JPWO2008099964A1 - 無線伝送方式及び干渉補償方法 - Google Patents
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Abstract
受信側MIMO処理を行って複数の固有パスにそれぞれ対応する複数の受信変調信号を出力するMIMO方式受信処理部を含む無線伝送方式において、前記複数の受信変調信号の各々に含まれるパス間干渉を補償する干渉補償部が含まれる。
Description
本発明は、多入力多出力(MIMO:Multiple Input Multiple Output)無線通信方式の受信側で使用するための干渉補償機能を有する無線伝送方式及び干渉補償方法に関する。
見通し外通信にMIMO技術を適用して通信容量を上げる技術が徐々に使用されるようになってきたが、この技術は見通し内通信には向いていないと考えられてきた。しかし、送受アンテナの配置を工夫することによって見通し内通信であっても直交する複数の仮想的なパスを生成することができ、通信容量を上げることが出来るということが下記の文献1に示されている。この方法は伝播遅延差によるキャリア信号の位相回転を巧みに使用し、不要波を打ち消すことにより独立なデータパスを形成するものである。ここで、アンテナ間隔により伝播遅延差が大きくなり、シンボル周期に対して有意な値になった場合、符号間干渉や固有パス間の干渉が生じることになる。符号間干渉は通常の等化器で等化することが可能であるが、パス間干渉は対策を行わない限り通信品質の劣化につながる。
P.F.Driessen,G.J.Foschini;"On the Capacity Formula for Multiple Input−Multiple Output Wireless Channels:A Geometric Interpretation";IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS,VOL.47,NO.2,P.173,FEBRUARY 1999
P.F.Driessen,G.J.Foschini;"On the Capacity Formula for Multiple Input−Multiple Output Wireless Channels:A Geometric Interpretation";IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS,VOL.47,NO.2,P.173,FEBRUARY 1999
上記文献1に示されているように、見通し内通信においても複数の送信アンテナ間あるいは複数の受信アンテナ間の距離を適切に設定することで直交する複数の伝送路が確保できる。
MIMO方式において、受信信号を処理して固有パスを分離する処理が行われる際、各アンテナから入力されてくる信号が合成される。このとき、送受アンテナ間を結ぶ各伝送路の伝送距離が異なってその伝播時間差が変調波のシンボル周期に比べて無視できない大きさになっていると、受信機のMIMO処理で符号間干渉や固有パス間の干渉が発生し、伝送特性を劣化させる原因となる。
アンテナ間の伝送遅延差による符号間干渉は、通常のフェージングなどにより発生する符号間干渉と同等のものであり、通常の信号等化器で補償され得る。そこで本発明は、上述したもう一つの干渉である固有パス間の干渉を除去することができる無線伝送方式及び干渉補償方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は、具体的に以下の特徴を有する課題を解決するための手段を採用している。
本発明の一態様による無線伝送方式は、受信側MIMO(Multiple Input Multiple Output)処理を行って複数の固有パスにそれぞれ対応するように複数の受信変調信号を出力するMIMO方式受信処理部と、前記複数の受信変調信号に含まれるパス間干渉を補償する干渉補償部とを有することを特徴とする。
本発明の他の態様による干渉補償方法は、受信側MIMO(Multiple Input Multiple Output)処理を行うステップと、前記複数の受信変調信号に含まれるパス間干渉を補償するステップを有することを特徴とする。
使用する電磁波の周波数とアンテナ設置条件を整えて理想的な状態に置くことができれば、適応MIMO処理を行うことなく通信路が確保できる。しかし、現実に周波数を選択しアンテナを設置するときには、さまざまな制約により完全に理想的な状態は実現できない。本発明によれば、理想状態からずれたときに発生するパス間干渉が除去でき、それによってアンテナ設置の条件が緩和され、高品質な通信路を確保する効果が得られる。
MIMO方式において、受信信号を処理して固有パスを分離する処理が行われる際、各アンテナから入力されてくる信号が合成される。このとき、送受アンテナ間を結ぶ各伝送路の伝送距離が異なってその伝播時間差が変調波のシンボル周期に比べて無視できない大きさになっていると、受信機のMIMO処理で符号間干渉や固有パス間の干渉が発生し、伝送特性を劣化させる原因となる。
アンテナ間の伝送遅延差による符号間干渉は、通常のフェージングなどにより発生する符号間干渉と同等のものであり、通常の信号等化器で補償され得る。そこで本発明は、上述したもう一つの干渉である固有パス間の干渉を除去することができる無線伝送方式及び干渉補償方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は、具体的に以下の特徴を有する課題を解決するための手段を採用している。
本発明の一態様による無線伝送方式は、受信側MIMO(Multiple Input Multiple Output)処理を行って複数の固有パスにそれぞれ対応するように複数の受信変調信号を出力するMIMO方式受信処理部と、前記複数の受信変調信号に含まれるパス間干渉を補償する干渉補償部とを有することを特徴とする。
本発明の他の態様による干渉補償方法は、受信側MIMO(Multiple Input Multiple Output)処理を行うステップと、前記複数の受信変調信号に含まれるパス間干渉を補償するステップを有することを特徴とする。
使用する電磁波の周波数とアンテナ設置条件を整えて理想的な状態に置くことができれば、適応MIMO処理を行うことなく通信路が確保できる。しかし、現実に周波数を選択しアンテナを設置するときには、さまざまな制約により完全に理想的な状態は実現できない。本発明によれば、理想状態からずれたときに発生するパス間干渉が除去でき、それによってアンテナ設置の条件が緩和され、高品質な通信路を確保する効果が得られる。
図1は、本発明の一実施の形態に係る無線伝送方式の構成を示す図であり、
図2は、MIMO送信処理部の構成を示す図であり、
図3は、MIMO受信処理部の構成を示す図であり、
図4は、QAM復調器の構成を示す図であり、
図5は、補償信号生成器の構成を示す図であり、
図6は、アンテナ間隔の定義について説明するための図であり、
図7は、パス間干渉の発生をイメージで示す図であり、
図8は、本発明の他の実施の形態に係る無線伝送方式の構成を示す図である。
図2は、MIMO送信処理部の構成を示す図であり、
図3は、MIMO受信処理部の構成を示す図であり、
図4は、QAM復調器の構成を示す図であり、
図5は、補償信号生成器の構成を示す図であり、
図6は、アンテナ間隔の定義について説明するための図であり、
図7は、パス間干渉の発生をイメージで示す図であり、
図8は、本発明の他の実施の形態に係る無線伝送方式の構成を示す図である。
次に、本発明の一実施の形態について図面を参照して詳細な説明がなされる。図1は本実施の形態に係る無線伝送方式の構成を示す。QAM変調器1,2は、入力された情報をQAM変調波に変換する変調器(変調部)である。変調方式はQPSK,16QAMなど様々あるが、いずれの変調方式でも本発明による効果が得られる。QAM変調器1,2は一般的なシングルキャリアのQAM変調器であり、その構成の詳細な説明は省略される。QAM変調器1,2から出力された変調波は、MIMO方式送信処理部(以下、MIMO送信処理部と略す)3に入力される。MIMO送信処理部3およびMIMO方式受信処理部(以下、MIMO受信処理部と略す)15は、SVD(Singular Value Decomposition:特異値分解)を用いたMIMO方式の処理を行う部分である。MIMO送信処理部3の内部は一般的に図2のように構成される。詳細は後述されるが、MIMO送信処理部3は乗算器18と加算器19から構成され、入力信号と行列Vの行列演算を行う。MIMO送信処理部3から出力された信号は、ミキサ5,6およびローカル発振器4によってRF(Radio Frequency)信号に変換され、各送信アンテナ7,8から空間に放射される。即ち、ミキサ5,6、ローカル発信器4、送信アンテナ7,8は無線送信部として機能する。
各受信アンテナ9,10で受信された信号は、ミキサ12,13およびローカル発振器14によりIF(Intermediate frequency)信号に変換される。即ち、受信アンテナ9,19、ミキサ12,13及びローカル発信器14は、無線受信部として機能する。IF信号はMIMO受信処理部15に入力される。MIMO受信処理部15の構成は一般的に図3のようになっており、その処理内容の詳細は後述される。MIMO受信処理部15はMIMO送信処理部3と同様に乗算器18と加算器19から構成され、入力信号と行列UHとの行列演算を行う。MIMO受信処理部15から出力された信号(受信変調信号)は、それぞれ2分岐されQAM復調器16,17に入力される。
MIMO受信処理部15は、各固有パスを分離するように動作する。即ち、MIMO受信処理部15は、複数(ここでは2つ)の固有パスにそれぞれ対応するように受信変調信号(r_data1,r_data2)を出力する。QAM復調器16,17は、各固有パスに対応して設けられており、入力される二つの受信変調信号のうち一方を主信号としてQAM復調する。他方の受信変調信号は後述するように主信号に含まれる干渉成分の除去に用いられる。こうして、QAM復調器16,17は、QAM復調された送信データを再生し出力する。
図4はQAM復調器16,17の詳細を示す。ここではQAM復調器16の構成について、詳細が述べられる。
QAM復調器16は、補償信号生成器20、加算器21、誤差検出器23、キャリア再生器22を含んで構成されている。補償信号生成器20、加算器21及び誤差検出器23が、干渉補償部(パス間干渉補償器)を構成する。QAM復調器16の主信号入力にはMIMO受信処理部15からの受信変調信号r_data1が入力され、他固有パス信号入力には同じくMIMO受信処理部15からの受信変調信号r_data2が入力される。干渉が無ければ、受信変調信号r_data1は、データ1(data1)が変調された信号に等しく、受信変調信号r_data2は、データ2(data2)が変調された変調された信号に等しい。
QAM復調器16において、入力された主信号は加算器21へ供給される。加算器21は、主信号に後述する補償信号を加算してキャリア再生器22へ出力する。キャリア再生器22は、入力された信号をQAM復調する。キャリア再生器22からの復調信号は、2分岐され、一方は外部へ出力され、他方は誤差検出器23へ供給される。
誤差検出器23は、復調信号を受けて、その復調信号の信号点の理想位置からの誤差を検出し、その結果を補償信号生成器20へ出力する。
補償信号生成器20は、入力される他固有パス信号と誤差信号とを比較することにより、主信号に含まれるパス間干渉を補償する補償信号を生成する。
補償信号生成器20で生成された補償信号は、加算器21へ出力され、前述のように加算器21に入力される主信号に加算される。こうして、主信号に含まれるパス間干渉成分が除去される。
QAM復調器17はQAM復調器16と同じ構成をしている。QAM復調器17の主信号入力にはMIMO受信処理部15からの受信変調信号r_data2が入力され、他固有パス信号入力には同じくMIMO受信処理部15からの受信変調信号r_data1が入力される。
補償信号生成器20は図5に示すように、タップ係数生成回路25とトランスバーサルフィルタ24から形成されている。タップ係数生成回路25は、誤差検出器23から入力された誤差信号と他固有パス信号との相関を計算し、主信号に含まれている他固有パス信号成分を打ち消すための信号を、トランスバーサルフィルタ24で生成するためのタップ係数を生成する。トランスバーサルフィルタ24は、タップ係数生成回路25で生成されたタップ係数を持つFIR(Finite Impulse Response)フィルタである。トランスバーサルフィルタ24は、他固有パス信号を入力として、主信号に混入した他固有パス信号の成分を打ち消す補償信号を生成する。
以下、本実施の形態に係る無線伝送方式の動作について説明がなされる。見通し内通信におけるMIMO技術の利用が述べられる。上記した文献1には、見通し内通信においても、送信周波数、局間距離、送受それぞれのアンテナ間間隔を適切に設定することにより、同一周波数かつ同一偏波を使用しながら互いに直交する通信路が複数形成され得ることが示されている。このような系が構築できた場合、天候などの条件の変化による最適条件の変化は、通常の見通し外MIMO方式の一実現方法であるSVDを用いて適応処理することにより吸収することができる。
ここでSVDを使用した見通し内MIMO通信が述べられる。送受それぞれ二つのアンテナを用いて通信が行われることが仮定された場合、空間の伝達特性Hは2
ここで行列Hの要素Hmnは、第nの送信アンテナから第mの受信アンテナまでの伝達特性を表している。各要素は一般に複素数で表され、振幅の変化および位相の変化を表す。この行列Hが特異値分解されると、以下の数式(2)が得られる。
ここでU,Vはユニタリ行列でありUUH=UHU=I,VVH=VHV=Iを満たす。ここでHはエルミート共役を、Iは単位行列を表している。
信号TにVが作用させられ、受信した信号にUHが作用させられたとき、直交する仮想的な二つの伝送路が確保できることは以下の数式(3)のように示される。
したがって固有値λ1,λ2に関連したゲインをもつ複数の仮想的なパス(固有パスと呼ぶ)が形成されることになる。
一般に見通し内の通信では、H11≒H21またはH12≒H22となり、どちらの受信アンテナから見ても送信点が同一に見えてしまうため、複数のパスを分離することは困難である。すなわち、特異値分解の結果、特異値Dは一つのλが大きな値を持ち、そのほかはほとんど0になってしまい、一つの固有パスしか形成できないことになる。
しかし、マイクロ波/ミリ波帯の電磁波を使用し、送信アンテナ間隔もしくは受信アンテナ間隔を電磁波の波長に対してある程度大きくとることにより、複数の固有パスを構成することが可能である。つまり、送受アンテナ間を結ぶ様々な電磁波の行路について、互いの行路差が使用する電磁波の波長に対して有意な大きさであれば、送受アンテナ間の伝達関数Hの要素は互いに異なったものとなる。このような伝達関数Hの特異値分解が行われれば、複数の直交した固有パスが構成できる。
例えば、図6のようなアンテナ配置が想定される。送信アンテナ1と送信アンテナ2が距離d1を隔てて配置されており、受信アンテナ1と受信アンテナ2が距離d2隔てて配置されている。また送信アンテナ1に対する送信アンテナ2の前後方向(図の左右方向)の位置ずれがd3と定められる。ここで送信アンテナ1と受信アンテナ1の間の距離がl1、送信アンテナ2と受信アンテナ1の距離がl2とし、
d1≪l1,l2としてl1とl2の差分が計算されると、以下の数式(4)のように表される。
たとえば、d1=5m、l1が5kmとすると、l1とl2の行路差は2.5mmとなる。電磁波の周波数が30GHzとすると、その波長λは10mmであり、行路差はλ/4程度の大きさになる。この条件ではキャリア信号間の位相ずれは90度となる。これは上記文献1で示されている見通し内通信にMIMO技術を応用できる条件に相当する。
上記条件からアンテナ位置がずらされた場合(たとえばd3が0より大きくされた場合)にも、SVDを使用した適応処理を行うことによってこのずれによる影響が吸収され得る。ここで送信アンテナ2が距離d3だけ前(図の左方向)にずらして配置された場合を考える。このときの行路差(l2−l1)は、上記で求めた行路差にさらにd3が加わる形で近似される。すなわち行路差(l2−l1)は、以下の数式(5)のように表される。
このときも、SVDを用いた適応処理が行われることにより複数の直交した伝送路を構成することが可能である。
ここで、このときの送信アンテナ1から受信アンテナ2への伝播遅延と、送信アンテナ2から受信アンテナ1への伝播遅延の差が考察される。たとえばアンテナ設置誤差d3が5mのとき、伝播遅延の差は約15nsecである。変調波のシンボルレートが25Mbaudであるとき、そのシンボル周期は40nsecとなり、伝播遅延差はシンボル周期に対して無視できない大きさである。このような状況では、MIMO受信処理部15において合成処理が行われるときに、合成する信号に時間的なずれが生じる。その結果、第1に自分自身の信号による符号間干渉が発生し、第2に本来直交している他固有パスの信号からの干渉が発生する。
図7はこの様子を模式的に示す。図7には各受信アンテナの入力と、受信MIMO処理にてdata1が分離される様子が示されている。理想的な条件(上段に示す)ではMIMO処理後にdata2の成分が打ち消され、data1の成分が残る。一方、アンテナの設置誤差がある図7の下段の例では、信号は、ある瞬間におけるdata1及びdata2の成分のそれぞれに対して、その前後のシンボルの情報が干渉(符号間干渉)した状態で、受信アンテナ2へ入力されている。このような状態でMIMO処理が行われると、data1の信号にdata2の信号が混入した状態の出力がなされる。
第1の干渉原因である符号間干渉は、自身の符号間の干渉であり、従来からフェージング対策などに用いられている波形等化器を用いて補償することができるので問題は少ない。しかし、第2の干渉(即ち、パス間干渉)は、主信号に対しては無相関な雑音として見えるため、波形等化器では補償することができない。本実施の形態ではこのパス間干渉を補償するために新たにパス間干渉補償器(干渉補償部)を設けることにより、この第2の干渉が除去される。
パス間干渉補償の動作が以下に説明される。誤差検出器23は、復調信号の理想的な信号点からのずれを検出してその位相方向と振幅を示す誤差信号を出力する。誤差信号には、主信号に含まれる他の固有パス信号の情報が現れるため、この誤差信号と他の固有パス信号の相関を計算することによって、主信号に含まれる他の固有パス信号の位相、振幅、時刻が知られ得る。この計算は補償信号生成器20で行われる。
補償信号生成器20の内部では、まずタップ係数生成器25が、誤差信号と補償信号生成器20に入力された他固有パスの信号との相関を計算し、主信号に含まれる他固有パス信号の干渉位相と振幅と時刻を計算する。そして、タップ係数生成器25は、トランスバーサルフィルタ24を用いてその干渉を打ち消すためのタップ係数を生成する。他固有パスの信号を入力とするトランスバーサルフィルタ24は、タップ係数生成回路25によって生成されたタップ係数を用い、主信号に含まれる干渉成分を打ち消す補償信号を生成し出力する。補償信号は、主信号に含まれる他固有パス信号の干渉位相と振幅と時刻に応じた信号である。加算器21は、この補償信号を主信号に加算し、それによりパス間干渉を補償する。
上記した一実施の形態では送受それぞれ2つのアンテナを使用する系の例が示されたが、アンテナの数に制限はなく、図8に示したように送受それぞれ3つ以上のアンテナを使用する場合にも本発明は適用され得る。この場合、各々のQAM復調器34には、受信アンテナの総数から1を引いた数だけの補償信号生成器が配置される。つまり、受信変調信号の数がN(2以上の整数)のとき、各受信変調信号に対応して設けられたN個のQAM復調器は、それぞれ干渉補償部を有し、干渉補償部の各々は、N−1個の補償信号生成器を有している。これら補償信号生成器は、それぞれ異なる他固有パスからの干渉を補償する補償信号を生成する。加算器は補償信号生成器からの補償信号を主信号に加算し、パス間干渉を補償する。
以下、他の実施の形態について説明する。
本発明の他の実施の形態に係る無線伝送方式は、受信側MIMO処理を行って複数の固有パスにそれぞれ対応するように複数の受信変調信号を出力するMIMO方式受信処理部と、複数の受信変調信号に含まれるパス間干渉を補償する干渉補償部とを有する。
この無線伝送方式は、複数の受信変調信号の各々に対応して設けられ、入力変調信号を復調して復調信号を出力するキャリア再生器を備えてよい。この場合、干渉補償部は、復調信号を受けて、当該復調信号の理想的な信号点からのずれを検出してその位相方向と振幅とを表す誤差信号を生成する誤差検出器と、誤差信号を用いて、対応する受信変調信号に含まれるパス間干渉を補償する補償信号を生成する補償信号生成器と、補償信号を対応する受信変調信号に加算し、入力変調信号としてキャリア再生器へ出力する加算器とを有してよい。
また、補償信号生成器は、他の固有パスに対応する他の受信変調信号と誤差信号とを比較し、対応する受信変調信号に含まれるパス間干渉の位相、振幅、時刻に応じた信号を生成し、補償信号として加算器へ出力するものであってよい。
さらに、補償信号生成器は、他の受信変調信号と誤差信号との相関を計算し、対応する受信変調信号に含まれるパス間干渉をキャンセルするためのタップ係数を生成するタップ係数生成器と、タップ係数により、対応する受信変調信号に含まれるパス間干渉をキャンセルするための補償信号を生成し出力するトランスバーサルフィルタを有してよい。
さらに、上述した無線伝送方式は、変調された送信信号に対して送信側MIMO処理を行うMIMO方式送信処理部と、送信側MIMO処理された信号を無線送信する無線送信部と、無線送信部から送信された無線信号を受信し受信MIMO処理されるべき信号をMIMO方式受信処理部へ送る無線受信部とをさらに備えてもよい。
また、上述した無線伝送方式は、入力された信号を変調して送信信号を生成し、MIMO方式送信処理部に出力する変調部をさらに備えてもよい。
さらにまた、上述した無線伝送方式は、無線信号を送信する複数の送信アンテナと、無線信号を受信する複数の受信アンテナとをさらに備えてもよい。
本発明のさらに他の実施の形態に係る無線伝送方法は、受信側MIMO処理を行って複数の固有パスにそれぞれ対応するように複数の受信変調信号を出力するステップと、複数の受信変調信号に含まれるパス間干渉を補償するステップとを有する。
ここで、干渉補償ステップは、複数の受信変調信号の各々に対応して設けられ、入力変調信号を復調して復調信号を出力するキャリア再生器から、復調信号を受けるステップと、復調信号の理想的な信号点からのずれを検出してその位相方向と振幅とを表す誤差信号を生成するステップと、誤差信号を用いて、対応する受信変調信号に含まれるパス間干渉を補償する補償信号を生成するステップと、補償信号を対応する受信変調信号に加算し、入力変調信号としてキャリア再生器へ出力するステップを有してよい。
また、補償信号生成ステップは、他の固有パスに対応する他の受信変調信号と誤差信号とを比較し、対応する受信変調信号に含まれるパス間干渉の位相、振幅、時刻に応じた信号を補償信号として生成するステップを有してよい。
さらに、補償信号生成ステップは、他の受信変調信号と誤差信号との相関を計算し、対応する受信変調信号に含まれるパス間干渉をキャンセルするためのタップ係数を生成するステップと、タップ係数により、対応する受信変調信号に含まれるパス間干渉をキャンセルするための補償信号をトランスバーサルフィルタで生成し出力するステップとを有してよい。
以上、本発明についていくつかの実施の形態に即して説明したが、上記した各実施の形態は、本発明を好適に実施した形態の一例に過ぎず、本発明は、その主旨を逸脱しない限り、種々変形して実施することが可能なものである。
この出願は、2007年2月16日に出願された日本出願特願2007−035640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。
各受信アンテナ9,10で受信された信号は、ミキサ12,13およびローカル発振器14によりIF(Intermediate frequency)信号に変換される。即ち、受信アンテナ9,19、ミキサ12,13及びローカル発信器14は、無線受信部として機能する。IF信号はMIMO受信処理部15に入力される。MIMO受信処理部15の構成は一般的に図3のようになっており、その処理内容の詳細は後述される。MIMO受信処理部15はMIMO送信処理部3と同様に乗算器18と加算器19から構成され、入力信号と行列UHとの行列演算を行う。MIMO受信処理部15から出力された信号(受信変調信号)は、それぞれ2分岐されQAM復調器16,17に入力される。
MIMO受信処理部15は、各固有パスを分離するように動作する。即ち、MIMO受信処理部15は、複数(ここでは2つ)の固有パスにそれぞれ対応するように受信変調信号(r_data1,r_data2)を出力する。QAM復調器16,17は、各固有パスに対応して設けられており、入力される二つの受信変調信号のうち一方を主信号としてQAM復調する。他方の受信変調信号は後述するように主信号に含まれる干渉成分の除去に用いられる。こうして、QAM復調器16,17は、QAM復調された送信データを再生し出力する。
図4はQAM復調器16,17の詳細を示す。ここではQAM復調器16の構成について、詳細が述べられる。
QAM復調器16は、補償信号生成器20、加算器21、誤差検出器23、キャリア再生器22を含んで構成されている。補償信号生成器20、加算器21及び誤差検出器23が、干渉補償部(パス間干渉補償器)を構成する。QAM復調器16の主信号入力にはMIMO受信処理部15からの受信変調信号r_data1が入力され、他固有パス信号入力には同じくMIMO受信処理部15からの受信変調信号r_data2が入力される。干渉が無ければ、受信変調信号r_data1は、データ1(data1)が変調された信号に等しく、受信変調信号r_data2は、データ2(data2)が変調された変調された信号に等しい。
QAM復調器16において、入力された主信号は加算器21へ供給される。加算器21は、主信号に後述する補償信号を加算してキャリア再生器22へ出力する。キャリア再生器22は、入力された信号をQAM復調する。キャリア再生器22からの復調信号は、2分岐され、一方は外部へ出力され、他方は誤差検出器23へ供給される。
誤差検出器23は、復調信号を受けて、その復調信号の信号点の理想位置からの誤差を検出し、その結果を補償信号生成器20へ出力する。
補償信号生成器20は、入力される他固有パス信号と誤差信号とを比較することにより、主信号に含まれるパス間干渉を補償する補償信号を生成する。
補償信号生成器20で生成された補償信号は、加算器21へ出力され、前述のように加算器21に入力される主信号に加算される。こうして、主信号に含まれるパス間干渉成分が除去される。
QAM復調器17はQAM復調器16と同じ構成をしている。QAM復調器17の主信号入力にはMIMO受信処理部15からの受信変調信号r_data2が入力され、他固有パス信号入力には同じくMIMO受信処理部15からの受信変調信号r_data1が入力される。
補償信号生成器20は図5に示すように、タップ係数生成回路25とトランスバーサルフィルタ24から形成されている。タップ係数生成回路25は、誤差検出器23から入力された誤差信号と他固有パス信号との相関を計算し、主信号に含まれている他固有パス信号成分を打ち消すための信号を、トランスバーサルフィルタ24で生成するためのタップ係数を生成する。トランスバーサルフィルタ24は、タップ係数生成回路25で生成されたタップ係数を持つFIR(Finite Impulse Response)フィルタである。トランスバーサルフィルタ24は、他固有パス信号を入力として、主信号に混入した他固有パス信号の成分を打ち消す補償信号を生成する。
以下、本実施の形態に係る無線伝送方式の動作について説明がなされる。見通し内通信におけるMIMO技術の利用が述べられる。上記した文献1には、見通し内通信においても、送信周波数、局間距離、送受それぞれのアンテナ間間隔を適切に設定することにより、同一周波数かつ同一偏波を使用しながら互いに直交する通信路が複数形成され得ることが示されている。このような系が構築できた場合、天候などの条件の変化による最適条件の変化は、通常の見通し外MIMO方式の一実現方法であるSVDを用いて適応処理することにより吸収することができる。
ここでSVDを使用した見通し内MIMO通信が述べられる。送受それぞれ二つのアンテナを用いて通信が行われることが仮定された場合、空間の伝達特性Hは2
ここで行列Hの要素Hmnは、第nの送信アンテナから第mの受信アンテナまでの伝達特性を表している。各要素は一般に複素数で表され、振幅の変化および位相の変化を表す。この行列Hが特異値分解されると、以下の数式(2)が得られる。
ここでU,Vはユニタリ行列でありUUH=UHU=I,VVH=VHV=Iを満たす。ここでHはエルミート共役を、Iは単位行列を表している。
信号TにVが作用させられ、受信した信号にUHが作用させられたとき、直交する仮想的な二つの伝送路が確保できることは以下の数式(3)のように示される。
したがって固有値λ1,λ2に関連したゲインをもつ複数の仮想的なパス(固有パスと呼ぶ)が形成されることになる。
一般に見通し内の通信では、H11≒H21またはH12≒H22となり、どちらの受信アンテナから見ても送信点が同一に見えてしまうため、複数のパスを分離することは困難である。すなわち、特異値分解の結果、特異値Dは一つのλが大きな値を持ち、そのほかはほとんど0になってしまい、一つの固有パスしか形成できないことになる。
しかし、マイクロ波/ミリ波帯の電磁波を使用し、送信アンテナ間隔もしくは受信アンテナ間隔を電磁波の波長に対してある程度大きくとることにより、複数の固有パスを構成することが可能である。つまり、送受アンテナ間を結ぶ様々な電磁波の行路について、互いの行路差が使用する電磁波の波長に対して有意な大きさであれば、送受アンテナ間の伝達関数Hの要素は互いに異なったものとなる。このような伝達関数Hの特異値分解が行われれば、複数の直交した固有パスが構成できる。
例えば、図6のようなアンテナ配置が想定される。送信アンテナ1と送信アンテナ2が距離d1を隔てて配置されており、受信アンテナ1と受信アンテナ2が距離d2隔てて配置されている。また送信アンテナ1に対する送信アンテナ2の前後方向(図の左右方向)の位置ずれがd3と定められる。ここで送信アンテナ1と受信アンテナ1の間の距離がl1、送信アンテナ2と受信アンテナ1の距離がl2とし、
d1≪l1,l2としてl1とl2の差分が計算されると、以下の数式(4)のように表される。
たとえば、d1=5m、l1が5kmとすると、l1とl2の行路差は2.5mmとなる。電磁波の周波数が30GHzとすると、その波長λは10mmであり、行路差はλ/4程度の大きさになる。この条件ではキャリア信号間の位相ずれは90度となる。これは上記文献1で示されている見通し内通信にMIMO技術を応用できる条件に相当する。
上記条件からアンテナ位置がずらされた場合(たとえばd3が0より大きくされた場合)にも、SVDを使用した適応処理を行うことによってこのずれによる影響が吸収され得る。ここで送信アンテナ2が距離d3だけ前(図の左方向)にずらして配置された場合を考える。このときの行路差(l2−l1)は、上記で求めた行路差にさらにd3が加わる形で近似される。すなわち行路差(l2−l1)は、以下の数式(5)のように表される。
このときも、SVDを用いた適応処理が行われることにより複数の直交した伝送路を構成することが可能である。
ここで、このときの送信アンテナ1から受信アンテナ2への伝播遅延と、送信アンテナ2から受信アンテナ1への伝播遅延の差が考察される。たとえばアンテナ設置誤差d3が5mのとき、伝播遅延の差は約15nsecである。変調波のシンボルレートが25Mbaudであるとき、そのシンボル周期は40nsecとなり、伝播遅延差はシンボル周期に対して無視できない大きさである。このような状況では、MIMO受信処理部15において合成処理が行われるときに、合成する信号に時間的なずれが生じる。その結果、第1に自分自身の信号による符号間干渉が発生し、第2に本来直交している他固有パスの信号からの干渉が発生する。
図7はこの様子を模式的に示す。図7には各受信アンテナの入力と、受信MIMO処理にてdata1が分離される様子が示されている。理想的な条件(上段に示す)ではMIMO処理後にdata2の成分が打ち消され、data1の成分が残る。一方、アンテナの設置誤差がある図7の下段の例では、信号は、ある瞬間におけるdata1及びdata2の成分のそれぞれに対して、その前後のシンボルの情報が干渉(符号間干渉)した状態で、受信アンテナ2へ入力されている。このような状態でMIMO処理が行われると、data1の信号にdata2の信号が混入した状態の出力がなされる。
第1の干渉原因である符号間干渉は、自身の符号間の干渉であり、従来からフェージング対策などに用いられている波形等化器を用いて補償することができるので問題は少ない。しかし、第2の干渉(即ち、パス間干渉)は、主信号に対しては無相関な雑音として見えるため、波形等化器では補償することができない。本実施の形態ではこのパス間干渉を補償するために新たにパス間干渉補償器(干渉補償部)を設けることにより、この第2の干渉が除去される。
パス間干渉補償の動作が以下に説明される。誤差検出器23は、復調信号の理想的な信号点からのずれを検出してその位相方向と振幅を示す誤差信号を出力する。誤差信号には、主信号に含まれる他の固有パス信号の情報が現れるため、この誤差信号と他の固有パス信号の相関を計算することによって、主信号に含まれる他の固有パス信号の位相、振幅、時刻が知られ得る。この計算は補償信号生成器20で行われる。
補償信号生成器20の内部では、まずタップ係数生成器25が、誤差信号と補償信号生成器20に入力された他固有パスの信号との相関を計算し、主信号に含まれる他固有パス信号の干渉位相と振幅と時刻を計算する。そして、タップ係数生成器25は、トランスバーサルフィルタ24を用いてその干渉を打ち消すためのタップ係数を生成する。他固有パスの信号を入力とするトランスバーサルフィルタ24は、タップ係数生成回路25によって生成されたタップ係数を用い、主信号に含まれる干渉成分を打ち消す補償信号を生成し出力する。補償信号は、主信号に含まれる他固有パス信号の干渉位相と振幅と時刻に応じた信号である。加算器21は、この補償信号を主信号に加算し、それによりパス間干渉を補償する。
上記した一実施の形態では送受それぞれ2つのアンテナを使用する系の例が示されたが、アンテナの数に制限はなく、図8に示したように送受それぞれ3つ以上のアンテナを使用する場合にも本発明は適用され得る。この場合、各々のQAM復調器34には、受信アンテナの総数から1を引いた数だけの補償信号生成器が配置される。つまり、受信変調信号の数がN(2以上の整数)のとき、各受信変調信号に対応して設けられたN個のQAM復調器は、それぞれ干渉補償部を有し、干渉補償部の各々は、N−1個の補償信号生成器を有している。これら補償信号生成器は、それぞれ異なる他固有パスからの干渉を補償する補償信号を生成する。加算器は補償信号生成器からの補償信号を主信号に加算し、パス間干渉を補償する。
以下、他の実施の形態について説明する。
本発明の他の実施の形態に係る無線伝送方式は、受信側MIMO処理を行って複数の固有パスにそれぞれ対応するように複数の受信変調信号を出力するMIMO方式受信処理部と、複数の受信変調信号に含まれるパス間干渉を補償する干渉補償部とを有する。
この無線伝送方式は、複数の受信変調信号の各々に対応して設けられ、入力変調信号を復調して復調信号を出力するキャリア再生器を備えてよい。この場合、干渉補償部は、復調信号を受けて、当該復調信号の理想的な信号点からのずれを検出してその位相方向と振幅とを表す誤差信号を生成する誤差検出器と、誤差信号を用いて、対応する受信変調信号に含まれるパス間干渉を補償する補償信号を生成する補償信号生成器と、補償信号を対応する受信変調信号に加算し、入力変調信号としてキャリア再生器へ出力する加算器とを有してよい。
また、補償信号生成器は、他の固有パスに対応する他の受信変調信号と誤差信号とを比較し、対応する受信変調信号に含まれるパス間干渉の位相、振幅、時刻に応じた信号を生成し、補償信号として加算器へ出力するものであってよい。
さらに、補償信号生成器は、他の受信変調信号と誤差信号との相関を計算し、対応する受信変調信号に含まれるパス間干渉をキャンセルするためのタップ係数を生成するタップ係数生成器と、タップ係数により、対応する受信変調信号に含まれるパス間干渉をキャンセルするための補償信号を生成し出力するトランスバーサルフィルタを有してよい。
さらに、上述した無線伝送方式は、変調された送信信号に対して送信側MIMO処理を行うMIMO方式送信処理部と、送信側MIMO処理された信号を無線送信する無線送信部と、無線送信部から送信された無線信号を受信し受信MIMO処理されるべき信号をMIMO方式受信処理部へ送る無線受信部とをさらに備えてもよい。
また、上述した無線伝送方式は、入力された信号を変調して送信信号を生成し、MIMO方式送信処理部に出力する変調部をさらに備えてもよい。
さらにまた、上述した無線伝送方式は、無線信号を送信する複数の送信アンテナと、無線信号を受信する複数の受信アンテナとをさらに備えてもよい。
本発明のさらに他の実施の形態に係る無線伝送方法は、受信側MIMO処理を行って複数の固有パスにそれぞれ対応するように複数の受信変調信号を出力するステップと、複数の受信変調信号に含まれるパス間干渉を補償するステップとを有する。
ここで、干渉補償ステップは、複数の受信変調信号の各々に対応して設けられ、入力変調信号を復調して復調信号を出力するキャリア再生器から、復調信号を受けるステップと、復調信号の理想的な信号点からのずれを検出してその位相方向と振幅とを表す誤差信号を生成するステップと、誤差信号を用いて、対応する受信変調信号に含まれるパス間干渉を補償する補償信号を生成するステップと、補償信号を対応する受信変調信号に加算し、入力変調信号としてキャリア再生器へ出力するステップを有してよい。
また、補償信号生成ステップは、他の固有パスに対応する他の受信変調信号と誤差信号とを比較し、対応する受信変調信号に含まれるパス間干渉の位相、振幅、時刻に応じた信号を補償信号として生成するステップを有してよい。
さらに、補償信号生成ステップは、他の受信変調信号と誤差信号との相関を計算し、対応する受信変調信号に含まれるパス間干渉をキャンセルするためのタップ係数を生成するステップと、タップ係数により、対応する受信変調信号に含まれるパス間干渉をキャンセルするための補償信号をトランスバーサルフィルタで生成し出力するステップとを有してよい。
以上、本発明についていくつかの実施の形態に即して説明したが、上記した各実施の形態は、本発明を好適に実施した形態の一例に過ぎず、本発明は、その主旨を逸脱しない限り、種々変形して実施することが可能なものである。
この出願は、2007年2月16日に出願された日本出願特願2007−035640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。
マイクロ波/ミリ波帯固定無線通信に適用できる。
Claims (13)
- 受信側MIMO(Multiple Input Multiple Output)処理を行って複数の固有パスにそれぞれ対応するように複数の受信変調信号を出力するMIMO方式受信処理部と、
前記複数の受信変調信号に含まれるパス間干渉を補償する干渉補償部とを有することを特徴とする無線伝送方式。 - 前記複数の受信変調信号の各々に対応して設けられ、入力変調信号を復調して復調信号を出力するキャリア再生器をさらに備えることを特徴とする請求項1記載の無線伝送方式。
- 前記干渉補償部は、
前記復調信号を受けて、当該復調信号の理想的な信号点からのずれを検出してその位相方向と振幅とを表す誤差信号を生成する誤差検出器と、
前記誤差信号を用いて、対応する受信変調信号に含まれる前記パス間干渉を補償する補償信号を生成する補償信号生成器と、
前記補償信号を前記対応する受信変調信号に加算し、前記入力変調信号として前記キャリア再生器へ出力する加算器と
を有することを特徴とする請求項2記載の無線伝送方式。 - 前記補償信号生成器は、前記他の固有パスに対応する他の受信変調信号と前記誤差信号とを比較し、前記対応する受信変調信号に含まれる前記パス間干渉の位相、振幅、時刻に応じた信号を生成し、前記補償信号として前記加算器へ出力することを特徴とする請求項3記載の無線伝送方式。
- 前記補償信号生成器は、
前記他の受信変調信号と前記誤差信号との相関を計算し、前記対応する受信変調信号に含まれる前記パス間干渉をキャンセルするためのタップ係数を生成するタップ係数生成器と、
前記タップ係数により、前記対応する受信変調信号に含まれる前記パス間干渉をキャンセルするための前記補償信号を生成し出力するトランスバーサルフィルタ
を有することを特徴とする請求項4記載の無線伝送方式。 - 前記複数の受信変調信号の数がN(2以上の整数)のとき、前記複数の受信変調信号にそれぞれ対応するN個の干渉補償部を有し、該N個の干渉補償部の各々が、N−1個の補償信号生成器を有していることを特徴とする請求項4に記載の無線伝送方式。
- 変調された送信信号に対して送信側MIMO処理を行うMIMO方式送信処理部と、送信側MIMO処理された信号を無線送信する無線送信部と、該無線送信部から送信された無線信号を受信し受信MIMO処理されるべき信号を前記MIMO方式受信処理部へ送る無線受信部とをさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の無線伝送方式。
- 入力された信号を変調して前記送信信号を生成し、前記MIMO方式送信処理部に出力する変調部をさらに備えることを特徴とする請求項7に記載の無線伝送方式。
- 前記無線信号を送信する複数の送信アンテナと、前記無線信号を受信する複数の受信アンテナとをさらに備えることを特徴とする請求項7に記載の無線伝送方式。
- 受信側MIMO(Multiple Input Multiple Output)処理を行って複数の固有パスにそれぞれ対応するように複数の受信変調信号を出力するステップと、
前記複数の受信変調信号に含まれるパス間干渉を補償するステップと
を有することを特徴とする干渉補償方法。 - 前記干渉補償ステップは、
前記複数の受信変調信号の各々に対応して設けられ、入力変調信号を復調して復調信号を出力するキャリア再生器から、前記復調信号を受けるステップと、
前記復調信号の理想的な信号点からのずれを検出してその位相方向と振幅とを表す誤差信号を生成するステップと、
前記誤差信号を用いて、対応する受信変調信号に含まれる前記パス間干渉を補償する補償信号を生成するステップと、
前記補償信号を前記対応する受信変調信号に加算し、前記入力変調信号として前記キャリア再生器へ出力するステップ
を有することを特徴とする請求項10記載の干渉補償方法。 - 前記補償信号生成ステップは、前記他の固有パスに対応する他の受信変調信号と前記誤差信号とを比較し、前記対応する受信変調信号に含まれる前記パス間干渉の位相、振幅、時刻に応じた信号を前記補償信号として生成するステップを有することを特徴とする請求項11記載の干渉補償方法。
- 前記補償信号生成ステップは、
前記他の受信変調信号と前記誤差信号との相関を計算し、前記対応する受信変調信号に含まれる前記パス間干渉をキャンセルするためのタップ係数を生成するステップと、
前記タップ係数により、前記対応する受信変調信号に含まれる前記パス間干渉をキャンセルするための前記補償信号をトランスバーサルフィルタで生成し出力するステップ
を有することを特徴とする請求項12記載の干渉補償方法。
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