(57)【要約】【課題】受信アンテナ間の誤差に相関がある環境でも通信品質の劣化を防ぐことができる無線通信装置を得ること。【解決手段】複数の受信アンテナを備え、パイロット信号と送信データ信号とを含む無線信号を受信する無線通信装置であって、受信アンテナごとに、受信した無線信号をパイロット受信信号とデータ受信信号を分離するパイロット／データ分離部１と、パイロット受信信号に基づいて、伝送路応答と受信アンテナごとの雑音とを求めるＣＩＲ／雑音分離部２と、受信アンテナごとの雑音の相互相関行列を求める相互相関行列算出部３と、伝送路応答と相互相関行列とデータ受信信号とに基づいて送信アンテナごとの送信データ信号を求める空間フィルタ４と、を備える。【選択図】図１
2011119849.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の受信アンテナを備え、前記受信アンテナを用いて１つ以上の送信アンテナから送信された、既知信号であるパイロット信号と送信データ信号とを含む無線信号を受信する無線通信装置であって、
前記受信アンテナごとに、受信した前記無線信号を、パイロット信号に対応するパイロット受信信号とデータ信号に対応するデータ受信信号とに分離するパイロットデータ分離手段と、
前記パイロット受信信号に基づいて、前記受信アンテナと前記送信アンテナとの間の伝送路応答を求め、また、前記パイロット受信信号に基づいて前記受信アンテナごとの雑音を求める伝送路応答雑音算出手段と、
前記受信アンテナごとの雑音の前記受信アンテナ間の相互相関行列を求める相互相関算出手段と、
前記伝送路応答と、前記相互相関行列と、に基づいて重み係数を算出し、前記重み係数と、前記データ受信信号と、に基づいて前記送信アンテナごとの前記送信データ信号を求める送信信号算出手段と、
を備えることを特徴とする無線通信装置。
【請求項２】
前記パイロット信号と前記送信データ信号とが時間多重されているとし、
前記パイロットデータ分離手段は、処理対象の前記無線信号を時間領域の前記無線信号とする、
ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
【請求項３】
前記無線信号を周波数領域の信号に変換するＦＦＴ手段、
をさらに備え、
前記パイロットデータ分離手段は、処理対象の前記無線信号を前記ＦＦＴ手段による処理後の周波数領域の前記無線信号とする、
ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
【請求項４】
前記伝送路応答雑音算出手段は、前記受信アンテナごとに、前記伝送路応答と前記パイロット信号の既知の送信パターンであるパイロットパターンと、に基づいて前記パイロット信号のレプリカを生成し、前記パイロット受信信号と前記レプリカとの差分を前記雑音とする、
ことを特徴とする請求項１、２または３に記載の無線通信装置。
【請求項５】
あらかじめ定められた無信号の区間が存在する場合に、
前記パイロットデータ分離手段は、さらに前記無信号区間に対応する前記無線信号を無信号受信信号として分離し、
前記伝送路応答雑音算出手段は、前記無信号受信信号を前記雑音とする、
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の無線通信装置。
【請求項６】
１つ以上の端末と、
請求項１〜５のいずれか１つに記載の無線通信装置として機能する基地局と、
を備え、
前記基地局は、前記端末から送信された既知信号であるパイロット信号と送信データ信号と無線信号を受信し、前記無線信号に基づいて前記端末ごとの前記送信データ信号を求める、
ことを特徴とする無線通信システム。
【請求項７】
複数の受信アンテナを備え、前記受信アンテナを用いて１つ以上の送信アンテナから送信された、既知信号であるパイロット信号と送信データ信号とを含む無線信号を受信する無線通信装置における受信方法であって、
前記受信アンテナごとに、受信した前記無線信号を、パイロット信号に対応するパイロット受信信号とデータ信号に対応するデータ受信信号とに分離するパイロットデータ分離ステップと、
前記パイロット受信信号に基づいて、前記受信アンテナと前記送信アンテナとの間の伝送路応答を求め、また、前記パイロット受信信号に基づいて前記受信アンテナごとの雑音を求める伝送路応答雑音算出ステップと、
前記受信アンテナごとの雑音の前記受信アンテナ間の相互相関行列を求める相互相関算出ステップと、
前記伝送路応答と、前記相互相関行列と、に基づいて重み係数を算出し、前記重み係数と、前記データ受信信号と、に基づいて前記送信アンテナごとの前記送信データ信号を求める送信信号算出ステップと、
を含むことを特徴とする受信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のアンテナで送信した信号を複数のアンテナで受信する無線通信装置、無線通信システムおよび受信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線通信において、通信速度の向上の手法として複数のアンテナで送信した信号を複数のアンテナで受信するＭＩＭＯ（Multiple  Input  Multiple  Output）伝送方式が通注目されている。ＭＩＭＯ伝送方式では、複数のアンテナからそれぞれ異なるデータを同一周波数で同時に送信し、受信側で分離することで高速化が可能である。
【０００３】
ＭＩＭＯ伝送方式は、送信装置が複数の送信アンテナを備え、かつ受信装置が複数のアンテナを備える場合だけでなく、送信アンテナを備える複数の送信装置が同時にそれぞれ異なる信号を送信し、１つの受信装置が複数のアンテナで受信する場合にも適用できる。この場合、受信装置は同時に複数の通信装置と通信することができ、通信速度が向上する。具体的には、たとえば、複数のユーザ端末がそれぞれ信号を送信し、複数のアンテナを備える基地局が受信する構成が考えられる。このように複数の通信装置を相手としたＭＩＭＯ伝送を、マルチユーザＭＩＭＯまたはＳＤＭＡ（Space  Division  Multiple  Access）と呼ぶ。
【０００４】
一方、ＭＩＭＯ伝送方式で、受信側が、送信アンテナごとの信号を分離する方法として線形の空間フィルタを用いる手法が知られており、たとえば空間フィルタ出力の平均２乗誤差を最小とする信号を推定する方式が知られている。たとえば、下記特許文献１では、ＭＭＳＥ（Minimum  Mean  Squared  Error）方式を用いて信号を分離する方法が開示されている。下記特許文献１では、ＭＭＳＥ推定として以下の式（１）を用いている。なお、ＨはＭＩＭＯ伝送路を表し、Ｈ*は行列Ｈの共役転置行列を示し、Σは雑音成分を補正するための行列とし、Ａ-1は行列Ａの逆行列を示すこととする。
【０００５】
ｘ＝（ＨＨ*＋Σ*Σ）-1Ｈ*ｙ                          …（１）
【０００６】
さらに下記特許文献１では、Σ＝σＥ（Ｅは単位行列、σは雑音成分の標準偏差）として、記の式（１）の替わりに下記式（２）を用いてＭＭＳＥ推定を実施している。なお、一般にＭＩＭＯ伝送路Ｈの推定は送信側から送信されるパイロット信号等の既知信号に基づいて計算され、σ2はパイロット信号の誤差を用いて計算される。
【０００７】
ｘ＝（ＨＨ*＋σ2Ｅ）-1Ｈ*ｙ                          …（２）
【０００８】
下記特許部文献１に記載の方法では以上のようなＭＭＳＥ推定を実施することにより、隣接セルからの干渉のない場合は平均２乗誤差を最小とすることができる。また、隣接セルからの干渉がない条件では、雑音を無相関と仮定してσ2を推定することにより雑音の相互相関行列を高精度に計算することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−３２４７１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記特許文献１に記載の技術によれば、アンテナ間で雑音の相関がないことを仮定している。しかしながら、たとえば、基地局が複数の端末からの信号を受信するマルチユーザＭＩＭＯでは、隣接セルの端末のある到来方向から到来する送信信号が干渉となる。そのため、アンテナ間で雑音と干渉の和である誤差に相関が生じ、上記式（２）を用いた方法では平均２乗誤差を最小することができず通信品質が劣化する、という問題があった。また、平均２乗誤差を最小とするためには、Σを算出する必要があるが、Σを求めるための計算は一般に誤差が大きく、その結果、通信品質が劣化する、という問題があった。
【００１１】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、複数のアンテナから送信された信号を複数の受信アンテナで受信する場合に、受信アンテナ間の誤差に相関がある環境でも通信品質の劣化を防ぐことができる無線通信装置、無線通信システムおよび受信方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、複数の受信アンテナを備え、前記受信アンテナを用いて１つ以上の送信アンテナから送信された、既知信号であるパイロット信号と送信データ信号とを含む無線信号を受信する無線通信装置であって、前記受信アンテナごとに、受信した前記無線信号を、パイロット信号に対応するパイロット受信信号とデータ信号に対応するデータ受信信号とに分離するパイロットデータ分離手段と、前記パイロット受信信号に基づいて、前記受信アンテナと前記送信アンテナとの間の伝送路応答を求め、また、前記パイロット受信信号に基づいて前記受信アンテナごとの雑音を求める伝送路応答雑音算出手段と、前記受信アンテナごとの雑音の前記受信アンテナ間の相互相関行列を求める相互相関算出手段と、前記伝送路応答と、前記相互相関行列と、に基づいて重み係数を算出し、前記重み係数と、前記データ受信信号と、に基づいて前記送信アンテナごとの前記送信データ信号を求める送信信号算出手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、受信信号に含まれるパイロット信号に基づいて伝送路応答行列を求め、伝送路応答行列に基づいてアンテナごとにパイロット信号のレプリカを生成して、アンテナごとのパイロット信号のレプリカと受信信号に含まれるパイロット信号との差分を雑音として求め、さらにアンテナごとの雑音の相互相関行列を求め、伝送路応答行列と、雑音の相互相関行列と、に基づいて求めた重み係数行列を用いて、送信信号を求めるようにしたので、複数のアンテナから送信された信号を複数の受信アンテナで受信する際に、受信アンテナ間の誤差に相関がある環境でも通信品質の劣化を防ぐことができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、実施の形態１の基地局の機能構成例を示す図である。
【図２】図２は、実施の形態１の通信システムの構成例を示す図である。
【図３】図３は、ｍ本の送信アンテナから送信された信号をｎ本の受信アンテナを備える受信側の装置が受信する場合の伝送路を説明するための図である。
【図４】図４は、時間多重によってパイロット信号とデータが多重されている例を示す図である。
【図５】図５は、ＣＩＲ／雑音分離部２の構成例を示す図である。
【図６】図６は、相互相関行列算出部３の構成例を示す図である。
【図７】図７は、実施の形態２の基地局の機能構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明にかかる無線通信装置、無線通信システムおよび受信方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１６】
実施の形態１．
図１は、本発明にかかる基地局の実施の形態１の機能構成例を示す図である。図１に示すように、本実施の形態の基地局は、パイロット／データ分離部１，ＣＩＲ（Channel  Impulse  Response）／雑音分離部２，相互相関行列算出部３，空間フィルタ４，復調部５を備えている。本実施の形態では、本発明にかかる無線装置として基地局を例に説明する。本実施の形態の基地局は、ｍ本のアンテナから送信された信号を、図示しないｎ本のアンテナで受信する。そして、アンテナごとの受信信号がパイロット／データ分離部１に入力される。
【００１７】
図２は、本実施の形態の通信システムの構成例を示す図である。図２に示すように、本実施の形態の通信システムは、図１に示した構成の基地局１０と、端末１１−１，１１−２と、で構成される。本実施の形態では、基地局１０は、ｍ本の送信アンテナから送信された信号を、端末１１−１，１１−２からそれぞれ送信された信号とする。図２の例では、端末１１−１，１１−２はそれぞれ１つの送信アンテナを備えており、２つの送信アンテナから送信された信号を基地局１０が受信しており、ｍ＝２である。
【００１８】
図３は、ｍ本の送信アンテナから送信された信号をｎ本の受信アンテナを備える受信側の装置が受信する場合の伝送路を説明するための図である。送信側からアンテナごとに、信号ｘ1，ｘ2，…，ｘmが送信され、受信側では、信号ｙ1，ｙ2，…，ｙnとして受信する。この際、受信側では、受信アンテナごとに雑音ｎ1，ｎ2，…，ｎnがそれぞれ加算されている。ｈijは、ｊ番目（ｊ＝１〜ｍ）の送信アンテナからｉ番目（ｊ＝１〜ｎ）の受信アンテナまでの伝送路のインパルス応答を示す。（ｘ1，ｘ2，…，ｘm）の縦ベクトルをｘとし、（ｙ1，ｙ2，…，ｙn）の縦ベクトルをｙとし、（ｎ1，ｎ2，…，ｎm）の縦ベクトルをＮとし、Ｈを、ｈijを成分とする伝送路応答行列とするとき、ｙは以下の式（３）で表すことができる。
ｙ＝Ｈｘ＋Ｎ                                      …（３）
【００１９】
つぎに、本実施の形態の動作を説明する。図２の構成では、基地局１０は、受信したｙに基づいて、端末１１−１，１１−２から送信されたｘ1，ｘ2を求めることになる。本実施の形態では、端末１１−１，１１−２から送信される信号には、既知パターンの信号であるパイロット信号が含まれることとする。
【００２０】
パイロット／データ分離部１は、ｎ本のアンテナで受信した、アンテナごとの受信信号をそれぞれパイロット信号とデータ信号に分離し、パイロット信号をＣＩＲ／雑音分離部２に出力し、データ信号を空間フィルタ４へ出力する。
【００２１】
図４は、時間多重によってパイロット信号とデータが多重されている例を示す図である。端末１１−１，１１−２は、同期して同じタイミングでパイロット信号を送信することとする。図４の例では、パイロット信号の後にそれぞれデータ信号を送信している。このような場合、パイロット／データ分離部１は、送信された信号に同期した後は、時間ごとにパイロット部分とデータ部分を認識することができる。なお、パイロット信号とデータ信号の多重方法は、時間多重の他に周波数多重や時間周波数多重や符号分割多重等があり、システムによってそれぞれの多重方法に合わせた方法で分離する。
【００２２】
ＣＩＲ／雑音分離部２は、伝送路応答（ＣＩＲ）と雑音とを求める伝送路応答雑音算出手段であり、入力された受信パイロット信号（受信信号のパイロット信号の部分）に基づいて、アンテナごとおよびユーザごとのＣＩＲを求める。また、求めたＣＩＲに基づいてパイロット信号のレプリカを再構成し、レプリカと受信パイロット信号との差分を雑音として求める。
【００２３】
図５は、ＣＩＲ／雑音分離部２の構成例を示す図である。なお、ここでは、信号を送信する端末（ユーザ）の数をｍとし、端末＃１〜端末＃ｍの送信信号を受信するとして説明する。図５に示すように、ＣＩＲ／雑音分離部２は、入力されたｉ（ｉ＝１〜ｎ）番目のアンテナであるアンテナ＃ｉで受信した受信パイロット信号と、それぞれ端末（ユーザ）＃ｊ（ｊ＝１〜ｍ）が送信するパイロットパターン（パイロット信号のパターン）と、の相関演算をおこない、ＣＩＲ（ｈij）として出力する相関演算部２１−ｉｊと、相関演算部２１−ｉｊの相関演算の結果と、端末＃ｊのパイロットパターンと、を乗算する乗算部２２−ｉｊと、乗算部２２−ｉｊの乗算結果を受信したアンテナごとに全端末分合成することによりパイロット信号のレプリカを生成する加算部２３−ｉと、アンテナ＃ｉで受信した受信パイロット信号と、パイロット信号のレプリカと、の差分を求めアンテナ＃ｉの雑音とする加算部２４−ｉと、で構成される。
【００２４】
図５では、ユーザごとにそれぞれ直交するパターンでパイロット信号が送信されていることを想定し、ユーザごとのパイロットパターンと受信したパイロット信号との相関演算を行うことでユーザごとのＣＩＲを求めている。パイロットパターンがユーザごとにそれぞれ直交するパターンでない場合には、そのパイロットパターンに適した方法でＣＩＲを求める。
【００２５】
相互相関行列算出部３は、ＣＩＲ／雑音分離部２が求めたアンテナごとの雑音に基づいて相互相関行列を求める。相互相関行列は、アンテナごとの雑音を要素とする雑音ベクトルをＮ＝（ｎ1，ｎ2，…，ｎn）Tとするとき、ＮＮHの平均値として求めることができる。なお、Hは共役転置と表し、Tは転置を表す。
【００２６】
図６は、相互相関行列算出部３の構成例を示す図である。相互相関行列算出部３は、アンテナ＃ｉに対応する雑音と、アンテナ＃ｋ（ｋ＝１〜ｎ）に対応する雑音と、の相関演算を行ないＲikとして空間フィルタ４へ出力する相関演算部３１−ｉｋで、構成される。
【００２７】
なお、図６の構成では、ｎ×ｎ個の相関演算部を備えているが、相関行列の各要素をＲabとすると、Ｒab＝Ｒba*の関係があるため、この関係を用いて相関演算部を半分程度の数に削減することが可能である。
【００２８】
空間フィルタ４は、ＭＭＳＥ方式などを用いて送信アンテナごとの送信信号を示す送信ベクトルを求める送信信号算出手段である。送信信号の推定処理として、空間フィルタ４は、まずＣＩＲ／雑音分離部２から出力されるｈijを要素とすると相互相関行列算出部３から出力されるＲikを要素とする相互相関行列Ｒを以下の式（４）のように表すとし、以下の式（５）にしたがって空間フィルタ４の処理で用いる重み係数行列Ｗを求める。
【００２９】
【数１】
2011119849.tif 000003
【００３０】
Ｗ＝（ＨＨH＋Ｒ）-1Ｈ                                …（５）
【００３１】
以下の式（６）に示すように、パイロット／データ分離部１から出力されるアンテナ毎のデータ信号ｙi（ｉはアンテナの番号）を要素とする受信信号ベクトルをｙとし、端末（ユーザ）ごとに分離された送信信号ｘj（端末＃ｊから送信されたデータ）を要素とする送信信号ベクトルをｘとする。
【００３２】
【数２】
2011119849.tif 000004
【００３３】
このとき、以下の式（７）にしたがって送信データベクトルｘを求める。
ｘ＝ＷHｙ                                          …（７）
【００３４】
復調部５は、空間フィルタ４が求めた送信データベクトルｘに基づいて、端末ごと変調方式に合わせて、それぞれの端末から送信された信号の復調処理を行う。端末が送信する変調方式としては、たとえば、ＱＰＳＫ（Quadrature  Phase  Shift  Keying）、１６ＱＡＭ（Quadrature  Amplitude  Modulation）、６４ＱＡＭ等がある。なお、この時点で伝送路応答行列Ｈは補正されているので同期検波は不要である。
【００３５】
なお、たとえば時間領域で無信号区間があらかじめ定められている場合は、パイロット／データ分離部１は、その無信号区間を、パイロット信号の一部とみなし、ＣＩＲ／雑音分離部２は、その無信号区間の受信信号は全て雑音として処理するようにしてもよい。たとえば、無信号区間に対応する受信信号をパイロット／データ分離部１が分離してＣＩＲ／雑音分離部２に渡し、ＣＩＲ／雑音分離部２は、無信号区間に対応する受信信号については相関演算を行なわずに、レプリカと受信パイロット信号との差分と同様に扱い雑音として処理してもよい。
【００３６】
以上のように、本実施の形態では、ＣＩＲ／雑音分離部２が、アンテナごとの受信信号に含まれるパイロット信号に基づいて伝送路応答行列を求め、また、伝送路応答行列に基づいてアンテナごとにパイロット信号のレプリカを生成して、アンテナごとのパイロット信号のレプリカと受信信号に含まれるパイロット信号との差分を雑音として求める。そして、相互相関行列算出部３が、アンテナごとの雑音の相互相関行列を求め、空間フィルタが、受信信号と、その相互相関行列に基づいて求めた重み係数行列を用いて、送信信号を求めるようにした。そのため、他セルからの干渉が存在する場合等アンテナ間の雑音に相関がある場合でも、通信品質の劣化を防ぐことができる。
【００３７】
実施の形態２．
図７は、本発明にかかる基地局の実施の形態２の機能構成例を示す図である。本実施の形態の基地局は、実施の形態１の基地局にＦＦＴ（Fast  Fourier  Transform）部（ＦＦＴ）６−１〜６−ｎを追加する以外は、実施の形態１の基地局と同様である。
【００３８】
実施の形態１ではパイロット信号とデータ信号が時間多重されている場合について説明したが、本実施の形態ではパイロット信号とデータ信号が周波数多重されている場合について説明する。この場合、図２に示すように、アンテナごとに受信した信号をＦＦＴ部６−１〜６−Ｎが周波数信号に変換し、パイロット／データ分離部１は、周波数信号を周波数に基づいてパイロット信号の周波数に対応する周波数領域信号とデータ信号の周波数領域に対応する周波数領域信号に分離する。パイロット信号が送信される周波数は既知とする。
【００３９】
そして、ＣＩＲ／雑音分離部２は、パイロット信号の周波数に対応する周波数領域信号に基づいて、周波数領域で、実施の形態１と同様にアンテナごとおよび端末ごとにＣＩＲと雑音を求める。パイロット信号との相関演算を行い、ＣＩＲを求め、また、求めたＣＩＲを用いてパイロット信号のレプリカを生成し、パイロット信号の周波数に対応する周波数領域信号と生成したレプリカとの差分を雑音として求める。以降、相互相関行列算出部３，空間フィルタ４，復調部５の処理を、周波数領域で、それぞれ実施の形態１と同様の処理を実施する。
【００４０】
なお、たとえば周波数領域で無信号区間があらかじめ定められている場合は、パイロット／データ分離部１は、その無信号区間を、パイロット信号の一部とみなし、ＣＩＲ／雑音分離部２は、その無信号区間の受信信号は全て雑音として処理するようにしてもよい。たとえば、無信号区間に対応する受信信号をパイロット／データ分離部１が分離してＣＩＲ／雑音分離部２に渡し、ＣＩＲ／雑音分離部２は、無信号区間に対応する受信信号については相関演算を行なわずに、レプリカと受信パイロット信号との差分と同様に扱い雑音として処理してもよい。
【００４１】
以上のように、本実施の形態では、実施の形態１の構成にＦＦＴ部６−１〜６−ｎを追加し、受信信号を周波数領域に変換してから実施の形態１と同様の処理を実施するようにした。そのため、周波数方向に多重されている信号を受信する場合に実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
以上のように、本発明にかかる無線通信装置、無線通信システムおよび受信方法は、複数のアンテナから送信された信号を複数のアンテナで無線信号を受信する通信システムに有用であり、特に、マルチユーザＭＩＭＯを採用する通信システムに適している。
【符号の説明】
【００４３】
１  パイロット／データ分離部
２  ＣＩＲ／雑音分離部
３  相互相関行列算出部
４  空間フィルタ
５  復調部
６−１〜６−ｎ  ＦＦＴ
１０  基地局
１１−１，１１−２  端末
２１−１１〜２１−ｍｎ，３１−１１〜３１−ｎｎ  相関演算部
２２−１１〜２２−ｍｎ  乗算部
２３−１〜２３−ｎ，２４−１〜２４−ｎ  加算部
【図１】
2011119849.tif 000005
【図２】
2011119849.tif 000006
【図３】
2011119849.tif 000007
【図４】
2011119849.tif 000008
【図５】
2011119849.tif 000009
【図６】
2011119849.tif 000010
【図７】
2011119849.tif 000011