WO2014185395A1 - 無線通信装置および無線通信方法 - Google Patents

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Abstract

　理論限界である多元接続通信路の容量領域(MAC Capacity Region)において、チャネル間で均等かつ最大となる伝送速度の組み合わせを実現する。　第一乃至第三のフレームを受信する無線通信装置であって、前記第一及び前記第三のフレームは連続して送信され、前記第二のフレームは前記第一及び前記第三のフレームとは異なる先頭時刻で送信され、前記第二のフレームは前記第一及び前期第三のフレームの双方に時間的に重畳した第一の信号を受信し、前記第一のフレームを復調した結果から前記第一のフレームのレプリカ信号を作成し、前記第一の信号から除去して得られる第二の信号を作成し、該第二の信号を用いて前記第二のフレームを復調し、前記第二の信号において前記第二のフレームは、前記第一のフレームからの干渉が除去され、前記第三のフレームからの干渉が残留していることを特徴とする無線通信装置。

Description

無線通信装置および無線通信方法
　本発明は、無線通信装置および無線通信方法に関し、特に複数のアンテナから同時に信号送信を行う無線通信装置および無線通信方法に関する。
　本技術分野の背景技術として、MIMO (Multiple Input, Multiple Output)方式が広く知られている。MIMO方式は、複数のアンテナから信号を送信し、複数のアンテナで受信することで送信信号を分離する技術である。MIMO通信方式における信号の復調方法として、逐次干渉除去(Successive Interference Cancelation: SIC)方式が知られている。
　例えば、非特許文献1には、受信信号から第一の送信信号を復調、復号し、復号結果から第一の送信信号の受信信号レプリカを作成して、受信信号から除去することで、空間多重されている第二の送信信号以降の復調をより良い精度で行う技術について記載がある。
　また、非特許文献2には、BLAST (Bell Labs Layered Space-Time)と呼ばれる、送信側で順次送信アンテナを巡回的に切り替えながら送信し、受信側では、第一のアンテナから送信された信号の復調を行い、復調結果から第一のアンテナから送信された信号のレプリカを作成して受信信号から除去し、第二のアンテナから送信された信号以降の復調をより良い精度で行う技術について記載がある。
樋口 健一 他, "マルチアンテナ無線伝送技術 その3 MIMO多重法における信号分離技術", NTT DoCoMoテクニカル・ジャーナル Vol. 14 No.1, pp. 66-75, April, 2006. Gerard J. Foschini, "Layered space-time architecture for wireless communications in a fading environment when using multi-element antennas," Bell Labs Technical Journal, Autumn 1996. S. ten Brink, G. Kramer and A. Ashikhmin, "Design of Low-Density Parity-Check Codes for Modulation and Detection," IEEE Transactions on Communications, Vol. 52, No. 4, pp.670-678, April 2004. T. Yano and T. Matsumoto, "Arithmetic Extended-Mapping for BICM-ID with Repetition Codes", Proceedings 2009 International ITG Workshop on Smart Antennas (WSA 2009), pp. 304-311, February 2009.
　非特許文献１に記載の従来技術においては、誤り訂正符号化が理想的であれば、理論的な上限であるMAC(Multiple Access Channel) Capacity Region (多元接続通信路の容量領域)における最大の容量を達成できることが開示されている。
　MAC Capacity Regionは、複数の信号を同時に送信した場合に達成することのできるレート(伝送速度)を示すもので、例えば、2つの信号を同時に送信した場合は、図15中のグラフに示すような五角形の領域となる。
　図15中のグラフにおいて、横軸は第一の信号の伝送速度、縦軸は第二の信号の伝送速度となっている。
　前記五角形の外側の領域の点のレートの組み合わせでは、理論的に伝送が不可能であり、従って、五角形の斜辺上の点が理論的な最大レートを与える点となる。
　図中○印は、前記、SICによって達成できるレートの組み合わせを表している。
　すなわち、第一の信号を復調する際には第二の信号からの干渉を受けながらもレートaの通信を行うことができる。
　ここで、第一の信号の復調、復号が完了し、第一の信号の受信信号レプリカを作成し、受信信号から除去すると、第二の信号及び、雑音のみが残される。ここで、第二の信号の復調を行うと、第一の信号からの干渉を受けず、レートbの通信を行うことができる。
　したがって、第一の信号、第二の信号の伝搬路が同等の品質であれば、b>aとなり、第二の信号は第一の信号より速いレートで通信を行うことができる。
　逆に第二の信号の復調と除去を先に行う場合、前記五角形の斜辺の右下の点のレートの組み合わせが達成できる。この場合、a<bとなる。
　以上のように、非特許文献１に記載の技術においては、達成されるレートが不均等になるという問題がある。
　第一の信号の伝搬路と第二の信号の伝搬路の相関が小さく、MIMOの分離がしやすい条件においては図15(A)に示すようにaとbの差が小さいが、相関が大きく、MIMOの分離がしにくい条件においては、図15(C)に示すように、先に復調する第一の信号の伝送可能なレートaが極端に小さくなる可能性がある。
　この場合、第一の信号の伝送速度に対して伝送可能なレートaが下回ると、第一の信号の復調、復号が失敗し、受信信号から正しく除去することができなくなる。
　この結果、第二の信号の復調に際し、第一の信号が除去されずに復調を行うことになり、第二の信号の復調も失敗する。
　非特許文献2に記載の技術においては、第一の信号を送信するに当たり、順次送信アンテナを切り替えることによって、伝送速度を平均化し、伝送速度がチャネル毎に不均等となる問題を解消している。
　しかし、前記第一の信号と第二の信号が異なる無線通信機から送信される場合は相互にアンテナを切り替えることは不可能であり、非特許文献2に記載の技術を採用することはできない。
　上記課題を解決するために、本発明においては、送信側では、第一の送信信号のフレームタイミングと、前記第二の送信信号のフレームタイミングとが異なるタイミングになるように設定する。
　送信信号のタイミングの例を図3に例示する。
　この図から明らかなように、第二の送信信号のフレーム(第二のフレーム)は第一の送信信号の2つのフレーム(第一のフレーム、並びに、第三のフレーム)にまたがったタイミングで送出される。
　本明細書において、フレームとは、誤り訂正符号化の符号語単位を格納する信号構造を指し、同期や伝搬路推定のための基準信号や、他の制御信号を含んでいても良い。
　受信側では、まず、受信信号(第一の受信信号)を用いて第一の送信信号の第一のフレームの復調、並びに、復号を行う。
　次に、復号結果に基づき、第一のフレームの受信信号レプリカを作成し、前記第一の受信信号から前記第一のフレームのレプリカ信号を除去した第二の受信信号を作成する。
　第二の受信信号において、前記第二のフレームは、第一のフレームからの干渉は除去されているが、第三のフレームからの干渉は残存した状態となっている。この状態で第二のフレームの復調を行うと、第一のフレームと重複する期間においては、干渉がないため、その復調信号からは比較的大きな相互情報量を得ることができ、第三のフレームと重複する期間においては、干渉があるため、比較的小さな相互情報量を得ることができる。
　前記第二のフレームの復調の結果得られた復調信号は誤り訂正復号器に入力され、前記比較的大きな情報量および比較的小さな情報量の双方に基づき送信したデータが復号される。以上の動作を図5に示す。
　本発明によれば、第二の送信信号について、前記MAC Capacity Regionの五角形の斜辺中の任意の点を実現できる。例えば、前記第二のフレームの殆どの期間において第一のフレームと重畳し、第三のフレームとの重畳する期間が殆どない状態とした場合、第一の送信信号から受ける干渉は殆どなくなるので、前記MAC Capacity Regionの五角形の斜辺左上に近い点のレートとなる。
　また、逆に、前記第二のフレームの殆どの期間において第三のフレームと重畳し、第一のフレームとの重畳する期間が殆どない状態とした場合、殆どの期間において第一の送信信号から干渉を受けた状態で復調されるので、前記MAC Capacity Regionの五角形の斜辺右下に近い点のレートとなる。また、第一の送信信号のフレームと第二の送信信号のフレームが半分ずつずれているようにした場合、前記、五角形の斜辺の中点のレートが達成される。
　本発明によれば、理論限界である多元接続通信路の容量領域(MAC Capacity Region)において、チャネル間で均等かつ最大となる伝送速度の組み合わせを実現できる。
第一の実施例のシステム構成例を示す図。 第一の実施例の送信側無線通信機の構成例を示す図。 第一の実施例のフレームタイミングの例を示す図。 第一の実施例の受信側無線通信機の構成例を示す図。 第一の実施例の受信側無線通信機の動作の例を示す図。 第一の実施例の受信側無線通信機の動作タイミングの例を示す図。 第一の実施例のMIMO復調器の動作を示す図。 第一の実施例のレプリカ作成器の構成例を示す図。 第二の実施例のシステム構成例を示す図。 第三の実施例の送信側無線通信機の構成例を示す図。 第三の実施例の制御結果を示す図。 第三の実施例の受信側無線通信機の動作の例を示す図。 第四の実施例のMIMO復調器の動作を示す図。 第五の実施例の受信側無線通信機の構成例を示す図。 MAC Capacity Regionと従来の技術によるチャネル容量の変動を示す図。 MAC Capacity Regionの例を示す図。 MAC Capacity Regionと従来の技術によるチャネル容量の関係を示す図。 MAC Capacity Regionと第一の実施例によるチャネル容量の関係を示す図。 MAC Capacity Regionと第三の実施例によるチャネル容量の関係を示す図。 第一の実施例のチャネル容量の累積確率分布の第一の例を示す図。 第一の実施例のチャネル容量の累積確率分布の第二の例を示す図。 第三の実施例のチャネル容量の累積確率分布の第一の例を示す図。 第三の実施例のチャネル容量の累積確率分布の第二の例を示す図。
　以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
　実施例1のシステム構成を図1に示す。2台の送信側無線通信機200-1、200-2はそれぞれ、アンテナ201-1、201-2から信号を送信する。送信された信号は、受信側無線通信機100において、アンテナ101-1、101-2にて受信する。
　送信側無線通信機200-1、200-1は、例えば、図2のように構成される。
　送信データは、符号化器202において誤り訂正符号化がなされ、符号語が出力される。
　出力された符号語は、変調器203にて変調され、D/A変換器204にてアナログ信号に変換されて、高周波回路205を経由してアンテナ201から出力される。
　前記送信側無線通信機200-1、200-2は構成上は図2に示す同一でよいが、動作タイミングが異なるように、それぞれの制御部206が制御する。
　具体的には、例えば、図3に示すように送信側無線通信機200-1のアンテナ201-1から送信されるフレームタイミングは、送信側無線通信機200-2のアンテナ201-2から送信されるフレームタイミングとは異なるタイミング(図3では互いにフレーム時間の半分ずれたタイミング)となるようにする。
　ここで、フレームとは、誤り訂正符号化の符号語単位を格納する信号構造をさし、同期や伝搬路推定のための基準信号や、他の制御信号を含んでいても良い。タイミングを制御する手段は特に図示していないが、受信側無線通信機100から送出された基準信号により2台の送信側無線通信機200-1、200-2が時刻同期をするようにしても良いし、GPS (Global Positioning System) などから得られる絶対時刻情報を用いて時刻同期を取るなど、一般的な同期方法によって時刻同期を取った上でフレームタイミングを決定すればよい。また他の方法として、受信側無線通信機100が送信側無線通信機200-1、200-2からの信号のタイミングを測定し、相互タイミング関係が所定のタイミングとなるように個々に制御する制御信号を送出するなどの方法をとっても良い。
　受信側無線通信機100は、例えば、図4のように構成される。アンテナ101-1、101-2で受信された信号は、それぞれ高周波回路102-1、102-2、A/D変換器103-1、103-2を介して、メモリ104-1、104-2に記憶される。
　メモリ104-1、104-2に記憶された信号は、所定のタイミングで読み出され、MIMO復調器106にて復調される。復調された信号は誤り訂正復号器107にて復号され受信データを出力する。復号された受信データは、レプリカ作成器108にて再度符号化、変調され、前記復号された受信データに対応する一フレーム分の受信信号レプリカを作成する。作成された受信信号レプリカは、前記メモリ104-1、104-2から次回の復調で読み出される受信信号から差し引かれてMIMO復調器106に入力される。
　受信側無線通信機100の動作原理を図5に示す。受信側無線通信機100は、まず、送信側無線通信機200-1から送信された第一のフレームを復調し復号する。
　この際、第一のフレームの前半においては、送信側無線通信機200-2からはまだ信号が送信されていないので、干渉がない。
　一方、第一のフレームの後半においては、送信側無線通信機200-2から第二のフレームが送出されているので、干渉がある。
　このため、第一のフレームの復調の結果得られる相互情報量は、前半において大きな値、後半において小さな値となる。
　復調された信号は前記誤り訂正復号器107にて、前半の大きな相互情報量、並びに後半の小さな相互情報量の双方を用いて復号される。第一のフレームの復号結果が得られたら、前記レプリカ作成器108にて当該フレームに対応する受信信号レプリカが作成され、受信信号から除去される。
　次に、受信側無線通信機100は、送信側無線通信機200-2から送信された第二のフレームを復調し復号する。この際、第二のフレームの前半においては、重畳して送信された第一のフレームの信号が除去されているので、干渉がない。
　一方、第二のフレームの後半においては、送信側無線通信機200-1から送信された第三のフレームが重畳されているので、干渉がある。
　このため、第二のフレームの復調の結果得られる相互情報量は、やはり、前半において大きな値、後半において小さな値となる。
　以降、送信側無線通信機200-1から送信された第三のフレーム、送信側無線通信機200-2から送信された第四のフレームなどについても順次同様の処理を行う。
　図6に受信側無線通信機100の動作タイミングの例を示す。
　時刻t0からt2の期間に前記送信側無線通信機200-1からの第一のフレーム、時刻t1からt3の期間に前記送信側無線通信機200-2からの第二のフレーム、時刻t2からt4の期間に前記送信側無線通信機200-1からの第三のフレームが受信されている。
　以降同様に第四～第六のフレームが図示されている。
　それぞれのフレームは受信と並行して前記メモリ104-1、104-2に格納される。
　第一のフレームのメモリへの格納が完了すると、第一のフレームがメモリから読み出され復調(Demod.)、並びに、復号(Decode)が実行され、引き続き、レプリカが作成される(Replica gen.)。
　第一のフレームのレプリカ作成が完了し、かつ、第二のフレームのメモリ104-1、104-2への格納が完了すると、第二のフレームがメモリから読み出され第一のフレームからの干渉が除去(Cancel)され、復調(Demod.)、並びに、復号(Decode)が実行され、引き続き、レプリカが作成される(Replica gen.)。
　以降第三のフレーム以降についても同様に動作するが、これらの動作が滞りなく行われるためには、一フレームに相当時間内に二フレーム分の干渉除去、復調、復号、レプリカ作成が完了する必要がある。本実施例においては、多元接続数が2であるため、一フレームに相当時間内に二フレーム分の処理を行っているが、多元接続数がNの場合、一フレームに相当時間内にNフレーム分の処理を行う必要がある。
　次に、前記MIMO復調器106の動作について説明する。一般に、送信信号ベクトルs、受信信号ベクトルr、伝搬路行列Hについて、(数1)の関係が成立する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　図1に示した、送信アンテナが2本、受信アンテナが2本の場合、送信信号ベクトルsは(数2)、受信信号ベクトルrは(数3)、伝搬路行列は(数4)のように書くことができるので、(数1)は(数5)となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　実際には(数1)の受信ベクトルに雑音が加算されて受信されるため、雑音と送信信号間の干渉の合計電力を最小化するMMSE(Minimum Mean Square Error)復調法がしばしば使われる。
　MMSE復調は、復調結果をs^として、(数6)のように表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　(数6)において、σは受信信号rに含まれる雑音の標準偏差、PTは送信電力、Iは単位行列である。また、HHは行列Hのエルミート転置(複素共役転置)を表すものとする。
　ここで、送信電力PTは、伝搬路行列Hが送信アンテナから受信アンテナまでの伝搬路をあらわす場合、送信アンテナ端の送信電力となるが、より実際的には、復調器では、伝搬路行列Hとして送信側無線通信機200の変調器203の出力から受信側無線通信機100のMIMO復調器106の入力までの伝搬路行列を用いる場合が多いので、送信電力PTは変調器203の出力端での信号電力とすればよい。
　さて、図5に示した本発明における受信信号の復調を行うことを考える。まず、第一のフレームに着目すると、図7(A)に示すように、前半の送信側無線通信機200-2からの干渉のない受信信号raと、後半の送信側無線通信機200-2からの干渉のある受信信号rとの期間に分けられる。
　前半の送信側無線通信機200-2からの干渉のない受信信号raについては、受信信号raは、(数8)に示す行列Haを用いて(数9)のように表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　行列Haは、本来の伝搬路行列Hの2列目を0としたものであり、送信信号s2が受信信号raに含まれないようにしたものである。従って、前記、前半の送信側無線通信機200-2からの干渉のない受信信号raについては、(数6)のrをraに、HをHaに代えた式にて復調を行えばよい。
　一方、前記、後半の送信側無線通信機200-2からの干渉のある受信信号rとの期間については、Hとして(数4)のHをそのまま用いて、(数6)の復調を行えばよい。なお、前半、後半とも(数6)によって得られる復調信号s^について、第一のフレームに対応した部分( (数7)のs1^)を算出すれば良く、(数7)のs2^は算出する必要がない。
　次に、第一のフレームの復調、復号、レプリカの作成、除去が完了すると、第二のフレームは、図7(B)に示すように前半の送信側無線通信機200-1からの干渉のない受信信号rbと、後半の送信側無線通信機200-1からの干渉のある受信信号rとの期間に分けられる。前半の送信側無線通信機200-1からの干渉のない受信信号rbは、(数10)のHbを用いて、(数11)のように表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　行列Hbは、本来の伝搬路行列Hの1列目を0としたものであり、送信信号s1が受信信号rbに含まれないようにしたものである。従って、前半の送信側無線通信機200-1からの干渉のない受信信号rbについては、(数6)のrをrbに、HをHbに代えた式にて復調を行えばよい。一方、前記、後半の送信側無線通信機200-1からの干渉のある受信信号rとの期間については、Hとして(数4)のHをそのまま用いて、(数6)の復調を行えばよい。
　なお、前半、後半とも(数6)によって得られる復調信号s^について、第二のフレームに対応した部分( (数7)のs2^)を算出すれば良く、(数7)のs1^は算出する必要がない。
　同様に、第二のフレームの復調、復号、レプリカの作成、除去が完了すると、第三のフレームは、図7(C)に示すように前半の送信側無線通信機200-2からの干渉のない受信信号raと、後半の送信側無線通信機200-2からの干渉のある受信信号rとの期間に分けられる。
従って、その復調方法は、第一のフレームと同様となる。第四のフレーム以降も同様に干渉のない前半と干渉のある後半に分けてMMSE復調を行うことができる。
　以上、MMSE方式にて復調を行う方法について説明したが、非特許文献1に記載のあるMLD (Maximum Likelihood Detection)法など、他の復調方法を適用することも可能である。
　他の復調方法を適用する場合も、フレーム前半の復調において干渉項のない(数8)の伝搬路行列Ha、または、 (数10)の伝搬路行列Hbを用い、フレーム後半の復調においては干渉項のある伝搬路行列Hを用いて復調を行えば良い。
　また、復調結果としては、後続の誤り訂正復号器107が利用しやすいようにLLR (Log Likelihood Ratio)の形式で出力するのが好適である。
　前記、受信側無線通信機100のレプリカ作成器108は、例えば、図8のように構成することができる。
　すなわち、復号された1フレーム分の受信データは、符号化器110にて、送信側無線通信機200-1、200-2の符号化器202と同じ符号化をされる。
　次に、変調器111にて、送信側無線通信機200-1、200-2の変調器203と同じ変調を施される。変調器111の変調結果は、伝搬路模擬器112にて先に(数4)に示した伝搬路行列Hを乗算することで1フレーム分の受信信号レプリカを作成する。
　この際、送信側無線通信機200-1から送信されたフレームのレプリカを作る場合は、レプリカ作成器108の入力部のスイッチは、上側に切り替えられ、下側には0が入力される。一方、送信側無線通信機200-2から送信されたフレームのレプリカを作る場合は、レプリカ作成器108の入力部のスイッチは、下側に切り替えられ、上側には0が入力される。
　これにより、伝搬路行列Hの要素のうち、レプリカを作成すべきフレームを送信した送信側無線通信機(200-1または200-2)と、受信側無線通信機100との間の要素のみが使用される。
　いずれの場合も、レプリカ作成器108は、アンテナ101-1、及び、アンテナ101-2に受信された信号のレプリカの双方を作成して出力する。それぞれの出力は、メモリ114-1、および、メモリ114-2に記憶される。本実施例においては、多元接続数が2であるため、作成したレプリカは復調の対象となる信号に対して干渉となる信号を送出する一つの送信側無線通信機からの信号のレプリカを作成すればよいが、多元接続数がNの場合、干渉となる信号を送出するN-1個の送信側無線通信器からの信号を全て加算してレプリカを作成する必要がある。その場合、伝搬路模擬器112の入力はN本になり、変調器111からの信号を順次切り替えて入力するようにする。また、図8に示すように、加算器113-1、及び、加算器113-2を配置し、これまでに作成したレプリカに新たな信号レプリカを累算して前記メモリ114-1、及び、114-2に記憶するようにすればよい。また、上記の実施例の説明では、受信アンテナ数を2本としているため、2本のアンテナ分のレプリカを作成しているが、受信アンテナの本数が異なる場合においては、伝搬路模擬器112の出力数、並びにメモリ(114-1, 114-2)、加算器(113-1, 113-2)の個数をそれぞれ受信アンテナ本数分とすればよい。
　以上説明したレプリカ作成器108においては、過去に作成したレプリカ信号をその内部に累算して記憶する構成としたが、作成したレプリカ信号を逐次、前記メモリ104-1及び104-2から減算して再度メモリ104-1及び104-2に格納するような構成とすることも可能である。
　いずれの場合も、メモリ104-1、104-2、114-1、114-2は、以降のフレームの復調に使用される時間に相当する信号を記憶すればよく、既に復調に使用されて不要となった時間については破棄してよい。
　以上、実施例1において、受信側無線通信機100は伝搬路行列Hを知っている必要がある。この為には、特に図示はしないが、送信側無線通信機200-1、200-2から定期的に既知の基準信号を送信し、その受信結果から伝搬路行列Hを推定するという、無線通信において一般に使用される方法によればよい。
　また、上記、実施例1において、誤り訂正符号化器202で用いられる誤り訂正符号化方式としては、例えば、畳み込み符号化を行った上でインタリーブするような、非常に一般的な方式とすることも可能である。また、非特許文献3や非特許文献4に記載されるような繰り返し復調・復号(BICM-ID: Bit Interleaved Coded Modulation - Iterative Decoding)を用いて復号されるような、より特性の優れた符号を採用することも好適である。
　以上、実施例1について、その構成、動作を説明した。
　実施例1によれば、例えば、図16に示すようなMAC Capacity Regionとなる5通りの伝搬路について、誤り訂正符号化が理想的であれば、図18に◎印で示すようにそれぞれMAC Capacity Regionの五角形の斜辺の中央の点のチャネル容量(伝送レート)が実現できることになる。
　非特許文献1に記載される前記従来技術においては、前述のとおり図17に◎印で示すチャネル容量(伝送レート)が実現できるのであるから、チャネル1(送信側無線通信機200-1から受信側無線通信機100へのチャネル)とチャネル2(送信側無線通信機200-2から受信側無線通信機100へのチャネル)の理論的な合計の容量(伝送レート)は変化していない。
　しかしながら、本発明によれば、図18に示されるように伝搬路の相関が大きくなった場合においても、片方のチャネルの容量(伝送レート)が極端に小さくなる問題が解決される。
　図20及び図21に、従来技術によって達成されるチャネル容量(伝送レート)と実施例1に記載の本発明によって達成されるチャネル容量(伝送レート)を累積確率分布にて比較する。
　図20は伝搬路が独立レイリー分布に従う場合、図21は伝搬路が相関0.9のレイリー分布に従う場合について、それぞれ、示している。
　図20によれば、従来技術においては、99%値(累積確率=0.01)においてチャネル1は1.3[bit/sec/Hz]のチャネル容量(伝送レート)であるのに対して、チャネル2は4.0[bit/sec/Hz]のチャネル容量(伝送レート)となっており、3倍の開きがある。一方、本発明においてはチャネル1もチャネル2も99%値(累積確率=0.01)で3.2[bit/sec/Hz]のチャネル容量(伝送レート)が確保されている。
　また、伝搬路相関の大きい(0.9)場合を図示した図21によれば、従来の技術においては、99%値(累積確率=0.01)においてチャネル1は0.6[bit/sec/Hz]のチャネル容量(伝送レート)であるのに対して、チャネル2は3.1[bit/sec/Hz]のチャネル容量(伝送レート)となっており、5倍もの開きが発生している。
　一方、本発明においては、チャネル1もチャネル2も99%値(累積確率=0.01)で2.3[bit/sec/Hz]のチャネル容量(伝送レート)が確保されている。
　以上のように、本発明によれば、チャネル間で均等な伝送速度の組み合わせを実現できることがわかる。また、図20及び図21によれば、例えば99%値(累積確率=0.01)で見た場合、本発明の方がチャネル1とチャネル2の伝送速度(レート)の和が大きくなっている。
　このことは、一定以上の伝送速度(レート)を確保しようとした場合、チャネル容量の平均からは余裕を持った伝送速度で運用することになるので、本発明の方がチャネル容量を有効に活用できることを示している。
　なお、以上の実施例1においては、図3に示したように、互いにフレーム時間の半分だけずれたフレームタイミングとしているのでチャネル1とチャネル2の伝送速度が均等となっているが、タイミングをずらすことによってチャネル1とチャネル2の伝送速度のバランスを異なるバランスとなるようにすることも可能である。
　次に実施例2のシステム構成を図9に示す。
　実施例1では送信側無線通信機が送信アンテナを1本持つ2台の個別の通信機であったのに対し、実施例2では送信アンテナを2本(201-1、201-2)持つ単一の送信側無線通信機200として構成される。
　送信アンテナ201-1、201-2から送信された信号は、受信側無線通信機100において、アンテナ101-1、101-2にて受信する。
　送信側無線通信機200は、例えば、図10のように構成される。
　送信データは、分配器207にてフレーム単位で分配され、符号化器202-1、202-2に入力される。符号化器202-1、202-2において誤り訂正符号化がなされ、符号語がそれぞれ出力される。
　出力された符号語は、それぞれ変調器203-1、203-2にて変調される。変調された信号は、D/A変換器204-1、204-2にてアナログ信号に変換されて、それぞれ高周波回路205-1、205-2を経由してアンテナ201-1、201-2から出力される。
　変調器203-1、203-2とD/A変換器204-1、204-2の間に必要に応じてビームフォーミングを行うためのビームフォーマ208を配置しても良い。前記、符号化器202-1、変調器203-1等、及び、符号化器202-2、変調器203-2等は構成上は同一でよいが、動作タイミングが異なるように、制御部206が制御する。
　具体的には、例えば、図3に示すようにアンテナ201-1から送信されるフレームタイミングは、アンテナ201-2から送信されるフレームタイミングとは異なるタイミングとなるようにする。
　実施例1については、図3のフレームタイミングを実現するに当たり、送信側無線通信機200-1と送信側無線通信機200-2が何らかの手段で時刻同期を取る必要があったが、実施例2においては同一の制御部206がタイミングを制御しているのであるから、特段の同期手段は不要である。
　実施例2における受信側無線通信機100の構成、並びに動作は実施例1と同様であるので、省略する。
　また、効果についても図18、図20、図21に既に示したとおりで実施例1と同一である。
　次に実施例3について説明する。
　実施例3のシステム構成は、図1もしくは図9に示すとおりである。
　また、送信側無線通信機の構成も図2、もしくは、図10に示すとおりである。また、受信側無線通信機の構成も図4に示すとおりである。動作も後述するフレームタイミングを制御する動作を除き同一であるので、説明を省略する。
　さて、前述のとおり、実施例1、実施例2ではMAC Capacity Regionの五角形の斜辺の中央の点のチャネル容量(伝送レート)の組み合わせを実現している。
　この結果、統計的に見れば、図20、図21に示したように双方のチャネル容量は均等になっている。
　然るに、瞬時的に見ると、図18に示したようにチャネル1とチャネル2のチャネル容量は異なった値となっている。
　実施例3においては、これを図11に◎印で示すように、瞬時的な伝搬路の変動によるチャネル容量(伝送レート)の偏りをなくすように制御する。
　前述のとおり、フレームタイミングが互いにフレーム時間の半分だけずれたようにした時には図11に○印で示すように、MAC Capacity Regionの五角形の斜辺の中点のチャネル容量(伝送レート)となる。
　しかし、図11に示すように伝搬路の品質に偏りが発生している場合は、チャネル1の容量とチャネル2の容量が同一にならない。
　これを図11に◎印で示す点にずらすためにはフレームタイミングをずらせばよい。具体的には、伝搬路品質の良いチャネル2のフレームタイミングを相対的に遅く、伝搬路品質の悪いチャネル1のフレームタイミングを相対的に早くなるようにフレームタイミングを制御する。
　この様子を図12に示す。図12では、品質の悪いチャネル1についてフレーム中で干渉を受けている時間率を小さくなるように、干渉を与えている他方のフレームのタイミング遅らせている。
　この結果、チャネル1については干渉を受けていない時間率が増加し、1フレーム時間内に受け取ることのできる情報量が増加している。
　一方、品質の良いチャネル2については、前述の制御の結果、フレーム中で干渉を受けている時間率が増加し、干渉を受けていない時間率が減少している。
　この結果、チャネル2については1フレーム時間内に受け取ることのできる情報量が減少している。このようにフレームタイミングを制御することでチャネル1とチャネル2のチャネル容量のバランスを変化させることができ、両者のチャネル容量が均等となるように制御することができる。
　このために、受信側無線通信機100は、送信側無線通信機(200、200-1、200-2等)に対して制御信号を送り、より大きなチャネル容量となっているチャネルの相対的なフレームタイミングが、遅くなるように制御すればよい。
　送信側無線通信機(200、200-1、200-2等)は、受信側無線通信機100からの制御信号に従い、制御部206がフレームタイミングを早めたり遅らせたりする。
　なお、フレームタイミングをずらした結果、MAC Capacity Regionの五角形の斜辺の右上、もしくは、右下の点に達してもチャネル容量が均等とならない場合は、それ以上フレームタイミングをずらしても無意味であるので、その点を越えて制御されないように制御の範囲を設定しておくべきである。
　以上に記載の実施例3によれば、例えば、図16に示すようなMAC Capacity Regionとなる5通りの伝搬路について、誤り訂正符号化が理想的であれば、図19に◎印で示すようにそれぞれMAC Capacity Regionの五角形の斜辺内の点のうち、チャネル1とチャネル2のチャネル容量(伝送レート)がなるべく等しくなる点の組み合わせが実現できることになる。この結果、チャネル1とチャネル2のチャネル容量(伝送速度)は瞬時的にもなるべく等しくなるように制御される。
　図22及び図23に、従来の技術によって達成されるチャネル容量(伝送レート)と実施例1に記載の本発明によって達成されるチャネル容量(伝送レート)、さらに実施例3に記載の本発明によって達成されるチャネル容量(伝送レート)を累積確率分布にて比較する。図22は伝搬路が独立レイリー分布に従う場合、図23は伝搬路が相関0.9のレイリー分布に従う場合について、それぞれ、示している。いずれの場合も、実施例3は、チャネル容量の瞬時的な不均等が緩和された結果、99%値(累積確率=0.01)となるチャネル容量が改善し、実施例1よりも更にチャネル容量を有効に活用できることを示している。
　以上、実施例3では、チャネル容量がなるべく等しくなるように制御することについて記載したが、より一般的にはそれぞれのチャネルのチャネル容量が所定の条件(例えば、チャネル容量を1:2にするなど)を満たすように制御することも有効である。このためには、それぞれのチャネルのチャネル容量を測定し、前記所定の条件を満たさない場合、前記所定の条件に近づくようにフレームタイミングを制御すればよい。この場合でも、チャネル容量を大きくしたいチャネルに送出されるフレームのタイミング（例えば、図6のt0,t2,t4等）を相対的に早め、チャネル容量を小さくしたいチャネルに送出されるフレームのタイミング(例えば図6のt1,t3,t5等)を相対的に遅らせるようにフレームタイミングを制御する点は、前記実施例3と同様である。また、チャネル品質が良ければチャネル容量が大きく、チャネル品質が悪ければチャネル容量が小さくなる傾向となるのが一般的であるから、チャネル容量に代えて信号品質等のチャネル品質を表す他の尺度を用いて制御することもできる。チャネル品質としては、例えば、信号電力対干渉・雑音電力比（Signal to Interference/Noise Ratio:SINR）の平均値を用いることもできるし、チャネル容量（伝送レート）との因果関係にある他の物理量を用いることもできる。
　次に実施例4について説明する。
　実施例1、実施例2、実施例3はいずれも2つの信号が同時に送出され互いに干渉する場合について説明したが、実施例4では、3つの信号が同時に送出され互いに干渉する場合について説明する。
　図1もしくは図9のシステム構成においては、送信信号は二本のアンテナ201-1、202-1から送信されているが、実施例4においては3本の送信アンテナから送信される。
　3本の送信アンテナは、図1のように個別の送信側無線通信機に具備されていてもよいし、図9のように単一の送信側無線通信機に具備されていても良い。受信アンテナは、3本以上とした方が特性的に有利であるが、より少ない本数でも本発明を実施できる。
　実施例4では例として受信アンテナが2本の場合で説明する。この場合、送信信号ベクトルsを(数12)、伝搬路Hを(数13)、受信信号ｒを(数3)とすると、(数1)は(数14)のように表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
　送信側無線通信機は、例えば図2もしくは図10のように構成できる。また、前述のように単一の送信側無線通信機が3本の送信アンテナを具備しても良い。また、受信側無線通信機は、2本のアンテナを具備し、例えば図4のように構成される。送信側無線通信機の動作については他の実施例で既に述べたとおりであるが、フレームのタイミングが互いに図13に示すようにずれて配置される。
　受信側無線通信機について、図13を用いて説明する。
　まず、受信側無線通信機は図13(A)に示す第一のフレームの復調を行う。第一のフレームについて、図13(A)に示すように3つの期間が存在する。すなわち、干渉を受けていない期間、第二のフレームからのみ干渉を受けている期間、及び、第二のフレーム並びに第三のフレームから干渉を受けている期間である。
　それぞれの期間の受信信号ベクトルをra、rab、rとすると、 (数16)のHa、(数18)のHab、(数13)のHを用いて、それぞれ、(数17)、(数19)、(数1)のように表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000019
　従って、MIMO復調器106は、(数6)のHとrに、raとHa、rabとHab、rと(数13)のHを代入することで復調信号s^ (数15)を得ることができる。ここで、第一のフレームに対応するs1^のみを算出すればよく、s2^、s3^は使用されないので演算は省略できる。第一のフレームの復調、復号、レプリカ作成、除去が完了すると、干渉除去後の受信信号は、図13(B)のようになっている。そこで、受信側無線通信機は第二のフレームの復調を行う。
　第二のフレームについて、図13(B)に示すように3つの期間が存在する。
　すなわち、干渉を受けていない期間、第三のフレームからのみ干渉を受けている期間、及び、第三のフレーム並びに第四のフレームから干渉を受けている期間である。
　それぞれの期間の受信信号ベクトルをrb、rbc、rとすると、 (数20)のHb、(数22)のHbc、(数13)のHを用いて、それぞれ、(数21)、(数23)、(数1)のように表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000020
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000021
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000022
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000023
　従って、MIMO復調器106は、(数6)のHとrに、rbとHb、rbcとHbc、rと(数13)のHを代入することで復調信号s^ (数15)を得ることができる。ここで、第二のフレームに対応するs2^のみを算出すればよく、s1^、s3^は使用されないので演算は省略できる。
　第二のフレームの復調、復号、レプリカ作成、除去が完了すると、干渉除去後の受信信号は、図13(C)のようになっている。そこで、受信側無線通信機は第三のフレームの復調を行う。
　第三のフレームについて、図13(C)に示すようにやはり3つの期間が存在する。すなわち、干渉を受けていない期間、第四のフレームからのみ干渉を受けている期間、及び、第四のフレーム並びに第五のフレームから干渉を受けている期間である。それぞれの期間の受信信号ベクトルをrc、rac、rとすると、 (数24)のHc、(数26)のHac、(数13)のHを用いて、それぞれ、(数25)、(数27)、(数1)のように表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000024
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000025
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000026
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000027
　従って、MIMO復調器106は、(数6)のHとrに、rcとHc、racとHac、rと(数13)のHを代入することで復調信号s^ (数15)を得ることができる。ここで、第三のフレームに対応するs3^のみを算出すればよく、s1^、s2^は使用されないので演算は省略できる。
　第三のフレームの復調、復号、レプリカ作成、除去が完了すると、干渉除去後の受信信号は、図13(D)のようになっている。そこで、受信側無線通信機は第四のフレームの復調を行う。第四のフレームの復調方法は、第一のフレームの復調方法と同一である。以降順次同様に復調を繰り返せばよい。
　以上の復調方法において、いずれのフレームも、干渉を受けていない期間、他の一つのフレームから干渉を受けている期間、他の二つのフレームから干渉を受けている期間の3つの期間が存在する。
　従って、それぞれの期間において、干渉がなく大きな情報量、干渉があり小さな情報量、干渉がより大きくより小さな情報量をそれぞれ復調結果から得ることができ、それぞれのフレームタイミングをフレーム時間の1/3だけずらすことにより、いずれのチャネルについても統計的に均等なチャネル容量(伝送レート)を達成できる。
　また実施例3で記載したように、瞬間的なチャネル容量(伝送レート)を均等にするようにフレームタイミングを制御することも好適である。この場合、3つのチャネルのチャネル容量を比較して、相対的に大きなチャネル容量となっているチャネルのフレームタイミングを遅らせて、相対的に小さなチャネル容量となっているチャネルのフレームタイミングを早めるようにすればよい。
　以上、実施例4では送信アンテナが3本、受信アンテナが2本の場合について説明したが、それ以外の本数の組み合わせについても同様の考え方で本発明を実施できることは明らかである。
　次に実施例5について説明する。実施例5のシステム構成は、実施例1と同様、図1のようにあらわされる。
　実施例5において、送信側無線通信機は、例えば、複数地点のなんらかの物理量(例えば温度など)の測定結果を受信側無線通信機100に送信する。実施例5は例えばセンサネットワークなどを構成する無線通信機として使用することができる。このような場合、送信側無線通信機が送信する送信データ間に相関がある場合が多い。
　相関がある別々の情報源からの情報伝送について、Slepian-Wolf理論が知られており、相関を利用することでそれぞれの情報量の和よりも小さなチャネル容量の伝送路を用いて信号を伝送することが可能となる。
　本発明では、前記、MAC Capacity Regionの理論容量を実現すると同時に、Slepian-Wolf Rate Regionにおける理論容量を実現することができる。
　実施例5の受信側無線通信機の構成を図14に示す。符号101～106、108については、実施例1と同じであるので説明を省略する。復号器107は、メモリ109に格納された過去のフレームから相関のあるデータに関する情報を受け取り、これを、事前(a priori)情報として利用して復号を行う。
　具体的には、図5において、第二のフレームを復号する場合、他方の送信側無線通信機から送信され既に復調・復号が完了している第一のフレーム中の受信データのうち、第二のフレーム中のデータと相関があるものを事前(a priori)情報として参照して復号を行う。
　次に第三のフレームの復号を行う際には、今度は第二のフレームに含まれる相関のあるデータを参照して復号を行う。このようにして次々と時間的に重複した相互のフレームの復号結果を、干渉除去とデータの相関の双方に相互に利用することで順次復調・復号を行う。
　以上、実施例5によればMAC Capacity RegionとSlepian-Wolf Rate Regionの双方を有効に活用することができ、伝送中の伝搬路の変動により所要の情報速度よりもチャネル容量が減少した場合においても、他方の送信側無線通信機からの受信データとの相関を利用して、受信データを正しく復号することができる。
　本発明は、無線通信装置および無線通信方法に関し、特に複数のアンテナから同時に信号送信を行う無線通信装置および無線通信方法に利用することができる。
100: 受信側無線通信機
101-1、101-2: 受信アンテナ
102-1、102-2、205、205-1、205-2: 高周波回路
103-1、103-2: A/D変換器
104-1、104-2、109、114-1、114-2、: メモリ
105-1、105-2、113-1、113-2: 加算器
106: MIMO復調器
107: 誤り訂正復号器
108: レプリカ作成器
110、202、202-1、202-2: (誤り訂正)符号化器
111、203、203-1、203-2: 変調器
112: 伝搬路模擬器
200: 送信側無線通信機
201、201-1、201-2: 送信アンテナ
204、204-1、204-2: D/A変換器
206: 制御部
207: 分配器
208: ビームフォーマ

Claims (10)

  1. 　第１乃至第３のフレームを受信する無線通信装置であって、
    前記第１のフレームおよび前記第３のフレームは、第１の無線送信機から連続して送信され、前記第２のフレームは、前記第１の無線送信機とは異なる第２の無線送信機から送信されるか、
    　前記第１のフレームおよび前記第３のフレームは、第３の無線送信機の第１のアンテナから連続して送信され、前記第２のフレームは、前記第３の無線送信機の第２のアンテナから送信されるものであって、
    　前記第１のフレームの送信先頭時刻をt1, 前記第２のフレームの送信先頭時刻をt2, 前記第３のフレームの送信先頭時刻をt3としたとき、t1, t2およびt3の順に早く、
    　前記第２のフレームの先頭部分は、時刻的に前記第１のフレームの少なくとも後半部分と重なっており、かつ、前記第２のフレームの終端部分は、時刻的に前記第３のフレームの少なくとも前半部分と重なっており、
    　前記第１乃至第３のフレームの送信タイミングは同期しており、
    　前記無線通信装置は、前記第１のフレームを受信し、その受信機内部で復号され、その第１の復号結果に基づいて第１の受信信号レプリカが作成されて前記受信機内部の記憶手段に格納され、
    　前記無線通信装置は、前記第２のフレームを受信し、その受信信号から前記記憶手段から前記第１の受信信号レプリカ信号が差し引かれ、その差し引かれた受信信号は前記無線通信装置内部で復号されることを特徴とする無線通信装置。
  2. 　前記第２のフレームは、前記第１のフレームからの無線信号の干渉が除去され、前記第３のフレームからの前記干渉が残留した状態で前記第２のフレームの復調を行うことを特徴とする請求項1に記載の無線通信装置。
  3. 　前記第１のフレームのデータと前記第２のフレームのデータとの相関情報を、前記第２のフレームの復号の際に用いることを特徴とする請求項1に記載の無線通信装置。
  4. 　前記第１のフレームおよび前記第３のフレームの通信に用いられる第１のチャネルと、前記第２のフレームの通信に用いられる第２のチャネルとに関するチャネル容量またはチャネル品質に応じて、前記t1及びt3に対するt2の相対的な時刻を制御することを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
  5. 　前記第２のフレームを復号する際には、既に復調・復号が完了している前記第１のフレーム中の受信データのうち、前記第２のフレーム中のデータと相関があるものを事前情報として参照して復号を行い、
    　前記第３のフレームを復号する際には、既に復調・復号が完了している前記第２のフレーム中の受信データのうち、前記第３のフレーム中のデータと相関があるものを事前情報として参照して復号を行うことを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
  6. 　第１乃至第３のフレームを送受信する無線通信方法であって、
    前記第１のフレームおよび前記第３のフレームは連続して送信され、
    　前記第１のフレームの送信先頭時刻をt1, 前記第２のフレームの送信先頭時刻をt2, 前記第３のフレームの送信先頭時刻をt3としたとき、t1, t2およびt3の順に早く、
    　前記第２のフレームの先頭部分は、時刻的に前記第１のフレームの少なくとも後半部分と重なっており、かつ、前記第２のフレームの終端部分は、時刻的に前記第３のフレームの少なくとも前半部分と重なっており、
    　前記第１乃至第３のフレームの送信タイミングは同期しており、
    　前記第１のフレームを受信し、その受信機内部で復号され、その第１の復号結果に基づいて第１の受信信号レプリカが作成され、
    　前記第２のフレームを受信し、その受信信号から前記第１の受信信号レプリカ信号が差し引かれ、その差し引かれた受信信号を復号することを特徴とする無線通信方法。
  7. 　前記第２のフレームは、前記第１のフレームからの無線信号の干渉が除去され、前記第３のフレームからの前記干渉が残留した状態で前記第２のフレームの復調を行うことを特徴とする請求項６に記載の無線通信方法。
  8. 　前記第１のフレームおよび前記第３のフレームの通信に用いられる第１のチャネルと、前記第２のフレームの通信に用いられる第１のチャネルとに関するチャネル容量またはチャネル品質に応じて、前記t1及びt3に対するt2の相対的な時刻を制御することを特徴とする請求項６に記載の無線通信方法。
  9. 　前記第１のフレームのデータと前記第２のフレームのデータとの相関情報を前記第２のフレームの復号の際に用いることを特徴とする請求項６に記載の無線通信方法。
  10. 　前記第２のフレームを復号する際には、既に復調・復号が完了している前記第１のフレーム中の受信データのうち、前記第２のフレーム中のデータと相関があるものを事前情報として参照して復号を行い、
    　前記第３のフレームを復号する際には、既に復調・復号が完了している前記第２のフレーム中の受信データのうち、前記第３のフレーム中のデータと相関があるものを事前情報として参照して復号を行うことを特徴とする請求項６に記載の無線通信方法。
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