WO2011087039A1

WO2011087039A1 - 送信機及びｍｉｍｏ多重伝送方法

Info

Publication number: WO2011087039A1
Application number: PCT/JP2011/050405
Authority: WO
Inventors: 健一樋口
Original assignee: 株式会社エヌ・ティ・ティ・ドコモ
Priority date: 2010-01-13
Filing date: 2011-01-13
Publication date: 2011-07-21
Also published as: JP5291668B2; CN102714573A; US20120307937A1; US8755457B2; JP2011166725A

Abstract

　プリコーディングを伴うＭＩＭＯ多重においてピーク電力の低減を伝送品質の劣化をなるべく抑えて実現すること。本ＭＩＭＯ多重伝送方法は、同時送信される複数ストリームに対応した送信データを生成する工程と、前記各送信データが受信機において直交して受信されるようにプリコーディングする工程と、プリコーディング後の前記各送信データに対してストリーム単位で振幅クリッピングして送信電力全体のピークを抑圧する工程と、チャネル状態の良好なストリームへの前記振幅クリッピングに起因する干渉電力の割り当てを抑制する工程とを具備したことを特徴とする。

Description

送信機及びＭＩＭＯ多重伝送方法

　本発明は、ＯＦＤＭ　ＭＩＭＯ多重伝送が適用される送信機及びＭＩＭＯ多重伝送方法に関する。

　ＯＦＤＭ（Orthogonal　Frequency　Division　Multiplexing）は、マルチキャリア化によるシンボルレートの低減とＣＰ（Cyclic　Prefix）の付加によりマルチパス環境において遅延波からの干渉に対する耐性が高いこと、および様々な信号帯域幅への適応性が高いこと等の利点から、将来の移動通信方式における有望な無線アクセス方式と考えられており、３ＧＰＰ（3rd　Generation　Partnership　Project）における第３世代移動通信システムの長期的高度化システムであるＬＴＥ（Long　Term　Evolution）等に既に採用されている（例えば、非特許文献１参照）。ところが、ＯＦＤＭ信号はマルチキャリアであるため、ピーク電力対平均電力比（ＰＡＰＲ：Peak-to-Average　Power　Ratio）が増大するという問題がある。ＰＡＰＲが増大すると、ピーク送信電力に制限がある場合に平均送信電力が減少する問題がある。

　ＯＦＤＭにおけるＰＡＰＲ抑圧法については、これまで種々の方法が提案されてきた。サイド情報を必要としないＰＡＰＲ抑圧法として、クリッピングとフィルタリングに基づく方法（ＣＦ：Clipping　and　Filtering）法がある。ＣＦ法は、ＯＦＤＭ時間信号に対して、振幅クリッピングを行い、その後クリッピングにより生じた帯域外干渉をフィルタで除去する方法である。

　一方、ＭＩＭＯ（Multiple-Input　Multiple-Output）チャネルを利用した空間分割多重(以下、「ＭＩＭＯ多重」と呼ぶ)は周波数利用効率を大きく改善することが期待できる。ＯＦＤＭとＭＩＭＯ多重の組み合わせは将来の無線通信システムにおいて非常に有望である。特に、チャネル行列の特異値分解（ＳＶＤ：Singular　Value　Decomposition）に基づくプリコーディングを用いるＭＩＭＯ多重（以下、「固有モードＭＩＭＯ伝送」という）は最大のチャネル容量を実現する方法として知られている。

3GPP　TS36.300,　Evolved　Universal　Terrestrial　Radio　Access(E-UTRA)　and　Evolved　Universal　Terrestrial　Radio　Access　Network　(E-UTRAN);Overall　description.

　しかしながら、プリコーディングを用いたＭＩＭＯ多重伝送に対しＣＦ法を適用した場合、各送信アンテナブランチ端でクリッピングおよびフィルタリングすることによって、プリコーディング前の各ストリームに対し等価的にピーク抑圧信号を加えることに起因する干渉が発生し、チャネル容量が劣化する問題がある。

　本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、プリコーディングを伴うＯＦＤＭ　ＭＩＭＯ多重伝送において、ピーク抑圧信号に起因する干渉によるチャネル容量の劣化を最小限に抑えることが可能な送信機及びＭＩＭＯ多重伝送方法を提供することを目的とする。

　本発明の送信機は、複数ストリームにて同時送信される送信データを生成する送信データ生成手段と、前記各送信データが受信機において直交して受信されるようにプリコーディングするプリコーディング手段と、プリコーディング後の前記各送信データに対してストリーム単位で振幅クリッピングして送信電力全体のピークを抑圧するピーク抑圧手段と、チャネル状態の良好なストリームへの前記振幅クリッピングに起因する干渉電力の割り当てを抑制する干渉割当て制御手段とを具備したことを特徴とする。

　これにより、ＭＩＭＯ多重伝送において、主にクリッピングにより発生する干渉を、干渉による容量減が小さい、状態の悪いストリームに集中的に振り分けられるので、全体的な容量損を低減することができる。

　本発明によれば、プリコーディングを伴うＯＦＤＭ　ＭＩＭＯ多重伝送において、ピーク抑圧信号に起因する干渉によるチャネル容量の劣化を最小限に抑えることができる。

ＭＩＭＯ多重の原理図固有モードＭＩＭＯ多重伝送の概念図帯域内干渉が等価的に各ストリームに分配されることを説明する概念図本発明よる干渉成分の集中配置の概念図ＣＦ法により生じる干渉成分を各ストリームに均等に振り分ける場合の概念図制約条件ａ），ｂ），ｃ）と繰り返しアルゴリズムを適用した固有モードＭＩＭＯ多重伝送におけるピーク抑圧方法の概念図実施例に係る送信機の機能ブロック図ＯＦＤＭ送信信号に対するクリッピング及びフィルタリング処理の概念図制約条件ａ´），ｂ´），ｃ´）と繰り返しアルゴリズムを適用した固有モードＭＩＭＯ多重伝送におけるピーク抑圧方法の概念図

　本発明は任意のプリコーディング手法に適用可能であるが、以下の説明では固有モードＭＩＭＯ多重伝送への適用について説明する。

　図１はＭＩＭＯ多重の原理図であり、２×２ＭＩＭＯ多重の例が示されている。
　送信機及び受信機でそれぞれ複数アンテナを備え、アンテナ数分の情報シンボルを同時伝送する方法が示されている。送信機において、送信データ（ｘ_１、ｘ_２…）を直並列変換し、一方の送信アンテナ＃１から情報シンボルｘ_１を送信し、他方の送信アンテナ＃２から情報シンボルｘ_２を同時に送信する。受信機において、一方の受信アンテナ＃１で受信信号ｙ_１が受信され、他方の受信アンテナ＃２で受信信号ｙ_２が受信される。このとき、受信信号ｙ_１、ｙ_２は、次式で表すことができる。
　ｙ_１＝ｈ_１，１ｘ_１＋ｈ_１，２ｘ_２＋ｗ１
　ｙ_２＝ｈ_２，１ｘ_１＋ｈ_２，２ｘ_２＋ｗ２
但し、ｗ１、ｗ２は雑音項（成分）であり、ｈ_１，１、ｈ_１，２は送信アンテナ＃１、＃２から受信アンテナ＃１に至るチャネルを表し、ｈ_２，１、ｈ_２，２は送信アンテナ＃１、＃２から受信アンテナ＃２に至るチャネルを表している。

　雑音項（ｗ１、ｗ２）を無視すれば、ｙ_１、ｙ_２は変数ｘ_１、ｘ_２に対する連立方程式であるので、信号分離において、上記連立方程式を解くことにより、同時に２つの情報シンボルを復調できることになる。

　送信アンテナブランチ数N_tx、受信アンテナブランチ数N_rxのＭＩＭＯ多重を考える。空間多重されるストリーム数ＬはN_txとする。ただし、Ｌ（=N_tx）ストリームの内で、実際に情報伝送に寄与するのはN_min=min(N_tx, N_rx)以下になる。サブキャリア数をＫ、ＦＦＴポイント数をＦと仮定すると、長さＦの第l (1≦l≦L)ストリームの周波数領域ＯＦＤＭ送信シンボルベクトルc_lは、（１）式のように表わされる。

ここでc_eff,lは長さＫの実効サブキャリアの送信シンボルベクトルである。c_lに対してＦポイントのＩＦＦＴを実行することにより、第lストリームの長さＦの時間領域信号ベクトルx_l ^(b)が得られる。

　ここで十分に正確なピーク電力の測定のためには、ＦはＫのおよそ４倍以上の値である必要がある。簡単のため周波数非選択性フェージングチャネルを仮定する。チャネル行列Ｈを全サブキャリアにおいて同一のN_rx×N_tx行列で表すとすると、Ｈは特異値分解により、（３）式で表せる。

ここで、Uは大きさがN_rx×N_rxのユニタリ行列、Ｖは大きさがN_tx×N_txのユニタリ行列、Λは大きさがN_rx×N_txの各対角成分が第lストリームの特異値λlを表す非負の実数で構成された以下の行列である。「＊」は複素共益を表す。

ここで、Σは大きさがN_min×N_minの対角行列である。N_minより大きい１に対するλ_lは0であり、さらにλ_l≧λ_l+1も仮定する。送信機におけるＶを用いたプリコーディングと、受信機におけるU^＊を用いた線形フィルタリングにより、ＭＩＭＯチャネルはＬ個のパラレルチャネルに変換される。すなわち固有モードＭＩＭＯ伝送が実現される。

　図２を参照して固有モードＭＩＭＯ多重伝送について具体的に説明する。
　固有モードＭＩＭＯ多重伝送では、送信機において送信信号ベクトルxにN_tx×N_txのユニタリ行列Ｖを用いたプリコーディングを行い、受信機において受信信号yにN_rx×N_rxのユニタリ行列Uを乗算してポストデコーディングする。すなわち、送信機は送信信号ベクトルxの代わりにＶxを送信し、Ｖxがチャネル行列Ｈで表わされる伝搬路を経由して受信機のN_rx本の受信アンテナで受信される。受信機ではＨＶxで表わされる受信信号にガウス雑音ベクトルw（N_rx×１）を乗算し、この受信信号ベクトルy（＝Hx＋ｗ）にU^＊を乗算してポストデコーディングする。この結果、N_min個（ｙ’_１～ｙ’_Nmin）のパラレルチャネルに変換される。

　注水定理に基づくＬ個の各ストリームへの送信電力分配は特異値λ_lを用いて行われる。l番目のストリームへの割り当て電力p_lは次のように決定される。

ここで、関数（ａ）⁺はａが正の数である場合は値ａをとり、ａが負である場合は０となる。N₀は雑音電力を表し、ｗはp_lの合計値が使用可能な最大送信電力Ｐと等しくなるように決定される。送信電力を制御された後の第lストリームの送信信号ベクトルｘ_lは、次式（６）で表わされる。

　この送信電力割り当てにより、いくつかのストリームはチャネル状態によっては送信電力が割り当てられないこともある。この場合、実効的なストリーム数はN_minよりも少なくなる。

　Ｙを(t,i)成分がt番目の送信アンテナブランチからi番目の離散時間に送信される信号を表す大きさがN_tx×Ｆの送信信号行列とすると、Ｙは次式（７）で与えられる。

以降では、ｙ_iをＹのi(1≦i≦F)番目の列ベクトルとし、ｘ_iを[ｘ_１ ^ｔ…ｘ_L ^ｔ]^ｔのi番目の列ベクトルとする。仮に、ＹにＣＦ法を適用しなかった場合の合計チャネル容量は次のように表わされる。

　固有モードＭＩＭＯ伝送に単にＣＦ法を適用した場合、クリッピングおよびフィルタリングは送信信号行列Ｙに対し実行され、出力信号が送信される。クリッピングおよびフィルタリングによりピーク抑圧のための干渉信号が生じるため、ＣＦ法によるＰＡＰＲ抑圧後のｙ_iであるｙ^～i（^～はｙの上バー波線の置き換えであり、tilde{y}を表しており、ｘについても同様である）は、次式（９）で表せる。

ここで、Δ_iはクリッピングおよびフィルタリングに起因する干渉を表す長さN_txのベクトルである。これは、プリコーディング前の送信信号ｘiが、次式（１０）で表わされるｘ^～iに変換されることを意味する。

ここで、e_i=[e_1,i，…，e_L,i]^tはi番目の離散時間に各ストリームで観測される干渉ベクトルである。それゆえ、合計のチャネル容量は、次式（１１）で表わされる。

ここで、E_i[|e_l,i|²]はiについての|e_l,i|²の平均値を表しており、|λ_l|²E_i[|e_l,i|²]はストリームlに加わった干渉電力の大きさを表している。したがって、式（１１）は、より大きなλ_l、より大きなp_lを持つストリームほど、ＣＦ法による干渉に起因した容量損が増大することを示している。

　図３（Ａ）（Ｂ）は各送信アンテナ端でＣＦ法を適用したことにより、帯域内干渉が等価的に各ストリームに分配されることを表した概念図である。同図（Ａ）に示すように、送信機の各送信アンテナ端でＣＦ法を適用したことにより、ＣＦ法により生じた干渉ベクトルΔが各ストリームに加えられ、各ストリームはＶｘ＋Δとなる。このことは、同図（Ｂ）に示すように、送信信号ベクトルｘに等価干渉ベクトルＶ^＊Δが加わることと等価である。

　本発明者は、以上の考察の結果、クリッピングとフィルタリングに起因する干渉を、比較的小さなλ_lないしはp_lを持つストリームに集中させることができれば、チャネル容量の劣化を抑えることができることを見出し、本発明に到った。

　ここで、０より大きいp_lを持つストリームの数をＬ_effとする。このとき、Ｌ_effがＬより小さいとすると、各ストリームにクリッピングとフィルタリングにより発生する干渉をＬ_eff＋１～Ｌ番目のストリームに集中させることにより、チャネル容量の劣化なしにＰＡＰＲを抑圧することができる。これは、０より大きいp_lを持つストリームが、式（５）より明らかなように、全ストリームのうち、実効的に送信される（チャネル容量の増大に寄与する）ストリームを表すことから理解できる。なお、ストリーム番号が大きいほど（Ｌ_max＝Ｌ）状態が悪化しているものとする。Ｌ_effがＬと等しい場合は、ある程度のチャネル容量の劣化を許容する必要があるが、より小さいλ_lを持つストリームにより大きな干渉電力を割り当てることにより、従来のＣＦ法に比較してチャネル容量の劣化を軽減することができると期待できる。

　ここでは、Ｌ_effがＬと等しいときは最も小さいλ_l(p_l)を持つＬ_eff番目のストリームをＰＡＰＲ抑圧のために用いるものとする。以上をまとめて、干渉を許容しないストリーム数Ｌ_prを以下のように定める。

　本発明は、ピーク抑圧のためのクリッピングとフィルタリングにより発生する干渉を、干渉による容量減が小さい、状態の悪いストリームであるＬ_pr+1からＬ番目のストリームに、集中するように制御し、それにより全体的な容量損を低減する。

　具体的には、全部でN_tx個のストリームのうち、下記の（１）（２）に該当するストリームに干渉を集中させる。
（１）λ_l＝０となるストリームがあれば、それら全部
　　　（これは、N_tx＞N_rxのため、N_min＜N_txとなるとき成り立ち、N_min＋１~N_tx番目のストリームが該当）
（２）λ_l＝０となるストリームがなければ、λ_lが最小のN_min＝N_tx番目のストリーム
　　　（これは、N_tx≦N_rxのため、N_min＝N_txとなるとき成り立つ）

　図４に本発明よる干渉成分の集中配置の概念図を示す。図４では干渉を許容しないストリーム数をN_prとしており、ｅは干渉成分である。同図に示されるように、干渉を許容しないストリーム番号１からN_prまでは、送信信号ベクトルｘに加えられる干渉成分ｅが０となっている。一方で、干渉が許容される状態の悪いストリーム番号N_pr＋１からN_txに対しては干渉成分ｅが集中的に加えられている。

　図５はＣＦ法による生じる干渉成分を各ストリームに均等に振り分ける場合の概念図である。全てのストリームに干渉成分が均等に振り分けられている。このため、状態の良いストリーム番号１からN_prにまで干渉成分が加えられている。

　本発明において最適なピーク抑圧信号eを求める問題は、制約条件ａ）、制約条件ｂ）、制約条件ｃ）を含んだ、以下の凸最適化問題で記述される。

ここで、P_maxはピーク電力であり、minimize　P_maxはピーク電力を最小化することを意味する。ｙ~_t,iは、ピーク抑圧後のt番目の送信アンテナのi番目の時間サンプルの送信信号である。ＦはＦＦＴポイント数であり、帯域外も含めたサブキャリア数を表している。Kは有効サブキャリア数である。z_t,iはピーク抑圧後のt番目の送信アンテナのi番目のサブキャリアの送信信号、e_l,iはi番目の時間サンプルでt番目のストリームに加わる干渉信号を表している。

　制約条件ａ）は、ピーク電力の抑圧の制約条件であり、「各時間サンプルの送信信号電力が全てピーク電力以下になる」という条件である。

　制約条件ｂ）は、帯域外干渉の除去に関する制約条件であり、「帯域外の干渉を０にする」という条件である。

　制約条件ｃ）は、状態のよいストリームに干渉を割当てないことを保証する制約条件であり、「ストリーム番号１からNpr番目のストリームへの干渉ｅを０にする」という条件である。

　上記（１３）式は、凸最適化問題であるため、ＣＦ法による連続したクリッピングおよびフィルタリング処理の実施（制約条件ａ）ｂ）の適用）と、制約条件ｃ）の適用と、を繰り返しアルゴリズムにより、近似的に解を求めることができる。

　本発明は、以下のステップ１）からステップ６）を繰り返しアルゴリズムにより、ＣＦ処理に伴って生じる干渉が、当該干渉による容量減が小さく状態の悪いストリームに集中するように、ピーク抑圧後の送信信号ベクトルを生成する。

　ステップ１）初期化
　初期化では、jを１とする（j：＝１）。
　l番目のストリームの周波数領域ＯＦＤＭ送信シンボルベクトルc_lとl番目のストリームの割当て電力p_lとから送信信号x_iを生成する。
　x_iをx＾_i ^（ｊ）（x＾はxハットの置き換えであり、hat{x}を表している、y＾についても同様である）とする（x＾_i ^（ｊ）：＝x_i）。

　ステップ２）プリコーディング
　ユニタリ行列Ｖを用いてプリコーディングする（y＾_i ^（ｊ）：＝Ｖx＾_i ^（ｊ））。

　ステップ３）クリッピング及びフィルタリング
　y＾_i ^（ｊ）にクリッピングを行う（(i=1,…,F.)）。
　クリッピング後の信号にフィルタリングを行う。ここでは、クリッピングによる帯域外放射を除去するためのフィルタリングは、ＦＦＴによりクリッピング後の時間領域信号を周波数領域信号に変換し、信号の帯域外に対応する周波数成分を０にすることで行なうこととする。
　クリッピングおよびフィルタリング後のi番目の送信信号ベクトルは、次のように表される。
　y^～ _i ^（ｊ）＝y＾_i ^（ｊ）＋Δ_i ^（ｊ）

　ステップ４）クリッピングおよびフィルタリングされた等価ストリーム信号の計算
　等価ストリーム信号はＶ^＊y^～ _i ^（ｊ）を計算する^（　x^～ _i ^（ｊ）：＝Ｖ^＊y^～ _i ^（ｊ））。

　ステップ５）ストリーム番号１～Ｌ_pr番目までのストリームにおける干渉成分の除去
　（１４）式によりストリーム番号１～Ｌ_pr番目までのストリームにおける干渉成分を除去する。

ここで、I_mは大きさがｍ×ｍの単位行列である。

　ステップ６）ステップ２）に戻る繰り返し

　上記のプロセスは、ピーク電力が十分小さくなるか、繰り返し回数が許容可能な最大値を超えるまで続けられる。最後の繰り返しにおいてステップ３）で生成されたy^～ _i ^（ｊ）が実際に送信される。

　図６は上記制約条件ａ），ｂ），ｃ）と繰り返しアルゴリズムを適用した固有モードＭＩＭＯ多重伝送におけるピーク抑圧方法の概念図である。図６に示すように、送信信号ベクトルｘ＾に対してN_tx×N_txのユニタリ行列Ｖを用いてプリコーディングする。次に、プリコーディング後の信号Ｖｘ＾に対して、閾値Pthを超える振幅をカットする振幅クリッピングを行い、その後クリッピングにより生じた帯域外干渉をフィルタで除去する（制約条件ａ），ｂ））。

　クリッピングおよびフィルタリング後の送信信号ベクトルＶｘ＾＋ΔにＶ^＊を乗算してクリッピングおよびフィルタリングされた等価ストリーム信号（ｘ^～）を計算する。制約条件ｃ）を満足するため、（１４）式に等価ストリーム信号（ｘ^～）を代入して送信信号ベクトルｘ＾を計算する。（１４）式により、状態の良いストリーム番号１からＬ_pr番目までのストリームにおける干渉成分の割り振りを無くし、状態の悪いストリーム番号Ｌ_pr＋１番目からＬ番目までのストリームに干渉成分が集中するように分配される。

　上記処理を繰り返して、送信信号ベクトルｘ＾が収束するか、繰り返し回数が規定回数に達したら、スイッチＳＷをオンして送信アンテナから送信する。

　以下、図７を参照して具体的な実施例について説明する。
　図７は実施例に係る送信機の機能ブロックを示しており、前述したステップ１）～６）に対応する機能ブロックにステップ番号を記入している。同図に示す送信機において、チャネル符号化部１１によって送信データに誤り訂正等の処理が加えられてチャネル符号化され、データ変調部１２によって所定のデータ変調が加えられた送信データのシンボル系列が直並列変換部１３によって直列－並列変換される。並列データはＩＦＦＴ部１４に入力されて逆高速フーリエ変換により一括して時間領域の信号に変換される。プリコーディング部１５にＩＦＦＴ部１４から出力される送信信号ベクトルｘが入力され、ユニタリ行列Ｖを用いてプリコーディングされる。プリコーディングのウェイト情報は伝搬路のチャネル行列から計算するため、対向局である受信機から通知される。プリコーディング後の送信信号ベクトルに対してストリーム毎に対応するクリッピング及びフィルタリング部１６にて並列にクリッピング及びフィルタリング処理が行われる。

　図８にＯＦＤＭ送信信号に対するクリッピング及びフィルタリング処理の概要が示されている。同図に示すように、複数のサブキャリアに送信データが乗るようにデータ変調した送信信号を逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）することにより時間領域の信号に変換されるが、クリッピングしきい値Pthを超える部分をカットする振幅クリッピングを行う。振幅クリッピング後、プリコーディング信号を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）すると、帯域内及び帯域外にクリッピングにより生じた干渉が発生する。帯域外に漏れ出しているクリッピングにより生じた干渉を除去するフィルタリング処理を行う。帯域内に残留しているクリッピングにより生じた干渉は、上記制約条件ｃ）にしたがって状態の悪いストリームに集中的に分配されるようにする。

　繰り返し処理終了判定部１７は、各クリッピング及びフィルタリング部１６から出力されるプリコーディング後の送信信号ｘ＾が所定値に収束又は規定最大繰り返し回数に達したか否か判断する。送信信号ｘ＾（ピーク電力）が所定値に収束又は既定の最大繰り返し回数に達するまで送信信号ｘ＾を等価ストリーム信号計算部１８へ戻し、ステップ４）、ステップ５）を経由した処理を繰り返す。そして、ピーク電力が設定値より小さくなったとき、又は設定した繰り返し数の最大値を超えた場合に、繰り返し処理を終了し、次の信号生成処理に進む。

　等価ストリーム信号計算部１８は、クリッピング及びフィルタリング後の送信信号ｘ＾が入力し、送信信号ｘ＾に対してＶ^＊を用いた行列演算を実施する。すなわち、プリコーディング部１５とは逆の処理を行って、対象ストリームに関して等価ストリーム信号を生成する。

　干渉成分除去部１９では、等価ストリーム信号計算部１８で計算された対象ストリームの等価ストリーム信号に対して（１４）式による行列演算を実施する。（１４）式は、状態の良いストリーム番号１からＬ_pr番目までのストリームにおける干渉成分を除去するように対象ストリームの送信信号ｘ＾を再生成する。また、ストリーム番号１からＬ_pr番目までのストリームにおける帯域内干渉（図８参照）を、状態の悪いストリーム番号Ｌ_pr＋１番からＬ番目までのストリームに対して、集中的に振り分けるということもできる。

　上記処理を繰り返す結果、繰り返し処理終了判定部１７が繰り返し処理を終了すると判定した送信信号がＣＰ付加部２１へ出力され、そこでガードバンドとなるサイクリックプレフィックスを付加される。ＲＦ送信回路２２から送信アンテナ毎に送信される。

　このように本実施例によれば、固有モードＭＩＭＯ多重伝送において、クリッピングとフィルタリングにより発生する干渉を、干渉による容量減が小さい、状態の悪いストリームであるＬ_pr+1からＬ番目のストリームに、集中するように制御するので、全体的な容量損を低減することができる。

　次に、周波数選択性フェージングに適用可能なＰＡＰＲ抑圧法について説明する。
　それぞれ異なるフェージングが観測される周波数ブロック数はＢとする。各周波数ブロック内ではフェージング変動は一定とする。周波数ブロック当たりのサブキャリア数をＫとし、長さＫの第l（1≦l≦L）ストリームの周波数領域ＯＦＤＭ送信シンボルベクトルをc_b,lと表わす。第b（1≦b≦B）周波数ブロックにおける大きさがN_rx×N_txのチャネル行列をH_bと表すものとすると、H_bは特異値分解により、以下のように分解できる。

　ここで、U_bは大きさがN_rx×N_rxのユニタリ行列、Ｖ_bは大きさがN_tx×N_txのユニタリ行列、Λ_bは大きさがN_rx×N_txで各対角成分が第lストリームの特異値λ_lを表す非負の実数で構成された以下の行列である。

　ここで、Σ_bは大きさがN_min×N_minの対角行列である。N_minより大きいlに対するλ_b,lは0であり、さらにλ_b,l≧λ_b,l+1も仮定する。第ｂ周波数ブロックにおいて、送信機ではV_bを用いたプリコーディングを行い、受信機ではU_b ^Hを用いた線形フィルタリングを行う。これにより、ＭＩＭＯチャネルは総数がＢＬ個のパラレルチャネルに変換された固有モードＭＩＭＯ伝送が実現される。

　注水定理に基づくＢＬ個の各ストリームへの送信電力分配はλ_b,lを用いて行われる。l番目のストリームへの割り当て電力p_b,lは次のように決定される。

　ここで、関数（ａ）⁺はａが正の数である場合は値ａをとり、ａが負である場合は0となる。N₀は雑音電力を表し、wはp_b,lの合計値が使用可能な最大送信電力と等しくなるように決定される。第b周波数ブロックにおける送信電力を制御された後の第lストリームの送信信号ベクトルx_b,lは、次のように表される。

　この送信電力割り当てにより、いくつかのストリームはチャネル状態によっては送信電力が割り当てられないこともある。この場合、実効的なストリーム数はN_minよりも少なくなる。以降では、第（l,i）成分が第b周波数ブロックの第ｉ（1≦i≦K）サブキャリアから送信される第lストリーム信号を表す大きさがＬ×Ｋの第ｂ周波数ブロックの送信信号行列をX_b=[xb,1… xb,L]^Tと表記する。

　送信信号にＰＡＰＲ抑圧のためにＣＦ法を適用しなかった場合、合計チャネル容量は次のようになる。

　Ｙ_bを、大きさがN_tx×Kで、第（t,i）成分が第t（1≦t≦N_tx）送信アンテナから送信される第ｂ周波数ブロックの第iサブキャリアのプリコーディング後の周波数領域送信信号を表す送信信号行列とすると、Ｙ_bは下式で与えられる。

　以降では、y_b,tを第ｂ周波数ブロックの第t送信アンテナにおけるプリコーディング後の周波数領域の信号ベクトルであるＹ_bのt番目の行ベクトルとする。

　ＦＦＴポイント数をＦとすると、第ｔ送信アンテナでの長さＦの時間領域信号ベクトルz_tは以下のように表せる。

　ここで、0_F-BKは長さＦ－ＢＫの全０ベクトルである。十分に正確なピーク電力の測定のためには、ＦはＢＫのおよそ４倍以上の値である必要がある。z_tにＣＦ法の処理を施すことにより、z_tは、ｚ^～ _tに変換される。クリッピングおよびフィルタリングによりピーク抑圧のための干渉信号が生じるため、ＣＦ法によるＰＡＰＲ抑圧後のＹ_bであるＹ^～ _bは、次式で表せる。

　ここで、Δ_bはクリッピングおよびフィルタリングに起因する干渉を表す大きさNtx×Kの行列である。これはプリコーディング前の送信信号X_bが、下式に変換されることを意味する。

　ここで、w_b,lは第b周波数ブロックでのl番目のストリームで観測される干渉ベクトルである。したがって、合計チャネル容量は、次式で表される。

　ここでE_i[|w_b,l,i|²]は、iについての|w_b,l,i|²の平均値を表す。式（２４）は、より大きなλ_b,l、同じことだがより大きなp_b,lを持つストリームほどＣＦ法適用によるチャネル容量の低減量が増大することを示している。

　基本的な考え方は、周波数ブロック毎に前述したＣＦ法に基づくＰＡＰＲ抑圧法を適用する。すなわち、個々の周波数ブロック内において、干渉電力を最も状態の悪いストームに集中させる。ここで、第b周波数ブロックにおける0より大きいp_b,lを持つストリームの数をＬ_eff,bとする。このとき、Ｌ_eff,bがＬより小さいとすると、第b周波数ブロックにおいて各ストリームにクリッピングとフィルタリングにより発生する干渉をＬ-Ｌ_eff,b本のストリームに集中させることにより、チャネル容量の劣化なしにＰＡＰＲを抑圧することができる。Ｌ_eff,bがＬと等しい場合は、ある程度のチャネル容量の劣化を許容する必要があるが、より小さいλ_b,l、同じことだがより小さいp_b,lを持つストリームにより大きな干渉電力を割り当てることにより、従来のＣＦ法に比較してチャネル容量の劣化を軽減することができると期待できる。本例では、Ｌ_eff,bがＬと等しいときは最も小さいp_b,l（λ_b,l）を持つＬ_eff,b番目のストリームをＰＡＰＲ抑圧のために用いるものとした。以上をまとめて、Ｌ_pr,bを以下のように定める。

クリッピングとフィルタリングにより発生する干渉をＬ_pr,b+1からＬ番目のストリームに集中するように制御する。

　以上に述べた、ＰＡＰＲ抑圧の問題は、周波数選択性フェージングに適用することを考慮して、次のように表わされる。

　ここで、u_tはＰＡＰＲ抑圧後の第ｔ送信アンテナブランチにおける周波数領域の送信信号系列を表す長さＦのベクトルである。第１の制限条件ａ´）はピーク電力の抑圧を示し、第２の制限条件ｂ´）は帯域外干渉の除去を示す。そして、第３の制限条件ｃ´）は1～Ｌ_pr,b番目のストリームに干渉を割り当てないことを保証するものである。

　上記（２６）式に示す問題は凸最適化問題であり、連続したクリッピングおよびフィルタリング処理（第１、２の制限条件ａ´、ｂ´）と、第３の制限条件ｃ´）の修復とに基づく繰り返しアルゴリズムにより近似的に解を求めることができる。

　本実施例では、次のアルゴリズム（ステップ１から６）によりピーク抑圧後の送信信号ベクトルを生成する。

　ステップ１）初期化
　初期化では、jを１とする（j：＝１）。
　l番目のストリームの周波数ブロックにおける周波数領域ＯＦＤＭ送信シンボルベクトルc_b,lとl番目のストリームの割当て電力p_b,lとから送信信号X_bを生成する。
　X_bをX＾b^（ｊ）（X＾はXハットの置き換えであり、hat{X}を表している、Ｙ＾についても同様である）とする（X＾b^（ｊ）：＝X_b）。

　ステップ２）プリコーディング
　ユニタリ行列Ｖを用いてプリコーディングする（Y＾b^（ｊ）：＝VX＾b^（ｊ））。

　ステップ３）クリッピング及びフィルタリング
　ＩＦＦＴにより第ｔ送信アンテナの時間領域送信信号z＾_t ^（ｊ）を生成する。

　ここで、Y＾_b,t ^（ｊ）は、Y＾_b ^（ｊ）のｔ番目の行ベクトル。
　z＾_t ^（ｊ）に対してクリッピングを行う(t=1,…,N_tx)。
　クリッピング後の信号にフィルタリングを行う。本実施例ではクリッピングによる帯域外放射を除去するためのフィルタリングは、ＦＦＴによりクリッピング後の時間領域信号を周波数領域信号に変換し、信号の帯域外に対応する周波数成分を0にすることで行なうことができる。
　クリッピングおよびフィルタリングの結果、Ｙ＾_b ^（ｊ）はＹ^～　_b ^（ｊ）に変換される。
　Ｙ~_b ^（ｊ）＝Ｙ＾_b ^（ｊ）＋Δ_b ^（ｊ）

　ステップ４）クリッピングおよびフィルタリングされた等価ストリーム信号の計算
　等価ストリーム信号はX^～ _b ^（ｊ）を計算する（X^～ _b ^（ｊ）：＝V_b ^HY^～ _b ^（ｊ））。

　ステップ５）ストリーム番号１~Ｌ_pr,b番目までのストリームにおける干渉成分の除去
　次式によりストリーム番号１~Ｌ_pr,b番目までのストリームにおける干渉成分を除去する。

　ここで、I_mは大きさがｍ×ｍの単位行列である。

　ステップ６）ステップ２）に戻る繰り返し

　上記のプロセスは、ピーク電力が十分小さくなるか、繰り返し回数が許容可能な最大値を超えるまで続けられる。最後の繰り返しにおいてステップ３）で生成されたＹ^～ _b ^（ｊ）が実際に送信される。

　図９は上記制約条件ａ´），ｂ´），ｃ´）と繰り返しアルゴリズムを適用した固有モードＭＩＭＯ多重伝送におけるピーク抑圧方法の概念図である。図９に示すように、個々の周波数ブロックの送信信号ベクトルｘ＾_bに対してN_tx×N_txのユニタリ行列Ｖを用いてプリコーディングする。次に、プリコーディング後の信号Ｖ_bｘ＾_bに対して、閾値Pthを超える振幅をカットする振幅クリッピングを行い、その後クリッピングにより生じた帯域外干渉をフィルタで除去する（制約条件ａ´），ｂ´））。

　クリッピングおよびフィルタリング後の送信信号ベクトルＶ_bｘ＾_b＋Δ_bにＶ_b ^Hを乗算してクリッピングおよびフィルタリングされた等価ストリーム信号（ｘ^～ _b）を計算する。制約条件ｃ´）を満足するため、（２６）式に等価ストリーム信号（ｘ^～）を代入して送信信号ベクトルｘ＾を計算する。（２６）式により、当該周波数ブロックにおいて状態の良いストリーム番号１からＬ_pr,b番目までのストリームにおける干渉成分の割り振りを無くし、状態の悪いストリーム番号Ｌ_pr,b＋１番目からＬ番目までのストリームに干渉成分が集中するように分配される。

　以上の周波数ブロック単位のＰＡＰＲ抑圧法は、前述した図７に示す機能ブロックにて実現できる。同図に示す送信機において、チャネル符号化部１１によってある周波数ブロックの送信データに誤り訂正等の処理が加えられてチャネル符号化され、データ変調部１２によって所定のデータ変調が加えられた送信データのシンボル系列が直並列変換部１３によって直列－並列変換される。並列データはＩＦＦＴ部１４に入力されて逆高速フーリエ変換により一括して時間領域の信号に変換される。プリコーディング部１５にＩＦＦＴ部１４から出力される送信信号ベクトルｘ_bが入力され、ユニタリ行列Ｖ_bを用いてプリコーディングされる。周波数選択性フェージングチャネルで周波数ブロック毎に異なるプリコーディング行列でプリコーディングされる。プリコーディングのウェイト情報は伝搬路のチャネル行列から計算するため、対向局である受信機から通知される。プリコーディング後の送信信号ベクトルに対してストリーム毎に対応するクリッピング及びフィルタリング部１６にて並列にクリッピング及びフィルタリング処理が行われる。

　周波数ブロック毎に帯域内に残留しているクリッピングにより生じた干渉は、上記制約条件ｃ´）にしたがって同一周波数ブロック内の状態の悪いストリームに集中的に分配されるようにする。

　等価ストリーム信号計算部１８は、クリッピング及びフィルタリング後の送信信号ｘ＾が入力し、送信信号ｘ＾に対してＶ_b ^Hを用いた行列演算を実施する。すなわち、プリコーディング部１５とは逆の処理を行って、対象ストリームに関して等価ストリーム信号を生成する。

　干渉成分除去部１９では、等価ストリーム信号計算部１８で計算された対象ストリームの等価ストリーム信号に対して（２８）式による行列演算を実施する。（２８）式は、周波数ブロック内において状態の良いストリーム番号１からＬ_pr,b番目までのストリームにおける干渉成分を除去するように対象ストリームの送信信号ｘ＾を再生成する。また、ストリーム番号１からＬ_pr,b番目までのストリームにおける帯域内干渉（図８参照）を、状態の悪いストリーム番号Ｌ_pr,b＋１番からＬ番目までのストリームに対して、集中的に振り分けるということもできる。

　以上、上述の実施形態を用いて本発明について詳細に説明したが、当業者にとっては、本発明が本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではないということは明らかである。本発明は、特許請求の範囲の記載により定まる本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく修正及び変更態様として実施することができる。従って、本明細書の記載は、例示説明を目的とするものであり、本発明に対して何ら制限的な意味を有するものではない。

　本出願は、２０１０年１月１３日出願の特願２０１０－００４９３７及び２０１０年６月９日出願の特願２０１０－１３２４２１に基づく。これらの内容は全てここに含めておく。

Claims

　複数ストリームにて同時送信される送信データを生成する送信データ生成手段と、
　前記各送信データが受信機において直交して受信されるようにプリコーディングするプリコーディング手段と、
　プリコーディング後の前記各送信データに対してストリーム単位で振幅クリッピングして送信電力全体のピークを抑圧するピーク抑圧手段と、
　チャネル状態の良好なストリームへの前記振幅クリッピングに起因する干渉電力の割り当てを抑制する干渉割当て制御手段と、
を具備したことを特徴とする送信機。
　前記干渉割当て制御手段は、チャネル状態の良好なストリームへの前記干渉電力の割り当てを繰り返しアルゴリズムに基づいて抑制することを特徴とする請求項１記載の送信機。
　前記干渉割当て制御手段は、前記ピーク抑圧手段によるピーク抑圧処理後のピーク電力又は繰り返しアルゴリズムによる繰り返し回数に応じて、繰り返し処理の終了を判定する判定手段を有することを特徴とする請求項１記載の送信機。
　前記ピーク抑圧手段による振幅クリッピング後に、前記振幅クリッピングに起因して帯域外に漏れ出した干渉電力をフィルタリングするフィルタリング手段を備え、
　前記干渉割当て制御手段は、前記振幅クリッピングに起因した帯域内の干渉電力を、チャネル状態の悪いストリームへ集中的に割り当てることを特徴とする請求項１記載の送信機。
　前記プリコーディング手段は、周波数選択性フェージングチャネルで周波数ブロック毎に異なるプリコーディング行列を適用し、
　前記干渉割当て制御手段は、周波数ブロック毎にチャネル状態の良好なストリームへの前記振幅クリッピングに起因する干渉電力の割り当てを抑制する、ことを特徴とする請求項１記載の送信機。
　複数ストリームにて同時送信される送信データを生成する工程と、
　前記各送信データが受信機において直交して受信されるようにプリコーディングする工程と、
　プリコーディング後の前記各送信データに対してストリーム単位で振幅クリッピングして送信電力全体のピークを抑圧する工程と、
　チャネル状態の良好なストリームへの前記振幅クリッピングに起因する干渉電力の割り当てを抑制する工程と、
を具備したことを特徴とするＭＩＭＯ多重伝送方法。