无线数据通信系统、无线数据通信方法以及通信装置

摘要

本发明提供无线数据通信系统、无线数据通信方法以及通信装置。提供一种不对AP、UT的天线数进行限制，把并行通信的数据数设置成在MIMO通信中的最大值，传送特性优良的MIMO－SDMA无线数据通信系统。在1台AP、多台UT同时使用同样频率的电波进行通信的MIMO－SDMA无线数据通信系统中，在UT上设置SDMA接收处理部108，通过合成在天线上的接收信号来控制接收到的数据数。通过对接收的数据数的控制，使并行通信的数据数和用MIMO－SDMA无线数据通信可实现的最大值一致。在SDMA接收处理中需要的系数矩阵在实际数据的传送前从AP向UT通知。

说明书

技术领域

本发明涉及无线数据通信技术，特别涉及适用于基于SDMA(Space Division Multiple Access：空间分割多址存取)的无线数据通信系统的构成以及通信方式的有效的技术。

背景技术

根据本发明人研究的结果，关于以往的无线数据通信技术，有如下的技术。

例如，在无线通信中，作为提高频率利用效率(每单位时间、单位频率能够通信的信息量)的技术，MIMO(Multiple-Input MultipleOutput：多路输入多路输出)引人注目。例如，在推进无线LAN的标准化的IEEE802.11中，在任务组n中采用MIMO的方式基本上成为事实。另外，正在研究在第4代移动通信系统中为了增大传送速率也采用MIMO。

另外，该MIMO的技术也开始扩展、适用到SDMA。在SDMA中，1个AP(Access Point：访问点)和多个UT(User Terminal：用户终端)同时使用同样频率的电波进行通信。作为实现这种MIMO-SDMA的例子，例如存在专利文献1(US2004/0252632A1)以及非专利文献2(西村寿彦、鹰取泰司、大钟武雄、小川恭孝、长敬三，“使用了接收天线选择的MIMO/SDMA下行线路待机导出法”，2002年电子信息通信学会综合大会B-5-230)。

可是，对于上述那样的以往的无线数据通信技术，本发明人研究的结果表明如下。

以下首先说明以往的MIMO-SDMA的原理。

图1是说明以往的MIMO-SDMA的原理的图。在图中的左侧配置AP，在右侧配置UT。在该例子中，1台AP和u台UT用MIMO-SDMA进行通信，从AP向UT发送数据。向各UT发送的发送数据(TxData)1～u在MIMO发送处理部(MIMO TxProcess)101(101-1～101-u)中处理。其后，数据在SDMA发送处理部(SDMATxProcess)102中分配给由M条组成的发送天线103(103-1～103-M)。从发送天线103输出的数据传递到空间。UT-i(i＝1～u)用N_i条接收天线104(104-1-1～104-1-N₁，…，104-u-1～104-u-N_u)接收传送来的电波，在MIMO接收处理部(MIMO RxProcess)105(105-1～105-u)中对数据进行复原，得到接收数据(RxData)1～u。在发送天线103和UT-i的接收天线104-i之间的空间传递中的信号的传递特性能够用式1的传递矩阵H_i表示。

[式1]

y_i＝H_ix

x是发送信号矢量x＝(x(1)，x(2)，…，x(M))^T，x(1)～x(M)表示从M条的发送天线103输出的电波的复数振幅。另外，y_i是接收信号矢量y_i＝(y_i(1)，…，y_i(N_i))^T，y_i(1)～y_i(N_i)表示用N_i条接收天线104-i接收的电波的复数振幅。

在SDMA中因为同时从AP向多个UT发送信号，所以在接收天线104中存在所希望的信号和不需要的信号混合接收的危险，需要避免这种情况。因此，在记载于上述专利文献1中的以往技术中，在SDMA发送处理部102中向多个发送天线103分配信号，因为已输出的多个电波通过在接收天线104的干涉，除去不需要的信号。

例如，考虑从AP向UT-i的发送数据i。对于UT-i以外的UT因为发送数据i是不需要的信号，所以只要进行控制使信号不到UT-i以外的接收天线104即可。因此，对于全部的j(j是i以外的数)需要求成为y_j＝0的x。在此，如式2那样定义y_<i>和H_<i>。

[式2]

如果设置成上式那样，则必要的条件是式3。

[式3]

y_<i>＝H_<i>x＝0

该x在线性代数中称为H_<i>的核，已知用相互正交的L(i)个的单位矢量得到。L(i)用式4表示

[式4]

$>>L>>(>i>)>>=>M>->\underset{}{}>>j>=>i>>u>>>N>j>>>s>$

把上述单位矢量称为SDMA控制矢量，设置成A_i，1，…，A_i，L(i)。于是，通过根据x＝sA对发送天线103进行分支，发送数据s，可以控制成信号不会来到UT-i以外的接收天线104。因为SDMA控制矢量有多个，所以可以并行发送L(i)个数据。

如果对向着全部UT的发送数据进行上述处理，加算分配给每条发送天线103的信号并输出电波，则可以进行SDMA通信。

图2表示SDMA发送处理部102的详细。发送数据通过在积算部106中取与SDMA控制矢量的积，被分配给M条的发送天线103。向同样的发送天线分配的信号在加法部107中加算后，从发送天线103输出。

上述的结果，如果用Ai＝(A_i，1，……，A_i，L(i))定义SDMA控制矩阵，则可以用H_iA_i得到从SDMA发送处理部102的入口到接收天线104-i为止的发送数据i的传递矩阵。以该传递矩阵为基础，可以在AP1台和UT1台之间控制MIMO发送处理和MIMO接收处理，因而，可以从AP1台向u台UT进行SDMA。把以上的方式称为零控(null steering)方式。

但是零控方式只适用于式5的条件成立的情况。

[式5]

$>>L>>(>i>)>>=>M>->\underset{}{}>>j>=>i>>u>>>N>j>>>>0>>>\forall >i>>>s>$

例如，在AP的天线数是2条(M＝2)，UT的台数是2台(u＝2)各自的天线数是2条(N₁＝2，N₂＝2)的情况下，因为不满足该条件，所以不能适用零控方式。

接着，考虑能够并行发送的数据数。能够向UT-i并行发送的数据数因为是L(i)，所以其总和可以如式6那样计算。

[式6]

$>>>\Sigma >>i>=>1>>u>>L>>(>i>)>>=>uM>->>(>u>->1>)>>>\Sigma >>j>=>1>>u>>>N>j>>>s>$

另一方面，如果MIMO-SDMA无线数据通信系统能够取得和具有M条天线的AP，和具有∑N_i条天线的UT之间的MIMO通信，则知道能够并行发送的数据的最大数是min(M，∑N_i)。在此假定式7。

[式7]

在这种情况下，最大能够并行发送M个数据。因而，为了和在零控方式中的并行通信数据数进行比较，从式6(零控方式中的并行通信数据数)中减去M(能够并行发送的数据的最大数)。其结果，可以得到式8。

[式8]

因而，能够确认在零控方式中的并行通信数据数小于最大值。即，即使在式5成立且零控方式可以实施的情况下，在式7成立的情况下(即，在AP的天线数少于UT的总天线数的情况下)存在不能最大限度地发挥MIMO的性能的问题。

不拘于式5的条件，另外即使在适合于式7的条件的情况下作为实现最大限度的并行通信数据数的方法，也有上述非专利文献1所示的方法。上述那样的问题发生是因为UT的天线数多，所以并不使用UT的天线的全部，通过选择在UT中使用的天线使M＝∑N_i成立，可以实施并行通信数据数最大的零控方式。把它称为天线选择零控方式。

但是，因为在该方式中不使用某些UT的天线，所以尽管用该天线接收数据也都将数据白白舍弃。另外，在不使用的天线中的信号接收中消耗的电能也白白浪费。

因而，本发明的目的在于提供一种即使在未满足式5的条件的情况下也实现MIMO-SDMA，并且即使在用式7表示的情况下也有效地灵活使用在全部的接收天线中接收到的信号，由此提高MIMO-SDMA的性能的无线数据通信技术。

本发明的上述内容以及其他的目的和新的特征可以根据本说明书的叙述以及附图弄明白。

在本申请中公开的发明中，如果简单说明有代表性的技术的概要则如下所述。

本发明的MIMO-SDMA无线数据通信系统是作为发送设备而发挥功能的1台AP，和作为接收设备而发挥功能的u台UT同时使用同样频率的电波进行通信的无线数据通信系统，AP具有M条的发送天线，第i(i＝1～u)台UT(UT-i)具有N_i条的接收天线。另外，其特征在于：AP具有SDMA发送处理部，UT具有SDMA接收处理部，在本发明的UT中进行SDMA接收处理。

在该构成中，通过把在SDMA发送处理部中的信号处理、电波的空间传递的传递特性、在SDMA接收处理部中的信号处理这3个效果进行合成，来抑制向和所希望的接收设备不同的接收设备传送的信号。即，当上述的式5的条件不成立的情况下，在UT的SDMA接收处理中合成用接收天线接收到的信号，通过把合成后的信号数减少到比接收天线数还少，使接收天线数比实际看上去少。由此，可以采用零控方式进行MIMO-SDMA。

另外，本发明的无线数据通信方法的特征在于：根据从AP或者UT发送的练习信号推定AP和UT之间的电波的传递矩阵，由于AP确定同时并行向每个UT传送的数据数，和在SDMA接收处理部中使用的复数系数，AP确定在SDMA发送处理部中使用的复数系数，通过AP向UT发送而通知在SDMA接收处理部中使用的复数系数，AP输出在SDMA发送处理部中经过信号处理的发送信号，UT在SDMA接收处理部中对在接收天线上的接收信号进行信号处理，确立通信。

另外，本发明的通信装置的特征在于：在上述无线数据通信系统上动作的UT中，具有SDMA接收处理部。

在本申请中公开的发明中，如果简单说明由代表性的技术所得到的效果则如下所述。

如果采用本发明，则可以取消对AP、UT的天线数的限制，把并行通信的数据数作为在MIMO通信中的最大值，提供传送特性优良的MIMO-SDMA无线通信系统。

附图说明

图1是说明以往的MIMO-SDMA的原理的图。

图2是表示以往的SDMA发送处理的详细的图。

图3是表示作为本发明的实施方式1的无线数据通信系统的图。

图4是在本发明的实施方式1中，比较以往方式和本发明方式的SNR对传送容量的特性的曲线图。

图5是表示在作为本发明的实施方式2的无线数据通信系统中的通信顺序的流程图的图。

图6是表示在作为本发明的实施方式3的无线数据通信系统中的通信顺序的流程图的图。

图7是表示在作为本发明的实施方式4的无线数据通信系统中发挥功能的发送接收设备的构成的图。

图8是表示适用本发明的实施方式5的无线数据通信系统的适宜的应用程序的例子的图。

具体实施方式

以下，根据附图详细说明本发明的实施方式。而且，在用于说明实施方式的全部图中，在同一部件上原则上标注相同的符号，并省略其重复的说明。

(实施方式1)

图3是本发明的实施方式1，表示无线数据通信系统。该图在本发明的MIMO-SDMA的说明中简化表示实际的AP、UT的构成。

在本实施方式的无线数据通信系统中，在AP中依照发送数据(TxData)1～u，具备MIMO发送处理部(MIMO TxProcess)101(101-1～101-u)、SDMA发送处理部(SDMA TxProcess)102、发送天线103(103-1～103-M)。另外，在UT中依照接收数据(RxData)1～u，具备接收天线104(104-1-1～104-1-N₁，…，104-u-1～104-u-N_u)、SDMA接收处理部(SDMA RxProcess)108(108-1～108-u)、MIMO接收处理部(MIMO RxProcess)105(105-1～105-u)。在这些各部中，在和上述的图1相同的部分上标注相同的符号并省略说明，对新的部分将在以下进行说明。

特别是本实施方式的无线数据通信系统具备1个AP(发送设备)、多个UT(接收设备)，是1个AP和多个UT在同样的时刻使用同样的频率的电波进行通信的无线数据通信系统。AP具备多个发送天线103；在对多个UT发送的多个信号的每一个上乘以复数系数向多个发送天线103分配，向同一发送天线103分配的信号加算，传递到各发送天线103的SDMA发送处理部(SDMA控制用的发送信号处理部)102等。UT具备：1条以上的接收天线104；通过在来自接收天线104的信号上乘以复数系数并加算，生成小于等于接收天线104的条数的数量的信号的SDMA接收处理部(SDMA控制用的接收信号处理部)108等。在该构成中，通过在SDMA发送处理部102中的信号处理、电波的空间传递的传递特性、在SDMA接收处理部108中的信号处理的合成，抑制向与所希望的UT不同的UT传送的信号。

在图3中，在左侧配置AP，在右侧配置UT，1台AP和u台UT通过MIMO-SDMA进行通信，从AP向UT发送数据。向各UT发送的发送数据1～u在MIMO发送处理部101中进行处理。其后，数据在SDMA发送处理部102中，向由M条组成的发送天线103分配。从发送天线103输出的数据向空间传递。UT-i(i＝1～u)用N_i条接收天线104接收传递来的电波，在SDMA接收处理部108中合成接收信号。其后，在MIMO的接收处理部105中复原数据，得到接收数据1～u。在发送天线103和UT-i的接收天线104-i之间的空间传递中的信号的传递特性可以用上述的式1的传递矩阵H_i表示。

在本实施方式中，当不适合上述式7的条件的情况下，在SDMA接收处理部108中不做如何处理，用通常的零控方式进行基于MIMO-SDMA的无线数据通信。

另外，当适合上述式7的条件的情况下，用在各UT中并列接收的数据数置换接收天线数N_i，确定并列接收数据数使M＝∑N_i成立。并列接收数据数不能超越UT原本持有的天线数。在以上的条件成立的范围中能够自由地确定各UT的并列接收数据数。例如，对于要求大的吞吐量的UT可以分配大的并列接收数据数。

以下，确定在SDMA接收处理部108中合成在接收天线104中的接收信号y_i＝(y_i(1)，…，y(N_i))^T时的合成系数矩阵B_i。如式9那样求涉及对UT-i的发送数据中的传递矩阵H_i的特异值展开。

[式9]

H_i＝U_i∑_iV_i^H

在此，H表示共轭转置。于是，U_i^H成为在MIMO接收处理中的合成矩阵，列矢量成为与固有模式对应的合成系数。因为特异值大的固有传递模式增益和相异的效果也同样大，所以从U_i^H的第1列矢量中取得与在UT-i中的并列接收数据数相等的列矢量。因而，B_i成为只把U_i^H上侧切下并列接收数据数的矩阵。由此，AP的发送天线103和SDMA接收处理的出口之间的传递矩阵用B_iH_i表示。通过把它看作新的传递矩阵H_i进行零控，能够实现并列发送的数据数和MIMO的最大并列数据数一致的SDMA。

为了具体地表示以上的效果，对于AP的天线数是4条，UT是2台且各自的天线数是3条的情况，在图4中表示比较SNR对传送容量的特性的曲线。该条件为了满足上述的式5可以进行零控，但因为适合上述的式7的条件，所以并行发送的数据数不会成为MIMO的性能的最大值。

图4的横轴表示以dB为单位的SNR，纵轴表示从香农的传送容量的公式中计算出的传送容量。(a)表示用2个UT和时间进行分割交替通信的TDMA(Time Division Multiple Access：分时复用连接)中的容量，(b)表示零控，(c)表示天线选择零控，(d)表示在本发明(本实施方式)中的容量。在天线选择零控和本发明中，将UT-1和UT-2的并行传送数据数都设置为2个。

在零控中因为不能最大限度地发挥MIMD的性能，所以其结果为不及TDMA中的容量。另外，在天线选择零控中当SNR高的情况下，实现超越TDMA的容量，而在SNR比较低的情况下成为比TDMA还小的容量。与它们相反，在本发明方式中，无论是哪种SNR都可以实现比其它的方式还大的容量。这样表示本发明方式能够实现比以往方式还优异的传送特性。

如上所述，如果采用本实施方式，则在未满足式5的条件的情况下也实现MIMO-SDMA，并且即使是用式7表示的情况也可以通过有效地灵活使用在全部的接收天线中接收到的信号，提高MIMO-SDMA的性能。由此，可以取消对AP、UT的天线数的限制，把并行通信的数据数作为在MIMO通信中的最大值，提供传送特性优异的MIMO-SDMA无线数据通信系统。

(实施方式2)

图5是本发明的实施方式2，表示在无线数据通信系统中的通信步骤的流程图。而且，本实施方式的无线数据通信系统的构成和上述实施方式1的图1一样。但是，在该流程图中，为了简单说明假定UT是2台的情况，而无论UT是多少台都能对该流程图进行扩展后使用。

本实施方式的无线数据通信系统因为把MIMO技术作为基础，所以最初需要知道电波的传递矩阵H_i(i＝1，2)。因此，首先把传递矩阵观测用的练习数据从AP发送到各UT(S1)。练习数据因为是预先确定的数据，所以利用在各UT中接收到的练习数据能够求出传递矩阵H_i(S2a，S2b，S3a，S3b)。

接着，把在各UT中求得的传递矩阵H_i向AP回送(S4a，S4b)。在AP中，接收回送的传递矩阵H_i，从传递矩阵H_i中计算出SDMA发送接收系数矩阵A、B和MIMO的发送接收系数矩阵U、V(S5a，S5b，S6)。把计算出的接收系数矩阵B_i、U_i发送到各UT(S7a，S7b)。在各UT中，进行接收系数矩阵B_i、U_i的接收(S8a，S8b)。

其后，AP用MIMO发送系数和SDMA发送系数，即发送信号系数矩阵A、V处理后输出数据(S9)。在各UT中，通过使用先接收到的接收系数矩阵B_i、U_i进行处理可以复原数据。

在此，和以往方式不同，在本实施方式中对UT传递SDMA接收系数矩阵成为必要条件。因为从定期发送MIMO接收系数矩阵的练习信号中UT能够自主推断，所以不需要AP向UT通知MIMO接收系数矩阵。

如上所述，如果采用本实施方式，则通过把SDMA接收系数矩阵传递到UT，能够得到和上述实施方式1一样的效果。

(实施方式3)

图6是本发明的实施方式3，表示在无线通信系统中的通信顺序的第2流程图。在该流程图中，大部分和上述图5相同，传递矩阵H_i的计算方法不同。

通常，从AP向UT的电波传递特性，和从UT向AP的传递特性相等。因而，即使在从AP向UT发送的情况下，也可以使用从UT向AP的电波的传递函数计算出发送接收系数矩阵，没有任何问题。在此，在图6中，从各UT发送练习信号(S11a，S11b)。而后，在AP中，接收练习数据，计算出传递矩阵H_i(S12a，S12b，S13a，S13b)。

在图6的流程图中向UT传递SDMA接收系数矩阵也是必要条件，但和以往方式不同。

如上所述，如果采用本实施方式，则通过使用从UT向AP的电波传递函数计算出发送接收系数矩阵，把SDMA接收系数矩阵传递到UT，能够得到和上述的实施方式1一样的效果。

(实施方式4)

图7是本发明的实施方式4的例子，表示作为在无线数据通信系统中发挥功能的发送接收设备的构成。

在本实施方式的无线数据通信系统中发挥功能的发送接收设备依照发送数据1～u具备：MIMO发送处理部101(101-1～101-u)；SDMA发送处理部102；OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplex：正交频分多路复用)发送变换部(OFDM)109(109-1～109-M)；发送RF部(RF)110(110-1～110-M)。另外，对应接收数据1～u具备：接收RF部(RF)112(112-1～112-M)；OFDM接收变换部(OFDM)113(113-1～113-M)；SDMA接收处理部108；MIMO接收处理部105(105-1～105-u)。进而，兼用于发送以及接收具备：发送接收兼用天线111(111-1～111-M)；开关114(114-1～114-M)。在这些各部分中，在和上述的图3相同的部分上附加同一符号并省略说明，对于新的内容在以下说明。

发送数据在MIMO发送处理部101和SDMA发送处理部102中处理后，在OFDM发送变换部109中把在涉及OFDM的在频率方向上排列的信号变换为在时间方向上排列的信号。本发明的方式并不限于OFDM，也可以适用于其他的通信方式，但因为MIMO技术和OFDM配合得好，通过组合被应用的例子较多，所以写明OFDM处理部。

以下，信号在发送RF部110中，实施升频变换、电力增幅、滤波。其后，通过开关114从发送接收兼用天线111输出。因为天线在发送和接收中共用，所以用开关114进行发送接收的切换。

在发送接收兼用天线111上接收到的信号通过开关114输入到接收RF部112。在接收RF部112中，实施降频变换、电力增幅、滤波，在OFDM接收变换部113中进行从涉及OFDM的在时间方向上排列的信号向在频率方向上排列的信号的变换。其后，通过在SDMA接收处理部108和MIMO接收处理部105中进行处理而被复原。

在接收信号的处理系统中需要SDMA接收处理部108这一点和以往方式不同。

如上所述，如果采用本实施方式，在无线数据通信系统中发挥功能的发送接收设备中，通过在接收信号的处理系统中构成SDMA接收处理部108，能够得到和上述实施方式1一样的效果。

(实施方式5)

图8是本发明的实施方式5，表示适用到无线数据通信系统的良好的应用的例子。

本发明适宜于PC间的无线数据通信系统自不必说，还可以适宜于向家庭内的多媒体数据通信系统的适用。在本实施方式中，如图8所示，存在媒体服务器201，储存各种多媒体数据，按照显示器202、显示器203、音响设备204等的终端的请求，向各终端无线发送多媒体数据。在这样的应用的情况下，容易考虑从不同的房间同时发生数据的请求。

例如，可以考虑有为了在卧室的显示器上欣赏电影而发出电影数据的请求的同时，从起居室的显示器203发出请求以前录制的TV节目数据这样的情况。此外还有从儿童房间的音响设备204也同时发出音乐数据的请求的情况。在这样的情况下，与用TDMA顺序向各终端发送数据相比，还是用SDMA同时传送数据的情况总吞吐量高。进而，在本实施方式中，因为可以灵活地改变各终端并行传送的数据，所以对进行重要程度高的通信的终端可以优先分配并行传递数据数。

如上所述，如果采用本实施方式，则即使在适用于家庭内的多媒体数据通信系统的情况下，也可以得到和上述的实施方式1一样的效果。

以上基于实施方式具体地说明了由本发明人完成的发明，但本发明并不限于上述的实施方式，在不脱离其主要内容的范围内可以有各种变更。

本发明可以适用到各种无线数据通信系统，而最佳的是适用于用OFDM进行频分复用的无线数据通信系统。在无线LAN中已经采用OFDM，因为在IEEE802.11n中预计基本上可以肯定采用MIMO，所以本发明的MIMO-SDMA非常投缘。另外，SDMA在从AP同时向多个UT发生通信时最能发挥性能。例如，在家庭内配置媒体服务器，从多个房间访问媒体服务器欣赏运动图像这种用途可以作为同时要求通信的使用场景的一个例子。这种用途的无线数据通信系统作为本发明的MIMO-SDMA的适用目的是最佳的。