(57)【要約】【課題】  ＭＩＭＯ＿ＯＦＤＭ通信を行なう受信機において、チャネル推定を行なう前に周波数誤差を正確に除去する。【解決手段】  受信機側では、同期獲得及び周波数誤差推定用のプリアンブル内で位相比較により周波数誤差を推定するとともに、このプリアンブルといずれかの送信アンテナからのチャネル行列推定用のプリアンブルとの間で位相比較して周波数誤差を推定し、両者の推定結果を用いることによって、より正確な周波数誤差の補正を行なうことができる。例えば、チャネル行列から求めたアンテナ受信重みベクトルの位相を回転させることで、残留周波数誤差を補正する。【選択図】  図２
2006295629.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアンテナを持つ送信機と複数のアンテナを持つ受信機が対となって形成される複数の論理的なチャネルを利用したＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ  Ｉｎｐｕｔ  Ｍｕｌｔｉ  Ｏｕｔｐｕｔ）通信を行なう無線通信システムであって、
前記送信機は、送信するパケットに第１のプリアンブルと、第１のプリアンブルと位相比較可能な第２のプリアンブルを付加し、
前記受信機は、受信したパケットの第１のプリアンブル内で位相比較を行なって周波数誤差を推定するとともに、第１のプリアンブルと第２のプリアンブルの間で位相比較を行なって周波数誤差を推定する、
ことを特徴とする無線通信システム。
【請求項２】
前記送信機は、第１及び第２のプリアンブルをともに同じアンテナ送信重みベクトルで合成して位相比較可能にする、
ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
【請求項３】
前記送信機は、送信するパケットに周波数誤差推定用のプリアンブルと、前記受信機側でチャネル行列を推定するためのプリアンブルを各アンテナあるいは各アンテナ合成から時分割で送信しており、いずれか１つのアンテナから送信されるチャネル行列推定用のプリアンブルを周波数誤差推定用のプリアンブルと位相比較可能な第２のプリアンブルとする、
ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
【請求項４】
前記受信機は、周波数誤差推定用のプリアンブル内の位相比較に基づいて受信信号の周波数誤差を補正した後、チャネル行列推定用の各プリアンブルを用いてチャネル行列を推定するのに平行して、チャネル行列推定用の少なくとも１つのプリアンブル内での位相比較又は第１及び第２のプリアンブル間の位相比較により残留周波数誤差を求めて補正する、
ことを特徴とする請求項３に記載の無線通信システム。
【請求項５】
複数のアンテナを備え、複数のアンテナを持つ送信機と対となって生成される複数の論理チャネルを利用したＭＩＭＯ通信を行なう無線通信装置であって、前記送信機は、送信するパケットに第１のプリアンブルと、第１のプリアンブルと位相比較可能な第２のプリアンブルを付加しており、
前記プリアンブルを用いて周波数誤差の推定及び補正を行なう周波数誤差補正部と、
前記プリアンブルを用いて空間多重されたチャネルのチャネル行列を推定するとともに、推定されたチャネル行列からアンテナ受信重み行列を求める該チャネル行列推定部と、
各アンテナの受信信号に受信重み行列を乗算して各ストリーム信号に分離するＭＩＭＯ合成部とを備え、
前記周波数誤差補正部は、受信したパケットの第１のプリアンブル内で位相比較を行なって周波数誤差を推定するとともに、第１のプリアンブルと第２のプリアンブルの間で位相比較を行なって周波数誤差を推定する、
ことを特徴とする無線通信装置。
【請求項６】
前記送信機では、送信するパケットに周波数誤差推定用のプリアンブルと、前記受信機側でチャネル行列を推定するためのプリアンブルを各アンテナあるいは各アンテナ合成から時分割で送信し、いずれか１つのアンテナから送信されるチャネル行列推定用のプリアンブルを周波数誤差推定用のプリアンブルと位相比較可能な第２のプリアンブルとしており、
前記周波数誤差補正部は、
周波数誤差推定用のプリアンブル内の位相比較に基づいて受信信号の周波数誤差の推定とその補正を行なう第１の周波数誤差補正部と、
前記チャネル行列推定部がチャネル行列推定用の各プリアンブルを用いてチャネル行列を推定するのに平行して、チャネル行列推定用の少なくとも１つのプリアンブル内での位相比較又は第１及び第２のプリアンブル間の位相比較によって、前記第１の周波数誤差補正部による残留周波数誤差を求めてその補正を行なう第２の周波数誤差補正部と、
を備えることを特徴とする請求項５に記載の無線通信装置。
【請求項７】
前記第２の周波数誤差補正部は、前記チャネル行列推定部において求まるアンテナ受信重み行列の位相を回転させることによって残留周波数誤差を補正する、
ことを特徴とする請求項６に記載の無線通信装置。
【請求項８】
前記第２の周波数誤差補正部は、前記ＭＩＭＯ合成部において合成した通信チャネルのチャネル推定値の位相を回転させることによって残留周波数誤差を補正する、
ことを特徴とする請求項６に記載の無線通信装置。
【請求項９】
前記第２の周波数誤差補正部は、前記ＭＩＭＯ合成部において合成した通信チャネルの受信データの位相を回転させることによって残留周波数誤差を補正する、
ことを特徴とする請求項６に記載の無線通信装置。
【請求項１０】
前記第２の周波数誤差補正部は、時分割送信されるチャネル行列推定用の各プリアンブルとデータの間隔に応じてストリーム毎に補正位相量を調節して残留周波数誤差を補正する、
ことを特徴とする請求項６に記載の無線通信装置。
【請求項１１】
複数のアンテナを備え、複数のアンテナを持つ送信機と対となって生成される複数の論理チャネルを利用したＭＩＭＯ通信を行なう無線通信方法であって、前記送信機は、送信するパケットに第１のプリアンブルと、第１のプリアンブルと位相比較可能な第２のプリアンブルを付加しており、
前記プリアンブルを用いて周波数誤差の推定及び補正を行なう周波数誤差補正ステップと、
前記プリアンブルを用いて空間多重されたチャネルのチャネル行列を推定するとともに、推定されたチャネル行列からアンテナ受信重み行列を求める該チャネル行列推定ステップと、
各アンテナの受信信号に受信重み行列を乗算して各ストリーム信号に分離するＭＩＭＯ合成ステップとを備え、
前記周波数誤差補正ステップでは、受信したパケットの第１のプリアンブル内で位相比較を行なって周波数誤差を推定するとともに、第１のプリアンブルと第２のプリアンブルの間で位相比較を行なって周波数誤差を推定する、
ことを特徴とする無線通信方法。
【請求項１２】
前記送信機では、送信するパケットに周波数誤差推定用のプリアンブルと、前記受信機側でチャネル行列を推定するためのプリアンブルを各アンテナあるいは各アンテナ合成から時分割で送信し、いずれか１つのアンテナから送信されるチャネル行列推定用のプリアンブルを周波数誤差推定用のプリアンブルと位相比較可能な第２のプリアンブルとしており、
前記周波数誤差補正ステップでは、
周波数誤差推定用のプリアンブル内の位相比較に基づいて受信信号の周波数誤差の推定とその補正を行なう第１の周波数誤差補正と、
前記チャネル行列推定ステップにおいてチャネル行列推定用の各プリアンブルを用いてチャネル行列を推定するのに平行して、チャネル行列推定用の少なくとも１つのプリアンブル内での位相比較又は第１及び第２のプリアンブル間の位相比較によって、前記第１の周波数誤差補正による残留周波数誤差を求めてその補正を行なう第２の周波数誤差補正と、
を行なうことを特徴とする請求項１１に記載の無線通信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のアンテナを持つ送信機と複数のアンテナを持つ受信機が対となって形成される複数の論理的なチャネルを利用したＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ  Ｉｎｐｕｔ  Ｍｕｌｔｉ  Ｏｕｔｐｕｔ）通信を行なう無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法に係り、特に、互いに直交する複数のサブキャリアを多重伝送するＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：直交周波数分割多重）通信方式を適用したＭＩＭＯ通信を行なう無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法に関する。
【０００２】
さらに詳しくは、本発明は、ＭＩＭＯ＿ＯＦＤＭ通信を行なう送受信機間の周波数誤差を正確に求める無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法に係り、特に、受信機側においてアンテナ受信重みベクトルを計算するのと平行して、周波数誤差推定精度を向上させる無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
旧来の有線通信方式における配線から解放するシステムとして、無線ネットワークが注目されている。無線ネットワークに関する標準的な規格として、ＩＥＥＥ（Ｔｈｅ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）８０２．１１などを挙げることができる。
【０００４】
例えばＩＥＥＥ８０２．１１ａ／ｇでは、無線ＬＡＮの標準規格として、マルチキャリア方式の１つであるＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：直交周波数分割多重）変調方式が採用されている。ＯＦＤＭ変調方式では、各サブキャリアがシンボル区間内で相互に直交するように各キャリアの周波数が設定されている。サブキャリアが互いに直交するとは、任意のサブキャリアのスペクトラムのピーク点が常に他のサブキャリアのスペクトラムのゼロ点と一致していることを意味する。ＯＦＤＭ変調方式によれば、送信データを周波数の異なる複数のキャリアに分配して伝送するので、各キャリアの帯域が狭帯域となり、周波数利用効率が非常に高く、周波数選択性フェージング妨害に強い。
【０００５】
ＯＦＤＭ送信機は、シリアルで送られてきた情報を情報伝送レートより遅いシンボル周期毎にシリアル／パラレル変換して出力される複数のデータを各サブキャリアに割り当ててサブキャリア毎に振幅及び位相の変調を行ない、その複数サブキャリアについて逆ＦＦＴを行なうことで周波数軸での各サブキャリアの直交性を保持したまま時間軸の信号に変換して送信する。また、ＯＦＤＭ受信機は、この逆の操作、すなわちＦＦＴを行なって時間軸の信号を周波数軸の信号に変換して各サブキャリアについてそれぞれの変調方式に対応した復調を行ない、パラレル／シリアル変換して元のシリアル信号で送られた情報を再生する。
【０００６】
また、ＩＥＥＥ８０２．１１ａの規格では最大で５４Ｍｂｐｓの通信速度を達成する変調方式をサポートしているが、さらなる高ビットレートを実現できる無線規格が求められている。
【０００７】
無線通信の高速化を実現する技術の１つとして、ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ−Ｉｎｐｕｔ  Ｍｕｌｔｉ−Ｏｕｔｐｕｔ）通信が注目を集めている。これは、送信機側と受信機側の双方において複数のアンテナ素子を備え、空間多重した伝送路（以下、「ＭＩＭＯチャネル」とも呼ぶ）を実現する通信方式である。送信機において複数のアンテナに送信データを分配して送出する。一方、受信機では複数のアンテナにより受信した空間信号に信号処理を行なうことによって、各信号をクロストークなしに取り出すことができる（例えば、特許文献１を参照のこと）。例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ／ｎでは、１次変調にＯＦＤＭを用いたＯＦＤＭ＿ＭＩＭＯ方式が採用されている。
【０００８】
ＭＩＭＯ通信方式によれば、周波数帯域を増大させることになく、アンテナ本数に応じて伝送容量の拡大を図り、通信速度向上を達成することができる。また、空間多重を利用するので、周波数利用効率はよい。ＭＩＭＯはチャネル特性を利用した通信方式であり、単なる送受信アダプティブ・アレーとは相違する。
【０００９】
図４には、ＭＩＭＯ通信システムを概念的に示している。ＭＩＭＯ送信機には、２本のアンテナ、すなわち送信アンテナ１と送信アンテナ２を備え、一方のＭＩＭＯ受信機も２本の受信アンテナ１と受信アンテナ２を備えている。ここで、送信アンテナ１と受信アンテナ１の伝搬路を伝搬路ａ、送信アンテナ２と受信アンテナ１の伝搬路を伝搬路ｂ、送信アンテナ１と受信アンテナ２の伝搬路を伝搬路ｃ、送信アンテナ２と受信アンテナ２の伝搬路を伝搬路ｄとする。そして、送信機は、送信アンテナ１に対して送信データ系列Ｘ１を送信アンテナ２に対して送信データ系列Ｘ２を割り当て、受信機は、受信アンテナ１において受信データ系列Ｙ１を受信し、受信アンテナ２において受信データ系列Ｙ２を受信したものとする。この場合の伝搬路状況は、以下の式（１）のように表現することができる。
【００１０】
【数１】
2006295629.tif 000003
【００１１】
このときのチャネル行列Ｈを次式（２）のように定義すると、次々式（３）のようにチャネル行列Ｈの逆行列Ｈ-1をアンテナ受信重み行列Ｗとして求めることができる。
【００１２】
【数２】
2006295629.tif 000004
【００１３】
したがって、次式（４）のように受信信号系列Ｙ１及びＹ２にチャネル行列Ｈの逆行列Ｈ-1を乗算することで、次々式（５）のように受信信号系列Ｘ１及びＸ２が求まる。
【００１４】
【数３】
2006295629.tif 000005
【００１５】
なお、図４では送受信アンテナがともに２本の場合を示したが、アンテナ本数が２本以上であれば、同様にしてＭＩＭＯ通信システムを構築することができる。送信側では、複数の送信データに空間／時間符号を施して多重化し、Ｍ本の送信アンテナに分配してＭＩＭＯチャネルに送信する。これに対し、受信側では、ＭＩＭＯチャネル経由でＮ本の受信アンテナにより受信した受信信号を空間／時間復号して受信データを得ることができる。理想的には、送受信アンテナのうち少ない方の数（ＭＩＮ［Ｍ，Ｎ］）だけのＭＩＭＯストリームが形成される。
【００１６】
ＭＩＭＯ受信機は、上述したように、空間多重された受信信号ｙから各ストリーム信号ｘを空間分離するためには、何らかの方法によりチャネル行列Ｈを取得し、所定のアルゴリズムによってチャネル行列Ｈから受信重み行列Ｗを求める必要がある。
【００１７】
上式（２）で示されるチャネル行列Ｈは、一般的には、送信側並びに受信側で既知の系列を送受信することで、送受アンテナ組み合わせ分の経路の伝搬路（式（２）の例で言えば、ａ、ｂ、ｃ、ｄ）を行列形式に並べたものである。送信側アンテナ本数がＮで受信側アンテナ本数がＭのときは、チャネル行列はＭ×Ｎ（行×列）の行列となる。したがって、送信機からＭ×Ｎ個の既知系列すなわちトレーニング信号を送信し、受信機ではこのトレーニング信号を用いてチャネル行列Ｈを取得することができる。
【００１８】
ここで、複数のトレーニング信号を同時に無対策で送信すると受信側ではどのアンテナから送信されたものかが判別することができなくなるので、送信機側から送信アンテナ毎のトレーニング信号を時分割（すなわち時間的に直交させて）送信し、受信機側では各受信アンテナで受信したトレーニング信号を基にチャネル行列Ｈを取得するという時分割法を適用する（図５を参照のこと）。
【００１９】
また、チャネル行列Ｈから受信重み行列Ｗを求める比較的簡単なアルゴリズムとして、Ｚｅｒｏ  Ｆｏｒｃｅ（ゼロ化規範）や、ＭＭＳＥ（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ Ｅｒｒｏｒ）などが知られている。Ｚｅｒｏ  Ｆｏｒｃｅは、完全にクロストークを取り除く論理に基づいた方法であり、一方のＭＭＳＥは、信号電力と２乗エラー（クロストーク電力と雑音電力の和）の比を最大化する論理に基づいた方法である。
【００２０】
ここで、ＯＦＤＭ通信機においては、周波数オフセットの問題がある。これは、送受信機にそれぞれ搭載されている発振器の周波数の微妙な誤差に起因する。例えば、無線ＬＡＮでは２０ｐｐｍ程度の精度の発振器が使用され、発振器の誤差は受信機側のデジタル部分では受信信号の位相の回転という現象として観測される。
【００２１】
ＯＦＤＭ通信の場合、周波数領域のＯＦＤＭ信号はＳｙｎｃ関数の集合である。各Ｓｙｎｃ関数の節に別のＳｙｎｃ関数のピークが来るようになっている。このため、ＭＩＭＯ＿ＯＦＤＭ通信システムでは、チャネル推定する前に、まず周波数誤差を正確に除去しておかないと、サブキャリア間で干渉を起こしてしまう（図６中の点線を参照のこと）。
【００２２】
周波数オフセットの一般的な対策として、送信機側からのパケットの先頭に、既知パターンからなるプリアンブルが付加される。受信機側ではこのプリアンブルを利用して同期獲得並びに送信機との周波数オフセットの観測を行ない、周波数のずれに対応してデータの位相を逆回転することにより周波数オフセットの補正が行なわれる。
【００２３】
ＭＩＭＯ＿ＯＦＤＭ通信システムでは、周波数誤差を除いてからプリアンブルにおいてチャネル推定を行なうことになる。図７中で、矢印の向き（位相）と大きさ（振幅）を全サブキャリアにわたって求めることがチャネル推定に相当する。当初の周波数補正で除去できなかった周波数誤差は、プリアンブルに続くＯＦＤＭシンボルのサブキャリア全体の位相回転になる。
【００２４】
ブロードバンド無線通信では正確な周波数誤差推定がとりわけ重要である。そこで、ＩＥＥＥ８０２．１１ａなどでは、プリアンブルで周波数誤差推定して受信信号の周波数補正を行ない、さらにデータ・シンボルでも残留する周波数誤差のトラッキングをしている。しかしながら、当初の周波数誤差推定が正確でないと、残留周波数誤差に対しトラッキングが追従しきれないので、ＳＮ比を上げてもパケット・エラーがなくならないエラー・フロアが生じ易くなる。
【００２５】
【特許文献１】特開２００２−４４０５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
本発明の目的は、ＭＩＭＯ＿ＯＦＤＭ通信を行なう際に、受信機側でパケットのプリアンブルを用いた当初の周波数誤差推定をより正確に行なうことができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法を提供することにある。
【００２７】
本発明のさらなる目的は、ＭＩＭＯ＿ＯＦＤＭ通信を行なう受信機において、チャネル推定を行なう際に周波数誤差を正確に除去することができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法を提供することにある。
【００２８】
本発明のさらなる目的は、ＭＩＭＯ＿ＯＦＤＭ通信を行なう受信機において、プリアンブルを用いた当初の周波数誤差推定の精度を向上し、より信頼性のあるチャネル推定を行なうことにより、データ部において有効な空間分離を行なうことができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、複数のアンテナを持つ送信機と複数のアンテナを持つ受信機が対となって形成される複数の論理的なチャネルを利用したＭＩＭＯ通信を行なう無線通信システムであって、
前記送信機は、送信するパケットに周波数誤差推定用の第１のプリアンブルと、第１のプリアンブルと位相比較可能な第２のプリアンブルを付加し、
前記受信機は、受信したパケットの第１のプリアンブル内で位相比較を行なって周波数誤差を推定するとともに、第１のプリアンブルと第２のプリアンブルの間で位相比較を行なって周波数誤差を推定する、
ことを特徴とする無線通信システムである。
【００３０】
但し、ここで言う「システム」とは、複数の装置（又は特定の機能を実現する機能モジュール）が論理的に集合した物のことを言い、各装置や機能モジュールが単一の筐体内にあるか否かは特に問わない（以下、同様）。
【００３１】
本発明は、複数のアンテナを持つ送信機と複数のアンテナを持つ受信機が対となって形成される複数の論理的なチャネルを利用したＭＩＭＯ通信システムに関する。ＭＩＭＯ通信方式によれば、周波数帯域を増大させることになく、アンテナ本数に応じて伝送容量の拡大を図り、通信速度向上を達成することができる。また、本発明では、周波数利用効率を上げるとともにマルチパス環境における遅延歪みの問題などを解決するために、ＯＦＤＭ変調方式を適用している。
【００３２】
ここで、無線通信システムにおいては、送信機と受信機にそれぞれ搭載されているローカルオシレータの周波数が微妙に誤差を持つことに起因した、周波数誤差の問題がある。ＭＩＭＯ通信では、チャネル推定する前に、まず周波数誤差を正確に除去しておかないと、サブキャリア間で干渉を起こしてしまう。プリアンブルで周波数誤差推定して受信信号の周波数補正を行ない、さらにデータ・シンボルでも残留する周波数誤差のトラッキングを行なうこともできるが、当初の周波数誤差推定が正確でないと、残留周波数誤差に対しトラッキングが追従しきれなくなる。
【００３３】
ＭＩＭＯ通信では、受信機側でチャネル行列を作るために、通信チャネル（ストリーム）数だけのプリアンブルがパケットに追加される（前述及び図５を参照のこと）。そこで、これらのプリアンブルでも周波数誤差推定を行なうことは可能であり、これによって推定精度を上げることができると考えられる。
【００３４】
しかしながら、これらの追加プリアンブルの周波数誤差推定とその補正処理をしてからチャネル行列を作り、逆行列計算（あるいは特異値分解）などのアンテナ受信重み行列の計算処理を行なうとすると、ＭＩＭＯ合成を開始するまでに時間がかかり過ぎて通信に支障をきたしてしまう。
【００３５】
また、元からあるプリアンブルだけで周波数誤差を推定しても残留周波数誤差が残る上、プリアンブルを追加した分だけ周波数誤差推定用のプリアンブルとデータ・シンボルの時間間隔が広がり、残留周波数誤差による位相差もその時間間隔に比例してより大きなものとなり、通信品質上の問題となる。
【００３６】
また、ＭＩＭＯ通信では、ストリームによってプリアンブルとデータ（ペイロード）の間隔が広く空いてしまい、アンテナ受信重みベクトルが残留周波数誤差のためにデータ・シンボルに適合しなくなってしまうことが予想される。
【００３７】
そこで、本発明に係るＭＩＭＯ＿ＯＦＤＭ通信システムでは、受信機側では、１つのプリアンブル内で対応するシンボル同士の位相比較を行なって周波数誤差の推定並びにその補正を行なった後、さらに位相比較が可能な複数のプリアンブルの間で同様の位相比較により周波数誤差の推定を行なうことによって、その推定精度の向上を図っている。
【００３８】
送信機側では、送信パケットのヘッダ部分に、同期獲得及び周波数誤差推定用のプリアンブルと、チャネル行列を推定するための複数のプリアンブル（トレーニング信号）が付加されている。チャネル行列は送受アンテナ組み合わせ分の経路の伝搬路を行列形式に並べたものであることから、チャネル行列推定用に各送信アンテナからのプリアンブルを時分割で送信する。本発明では、チャネル行列推定用のプリアンブルのうちいずれか１つを周波数誤差推定用のプリアンブルと位相比較可能としておく。
【００３９】
そして、受信機側では、周波数誤差推定用のプリアンブル内で位相比較により周波数誤差の推定とその補正を行なった後に、周波数誤差推定用のプリアンブルとチャネル行列推定用の１つとプリアンブルの間で位相比較して周波数誤差を推定する。プリアンブル間での位相比較はプリアンブル内での位相比較に比し間隔が大きいので、より正確な周波数誤差の推定並びに補正を得ることができる。
【００４０】
ここで、プリアンブル間で位相比較を行なうには、両者が位相比較可能な状態でなければならない。これらプリアンブルがともに同じアンテナ送信重みベクトルで合成されていれば位相比較が可能になるので、チャネル推定用の何番目のプリアンブルを位相比較に用いるかを、送受信間であらかじめ取り決めておけばよい。
【００４１】
ＯＦＤＭを始めとするマルチキャリア伝送方式では、周波数誤差の推定は、プリアンブル内並びにプリアンブル間において、対応するサンプル点同士の位相を比較することによって行なうことができる。例えば、プリアンブルを構成するトレーニング・フィールドは前半と後半とで信号が繰り返されている場合、プリアンブル内では、前半のｎ番目と後半のｎ番目のサンプル点で位相比較を行なう。また、プリアンブル間では、それぞれの先頭からｍ番目のサンプル点で位相比較を行なう。
【００４２】
受信機は、基本動作として、周波数誤差推定用のプリアンブル内の位相比較に基づいて受信信号の周波数誤差を補正するが、ノイズその他の影響により周波数オフセット量の算出において誤差が生じた場合などには周波数誤差が残留することがある。そこで、受信機は、チャネル行列推定用の各プリアンブルを用いてチャネル行列を推定するのに平行して、チャネル行列推定用の少なくとも１つのプリアンブル内での位相比較又は第１及び第２のプリアンブル間の位相比較により残留周波数誤差を求め、これを補正することによって、周波数誤差の影響を除去することができる。
【００４３】
このような場合、受信機は、チャネル行列から求まるアンテナ受信重み行列の位相を回転させることによって残留周波数誤差を補正することができる。この場合、残留周波数誤差の影響を除去したアンテナ受信重み行列を用いて受信信号を各ストリーム信号に空間分離することができる。
【００４４】
あるいは、受信機は、ＭＩＭＯ合成した通信チャネルのチャネル行列の位相を回転させることによって残留周波数誤差を補正するようにしてもよい。この場合、残留周波数誤差の成分を含んだアンテナ受信重み行列でＭＩＭＯ合成することになるが、残留周波数誤差による影響をチャネル推定として受信信号を復号することができる。
【００４５】
あるいは、受信機は、ＭＩＭＯ合成した通信チャネルの受信データの位相を回転させることによって残留周波数誤差を補正するようにしてもよい。この場合、残留周波数誤差の成分を含んだアンテナ受信重み行列でＭＩＭＯ合成した後、残留周波数誤差分だけ受信信号の位相を回転させて、位相空間上で正しい信号点に戻して残留周波数誤差の影響を除去した後に、復号を行なう。
【００４６】
また、受信機は、時分割送信されるチャネル行列推定用の各プリアンブルとデータの間隔に応じてストリーム毎に補正位相量を調節して残留周波数誤差を補正するようにしてもよい。
【００４７】
受信機は、このような残留周波数誤差の補正を行なう場合、チャネル行列を推定するのに平行して、周波数誤差の測定を行なうことができる。したがって、追加プリアンブルの周波数誤差推定とその補正処理をしてからチャネル行列を推定し、逆行列演算あるいは特異値分解などの処理を行なう場合に比べ、処理時間が短くて済むので、通信に支障をきたすことはない。また、プリアンブルとデータの間隔に応じて受信ストリーム毎に補正位相量を調整するので、残留周波数誤差の影響をより正確に除去することができ、通信品質が向上する。
【発明の効果】
【００４８】
本発明によれば、ＭＩＭＯ＿ＯＦＤＭ通信を行なう際に、受信機側でパケットのプリアンブルを用いた当初の周波数誤差推定をより正確に行なうことができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法を提供することができる。
【００４９】
また、本発明によれば、ＭＩＭＯ＿ＯＦＤＭ通信を行なう受信機において、チャネル推定を行なう際に周波数誤差を正確に除去することができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法を提供することができる。
【００５０】
また、本発明によれば、ＭＩＭＯ＿ＯＦＤＭ通信を行なう受信機において、プリアンブル部を用いてアンテナ受信重みベクトルを計算するのと平行して、寄り精度の高い周波数誤差推定を行なうことができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法を提供することができる。すなわち、受信機は、プリアンブルを用いた当初の周波数誤差推定の精度を向上し、より信頼性のあるチャネル推定を行なうことにより、データ部において有効な空間分離を行なうことができる。
【００５１】
本発明によれば、周波数誤差の推定精度を高めることができるので、ＭＩＭＯ通信のとりわけ高ビットレートのモードにおいて実効ビットレートを向上させることができる。
【００５２】
また、本発明によれば、アンテナ素子数の増大に伴い、時分割送信されるプリアンブルとデータ（ペイロード）の間隔が開いてしまうことによる周波数誤差推定のずれの影響を低減し、高次のＭＩＭＯ通信でも確実に多重効果を得ることができる。
【００５３】
また、本発明によれば、周波数補正処理を確実に行なうことができるので、ＭＩＭＯ通信機はより安価な発振器を使用できることになる。
【００５４】
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５５】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。
【００５６】
本発明は、それぞれ複数のアンテナを持つ送信機と受信機が対となって空間多重信号の伝送を行なうＭＩＭＯ通信に関する。ＭＩＭＯ通信方式では、送信機において複数のアンテナに送信データを分配して送出し、受信機では複数のアンテナにより受信した空間信号に信号処理を行なうことによって、各信号をクロストークなしに取り出す。ＭＩＭＯ通信方式によれば、周波数帯域を増大させることになく、アンテナ本数に応じて伝送容量の拡大を図り、通信速度向上を達成することができる。また、空間多重を利用するので、周波数利用効率はよい。
【００５７】
また、本発明に係る通信システムは、ＯＦＤＭ変調方式を併用したＭＩＭＯ＿ＯＦＤＭ通信システムである。ＯＦＤＭ変調方式は、各サブキャリアがシンボル区間内で相互に直交するように各サブキャリアの周波数を設定したマルチキャリア伝送方式である。サブキャリアが互いに直交するとは、任意のサブキャリアのスペクトラムのピーク点が常に他のサブキャリアのスペクトラムのゼロ点と一致していることを意味する。ＯＦＤＭ変調方式によれば、周波数利用効率が非常に高く、周波数選択性フェージング妨害に強い。
【００５８】
図１には、本発明の一実施形態に係るＭＩＭＯ＿ＯＦＤＭ通信装置の構成を示している。
【００５９】
各送受信アンテナ１１ａ及び１１ｂには、スイッチ１２ａ及び１２ｂを介して、それぞれ送信系統並びに受信系統が並列的に接続され、他の無線通信装置宛てに信号を所定の周波数チャネル上で無線送信し、あるいは他の無線通信装置から送られる信号を収集する。但し、スイッチ１２ａ及び１２ｂは送受信アンテナ１１ａ及び１１ｂを送信系統又は受信系統の一方と排他的に接続し、送受信をともに並行しては行なえないものとする。
【００６０】
各送信系統は、符号化部２１と、ＩＦＦＴ２２と、ガード付与部２３と、プリアンブル／リファレンス付与部２４と、アンテナ毎のＤ／Ａ変換器２５及び送信用アナログ処理部２６を備えている。
【００６１】
符号化部２１は、通信プロトコルの上位レイヤから送られてきた送信データを誤り訂正符号で符号化するとともに、ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、１６ＱＡＭ、６４ＱＡＭ、２５６ＱＡＭなどの所定の変調方式により送信信号を信号空間上にマッピングする。さらに、符号化後の送信信号を所定の送信重み行列で乗算することにより、空間多重により複数のＭＩＭＯチャネルを得る。この時点で、パイロット・シンボル挿入パターン並びにタイミングに従って、既知のデータ系列をパイロット・シンボルとして変調シンボル系列に挿入するようにしてもよい。サブキャリア毎あるいはサブキャリア数本の間隔で、既知パターンからなるパイロット信号が挿入される。
【００６２】
ＩＦＦＴ２２では、変調されたシリアル形式の信号を、並列キャリア数並びにタイミングに従って、並列キャリア数分のパラレル・データに変換してまとめた後、所定のＦＦＴサイズ並びにタイミングに従ってＦＦＴサイズ分の逆フーリエ変換を行なう。
【００６３】
ガード付与部２３は、シンボル間干渉の除去のため、１ＯＦＤＭシンボルの前後にガード・インターバル区間を設ける。ガード・インターバルの時間幅は、伝搬路の状況、すなわち復調に影響を及ぼす遅延波の最大遅延時間によって決定される。そして、直列の信号に直し、周波数軸での各キャリアの直交性を保持したまま時間軸の信号に変換して、送信信号とする。
【００６４】
プリアンブル／リファレンス付与部２４は、ＲＴＳ、ＣＴＳ、ＤＡＴＡパケットなどの送信信号の先頭にプリアンブル信号やリファレンス信号を付加する。
【００６５】
アンテナ毎の送信信号は、それぞれのＤ／Ａ変換器２５によりアナログのベースバンド信号に変換され、さらにそれぞれの送信用アナログ処理部２６によりＲＦ周波数帯にアップコンバートされてから、各アンテナ１１より各ＭＩＭＯチャネルへ送出される。
【００６６】
一方、各受信系統は、アンテナ毎の受信用アナログ処理部３１及びＡ／Ｄ変換器３２と、同期獲得部３３と、周波数オフセット補償部３４と、ＦＦＴ３５と、空間分離部３６と、位相回転補償部３７と、復号器３８で構成される。
【００６７】
各アンテナ１１より受信した信号を、それぞれの受信用アナログ処理部３１でＲＦ周波数帯からベースバンド信号にダウンコンバートし、それぞれのＡ／Ｄ変換器３２により、デジタル信号に変換する。
【００６８】
各アンテナ系統のデジタル・ベースバンド信号は、同期獲得部３３により検出された同期タイミングに従って、シリアル・データとしての受信信号をパラレル・データに変換してまとめられる（ここでは、ガード・インターバルまでを含む１ＯＦＤＭシンボル分の信号がまとめられる）。
【００６９】
周波数オフセット補償部３４は、受信信号に含まれる周波数誤差を推定し、この推定値に基づいてそれぞれのデジタル・ベースバンド信号に対し初期の周波数補正が行なう。
【００７０】
パケットのヘッダ部分に、同期獲得及び周波数誤差推定用のプリアンブルと、チャネル行列を推定するための複数のプリアンブル（トレーニング信号）が付加されている。本実施形態では、周波数オフセット補償部３４は、同期獲得及び周波数誤差推定用のプリアンブル内で位相比較により当初の周波数誤差推定並びに補正を行なうとともに、チャネル行列推定用の各プリアンブル内での位相比較、並びに位相比較可能な複数のプリアンブル間での位相比較を行なうことによって、チャネル行列の推定に平行して、より精度の高い残留周波数誤差の推定を行なうようにしている。残留周波数誤差の推定並びに補正処理の詳細については後に詳解する。
【００７１】
ＦＦＴ３５は、有効シンボル長分の信号をフーリエ変換により時間軸の信号を周波数軸の信号に変換し、受信信号をサブキャリア信号に分解する。
【００７２】
空間分離部３６は、パケットのヘッダに付加されているチャネル行列推定用のプリアンブル部のＦＦＴ出力を基に、チャネル行列Ｈをサブキャリア毎に生成し、このチャネル行列からアンテナ受信重み行列を算出する。そして、各アンテナからの受信信号にアンテナ受信重み行列を乗算することによって、パケットのデータ部のＦＦＴ出力をサブキャリア毎にＭＩＭＯ合成して、独立した複数のＭＩＭＯストリームに分離する。
【００７３】
空間分離部３６は、プリアンブルを用いて推定されるチャネル行列Ｈから、例えばＺｅｒｏ  ＦｏｒｃｅやＭＭＳＥなどのアルゴリズムに基づいて、その逆行列Ｈ-1をアンテナ受信重み行列として算出することができる。あるいは、チャネル行列Ｈを特異値分解して、アンテナ重み行列Ｗとしての受信用重み行列ＵHを得るようにしてもよい。
【００７４】
本実施形態では、空間分離部３６は、チャネル行列の推定やＭＩＭＯ合成に平行して、周波数オフセット補償部３４によって求められた残留周波数誤差の補正処理を行なうようになっている。例えば、チャネル行列から算出したアンテナ受信重み行列に対し位相を回転させることによって残留周波数誤差を補正する。あるいは、残留周波数誤差の成分を含んだアンテナ受信重み行列でＭＩＭＯ合成した後、残留周波数誤差分だけ受信信号の位相を回転させて、位相空間上で正しい信号点に戻して残留周波数誤差の影響を除去する。残留周波数誤差の推定並びに補正処理の詳細については後に詳解する。
【００７５】
位相回転補償部３７は、ＭＩＭＯ合成された各ＭＩＭＯチャネルに対しそれぞれ残留周波数オフセットと位相雑音による位相回転量の補正を行なう。残留周波数オフセットと位相雑音はＭＩＭＯチャネル間で同一となるので、各パイロット・サブキャリアを用いて得られるＭＩＭＯチャネル毎の位相回転量の観測値を統合すなわち平均化し、よりノイズに耐性のある位相回転量を得ることができる。そして、得られた位相回転量を用いてＭＩＭＯチャネル毎に位相補償を施す。
【００７６】
位相回転補償部３７は、例えば、周波数オフセット又はタイミング・オフセットを示す位相差をＩＱ平面上のベクトルとし、このベクトルの大きさを重みとする平均値を求め、周波数オフセット又はタイミング・オフセットによる位相補正量を推定することができる。ＭＩＭＯ合成した後に含まれる残留周波数誤差の除去方法に関しては、例えば本出願人に既に譲渡されている特願２００４−３７８９４４号明細書に記載されている。
【００７７】
復号部３８は、位相回転補正後に、位相空間（ｃｏｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ）上の変調点から元の値に復調する。
【００７８】
上述したように、ＭＩＭＯ通信方式によれば、周波数帯域を増大させることになく、アンテナ本数に応じて伝送容量の拡大を図り、通信速度向上を達成することができる。一方、ブロードバンド無線通信では正確な周波数誤差推定がとりわけ重要である。
【００７９】
例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１ａで規定するように、プリアンブルで周波数誤差推定して受信信号の周波数補正を行ない、さらにデータ・シンボルでも残留する周波数誤差のトラッキングを行なうこともできるが、当初の周波数誤差推定が正確でないと、残留周波数誤差に対しトラッキングが追従しきれなくなる。
【００８０】
そこで、本実施形態に係るＭＩＭＯ＿ＯＦＤＭ通信システムでは、受信機側では、１つのプリアンブル内で対応するシンボル同士の位相比較を行なって周波数誤差を推定するとともに、位相比較が可能な複数のプリアンブルの間で同様の位相比較により周波数誤差の推定を行なうことによって、その推定精度の向上を図っている。
【００８１】
送信機側では、送信パケットのヘッダ部分に、同期獲得及び周波数誤差推定用のプリアンブルと、チャネル行列を推定するための複数のプリアンブル（トレーニング信号）が付加される。ＭＩＭＯ通信では、送信機は、チャネル行列推定用に各送信アンテナからのプリアンブルを時分割で送信する。受信機では、送受アンテナ組み合わせ分の経路の伝搬路をプリアンブルから推定し、これらの推定値を行列形式に並べることによって、チャネル行列を得ることができる。本実施形態では、チャネル行列推定用のプリアンブルのうちいずれか１つを周波数誤差推定用のプリアンブルと位相比較可能としておく。
【００８２】
このような場合、受信機側では、同期獲得及び周波数誤差推定用のプリアンブル内で位相比較により周波数誤差を推定するとともに、同期獲得及び周波数誤差推定用のプリアンブルとチャネル行列推定用の１つとプリアンブルの間で位相比較して周波数誤差を推定することによって、より正確な周波数誤差の推定並びに補正を得ることができる。すなわち、受信機は、チャネル行列推定用の各プリアンブルを用いてチャネル行列を推定するのに平行して、チャネル行列推定用の少なくとも１つのプリアンブル内での位相比較又は第１及び第２のプリアンブル間の位相比較により残留周波数誤差を求め、これを補正することによって、空間分離した後の受信ストリームから周波数誤差の影響を除去することができる。
【００８３】
以下では、チャネル行列の推定に平行して残留周波数誤差を補正する処理の仕組みについて詳解する。
【００８４】
図２には、本実施形態に係るＭＩＭＯ通信システムにおいて使用されるパケットのフォーマットを模式的に示している。
【００８５】
パケットの先頭には、パケット発見用のＬ−ＳＴＦがある。Ｌ−ＳＴＦでは、信号が１０回繰り返され、受信機は自己相関を取ることによってパケットを発見することができる。
【００８６】
参照番号１００は、Ｌ−ＳＴＦに続くＬ−ＬＴＦ（Ｌｅｇａｃｙ−Ｌｏｎｇ  Ｔｒａｉｎｉｎｇ  Ｆｉｅｌｄ）と呼ばれるプリアンブルである。受信機側の周波数オフセット補償部３４では、ＬＴＦをチャネル推定に用いると同時に、位相比較によって周波数誤差を推定する。ＬＴＦは、２個のＯＦＤＭシンボルからなり、前半と後半とで信号が繰り返されている。１つのＯＦＤＭシンボルが６４個のサンプル点を持つので、参照番号１１０で示すように、前半のｎ番目と後半のｎ番目のサンプル点の間で位相比較を行ない（但し、ｎは０〜６３の整数）、６４点の位相比較結果の平均を取ることによって、このプリアンブル内での周波数誤差推定が行なわれる。複数のサンプル点での位相比較結果を平均処理することにより、測定精度を向上することができる（以下、同様）。
【００８７】
従来のＩＥＥＥ８０２．１１ａではＳＩＧ（Ｓｉｇｎａｌ Ｆｉｅｌｄ）とデータ・シンボル（ペイロード）が続くが、ＭＩＭＯ通信では、図示の通り、ＳＩＧの後に、送受各アンテナ間のチャネル推定からなるチャネル行列を取得するためのＨＴ−ＬＴＦ（Ｈｉｇｈ  Ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ  ＬＴＦ）と呼ばれるプリアンブル（１０１〜１０４）が追加され、その後に各送信ストリームを空間多重したデータ・シンボル（１０５〜１０８）が続くようになっている。
【００８８】
送信機は、図示の通り、各アンテナからのチャネル推定用の追加プリアンブル（１０１〜１０４）を時分割で送信する（各追加プリアンブルは送信アンテナ毎に、あるいはアンテナ送信重みベクトルの組み合わせ毎に切り替えて送信される）。
【００８９】
受信機側の空間分離部３６では、各追加プリアンブルから、送受信アンテナの組み合わせ分の経路の伝搬路を推定し、これらの推定値を行列形式に並べることによって、チャネル行列Ｈを得ることができる。さらに、アンテナ受信重み行列として推定したチャネル行列Ｈの逆行列Ｈ-1を求めておく。そして、続くデータ・シンボルでは、各アンテナからの受信信号に対してその逆行列Ｈ-1を乗算することによってＭＩＭＯ合成を行ない、独立した複数のチャネル（受信ストリーム）を生成する。
【００９０】
ここで、追加プリアンブルＨＴ−ＬＴＦ（１０１〜１０４）でも、Ｌ−ＬＴＦと同様に、２個分のＯＦＤＭシンボル程度の長さがあって、前半と後半で信号が繰り返していれば、参照番号１１１〜１１４で示すように、各プリアンブルにおいて前半のｎ番目と後半のｎ番目のサンプル点の間で位相比較を行ない（但し、ｎは０〜６３の整数）、６４点の位相比較結果の平均を取ることによって、Ｌ−ＬＴＦの場合と同様に、プリアンブル内での周波数誤差推定が行なうことができる。
【００９１】
また、追加プリアンブルＨＴ−ＬＴＦ（１０１〜１０４）のどれかと最初のプリアンブルＬ−ＬＴＦ１００とが、同じアンテナ（あるいは同じアンテナ送信重みベクトル）で送信されていれば、これら２つのプリアンブルの間でも位相比較が可能になる。図２に示す例では、送信機は追加プリアンブル１０１が最初のプリアンブル１００と同じアンテナ重みベクトルで送信し、位相比較可能となっているので、参照番号１１５で示すように、最初のプリアンブル１００と追加プリアンブル１０１の間で、対応するサンプル点の間で位相比較を行ない、１２８点の位相比較結果の平均を取ることによって、プリアンブル間での周波数誤差推定が行なうことができる。
【００９２】
参照番号１１５で示したプリアンブル間の位相比較は、参照番号１１０で示したプリアンブルない位相比較よりも比較する間隔が広くなっているので、より正確に周波数誤差を測定することが可能になる。
【００９３】
ここで、図２中の参照番号１１０〜１１５で示したすべての周波数誤差測定を行なった後に、追加プリアンブルＨＴ−ＬＴＦ（１０１〜１０４）からチャネル行列を推定し、逆行列演算などアンテナ受信重み行列の算出を行なうのでは、時間の無駄であり、通信に支障をきたす。
【００９４】
そこで、本実施形態では、受信機は、当初の周波数誤差の測定と補正を行なった後、残留周波数誤差の測定を、チャネル行列の推定と平行して行なうようにした。周波数オフセット補償部３４は、先ず参照番号１１０で示した最初のプリアンブルＬ−ＬＴＦ（１００）内での周波数誤差測定及び補正を行なう。その後、周波数オフセット補償部３４は、参照番号１１１〜１１５で示したように、追加プリアンブルを用いた残留周波数誤差の測定を行なうが、これと平行して追加プリアンブルを空間分離部３６に回して、チャネル行列の推定、並びにその逆行列計算などによるアンテナ受信重みベクトルの算出を行なうようにする。
【００９５】
例えば、空間分離部３６は、チャネル行列から求まるアンテナ受信重み行列の位相を回転させることによって残留周波数誤差を補正することができる。この場合、残留周波数誤差の影響を除去したアンテナ受信重み行列を用いてＭＩＭＯ合成することによって、各アンテナの受信信号を各ストリーム信号に空間分離することができる。
【００９６】
あるいは、空間分離部３６は、ＭＩＭＯ合成した通信チャネルのチャネル行列の位相を回転させることによって残留周波数誤差を補正するようにしてもよい。この場合、残留周波数誤差の成分を含んだアンテナ受信重み行列でＭＩＭＯ合成することになるが、残留周波数誤差による影響をチャネル推定として受信信号を復号することができる。
【００９７】
あるいは、ＭＩＭＯ合成した通信チャネルの受信データの位相を回転させることによって残留周波数誤差を補正するようにしてもよい。この場合、残留周波数誤差の成分を含んだアンテナ受信重み行列でＭＩＭＯ合成した後、残留周波数誤差分だけ受信信号の位相を回転させて、位相空間上で正しい信号点に戻して残留周波数誤差の影響を除去して復号を行なうようにする。
【００９８】
このように、受信機側では、周波数オフセット補償部３４は、追加プリアンブルＨＴ−ＬＴＦ（１０１〜１０４）を用いた周波数誤差の測定を、空間分離部３６においてチャネル行列を推定するのに平行して行なうことができる。したがって、追加プリアンブルの周波数誤差推定とその補正処理をしてからチャネル行列を推定し、逆行列演算あるいは特異値分解などの処理を行なう場合に比べ、処理時間が短くて済むので、通信に支障をきたすことはない。また、プリアンブルとデータの間隔に応じて受信ストリーム毎に補正位相量を調整するので、残留周波数誤差の影響をより正確に除去することができ、通信品質が向上する。
【００９９】
ここで、チャネル行列Ｈと、アンテナ受信重み行列としてのその逆行列Ｈ-1を下式（５）のようにおく。但し、ａ、ｂ、ｃ、ｄは追加プリアンブルＨＴ−ＬＴＦ（１０１〜１０４）の各シンボルに相当し、添え字０〜３は受信ブランチの通し番号である。
【０１００】
【数４】
2006295629.tif 000006
【０１０１】
追加プリアンブル当たりの位相回転量をω、各追加プリアンブルの長さをＴとおくと、残留周波数誤差ｆ（＝２π／ωＴ）が残る場合のチャネル行列（以下、「チルトＨ」とも呼ぶ）は下式（６）のように表すことができる。
【０１０２】
【数５】
2006295629.tif 000007
【０１０３】
残留周波数誤差が残るチャネル行列、すなわちチルトＨの各列は、追加プリアンブルから得られた各受信アンテナでのチャネル推定の時間順に並んでいる。すなわち、２番目、３番目、４番目の追加プリアンブルから求める２列目、３列目、４列目のチャネル推定では、各要素がそれぞれω、２ω、３ωだけ１列目から回転している。次式（７）では、このチルトＨの逆行列の各行を求めている。チルトＨの逆行列の各行はアンテナ受信重みベクトルになるが、同式から判るように、業毎に残留周波数誤差に起因する位相ω、２ω、３ωが逆に回転している。
【０１０４】
【数６】
2006295629.tif 000008
【０１０５】
言い換えれば、次式（８）に示すように、チルトＨの逆行列は、残留周波数誤差の影響を受けないチャネル行列の逆行列Ｈ-1が行単位で位相が回転している形になる。
【０１０６】
【数７】
2006295629.tif 000009
【０１０７】
空間分離部３６でチャネル行列の逆行列を計算している間に、周波数オフセット補償部３４では、追加プリアンブルＨＴ−ＬＴＦ（１０１〜１０４）を用いて、参照番号１１１〜１１５で示したように、追加プリアンブル当たりの残留周波数誤差ωを測定しておき、空間分離部３６へ渡す。そして、空間分離部３６では、チャネル行列として残留周波数誤差を含んだチルトＨを推定することになるが、その逆行列を後から修正して、残留周波数誤差を含まない正確な逆行列Ｈ-1を算出する。
【０１０８】
上式（６）では、先頭の追加プリアンブル１０１での位相を基準としており、先頭のデータ・シンボル１０５では４ωだけ位相が回転している。したがって、空間分離部３６では、チルトＨの逆行列の１行目のアンテナ受信重みベクトルは４ω、２行目のアンテナ受信重みベクトルは４ω−ω＝３ω、３行目のアンテナ受信重みベクトルは４ω−２ω＝２ω、４行目のアンテナ受信重みベクトルは４ω−３ω＝ωの位相修正を行なうことによって、各アンテナ受信重みベクトルから残留周波数誤差の影響を除去することができる。
【０１０９】
このような位相修正で、各アンテナ受信重みベクトルは当該ＯＦＤＭシンボル位置に適合したアンテナ受信重みベクトルとなった。２行目以下のアンテナ受信重みベクトルにはω〜３ω戻す成分が入っているので、あと３ω〜ω修正することによりデータ・シンボルの位相を基準となる先頭の追加プリアンブルの時点に合せることができる。
【０１１０】
例えば、ＭＩＭＯ送信機からの送信信号をｘ、ＭＩＭＯ受信機での受信信号をｙ、チャネル行列をＨとおくと、ｙ＝Ｈｘである。周波数オフセット補償部３４は、追加プリアンブルＨＴ−ＬＴＦ当たりの位相回転量ωを測定し、空間分離部３６に与える。上述した残留周波数誤差の修正方法では、空間分離部３６では、残留周波数誤差を含んだままのチャネル行列であるチルトＨからその逆行列を求めた後、下式（９）に示すように、この逆行列の各行ベクトルに追加プリアンブル分の残留周波数誤差を修正する位相回転を与える行列を乗算することによって、正確な逆行列Ｈ-1を算出する。
【０１１１】
【数８】
2006295629.tif 000010
【０１１２】
また、他の方法として、空間分離部３６において、アンテナ受信重みベクトルの位相修正を行なうのではなく、ＭＩＭＯ合成チャネルのチォネル推定値の位相を修正する方法が挙げられる。この場合、空間分離部３６では、残留周波数誤差を含んだままのチャネル行列であるチルトＨからその逆行列をアンテナ受信重み行列として求めると（式（８）を参照のこと）、これを受信信号ｙに直接乗算して、残留周波数誤差を含んだストリーム信号としてチルトｘを得る（式（１０）を参照のこと）。
【０１１３】
【数９】
2006295629.tif 000011
【０１１４】
そして、下式（１１）に示すチャネル推定を参照しながら、このチルトｘを正しく復号する。
【０１１５】
【数１０】
2006295629.tif 000012
【０１１６】
また、残留周波数誤差の影響を除去するさらに他の方法として、データ・シンボルを該当するストリーム毎に修正する方法が挙げられる。この場合、空間分離部３６では、残留周波数誤差を含んだままのチャネル行列であるチルトＨからその逆行列をアンテナ受信重み行列として求めると、これを受信信号ｙに直接乗算して、残留周波数誤差を含んだストリーム信号としてチルトｘを得る。そして、下式（１２）に示すように、チルトｘに対し追加プリアンブル分の残留周波数誤差を修正する位相回転を与える行列を乗算することによって、正確な送信信号ｘを復号する。
【０１１７】
【数１１】
2006295629.tif 000013
【０１１８】
通常のＭＩＭＯ受信機では、チャネル行列Ｈの逆行列Ｈ-1を乗算すると単位行列となることを利用して、受信信号に逆行列Ｈ-1を直接乗算して元の送信信号ｘを復号する。これに対し、推定したチャネル行列が残留周波数誤差の影響を受けている場合には、その逆行列を乗算しても単位行列にはならない。２番目の方法では、各受信ストリームでのプリアンブル位置とデータ・シンボル位置の間隔に応じた位相回転を加えることで、合成チャネル推定値の位相修正を行なうことなーに相当する。また、３番目の方法では、データ・シンボルに対し、各受信ストリームでのプリアンブル位置とデータ・シンボル位置の間隔に応じた位相の逆回転を与えることで修正を行なうことに相当する。
【０１１９】
図３には、図１に示した通信装置の受信系統のうち、周波数オフセット補償部３４と、空間分離部３６を詳細に図解している。同図では、４本の受信系統を含んでいるが、本発明の要旨はその本数に限定されない。
【０１２０】
周波数オフセット補償部３４は、受信系統毎の受信バッファ２００…及び発振器２０１…と、パケットのプリアンブルを用いて同期を検出する同期検出部２０５と、周波数誤差推定部２０６を備えている。本実施形態では、周波数誤差推定部２０６は、チャネル推定用のプリアンブルＬ−ＬＴＦを用いて当初の周波数誤差推定及び発振器２０１…に対する周波数誤差補正２１２を行なうとともに、ストリーム毎に時分割送信される追加プリアンブルＨＴ−ＬＴＦを用いた残留周波数誤差の推定を行なって、追加プリアンブル当たりの位相回転量ωを測定して、空間分離部３６に出力するようになっている。
【０１２１】
また、空間分離部３６は、アンテナ受信重み行列生成部２０７と、ＭＩＭＯチャネル合成部２０８を備えている。アンテナ受信重み行列生成部２０７は、送信ストリーム毎に時分割送信された追加プリアンブルＨＴ−ＬＴＦ（１０１〜１０４）を用いてチャネル行列Ｈを推定し、さらにその逆行列Ｈ-1をアンテナ受信重み行列として算出する。ＭＩＭＯチャネル合成部２０８では、このアンテナ受信重み行列を受信信号に乗算して、ＭＩＭＯチャネル合成して、各受信ストリームに空間分離する。
【０１２２】
本実施形態では、アンテナ受信重み行列生成部２０７が、追加プリアンブル当たりの位相回転量ωを基に、チャネル行列から求まるアンテナ受信重み行列の位相を回転させることによって残留周波数誤差を補正する。あるいは、ＭＩＭＯチャネル合成部２０８が、ＭＩＭＯ合成した通信チャネルのチャネル行列の位相を回転させることによって残留周波数誤差を補正し、又はＭＩＭＯ合成した通信チャネルの受信データの位相を回転させることによって残留周波数誤差を補正するようになっている。
【０１２３】
空間分離後の各受信ストリームは、等化及び位相タイミング追跡部２０３…で等化及び残留周波数の除去が行なわれ、復号部２０４…で位相空間（ｃｏｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ）上の変調点から元の値に復調される。
【０１２４】
以下、周波数オフセット補償部３４及び空間分離部３６において残留周波数誤差を補正する処理手順について詳解する。
【０１２５】
周波数誤差推定部２０６では、先ずプリアンブルＬ−ＬＴＦ（１００）を使用して周波数誤差を推定し、その推定値２１２を各発振器２０１、２０１'、２０１''、２０１'''に送り、Ｌ−ＬＴＦ（１００）以後の受信信号の周波数補正を行なう。
【０１２６】
送信ストリーム毎に時分割送信される追加プリアンブルＨＴ−ＬＴＦ（１０１〜１０４）は、各ＦＦＴ２０２、２０２'、２０２''、２０２'''でフーリエ変換され、それぞれ周波数領域のプリアンブル２１１、２１１'、２１１''、２１１'''となる。アンテナ受信重み行列生成部２０７では、これらの追加プリアンブル２１１…よりチャネル行列を推定し、さらにその逆行列をアンテナ受信重み行列として算出する。ここで推定されるチャネル行列は、残留周波数誤差の影響を受けたチルトＨ（式（６）を参照のこと）であり、チルトＨの逆行列（式（７）を参照のこと）を求めることになる。
【０１２７】
一方、周波数誤差推定部２０６では、追加プリアンブルＨＴ−ＬＴＦ（１０１〜１０４）のうち少なくとも１つを用い、１１１〜１１４のいずれかの区間で位相比較を行なうことにより、残留周波数誤差を測定する。場合によっては、プリアンブルＬ−ＬＴＦと位相比較可能となっている追加プリアンブルＨＴ−ＬＴＦ（図２に示した例では１０１）とＬ−ＬＴＦの間で、区間１１５を利用して位相比較を行なうことにより、残留周波数誤差を測定する。そして、これらの測定結果を平均するなどして、最終的な残留周波数誤差２１３を推定し、空間分離部３６に送る。例えば、追加プリアンブル当たりの位相回転量ωを残留周波数誤差２１３として出力する。
【０１２８】
空間分離部３６では、取得した残留周波数誤差２１３に基づいて残留周波数誤差の影響を除去する。すなわち、アンテナ受信重み行列生成部２０７は、求まった逆行列（式（６）を参照のこと）に対して行毎に残留周波数誤差２１３を適用し、ストリーム毎のアンテナ受信重みベクトルの位相補正を行ない（式（９）を参照のこと）、その結果２１４をＭＯＭＯチャネル合成部２０８に送る。ＭＩＭＯチャネル合成部２０８では、各アンテナから受信されたデータ・シンボルに対しアンテナ受信重みベクトルを乗算することによりＭＩＭＯ合成を行ない、独立した各ストリームの受信データを生成する。
【０１２９】
また、空間分離部３６において残留周波数誤差の影響を除去する他の方法として、アンテナ受信重みベクトルの位相修正を行なうのではなく、ＭＩＭＯ合成チャネルのチォネル推定値の位相を修正するようにしてもよい。この場合、アンテナ受信重み行列生成部２０７では、残留周波数誤差を含んだままのチャネル行列であるチルトＨからその逆行列をアンテナ受信重み行列として求めると（式（１０）を参照のこと）、これを受信信号ｙに直接乗算して、残留周波数誤差を含んだストリーム信号としてチルトｘを得る（式（１０）を参照のこと）。そして、ＭＩＭＯチャネル合成部２０８では、上式（１１）に示したチャネル推定を参照しながら、このチルトｘを正しく復号する。
【０１３０】
また、空間分離部３６において残留周波数誤差の影響を除去するさらに他の方法として、データ・シンボルを該当するストリーム毎に修正するようにしてもよい。この場合、アンテナ受信重み行列生成部２０７では、残留周波数誤差を含んだままのチャネル行列であるチルトＨからその逆行列をアンテナ受信重み行列として求めると、これを受信信号ｙに直接乗算して、残留周波数誤差を含んだストリーム信号としてチルトｘを得る（式（１０）を参照のこと）。そして、ＭＩＭＯチャネル合成部２０８では、上式（１２）に示したように、チルトｘに対し追加プリアンブル分の残留周波数誤差を修正する位相回転を与える行列を乗算することによって、正確な送信信号ｘを復号する。
【産業上の利用可能性】
【０１３１】
以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。すなわち、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１３２】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係るＭＩＭＯ＿ＯＦＤＭ通信装置の構成を示した図である。
【図２】図２は、ＭＩＭＯ通信システムにおいて使用されるパケットのフォーマットを模式的に示した図である。
【図３】図３は、図１に示した通信装置の受信系統のうち、周波数オフセット補償部３４と、空間分離部３６を詳細に示した図である。
【図４】図４は、ＭＩＭＯ通信システムを概念的に示した図である。
【図５】図５は、トレーニング信号の送信方法を説明するための図である。
【図６】図６は、ＭＩＭＯ＿ＯＦＤＭ通信システムにおいて、周波数誤差によりサブキャリア間干渉を起こす様子を示した図である。
【図７】図７は、ＭＩＭＯ＿ＯＦＤＭ通信システムにおいて、チャネル推定を行なう方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【０１３３】
１１…アンテナ
１２…スイッチ
２１…符号化部
２２…ＩＦＦＴ
２３…ガード付与部
２４…プリアンブル／リファレンス付与部
２５…Ｄ／Ａ変換器
２６…送信用アナログ処理部
３１…受信用アナログ処理部
３２…Ａ／Ｄ変換器
３３…同期獲得部
３４…周波数オフセット補償部
３５…ＦＦＴ
３６…空間分離部
３７…位相回転量補償部
３８…復号部
２００…受信バッファ
２０１…発振器
２０２…ＦＦＴ
２０３…等化及び位相タイミング追跡部
２０４…復号部
２０５…同期検出部
２０６…周波数誤差推定部
２０７…アンテナ受信重み行列生成部
２０８…ＭＩＭＯチャネル合成部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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