JP5360421B2 - 無線通信システム - Google Patents
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Description
また、最近、移動する複数の端末装置と、基地局装置とがマルチユーザ干渉を避けつつ、各端末装置に対するSC信号が周波数上で重ならないように周波数分割多重により通信するSC−FDMA(Single Carrier-Frequency Division Multiple Access;シングルキャリア−周波数分割多元接続)通信技術が提案されている(非特許文献3)。このSC−FDMAでは、受信FDEが用いられる。
このようなDANと、SC−FDMAとを組み合わせることで、伝搬損失やシャドウイング損失による伝送特性の劣化をさらに低減することができると考えられている。
基地局送信部91は、データ変調回路911−1〜911−Uと、DFT回路912−1〜912−Uと、端末選択回路913と、送信重み乗算回路914−1〜914−NTと、IDFT回路915−1〜915−NTと、ガード区間挿入回路916−1〜916−NTと、アンテナ917−1〜917−NTを備えている。
データ変調回路911−1〜911−Uは、U個の端末装置それぞれに向けて送信するデータ系列をシンボルに変調する。DFT回路912−1〜912−Uは、ポイント数がNcである離散フーリエ変換により、データ変調回路911−1〜911−Uにより変調されたシンボルをNc個の周波数領域の信号に変換する。
IDFT回路915−1〜915−NTは、ポイント数がNcである逆離散フーリエ変換により、送信重み回路914−1〜914−NTにおいて重み付けされた周波数領域の信号を時間領域の送信信号を生成する。ガード区間挿入回路916−1〜916−NTは、IDFT回路915−1〜915−NTにより生成された送信信号に対してガードインターバルを挿入した送信信号をアンテナ917−1〜917−NTから送信する。
端末局受信部92は、アンテナ921と、ガード区間除去回路922と、データ判定回路923とを備えている。カード区間除去回路922は、アンテナ921を介して基地局装置から受信した信号に対してガードインターバルを除去してデータ判定回路923に出力する。データ判定回路923は、ガード区間除去回路922より入力された信号に対して復調、及びエラー検出などを行うことにより自装置に向けて基地局装置から送信されたデータ系列を得る。
点線は、端末装置(User#1)のチャネル利得の2乗和を示し、一点鎖線は、端末装置(User#2)のチャネル利得の2乗和を示している。また、実線は、データ系列の伝送対象として選択された端末装置のチャネル2乗和の利得を示している。すなわち、端末装置(User#1)が選択された場合を示している。
しかしながら、伝送に用いる周波数帯域が広いために周波数選択性フェージングの影響が大きい場合、各周波数成分においてチャネル利得が最大となる端末装置が異なるにもかかわらず、全周波数帯域を用いて1つのデータ系列しか伝送しない。そのため、マルチユーザダイバーシチの効果を得ることができず、システム全体としてのスループットを改善することができないという問題があった。
図1は、本実施形態における無線通信システム5の概略を示す図である。
同図に示すように、無線通信システム5は、アンテナ11−1〜11−NT(NTは、2以上の自然数)を有する基地局装置1と、M(Mは、2以上の自然数)個の端末装置2−1〜2−Mとを具備している。基地局装置1には、アンテナ11−1〜11−NTが、光ファイバなどを介して接続されている。アンテナ11−1〜11−NTは、基地局装置1が端末装置2−1〜2−Mに対してデータの伝送を提供する範囲1A内に分散して配置されている。端末装置2−1〜2−Mは、同じ構成を有している。以下、端末装置2−1〜2−Mのいずれか、あるいは、全てを示す場合には、端末装置2という。
同図に示すように、基地局装置1は、チャネル推定部12と、周波数割当部13と、受信電力測定部14と、アンテナ選択部15と、重み係数算出部16と、基地局送信部17と、基地局受信部18とを備えている。チャネル推定部12、基地局送信部17、及び基地局受信部18は、アンテナ11−1〜11−NTと接続されている。
アンテナ選択部15は、端末装置2ごとに、受信電力測定部14により測定された短区間平均受信電力が最も大きくなるNt(Nt≦NTを満たす自然数)本のアンテナをアンテナ11-1〜アンテナ11−NTから選択して、選択したNt本のアンテナを端末装置2に割り当てる。また、端末装置2ごとに割り当てたNt本のアンテナを示すアンテナ割当情報を基地局送信部17と、基地局受信部18とに出力する。
このとき、端末装置2それぞれに割り当てるアンテナは、重複してもよい。ここで、Ntは、送信ダイバーシチ、及び受信ダイバーシチにおける干渉の影響や、端末装置2に割り当てられたNt本アンテナを通じて当該端末装置2から受信した信号を同期させる際の基地局装置1の負荷などに基づいて予め定められる数である。なお、アンテナ選択部15は、端末装置2ごとに各直交周波数におけるチャネル利得の2乗和を算出し、算出したチャネル利得の2乗和が高い順にアンテナを選択してもよい。また、チャネル利得の2乗和に替えて信号対雑音電力比が高い順にアンテナを選択してもよい。
DFT回路174−1は、データ変調回路173−1により生成された変調シンボルブロックに対して、端末装置2(#1)に割り当てられた直交周波数の数(M1)をポイント数とする離散フーリエ変換を行い、M1個の直交周波数成分に変換する。DFT回路174−2〜174−Uは、それぞれがDFT回路174−1と同様に、データ変調回路173−2〜173−Uから入力される変調シンボルブロックそれぞれに対して、M2〜MUをポイント数とする離散フーリエ変換によりM2〜MU個の直交周波数成分に変換する。すなわち、DFT回路174−1〜174−Uそれぞれは、対応する端末装置2に割り当てられた直交周波数の数に応じてポイント数を変更できるDFT回路である。
また、周波数マッピング回路175は、端末装置2(#1〜#U)それぞれに向けて送信するデータ系列の直交周波数成分が配置された伝送信号を送信部172が有する送信重み乗算回路176−1〜176−NTそれぞれに出力する。すなわち、周波数マッピング部171は、端末装置2(#1〜#U)に向けて送信するデータ系列の情報を含む伝送信号をNT個複製して送信重み乗算回路176−1〜176−NTに出力する。
ガード区間挿入回路178−1は、IDFT回路177−1が変換した送信信号に含まれる最後のNg個の波形サンプルをサイクリックプレフィクスとして先頭のガード区間に挿入して、アンテナ11−1から送信する。ガード区間挿入回路178−2〜178−NTも、ガード区間挿入回路178−1と同様に、IDFT回路177−2〜177−NTそれぞれが変換した送信信号にサイクリックプレフィクスをガード区間に付加して送信する。
図示するように基地局受信部18は、アンテナ11−1〜11−NTに接続された周波数デマッピング部181と、データ抽出部182とを含み構成されている。周波数デマッピング部181は、NT個のガード区間除去回路183−1〜183−NTと、NT個のDFT回路184−1〜184−NTと、NT個の受信重み乗算回路185−1〜185−NTと、周波数デマッピング回路186とを有している。データ抽出部182は、U個のIDFT回路187−1〜187−Uと、U個のデータ判定回路188−1〜188−Uとを有している。
DFT回路184−1は、ガード区間除去回路183−1から入力された受信信号に対して、Ncをポイント数とする離散フーリエ変換を行いNc個の直交周波数それぞれの帯域における信号に変換する。DFT回路184−2〜184−NTそれぞれは、DFT回路184−1と同様に、ガード区間除去回路183−2〜183−NTから入力された受信信号に対して、Ncをポイント数とする離散フーリエ変換を行いNc個の直行周波数帯域の信号に変換する。
受信重み乗算回路185−2〜185−NTは、受信重み乗算回路185−1と同様に、重み係数算出部16により算出されるアンテナ11−2〜11−NTに対応するNc個の直交周波数それぞれに対する受信重み係数と、DFT回路184−2〜184−NTそれぞれより入力されるNc個の直交周波数の信号とを乗算する。
これにより、基地局受信部18は、受信FDE(Frequency Domain Equalization;周波数領域等化)を行う。
周波数デマッピング回路186は、端末装置2(#1)に割り当てられたアンテナに対応する受信重み乗算回路185−1より入力されるNc個の直交周波数に配置された信号のうち、端末装置2(#1)に割り当てられたM1個の直交周波数に配置されている信号を選択する。そして、周波数デマッピング回路186は、選択した信号のうち、同じ直交周波数に配置されている信号を合成し、端末装置2(#1)に対応づけられているIDFT回路187−1に合成されたM1個の周波数領域の信号を出力する。
上述のように、IDFT回路187−1〜187−Uは、対応する端末装置2に割り当てられた直交周波数の数に応じてポイント数を変更できるIDFT回路である。
図示するように、端末装置2は、アンテナ21と、周波数マッピング取得部22と、周波数マッピング記憶部23と、端末局送信部24と、端末局受信部25とを備えている。
周波数マッピング取得部22は、アンテナ21より受信した信号から周波数割当情報を検出して周波数マッピング記憶部23に記憶させる。
同図に示すように、端末局送信部24は、周波数マッピング部241と、送信部242とを含み構成されている。周波数マッピング部241は、データ変調回路243と、DFT回路244と、周波数マッピング回路245とを有している。送信部242は、IDFT回路246と、ガード区間挿入回路247とを有している。
DFT回路244は、データ変調回路243により変換された変調シンボルブロックに対して、自装置に割り当てられている直交周波数の数Mi(1≦i≦U)をポイント数とする離散フーリエ変換を行い、Mi個の直交周波数成分に変換する。すなわち、DFT回路244は、自装置に割り当てられている直交周波数の数に応じてポイント数を変更できるDFT回路である。
ガード区間挿入回路247は、IDFT回路246が変換した送信信号に含まれる最後のNg個の波形サンプルをサイクリックプレフィクスとして先頭のガード区間に挿入して、アンテナ21から送信する。
図示するように、端末局受信部25は、周波数デマッピング部251と、データ抽出部252とを含み構成されている。周波数デマッピング部251は、ガード区間除去回路253と、DFT回路254と、周波数デマッピング回路255とを有している。データ抽出部252は、IDFT回路256と、データ判定回路257とを有している。
ガード区間除去回路253は、アンテナ21により受信された受信信号からガード区間を除去してDFT回路254に出力する。
DFT回路254は、Ncをポイント数とする離散フーリエ変換を行い、Nc個の直交周波数の信号に変換する。
IDFT回路256は、周波数デマッピング回路255から入力された信号に対して、Miをポイント数とする逆離散フーリエ変換を行い、軟判定変調シンボルブロックに変換してデータ判定回路257に出力する。すなわち、IDFT回路256は、自装置に割り当てられている直交周波数に応じてポイント数を変更できるIDFT回路である。
データ判定回路257は、IDFT回路256から入力された軟判定変調シンボルブロックに対して、復調及び誤り訂正復号などを行い2値情報ブロックに変換して自装置に向けたデータ系列を出力する。
基地局装置1において、チャネル推定部12は、アンテナ11−1〜11−NTと、各端末装置2との間のチャネル利得を直交周波数ごとに推定(算出)する(ステップS401)。
次に、受信電力測定部14は、端末装置2ごとに短区間平均受信電力を測定する(ステップS402)。短区間平均受信電力の測定方法としては、例えば、ステップS401において推定したチャネル利得から信号電力を測定する。
なお、ステップS401及びステップS402におけるチャネル利得値の推定、及び短区間平均受信電力の測定は、各端末装置2により行い、推定したチャネル利得値を示すチャネル利得情報、及び短区間平均受信電力を示す情報を基地局装置1に送信するようにしてもよい。
上りリンクにおける動作も、下りリンクにおける動作と同様に、始めに、チャネル推定部12が各端末装置2と各アンテナとの間の短区間平均受信電力を測定する。そして、アンテナ選択部15が、端末装置2ごとに、短区間平均受信電力の大きなNt本のアンテナを選択する。すなわち、基地局装置1は、各端末装置2から送信される信号に対してNt本のアンテナによる受信ダイバーシチを行う。このとき、基地局装置1が各端末装置2から送信される信号を受信するために使用するアンテナは合計でNt_all本(≧Nt)になる。次に、各端末装置2の端末局送信部24は、送信するデータ系列に応じた送信信号を生成して送信する。基地局装置1の基地局受信部18は、端末装置2ごとに選択したNt本のアンテナによりダイバーシチ受信をし、受信信号から各端末装置2より送信されたデータ系列を抽出する。
同図において、横軸は直交周波数を示し、縦軸は選択したアンテナと各端末装置2との間のチャネル利得の2乗和を示している。ここで示す例では、基地局装置1と2つの端末装置2(User#1、User#2)とにより無線通信システム5が構成され、伝送に用いる周波数帯域を256等分した例を示している。端末装置2(User#1)のチャネル利得の2乗和が、点線により示され、端末装置2(User#2)のチャネル利得の2乗和が一点鎖線により示されている。また、実線により選択された端末装置2のチャネル利得の2乗和が示されている。
また、周波数選択性フェージングが生じた場合においても、端末装置2のうち最もチャネル利得値の2乗和が高い端末装置2を割り当てることにより、フェージングによるチャネル容量の低下を抑制することができる。
以下、計算機シミュレーションで評価した本実施形態の効果の一例を示す。
図10は、計算機シミュレーションにおける条件を示す図である。同図に示すモンテカルロ数値計算機諸元における本数値シミュレーションでは、下りリンクにおけるチャネル容量の算出を行った。基地局装置1に接続するアンテナは、数が4本であり、1辺が正規化距離Rの正方形の各頂点にそれぞれ配置されているとした。したがって、下りリンクの送信に利用するアンテナ数はNt=1〜4になる。
Combining;MRC)規範に、周波数間での電力配分を注水定理に基づき行う。また、チャネル推定は理想としている。なお、Nt本のアンテナからの総合送信電力を、距離Rでの受信シンボルエネルギー対雑音電力スペクトル密度比Es/N0で表している。
上述の公知の技術では、全直交周波数が1ユーザへ割り当てられるために周波数選択性フェージングが平均化されてしまう。
また、図11に示すように、ユーザ数Uが大きくなるほどシステムスループットを向上の度合いが大きくなる。例えば、ユーザ数U=4,選択アンテナ数Nt=4の場合、全ての直交周波数を1ユーザに割り当てるときよりも0.5bps/Hz程度システムスループットが増加する。
また、本実施形態においては、基地局装置と、複数の端末装置とを具備する無線通信システムの構成を説明したが、基地局装置に変えて、分散して配置された複数のアンテナを通じて複数の端末装置と通信する移動局であってもよい。
2、2−1、2−M…端末装置
5…無線通信システム
11−1、11−2、11−3、11−4、11−5、11−NT…アンテナ
12…チャネル推定部
13…周波数割当部
14…受信電力測定部
15…アンテナ選択部
16…重み係数算出部
17…基地局送信部
18…基地局受信部
21…アンテナ
22…周波数マッピング取得部
23…周波数マッピング記憶部
24…端末局送信部
25…端末局受信部
171、241…周波数マッピング部
172、242…送信部
173−1、173−2、173−U、243…データ変調回路
174−1、174−2、174−U、244…DFT回路
175、245…周波数マッピング回路
176−1、176−2、176−NT…送信重み乗算回路
177−1、177−2、177−NT、246…IDFT回路
178−1、178−2、178−NT、247…ガード区間挿入回路
181、251…周波数デマッピング部
182、252…データ抽出部
183−1、183−2、183−NT、253…ガード区間除去回路
184−1、184−2、184−NT、254…DFT回路
185−1、185−2、185−NT…受信重み乗算回路
186、255…周波数デマッピング回路
187−1、187−2、187−U、256…IDFT回路
188−1、188−2、188−U、257…データ判定回路
Claims (7)
- 複数のアンテナを有する基地局装置と、複数の端末装置とが複数の直交周波数により送受信を行う無線通信システムにおいて、
前記複数の端末装置と、前記複数のアンテナとの間のチャネル利得を示すチャネル利得情報に基づいて、前記複数の直交周波数それぞれに対して前記複数の端末装置のいずれかを割り当てる周波数割当手段と、
前記複数の端末装置ごとに、端末装置が送信又は受信するデータ系列に対して該端末装置に割り当てられた直交周波数の数をポイント数とする離散フーリエ変換をし、離散フーリエ変換により得られた周波数領域の信号を該端末装置に割り当てられた直交周波数に配置した伝送信号をシングルキャリアにより送信し、前記基地局装置と前記複数の端末装置とのうちデータ系列を送信する側に設けられる送信手段と、
前記送信手段が送信した伝送信号を受信し、前記複数の端末装置ごとに、端末装置に対して割り当てられた直交周波数に配置された信号を前記伝送信号から選択し、選択した信号に対して該端末装置に割り当てられた直交周波数の数をポイント数とする逆離散フーリエ変換をしてデータ系列を取得し、前記基地局装置と前記複数の端末装置とのうちデータ系列を受信する側に設けられる受信手段と
を備え、
前記複数の端末装置ごとに、前記チャネル利得情報に基づいて算出されるチャネル利得の2乗和、あるいは、信号対雑音電力比が最も高い予め定められたNt本のアンテナ、もしくは、測定された短区間平均受信電力が最も大きくなる前記Nt本のアンテナを前記複数のアンテナから選択し、該選択したNt本のアンテナを当該端末装置に割り当て、該割り当てたNt本のアンテナを介して当該端末装置とのデータ系列の伝送を行う
ことを特徴とする無線通信システム。 - 前記周波数割当手段は、前記複数の直交周波数ごと、且つ前記複数の端末装置ごとに、前記複数のアンテナと、該端末装置との間のチャネル利得の2乗和を算出し、前記複数の直交周波数それぞれに対して算出したチャネル利得の2乗和が最も大きい端末装置を割り当てる
ことを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。 - 前記基地局装置は、
前記複数のアンテナごとに、前記複数の端末装置のうち前記複数の直交周波数が割り当てられている端末装置との間のチャネル利得情報に基づいて、該端末装置に対して割り当てられた直交周波数において、送信ダイバーシチ効果により伝送容量が最も高くなる送信重み係数を算出する送信重み係数算出部を備え、
前記基地局装置に設けられる前記送信手段である第1の送信手段は、
前記周波数割当手段により直交周波数を割り当てられている端末装置ごとに、端末装置に向けて送信するデータ系列に対して、該端末装置に割り当てられている直交周波数の数をポイント数とする離散フーリエ変換をし、離散フーリエ変換により得られた周波数領域の信号を該端末装置に割り当てられている直交周波数に移動させた伝送信号を生成する第1の周波数マッピング部と、
前記複数のアンテナごとに、前記送信重み係数算出部により算出されたアンテナに対応する送信重み係数と、前記第1の周波数マッピング部により生成された伝送信号とを乗算し、送信重みを乗算した伝送信号に対して逆離散フーリエ変換をし、逆離散フーリエ変換により得られた時間領域の信号である送信信号を該アンテナから送信する第1の送信部と
を有し、
前記複数の端末装置それぞれに設けられる前記受信手段である第1の受信手段は、
前記第1の送信部から送信信号を受信し、受信した送信信号を前記複数の直交周波数の総数をポイント数とする離散フーリエ変換により周波数領域の伝送信号に変換し、自装置に割り当てられた直交周波数に配置されている信号を選択する第1のデマッピング部と、
前記第1のデマッピング部により選択された信号に対して、自装置に割り当てられている直交周波数の数をポイント数とする逆離散フーリエ変換により自装置に向けたデータ系列を得る第1のデータ抽出部と
を有する
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の無線通信システム。 - 前記基地局装置は、
前記複数のアンテナごとに、前記複数の端末装置のうち前記複数の直交周波数が割り当てられている端末装置との間のチャネル利得情報に基づいて、該端末装置に対して割り当てられている直交周波数において、受信ダイバーシチ効果により伝送容量が最も高くなる送信重み係数を算出する受信重み係数算出部を備え、
前記複数の端末装置のそれぞれに設けられる送信手段である第2の送信手段は、
前記基地局装置に向けて送信するデータ系列に対して、自装置に割り当てられた直交周波数の数をポイント数とする離散フーリエ変換をし、離散フーリエ変換により得られた周波数領域の信号を自装置に割り当てられている直交周波数に移動させ、他の端末装置に割り当てられている直交周波数の信号を零とした伝送信号を生成する第2の周波数マッピング部と、
前記第2のマッピング部により生成された伝送信号に対して、逆離散フーリエ変換をし、逆離散フーリエ変換により得られた時間領域の信号である送信信号を送信する第2の送信部と、
を有し、
前記基地局装置に設けられる受信手段である第2の受信手段は、
前記複数のアンテナごとに、アンテナを介して前記第2の送信部から送信信号を受信し、受信した信号を前記複数の直交周波数の総数をポイント数とする離散フーリエ変換により周波数領域の信号に変換し、前記受信重み係数算出部により算出された該アンテナに対応する受信重み係数と、変換された周波数領域の信号とを乗算した信号を出力する第2の周波数デマッピング部と、
前記複数の端末装置ごとに、前記第2の周波数デマッピング部より出力される信号において、端末装置に割り当てられている直交周波数の信号を選択し、選択した信号に対して、該端末装置に割り当てられている直交周波数の数をポイント数とする逆離散フーリエ変換により該端末装置から自装置に向けたデータ系列を得る第2のデータ抽出部と
を有する
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の無線通信システム。 - 前記複数の端末装置は、前記複数のアンテナから周期的に送信される既知信号より前記チャネル利得情報を推定して前記基地局装置に送信する
ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の無線通信システム。 - 前記複数の端末装置は、周期的に既知信号を送信し、
前記基地局装置は、前記複数の端末装置それぞれから受信した前記既知信号より前記チャネル利得情報を推定する
ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の無線通信システム。 - 前記複数の端末装置それぞれに対して、前記複数の直交周波数ごとに前記複数のアンテナそれぞれとの間のチャネル利得の2乗和、あるいは、チャネル利得の2乗和に対するそのチャネル利得の2乗和の長期間平均値の比が大きい順に予め定められた数の端末装置を選択し、選択した端末装置をデータ系列の伝送対象とする
ことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の無線通信システム。
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