JP2016158111A - 無線送信局 - Google Patents

Abstract

【課題】ハイブリッドビームフォーミングを実行する無線送信局において、複数の送信アンテナ素子に供給される電気信号のピーク対平均電力比を抑制可能な無線送信局を提供する。
【解決手段】電力測定部５０は、デジタルプリコーダ４４から出力されたＬ系列の信号の電力を測定する。パラメータ制御部５２は、電力測定に基づいて、デジタルプリコーダ４４から出力される信号の電力のピークを低減するように、送信信号生成のためのパラメータおよびプリコーディング行列の少なくともいずれかを調節する。アナログビームフォーマ４０ＡはＬブランチ／Ｌサブブランチを有し、各サブブランチは可変移相器と振幅調整器を有する。各サブブランチにおいて位相および振幅が調整された信号は、他のサブブランチの信号が加算されることなく、送信アンテナ素子４６に供給される。
【選択図】図１４

Description

本発明は、無線送信局に関する。

無線通信の分野において、無線送信局と無線受信局との双方で複数のアンテナを用いて送受信を実行することにより、信号伝送の高速化および高品質化を実現するMIMO（Multiple-Input and Multiple-Output）伝送方式が活用されている。

信号伝送の更なる高速化と干渉低減とを図るために、アンテナの小型化と広い帯域幅の確保とが可能な高周波数帯（例えば、10 GHz以上）において、大量のアンテナ素子（例えば、100素子以上）を使用したMassive MIMO伝送方式が検討されている（例えば、特許文献１）。例えば、ＵＭＴＳ（Universal Mobile Telecommunications System）のＬＴＥ−Ａ以降の移動通信システムでは、Massive MIMO伝送方式が検討されている。

Massive MIMOにおいては、従来のMIMOと比較して、大量のアンテナ素子を用いた高度なビームフォーミング（beamforming）を実施可能である。この明細書において、ビームフォーミングは、複数のアンテナ素子から放出される電波のビームの方向および形状を制御するために、アンテナ素子に供給される電気信号にウェイト（重み付け係数）を与えることにより、電気信号の位相および振幅を調整する技術であり、プリコーディング（precoding）を含む。MIMOでは、各アンテナ素子について位相および振幅の制御が可能であるので、使用されるアンテナ素子の数が多いほどビーム制御の自由度が高まる。

MIMOにおいてビームまたはストリームを制御する技術としては、アナログビームフォーミング、デジタルプリコーディング、およびこれらを組み合わせたハイブリッドビームフォーミングがある。ハイブリッドビームフォーミングでは、まずデジタルプリコーディングを行い、次にアナログ送信ビームフォーミングを行う。これらの詳細については後述する。

Massive MIMOに限らず、MIMOにおいては、無線送信局が複数のストリームまたはビームを送信するためにビームフォーミングを行うので、複数の送信アンテナ素子に供給される送信信号のうち特定の送信信号の電力が送信信号の平均電力よりも極めて高くなることがある。

したがって、MIMO、特にMassive MIMOにおいては、信号のピーク対平均電力比（Peak-to-Average Power Ratio、PAPR）が高くなることがある。ここでのPAPRは、送信アンテナ素子に供給される最大の電力の、すべての送信アンテナ素子に供給される電力の平均に対する比率である。一般に、無線送信局では、複数の送信アンテナ素子に供給される電気信号の電力は、複数の電力増幅器でそれぞれ増幅される。電力増幅器は、入力と出力の線形性が維持される範囲があり、高い電力が供給されると、出力される信号に非線形歪みが生じ、このため通信品質が低下する。また、非線形歪みに起因して、所望の周波数とは異なる周波数成分が発生し、そのような周波数で電波が送信されることにより、他の機器または他のシステムへの干渉が増加する。

従来、OFDM（Orthogonal Frequency-division Multiplexing）におけるPAPRの低減方式の研究が行われている。例えば、複数のデジタル信号のPAPRを検出し、PAPRが小さくなるように、デジタル信号を再生成することが考えられる（非特許文献１）。

あるいはデジタル信号のPAPRの低減処理を行うことが考えられる。例えば、OFDMの合成後の送信信号のPAPRが小さくなるように、複数サブキャリアの信号に異なる位相回転を与えてもよい（非特許文献２）。合成後の送信信号にクリッピング・アンド・フィルタリング（ＣＦ）を施し、PAPRが小さくなるようデジタル処理をしてもよい（非特許文献３、非特許文献４）。

特開２０１３−２３２７４１号公報

L. J. Cimini, et al., "Peak-to-Average Power Ratio Reduction of an OFDM Signal Using Partial Transmit Sequences", IEEE Communication Letter, vol. 4, no. 3, pp. 86-88, Mar. 2000. P. Fan, et al., "Block Coded Modulation for the Reduction of the Peak to Average Power Ratio in OFDM Systems", Wireless Communications and Networking Conference, 1999. WCNC. 1999 IEEE, pp. 1095-1099, 1999. H. Ochiai, et al., "On Clipping for Peak Power Reduction of OFDM Signals", Global Telecommunications Conference, 2000. GLOBECOM '00. IEEE (Volume: 2), pp. 731-735, 2000. J. Shen, et al., "Sequential Search Method with Different Thresholds for Clipped Power for OFDM Signal" Vehicular Technology Conference, 2006. VTC 2006-Spring. IEEE 63rd (Volume: 4), pp. 2037-2041, 2006

前記のハイブリッドビームフォーミングにおいて、PAPRを低減するには、デジタル信号の生成またはデジタルプリコーディングにおいて、前記のPAPRの低減策を使用することが考えられる。しかし、ハイブリッドビームフォーミングでは、デジタルプリコーディングの後にアナログ送信ビームフォーミングが行われる。デジタル信号の生成またはデジタルプリコーディングにおいて、信号のPAPRの低減が行われたとしても、アナログ送信ビームフォーミングの結果、一部の信号の電力が高められることがある。したがって、せっかく信号のPAPRの低減技術を実行しても、その効果が限定的なことがありうる。

そこで、本発明は、ハイブリッドビームフォーミングを実行し、複数の送信アンテナ素子に供給される電気信号の電力を抑制することができる、無線送信局を提供する。

本発明の第１の態様に係る無線送信局は、複数ストリームの送信信号にプリコーディングウェイト行列を適用して、デジタルプリコーディングを実行するデジタルプリコーダと、前記デジタルプリコーディングが施されたＬ系列（Ｌは２以上の整数）の信号に対して、送信ビームフォーミングウェイト行列に相当する位相および振幅の変化を付与するアナログ送信ビームフォーミングを実行するアナログ送信ビームフォーマと、前記アナログ送信ビームフォーミングが施された信号をＬ本のビームによって送信するＮ_Ｔ個の送信アンテナ素子（Ｎ_ＴはＬより大きいＬの倍数）と、前記デジタルプリコーダから出力されたＬ系列の信号の電力を測定する電力測定部と、前記電力測定部の測定結果に基づいて、前記デジタルプリコーダから出力されるＬ系列の信号の電力のピークを低減するように、前記送信信号の生成のためのパラメータおよび前記プリコーディングウェイト行列の少なくともいずれかを調節するパラメータ制御部とを備える。前記アナログ送信ビームフォーマはＬブランチを有しており、前記Ｌブランチには、前記Ｌ本のビームに対応する前記Ｌ系列の信号が供給され、各ブランチはＮ_Ｔ／Ｌサブブランチを有しており、各サブブランチは前記アナログ送信ビームフォーミングを実行するための可変移相器と振幅調整器を有しており、各サブブランチは１個の前記送信アンテナ素子に接続され、各ブランチに供給されて位相および振幅が調整された信号は、Ｎ_Ｔ／Ｌ個の送信アンテナ素子に供給され、各サブブランチにおいて位相および振幅が調整された信号は、他のサブブランチの信号が加算されることなく、１個の前記送信アンテナ素子に供給される。

本発明の第２の態様に係る無線送信局は、複数ストリームの送信信号にプリコーディングウェイト行列を適用して、デジタルプリコーディングを実行するデジタルプリコーダと、前記デジタルプリコーディングが施されたＬ系列（Ｌは２以上の整数）の信号に対して、送信ビームフォーミングウェイト行列に相当する位相および振幅の変化を付与するアナログ送信ビームフォーミングを実行するアナログ送信ビームフォーマと、前記アナログ送信ビームフォーミングが施された信号をＬ本のビームによって送信するＮ_Ｔ個の送信アンテナ素子（Ｎ_ＴはＬより大きいＬの倍数）と、前記アナログ送信ビームフォーマに与える前記送信ビームフォーミングウェイト行列を生成するウェイト生成部と、前記送信ビームフォーミングウェイト行列と、前記デジタルプリコーダから出力されたＬ系列の信号に基づいて、前記アナログ送信ビームフォーマの出力であるＮ_Ｔ系列の信号を予測する信号予測部と、前記信号予測部の予測に基づいて、前記Ｎ_Ｔ系列の信号の電力のピークを低減するように、前記送信信号の生成のためのパラメータおよび前記プリコーディングウェイト行列の少なくともいずれかを調節するパラメータ制御部とを備える。

本発明の第１の態様においては、アナログビームフォーマにおいては、各々がＮ_Ｔ／Ｌ個の送信アンテナ素子に対応するＬブランチがＬ本のビームをそれぞれ形成する。各送信アンテナ素子に供給される信号の位相および振幅が他の送信アンテナ素子に供給される信号とは独立に調整される。つまり、各サブブランチにおいて位相および振幅が調整された信号は、他のサブブランチの信号が加算されることなく、１個の送信アンテナ素子に供給される。したがって、一旦、PAPRが低減されるように調整されたプリコーディングされた信号のPAPRをアナログビームフォーマは大幅に増加させることがない。このため、複数の送信アンテナ素子に供給される電気信号の電力を抑制することができる。

本発明の第２の態様においては、アナログビームフォーマで使用される送信ビームフォーミングウェイト行列に基づいて予測されるアナログ送信ビームフォーマの出力に基づいて、PAPRが低減されるように調整されたプリコーディングされた信号が、アナログビームフォーマでアナログ送信ビームフォーミングを受ける。したがって、複数の送信アンテナ素子に供給される電気信号に供給される電気信号の電力を抑制することができる。

Massive MIMOの概要を説明するための図である。 Massive MIMOのビームフォーミングの効果を説明するための図である。 Massive MIMOのビームフォーミングで形成されるビームの形状を説明するための図である。 Massive MIMOが使用されるスモールセル基地局が配置されるヘテロジニアスネットワークを示す概略図である。 アナログ送信ビームフォーミングを行う基地局のブロック図である。 図５に示されたアナログビームフォーマの一例を示す回路図である。 デジタルプリコーディングを行う基地局のブロック図である。 図７に示されたデジタルプリコーダの等価回路モデルを示す回路図である。 ハイブリッドビームフォーミングを行う基地局のブロック図である。 図９に示されたアナログビームフォーマを示す回路図と、デジタルプリコーダの等価回路モデルを示す回路図を有する。 ハイブリッドビームフォーミングを行う基地局での送信ビームフォーミングウェイト行列とプリコーディングウェイト行列を決定する手順を示す図である。 PAPR抑圧の方策が使用されたデジタルプリコーディングを行う基地局を示すブロック図である。 図１２と同様の方策が使用されたハイブリッドビームフォーミングを行う基地局を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係る無線送信局の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態に係る無線送信局の構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施の形態に係る無線送信局の構成を示すブロック図である。 本発明の第４の実施の形態に係る無線送信局の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態のいずれにも適用可能な修正が行われた無線送信局の一部を示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態および第４の実施の形態のいずれにも適用可能な修正が行われた無線送信局の一部を示すブロック図である。 本発明の第３の実施の形態の修正に係る無線送信局の構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施の形態の他の修正に係る無線送信局の構成を示すブロック図である。

以下、添付の図面を参照しながら本発明に係る様々な実施の形態を説明する。
Massive MIMO
本発明の実施の形態に係るMassive MIMO伝送方式について説明する。多数の送信アンテナ素子を用いて無線通信を実行するMassive MIMOにおいては、多数ストリームの多重化によって高い無線通信速度（データレート）が実現される。また、ビームフォーミングを行う際のアンテナ制御の自由度が高まるため、従来よりも高度なビームフォーミングが実現される。そのため、干渉量の低減および無線リソースの有効利用が実現される。Massive MIMOに適応した無線送信局が備える送信アンテナ素子の数は、限定されないが、例えば３２本以上であり、１００本以上、１０００本以上のこともある。

Massive MIMOでは、高周波数帯（例えば、10 GHz以上の周波数帯）を効果的に使用することができる。高周波数帯では、低周波数帯と比較して、高速通信に帰結する広い帯域幅（例えば、200 MHz以上）の無線リソースを確保しやすい。また、送信アンテナ素子の大きさは信号の波長に比例することから、無線信号の波長が短い高周波数帯を用いる場合には、送信アンテナ素子をより小型化することが可能である。一方、周波数が高いほど伝搬損失が増大するため、仮に同じ送信電力で基地局から無線信号を送信しても、高周波数帯を用いた場合には、低周波数帯を用いる場合と比較して、移動局における受信信号強度が低下する結果となる。しかしながら、高周波数帯を用いることによる受信信号強度の低下は、Massive MIMOのビームフォーミング利得により補償可能である。

図１は、周波数に応じたビーム（無線信号）の到達範囲を模式的に示す図である。従来の基地局１（例えば、マクロセル基地局）は、低周波数帯を用いて無線通信を行うので、Massive MIMOを実施せずに幅の広い放射パターンのビームを用いても遠くまでビームを到達させることができる。他方、高周波数帯を使用する基地局２は、Massive MIMOを実施せずに幅の広い放射パターンのビーム２Ａを用いる場合には、遠くまでビームを到達させることができない。しかし、基地局２がMassive MIMOのビームフォーミングを利用し、これによって狭い放射パターンのビーム２Ｂを放出する場合には、より遠くまでビームを到達させることができる。

ビームフォーミングは、複数のアンテナ素子について、電波の振幅および位相を制御することによって、電波のビームに指向性を与える技術である。図２に示すように、各アンテナ素子に送信信号ｓが単に供給される場合には、これらのアンテナ素子から放射されるビーム２Ａの幅は広く、遠くまでビームは到達しない。他方、各アンテナ素子に供給される送信信号ｓに適切なプリコーディングウェイトｗ_１〜ｗ_ｎ（ｎはアンテナ素子数）を与えることにより、幅が狭い１以上のビーム２Ｂ１，２Ｂ２がこれらのアンテナ素子から放射され、ビーム２Ｂ１，２Ｂ２はより遠くまで到達する。同時かつ同じ周波数を使用し、複数の無線受信局の各々に、１つ以上の送信ビームを向けることも可能である。アンテナ素子の数が多いほど、ビーム数を増加させ、ビームの幅を狭くし、ビームの方向を精度よく制御することができる。ビームの幅が狭いほど、高い利得が得られる（すなわち無線受信局では高い電力で信号を受信することができる）。

図３に示すように、ビームフォーミングで形成されるビーム２Ｂの形状は、アンテナ素子の配列により制約される。図３では、紙面に対して平行なビーム２Ｂの断面を示すが、実際のビーム２Ｂの形状は当然、立体的である。横方向一列にアンテナ素子が配列される場合には、縦方向に長く横方向に短い断面を持つビーム２Ｂが形成され、縦方向一列にアンテナ素子が配列される場合には、横方向に長く縦方向に短い断面を持つビーム２Ｂが形成される。縦横ともに複数列にアンテナ素子が配列される場合には、縦横に狭いビーム２Ｂが形成されうる。

ビームフォーミングは無線送信局で送信ビームを形成するために使われるだけではなく、無線受信局において受信アンテナセットで受信した信号にウェイトを与えることにより受信ビームを形成するためにも使われる。無線送信局でのビームフォーミングを送信ビームフォーミングと呼び、無線受信局でのビームフォーミングを受信ビームフォーミングと呼ぶ。

ヘテロジニアスネットワーク
図４は、Massive MIMOが使用される基地局の配置の例を示す。図４に示す無線通信ネットワークは、マクロセル基地局１０、中央制御局（ＭＭＥ（Mobility Management Entity））１２およびスモールセル基地局２０を備える。マクロセル基地局１０およびスモールセル基地局２０は、ユーザ装置（移動局、UE（User Equipment））３０と通信する。図４では、１つのユーザ装置３０のみが図示されているが、各基地局は多数のユーザ装置３０と通信する。

マクロセル基地局１０は、Massive MIMOを使用しないが、低周波数帯（例えば、2 GHz帯）を使用し、そこから放出された電波は遠くまで到達する。図４において、符号１０Ａはマクロセル基地局１０のマクロセルエリアを示す。マクロセル基地局１０は広いカバレッジを有するので、ユーザ装置３０と安定的に接続する。

スモールセル基地局２０は、高周波数帯（例えば、10 GHz帯）を使用する。スモールセル基地局２０はMassive MIMOを使用するが、そこから放出された電波の到達範囲（スモールセル基地局２０のスモールセルエリア２０Ａ）は、マクロセルエリア１０Ａより小さい。そのため、スモールセル基地局２０とユーザ装置３０は見通し線（line-of-sight）で接続される可能性が高く、その場合には、スモールセル基地局２０とユーザ装置３０の間の無線チャネルでは周波数選択性が小さいであろう。スモールセル基地局２０は、広い帯域幅（例えば、200 MHz以上）を使用し、高速通信に適する。

スモールセルエリア２０Ａがマクロセルエリア１０Ａに重なるように、スモールセル基地局２０は配置される。スモールセルエリア２０Ａに入ったユーザ装置３０はスモールセル基地局２０と通信する。典型的には、スモールセル基地局２０は多くのユーザ装置３０が存在しトラフィック量が多いと予測されるホットスポットに配置されるであろう。図４では、１つのスモールセル基地局２０のみが図示されているが、マクロセルエリア１０Ａには多数のスモールセル基地局２０を配置することができる。このように、図示のネットワークは、カバレッジが異なる異種の基地局を有するヘテロジニアスネットワークである。

ユーザ装置３０は、複数の基地局と同時に通信するMultiple Connectivityをサポートする機能を有する。典型的には、スモールセルエリア２０Ａに入ったユーザ装置３０に対して、スモールセル基地局２０は広い帯域幅による高速という長所を活用したデータ通信を行う一方、マクロセル基地局１０はユーザ装置３０との接続を維持したまま、ユーザ装置３０に制御信号を送信し、ユーザ装置３０からスモールセル基地局２０との接続に必要な信号を受信する。この場合、マクロセル基地局１０は、ユーザ装置３０の無線通信ネットワークへの接続およびユーザ装置３０のモビリティを維持する役割を果たす。つまり、スモールセル基地局２０はＵプレーン（user plane）を担当し、マクロセル基地局１０はＣプレーン（control plane）を担当する。スモールセル基地局２０は、ユーザ装置３０とデータ通信を行うだけでなく、データ通信に必要ないくつかの制御信号もユーザ装置３０と交換してもよい。マクロセル基地局１０とスモールセル基地局２０は、上位レベルの制御情報を共有する。

マクロセル基地局１０は、スモールセルエリア２０Ａに入ったユーザ装置３０がスモールセル基地局２０と通信するために必要な情報（サイドインフォメーション）をスモールセル基地局２０に供給する。このようなマクロセル基地局１０によるユーザ装置３０とスモールセル基地局２０の通信の支援をマクロアシストまたはネットワークアシストと呼ぶ。図４の例では、スモールセル基地局２０とマクロセル基地局１０は中央制御局１２に接続されており、中央制御局１２が両者の間の情報を中継する。但し、スモールセル基地局２０とマクロセル基地局１０は直接接続されていてもよい。

このネットワークでは、下りリンクの無線通信にはＯＦＤＭＡ（Orthogonal Frequency Division Multiple Access）が使用され、上りリンクの無線通信にはＳＣ−ＦＤＭＡ（Single Carrier-Frequency Division Multiple Access）が使用される。スモールセル基地局２０の下りリンクの無線通信は、ＯＦＤＭＡの多重の利益に加え、ＭＩＭＯの空間多重の利益を享受する。

図４の例では、マクロセル基地局１０とスモールセル基地局２０は同じ無線アクセス技術（ＲＡＴ（Radio Access Technology））を使用する。例えば、マクロセル基地局１０とスモールセル基地局２０はＬＴＥ−Ａまたはそれ以降の３ＧＰＰ（Third Generation Partnership Project）の規格に準拠した通信を行ってもよい。しかし、マクロセル基地局１０とスモールセル基地局２０は、異なるＲＡＴを使用してもよい。例えば、マクロセル基地局１０とスモールセル基地局２０のいずれかが、Ｗｉ−Ｆｉ（登録商標）などの無線ＬＡＮの規格に準拠した通信を行ってもよい。

以上のように、スモールセル基地局２０が無線送信局であってよく、ユーザ装置３０が無線受信局であってよい。但し、本発明に係る無線送信局は、スモールセル基地局２０に限らず、複数の送信アンテナ素子とこれらの送信アンテナ素子から放出される電波のビームの方向を制御する機構を有する他の通信装置であってもよい。

ビームフォーミング技術
MIMOにおいてビームまたはストリームを制御する技術としては、アナログ送信ビームフォーミング（analog transmission beamforming）、デジタルプリコーディング（digital precoding）、およびこれらを組み合わせたハイブリッドビームフォーミング（hybrid beamforming）がある。

図５は、アナログ送信ビームフォーミングを行う基地局２のブロック図である。送信されるＭストリームに相当するＭ系列の信号がアナログビームフォーマ４０に供給される。アナログビームフォーマ４０は、送信ビームフォーミングウェイト行列［Ｗ_Ｔ］をＭ系列の信号に適用し、Ｎ_Ｔ系列の信号を生成する。この明細書において、［］は行列を示すために使用される。Ｎ_Ｔは送信アンテナ素子４６の数である。送信ビームフォーミングウェイト行列［Ｗ_Ｔ］は、Ｍ行、Ｎ_Ｔ列を有する。

アナログビームフォーマ４０から出力されたＮ_Ｔ系列の信号は、図示しない周波数変換器でアップコンバートされ、高周波回路４２を経て、Ｎ_Ｔ個の送信アンテナ素子４６によってそれぞれ送信される。高周波回路４２は、フィルタおよび電力増幅器を有する。図示しない周波数変換器は、アナログビームフォーマ４０の前段に配置して、アナログビームフォーマ４０に供給されるＭ系列の信号をアップコンバートしてもよい。

アナログビームフォーマ４０はアナログ回路で実現される。図６はアナログビームフォーマ４０の一例を示す回路図である。このアナログビームフォーマ４０はＭブランチを有しており、ＭブランチにはＭストリームに対応するＭ系列の信号が供給される。

各ブランチはＮ_Ｔサブブランチを有し、各サブブランチはアナログ送信ビームフォーミングを実行するための可変移相器ＰＳと振幅調整器ＡＡを有している。図６において、各サブブランチは１つの点線の矩形で囲まれている。同じブランチに属するＮ_Ｔサブブランチには、送信ビームフォーミングウェイト行列［Ｗ_Ｔ］の１行のＮ_Ｔ個のウェイトがそれぞれ与えられる。

またアナログビームフォーマ４０は、Ｎ_Ｔ個の加算器ＡＤを有する。各加算器ＡＤは１つの送信アンテナ素子４６に対応する。各加算器ＡＤは、各ブランチの１サブブランチに接続されており、これらのサブブランチの出力を加算する。かくして、アナログビームフォーマ４０は、可変移相器ＰＳと振幅調整器ＡＡを使って、Ｍ系列の信号に送信ビームフォーミングウェイト行列［Ｗ_Ｔ］を乗算してＮ_Ｔ系列の信号を生成する機能を果たす。すべての送信アンテナ素子＃１〜＃Ｎ_Ｔは協働して複数のストリーム＃１〜＃Ｍを送信する。各送信アンテナ素子４６には、複数のストリーム＃１〜＃Ｍのための信号が供給されるのであり、加算器ＡＤはこれらの複数の信号を加算する役割を果たす。アナログビームフォーマ４０では、可変移相器ＰＳで変更できる位相と振幅調整器ＡＡで調整できる振幅が限定されるので、所定のビームしか形成することができない。

図７は、デジタルプリコーディングを行う基地局２のブロック図である。送信されるＭストリームに相当するＭ系列のデジタルのベースバンド信号がデジタルプリコーダ４４に供給される。デジタルプリコーダ４４は、プリコーディングウェイト行列［Ｐ］をＭ系列のベースバンド信号に適用し、Ｎ_Ｔ系列の信号を生成する。Ｎ_Ｔは送信アンテナ素子４６の数である。プリコーディングウェイト行列［Ｐ］は、Ｍ行、Ｎ_Ｔ列を有する。

デジタルプリコーダ４４から出力されたＮ_Ｔ系列の信号は、図示しないデジタルアナログ変換器でアナログ信号に変換され、高周波回路４２を経て、Ｎ_Ｔ個の送信アンテナ素子４６によってそれぞれ送信される。高周波回路４２は、フィルタおよび電力増幅器を有する。図示しないデジタルアナログ変換器でアナログ信号に変換されたＮ_Ｔ系列の信号は、図示しない周波数変換器でアップコンバートされてもよい。

デジタルプリコーダ４４は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）などのデジタル信号処理によって実現される。図８はデジタルプリコーダ４４の等価回路モデルを示す。この等価回路モデルはＭブランチを有しており、ＭブランチにはＭストリームに対応するＭ系列の信号が供給される。各ブランチはＮ_Ｔ個の乗算器ＭＰを有する。同じブランチに属するＮ_Ｔ個の乗算器ＭＰには、プリコーディングウェイト行列［Ｐ］の１行のＮ_Ｔ個のウェイトがそれぞれ与えられる。この等価回路モデルは、Ｎ_Ｔ個の加算器ＡＤを有する。各加算器ＡＤは１つの送信アンテナ素子４６に対応する。各加算器ＡＤは、各ブランチの１つの乗算器ＭＰに接続されており、これらの乗算器ＭＰの出力を加算する。この等価回路モデルと類似の方式で、デジタルプリコーダ４４は、Ｍ系列の信号にプリコーディングウェイト行列［Ｐ］を乗算してＮ_Ｔ系列の信号を生成する機能を果たす。実際のデジタルプリコーダ４４は、デジタル信号処理によって実現されるので、ストリームの最適化のフレキシビリティが高い。

図９は、ハイブリッドビームフォーミングを行う基地局２のブロック図である。送信されるＭストリームに相当するＭ系列のデジタルのベースバンド信号がデジタルプリコーダ４４に供給される。デジタルプリコーダ４４は、プリコーディングウェイト行列［Ｐ］をＭ系列のベースバンド信号に適用し、Ｌ系列の信号を生成する。Ｌは送信されるビームの数である。ここでのプリコーディングウェイト行列［Ｐ］は、Ｌ行、Ｍ列を有する。

デジタルプリコーダ４４は、ＤＳＰなどのデジタル信号処理によって実現される。図１０はデジタルプリコーダ４４の等価回路モデルを示す。この等価回路モデルはＭブランチを有しており、ＭブランチにはＭストリームに対応するＭ系列の信号が供給される。各ブランチはＬ個の乗算器ＭＰを有する。同じブランチに属するＬ個の乗算器ＭＰには、プリコーディングウェイト行列［Ｐ］の１列のＬ個のウェイトがそれぞれ与えられる。この等価回路モデルは、Ｌ個の加算器ＡＤを有する。各加算器ＡＤは１つの送信アンテナ素子４６に対応する。各加算器ＡＤは、各ブランチの１つの乗算器ＭＰに接続されており、これらの乗算器ＭＰの出力を加算する。この等価回路モデルと類似の方式で、デジタルプリコーダ４４は、Ｍ系列の信号にプリコーディングウェイト行列［Ｐ］を乗算して、Ｌ系列の信号を生成する機能を果たす。

デジタルプリコーダ４４から出力されたＬ系列の信号は、図示しないデジタルアナログ変換器でアナログ信号に変換され、アナログビームフォーマ４０に供給される。図示しないデジタルアナログ変換器でアナログ信号に変換されたＬ系列の信号は、図示しない周波数変換器でアップコンバートされてもよい。アナログビームフォーマ４０は、送信ビームフォーミングウェイト行列［Ｗ_Ｔ］をＬ系列の信号に適用し、Ｎ_Ｔ系列の信号を生成する。Ｎ_Ｔは送信アンテナ素子４６の数である。ここでの送信ビームフォーミングウェイト行列［Ｗ_Ｔ］は、Ｎ_Ｔ行、Ｌ列を有する。

アナログビームフォーマ４０から出力されたＮ_Ｔ系列の信号は、図示しない周波数変換器でアップコンバートされ、高周波回路４２を経て、Ｎ_Ｔ個の送信アンテナ素子４６によってそれぞれ送信される。高周波回路４２は、フィルタおよび電力増幅器を有する。図示しない周波数変換器は、アナログビームフォーマ４０の後段に配置してもよいし、前段に配置してもよいし、両方に配置してもよい。

アナログビームフォーマ４０はアナログ回路で実現される。図１０はアナログビームフォーマ４０の一例を示す回路図である。このアナログビームフォーマ４０はＬブランチを有しており、ＬブランチにはＬビームに対応するＬ系列の信号が供給される。

各ブランチはＮ_Ｔサブブランチを有し、各サブブランチはアナログ送信ビームフォーミングを実行するための可変移相器ＰＳと振幅調整器ＡＡを有している。図１０において、各サブブランチは１つの点線の矩形で囲まれている。同じブランチに属するＮ_Ｔサブブランチには、送信ビームフォーミングウェイト行列［Ｗ_Ｔ］の１列のＮ_Ｔ個のウェイトがそれぞれ与えられる。

またアナログビームフォーマ４０は、Ｎ_Ｔ個の加算器ＡＤを有する。各加算器ＡＤは１つの送信アンテナ素子４６に対応する。各加算器ＡＤは、各ブランチの１サブブランチに接続されており、これらのサブブランチの出力を加算する。かくして、アナログビームフォーマ４０は、Ｌ系列の信号に送信ビームフォーミングウェイト行列［Ｗ_Ｔ］を乗算してＮ_Ｔ系列の信号を生成する機能を果たす。すべての送信アンテナ素子＃１〜＃Ｎ_Ｔは協働して複数のストリーム＃１〜＃Ｍのための複数のビーム＃１〜＃Ｌを送信する。各送信アンテナ素子４６には、複数のビーム＃１〜＃Ｌのための信号が供給されるのであり、加算器ＡＤはこれらの複数の信号を加算する役割を果たす。

図９に示すハイブリッドビームフォーミングを行う基地局においては、図１１に示す手順で、送信ビームフォーミングウェイト行列［Ｗ_Ｔ］とプリコーディングウェイト行列［Ｐ］を決定する。第１段階では、基地局２は、プリコーディングウェイト行列［Ｐ］を固定したまま、送信ビームフォーミングウェイト行列［Ｗ_Ｔ］の候補を次々と変更し、異なるビームを次々と形成する。ユーザ装置３０は、各ビームについて受信品質を測定するとともにチャネル推定を実行する。ユーザ装置３０は最も受信品質が高い所定数のビームを選択し、選択されたビームを特定するための情報と、そのビームについてのチャネル推定結果（チャネル行列）を基地局２に教える。第２段階では、基地局２は、ユーザ装置３０での最も高い受信品質をもたらした送信ビームフォーミングウェイト行列［Ｗ_Ｔ］を使用し、さらにユーザ装置３０から通知されたチャネル行列に基づいて、プリコーディングウェイト行列［Ｐ］を決定する。この決定の手順は、後述する各種の実施の形態でも実施される。

PAPR低減の必要性
MIMOにおいては、無線送信局がビームフォーミングを行うので、複数の送信アンテナ素子４６に供給される電気信号のうち特定の電気信号の電力が、他の送信アンテナ素子４６に供給される電気信号の電力よりも極めて高くなることがある。一般に、無線送信局では、各送信アンテナ素子４６に供給される電気信号の電力は電力増幅器で増幅される。電力増幅器は、入力と出力の線形性が維持される範囲があり、高い電力が供給されると、出力される信号に非線形歪みが生じ、このため通信品質が低下する。また、非線形歪みに起因して、所望の周波数とは異なる周波数成分が発生し、そのような周波数で電波が送信されることにより、他の機器または他のシステムへの干渉が増加する。

図７に示すデジタルプリコーディングを行う基地局については、従来考えられているPAPRの低減方式（非特許文献１〜４に開示）を適用することにより、PAPRが高くなりすぎないように抑圧することが考えられる。図１２を参照し、デジタルプリコーディングを行う基地局でのPAPR抑圧の技術を説明する。

図１２に示すように、この基地局では、デジタルプリコーダ４４の出力であるＮ_Ｔ系列の信号の電力を測定する。そして、電力測定結果に基づいて、デジタルプリコーダ４４から出力されるＮ_Ｔ系列の信号の電力のピークを低減するように、パラメータが制御される。好ましくは、すべてのＮ_Ｔ系列の信号の電力が高周波回路４２内の電力増幅器４３の線形範囲にあるように、パラメータが制御される。図示例のパラメータはプリコーディングウェイト行列［Ｐ］である。

このようにPAPRが低減されるように調整されたプリコーディングウェイト行列［Ｐ］を用いて、デジタルプリコーダ４４は、再びデジタルプリコーディングを行う。その出力結果は、高周波回路４２に供給される。デジタルプリコーダ４４から出力であるＮ_Ｔ系列の信号の電力は高くなりすぎないように調整されている。したがって、特定の送信アンテナ素子４６に供給される電気信号のPAPRが高くなりすぎることが防止される。

しかし、図９に示すハイブリッドビームフォーミングを行う基地局については、従来考えられているPAPRの低減方式を適用しても、特定の送信アンテナ素子４６に供給される電気信号の電力が高くなりすぎないように抑圧することができるとは限らない。図１３を参照し、ハイブリッドビームフォーミングを行う基地局でのPAPR抑圧の技術の欠点を説明する。

図１３に示すように、この基地局では、デジタルプリコーダ４４の出力であるＮ_Ｔ系列の信号の電力を測定する。そして、電力測定結果に基づいて、デジタルプリコーダ４４から出力されるＮ_Ｔ系列の信号の電力のピークを低減するように、パラメータが制御される。図示例のパラメータはプリコーディングウェイト行列［Ｐ］である。

このようにPAPRが低減されるように調整されたプリコーディングウェイト行列［Ｐ］を用いて、デジタルプリコーダ４４は、再びデジタルプリコーディングを行う。その出力結果であるＬ系列の信号は、図示しないデジタルアナログ変換器でアナログ信号に変換され、アナログビームフォーマ４０に供給される。

アナログビームフォーマ４０では、可変移相器ＰＳによる位相回転が各信号に与えられ、さらに複数の信号が加算器ＡＤで加算される。したがって、せっかくデジタルプリコーダ４４の出力信号のPAPRが低減されていても、アナログビームフォーマ４０から出力される信号は高い電力を有するかもしれない。上記の通り、特定の送信アンテナ素子４６に供給される電気信号の電力が電力増幅器４３の線形範囲より高い場合には、通信品質が低下してしまう。

本発明の実施の形態は、ハイブリッドビームフォーミングを実行し、複数の送信アンテナ素子４６に供給される電気信号のPAPRを抑制することができる、無線送信局に関する。

第１の実施の形態
図１４は、本発明の第１の実施の形態に係る無線送信局（例えば基地局）の構成を示す。この無線送信局は、デジタルプリコーダ４４、アナログビームフォーマ４０Ａ、高周波回路４２およびＮ_Ｔ個の送信アンテナ素子４６を有する。

送信されるＭストリームに相当するＭ系列のデジタルのベースバンド信号（送信信号）がデジタルプリコーダ４４に供給される。デジタルプリコーダ４４は、プリコーディングウェイト行列［Ｐ］をＭ系列のベースバンド信号に適用し、Ｌ系列の信号を生成する。Ｍは２以上の整数である。Ｌは送信されるビームの数であり、２以上の整数である。ここでのプリコーディングウェイト行列［Ｐ］は、Ｌ行、Ｍ列を有する。デジタルプリコーダ４４の機能の詳細は、図１０を参照して上述した通りである。このようにして、デジタルプリコーダ４４は、デジタルプリコーディングを実行する。デジタルプリコーダ４４は、ＤＳＰなどのデジタル信号処理によって実現される。つまり、デジタルプリコーダ４４は、デジタルプロセッサが図示しない記憶部に記憶されたコンピュータプログラムを実行し、そのコンピュータプログラムに従って機能することにより実現される機能ブロックである。

デジタルプリコーダ４４から出力されたＬ系列の信号は、図示しないデジタルアナログ変換器でアナログ信号に変換され、アナログビームフォーマ４０Ａに供給される。図示しないデジタルアナログ変換器でアナログ信号に変換されたＬ系列の信号は、図示しない周波数変換器でアップコンバートされてもよい。アナログビームフォーマ４０Ａは、送信ビームフォーミングウェイト行列［Ｗ_Ｔ］をＬ系列の信号に適用し、Ｎ_Ｔ系列の信号を生成する。Ｎ_Ｔは送信アンテナ素子４６の数である。ここでの送信ビームフォーミングウェイト行列［Ｗ_Ｔ］は、Ｎ_Ｔ行、Ｌ列を有する。アナログビームフォーマ４０Ａは、デジタルプリコーディングが施されたＬ系列の信号に対して、送信ビームフォーミングウェイト行列［Ｗ_Ｔ］に相当する位相および振幅の変化を付与するアナログ送信ビームフォーミングを実行する。

アナログビームフォーマ４０Ａから出力されたＮ_Ｔ系列の信号は、図示しない周波数変換器でアップコンバートされ、高周波回路４２を経て、Ｎ_Ｔ個の送信アンテナ素子４６によってそれぞれ送信される。高周波回路４２は、フィルタおよび電力増幅器４３を有する。図示しない周波数変換器は、アナログビームフォーマ４０Ａの後段に配置してもよいし、前段に配置してもよいし、両方に配置してもよい。送信アンテナ素子４６は、アナログ送信ビームフォーミングが施されたＮ_Ｔ系列の信号をＬ本のビームによって送信する。Ｎ_ＴはＬより大きいＬの倍数である。高周波回路４２は、Ｎ_Ｔ個の電力増幅器４３を有しており、各電力増幅器４３は１つの送信アンテナ素子４６に接続されている。Ｎ_Ｔ系列の信号は、Ｎ_Ｔ個の電力増幅器４３でそれぞれ増幅され、Ｎ_Ｔ個の送信アンテナ素子４６に供給される。

さらに、この無線送信局は、電力測定部５０、パラメータ制御部５２およびウェイト生成部５４を有する。電力測定部５０は、デジタルプリコーダ４４から出力されたＬ系列の信号の電力を測定する。

パラメータ制御部５２およびウェイト生成部５４は、デジタルプロセッサが図示しない記憶部に記憶されたコンピュータプログラムを実行し、そのコンピュータプログラムに従って機能することにより実現される機能ブロックである。パラメータ制御部５２は、この実施の形態では、公知の手法によりプリコーディングウェイト行列［Ｐ］を生成し、これをデジタルプリコーダ４４に供給する。ウェイト生成部５４は、公知の手法により送信ビームフォーミングウェイト行列［Ｗ_Ｔ］を生成し、これをアナログビームフォーマ４０Ａに供給する。

パラメータ制御部５２は、電力測定部５０の測定結果に基づいて、デジタルプリコーダ４４から出力されるＬ系列の信号の電力のピークを低減するように、プリコーディングウェイト行列［Ｐ］を調節する。具体的には、デジタルプリコーダ４４から出力されるＬ系列のすべての信号の電力が閾値未満になるように、パラメータ制御部５２はプリコーディングウェイト行列［Ｐ］を調節する。デジタルプリコーダ４４から出力されるＬ系列のすべての信号の電力が閾値未満になったら、デジタルプリコーダ４４から出力されるＬ系列の信号は、アナログビームフォーマ４０Ａ側に供給される。

アナログビームフォーマ４０Ａはアナログ回路で実現される。アナログ送信ビームフォーマ４０ＡはＬブランチを有しており、ＬブランチにはＬビームに対応するＬ系列の信号が供給される。

各ブランチはＮ_Ｔ／Ｌサブブランチを有しており、各サブブランチはアナログ送信ビームフォーミングを実行するための可変移相器ＰＳと振幅調整器ＡＡを有している。図１４において、各サブブランチは１つの点線の矩形で囲まれている。各サブブランチは１個の送信アンテナ素子４６に接続されている。各ブランチに供給されて位相および振幅が調整された信号は、Ｎ_Ｔ／Ｌ個の送信アンテナ素子４６に供給される。

アナログビームフォーマ４０Ａは、アナログビームフォーマ４０（図９、図１０、図１３）と異なり、複数ブランチの信号を加算する加算器ＡＤを有しない。可変移相器ＰＳと振幅調整器ＡＡを有する各サブブランチにおいて位相および振幅が調整された信号は、他のサブブランチの信号が加算されることなく、１個の送信アンテナ素子４６に供給される。

このように各サブブランチの信号が他のサブブランチの信号に加算されずに１個の送信アンテナ素子４６に供給されるアナログビームフォーマ４０Ａを便宜上、サブアレー型のアナログビームフォーマと呼ぶことにする。他方、各サブブランチの信号が他のサブブランチの信号に加算されて１個の送信アンテナ素子４６に供給されるアナログビームフォーマ４０を便宜上、フルアレー型のアナログビームフォーマと呼ぶことにする。

サブアレー型のアナログビームフォーマ４０Ａによれば、送信アンテナ素子＃１〜＃Ｎ_Ｔは複数のストリーム＃１〜＃Ｍのための複数のビーム＃１〜＃Ｌを送信する。しかし、各々がＮ_Ｔ／Ｌサブブランチを有するＬ個のブランチは互いに独立しており、１つのビームはＮ_Ｔ／Ｌ個の送信アンテナ素子４６によって送信される。例えば、ビーム＃１は送信アンテナ素子＃１〜＃Ｎ_Ｔ／Ｌから送信され、ビーム＃Ｌは送信アンテナ素子＃Ｎ_Ｔ＋１−Ｎ_Ｔ／Ｌ〜＃Ｎ_Ｔから送信される。これは、加算器ＡＤを有し、すべての送信アンテナ素子＃１〜＃Ｎ_Ｔが協働して個々のビームの各々を送信するようにしているフルアレー型のアナログビームフォーマ４０とは対照的である。

次に、アナログビームフォーマ４０Ａにて使用される送信ビームフォーミングウェイト行列［Ｗ_Ｔ］を説明する。Ｍ系列のデジタルのベースバンド信号のベクトル

は下記の式で表すことができる。

Ｎ_Ｔ個の送信アンテナ素子４６を有する送信アンテナセットからの送信信号ベクトル

は下記の式で表すことができる。

ここで［Ｗ_Ｔ］は送信ビームフォーミングウェイト行列であり、［Ｐ］はプリコーディングウェイト行列である。

Ｎ_Ｔ行、Ｌ列の送信ビームフォーミングウェイト行列［Ｗ_Ｔ］は下記の一般式（１）で表すことができる。

ここで、この行列の要素であるベクトル

は下記の式で表すことができる。

但し、サブアレー型のアナログビームフォーマ４０Ａにて使用されるＮ_Ｔ行、Ｌ列の送信ビームフォーミングウェイト行列［Ｗ_Ｔ］は下記の式（２）で表すことができる。

この式の矩形は、Ｎ_Ｔ／Ｌ個の数値からなるベクトルを示す。Ｌ個の矩形には、異なるベクトルが入る。図１４の点線の矩形で囲まれた各サブブランチにはそれぞれこれらの数値がウェイトとして与えられる。矩形で示されたベクトル以外のウェイトはゼロである。

同じブランチに属するＮ_Ｔ／Ｌサブブランチには、この送信ビームフォーミングウェイト行列［Ｗ_Ｔ］の１列のＮ_Ｔ／Ｌ個のウェイトがそれぞれ与えられる。かくして、アナログビームフォーマ４０Ａは、Ｌ系列の信号に送信ビームフォーミングウェイト行列［Ｗ_Ｔ］を乗算する効果を可変位相器と振幅調整器により実現し、Ｎ_Ｔ系列の信号を生成する機能を果たす。

この実施の形態に係るサブアレー型のアナログビームフォーマ４０Ａにおいては、各々がＮ_Ｔ／Ｌ個の送信アンテナ素子４６に対応するＬブランチがＬ本のビームをそれぞれ形成する。各送信アンテナ素子４６に供給される信号の位相および振幅が他の送信アンテナ素子４６に供給される信号とは独立に調整される。つまり、各サブブランチにおいて位相および振幅が調整された信号は、他のサブブランチの信号が加算されることなく、１個の送信アンテナ素子４６に供給される。したがって、図１３に示すフルアレー型のアナログビームフォーマ４０と異なり、一旦、PAPRが低減されるように調整されたプリコーディングされた信号のPAPRをアナログビームフォーマ４０Ａは大幅に増加させることがない。このため、複数の送信アンテナ素子４６に供給される電気信号、より正確には電力増幅器４３に供給される電気信号のPAPRを抑制することができる。

この実施の形態において、送信されるビームの数Ｌは固定でもよいし可変でもよい。ビームの数Ｌが可変である場合には、ブランチの数、およびブランチを構成するサブブランチの数が変わるので、例えばスイッチなどの信号の進路を変更する要素を設ける必要がある。

第２の実施の形態
図１５は、本発明の第２の実施の形態に係る無線送信局（例えば基地局）の構成を示す。第２の実施の形態は第１の実施の形態の修正である。図１５において、図１４と同じ構成要素を示すために同じ参照符号が使用され、これらの構成要素については詳細には説明しない。

この無線送信局は、第１の実施の形態の構成要素に加えて、信号測定部５６を有する。信号測定部５６はアナログビームフォーマ４０Ａによって位相および振幅が調整されたＮ_Ｔ系列の信号（つまりすべてのサブブランチの信号）の電気的特性を測定する。測定される電気的特性は、典型的には電力であるが、電圧、電流、振幅であってもよい。この実施の形態では、信号測定部５６は、各サブブランチの電力増幅器４３で増幅されていない信号の電気的特性を測定する。

信号測定部５６の測定結果はパラメータ制御部５２に供給される。第１の実施の形態に関連して上記の通り、パラメータ制御部５２は、電力測定部５０の測定結果に基づいて、プリコーディングウェイト行列［Ｐ］を調節する。さらに、パラメータ制御部５２は、信号測定部５６の測定結果に基づいて、プリコーディングウェイト行列［Ｐ］を調節する。具体的には、アナログビームフォーマ４０Ａから出力されるＮ_Ｔ系列のすべての信号の電力が閾値未満になるように、パラメータ制御部５２はプリコーディングウェイト行列［Ｐ］を調節する。アナログビームフォーマ４０Ａから出力されるＮ_Ｔ系列のすべての信号の電力が閾値未満になったら、アナログビームフォーマ４０Ａから出力されるＮ_Ｔ系列の信号は、送信アンテナ素子４６側に供給される。

この実施の形態によれば、アナログビームフォーマ４０Ａの可変移相器ＰＳおよび振幅調整器ＡＡの実際の特性に時間的な変動または誤差があったとしても、アナログビームフォーマ４０Ａの出力結果に基づいて、パラメータ制御部５２がプリコーディングウェイト行列［Ｐ］を適切に調節する。したがって、複数の電力増幅器４３に供給される電気信号のPAPRを適切に抑制することができる。

第３の実施の形態
図１６は、本発明の第３の実施の形態に係る無線送信局（例えば基地局）の構成を示す。この無線送信局は、デジタルプリコーダ４４、アナログビームフォーマ４０、高周波回路４２、Ｎ_Ｔ個の送信アンテナ素子４６、パラメータ制御部５２、ウェイト生成部５４および信号予測部５８を有する。

デジタルプリコーダ４４、高周波回路４２および送信アンテナ素子４６は、第１の実施の形態のそれらと同じである。デジタルプリコーダ４４から出力されたＬ系列の信号は、図示しないデジタルアナログ変換器でアナログ信号に変換され、アナログビームフォーマ４０に供給される。図示しないデジタルアナログ変換器でアナログ信号に変換されたＬ系列の信号は、図示しない周波数変換器でアップコンバートされてもよい。アナログビームフォーマ４０は、ウェイト生成部５４から与えられる送信ビームフォーミングウェイト行列［Ｗ_Ｔ］をＬ系列の信号に適用し、Ｎ_Ｔ系列の信号を生成する。Ｎ_Ｔは送信アンテナ素子４６の数である。ここでの送信ビームフォーミングウェイト行列［Ｗ_Ｔ］は、Ｎ_Ｔ行、Ｌ列を有する。アナログビームフォーマ４０は、デジタルプリコーディングが施されたＬ系列の信号に対して、送信ビームフォーミングウェイト行列［Ｗ_Ｔ］に相当する位相および振幅の変化を付与するアナログ送信ビームフォーミングを実行する。

アナログビームフォーマ４０から出力されたＮ_Ｔ系列の信号は、図示しない周波数変換器でアップコンバートされ、高周波回路４２を経て、Ｎ_Ｔ個の送信アンテナ素子４６によってそれぞれ送信される。高周波回路４２は、フィルタおよび電力増幅器４３を有する。図示しない周波数変換器は、アナログビームフォーマ４０の後段に配置してもよいし、前段に配置してもよいし、両方に配置してもよい。送信アンテナ素子４６は、アナログ送信ビームフォーミングが施されたＮ_Ｔ系列の信号をＬ本のビームによって送信する。Ｎ_ＴはＬより大きいＬの倍数である。高周波回路４２は、Ｎ_Ｔ個の電力増幅器４３を有しており、各電力増幅器４３は１つの送信アンテナ素子４６に接続されている。Ｎ_Ｔ系列の信号は、Ｎ_Ｔ個の電力増幅器４３でそれぞれ増幅され、Ｎ_Ｔ個の送信アンテナ素子４６に供給される。

パラメータ制御部５２およびウェイト生成部５４は、デジタルプロセッサが図示しない記憶部に記憶されたコンピュータプログラムを実行し、そのコンピュータプログラムに従って機能することにより実現される機能ブロックである。パラメータ制御部５２は、この実施の形態では、公知の手法によりプリコーディングウェイト行列［Ｐ］を生成し、これをデジタルプリコーダ４４に供給する。ウェイト生成部５４は、公知の手法により送信ビームフォーミングウェイト行列［Ｗ_Ｔ］を生成し、これをアナログビームフォーマ４０に供給する。

アナログビームフォーマ４０は、上記のフルアレー型のアナログビームフォーマである。アナログビームフォーマ４０はアナログ回路で実現される。アナログ送信ビームフォーマ４０はＬブランチを有しており、ＬブランチにはＬビームに対応するＬ系列の信号が供給される。

各ブランチはＮ_Ｔサブブランチを有しており、各サブブランチはアナログ送信ビームフォーミングを実行するための可変移相器ＰＳと振幅調整器ＡＡを有している。図１６において、各サブブランチは１つの点線の矩形で囲まれている。

アナログビームフォーマ４０は、Ｎ_Ｔ個の加算器ＡＤを有する。各加算器ＡＤは１つの送信アンテナ素子４６に対応する。各加算器ＡＤは、各ブランチの１サブブランチに接続されており、これらのサブブランチの出力を加算する。かくして、アナログビームフォーマ４０は、Ｌ系列の信号に送信ビームフォーミングウェイト行列［Ｗ_Ｔ］を乗算してＮ_Ｔ系列の信号を生成する機能を果たす。すべての送信アンテナ素子＃１〜＃Ｎ_Ｔは協働して複数のストリーム＃１〜＃Ｍのための複数のビーム＃１〜＃Ｌを送信する。各送信アンテナ素子４６には、複数のビーム＃１〜＃Ｌのための信号が供給されるのであり、加算器ＡＤはこれらの複数の信号を加算する役割を果たす。

この実施の形態において、ウェイト生成部５４がアナログビームフォーマ４０に与える送信ビームフォーミングウェイト行列［Ｗ_Ｔ］は、Ｎ_Ｔ行、Ｌ列を有し、一般式（１）の形態をとり、上記の式（２）のような多数のゼロウェイトを有する形態をとらない。同じブランチに属するＮ_Ｔサブブランチには、送信ビームフォーミングウェイト行列［Ｗ_Ｔ］の１列のＮ_Ｔ個のウェイトがそれぞれ与えられる。

信号予測部５８は、デジタルプロセッサが図示しない記憶部に記憶されたコンピュータプログラムを実行し、そのコンピュータプログラムに従って機能することにより実現される機能ブロックである。信号予測部５８は、デジタルプリコーダ４４から出力されたＬ系列の信号およびウェイト生成部５４で生成された送信ビームフォーミングウェイト行列［Ｗ_Ｔ］に基づいて、アナログ送信ビームフォーマ４０の出力であるＮ_Ｔ系列の信号を予測する。つまり、信号予測部５８は、デジタルプリコーダ４４から出力されたＬ系列のデジタル信号に送信ビームフォーミングウェイト行列［Ｗ_Ｔ］を乗算して、Ｎ_Ｔ系列の予測送信信号を生成する。Ｎ_Ｔ系列の予測送信信号は、アナログビームフォーマ４０で生成されるであろうＮ_Ｔ系列の信号の予測である。

パラメータ制御部５２は、信号予測部５８の予測に基づいて、Ｎ_Ｔ系列の予測送信信号（アナログビームフォーマ４０で生成されるであろうＮ_Ｔ系列の信号に対応する）の電力のピークを低減するように、プリコーディングウェイト行列［Ｐ］を調節する。具体的には、信号予測部５８で生成されるＮ_Ｔ系列のすべての信号の電力が閾値未満になるように、パラメータ制御部５２はプリコーディングウェイト行列［Ｐ］を調節する。信号予測部５８で生成されるＮ_Ｔ系列のすべての信号の電力が閾値未満になったら、デジタルプリコーダ４４から出力されるＬ系列の信号は、アナログビームフォーマ４０側に供給される。

このようにして、アナログビームフォーマ４０で使用される送信ビームフォーミングウェイト行列［Ｗ_Ｔ］に基づいて、PAPRが低減されるように調整されたプリコーディングウェイト行列［Ｐ］でプリコーディングされた信号が、アナログビームフォーマ４０でアナログ送信ビームフォーミングを受ける。したがって、複数の送信アンテナ素子４６に供給される電気信号、より正確には電力増幅器４３に供給される電気信号のPAPRを抑制することができる。

第４の実施の形態
図１７は、本発明の第４の実施の形態に係る無線送信局（例えば基地局）の構成を示す。第４の実施の形態は第３の実施の形態の修正である。図１７において、図１６と同じ構成要素を示すために同じ参照符号が使用され、これらの構成要素については詳細には説明しない。

この無線送信局は、第３の実施の形態の構成要素に加えて、信号測定部５６を有する。信号測定部５６はアナログビームフォーマ４０によって位相および振幅が調整されたＮ_Ｔ系列の信号の電気的特性を測定する。測定される電気的特性は、典型的には電力であるが、電圧、電流、振幅であってもよい。この実施の形態では、信号測定部５６は、各サブブランチの電力増幅器４３で増幅されていない信号の電気的特性を測定する。

信号測定部５６の測定結果は信号予測部５８に供給される。信号予測部５８は、信号測定部５６の測定結果に基づいて、アナログビームフォーマ４０の可変移相器ＰＳおよび振幅調整器ＡＡの実際の特性パラメータを推定する。そして、信号予測部５８は、ウェイト生成部５４で生成される送信ビームフォーミングウェイト行列［Ｗ_Ｔ］を特性パラメータで補正する。次に、信号予測部５８は、デジタルプリコーダ４４から出力されたＬ系列の信号および補正された送信ビームフォーミングウェイト行列［Ｗ_Ｔ］に基づいて、アナログ送信ビームフォーマ４０の出力であるＮ_Ｔ系列の信号を予測する。つまり、信号予測部５８は、デジタルプリコーダ４４から出力されたＬ系列のデジタル信号に補正された送信ビームフォーミングウェイト行列［Ｗ_Ｔ］を乗算して、Ｎ_Ｔ系列の予測送信信号を生成する。Ｎ_Ｔ系列の予測送信信号は、アナログビームフォーマ４０で生成されるであろうＮ_Ｔ系列の信号の予測である。

パラメータ制御部５２は、信号予測部５８の予測に基づいて、Ｎ_Ｔ系列の予測送信信号（アナログビームフォーマ４０で生成されるであろうＮ_Ｔ系列の信号に対応する）の電力のピークを低減するように、プリコーディングウェイト行列［Ｐ］を調節する。具体的には、信号予測部５８で生成されるＮ_Ｔ系列のすべての信号の電力が閾値未満になるように、パラメータ制御部５２はプリコーディングウェイト行列［Ｐ］を調節する。

したがって、パラメータ制御部５２は、信号測定部５６の測定結果に基づいて、プリコーディングウェイト行列［Ｐ］を調節する。代替的な実施の形態として、信号測定部５６の測定結果は、信号予測部５８に供給されるのではなく、パラメータ制御部５２に供給されてもよい。この場合、信号測定部５６は、第３の実施の形態と同じ方式で、デジタルプリコーダ４４から出力されたＬ系列のデジタル信号にウェイト生成部５４で生成された送信ビームフォーミングウェイト行列［Ｗ_Ｔ］を乗算して、Ｎ_Ｔ系列の予測送信信号を生成し、パラメータ制御部５２は、信号測定部５６の測定結果に基づいて、アナログビームフォーマ４０の可変移相器ＰＳおよび振幅調整器ＡＡの実際の特性パラメータを考慮して、予測送信信号を補正する。

いずれの場合にせよ、信号予測部５８で生成されるＮ_Ｔ系列のすべての信号の電力が閾値未満になったら、デジタルプリコーダ４４から出力されるＬ系列の信号は、アナログビームフォーマ４０側に供給される。

この実施の形態によれば、アナログビームフォーマ４０の可変移相器ＰＳおよび振幅調整器ＡＡの実際の特性に時間的な変動または誤差があったとしても、アナログビームフォーマ４０の出力結果に基づいて、パラメータ制御部５２がプリコーディングウェイト行列［Ｐ］を適切に調節する。したがって、複数の電力増幅器４３に供給される電気信号のPAPRを適切に抑制することができる。

この実施の形態において、信号測定部５６によって測定されたいずれかの系列の信号の電力がある閾値を超えると、信号送信を停止するようにしてもよい。この目的のため、高周波回路４２と送信アンテナ素子４６の間に図１５に示すものと同様のスイッチを設けてもよい。

他の修正
図１８は上記の実施の形態のいずれにも適用可能な修正が行われた無線送信局の一部を示す。上記の実施の形態においては、パラメータ制御部５２は、電力測定部５０の測定結果または信号予測部５８の予測に基づいて、デジタルプリコーダ４４で使用されるプリコーディングウェイト行列［Ｐ］を調節する。しかし、パラメータ制御部５２は、電力測定部５０の測定結果または信号予測部５８の予測に基づいて、デジタルプリコーダ４４に入力されるＭ系列のデジタルのベースバンド信号（送信信号）の生成のためのパラメータを調節してもよい。図１８に示すように、パラメータ制御部５２は、Ｍ系列のデジタルのベースバンド信号を生成するデジタル信号生成部６０に、ベースバンド信号の生成のための調節されたパラメータを供給する。パラメータ制御部５２は、プリコーディングウェイト行列［Ｐ］を調節し、さらにベースバンド信号の生成のためのパラメータを調節してもよい。

この場合、パラメータ制御部５２が調節するパラメータは、従来考えられているPAPRの低減方式（非特許文献１〜４に開示）に従ってよい。例えば、パラメータ制御部５２は、PAPRが減るような値（パラメータ）をベースバンド信号の少なくともいずれかに加算してもよい。パラメータ制御部５２は、クリップ閾値（パラメータ）を用いてクリッピングしてもよい。パラメータ制御部５２は、PAPRが減るような位相回転量（パラメータ）を用いて、OFDMサブキャリア毎に異なる位相回転を与えてもよい。パラメータ制御部５２は、PAPRが減るようなシフト量（パラメータ）を用いて、OFDMサブキャリア毎に異なるサイクリックシフトを与えてもよい。上記のPAPRの低減方式は、例示のために記載したのであって、他のPAPRの低減方式に従って、パラメータ制御部５２はパラメータを調節してもよい。

パラメータ制御部５２は、電力測定部５０の測定結果または信号予測部５８の予測に基づいて、複数のPAPRの低減方式のいずれか１つ以上を選択し、選択されたPAPRの低減方式に従ってパラメータを調節してもよい。例えば、電力測定部５０で測定されるPAPRが低いレベルであれば、パラメータ制御部５２はある低減方式を選択し、電力測定部５０で測定されるPAPRが高いレベルであれば、パラメータ制御部５２は他の低減方式を選択し、電力測定部５０で測定されるPAPRが極めて高いレベルであれば、パラメータ制御部５２は２つの低減方式を選択してもよい。例えば、信号予測部５８で予測されるPAPRが低いレベルであれば、パラメータ制御部５２はある低減方式を選択し、信号予測部５８で予測されるPAPRが高いレベルであれば、パラメータ制御部５２は他の低減方式を選択し、信号予測部５８で予測されるPAPRが極めて高いレベルであれば、パラメータ制御部５２は２つの低減方式を選択してもよい。

図１９は上記の第２の実施の形態および第４の実施の形態、ならびに後述する図２０および図２１に示される修正のいずれにも適用可能な修正が行われた無線送信局の一部を示す。第２の実施の形態（図１５）および第４の実施の形態（図１７）では、信号測定部５６は、各サブブランチの電力増幅器４３で増幅されていない信号の電気的特性を測定する。これに加えてあるいはこれに代えて、信号測定部５６は、各サブブランチの電力増幅器４３で増幅された信号の電気的特性を測定してもよい。図１９は、信号測定部５６は、各サブブランチの電力増幅器４３で増幅されていない信号と電力増幅器４３で増幅された信号を測定することを示す。

このように信号測定部５６が各サブブランチの電力増幅器４３で増幅された信号の電気的特性を測定する場合には、パラメータ制御部５２は、電力増幅器４３の出力が電力増幅器４３の非線形歪みの影響を受けたか否かを判断することができる。つまり、パラメータ制御部５２は、電力増幅器４３への入力が高すぎたか否かを判断することができる。パラメータ制御部５２は、この判断に基づいて、ベースバンド信号の生成のためのパラメータおよびプリコーディングウェイト行列［Ｐ］の少なくともいずれかをより適切に制御することができる。

図２０は、本発明の第３の実施の形態の修正に係る無線送信局の構成を示すブロック図である。この無線送信局は、アナログビームフォーマ４０の代わりにアナログビームフォーマ４０Ｂを有する。アナログビームフォーマ４０Ｂは、アナログ回路で実現される。アナログビームフォーマ４０Ｂは、図１４のサブアレー型のアナログビームフォーマ４０Ａに類似するが、アナログビームフォーマ４０Ａと異なり、Ｎ_Ｔ個の加算器ＡＤを有する。

Ｎ_Ｔ個の加算器ＡＤはＮ_Ｔ個のサブブランチ（各サブブランチは１つの点線の矩形で囲まれている）の後段にそれぞれ設けられている。各加算器ＡＤは、その加算器が設けられたブランチに属するＮ_Ｔ／Ｌサブブランチから出力された信号を加算する。各サブブランチにおいて位相および振幅が調整された信号には、他のブランチの信号が加算されないが、同じブランチに属するサブブランチから出力された信号が加算される。各加算器ＡＤの出力信号は１個の送信アンテナ素子４６に供給される。他の特徴は第３の実施の形態と同じであり、第３の実施の形態と同じ効果が達成される。図２０に示す修正は、第４の実施の形態にも適用してもよい。

図２１は、本発明の第３の実施の形態の他の修正に係る無線送信局の構成を示すブロック図である。この無線送信局は、アナログビームフォーマ４０の代わりにアナログビームフォーマ４０Ｃを有する。アナログビームフォーマ４０Ｃは、アナログ回路で実現される。アナログビームフォーマ４０Ｃは、２段階の位相および振幅調整を行う。アナログビームフォーマ４０Ｃは、図１６のフルアレー型のアナログビームフォーマ４０に類似する部分を有するが、加算器ＡＤの数はＮ_Ｔ個である。アナログ送信ビームフォーマ４０ＣはＬブランチを有しており、ＬブランチにはＬビームに対応するＬ系列の信号が供給される。各ブランチはＮ_Ｔサブブランチを有しており、各サブブランチは可変移相器ＰＳと振幅調整器ＡＡを有している。各加算器ＡＤは、各ブランチの１サブブランチに接続されており、これらのサブブランチの出力を加算する。

Ｎ_Ｔ個の加算器ＡＤの各々の出力は、Ｎ_Ｔ／Ｌ系統の位相・振幅調整部に供給される。各位相・振幅調整部は可変移相器ＰＳと振幅調整器ＡＡを有している。各位相・振幅調整部は、加算器を介さずに、１個の送信アンテナ素子４６に接続されている。他の特徴は第３の実施の形態と同じであり、第３の実施の形態と同じ効果が達成される。図２１に示す修正は、第４の実施の形態にも適用してもよい。

無線送信局において、デジタルプリコーダ４４以外のデジタルプロセッサが実行する各機能は、デジタルプロセッサの代わりに、ハードウェアで実行してもよいし、例えばFPGA（Field Programmable Gate Array），DSP（Digital Signal Processor）等のプログラマブルロジックデバイスで実行してもよい。

前記の実施の形態および変形は、矛盾しない限り、組み合わせてもよい。

２ 基地局、１０ マクロセル基地局、１２ 中央制御局、２０ スモールセル基地局（無線送信局）、３０ ユーザ装置（無線受信局）、４０ アナログビームフォーマ、４０Ａ アナログビームフォーマ、４０Ｂ アナログビームフォーマ、４０Ｃ アナログビームフォーマ、４２ 高周波回路、４４ デジタルプリコーダ、ＰＳ 可変移相器、ＡＡ 振幅調整器、ＡＤ 加算器、ＭＰ 乗算器、４３ 電力増幅器、４６ 送信アンテナ素子、５０ 電力測定部、５２ パラメータ制御部、５４ ウェイト生成部、５６ 信号測定部、５８ 信号予測部、６０ デジタル信号生成部、１５ 基地局（無線受信局）、１００ 乗物、２００ ＧＭ中継局（無線送信局）、２２０ アンテナセット

Claims (3)

1. 複数ストリームの送信信号にプリコーディングウェイト行列を適用して、デジタルプリコーディングを実行するデジタルプリコーダと、
   前記デジタルプリコーディングが施されたＬ系列（Ｌは２以上の整数）の信号に対して、送信ビームフォーミングウェイト行列に相当する位相および振幅の変化を付与するアナログ送信ビームフォーミングを実行するアナログ送信ビームフォーマと、
   前記アナログ送信ビームフォーミングが施された信号をＬ本のビームによって送信するＮ_Ｔ個の送信アンテナ素子（Ｎ_ＴはＬより大きいＬの倍数）と、
   前記デジタルプリコーダから出力されたＬ系列の信号の電力を測定する電力測定部と、
   前記電力測定部の測定結果に基づいて、前記デジタルプリコーダから出力されるＬ系列の信号の電力のピークを低減するように、前記送信信号の生成のためのパラメータおよび前記プリコーディングウェイト行列の少なくともいずれかを調節するパラメータ制御部と
   を備え、
   前記アナログ送信ビームフォーマはＬブランチを有しており、前記Ｌブランチには、前記Ｌ本のビームに対応する前記Ｌ系列の信号が供給され、
   各ブランチはＮ_Ｔ／Ｌサブブランチを有しており、各サブブランチは前記アナログ送信ビームフォーミングを実行するための可変移相器と振幅調整器を有しており、各サブブランチは１個の前記送信アンテナ素子に接続され、
   各ブランチに供給されて位相および振幅が調整された信号は、Ｎ_Ｔ／Ｌ個の送信アンテナ素子に供給され、
   各サブブランチにおいて位相および振幅が調整された信号は、他のサブブランチの信号が加算されることなく、１個の前記送信アンテナ素子に供給される、
   無線送信局。
2. 複数ストリームの送信信号にプリコーディングウェイト行列を適用して、デジタルプリコーディングを実行するデジタルプリコーダと、
   前記デジタルプリコーディングが施されたＬ系列（Ｌは２以上の整数）の信号に対して、送信ビームフォーミングウェイト行列に相当する位相および振幅の変化を付与するアナログ送信ビームフォーミングを実行するアナログ送信ビームフォーマと、
   前記アナログ送信ビームフォーミングが施された信号をＬ本のビームによって送信するＮ_Ｔ個の送信アンテナ素子（Ｎ_ＴはＬより大きいＬの倍数）と、
   前記アナログ送信ビームフォーマに与える前記送信ビームフォーミングウェイト行列を生成するウェイト生成部と、
   前記送信ビームフォーミングウェイト行列と、前記デジタルプリコーダから出力されたＬ系列の信号に基づいて、前記アナログ送信ビームフォーマの出力であるＮ_Ｔ系列の信号を予測する信号予測部と、
   前記信号予測部の予測に基づいて、前記Ｎ_Ｔ系列の信号の電力のピークを低減するように、前記送信信号の生成のためのパラメータおよび前記プリコーディングウェイト行列の少なくともいずれかを調節するパラメータ制御部と
   を備える、
   無線送信局。
3. 前記アナログ送信ビームフォーマによって位相および振幅が調整されたＮ_Ｔ系列の信号の電気的特性を測定する信号測定部をさらに備え、
   前記信号測定部の測定結果に基づいて、前記パラメータ制御部は、前記パラメータおよび前記プリコーディングウェイト行列の少なくともいずれかを調節する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の無線送信局。
   

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