JPWO2004095730A1 - 無線通信装置、送信装置、受信装置および無線通信システム - Google Patents
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Abstract
Description
ここで、上記SDM方式の一例(非特許文献1参照)を簡単に説明する。送信側の通信装置では、たとえば、同時送信する2チャネルのデータに対して個別に誤り訂正符号化を行い、その後、符号化後の各データに対して所定の変調処理を施し、それらの結果を対応するサブキャリアに配置する。そして、各サブキャリア上の信号は、IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)処理によって個別に時間信号(OFDM信号)に変換され、さらに、ガードインターバルが付加され、高周波帯へアップコンバートされた後、対応する各送信アンテナより送信される。
また、受信側の通信装置では、まず、異なる受信アンテナで受信した高周波信号を個別にベースバンド信号に変換する。このとき、各ベースバンド信号は複数の信号(上記2チャネル)が混在する状態であるため、それらを分離する必要がある。つぎに、各ベースバンド信号は、FFT(Fast Fourier Transform)処理によって周波数軸信号へ変換される。すなわち、ここでサブキャリア単位の信号(サブキャリア信号)となる。これらのサブキャリア信号は、複数チャネルの信号が多重されているため、重み付け制御(ウェイト制御)により各チャネルの受信信号として抽出される。非特許文献1においては、このウェイトの算出に、非所望チャネルを完全に抑圧するゼロフォーシング(Zero−Forcing)を用いている。チャネル単位に分離された受信信号は、それぞれ、復調処理でメトリック計算が実行され、誤り訂正処理が行われた後、最終的な各チャネルの受信信号として出力される。
このように、上記SDM方式を採用する従来の通信装置では、複数チャネルを用いて異なる信号系列を同時送信することにより、単位時間当りの送信シンボル数を増加することができる。すなわち、伝送状態の良好な環境では高速な通信を実現できる。
一方、上記STC方式を採用する通信装置においては、一般的に、受信側によるチャネル分離に逆行列演算を必要としないので、少ない演算量で受信処理を実現できる、という特徴がある。また、受信側の装置構成を1本のアンテナで実現でき、さらに、低S/Nの環境下であっても優れた通信品質を確保できる、という特徴がある。なお、上記STC方式の理論的な信号処理については、下記非特許文献2,3に詳細に記述されている。
電子情報通信学会技術研究報告RCS2001−135「MIMOチャネルにより100Mbit/sを実現する広帯域移動通信用SDM−COFDM方式の提案」 S.M.Alamouti,"A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications",IEEE J.Se−lected Areas in Communications,val.16,pp.1451−1458,Oct.1998. V.Tarokh,H.Jafarkhani,A.R.Calderbank,"Space−time Block Coding for Wireless Communications:Performance Results",IEEE Journal OnSelected Areas in Communications,Vol.17,pp.451−460,No.3,March 1999.
また、STC方式を採用する従来の通信装置においては、同一信号を複数回にわたって送信するため、送信シンボル数を増加させることが困難となる、という問題があった。
すなわち、STC方式を採用する通信装置とSDM方式を採用する通信装置は、上記のようにそれぞれ相反する特徴を有しているので、換言すれば、固有の問題点を抱えているので、最適なMIMOチャネルを構成するという点においてさらなる改善の余地がある。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、それぞれの方式の特徴点を実現し、更なる高速化を実現することによって、最適なMIMOチャネルを構成可能な無線通信装置を提供することを目的とする。
この発明によれば、送受信装置に備えられたアンテナ数,計算能力,伝送路状態など、種々のパラメータから最適なMIMOチャネルの構成(アンテナによるチャネル分割、STCによるチャネル分割)を決定する。これにより、従来技術と比較して効率のよい通信を行うことができる。また、従来のSDM方式では逆行列が存在しない通信環境下であっても、STCを適用することにより等化行列が生成できる可能性が高くなるため、SDMの特徴である高速な通信を維持しつつ、STCの特徴である優れた通信品質を実現できる。
実施の形態1.
まず、本発明にかかる無線通信装置において実行される処理を理論的に説明する。ここでは、サブキャリア数を1として説明する。
送信アンテナiから受信アンテナkへの伝送路ゲインをhikと表すと、たとえば、送信アンテナが2本の場合、SDM方式は、下記(1)式で表すことができる。ただし、rjは受信アンテナjにおける受信信号を表し、xjは送信アンテナj(チャネルjと等価)における送信信号を表す。また、雑音は無視する。
一方、STC方式も、特定の信号配置マトリクスを用いた場合、(1)式と同様の記述が可能である。たとえば、送信アンテナ2、Rate=1のマトリクスを使用する場合、時刻nにおける受信信号をynとすれば、下記(2)式のように表すことができる。
SDM方式との違いは受信アンテナが1本のため伝送路ゲインが2種の値しか現れない点である(STCのブロック内では伝送路の変動はないものと仮定)。上記(1)式と(2)式からわかるようにSDMとSTCは全く同一の形で表現が可能である。
第1図は、SDM方式とSTC方式を同時に使用する場合における、本実施の形態のシステムモデルを示す図である。ここでは、4つの送信アンテナ,2つの受信アンテナで2チャネルのSTC処理を想定する。また、送信アンテナTx1,Tx2を一つのSDMチャネル(従来のSDMの場合の送信アンテナ1本に相当:SDMch1と表記)と見なし、STC処理後の信号を送信する。また、送信アンテナTx3,Tx4により構成されるSDMch2においても、STC処理後の信号を送信する。この場合は、送信信号s1,s2,s3,s4の4シンボルを2単位時間で送信することになる。
受信アンテナnの時刻tにおける信号をrn,tとすれば、受信信号は、上記(1)式と(2)式より、下記(3)式のようにSDMおよびSTCを完全に統合した形で記述することができる。
上記(3)式を一般化すると、下記(4)式のように表すことができる。
そして、上記Gに逆行列が存在する場合、SDMとSTCとを合わせた4チャネルの分離が可能となる。
STCを表す信号配置マトリクスをA(SDMch1),B(SDMch2)とし、上記例による下記(5)式を適用した場合(A,Bの添字は受信アンテナ番号)、行列Gは、下記(6)式となる。
行列Gが正則となるためには、Gの各行,列が平行とならなければよい。したがって、送受2アンテナの通常のSDM方式と比較した場合でも、逆行列が存在する可能性は大きいので、MIMOの適用領域を広げることができる。
つづいて、上記理論を実現する送信側の通信装置(以下、送信装置と呼ぶ)および受信側の通信装置(以下、受信装置と呼ぶ)の動作を、図面を用いて具体的に説明する。第2図は、本発明にかかる送信装置の実施の形態1の構成を示す図であり、第3図は、本発明にかかる受信装置の実施の形態1の構成を示す図である。
第2図に示す送信装置は、後述するチャネル構成制御情報S8に基づいて送信信号S1を複数チャネルに分割するチャネル分割部1と、分割後の各チャネルの送信信号S2に対して誤り訂正符号化処理を実行する畳み込み符号化部2と、符号化データS3に対して所定の変調処理を実行する変調部3と、変調信号S4に対して送信する時間およびアンテナを割り当てるSTC部4と、各アンテナに割り当てられたサブキャリア上の送信信号S5を時間軸上の信号(ベースバンド信号S6)に変換するIFFT部5−1〜5−N(Nは2以上の整数)と、ベースバンド信号S6を高周波帯へ変換するIF/RF部6−1〜6−Nと、送信アンテナ7−1〜7−Nと、後述する受信装置側からフィードバックされてくるチャネル構成情報S7から上記チャネル構成制御情報S8を生成する送信チャネル構成制御部8と、を備える。なお、ここでは、説明の便宜上、特定のチャネルにおける動作を説明するが、他のチャネルについても同様に動作する。
また、第3図に示す受信装置は、受信アンテナ11−1〜11−N(1つの場合も含む)と、高周波信号をベースバンド信号S11に変換するIF/RF部12−1〜12−Nと、ベースバンド信号S11を周波数軸上の信号(周波数信号S12)に変換するFFT部13−1〜13−Nと、チャネル構成情報(送受信アンテナ間でどのようにSDMチャネル,STCチャネルが構成されているかを示す情報)にしたがって受信信号行列S13((4)式のRに相当)を生成する受信信号行列生成部14と、受信信号(ベースバンド信号S11)中の既知パターンを利用して伝送路推定を行う伝送路推定部15と、伝送路情報S14およびチャネル構成にしたがって等化行列S15((4)式のGの逆行列に相当)を生成する等化行列生成部16と、受信信号行列S13と等化行列S15から各サブキャリア上の送信信号推定値S16を算出するチャネル分離部17と、送信信号推定値S16に基づいて誤り訂正用のメトリック情報S17を生成するメトリック生成部18と、メトリック情報S17に誤り訂正を適用して出力信号S18を得るMLSE(Maximum Likelihood Sequence Estimation)誤り訂正部19と、伝送路情報S14,受信アンテナの本数,自局の計算能力等から送信装置側のチャネル構成情報S19を生成する送信側チャネル構成決定部20と、を備える。なお、ここでは、説明の便宜上、特定のチャネルにおける動作を説明するが、他のチャネルについても同様に動作する。
ここで、上記送信装置および受信装置の動作を詳細に説明する。送信装置では、MIMOチャネルをどのように構成して送信すべきかを示すチャネル構成情報S7を受信装置側から受け取る。送信チャネル構成制御部8では、チャネル構成情報S7からチャネル構成制御情報S8を生成する。
チャネル分割部1では、チャネル構成制御情報S8の指示にしたがってユーザからの送信信号S1を複数のチャネルに分割する。たとえば、SDMによる2チャネルとSTCによる2チャネルに分割する場合は、送信信号S1をSDM分の2チャネルに分割し、分割後の送信信号に対してさらにSTC処理を適用する。具体的には、畳み込み符号化部2がチャネル分割後の送信信号S2に対して誤り訂正畳み込み符号化処理を実行し、変調部3が符号化データS3を変調し、そして、STC部4が、変調信号S4に対して送信すべき時間および送信アンテナを割り当て各送信アンテナに分配する。
IFFT部5−1〜5−Nでは、分配された送信信号S5をサブキャリア上に配置し、時間軸上の信号(ベースバンド信号S6)に変換する。そして、IF/RF部6−1〜6−Nが、ベースバンド信号S6を高周波帯へアップコンバートして送信する。なお、実際には伝送路推定用の既知信号付加等の処理も行われるが、簡単のためその説明を省略する。なお、他のチャネルでも、上記と同様の手順で送信処理を行う。
また、受信装置では、アンテナ11−1〜11−Nで高周波信号を受信後、IF/RF部12−1〜12−Nがベースバンド信号S11を生成する。伝送路推定部15では、ベースバンド信号S11中に含まれている既知パターンを用いて各送受信アンテナ間の伝送路推定を行う。そして、等化行列生成部16が、チャネル分離のための等化行列G−1(STCの信号配置マトリクスから求まる信号配置マトリクス:チャネル毎の等化行列)を算出する。
一方、FFT部13−1〜13−Nでは、ベースバンド信号S11中のユーザデータを周波数信号S12に変換し、各サブキャリア上の信号として取り出す。受信信号行列生成部14では、指定したMINOチャネル構成に基づいて周波数信号S12から受信信号行列S13((3)式のR)を生成する。そして、チャネル分離部17では、受信信号行列S13と等化行列S15から送信信号推定値S16を計算する。
メトリック生成部18では、送信信号推定値S16から誤り訂正用のメトリック情報S17を算出する。そして、MLSE誤り訂正部19が、誤り訂正処理を実行し、最終的な出力信号S18を得る。
なお、本実施の形態では、受信装置側から送信装置側にMIMOチャネル構成を指定する必要がある。そこで、送信側チャネル構成決定部20が、様々なパラメータを用いて、具体的にいうと、伝送路情報S14(受信信号のS/N等),送受信装置のアンテナ本数,計算能力等を用いて、MIMOチャネルの構成を決定する。そして、送信装置に対して上記決定結果であるチャネル構成情報S19をチャネル構成情報S7としてフィードバックする。チャネル構成の決定法には様々なパターンが考えられる。たとえば、受信機の計算能力が極端に低い場合は、伝送路の状態が良いときであってもチャネル分離が容易なSTCチャネルを優先して選択する。逆に、送受信機とも十分な数のアンテナおよび計算能力を有し、伝送路状態がMIMOに適する場合(アンテナ間の相関が小さい場合)には、同時送信チャネル数の多いSDM構成を選択する。
このように、本実施の形態においては、各装置に備えられたアンテナ数,計算能力,伝送路状態など、種々のパラメータから最適なMIMOチャネルの構成(アンテナによるチャネル分割、STCによるチャネル分割)を決定する。これにより、効率のよい通信を行うことができる。また、従来のSDM方式では逆行列が存在しない通信環境下であっても、STCを適用することにより等化行列が生成できる可能性が高くなるため、SDMの特徴である高速な通信を維持しつつ、STCの特徴である優れた通信品質を実現できる。
実施の形態2.
第4図は、本発明にかかる受信装置の実施の形態2の構成を示す図である。この受信装置は、伝送路のコヒーレント帯域幅を測定するコヒーレント帯域測定部21aと、コヒーレント帯域幅情報S20および受信信号中の既知パターンを用いて伝送路推定を行う伝送路推定部15aと、を備える。なお、先に説明した実施の形態1と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。ここでは、実施の形態1と異なる動作についてのみ説明する。
コヒーレント帯域測定部21aでは、ベースバンド信号S11を定期的に観測し、現在の伝送路におけるコヒーレント帯域幅(伝送路がほぼ一定と見なせる周波数幅)を算出する。通常、この算出には既知信号が必要となるため、たとえば、パイロット信号部分が用いられる。コヒーレント帯域幅内はほぼ一定の伝送路と見なせることから、伝送路推定部15aでは、コヒーレント帯域幅情報S20(瞬時の伝送路においてほぼ同一の伝送路利得を有する周波数帯域を表す情報。たとえば、100MHzの信号帯域内において、1MHz幅では伝送路の変動が無視できる場合に、コヒーレント帯域1MHzという情報となる。)で示された帯域幅内の1サブキャリアについて伝送路推定処理を行う。すなわち、コヒーレント帯域情報S20により、信号帯域を同一の伝送路情報を持ついくつかのサブキャリアグループに分割する。そして、このグループ内において一度だけ伝送路推定処理および等化行列生成処理を行い、グループ内の全てのサブキャリアで同一の等化行列を使用する。
なお、上記伝送路推定部15aでは、上記に限らず、たとえば、サブキャリアグループ内の複数サブキャリアについて伝送路推定を行い、その結果を平均化することとしてもよい。
このように、本実施の形態では、伝送路推定処理および等化行列生成処理をコヒーレント帯域内のサブキャリアグループ毎に一度だけ行うこととした。これにより、実施の形態1と同様の効果に加えて、さらに計算量を大幅に削減することが可能となり、装置構成の簡略化を実現できる。
実施の形態3.
第5図は、本発明にかかる送信装置の実施の形態3の構成を示す図である。この送信装置は、各送信チャネルのデータに送信アンテナ単位の複素乗算を行って送信方向を制御するビームフォーミング部9−1〜9−M(2以上の整数)と、各送信アンテナに対応したビームフォーミング制御後の全送信信号を加算する加算部10−1〜10−Nと、を備える。なお、先に説明した実施の形態1と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。ここでは、実施の形態1と異なる動作についてのみ説明する。
実施の形態1では、STC処理後の送信信号S5が各送信アンテナから無指向で送信されていた。これに対して、本実施の形態では、送信信号S5に対して複数アンテナによるビームフォーミングを適用する。なお、本実施の形態では、STC処理後の送信チャネル数と送信アンテナ数が一致しなくてもよい。
具体的には、ビームフォーミング部9−1〜9−Mが、各送信チャネルに対して独自の方向制御を行い、送信アンテナ単位に分配する。方向制御後の送信信号S9は、加算部10−1〜10−Nにてアンテナ単位に加算され、IFFT部5−1〜5−NにてIFFT処理実行後、高周波帯にアップコンバートされて送信される。なお、図8では、説明の便宜上、一部のビームフォーミング部からの出力が加算されていないが、実際は全てのビームフォーミング部の出力が加算される。最適なビームフォーミングとは、「同時送信されるSDMチャネルが互いに直交チャネルとなること」であることが、たとえば、電子情報通信学会技術研究報告RCS2002−53「MIMOチャネルにおける固有ビーム空間分割多重(E−SDM)方式」に記載されている。ビームフォーミング部では、送受信機間に直交チャネルを形成するように各アンテナのウエイトを制御する。ウエイトの算出には伝送路の情報が必要であるが、この情報は受信機側からフィードバック回線により通知される。
このように、本実施の形態においては、ビームフォーミングにより送信電力を集中することとした。これにより、さらに、効率のよい通信が可能となる。また、送信チャネル数と送信アンテナ数が一致しなくてもよいことから、チャネル選択の自由度が大きくなるので、より良好な通信特性を確保することができる。
Claims (17)
- 複数の送信アンテナを備え、1つまたは複数のキャリアを用いた通信を行う送信側の無線通信装置において、
受信側の通信装置から通知される「MIMO(Multiple Input Multiple Output)チャネルの構成法を示すチャネル構成情報」に基づいて送信信号を複数のチャネルに分割するチャネル分割手段と、
さらに分割後のチャネル毎にSTC(Space Time Coding)処理による送信ダイバーシチを実現するSTC手段と、
を備えることを特徴とする無線通信装置。 - 前記STC処理後の各送信チャネルに対して複素乗算による個別の方向制御を行い、各送信アンテナ単位に分配するビームフォーミング手段と、
前記各送信アンテナに対応した方向制御後の全送信信号を加算する加算手段と、
を備えることを特徴とする請求の範囲第1項に記載の無線通信装置。 - 1つまたは複数の受信アンテナを備え、1つまたは複数のキャリアを用いた通信を行う受信側の無線通信装置において、
送受信間の伝送路を推定する伝送路推定手段と、
前記伝送路推定結果、送信側の通信装置の物理的構成、および自装置の物理的構成に基づいて、MIMO(Multiple Input Multiple Output)チャネルの構成を決定し、その決定結果であるチャネル構成情報を送信側の通信装置に通知するチャネル構成決定手段と、
を備えることを特徴とする無線通信装置。 - 前記チャネル構成決定手段は、前記伝送路推定結果、送信側の通信装置および自装置のアンテナ本数、計算能力、の少なくともいずれか一つの情報に基づいてチャネル構成情報を生成することを特徴とする請求の範囲第3項に記載の無線通信装置。
- さらに、受信信号の観測により伝送路におけるコヒーレント帯域幅を測定するコヒーレント帯域測定手段、
を備え、
前記伝送路推定手段は、前記測定結果に基づいて、信号帯域を、同一の伝送路情報を持ついくつかのサブキャリアグループに分割し、当該サブキャリアグループを単位として伝送路推定を行うことを特徴とする請求の範囲第4項に記載の無線通信装置。 - 前記サブキャリアグループ内の複数サブキャリアについて伝送路推定を行い、その結果を平均化することを特徴とする請求の範囲第5項に記載の無線通信装置。
- 複数の送信アンテナと、1つまたは複数の受信アンテナを備え、1つまたは複数のキャリアを用いた通信を行う無線通信装置において、
受信側の通信装置から通知される「MIMO(Multiple Input Multiple Output)チャネルの構成法を示すチャネル構成情報」に基づいて送信信号を複数のチャネルに分割するチャネル分割手段と、
さらに分割後のチャネル毎にSTC(Space Time Coding)処理による送信ダイバーシチを実現するSTC手段と、
を含む送信処理部と、
送受信間の伝送路を推定する伝送路推定手段と、
前記伝送路推定結果、送信側の通信装置の物理的構成、および自装置の物理的構成に基づいて、MIMOチャネルの構成を決定し、その決定結果であるチャネル構成情報を送信側の通信装置に通知するチャネル構成決定手段と、
を含む受信処理部と、
を備えることを特徴とする無線通信装置。 - 前記チャネル構成決定手段は、前記伝送路推定結果、送信側の通信装置および自装置のアンテナ本数、計算能力、の少なくともいずれか一つの情報に基づいてチャネル構成情報を生成することを特徴とする請求の範囲第7項に記載の無線通信装置。
- さらに、受信信号の観測により伝送路におけるコヒーレント帯域幅を測定するコヒーレント帯域測定手段、
を備え、
前記伝送路推定手段は、前記測定結果に基づいて、信号帯域を、同一の伝送路情報を持ついくつかのサブキャリアグループに分割し、当該サブキャリアグループを単位として伝送路推定を行うことを特徴とする請求の範囲第8項に記載の無線通信装置。 - 前記サブキャリアグループ内の複数サブキャリアについて伝送路推定を行い、その結果を平均化することを特徴とする請求の範囲第9項に記載の無線通信装置。
- 複数の送信アンテナを備え、1つまたは複数のキャリアを用いて受信装置へ送信信号を送信する送信装置において、
前記受信装置から通知される「MIMO(Multiple Input Multiple Output)チャネルの構成法を示すチャネル構成情報」に基づいて、送信信号を複数の送信チャネルに分割するチャネル分割手段と、
前記分割後の各送信チャネルの送信信号に対する、STC(Space Time Coding)処理による送信ダイバーシチを実現するSTC手段と、
を備えることを特徴とする送信装置。 - 前記STC処理後の各送信チャネルの送信信号に対して複素乗算による個別の方向制御を行い、各送信アンテナ単位に分配するビームフォーミング手段と、
前記各送信アンテナに対応した方向制御後の全送信信号を加算する加算手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求の範囲第11項に記載の送信装置。 - 1つまたは複数の受信アンテナを備え、1つまたは複数のキャリアを用いて送信装置から送信される信号を受信する受信装置おいて、
前記送信装置との間の伝送路を推定する伝送路推定手段と、
前記伝送路推定手段が推定した伝送路推定結果と、前記送信装置の物理的構成と、自装置の物理的構成と、に基づいて、MIMO(Multiple Input Multiple Output)チャネルの構成を決定し、その決定結果であるチャネル構成情報を前記送信装置に通知するチャネル構成決定手段と、
を備えることを特徴とする受信装置。 - さらに、前記送信装置からの受信信号の観測により伝送路におけるコヒーレント帯域幅を測定するコヒーレント帯域測定手段、
を備え、
前記伝送路推定手段は、前記コヒーレント帯域測定手段による測定結果に基づいて、信号帯域を、同一の伝送路情報を持つ複数のサブキャリアグループに分割し、該サブキャリアグループを単位として伝送路推定を行うことを特徴とする請求の範囲第13項に記載の受信装置。 - 前記伝送路推定手段は、サブキャリアグループ内の複数サブキャリアについて伝送路推定を行い、その結果を平均化することを特徴とする請求の範囲第14項に記載の受信装置。
- 前記チャネル構成決定手段は、前記伝送路推定結果と、前記送信装置のアンテナ数と、自装置のアンテナ数と、前記送信装置の計算能力と、自装置の計算能力と、の少なくともいずれか一つの情報に基づいてチャネル構成情報を生成することを特徴とする請求の範囲第13項に記載の受信装置。
- 複数の送信アンテナを備え、1つまたは複数のキャリアを用いて受信装置へ送信信号を送信する送信装置と、1つまたは複数の受信アンテナを備え、前記送信装置から送信される信号を受信する受信装置と、を含む無線通信システムにおいて、
前記送信装置は、
前記受信装置から通知される「MIMO(Multiple Input Multiple Output)チャネルの構成法を示すチャネル構成情報」に基づいて、送信信号を複数の送信チャネルに分割するチャネル分割手段と、
前記分割後の各送信チャネルの送信信号に対する、STC(Space Time Coding)処理による送信ダイバーシチを実現するSTC手段と、
を備え、
前記受信装置は、
前記送信装置との間の伝送路を推定する伝送路推定手段と
前記伝送路推定手段が推定した伝送路推定結果と、前記送信装置の物理的構成と、自装置の物理的構成と、に基づいて、MIMO(Multiple Input Multiple Output)チャネルの構成を決定し、その決定結果であるチャネル構成情報を前記送信装置に通知するチャネル構成決定手段と、
を備えることを特徴とする無線通信システム。
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