JP4001880B2 - Spatial multiplex transmission equipment - Google Patents
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本発明は、基地局もしくは端末にアンテナを実装する上でアンテナ配置の制約が生じる環境に用いて好適な空間多重伝送装置に関する。 The present invention relates to a spatial multiplexing transmission apparatus suitable for use in an environment where antenna placement is restricted when an antenna is mounted on a base station or a terminal.
近年、携帯電話や無線LAN(Local Area Network)システムにおいて、限られた周波数帯域で100Mbps以上の高速無線通信を実現するための検討が行われている。このような無線通信システムを実現するためには、周波数、時間、符号をユーザごとに分割するだけでなく、空間領域を用いた技術により周波数利用効率を向上させながら、伝送速度を改善するための検討が行われている。
空間多重伝送装置は、複数のアンテナ素子から異なる信号を送信することで、周波数帯域を増大することなしに高速伝送を実現する装置である。図6に従来のマルチビームを形成することで伝送品質を改善することのできる空間多重伝送用送信装置の内部構成の一例をブロック図で示す(例えば、非特許文献1参照)。
In recent years, in mobile phones and wireless LAN (Local Area Network) systems, studies for realizing high-speed wireless communication of 100 Mbps or more in a limited frequency band have been conducted. In order to realize such a wireless communication system, not only the frequency, time, and code are divided for each user, but also the frequency utilization efficiency is improved by the technology using the spatial domain, and the transmission rate is improved. Consideration is being made.
The spatial multiplexing transmission device is a device that realizes high-speed transmission without increasing the frequency band by transmitting different signals from a plurality of antenna elements. FIG. 6 is a block diagram showing an example of the internal configuration of a spatial multiplexing transmission apparatus that can improve transmission quality by forming a conventional multi-beam (see, for example, Non-Patent Document 1).
また、図7に示すような空間多重伝送装置をさらに広帯域な伝送に用いるための手法として、空間多重伝送装置を直交波周波数分割多重方式と組み合わせる方法も検討されている。直交波周波数分割多重方式とは、キャリア周波数を複数使用するマルチキャリア伝送方式で、各キャリアが互いに直交しているため、キャリアのスペクトラムの重なりが許され周波数利用効率が高いという特徴を持つ。また、広帯域伝送では、長い遅延波が伝送特性の劣化を示す要因となっているが、直交波周波数分割多重方式では、各キャリアは狭帯域なるため、このような長遅延波が到来する環境下でも良好な伝送特性が得られることが知られている. Further, as a technique for using the spatial multiplexing transmission apparatus as shown in FIG. 7 for wider band transmission, a method of combining the spatial multiplexing transmission apparatus with the orthogonal wave frequency division multiplexing scheme has been studied. The orthogonal wave frequency division multiplexing system is a multi-carrier transmission system that uses a plurality of carrier frequencies, and each carrier is orthogonal to each other, so that the spectrum of carriers is allowed to overlap and the frequency utilization efficiency is high. In wideband transmission, a long delay wave is a factor indicating deterioration in transmission characteristics. However, in the orthogonal wave frequency division multiplexing system, each carrier is a narrow band. However, it is known that good transmission characteristics can be obtained.
図7に従い従来のマルチビームを形成する空間多重伝送装置について以下に説明する。図7に示す構成において、シリアルパラレル変換器部77は、シリアルデータを、L個の周波数多重とK個の空間多重の合計L×K個に信号をパラレル変換する。この変換処理により、L個の各サブキャリアにおいてそれぞれK個の送信信号系列を生成することができる。次に、各入力信号をマルチビーム形成部78に入力し、各入力信号に対し、図の重みづけ計算部74と重みづけ選択部75から得られる固有ベクトルを乗算することで、入力ごとにアンテナ指向性が異なるマルチビームを形成することができる。この演算をサブキャリアf1〜fLごとにそれぞれ行い、マルチビーム形成部78の出力を逆フーリエ変換生成部79で逆変換し、送信機80を介して信号を送信する。
A conventional spatial multiplexing transmission apparatus for forming a multi-beam will be described below with reference to FIG. In the configuration shown in FIG. 7, the serial /
以下、重みづけを行う方法について述べる。まず、伝達係数行列Hの特異値分解(H=UDVH)を行い、ユニタリ行列V及び特異値√λを対角要素とする対角行列を求める。送信アンテナ数をNT、受信アンテナ数をNR 、XをNTとNTのうち小さい方の数字とし、u1〜uxをNT×1の列ベクトル、NT〜vxをNR×1の列ベクトル、上添え字Hは共役転置を表すものとすると、伝達係数行列は以下の演算式(1)(2)で表される。 Hereinafter, a method for weighting will be described. First, singular value decomposition (H = UDV H ) of the transfer coefficient matrix H is performed to obtain a diagonal matrix having the unitary matrix V and the singular value √λ as diagonal elements. The number of transmitting antennas is N T , the number of receiving antennas is N R , X is the smaller number of N T and N T , u1 to ux are N T × 1 column vectors, and N T to vx are N R × 1. Assuming that the column vector and the superscript H represent conjugate transpose, the transfer coefficient matrix is represented by the following arithmetic expressions (1) and (2).
ここで、伝達係数行列の要素Hijは送信アンテナjで送信され、受信アンテナiで受信したときの伝達係数となっている。次に特異値の大きい方からK個を選択し、各特異値に対応したユニタリ行列Vの列ベクトルv1〜vL.を重みとして選択し、K個の信号T1〜TLから各列ベクトルを用いて以下の演算式(3)によって各アンテナ素子から送信する信号S1〜SNを形成する。 Here, the element Hij of the transmission coefficient matrix is a transmission coefficient when transmitted by the transmission antenna j and received by the reception antenna i. Next, K pieces having larger singular values are selected, column vectors v1 to vL. Of unitary matrix V corresponding to the singular values are selected as weights, and each column vector is used from K signals T1 to TL. Signals S 1 to S N transmitted from each antenna element are formed by the following arithmetic expression (3).
ユニタリ行列Vは、伝達係数行列Hとその複素共役転置行列HHの積HHHの固有ベクトルとなっている。
このような重みづけを用いて送信を行うことで、周波数帯域を増大せずにアンテナ数倍の伝送速度を実現することが可能であり、指向性利得が得られ、さらにN素子からKビームを形成する(N≧K)とすることによって良好なビームを選択できるためダイバーシチ効果も得ることができる。送信ダイバーシチは、Space-Time-Transmission-Diversity(立川著「W-CDMA移動通信方式」丸善)、あるいはSpace-Time-Block-Code(Naguib、 et.al “Space-Time-Block-Codes: code design criteria)、 Delay Diversity 等を用いることができる。
By performing transmission using such weighting, it is possible to realize a transmission speed that is several times the number of antennas without increasing the frequency band, and to obtain a directivity gain. Since a good beam can be selected by forming (N ≧ K), a diversity effect can also be obtained. Transmission diversity is either Space-Time-Transmission-Diversity (Tachikawa's “W-CDMA mobile communication system” Maruzen) or Space-Time-Block-Code (Naguib, et.al “Space-Time-Block-Codes: code design criteria), Delay Diversity, etc. can be used.
図7に示されるように、上記の重みづけの演算を直交波周波数分割多重方式に適用する場合は、サブキャリアごとに、重みづけを求める必要がある。一般に、直交波周波数分割多重方式におけるサブキャリアは、各サブキャリアの伝搬特性がフラットフェージングになるように設定されており、無線LANシステムでは50キャリア程度、地上波ディジタル放送においては、数百〜数千程度のサブキャリアが設定される(この事実は、例えば、「松江、守倉監修、“802.高速無線LAN教科書”、IDGジャパン、 p132、 2003年」、「笹瀬監修、“次世代ディジタル変復調技術”、トリケップス、 pp 145-193」などに開示されている)。このように、多数のサブキャリアごとに上記の重みづけを得るために特異値分解などの計算を行うと、装置のハードウェア規模が非常に大きくなってしまうといった問題があった。 As shown in FIG. 7, when the above weighting calculation is applied to the orthogonal wave frequency division multiplexing system, it is necessary to obtain the weight for each subcarrier. In general, the subcarriers in the orthogonal wave frequency division multiplexing system are set so that the propagation characteristics of each subcarrier are flat fading, about 50 carriers in a wireless LAN system, and several hundred to several in terrestrial digital broadcasting. About 1000 subcarriers are set (for example, “Matsue, supervised by Morikura,“ 802. High-speed wireless LAN textbook ”, IDG Japan, p132, 2003”, “Supervised by Hirose,“ Next-generation digital modulation and demodulation. Technology ", triceps, pp 145-193"). As described above, when calculation such as singular value decomposition is performed in order to obtain the above weighting for each of a large number of subcarriers, there is a problem that the hardware scale of the apparatus becomes very large.
また、空間分割多重伝送装置を実現するためには、複数のアンテナ素子を必要とするが、実際は、アンテナの設置環境により、例えば、図8(a)〜(c)に示されるようにアンテナの配置できる場所は限定される。ここでは、PCカード上への実装例、ノートPC上への実装例、アクセスポイントへの実装例がそれぞれ示されている。
一般に、屋内の伝搬環境などでは、空間分割多重伝送を実現するためのアンテナ配置としては、アンテナ素子間隔を広げて水平配置にしたほうがよいことが報告されている(この事実は、立川他、電子情報通信学会ソサエティ大会B-1-46、 2003年9月)などに開示されている)。しかしながら、図8に示されるように、一般にアンテナのサイズは、通信する周波数の波長となるサイズでおおむね決定されるため、実際は、必ずしもアンテナの波長で規格化した素子間隔を大きくし、あるいは水平配置だけでアンテナを実装することはできない。
In order to realize a space division multiplex transmission apparatus, a plurality of antenna elements are required. Actually, however, depending on the installation environment of the antenna, for example, as shown in FIGS. The place where it can be placed is limited. Here, a mounting example on a PC card, a mounting example on a notebook PC, and a mounting example on an access point are shown.
In general, in indoor propagation environments, it has been reported that antenna arrangements for realizing space division multiplex transmission should be horizontally arranged with a wide spacing between antenna elements (this fact is described by Tachikawa et al., Electronics Information Disclosure Society Society Conference B-1-46, September 2003)). However, as shown in FIG. 8, since the size of the antenna is generally determined by the size of the wavelength of the communication frequency, in practice, the element spacing normalized by the wavelength of the antenna is not necessarily increased, or the horizontal arrangement is performed. You can't just mount an antenna.
また、基地局の設置環境や端末の大きさなどで限定されるアンテナ配置において、先に示したようにサブキャリアごとに固有ベクトルを求めて、これを送信の重みづけとして用いることは、空間分割多重伝送装置における演算規模をできるだけ簡易にするという観点だけでなく、空間分割多重伝送装置による伝送特性を改善できないといった問題がある。この理由は、空間分割多重伝送装置における伝送特性の指標は、伝搬路の空間の広がりがどの程度広がっているかで決定され、この大きさはアンテナの配置や素子間隔などのアンテナ構成により大きく影響するためである。
もし、アンテナ配置に対し、伝搬路の空間のひろがりが大きく見える環境であれば、サブキャリア間の伝搬特性も大きく異なるので、サブキャリアごとに固有ベクトルを求める効果が得られるが、アンテナ配置が異なり、伝搬路の空間のひろがりが大きく見えない環境であれば、サブキャリア間の伝搬特性は一様に近くなり、サブキャリア間で異なる固有ベクトルを送信ウエイトとして用いても、伝送特性は大きく改善されない。従って、限定されたアンテナ配置を考慮して広帯域の空間分割多重伝送装置を実現するためには、簡易に送信重みづけを求めるための方法を実現することが課題となっていた。
Also, in the antenna arrangement limited by the installation environment of the base station, the size of the terminal, etc., as described above, it is possible to obtain eigenvectors for each subcarrier and use them as weighting for transmission. There is a problem that the transmission characteristics of the space division multiplex transmission apparatus cannot be improved, as well as the viewpoint of simplifying the operation scale in the transmission apparatus as much as possible. The reason for this is that the index of transmission characteristics in the space division multiplex transmission apparatus is determined by how much the space of the propagation path is widened, and this size greatly affects the antenna configuration such as antenna arrangement and element spacing. Because.
If the environment of the propagation path space seems to be large relative to the antenna arrangement, the propagation characteristics between subcarriers are also greatly different, so the effect of obtaining eigenvectors for each subcarrier can be obtained, but the antenna arrangement is different, In an environment where the spread of the propagation path space does not appear to be large, the propagation characteristics between subcarriers are nearly uniform, and even if eigenvectors different between subcarriers are used as transmission weights, the transmission characteristics are not greatly improved. Therefore, in order to realize a broadband spatial division multiplex transmission apparatus in consideration of a limited antenna arrangement, it has been a problem to realize a method for easily obtaining transmission weights.
本発明は上記諸々の事情に鑑みてなされたものであり、サブキャリア毎の送信重みづけの計算を、アンテナ配置を考慮して簡易に効率的に実行することにより、計算のためのハードウェア規模の削減をはかった空間多重伝送装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the various circumstances described above, and the hardware scale for the calculation is obtained by simply and efficiently executing the calculation of the transmission weight for each subcarrier in consideration of the antenna arrangement. It is an object of the present invention to provide a spatial multiplexing transmission apparatus that can reduce the above.
上記した課題を解決するために本発明は、N素子のアンテナ素子を用い、直交周波数分割多重方式を用いたF個の周波数多重とK個の空間多重による送信を行う空間多重伝送装置であって、前記アンテナ素子に接続され、前記複数のアンテナ素子を任意の組み合わせから成る複数の群に分別するための選択を行うアンテナ群選択部と、前記選択された各群に入力される信号間から得られる固有ベクトルを用いて周波数相関を求める周波数相関演算部と、前記周波数相関演算部で得られた前記アンテナ群ごとの相関値から、前記アンテナ群ごとの送信重みづけに用いる固有ベクトルの数を決定する重みづけ決定部と、送信信号をシリアルバラレル変換し、前記群ごとに前記送信信号を入力するシリアルパラレル変換部と、前記重みづけ決定部で得られる重みづけ値と前記シリアルパラレル変換部の各群から出力される送信信号とを乗算して送信するマルチビーム形成部と、を具備することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the present invention is a spatial multiplexing transmission apparatus that performs transmission by F frequency multiplexing and K spatial multiplexing using an orthogonal frequency division multiplexing scheme using N antenna elements. An antenna group selection unit that is connected to the antenna element and performs selection for separating the plurality of antenna elements into a plurality of groups of arbitrary combinations, and is obtained from signals input to the selected groups. A frequency correlation calculation unit that obtains a frequency correlation using the eigenvector and a correlation value for each antenna group obtained by the frequency correlation calculation unit, and a weight for determining the number of eigenvectors used for transmission weighting for each antenna group A serial determination unit, a serial parallel conversion unit that performs serial parallel conversion on the transmission signal and inputs the transmission signal for each group, and the weight determination unit. Characterized by comprising a multi-beam forming portion, the to be transmitted by multiplying the transmission signal output weighted values are from the group of the serial-parallel conversion unit.
また、本発明において、前記周波数相関演算部は、前記アンテナ素子から前記アンテナ群選択部で選択された各アンテナに対し、前記周波数多重された受信信号の少なくとも2個から伝達係数行列を生成する伝達係数行列推定手段と、前記生成された伝達係数行列から得られる固有ベクトルを前記周波数多重の少なくとも2個から算出する固有ベクトル演算手段と、前記算出される周波数多重間での固有ベクトル間の相関値を算出する相関演算手段と、を具備することを特徴とする。 In the present invention, the frequency correlation calculation unit generates a transfer coefficient matrix from at least two of the frequency-multiplexed received signals for each antenna selected by the antenna group selection unit from the antenna element. A coefficient matrix estimating means; an eigenvector calculating means for calculating eigenvectors obtained from the generated transfer coefficient matrix from at least two of the frequency multiplexes; and calculating a correlation value between the eigenvectors between the calculated frequency multiplexes. And a correlation calculation means.
また、本発明において、前記重みづけ決定部は、前記周波数相関演算部から得られる相関値の相関帯域幅に基づき、前記アンテナ群ごとに用いる前記周波数多重数に対する送信の重みづけ値における固有ベクトルの数を決定することを特徴とする。 In the present invention, the weight determination unit may determine the number of eigenvectors in the transmission weight value for the frequency multiplexing number used for each antenna group based on the correlation bandwidth of the correlation value obtained from the frequency correlation calculation unit. It is characterized by determining.
また、本発明において、前記アンテナ素子は、垂直配置と水平配置のアンテナ素子群で構成され、前記アンテナ群選択部は、前記垂直配置のアンテナ群と水平配置のアンテナ群をそれぞれ同一のアンテナ群として分別のために選択し、前記重みづけ決定部は、固有ベクトルの値を共通とする周波数多重の間隔を、前記垂直配置のアンテナ群と水平配置のアンテナ群で得られる相関帯域幅に基づき設定することを特徴とする。 Further, in the present invention, the antenna element is composed of a vertically arranged antenna element group and a horizontally arranged antenna element group, and the antenna group selecting unit sets the vertically arranged antenna group and the horizontally arranged antenna group as the same antenna group. The weighting determination unit selects for classification, and sets a frequency multiplexing interval with a common eigenvector value based on a correlation bandwidth obtained between the vertically arranged antenna group and the horizontally arranged antenna group. It is characterized by.
また、本発明は、N素子のアンテナ素子を用い、直交周波数分割多重を用いたF個の周波数多重とK個の空間多重による送信を行う空間多重伝送用装置であって、垂直方向と水平方向に配置される前記アンテナ素子に接続され、前記複数のアンテナ素子を垂直方向素子と水平方向素子群に分離するアンテナ群選択部と、前記垂直方向に配置された前記アンテナ素子群に対して、垂直配置素子の合成指向性の水平方向が略ヌル状態となるように重みづけ値を設定する垂直配置用重みづけ決定部と、前記水平配置アンテナ素子群に対して、前記垂直配置用重みづけ決定部で得られる重みづけ値を用いて合成された出力結果を考慮して得られる入力信号から、任意の1個の周波数キャリアにおける伝達係数行列から得られる固有ベクトルを求める水平配置用重みづけ決定部と、送信すべき信号をシリアルパラレル変換し、前記水平配置アンテナ素子群ごとに前記送信信号を入力するシリアルパラレル変換部と、前記垂直配置用および水平配置用重みづけ決定部で得られる重みづけ値と前記シリアルパラレル変換部の各群から出力される送信信号とを乗算して送信するマルチビーム形成部と、を具備することを特徴とする。 The present invention also relates to an apparatus for spatial multiplexing transmission that performs transmission by F frequency multiplexing using orthogonal frequency division multiplexing and K spatial multiplexing using N element antenna elements, in the vertical and horizontal directions. Connected to the antenna elements arranged in the vertical direction, and an antenna group selection unit that separates the plurality of antenna elements into a vertical element group and a horizontal element group, and perpendicular to the antenna element group arranged in the vertical direction. A weight determining unit for vertical arrangement for setting a weighting value so that a horizontal direction of the combined directivity of the arranged elements is in a substantially null state, and a weight determining unit for vertical arrangement with respect to the group of horizontally arranged antenna elements The eigenvector obtained from the transfer coefficient matrix in any one frequency carrier is obtained from the input signal obtained by taking into account the output result synthesized using the weighting values obtained in step 1). An arrangement weight determination unit, a serial / parallel conversion unit that serial-parallel converts a signal to be transmitted and inputs the transmission signal for each of the horizontally arranged antenna element groups, and a vertical arrangement and horizontal arrangement weight determination unit And a multi-beam forming unit that multiplies the transmission value output from each group of the serial / parallel conversion unit and transmits the resultant signal.
本発明によれば、固有ベクトルに対する周波数相関を用いて必要とする送信重みづけの数を決定することで、固有ベクトルの演算がサブキャリア数だけ必要だった従来例と比較して低減することができ、このため、計算量の大幅な削減を見込むことができ、このために要するハードウェア規模の削減が可能である。
また、送信に用いる重みづけの方法を、垂直配置と水平配置のアンテナ群に分けることで、垂直配置については固定の値のみで重みづけを設定し、水平配置についても任意の1個のサブキャリアに着目した固有ベクトル演算のみで重みづけを決定できるため、送信重みづけを決定するための計算量を大幅に削減することができ、ハードウェア規模の削減に寄与できる。
According to the present invention, by determining the number of transmission weights required using the frequency correlation for the eigenvector, the eigenvector calculation can be reduced compared to the conventional example in which only the number of subcarriers is required, For this reason, it is possible to expect a significant reduction in the amount of calculation, and the hardware scale required for this can be reduced.
Also, by dividing the weighting method used for transmission into vertical and horizontal antenna groups, weighting is set with only a fixed value for vertical arrangement, and any single subcarrier for horizontal arrangement. Since the weighting can be determined only by the eigenvector calculation focusing on the above, the amount of calculation for determining the transmission weighting can be greatly reduced, and the hardware scale can be reduced.
以下、図面を参照しながら第1の実施形態と第2の実施形態について詳細に説明する。
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係る空間多重伝送装置の構成を図1に示す。第1の実施形態は、アンテナ配置の違いによる周波数相関の違いを用いて広帯域伝送時における送信重みづけの数を省略することで、全体の計算量を削減するものである。ここでは、N素子のアンテナ素子21を有する。また、アンテナ素子21は垂直と水平配置の素子で構成されているが、これは、これらの配置に限定されるものではない。
図1において、受信機12により受信された信号に対し、直交周波数分割多重方式における復調を行うため、フーリエ変換処理部13でフーリエ変換が行われる。このフーリエ変換処理部13により変換された各サブキャリアの受信信号に対し、後述する周波数相関の演算を行うためにアンテナ素子群の選択を行うアンテナ群選択部14を有する。このアンテナ素子群は、アンテナ間の組み合わせの違いにより周波数相関がどの程度異なるかをいくつかの組み合わせで調べるために設けている。アンテナ群選択部14は、アンテナ群の組み合わせにつき、例えば、垂直配置どうしや水平配置どうしの組み合わせ、あるいは隣接する素子どうし等を選択する。但し、ここではその組み合わせにつきM種類用意するが、特にその組み合わせの方法については特に限定しないものとする。
Hereinafter, the first embodiment and the second embodiment will be described in detail with reference to the drawings.
(First embodiment)
The configuration of the spatial multiplexing transmission apparatus according to the first embodiment of the present invention is shown in FIG. In the first embodiment, the total amount of calculation is reduced by omitting the number of transmission weights during wideband transmission using a difference in frequency correlation due to a difference in antenna arrangement. Here, an N-
In FIG. 1, Fourier transform is performed by the Fourier
アンテナ群選択部14には、周波数相関演算部15が接続される。図2に、周波数相関演算部の詳細が示されている。図2に示されるように、アンテナ群mと周波数多重番号jにおける受信信号ベクトルをXmjとすると、伝達係数行列推定手段151は、受信信号ベクトルXmjから、先に述べた伝達係数行列を得る。但し、ここでは従来例と異なり、全部の周波数多重数で伝達係数行列を取得しない。後述する周波数相関を演算するためには、少なくとも2個の周波数多重数における伝達係数行列が求まればよい。例えば、周波数多重数をLとすると、最も周波数の離れるサブキャリアf1とサブキャリアfLの2箇所の伝達係数行列を取得すればよい。精度を高めるためには、中央のサブキャリアにおける伝達係数行列をあわせて取得すればよい。
この後、固有ベクトル計算手段152により、各アンテナ群における各伝達係数行列から固有ベクトルを得る。固有ベクトルを得る手法は、従来同様、演算式(1)〜(3)で述べた方法と同様の手法で得ることができる。
A frequency correlation calculation unit 15 is connected to the antenna group selection unit 14. FIG. 2 shows details of the frequency correlation calculation unit. As shown in FIG. 2, assuming that the received signal vector in antenna group m and frequency multiplex number j is Xmj, transfer coefficient matrix estimation means 151 obtains the transfer coefficient matrix described above from received signal vector Xmj. However, here, unlike the conventional example, the transfer coefficient matrix is not acquired for all frequency multiplexing numbers. In order to calculate a frequency correlation, which will be described later, it is only necessary to obtain a transfer coefficient matrix for at least two frequency multiplexing numbers. For example, assuming that the number of frequency multiplexing is L, two transfer coefficient matrices of subcarrier f1 and subcarrier fL that are most distant from each other may be acquired. In order to increase the accuracy, the transfer coefficient matrix in the center subcarrier may be obtained together.
Thereafter, an eigenvector is obtained from each transfer coefficient matrix in each antenna group by the eigenvector calculation means 152. The method for obtaining the eigenvector can be obtained by the same method as the method described in the arithmetic expressions (1) to (3) as in the prior art.
得られた固有ベクトルより、相関演算手段153において、周波数多重におけるサブキャリア間の固有ベクトルの周波数相関を求める。サブキャリア#1とサブキャリア#Lの固有ベクトルをそれぞれe1とeLとすれば、周波数相関ρは以下の演算式(4)で与えることができる。
From the obtained eigenvector, the correlation calculation means 153 obtains the frequency correlation of the eigenvector between subcarriers in frequency multiplexing. If the eigenvectors of
次に、上記した演算式(4)で与えられる周波数相関をアンテナ素子群ごとに計算する。周波数相関の相関値が大きい場合は、周波数多重におけるサプキャリア間の伝搬路がほぼ同一であるとみなすことができる。すなわち、送信で用いる固有ベクトルをサブキャリア間で同一としてもよく、従来計算で求めていた部分を省略することができる。反対に、周波数相関が小さい値となれば、サブキャリア間の伝搬路は異なっていると判断できるため、この場合は、送信で用いる固有ベクトルをサブキャリア間ごとに求めたものを使用する。
厳密には、隣接するサブキャリア間隔ごとに演算式(4)を求めると、厳密な相関値が求まるが、その場合、サブキャリアごとに固有ベクトルを結局求めなければならない。ここでは、これを回避するために、先に述べたように、サブキャリア#1と#Lの間、もしくはその中間のサブキャリアの間で演算式(4)を求め、後は、補完することでその間の相関値を推定する。従って、本発明実施形態では、すべてのサブキャリアにおける伝達係数行列と固有ベクトルを求めなくても、周波数相関を得ることで、送信で用いるべき送信重みづけの数を推定することが可能となる。
Next, the frequency correlation given by the above equation (4) is calculated for each antenna element group. When the correlation value of the frequency correlation is large, it can be considered that the propagation paths between the subcarriers in frequency multiplexing are almost the same. That is, the eigenvectors used for transmission may be the same among the subcarriers, and the portion obtained by the conventional calculation can be omitted. Conversely, if the frequency correlation is a small value, it can be determined that the propagation paths between the subcarriers are different. In this case, the eigenvector used for transmission is obtained for each subcarrier.
Strictly speaking, when the calculation formula (4) is obtained for each adjacent subcarrier interval, a strict correlation value is obtained. In this case, however, an eigenvector must be finally obtained for each subcarrier. Here, in order to avoid this, as described above, the calculation formula (4) is obtained between the
具体的には、図1に示す重みづけ決定部16において、上記の周波数相関を得る計算をした後、アンテナ群ごとの送信に用いる固有ベクトルの数を決定する。この散は、サブキャリア間の周波数間隔に対する周波数相関から得られる相関帯域幅より算出する。相関帯域幅は、通常、周波数相関値が0.7もしくは0.9程度の値となる周波数間隔を示す。相関帯域幅をBWとし、サブキャリア数Lで1サブキャリアの信号帯域をSBWとした場合のアンテナ群ごとの送信に用いる固有ベクトルの数SLは、以下の演算式(5)で与えられる。 Specifically, the weighting determination unit 16 shown in FIG. 1 calculates the above frequency correlation, and then determines the number of eigenvectors used for transmission for each antenna group. This dispersion is calculated from the correlation bandwidth obtained from the frequency correlation with respect to the frequency interval between the subcarriers. The correlation bandwidth usually indicates a frequency interval at which the frequency correlation value becomes a value of about 0.7 or 0.9. The number SL of eigenvectors used for transmission for each antenna group when the correlation bandwidth is BW, the number of subcarriers is L, and the signal band of one subcarrier is SBW is given by the following arithmetic expression (5).
次に、演算式(5)で得られた結果から、アンテナ群ごとに、SL個の固有ベクトルを計算し、SL個の固有ベクトルをL個のサブキャリアごとに分割して、マルチビーム形成部18に入力する。例えば、図1においては、アンテナ群#1の周波数相関の相関帯域幅が小さく、サブキャリアごとに固有ベクトルを設定する例を示している。一方、アンテナ群#Mに対しては、相関帯域幅が大きくなるため、サブキャリアごとに共通の固有ベクトルを設定する例を示している。アンテナ群#2に対しては、2個のサブキャリアごとに共通の固有ベクトルを用いる例を示している。
マルチビーム形成部18では、入力された固有ベクトルとシリアルパラレルされた送信信号が乗算され、さらに乗算された信号をアンテナ素子ごとに加算される。最後に、マルチビーム形成部18から出力された信号を逆フーリエ変換生成部19で逆フーリエ変換し、この信号を、送信機20経由で送受信選択部11を介して、送信する。
Next, from the result obtained by the arithmetic expression (5), SL eigenvectors are calculated for each antenna group, and the SL eigenvectors are divided into L subcarriers. input. For example, FIG. 1 shows an example in which the correlation bandwidth of the frequency correlation of the
The
上記した第1の実施形態によれば、固有ベクトルに対する周波数相関を用いて必要とする送信重みづけの数を決定するため、従来は固有ベクトルの演算がサブキャリア数Lだけ必要だったものが、SL個に低減することができ、計算量の大幅な削減を見込むことができる。このため、計算に要するハードウェア規模の削減も可能である。 According to the first embodiment described above, in order to determine the number of transmission weights required using the frequency correlation with respect to the eigenvector, the number of subcarriers L conventionally required to calculate eigenvectors is SL. The amount of calculation can be greatly reduced. For this reason, the hardware scale required for calculation can be reduced.
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態に係る空間多重伝送装置の構成を図3に示す。図3中、図1と同一番号が付されたブロックは、図1に示すそれと同じとする。第1の実施形態が示される図1との構成上の差異は、ここでは、アンテナ素子が垂直方向と水平方向に配置されることを前提としており、アンテナ群選択部(垂直・水平配置アンテナ群選択部14)において、アンテナ群を、垂直配置と水平配置のアンテナ素子群として選択することにある。また、図3に示す重みづけ決定部16は、垂直配置素子用の重みづけ決定部161と、水平配置素子用の重みづけ決定部162から構成される。
第2の実施形態では、垂直と水平配置というアンテナ素子配置の違いを利用して、マルチビーム形成に必要な固有ベクトルの演算量を削減する構成である。以下、第2の実施形態について、図3以降を参照しながら詳細に説明する。
(Second Embodiment)
FIG. 3 shows the configuration of the spatial multiplexing transmission apparatus according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 3, blocks with the same numbers as those in FIG. 1 are the same as those shown in FIG. The difference in configuration from FIG. 1 in which the first embodiment is shown here is based on the premise that the antenna elements are arranged in the vertical direction and the horizontal direction, and the antenna group selection unit (vertical / horizontal arrangement antenna group) In the selection unit 14), the antenna group is selected as the antenna element group of the vertical arrangement and the horizontal arrangement. The weight determination unit 16 shown in FIG. 3 includes a
The second embodiment is configured to reduce the amount of calculation of eigenvectors necessary for multi-beam formation by using the difference in antenna element arrangement between vertical and horizontal arrangement. Hereinafter, the second embodiment will be described in detail with reference to FIG.
屋内環境などの環境においては、一般にアンテナを水平方向に配置した場合と垂直に配置した場合で、到来波の角度ひろがりが異なることが知られている。図4は、10m×10m×3m(縦×横×高さ)の部屋における水平方向および垂直方向における遅延時間と到来方向および受信電力の関係を示した図である。水平方向を(a)に、垂直方向を(b)に示す。図4(a)(b)に示す結果は、搬送波周波数を5GHzとし、幾何光学的手法による計算により得られたものである。図4(a)(b)からわかるように、垂直方向と水平方向では、長い遅延波に対する角度ひろがりが大きく異なる。
広帯域伝送の環境においては、長い遅延波が伝送品質に影響を与えることが知られており、垂直面の指向性を下向きに向け、水平方向はほぼ指向性のヌル(Null)になるように垂直面のアンテナ素子の振幅と位相を重みづけすることで、水平方向から到来する長遅延波をアンテナ指向性で除去することができ、伝送品質を大幅に改善できることが報告されている(非特許文献2参照)。
一方、水平方向については、長い遅延波においても、ある程度の角度広がりをもっているため、垂直方向における制御のように、固定の指向性では長遅延波を除去することができない。
In an environment such as an indoor environment, it is generally known that the angle spread of incoming waves differs depending on whether the antenna is arranged horizontally or vertically. FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the delay time in the horizontal direction and the vertical direction, the arrival direction, and the received power in a room of 10 m × 10 m × 3 m (vertical × horizontal × height). The horizontal direction is shown in (a) and the vertical direction is shown in (b). The results shown in FIGS. 4A and 4B are obtained by calculation using a geometric optical method with a carrier frequency of 5 GHz. As can be seen from FIGS. 4 (a) and 4 (b), the angular spread for a long delayed wave is greatly different between the vertical direction and the horizontal direction.
In a wideband transmission environment, it is known that a long delay wave affects transmission quality. The directivity of the vertical plane is directed downward, and the horizontal direction is vertical so that the directivity is almost null. It has been reported that by weighting the amplitude and phase of the antenna elements on the surface, long delay waves coming from the horizontal direction can be removed with antenna directivity, and transmission quality can be greatly improved (Non-Patent Document) 2).
On the other hand, in the horizontal direction, even a long delayed wave has a certain degree of angular spread, and thus the long delayed wave cannot be removed with fixed directivity as in the vertical direction control.
第2の実施形態における重みづけ決定部16では、上記の垂直配置と水平配置の違いで生じる伝搬特性の差を利用した制御方法を行う。図5に、図3における重みづけ決定部16の内部構成の詳細を示す。
図5においては、アンテナ素子と垂直配置素子における重みづけが接続されているが、これは原理を説明するために便宜上示したもので、実際は、図3に示す接続が正しい接続である。また、便宜上、垂直方向おけるアンテナ素子数を4、水平方向におけるアンテナ素子数をJとしているが、特にこの数は制限されない。以下、図5を用いて重みづけ決定部16における重みづけ決定動作について説明する。
The weight determination unit 16 in the second embodiment performs a control method using the difference in propagation characteristics caused by the difference between the vertical arrangement and the horizontal arrangement. FIG. 5 shows details of the internal configuration of the weight determination unit 16 in FIG.
In FIG. 5, the weights in the antenna elements and the vertically arranged elements are connected, but this is shown for convenience in explaining the principle. In fact, the connections shown in FIG. 3 are correct connections. For convenience, the number of antenna elements in the vertical direction is four and the number of antenna elements in the horizontal direction is J, but this number is not particularly limited. Hereinafter, the weight determination operation in the weight determination unit 16 will be described with reference to FIG.
図5において、重みづけ決定部16は、まず、垂直配置用重みづけ決定部62は、垂直方向に配置されたアンテナ素子に対する重みづけを決定する。先に説明したように、垂直方向における長い遅延波は、ほぼ水平方向から到来するため、あらかじめ、アンテナ素子数と素子間隔で決定される水平方向における指向性がほぼNullになるような重みづけの値をあらかじめ重み設定用メモリ621に用意しておき、この重み設定用メモリ621から重みづけ値を設定し、垂直配置のアンテナ素子ごとに重みづけを行った後、垂直配置素子における合成出力を得る。この合成出力からは、長遅延波成分はほぼ除去されており、伝搬路はほぼ短遅延の波だけで構成される。
次に、水平配置用重みづけ決定部61は、上記した合成出力から得られる受信信号を水平配置素子成分ごとに取り出し、伝達係数行列推定部611で水平配置素子間の伝達係数行列を推定し、固有ベクトル計算部612でその伝達係数行列から固有ベクトルを算出する。ここで重要な点は、伝搬環境がほとんどフラットフェージング環境とみなすことができるため、従来の方法のように、周波数多重のすべてのサブキャリアにおいて伝達係数行列を求める必要はない。図3に示す本発明の第2の実施形態では、サブキャリア#1の情報を用いて伝達係数行列を求めているが、実際はサブキャリア#1〜#Lまでの間で任意のサブキャリアの情報から伝達係数行列を求めればよい。すなわち、ここでは、伝達係数行列を推定し、固有ベクトルを求める演算を従来の方法に対して1/Lに削減することが可能となる。
In FIG. 5, the weight determining unit 16 first determines the weight for the antenna elements arranged in the vertical direction. As described above, since a long delayed wave in the vertical direction arrives from substantially the horizontal direction, weighting is performed so that the directivity in the horizontal direction, which is determined in advance by the number of antenna elements and the element spacing, is approximately Null. A value is prepared in advance in the weight setting memory 621, a weight value is set from the weight setting memory 621, weighting is performed for each vertically arranged antenna element, and then a combined output in the vertically arranged element is obtained. . From this combined output, the long delay wave component is substantially removed, and the propagation path is composed of only a short delay wave.
Next, the weighting determination unit 61 for horizontal arrangement takes out the reception signal obtained from the above-described combined output for each horizontal arrangement element component, and estimates the transfer coefficient matrix between the horizontal arrangement elements by the transfer coefficient matrix estimation unit 611. An eigenvector calculation unit 612 calculates an eigenvector from the transfer coefficient matrix. The important point here is that since the propagation environment can be regarded as a flat fading environment, it is not necessary to obtain a transfer coefficient matrix in all frequency-multiplexed subcarriers as in the conventional method. In the second embodiment of the present invention shown in FIG. 3, the transfer coefficient matrix is obtained using the information of
説明を図3に戻し、最後に、上記の重みづけ決定部16で得られた重みづけを、シリアルパラレル変換部17でパラレル変換された送信信号とマルチビーム形成部18において乗算し、乗算された結果をアンテナ素子ごとに足し合わせる。このマルチビーム形成部18から出力された信号を、逆フーリエ変換生成部19で逆フーリエ変換し、この信号を、送信機20経由で送受信選択部11を介して、送信する。
Returning to FIG. 3, finally, the weight obtained by the weight determination unit 16 is multiplied by the transmission signal parallel-converted by the serial / parallel conversion unit 17 by the
本発明の第2の実施形態によれば、送信に用いる重みづけの方法を垂直配置と水平配置のアンテナ群に分けることで、垂直配置については固定の値のみで重みづけを設定し、水平配置についても任意の1個のサブキャリアに着目した固有ベクトル演算のみで重みづけを決定できるため、従来の方法に対して送信重みづけを決定するための計算を大幅に削減することができる。勿論、このためのハードウェア規模の削減も可能になる。 According to the second embodiment of the present invention, the weighting method used for transmission is divided into vertically arranged and horizontally arranged antenna groups, so that the weighting is set with only a fixed value for the vertically arranged, and the horizontally arranged Since the weighting can be determined only by the eigenvector calculation focusing on one arbitrary subcarrier, the calculation for determining the transmission weight can be greatly reduced compared to the conventional method. Of course, the hardware scale for this purpose can also be reduced.
以上説明のように、本発明は、アンテナ配置の違いによる周波数相関の違いを用いて広帯域伝送時における送信重みづけの数を省略して全体の計算量を削減し(第1の実施形態)、あるいは、垂直と水平配置というアンテナ素子配置の違いを利用して、マルチビーム形成に必要な固有ベクトルの演算量を削減し(第2の実施形態)、このことにより、ハードウェア規模の削減をはかるものである。 As described above, the present invention reduces the total amount of calculation by omitting the number of transmission weights during wideband transmission using the difference in frequency correlation due to the difference in antenna arrangement (first embodiment), Alternatively, the amount of computation of eigenvectors necessary for multi-beam formation is reduced by utilizing the difference in antenna element arrangement between vertical and horizontal arrangements (second embodiment), thereby reducing the hardware scale. It is.
11…送受信選択部、12…受信機、13…フーリエ変換処理部、14…アンテナ群選択部、15…周波数相関演算部、16…重みづけ決定部、17…シリアルパラレル変換部、18…マルチビーム形成部、19…逆フーリエ変換生成部、20…送信機、21…アンテナ素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Transmission / reception selection part, 12 ... Receiver, 13 ... Fourier-transform processing part, 14 ... Antenna group selection part, 15 ... Frequency correlation calculation part, 16 ... Weight determination part, 17 ... Serial parallel conversion part, 18 ... Multi-beam Forming unit, 19 ... Inverse Fourier transform generation unit, 20 ... Transmitter, 21 ... Antenna element
Claims (5)
前記アンテナ素子に接続され、前記複数のアンテナ素子を任意の組み合わせから成る複数の群に分別するための選択を行うアンテナ群選択部と、
前記選択された各群に入力される信号間から得られる固有ベクトルを用いて周波数相関を求める周波数相関演算部と、
前記周波数相関演算部で得られた前記アンテナ群ごとの相関値から、前記アンテナ群ごとの送信重みづけに用いる固有ベクトルの数を決定する重みづけ決定部と、
送信信号をシリアルバラレル変換し、前記群ごとに前記送信信号を入力するシリアルパラレル変換部と、
前記重みづけ決定部で得られる重みづけ値と前記シリアルパラレル変換部の各群から出力される送信信号とを乗算して送信するマルチビーム形成部と、
を具備することを特徴とする空間多重伝送装置。 A spatial multiplexing transmission apparatus that performs transmission by F frequency multiplexing and K spatial multiplexing using an orthogonal frequency division multiplexing system using N element antenna elements,
An antenna group selection unit that is connected to the antenna element and performs selection to sort the plurality of antenna elements into a plurality of groups of arbitrary combinations;
A frequency correlation calculation unit for obtaining a frequency correlation using an eigenvector obtained from signals input to each of the selected groups;
A weight determining unit that determines the number of eigenvectors used for transmission weighting for each antenna group from the correlation value for each antenna group obtained by the frequency correlation calculating unit;
Serial parallel conversion of transmission signals, serial parallel conversion unit for inputting the transmission signal for each group,
A multi-beam forming unit that multiplies and transmits the weight value obtained by the weight determination unit and the transmission signal output from each group of the serial-parallel conversion unit;
A spatial multiplexing transmission apparatus comprising:
前記アンテナ素子から前記アンテナ群選択部で選択された各アンテナに対し、前記周波数多重された受信信号の少なくとも2個から伝達係数行列を生成する伝達係数行列推定手段と、
前記生成された伝達係数行列から得られる固有ベクトルを前記周波数多重の少なくとも2個から算出する固有ベクトル演算手段と、
前記算出される周波数多重間での固有ベクトル間の相関値を算出する相関演算手段と、
を具備することを特徴とする請求項1に記載の空間多重伝送装置。 The frequency correlation calculator is
Transfer coefficient matrix estimation means for generating a transfer coefficient matrix from at least two of the frequency-multiplexed reception signals for each antenna selected by the antenna group selection unit from the antenna element;
Eigenvector computing means for calculating eigenvectors obtained from the generated transfer coefficient matrix from at least two of the frequency multiplexes;
Correlation calculating means for calculating a correlation value between eigenvectors between the calculated frequency multiplexes;
The spatial multiplexing transmission apparatus according to claim 1, comprising:
前記周波数相関演算部から得られる相関値の相関帯域幅に基づき、前記アンテナ群ごとに用いる前記周波数多重数に対する送信の重みづけ値における固有ベクトルの数を決定することを特徴とする請求項1または2に記載の空間多重伝送装置。 The weight determination unit
3. The number of eigenvectors in a transmission weight value for the frequency multiplexing number used for each antenna group is determined based on a correlation bandwidth of a correlation value obtained from the frequency correlation calculation unit. The spatial multiplexing transmission device described in 1.
前記アンテナ群選択部は、前記垂直配置のアンテナ群と水平配置のアンテナ群をそれぞれ同一のアンテナ群として分別のために選択し、
前記重みづけ決定部は、固有ベクトルの値を共通とする周波数多重の間隔を、前記垂直配置のアンテナ群と水平配置のアンテナ群で得られる相関帯域幅に基づき設定することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の空間多重伝送装置。 The antenna element is composed of vertically arranged and horizontally arranged antenna element groups,
The antenna group selection unit selects the vertically arranged antenna group and the horizontally arranged antenna group as the same antenna group for classification,
The weighting determination unit sets a frequency multiplexing interval having a common eigenvector value based on a correlation bandwidth obtained between the vertically arranged antenna group and the horizontally arranged antenna group. The spatial multiplexing transmission apparatus according to claim 1.
垂直方向と水平方向に配置される前記アンテナ素子に接続され、前記複数のアンテナ素子を垂直方向素子と水平方向素子群に分離するアンテナ群選択部と、
前記垂直方向に配置された前記アンテナ素子群に対して、垂直配置素子の合成指向性の水平方向が略ヌル状態となるように重みづけ値を設定する垂直配置用重みづけ決定部と、
前記水平配置アンテナ素子群に対して、前記垂直配置用重みづけ決定部で得られる重みづけ値を用いて合成された出力結果を考慮して得られる入力信号から、任意の1個の周波数キャリアにおける伝達係数行列から得られる固有ベクトルを求める水平配置用重みづけ決定部と
送信すべき信号をシリアルパラレル変換し、前記水平配置アンテナ素子群ごとに前記送信信号を入力するシリアルパラレル変換部と、
前記垂直配置用および水平配置用重みづけ決定部で得られる重みづけ値と前記シリアルパラレル変換部の各群から出力される送信信号とを乗算して送信するマルチビーム形成部と、
を具備することを特徴とする空間多重伝送装置。
An apparatus for spatial multiplexing transmission that performs transmission by F frequency multiplexing using orthogonal frequency division multiplexing and K spatial multiplexing using N element antenna elements,
An antenna group selector connected to the antenna elements arranged in a vertical direction and a horizontal direction, and separating the plurality of antenna elements into a vertical element and a horizontal element group;
A weight determination unit for vertical arrangement that sets a weight value so that a horizontal direction of the combined directivity of the vertical arrangement elements is substantially null with respect to the antenna element group arranged in the vertical direction;
From an input signal obtained by considering an output result synthesized using a weighting value obtained by the weighting determination unit for vertical arrangement with respect to the group of horizontally arranged antenna elements, in any one frequency carrier A horizontal arrangement weighting determination unit for obtaining an eigenvector obtained from a transfer coefficient matrix; serial-parallel conversion of a signal to be transmitted; and a serial-parallel conversion unit for inputting the transmission signal for each of the horizontal arrangement antenna element groups;
A multi-beam forming unit that multiplies and transmits the weight value obtained by the vertical arrangement and horizontal arrangement weight determination unit and a transmission signal output from each group of the serial-parallel conversion unit;
A spatial multiplexing transmission apparatus comprising:
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