を各送信装置に伝送し、各送信装置内で共通の局部発信機を基準信号に同期させる。
【００３２】
このような構成の実施例を図７に、送信装置数Ｍ＝２とした場合について示す。この構成は、図４の構成において、基準信号を発生する基準発振器３０と、その基準信号に同期してそれぞれ局部信号を発生する局部発振器１６とを各送信装置10-1, 10-2に設け、各送信装置10-11, 10-12（及びTR-21, TR-22）はその局部発振器１６からの局部信号をそれぞれ送信機TR-1, TR-2の搬送波発生器13-1, 13-2に与え、各搬送波発生器13-1, 13-2が基準信号に同期して搬送波を発生するように構成したものである。これにより、各送信機TR-1, TR-2間および各送信装置10-11, 10-12（及びTR-21, TR-22）間での搬送波の位相の揺らぎや変動を揃えることができる。
【００３３】
図７の送信局装置100に対応した受信装置２０の実施例を図８に示す。各受信機RC-1〜RC-4における局部信号発生器25-1〜25-4の位相変動や揺らぎを揃える目的に、共通の局部信号を発生する共通局部発振器２７を設け、その共通局部信号をソースとしてそれぞれの局部信号発生器25-1〜25-4はダウンコンバートのための局部信号を発生する。この実施例では、更に、受信装置の全局部信号を送信側の搬送波と同期させるため、共通局部発振器２７は、例えば前述のGPSによる基準発振器３０からの基準信号に同期して共通局部信号を発生するように構成している。復調器22-1〜22-4により復調された信号z1, z2, z3, z4は、チャネル間干渉除去器２１にフィードバックされ、参照信号として用いることができる。復調された信号は、並列直列変換器26-1, 26-2を通すことで、元の情報系列が復元される。
【００３４】
図４に示した送信局装置100の各受信装置において信号分離精度を上げるために直交符号化や誤り訂正符号化などの畳み込み符号化手法を利用することができる。図９は直交符号化により分離精度を高める構成を示す。図９に示すように、各送信機に直交符号器17-1, 17-2を設け、各送信機間の送信信号の直交性を改善する。送信装置10-1において直交符号器17-1は乗算器17A-1と直交符号発生器17B-1とから構成される。他の直交符号器17-2も同様の構成である。それぞれの直交符号発生器17B-1, 17B-2はCDMA通信における拡散符号のように互いに直交な直交符号を生成し、乗算器17A-1, 17A-2で情報系列に乗算され、乗算結果がそれぞれ送信機TR-11, TR-12に入力される。送信装置10-2においても同様である。全ての直交符号は互いに異なるものを使用する。
【００３５】
図１０は図９の送信局装置100により直交符号化された送信信号を受信する場合の受信装置２０の構成を示す。受信機RC-1〜RC-4の出力側にそれぞれ相関器28A-1〜28A-4が挿入されている。相関器28A-1〜28A-4には直交符号発生器28B-1〜28B-4により発生された直交符号がそれぞれ与えられ、受信信号との相関が取られる。直交符号発生器28B-1〜28B-4は図９のそれぞれ対応する４つの直交符号発生器と同じ符号をそれぞれ発生し、受信信号との相関をとることにより、直交符号に重畳された入力信号z1, z2, z3, z4が分離される。この方法は、スペクトル拡散による通信方法を応用したものである。これにより、直交符号の系列長による拡散利得を得ることができ、信号の識別度を上げることができるので、チャネル間干渉が残留しても良好な通信を可能とする。
【００３６】
図１１は誤り訂正符号を用いた送信局装置100の実施例を示し、図９における直交符号器17-1, 17-2を誤り訂正符号器18-1, 18-2に置き換えた構成となっている。送信装置10-1では、送信すべき情報系列は誤り訂正符号器18-1, 18-2により誤り訂正符号化され、送信機TR-11, TR-12に入力される。送信装置10-2も同様の構成である。図１２は図１１の送信局装置100に対応した受信装置２０の構成を示し、図１０の受信装置における相関器28A-1〜28A-4及び直交符号発生器28B-1〜28B-4のそれぞれ対応する組を復号器29-1〜29-4に置き換えた構成となっている。受信機RC-1〜RC-4の出力をそれぞれ復号器29-1〜29-4により復号して受信信号z1, z2, z3, z4を得て、これら再生された信号は、並列直列変換器26-1, 26-2を通すことで、元の情報系列の信号を復元することができる。
【００３７】
図１１の送信装置における符号器18-1, 18-2と図１２における復号器29-1〜29-4の組み合わせとして、例えば符号器に畳み込み符号器を使用した場合、それに対する復号器として例えばビタビ復号器のような最尤系列推定器の組み合わせを使うことにより信号の識別度を上げることができる。
上述した各実施例において、送信アンテナとしてはどのようなアンテナを用いてもよいが、各送信装置間で偏波の異なるアンテナを用い、送信信号の伝達特性間の相互相関を小さくすることもできる。
上述した各実施例において各送信装置の複数の送信機で発生させる搬送波周波数を互いにわずかにずらすことで、信号分離度を上げると共に、周波数利用効率を高める効果が得られることを図１３と図１４に示す。ここで、図１５に示すように、伝送帯域幅Ｗｓに対する中心周波数差△fの比を“帯域分離度”と定義する。また、シングルアクセス(送信装置数Ｍ＝１)において、同時送信総数Ｎにのみ依存する理想通信容量で正規化した通信容量を“正規化容量”と定義する。図１３と図１４において送信機数Ｎ＝２としている。図１３は帯域分離度が０％(利用周波数帯域が完全に一致)において、各送信機のアンテナ間隔に対する正規化容量を示す。送信アンテナ間隔が0.5波長程度では正規化通信容量はゼロである。また、正規化通信容量を８０％程度達成するには、送信アンテナ間隔を１５波長程度とる必要がある。図１４に各送信アンテナ間隔を0.5波長とした場合における帯域分離度に対する正規化容量を示す。送信アンテナ間隔が0.5波長程度であっても、帯域分離度が３０％程度となるまで各送信系統の搬送波周波数をシフトさせることにより正規化容量８０％を達成することができる。
【００３８】
図１６は、マルチプルアクセス(送信装置数Ｍ＝２)における帯域分離度に対する正規化容量を送信装置間隔をパラメータとして示す。送信アンテナ間隔を３０波長程度離すことによって、シングルアクセスの場合と比較し、約２倍の通信容量が得られる。また、送信装置間隔を狭くするにつれて、通信容量は減少する。図１３、１４及び１６においては、直交符号による情報系列の符号化を行わない場合の評価結果を示したが、直交符号により情報系列を符号化することにより、さらに特性を改善することができる。
なお、上述した各実施例では、簡単のため受信アレーアンテナの素子数は分離しようとする情報系列の数、即ち、全送信機数と同じ数だけ設けた例を示したが、アレーアンテナの素子数はそれより多くても少なくてもよい。その場合、図６において電力分配器(21A-1, 21A-2)も受信アレーアンテナアンテナ素子数と同じ数だけ設けるが、各電力分配器は情報系列数と同じ数に分配し、それぞれのパスに振幅位相調整用乗算器を挿入すればよい。素子数が情報系列数より多い場合は信号の分離特性がそれだけ改善される。少ない場合は、分離特性は劣化するが、例えば図９、１０で示したような直交符号化技術、または図１１、１２で示したような誤り訂正符号化技術など、他の技術と併用することにより改善できる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、同一送信装置内の複数の送信機の搬送波周波数を互いにわずかに異ならせれば、送信信号周波数帯を互いにほぼ重ねても、受信装置では複数の受信アンテナで経路ごとの伝達関数の違いに基づいて受信信号を分離することができるので、
(1) 周波数軸上の多重と、空間軸上の多重を組合せて高い周波数利用を達成でき、また、
(2) 周波数相関と空間相関により多重信号間の相互相関を低減させ、信号分離精度を上げ、高い周波数利用効率を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の原理的構成を示すブロック図。
【図２】この発明の動作原理を説明するためのブロック図。
【図３】この発明におけるチャネル間干渉除去器の動作を説明するためのブロック図。
【図４】この発明による送信局装置の実施例を示すブロック図。
【図５】図４の送信局装置に対応した受信装置の実施例を示すブロック図。
【図６】図５におけるチャネル間干渉除去器の実施例を示すブロック図。
【図７】この発明の送信局装置の他の実施例を示すブロック図。
【図８】図７の送信局装置に対応した受信装置の実施例を示すブロック図。
【図９】この発明の送信局装置の更に他の実施例を示すブロック図。
【図１０】図９の送信局装置に対応した受信装置の実施例を示すブロック図。
【図１１】この発明の送信局装置の他の実施例を示すブロック図。
【図１２】図１１の送信局装置に対応した受信装置の実施例を示すブロック図。
【図１３】この発明の効果として、アンテナ間隔と通信容量の関係を示すグラフ。
【図１４】この発明の効果として、帯域分離度と通信容量との関係を示すグラフ。
【図１５】帯域分離度を説明するための図。
【図１６】この発明の効果として、送信アンテナ間隔をパラメータとする帯域分離度と通信容量との関係を示すグラフ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の送信機からなる送信装置と複数の受信機から成る受信装置を用いて、同一周波帯域に複数の信号を多重して伝送する無線通信方法とその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今後の無線通信において映像配信等の高速伝送を実現するためには、周波数利用効率の高い無線通信方法が要求される。一般的な定義としての周波数利用効率は、通信量と使用したスペクトル空間の大きさの比で表せる。使用したスペクトル空間とは、使用した周波数帯域幅と、占有した物理空間の大きさと、使用した時間の積である。周波数利用効率を増大させる方法には主に以下の3つの方法が挙げられる。(1)単位周波数あたりに伝送する情報伝送量を増加させる。(2)セル半径を短くし、繰り返し利用可能な周波数の数を増加させる。(3)インターリーブチャネル配置により帯域あたりの使用可能なチャネル数を増加させる。
【０００３】
例えば、ディジタル変調方式においては、多値化により単位周波数ありの情報伝送量を増加できる。この例としては、固定マイクロは通信における16QAM(Quadrature Amplitude Modulation)から256QAMへの適用がある。周波数帯域幅を狭くした例では。移動通信におけるインターリーブチャネル配置の例がある。物理空間を狭くした例では、PHS(Personal Handyphone System)のようにマイクロセルを実現した例がある。使用する時間を短くした例では、PDC(Personal Digital Cellular)におけるフルレート音声符号化からハーフレート音声符号化を実現した例がある。
【０００４】
このように周波数利用効率を高めるためには、各種無線伝送技術を組み合わせる。例えば、PDCにおいて、セクタによる周波数配置、高能率音声符号化、時分割多重接続方式などの技術を組み合わせることにより、３セクタ、１搬送波周波数に３チャネル又は６チャネルの音声チャネルを多重化している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
周波数利用効率を高める単純な方法は、複数の送信機の使用周波数帯域を互いに接近させればよいが、使用帯域が重なるにつれ、信号の分離が困難となり、その結果、干渉量が増加し、通信品質が劣化する。
この発明の目的は、複数の送信機を有する送信装置により複数の送信信号を空間多重して送信しても、受信側においてそれぞれのチャネルの受信信号を分離可能な無線通信方法及びその装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明では、各送信信号間の伝搬特性の相互相関が小さいことを利用し信号分離を行い、高い周波数利用効率を達成する無線通信方法において、各送信信号間に周波数差を与え、送信信号帯域の一部を互いに重畳させ、各送信信号の伝達特性間の相互相関が小さくなるように送信する。そして、これを空間ダイバーシチ受信し信号分離を行う。これにより送信アンテナ間が狭い場合でも、各送信信号の伝達特性間の相互相関を小さくし、信号分離を行い通信する。さらに、複数の送信装置の送信系統間で伝達特性の相互相関が小さい送信信号を同一搬送波周波数で多重し伝送することでマルチプルアクセスを行う無線通信法とその装置を提供する。
【０００９】
請求項１記載の発明によれば、受信装置はアレーアンテナとチャネル間干渉除去器と複数の受信機によって構成される。また、受信機は周波数変換器と復調器によって構成される。受信信号は、複数の異なる搬送波を含み、各搬送波周波数帯は互いにその一部が重なっている。受信信号間の相互相関を最小化する信号処理を受信信号に施して全ての情報系列の信号成分を分離する。分離された信号成分は各受信機において中間周波数信号又はベースバンド信号に変換され、復調されて各情報系列を再生する。
【００１０】
請求項２記載の発明によれば、チャネル間の干渉を除去する手段は、それぞれの受信アンテナ素子から受信信号を分配し、重み付け係数をかけ、合成する。合成された各出力信号に基づいて各出力信号間の相関を最小にするように重み付け係数を適応的に制御する。この制御された重み付け係数が最適となるとき、各チャネル間の相互干渉を最小にできる。これにより、複数の送信装置からの異なる情報系列を同一搬送波周波数帯で多重伝送できる。
請求項３記載の発明によれば、受信装置にてそれぞれの直交符号で受信信号を相関検波することで送信信号を復元する。これにより、チャネル間干渉除去器での不完全性を含めて各情報系列の信号成分の検出精度を高められる。
【００１１】
請求項４記載の発明によれば、受信装置にて送信装置側で用いた誤り訂正符号に対応する復号器を用いる。これにより、各情報系列の信号成分の検出精度を高める。
請求項５記載の発明によれば、各送信機を隣接配置した場合において受信アレーアンテナ間の受信信号の相互相関を小さくするため、隣接した各送信系統における搬送波周波数を違えることで周波数相関を小さくする。その結果、受信装置における信号分離精度を上げる。また、受信信号を分配し、重み付け合成して合成信号を得、合成信号間の相互相関が小さくなるよう重み付け係数を適応的に制御する。これにより、同一周波数帯域もしくは、隣接し互いに信号帯域の一部が重なる隣接周波数帯域に多重伝送し、受信装置で全ての情報系列を分離する無線通信方法を具体化する。
【００１２】
請求項６記載の発明によれば、各送信装置で、信号帯域の一部は重畳しているが、周波数相関が小さい送信信号を送信し、さらに、送信信号間の伝達特性の相互相関が小さい送信装置からの送信信号を同一搬送波帯で多重して伝送し、空間ダイバーシチ受信し、全ての情報系列の間の相互相関を小さくし、受信装置におけるチャネル間干渉除去器の信号分離を行う無線通信方法を具現化する。
請求項７記載の発明によれば、送信側からトレーニング系列を送信し、各チャネル間の干渉を除去する手段の重み付け係数の初期収束を行う。
請求項８の発明によれば、受信装置において同一チャネル干渉信号の分離精度を高めるため、送信側で直交符号を乗算し、受信側で対応する直交符号に対する相関検波を行う。
【００１３】
請求項９記載の発明によれば、受信装置において同一チャネル干渉信号の分離制度を高めるため、送信側で誤り訂正符号化し、受信側で復号器を用いて復号する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図1に本発明の原理構成を示す。送信局装置100はそれぞれＮ個（Ｎは２以上の整数）の送信機TR-m1〜TR-mN(m=1,...,M)で構成されるＭ個（Ｍは１以上の整数）の送信装置10-1〜10-Mを用いた場合を示している。送信側全体に２つ以上の送信機があればよく、従って、Ｎを１以上の整数、Ｍを２以上の整数としてもよい。また、各送信機TR-mn(m=1,...,M; n=1,...,N)は、伝送される情報系列を生成する情報系列生成器SG-nとその情報系列を変調する変調器11-nを有している。なお、計Ｎ×Ｍ=K個の情報系列は全て異なるものとする。また、送信装置10-1〜10-M間で同じ番号ｎに対応する送信機11-1n〜11-Mnは、同じ周波数fnの搬送波を用いて情報系列を送信するものとする。図１の例では、各送信装置10-m(m=1,...,M)はＮ個の送信アンテナTA-m1〜TA-mNを有し、対応する送信機TR-m1〜TR-mNからの変調された搬送波を送出する。
【００１５】
例えば、送信装置10-1の送信機TR-11で用いる搬送波周波数f1と、送信装置10-Mの送信機TR-M1で用いる搬送波周波数f1は等しいものとする。また、各送信装置10-mにおいて、各送信機TR-m1〜TR-mNから送信される信号は、異なる搬送波周波数f1〜fNであり、各送信機TR-m1, TR-mNの各送信信号帯域は他の少なくとも１つの送信機の送信信号帯域と互いにずれて重なっている。
受信装置２０はM×N=K個の素子RA-1〜RA-K（以下K=M×Nである）を有するアレーアンテナとチャネル間干渉除去器21とK=Ｍ×Ｎ個の受信機RC-1〜RC-Kによって構成される。各受信機RC-k(k=1,...,K)は、分離された受信信号を復調する復調器22-kと、復調された信号を識別して情報系列を再生する識別器23-kとによって構成される。ここで、各送信装置10-mは通常各ユーザに対応するため、送信装置間の距離は送信装置内の各送信アンテナ間の距離よりも十分離れた位置に配置される。一般的に送受信各アンテナ配置間隔を広げることで、各送受信アンテナ間で一意に決まる伝達特性の相互相関は小さくなり、受信信号の分離がしやすくなるので、受信装置２０において受信アンテナ素子間は適度に離して配置する。
【００１６】
チャネル間干渉除去器２１には受信アレーアンテナ素子RA-1〜RA-Kからの受信信号を入力する。各受信信号には、それぞれ同じ中心周波数でＭ個の送信信号が多重化されている。チャネル間干渉除去器２１はその出力信号間の相互相関が最小化となるようにアンテナ素子RA-1〜RA-Kからの受信信号を処理することにより、チャネル間干渉を除去する。これにより、全送信機から送信された情報系列成分を含む送信信号を分離することができる。分離された受信信号は各受信機RC-kの復調器22-kで復調され、識別器23-kで識別され、情報系列を再生する。
次に信号分離の原理を具体的に説明する。説明の都合上、Ｍ＝２とするが、Ｍは１以上の任意の整数でこの発明を実施することができる。図２にその構成を示す。送信装置10-1の送信アンテナTA-11から受信アンテナ素子RA-1〜RA-4への経路をそれぞれP11-1, P11-2, P11-3, P11-4とする。また、送信装置10-1の送信アンテナTA-12から受信アンテナ素子RA-1〜RA-4への経路をそれぞれP12-1, P12-2, P12-3, P12-4とする。送信装置10-2についても同様に経路P21-1〜P21-4及びP22-1〜P22-4を規定する。
【００１７】
各送信装置10-mのＮ個の送信アンテナTA-m1〜TA-mNからそれぞれ異なった搬送波周波数で信号が送信される。伝搬特性は、伝搬路のインパルス応答として表され、周波数の関数となる。従って、異なる搬送波周波数によって送信された信号間の伝搬特性は一般に異なる。異なる伝搬特性を受けた各送信信号がアンテナで受信された場合、その受信レベル変動の様相はそれぞれ異なる。この時求められる各送信信号に対応する受信信号間の相互相関は周波数相関と呼ばれる。また、周波数相関は対象となる２つの受信信号の搬送波周波数差が大きいほど小さくなる。つまり、送信機の搬送波周波数を違えることで、周波数相関を小さくし、受信アレーアンテナで受信される各受信信号間の相互相関を小さくすることができる。その結果、各送信アンテナを隣接して設置することが可能となる。
【００１８】
例えば、経路P11-1とP12-1において、見通し内通信では、同一送信装置10-1内の送信アンテナTA-11, TA-12の配置間隔を半波長とし、両経路にて同一搬送波周波数で信号を伝送した場合、受信アンテナRA-1における２つの受信信号間の相関は非常に高くなる。しかし、同じ送信アンテナ配置間隔であっても、両送信信号に搬送波周波数差を適当に与え、周波数相関を小さくすることで受信信号間の相互相関を小さくすることができる。各送信装置では、複数の送信機の搬送波周波数が互いに異なるので、アンテナヘの給電前に複数の送信機ごとに送信信号を合成し、１つの送信アンテナに供給することによりアンテナ数を減らしてもよい。
【００１９】
また、Ｍ個の送信装置は互いに離れた位置に配置する。ここで、異なる送信装置から送信される信号間の伝達特性の相互相関は一般に小さい。従って、異なる送信装置間で同一周波数の搬送波を用いて、同一搬送波周波数帯域に複数の送信信号を多重して伝送することができる。
各送信装置10-m(m=1, 2)において送信機TR-m1の搬送波周波数をf1とし、送信機TR-m2の搬送波周波数をf2とする。各送信アンテナから送信される信号スペクトル及び受信アンテナ素子に受信される信号スペクトルを図２中のそれぞれのアンテナに隣接して示す。全ての送信信号は各伝搬路を伝送し、受信アンテナ素子RA-1〜RA-4に受信される。送信アンテナTA-11とTA-21からの送信信号は同じ中心周波数f1の帯域で多重伝送される。同様に送信アンテナTA-12とTA-22からの送信信号も同じ中心周波数f2の帯域で多重伝送される。また、搬送波周波数f1の帯域信号と搬送波f2の帯域信号は一部スペクトルが互いに重畳して伝送される。
【００２０】
受信装置２０では、各受信信号に以下に示すようなチャネル間干渉除去のための信号処理を施し、各情報系列の信号成分を分離する。その原理を、図３を参照して以下に説明する。
説明の都合、送信装置数M=2、送信機数N=1、受信アンテナ素子数２、受信機数２を対象とするが、これ以上の系統数についても同様に考えられる。対象とする送信アンテナと受信アンテナ素子間の経路ijの減衰係数をａij、位相係数をθijとすると、各経路の伝達関数は以下の式で与えられる。
【００２１】
【数１】
ｙ＝Ｐｘ (2)
ｘ＝(ｘ1ｘ2)T (3)
ｙ＝(ｙ1ｙ2)T (4)
【数２】
【００２２】
【数３】
【数４】
p11w21 + p21w22 ＝ 0
p12w11 + p22w12 ＝ 0 (10)
となるように重み付け係数w11, w12, w21, w22を決めることにより、送信されたＮチャネル信号を受信側で分離復元できる。この発明では、重み付け係数行列Ｗを操作することで行列ＷＰを対角化する。
【００２３】
重み付け係数行列Ｗは各伝搬経路の伝達特性を推定しこれらを用いて適応的に制御する。Ｗを適応的に制御するアルゴリズムとして、ゼロフォーシング規範、最小自乗誤差規範といった規範を用いることができる。これらのアルゴリズムは適応信号処理で一般に使用されており、本発明においても同様の信号処理を利用できる。一例として、Ｗの初期収束のために、各送信信号にトレーニング信号を用い、適応アルゴリズムにより重み付け係数行列Ｗを更新する方法を以下に示す。
式(9) において、重み付け係数設定用送信信号として既知の系列（トレーニング系列）をそれぞれの送信機TR-1, TR-2からアンテナTA-1, TA-2を経て別々に送信し、受信機RC-1, RC-2で受信を行った後、一括して重み付け係数行列Ｗを計算する。
【００２４】
ステップ１：まず、係数乗算器21W11〜21W22に係数初期値w11 (0)〜w22 (0)として、対角成分wij (0), i=j, に例えば全て１を設定し、非対角成分wij (0), i≠j,に０を設定する。
ステップ２：それぞれの送信機TR-1, TR-2から順次送信された既知のトレーニング系列ｘ(x1, x2, ...)を受信アンテナ素子RA-1, RA-2で受信し、伝達関数行列Ｐ＝(p11, ..., p22)を得る。具体的には、例えば最初に送信機TR-1からのみ送信を行い、受信アンテナRA-1, RA-2で送信信号を受信する。係数乗算器21W11,..., 21W22には対角成分係数wij (0)=1, i=jと非対角成分wij (0)=0, i≠j, が設定されている。従って、それぞれの受信アンテナ素子RA-1, RA-2で受信された信号は互いに合成されることなく、そのままそれぞれ対応する受信機RC-1, RC-2で検波される。送信機TR-1から送信され、受信アンテナ素子RA-jで受信された信号をy1jとする。Ｐｘ＝ｙであり、推定伝達関数Ｐ’とトレーニング信号ｘから計算したレプリカP'xと受信信号y1jとの誤差が最小となるように適応的にＰ’を決めることにより、トレーニング信号ｘに対し推定伝達関数値p'11, p'22が求まる。
【００２５】
次に送信機TR-2からトレーニング信号の送信を行い、受信信号y2jに対し同様な受信を行う。これにより推定伝達関数値p'12, p'21が求まる。このようにして伝達関数行列Ｐの推定行列Ｐ’を収束させる。これにより、次の推定伝達関数行列Ｐ’が求まる。
【数５】
ステップ３：理想的な状況とみなして、式(9) における行列ＷＰが単位行列となる伝達関数行列Ｐの逆行列を計算により求める。例えばここでは２×２行列なので以下のようになる。
【００２６】
【数６】
以降の情報系列信号の受信には、トレーニング系列の受信により求められた伝搬路の伝達関数推定値から求められた重み付け係数w11〜w22を初期設定値とし、参照信号として復調結果（復号結果）を使って適応アルゴリズムにより重み付け係数w11〜w22を更新し、チャネル間干渉除去器２１の乗算器21W11〜21W22にそれぞれ設定し、以降の情報系列信号の受信を行う。この情報系列信号の受信時に、例えば一定時間ごとにトレーニング信号か又は受信機RC-1, RC-2による復調結果（復号結果）を使って適応アルゴリズムにより重み付け係数w11〜w22を更新してもよい。
【００２７】
注目すべき点は、図３の原理的構成では、互いに異なる位置の送信アンテナから送信を行っているので、送信機の送信搬送波周波数について何も制限が要らないことである。即ち、２つの送信機TR-1, TR-2が同じ周波数を使用しても異なる位置の２つの送信アンテナTA-1, TA-2を使用することにより受信信号の分離が可能なことである。更に重要なことは、送信信号x1, x2を同一アンテナから送信しても、送信周波数が互いに異なっていれば、伝搬路で受ける伝達関数が異なるので、やはり信号の分離が可能であることである。
【００２８】
【発明の実施の形態】
実施例
図４はこの発明による送信局装置の実施例であり、送信局装置100を構成する各送信装置はＮ個の送信機から構成され、各送信機は変調器と搬送波発生器とから構成される。図４では、送信装置数Ｍ＝２、送信機数Ｎ＝２の場合を示す。送信装置10-1の送信機TR-11は変調器11-1と、周波数変換器12-1と、搬送波発生器13-1とを有している。この例では、情報系列生成器SGで生成された情報系列は直列並列変換器（Ｓ／Ｐ）１５で２系列の信号に分離され、互いに異なる情報系列としてそれぞれ送信機TR-11, TR-12に入力される。他の送信機TR-12, TR-21, TR-22も同様の構成とされている。
【００２９】
搬送波発生器13-1は設定された周波数fL1の搬送波信号を発生させる。変調器11-1の出力は周波数変換器12-1において搬送波周波数fL1でアップコンバートされ、送信アンテナTA-11に供給される。同じ送信装置10-1内の送信機TR-12においては、搬送波周波数fL2として周波数fL1と異なる周波数を使用する他は送信機TR-11と同様の構成である。搬送波の設定周波数fL1, fL2は、各送信装置間で同じ組み合わせの周波数を用いるが、どのような組み合わせにも対応できるよう搬送波発信器は周波数可変式であることが望ましい。
図４の送信局装置100に対する受信装置２０の実施例を図５に示す。図４と対応させて、受信アンテナ素子数４における構成を示す。アンテナ素子RA-1〜RA-4で受信された受信信号をそれぞれチャネル間干渉除去器２１に入力する。入力される信号はＲＦ帯の信号でも、ＩＦ帯にダウンコンバートされた信号でも、ベースバンド信号でも、それらをＡ／Ｄ変換行ったディジタル信号でもよく、それらの違いによって基本的構成は変わらない。後述する手段によるチャネル間干渉除去器２１によって分離された各情報系列の信号成分は従属する受信機RC-1〜RC-4にそれぞれ入力される。それぞれの受信機RC-1〜RC-4では局部信号発生器25-1〜25-4により入力信号に対応する周波数fL1, fL2の局部信号を発生させ、周波数変換器24-1〜24-4により受信信号を中間周波あるいはベースバンド周波帯に変換する。周波数変換された受信信号は復調器22-1〜22-4により検波され、信号z1, z2, z3, z4を再生する。再生された信号z1, z2, z3, z4は、並列直列変換器26-1, 26-2を通すことで、元の情報系列が復元される。なお、復調器22-1〜22-4による検波方法は、同期検波、遅延検波等、どのような検波方法を用いてもよい。
【００３０】
次に、チャネル間干渉除去器２１の実施例を図６に示す。図６では、MN=2として示してある。チャネル間干渉除去器２１は各アンテナ素子からの入力受信信号を全受信機数に電力分配する電力分配器21A-1, 21A-2と、入出力間の経路ごとに適応アルゴリズムで求められる重み付け係数(タップ係数)を乗算するための振幅位相調整用乗算器21W11, 21W12, 21W12, 21W22と、振幅位相調整された各入力信号を合成する電力合成器21B-1, 21B-2と、タップ係数を演算し、振幅位相調整用乗算器21W11〜21W22に与えるタップ係数制御器21Cとにより構成される。
トレーニング信号受信時には、端子21Rにトレーニング信号を供給し、参照信号として使用する。情報系列信号受信時には、端子21Rに受信機の復調信号又は判定信号z1, z2を帰還し、参照信号として用いる。タップ係数制御器21Cは、これら参照信号に基づいて各経路の重み付け係数を適応的に制御する。タップ係数を適応的に制御する方法としては、従来から知られているピーク歪規範や最小自乗誤差規範を用いたアルゴリズムが適用できる。
【００３１】
タップ係数の初期収束値の設定法については、前述のように送信装置側で、それぞれトレーニング信号を送信し、それらを用いることで、従来と同様に設定することができる。これらの回路は、サンプリング時点によってアナログ回路で実現してもよいし、ディジタル回路で実現してもよい。
図４の送信局装置100の各送信機において用いる搬送波の位相の揺らぎや変動を揃えるため、各送信装置内の各送信機で共通の局部発信機をソースとした搬送波発生器を用いてもよい。各送信装置にも同様な構成を用いる。さらに、各送信装置でソースとして用いる局部発信機を共通の局部発信機に同期させ動作させることも可能である。例えば、各送信装置にＧＰＳ受信機を搭載し、衛生から基準信号を各送信装置に伝送し、各送信装置内で共通の局部発信機を基準信号に同期させる。
【００３２】
このような構成の実施例を図７に、送信装置数Ｍ＝２とした場合について示す。この構成は、図４の構成において、基準信号を発生する基準発振器３０と、その基準信号に同期してそれぞれ局部信号を発生する局部発振器１６とを各送信装置10-1, 10-2に設け、各送信装置10-11, 10-12（及びTR-21, TR-22）はその局部発振器１６からの局部信号をそれぞれ送信機TR-1, TR-2の搬送波発生器13-1, 13-2に与え、各搬送波発生器13-1, 13-2が基準信号に同期して搬送波を発生するように構成したものである。これにより、各送信機TR-1, TR-2間および各送信装置10-11, 10-12（及びTR-21, TR-22）間での搬送波の位相の揺らぎや変動を揃えることができる。
【００３３】
図７の送信局装置100に対応した受信装置２０の実施例を図８に示す。各受信機RC-1〜RC-4における局部信号発生器25-1〜25-4の位相変動や揺らぎを揃える目的に、共通の局部信号を発生する共通局部発振器２７を設け、その共通局部信号をソースとしてそれぞれの局部信号発生器25-1〜25-4はダウンコンバートのための局部信号を発生する。この実施例では、更に、受信装置の全局部信号を送信側の搬送波と同期させるため、共通局部発振器２７は、例えば前述のGPSによる基準発振器３０からの基準信号に同期して共通局部信号を発生するように構成している。復調器22-1〜22-4により復調された信号z1, z2, z3, z4は、チャネル間干渉除去器２１にフィードバックされ、参照信号として用いることができる。復調された信号は、並列直列変換器26-1, 26-2を通すことで、元の情報系列が復元される。
【００３４】
図４に示した送信局装置100の各受信装置において信号分離精度を上げるために直交符号化や誤り訂正符号化などの畳み込み符号化手法を利用することができる。図９は直交符号化により分離精度を高める構成を示す。図９に示すように、各送信機に直交符号器17-1, 17-2を設け、各送信機間の送信信号の直交性を改善する。送信装置10-1において直交符号器17-1は乗算器17A-1と直交符号発生器17B-1とから構成される。他の直交符号器17-2も同様の構成である。それぞれの直交符号発生器17B-1, 17B-2はCDMA通信における拡散符号のように互いに直交な直交符号を生成し、乗算器17A-1, 17A-2で情報系列に乗算され、乗算結果がそれぞれ送信機TR-11, TR-12に入力される。送信装置10-2においても同様である。全ての直交符号は互いに異なるものを使用する。
【００３５】
図１０は図９の送信局装置100により直交符号化された送信信号を受信する場合の受信装置２０の構成を示す。受信機RC-1〜RC-4の出力側にそれぞれ相関器28A-1〜28A-4が挿入されている。相関器28A-1〜28A-4には直交符号発生器28B-1〜28B-4により発生された直交符号がそれぞれ与えられ、受信信号との相関が取られる。直交符号発生器28B-1〜28B-4は図９のそれぞれ対応する４つの直交符号発生器と同じ符号をそれぞれ発生し、受信信号との相関をとることにより、直交符号に重畳された入力信号z1, z2, z3, z4が分離される。この方法は、スペクトル拡散による通信方法を応用したものである。これにより、直交符号の系列長による拡散利得を得ることができ、信号の識別度を上げることができるので、チャネル間干渉が残留しても良好な通信を可能とする。
【００３６】
図１１は誤り訂正符号を用いた送信局装置100の実施例を示し、図９における直交符号器17-1, 17-2を誤り訂正符号器18-1, 18-2に置き換えた構成となっている。送信装置10-1では、送信すべき情報系列は誤り訂正符号器18-1, 18-2により誤り訂正符号化され、送信機TR-11, TR-12に入力される。送信装置10-2も同様の構成である。図１２は図１１の送信局装置100に対応した受信装置２０の構成を示し、図１０の受信装置における相関器28A-1〜28A-4及び直交符号発生器28B-1〜28B-4のそれぞれ対応する組を復号器29-1〜29-4に置き換えた構成となっている。受信機RC-1〜RC-4の出力をそれぞれ復号器29-1〜29-4により復号して受信信号z1, z2, z3, z4を得て、これら再生された信号は、並列直列変換器26-1, 26-2を通すことで、元の情報系列の信号を復元することができる。
【００３７】
図１１の送信装置における符号器18-1, 18-2と図１２における復号器29-1〜29-4の組み合わせとして、例えば符号器に畳み込み符号器を使用した場合、それに対する復号器として例えばビタビ復号器のような最尤系列推定器の組み合わせを使うことにより信号の識別度を上げることができる。
上述した各実施例において、送信アンテナとしてはどのようなアンテナを用いてもよいが、各送信装置間で偏波の異なるアンテナを用い、送信信号の伝達特性間の相互相関を小さくすることもできる。
上述した各実施例において各送信装置の複数の送信機で発生させる搬送波周波数を互いにわずかにずらすことで、信号分離度を上げると共に、周波数利用効率を高める効果が得られることを図１３と図１４に示す。ここで、図１５に示すように、伝送帯域幅Ｗｓに対する中心周波数差△fの比を“帯域分離度”と定義する。また、シングルアクセス(送信装置数Ｍ＝１)において、同時送信総数Ｎにのみ依存する理想通信容量で正規化した通信容量を“正規化容量”と定義する。図１３と図１４において送信機数Ｎ＝２としている。図１３は帯域分離度が０％(利用周波数帯域が完全に一致)において、各送信機のアンテナ間隔に対する正規化容量を示す。送信アンテナ間隔が0.5波長程度では正規化通信容量はゼロである。また、正規化通信容量を８０％程度達成するには、送信アンテナ間隔を１５波長程度とる必要がある。図１４に各送信アンテナ間隔を0.5波長とした場合における帯域分離度に対する正規化容量を示す。送信アンテナ間隔が0.5波長程度であっても、帯域分離度が３０％程度となるまで各送信系統の搬送波周波数をシフトさせることにより正規化容量８０％を達成することができる。
【００３８】
図１６は、マルチプルアクセス(送信装置数Ｍ＝２)における帯域分離度に対する正規化容量を送信装置間隔をパラメータとして示す。送信アンテナ間隔を３０波長程度離すことによって、シングルアクセスの場合と比較し、約２倍の通信容量が得られる。また、送信装置間隔を狭くするにつれて、通信容量は減少する。図１３、１４及び１６においては、直交符号による情報系列の符号化を行わない場合の評価結果を示したが、直交符号により情報系列を符号化することにより、さらに特性を改善することができる。
なお、上述した各実施例では、簡単のため受信アレーアンテナの素子数は分離しようとする情報系列の数、即ち、全送信機数と同じ数だけ設けた例を示したが、アレーアンテナの素子数はそれより多くても少なくてもよい。その場合、図６において電力分配器(21A-1, 21A-2)も受信アレーアンテナアンテナ素子数と同じ数だけ設けるが、各電力分配器は情報系列数と同じ数に分配し、それぞれのパスに振幅位相調整用乗算器を挿入すればよい。素子数が情報系列数より多い場合は信号の分離特性がそれだけ改善される。少ない場合は、分離特性は劣化するが、例えば図９、１０で示したような直交符号化技術、または図１１、１２で示したような誤り訂正符号化技術など、他の技術と併用することにより改善できる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、同一送信装置内の複数の送信機の搬送波周波数を互いにわずかに異ならせれば、送信信号周波数帯を互いにほぼ重ねても、受信装置では複数の受信アンテナで経路ごとの伝達関数の違いに基づいて受信信号を分離することができるので、
(1) 周波数軸上の多重と、空間軸上の多重を組合せて高い周波数利用を達成でき、また、
(2) 周波数相関と空間相関により多重信号間の相互相関を低減させ、信号分離精度を上げ、高い周波数利用効率を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の原理的構成を示すブロック図。
【図２】この発明の動作原理を説明するためのブロック図。
【図３】この発明におけるチャネル間干渉除去器の動作を説明するためのブロック図。
【図４】この発明による送信局装置の実施例を示すブロック図。
【図５】図４の送信局装置に対応した受信装置の実施例を示すブロック図。
【図６】図５におけるチャネル間干渉除去器の実施例を示すブロック図。
【図７】この発明の送信局装置の他の実施例を示すブロック図。
【図８】図７の送信局装置に対応した受信装置の実施例を示すブロック図。
【図９】この発明の送信局装置の更に他の実施例を示すブロック図。
【図１０】図９の送信局装置に対応した受信装置の実施例を示すブロック図。
【図１１】この発明の送信局装置の他の実施例を示すブロック図。
【図１２】図１１の送信局装置に対応した受信装置の実施例を示すブロック図。
【図１３】この発明の効果として、アンテナ間隔と通信容量の関係を示すグラフ。
【図１４】この発明の効果として、帯域分離度と通信容量との関係を示すグラフ。
【図１５】帯域分離度を説明するための図。
【図１６】この発明の効果として、送信アンテナ間隔をパラメータとする帯域分離度と通信容量との関係を示すグラフ。
Claims (9)
- Ｎ（Ｎは２以上の整数）個１組でＭ（Ｍは１以上の整数）組からなるＮ×Ｍ個の異なる情報系列で、それぞれ信号帯域の一部が互いに重なるようにして変調された各組のＮ個の搬送波を受信するＮ×Ｍ個の素子を有するアレーアンテナと、
上記Ｎ×Ｍ個の素子からの受信信号を分配、重み付け合成してＮ×Ｍ個の合成信号に分離するチャネル間干渉除去器と、
各上記分離された信号をＮ個の上記異なる周波数の１つにより中間周波数信号またはベースバンド信号に変換する周波数変換器と、上記中間周波数信号またはベースバンド信号を復調する復調器とをそれぞれ有するＮ×Ｍ個の受信機と、
上記チャネル間干渉除去器の出力信号間の周波数相関を表す相互相関を最小化するように上記チャネル間干渉除去器の重み付け係数を上記合成信号に基づいて適応的に制御する係数制御器、
とを含むことを特徴とする受信装置。 - 請求項１記載の受信装置において、上記チャネル間干渉除去器は、上記アレーアンテナの各素子からの受信信号を分離しようとする情報系列数に分配する分配器と、分配された信号にそれぞれ重み付け係数を乗算する乗算器と、互いに異なる素子からの重み付けされた信号ごとに信号を合成して分離しようとする情報系列数の合成信号を生成し、上記合成信号をそれぞれ上記情報系列数の上記受信機に与える上記情報系列数の合成器、とを含むことを特徴とする受信装置。
- 請求項１記載の受信装置において、各受信機の出力に直交符号に対応して情報系列を復元する相関器が設けられていることを特徴とする受信装置。
- 請求項１記載の受信装置において、各受信機の出力に誤り訂正符号に対応して情報系列を復元する復号器が設けられていることを特徴とする受信装置。
- Ｎ（Ｎは２以上の整数）個の送信機からなるＭ（Ｍは１以上の整数）個の送信装置と、使用される全送信機と等しい数Ｋ＝Ｍ×Ｎの受信アンテナ素子を有するアレーアンテナ及び全送信機と等しい数Ｋの受信機を有する受信装置との間の無線通信方法であって、
送信側において、
(a) 各上記送信装置の上記Ｎ個の送信機で、それぞれ異なる情報系列を変調し、各送信信号帯域が他の少なくとも１つの送信信号帯域と一部が互いに重なって互いに異なる搬送波周波数で送信アンテナから送信するステップと、
受信側において、
(b) 受信アレーアンテナのＫ個のアンテナ素子でＫ個の受信信号を受信するステップと、
(c) 上記Ｋ個の受信信号を分配し、重み付け合成してＮ×Ｍ個の合成信号を得、それらの合成信号間の周波数相関を表す相互相関を最小化するように重み付け係数を上記合成信号に基づいて適応的に制御して上記合成信号を情報系列信号成分として分離するステップと、
(d) 分離された情報系列信号成分をそれぞれＮ個の異なる周波数の１つにより中間周波数信号またはベースバンド信号に変換し、変換された信号を復調、再生するステップ、
とを含むことを特徴とする無線通信方法。 - 請求項５記載の無線通信方法において、送信側に上記送信装置が互いに間隔をあけて複数設けられており、それぞれの送信装置は、同じ上記異なる搬送波周波数の組を使ってそれぞれ異なる情報系列の送信を行い、受信側においては、送信側の全ての送信機の数と等しい数の受信アンテナ素子で受信を行うことを特徴とする無線通信方法。
- 請求項５又は６記載の無線通信方法は、各送信機から既知のトレーニング信号を送信するステップを含み、
上記ステップ(c) は予め上記トレーニング信号を各受信装置の受信アンテナ素子で受信し、受信装置で既知であるトレーニング信号系列を参照信号とし、上記相互相関を最小にさせ、その後の情報系列受信信号に対し上記情報系列を分離することを特徴とする無線通信方法。 - 請求項５又は６記載の無線通信方法であって、上記ステップ(a) は、
(a-1) 各送信装置の複数の送信機で、それぞれ異なる情報系列をそれぞれ異なる直交符号により符号化するステップと、
(a-2) その符号化出力を変調し、異なる搬送波周波数で各送信信号帯域の一部を互いに重畳させて送信するステップ、
とを含み、
上記ステップ(d) は更に、上記復調された信号と、直交符号との相関を求めることにより、情報系列を復元するステップを含むことを特徴とする無線通信方法。 - 請求項５又は６記載の無線通信方法であって、上記ステップ(a) は、
(a-1) 各送信装置の複数の送信機で、それぞれ異なる情報系列を誤り訂正符号により符号化するステップと、
(a-2) その符号化出力を変調し、異なる搬送波周波数で各送信信号帯域の一部を互いに重畳させて送信するステップ、
とを含み、
上記ステップ(d) は更に、復調された信号に対し誤り訂正符号に対応する復号を行い、情報系列を復元するステップを含むことを特徴とする無線通信方法。
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