JP5331036B2

JP5331036B2 - 無線通信端末およびアンテナインピーダンスの制御方法

Info

Publication number: JP5331036B2
Application number: JP2010053772A
Authority: JP
Inventors: 一生菅野; 良晃天野
Original assignee: KDDI Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 2010-03-10
Filing date: 2010-03-10
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2030-03-10
Also published as: JP2011188385A

Description

本発明は、ＭＩＭＯ伝送可能な無線通信端末およびアンテナインピーダンスの制御方法に関する。

携帯電話機に代表される小型の無線通信端末では、周辺の環境変化やユーザの利用状態により入力インピーダンスが変化することで、インピーダンスの不整合が生じ、送受信特性が劣化することが知られている。そのため、無線通信端末の負荷インピーダンスを適応的に変化させることにより性能を補償する制御手法や回路構成が多く考案されている。

例えば特許文献１記載のアンテナ整合回路用制御装置では、アンテナの反射損失（ＶＳＷＲ）を最小化するように負荷インピーダンスを適応的に制御し整合状態を確保している。一方、負荷インピーダンスを変化させるとそれに伴いアンテナ放射パターンが変化する。そのため、アンテナ特性と伝搬特性を統合的に考慮した等価チャネル応答も変化する。ＭＩＭＯ伝送のように複数のアンテナを用いる場合は、通信性能がＶＳＷＲのみではなくアンテナ間相関等のアンテナ特性や伝搬特性にも大きく依存する。

そのため、特許文献２記載のインピーダンス制御方法は、受信側で負荷インピーダンスを変化させた場合のＳＮＲおよびアンテナ間のチャネル相関特性を取得し、これらの値から予測されるスループット値、もしくは推定したチャネル行列から計算される伝送容量値が大きくなるように制御している。

特開２００５−２４４３４０号公報特許第４１９８５５２号

しかしながら、特許文献１記載の技術をＭＩＭＯ伝送に適用し、全受信アンテナでのＶＳＷＲを最小化した場合、アンテナ・伝搬特性を考慮していないので、受信相関が高い場合に高い性能を得ることができない。特許文献２の技術を用いても、端末での受信スループットを基準とした制御技術であるために、上りリンクのスループットを高速化できない場合がある。たとえば、ＦＤＤ（Frequency Division Duplex）のように送受信で異なる周波数帯域を用いる場合、ＴＤＤのように同一帯域でも、上りと下りで使用する帯域幅が異なる場合である。後者については、特に、上りと下りどちらか一方は対象となる帯域の一部（サブバンド）のみを用いる場合等が考えられる。

また、ＭＩＭＯ伝送を用いる通信システムでは空間多重や時空間・周波数符号、ビームフォーミング等の伝送モードが複数存在する。これらのモードは無線環境に応じて切り替えて用いるのが一般的であり、上りと下りで異なるモードを用いることや、異なるアンテナ数を用いることも考えられる。このような場合も同様に上り品質を保証するのが困難になる。例えば端末が上りリンクで送信アンテナ１本、下りリンクで受信アンテナ２本を用いる場合を考える。この場合、下りの受信ＳＮＲと相関値を考慮して最適化されたインピーダンス値は、たとえアンテナ・伝搬の周波数特性が同一であっても上りの信号レベルを最大化できるとは限らない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、上りリンクと下りリンクでの無線性能を統合的に判断してアンテナの負荷インピーダンス値を適応的に制御するアンテナ制御装置とそれを有する無線通信端末およびアンテナインピーダンスの制御方法を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明の無線通信端末は、ＭＩＭＯ伝送に対応可能な無線通信端末であって、同一の物理量で表された上りリンクの特性値および下りリンクの特性値を変数とする評価関数を用いて評価量を算出する評価量算出部と、前記算出された評価量に基づいて、一つ以上のアンテナの負荷インピーダンス値を制御するインピーダンス制御部とを備えることを特徴としている。

これにより、ＭＩＭＯ伝送を用いた通信で、周辺環境やユーザ利用によって通信端末の入力インピーダンスが変化した場合に、上りリンク・下りリンク双方の性能を改善することができる。

（２）本発明の無線通信端末は、基地局スケジューラが採用する基準と同一の基準で計算対象のＭＩＭＯモードを選択するＭＩＭＯモード選択部を備え、前記評価量算出部は、前記選択されたＭＩＭＯモードで、各リンクの伝送容量を算出し、前記各リンクの伝送容量を変数として前記評価量を算出することを特徴としている。

このように、ＭＩＭＯモードを選択することで、各リンクで異なるＭＩＭＯモードを用いる場合にも両リンクの性能を改善できる。また、伝送容量を変数として評価量を算出することで、特にスループットを向上させることができる。

（３）本発明の無線通信端末は、前記評価量算出部は、前記評価関数として、各リンクの伝送容量をそれぞれの使用アプリケーションに応じて決まる定数で重み付けして加算する関数を用いて前記評価量を算出することを特徴としている。これにより、各リンクの使用アプリケーションに応じて、両リンクの通信性能を向上させることができる。

（４）本発明の無線通信端末は、前記評価量算出部は、前記それぞれの使用アプリケーションに応じて決まる定数として、所要のデータ量に対する使用帯域幅の割合を用いて前記評価量を算出することを特徴としている。これにより、適応的に帯域幅が変化する場合においても、両リンクの通信性能を向上させることができる。ただし、アプリケーション・帯域幅によって決定するこれらの定数を事前に取得しテーブル参照する構成であっても良い。

（５）本発明の無線通信端末は、前記評価量算出部は、チャネル情報として基地局からのフィードバック情報を用いて前記評価量を算出することを特徴としている。これにより、チャネル情報がフィードバックされる通信システムで両リンクの通信性能を向上させることができる。

（６）本発明の無線通信端末は、前記評価量算出部は、変換テーブルを用いて基地局で制御される送信電力値から上りリンクのＳＩＮＲを推定し、前記推定された上りリンクのＳＩＮＲを用いて前記評価量を算出することを特徴としている。このように変換テーブルを用いて等価的なＳＮＲを推定し、シングルストリームモードでの伝送容量計算値を用いることで一定の品質を保証することができる。

（７）本発明の無線通信端末は、前記ＭＩＭＯモード選択部は、上りリンクで用いるアンテナ数と下りリンクで用いるアンテナ数が異なる場合、少ないアンテナ数のリンクでインピーダンスを制御し、得られるＳＩＮＲが良好なアンテナから順次選択することを特徴としている。これにより、各リンクで異なる数のアンテナを用いる場合でも、容易に両リンクの性能を改善できる。特に、ＬＴＥについて対応が容易になる。

（８）本発明のアンテナインピーダンスの制御方法は、ＭＩＭＯ伝送に対応可能な無線通信端末を用いて行うアンテナインピーダンスの制御方法であって、同一の物理量で表された上りリンクの特性値および下りリンクの特性値を変数とする評価関数を用いて評価量を算出するステップと、前記算出された評価量に基づいて、一つ以上のアンテナの負荷インピーダンス値を制御するステップとを含むことを特徴としている。

本発明によれば、ＭＩＭＯ伝送を用いた通信で、周辺環境やユーザ利用によって通信端末の入力インピーダンスが変化した場合において上りリンク・下りリンク双方の性能を改善することができる。

本発明の無線通信端末の構成を示すブロック図である。実施例１の動作を示すフローチャートである。実施例２の動作を示すフローチャートである。実施例２の一部の動作を示すフローチャートである。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（基本的構成）
図１は、無線通信端末１０の構成を示すブロック図である。無線通信端末１０は、アンテナＡ−１〜ｎ、送受切替部Ｂ−１〜ｎ、受信回路１１、チャネル推定部１２、ＭＩＭＯモード選択部１３、評価量算出部１４、アプリケーション情報取得部１５、インピーダンス制御部１６、インピーダンス調整部１７および送信回路１８を備えている。

アンテナＡ−１〜ｎは、それぞれ通信方式に対応して変調された高周波を送受信する。各アンテナＡ−１〜ｎは送受切替部を介し送受信回路Ｂ−１〜ｎに接続することで共用されている。

送受切替部Ｂ−１〜ｎは、アンテナＡ−１〜ｎに対して受信回路１１または送信回路１８の接続を切り替え、送受信に応じて信号の入出力に方向性を持たせる。受信回路１１は、受信信号を処理する回路である。チャネル推定部１２は、受信チャンネル状況を推定する。具体的には受信信号からチャンネル推定値を計算する。

ＭＩＭＯモード選択部１３は、チャネル推定部１２で得られた受信チャネル状況、基地局側からの上りリンク制御情報およびそれらの値を用いて計算できる所要の物理量から評価量を算出しモードを選択する。このように、ＭＩＭＯモードを選択することで、各リンクで異なるＭＩＭＯモードを用いる場合にも両リンクの性能を改善できる。また、伝送容量を変数として評価量を算出することで、特に通信性能を向上させることができる。なお、無線通信端末１０は、上りおよび下りのモードを事前に把握し、基地局側で採用されるモード選択基準を事前に記憶しておく。

また、ＭＩＭＯモード選択部１３は、上りリンク送信と下りリンク受信を行う無線通信端末１０側のアンテナ本数が異なる場合、用いるアンテナ数の少ないリンクでは、アンテナを選択して用いるアンテナ選択機能を有する。アンテナ選択機能の制御により良好な特性値を得ることができる。

評価量算出部１４は、アプリケーション情報取得部１５で得られた使用アプリケーションの情報と、チャネル推定部１２で得られた受信チャネル状況および基地局側からの制御情報から予測される送受信の特性に基づいて現状のインピーダンス値での評価量を計算する。これにより、ＭＩＭＯ伝送を用いた通信で、周辺環境やユーザ利用によって通信端末の入力インピーダンスが変化した場合に、上りリンク・下りリンク双方の性能を改善することができる。

評価量算出部１４は、送受信の両特性値を変数とする評価関数f_m(f_m ^(UL)，f_m ^(DL))を用いて評価量を算出する。mは、無線通信端末１０側で選択可能なインピーダンス候補のインデックスを表し、f_m ^(UL)およびf_m ^(DL)は各候補に対する上りリンク、下りリンクでの特性値を表す。評価関数f_mは両リンクの特性を同一の物理量で統一して算出する。特性値f_m ^(UL)およびf_m ^(DL)は例えば伝送容量であるが、これに限定されず消費電力であってもよく省電力の基準を含めて評価量を算出してもよい。

また、評価関数f_mはアプリケーション情報取得部１５から通知される使用アプリケーション情報および上りまたは下りの帯域幅等に応じて適応的に変化させる。上りおよび下りのそれぞれの特性値、f_m ^(UL)およびf_m ^(DL)はＭＩＭＯモードやアンテナ数により計算方法が異なり、通常これらのモードは基地局スケジューラにより決定される。

アプリケーション情報取得部１５は、使用アプリケーション情報を評価量算出部１４に通知する。インピーダンス制御部１６は、算出された評価量に基づき、次に調整すべきインピーダンス値候補を決定し、インピーダンス調整部１７に制御情報を通知する。

インピーダンス調整部１７は、インピーダンス制御部からの制御信号に基づいて、アンテナのインピーダンスを適応的に調整する。これは、アンテナ毎独立に制御する負荷インピーダンスを調整して行ってもよい。その場合は、全アンテナの負荷インピーダンス値の組み合わせで定義される評価量を用いて適切な組み合わせを選択するように制御する。送信回路１８は、送信信号を処理する回路である。以上のように構成される無線通信端末１０の動作の一例を実施例として以下に説明する。

（実施例１）
本実施例では、基地局および無線通信端末１０が２本のアンテナで送受信を行うものとする。負荷インピーダンス値mに対する、無線通信端末１０の第kアンテナでの受信信号r_k,m ^(DL)は以下のように表すことができる。

h_kl,m ^(DL)は負荷インピーダンスがmの場合の無線通信端末１０の第k受信アンテナ、基地局第l送信アンテナ間のチャネル応答を表す。ただし、伝搬遅延時間が大きい場合、各周波数帯域での周波数応答として考えてもよい。s_l ^(DL)は基地局第l送信アンテナからの送信信号、n_k ^(DL)は無線通信端末１０の第k受信アンテナでの加法性雑音を表す。同様に上りリンク基地局第lアンテナでの受信信号r_l,m ^(UL)は以下のように表すことができる。

図２は、無線通信端末１０の動作を示すフローチャートである。負荷インピーダンスの第０番目の候補から順次処理を行う（ステップＳ１）。まず、f_m ^(UL)およびf_m ^(DL)を伝送容量として計算する。最初に、f_m ^(DL)を次のように計算する。

そして、下りリンクについて、チャネル推定部１２が受信信号からチャネル推定値を計算する（ステップＳ２）。さらに、推定値から受信平均ＳＩＮＲγ_m ^(DL)およびチャネル相関を計算し、ＭＩＭＯモード選択部１３が伝送容量計算対象のＭＩＭＯモードを選択する（ステップＳ３）。なお、本実施例では、ＭＩＭＯモードの選択に、ＳＩＮＲとチャネル相関を用いているが、基地局スケジューラが別の基準を用いる場合は、その基準の計算手法で計算する。空間多重伝送を用いる場合f_m ^(DL)を以下の式で計算する（ステップＳ４）。

なお、ＭＩＭＯモード選択部１３で送信ダイバーシティ等のシングルストリーム伝送方式を選択した場合は、チャネル推定値を用いて、ダイバーシティゲイン等を換算した等価的なＳＮＲを計算し、以下の伝送容量計算を行う。なお、ＭＩＭＯ伝送がこれらと異なるモードに対応している場合には、モードに対応した別の計算手法を用いてもよい。

上りリンクについては、上りリンク制御情報を取得する（ステップＳ５）。そして、上りリンク制御情報に基づき、下りリンクと同様にチャネル推定値を用いてＭＩＭＯモード選択部１３が送容量計算対象のＭＩＭＯモードを選択する（ステップＳ６）。選択されたモードに対応して上りリンクの伝送容量f_m ^(UL)を以下の式で計算する（ステップＳ７）。

評価量算出部１４は、各リンクのデータ量に対する帯域幅で重み付けを行う以下の関数を用いて、評価量として、上りリンク、下りリンクの伝送容量を算出する（ステップＳ８）。

B_w ^(UL)、B_w ^(DL)およびD^(UL)、D^(DL)は、上りリンク、下りリンクそれぞれの使用帯域幅および所要データ量を表す。これらの値は、アプリケーション情報取得部１５および制御情報から得ることができる。上記評価量の変化量を最大にするインピーダンス候補mを求めることで、最適な負荷インピーダンスを決定する。これにより、適応的に帯域幅が変化する場合においても、両リンクの通信性能を向上させることができる。

このように評価関数f_mとして、各リンクの伝送容量をそれぞれの使用アプリケーションに応じて決まる定数で重み付けして加算を行い、評価量を算出することができる。定数は、使用アプリケーションで決まる各リンクの伝送能力を表すものであることが好ましい。なお、重み付けの係数については、各リンクの使用帯域幅、データ量、スロット時間間隔使用アプリケーションおよび使用アプリケーションによって決まる。したがって、これらの数値の関係によって、重み付けの係数を適応的に決めることが可能である。

そして、負荷インピーダンスの候補mが最後の候補Mか否かを判定する（ステップＳ９）。負荷インピーダンスの候補mが最後の候補Mでない場合には、候補mを１増加させて（ステップＳ１０）ステップＳ１に戻る。最後の候補Mである場合には、f_mを最大化させるmを決定する（ステップＳ１１）。

ＦＤＤを用いる場合は無線通信端末１０側で上りリンクチャネル情報を推定するのは困難である。本実施例では、基地局から制御される送信電力から上りリンクのＳＩＮＲを推定するための変換テーブルを用いることで、等価的なＳＮＲを推定し、シングルストリームモードでの伝送容量計算値を用いることで一定の品質を保証する。なお、基地局側からチャネル情報がフィードバックされる通信システムでは、フィードバックされた値を用いてもよい。

（実施例２）
本実施例では、基地局が２本のアンテナで送受信を行い、無線通信端末１０が２本のアンテナを、下りリンクの受信で２本、上りリンクの送信で1本用いる場合を考える。この場合、下りリンクはＭＩＭＯ伝送を行い、上りリンクではＳＩＭＯ伝送を行う。

図３は、無線通信端末１０の動作を示すフローチャートである。負荷インピーダンスの第０番目の候補から順次処理を行う（ステップＴ１）。下りリンクについて受信信号に基づく伝送容量計算は、実施例１と同様である。まず、f_m ^(UL)およびf_m ^(DL)を伝送容量として計算する。

そして、下りリンクについて、チャネル推定部１２が受信信号からチャネル推定値を計算する（ステップＴ２）。さらに、推定値から受信平均ＳＩＮＲγ_m ^(DL)およびチャネル相関を計算し、ＭＩＭＯモード選択部１３が伝送容量計算対象のＭＩＭＯモードを選択する（ステップＴ３）。なお、本実施例では、ＭＩＭＯモードの選択に、ＳＩＮＲとチャネル相関を用いているが、基地局スケジューラが別の基準を用いる場合は、その基準の計算手法で計算する。空間多重伝送を用いる場合f_m ^(DL)を計算する（ステップＴ４）。

一方、上りリンクについては、第０〜３のアンテナについて、上りリンク制御情報を取得する（ステップＴ５）。上りリンク基地局の第lアンテナでの受信信号r_l,m ^(UL)は以下のように表すことができる。なお、s_k ^(UL)は、無線通信端末１０の第kアンテナからの上りリンク送信信号を表す。

上りリンクでは、無線通信端末１０が具備するアンテナ数よりも少ないアンテナ数を用いるため、アンテナ選択を行う（ステップＴ６）。図３に示す通り、同一のインピーダンス候補に対してアンテナを順次切り替えて使用し、ＳＩＮＲの高いアンテナを選択し、選択されたアンテナでの伝送容量f_m ^(UL)を計算する（ステップＴ７）。計算には、以下で表されるＳＩＭＯの伝送容量の数式を用いる。

このようにＭＩＭＯモード選択部１３は、上りリンクで用いるアンテナ数と下りリンクで用いるアンテナ数が異なる場合、少ないアンテナ数のリンクでインピーダンスを制御し、得られるＳＩＮＲが良好なアンテナから順次選択することができる。これにより、各リンクで異なる数のアンテナを用いる場合でも、容易に両リンクの性能を改善できる。特に、ＬＴＥについて対応が容易になる。アンテナ選択処理の詳細については後述する。

なお、等価的なＳＮＲは、基地局側でダイバーシティ受信を行った場合の等価的なＳＩＮＲを表し、送信電力制御を行うための制御情報から基地局側でのＳＩＮＲを推測するための変換テーブルを用いて決定する。

以降の処理は実施例１と同様である。評価量算出部１４は、評価量として、各リンクのデータ量に対する帯域幅で重み付けを行う関数を用いて上りリンク、下りリンクの伝送容量を算出する（ステップＴ８）。

B_w ^(UL)、B_w ^(DL)およびD^(UL)、D^(DL)は、上りリンク、下りリンクそれぞれの使用帯域幅および所要データ量を表す。これらの値は、アプリケーション情報取得部１５および制御情報から得ることができる。上記評価量の変化量を最大にするインピーダンス候補mを求めることで、最適な負荷インピーダンスを決定する。

そして、負荷インピーダンスの候補mが最後の候補Mか否かを判定する（ステップＴ９）。負荷インピーダンスの候補mが最後の候補Mでない場合には、候補mを１増加させて（ステップＴ１０）ステップＳ１に戻る。最後の候補Mである場合には、f_mを最大化させるmを決定する（ステップＴ１１）。このようにして、ＭＩＭＯ伝送を用いた通信で、周辺環境やユーザ利用によって通信端末の入力インピーダンスが変化した場合に、上りリンク・下りリンク双方の性能を改善することができる。

次にアンテナ選択処理を説明する。図４は、実施例２の一部の動作としてアンテナ選択処理を示すフローチャートである。ｋはアンテナインデックスを表し、γ_ｋは第ｋアンテナでのＳＮＲ、Ｎ、Ｎ_Ｔはそれぞれ端末が有するアンテナ本数、使用数が少ないリンクでのアンテナ本数を表す。アンテナ選択処理では、まず図４に示すように、ｋ＝０として初期化する（ステップＰ１）。次に、インピーダンス候補ｍに対する第ｋアンテナのＳＮＲγ_ｋを取得する（ステップＰ２）。そして、第ｋアンテナがＮ以下か否かを判定する（ステップＰ３）。判定の結果、ｋがＮ以下のときｋを１増加させて（ステップＰ４）ステップＰ２に戻る。ｋがＮより大きいときγ_ｋをオーダリングして（ステップＰ５）、γ_ｋが大きいｋをＮ_Ｔ個選択し（ステップＰ６）、終了する。

なお、上記のインピーダンス制御の適用は、無線通信端末１０に限定されず、基地局に適用してもよい。

１０無線通信端末
１１受信回路
１２チャネル推定部
１３モード選択部
１４評価量算出部
１５アプリケーション情報取得部
１６インピーダンス制御部
１７インピーダンス調整部
１８送信回路
Ａアンテナ
Ｂ送受切替部
f_m 評価関数
f_m ^(UL)、f_m ^(DL) 特性値（伝送容量）
k アンテナ番号
l 基地局番号
m インピーダンス候補
M インピーダンス候補数
r_k、r_l 受信信号

Claims

ＭＩＭＯ伝送に対応可能な無線通信端末であって、
一つ以上のアンテナの負荷インピーダンス値として選択可能なインピーダンス候補から選択されたインピーダンス候補に対して同一の物理量で表された上りリンクの特性値および下りリンクの特性値を変数とする評価関数を用いて評価量を算出する評価量算出部と、
前記算出された評価量に基づいて、一つ以上のアンテナの負荷インピーダンス値を制御するインピーダンス制御部とを備えることを特徴とする無線通信端末。
基地局スケジューラが採用する基準と同一の基準で計算対象のＭＩＭＯモードを選択するＭＩＭＯモード選択部を備え、
前記評価量算出部は、前記選択されたＭＩＭＯモードで、各リンクの伝送容量を算出し、前記各リンクの伝送容量を変数として前記評価量を算出することを特徴とする請求項１に記載の無線通信端末。
前記評価量算出部は、前記評価関数として、各リンクの伝送容量をそれぞれの使用アプリケーションに応じて決まる定数で重み付けして加算する関数を用いて前記評価量を算出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の無線通信端末。
前記評価量算出部は、前記それぞれの使用アプリケーションに応じて決まる定数として、所要のデータ量に対する使用帯域幅の割合を用いて前記評価量を算出することを特徴とする請求項３に記載の無線通信端末。
前記評価量算出部は、チャネル情報として基地局からのフィードバック情報を用いて前記評価量を算出することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の無線通信端末。
前記評価量算出部は、変換テーブルを用いて基地局で制御される送信電力値から上りリンクのＳＩＮＲを推定し、前記推定された上りリンクのＳＩＮＲを用いて前記評価量を算出することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の無線通信端末。
前記ＭＩＭＯモード選択部は、上りリンクで用いるアンテナ数と下りリンクで用いるアンテナ数が異なる場合、少ないアンテナ数のリンクでインピーダンスを制御し、得られるＳＩＮＲが良好なアンテナから順次選択することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の無線通信端末。
ＭＩＭＯ伝送に対応可能な無線通信端末を用いて行うアンテナインピーダンスの制御方法であって、
一つ以上のアンテナの負荷インピーダンス値として選択可能なインピーダンス候補から選択されたインピーダンス候補に対して同一の物理量で表された上りリンクの特性値および下りリンクの特性値を変数とする評価関数を用いて評価量を算出するステップと、
前記算出された評価量に基づいて、一つ以上のアンテナの負荷インピーダンス値を制御するステップとを含むことを特徴とするアンテナインピーダンスの制御方法。