JP4754019B2

JP4754019B2 - Ｍｉｍｏ送信装置

Info

Publication number: JP4754019B2
Application number: JP2009521492A
Authority: JP
Inventors: 仁麿東郷
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-07-05
Filing date: 2007-07-05
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2027-07-05
Also published as: EP2166672A1; JPWO2009004733A1; US20100184393A1; US8073405B2; WO2009004733A1

Description

本発明は、複数のアンテナから送信された無線信号を複数のアンテナで受信して無線通信を行うマルチインプット・マルチアウトプット(Multiple Input Multiple Output:MIMO)技術を利用したＭＩＭＯ送信装置に関する。

今後、移動体及び固定の無線通信のブロードバンド化が進むと、基地局装置の大型化、又は、電力増幅器の消費電力の増大に伴う携帯端末のバッテリーの寿命低下及び放熱などが大きな課題となる。そのため電力増幅器には、高速・広帯域信号を、低歪でかつ高効率で増幅できることが求められる。

高効率な変調及び増幅を実現する方法として、ドハティ増幅方式、エンベロープトラッキング（ＥＴ：Ｅｎｖｅｌｏｐｅ−Ｔｒａｃｋｉｎｇ）方式、ＥＥＲ（Ｅｎｖｅｌｏｐｅ−Ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ−Ｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎ）方式などがある。

一方、近年、送信信号の伝送容量を増やすために、ＱＡＭ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ−Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ−Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）などの多値変調方式が利用される。

さらに、周波数利用効率の向上のためマルチキャリア信号を周波数軸上に高密度に配置したＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−Ｄｉｖｉｓｉｏｎ―Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）方式が利用される。

またさらに、複数のアンテナを用いたＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ−Ｉｎｐｕｔ−Ｍｕｌｔｉ−Ｏｕｔｐｕｔ）伝送方式により、大容量伝送が可能となる。

図１は、２×２のＭＩＭＯ伝送方式が適用される送信装置の構成図である。同図に示すように送信装置１０は、電力増幅器１、アンテナ２、及び信号生成器３から成る送信系を２セット有している。信号生成器３−１は、送信データ１を受け取り、アップコンバートなどの無線処理を行うことにより無線信号系列を生成する。電力増幅器１−１は、信号生成器３−１で生成された無線信号系列を受け取り、この無線信号系列を増幅する。増幅後の無線信号系列は、アンテナ２−１を介して送信される。送信データ系列２に対しても、もう１つの送信系で同様の処理が行われる。

ところで、上記多値変調方式やＯＦＤＭ方式が採用されることにより、送信無線信号系列の包絡信号（エンベロープ信号）の変動が、より大きくなる傾向にある。すなわち、広ダイナミックレンジの信号になる傾向がある。このエンベロープ信号の変動幅は、ＰＡＰＲ（Ｐｅａｋ−ｔｏ−Ａｖｅｒａｇｅ−Ｐｏｗｅｒ−Ｒａｔｉｏ）という指標で表現される。一般的に、ＰＡＰＲが大きい場合には、増幅器のバックオフを大きくする必要があるため、増幅器の効率が低下する。このため、広ダイナミックレンジの信号においても、増幅器の効率を高く維持することが重要になる。

図２は、特許文献１に開示されている高効率のドハティ増幅方式が適用される送信装置の構成を示すブロック図である。

この送信装置においては、１つのキャリア増幅器１４に対して、複数のピーク増幅器１６が複数並列に配列される。分岐器１７は、入力信号を複数の信号に分岐する。また、分岐器１７は、分岐して得られる複数の信号の信号レベルの比を変える。これにより、複数
のピーク増幅器１６がオンになる入力レベルを互いに異なるように設定することができる。こうして、信号レベルに応じて、異なるピーク増幅器を飽和動作させることが可能となり、これにより広ダイナミックレンジにおいても増幅器を高効率で動作させることができる。
特表２００５−５２５７２７号公報

しかしながら、上記従来技術では、高ＰＡＰＲの信号に対して高効率に増幅することには一定の限界がある。例えば、特許文献１に開示される送信装置では、１つの送信系に対して複数の増幅器を設ける必要があるため、ＰＡＰＲが高くなる程回路規模が大きくなる問題がある。

本発明の目的は、広ダイナミックレンジ又は高ＰＡＰＲの信号についても高効率な電力増幅が可能なＭＩＭＯ送信装置を提供することである。

本発明のＭＩＭＯ送信装置は、第１アンテナ及び第２アンテナと、入力信号を増幅して前記第１アンテナに増幅信号を出力する第１増幅器と、入力信号を増幅して前記第２アンテナに増幅信号を出力する第２増幅器と、第１送信系列信号の包絡線を検出する検出手段と、前記第１送信系列信号の包絡線検出結果としきい値との比較結果に基づいて、前記第１送信系列信号のすべてを前記第１増幅器に入力するか、又は、前記第１送信系列信号を電力分配してその一部を第２送信系列信号と共に前記第２増幅器に入力するかを切り替える切り替え手段と、を具備する構成を採る。

本発明によれば、広ダイナミックレンジ又は高ＰＡＰＲの信号についても高効率な電力増幅が可能なＭＩＭＯ送信装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、実施の形態において、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は重複するので省略する。また、各実施の形態においては２×２のＭＩＭＯ伝送を前提として説明を行うが、本発明はこれに限定されるものではない。

（実施の形態１）
図３に示すように本実施の形態のＭＩＭＯ送信装置１００は、無線信号生成部１１０、１２０と、ピーク検出部１３０と、分岐切り替え部１４０と、増幅器１５０、１６０と、アンテナ１７０、１８０とを有する。

無線信号生成部１１０は、送信データ系列１が入力され、当該送信データ系列１に変調
処理と、無線処理（アップコンバートなど）とを施して、無線周波数の第１送信系列を形成する。

無線信号生成部１２０は、送信データ系列２が入力され、当該送信データ系列２に変調処理と、無線処理（アップコンバートなど）とを施して、無線周波数の第２送信系列を形成する。

ピーク検出部１３０は、無線信号生成部１１０から出力される第１送信系列の包絡線（エンベロープ）を検出する。また、ピーク検出部１３０は、検出した包絡線のピーク値（最大値）を検出する。ピーク検出部１３０は、単位時間の時間的な幅を持つ単位区間毎にピーク値を検出する。さらに、ピーク検出部１３０は、検出されたピーク値と予め設定されているしきい値とを比較し、この比較結果を分岐切り替え部１４０に出力する。

ここで、第１送信系列は、上記単位区間で区切られた信号系列である。この単位区間では、ＭＩＭＯ伝送の伝搬環境が略一定と見なすことができる。この単位区間は、例えば、ＯＦＤＭ変調を用いた場合には、ＯＦＤＭシンボル区間であるか、または複数のＯＦＤＭシンボル区間であってもよい。

分岐切り替え部１４０は、ピーク検出部１３０からの比較結果に基づいて、第１送信系列のすべてを増幅器１５０に入力するか、又は、第１送信系列の一部を第２送信系列と共に増幅器１６０に入力するかを切り替える。

分岐切り替え部１４０は、スイッチ１４２を具備する分岐部１４４と、合成部１４６とを有する。分岐部１４４のスイッチ１４２は、ピーク検出部１３０からの比較結果に応じて、オンオフする。

具体的には、その比較の結果が、しきい値よりピーク値の方が大きいことを示しているときには、スイッチ１４２は、オンする。こうして、第１送信系列の一部が合成部１４６に入力される状態になる。

一方、ピーク検出部１３０からの比較結果が、ピーク値がしきい値以下であることを示しているときには、スイッチ１４２はオフする。こうして、第１送信系列のすべてが増幅器１５０に入力される状態になる。

合成部１４６は、入力される第１信号系列と第２信号系列とを合成し、得られる合成信号を増幅器１６０に出力する。

増幅器１５０は、入力信号を増幅してアンテナ１７０に増幅信号を出力する。

増幅器１６０は、入力信号を増幅してアンテナ１８０に増幅信号を出力する。

次に、以上の構成を有するＭＩＭＯ送信装置１００の動作について説明する。

上述のように、単位区間にて検出されたピーク値がしきい値以下の場合には、分岐切り替え部１４４のスイッチ１４２がその単位区間ではオフする。このスイッチ１４２がオフしている区間では、第１送信系列のすべてが増幅器１５０及びアンテナ１７０を介して送信される。また、スイッチ１４２がオフしている区間では、第２送信系列は、第１送信系列と合成されることなく、分岐切り替え部１４０、増幅器１６０、及びアンテナ１８０を介して送信される。すなわち、この場合には、ＭＩＭＯ送信装置１００は従来と同様の２×２ＭＩＭＯ伝送を行う。

一方、単位区間にて検出されたピーク値がしきい値より大きい場合には、分岐切り替え部１４０のスイッチ１４２がその単位区間ではオンする。このスイッチがオンしている区間では、第１送信系列の一部が合成部１４６に入力される。

ここで、第１送信系列の電力をＰとする。分岐部１４４では、第１送信系列の電力が分配され、電力Ｐ１と電力Ｐ２とに分けられる。つまり、Ｐ１＋Ｐ２＝Ｐの関係が成り立つ。分岐部１４４にて形成された電力Ｐ１の第１送信系列は、増幅器１５０に入力される。一方、電力Ｐ２の第１送信系列は、もともと増幅器１６０に入力される第２送信系列と共に、増幅器１６０に入力される。具体的には、電力Ｐ２の第１送信系列は、増幅器１６０に入力される前に、第２送信系列と合成器で合成されてから増幅器１６０に入力される。

こうして、しきい値を超えるピーク値を持つ第１送信系列の一部を、通常第１送信系列が増幅される増幅器１５０とは別の増幅器であって、第１送信系列とは別の第２送信系列が増幅される増幅器１６０を用いて増幅することができる。このため、通常第１送信系列を増幅する増幅器１５０に入力される第１送信系列のピーク値を低減することができるので、増幅器１５０のバックオフを小さく設定できる。この結果、増幅器１５０の高効率化が可能となる。

なお、電力Ｐ２の第１送信系列と第２送信系列を合成した結果、合成信号のピークが大きくなる可能性がある。しかしながら、ピークが発生している時間は単位区間の中で極めて短い時間なので、第１送信系列と第２送信系列のピークの位置が偶然一致する確率は極めて低いと考えられる。従って、増幅器１６０のバックオフを大きくする必要はない。

またここで、第１送信系列を分岐しない場合と分岐した場合では、ＭＩＭＯ伝送における伝搬状態が異なる。第１送信系列を分岐しない場合の伝搬行列Ｈ０の成分を、ｈ０１１、ｈ０１２、ｈ０２１、ｈ０２２とする。

そうすると、第１送信系列を分岐した場合の伝搬行列Ｈの成分は、Ｐ１とＰ２の分岐比をａ：ｂ（ａ＋ｂ＝１）とすると、以下のようになる。
ｈ１１＝ａ・ｈ０１１＋ｂ・ｈ０１２、
ｈ１２＝ｈ０１２、
ｈ２１＝ａ・ｈ０２１＋ｂ・ｈ０２２、
ｈ２２＝ｈ０２２

従って、第１送信系列を分岐したときは、伝搬行列が変化する。そこで、受信側は伝搬状態の変化に応じてＭＩＭＯ受信できることが必要である。一般にＯＦＤＭ信号のＭＩＭＯ伝送では、ＯＦＤＭシンボルごとにＭＩＭＯ受信用パイロット信号が含まれていることが多いため、第１送信系列の分岐ありなしに関わらず、このようなＭＩＭＯ受信が可能である。

なお上記説明では、説明を簡単にするために第１送信系列についてのみピーク検出処理及びピークが検出されたときに第１送信系列の一部を第２送信系列と共に増幅器１６０で増幅して送信する構成について説明を行った。しかし、ＭＩＭＯ送信装置１００にピーク検出部及び分岐切り替え部のセットをもう１組設けて、第２送信系列についてもピーク検出処理及びピークが検出されたときにその一部を第１送信系列と共に増幅器１５０で増幅する構成としてもよい。

また上記説明では、ピーク検出部と分岐切り替え部をアナログ回路で構成する場合を前提に説明を行ったが、ピーク検出処理及び分岐切り替え処理は、ディジタル処理で実現す
ることもできる。

また上記説明では、２×２ＭＩＭＯを例として述べたが、ｎ×ｎＭＩＭＯ伝送（ｎ＞２）でもよい。この場合には、第１送信系列を３つ以上のアンテナに分配して送信してもよい。

なお、増幅器１５０及び増幅器１６０は、ドハティ増幅器やＥＴ／ＥＥＲ増幅器など、どのようなタイプの増幅器を用いてもよい。

このように本実施の形態によれば、ＭＩＭＯ送信装置１００は、アンテナ１７０及びアンテナ１８０と、入力信号を増幅してアンテナ１７０に増幅信号を出力する増幅器１５０と、入力信号を増幅してアンテナ１８０に増幅信号を出力する増幅器１６０と、第１送信系列の包絡線を検出するピーク検出部１３０と、第１送信系列の包絡線検出結果としきい値との比較結果に基づいて、第１送信系列のすべてを増幅器１５０に入力するか、又は、第１送信系列を電力分配してその一部を第２送信系列と共に増幅器１６０に入力するかを切り替える分岐切り替え部１４０と、を具備する構成を採る。

こうすることにより、通常第１送信系列を増幅する増幅器１５０に入力される第１送信系列のピーク値を低減することができるので、増幅器１５０のバックオフを小さく設定できる。すなわち、送信信号のピークが大きいときに、その送信信号を電力分配して得られる送信信号を各アンテナに対応する増幅器へそれぞれ入力することにより、増幅器の入力信号のピークを小さくすることができる。この結果、増幅器１５０の高効率化が可能となる。かくして、広ダイナミックレンジ又は高ＰＡＰＲの信号についても高効率な電力増幅が可能なＭＩＭＯ送信装置を実現することができる。

分岐切り替え部１４０は、包絡線検出結果がしきい値を超える場合、増幅器１５０に入力される第１送信系列の包絡線がしきい値を超えないように第１送信系列の一部を増幅器１６０に入力する。

（実施の形態２）
図４に示すように本実施の形態のＭＩＭＯ送信装置２００は、増幅器１５０の入力側に設けられる可変増幅器２１０と、増幅器１６０の入力側に設けられる可変増幅器２２０とを有する。

可変増幅器２１０は、ピーク検出部１３０からの比較結果を受け取り、この比較結果に応じて、利得を切り替える。

具体的には、可変増幅器２１０は、その比較結果がしきい値よりピーク値の方が大きいことを示しているときの利得を、ピーク値がしきい値以下であることを示しているときの利得に比べて大きく設定する。

可変増幅器２２０は、ピーク検出部１３０からの比較結果を受け取り、この比較結果に応じて、利得を切り替える。具体的には、可変増幅器２２０は、その比較結果がしきい値よりピーク値の方が大きいことを示しているときの利得を、ピーク値がしきい値以下であることを示しているときの利得に比べて大きく設定する。

次に、上記構成を有するＭＩＭＯ送信装置２００の動作について説明する。

実施の形態１で説明したように、単位区間にて検出されたピーク値がしきい値より大きい場合には、分岐切り替え部１４０のスイッチ１４２がその単位区間ではオンする。この
スイッチがオンしている区間では、第１送信系列の一部が合成部１４６に入力される。このため、増幅器１５０に入力される第１送信系列は、分岐された分だけその電力値が小さくなる。一方、合成部１４６では、第１送信系列の一部と第２送信系列とが合成される際に、合成損失が発生する。

また、単位区間にて検出されたピーク値がしきい値より大きい場合には、可変増幅器２１０及び可変増幅器２２０は、ピーク値がしきい値以下であることを示しているときの利得に比べて、利得を大きく設定する。こうすることにより、上述の分岐による電力の減少及び合成損失を補うことが可能となる。

（実施の形態３）
図５に示すように本実施の形態のＭＩＭＯ送信装置３００は、分岐切り替え部３１０を有する。この分岐切り替え部３１０は、遅延付加部３１２を有する。

遅延付加部３１２は、分岐部１４４と合成部１４６との間に配設される。遅延付加部３１２は、分岐部１４４で分岐された第１送信系列の一部に遅延を与える。

このような構成とすることにより、アンテナ１７０を介して送信される第１送信系列と、アンテナ１８０を介して送信される第１送信系列とは、相対的に位相がずれた状態で送信されることになる。こうすることにより、アンテナ１７０を介して送信される第１送信系列と、アンテナ１８０を介して送信される第１送信系列とが伝搬路で互いに干渉することに起因する、受信側における第１送信系列の受信レベルの低下を抑制することができる。

なお、アンテナ１７０を介して送信される第１送信系列と、アンテナ１８０を介して送信される第１送信系列とが相対的にずらされる遅延時間は、例えば、ＯＦＤＭ変調においては数マイクロから数十マイクロ秒のガードインターバル長以内であればよい。

またなお、上記説明においては、アンテナ１７０を介して送信される第１送信系列よりも、アンテナ１８０を介して送信される第１送信系列の方が時間的に遅れるように遅延付加部３１２が配設されている。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、遅延付加部が増幅器１５０の入力ライン上に設けられてもよい。要は、アンテナ１７０を介して送信される第１送信系列の位相と、アンテナ１８０を介して送信される第１送信系列の位相とを、相対的にずらすことができればよい。

またなお、無線信号生成部１１０、無線信号生成部１２０、ピーク検出部１３０、及び分岐切り替え部３１０で行われる処理は、ディジタル処理で行うことができる。図６に、ディジタル処理が行われる場合の構成を示す。同図の点線で囲まれた部分が、ディジタル処理を行う機能部である。ただし、この様な構成とする場合には、無線信号生成部１１０、無線信号生成部１２０は、ベースバンド信号の処理を行う。そして、分岐切り替え部３１０からの出力信号は、ディジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）３２０及びＤＡＣ３３０でそれぞれＤＡ変換された後、無線信号変換器３４０及び無線信号変換器３５０で無線信号にそれぞれ変換される。

本発明のＭＩＭＯ送信装置は、広ダイナミックレンジ又は高ＰＡＰＲの信号についても高効率な電力増幅ができる効果を有し、次世代移動体基地局装置や端末装置の送信装置として有用である。

従来のＭＩＭＯ送信装置の構成を示すブロック図従来の高効率のドハティ増幅方式が適用される送信装置の構成を示すブロック図本発明の実施の形態１に係るＭＩＭＯ送信装置の構成を示すブロック図実施の形態２に係るＭＩＭＯ送信装置の構成を示すブロック図実施の形態３に係るＭＩＭＯ送信装置の構成を示すブロック図実施の形態３に係るＭＩＭＯ送信装置の他の構成を示すブロック図

Claims

第１アンテナ及び第２アンテナと、
入力信号を増幅して前記第１アンテナに増幅信号を出力する第１増幅器と、
入力信号を増幅して前記第２アンテナに増幅信号を出力する第２増幅器と、
第１送信系列信号の包絡線を検出する検出手段と、
前記第１送信系列信号の包絡線検出結果としきい値との比較結果に基づいて、前記第１送信系列信号のすべてを前記第１増幅器に入力するか、又は、前記第１送信系列信号を電力分配してその一部を第２送信系列信号と共に前記第２増幅器に入力するかを切り替える切り替え手段と、
を具備するＭＩＭＯ送信装置。
前記切り替え手段は、前記包絡線検出結果がしきい値を超える場合、前記第１増幅器に入力される第１送信系列信号の包絡線が前記しきい値を超えないように前記一部の第１送信系列信号を前記第２増幅器に入力する、請求項１に記載のＭＩＭＯ送信装置。
前記第１増幅器の入力側に設けられ、前記第１増幅器の入力信号を増幅する第１可変利得増幅器と、
前記第２増幅器の入力側に設けられ、前記第２増幅器の入力信号を増幅する第２可変利得増幅器と、
を有し、
前記第１可変利得器及び前記第２可変利得増幅器は、前記切り替え手段の切り替え状態に応じてその利得を調整する、請求項１に記載のＭＩＭＯ送信装置。
前記第１送信系列信号の一部を第２送信データ系列と共に前記第２増幅器に入力する場合に、前記第１増幅器に入力される第１送信系列信号と、前記第２増幅器に入力される第１送信系列信号との間の位相を相対的にずらす遅延付加手段を具備する請求項１に記載のＭＩＭＯ送信装置。