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WO2021176532A1 - 無線通信システム、無線通信方法及び送信装置 - Google Patents

無線通信システム、無線通信方法及び送信装置 Download PDF

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WO2021176532A1
WO2021176532A1 PCT/JP2020/008746 JP2020008746W WO2021176532A1 WO 2021176532 A1 WO2021176532 A1 WO 2021176532A1 JP 2020008746 W JP2020008746 W JP 2020008746W WO 2021176532 A1 WO2021176532 A1 WO 2021176532A1
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WO
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transmission
signal
unit
weight
matrix
Prior art date
Application number
PCT/JP2020/008746
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English (en)
French (fr)
Inventor
隼人 福園
圭太 栗山
吉岡 正文
崇文 林
Original Assignee
日本電信電話株式会社
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Publication date
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Priority to PCT/JP2020/008746 priority patent/WO2021176532A1/ja
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Definitions

  • the present invention relates to a wireless communication system, a wireless communication method, and a transmission device.
  • a technique for performing wideband SC (Single Carrier) -MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) transmission in a communication environment with frequency selective fading is known.
  • the MIMO channel matrix is a square matrix.
  • the transposed adjugate matrix (adjugate matrix) is used to generate the transmission weight
  • the transposed adjugate matrix is defined only as a square matrix, so that the number of transmitting antennas and the number of receiving antennas are different. If not applicable. That is, there is a problem that the prior art cannot be applied to a non-square MIMO channel matrix.
  • An object of the present invention is to provide a wireless communication system, a wireless communication method, and a transmitting device capable of forming an FIR transmission beam and eliminating symbol interference even if the number of transmitting antennas and the number of receiving antennas are different. do.
  • the wireless communication system is a wireless communication system that transmits by SC-MIMO between a transmitting device having a plurality of antennas and a receiving device having a number of antennas different from that of the transmitting device.
  • a training signal generation unit that generates a predetermined known signal
  • a CP addition unit that adds a CP for each symbol of a transmission signal including the known signal
  • a transmission signal to which the CP is added is added.
  • the receiving device has a transmitting beam forming unit that forms a transmitting beam using a transmitting weight, and the receiving device communicates with a CP removing unit that removes the CP added to the received signal based on the known signal.
  • It has a communication path estimation unit that estimates a path matrix and an equalization unit that performs equalization processing on the received signal from which the CP has been removed. It is characterized by further having a weight generation unit that generates the transmission weight based on the translocation cofactor matrix of the product of the communication path matrix with the complex conjugate translocation.
  • the wireless communication method is a wireless communication method in which transmission by SC-MIMO is performed between a transmitting device having a plurality of antennas and a receiving device having a number of antennas different from that of the transmitting device.
  • a training signal generation step in which the transmitting device generates a predetermined known signal
  • a CP adding step in which the transmitting device adds a CP for each symbol of the transmitting signal including the known signal
  • the receiving device receives.
  • the CP removing step of removing the CP added to the signal, the communication path estimation unit in which the receiving device estimates the communication path matrix based on the known signal, and the transmitting device or the receiving device are the communication channel matrix.
  • the transmitting device is provided with a different number of antennas from the receiving device, and is trained to generate a predetermined known signal in the transmitting device that transmits with the receiving device by SC-MIMO.
  • a signal generation unit, a CP addition unit that adds a CP for each symbol of a transmission signal including the known signal, a communication path matrix estimated by the receiving device based on the known signal, and a complex conjugate transposition of the communication path matrix.
  • a weight generation unit that generates a transmission weight based on a translocation cofactor matrix of the product of and a transmission beam forming unit that forms a transmission beam using the transmission weight for a transmission signal to which the CP is added. It is characterized by having.
  • the present invention even if the number of transmitting antennas and the number of receiving antennas are different, it is possible to form an FIR transmission beam and eliminate symbol interference.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of the wireless communication system 1 according to the embodiment.
  • the wireless communication system 1 has, for example, one transmitting device 2 and N receiving devices 3- (0) to 3- (N-1), and receives with the transmitting device 2. Transmission by SC-MIMO is performed between the devices 3- (0) to 3- (N-1). Note that n and n'are any integer from 0 to N-1.
  • the transmitting device 2 has, for example, N antennas 20- (0) to 20- (N-1), and transmits a FIR transmission beam to which a CP formed by a transmission beam forming unit 25 described later is added. It is transmitted from 0) to 20- (N-1).
  • the receiving devices 3- (0) to 3- (N-1) are provided with, for example, one N antennas 30- (0) to 30- (N-1), and the transmitting device 2 is provided with antennas 20- ( It is assumed that the user receives the beams transmitted from 0) to 20- (N-1).
  • any one of a plurality of configurations such as the receiving devices 3- (0) to 3- (N-1) is not specified, it is simply abbreviated as the receiving device 3 or the like.
  • the wireless communication system 1 is not limited to the number of antennas 20 possessed by the transmitting device 2 and the number of receiving devices 3 (the number of antennas 30) being the same.
  • a case where the number (N) of the antennas 20 included in the transmitting device 2 and the number (N) of the receiving devices 3 are the same will be described as a first operation example of the wireless communication system 1.
  • a case where the number (N) of the antennas 20 included in the transmitting device 2 and the number (M) of the receiving devices 3 are different will be described as a second operation example of the wireless communication system 1.
  • FIG. 2 illustrates a delay profile in a first operation example between the antenna 20- (n) of the transmitting device 2 and the antenna 30- (n') of the receiving device 3- (n') shown in FIG. It is a figure to do.
  • L L (L: a positive integer) is the CIR length of the CIR (Channel Impulse Response) having the delay wave with the maximum delay.
  • the delay times of 0, 1, ... L-1 correspond to the order of the delay operator described later. Further,
  • the CIR (H n', n (z)) between the antenna 20- (n) of the transmitting device 2 and the antenna 30- (n') of the receiving device 3- (n') is expressed by the following equation ( It is represented by 1).
  • z of z ⁇ l is a delay operator that performs a time shift.
  • the CIR in the MIMO communication path between the transmitting device 2 and the receiving device 3 is the transmission of N ⁇ N having the CIR between the antennas of the above equation (1) as an element. It is represented by the function determinant H (z).
  • the inverse matrix of H (z) is expressed by the following equation (3) when expressed using the transposed adjugate matrix adj [H (z)] of H (z).
  • the communication path response determinant H (z) is diagonalized, and each diagonal element is diagonalized. It is known that it is equal to the determinant det [H (z)].
  • the channel response determinant H (z) is diagonalized, and the non-user interference component is represented. Since the diagonal component becomes 0, the interference between users is eliminated.
  • the receiving device 3 performs an equalization process using det [H (z)] to remove intersymbol interference.
  • ⁇ Second operation example> Next, a second operation example of the wireless communication system 1 will be described by exemplifying the specific functions of the transmitting device 2 and the receiving device 3.
  • the number of antennas 20 included in the transmitting device 2 is N
  • the number of receiving devices 3 is M
  • the number of antennas 20 and the number of antennas 30 are different.
  • a second operation example will be described.
  • FIG. 3 is a functional block diagram illustrating the functions of the transmission device 2 according to the embodiment.
  • the transmitter 2 includes antennas 20- (0) to 20- (N-1), an information bit generation unit 21, a modulation unit 22- (0) to 22- (N-1), and training.
  • the information bit generation unit 21 generates a data information bit for each user to be transmitted to the receiving device 3.
  • the data information bit is, for example, a bit string corresponding to a data signal input from the outside (not shown), a data signal generated internally, or the like.
  • the information bit generation unit 21 may have an error correction coding function or an interleaving function that generates an error correction code at a predetermined coding rate.
  • the modulation unit 22 outputs a data signal obtained by modulating a bit string for each user generated by the information bit generation unit 21 by a predetermined modulation method (for example, quadrature amplitude modulation (QAM)).
  • the transmission device 2 shown in FIG. 3 outputs a data signal in which the bit string for each user generated by the information bit generation unit 21 is modulated.
  • the transmitting device 2 has a modulation unit 22 corresponding to the number (N) of the antennas 20.
  • the training signal generation unit 23 generates a known signal (referred to as a training signal) for estimating a communication path impulse response (CIR: communication path matrix), and outputs the known signal (referred to as a training signal) to the CP addition unit 24.
  • the training signal is a predetermined signal obtained by modulating predetermined information such as a preamble for signal detection (for example, a specific pattern such as an alternating pattern of "01") by a modulation method such as PSK (Phase Shift Keying) that is less susceptible to interference.
  • PSK Phase Shift Keying
  • the receiving device 3 is used to estimate the CIR.
  • the information of the training signal transmitted by the transmitting device 2 is known in advance with the receiving device 3.
  • the CP addition unit 24 adds a CP (Cyclic Prefix) for each symbol to the data signal output by the modulation unit 22 and the training signal output by the training signal generation unit 23 in order to eliminate symbol interference and the like.
  • the transmission beam forming unit 25 simultaneously removes symbol interference, inter-user interference, etc. from the transmission signal to which the CP addition unit 24 has added CP by using the transmission weight W (z) generated by the weight generation unit 28 described later.
  • the process of forming the FIR transmission beam is performed.
  • the transmission beam forming unit 25 may have a function of normalizing the transmission power.
  • the transmission signal conversion unit 26 is composed of a pulse shaping (PulseShaping: performing necessary band limitation by a roll-off filter or the like) unit, a DAC (Digital to Analog Conversion) unit, an RF (Radio Frequency) unit, or the like, and forms a transmission beam.
  • a pulse shaping PulseShaping: performing necessary band limitation by a roll-off filter or the like
  • DAC Digital to Analog Conversion
  • RF Radio Frequency
  • the transmission signal conversion unit 26 transmits information of the reception weight generation portion 28 generates weights W R (z) to the receiving device 3.
  • each data signal to the plurality of receiving devices 3 output by the transmission beam forming unit 25 is converted into a high frequency signal and transmitted from each of the antennas 20- (0) to 20- (N-1). ..
  • the reception signal conversion unit 27 is composed of an RF unit, an ADC (Analog to Digital Conversion) unit, a pulse molding unit, and the like, and is a high-frequency reception signal received by each of the antennas 20- (0) to 20- (N-1). To a low frequency baseband signal.
  • the reception signal conversion unit 27 receives a signal including CIR (H (z)) information from each reception device 3, converts it into a baseband signal, and outputs the signal to the weight generation unit 28.
  • the weight generation unit 28 uses the CIR (H (z)) estimated by the communication path estimation unit 33 (described later) of the receiving device 3, and the transmission weight W for the transmission beam forming unit 25 to perform the transmission beam forming process. (z), and the receiving apparatus 3 calculates the reception weight W R (z) for performing an equalization process. For example, the weight generation unit 28 generates the transmission weight W (z) based on the transpose adjugate matrix of the product of the communication path matrix and the complex conjugate transposition of the communication path matrix.
  • the transmission weight W (z) is output to the transmission beam forming unit 25, the reception weight W R (z) is transmitted to the receiving device 3 by transmitting the signal converter 26.
  • the weight generation unit 28 generates the transmission weight W (z) so that the transmission beam forming unit 25 forms the FIR transmission beam for the non-square MIMO channel matrix.
  • the weight generation unit 28 is the product of the communication path matrix H (z) and the complex conjugate transpose of the communication path matrix H (z).
  • Y (z) (see equations (7) and (8) below) is calculated and expressed by the following equations (9) and (10) based on the transposed cofactor matrix adj [Y (z)] of Y (z).
  • the transmission weight W (z) is generated by using the pseudo-transposed matrix.
  • L M is the order of the terms for correcting so that it does not contain the reverse delay operator the transmission weights W (z).
  • hm , n, l indicate the response of the l-th delay path between the n-th antenna 20 and the m-th antenna 30.
  • the transmission weight W (z) is expressed by the following equation (11), and the equalized representation of the communication path response formed as the transmission beam is as shown in the following equation (12).
  • the weight generation unit 28 is the product of the communication path matrix H (z) and the complex conjugate transpose of the communication path matrix H (z).
  • Y (z) (see equations (13) and (14) below) is calculated and expressed by the following equations (15) and (16) based on the transposed cofactor matrix adj [Y (z)] of Y (z).
  • the transmission weight W (z) is generated by using the pseudo-transposed matrix.
  • the transmission weight W (z) is expressed by the following equation (17), and the equalized representation of the communication path response formed as the transmission beam is as shown in the following equation (18).
  • the weight generating unit 28 to the transmission weight W reverse delay caused by the complex conjugate operation in (z) operator z l (l> 0), may be corrected by the multiplication of z -L M. Further, the weight generation unit 28 may generate the transmission weight W (z) by ignoring (deleting) the term of the reverse delay operator z l.
  • FIG. 4 is a functional block diagram illustrating the functions of the receiving device 3.
  • the receiving device 3 includes an antenna 30, a receiving signal conversion unit 31, a CP removing unit 32, a communication path estimation unit 33, a transmission signal conversion unit 34, an equalization unit 35, a demodulation unit 36, and an information bit. It has a detection unit 37.
  • the reception signal conversion unit 31 is composed of an RF unit, an ADC unit, a pulse molding unit, and the like, like the reception signal conversion unit 27 of the transmission device 2, and frequency-converts the high-frequency signal received by the antenna 30 into a baseband signal. ..
  • reception signal converting unit 31 and outputs relative FDE351 described later information reception weight W R (z) (det [ H (z)]) received from the transmitting apparatus 2, received from the transmitting apparatus 2
  • the data signal and the training signal to be output are output to the CP removing unit 32.
  • the information of the reception weight W R (z) also may be output to the reception signal conversion unit 31 demodulates FDE351, may have a function FDE351 demodulates.
  • the CP removing unit 32 performs a process of removing the CP added to the data signal and the training signal output by the received signal conversion unit 31. Then, the CP removing unit 32 outputs a data signal to the DFT 350 and outputs a training signal to the communication path estimation unit 33.
  • the channel estimation unit 33 estimates the CIR based on the training signal transmitted from the transmission device 2. For example, the communication path estimation unit 33 included in the receiving device 3- (0) has a CIR (0) between the antennas 20- (0) to 20- (N-1) and the antenna 30- (0) included in the transmitting device 2. H 0,0 (z), H1,0 (z), ..., HN-1,0 (z)) is estimated.
  • the communication path estimation unit 33 outputs the estimated CIR information to the transmission signal conversion unit 34.
  • the channel estimation unit 33 of the receiving devices 3- (1) to 3- (M-1) estimates the CIR between the antennas and outputs the estimated CIR information.
  • the transmission signal conversion unit 34 is composed of a pulse forming unit, a DAC unit, an RF unit, and the like, and the CIR (H (z)) output by the communication path estimation unit 33. Information and the like are converted into high-frequency signals and transmitted from the antenna 30.
  • the transmission signal conversion unit 34 may have the function of the modulation unit that modulates the CIR information into the baseband signal, or the communication path estimation unit 33 may have the function.
  • the equalization unit 35 has a DFT (Discrete Fourier Transform) 350, an FDE (Frequency Domain Equalization) 351 and an IDFT (Inverse DFT) 352, and performs equalization processing on the communication path response of the received signal.
  • DFT Discrete Fourier Transform
  • FDE Frequency Domain Equalization
  • IDFT Inverse DFT
  • the DFT350 converts the time domain data signal output by the CP removal unit 32 into a frequency domain data signal by the discrete Fourier transform process.
  • FDE351 uses the transmitting apparatus 2 of the weight generation unit 28 generated reception weight W R (z) (det [ H (z)]), for removing symbol interference or the like to the signal output by the DFT350 Perform equalization processing.
  • the intersymbol interference is removed from the det [H (z)] by dividing the data signal in the frequency domain by the det [H (z)] that has been DFTed and converted into the frequency domain.
  • the IDFT352 outputs a data signal obtained by converting the frequency domain signal output by the FDE351 into a time domain signal to the demodulation unit 36.
  • the demodulation unit 36 demodulates the data signal output by IDFT352 into information bits and outputs a bit string.
  • the demodulation unit 36 may have an error correction / decoding function and a deinterleave function depending on the function of the transmission device 2.
  • the information bit detection unit 37 outputs the received data obtained by converting the bit string output by the demodulation unit 36 into digital data.
  • the information bit detection unit 37 may have an error correction / decoding function and a deinterleave function.
  • the wireless communication system 1 may be configured so that the receiving device 3 includes the weight generating unit 28 included in the transmitting device 2. Further, even when the number of antennas 20 possessed by the transmitting device 2 and the number of receiving devices 3 (the number of antennas 30) are the same, the wireless communication system 1 performs the operation shown in the second operation example described above. It may be configured to do so.
  • the transmitting device 2 or the receiving device 3 sets the transmission weight W (z) based on the transpose cofactor matrix of the product of the communication path matrix and the complex conjugate transposition of the communication path matrix. Since the weight generation unit 28 to be generated is provided, even if the number of the antennas 20 and the number of the antennas 30 are different, the FIR transmission beam can be formed and the symbol interference can be eliminated.

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Abstract

受信装置とは異なる数のアンテナを備え、受信装置との間でSC-MIMOによる伝送を行う送信装置において、予め定められた既知信号を生成するトレーニング信号生成部と、既知信号を含む送信信号のシンボルごとにCPを付加するCP付加部と、受信装置が既知信号に基づいて推定した通信路行列と、通信路行列の複素共役転置との積の転置余因子行列に基づいて、送信ウェイトを生成するウェイト生成部と、CPを付加された送信信号に対し、送信ウェイトを用いて送信ビームを形成する送信ビーム形成部とを有することを特徴とする。

Description

無線通信システム、無線通信方法及び送信装置
 本発明は、無線通信システム、無線通信方法及び送信装置に関する。
 周波数選択性フェージングがある通信環境下において、広帯域のSC(Single Carrier)-MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)伝送を行う技術が知られている。
 例えば、送信アンテナの数と受信アンテナの数とが同じであるSC-MIMOにおいて、FIR(Finite Impulse Response)を用いてCP(Cyclic Prefix)を付加された送信ビームを形成する技術は公知である(例えば、非特許文献1参照)。ここでは、MIMO通信路行列が正方行列となっている。
福園隼人、他3名、「FIR送信ビーム形成を用いたマルチユーザMIMO-SC-FDE系における適応CP長技術」、2019年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会、通信講演論文集1、2019年9月、B-5-62
 しかしながら、従来技術は、転置余因子行列(adjugate matrix)を利用して送信ウェイトを生成するときに、転置余因子行列が正方行列にのみ定義されるため、送信アンテナ数と受信アンテナ数とが異なる場合、適用することができなかった。つまり、従来技術は、非正方のMIMO通信路行列に対して適用できないという問題があった。
 本発明は、送信アンテナ数と受信アンテナ数とが異なっていても、FIR送信ビームを形成してシンボル干渉を除去することができる無線通信システム、無線通信方法及び送信装置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システムは、複数のアンテナを備えた送信装置と、前記送信装置とは異なる数のアンテナを備えた受信装置との間でSC-MIMOによる伝送を行う無線通信システムにおいて、前記送信装置は、予め定められた既知信号を生成するトレーニング信号生成部と、前記既知信号を含む送信信号のシンボルごとにCPを付加するCP付加部と、前記CPを付加された送信信号に対し、送信ウェイトを用いて送信ビームを形成する送信ビーム形成部とを有し、前記受信装置は、受信信号に付加された前記CPを除去するCP除去部と、前記既知信号に基づいて通信路行列を推定する通信路推定部と、前記CPを除去された受信信号に対して等化処理を行う等化部とを有し、前記送信装置又は前記受信装置は、前記通信路行列と、前記通信路行列の複素共役転置との積の転置余因子行列に基づいて、前記送信ウェイトを生成するウェイト生成部をさらに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、複数のアンテナを備えた送信装置と、前記送信装置とは異なる数のアンテナを備えた受信装置との間でSC-MIMOによる伝送を行う無線通信方法において、前記送信装置が予め定められた既知信号を生成するトレーニング信号生成工程と、前記送信装置が前記既知信号を含む送信信号のシンボルごとにCPを付加するCP付加工程と、前記受信装置が受信信号に付加された前記CPを除去するCP除去工程と、前記受信装置が前記既知信号に基づいて通信路行列を推定する通信路推定部と、前記送信装置又は前記受信装置が、前記通信路行列と、前記通信路行列の複素共役転置との積の転置余因子行列に基づいて、送信ウェイトを生成するウェイト生成工程と、前記CPを付加された送信信号に対し、前記送信装置が前記送信ウェイトを用いて送信ビームを形成する送信ビーム形成工程と、前記受信装置が前記CPを除去された受信信号に対して等化処理を行う等化工程とを含むことを特徴とする。
 本発明の一態様にかかる送信装置は、受信装置とは異なる数のアンテナを備え、前記受信装置との間でSC-MIMOによる伝送を行う送信装置において、予め定められた既知信号を生成するトレーニング信号生成部と、前記既知信号を含む送信信号のシンボルごとにCPを付加するCP付加部と、前記受信装置が前記既知信号に基づいて推定した通信路行列と、前記通信路行列の複素共役転置との積の転置余因子行列に基づいて、送信ウェイトを生成するウェイト生成部と、前記CPを付加された送信信号に対し、前記送信ウェイトを用いて送信ビームを形成する送信ビーム形成部とを有することを特徴とする。
 本発明によれば、送信アンテナ数と受信アンテナ数とが異なっていても、FIR送信ビームを形成してシンボル干渉を除去することができる。
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。 遅延プロファイルを例示する図である。 一実施形態にかかる送信装置が有する機能を示す機能ブロック図である。 受信装置が有する機能を示す機能ブロック図である。
 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1の構成例を示す図である。図1に示すように、無線通信システム1は、例えば、1台の送信装置2、及びN台の受信装置3-(0)~3-(N-1)を有し、送信装置2と受信装置3-(0)~3-(N-1)との間でSC-MIMOによる伝送を行う。なお、n及びn’は、0からN-1までのいずれかの整数である。
 送信装置2は、例えばN本のアンテナ20-(0)~20-(N-1)を有し、後述する送信ビーム形成部25が形成するCPを付加されたFIR送信ビームをアンテナ20-(0)~20-(N-1)から送信する。
 受信装置3-(0)~3-(N-1)は、例えばN本のアンテナ30-(0)~30-(N-1)をそれぞれ1本ずつ備え、送信装置2がアンテナ20-(0)~20-(N-1)から送信するビームをそれぞれ受信するユーザであるとする。
 以下、受信装置3-(0)~3-(N-1)のように複数ある構成のいずれかを特定しない場合には、単に受信装置3などと略記する。
 なお、無線通信システム1は、送信装置2が有するアンテナ20の数と、受信装置3の台数(アンテナ30の数)とが同一であることに限定されない。まず、送信装置2が有するアンテナ20の数(N)と、受信装置3の台数(N)とが同一である場合を無線通信システム1の第1動作例として説明する。その後、送信装置2が有するアンテナ20の数(N)と、受信装置3の台数(M)とが異なる場合を無線通信システム1の第2動作例として説明する。
 <第1動作例>
 まず、無線通信システム1の第1動作例について説明する。図2は、図1に示した送信装置2のアンテナ20-(n)と、受信装置3-(n’)のアンテナ30-(n’)との間の第1動作例における遅延プロファイルを例示する図である。なお、L(L:正の整数)は、CIR(Channel Impulse Response)内で最大遅延の遅延波を持つもののCIR長である。
 遅延時間の0,1・・・L-1は、後述する遅延作用素の次数に相当する。また、|hn’,n,0|は、次数0の遅延時間の利得(dB)を示す。同様に、|hn’,n,1|は次数1の遅延時間の利得、|hn’,n,L-1|は次数(L-1)の遅延時間の利得をそれぞれ示す。
 ここで、送信装置2のアンテナ20-(n)と受信装置3-(n’)のアンテナ30-(n’)との間のCIR(Hn’,n(z))は、下式(1)によって表される。なお、下式(1)において、z-lのzは時間シフトを行う遅延作用素である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 そして、送信装置2と受信装置3との間のMIMO通信路におけるCIRは、下式(2)に示すように、上式(1)の各アンテナ間のCIRを要素とするN×Nの伝達関数行列式H(z)で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 ここで、H(z)の逆行列は、H(z)の転置余因子行列adj[H(z)]を用いて表現すると、下式(3)で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 上式(3)において、|・|(=det(・))、adj(・)は、それぞれ行列式、転置余因子行列(adjugate matrix)を表す。ここで、adjは、エルミート転置を表す転置余因子行列(adjoint matrix)とは異なる。
 なお、転置余因子行列adj[H(z)]を送信ビーム形成処理の送信ウェイトW(z)に用いることにより、通信路応答行列式H(z)が対角化され、各対角要素は行列式det[H(z)]と等しくなることは公知である。
 そして、adj[H(z)]を送信ウェイトW(z)として送信ビーム形成処理した通信路応答は、等価的に下式(4)で表される。ここで、Iは単位行列である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 このように、adj[H(z)]を送信ウェイトW(z)として送信ビーム形成処理を行なうことにより、通信路応答行列式H(z)が対角化され、ユーザ間干渉成分を表す非対角成分が0になるので、ユーザ間干渉は除去される。
 そして、受信装置3は、det[H(z)]を用いて等化処理を行い、符号間干渉を除去する。
 ここでは、3×3のMIMOの場合を例に挙げて説明する。上式(3)における3×3MIMOの通信路応答行列式H(z)は、下式(5)で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 そして、上式(5)に示すH(z)の行列式det[H(z)]は、下式(6)で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 <第2動作例>
 次に、送信装置2及び受信装置3が有する具体的な機能を例示して、無線通信システム1の第2動作例について説明する。ここでは、送信装置2が有するアンテナ20の数をNとし、受信装置3の台数(アンテナ30の数)をMとして、アンテナ20の数とアンテナ30の数とが異なる場合の無線通信システム1の第2動作例について説明する。
 図3は、一実施形態にかかる送信装置2が有する機能を例示する機能ブロック図である。図3に示すように、送信装置2は、アンテナ20-(0)~20-(N-1)、情報ビット生成部21、変調部22-(0)~22-(N-1)、トレーニング信号生成部23、CP付加部24-(0)~24-(N-1)、送信ビーム形成部25、送信信号変換部26-(0)~26-(N-1)、受信信号変換部27-(0)~27-(N-1)、及びウェイト生成部28を有する。
 情報ビット生成部21は、受信装置3へ送信するユーザ毎のデータ情報ビットを生成する。データ情報ビットは、例えば外部(不図示)から入力されるデータ信号や、内部で生成するデータ信号などに対応するビット列である。なお、情報ビット生成部21は、所定の符号化率で誤り訂正符号を生成する誤り訂正符号化機能やインターリーブ機能などを有してもよい。
 変調部22は、情報ビット生成部21が生成したユーザ毎のビット列を所定の変調方式(例えば直交振幅変調(QAM:Quadrature Amplitude Modulation)など)で変調したデータ信号を出力する。なお、図3に示した送信装置2では、情報ビット生成部21が生成したユーザ毎のビット列を変調したデータ信号を出力する。そして、送信装置2は、アンテナ20の数(N)に対応する変調部22を有している。
 トレーニング信号生成部23は、通信路インパルス応答(CIR:通信路行列)を推定するための既知信号(トレーニング信号と称する)を生成し、CP付加部24に対して出力する。トレーニング信号は、信号検出用のプリアンブルなどの予め定められた情報(例えば”01”の交互パターン等の特定パターン)をPSK(Phase Shift Keying)などの干渉を受けにくい変調方式で変調した所定の信号であり、受信装置3がCIRを推定するために用いられる。なお、送信装置2が送信するトレーニング信号の情報は、予め受信装置3との間で既知である。
 CP付加部24は、変調部22が出力するデータ信号、及びトレーニング信号生成部23が出力するトレーニング信号に対し、シンボル干渉等を除去するためにシンボルごとにCP(Cyclic Prefix)を付加する。
 送信ビーム形成部25は、後述するウェイト生成部28が生成する送信ウェイトW(z)を用いて、CP付加部24がCPを付加した送信信号に対し、シンボル干渉及びユーザ間干渉等を同時に除去するためのFIR送信ビームを形成する処理を行う。なお、送信ビーム形成部25は、送信電力を正規化する機能を有してもよい。
 送信信号変換部26は、パルス成形(Pulse Shaping:ロールオフフィルタなどにより必要な帯域制限を行う)部、DAC(Digital to Analog Conversion)部及びRF(Radio Frequency)部などにより構成され、送信ビーム形成部25が出力する信号を高周波信号に変換してアンテナ20から送出するための処理を行う。
 また、送信信号変換部26は、ウェイト生成部28が生成した受信ウェイトW(z)の情報を受信装置3に送信する。
 そして、送信ビーム形成部25が出力する複数の受信装置3への各々のデータ信号は、それぞれ高周波信号に変換され、アンテナ20-(0)~20-(N-1)のそれぞれから送出される。
 受信信号変換部27は、RF部、ADC(Analog to Digital Conversion)部及びパルス成形部などにより構成され、アンテナ20-(0)~20-(N-1)それぞれにより受信された高周波の受信信号を低周波のベースバンド信号に周波数変換する。ここで、受信信号変換部27は、各受信装置3からCIR(H(z))の情報を含む信号を受信し、ベースバンド信号に変換してウェイト生成部28に対して出力する。
 ウェイト生成部28は、受信装置3が有する通信路推定部33(後述)が推定したCIR(H(z))を用いて、送信ビーム形成部25が送信ビーム形成処理を行うための送信ウェイトW(z)、及び受信装置3が等化処理を行うための受信ウェイトW(z)を算出する。例えば、ウェイト生成部28は、通信路行列と、通信路行列の複素共役転置との積の転置余因子行列に基づいて、送信ウェイトW(z)を生成する。
 そして、送信ウェイトW(z)は、送信ビーム形成部25に対して出力され、受信ウェイトW(z)は、送信信号変換部26によって受信装置3へ送信される。
 ここで、ウェイト生成部28が生成する送信ウェイトW(z)について、さらに詳述する。
 具体的には、ウェイト生成部28は、送信ビーム形成部25が非正方MIMO通信路行列に対するFIR送信ビームを形成するように、送信ウェイトW(z)を生成する。
 例えば、アンテナ20の数(N)がアンテナ30の数(M)よりも大きいとき、ウェイト生成部28は、通信路行列H(z)と、通信路行列H(z)の複素共役転置の積Y(z)(下式(7),(8)参照)を算出し、Y(z)の転置余因子行列adj[Y(z)]に基づく下式(9),(10)により示された疑似逆行列を用いて、送信ウェイトW(z)を生成する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 なお、Lは、送信ウェイトW(z)に逆遅延作用素が含まれないように補正する項の次数である。また、hm,n,lは、n番目のアンテナ20と、m番目のアンテナ30との間のl番目の遅延パスの応答を示す。
 上式(10)に示した疑似逆行列は、通信路行列H(z)を対角化することを可能にする。
 そして、送信ウェイトW(z)は下式(11)によって表され、送信ビームとして形成された通信路応答の等化的表現は下式(12)のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
 また、アンテナ20の数(N)がアンテナ30の数(M)よりも小さいとき、ウェイト生成部28は、通信路行列H(z)と、通信路行列H(z)の複素共役転置の積Y(z)(下式(13),(14)参照)を算出し、Y(z)の転置余因子行列adj[Y(z)]に基づく下式(15),(16)により示された疑似逆行列を用いて、送信ウェイトW(z)を生成する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
 そして、送信ウェイトW(z)は下式(17)によって表され、送信ビームとして形成された通信路応答の等化的表現は下式(18)のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
 なお、ウェイト生成部28は、送信ウェイトW(z)内の複素共役演算により生じる逆遅延作用素z(l>0)に対し、z-L の乗算により補正を行ってもよい。また、ウェイト生成部28は、逆遅延作用素zの項を無視(削除)して送信ウェイトW(z)を生成してもよい。
 図4は、受信装置3が有する機能を例示する機能ブロック図である。図4に示すように、受信装置3は、アンテナ30、受信信号変換部31、CP除去部32、通信路推定部33、送信信号変換部34、等化部35、復調部36、及び情報ビット検出部37を有する。
 受信信号変換部31は、送信装置2が有する受信信号変換部27と同様に、RF部、ADC部及びパルス成形部などにより構成され、アンテナ30が受信する高周波信号をベースバンド信号に周波数変換する。
 ここで、受信信号変換部31は、送信装置2から受信する受信ウェイトW(z)(det[H(z)])の情報を後述するFDE351に対して出力するとともに、送信装置2から受信するデータ信号及びトレーニング信号をCP除去部32に対して出力する。
 なお、受信ウェイトW(z)の情報は、受信信号変換部31が復調してFDE351に対して出力してもよいし、FDE351が復調する機能を有してもよい。
 CP除去部32は、受信信号変換部31出力するデータ信号及びトレーニング信号に付加されたCPを除去する処理を行う。そして、CP除去部32は、データ信号をDFT350に対して出力し、トレーニング信号を通信路推定部33に対して出力する。
 通信路推定部33は、送信装置2から送信されたトレーニング信号に基づいてCIRを推定する。例えば、受信装置3-(0)が有する通信路推定部33は、送信装置2が有するアンテナ20-(0)~20-(N-1)とアンテナ30-(0)との間のCIR(H0,0(z)、H1,0(z)、・・・、HN-1,0(z))を推定する。
 そして、通信路推定部33は、推定したCIRの情報を送信信号変換部34に対して出力する。同様に、受信装置3-(1)~3-(M-1)の通信路推定部33は、各々のアンテナ間のCIRを推定し、推定したCIRの情報を出力する。
 送信信号変換部34は、送信装置2が有する送信信号変換部26と同様に、パルス成形部、DAC部及びRF部などにより構成され、通信路推定部33が出力するCIR(H(z))の情報などを高周波信号に変換してアンテナ30から送出する。なお、CIRの情報をベースバンド信号に変調する変調部の機能は、送信信号変換部34が有してもよいし、通信路推定部33が有してもよい。
 等化部35は、DFT(Discrete Fourier Transform)350、FDE(Frequency Domain Equalization)351、及びIDFT(Inverse DFT)352を有し、受信信号の通信路応答に対して等化処理を行う。
 DFT350は、CP除去部32が出力した時間領域のデータ信号を離散フーリエ変換処理により周波数領域のデータ信号に変換する。
 FDE351は、送信装置2のウェイト生成部28が生成した受信ウェイトW(z)(det[H(z)])を用いて、DFT350が出力する信号に対してシンボル干渉等を除去するための等化処理を行う。ここで、det[H(z)]は、DFTされて周波数領域に変換されたdet[H(z)]によって周波数領域のデータ信号を除算されることにより、符号間干渉が除去される。
 IDFT352は、FDE351が出力する周波数領域の信号を時間領域の信号に変換したデータ信号を復調部36に対して出力する。
 復調部36は、IDFT352が出力するデータ信号を情報ビットに復調し、ビット列を出力する。なお、復調部36は、送信装置2側の機能に応じて、誤り訂正復号機能やデインターリーブ機能を備えてもよい。
 情報ビット検出部37は、復調部36が出力したビット列をデジタルデータに変換した受信データを出力する。なお、誤り訂正復号機能やデインターリーブ機能を情報ビット検出部37が備えていてもよい。
 なお、無線通信システム1は、送信装置2が備えるウェイト生成部28を、受信装置3が備えるように構成されてもよい。また、無線通信システム1は、送信装置2が有するアンテナ20の数と、受信装置3の台数(アンテナ30の数)とが同一である場合にも、上述の第2動作例に示した動作を行うように構成されてもよい。
 このように、無線通信システム1は、送信装置2又は受信装置3が、通信路行列と、通信路行列の複素共役転置との積の転置余因子行列に基づいて、送信ウェイトW(z)を生成するウェイト生成部28を有するので、アンテナ20の数とアンテナ30の数とが異なっていても、FIR送信ビームを形成してシンボル干渉を除去することができる。
 1・・・無線通信システム、2・・・送信装置、3-(0)~3-(N-1)・・・受信装置、20-(0)~20-(N-1)・・・アンテナ、21・・・情報ビット生成部、22-(0)~22-(N-1)・・・変調部、23・・・トレーニング信号生成部、24-(0)~24-(N-1)・・・CP付加部、25・・・送信ビーム形成部、26-(0)~26-(N-1)・・・送信信号変換部、27-(0)~27-(N-1)・・・受信信号変換部、28・・・ウェイト生成部、30-(0)~30-(M-1)・・・アンテナ、31・・・受信信号変換部、32・・・CP除去部、33・・・通信路推定部、34・・・送信信号変換部、35・・・等化部、36・・・復調部、37・・・情報ビット検出部、350・・・DFT、351・・・FDE、352・・・IDFT
 

Claims (6)

  1.  複数のアンテナを備えた送信装置と、前記送信装置とは異なる数のアンテナを備えた受信装置との間でSC-MIMOによる伝送を行う無線通信システムにおいて、
     前記送信装置は、
     予め定められた既知信号を生成するトレーニング信号生成部と、
     前記既知信号を含む送信信号のシンボルごとにCPを付加するCP付加部と、
     前記CPを付加された送信信号に対し、送信ウェイトを用いて送信ビームを形成する送信ビーム形成部と
     を有し、
     前記受信装置は、
     受信信号に付加された前記CPを除去するCP除去部と、
     前記既知信号に基づいて通信路行列を推定する通信路推定部と、
     前記CPを除去された受信信号に対して等化処理を行う等化部と
     を有し、
     前記送信装置又は前記受信装置は、
     前記通信路行列と、前記通信路行列の複素共役転置との積の転置余因子行列に基づいて、前記送信ウェイトを生成するウェイト生成部
     をさらに有することを特徴とする無線通信システム。
  2.  前記ウェイト生成部は、
     逆遅延作用素を補正又は削除して、前記送信ウェイトを生成すること
     を特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。
  3.  複数のアンテナを備えた送信装置と、前記送信装置とは異なる数のアンテナを備えた受信装置との間でSC-MIMOによる伝送を行う無線通信方法において、
     前記送信装置が予め定められた既知信号を生成するトレーニング信号生成工程と、
     前記送信装置が前記既知信号を含む送信信号のシンボルごとにCPを付加するCP付加工程と、
     前記受信装置が受信信号に付加された前記CPを除去するCP除去工程と、
     前記受信装置が前記既知信号に基づいて通信路行列を推定する通信路推定部と、
     前記送信装置又は前記受信装置が、前記通信路行列と、前記通信路行列の複素共役転置との積の転置余因子行列に基づいて、送信ウェイトを生成するウェイト生成工程と、
     前記CPを付加された送信信号に対し、前記送信装置が前記送信ウェイトを用いて送信ビームを形成する送信ビーム形成工程と、
     前記受信装置が前記CPを除去された受信信号に対して等化処理を行う等化工程と
     を含むことを特徴とする無線通信方法。
  4.  前記ウェイト生成工程では、
     逆遅延作用素を補正又は削除して、前記送信ウェイトを生成すること
     を特徴とする請求項3に記載の無線通信方法。
  5.  受信装置とは異なる数のアンテナを備え、前記受信装置との間でSC-MIMOによる伝送を行う送信装置において、
     予め定められた既知信号を生成するトレーニング信号生成部と、
     前記既知信号を含む送信信号のシンボルごとにCPを付加するCP付加部と、
     前記受信装置が前記既知信号に基づいて推定した通信路行列と、前記通信路行列の複素共役転置との積の転置余因子行列に基づいて、送信ウェイトを生成するウェイト生成部と、
     前記CPを付加された送信信号に対し、前記送信ウェイトを用いて送信ビームを形成する送信ビーム形成部と
     を有することを特徴とする送信装置。
  6.  前記ウェイト生成部は、
     逆遅延作用素を補正又は削除して、前記送信ウェイトを生成すること
     を特徴とする請求項5に記載の送信装置。
     
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