JP7144808B2

JP7144808B2 - 無線通信装置及び無線通信方法

Info

Publication number: JP7144808B2
Application number: JP2019036240A
Authority: JP
Inventors: 友規村上; 陸大宮; 浩一石原; 崇文林; 健太郎西森
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Niigata University
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Niigata University
Priority date: 2019-02-28
Filing date: 2019-02-28
Publication date: 2022-09-30
Anticipated expiration: 2039-02-28
Also published as: JP2020141292A

Description

本発明は、無線通信装置及び無線通信方法に関する。

５ＧＨｚ帯の電波を用いた高速無線アクセスシステムとして、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ規格、１１ｎ規格、１１ａｃ規格に基づく無線ＬＡＮがある。１１ａ規格では、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ:Orthogonal Frequency Division Multiplexing）変調方式をベースとして、マルチパスフェージング環境での特性を安定化させて、最大５４Ｍｂｉｔ／ｓの伝送速度を実現している。さらに、１１ｎ規格では、複数アンテナを用いて同一の無線チャネルで空間分割多重を行うＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）や、２０ＭＨｚの周波数チャネルを２つ同時に利用して４０ＭＨｚの周波数チャネルを利用するチャネルボンディング技術を用いて、最大６００Ｍｂｉｔ／ｓの伝送速度を実現している。また、１１ａｃの規格では、２０ＭＨｚの周波数チャネルを８つまで同時に利用し最大１６０ＭＨｚの周波数チャネルとして利用するチャネルボンディング技術や、同一の無線チャネルで複数の宛先に対して異なる信号を同時伝送する下り回線のマルチユーザＭＩＭＯ技術等を利用し、１１ｎ規格より高速かつ高効率な無線通信を実現している。

現在では、伝送速度の向上に加えて伝送効率の向上にも焦点を当てたＩＥＥＥ８０２．１１ａｘ規格の策定も進められている。１１ａｘでは、同時伝送による空間的な周波数再利用の促進、ＯＦＤＭ変調方式の効率改善、また、マルチユーザ伝送として、上下回線のＯＦＤＭＡ伝送と上り回線のマルチユーザＭＩＭＯ伝送が追加される予定である。

また、高速伝送を行うために、ＣＭＡ（Constant Modulus Algorithm）アダプティブアレーを用いて干渉波を抑制する技術が知られている（例えば非特許文献１参照）。

西森健太郎、外２名、"ＱＡＭ信号に対するＣＭＡアダプティブアレーの動作解析"、電子情報通信学会論文誌Ｂ－ＩＩ、１９９６年１２月、Ｖｏｌ．Ｊ７９－Ｂ－ＩＩＮｏ．１２、ｐ．９８４－９９３

図１０は、従来の無線基地局の構成の一例を示す。無線基地局４は、複数のアンテナ４０、アンテナ４０と同数のＲＦ部４１、アンテナ４０と同数のＡ／Ｄ変換部４２及び復調部４３を有する。なお、図１０においては、無線基地局４が受信を行うために要する主な機能ブロックのみを記載しており、一般的に無線基地局に搭載されるそれ以外の機能ブロックについては記載していない。

アンテナ４０は、例えばＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ信号を受信する。アンテナ４０は、それぞれＲＦ部４１に接続されており、受信したＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ信号をＲＦ部４１に対して出力する。

ＲＦ部４１は、それぞれアンテナ４０から入力されたＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ信号に対し、増幅・周波数変更・フィルタリングなどのアナログ処理を施し、処理した信号をＡ／Ｄ変換部４２に対して出力する。つまり、ＲＦ部４１は、一般的な無線装置のＲＦフロントエンドの機能が搭載されている。

Ａ／Ｄ変換部４２は、それぞれＲＦ部４１から入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換し、そのデジタル信号を復調部４３に対して出力する。

復調部４３では、Ａ／Ｄ変換部４２それぞれから入力された複数のデジタル信号に対し、無線ＬＡＮシステム等で規定されるＭＩＭＯ－ＯＦＤＭの復調処理を行う。

このように、従来の無線基地局４では、受信信号に対してＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ復調を行うためには、アンテナ４０の数に応じたＲＦ部４１及びＡ／Ｄ変換部４２が設けられる必要があった。さらに、近年の５Ｇなどの無線通信システムでは、マッシブＭＩＭＯ伝送のようにアンテナ数の増大が飛躍的に進んでいるため、ＲＦ部及びＡ／Ｄ変換部の増加に伴うコスト・消費電力の増加に関する課題を解決することが求められている。

本発明は、受信に用いるアンテナ数及び回路数の少なくともいずれかを削減して複数の信号を受信することができる無線通信装置及び無線通信方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様にかかる無線通信装置は、変調された送信信号の１シンボル内で指向性を複数回変化させつつ、前記送信信号を受信するアンテナ装置と、前記アンテナ装置が受信した受信信号を前記指向性ごとに複数の信号に分割する信号分割部と、前記信号分割部が分割した複数の信号の中から、受信電力が高くなる信号の組合せ又は相関が低くなる信号の組合せを、所定の閾値に基づいて選択する選択部と、前記選択部が選択した信号の組合せをＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ復調する復調部とを有し、前記アンテナ装置は、複数のアンテナと、複数の前記アンテナが受信した信号をそれぞれ入力し、該入力した信号の振幅及び位相を変更して出力する複数の振幅位相可変部と、複数の前記振幅位相可変部が出力した複数の信号を合成し、前記受信信号として出力する合成部と、複数の前記振幅位相可変部に対して、入力した信号の振幅及び位相を、前記受信信号の包絡線の歪成分が最小になるようにしつつ、前記受信信号の１シンボル内で複数回変更させることによって、前記指向性を前記受信信号の１シンボル内で複数回変化させるように制御する制御部とを有することを特徴とする。

本発明の一態様にかかる無線通信方法は、変調された送信信号の１シンボル内で指向性を複数回変化させつつ、前記送信信号を受信した受信信号を取得する受信工程と、前記受信信号を前記指向性ごとに複数の信号に分割する信号分割工程と、前記信号分割工程で分割した複数の信号の中から、受信電力が高くなる信号の組合せ又は相関が低くなる信号の組合せを、所定の閾値に基づいて選択する選択工程と、前記選択工程で選択した信号の組合せをＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ復調する復調工程とを含み、前記受信工程は、複数のアンテナで受信したそれぞれの信号の振幅及び位相を変更する振幅位相変更工程と、前記振幅位相変更工程でそれぞれ振幅及び位相を変更した複数の信号を合成し、前記受信信号とする合成工程と、前記振幅位相変更工程において、複数の前記アンテナで受信したそれぞれの信号の振幅及び位相を、前記受信信号の包絡線の歪成分が最小になるようにしつつ、前記受信信号の１シンボル内で複数回変更することによって、前記指向性を前記受信信号の１シンボル内で複数回変化するように制御する制御工程とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、受信に用いるアンテナ数及び回路数の少なくともいずれかを削減して複数の信号を受信することができる。

一実施形態にかかる無線通信システムの構成例を示す図である。無線端末局の構成例を示す図である。一実施形態にかかる無線基地局の構成例を示す図である。合成部が合成した受信信号パターンの一例を示す図である。ＣＭＡの動作原理の概要を示す図である。無線通信システムの上り回線の通信シーケンスの一例を示す図である。図７（ａ）は、比較例の受信結果を示す。図７（ｂ）は、従来の無線基地局の受信結果を示す。図７（ｃ）は、実施形態にかかる無線基地局の受信結果を示す。図８（ａ）は、複数のアンテナ１１の第１変形例を示す図である。図８（ｂ）は、複数のアンテナ１１の第２変形例を示す図である。図８（ｃ）は、複数のアンテナ１１の第３変形例を示す図である。一実施形態にかかる無線基地局の変形例の構成例を示す図である。従来の無線基地局の構成の一例を示す図である。

以下に、図面を用いて無線通信システムの一実施形態を説明する。

図１は、一実施形態にかかる無線通信システムの構成例を示す。図１に示すように、無線通信システムは、例えば、無線通信装置としての無線基地局１と、無線基地局１に対して無線通信可能な範囲であるサービスエリア内に存在するｎ台の無線端末局２－１～２－ｎとによって構成される。無線端末局２－１～２－ｎは、無線基地局１に対して非同期に上り信号を送信する。以下、無線端末局２－１～２－ｎのいずれかを特定しない場合には、単に無線端末局２と記す。

図２は、無線端末局２の構成例を示す。図２に示すように、無線端末局２は、例えば変調部２１、Ｄ／Ａ変換部２２、ＲＦ部２３及びアンテナ２４を有する。なお、図２においては、無線端末局２が送信を行うために要する主な機能ブロックのみを記載しており、一般的に無線端末局に搭載されるそれ以外の機能ブロックについては記載していない。

変調部２１は、例えば無線ＬＡＮシステム等で規定されるＭＩＭＯ－ＯＦＤＭの変調処理を行い、変調した信号をＤ／Ａ変換部２２に対して出力する。

Ｄ／Ａ変換部２２は、変調部２１から入力されたデジタル信号をアナログ信号を変更し、ＲＦ部２３に対して出力する。

ＲＦ部２３は、Ｄ／Ａ変換部２２から入力され信号に対して、増幅・周波数変更・フィルタリングなどの処理を行い、処理した送信信号をアンテナ２４に対して出力する。つまり、ＲＦ部２３は、一般的な無線通信装置のＲＦフロントエンドの機能を備える。

アンテナ２４は、ＲＦ部２３から入力された送信信号を空中に放射する。

図３は、一実施形態にかかる無線基地局１の構成例を示す。図３に示すように、無線基地局１は、例えば、複数のアンテナ１１、複数の振幅位相可変部１２、合成部１３、ＲＦ部１４、Ａ／Ｄ変換部１５、信号分割部１６、復調部１７及び制御部１８を有する。なお、図３においては、無線基地局１が受信を行うために要する主な機能ブロックのみを記載しており、一般的に無線基地局に搭載されるそれ以外の機能ブロックについては記載していない。

複数のアンテナ１１は、アレーアンテナを形成しており、無線端末局２－１～２－ｎが送信する変調された例えばＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ信号などの送信信号を受信する。ここで、アンテナ１１は、変調された送信信号の１シンボル内で指向性を複数回（例えばＰ回）変化させつつ、ＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ信号を受信し、振幅位相可変部１２に対して出力する。

振幅位相可変部１２は、アンテナ１１が受信した受信信号に対して、制御部１８から入力される制御信号に応じて振幅と位相を変更し、調整した信号（受信信号パターン）を合成部１３に対して出力する。例えば、振幅位相可変部１２は、制御部１８の制御に応じて、受信信号の１シンボル内に複数（例えばＰ個）の受信信号パターンを出力する。

合成部１３は、振幅位相可変部１２が受信信号の１シンボル内で出力した複数（例えばＰ個）の受信信号パターンを合成し、ＲＦ部１４に対して出力する。

図４は、合成部１３が合成した受信信号パターン（アンテナ特性）の一例を示す。例えば、合成部１３は、図４に示したように９０°ずつずれた４方向にメインローブ、サイドローブ及びバックローブが生じるように合成を行う。

ＲＦ部１４（図３）は、合成部１３から入力される信号に対して、増幅・周波数変更・フィルタリングなどの処理を行い、処理した信号をＡ／Ｄ変換部１５に対して出力する。つまり、ＲＦ部１４は、一般的な無線通信装置のＲＦフロントエンドの機能を備える。

Ａ／Ｄ変換部１５は、ＲＦ部１４から入力されるアナログ信号をデジタル信号に変更し、信号分割部１６に対して出力する。また、Ａ／Ｄ変換部１５は、サンプリング周期を制御部１８に対して通知する。ここでは、Ａ／Ｄ変換部１５は、受信信号のシンボルレート対してＰ倍の速度でサンプリングを行う。

信号分割部１６は、Ａ／Ｄ変換部１５から入力された信号を、制御部１８が制御するアンテナ特性ごとに分割し、復調部１７に対して出力する。

復調部１７は、信号分割部１６が分割した信号に対し、無線ＬＡＮシステム等で規定されるＭＩＭＯ－ＯＦＤＭの復調処理を行う。

制御部１８は、無線基地局１を構成する各部を制御する。例えば、制御部１８は、アンテナ１１が１つのＯＦＤＭシンボルの信号を受信する間に、振幅位相可変部１２が受信信号の振幅と位相を複数回（例えばＰ回）変更するように制御を行い、振幅位相可変部１２に複数（例えばＰ個）の受信信号パターンを生成させる。

そして、無線基地局１は、アンテナ特性を受信信号の１シンボル内でＰ回変化させ、Ａ／Ｄ変換部１５が受信信号のシンボルレート対してＰ倍の速度でＡ／Ｄ変換を行うと、複数の異なる伝搬特性を持つＰ個の仮想ブランチを得ることとなる。

従来は、１つのＯＦＤＭシンボル内に取得したＰ個の異なる受信信号をアレーデータとしてＭＩＭＯ－ＯＦＤＭの復調処理を行うためには、異なる時間における伝搬チャネルを取得する必要があった。

そこで、無線基地局１は、一定包絡線アルゴリズム（ＣＭＡ：Constant Modulus Algorithm）をアレーアンテナのウエイト制御に利用している。ＣＭＡでは、送信された信号が一定の包絡線を持つという性質を利用するアレー出力の包絡線の歪成分が最小になるようにウエイトを制御する。

図５は、ＣＭＡの動作原理の概要を示す。ＣＭＡの特徴は、アレーアンテナの出力信号の包絡線を一定にするようにウエイトを制御する。例えば、ＣＭＡにおいては、希望波である第１到来波と、第２到来波とを合成して合成波ｙ（アレーアンテナの出力電圧）を生成し、合成波ｙと所望の包絡線値σを用いて、下式（１）によって表されるＣＭＡの評価関数による評価が行われる。なお、式（１）におけるＥ［・］は、期待値を求める操作を表す。

そして、ＣＭＡでは、合成波ｙから第２到来波して、第１到来波を抽出する。上式（１）に示すＸは、アレーアンテナの受信信号ベクトルになる。しかし、無線基地局１においては、アレーアンテナから出力される信号が１系統しかない。よって、無線基地局１は、アレーアンテナの異なるアンテナで得られるＸの変わりに、異なるアンテナ特性におけるＰ個の受信信号からなるベクトルを用いる。ＣＭＡは、タイミング同期を必要としないアルゴリズムであるため、タイミングの同期や伝搬チャネルの推定を必要としない。なお、ＣＭＡの基本的な特徴は、非特許文献１にも記載されている。

つまり、制御部１８は、受信信号の包絡線の歪成分を最小にするように制御しつつ、受信信号の１シンボル内で振幅位相可変部１２が受信信号の振幅及び位相を複数回変更することによって複数の受信信号パターンを出力するように制御している。

図６は、一実施形態にかかる無線通信システムにおける上り回線の通信シーケンスの一例を示す。図６に示すように、一実施形態にかかる無線通信システムでは、例えば無線端末局２－１，２－２が非同期に信号を伝送することが想定される。このとき、無線端末局２－１が送信する信号を希望波である上り回線のＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ信号とすると、無線端末局２－２が送信する信号は干渉信号となる。

無線基地局１は、受信ポートが１素子であっても１シンボル内でＡ／Ｄ変換部１５がオーバーサンプリングによる変換を行うことにより、複数のアンテナ特性の異なるブランチを得ることができ、受信信号のみで干渉除去を実現するＣＭＡを複数のパターンの異なるブランチに適用することにより、タイミング同期やチャネル推定が不要となる。

図７は、無線基地局１が受信して復調する複数の信号と比較例との対比を示す。図７（ａ）は、比較例によって複数の信号を受信した場合の受信結果を示す。図７（ｂ）は、図１０に示した従来の無線基地局によって複数の信号を受信した場合の受信結果を示す。図７（ｃ）は、一実施形態にかかる無線基地局１によって複数の信号を受信した場合の受信結果を示す。ここでは、無線基地局が、無線端末局からの所望信号１波と他無線局から到来角度差５度で到来する干渉信号１波を同時に受信する環境であるとする。また、変調方式は、ＱＰＳＫ（四位相偏移変調）であるとする。

図７（ａ）に示した比較例では、受信ポート数を１として複数の信号を受信した場合の結果を示しており、一般的に、複数信号を同時に受信する場合、信号数よりも少ない受信ポート数でそれらの信号を復調することはできない。

図７（ｂ）に示した従来の無線基地局による受信結果では、例えば４本の受信ポート数で復調しており、受信信号数よりも受信ポート数が多いため、復調が可能（ＳＩＮＲ＝１５．９ｄＢ）となっている。

図７（ｃ）に示した無線基地局１による受信結果では、受信ポート数が１であるにも関わらず、複数の信号を復調（ＳＩＮＲ＝１５．８ｄＢ）できていることがわかる。

なお、図３に示した無線基地局１は、複数のアンテナ１１によってアレーアンテナを形成しており、送信されている信号の１シンボル内で指向性を複数回（例えばＰ回）変化させつつ、ＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ信号を受信しているが、以下の他の構成のアンテナ等によって複数のアンテナ特性を生成して信号を受信してもよい。

図８は、無線基地局１が有する複数のアンテナ１１の変形例を示す。図８（ａ）は、複数のアンテナ１１の第１変形例を示す。図８（ｂ）は、複数のアンテナ１１の第２変形例を示す。図８（ｃ）は、複数のアンテナ１１の第３変形例を示す。

複数のアンテナ１１の第１変形例は、複数のアンテナ３０を切替スイッチ３１によって高速に切替える構成を示している。複数のアンテナ１１の第２変形例は、指向性アンテナ３２を回転機構３３により回転させる構成を示している。複数のアンテナ１１の第３変形例は、アンテナ３４の周囲を無給電素子３５が回転する構成を示している。そして、複数のアンテナ１１の第１変形例～第３変形例は、いずれも受信ポートが１系統、又は通信経路数（受信信号数）よりも少ないポート数で受信信号が出力される構成にされている。

次に、無線基地局１の変形例について説明する。

図９は、一実施形態にかかる無線基地局１の変形例（無線基地局１ａ）の構成例を示す。図９に示すように、無線基地局１ａは、例えば、複数のアンテナ１１、複数の振幅位相可変部１２、合成部１３、ＲＦ部１４、Ａ／Ｄ変換部１５、信号分割部１６、復調部１７、選択部１９及び制御部１８を有する。なお、図９に示した無線基地局１ａにおいて、図１に示した無線基地局１の構成と実質的に同一の構成には同一の符号が付してある。

すなわち、無線基地局１ａは、上述した無線基地局１に対して選択部１９が付加された構成となっている。ここで、選択部１９は、信号分割部１６が分割した複数の信号それぞれの値に基づいて、信号分割部１６が分割した複数の信号の一部を選択する。例えば、選択部１９は、所定の閾値が設けられ、受信電力が高くなるブランチや相関が低くなるブランチの組合せを上述したＰ個の信号からＱ個選択する。Ｑは、Ｐ以下の値とする。

そして、復調部１７は、選択部１９が選択した複数の信号の一部をＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ復調する。このように、無線基地局１ａは、復調すべき信号の数を選択部１９が削減するため、ＣＭＡにおけるウエイト制御の収束の高速化を実現可能にされている。

このように、無線基地局１及び無線基地局１ａは、受信に用いるアンテナ数及び回路数の少なくともいずれかを削減して複数の信号を受信することができる。

１，１ａ・・・無線基地局、２－１～２－ｎ・・・無線端末局、１１、３０，３４・・・アンテナ、１２・・・振幅位相可変部、１３・・・合成部、１４・・・ＲＦ部、１５・・・Ａ／Ｄ変換部、１６・・・信号分割部、１７・・・復調部、１８・・・制御部、１９・・・選択部、３１・・・切替スイッチ、３２・・・指向性アンテナ、３３・・・回転機構、３５・・・無給電素子

Claims

変調された送信信号の１シンボル内で指向性を複数回変化させつつ、前記送信信号を受信するアンテナ装置と、
前記アンテナ装置が受信した受信信号を前記指向性ごとに複数の信号に分割する信号分割部と、
前記信号分割部が分割した複数の信号の中から、受信電力が高くなる信号の組合せ又は相関が低くなる信号の組合せを、所定の閾値に基づいて選択する選択部と、
前記選択部が選択した信号の組合せをＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ復調する復調部と
を有し、
前記アンテナ装置は、
複数のアンテナと、
複数の前記アンテナが受信した信号をそれぞれ入力し、該入力した信号の振幅及び位相を変更して出力する複数の振幅位相可変部と、
複数の前記振幅位相可変部が出力した複数の信号を合成し、前記受信信号として出力する合成部と、
複数の前記振幅位相可変部に対して、入力した信号の振幅及び位相を、前記受信信号の包絡線の歪成分が最小になるようにしつつ、前記受信信号の１シンボル内で複数回変更させることによって、前記指向性を前記受信信号の１シンボル内で複数回変化させるように制御する制御部と
を有することを特徴とする無線通信装置。
変調された送信信号の１シンボル内で指向性を複数回変化させつつ、前記送信信号を受信した受信信号を取得する受信工程と、
前記受信信号を前記指向性ごとに複数の信号に分割する信号分割工程と、
前記信号分割工程で分割した複数の信号の中から、受信電力が高くなる信号の組合せ又は相関が低くなる信号の組合せを、所定の閾値に基づいて選択する選択工程と、
前記選択工程で選択した信号の組合せをＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ復調する復調工程と
を含み、
前記受信工程は、
複数のアンテナで受信したそれぞれの信号の振幅及び位相を変更する振幅位相変更工程と、
前記振幅位相変更工程でそれぞれ振幅及び位相を変更した複数の信号を合成し、前記受信信号とする合成工程と、
前記振幅位相変更工程において、複数の前記アンテナで受信したそれぞれの信号の振幅及び位相を、前記受信信号の包絡線の歪成分が最小になるようにしつつ、前記受信信号の１シンボル内で複数回変更することによって、前記指向性を前記受信信号の１シンボル内で複数回変化するように制御する制御工程と
を含むことを特徴とする無線通信方法。