JPWO2007122871A1

JPWO2007122871A1 - 送受信機及びその動作制御方法

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Publication number: JPWO2007122871A1
Application number: JP2008511996A
Authority: JP
Inventors: 秀典丸山
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2006-03-29
Filing date: 2007-03-02
Publication date: 2009-09-03
Also published as: CN101411078A; WO2007122871A1; EP2037590A4; EP2037590A1; US20100172422A1

Abstract

本発明の送受信機は、複数のデータが空間的に多重された信号の受信を行う複数のアンテナ（１５−ａ〜１５−ｄ）と、複数のアンテナのそれぞれに対応する複数のＲＦ受信部（１６−ａ〜１６−ｄ）及び復調部（１８−ａ〜１８−ｄ）と、受信待機時においては複数のアンテナのいずれか１つに対応するＲＦ受信部及び復調部のみを動作状態に制御するネットワークインターフェース部（１１１）及び電源・クロック制御部（１１０）とを備える。受信待機時においては、他のＲＦ受信部及び復調部は停止するので、受信待機時が長い通信システムでは大幅は電力削減が可能となる。

Description

本発明は送受信機及びその動作制御方法に関し、特にＭＩＭＯ（Multi Input Multi Output）方式等の送受信機における消費電力削減方式の改良に関する。

第３世代移動通信システムや無線ＬＡＮシステムなどのさらなる大容量化を実現する方法として、ＭＩＭＯ方式の技術検討が盛んに行われている。ＭＩＭＯ方式とは、送受双方にアレイアンテナを用いるシステムであり、多重伝搬環境では、複数のアンテナにおける各アンテナと端末との間の伝送状況が違うことを利用して、各アンテナで違う信号を伝送し、多重化を図って伝送容量を増大させるものである。つまり、複数のアンテナから異なる情報データを同時に同じ周波数を用いて送信し、無線伝搬路において空間的に多重して信号伝送する技術である。このように、ＭＩＭＯ方式は、送受信アンテナを複数用意して、伝送容量を増大させるものである。

図６を参照して、従来のＭＩＭＯ方式の無線データ送受信機について説明する。図６には、送信アンテナ数が４、受信アンテナ数が４（４×４）である従来の無線データ送受信機の構成が示されている。

送信機側は、Ｓ／Ｐ変換部４１と、変調部４２−ａ，４２−ｂ，４２−ｃ，４２−ｄと、ＲＦ送信部４３−ａ，４３−ｂ，４３−ｃ，４３−ｄと、送信アンテナ４４−ａ，４４−ｂ，４４−ｃ，４４−ｄとから構成されている。ここで、Ｓ／Ｐ変換部４１は、情報データを送信するアンテナ数に応じてシリアル／パラレル（Ｓ／Ｐ）変換する。変調部４２−ａ，４２−ｂ，４２−ｃ，４２−ｄは、Ｓ／Ｐ変換された各系列信号に対して、それぞれ変調を行う。ＲＦ送信部４３−ａ，４３−ｂ，４３−ｃ，４３−ｄは、各変調部４２−ａ，４２−ｂ，４２−ｃ，４２−ｄに対応してＲＦ送信を実施する。送信アンテナ４４−ａ，４４−ｂ，４４−ｃ，４４−ｄは、各ＲＦ送信部４３−ａ，４３−ｂ，４３−ｃ，４３−ｄに接続されている。

受信機側は、受信アンテナ４５−ａ，４５−ｂ，４５−ｃ，４５−ｄと、ＲＦ受信部４６−ａ，４６−ｂ，４６−ｃ，４６−ｄと、信号分離部４７と、復調部４８−ａ，４８−ｂ，４８−ｃ，４８−ｄと、Ｐ／Ｓ変換部４９とから構成されている。ここで、受信アンテナ４５−ａ，４５−ｂ，４５−ｃ，４５−ｄは、電波を受信する。ＲＦ受信部４６−ａ，４６−ｂ，４６−ｃ，４６−ｄは、受信アンテナ４５−ａ，４５−ｂ，４５−ｃ，４５−ｄが捕捉した電波に含まれるＲＦ信号をベースバンド信号に変換する。信号分離部４７は、ＲＦ受信部４６−ａ，４６−ｂ，４６−ｃ，４６−ｄのそれぞれから出力されるベースバンド信号を、各送信アンテナから送信された信号に分離する。復調部４８−ａ，４８−ｂ，４８−ｃ，４８−ｄは、各送信アンテナの送信信号を復調する。Ｐ／Ｓ変換部４９は、各復調部４８−ａ，４８−ｂ，４８−ｃ，４８−ｄで復調された信号をパラレル／シリアル（Ｐ／Ｓ）変換しシリアルの情報データにする。

このような構成の一の送受信機において、送信したいシリアルの情報データをＳ／Ｐ変換部４１で４パラレル信号にシリアルパラレル変換し、これにより得られた各送信信号に対して変調部４２−ａ，４２−ｂ，４２−ｃ，４２−ｄでＱＰＳＫ変調などのデジタル変調、符号化などを実施する。デジタル変調、符号化された各送信信号は、ＲＦ送信部４３−ａ，４３−ｂ，４３−ｃ，４３−ｄでＲＦ信号に増幅され、送信アンテナ４４−ａ，４４−ｂ，４４−ｃ，４４−ｄから電波として送出される。送出された電波は、空間的に多重される。

多重された電波は、他の送受信機の受信アンテナ４５-ａ，４５−ｂ，４５−ｃ，４５−ｄで受信される。受信された信号は、ＲＦ受信部４６−ａ，４６−ｂ，４６−ｃ，４６−ｄにおいて、ＲＦ信号からベースバンド信号にダウンコンバートされ、信号分離部４７に入力される。信号分離部４７では、最尤判定法などの技術を用いて、４つの受信信号に分離して、復調部４８−ａ，４８−ｂ，４８−ｃ，４８−ｄに入力する。復調部４８−ａ，４８−ｂ，４８−ｃ，４８−ｄでは、各受信信号に対しデジタル復調、復号化等を実施してＰ／Ｓ変換部４９に入力する。Ｐ／Ｓ変換部４９でパラレル／シリアル変換を実施することにより、元の情報データを得ることができる。このように、通常、最大アンテナ数（この場合４本）で送信し、受信することにより、伝送容量の増大を図ることができる。

また、ＭＩＭＯ方式の特徴として、伝搬環境により送信アンテナと受信アンテナ数とを可変して通信することもできる。すなわち、送信アンテナ数と受信アンテナ数との関係を送信アンテナ数≦受信アンテナ数として通信することができる。例えば、１×１、２×２、２×４などとすることができる。この場合、伝送容量の増大よりも通信品質を優先していることになる。

このようなＭＩＭＯ方式の技術はＷＯ２００５−０９３９８２号（文献１）に開示されている。

ＭＩＭＯ方式の送受信機における問題点は、通常の無線データ送受信機と比較して消費電力が大きくなることである。その第１の理由は、アンテナ数に比例して、それぞれに変復調部、ＲＦ部などを独立に用意する必要があるため回路規模が大きくなることにある。そのため、特にパワーコントロールをしない場合、上記の全ての回路、またはほとんどの回路が常に動作している状態となるため、消費電力を増大させるという問題がある。

その第２の理由は、通常の無線データ送受信機に対して、ＭＩＭＯ送受信機特有の機能として、受信機側に各アンテナから送信されたデータを分離させるための信号分離回路を用意する必要があるという点である。本回路は、乗算器など大量のデジタル回路が必要となり、消費電力を増大させることになる。

上述の文献１の技術においては、消費電力を削減するために、通信中において、使用されていない送信部及び受信部に対して電源供給を停止することが開示されている。しかしながら、文献１では、送信モードでも受信モードでもない受信待機時間が長い場合には、消費電力の削減が考慮されていないので、依然として消費電力が増大するという問題点が残ることになる。

本発明の目的は、ＭＩＭＯ方式を採用した無線通信機において、受信待機時における消費電力を大幅に削減することにある。

本発明の他の目的は、ＭＩＭＯ方式を採用した無線通信機において、受信待機時のみならず、通信中においても消費電力を削減することにある。

本発明による送受信機は、それぞれ異なるデータの送信と複数のデータが空間的に多重された信号の受信とを行う複数のアンテナと、複数のアンテナのそれぞれに対応する複数の送信処理部及び受信処理部と、受信待機時においては複数のアンテナのいずれか１つに対応する受信処理部のみを動作状態に制御する制御部とを備えることを特徴とする。

本発明による送受信機の動作制御方法は、複数のアンテナからそれぞれ異なるデータを送信するステップと、複数のデータが空間的に多重された信号を複数のアンテナで受信するステップと、受信待機時においては、複数のアンテナのいずれか１つに対応する受信処理部のみを動作状態に制御するステップとを備えることを特徴とする。

本発明では、受信待機時には、１つの受信処理部のみを動作状態（活性状態）にさせて受信信号のキャリア（搬送波）検出を行って受信開始のトリガを判断する。これにより、受信待機時間が長いシステムにおいて、消費電力の著しい削減が可能となる。

また、本発明では、実際に送信や受信に使用されるアンテナの数や、チャネルに応じて、必要最低限の回路のみを動作状態（活性状態）にさせる。これにより、受信待機時のみならず、通信中も大幅な消費電力の削減が可能になる。

図１は、本発明の第１の実施例である無線データ送受信機の構成を示すブロック図である。図２Ａは、図１に示した無線データ送受信機を構成する送信処理部を説明するブロック図である。図２Ｂは、図１に示した無線データ送受信機を構成する受信処理部を説明するブロック図である。図３は、一般的な無線データ送受信機で用いられる通信フレームフォーマットの一例を示す図である。図４は、４つのアンテナをもつＭＩＭＯ送受信機における各アンテナ毎の通信フレームフォーマットの一例を示す図である。図５は、電源・クロック制御部及びネットワークインターフェース部の機能を示すブロック図である。図６は、従来のＭＩＭＯ送受信機の一例の構成を示すブロック図である。

以下に、図面を参照しつつ本発明の実施例について説明する。まず、図１を参照して、本発明の第１の実施例である無線データ送受信機について説明する。

図１に示す無線データ送受信機は、Ｓ／Ｐ変換部１１と、変調部１２−ａ，１２−ｂ，１２−ｃ，１２−ｄと、ＲＦ送信部１３−ａ，１３−ｂ，１３−ｃ，１３−ｄと、デュプレクサ１４−ａ，１４−ｂ，１４−ｃ，１４−ｄと、送受信アンテナ１５−ａ，１５−ｂ，１５−ｃ，１５−ｄと、ＲＦ受信部１６−ａ，１６−ｂ，１６−ｃ，１６−ｄと、信号分離部１７と、復調部１８−ａ，１８−ｂ，１８−ｃ，１８−ｄと、Ｐ／Ｓ変換部１９とを備えている。

ここで、Ｓ／Ｐ変換部１１は、送受信アンテナ１５−ａ，１５−ｂ，１５−ｃ，１５−ｄの数に応じて情報データをＳ／Ｐ変換する。変調部１２−ａ，１２−ｂ，１２−ｃ，１２−ｄは、Ｓ／Ｐ変換された各系列信号に対してそれぞれ変調を行う。ＲＦ送信部１３−ａ，１３−ｂ，１３−ｃ，１３−ｄは、各変調部１２−ａ，１２−ｂ，１２−ｃ，１２−ｄに対応してＲＦ送信を実施する。デュプレクサ１４−ａ，１４−ｂ，１４−ｃ，１４−ｄは、受信信号と送信信号とを分離する。送受信アンテナ１５−ａ，１５−ｂ，１５−ｃ，１５−ｄは、それぞれ異なる送信データを電波として送信すると共に、他の送受信機の各送受信アンテナから送信された複数の送信データが空間的に多重された電波を受信する。ＲＦ受信部１６−ａ，１６−ｂ，１６−ｃ，１６−ｄは、送受信アンテナ１５−ａ，１５−ｂ，１５−ｃ，１５−ｄが捕捉した電波に含まれるＲＦ信号をベースバンド信号に変換する。信号分離部１７は、各ＲＦ受信部１６−ａ，１６−ｂ，１６−ｃ，１６−ｄから出力されるベースバンド信号を、上記他の送受信機の各送受信アンテナから送信された信号に分離する。復調部１８−ａ，１８−ｂ，１８−ｃ，１８−ｄは、各送受信アンテナの送信信号を復調する。Ｐ／Ｓ変換部１９は、復調部１８−ａ，１８−ｂ，１８−ｃ，１８−ｄで復調された信号をＰ／Ｓ変換しシリアルの情報データにする。

また、無線データ送受信機には、装置のＯＳＩ（Open System Interconnection）階層モデルの上位レイヤ（レイヤ２以上）からの使用アンテナの情報や、チャネルなどの情報を元に、無線データ送受信機の各部の電源や動作クロックを制御する電源・クロック制御部１１０が設けられている。更に、無線データ送受信機には、送信データの送信、受信データの受信、また、受信側の受信品質であるＣＱＩ（Channel Quality Indicator ）情報を元に、使用するチャネル、アンテナを決定して電源・クロック制御１１０へ通知するネットワークインターフェース部１１１が設けられている。

この無線データ送受信機では、ＦＤＭＡ（frequency division multiple access：周波数分割多重接続）を想定し、デュプレクサ１４−ａ，１４−ｂ，１４−ｃ，１４−ｄを用いたアンテナ構成となっているが、ＴＤＭＡ（Time division multiple access ：時分割多重接続）で、送信と受信を切り替えて通信するアンテナ構成でもよい。

次に、図１に示した無線データ送受信機の動作について説明する。以下では、図２Ａに示すように、同一の送受信アンテナ１５に対応する変調部１２及びＲＦ送信部１３からなる構成を送信処理部３１と呼ぶ。例えば、送受信アンテナ１５ａに対応する変調部１２ａ及びＲＦ送信部１３ａは送信処理部３１ａを構成する。同様に、図２Ｂに示すように、同一の送受信アンテナ１５に対応するＲＦ受信部１６及び復調部１８からなる構成を受信処理部３２と呼ぶ。例えば、送受信アンテナ１５ａに対応するＲＦ受信部１６ａ及び復調部１８ａは受信処理部３２ａを構成する。

図１に示した無線データ送受信機では、送信モード及び受信モードのどちらでもない受信待機時においては、キャリア検出を実施して受信開始のトリガを判断する受信検出機能のみ、つまり送受信アンテナ１５−ａ，１５−ｂ，１５−ｃ，１５−ｄのいずれか１つに対応する受信処理部３２の受信検出に必要な部分のみを動作状態（活性状態）として、残りの受信処理部３２の回路の動作を停止させる（非活性状態）。ネットワークインターフェース部１１１から電源・クロック制御部１１０を制御して、パワーコントロール（電源オフまたはクロックの供給を停止）を実施する。

受信信号が検出された後、ネットワークインターフェース部１１１は、ＣＱＩ情報を元に、移動フェージング環境等の通信環境、ＱｏＳ（quality of service）などを判断し、送信アンテナ数及び受信アンテナ数を決定する。ＣＱＩ情報の具体例としては、受信ＳＩＲ（Signal to Interference Ratio）がある。ネットワークインターフェース部１１１は、この値を用いて任意の閾値を判定基準として、決定した送信アンテナ数及び受信アンテナ数に応じて、動作させる送信処理部３１及び受信処理部３２を判定し、電源・クロック制御部１１０に指示を出す。指示を受けた電源・クロック制御部１１０は、指示に従って、該当する送信処理部３１及び受信処理部３２を活性状態にして、送受信を開始する。なお、電源・クロック制御部１１０は、通信途中でも、使用するアンテナの変更があった場合は、それに従って制御する。

例えば、送信アンテナ数を２（１５−ａ，１５−ｂ）、受信アンテナ数を３（１５−ａ，１５−ｂ，１５−ｃ）として動作させる場合、送信側は、ＲＦ送信部１３−ａ，１３−ｂ、変調部１２−ａ，１２−ｂ、Ｓ／Ｐ変換部１１、受信側は、ＲＦ受信部１６−ａ，１６−ｂ，１６−ｃ、信号分離部１７で３受信アンテナ分の分離に必要な回路部分、復調部１８−ａ，１８−ｂ，１８−ｃ、Ｐ／Ｓ変換部１９、のそれぞれの電源クロックがアクティブとなるよう電源・クロック制御部１１０から制御する。

かかる状態において、ネットワークインターフェス部１１１において、ＣＱＩ情報、例えば受信ＳＩＲ値と所定閾値とが比較され、受信ＳＩＲ値が大であれば、通信品質が良好であるので、通信データ量を増大すべく、送信アンテナ数及び受信アンテナ数を増やす制御がなされる。それに伴って、活性化すべき送信処理部３１や受信処理部３２の数も増やす制御がなされる。

反対に、受信ＳＩＲ値が所定閾値より小であれば、送信アンテナ数及び受信アンテナ数を減らす制御がなされる。それに伴って、活性化すべき送信処理部３１や受信処理部３２の数も減らす制御がなされて、それら送信処理部３１や受信処理部３２は非活性状態とされることになるのである。

次に、図３及び図４を参照して、本発明の第２の実施例である無線データ送受信機について説明する。一般的な無線データ送受信機で用いられる通信フレームフォーマットは、図３に示すように、パイロットチャネル２１、制御チャネル２２、データチャネル２３から構成される。ここで、ＭＩＭＯ送受信機の場合、通常は、各アンテナに対応して、図３に示す通信フレームフォーマットでパイロットチャネル２１、制御チャネル２２、データチャネル２３の送受信を行う。しかし、通信環境等の要因により上位レイヤの判断で、制御チャネルを１アンテナだけ送信して、残りのアンテナでは送信しない場合がある。図４に、４つのアンテナをもつＭＩＭＯ送受信機における各アンテナ毎の通信フレームフォーマット２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄを示す。

制御チャネルの１アンテナ送信の指示がネットワークインターフェース部１１１から電源・クロック制御部１１０へあった場合、電源・クロック制御部１１０は、制御チャンネルを送信しないアンテナに対応する送信処理部３１に対して、該当する制御チャンネルの区間だけ電源オフ、または、クロックの供給を停止する。受信側も同様に、ネットワークインターフェース部１１１から１アンテナだけの制御チャネル受信の指示があった場合、電源・クロック制御部１１０は、送信側と同様な指示を出して、制御チャンネルを受信しないアンテナに対応する受信処理部３２に、該当する制御チャネルの区間だけ電源オフ、または、クロックの供給を停止する。これにより、消費電力の削減を実施することができる。

上述した電源・クロック制御部１１０及びネットワークインターフェース部１１１の機能は、図５を用いて次のように説明することができる。図５に示す制御部１１２は、電源・クロック制御部１１０とネットワークインターフェース部１１１とを合わせたものであり、待機時制御部１１２ａと、アンテナ数決定部１１２ｂと、通信時制御部１１２ｃとを備えている。ここで、待機時制御部１１２ａは、受信待機時においては、複数の送受信アンテナ１５−ａ，１５−ｂ，１５−ｃ，１５−ｄのいずれか１つに対応する受信処理部３２のみを動作状態に制御する機能を有する。アンテナ数決定部１１２ｂは、通信品質に応じて、送信及び受信に使用するアンテナ数を決定する機能を有する。通信時制御部１１２ｃは、アンテナ数決定部１１２ｂにより決定されたアンテナ数に応じた数の送信処理部３１及び受信処理部３２のみを動作状態に制御する機能と、制御チャネルの区間においては、動作状態にある送信処理部３１及び受信処理部３２のうち１つずつの送信処理部３１及び受信処理部３２を除き、残りの送信処理部３１及び受信処理部３２の動作を停止させる機能を有する。

Claims

それぞれ異なるデータの送信と複数のデータが空間的に多重された信号の受信とを行う複数のアンテナと、
前記複数のアンテナのそれぞれに対応する複数の送信処理部及び受信処理部と、
受信待機時においては前記複数のアンテナのいずれか１つに対応する受信処理部のみを動作状態に制御する制御部と
を備えることを特徴とする送受信機。
請求項１記載の送受信機において、
前記制御部は、受信待機時に動作状態に制御された前記受信処理部により受信開始が検出された後に、送信及び受信に使用するアンテナ数に応じた数の送信処理部及び受信処理部のみを動作状態に制御する通信時制御部を備えることを特徴とする送受信機。
請求項２記載の送受信機において、
前記制御部は、通信品質に応じて、送信及び受信に使用するアンテナ数を決定するアンテナ数決定部を更に備え、
前記通信時制御部は、前記アンテナ数決定部により決定されたアンテナ数に応じた数の送信処理部及び受信処理部のみを動作状態に制御することを特徴とする送受信機。
請求項２記載の送受信機において、
前記通信時制御部は、送受信しないチャネルの区間においては、動作状態にある前記送信処理部及び前記受信処理部の動作を停止させることを特徴とする送受信機。
請求項２記載の送受信機において、
前記通信時制御部は、制御チャネルの区間においては、動作状態にある前記送信処理部及び前記受信処理部のうち１つずつの送信処理部及び受信処理部を除き、残りの送信処理部及び受信処理部の動作を停止させることを特徴とする送受信機。
複数のアンテナからそれぞれ異なるデータを送信するステップと、
複数のデータが空間的に多重された信号を前記複数のアンテナで受信するステップと、
受信待機時においては、前記複数のアンテナのいずれか１つに対応する受信処理部のみを動作状態に制御するステップと
を備えることを特徴とする送受信機の動作制御方法。
請求項６記載の送受信機の動作制御方法において、
受信待機時に動作状態に制御された前記受信処理部により受信開始が検出された後に、送信及び受信に使用するアンテナ数に応じた数の送信処理部及び受信処理部のみを動作状態に制御するステップを更に備えることを特徴とする送受信機の動作制御方法。
請求項７記載の送受信機の動作制御方法において、
通信品質に応じて、送信及び受信に使用するアンテナ数を決定するステップを更に備え、
送信処理部及び受信処理部を制御するステップは、決定されたアンテナ数に応じた数の送信処理部及び受信処理部のみを動作状態に制御するステップを備えることを特徴とする送受信機の動作制御方法。
請求項７記載の送受信機の動作制御方法において、
送信処理部及び受信処理部を制御するステップは、送受信しないチャネルの区間においては、動作状態にある前記送信処理部及び前記受信処理部の動作を停止させるステップを備えることを特徴とする送受信機の動作制御方法。
請求項７記載の送受信機の動作制御方法において、
送信処理部及び受信処理部を制御するステップは、制御チャネルの区間においては、動作状態にある前記送信処理部及び前記受信処理部のうち１つずつの送信処理部及び受信処理部を除き、残りの送信処理部及び受信処理部の動作を停止させるステップを備えることを特徴とする送受信機の動作制御方法。