説明

送信機、受信機選択方法およびコンピュータプログラム

【課題】同一時刻に同一周波数で複数の受信機を空間多重接続させて通信を行う場合において、システムスループットが高くなる受信機の組合せを少ない演算量で選択する。
【解決手段】複数のアンテナを備える送信機1は、通信チャネルの状態を表すチャネル情報を複数の受信機2夫々から受信するフィードバック情報受信部11と、各受信機2のチャネル情報の差が大きい受信機2の組合せを選択する空間多重受信機選択部12と、選択された受信機2夫々に、各アンテナから同一時刻に同一周波数で信号を送信する送信部13と、を備える。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、送信機、受信機選択方法およびコンピュータプログラムに関する。
【背景技術】
【0002】
次世代の無線通信システムにおいては、MIMO(Multiple Input Multiple Output)システムを採用することが検討されている。非特許文献1に記載されたマルチユーザMIMOシステムでは、2本以上のアンテナを備えた送信機と1本以上のアンテナを備えた複数の受信機で、同一時刻に同一周波数で複数のユーザ(受信機)を空間多重接続させて通信する。これにより、システムスループットの大幅な向上が可能である。
【0003】
また、MIMOシステムでは、送信機が送信データに対して信号伝送路(通信チャネル)の状態を表すチャネル情報(CSI:Channel State Information)に基づいたプリコーディング(Precoding)を行うことにより、プリコーディングを行わない場合に比べて周波数利用効率を向上できることが知られている。非特許文献2には、MIMOシステムにおいて、受信機から送信機に送信されるチャネル情報を圧縮する方法が記載されている。この方法では、チャネル情報を周波数変換し、電力が高い周波数成分のみを送信機へ送っている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0004】
【非特許文献1】K. Kusume, G. Dietl, T. Abe, H. Taoka, S. Nagata, “System Level Performance of Downlink MU-MIMO Transmission for 3GPP LTE-Advanced”
【非特許文献2】畑川養幸,小西聡,“チャネル推定誤りとフィードバック遅延を考慮したCSI圧縮手法の特性評価”,電子情報通信学会技術研究報告 RCS2009-227,pp.115-120,2010年1月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、上述したMIMOシステムでは、マルチユーザMIMOシステムが高い性能を発揮するように(例えば、システムスループットが高くなるように)、空間多重接続する受信機を選択することは容易ではない、という問題がある。例えば、全受信機の組合せから、理論上のシステムスループットが最大となるものを、チャネル情報等から計算して選択する方法が考えられるが、複雑な行列演算が必要となる上に、受信機の組合せパターンは、受信機の数によって指数関数的に増大するので、現実的ではない。
【0006】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、同一時刻に同一周波数で複数の受信機を空間多重接続させて通信を行う場合において、システムスループットが高くなる受信機の組合せを少ない演算量で選択することができる送信機、受信機選択方法およびコンピュータプログラムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記の課題を解決するために、本発明に係る送信機は、複数のアンテナを備える送信機において、通信チャネルの状態を表すチャネル情報を複数の受信機夫々から受信する受信部と、前記受信部により受信された各受信機のチャネル情報の差が大きい受信機の組合せを選択する選択部と、前記選択部により選択された受信機夫々に、各アンテナから同一時刻に同一周波数で信号を送信する送信部と、を備えたことを特徴とする。
【0008】
本発明に係る送信機においては、前記選択部は、前記チャネル情報の差が所定の閾値より小さい場合には、受信機の組合せを選択しないことを特徴とする。
【0009】
本発明に係る送信機においては、前記受信部は、前記チャネル情報を時間領域から周波数領域に変換した周波数変換結果のうち電力の大きい周波数成分のインデックスと該周波数成分の周波数変換結果を含むフィードバック情報を受信し、前記選択部は、前記受信部により受信された各受信機のフィードバック情報の差が大きい受信機の組合せを選択することを特徴とする。
【0010】
本発明に係る送信機においては、前記選択部は、前記周波数成分のインデックスの差が大きい受信機の組合せを選択することを特徴とする。
【0011】
本発明に係る送信機においては、前記選択部は、前記周波数成分の周波数変換結果の電力が最大である周波数成分のインデックスの差が大きい受信機の組合せを選択することを特徴とする。
【0012】
本発明に係る送信機においては、前記選択部は、前記周波数成分の周波数変換結果の相関が低い受信機の組合せを選択することを特徴とする。
【0013】
本発明に係る送信機においては、前記選択部は、各受信機の前記フィードバック情報に含まれる周波数成分のインデックス数が等しい場合は前記周波数成分のインデックスの差が大きい受信機の組合せを選択し、各受信機の前記フィードバック情報に含まれる周波数成分のインデックス数が異なる場合は前記周波数成分の周波数変換結果の相関が低い受信機の組合せを選択することを特徴とする。
【0014】
本発明に係る受信機選択方法は、複数のアンテナを備える送信機における受信機選択方法であって、前記送信機の受信部が、通信チャネルの状態を表すチャネル情報を複数の受信機夫々から受信するステップと、前記送信機の選択部が、前記受信部により受信された各受信機のチャネル情報の差が大きい受信機の組合せを選択するステップと、前記送信機の送信部が、前記選択部により選択された受信機夫々に、各アンテナから同一時刻に同一周波数で信号を送信するステップと、を含むことを特徴とする。
【0015】
本発明に係るコンピュータプログラムは、複数のアンテナを備える送信機が各アンテナから同一時刻に同一周波数で信号を送信する受信機の組合せを選択するためのコンピュータプログラムであって、通信チャネルの状態を表すチャネル情報を複数の受信機夫々から受信するステップと、受信した各受信機のチャネル情報の差が大きい受信機の組合せを選択するステップと、をコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラム。
これにより、前述の送信機がコンピュータを利用して実現できるようになる。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、チャネル情報の差、つまり伝搬環境の差が大きい受信機の組合せを空間多重接続する受信機として選択する。これにより、同一時刻に同一周波数で複数の受信機を空間多重接続させて通信を行う場合において、システムスループットが高くなる受信機の組合せを少ない演算量で選択することができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】本発明の一実施形態に係る無線通信システムの構成を示す概略構成図である。
【図2】本実施形態による送信機の機能構成等を示すブロック図である。
【図3】本実施形態による周波数変換結果の電力を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る無線通信システムの構成を示す概略構成図である。この無線通信システムは、送信機1と受信機2を有し、送信機1から同一時刻に同一周波数で複数の受信機2へ送信データを送信するマルチユーザMIMO伝送を行う。ここで、送信機1は2本以上の送信アンテナを有し、受信機2は1本以上の受信アンテナを有する。本実施形態では、送信機1は2本の送信アンテナを有し、同一時刻に同一周波数で2台の受信機を空間多重接続させて通信する。
【0019】
以下、説明の便宜を図るため、送信機1の通信範囲S内に存在する3台の受信機2のそれぞれに対しaからcの符号を割り当て、受信機2a、2b、2cと記す。なお、各受信機2a〜2cに共通する事項については、a〜cの符号を省略し、単に「受信機2」又は「各受信機2」と記す。
【0020】
ここで、各受信機2の位置関係は図1に示すとおり、受信機2bと受信機2cが近接しており、受信機2aは受信機2b及び受信機2cと離れた位置に存在する。
【0021】
図2は、本実施形態による送信機1の機能構成等を示すブロック図である。
ここで、送信機1から受信機2aへの通信チャネルをチャネル1とし、送信機1から受信機2bへの通信チャネルをチャネル2とし、送信機1から受信機2cへの通信チャネルをチャネル3とする。
【0022】
まず、送信機1が各受信機2に送信データを送信する。この送信データには、パイロット信号が含まれている。各受信機2は、送信機1から送信データを受信すると、パイロット信号からチャネル推定を行い、通信チャネルの状態を表すチャネル情報(CSI)を生成する。そして、各受信機2は、チャネル情報の圧縮データであるフィードバック情報を生成し、生成したフィードバック情報を送信機1に送信する。このフィードバック情報は、チャネル情報を時間領域から周波数領域に変換(以下、周波数変換とする)した周波数変換結果のうち電力の大きい周波数成分のインデックスAと、該周波数成分の周波数変換結果Bを含むデータである。ここで、受信機2aが送信するフィードバック情報1に含まれるインデックスAをインデックスA1とし、周波数変換結果Bを周波数変換結果B1とする。また、受信機2bが送信するフィードバック情報2に含まれるインデックスAをインデックスA2とし、周波数変換結果Bを周波数変換結果B2とする。また、受信機2cが送信するフィードバック情報3に含まれるインデックスAをインデックスA3とし、周波数変換結果Bを周波数変換結果B3とする。
【0023】
図2において、送信機1は、フィードバック情報受信部11と、空間多重受信機選択部12と、送信部13を有する。フィードバック情報受信部11は、各受信機2からフィードバック情報を受信し、受信したフィードバック情報を空間多重受信機選択部12へ出力する。空間多重受信機選択部12は、各受信機2のフィードバック情報を比較し、比較の結果、フィードバック情報の差が大きい受信機2の組合せを選択する。そして、空間多重受信機選択部12は、選択した受信機2の組合せを送信部13へ出力する。また、空間多重受信機選択部12は、最も大きいフィードバック情報の差が所定の閾値より小さい場合には、受信機2の組合せを選択しない。つまり、フィードバック情報の差の最大値が所定の閾値より小さい場合には、空間多重接続をしない。送信部13は、空間多重受信機選択部12により選択された受信機2夫々に、各送信アンテナから同一時刻に同一周波数で送信データ(信号)を送信する。
【0024】
図3は、本実施形態による周波数変換結果の電力を示す概略図である。
図3に示すグラフにおいて、縦軸はチャネル情報の周波数変換結果の電力であり、横軸は周波数成分のインデックスである。図3(a)は受信機2aにおける周波数変換結果の電力であり、図3(b)は受信機2bにおける周波数変換結果の電力であり、図3(c)は受信機2cにおける周波数変換結果の電力である。各受信機2は、周波数変換結果の電力が所定の閾値より大きい周波数成分を選択し、選択した周波数成分のインデックスAと周波数変換結果Bをフィードバック情報とする。
【0025】
図3に示す例では、各受信機2は以下に示すフィードバック情報を生成し、生成したフィードバック情報を送信機1へ送信する。
受信機2aが送信するフィードバック情報1:インデックスA1={10,12},周波数変換結果B1={B1_10,B1_12}
受信機2bが送信するフィードバック情報2:インデックスA2={2,4},周波数変換結果B2={B2_2,B2_4}
受信機2cが送信するフィードバック情報3:インデックスA3={4,6},周波数変換結果B3={B3_4,B3_6}
ここで、Bx_yは、フィードバック情報xに含まれる周波数成分のインデックスyにおける周波数変換結果Bを表す。
【0026】
伝搬環境の異なる受信機2同士に対してマルチユーザMIMO伝送を行うと、無線通信システムのシステムスループットを向上させることができる。また、受信機2同士の距離が離れているほど、伝搬環境は異なる。図3に示すように、各周波数成分において、距離の近い受信機2bと受信機2cの電力差に比べて、距離の遠い受信機2aと受信機2b又は受信機2cの電力差の方が大きい。つまり、受信機2同士の距離が離れているほど、各周波数成分におけるチャネル情報の周波数変換結果の電力差が大きい。
【0027】
そこで、本実施形態による空間多重受信機選択部12は、周波数変換結果の電力の大きい周波数成分のインデックスAと周波数変換結果Bを含むフィードバック情報の差を算出し、算出したフィードバック情報の差が大きい受信機2の組合せを空間多重接続させる受信機2とする。これにより、無線通信システムのスループットを向上させることができる。
【0028】
以下、本実施形態に係る空間多重受信機選択部12について、実施例を挙げて説明する。
【実施例1】
【0029】
まず、空間多重受信機選択部12は、次の式(1)により、受信機2aと受信機2bのフィードバック情報の差であるメトリックM1−2を算出する。
【0030】
M1-2=average{|10-2|, |12-4|} = 8 …(1)
【0031】
同様に、空間多重受信機選択部12は、次の式(2)により、受信機2aと受信機2cのフィードバック情報の差であるメトリックM1−3を算出する。
【0032】
M1-3 = average{|10-4|, |12-6|} = 6 …(2)
【0033】
最後に、空間多重受信機選択部12は、次の式(3)により、受信機2bと受信機2cのフィードバック情報の差であるメトリックM2−3を算出する。
【0034】
M2-3 = average{|2-4|, |4-6|} = 2…(3)
【0035】
式(1)〜(3)は、各インデックスAにおける値の小さな要素から順に、各要素の差の絶対値を算出し、それらを平均するものである。
【0036】
そして、空間多重受信機選択部12は、メトリックM1−2,M1−3,M2−3のうち、値が最も大きいメトリックM1−2に対応する受信機2の組合せ(受信機2aと受信機2b)を空間多重接続する受信機2の組合せとして選択する。
【0037】
このように、本実施例によれば、従来技術において受信機2選択の際必要としていた複雑な行列計算が不要となり、マルチユーザMIMOの性能を最大限発揮することができるような受信機2の組合せを少ない演算量で選択することができる。
【実施例2】
【0038】
実施例2は、実施例1の変形例である。実施例2では、周波数成分のインデックスAに加えて、周波数変換結果Bを用いてフィードバック情報の差を算出する。
【0039】
まず、空間多重受信機選択部12は、次の式(4)により、各周波数変換結果Bx_yの電力Px_yを算出する。
【0040】
Px_y=|Bx_y|2 …(4)
【0041】
そして、空間多重受信機選択部12は、各受信機2において電力が最大となる周波数成分のインデックスAを選択する。本例では、空間多重受信機選択部12は、受信機2aのインデックスA1から10、受信機2bのインデックスA2から4、受信機2cのインデックスA3から4を選択する。
【0042】
次に、空間多重受信機選択部12は、次の式(5)〜(7)により、メトリックM1−2,M1−3,M2−3を算出する。つまり、空間多重受信機選択部12は、周波数変換結果Bの電力が最大となる周波数成分のインデックスAの差の絶対値をフィードバック情報の差とする。
【0043】
M1-2 = |10-4| = 6 …(5)
【0044】
M1-3 = |10-4| = 6 …(6)
【0045】
M2-3 = |4-4| = 0 …(7)
【0046】
そして、空間多重受信機選択部12は、メトリックM1−2,M1−3,M2−3のうち、値が最も大きいメトリックM1−2又はM1−3に対応する受信機2の組合せ(受信機2aと受信機2b、又は受信機2aと受信機2c)を空間多重接続する受信機2の組合せとして選択する。
【0047】
なお、周波数変換結果Bの電力は受信機2において既に算出されているため、例えば、受信機2は、周波数変換結果Bの電力が高い順にインデックスAを並べてフィードバック情報に含ませてもよい。
【0048】
以下に、この場合のフィードバック情報のデータ例を示す。
受信機2aが送信するフィードバック情報1:インデックスA1={10,12},周波数変換結果B1={B1_10,B1_12}
受信機2bが送信するフィードバック情報2:インデックスA2={4,2},周波数変換結果B2={B2_4,B2_2}
受信機2cが送信するフィードバック情報3:インデックスA3={4,6},周波数変換結果B3={B3_4,B3_6}
【0049】
この場合、空間多重受信機選択部12は、フィードバック情報に含まれる最初のインデックスAを用いてメトリックを算出する。これにより、送信機1による周波数変換結果Bの電力算出処理が不要となる。
【0050】
このように、本実施例では、実施例1より精度良くフィードバック情報の差を算出することができる。また、周波数変換結果Bの電力が高い順に並べられたインデックスAを含むフィードバック情報の場合、空間多重受信機選択部12において周波数変換結果Bの電力を算出する必要がない。
【実施例3】
【0051】
実施例3では、周波数変換結果Bを用いてフィードバック情報の差を算出する。
空間多重受信機選択部12は、次の式(8)〜(10)により、メトリックM1−2,M1−3,M2−3を算出する。つまり、空間多重受信機選択部12は、周波数変換結果Bの相関を算出する。
【0052】
【数1】

【0053】
【数2】

【0054】
【数3】

【0055】
但し、フィードバック情報に含まれないBx_yは0とする。ここで、各メトリックM1−2,M1−3,M2−3の値が大きいほど相関が低い。
【0056】
そして、空間多重受信機選択部12は、メトリックM1−2,M1−3,M2−3のうち、値が最も大きいメトリックに対応する受信機2の組合せを空間多重接続する受信機2の組合せとして選択する。例えば、図3に示す例では、メトリックM1−2が最大となり、空間多重受信機選択部12は、受信機2aと受信機2bを選択する。つまり、空間多重受信機選択部12は、周波数変換結果Bの相関が低い受信機2の組合せを空間多重接続する受信機2の組合せとして選択する。
【0057】
これにより、本実施例によれば、各受信機2のフィードバック情報に含まれるインデックスAの数が異なる場合であっても、フィードバック情報の差を算出することができる。
【実施例4】
【0058】
実施例4は、実施例1〜3を組合せた例である。
空間多重受信機選択部12は、受信機2a,2b,2c夫々のフィードバック情報に含まれるインデックスAの数が等しい場合には、上述した式(1)〜(3)又は式(5)〜(7)により、メトリックM1−2,M1−3,M2−3を算出する。一方、受信機2a,2b,2c夫々のフィードバック情報に含まれるインデックスAの数が異なる場合には、上述した式(8)〜(10)により、メトリックM1−2,M1−3,M2−3を算出する。
【0059】
これにより、本実施例によれば、各受信機2のフィードバック情報に含まれるインデックスAの数が異なる場合であっても、フィードバック情報の差を算出することができる。
【実施例5】
【0060】
実施例5は、実施例1〜4の変形例である。
空間多重受信機選択部12は、メトリックM1−2,M1−3,M2−3のうち、最も大きいメトリックの値が所定の閾値より小さい場合には、受信機2の組合せを選択しない。つまり、メトリックの最大値が所定の閾値より小さい場合には、空間多重接続を行わない。
【0061】
これにより、伝播環境の近い受信機2同士を空間多重接続することを防ぐことができるため、受信機2において信号分離が困難になることを防ぐことができる。
【0062】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【0063】
また、図2に示す送信機1の機能を実現するためのプログラムをコンピュータが読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより、受信機選択処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものであってもよい。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、フラッシュメモリ等の書き込み可能な不揮発性メモリ、DVD(Digital Versatile Disk)等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。
【0064】
さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ(例えばDRAM(Dynamic Random Access Memory))のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。
また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク(通信網)や電話回線等の通信回線(通信線)のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。
また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル(差分プログラム)であっても良い。
【符号の説明】
【0065】
1…送信機、2…受信機、11…フィードバック情報受信部、12…空間多重受信機選択部、13…送信部

【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数のアンテナを備える送信機において、
通信チャネルの状態を表すチャネル情報を複数の受信機夫々から受信する受信部と、
前記受信部により受信された各受信機のチャネル情報の差が大きい受信機の組合せを選択する選択部と、
前記選択部により選択された受信機夫々に、各アンテナから同一時刻に同一周波数で信号を送信する送信部と、
を備えたことを特徴とする送信機。
【請求項2】
前記選択部は、前記チャネル情報の差が所定の閾値より小さい場合には、受信機の組合せを選択しない
ことを特徴とする請求項1に記載の送信機。
【請求項3】
前記受信部は、前記チャネル情報を時間領域から周波数領域に変換した周波数変換結果のうち電力の大きい周波数成分のインデックスと該周波数成分の周波数変換結果を含むフィードバック情報を受信し、
前記選択部は、前記受信部により受信された各受信機のフィードバック情報の差が大きい受信機の組合せを選択する
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の送信機。
【請求項4】
前記選択部は、前記周波数成分のインデックスの差が大きい受信機の組合せを選択する
ことを特徴とする請求項3に記載の送信機。
【請求項5】
前記選択部は、前記周波数成分の周波数変換結果の電力が最大である周波数成分のインデックスの差が大きい受信機の組合せを選択する
ことを特徴とする請求項3に記載の送信機。
【請求項6】
前記選択部は、前記周波数成分の周波数変換結果の相関が低い受信機の組合せを選択する
ことを特徴とする請求項3に記載の送信機。
【請求項7】
前記選択部は、各受信機の前記フィードバック情報に含まれる周波数成分のインデックス数が等しい場合は前記周波数成分のインデックスの差が大きい受信機の組合せを選択し、各受信機の前記フィードバック情報に含まれる周波数成分のインデックス数が異なる場合は前記周波数成分の周波数変換結果の相関が低い受信機の組合せを選択する
ことを特徴とする請求項3に記載の送信機。
【請求項8】
複数のアンテナを備える送信機における受信機選択方法であって、
前記送信機の受信部が、通信チャネルの状態を表すチャネル情報を複数の受信機夫々から受信するステップと、
前記送信機の選択部が、前記受信部により受信された各受信機のチャネル情報の差が大きい受信機の組合せを選択するステップと、
前記送信機の送信部が、前記選択部により選択された受信機夫々に、各アンテナから同一時刻に同一周波数で信号を送信するステップと、
を含むことを特徴とする受信機選択方法。
【請求項9】
複数のアンテナを備える送信機が各アンテナから同一時刻に同一周波数で信号を送信する受信機の組合せを選択するためのコンピュータプログラムであって、
通信チャネルの状態を表すチャネル情報を複数の受信機夫々から受信するステップと、
受信した各受信機のチャネル情報の差が大きい受信機の組合せを選択するステップと、
をコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラム。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2012−74926(P2012−74926A)
【公開日】平成24年4月12日(2012.4.12)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−218136(P2010−218136)
【出願日】平成22年9月29日(2010.9.29)
【出願人】(000208891)KDDI株式会社 (2,700)
【Fターム(参考)】