JP4476879B2 - 空間多重伝送用受信方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数のアンテナ素子を用い、同一時間に複数の異なる信号を受信する空間多重伝送用受信方法とその装置に関する。

従来の直交波周波数分割多重方式を用いた受信装置は、１つのアンテナ素子で信号を受信することで、周波数領域に多重された送信信号を復号する受信装置である。
図５に従来の直交波周波数分割多重方式を用いた受信装置の構成を示す。符号９００はアンテナ素子、９１０はＡＧＣ（Automatic Gain Control）、９２０はＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換装置、９３０は信号取得点決定装置、９４０はＦＦＴ（フーリエ変換）装置、９５０は伝達係数推定装置、９６０は伝達係数等化装置、９７０は既知信号位相検出装置、９８０は位相回転量補正装置、９９０はサブキャリア復号装置である。

アンテナ素子９００で受信された信号はＡＧＣ９１０によりＡ／Ｄ変換装置９２０においてダイナミック・レンジに入るようにゲイン設定が行われ、Ａ／Ｄ変換装置９２０によりデジタル信号に変換され、信号取得点決定装置９３０に出力される。信号取得点決定装置９３０では、サンプリング同期用の既知信号から、直交波周波数分割多重（ＯＦＤＭ）シンボルの開始点を求め、ガードインターバルを除去してＦＦＴ装置９４０に出力する。ＦＦＴ装置９４０では、フーリエ変換により時系列の信号を周波数成分の信号に変換し、伝達係数推定装置９５０に出力する。伝達係数推定装置９５０は、入力された信号のうち、伝達係数推定用既知信号から伝達係数の推定を行い、各周波数帯の伝達係数と受信信号を伝達係数等化装置９６０に出力する。伝達係数等化装置９６０は、受信信号に対応する周波数帯の伝達係数を用い、伝送路歪みの補正を行い、補正された受信信号は位相回転量補正装置９８０に出力され、特定の周波数帯に含まれる既知信号は、既知信号位相検出装置９７０に出力される。既知信号位相検出装置９７０は、受信装置において既知である信号を用いて、時間とともに回転する位相の追従を行うため、位相の回転量を算出し、上記位相回転量補正装置９８０に出力する。位相回転量補正装置９８０では、伝達係数等化装置９６０から入力された受信信号に対し、既知信号位相検出装置９７０より入力された位相回転量を用いて補正を行い、サブキャリア復号装置９９０に出力を行う。サブキャリア復号装置９９０では、各周波数帯で得られた信号の復号を行い送信装置において送信された信号を得ることができる。

以下、上記の構成における信号処理の内容を詳細に説明する。ここでは、Ｆ個の周波数分割多重による通信を行うことを考え、送信装置と受信装置との間のｉ番目（1≦ｉ≦Ｆ）の周波数帯の伝搬環境を表す伝達係数をＨ_ｉとする。伝達係数推定装置９５０では、受信信号に含まれる伝達係数推定用既知信号から伝達係数を推定する。推定された伝達係数をＨ_１’〜 Ｈ_Ｆ’と表すと、Ｈ_ｉ’はその伝達係数取得タイミングｔ_０における位相回転量θ（ｔ_０）だけ位相が回っており、Ｈ_ｉ’はＨ_ｉを用いて

と表すことができる。
一方、受信装置において受信され、フーリエ変換（ＦＦＴ）されたｉ番目のサブキャリアの受信タイミングｔにおける受信信号Ｘ_ｉは、送信信号Ｓ_ｉおよび伝達係数Ｈ_ｉを用いて、

と表すことができる。すると、伝達係数等化装置９６０では、伝達係数推定装置９５０で推定されたＨ_ｉ’（（１）式）および受信信号Ｘ_ｉ（（２）式）より推定送信信号Ｓ_ｉ’を以下のように得ることができる。

この推定送信信号Ｓ_ｉ’は（ｔ−ｔ_０）だけ位相が回転してしまい、伝送品質が著しく劣化している。これに対し、既知信号位相検出装置９７０は受信信号Ｘ_ｉのうち、特定の周波数帯（ｊ０）に既知信号Ｓ_ｊ０が含まれることを利用し、推定送信信号Ｓ_j0’を既知信号Ｓ_j0で除算することで、位相変化量θ（ｔ−ｔ_０）を

として推定することができる。そこで、位相回転量補正装置９８０において、受信タイミングｔの推定受信信号Ｓ_１〜Ｓ_Ｆに対し、ｅｘｐ（−ｊθ（ｔ−ｔ_０））を乗算することで、位相回転を補償し、送信信号Ｓ_１〜Ｓ_Ｆを得ることができる。
なお、従来技術として非特許文献１が知られている。
守倉正博、久保田周治、「改訂版８０２．１１高速無線ＬＡＮ教科書」、２００４年、ｐ．１６５−１６７，２１５−２１９

上記の技術は直交波周波数分割多重における通信を可能とするが、同一時間に受信される信号系列に位相雑音のような同期誤差が含まれたり、異なる送信装置からの信号を受信する際には、信号間干渉が問題となり、また伝達係数の推定タイミングのずれや送信装置間の同期が十分でないために位相のずれが生じる。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、空間分割多重方式を用い、信号間干渉が存在し、伝達係数の推定タイミングのずれによる位相ずれが生じる場合においても位相回転を補償することを可能とする、空間多重伝送用受信方法および空間多重伝送用受信装置を提供することを目的とする。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、受信装置に複数のアンテナ素子を備え、直交波周波数分割多重方式を用い、同一時間、同一周波数で複数の送信装置から送信される信号系列を受信し復号を行う際の信号点の位相回転を補償する方法であって、送信装置から複数の送信タイミングにおいて送信された既知信号を受信し、送信装置と受信装置との間の位相のずれを含む伝達係数行列を推定する一次推定伝達係数行列を算出し、前記一次推定伝達係数行列を用いて受信信号の復号を行い、前記復号された信号に含まれる同一時間もしくは複数の時間で受信された直交波周波数多重方式の特定の周波数帯に用いられる既知信号から全信号系列の瞬時位相補正量を算出し、前記瞬時位相補正量を用いて全信号系列の位相回転の時間変動の補正を行う過程を有することを特徴とする空間多重伝送用受信方法である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の空間多重伝送用受信方法において、同時に受信された信号系列の同期が完全にとれていない場合に、複数の受信タイミングの受信信号に含まれる既知信号から各信号系列の位相回転量を算出し、前記各信号系列の位相回転量の前記瞬時位相補正量からの差を位相回転補正量として算出し、前記位相回転補正量を用いて各信号系列の位相回転補正を行う過程を有することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、直交波周波数分割多重方式を用い同一時間に送信されたＮ個の信号系列の送信信号を、Ｍ個のアンテナ素子から同一時間に得られるＭ個の受信信号によって復号を行う空間多重伝送用受信装置において、前記各アンテナ素子に接続され、アナログ／デジタル変換を行うＡ／Ｄ変換装置と、前記Ａ／Ｄ変換装置に接続され、得られたデータのサンプリング同期のための既知信号から直交波周波数分割多重方式のＯＦＤＭ信号の取得点を決定する信号取得点決定装置と、前記ＯＦＤＭ信号にフーリエ変換を行い、各周波数帯の信号を算出するＦＦＴ装置と、前記ＦＦＴ装置に接続され、前記ＯＦＤＭ信号に含まれる伝達係数行列推定のためのＯＦＤＭ既知信号から一次推定伝達係数行列を算出する伝達係数行列一次推定装置と、前記伝達係数行列一次推定装置に接続され、前記一次推定伝達係数行列を用いて、同一時間に受信されたＭ個のＯＦＤＭ信号について復号を行い、各信号系列に含まれる既知信号の復号結果を出力するとともに、所望データ信号の復号結果を出力する空間分割多重復号装置と、各信号系列に対応して設けられ、前記空間分割多重復号装置から入力された各信号系列の既知信号の復号結果から、各信号系列の所定の時間における位相回転量を算出し、その結果を出力する既知信号位相検出装置と、前記既知信号位相検出装置に接続され、入力された各信号系列の所定の時間における位相回転量から、全信号系列の位相回転量を算出して出力するとともに、入力された各信号系列の複数のシンボルタイミングにおける位相回転量を平均することにより各信号系列の位相回転量を算出し、前記算出した各信号系列の位相回転量の前記全信号系列の位相回転量からの差を出力する位相回転補正量算出装置と、前記空間分割多重復号装置から入力された所望データ信号の復号結果に対し、前記位相回転補正量算出装置から入力された、前記所望データ信号の復号結果に対応する時間での全信号系列の位相回転量を元に信号点の補正を行い、一次補正復号結果を出力する共通位相回転量補正装置と、前記共通位相回転量補正装置から入力された一次補正復号結果に対し、前記位相回転補正量算出装置から入力された、前記各信号系列の位相回転量の前記全信号系列の位相回転量からの差を元に信号点の補正を行い、二次補正復号結果を出力する信号系列間位相差補正装置と、前記信号系列間位相差補正装置に接続され、入力された二次補正復号結果の信号点から、所望ビットデータを算出するサブキャリア復号装置と、を備えたことを特徴とする空間多重伝送用受信装置である。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の空間多重伝送用受信装置において、前記既知信号位相検出装置は、入力された複数のシンボルタイミングの位相回転量から決定された全信号系列の位相回転量から、位相の時間変化量の推定値を算出し、時間的に位相回転量の変化が生じないように所定のシンボルタイミングにおける全信号系列の位相回転量を決定し、前記共通位相回転量補正装置に出力することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項３に記載の空間多重伝送用受信装置において、前記既知信号位相検出装置は、入力された複数のシンボルタイミングの位相回転量から決定された全信号系列の位相回転量から、与えられた関数にフィッティングを行い、位相の時間変化量を算出し、位相回転が生じないように所定のシンボルタイミングにおける全信号系列の位相回転量を決定し、前記共通位相回転量補正装置に出力することを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項３または４に記載の空間多重伝送用受信装置において、前記空間分割多重復号装置は、前記一次推定伝達係数行列を用いて、同一時間に受信されたＭ個のＯＦＤＭ信号について復号を行い、各信号系列に含まれる既知信号の復号結果および前記一次推定伝達係数行列に対して推定値として与えられる既知信号の確からしさを前記既知信号位相検出装置に出力するとともに、所望データ信号の復号結果を前記共通位相回転量補正装置に出力し、前記既知信号位相検出装置は、入力された既知信号の復号結果とその確からしさから既知信号の復号結果について重み付けもしくは選択を行い、各信号系列の位相回転量を決定し、前記位相回転補正量算出装置にその結果と確からしさを出力し、前記位相回転補正量算出装置は、前記既知信号位相検出装置から入力された各信号系列の位相回転量とその確からしさをもとに、重み付けもしくは選択を行い、全信号系列の位相回転量を算出し、前記共通位相回転量補正装置に出力し、入力された各信号系列の複数のシンボルタイミングにおける位相回転量について、入力された確からしさをもとに重み付けもしくは選択を行い、前記全信号系列の位相回転量からの差を算出し、前記信号系列間位相差補正装置に出力することを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項３から５のいずれかの項に記載の空間多重伝送用受信装置において、伝搬環境に最適となる送信ウェイトを求める場合を含む実際の伝搬環境を表す伝達係数行列を用いる場合に、前記一次推定伝達係数行列に対し、前記位相回転補正量算出装置で得られた各信号系列の位相回転量と全信号系列の位相回転量の差を用いて補正を行うことで得られる伝達係数行列を用いることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項３から５のいずれかの項に記載の空間多重伝送用受信装置において、伝搬環境に最適となる送信ウェイトを求める場合を含む実際の伝搬環境を表す伝達係数行列を用いる場合に、前記一次推定伝達係数行列に対し、前記位相回転補正量算出装置で得られた全信号系列の位相回転量から得られる時間的位相変化量と前記一次推定伝達係数行列の算出を行ったシンボルタイミングから得られる位相変化量を用いて補正を行うことで得られる伝達係数行列を用いることを特徴とする。

本発明によれば、受信装置において、同一時間に複数の送信装置から送信される信号系列の信号に対し、位相回転の追従を正確に行い、伝送品質の劣化を防ぐことができる。

以下、図１を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１は本発明の実施形態による空間多重伝送用受信装置の構成を示すブロック図である。これは同一時間に複数の送信装置から送信される信号系列を受信し、受信タイミングの異なる複数の既知信号から初期位相ずれを含む伝達係数行列を推定し、信号間干渉を含む複数の受信信号から、位相回転の追従を行い、伝送品質の補償を行う構成を示している。符号１００−１、１００−２〜１００−Ｍ はアンテナ素子、１１０−１、１１０−２〜１１０−ＭはＡＧＣ、１２０−１、１２０−２〜１２０−Ｍ はＡ／Ｄ変換装置、１３０は信号取得点決定装置、１４０はＦＦＴ装置、１５０は伝達係数行列一次推定装置、１６０は空間分割多重復号装置、１７０−１〜１７０−Ｎは既知信号位相検出装置、１７１は位相回転補正量算出装置、１８０は共通位相回転量補正装置、１８１−１〜１８１−Ｎは信号系列間位相差補正装置、１９０はサブキャリア復号装置である。すなわち、アンテナ素子、ＡＧＣ、Ａ／Ｄ変換装置はそれぞれＭ個づつ設けられ、既知信号位相検出装置、信号系列間位相差補正装置は送信される信号系列の数に対応してそれぞれＮ個づつ設けられている。

アンテナ素子１００−１で受信された信号はＡＧＣ１１０−１によりＡ／Ｄ変換装置１２０−１においてダイナミック・レンジに入るようにゲイン設定が行われ、Ａ／Ｄ変換装置１２０−１によりデジタル信号に変換され、信号取得点決定装置１３０の対応するポートに出力される。アンテナ素子１００−２〜１００−Ｍ で受信された信号についても同様に、それぞれＡＧ１１０−２〜１１０−Ｍにおいてゲイン設定が行われ、それぞれＡ／Ｄ変換装置１２０−２〜１２０−Ｍによりデジタル信号に変換され、信号取得点決定装置１３０の対応するポートに出力される。

信号取得点決定装置１３０は、Ｍ個の入力用ポートとＭ個の出力用ポートを有し、サンプリング同期用の既知信号から、ＯＦＤＭシンボルの開始点を求め、ガードインターバルを除去してＦＦＴ装置１４０の対応するポートに出力する。ＦＦＴ装置１４０は、フーリエ変換により各アンテナ素子で受信された時系列の信号を周波数成分の信号に変換し、伝達係数行列一次推定装置１５０に出力する。伝達係数行列一次推定装置１５０は、入力された信号のうち、複数の受信タイミングで得られる伝達係数行列推定用既知信号から、初期位相回転を含む一次推定伝達係数行列を求め、この一次推定伝達係数行列および所望データを含む受信信号を空間分割多重復号装置１６０に出力する。空間分割多重復号装置１６０は、入力された一次推定伝達係数行列を用い、例えばＺＦ（Ｚｅｒｏ Ｆｏｒｃｉｎｇ）やＭＭＳＥ（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ Ｅｒｒｏｒ）、ＳＵＣ（ＳＵｃｃｅｓｓｉｖｅ Ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ）などの復号方法により、同一受信タイミングの受信信号から、位相回転復号信号を算出し、特定の周波数帯に含まれる既知信号の位相回転復号信号を既知信号位相検出装置１７０−１〜１７０−Ｎに出力し、それ以外を共通位相回転量補正装置１８０に出力する。

既知信号位相検出装置１７０−１〜１７０−Ｎでは、受信装置で保持している既知信号と既知信号の位相回転復号結果から、各信号系列における位相回転量を算出し、位相回転補正量算出装置１７１に出力する。位相回転補正量算出装置１７１は、信号系列全体での瞬時位相補正量と、各信号系列での瞬時位相補正量からのずれの算出を行い、それぞれ共通位相回転量補正装置１８０と信号系列間位相差補正装置１８１−１〜１８１−Ｎに出力する。

共通位相回転量補正装置１８０では、位相回転補正量算出装置１７１より入力された信号系列全体での瞬時位相補正量を用い、空間分割多重復号装置１６０より入力された復号信号の位相回転の時間変動の補正を行い、一次補正復号信号として信号系列間位相差補正装置１８１−１〜１８１−Ｎに出力する。信号系列間位相差補正装置１８１−１〜１８１−Ｎでは、位相回転補正量算出装置１７１から入力された各信号系列での瞬時位相補正量からのずれを位相回転補正量として用いて、各信号系列の一次補正復号信号に対し、位相回転の補正を行い、二次補正復号信号をサブキャリア復号装置１９０に出力する。サブキャリア復号装置１９０では、各周波数帯、各信号系列で得られた二次補正復号信号から、送信装置において送信された信号を得ることができる。

以下、上記の構成における信号処理の内容を詳細に説明する。同一時間に送信されたＮ個の信号系列の送信信号にＦ個の周波数分割多重を用いた通信を行うことを考え、送信装置と受信装置との間のｉ番目（１≦ｉ≦Ｆ）の周波数帯における各送信信号系列の伝搬環境を表す伝達係数行列を、以下、Ｈ_ｉとし、次のように表す。

このとき、Ｈ_ｉ，ｊｋはｉ番目の周波数帯におけるｋ番目の信号系列のｊ番目の受信アンテナ素子における伝達係数を表す。

この伝達係数行列を推定するためには、全ての送信装置において伝達係数行列推定のための既知信号Ｓ_０を送信する必要がある。Ｓ_０は（送信信号系列数）×（送信信号系列数）の行列、もしくはこれより多くの配列を持つ行列で表される。以下、簡単のためＳ_０をＮ×Ｎの対角行列と仮定する。これは各送信装置において既知信号をお互いに独立のタイミングで送信することに対応する。

各アンテナ素子で受信された受信信号はＡＧＣ１１０−１、１１０−２〜１１０−Ｍ、Ａ／Ｄ変換装置１２０−１、１２０−２〜１２０−Ｍを経て、最適な信号取得点から選択された時系列の信号をフーリエ変換することでｉ番目の周波数帯における受信タイミングｔの受信信号ｘ_ｉ(t)が得られる（Ｍ×１ベクトル）。伝達係数行列一次推定装置１５０では、受信信号に含まれる伝達係数推定用既知信号の受信信号ｘ_ｉ（Ｔ_１）〜ｘ_ｉ（Ｔ_Ｎ）から一次推定伝達係数行列Ｈ_ｉ’を求める。ここで、伝搬環境推定用受信信号をＸ_ｉ’＝（ｘ_ｉ（Ｔ_１），ｘ_ｉ（Ｔ_２），・・・，ｘ_ｉ（Ｔ_Ｎ））とすると、伝達係数行列Ｈ_ｉと既知信号Ｓ_０を用いて以下のように表すことができる。

上記のＮ_ｉはＭ×Ｎの行列であり、熱雑音から構成される。Φはチャネル行列（伝達係数行列）の推定が複数の受信タイミングにおける信号から行われるために生じる初期位相回転により表せるＮ×Ｎの対角行列であり、

と表すことができる。Ｎ_ｉ’は上記の熱雑音から構成される行列Ｎ_ｉにΦが乗算されたものであるが、Φは位相を回転させる演算子なので、本質的にＮ_ｉと変わらない。
ここで受信信号Ｘ_ｉ’から既知信号を用いて伝達係数行列の推定を行うと、（６）式を用いて一次推定伝達係数行列は

と求めることができる。よって得られたチャネル行列はΦが乗算されていることにより、列成分に位相回転が生じている。

この位相回転項は、例えばＯＦＤＭ取得点決定のための既知信号の繰り返し部分や、ＯＦＤＭ信号のガードインターバルとして実際の送信信号を繰り返していることなどを利用し、位相回転量の粗推定を行い、軽減することができるが、完全に除去することはできない。以下、熱雑音Ｎ_ｉ’’は簡単のため、無視できるほど小さいものとし、一次推定伝達係数行列Ｈ_ｉ’を用い、復号方法としてＺＦを用いた場合について所望データ信号の復号方法を示す。

ｉ番目の周波数帯のある受信タイミングｔの受信信号ｘ_ｉ(t)に対応する、送信装置によって送信された信号（Ｎ×１ベクトル）をｓ_ｉ(t)とする。受信装置ではこのｓ_ｉ(t)を正確に復元することで伝送品質の高い通信を実現できる。受信信号ｘ_ｉ(t)は、送信信号ｓ_ｉ(t)、伝達係数行列Ｈ_ｉを用いて

と表すことができる。ここで、ｎ_ｉ(t)はＭ×１の熱雑音ベクトルである。一次推定伝達係数行列Ｈ_ｉ’の逆行列もしくは擬似逆行列（Ｎ≠Ｍの場合）をＨ_ｉ’^−１と表現することとすると、受信信号に一次推定伝達係数行列Ｈ_ｉ’から前述のＺＦによる復号を行うと、得られる復号信号ｓ_ｉ’(t)は、（８）式（ただし、Ｎ_ｉ’’は無視できるほど小さいものとする）、（９）式を用いて、

と表すことができる。上式でｅｘｐ（ｊθ(t)）Φ^−１をΨ(t)とおいた。上式から分かるように、復号信号ｓ_ｉ’ (t)は位相回転の時変動ｅｘｐ（ｊθ(t)）と、初期位相回転による演算行列Φ^−１により表せる位相回転演算行列Ψ(t)（Ｎ×Ｎの対角行列）により信号位置が回転してしまっている。ここで、Ψ(t)の対角要素を（ψ_１(t)，ψ_２(t)，・・・，ψ_Ｎ(t)）とすると、ｋ番目の信号系列の位相回転量を示す演算子ψ_ｋは

と表すことができる。

そこで、この位相回転の補正を行うために、既知信号位相検出装置１７０−１〜１７０−Ｎは、特定の周波数帯で送信された既知信号とその復号信号を用いて位相回転補正を行う。ここで、既知信号が送信されている周波数帯をｕ番目とし、送信された既知信号を
ｓ_ｕ=（ｓ_ｕ,１ , ｓ_ｕ,２ , ・・・ , ｓ_ｕ,Ｎ）^Ｔとする。このときｕ番目のサブキャリアについて（１０）式より得られる復号信号ｓ_ｕ’(t)=（ｓ_ｕ,１’(t) , ｓ_ｕ,２’(t) , ・・・ , ｓ_ｕ,Ｎ’(t)）^Ｔは、

と表せる。ここで、（１２）式のψ_ｕ,ｋ(t)（１≦ｋ≦Ｎ）は（１１）式のψ_k(t)に対応する。また、（g_１(t) , g_２(t) , ・・・ , g_Ｎ(t)）^ＴはＨ_ｕ ^−１ｎ_ｕ’(t)による熱雑音を表すが、重みＨ_ｕ ^−１が乗算されているため、それぞれ異なる大きさを持つ。既知信号ｓ_ｕの対応する要素で、ｓ_ｕ’ベクトルの各要素を割り算することで、各信号系列の位相回転量の推定値ψ’_ｕ,１(t)〜ψ’_ｕ,Ｎ(t)（Ｎ×１ベクトル）は以下のように表せる。

またさらに既知信号ｓ_ｕ,１〜ｓ_ｕ,Ｎの大きさをそれぞれ１と仮定すれば上式は、

と各信号系列での位相回転量を推定することができる。なお、既知信号が送信される周波数帯は一つである必要はなく、複数のサブキャリアから得られる既知信号から各信号系列の位相回転量を推定することができる。

以上によって得られた位相回転の推定量推定値ψ’_ｕ,１(t)〜ψ’_ｕ,Ｎ(t)を各信号系列に用いることで、位相回転補償を実現する（請求項１）。一般に既知信号を送信することができる周波数帯は少なく、フェージング、信号間干渉の影響などによりこれらに含まれる雑音g_１〜g_Ｎは無視できない大きさとなることが考えられ、また、各信号系列の同期がとれていない場合これらを除去できず、十分に位相回転を補償することができない。ここで、一つもしくは複数の周波数帯の既知信号の受信信号を用い、推定されたk番目の信号系列に対する位相回転量をΘ_ｋとすると、

と表すことができる。ここで、θ_n,1(t)〜θ_n,N(t)は位相回転量の推定誤差を表し、熱雑音g_１〜g_Ｎに対応する大きさを持つため信号系列においてその大きさは異なる。また、時間変動による位相変動θ(t) は全信号系列で共通して用いることができ、伝達係数行列推定時の受信タイミングの違いにより生じる初期位相誤差θ(T_１)〜θ(T_Ｎ)は各信号系列で推定する必要がある。

よって位相回転補正量算出装置１７１においては、θ(t)による位相の時変動を除去するために時間変動補正位相Γ(t)を以下のように算出する。

ここで、Ｗ_ｋは各信号系列の位相回転量推定値の確からしさに対応する重みづけであって、ΣＷ_ｋは１であり、（１５）式の推定誤差θ_ｎ,１(t)〜θ_ｎ,Ｎ(t)の影響を軽減するように設定される。（１６）式に（１５）式を代入してΓ(t)を書き直すと

と表すことができる。θ_ｎ,ｋ(t)は雑音成分であるため、足しあわされることでその大きさは小さくなっており、位相回転の時間変動について精度よく補正を行うことができる。復号信号ｓ_ｉ ^’ (t)は共通位相回転量補正装置１８０において、まずこの時間変動補正位相Γ(t)により補正を受ける。

次に、位相回転補正量算出装置１７１は、各信号系列で生じる位相のずれを補償するための信号系列間位相補正量γ₁〜γ_Nを以下のように算出する。

Ｔ_st(t)は積分を開始する受信タイミング、Ｔ_fin(t)は積分を終了する受信タイミングであり、w(t,k)はｔ番目の受信タイミングの信号系列間位相補正量γを求めるために用いるk番目の受信タイミングの位相変化量に乗算する重みであり、kについて積分すると１になるように決定され、（１５）式の推定誤差θ_ｎ,１(t)〜θ_ｎ,Ｎ(t)の影響を軽減するように設定される。（１８）式に（１５）式を代入してγ₁〜γ_Nを書き直すと、

と表すことができ、Γ（ｔ）に対する各信号系列の位相補正値が示されている。このように複数の受信タイミングのデータを利用することで、推定誤差の影響はより低減される。ここで得られたγ₁〜γ_Nを信号系列間位相差補正装置１８０−１〜１８０−Ｎにおいて各信号系列の復号信号に補正を行うことで位相回転による伝送品質劣化を低減することができる。

以上から、共通位相回転量補正装置１８０、信号系列間位相差補正装置１８０−１〜１８０−Ｎにおける位相回転の補正は次のように行う。（１０）式で得られる復号信号ｓ_ｉ’(t)は、（１２）式に（１１）式を代入することにより、

と書き直すことができる。以下、位相回転の補正に着目するため、熱雑音の項を省略し、

と表すことにする。共通位相回転量補正装置１８０では、まずｅｘｐ(−ｊΓ(t))により時間変動成分を補正する。すなわち、（２１）式にｅｘｐ(−ｊΓ(t))を乗算し（１７）式を代入して得られる一次補正復号信号をｓ_ｉ ^’’とすると、

と表すことができ、各信号系列において時間変動による位相変化はなくなり、一定した位相のずれが得られるようになる。さらに、信号系列間位相差補正装置１８０−１〜１８０−Ｎでは、各信号系列にｅｘｐ(ｊγ₁(t))〜ｅｘｐ(ｊγ_N(t))を乗算し、これら位相のオフセットを除去する。すなわち、（２２）式の各成分にそれぞれｅｘｐ(ｊγ₁(t))、・・・、ｅｘｐ(ｊγ_N(t))を乗算して得られる二次補正復号信号をｓ_ｉ ^’’’とすると、

と表すことができ、位相回転は位相雑音θ_ｎ,ｋ(t)のみから構成されるものとなっている。また、多数の位相雑音を足し合わせていることから、位相誤差の著しい軽減が期待できる。（請求項２、３、６）

また、位相回転補正量算出装置１７１において、θ(t)による位相の時変動を除去するため時間変動補正位相Γ（ｔ）を以下のように算出することもできる。

ここで、ω_ｌ,ｔは受信タイミングｔの復号信号に用いる、l番目の受信タイミングの位相回転量推定値に乗算する重みづけであり、ω_ｌ,ｔをlについて受信タイミングＴ_st(t)からＴ_fin(t)まで積分すると１となるように決定される。このように制御することで、位相雑音の加算回数を増やすことができ、より位相回転量の推定誤差を低減することができる。（請求項２、４）

また、位相回転補正量算出装置１７１において、θ(t)による位相の時変動を除去するため時間変動補正位相Γ（ｔ）をなんらかの関数で仮定し、その関数にフィッティングを行うことで、決定することができる。例えば、以下のような一次関数を仮定する。

得られる位相回転量Θ_k(t)とその信頼度を考慮し、上式との誤差が最小となるようなａとｂを算出し、ここで得られたΓ(t)を共通位相回転量補正装置１８０において用いることができる。（請求項５）

また、伝達係数行列Ｈ_ｉを、例えば送信ウェイト決定のために求める必要がある場合には、γ₁(t)〜γ_N(t)、もしくはΣγ₁(t)〜Σγ_N(t)を対角成分にもつＮ×Ｎの対角行列を一次推定伝達係数行列Ｈ_ｉ ^’に乗算することで得ることができる。（請求項７）

また、伝達係数行列Ｈ_ｉを、例えば送信ウェイト決定のために求める必要がある場合には、時間変動補正位相の時間変動量Γ(t)と伝達係数行列推定タイミングＴ₁〜Ｔ_Nから

と表すことができるＮ×Ｎの対角行列を一次推定伝達係数行列Ｈ_ｉ ^’に乗算することで得ることができる。（請求項８）

また、上記の制御方法は位相の時間変動をθ(t)とし、全ての信号系列で同じと仮定したが、実際には同期の微小なずれなどにより、各信号系列で異なる値となることがありうる。ただし、k番目の信号系列の時間変動成分をθ_k(t)と仮定すると、

が成り立てば、この変化はγ₁(t)〜γ_N(t)によって補償することができ、同様に用いることができる。

また、上記の制御方法は伝達係数行列の推定のための既知信号Ｓ_０を対角行列であると仮定したが、Ｓ_０が対角行列ではない各列ベクトルが互いに直交する行列を用いた場合には、一次推定伝達係数行列の位相ずれを例えばＯＦＤＭ取得点決定のための既知信号の繰り返し部分や、ＯＦＤＭ信号のガードインターバルとして実際の送信信号を繰り返していることなどを利用し、位相回転量の粗推定による結果から補正しておくことで、同様に上記の制御方法で位相の回転を精度よく補正することができる。
また、（１６）式以下、位相回転量の推定を信号点の位相θを用いて説明したが、重みを用いた平均化などの処理は、ｅｘｐ（−ｊφ）等で表せる位相回転に対応する演算子を同様に用いることができる。
また、複数の送信装置がそれぞれ複数の送信素子を持っている場合において、それぞれのアンテナから独立の信号系列を送信したり、指向性制御による送信を行ったりした場合においても、それぞれの信号系列から既知信号が予め送信され、伝達係数が既知であれば、同様の処理を行うことができる。

以下、図２〜４を参照して本発明の実験結果を示す。この実験では、それぞれ１本のアンテナを具備する送信装置４つと、４本のアンテナを具備する受信装置との間で、IEEE 802.11a(IEEE、“Part 11: Wireless LAN Medium Access Control(MAC) and Physical Layer(PHY) specifications : High-speed Physical Layer in the 5 GHz Band"、IEEE 802.11a-1999、Dec. 1999.)で定められた規格に基づき送信装置において、伝搬環境に最適となる指向性制御を用い、４つの独立する信号系列を、空間多重分割方式および直交波周波数多重分割方式により伝送した。

送信に用いた４つの信号系列のブロック図を図２に示す。送信信号はサンプリング同期用既知信号、４つの伝達係数行列推定用既知信号、５０のデータ信号から構成され、それぞれ図のようなタイミングで送信を行った。各受信アンテナにおける平均受信レベルは約３０ｄＢであった。４つの信号系列それぞれにおいて得られる６４の周波数帯のうち中央の５３の周波数帯を用いることとし、中心となる２６番目の周波数帯は使用しないこととした。そして、位相同期のための既知信号を６、２０、３４、４８番目の周波数帯に入れるものとし、これらの情報を基に４つの信号系列の位相回転補償を行う。

図３は、従来の方法により位相回転量を推定した結果を示すグラフである。すなわち、各信号系列において、各周波数帯の既知信号に受信レベルに応じて重みづけを行い、位相回転量を推定した結果である。横軸に受信シンボルタイミングをとり、縦軸に位相回転量をとった。図３はシンボルタイミングにより推定された位相回転量がばらついており、位相回転補償が精度よく行われないことを示している。

これに対し、図４は、請求項２および４の方法および装置により位相回転量を推定した結果である。（１８）式におけるT_fin(t)をt+2、T_st(t)をt-2、ｗ(t,k)を１／５と設定し、t＝1,2におけるγ_i(t)として、γ_i(3)を用い、t=49,50におけるγ_i(t)として、γ_i(47)を用いることとした。また、（２４）式におけるT_fin(t)をt+1, T_st(t)をt-1、ω_t-1,t=１／３、ω_t,t=２／３、ω_t+1,t=２／３とし、Ｗ_kをk番目の信号系列に対応する、伝達係数行列の逆行列の行成分のノルム値の逆数と設定した。図４は請求項２および４の方法および装置により、雑音による誤差を軽減し、位相回転量を精度よく求められることを示している。

本発明によれば、空間分割多重を用いた通信において、位相回転による伝送品質の劣化を軽減することができる。

本発明の実施形態における空間多重伝送用受信装置の構成を示すブロック図である。 実験において送信に用いた４つの信号系列のブロック図である。 実験装置を用い、従来の方法により位相回転量を推定した結果を示すグラフである。 実験装置を用い、本発明により位相回転量を推定した結果を示すグラフである。 従来の直交波周波数分割多重を用いた受信装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１００−１、１００−２〜１００−Ｍ…アンテナ素子
１１０−１、１１０−２〜１１０−Ｍ…ＡＧＣ
１２０−１、１２０−２〜１２０−Ｍ…Ａ／Ｄ変換装置
１３０…信号取得点決定装置
１４０…ＦＦＴ装置
１５０…伝達係数行列一次推定装置
１６０…空間分割多重復号装置
１７０−１〜１７０−Ｎ…既知信号位相検出装置
１７１…位相回転補正量算出装置
１８０…共通位相回転量補正装置
１８１−１〜１８１−Ｍ…信号系列間位相差補正装置
１９０…サブキャリア復号装置
９００…アンテナ素子
９１０…ＡＧＣ
９２０…Ａ／Ｄ変換装置
９３０…信号取得点決定装置
９４０…ＦＦＴ装置
９５０…伝達係数推定装置
９６０…伝達係数等価装置
９７０…既知信号位相検出装置
９８０…位相回転量補正装置
９９０…サブキャリア復号装置

Claims (8)

1. 受信装置に複数のアンテナ素子を備え、直交波周波数分割多重方式を用い、同一時間、同一周波数で複数の送信装置から送信される信号系列を受信し復号を行う際の信号点の位相回転を補償する方法であって、
   送信装置から複数の送信タイミングにおいて送信された既知信号を受信し、送信装置と受信装置との間の位相のずれを含む伝達係数行列を推定する一次推定伝達係数行列を算出し、前記一次推定伝達係数行列を用いて受信信号の復号を行い、前記復号された信号に含まれる同一時間もしくは複数の時間で受信された直交波周波数多重方式の特定の周波数帯に用いられる既知信号から全信号系列の瞬時位相補正量を算出し、前記瞬時位相補正量を用いて全信号系列の位相回転の時間変動の補正を行う過程を有することを特徴とする空間多重伝送用受信方法。
2. 請求項１に記載の空間多重伝送用受信方法において、
   同時に受信された信号系列の同期が完全にとれていない場合に、複数の受信タイミングの受信信号に含まれる既知信号から各信号系列の位相回転量を算出し、前記各信号系列の位相回転量の前記瞬時位相補正量からの差を位相回転補正量として算出し、前記位相回転補正量を用いて各信号系列の位相回転補正を行う過程を有することを特徴とする空間多重伝送用受信方法。
3. 直交波周波数分割多重方式を用い同一時間に送信されたＮ個の信号系列の送信信号を、Ｍ個のアンテナ素子から同一時間に得られるＭ個の受信信号によって復号を行う空間多重伝送用受信装置において、
   前記各アンテナ素子に接続され、アナログ／デジタル変換を行うＡ／Ｄ変換装置と、
   前記Ａ／Ｄ変換装置に接続され、得られたデータのサンプリング同期のための既知信号から直交波周波数分割多重方式のＯＦＤＭ信号の取得点を決定する信号取得点決定装置と、
   前記ＯＦＤＭ信号にフーリエ変換を行い、各周波数帯の信号を算出するＦＦＴ装置と、
   前記ＦＦＴ装置に接続され、前記ＯＦＤＭ信号に含まれる伝達係数行列推定のためのＯＦＤＭ既知信号から一次推定伝達係数行列を算出する伝達係数行列一次推定装置と、
   前記伝達係数行列一次推定装置に接続され、前記一次推定伝達係数行列を用いて、同一時間に受信されたＭ個のＯＦＤＭ信号について復号を行い、各信号系列に含まれる既知信号の復号結果を出力するとともに、所望データ信号の復号結果を出力する空間分割多重復号装置と、
   各信号系列に対応して設けられ、前記空間分割多重復号装置から入力された各信号系列の既知信号の復号結果から、各信号系列の所定の時間における位相回転量を算出し、その結果を出力する既知信号位相検出装置と、
   前記既知信号位相検出装置に接続され、入力された各信号系列の所定の時間における位相回転量から、全信号系列の位相回転量を算出して出力するとともに、入力された各信号系列の複数のシンボルタイミングにおける位相回転量を平均することにより各信号系列の位相回転量を算出し、前記算出した各信号系列の位相回転量の前記全信号系列の位相回転量からの差を出力する位相回転補正量算出装置と、
   前記空間分割多重復号装置から入力された所望データ信号の復号結果に対し、前記位相回転補正量算出装置から入力された、前記所望データ信号の復号結果に対応する時間での全信号系列の位相回転量を元に信号点の補正を行い、一次補正復号結果を出力する共通位相回転量補正装置と、
   前記共通位相回転量補正装置から入力された一次補正復号結果に対し、前記位相回転補正量算出装置から入力された、前記各信号系列の位相回転量の前記全信号系列の位相回転量からの差を元に信号点の補正を行い、二次補正復号結果を出力する信号系列間位相差補正装置と、
   前記信号系列間位相差補正装置に接続され、入力された二次補正復号結果の信号点から、所望ビットデータを算出するサブキャリア復号装置と、
   を備えたことを特徴とする空間多重伝送用受信装置。
4. 前記既知信号位相検出装置は、入力された複数のシンボルタイミングの位相回転量から決定された全信号系列の位相回転量から、位相の時間変化量の推定値を算出し、時間的に位相回転量の変化が生じないように所定のシンボルタイミングにおける全信号系列の位相回転量を決定し、前記共通位相回転量補正装置に出力することを特徴とする請求項３に記載の空間多重伝送用受信装置。
5. 前記既知信号位相検出装置は、入力された複数のシンボルタイミングの位相回転量から決定された全信号系列の位相回転量から、与えられた関数にフィッティングを行い、位相の時間変化量を算出し、位相回転が生じないように所定のシンボルタイミングにおける全信号系列の位相回転量を決定し、前記共通位相回転量補正装置に出力することを特徴とする請求項３に記載の空間多重伝送用受信装置。
6. 前記空間分割多重復号装置は、前記一次推定伝達係数行列を用いて、同一時間に受信されたＭ個のＯＦＤＭ信号について復号を行い、各信号系列に含まれる既知信号の復号結果および前記一次推定伝達係数行列に対して推定値として与えられる既知信号の確からしさを前記既知信号位相検出装置に出力するとともに、所望データ信号の復号結果を前記共通位相回転量補正装置に出力し、
   前記既知信号位相検出装置は、入力された既知信号の復号結果とその確からしさから既知信号の復号結果について重み付けもしくは選択を行い、各信号系列の位相回転量を決定し、前記位相回転補正量算出装置にその結果と確からしさを出力し、
   前記位相回転補正量算出装置は、前記既知信号位相検出装置から入力された各信号系列の位相回転量とその確からしさをもとに、重み付けもしくは選択を行い、全信号系列の位相回転量を算出し、前記共通位相回転量補正装置に出力し、入力された各信号系列の複数のシンボルタイミングにおける位相回転量について、入力された確からしさをもとに重み付けもしくは選択を行い、前記全信号系列の位相回転量からの差を算出し、前記信号系列間位相差補正装置に出力することを特徴とする請求項３または４に記載の空間多重伝送用受信装置。
7. 伝搬環境に最適となる送信ウェイトを求める場合を含む実際の伝搬環境を表す伝達係数行列を用いる場合に、前記一次推定伝達係数行列に対し、前記位相回転補正量算出装置で得られた各信号系列の位相回転量と全信号系列の位相回転量の差を用いて補正を行うことで得られる伝達係数行列を用いることを特徴とする請求項３から５のいずれかの項に記載の空間多重伝送用受信装置。
8. 伝搬環境に最適となる送信ウェイトを求める場合を含む実際の伝搬環境を表す伝達係数行列を用いる場合に、前記一次推定伝達係数行列に対し、前記位相回転補正量算出装置で得られた全信号系列の位相回転量から得られる時間的位相変化量と前記一次推定伝達係数行列の算出を行ったシンボルタイミングから得られる位相変化量を用いて補正を行うことで得られる伝達係数行列を用いることを特徴とする請求項３から５のいずれかの項に記載の空間多重伝送用受信装置。
   
   

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