JP5538167B2

JP5538167B2 - 送信機

Info

Publication number: JP5538167B2
Application number: JP2010218136A
Authority: JP
Inventors: 養幸畑川; 聡小西
Original assignee: KDDI Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2030-09-29
Also published as: JP2012074926A

Description

本発明は、送信機に関する。

次世代の無線通信システムにおいては、ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）システムを採用することが検討されている。非特許文献１に記載されたマルチユーザＭＩＭＯシステムでは、２本以上のアンテナを備えた送信機と１本以上のアンテナを備えた複数の受信機で、同一時刻に同一周波数で複数のユーザ（受信機）を空間多重接続させて通信する。これにより、システムスループットの大幅な向上が可能である。

また、ＭＩＭＯシステムでは、送信機が送信データに対して信号伝送路（通信チャネル）の状態を表すチャネル情報（ＣＳＩ：Channel State Information）に基づいたプリコーディング（Precoding）を行うことにより、プリコーディングを行わない場合に比べて周波数利用効率を向上できることが知られている。非特許文献２には、ＭＩＭＯシステムにおいて、受信機から送信機に送信されるチャネル情報を圧縮する方法が記載されている。この方法では、チャネル情報を周波数変換し、電力が高い周波数成分のみを送信機へ送っている。

K. Kusume, G. Dietl, T. Abe, H. Taoka, S. Nagata, "System Level Performance of Downlink MU-MIMO Transmission for 3GPP LTE-Advanced" 畑川養幸，小西聡，"チャネル推定誤りとフィードバック遅延を考慮したCSI圧縮手法の特性評価"，電子情報通信学会技術研究報告 RCS2009-227，pp.115-120，2010年1月

しかしながら、上述したＭＩＭＯシステムでは、マルチユーザＭＩＭＯシステムが高い性能を発揮するように（例えば、システムスループットが高くなるように）、空間多重接続する受信機を選択することは容易ではない、という問題がある。例えば、全受信機の組合せから、理論上のシステムスループットが最大となるものを、チャネル情報等から計算して選択する方法が考えられるが、複雑な行列演算が必要となる上に、受信機の組合せパターンは、受信機の数によって指数関数的に増大するので、現実的ではない。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、同一時刻に同一周波数で複数の受信機を空間多重接続させて通信を行う場合において、システムスループットが高くなる受信機の組合せを少ない演算量で選択することができる送信機を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係る送信機は、複数のアンテナを備える送信機において、通信チャネルの状態を表すチャネル情報を複数の受信機夫々から受信する受信部と、前記受信部により受信された各受信機のチャネル情報の差が大きい受信機の組合せを選択する選択部と、前記選択部により選択された受信機夫々に、各アンテナから同一時刻に同一周波数で信号を送信する送信部と、を備えたことを特徴とする。

本発明に係る送信機においては、前記選択部は、前記チャネル情報の差が所定の閾値より小さい場合には、受信機の組合せを選択しないことを特徴とする。

本発明に係る送信機においては、前記受信部は、前記チャネル情報を時間領域から周波数領域に変換した周波数変換結果のうち電力の大きい周波数成分のインデックスと該周波数成分の周波数変換結果を含むフィードバック情報を受信し、前記選択部は、前記受信部により受信された各受信機のフィードバック情報の差が大きい受信機の組合せを選択することを特徴とする。

本発明に係る送信機においては、前記選択部は、前記周波数成分のインデックスの差が大きい受信機の組合せを選択することを特徴とする。

本発明に係る送信機においては、前記選択部は、前記周波数成分の周波数変換結果の電力が最大である周波数成分のインデックスの差が大きい受信機の組合せを選択することを特徴とする。

本発明に係る送信機においては、前記選択部は、前記周波数成分の周波数変換結果の相関が低い受信機の組合せを選択することを特徴とする。

本発明に係る送信機においては、前記選択部は、各受信機の前記フィードバック情報に含まれる周波数成分のインデックス数が等しい場合は前記周波数成分のインデックスの差が大きい受信機の組合せを選択し、各受信機の前記フィードバック情報に含まれる周波数成分のインデックス数が異なる場合は前記周波数成分の周波数変換結果の相関が低い受信機の組合せを選択することを特徴とする。

本発明に係る受信機選択方法は、複数のアンテナを備える送信機における受信機選択方法であって、前記送信機の受信部が、通信チャネルの状態を表すチャネル情報を複数の受信機夫々から受信するステップと、前記送信機の選択部が、前記受信部により受信された各受信機のチャネル情報の差が大きい受信機の組合せを選択するステップと、前記送信機の送信部が、前記選択部により選択された受信機夫々に、各アンテナから同一時刻に同一周波数で信号を送信するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明に係るコンピュータプログラムは、複数のアンテナを備える送信機が各アンテナから同一時刻に同一周波数で信号を送信する受信機の組合せを選択するためのコンピュータプログラムであって、通信チャネルの状態を表すチャネル情報を複数の受信機夫々から受信するステップと、受信した各受信機のチャネル情報の差が大きい受信機の組合せを選択するステップと、をコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラム。
これにより、前述の送信機がコンピュータを利用して実現できるようになる。

本発明によれば、チャネル情報の差、つまり伝搬環境の差が大きい受信機の組合せを空間多重接続する受信機として選択する。これにより、同一時刻に同一周波数で複数の受信機を空間多重接続させて通信を行う場合において、システムスループットが高くなる受信機の組合せを少ない演算量で選択することができる。

本発明の一実施形態に係る無線通信システムの構成を示す概略構成図である。本実施形態による送信機の機能構成等を示すブロック図である。本実施形態による周波数変換結果の電力を示す概略図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る無線通信システムの構成を示す概略構成図である。この無線通信システムは、送信機１と受信機２を有し、送信機１から同一時刻に同一周波数で複数の受信機２へ送信データを送信するマルチユーザＭＩＭＯ伝送を行う。ここで、送信機１は２本以上の送信アンテナを有し、受信機２は１本以上の受信アンテナを有する。本実施形態では、送信機１は２本の送信アンテナを有し、同一時刻に同一周波数で２台の受信機を空間多重接続させて通信する。

以下、説明の便宜を図るため、送信機１の通信範囲Ｓ内に存在する３台の受信機２のそれぞれに対しａからｃの符号を割り当て、受信機２ａ、２ｂ、２ｃと記す。なお、各受信機２ａ〜２ｃに共通する事項については、ａ〜ｃの符号を省略し、単に「受信機２」又は「各受信機２」と記す。

ここで、各受信機２の位置関係は図１に示すとおり、受信機２ｂと受信機２ｃが近接しており、受信機２ａは受信機２ｂ及び受信機２ｃと離れた位置に存在する。

図２は、本実施形態による送信機１の機能構成等を示すブロック図である。
ここで、送信機１から受信機２ａへの通信チャネルをチャネル１とし、送信機１から受信機２ｂへの通信チャネルをチャネル２とし、送信機１から受信機２ｃへの通信チャネルをチャネル３とする。

まず、送信機１が各受信機２に送信データを送信する。この送信データには、パイロット信号が含まれている。各受信機２は、送信機１から送信データを受信すると、パイロット信号からチャネル推定を行い、通信チャネルの状態を表すチャネル情報（ＣＳＩ）を生成する。そして、各受信機２は、チャネル情報の圧縮データであるフィードバック情報を生成し、生成したフィードバック情報を送信機１に送信する。このフィードバック情報は、チャネル情報を時間領域から周波数領域に変換（以下、周波数変換とする）した周波数変換結果のうち電力の大きい周波数成分のインデックスＡと、該周波数成分の周波数変換結果Ｂを含むデータである。ここで、受信機２ａが送信するフィードバック情報１に含まれるインデックスＡをインデックスＡ１とし、周波数変換結果Ｂを周波数変換結果Ｂ１とする。また、受信機２ｂが送信するフィードバック情報２に含まれるインデックスＡをインデックスＡ２とし、周波数変換結果Ｂを周波数変換結果Ｂ２とする。また、受信機２ｃが送信するフィードバック情報３に含まれるインデックスＡをインデックスＡ３とし、周波数変換結果Ｂを周波数変換結果Ｂ３とする。

図２において、送信機１は、フィードバック情報受信部１１と、空間多重受信機選択部１２と、送信部１３を有する。フィードバック情報受信部１１は、各受信機２からフィードバック情報を受信し、受信したフィードバック情報を空間多重受信機選択部１２へ出力する。空間多重受信機選択部１２は、各受信機２のフィードバック情報を比較し、比較の結果、フィードバック情報の差が大きい受信機２の組合せを選択する。そして、空間多重受信機選択部１２は、選択した受信機２の組合せを送信部１３へ出力する。また、空間多重受信機選択部１２は、最も大きいフィードバック情報の差が所定の閾値より小さい場合には、受信機２の組合せを選択しない。つまり、フィードバック情報の差の最大値が所定の閾値より小さい場合には、空間多重接続をしない。送信部１３は、空間多重受信機選択部１２により選択された受信機２夫々に、各送信アンテナから同一時刻に同一周波数で送信データ（信号）を送信する。

図３は、本実施形態による周波数変換結果の電力を示す概略図である。
図３に示すグラフにおいて、縦軸はチャネル情報の周波数変換結果の電力であり、横軸は周波数成分のインデックスである。図３（ａ）は受信機２ａにおける周波数変換結果の電力であり、図３（ｂ）は受信機２ｂにおける周波数変換結果の電力であり、図３（ｃ）は受信機２ｃにおける周波数変換結果の電力である。各受信機２は、周波数変換結果の電力が所定の閾値より大きい周波数成分を選択し、選択した周波数成分のインデックスＡと周波数変換結果Ｂをフィードバック情報とする。

図３に示す例では、各受信機２は以下に示すフィードバック情報を生成し、生成したフィードバック情報を送信機１へ送信する。
受信機２ａが送信するフィードバック情報１：インデックスＡ１＝｛１０，１２｝，周波数変換結果Ｂ１＝｛Ｂ１＿１０，Ｂ１＿１２｝
受信機２ｂが送信するフィードバック情報２：インデックスＡ２＝｛２，４｝，周波数変換結果Ｂ２＝｛Ｂ２＿２，Ｂ２＿４｝
受信機２ｃが送信するフィードバック情報３：インデックスＡ３＝｛４，６｝，周波数変換結果Ｂ３＝｛Ｂ３＿４，Ｂ３＿６｝
ここで、Ｂｘ＿ｙは、フィードバック情報ｘに含まれる周波数成分のインデックスｙにおける周波数変換結果Ｂを表す。

伝搬環境の異なる受信機２同士に対してマルチユーザＭＩＭＯ伝送を行うと、無線通信システムのシステムスループットを向上させることができる。また、受信機２同士の距離が離れているほど、伝搬環境は異なる。図３に示すように、各周波数成分において、距離の近い受信機２ｂと受信機２ｃの電力差に比べて、距離の遠い受信機２ａと受信機２ｂ又は受信機２ｃの電力差の方が大きい。つまり、受信機２同士の距離が離れているほど、各周波数成分におけるチャネル情報の周波数変換結果の電力差が大きい。

そこで、本実施形態による空間多重受信機選択部１２は、周波数変換結果の電力の大きい周波数成分のインデックスＡと周波数変換結果Ｂを含むフィードバック情報の差を算出し、算出したフィードバック情報の差が大きい受信機２の組合せを空間多重接続させる受信機２とする。これにより、無線通信システムのスループットを向上させることができる。

以下、本実施形態に係る空間多重受信機選択部１２について、実施例を挙げて説明する。

まず、空間多重受信機選択部１２は、次の式（１）により、受信機２ａと受信機２ｂのフィードバック情報の差であるメトリックＭ１−２を算出する。

M1-2＝average{|10-2|, |12-4|} = 8 …（１）

同様に、空間多重受信機選択部１２は、次の式（２）により、受信機２ａと受信機２ｃのフィードバック情報の差であるメトリックＭ１−３を算出する。

M1-3 = average{|10-4|, |12-6|} = 6 …（２）

最後に、空間多重受信機選択部１２は、次の式（３）により、受信機２ｂと受信機２ｃのフィードバック情報の差であるメトリックＭ２−３を算出する。

M2-3 = average{|2-4|, |4-6|} = 2…（３）

式（１）〜（３）は、各インデックスＡにおける値の小さな要素から順に、各要素の差の絶対値を算出し、それらを平均するものである。

そして、空間多重受信機選択部１２は、メトリックＭ１−２，Ｍ１−３，Ｍ２−３のうち、値が最も大きいメトリックＭ１−２に対応する受信機２の組合せ（受信機２ａと受信機２ｂ）を空間多重接続する受信機２の組合せとして選択する。

このように、本実施例によれば、従来技術において受信機２選択の際必要としていた複雑な行列計算が不要となり、マルチユーザＭＩＭＯの性能を最大限発揮することができるような受信機２の組合せを少ない演算量で選択することができる。

実施例２は、実施例１の変形例である。実施例２では、周波数成分のインデックスＡに加えて、周波数変換結果Ｂを用いてフィードバック情報の差を算出する。

まず、空間多重受信機選択部１２は、次の式（４）により、各周波数変換結果Ｂｘ＿ｙの電力Ｐｘ＿ｙを算出する。

Px_y=|Bx_y|² …（４）

そして、空間多重受信機選択部１２は、各受信機２において電力が最大となる周波数成分のインデックスＡを選択する。本例では、空間多重受信機選択部１２は、受信機２ａのインデックスＡ１から１０、受信機２ｂのインデックスＡ２から４、受信機２ｃのインデックスＡ３から４を選択する。

次に、空間多重受信機選択部１２は、次の式（５）〜（７）により、メトリックＭ１−２，Ｍ１−３，Ｍ２−３を算出する。つまり、空間多重受信機選択部１２は、周波数変換結果Ｂの電力が最大となる周波数成分のインデックスＡの差の絶対値をフィードバック情報の差とする。

M1-2 = |10-4| = 6 …（５）

M1-3 = |10-4| = 6 …（６）

M2-3 = |4-4| = 0 …（７）

そして、空間多重受信機選択部１２は、メトリックＭ１−２，Ｍ１−３，Ｍ２−３のうち、値が最も大きいメトリックＭ１−２又はＭ１−３に対応する受信機２の組合せ（受信機２ａと受信機２ｂ、又は受信機２ａと受信機２ｃ）を空間多重接続する受信機２の組合せとして選択する。

なお、周波数変換結果Ｂの電力は受信機２において既に算出されているため、例えば、受信機２は、周波数変換結果Ｂの電力が高い順にインデックスＡを並べてフィードバック情報に含ませてもよい。

以下に、この場合のフィードバック情報のデータ例を示す。
受信機２ａが送信するフィードバック情報１：インデックスＡ１＝｛１０，１２｝，周波数変換結果Ｂ１＝｛Ｂ１＿１０，Ｂ１＿１２｝
受信機２ｂが送信するフィードバック情報２：インデックスＡ２＝｛４，２｝，周波数変換結果Ｂ２＝｛Ｂ２＿４，Ｂ２＿２｝
受信機２ｃが送信するフィードバック情報３：インデックスＡ３＝｛４，６｝，周波数変換結果Ｂ３＝｛Ｂ３＿４，Ｂ３＿６｝

この場合、空間多重受信機選択部１２は、フィードバック情報に含まれる最初のインデックスＡを用いてメトリックを算出する。これにより、送信機１による周波数変換結果Ｂの電力算出処理が不要となる。

このように、本実施例では、実施例１より精度良くフィードバック情報の差を算出することができる。また、周波数変換結果Ｂの電力が高い順に並べられたインデックスＡを含むフィードバック情報の場合、空間多重受信機選択部１２において周波数変換結果Ｂの電力を算出する必要がない。

実施例３では、周波数変換結果Ｂを用いてフィードバック情報の差を算出する。
空間多重受信機選択部１２は、次の式（８）〜（１０）により、メトリックＭ１−２，Ｍ１−３，Ｍ２−３を算出する。つまり、空間多重受信機選択部１２は、周波数変換結果Ｂの相関を算出する。

但し、フィードバック情報に含まれないＢｘ＿ｙは０とする。ここで、各メトリックＭ１−２，Ｍ１−３，Ｍ２−３の値が大きいほど相関が低い。

そして、空間多重受信機選択部１２は、メトリックＭ１−２，Ｍ１−３，Ｍ２−３のうち、値が最も大きいメトリックに対応する受信機２の組合せを空間多重接続する受信機２の組合せとして選択する。例えば、図３に示す例では、メトリックＭ１−２が最大となり、空間多重受信機選択部１２は、受信機２ａと受信機２ｂを選択する。つまり、空間多重受信機選択部１２は、周波数変換結果Ｂの相関が低い受信機２の組合せを空間多重接続する受信機２の組合せとして選択する。

これにより、本実施例によれば、各受信機２のフィードバック情報に含まれるインデックスＡの数が異なる場合であっても、フィードバック情報の差を算出することができる。

実施例４は、実施例１〜３を組合せた例である。
空間多重受信機選択部１２は、受信機２ａ，２ｂ，２ｃ夫々のフィードバック情報に含まれるインデックスＡの数が等しい場合には、上述した式（１）〜（３）又は式（５）〜（７）により、メトリックＭ１−２，Ｍ１−３，Ｍ２−３を算出する。一方、受信機２ａ，２ｂ，２ｃ夫々のフィードバック情報に含まれるインデックスＡの数が異なる場合には、上述した式（８）〜（１０）により、メトリックＭ１−２，Ｍ１−３，Ｍ２−３を算出する。

実施例５は、実施例１〜４の変形例である。
空間多重受信機選択部１２は、メトリックＭ１−２，Ｍ１−３，Ｍ２−３のうち、最も大きいメトリックの値が所定の閾値より小さい場合には、受信機２の組合せを選択しない。つまり、メトリックの最大値が所定の閾値より小さい場合には、空間多重接続を行わない。

これにより、伝播環境の近い受信機２同士を空間多重接続することを防ぐことができるため、受信機２において信号分離が困難になることを防ぐことができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

また、図２に示す送信機１の機能を実現するためのプログラムをコンピュータが読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより、受信機選択処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものであってもよい。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、フラッシュメモリ等の書き込み可能な不揮発性メモリ、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。

さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（例えばＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory））のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。
また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。
また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。

１…送信機、２…受信機、１１…フィードバック情報受信部、１２…空間多重受信機選択部、１３…送信部

Claims

複数のアンテナを備える送信機において、
通信チャネルの状態を表すチャネル情報を複数の受信機夫々から受信する受信部と、
前記受信部により受信された各受信機のチャネル情報の差が大きい受信機の組合せを選択する選択部と、
前記選択部により選択された受信機夫々に、各アンテナから同一時刻に同一周波数で信号を送信する送信部と、を備え、
前記受信部は、前記チャネル情報を時間領域から周波数領域に変換した周波数変換結果のうち電力の大きい周波数成分のインデックスと該周波数成分の周波数変換結果を含むフィードバック情報を受信し、
前記選択部は、前記受信部により受信された各受信機のフィードバック情報の差が大きい受信機の組合せを選択する
ことを特徴とする送信機。
前記選択部は、前記周波数成分のインデックスの差が大きい受信機の組合せを選択する
ことを特徴とする請求項１に記載の送信機。
前記選択部は、前記周波数成分の周波数変換結果の電力が最大である周波数成分のインデックスの差が大きい受信機の組合せを選択する
ことを特徴とする請求項１に記載の送信機。
前記選択部は、前記周波数成分の周波数変換結果の相関が低い受信機の組合せを選択する
ことを特徴とする請求項１に記載の送信機。
前記選択部は、各受信機の前記フィードバック情報に含まれる周波数成分のインデックス数が等しい場合は前記周波数成分のインデックスの差が大きい受信機の組合せを選択し、各受信機の前記フィードバック情報に含まれる周波数成分のインデックス数が異なる場合は前記周波数成分の周波数変換結果の相関が低い受信機の組合せを選択する
ことを特徴とする請求項１に記載の送信機。