JP2009004892A - 無線通信装置および無線受信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】受信アンテナが少なくても、遅延到来波を伴うマルチパスフェージングの影響を低減してダイバーシティによる合成受信電力を増大でき、常に安定した受信状態を維持できるとともに、ハードウェアの小型化及びコストダウンが図れる無線通信装置及び無線受信方法を提供する。
【解決手段】複数のアンテナ１１−１〜１１−Ｍを有し、これら複数のアンテナ１１−１〜１１−Ｍの受信信号をダイバーシティ合成する無線通信装置において、複数のアンテナ１１−１〜１１−Ｍの各々に対応する受信電力に基づいて合成重みを算出する合成重み生成部１４と、合成重み生成部１４で算出された合成重みに基づいて、複数のアンテナ１１−１〜１１−Ｍの受信信号を重み付けして合成する合成部１５と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のアンテナを用いて、受信信号をダイバーシティ合成する無線通信装置および無線受信方法に関するものである。

一般に、移動無線通信システムでは、基地局や移動端末局において、受信性能を改善するために、複数のアンテナを用いて受信ゲインの増大を図っている。ここで、受信性能を劣化させる要因の一つとして、フェージングがある。フェージングとは、基地局または移動端末局から発した無線信号波が、両局間に存在する建物、車両、樹木等による反射、屈折、散乱により、多くの経路から到来してマルチパス信号波化する現象で、このようなマルチパスフェージングが生じると、受信アンテナ端で受信電力が大きく変動することになる。このため、受信側に複数のアンテナを用意して、受信電力を大きくすることにより、マルチパスフェージングの影響を低減させる対策を採っている。

図４は、このようなマルチパスフェージングの影響を低減して受信ゲインの増大を図った従来の無線通信装置の要部の概略構成を示す機能ブロック図である。この無線通信装置は、複数のアンテナ１０１−１〜１０１−Ｍを備えており、アンテナ１０１−１〜１０１−Ｍで受信した到来信号を、対応する受信部１０２−１〜１０２−Ｍで受信処理してＡ／Ｄ変換して出力し、これら受信部１０２−１〜１０２−Ｍからの出力信号を、合成回路１０３において合成受信電力が最大になるようにダイバーシティ合成した後、等化器１０４を経て復号回路１０５で誤り訂正して復号するようにしている。

ここで、合成回路１０３による複数の受信信号の合成方法としては、例えば、受信する信号内に挿入された既知情報信号を利用して、最小平均二乗誤差法（ＭＭＳＥ：Minimum Mean Square Error）により、各アンテナで受信した既知情報信号の位相および振幅の誤差が最小となるようなアンテナ重みを算出し、その算出したアンテナ重みに基づいて各アンテナからの受信信号を合成して、信号対雑音比（ＳＮＲ:Signal to Noise Ratio）が十分大きな合成受信信号を得る方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特表２００３−５０１９７１号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載のように、ＭＭＳＥを採用する合成受信信号を得る方法では、マルチパス環境に遅延到来波が混在すると、主信号に対して時間差のある干渉波が重畳したことになって、受信シンボルの分散が増加することになる。

その結果、十分な受信ＳＮＲが確保できなくなって、受信性能が劣化することになる。特に、ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）のような多値変調方式による無線通信では、受信シンボル分散の増大は極めて影響が大きく、正しい受信が全くできなくなってしまうため、通信が成立しない状況に陥ってしまうことになる。このような遅延到来波を伴うマルチパスフェージングの影響は、特に、受信アンテナの本数が少ない場合に著しくなる。

また、ＭＭＳＥによって合成受信信号を得る場合には、逆行列演算を含む推定アルゴリズムを採用する必要があるため、ハードウェアが大型化するとともに、コストアップになることも懸念される。

したがって、かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、受信アンテナが少なくても、遅延到来波を伴うマルチパスフェージングの影響を低減してダイバーシティによる合成受信電力を増大でき、常に安定した受信状態を維持できるとともに、ハードウェアの小型化およびコストダウンが図れる無線通信装置および無線受信方法を提供することにある。

上記目的を達成する請求項１に係る発明は、複数のアンテナを有し、これら複数のアンテナの受信信号をダイバーシティ合成する無線通信装置において、
前記複数のアンテナの各々に対応する受信電力に基づいて合成重みを算出する合成重み生成部と、
該合成重み生成部で算出された合成重みに基づいて、前記複数のアンテナの受信信号を重み付けして合成する合成部と、
を備えることを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の無線通信装置において、
前記合成重み生成部は、前記複数のアンテナの各々に対応する受信電力を合成してアンテナ合成振幅を算出し、その算出したアンテナ合成振幅と各アンテナに対応する受信電力の振幅とに基づいて、前記合成重みとしてアンテナ毎の信頼度比を算出することを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の無線通信装置において、
前記合成部で合成する前記複数のアンテナの受信信号は、多値変調された受信信号であることを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、請求項１，２または３に記載の無線通信装置において、
前記合成部で合成する前記複数のアンテナの受信信号は、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ：Orthogonal Frequency Division Multiplexing）された受信信号であることを特徴とするものである。

さらに、上記目的を達成する請求項５に係る発明は、複数のアンテナの受信信号をダイバーシティ合成する無線受信方法において、
前記複数のアンテナの各々に対応する受信電力に基づいて合成重みを算出する合成重み生成ステップと、
該合成重み生成ステップで算出された合成重みに基づいて、前記複数のアンテナの受信信号を重み付けして合成する合成ステップと、
を含むことを特徴とするものである。

本発明によれば、複数のアンテナの各々に対応する受信電力に基づいて合成重みを算出し、その算出された合成重みに基づいて、複数のアンテナの受信信号を重み付けしてダイバーシティ合成するようにしたので、受信アンテナが少なくても、遅延到来波を伴うマルチパスフェージングの影響を低減して合成受信電力を増大でき、常に安定した受信状態を維持できるとともに、ハードウェアの小型化およびコストダウンを図ることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る無線通信装置の要部の概略構成を示す機能ブロック図である。この無線通信装置は、複数のアンテナ１１−１〜１１−Ｍ、アンテナ１１−１〜１１−Ｍに対応する受信部１２−１〜１２−Ｍおよび等化器１３−１〜１３−Ｍ、合成重み生成回路１４、合成回路１５、復号回路１６を備える。

アンテナ１１−１〜１１−Ｍで受信した到来信号は、対応する受信部１２−１〜１２−Ｍで受信処理してＡ／Ｄ変換して出力し、これら受信部１２−１〜１２−Ｍからの出力信号を、対応する等化器１３−１〜１３−Ｍに供給する。

ここで、アンテナ１１−１〜１１−Ｍで受信される到来信号は、無線空間でのマルチパス環境の影響により、その振幅および位相が変動している。本実施の形態では、受信部１２−１〜１２−Ｍに対応して等化器１３−１〜１３−Ｍを設けることにより、受信系路毎に、到来信号に挿入されたトレーニングシーケンスやパイロットシンボルといった既知信号を用いて、到来信号の振幅および位相の変動を補償するチャネル推定および等化補償を独立して行って、アンテナ毎の信頼情報（受信電力）と等価補償後のアンテナ毎の受信信号とを生成する。

等化器１３−１〜１３−Ｍで生成した対応するアンテナの信頼情報は、合成重み生成回路１４に供給し、対応するアンテナの等価補償後の受信信号は、合成回路１５に供給する。合成重み生成回路１４は、入力されたアンテナ毎の信頼情報に基づいて、合成重みとしてアンテナ毎の信頼度比を算出して合成回路１５に供給する。

合成回路１５は、等化器１３−１〜１３−Ｍからの等価補償後の受信信号を、合成重み生成回路１４からのアンテナ毎の信頼度比（合成重み）に基づいて重み付けして合成して合成受信信号を生成し、復号回路１６に供給する。復号回路１６は、合成回路１５からの合成受信信号を、誤り訂正して復号する。

以下、通信方式として直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ：Orthogonal Frequency Division Multiplexing）方式を採用してマルチキャリア変調方式の無線通信を行う場合を例にとって、さらに詳細に説明する。

図２は、ＯＦＤＭ方式におけるパイロット配置の一例を示す図である。この例では、周波数軸方向（ｆ）に１４シンボル（すなわち、１４サブキャリア）で、時間軸方向（ｔ）に４シンボルの１４×４シンボルについて、サブキャリアインデックス１，１４のＯＦＤＭシンボルインデックス２，４と、サブキャリアインデックス５，９のＯＦＤＭシンボルインデックス１，３とに、それぞれパイロットを割り当てた場合を示している。

本実施の形態は、等化器１３−１〜１３−Ｍの各々において、先ず、パイロットのチャネル特性を推定し、その後、推定したチャネル特性を時間軸方向にあるデータシンボルに補間し、周波数軸方向では補間されたチャネル特性および周波数軸方向にあるパイロットのチャネル特性を用いて、周波数軸方向にあるデータシンボルにチャネル特性を補間する。

このため、先ず、パイロットを抽出して、下記（１）式により、抽出したパイロットのチャネルの伝達特性を推定（算出）する。

上記（１）式において、周波数応答情報Ｃ_f,t（ａ）およびＡ_f,t（ａ）は、下記（２）式により算出する。

以上のようにして、各パイロットのチャネル特性を推定したら、次に、時間軸方向における順次のパイロットのチャネル特性を用いて、下記（３）式により、時間軸方向のデータシンボルのチャネル特性を線形補間する。

その後、時間軸方向において推定したパイロットのチャネル特性およびデータシンボルに補間したチャネル特性を用いて、下記（４）式により、周波数軸方向のデータシンボルのチャネル特性を線形補間する。

以上のようにして、各データシンボルのチャネル特性を推定したら、その推定結果を用いて、データシンボルの受信信号を、下記（５）式によりチャネル等化して、合成回路１５へ供給する。

また、等化器１３−１〜１３−Ｍは、下記（６）式により、対応するアンテナのシンボル単位の信頼情報である受信電力を計算して、その結果を合成重み生成回路１４へ供給する。

合成重み生成回路１４は、等化器１３−１〜１３−Ｍからのアンテナ毎の信頼情報に基づいて、下記（７）式によりアンテナ合成振幅を算出し、その算出したアンテナ合成振幅とアンテナ毎の受信電力の振幅とに基づいて、下記（８）式により、合成重みであるアンテナ毎の信頼度比を算出し、これら算出したアンテナ毎の信頼度比を合成回路１５に供給する。

合成回路１５は、上記（５）式に示した等化器１３−１〜１３−Ｍからの等価補償後の受信信号を、上記（８）式に示した合成重み生成回路１４からの対応するアンテナの信頼度比を用いて、下記（９）式により重み付けしてダイバーシティ合成して合成受信信号を生成し、その生成した合成受信信号を復号回路１６に供給する。

図３は、本実施の形態の無線通信装置により合成受信信号を生成した場合のフレームエラー（ＦＥＲ）特性のシミュレーション結果と、図４に示した従来の無線通信装置によりＭＭＳＥを採用して合成受信信号を生成した場合のＦＥＲ特性のシミュレーション結果とを比較して示す図で、図３（ａ）は本実施の形態の場合のシミュレーション結果を示しており、図３（ｂ）は従来の場合のシミュレーション結果を示している。なお、シミュレーション条件は、受信アンテナは２本とし、遅延波モデルはＩＴＵ−Ｒ Ｍ．１２２５に定義されたＶｅｈｉｃｕｌａｒ−Ａ を使用した。この遅延波モデルによる遅延時間は、２．４μsec程度である。また、通信方式は、ＯＦＤＭ方式として、ＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）／１６ＱＡＭ／６４ＱＡＭの変調方式によるＦＥＲ特性をシミュレーションした。

図３から明らかなように、１６ＱＡＭ／６４ＱＡＭと多値化を進めると、図３（ｂ）に示す従来の場合には、ＦＥＲ特性の劣化が大きくなって、入力のＳＮＲ値を大きくしてもＦＥＲ値は低下せず、安定した受信状態が得られる１０^−２以下のＦＥＲ値を得ることができない。これに対し、図３（ａ）に示す本実施の形態の場合には、１６ＱＡＭでは、入力ＳＮＲが２０ｄＢ前後で、６４ＱＡＭでは、入力ＳＮＲが３０ｄＢ前後で、それぞれ１０^−２以下のＦＥＲ値を得ることができるので、常に安定した受信状態を維持することができる。

また、ＱＰＳＫの場合も、１０^−２以下のＦＥＲ値を得るには、従来の場合、１５ｄＢ前後の入力ＳＮＲ値を必要とするが、本実施の形態の場合には、１０ｄＢ前後の入力ＳＮＲ値で済むことになる。

以上のように、本実施の形態によれば、複数のアンテナ１１−１〜１１−Ｍの各々に対応する受信電力、すなわちエンベロープ情報に基づいて、合成重み生成回路１４において合成重みであるアンテナ毎の信頼度比を算出し、その算出されたアンテナ毎の信頼度比に基づいて、合成回路１５において、複数のアンテナ１１−１〜１１−Ｍの受信信号を重み付けしてダイバーシティ合成するようにしたので、受信アンテナが少ない場合でも、また、変調方式が多値変調方式の場合であっても、遅延到来波を伴うマルチパスフェージングの影響を低減して合成受信電力を増大でき、常に安定した受信状態を維持することができる。また、ＭＭＳＥにおけるような逆行列演算を含む推定アルゴリズムを採用する必要がないので、ハードウェアの小型化およびコストダウンを図ることができる。

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、本発明は、ＯＦＤＭ方式のようなマルチキャリア変調方式に限らず、複数のアンテナの受信信号をダイバーシティ合成する無線通信装置に広く適用することができる。

本発明の一実施の形態に係る無線通信装置の要部の概略構成を示す機能ブロック図である。 図１に示した無線通信装置の一例の動作を説明するためのＯＦＤＭ方式におけるパイロット配置例を示す図である。 本実施の形態の無線通信装置と従来の無線通信装置とのＦＥＲ特性のシミュレーション結果を比較して示す図である。 従来の無線通信装置の要部の概略構成を示す機能ブロック図である。

符号の説明

１１−１〜１１−Ｍ アンテナ
１２−１〜１２−Ｍ 受信部
１３−１〜１３−Ｍ 等化器
１４ 合成重み生成回路
１５ 合成回路
１６ 復号回路

Claims (5)

1. 複数のアンテナを有し、これら複数のアンテナの受信信号をダイバーシティ合成する無線通信装置において、
   前記複数のアンテナの各々に対応する受信電力に基づいて合成重みを算出する合成重み生成部と、
   該合成重み生成部で算出された合成重みに基づいて、前記複数のアンテナの受信信号を重み付けして合成する合成部と、
   を備えることを特徴とする無線通信装置。
2. 前記合成重み生成部は、前記複数のアンテナの各々に対応する受信電力を合成してアンテナ合成振幅を算出し、その算出したアンテナ合成振幅と各アンテナに対応する受信電力の振幅とに基づいて、前記合成重みとしてアンテナ毎の信頼度比を算出することを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
3. 前記合成部で合成する前記複数のアンテナの受信信号は、多値変調された受信信号であることを特徴とする請求項１または２に記載の無線通信装置。
4. 前記合成部で合成する前記複数のアンテナの受信信号は、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ：Orthogonal Frequency Division Multiplexing）された受信信号であることを特徴とする請求項１，２または３に記載の無線通信装置。
5. 複数のアンテナの受信信号をダイバーシティ合成する無線受信方法において、
   前記複数のアンテナの各々に対応する受信電力に基づいて合成重みを算出する合成重み生成ステップと、
   該合成重み生成ステップで算出された合成重みに基づいて、前記複数のアンテナの受信信号を重み付けして合成する合成ステップと、
   を含むことを特徴とする無線受信方法。

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