JP5133413B2 - 無線通信装置および無線通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の送信アンテナを介して、同一の周波数帯を用いる複数の通信データ系列を受信装置に向けて同時に送信する無線通信装置および無線通信方法に関する。

近年、無線通信システムでは、有限な周波数帯域をさらに効率的に利用するため、様々な多重化技術が実現されている。例えば、複数の送信アンテナを介して同一の周波数帯を用いる通信データ系列を複数同時に送信するとともに、複数の受信アンテナを介して当該通信データ系列を受信し、各通信データ系列に分離する多入力多出力型（MIMO）の無線通信システムが知られている（例えば、特許文献１）。

このような無線通信システムでは、アンテナの設置位置によるダイバシティ効果を得ることによって受信装置における通信データ系列の分離性を向上するため、各アンテナの間隔は、使用周波数の波長よりもかなり大きくすること（例えば、４λ以上）が一般的である。

特開２００６−１４１０１３号公報（第１４頁、第１図）

多入力多出力型の無線通信システムでは、通信品質（例えば、SNR）が所定の閾値よりも劣化している場合、受信装置は、複数の通信データ系列を用いることによる通信速度の増大よりも、送信装置との通信を可能な限り継続すべく、単一の通信データ系列を用いると決定することができる。送信装置は、受信装置から送信されたフィードバック情報に基づいて、１つの通信データ系列のみを送信する。すなわち、このような場合、上述したダイバシティ効果による通信データ系列の分離性の向上は何ら関係なくなり、複数の通信データ系列を同時に送信することによる通信速度も増大は図られない。

そこで、本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、複数の送信アンテナを用いて同一の周波数帯を用いる通信データ系列を複数同時に送信可能な多入力多出力型の無線通信システムにおいて、通信品質が所定の閾値よりも劣化した場合でも、より高速かつ安定した通信の継続を実現できる無線通信装置および無線通信方法を提供することを目的とする。

上述した問題を解決するため、本発明は、次のような特徴を有している。まず、本発明の第１の特徴は、送信アンテナ（送信アンテナ１３１〜送信アンテナ１３４）を複数含む送信アンテナ部（送信アンテナ部１３０）を介して、同一の周波数帯を用いる通信データ系列を受信装置（無線端末２００）に向けて複数同時に送信する無線通信部（無線通信部１２０）を備える無線通信装置（無線基地局１００）であって、前記無線通信装置と、前記通信データ系列を複数同時に受信して各通信データ系列に分離する前記受信装置との間における無線通信路の通信品質が所定の閾値よりも劣化した場合、前記送信アンテナ部を構成する前記送信アンテナのうち、前記通信品質が前記所定の閾値よりも劣化する前よりも前記送信アンテナの間隔が狭くなる前記送信アンテナを選択するアンテナ選択処理を実行するアンテナ選択部（アンテナ選択部１４２）を備え、前記無線通信部は、前記アンテナ選択部によって選択された前記送信アンテナを介して、前記通信データ系列を送信することを要旨とする。

このような無線通信装置によれば、アンテナ選択部は、通信品質が所定の閾値よりも劣化した場合、送信アンテナ部を構成する送信アンテナのうち、通信品質が所定の閾値よりも劣化する前よりも間隔が狭くなる送信アンテナを選択する。

したがって、通信品質が所定の閾値よりも劣化した後において、送信アンテナ間の相関が高くなり、その結果ダイバシティ効果よりもビームフォーミング効果が高くなるため通信品質を改善することができる。すなわち、第１の特徴に係る無線通信装置によれば、多入力多出力型の無線通信システムにおいて、通信品質が所定の閾値よりも劣化した場合でも、より高速かつ安定した通信の継続を実現できる。

本発明の第２の特徴は、本発明の第１の特徴に係り、前記アンテナ選択部は、前記送信アンテナ部を構成する前記送信アンテナのうち、前記受信装置の位置において所定の電界強度が得られる領域が広がる前記送信アンテナの間隔を決定し、決定した前記送信アンテナの間隔に基づいて前記アンテナ選択処理を実行することを要旨とする。

本発明の第３の特徴は、本発明の第１の特徴に係り、前記アンテナ選択部は、前記通信品質が前記所定の閾値よりも劣化した場合、前記送信アンテナ部を構成する前記送信アンテナのうち、前記送信アンテナの間隔が前記周波数帯に対応する所定波長以下となる前記送信アンテナを選択することを要旨とする。

本発明の第４の特徴は、本発明の第３の特徴に係り、前記アンテナ選択部は、前記周波数帯の波長を１λとした場合、前記送信アンテナの間隔が１λ以下となる前記送信アンテナを選択することを要旨とする。

本発明の第５の特徴は、本発明の第３の特徴に係り、前記送信アンテナ部は、前記所定波長以下の間隔（間隔ｄ２）をおいて配置された複数の送信アンテナによって構成される狭間隔アンテナ群（送信アンテナ１３２および送信アンテナ１３３）を含み、前記送信アンテナ部を構成する前記送信アンテナのうち前記狭間隔アンテナ群と異なる送信アンテナ（送信アンテナ１３１および送信アンテナ１３４）同士の間隔（間隔ｄ１＋ｄ２＋ｄ３）、および前記異なる送信アンテナと前記狭間隔アンテナ群との間隔（間隔ｄ１または間隔ｄ３）は、前記所定波長よりも大きく、前記アンテナ選択部は、前記通信品質が前記所定の閾値よりも劣化した場合、前記狭間隔アンテナ群を選択することを要旨とする。

本発明の第６の特徴は、本発明の第３の特徴に係り、前記送信アンテナ部を構成する前記送信アンテナは、前記通信品質が前記所定の閾値よりも劣化するまで前記通信データ系列の送信に使用されない予備送信アンテナ（予備送信アンテナ１３５）と、前記予備送信アンテナとの間隔（間隔ｄ４）が前記所定波長以下となる特定送信アンテナ（送信アンテナ１３４）とを含み、前記送信アンテナ部を構成する前記送信アンテナのうち前記予備送信アンテナ以外の送信アンテナ（送信アンテナ１３１〜送信アンテナ１３４）同士の間隔（間隔ｄ１、間隔ｄ２または間隔ｄ３）は、前記所定波長よりも大きく、前記アンテナ選択部は、前記通信品質が前記所定の閾値よりも劣化した場合、前記予備送信アンテナおよび前記特定送信アンテナを選択することを要旨とする。

本発明の第７の特徴は、本発明の第３の特徴に係り、前記送信アンテナ部を構成する前記送信アンテナは、前記通信品質が前記所定の閾値よりも劣化するまで前記通信データ系列の送信に使用されない複数の予備送信アンテナ（予備送信アンテナ１３５および予備送信アンテナ１３６）を含み、前記予備送信アンテナ同士の間隔（間隔ｄ５）は、前記所定波長以下であり、前記送信アンテナ部を構成する前記送信アンテナのうち前記予備送信アンテナと異なる送信アンテナ（送信アンテナ１３１〜送信アンテナ１３４）同士の間隔（間隔ｄ１、間隔ｄ２または間隔ｄ３）、および前記異なる送信アンテナと前記予備送信アンテナとの間隔（間隔ｄ４）は、前記所定波長よりも大きく、前記アンテナ選択部は、前記通信品質が前記所定の閾値よりも劣化した場合、前記予備送信アンテナを選択することを要旨とする。

本発明の第８の特徴は、本発明の第１乃至第７の何れか一つの特徴に係り、前記アンテナ選択部は、前記無線通信部が前記通信データ系列を同時に１つのみ送信している場合、前記アンテナ選択処理を実行することを要旨とする。

本発明の第９の特徴は、本発明の第８の特徴に係り、前記通信データ系列を重み付けする送信アンテナ重みを前記送信アンテナ毎に決定する重み決定部（アンテナ重み決定部１４３）をさらに備え、前記重み決定部は、前記通信品質を向上させる前記送信アンテナ重みを前記送信アンテナ毎に決定することを要旨とする。

本発明の第１０の特徴は、送信アンテナ（送信アンテナ１３１〜送信アンテナ１３４）を複数含む送信アンテナ部（送信アンテナ部１３０）を介して、同一の周波数帯を用いる通信データ系列を受信装置（無線端末２００）に向けて複数同時に送信可能な無線通信部（無線通信部１２０）を備える無線通信装置（無線基地局１００）であって、前記通信データ系列を複数同時に受信して各通信データ系列に分離可能な前記受信装置に対して前記無線通信部が送信する前記通信データ系列の数が所定数以下となった場合、前記送信アンテナ部を構成する前記送信アンテナのうち、前記通信データ系列の数が前記所定数以下となる前よりも前記送信アンテナの間隔が狭くなる前記送信アンテナを選択するアンテナ選択処理を実行するアンテナ選択部（アンテナ選択部１４２）を備え、前記無線通信部は、前記アンテナ選択部によって選択された前記送信アンテナを介して、前記通信データ系列を送信することを要旨とする。

本発明の第１１の特徴は、送信アンテナを複数含む送信アンテナ部を介して、同一の周波数帯を用いる通信データ系列を受信装置に向けて複数同時に送信する無線通信部を用いた無線通信方法であって、前記無線通信部と、前記通信データ系列を複数同時に受信して各通信データ系列に分離する前記受信装置との間における無線通信路の通信品質が所定の閾値よりも劣化した場合、前記送信アンテナ部を構成する前記送信アンテナのうち、前記通信品質が前記所定の閾値よりも劣化する前よりも前記送信アンテナの間隔が狭くなる前記送信アンテナを選択するステップ（ステップＳ１０２）と、前記無線通信部が、前記選択するステップにおいて選択された前記送信アンテナを介して、前記通信データ系列を送信するステップとを含むことを要旨とする。

本発明の第１２の特徴は、送信アンテナを複数含む送信アンテナ部を介して、同一の周波数帯を用いる通信データ系列を受信装置に向けて複数同時に送信可能な無線通信部を用いた無線通信方法であって、前記通信データ系列を複数同時に受信して各通信データ系列に分離可能な前記受信装置に対して前記無線通信部が送信する前記通信データ系列の数が所定数以下となった場合、前記送信アンテナ部を構成する前記送信アンテナのうち、前記通信データ系列の数が前記所定数以下となる前よりも前記送信アンテナの間隔が狭くなる前記送信アンテナを選択するステップと、前記無線通信部が、前記選択するステップにおいて選択された前記送信アンテナを介して、前記通信データ系列を送信するステップとを含むことを要旨とする。

本発明の特徴によれば、複数の送信アンテナを用いて同一の周波数帯を用いる通信データ系列を複数同時に送信可能な多入力多出力型の無線通信システムにおいて、通信品質が所定の閾値よりも劣化した場合でも、より高速かつ安定した通信の継続を実現できる無線通信装置および無線通信方法を提供することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る無線通信システムの概略構成図である。 図２は、本発明の第１実施形態に係る無線基地局の構成を示すブロック図である。 図３は、本発明の第１実施形態に係る無線端末の構成を示すブロック図である。 図４は、本発明の第１実施形態に係るアンテナ選択処理を説明するための図である（その１）。 図５は、本発明の第１実施形態に係るアンテナ選択処理を説明するための図である（その２）。 図６は、本発明の第１実施形態に係る無線基地局において実行される送信パラメータの決定動作を示すフローチャートである。 図７は、本発明の第１実施形態によって得られる効果を説明するための図である（その１）。 図８は、本発明の第１実施形態によって得られる効果を説明するための図である（その２）。 図９は、本発明の第１実施形態によって得られる効果を説明するための図である（その３）。 図１０は、本発明の第２実施形態に係る無線基地局の構成を示すブロック図である。 図１１は、本発明の第３実施形態に係る無線基地局の構成を示すブロック図である。

次に、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の図面の記載において、同一または類似の部分には、同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。

［第１実施形態］
第１実施形態では、（１）無線通信システムの概略構成、（２）無線通信システムの詳細構成、（３）アンテナ選択処理、（４）送信パラメータの決定動作、（５）検証結果、（６）作用・効果について説明する。

（１）無線通信システムの概略構成
図１（ａ）および図１（ｂ）は、第１実施形態に係る無線通信システム１０の概略構成図である。無線通信システム１０は、無線基地局１００および無線端末２００を含む。

無線端末２００は、無線基地局１００の通信エリア内に位置しており、無線基地局１００と無線通信を実行する。第１実施形態においては、下り方向（無線基地局１００から無線端末２００へ向かう方向）の通信を主として説明する。

図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、無線基地局１００は、複数の送信アンテナを介して同一の周波数帯を用いる通信ストリーム（通信データ系列）を複数同時に送信する無線通信装置を構成する。無線端末２００は、複数の受信アンテナを介して複数通信ストリームを受信し、各通信ストリームに分離する受信装置を構成する。

このように、無線通信システム１０は、多入力多出力型（MIMO）の無線通信システム（以下、適宜「MIMO通信システム」と称する）である。第１実施形態では、図１（ａ）に示すように、最大通信ストリームが４つであり、無線基地局１００に設けられた送信アンテナが４つ（図２参照）、無線端末２００に設けられた受信アンテナが２つ（図３参照）である場合、すなわち４×２のアンテナ構成を例に説明する。

無線端末２００は、無線基地局１００から受信した通信ストリームを分析し、無線基地局１００におけるマルチアンテナ送信を適応的に制御するためのフィードバック情報を生成する。フィードバック情報をフィードバックするMIMO通信システムは、閉ループ方式のMIMO通信システムと呼ばれる。フィードバック情報は、“rank”、“PMI (Precoding Mat rix Index)”および“CQI (Channel Quality Indicator)”によって構成される。

rankは、通信ストリーム数を制御する制御情報である。PMIは、送信アンテナ重みを制御する制御情報である。CQIは、送信電力および変調方式を制御するための受信品質情報である。

無線端末２００は、通信ストリーム数を決定し、上り無線回線を使用してrankを無線基地局１００に伝送する。同時に無線端末２００は、通信ストリーム数に応じて、受信SNRが最大となる送信アンテナ重みを算出し、算出結果に応じたPMIを無線基地局１００に伝送する。また、無線端末２００は、受信SNRからCQIを求め、当該CQIを上り無線回線を使用して無線基地局１００へ伝送する。

無線基地局１００は、無線端末２００から伝送されたrank、PMIおよびCQIに従って、下り通信ストリーム数、送信アンテナ重み、送信出力および変調方式を決定し、適応送信マルチアンテナ制御を実現する。複数通信ストリーム伝送時において、使用される送信アンテナ数は、無線基地局１００が持つ送信アンテナ全てとなる。

無線基地局１００および無線端末２００は、受信SNRなどの通信品質が劣化した場合にはrankを下げ、通信品質が改善された場合にはrankを上げるという制御を実行する。つまり、受信SNRが確保されていれば複数通信ストリームによる通信を実行し、受信SNRが低い場合には複数通信ストリームは使用しない事になる。

また、閉ループ方式によるMIMO通信システムでは、無線端末２００が、送信アンテナ重みを算出し、算出結果をPMIとして無線基地局１００へ伝送する。このため、送信アンテナ重みを算出する時の下り伝搬路特性と、無線基地局１００側で実際にPMIにより決定された送信アンテナ重みで送信する時の下り伝搬路特性とに大きな差異が発生した場合には、送信アンテナ重みによる送信ダイバシティ効果は減少し、通信品質は著しく劣化する。ダイバシティ効果とは、マルチパス伝搬が生じる無線伝搬環境（図１（ｂ）参照）において、複数のパスを経由した通信ストリームを受信側で合成または選択し、通信品質（例えば、受信ＳＮＲ）を高めることができる効果である。

上記のようにrankを適応的に制御し、通信ストリーム数を制限したとしても通信品質は劣化する。伝搬路特性が大きく変化する環境として代表されるのは、無線端末２００が高速に無線基地局１００の通信エリア内を移動している場合である。高速移動環境では時々刻々無線伝搬特性が変動し、マルチパスの状態が変動してしまい、送信アンテナ重みによるダイバシティ効果は全く望めない。

このため、第１実施形態では、ダイバシティ効果が全く望めない状況下において、送信アンテナを適切に選択することによって、より高速かつ安定した通信の継続を実現する構成について説明する。

（２）無線通信システムの詳細構成
次に、無線通信システム１０の詳細構成について、（２．１）無線基地局の構成、（２．２）無線端末の構成の順に説明する。なお、以下においては、本発明に関連する構成を主に説明する。

（２．１）無線基地局の構成
図２は、無線基地局１００の構成を示すブロック図である。

図２に示すように、無線基地局１００は、データ生成部１１０、無線通信部１２０、送信アンテナ部１３０および制御部１４０を有する。なお、図２の例では、複数通信ストリーム送信時の状態を示している。

データ生成部１１０は、無線端末２００に送信されるデータ系列を生成する。無線通信部１２０は、データ生成部１１０によって生成されたデータ系列を、複数通信ストリームに変換するとともに無線周波数帯（システム周波数帯）に変換する。その際、複数通信ストリームのそれぞれは、同一の周波数帯に変換される。送信アンテナ部１３０は、無線周波数帯に変換された複数通信ストリームを送出する。

無線通信部１２０は、データ分配部１２１と、４つの無線信号変換部（無線信号変換部１２２、無線信号変換部１２３、無線信号変換部１２４および無線信号変換部１２５）とを有する。

データ分配部１２１は、制御部１４０の制御下で、データ生成部１１０によって生成されたデータ系列を無線信号変換部１２２〜無線信号変換部１２５に分配する。具体的には、データ分配部１２１は、データ生成部１１０によって生成されたデータ系列をシリアル／パラレル変換して、４つの通信ストリームを生成する。これにより、並列的なデータ転送が可能となる。データ分配部１２１は、１つの通信ストリームのみを送信することを制御部１４０から指示された場合、シリアル／パラレル変換を実行せず、データ生成部１１０によって生成されたデータ系列をそのまま出力する。

無線信号変換部１２２は、アップコンバータおよびパワーアンプなどを含み、データ分配部１２１からの通信ストリームを無線周波数帯に変換する。その際、無線信号変換部１２２は、内部に設けられた重み付け機構により、送信アンテナウェイトを用いて当該通信ストリームを重み付けする。送信アンテナウェイトは、当該通信ストリームの位相および振幅を調整するものであり、制御部１４０から入力される。

また、無線信号変換部１２２内部のパワーアンプは、制御部１４０によって、無線周波数帯に変換された通信ストリームの送信電力が指示される。無線信号変換部１２３、無線信号変換部１２４および無線信号変換部１２５は、無線信号変換部１２２と同様に動作する。

送信アンテナ部１３０は、所定の間隔をおいて直線状に配置（リニア配置）された４つの送信アンテナ（送信アンテナ１３１、送信アンテナ１３２、送信アンテナ１３３および送信アンテナ１３４）を有する。

送信アンテナ１３１は無線信号変換部１２２に接続され、送信アンテナ１３２は無線信号変換部１２３に接続され、送信アンテナ１３３は無線信号変換部１２４に接続され、送信アンテナ１３４は無線信号変換部１２５に接続される。送信アンテナ１３１と送信アンテナ１３２とは、間隔ｄ１をおいて配置される。送信アンテナ１３２と送信アンテナ１３３とは、間隔ｄ２をおいて配置される。送信アンテナ１３３と送信アンテナ１３４とは、間隔ｄ３をおいて配置される。

本実施形態では、送信アンテナ１３２と送信アンテナ１３３との間隔ｄ２は、送信アンテナ１３１と送信アンテナ１３２との間隔ｄ１、および送信アンテナ１３３と送信アンテナ１３４との間隔ｄ３のそれぞれよりも狭くなるように、送信アンテナ１３１〜１３４が配置されている。また、間隔ｄ１と間隔ｄ３とは略等しい。

制御部１４０は、無線端末２００からのフィードバック情報に従って、送信パラメータ、すなわち、送信アンテナ、送信アンテナ重み、送信電力および変調方式を決定する。制御部１４０は、ストリーム判定部１４１、アンテナ選択部１４２、アンテナ重み決定部１４３および送信電力・変調方式決定部１４４を有する。

ストリーム判定部１４１には、無線端末２００からフィードバックされたrankが入力される。ストリーム判定部１４１は、rankに基づいて通信ストリーム数が１であるか否かを判定する。ここで、送信ストリーム数が１である場合、無線端末２００における受信SNRなどの通信品質が所定の閾値よりも劣化したことを表している。

すなわち、本実施形態においてストリーム判定部１４１は、無線基地局１００と無線端末２００との間における無線通信路の通信品質が所定の閾値よりも劣化したか否かを判定する判定部を構成する。ストリーム判定部１４１は、rankの判定結果に応じてデータ分配部１２１を制御する。

アンテナ選択部１４２は、送信アンテナ１３１〜１３４のうち、通信ストリームの送信に使用する送信アンテナを選択する。アンテナ選択部１４２は、rankが１以外の時、すなわち、通信品質が所定の閾値よりも劣化していない場合には、送信アンテナ数を４とする。一方、アンテナ選択部１４２は、rankが1の時、すなわち、通信品質が所定の閾値よりも劣化したと判定された場合、送信アンテナ数を２とする。

アンテナ選択部１４２は、送信アンテナ１３１〜１３４のうち、通信品質が所定の閾値よりも劣化したと判定される前よりも送信アンテナの間隔が狭くなる送信アンテナ１３２，１３３を選択するアンテナ選択処理を実行する。アンテナ選択処理の詳細については後述する。

アンテナ重み決定部１４３には、無線端末２００からフィードバックされたPMIが入力される。アンテナ重み決定部１４３は、PMIに応じて送信アンテナ重みを決定し、当該送信アンテナ重みを無線信号変換部１２２〜無線信号変換部１２５に出力する。

送信電力・変調方式決定部１４４には、無線端末２００からフィードバックされたCQIが入力される。送信電力・変調方式決定部１４４は、CQIに応じて送信電力および変調方式を決定し、決定結果に応じて無線信号変換部１２２〜無線信号変換部１２５を制御する。

（２．２）無線端末の構成
図３は、無線端末２００の構成を示すブロック図である。

図３に示すように、無線端末２００は、２つの受信アンテナ（受信アンテナ２０１および受信アンテナ２０２）、無線通信部２１０、および受信信号分析部２２０を有する。無線通信部２１０は、無線信号変換部２１１、無線信号変換部２１２およびデータ合成部２１３を有する。

無線信号変換部２１１は、低雑音増幅器およびダウンコンバータなどを含み、受信アンテナ２０１が受信した受信信号を増幅およびダウンコンバートする。複数通信ストリーム伝送時には、無線信号変換部２１１は、無線区間において混信した複数通信ストリームを出力する。無線信号変換部２１２は、無線信号変換部２１１と同様に動作する。

１通信ストリーム伝送時には、無線信号変換部２１１が出力する通信ストリームと無線信号変換部２１２が出力する通信ストリームとは略等しくなる。データ合成部２１３は、無線信号変換部２１１が出力する通信ストリームと無線信号変換部２１２が出力する通信ストリームとを合成する。

受信信号分析部２２０は、受信信号を分析し、伝搬路特性に対応した通信ストリーム数(rank)を決定する。rankが１の場合には、受信信号分析部２２０は、無線基地局１００の送信アンテナ数を２に固定し、rankが２以上の場合には送信アンテナ数を制限なしとする。受信信号分析部２２０は、送信アンテナ数に対応した送信アンテナ重みを推定し、推定結果に応じてPMIを決定する。更に、受信信号分析部２２０は、受信時に測定したSNRからCQIを決定し、これらrank、PMIおよびCQIを上り無線回線を介して無線基地局１００へ伝送する。

（３）アンテナ選択処理
次に、図４および図５を用いて、アンテナ選択処理について説明する。

図４（ａ）に示すように無線基地局１００から無線端末２００へ１つの通信ストリームのみが伝送される場合には、図４（ｂ）に示すように、送信アンテナ１３２，１３３のみが通信ストリームの送信に使用され、送信アンテナ１３１および送信アンテナ１３４は通信ストリームの送信に使用されない。すなわち、無線通信システム１０では、送信２アンテナ、受信２アンテナ、１通信ストリームでのMIMO通信が実行される事となる。

図４（ｂ）に示すように、送信アンテナ１３２に接続された無線信号変換部１２３には、データ生成部１１０が生成するデータと同様の通信ストリームが入力される。送信アンテナ１３３に接続された無線信号変換部１２４には、無線信号変換部１２３に入力される通信ストリームと同一の通信ストリームが入力される。

このように、１通信ストリーム伝送時には、送信アンテナ１３１〜１３４のうち外側に配置された送信アンテナ１３１および送信アンテナ１３４は使用されず、内側に配置され互いに隣接する送信アンテナ１３２および送信アンテナ１３３のみが使用される。図５（ａ）に示すように、送信アンテナ１３２および送信アンテナ１３３の間隔ｄ２は狭く設定されている。本実施形態において送信アンテナ１３２および送信アンテナ１３３は、狭間隔アンテナ群（狭間隔アンテナ対）を構成する。

１通信ストリーム伝送時には、アンテナ間隔が狭い送信アンテナ１３２および送信アンテナ１３３のみを使用し、ビームフォーミング効果によって、無線端末２００のアンテナ端での合成利得を確保することができる。ビームフォーミング効果とは、複数の送信アンテナからの電波が空間合成されて、受信側の方向に指向性（電解分布の強い領域）が向けられることによって、当該受信側での利得を向上させる効果である。

つまり、アンテナ間隔が狭い送信アンテナ１３２および送信アンテナ１３３のみを使用することによって、図５（ｂ）に示すように、無線端末２００の位置において所定の電界強度Ａが得られる領域を広げることができる。これに対し、複数通信ストリーム伝送時には、無線端末２００の位置と無関係に電界強度が一定である。

本実施形態では、通信ストリームの伝送に用いられる周波数帯の波長を１λとした場合、送信アンテナ１３２および送信アンテナ１３３の間隔ｄ２は１λ（所定波長）以下である。ただし、１λ以下ではビームフォーミング効果が顕著になるものの、１λを多少超える程度であっても、ビームフォーミング効果は得ることができる。

一方で、図５（ａ）に示すように、送信アンテナ１３１と送信アンテナ１３２との間隔ｄ１、および送信アンテナ１３３と送信アンテナ１３４との間隔ｄ３は、送信ダイバシティ効果を向上させるために、４λ程度に設定されている。このように、送信アンテナ１３１と送信アンテナ１３２との間隔ｄ１（４λ）、送信アンテナ１３３と送信アンテナ１３４との間隔ｄ３（４λ）、送信アンテナ１３１と送信アンテナ１３４との間隔（ｄ１＋ｄ２＋ｄ３）のそれぞれは、間隔ｄ２よりも大きい。

（４）送信パラメータの決定動作
図６は、無線基地局１００において実行される送信パラメータの決定動作を示すフローチャートである。

ステップＳ１０１において、ストリーム判定部１４１は、無線端末２００からフィードバックされたrankに基づいて、通信ストリーム数が１であるか否かを判定する。通信ストリーム数が１であると判定された場合、処理がステップＳ１０２に進む。通信ストリーム数が複数であると判定された場合、処理がステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０２において、アンテナ選択部１４２は、１通信ストリームの送信に使用する送信アンテナとして、間隔が最小となる送信アンテナ１３２，１３３を選択する。

ステップＳ１０３において、アンテナ重み決定部１４３は、無線端末２００からフィードバックされたPMIに応じて、送信アンテナ重みを決定する。

ステップＳ１０４において、送信電力・変調方式決定部１４４は、無線端末２００からフィードバックされたCQIに応じて、送信電力および変調方式を決定する。

（５）検証結果
次に、シミュレーションによる検証結果を挙げて、本実施形態によって得られる効果について説明する。

図７は、MIMOアンテナ構成を４×２および２×２として、隣り合うアンテナ間隔を４λと１０λに設定した場合の周波数有効効率の特性を示している。縦軸がチャネル容量、横軸は無線端末２００における受信SNRとなっている。送信アンテナ４本の場合も２本の場合も総送信電力は等しくなる様に設定している。無線端末２００の移動速度は3km/hである。

送信アンテナが２本の場合に比べて、４本の場合が特性的に勝っているのは、送信ダイバシティ効果による結果である。この結果より、低速環境ではPMIによる送信アンテナ重み制御の効果があると判断できる。また、アンテナ間隔が４λの場合も１０λの場合も同程度の性能を表している。

図８は、図７での構成に加え、無線端末２００の移動速度が120km/hである場合の結果を示している。送信アンテナ数に関係なく、同じ性能となっている。これは、激しい伝搬路特性が存在する環境下では、送信アンテナ重みによる送信ダイバシティの効果がない事を示している。また、アンテナ間隔には関係なく、同性能となっている。

図９は、２×２アンテナ構成において、アンテナ間隔０.５λと１０λとを比較した結果を示している。１λ以下のアンテナ間隔ではビームフォーミング効果が顕著になることが知られているが、図９においても１λ以下の構成では、無線端末２００の移動速度に依存せず、安定した通信品質を確保させる事が出来ている事が分る。

つまり、MIMO通信方式においても通信ストリーム数が１の場合には、アンテナ相関が高くなるアンテナ構成とした方が、伝搬路変動に強い通信ストリーム伝送を実現できるという事である。勿論、rankが２以上の複数通信ストリーム伝送では、アンテナ相関が低くなる様なアンテナ構成を選択した方が、良好な多重通信路を構成できる。

（６）作用・効果
以上説明したように、送信アンテナ部１３０は、無線通信部１２０が通信ストリームを同時に１つのみ送信する場合、すなわち、通信品質が所定の閾値よりも劣化した場合、送信アンテナ１３１〜１３４のうち、アンテナ間隔が最も狭い送信アンテナ１３２，１３３を選択する。無線通信部１２０は、アンテナ選択部１４２によって選択された送信アンテナ１３２，１３３を介して通信ストリームを送信する。

したがって、通信品質が所定の閾値よりも劣化した後、送信アンテナ間の相関を高めることによってダイバシティ効果よりもビームフォーミング効果が高くなるため、通信品質を改善することができる。すなわち、本実施形態に係る無線基地局１００によれば、MIMO通信システムにおいて、通信品質が所定の閾値よりも劣化した場合でも、より高速かつ安定した通信の継続を実現できる。

また、無線基地局１００によれば、閉ループ方式のMIMO通信システムにおいて、無線伝搬路特性の変動が大きい場合でも、十分な通信性能を確保する事が可能となる。特に、無線端末２００が高速移動している様な無線伝搬特性が激しく変動している様な環境においても安定したMIMO情報伝送を可能とする。また、移動速度に依存する事無く、低速でも高速でも等価な通信品質を提供できる。

第１実施形態では、通信品質が所定の閾値よりも劣化した場合に選択される送信アンテナ１３２，１３３の間隔は、１λ以下であるため、ビームフォーミング効果を向上させることができる。

第１実施形態では、送信アンテナ１３１〜１３４のそれぞれについて通信ストリームを重み付けする送信アンテナ重みを決定するアンテナ重み決定部１４３は、通信品質を向上させる送信アンテナ重みを送信アンテナ毎に決定する。このため、通信品質が所定の閾値よりも劣化した場合において、無線端末２００の方向に指向性を向けることができ、ビームフォーミング効果をさらに向上させることができる。

［第２実施形態］
以下の第２実施形態および第３実施形態では、第１実施形態とは異なる送信アンテナ配置について説明する。なお、第２実施形態および第３実施形態では、第１実施形態と異なる点について説明し、重複する説明を省略する。

図１０（ａ）は、第２実施形態に係る無線通信部１２０Ａおよび送信アンテナ部１３０Ａの構成を示すブロック図である。制御部１４０の構成は第１実施形態と同様であるため、ここでは図示を省略している。

送信アンテナ部１３０Ａは、通信品質が所定の閾値よりも劣化するまで通信ストリームの送信に使用されない１つの予備送信アンテナ１３５を有している点で、第１実施形態とは異なっている。また、無線通信部１２０Ａは、予備送信アンテナ１３５とデータ分配部１２１との間に接続された無線信号変換部１２６を有する。

図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示すように、予備送信アンテナ１３５と、予備送信アンテナ１３５に隣接する送信アンテナ１３４（特定送信アンテナ）との間隔ｄ４は、１λ以下である。一方、送信アンテナ１３１〜１３５のうち予備送信アンテナ１３５以外の送信アンテナ（送信アンテナ１３１〜送信アンテナ１３４）同士の各間隔（間隔ｄ１、間隔ｄ２または間隔ｄ３）は、１λよりも大きく、例えば４λ程度である。

第２実施形態では、アンテナ選択部１４２は、１通信ストリーム伝送時（通信品質が所定の閾値よりも劣化した場合）には、予備送信アンテナ１３５および送信アンテナ１３４を選択する。これにより、第１実施形態と同様に、通信品質が所定の閾値よりも劣化した場合でも、より高速かつ安定した通信の継続を実現できる。

アンテナ選択部１４２は、複数通信ストリーム伝送時には、予備送信アンテナ１３５以外の送信アンテナ（送信アンテナ１３１〜送信アンテナ１３４）を選択する。第２実施形態では、送信アンテナ１３１〜送信アンテナ１３４の各間隔が４λ程度であるため、複数通信ストリーム伝送時におけるダイバシティ効果を向上させることができる。

［第３実施形態］
図１１（ａ）は、第３実施形態に係る無線通信部１２０Ｂおよび送信アンテナ部１３０Ｂの構成を示すブロック図である。制御部１４０の構成は第１実施形態と同様であるため、ここでは図示を省略している。

送信アンテナ部１３０Ｂは、通信品質が所定の閾値よりも劣化するまで通信ストリームの送信に使用されない２つの予備送信アンテナ１３５，１３６を有している点で、第１実施形態とは異なっている。また、無線通信部１２０Ｂは、予備送信アンテナ１３５とデータ分配部１２１との間に接続された無線信号変換部１２６と、予備送信アンテナ１３６とデータ分配部１２１との間に接続された無線信号変換部１２７とを有する。

図１１（ａ）および図１１（ｂ）に示すように、予備送信アンテナ１３５，１３６同士の間隔ｄ５は、１λ以下である。一方、送信アンテナ１３１〜１３６のうち予備送信アンテナ１３５，１３６と異なる送信アンテナ（送信アンテナ１３１〜送信アンテナ１３４）同士の各間隔（間隔ｄ１、間隔ｄ２または間隔ｄ３）、および送信アンテナ１３４と予備送信アンテナ１３５との間隔ｄ４は、１λよりも大きく、例えば４λ程度である。

第３実施形態では、アンテナ選択部１４２は、１通信ストリーム伝送時（通信品質が所定の閾値よりも劣化した場合）には、予備送信アンテナ１３５，１３６を選択する。これにより、第１実施形態と同様に、通信品質が所定の閾値よりも劣化した場合でも、より高速かつ安定した通信の継続を実現できる。

アンテナ選択部１４２は、複数通信ストリーム伝送時には、予備送信アンテナ１３５，１３６以外の送信アンテナ（送信アンテナ１３１〜送信アンテナ１３４）を選択する。送信アンテナ１３１〜送信アンテナ１３４の各間隔が４λ程度であるため、第２実施形態と同様に、複数通信ストリーム伝送時におけるダイバシティ効果を向上させることができる。

［その他の実施形態］
上述したように、本発明の実施形態を通じて本発明の内容を開示したが、この開示の一部をなす論述および図面は、本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態が明らかとなろう。

例えば、上述した実施形態では、フィードバックを用いる閉ループ方式によるMIMO通信方式について説明したが、時分割多重（TDD）方式が採用される場合には、伝搬路の可逆性を利用し、送信側において通信品質を推定できる。このため、フィードバックを用いない開ループ方式によるMIMO通信方式に本発明を適用可能である。

また、上述した実施形態では、下り方向の通信について主に説明したが、上り方向の通信についても本発明を適用可能であることは勿論である。

さらに、上述した実施形態では、４×２のアンテナ構成について主に説明したが、当該アンテナ構成に限らず、さらに多くのアンテナを備える構成や、受信側のアンテナ（受信アンテナ）を１つのみとした構成でもよい。

上述した実施形態では、各送信アンテナは、直線状に配置（リニア配置）されていたが、半円状や円環状の配置としてもよい。ただし、マルチアンテナ通信が標準として搭載されている無線通信システムでは、リニア配置の３本以上の構成が推奨されており、リニア配置とすることが好ましい。

このように、本発明は、ここでは記載していない様々な実施の形態などを含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は、上述の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。 なお、日本国特許出願第２００８−１６９６２８号（２００８年６月２７日出願）の全内容が、参照により、本願明細書に組み込まれている。

以上のように、本発明に係る無線通信装置および無線通信方法によれば、多入力多出力型の無線通信システムにおいて通信品質が所定の閾値よりも劣化した場合でも、より高速かつ安定した通信の継続を実現できるため、移動体通信等の無線通信分野において有用である。

Claims (3)

1. 送信アンテナを複数含む送信アンテナ部を介して、同一の周波数帯を用いる通信データ系列を受信装置に向けて複数同時に送信する無線通信部を備える無線通信装置であって、
   前記無線通信装置と、前記通信データ系列を複数同時に受信して各通信データ系列に分離する前記受信装置との間における無線通信路の通信品質が所定の閾値よりも劣化した場合、前記送信アンテナ部を構成する前記送信アンテナのうち、前記送信アンテナの間隔が前記周波数帯に対応する所定波長以下となる前記送信アンテナを選択するアンテナ選択処理を実行するアンテナ選択部を備え、
   前記無線通信部は、前記アンテナ選択部によって選択された前記送信アンテナを介して、前記通信データ系列を送信し、
   前記送信アンテナ部は、前記所定波長以下の間隔をおいて配置された複数の送信アンテナによって構成される狭間隔アンテナ群を含み、
   前記送信アンテナ部を構成する前記送信アンテナのうち、前記狭間隔アンテナ群と異なる送信アンテナ同士の間隔、および前記異なる送信アンテナと前記狭間隔アンテナ群との間隔は、前記所定波長よりも大きく、
   前記アンテナ選択部は、前記通信品質が前記所定の閾値よりも劣化した場合、前記狭間隔アンテナ群を選択する無線通信装置。
2. 送信アンテナを複数含む送信アンテナ部を介して、同一の周波数帯を用いる通信データ系列を受信装置に向けて複数同時に送信する無線通信部を備える無線通信装置であって、
   前記無線通信装置と、前記通信データ系列を複数同時に受信して各通信データ系列に分離する前記受信装置との間における無線通信路の通信品質が所定の閾値よりも劣化した場合、前記送信アンテナ部を構成する前記送信アンテナのうち、前記送信アンテナの間隔が前記周波数帯に対応する所定波長以下となる前記送信アンテナを選択するアンテナ選択処理を実行するアンテナ選択部を備え、
   前記無線通信部は、前記アンテナ選択部によって選択された前記送信アンテナを介して、前記通信データ系列を送信し、
   前記送信アンテナ部を構成する前記送信アンテナは、
   前記通信品質が前記所定の閾値よりも劣化したと判定されるまで前記通信データ系列の送信に使用されない予備送信アンテナと、
   前記予備送信アンテナとの間隔が前記所定波長以下となる特定送信アンテナとを含み、
   前記送信アンテナ部を構成する前記送信アンテナのうち前記予備送信アンテナ以外の送信アンテナ同士の間隔は、前記所定波長よりも大きく、
   前記アンテナ選択部は、前記通信品質が前記所定の閾値よりも劣化した場合、前記予備送信アンテナおよび前記特定送信アンテナを選択する無線通信装置。
3. 送信アンテナを複数含む送信アンテナ部を介して、同一の周波数帯を用いる通信データ系列を受信装置に向けて複数同時に送信する無線通信部を備える無線通信装置であって、
   前記無線通信装置と、前記通信データ系列を複数同時に受信して各通信データ系列に分離する前記受信装置との間における無線通信路の通信品質が所定の閾値よりも劣化した場合、前記送信アンテナ部を構成する前記送信アンテナのうち、前記送信アンテナの間隔が前記周波数帯に対応する所定波長以下となる前記送信アンテナを選択するアンテナ選択処理を実行するアンテナ選択部を備え、
   前記無線通信部は、前記アンテナ選択部によって選択された前記送信アンテナを介して、前記通信データ系列を送信し、
   前記送信アンテナ部を構成する前記送信アンテナは、前記通信品質が前記所定の閾値よりも劣化するまで前記通信データ系列の送信に使用されない複数の予備送信アンテナを含み、
   前記予備送信アンテナ同士の間隔は、前記所定波長以下であり、
   前記送信アンテナ部を構成する前記送信アンテナのうち前記予備送信アンテナと異なる送信アンテナ同士の間隔、および前記異なる送信アンテナと前記予備送信アンテナとの間隔は、前記所定波長よりも大きく、
   前記アンテナ選択部は、前記通信品質が前記所定の閾値よりも劣化した場合、前記予備送信アンテナを選択する無線通信装置。

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