JP5223939B2 - MIMO radio communication method and MIMO radio communication apparatus - Google Patents

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本発明は,複数のアンテナを持つ送信端末と複数のアンテナを持つ受信端末の間で行われるMIMO(Multiple-Input Multiple-Output)無線通信方式,およびMIMO無線通信方式によって通信を行うMIMO無線通信装置に関するものである。特に,MIMO通信方式の1つである固有モード伝送方式において,SNR(Signal-to-Noise Ratio:信号対雑音比)の高い場合に,高い伝送レートで通信を行うMIMO無線通信方式およびMIMO無線通信装置に関するものである。   The present invention relates to a MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) radio communication system performed between a transmission terminal having a plurality of antennas and a reception terminal having a plurality of antennas, and a MIMO radio communication apparatus for performing communication by the MIMO radio communication system It is about. In particular, in an eigenmode transmission system, which is one of the MIMO communication systems, a MIMO radio communication system and a MIMO radio communication that perform communication at a high transmission rate when the SNR (Signal-to-Noise Ratio) is high. It relates to the device.

近年の通信需要の拡大により通信方式の大容量化が進んでいる。この潮流は無線通信においても顕著である。例えば,LAN(Local Area Network)の標準化を進めるIEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.)で無線LANの標準を定めるIEEE802.11でも,通信容量の拡大が進んでいる。元来のIEEE802.11の通信容量は2Mbpsであったが,IEEE802.11bでは最大11Mbps,IEEE802.11aやgでは最大54Mbpsに拡大され,2007年に標準化終了予定のIEEE802.11nでは最大600Mbpsの仕様が完成する予定となっている。   Due to the recent increase in communication demand, the capacity of communication systems is increasing. This trend is also remarkable in wireless communications. For example, even in IEEE 802.11, which defines the standard of wireless LAN by IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.), which promotes standardization of LAN (Local Area Network), communication capacity has been expanded. The original IEEE802.11 communication capacity was 2 Mbps, but it was expanded to a maximum of 11 Mbps in IEEE802.11b, a maximum of 54 Mbps in IEEE802.11a and g, and a specification of up to 600 Mbps in IEEE802.11n scheduled for termination of standardization in 2007 Is scheduled to be completed.

無線通信の大容量化を実現する方式としてIEEE802.11n等で採用されている技術がMIMOである。図2にMIMO無線通信システムを模式的に示す。送信端末はN本の送信アンテナ202を持ち,受信端末はN本の受信アンテナ203を持つ。送信アンテナ202−1〜Nから送信される信号をt1〜tNとし,送信アンテナ信号ベクトルtを数1のように定義する。   A technique adopted in IEEE802.11n or the like as a method for realizing a large capacity of wireless communication is MIMO. FIG. 2 schematically shows a MIMO wireless communication system. The transmitting terminal has N transmitting antennas 202, and the receiving terminal has N receiving antennas 203. Signals transmitted from the transmitting antennas 202-1 to 202-N are defined as t1 to tN, and a transmitting antenna signal vector t is defined as in Expression 1.

Figure 0005223939
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同様に受信アンテナ203−1〜Nで受信される信号をr1〜rNとし,受信アンテナ信号ベクトルrを数2のように定義する。   Similarly, the signals received by the receiving antennas 203-1 to 203-N are defined as r1 to rN, and the receiving antenna signal vector r is defined as in Expression 2.

Figure 0005223939
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すると,tからrへの変換は数3の1次変換で表すことが可能となる。   Then, the conversion from t to r can be expressed by the primary conversion of Equation 3.

Figure 0005223939
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この1次変換を表す行列Hをチャネル行列と呼ぶ。実際にはノイズが同時に発生するので,数4のようにノイズ成分nが加わる。   The matrix H representing this primary transformation is called a channel matrix. Actually, noise is generated at the same time, so that a noise component n is added as shown in Equation 4.

Figure 0005223939
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チャネル行列は,送信端末から既知信号を送信して受信端末で受信することで,受信機によって推定できる。これをチャネル行列推定と呼び,送信された既知信号をトレーニング信号と呼ぶ。MIMO無線通信を行う場合には,あらかじめチャネル行列推定を行っておく。   The channel matrix can be estimated by the receiver by transmitting a known signal from the transmitting terminal and receiving it by the receiving terminal. This is called channel matrix estimation, and the transmitted known signal is called a training signal. When performing MIMO wireless communication, channel matrix estimation is performed in advance.

図2において送信データ信号はx1〜xN,受信データ信号はy1〜yNであり,送信データ信号ベクトルxを数5,受信データベクトルyを数6のように定義する。   In FIG. 2, the transmission data signals are x1 to xN, the reception data signals are y1 to yN, and the transmission data signal vector x is defined as Equation 5 and the reception data vector y is defined as Equation 6.

Figure 0005223939
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Figure 0005223939
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送信端末内の送信アンテナウェイト部201では1次変換によってxがtに変換され,受信端末内の受信アンテナウェイト部204では1次変換によってrがyに変換される。最も簡単にMIMO無線通信を実現する方法は,送信アンテナウェイトを単位行列とし,受信アンテナウェイトをHの逆行列とする,ZF(Zero-Forcing)方式である。ZF方式では,xとyの関係が数7で表される。   In the transmission antenna weight unit 201 in the transmission terminal, x is converted to t by primary conversion, and in the reception antenna weight unit 204 in the reception terminal, r is converted to y by primary conversion. The simplest method for realizing MIMO wireless communication is a ZF (Zero-Forcing) method in which a transmission antenna weight is a unit matrix and a reception antenna weight is an inverse matrix of H. In the ZF method, the relationship between x and y is expressed by Equation 7.

Figure 0005223939
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このように,Hをその逆行列で打ち消すことにより,送信データ信号を受信機内で復元することが可能である。ただし,ノイズはHの逆行列によって増幅されてしまう。   In this way, the transmission data signal can be restored in the receiver by canceling H with its inverse matrix. However, noise is amplified by the inverse matrix of H.

上記のZF方式とは別に,固有モード伝送方式というMIMO無線通信の実現方法がある。この方法では,まず数8で表されるHのSVD(Singular Value Decomposition:特異値展開)を求める。   In addition to the above ZF method, there is a method for realizing MIMO wireless communication called an eigenmode transmission method. In this method, first, SVD (Singular Value Decomposition) expressed by Equation 8 is obtained.

Figure 0005223939
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Sは成分が全て正の実数となる対角行列,U,Vはユニタリー行列である。Vの肩にあるHはエルミート共役(=転置+複素共役)を表す。Sの対角成分は特異値と呼ばれる。またSの左上の成分から順に第1特異値,第2特異値,...と呼ぶことにし,特異値の大きい順に並ぶものとする。この結果から,送信アンテナウェイトをV,受信アンテナウェイトをUのエルミート共役とする。固有モード伝送方式ではxとyの関係が数9で表されることになる。   S is a diagonal matrix whose components are all positive real numbers, and U and V are unitary matrices. H on the shoulder of V represents Hermitian conjugate (= transposition + complex conjugate). The diagonal component of S is called the singular value. The first singular value, the second singular value,. . . Let's call them in descending order of singular values. From this result, the transmission antenna weight is V and the reception antenna weight is U Hermitian conjugate. In the eigenmode transmission system, the relationship between x and y is expressed by Equation 9.

Figure 0005223939
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ここではユニタリー行列のエルミート共役が逆行列と等しくなるという性質を用いている。また,ユニタリー行列の性質により数9の最後のノイズnの項ではノイズの大きさが全く変化せず,Sが対角行列であることを考えると受信データ信号には送信データ信号に特異値を乗じた信号が分離して得られることになる。x1からy1へのデータ通信を第1固有モードと呼び,以下順に第2固有モード,第3固有モード,...と呼ぶ。各固有モードでは特異値の2乗の伝搬利得(1未満であれば損失)が発生する。この固有モード伝送方式が最も大きな通信容量を達成できるMIMO無線通信方式となることが,一般に知られている。   Here, the property that the Hermitian conjugate of the unitary matrix is equal to the inverse matrix is used. Further, due to the nature of the unitary matrix, the magnitude of the noise does not change at all in the term of the last noise n in Equation 9, and considering that S is a diagonal matrix, the received data signal has a singular value in the transmitted data signal. The multiplied signals are obtained separately. Data communication from x1 to y1 is called the first eigenmode, and the second eigenmode, third eigenmode,. . . Call it. In each eigenmode, a singular value squared propagation gain (loss if less than 1) occurs. It is generally known that this eigenmode transmission system is a MIMO wireless communication system that can achieve the largest communication capacity.

ただし,固有モード伝送方式ではZF方式と違って送信アンテナウェイトをHから算出される行列に設定する必要がある。さらに,Hは受信機で推定されるものであるため,受信端末から送信端末へHの情報をフィードバックする必要がある。そのため,図3に示す情報のやりとりが必要になる。ここで,送信端末と受信端末はともに送受信機の機能を持っていることを注意する。最初に送信端末がトレーニングデータを送信し,受信端末がそれを受信してチャネル行列を推定する。得られたチャネル行列を送信端末へと返信し,送信端末でチャネル行列のSVDにより送信アンテナウェイトを決定する。次に送信端末は,トレーニング信号を送信アンテナウェイト処理をしてから送信し,受信端末では受信したトレーニング信号からチャネル行列を再推定して受信アンテナウェイトを決定する。その後,送信端末が送信アンテナウェイト処理した送信データ信号を送信し,受信端末で受信アンテナウェイトによりデータを復元することでデータ通信が確立される。図3では送信端末でSVDによる送信アンテナウェイトの決定を行っているが,図4に示すように受信端末で送信アンテナウェイトを求めることもできる。この場合,フィードバックされるのは送信アンテナウェイトとなる。   However, unlike the ZF method, the eigenmode transmission method needs to set the transmission antenna weight to a matrix calculated from H. Furthermore, since H is estimated by the receiver, it is necessary to feed back the information of H from the receiving terminal to the transmitting terminal. Therefore, it is necessary to exchange information shown in FIG. Note that both the transmitting terminal and the receiving terminal have a transceiver function. First, the transmitting terminal transmits training data, and the receiving terminal receives it to estimate the channel matrix. The obtained channel matrix is returned to the transmitting terminal, and the transmitting antenna weight is determined by SVD of the channel matrix at the transmitting terminal. Next, the transmitting terminal transmits the training signal after performing transmission antenna weight processing, and the receiving terminal re-estimates the channel matrix from the received training signal to determine the receiving antenna weight. Thereafter, the transmission data is transmitted by the transmission terminal transmitting the transmission data signal subjected to the transmission antenna weight process, and the data is restored by the reception antenna weight at the reception terminal. In FIG. 3, the transmitting antenna weight is determined by SVD at the transmitting terminal, but the transmitting antenna weight can also be obtained at the receiving terminal as shown in FIG. In this case, the transmission antenna weight is fed back.

図3,4では最初のSVDは受信アンテナウェイトを決めずに,別途,送信アンテナウェイト処理したトレーニング信号を使ってチャネル行列を求めることにより受信アンテナウェイトを求めている。この時推定されるチャネル行列H’は数10で表される。   In FIGS. 3 and 4, the first SVD does not determine the reception antenna weight, but obtains the reception antenna weight by obtaining a channel matrix using a training signal subjected to transmission antenna weight processing separately. The channel matrix H ′ estimated at this time is expressed by Equation 10.

Figure 0005223939
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受信アンテナウェイトの決定にZF方式を使えば,受信アンテナウェイトRは数11となる。   If the ZF method is used to determine the receiving antenna weight, the receiving antenna weight R is given by Equation 11.

Figure 0005223939
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従ってxとyの関係は数12で書くことができる。   Therefore, the relationship between x and y can be expressed by Equation 12.

Figure 0005223939
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つまり第n固有モードではノイズの大きさが第n特異値の逆数に従って変化し,SNRが特異値の2乗に比例して変化する。受信アンテナウェイトの決定方法には他にMMSE(Minimum Mean Square Error)法やMLD(Maximum Likelihood Detection)法があることが広く知られている。   That is, in the nth eigenmode, the magnitude of noise changes according to the reciprocal of the nth singular value, and the SNR changes in proportion to the square of the singular value. It is widely known that there are other MMSE (Minimum Mean Square Error) methods and MLD (Maximum Likelihood Detection) methods for determining the receiving antenna weight.

このような方法をとるのは以下の理由による。第1の理由はチャネル行列の時間変化に対応することにある。データ伝送時にチャネル行列が変化してしまう場合でも,現在のチャネル行列に応じた受信アンテナウェイトを設定できるために,受信特性の劣化を抑えることができる。第2の理由はフィードバック情報を小さくすることができることにある。無線LANで使われるようなOFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing:直交周波数分割多重)方式通信時には,サブキャリアごとに送信アンテナウェイトを設定する必要があるため,フィードバックの情報量が非常に大きい。このためフィードバック情報は適当に間引かれることになるため,送信アンテナウェイトとチャネル行列のSVDより得られるウェイトの間に大きな差が生じることがあるが,実際に使用された送信アンテナウェイトの影響を考慮に入れて受信アンテナウェイトが設定されるため,特性劣化を抑えられる。   This method is used for the following reason. The first reason is to cope with the time change of the channel matrix. Even when the channel matrix changes during data transmission, it is possible to set the receiving antenna weight according to the current channel matrix, so that it is possible to suppress degradation of reception characteristics. The second reason is that feedback information can be reduced. In OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) communication such as that used in a wireless LAN, it is necessary to set a transmission antenna weight for each subcarrier, so the amount of feedback information is very large. For this reason, feedback information is appropriately thinned out, so there may be a large difference between the transmission antenna weight and the weight obtained from the SVD of the channel matrix. Since the receiving antenna weight is set in consideration, the characteristic deterioration can be suppressed.

図6に特異値の2乗から計算される伝搬利得の確率分布を示す。送信アンテナ4本,受信アンテナ4本の場合を想定し,チャネル行列の各成分は独立なレーリー分布に従う確率変数(レーリーフェージング)であるとした。各送信アンテナから受信アンテナへの伝搬損失は0dBとしている。参考のため送信アンテナ1本,受信アンテナ1本のSISO(Single-Input Single-Output)の場合も示してある。仮定した条件の通り,SISOでは平均0dBの伝搬利得となっている。これに対しMIMOの場合には,第4固有モードの場合で平均8dBほどの伝搬損失となってしまうが,第1固有モードでは10dBに近い平均伝搬利得が得られている。従って,例えば30dBの受信SNRが得られる通信環境であれば,第1固有モードでは実効的に40dBのSNRを達成できる。そのため第1固有モードを有効に利用するためには,大きな多値数の変調を採用してたくさんの情報を送信することが大切になる。   FIG. 6 shows the probability distribution of the propagation gain calculated from the square of the singular value. Assuming the case of four transmitting antennas and four receiving antennas, each component of the channel matrix is assumed to be a random variable (Rayleigh fading) according to an independent Rayleigh distribution. The propagation loss from each transmitting antenna to the receiving antenna is 0 dB. For reference, SISO (Single-Input Single-Output) with one transmitting antenna and one receiving antenna is also shown. As assumed, SISO has an average propagation gain of 0 dB. On the other hand, in the case of MIMO, the average propagation gain is about 8 dB in the fourth eigenmode, but an average propagation gain close to 10 dB is obtained in the first eigenmode. Therefore, for example, in a communication environment where a reception SNR of 30 dB can be obtained, an SNR of 40 dB can be effectively achieved in the first eigenmode. Therefore, in order to effectively use the first eigenmode, it is important to transmit a large amount of information by adopting a large multi-level modulation.

しかしながら,大きな多値数で変調する際にはRF(Radio Frequency)回路に高い精度が要求される。RF回路での精度劣化要因としては,IQミスマッチ,パワーアンプの非線型性などがあり,現状の無線LANに用いられる回路の精度では64QAM変調までが限界であり,256QAM以上は非常に難しい。そのため,IEEE802.11a,gではBPSK,QPSK,16QAM,64QAMの4つのみを標準に採用し,256QAMを利用することはできない。MIMOの導入されるIEEE802.11nでも256QAMを採用しない方針となっている。そのため,高いSNRを達成できたとしても変調多値数を大きくすることができず,通信容量の拡大につながらない。   However, when modulating with a large multilevel number, high accuracy is required for an RF (Radio Frequency) circuit. Factors that degrade accuracy in the RF circuit include IQ mismatch and non-linearity of the power amplifier. The accuracy of the circuit used in the current wireless LAN is limited to 64QAM modulation, and 256QAM or more is extremely difficult. Therefore, IEEE802.11a, g adopts only four of BPSK, QPSK, 16QAM, and 64QAM as standard, and cannot use 256QAM. Even in IEEE802.11n where MIMO is introduced, 256QAM is not adopted. Therefore, even if a high SNR can be achieved, the modulation multi-level number cannot be increased, and the communication capacity cannot be increased.

上記問題を解決する方法を特許文献1,非特許文献1が提案している。この方法では,固有モード伝送を行うMIMO−OFDM無線通信システムにおいて,全てのサブキャリア,全ての固有モードにおいて等しい変調多値数をとり,誤り訂正符号化器の出力を順に異なるサブキャリアに割り当てる。その割り当ての際にサブキャリアごとに固有モードを切り替えている。この方法では,特異値の小さな固有モードでは,特異値に対して変調多値数が大きすぎるために誤りが頻発するが,特異値の大きな固有モードでは,逆に特異値に対して変調多値数が小さくなっているために誤りが発生しにくい。そのため,誤り訂正処理によって特異値の小さな固有モードで発生する誤りが訂正され,大きな通信容量での通信が可能となる。   Patent Literature 1 and Non-Patent Literature 1 propose methods for solving the above problems. In this method, in a MIMO-OFDM wireless communication system that performs eigenmode transmission, the same modulation multilevel number is taken for all subcarriers and all eigenmodes, and the output of the error correction encoder is assigned to different subcarriers in order. At the time of allocation, the eigenmode is switched for each subcarrier. In this method, in the eigenmode with a small singular value, the number of modulation multivalues is too large for the singular value, so errors frequently occur. However, in the eigenmode with a large singular value, the modulation multivalue with respect to the singular value is reversed. Errors are less likely to occur because the number is small. For this reason, errors that occur in the eigenmode with a small singular value are corrected by error correction processing, and communication with a large communication capacity becomes possible.

特開2005−323217号公報JP 2005-323217 A

田邉康彦,庄木裕樹,鶴見博史,「MIMO−OFDMにおける非線型歪みを考慮した送信方式の検討」,2005年電子情報通信学会総合大会,B−5−79Yasuhiko Tanabe, Hiroki Shoki, Hiroshi Tsurumi, "Study of transmission scheme considering nonlinear distortion in MIMO-OFDM", 2005 IEICE General Conference, B-5-79

本発明は,固有モード伝送を行うMIMO無線通信システムにおいて,高いSNRの得られる通信環境でも,変調多値数を増加させることなく大きな通信容量を実現するものである。   The present invention realizes a large communication capacity in a MIMO wireless communication system that performs eigenmode transmission even in a communication environment where a high SNR can be obtained without increasing the number of modulation levels.

前述の通り,特許文献1や非特許文献1において,この問題を解決する手法が提案されている。しかし,これらの方法はOFDMのようなマルチキャリア伝送の場合にしか対応できない。また,本来,高い実効SNRが得られる第1固有モードで変調多値数を大きくとれないことが問題であったのだが,これらの方法ではこの問題を解決できていない。   As described above, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 propose a method for solving this problem. However, these methods can only deal with multi-carrier transmission such as OFDM. In addition, the problem is that the modulation multi-value number cannot be increased in the first eigenmode in which a high effective SNR is obtained. However, these methods cannot solve this problem.

本発明のMIMO無線通信システムでは,チャネル行列の特異値展開により各固有モードの特異値と送信アンテナウェイトを決定した後に,送信ストリームウェイトの算出を行う。また,データ送信時には,送信アンテナウェイト処理の直前に,ここで算出した送信ストリームウェイトによる変換処理を行う。この変換処理によって,特異値が大きく実効SNRの高い固有モードと特異値が小さく実効SNRが低い固有モードを合成し,大きな変調多値数を必要とするようなモードの実効SNRを抑え,その分だけ実効SNRの低いモードについてはSNRを高める。   In the MIMO wireless communication system of the present invention, the transmission stream weight is calculated after determining the singular value and transmission antenna weight of each eigenmode by singular value expansion of the channel matrix. Also, at the time of data transmission, conversion processing based on the transmission stream weight calculated here is performed immediately before the transmission antenna weight processing. By this conversion process, an eigenmode with a large singular value and a high effective SNR and an eigenmode with a small singular value and a low effective SNR are combined, and the effective SNR of a mode that requires a large number of modulation multilevels is suppressed. For a mode with a low effective SNR, the SNR is increased.

送信ストリームウェイトによるモード変換の模式図を図7に示す。この図では送受信アンテナの本数が3本であると仮定している。(a)が従来の固有モード伝送によってできる3本の固有モードを表している。実効SNRはパイプの太さで表現されている。x1〜3が送信データ信号であり,y1〜3が受信データ信号である。この時,x1からy1での通信が行われている固有モードのSNRが高い状態にあり,最適な変調多値数を選択できない状況にあるとする。この場合には,送信ストリームウェイトで第1固有モードと第2固有モードを合成する。送信ストリームウェイトを適用した状態が(b)である。すると,x1とx2は第1固有モードと第2固有モードの両方を使って通信されるため,(c)で表されるように,両方の実効SNRが第1固有モードのSNRと第2固有モードのSNRの中間の値となる。これで高すぎたSNRの状態が改善されるため,最適な多値数の変調を選択して通信することが可能となり,通信容量の拡大を図ることが可能となる。送信ストリームウェイトの適用に合わせて受信アンテナウェイトに加えて受信ストリームウェイトの適用が必要になるが,送信ストリームウェイト適用後のトレーニング信号からチャネル行列を推定し,そのチャネル行列から受信アンテナウェイトを決定することで対応できる。   A schematic diagram of mode conversion by the transmission stream weight is shown in FIG. In this figure, it is assumed that the number of transmission / reception antennas is three. (A) shows three eigenmodes that can be generated by conventional eigenmode transmission. The effective SNR is expressed by the thickness of the pipe. x1 to 3 are transmission data signals, and y1 to 3 are reception data signals. At this time, it is assumed that the SNR of the eigenmode in which communication is performed from x1 to y1 is high and the optimum modulation multilevel number cannot be selected. In this case, the first eigenmode and the second eigenmode are combined with the transmission stream weight. The state where the transmission stream weight is applied is (b). Then, since x1 and x2 are communicated using both the first eigenmode and the second eigenmode, as shown in (c), both effective SNRs are equal to the SNR of the first eigenmode and the second eigenmode. It becomes an intermediate value of the SNR of the mode. As a result, the SNR state that is too high is improved, so that it is possible to perform communication by selecting the optimum multi-level modulation, and it is possible to increase the communication capacity. The reception stream weight must be applied in addition to the reception antenna weight in accordance with the transmission stream weight application. The channel matrix is estimated from the training signal after the transmission stream weight is applied, and the reception antenna weight is determined from the channel matrix. It can respond.

第1固有モードだけでなく,第2固有モード以降のモードでもSNRが高い状態にある場合には,固有値の大きい順に3つ以上の固有モードを合成すれば良い。   If the SNR is high not only in the first eigenmode but also in the modes after the second eigenmode, three or more eigenmodes may be synthesized in descending order of the eigenvalue.

送信ストリームウェイト適用前後で総送信パワーを保存する必要があり,また送信データ信号間の独立性を維持する必要があることから,送信ストリームウェイトはユニタリー行列であることが必要である。第1固有モードから第n固有モードまでを合成する場合の送信ストリームウェイトとして数13のWを採用するのが簡便である。   Since it is necessary to preserve the total transmission power before and after applying the transmission stream weight and to maintain independence between transmission data signals, the transmission stream weight needs to be a unitary matrix. It is convenient to adopt W in Expression 13 as a transmission stream weight when combining the first eigenmode to the nth eigenmode.

Figure 0005223939
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Wは成分の絶対値が全て等しいので,全てのモードを等しい重みで合成することができる。   Since all the absolute values of the components of W are equal, all modes can be combined with equal weight.

合成する固有モードの数を決定する際には,各固有モードの通信品質指標が予め設定された値より大きい固有モード全てと,残りの固有モードのうちで最も特異値の大きな固有モードを合成すれば良い。通信品質指標としては実効SNRを用いることができる。SNRが決まれば通信容量を算出することができ,その通信容量を達成するために必要な変調多値数と誤り訂正符号化率も決まるため,実際の通信システムにおいて採用可能な最大の変調多値数と符号化率から,それに対応するSNRを逆算すれば,固有モード合成の判定に用いる設定値を決定することが可能である。また同様にしてRSSI(Received Signal Strength Indicator)を通信品質指標として用いることも可能である。   When determining the number of eigenmodes to be combined, all eigenmodes whose communication quality indicators for each eigenmode are larger than a preset value and eigenmodes with the largest singular value among the remaining eigenmodes are combined. It ’s fine. Effective SNR can be used as a communication quality index. If the SNR is determined, the communication capacity can be calculated, and the number of modulation multi-levels and the error correction coding rate necessary to achieve the communication capacity are also determined. Therefore, the maximum modulation multi-level that can be adopted in an actual communication system is determined. If the SNR corresponding to the number and the coding rate are calculated backward, it is possible to determine the setting value used for the eigenmode synthesis determination. Similarly, RSSI (Received Signal Strength Indicator) can be used as a communication quality indicator.

本発明によって,固有モード伝送を行うMIMO無線通信システムにおいて,高いSNRの得られる通信環境でも,変調多値数の上限値による制限を緩和して通信容量の拡大が可能となる。   According to the present invention, in a MIMO wireless communication system that performs eigenmode transmission, even in a communication environment where a high SNR is obtained, it is possible to increase the communication capacity by relaxing the limitation due to the upper limit value of the modulation multilevel number.

送受信アンテナ本数を4とし,変調多値数の上限が64QAM,誤り訂正符号化率3/4の場合に本発明を適用した場合のシャノンの通信容量を平均SNRに対して示したグラフを図8に示す。伝搬は無相関レーリーフェージングに従うものとした。本発明方式の他に,Zero Forcing方式の場合と従来の固有モード伝送方式の場合を示した。図から明らかなように,本発明方式が最も大きな通信容量を達成できることがわかる。平均SNR=25dB付近では従来の固有モード伝送方式と比較して2.5dBの改善が得られている。   FIG. 8 is a graph showing the Shannon communication capacity with respect to the average SNR when the present invention is applied when the number of transmission / reception antennas is 4, the upper limit of the modulation multi-level number is 64QAM, and the error correction coding rate is 3/4. Shown in Propagation was subject to uncorrelated Rayleigh fading. In addition to the method of the present invention, the case of the Zero Forcing method and the case of the conventional eigenmode transmission method are shown. As can be seen from the figure, the method of the present invention can achieve the largest communication capacity. In the vicinity of the average SNR = 25 dB, an improvement of 2.5 dB is obtained as compared with the conventional eigenmode transmission method.

本発明の無線通信手順を示す図。The figure which shows the radio | wireless communication procedure of this invention. MIMO無線通信方式を説明する概略図。Schematic explaining a MIMO wireless communication system. 従来の固有モード伝送MIMO通信方式の通信手順を示す図。The figure which shows the communication procedure of the conventional eigenmode transmission MIMO communication system. 従来の固有モード伝送MIMO通信方式の通信手順を示す図。The figure which shows the communication procedure of the conventional eigenmode transmission MIMO communication system. 本発明の無線通信手順を示す図。The figure which shows the radio | wireless communication procedure of this invention. 送受信アンテナ4本で固有モードMIMO通信を行う場合の伝送利得の確率分布を示すグラフ。The graph which shows the probability distribution of the transmission gain at the time of performing eigenmode MIMO communication with four transmission / reception antennas. 本発明の無線通信方式における固有モードの合成を説明する概略図。FIG. 5 is a schematic diagram illustrating eigenmode synthesis in the wireless communication system of the present invention. 平均SNRに対する通信容量の関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship of the communication capacity with respect to average SNR. 本発明の無線通信装置の機能ブロック図。The functional block diagram of the radio | wireless communication apparatus of this invention. 本発明の無線通信装置の機能ブロック図。The functional block diagram of the radio | wireless communication apparatus of this invention.

以下,本発明にかかる実施形態を説明する。   Embodiments according to the present invention will be described below.

図1は第1の実施例であり,本発明のMIMO無線通信方式における手順を示している。この図において送信端末から受信端末へデータが送信されるが,両端末は送信,受信の両方の機能を備えており,制御情報などを相互にやりとりすることができる。   FIG. 1 is a first embodiment and shows a procedure in the MIMO wireless communication system of the present invention. In this figure, data is transmitted from the transmission terminal to the reception terminal, but both terminals have both transmission and reception functions and can exchange control information and the like.

最初に,送信端末がトレーニングデータを送信し,受信端末がトレーニングデータを受信する。このトレーニングデータは規格等で定められる既知の信号であり,既知信号からの振幅,位相の変化を見ることでチャネル行列を推定することが可能である。次に,受信端末は推定によって得られたチャネル行列と通信品質情報を送信端末へ返信する。通信品質情報にはSNRやRSSIを用いることができる。送信端末は返信されたチャネル行列と通信品質情報を受信する。受信したチャネル行列を特異値展開することで,固有モード伝送方式における送信アンテナウェイトと,各固有モードの特異値を得る。得られた特異値と受信した通信品質情報から,各固有モードの通信品質指標を計算し,その通信品質指標から合成する固有モードを決定する。各固有モードの通信品質指標には,各固有モードの実効SNRやRSSIを用いることができる。合成する固有モードは,予め実効SNRやRSSIの基準を定めておき,その基準を越える固有モードとその次に大きな特異値を持つ固有モードを合成するとして決定することができる。次に,決定された合成対象の固有モードを合成する送信ストリームウェイトを決定する。簡便には数13によって送信ストリームウェイトトとすることができる。その後,送信ストリームウェイト,送信アンテナウェイト処理を施したトレーニングデータを送信する。   First, the transmission terminal transmits training data, and the reception terminal receives training data. This training data is a known signal determined by a standard or the like, and a channel matrix can be estimated by looking at changes in amplitude and phase from the known signal. Next, the receiving terminal returns the channel matrix and the communication quality information obtained by the estimation to the transmitting terminal. SNR and RSSI can be used for the communication quality information. The transmitting terminal receives the returned channel matrix and communication quality information. A singular value expansion is performed on the received channel matrix to obtain a transmission antenna weight in the eigenmode transmission scheme and a singular value of each eigenmode. A communication quality index for each eigenmode is calculated from the obtained singular value and the received communication quality information, and an eigenmode to be synthesized is determined from the communication quality index. The effective SNR and RSSI of each eigenmode can be used as the communication quality index for each eigenmode. The eigenmode to be synthesized can be determined by preliminarily setting an effective SNR or RSSI standard and synthesizing an eigenmode exceeding the standard and the eigenmode having the next largest singular value. Next, a transmission stream weight for combining the determined eigenmodes to be combined is determined. For simplicity, the transmission stream weight can be obtained by Equation (13). Thereafter, training data subjected to transmission stream weight and transmission antenna weight processing is transmitted.

受信端末はそのトレーニングデータを受信し,チャネル行列を推定する。そのチャネル行列を用いて受信アンテナウェイトを算出する。受信アンテナウェイトの算出にはZero Forcing方式,MMSE方式,MLD方式などを用いることができる。推定されたチャネル行列は送信ストリームウェイト,送信アンテナウェイトの変換を含んでいるため,算出された受信アンテナウェイトを用いればこれらの変換を相殺して送信データ信号を復元できる。最後に,送信端末が送信ストリームウェイト,送信アンテナウェイト処理を施して送信データ信号を送信することで,受信端末では,受信アンテナウェイトを用いてデータ信号を復元することができる。以上の手順により送信端末と受信端末の間での通信が達成される。   The receiving terminal receives the training data and estimates the channel matrix. The receiving antenna weight is calculated using the channel matrix. For calculating the receiving antenna weight, the Zero Forcing method, the MMSE method, the MLD method, or the like can be used. Since the estimated channel matrix includes conversion of transmission stream weights and transmission antenna weights, the transmission data signal can be restored by canceling these conversions using the calculated reception antenna weights. Finally, the transmission terminal performs transmission stream weight and transmission antenna weight processing and transmits the transmission data signal, so that the reception terminal can restore the data signal using the reception antenna weight. Communication between the transmitting terminal and the receiving terminal is achieved by the above procedure.

図5は第2の実施例であり,本発明のMIMO無線通信方式における手順を示している。第1の実施例と同様に,この図において送信端末から受信端末へデータが送信されるが,両端末は送信,受信の両方の機能を備えており,制御情報などを相互にやりとりすることができる。   FIG. 5 shows a procedure in the MIMO wireless communication system of the present invention, which is the second embodiment. As in the first embodiment, data is transmitted from the transmitting terminal to the receiving terminal in this figure, but both terminals have both transmission and reception functions and can exchange control information and the like with each other. it can.

最初に,送信端末がトレーニングデータを送信し,受信端末がトレーニングデータを受信する。このトレーニングデータは規格等で定められる既知の信号であり,既知信号からの振幅,位相の変化を見ることでチャネル行列を推定することが可能である。次に,受信端末は推定によって得られたチャネル行列を特異値展開することで,固有モード伝送方式における送信アンテナウェイトと,各固有モードの特異値を得る。得られた特異値と通信品質情報から,各固有モードの通信品質指標を計算し,その通信品質指標から合成する固有モードを決定する。各固有モードの通信品質指標には,各固有モードの実効SNRやRSSIを用いることができる。合成する固有モードは,予め実効SNRやRSSIの基準を定めておき,その基準を越える固有モードとその次に大きな特異値を持つ固有モードを合成するとして決定することができる。次に,決定された合成対象の固有モードを合成する送信ストリームウェイトを決定する。簡便には数13によって送信ストリームウェイトとすることができる。そして,決定した送信ストリームウェイトと送信アンテナウェイトを送信端末に返信する。送信ストリームウェイトと送信アンテナウェイトは行列積によって合成することができるので,返信する情報量を減らすためには合成された送信ウェイトを返信すれば良い。   First, the transmission terminal transmits training data, and the reception terminal receives training data. This training data is a known signal determined by a standard or the like, and a channel matrix can be estimated by looking at changes in amplitude and phase from the known signal. Next, the receiving terminal expands the singular value of the channel matrix obtained by the estimation to obtain the transmission antenna weight in the eigenmode transmission scheme and the singular value of each eigenmode. From the obtained singular value and communication quality information, a communication quality index for each eigenmode is calculated, and an eigenmode to be synthesized is determined from the communication quality index. The effective SNR and RSSI of each eigenmode can be used as the communication quality index for each eigenmode. The eigenmode to be synthesized can be determined by preliminarily setting an effective SNR or RSSI standard and synthesizing an eigenmode exceeding the standard and the eigenmode having the next largest singular value. Next, a transmission stream weight for combining the determined eigenmodes to be combined is determined. For simplicity, the transmission stream weight can be obtained by Equation (13). Then, the determined transmission stream weight and transmission antenna weight are returned to the transmission terminal. Since the transmission stream weight and the transmission antenna weight can be combined by a matrix product, the combined transmission weight may be returned to reduce the amount of information to be returned.

送信端末は合成された送信ウェイトを受信し,送信ウェイト処理を施したトレーニングデータを送信する。受信端末はそのトレーニングデータを受信し,チャネル行列を推定する。そのチャネル行列を用いて受信アンテナウェイトを算出する。受信アンテナウェイトの算出にはZero Forcing方式,MMSE方式,MLD方式などを用いることができる。推定されたチャネル行列は送信ウェイトの変換を含んでいるため,算出された受信アンテナウェイトを用いればこれらの変換を相殺して送信データ信号を復元できる。最後に,送信端末が送信ウェイト処理を施して送信データ信号を送信することで,受信端末では,受信アンテナウェイトを用いてデータ信号を復元することができる。以上の手順により送信端末と受信端末の間での通信が達成される。   The transmitting terminal receives the combined transmission weight and transmits training data subjected to transmission weight processing. The receiving terminal receives the training data and estimates the channel matrix. The receiving antenna weight is calculated using the channel matrix. The calculation of the receiving antenna weight can use a Zero Forcing method, an MMSE method, an MLD method, or the like. Since the estimated channel matrix includes transmission weight conversions, the transmission data signal can be restored by canceling these conversions by using the calculated reception antenna weights. Finally, the transmission terminal performs transmission weight processing and transmits a transmission data signal, so that the reception terminal can restore the data signal using the reception antenna weight. Communication between the transmitting terminal and the receiving terminal is achieved by the above procedure.

図9は第3の実施例であり,本発明のMIMO無線通信方式にて通信を行う無線通信装置の機能ブロック図を示している。   FIG. 9 is a functional block diagram of a wireless communication apparatus that performs communication by the MIMO wireless communication system of the present invention, according to the third embodiment.

図9の無線通信装置はN本のアンテナ101−1〜Nを有しており,スイッチ102−1〜Nに接続されている。スイッチ102は無線通信装置が送信を行う際には送信回路とアンテナを接続し,受信を行う際には受信回路とアンテナを接続するように切り替えられる。スイッチ102は無線LANのようなTDD(Time Division Duplex:時分割複信)方式を採用するシステムで必要となり,携帯電話でよく用いられるFDD(Frequency Division Duplex:周波数分割複信)方式を採用するシステムではDuplexerと呼ばれるフィルタを配置する。   The wireless communication apparatus in FIG. 9 has N antennas 101-1 to 101-N and is connected to the switches 102-1 to 102-N. The switch 102 is switched to connect the transmission circuit and the antenna when the wireless communication apparatus performs transmission, and to connect the reception circuit and the antenna when reception is performed. The switch 102 is required in a system that employs a TDD (Time Division Duplex) method such as a wireless LAN, and a system that employs an FDD (Frequency Division Duplex) method often used in mobile phones. Then, a filter called Duplexer is arranged.

受信時にはスイッチ102によってアンテナ101と受信アナログRF回路103が接続される。受信アナログRF回路ではダウンコンバージョンが行われ,受信信号がベースバンドアナログ信号に変換される。受信アナログRF回路の出力はAD変換器104に接続され,ベースバンドアナログ信号がデジタル信号に変換される。AD変換器104の出力はFFT処理部105に接続される。FFT処理部105では受信信号をOFDMのサブキャリアへ分解する。無線LANではOFDMが採用されているためFFT処理部105が必要となるが,シングルキャリア伝送を行う通信方式ではFFT処理部が不要となる。FFT処理部105の出力は2つに分岐され,一方はチャネル行列推定部110に接続される。チャネル放列推定部110ではトレーニング信号受信時にチャネル行列の推定が行われる。チャネル行列推定部の出力は2つのブロックへと接続される。一方は受信アンテナウェイト算出部111へと入力される。受信アンテナウェイト算出部111では,Zero Forcing方式,MMSE方式,あるいはMLD方式などによって,推定されたチャネル行列から受信アンテナウェイトを算出する。2分岐されたFFT処理部105の出力のもう一方と,受信アンテナウェイト算出部111の出力が受信アンテナウェイト処理部106に入力される。受信アンテナウェイト処理部106では受信データ信号復元が必要な際に受信アンテナウェイト算出部111で算出された受信アンテナウェイトを用いて受信データ信号復元を行う。復元されたデータ信号は復調機107に入力され,ここでビットデータに変換される。復調機107の出力は誤り訂正復号ならびにパラレル/シリアル変換器108に入力され,誤り訂正復号とパラレル/シリアル変換が行われる。誤り訂正復号ならびにパラレル/シリアル変換器108の出力はチャネル情報抽出部109に入力され,受信データが通信相手との間のチャネル行列や通信品質情報であった場合に,これらの情報を抽出する。それ以外の受信データの場合には上位層へと引き渡される。チャネル情報抽出部109で抽出されたチャネル行列は特異値展開処理部112へと入力され特異値展開が行われる。これにより定まる送信アンテナウェイトは送信アンテナウェイト処理部117へと引き渡される。また特異値については送信ストリームウェイト算出部113に入力される。送信ストリームウェイト算出部113は特異値を用いて各固有モードの通信特性指標を評価し,送信ストリームウェイトを決定する。ここで決定された送信ストリームウェイトが送信ストリームウェイト処理部118へと入力される。   During reception, the antenna 102 and the reception analog RF circuit 103 are connected by the switch 102. In the reception analog RF circuit, down conversion is performed, and the reception signal is converted into a baseband analog signal. The output of the reception analog RF circuit is connected to the AD converter 104, and the baseband analog signal is converted into a digital signal. The output of the AD converter 104 is connected to the FFT processing unit 105. The FFT processing unit 105 decomposes the received signal into OFDM subcarriers. Since the wireless LAN employs OFDM, the FFT processing unit 105 is necessary. However, the FFT processing unit is not necessary in a communication system that performs single carrier transmission. The output of the FFT processing unit 105 is branched into two, and one is connected to the channel matrix estimation unit 110. A channel matrix estimation unit 110 estimates a channel matrix when receiving a training signal. The output of the channel matrix estimator is connected to two blocks. One is input to the reception antenna weight calculation unit 111. The reception antenna weight calculation unit 111 calculates the reception antenna weight from the estimated channel matrix by the Zero Forcing method, the MMSE method, the MLD method, or the like. The other output of the two-branched FFT processing unit 105 and the output of the reception antenna weight calculation unit 111 are input to the reception antenna weight processing unit 106. The reception antenna weight processing unit 106 performs reception data signal restoration using the reception antenna weight calculated by the reception antenna weight calculation unit 111 when reception data signal restoration is necessary. The restored data signal is input to the demodulator 107 where it is converted into bit data. The output of the demodulator 107 is input to the error correction decoding and parallel / serial converter 108, where error correction decoding and parallel / serial conversion are performed. The error correction decoding and the output of the parallel / serial converter 108 are input to the channel information extraction unit 109, and when the received data is a channel matrix or communication quality information with the communication partner, the information is extracted. In the case of other received data, it is delivered to the upper layer. The channel matrix extracted by the channel information extraction unit 109 is input to the singular value expansion processing unit 112 and singular value expansion is performed. The transmission antenna weight determined in this way is delivered to the transmission antenna weight processing unit 117. The singular value is input to the transmission stream weight calculation unit 113. The transmission stream weight calculation unit 113 evaluates the communication characteristic index of each eigenmode using the singular value and determines the transmission stream weight. The transmission stream weight determined here is input to transmission stream weight processing section 118.

チャネル情報付加部122に上位層から通信データが引き渡される。また,2つに分岐されたチャネル行列推定部110の出力もチャネル情報付加部122に入力され,送信すべきチャネル行列が存在する場合には通信データに先立って送信される。チャネル情報付加部122の出力はシリアル/パラレル変換ならびに誤り訂正符号器121に入力され,シリアル/パラレル変換と誤り訂正符号化が行われる。シリアル/パラレル変換ならびに誤り訂正符号器121の出力は変調機120で変調された後にトレーニング信号付加部119へ入力される。トレーニング信号付加部119では,必要に応じてトレーニング信号を付加して送信する。トレーニング信号付加部119の出力は送信ストリームウェイト処理部118と送信アンテナウェイト処理部117で処理される。送信ストリームウェイト処理部118と送信アンテナウェイト処理部117の処理はともに行列演算であるため,送信ストリームウェイトと送信アンテナウェイトを予め行列積によって合成しておけば,送信ウェイト処理を1つの処理で済ますこともできる。送信アンテナウェイト処理部117の出力はIFFT処理部116でOFDMのサブキャリア信号から時間領域信号へと変換される。シングルキャリア伝送を行う通信方式においてはFFT処理部105と同様にIFFT処理部116も不要となる。IFFT処理部116の出力はDA変換器115でアナログ信号に変換された後,送信アナログRF回路114でアップコンバージョンが行われ,スイッチ102へと接続される。送信時にはスイッチ102によってアンテナ101と送信アナログRF回路114が接続され,信号が送信される。   Communication data is delivered from the upper layer to the channel information adding unit 122. Further, the output of the channel matrix estimation unit 110 branched into two is also input to the channel information addition unit 122, and when there is a channel matrix to be transmitted, it is transmitted prior to the communication data. The output of the channel information adding unit 122 is input to the serial / parallel conversion and error correction encoder 121, and serial / parallel conversion and error correction coding are performed. The output of the serial / parallel conversion and error correction encoder 121 is modulated by the modulator 120 and then input to the training signal adding unit 119. The training signal adding unit 119 adds a training signal as necessary and transmits it. The output of the training signal adding unit 119 is processed by the transmission stream weight processing unit 118 and the transmission antenna weight processing unit 117. Since the transmission stream weight processing unit 118 and the transmission antenna weight processing unit 117 are both matrix operations, if the transmission stream weight and the transmission antenna weight are combined in advance by a matrix product, the transmission weight processing can be performed by one process. You can also. The output of transmission antenna weight processing section 117 is converted from an OFDM subcarrier signal to a time domain signal by IFFT processing section 116. In the communication system that performs single carrier transmission, the IFFT processing unit 116 is also unnecessary as in the FFT processing unit 105. The output of the IFFT processing unit 116 is converted into an analog signal by the DA converter 115, up-converted by the transmission analog RF circuit 114, and connected to the switch 102. At the time of transmission, the antenna 102 and the transmission analog RF circuit 114 are connected by the switch 102, and a signal is transmitted.

以下では,図1に示す無線通信手順に従って,図9の無線通信装置の動作を説明する。送信端末,受信端末とも図9の無線通信装置の構造を取る。送信端末からトレーニングデータを送信する際にはトレーニング信号付加部119でトレーニング信号を付加し,送信する。その際,送信アンテナウェイト処理部117,送信ストリームウェイト処理部118ではウェイト処理を行わない。次に受信端末でトレーニング信号を受信する。この時,チャネル行列推定部110でチャネル行列を推定し,チャネル情報付加部122で推定したチャネル情報を付加して,送信端末へチャネル情報を返信する。送信端末はこのチャネル情報を受信し,チャネル情報抽出部109でチャネル行列を抽出し,特異値展開処理部112で特異値展開を行う。特異値展開の結果から送信アンテナウェイトを送信アンテナウェイト処理部117へ伝達し,また特異値を用いて送信ストリームウェイト算出部113で送信ストリームウェイトを算出して送信ストリームウェイト処理部118へ伝達する。その後に,トレーニング信号付加部119でトレーニング信号を付加して受信端末へ向けて送信する。この時,送信アンテナウェイト処理部117と送信ストリームウェイト処理部118では設定された送信ウェイトを使って処理を行う。受信端末ではトレーニング信号を受信してチャネル行列推定部110でチャネル行列を推定する。推定した行列から,受信アンテナウェイト算出部111で受信アンテナウェイトを算出して受信アンテナウェイト処理部106に設定する。この後,送信端末が送信ウェイト処理を施して送信データ信号を送信することで,受信端末では,受信アンテナウェイトを用いてデータ信号を復元することができ,通信が確立される。   Hereinafter, the operation of the wireless communication apparatus of FIG. 9 will be described according to the wireless communication procedure shown in FIG. Both the transmitting terminal and the receiving terminal take the structure of the wireless communication apparatus of FIG. When training data is transmitted from the transmission terminal, a training signal is added by a training signal adding unit 119 and transmitted. At this time, the transmission antenna weight processing unit 117 and the transmission stream weight processing unit 118 do not perform weight processing. Next, the training signal is received at the receiving terminal. At this time, the channel matrix estimating unit 110 estimates the channel matrix, adds the channel information estimated by the channel information adding unit 122, and returns the channel information to the transmitting terminal. The transmission terminal receives this channel information, extracts a channel matrix by the channel information extraction unit 109, and performs singular value expansion by the singular value expansion processing unit 112. The transmission antenna weight is transmitted to the transmission antenna weight processing unit 117 from the result of the singular value expansion, and the transmission stream weight calculation unit 113 calculates the transmission stream weight using the singular value and transmits it to the transmission stream weight processing unit 118. Thereafter, a training signal is added by the training signal adding unit 119 and transmitted to the receiving terminal. At this time, the transmission antenna weight processing unit 117 and the transmission stream weight processing unit 118 perform processing using the set transmission weight. The receiving terminal receives the training signal, and the channel matrix estimation unit 110 estimates the channel matrix. From the estimated matrix, the reception antenna weight calculation unit 111 calculates the reception antenna weight and sets it in the reception antenna weight processing unit 106. Thereafter, the transmission terminal performs transmission weight processing and transmits a transmission data signal, so that the reception terminal can restore the data signal using the reception antenna weight, and communication is established.

以上のように図9の無線通信装置が働くことで,高いSNRの得られる通信環境でも,変調多値数を増加させることなく大きな通信容量を実現することが可能となる。   As described above, the wireless communication apparatus of FIG. 9 works, and it is possible to realize a large communication capacity without increasing the modulation multi-level number even in a communication environment where a high SNR is obtained.

図10は第4の実施例であり,本発明のMIMO無線通信方式にて通信を行う無線通信装置の機能ブロック図を示している。   FIG. 10 shows a functional block diagram of a wireless communication apparatus that performs communication by the MIMO wireless communication system of the present invention in the fourth embodiment.

図10の無線通信装置は,その構成の大半が図9の無線通信装置と同一である。図9と異なるのは特異値展開処理部112と送信ストリームウェイト算出部113の位置であり,この構成は特異値展開と送信ストリームウェイトの算出を受信端末が行うことになる。   The configuration of the wireless communication apparatus of FIG. 10 is the same as that of the wireless communication apparatus of FIG. 9 differs from FIG. 9 in the positions of the singular value expansion processing unit 112 and the transmission stream weight calculation unit 113. In this configuration, the reception terminal performs singular value expansion and transmission stream weight calculation.

チャネル行列推定部110で推定されたチャネル行列は,受信アンテナウェイト算出部111の他に特異値展開処理部112に入力される。特異値展開処理部112で得られる送信アンテナウェイトはチャネル情報付加部122へと引き渡される。特異値は送信ストリームウェイト算出部117に入力されて,ここで送信ストリームウェイトが決定され,チャネル情報付加部122へと引き渡される。チャネル情報付加部122は送信ウェイトを送信端末へ返信する機能を担うが,送信ストリームウェイトと送信アンテナウェイトは行列積によって合成することができるので,返信する情報量を減らすためには合成された送信ウェイトを返信すれば良い。   The channel matrix estimated by the channel matrix estimation unit 110 is input to the singular value expansion processing unit 112 in addition to the reception antenna weight calculation unit 111. The transmission antenna weight obtained by the singular value expansion processing unit 112 is delivered to the channel information adding unit 122. The singular value is input to the transmission stream weight calculation unit 117, where the transmission stream weight is determined and delivered to the channel information addition unit 122. The channel information adding unit 122 has a function of returning the transmission weight to the transmission terminal. However, since the transmission stream weight and the transmission antenna weight can be combined by a matrix product, the combined transmission is used to reduce the amount of information to be returned. You can reply the weight.

チャネル情報抽出部109は,送信ウェイトが返信された場合に送信アンテナウェイトと送信ストリームウェイトを抽出し,送信アンテナウェイト処理部117と送信ストリームウェイト処理部118に設定する。ただし,前記の通りに送信アンテナウェイトと送信ストリームウェイトが行列積によって合成された送信ウェイトが返信される場合には,その合成された送信ウェイトで送信ウェイト処理する処理部が1つあれば良い。   The channel information extraction unit 109 extracts the transmission antenna weight and the transmission stream weight when the transmission weight is returned, and sets the transmission antenna weight processing unit 117 and the transmission stream weight processing unit 118. However, as described above, when a transmission weight in which the transmission antenna weight and the transmission stream weight are combined by a matrix product is returned, it is only necessary to have one processing unit that performs transmission weight processing using the combined transmission weight.

以下では,図5に示す無線通信手順に従って,図10の無線通信装置の動作を説明する。送信端末,受信端末とも図10の無線通信装置の構造を取る。送信端末からトレーニングデータを送信する際にはトレーニング信号付加部119でトレーニング信号を付加し,送信する。その際,送信アンテナウェイト処理部117,送信ストリームウェイト処理部118ではウェイト処理を行わない。次に受信端末でトレーニング信号を受信する。この時,チャネル行列推定部110でチャネル行列を推定し,特異値展開処理部112で特異値展開を行う。特異値展開の結果から送信アンテナウェイトをチャネル情報付加部122へ引き渡し,また特異値を用いて送信ストリームウェイト算出部113が各固有モードの通信特性指標を評価し,送信ストリームウェイトを算出してチャネル情報付加部122へ引き渡す。今度はチャネル情報付加部122で送信ウェイトのデータを付加して,送信端末へ返信する。送信端末はこの送信ウェイトのデータを受信し,チャネル情報抽出部109で送信ウィエトを抽出し,送信アンテナウェイト処理部117と送信ストリームウェイト算出部113に設定する。その後に,トレーニング信号付加部119でトレーニング信号を付加して受信端末へ向けて送信する。この時,送信アンテナウェイト処理部117と送信ストリームウェイト処理部118では設定された送信ウェイトを使って処理を行う。受信端末ではトレーニング信号を受信してチャネル行列推定部110でチャネル行列を推定する。推定した行列から,受信アンテナウェイト算出部111で受信アンテナウェイトを算出して受信アンテナウェイト処理部106に設定する。この後,送信端末が送信ウェイト処理を施して送信データ信号を送信することで,受信端末では,受信アンテナウェイトを用いてデータ信号を復元することができ,通信が確立される。   Hereinafter, the operation of the wireless communication apparatus of FIG. 10 will be described according to the wireless communication procedure shown in FIG. Both the transmitting terminal and the receiving terminal take the structure of the wireless communication apparatus of FIG. When training data is transmitted from the transmission terminal, a training signal is added by a training signal adding unit 119 and transmitted. At this time, the transmission antenna weight processing unit 117 and the transmission stream weight processing unit 118 do not perform weight processing. Next, the training signal is received at the receiving terminal. At this time, the channel matrix estimation unit 110 estimates the channel matrix, and the singular value expansion processing unit 112 performs singular value expansion. The transmission antenna weight is passed to the channel information adding unit 122 from the result of the singular value expansion, and the transmission stream weight calculation unit 113 evaluates the communication characteristic index of each eigenmode using the singular value, and calculates the transmission stream weight to calculate the channel. Delivered to the information adding unit 122. This time, the channel information adding unit 122 adds the transmission weight data and sends it back to the transmitting terminal. The transmission terminal receives the transmission weight data, extracts the transmission weight by the channel information extraction unit 109, and sets it in the transmission antenna weight processing unit 117 and the transmission stream weight calculation unit 113. Thereafter, a training signal is added by the training signal adding unit 119 and transmitted to the receiving terminal. At this time, the transmission antenna weight processing unit 117 and the transmission stream weight processing unit 118 perform processing using the set transmission weight. The receiving terminal receives the training signal, and the channel matrix estimation unit 110 estimates the channel matrix. From the estimated matrix, the reception antenna weight calculation unit 111 calculates the reception antenna weight and sets it in the reception antenna weight processing unit 106. Thereafter, the transmission terminal performs transmission weight processing and transmits a transmission data signal, so that the reception terminal can restore the data signal using the reception antenna weight, and communication is established.

以上のように図10の無線通信装置が働くことでも,高いSNRの得られる通信環境でも,変調多値数を増加させることなく大きな通信容量を実現することが可能となる。   As described above, it is possible to realize a large communication capacity without increasing the modulation multi-level number even when the wireless communication apparatus of FIG. 10 works or in a communication environment where a high SNR is obtained.

101 アンテナ、102 スイッチ、103 受信アナログRF回路、104 AD変換器、105 FFT処理部、106 受信アンテナウェイト処理部、107 復調器、108 誤り訂正復号ならびにパラレル/シリアル変換器、109 チャネル情報抽出部、110 チャネル行列推定部、111 受信アンテナウェイト算出部、112 特異値展開処理部、113 送信ストリームウェイト算出部、114 送信アナログRF回路、115 DA変換器、116 IFFT処理部、117 送信アンテナウェイト処理部、118 送信ストリームウェイト処理部、119 トレーニング信号付加部、120 変調器、121 シリアル/パラレル変換ならびに誤り訂正符号器、122 チャネル情報付加部、201 送信アンテナウェイト処理部、202 送信アンテナ、203 受信アンテナ、204 受信アンテナウェイト処理部。   101 antenna, 102 switch, 103 reception analog RF circuit, 104 AD converter, 105 FFT processing unit, 106 reception antenna weight processing unit, 107 demodulator, 108 error correction decoding and parallel / serial converter, 109 channel information extraction unit, 110 channel matrix estimation unit, 111 reception antenna weight calculation unit, 112 singular value expansion processing unit, 113 transmission stream weight calculation unit, 114 transmission analog RF circuit, 115 DA converter, 116 IFFT processing unit, 117 transmission antenna weight processing unit, 118 transmission stream weight processing unit, 119 training signal addition unit, 120 modulator, 121 serial / parallel conversion and error correction encoder, 122 channel information addition unit, 201 transmission antenna weight processing unit 202 transmitting antenna 203 receiving antenna 204 receiving antenna weight processing unit.

Claims (5)

複数のアンテナを持つ送信局と複数のアンテナを持つ受信局の間で複数のデータが伝送されるMIMO(Multiple−Input Multiple−Output)無線通信方法であって、
前記送信局から送信されるトレーニング信号が前記受信局で受信されるトレーニング信号受信状態に基づいて該送信局と該受信局との間の伝搬路におけるチャネル行列を求め、該チャネル行列によって前記複数のデータの実効的な前記伝搬路の複数のモードを形成する第1のステップと、
前記複数のモードぞれぞれの通信特性指標を評価する第2のステップと、
前記複数のモードの少なくとも一部を合成して前記送信局から前記受信局へのデータ通信を行う第のステップと、を有し、
前記第3のステップは、前記第2のステップにより評価される前記通信特性指標が予め定められた基準より大きい1つ以上のモードと、前記基準より小さいモードのうち前記通信特性指標が最も大きいモードを合成することを特徴とするMIMO無線通信方法。
A MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) wireless communication method in which a plurality of data is transmitted between a transmitting station having a plurality of antennas and a receiving station having a plurality of antennas,
A channel matrix in a propagation path between the transmitting station and the receiving station is obtained based on a training signal reception state in which a training signal transmitted from the transmitting station is received at the receiving station , A first step of forming a plurality of modes of the effective propagation path of data ;
A second step of evaluating a communication characteristic index for each of the plurality of modes;
Have a, a third step of performing data communication from the transmission station by combining at least a portion of said plurality of modes to the receiving station,
The third step includes one or more modes in which the communication characteristic index evaluated in the second step is larger than a predetermined reference, and a mode having the largest communication characteristic index among modes smaller than the reference. A MIMO wireless communication method characterized by combining the above .
請求項1記載のMIMO無線通信方法であって、
前記通信特性指標として前記モードの実効伝搬利得を用いることを特徴とするMIMO無線通信方法。
The MIMO wireless communication method according to claim 1, wherein
A MIMO wireless communication method , wherein an effective propagation gain of the mode is used as the communication characteristic index .
請求項1記載のMIMO無線通信方法であって、
前記第のステップにおいて、前記モードの合成後の各モードの通信品質に応じて、各モードの変調多値数と誤り訂正符号の符号化率を適応的に制御することを特徴とするMIMO無線通信方法。
The MIMO wireless communication method according to claim 1, wherein
In the third step, according to the communication quality of each mode after the synthesis of the mode, you characterized by adaptively controlling the coding rate of the modulation multi-level number and the error correction code for each mode M IMO wireless communication method.
複数のアンテナを持つ送信局と複数のアンテナを持つ受信局の間で複数のデータが伝送されるMIMO(Multiple−Input Multiple−Output)無線通信システムにおける送信局であって、A transmitting station in a MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) wireless communication system in which a plurality of data is transmitted between a transmitting station having a plurality of antennas and a receiving station having a plurality of antennas,
該送信局と該受信局との間の伝搬路におけるチャネル行列に基づいて、前記複数のデータの実効的な前記伝搬路の複数のモードを形成するモード形成部と、Based on a channel matrix in a propagation path between the transmitting station and the receiving station, a mode forming unit that forms a plurality of modes of the effective propagation path of the plurality of data;
通信特性指標が予め定められた基準より大きい1つ以上のモードと、前記基準より小さいモードのうち前記通信特性指標が最も大きいモードを合成するストリームウェイトを算出し、前記ストリームウェイトの乗算によりモードを合成するストリームウェイト処理部と、A stream weight for combining one or more modes having a communication characteristic index larger than a predetermined reference and a mode having the largest communication characteristic index among modes smaller than the reference is calculated, and the mode is determined by multiplying the stream weight. A stream weight processing unit to be combined;
該ストリームウェイトが適用された送信信号を複数のアンテナから送信する無線通信部とを有することを特徴とする送信局。And a radio communication unit that transmits a transmission signal to which the stream weight is applied from a plurality of antennas.
複数のアンテナを持つ送信局と複数のアンテナを持つ受信局の間で複数のデータが伝送されるMIMO(Multiple−Input Multiple−Output)無線通信システムにおける受信局であって、A receiving station in a MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) wireless communication system in which a plurality of data is transmitted between a transmitting station having a plurality of antennas and a receiving station having a plurality of antennas,
該送信局から送信されるトレーニング信号を受信して該送信局との間の伝搬路のチャネル行列を推定するチャネル行列推定部と、A channel matrix estimation unit that receives a training signal transmitted from the transmission station and estimates a channel matrix of a propagation path to the transmission station;
該チャネル行列により前記複数のデータの実効的な伝搬路の複数のモードを決定し、通信特性指標が予め定められた基準より大きい1つ以上のモードと、前記基準より小さいモードのうち前記通信特性指標が最も大きいモードを合成するストリームウェイトを算出するストリームウェイト算出部と、A plurality of modes of an effective propagation path of the plurality of data are determined by the channel matrix, and one or more modes whose communication characteristic index is larger than a predetermined reference and the communication characteristic among the modes smaller than the reference A stream weight calculation unit for calculating a stream weight for combining the mode having the largest index;
該ストリームウェイトを前記送信局へ送信する送信部とを有し、A transmission unit for transmitting the stream weight to the transmission station,
前記ストリームウェイトは、前記送信局からのモード伝送を行うために用いられることを特徴とする受信局。The receiving station, wherein the stream weight is used for mode transmission from the transmitting station.
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