JP6552051B2

JP6552051B2 - 無線通信システム

Info

Publication number: JP6552051B2
Application number: JP2015240262A
Authority: JP
Inventors: 雅之竹川; 仲田　樹広; 樹広仲田
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2015-12-09
Filing date: 2015-12-09
Publication date: 2019-07-31
Anticipated expiration: 2035-12-09
Also published as: JP2017108272A

Description

本発明は、空間変調を利用する無線通信システムに関する。

近年の情報化社会の進展は実に目覚しく、多くの情報通信機器やサービスにおける通信方法として、有線通信のほかに、無線通信が利用されることも多くなっている。これに伴い、周波数利用効率向上のため、時空間符号化（ＳＴＣ：Space Time Coding）や多入力多出力（ＭＩＭＯ：Multi-Input Multi-Output）伝送方式に代表されるような、電波伝搬路の有する情報伝送容量を引き出す空間信号処理技術が実用化されており、また、さらなる高度化が求められている。

ここで、空間信号処理技術の一種として、空間変調の研究が行われている。空間変調は、一種のＭＩＭＯ伝送方式であるが、送信側に複数のアンテナを具備し、送信に使用するアンテナをそのうち一部のアンテナに限定することで、送信アンテナの選択行為に情報量を持たせる方式である（特許文献１〜３参照）。

例えば、４つの送信アンテナ（＃１〜＃４）を備えた送信機において１つのアンテナを選んで電波を発射する場合に、アンテナ＃１から電波を発射した場合は２ビット情報“００”、アンテナ＃２から電波を発射した場合は２ビット情報“０１”、アンテナ＃３から電波を発射した場合は２ビット情報“１０”、アンテナ＃４から電波を発射した場合は２ビット情報“１１”、をそれぞれ送信したものであると決めておけば、受信機において送信側が使用したアンテナを認識することで、２ビットの情報を取り出すことが可能となる。送信に使用するアンテナの切り替え（空間変調）を一定の周期（シンボル周期）で行うことで、連続して情報の伝送を行うことができる。また、このとき送信アンテナから発射する電波を変調することも可能であり、この場合はアンテナ選択による情報のほか、受信した電波を復調することで、一般的な搬送波変調方式を用いた情報の伝送も可能となる。

米国特許第８，０９４，７４３号明細書特許第４９４５３３３号公報特開２０１０−０９３７０４号公報

上述の通り、空間変調は、送信機が複数のアンテナを具備し、例えば1つの送信アンテナを選択して電波を発射することに対して情報を乗せる変調方式である。
図６は、従来の空間変調を利用する無線送信機の構成の一例を示すブロック図である。図６に示すように、空間変調を利用する方式においては、ある時刻において送信に使用されないアンテナが存在することになるため、各アンテナに接続された送信ＲＦ部（＃１〜＃４）の中でも使用されない時刻が生じることになる。
図７は、従来の空間変調を利用する無線送信機の構成の他の例を示すブロック図である。図７に示すように、送信ＲＦ部を１つとして送信アンテナをスイッチによって切り替えることも可能であるが、スイッチによる損失が発生する。
また、図８は、従来の空間多重方式または送信ダイバーシチ方式と空間変調方式での送信電力の違いを説明するための図であり、図８（ａ）は空間多重方式または送信ダイバーシチ方式の場合を示し、また、図８（ｂ）は空間変調方式の場合を示している。
図６に示したような構成においては、同じ複数アンテナ方式である通常の空間多重方式や送信ダイバーシチ方式と切り替えて送信機を使用するようなことも可能と考えられる。
しかし、図８（ａ）に示すように、空間多重方式や送信ダイバーシチ方式で複数アンテナから同時に送信する場合には、各アンテナでの送信出力をＰｔとすると、４つのアンテナ全体での総送信電力が４Ｐｔとなる。また、同様の情報量を空間変調方式で１つのアンテナからを送信する場合には、図８（ａ）に示す合計電力（４Ｐｔ）に相当する送信電力を、図８（ｂ）に示すように、１つのアンテナに集中して供給する必要があるため、高出力のパワーアンプを使用することによる送信機の電力効率低下や、パワーアンプの出力に制約があるような高周波数帯においては伝送可能距離の低下が発生してしまう。

本発明は、このような従来の事情に鑑みなされたものであり、空間変調を利用する無線通信システムにおいて、未使用の送信アンテナおよび送信ＲＦ部が生じる確率を低下させ、各送信ＲＦ部が受け持つ送信電力を平準化させることができ、送信機の効率低下や伝送距離の低下を招くことなく無線通信が可能な無線通信システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る無線通信システムは、無線通信装置である送信機と受信機とを含んで構成され、前記送信機と前記受信機との間で空間変調を利用して無線通信を行う無線通信システムであって、前記送信機は、空間変調による無線通信を行う複数の送信アンテナと、複数の送信ＲＦ部と、少なくとも１つのベースバンド信号処理部とを備え、前記送信機と前記受信機との間の無線通信は複数の搬送波を使用するマルチキャリア伝送により行われ、前記送信機および前記受信機は、前記複数の搬送波を使用した通信を行う際に搬送波ごとに個別に空間変復調を実施する手段を備え、前記送信機は、送信する情報ビットをランダム化する手段を備え、それぞれの搬送波において各シンボル時刻における空間変調を行うことで、未使用となる送信ＲＦ部および送信アンテナの発生確率を低下させることを特徴とする。

また、上記目的を達成するために、本発明に係る無線通信システムは、上記した無線通信システムにおいて、前記送信機と前記受信機との間の無線通信は、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）伝送方式に空間変調を組み合わせた通信方式によって行われることを特徴とする。

また、上記目的を達成するために、本発明に係る無線通信システムは、上記した無線通信システムにおいて、前記送信機と前記受信機との間の無線通信は、ＧＦＤＭ（Generalized Frequency Division Multiplexing）伝送方式に空間変調を組み合わせた通信方式によって行われることを特徴とする。

本発明によれば、空間変調を利用する無線通信システムにおいて、未使用の送信アンテナおよび送信ＲＦ部が生じる確率を低下させ、各送信ＲＦ部が受け持つ送信電力を平準化させることができ、送信機の効率低下や伝送距離の低下を招くことなく無線通信が可能となる。

本発明の一実施形態に係る無線通信システムの全体構成の一例を示す図である。本発明の一実施形態に係る無線通信システムのＢＳの構成の一例を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係る無線通信システムのＭＳの構成の一例を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係る無線通信システムにおいて、ＢＳからＭＳに対して空間変調で情報を伝送する際のＢＳの各アンテナから送信される信号の一例を説明するための図（１）である。本発明の一実施形態に係る無線通信システムにおいて、ＢＳからＭＳに対して空間変調で情報を伝送する際のＢＳの各アンテナから送信される信号の一例を説明するための図（２）である。従来の空間変調を利用する無線送信機の構成の一例を示すブロック図である。従来の空間変調を利用する無線送信機の構成の他の例を示すブロック図である。従来の空間多重方式または送信ダイバーシチ方式と空間変調方式での送信電力の違いを説明するための図である。

以下、本発明の一実施形態に係る無線通信システムについて説明する。

［無線通信システムの構成］
本発明の一実施形態に係る無線通信システム１の構成について、図１を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る無線通信システムの全体構成の一例を示す図である。なお、本発明の一実施形態に係る無線通信システム１は、空間変調を利用する無線通信システムである。
図１に示すように、本発明の無線通信システム１は、戸別に設置される子局や携帯電話等の無線通信端末であるＭＳ２０と、これらの無線通信端末が接続する基地局であるＢＳ１０とを含んで構成され、３０はＢＳ１０の通信エリアを示している。
また、ＢＳ１０とＭＳ２０との間の無線通信は、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing：直交周波数分割多重）伝送方式に空間変調を組み合わせた通信方式によって行われる。ＢＳ１０およびＭＳ２０はそれぞれ複数のアンテナを具備し、送信時に特定のアンテナを選択することによる空間変調と各サブキャリアに適用する直交振幅変調とを組み合わせ、選択された各アンテナから変調されたサブキャリアを送信する。

［ＢＳの構成］
次に、本発明の一実施形態に係る無線通信システム１のＢＳ１０の具体的な構成について、図２を参照して説明する。図２は、本発明の一実施形態に係る無線通信システムのＢＳの構成の一例を示すブロック図であり、図２（ａ）はＢＳ１０の構成を示し、また、図２（ｂ）はＢＳ１０のＢＢ信号処理部１１５の詳細な構成を示している。

図２（ａ）に示すように、ＢＳ１０は、電波の送受信を行うアンテナ１０１〜１０４と、データの送受信を行うデータ伝送部１０５と、自局全体の制御を行う主制御部１０６と、外部回線や外部装置とのインターフェースとなるインターフェース部１０７と、外部回線や外部装置と接続するための端子１０８とを備える。

データ伝送部１０５は、ＲＦ部１１１〜１１４と、ベースバンド（ＢＢ）信号処理部１１５と、ＭＡＣ処理部１１６とを備える。
ＲＦ部１１１〜１１４は、ベースバンドから無線周波数帯への周波数変換および無線周波数帯からベースバンドへの周波数変換や、信号増幅等の処理を行う。
ＢＢ信号処理部１１５は、送信ＢＢ部１２１と、受信ＢＢ部１２２とを備える。

送信ＢＢ部１２１は、図２（ｂ）に示すように、ランダマイザ部１３１と、チャネル符号化部１３２と、送信情報分配部１３３と、空間変調部１３４と、ＯＦＤＭ変調部１３５とを備える。
受信ＢＢ部１２２は、図２（ｂ）に示すように、ＯＦＤＭ復調部１４１と、空間復調部１４２と、受信情報統合部１４３と、チャネル復号部１４４と、デランダマイザ部１４５とを備える。

ＭＡＣ処理部１１６は、自局が使用する周波数やデータ送受信タイミングの制御、通信パケットへの自局識別子の付加、およびデータ送信元の無線装置の認識などの処理を行う。
主制御部１０６は、例えば、プロセッサとメモリ上に定義されたデータ記憶領域とソフトウェアで構成することが可能である。また、ＢＢ信号処理部１１５、並びにＭＡＣ処理部１１６における処理は、例えば、主制御部１０６のプロセッサがハードディスクやフラッシュメモリ等のデータ記憶装置に記憶されているプログラムをメモリ上に読み出して実行することにより実現することが可能である。

［ＭＳの構成］
次に、本発明の一実施形態に係る無線通信システム１のＭＳ２０の具体的な構成について、図３を参照して説明する。図３は、本発明の一実施形態に係る無線通信システムのＭＳの構成の一例を示すブロック図であり、図３（ａ）はＭＳ２０の構成を示し、また、図３（ｂ）はＭＳ２０のＢＢ信号処理部２１５の詳細な構成を示している。

図３（ａ）に示すように、ＭＳ２０は、電波の送受信を行うアンテナ２０１〜２０４と、データの送受信を行うデータ伝送部２０５と、自局全体の制御を行う主制御部２０６と、外部回線や外部装置とのインターフェースとなるインターフェース部２０７と、外部回線や外部装置と接続するための端子２０８とを備える。

データ伝送部２０５は、ＲＦ部２１１〜２１４と、ベースバンド（ＢＢ）信号処理部２１５と、ＭＡＣ処理部２１６とを備える。
ＲＦ部２１１〜２１４は、ベースバンドから無線周波数帯への周波数変換および無線周波数帯からベースバンドへの周波数変換や、信号増幅等の処理を行う。
ＢＢ信号処理部２１５は、送信ＢＢ部２２１と、受信ＢＢ部２２２とを備える。

送信ＢＢ部２２１は、図３（ｂ）に示すように、ランダマイザ部２３１と、チャネル符号化部２３２と、送信情報分配部２３３と、空間変調部２３４と、ＯＦＤＭ変調部２３５とを備える。
受信ＢＢ部２２２は、図３（ｂ）に示すように、ＯＦＤＭ復調部２４１と、空間復調部２４２と、受信情報統合部２４３と、チャネル復号部２４４と、デランダマイザ部２４５とを備える。

ＭＡＣ処理部２１６は、自局が使用する周波数チャネルやデータ送受信タイミングの制御、パケットへの自局識別子の付加、およびデータ送信元の無線装置の認識等の処理を行う。
主制御部２０６は、例えば、プロセッサとメモリ上に定義されたデータ記憶領域とソフトウェアで構成することも可能である。また、ＢＢ信号処理部２１５、並びにＭＡＣ処理部２１６における処理は、例えば、主制御部２０６のプロセッサがハードディスク等のデータ記憶装置に記憶されているプログラムをメモリ上に読み出して実行することにより実現することが可能である。

次に、本発明の一実施形態に係る無線通信システム１において、ＢＳ１０からＭＳ２０に対して空間変調で情報を伝送する際の送信側（ＢＳ１０）の各アンテナから送信される信号の一例について、図４および図５を参照して説明する。図４は、本発明の一実施形態に係る無線通信システムにおいて、ＢＳからＭＳに対して空間変調で情報を伝送する際のＢＳの各アンテナから送信される信号の一例を説明するための図（１）である。また、図５は、本発明の一実施形態に係る無線通信システムにおいて、ＢＳからＭＳに対して空間変調で情報を伝送する際のＢＳの各アンテナから送信される信号の一例を説明するための図（２）である。

ＢＳ１０のデータ伝送部１０５において、送信ＢＢ部１２１により送信される情報は、図２（ｂ）に示すように、まず、ランダマイザ部１３１でランダム化され、チャネル符号化部１３２で符号化された後、送信情報分配部１３３に入力される。
送信情報分配部１３３は、空間変調に割り当てるビット数分の送信データを空間変調部１３４へ、また、ＯＦＤＭのサブキャリア変調に割り当てるビット数分の送信データをＯＦＤＭ変調部１３５へそれぞれ入力する。

図４に示すように、本実施例においては、送信アンテナ数４、サブキャリア変調方式をＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying：４位相偏移変調）とすると、各サブキャリアにおいて、空間変調に割り当てるビット数が２ビット、サブキャリア変調に割り当てるビット数が２ビットとなる。

空間変調部１３４は、送信情報分配部１３３から受け取った送信データに基づき、ＯＦＤＭのサブキャリアごとに送信に使用するアンテナを選択し、選択したアンテナ番号をＯＦＤＭ変調部１３５へ通知する。
例えば、サブキャリア１については、アンテナ１０２（＃２）を選択し、選択したアンテナ番号（＃２）をＯＦＤＭ変調部１３５へ通知する。サブキャリア２については、アンテナ１０３（＃３）を選択し、選択したアンテナ番号（＃３）をＯＦＤＭ変調部１３５へ通知する。サブキャリア３については、アンテナ１０１（＃１）を選択し、選択したアンテナ番号（＃１）をＯＦＤＭ変調部１３５へ通知する。サブキャリア４については、アンテナ１０４（＃４）を選択し、選択したアンテナ番号（＃４）をＯＦＤＭ変調部１３５へ通知する。サブキャリア５については、アンテナ１０３（＃３）を選択し、選択したアンテナ番号（＃３）をＯＦＤＭ変調部１３５へ通知する。サブキャリア６については、アンテナ１０２（＃２）を選択し、選択したアンテナ番号（＃３）をＯＦＤＭ変調部１３５へ通知する。

ＯＦＤＭ変調部１３５では、空間変調部１３４で選択されたアンテナ番号に基づき、各サブキャリアを送信情報分配部１３３から受け取った送信データで変調してＲＦ部１１１〜１１４へ出力する。

ここで、ＯＦＤＭ変調部１３５は、図４に示すように、サブキャリア変調器制御部１５１と、サブキャリア変調データ分配部１５２と、系統別変調器１５３とを備える。
具体的には、ＯＦＤＭ変調部１３５では、図４に示すように、サブキャリア変調器制御部１５１で系統別変調器１５３を制御し、サブキャリア毎に、選択されたアンテナ＃１〜＃４に対応するＲＦ部に接続される変調器のみをアクティブ、選択されなかったアンテナに対応するＲＦ部に接続された変調器を非アクティブとする。
さらに、系統別変調器１５３は、アクティブな変調器のみを用いて、サブキャリア変調データ分配部１５２から通知されたサブキャリア変調データにより各サブキャリアを変調する。
例えば、系統別変調器１５３では、サブキャリア１については、アクティブな変調器＃２のみを用いて、サブキャリア変調データ分配部１５２から通知されたサブキャリア変調データ“００”により変調する。サブキャリア２については、アクティブな変調器＃３のみを用いて、サブキャリア変調データ分配部１５２から通知されたサブキャリア変調データ“１０”により変調する。サブキャリア３については、アクティブな変調器＃１のみを用いて、サブキャリア変調データ分配部１５２から通知されたサブキャリア変調データ“１０”により変調する。サブキャリア４については、アクティブな変調器＃４のみを用いて、サブキャリア変調データ分配部１５２から通知されたサブキャリア変調データ“１１”により変調する。サブキャリア５については、アクティブな変調器＃３のみを用いて、サブキャリア変調データ分配部１５２から通知されたサブキャリア変調データ“００”により変調する。サブキャリア６については、アクティブな変調器＃２のみを用いて、サブキャリア変調データ分配部１５２から通知されたサブキャリア変調データ“０１”により変調する。

これにより、系統別変調器１５３からは、空間変調部１３４で選択された番号の系統のみから変調されたサブキャリアを出力することになり、ＲＦ部１１１〜１１４を通して、アンテナ１０１（＃１）〜１０４（＃４）から、図５に示すような各送信信号が出力される。

以上説明したように、本発明の一実施形態に係る無線通信システムによれば、空間変調を利用する無線通信システムにおいて、未使用の送信アンテナおよび送信ＲＦ部が生じる確率を低下させ、各送信ＲＦ部が受け持つ送信電力を平準化させることができ、送信機の効率低下や伝送距離の低下を招くことなく無線通信が可能となる。

なお、本発明は、本構成例に限定されるものではない。本構成例とは異なる以下のような構成をとることも可能である。ただし、以下に述べる例にも限定されるものではない。

本実施形態では、ＢＳ１０およびＭＳ２０の両方に空間変調部および空間復調部を備え、双方向の無線通信で空間変調を利用していたが、例えば、ＢＳでは空間変調のみ、ＭＳでは空間復調のみを行う構成や、ＭＳでは空間変調のみ、ＭＳでは空間復調のみを行う構成のような、片方向の無線通信のみで空間変調を利用する構成としてもよい。

本実施形態では、無線通信に用いるマルチキャリア伝送方式としてＯＦＤＭ方式を用いていたが、例えば、ＧＦＤＭ（Generalized Frequency Division Multiplexing）のようにＯＦＤＭに類する方式であって伝送帯域幅を複数の周波数帯域に分割して多重伝送を行う方式や、キャリアアグリゲーションのように離れた周波数の搬送波を複数使用するマルチキャリア伝送方式を用いてもよく、また、キャリアアグリゲーションとＯＦＤＭを組み合わせて利用してもよい。

なお、本発明の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらす全ての実施形態をも含む。さらに、本発明の範囲は、すべての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画されうる。

本発明は、空間変調を利用する無線通信システムを構築する産業で利用される。

１：無線通信システム、１０：ＢＳ、２０：ＭＳ、３０：通信エリア、１０１，１０２，１０３，１０４：アンテナ、１０５：データ伝送部、１０６：主制御部、１０７：インターフェース部、１０８：端子、１１１，１１２，１１３，１１４：ＲＦ部、１１５：ベースバンド信号処理部、１１６：ＭＡＣ処理部、１２１：送信ＢＢ部、１２２：受信ＢＢ部、１３１：ランダマイザ部、１３２：チャネル符号化部、１３３：送信情報分配部、１３４：空間変調部、１３５：ＯＦＤＭ変調部、１４１：ＯＦＤＭ復調部、１４２：空間復調部、１４３：受信情報統合部、１４４：チャネル復号部、１４５：デランダマイザ部、１５１：サブキャリア変調器制御部、１５２：サブキャリア変調データ分配部、１５３：系統別変調器、２０１，２０２，２０３，２０４：アンテナ、２０５：データ伝送部、２０６：主制御部、２０７：インターフェース部、２０８：端子、２１１，２１２，２１３，２１４：ＲＦ部、２１５：ベースバンド信号処理部、２１６：ＭＡＣ処理部、２２１：送信ＢＢ部、２２２：受信ＢＢ部、２３１：ランダマイザ部、２３２：チャネル符号化部、２３３：送信情報分配部、２３４：空間変調部、２３５：ＯＦＤＭ変調部、２４１：ＯＦＤＭ復調部、２４２：空間復調部、２４３：受信情報統合部、２４４：チャネル復号部、２４５：デランダマイザ部。

Claims

無線通信装置である送信機と受信機とを含んで構成され、前記送信機と前記受信機との間で空間変調を利用して無線通信を行う無線通信システムであって、
前記送信機は、空間変調による無線通信を行う複数の送信アンテナと、複数の送信ＲＦ部と、少なくとも１つのベースバンド信号処理部とを備え、
前記送信機と前記受信機との間の無線通信は複数の搬送波を使用するマルチキャリア伝送により行われ、
前記送信機および前記受信機は、前記複数の搬送波を使用した通信を行う際に搬送波ごとに個別に空間変復調を実施する手段を備え、
前記送信機は、送信する情報ビットをランダム化する手段を備え、それぞれの搬送波において各シンボル時刻における空間変調を行うことで、未使用となる送信ＲＦ部および送信アンテナの発生確率を低下させることを特徴とする無線通信システム。
請求項１に記載の無線通信システムにおいて、前記送信機と前記受信機との間の無線通信は、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）伝送方式に空間変調を組み合わせた通信方式によって行われることを特徴とする無線通信システム。
請求項１に記載の無線通信システムにおいて、前記送信機と前記受信機との間の無線通信は、ＧＦＤＭ（Generalized Frequency Division Multiplexing）伝送方式に空間変調を組み合わせた通信方式によって行われることを特徴とする無線通信システム。