JP5006224B2

JP5006224B2 - 無線通信システム、無線通信装置および通信制御方法

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Publication number: JP5006224B2
Application number: JP2008019551A
Authority: JP
Inventors: 健太沖野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2008-01-30
Filing date: 2008-01-30
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2028-01-30
Also published as: JP2009182636A

Description

本発明は、ＭＩＭＯ通信を利用した無線通信システム、無線通信装置および通信制御方法に関する。

近年、通信システムにおいて、データの送受信に複数のアンテナを用いるＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）通信では、ＳＶＤ（Singular Value Decomposition：特異値分解）という手法によって固有モードとよばれる独立な伝搬路を利用する際、この固有パスの固有値の大きさに応じて、各固有モードの送信電力および変調方式を制御することで飛躍的にシステムの伝送容量を増やすことが行われている。しかし、このような固有モードを用いるＭＩＭＯ通信では、何らかの理由で直交性が崩れると伝送特性が大きく劣化する。

この問題に対し、特許文献１には、ドップラー周波数などを既知の情報とした時、その情報に基づいてＳＩＮＲ（Signal to Interference plus Noise Ratio：信号対干渉雑音電力比）を計算し、制御を行うことで、直交性が崩れた場合の特性劣化を抑えることが提案されている。特許文献１では、チャネルを推定するスロットと、実際にデータを送信するスロットが異なり、ドップラー変動などによりチャネルが変動することを問題点とし、それを解決する技術として、固有モードのＳＩＮＲの値を、ドップラー変動による、チャネル推定誤差の推定値、固有ビーム利得損失の推定値、固有ビーム間干渉の推定値に基づいて計算し、これにより、ドップラー変動がある実環境を考慮した適応符号化変調機能および簡易で高効率な適応電力制御機能を搭載したＭＩＭＯ固有モード適応伝送システムを提供する。
特開２００５−２５２８３４号公報

一方で、チャネル変動を予測する技術も盛んに研究されている。高精度なチャネル変動の予測技術が具備された場合、上述の固有ビーム利得損失の推定値や固有ビーム間干渉の推定値は小さくなり、ＭＩＭＯ固有モード適応伝送に与える影響も小さくなる。
これに対して、ドップラー変動が更に大きくなると、チャネル推定スロットと、データ送信スロットの間のチャネル変動だけでなく、スロット内でのチャネル変動も大きくなる。そのような環境においても十分効果のある高精度なチャネル予測技術、つまり、データ送信スロット内のチャネル変動まで予測し、さらに、データ送信スロット内で予測されたチャネルにしたがって送信ウェイトを更新できるものであれば、上述の固有ビーム利得喪失の推定値や固有ビーム間干渉の推定値は、小さいままである。

しかしながら、各固有モードの固有値は、チャネル変動にしたがって、スロット内で変動することになる。図４は、チャネル予測値が適切であるときの各固有モードの品質である固有値の累積分布を示す図であり、図５は、各固有モードにおける固有値のスロット内変動の一例を示す図である。図４、図５から、固有値の大きい上位の固有モードほど、固有値の変動が小さく、固有値の小さい下位の固有モードほど、固有値の変動が大きいことが分かる。
このような状況で、例えば各固有モードの固有値のスロット内平均に基づき、固有モードの品質（ＳＩＮＲ）を算出し、それを送信適応制御において使用すると、特に下位の固有モードにおいて想定よりも低い固有値のシンボルが多く発生するようになり、伝送特性が劣化してしまうという課題がある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、端末が高速移動する等、チャネル変動が激しい場合であっても、ドップラー周波数を計測せずにＭＩＭＯ等における適応制御を効率よく実行することができる無線通信システム、無線通信装置および通信制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、送信装置と受信装置との間で、複数の固有モードを介して無線通信を行う無線通信システムにおいて、前記送信装置と前記受信装置との間のチャネル推定値を算出するチャネル推定部と、前記チャネル推定部で算出されたチャネル推定値に基づいて、前記送信装置における、送信時のチャネル予測値を算出するチャネル予測部と、前記チャネル予測部で算出されたチャネル予測値に基づいて、所定期間における複数の固有値を算出する固有値算出部と、前記固有値算出部で算出された複数の固有値に基づいて、前記所定期間における前記固有モードの品質を示す値を算出する固有モード品質算出部と、前記固有モード品質算出部で算出された値に基づいて、送信時の所定の処理を制御する制御部とを備え、前記制御部が、前記算出されたチャネル推定値および／またはチャネル予測値に基づいたチャネルの変動頻度に応じて、下位の前記周有モードほど前記品質を示す値が小さくなるように制御することを特徴とする。

前記固有モード品質算出部は、前記所定期間における複数の固有値の平均値に基づいて、前記各固有モードの品質を示す値を算出し、前記制御部は、前記チャネルの変動頻度に応じて、前記平均値以下となる値に基づいた前記各固有モードの品質を示す値を算出することが好ましい。

また、前記制御部は、前記固有モードの順位に応じて、前記平均値の下げ値を制御することが好ましく、また、最下位の前記固有モードについて、前記平均値の下げ値が最大になるように制御することが好ましい。

また、前記制御部は、前記各固有モードの品質を示す値の比に応じて、前記平均値の下げ値を制御することが好ましい。また、前記制御部は、前記各固有モードの品質を示す値の差に応じて、前記平均値の下げ値を制御することが好ましい。

また、本発明は、複数の固有モードを介して無線通信を行う無線通信装置において、相手側無線通信装置との間のチャネル推定値を取得するチャネル推定値取得部と、前記チャネル推定値取得部で取得されたチャネル推定値に基づいて、送信時のチャネル予測値を算出するチャネル予測部と、前記チャネル予測部で算出されたチャネル予測値に基づいて、所定期間における複数の固有値を算出する固有値算出部と、前記固有値算出部で算出された複数の固有値に基づいて、前記所定期間における前記各固有モードの品質を示す値を算出する固有モード品質算出部と、前記固有モード品質算出部で算出された値に基づいて、送信時の所定の処理を制御する制御部とを備え、前記制御部が、前記取得されたチャネル推定値および／または前記算出されたチャネル予測値に基づいたチャネルの変動頻度に応じて、下位の前記固有モードほど前記品質を示す値が小さくなるように制御することを特徴とする。

また、本発明は、送信装置と受信装置との間で、複数の固有モードを介して無線通信を行う無線通信システムにおける通信制御方法において、前記送信装置と前記受信装置との間のチャネル推定値を算出し、算出されたチャネル推定値に基づいて、前記送信装置における、送信時のチャネル予測値を算出するステップと、算出されたチャネル予測値に基づいて、所定期間における複数の固有値を算出するステップと、算出された複数の固有値に基づいて、前記所定期間における前各固有モードの品質を示す値を算出するステップと、前記算出されたチャネル推定値および／またはチャネル予測値に基づいたチャネルの変動頻度に応じて、下位の前記固有モードほど前記品質を示す値が小さくなるように制御するステップと、制御された前記各固有モードの品質を示す値に基づいて、送信時の所定の処理を制御するステップとを備えることを特徴とする。

本発明は、チャネルの変動頻度を考慮することで、端末が高速移動する等、チャネル変動が激しい場合であっても、ＭＩＭＯ等における適応制御を効率よく実行することができる。このため、高速移動性能の向上に資することができる。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の無線通信システムの基本的な構成図である。図１において、送信装置１は、Ｓ／Ｐ部１１、適応変調符号化部１２、適応送信電力制御部１３、送信ビームフォーミング部１４を備え、受信装置２は、受信アンテナ処理部１５、復調処理部１６、Ｐ／Ｓ部１７を備えている。チャネル推定予測部１８（チャネル推定部およびチャネル予測部を含む）、ＳＶＤ部１９、固有値算出部２０、固有モード品質算出部２１、送信適応制御部２２は、送信装置１と受信装置２のいずれに備えるようにしても良い。

Ｓ／Ｐ部１１は、送信データをシリアルパラレル変換し、固有モードごとの送信データを出力する。適応変調符号化部１２は、固有モードごとの送信データを、送信適応制御部２２の出力に従い、それぞれ変調・符号化を行う。適応送信電力制御部１３は、適応変調符号化部１２の出力である固有モードごとの送信信号に対して、送信適応制御部２２の出力に従い、送信電力を制御する。送信ビームフォーミング部１４は、適応送信電力制御部１３の出力である送信信号に、ＳＶＤ部１９の出力である送信ウェイトを乗算することで送信固有ビームを形成し、送信アンテナごとにそれらの信号を多重化する。

複数の送信アンテナと、複数の受信アンテナの間には、ＭＩＭＯチャネルが形成される。受信アンテナ処理部１５は、チャネル推定予測部１８（チャネル推定部）の出力であるチャネル推定結果に基づき、受信ウェイトを計算することで空間フィルタリングを行う、または、最尤受信処理を行うことにより、各固有モードの信号を取り出す。復調処理部１６は、各固有モードの信号に対して、送信適応制御部２２の出力情報に基づき、誤り訂正復号などの処理を行い、受信データを出力する。Ｐ／Ｓ部１７は、各固有モードの受信データを、パラレルシリアル変換する。

チャネル推定予測部１８は、送信装置１と受信装置２との間のチャネル推定値を算出する（チャネルの推定を行う）チャネル推定部（図示せず）と、チャネル推定部で算出されたチャネル推定値に基づいて、送信装置１における、送信時の複数のチャネル予測値を算出するチャネル予測部（図示せず）とを有する。ＳＶＤ部１９は、チャネル推定予測部１８で算出された複数のチャネル予測値をそれぞれ特異値分解する。固有値算出部２０は、ＳＶＤ部１９から得られる各固有モードの複数の特異値に基づいて、所定期間（１スロット内）における複数の固有値を算出する。固有モード品質算出部２１は、固有値算出部２０で算出された複数の固有値に基づいて、所定期間における固有モードの品質を示す値を算出し、無線通信におけるチャネルの変動頻度に応じて、下位の固有モードほど固有モードの品質を示す値が小さくなるように制御する。送信適応制御部２２は、固有モード品質算出部２１で算出された値に基づいて、送信時の所定の処理（送信電力制御および／または変調符号化制御）を制御する。

図２は、本発明の動作を説明するフローチャートである。ここでは、端末の移動などにより、チャネルが変動している場合を想定している。
まず、チャネル推定予測部１８において、チャネルの推定、および、実際にデータを送信するスロットのチャネル予測を行う（ステップ１０１）。チャネル推定予測部１８は、送信側、受信側のどちらにあっても良い。例えば、ＦＤＤ（Frequency Division Duplex：周波数分割復信）の場合には受信側にあり、ＴＤＤ（Time Division Duplex：時分割復信）の場合は送信側、受信側の両方にある。また、推定と予測は、受信側と送信側に分かれていても良い。例えば、受信側で推定されたチャネル（チャネル推定値）が送信側にフィードバックされ、送信側はフィードバックされたチャネル推定値をチャネル推定値取得部（図示せず）で取得し、チャネル推定値取得部で取得したチャネル推定値に基づき、実際にデータを送信するスロットのチャネルを予測する。ここで、チャネル予測の数は、１スロットに対して１つではなく、複数である。図３は、チャネル推定スロットのトレーニング信号（Ｔｒ）からチャネル推定を行い、複数のチャネル推定値から送信スロットに対し複数のチャネル予測を行う状態を示している。

さらに、チャネル推定予測部１８は、スロット内のチャネルの変動頻度（または、端末の移動速度、ドップラー周波数など）を推定（算出）する（ステップ１０２）。この場合、チャネルの変動頻度の推定は、チャネル推定予測部１８で算出されたチャネル推定値および／またはチャネル予測値に基づいて行われる。なお、チャネルの変動頻度（または、端末の移動速度、ドップラー周波数など）の推定は、ＳＶＤ部１９が行ってもよい。

次に、ＳＶＤ部１９において、チャネル行列を特異値分解する（ステップ１０３）。チャネル推定予測部１８で予測されるチャネルの数は、１スロットに対して複数なので、ＳＶＤによる結果もスロットに対して複数ある。
今、送信アンテナ数をＮ_Ｔ、受信アンテナ数をＮ_Ｒとすると、チャネル推定予測部１８で予測されたチャネル行列は、Ｎ_Ｔ×Ｎ_Ｒ次の行列

と表される。ｌは送信スロットにおけるサンプル番号であり、サンプル数は予測されたチャネルの数Ｌである。Ｌは、最大で１スロットのシンボル数である。チャネル行列は、

のように特異値分解することができる。

は、Ｍ＝ｍｉｎ［Ｎ_Ｔ，Ｎ_Ｒ］個の直交したチャネル（固有モード）の伝達関数を表す特異値を要素とする対角行列であり、次式のように表される。

λ_ｍ（ｌ）は大きい順にソートされているものとする。

次に、固有値算出部２０において、ＳＶＤ部１９から得られる各固有モードの複数の特異値に基づいて、スロット内における複数の固有値を算出し、固有モード品質算出部２１において、各固有モードの品質（実効ＳＮＲ（Signal to Noise Ratio：信号対雑音電力比））を算出する（ステップ１０４）。ここで算出結果は、スロットごとに、各固有モードに対して基本的には１つである。なぜなら、スロット内で複数回の送信適応制御を適用するには、その制御情報を受信側に通知する必要があり、制御情報の増加はスループットを低下させてしまうからである。ｍ番目の固有モードの固有値に対して、そのＳＮＲは次式で計算される。

σ^２は雑音電力である。

Ｌ個の固有値から平均のＳＮＲを計算し、各固有モードの品質である実効ＳＮＲ（Ｅｆｆ．ＳＮＲ_ｍ）とするなら、次のようになる。

ドップラー変動が小さい場合は問題ないが、ドップラー変動が大きくなると、平均値よりも低いＳＮＲのシンボルを多く含むようになる。これは、図４、図５に示しているように、下位の固有モードほど顕著である。送信適応制御部２２が、スロット内での大きな固有値変動を想定していない場合、特に下位の固有モードにおいて特性劣化を生じることになる。
そこで、送信適応制御部２２において、固有モード品質算出部２１から得られる、各固有モードの品質に対して、チャネル推定予測部１８（もしくはＳＶＤ部１９）において把握されるチャネルの変動頻度（または、端末の移動速度、ドップラー周波数など）に従い、下位の固有モードほど固有モードの品質をさらに小さな値に補正する（ステップ１０５）。一例としては、次のようにｍ番目の固有モードの実効ＳＮＲを補正して使用する。

β_ｍ（ｆ_Ｄ）は、チャネル推定予測部１８において把握されるドップラー周波数ｆ_Ｄに対するｍ番目の固有モード品質の補正係数（＞０）であり、ｆ_Ｄに対して単調増加し、また、ｍが大きいほどその増加の傾きも大きい。

送信適応制御部２２は、無線通信におけるチャネルの変動頻度に応じて、平均値以下となる値に基づいた各固有モードの品質を示す値を算出する。さらに、上述のように、下位の固有モードほど固有モードの品質を示す値が小さくなるように補正する。最下位の固有モードについては、下げ値が最大となるように補正する。
また、固有モードの品質が低いほど、固有値分布の広がりが大きいと予想されるので、下げ値については、固有モードの順位だけでなく、固有モードの品質を示す値の比や、差なども用いて決定しても良い。伝搬環境によっては、例えば、図４における第３固有モードと第４固有モードの差があまりないような環境も考えられるので、固有モードの順位だけでは、雑な制御になってしまう。
また、固有モード品質を補正するのではなく、例えば、ルックアップテーブル（Look-up table）によって、固有モードから変調方式・符号化方式を決定するシステムであれば、チャネル変動が激しい場合、最下位の固有モードで選択された変調方式・符号化方式は、もう１レベル下げる、といった処理でも良い。

さらに、送信適応制御部２２において、この補正後の実効ＳＮＲに基づき、使用する固有モード数、各固有モードの符号化変調方式、送信電力を計算する（ステップ１０６）。

次に、適応変調符号化部１２において、固有モードごとの送信データを、送信適応制御部２２の計算結果に従って、それぞれ変調・符号化し、適応送信電力制御部１３において、適応変調符号化部１２の出力である固有モードごとの送信信号に対して、送信適応制御部２２の計算結果に従って送信電力を制御して、固有モード送信信号を生成する（ステップ１０７）。

生成された固有モード送信信号は、送信ビームフォーミング部１４において、ＳＶＤ部１９の出力である送信ウェイトを乗算されることで送信固有ビームとなって、送信アンテナから送信され（ステップ１０８）、複数の送信アンテナと複数の受信アンテナとの間に形成されるＭＩＭＯチャネルを伝搬する（ステップ１０９）。

受信側では、固有モードの受信信号処理が行われる（ステップ１１０）。即ち、受信アンテナ処理部１５において、チャネル推定予測部１８の出力であるチャネル推定結果に基づき、受信ウェイトを計算することで空間フィルタリングが行われ、または、最尤受信処理が行われることにより、各固有モードの信号が取り出される。さらに、復調処理部１６において、各固有モードの信号に対して、送信適応制御部２２の計算結果に従って、誤り訂正復号などの処理が行われる。

なお、ＳＶＤ部は、必ずしも特異値分解をする必要はない。例えば、予め決められたコードブックと呼ばれるウェイトの集合から、固有値が最大となるようなウェイトのコード番号を見つけるような処理でも良い。つまりは、送信ウェイトとその時の固有モードの固有値（特異値）を見つける処理であれば良い。

上述のように、本発明は、チャネルの変動頻度を考慮することで、ドップラー変動などによるチャネル変動が激しい環境においても、適切な送信適応制御が行われるようになる。

本発明の無線通信システムの基本的な構成図である。本発明の動作を説明するフローチャートである。複数のチャネル推定値から送信スロットに対し複数のチャネル予測を行う状態を示す図である。各固有モードの品質である固有値の累積分布を示す図である。各固有モードにおける固有値のスロット内変動の一例を示す図である。

符号の説明

１送信装置
２受信装置
１１Ｓ／Ｐ部
１２適応変調符号化部
１３適応送信電力制御部
１４送信ビームフォーミング部
１５受信アンテナ処理部
１６復調処理部
１７Ｐ／Ｓ部
１８チャネル推定予測部
１９ＳＶＤ部
２０固有値算出部
２１固有モード品質算出部
２２送信適応制御部

Claims

送信装置と受信装置との間で、複数の固有モードを介して無線通信を行う無線通信システムにおいて、
前記送信装置と前記受信装置との間のチャネル推定値を算出するチャネル推定部と、
前記チャネル推定部で算出されたチャネル推定値に基づいて、前記送信装置における、送信時のチャネル予測値を算出するチャネル予測部と、
前記チャネル予測部で算出されたチャネル予測値に基づいて、所定期間における複数の固有値を算出する固有値算出部と、
前記固有値算出部で算出された複数の固有値に基づいて、前記所定期間における前記固有モードの品質を示す値を算出する固有モード品質算出部と、
前記固有モード品質算出部で算出された値に基づいて、送信時の所定の処理を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記算出されたチャネル推定値および／またはチャネル予測値に基づいたチャネルの変動頻度に応じて、下位の前記周有モードほど前記品質を示す値が小さくなるように制御する、
ことを特徴とする無線通信システム。
前記固有モード品質算出部は、
前記所定期間における複数の固有値の平均値に基づいて、前記各固有モードの品質を示す値を算出し、
前記制御部は、
前記チャネルの変動頻度に応じて、前記平均値以下となる値に基づいた前記各固有モードの品質を示す値を算出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
前記制御部は、
前記固有モードの順位に応じて、前記平均値の下げ値を制御する、
ことを特徴とする、請求項２記載の無線通信システム。
前記制御部は、
最下位の前記固有モードについて、前記平均値の下げ値が最大になるように制御する、
ことを特徴とする、請求項３記載の無線通信システム。
前記制御部は、
前記各固有モードの品質を示す値の比に応じて、前記平均値の下げ値を制御する、
ことを特徴とする、請求項２記載の無線通信システム。
前記制御部は、
前記各固有モードの品質を示す値の差に応じて、前記平均値の下げ値を制御する、
ことを特徴とする、請求項２記載の無線通信システム。
複数の固有モードを介して無線通信を行う無線通信装置において、
相手側無線通信装置との間のチャネル推定値を取得するチャネル推定値取得部と、
前記チャネル推定値取得部で取得されたチャネル推定値に基づいて、送信時のチャネル予測値を算出するチャネル予測部と、
前記チャネル予測部で算出されたチャネル予測値に基づいて、所定期間における複数の固有値を算出する固有値算出部と、
前記固有値算出部で算出された複数の固有値に基づいて、前記所定期間における前記各固有モードの品質を示す値を算出する固有モード品質算出部と、
前記固有モード品質算出部で算出された値に基づいて、送信時の所定の処理を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記取得されたチャネル推定値および／または前記算出されたチャネル予測値に基づいたチャネルの変動頻度に応じて、下位の前記固有モードほど前記品質を示す値が小さくなるように制御する、
ことを特徴とする無線通信装置。
送信装置と受信装置との間で、複数の固有モードを介して無線通信を行う無線通信システムにおける通信制御方法において、
前記送信装置と前記受信装置との間のチャネル推定値を算出し、算出されたチャネル推定値に基づいて、前記送信装置における、送信時のチャネル予測値を算出するステップと、
算出されたチャネル予測値に基づいて、所定期間における複数の固有値を算出するステップと、
算出された複数の固有値に基づいて、前記所定期間における前記固有モードの品質を示す値を算出するステップと、
前記算出されたチャネル推定値および／またはチャネル予測値に基づいたチャネルの変動頻度に応じて、下位の前記固有モードほど前記品質を示す値が小さくなるように制御するステップと、
制御された前記各固有モードの品質を示す値に基づいて、送信時の所定の処理を制御するステップと、を備える、
ことを特徴とする通信制御方法。