JP4845640B2

JP4845640B2 - 無線通信システムおよび無線通信方法

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Publication number: JP4845640B2
Application number: JP2006226653A
Authority: JP
Inventors: 正文筒井
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2006-08-23
Filing date: 2006-08-23
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2026-08-23
Also published as: US20080051150A1; US8111679B2; JP2008053933A; EP1892850B1; EP1892850A2; DE602007001844D1; CN101162930A; EP1892850A3; KR20080019174A

Description

この発明は、無線通信システムおよび無線通信方法にかかり、特に、移動する移動局に応じて指向性を制御してデータを送信する無線通信システムおよび無線通信方法に関する。

従来、複数のアンテナを用いてデータを送受信する構成として、ビームフォーミングの技術がある。このビームフォーミングは、一つのデータを複数のアンテナを介して送信し、この送信の際に位相をずらす制御により、複数のアンテナにより一つの指向性を与えるものである。

図９は、従来の無線通信装置を示す図である。図９は、移動通信システムにおける基地局側の無線通信装置の一部構成を示している。複数系統（図では４系統）のデータは、プリコーダ９０１に入力され、マルチビーム作成のために各系統にそれぞれ所定の位相差が与えられる。送信部９０２は、各系統別の送信回路９０２ａ〜９０２ｄを有し、アンテナ９０３を介してデータを送信する。

図９に示す構成は、複数のアンテナ９０３を用いて所定の指向性を持たせるビームフォーマの構成であるが、同様に各系統の位相差を与えてデータを送信する技術としては、複数系統がそれぞれ異なるデータを送信する多元入力多元出力（ＭＩＭＯ：ＭｕｌｔｉｐｌｅＩｎｐｕｔＭｕｌｔｉｐｌｅＯｕｔｐｕｔ）の技術がある（例えば、下記特許文献１参照。）。

特表２００５−５２２０８６号公報

しかしながら、図９に示す構成において、送信部９０２の各系統別の送信回路９０２ａ〜９０２ｄは、それぞれ位相ばらつきがある。この位相ばらつきがあると、プリコーダ９０１において設定したビームが送信部９０２によって崩れ、所定の指向性が得られないという問題が生じる。

図１０は、マルチビーム送信時の利得低下を説明する図である。図中右側に示すように、位相ばらつきがない状態であれば、マルチビームの作用により、所定の指向性が得られ利得を向上（６ｄＢ向上）させて送信できる。これに対して、送信部９０２の送信回路９０２ａ〜９０２ｄに位相ばらつきが生じると、指向性が適切ではなく、例えば広がったようになり、各ビームの利得が低下（４ｄＢに低下）する。

したがって、従来は、位相ばらつきを解消するために、外部の校正機器を用いて、送信部９０２の送信回路９０２ａ〜９０２ｄの出力と、基準信号とを比較して位相ばらつきがないように位相調整する必要があった。

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、送信回路の位相ばらつきがあっても利得が低下せず所定の指向性を得ることができる無線通信システムおよび無線通信方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、この発明にかかる無線通信システムは、複数の系統のアンテナを用い、マルチビームをビームフォーミングして移動局にデータ送信する基地局側の無線通信装置と、移動局側の無線通信装置とを含む無線通信システムにおいて、前記基地局側の無線通信装置は、前記ビームフォーミングの情報が設定されるコードブックと、前記コードブックを読み出し、データに対し所定のビームフォーミングを形成する処理を行うプリコーダと、複数の系統別の送信回路がそれぞれ有する位相ばらつきを補正するために前記移動局から送信されるフィードバック情報の入力に基づいて、前記コードブックから前記位相ばらつきを補正するビームフォーミングの情報を読み出すよう制御する制御手段とを備え、前記移動局側の無線通信装置は、前記基地局に設けられるコードブックと同じビームフォーミングの情報が設定されるコードブックと、前記基地局からの位相ばらつき補正の要求により、受信したデータのビーム毎の信号状態に基づいて前記コードブックの情報を検索し、最適なビームフォーミングを得るための情報を選択し、当該情報をフィードバック情報として前記基地局に送信する制御手段と、を備え、当該制御手段は、前記コードブックを全体検索して、受信した前記ビームのうち受信品質が高いビーム番号と、コードブックに記載されたビームフォーミングの組み合わせ数に対応する数の行列番号とを前記フィードバック情報として前記基地局に送信し、前記基地局において位相ばらつきが補正された後に受信したビームフォーミングに対応して前記コードブックを一部検索して、同じ行列番号のなかから受信品質がより高いビーム番号を前記フィードバック情報として前記基地局に送信することを特徴とする。

上記構成によれば、基地局側に設けられる複数の送信回路毎の位相ばらつきを移動局側で検出してフィードバック情報として基地局にフィードバックする。基地局側は、フィードバック情報に基づいて、最適なコードブックの読み出しを制御するだけの簡単な構成で位相ばらつきがあってもこれを補正して所望する指向性（ビームフォーミング）を形成でき、移動局側での利得向上が図れる。

本発明によれば、特別な校正機器等を用いることなく、基地局側で最適なコードブックの読み出しを制御するだけの簡単な構成で位相ばらつきがあってもこれを補正して所望するマルチビームの指向性を形成でき、移動局側での利得向上が図れるという効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる無線通信システムおよび無線通信方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による無線通信装置の構成を示す図である。移動通信システムにおける基地局（送信側）の無線通信装置１０、および移動局（受信側）の無線通信装置５０を示している。

基地局側の無線通信装置１０について説明する。複数系統（図では４系統）のデータ（データストリーム）は、プリコーダ１１に入力され、マルチビーム作成のために各系統にそれぞれ所定の位相差が与えられる。コードブック２１は、マルチビームのビームフォーマットに対応したウェイトを各系統のデータに与える１６通り（系統数の組み合わせ数に対応）の補正値を記憶している。

プリコーダ１１の各系統の出力のデータには、直交成分のパイロット信号（直交パイロット）が加算部１２によってそれぞれ加算される。送信部１３は、各系統別の送信回路１３ａ〜１３ｄを有し、各系統別の発振器１４（１４ａ〜１４ｄ）の発振周波数（ＲＦ）でデータを変調し、複数のアンテナ１５を介して出力する。

制御部２２は、移動局の無線通信装置５０から入力されたデータに基づき、位相ばらつきを補正する処理を行い、コードブック２１から位相ばらつきを補正する補正値を選択してプリコーダ１１に与える。

次に、移動局側の無線通信装置５０について説明する。複数系統（図では２系統）のアンテナ５１を介して受信したデータは、チャネル推定部５２に入力され、チャネル推定部５２は、送信データ中の直交パイロット成分を用いてチャネルを推定し、復調器５３は、ストリームデータを復調し、復調データを出力する。図１のシステムは、１元入力多元出力（ＳＩＭＯ）の構成例であるが、ＭＩＭＯのシステムにも同様に適用できる。

この移動局側の無線通信装置５０にも、基地局側と同じ内容のコードブック６１が設けられている。ビーム測定部６２は、チャネル推定部５２により推定されたチャネル推定値と、コードブック６１の内容とに基づいて、受信したビームのばらつきの補正のためのビームのチャネル推定値を変更する。この際、ＳＩＮＲ（ＳＩＲ）が最大となるビームを測定し、最適な送信ビームと、ストリーム数を選択部６３で選択し、この情報を基地局の無線通信装置１０にフィードバックする。フィードバック情報は、送信ビームと、ストリーム数だけであり、上り送信路の帯域を圧迫することなく基地局側に容易に送信できる。ビーム測定部６２と選択部６３は、移動局側の無線通信装置５０における制御手段を構成している。

図２は、移動局の無線通信装置の部分構成を示す図である。図１に示したビーム測定部６２の詳細構成を示している。ビーム測定部６２は、チャネル推定値算出部６２ａと、ＳＩＮＲ推定部６２ｂとにより構成されている。チャネル推定値算出部６２ａは、チャネル推定部５２から出力されるチャネル推定値Ｈと、コードブック６１に設定されたウェイトＷとに基づいて、各ビームのチャネル推定値ＨＷを算出する。ＳＩＮＲ推定部６２ｂは、各ビームのチャネル推定値ＨＷにより各ビームのレベル（ＳＩＮＲ）を推定する。ＳＩＮＲに限らず、信号電力を用いて推定することもできる。

選択部６３は、予め定められたしきい値と各ビームのレベルとを比較し、レベルの高い順に各ビームをランキングする。そして、ランキングの高いビームをビーム毎のＩＤで指定した送信ビームＩＤと、ストリーム数を決定した決定ストリーム数とをフィードバック情報として基地局側の無線通信装置１０に送信する。

ここで、コードブック２１，６１の内容について説明する。この発明のコードブック２１，６１は、マルチビームのビームフォーマットの形成と、位相ばらつきの補正を行うためのウェイトが設定される。マルチビーム生成のためのウェイトＷは、下記式（１）で表される（ｊ、−ｊは、虚数である）。

そして、上記ウェイトＷは、複数の系統数の組み合わせに応じて、Ｗ（０，０）〜Ｗ（３，３）までの下記の１６通りがプリコーディングのコードブックの情報として設定される。Ｗ（０，０）、Ｗ（０，１）、Ｗ（０，２）、Ｗ（０，３）、Ｗ（１，０）、Ｗ（１，１）、Ｗ（１，２）、Ｗ（１，３）、Ｗ（２，０）、Ｗ（２，１）、Ｗ（２，２）、Ｗ（２，３）、Ｗ（３，０）、Ｗ（３，１）、Ｗ（３，２）、Ｗ（３，３）

そして、この発明では、送信部１３の複数系統の送信回路１３ａ〜１３ｄの位相ばらつきを補正し、高い利得を得るためのコードブックを作成する。上記のように４系統の場合、４×４の対角行列をＤ（ｍ₃，ｍ₄）と表すと、位相が９０°づつ異なるときは、下記式（２）で表される。左上−右下に斜めの行列配置４つのうち、２つを１，１として９０度ずつ異なる仮想の直線を形成する。この仮想の直線上に近づけるための項がφ（ｍ₃）と、φ（ｍ₄）である。

この対角行列をＤＦＴ（離散フーリエ変換）した後、エルミート転置を行い、正規化することで、下記式（３）を行う。

これにより、プリコーディングのためのユニタリー行列を得て、コードブック２１，６１に設定する。

結果として、受信側の無線通信装置５０のビーム測定部６２は、コードブック６１を用いることで、送信のアンテナ１５の３，４番目に位相ばらつき補正のための位相項が追加された下記式（４）のようになっている。

そして、ＳＩＮＲが最大となるビーム番号ｗｉと、その位相番号（行列番号）ｍ₃，ｍ₄を求め、これらをフィードバック情報として基地局側の無線通信装置１０に送信する。

次に、上記構成による位相ばらつき補正の処理内容について説明する。図３は、位相ばらつき補正にかかる処理内容を示すシーケンス図である。基地局および移動局それぞれの無線通信装置の処理を示している。

基地局は、位相ばらつきの補正のためのキャリブレーションが未完了である場合（ステップＳ１）、移動局に対してキャリブレーション未完了の通知または報知を行う。これを受けて移動局は、コードブック６１の全体を検索する（ステップＳ１１）。図４は、コードブックの全体検索時の状態を示す図である。上記１６通りのコードブック全体を検索する。

そして、移動局は、ビーム測定部６２によるビーム測定に基づき、位相ばらつき補正の検索結果である行列番号と、ビーム番号をフィードバック情報として報知する。図４の例では、行列番号９，ビーム番号２が報知されたとする。

基地局は、フィードバック情報に基づいてキャリブレーションを完了する（ステップＳ２）。この際、フィードバック情報が示す行列番号と、ビーム番号をコードブック２１から読み出してプリコーダ１１に出力し、最適なビームフォーミングが形成できるようになる。基地局は、移動局に対してキャリブレーション完了の通知または報知を行う。

このようにしてキャリブレーションが完了した後は、移動局は、コードブック６１の一部を検索する（ステップＳ１２）。図５は、コードブックの一部検索時の状態を示す図である。この一部とは、コードブック全体の検索により得られた行列番号９内におけるビーム番号の検索である。位相ばらつきが補正された後は、コードブックの全体を検索する必要はなく、ＳＩＮＲが常に最大となる最適なビーム番号だけを検索すればよい。図５の例では、検索結果、ビーム番号が３として基地局に報知される。

この後、基地局は、データ送信を行う（ステップＳ３）。この際、移動局から報知された行列番号と、ビーム番号でデータ送信を行う。以上により、１回の処理が終了する。

図６は、検索状態の遷移を示すタイミングチャートである。移動局におけるコードブック６１の全検索の処理（ステップＳ１１）を行った後は、所定時間の間、一部検索（ステップＳ１２）を行えばよい。このように、キャリブレーション処理を行う毎にコードブック６１の全体を検索する必要がなく、一部検索の時間を増やすことができる。これにより、移動局側の無線通信装置５０では、コードブック６１の検索処理を簡単に行うことができるようになり、検索にかかる処理負担を低減できるようになる。

以上説明した実施の形態１の構成によれば、基地局の無線通信装置１０に設けられた送信部１３の各送信回路１３ａ〜１３ｄの位相ばらつきを移動局の無線通信装置５０が受信した通信状態を用いて出力されるフィードバック情報に基づいて基地局側で補正する構成である。この位相ばらつきの補正は、特別な校正回路を用いる必要がなく、簡単に行える。

（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２による無線通信装置の構成を示す図である。実施の形態１において説明した図１とは、発振器１４が単独の発振器であり、複数の各系統の送信部１３に供給する構成が異なる。発振器１４は、送信部１３の各送信回路１３ａ〜１３ｄに対する共通ローカル信号を供給する。これにより、送信回路１３ａ〜１３ｄ毎の位相のずれは生じない。

図８は、検索状態の遷移を示すタイミングチャートである。実施の形態２においても移動局側の無線通信装置５０では、図３同様の処理を行う。そして、移動局におけるコードブック６１の全検索の処理（ステップＳ１１）を行った後に一部検索（ステップＳ１２）を行う点でも同じである。

そして、実施の形態２では、発振器１４が送信部１３に対して共通ローカル信号を供給する構成であり、系統間の位相ばらつきが生じないため、キャリブレーション処理を１回行う際に、コードブック６１の全体を１回検索すればよい。全体の検索を１回行った以降は、実施の形態１に比して一部検索の期間をのばす（一部検索の時間の割合を多くする）ことができる。コードブック６１の全体検索は、温度変化に基づいて所定時間毎（例えば３０分周期と長くする）に行えばよく、温度変化に基づき、送信部１３で生じる位相ばらつきを所定時間毎に補正すればよい。なお、移動局側の無線通信装置５０は、基地局側の無線通信装置１０の送信部１３が共通ローカル信号を用いた構成であることを基地局側からの情報送信等により認識している。

以上説明した実施の形態２の構成によれば、基地局の無線通信装置１０に設けられた送信部１３の各送信回路１３ａ〜１３ｄに対して、単独の発振器１４から共通ローカル信号を供給し、位相ばらつきを移動局の無線通信装置５０が受信した通信状態を用いて出力されるフィードバック情報に基づいて基地局側で補正する構成である。この位相ばらつきの補正には、特別な校正回路を用いる必要がなく、簡単に行えるとともに、共通ローカル信号を用いることにより、コードブックの全体検索の周期を長くでき、一部検索を行う割合を多くできるため、より簡単な構成にできるとともに、移動局の処理負担を軽減できるようになる。

以上説明した各実施の形態では、ある一人のユーザのデータをシングルストリームで入力させ、マルチビームでビームフォーミングして送信するＳＩＭＯの構成を例に説明した。これに限らず、複数のユーザのデータをマルチストリームで入力させ、マルチビームを用いて送信するＭＩＭＯの構成にも適用することができる。

なお、本実施の形態で説明した無線通信にかかる方法は、予め用意されたプログラムをパーソナル・コンピュータやワークステーション等のコンピュータで実行することにより実現することができる。このプログラムは、ハードディスク、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤ等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録され、コンピュータによって記録媒体から読み出されることによって実行される。またこのプログラムは、インターネット等のネットワークを介して配布することが可能な伝送媒体であってもよい。

以上のように、本発明にかかる無線通信システムおよび無線通信方法は、マルチビームをビームフォーミングして送信する無線通信システムに有用であり、特に、ＳＩＭＯやＭＩＭＯを用いた送受信の無線通信装置に適している。

本発明の実施の形態１による無線通信装置の構成を示す図である。移動局の無線通信装置の部分構成を示す図である。位相ばらつき補正にかかる処理内容を示すシーケンス図である。コードブックの全体検索時の状態を示す図である。コードブックの一部検索時の状態を示す図である。検索状態の遷移を示すタイミングチャートである。本発明の実施の形態２による無線通信装置の構成を示す図である。検索状態の遷移を示すタイミングチャートである。従来の無線通信装置を示す図である。マルチビーム送信時の利得低下を説明する図である。

符号の説明

１０無線通信装置（基地局）
１１プリコーダ
１２加算部
１３送信部
１３ａ〜１３ｄ送信回路
１４（１４ａ〜１４ｄ）発振器
１５アンテナ
２１コードブック
２２制御部
５０無線通信装置（移動局）
５１アンテナ
５２チャネル推定部
５３復調器
６１コードブック
６２ビーム測定部
６３選択部

Claims

複数の系統のアンテナを用い、マルチビームをビームフォーミングして移動局にデータ送信する基地局側の無線通信装置と、移動局側の無線通信装置とを含む無線通信システムにおいて、
前記基地局側の無線通信装置は、
前記ビームフォーミングの情報が設定されるコードブックと、
前記コードブックを読み出し、データに対し所定のビームフォーミングを形成する処理を行うプリコーダと、
複数の系統別の送信回路がそれぞれ有する位相ばらつきを補正するために前記移動局から送信されるフィードバック情報の入力に基づいて、前記コードブックから前記位相ばらつきを補正するビームフォーミングの情報を読み出すよう制御する制御手段とを備え、
前記移動局側の無線通信装置は、
前記基地局に設けられるコードブックと同じビームフォーミングの情報が設定されるコードブックと、
前記基地局からの位相ばらつき補正の要求により、受信したデータのビーム毎の信号状態に基づいて前記コードブックの情報を検索し、最適なビームフォーミングを得るための情報を選択し、当該情報をフィードバック情報として前記基地局に送信する制御手段と、を備え、当該制御手段は、前記コードブックを全体検索して、受信した前記ビームのうち受信品質が高いビーム番号と、コードブックに記載されたビームフォーミングの組み合わせ数に対応する数の行列番号とを前記フィードバック情報として前記基地局に送信し、前記基地局において位相ばらつきが補正された後に受信したビームフォーミングに対応して前記コードブックを一部検索して、同じ行列番号のなかから受信品質がより高いビーム番号を前記フィードバック情報として前記基地局に送信することを特徴とする無線通信システム。
前記フィードバック情報は、前記位相ばらつきを補正するための前記コードブックの行列番号と、ビーム番号を含み、
前記基地局側の前記制御手段は、前記行列番号と、ビーム番号とを前記コードブックから読み出すことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
前記基地局側の複数の前記送信回路は、それぞれ当該系統毎の発振器を用いてデータを変調することを特徴とする請求項１または２に記載の無線通信システム。
前記基地局側の複数の前記送信回路は、一つの発振器を共通に用いてデータを変調することを特徴とする請求項１または２に記載の無線通信システム。
前記移動局側の前記制御手段は、受信した前記ビームのうちＳＩＮＲまたは信号電力が高いビーム番号と、行列番号とを前記フィードバック情報とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の無線通信システム。
前記移動局側の無線通信装置は、前記基地局に設けられる複数の前記送信回路が一つの発振器を共通に用いてデータを変調する構成のとき、
前記移動局側の前記制御手段は、前記送信回路が温度変化の影響を受ける時間に対応して、前記コードブックの全体検索の周期を長く設定することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の無線通信システム。
複数の系統のアンテナを用い、マルチビームをビームフォーミングして移動局にデータ送信する基地局側の無線通信装置と、移動局側の無線通信装置との間の無線通信方法において、
前記基地局側の無線通信装置では、
前記ビームフォーミングの情報が設定されるコードブックを読み出し、データに対し所定のビームフォーミングを形成する処理を行うビームフォーミング工程と、
複数の系統別の送信回路がそれぞれ有する位相ばらつきを補正するために前記移動局から送信されるフィードバック情報の入力に基づいて、前記コードブックから前記位相ばらつきを補正するビームフォーミングの情報を読み出すよう制御する制御工程と、を含み、
前記移動局側の無線通信装置では、
前記基地局からの位相ばらつき補正の要求により、受信したデータのビーム毎の信号状態に基づいて前記コードブックの情報を検索し、最適なビームフォーミングを得るための情報を選択し、当該情報をフィードバック情報として前記基地局に送信する制御工程を含み、当該制御工程では、前記コードブックを全体検索して、受信した前記ビームのうち受信品質が高いビーム番号と、コードブックに記載されたビームフォーミングの組み合わせ数に対応する数の行列番号とを前記フィードバック情報として前記基地局に送信し、前記基地局において位相ばらつきが補正された後に受信したビームフォーミングに対応して前記コードブックを一部検索して、同じ行列番号のなかから受信品質がより高いビーム番号を前記フィードバック情報として前記基地局に送信することを特徴とする無線通信方法。