(57)【要約】【課題】ＭＩＭＯにおいて、問題の原因が伝搬路にあるか否かを容易に評価できるようにする。【解決手段】ＭＩＭＯにおける伝搬路での雑音は、復調行列の成分ｇｉ，ｊ，ｋの絶対値の総和に比例して増減する。そこで、全ての受信アンテナ（ｊ＝１からＮ）についてｇｉ，ｊ，ｋの二乗和の平方根を求め、これを送信アンテナｉからのサブキャリアｋの雑音増幅率ＮＡｉ，ｋとする。更に、その逆数を伝搬路の伝達効率ＴＥｉ，ｋとする。そして、サブキャリア番号を横軸とするグラフに伝達効率ＴＥｉ，ｋを表示すれば、伝搬路に問題がある場合、低い値が示される。【選択図】図４
2008288990.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の送信アンテナが送信するＯＦＤＭ信号を複数の受信アンテナで受信して得られる受信信号のデータから複数の信号パスに関する伝達関数を算出し、上記受信信号の所望サブキャリアに関する受信ベクトルから送信ベクトルを復調するための復調行列を上記伝達関数から算出し、所望の上記送信アンテナに関する上記受信アンテナについての上記復調行列の成分の２乗和の平方根を雑音増幅率として算出する演算手段と、
上記雑音増幅率又はその逆数を表示する表示手段と
を具える伝搬路状態評価装置。
【請求項２】
上記演算手段が複数の上記サブキャリアの上記雑音増幅率又はその逆数を算出し、上記表示手段がサブキャリアに関する軸と、上記雑音増幅率又はその逆数に関する軸を有するグラフを用いて上記雑音増幅率又はその逆数を表示することを特徴とする請求項１記載の伝搬路状態評価装置。
【請求項３】
上記演算手段が複数の上記サブキャリアの上記雑音増幅率又はその逆数を算出し、複数の上記雑音増幅率又はその逆数に関する平均値又はＲＭＳを算出して数値又はグラフとして上記表示手段が表示することを特徴とする請求項１記載の伝搬路状態評価装置。
【請求項４】
複数の送信アンテナが送信するＯＦＤＭ信号を複数の受信アンテナで受信して得られる受信信号のデータから複数の信号パスに関する伝達関数を算出するステップと、
上記受信信号の所望サブキャリアに関する受信ベクトルから送信ベクトルを復調するための復調行列を上記伝達関数から算出するステップと、
所望の上記送信アンテナに関する上記受信アンテナについての上記復調行列の成分の２乗和の平方根を雑音増幅率として算出するステップと、
上記雑音増幅率又はその逆数を表示するステップと
を具える伝搬路状態評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の送受信アンテナによる無線通信において、伝搬路の状態を容易に評価できるようにするための装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線によるディジタル通信を行う機器の開発、設置、メンテナンス等において、受信信号の品質の評価は重要な測定項目の１つである。もし信号品質の劣化があった場合には、その原因の調査のために、機器自身の評価とは別に、マルチパス伝搬路である空間の状態を評価することも必要となる。従来のＳＩＳＯ(Single-Input, Single-Output)による通信の場合は、伝達関数や遅延プロファイルを測定することで伝搬路の評価が行われていた。
【０００３】
ワイヤレスＬＡＮの標準規格の１つであるIEEE802.11nでは、ＭＩＭＯ（Multiple-Input, Multiple-Output）のＳＤＭ（Space Division Multiplexing)を用いることで、転送レートの向上を図っている。ＭＩＭＯによる通信では、複数の送信アンテナから異なるデータを送信し、複数のアンテナで受信を行う。受信機は各送信アンテナから受信アンテナまでの伝搬路の伝達関数が異なることを利用して、データを復調する。Ｎ×ＮのＭＩＭＯの場合、送受信アンテナ間の伝達関数はＮ×Ｎ個となり、１つの送信アンテナからのデータを復調するためには、それらすべての伝達関数を使っての演算が必要となる。このため、伝達関数や遅延プロファイルの測定結果を見ただけで伝搬路の良否を判断するのは難しい。また、受信信号の品質は、従来のＳＩＳＯの通信に比べて伝搬路の状態に大きく影響される。
【０００４】
図１は、IEEE802.11nの２×２ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭの試験信号を受信して、１データ・シンボルを復調し、信号品質を評価した例である。図１Ａの「ＥＶＭ  ｖｓ  ＳＣ（サブキャリア）」のグラフを見ると、ＥＶＭ（Error Vector Magnitude）の値が70%以上になるサブキャリア（サブキャリア番号７）があることがわかる（ここでは、その位置に四角のマーカ１０を配置している）。これは復調後の信号品質として非常に悪い値である。ＥＶＭには、通信機器と伝搬路を含めた状態が現れるので、この品質劣化の原因を調査するためには、通信機器の評価とは別に、伝搬路の状態を知ることが重要となる。従来のＳＩＳＯ通信の場合では、伝搬路の評価は伝達関数を求めることで可能であった。これに習い、図１Ｂ及び図１Ｃでは、４つのパス(Tx1-Rx1, Tx2-Rx1, Tx1-Rx2, Tx2-Rx2)の振幅、また、図１Ｄ及び図１Ｅでは、同じ４つのパスの位相の伝達関数がTransfer Func.(Amp)とTransfer Func.(Ph)として表示し、サブキャリア番号７に対応する位置にマーカ１２乃至１８を示している。しかし、図１Ｂ乃至図１Ｅのグラフでは、マーカに示す位置のグラフ形状に他の部分と異なる特徴が見られないため、これらによって伝搬路を評価し、品質劣化の原因となっているか否かを判断するのは非常に難しい。
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２１１５６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
マルチパス伝搬路におけるディジタル通信の受信信号の品質劣化を調査するため、伝搬路の状態を評価して原因を分離することは有効な手段である。従来のＳＩＳＯによる通信の場合、伝搬路の状態は伝達関数を見ることで比較的容易に評価が可能であった。しかしながら、ＭＩＭＯによる通信の場合、信号の復調には複数の伝達関数を使って複雑な演算をする必要があり、伝搬路の状態を評価するのは容易ではない。また、それを評価するための適切な測定項目を持つ測定器もない。このため、ＭＩＭＯの如きマルチパス伝搬路を評価するための装置及び方法が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では、ＭＩＭＯ通信のマルチパス伝搬路を評価するための新しい測定指標を用い、それを演算し表示する伝搬路状態評価装置及び方法を提供する。それにより、受信信号の品質劣化の原因究明を容易にし、ＭＩＭＯ技術を用いた無線（ＲＦ）ディジタル通信機器の開発、設置、メンテナンス等の作業の効率化を図る。
【０００８】
具体的には、演算手段が複数の送信アンテナが送信するＯＦＤＭ信号を複数の受信アンテナで受信して得られる受信信号のデータから複数の信号パスに関する伝達関数を算出し、続いて受信信号の所望サブキャリアに関する受信ベクトルから送信ベクトルを復調するための復調行列を伝達関数から算出し、所望の送信アンテナに関する受信アンテナについての復調行列の成分の２乗和の平方根を雑音増幅率として算出する。表示手段は、この雑音増幅率又はその逆数を表示する。
【０００９】
このとき、演算手段は複数のサブキャリアの雑音増幅率又はその逆数を算出しても良く、表示手段は、サブキャリアに関する軸と、雑音増幅率又はその逆数に関する軸を有するグラフを用いて雑音増幅率又はその逆数を表示するようにしても良い。また、演算手段が複数のサブキャリアの雑音増幅率を算出したときに、これら複数の雑音増幅率又はその逆数に関して平均値又はＲＭＳ又は最小値を算出して数値又はグラフとして表示手段が表示するようにしても良い。
【００１０】
本発明を別の観点からみれば、伝搬路状態評価方法であって、次のステップから構成される。最初のステップでは、複数の送信アンテナが送信するＯＦＤＭ信号を複数の受信アンテナで受信して得られる受信信号のデータから複数の信号パスに関する伝達関数を算出する。次のステップでは、受信信号の所望サブキャリアに関する受信ベクトルから送信ベクトルを復調するための復調行列を伝達関数から算出する。その次に、所望の送信アンテナに関する受信アンテナについての復調行列の成分の２乗和の平方根を雑音増幅率として算出し、続いて雑音増幅率又はその逆数を表示する。
【００１１】
こうした本発明によれば、機器の状態と切り離して、伝搬路の状態について評価を容易に行うことが可能になる。よって、不具合がある場合に、どこに原因があるかの発見が容易に行えるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図２は、本発明による伝搬路状態評価装置の一例のブロック図である。また、図３は、本発明による伝搬路状態評価における演算処理の流れを示すフローチャートである。本発明では、送信アンテナにＴｘ１〜ＴｘＮのＮ個、受信アンテナにＲｘ１〜ＲｘＮのＮ個を用いたＮ×ＮのＭＩＭＯであり、各送信アンテナからの送信信号はＯＦＤＭ変調されている。受信アンテナＲｘ１〜ＲｘＮは受信回路も含み、受信した受信信号が復調／演算処理回路２０に供給される。復調／演算処理回路２０は、受信信号のパケットからデータを抽出し、シンボル同期の確定、周波数、位相の補正を行い、ＯＦＤＭシンボル毎に分離して、その中からＬＴＦ（Long Training Field）を抽出する。ＬＴＦは１つのパケットの先頭部にある既知の固定パターンのＯＦＤＭシンボルで、これを使ってＮ×Ｎ個の伝達関数が求められる（図３のステップ３２）。
【００１３】
ところで、後述の本発明による新しい測定項目である伝達効率は、復調／演算処理回路２０により、Ｎ×Ｎ個の伝達関数から算出される。算出された伝達効率は、表示装置２２において、数値やグラフとして表示される。操作パネル２４は、複数のボタンや回転ノブを有し、表示装置２２と連動して、伝搬路状態評価装置に対してユーザが所望の設定を行うのに使用される。こうした処理に適した既存の装置の一例としては、スペクトラム・アナライザの如き信号分析装置がある。また、復調／演算処理は、受信信号のデータがあれば良いので、複数のアンテナと受信回路から得られた受信信号のデータをパソコンなどに別途コピーすることで、パソコンで行うこともできる。
【００１４】
次に復調／演算処理回路２０は、ＯＦＤＭデータ・シンボルのサブキャリア数をＭとして、送信アンテナｉ（ｉ＝１，２，…，Ｎ）から受信アンテナｊ（ｊ＝１，２，…，Ｎ）への伝達関数から１本のサブキャリアｋ（ｋ＝１，２，…，Ｍ）の複素成分を求めてｈｉ，ｊ，ｋとすると、受信機が推定するサブキャリアｋについてのチャネル行列は数１のようになる。
【００１５】
【数１】
2008288990.tif 000003
【００１６】
このとき、受信機が受信信号のＬＴＦから伝達関数を推定する場合、送信電力が不明なので、振幅利得は後述のようにａとし、チャネル行列については利得が０ｄＢになるよう正規化されているとする。
【００１７】
続いて、１つのＯＦＤＭデータ・シンボルの１本のサブキャリアｋについて、１つの送信アンテナｉからの送信信号の複素成分をｘｉ，ｋとして送信ベクトルをＸｋ、１つの受信アンテナｊの受信信号の複素成分をｙｊ，ｋとして受信ベクトルをＹｋ、１つの受信アンテナｊに加わる雑音成分をｎｊ，ｋとして雑音ベクトルをｎｋとすると、これらの関係は次の数２〜数５で示される。ただし、復調／演算処理回路２０の推定する伝達関数は正しいものとする。
【００１８】
【数２】
2008288990.tif 000004
【００１９】
【数３】
2008288990.tif 000005
【００２０】
【数４】
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【００２１】
【数５】
2008288990.tif 000007
【００２２】
ここで、ａは送信アンテナから受信アンテナまでの振幅利得である。送信アンテナｉからの送信電力をＰｔｉ、受信アンテナｊの受信電力をＰｒｊとすると、ａは数８で表せる。なお、数６及び数７は、共役複素数同士の掛け算をｋに関して１からＭまで和をとるものである。
【００２３】
【数６】
2008288990.tif 000008
【００２４】
【数７】
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【００２５】
【数８】
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【００２６】
受信側で復調して得られる復調ベクトルｚｋを求めるには、Ｈｋの逆行列Ｈｋ−１を求めれば良く（図３のステップ３４）、これを用いて数１０のように求められる。
【００２７】
【数９】
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【００２８】
【数１０】
2008288990.tif 000012
【００２９】
数１０は、復調ベクトルｚｋが、送信ベクトルに振幅利得ａをかけたものに、熱雑音項であるＨｋ−１ｎｋを加えたものであることを示す。ここで、復調行列Ｈｋ−１をＧｋと置くと、
【００３０】
【数１１】
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【００３１】
【数１２】
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【００３２】
【数１３】
2008288990.tif 000015
【００３３】
ここで、サブキャリアｋについての雑音の電力をＮＰｋとすると、
【００３４】
【数１４】
2008288990.tif 000016
【００３５】
なお、まずは簡単のため、数１５に示すように、各受信アンテナに加わる雑音の電力は同じと仮定すると、数１６が得られる。
【００３６】
【数１５】
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【００３７】
【数１６】
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【００３８】
数１６は、受信アンテナに加わった雑音が復調行列の成分ｇｉ，ｊ，ｋの絶対値の総和に比例して増減することを示す。そこで、数１７に示すように、全ての受信アンテナ（ｊ＝１からＮ）についてｇｉ，ｊ，ｋの２乗和の平方根を求め（図３のステップ３６）、これを送信アンテナｉからのサブキャリアｋの雑音増幅率ＮＡｉ，ｋと呼ぶことにする。
【００３９】
【数１７】
2008288990.tif 000019
【００４０】
さらにこのＮＡｉ，ｋの逆数を求め（図３のステップ３８）、これを伝搬路の伝達効率ＴＥｉ，ｋと呼ぶことにする。
【００４１】
【数１８】
2008288990.tif 000020
【００４２】
以上はすべての受信アンテナに加わる雑音成分の電力が等しい場合であるが、雑音電力が受信電力に比例すると仮定した場合の雑音増幅率ＮＡ’ｉ，ｋ、伝達効率ＴＥ’ｉ，ｋは、受信電力Ｐｒｊを用いた以下の数１９及び数２０で定義する。なお、Ｈｋの逆行列が存在しない場合は、ＴＥｉ，ｋ＝ＴＥ’ｉ，ｋ＝０とする。
【００４３】
【数１９】
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【００４４】
【数２０】
2008288990.tif 000022
【００４５】
伝達効率の値が１（100%）のとき、その伝搬路はＳＩＳＯで通信した場合とほぼ同等の品質でＭＩＭＯ通信ができることになる。また、値が大きいほど伝搬路はＭＩＭＯ通信に適した状態であると言える。
【００４６】
図４Ｂは、本発明による伝達効率の表示例である。これは、横軸をサブキャリア番号（または周波数）、縦軸を伝達効率としており、IEEE802.11nのＭＩＭＯの場合を表示している（図３のステップ４０）。図４Ａは、従来のＥＶＭによる表示であり、ＥＶＭの値が悪い部分にマーカ１０を配置し、図４Ｂではこれと対応する位置にマーカ１１を配置している。マーカ１１における伝達効率の値が示すように、図１Ｂ〜図１Ｅと比較すると、図４Ｂでは特性の悪い部分が低い値として現れ、一目でわかる。これによって、復調信号の品質劣化の原因が、機器によるものでなく、伝搬路の状態によるものであると容易に判断できる。なお、矢印１３に示す部分も低い値を示しているが、これは単にサブキャリアが規格上存在しない部分である。
【００４７】
図４Ｂの表示例では、ユーザが所望の送信アンテナについてのサブキャリア毎の伝搬路の伝達効率を示している。しかし、全サブキャリアの伝達効率の平均値又はＲＭＳ（Root Mean Square）及び最小値を表示するのも、伝搬路の品質評価の指標として有効である。これは、全ての送信アンテナに関してでも、送信アンテナ毎でも良い。
【００４８】
以上のように、本発明によれば、従来の測定項目では難しかったＭＩＭＯ伝搬路の評価が、新しい測定項目である伝達効率によって容易に評価可能になる。なお、上述の例では、伝達効率の値をグラフで表示したが、雑音増幅率を同様にグラフ表示しても良い。また、チャネル行列Ｈｋが正方行列でない場合は、エルミート共役な行列ＨｋＨを利用し、（ＨｋＨ×Ｈｋ）−１×ＨｋＨを復調行列として扱えば良い。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭの試験信号を受信して、１データ・シンボルを復調し、信号品質を評価した従来例である。
【図２】本発明による伝搬路状態評価装置の一例のブロック図である。
【図３】本発明による伝搬路状態評価における演算処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】従来の表示例（ＥＶＭ）と比較した本発明による表示例を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
２０      復調／演算処理回路
２２      表示装置
２４      操作パネル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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