JPWO2006100767A1 - 無線通信システム - Google Patents

Abstract

複数のアンテナ１１８−１〜１１８−Ｍと、各アンテナ間での受信信号のフェージング相関を測定するフェージング相関測定部１１１と、フェージング相関値に基づいて送信側へのフィードバック情報を生成して送信信号に付加するフェージング相関情報付加部１１５と、受信信号からフィードバック情報を抽出すると共に、当該フィードバック情報に基づいて送信信号の通信方式を選択する選択部１１２とを備える。

Description

この発明は、複数の送信アンテナ及び複数の受信アンテナを用いる多入力多出力（MIMO：Multiple Input Multiple Output）通信方式の無線通信システムに関するものである。

従来のＭＩＭＯ通信方式を用いる無線通信システムとしては、例えば特許文献１に開示されるものがある。このシステムでは、受信側で得られた情報を送信側にフィードバックして特性を改善する。特に、本システムは、必要な信号品質を満足させるために送信電力を制御し、誤りのない通信を実現しようとするものである。

特開２００２−２１７７５２号

従来の無線通信システムでは、良好な特性の改善を図るのにマルチパスが多く存在する電波伝搬の環境が必要である。このため、反射波のない見通しのみのような伝搬環境では、複数の送信アンテナ間の相関が高い場合、これら送信アンテナから送信される個別のデータを復元するためのチャネル分離を正しく行えない。これにより、全ての通信が不正となる可能性があるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、ＭＩＭＯ通信方式で電波伝搬の状況に応じた最適なスループットでの通信を実現できる無線通信システムを得ることを目的とする。

この発明に係る無線通信システムは、複数のアンテナと、各アンテナ間での受信信号のフェージング相関を測定するフェージング相関測定部と、フェージング相関値に基づいて送信側へのフィードバック情報を生成して送信信号に付加するフェージング相関情報付加部と、受信信号からフィードバック情報を抽出すると共に、当該フィードバック情報に基づいて送信信号の通信方式を選択する通信方式選択部とを備える。

このことによって、電波伝搬の環境に応じた制御が可能であるので、通信が不可能となるような状況に陥ることなく、その通信状況に最適な速度で通信することができるという効果がある。

この発明の実施の形態１による無線通信システムの構成を示すブロック図である。 入力信号を用いたフェージング相関を測定する回路を示すブロック図である。 ＭＩＭＯ方式でのフェージング相関とビット誤り特性との関係の一例を示すグラフである。 この発明の実施の形態２による無線通信システムにおけるチャネル推定値を用いたフェージング相関を測定する回路を示すブロック図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための最良の形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による無線通信システムの構成を示すブロック図である。実施の形態１による無線通信システムは、基地局装置１０１及び移動端末１１０から構成される。基地局装置１０１は、複数のアンテナ１０９−１〜１０９−Ｎ（Ｎは、２以上の自然数）を備える。また、移動端末１１０も、複数のアンテナ１１８−１〜１１８−Ｍ（Ｍは、２以上の自然数）を備える。このように、図１の例では、基地局装置１０１及び移動端末１１０が共にＭＩＭＯ通信方式で無線信号を送受信する。なお、基地局装置１０１からの送信、つまり下りリンクのみをＭＩＭＯ通信方式での送信処理とすることも可能である。

また、基地局装置１０１は、アンテナ１０９−１〜１０９−Ｎの他に、チャネルコーディング／ＭＩＭＯ変調部１０２、フェージング相関情報付加部１０３、チャネルデコーディング／ＭＩＭＯ復調部１０４、フィードバック情報抽出／ＭＩＭＯ方式選択部（通信方式選択部）１０５及びチャネル推定／フェージング相関測定部（フェージング相関測定部）１０６を備える。チャネルコーディング／ＭＩＭＯ変調部１０２は、コアネットワーク側から送信されるユーザデータａを入力し、移動端末１１０への送信信号としてチャネルコーディング及びＭＩＭＯ変調処理を実行する。フェージング相関情報付加部１０３は、コーディングされた送信信号に各受信アンテナ間のフェージング相関に基づいたフィードバック情報を多重する。

チャネルデコーディング／ＭＩＭＯ復調部１０４は、入力した受信信号に対して、チャネル推定／フェージング相関測定部１０６によるチャネル推定結果を用いて送信ストリームを分離、復調するためのＭＩＭＯ方式でのデコーディングを実行する。さらに、チャネルデコーディング及び復調処理を実行してコアネットワーク側へのユーザデータｂとして出力する。また、フィードバック情報抽出／ＭＩＭＯ方式選択部１０５は、基地局装置送信のフィードバック情報を抽出して、当該フィードバック情報に基づき適応的に送信信号の変調方式、データレート、ＭＩＭＯ通信方式でのストリーム数などで規定される送信通信方式を選択する。チャネル推定／フェージング相関測定部１０６は、アンテナ１０９−１〜１０９−Ｎを介して受信された信号について受信アンテナ毎及び送信ストリーム毎のチャネル推定や各受信アンテナ間のフェージング相関を測定する。

移動端末１１０も、アンテナ１１８−１〜１１８−Ｍの他に、チャネル推定／フェージング相関測定部（フェージング相関測定部）１１１、フィードバック情報抽出／ＭＩＭＯ方式選択部（通信方式選択部）１１２、チャネルデコーディング／ＭＩＭＯ復調部１１３、チャネルコーディング／ＭＩＭＯ変調部１１４及びフェージング相関情報付加部１１５を備える。チャネル推定／フェージング相関測定部１１１は、アンテナ１１８−１〜１１８−Ｍを介して基地局装置１０１からの受信信号について受信アンテナ毎及び送信ストリーム毎のチャネル推定や各受信アンテナ間のフェージング相関を測定する。

フィードバック情報抽出／ＭＩＭＯ方式選択部１１２は、移動端末送信のフィードバック情報を抽出し、当該フィードバック情報に基づき適応的に送信信号の変調方式、データレート、ＭＩＭＯ通信方式でのストリーム数などで規定される送信通信方式を選択する。チャネルデコーディング／ＭＩＭＯ復調部１１３は、入力した受信信号に対してチャネルデコーディング及びＭＩＭＯ復調処理を実行して受信データｃとして出力する。チャネルコーディング／ＭＩＭＯ変調部１１４では、送信データｄを入力して基地局装置１０１への送信信号としてチャネルコーディング及びＭＩＭＯ変調処理を実行する。フェージング相関情報付加部１１５は、コーディングされた送信信号に各受信アンテナ間のフェージング相関に基づいたフィードバック情報を多重する。

先ず、下り送信について説明する。
基地局装置１０１のチャネルコーディング／ＭＩＭＯ変調部１０２は、コアネットワーク側から移動端末１１０へ送信するユーザデータａを受信する。チャネルコーディング／ＭＩＭＯ変調部１０２は、フィードバック情報抽出／ＭＩＭＯ方式選択部１０５により選択された送信ストリーム数及び送信変調方式に従って、受信したユーザデータａに対して、シリアル−パラレル変換、チャネルコーディング、ＭＩＭＯ変調処理を実行する。フェージング相関情報付加部１０３では、チャネルコーディング／ＭＩＭＯ変調部１０２によりコーディングされた送信信号に対してフェージング相関に基づいたフィードバック情報を多重する。多重されたデータは、アンテナ１０９−１〜１０９−Ｎから移動端末１１０に送信される。

基地局装置１０１から送信された信号は無線伝送路を経て移動端末１１０のアンテナ１１８−１〜１１８−Ｍで受信される。図１の例では、送受信の結合や分離を行う構成部、増幅部、周波数変換部などは省略している。移動端末１１０で受信された信号は、アンテナ１１８−１〜１１８−Ｍを介してチャネル推定／フェージング相関測定部１１１に入力される。チャネル推定／フェージング相関測定部１１１では、受信アンテナ毎、送信ストリーム毎にチャネル推定される。ここでは並行して、チャネル推定／フェージング相関測定部１１１が、各受信アンテナ間のフェージング相関を求めるための処理を行う。

具体的に説明すると、ｉ番目の受信アンテナとｎ番目の受信アンテナ間のフェージング相関ρ_i,nは、下記式（１）で表される。但し、ｘ_iはｉ番目のアンテナの受信信号、ｘ_nはｎ番目のアンテナの受信信号である。またＥ｛ ｝はアンサンブル平均を示し、＊は複素共役を示す。

本実施の形態１による無線通信システムでは、このフェージング相関ρ_inを用いて適切な送信ストリーム数を決定し、その情報を送信側にフィードバックすることにより通信システムのスループットを最適化する。なお、フェージング相関を算出処理する構成については後述する。チャネル推定／フェージング相関測定部１１１は、フェージング相関を測定すると、信号経路１１６を介してフェージング相関情報付加部１１５に出力する。フェージング相関情報付加部１１５では、フェージング相関に基づき移動端末送信におけるＭＩＭＯ制御情報としてフィードバック情報を生成して送信データに多重する。

次に、フィードバック情報抽出／ＭＩＭＯ方式選択部１１２は、チャネル推定／フェージング相関測定部１１１のチャネル推定結果を用いて送信ストリームを分離して復調するためのＭＩＭＯ方式デコーディングを実行する。また並行して、フィードバック情報抽出／ＭＩＭＯ方式選択部１１２は、移動端末送信のためのフィードバック情報の抽出や送信変調方式、ＭＩＭＯ方式を決定する。ここで、下り送信データにフィードバック情報が多重されていれば、フィードバック情報抽出／ＭＩＭＯ方式選択部１０５は、信号経路１１７を介してチャネルコーディング／ＭＩＭＯ変調部１０２に対して当該フィードバック情報に基づいた最適なＭＩＭＯ方式、変調方式、データレートを指示する。一方、チャネルデコーディング／ＭＩＭＯ復調部１１３では、フィードバック情報抽出／ＭＩＭＯ方式選択部１１２から渡されるデータに対して、ＭＩＭＯ復調処理、チャネルデコーディング処理を行い、ユーザデータｃが取り出される。

次に、移動端末１１０からの送信である上り送信について説明する。
移動端末１１０のチャネルコーディング／ＭＩＭＯ変調部１１４は、基地局装置１０１へ伝送するユーザデータｄを入力すると、フィードバック情報抽出／ＭＩＭＯ方式選択部１１２で抽出された基地局装置１０１からのフィードバック情報に基づき、ＭＩＭＯ送信方式、変調方式を決定し、チャネルコーディング及びＭＩＭＯ変調処理を施す。フェージング相関情報付加部１１５では、チャネルコーディング／ＭＩＭＯ変調部１１４によりコーディングされたユーザデータｄに対して、チャネル推定／フェージング相関測定部１１１が測定したフェージング相関に基づいたフィードバック情報を多重する。多重されたデータは、アンテナ１１８−１〜１１８−Ｍを介して基地局装置１０１に送信される。

移動端末１１０から送信されたデータは、無線伝送路を経て基地局装置１０１のアンテナ１０９−１〜１０９−Ｎで受信される。受信信号は、基地局装置１０１内で低雑音増幅、周波数変換、アナログ−デジタル変換等の処理が施され、チャネル推定／フェージング相関測定部１０６によりチャネル推定処理が実行される。ここでも、移動端末１１０と同様に、チャネル推定／フェージング相関測定部１０６が、当該受信信号についての各受信アンテナ間のフェージング相関を測定し、信号経路１０８を介してフェージング相関情報付加部１０３に上り送信のためのフェージング相関情報を渡す。

次に、フィードバック情報抽出／ＭＩＭＯ方式選択部１０５は、上りユーザデータに多重されたフィードバック情報を抽出し、信号経路１０７を介してチャネルコーディング／ＭＩＭＯ変調部１０２にフィードバック情報に基づいた最適なＭＩＭＯ方式、変調方式、データレートを指示する。チャネルデコーディング／ＭＩＭＯ復調部１０４は、チャネル推定／フェージング相関測定部１０６が求めたチャネル推定値を用いて、前述の処理が施された受信信号に対して、ＭＩＭＯアルゴリズムによる復調処理を行い、続いてチャネルデコーディング処理を実行する。これにより、受信信号はユーザデータｂとして復元され、コアネットワーク側に送信される。

次に、フェージング相関を算出処理する構成について説明する。
図２は、入力信号を用いたフェージング相関を測定する回路を示すブロック図であり、図１中の基地局装置１０１におけるアンテナ１０９−ｉ〜１０９−ｎとチャネル推定／フェージング相関測定部１０６のフェージング相関測定部を含む構成、若しくは、移動端末１１０におけるアンテナ１１８−ｉ〜１１８−ｎとチャネル推定／フェージング相関測定部１１１のフェージング相関測定部を含む構成を示している。図２の例は、受信アンテナ１０９−ｉ（若しくは、１１８−ｉ）で得られた受信信号２０１と受信アンテナ１０９−ｎ（若しくは、１１８−ｎ）で得られた受信信号２０２の相関を求めている。

演算部２０３は、受信信号２０１であるｘ_iの信号電力ｘ_i・ｘ_i ^*を算出し、演算部２０５では受信信号２０２であるｘ_nの信号電力ｘ_n・ｘ_n ^*を算出する。また、演算部２０４は、受信信号２０１，２０２の内積として信号電力を求める。演算部２０６では、演算部２０３，２０５で求めた各信号電力の振幅値を用いて、演算部２０４が求めた内積の値を規格化してフェージング相関値を算出する。さらに、演算部２０７が、演算部２０６が求めたフェージング相関値を時間平均する処理を行っている。なお、＊は複素共役を示す。

図３は、演算部２０７が算出するフェージング相関値と誤り率特性との関係の一例を示すグラフである。この結果は、送信アンテナ２本、すなわち２本の個別データストリームを送信し、２本のアンテナで受信し、ＺＦアルゴリズムによりＭＩＭＯ方式での復調を行ったものである。このとき、送信アンテナと受信アンテナは正対で角度は固定とし、規格化ドップラー周波数ｆ_dτ＝２．４１×１０^-7、ビットエネルギー対雑音電力スペクトル密度比（Ｅｂ／Ｎｏ）を４０ｄＢとしている。このグラフの関係より、フェージング相関が高いほど、誤りが増加していることがわかる。これは、アンテナ間の相関が高い場合、ＭＩＭＯ方式での復調におけるチャネル分離が困難になることが原因である。

そこで、本実施の形態１では、このフェージング相関値を、ＭＩＭＯ送信と単一ストリーム送信モードであるＭＩＳＯ（Multiple Input Single Output）送信とのいずれが適切かを判断するためのパラメータとして用い、その結果を送信側にフィードバックする。これにより、伝搬環境に応じた最適な通信が可能となる。このため、フェージング相関測定部１１５では、信号経路１１６を経由してチャネル推定／フェージング相関測定部１１１からフェージング相関情報を受け取り、これを基にＭＩＭＯ制御情報を生成している。

なお、上記実施の形態では、移動端末１１０でフィードバック情報を決定しているが、フェージング相関情報自体を基地局装置１０１側にフィードバックし、基地局装置１０１側で送信方法を決定するように構成してもよい。

次に、本実施の形態のフィードバック情報抽出／ＭＩＭＯ方式選択部による最適なＭＩＭＯ方式を判断する処理について説明する。
先ず、フィードバック情報抽出／ＭＩＭＯ方式選択部は、受信側において予め上位装置から与えられた閾値に対して、フェージング相関値が上回った場合、送信ストリーム数を変更するように送信側に対して要求する。このとき、フィードバックする情報として、１ストリームか複数ストリームかを定義する１ｂｉｔの情報、あるいは送信ストリーム自体を通知する、若しくはフェージング相関値自体を情報として送信する。

フィードバック情報の送信タイミングは、常時通知するか、若しくは送信を要求するタイミングで通知する。常にリンクを張っている通信では常時通知する方法を用いることが有効である。一方、１つのチャネルを共有する通信方式においては、送信要求時にフィードバック情報を通知する。

また、フェージング相関情報付加部によるフィードバック情報の送信は、時間多重による方法、符号多重による方法、直交周波数多重による方法がある。時間多重による方法では、フィードバックする情報を送信するタイミングが予め決められており、符号多重による場合は、フィードバック情報用に符号を割当て、他の送信データと共に符号拡散処理を施し送信する。直交高周波数多重による場合、予め決められたサブキャリアを用いてフィードバック情報を送信する。

以上のように、この実施の形態１によれば、複数の送信アンテナと、複数の受信アンテナと、各受信アンテナ間での受信信号のフェージング相関を測定するフェージング相関測定部と、フェージング相関値に基づいて送信側へのフィードバック情報を生成して送信信号に付加するフェージング相関情報付加部と、受信信号からフィードバック情報を抽出すると共に、当該フィードバック情報に基づいて送信信号の通信方式を選択する選択部とを備える。これにより、電波伝搬の環境に応じた制御が可能となることから、通信が不可能となるような状況に陥ることなく、その通信状況に最適な速度で通信することができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、フェージング相関を受信信号をそのまま用いて算出する例を示した。これに対して、本実施の形態２では、各遅延波及び送信ストリーム毎に求めるチャネル推定値を用いてフェージング相関を求めるものである。

本実施の形態２による無線通信システムの構成は、上記実施の形態１の図１で示す構成と基本的に同様であるが、上述したようにチャネル推定／フェージング相関測定部が各遅延波及び送信ストリーム毎に求めるチャネル推定値を用いてフェージング相関を求める点で異なる。

図４は、この発明の実施の形態２による無線通信システムにおけるチャネル推定値を用いたフェージング相関を測定する回路を示すブロック図である。この図も図２と同様に、図１中の基地局装置１０１におけるアンテナ１０９−ｉ〜１０９−ｎとチャネル推定／フェージング相関測定部１０６のフェージング相関測定部を含む構成、若しくは、移動端末１１０におけるアンテナ１１８−ｉ〜１１８−ｎとチャネル推定／フェージング相関測定部１１１のフェージング相関測定部を含む構成を示している。

チャネル推定／フェージング相関測定部は、受信側で既知となるパイロットシンボルを送信信号に内挿しておき、送信ストリーム毎、受信アンテナ毎に受信信号ｘ_iと既知の参照信号ｒ_iとの相関によりチャネル推定を行う。ｉ番目の受信アンテナのおける、ｋ番目の送信ストリームに対するチャネル推定値ｈ_i,kは、下記式（２）で表される。但し、ｘ_iはｉ番目のアンテナの受信信号、ｒ_kはｋ番目の送信ストリームに内挿されたパイロットシンボル、Ｅ｛ ｝はアンサンブル平均を、＊は複素共役を示す。

ここで、チャネル推定／フェージング相関測定部により求められる、送信アンテナ数Ｋ、受信アンテナ数Ｎで遅延波数ｍを考慮したチャネル推定値ｈ_i,k,mからなるチャネル推定行列Ｈは、下記式（３）で表される。

図４では、演算部２０９が、ｉ番目の受信アンテナの受信信号２０１であるｘ_i乃至ｎ番目の受信アンテナの受信信号２０２であるｘ_nからｉ番目の送信ストリームに対するチャネル推定ベクトルＨ_iを算出し、演算部２１０では、ｉ番目の受信アンテナの受信信号２０１であるｘ_i乃至ｎ番目の受信アンテナの受信信号２０２であるｘ_nからｎ番目の送信ストリームに対するチャネル推定ベクトルＨ_nを算出する。また、演算部２１１は、演算部２０９が求めたチャネル推定ベクトルの内積を求め、演算部２１３は、演算部２１０が求めたチャネル推定ベクトルの内積を求める。さらに、演算部２１２は、演算部２０９，２１０が求めたチャネル推定ベクトルの内積を求める。

演算部２１４では、演算部２１１，２１３で求めた各チャネル推定ベクトルの内積値を用いて、演算部２１２が求めた内積の値を規格化してフェージング相関値を算出する。さらに、演算部２１５が、演算部２１４が求めたフェージング相関値を時間平均する処理を行っている。同様にして他の異なる送信ストリーム間のフェージング相関値を求める。図４で算出されるフェージング相関は、Ｈ行列の推定結果を用いて下記式（４）で求められる。但し、Ｈ行列における十字の上付添え字は、エルミート共役演算を示している。

以上のように、この実施の形態２によれば、上記実施の形態１と同様の効果が得られると共に、遅延波毎にフェージング相関が測定できるので、遅延波の影響を考慮する必要のある方式で有効である。

以上のように、この発明に係る無線通信システムは、受信アンテナ間での受信信号のフェージング相関値に基づくフィードバック情報により送信信号の通信方式を選択するので、電波伝搬の状況に応じた最適なスループットで通信することができ、ＭＩＭＯ通信方式による移動体通信システムなどに好適に利用可能である。

Claims (11)

1. 複数のアンテナと、
   前記各アンテナ間での受信信号のフェージング相関を測定するフェージング相関測定部と、
   前記フェージング相関値に基づいて送信側へのフィードバック情報を生成して送信信号に付加するフェージング相関情報付加部と、
   受信信号から前記フィードバック情報を抽出すると共に、当該フィードバック情報に基づいて送信信号の通信方式を選択する通信方式選択部とを備えた無線通信システム。
2. フェージング相関情報付加部は、フェージング相関に応じて送信ストリーム数の変更を要求するフィードバック情報を生成することを特徴とする請求項１記載の無線通信システム。
3. フェージング相関情報付加部は、フィードバック情報として１ストリームか複数ストリームかを定義する１ビット情報を生成することを特徴とする請求項１記載の無線通信システム。
4. フェージング相関情報付加部は、フィードバック情報としてストリーム数を表す複数ビットの情報を生成することを特徴とする請求項１記載の無線通信システム。
5. フェージング相関情報付加部は、フィードバック情報としてフェージング相関値を通知する情報を生成することを特徴とする請求項１記載の無線通信システム。
6. フェージング相関情報付加部は、予め設定したタイミングでフィードバック情報を送信信号に付加して送信することを特徴とする請求項１記載の無線通信システム。
7. フェージング相関情報付加部は、送信要求時にフィードバック情報を送信信号に付加して送信することを特徴とする請求項１記載の無線通信システム。
8. フェージング相関情報付加部は、フィードバック情報を送信信号に時間多重して送信することを特徴とする請求項１記載の無線通信システム。
9. フェージング相関情報付加部は、フィードバック情報を送信信号に符号多重して送信することを特徴とする請求項１記載の無線通信システム。
10. フェージング相関情報付加部は、フィードバック情報を送信信号に直交周波数多重して送信することを特徴とする請求項１記載の無線通信システム。
11. フェージング相関測定部は、受信信号から求めたチャネル推定値を用いて各アンテナ間での受信信号のフェージング相関を測定することを特徴とする請求項１記載の無線通信システム。
    

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