JP4230933B2 - 受信機、送信機及び無線通信システム並びに電力配分方法 - Google Patents

Description

本発明は、送受信機に複数のアンテナを備える、多入力多出力(Multiple Input Multiple Output : MIMO)方式の無線通信システム、受信機及び送信機並びに電力配分方法に関する。

多入力多出力の無線通信システムでは、チャネル推定値に基づいて、送信形態などを送信側にフィードバックする方法を適用することにより、そのフィードバックする方法を適用しない場合より、通信容量を大きく増加させることができる。

特に、受信側でチャネル推定を行って、その推定値に基づいて、各データサブストリームについてのレート及びパワーのインジケータをフィードバックする方法はフィードバック情報量と特性向上において良いトレードオフを有する（例えば、特許文献１及び非特許文献１を参照）。
特開２００２−２１７７６２号公報 S.T.Chung, A.Lozano, H.C.Huang, A.Sutivong, J.M.Cioffi著，「low Complexity Algorithm for Rate and Power Quantization in Extended V-BLAST」

しかし、上記背景技術には、以下の問題がある。

受信機では、各受信アンテナで受信した各送信アンテナからの送信信号を、チャネルごとにシリアルに検出し、検出された送信信号に基づいて電力配分値の計算がチャネルごとに行われる。このため、干渉除去を行う場合に誤り伝播の影響を受けやすいという問題がある。

また、各送信データストリームをパラレルに検出する受信機に対しては、電力配分ができないという問題がある。

また、一部のアンテナしか使用しない場合においても、全てのアンテナに電力が配分されるため、通信容量の向上が図れないという問題がある。

そこで本発明においては、通信容量を向上させることができる受信機、送信機及びＭＩＭＯ方式の無線通信システム並びに電力配分方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、本発明の受信機は、多入力多出力(Multiple Input Multiple Output: MIMO)方式の無線通信システムにおける受信機であって、受信されるデータストリームからチャネル推定量を生成するチャネル推定手段と、チャネル推定量に基づいて、各データストリームに配分する電力値を、スループットが最大となるように同時に決定する電力配分決定手段とを備えるものである。

さらに、電力配分決定手段は、各データストリームに配分する電力値を初期化する電力初期化手段と、各データストリームの受信特性を推定する受信特性推定手段と、受信特性に基づいて、変調と符号化のセットを選択するＭＣＳ選択手段と、変調と符号化のセットに基づいて、各データストリームに配分する電力値を、スループットが最大となるように同時に決定する電力配分演算手段とを備えるようにしてもよい。

さらに、ＭＣＳ選択手段は、スループットに基づいて変調と符号化のセットを選択するようにしてもよい。

さらに、電力配分演算手段は、各データストリームに対して選択された変調と符号化のセットに対応する第１の受信特性値を計算し、推定された推定受信特性値を用いて、余剰電力Δ＝（推定受信特性値）−（第１の受信特性値）を計算する余剰電力計算手段と、変調と符号化のセットに対応する受信特性より受信特性の良い変調と符号化セットに対応する第２の受信特性値を計算し、電力差δ＝（第２の受信特性値）−（推定受信特性値）を計算する電力差計算手段と、電力差δの最小値δ_minを選択し、δ_minとなるデータストリーム以外のデータストリームの和

を計算する演算手段と、ここで、ｍは各データストリームに割り当てられた番号、strminは電力差δが最小値δ_minとなる場合のデータストリームに割り当てられた番号、P_mはｍ番目のデータストリームに対する電力配分値の初期値を示す、Δ_sumに基づいて、電力再配分を行うか否かを判断する判断手段と、判断に基づいて、電力配分値を計算する電力配分手段とを備えるようにしてもよい。

さらに、判断手段は、Δsumと(10^δmin/10-1)×P_strmin×GPとに基づいて、電力再配分を行うか否かを判断し、電力配分手段は、判断結果に基づいて、
P_strmin=P_strmin×10^δmin/10
P_{m(m≠strmin)}=P_{m(m≠strmin)}-((1-10^-Δm/10)/Δ_sum)×P_strmin×(10^δmin/10-1)
ここで、P_strminは電力差δが最小値δ_minとなるデータストリームに配分される電力配分値を示す、を計算し電力配分値を求めるようにしてもよい。

さらに、電力配分演算手段は、変調と符号化のセットにおけるスループットよりスループットの高い変調と符号化のセットに対応する受信特性を示す第３の受信特性値を計算し、推定された推定受信特性値を用いて、第２の電力差δ＝（第３の受信特性値）−（推定受信特性値）を計算する第２の電力差計算手段と、変調と符号化のセットにおけるスループットと変調と符号化のセットに対応するスループットよりスループットの高い変調と符号化のセットに対応するスループットとの差の最大値Th_maxを選択し、Th_maxとなるデータストリーム以外のデータストリームの和

ここで、strmaxはTh_maxに対応するデータストリームの番号を示す、を計算する第２の演算手段と、Δ_sumに基づいて、電力再配分を行うか否かを判断する判断手段と、判断に基づいて、電力配分値を計算する電力配分手段とを備えるようにしてもよい。

さらに、各データストリームに対して選択された変調と符号化のセットに対応する第１の受信特性値を計算し、推定された推定受信特性値を用いて、余剰電力Δ＝（推定受信特性値）−（第１の受信特性値）を計算する余剰電力計算手段と、変調と符号化のセットにおけるスループットよりスループットの高い変調と符号化のセットに対応する受信特性を示す第３の受信特性値を計算し、第２の電力差δ＝（第３の受信特性値）−（推定受信特性値）を計算する第２の電力差計算手段と、変調と符号化のセットにおけるスループットと変調と符号化のセットに対応するスループットよりスループットの高い変調と符号化のセットに対応するスループットとの差の最大値Th_maxを選択し、Th_maxとなるデータストリーム以外のデータストリームの和

ここで、strmaxはTh_maxに対応するデータストリームの番号を示す、
を計算する第２の演算手段と、第２の演算手段の出力Δ_sumに基づいて、電力再配分を行うか否かを判断する第２の判断手段と、第２の判断手段の判断に基づいて、第２の電力配分値を計算する第２の電力配分手段と、電力配分値及び第２の電力配分値に基づいて、スループットを見積もるスループット推定手段とを備え、電力配分手段は、見積もられたスループットに基づいて電力配分値を決定するようにしてもよい。

さらに、判断手段は、各データストリームに対して選択された変調と符号化のセットに対応するスループットが最大値又は最小値となり、且つ変調と符号化のセットに対応する受信特性の差が所定の値以下である場合に電力再配分を行うと判断し、電力配分手段は、受信特性が等しくなるように電力配分を行うようにしてもよい。

さらに、判断手段は、Δ_sumと(10^δstrmax/10-1)×P_strmax×GPとに基づいて、電力再配分を行うか否かを判断するようにしてもよい。

さらに、使用するアンテナのパターンを設定するアンテナパターン設定手段と、計算された電力配分値に基づいて、スループットを推定するスループット推定手段と、スループットに基づいて使用するアンテナのパターンの選択を行うアンテナ選択手段とを備えるようにしてもよい。

また、本発明に係る送信機は、多入力多出力(Multiple Input Multiple Output : MIMO)方式の無線通信システムにおける送信機であって、電力配分値を受信する受信手段と、電力配分値に基づき、受信機側の受信特性を推定する受信機側受信特性推定手段とを備えるものである。

さらに、受信した変調と符号化のセットに基づいて、符号化及び変調処理を行う符号化＆変調手段を備えるようにしてもよい。
また、本発明に係る無線通信システムは、送信機及び受信機を備える多入力多出力(Multiple Input Multiple Output: MIMO)方式の無線通信システムであって、送信機は、電力配分値を受信する受信手段と、電力配分値に基づき、受信機側の受信特性を推定する受信機側受信特性推定手段とを備え、受信機は、受信されるデータストリームからチャネル推定量を生成するチャネル推定手段と、チャネル推定量に基づいて、各データストリームに配分する電力値をスループットが最大となるように同時に決定する電力配分決定手段とを備えるものである。

また、本発明に係る電力配分方法は、多入力多出力(Multiple Input Multiple Output: MIMO)方式の無線通信システムにおける電力配分方法であって、受信されるデータストリームからチャネル推定量を生成するステップと、チャネル推定量に基づいて、各データストリームに配分する電力値をスループットが最大となるように同時に決定するステップとを有する方法である。

さらに、各データストリームの受信特性を推定するステップと、各データストリームに対して選択された変調と符号化のセットに対応するスループットが最大値又は最小値となり、且つ変調と符号化のセットに対応する受信特性の差が所定の値以下である場合に電力再配分を行うと判断するステップとを有するようにしてもよい。

さらに、使用するアンテナのパターンを設定するステップと、計算された電力配分値に基づいて、スループットを推定するステップと、スループットに基づいて、使用するアンテナのパターンの選択を行うステップとを有するようにしてもよい。

本発明の実施例によれば、通信容量を向上させることができる受信機、送信機及びＭＩＭＯ方式の無線通信システム並びに電力配分方法を実現できる。

次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する。

なお、実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を用い、繰り返しの説明は省略する。

本発明の第１の実施例に係る適応送信電力制御を行うＭＩＭＯ方式の無線通信システムの構成を、図１を参照して説明する。

本実施例に係るＭＩＭＯ方式の無線通信システム１００は、送信機１１０と受信機１２０とを備える。

送信機１１０は、送信データが入力される符号化＆変調部１０１−１〜１０１−Ｎと、符号化＆変調部１０１−１〜１０１−Ｎとそれぞれ接続された電力増幅部１０３−１〜１０３−Ｎと、電力増幅部１０３−１〜１０３−Ｎとそれぞれ接続された送信アンテナ１０５−１〜１０５−Ｎと、符号化＆変調部１０１−１〜１０１−Ｎと接続されたレート制御部１０２と、電力増幅部１０３−１〜１０３−Ｎと接続された電力制御部１０４とを備える。

送信データは、符号化＆変調部１０１−１〜１０１−Ｎで符号化及び変調が行われる。この場合、変調方式及び伝送レートがレート制御部１０２により制御される。符号化及び変調された送信信号は、電力増幅部１０３−１〜１０３−Ｎで電力増幅され、送信アンテナ１０５−１〜１０５−Ｎから送信される。この場合、送信電力が電力制御部１０４で制御される。

また、受信機１２０から送信されたフィードバック信号に基づいて、受信機１２０側の受信特性を推定する受信機側受信特性推定部（図示なし）を備え、レート制御部１０２及び電力制御部１０４は、推定された受信特性に基づいて、伝送レート及び送信電力を制御するようにしてもよい。
受信機１２０は、受信アンテナ１１１−１〜１１１−Ｎと、受信アンテナ１１１−１〜１１１−Ｎと接続されたチャネル推定部１１２と、チャネル推定部１１２と接続された電力配分・ＭＣＳ(Modulation and Coding Set)（変調と符号化のセット）選択部１１３と、受信アンテナ１１１−１〜１１１−Ｎと接続された信号分離部１１４と、信号分離部１１４と接続された復号＆復調部１１５とを備える。

受信アンテナ１１１−１〜１１１−Ｎで受信された受信データは、チャネル推定部１１２に入力されると共に、信号分離部１１４に入力される。
信号分離部１１４に入力された受信データは、送信系列毎の信号に分離され、復号＆復調部１１５により復号、復調される。一方、チャネル推定部１１２は、入力された受信信号から、受信した受信アンテナ毎に振幅、遅延又は位相に関する伝搬路に起因する変化を調べ、チャネル推定を行い、その結果を電力配分・ＭＣＳ選択部１１３に入力する。電力配分・ＭＣＳ選択部１１３は、入力されたチャネル推定値に基づきＭＣＳの選択を行い、選択されたＭＣＳに基づいて電力配分を決定する。また、電力配分・ＭＣＳ選択部１１３は、ＭＣＳ及び電力配分の結果を、送信機１００のレート制御部１０２及び電力制御部１０４に送信する。

まず、本実施例に係るＭＩＭＯ方式の無線通信システムにおける受信機１２０の電力配分・ＭＣＳ選択部１１３について説明する前に、従来の電力配分・ＭＣＳ選択部の構成及び処理について、図２及び図３を参照して説明する。

電力配分・ＭＣＳ選択部は、図２に示すようにデータストリームコンター１と、データストリームコンター１と接続された電力初期化部２と、電力初期化部２と接続されたＳＩＮＲ(Signal-to-Interference plus Noise Ratio)推定部３と、SINR推定部３と接続されたＭＣＳ選択部４と、ＭＣＳ選択部４と接続された電力マッピング部５と、電力マッピング部５及びデータストリームコンター１と接続された判定部６と、判定部６及び電力マッピング部５と接続されたＭＣＳ再選択部７とを備える。

データストリームコンター１は、チャネル推定部により生成されたチャネル推定量に基づいて、送信機により送信されたデータストリームの番号の制御を行う。例えば、データストリームの番号としてｍを割り当てた後に、ｍ＝ｍ−１（１＜ｍ＜Ｍ）（ｍは正の整数）とすることにより、各データストリームに順次番号を割り当てる。ここで、ｍはデータストリームの数である。

電力初期化部３は、電力配分値の初期化を行う。例えば、P_m=P_remain／mにより電力の初期化を行う。ここで、P_mはｍ番目のデータストリームの電力、P_remainはｍ番目のデータストリームに対して割り当てることが可能な電力、即ち残っている電力である。

SINR推定部３は、受信処理が行われた後のSINRの推定を行う。
ＭＣＳ選択部４は、SINR推定部３により推定されたSINRに基づき、ＭＣＳの選択を行う。

電力マッピング部５は、予め備えられ、ＭＣＳと電力とが対応付けられたテーブルを用いて、選択されたＭＣＳに対応する電力のマッピングを行う。例えば、選択されたＭＣＳに対する電力P_mをマッピングする。
判定部６は、配分された電力が、配分されていない電力を超えているか否かの判定を行う。例えば、まず、

を計算する。ここで、Pは総電力(total power)、Mは受信アンテナの数である。次に、P_remain−P_m>0であるか否かの判定を行う。

ＭＣＳ再選択部７は、判定部６での判定の結果、配分される電力P_mが、残っている電力P_remainを超えている場合、即ちP_remain−P_m<0である場合に、ＭＣＳの再選択を行う。例えば、ＭＣＳを一段下げる処理を行う。
次に、電力配分・ＭＣＳ選択部の処理フローについて、図３を参照して説明する。

チャネル推定部１１２からチャネル推定量が入力されると、データストリームコンター１では、例えば、０より大きいｍ個のデータストリームに対して、データストリームの番号としてｍを割り当て、ｍの値を１減じ、次のデータストリームに対しｍの値を１減じたｍを割り当てる処理を繰り返すことにより、データストリームに対し番号を割り当てる制御が行われる（ステップＳ１）。

次に、電力の初期化が行われる。例えば、残っている電力P_remainをデータストリーム数mで割った値、即ちP_m＝P_remain/mが初期値として設定される（ステップＳ２）。

次に、受信処理後のＳＩＮＲの推定が行われ（ステップＳ３）、推定されたＳＩＮＲに基づいて、ＭＣＳの選択が行われ（ステップＳ４）、選択されたＭＣＳに基づいて電力マッピングが行われる（ステップＳ５）。

次に、配分される電力が、残っている電力P_remainを超えているか否かの判断が行われる（ステップＳ６）。配分された電力が残った電力を超えている場合（ステップＳ６：ＮＯ）、ＭＣＳの再選択が行われる（ステップＳ８）。一方、配分された電力が残っている電力を超えていない場合（ステップＳ６：ＹＥＳ）、電力配分値が出力される（ステップＳ７）。

次に、本実施例に係るＭＩＭＯ方式の無線通信システム１００における受信機１２０の電力配分・ＭＣＳ選択部１１３の構成について、図４を参照して説明する。

電力配分・ＭＣＳ選択部１１３は、電力初期化部１１３−１と、電力初期化部１１３−１と接続された受信特性推定部１１３−２と、受信特性推定部１１３−２と接続されたＭＣＳ選択部１１３−３と、ＭＣＳ選択部１１３−３と接続された電力配分演算部１１３−４とを備える。

また、電力配分演算部１１３−４は、ＭＣＳ選択部１１３−３と接続された上段ＭＣＳ電力差（δ）計算部１１３−４１及び余剰電力（Δ）計算部１１３−４２と、上段ＭＣＳ電力差（δ）計算部１１３−４１及び余剰電力（Δ）計算部１１３−４２と接続された演算部１１３−４３及び判断部１１３−４４と、上段ＭＣＳ電力差（δ）計算部１１３−４１、余剰電力（Δ）計算部１１３−４２、演算部１１３−４３及び判断部１１３−４４と接続された電力配分部１１３−４５とを備える。また、演算部１１３−４３は、判断部１１３−４４と接続されている。

電力初期化部１１３−１は、各データストリームに電力配分値の初期値を設定する。例えば、電力配分演算の繰返し回数(loop)が０の場合、即ち、初めて演算を行う場合には、各アンテナに分配する電力係数をＰ＝（Ｐ_１，．．．，Ｐ_Ｍ）とする。但し、

である。
次に、電力を規格化し

とする。P_m=P/M(m=1,…,M)とすると、各データストリームの初期値は、Ｐ_１＝，．．．，Ｐ_Ｍ＝１となる。

また、loop>0の場合には、後述する電力配分部１１３−４５により決定された電力配分値を初期値とする。初期値の設定後、繰返し数を増加させる(loop=loop+1)。
受信特性推定部１１３−２は、受信後の受信特性、例えばSINRの推定を行う。例えば、
SINR_m=u_m ²/u_m-u_m ²=u_m/1-u_m
u_m=h_m ^Hw_m
W_m=[hA_mh^H+σ²I]^-1h_m

により、各データストリームの受信後等価SINRの計算を行う。ここで、SINR_mは、ｍ番目のデータストリームのSINR、h_mはｍ番目のチャネル値（伝達関数）、^Hは行列の共役転置、w_mはフィルタ係数、σ²は受信機の内部雑音電力（雑音成分の共分散）、Iは単位行列、A_mは単位対角行列である。

ＭＣＳ選択部１１３−３は、受信特性推定部１１３−２により推定された各データストリームの受信特性に基づいて、各データストリームに対して、予め決められた受信品質を満たすＭＣＳセットを選択する。ここで、各データストリームに対する所望の受信特性は異なる。例えば、受信品質毎に対応するＭＣＳ、例えば、受信特性、変調方式、伝送レート、スループット等が対応付けられ、予め記憶されたテーブルから、推定された受信特性に対応するＭＣＳが選択される。対応するＭＣＳセットが複数ある場合には、その中でスループットの一番大きいＭＣＳセットが選択される。例えば、推定されたSINRの値に基づいて、各データストリームに対して、フレームエラーレート(Frame Error Rate : FER)が一定値eに達するために必要なＭＣＳが選択される。

上段ＭＣＳ電力差（δ）計算部１１３−４１は、ＭＣＳ選択部１１３−３により選択されたＭＣＳセットの上段に配置されたＭＣＳセット、即ち選択されたＭＣＳセットに対応する受信特性より受信特性の良いＭＣＳセットに対応するSINRと各データストリームのSINRとの差を求める。

例えば、各ＭＣＳのFER=eにおける所望のSINRをそれぞれ（γ₁,…,γ_L）とし、各データストリームに対して選択したＭＣＳセットの番号をI_m(1<m<M)とする。但し、全部でLセットあると仮定し、γ₁<…<γ_l<…γ_Lとする。この場合、
δ_m=γ_Im+1-SINR_m
の計算が行われる。

余剰電力（Δ）計算部１１３−４２は、各データストリームのSINRに対する所望SINRとの差を求める。例えば、
Δ_m=SINR_m-γ_Im
の計算が行われる。

演算部１１３−４３は、上段ＭＣＳ電力差（δ）計算部１１３−４１により計算されたδの最小値δ_minの計算を行う。また、δ_minを除いた余剰電力の和Δ_sumの計算を行う。例えば、δ_min={δ₁,…, δ_M}を求めて、その値を有するデータストリームの番号をstrminとする。次に、

の計算を行う。

判断部１１３−４４は、電力配分を行うか否かの判断を行う。例えば、Δ_sumと(10^δmin/10-1)×P_strmin×GPとを比較することにより、電力配分を行うか否かの判断を行う。ここで、GPはガード電力(Guard Power)であり、事前に設定されるparameterである。

である場合には、電力配分を行う旨の判断が行われる。
一方、Δ_sum<(10^δmin/10-1)×P_strmin×GPである場合には、電力配分を行わない旨の判断が行われる。

電力配分部１１３−４５は、電力配分を行う旨の判断が行われた場合には、電力配分値を求める。例えば、
P_strmin=P_strmin×10^δmin/10
P_{m(m≠strmin)}=P_{m(m≠strmin)}-((1-10^-Δm/10)/Δ_sum)×P_strmin×(10^δmin/10-1)
により電力配分値を求める。また、その結果を電力初期化部１１３−１にフィードバックする。

一方、電力配分を行わない旨の判断が行われた場合には、処理を中止し、現在の電力配分値及び選択されたＭＣＳセットを送信機１１０にフィードバックする。

次に、本実施例に係るＭＩＭＯ方式の無線通信システムにおける電力配分方法を、図１及び図５を参照して説明する。

チャネル推定部１１２は、入力されたパイロット信号を用いて、チャネル応答及びノイズの推定を行う。チャネル推定部１１２は、その結果を、電力初期化部１１３−１に入力し、電力初期化部１１３−１は、チャネル推定部１１２からの出力結果を用いて、各データストリームに電力配分値の初期値を設定する（ステップＳ１００）。

次に、受信特性推定部１１３−２は、受信処理後の受信特性、例えば、各データストリームの受信後等価SINRの計算を行う（ステップＳ１１０）。例えば、変調方式にＯＦＤＭ(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)を用いる場合には、各サブキャリアの受信特性と受信特性の分散を用いて、データストリームの受信特性を推定する。

次に、推定された各データストリームの受信特性に基づいて、ＭＣＳ選択部１１３−３は、各データストリームに対して、事前に決めた受信品質、例えば、 FERを満たすＭＣＳセットの中で、一番スループットの大きいＭＣＳセットの選択を行う（ステップＳ１２０）。

ＭＣＳ選択部１１３−３の結果に基づいて、電力配分判定部１１３−４は、電力配分を行うか否かの判定を行い、この判定結果に基づいて電力配分を行う。

具体的に説明する。上段ＭＣＳ電力差（δ）及び余剰電力（Δ）の計算が、上段ＭＣＳ電力差（δ）計算部１１３−４１及び余剰電力（Δ）計算部１１３−４２において行われる（ステップＳ１３０）。次に、演算部１１３−４３は、δの最小値δ_min及びδ_minを除いた余剰電力の和Δ_sumの計算を行う（ステップＳ１４０）。次に、判断部１１３−４３は、電力配分を行うか否かの判定を行う（ステップＳ１５０）。

電力配分を行う旨の判断が行われた場合（ステップＳ１５０：ＹＥＳ）、電力配分部１１３−４５は、電力分配を行い、その結果を電力初期化部１１３−１にフィードバックする（ステップＳ１６０）。また、電力配分部１１３−４５は、送信機１１０に対して、ＭＣＳ及び電力配分値をフィードバックする（ステップＳ１７０）。

電力初期化部１１３−１では、フィードバックされた電力分配値を電力初期値に設定し、受信特性推定部１１３−２では、電力分配値を用いて計算された電力配分値で送信した場合の特性を推定する。即ち、フィードバックされた電力分配値を用いて、ステップＳ１００〜ステップＳ１７０の処理が繰返し行われる。このように、処理を繰り返すことにより、より最適な電力分配値を計算することができる。

一方、電力配分を行わない旨の判断が行われた場合、電力配分部１１３−４５は、現段階の電力配分値及び選択されたＭＣＳセットを送信機１１０にフィードバックする（ステップＳ１７０）。

受信機１２０からフィードバック情報を受信した送信機１１０のレート制御部１０２は、フィードバック情報に基づいて、各データストリームの符号化＆変調信号を制御する。また電力制御部１０４は各データストリームの送信電力を制御する。

また、受信機１２０から送信されたフィードバック信号に基づいて、受信機１２０側の受信特性を推定する受信機側受信特性推定部（図示なし）が備えられている場合には、レート制御部１０２及び電力制御部１０４は、推定された受信特性に基づいて伝送レート及び送信電力を制御する。

次に、本実施例に係るＭＩＭＯ方式の無線通信システムにおける電力配分方法について、図６を参照して詳細に説明する。図６には、４個のデータストリームに対して電力配分を行う場合を示す。なお、ＭＣＳ選択部１１３−３では、３種類のＭＣＳから最適なＭＣＳが選択される。

まず、Δが最小となるデータストリームを選択し（１）、他のデータストリームから、（１）において選択されたデータストリームへ電力が移される（２）。次に、再計算を行い上述した（１）及び（２）を繰り返す（３）。ここで、Δは、ＭＣＳセットに対応する受信特性より受信特性のよいＭＣＳセットに対応する受信特性と、推定された受信特性との差である。
このようにすることにより、各送信データストリームの電力配分値及びＭＣＳを同時に決定でき、更に繰返し計算によって最適値に近づけることができるため、より大きな通信容量を達成できる。

次に、本発明の第２の実施例に係るＭＩＭＯ方式の無線通信システムについて説明する。

本実施例に係るＭＩＭＯ方式の無線通信システムは、送受信機の構成は第１の実施例と同様であるため、その説明を省略する。
次に、本実施例に係るＭＩＭＯ方式の無線通信システム１００における受信機１２０の電力配分・ＭＣＳ選択部１１３の構成について説明する。

本実施例に係るＭＩＭＯ方式の無線通信システム１００における受信機１２０の電力配分・ＭＣＳ選択部１１３は、第１の実施例において説明した電力配分・ＭＣＳ選択部１１３と、上段ＭＣＳ電力差（δ）計算部１１３−４１、演算部１１３−４３及び判断部１１３−４４の機能が異なる。

本実施例に係るＭＩＭＯ無線通信システム１００における上段ＭＣＳ電力差（δ）計算部は、ＭＣＳ選択部１１３−３により選択されたＭＣＳセットに対応するスループットを求め、求められたスループットよりスループットの高いＭＣＳセットに対応する受信特性を求める。例えば、各データストリームに対してスループットTh_mを求め、求められたTh_mより１つ大きいスループットに対応する受信特性を求め、求められた受信特性と受信特性推定部１１３−２から入力された受信特性との差を求める。

演算部１１３−４３は、上段ＭＣＳ電力差（δ）計算部において求められたTh_m(m=1,…,M)と求められたTh_mより大きい、例えば１つ大きいＭＣＳセットに対応するスループットとの差の最大値Th_maxを求め、そのTh_maxに対応するデータストリームの番号をstrmaxとする。また、

の計算を行う。

判断部１１３−４４は、電力配分を行うか否かの判断を行う。例えば、Δ_sumと(10^δstrmax/10-1)×P_strmax×GPとを比較することにより、電力配分を行うか否かの判断を行う。ここで、δ_strmaxは、データストリームの番号がstrmaxであるδである。Δ_sum<(10^δstrmax/10-1)×P_strmax×GPである場合には、電力配分を行う旨の判断を行う。一方、

である場合には、電力配分を行わない旨の判断を行う。

また、判断部１１３−４４は、各データストリームに対して選択された変調と符号化のセットに対応するスループットが最大値又は最小値となり、且つ変調と符号化のセットに対応する受信特性の差が所定の値以下である場合に電力再配分を行うと判断する。この場合、電力配分部１１３−４５は、受信特性が等しくなるように電力配分を行う。

次に、本実施例に係るＭＩＭＯ方式の無線通信システムにおける電力配分方法について、図７を参照して説明する。

本実施例に係るＭＩＭＯ方式の無線通信システムにおける電力配分方法と第１の実施例に係るＭＩＭＯ無線通信システムにおける電力配分方法とは、ステップＳ１３０以降の処理が異なるため、ステップＳ１３０以降の処理について説明する。

図７に示すように、ＭＣＳ選択部１１３−３によりＭＣＳが選択されると（ステップＳ１２０）、ＭＣＳ選択部１１３−３の結果に基づいて、電力配分判定部１１３−４は、電力配分を行うか否かの判定を行い、判定結果に基づいて電力配分を行う。即ち、スループット、上段ＭＣＳ電力差（δ）、及び余剰電力（Δ）の計算が、上段ＭＣＳ電力差（δ）計算部１１３−４１及び余剰電力（Δ）計算部１１３−４２において行われる（ステップＳ１８０）。

次に、演算部１１３−４３において、Th_max及びTh_maxに対応するデータストリームを除いた余剰電力の和Δ_sumの計算が行われる（ステップＳ１９０）。次に、判断部１１３−４３では、電力配分を行うか否かの判定が行われる（ステップＳ２００）。電力配分を行う旨の判断が行われた場合（ステップＳ２００：ＹＥＳ）、電力分配が行われ、その結果は電力初期化部１１３−１にフィードバックされる（ステップＳ２１０）。

次に、電力配分部１１３−４５において、送信機１１０に対して、ＭＣＳ及び電力配分値がフィードバックされる（ステップＳ２２０）。

電力初期化部１１３−１では、フィードバックされた電力分配値を電力初期値に設定し、受信特性推定部１１３−２では、電力分配値を用いて計算された電力配分値で送信した場合の特性を推定する。即ち、フィードバックされた電力分配値を用いて、ステップＳ１００〜Ｓ１２０、ステップＳ１８０〜ステップＳ２２０の処理が繰返し行われる。

一方、電力配分を行わない旨の判断が行われた場合（ステップＳ２００：ＮＯ）、電力配分部１１３−４５において、現段階の電力配分値及び選択されたＭＣＳセットが送信機１１０にフィードバックされる（ステップＳ２２０）。

受信機１２０からフィードバック情報を受信した送信機１１０は、フィードバック情報に基づいて、レート制御部１０２は各データストリームの符号化＆変調信号を制御し、電力制御部１０４は各データストリームの送信電力を制御する。

また、ステップＳ２００において、各データストリームに対して選択された変調と符号化のセットに対応するスループットが最大値又は最小値となり、且つ変調と符号化のセットに対応する受信特性の差が所定の値以下である場合には、判断部１１３−４３は電力再配分を行うと判断する。この場合、ステップＳ２００において、受信特性が等しくなるように電力配分値が計算される。

また、受信機１２０から送信されたフィードバック信号に基づいて、受信機１２０側の受信特性を推定する受信機側受信特性推定部（図示なし）が備えられている場合には、レート制御部１０２及び電力制御部は、推定された受信特性に基づいて伝送レート及び送信電力を制御する。

このように構成することにより、無線通信システムとしてのスループットが最大となるように電力配分値を同時に計算できる。

次に、本発明の第３の実施例に係るＭＩＭＯ方式の無線通信システムについて説明する。

本実施例に係るＭＩＭＯ無線通信システムは、送受信機の構成は第１の実施例と同様であるため、その説明を省略する。

次に、本実施例に係るＭＩＭＯ無線通信システム１００における受信機１２０の電力配分・ＭＣＳ選択部１１３の構成は、第１及び第２の実施例において説明した電力配分・ＭＣＳ選択部１１３の構成に加えて、選択されたＭＣＳ及び電力配分値とに基づいて、スループットの見積もりを行うスループット見積もり部（図示なし）を備える。

次に、本実施例に係るＭＩＭＯ無線通信システムにおける電力配分方法について説明する。

本実施例に係るＭＩＭＯ無線通信システムにおける電力配分方法では、第１の実施例において説明した電力配分方法と第２の実施例において説明した電力配分方法との両方が実行される。次に、スループット見積もり部は、選択されたＭＣＳ及び計算された電力配分値とを用いて、スループットの見積もりを行う。電力配分部１１３−４５は、スループット見積もり部において見積もられた結果に基づいて、例えば、所望スループットの大きい方を選択し電力分配を行い、その結果を電力初期化部１１３−１にフィードバックする。また、電力配分部１１３−４５は、送信機１１０に対して、ＭＣＳ及び電力配分値をフィードバックする。

このようにすることにより、通信容量を確保しつつ、スループットの向上を図ることができる。

次に、本発明の第４の実施例に係るＭＩＭＯ方式の無線通信システムについて、図８及び図９を参照して説明する。

本実施例に係るＭＩＭＯ方式の無線通信システムは、送受信機の構成は第１の実施例と同様であるため、その説明を省略する。
次に、本実施例に係るＭＩＭＯ無線通信システム１００における受信機１２０の電力配分・ＭＣＳ選択部１１３の構成について説明する。

本実施例に係るＭＩＭＯ無線通信システム１００における受信機１２０の電力配分・ＭＣＳ選択部１１３は、第１の実施例において説明した電力配分・ＭＣＳ選択部１１３に加えて、電力初期化部１１３−１に接続されたアンテナ使用パターン初期化部１１３−５と、電力配分部１１３−４５と接続されたスループット推定部１１３−４６と、スループット推定部１１３−４６と接続されたアンテナ選択部１１３−４７とを備える点で異なる。

アンテナ使用パターン初期化部１１３−５は、全送信電力が一定の条件で、使用するアンテナパターンを電力初期化部１１３−１に入力する。アンテナパターンとは、Ｍ本のアンテナのうち、一部のアンテナを使用する場合にどのアンテナを使用するかを示したものである。

スループット推定部１１３−４６は、現在のアンテナパターンが使用された場合の所望スループットを推定する。アンテナ選択部１１３−４７は、スループット推定部１１３−４６により推定された所望スループットに基づいて、所望スループットが最大となるアンテナパターンを選択し、選択されたアンテナパターンに対応する電力配分値を送信機１１０にフィードバックする。

次に、本実施例に係るＭＩＭＯ無線通信システムにおける電力配分方法について、図９を参照して説明する。

本実施例に係るＭＩＭＯ無線通信システムにおける電力配分方法と第１の実施例に係るＭＩＭＯ無線通信システムにおける電力配分方法とは、ステップＳ１００の前にアンテナ使用パターンの初期化処理が行われる点と、判定の結果電力分配を行わない旨の判断が行われた場合の処理が異なる。

図９に示すように、まず、アンテナ使用パターンの初期化が行われる（ステップＳ９０）。例えば、アンテナ使用パターン初期化部１１３−５は、Ｍ本の受信アンテナのうち、一部分の受信アンテナが使用される場合に、その使用されるアンテナを示したアンテナパターンを電力初期化部１１３−１に入力する（ステップＳ９０）。

ステップＳ１５０での判定の結果、電力配分を行わない旨の判断が行われた場合（ステップＳ１５０：ＮＯ）、電力配分演算部１１３−４のスループット推定部１１３−４６は、現在のアンテナパターンでの所望スループットの推定を行う（ステップＳ２３０）。

次に、アンテナ選択部１１３−４７は、スループット推定部１１３−４６で推定された所望スループットのうち、一番スループットの大きいアンテナパターンを選択し、選択されたアンテナパターンに対応する電力配分値を送信機１１０にフィードバックする（Ｓ２４０）。

受信機１２０からフィードバック情報を受信した送信機１１０は、フィードバック情報に基づいて、レート制御部１０２において各データストリームの符号化＆変調信号が制御され、電力制御部１０４において各データストリームの送信電力が制御される。

また、受信機１２０から送信されたフィードバック信号に基づいて、受信機１２０側の受信特性を推定する受信機側受信特性推定部（図示なし）が備えられている場合には、レート制御部１０２及び電力制御部１０４は、推定された受信特性に基づいて伝送レート及び送信電力を制御する。

次に、本発明の実施例の効果について、図８を参照して説明する。

図８は、本発明の実施例に係る多入力多出力(Multiple Input Multiple Output)無線通信システムの効果を説明するための図である。図８において、Ｙ軸は通信容量を示す。図８によれば、本実施例に係るＭＩＭＯ無線通信システムは、従来の無線通信システムと比べ、明らかな通信容量の向上の効果があることがわかる。

本実施例では、全データストリームに対する電力配分値を、シリアルに計算する方法から、無線通信システムとしてのスループットが最大となるように同時に計算する方法に変更することにより、誤り伝播の影響を軽減することができる。

さらに、電力配分値の計算結果を、電力初期化部及び受信特性推定部にフィードバックして再計算を行うことよって、電力配分値を最適値に接近されることができるため、特性を向上させることができる。

さらに、シリアルに受信信号を検出する方式の受信装置だけではなく，全データストリーム同時に信号を検出する方式の受信装置にも適用できる。

さらに、一部分のアンテナしか使用しない場合にも適用できるので、特に、SINRの低い領域において通信容量を向上させることができる。

本発明に係る無線通信システムは、多入力多出力(Multiple Input Multiple Output)無線通信システムに適用できる。

本発明の実施例に係るＭＩＭＯ方式の無線通信システムの構成を説明するためのブロック図である。 ＭＩＭＯ方式の無線通信システムを構成する受信機における電力配分・ＭＣＳ選択部の構成を説明するためのブロック図である。 ＭＩＭＯ方式の無線通信システムにおける電力配分方法を説明するためのフローチャートである。 本発明の第１の実施例に係るＭＩＭＯ方式の無線通信システムを構成する受信機における電力配分・ＭＣＳ選択部の構成を説明するためのブロック図である。 本発明の第１の実施例に係るＭＩＭＯ方式の無線通信システムにおける電力配分方法を説明するためのフローチャートである。 本発明の第１の実施例に係るＭＩＭＯ方式の無線通信システムにおける電力配分方法を説明するための説明図である。 本発明の第２の実施例に係るＭＩＭＯ方式の無線通信システムにおける電力配分方法を説明するためのフローチャートである。 本発明の第３の実施例に係るＭＩＭＯ方式の無線通信システムを構成する受信機における電力配分・ＭＣＳ選択部の構成を説明するためのブロック図である。 本発明の第３の実施例に係るＭＩＭＯ方式の無線通信システムにおける電力配分方法を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施例に係るＭＩＭＯ方式の無線通信システムの効果を説明するための説明図である。

符号の説明

１００ 無線通信システム
１０５−１〜１０５−Ｎ 送信アンテナ
１１１−１〜１１１−Ｍ 受信アンテナ

Claims (15)

1. 多入力多出力(Multiple Input Multiple Output: MIMO)方式の無線通信システムにおける受信機であって：
   受信されるデータストリームからチャネル推定量を生成するチャネル推定手段；
   前記チャネル推定量に基づいて、各データストリームに配分する電力値に初期値を設定する電力初期化手段；
   各データストリームの受信特性を推定する受信特性推定手段；
   前記受信特性に基づいて、変調と符号化のセットを選択するＭＣＳ選択手段；
   前記変調と符号化のセットに基づいて、各データストリームに配分する電力値を、スループットが最大となるように同時に決定する電力配分演算手段；
   を備えることを特徴とする受信機。
2. 請求項１に記載の受信機において：
   前記ＭＣＳ選択手段は、スループットに基づいて変調と符号化のセットを選択することを特徴とする受信機。
3. 請求項１又は２に記載の受信機において：
   前記電力配分演算手段は、
   各データストリームに対して選択された前記変調と符号化のセットに対応する第１の受信特性値を計算し、前記推定された推定受信特性値を用いて、余剰電力Δ＝（推定受信特性値）−（第１の受信特性値）を計算する余剰電力計算手段；
   前記変調と符号化のセットに対応する受信特性より受信特性の良い変調と符号化セットに対応する第２の受信特性値を計算し、電力差δ＝（第２の受信特性値）−（推定受信特性値）を計算する電力差計算手段；
   電力差δの最小値δ_minを選択し、δ_minとなるデータストリーム以外のデータストリームの和
   

   

   を計算する演算手段；
   ここで、ｍは各データストリームに割り当てられた番号、strminは電力差δが最小値δ_minとなる場合のデータストリームに割り当てられた番号、P_mはｍ番目のデータストリームに対する電力配分値の初期値を示す、
   Δ_sumに基づいて、電力再配分を行うか否かを判断する判断手段；
   前記判断に基づいて、電力配分値を計算する電力配分手段；
   を備えることを特徴とする受信機。
4. 請求項３に記載の受信機において：
   前記判断手段は、Δsumと(10^δmin/10-1)×P_strmin×GPとに基づいて、電力再配分を行うか否かを判断し、
   前記電力配分手段は、前記判断結果に基づいて、
   P_strmin=P_strmin×10^δmin/10
   P_{m(m≠strmin)}=P_{m(m≠strmin)}-((1-10^-Δm/10)/Δ_sum)×P_strmin×(10^δmin/10-1)
   ここで、P_strminは電力差δが最小値δ_minとなるデータストリームに配分される電力配分値を示し、GPは、ガード電力を示す、
   を計算し電力配分値を求めることを特徴とする受信機。
5. 請求項１又は２に記載の受信機において：
   前記電力配分演算手段は、
   各データストリームに対して選択された前記変調と符号化のセットに対応する第１の受信特性値を計算し、前記推定された推定受信特性値を用いて、余剰電力Δ＝（推定受信特性値）−（第１の受信特性値）を計算する余剰電力計算手段；
   前記変調と符号化のセットにおけるスループットよりスループットの高い変調と符号化のセットに対応する受信特性を示す第３の受信特性値を計算し、第２の電力差δ＝（第３の受信特性値）−（推定受信特性値）を計算する第２の電力差計算手段；
   前記変調と符号化のセットにおけるスループットと前記変調と符号化のセットに対応するスループットよりスループットの高い変調と符号化のセットに対応するスループットとの差の最大値Th_maxを選択し、Th_maxとなるデータストリーム以外のデータストリームの和
   

   

   ここで、strmaxはTh_maxに対応するデータストリームの番号を示す、
   を計算する第２の演算手段；
   Δ_sumに基づいて、電力再配分を行うか否かを判断する判断手段；
   前記判断に基づいて、電力配分値を計算する電力配分手段；
   を備えることを特徴とする受信機。
6. 請求項３に記載の受信機において：
   前記変調と符号化のセットにおけるスループットよりスループットの高い変調と符号化のセットに対応する受信特性を示す第３の受信特性値を計算し、第２の電力差δ＝（第３の受信特性値）−（推定受信特性値）を計算する第２の電力差計算手段；
   前記変調と符号化のセットにおけるスループットと前記変調と符号化のセットに対応するスループットよりスループットの高い変調と符号化のセットに対応するスループットとの差の最大値Th_maxを選択し、Th_maxとなるデータストリーム以外のデータストリームの和
   

   

   ここで、strmaxはTh_maxに対応するデータストリームの番号を示す、
   を計算する第２の演算手段；
   前記第２の演算手段の出力Δ_sumに基づいて、電力再配分を行うか否かを判断する第２の判断手段；
   前記第２の判断手段の判断に基づいて、第２の電力配分値を計算する第２の電力配分手段；
   前記電力配分値及び前記第２の電力配分値に基づいて、スループットを見積もるスループット推定手段；
   を備え、
   前記電力配分手段は、見積もられたスループットに基づいて電力配分値を決定することを特徴とする受信機。
7. 請求項５又は６に記載の受信機において：
   前記判断手段は、前記各データストリームに対して選択された変調と符号化のセットに対応するスループットが最大値又は最小値となり、且つ前記変調と符号化のセットに対応する受信特性の差が所定の値以下である場合に電力再配分を行うと判断し、
   前記電力配分手段は、受信特性が等しくなるように電力配分を行うことを特徴とする受信機。
8. 請求項５又は６に記載の受信機において：
   前記判断手段は、Δ_sumと(10^δstrmax/10-1)×P_strmax×GPとに基づいて、電力再配分を行うか否かを判断する、ここで、GPは、ガード電力を示す、
   ことを特徴とする受信機。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の受信機において：
   使用するアンテナのパターンを設定するアンテナパターン設定手段；
   計算された電力配分値に基づいて、スループットを推定するスループット推定手段；
   前記スループットに基づいて使用するアンテナのパターンの選択を行うアンテナ選択手段；
   を備えることを特徴とする受信機。
10. 多入力多出力(Multiple Input Multiple Output : MIMO)方式の無線通信システムにおける送信機であって：
    電力配分値を受信する受信手段；
    前記電力配分値に基づき、受信機側の受信特性を推定する受信機側受信特性推定手段；
    を備えることを特徴とする送信機。
11. 請求項１０に記載の送信機において：
    受信した変調と符号化のセットに基づいて、符号化及び変調処理を行う符号化＆変調手段；
    を備えることを特徴とする送信機。
12. 送信機及び受信機を備える多入力多出力(Multiple Input Multiple Output: MIMO)方式の無線通信システムであって：
    前記送信機は、
    電力配分値を受信する受信手段；
    前記電力配分値に基づき、受信機側の受信特性を推定する受信機側受信特性推定手段；
    を備え、
    前記受信機は、
    受信されるデータストリームからチャネル推定量を生成するチャネル推定手段；
    前記チャネル推定量に基づいて、各データストリームに配分する電力値をスループットが最大となるように同時に決定する電力配分決定手段；
    を備えることを特徴とする無線通信システム。
13. 多入力多出力(Multiple Input Multiple Output: MIMO)方式の無線通信システムにおける電力配分方法であって：
    受信されるデータストリームからチャネル推定量を生成するステップ；
    前記チャネル推定量を生成するステップにおいて生成されたチャネル推定量に基づいて、各データストリームに配分する電力値に初期値を設定するステップ；
    各データストリームの受信特性を推定するステップ；
    前記受信特性を推定するステップにおいて推定された受信特性に基づいて、変調と符号化のセットを選択するステップ；
    前記変調と符号化のセットを選択するステップにおいて選択された変調と符号化のセットに基づいて、各データストリームに配分する電力値をスループットが最大となるように同時に決定するステップ；
    を有することを特徴とする電力配分方法。
14. 請求項１３に記載の電力配分方法において：
    前記各データストリームに対して選択された変調と符号化のセットに対応するスループットが最大値又は最小値となり、且つ前記変調と符号化のセットに対応する受信特性の差が所定の値以下である場合に電力再配分を行うと判断するステップ；
    を有することを特徴とする電力配分方法。
15. 請求項１３又は１４に記載の電力配分方法において：
    使用するアンテナのパターンを設定するステップ；
    計算された電力配分値に基づいて、スループットを推定するステップ；
    前記スループットに基づいて、使用するアンテナのパターンの選択を行うステップ；
    を有することを特徴とする電力配分方法。

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