JP2009171421A - Ｍｉｍｏ無線通信システム、送信機、受信機およびｍｉｍｏ無線通信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の送信機と１つの受信機の間でMIMO無線通信方式により通信を行う際の通信効率の向上を図る。
【解決手段】複数の送信機（基地局Ａ，Ｂ）と１つの受信機（移動局）の間でMIMO無線通信方式により通信を行うMIMO無線通信システムにおいて、受信機における各送信機からの受信電力の強弱を判定し、受信電力が強い送信機からは空間多重方式で受信機への送信を行い、受信電力が弱い送信機からは送信ダイバーシティ方式で受信機への送信を行うことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、MIMO（Multiple Input Multiple Output）無線通信システム、送信機、受信機およびMIMO無線通信方法に関する。

従来、セルラーシステムにおいてセル端にいる移動局の通信品質を改善するために、複数の基地局間で協調してMIMO技術を用いる方法が、例えば非特許文献１で提案されている。非特許文献１記載の従来技術では、移動局が２つの基地局の各々のセル端の重複部分にいる場合、両方の基地局が時空間符号化（STC：Space Time Coding）方式を用いて該移動局と通信を行う。STC方式は、MIMO技術を用いた無線通信方式（以下、MIMO無線通信方式と称する）の一つであり、所要信号対雑音電力比を低減することができる。STC方式以外にも、MIMO無線通信方式としては、例えば、空間多重（SM：Spatial Multiplexing）方式などが知られている。SM方式は、伝送速度を向上させることができる。
三上学，藤井輝也、"複数基地局間協調MIMOを用いたOFDMシステムにおける下りリンク伝送法の検討"、2007年電子情報通信学会ソサイエティ大会、pp.366

しかし、上述した非特許文献１記載の従来技術では、移動局において、２つの基地局からの受信電力がほぼ等しい場合には効率良く通信を行うことができるが、そうではない場合には通信効率が悪くなるという欠点がある（非特許文献１の図３参照）。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、複数の送信機と１つの受信機の間でMIMO無線通信方式により通信を行う際の通信効率の向上を図ることのできるMIMO無線通信システム、送信機、受信機およびMIMO無線通信方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係るMIMO無線通信システムは、複数の送信機と１つの受信機の間でMIMO無線通信方式により通信を行うMIMO無線通信システムにおいて、前記受信機における前記各送信機からの受信電力の強弱を判定し、受信電力が強い送信機からは空間多重方式で前記受信機への送信を行い、受信電力が弱い送信機からは送信ダイバーシティ方式で前記受信機への送信を行うことを特徴とする。

本発明に係る送信機は、MIMO無線通信方式の送信機において、空間多重方式の送信処理手段と、送信ダイバーシティ方式の送信処理手段と、空間多重方式と送信ダイバーシティ方式を切り替えるスイッチと、受信機からの情報に基づいて前記スイッチを制御するスイッチ制御手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明に係る送信機において、前記スイッチ制御手段は、受信機からの情報に基づいて該受信機における自送信機からの受信電力の強弱を判定し、受信電力が強い場合には空間多重方式を選択し、受信電力が弱い場合には送信ダイバーシティ方式を選択することを特徴とする。

本発明に係る送信機においては、受信機から受信電力情報を受け取ることを特徴とする。
本発明に係る送信機においては、受信機から位置情報を受け取ることを特徴とする。
本発明に係る送信機においては、受信機からMIMO無線通信方式の指定を受けることを特徴とする。

本発明に係る受信機は、MIMO無線通信方式の受信機において、空間多重方式の受信処理手段と、送信ダイバーシティ方式の受信処理手段と、送信機に対して空間多重方式と送信ダイバーシティ方式を切り替えるための情報を送る情報送信手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明に係る受信機において、前記情報送信手段は、送信機からの受信電力を示す情報を該送信機に送ることを特徴とする。
本発明に係る受信機において、前記情報送信手段は、自受信機の位置情報を送信機に送ることを特徴とする。

本発明に係る受信機において、前記情報送信手段は、送信機からの受信電力の強弱を判定し、受信電力が強い場合には該送信機へ空間多重方式を指示し、受信電力が弱い場合には該送信機へ送信ダイバーシティ方式を指示することを特徴とする。

本発明に係るMIMO無線通信方法は、複数の送信機と１つの受信機の間でMIMO無線通信方式により通信を行うMIMO無線通信方法であって、前記受信機における前記各送信機からの受信電力の強弱を判定し、受信電力が強い送信機からは空間多重方式で前記受信機への送信を行い、受信電力が弱い送信機からは送信ダイバーシティ方式で前記受信機への送信を行うことを特徴とする。

本発明によれば、複数の送信機と１つの受信機の間でMIMO無線通信方式により通信を行う際に、通信効率の向上を図ることができるという効果が得られる。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るMIMO無線通信システムの構成を示す概念図である。図１において、MIMO無線通信システムは基地局Ａ，Ｂと移動局を有する。基地局Ａは、移動局との無線通信が可能な範囲となるセル１００Ａを形成する。基地局Ｂは、移動局との無線通信が可能な範囲となるセル１００Ｂを形成する。セル１００Ａ，１００Ｂは、各々のセル端が重複するセル重複領域１１０を有する。基地局Ａ，Ｂは、セル重複領域１１０にある移動局に対して、MIMO無線通信方式により同時に同一周波数で信号を送信する。移動局は、基地局Ａ，Ｂの両方からの信号をMIMO無線通信方式により受信する。

図２は、本発明の概要を説明するための概念図である。図２において、セル重複領域１１０は、３つの領域α，β，γに分割される。領域α，β，γは、移動局における各基地局Ａ，Ｂからの受信電力に応じて分割される。領域α，β，γの分割方法は、図３に示される。領域αは、当該領域にある移動局において、基地局Ａからの受信電力が強く、基地局Ｂからの受信電力が弱い領域である。領域βは、当該領域にある移動局において、基地局Ａからの受信電力も基地局Ｂからの受信電力も、両方とも弱い領域である。領域γは、当該領域にある移動局において、基地局Ａからの受信電力が弱く、基地局Ｂからの受信電力が強い領域である。

移動局が領域βにある場合、移動局において、基地局Ａからの受信電力と基地局Ｂからの受信電力はほぼ等しい。このため、基地局Ａ，Ｂ共に、STC方式を用いて移動局へ信号を送信する。これにより、所要信号対雑音電力比を低減し、通信品質の向上を図る。

移動局が領域α又は領域γにある場合、基地局Ａ，Ｂからの各受信電力は異なる。このため、受信電力の強い方の基地局はSM方式により移動局へ信号を送信し、受信電力の弱い方の基地局はSTC方式により移動局へ信号を送信する。これにより、受信電力の強い方の基地局からSM方式により移動局へ信号を送信することによって伝送速度が向上するので、大きな受信電力を有効活用することができる。一方、受信電力の弱い方の基地局からSTC方式により移動局へ信号を送信することによって所要信号対雑音電力比を低減することができるので、受信電力の弱さを補って通信品質の向上を図ることができる。

このように、複数の基地局（送信機）と１つの移動局（受信機）の間でMIMO無線通信方式により通信を行う際に、移動局において各基地局からの受信電力に差がある場合にはSTC方式とSM方式を使い分けることで、周波数利用効率が向上し、通信効率の向上を図ることが可能になる。

以下、本実施形態に係る基地局（送信機）と移動局（受信機）について詳細に説明する。

図４は、図１に示す基地局に備わる送信機１の構成を示すブロック図である。図１において、誤り訂正符号器２は、入力される送信データを誤り訂正符号化する。インターリーバ３は、その誤り訂正符号化データをインタリーブする。変調器（Symbol Mapping）４は、インタリーブ後のビット列を変調シンボルにマッピングする。変調方式としては、例えば、QPSK（Quadrature Phase Shift Keying）、16QAM（16-positions Quadrature Amplitude Modulation）、64QAM（64-positions Quadrature Amplitude Modulation）などが挙げられる。変調シンボルデータはスイッチ５に入力される。スイッチ５は、入力された変調シンボルデータの出力先を、シリアル−パラレル変換器（S/P）６又はSTCエンコーダ７に切り替える。

シリアル−パラレル変換器６は、変調シンボルデータをパラレル信号に変換する。この変調シンボルデータのパラレル信号はスイッチ８に入力される。STCエンコーダ７は、変調シンボルデータをSTC方式で符号化し、STC符号化データをパラレル信号として出力する。このSTC符号化データのパラレル信号はスイッチ８に入力される。

スイッチ８には、シリアル−パラレル変換器６の出力ポートとSTCエンコーダ７の出力ポートとがそれぞれ入力ポートに接続される。スイッチ８は、シリアル−パラレル変換器６からの入力信号又はSTCエンコーダ７からの入力信号のいずれを出力するのかを切り替える。

スイッチ制御器９は、スイッチ５，８を同期して切り替える。スイッチ制御器９は、SM方式で自送信機を動作させる場合にはスイッチ５，８共にシリアル−パラレル変換器６を選択させる。一方、スイッチ制御器９は、STC方式で自送信機を動作させる場合にはスイッチ５，８共にSTCエンコーダ７を選択させる。

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing：直交周波数分割多重）変調器１０−１，１０−２及び多重器１１−１，１１−２は、２本の送信アンテナＴｘ１，Ｔｘ２の各々に対応して設けられる。これにより、２つの無線送信系統を構成する。

スイッチ８から出力されたパラレル信号は、各無線送信系統に分配され、該当のOFDM変調器１０−１，１０−２に入力される。OFDM変調器１０−１，１０−２は、入力信号を直交周波数分割多重方式で変調する。多重器１１−１，１１−２は、直交周波数分割多重信号に対して、所定のパイロット信号を時間多重する。この多重信号は送信アンテナＴｘ１，Ｔｘ２から送信される。

本送信機がSM方式で動作する場合、変調シンボルデータはシリアル−パラレル変換器６でパラレル信号に変換されて、２つの無線送信系統を用いて送信される。これにより、無線送信速度は倍になる。一方、本送信機がSTC方式で動作する場合、変調シンボルデータはSTCエンコーダ７によりSTC符号化され、STC符号化データが２つの無線送信系統を用いて送信される。これにより、無線送信速度は元のままであるが、所要信号対雑音電力比を低減することができる。

スイッチ制御器９は、移動局（受信機）から受け取った情報に基づいて、自送信機をSM方式で動作させるか、又は、STC方式で動作させるかを決定する。以下、移動局（受信機）から受け取る情報の例を挙げて説明する。

［移動局（受信機）から受信電力を示す情報を受け取る場合］
移動局は、受信電力の測定機能を有し、基地局に対して該基地局からの受信電力を示す受信電力情報（例えば、受信信号強度（Received Signal Strength Indicator：RSSI））を通知する。スイッチ制御器９は、移動局から受け取った受信電力情報を基準値と比較し、自基地局からの受信電力の強弱を判定する。この結果、自基地局からの受信電力が強い場合には、自送信機をSM方式で動作させる。一方、自基地局からの受信電力が弱い場合には、自送信機をSTC方式で動作させる。

［移動局（受信機）から位置を示す情報を受け取る場合］
移動局は、ＧＰＳ（Global Positioning System）等の測位機能を有し、自局の位置を示す位置情報（例えば、緯度、経度）を取得し、該位置情報を基地局に通知する。スイッチ制御器９は、自基地局周辺の地図を有し、移動局から受け取った位置情報に基づいて地図上で移動局から自基地局に至る電波伝搬路のパスロス等の電波環境値を計算する。スイッチ制御器９は、その電波環境値に基づいて、移動局における自基地局からの受信電力を推定する。スイッチ制御器９は、その推定した受信電力を基準値と比較し、自基地局からの受信電力の強弱を判定する。この結果、自基地局からの受信電力が強い場合には、自送信機をSM方式で動作させる。一方、自基地局からの受信電力が弱い場合には、自送信機をSTC方式で動作させる。

［移動局（受信機）からMIMO無線通信方式の指定を受ける場合］
移動局は、受信電力の測定機能を有し、各基地局からの受信電力を測定する。移動局は、測定した各受信電力を基準値と比較し、各基地局からの受信電力の強弱を判定する。この結果、受信電力が強い基地局に対してはSM方式を指定し、受信電力が弱い基地局に対してはSTC方式を指定する。スイッチ制御器９は、移動局から指定されたMIMO無線通信方式で自送信機を動作させる。

図５は、図１に示す移動局に備わる受信機３０の構成を示すブロック図である。図５において、受信機３０は３本の受信アンテナＲｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３を有する。受信機において必要な受信アンテナ数は、STC方式で送信している送信機の数を２で割った商と（２本の送信アンテナを一組としてSTCを行っている場合）、SM方式で送信している送信機の送信アンテナ数の総和との和となる。従って、本実施形態のように、各々２本の送信アンテナを用いる２つの送信機との間でSTC方式およびSM方式を用いて通信する場合、受信機３０は３本の受信アンテナを備える必要がある。

分離器２０−１〜３およびOFDM復調器２１−１〜３は、３本の受信アンテナＲｘ１〜３の各々に対応して設けられる。これにより、３つの無線受信系統を構成する。受信アンテナＲｘ１〜３で受信した受信信号は、分離器２０−１〜３に入力される。分離器２０−１〜３は、受信信号から、時間多重されたパイロット信号を分離する。分離されたパイロット信号は、受信電力計測器２２に入力される。OFDM復調器２１−１〜３は、パイロット信号分離後の受信信号に対して直交周波数分割多重方式の復調を行う。このOFDM復調信号は、最尤推定（MLD：Maximum Likelihood Detection）器２３に入力される。

受信電力計測器２２は、受信信号から分離されたパイロット信号に基づいて、各基地局からの受信電力を計算する。受信機３０は、基地局からの受信電力を示す情報を該基地局へ送信する。

なお、上述した移動局から基地局へ送る情報の例に応じて、移動局から基地局へ情報を送るための構成は以下のように変更する。
［移動局から位置情報を送る場合］
移動局はＧＰＳ等の測位機能を有し、自局の位置を示す位置情報を取得し、該位置情報を基地局に通知する。
［移動局からMIMO無線通信方式を指定する場合］
移動局は、受信電力の測定機能を有し、各基地局からの受信電力を測定する。移動局は、測定した各受信電力を基準値と比較し、各基地局からの受信電力の強弱を判定する。この結果、受信電力が強い基地局に対してはSM方式を指定し、受信電力が弱い基地局に対してはSTC方式を指定する。

最尤推定器２３は、OFDM復調信号に対して、STC方式およびSM方式の受信処理を行う。復調器（Symbol Demapping）２５は、最尤推定器２３の出力信号に対してシンボルデマッピングを行い、軟判定値を得る。デインターリーバ２６は、その軟判定値をデインタリーブする。誤り訂正復号器２７は、そのデインタリーブ後の信号に対して誤り訂正復号を行う。

ここで、最尤推定器２３が行う処理を説明する。図６は、本実施形態に係るMIMO無線通信方式の原理を説明するための概念図である。図６において、基地局Ａは、２本の送信アンテナＴｘ１，Ｔｘ２を用い、STC方式で送信動作している。基地局Ｂは、２本の送信アンテナＴｘ３，Ｔｘ４を用い、SM方式で送信動作している。移動局は、３本の受信アンテナＲｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３を用い、STC方式とSM方式で受信動作している。h_nmは送信アンテナＴｘｎ（ｎは１，２，３，４）と受信アンテナＲｘｍ（ｍは１，２，３）間のチャネルの周波数応答を示している。

図７に、各時刻ｔ，ｔ＋１における、基地局Ａの送信アンテナＴｘ１，Ｔｘ２からの送信信号と基地局Ｂの送信アンテナＴｘ３，Ｔｘ４からの送信信号を示す。なお、*は複素共役を表す。この場合、移動局の受信アンテナＲｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３が受信する信号ｒ_1,t，ｒ_2,t，ｒ_3,t，ｒ_1,t+1，ｒ_2,t+1，ｒ_3,t+1は、（１）式および（２）式で表される。

最尤推定器２３は、この受信信号ｒ₁，ｒ₂，ｒ₃に対して、参照シンボルレプリカを作成し、最尤推定（MLD）により各シンボルを復調する。

上述した実施形態によれば、複数の基地局（送信機）と１つの移動局（受信機）の間でMIMO無線通信方式により通信を行う際に、周波数利用効率を向上させることができる。例えば、基地局Aからの受信電力が小さく、且つ基地局Bからの受信電力が大きい場合、基地局AからはSTC方式で送信することにより移動局における受信電力の弱さを補うことができ、基地局BからはSM方式で送信することにより大きな受信電力を有効利用することができる。

なお、上述の実施形態では、MIMO無線通信方式としてSTC方式とSM方式を例に挙げたが、他の方式を用いることも可能である。例えば、STC方式は送信ダイバーシティ方式の一例であり、STC方式の代わりに他の送信ダイバーシティ方式を用いてもよい。

図８は、本発明の他の実施形態に係るMIMO無線通信システムの構成を示すブロック図である。図８においては、サーバ３０を設ける。基地局Ａ，Ｂとサーバ３０の間は通信回線で接続する。基地局Ａは、移動局から受け取った情報をサーバ３０に送信する。サーバ３０は、その情報に基づいて基地局Ｂで用いるMIMO無線通信方式を決定し、基地局ＢにMIMO無線通信方式を指示する。以下、移動局から受け取る情報の例を挙げて説明する。なお、基地局Ａが自局で用いるMIMO無線通信方式については、上述の実施形態と同様にして決定する。

［移動局から受信電力を示す情報を受け取る場合］
基地局Ａは、移動局から自基地局からの受信電力を示す受信電力情報を受け取る。基地局Ａは、該受信電力情報をサーバ３０へ通知する。サーバ３０は、該受信電力情報に基づいて、移動局における基地局Ｂからの受信電力を推定する。例えば、基地局Ａ，Ｂの各受信電力は反比例するとして、受信電力の推定を行う。サーバ３０は、その推定した受信電力を基準値と比較し、基地局Ｂからの受信電力の強弱を判定する。この結果、基地局Ｂからの受信電力が強い場合には、基地局ＢへSM方式を指示する。一方、基地局Ｂからの受信電力が弱い場合には、基地局ＢへSTC方式を指示する。

［移動局から位置を示す情報を受け取る場合］
基地局Ａは、移動局から移動局の位置情報を受け取る。基地局Ａは、該位置情報をサーバ３０へ通知する。サーバ３０は、基地局Ｂ周辺の地図を有し、移動局から受け取った位置情報に基づいて地図上で移動局から基地局Ｂに至る電波伝搬路のパスロス等の電波環境値を計算する。サーバ３０は、その電波環境値に基づいて、移動局における基地局Ｂからの受信電力を推定する。サーバ３０は、その推定した受信電力を基準値と比較し、基地局Ｂからの受信電力の強弱を判定する。この結果、基地局Ｂからの受信電力が強い場合には、基地局ＢへSM方式を指示する。一方、基地局Ｂからの受信電力が弱い場合には、基地局ＢへSTC方式を指示する。

なお、サーバ３０は、移動局における基地局Ａからの受信電力に基づいて、該移動局がセル重複領域にいる／いないを判断してもよい。サーバ３０は、移動局がセル重複領域にいない場合、つまり、基地局Ａからのみ通信可能であり基地局Ｂから通信不可能な場合には、基地局Ｂに対して移動局に対する送信を行わないように指示する。

さらに他の実施形態として、上述のサーバ３０の機能を基地局Ｂに備えるようにしてもよい。この場合、基地局Ａ，Ｂ間を通信回線で接続し、基地局Ａがサーバ３０へ送っていた情報を基地局Ｂへ送る。基地局Ｂは、基地局Ａから受け取った情報に基づいて、自基地局で用いるMIMO無線通信方式を決定する。

なお、これら他の実施形態において基地局Ａと基地局Ｂの関係を逆にしてもよい。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、上述の実施形態では送信機を２つにしたが、送信機を３つ以上としてもよい。

本発明の一実施形態に係るMIMO無線通信システムの構成を示す概念図である。 本発明の概要を説明するための概念図である。 本発明に係る領域α，β，γの分割方法を示す図表である。 図１に示す基地局に備わる送信機１の構成を示すブロック図である。 図１に示す移動局に備わる受信機３０の構成を示すブロック図である。 本実施形態に係るMIMO無線通信方式の原理を説明するための概念図である。 各時刻における各送信アンテナからの送信信号を示す図表である。 本発明の他の実施形態に係るMIMO無線通信システムの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１…送信機、５，８…スイッチ、６…シリアル−パラレル変換器（空間多重方式の送信処理手段）、７…STCエンコーダ（送信ダイバーシティ方式の送信処理手段）、９…スイッチ制御器、２３…最尤推定器（送信ダイバーシティ方式の受信処理手段、空間多重方式の受信処理手段）、３０…受信機、Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３…受信アンテナ、Ｔｘ１，Ｔｘ２…送信アンテナ

Claims (11)

1. 複数の送信機と１つの受信機の間でMIMO無線通信方式により通信を行うMIMO無線通信システムにおいて、
   前記受信機における前記各送信機からの受信電力の強弱を判定し、受信電力が強い送信機からは空間多重方式で前記受信機への送信を行い、受信電力が弱い送信機からは送信ダイバーシティ方式で前記受信機への送信を行う、
   ことを特徴とするMIMO無線通信システム。
2. MIMO無線通信方式の送信機において、
   空間多重方式の送信処理手段と、
   送信ダイバーシティ方式の送信処理手段と、
   空間多重方式と送信ダイバーシティ方式を切り替えるスイッチと、
   受信機からの情報に基づいて前記スイッチを制御するスイッチ制御手段と、
   を備えたことを特徴とする送信機。
3. 前記スイッチ制御手段は、受信機からの情報に基づいて該受信機における自送信機からの受信電力の強弱を判定し、受信電力が強い場合には空間多重方式を選択し、受信電力が弱い場合には送信ダイバーシティ方式を選択することを特徴とする請求項２に記載の送信機。
4. 受信機から受信電力情報を受け取ることを特徴とする請求項３に記載の送信機。
5. 受信機から位置情報を受け取ることを特徴とする請求項３に記載の送信機。
6. 受信機からMIMO無線通信方式の指定を受けることを特徴とする請求項２に記載の送信機。
7. MIMO無線通信方式の受信機において、
   空間多重方式の受信処理手段と、
   送信ダイバーシティ方式の受信処理手段と、
   送信機に対して空間多重方式と送信ダイバーシティ方式を切り替えるための情報を送る情報送信手段と、
   を備えたことを特徴とする受信機。
8. 前記情報送信手段は、送信機からの受信電力を示す情報を該送信機に送ることを特徴とする請求項７に記載の受信機。
9. 前記情報送信手段は、自受信機の位置情報を送信機に送ることを特徴とする請求項７に記載の受信機。
10. 前記情報送信手段は、送信機からの受信電力の強弱を判定し、受信電力が強い場合には該送信機へ空間多重方式を指示し、受信電力が弱い場合には該送信機へ送信ダイバーシティ方式を指示することを特徴とする請求項７に記載の受信機。
11. 複数の送信機と１つの受信機の間でMIMO無線通信方式により通信を行うMIMO無線通信方法であって、
    前記受信機における前記各送信機からの受信電力の強弱を判定し、
    受信電力が強い送信機からは空間多重方式で前記受信機への送信を行い、
    受信電力が弱い送信機からは送信ダイバーシティ方式で前記受信機への送信を行う、
    ことを特徴とするMIMO無線通信方法。

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