JP4040588B2 - Transmitter for spatial multiplexing transmission - Google Patents
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Description
本発明は、Ｎ個のアンテナ素子を用い、直交波周波数分割多重を用いたＦ個の周波数多重と、Ｌ個の空間多重による送信を行う空間多重伝送用送信装置に関する。 The present invention relates to a transmitter for spatial multiplexing transmission that uses N antenna elements and performs transmission by F frequency multiplexing using orthogonal frequency division multiplexing and L spatial multiplexing.
直交波周波数分割多重送信装置は、直交性を利用し周波数軸上でのオーバーラップを許容することで中心周波数が異なる複数の搬送波を利用でき、高い周波数効率を実現する送信装置である。また、空間多重伝送用送信装置は，複数のアンテナ素子から異なる信号を送信することで，周波数帯域を増大することなしに高速伝送を実現する送信装置である。
図６に、従来のマルチビームを形成することで伝送品質を改善することのできる空間多重伝送用送信装置の内部構成の一例をブロック図で示す（例えば、非特許文献１参照）。
An orthogonal wave frequency division multiplex transmission device is a transmission device that can use a plurality of carriers having different center frequencies by using orthogonality and allowing overlap on the frequency axis, thereby realizing high frequency efficiency. The spatial multiplexing transmission apparatus is a transmission apparatus that realizes high-speed transmission without increasing the frequency band by transmitting different signals from a plurality of antenna elements.
FIG. 6 is a block diagram showing an example of the internal configuration of a spatial multiplexing transmission apparatus that can improve transmission quality by forming a conventional multi-beam (see, for example, Non-Patent Document 1).
図６に示される従来の空間多重伝送用送信装置は、シリアルーパラレル変換装置１００と、送信装置１１１〜１１Ｌと、マルチビーム形成装置１２１〜１２Ｌと、信号合成装置１３１〜１３Ｎと、切り替え装置１４１〜１４Ｎと、送信用アンテナ素子１５１〜１５Ｎと、重み決定装置１６０から構成される．
送信信号はシリアルーパラレル変換器１００によって複数の信号系列Ｔ１〜ＴＬを生成し、送信装置１１１〜１１ＬによってＬ系列の送信信号系列が形成される。そして、マルチビーム形成装置１２１〜１２Ｌによって各々重み決定装置１６０により決定ざれた重みを用い、異なった指向性を形成するため各アンテナ素子への出力信号が形成される。更に、信号合成装置１３１〜１３Ｎにより同一のアンテナ素子に出力された信号を足し合わせ、切り替え装置１４１〜１４Ｎから送信用アンテナ素子１５１〜１５Ｎに出力し、同一の時刻、同一の周波数で送信される。
The conventional spatial multiplexing transmission apparatus shown in FIG. 6 includes a serial-
The transmission signal generates a plurality of signal sequences T 1 to T L by the serial-
ここで重み決定装置１６０では、マルチビーム形成装置１２１〜１２Ｌで送信信号に設定する重みを以下のようにして決定する。
まず伝達係数行列Ｈの特異値分解(Ｈ＝ＵＤＶＨ)を行い，ユニタリ行列Ｖ及び特異値を要素とする対角行列を求める。そして、送信アンテナ数をＮ、受信アンテナ数をＭ、ＸをＭとＮのうち小さい方の数字とし、u１〜uxをＭ×１の列ベクトルとし、v１〜vxをＮ×１列のベクトルとし、上添え字Ｈは共役転置を表すものとすると，伝達係数行列は以下の演算式（１）で表される。
Here, the weight determination device 160 determines the weight set for the transmission signal by the multi-beam forming devices 121 to 12L as follows.
First, singular value decomposition (H = UDV H ) of the transfer coefficient matrix H is performed to obtain a unitary matrix V and a diagonal matrix having singular values as elements. The number of transmitting antennas is N, the number of receiving antennas is M, X is the smaller number of M and N, u 1 to u x are M × 1 column vectors, and v 1 to v x are N × 1. Assuming that the vector is a column and the superscript H represents a conjugate transpose, the transfer coefficient matrix is represented by the following arithmetic expression (1).
次に、特異値の大きい方からＬ個を選択し、各特異値に対応したユニタリ行列Ｖの列ベクトルv１〜vＬを重みとして選択し，各列ベクトルを用いて以下の演算式（２）によって各アンテナ素子１５１〜１５Ｎから送信する送信信号s１〜ｓＮを形成する。
Next, L is selected from the larger singular values, the column vectors v 1 to v L of the unitary matrix V corresponding to each singular value are selected as weights, and the following formula (2 ) To form transmission signals s 1 to s N transmitted from the
ユニタリ行列Ｖは、伝達係数行列Ｈとその複素共役転置行列ＨＨの積Ｈ Ｈ Ｈの固有ベクトルとなっている。
受信局では、例えば送信局で送信されたビームの数Ｌ以上の受信アンテナを用いて復号を行う。以下に受信アンテナ数をＮ、受信アンテナ数とビーム数をＬ（Ｎ＞Ｌ）とした場合の復号方法の例を示す。
受信局アンテナ素子において受信される信号をＲ１〜ＲＬ、送信アンテナｊで送信され、受信アンテナｉで受信したときの伝達係数をＨｉｊとし，各受信信号における雑音をｎ１〜ｎＬとすると、空間多重伝送用送信装置によって信号を送信すると受信信号Ｒ１〜ＲＬは以下の演算式（３）で表すことができる。
The unitary matrix V is an eigenvector of the product H H H of the transfer coefficient matrix H and its complex conjugate transpose matrix H H.
In the receiving station, for example, decoding is performed using receiving antennas having a number L or more of beams transmitted from the transmitting station. An example of a decoding method when the number of reception antennas is N and the number of reception antennas and the number of beams is L (N> L) is shown below.
Signals received by the receiving station antenna elements are R 1 to R L , transmission coefficients when transmitted by the transmitting antenna j and received by the receiving antenna i are H ij, and noise in each received signal is n 1 to n L. Then, when signals are transmitted by the spatial multiplexing transmission apparatus, the received signals R 1 to R L can be expressed by the following arithmetic expression (3).
従って、受信装置では以下の演算式（４）を実行することによって送信信号を復号することが可能となる． Therefore, the receiving apparatus can decode the transmission signal by executing the following arithmetic expression (4).
このようにすることによって，周波数帯域を増大せずにアンテナ数倍の伝送速度を実現することが可能であり、指向性利得が得られ、更に、Ｎ素子からＬビームを形成する(Ｎ≧Ｌ)ことによって良好なビームを選択できるためダイバーシチ効果も得ることができる。
送信ダイバーシチは、例えば、Space-Time-Transmission-Diversity（立川著「W-CDMA移動通信方式」丸善），あるいはSpace-Time-Block-Code (Naguib, et.al “Space-Time-Block-Codes: code design criteria ),Delay Diversityなどを用いることができる。
By doing so, it is possible to realize a transmission speed several times the number of antennas without increasing the frequency band, to obtain a directivity gain, and to form an L beam from N elements (N ≧ L ), A good beam can be selected, and a diversity effect can also be obtained.
Transmission diversity is, for example, Space-Time-Transmission-Diversity (Tachikawa's “W-CDMA mobile communication system” Maruzen) or Space-Time-Block-Code (Naguib, et.al “Space-Time-Block-Codes: code design criteria), Delay Diversity, etc. can be used.
一方、図７に従来のマルチビームを形成することで伝送品質を改善する直交波周波数分割多重を用いた空間多重伝送用送信装置の一例をブロック図で示す。
ここに示される空間多重伝送用送信装置は、シリアルーパラレル変換装置２００と、送信装置２１１１〜２１ＦＬと、マルチビーム形成装置２１１１〜２１ＦＬと、信号合成装置２３１１〜２３ＮＦと、逆フーリエ変換装置２４１〜２４Ｎと、切り替え装置２５１〜２５Ｎと、送信用アンテナ素子２６１〜２６Ｎと、重み決定装置２７０から構成される。
On the other hand, FIG. 7 is a block diagram showing an example of a transmission apparatus for spatial multiplexing transmission using orthogonal frequency division multiplexing that improves transmission quality by forming a conventional multi-beam.
The spatial multiplexing transmission apparatus shown here includes a serial-parallel conversion apparatus 200,
送信信号はシリアルーパラレル変換器２００によってＭ×Ｌの信号系列に分けられ、更に、送信装置２１１１〜２１ＦＬによって符号化され、マルチビーム形成装置２２１１〜２２ＦＬに出力される。
マルチビーム形成装置２２１１〜２２ＦＬでは、それぞれ重み決定装置２７０により決定された重みを用い、異なった指向性を形成するための各アンテナ素子２６１〜２６Ｎへの出力信号が形成され，信号合成装置２３１１〜２３ＮＦにより同一のアンテナ素子に出力された信号を足し合わせ、切り替え装置２５１〜２５Ｎから送信用アンテナ素子２６１〜２６Ｎに出力され送信される。
ここで重み決定装置は、Ｆ個の周波数帯毎にＬ個のマルチビームにかける重みを上記した演算式（１）のようにユニタリ行列Ｖの列ベクトルｖを求め、マルチビーム形成装置２２１１〜２２ＦＬにおいて送信信号に重みを設定する。
In the multi-beam forming apparatuses 2211 to 22FL, output signals to the antenna elements 261 to 26N for forming different directivities are formed using the weights determined by the
Here, the weight determination apparatus obtains the column vector v of the unitary matrix V as shown in the arithmetic expression (1) described above for the weight applied to the L multi-beams for each of F frequency bands, and multi-beam forming apparatuses 2211 to 22FL. A weight is set for the transmission signal at.
ところで、図６に示す従来例によれば、推定した伝達係数行列のみによって形成されるため、伝達関数推定に誤差が生じると伝送品質の大きな劣化を招くという問題があり、伝達関数推定誤差の大きい環境には適用できない。また受信アンテナ数が送信アンテナ数より少ない場合、形成できるマルチビームの数は受信アンテナ数に制限されてしまうため送信ダイバーシチを適用できない。
一方、図７に示す従来例によれば、図６に示す従来例と比較して、マルチビーム形成装置２１１〜２２ＦＬは周波数分割多重数倍必要となり、また、重み決定装置２７０内での演算量も多くなり、制御が複雑となる問題があった。
By the way, according to the conventional example shown in FIG. 6, since it is formed only by the estimated transfer coefficient matrix, if there is an error in the transfer function estimation, there is a problem that the transmission quality is greatly deteriorated, and the transfer function estimation error is large. Not applicable to the environment. When the number of reception antennas is smaller than the number of transmission antennas, the number of multi-beams that can be formed is limited by the number of reception antennas, and therefore transmission diversity cannot be applied.
On the other hand, according to the conventional example shown in FIG. 7, compared to the conventional example shown in FIG. 6, the multi-beam forming devices 211 to 22FL are required to be multiplied by the frequency division multiplexing number, and the amount of calculation in the
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、全周波数帯の伝搬環境から決定した重みを用いて送信を行うことにより、伝搬環境推定誤差による伝送品質の劣化を低減しながら送信アンテナ数のマルチビームを形成することを可能とし、マルチビーム形成のための制御を簡易化することを可能とした空間多重伝送用送信装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and by performing transmission using weights determined from the propagation environment of all frequency bands, the number of transmission antennas can be reduced while reducing deterioration in transmission quality due to propagation environment estimation errors. An object of the present invention is to provide a spatial multiplexing transmission apparatus capable of forming a multi-beam and simplifying the control for forming the multi-beam.
上記した課題を解決するために本発明は、Ｎ個のアンテナ素子を用い、直交波周波数分割多重を用いたＦ個の周波数多重と、Ｌ個の空間多重による送信を行う空間多重伝送用送信装置であって、前記各アンテナ素子に接続され、受信信号と送信信号を切り替える切り替え装置と、前記切り替え装置に接続され、対応するアンテナ素子において受信された受信信号にフーリエ変換を行い、Ｆ個の受信信号に変換するＮ個のフーリエ変換手段及び、前記Ｎ個のフーリエ変換装置の対応する周波数帯の受信信号を入力信号とし、その周波数帯での伝達係数行列を推定する伝達係数行列推定手段及び、前記伝達係数行列推定手段において推定されたＦ個の伝達係数行列より前記マルチビーム形成装置で各入力信号に乗算する重みを求める伝達係数行列演算手段を有する重み決定装置と、前記入力された信号に直並列変換を行い、周波数分割多重数Ｆ×空間多重数Ｌに振り分けるシリアルーパラレル変換装置と、前記シリアルーパラレル変換装置の出力信号を入力信号とし、符号化を行い送信信号系列として逆フーリエ変換装置に出力するＦ×Ｌ個の送信装置と、前記送信装置から入力されたＦ個の信号に逆フーリエ変換を行い、Ｌ個のマルチビーム形成装置にそれぞれ出力を行うＬ個の逆フーリエ変換装置と、前記逆フーリエ変換装置の出力を入力信号とし、Ｎ個の信号に分割し、前記重み決定装置により決定された重み付けを行った後、Ｎ個の信号合成装置の対応するポートに出力を行うマルチビーム形成装置と、前記Ｌ個のマルチビーム形成装置からＬ個のポートに入力された入力信号を重ね合わせ、前記切り替え装置の他方のポートに出力を行うＮ個の信号合成装置と、を備えたことを特徴とする空間多重伝送用送信装置である。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a spatial multiplexing transmission apparatus that uses N antenna elements, performs F frequency multiplexing using orthogonal frequency division multiplexing, and L spatial multiplexing transmission. A switching device that is connected to each antenna element and switches a reception signal and a transmission signal; and a Fourier transform is performed on the reception signal that is connected to the switching device and is received by the corresponding antenna element, and F receptions are made. N Fourier transform means for converting into signals, and a transfer coefficient matrix estimation means for estimating a transfer coefficient matrix in the frequency band using the received signals in the corresponding frequency bands of the N Fourier transform devices as input signals; A transfer coefficient matrix for obtaining a weight for multiplying each input signal by the multi-beam forming apparatus from the F transfer coefficient matrices estimated by the transfer coefficient matrix estimation means. A weight determining apparatus with a calculation unit, performs serial-parallel conversion on the input signal, and a serial-parallel converter for distributing the frequency division multiplexing F × spatial multiplexing number L, and the output signal of the serial-parallel converter F × L transmitters that are encoded as input signals and output to the inverse Fourier transform device as a transmission signal sequence, and F signals input from the transmitter are subjected to inverse Fourier transform, and L multiple After the L inverse Fourier transform devices that output to the beam forming device and the output of the inverse Fourier transform device as input signals, the signals are divided into N signals, and weighting determined by the weight determining device is performed. , A multi-beamformer for outputting to corresponding ports of N signal synthesizers, and an input signal input to L ports from the L multibeamformers. Combined, a spatial multiplexing transmission for transmission apparatus characterized by comprising a, and N signal mixer for outputting the other port of the switching device.
また、本発明において、前記重み決定装置の伝達係数行列演算手段は、前記伝達係数行列推定手段において推定されたＦ個の伝達係数行列の複素共役転置行列と伝達係数行列の積を求め、この行列の固有ベクトルを算出し、前記マルチビーム形成装置で各入力信号に乗算する重みとして出力することを特徴とする。 In the present invention, the transfer coefficient matrix calculating means of the weight determining device obtains the product of the complex conjugate transpose matrix and the transfer coefficient matrix of the F transfer coefficient matrices estimated by the transfer coefficient matrix estimating means. The eigenvector is calculated and output as a weight for multiplying each input signal by the multi-beam forming apparatus.
また、本発明において、前記伝達係数行列演算手段は、前記Ｆ個の伝達係数行列から、それぞれ前記伝達係数行列の複素共役転置行列と伝達係数行列の積を求め、和をとった行列の固有ベクトルを算出し、前記マルチビーム形成装置において各信号に設定する重みとして出力することを特徴とする。 In the present invention, the transfer coefficient matrix calculating means obtains a product of the complex conjugate transpose matrix and the transfer coefficient matrix of the transfer coefficient matrix from the F transfer coefficient matrices, and calculates an eigenvector of the summed matrix. It calculates and outputs as a weight set to each signal in the said multi-beam forming apparatus.
また、本発明において、前記伝達係数行列演算手段は、前記Ｆ個の伝達係数行列から、伝達係数行列とその複素共役転置行列の積を求め、各行列に重み付けを行い、和をとった行列の固有ベクトルを算出し、前記マルチビーム形成装置において各信号に設定する重みとして出力することを特徴とする。 Further, in the present invention, the transfer coefficient matrix calculation means obtains a product of the transfer coefficient matrix and its complex conjugate transpose matrix from the F transfer coefficient matrices, weights each matrix, An eigenvector is calculated and output as a weight set for each signal in the multi-beam forming apparatus.
また、本発明において、前記伝達係数行列演算手段は、前記伝達係数行列の複素共役転置行列と伝達係数行列の積に乗算する重みとして、伝達係数行列とその複素共役転置行列の積の固有値の和を用い、前記マルチビーム形成装置において各信号に設定する重みとして出力することを特徴とする。 Further, in the present invention, the transfer coefficient matrix calculation means calculates a sum of eigenvalues of the product of the transfer coefficient matrix and the complex conjugate transpose matrix as a weight to multiply the product of the complex conjugate transpose matrix and the transfer coefficient matrix of the transfer coefficient matrix. And output as a weight set to each signal in the multi-beam forming apparatus.
また、本発明において、前記伝達係数行列演算手段は、前記伝達係数行列推定手段において推定されたＦ個の伝達係数行列から任意のＩ個の伝達係数行列を選択し、送信時の重みを算出し、前記マルチビーム形成装置において各信号に設定する重みとして出力することを特徴とする。 In the present invention, the transfer coefficient matrix calculation means selects an arbitrary I transfer coefficient matrix from the F transfer coefficient matrices estimated by the transfer coefficient matrix estimation means, and calculates a transmission weight. The multi-beam forming apparatus outputs a weight set for each signal.
本発明によれば、直交波周波数分割多重を行う場合において、広い周波数帯の伝搬環境から重みを決定してマルチビームによる送信を行うことで、伝搬環境推定誤差による伝送品質の劣化を低減しながら送信アンテナ数のマルチビームを形成することを可能とし、また、マルチビーム形成のための制御を簡易化することができる。
更に、狭い周波数帯の伝搬環境をそれぞれ推定し、それらの伝達係数行列から重みを決定することで、送信アンテナ数と同数までのマルチビームを形成することができ、送信ダイバーシチを適用することができる。
According to the present invention, when orthogonal wave frequency division multiplexing is performed, weights are determined from a propagation environment in a wide frequency band and transmission is performed using multi-beams, thereby reducing transmission quality degradation due to propagation environment estimation errors. It is possible to form a multi-beam with the number of transmitting antennas, and to simplify the control for forming the multi-beam.
Furthermore, by estimating each propagation environment in a narrow frequency band and determining weights from those transfer coefficient matrices, it is possible to form multi-beams up to the same number as the number of transmission antennas and to apply transmission diversity. .
以下、図１〜図５を参照しながら本発明実施形態について詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態を示すブロック図であり、伝搬環境誤差の大きい環境において空間多重伝送の伝送品質の劣化を防ぐ空間多重伝送用送信装置の構成が示されている。
図１中、３００は送信信号発生装置、３１１１〜３１ＬＦは送信装置、３２１〜３２Ｌは逆フーリエ変換装置、３３１〜３３Ｌはマルチビーム形成装置、３４１〜３４Ｎは信号合成装置、３５１〜３５Ｎは切り替え装置、３６１〜３６Ｎはアンテナ素子、３７０は重み決定装置である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention, and shows the configuration of a spatial multiplexing transmission apparatus for preventing deterioration of transmission quality of spatial multiplexing transmission in an environment where a propagation environment error is large.
In FIG. 1, 300 is a transmission signal generator, 3111 to 31LF are transmitters, 321 to 32L are inverse Fourier transform devices, 331 to 33L are multi-beam forming devices, 341 to 34N are signal synthesizers, and 351 to 35N are switching devices. , 361 to 36N are antenna elements, and 370 is a weight determination device.
上記構成において、シリアルーパラレル変換装置３００により、シリアルーパラレル変換され周波数分割多重数Ｆ×空間多重数Ｌに振り分けられた送信信号は、それぞれ送信装置３１１１〜３１ＬＦにより符号化され、送信信号系列としてＦ個ずつ逆フーリエ変換装置３２１〜３２Ｌに出力される。
逆フーリエ変換装置３２１〜３２Ｌに入力された信号は逆フーリエ変換され、それぞれマルチビーム形成装置３３１〜３３Ｌに出力される。マルチビーム形成装置に入力された信号は重み決定装置３７０により決定される重みＶｋ(ｋ=１〜Ｌ)を、アナログもしくはデジタルで乗算し、信号合成装置３４１〜３４Ｎにおいて同一のアンテナ素子に出力する信号が加算され、切り替え装置３５１〜３５Ｎを介してアンテナ素子３６１〜３６Ｎから送信される。
重み決定装置３７０は、伝達係数行列推定手段３７１と、伝達係数行列演算手段３７２から構成される。伝達係数行列推定手段３７１は、切り替え装置３５１〜３５Ｎの受信時の出力を入力信号とし、広帯域な周波数帯での伝達係数行列を推定し、伝達係数行列演算手段３７２において所定の伝送品質を満たす重みを決定する。
In the above configuration, the transmission signals serial-parallel converted by the serial-parallel conversion device 300 and distributed to the frequency division multiplexing number F × the spatial multiplexing number L are encoded by the
The signals input to the inverse Fourier
The weight determination device 370 includes a transmission coefficient matrix estimation unit 371 and a transmission coefficient matrix calculation unit 372. The transmission coefficient matrix estimation means 371 estimates the transmission coefficient matrix in a wide frequency band by using the output at the time of reception of the
ここで、Ｎ個のアンテナ素子を持つ送信装置と、Ｍ個のアンテナ素子数を持つ受信装置間において直交波周波数分割多重と空間多重を用いた通信を考える。
まず受信装置より、既知の信号Ｔを広帯域な搬送波により送信すると、送信装置では受信される受信信号Ｒからその周波数帯での伝達係数行列Ｈは以下の演算式（５）（６）によって算出される。この上りの伝達関数行列ｈより下りの伝達係数行列Ｈは以下の演算式（７）によって算出される。
Here, consider communication using orthogonal wave frequency division multiplexing and spatial multiplexing between a transmission apparatus having N antenna elements and a reception apparatus having M antenna elements.
First, when a known signal T is transmitted from a receiving device using a broadband carrier wave, a transmission coefficient matrix H in the frequency band is calculated from the received signal R received by the transmitting device by the following arithmetic expressions (5) and (6). The The downstream transfer coefficient matrix H is calculated by the following equation (7) from the upstream transfer function matrix h.
伝達係数行列Ｈｉｊは、送信装置のアンテナ素子＃jから受信装置の＃iのアンテナ素子間における伝達係数の推定結果を表している。
例えば、伝達係数行列演算手段３７２は、各周波数帯における伝達係数行列から、その伝搬環境の到来波方向、到来波数、レベル、遅延の推定をＭＵＳＩＣ法（Multiple Signal Classification）やＥＳＰＲＩＴ法（Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques）(Paulaj et al, 'ESPRIT−a subspace rotation approach to signal parameter estimation', IEEE Proceeding,74(7), 1044-1045, July 1986)を用いて推定し、あらかじめ準備された重みの中から、その環境において所定の伝送品質の基準値を最大とするような重みを選択し、マルチビーム形成装置３３１において乗算される重みとして出力する。
上記した伝達係数行列演算手段３７２において、例えば、伝達係数行列とその複素共役転置行列の積ＨｋＨｋ Ｈを求め、得られた行列の固有ベクトルを重み値として適用する。このように重みを決定することで、周波数選択性フェージングによる伝送品質の劣化を低減させることができる。
Transfer coefficient matrix H ij represents the estimation result of the transmission coefficient between the antenna elements # i of the receiving apparatus from the antenna elements # j of the transmission device.
For example, the transfer coefficient matrix calculation means 372 estimates the direction of arrival wave, the number of incoming waves, the level, and the delay of the propagation environment from the transfer coefficient matrix in each frequency band by MUSIC (Multiple Signal Classification) or ESPRIT (Estimation of Signal). Parameters via Rotational Invariance Techniques) (Paulaj et al, 'ESPRIT-a subspace rotation approach to signal parameter estimation', IEEE Proceeding, 74 (7), 1044-1045, July 1986). The weight that maximizes the reference value of the predetermined transmission quality in the environment is selected from the above, and is output as the weight multiplied by the
In the above-described transfer coefficient matrix calculation means 372, for example, a product H k H k H of the transfer coefficient matrix and its complex conjugate transpose matrix is obtained, and the eigenvector of the obtained matrix is applied as a weight value. By determining the weights in this way, it is possible to reduce transmission quality degradation due to frequency selective fading.
重み決定装置３７０の他の実施形態を図２に示す。ここに示す重み決定装置３７０は、フーリエ変換装置４０１〜４０Ｎと、伝達係数行列推定手段４１１〜４１Ｆと、伝達係数行列演算手段４２０で構成される。
上記構成において、フーリエ変換装置４０１〜４０Ｎは、切り替え装置３５１〜３５Ｎの受信時の出力を入力信号としてフーリエ変換を行い、周波数帯毎に分離し、伝達係数推定手段４１１〜４１Ｆに出力する。また、伝達係数行列推定手段４１１〜４１Ｎは、各周波数帯において伝達係数行列を算出し、伝達係数行列演算装置４２０に出力する。伝達係数行列演算手段４２０は、推定された伝達係数行列から送信時の重みを決定する。
Another embodiment of the weight determination device 370 is shown in FIG. The weight determination device 370 shown here includes Fourier transform devices 401 to 40N, transfer coefficient matrix estimation means 411 to 41F, and transfer coefficient matrix calculation means 420.
In the above configuration, the Fourier transform devices 401 to 40N perform Fourier transform using the output upon reception of the
伝達係数行列演算手段４２０は、各周波数帯の伝達係数行列を用いて、送信時に全ての周波数帯で活用する重みを算出することで伝搬環境推定誤差による伝送品質の劣化を低減する。例えば、各周波数帯における伝達係数行列から、その伝搬環境の到来彼方向、到来波数、レベル、遅延の推定を上記したＭＵＳＩＣ法やＥＳＰＲＩＴ法を用いて推定し、あらかじめ準備された重みの中から、その環境において所定の伝送品質基準値を最大とする重みを選択し、マルチビーム形成装置３３１〜３３Ｌにおいて乗算される重みとして出力する。
上記した伝達係数行列演算手段４２０において、ある周波数帯＃k(1≦k≦F)での伝達係数行列をＨｋとすると、例えば、伝達係数行列Ｈｋとその複素共役転置行列Ｈｋ Ｈの積の和ΣＨ ｋ Ｈ Ｈ ｋ から、固有ベクトルを重みとして適用する。このように重みを決定することで、周波数選択性フェージングによる伝送品質の劣化を低減させることができ、また受信アンテナ数に関係なく送信アンテナ数Ｎのマルチビームを形成することができることから送信ダイバーシチを適用することができる。
The transmission coefficient matrix calculation means 420 uses the transmission coefficient matrix of each frequency band to calculate weights used in all frequency bands at the time of transmission, thereby reducing deterioration in transmission quality due to propagation environment estimation errors. For example, from the transfer coefficient matrix in each frequency band, the estimation of the arrival direction, the number of incoming waves, the level, and the delay of the propagation environment is estimated using the above-described MUSIC method and ESPRIT method, and from the weights prepared in advance, In the environment, a weight that maximizes a predetermined transmission quality reference value is selected and output as a weight that is multiplied in the multi-beam forming
In the above-described transfer coefficient matrix calculation means 420, assuming that the transfer coefficient matrix in a certain frequency band #k (1 ≦ k ≦ F) is H k , for example, the transfer coefficient matrix H k and its complex conjugate transpose matrix H k H From the product sum Σ H k H H k , an eigenvector is applied as a weight. By determining the weights in this way, it is possible to reduce deterioration in transmission quality due to frequency selective fading, and it is possible to form multi-beams with the number of transmission antennas N regardless of the number of reception antennas, thereby reducing transmission diversity. Can be applied.
また、上記した伝達係数行列演算手段４２０において、各周波数帯の伝達係数行列Ｈから計算されたＨ ｋ Ｈ Ｈ ｋ に重みＷｋ乗算したものの和Σｗ ｋ Ｈ ｋ Ｈ Ｈ ｋ を求め、その固有ベクトルを重み値として適用する。
重みｗｋとしては例えば、上記した伝達係数行列演算手段４２０において、伝達係数行列Ｈｋから計算されたＨ ｋ Ｈ Ｈ ｋ の固有値λｋ１〜λｋＸを求め、大きいものから順に空間多重数Ｌ個の和を以下の演算式（８）により計算する。
Further, the transfer coefficient
The weights w k for example, in the transmission coefficient
また、上記した伝達係数行列演算手段４２０において、伝達係数行列推定手段４１１〜４１Ｆで推定された伝達係数行列ｈｋのうち任意のＩ個（I≦F）の伝達係数行列を用いて重みを決定する。
更に、全周波数帯に同じ重みを適用するという観点で、従来例で示した図７のマルチビーム形成装置において、空間多重における＃ｋのマルチビームにかかわるマルチビーム形成装置２２ｋ１〜２２ｋＦで用いる重みを同一にすることでも同じ効果を得ることができる。また、このとき周波数帯でマルチビーム形成装置をいくつかの組に分け、それぞれの組で同じ重みを適用するような制御方法を採用することによっても伝搬環境行列推定誤差による伝送品質の劣化を低減することができる。
Further, in the above-described transfer coefficient matrix calculation means 420, the weight is determined using any I (I ≦ F) transfer coefficient matrices among the transfer coefficient matrices h k estimated by the transfer coefficient matrix estimation means 411 to 41F. To do.
Further, from the viewpoint of applying the same weight to all frequency bands, in the multi-beam forming apparatus of FIG. 7 shown in the conventional example, the weights used in the multi-beam forming apparatuses 22k1 to 22kF related to the #k multi-beam in spatial multiplexing are used. The same effect can be obtained by making them the same. At this time, the degradation of transmission quality due to propagation environment matrix estimation error is also reduced by dividing the multi-beam forming devices into several groups in the frequency band and adopting a control method that applies the same weight to each group. can do.
本発明の実施による効果を計算機シミュレーションにより実行した結果を以下に説明する。ここでは、送信アンテナ素子数を８、受信アンテナ素子数を２とし、上りと下りで異なる周波数を用い直交波周波数分割多重及び空間分割多重による通信を考える。
伝搬路モデルとしては到来波を１００波とし、図３に示すように散乱物の集まりである５つのクラスタが送信機及び受信機のまわりに存在することとし、それぞれ角度広がりを２５°とした。伝搬環境は仲上−ライスフェージングとし、Ｋファクタを６ｄＢ、遅延スプレッドを１００ｎｓ、遅延波の電力分布を指数で与えた。そして、送信電力を３０ｄＢとし、クラスタの中心方向及び各到来波の到来方向に位相をランダムに与えて１０００回試行し、誤り率の累積確立をとった。このときシミュレーションに用いた諸元表を図５に示す。
The results of executing the effects of the present invention by computer simulation will be described below. Here, it is assumed that the number of transmitting antenna elements is 8, the number of receiving antenna elements is 2, and communication using orthogonal frequency division multiplexing and space division multiplexing is performed using different frequencies for uplink and downlink.
As a propagation path model, the incoming wave is 100 waves, and as shown in FIG. 3, five clusters, which are a collection of scattered objects, exist around the transmitter and the receiver, and the angular spread is 25 °. The propagation environment was Nakagami-Rice fading, the K factor was 6 dB, the delay spread was 100 ns, and the power distribution of the delayed wave was given as an index. Then, the transmission power was set to 30 dB, the phase was randomly given in the center direction of the cluster and the arrival direction of each incoming wave, and the trial was performed 1000 times to establish the cumulative error rate. The specification table used for the simulation at this time is shown in FIG.
送信装置は２つのマルチビームを形成し、送信を行うものとし、従来例によるものは、各周波数帯において上り伝搬環各周波数で得られた伝達係数行列を用い、特異値分解によるマルチビームを形成するものとし、本実施形態によるものは、＃ｋの周波数帯で推定された伝達係数行列ｈｋとその複素共役転置行列の積Ｈ ｋ Ｈ Ｈ ｋ の和ΣＨ ｋ Ｈ Ｈ ｋ の固有ベクトルの中から固有値の多きいベクトル２つを送信時の重みとして全周波数帯で活用するものとした。
固有値の大きい方(Signal1)と小さい方(Signal2)のマルチビームにそれぞれ変調方式１６ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）とＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）を適用した際の誤り率の確立分布を図４に示す。図４において、縦軸はＣＰ（Cumulative Provability）、横軸はＢＥＲ（Bit Error Rate: 誤り率)を表す。それぞれ誤り率１０−４値で１２％、８％の改善が見られる。
The transmitting device forms two multi-beams and performs transmission. In the conventional example, a multi-beam is formed by singular value decomposition using the transfer coefficient matrix obtained at each frequency of the uplink propagation ring in each frequency band. According to this embodiment, the transfer coefficient matrix h k estimated in the #k frequency band and the product H k H H k of the complex conjugate transpose matrix ΣH k H H k are used as eigenvectors. Two vectors with large eigenvalues are used in all frequency bands as weights during transmission.
FIG. 4 shows the probability distribution of the error rate when modulation schemes 16QAM (Quadrature Amplitude Modulation) and QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) are applied to the multi-beams having the larger eigenvalues (Signal 1) and smaller (Signal 2), respectively. In FIG. 4, the vertical axis represents CP (Cumulative Provability), and the horizontal axis represents BER (Bit Error Rate). There is an improvement of 12% and 8% in the error rate 10 −4 value, respectively.
以上説明のように本発明によれば、重み決定装置３７０が、切り替え装置３５１〜３５ｎから出力される信号を入力信号とし、当該入力信号から広帯域の周波数帯の伝達係数行列を推定し、当該推定された伝達係数行列を用いてマルチビーム形成装置の重みを決定するものであり、受信装置において所定の伝送品質の基準値を最大とする重みを決定することを特徴とするものである。このことにより、直交波周波数分割多重を行う場合、広い周波数帯の伝搬環境から重みを決定してマルチビームによる送信を行い、伝搬環境推定誤差による伝送品質の劣化を低減し、演算量を減らすことができる。
また、狭い周波数帯の伝搬環境をそれぞれ推定し、それらの伝達係数行列から重みを決定することで、送信アンテナ数と同数までのマルチビームを形成することができ、送信ダイバーシチを適用することができる。
As described above, according to the present invention, the weight determination device 370 uses the signals output from the switching
In addition, by estimating the propagation environment in a narrow frequency band and determining the weight from the transfer coefficient matrix, it is possible to form up to the same number of multi-beams as the number of transmission antennas and to apply transmission diversity. .
３００…シリアルーパラレル変換装置、３１１１〜３１ＬＦ…送信装置、３３１〜３３Ｌ…マルチビーム形成装置、３４１〜３４Ｎ…信号合成装置、３５１〜３５Ｎ…切り替え装置、３６１〜３６Ｎ…アンテナ素子、３７０…重み決定装置、３２１〜３２Ｌ…逆フーリエ変換装置、３７１、４１１〜４１Ｆ…伝達係数行列推定手段、３７２、４２０…伝達係数行列演算手段、４０１〜４０Ｎ…フーリエ変換装置
300 ... serial-parallel converter, 3111-31LF ... transmission device, 331-33L ... multi-beam forming device, 341-34N ... signal synthesis device, 351-35N ... switching device, 361-36N ... antenna element, 370 ... weight determination Device, 321-32L ... inverse Fourier transform device, 371, 411-41F ... transfer coefficient matrix estimation means, 372, 420 ... transfer coefficient matrix calculation means, 401-40N ... Fourier transform device
Claims (6)
前記各アンテナ素子に接続され、受信信号と送信信号を切り替える切り替え装置と、
前記切り替え装置に接続され、対応するアンテナ素子において受信された受信信号にフーリエ変換を行い、Ｆ個の受信信号に変換するＮ個のフーリエ変換手段及び、
前記Ｎ個のフーリエ変換装置の対応する周波数帯の受信信号を入力信号とし、その周波数帯での伝達係数行列を推定する伝達係数行列推定手段及び、
前記伝達係数行列推定手段において推定されたＦ個の伝達係数行列より前記マルチビーム形成装置で各入力信号に乗算する重みを求める伝達係数行列演算手段を有する重み決定装置と、
前記入力された信号に直並列変換を行い、周波数分割多重数Ｆ×空間多重数Ｌに振り分けるシリアルーパラレル変換装置と、
前記シリアルーパラレル変換装置の出力信号を入力信号とし、符号化を行い送信信号系列として逆フーリエ変換装置に出力するＦ×Ｌ個の送信装置と、
前記送信装置から入力されたＦ個の信号に逆フーリエ変換を行い、Ｌ個のマルチビーム形成装置にそれぞれ出力を行うＬ個の逆フーリエ変換装置と、
前記逆フーリエ変換装置の出力を入力信号とし、Ｎ個の信号に分割し、前記重み決定装置により決定された重み付けを行った後、Ｎ個の信号合成装置の対応するポートに出力を行うマルチビーム形成装置と、
前記Ｌ個のマルチビーム形成装置からＬ個のポートに入力された入力信号を重ね合わせ、前記切り替え装置の他方のポートに出力を行うＮ個の信号合成装置と、
を備えたことを特徴とする空間多重伝送用送信装置。 A transmitter for spatial multiplexing transmission that uses N antenna elements and performs transmission by F frequency multiplexing using orthogonal frequency division multiplexing and L spatial multiplexing,
A switching device that is connected to each antenna element and switches between a received signal and a transmitted signal;
N Fourier transform means connected to the switching device and performing Fourier transform on the received signal received by the corresponding antenna element to convert it to F received signals;
A transfer coefficient matrix estimation means for taking a received signal in a corresponding frequency band of the N Fourier transform devices as an input signal and estimating a transfer coefficient matrix in the frequency band; and
A weight determination device having a transfer coefficient matrix calculation means for obtaining a weight for multiplying each input signal by the multi-beam forming device from the F transfer coefficient matrices estimated by the transfer coefficient matrix estimation means ;
A serial-to-parallel converter that performs serial-parallel conversion on the input signal and distributes the divided signal to frequency division multiplexing number F × spatial multiplexing number L;
F × L transmitters that use the output signal of the serial-parallel converter as an input signal, perform encoding and output to the inverse Fourier transformer as a transmission signal sequence, and
L inverse Fourier transform devices that perform an inverse Fourier transform on the F signals input from the transmission device and output to L multi-beam forming devices,
The multi-beam which uses the output of the inverse Fourier transform device as an input signal, divides the signal into N signals, performs weighting determined by the weight determination device, and outputs to the corresponding ports of the N signal synthesis devices A forming device;
N signal synthesizers that superimpose input signals input to the L ports from the L multi-beamformers and output to the other port of the switching device;
A spatial multiplexing transmission apparatus characterized by comprising:
前記伝達係数行列推定手段において推定されたＦ個の伝達係数行列の複素共役転置行列と伝達係数行列の積を求め、この行列の固有ベクトルを算出し、前記マルチビーム形成装置で各入力信号に乗算する重みとして出力する
ことを特徴とする請求項１に記載の空間多重伝送用送信装置。 The transfer coefficient matrix calculation means of the weight determination device is
The product of the complex conjugate transpose matrix and the transfer coefficient matrix of the F transfer coefficient matrices estimated by the transfer coefficient matrix estimation means is obtained, the eigenvector of this matrix is calculated, and each input signal is multiplied by the multi-beam forming apparatus. The transmitter for spatial multiplexing transmission according to claim 1, wherein the transmitter is output as a weight .
前記Ｆ個の伝達係数行列から、それぞれ前記伝達係数行列の複素共役転置行列と伝達係数行列の積を求め、和をとった行列の固有ベクトルを算出し、前記マルチビーム形成装置において各信号に設定する重みとして出力することを特徴とする請求項１に記載の空間多重伝送用送信装置。 The transfer coefficient matrix calculation means includes
The product of the complex conjugate transpose matrix and the transfer coefficient matrix of the transfer coefficient matrix is obtained from the F transfer coefficient matrices, and the eigenvector of the summed matrix is calculated and set in each signal in the multi-beam forming apparatus. 2. The spatial multiplexing transmission apparatus according to claim 1 , wherein the transmission apparatus outputs the weight as a weight.
前記Ｆ個の伝達係数行列から、前記伝達係数行列の複素共役転置行列と伝達係数行列の積を求め、各行列に重み付けを行い、和をとった行列の固有ベクトルを算出し、前記マルチビーム形成装置において各信号に設定する重みとして出力する
ことを特徴とする請求項１に記載の空間多重伝送用送信装置。 The transfer coefficient matrix calculation means includes
A product of a complex conjugate transpose matrix and a transfer coefficient matrix of the transfer coefficient matrix is obtained from the F transfer coefficient matrices, each matrix is weighted, and an eigenvector of the summed matrix is calculated. 2. The transmitter for spatial multiplexing transmission according to claim 1 , wherein the weight is set as a weight set for each signal.
前記伝達係数行列の複素共役転置行列と伝達係数行列の積に乗算する重みとして、伝達係数行列とその複素共役転置行列の積の固有値の和を用い、前記マルチビーム形成装置において各信号に設定する重みとして出力する
ことを特徴とする請求項４に記載の空間多重伝送用送信装置。 The transfer coefficient matrix calculation means includes
As a weight for multiplying the product of the complex conjugate transpose matrix of the transfer coefficient matrix and the transfer coefficient matrix, the sum of the eigenvalues of the product of the transfer coefficient matrix and the complex conjugate transpose matrix is used and set in each signal in the multi-beamforming apparatus. The transmitter for spatial multiplexing transmission according to claim 4 , wherein the transmitter is output as a weight.
前記伝達係数行列推定手段において推定されたＦ個の伝達係数行列から任意のＩ個の伝達係数行列を選択し、送信時の重みを算出し、前記マルチビーム形成装置において各信号に設定する重みとして出力する
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の空間多重伝送用送信装置。 The transfer coefficient matrix calculation means includes
As an arbitrary I transmission coefficient matrix selected from the F transmission coefficient matrices estimated by the transmission coefficient matrix estimating means, a weight at the time of transmission is calculated, and a weight set for each signal in the multi-beam forming apparatus The transmitter for spatial multiplexing transmission according to any one of claims 1 to 5 , wherein the transmitter is output.
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