JP5677302B2 - 無線通信装置及び無線通信方法 - Google Patents
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Description
図3は、MIMOの動作原理を説明するための図である。2つのアンテナT−ANT1、T−ANT2は、それぞれデータ系列A、データ系列Bを同時に送信する。2つのアンテナR−ANT1、R−ANT2は、各々データ系列Aとデータ系列Bが多重された異なる系列を受信する。受信側で4つのチャネル変動h11(t)、h12(t)、h21(t)、h22(t)を推定することで、2つのアンテナT−ANT1、T−ANT2からのデータ系列A、データ系列Bを分離する。各アンテナからのデータ系列を一意に識別可能にし、チャネル変動h11(t)、h12(t)、h21(t)、h22(t)を推定可能とするために、各アンテナの送信データ系列には、パイロット信号が埋め込まれている。
ここで、送信側アンテナ数T、受信側アンテナ数Rの構成をT×Rとする。例えば、LTEの仕様では、ダウンリンク(基地局から携帯端末へのデータ伝送)に関して、T×R=2×2、4×2、4×4の構成が定義されている。すなわち、LTEの携帯端末がMIMOをサポートする場合、その携帯端末内に複数のアンテナを設置する必要がある。
一方、特許文献1は、移動体電話端末3と、この移動体電話端末3に着脱自在に装着される接続端末4と、この接続端末4と無線で接続される携帯端末5とで構成される無線システムについて記載する。この無線システムにおいて、移動体電話端末3からの情報は、接続端末4を介して携帯端末5に無線送信され、携帯端末5にて情報表示される。一方、接続端末5からの情報は、接続端末4で受信して携帯端末3に入力し、携帯端末3を制御する。
さらに、使用する周波数の自由空間波長をλ0とした場合、所定の性能を確保するためには、アンテナ間をλ0/2以上離す必要がある。従って、この条件を満足しつつ例えば4本のアンテナを内蔵しようとすると、携帯端末の大型化はますます避けられなくなる。
しかも、現在の携帯端末の中には、複数の無線方式をサポートしているものがあり、この場合、既に複数のアンテナが搭載されている場合が多い。従って、MIMOをサポートするための更なるアンテナ追加は、より一層困難となっている。
仮に、MIMOのための追加のアンテナを内蔵することができたとしても、MIMO仕様のグレードアップ(例えば、2×2から4×4に変更)への対応としてアンテナ数を任意に増加させることは困難である。その解決策の一例として、外部アンテナを取り付ける構成を挙げることができるが、この場合、見栄えが悪くなってしまう恐れがあり、デザイン上の問題が発生する。
一方、特許文献1により、移動体電話端末3を鞄等に入れている場合であっても、その移動体電話端末3を携帯端末5により操作することが可能となる。しかしながら、特許文献1記載の技術は、アンテナ追加に関する上記課題を解決するものではない。
本発明の目的は、アンテナを新たに追加しなくても、伝送データの信頼性を向上させたり、伝送速度を高速化させたりすることが可能な無線通信装置及び無線通信方法を提供することにある。
本発明の無線通信方法は、所定の無線規格に適合したMIMO機能を有し、前記MIMO機能を搭載する基地局と通信可能な複数の通信端末を備える無線通信装置の無線通信方法であって、前記複数の通信端末のうちのいずれか1つの通信端末をマスター通信端末とし、前記複数の通信端末のうちの前記マスター通信端末以外の通信端末をスレーブ通信端末とし、前記マスター通信端末と前記スレーブ通信端末とを所定の接続手段を介して接続し、1つ以上の前記スレーブ通信端末に内蔵される1つ以上のアンテナの送受信に関わる信号処理機能の一部又は全部を前記マスター通信端末から制御できるようにすることで、アンテナの数を任意に増加可能な構成とし、呼接続のためのプロトコルは前記基地局と前記マスター通信端末の間のみで行う。
以下、本発明の第1の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。本実施形態は、特に、無線チャネルの空間ダイバーシティを利用したマルチアンテナ手法において、装置内に複数の内蔵アンテナを設置するスペースがない場合や、更なる内蔵アンテナを追加するスペースを確保することが難しい場合等に好適である。本実施形態は、マスター通信端末に接続されたスレーブ通信端末に搭載されたアンテナをマスター通信端末が使用することで、アンテナを追加することなく、送受信データの信頼性向上或いは伝送速度の高速化を可能とする。その際、スレーブ通信端末の各端末に内蔵する複数のアンテナのk個(kは0以上、kはスレーブ通信端末毎に異なる)を選択し、選択されたアンテナの送受信に関わる信号の信号処理機能の一部又は全部を、マスター通信端末で制御できるようにする。
図1は、本実施形態に係る無線通信装置の構成例を示すブロック図である。図中、符号10はマスター携帯端末(通信端末)を示し、符号40はスレーブ携帯端末(通信端末)を示す。マスター携帯端末10とスレーブ携帯端末40は同等の機能を有する。また、マスター携帯端末10とスレーブ携帯端末40は、所定の無線規格に適合したMIMO機能を有し、該MIMO機能を搭載する基地局(図1において不図示)と通信可能である。図1では各携帯端末はアンテナをそれぞれ2本内蔵した例を示す。尚、携帯端末の例としては、携帯電話機を挙げることができる。
マスター携帯端末10とスレーブ携帯端末40の関係について説明する。例えば、友人同士や家族で同等の機能を有する複数の携帯端末を所有しているので、それら複数の携帯端末を接続し、そのうちの1つの携帯端末をマスター携帯端末10とし、残りの携帯端末をスレーブ携帯端末40とする。
例えば、ある人が自分の携帯端末をマスター携帯端末10とし、友人や家族等から携帯端末を借りて、自分のマスター携帯端末10にスレーブ携帯端末40として接続する。その際、マスター携帯端末10は後述するようにスレーブ携帯端末40を制御可能に構成され、マスター携帯端末10はスレーブ携帯端末40を制御してスレーブ携帯端末40側で送受信の信号処理を分担する。
尚、本実施形態において、呼接続のためのプロトコルは基地局とマスター携帯端末10の間のみで行われる。従って、基地局は、スレーブ携帯端末40のアンテナも使用して通信しているにも関わらず、スレーブ携帯端末40の存在を認識することなく、あたかもマスター携帯端末10のみと通信していると認識する。
スレーブ携帯端末40の機能確認は以下のとおりである。マスター携帯端末10は機能向上要求を基地局に上げ、基地局はマスター携帯端末10に対して他の携帯端末の機能を調査する権限を与える。与えられた権限によりマスター携帯端末10はスレーブ携帯端末40の機能を調査する。調査の結果、機能向上が可能と判断された場合、マスター携帯端末10は、機能向上情報を基地局に伝える。機能向上情報は、例えば、マスター携帯端末10の機能が4×4MIMO機能に向上した旨の情報を含む。
図1では、マスター携帯端末10を1台、スレーブ携帯端末40を1台とし、これらを接続した例を示しているがこれに限定されない。全携帯端末をn(nは3以上の整数)台とし、その内の1台をマスター携帯端末10とし、残りの2台以上の携帯端末をスレーブ携帯端末とすることもできる。尚、これら複数の携帯端末の接続は、例えば、数珠繋ぎのようなデイジーチェーン接続、1対多接続、およびデイジーチェーン接続と1対多接続を併用した接続のいずれかとすることができる。携帯端末間のインターフェースは、マスター携帯端末10がスレーブ携帯端末40を制御するための制御データとベースバンド信号を通過させる。
マスター携帯端末10は、CPU(Central Processing Unit)11(制御手段)、デジタルベースバンド回路12、RF(Radio Frequency)回路13、14、アンテナ15、16、I/F(InterFace)回路17、Data Bus18、Control Bus19等から構成されている。スレーブ携帯端末40はマスター携帯端末10と同様の構成であり、符号は異なるものの、CPU41(制御手段)、デジタルベースバンド回路42、RF回路43、44、アンテナ45、46、I/F回路47、Data Bus48、Control Bus49等から構成されている。I/F回路17、47のインターフェースには、例えば、k本(kは2以上の整数)の高速シリアルインターフェースを用いることができる。高速シリアルインターフェースの例としては、USB(Universal Serial Bus)やPCI(Peripheral Components Interconnect bus)Expressを挙げることができる。
まず、図1に示す2台の携帯端末を接続した無線通信装置においてアップリンク(携帯端末から基地局への方向)の信号の流れについて説明する。マスター携帯端末10において、上位レイヤからのペイロード(ユーザーデータ)はCPU11を経由して入力され、Data Bus18を介してデジタルベースバンド回路12に供給される。デジタルベースバンド回路12はチャネル符号化、アンテナ毎にデータ分割、変調処理、マルチアンテナ手法のための空間多重化等の処理を行う。
デジタルベースバンド回路12で処理された出力信号はRF回路13、14に入力される。RF回路13、14は、それぞれフィルタリング、搬送周波数への変換、信号増幅等の処理を行う。RF回路13、14の出力はアンテナ15、16から電磁波として空間に放出される。
次に、図1に示す2台の携帯端末を接続した無線通信装置においてダウンリンク(携帯基地局から端末への方向)の信号の流れを説明する。基地局のアンテナ(図示せず)から送出された電磁波はアンテナ15、16を介してRF回路13、14に入力される。RF回路13、14は、それぞれ低雑音増幅、同期検波、フィルタリング等の処理を行う。RF回路13、14の出力はデジタルベースバンド回路12に入力される。
デジタルベースバンド回路12は、マルチアンテナ手法を用いて各チャンネルの推定、空間多重化された信号の分離、復調処理、アンテナ毎に分割されたデータの結合、チャネル復号化等の処理を行う。デジタルベースバンド回路12の出力はData Bus18からCPU11を経由して上位レイヤに送られる。CPU11はデジタルベースバンド回路12、RF回路13、14、I/F回路17をControl Bus19を介して制御する。I/F回路17はData Bus18とデジタルベースバンド回路12に接続されている。
スレーブ携帯端末40はアップリンク、ダウンリンクにおいてマスター携帯端末10と同等の処理を行う。マスター携帯端末10とスレーブ携帯端末40は、I/F回路17とI/F回路47を介して制御データとデジタルベースバンド回路12の各処理のデータのやり取りを行う。
つぎに、MIMOにおけるダウンリンク送信の動作について説明する。図2は、LTEにおけるMIMOのダウンリンク送信時のベースバンド信号生成手順を説明するための図である。以下の説明では、4本のアンテナから信号を送信する場合を例に挙げる。図2は、図示しない基地局側装置の処理を示すものであり、チャネル符号化後からRF回路の前までの処理を示す。尚、この処理は、非特許文献1に規定されている。
チャネル符号化後、生成された符号語0と符号語1は、各々にスクランブラ61、62に入力され、ランダム化される。スクランブラ61、62の各出力は、変調マッパ65、66に入力され、QPSK、16QAM、64QAMのいずれかの方式で変調される。上記において、QPSKは、Quadrature Phase Shift Keyingの略である。また、QAMは、Quadrature Amplitude Modulationの略である。変調マッパ65、66の出力である2つの変調シンボル系列d(0)、d(1)は、レイヤ・マッパ69に入力される。レイヤ・マッパ69は、これら2つの変調シンボル系列d(0)、d(1)を4つの変調シンボル系列x(0)、x(1)、x(2)、x(3)に振り分ける。
4つの変調シンボル系列x(0)、x(1)、x(2)、x(3)は、プリコーダ70に入力する。プリコーダ70は、4つの変調シンボル系列x(0)、x(1)、x(2)、x(3)に対してプリコード化(少なくとも空間多重化のために行われる処理)を行い、プリコード化後の4つの変調シンボル系列y(0)、y(1)、y(2)、y(3)を出力する。プリコーダ70は、例えば、[y(0) y(1)y(2) y(3)]T=W・[x(0) x(1) x(2) x(3)]Tの変換によって、プリコード化後の変調シンボル系列y(0)、y(1)、y(2)、y(3)を得る。上式において、Wは、4行4列のプリコーディングを示し、Tは行列の転置を示す。
プリコード化後の4つの変調シンボル系列y(0)、y(1)、y(2)、y(3)は、各々に、リソースエレメントマッパ71、72、73、74に入力する。各リソースエレメントマッパ71、72、73、74において、プリコード化後の4つの変調シンボル系列y(0)、y(1)、y(2)、y(3)の各々は、あらかじめ周波数−時間領域で挿入位置が決定されているリソースエレメント(サブキャリア)にマッピングされる。リソースエレメントマッパ71、72、73、74の各出力は、OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)信号マッパ75、76、77、78でそれぞれOFDM系列に変換される。OFDM信号マッパ75、76、77、78の出力は、各アンテナのRF回路に送られる。この信号生成は図示しない基地局装置内で施され、各RF回路で所望の同じ搬送周波数へ変換され、基地局の4本のアンテナから電磁波にのせて送出される。
以下、本実施形態の無線通信装置の動作について説明する。すなわち、図1に示すように、2台の携帯端末を、制御データおよびユーザーデータをやり取りするインターフェースにて接続した無線通信装置の動作について説明する。
まず、上記無線通信装置が、基地局からのダウンリンク信号を受信する場合の動作について説明する。具体的には、基地局から送信される信号を、マスター携帯端末10の2本のアンテナおよびスレーブ携帯端末40の2本のアンテナの計4本のアンテナで受信する場合について説明する。
この場合、無線通信装置においては受信となるため、マスター携帯端末10およびスレーブ携帯端末40において、RF回路の後からチャネル復号化前までの処理は、図2とは逆の流れの処理となる。上述のように基地局の4本のアンテナから送出された信号は、マスター携帯端末10のアンテナ15、16及びスレーブ携帯端末40のアンテナ45、46でそれぞれ受信される。
マスター携帯端末10のデジタルベースバンド回路12は、自身のアンテナ15、16が受信した2つの変調シンボル系列y(0)、y(1)の復調処理を行う。
また、マスター携帯端末10のCPU11は、スレーブ携帯端末40のCPU41に対し、スレーブ携帯端末40のアンテナ45、46が受信した2つの変調シンボル系列y(2)、y(3)の復調処理を指示し、必要なパラメータを供給する。なお、マスター携帯端末10からスレーブ携帯端末40への指示およびパラメータの送信は、Control Bus19、I/F回路17、I/F回路47、Control Bus49を経由して行われる。スレーブ携帯端末40のCPU41は、Control Bus49を介してデジタルベースバンド回路42、RF回路43、44に対して、2つの変調シンボル系列y(2)、y(3)の復調処理を指示する。
マスター携帯端末10のデジタルベースバンド回路12の復調処理によって、2つの変調シンボル系列y(0)、y(1)が得られる。一方、スレーブ携帯端末40のデジタルベースバンド回路42の復調処理によって、2つの変調シンボル系列y(2)、y(3)が得られる。
マスター携帯端末10のCPU11は、スレーブ携帯端末40のCPU41に対して、2つの変調シンボル系列y(2)とy(3)を送るように指示する。やがて、マスター携帯端末10のデジタルベースバンド回路12は、スレーブ携帯端末40から2つの変調シンボル系列y(2)とy(3)を得る。
マスター携帯端末10のデジタルベースバンド回路12は、自身が得た2つの変調シンボル系列y(0)、y(1)と、スレーブ携帯端末40から得た2つの変調シンボル系列y(2)、y(3)とによりMIMO復調を行い、4つの変調シンボル系列x(0)、x(1)、x(2)、x(3)を得る。更に、デジタルベースバンド回路12は、得られた4つの変調シンボル系列x(0)、x(1)、x(2)、x(3)の受信信号点配置の系列を受信ビット系列に戻し、デスクランブリングして符号語0’と符号語1’を得る。デジタルベースバンド回路12は、符号語0’と符号語1’のチャネル復号を実行し、ペイロード(ユーザーデータ)を得る。CPU11は、得られたペイロード(ユーザーデータ)をData Bus18を介して引き取り上位レイヤに送る。
次に、上記無線通信装置が、基地局へアップリンク信号を送信する場合の動作について説明する。具体的には、マスター携帯端末10の2本のアンテナおよびスレーブ携帯端末40の2本のアンテナの計4本のアンテナから送信する場合について説明する。
この場合、無線通信装置においては送信となるため、マスター携帯端末10およびスレーブ携帯端末40において、チャネル符号化後からRF回路の前までの処理は、図2と同様の処理となる。従って、以下ではその処理以外の処理について説明する。マスター携帯端末10のCPU11は、スレーブ携帯端末40のCPU41を制御し、スレーブ携帯端末40のアンテナ45、46やデジタルベースバンド回路42、RF回路43、44等のハードウェアを利用して送信に関する信号処理をスレーブ携帯端末40と分担する。スレーブ携帯端末40で処理された信号は、マスター携帯端末10に集められ、マスター携帯端末10で最後の処理を行い、マスター携帯端末10のアンテナ15、16、スレーブ携帯端末40のアンテナ45、46から送信する。
以上説明した第1の実施形態によれば、複数の同等の携帯端末を接続することにより、マスター携帯端末10は、スレーブ携帯端末40に内蔵するアンテナ45、46とスレーブ携帯端末40のデジタルベースバンド回路42、RF回路43、44等のハードウェアを利用することが可能となる。従って、マルチアンテナ手法の拡張ができ、アンテナを新たに追加しなくても、送受信データの信頼性を向上させ、伝送速度を高速化することができる。
しかも、スレーブ携帯端末40の数は容易に増やすことができるので(換言すればアンテナの数を容易に増やすことができるので)、MIMO仕様のグレードアップ(例えば、2×2から4×4に変更)に対して柔軟に対応することが可能となる。
なお、以上の説明では、符号語0’と符号語1’のチャネル復号をマスター携帯端末10で行っているが、これに限定されない。例えば、分散処理が可能な処理はマスター携帯端末10とスレーブ携帯端末40間でデータのやり取りを行い、マスター携帯端末10とスレーブ携帯端末40で分散処理を行っても良い。
また、基地局と通信を行っている最中または通信を行っていないときでも、所定の手続きを踏むことにより、マスター携帯端末10をスレーブ携帯端末40に、スレーブ携帯端末40をマスター携帯端末10に切り替えることも可能である。
また、図1に示すように、上記第1の実施形態では、携帯端末を2台接続した例を示しているが、これに限定されるものではない。即ち、携帯端末を3台以上接続することも可能である。これにより、更にアンテナ数を増やせるので、空間多重化数が更に増し、更なる送信データの信頼性向上、伝送速度の高速化が可能となる。
もちろん、送信側のアンテナ数が2であり受信側のアンテナ数が2である2×2構成の場合、マスター携帯端末10のみでの処理が可能であることは言うまでもない。
また、2×2構成の場合、マスター携帯端末10の1本のアンテナ15(又はアンテナ16)とスレーブ携帯端末40の1本のアンテナ45(又はアンテナ46)とを使用することもできる。これにより、アンテナ間の距離を離すことができる。従って、携帯端末1台で処理する場合に比して、ダイバーシティ効果が高くなり、更なる送信データの信頼性向上が可能となる。
[第2の実施形態]
本発明の第2の実施形態に係る無線通信装置は、同等の機能を有する複数の通信端末を、インターフェースを介して接続し、複数の通信端末のうちいずれか1つの通信端末をマスター通信端末とし、残りの通信端末をスレーブ通信端末とする。そして、マスター通信端末は、スレーブ通信端末の各端末に内蔵する複数のアンテナ素子と当該アンテナ素子の送受信に関わる信号の信号処理機能の一部又は全部を、前記マスター通信端末で制御できるようにすることで、アンテナの数を任意に増加可能な構成とする。
本実施形態によれば、スレーブ通信端末に内蔵する複数のアンテナ素子と当該アンテナ素子の送受信に関わる信号の信号処理機能の一部又は全部を利用することにより、アンテナ素子を追加しなくても、空間多重化数が増し、更なる送受信データの信頼性向上或いは伝送速度の高速化を図ることが可能となる。
以上説明した第1および第2実施形態は、特に、マルチアンテナ技法が適用された3GPP LTE、モバイルWiMAX、無線LAN(IEEE802.11n)等に好適に使用できる。
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
この出願は、2009年9月9日に出願された日本出願特願2009−208040号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
11 CPU
12 デジタルベースバンド回路
13、14 RF回路
15、16 アンテナ
17 I/F回路
18 Data Bus
19 Control Bus
40 スレーブ携帯端末
41 CPU
42 デジタルベースバンド回路
43、44 RF回路
45、46 アンテナ
47 I/F回路
48 Data Bus
49 Control Bus
61、62 スクランブラ
65、66 変調マッパ
69 レイヤ・マッパ
70 プリコーダ
71〜74 リソースエレメントマッパ
75〜78 OFDM信号マッパ
Claims (8)
- 所定の無線規格に適合したMIMO(Multi−Input Multi−Output)機能を有し、前記MIMO機能を搭載する基地局と通信可能な複数の通信端末を備える無線通信装置であって、
前記複数の通信端末のうちのいずれか1つの通信端末であるマスター通信端末と、
前記マスター通信端末と所定の接続手段を介して接続され、前記複数の通信端末のうちの前記マスター通信端末以外の1つ以上の通信端末であるスレーブ通信端末と、
を備え、
前記基地局は、前記マスター通信端末に対して、前記スレーブ通信端末の機能を調査する権限を与え、前記マスター通信端末は、前記付与された権限に基づいて、前記スレーブ通信端末の機能を調査し、
1つ以上の前記スレーブ通信端末に内蔵される1つ以上のアンテナの送受信に関わる信号処理機能の一部又は全部を、前記調査の結果に基づいて前記マスター通信端末から制御できるようにすることで、アンテナの数を任意に増加可能な構成とし、呼接続のためのプロトコルは前記基地局と前記マスター通信端末の間のみで行うことを特徴とする無線通信装置。 - 前記各通信端末は、信号処理機能等に処理指示を与える制御手段を有し、前記マスター通信端末の制御手段が前記スレーブ通信端末の制御手段に処理命令を行うことを特徴とする請求項1記載の無線通信装置。
- 前記接続手段は、デイジーチェーン接続、1対多接続、およびデイジーチェーン接続と1対多接続の併用のいずれかであることを特徴とする請求項1または2記載の無線通信装置。
- 呼接続中あるいは呼接続切断時において、前記マスター通信端末がスレーブ通信端末となり、前記スレーブ通信端末がマスター通信端末となることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の無線通信装置。
- 所定の無線規格に適合したMIMO機能を有し、前記MIMO機能を搭載する基地局と通信可能な複数の通信端末を備える無線通信装置の無線通信方法であって、
前記複数の通信端末のうちのいずれか1つの通信端末をマスター通信端末とし、前記複数の通信端末のうちの前記マスター通信端末以外の通信端末をスレーブ通信端末とし、前記マスター通信端末と前記スレーブ通信端末とを所定の接続手段を介して接続し、前記基地局は、前記マスター通信端末に対して、前記スレーブ通信端末の機能を調査する権限を与え、前記マスター通信端末は、前記付与された権限に基づいて、前記スレーブ通信端末の機能を調査し、1つ以上の前記スレーブ通信端末に内蔵される1つ以上のアンテナの送受信に関わる信号処理機能の一部又は全部を、前記調査の結果に基づいて前記マスター通信端末から制御できるようにすることで、アンテナの数を任意に増加可能な構成とし、呼接続のためのプロトコルは前記基地局と前記マスター通信端末の間のみで行うことを特徴とする無線通信方法。 - 前記各通信端末は、信号処理機能等に処理指示を与える制御手段を有し、前記マスター通信端末の制御手段が前記スレーブ通信端末の制御手段に処理命令を行うことを特徴とする請求項5記載の無線通信方法。
- 前記マスター通信端末とスレーブ通信端末は、デイジーチェーン接続、1対多接続、およびデイジーチェーン接続と1対多接続の併用のいずれかで接続されていることを特徴とする請求項5または6記載の無線通信方法。
- 呼接続中あるいは呼接続切断時において、前記マスター通信端末がスレーブ通信端末となり、前記スレーブ通信端末がマスター通信端末となることを特徴とする請求項5乃至7のいずれか1項に記載の無線通信方法。
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