JP4894561B2 - 通信装置及びウェイト更新方法 - Google Patents
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Description
また、マルチアンテナ技術に関する用語として、MIMO(Multiple Input Multiple Output)がある。MIMOとは、通信用語として用いられる場合、送信側及び受信側両方が複数のアンテナを用いる通信方式を指すことが多いが、マルチアンテナ技術全般を指して使われることもある。
(1)空間ダイバーシチ(Spatial Diversity)
(2)合成利得(Coherent Gain)
(3)干渉波除去(Interference Mitigation)
(4)空間多重(Spatial Multiplexing)
前記合成利得は、受信側・送信側の各アンテナの信号に対して伝搬路の情報(振幅、位相の変化)を利用した重みをかけることで、希望方向からの受信電力と雑音の比を大きくすることである。
前記空間多重は、干渉波除去を応用して同時に複数の通信路を確立する方法である。一人のユーザが複数のアンテナから異なる信号を送信して通信容量を増やす方法と、複数のユーザが同時に通信を行って周波数利用効率を高める方法とがある。後者の方法は、SDMA(Space Division Multiple Access)と呼ばれる。
OFDM方式は、複数の搬送波(サブキャリア)を周波数軸上に多数配置するとともに、複数の搬送波を一部重ならせて周波数利用効率を上げたものである。OFDMは、地上波デジタル放送、無線LANなどの伝送方式に採用されている。
例えば、ウェイトは、マルチアンテナ技術において上記(2)の合成利得により、希望波方向からの受信電力と雑音電力の比を大きくして、希望波方向に強い指向性を向ける(ビームフォーミング)場合に用いられる。
なお、ビームフォーミングでは、希望波方向に強い指向性を向けるのに加えて、希望波以外の受信信号による影響を小さくすることもできる。
定常状態(伝搬係数に時間的に変化がない場合)においては、ある程度の回数以上のウェイトの更新を行うことで、ウェイトの計算結果が収束し、干渉信号や雑音信号の影響を小さくすることができる。
図11は、特許文献1の図8の信号配列図を示している。この信号配列図は、OFDM方式による地上デジタルテレビ放送方式の信号配列である。同図では、縦軸をシンボル方向(時間軸方向)iとし、横軸をキャリア方向(周波数軸方向)kとしたキャリア−シンボル空間上のサブキャリア配置を示している。図中の黒丸はスキャッタード・パイロット(Scattered Pilot)SPを示し、白丸はデータ信号(データサブキャリア)を示している。
同図の信号配列の場合、同一のSPキャリア番号kpについては、4シンボル周期でSP信号が繰り返される。
同文献によれば、あるキャリア番号kpの時刻iにあるSP信号を用いて更新されたウェイトwb kp(i)があるときに、次のウェイトの更新は、同じキャリア番号kpの4シンボル後に位置するSP信号(キャリア番号kp,時刻i+4)を用いてウェイト更新値wb kp(i+4)を算出する。
wb kp(i+4)=wb kp(i)+μukp(i)・e* kp(i)
ウェイト更新パラメータは、ウェイトの推定精度に影響を及ぼすが、従来、ウェイト更新に用いようとするパイロット信号と前回のウェイト更新に用いたパイロット信号との位置関係に応じて前記ウェイト更新パラメータを調整するという技術思想は存在しなかった。
前記更新パラメータ調整部は、ウェイト更新の演算に用いようとするパイロット信号と前回のウェイト更新に用いたパイロット信号との位置関係に応じて、前記更新パラメータを調整するよう構成されている。
上記本発明によれば、同じ更新パラメータでウェイト更新を繰り返すのではなく、状況に応じて、更新パラメータを調整して、調整されたパラメータによってウェイト更新を行うことができる。しかも、更新パラメータを、パイロット信号相互の位置関係によって調整することで、ウェイト推定精度を向上させることができる。
本実施形態では、通信方式としてWiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access, IEEE802.16)を例として説明する。
データサブキャリア(データ信号)は、データや制御用メッセージを送信するためのサブキャリアであある。パイロットサブキャリアは、受信側及び送信側で既知の信号(パイロット信号)であり、伝搬係数推定に用いられたり、ウェイト更新の参照信号として用いられたりする。
図2の横軸のl(1〜L)はサブキャリア番号を示している。サブキャリア番号は、ヌルサブキャリアを除くサブキャリアについて、周波数の小さい順に番号を付したものである。なお、ヌルサブキャリアを含めた全サブキャリアの数を1024とした場合、データサブキャリア及びパイロットサブキャリアの総数Lは、840となる。
図2の縦軸のkは、シンボル番号を示している。シンボル番号は、到来時間の早い順にシンボルに番号を付したものである。
タイルの四隅には、パイロットサブキャリアが配置され、タイル内の他のサブキャリアはデータサブキャリアとされている。
図2に示すように、上記タイルが時間軸方向及び周波数軸方向に規則的に並んでいる。この結果、パイロットサブキャリアは、複数の周波数軸方向位置に存在するとともに、複数の時間軸方向位置に存在する。
各FFT部13の出力(マルチアンテナ信号)は、フィルタリング処理部14に与えられる。フィルタリング処理部14では、伝搬環境に応じた空間フィルタリング特性を適応的に求める。
希望局2及び干渉局3,4は、それぞれ、並列/直列変換や逆離散フーリエ変換などの処理を行うIFFT部21,31,41と、ガードインターバルの付加やD/A変換などの処理を行うRF部22,32,42と、アンテナ素子23,33,43を備えている。
図4は、図3における所望信号、出力信号、受信信号(厳密には、通信装置1のアンテナ素子11に対応するFFT部13からの信号)の関係を示すフィルタリングモデルを示している。
雑音信号Z(k,l)は、各アンテナ素子11における雑音を表す複素N×1ベクトルである。
受信信号X(k,l)は、各アンテナ素子11に対応するFFT部からの出力からなる複素N×1ベクトルである。
伝達関数Hm(k,l)(m=1〜M)は、各信号の各サブキャリアが、アンテナ素子数Nのフェージング伝搬路で受ける振幅と位相の変化を並べた複素N×1ベクトルである。
ウェイトW(k,l)は、受信信号の各要素に対して掛ける複素数重みの複素共役を並べたN×1ベクトルである。図4において、上付のHは、複素共役転値を表す。また、以下において、上付のTは転値を表す。
図5にフィルタリング処理部14の詳細を示している。フィルタリング処理部14は、受信信号X(k,l)を逐次的に保存する第1バッファ(受信信号記憶部;受信パイロット信号記憶部)141を備えている。第1バッファ141に蓄えられた受信信号X(k,l)は、ウェイト乗算部142に与えられる。ウェイト乗算部142は、受信信号(データサブキャリア)X(k,l)にウェイトW(k,l)を乗じて、合成した出力信号Y(k,l)=W(k,l)HX(k,l)を出力する。
第1バッファ141で受信信号を蓄積しておくことで、本実施形態のようにウェイト更新方向を多様化しても容易に対応できる。
図6は、ウェイト補間の一例を示している。図6の例では、タイル単位での線形補間を行う。具体的には、図6(b)に示すタイルのパイロットサブキャリア位置でのウェイトW1,W4,W9,W12に対して、図6(a)に示す演算を行うことにより、データサブキャリア位置でのウェイトW2,W3,W5,W6,W7,W8,W10,W11を算出する。
この演算をすべてのタイルについて行うことで、全データサブキャリア位置でのウェイトを算出することができる。
本実施形態のウェイト更新部143は、RLSアルゴリズムによってウェイトを更新するように構成されている。
αの値の調整については後述する。
前述のように、ウェイト更新部143は、順序制御部146を介して、第1バッファ141から受信信号(パイロットサブキャリア)X(k,l)を取得する。
順序制御部146は、第1バッファ141に保存されている受信信号の中から、パイロットサブキャリアを分離して抽出する。
そして、順序制御部146は、ウェイト更新部143がウェイト更新に用いるパイロットサブキャリアの順序を制御する。具体的には、順序制御部146は、分離したパイロットサブキャリアを、ウェイト更新に用いる順番に並べ替える。そして、順序制御部146は、並び替えたパイロットサブキャリアを、並び替えた順番で、ウェイト更新部143に与える。
順序制御部146は、1つ又は複数のパイロットサブキャリアの並び替えルール(更新順序ルール)を有している。なお、並び替えルール(更新順序)は、伝搬環境に応じて動的に変更することも可能である。
第2時間軸方向更新制御D4後は、前記周波数軸昇順方向更新D1を行い、上記処理を繰り返す。
そして、サブフレーム間の相互相関は非常に低いため、サブフレームが切り替わると再度、ウェイト形成が必要となる。この結果、極端な場合には、永久に適切なウェイトが得られない場合が生じる。
また、前記「斜め方向」は、時間軸方向及び周波数方向に同時に移動するものであれば、具体的な方向は特に限定されず、サブキャリア2次元配置図において周波数軸方向(昇順方向及び降順方向)及び時間軸方向(昇順方向及び降順方向)を除いた360°すべての方向が含まれる。
さらに、上記例では、一つのパイロットサブキャリアを1度しか更新に用いていないが、複数回更新に用いても良い。また、更新に用いないパイロットサブキャリアが存在してもよい。
図8は、WiMAX Uplink PUSCのサブキャリアの2次元配列を示している。このサブキャリア配列上の各パイロットサブキャリア位置における伝搬係数hA,hB,hC,hD,hEの相関係数を下記条件により算出した。
中心周波数:2600MHz
ドップラー周波数:(1)7.2Hz,(2)288Hz
遅延分散:(a)0.37μsec (b)2.2μsec
遅延分散(a)0.37μsecは、ITU−R M.1225 Vehicular ch.Aの値であり平均的な遅延分散を示す。遅延分散(b)2.2μsecは、ITU−R M.1225 Vehicular ch.Bの値であり、建物等が多く遅延分散が大きい場合を示している。
上記(1)と(a)の組み合わせが、想定される平均的な環境であり、上記(2)(b)の組み合わせが想定環境の中で最悪に近い場合である。
したがって、このような場合には、時間軸方向更新制御が好ましい。
したがって、移動局の移動速度が高速である場合には、周波数軸方向更新制御を行うのが好ましい。なお、遅延分散が大きい場合には、時間軸方向への更新を優先的に行うのが望ましい。
前述のように、更新パラメータである忘却係数αは、大きければ、サブキャリア(信号)間で生じる伝搬係数の変化に対する追従特性は向上するが、伝達関数の変化が小さい場合に、大きい忘却係数を用いると、推定精度が悪化する可能性がある。
つまり、前回のウェイト更新に用いたパイロット信号と、ウェイト更新に用いようとするパイロット信号とで、伝搬係数の相互相関が大きい場合には、忘却係数αは小さい方が好ましい。一方、前回のウェイト更新に用いたパイロット信号と、ウェイト更新に用いようとするパイロット信号とで、伝搬係数の相互相関が小さい場合には、忘却係数αは大きい方が好ましい。
具体的には、図7に示すウェイト更新方法の場合、更新パラメータ調整部149は、α(1)〜α(3)までの3つ(複数)の忘却係数を持つ。
これにより、更新方法及び伝搬環境に応じて、適切なウェイト更新が行え、ウェイト推定精度を向上させることができる。
また、忘却係数α(2),α(3)のうち、1回のウェイト更新におけるサブキャリア間隔の小さい更新制御D4で用いられる忘却係数α(3)は、α(2)よりも小さく設定される。
これにより、[(2)(b)]のような伝搬環境でも、適切なウェイト更新が行え、ウェイト推定精度を向上させることができる。
したがって、周波数軸方向更新制御D1,D3で用いられる忘却係数α(1)は、[(1)(a)]の場合よりも、より大きく設定される。
これにより、[(1)(b)]のような伝搬環境でも、適切なウェイト更新が行え、ウェイト推定精度を向上させることができる。
したがって、時間軸方向更新制御D2,D4で用いられる忘却係数α(2),α(3)を[(2)(a)]の場合と同様に設定し、周波数軸方向更新制御D1,D3で用いられる忘却係数α(1)を[(1)(b)]の場合と同様に設定することで、[(2)(b)]のような伝搬環境でも、適切なウェイト更新が行え、ウェイト推定精度を向上させることができる。
したがって、本実施形態のようにウェイト更新方向を多様化しても、精度良くウェイト推定を行える。
第2実施形態では、図5のウェイト更新部143におけるウェイト更新アルゴリズムとしてカルマンフィルタを用いる。なお、第2実施形態では、特に説明しない点については、既述の説明を援用する。
逆に、相互相関が大きい方向へのウェイト更新を行う場合には、Q(k,l)を小さくした方がよい。
また、ウェイト更新のためのアルゴリズムは、例示したものに限られず、例えば、SMIアルゴリズムを用いても良い。
Claims (6)
- 受信信号に含まれるパイロット信号に基づいて、マルチアンテナのシステムを構成する通信装置における受信ビームのウェイトの更新を行う通信装置において、
受信したパイロット信号に基づいてウェイト更新の演算を行うウェイト更新部と、
前記ウェイト更新部がウェイト更新の際に用いる更新パラメータを調整する更新パラメータ調整部と、
を備え、
前記ウェイト更新部は、前回のウェイト更新で更新されたウェイトを、更新に用いるパイロット信号に基づいて更新することで、当該パイロット信号の位置におけるウェイトを算出し、
前記更新パラメータ調整部は、ウェイト更新の演算に用いようとするパイロット信号と前回のウェイト更新に用いたパイロット信号との位置関係に応じて、前記更新パラメータを調整するよう構成されていることを特徴とする通信装置。 - 前記ウェイト更新部は、RLSアルゴリズムによってウェイト更新の演算を行うように構成され、
前記更新パラメータ調整部が調整する更新パラメータは、RLSアルゴリズムにおける忘却係数であることを特徴とする請求項1記載の通信装置。 - 前記ウェイト更新部は、カルマンフィルタを用いてウェイト更新の演算を行うように構成され、
前記更新パラメータ調整部が調整する更新パラメータは、カルマンフィルタにおいて得られるウェイトの変動量を示すパラメータであることを特徴とする請求項1記載の通信装置。 - 前記位置関係には、ウェイト更新の演算に用いようとするパイロット信号と前回のウェイト更新に用いたパイロット信号との信号間隔が含まれることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の通信装置。
- 前記位置関係は、ウェイト更新の演算に用いようとするパイロット信号と前回のウェイト更新に用いたパイロット信号とを、受信信号を時間軸方向及び周波数軸方向の2次元配置でみたときの位置関係であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の通信装置。
- 受信信号に含まれるパイロット信号に基づいて、マルチアンテナのシステムにおける受信ビームのウェイトの更新を行う方法であって、
受信したパイロット信号に基づいてウェイト更新の演算を行うウェイト更新ステップと、
前記ウェイト更新部がウェイト更新の際に用いる更新パラメータを調整する更新パラメータ調整ステップと、
を含み、
前記ウェイト更新ステップでは、前回のウェイト更新で更新されたウェイトを、更新に用いるパイロット信号に基づいて更新することで、当該パイロット信号の位置におけるウェイトを算出し、
前記更新パラメータ調整ステップでは、ウェイト更新の演算に用いようとするパイロット信号と前回のウェイト更新に用いたパイロット信号との位置関係に応じて、前記更新パラメータを調整することを特徴とするウェイト更新方法。
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