JP4754324B2

JP4754324B2 - 無線通信装置及び通信制御方法

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Publication number: JP4754324B2
Application number: JP2005314908A
Authority: JP
Inventors: 俊明山本; 利則鈴木
Original assignee: KDDI Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 2005-10-28
Filing date: 2005-10-28
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2025-10-28
Also published as: JP2007124358A

Description

本発明は、空間分割多元接続（ＳＤＭＡ；Spatial Division Multiple Access）方式の無線通信装置及び通信制御方法に関する。

移動通信システムにおいては、周波数利用効率の向上が重要な課題の一つである。無線基地局が形成する通信可能エリア（セル）内に複数の無線端末が存在するセルラー環境においては、周波数利用効率の向上のために、無線端末は無線基地局の有する通信容量を時間領域、周波数領域あるいは符号領域において共有し、多重アクセスして通信を行っている。これらの技術は、それぞれ時間分割多元接続（ＴＤＭＡ；Time Division Multiple Access）、周波数分割多元接続（ＦＤＭＡ；Frequency Division Multiple）、符号分割多元接続（ＣＤＭＡ；Code Division Multiple Access）と呼ばれている。

また、近年、そのような多重アクセス方式の一つとして空間分割多元接続（ＳＤＭＡ；Spatial Division Multiple Access）方式が注目されている。ＳＤＭＡ方式においては、例えば、無線基地局においてアレーアンテナを用いた空間フィルタリングを行うことにより、空間的にユーザごとの信号を分離して送受信（並列伝送）する。これにより、同一周波数を使用する同一セル内の複数のユーザを同時に収容することが可能となり、周波数利用効率の向上を図ることができる。そのＳＤＭＡ方式では、各ユーザの信号が基地局へ届く角度（到来角）によって、それぞれのユーザを識別する。例えば、図６に示されるように、同一セル５０１内に移動局１＿５１０及び移動局２＿５１０が存在する場合、基地局５００は、例えばアダプティブ・アレー・アンテナを用いてアンテナ指向性を動的に制御することにより、移動局１＿５１０と移動局２＿５１０に向けた各電波の放射パターン５２１，５２２をそれぞれ絞り込む。これにより、基地局５００は、同じチャネル且つ同じ送信タイミングで、移動局１＿５１０及び移動局２＿５１０との間で同時に通信を行うことができる。

図７には、アダプティブ・アレー・アンテナの受信構成例が示されている。アダプティブ・アレー・アンテナについては、例えば非特許文献１に記載されている。アダプティブ・アレー・アンテナにおいては、複数個のアンテナ素子１２０１を配列し、重み制御部１２１２により、各アンテナ素子１２０１の信号を各乗算器１２０２で重み付けする重みを制御する。これにより、各々のアンテナ素子１２０１の励振の振幅および位相を独立に制御して、アンテナの指向性を適応的に制御している。

また、新世代移動通信システムへの適用が検討されている通信方式として、マルチキャリア伝送方式が注目されている。マルチキャリア伝送方式の代表的なものとしては、例えば、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ；Orthogonal Frequency Division Multiplexing）方式やマルチキャリア符号分割多重（ＭＣ−ＣＤＭ；Multi-Carrier-Code Division Multiplexing）方式などが挙げられる。ＭＣ−ＣＤＭ方式では、変調シンボルを複数のサブキャリアに拡散、多重して送信することにより、周波数ダイバーシチ効果が得られるとともに、セル間干渉を均一にすることができる。しかしながら、周波数選択性伝送路において符号間干渉が発生することにより、逆拡散後の信号対雑音電力および干渉エネルギー比が劣化することが知られている。この対策として、逆拡散せずに信号を復調する多次元復調（Multi-Dimensional Demodulator）が非特許文献２において検討されている。
菊間信良著, 「アレーアンテナによる適応信号処理」, 科学技術出版, 1998. 3GPP TSG RAN WG1#42 bis, R1-051261, "Enhancement of Distributed Mode for Maximizing Frequency Diversity," Oct. 2005. 進士昌明編著, 「無線通信の電波伝搬」, 電子情報通信学会, 1997. A. Harada, S. Tanaka, M. Sawahashi, F. Adachi, "Experiments on Adaptive Antenna Array Transmit Diversity in W-CDMA Forward Link," July 2002. T. Suzuki, N. Miyazaki, Y. Hatakawa, "A Proposal of Twin Turbo Detector and Its Evaluation for M-QAM OFDM," 信学ソ, B-5-6, Sep. 2005.

しかし、上述した従来のＳＤＭＡ方式には以下に示すような問題がある。
移動通信環境では、マルチパスの存在が問題となる。市街地におけるマルチパスを模擬した伝搬路モデルとして、非特許文献３に記載の散乱リングモデルが知られている（図８参照）。図８に示すように、移動局５１０を中心にして半径ｒ_ｓの位置に無数の散乱体２次波源を考える。基地局５００から送信された電波は、移動局５１０を中心にして半径ｒ_ｓの円周上に存在するビル等により反射・回折を受けた後、それぞれのパスに応じた遅延時間を伴う複数の信号として移動局５１０のアンテナに到来する。それら複数の信号の合成波として移動局５１０で受信された信号の電界強度は、レイリー分布則に従うランダムな定在波性の激しい変動を呈する。このようなフェージングはマルチパスレイリーフェージングと呼ばれる。

図８に示されるように、アダプティブ・アレー・アンテナにより形成された基地局５００の送信ビーム５２０がある角度広がりをもつ場合、移動局５１０における受信電界強度はマルチパスレイリーフェージングにより激しい周波数選択性特性をもつ。そのため、使用周波数帯域の受信電界強度が瞬時的に激しく減衰していた場合には、伝送特性が大きく劣化してしまうという問題がある。

また、ＭＣ−ＣＤＭ方式を用いることにより周波数ダイバーシチ効果が得られたとしても、符号間干渉による特性劣化が問題となる。また、使用周波数帯域の受信電界強度の瞬時変動に対処するために、各移動局５１０における瞬時の受信電界強度が最大となるようにアダプティブ・アレー・アンテナを制御する方法が非特許文献４において提案されているが、送信ビーム幅を狭くするとともに制御時間間隔を短くする等、制御方法が複雑であり、また、制御装置の回路規模が大きくなるという問題がある。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、ＳＤＭＡ方式の無線通信システムにおいて、伝送特性の向上とともに通信制御の簡素化を図ることのできる無線通信装置及び通信制御方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係る無線通信装置は、アンテナの指向特性を適応的に制御することで空間的にユーザごとの信号を分離して多重アクセスを実現するＳＤＭＡ方式の無線通信システムにおける無線通信装置であり、周波数方向への符号拡散が施されて複数のサブキャリアで周波数多重された信号を、一つの変調シンボルが拡散された範囲のサブキャリアで構成された信号空間において、各サブキャリアの受信値を座標とする受信信号点と、該受信信号点が本来取りうる座標の組合せである参照信号点とに基づき、送信された信号を判定する復調手段を設けたことを特徴とする。

本発明に係る無線通信装置においては、周波数ダイバーシチ効果にかかわるパラメータに基づき、アンテナの指向特性を適応的に制御する制御手段を設けたことを特徴とする。

本発明に係る無線通信装置においては、前記復調手段の判定結果から誤り訂正符号の復号を行い、該復号過程で得られる受信信号の確からしさを前記参照信号点の出現確率としてフィードバックする手段を有することを特徴とする。

本発明に係る無線通信装置においては、前記誤り訂正符号としてのターボ符号の復号をツインターボ復調により行うことを特徴とする。

本発明に係る通信制御方法は、アンテナの指向特性を適応的に制御することで空間的にユーザごとの信号を分離して多重アクセスを実現するＳＤＭＡ方式の無線通信システムにおける通信制御方法であり、周波数方向への符号拡散が施されて複数のサブキャリアで周波数多重された信号を、一つの変調シンボルが拡散された範囲のサブキャリアで構成された信号空間において、各サブキャリアの受信値を座標とする受信信号点と、該受信信号点が本来取りうる座標の組合せである参照信号点とに基づき、送信された信号を判定する復調過程を有することを特徴とする。

本発明に係る通信制御方法においては、周波数ダイバーシチ効果にかかわるパラメータに基づき、アンテナの指向特性を適応的に制御する制御過程を有することを特徴とする。

本発明に係る通信制御方法においては、前記復調過程の判定結果から誤り訂正符号の復号を行い、該復号過程で得られる受信信号の確からしさを前記参照信号点の出現確率としてフィードバックする過程を有することを特徴とする。

本発明によれば、ＳＤＭＡ方式の無線通信システムにおいて、伝送特性の向上とともに通信制御の簡素化を図ることができる。

以下、図面を参照し、本発明の各実施形態について説明する。
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係るＳＤＭＡ方式の無線通信システムの全体構成を示すブロック図である。また、図１に示す無線通信システムは、マルチキャリア伝送方式の一例としてのＭＣ−ＣＤＭ方式を適用したものである。

図１において、送信機１００は、送信する情報ビットの処理に係る変調器１０４、シリアル／パラレル変換器１０５、拡散器１０６、逆フーリエ変換器１０７、パラレル/シリアル変換器１０８及びサイクリック・プリフィックス挿入器１０９と、送信するパイロットシンボルの処理に係るシリアル／パラレル変換器１１１、逆フーリエ変換器１１２、パラレル/シリアル変換器１１３及びサイクリック・プリフィックス挿入器１１４と、時間多重器１１０と、アダプティブ・アレー・アンテナ（ＡＡＡ）１２０と、アレー制御器１３０とを備える。
受信機２００は、時間多重分離器２０１と、受信したデータ信号の処理に係るサイクリック・プリフィックス除去器２０２、シリアル/パラレル変換器２０３、フーリエ変換器２０４、等化器２０５、パラレル/シリアル変換器２０６、最尤推定用シンボル生成器２０７及び復調器２０８と、受信したパイロット信号の処理に係るサイクリック・プリフィックス除去器２０９、シリアル/パラレル変換器２１０、フーリエ変換器２１１及び伝送路推定器２１２とを備える。

送信機１００は、情報ビットを変調し、その変調シンボルを拡散率に合わせてシリアル／パラレル変換した後に、ウォルシュ符号等の直交符号を用いて周波数軸上のサブキャリアに拡散しデータサブキャリアを生成する。このとき、拡散率や各データシンボルのサブキャリア配置に関する情報等がアレー制御器１３０に提供される。なお、上記拡散には各種の拡散符号が利用可能である。データサブキャリアは、逆フーリエ変換によって時間領域の信号に変換され、パラレル／シリアル変換された後にサイクリックプリフィックスが挿入されて、パイロット信号と時間多重される。

その時間多重後の信号Ａ１は、アダプティブ・アレー・アンテナ１２０により、受信機２００の存在方向に向けた放射パターンが形成されて、送信される。ここで、アダプティブ・アレー・アンテナ１２０は、アレー制御器１３０から受け取る制御信号Ａ２に従って、アンテナ指向性の制御を行う。アレー制御器１３０は、拡散器１０６から受け取る拡散率や各データシンボルのサブキャリア配置に関する情報等に基づいて制御信号Ａ２を生成する。

図２は、図１に示すアダプティブ・アレー・アンテナ１２０の構成を示すブロック図である。図２には、アダプティブ・アレー・アンテナの送信構成例が示されている。図２のアダプティブ・アレー・アンテナ１２０において、複数個のアンテナ素子１２０１は配列され、アレーアンテナを構成している。時間多重後の信号Ａ１は、分配器１２０３により各アンテナ素子１２０１に対応して分配される。その分配された信号は、アンテナ素子１２０１毎の乗算器１２０２により重み制御部１２０４からの各重みで重み付けされる。重み制御部１２０４は、アレー制御器１３０から受け取る制御信号Ａ２に従って、アンテナ素子１２０１毎の重みを制御する。これにより、アレー制御器１３０からの制御に従って、各々のアンテナ素子１２０１の励振の振幅および位相が独立に制御され、アンテナ指向性が適応的に制御されることになる。

アレー制御器１３０によるアンテナ指向性の制御方法としては、周波数ダイバーシチ効果が得られないようなときには、アンテナ指向性を精細に制御する。このため、アレー制御器１３０は、周波数ダイバーシチ効果にかかわるパラメータに基づいて、アンテナ指向性の制御を行う。周波数ダイバーシチ効果にかかわるパラメータとしては、例えば、拡散率、サブキャリア数、サブキャリアの周波数帯域幅、各データシンボルのサブキャリア配置に関する情報などが挙げられる。周波数ダイバーシチ効果にかかわるパラメータに基づいたアンテナ指向性の制御方法の具体例としては、例えば、拡散率が小さいとき、又は、連続するデータシンボルが相関の高い近くのサブキャリアに配置されたときには、周波数ダイバーシチ効果が得難いので、精細にアンテナ指向性を制御する。精細なアンテナ指向性の制御とは、例えば、基地局から特定の移動局に向けて送信する電波の放射パターン（送信ビーム）を的確に該移動局方向に合わせること、送信ビーム幅を狭くすること、制御時間間隔を短くすることなどが挙げられる。本実施形態では、そのような精細なアンテナ指向性の制御については常時行うのではなく、周波数ダイバーシチ効果が得難い場合にのみ行う。これにより、アダプティブ・アレー・アンテナ１２０によるアンテナ指向性の制御が簡素化される。

送信機１００から送信された信号は、伝送路３０１，３０２において周波数選択性を受け、また、加法性白色ガウス雑音が付加された後に、受信機２００に到達する。

受信機２００において、受信信号は、まず、パイロット信号とデータ信号に分離され、サイクリックプリフィックスが取り除かれる。サイクリックプリフィックスが取り除かれた信号は、シリアル／パラレル変換され、フーリエ変換により、パイロットサブキャリア、データサブキャリアに変換される。パイロットサブキャリアからは伝送路変動が推定され、その推定結果から等化器でデータサブキャリアに対して伝送路変動を補償する。その等化後のデータサブキャリアは、パラレル／シリアル変換された後に、最尤推定用シンボル生成器２０７により最尤推定用シンボルに変換され、とりうる全ての信号点との距離との比較により得られた通信路値として出力される。復調器２０８は、その通信路値を用い、一つの変調シンボルが拡散された範囲のサブキャリアで構成された信号空間において、各サブキャリアの受信値を座標とする受信信号点と、該受信信号点が本来取りうる座標の組合せである参照信号点とに基づき、送信された信号を判定する。その判定結果として情報ビットが出力される。

上述した第１実施形態によれば、最尤推定用シンボル生成器２０７及び復調器２０８により逆拡散せずに信号を復調するので、ＭＣ−ＣＤＭ方式において、周波数選択性伝送路の影響による符号間干渉の発生を回避することができる。これにより、周波数ダイバーシチ効果が顕著に得られるようになり伝送路特性が改善される。また、マルチパスレイリーフェージングによる使用周波数帯域の受信電界強度の瞬時変動の影響を低減することができるので、ＳＤＭＡ方式においてアンテナ指向性の制御方向がずれたときの伝送路特性の劣化を低減することができる。また、受信電界強度の瞬時変動の影響を効率よく低減することができる。

また本実施形態によれば、上述したように伝送路特性が改善されるので、アダプティブ・アレー・アンテナ１２０によるアンテナ指向性の制御を簡素化することが可能になる。つまり、常時、アンテナ指向性を精細に制御しなくとも、周波数ダイバーシチ効果が得られないようなときにアンテナ指向性を精細に制御するようにすればよい。これにより、例えば基地局におけるアンテナ制御の簡素化が可能になる。

［第２実施形態］
図３は、本発明の第２実施形態に係るＳＤＭＡ方式の無線通信システムの全体構成を示すブロック図である。この図３において図１の各部に対応する部分には同一の符号を付け、その説明を省略する。

図３に示す無線通信システムにおいては、ターボ符号を適用している。図３の送信機１００ａには、ターボ符号化１０１とパンクチャ１０２とビットインタリーバ１０３が設けられている。ターボ符号化器１０１は、情報ビットをターボ符号化し、情報ビットと２つのパリティビットから成る符号化データを生成する。パンクチャ１０２は、その符号化データ中のパリティビットをパンクチャすることにより、任意の符号化率の符号系列を生成する。ビットインタリーバ１０３は、その符号系列をビットインタリーブする。そのビットインタリーブ後の信号は変調器１０４に入力される。変調器１０４以降の動作は、上記図１に示される第１実施形態と同様である。

図３の受信機２００には、ツインターボ復調器２０８ａが設けられている。最尤推定用シンボル生成器２０７までの動作は、上記図１に示される第１実施形態と同様である。ツインターボ復調器２０８ａは、最尤推定用シンボル生成器２０７から入力される最尤推定用シンボル（通信路値）を用い、復調及びターボ符号の復号を行う。

図４は、ターボ符号化器１０１の構成を示すブロック図である。図５は、ツインターボ復調器２０８ａの構成を示すブロック図である。

図４において、ターボ符号化器１０１は、情報ビットベクトルＸ_ａから、要素符号器１＿１０１１によりパリティビットベクトルＸ_ｂを生成する。また、情報ビットベクトルＸ_ａがターボインタリーバ１０１２によりインタリーブされたデータから、要素符号器２＿１０１１によりパリティビットベクトルＸ_ｃを生成する。

図５には、非特許文献２、非特許文献５に開示される「ツインターボ復調」と呼ばれるターボ符号に係る復調の構成が示されている。ツインターボ復調によれば、ターボ符号の訂正能力を改善することができる。
一般的なターボ復号器では、二つの要素復号器間をビットインタリーバによって連接し、各要素復号器において更新されたビットの事後値をもう一方の要素復号器の事前値としてフィードバックさせる、確率伝搬用のフィードバックループを有することにより、効率的なＭＡＰ（Maximum A posteriori Probability）復号を達成している。

これに対して、図５に示されるツインターボ復調器２０８ａでは、その確率伝搬用のフィードバックループ（図５において要素復号器２＿２０８１出力後の外部値（Ｘ_ａ）がターボデインタリーバ２０８３を介して要素復号器１＿２０８１に事前値（Ｘ_ａ）として入力される経路）に加え、確率結合用のフィードバックループ（図５において要素復号器２＿２０８１出力後の事後値（Ｘ_ａ，Ｘ_ｃ）がターボデインタリーバ２０８３を介して復調器１＿２０８０に入力される経路と要素復号器１＿２０８１出力後の事後値（Ｘ_ａ，Ｘ_ｂ）が復調器２＿２０８０に入力される経路）を有することにより、多値変調シンボルを構成する各ビットの尤度の結合確率を計算し、ターボ符号の誤り訂正能力を改善している。

上述した第２実施形態によれば、ツインターボ復調を行うことにより、ターボ符号の誤り訂正能力が改善されるので、ＭＣ−ＣＤＭ方式における伝送路特性が一層向上する。

上述した各実施形態によれば、ＳＤＭＡ方式の無線通信システムにおいて、ＭＣ−ＣＤＭ方式を適用したときの伝送特性の向上とともに通信制御の簡素化を図ることができる。

なお、アンテナの指向特性を適応的に制御することで空間的にユーザごとの信号を分離して多重アクセスを実現するＳＤＭＡ方式の無線通信システムにおいて、周波数方向への符号拡散が施されて複数のサブキャリアで周波数多重された信号を、一つの変調シンボルが拡散された範囲のサブキャリアで構成された信号空間において、各サブキャリアの受信値を座標とする受信信号点と、該受信信号点が本来取りうる座標の組合せである参照信号点とに基づき、送信された信号を判定する復調手段を設けるようにしてもよい。さらに、周波数ダイバーシチ効果にかかわるパラメータ（拡散多重信号の拡散率、サブキャリア数、サブキャリアの周波数帯域幅、サブキャリア配置に関する情報等）に基づき、送信アンテナの指向特性を適応的に制御する制御手段を設けるようにすることがより好ましい。また、該復調手段の判定結果から誤り訂正符号の復号を行い、該復号過程で得られる受信信号の確からしさを参照信号点の出現確率としてフィードバックする手段を有するようにしてもよい。その誤り訂正符号としては、例えば、上記したターボ符号、低密度パリティ検査符号（Low-Density Parity-Check Codes；ＬＤＰＣ符号）などが利用できる。

以上、本発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、本発明は、上述したＭＣ−ＣＤＭ方式以外の他のマルチキャリア伝送方式（例えばＯＦＤＭ方式など）にも同様に適用することができる。

本発明の第１実施形態に係るＳＤＭＡ方式の無線通信システムの全体構成を示すブロック図である。図１に示すアダプティブ・アレー・アンテナ１２０の構成を示すブロック図である。本発明の第２実施形態に係るＳＤＭＡ方式の無線通信システムの全体構成を示すブロック図である。図３に示すターボ符号化器１０１の構成を示すブロック図である。図３に示すツインターボ復調器２０８ａの構成を示すブロック図である。送信ビームフォーミングを用いたＳＤＭＡ方式を説明するための概念図である。アダプティブ・アレー・アンテナの受信構成例を示すブロック図である。市街地伝搬路を模擬する散乱リングモデルを説明するための概念図である。

符号の説明

１００，１００ａ…送信機、１０１…ターボ符号化器、１０２…パンクチャ、１０３…ビットインタリーバ、１０４…変調器、１０６…拡散器、１０７，１１２…逆フーリエ変換器、１２０…アダプティブ・アレー・アンテナ（ＡＡＡ）、１３０…アレー制御器、２００，２００ａ…受信機、２０４，２１１…フーリエ変換器、２０５…等化器、２０７…最尤推定用シンボル生成器、２０８…復調器、２０８ａ…ツインターボ復調器、２１２…伝送路推定器、１０１１…要素符号器、１０１２，２０８２…ターボインタリーバ、１２０１…アンテナ素子、１２０２…乗算器、１２０３…分配器、１２０４…重み制御部、２０８０…復調器、２０８１…要素復号器、２０８３…ターボデインタリーバ

Claims

アンテナの指向特性を適応的に制御することで空間的にユーザごとの信号を分離して多重アクセスを実現するＳＤＭＡ方式の無線通信システムにおける無線通信装置であり、
周波数方向への符号拡散が施されて複数のサブキャリアで周波数多重された信号を、一つの変調シンボルが拡散された範囲のサブキャリアで構成された信号空間において、各サブキャリアの受信値を座標とする受信信号点と、該受信信号点が本来取りうる座標の組合せである参照信号点とに基づき、送信された信号を判定する復調手段を設けた無線通信装置において、
周波数ダイバーシチ効果にかかわるパラメータに基づき、アンテナの指向特性を適応的に制御する制御手段を設けたことを特徴とする無線通信装置。
前記復調手段の判定結果から誤り訂正符号の復号を行い、該復号過程で得られる受信信号の確からしさを前記参照信号点の出現確率としてフィードバックする手段を有することを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
前記誤り訂正符号としてのターボ符号の復号をツインターボ復調により行うことを特徴とする請求項２に記載の無線通信装置。
アンテナの指向特性を適応的に制御することで空間的にユーザごとの信号を分離して多重アクセスを実現するＳＤＭＡ方式の無線通信システムにおける通信制御方法であり、
周波数方向への符号拡散が施されて複数のサブキャリアで周波数多重された信号を、一つの変調シンボルが拡散された範囲のサブキャリアで構成された信号空間において、各サブキャリアの受信値を座標とする受信信号点と、該受信信号点が本来取りうる座標の組合せである参照信号点とに基づき、送信された信号を判定する復調過程を有する通信制御方法において、
周波数ダイバーシチ効果にかかわるパラメータに基づき、アンテナの指向特性を適応的に制御する制御過程を有することを特徴とする通信制御方法。
前記復調過程の判定結果から誤り訂正符号の復号を行い、該復号過程で得られる受信信号の確からしさを前記参照信号点の出現確率としてフィードバックする過程を有することを特徴とする請求項４に記載の通信制御方法。
前記誤り訂正符号としてのターボ符号の復号をツインターボ復調により行うことを特徴とする請求項５に記載の通信制御方法。