JP2021145210A - 無線通信装置及び無線通信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の受信信号に対する計算処理量を抑えつつ、通信品質を向上させる。【解決手段】変調された送信信号の１シンボル内で指向性を複数回変化させつつ、送信信号を受信する複数のアンテナと、複数のアンテナが受信した受信信号の振幅及び位相を変更して受信信号パターンを出力するビーム形成部と、ビーム形成部が出力した信号を複数の信号に分割する信号分割部と、信号分割部が分割した複数の信号の全ての組合せの中から、信号数を削減させて復調した場合に通信品質が最も高くなる信号の組合せを特定する解析を行う解析部と、解析部が解析した結果に基づいて、信号分割部が分割した複数の信号の一部を選択する選択部と、選択部が選択した信号をＭＩＭＯ−ＯＦＤＭ復調する復調部とを有することを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、無線通信装置及び無線通信方法に関する。

５ＧＨｚ帯の電波を用いた高速無線アクセスシステムとして、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ規格、１１ｎ規格、１１ａｃ規格に基づく無線ＬＡＮがある。１１ａ規格では、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ:Orthogonal Frequency Division Multiplexing）変調方式をベースとして、マルチパスフェージング環境での特性を安定化させて、最大５４Ｍｂｉｔ／ｓの伝送速度を実現している。さらに、１１ｎ規格では、複数アンテナを用いて同一の無線チャネルで空間分割多重を行うＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）や、２０ＭＨｚの周波数チャネルを２つ同時に利用して４０ＭＨｚの周波数チャネルを利用するチャネルボンディング技術を用いて、最大６００Ｍｂｉｔ／ｓの伝送速度を実現している。また、１１ａｃの規格では、２０ＭＨｚの周波数チャネルを８つまで同時に利用し最大１６０ＭＨｚの周波数チャネルとして利用するチャネルボンディング技術や、同一の無線チャネルで複数の宛先に対して異なる信号を同時伝送する下り回線のマルチユーザＭＩＭＯ技術等を利用し、１１ｎ規格より高速かつ高効率な無線通信を実現している。

現在では、伝送速度の向上に加えて伝送効率の向上にも焦点を当てたＩＥＥＥ８０２．１１ａｘ規格の策定も進められている。１１ａｘでは、同時伝送による空間的な周波数再利用の促進、ＯＦＤＭ変調方式の効率改善、また、マルチユーザ伝送として、上下回線のＯＦＤＭＡ伝送と上り回線のマルチユーザＭＩＭＯ伝送が追加される予定である。

また、高速伝送を行うために、ＣＭＡ（Constant Modulus Algorithm）アダプティブアレーを用いて干渉波を抑制する技術が知られている（例えば非特許文献１参照）。

西森 健太郎、外２名、"ＱＡＭ信号に対するＣＭＡアダプティブアレーの動作解析"、電子情報通信学会論文誌 Ｂ−ＩＩ、１９９６年１２月、Ｖｏｌ．Ｊ７９−Ｂ−ＩＩ Ｎｏ．１２、ｐ．９８４−９９３

しかしながら、従来のＣＭＡアダプティブアレーを用いた技術では、全てのアンテナ特性の受信信号ベクトルを用いて処理を行う必要があるため、受信信号の干渉や雑音の大きさによっては、通信品質が劣化してしまうことがある。

また、近年の５Ｇなどの無線通信システムでは、マッシブＭＩＭＯ伝送のようにアンテナ数の増大が飛躍的に進んでおり、全てのアンテナの受信信号を一括して処理するためには、計算処理量が多くなり過ぎてしまうことがある。

本発明は、複数の受信信号に対する計算処理量を抑えつつ、通信品質を向上させることができる無線通信装置及び無線通信方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様にかかる無線通信装置は、変調された送信信号の１シンボル内で指向性を複数回変化させつつ、前記送信信号を受信する複数のアンテナと、複数の前記アンテナが受信した受信信号の振幅及び位相を変更して受信信号パターンを出力するビーム形成部と、前記受信信号の包絡線の歪成分を最小にするように制御しつつ、前記受信信号の１シンボル内で前記ビーム形成部が前記受信信号の振幅及び位相を複数回変更することによって複数の受信信号パターンを出力するように制御する制御部と、前記ビーム形成部が出力した信号を複数の信号に分割する信号分割部と、前記信号分割部が分割した複数の信号の全ての組合せの中から、信号数を削減させて復調した場合に通信品質が最も高くなる信号の組合せを特定する解析を行う解析部と、前記解析部が解析した結果に基づいて、前記信号分割部が分割した複数の信号の一部を選択する選択部と、前記選択部が選択した信号をＭＩＭＯ−ＯＦＤＭ復調する復調部とを有することを特徴とする。

本発明の一態様にかかる無線通信方法は、変調された送信信号の１シンボル内で指向性を複数回変化させつつ、前記送信信号を受信する受信工程と、受信した受信信号の振幅及び位相を変更して受信信号パターンを出力するビーム形成工程と、前記受信信号の包絡線の歪成分を最小にするように制御しつつ、前記受信信号の１シンボル内で前記受信信号の振幅及び位相を複数回変更することによって複数の受信信号パターンを出力するように制御する制御工程と、出力した複数の受信信号パターンを複数の信号に分割する信号分割工程と、分割した複数の信号の全ての組合せの中から、信号数を削減させて復調した場合に通信品質が最も高くなる信号の組合せを特定する解析を行う解析工程と、解析した結果に基づいて、分割した複数の信号の一部を選択する選択工程と、選択した信号をＭＩＭＯ−ＯＦＤＭ復調する復調工程とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、複数の受信信号に対する計算処理量を抑えつつ、通信品質を向上させることができる。

一実施形態にかかる無線通信システムの構成例を示す図である。 無線端末局の構成例を示す図である。 一実施形態にかかる無線基地局の構成例を示す図である。 （ａ）は、ピーク方向が０度の場合の受信信号パターンを示す図である。（ｂ）は、ピーク方向が９０度の場合の受信信号パターンを示す図である。（ｃ）は、ピーク方向が１８０度の場合の受信信号パターンを示す図である。（ｄ）は、ピーク方向が２７０度の場合の受信信号パターンを示す図である。 ＣＭＡの動作原理の概要を示す図である。 一実施形態にかかる無線通信システムにおける上り回線の通信シーケンスの一例を示す図である。 実施形態にかかる無線通信システムが有する無線端末局の第１変形例を示す図である。 実施形態にかかる無線通信システムが有する無線端末局の第２変形例を示す図である。 比較例の無線基地局の構成例を示す図である。

まず、本発明がなされるに至った背景について説明する。図９は、比較例の無線基地局の構成例を示す図である。無線基地局４は、複数のアンテナ４０、ビーム形成部４１、ＲＦ（Radio Frequency）部４２、Ａ／Ｄ変換部４３、制御部４４、信号分割部４５、及び復調部４６を有する。

なお、図９においては、無線基地局４が受信を行うために要する主な機能ブロックのみを記載しており、一般的に無線基地局に搭載されるそれ以外の機能ブロックについては記載していない。

アンテナ４０は、例えばＭＩＭＯ−ＯＦＤＭ信号を受信する。アンテナ４０は、ビーム形成部４１に接続されており、受信したＭＩＭＯ−ＯＦＤＭ信号をビーム形成部４１に対して出力する。

ビーム形成部４１は、アンテナ４０が受信した受信信号に対して、制御部４４から入力される制御信号に応じて振幅と位相を変更し、変更した信号（受信信号パターン）を合成して、ＲＦ部４２に対して出力する。例えば、ビーム形成部４１は、制御部４４の制御に応じて、受信信号の１シンボル内に複数（例えばＰ個）の受信信号パターンを出力する。

ＲＦ部４２は、ビーム形成部４１から入力されたＭＩＭＯ−ＯＦＤＭ信号に対し、増幅・周波数変更・フィルタリングなどのアナログ処理を施し、処理した信号をＡ／Ｄ変換部４３に対して出力する。つまり、ＲＦ部４２は、一般的な無線装置のＲＦフロントエンドの機能が搭載されている。

Ａ／Ｄ変換部４３は、ＲＦ部４２から入力されるアナログ信号をデジタル信号に変更し、信号分割部４５に対して出力する。また、Ａ／Ｄ変換部４３は、サンプリング周期を制御部４４に対して通知する。ここでは、Ａ／Ｄ変換部４３は、受信信号のシンボルレート対してＰ倍の速度でサンプリングを行う。

制御部４４は、無線基地局４を構成する各部を制御する。例えば、制御部４４は、アンテナ４０が１つのＯＦＤＭシンボルの信号を受信する間に、ビーム形成部４１が受信信号の振幅と位相を複数回（例えばＰ回）変更するように制御を行い、ビーム形成部４１に複数（例えばＰ個）の受信信号パターンを生成させる。

信号分割部４５は、Ａ／Ｄ変換部４３から入力された信号を、制御部４４が制御するアンテナ特性ごとに分割し、復調部４６に対して出力する。

復調部４６は、信号分割部４５が分割した信号に対し、無線ＬＡＮシステム等で規定されるＭＩＭＯ−ＯＦＤＭの復調処理を行う。

つまり、比較例の無線基地局４は、ビーム形成部４１が振幅と位相を変更した全ての信号を合成し、復調部４６が復調する構成となっている。

このとき、無線基地局４は、受信信号の干渉や雑音の大きさによっては、通信品質が劣化してしまうことがある。さらに、近年の５Ｇなどの無線通信システムでは、マッシブＭＩＭＯ伝送のようにアンテナ数の増大が飛躍的に進んでおり、全てのアンテナの受信信号を一括して処理するためには、計算処理量が多くなり過ぎてしまうことがある。

次に、一実施形態にかかる無線通信システムの構成例について説明する。図１は、一実施形態にかかる無線通信システムの構成例を示す図である。図１に示すように、無線通信システムは、例えば、無線通信装置としての無線基地局１と、無線基地局１に対して無線通信可能な範囲であるサービスエリア内に存在するｎ台の無線端末局２−１〜２−ｎとを有する。

無線端末局２−１〜２−ｎは、無線基地局１に対して非同期に上り信号を送信する。以下、無線端末局２−１〜２−ｎのように複数ある構成のいずれかを特定しない場合には、単に無線端末局２などと略記する。

図２は、無線端末局２の構成例を示す図である。図２に示すように、無線端末局２は、例えば変調部２０、Ｄ／Ａ変換部２１、ＲＦ部２２、及びアンテナ２３を有する。なお、図２においては、無線端末局２が送信を行うために要する主な機能ブロックのみを記載しており、一般的に無線端末局に搭載されるそれ以外の機能ブロックについては記載していない。

変調部２０は、例えば無線ＬＡＮシステム等で規定されるＭＩＭＯ−ＯＦＤＭの変調処理を行い、変調した信号をＤ／Ａ変換部２１に対して出力する。

Ｄ／Ａ変換部２１は、変調部２０から入力されたデジタル信号をアナログ信号に変更し、ＲＦ部２２に対して出力する。

ＲＦ部２２は、Ｄ／Ａ変換部２１から入力され信号に対して、増幅・周波数変更・フィルタリングなどの処理を行い、処理した送信信号をアンテナ２３に対して出力する。つまり、ＲＦ部２２は、一般的な無線通信装置のＲＦフロントエンドの機能を備える。

アンテナ２３は、ＲＦ部２２から入力された送信信号を空中に放射する。

図３は、一実施形態にかかる無線基地局１の構成例を示す図である。無線基地局１は、複数のアンテナ１０、ビーム形成部１１、ＲＦ部１２、Ａ／Ｄ変換部１３、制御部１４、信号分割部１５、選択部１６、解析部１７、及び復調部１８を有する。

なお、図３においては、無線基地局１が受信を行うために要する主な機能ブロックのみを記載しており、一般的に無線基地局に搭載されるそれ以外の機能ブロックについては記載していない。

アンテナ１０は、例えばＭＩＭＯ−ＯＦＤＭ信号を受信する。アンテナ１０は、ビーム形成部１１に接続されており、受信したＭＩＭＯ−ＯＦＤＭ信号をビーム形成部１１に対して出力する。より具体的には、アンテナ１０は、変調された送信信号の１シンボル内で指向性を複数回変化させつつ、送信信号を受信する。

ビーム形成部１１は、アンテナ１０が受信した受信信号に対して、制御部１４から入力される制御信号に応じて振幅と位相を変更し、変更した信号（受信信号パターン）を合成して、ＲＦ部１２に対して出力する。例えば、ビーム形成部１１は、制御部１４の制御に応じて、受信信号の１シンボル内に複数（例えばＰ個）の受信信号パターンを出力する。

図４は、ビーム形成部１１が出力した受信信号パターン（アンテナ特性）の一例を示す図である。図４（ａ）は、ピーク方向が０度の場合の受信信号パターンを示す図である。図４（ｂ）は、ピーク方向が９０度の場合の受信信号パターンを示す図である。図４（ｃ）は、ピーク方向が１８０度の場合の受信信号パターンを示す図である。図４（ｄ）は、ピーク方向が２７０度の場合の受信信号パターンを示す図である。

例えば、ビーム形成部１１は、図４に示したように９０°ずつずれた４方向にメインローブ、サイドローブ及びバックローブが生じるように合成を行う。

ＲＦ部１２（図３）は、ビーム形成部１１から入力されたＭＩＭＯ−ＯＦＤＭ信号に対し、増幅・周波数変更・フィルタリングなどのアナログ処理を施し、処理した信号をＡ／Ｄ変換部１３に対して出力する。つまり、ＲＦ部１２は、一般的な無線装置のＲＦフロントエンドの機能が搭載されている。

Ａ／Ｄ変換部１３は、ＲＦ部１２から入力されるアナログ信号をデジタル信号に変更し、信号分割部１５に対して出力する。また、Ａ／Ｄ変換部１３は、サンプリング周期を制御部１４に対して通知する。ここでは、Ａ／Ｄ変換部１３は、受信信号のシンボルレート対してＰ倍の速度でサンプリングを行う。

制御部１４は、無線基地局１を構成する各部を制御する。例えば、制御部１４は、アンテナ１０が１つのＯＦＤＭシンボルの信号を受信する間に、ビーム形成部１１が受信信号の振幅と位相を複数回（例えばＰ回）変更するように制御を行い、ビーム形成部１１に複数（例えばＰ個）の受信信号パターンを生成させる。

ここで、制御部１４は、受信信号の包絡線の歪成分を最小にするように制御しつつ、受信信号の１シンボル内でビーム形成部１１が受信信号の振幅及び位相を複数回変更することによって複数の受信信号パターンを出力するように制御する。

信号分割部１５は、Ａ／Ｄ変換部１３から入力された信号を、制御部１４が制御するアンテナ特性ごとに複数の信号に分割し、選択部１６に対して出力する。

選択部１６は、信号分割部１５から入力されたＰ個の信号を解析部１７に対して出力し、解析部１７から入力される指示信号に従って、信号分割部１５から入力されたＰ個の信号の中からＱ個（ただし、２≦Ｑ＜Ｐ）の信号を選択する。そして、選択部１６は、選択したＱ個の信号を復調部１８に対して出力する。

解析部１７は、選択部１６から入力されたＰ個の信号の全ての組合せの中から、信号数をＱ個に削減させて復調した場合に、通信品質が最も高くなるＱ個の信号の組合せを特定する解析を行う。

ここで、通信品質が最も高い信号の組合せとは、スループットが最大となる信号の組合せ、又は、パケットエラーレートが最小となる信号の組合せなどであるとする。

より具体的には、解析部１７は、Ｐ個の信号の全ての組合せに対して復調した場合の通信品質を算出し、例えばスループットが最大となるＱ個の信号の組合せ、又は、パケットエラーレートが最小となるＱ個の信号の組合せを特定し、特定した信号の組合せ結果を指示信号として選択部１６へ出力する。

復調部１８は、選択部１６から入力されたＱ個の信号に対し、通信データを含む受信信号（シンボル）のＣＭＡ処理による干渉波抑圧と、ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭの復調処理を行う。

なお、無線基地局１は、アンテナ特性を受信信号の１シンボル内でＰ回変化させ、Ａ／Ｄ変換部１３が受信信号のシンボルレートに対してＰ倍の速度でＡ／Ｄ変換を行い、複数の異なる伝搬特性を持つＰ個の仮想ブランチを得る。

従来は、１つのＯＦＤＭシンボル内に取得したＰ個の異なる受信信号をアレーデータとしてＭＩＭＯ−ＯＦＤＭの復調処理を行うためには、異なる時間における伝搬チャネルを取得する必要があった。

これに対し、一実施形態にかかる無線基地局１は、一定包絡線アルゴリズム（ＣＭＡ）をアレーアンテナのウエイト制御に利用している。ＣＭＡでは、送信された信号が一定の包絡線を持つという性質を利用するアレー出力の包絡線の歪成分が最小になるようにウエイトを制御する。

図５は、ＣＭＡの動作原理の概要を示す図である。ＣＭＡは、アレーアンテナの出力信号の包絡線を一定にするようにウエイトを制御することを特徴とする。例えば、ＣＭＡにおいては、希望波である第１到来波と、第２到来波とを合成して合成波ｙ（アレーアンテナの出力電圧）を生成し、合成波ｙと所望の包絡線値σを用いて、下式（１）によって表されるＣＭＡの評価関数による評価が行われる。なお、式（１）におけるＥ［・］は、期待値を求める操作を表す。

そして、ＣＭＡでは、合成波ｙから第２到来波を抑圧して、第１到来波を抽出する。上式（１）に示すＸは、アレーアンテナの受信信号ベクトルになる。

しかし、無線基地局１においては、アレーアンテナから出力される信号が１系統しかない。よって、無線基地局１は、アレーアンテナの異なるアンテナで得られるＸの変わりに、異なるアンテナ特性におけるＰ個の受信信号からなるベクトルを用いる。

ＣＭＡは、タイミング同期を必要としないアルゴリズムであるため、タイミングの同期や伝搬チャネルの推定を必要としない。なお、ＣＭＡの基本的な特徴は、非特許文献１にも記載されている。

つまり、制御部１４は、受信信号の包絡線の歪成分を最小にするように制御しつつ、受信信号の１シンボル内でビーム形成部１１が受信信号の振幅及び位相を複数回変更することによって複数の受信信号パターンを出力するように制御している。

図６は、一実施形態にかかる無線通信システムにおける上り回線の通信シーケンスの一例を示す図である。図６に示すように、一実施形態にかかる無線通信システムでは、例えば無線端末局２−１，２−２が非同期に信号を伝送することが想定される。このとき、無線端末局２−１が送信する信号を希望波である上り回線のＭＩＭＯ−ＯＦＤＭ信号とすると、無線端末局２−２が送信する信号は干渉信号となる。

無線基地局１は、受信ポートが１素子であっても１シンボル内でＡ／Ｄ変換部１３がオーバーサンプリングによる変換を行うことにより、複数のアンテナ特性の異なるブランチを得ることができ、受信信号のみで干渉除去を実現するＣＭＡを複数のパターンの異なるブランチに適用することにより、タイミング同期やチャネル推定が不要となる。

次に、無線通信システムの変形例について説明する。図７は、実施形態にかかる無線通信システムが有する無線端末局２の第１変形例（無線端末局２ａ）を示す図である。

図７に示すように、無線端末局２ａは、パイロット信号生成部２４、変調部２５、Ｄ／Ａ変換部２１、ＲＦ部２２、及びアンテナ２３を有する。なお、上述した構成と実質的に同一の構成には同一の符号が付してある。

パイロット信号生成部２４は、無線基地局１が信号電力と干渉電力の比を算出するための信号、及び無線基地局１がビットエラーレートを算出するための信号をパイロット信号として生成し、変調部２５に対して出力する。

ここで、パイロット信号は、０と１を規則的に並べた信号となり、その規則性は無線基地局１にも共有されているものとする。

変調部２５は、パイロット信号生成部２４から入力されたパイロット信号を含めてＭＩＭＯ−ＯＦＤＭの変調処理を行い、変調した信号をＤ／Ａ変換部２１に対して出力する。

無線通信システムの変形例においては、図３に示した解析部１７は、パイロット信号を用いて各ビームに対する所望の信号電力と干渉電力を算出し、スループットが最大となるＱ個の信号の組合せを特定する。又は、解析部１７は、パイロット信号を用いてパケットエラーレートを算出し、パケットエラーレートが最小となるＱ個の信号の組合せを特定する。

つまり、無線通信システムの変形例では、無線基地局１における計算処理の負荷を軽減するように、無線端末局２ａがパイロット信号を含む信号を送信する。

また、無線端末局２ａは、図８に示した無線端末局２ｂのように、さらにビーム形成部２６が設けられてもよい。ビーム形成部２６は、無線端末局２ｂが送信する信号の例えばスループットを向上させるビームをアンテナ２３が形成するように、信号の振幅及び位相を制御する。

このように、一実施形態にかかる無線通信システムは、通信品質が最も高くなるＱ個の信号の組合せを無線基地局１が特定し、信号数をＰ個からＱ個に削減させて復調を行うので、複数の受信信号に対する計算処理量を抑えつつ、通信品質を向上させることができる。

１・・・無線基地局、２−１〜２−ｎ，２ａ，２ｂ・・・無線端末局、１０・・・アンテナ、１１・・・ビーム形成部、１２・・・ＲＦ部、１３・・・Ａ／Ｄ変換部、１４・・・制御部、１５・・・信号分割部、１６・・・選択部、１７・・・解析部、１８・・・復調部、２０，２５・・・変調部、２１・・・Ｄ／Ａ変換部、２２・・・ＲＦ部、２３・・・アンテナ、２４・・・パイロット信号生成部

Claims (4)

1. 変調された送信信号の１シンボル内で指向性を複数回変化させつつ、前記送信信号を受信する複数のアンテナと、
   複数の前記アンテナが受信した受信信号の振幅及び位相を変更して受信信号パターンを出力するビーム形成部と、
   前記受信信号の包絡線の歪成分を最小にするように制御しつつ、前記受信信号の１シンボル内で前記ビーム形成部が前記受信信号の振幅及び位相を複数回変更することによって複数の受信信号パターンを出力するように制御する制御部と、
   前記ビーム形成部が出力した信号を複数の信号に分割する信号分割部と、
   前記信号分割部が分割した複数の信号の全ての組合せの中から、信号数を削減させて復調した場合に通信品質が最も高くなる信号の組合せを特定する解析を行う解析部と、
   前記解析部が解析した結果に基づいて、前記信号分割部が分割した複数の信号の一部を選択する選択部と、
   前記選択部が選択した信号をＭＩＭＯ−ＯＦＤＭ復調する復調部と
   を有することを特徴とする無線通信装置。
2. 前記解析部は、
   前記送信信号の信号電力及び干渉電力の算出結果、又は、前記送信信号のパケットエラーレートの算出結果に基づいて、信号数を削減させて復調した場合に通信品質が最も高くなる信号の組合せを特定する解析を行うこと
   を特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
3. 変調された送信信号の１シンボル内で指向性を複数回変化させつつ、前記送信信号を受信する受信工程と、
   受信した受信信号の振幅及び位相を変更して受信信号パターンを出力するビーム形成工程と、
   前記受信信号の包絡線の歪成分を最小にするように制御しつつ、前記受信信号の１シンボル内で前記受信信号の振幅及び位相を複数回変更することによって複数の受信信号パターンを出力するように制御する制御工程と、
   出力した複数の受信信号パターンを複数の信号に分割する信号分割工程と、
   分割した複数の信号の全ての組合せの中から、信号数を削減させて復調した場合に通信品質が最も高くなる信号の組合せを特定する解析を行う解析工程と、
   解析した結果に基づいて、分割した複数の信号の一部を選択する選択工程と、
   選択した信号をＭＩＭＯ−ＯＦＤＭ復調する復調工程と
   を含むことを特徴とする無線通信方法。
4. 前記解析工程は、
   前記送信信号の信号電力及び干渉電力の算出結果、又は、前記送信信号のパケットエラーレートの算出結果に基づいて、信号数を削減させて復調した場合に通信品質が最も高くなる信号の組合せを特定する解析を行うこと
   を特徴とする請求項３に記載の無線通信方法。
   

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