JP4421524B2 - 無線通信システム及び無線通信方法 - Google Patents
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Description
そのための技術としては、MIMO(Multiple Input Multiple Output)通信技術が有力である。このMIMO通信技術とは、送信局側において複数の送信アンテナから同一チャネル上で異なる独立な信号を送信し、受信局側において同じく複数のアンテナを用いて信号を受信し、各送信アンテナ/受信アンテナ間の伝達関数行列を求め、この行列を用いて受信局側で各アンテナから送信した独立な信号を推定し、データを再生するものである。
しかし、この場合にはどのような位相差を付与するかという情報が事前に必要となる。この位相情報は、各アンテナ間の伝達関数情報をもとに算出される。一般に、通信を行う送受信局は、常に一方的に送信を(ないしは受信を)行うのではなく、送受信局の両方の機能を備えることで送信と受信を逐次切り替えて通信を行う。この際、複数のアンテナは送信と受信で共用することが多く、この場合には空間上での伝達関数は、自局から見て送信方向のフォワードリンクと、受信方向となるリターンリンクの間で伝達関数は対称となる。しかし、実際にはアンテナ端からアナログ処理を行う回路内部での処理の影響で、伝達関数には増幅や位相の回転等の変換が加えられ、このために対称性の破れが起き、一方の情報(例えばリターンリンク)から他方(例えばフォワードリンク)を位相情報まで含めて精度良く推定することは容易にはできない。
IDC 情報通信シリーズ、服部他編著、「ワイヤレスブロードバンド教科書」、p109"送信ダイバーシチ"
しかし、この方式を用いるためには、前述のMIMOチャネルの伝達関数行列を位相情報を含めて正確に知る必要がある。しかし、一般にはこれは簡単ではない。例えば、フォワードリンクとその逆方向のリターンリンクのMIMOチャネルの伝達関数行列が完全に対称であれば、一方の伝達関数行列が分かれば、他方はその転置行列として求めることが可能である。この場合、双方向で交互にMIMO通信を行うのであれば、受信の際に求めた伝達関数行列から、次の送信時にアンテナ選択をするために必要となる情報を取得することが可能である。しかし、一般にはこの対称性は成り立たない。
また、仮にキャリブレーションが行われ、伝達関数行列を求めることができたとしても、特にNが3以上の場合には上述の重み行列Uは単純な公式では求めることができず、多くの演算を要することになる。
さらに、直交周波数分割多重(OFDM:Orthogonal Frequency Division Multiplexing)変調方式を用いる場合には、全てのサブキャリアに対して重み行列Uを求める必要があり、複雑さは増す一方である。
また、上記目的を達成するために請求項2に記載の発明は、複数のサブキャリアを用いた直交周波数分割多重(OFDM:Orthogonal Frequency Division Multiplexing)変調方式を用い、複数のアンテナを備え且つ同一周波数チャネル上で複数の信号系列を空間上で多重化して送信すると共に、他局から送信された無線信号を複数のアンテナを用いて受信し前記複数の信号系列に分離して受信処理を行う機能を備えたMIMO(Multiple Input Multiple Output)通信が可能な前記請求項1記載の無線通信システムにおいて、前記伝達関数加算手段及びアンテナ選択手段を前記サブキャリア毎に備え、各サブキャリア毎に独立にN本のアンテナから前記加算値が大きい方からN'本のアンテナを選択して用いることを特徴とする。
またさらに、上記目的を達成するために請求項3に記載の発明は、複数のアンテナを備え且つ同一周波数チャネル上で複数の信号系列を空間上で多重化して送信すると共に、他局から送信された無線信号を複数のアンテナを用いて受信し前記複数の信号系列に分離して受信処理を行う機能を備えたMIMO(Multiple Input Multiple Output)通信が可能な無線通信システムにおける無線通信方法において、既知信号送信手段により、各アンテナ毎に異なる複数種類の既知のパターンの信号を送信する無線パケットに付与して前記複数のアンテナより送信する第1のステップと、信号受信手段により、送信された前記異なる複数種類の既知のパターンの信号を複数のアンテナを用いて個別に受信する第2のステップと、チャネル推定手段により、受信した前記異なる複数種類の既知のパターンの信号の受信状態から他局から自局方向へのリターンリンク上における他局の全てまたは一部のアンテナと自局の各アンテナの間の伝達関数を求める第3のステップと、伝達関数加算手段により、他局の第jアンテナと自局の第iアンテナの間の前記リターンリンクにおける伝達関数をhi,jとした際に、自局のアンテナ番号i毎に他局が無線パケットの送信に用いた全てのアンテナ番号jに対して前記伝達関数hi,jの絶対値または絶対値のべき乗値を求め加算する第4のステップと、アンテナ選択手段により、自局の備えるアンテナの本数またはそれ以下の整数N'に対し、N'系統の信号系列を空間上で多重して送信する際に、前記加算値が大きい方からN'本のアンテナを選択する第5のステップと、信号送信手段により、前記N'本のアンテナを用いて前記N'系統の信号系列を空間上で多重化して送信する第6のステップとを有することを特徴とする。
本発明の実施形態の説明に先立ち、従来のMIMO通信機能を有する無線通信システムの構成を図3に示す。同図において、無線通信システムは、複数のアンテナ1−1、1−2、1−3と、送信側と受信側を切り替えるTDDスイッチ(SW)2−1、2−2、2−3と、Rx無線部3−1、3−2、3−3と、チャネル推定回路4と、受信信号管理回路5と、信号検出回路6と、データ合成回路7と、伝達関数行列(H)管理回路8と、MIMO多重管理回路11と、データ分割回路12と、プリアンブル付与回路13−1、13−2、13−3と、変調回路14−1、14−2、14−3と、Tx無線部16−1、16−2、16−3とを有している。
受信時には、アンテナ1−1、1−2、1−3はそれぞれ、個別に受信信号を受信する。Rx無線部3−1、3−2、3−3を経由して受信した信号は、チャネル推定回路4に入力される。送信側で付与した所定のプリアンブル信号の受信状況から、チャネル推定回路4にて各送信アンテナと受信アンテナとの間の伝達関数を取得する。取得された各伝達関数の情報hi,jは、伝達関数(H)行列管理回路8で伝達関数Hとして管理される。
データ合成回路7では、信号検出回路6により全シンボル分に渡り復調されたデータは、各系統毎の信号が適宜合成されてもとのデータが再生され、出力される。
同様に、#2系の送信系統のデータはプリアンブル付与回路13−2、変調回路14−2を介して、信号変換回路19に入力される。信号変換回路19では、伝達関数行列H管理回路8より伝達関数行列Hが事前に入力され、この伝達関数行列Hに対する変換行列Uを事前に求めておく。そして、変調回路14−1及び14−2から入力された信号ベクトルTXに対して変換行列Uを作用させ、U・TXで与えられる変換後の送信信号ベクトルTX’を生成する。例えば、変換行列Uが3行2列であれば、変調回路14−1及び14−2から入力された2次元の信号は3次元の信号ベクトルに変換され、それらの要素がTX無線部16−1、16−2、16−3に入力される。
TX無線部16−1〜16−3では、各信号が無線周波数に変換され、所定のレベルまで増幅されてTDDスイッチ2−1〜2−3を介してアンテナ1−1〜1−3より送信される。
このように、決定されたMIMO多重数に応じてその送信系統に対応したアンテナからデータが送信される。
本発明の原理について図1を参照して説明する。図1は、MIMO通信機能を有する無線通信システムにおける送信局と、受信局との間で通信する際に、送信局側の各アンテナのリターンリンクと、フォワードリンクの状態を示している。
しかし、送信側(送信局)および受信側(受信局)の各LNAの利得が近似的に等しく、且つ送信側および受信側の各HPAの利得も近似的に等しいと仮定すると、‖fj,i‖≒‖ri,j‖の関係が成り立つ。つまり、各行列は転置した時の対応する成分の絶対値はほぼ等しい。
これは、必ずしも受信局の受信特性を良好にするのに最適な送信アンテナの選択とは言えないが、より適した送信アンテナの選択を簡易に実施するのが本発明の主旨である。
受信時には、アンテナ1−1、1−2、1−3はそれぞれ、個別に受信信号を受信する。Rx無線部3−1、3−2、3−3を経由して受信した信号は、チャネル推定回路4に入力される。送信側で付与した所定のプリアンブル信号の受信状況から、チャネル推定回路4にて各送信アンテナと受信アンテナとの間の伝達関数を取得する。取得された各伝達関数の情報hi,jは、伝達関数(H)行列管理回路8で伝達関数Hとして管理される。
データ合成回路7では、信号検出回路6により全シンボル分に渡り復調されたデータは、各受信系統毎の信号が適宜合成されてもとのデータが再生され、出力される。
そして、リターンリンク側の伝達関数行列を取得できた場合には、伝達関数加算回路9において、その行列の行ベクトル毎に各要素の絶対値の和ないしはべき乗和を計算する。この演算結果をもとに、この値の大きいアンテナの順番の情報を記憶しておく。また、伝達関数行列管理回路8で管理する伝達関数行列Hに基づいてMIMO多重数管理回路11は、次回に送信する際のMIMO多重数を何らかの条件判断で決定する。なお、本発明はここでのMIMO多重数の決定方法には依存しないので、MIMO多重数の決定における伝達関数行列の扱い方については如何なるものを用いても構わない。
セレクタ15では、先に伝達関数加算回路9において求めた伝達関数行列の行ベクトル毎の各要素の絶対値の和ないしはべき乗和の値が大きい方からアンテナ2本分をアンテナ選択回路10で選択し、#1系および#2系の出力先であるTx無線部16−1,16−2をセレクタ15で選択して変調回路14−1、14−2の出力信号を出力する。
同様に、変調回路14−2の出力信号はセレクタ15を介してTx無線部16−2に入力され、Tx無線部16−2にて無線周波数に変換され、所定のレベルまで増幅されてTDDスイッチ2−2を介してアンテナ1−2より送信される。ここでの例は一例であり、セレクタ15は別の組合わせのTX無線部(例えば、16−2と16−3)を選択しても良い。
このように、MIMO多重管理回路11により決定されたMIMO多重数に応じてその送信系統に対応したアンテナからデータが送信される。
データ合成回路7では、サブキャリア毎に信号検出回路6により復調されたデータに対し、各受信系統毎の信号及びサブキャリア毎の信号が適宜合成されてもとのデータが再生され、出力される。
なお、以上の説明では伝達関数加算回路9およびアンテナ選択回路10は、サブキャリア復調部17の外部に配置されていたが、各サブキャリア毎のサブキャリア復調部17内に配置されても構わない。上記の説明の様にサブキャリア復調部17の外部に配置された場合には、機能ブロックとしては1つの回路として表記しているが、このひとつの回路(伝達関数加算回路9およびアンテナ選択回路10)の中にそれぞれのサブキャリア毎に個別に加算処理やアンテナ選択処理を行う機能を備えることになる。また補足であるが、図4においてチャネル推定回路4とRx無線部(3−1〜3−3)、セレクタ15とTx無線部(16−1〜16−3)の間には、1本の矢印が記されているが、これは複数のサブキャリアの情報をまとめて1本で表現したものである。
Claims (3)
- 複数のアンテナを備え且つ同一周波数チャネル上で複数の信号系列を空間上で多重化して送信すると共に、他局から送信された無線信号を複数のアンテナを用いて受信し前記複数の信号系列に分離して受信処理を行う機能を備えたMIMO(Multiple Input Multiple Output)通信が可能な無線通信システムにおいて、
各アンテナ毎に異なる複数種類の既知のパターンの信号を送信する無線パケットに付与して前記複数のアンテナより送信する既知信号送信手段と、
送信された前記異なる複数種類の既知のパターンの信号を複数のアンテナを用いて個別に受信する信号受信手段と、
受信した前記異なる複数種類の既知のパターンの信号の受信状態から他局から自局方向へのリターンリンク上における他局の全てまたは一部のアンテナと自局の各アンテナの間の伝達関数を求めるチャネル推定手段と、
他局の第jアンテナと自局の第iアンテナの間の前記リターンリンクにおける伝達関数をhi,jとした際に、自局のアンテナ番号i毎に他局が無線パケットの送信に用いた全てのアンテナ番号jに対して前記伝達関数hi,jの絶対値または絶対値のべき乗値を求め加算する伝達関数加算手段と、
自局の備えるアンテナの本数またはそれ以下の整数N'に対し、N'系統の信号系列を空間上で多重して送信する際に、前記加算値が大きい方からN'本のアンテナを選択するアンテナ選択手段と、
該N'本のアンテナを用いて前記N'系統の信号系列を空間上で多重化して送信する信号送信手段と、
を有することを特徴とする無線通信システム。 - 複数のサブキャリアを用いた直交周波数分割多重(OFDM:Orthogonal Frequency Division Multiplexing)変調方式を用い、複数のアンテナを備え且つ同一周波数チャネル上で複数の信号系列を空間上で多重化して送信すると共に、他局から送信された無線信号を複数のアンテナを用いて受信し前記複数の信号系列に分離して受信処理を行う機能を備えたMIMO(Multiple Input Multiple Output)通信が可能な前記請求項1記載の無線通信システムにおいて、
前記伝達関数加算手段及びアンテナ選択手段を前記サブキャリア毎に備え、各サブキャリア毎に独立にN本のアンテナから前記加算値が大きい方からN'本のアンテナを選択して用いることを特徴とする無線通信システム。 - 複数のアンテナを備え且つ同一周波数チャネル上で複数の信号系列を空間上で多重化して送信すると共に、他局から送信された無線信号を複数のアンテナを用いて受信し前記複数の信号系列に分離して受信処理を行う機能を備えたMIMO(Multiple Input Multiple Output)通信が可能な無線通信システムにおける無線通信方法において、
既知信号送信手段により、各アンテナ毎に異なる複数種類の既知のパターンの信号を送信する無線パケットに付与して前記複数のアンテナより送信する第1のステップと、
信号受信手段により、送信された前記異なる複数種類の既知のパターンの信号を複数のアンテナを用いて個別に受信する第2のステップと、
チャネル推定手段により、受信した前記異なる複数種類の既知のパターンの信号の受信状態から他局から自局方向へのリターンリンク上における他局の全てまたは一部のアンテナと自局の各アンテナの間の伝達関数を求める第3のステップと、
伝達関数加算手段により、他局の第jアンテナと自局の第iアンテナの間の前記リターンリンクにおける伝達関数をhi,jとした際に、自局のアンテナ番号i毎に他局が無線パケットの送信に用いた全てのアンテナ番号jに対して前記伝達関数hi,jの絶対値または絶対値のべき乗値を求め加算する第4のステップと、
アンテナ選択手段により、自局の備えるアンテナの本数またはそれ以下の整数N'に対し、N'系統の信号系列を空間上で多重して送信する際に、前記加算値が大きい方からN'本のアンテナを選択する第5のステップと、
信号送信手段により、前記N'本のアンテナを用いて前記N'系統の信号系列を空間上で多重化して送信する第6のステップと、
を有することを特徴とする無線通信方法。
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