JP4794583B2 - マルチアンテナ通信装置及び送信方法 - Google Patents

Description

本発明は、送信信号をアンテナに供給するアンテナ系を複数個有するマルチアンテナ通信装置及びその送信方法に関する。

ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output:複数入力・複数出力）技術の通信方式には、ＳＴＣ（Space Time Coding:時間空間符号化）又はＳＤＭ（Space Division Multiplexing:空間分割多重）があり、共に、基地局のマルチアンテナ通信装置は、複数のアンテナ系から端末に送信を行う（例えば、非特許文献１参照。）。

改訂版ワイヤレス・ブロードバンド教科書、高速ＩＰワイヤレス編、第５章、２００６年６月２１日発行、株式会社インプレスＲ＆Ｄ

上記のようなマルチアンテナ通信装置では、複数（典型的には２個）のアンテナ系が正常に動作していることを前提としているため、いずれか１個のアンテナ系が故障した場合には通信性能（ＳＴＣの場合は通信品質、ＳＤＭの場合は通信速度）が大幅に低下する。
かかる課題に鑑み、本発明は、マルチアンテナ通信装置及びその送信方法において、複数のアンテナ系のいずれかが故障した場合にも、通信性能の大幅な低下を抑制することを目的とする。

本発明は、送信信号をアンテナに供給するアンテナ系を複数個有するマルチアンテナ通信装置であって、前記アンテナ系の各々の出力レベルを検出する出力検出部と、前記アンテナ系の各々に、空間分割多重（ＳＤＭ）による送信信号を提供する信号処理部とを備え、前記信号処理部は、いずれかのアンテナ系の出力レベルが所定値に満たない場合には、当該アンテナ系の出力レベルに他のアンテナ系の出力レベルを合わせるように下げて出力させることを特徴とするものである。

このようなマルチアンテナ通信装置では、出力レベルを検出することにより、アンテナ系の故障を検出することができる。そして、いずれかのアンテナ系が故障して、その出力レベルが低下した場合には、当該アンテナ系の出力レベルに他のアンテナ系の出力レベルを合わせ、共通の送信レートで送信を行う。結果的に、いずれかのアンテナ系の出力レベルが低下しても、その状態に応じた送信を行うことができる。

また、本発明は、送信信号をアンテナに供給するアンテナ系を２個有するマルチアンテナ通信装置であって、前記アンテナ系の各々の出力レベルを検出する出力検出部と、前記アンテナ系の各々に、空間分割多重による送信信号を提供する信号処理部とを備え、前記信号処理部は、いずれか一方のアンテナ系の出力レベルが所定値に満たない場合に、第１段階として、当該一方のアンテナ系の出力レベルに他方のアンテナ系の出力レベルを合わせるように下げて出力させる処理を行い、第２段階として、空間分割多重でスループットが確保できない場合は、空間分割多重に代えて時間空間符号化による送信信号を提供し、第３段階として、２アンテナ系より１アンテナ系の方が、より大きなスループットを得ることができる場合は、前記一方のアンテナ系を停止させ、他方のアンテナ系のみで送信を行うことを特徴とするものである。

このようなマルチアンテナ通信装置では、出力レベルを検出することにより、アンテナ系の故障を検出することができる。そして、いずれか一方のアンテナ系が故障して、その出力レベルが低下した場合には、第１段階として、当該一方のアンテナ系の出力レベルに他方のアンテナ系の出力レベルを合わせ、共通の送信レートで送信を行う。第２段階として、空間分割多重（ＳＤＭ）に代えて、時間空間符号化（ＳＴＣ）により通信品質を確保しつつ送信を行うことができる。また、第３段階として、故障したアンテナ系を停止させてその影響を排除し、健全なアンテナ系のみで送信を行うことができる。停止により当該アンテナ系の送信電力は実質的に０となるので、他方のアンテナ系の送信電力を増大させることができる。このようにして、いずれかのアンテナ系の出力レベルが低下しても、その状態に応じた送信を行うことができる。

一方、本発明は、送信信号をアンテナに供給するアンテナ系を複数個有するマルチアンテナ通信装置における送信方法であって、前記アンテナ系の各々に、空間分割多重による送信信号を提供しつつ、前記アンテナ系の各々の出力レベルを検出し、いずれかのアンテナ系の出力レベルが所定値に満たない場合には、当該アンテナ系の出力レベルに他のアンテナ系の出力レベルを合わせるように下げて出力させることを特徴とするものである。

このような送信方法では、出力レベルを検出することにより、アンテナ系の故障を検出することができる。そして、いずれかのアンテナ系が故障して、その出力レベルが低下した場合には、当該アンテナ系の出力レベルに他のアンテナ系の出力レベルを合わせ、共通の送信レートで送信を行う。結果的に、いずれかのアンテナ系の出力レベルが低下しても、その状態に応じた送信を行うことができる。

本発明のマルチアンテナ通信装置又は送信方法によれば、いずれかのアンテナ系の出力レベルが低下しても、通信性能の大幅な低下を抑制することができる。

《第１実施形態》
図１は、基地局に設置される本発明の第１実施形態に係るマルチアンテナ通信装置１と、端末側通信装置２とを示すブロック回路図である。この場合の通信方式は、基本的にはＳＴＣである。なお、この図は、マルチアンテナ通信装置１の送信及び、端末側通信装置２の受信に関する回路部分のみを示している。

図において、マルチアンテナ通信装置１は、送信信号をアンテナに供給するアンテナ系を２個（アンテナ系１１，１２）有するものであり、アンテナ系１１は、逆離散高速フーリエ変換を行うＩＦＦＴ部１１１と、ＩＦＦＴ部１１１の出力にガードインターバルの付加やＤ／Ａ変換等の処理を行って、無線送信する信号を生成するＲＦ部１１２と、電波送信用のアンテナ１１３とを備えている。同様に、アンテナ系１２は、ＩＦＦＴ部１２１、ＲＦ部１２２及び電波送信用のアンテナ１２３とを備えている。

ＲＦ部１１２とアンテナ１１３とを接続する電路には、方向性結合器１３１が設けられており、その出力側にはそれぞれ、進行波及び反射波の増幅及び検波を行う検波器１３３，１３２が設けられている。これらの方向性結合器１３１及び検波器１３２，１３３は、アンテナ系１１の送信電力の出力レベルを検出する出力検出器１３を構成している。検波器１３２，１３３の出力は、それぞれＡ／Ｄコンバータ１５，１６でディジタル信号化された後、信号処理部１９に入力される。

同様に、ＲＦ部１２２とアンテナ１２３とを接続する電路には、方向性結合器１４１が設けられており、その出力側にはそれぞれ、進行波及び反射波の増幅及び検波を行う検波器１４３，１４２が設けられている。これらの方向性結合器１４１及び検波器１４２，１４３は、アンテナ系１２の送信電力の出力レベルを検出する出力検出器１４を構成している。検波器１４２，１４３の出力は、それぞれＡ／Ｄコンバータ１７，１８でディジタル信号化された後、信号処理部１９に入力される。

信号処理部１９は、送信すべき信号（データ）を所定の通信方式によりアンテナ系１１，１２に提供する。ここで言う通信方式とは、基本的にはＳＴＣであるが、１アンテナ系での送信も可能である。

一方、端末側通信装置２は、受信信号を信号処理部２３に供給するアンテナ系２１を１個有するものである。このアンテナ系２１は、電波受信用のアンテナ２１３と、アンテナ２１３の受信信号に対してガードインターバルの除去やＡ／Ｄ変換等の処理を行うＲＦ部２１２と、離散高速フーリエ変換を行うＦＦＴ部２１１とを備えている。

次に、上記のように構成された第１実施形態のマルチアンテナ通信装置１及び、端末側通信装置２の動作について説明する。図２は、マルチアンテナ通信装置１における通信制御を示すフローチャートである。図１及び図２において、マルチアンテナ通信装置１は、最初は、ＳＴＣで送信を行う（ステップＳ２１）。例えば、図１において、送信すべきデータがＡ，Ｂであれば、信号処理部１９は、データＡに基づく送信信号Ｓ１、データＡの複素共役Ａ^*に基づく送信信号Ｓ１^*（Ｓ１の複素共役）、データＢに基づく送信信号Ｓ２、データＢの複素共役Ｂ^*に基づく送信信号Ｓ２^*（Ｓ２の複素共役）を生成する。そして、ＩＦＦＴ部１１１及びＲＦ部１１２を経てアンテナ１１３から送信信号Ｓ１，Ｓ２^*（データＡ，Ｂ^*）の時系列で送信が行われ、他方、ＩＦＦＴ部１２１及びＲＦ部１２２を経てアンテナ１２３から送信信号Ｓ２，Ｓ１^*（データＢ，Ａ^*）の時系列で送信が行われる。

端末側通信装置２においては、アンテナ２１３により上記の送信信号が、受信信号Ｒ１，Ｒ２としてこの時系列で受信され、ＲＦ部２１２及びＦＦＴ部２１１を経て、信号処理部２３によりデータＡ及びＢがそれぞれ、２つのチャンネルから出力される。このようなＳＴＣによる送信は、伝送容量を増大させる効果は無いが、伝送特性を向上させ、通信品質を向上させる。

一方、マルチアンテナ通信装置１の信号処理部１９は、出力検出部１３，１４による各アンテナ系１１，１２の出力レベルの検出結果に基づいて、出力レベルが所定値に満たないアンテナ系があるかどうかを常に監視している（ステップＳ２２）。ここで、いずれか一方のアンテナ系が故障し、それによって、そのアンテナ系の出力レベルが所定値に満たない状態となった場合、そのままＳＴＣによる送信を継続すると、端末側通信装置２は受信が困難となり、図１におけるデータＡ，Ｂのいずれも受信できなくなる可能性がある。

そこで、信号処理部１９は、いずれか一方のアンテナ系が故障し、それによって、そのアンテナ系の出力レベルが所定値に満たない状態となった場合には、ＳＴＣによる送信に拘泥することなくこれを中止し、他のアンテナ系のみ（１アンテナ系）で送信を行うように通信方式を変更する（ステップＳ２３）。例えば、アンテナ系１２が故障して、その出力レベルが所定値に満たない状態となった場合、図３に示すように、アンテナ系１２による送信を停止させ、アンテナ系１１のみが存在しているかの如く、それまでとは異なる他の信号処理を開始する。これにより、例えば、送信すべきデータＣに基づく送信信号Ｓ３は健全なアンテナ系１１から送信され、端末側通信装置２は、受信信号Ｒ３からデータＣを取得することができる。こうして、２個のアンテナ系のいずれかが故障しても、通信性能の大幅な低下を抑制することができる。

また、２個のアンテナ系で送信する場合、送信電力はそれらの合計値で法的に規制される。従って、故障した１アンテナ系を停止させれば、その送信電力は実質的に０となるので、他のアンテナ系のみで送信を行う場合には、当該他のアンテナ系の送信電力を増大させることができる。送信電力を増大することにより、Ｓ／Ｎ比が改善され、通信品質は向上する。

《第２実施形態》
図４は、基地局に設置される本発明の第２実施形態に係るマルチアンテナ通信装置１と、端末側通信装置２とを示すブロック回路図である。この場合の通信方式は基本的にはＳＤＭである。なお、この図は、マルチアンテナ通信装置１の送信及び、端末側通信装置２の受信に関する回路部分のみを示している。

図において、マルチアンテナ通信装置１は、第１実施形態と同様の内部回路ブロック要素を備えており、各部には同一符号を付して説明を省略する。信号処理部１９は、送信すべき信号（データ）を所定の通信方式によりアンテナ系１１，１２に提供する。ここで言う通信方式とは、第１実施形態とは異なり、基本的にはＳＤＭである。但し、ＳＴＣや、１アンテナ系での送信も可能である。

一方、端末側通信装置２は、受信信号を信号処理部２３に供給するアンテナ系を２個有するものである。アンテナ系２１は、電波受信用のアンテナ２１３と、アンテナ２１３の受信信号に対してガードインターバルの除去やＡ／Ｄ変換等の処理を行うＲＦ部２１２と、離散高速フーリエ変換を行うＦＦＴ部２１１とを備えている。同様に、アンテナ系２２は、アンテナ２２３と、ＲＦ部２２２と、ＦＦＴ部２２１とを備えている。

次に、上記のように構成された第２実施形態のマルチアンテナ通信装置１及び、端末側通信装置２の動作について説明する。図５は、マルチアンテナ通信装置１における通信制御を示すフローチャートである。図４及び図５において、マルチアンテナ通信装置１は、最初は、ＳＤＭで送信を行う（ステップＳ５１）。例えば、図４において、送信すべきデータがＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆであれば、信号処理部１９は、データＡ，Ｂ，Ｃにそれぞれ基づく送信信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３、及び、データＤ，Ｅ，Ｆにそれぞれ基づく送信信号Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６を生成する。そして、ＩＦＦＴ部１１１及びＲＦ部１１２を経てアンテナ１１３から送信信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３（データＡ，Ｂ，Ｃ）の時系列で送信が行われ、他方、ＩＦＦＴ部１２１及びＲＦ部１２２を経てアンテナ１２３から送信信号Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６（データＤ，Ｅ，Ｆ）の時系列で送信が行われる。

端末側通信装置２においては、アンテナ２１３により上記の送信信号（Ｓ１〜Ｓ６）が、受信信号Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３としてこの時系列で受信され、ＲＦ部２１２及びＦＦＴ部２１１を経て信号処理部２３に送られる。また、アンテナ２２３により上記の送信信号（Ｓ１〜Ｓ６）が、受信信号Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６としてこの時系列で受信され、ＲＦ部２２２及びＦＦＴ部２２１を経て信号処理部２３に送られる。これに基づいて信号処理部２３は、２つのチャンネルからデータＡ，Ｂ，Ｃ及びＤ，Ｅ，Ｆを、これらの時系列で出力する。このようなＳＤＭによる送信は、単一のアンテナ系での送信に比べて伝送容量（通信速度）を倍増させる効果がある。

一方、マルチアンテナ通信装置１の信号処理部１９は、出力検出部１３，１４による各アンテナ系１１，１２の出力レベルの検出結果に基づいて、出力レベルが所定値に満たないアンテナ系があるかどうかを常に監視している（ステップＳ５２）。いずれか一方のアンテナ系が故障し、それによって、そのアンテナ系の出力レベルが所定値に満たない状態となった場合には、Ｓ／Ｎ比の低下により当該アンテナ系の送信レートが低下する。そこで、このような場合には、他のアンテナ系の送信レートを、故障したアンテナ系の送信レートに合わせ、また、出力レベルも低い方に合わせることになる（ステップＳ５３）。これにより、マルチアンテナ通信装置１は、それまでとは異なる他の信号処理を開始することになる。

例えば、図６において、アンテナ系１２が故障して、その送信レートが低下した場合、アンテナ系１１の送信レートを、アンテナ系１２の送信レートに合わせ、互いに同じ送信レートで送信を行う。これにより、一方の送信レートが低下しても共通の送信レートで送信を行うことができる。送信レートが互いに異なると、端末側通信装置２では２チャンネルの信号分離が困難となり、通信性能が大幅に低下する。従って、共通の送信レートで送信を行うことは、通信性能の大幅な低下を抑制することに寄与する。

この場合、図６において、例えば、送信すべきデータがＧ，Ｈ，Ｉ，Ｊであれば、信号処理部１９は、データＧ，Ｈにそれぞれ基づく送信信号Ｓ７，Ｓ８、及び、データＩ，Ｊにそれぞれ基づく送信信号Ｓ９，Ｓ１０を生成する。そして、ＩＦＦＴ部１１１及びＲＦ部１１２を経てアンテナ１１３から送信信号Ｓ７，Ｓ８（データＧ，Ｈ）の時系列で送信が行われ、他方、ＩＦＦＴ部１２１及びＲＦ部１２２を経てアンテナ１２３から送信信号Ｓ９，Ｓ１０（データＩ，Ｊ）の時系列で送信が行われる。

端末側通信装置２においては、アンテナ２１３により上記の送信信号（Ｓ７〜Ｓ１０）が、受信信号Ｒ７，Ｒ８としてこの時系列で受信され、ＲＦ部２１２及びＦＦＴ部２１１を経て信号処理部２３に送られる。また、アンテナ２２３により上記の送信信号（Ｓ７〜Ｓ１０）が、受信信号Ｒ９，Ｒ１０としてこの時系列で受信され、ＲＦ部２２２及びＦＦＴ部２２１を経て信号処理部２３に送られる。これに基づいて信号処理部２３は、２つのチャンネルからデータＧ，Ｈ及びＩ，Ｊを、これらの時系列で出力する。

次に、マルチアンテナ通信装置１の信号処理部１９は、送信レートを下げたＳＤＭで所定のスループットが確保できるか否かを判断する（ステップＳ５４）。ここで、スループットが確保できる場合には、信号処理部１９は、ＳＤＭでの送信を続行する。一方、スループットが確保できない場合、信号処理部１９は、ＳＤＭによる送信に拘泥することなくこれを中止し、ＳＴＣによる通信制御を開始する（ステップＳ５５）。

例えば、アンテナ系１２が故障したとして、図７において、例えば、送信すべきデータがＫ，Ｌであれば、信号処理部１９は、データＫに基づく送信信号Ｓ１１、データＫの複素共役Ｋ^*に基づく送信信号Ｓ１１^*（Ｓ１１の複素共役）、データＬに基づく送信信号Ｓ１２、データＬの複素共役Ｌ^*に基づく送信信号Ｓ１２^*（Ｓ１２の複素共役）を生成する。そして、ＩＦＦＴ部１１１及びＲＦ部１１２を経てアンテナ１１３から送信信号Ｓ１１，Ｓ１２^*（データＫ，Ｌ^*）の時系列で送信が行われ、他方、ＩＦＦＴ部１２１及びＲＦ部１２２を経てアンテナ１２３から送信信号Ｓ１２，Ｓ１１^*（データＬ，Ｋ^*）の時系列で送信が行われる。

端末側通信装置２においては、アンテナ２１３，２２３により上記の送信信号が、受信信号Ｒ１１，Ｒ１２としてこの時系列で受信され、ＲＦ部２１２及びＦＦＴ部２１１を経て、信号処理部２３よりデータＫ及びＬがそれぞれ、２つのチャンネルから出力される。このようなＳＴＣによる送信によれば、出力レベルが低下しても、一定の通信品質を維持することができる。

次に、マルチアンテナ装置１の信号処理部１９は、ＳＴＣでの送信によるスループットが１アンテナ系で送信するよりも大きいか否かの判断を行う（ステップＳ５６）。ここで、スループットが１アンテナ系で送信するよりも大きい場合には、ＳＴＣでの送信を継続する（ステップＳ５５）。一方、１アンテナ系で送信する方が、より大きなスループットを得ることができる場合には、信号処理部１９は、図８に示すように、アンテナ系１２による送信を停止させ、１アンテナ系で送信を行う（ステップＳ５７）。すなわち、アンテナ系１１のみが存在しているかの如く、それまでとは異なる他の信号処理を開始する。これにより、例えば、送信すべきデータＭに基づく送信信号Ｓ１３は健全なアンテナ系１１から送信され、端末側通信装置２は、受信信号Ｒ１３からデータＭを取得することができる。こうして、２個のアンテナ系のいずれかが故障しても、通信性能の大幅な低下を抑制することができる。

なお、図５のフローチャートでは、初期のＳＤＭによる送信（ステップＳ５１）から、（１）出力レベルを低い方に合わせる（ステップＳ５３）、（２）ＳＴＣで送信する（ステップＳ５５）、（３）１アンテナ系で送信する（ステップＳ５７）、の優先順位で送信の状態を変化させたが、（１）又は（２）を省略（スキップ）してもよいし、（１）及び（２）を共に省略して、故障が発生すれば（３）を実行するようにしてもよい。

また、上記各実施形態ではマルチアンテナ通信装置１のアンテナ系の数を、典型的な２個として説明したが、３個以上であっても同様に、いずれかのアンテナ系が故障した場合に、通信方式を変更するか、出力レベルを合わせるか、又は、残存する健全なアンテナ系のみに切り替えることにより、同様の作用効果を得ることができる。

なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

基地局に設置される本発明の第１実施形態に係るマルチアンテナ通信装置と、端末側通信装置とを示すブロック回路図である。 図１のマルチアンテナ通信装置における通信制御を示すフローチャートである。 図１の構成及び状態から、マルチアンテナ通信装置が１アンテナでの送信に変化した状態を示すブロック回路図である。 基地局に設置される本発明の第２実施形態に係るマルチアンテナ通信装置と、端末側通信装置とを示すブロック回路図である。 図４のマルチアンテナ通信装置における通信制御を示すフローチャートである。 図４の構成及び状態から、マルチアンテナ通信装置の１アンテナ系が故障したとき、ＳＤＭによる送信を行う状態を示すブロック回路図である。 図４の構成及び状態から、マルチアンテナ通信装置の１アンテナ系が故障したとき、ＳＴＣによる送信を行う状態を示すブロック回路図である。 図４の構成及び状態から、マルチアンテナ通信装置の１アンテナ系が故障したとき、他のアンテナ系のみで送信を行う状態を示すブロック回路図である。

符号の説明

１：マルチアンテナ通信装置、２：端末側通信装置、１１，１２：アンテナ系、１３，１４：出力検出器、１５〜１８：Ａ／Ｄコンバータ、１９：信号処理部、２１，２２：アンテナ系、２３：信号処理部、１１１：ＩＦＦＴ部、１１２：ＲＦ部、１１３：アンテナ、１２１：ＩＦＦＴ部、１２２：ＲＦ部、１２３：アンテナ、１３１：方向性結合器、１３２，１３３：検波器、１４１：方向性結合器、１４２，１４３：検波器、２１１：ＦＦＴ部、２１２：ＲＦ部、２１３：アンテナ、２２１：ＦＦＴ部、２２２：ＲＦ部、２２３：アンテナ

Claims (3)

1. 送信信号をアンテナに供給するアンテナ系を複数個有するマルチアンテナ通信装置であって、
   前記アンテナ系の各々の出力レベルを検出する出力検出部と、
   前記アンテナ系の各々に、空間分割多重による送信信号を提供する信号処理部とを備え、
   前記信号処理部は、いずれかのアンテナ系の出力レベルが所定値に満たない場合には、当該アンテナ系の出力レベルに他のアンテナ系の出力レベルを合わせるように下げて出力させることを特徴とするマルチアンテナ通信装置。
2. 送信信号をアンテナに供給するアンテナ系を２個有するマルチアンテナ通信装置であって、
   前記アンテナ系の各々の出力レベルを検出する出力検出部と、
   前記アンテナ系の各々に、空間分割多重による送信信号を提供する信号処理部とを備え、
   前記信号処理部は、いずれか一方のアンテナ系の出力レベルが所定値に満たない場合に、第１段階として、当該一方のアンテナ系の出力レベルに他方のアンテナ系の出力レベルを合わせるように下げて出力させる処理を行い、第２段階として、空間分割多重でスループットが確保できない場合は、空間分割多重に代えて時間空間符号化による送信信号を提供し、第３段階として、２アンテナ系より１アンテナ系の方が、より大きなスループットを得ることができる場合は、前記一方のアンテナ系を停止させ、他方のアンテナ系のみで送信を行うことを特徴とするマルチアンテナ通信装置。
3. 送信信号をアンテナに供給するアンテナ系を複数個有するマルチアンテナ通信装置における送信方法であって、
   前記アンテナ系の各々に、空間分割多重による送信信号を提供しつつ、前記アンテナ系の各々の出力レベルを検出し、
   いずれかのアンテナ系の出力レベルが所定値に満たない場合には、当該アンテナ系の出力レベルに他のアンテナ系の出力レベルを合わせるように下げて出力させる
   ことを特徴とする送信方法。

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