アンテナ送受信システム
【課題】 セル伝搬環境に応じて基地局アンテナを複数アレー群に分割し、各アレー群では緩い指向性ビーム制御を行うとともに、アレー群間では異なるデータの並列送信(ＭＩＭＯ送信)を行うことによりシステム特性を向上する。
【解決手段】 基地局の送信機において、データ直並列変換器2は、送信データをＭ個の系列に直並列変換する。Ｍ個の変調器3-1〜3-Mは、各送信データを変調する。Ｍ個のビームフォーマ4-1〜4-Mは、各変調信号に重み付けを行って指向性ビームを形成する。送信アンテナ5-1-1〜5-M-N/Mは、ビームを絞り各変調信号を並列送信(ＭＩＭＯ送信)する。移動局の受信機では、受信アンテナ6-1〜6-Mは、送信データを受信する。ＭＩＭＯ復調器7は、並列送信データを復調する。
【解決手段】 基地局の送信機において、データ直並列変換器2は、送信データをＭ個の系列に直並列変換する。Ｍ個の変調器3-1〜3-Mは、各送信データを変調する。Ｍ個のビームフォーマ4-1〜4-Mは、各変調信号に重み付けを行って指向性ビームを形成する。送信アンテナ5-1-1〜5-M-N/Mは、ビームを絞り各変調信号を並列送信(ＭＩＭＯ送信)する。移動局の受信機では、受信アンテナ6-1〜6-Mは、送信データを受信する。ＭＩＭＯ復調器7は、並列送信データを復調する。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は移動通信システムにおけるアンテナ送受信システムに関し、特に、各セル内におけるデータ伝送の高能率化、大容量化の実現が可能なアンテナ送受信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】将来の移動通信セルラーシステムでは、特に下り回線において高速パケットデータトラヒックの増加が予想される。このため高能率、大容量を実現する無線伝送方式の開発が急がれており、伝搬環境の良いユーザには優先的に多値変調方式を用いて高速データ伝送を実現する方法が検討されている。また、空間領域処理により受信信号の信号電力対干渉雑音電力比（ＳＩＮＲ）を改善するアレーアンテナ技術の応用が期待されている。
【０００３】移動通信システムでは、移動局（携帯端末）の小型軽量化に対する要求が厳しい。そこで、比較的複雑な信号処理を採用できる基地局に複数アンテナを設置し、移動局に向けてアンテナ指向性を絞る指向性ビーム送信制御が有効な手段と考えられる。指向性ビーム送信制御では希望信号の利得を稼ぐとともに他の移動局へ干渉を与えないことにより通信の高品質化、セル範囲の拡大効果が得られる。一方、移動機でも比較的少ない数（２〜４）のアンテナ装備は可能であり、空間ダイバーシチ受信による特性改善は効果的である。
【０００４】図８は、従来のアンテナ送受信システムの構成例を示している。従来のアンテナ送受信システムは、基地局の送信機にＮ個（Ｎは２以上の整数）のアンテナと、移動局の受信機にＭ個（Ｍは２以上の整数）のアンテナを備え、基地局の送信側で指向性ビーム送信を行うとともに、移動局の受信側ではダイバーシチ受信を行う。基地局アンテナ数Ｎは移動局アンテナ数Ｍより十分に大きく設定でき、一般にＮは６〜８、Ｍは２程度である。
【０００５】図８の基地局送信機（ａ）は、符号器101、変調器102、ビームフォーマ103、送信アンテナ104-1〜104-Nを有し、符号器101は、データ信号を入力し、誤り訂正符号化を行う。変調器102は、符号化されたビットを一定の長さに区切り変調シンボルにマッピングする。
【０００６】図９は、変調器102の出力であるディジタル変調信号の例を示しており、図９（ａ）は４相位相シフトキーイング信号（ＱＰＳＫ）の例で各変調シンボルは２ビットの符号化データから成り、図９（ｂ）は１６値振幅位相変調信号（１６ＱＡＭ）の例で各変調シンボルは４ビットの符号化データから成る。一般に各ビットは各変調シンボルが隣接シンボルに誤った場合にビット誤りが少なくなるようにマッピングされる（グレイコードマッピング）。
【０００７】図１０は、ビームフォーマ103の構成例を示しており、ディジタル変調信号に複素数の重み付けを行うことで指向性ビームを形成する。変調器102の出力は、送信アンテナ数Ｎ個に分岐され、それぞれに乗算器111-1〜111-Nでアンテナ重みを乗算する。送信アンテナ104-1〜104-Nはアンテナ重み付けされた信号をそれぞれ送信する。アンテナ重みの計算方法としては、マルチパスの到来角度推定に基づく方法、適応アルゴリズム制御による方法等がある。
【０００８】図１１は、送信アンテナの幾何学的配置例を示しており、Ｎ個の送信アレーアンテナの間隔は指向性形成が行えるように狭く設定されており、一般には0.5波長間隔が選ばれる。
【０００９】図８の移動局受信機（ｂ）は、受信アンテナ105-1〜105-M、ダイバーシチ復調器106、復号器107を有し、受信アンテナ105-1〜105-Mは、伝送路で独立なフェージングを受けた送信信号を受信する。移動局では一般に全方向からの散乱波を受信するため、基地局と比べ受信アンテナ105-1〜105-Mは比較的狭いアンテナ間隔の設置で独立なフェージング信号を受信できる。
【００１０】図１２は、ダイバーシチ復調器106の構成例を示している。ダイバーシチ復調器106は、各アンテナの受信信号を最大比合成するとともに各ビットを復調する。そのため、伝送路推定器121-1〜121-Mは、各アンテナの受信信号の振幅、位相を推定する。複素共役操作122-1〜122-Mは、伝送路推定値の複素共役を計算する。乗算器123-1〜123-Mは、伝送路推定値の複素共役を乗算し、受信信号の位相復調を行うとともに最大比合成を行うための振幅重み付けを行う。
【００１１】合成器124は、重み付けされた各アンテナ信号を加算する。軟判定器125は、位相補正された各変調シンボルから各ビットの軟判定復調を行う。ＱＰＳＫ信号の場合には、合成器124の出力である複素信号のＩ軸（実軸）成分、Ｑ軸（虚軸）成分をそのまま第１ビット、第２ビットの軟判定復調信号として利用できる。８ＰＳＫ信号やＱＡＭ信号の場合には、軟判定復調信号を得るには工夫が必要となり、一般に最尤推定が用いられる。
【００１２】復調ビット
【００１３】
【数１】
の尤度関数
【００１４】
【数２】
は次式で表わされる。
【００１５】
【数３】
ここで、Ａｐは伝送路推定に用いるパイロット信号のレベルである。ｒは合成器124の出力である。ｘは変調信号の各シンボル点である。ｈｊは各アンテナ受信信号の伝送路推定値であり、Ａｐｒとｘとのレベルを調整するために用いられる。
【００１６】図１３を用いて上記（１）式で示される軟判定復調動作を簡単に説明する。図１３は１６ＱＡＭ信号の場合を示している。第１ビットの復調を行う場合、まずビット０が送られた場合の全ての変調シンボルとｒとの距離の２乗を計算し、それらの最小値を求める。図１３１３では最小値は０００１のシンボルである。次にビット１が送られた場合の全ての変調シンボルとｒとの距離の２乗を計算し、それらの最小値を求める。図１３では１００１のシンボルである。それぞれの最小値の差が第１ビットの軟判定復調信号となる。図１３の例では、その差が負の値になり０よりの復調結果となる（硬判定では０）。
【００１７】第２ビットから第４ビットに対して同様の軟判定復調動作を行うことにより第２ビットから第４ビットの軟判定復調信号が求められる。復号器107は、この最尤推定法により求められた各ビットの軟判定復調信号を用いて誤り訂正復号を行う。誤り訂正方式として畳み込み符号化／ビタビ復号やターボ符号化／復号がよく用いられる。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】図８に示す従来のアンテナ送受信システムは、高アンテナ高基地局を有する大セルシステムでは優れた性能を発揮する。そのようなシステムでは基地局と移動局の距離が離れているためマルチパスの到来角度差が小さく、指向性ビーム送信制御によりビームを狭く絞ることにより大きな利得が得られる。
【００１９】図１４にアンテナ数に対するビーム利得特性の一例を示す。パス到来角度がＡの方向（0°）に集中している場合は、アンテナ数を増加し、ビームを狭くすることでピーク利得が増加し、６アンテナ送信では、３アンテナ送信と比べ3dB利得が向上する。しかし、低アンテナ高基地局を有する中小セルシステムでは、基地局と移動局の距離が近づくためパス到来角度差が広がる。
【００２０】例えば、パスがＡの方向（0°）だけでなく、Ｂ、Ｃの方向（±15°）から到来する場合を考えると、６アンテナ送信では、Ｂ、Ｃ方向の利得が約10dB低下し、これらのパスではほとんど移動局へ送信電力を伝達できない。このため総合の伝送効率は約40%に低下する。一方、３アンテナ送信では、Ａ方向のパスで利得が3dB低下するもののＢ、Ｃ方向ではビーム利得の低下が小さく、総合では６アンテナ送信と同じく約40%の効率となる。
【００２１】このようにパス到来角度差が広いセル伝搬環境では、アンテナ数を増やして送信指向性ビームを狭く絞っても伝送効率を向上させることができない。また、基地局と移動局の距離が近づくとアンテナ間の信号相関が低下しビーム形成自体が困難となりビーム利得が低下するという問題も重なる。
【００２２】本発明の目的は、上記問題点に鑑み、特に、低アンテナ高基地局を有する中小セルシステムの伝送効率を向上させることが可能なアンテナ送受信システムを提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】複数の送信アンテナで互いに異なる複数のデータを並列伝送し、複数の受信アンテナでこの複数のデータを受信することにより、高速レート化を図る技術（ＭＩＭＯ；Multiple-Input Multiple-Out）が、H.Huang、M.Sandell and H.Viswanathan、“Achieving high data rate on the UMTS downlink shared channel using multiple antennas”3G Mobile communication Technologies、26-28 March2001、あるいは石井、吉田、後川“W-CDMA高速下りパケット伝送におけるBeamformingとMIMOの特性比較”2002年電子情報通信学会総合大会、B-5-111において、提案、検討されている。
【００２４】本発明は、複数のアンテナを備える基地局アンテナをセル伝搬環境に応じて複数アレーアンテナ群に分割し、各アレーアンテナ群では緩い指向性ビーム制御を行うとともに、アレーアンテナ群間では上記ＭＩＭＯ技術を適用することにより、異なるデータの並列送信（ＭＩＭＯ送信）を行うように構成し、それによりシステムとして総合的にその特性を向上させることを特徴としている。
【００２５】即ち、本発明のアンテナ送受信システムは、基地局が複数アンテナを備え、それらをセル伝搬環境に応じて複数アレーアンテナ群に分割し、各アレーアンテナ群では緩い指向性ビーム制御を行うとともに、アレーアンテナ群間では異なるデータの並列送信（ＭＩＭＯ送信）を行い、移動局は複数アンテナを備え、並列送信データの受信（ＭＩＭＯ受信）を行うことを特徴とする。
【００２６】そのため、本発明のアンテナ送受信システムでは、基地局のアンテナ間隔は、アレーアンテナ群のアンテナ間相関ができるだけ高くなるように、かつアレーアンテナ群間のアンテナ相関ができるだけ低くなるように決定し、移動局のアンテナ間隔は、アンテナ間相関ができるだけ低くなるように決定する。
【００２７】本発明のアンテナ送受信システムでは、アレーアンテナ群の分割数、あるいは各アレーアンテナ群の指向性ビーム幅は、基地局におけるマルチパスの到来角度差、あるいはアンテナ間相関値に応じて決定される。
【００２８】本発明のアンテナ送受信システムでは、アレーアンテナ群の分割数、あるいは各アレーアンテナ群の指向性ビーム幅は、セル半径、あるいは基地局アンテナ高に応じて決定される。
【００２９】また、本発明のアンテナ送受信システムは、第１の基地局群は複数アンテナを備え、全てのアレーアンテナを用いて指向性ビーム制御を行い、第２の基地局群は複数アンテナを備え、それらをセル伝搬環境に応じて複数アレーアンテナ群に分割し、各アレーアンテナ群では緩い指向性ビーム制御を行うとともに、アレーアンテナ群間では異なるデータの並列送信（ＭＩＭＯ送信）を行い、移動局は複数アンテナを備え、第１の基地局群と通信するときはダイバーシチ受信を行い、第２の基地局群と通信するときは並列送信データの受信（ＭＩＭＯ受信）を行うことを特徴とする。
【００３０】本発明のアンテナ送受信システムでは、第１の基地局群のアンテナ間隔は、アンテナ間相関ができるだけ高くなるように決定し、第２の基地局群のアンテナ間隔は、アレーアンテナ群のアンテナ間相関ができるだけ高くなるように、アレーアンテナ群間のアンテナ相関ができるだけ低くなるように決定し、移動局のアンテナ間隔は、アンテナ間相関ができるだけ低くなるように決定する。
【００３１】本発明のアンテナ送受信システムでは、第１の基地局群と第２の基地局群の区別、あるいは第２の基地局群におけるアレーアンテナ群の分割数、あるいは各アレーアンテナ群の指向性ビーム幅は、基地局におけるマルチパスの到来角度差、あるいはアンテナ間相関値に応じて決定される。
【００３２】本発明のアンテナ送受信システムでは、第１の基地局群と第２の基地局群の区別、あるいは第２の基地局群におけるアレーアンテナ群の分割数、あるいは各アレーアンテナ群の指向性ビーム幅は、セル半径、あるいは基地局アンテナ高に応じて決定される。
【００３３】本発明のアンテナ送受信システムでは、移動局はダイバーシチ受信機能とＭＩＭＯ受信機能を有するソフトウェアを備え、基地局のアンテナ送信システムに応じてソフトウェアを切り替えてダイバーシチ受信、あるいは並列送信データの受信（ＭＩＭＯ受信）を実現する。
【００３４】本発明のアンテナ送受信システムでは、基地局の送信機は、送信データをＭ個の系列に直並列変換するデータ直並列変換器と、各送信データを変調するＭ個の変調器と、各変調信号に重み付けを行って指向性ビームを形成するＭ個のビームフォーマと、ビームを絞り各変調信号を並列送信（ＭＩＭＯ送信）する送信アンテナとを有し、移動局の受信機は、送信データを受信する受信アンテナと、並列送信データを復調するＭＩＭＯ復調器とを有する。
【００３５】本発明のアンテナ送受信システムでは、第１の基地局群の送信機は、送信データを変調する変調器と、変調信号に重み付けを行って指向性ビームを形成するビームフォーマと、ビームを絞り変調信号を送信する送信アンテナとを有し、第２の基地局の送信機は、送信データをＭ個の系列に直並列変換するデータ直並列変換器と、各送信データを変調するＭ個の変調器と、各変調信号に重み付けを行い、指向性ビームを形成するＭ個のビームフォーマと、ビームを絞り各変調信号を並列送信（ＭＩＭＯ送信）する送信アンテナとを有し、移動局の受信機は、送信データを受信する受信アンテナと、第１の基地局群と通信するため送信データをダイバーシチ復調するダイバーシチ復調器と、第２の基地局群と通信するため並列送信データを復調するＭＩＭＯ復調器とを有する。
【００３６】また、本発明のアンテナ送受信システムでは、移動局の受信機は、ダイバーシチ復調機能とＭＩＭＯ復調機能を有するソフトウェアを備え、基地局のアンテナ送信システムに応じて各ソフトウェアを切り替えてダイバーシチ復調、あるいはＭＩＭＯ復調を実現する復調モード切り替え制御部を有する。
【００３７】本発明のアンテナ送受信システムによれば、セル伝搬環境に応じて基地局アンテナを複数アレーアンテナ群に分割し、各アレーアンテナ群では緩い指向性ビーム制御を行うとともに、アレーアンテナ群間では異なるデータの並列送信（ＭＩＭＯ送信）を行っているので、より高能率、大容量のデータ伝送を実現することが可能となり、システム特性の向上を図ることができる。
【００３８】
【発明の実施の形態】図１は、本発明のアンテナ送受信システムの実施形態を示すブロック図である。
【００３９】本実施形態のアンテナ送受信システムは、基地局の送信機にＮ個（Ｎは２以上の整数）のアンテナと、移動局の受信機にＭ個（Ｍは２以上の整数）のアンテナを備える。基地局アンテナ数Ｎは移動局アンテナ数Ｍより十分に大きく設定でき、一般にＮは６〜８、Ｍは２〜４程度である。
【００４０】基地局はアンテナをセル伝搬環境に応じて複数アレーアンテナ群に分割し、各アレーアンテナ群では緩い指向性ビーム制御を行うとともに、アレーアンテナ群間ではデータの並列送信（ＭＩＭＯ送信）を行う。受信側ではＭＩＭＯに対応した受信を行う。ＭＩＭＯ送受信では、従来の１系列データ送信と比べ送信アンテナのアレーアンテナ群の数（Ｍ）倍のデータ量を送れるため、同一伝送レート条件では適用する変調方式の次数（多値シンボル数）を低減できる。また、所要ビットエネルギー対雑音電力密度比（Ｅｂ／Ｎｏ）は低次変調ほど少ないため、１系列送信と比べ特性改善が得られる。
【００４１】基地局アンテナのアレーアンテナ群の分割数、あるいは各アレーアンテナ群の指向性ビーム幅は、基地局におけるマルチパスの到来角度差、あるいはアンテナ間相関値に応じて決定する。マルチパスの到来角度差が大きい場合、あるいはアンテナ間相関が小さい場合は、ビームを絞っても利得が得られないためアレーアンテナ群の分割数を大きくし、各アレーアンテナのビーム幅を広くするとともにデータの並列送信（ＭＩＭＯ送信）を行うことでＭＩＭＯによる利得を得る。また、マルチパスの到来角度差やアンテナ間相関は、セル半径や基地局アンテナ高に依存するためアレーアンテナ群の分割数、あるいは各アレーアンテナ群の指向性ビーム幅をそれらに応じて決定することもできる。
【００４２】図１において、基地局送信機（ａ）は、符号器１、データ直並列変換器２、変調器3-1〜3-M、ビームフォーマ4-1〜4-M、送信アンテナ5-1-1〜5-M-N/Mを有し、符号器１は、データ信号を入力し、誤り訂正符号化を行う。データ直並列変換機２は、符号化された１系列のデータをＭ個の系列に順次分配する。変調器3-1〜3-Mは、各系列のビットを一定の長さに区切り変調シンボルにマッピングする。
【００４３】変調器3-1〜3-Mの出力であるディジタル変調信号は、例えば図９（ａ）の４相位相シフトキーイング信号（ＱＰＳＫ）を用いた場合、各変調シンボルは２ビットの符号化データとなり、図９（ｂ）の１６値振幅位相変調信号（１６ＱＡＭ）を用いた場合、各変調シンボルは４ビットの符号化データとなる。一般に各ビットは各変調シンボルが隣接シンボルに誤った場合にビット誤りが少なくなるようにマッピングされる（グレイコードマッピング）。
【００４４】ビームフォーマ4-1〜4-Mは、変調器3-1〜3-Mの出力であるＭ個のディジタル変調信号を個別に入力し、該入力したディジタル変調信号をN/Mに分配してそれぞれ複素数の重み付けを行うことで指向性ビームを形成する。
【００４５】図２は、ビームフォーマ4-1の構成例を示している。変調器3-1の出力は、ビームフォーマ4-1においてアレーアンテナ群内の送信アンテナ数N/M個に分岐され、それぞれに乗算器21-1-1〜21-1-N/Mでアンテナ重みを乗算する。アレーアンテナ群内のN/M個の送信アンテナ5-1-1〜5-M-N/Mはアンテナ重み付けされたそれぞれの信号を送信する。アンテナ重み付けの計算方法としては、マルチパスの到来角度推定に基づく方法、適応アルゴリズム制御による方法等が知られており、本実施形態ではそれらの適宜の方法を採用することができる。
【００４６】図３は、本実施形態における送信アンテナの幾何学的配置例を示しており、Ｎ個のアンテナは、Ｍ個のアレーアンテナ群に分割され、各アレーアンテナ群間の間隔はフェージングが独立になるように広く設定される。一般には10波長間隔以上が選ばれる。また、各アレーアンテナ群内のN/M個の送信アンテナの間隔は指向性形成が行えるように狭く設定され、一般には0.5波長間隔が選ばれる。図３は、送信アンテナを２群のアレーアンテナ群に分割した例（Ｍ＝２）を示している。相関の低い２群のアレーアンテナ群を形成するために両偏波アレーを用いてもよい。
【００４７】一方、本実施形態（図１）における移動局側の受信機（ｂ）は、Ｍ個の受信アンテナ6-1〜6-M、ＭＩＭＯ復調器７、復号器８を有しており、受信アンテナ6-1〜6-Mは、伝送路で独立なフェージングを受けた並列送信信号を受信する。移動局では一般に全方向からの散乱波を受信するため、基地局と比べ受信アンテナ6-1〜6-Mは比較的狭いアンテナ間隔の設置で独立なフェージングを受信できる。相関の低い２ブランチを形成するために両偏波アンテナを用いてもよい。
【００４８】図４は、送信アンテナのアレーアンテナ群の分割数を２、受信アンテナ数を２とした場合のＭＩＭＯ伝送路を模式的に示したものである。各送受ブランチ間の伝送路は２×２の独立なフェージングを受けると考えられる。ここで伝送路行列Ｈを、
【００４９】
【数４】
送信側の各アレーアンテナ群の送信信号をｘ＝（ｘ１ｘ２）Ｔ（Ｔは転置を示す）で表わすと、受信側の各アンテナの受信信号ｒ＝（ｒ１ｒ２）Ｔは次式で示される。
【００５０】ｒ＝Ｈｘ＋ｖここで、ｖは熱雑音である。
【００５１】ＭＩＭＯ復調器で７は、各アンテナの受信信号を用いて、送信機側の各アレーアンテナ群から送信された並列送信データの各ビットを復調する。ＭＩＭＯ復調方法としては、大別して干渉キャンセル受信と最尤推定受信がある。ここでは特性に優れた最尤推定受信について説明する。
【００５２】ＭＩＭＯの最尤推定受信における復調ビット
【００５３】
【数５】
の尤度関数
【００５４】
【数６】
は次式で表わされる。
【００５５】
【数７】
ＭＩＭＯの最尤推定受信は多値変調信号の最尤推定受信と相似しており、異なるアンテナから送信され伝搬路上で多重された信号を受信側である種の多値変調信号とみなし、並列送信データのビット毎に尤度を計算する。尤度計算では受信アンテナ毎の尤度を合計して判定することで空間ダイバーシチ効果と他アンテナ干渉のキャンセル効果が得られる。
【００５６】図５は、本実施形態のＭＩＭＯ復調器７として、最尤推定手段を用いた場合の概略構成例を示しており、各受信アンテナ6-1〜6-Mにより受信された信号は、それぞれ個別に尤度計算部70-1〜70-Mで、送信データのビット毎の尤度計算が行われ、合成器71で送信データのビット毎に尤度を加算し、尤度比較部72で最小値を選択して軟判定復調信号とする。この式（２）による尤度計算等を行うＭＩＭＯ復調動作は、ＭＩＭＯ復調機能を実行するソフトウェアによって実現することができる。
【００５７】なお、実施例では、送信側のアレーアンテナ群の数（Ｍ）および受信側のアンテナの数（Ｍ）が同数に設定されている場合について説明したが、両者の数は必ずしも等しく設定する必要はない。一般に、受信側のアンテナの数を多くするほど、空間ダイバーシチ効果と他アンテナ干渉のキャンセル効果は大きくなる。
【００５８】復号器８は、各ビットの軟判定復調信号を用いて誤り訂正復号を行う。誤り訂正方式として畳み込み符号化／ビタビ復号やターボ符号化／復号がよく用いられる。本実施例では、送信機に符号器１、受信機に復号器8を有し、軟判定復調信号を用いた誤り訂正制御を行う構成を示しているが、これらは本発明の必須構成要素ではない。誤り訂正制御を行わない場合も本発明に含まれる。
【００５９】図６は、本発明の第２の実施形態における受信機の構成を示すブロック図であり、図７は、第２の実施形態が適用されるセルシステムの例を示している。
【００６０】本実施形態の場合、図７に示される低アンテナ高基地局33を有する中小セルシステム31では基地局33の複数の送信アンテナを複数のアレーアンテナ群に分割し、各アレーアンテナ群では緩い指向性ビーム制御を行うとともに、アレーアンテナ群間では異なるデータの並列送信することにより、指向性ビーム送信とＭＩＭＯ送信を併用し、移動局35が中小セルシステム31内に位置しているときには移動局35はＭＩＭＯ復調を行う。
【００６１】一方、高アンテナ高基地局34を有する大セルシステム32では従来のダイバーシチシステムの方が優れているので指向性ビーム送信のみを行う構成となっており、移動局35が大セルシステム32内に位置しているときには、移動局35はダイバーシチ受信を行う必要がある。
【００６２】各基地局ではシステム敷設時にセル伝搬環境に応じて指向性ビーム送信かＭＩＭＯ送信のいずれかを選択すればよいが、移動局は両者の基地局システムに接続し、通信を行う必要がある。その際、移動局が基地局アンテナ送信システムに応じて複数の端末を携行するのは不経済である。そこで本実施形態では、受信機はダイバーシチ復調機能とＭＩＭＯ復調機能を実現するソフトウェアを備え、基地局アンテナ送信システムに応じてそれらのソフトウェアを切り替えてダイバーシチ復調、あるいはＭＩＭＯ復調を実現するデュアルモード復調器を備える。
【００６３】そのため本実施形態の受信機は、受信アンテナ6-1〜6-M、デュアルモード復調器９、復号器８及び復調モード切り替え制御部12を有している。
【００６４】受信アンテナ6-1〜6-Mは、指向性ビーム送信信号、あるいはＭＩＭＯ送信信号を受信する。デュアルモード復調器9は、基地局アンテナ送信システムに応じて指向性ビーム送信時はダイバーシチ復調器10の機能を実現し、ＭＩＭＯ送信時はＭＩＭＯ復調器11の機能を実現するように復調モード切り替え制御部12がソフトウェアを切り替えて実行する。復号器8は、ダイバーシチ復調器10、あるいはＭＩＭＯ復調器11の出力である各ビットの軟判定復調信号を用いて誤り訂正復号を行う。
【００６５】
【発明の効果】本発明では、セル伝搬環境に応じて基地局アンテナを複数アレーアンテナ群に分割し、各アレーアンテナ群では緩い指向性ビーム制御を行うとともに、アレーアンテナ群間では異なるデータの並列送信（ＭＩＭＯ送信）を行っているので、より高能率、大容量のデータ伝送を実現することが可能となり、システム特性の向上を図ることができる。
【００６６】また、本発明では、セル伝搬環境に応じて指向性ビーム送信とＭＩＭＯ送信を行う基地局が混在するシステムにおいて、移動局は１つの端末でダイバーシチ復調機能とＭＩＭＯ復調機能を有するソフトウェアを切り替えて異なるアンテナ送信システムの基地局と通信することができ、セル伝搬環境に柔軟に対応した送受信システムを構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアンテナ送受信システムの第１実施形態を示すブロック図である。
【図２】本実施形態におけるビームフォーマの構成を示すブロック図である。
【図３】本実施形態における送信アンテナアレー群およびその指向性パターンの例を示す図である。
【図４】ＭＩＭＯフェージング伝送路を模式的に示す図である。
【図５】本実施形態のＭＩＭＯ復調器７として、最尤推定手段を用いた場合の構成例を示すブロック図である。
【図６】本発明のアンテナ送受信システムの第２実施形態を示すブロック図である。
【図７】本発明の第２の実施形態が適用される、大セルシステムと中小セルシステムが混在するセルシステムの例を示す図である。
【図８】従来のアンテナ送受信システムの構成を示す図である。
【図９】多値変調信号のシンボル点を示す図である。
【図１０】従来例におけるビームフォーマの構成を示すブロック図である。
【図１１】従来例における直線アレーアンテナを示す図である。
【図１２】従来例におけるダイバーシチ復調器の構成を示す図である。
【図１３】軟判定器の動作を示す図である。
【図１４】指向性ビーム送信制御におけるビーム利得を示す図である。
【符号の説明】
1、101 符号器
2 データ直並列変換器
3-1〜3-M、102 変調器
4-1〜4-M、103 ビームフォーマ
5-1-1〜5-M-N/M サブアレー送信アンテナ
6-1〜6-M、105-1〜105-M ダイバーシチ受信アンテナ
7、11 ＭＩＭＯ復調器
8、107 復号器
9 デュアルモード復調器
10、106 ダイバーシチ復調器
12 モード切り替え制御部
21-1-1〜21-N-N/M、111-1〜111-N、123-1〜123-M 乗算器
31 中小セルシステム
32 大セルシステム
33 低アンテナ高基地局
34 高アンテナ高基地局
35 移動局
70-1〜70-M 尤度計算部
71、124 合成器
72 尤度比較部
104-1〜104-N 直線アレー送信アンテナ
121-1〜121-M 伝送路推定器
122-1〜122-M 複素共役操作
125 軟判定器
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は移動通信システムにおけるアンテナ送受信システムに関し、特に、各セル内におけるデータ伝送の高能率化、大容量化の実現が可能なアンテナ送受信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】将来の移動通信セルラーシステムでは、特に下り回線において高速パケットデータトラヒックの増加が予想される。このため高能率、大容量を実現する無線伝送方式の開発が急がれており、伝搬環境の良いユーザには優先的に多値変調方式を用いて高速データ伝送を実現する方法が検討されている。また、空間領域処理により受信信号の信号電力対干渉雑音電力比（ＳＩＮＲ）を改善するアレーアンテナ技術の応用が期待されている。
【０００３】移動通信システムでは、移動局（携帯端末）の小型軽量化に対する要求が厳しい。そこで、比較的複雑な信号処理を採用できる基地局に複数アンテナを設置し、移動局に向けてアンテナ指向性を絞る指向性ビーム送信制御が有効な手段と考えられる。指向性ビーム送信制御では希望信号の利得を稼ぐとともに他の移動局へ干渉を与えないことにより通信の高品質化、セル範囲の拡大効果が得られる。一方、移動機でも比較的少ない数（２〜４）のアンテナ装備は可能であり、空間ダイバーシチ受信による特性改善は効果的である。
【０００４】図８は、従来のアンテナ送受信システムの構成例を示している。従来のアンテナ送受信システムは、基地局の送信機にＮ個（Ｎは２以上の整数）のアンテナと、移動局の受信機にＭ個（Ｍは２以上の整数）のアンテナを備え、基地局の送信側で指向性ビーム送信を行うとともに、移動局の受信側ではダイバーシチ受信を行う。基地局アンテナ数Ｎは移動局アンテナ数Ｍより十分に大きく設定でき、一般にＮは６〜８、Ｍは２程度である。
【０００５】図８の基地局送信機（ａ）は、符号器101、変調器102、ビームフォーマ103、送信アンテナ104-1〜104-Nを有し、符号器101は、データ信号を入力し、誤り訂正符号化を行う。変調器102は、符号化されたビットを一定の長さに区切り変調シンボルにマッピングする。
【０００６】図９は、変調器102の出力であるディジタル変調信号の例を示しており、図９（ａ）は４相位相シフトキーイング信号（ＱＰＳＫ）の例で各変調シンボルは２ビットの符号化データから成り、図９（ｂ）は１６値振幅位相変調信号（１６ＱＡＭ）の例で各変調シンボルは４ビットの符号化データから成る。一般に各ビットは各変調シンボルが隣接シンボルに誤った場合にビット誤りが少なくなるようにマッピングされる（グレイコードマッピング）。
【０００７】図１０は、ビームフォーマ103の構成例を示しており、ディジタル変調信号に複素数の重み付けを行うことで指向性ビームを形成する。変調器102の出力は、送信アンテナ数Ｎ個に分岐され、それぞれに乗算器111-1〜111-Nでアンテナ重みを乗算する。送信アンテナ104-1〜104-Nはアンテナ重み付けされた信号をそれぞれ送信する。アンテナ重みの計算方法としては、マルチパスの到来角度推定に基づく方法、適応アルゴリズム制御による方法等がある。
【０００８】図１１は、送信アンテナの幾何学的配置例を示しており、Ｎ個の送信アレーアンテナの間隔は指向性形成が行えるように狭く設定されており、一般には0.5波長間隔が選ばれる。
【０００９】図８の移動局受信機（ｂ）は、受信アンテナ105-1〜105-M、ダイバーシチ復調器106、復号器107を有し、受信アンテナ105-1〜105-Mは、伝送路で独立なフェージングを受けた送信信号を受信する。移動局では一般に全方向からの散乱波を受信するため、基地局と比べ受信アンテナ105-1〜105-Mは比較的狭いアンテナ間隔の設置で独立なフェージング信号を受信できる。
【００１０】図１２は、ダイバーシチ復調器106の構成例を示している。ダイバーシチ復調器106は、各アンテナの受信信号を最大比合成するとともに各ビットを復調する。そのため、伝送路推定器121-1〜121-Mは、各アンテナの受信信号の振幅、位相を推定する。複素共役操作122-1〜122-Mは、伝送路推定値の複素共役を計算する。乗算器123-1〜123-Mは、伝送路推定値の複素共役を乗算し、受信信号の位相復調を行うとともに最大比合成を行うための振幅重み付けを行う。
【００１１】合成器124は、重み付けされた各アンテナ信号を加算する。軟判定器125は、位相補正された各変調シンボルから各ビットの軟判定復調を行う。ＱＰＳＫ信号の場合には、合成器124の出力である複素信号のＩ軸（実軸）成分、Ｑ軸（虚軸）成分をそのまま第１ビット、第２ビットの軟判定復調信号として利用できる。８ＰＳＫ信号やＱＡＭ信号の場合には、軟判定復調信号を得るには工夫が必要となり、一般に最尤推定が用いられる。
【００１２】復調ビット
【００１３】
【数１】
の尤度関数
【００１４】
【数２】
は次式で表わされる。
【００１５】
【数３】
ここで、Ａｐは伝送路推定に用いるパイロット信号のレベルである。ｒは合成器124の出力である。ｘは変調信号の各シンボル点である。ｈｊは各アンテナ受信信号の伝送路推定値であり、Ａｐｒとｘとのレベルを調整するために用いられる。
【００１６】図１３を用いて上記（１）式で示される軟判定復調動作を簡単に説明する。図１３は１６ＱＡＭ信号の場合を示している。第１ビットの復調を行う場合、まずビット０が送られた場合の全ての変調シンボルとｒとの距離の２乗を計算し、それらの最小値を求める。図１３１３では最小値は０００１のシンボルである。次にビット１が送られた場合の全ての変調シンボルとｒとの距離の２乗を計算し、それらの最小値を求める。図１３では１００１のシンボルである。それぞれの最小値の差が第１ビットの軟判定復調信号となる。図１３の例では、その差が負の値になり０よりの復調結果となる（硬判定では０）。
【００１７】第２ビットから第４ビットに対して同様の軟判定復調動作を行うことにより第２ビットから第４ビットの軟判定復調信号が求められる。復号器107は、この最尤推定法により求められた各ビットの軟判定復調信号を用いて誤り訂正復号を行う。誤り訂正方式として畳み込み符号化／ビタビ復号やターボ符号化／復号がよく用いられる。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】図８に示す従来のアンテナ送受信システムは、高アンテナ高基地局を有する大セルシステムでは優れた性能を発揮する。そのようなシステムでは基地局と移動局の距離が離れているためマルチパスの到来角度差が小さく、指向性ビーム送信制御によりビームを狭く絞ることにより大きな利得が得られる。
【００１９】図１４にアンテナ数に対するビーム利得特性の一例を示す。パス到来角度がＡの方向（0°）に集中している場合は、アンテナ数を増加し、ビームを狭くすることでピーク利得が増加し、６アンテナ送信では、３アンテナ送信と比べ3dB利得が向上する。しかし、低アンテナ高基地局を有する中小セルシステムでは、基地局と移動局の距離が近づくためパス到来角度差が広がる。
【００２０】例えば、パスがＡの方向（0°）だけでなく、Ｂ、Ｃの方向（±15°）から到来する場合を考えると、６アンテナ送信では、Ｂ、Ｃ方向の利得が約10dB低下し、これらのパスではほとんど移動局へ送信電力を伝達できない。このため総合の伝送効率は約40%に低下する。一方、３アンテナ送信では、Ａ方向のパスで利得が3dB低下するもののＢ、Ｃ方向ではビーム利得の低下が小さく、総合では６アンテナ送信と同じく約40%の効率となる。
【００２１】このようにパス到来角度差が広いセル伝搬環境では、アンテナ数を増やして送信指向性ビームを狭く絞っても伝送効率を向上させることができない。また、基地局と移動局の距離が近づくとアンテナ間の信号相関が低下しビーム形成自体が困難となりビーム利得が低下するという問題も重なる。
【００２２】本発明の目的は、上記問題点に鑑み、特に、低アンテナ高基地局を有する中小セルシステムの伝送効率を向上させることが可能なアンテナ送受信システムを提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】複数の送信アンテナで互いに異なる複数のデータを並列伝送し、複数の受信アンテナでこの複数のデータを受信することにより、高速レート化を図る技術（ＭＩＭＯ；Multiple-Input Multiple-Out）が、H.Huang、M.Sandell and H.Viswanathan、“Achieving high data rate on the UMTS downlink shared channel using multiple antennas”3G Mobile communication Technologies、26-28 March2001、あるいは石井、吉田、後川“W-CDMA高速下りパケット伝送におけるBeamformingとMIMOの特性比較”2002年電子情報通信学会総合大会、B-5-111において、提案、検討されている。
【００２４】本発明は、複数のアンテナを備える基地局アンテナをセル伝搬環境に応じて複数アレーアンテナ群に分割し、各アレーアンテナ群では緩い指向性ビーム制御を行うとともに、アレーアンテナ群間では上記ＭＩＭＯ技術を適用することにより、異なるデータの並列送信（ＭＩＭＯ送信）を行うように構成し、それによりシステムとして総合的にその特性を向上させることを特徴としている。
【００２５】即ち、本発明のアンテナ送受信システムは、基地局が複数アンテナを備え、それらをセル伝搬環境に応じて複数アレーアンテナ群に分割し、各アレーアンテナ群では緩い指向性ビーム制御を行うとともに、アレーアンテナ群間では異なるデータの並列送信（ＭＩＭＯ送信）を行い、移動局は複数アンテナを備え、並列送信データの受信（ＭＩＭＯ受信）を行うことを特徴とする。
【００２６】そのため、本発明のアンテナ送受信システムでは、基地局のアンテナ間隔は、アレーアンテナ群のアンテナ間相関ができるだけ高くなるように、かつアレーアンテナ群間のアンテナ相関ができるだけ低くなるように決定し、移動局のアンテナ間隔は、アンテナ間相関ができるだけ低くなるように決定する。
【００２７】本発明のアンテナ送受信システムでは、アレーアンテナ群の分割数、あるいは各アレーアンテナ群の指向性ビーム幅は、基地局におけるマルチパスの到来角度差、あるいはアンテナ間相関値に応じて決定される。
【００２８】本発明のアンテナ送受信システムでは、アレーアンテナ群の分割数、あるいは各アレーアンテナ群の指向性ビーム幅は、セル半径、あるいは基地局アンテナ高に応じて決定される。
【００２９】また、本発明のアンテナ送受信システムは、第１の基地局群は複数アンテナを備え、全てのアレーアンテナを用いて指向性ビーム制御を行い、第２の基地局群は複数アンテナを備え、それらをセル伝搬環境に応じて複数アレーアンテナ群に分割し、各アレーアンテナ群では緩い指向性ビーム制御を行うとともに、アレーアンテナ群間では異なるデータの並列送信（ＭＩＭＯ送信）を行い、移動局は複数アンテナを備え、第１の基地局群と通信するときはダイバーシチ受信を行い、第２の基地局群と通信するときは並列送信データの受信（ＭＩＭＯ受信）を行うことを特徴とする。
【００３０】本発明のアンテナ送受信システムでは、第１の基地局群のアンテナ間隔は、アンテナ間相関ができるだけ高くなるように決定し、第２の基地局群のアンテナ間隔は、アレーアンテナ群のアンテナ間相関ができるだけ高くなるように、アレーアンテナ群間のアンテナ相関ができるだけ低くなるように決定し、移動局のアンテナ間隔は、アンテナ間相関ができるだけ低くなるように決定する。
【００３１】本発明のアンテナ送受信システムでは、第１の基地局群と第２の基地局群の区別、あるいは第２の基地局群におけるアレーアンテナ群の分割数、あるいは各アレーアンテナ群の指向性ビーム幅は、基地局におけるマルチパスの到来角度差、あるいはアンテナ間相関値に応じて決定される。
【００３２】本発明のアンテナ送受信システムでは、第１の基地局群と第２の基地局群の区別、あるいは第２の基地局群におけるアレーアンテナ群の分割数、あるいは各アレーアンテナ群の指向性ビーム幅は、セル半径、あるいは基地局アンテナ高に応じて決定される。
【００３３】本発明のアンテナ送受信システムでは、移動局はダイバーシチ受信機能とＭＩＭＯ受信機能を有するソフトウェアを備え、基地局のアンテナ送信システムに応じてソフトウェアを切り替えてダイバーシチ受信、あるいは並列送信データの受信（ＭＩＭＯ受信）を実現する。
【００３４】本発明のアンテナ送受信システムでは、基地局の送信機は、送信データをＭ個の系列に直並列変換するデータ直並列変換器と、各送信データを変調するＭ個の変調器と、各変調信号に重み付けを行って指向性ビームを形成するＭ個のビームフォーマと、ビームを絞り各変調信号を並列送信（ＭＩＭＯ送信）する送信アンテナとを有し、移動局の受信機は、送信データを受信する受信アンテナと、並列送信データを復調するＭＩＭＯ復調器とを有する。
【００３５】本発明のアンテナ送受信システムでは、第１の基地局群の送信機は、送信データを変調する変調器と、変調信号に重み付けを行って指向性ビームを形成するビームフォーマと、ビームを絞り変調信号を送信する送信アンテナとを有し、第２の基地局の送信機は、送信データをＭ個の系列に直並列変換するデータ直並列変換器と、各送信データを変調するＭ個の変調器と、各変調信号に重み付けを行い、指向性ビームを形成するＭ個のビームフォーマと、ビームを絞り各変調信号を並列送信（ＭＩＭＯ送信）する送信アンテナとを有し、移動局の受信機は、送信データを受信する受信アンテナと、第１の基地局群と通信するため送信データをダイバーシチ復調するダイバーシチ復調器と、第２の基地局群と通信するため並列送信データを復調するＭＩＭＯ復調器とを有する。
【００３６】また、本発明のアンテナ送受信システムでは、移動局の受信機は、ダイバーシチ復調機能とＭＩＭＯ復調機能を有するソフトウェアを備え、基地局のアンテナ送信システムに応じて各ソフトウェアを切り替えてダイバーシチ復調、あるいはＭＩＭＯ復調を実現する復調モード切り替え制御部を有する。
【００３７】本発明のアンテナ送受信システムによれば、セル伝搬環境に応じて基地局アンテナを複数アレーアンテナ群に分割し、各アレーアンテナ群では緩い指向性ビーム制御を行うとともに、アレーアンテナ群間では異なるデータの並列送信（ＭＩＭＯ送信）を行っているので、より高能率、大容量のデータ伝送を実現することが可能となり、システム特性の向上を図ることができる。
【００３８】
【発明の実施の形態】図１は、本発明のアンテナ送受信システムの実施形態を示すブロック図である。
【００３９】本実施形態のアンテナ送受信システムは、基地局の送信機にＮ個（Ｎは２以上の整数）のアンテナと、移動局の受信機にＭ個（Ｍは２以上の整数）のアンテナを備える。基地局アンテナ数Ｎは移動局アンテナ数Ｍより十分に大きく設定でき、一般にＮは６〜８、Ｍは２〜４程度である。
【００４０】基地局はアンテナをセル伝搬環境に応じて複数アレーアンテナ群に分割し、各アレーアンテナ群では緩い指向性ビーム制御を行うとともに、アレーアンテナ群間ではデータの並列送信（ＭＩＭＯ送信）を行う。受信側ではＭＩＭＯに対応した受信を行う。ＭＩＭＯ送受信では、従来の１系列データ送信と比べ送信アンテナのアレーアンテナ群の数（Ｍ）倍のデータ量を送れるため、同一伝送レート条件では適用する変調方式の次数（多値シンボル数）を低減できる。また、所要ビットエネルギー対雑音電力密度比（Ｅｂ／Ｎｏ）は低次変調ほど少ないため、１系列送信と比べ特性改善が得られる。
【００４１】基地局アンテナのアレーアンテナ群の分割数、あるいは各アレーアンテナ群の指向性ビーム幅は、基地局におけるマルチパスの到来角度差、あるいはアンテナ間相関値に応じて決定する。マルチパスの到来角度差が大きい場合、あるいはアンテナ間相関が小さい場合は、ビームを絞っても利得が得られないためアレーアンテナ群の分割数を大きくし、各アレーアンテナのビーム幅を広くするとともにデータの並列送信（ＭＩＭＯ送信）を行うことでＭＩＭＯによる利得を得る。また、マルチパスの到来角度差やアンテナ間相関は、セル半径や基地局アンテナ高に依存するためアレーアンテナ群の分割数、あるいは各アレーアンテナ群の指向性ビーム幅をそれらに応じて決定することもできる。
【００４２】図１において、基地局送信機（ａ）は、符号器１、データ直並列変換器２、変調器3-1〜3-M、ビームフォーマ4-1〜4-M、送信アンテナ5-1-1〜5-M-N/Mを有し、符号器１は、データ信号を入力し、誤り訂正符号化を行う。データ直並列変換機２は、符号化された１系列のデータをＭ個の系列に順次分配する。変調器3-1〜3-Mは、各系列のビットを一定の長さに区切り変調シンボルにマッピングする。
【００４３】変調器3-1〜3-Mの出力であるディジタル変調信号は、例えば図９（ａ）の４相位相シフトキーイング信号（ＱＰＳＫ）を用いた場合、各変調シンボルは２ビットの符号化データとなり、図９（ｂ）の１６値振幅位相変調信号（１６ＱＡＭ）を用いた場合、各変調シンボルは４ビットの符号化データとなる。一般に各ビットは各変調シンボルが隣接シンボルに誤った場合にビット誤りが少なくなるようにマッピングされる（グレイコードマッピング）。
【００４４】ビームフォーマ4-1〜4-Mは、変調器3-1〜3-Mの出力であるＭ個のディジタル変調信号を個別に入力し、該入力したディジタル変調信号をN/Mに分配してそれぞれ複素数の重み付けを行うことで指向性ビームを形成する。
【００４５】図２は、ビームフォーマ4-1の構成例を示している。変調器3-1の出力は、ビームフォーマ4-1においてアレーアンテナ群内の送信アンテナ数N/M個に分岐され、それぞれに乗算器21-1-1〜21-1-N/Mでアンテナ重みを乗算する。アレーアンテナ群内のN/M個の送信アンテナ5-1-1〜5-M-N/Mはアンテナ重み付けされたそれぞれの信号を送信する。アンテナ重み付けの計算方法としては、マルチパスの到来角度推定に基づく方法、適応アルゴリズム制御による方法等が知られており、本実施形態ではそれらの適宜の方法を採用することができる。
【００４６】図３は、本実施形態における送信アンテナの幾何学的配置例を示しており、Ｎ個のアンテナは、Ｍ個のアレーアンテナ群に分割され、各アレーアンテナ群間の間隔はフェージングが独立になるように広く設定される。一般には10波長間隔以上が選ばれる。また、各アレーアンテナ群内のN/M個の送信アンテナの間隔は指向性形成が行えるように狭く設定され、一般には0.5波長間隔が選ばれる。図３は、送信アンテナを２群のアレーアンテナ群に分割した例（Ｍ＝２）を示している。相関の低い２群のアレーアンテナ群を形成するために両偏波アレーを用いてもよい。
【００４７】一方、本実施形態（図１）における移動局側の受信機（ｂ）は、Ｍ個の受信アンテナ6-1〜6-M、ＭＩＭＯ復調器７、復号器８を有しており、受信アンテナ6-1〜6-Mは、伝送路で独立なフェージングを受けた並列送信信号を受信する。移動局では一般に全方向からの散乱波を受信するため、基地局と比べ受信アンテナ6-1〜6-Mは比較的狭いアンテナ間隔の設置で独立なフェージングを受信できる。相関の低い２ブランチを形成するために両偏波アンテナを用いてもよい。
【００４８】図４は、送信アンテナのアレーアンテナ群の分割数を２、受信アンテナ数を２とした場合のＭＩＭＯ伝送路を模式的に示したものである。各送受ブランチ間の伝送路は２×２の独立なフェージングを受けると考えられる。ここで伝送路行列Ｈを、
【００４９】
【数４】
送信側の各アレーアンテナ群の送信信号をｘ＝（ｘ１ｘ２）Ｔ（Ｔは転置を示す）で表わすと、受信側の各アンテナの受信信号ｒ＝（ｒ１ｒ２）Ｔは次式で示される。
【００５０】ｒ＝Ｈｘ＋ｖここで、ｖは熱雑音である。
【００５１】ＭＩＭＯ復調器で７は、各アンテナの受信信号を用いて、送信機側の各アレーアンテナ群から送信された並列送信データの各ビットを復調する。ＭＩＭＯ復調方法としては、大別して干渉キャンセル受信と最尤推定受信がある。ここでは特性に優れた最尤推定受信について説明する。
【００５２】ＭＩＭＯの最尤推定受信における復調ビット
【００５３】
【数５】
の尤度関数
【００５４】
【数６】
は次式で表わされる。
【００５５】
【数７】
ＭＩＭＯの最尤推定受信は多値変調信号の最尤推定受信と相似しており、異なるアンテナから送信され伝搬路上で多重された信号を受信側である種の多値変調信号とみなし、並列送信データのビット毎に尤度を計算する。尤度計算では受信アンテナ毎の尤度を合計して判定することで空間ダイバーシチ効果と他アンテナ干渉のキャンセル効果が得られる。
【００５６】図５は、本実施形態のＭＩＭＯ復調器７として、最尤推定手段を用いた場合の概略構成例を示しており、各受信アンテナ6-1〜6-Mにより受信された信号は、それぞれ個別に尤度計算部70-1〜70-Mで、送信データのビット毎の尤度計算が行われ、合成器71で送信データのビット毎に尤度を加算し、尤度比較部72で最小値を選択して軟判定復調信号とする。この式（２）による尤度計算等を行うＭＩＭＯ復調動作は、ＭＩＭＯ復調機能を実行するソフトウェアによって実現することができる。
【００５７】なお、実施例では、送信側のアレーアンテナ群の数（Ｍ）および受信側のアンテナの数（Ｍ）が同数に設定されている場合について説明したが、両者の数は必ずしも等しく設定する必要はない。一般に、受信側のアンテナの数を多くするほど、空間ダイバーシチ効果と他アンテナ干渉のキャンセル効果は大きくなる。
【００５８】復号器８は、各ビットの軟判定復調信号を用いて誤り訂正復号を行う。誤り訂正方式として畳み込み符号化／ビタビ復号やターボ符号化／復号がよく用いられる。本実施例では、送信機に符号器１、受信機に復号器8を有し、軟判定復調信号を用いた誤り訂正制御を行う構成を示しているが、これらは本発明の必須構成要素ではない。誤り訂正制御を行わない場合も本発明に含まれる。
【００５９】図６は、本発明の第２の実施形態における受信機の構成を示すブロック図であり、図７は、第２の実施形態が適用されるセルシステムの例を示している。
【００６０】本実施形態の場合、図７に示される低アンテナ高基地局33を有する中小セルシステム31では基地局33の複数の送信アンテナを複数のアレーアンテナ群に分割し、各アレーアンテナ群では緩い指向性ビーム制御を行うとともに、アレーアンテナ群間では異なるデータの並列送信することにより、指向性ビーム送信とＭＩＭＯ送信を併用し、移動局35が中小セルシステム31内に位置しているときには移動局35はＭＩＭＯ復調を行う。
【００６１】一方、高アンテナ高基地局34を有する大セルシステム32では従来のダイバーシチシステムの方が優れているので指向性ビーム送信のみを行う構成となっており、移動局35が大セルシステム32内に位置しているときには、移動局35はダイバーシチ受信を行う必要がある。
【００６２】各基地局ではシステム敷設時にセル伝搬環境に応じて指向性ビーム送信かＭＩＭＯ送信のいずれかを選択すればよいが、移動局は両者の基地局システムに接続し、通信を行う必要がある。その際、移動局が基地局アンテナ送信システムに応じて複数の端末を携行するのは不経済である。そこで本実施形態では、受信機はダイバーシチ復調機能とＭＩＭＯ復調機能を実現するソフトウェアを備え、基地局アンテナ送信システムに応じてそれらのソフトウェアを切り替えてダイバーシチ復調、あるいはＭＩＭＯ復調を実現するデュアルモード復調器を備える。
【００６３】そのため本実施形態の受信機は、受信アンテナ6-1〜6-M、デュアルモード復調器９、復号器８及び復調モード切り替え制御部12を有している。
【００６４】受信アンテナ6-1〜6-Mは、指向性ビーム送信信号、あるいはＭＩＭＯ送信信号を受信する。デュアルモード復調器9は、基地局アンテナ送信システムに応じて指向性ビーム送信時はダイバーシチ復調器10の機能を実現し、ＭＩＭＯ送信時はＭＩＭＯ復調器11の機能を実現するように復調モード切り替え制御部12がソフトウェアを切り替えて実行する。復号器8は、ダイバーシチ復調器10、あるいはＭＩＭＯ復調器11の出力である各ビットの軟判定復調信号を用いて誤り訂正復号を行う。
【００６５】
【発明の効果】本発明では、セル伝搬環境に応じて基地局アンテナを複数アレーアンテナ群に分割し、各アレーアンテナ群では緩い指向性ビーム制御を行うとともに、アレーアンテナ群間では異なるデータの並列送信（ＭＩＭＯ送信）を行っているので、より高能率、大容量のデータ伝送を実現することが可能となり、システム特性の向上を図ることができる。
【００６６】また、本発明では、セル伝搬環境に応じて指向性ビーム送信とＭＩＭＯ送信を行う基地局が混在するシステムにおいて、移動局は１つの端末でダイバーシチ復調機能とＭＩＭＯ復調機能を有するソフトウェアを切り替えて異なるアンテナ送信システムの基地局と通信することができ、セル伝搬環境に柔軟に対応した送受信システムを構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアンテナ送受信システムの第１実施形態を示すブロック図である。
【図２】本実施形態におけるビームフォーマの構成を示すブロック図である。
【図３】本実施形態における送信アンテナアレー群およびその指向性パターンの例を示す図である。
【図４】ＭＩＭＯフェージング伝送路を模式的に示す図である。
【図５】本実施形態のＭＩＭＯ復調器７として、最尤推定手段を用いた場合の構成例を示すブロック図である。
【図６】本発明のアンテナ送受信システムの第２実施形態を示すブロック図である。
【図７】本発明の第２の実施形態が適用される、大セルシステムと中小セルシステムが混在するセルシステムの例を示す図である。
【図８】従来のアンテナ送受信システムの構成を示す図である。
【図９】多値変調信号のシンボル点を示す図である。
【図１０】従来例におけるビームフォーマの構成を示すブロック図である。
【図１１】従来例における直線アレーアンテナを示す図である。
【図１２】従来例におけるダイバーシチ復調器の構成を示す図である。
【図１３】軟判定器の動作を示す図である。
【図１４】指向性ビーム送信制御におけるビーム利得を示す図である。
【符号の説明】
1、101 符号器
2 データ直並列変換器
3-1〜3-M、102 変調器
4-1〜4-M、103 ビームフォーマ
5-1-1〜5-M-N/M サブアレー送信アンテナ
6-1〜6-M、105-1〜105-M ダイバーシチ受信アンテナ
7、11 ＭＩＭＯ復調器
8、107 復号器
9 デュアルモード復調器
10、106 ダイバーシチ復調器
12 モード切り替え制御部
21-1-1〜21-N-N/M、111-1〜111-N、123-1〜123-M 乗算器
31 中小セルシステム
32 大セルシステム
33 低アンテナ高基地局
34 高アンテナ高基地局
35 移動局
70-1〜70-M 尤度計算部
71、124 合成器
72 尤度比較部
104-1〜104-N 直線アレー送信アンテナ
121-1〜121-M 伝送路推定器
122-1〜122-M 複素共役操作
125 軟判定器
【特許請求の範囲】
【請求項１】 移動通信システムのアンテナ送受信システムにおいて、基地局は複数アンテナを備え、それらをセル伝搬環境に応じて複数のアレーアンテナ群に分割し、各アレーアンテナ群では緩い指向性ビーム制御を行うとともに、各アレーアンテナ群からは互いに異なるデータの並列送信（ＭＩＭＯ送信）を行い、移動局は複数アンテナを備え、前記並列送信されたデータの受信（ＭＩＭＯ受信）を行うことを特徴とするアンテナ送受信システム。
【請求項２】 前記基地局のアンテナ間隔は、前記アレーアンテナ群内の各アンテナ間隔はアンテナ相関値が高くなるようにλ／２（λはキャリア波長）に、各アレーアンテナ群の間隔はアンテナ相関値が低くなるように１０λ以上に設定されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ送受信システム。
【請求項３】 前記アレーアンテナ群の分割数、および各アレーアンテナ群の前記指向性ビームの幅は、前記基地局におけるマルチパスの到来角度差、および前記アレーアンテナ群内のアンテナ間相関値に応じて決定されることを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ送受信システム。
【請求項４】 前記アレーアンテナ群の分割数、および各アレーアンテナ群の前記指向性ビームの幅は、前記基地局アンテナ高、および該基地局が配置されたセル半径に応じて決定されることを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ送受信システム。
【請求項５】 移動通信システムのアンテナ送受信システムにおいて、第１の基地局群は複数アンテナを備え、該複数アンテナによりアレーアンテナを構成して所望の指向性ビーム制御を行い、第２の基地局群は複数アンテナを備え、それらをセル伝搬環境に応じて複数のアレーアンテナ群に分割し、各アレーアンテナ群では緩い指向性ビーム制御を行うとともに、各アレーアンテナ群からは互いに異なるデータの並列送信（ＭＩＭＯ送信）を行い、移動局は複数アンテナを備え、前記第１の基地局群と通信するときはダイバーシチ受信を行い、前記第２の基地局群と通信するときは前記並列送信されたデータの受信（ＭＩＭＯ受信）を行うことを特徴とするアンテナ送受信システム。
【請求項６】 前記第１の基地局における前記複数アンテナの間隔は、アンテナ相関値が高くなるようにそれぞれλ／２（λはキャリア波長）に設定され、前記第２の基地局のアンテナ間隔は、前記アレーアンテナ群内の各アンテナ間隔はアンテナ相関値が高くなるようにλ／２に、各アレーアンテナ群の間隔はアンテナ相関値が低くなるように１０λ以上に設定されていることを特徴とする請求項５に記載のアンテナ送受信システム。
【請求項７】 前記第１の基地局群と前記第２の基地局群の選別と、前記第２の基地局群における前記アレーアンテナ群の分割数および各アレーアンテナ群の前記指向性ビームの幅は、各基地局におけるマルチパスの到来角度差、および各アレーアンテナのアンテナ間相関値に応じて決定されることを特徴とする請求項５または６に記載のアンテナ送受信システム。
【請求項８】 前記第１の基地局群と前記第２の基地局群の選別と、前記第２の基地局群における前記アレーアンテナ群の分割数および各アレーアンテナ群の前記指向性ビームの幅は、前記各基地局のアンテナ高、および該基地局が配置されたセル半径に応じて決定されることを特徴とする請求項５または６に記載のアンテナ送受信システム。
【請求項９】 前記移動局は、ダイバーシチ受信機能とＭＩＭＯ受信機能を有するソフトウェアを備え、前記基地局のアンテナ送信システムに応じて前記ソフトウェアを切り替えてダイバーシチ受信、または前記並列送信されたデータの受信（ＭＩＭＯ受信）を実現することを特徴とする請求項５〜８のいずれかに記載のアンテナ送受信システム。
【請求項１０】 移動通信システムのアンテナ送受信システムにおいて、基地局の送信機は、送信データをＭ個（Ｍは２以上の整数）の系列に直並列変換するデータ直並列変換器と、該直並列変換されたＭ個の各送信データを変調するＭ個の変調器と、該変調された各変調信号に重み付けを行って指向性ビームを形成するＭ個のビームフォーマと、該ビームフォーマによりその指向性ビームが制御され、前記変調されたＭ個の変調信号を並列送信（ＭＩＭＯ送信）するＭ個の送信アンテナ群とを有し、移動局の受信機は、送信データを受信する受信アンテナと、前記並列送信されたデータを復調するＭＩＭＯ復調器とを有することを特徴とするアンテナ送受信システム。
【請求項１１】 移動通信システムのアンテナ送受信システムにおいて、第１の基地局群の送信機は、送信データを変調する変調器と、該変調器で変調された変調信号に重み付けを行って指向性ビームを形成するビームフォーマと、該ビームフォーマによりその指向性ビームが制御され、前記変調された変調信号を送信する送信アンテナとを有し、第２の基地局群の送信機は、送信データをＭ個（Ｍは２以上の整数）の系列に直並列変換するデータ直並列変換器と、該直並列変換されたＭ個の各送信データを変調するＭ個の変調器と、該変調された各変調信号に重み付けを行って指向性ビームを形成するＭ個のビームフォーマと、該ビームフォーマによりその指向性ビームが制御され、前記変調されたＭ個の変調信号を並列送信（ＭＩＭＯ送信）するＭ個の送信アンテナ群とを有し、移動局の受信機は、送信データを受信する受信アンテナと、前記第１の基地局群から送信されたデータをダイバーシチ復調するダイバーシチ復調器と、前記第２の基地局群から送信された前記並列送信データを復調するＭＩＭＯ復調器とを有することを特徴とするアンテナ送受信システム。
【請求項１２】 前記移動局の受信機は、前記第１の基地局群から送信されたデータをダイバーシチ復調するダイバーシチ復調機能と前記第２の基地局群から送信された前記並列送信データを復調するＭＩＭＯ復調機能を有するソフトウェアを備え、前記基地局のアンテナ送信システムに応じて前記ソフトウェアを切り替えて前記ダイバーシチ復調または前記ＭＩＭＯ復調を実現する復調モード切り替え制御部を有することを特徴とする請求項１１に記載のアンテナ送受信システム。
【請求項１３】 基地局に複数のアンテナが備えられ、該複数のアンテナがセル伝搬環境に応じて複数のアレーアンテナ群に分割され、各アレーアンテナ群では緩い指向性ビーム制御が行われ、各アレーアンテナ群からは互いに異なるデータの並列送信（ＭＩＭＯ送信）が行われるセルシステムが構築されたセル内を移動可能な移動局であって、前記移動局は、前記基地局からの並列送信信号を受信する複数の受信アンテナと、前記並列送信されたデータを復調するＭＩＭＯ復調手段とを有することを特徴とする移動通信システム用移動局。
【請求項１４】 基地局に複数のアンテナが備えられ、該複数のアンテナによりアレーアンテナが構成されて所望の指向性ビーム制御が行われる第１のセル群と、基地局に複数のアンテナが備えられ、該複数のアンテナがセル伝搬環境に応じて複数のアレーアンテナ群に分割され、各アレーアンテナ群では緩い指向性ビーム制御が行われ、各アレーアンテナ群からは互いに異なるデータの並列送信（ＭＩＭＯ送信）が行われる第２のセル群とによりセルシステムが構築されたセル内を移動可能な移動局であって、前記移動局は、前記基地局からの送信データを受信する複数の受信アンテナと、前記第１のセル群の基地局から送信されたデータをダイバーシチ復調するダイバーシチ復調手段と、前記第２のセル群の基地局から送信された前記並列送信データを復調するＭＩＭＯ復調手段と、前記ダイバーシチ復調モードまたは前記ＭＩＭＯ復調モードを切り替える復調モード切り替え制御手段とを有することを特徴とする移動通信システム用移動局。
【請求項１】 移動通信システムのアンテナ送受信システムにおいて、基地局は複数アンテナを備え、それらをセル伝搬環境に応じて複数のアレーアンテナ群に分割し、各アレーアンテナ群では緩い指向性ビーム制御を行うとともに、各アレーアンテナ群からは互いに異なるデータの並列送信（ＭＩＭＯ送信）を行い、移動局は複数アンテナを備え、前記並列送信されたデータの受信（ＭＩＭＯ受信）を行うことを特徴とするアンテナ送受信システム。
【請求項２】 前記基地局のアンテナ間隔は、前記アレーアンテナ群内の各アンテナ間隔はアンテナ相関値が高くなるようにλ／２（λはキャリア波長）に、各アレーアンテナ群の間隔はアンテナ相関値が低くなるように１０λ以上に設定されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ送受信システム。
【請求項３】 前記アレーアンテナ群の分割数、および各アレーアンテナ群の前記指向性ビームの幅は、前記基地局におけるマルチパスの到来角度差、および前記アレーアンテナ群内のアンテナ間相関値に応じて決定されることを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ送受信システム。
【請求項４】 前記アレーアンテナ群の分割数、および各アレーアンテナ群の前記指向性ビームの幅は、前記基地局アンテナ高、および該基地局が配置されたセル半径に応じて決定されることを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ送受信システム。
【請求項５】 移動通信システムのアンテナ送受信システムにおいて、第１の基地局群は複数アンテナを備え、該複数アンテナによりアレーアンテナを構成して所望の指向性ビーム制御を行い、第２の基地局群は複数アンテナを備え、それらをセル伝搬環境に応じて複数のアレーアンテナ群に分割し、各アレーアンテナ群では緩い指向性ビーム制御を行うとともに、各アレーアンテナ群からは互いに異なるデータの並列送信（ＭＩＭＯ送信）を行い、移動局は複数アンテナを備え、前記第１の基地局群と通信するときはダイバーシチ受信を行い、前記第２の基地局群と通信するときは前記並列送信されたデータの受信（ＭＩＭＯ受信）を行うことを特徴とするアンテナ送受信システム。
【請求項６】 前記第１の基地局における前記複数アンテナの間隔は、アンテナ相関値が高くなるようにそれぞれλ／２（λはキャリア波長）に設定され、前記第２の基地局のアンテナ間隔は、前記アレーアンテナ群内の各アンテナ間隔はアンテナ相関値が高くなるようにλ／２に、各アレーアンテナ群の間隔はアンテナ相関値が低くなるように１０λ以上に設定されていることを特徴とする請求項５に記載のアンテナ送受信システム。
【請求項７】 前記第１の基地局群と前記第２の基地局群の選別と、前記第２の基地局群における前記アレーアンテナ群の分割数および各アレーアンテナ群の前記指向性ビームの幅は、各基地局におけるマルチパスの到来角度差、および各アレーアンテナのアンテナ間相関値に応じて決定されることを特徴とする請求項５または６に記載のアンテナ送受信システム。
【請求項８】 前記第１の基地局群と前記第２の基地局群の選別と、前記第２の基地局群における前記アレーアンテナ群の分割数および各アレーアンテナ群の前記指向性ビームの幅は、前記各基地局のアンテナ高、および該基地局が配置されたセル半径に応じて決定されることを特徴とする請求項５または６に記載のアンテナ送受信システム。
【請求項９】 前記移動局は、ダイバーシチ受信機能とＭＩＭＯ受信機能を有するソフトウェアを備え、前記基地局のアンテナ送信システムに応じて前記ソフトウェアを切り替えてダイバーシチ受信、または前記並列送信されたデータの受信（ＭＩＭＯ受信）を実現することを特徴とする請求項５〜８のいずれかに記載のアンテナ送受信システム。
【請求項１０】 移動通信システムのアンテナ送受信システムにおいて、基地局の送信機は、送信データをＭ個（Ｍは２以上の整数）の系列に直並列変換するデータ直並列変換器と、該直並列変換されたＭ個の各送信データを変調するＭ個の変調器と、該変調された各変調信号に重み付けを行って指向性ビームを形成するＭ個のビームフォーマと、該ビームフォーマによりその指向性ビームが制御され、前記変調されたＭ個の変調信号を並列送信（ＭＩＭＯ送信）するＭ個の送信アンテナ群とを有し、移動局の受信機は、送信データを受信する受信アンテナと、前記並列送信されたデータを復調するＭＩＭＯ復調器とを有することを特徴とするアンテナ送受信システム。
【請求項１１】 移動通信システムのアンテナ送受信システムにおいて、第１の基地局群の送信機は、送信データを変調する変調器と、該変調器で変調された変調信号に重み付けを行って指向性ビームを形成するビームフォーマと、該ビームフォーマによりその指向性ビームが制御され、前記変調された変調信号を送信する送信アンテナとを有し、第２の基地局群の送信機は、送信データをＭ個（Ｍは２以上の整数）の系列に直並列変換するデータ直並列変換器と、該直並列変換されたＭ個の各送信データを変調するＭ個の変調器と、該変調された各変調信号に重み付けを行って指向性ビームを形成するＭ個のビームフォーマと、該ビームフォーマによりその指向性ビームが制御され、前記変調されたＭ個の変調信号を並列送信（ＭＩＭＯ送信）するＭ個の送信アンテナ群とを有し、移動局の受信機は、送信データを受信する受信アンテナと、前記第１の基地局群から送信されたデータをダイバーシチ復調するダイバーシチ復調器と、前記第２の基地局群から送信された前記並列送信データを復調するＭＩＭＯ復調器とを有することを特徴とするアンテナ送受信システム。
【請求項１２】 前記移動局の受信機は、前記第１の基地局群から送信されたデータをダイバーシチ復調するダイバーシチ復調機能と前記第２の基地局群から送信された前記並列送信データを復調するＭＩＭＯ復調機能を有するソフトウェアを備え、前記基地局のアンテナ送信システムに応じて前記ソフトウェアを切り替えて前記ダイバーシチ復調または前記ＭＩＭＯ復調を実現する復調モード切り替え制御部を有することを特徴とする請求項１１に記載のアンテナ送受信システム。
【請求項１３】 基地局に複数のアンテナが備えられ、該複数のアンテナがセル伝搬環境に応じて複数のアレーアンテナ群に分割され、各アレーアンテナ群では緩い指向性ビーム制御が行われ、各アレーアンテナ群からは互いに異なるデータの並列送信（ＭＩＭＯ送信）が行われるセルシステムが構築されたセル内を移動可能な移動局であって、前記移動局は、前記基地局からの並列送信信号を受信する複数の受信アンテナと、前記並列送信されたデータを復調するＭＩＭＯ復調手段とを有することを特徴とする移動通信システム用移動局。
【請求項１４】 基地局に複数のアンテナが備えられ、該複数のアンテナによりアレーアンテナが構成されて所望の指向性ビーム制御が行われる第１のセル群と、基地局に複数のアンテナが備えられ、該複数のアンテナがセル伝搬環境に応じて複数のアレーアンテナ群に分割され、各アレーアンテナ群では緩い指向性ビーム制御が行われ、各アレーアンテナ群からは互いに異なるデータの並列送信（ＭＩＭＯ送信）が行われる第２のセル群とによりセルシステムが構築されたセル内を移動可能な移動局であって、前記移動局は、前記基地局からの送信データを受信する複数の受信アンテナと、前記第１のセル群の基地局から送信されたデータをダイバーシチ復調するダイバーシチ復調手段と、前記第２のセル群の基地局から送信された前記並列送信データを復調するＭＩＭＯ復調手段と、前記ダイバーシチ復調モードまたは前記ＭＩＭＯ復調モードを切り替える復調モード切り替え制御手段とを有することを特徴とする移動通信システム用移動局。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図１１】
【図１３】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１２】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図１１】
【図１３】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１２】
【図１４】
【公開番号】特開２００３−３３８７８１（Ｐ２００３−３３８７８１Ａ）
【公開日】平成１５年１１月２８日（２００３．１１．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００２−１４６８１４（Ｐ２００２−１４６８１４）
【出願日】平成１４年５月２１日（２００２．５．２１）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１５年１１月２８日（２００３．１１．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１４年５月２１日（２００２．５．２１）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
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