JP4946922B2

JP4946922B2 - 無線通信装置

Info

Publication number: JP4946922B2
Application number: JP2008056419A
Authority: JP
Inventors: 善行嶋田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2008-03-06
Filing date: 2008-03-06
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2028-03-06
Also published as: JP2009213052A

Description

本発明は、無線通信装置に関するものである。

無線通信システムにおいては、通信装置の送信電力や変調方式等の信号送信条件を通信環境に応じて調整することで、無線資源の有効活用が行われている。
例えば、特許文献１には、無線通信を行う際に、上りリンクのパイロットチャネルの受信品質に基づいて、基地局装置側で、移動端末の送信電力を導出し、その送信電力に関する情報を移動端末に通知することで、当該移動端末の送信電力を通信環境に応じて調整するものが提案されている。
特開２００７−２８５６８号公報

ここで、無線通信システムにおいては、無線通信を行う際、図４に示すように、受信機において複数のアンテナ素子を用いて、各アンテナ素子で受信した信号それぞれを合成し、信号品質を向上させる技術がある。信号合成法としては、各アンテナ素子で受信した信号それぞれをウエイトｗ₁，ｗ₂，・・・，ｗ_N（Ｎはアンテナ素子の個数）で重み付けをして合成する最大比合成（ＭＲＣ：Maximum Ratio Combining）があり、その他、等利得合成（Equal Gain Combining）などもある。

例えば、図４において、送信信号をｓ（ｍ）、雑音をｚ（ｍ）とすると、受信信号ｙ（ｍ）は次式で表すことができる。

ここで、Ｈは各チャネルの伝送行列であり、下記式（１．２）のように表される。

上記式（１．１）で表わされる受信信号ｙ（ｍ）に、ウエイトＷを乗積して合成することにより、得られる信号ｓ₀（ｍ）は、下記式（１．３）のように表すことができる。

なお、上付のＴは、転置行列を示す。

ここで、Ｗは各アンテナ素子でのウエイト行列であり、下記式（１．４）のように表される。

式（１．３）より、合成後の信号電力Ｐ₀は、下記式（１．５）のようになる。

同様に、合成後の雑音電力Ｐ_Zは、下記式（１．６）のようになる。

式（１．５）（１．６）において、Ｐ_Sは送信信号電力、Ｐ_nは受信雑音電力とする。

式（１．５）及び（１．６）より、合成後の送信電力対雑音電力比（ＳＮＲ）Ｐ₀／Ｐ_Zは、式（１．７）のとおりである。

コーシーシュワルツの不等式より、

となる。ただし、等号成立はＷ＝Ｈ^*のときである。
つまり、ｉ番目のアンテナ素子において、受信信号の振幅に比例したウエイトを乗積し、位相を補償した場合に受信ＳＮＲは最大となる。

Ｗ＝Ｈ^*のときの合成後のＳＮＲは、下記式（１．９）のようになり、受信アンテナ素子の個数だけＳＮＲを改善することができる。

このように、最大比合成などの信号合成技術を用いてＳＮＲを向上させることにより、通信状況を安定させることができる。また、高いＳＮＲが必要な変調方式（より高い変調多値数やより低い符号化率）に変えることにより、スループットを向上させることも可能となり、無線資源の有効活用を図ることができる。

その一方、スループットは変調多値数や符号化率に比例して最大値が決まるため、フェージングの影響が少ない場合や、移動端末である送信機の移動速度が遅い場合には、単一のアンテナ素子による受信でも最大スループットを得ることができる。

ここで、図５（ａ）は、移動端末（送信側無線通信装置）から信号を受信する基地局（受信側無線通信装置）において、単一のアンテナ素子で受信した場合（１素子受信）のスループットと、２本のアンテナ素子を用いて最大比合成を行った場合（ＭＲＣ受信）のスループットのシミュレーション結果を示している。
また、図５（ｂ）は、前記基地局において、１素子受信における伝搬路補正後のＳＮＲ（Signal to Noise Ratio）と２本のアンテナ素子でのＭＲＣ受信における伝搬路補正後のＳＮＲのシミュレーション結果を示している。
なお、図５（ａ）（ｂ）において横軸は、フェージングシミュレータにおける移動端末の移動速度を示している。

図５（ｂ）に示すように、２本のアンテナ素子で受信した信号を合成するＭＲＣ受信では、一つのアンテナ素子で受信する１素子受信に比べて、ＳＮＲが向上しており、信号品質が高くなっている。

しかし、図５（ａ）に示すように、１素子受信でも、最大スループット（図５（ａ）では４６０［ｋｂｐｓ］）に近いスループットが得られている場合、ＭＲＣ受信をおこなっても、スループットは最大値までしか向上せず、スループットの向上幅が小さい。特に、移動端末の移動速度が遅い場合には、１素子受信でも最大スループットが得られており、ＭＲＣ受信によるスループット向上効果は得られない。

このような環境下においてＭＲＣ受信を行っても、ＳＮＲは向上するが、スループットはすでに最大値又は最大値近傍値が得られているので、スループット向上効果は少ない。
すなわち、このような状況下では、１素子受信でも最大スループットに近い値が得られるため、ＭＲＣ受信による信号品質向上機能が有効に利用されておらず、無線資源の有効活用に改善の余地があった。

そこで、本発明は、上記のような状況下でも、信号合成による信号品質の向上機能を有効に利用するための新たな技術を提供することを目的とする。

本発明は、複数のアンテナ素子で受信したそれぞれの受信信号を合成する信号合成処理部を備えた無線通信装置であって、前記信号合成処理部によって受信信号を合成した場合のスループットを測定する第１測定部と、単一アンテナ素子で受信した場合のスループットを測定する第２測定部と、前記第１測定部によって測定されたスループットと前記第２測定部によって測定されたスループットとを比較する比較部と、受信信号の送信元の無線通信装置における信号送信条件を制御するための制御情報を、前記比較部による比較結果に応じて生成する制御部と、を備え、前記制御部によって生成された制御情報を、前記送信元の無線通信装置へ送信するよう構成されていることを特徴とする無線通信装置である。

本発明によれば、受信信号の信号合成を行いつつも、単一アンテナ素子での受信したときのスループットを考慮することで、信号合成による信号品質の向上機能が有効に利用されていないことを判断できるため、送信元の信号送信条件を制御して、信号合成による信号品質の向上機能を有効に利用することができる。

前記制御部は、前記第１測定部によって測定されたスループットと前記第２測定部によって測定されたスループットとの差が基準値よりも小さい場合に、前記送信元の無線通信装置における信号送信条件を制御するための制御情報を生成するのが好ましい。この場合、両スループットの差が小さい場合に、信号合成による信号品質の向上機能が有効に利用されていないことを判断できる。

前記制御情報は、前記送信元の無線通信装置における送信電力を下げるためのものであるのが好ましい。信号合成による信号品質の向上機能が有効に利用されていない場合には、送信元の送信電力を下げても、信号合成によって信号品質を維持することができる。

前記制御情報は、前記送信元の無線通信装置における変調方式をより高速な変調方式に変更するためのものであるのが好ましい。信号合成による信号品質の向上機能が有効に利用されていない場合には、変調方式を変更しても、信号合成によってスループットを向上させることができる。なお、変調方式の変更は、変調多値数又は符号化率を変更することによっておこなわれる。

本発明によれば、信号合成による信号品質の向上機能が有効に利用されていないことを判断できるため、送信元の信号送信条件を制御して、信号合成による信号品質の向上機能を有効に利用することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
図１は、基地局装置（ＢＳ：Base Station）１と移動端末（ＭＳ：Mobile Station）２とからなる無線通信システムを示している。この無線通信システムでは、例えば、広帯域無線通信を実現するために直交周波数分割多元接続（ＯＦＤＭＡ）方式をサポートするＩＥＥＥ８０２．１６に規定される「ＷｉＭＡＸ」に準拠した方式が採用されている。

基地局装置１は、移動端末２との間で通信を確立し、所定の通信フレームに情報を載せることで、ユーザデータの送受信が可能である。移動端末２は、ユーザデータの送受信によって、外部ネットワークへのエントリーが可能となる。これによって、基地局１は、移動端末２に対して、無線通信による高速のブロードバンドサービスを提供することができる。

図２は、基地局装置１の構成を示している。基地局装置１は、複数個（ここでは、２個）のアンテナ素子１１ａ，１１ｂを有しており、移動端末２からの信号を複数のアンテナ素子１１ａ，１１ｂで受信することができる。２つのアンテナ素子１１ａ，１１ｂで受信したそれぞれの受信信号ｒ₁，ｒ₂は、最大比合成処理部（ＭＲＣ処理部）１２によって、ウェイトｗ₁，ｗ₂による重み付けがなされて合成が行われる（最大比合成受信；ＭＲＣ受信）。
この基地局装置１では、最大比合成を行うことで、受信信号のＳＮＲを向上させることができる。

なお、図２において、アンテナ素子１１ａ，１１ｂの各系列には、それぞれ、ＲＦ（Radio Frequency）部１３及びＦＦＴ部１４が設けられている。ＲＦ部１３は、送信側で付加されたガードインターバルの除去やＡ／Ｄ変換などの処理を行う。ＦＦＴ部１４では、直列／並列変換や離散フーリエ変換などの処理を行う。前記ＭＲＣ処理部１２には、アンテナ素子１１ａ，１１ｂの各系列における離散フーリエ変換によって得られた周波数領域信号が与えられる。

また、本実施形態の基地局装置１は、複数アンテナ素子受信で最大比合成した場合のスループットを測定する第１スループット測定部１５を備えている。第１スループット測定部１５は、ＭＲＣ処理部１２から出力される受信信号（最大比合成されたもの）に基づき、単位時間当たりに上位層が受け取るパケット数からスループットを測定する。ここで、スループットとは、通信速度（単位時間あたりの通信データ量）をいう。

さらに、本実施形態の基地局装置１は、複数アンテナ素子１１ａ，１１ｂによる受信だけでなく、単一のアンテナ素子１１ｂでの受信（１素子受信）のための受信回路も備えており、複数アンテナ素子受信で最大比合成した場合のスループットのほか、１素子受信の場合のスループットを測定できるように構成されている。１素子受信の場合のスループットは、第２スループット測定部１６によって測定される。第２スループット測定部１６は、１素子受信による受信信号に基づき、単位時間当たりの受信ビットからスループットを測定する。

両スループット測定部１５，１６によって測定された結果は、比較部１７に与えられる。この比較部１７は、第１スループット測定部１５によって測定されたＭＲＣ受信の場合のスループットと、第２スループット測定部によって測定された１素子受信の場合のスループットとを比較する。

本実施形態の基地局装置１は、比較部１７による比較結果に基づき、制御情報を生成する制御部１８を備えている。制御部１８によって生成される制御情報は、受信信号の送信元の移動端末（無線通信装置；送信機）２における信号送信条件を制御するためのものである。信号送信条件としては、例えば、移動端末の送信信号電力又は変調方式が挙げられる。

ＭＲＣ受信の場合のスループットと１素子受信の場合のスループットとが近い値である場合、１素子受信でも十分なスループットが得られていると判断できる。そこで、比較部１７によるスループットの比較の結果、ＭＲＣ受信の場合のスループットと１素子受信の場合のスループットとの差が小さい場合には、制御部１８は、移動端末２における信号送信条件を制御する制御情報を生成し、当該移動端末２へ送信する。

なお、制御部１８によって生成された制御情報は、送信部を介して、アンテナ素子１１ａ，１１ｂから送信される。

図３は、両スループット測定部１５，１６の測定結果を用いて、移動端末２の送信条件を制御するための処理の流れを示している。
まず、基地局装置１が、移動端末（ＭＳ）２から信号を受信すると（ステップＳ１）、第１スループット測定部１５によってＭＲＣ受信でのスループットを測定するとともに（ステップＳ２）、第２スループット測定部１６によって１素子受信でのスループットを測定する（ステップＳ３）。

そして、両スループット測定部１５，１６の測定結果を、比較部１７によって比較する（ステップＳ４）。具体的には、ステップＳ４では、ＭＲＣ受信でのスループットと１素子受信でのスループットとの差（スループット差）を算出する。
両スループットが近い値であり、算出されたスループット差が所定の基準値（閾値）よりも小さい場合には、１素子受信でも十分なスループットが得られていると判断し（ステップＳ５）、移動端末２の信号送信条件を制御する制御情報を生成し（ステップＳ６）、その制御情報を移動端末２に送信する（ステップＳ７）。

また、算出されたスループット差が所定の基準値（閾値）よりも大きい場合には、最大比合成が有効であると判断し（ステップＳ５）、移動端末２の信号送信条件を変えずに、最大比合成を続ける。

以下、ステップ６で生成される制御情報について説明する。
例えば、本実施形態の基地局装置１のように、２つのアンテナ素子１１ａ，１１ｂを使って最大比合成を行った場合、式（１．９）より

となり、アンテナ素子１１ａ，１１ｂ間で伝送路特性がほぼ等しければ、１素子受信と比べて３ｄＢ程度、ＳＮＲを改善することができる。
したがって、１素子受信でも理路上の最大スループットに近い速度が出せる状況（前記スループット差が小さい状況）では、移動端末２において送信電力を３ｄＢ下げても、基地局装置１において、２つのアンテナ素子１１ａ，１１ｂによる最大比合成を行うことにより、理論上の最大スループットを得ることができる。

このため、制御部１８は、前記スループット差が小さい状況では、移動端末２の送信電力を所定量（例えば、３ｄＢ）下げさせる指示を含む制御情報を生成し、移動端末２へ送信する（ステップＳ６，Ｓ７））。これにより、移動端末２では、受信した制御情報に従って、送信電力を下げることができ、移動端末２の消費電力を抑えることができる。

また、制御部１８は、前記スループット差が小さい状況では、移動端末２における変調方式を変更させる指示を含む制御情報を生成し、移動端末２へ送信してもよい（ステップＳ６，Ｓ７）。
前記スループット差が小さい状況では、ＭＲＣ受信でのスループットが理論上の最大スループットに達しており、最大比合成による効果が十分に発揮されていないものと判断できる。そこで、移動端末２における変調方式を、より高速なものに変更して、理論上の最大スループットを上昇させることで、最大比合成による効果を有効に発揮させることができる。なお、より高速な変調方式への変更は、より高い変調多値数やより低い符号化率に変えることで行える。

また、移動端末２の変調方式を高速なものに変更することで、当該移動端末２の占有スロットが減少し、通信資源の利用効率を上げることができる。また、ある移動端末２の占有スロットが減少することで、他の移動端末２のスループットが向上し、又は、基地局装置１が通信できる移動端末２の数が増える。

ここで、前記制御情報は、移動端末２の送信電力を所定量下げさせる指示と、移動端末２における変調方式を変更させる指示の両方を含んでもよい。また、制御情報は、その他の指示を含んでも良い。

なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
例えば、信号合成は、最大比合成に限られるものではなく、等利得合成であってもよい。また、アンテナ素子の数は２個に限られず、複数であればよい。

無線通信システムの全体図である。基地局装置のブロック図である。移動端末の信号送信条件を制御するための処理手順を示すフローチャートである。最大比合成処理の説明図である。（ａ）は、ＭＲＣ受信の場合及び１素子受信の場合の移動速度対スループットを示し、（ｂ）は、ＭＲＣ受信の場合及び１素子受信の場合の移動速度対ＳＮＲを示すものである。

符号の説明

１基地局装置，
２移動端末
１１ａ，１１ｂアンテナ素子
１２ＭＲＣ処理部
１３ａ，１３ｂＲＦ部
１４ａ，１４ｂＦＦＴ部
１５第１スループット測定部
１６第２スループット測定部
１７比較部
１８制御部

Claims

複数のアンテナ素子で受信したそれぞれの受信信号を合成する信号合成処理部を備えた無線通信装置であって、
前記信号合成処理部によって受信信号を合成した場合のスループットを測定する第１測定部と、
単一アンテナ素子で受信した場合のスループットを測定する第２測定部と、
前記第１測定部によって測定されたスループットと前記第２測定部によって測定されたスループットとを比較する比較部と、
受信信号の送信元の無線通信装置における信号送信条件を制御するための制御情報を、前記比較部による比較結果に応じて生成する制御部と、
を備え、
前記制御部によって生成された制御情報を、前記送信元の無線通信装置へ送信するよう構成されていることを特徴とする無線通信装置。
前記制御部は、前記第１測定部によって測定されたスループットと前記第２測定部によって測定されたスループットとの差が基準値よりも小さい場合に、前記送信元の無線通信装置における信号送信条件を制御するための制御情報を生成する請求項１記載の無線通信装置。
前記制御情報は、前記送信元の無線通信装置における送信電力を下げるためのものである請求項１又は２記載の無線通信装置。
前記制御情報は、前記送信元の無線通信装置における変調方式をより高速な変調方式に変更するためのものである請求項１〜３のいずれか１項に記載の無線通信装置。