JPWO2009157521A1 - 無線通信装置及び無線通信方法 - Google Patents

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Abstract

最大公約数的な送信ウェイトによる通信特性の劣化を防ぎ、フィードバックMIMOにおける通信特性を高める無線通信装置を提供する。複数のアンテナを備えた無線通信装置であって、他の無線通信装置から所定の周波数帯域に属するチャンネルの信号を受信し、前記チャンネルのチャンネル状態情報を取得する受信部と、前記チャンネル状態の変動を判定する判定部と、前記チャンネル状態情報に変動がある場合に、前記所定の周波数帯域全体の代表チャンネル状態情報を前記変動に応じて計算する、チャンネル状態情報計算部と、前記計算された代表チャンネル状態情報に基づいて、送信ウェイトを選択する送信ウェイト選択部と、前記送信ウェイトの識別情報を前記他の無線通信装置に送信する送信部と、を備えることを特徴とする無線通信装置。

Description

関連出願へのクロスリファレンス
本出願は、日本国特許出願2008−169590号(2008年6月27日出願)の優先権を主張するものであり、当該出願の開示全体を、ここに参照のために取り込む。
この発明は、無線通信装置及び無線通信方法に関する。
近年、無線通信システムでは、信号の送受信に複数のアンテナを用いることにより、通信容量の増大や通信品質の向上を図っている。このような複数アンテナを用いた送受信技術はMIMO(Multi−Input Multi−Output)と呼ばれている。特に、受信端末が、送信端末に対して、チャンネル状態情報である、CSI(Channel State Information:伝搬路情報)に関する何らかの情報をフィードバックすることにより、MIMOの通信特性をさらに向上させる技術を、Closed−Loop MIMO、又はフィードバックMIMOと呼んでいる。
受信端末は、送信端末が一定周期で送信する専用の参照信号(xi)と、受信端末における受信信号(yj,i)との関係から、第kのサブキャリア(チャンネル)に対するCSIを数1の通り測定することができる。なお、数1において、TxAntは送信端末のアンテナ数、RxAntは受信端末のアンテナ数を表し、CSIは、RxAnt×TxAntの次元を持つ複素行列として表されるものである。また、実際には受信端末が受信信号を分離できるように、送信アンテナ毎に、参照信号が挿入されるサブキャリアは異なっている場合が多い。しかし、ここでは簡単の為、全サブキャリアで受信信号と参照信号がアンテナ毎に独立に得られるものとして表現している。
Figure 2009157521
フィードバックMIMOでは、受信端末から送信端末にフィードバックするCSIの情報が詳細であればあるほど、MIMOの通信特性が改善されることになる。しかし、受信端末がフィードバックするCSIの情報が詳細であればあるほど通信量が増加するため、結局はシステムの無線通信容量が逼迫されてしまうことになる。かかる問題への対応として、送信端末及び受信端末で予め共通の送信ウェイトの情報を保持しておき、受信端末がCSIに応じた当該送信ウェイトのインデックス情報(識別情報)のみを送信端末にフィードバックする(つまり、どの番号の送信ウェイトを使用するかのみを通知する)ことにより、フィードバック情報を大幅に削減することが行われている。また、一つの送信ウェイトを複数のサブキャリアに対してまとめて適用することで、フィードバックする送信ウェイトのインデックス自体を減らすことができ、さらなるフィードバック情報の削減が可能になる。
例えば、第3.9世代移動体通信システム(以下「3.9G」という。)の1つであるUMB(Ultra Mobile Broadband、例えば、非特許文献1参照)やE−UTRA(LTE)(Evolved UMTS Terrestrial Radio Access、Long Term Evolution、例えば、非特許文献2参照)では、上記送信ウェイトの情報をPM(Precoding Matrix)として送信端末及び受信端末で共有している。このPMは、複数アンテナの本数等に応じて複数定義されている。受信端末は、CSIに応じて適切なPMを選択し、当該PMの識別番号であるPMI(Precoding Matrix Index)を送信端末にフィードバックする。送信端末は受信端末からPMIを受信すると、PMIによって特定されるPMを用いて複数アンテナの送信ウェイト制御を行うことになる。
例えば、UMBでは、図4に示す通り、通信に使用する周波数帯は8つのサブバンド(Subband)に分割され、各サブバンドは8つのタイル(Tile)に分割され、さらに、各タイルは16個のサブキャリア(Subcarrier)に分割されている。複数のサブキャリアに対して共通に適用するPMを選択するために、受信端末は、数2に従い、サブバンド単位やタイル単位でのCSIの平均値(CSIAve)を計算する。ここで、NCSIはサブバンドに含まれるサブキャリアの本数を表し、サブバンド単位の平均化の場合には、NCSIは128(8×16)となり、タイル単位の平均化の場合には、NCSIは16となる。受信端末は、CSIの平均値を求めると、当該CSI平均値に対して最も適したPMを選択し、当該PMに対応するPMIを送信端末にフィードバックする。
Figure 2009157521
図5は、PMI選択に必要なCSIの平均化をサブバンド単位で行った場合、タイル単位で行った場合、及びPMI選択による送信ウェイトの制御を行わなかった場合のそれぞれの、フィードバックMIMOにおける、周波数利用効率[bps/Hz]の変化を示す図である。図6に示すとおり、送信信号のSNR(Signal to Noise Ratio)が同じ場合、送信ウェイトの制御によって通信特性が改善されることが示されている。さらに、より細かい単位(つまりサブバンド単位ではなくタイル単位)でPMI選択を行ったほうが、より通信特性が改善されることが示されている。
「Physical Layer for Ultra Mobile Broadband (UMB) Air Interface Specification(C.S0084-001-0 v1.0)」、3GPP2、平成19年4月 「Multiplexing and channel coding (3GPP TS36.212)」、3GPP、平成20年5月
上記の通り、従来の方法では、受信端末は、図6に示すとおり、共通の送信ウェイト(PM)を適用する範囲(以下、「送信ウェイト適用範囲」という。)の各サブキャリア(チャンネル)の通信品質によらず、各サブキャリアのCSIの単純な平均値に基づいて、送信端末にフィードバックする送信ウェイトインデックス(PMI)を選択している。そのため、どのサブキャリアにとっても最適とならない、最大公約数的な送信ウェイトが選択されることになる。かかる最大公約数的な送信ウェイトでは、該当する複数のサブキャリア同士の位相が回転し合い、複素平面上で信号を打ち消しあうことにより、送信ウェイトを用いた場合のMIMOの通信特性が劣化してしまうという問題点があった。特に、マルチパスフェージング環境など、周波数毎に無線通信品質の変動が激しい場合においては、各サブバンド/タイルに含まれる128/16個のサブキャリアそれぞれの無線通信品質が大きく異なることが予想される。
従って、上記の諸課題を鑑みてなされた本発明の目的は、最大公約数的な送信ウェイトによる通信特性の劣化を防ぎ、フィードバックMIMOにおける通信特性を高める無線通信装置及び無線通信方法を提供することである。
上述した諸課題を解決すべく、本発明の無線通信装置は、
複数のアンテナを備えた無線通信装置であって、
他の無線通信装置から所定の周波数帯域に属するチャンネルの信号を受信し、前記チャンネルのチャンネル状態情報を取得する受信部と、
前記チャンネル状態の変動を判定する判定部と、
前記チャンネル状態情報に変動がある場合に、前記所定の周波数帯域全体の代表チャンネル状態情報を前記変動に応じて計算する、チャンネル状態情報計算部と、
前記計算された代表チャンネル状態情報に基づいて、送信ウェイトを選択する送信ウェイト選択部と、
前記送信ウェイトの識別情報を前記他の無線通信装置に送信する送信部と、
を備えることを特徴とする。
また、前記チャンネル状態情報計算部は、前記チャンネル状態に変動がない場合には、前記所定の周波数帯域に属する全ての前記チャンネルのチャンネル状態情報の平均値を、前記代表チャンネル状態情報とすることが望ましい。
また、前記送信ウェイト選択部は、前記チャンネル状態情報と前記送信ウェイトとの対応を記憶しており、前記代表チャンネル状態情報に対応する、記憶された前記送信ウェイトを選択することが望ましい。
また、上述した諸課題を解決すべく、本発明の無線通信方法は、
複数のアンテナを備えた無線通信装置の無線通信方法であって、
他の無線通信装置から所定の周波数帯域に属するチャンネルの信号を受信し、前記チャンネルのチャンネル状態情報を取得するステップと、
前記チャンネル状態の変動を判定するステップと、
前記チャンネル状態情報に変動がある場合に、前記所定の周波数帯域全体の代表チャンネル状態情報を前記変動に応じて計算する計算ステップと、
前記計算された代表チャンネル状態情報に基づいて、送信ウェイトを選択するステップと、
前記送信ウェイトの識別情報を前記他の無線通信装置に送信するステップと
を有することを特徴とする。
また、前記計算ステップにおいて、前記チャンネル状態に変動がない場合には、前記所定の周波数帯域に属する全ての前記チャンネルのチャンネル状態情報の平均値を、前記代表チャンネル状態情報とすることが望ましい。
また、前記送信ウェイト選択ステップにおいて、予め記憶してある前記チャンネル状態情報と前記送信ウェイトとの対応から、前記代表チャンネル状態情報に対応する、前記送信ウェイトを選択することが望ましい。
本発明では、CSI情報に基づいて、送受信間の伝搬路状況を判別し、伝搬路の変動状況に合わせ、電力的に余裕のあるサブキャリアに対しての影響が強いCSIを用いる。そのため、該当するサブキャリアに対する送信ウェイトの精度を向上させることが可能となり、誤り訂正と組み合わせることでシステム全体の特性の向上が期待できる。即ち、伝搬路としてチャンネル容量が限られているようなサブキャリアの影響を低減させ、さらに、位相が反転して互いに打ち消しあってCSI精度を劣化させる現象を少なくし、電力的に余裕のあるサブキャリア領域に対しての影響が強い送信ウェイトを選択することにより、フィードバックMIMOにおける通信特性を改善することが可能となる。
なお、本発明は、3.9Gで採用される畳込み符号(CC:Convolutional Coding)や繰返し畳込み符号(CTC:Convolutional Turbo Coding)などの誤り訂正の性質上、平均電力が一定の条件化では、基本的に全体が均等な品質のデータ系列よりも、品質の良いと部分と悪い部分が際立ったデータ系列の方が誤り訂正の効果が発揮されるという特徴(ダイバーシティ効果)を利用するものである。
本発明の一実施の形態に係る通信端末が使用可能な、通信ネットワークの概略構成を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る通信端末の構成を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る通信端末の動作のフローチャートである。 周波数分割単位の一例を示す図である。 送信ウェイト制御による周波数利用効率の変化を示す図である。 従来の通信端末の動作のフローチャートである。
以降、諸図面を参照しながら、本発明の実施態様を詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施の形態に係る通信端末1が使用可能な、通信ネットワークの概略構成を示す図である。図1において、通信端末1は、基地局2との間で、複数アンテナを用いたMIMOによる通信を行う。通信端末1は、基地局2が送信する参照信号からサブキャリア毎のCSIを取得する。通信端末1は、当該CSIに所定の処理を行った後に、基地局2が利用すべき送信ウェイト(PM)を選択し、当該送信ウェイトに対応した送信ウェイトインデックスを基地局2にフィードバックする。基地局2は、当該送信ウェイトインデックスに応じて送信ウェイトを選択し、フィードバックMIMO制御を行う。
図2は、本発明の一実施の形態に係る通信端末1の構成を示す図である。ここで、通信端末1は、例えば、MIMOの通信インターフェースを備える携帯電話機、ノートパソコン、又はPDA(携帯情報端末)からなる。通信端末1は、基地局2から信号を受信し、サブキャリアのCSIを取得する受信部10と、受信部10からCSIの情報を取得し、伝搬路の変動を判定する伝搬路変動判定部(判定部)50と、受信部10からCSIの情報を取得するとともに、伝搬路変動判定部50から伝搬路の変動状態を取得して、CSIに関する所定の計算を行うCSI計算部(チャンネル状態情報計算部)20と、CSI計算部20の結果に基づき、基地局2にフィードバックする送信ウェイトの送信ウェイトインデックスを選択する送信ウェイト選択部30と、送信ウェイト選択部30が選択した送信ウェイトインデックスを、通信データ等と同時に基地局2に送信する送信部40と、を有する。
受信部10及び送信部40は、例えば、フィードバックMIMOに対応したインターフェース機器から構成される。なお、受信部10及び送信部40は、無線信号の送受信に必要な信号の変調/復調、誤り訂正の復号化/符号化、PS/SP変換、及びチャンネル推定といった、無線通信に要する通常の機能を有しうる。伝搬路変動判定部50、CSI計算部20及び送信ウェイト選択部30は、例えば、CPU(中央処理装置)等の任意の好適なプロセッサ構成されるものであり、CSI計算部20及び送信ウェイト選択部30の各機能は、当該プロセッサ上で実行されるソフトウェアや、又は各機能の処理に特化した専用のプロセッサ(例えばDSP(デジタルシグナルプロセッサ))によって構成することができる。
図3は、本発明の一実施の形態に係る通信端末の動作のフローチャートである。当該フローチャートを参照しながら、通信端末1の各機能ブロックの動作を詳述する。
通信端末1が基地局2から参照信号を受信すると、通信端末1において、CSI計算部20は、受信部10から送信ウェイト適用範囲に属するサブキャリアのCSIを取得する(S001)。本実施例では、例えば、送信ウェイト適用範囲には、128本のサブキャリアが含まれるものとする(NCSI=128)。なお、送信ウェイト適用範囲がサブキャリアが128本の場合に限られないことは、当業者にとって明らかな事項である。
伝搬路変動判定部50は、送信ウェイト適用範囲に属するCSIの平均電力(PowAve)を数3により計算する(S002)。
Figure 2009157521
伝搬路変動判定部50は、平均電力の計算結果から、送信ウェイト適用範囲に属するCSIに変動があるかどうかを判定する(S003)。この判定は、周波数選択性などの要因により落ち込みが生じているかを判断するものである。かかる変動の判定は、送信ウェイト適用範囲のCSIの平均電力に基づいて設定した判定基準(閾値)に対し、各サブキャリアのCSIの電力が、当該判定基準を大きく下回っているかどうかによって判定する。当該判定基準は、送信ウェイト適用範囲のCSIの平均電力の値そのものとしたり、当該平均電力値に所定の係数を乗除したり(例えば、平均電力値の0.8倍、1.2倍、1/2、1/3など)、加算減算(例えば、オフセットとして+1、−0.5など)したものとすることができる。当該判定基準を、平均電力値より高く設定すれば、変動が存在すると判定される確率は高くなり、平均電力値より低く設定すれば、変動が存在すると判定される確率は低くなる。
CSI計算部20は、伝搬路変動判定部50の判定結果を基に、送信ウェイト適用範囲全体の代表CSI(代表チャンネル状態情報)の計算を行う。伝搬路変動が存在しない場合には、範囲内のCSIは比較的位相の回転が少ないと考えられるため、CSI計算部20は、数3により求めた平均値を代表CSIとする(S004)。伝搬路変動が存在する場合には、CSI計算部20は、数3によって求めた平均値より高いCSIを抽出し(S006)、当該抽出したCSI(Selected_CSI)の平均値(CSISelected_Ave)を数4により計算して代表CSIとする(S007)。ここで、NSelected_CSIは、抽出されたCSIの数を表す。
Figure 2009157521
送信ウェイト選択部30は、CSI計算部20から供給された代表CSI(CSIw_Ave)に基づき、送信ウェイトを選択する(S005、S008)。なお、あるCSIから所定の送信ウェイトを選択する方法は当業者にとって周知であるため、詳細は記載しないものとする。送信ウェイト選択部30は、予めCSIと送信ウェイトとの対応を記憶しており、かかる対応によって、代表チャンネル状態情報に対応する、送信ウェイトを選択することもできる。送信ウェイト選択部30は、選択した送信ウェイトに対応する送信ウェイトインデックスを、送信部40を通じて基地局2にフィードバックする。
基地局2は、かかる送信ウェイトインデックスを用いて送信ウェイトを選択することにより、フィードバックMIMOの通信特性を改善することができる。
本実施例によると、CSIの落ち込みがない場合には、範囲内のCSIは比較的位相の回転が少ないと考えられるため、電力比に応じた処理を行うことで最良のチャンネル容量が見込めるサブキャリアに適した代表CSIを算出することが出来る。また、落ち込みがある場合でも、小領域に分割することで位相回転が少ない領域に分割し、最も効果が期待できる小領域に特化した代表CSIを計算することで、送信ウェイトもそれらのサブキャリアに対応したものが選択されるようになる。このような手法では、もともとチャンネル容量の乏しいサブキャリアに対しては、対応する送信ウェイトが選択されなくなるが、このようなサブキャリアに配置されたデータに関しては、システムに含まれている誤り訂正技術により復元することが可能となる。
本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。
上記実施例では、伝搬路の変動判定基準として電力を用いているが、これは他の基準、例えば位相や振幅値などでも構わない。例えば、位相を基準とする場合には、受信部10がCSIの位相を検出し、伝搬路変動判定部50が、隣接するチャンネル間で位相の回転方向が反転する場合を変動と判定することができる。さらに、位相の回転量に着目する場合には、伝搬路変動判定部50が、位相の回転量が所定の閾値より多いサブキャリアがある場合を変動と判定することができる。また、振幅値を基準とする場合には、受信部10が振幅値の大きさを検出し、伝搬路変動判定部50が、振幅値が所定の閾値より低いサブキャリアがある場合を変動と判定することができる。また、CSI計算部20は、伝搬路変動が存在する場合に、平均値より高いCSIを抽出し、当該抽出したCSIの平均値を代表CSIとしているが、当該抽出したCSIの電力又は振幅の大きさに基づく重み付け平均値を代表CSIとして計算したり、抽出したCSIのうち、特に電力又は振幅の大きさが上位であるCSIを選抜し、かかる選抜されたCSIの平均値を代表CSIと計算することが出来る。また、上記実施例では単純にアンテナ間のCSIに関して論じているが、例えばCSIに送受信のウェイトを乗じた系としての電力値を基準としても構わない。
また、上述の各実施形態では、無線通信方式として、UMBを想定して説明したが、本発明の適用範囲はかかる無線通信方式のみに限られるものではなく、例えば、LTE(Long Term Evolution)など、フィードバックMIMOに対応したあらゆる無線通信方式に対応することが可能である。例えば、UMBでは、上述の通り、通信に使用する周波数帯は8つのサブバンドに分割され、各サブバンドは8つのタイルに分割され、さらに、各タイルは16個のサブキャリアに分割されているが、同様に、LTEでは、通信に使用する周波数帯は場合によっては9つのサブバンドに分割され、この場合、各サブバンドは6個乃至2個のリソースブロック(RB:Resource Block)に分割され、さらに、各リソースブロックは12個のサブキャリアに分割されている。そのため、上記記載において、UMBにおけるタイルをLTEのリソースブロックとして適宜読み替えることにより、各実施形態の記載をLTEに適用した場合の実施態様として理解することができる。なおこの場合、サブバンド、リソースブロック(タイル)、サブキャリアの数も、適宜、LTEに応じた読み替えが必要になることに留意されたい。
1 通信端末
2 基地局
10 受信部
20 CSI計算部
30 送信ウェイト選択部
40 送信部
50 伝搬路変動判定部

Claims (6)

  1. 複数のアンテナを備えた無線通信装置であって、
    他の無線通信装置から所定の周波数帯域に属するチャンネルの信号を受信し、前記チャンネルのチャンネル状態情報を取得する受信部と、
    前記チャンネル状態の変動を判定する判定部と、
    前記チャンネル状態情報に変動がある場合に、前記所定の周波数帯域全体の代表チャンネル状態情報を前記変動に応じて計算する、チャンネル状態情報計算部と、
    前記計算された代表チャンネル状態情報に基づいて、送信ウェイトを選択する送信ウェイト選択部と、
    前記送信ウェイトの識別情報を前記他の無線通信装置に送信する送信部と、
    を備えることを特徴とする無線通信装置。
  2. 前記チャンネル状態情報計算部は、
    前記チャンネル状態に変動がない場合には、前記所定の周波数帯域に属する全ての前記チャンネルのチャンネル状態情報の平均値を、前記代表チャンネル状態情報とする、
    請求項1に記載の無線通信装置。
  3. 前記送信ウェイト選択部は、
    前記チャンネル状態情報と前記送信ウェイトとの対応を記憶しており、
    前記代表チャンネル状態情報に対応する、記憶された前記送信ウェイトを選択する、
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の無線通信装置。
  4. 複数のアンテナを備えた無線通信装置の無線通信方法であって、
    他の無線通信装置から所定の周波数帯域に属するチャンネルの信号を受信し、前記チャンネルのチャンネル状態情報を取得するステップと、
    前記チャンネル状態の変動を判定するステップと、
    前記チャンネル状態情報に変動がある場合に、前記所定の周波数帯域全体の代表チャンネル状態情報を前記変動に応じて計算する計算ステップと、
    前記計算された代表チャンネル状態情報に基づいて、送信ウェイトを選択するステップと、
    前記送信ウェイトの識別情報を前記他の無線通信装置に送信するステップと
    を有することを特徴とする無線通信方法。
  5. 前記計算ステップにおいて、
    前記チャンネル状態に変動がない場合には、前記所定の周波数帯域に属する全ての前記チャンネルのチャンネル状態情報の平均値を、前記代表チャンネル状態情報とする、
    請求項4に記載の無線通信方法。
  6. 前記送信ウェイト選択ステップにおいて、
    予め記憶してある前記チャンネル状態情報と前記送信ウェイトとの対応から、
    前記代表チャンネル状態情報に対応する、前記送信ウェイトを選択する、
    ことを特徴とする請求項4又は5に記載の無線通信方法。
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