JP4091270B2 - 空間多重無線通信方法及び無線通信装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｎ台の送信機とＮ素子送受信アンテナとＮ台の受信機を備え、Ｎチャネル送信信号間の相互相関を最小化することによりＮチャネル空間多重する無線通信方法と無線通信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、移動通信の急激な普及に伴い、周波数利用効率の高い無線通信方法が求められている。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わせる。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。このように定義された周波数利用効率を高めるには、（１）通信量を増大する、（２）周波数帯域幅を狭くする、（３）物理空間を狭くする、（４）使用する時間を短くすることにより、達成できる。
【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たりの情報伝送量を増加できる。この例としては、固定マイクロ波通信における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チャネルまたは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】
更に、周波数利用効率を高めるためには、搬送波周波数間のガードバンドを少なくし、同一周波数を同一地域で複数使用するなどの方法が必要である。例えば、符号分割多重接続(Code Division Multiple Access:CDMA)方式による移動通信では、直交した拡散符号により、各通信チャネルを識別する。拡散符号により識別された通信チャネルは、同一搬送波周波数で多重される。同一地域で１搬送波を使用できる従来の無線通信方法に比べ、従来の無線チャネル多重化技術を使用してN搬送波を同一地域で使用できれば、理論上周波数利用効率をN倍にできる可能性がある。しかし、実際には、無線チャネル間の直交性劣化による他チャネル間干渉により，実際に伝送できる通信量が制限される問題があった。
【０００６】
この発明の目的は、複数の送信機により同一周波数で複数チャネルの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空間多重無線通信方法，無線通信装置，受信方法及び受信装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明によるＮチャネル空間多重無線通信方法は、独立したＮ個（Ｎは２以上の整数）の送信機の中からトレーニング系列を送信する送信機を選択する送信機選択ステップと、選択した送信機からトレーニング系列を送信アンテナ素子に給電して送信する送信ステップと、Ｎ個の受信アンテナの中から送信ステップで送信された信号を受信するアンテナを選択する受信アンテナ選択サブステップと、信号を上記選択した受信アンテナで受信する受信サブステップと、受信した信号に重み付け係数を乗じた上でトレーニング系列と同じトレーニング系列を用いた相関検波により相関値を求めて記憶する相関検波サブステップとをＮ個の受信アンテナにつき順次実行する相関値生成ステップと、をＮ個の送信機につき順次実行して相関行列を生成し、更に、相関行列の相互相関要素を最小化する適応アルゴリズムにより重み付け係数を制御する制御ステップを実行する。
【０００８】
この発明による無線通信装置は、トレーニング系列を生成する送信側トレーニング系列生成器と、スイッチを有しトレーニング系列をスイッチの切り替えにより順次各送信機に向けて出力する送信側切り替え器と、トレーニング系列が入力され、所定の変調を行って出力する独立したＮ個（Ｎは２以上の整数）の送信機と、Ｎ個の送信機のそれぞれと接続されたＮ個の素子を有し、各送信機から出力されたトレーニング系列を各素子から送信する送信アンテナと、Ｎ個の素子を有し、送信アンテナから送信された信号を受信する受信アンテナと、受信アンテナのＮ個の素子で受信された信号が入力され、各入力信号間の相互相関を最小化したＮ個の出力信号を生成するチャネル間干渉除去器と、Ｎ個の出力信号がそれぞれ入力されるＮ個の受信機と、を備え、チャネル間干渉除去器はＮ個の受信アンテナのそれぞれに接続されたＮ個のスイッチを有し、スイッチのオン・オフにより上記受信アンテナの中から１つを順次選択して、選択した受信アンテナから入力された信号をＮ個に分配して出力する受信側切り替え器と、分配された信号それぞれに重み付け係数を乗じるＮの２乗個の係数乗算器と、トレーニング系列と同じトレーニング系列を生成する受信側トレーニング系列生成器と、係数乗算器で重み付けされた信号が入力され、受信側トレーニング系列生成器で生成されたトレーニング系列と相関検波して相関値を出力するＮ個の相関検波器と、Ｎ個の相関検波器から入力された相関値を記憶して相関行列を生成し、相互相関を最小にする適応アルゴリズムにより重み付け係数を制御する制御器とを含むように構成される。
【０００９】
この発明による送信アンテナのＮ個の素子から送信されたＮチャネル空間多重信号の受信方法は、Ｎ個の受信アンテナの中から、Ｎ個の送信機から送信されたトレーニング系列信号を受信するアンテナを選択する受信アンテナ選択サブステップと、信号を選択した受信アンテナで受信する受信サブステップと、受信した信号に重み付け係数を乗じた上でトレーニング系列と同じトレーニング系列を用いた相関検波により相関値を求めて記憶する相関検波サブステップと、をＮ個の受信アンテナにつき順次実行する相関値生成ステップを、Ｎ個の送信機につき順次実行して相関行列を生成し、更に、相関行列の相互相関要素を最小化する適応アルゴリズムにより重み付け係数を制御する制御ステップを実行する。
【００１０】
この発明による送信アンテナのＮ個の素子から送信されたＮチャネルの送信信号を受信する受信装置は、Ｎ個の素子を有し、送信側から送信されたトレーニング系列信号を受信する受信アンテナと、受信アンテナのＮ個の素子で受信された信号が入力され、各入力信号間の相互相関を最小化したＮ個の出力信号を生成するチャネル間干渉除去器と、Ｎ個の出力信号がそれぞれ入力されるＮ個の受信機と、を備え、チャネル間干渉除去器は、Ｎ個の受信アンテナのそれぞれに接続されたＮ個のスイッチを有し、スイッチのオン・オフにより受信アンテナのうち１つを順次選択して、選択した受信アンテナから入力された信号をＮ個に分配して出力する受信側切替器と、分配された信号それぞれに重み付け係数を乗じるＮの２乗個の係数乗算器と、トレーニング系列と同じトレーニング系列を生成する受信側トレーニング系列生成器と、係数乗算器で重み付けされた信号が入力され、受信側トレーニング系列生成器で生成されたトレーニング系列と相関検波して相関値を出力するＮ個の相関検波器と、各相関検波器から入力された相関値を記憶して相関行列を生成し、相互相関を最小にする適応アルゴリズムにより係数乗算器の重み付け係数を制御する制御器とを含むように構成される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の原理構成を示す。
この発明による無線通信装置の原理構成は，Ｎ個の送信機と、Ｎ素子TxA1〜TxANの送信アンテナTxANTで構成される送信系と、Ｎ素子RxA1〜RxANの受信アンテナRxANTと、Ｎ入力Ｎ出力のチャネル間干渉除去部２０と、Ｎ個の受信機20R1〜20RNで構成される受信系からなる。チャネル間干渉除去部２０は、Ｎ入力信号間の相互相関を最小化してＮ出力信号を生成する。
【００１２】
次に、本発明の原理を具体的に説明する。説明を簡単にするため、N=２チャネルの送受信機とした。図２にその構成を示す。送信アンテナ素子TxA1から受信アンテナ素子RxA1への経路をp11とし、送信アンテナ素子TxA1から受信アンテナ素子RxA2への経路をp12、送信アンテナ素子TxA2から受信アンテナ素子RxA1への経路をp21、送信アンテナ素子TxA2から受信アンテナ素子RxA2への経路をp22とする。受信アンテナRxANTの素子RxA1〜RxANと受信機20R1〜20RNの間にＮチャネルのチャネル間干渉除去器２０が設けられている。
送信アンテナTxANTと受信アンテナRxANT間の距離がアンテナの素子間隔に対して十分長いとすれば、経路ijの減衰係数aijと位相係数θijにより各経路の伝達関数pijは以下となる。
【００１３】
【数１】
それぞれの送信機11T1, 11T2からの送信信号x1, x2である送信信号列をｘ、それぞれの受信アンテナRxA1, RxA2の受信信号y1, y2である受信信号列をｙ、送信アンテナTxANTから受信アンテナRxANTへの伝達関数行列をＰとすれば、
ｙ＝Ｐｘ (2)
ｘ＝(x1 x2)T (3)
ｙ＝(y1 y2)T (4)
【００１４】
【数２】
受信アンテナ素子RxA1から受信機20R1への経路の重み付け係数をw11 ,受信アンテナ素子RxA1から受信機20R2への経路の重み付け係数w12, 受信アンテナ素子RxA2から受信機20R1への経路の重み付け係数w21, 受信アンテナ素子RxA2から受信機20R2への経路の重み付け係数w22とし、重み付け係数行列をＷとする。この時のそれぞれの受信機への入力信号をz1, z2とし、入力信号列をｚとすれば、
ｚ＝Ｗｙ (6)
【００１５】
【数３】
ｚ＝（z1 z2)T (8)
式(2)と(6)から
【００１６】
【数４】
ここで，式(9) の行列ＷＰを対角行列にする行列Wがあれぱ、送信アンテナTxANTと受信アンテナRxANT間の経路でのチャネル間の干渉等を除去できる。即ち、行列の要素が
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復元できる。本発明では、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。
【００１７】
行列ＷＰを対角化する原理構成を図３に示す。図３では、チャネル数N=2の場合であり、チャネル間干渉除去部２０はベクトル係数器２１とタップ係数制御器２２を有している。ベクトル係数器２１は，各アンテナ素子RxAi, (i=1,2)と受信機20R1, 20R2間の経路に係数乗算器21Wi1, 21Wi2が挿入されて，その経路の入力信号に重み係数wi1, wi2を乗算する。
タップ係数制御器２２は、受信機入力信号列ｚをモニタし、各経路の重み付け係数を適応的に制御する。信号列ｚの相関行列が対角化されれば，行列ＷＰの対角化を達成できる。つまり、重み付け係数行列Ｗは，受信された信号から，希望しない他の送信アンテナ素子からの入力信号を除去する。相関行列の適応的な対角化方法については、最小自乗推定法などがある。これらの推定アルゴリズムは、適応信号処理で一般に使用されている。本発明でも同様の信号処理を使用できる。
【００１８】
次に、重み付け係数行列Ｗの初期設定方法について説明する。ただし、図３ではN=2の場合であるが、以下ではＮは２以上の任意の整数とする。通常伝搬路の伝達関数は未知である。このため、本発明では、受信側において無線通信を行なう前に重み付け係数行列Ｗの設定を行なう。まず、すべての重み付け係数の初期値を例えば１にする。次に、各送信アンテナ素子TxAi, i=1, 2, ..., N, から順次電波を放射し、その送信アンテナ素子TxAiに対応する受信機20Rj, j=i,の受信入力レベルを最大にし、かつ他の受信機20Rj, j≠i, の受信入力レベルを最小にするように重み付け係数行列Ｗの係数wijを設定する。この操作をＮ本の送信アンテナ素子TxA1〜TxANすべてに対して行なうことで、Ｎ行Ｎ列の重み付け係数行列Ｗの係数w11〜wNNを設定できる。
【００１９】
図４は初期設定重み付け係数w11〜wNNを更新して行列ＷＰを対角化する処理手順の一例を示す。
ステップＳ１：タップ係数制御器２２により係数乗算器21W11〜21WNNの重み付け係数w11〜wNNの初期値としてw11 (0)〜wNN (0)を全て１に設定し、i=1に設定する。
ステップＳ２：ｉ番目の送信機11Tiから信号を送信し、対応する受信機20Rj, j=i, の受信レベルが最大となり、かつその他の受信機20Rj, j≠i, の受信レベルが最小となるように適応アルゴリズムにより段階的に係数w11 (i)〜wNN (i)を決め、保存する。
【００２０】
ステップＳ３：ステップＳ２で決定した係数w11 (i)〜wNN (i)を係数乗算器21W11〜21WNNに更新された係数値として設定する。
ステップＳ４：ｉがＮに達したか判定する。
ステップＳ５：ｉがＮに達していなければｉの値を１増加させ、ステップＳ２に戻り、次の送信機について同様の処理を実行する。
ステップＳ６：ステップＳ４でi=N となったら、係数行列w11 (N)〜wNN (N)の対角成分以外、即ち非対角成分の係数wij (N), (i≠j)の絶対値が全て予め決めた値Δwより小となったか判定し、すべて小となっていれば終了する。
【００２１】
ステップＳ７：ステップＳ６で非対角成分の絶対値が１つでも小となっていなければ、i=1にリセットし、ステップＳ２に戻って再び各送信機11Tiについて同様の係数更新処理を行う。
以上のように、行列ＷＰの相互相関要素を所定の設計値(たとえば，0.01以下)にするまで、重み付け係数w11〜wNNの更新処理を行う。
適応アルゴリズムを使用せず、既知の送信信号ｘとそれに対する受信信号ｚから一括して重み付け係数行列Ｗを計算して求めることもできる。即ち、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11T1〜11TNから送信し、受信機20R1〜20RNで上記信号の受信をすべて行なった後に、一括して重み付け係数行列Wを計算する。図５にその処理手順を示す。
【００２２】
ステップＳ１：まず、係数乗算器21W11〜21WNNに係数初期値w11 (0)〜wNN (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Ｓ２：それぞれの送信機11T1〜11TNから順次送信された既知のトレーニング系列ｘ(x1, x2, ..., xN)を受信アンテナ素子RxA1〜RxANで受信し、伝達関数行列Ｐ＝(p11, …, pNN)を得る。具体的には、例えば最初に送信機11T1空のみ送信を行い、受信アンテナ素子RxA1〜RxANで送信信号を受信する。係数乗算器には対角成分係数wij (0)=1, i=j,と非対角成分係数wij (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RxA1〜RxAN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20R1〜20RNで検波される。送信機11T1から送信され受信アンテナ素子RxAjで受信された信号をz1jとする。次に送信機11T2から送信を行い、同様な受信を行う。この手順を送信機11TNまで繰り返し行う。送信機11Tiから送信され、受信アンテナ素子RxAjで受信された信号をzijとする。これにより、次の行列Ｚが求まる。
【００２３】
【数５】
得られた行列Ｚ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を求めたことになり、従って、Ｚ＝Ｐである。
ステップＳ３：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N=2の場合は以下のようになる。
【００２４】
【数６】
実施例
図６にRF回路においてチャネル間干渉除去器２０を実現した第１実施例を示す。
【００２５】
第１実施例は、Ｎ個のアンテナ素子RxA1〜RxANからなる受信アンテナRxANTと、受信増幅器LNA1〜LNANと、チャネル間干渉除去器２０と、受信機20R1〜20RNから構成されている。チャネル間干渉除去部２０は、ベクトル係数器２１と、タップ係数制御器２２と、電力分配器23D1〜23DNとから構成されている。ベクトル係数器２１は、Ｎ個の電力分配器21D1〜21DNと、Ｎ個の電力合成器21C1〜21CNと、これら間のN×N経路に挿入された係数乗算器21W11〜21WNNから構成されている。各係数乗算器21Wijは可変減衰器21Aと可変位相器21Pにより構成されている。タップ係数制御器２２は、制御器22Cとレベル検出器22D1〜22DNから構成されている。
各電力合成器21Cj, j=1,...,N, は係数乗算器21W1j〜21WNjからの信号を合成し、対応する電力分配器23Djに与える。電力分配器23Djは、与えられた信号を対応する受信機20Rjとレベル検出器22Djに分配する。レベル検出器22Djは入力信号のレベルを検出して制御器22Cに与える。制御器22Cは、レベル検出器22D1〜22DNで検出したレベル(受信機20R1〜20RNの入力信号レベルに対応する)に基づいて例えば図４で説明した処理手順により各経路ｐijの係数乗算器21Wijの可変減衰器21Aと可変位相器21Pを制御する。
【００２６】
図７にディジタル信号処理によりチャネル間干渉除去器２０を実現する第２実施例を示す。
図７において、各受信機20Ri, i=1,...,N, 内に受信信号をディジタル処理に適した低周波帯域の信号にダウンコンバートする周波数変換器24Fiと、その低周波帯域信号をディジタル信号に変換するアナログ／ディジタル変換器（A/D）25ADiと、そのディジタル信号を検波する検波器26Diを有している。受信機20R1〜20RNのそれぞれのA/D変換器25AD1〜25ADNと検波器32D1〜32DNの間にチャネル間干渉除去器２０が挿入されている。チャネル間干渉除去器２０の構成は図５の場合と同様である。分配器23D1〜23DNにより分配された信号はレベル検出器22D1〜22DNにてレベルを検出する．制御器22Cは例えば図４の処理手順に従って係数w11〜wNNを決定する。各合成器21Ciは、ディジタル加算器でもよい。
【００２７】
図8にトレーニング系列を用いて重み付け係数の更新を行なう実施例を示す。 N=2の場合を示すが、Ｎは２以上の任意の整数であってもよい。送信側では、例えばＭ系列のような直交正の優れた擬似ランダム符号（ＰＮ系列）をトレーニング系列として生成するトレーニング系列生成器11TSと、切替え器11Sをもつ。重み付け係数設定時に，トレーニング系列は切替え器11Sにより切替えて順次送信機11T1, 11T2から送信される。受信側のチャネル間干渉除去器２０は、アンテナ素子RxA1, RxA2の各出力をオン・オフする切り替え器21Sと、ベクトル係数器２１と、タップ係数制御器２２とから構成されている。
【００２８】
切り替え器21Sは受信アンテナ素子RxA1, RxA2の１つのチャネルを選択し、受信信号を2×2経路の係数乗算器21W11〜21W22からなるベクトル係数器２１の対応するチャネルに入力する。タップ係数制御器２２は、受信機20R1, 20R2への入力信号z1, z2を相関検波する相関検波器22CD1, 22CD2と、これら相関検波器に送信トレーニング系列と同じトレーニング系列を与えるトレーニング系列生成器22TSとから構成されている。
送信側のトレーニング系列生成器11TSの出力は切り替え器11Sによりまず送信機11T1に入力される。送信機11T1では所定の変調を行ない、トレーニング系列を送信周波数帯域に変換する。送信機11T1の出力は送信アンテナの第１素子TxA1に給電される。第１素子TxA1から送信されたトレーニング系列は、空間による減衰、位相回転を受けて受信アンテナRxANTで受信される。
【００２９】
受信側の係数乗算器21W11〜21W22には重み付け係数w11, w12, w21, w22の初期値として例えば全て１を設定しておく。受信切替器21Sにより受信アンテナの第1素子RxA1が選択され、受信されたトレーニング系列が係数乗算器21W11により初期値１の重み付けが行なわれる。重み付けされたトレーニング系列は、トレーニング系列生成器22TSで生成された、送信トレーニング系列と同じトレーニング系列と相関検波器22CD1により相関検波され、相関値σ11 2を得て、制御器22Cに記憶する。
【００３０】
次に、送信側の切り替え器11Sはそのままで、受信アンテナ切り替え器21Sを切替えて、送信アンテナ素子RxA1からの送信信号を受信アンテナの第２素子RxA2で受信し、初期重み付け係数１の係数乗算器21W22を介して相関検波器22CD2によりトレーニング系列生成器22TSからのトレーニング系列との相関値σ12 2を得て、制御器22Cに記憶する。
次に、切り替え器11Sにより送信機11T2を選択し、送信機11T1の場合と同様に、送信機11T2から送信したトレーニング系列に対し、受信アンテナの第１素子RxA1により受信した信号を切り替え器21Sにより選択し、係数乗算器21W11を介して相関検波器22CD1でトレーニング系列との相関値σ21 2を検出し、その値を制御器22Cに記憶し、次に切り替え器21Sにより受信アンテナの第２素子RxA2を選択して受信した信号を、係数乗算器21W22を介して相関検波器22CD2でトレーニング系列と相関検波し、得られた相関値σ22 2を制御器22Cに記憶する。
【００３１】
以上の処理により、相関値σ11 2, σ12 2, σ21 2, σ22 2 を要素とする2×2の受信信号相関行列が得られたことになる。次に、この得られた相関行列の相互相関要素σ12 2, σ21 2 が０に近づくように、適応アルゴリズムにより重み付け係数w11, w12, w21, w22を初期値から順次更新することにより、相関行列を対角化する。相関行列が対角化された時点での更新された重み付け係数w11, w12, w21, w22が求めている最終の重み付け係数である。
このように、トレーニング系列として例えば、Ｍ系列などの直交性の優れた符号を使用すると受信側において、容易にトレーニング系列の検出ができる。
【００３２】
図８では、トレーニング系列生成器11TSでは同一のトレーニング系列を生成して送信機11T1, 11T2に順次与える場合を説明したが、送信機11T1と11T2に互いに直交する第１及び第２トレーニング系列を与えて同時に送信してもよい。この場合、受信側のトレーニング系列生成器22TSも送信側と同じ第１及び第２トレーニング系列を生成し、相関検波器22CD1, 22CD2にそれぞれ与える。受信アンテナは上述と同様に、まず、第１素子RxA1を切り替え器21Sにより選択し、受信信号を係数乗算器21W11, 21W12を介してそれぞれ相関検波器22CD1, 22CD2に与える。相関検波器22CD1, 22CD2はトレーニング系列生成器22TSからの第１及び第２トレーニング系列と受信信号との相関値σ11 2, σ12 2をそれぞれ求め、制御器22C内に記憶する。
【００３３】
次に、アンテナ切り替え器21Sにより受信アンテナの第２素子RxA2を選択し、受信信号を、それぞれ係数乗算器21W21, 21W22を介して相関検波器22CD1, 22CD2に与え、それぞれ第１及び第２トレーニング系列との相関値σ21 2, σ22 2 を得て、制御器22Cに記憶する。これにより４つの相関値を要素とする相関行列が得られる。以下、上述と同様に、制御器22Cは、適応アルゴリズムにより相関行列を対角化するように重み付け係数w11, w12, w21, w22 を初期値から順次更新する。これにより受信信号の相関行列を対角化することで同一周波数でアレーアンテナの素子数分の空間多重が可能となる。
【００３４】
同一周波数にＮ送信信号を空間多重した実施例について述べる。
基本的な送受信系は図１である。受信系にはこれまで述べてきた図６と図７の実施例を使用できる。Ｎ個の送信機11T1〜11TNは独立に送信信号を生成し、同一の搬送波周波数にてそれぞれの送信アンテナの素子TxA1〜TxANから送信する。受信系の空間伝達関数の逆伝達特性を生成するベクトル係数器２１は、すでにトレーニング系列により受信信号の相関行列を対角化するように設定されているとする。これにより、Ｎ素子アンテナで受信された信号はベクトル係数器２１にて実現される空間の逆伝達関数によりそれぞれ分離できる。したがって、相関行列の対角化が完全であれば、周波数利用効率をＮ倍にできることは明らかである。
次に、受信信号相関行列対角化の不完全な場合における本発明の特性について述べる。
受信機入力信号系列ｚの相関行列Rzzは次式
【００３５】
【数７】
となる。Ｈは複素共役転置を表す。式(13)からｍ番目の受信系列毎の希望波対干渉波電力比Γmが求められる。
【００３６】
【数８】
相関行列RZZを対角化できれば、式(14)の分母は０となり、ｍ番目の受信系列毎の希望波対干渉波電力比Γmは無限大となる。すなわち干渉を逆伝達行列にてキャンセルしている。この時のＮチャネル受信アンテナにおける情報伝送量は、各チャネルの情報伝送量の和となる。例えば、各チャネルの伝送量を同一とすれば、Ｎ倍の伝送量といえる。
これまで述べてきたように、本発明の周波数利用効率は式(13)の対角化による。送信アンテナと受信アンテナ間の伝達関数はフェ−ジングにより動的に変動する場合がある。また、本質的に逆伝達関数が求まらない場合も実際にありうる。そこで、対角化が不完全な場合における本発明の実施例を示す。図９に横軸を式(14)、縦軸に信号対雑音電力比が無限大、無符号化QPSK、静的伝送路における符号誤り確率を示す。ｍ番目の受信系列毎の希望波対干渉波電力比Γmが５dBであれば、符号誤り確率をほぼ１％程度にできる。さらに10dBにすればほぼ1E-5(10-5)となる。これに対して−5dB、−10dBの場合、符号誤り確率が10％以上になる。ここで低Γmにおいて符号誤り確率を改善できれば、本発明における逆伝達関数生成をより簡易にできる。
【００３７】
そこで、図１０のように各送信チャネルに直交符号を用いて、各チャネル間の直交性を改善して上記課題を達成できる。送信側では送信すべきデータd1, d2に対し、乗算器13M1, 13M2により直交符号生成器12C1, 12C2からの直交符号と乗算し、乗算結果をそれぞれ送信機11T1, 11T2に入力する。受信側では、受信機20R1, 20R2の入力側に相関器27C1, 27C2がそれぞれ挿入されており、直交符号生成器29C1, 29C2からの直交符号と受信信号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を分離する。この方法は、スペクトル拡散による通信方法を本発明に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えることができ、チャネル間の干渉が残留しても良好な通信を可能にする。
【００３８】
同様にして、図１１に誤り訂正符号を用いた実施例を示す。
送信側では送信すべき入力データd1, d2を誤り訂正符号器14E1, 14E2により誤り訂正符号化し、送信機11T1, 11T2により送信する。受信側ではチャネル間干渉除去器２０のそれぞれのチャネル出力を誤り訂正復号器28D1, 28D2により復号して受信信号z1, z2を得て、これらを受信機20R1, 20R2にそれぞれ入力する。符号器14E1, 14E2及び復号器28D1, 28D2には、一般的に使用されるものであればよい。例えば、畳み込み符号器と、それに対する最尤系列推定器の組み合わせを使用してもよい。本発明に図１１の原理で示される方法を適用すると、符号化利得により希望波対干渉波電力比に対する符号誤り率を改善できる。このようにして、訂正符号を用いることで，チャネル間に干渉が残留しても良好な通信を可能にする。
【００３９】
この発明において使用される送信アンテナ素子TxA1〜TxAN及び受信アンテナ素子RxA1〜RxANの例を説明する。ここでは、送信アンテナは例えば４素子アレーアンテナであり、図１２Ａに示すように、送信アンテナ素子TxA1〜TxA4は幾何学的に配置される。ここで、原理を説明するため受信アンテナは送信アンテナと同型とする。受信側で生成する逆係数行列は、送信アンテナの各素子ごとに既知信号系列を送信し、受信アンテナの各素子を用いて電波の経路差により決定される。この経路差が式(1)に相当する位相差である。ここで、受信アンテナの各素子が幾何学的に配列されているため、例えば、受信アンテナ素子RxA1に対してRxA2からRxA4の素子で受信した信号の位相差を検出できる。減衰係数については、受信アンテナの各素子で検出した受信電力にて知ることができる。送信アレーアンテナ及び受信アレーアンテナは図１２Ｂのようにパッチアンテナでもよい。
【００４０】
同様にして、図１３Ａ，１３Ｂに示すように送信アンテナTxANT及び受信アンテナRxANTの各素子TxA1〜TxA4及びRxA1〜RxA4に空間的に一定の距離をとることで、等価的に各素子の位相差を大きくとり、受信側での位相差検出を容易にできる。このようにして、本発明で使用される送信アンテナ及び受信アンテナとしては、たとえば各素子を一定に配列した幾何学的形状を持つアレーアンテナを使用してもよい。
これまで、送信系統数と受信系統数が等しい場合について、本発明の原理を説明した。本発明の原理によれば、受信系統数は送信系統数よりも多くてもよい。これは、送信系統数以上の独立した受信系統数があれば、チャネル干渉除去部で設定されるタップ係数行列を数学的に算出できるためである。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば受信側のチャネル間干渉除去器において受信信号間の相互相関が最小となるようにベクトル係数を決めることにより、それぞれのチャネルの受信信号を分離できるので、送信側で同一周波数の複数チャネル信号を多重送信でき、周波数利用効率を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理構成を示す図。
【図２】本発明の原理構成の具体例を示す図。
【図３】本発明の行列WPを対角化する原理構成を示す図。
【図４】行列ＷＰを対角化する処理手順の一例を示すフロー図。
【図５】行列ＷＰを対角化する処理手順の他の例を示すフロー図。
【図６】本発明の第一実施例を示す構成図。
【図７】本発明の第二実施例を示す構成図。
【図８】本発明の送受信系の構成を示す図。
【図９】希望波対干渉波電力比Γm と符号誤り確率との関係を示す図。
【図１０】直交符号を用いた送受信系の構成を示す図。
【図１１】誤り訂正符号を用いた送受信系の構成を示す図。
【図１２】Ａは本発明の送受信アンテナの構成例、Ｂは送受信アンテナの他の構成例を示す図。
【図１３】Ａは本発明の送信アンテナの構成例、Ｂは受信アンテナの構成例を示す図。
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｎ台の送信機とＮ素子送受信アンテナとＮ台の受信機を備え、Ｎチャネル送信信号間の相互相関を最小化することによりＮチャネル空間多重する無線通信方法と無線通信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、移動通信の急激な普及に伴い、周波数利用効率の高い無線通信方法が求められている。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わせる。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。このように定義された周波数利用効率を高めるには、（１）通信量を増大する、（２）周波数帯域幅を狭くする、（３）物理空間を狭くする、（４）使用する時間を短くすることにより、達成できる。
【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たりの情報伝送量を増加できる。この例としては、固定マイクロ波通信における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チャネルまたは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】
更に、周波数利用効率を高めるためには、搬送波周波数間のガードバンドを少なくし、同一周波数を同一地域で複数使用するなどの方法が必要である。例えば、符号分割多重接続(Code Division Multiple Access:CDMA)方式による移動通信では、直交した拡散符号により、各通信チャネルを識別する。拡散符号により識別された通信チャネルは、同一搬送波周波数で多重される。同一地域で１搬送波を使用できる従来の無線通信方法に比べ、従来の無線チャネル多重化技術を使用してN搬送波を同一地域で使用できれば、理論上周波数利用効率をN倍にできる可能性がある。しかし、実際には、無線チャネル間の直交性劣化による他チャネル間干渉により，実際に伝送できる通信量が制限される問題があった。
【０００６】
この発明の目的は、複数の送信機により同一周波数で複数チャネルの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空間多重無線通信方法，無線通信装置，受信方法及び受信装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明によるＮチャネル空間多重無線通信方法は、独立したＮ個（Ｎは２以上の整数）の送信機の中からトレーニング系列を送信する送信機を選択する送信機選択ステップと、選択した送信機からトレーニング系列を送信アンテナ素子に給電して送信する送信ステップと、Ｎ個の受信アンテナの中から送信ステップで送信された信号を受信するアンテナを選択する受信アンテナ選択サブステップと、信号を上記選択した受信アンテナで受信する受信サブステップと、受信した信号に重み付け係数を乗じた上でトレーニング系列と同じトレーニング系列を用いた相関検波により相関値を求めて記憶する相関検波サブステップとをＮ個の受信アンテナにつき順次実行する相関値生成ステップと、をＮ個の送信機につき順次実行して相関行列を生成し、更に、相関行列の相互相関要素を最小化する適応アルゴリズムにより重み付け係数を制御する制御ステップを実行する。
【０００８】
この発明による無線通信装置は、トレーニング系列を生成する送信側トレーニング系列生成器と、スイッチを有しトレーニング系列をスイッチの切り替えにより順次各送信機に向けて出力する送信側切り替え器と、トレーニング系列が入力され、所定の変調を行って出力する独立したＮ個（Ｎは２以上の整数）の送信機と、Ｎ個の送信機のそれぞれと接続されたＮ個の素子を有し、各送信機から出力されたトレーニング系列を各素子から送信する送信アンテナと、Ｎ個の素子を有し、送信アンテナから送信された信号を受信する受信アンテナと、受信アンテナのＮ個の素子で受信された信号が入力され、各入力信号間の相互相関を最小化したＮ個の出力信号を生成するチャネル間干渉除去器と、Ｎ個の出力信号がそれぞれ入力されるＮ個の受信機と、を備え、チャネル間干渉除去器はＮ個の受信アンテナのそれぞれに接続されたＮ個のスイッチを有し、スイッチのオン・オフにより上記受信アンテナの中から１つを順次選択して、選択した受信アンテナから入力された信号をＮ個に分配して出力する受信側切り替え器と、分配された信号それぞれに重み付け係数を乗じるＮの２乗個の係数乗算器と、トレーニング系列と同じトレーニング系列を生成する受信側トレーニング系列生成器と、係数乗算器で重み付けされた信号が入力され、受信側トレーニング系列生成器で生成されたトレーニング系列と相関検波して相関値を出力するＮ個の相関検波器と、Ｎ個の相関検波器から入力された相関値を記憶して相関行列を生成し、相互相関を最小にする適応アルゴリズムにより重み付け係数を制御する制御器とを含むように構成される。
【０００９】
この発明による送信アンテナのＮ個の素子から送信されたＮチャネル空間多重信号の受信方法は、Ｎ個の受信アンテナの中から、Ｎ個の送信機から送信されたトレーニング系列信号を受信するアンテナを選択する受信アンテナ選択サブステップと、信号を選択した受信アンテナで受信する受信サブステップと、受信した信号に重み付け係数を乗じた上でトレーニング系列と同じトレーニング系列を用いた相関検波により相関値を求めて記憶する相関検波サブステップと、をＮ個の受信アンテナにつき順次実行する相関値生成ステップを、Ｎ個の送信機につき順次実行して相関行列を生成し、更に、相関行列の相互相関要素を最小化する適応アルゴリズムにより重み付け係数を制御する制御ステップを実行する。
【００１０】
この発明による送信アンテナのＮ個の素子から送信されたＮチャネルの送信信号を受信する受信装置は、Ｎ個の素子を有し、送信側から送信されたトレーニング系列信号を受信する受信アンテナと、受信アンテナのＮ個の素子で受信された信号が入力され、各入力信号間の相互相関を最小化したＮ個の出力信号を生成するチャネル間干渉除去器と、Ｎ個の出力信号がそれぞれ入力されるＮ個の受信機と、を備え、チャネル間干渉除去器は、Ｎ個の受信アンテナのそれぞれに接続されたＮ個のスイッチを有し、スイッチのオン・オフにより受信アンテナのうち１つを順次選択して、選択した受信アンテナから入力された信号をＮ個に分配して出力する受信側切替器と、分配された信号それぞれに重み付け係数を乗じるＮの２乗個の係数乗算器と、トレーニング系列と同じトレーニング系列を生成する受信側トレーニング系列生成器と、係数乗算器で重み付けされた信号が入力され、受信側トレーニング系列生成器で生成されたトレーニング系列と相関検波して相関値を出力するＮ個の相関検波器と、各相関検波器から入力された相関値を記憶して相関行列を生成し、相互相関を最小にする適応アルゴリズムにより係数乗算器の重み付け係数を制御する制御器とを含むように構成される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の原理構成を示す。
この発明による無線通信装置の原理構成は，Ｎ個の送信機と、Ｎ素子TxA1〜TxANの送信アンテナTxANTで構成される送信系と、Ｎ素子RxA1〜RxANの受信アンテナRxANTと、Ｎ入力Ｎ出力のチャネル間干渉除去部２０と、Ｎ個の受信機20R1〜20RNで構成される受信系からなる。チャネル間干渉除去部２０は、Ｎ入力信号間の相互相関を最小化してＮ出力信号を生成する。
【００１２】
次に、本発明の原理を具体的に説明する。説明を簡単にするため、N=２チャネルの送受信機とした。図２にその構成を示す。送信アンテナ素子TxA1から受信アンテナ素子RxA1への経路をp11とし、送信アンテナ素子TxA1から受信アンテナ素子RxA2への経路をp12、送信アンテナ素子TxA2から受信アンテナ素子RxA1への経路をp21、送信アンテナ素子TxA2から受信アンテナ素子RxA2への経路をp22とする。受信アンテナRxANTの素子RxA1〜RxANと受信機20R1〜20RNの間にＮチャネルのチャネル間干渉除去器２０が設けられている。
送信アンテナTxANTと受信アンテナRxANT間の距離がアンテナの素子間隔に対して十分長いとすれば、経路ijの減衰係数aijと位相係数θijにより各経路の伝達関数pijは以下となる。
【００１３】
【数１】
ｙ＝Ｐｘ (2)
ｘ＝(x1 x2)T (3)
ｙ＝(y1 y2)T (4)
【００１４】
【数２】
ｚ＝Ｗｙ (6)
【００１５】
【数３】
式(2)と(6)から
【００１６】
【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復元できる。本発明では、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。
【００１７】
行列ＷＰを対角化する原理構成を図３に示す。図３では、チャネル数N=2の場合であり、チャネル間干渉除去部２０はベクトル係数器２１とタップ係数制御器２２を有している。ベクトル係数器２１は，各アンテナ素子RxAi, (i=1,2)と受信機20R1, 20R2間の経路に係数乗算器21Wi1, 21Wi2が挿入されて，その経路の入力信号に重み係数wi1, wi2を乗算する。
タップ係数制御器２２は、受信機入力信号列ｚをモニタし、各経路の重み付け係数を適応的に制御する。信号列ｚの相関行列が対角化されれば，行列ＷＰの対角化を達成できる。つまり、重み付け係数行列Ｗは，受信された信号から，希望しない他の送信アンテナ素子からの入力信号を除去する。相関行列の適応的な対角化方法については、最小自乗推定法などがある。これらの推定アルゴリズムは、適応信号処理で一般に使用されている。本発明でも同様の信号処理を使用できる。
【００１８】
次に、重み付け係数行列Ｗの初期設定方法について説明する。ただし、図３ではN=2の場合であるが、以下ではＮは２以上の任意の整数とする。通常伝搬路の伝達関数は未知である。このため、本発明では、受信側において無線通信を行なう前に重み付け係数行列Ｗの設定を行なう。まず、すべての重み付け係数の初期値を例えば１にする。次に、各送信アンテナ素子TxAi, i=1, 2, ..., N, から順次電波を放射し、その送信アンテナ素子TxAiに対応する受信機20Rj, j=i,の受信入力レベルを最大にし、かつ他の受信機20Rj, j≠i, の受信入力レベルを最小にするように重み付け係数行列Ｗの係数wijを設定する。この操作をＮ本の送信アンテナ素子TxA1〜TxANすべてに対して行なうことで、Ｎ行Ｎ列の重み付け係数行列Ｗの係数w11〜wNNを設定できる。
【００１９】
図４は初期設定重み付け係数w11〜wNNを更新して行列ＷＰを対角化する処理手順の一例を示す。
ステップＳ１：タップ係数制御器２２により係数乗算器21W11〜21WNNの重み付け係数w11〜wNNの初期値としてw11 (0)〜wNN (0)を全て１に設定し、i=1に設定する。
ステップＳ２：ｉ番目の送信機11Tiから信号を送信し、対応する受信機20Rj, j=i, の受信レベルが最大となり、かつその他の受信機20Rj, j≠i, の受信レベルが最小となるように適応アルゴリズムにより段階的に係数w11 (i)〜wNN (i)を決め、保存する。
【００２０】
ステップＳ３：ステップＳ２で決定した係数w11 (i)〜wNN (i)を係数乗算器21W11〜21WNNに更新された係数値として設定する。
ステップＳ４：ｉがＮに達したか判定する。
ステップＳ５：ｉがＮに達していなければｉの値を１増加させ、ステップＳ２に戻り、次の送信機について同様の処理を実行する。
ステップＳ６：ステップＳ４でi=N となったら、係数行列w11 (N)〜wNN (N)の対角成分以外、即ち非対角成分の係数wij (N), (i≠j)の絶対値が全て予め決めた値Δwより小となったか判定し、すべて小となっていれば終了する。
【００２１】
ステップＳ７：ステップＳ６で非対角成分の絶対値が１つでも小となっていなければ、i=1にリセットし、ステップＳ２に戻って再び各送信機11Tiについて同様の係数更新処理を行う。
以上のように、行列ＷＰの相互相関要素を所定の設計値(たとえば，0.01以下)にするまで、重み付け係数w11〜wNNの更新処理を行う。
適応アルゴリズムを使用せず、既知の送信信号ｘとそれに対する受信信号ｚから一括して重み付け係数行列Ｗを計算して求めることもできる。即ち、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11T1〜11TNから送信し、受信機20R1〜20RNで上記信号の受信をすべて行なった後に、一括して重み付け係数行列Wを計算する。図５にその処理手順を示す。
【００２２】
ステップＳ１：まず、係数乗算器21W11〜21WNNに係数初期値w11 (0)〜wNN (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Ｓ２：それぞれの送信機11T1〜11TNから順次送信された既知のトレーニング系列ｘ(x1, x2, ..., xN)を受信アンテナ素子RxA1〜RxANで受信し、伝達関数行列Ｐ＝(p11, …, pNN)を得る。具体的には、例えば最初に送信機11T1空のみ送信を行い、受信アンテナ素子RxA1〜RxANで送信信号を受信する。係数乗算器には対角成分係数wij (0)=1, i=j,と非対角成分係数wij (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RxA1〜RxAN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20R1〜20RNで検波される。送信機11T1から送信され受信アンテナ素子RxAjで受信された信号をz1jとする。次に送信機11T2から送信を行い、同様な受信を行う。この手順を送信機11TNまで繰り返し行う。送信機11Tiから送信され、受信アンテナ素子RxAjで受信された信号をzijとする。これにより、次の行列Ｚが求まる。
【００２３】
【数５】
ステップＳ３：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N=2の場合は以下のようになる。
【００２４】
【数６】
図６にRF回路においてチャネル間干渉除去器２０を実現した第１実施例を示す。
【００２５】
第１実施例は、Ｎ個のアンテナ素子RxA1〜RxANからなる受信アンテナRxANTと、受信増幅器LNA1〜LNANと、チャネル間干渉除去器２０と、受信機20R1〜20RNから構成されている。チャネル間干渉除去部２０は、ベクトル係数器２１と、タップ係数制御器２２と、電力分配器23D1〜23DNとから構成されている。ベクトル係数器２１は、Ｎ個の電力分配器21D1〜21DNと、Ｎ個の電力合成器21C1〜21CNと、これら間のN×N経路に挿入された係数乗算器21W11〜21WNNから構成されている。各係数乗算器21Wijは可変減衰器21Aと可変位相器21Pにより構成されている。タップ係数制御器２２は、制御器22Cとレベル検出器22D1〜22DNから構成されている。
各電力合成器21Cj, j=1,...,N, は係数乗算器21W1j〜21WNjからの信号を合成し、対応する電力分配器23Djに与える。電力分配器23Djは、与えられた信号を対応する受信機20Rjとレベル検出器22Djに分配する。レベル検出器22Djは入力信号のレベルを検出して制御器22Cに与える。制御器22Cは、レベル検出器22D1〜22DNで検出したレベル(受信機20R1〜20RNの入力信号レベルに対応する)に基づいて例えば図４で説明した処理手順により各経路ｐijの係数乗算器21Wijの可変減衰器21Aと可変位相器21Pを制御する。
【００２６】
図７にディジタル信号処理によりチャネル間干渉除去器２０を実現する第２実施例を示す。
図７において、各受信機20Ri, i=1,...,N, 内に受信信号をディジタル処理に適した低周波帯域の信号にダウンコンバートする周波数変換器24Fiと、その低周波帯域信号をディジタル信号に変換するアナログ／ディジタル変換器（A/D）25ADiと、そのディジタル信号を検波する検波器26Diを有している。受信機20R1〜20RNのそれぞれのA/D変換器25AD1〜25ADNと検波器32D1〜32DNの間にチャネル間干渉除去器２０が挿入されている。チャネル間干渉除去器２０の構成は図５の場合と同様である。分配器23D1〜23DNにより分配された信号はレベル検出器22D1〜22DNにてレベルを検出する．制御器22Cは例えば図４の処理手順に従って係数w11〜wNNを決定する。各合成器21Ciは、ディジタル加算器でもよい。
【００２７】
図8にトレーニング系列を用いて重み付け係数の更新を行なう実施例を示す。 N=2の場合を示すが、Ｎは２以上の任意の整数であってもよい。送信側では、例えばＭ系列のような直交正の優れた擬似ランダム符号（ＰＮ系列）をトレーニング系列として生成するトレーニング系列生成器11TSと、切替え器11Sをもつ。重み付け係数設定時に，トレーニング系列は切替え器11Sにより切替えて順次送信機11T1, 11T2から送信される。受信側のチャネル間干渉除去器２０は、アンテナ素子RxA1, RxA2の各出力をオン・オフする切り替え器21Sと、ベクトル係数器２１と、タップ係数制御器２２とから構成されている。
【００２８】
切り替え器21Sは受信アンテナ素子RxA1, RxA2の１つのチャネルを選択し、受信信号を2×2経路の係数乗算器21W11〜21W22からなるベクトル係数器２１の対応するチャネルに入力する。タップ係数制御器２２は、受信機20R1, 20R2への入力信号z1, z2を相関検波する相関検波器22CD1, 22CD2と、これら相関検波器に送信トレーニング系列と同じトレーニング系列を与えるトレーニング系列生成器22TSとから構成されている。
送信側のトレーニング系列生成器11TSの出力は切り替え器11Sによりまず送信機11T1に入力される。送信機11T1では所定の変調を行ない、トレーニング系列を送信周波数帯域に変換する。送信機11T1の出力は送信アンテナの第１素子TxA1に給電される。第１素子TxA1から送信されたトレーニング系列は、空間による減衰、位相回転を受けて受信アンテナRxANTで受信される。
【００２９】
受信側の係数乗算器21W11〜21W22には重み付け係数w11, w12, w21, w22の初期値として例えば全て１を設定しておく。受信切替器21Sにより受信アンテナの第1素子RxA1が選択され、受信されたトレーニング系列が係数乗算器21W11により初期値１の重み付けが行なわれる。重み付けされたトレーニング系列は、トレーニング系列生成器22TSで生成された、送信トレーニング系列と同じトレーニング系列と相関検波器22CD1により相関検波され、相関値σ11 2を得て、制御器22Cに記憶する。
【００３０】
次に、送信側の切り替え器11Sはそのままで、受信アンテナ切り替え器21Sを切替えて、送信アンテナ素子RxA1からの送信信号を受信アンテナの第２素子RxA2で受信し、初期重み付け係数１の係数乗算器21W22を介して相関検波器22CD2によりトレーニング系列生成器22TSからのトレーニング系列との相関値σ12 2を得て、制御器22Cに記憶する。
次に、切り替え器11Sにより送信機11T2を選択し、送信機11T1の場合と同様に、送信機11T2から送信したトレーニング系列に対し、受信アンテナの第１素子RxA1により受信した信号を切り替え器21Sにより選択し、係数乗算器21W11を介して相関検波器22CD1でトレーニング系列との相関値σ21 2を検出し、その値を制御器22Cに記憶し、次に切り替え器21Sにより受信アンテナの第２素子RxA2を選択して受信した信号を、係数乗算器21W22を介して相関検波器22CD2でトレーニング系列と相関検波し、得られた相関値σ22 2を制御器22Cに記憶する。
【００３１】
以上の処理により、相関値σ11 2, σ12 2, σ21 2, σ22 2 を要素とする2×2の受信信号相関行列が得られたことになる。次に、この得られた相関行列の相互相関要素σ12 2, σ21 2 が０に近づくように、適応アルゴリズムにより重み付け係数w11, w12, w21, w22を初期値から順次更新することにより、相関行列を対角化する。相関行列が対角化された時点での更新された重み付け係数w11, w12, w21, w22が求めている最終の重み付け係数である。
このように、トレーニング系列として例えば、Ｍ系列などの直交性の優れた符号を使用すると受信側において、容易にトレーニング系列の検出ができる。
【００３２】
図８では、トレーニング系列生成器11TSでは同一のトレーニング系列を生成して送信機11T1, 11T2に順次与える場合を説明したが、送信機11T1と11T2に互いに直交する第１及び第２トレーニング系列を与えて同時に送信してもよい。この場合、受信側のトレーニング系列生成器22TSも送信側と同じ第１及び第２トレーニング系列を生成し、相関検波器22CD1, 22CD2にそれぞれ与える。受信アンテナは上述と同様に、まず、第１素子RxA1を切り替え器21Sにより選択し、受信信号を係数乗算器21W11, 21W12を介してそれぞれ相関検波器22CD1, 22CD2に与える。相関検波器22CD1, 22CD2はトレーニング系列生成器22TSからの第１及び第２トレーニング系列と受信信号との相関値σ11 2, σ12 2をそれぞれ求め、制御器22C内に記憶する。
【００３３】
次に、アンテナ切り替え器21Sにより受信アンテナの第２素子RxA2を選択し、受信信号を、それぞれ係数乗算器21W21, 21W22を介して相関検波器22CD1, 22CD2に与え、それぞれ第１及び第２トレーニング系列との相関値σ21 2, σ22 2 を得て、制御器22Cに記憶する。これにより４つの相関値を要素とする相関行列が得られる。以下、上述と同様に、制御器22Cは、適応アルゴリズムにより相関行列を対角化するように重み付け係数w11, w12, w21, w22 を初期値から順次更新する。これにより受信信号の相関行列を対角化することで同一周波数でアレーアンテナの素子数分の空間多重が可能となる。
【００３４】
同一周波数にＮ送信信号を空間多重した実施例について述べる。
基本的な送受信系は図１である。受信系にはこれまで述べてきた図６と図７の実施例を使用できる。Ｎ個の送信機11T1〜11TNは独立に送信信号を生成し、同一の搬送波周波数にてそれぞれの送信アンテナの素子TxA1〜TxANから送信する。受信系の空間伝達関数の逆伝達特性を生成するベクトル係数器２１は、すでにトレーニング系列により受信信号の相関行列を対角化するように設定されているとする。これにより、Ｎ素子アンテナで受信された信号はベクトル係数器２１にて実現される空間の逆伝達関数によりそれぞれ分離できる。したがって、相関行列の対角化が完全であれば、周波数利用効率をＮ倍にできることは明らかである。
次に、受信信号相関行列対角化の不完全な場合における本発明の特性について述べる。
受信機入力信号系列ｚの相関行列Rzzは次式
【００３５】
【数７】
【００３６】
【数８】
これまで述べてきたように、本発明の周波数利用効率は式(13)の対角化による。送信アンテナと受信アンテナ間の伝達関数はフェ−ジングにより動的に変動する場合がある。また、本質的に逆伝達関数が求まらない場合も実際にありうる。そこで、対角化が不完全な場合における本発明の実施例を示す。図９に横軸を式(14)、縦軸に信号対雑音電力比が無限大、無符号化QPSK、静的伝送路における符号誤り確率を示す。ｍ番目の受信系列毎の希望波対干渉波電力比Γmが５dBであれば、符号誤り確率をほぼ１％程度にできる。さらに10dBにすればほぼ1E-5(10-5)となる。これに対して−5dB、−10dBの場合、符号誤り確率が10％以上になる。ここで低Γmにおいて符号誤り確率を改善できれば、本発明における逆伝達関数生成をより簡易にできる。
【００３７】
そこで、図１０のように各送信チャネルに直交符号を用いて、各チャネル間の直交性を改善して上記課題を達成できる。送信側では送信すべきデータd1, d2に対し、乗算器13M1, 13M2により直交符号生成器12C1, 12C2からの直交符号と乗算し、乗算結果をそれぞれ送信機11T1, 11T2に入力する。受信側では、受信機20R1, 20R2の入力側に相関器27C1, 27C2がそれぞれ挿入されており、直交符号生成器29C1, 29C2からの直交符号と受信信号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を分離する。この方法は、スペクトル拡散による通信方法を本発明に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えることができ、チャネル間の干渉が残留しても良好な通信を可能にする。
【００３８】
同様にして、図１１に誤り訂正符号を用いた実施例を示す。
送信側では送信すべき入力データd1, d2を誤り訂正符号器14E1, 14E2により誤り訂正符号化し、送信機11T1, 11T2により送信する。受信側ではチャネル間干渉除去器２０のそれぞれのチャネル出力を誤り訂正復号器28D1, 28D2により復号して受信信号z1, z2を得て、これらを受信機20R1, 20R2にそれぞれ入力する。符号器14E1, 14E2及び復号器28D1, 28D2には、一般的に使用されるものであればよい。例えば、畳み込み符号器と、それに対する最尤系列推定器の組み合わせを使用してもよい。本発明に図１１の原理で示される方法を適用すると、符号化利得により希望波対干渉波電力比に対する符号誤り率を改善できる。このようにして、訂正符号を用いることで，チャネル間に干渉が残留しても良好な通信を可能にする。
【００３９】
この発明において使用される送信アンテナ素子TxA1〜TxAN及び受信アンテナ素子RxA1〜RxANの例を説明する。ここでは、送信アンテナは例えば４素子アレーアンテナであり、図１２Ａに示すように、送信アンテナ素子TxA1〜TxA4は幾何学的に配置される。ここで、原理を説明するため受信アンテナは送信アンテナと同型とする。受信側で生成する逆係数行列は、送信アンテナの各素子ごとに既知信号系列を送信し、受信アンテナの各素子を用いて電波の経路差により決定される。この経路差が式(1)に相当する位相差である。ここで、受信アンテナの各素子が幾何学的に配列されているため、例えば、受信アンテナ素子RxA1に対してRxA2からRxA4の素子で受信した信号の位相差を検出できる。減衰係数については、受信アンテナの各素子で検出した受信電力にて知ることができる。送信アレーアンテナ及び受信アレーアンテナは図１２Ｂのようにパッチアンテナでもよい。
【００４０】
同様にして、図１３Ａ，１３Ｂに示すように送信アンテナTxANT及び受信アンテナRxANTの各素子TxA1〜TxA4及びRxA1〜RxA4に空間的に一定の距離をとることで、等価的に各素子の位相差を大きくとり、受信側での位相差検出を容易にできる。このようにして、本発明で使用される送信アンテナ及び受信アンテナとしては、たとえば各素子を一定に配列した幾何学的形状を持つアレーアンテナを使用してもよい。
これまで、送信系統数と受信系統数が等しい場合について、本発明の原理を説明した。本発明の原理によれば、受信系統数は送信系統数よりも多くてもよい。これは、送信系統数以上の独立した受信系統数があれば、チャネル干渉除去部で設定されるタップ係数行列を数学的に算出できるためである。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば受信側のチャネル間干渉除去器において受信信号間の相互相関が最小となるようにベクトル係数を決めることにより、それぞれのチャネルの受信信号を分離できるので、送信側で同一周波数の複数チャネル信号を多重送信でき、周波数利用効率を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理構成を示す図。
【図２】本発明の原理構成の具体例を示す図。
【図３】本発明の行列WPを対角化する原理構成を示す図。
【図４】行列ＷＰを対角化する処理手順の一例を示すフロー図。
【図５】行列ＷＰを対角化する処理手順の他の例を示すフロー図。
【図６】本発明の第一実施例を示す構成図。
【図７】本発明の第二実施例を示す構成図。
【図８】本発明の送受信系の構成を示す図。
【図９】希望波対干渉波電力比Γm と符号誤り確率との関係を示す図。
【図１０】直交符号を用いた送受信系の構成を示す図。
【図１１】誤り訂正符号を用いた送受信系の構成を示す図。
【図１２】Ａは本発明の送受信アンテナの構成例、Ｂは送受信アンテナの他の構成例を示す図。
【図１３】Ａは本発明の送信アンテナの構成例、Ｂは受信アンテナの構成例を示す図。
Claims (6)
- Ｎチャネル空間多重無線通信方法であり、
独立したＮ個（Ｎは２以上の整数）の送信機の中からトレーニング系列を送信する送信機を選択する送信機選択ステップと、
選択した送信機から上記トレーニング系列を送信アンテナ素子に給電して送信する送信ステップと、
Ｎ個の受信アンテナの中から上記送信ステップで送信された信号を受信するアンテナを選択する受信アンテナ選択サブステップと、上記信号を上記選択した受信アンテナで受信する受信サブステップと、受信した上記信号に重み付け係数を乗じた上で上記トレーニング系列と同じトレーニング系列を用いた相関検波により相関値を求めて記憶する相関検波サブステップと、をＮ個の受信アンテナにつき順次実行する相関値生成ステップと、
をＮ個の送信機につき順次実行して相関行列を生成し、
更に、上記相関行列の相互相関要素を最小化する適応アルゴリズムにより上記重み付け係数を制御する制御ステップを実行する
ことを特徴とするＮチャネル空間多重無線通信方法。 - トレーニング系列を生成する送信側トレーニング系列生成器と、
スイッチを有し、上記トレーニング系列をスイッチの切り替えにより順次各送信機に向けて出力する送信側切り替え器と、
上記トレーニング系列が入力され、所定の変調を行って出力する独立したＮ個（Ｎは２以上の整数）の送信機と、
上記Ｎ個の送信機のそれぞれと接続されたＮ個の素子を有し、各送信機から出力されたトレーニング系列を各素子から送信する送信アンテナと、
Ｎ個の素子を有し、上記送信アンテナから送信された信号を受信する受信アンテナと、
上記受信アンテナのＮ個の素子で受信された上記信号が入力され、各入力信号間の相互相関を最小化したＮ個の出力信号を生成するチャネル間干渉除去器と、
上記Ｎ個の出力信号がそれぞれ入力されるＮ個の受信機と、
を備え、
上記チャネル間干渉除去器は、
上記Ｎ個の受信アンテナのそれぞれに接続されたＮ個のスイッチを有し、スイッチのオン・オフにより上記受信アンテナの中から１つを順次選択して、選択した受信アンテナから入力された信号をＮ個に分配して出力する受信側切り替え器と、
上記分配された信号それぞれに重み付け係数を乗じるＮの２乗個の係数乗算器と、
上記トレーニング系列と同じトレーニング系列を生成する受信側トレーニング系列生成器と、
上記係数乗算器で重み付けされた信号が入力され、上記受信側トレーニング系列生成器で生成されたトレーニング系列と相関検波して相関値を出力するＮ個の相関検波器と、
上記Ｎ個の相関検波器から入力された相関値を記憶して相関行列を生成し、相互相関を最小にする適応アルゴリズムにより上記重み付け係数を制御する制御器と、
を含むことを特徴とする空間多重無線通信装置。 - 請求項２に記載の空間多重無線通信装置において、
Ｎ個の素子を備えた上記送信アンテナとＮ個の素子を備えた上記受信アンテナの少なくとも一方の素子間距離が一定であることを特徴とする空間多重無線通信装置。 - Ｎチャネル空間多重無線受信方法であり、
Ｎ個の受信アンテナの中から、Ｎ個の送信機から送信されたトレーニング系列信号を受信するアンテナを選択する受信アンテナ選択サブステップと、
上記信号を上記選択した受信アンテナで受信する受信サブステップと、
受信した上記信号に重み付け係数を乗じた上で上記トレーニング系列と同じトレーニング系列を用いた相関検波により相関値を求めて記憶する相関検波サブステップと、
をＮ個の受信アンテナにつき順次実行する相関値生成ステップを、Ｎ個の送信機につき順次実行して相関行列を生成し、
更に、上記相関行列の相互相関要素を最小化する適応アルゴリズムにより上記重み付け係数を制御する制御ステップを実行する
ことを特徴とするＮチャネル空間多重無線受信方法。 - Ｎ個の素子を有し、送信側から送信されたトレーニング系列信号を受信する受信アンテナと、
上記受信アンテナのＮ個の素子で受信された上記信号が入力され、各入力信号間の相互相関を最小化したＮ個の出力信号を生成するチャネル間干渉除去器と、
上記Ｎ個の出力信号がそれぞれ入力されるＮ個の受信機と、
を備え、
上記チャネル間干渉除去器は、
上記Ｎ個の受信アンテナのそれぞれに接続されたＮ個のスイッチを有し、スイッチのオン・オフにより上記受信アンテナのうち１つを順次選択して、選択した受信アンテナから入力された信号をＮ個に分配して出力する受信側切替器と、
上記分配された信号それぞれに重み付け係数を乗じるＮの２乗個の係数乗算器と、
上記トレーニング系列と同じトレーニング系列を生成する受信側トレーニング系列生成器と、
上記係数乗算器で重み付けされた信号が入力され、上記受信側トレーニング系列生成器で生成されたトレーニング系列と相関検波して相関値を出力するＮ個の相関検波器と、
上記各相関検波器から入力された相関値を記憶して相関行列を生成し、相互相関を最小にする適応アルゴリズムにより上記係数乗算器の重み付け係数を制御する制御器と、
を含むことを特徴とする空間多重無線受信装置。 - 請求項５に記載の空間多重無線受信装置において、
Ｎ個の素子を備えた上記受信アンテナの素子間距離が一定であることを特徴とする空間多重無線受信装置。
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