JP5157928B2

JP5157928B2 - 受信装置、及び信号受信方法

Info

Publication number: JP5157928B2
Application number: JP2009008130A
Authority: JP
Inventors: 量平古野
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2009-01-16
Filing date: 2009-01-16
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2029-01-16
Also published as: JP2010166428A

Description

本発明は、ＭＩＭＯ通信に係り、特異ベクトルを選択してデータを受信する受信装置、及び信号受信方法に関する。

次世代移動通信の無線通信方式では、高速データ伝送を実現することが重要である。高速データ伝送を実現する技術として、複数の送信アンテナから同一の周波数、時間を用いて信号を送信し、複数の受信アンテナを用いて信号の復調（信号分離）を行なうＭＩＭＯ多重方式（Multiple Input Multiple Output）が注目されている。

図３は、送信アンテナの数をＭ（Ｍは１以上の整数）、受信アンテナの数をＮ（Ｎは１以上の整数）とした場合のＭＩＭＯ送受信装置を示すブロック図である。送信側は、送信アンテナ１−１〜１−Ｍ、及び送信装置２で構成され、受信側は、受信アンテナ３−１〜３−Ｎ、及び受信装置４で構成される。複数の送信アンテナ１−１〜１−Ｍから異なる信号を同一の周波数、時間を用いて送信し、複数の受信アンテナ３−１〜３−Ｎを用いて信号を受信することにより、伝送帯域幅を増加せずに送信アンテナ数に比例した高速データ伝送が可能となる。

図４は、従来技術によるＭＩＭＯ受信装置の構成を示すブロック図である。チャネル推定部５−１は、受信アンテナで受信された受信信号に対し、チャネル推定を行ってチャネル行列Ｈを生成する。数値計算処理部５−２は、チャネル行列Ｈを入力とし、チャネル行列の特異値、及び特異ベクトルを算出する。ウエイト乗算部５−３は、数値計算処理部５−２から供給される特異ベクトルを受信信号に乗算し、図示しない後段の復調処理に供給する。

このようなＭＩＭＯシステムの中でも、例えば、特許文献１、２で開示されているＳＶＤ（Singular Value Decomposition）−ＭＩＭＯシステムでは、送受信装置の双方がチャネル行列Ｈを既知とすることにより、複数のアンテナ間の伝送路特性の値から生成されるチャネル行列Ｈについて特異値分解を行い、送受信側で処理を行うことによって、Ｍ×Ｎの行列で与えられた通信路をチャネルの特異値の数だけシングル入力シングル出力（ＳＩＳＯ）システムとして扱うことができる。

また、分解されたＳＩＳＯ（Single input Single Output）通信路に対して送信装置は、通信路利得を知ることができるため、予め利得の大きな通信路には、大きな送信電力を与え、利得の小さな通信路には、小さな電力を配分、または電力を配分しないことで通信路容量を拡大することが可能となる。

特表２００７−５１２７６０号公報特表２００７−５３４２７１号公報

しかしながら、上述した特許文献１、２で開示されているＳＶＤ−ＭＩＭＯ通信では、数値計算処理部５−２でチャネル行列Ｈの特異値分解を行って直交伝送路を形成しているが、送受信アンテナ数の増加とともに、送信アンテナの数をＮとした場合に、特異値分解の演算量がＮ^３になるため、この処理部の演算量が増加するという問題がある。

また、チャネル行列Ｈの特異値が著しく小さな直交伝送路は、通信路利得が見込めずに電力を配分しないといったことがあり、このような場合においても、従来の特異値分解では、これに対応する特異値、及び特異ベクトルの算出も行うため、演算量が増加するという問題点がある。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、通信容量を確保しつつ、特異値分解を行うことによって生じる膨大な演算量を低減することができる受信装置、及び信号受信方法を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明は、ＭＩＭＯ通信を行う複数の受信アンテナを備える受信装置であって、前記複数の受信アンテナで受信された受信信号に対してチャネル推定を行い、チャネル行列を生成するチャネル推定手段と、前記チャネル推定手段によって生成されたチャネル行列に基づいてトレース値を算出する第１数値計算処理手段と、前記チャネル推定手段によって生成されたチャネル行列のランクを落としながら、チャネル行列の最大特異値、及びそれに対応する特異ベクトルを順次算出し、該順次算出された最大特異値と前記トレース値とに基づいて、前記チャネル行列の最大特異値、及びそれに対応する特異ベクトルの算出を打ち切り、その時点の特異ベクトルを選択する第２数値計算処理手段と、前記第２数値計算処理手段から選択された特異ベクトルを、前記複数の受信アンテナで受信された受信信号に乗算するウエイト乗算手段とを備えることを特徴とする受信装置である。

また、上述した課題を解決するために、本発明は、ＭＩＭＯ通信を行う複数の受信アンテナを備える受信装置であって、前記複数の受信アンテナで受信された受信信号に対してチャネル推定を行い、チャネル行列を生成するチャネル推定手段と、前記チャネル推定手段によって生成されたチャネル行列に基づいてトレース値を算出する第１数値計算処理手段と、前記チャネル推定手段によって生成されたチャネル行列のランクを落としながら、チャネル行列の最大特異値、及びそれに対応する特異ベクトルを順次算出し、該順次算出された最大特異値を累積加算した最大特異値と前記第１数値計算処理手段で算出されたトレース値との比が所定の閾値以上になると、前記チャネル行列の最大特異値、及びそれに対応する特異ベクトルの算出を打ち切り、その時点における最大特異値に対応する特異ベクトルを選択的に出力する第２数値計算処理手段と、前記第２数値計算処理手段から選択的に出力される特異ベクトルを、前記複数の受信アンテナで受信された受信信号に乗算するウエイト乗算手段とを備えることを特徴とする受信装置である。

また、上述した課題を解決するために、本発明は、ＭＩＭＯ通信を行う複数の受信アンテナを備える受信装置であって、前記複数の受信アンテナで受信された受信信号に対してチャネル推定を行い、チャネル行列を生成するチャネル推定手段と、前記チャネル推定手段によって生成されたチャネル行列に基づいてトレース値を算出する第１数値計算処理手段と、前記チャネル推定手段によって生成されたチャネル行列のランクを落としながら、チャネル行列の最大特異値、及びそれに対応する特異ベクトルを順次算出し、該順次算出された最大特異値を累積加算する第２数値計算処理手段と、前記第２数値計算処理手段で順次累積加算された最大特異値を、前記第１数値計算処理手段で算出されたトレース値で除算する除算手段と、前記除算手段による除算結果と所定の閾値とを比較する比較手段と、前記第２数値計算処理手段から選択的に供給される特異ベクトルを、前記複数の受信アンテナで受信された受信信号に乗算するウエイト乗算手段とを備え、前記第２数値計算処理手段は、前記比較手段による比較結果に基づいて、前記除算手段による除算結果が所定の閾値以上になると、前記チャネル行列の最大特異値、及びそれに対応する特異ベクトルの算出を打ち切り、その時点における最大特異値に対応する特異ベクトルを選択的に前記ウエイト乗算手段に供給する、ことを特徴とする受信装置である。

また、上述した課題を解決するために、本発明は、ＭＩＭＯ通信を行う複数の受信アンテナを備える受信装置による信号受信方法であって、前記複数の受信アンテナで受信された受信信号に対してチャネル推定を行い、チャネル行列を生成するステップと、前記チャネル行列に基づいてトレース値を算出するステップと、前記チャネル行列のランクを落としながら、チャネル行列の最大特異値、及びそれに対応する特異ベクトルを順次算出し、該順次算出された最大特異値と前記トレース値とに基づいて、前記チャネル行列の最大特異値、及びそれに対応する特異ベクトルの算出を打ち切り、その時点における最大特異値に対応する特異ベクトルを選択するステップと、前記選択された特異ベクトルを、前記複数の受信アンテナで受信された受信信号に乗算するステップとを含むことを特徴とする信号受信方法である。

この発明によれば、通信容量を確保しつつ、特異値分解を行うことによって生じる膨大な演算量を低減することができるという利点が得られる。

本発明の実施形態によるＭＩＭＯ通信における受信装置の構成を示すブロック図である。本実施形態によるＭＩＭＯ通信における受信装置の動作を説明するためのフローチャートである。送信アンテナの数をＭ（Ｍは１以上の整数）、受信アンテナの数をＮ（Ｎは１以上の整数）とした場合のＭＩＭＯ送受信装置を示すブロック図である。従来技術によるＭＩＭＯ受信装置の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態によるＭＩＭＯ通信における受信装置の構成を示すブロック図である。図において、本実施形態による受信装置は、チャネル推定部６−１、第１数値計算処理部６−２、第２数値計算処理部６−５、除算部６−３、比較部６−４、及びウエイト乗算部６−６を備えている。

チャネル推定部６−１は、受信アンテナで受信された受信信号に対し、チャネル推定を行ってチャネル行列Ｈを生成し、該チャネル行列Ｈを、第１数値計算処理部６−２、第２数値計算処理部６−５に供給する。ここで、チャネル推定とは、送信側の信号が受信装置に到達する際に、送信信号が受けるゲインを推定することを意味する。第１数値計算処理部６−２は、チャネル推定部６−１の出力であるチャネル行列Ｈを入力とし、チャネル行列Ｈのトレース値を算出し、該トレース値ｔｒａｃｅ（Ｈ）を除算部６−３に供給する。ここで、行列のトレースとは、行列の対角成分の総和であり、また、行列の特異値の総和と等価である。本実施形態では、該トレース値ｔｒａｃｅ（Ｈ）を、最大チャネル容量と定義する。

第２数値計算処理部６−５は、チャネル推定部６−１の出力であるチャネル行列Ｈを入力とし、後述する比較部６−４からの比較結果に従って、チャネル行列Ｈから特異ベクトル成分を除去し、行列のランクを落としながら、チャネル行列の最大特異値、及びそれに対応する特異ベクトルを繰り返し算出し、その都度、算出した最大特異値を記憶するとともに、該最大特異値と、過去に算出され記憶されている特異値とを加算して最大特異値の総和を算出して除算部６−３に供給する。また、第２数値計算処理部６−５は、後述する比較部６−４からの比較結果に従って、除算部６−３の除算結果βが閾値α以上となった場合に計算を打ち切り、その時点で、推定されたチャネル行列から算出した特異値に対応する特異ベクトルを選択し、ウエイト乗算部６−６に供給する。なお、本実施形態では、上記最大特異値の総和を、所有チャネル容量と定義し、除算結果βを、最大チャネル容量値対所有チャネル容量と定義する。

除算部６−３は、第１数値計算処理部６−２からのチャネル行列Ｈのトレース値ｔｒａｃｅ（Ｈ）、及び第２数値計算処理部６−５からの最大特異値を入力とし、数式（１）に従って、第２数値計算処理部６−５で計算された最大特異値を、第１数値計算処理部６−２で計算されたトレース値ｔｒａｃｅ（Ｈ）で除算し、その除算結果β（最大チャネル容量値対所有チャネル容量）を比較部６−４に供給する。

上記数式（１）において、ｎは、第２数値計算処理部６−５において算出された特異値の数である。Ｈは、推定されたチャネル行列である。

比較部６−４は、除算部６−３の出力である除算結果βと、所定の閾値αとを比較し、比較結果を第２数値計算処理部６−５に供給する。閾値αは、任意に決定される０＜α＜１の値である。ウエイト乗算部６−６は、第２数値計算処理部６−５から供給される特異ベクトルを入力とし、該特異ベクトルを受信信号に乗算し、図示しない後段の復調処理に供給する。

次に、上述した実施形態の動作について説明する。
図２は、本実施形態によるＭＩＭＯ通信における受信装置の動作を説明するためのフローチャートである。まず、チャネル推定部６−１で、受信アンテナで受信された受信信号に対してチャネル推定を行ない、チャネル行列Ｈを生成する（ステップＳ１）。なお、送信アンテナ数がＭ本で、受信アンテナがＮ本であるときのチャネルゲインは、Ｍ×Ｎ個となり、これを行列に直した形がチャネル行列Ｈである。

次に、第１数値計算処理部６−２では、チャネル推定部６−１で推定したチャネル行列Ｈのトレース値ｔｒａｃｅ（Ｈ）を算出する（ステップＳ２）。次に、チャネル行列Ｈに対し、第２数値計算処理部６−５が、数値計算処理を行い、最大特異値、及びそれに対応する特異ベクトルを算出する（ステップＳ３）。

次に、第２数値計算処理部６−５では、算出された最大特異値と、過去に算出された特異値があれば、過去の特異値とを加算して最大特異値の総和を算出し（ステップＳ４）、除算部６−３では、最大特異値の総和を、チャネル行列Ｈのトレース値ｔｒａｃｅ（Ｈ）で除算し、除算結果βとして比較部６−４に供給する（ステップＳ５）。

次に、比較部６−４では、上記除算結果βが予め設定された閾値α以上であるか否かを判定する（ステップＳ６）。そして、第２数値計算処理部６−５では、上記除算結果βが閾値αより小さい場合には、チャネル行列Ｈから特異ベクトル成分を除去し、行列のランクを落とし（ステップＳ７）、ステップＳ３に戻り、そのチャネル行列Ｈに対して上述した処理を行い、以下、再帰的に繰り返す。

一方、上記値βが閾値α以上となった場合には、第２数値計算処理部６−５では、その時点で算出した特異値に対応する特異ベクトルを選択し、該選択した特異ベクトルをウエイト乗算部６−６に出力し、特異ベクトルの選択を終了する（ステップＳ８）。

上述した実施形態によれば、除算部６−３の除算結果β（最大チャネル容量値対所有チャネル容量）を所定の閾値αと比較することによって、支配的となる直交伝送路に対応する特異値の高い特異ベクトルのみを選択することで、従来方式と同程度の通信容量を保ちつつ、特異値分解を行なうことによって生じる膨大な演算量を低減することができる。

本発明は、ＭＩＭＯ通信に係り、例えば、移動通信装置（移動局）、無線基地局装置等の受信装置に利用可能である。

１−１〜１−Ｍ送信アンテナ
２送信装置
３−１〜３−Ｎ受信アンテナ
４受信装置
５−１チャネル推定部
５−２数値計算処理部
５−３ウエイト乗算部
６−１チャネル推定部
６−２第１数値計算処理部
６−３除算部
６−４比較部
６−５第２数値計算処理部
６−６ウエイト乗算部

Claims

ＭＩＭＯ通信を行う複数の受信アンテナを備える受信装置であって、
前記複数の受信アンテナで受信された受信信号に対してチャネル推定を行い、チャネル行列を生成するチャネル推定手段と、
前記チャネル推定手段によって生成されたチャネル行列に基づいてトレース値を算出する第１数値計算処理手段と、
前記チャネル推定手段によって生成されたチャネル行列のランクを落としながら、チャネル行列の最大特異値、及びそれに対応する特異ベクトルを順次算出し、該順次算出された最大特異値と前記トレース値とに基づいて、前記チャネル行列の最大特異値、及びそれに対応する特異ベクトルの算出を打ち切り、その時点の特異ベクトルを選択する第２数値計算処理手段と、
前記第２数値計算処理手段から選択された特異ベクトルを、前記複数の受信アンテナで受信された受信信号に乗算するウエイト乗算手段と
を備えることを特徴とする受信装置。
前記第２数値計算処理手段は、
順次算出される最大特異値を累積加算する加算手段と、
前記加算手段により累積加算された最大特異値と前記トレース値とに基づいて、前記チャネル行列の最大特異値、及びそれに対応する特異ベクトルの算出を打ち切り、該打ち切った時点の特異ベクトルを選択する選択手段と
を備えることを特徴とする請求項１記載の受信装置。
ＭＩＭＯ通信を行う複数の受信アンテナを備える受信装置であって、
前記複数の受信アンテナで受信された受信信号に対してチャネル推定を行い、チャネル行列を生成するチャネル推定手段と
前記チャネル推定手段によって生成されたチャネル行列に基づいてトレース値を算出する第１数値計算処理手段と、
前記チャネル推定手段によって生成されたチャネル行列のランクを落としながら、チャネル行列の最大特異値、及びそれに対応する特異ベクトルを順次算出し、該順次算出された最大特異値を累積加算した最大特異値と前記第１数値計算処理手段で算出されたトレース値との比が所定の閾値以上になると、前記チャネル行列の最大特異値、及びそれに対応する特異ベクトルの算出を打ち切り、その時点における最大特異値に対応する特異ベクトルを選択的に出力する第２数値計算処理手段と、
前記第２数値計算処理手段から選択的に出力される特異ベクトルを、前記複数の受信アンテナで受信された受信信号に乗算するウエイト乗算手段と
を備えることを特徴とする受信装置。
ＭＩＭＯ通信を行う複数の受信アンテナを備える受信装置であって、
前記複数の受信アンテナで受信された受信信号に対してチャネル推定を行い、チャネル行列を生成するチャネル推定手段と、
前記チャネル推定手段によって生成されたチャネル行列に基づいてトレース値を算出する第１数値計算処理手段と、
前記チャネル推定手段によって生成されたチャネル行列のランクを落としながら、チャネル行列の最大特異値、及びそれに対応する特異ベクトルを順次算出し、該順次算出された最大特異値を累積加算する第２数値計算処理手段と、
前記第２数値計算処理手段で順次累積加算された最大特異値を、前記第１数値計算処理手段で算出されたトレース値で除算する除算手段と、
前記除算手段による除算結果と所定の閾値とを比較する比較手段と、
前記第２数値計算処理手段から選択的に供給される特異ベクトルを、前記複数の受信アンテナで受信された受信信号に乗算するウエイト乗算手段と
を備え、
前記第２数値計算処理手段は、
前記比較手段による比較結果に基づいて、前記除算手段による除算結果が所定の閾値以上になると、前記チャネル行列の最大特異値、及びそれに対応する特異ベクトルの算出を打ち切り、その時点における最大特異値に対応する特異ベクトルを選択的に前記ウエイト乗算手段に供給する、
ことを特徴とする受信装置。
前記第２数値計算処理手段は、
前記順次算出される最大特異値を記憶する記憶手段と、
前記順次算出される最大特異値と前記記憶手段に記憶されている過去の最大特異値とを累積加算する加算手段と
を備えることを特徴とする請求項３または４に記載の受信装置。
ＭＩＭＯ通信を行う複数の受信アンテナを備える受信装置による信号受信方法であって、
前記複数の受信アンテナで受信された受信信号に対してチャネル推定を行い、チャネル行列を生成するステップと、
前記チャネル行列に基づいてトレース値を算出するステップと、
前記チャネル行列のランクを落としながら、チャネル行列の最大特異値、及びそれに対応する特異ベクトルを順次算出し、該順次算出された最大特異値と前記トレース値とに基づいて、前記チャネル行列の最大特異値、及びそれに対応する特異ベクトルの算出を打ち切り、その時点における最大特異値に対応する特異ベクトルを選択するステップと、
前記選択された特異ベクトルを、前記複数の受信アンテナで受信された受信信号に乗算するステップと
を含むことを特徴とする信号受信方法。
前記特異ベクトルを選択するステップは、
前記チャネル行列のランクを落としながら、チャネル行列の最大特異値、及びそれに対応する特異ベクトルを順次算出するステップと、
前記順次算出される最大特異値を累積加算するステップと
前記累積加算された最大特異値と前記トレース値とに基づいて、前記チャネル行列の最大特異値、及びそれに対応する特異ベクトルの算出を打ち切り、その時点における最大特異値に対応する特異ベクトルを選択するステップと
を含むことを特徴とする請求項６記載の信号受信方法。
前記累積加算された最大特異値と前記トレース値とに基づいて特異ベクトルを選択するステップは、
前記累積加算された最大特異値を、前記トレース値で除算するステップと、
前記除算結果と所定の閾値とを比較するステップと、
前記比較結果に基づいて、前記除算結果が所定の閾値以上になると、前記チャネル行列の最大特異値、及びそれに対応する特異ベクトルの算出を打ち切り、その時点における最大特異値に対応する特異ベクトルを選択するステップと
を含むことを特徴とする請求項７記載の信号受信方法。