JP5134077B2

JP5134077B2 - 無線通信システム、送信装置および通信制御方法

Info

Publication number: JP5134077B2
Application number: JP2010500715A
Authority: JP
Inventors: 琢中山
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2008-02-27
Filing date: 2009-02-25
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2029-02-25
Also published as: JPWO2009107656A1; CN101960759A; US20110007833A1; WO2009107656A1; KR20100114906A

Description

関連出願へのクロスリファレンス

本願は、日本国特許出願第２００８−４５８６９号（２００８年２月２７日出願）の優先権の利益を主張し、これらの全内容を参照により本願明細書に取り込むものとする。

本発明は、送信側と受信側の双方にそれぞれ複数のアンテナを用いてＭＩＭＯ通信を行う無線通信システム、送信装置および通信制御方法に関する。

近年、通信システムにおいて、ＭＩＭＯ（Multi-Input Multi-Output）伝送の技術が実用化されている。ＭＩＭＯ伝送では、送信側の装置と受信側の装置の双方にそれぞれ複数のアンテナを用いることで、伝送速度の向上、信頼性の向上が可能となっている。また、受信側の装置で取得した伝搬路情報を送信側の装置にフィードバックし、その情報を送信側の装置で利用することで、ＭＩＭＯの特性はさらに向上することが知られている。これをクローズド・ループＭＩＭＯもしくはフィードバックＭＩＭＯと呼ぶ。
このフィードバックされる情報は、詳細であればあるほど特性が改善するが、そのためには大きなフィードバック情報を必要とし、結局システムの容量を逼迫させてしまうという問題があった。

この問題に対し、送信側の装置と受信側の装置の双方に予め共通した複数の送信ウェイトを用意しておき、受信側の装置において送信時に使用してもらいたい送信ウェイトのインデックスを指定することでフィードバック情報を大幅に減らすことが可能となる。
このときの送信ウェイトの選択は、特異値分解を利用したＭＩＭＯ（ＳＶＤ−ＭＩＭＯ）に基づいて行われ、受信側の装置では、伝搬路情報を測定し、その伝搬路情報と送信ウェイトを組み合わせた時に、全固有パスのＳＩＮＲ（Signal to Noise plus Interference Ratio）の和（合計）が最大となる送信ウェイトを選択する。

図８は、従来の送信ウェイトの選択方法について説明するフローチャートである。従来の送信ウェイトの選択方法は、まず、送信ウェイトの候補を生成する（ステップ２０１）。次に、全ての送信ウェイトの候補について、固有パスのＳＩＮＲの計算が終了したか否かを判定し（ステップ２０２）、計算が終了していない場合（Ｎｏの場合）は、現在の送信ウェイトの候補について、固有パスごとにＳＩＮＲを計算する（ステップ２０３）。次に、固有パスごとのＳＩＮＲの和が、これまでに計算して求めたＳＩＮＲの和の最大値を上回っているか否かを判定し（ステップ２０４）、上回っている場合（Ｙｅｓの場合）は、現在の送信ウェイトの候補とＳＩＮＲの和を記憶する（ステップ２０５）。上回っていない場合（Ｎｏの場合）は、再び、全ての送信ウェイトの候補について、固有パスのＳＩＮＲの計算が終了したか否かを判定する（ステップ２０２）。全ての送信ウェイトの候補について計算が終了している場合（Ｙｅｓの場合）は、記憶されている送信ウェイトの候補を出力する（ステップ２０６）。
特表２００５−５２２０８６号公報

従来の送信ウェイトの選択方法によりＭＩＭＯの特性は向上するが、特異値分解を利用したＭＩＭＯ（ＳＶＤ−ＭＩＭＯ）の場合、各固有パスの品質に大きな差を生じる。このような時に、固有パス毎に適切な変調方式を選択したり、適切な誤り訂正処理を施すことで全体の特性は大きく改善することが知られているが、ＭＩＭＯの動作モードの１つであるＳＣＷ（Single Code Word）方式のように、１つのパケットデータに対して一括して変調し、誤り訂正処理を行うＭＩＭＯの手法であると、固有パス毎の適用制御は難しい。
このような場合、全固有パスのＳＩＮＲの和が最大となっていても、どれか１つの固有パスでエラーが生じることでパケット全体がエラーになるという問題があった。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、ＳＣＷ方式を採用する場合においても、複数の固有パスにおける各固有パスの品質をできるだけ等しく、かつ全体の固有パスの通信品質が大きくなるように送信ウェイトを選択して、ＭＩＭＯの利点を最大限活かすことができる無線通信システム、送信装置および通信制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、送信装置と受信装置との間で、複数のパスを介して無線通信を行う無線通信システムにおいて、前記各パスの通信品質に関する情報を取得する通信品質取得部と、前記送信装置が前記複数のパスで送信する際に、前記複数のパスの中で、最低の通信品質となるパスの当該通信品質が最大となるような送信ウェイトを決定する送信ウェイト決定部とを備えることを特徴とする。

前記送信ウェイト決定部は、予め生成された複数の送信ウェイトの中から、前記送信ウェイトを決定することが好ましい。

前記送信ウェイトの決定は、前記送信装置が１つのパケットを複数のパスに分割して送信する場合に行うことが好ましく、前記パケットは、変調符号化処理を経たパケットであることが好ましい。

また、本発明は、複数のパスを介した無線通信を実行する送信装置において、前記複数のパスで送信する際に、前記複数のパスの中で、最低の通信品質となるパスの当該通信品質が最大となるような送信ウェイトを適用することを特徴とする。

また、本発明は、送信装置と受信装置との間で、複数のパスを介して無線通信を行う無線通信システムにおける通信制御方法において、前記各パスの通信品質に関する情報を取得するステップと、前記送信装置が前記複数のパスで送信する際に、前記複数のパスの中で、最低の通信品質となるパスの当該通信品質が最大となるような送信ウェイトを決定するステップとを有することを特徴とする。

本発明は、送信ウェイトを選択する時に、複数の固有パスにおける各固有パスの品質をできるだけ等しく、かつ全体の固有パスの通信品質が大きくなるように送信ウェイトを選択するので、ＳＣＷ方式を採用する場合においてもＭＩＭＯの利点を最大限活かすことができる。

従来システムにおけるＢＥＲ特性を示す図である。本発明の無線通信システムの基本的な構成図である。送信ウェイト選択部の構成図である。本発明の送信ウェイトを選択する動作を説明するフローチャートである。本発明の無線通信システムにおけるＢＥＲ特性を示す図である。従来システムと本発明の無線通信システムにおけるＢＥＲ特性を比較して示す図である。１シンボル当たりに送信できるビット数を示す図である。従来の送信ウェイトを選択する動作を説明するフローチャートである。

本発明の実施の形態について具体的に説明する。
送信ウェイトは例えば次式で定義される。

この中から送信ウェイトを選択するときの選択基準となるＳＩＮＲの算出方法について説明する。

送信アンテナ本数をＮ、受信アンテナ本数をＭ、使用固有パス数をＲとし、送信信号をｘ（ｘはＲ次元の複素ベクトル）、受信信号をｙ（ｙはＲ次元の複素ベクトル）とすると、伝搬路Ｈ（ＨはＭ×Ｎ次元の複素行列）、送信ウェイト（Precoding Matrix）Ｗ_Ｔｘ（Ｗ_ＴｘはＮ×Ｒ次元の複素行列）、受信ウェイト行列Ｗ_Ｒｘ（Ｗ_ＲｘはＲ×Ｍ次元の複素行列）、雑音電力Ｎ（ＮはＭ×Ｍ次元の複素対角行列）は、以下の関係を満たす。

今、受信方式をＭＭＳＥ（Minimum Mean Square Error：最小２乗平均誤差）方式とすると、受信ウェイトＷ_Ｒｘは以下の式で表される。

即ち、受信ウェイトＷ_Ｒｘは伝搬路Ｈと送信ウェイト（Precoding Matrix）Ｗ_Ｔｘから決定される。

生成した送信ウェイト（Precoding Matrix）Ｗ_Ｔｘの全てについて受信ウェイトＷ_Ｒｘを計算し、それをＷ_ＲｘＨＷ_Ｔｘに代入することで送受信間の雑音電力を除いた全ての伝搬路応答

が求まる。

複数の固有パスで送信する場合、各固有パスの送信電力を等電力とすると、この

の各行の対角成分の絶対値の２乗が、各固有パスの信号電力値に対応し、非対角成分の絶対値の２乗が干渉電力値に対応することになる。

なお、

において受信ウェイトＷ_Ｒｘの各行のノルムが１になるように正規化されていても信号電力と干渉電力の比には影響しない。従って、受信ウェイトＷ_Ｒｘの各行を正規化することで、雑音電力に対する正規化された信号電力と干渉電力を求めることができる。

以上より、任意の送信ウェイトを用いた場合の各固有パスのＳＩＮＲ（Signal to Noise plus Interference Ratio）を求めることが可能となる。このＳＩＮＲを基に送信ウェイト（Precoding Matrix）を選択する。

従来システムは、求めた各固有パスのＳＩＮＲの和（合計）が最大となる送信ウェイト（Precoding Matrix）を選択する。その際、固有パス毎のＳＩＮＲが降順になる送信ウェイト（Precoding Matrix）を選択すると、基本的にＳＶＤ−ＭＩＭＯに最も近い特性が得られる。この時の各固有パスのＢＥＲ（Bit Error Rate）特性、および全体のＢＥＲ特性を図１に示す。図１は、送信アンテナ４本、受信アンテナ４本、２本の固有パス、ＱＰＳＫ（１次変調）、５ＧＨｚ（伝送周波数）のときのＳＮＲに対するＢＥＲを示している。

従来システムでは、固有パス毎の特性差が大きくなるため、ある固有パスではエラーを起こさないが、他の固有パスではエラーが頻発するということが起こり得る。ＳＣＷ方式のように複数の固有パスで１つのパケットに対して共通の変調方式を使用する場合には、全ての固有パスでエラーが起こらないよう固有パス毎の差が少ない方が望ましいと考えられる。
上述した従来システムに対して、本発明の無線通信システムは、クローズド・ループＭＩＭＯ通信において、送信ウェイトを選択する時に、複数の固有パスにおける各固有パスの通信品質をなるべく等しく、かつ全体の固有パスの通信品質が大きくなる送信ウェイトを選択する。具体的には、本発明の無線通信システムは、最も固有値の小さい最下位の固有パスのＳＩＮＲが、全送信ウェイト（Precoding Matrix）において最大となる送信ウェイト（Precoding Matrix）を選択する。

図２は、本発明の無線通信システムの基本的な構成図である。本発明の無線通信システムは、ＳＣＷと呼ばれるＭＩＭＯ方式により１つのパケットを複数の固有パスに分割して送信する。図２において、送信装置１は、複数の送信アンテナを有しており、変調符号化部１１、Ｓ／Ｐ部１２、送信ビームフォーミング部１４を備えている。受信装置２は、複数のアンテナを有しており、受信アンテナ処理部１５、Ｐ／Ｓ部１６、復調処理部１７を備えている。チャネル推定部１８、送信適応制御計算部１９、送信ウェイト選択部２０は、送信装置１と受信装置２のいずれに備えるようにしても良い。

変調符号化部１１は、送信データを、送信適応制御計算部１９の出力に従い、それぞれ変調・符号化を行う。Ｓ／Ｐ部１２は、変調符号化部１１の出力である送信データをシリアルパラレル変換し、固有パスごとの送信データを出力する。送信ビームフォーミング部１４は、Ｓ／Ｐ部１２の出力である固有パスごとの送信信号に、送信ウェイト選択部２０の出力である送信ウェイトを適用することで送信固有ビームを形成し、送信アンテナごとにそれらの信号を多重化する。

複数の送信アンテナと、複数の受信アンテナの間には、ＭＩＭＯチャネルが形成される。受信アンテナ処理部１５は、チャネル推定部１８の出力であるチャネル推定結果に基づき、受信ウェイトを計算することで空間フィルタリングを行う、または、最尤受信処理等を行うことにより、各固有パスの信号を取り出す。Ｐ／Ｓ部１６は、各固有モードの受信データを、パラレルシリアル変換する。復調処理部１７は、各固有モードの信号に対して、誤り訂正復号などの処理を行い、受信データを出力する。
チャネル推定部１８は、複数の受信アンテナで受信された信号に基づいて、伝搬路特性の推定（チャネル推定）を行う。送信適応制御計算部１９は、送信ウェイト選択部２０で算出された値に基づいて、変調符号化の制御を行う。

図３は、送信ウェイト選択部の構成図である。送信ウェイト選択部２０は、送信ウェイト生成部２１、通信品質取得部２２、送信ウェイト決定部２３を備えている。送信ウェイト生成部２１は、複数の送信ウェイトを生成する。通信品質取得部２２は、各固有パスの通信品質に関する情報を取得する。送信ウェイト決定部２３は、送信ウェイト生成部２１で生成された送信ウェイトの中から、複数の固有パスで送信する際に、複数の固有パスの中で、最低の通信品質となる固有パス、即ち最も固有値の小さい最下位の固有パスの当該通信品質が、最大となるような送信ウェイトを決定（選択）する。

次に、本発明の動作を、図４に示すフローチャートに基づいて説明する。まず、送信ウェイト生成部２１は、送信ウェイトの候補を生成する（ステップ１０１）。次に、通信品質取得部２２は、全ての送信ウェイトの候補について、固有パスのＳＩＮＲの計算が終了したか否かを判定し（ステップ１０２）、計算が終了していない場合（Ｎｏの場合）は、現在の送信ウェイトの候補について、固有パスごとにＳＩＮＲを計算する（ステップ１０３）。次に、送信ウェイト決定部２３は、最も固有値の小さい最下位の固有パスのＳＩＮＲが、これまでに計算して求めた最下位の固有パスのＳＩＮＲの最大値を上回っているか否かを判定し（ステップ１０４）、上回っている場合（Ｙｅｓの場合）は、現在の送信ウェイトの候補と最下位の固有パスのＳＩＮＲを記憶する（ステップ１０５）。上回っていない場合（Ｎｏの場合）は、再び、通信品質取得部２２は、全ての送信ウェイトの候補について、固有パスのＳＩＮＲの計算が終了したか否かを判定する（ステップ１０２）。全ての送信ウェイトの候補について計算が終了している場合（Ｙｅｓの場合）は、送信ウェイト決定部２３は、記憶されている送信ウェイトの候補を出力する（ステップ１０６）。

本発明の無線通信システムにおいて、最下位の固有パスの通信品質が、最大となる送信ウェイトを用いたときのＢＥＲ（Bit Error Rate）特性、および全体のＢＥＲ特性を図５に示す。図５は、送信アンテナ４本、受信アンテナ４本、２本の固有パス、ＱＰＳＫ（１次変調）、５ＧＨｚ（伝送周波数）のときのＳＮＲに対するＢＥＲを示している。
また、従来システムにおいて選択した送信ウェイトを用いたときと、本発明の無線通信システムにおいて選択した送信ウェイト用いたときの全体のＢＥＲ特性を比較したものを図６に示す。図６から、本発明の無線通信システムの方がより少ないＳＮＲで低いＢＥＲ特性を実現していることがわかる。

また、周波数利用効率と類似した指標として、１シンボル当たりに送信できるビット数で評価したものを図７に示す。ここでも本発明の無線通信システムにおける送信ウェイトの選択手法の有効性が見て取れる。

なお、上述した実施の形態では、通信品質としてＳＩＮＲを使用し、複数の固有パスの中で、最低の通信品質となる固有パスの通信品質が最大となるように送信ウェイトを決定（選択）したが、例えば伝搬路が変動している場合や推定誤差があることを把握している場合などはこの限りではなく、通信品質としてＳＮＲ（Signal to Noise Ratio）、ＳＩＲ（Signal to Interference Ratio）などの他の指標を使用し、複数の固有パスの中で、相対的に低い通信品質となる固有パスの通信品質が最大となるように送信ウェイトを決定（選択）するようにしても良い。
また、上述した実施の形態では、全固有パスで同じ変調方式が使用されることを前提としているが、本発明は、同じ変調方式が複数の固有パスに使用される場合にも適用することができる。

Claims

送信装置と受信装置との間で、複数のパスを介して無線通信を行う無線通信システムにおいて、
前記各パスの通信品質に関する情報を取得する通信品質取得部と、
前記送信装置が前記複数のパスで送信する際に、前記複数のパスの中で、最低の通信品質となるパスの当該通信品質が最大となるような送信ウェイトを決定する送信ウェイト決定部と、
を備えることを特徴とする無線通信システム。
前記送信ウェイト決定部は、予め生成された複数の送信ウェイトの中から、前記送信ウェイトを決定することを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
前記送信ウェイトの決定は、前記送信装置が１つのパケットを複数のパスに分割して送信する場合に行うことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
前記パケットは、変調符号化処理を経たパケットであることを特徴とする請求項３に記載の無線通信システム。
複数のパスを介した無線通信を実行する送信装置において、
前記複数のパスで送信する際に、前記複数のパスの中で、最低の通信品質となるパスの当該通信品質が最大となるような送信ウェイトを適用する、ことを特徴とする送信装置。
送信装置と受信装置との間で、複数のパスを介して無線通信を行う無線通信システムにおける通信制御方法において、
前記各パスの通信品質に関する情報を取得するステップと、
前記送信装置が前記複数のパスで送信する際に、前記複数のパスの中で、最低の通信品質となるパスの当該通信品質が最大となるような送信ウェイトを決定するステップと、
を有する、ことを特徴とする通信制御方法。