JP6084768B2 - 移動端末、無線通信システム、および無線通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、送信出力制御を行う移動端末、無線通信システム、および無線通信方法に関する。

（適応型アンテナアレイ）
複数のアンテナ素子を持つ適応型のアンテナアレイは、典型的には基地局に実装される。アンテナアレイを基地局に実装すると、アップリンク受信波に含まれる干渉波を抑圧する事が可能であると共に、受信によるアンテナ重みを導く事により所望波の到来経路を推定する事が可能となる。

また、適応アンテナアレイは推定する無線端末に対してＳＩＮＲが最大に、かつそれ以外では信号が抑圧されるよう送信アンテナ重みを設定する事により、通信品質を確保しながら、リンク容量を飛躍的に増大させる事ができる為、昨今研究が盛んになってきている。実際に運用されている例としては、”High Capacity-Spatial Division Multiple Access (HC-SDMA) WTSC- 2005-032(ATIS/ANSI)”に準拠するｉＢｕｒｓｔシステム等がある。

（ＴＤＭＡ−ＴＤＤとアンテナアレイ）
特に、ＴＤＭＡ−ＴＤＤ方式は無線端末から基地局へのアップリンク方向のチャネルと、基地局から無線端末へのダウンリンク方向のチャネルが、同一周波数を用いて行なわれる為、受信で得たアンテナウエイトを理論上送信に用いる事が可能となり、アンテナアレイ方式の性能向上が得られやすいという利点を持つ。つまり、ＴＤＭＡ−ＴＤＤ方式のアンテナアレイは、短期間においては同一周波数帯において、任意の地点と他の任意の地点間の伝播経路において、伝達経路自体と伝播特性に連続性があると仮定し、アップリンクの受信で得た伝達経路に合致したアンテナ重畳係数をダウンリンク送信に利用可能であるとする。一般に、この仮定は推定に用いる受信信号と送信信号の間隔が短く、かつ無線端末の移動速度が遅い場合に十分な実用性を持つ。

（アンテナ重みの取得方法）
複数のアンテナの受信信号からアンテナ毎の重みを導く簡便な方法として、最大比合成（ＭＲＣ）法が知られている。最大比合成（ＭＲＣ）法は、アンテナの各ブランチで受信する信号の位相を揃え、各受信信号のレベルに応じて各アンテナ毎の重みを導き、各受信信号をアンテナ毎の重みに応じて合成する。複雑な演算が不要でかつ、ある程度のＳ／Ｎ比向上が見込める為、頻繁に用いられる。

更に、受信信号におけるＳ／Ｎ比を向上させる方法として、様々な方法が考案されている。例えばアンテナ重みをより精密に求める方法として、としてはＷｉｎｎｅｒ解を用いる方法、特にＷｉｎｎｅｒ解を得る方法としてトレーニング信号（参照信号）と受信アンテナアレイからの受信信号との平均二乗誤差（ＭＳＥ：Mean Square Error）を最小にする適応アルゴリズム（ＭＭＳＥ法）による逐次更新法が知られている。この適応アルゴリズムとしてはＬＭＳ（Least Mean Square）アルゴリズムがよく用いられる。ＭＭＳＥ法は受信アンテナ数が少ない場合は少ないダイバーシティ利得しか得られないが、演算処理量を少なくする事ができるため良く用いられている。

ＭＭＳＥ法よりもスループット特性が優れている方法に、シリアルキャンセラ（ＳＩＣ： Successive Interface Canceller）法や、最尤検出（MLD: Maximum Likelihood Detection）法等が考案され、実際に実用化されている。ただし、これらの方法はＭＭＳＥ法に比べ演算量が多い傾向があり、高速な演算装置が必要となる。

（端末における適応型アンテナアレイ）
上記に示すアンテナ重みを取得し、アンテナ毎の受信信号を合成しＳ／Ｎ比を向上させる方法は、移動端末においても適用可能である。つまり、移動端末において受信に用いるアンテナを複数とし、アンテナ毎の受信信号から、アンテナ重みを取得し、受信信号を合成すると、単に１本のアンテナで受信する場合よりもより良いＳ／Ｎ比の受信信号を得る事が期待できる。

ＬＭＳアルゴリズム等でアンテナ毎の重みを導くには、受信信号に既知のトレーニング信号を付与する方法が知られている。これは一般に基地局と無線端末で共有する既知のトレーニング信号パターンを、送信側が送信信号の先頭もしくは末尾、もしくはその両方に付与して、受信側では既知のパターンをトレーニング信号として用いる方法がよく用いられる。

（端末からのフィードバック情報による基地局の送信出力制御）
一般に受信機が受信する信号レベルは送信機が送信する信号送信レベルや、伝搬経路の性質、送信機との距離等に依存する。他の条件が同じであるならば、また受信信号が飽和しないという条件で送信出力が強いほど、受信信号の信号Ｓ／Ｎ比は良くなる。一方、強い信号は隣接する周波数帯に影響を与える為、不要に送信信号が強くならないよう配慮を行う必要がある。特にＯＦＤＭ方式を採用する場合、サブキャリアは近い周波数にある為、きめ細かい出力制御が必要となる。送信出力制御については特許文献１参照。

送信出力制御の一つの方法として、相手側通信装置の受信品質情報のフィードバックにより、当該通信相手に必要にして十分な送信出力に制御する方法が知られている。基地局における送信出力制御は周波数と時間の組によりチャネルを複数移動端末に対して割り当てるスケジューリングの一環として行われるのが一般的で、隣接する周波数チャネルとの相互の影響を鑑みた、複数移動端末に対するスケジューリング方法は、「最大搬送波対干渉波比」タイプまたは「プロポーショナルフェアネス」タイプとすることができる。

特開２０１１−１３５４７３号公報

ところで、移動端末Ａが最大比合成法を用い、移動端末Ｂが最尤検出法を用いた受信装置を用い、移動端末Ａ、移動端末Ｂ、基地局は、送信出力制御を行って通信していたとする。この場合、移動端末Ｂは、移動端末Ａより３ｄＢの受信のＳ／Ｎが高い合成受信信号を得る事ができるものとする。

移動端末Ａも移動端末Ｂも受信品質情報としてＳ／Ｎ比情報を基地局にフィードバックし、基地局は、移動端末Ａと移動端末Ｂそれぞれからの受信品質情報を比較する。しかし、基地局は、２つの移動端末の受信性能の差を判断しないので、移動端末Ｂへの送信信号が移動端末Ａへの送信信号に比べて不要に高いと判断してしまう。この結果、基地局は、移動端末Ｂへの送信出力を下げるよう制御を行ってしまう。

この結果、移動端末Ｂが合成する受信信号のＳ／Ｎは、移動端末Ａの受信信号のＳ／Ｎと同レベルにまで劣化してしまう事になる。このように、コストをかけて受信性能を改善した移動端末Ｂは、コストをかけないで受信性能に妥協した移動端末Ａと、同じ受信性能しか得る事ができない。

更に、一般に受信機のフェージングへの耐性はアンテナ端での信号レベルが高い方がより安定的である場合が多いため、マルチパス環境下で移動を伴う場合は、移動端末Ｂは、より弱い受信電波になるよう基地局により制御されてしまう為、移動端末Ａより不利となるケースが発生してしまう。

移動端末により高度な適応型アンテナアレイ受信方式を適応しても、基地局が、送信出力制御によって移動端末の送信出力を下げた結果、適応型アンテナアレイ受信方式で改善したＳ／Ｎ比の分だけ基地局の受信品質が下がってしまうことがある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、適切な送信出力制御を行う、移動端末、無線通信システム、および無線通信方法を提供することを目的とする。

本発明の移動端末は、複数のアンテナからの受信信号をアンテナアレイ受信方式で合成すると共に、基地局との間で送信出力制御を行う際にフィードバック信号を送信する移動端末において、前記複数のアンテナのうち１つのアンテナからの受信信号と既知信号とに基づいて受信品質を求める計算部と、前記受信品質からフィードバック情報を決定するフィードバック情報決定部とを備え、前記フィードバック情報に基づいたフィードバック信号を前記基地局に送信する構成を有する。

また、本発明の移動端末は、前記受信品質に応じて前記オフセット値を決定するオフセット値決定部を備えた構成を有する。

また、本発明の移動端末は、それぞれのアンテナからの受信信号をアンテナアレイ受信方式で得られた合成信号と既知信号とに基づいて合成信号受信品質を求める別計算部を備え、前記フィードバック情報決定部は、前記受信品質が所定閾値以下の場合、前記合成信号受信品質をフィードバック情報として決定する構成を有する。

本発明の無線通信システムは、複数のアンテナからの受信信号をアンテナアレイ受信方式で合成すると共に、移動端末と基地局との間で送信出力制御を行う際にフィードバック信号を送信する無線通信システムにおいて、前記移動端末は、前記複数のアンテナのうち１つのアンテナからの受信信号と既知信号とに基づいて受信品質を求める計算部と、前記受信品質からフィードバック情報を決定するフィードバック情報決定部とを備え、前記フィードバック情報に基づいたフィードバック信号を前記基地局に送信する構成を有する。

本発明の無線通信方法は、複数のアンテナからの受信信号をアンテナアレイ受信方式で合成すると共に、基地局との間で送信出力制御を行う際にフィードバック信号を送信する移動端末は、前記複数のアンテナのうち１つのアンテナからの受信信号と既知信号とに基づいて受信品質を求めるステップと、前記受信品質からフィードバック情報を決定するステップと、前記フィードバック情報に基づいたフィードバック信号を前記基地局に送信するステップとを備える。

本発明の移動端末、無線通信システム、および無線通信方法は、適切な送信出力制御を行うことができる。

本発明の実施形態に係る無線通信システムの構成図である。 ＴＤＤ−ＯＦＤＭＡ方式の通信フレームの構成図である。 本発明の第１の実施形態に係る基地局の構成図である。 本発明の第１の実施形態に係る移動端末（３アンテナ）の構成図である。 本発明の第１の実施形態に係る移動端末（１アンテナ）の構成図である。 本発明の第１の実施形態に係る無線通信システムの動作の一部を示した図である。 本発明の第２の実施形態に係る移動端末（３アンテナ）の構成図である。 本発明の第２の実施形態に係る無線通信システムの動作の一部を示した図である。

（本発明の第１の実施形態）
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る無線通信システムの構成図である。図１に示すように、本無線通信システムは、移動端末１〜４と基地局５によって構成されている。説明を簡略化する為に基地局５のアンテナは１本とする。移動端末１、移動端末２、及び移動端末４は、送信受信ともに１本のアンテナを兼用するものとし、移動端末３は受信には３本のアンテナを用い、送信には１本のアンテナを送受信に兼用するものとする。

本無線通信システムは、アップリンク用期間、ダウンリンク用期間に区切られ、時分割多重方式とするＴＤＤ−ＯＦＤＭＡ方式で無線通信されているものとする。また、基地局５と移動端末１〜４のダウンリンクに用いられる通信方法は、サブキャリアを４つ持つとする。

図２は、ＴＤＤ−ＯＦＤＭＡ方式の通信フレームの構成図である。

ダウンリンクは２０のサブフレームに区切られる。また、ダウンリンク期間の先頭に位置するサブフレームは、リファレンスシグナルシンボルが位置し、受信側ではこのシンボルの信号列が既知である。リファレンスシグナルシンボルでないシンボルはインフォーメーションシンボルであり、インフォーメーションシンボルは任意の情報を可搬である。

アップリンクに用いられる通信方式はタイムスロットを４つ持つ。各スロットの先頭部分にリファレンスシグナルシンボルが位置する事とし、受信側ではこのシンボルの信号列が既知である。リファレンスシグナルシンボルでないシンボルはインフォーメーションシンボルであり、インフォーメーションシンボルは任意の情報を可搬である。

説明を簡易にする為に、各サブキャリア及びスロットは、それぞれ予め定められている移動端末と基地局間の通信に用いられる前提とし、それぞれサブキャリア１／スロット１は移動端末１が、サブキャリア２／スロット２は移動端末２が、サブキャリア３／スロット３は移動端末３が、サブキャリア４／スロット４は移動端末４が割り当てられているものとする。

基地局５から任意の移動端末に送信を行う場合は、移動端末との間で共有するダウンリンクリファレンスシグナルを一番目のサブフレームに載せるとともに、任意の情報を後続するサブフレームに載せて、サブキャリア毎の送信信号を作成する。これをサブキャリアの数分行う。すべてのサブキャリアの送信信号が得られた後、これをＩＦＦＴ変換し、ＲＦ変調を行ったのちアンテナから送信を行う。

図３は、本発明の実施形態に係る基地局の構成図である。

ダウンリンクリファレンスシグナル付与部５０２それぞれには、サブキャリア（移動端末毎）に対応した入力信号５０１がそれぞれ入力され、一番目のサブフレームに載せるように、各ダウンリンクリファレンスシグナル付与部５０２は、それぞれのダウンリンクリファレンスシグナルを付与する。

各チャネル符号化部５０３は、それぞれのサブキャリアの信号を符号化し、各送信信号増幅部は、送信出力決定部５１４で決定された送信出力に応じて、それぞれのサブキャリアの信号を増幅する。

多重化部５０５は、それぞれ増幅されたサブキャリアの信号を多重化し、ＩＦＦＴ５０６は、多重化された送信信号を逆フーリエ変換し、ＲＦ変調部５０７は、逆フーリエ変換された送信信号をＲＦ変調してアンテナを介して送信する。

ＲＦ復調部５０８は、受信信号をＲＦ復調し、タイミング分離部５０９は、復調した受信信号をスロット毎のタイミングに分離した信号を取り出し、各フィードバック信号復調部５１１は、各スロットからそれぞれのフィードバック信号を復調する。各チャネル復号部５１２は、各スロットの信号を出力信号５１３として復号する。

図４は、本発明の実施形態に係る移動端末（３アンテナ）の構成図である。なお、移動端末３は、ＭＭＳＥ法を用いたビームフォーミングマルチアンテナ受信方式を用いている。

各ＲＦ復調部１０１は、それぞれのアンテナで受信した受信信号をＲＦ復調し、各ＦＦＴ部１０２は、ＲＦ復調されたそれぞれの受信信号をそれぞれＦＦＴ変換し、各サブキャリア分離部１０３は、サブキャリアの受信信号を分離する。

アンテナ重み計算部１０４は、各サブキャリア分離部１０３のサブキャリアの受信信号に基づいて、例えばＭＭＳＥ法を用いて、アンテナ毎のアンテナ重みを計算する。合成信号生成部１０５は、各サブキャリア分離部１０３のサブキャリアの受信信号と、アンテナ毎のアンテナ重みとに基づいて、サブキャリア毎の受信信号から合成信号を生成する。

リファレンスシグナル復調部１０６は、合成信号からダウンリンクのリファレンスシグナルを復調し、インフォーメーションシンボル復調部１０７は、合成信号からインフォーメーションシンボルを復調する。復調したものが受信情報１０８となる。

リファレンスシグナル復調部１３０は、サブキャリア分離部１０３の１つからダウンリンクのリファレンスシグナルを復調し、ＣＮＲ計算部１３１は、リファレンスシグナル復調部１３０で復調されたダウンリンクのリファレンスシグナルと既知信号の比較を行いＳ／Ｎ比の値としてＣＮＲ（Carrier to Noise ratio）値を求める。

フィードバック情報決定部１１０は、フィードバック信号に載せる受信品質情報を決定する。

アップリンクリファレンスシグナル付与部１１２は、送信情報１１１に対してリファレンスシグナルとして既知信号を付与し、フィードバック信号付与部１１３は、前回の受信で得られたＣＮＲを、フィードバック信号に載せる受信品質情報として付与する。

チャネル符号化部１１４は、フィードバック信号とインフォーメーションシンボルを符号化し、ＲＦ変調部１１５は、符号化された送信信号をＲＦ変調してアンテナを介して規定のタイムスロットのタイミングで送信する。

図５は、本発明の実施形態に係る移動端末（１アンテナ）の構成図である。

図５の移動端末１は、移動端末２、移動端末４と同様である。移動端末３との相違点は、アンテナの本数である。移動端末１、移動端末２、および移動端末４は、アンテナが１本しかないので、フィードバック情報決定部１１０は、オフセット値をゼロとする為、フィードバック情報決定部１１０から出力される値は、合成信号のＣＮＲ値と一致する。

図６は、本発明の実施形態に係る無線通信システムの動作の一部を示した図である。

移動端末３は、基地局５から送信された信号（ダウンリンク）を受信し、サブキャリア分離部１０３の１つからダウンリンクのリファレンスシグナルを復調し、復調されたダウンリンクのリファレンスシグナルと既知信号とに基づいて受信品質を求める（Ｓ１）。

フィードバック情報決定部１１０は、フィードバック信号に載せる受信品質情報（フィードバック情報）を出力する（Ｓ２）。

基地局５の送信出力決定部５１４は、タイムスロット毎に対応する４つのフィードバック信号に含まれる受信品質情報の比較を行い、次回のサブキャリア毎の送信信号レベルを決定する。その際、送信出力決定部５１４は、他に比べて受信品質が良い場合は送信レベルを下げ、受信品質が悪い場合は上限に達していない場合は増加させるよう制御を行い、全体のバランスを調整する。

ここで移動端末３は、３本のアンテナを用いてアンテナアレイを構成して受信性能を高めているが、ＣＮＲ値の算出には１本のアンテナからの受信信号を用いている。よって、３本のアンテナアレイを用いてアンテナア毎のウエイトにより合成した受信信号よりＣＮＲ値が悪くなる事が予想される。この結果、基地局５は、移動端末３からのフィードバック情報を受信性能の向上分に合わせた分送信出力を低く抑える事が無い為、移動端末３は受信性能に合わせた性能を発揮する事が可能となる。

（本発明の第２の実施形態）
ところで、移動端末３において、ＣＮＲ値がある程度高い場合は基地局にフィードバックする受信品質情報を受信性能の向上分、低く報告する事は、基地局の送信出力を予想外に低くされる事が無いため、受信性能の向上分をマージンとして確保する事が可能となるが、ＣＮＲ値が低くなるにつれて、基地局にフィードバックする受信品質情報を受信性能の向上分、低く報告する事は、基地局が通信不能であると判断してしまう事になりカバレージの増加に寄与できないため、以下のようにする。

図７は、本発明の実施形態に係る移動端末（３アンテナ）の構成図である。図４で示した移動端末と同一の構成には同一の符号を付し、それぞれの説明を省略する。

ＣＮＲ計算部１０９は、ダウンリンクのリファレンスシグナルと既知信号の比較を行いＳ／Ｎ比の値としてＣＮＲ（Carrier to Noise ratio）を求める。なお、ダウンリンクのリファレンスシグナルは基地局５と移動端末のフレーム同期にも用いられる。

フィードバック情報決定部１１０は、ＣＮＲ計算部１３１のＣＮＲ値が閾値以下である場合は、フィードバック信号に載せる受信品質情報を、ＣＮＲ計算部１０９のＣＮＲ値とする。

アップリンクリファレンスシグナル付与部１１２は、送信情報１１１に対してリファレンスシグナルとして既知信号を付与し、フィードバック信号付与部１１３は、前回の受信で得られたＣＮＲを、フィードバック信号に載せる受信品質情報として付与する。

チャネル符号化部１１４は、フィードバック信号とインフォーメーションシンボルを符号化し、ＲＦ変調部１１５は、符号化された送信信号をＲＦ変調してアンテナを介して規定のタイムスロットのタイミングで送信する。

図８は、本発明の実施形態に係る無線通信システムの動作の一部を示した図である。

移動端末３は、基地局５から送信された信号（ダウンリンク）を受信し、１つのアンテナからの受信信号と既知信号とに基づいて受信品質を求め、３つのアンテナからの受信信号をアンテナアレイ受信方式で得られた合成信号と既知信号とに基づいて受信品質を求め、
る（Ｓ１１）。

フィードバック情報決定部１１０は、１つのアンテナからの受信品質が所定の閾値以下である場合、３つのアンテナとアンテナアレイ受信方式で得られた受信品質（フィードバック情報）として出力する（Ｓ１２）。

基地局５の送信出力決定部５１４は、タイムスロット毎に対応する４つのフィードバック信号に含まれる受信品質情報の比較を行い、次回のサブキャリア毎の送信信号レベルを決定する。その際、送信出力決定部５１４は、他に比べて受信品質が良い場合は送信レベルを下げ、受信品質が悪い場合は上限に達していない場合は増加させるよう制御を行い、全体のバランスを調整する。

以上のように、１つのアンテナからの受信品質が所定の閾値以下である場合は、３つのアンテナとアンテナアレイ受信方式で得られた受信品質を用いてフィードバック情報にすることにより、基地局５と移動端末の距離が離れていても受信性能の向上分によりカバレッジを増加させる事ができる。

上記例では移動端末１、移動端末２、および移動端末４がアンテナ１本構成で、移動端末３は、ＭＭＳＥ法を用いたビームフォーミングマルチアンテナ受信方式を用いているが移動端末１、移動端末２、および移動端末４がビームフォーミングマルチアンテナ受信方式を用いている構成で、最大比合成法、ＭＭＳＥ法、ＳＩＣ法、ＭＬＤ法等異なるビームフォーミング方式を採用している場合でも本発明は適応可能である。

１〜４ 移動端末
５ 基地局
１０１ 各ＲＦ復調部
１０２ 各ＦＦＴ部
１０３ 各サブキャリア分離部
１０４ 計算部
１０５ 合成信号生成部
１０６、１３０ リファレンスシグナル復調部
１０７ インフォーメーションシンボル復調部
１０８ 受信情報
１０９、１３１ ＣＮＲ計算部
１１０ フィードバック情報決定部
１１１ 送信情報
１１２ アップリンクリファレンスシグナル付与部
１１３ フィードバック信号付与部
１１４ チャネル符号化部
１１５ ＲＦ変調部
５０１ 入力信号
５０２ ダウンリンクリファレンスシグナル付与部
５０２ 各ダウンリンクリファレンスシグナル付与部
５０３ 各チャネル符号化部
５０５ 多重化部
５０６ ＩＦＦＴ
５０７ ＲＦ変調部
５０８ ＲＦ復調部
５０９ タイミング分離部
５１１ 各フィードバック信号復調部
５１２ 各チャネル復号部
５１３ 出力信号
５１４ 送信出力決定部

Claims (3)

1. 複数のアンテナを有し、基地局との間で送信出力制御を行う際にフィードバック信号を送信する移動端末において、
   前記複数のアンテナのうち１つのアンテナからの受信信号と既知信号とに基づいて第１の受信品質を求める計算部と、
   それぞれのアンテナからの受信信号をアンテナアレイ受信方式で得られた合成信号と既知信号とに基づいて第２の受信品質を求める別計算部と、
   前記第１の受信品質が所定閾値以下の場合、前記第２の受信品質をフィードバック情報として決定するフィードバック情報決定部とを備え、
   前記フィードバック情報に基づいたフィードバック信号を前記基地局に送信することを特徴とする移動端末。
2. 複数のアンテナを有し、移動端末と基地局との間で送信出力制御を行う際にフィードバック信号を送信する無線通信システムにおいて、
   前記移動端末は、
   前記複数のアンテナのうち１つのアンテナからの受信信号と既知信号とに基づいて第１の受信品質を求める計算部と、
   それぞれのアンテナからの受信信号をアンテナアレイ受信方式で得られた合成信号と既知信号とに基づいて第２の受信品質を求める別計算部と、
   前記第１の受信品質が所定閾値以下の場合、前記第２の受信品質をフィードバック情報として決定するフィードバック情報決定部とを備え、
   前記フィードバック情報に基づいたフィードバック信号を前記基地局に送信することを特徴とする無線通信システム。
3. 複数のアンテナを有し、基地局との間で送信出力制御を行う際にフィードバック信号を送信する移動端末は、
   前記複数のアンテナのうち１つのアンテナからの受信信号と既知信号とに基づいて第１の受信品質を求めるステップと、
   前記第１の受信品質が所定閾値以下の場合、それぞれのアンテナからの受信信号をアンテナアレイ受信方式で得られた合成信号と既知信号とに基づいた第２の受信品質をフィードバック情報として決定するステップと、
   前記フィードバック情報に基づいたフィードバック信号を前記基地局に送信するステップとを備えたことを特徴とする無線通信方法。

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