JP7450227B2 - 送信アンテナ選択装置、送信アンテナ選択方法、及び送信アンテナ選択プログラム - Google Patents

Description

本発明は、ＳＣ－ＭＩＭＯ（Multiple-Input and Multiple-Output）伝送を行う無線通信システムにおいて、低ＰＡＰＲ（Peak-to-Average Power Ratio）となる送信アンテナの組み合わせを選択する技術に関する。

無線通信システムにおける大容量化の技術として複数のアンテナを用いて同一の無線チャネルで空間分割多重を行うＭＩＭＯ伝送は、セルラ通信システムや無線ＬＡＮシステムなどをはじめとして様々な無線通信システムに採用されている。

従来、周波数選択性フェージングがある通信環境下で広帯域ＳＣ－ＭＩＭＯ（Single Carrier）伝送を行う場合、ＦＩＲ（Finite Impulse Response）型送信ビーム形成が行われている（例えば、非特許文献１参照）。ＦＩＲ型送信ビーム形成では、チャネル推定により得られたＣＩＲ（Channel Impulse Response）を表す伝達関数行列Ｈ（ｚ）の逆行列を送信ウェイトとして使用する。そして、逆行列の各要素をＦＩＲフィルタの係数として送信ビーム形成が行われる。

栗山圭太，福園隼人，吉岡正文，立田努，"広帯域シングルキャリアＭＩＭＯ伝送のためのＦＩＲ型送信ビーム形成"信学技報，Ｊａｎ．２０１９．

しかしながら、ＳＣ－ＭＩＭＯ伝送におけるＦＩＲフィルタによるプレコーディングは、過去および現在の複数の信号に係数を乗じた値の和であるため、一般的にＰＡＰＲが大きくなるという問題がある。ＰＡＰＲが大きくなると、より多くの電力を使用し、サイズが大きく費用も高いアンプが必要になる。

上記課題に鑑み、本発明は、ＳＣ－ＭＩＭＯ伝送において、送信アンテナを必要数以上に準備し、ＰＡＰＲまたは最大電力が最小になる送信アンテナの組み合わせを選択して使用することにより、ＰＡＰＲを低減し、低電力、小型、および安価な無線通信システムを実現できる送信アンテナ選択装置、送信アンテナ選択方法、及び送信アンテナ選択プログラムを提供することを目的とする。

本発明は、複数のアンテナによりＭＩＭＯ伝送を行う送信側で使用する送信アンテナの組み合わせを選択する送信アンテナ選択装置において、前記送信アンテナの数は、受信側が備えるＭ個（Ｍ≧２）の受信アンテナより多いＮ個（Ｎ＞Ｍ）であり、Ｎ個の前記送信アンテナからＭ個の前記送信アンテナを選択する場合のすべての組み合わせを抽出して各組み合わせのＰＡＰＲまたは最大電力を推定する推定部と、前記推定部により推定されたＰＡＰＲまたは最大電力が最小となる前記送信アンテナの組み合せを決定し、決定した組み合わせの前記Ｍ個の前記送信アンテナを選択する選択部とを有することを特徴とする。

また、本発明は、複数のアンテナによりＭＩＭＯ伝送を行う送信側で使用する送信アンテナの組み合わせを選択する送信アンテナ選択方法であって、前記送信アンテナの数は、受信側が備えるＭ個（Ｍ≧２）の受信アンテナより多いＮ個（Ｎ＞Ｍ）であり、Ｎ個の前記送信アンテナからＭ個の前記送信アンテナを選択する場合のすべての組み合わせを抽出して各組み合わせのＰＡＰＲまたは最大電力を推定する推定処理と、前記推定処理により推定されたＰＡＰＲまたは最大電力が最小となる前記送信アンテナの組み合せを決定し、決定した組み合わせの前記Ｍ個の前記送信アンテナを選択する選択処理とを行うことを特徴とする。

また、本発明の送信アンテナ選択プログラムは、前記送信アンテナ選択装置で行う処理をコンピュータで実行することを特徴とする。

本発明に係る送信アンテナ選択装置、送信アンテナ選択方法、及び送信アンテナ選択プログラムは、ＳＣ－ＭＩＭＯ伝送において、送信アンテナを必要数以上に準備し、ＰＡＰＲまたは最大電力が最小になる送信アンテナの組み合わせを選択して使用することにより、ＰＡＰＲを低減し、低電力、小型、および安価な無線通信システムを実現することができる。

送信装置１０１の構成例を示す図である。 受信装置１０２の構成例を示す図である。 アンテナ切替部の一例を示す図である。 アンテナ切替部の他の例を示す図である。 送信アンテナ選択方法の処理手順の一例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明に係る送信アンテナ選択装置、送信アンテナ選択方法、及び送信アンテナ選択プログラムの実施形態について説明する。

図１は、送信装置１０１の一例を示す。図１において、送信装置１０１は、複数（Ｎ個）の送信アンテナ（アンテナＡｔ（１）からＡｔ（Ｎ））を有する。ここで、Ｎは３以上の整数である。なお、アンテナＡｔ（１）からＡｔ（Ｎ）に共通する説明は（番号）を省略してアンテナＡｔと記載する。

本実施形態では、送信装置１０１は、Ｎ個のアンテナＡｔから、ＰＡＰＲが最小となるＭ個のアンテナＡｔを選択して、受信装置１０２（１）から受信装置１０２（Ｍ）との間でＳＣ－ＭＩＭＯ伝送による無線通信を行う。ここで、Ｍは、Ｍ＜Ｎの２以上の整数である。なお、受信装置１０２（１）から受信装置１０２（Ｍ）に共通する説明は（番号）を省略して受信装置１０２と記載する。Ｍ個の受信アンテナ（アンテナＡｒ（１）からアンテナＡｒ（Ｍ））についても同様である。

ここで、ＳＣ－ＭＩＭＯ伝送では、送受信装置が伝送したい空間上のストリーム数以上のアンテナを備えることで、複数の空間上のストリームが混在した状態で受信される信号に対して、適切なＭＩＭＯ復調処理を行って所望のストリームを受信できることが知られている。本実施形態では、送信装置１０１は、Ｎ個のアンテナＡｔから選択したＭ個のアンテナＡｔを使用して、Ｍ個のストリーム信号をＭ個の受信装置１０２（１個のアンテナＡｒを有する）にそれぞれ送信する場合について説明する。なお、本実施形態では、各受信装置１０２が１個のアンテナＡｒを有する場合について説明するが、１台の受信装置１０２が複数のアンテナＡｒを有し、複数のストリームの信号を受信する場合でも同様に本実施形態で説明する技術の適用が可能である。

ＳＣ－ＭＩＭＯ伝送を行う場合、ストリーム間干渉を除去するために、送信装置１０１側において、時間領域の線形等化器を構成するＦＩＲ型の送信ビーム形成処理が行われる。送信ビーム形成処理では、ＣＳＩ（Channel State Information）から推定されたＣＩＲ（Channel Impulse Response）の伝達関数行列Ｈ（ｚ）に基づいて生成された送信ウェイトＷ（ｚ）が用いられる。送信ビーム形成処理により、受信装置１０２は、ストリーム間干渉が除去された信号を受信して、符号間干渉を除去するための等化処理を行って受信データを復調することができる。なお、送信ウェイトＷ（ｚ）の算出方法については後述する。

以下、図１に示す送信装置１０１の構成について説明する。図１において、送信装置１０１は、信号送信部２０１、ビーム形成部２０２、アンテナ切替部２０３、信号受信部２０４、送信ウェイト算出部２０５、送信アンテナ選択部２０６、および制御部２０７を有する。ここで、送信アンテナ選択部２０６は、送信装置１０１に含まれるものとして説明するが、送信装置１０１とは別に送信アンテナ選択装置２０６として設けてもよい。さらに、送信ウェイト算出部２０５を含めて送信アンテナ選択装置２０６としてもよい。

図１において、信号送信部２０１は、Ｍ個の受信装置１０２のそれぞれに対応するＭ個のストリームの送信データをそれぞれ変調してビーム形成部２０２に出力する。なお、信号送信部２０１は、受信装置１０２がチャネル状態情報（ＣＳＩ）を測定するための既知信号（トレーニング信号、パイロット信号など）を各アンテナＡｔから順番に送信する。これにより、各受信装置１０２は、送信装置１０１の各アンテナＡｔとの間のＣＳＩを測定することができる。

ビーム形成部２０２は、送信ウェイト算出部２０５が算出した送信ウェイトＷ（ｚ）を用いてストリーム間干渉を除去するための送信ビーム形成処理を行う。

アンテナ切替部２０３は、アンテナＡｔを介して信号の送信または受信を行うための高周波回路、送信アンテナ選択部２０６から出力される選択信号に基づいてＮ個のアンテナＡｔから送信に使用するＭ個のアンテナを選択するためのスイッチ回路などを有する。

信号受信部２０４は、アンテナＡｔで受信したＭ個の受信装置１０２のそれぞれに対応するＭ個のストリームの信号を復調してＭ個の受信データを出力する。また、信号受信部２０４は、アンテナＡｔとアンテナＡｒとの間の伝達関数行列Ｈ（ｚ）を推定するための情報を受信装置１０２から受信する。本実施形態では、信号受信部２０４は、受信装置１０２が測定したＣＳＩを受信して、送信ウェイト算出部２０５に出力する。ＣＳＩは、例えばアンテナＡｔ（１）から送信された既知信号がアンテナＡｒ（１）で受信されたときの受信電力、振幅、位相などの情報であり、既知信号とのずれにより、伝搬路応答ＣＩＲの推定が可能である。

送信ウェイト算出部２０５は、Ｈ（ｚ）推定部２１１およびＷ（ｚ）推定部２１２を有する。Ｈ（ｚ）推定部２１１は、ＣＳＩに基づいて送信装置１０１のアンテナＡｔと各受信装置１０２のアンテナＡｒとの間のＣＩＲを推定する（Ｈ（ｚ）の推定処理）。ここで、ＣＩＲは伝達関数行列Ｈ（ｚ）で表される。具体的には、Ｈ（ｚ）は、受信装置１０２が測定した送信側のＮ個のアンテナＡｔと、受信側のＭ個のアンテナＡｒとのそれぞれのアンテナ間のＣＳＩに基づいて推定される。Ｗ（ｚ）推定部２１２は、送信に使用するＭ個のアンテナＡｔの組み合わせごとに、ストリーム間干渉を除去するための送信ウェイトＷ（ｚ）をＨ（ｚ）から推定する（Ｗ（ｚ）の推定処理）。そして、推定された送信ウェイトＷ（ｚ）は、ビーム形成部２０２に出力されるとともに、送信アンテナ選択部２０６にも出力される。

送信アンテナ選択部２０６は、ＰＡＰＲ推定部２１３およびアンテナ決定部２１４を有する。ＰＡＰＲ推定部２１３は、送信に使用するアンテナＡｔの組み合わせごとに推定されたそれぞれのＷ（ｚ）から、Ｗ（ｚ）を表す行列で取り得るピーク電力と平均電力とを推定し、ＰＡＰＲを推定する（ＰＡＰＲの推定処理）。ここで、ピーク電力と平均電力とを推定するための送信電力は、例えば、送信データの取り得る値の全ての組み合わせの各々について算出し、平均電力は全ての組み合わせの各々で算出された送信電力の平均値、ピーク電力は全ての組み合わせの各々で算出された送信電力の最大値とすればよい。アンテナ決定部２１４は、ＰＡＰＲ推定部２１３から得られた結果に基づいて使用するアンテナＡｔの組み合わせを決定し、決定したアンテナの組み合わせを選択するための選択信号をアンテナ切替部２０３に出力する（送信アンテナの選択処理）。本実施形態では、アンテナ決定部２１４は、ＰＡＰＲが最小となる（ＰＡＰＲが最も抑制される）アンテナＡｔの組み合わせを選択する。なお、アンテナＡｔの組み合わせを具体的に選択する方法については後述する。ここで、ＰＡＰＲの代わりにピーク電力（最大電力）を用いてもよい。この場合、ＰＡＰＲ推定部２１３は、最大電力のみを推定すればよい。そして、アンテナ決定部２１４は、最大電力が最小となるアンテナＡｔの組み合わせを選択する。以降の説明においても、ＰＡＰＲを最大電力に置き換えて適用することができる。

制御部２０７は、送信装置１０１の全体の動作を制御する。例えば、制御部２０７は、送信装置１０１の各ブロック間の信号の受け渡しなどの処理を制御する。また、制御部２０７は、通信開始時や通信中に信号送信部２０１から既知信号を送信させ、受信装置１０２から送信されるＣＳＩを信号受信部２０４で受信する処理を制御する。本実施形態では、制御部２０７は、ＰＡＰＲを推定する頻度を制御する。また、ＰＡＰＲの推定は、通信開始時に行うものとするが、例えば、ＣＳＩの変動時（伝達関数行列Ｈ（ｚ）の変動時）に実施されてもよい。ここで、ＣＳＩの変動時は、言い換えると、ＰＡＰＲが変動した時に対応し、適宜、ＰＡＰＲが最小となるようにアンテナＡｔの組み合わせを更新することができる。このように、ＰＡＰＲ推定部２１３は、通信開始時およびＣＳＩの変動時のうち少なくとも通信開始時にＰＡＰＲの推定を行い、必要であればＣＳＩの変動時にもＭ個の送信アンテナの組み合わせごとのＰＡＰＲを推定し、アンテナＡｔの組み合わせを更新する。

このように、本実施形態に係る送信装置１０１は、受信装置１０２が測定したＣＳＩに基づいてＣＩＲおよび送信ウェイトを推定し、送信ウェイトからアンテナＡｔの組み合わせごとのＰＡＰＲを推定することにより、ＰＡＰＲが最小となるアンテナＡｔの組み合わせを選択し、ストリーム間干渉を除去した信号を受信装置１０２に送信することができる。図１の例では、ｘ_１，ｘ_２，・・・，ｘ_ＭのＭ個の送信データに対応するＭ個のストリーム信号は、ビーム形成部２０２でストリーム間干渉が除去され、Ｎ個のアンテナＡｔのうちＰＡＰＲが最小となる組み合わせのＭ個のアンテナＡｔによりそれぞれ送信される。

図２は、受信装置１０２の構成例を示す。図２では、送信装置１０１で送信に使用されるＭ個のアンテナＡｔにそれぞれ対応するＭ台の受信装置１０２（１）から受信装置１０２（Ｍ）の例が示されている。なお、各受信装置１０２を構成する複数の同じブロック（ＲＦ部３０１（１）からＲＦ部３０１（Ｍ）、等化部３０２（１）から３０２（Ｍ）、および送受信処理部３０３（１）から３０３（Ｍ））のそれぞれに共通する説明は、符号末尾の（番号）を省略して、ＲＦ部３０１、等化部３０２、および送受信処理部３０３と記載する。

図２において、Ｍ台の受信装置１０２は、アンテナＡｒ、ＲＦ部３０１、等化部３０２、および送受信処理部３０３を有する。

アンテナＡｒは、送信装置１０１のアンテナＡｔとの間で電波を送受信する。

ＲＦ部３０１は、受信時において、アンテナＡｒで受信された高周波信号をベースバンド信号に変換して等化部３０２を介して送受信処理部３０３に出力し、送信時において、送受信処理部３０３が出力するベースバンド信号を高周波信号に変換してアンテナＡｒから送信する。

等化部３０２は、送信装置１０１側のビーム形成処理によりストリーム間干渉が除去された受信信号から符号間干渉を除去するための等化処理を行う。等化部３０２が等化処理で用いる受信ウェイトは、送信ウェイトと同様に、送信装置１０１から送信される既知信号により測定されたＣＳＩにより取得した伝達関数行列Ｈ（ｚ）に基づいて算出される。なお、受信ウェイトについては後述する。

送受信処理部３０３は、等化部３０２により符号間干渉が除去された自装置宛のストリームのベースバンド信号を受信データに復調して出力する。また、送受信処理部３０３は、送信データをベースバンド信号に変調してＲＦ部３０１に出力し、ＲＦ部３０１およびアンテナＡｒから送信装置１０１に送信する。さらに、本実施形態では、送受信処理部３０３は、送信装置１０１が送信する既知信号に基づいてＣＳＩを測定し、測定したＣＳＩを送信装置１０１に送信する。

このように、受信装置１０２は、送信装置１０１との間でＭＩＭＯ伝送による無線通信を行うとともに、送信装置１０１が送信する既知信号に基づいてＣＳＩを測定し、送信装置１０１に送信する。

ここで、送信装置１０１は、図１に示したｘ_１，ｘ_２，・・・，ｘ_ＭのＭ個の送信データに対応するＭ個のストリーム信号のストリーム間干渉をビーム形成部２０２で除去して送信し、Ｍ台の受信装置１０２は、自装置宛のストリーム信号のマルチパスなどによる符号間干渉を等化部３０２により除去し、ｙ_１，ｙ_２，・・・，ｙ_ＭのＭ個の受信データをそれぞれ復調する。本実施形態では、送信装置１０１は、Ｍ台の受信装置１０２のＭ個のアンテナＡｒよりも多いＮ個のアンテナＡｔを有し、Ｎ個のアンテナＡｔからＰＡＰＲが最小となるＭ個のアンテナＡｔを選択して、Ｍ個のストリーム信号を送信する。

図３は、送信アンテナの選択方法の一例を示す。図３において、図１と同符号のブロックは図１と同様に動作する。また、図３の例では、受信装置１０２が２台の例を示し、各受信装置１０２に対応する送信データｘ_１，ｘ_２の２個のストリーム信号が、３個のアンテナＡｔから選択されたＰＡＰＲが最小となる２個のアンテナＡｔにより、それぞれ送信される。ここで、アンテナＡｔから送信される信号のストリーム間干渉はビーム形成部２０２で除去されるので、受信装置１０２（１）は、送信データｘ_１に対応するストリーム信号を受信し、符号間干渉を除去する等化処理を行って受信データｙ_１を復調する。同様に、受信装置１０２（２）は、送信データｘ_２に対応するストリーム信号を受信し、符号間干渉を除去する等化処理を行って受信データｙ_２を復調する。

図３において、アンテナ切替部２０３は、ＳＷ部２３１およびＲＦ部２３２を有する。

ＳＷ部２３１は、ビーム形成部２０２により送信ビーム形成処理されたｘ_１，ｘ_２に対応する２つの信号を入力する。そして、ＳＷ部２３１は、送信アンテナ選択部２０６から入力する選択信号に基づいて、アンテナＡｔ（１）からアンテナＡｔ（３）の３個のアンテナＡｔから２個のアンテナＡｔを選択し、ビーム形成部２０２から入力する２つの信号を選択したアンテナＡｔに対応するＲＦ部２３２にそれぞれ出力する。例えば、ＳＷ部２３１は、ビーム形成部２０２が出力するビーム形成後のｘ_１に対応する信号をＲＦ部２３２（１）、ＲＦ部２３２（２）、またはＲＦ部２３２（３）に出力するための切り替えスイッチａと、ビーム形成後のｘ_２に対応する信号をＲＦ部２３２（１）、ＲＦ部２３２（２）、またはＲＦ部２３２（３）に出力するための切り替えスイッチｂとを有し、切り替えスイッチａと切り替えスイッチｂとは排他的に制御される。つまり、切り替えスイッチａと切り替えスイッチｂの出力先が同じＲＦ部２３２になることはない。

ＲＦ部２３２は、ＳＷ部２３１から出力される各ストリームのベースバンド信号を高周波信号に変換してアンテナＡｔから送信する。なお、受信時は、逆に動作するものとする。

このようにして、送信アンテナ選択部２０６が決定したＰＡＰＲが最小となるアンテナＡｔの組み合わせを選択して通信を行うことができる。なお、図３の例では、ベースバンド信号で切り替えを行うので、ＳＷ部２３１の構成が容易になる。

図４は、送信アンテナの選択方法の他の例を示す。図３と異なる部分はアンテナ切替部２０３ａのみであり、アンテナ切替部２０３ａは、図３で説明したアンテナ切替部２０３のＳＷ部２３１とＲＦ部２３２の配置が異なる。図３に示すアンテナ切替部２０３は、ベースバンド信号の出力先をＳＷ部２３１で切り替えることにより、送信するアンテナＡｔの組み合わせを選択する。これに対して、図４に示すアンテナ切替部２０３ａは、ＲＦ部２３２ａ（１）およびＲＦ部２３２ａ（２）の高周波信号の出力先をＳＷ部２３１ａで切り替えることにより、使用するアンテナＡｔの組み合わせを選択する。例えば、ＳＷ部２３１ａは、ＲＦ部２３２ａ（１）が出力する信号をアンテナＡｔ（１）、アンテナＡｔ（２）、またはアンテナＡｔ（３）に出力するための切り替えスイッチａと、ＲＦ部２３２ａ（２）が出力する信号をアンテナＡｔ（１）、アンテナＡｔ（２）、またはアンテナＡｔ（３）に出力するための切り替えスイッチｂとを有し、切り替えスイッチａと切り替えスイッチｂとは排他的に制御される。つまり、切り替えスイッチａと切り替えスイッチｂの出力先が同じアンテナＡｔになることはない。

このように、図４に示すアンテナ切替部２０３ａは、送信アンテナ選択部２０６が決定したＰＡＰＲが最小となるアンテナＡｔの組み合わせを選択して通信を行うことができる。

（送信アンテナの組み合わせについて）
次に、送信装置１０１が使用するアンテナＡｔの組み合わせを選択する例について説明する。

ここで、本実施形態では、受信装置１０２が備えるＭ個（Ｍ≧２）のアンテナＡｒより多いＮ個（Ｎ＞Ｍ）のアンテナＡｔを送信装置１０１が有する。そして、送信装置１０１は、Ｎ個のアンテナからＰＡＰＲが最小となるＭ個のアンテナＡｔを選択して使用する。

例えば図３の場合、アンテナＡｔ（１）、アンテナＡｔ（２）、およびアンテナＡｔ（３）の３個のアンテナＡｔから２個のアンテナＡｔが選択される。この場合、選択される２個のアンテナＡｔのすべての組み合わせは、アンテナＡｔ（１）とアンテナＡｔ（２）、アンテナＡｔ（２）とアンテナＡｔ（３）、アンテナＡｔ（３）とアンテナＡｔ（１）の３組である。

例えば、アンテナＡｔ（１）とアンテナＡｔ（２）が選択された場合、信号ｘ_１’がアンテナＡｔ（１）から送信され、信号ｘ_２’がアンテナＡｔ（２）から送信される。この場合、アンテナＡｔ（３）は選択されないので、信号ｘ_３’は０である。同様に、アンテナＡｔ（２）とアンテナＡｔ（３）が選択された場合、信号ｘ_２’がアンテナＡｔ（２）から送信され、信号ｘ_３’がアンテナＡｔ（３）から送信され、選択されないアンテナＡｔ（１）の信号ｘ_１’は０である。アンテナＡｔ（３）とアンテナＡｔ（１）が選択された場合も同様に、信号ｘ_３’がアンテナＡｔ（３）から送信され、信号ｘ_１’がアンテナＡｔ（１）から送信され、選択されないアンテナＡｔ（２）の信号ｘ_２’は０である。

このようにして、本実施形態では、３個のアンテナＡｔから２個のアンテナＡｔを選択して、ＭＩＭＯ伝送が行われる。特に、本実施形態では、選択されるアンテナＡｔの組み合わせは、すべての組み合わせの中でＰＡＰＲが最小となる組み合わせのアンテナＡｔが選択される。

ここで、ＺＦ（Zero Forcing）法において、送信装置１０１のアンテナＡｔと受信装置１０２のアンテナＡｒとの間の伝搬路応答ＣＩＲをＨ（ｚ）で表すと、その逆行列Ｈ（ｚ）^－１の一部分を送信ウェイトとして事前に乗ずることで、ストリーム間干渉（アンテナ間干渉とも呼ばれる）の除去された信号の受信が可能になる。なお、逆行列Ｈ（ｚ）^－１の残りの部分は、各ストリーム信号の符号間干渉成分に対応し、受信ウェイトとして受信装置１０２での等化処理に使用される。なお、Ｈ（ｚ）は一意に定まるため、Ｈ（ｚ）^－１も一意に定まる。

次に、伝達関数行列Ｈ（ｚ）の推定方法、送信ウェイトＷ（ｚ）の推定方法、およびＰＡＰＲの推定方法について、数式を用いて説明する。

伝達関数行列Ｈ（ｚ）の逆行列Ｈ（ｚ）^－１は、式（１）で表される。

式（１）において、ｄｅｔ（・）、ａｄｊ（・）はそれぞれ行列式、転置余因子行列を表す。ここで、転置余因子行列は、随伴行列（adjugate matrix）とも呼ばれる。なお、ａｄｊはエルミート転置を表す随伴行列（adjoint matrix）とは異なる。

転置余因子行列ａｄｊ（Ｈ（ｚ））を送信ビーム形成の送信ウェイトＷ（ｚ）に用いることで、伝達関数行列Ｈ（ｚ）が対角化され、ストリーム間干渉が除去される。そして、各対角要素は行列式ｄｅｔ（Ｈ（ｚ））と等しくなり、ストリーム間干渉が除去された後の各ストリームの符号間干渉に対応する。つまり、受信装置１０２は、１／ｄｅｔ（Ｈ（ｚ））を等化部３０２の受信ウェイトとして用いることにより、ストリームごとの符号間干渉が除去される。ここで、送信ウェイトＷ（ｚ）は式（２）、受信ウェイトＷ_Ｒ（ｚ）は式（３）でそれぞれ表される。

ここで、周知技術として、送信側のアンテナの数および受信側のアンテナの数がそれぞれ２個の２×２ＭＩＭＯの場合について説明する。なお、ＭＩＭＯ伝送の最小構成は、２×２ＭＩＭＯ（送信側のアンテナの数および受信側のアンテナの数がそれぞれ２個）である。

２×２ＭＩＭＯの場合、伝達関数行列Ｈ（ｚ）は式（４）で表される。

式（４）において、ｈ_１１はアンテナＡｔ（１）とアンテナＡｒ（１）との間のチャネルのＣＩＲ、ｈ_１２はアンテナＡｔ（２）とアンテナＡｒ（１）との間のチャネルのＣＩＲをそれぞれ示す。同様に、ｈ_２１はアンテナＡｔ（１）とアンテナＡｒ（２）との間のチャネルのＣＩＲ、ｈ_２２はアンテナＡｔ（２）とアンテナＡｒ（２）との間のチャネルのＣＩＲをそれぞれ示す。なお、チャネルごとのＣＩＲは、アンテナＡｔとアンテナＡｒとの間のチャネルごとのＣＳＩに基づいて推定される。

ここで、送信側のアンテナＡｔ（１）から送信される信号をｘ_１’、アンテナＡｔ（２）から送信される信号をｘ_２’とし、受信側のアンテナＡｒ（１）で受信される信号をｙ_１’、アンテナＡｒ（２）で受信される信号をｙ_２’とすると、式（４）の伝達関数行列Ｈ（ｚ）を用いて、式（５）で表すことができる。

一方、本実施形態では、図３に示すように、送信側のアンテナＡｔは３個、受信側のアンテナＡｒは２個であり、この場合の伝達関数行列Ｈ（ｚ）は、式（６）で表される。

式（６）において、ｈ_１１はアンテナＡｔ（１）とアンテナＡｒ（１）との間のチャネルのＣＩＲ、ｈ_１２はアンテナＡｔ（２）とアンテナＡｒ（１）との間のチャネルのＣＩＲ、ｈ_１３はアンテナＡｔ（３）とアンテナＡｒ（１）との間のチャネルのＣＩＲをそれぞれ示す。同様に、ｈ_２１はアンテナＡｔ（１）とアンテナＡｒ（２）との間のチャネルのＣＩＲ、ｈ_２２はアンテナＡｔ（２）とアンテナＡｒ（２）との間のチャネルのＣＩＲ、ｈ_２３はアンテナＡｔ（３）とアンテナＡｒ（２）との間のチャネルのＣＩＲをそれぞれ示す。なお、チャネルごとのＣＩＲは、アンテナＡｔとアンテナＡｒとの間のチャネルごとのＣＳＩに基づいて推定される。

ここで、送信側のアンテナＡｔ（１）から送信される信号をｘ_１’、アンテナＡｔ（２）から送信される信号をｘ_２’、アンテナＡｔ（３）から送信される信号をｘ_３’とし、受信側のアンテナＡｒ（１）で受信される信号をｙ_１’、アンテナＡｒ（２）で受信される信号をｙ_２’とすると、式（６）の伝達関数行列Ｈ（ｚ）を用いて、式（７）で表すことができる。

式（７）において、本実施形態では、送信側の３個のアンテナＡｔのうち、実際に使用するのはＰＡＰＲが最小となる２個のアンテナＡｔである。例えば、アンテナＡｔ（２）とアンテナＡｔ（３）を使用し、アンテナＡｔ（１）を使用しない場合、信号ｘ_１’が送信されないので、ｘ_１’＝０となり、伝達関数ｈ_１１およびｈ_２１は、どのような特性であっても、受信信号ｙ_１’およびｙ_２’に影響を与えない。この場合、式（７）は、式（８）で表される。

ここで、ｘ_１’＝０のときの伝達関数行列Ｈ（ｚ）をＨ（ｚ）_{ｘｎ’＝０}と表記する。ｎは、ｘ_１’、ｘ_２’、ｘ_３’のアンテナＡｔの番号１，２，３にそれぞれ対応し、送信側のアンテナＡｔがＮ個ある場合、ｎは１からＮまでの整数となる。つまり、Ｈ（ｚ）_{ｘｎ’＝０}は、アンテナＡｔ（ｎ）から送信される信号が０であり、アンテナＡｔ（ｎ）が使用されないことを示す。例えば、ｘ_１’＝０のときの伝達関数行列Ｈ（ｚ）_{ｘ1’＝０}は、式（９）で表される。

このとき、式（８）は、式（９）を用いて式（１０）で表される。

ここで、３個のアンテナＡｔと２個のアンテナＡｒのそれぞれのアンテナ間のＣＩＲは、トレーニング信号やパイロット信号などの既知信号を送信して受信装置１０２側で測定されるＣＳＩに基づいて推定される。

上述の場合、先述の式（１）に対応する伝達関数行列Ｈ（ｚ）の逆行列Ｈ（ｚ）^－１は、使用しないアンテナＡｔを示すｘ_ｎ’＝０を用いて、式（１１）で表される。

このとき、送信ウェイトＷ（ｚ）は式（１２）、受信ウェイトＷ_Ｒ（ｚ）は式（１３）でそれぞれ表される。

このようにして、本実施形態では、送信ウェイトＷ（ｚ）および受信ウェイトＷ_Ｒ（ｚ）が推定される。ここで、送信ウェイトＷ（ｚ）の推定は、Ｗ（ｚ）推定部２１２により行われる。なお、受信ウェイトＷ_Ｒ（ｚ）の推定は、送信装置１０１側で行って受信装置１０２側に送信してもよいし、受信装置１０２側で行ってもよい。本実施形態では、受信ウェイトＷ_Ｒ（ｚ）についての説明は省略する。

（ＰＡＰＲの推定について）
次に、ＰＡＰＲの推定方法について説明する。なお、以降で説明する処理は、ＰＡＰＲ推定部２１３により実行される。ＰＡＰＲ推定部２１３は、Ｎ個のアンテナＡｔからＭ個のアンテナＡｔを選択する全ての組み合わせについて、それぞれのＰＡＰＲを推定する。

図３の例では、ＰＡＰＲ推定部２１３は、３個のアンテナＡｔから２個のアンテナＡｔを選択する全ての組み合わせについて、それぞれのＰＡＰＲを推定する。この場合、ｎは１から３なので、ｘ_１’＝０、ｘ_２’＝０、ｘ_３’＝０のそれぞれについてＰＡＰＲの推定が行われる。

例えばｎ＝１の場合、ｘ_１’＝０（例えばアンテナＡｔ（１）に接続するスイッチを切る）となり、先に説明した式（９）に示す伝達関数行列Ｈ（ｚ）が推定される。

そして、Ｗ（ｚ）推定部２１２は、伝達関数行列Ｈ（ｚ）に基づいて、式（１２）に示す送信ウェイトＷ（ｚ）を推定する。

例えばｘ_１’＝０の場合、送信ウェイトＷ（ｚ）は、式（１４）で示されるように、各アンテナ間のストリームごとのａｄｊ（Ｈ（ｚ））を要素とする。この場合、各要素は、ｗ_１２＝ａｄｊ（Ｈ（ｚ））_１２、ｗ_１３＝ａｄｊ（Ｈ（ｚ））_１３、ｗ_２２＝ａｄｊ（Ｈ（ｚ））_２２、ｗ_２３＝ａｄｊ（Ｈ（ｚ））_２３）となる。

次に、ＰＡＰＲ推定部２１３は、送信ウェイトＷ（ｚ）の行列で取り得るピーク電力と平均電力を算出して、ＰＡＰＲを推定する。

ここで、ｘ_１’＝０の場合、アンテナＡｔ（２）およびアンテナＡｔ（３）から送信される信号ｘ_２’およびｘ_３’は、式（１５）で表される。

上式において、ｘ_２’およびｘ_３’は、式（１６）および式（１７）で表される。

このとき、ｘ_２’のピーク電力（ｘ_２’）_ＰＫは、例えば過去の値を含むｘ_１とｘ_２の組み合わせの中でｘ_２’の最大値に対応する電力である。

また、ｘ_２’の平均電力（ｘ_２’）_ＡＶＥは、例えば過去の値を含むｘ_１とｘ_２の取り得る値のすべての組み合わせで算出される平均値に対応する電力である。

そして、ｘ_１’＝０の場合のｘ_２’およびｘ_３’のＰＡＰＲは次式で推定できる。
ＰＡＰＲ_{ｘ２’（ｘ１’＝０）}＝（ｘ_２’）_ＰＫ／（ｘ_２’）_ＡＶＥ
ＰＡＰＲ_{ｘ３’（ｘ１’＝０）}＝（ｘ_３’）_ＰＫ／（ｘ_３’）_ＡＶＥ

このようにして、ｘ_１’＝０の場合のアンテナＡｔごとのＰＡＰＲを推定することができる。

同様に、ｘ_２’＝０の場合のｘ_１’およびｘ_３’のＰＡＰＲは次式で推定できる。
ＰＡＰＲ_{ｘ１’（ｘ２’＝０）}＝（ｘ_１’）_ＰＫ／（ｘ_１’）_ＡＶＥ
ＰＡＰＲ_{ｘ３’（ｘ２’＝０）}＝（ｘ_３’）_ＰＫ／（ｘ_３’）_ＡＶＥ

同様に、ｘ_３’＝０の場合のｘ_１’およびｘ_２’のＰＡＰＲは次式で推定できる。
ＰＡＰＲ_{ｘ１’（ｘ３’＝０）}＝（ｘ_１’）_ＰＫ／（ｘ_１’）_ＡＶＥ
ＰＡＰＲ_{ｘ２’（ｘ３’＝０）}＝（ｘ_２’）_ＰＫ／（ｘ_２’）_ＡＶＥ

次に、上述の結果からｘ_１’＝０とｘ_２’＝０とｘ_３’＝０の３つのアンテナＡｔの組み合わせのうちＰＡＰＲが最小となる組み合わせを選択する。

ここで、説明が分かり易いように、上述の結果を下記のように整理する。
・ｘ_１’＝０の場合に推定されるＰＡＰＲ
（ａ）ＰＡＰＲ_{ｘ２’（ｘ１’＝０）}
（ｂ）ＰＡＰＲ_{ｘ３’（ｘ１’＝０）}
・ｘ_２’＝０の場合に推定されるＰＡＰＲ
（ｃ）ＰＡＰＲ_{ｘ１’（ｘ２’＝０）}
（ｄ）ＰＡＰＲ_{ｘ３’（ｘ２’＝０）}
・ｘ_３’＝０の場合に推定されるＰＡＰＲ
（ｅ）ＰＡＰＲ_{ｘ１’（ｘ３’＝０）}
（ｆ）ＰＡＰＲ_{ｘ２’（ｘ３’＝０）}

上記の（ａ）から（ｆ）までの各ＰＡＰＲの大小関係が例えば、（ａ）＜（ｂ）＜（ｃ）＜（ｄ）＜（ｅ）＜（ｆ）である場合、アンテナＡｔの組み合わせごとの個々のアンテナＡｔのＰＡＰＲが最も抑えられる組み合わせとして、ＰＡＰＲが小さい方の（ａ）と（ｂ）に対応するｘ_１’＝０の組み合わせが選択される。

また、ＰＡＰＲの大小関係を容易に判別できない場合の例として、例えば、（ａ）＜（ｃ）＜（ｅ）＜（ｄ）＜（ｆ）＜（ｂ）である場合、大きいＰＡＰＲを含む組み合わせを排除する処理、または、小さいＰＡＰＲから順番に選んでいく処理、を行いつつ、アンテナＡｔの組み合わせごとの個々のアンテナＡｔのＰＡＰＲが最も抑えられる組み合わせを選択する。上記の場合、ＰＡＰＲの大きい方から見ると、大きいＰＡＰＲを持つ（ｂ）と（ｆ）を排除して、（ｂ）と（ｆ）を含まないｘ_２’＝０のアンテナＡｔの組み合わせが選択される。また、ＰＡＰＲの小さい方から見た場合でも、小さい方から順に（ａ）、（ｃ）、（ｅ）までは未だ組み合わせが決まらないが、次の（ｄ）まで来た段階で、（ｃ）と（ｄ）の両方を含むｘ_２’＝０のアンテナＡｔの組み合わせが選択される。

このようにして、３つのアンテナＡｔの組み合わせのうちＰＡＰＲが最小となる組み合わせを選択することができる。ここで、ＰＡＰＲが最小となる組み合わせとは、上述の通り、アンテナＡｔの組み合わせごとの個々のアンテナＡｔのＰＡＰＲが最も抑えられる組み合わせに相当する。

なお、上述の処理は、送信アンテナ選択部２０６のＰＡＰＲ推定部２１３およびアンテナ決定部２１４により行われる。ここで、先に述べたように、ＰＡＰＲの代わりにピーク電力（最大電力）を用いてもよい。この場合、最大電力が最小となるアンテナＡｔの組み合わせが選択される。最大電力を用いた場合でも、上述の例の（ａ）から（ｆ）の大小関係は同じになり、ＰＡＰＲで行う場合と同じ結果が得られる。

図５は、送信アンテナ選択方法の処理手順の一例を示す。なお、図５の処理は、図１で説明した各ブロックにより実行される。ここで、本実施形態では、送信装置１０１は、受信装置１０２のＭ個のアンテナＡｒの数よりも多いＮ個のアンテナＡｔを有し、Ｎ個のアンテナＡｔからＭ個（Ｍ＜Ｎ）のアンテナＡｔを選択する。

ステップＳ１０１において、送信装置１０１の制御部２０７は、通信開始時または通信中に既知信号を送信し、受信装置１０２は、既知信号に基づいてＣＳＩを測定し、測定結果を送信装置１０１に送信する。

ステップＳ１０２において、送信装置１０１のＨ（ｚ）推定部２１１は、受信装置１０２から受け取るＣＳＩに基づいて、アンテナＡｔとアンテナＡｒとの間のＣＩＲを示す伝達関数行列Ｈ（ｚ）を推定する。

ステップＳ１０３において、送信装置１０１のＷ（ｚ）推定部２１２は、伝達関数行列Ｈ（ｚ）に基づいて、送信ウェイトＷ（ｚ）を推定する。

ステップＳ１０４において、送信装置１０１のＰＡＰＲ推定部２１３は、送信ウェイトＷ（ｚ）に基づいて、Ｎ個のアンテナＡｔからストリーム数に対応するＭ個のアンテナＡｔのすべての組み合わせごとのＰＡＰＲを推定する。

ステップＳ１０５において、送信装置１０１のアンテナ決定部２１４は、アンテナＡｔのすべての組み合わせの中で、ＰＡＰＲが最も抑制されるアンテナＡｔの組み合わせを選択する。

このようにして、本実施形態に係る送信アンテナ選択方法では、送信装置１０１は、受信装置１０２のＭ個のアンテナＡｒの数よりも多いＮ個のアンテナＡｔを有し、Ｎ個のアンテナＡｔからＭ個（Ｍ＜Ｎ）のアンテナＡｔを選択する場合のすべての組み合わせを抽出して各組み合わせのＰＡＰＲを推定し、推定されたＰＡＰＲが最小となるアンテナＡｔの組み合せを選択することができる。なお、図５の処理においても、ＰＡＰＲの代わりに最大電力を用いてもよい。

以上、実施形態で説明したように、本実施形態に係る送信装置１０１は、受信アンテナの数より多く、実際に使用する数（必要数）以上の送信アンテナを搭載することを前提としている。そして、搭載する送信アンテナから使用する送信アンテナを選択するときのすべての組み合わせの中からＰＡＰＲまたは最大電力が最小となる送信アンテナの組み合わせを選択することにより、ＰＡＰＲを低減し、低電力、小型、および安価な無線通信システムの実現が可能になる。

なお、前述した実施形態において、送信ウェイト算出部２０５および送信アンテナ選択部２０６が受信装置１０２から受信するＣＳＩに基づいて使用すべきアンテナＡｔを選択する処理、または、送信装置１０１全体の処理は、専用装置による実現に限らず、入出力インターフェース、演算処理装置、およびメモリなどを有する汎用コンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、上述の処理を実現するためのプログラムをコンピュータ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、コンピュータシステムが該プログラムを実行する。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とする。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、ＣＤ－ＲＯＭ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。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を送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その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のように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。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く、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であってもよく、ＰＬＤ（Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアを用いて実現されるものであってもよい。

また、上記実施の形態は本発明の例示に過ぎず、本発明が上記実施の形態に限定されるものではないことは明らかである。したがって、本発明の技術思想及び範囲を逸脱しない範囲で構成要素の追加、省略、置換、その他の変更を行ってもよい。

１０１・・・送信装置；１０２・・・受信装置；２０１・・・信号送信部；２０２・・・ビーム形成部；２０３，２０３ａ・・・アンテナ切替部；２０４・・・信号受信部；２０５・・・送信ウェイト算出部；２０６・・・送信アンテナ選択部；２０７・・・制御部；２１１・・・Ｈ（ｚ）推定部；２１２・・・Ｗ（ｚ）推定部；２１３・・・ＰＡＰＲ推定部；２１４・・・アンテナ決定部；２３１，２３１ａ・・・ＳＷ部；２３２，２３２ａ・・・ＲＦ部；３０２・・・等化部；３０３・・・送受信処理部；Ａｔ・・・アンテナ；Ａｒ・・・アンテナ

Claims (7)

1. 複数のアンテナによりＭＩＭＯ伝送を行う送信側で使用する送信アンテナの組み合わせを選択する送信アンテナ選択装置において、
   前記送信アンテナの数は、受信側が備えるＭ個（Ｍ≧２）の受信アンテナより多いＮ個（Ｎ＞Ｍ）であり、
   Ｎ個の前記送信アンテナからＭ個の前記送信アンテナを選択する場合のすべての組み合わせを抽出して各組み合わせのＰＡＰＲまたは最大電力を推定する推定部と、
   前記推定部により推定されたＰＡＰＲまたは最大電力が最小となる前記送信アンテナの組み合せを決定し、決定した組み合わせの前記Ｍ個の前記送信アンテナを選択する選択部と
   を有することを特徴とする送信アンテナ選択装置。
2. 請求項１に記載の送信アンテナ選択装置において、
   前記推定部は、受信側で測定された前記送信アンテナと前記受信アンテナとの間のチャネルごとのチャネル状態情報に基づいて伝搬路応答を推定し、チャネルごとの前記伝搬路応答から前記Ｍ個の前記送信アンテナの組み合わせごとのＰＡＰＲまたは最大電力を推定する
   ことを特徴とする送信アンテナ選択装置。
3. 請求項２に記載の送信アンテナ選択装置において、
   前記推定部は、通信開始時および前記チャネル状態情報の変動時のうち少なくとも通信開始時に、前記Ｍ個の前記送信アンテナの組み合わせごとのＰＡＰＲまたは最大電力を推定する
   ことを特徴とする送信アンテナ選択装置。
4. 複数のアンテナによりＭＩＭＯ伝送を行う送信側で使用する送信アンテナの組み合わせを選択する送信アンテナ選択方法であって、
   前記送信アンテナの数は、受信側が備えるＭ個（Ｍ≧２）の受信アンテナより多いＮ個（Ｎ＞Ｍ）であり、
   Ｎ個の前記送信アンテナからＭ個の前記送信アンテナを選択する場合のすべての組み合わせを抽出して各組み合わせのＰＡＰＲまたは最大電力を推定する推定処理と、
   前記推定処理により推定されたＰＡＰＲまたは最大電力が最小となる前記送信アンテナの組み合せを決定し、決定した組み合わせの前記Ｍ個の前記送信アンテナを選択する選択処理と
   を行うことを特徴とする送信アンテナ選択方法。
5. 請求項４に記載の送信アンテナ選択方法において、
   前記推定処理では、受信側で測定された前記送信アンテナと前記受信アンテナとの間のチャネルごとのチャネル状態情報に基づいて伝搬路応答を推定し、チャネルごとの前記伝搬路応答から前記Ｍ個の前記送信アンテナの組み合わせごとのＰＡＰＲまたは最大電力を推定する
   ことを特徴とする送信アンテナ選択方法。
6. 請求項５に記載の送信アンテナ選択方法において、
   前記推定処理では、通信開始時および前記チャネル状態情報の変動時のうち少なくとも通信開始時に、前記Ｍ個の前記送信アンテナの組み合わせごとのＰＡＰＲまたは最大電力を推定する
   ことを特徴とする送信アンテナ選択方法。
7. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の送信アンテナ選択装置で行う処理をコンピュータで実行することを特徴とする送信アンテナ選択プログラム。

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