JP4518999B2 - Ｍｉｍｏ受信アンテナ選択装置 - Google Patents

Description

本発明は、無線伝送技術に関し、特に、複数の送信アンテナから送信された信号を複数の受信アンテナで受信するＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔ）技術に関する。

送信アンテナと受信アンテナを複数用いて、同一周波数で複数の情報を送受信するＭＩＭＯ技術が近年注目を集めている。ＭＩＭＯ技術では、各送信アンテナと各受信アンテナとの間の応答を行列で表した伝搬路行列Ｈを推定し、この伝搬路行列Ｈを用いて、受信信号ベクトルＹから送信信号ベクトルＸを復調する。具体的には、Ｙ＝ＨＸの関係式から、Ｘを解く演算を行うことにより復調を行う。ＭＩＭＯ技術において、伝送可能な独立したチャンネル数は、送信アンテナ数ｎ_Ｔと受信アンテナ数ｎ_Ｒのうちの少ない方の数である。また、各チャンネルの最大伝送容量は、各アンテナの種類、偏波、配置などで決まる空間相関特性によって左右され、相関が小さいほど伝送容量は増大することが知られている。そのため、屋内、屋外などの利用環境に応じて、アンテナの種類、偏波、配置などを工夫して切り替える方式が提案されている。

例えば、特許文献１では、ＭＩＭＯを用いたマルチキャリア通信において、平均実効受信電界強度とシステム全体の受信電界強度との差分が所定の閾値より大きい場合に、受信アンテナを切り替える技術が開示されている。また、各サブキャリアの固有値を計算し、各固有値の最大値同士、最小値同士をそれぞれ加算し、加算した最大値と最小値との差を求め、その差が所定の閾値より大きい場合に、受信アンテナを切り替える技術も開示されている。

また、特許文献２では、異なる偏波を用いて、相関の小さい受信アンテナの組合せ、または伝送容量を最大にするためのアンテナ素子の組合せを選択する技術が開示されている。

特開２００４−３０４７６０号公報 特開２００４−３１２３８１号公報

一般に、送信機及び受信機から構成される通信システムにおいて、受信アンテナ数ｎ_Ｒ＞送信アンテナ数ｎ_Ｔの場合、受信機に備えた復調器の計算量は、チャンネル応答行列を推定する処理が受信アンテナ数ｎ_Ｒに比例し、逆行列を計算する処理が（２ｎ_Ｒ×ｎ_Ｔ ^２＋ｎ_Ｔ ^３）に比例する。これに対し、ｎ_Ｒ＝ｎ_Ｔでは計算量がそれぞれｎ_Ｔ，ｎ_Ｔ ^３に比例する。そのため、ｎ_Ｒ＞ｎ_Ｔの場合計算量を削減する工夫が必要である。

前述の特許文献１（実施の形態１６、段落２８２〜２９０、図４２を参照）では、システム全体の受信電界強度（ＤＦＴ（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）後における各ベースバンド信号の振幅の２乗の平均値）、及び、復調に利用可能な実効受信電界強度（それぞれのチャンネル推定結果から成る行列の固有値の最小パワーを各受信電界強度に掛けて求めた値）に基づいて、受信アンテナを切り替えている。ここで、システム全体とは、本特許文献１の図４２から、現在選択している全ての受信アンテナの出力を対象としている。この実施の形態１６では、受信アンテナが６つ存在するにもかかわらず、常に２つの受信アンテナの出力を対象に計算しているに過ぎない。この場合、必ずしも、一度の切り替えによって最適な組合せに到達できるとは限らない。したがって、送信機が移動する通信システムのように、伝搬環境が高速に変動する場合には、受信機は、送信機からの信号を、途切れることなく安定して受信し続けることが困難である。また、同じ受信アンテナグループからは１つの受信アンテナしか選択できないので、真に最適な受信アンテナを選択することが不可能である。

また、前述の特許文献２では、受信アンテナなどを選択するために、異なる偏波を用いることに限定している。さらに、受信アンテナの相関は、２つのブランチ毎の全ての組合せについて計算を行う必要があり、固有値は、送信アンテナ数と同程度の全ての組合せについて計算を行う必要がある。そのため、受信アンテナ数が多くなった場合に、相関及び固有値の計算量が大きくなってしまうという問題があった。

そこで、本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ＭＩＭＯによる通信システムにおいて、受信アンテナ数ｎ_Ｒ＞送信アンテナ数ｎ_Ｔの場合に、ＭＩＭＯ復調器の計算量を受信アンテナ数ｎ_Ｒ＝送信アンテナ数ｎ_Ｔの場合と同程度とすると共に、受信アンテナを多数配置した効果を発揮するように、復調器の前段で受信アンテナを選択可能なＭＩＭＯ受信アンテナ選択装置を提供することにある。

前述の特許文献１及び２には、ＭＩＭＯ復調器の計算量を削減するために、相関の小さいブランチを選択して復調に用いる受信アンテナ数を減らす技術が提案されている。しかし、受信アンテナ数が多数の場合には、相関の小さいブランチを効率良く選択することが困難であった。本発明は、以下の空間ダイバーシチ及びＭＩＭＯの性質を用いて、上記課題を解決する。

空間ダイバーシチ技術で用いられる選択合成法において、受信電力が最大となる受信アンテナが常に選択される。同様に、空間ダイバーシチ技術で用いられる最大比合成法においても、受信ＳＮＲに応じて信号が合成されるので、複数の受信アンテナのうち、受信電力の大きなブランチの受信アンテナが特性を支配する。このことから、多数の受信アンテナを配置することによって受信電力の大きな受信信号を得る確率は高くなるが、受信電力の弱いアンテナはダイバーシチ効果に大きく寄与していないことになる。

一方、ＭＩＭＯの場合、伝送可能な独立した等価チャンネル数は、送信アンテナ数ｎ_Ｔと受信アンテナ数ｎ_Ｒのうちの少ない方の数であり、各等価チャンネルの最大伝送容量は、伝搬路行列Ｈの相関行列（ｎ_Ｒ＜ｎ_ＴのときＨＨ^Ｈ、ｎ_Ｒ≧ｎ_ＴのときＨ^ＨＨ、ここで、演算子^Ｈは複素共役転置とする。）の固有値に比例する。このことから、受信信号に含まれる送信信号の合成のされ方が、各受信アンテナで似ていない環境（すなわち、相関が小さい環境）では、大きな伝送容量が得られることになる。

本発明は上記の性質を踏まえ、まず、多数の受信アンテナの中から受信電力の大きなものを選択し、そして、その受信アンテナの中から固有値の大きな（すなわち、チャンネル容量の大きな）組合せを選択し、その受信アンテナの組合せを復調のために用いる。これにより、効率的なＭＩＭＯ復調のために必要な受信アンテナを選択することが可能となる。

そこで、本発明による請求項１の受信アンテナ選択装置は、Ｐ個の送信アンテナを備えた送信機と、Ｎ個の受信アンテナを備えた受信機とにより構成されるＭＩＭＯ通信システムの下で、受信機が、受信アンテナからの受信信号を用いて送信信号を復調する復調器、及び、該復調器の前段に設けられ、復調のための受信信号を得るために、Ｎ個の受信アンテナのうちの所定数（Ｌ個）の受信アンテナの組合せを選択する受信アンテナ選択装置を備えた場合における該受信アンテナ選択装置であって、受信信号の受信電力に基づいて、Ｍ個（Ｍ＜Ｎ）の受信アンテナの組合せを選択する電力基準選択手段と、Ｐ個の送信アンテナと前記電力基準選択手段で選択されたＭ個の受信アンテナのうちのＬ個（Ｌ＜Ｍ）の受信アンテナとの間の伝搬路行列における相関行列の固有値に基づいて、Ｌ個の受信アンテナの組合せを選択する固有値基準選択手段と、Ｐ個の送信アンテナと前記固有値基準選択手段で選択されたＬ個の受信アンテナとの間の伝搬路行列に基づいて送信信号を復調する復調器とを備え、前記電力基準選択手段は、Ｎ個の受信信号を入力し、受信したＮ個の受信信号の各々の受信電力及び雑音電力を検出し、各受信信号における雑音電力に対する相対的な受信電力を検出する電力検出手段と、該電力検出手段によって検出した相対的な受信電力のうち最も値の大きい値を有する受信アンテナから順にＭ個（Ｍ＜Ｎ）の受信アンテナを選択する電力判定手段とを備え、前記固有値基準選択手段は、前記Ｍ個の受信アンテナの受信信号に対して、前記Ｐ個の送信アンテナの各々から送信される各送信アンテナに固有の既知信号に基づいてチャンネル推定を行うための同期処理を施し、有効データ期間以外で切替を行うための切替タイミング信号を発生させ、各受信信号における雑音電力が同一になるように調整し、前記Ｐ個の送信アンテナとの間のチャンネル推定を行って各受信信号における雑音電力が同一になるように調整されたＭ個のチャンネル応答ベクトルを生成するチャンネル推定手段と、前記Ｍ個のチャンネル応答ベクトルから、Ｌ個（Ｐ≦Ｌ＜Ｍ）のチャンネル応答ベクトルを並べた伝搬路行列について値が最小の固定値を最小固有値とした場合に、該伝搬路行列の相関行列の最小固有値が最大となるＬ個の受信アンテナの組合せを判定して選択する固有値判定手段とを備えることを特徴とする。これにより、まず、受信電力に基づいて受信アンテナ選択し、その後、固有値に基づいて受信アンテナを選択する構成を実現できる。

本発明による請求項２の受信アンテナ選択装置は、前記電力基準選択回路が、受信電力を検出する電力検出器と、検出した電力の大きさに基づいて、選択する受信アンテナの組合せを判定する電力判定回路と、選択した受信アンテナの組合せに切り替える切替回路とを備えたことを特徴とする。これにより、受信電力に基づいて受信アンテナを切り替える機能を実現できる。

本発明による請求項３の受信アンテナ選択装置は、前記固有値基準選択回路が、送信アンテナと電力基準選択回路により選択された受信アンテナとの間のチャンネル応答ベクトルを推定するチャンネル推定回路と、チャンネル応答ベクトルから構成した伝搬路行列における相関行列の固有値を計算し、固有値の大きさに基づいて、選択する受信アンテナの組合せを判定する固有値判定回路と、選択した受信アンテナの組合せに切り替える切替回路とを備えたことを特徴とする。これにより、固有値に基づいて受信アンテナを切り替える機能を実現できる。

本発明による請求項４の受信アンテナ選択装置は、前記固有値基準選択回路に備えた固有値判定回路が、伝搬路行列における相関行列の固有値のうち、値が最小の固有値を最小固有値とした場合に、最小固有値が最大となるように、受信アンテナの組合せを判定することを特徴とする。これにより、各等価ＭＩＭＯチャンネルのＳＮＲがある値以上であり、大きな伝送容量が実現できる。

本発明による請求項５の受信アンテナ選択装置は、該受信アンテナ選択装置の前段において各受信信号が個々に利得制御を受けた場合に、請求項２に記載の電力基準選択回路に備えた電力検出回路が、各受信信号における雑音電力が同一になるように受信電力を調整し、前記固有値基準選択回路に備えたチャンネル推定回路は、各受信信号における雑音電力が同一になるようにチャンネル応答ベクトルを調整することを特徴とする。これにより、受信電力及びチャンネル応答ベクトルが各受信信号における雑音電力が同一になるように調整されるので、受信アンテナ選択の正しい判定が実現できる。

本発明による請求項６の受信アンテナ選択装置は、前記受信信号が、復調に用いるデータ信号と復調に用いない他の信号とから成る場合に、請求項２及び３に記載の切替回路が、選択した受信アンテナの組合せに切り替えるタイミングを、前記受信信号のうちの他の信号の期間とすることを特徴とする。これにより、アンテナの切替によってデータが途切れることのないシームレスなＭＩＭＯ復調が実現できる。

本発明による請求項７の受信アンテナ選択装置は、ＭＩＭＯの変調方式がＯＦＤＭの場合に、請求項２及び３に記載の切替回路が、選択した受信アンテナの組合せに切り替えるタイミングを、受信信号におけるガード期間とすることを特徴とする。これにより、アンテナの切替によってデータが途切れることのないシームレスなＭＩＭＯ復調が実現できる。

本発明による請求項８の受信アンテナ選択装置は、請求項２及び３に記載の切替回路が、前記受信アンテナの組合せのうちの１個の受信アンテナを選択するスイッチを複数備え、該複数のスイッチに連続した番号を付し、前記選択する前の受信アンテナに連続した番号を付し、選択する前の受信アンテナからの受信信号であって、該切替回路が入力する受信信号の数をＮ、選択した受信アンテナからの受信信号の数をＭとした場合に、番号の小さいスイッチが番号の小さい受信アンテナからの受信信号を選択し、各スイッチが必要な受信信号を入力する入力ポート数Ｘを、Ｘ＝Ｎ−（Ｍ−１）とすることを特徴とする。これにより、スイッチの入力ポート数を削減できる。

本発明による請求項９の受信アンテナ選択装置は、ＭＩＭＯの変調方式がＯＦＤＭの場合に、前記電力基準選択回路が、受信信号であるＯＦＤＭ信号の全電力に基づいて、受信アンテナの組合せを選択することを特徴とする。ＯＦＤＭの場合、伝搬路の状況により周波数特性に大きな落ち込みが生じても、インターリーブや誤り訂正を的確に施すことにより、全サブキャリアの電力和をサブキャリア数で割った平均電力で全サブキャリアが受信された場合に相当する伝送特性を実現できる。したがって、変調方式がＯＦＤＭの場合は、ＯＦＤＭ信号の全電力を判定の基準とすることが有効である。

本発明による請求項１０の受信アンテナ選択装置は、ＭＩＭＯの変調方式がＯＦＤＭの場合に、前記固有値基準選択回路が、既知信号が伝送されるパイロットキャリアを用いてチャンネル推定を行い、全てのパイロットキャリアについて、送信アンテナと受信アンテナとの間の伝搬路行列における相関行列の固有値を計算し、計算した固有値に基づいて、受信アンテナの組合せを選択することを特徴とする。ＯＦＤＭの場合は、特定のサブキャリア（パイロットキャリア）で既知信号を伝送することが通常行われるので、その受信信号と既知信号との比からパイロットキャリアについてのチャンネル応答を推定し、それを補間することで全サブキャリアのチャンネル応答を推定することができる。固有値は、全サブキャリアについて求めることも考えられるが、パイロットキャリアについてのみ計算することで演算量を削減できる。

本発明による請求項１１の受信アンテナ選択装置は、ＭＩＭＯの変調方式がＯＦＤＭの場合に、前記固有値基準選択回路が、既知信号が伝送されるパイロットキャリアを用いてチャンネル推定を行い、周波数特性が同一とみなせる範囲から１つのパイロットキャリアを選択し、選択したパイロットキャリアについて、送信アンテナと受信アンテナとの間の伝搬路行列における相関行列の固有値を計算し、計算した固有値に基づいて、受信アンテナの組合せを選択することを特徴とする。ＯＦＤＭの場合は、通常、周波数特性が同一とみなせる帯域幅（相関帯域幅）の中にサブキャリアを多数配置するので、周波数特性が同一とみなせる範囲からパイロットキャリアを１つ選んで固有値計算を行うことが効率的である。

本発明によれば、ＭＩＭＯによる通信システムにおいて、受信アンテナ数が送信アンテナ数よりも多い場合に、復調器の計算量を、受信アンテナ数と送信アンテナ数とが同程度の場合と同様にすることができる。また、受信アンテナを選択する計算量を大幅に削減することができる。この場合、選択される受信アンテナは、受信電力が大きく固有値が大きな（チャンネル容量が大きな）受信アンテナであるから、大きな伝送容量を得ることができ、十分な復調性能が期待できる。

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。本発明の実施例１は、シングルキャリアのＭＩＭＯに適用した受信アンテナ選択装置の例であり、図１〜６に示されている。また、本発明の実施例２は、変調方式がＯＦＤＭのＭＩＭＯに適用した受信アンテナ選択装置の例であり、図１〜３，７〜１１に示されている。

まず、実施例１について説明する。実施例１は、送信をＰ系統、受信をＮ系統（但し、Ｎ＞Ｐとする）とした場合に、本発明をシングルキャリアのＭＩＭＯに適用した例である。以下、図面を参照してその構成と動作を説明する。

実施例１のＭＩＭＯ受信アンテナ選択装置を含む受信機の構成を図１に示す。実施例１で本発明を実現する受信アンテナ選択装置１は、電力基準選択回路２、及び固有値基準選択回路３を備えている。受信アンテナ選択装置１は、図示しない複数（Ｎ個）の受信アンテナからＮ個の受信信号１〜Ｎを入力し、Ｎ個の受信信号１〜ＮからＬ個の固有値選択出力１〜Ｌを選択し、当該選択した受信信号である固有値選択出力１〜Ｌ及びそのときの伝搬路行列ＨをＭＩＭＯ復調器に出力する。ここで、Ｌ＜Ｎである。

電力基準選択回路２は、受信アンテナからＮ個の受信信号１〜Ｎを、固有値基準選択回路３から切替タイミング信号をそれぞれ入力し、受信電力の大きな受信信号を選択し、切替タイミング信号によりＭ個の電力選択出力１〜Ｍを出力する。ここで、Ｍ＜Ｎである。

固有値基準選択回路３は、電力基準選択回路２からＭ個の電力選択出力１〜Ｍを入力し、伝搬路行列Ｈを生成すると共に、伝搬路行列Ｈから計算した相関行列の固有値に基づいて受信アンテナの組合せを選択し、Ｌ個の固有値選択出力１〜Ｌ及び伝搬路行列Ｈを出力する。ここで、Ｌ＜Ｍである。

ＭＩＭＯ復調器４は、受信アンテナ選択装置１の固有値基準選択回路３から、固有値選択出力１〜Ｌ及び伝搬路行列Ｈを入力し、送信信号を復調し、復調出力１〜Ｐを出力する。

電力基準選択回路２の構成を図２に示す。電力基準選択回路２は、電力検出器５−１〜Ｎ、電力判定回路６、及び切替回路７を備えている。電力検出器５−１〜Ｎは、各受信アンテナから出力信号である受信信号１〜Ｎをそれぞれ入力し、各受信アンテナの受信電力を検出する。電力判定回路６は、電力検出器５−１〜Ｎから受信電力を入力し、受信電力の大きな受信信号をＭ個判定する。切替回路７は、各受信アンテナから受信信号１〜Ｎを、電力判定回路６から判定制御信号を、固有値基準選択回路３から切替タイミング信号をそれぞれ入力し、切替タイミング信号により指定された時点で、判定制御信号により指定されたＭ個の受信信号を電力選択出力１〜Ｍに切り替える。

ここで、各受信信号１〜Ｎが、個々に利得制御を受けて本受信アンテナ選択装置１に入力された場合、電力検出器５−１〜Ｎは、受信電力に加えて雑音電力も検出し、当該雑音電力に対する相対的な電力を電力判定回路６に出力する。この場合、電力検出器５−１〜Ｎは、フィルタやフーリエ変換などにより、信号波の周波数の近傍で雑音成分を抜き出し、その雑音成分の電力を雑音電力として検出する。

切替回路７の構成例を図３に示す。図３は、８個の入力のうち４個を選択する切替回路７の例であり、この切替回路７は、切替タイミング信号により指定された時点で、制御信号により指定された入力に出力を切り替える機能を有する。この例に示すように、番号の小さいスイッチが番号の小さい入力を選択する仕組みにすることにより、使用するスイッチの入力ポート数を減らすことができるので効率的である。具体的には、スイッチ８−１は、入力１以降から１個を選択し、スイッチ８−２は、入力２以降から１個を選択する。同様に、スイッチ８−３は入力３以降から、スイッチ８−４は入力４以降からそれぞれ１個を選択する。図３から、スイッチ８−１〜４は、それぞれ入力１〜５、入力２〜６、入力３〜７、入力４〜８の中から１個を選択すればよいことになる。つまり、各スイッチ８−１〜４に必要な入力ポート数Ｘは、切替回路７の入力数をＮ、出力数をＭとすると、Ｘ＝Ｎ−（Ｍ−１）になる。これにより、スイッチの入力ポート数を削減することができる。

固有値基準選択回路３の構成を図４に示す。固有値基準選択回路３は、同期回路９、チャンネル推定回路１０−１〜Ｍ、固有値判定回路１１、及び切替回路１２を備えている。同期回路９は、電力基準選択回路２から電力選択出力１〜Ｍを入力し、チャンネル推定を行うための同期処理を行うと共に、切替回路７，１２が切り替えを行うために必要な切替タイミング信号を発生する。この場合、同期回路９は、切替回路７，１２が有効なデータ期間以外に切り替えを行うことができるように、そのようなタイミングの切替タイミング信号を発生する。これにより、ＭＩＭＯ復調器４は、途切れのない復調処理を実現することができる。

チャンネル推定回路１０−１〜Ｍの構成を図５に示す。チャンネル推定回路１０−ｉ（ｉ＝１〜Ｍ）は、Ｐ個のチャンネル推定部１３−１〜Ｐを備えている。ここで、Ｐは送信系統の数すなわち送信アンテナの数を示す。チャンネル推定部１３−１〜Ｐは、電力選択出力ｉをそれぞれ入力し、各送信アンテナについてのチャンネル推定を行い、その推定結果をチャンネル応答ベクトルとして出力する。

このチャンネル推定は、各送信アンテナが伝送している固有の既知信号を用いて実現される。この各送信アンテナが伝送している固有の既知信号は、ＭＩＭＯの場合、時分割多重または符号分割多重されることが通常行われるので、多重を解くことにより、各送信アンテナの既知信号に対する受信信号を分離することができる。具体的には、送信アンテナｊ（＝１〜Ｐ）の既知信号をｖ_ｊ、電力選択出力ｉの系で受信して分離した送信アンテナｊの既知信号をｕ_ｉｊとすると、この組合せによるチャンネル応答ｈ_ｉｊは、ｈ_ｉｊ＝Ｅ［ｕ_ｉｊ／ｖ_ｊ］で求められる。ただし、Ｅ［ｘ］はｘの期待値である。電力選択出力ｉについてのチャンネル応答ベクトルｈ_ｉは、ｈ_ｉ＝［ｈ_ｉ１ ｈ_ｉ２・・・ｈ_ｉＰ］となる。

ここで、各受信信号が個々に利得制御を受けて本受信アンテナ選択装置１に入力された場合には、チャンネル推定回路１０−１〜Ｍは、各電力選択出力１〜Ｍに対する雑音電力が全て同一になるように、電力選択出力１〜Ｍをスケーリングしてからチャンネル推定を行う。この場合、チャンネル推定回路１０−１〜Ｍは、雑音電力として、電力基準選択回路２が検出した雑音電力の値をそのまま用いるようにしてもよい。

固有値判定回路１１の構成を図６に示す。固有値判定回路１１は、伝搬路行列生成部１４、固有値計算部１５−１〜_ＭＣ_Ｌ、及び最適組合せ判定部１６を備えている。伝搬路行列生成部１４は、チャンネル推定回路１０−１〜ＭからＭ個のチャンネル応答ベクトルを入力し、当該Ｍ個のチャンネル応答ベクトルからＭＩＭＯ復調に用いる受信信号Ｌ個（但し、Ｐ≦Ｌ＜Ｍ）を選択するために必要な_ＭＣ_Ｌ通りの全ての組合せに対し、チャンネル応答ベクトルを縦に並べた伝搬路行列Ｈ_ｉ（ｉ＝１・・・_ＭＣ_Ｌ）を生成する。例えば、Ｐ＝Ｌ＝４、Ｍ＝５の場合、Ｈ_１＝［ｈ_１ ｈ_２ ｈ_３ ｈ_４］^Ｔ、Ｈ_２＝［ｈ_１ ｈ_２ ｈ_３ ｈ_５］^Ｔ、Ｈ_３＝［ｈ_１ ｈ_２ ｈ_４ ｈ_５］^Ｔ、Ｈ_４＝［ｈ_１ ｈ_３ ｈ_４ ｈ_５］^Ｔ、Ｈ_５＝［ｈ_２ ｈ_３ ｈ_４ ｈ_５］^Ｔの５通りである。固有値計算部１５−１〜_ＭＣ_Ｌは、伝搬路行列Ｈ_ｉについての相関行列Ｈ_ｉ ^ＨＨ_ｉの固有値をそれぞれ計算する。

最適組合せ判定部１６は、固有値計算部１５−１〜_ＭＣ_Ｌにより計算された固有値のうち、最小固有値が最大になる組合せを最適な組合せとして判定し、切替回路１２がその最適な組合せに切り替えるための制御信号を切替回路１２に、当該判定した最適な組合せの受信信号に対する伝搬路行列をＭＩＭＯ復調器４にそれぞれ出力する。具体的に、前記と同じＰ＝Ｌ＝４，Ｍ＝５の場合、各Ｈ_ｉに対して、その相関行列の固有値が送信アンテナ数（４）だけ求まる。これを大きい順にλ_ｉ１，λ_ｉ２，・・・λ_ｉ４とすると、λ_ｉ４が最大となる受信信号の組合せを最適な組合せとして判定する。

本受信アンテナ選択装置１の後段に設けられたＭＩＭＯ復調器４は、ＭＩＭＯ最適組合せ判定部１６により判定された最適な受信信号に対する伝搬路行列を入力し、当該伝搬路行列を復調処理に利用することにより、計算量の削減を実現することができ有効である。

切替回路１２は、電力選択出力１〜Ｍを入力し、同期回路９から入力した切替タイミング信号により指定された時点で、固有値判定回路１１から入力した制御信号により指定された受信アンテナの信号に固有値選択出力１〜Ｌを切り替える。この切替回路１２は、図３に示した切替回路７と同様な構成により実現することができる。

以上のように、実施例１の受信アンテナ選択装置１によれば、電力基準選択回路２が、受信アンテナから入力したＮ個の受信信号１〜Ｎの中から、受信電力の大きな受信信号を選択し、Ｍ個の電力選択出力１〜Ｍを出力し（Ｍ＜Ｎ）、固有値基準選択回路３が、入力したＭ個の電力選択出力１〜Ｍの中から、伝搬路行列Ｈから計算した相関行列の固有値に基づいて受信アンテナの組合せを選択し、Ｌ個の固有値選択出力１〜Ｌを出力するようにした（Ｌ＜Ｍ）。ここで、送信をＰ系統、受信をＮ系統（但し、Ｎ＞Ｐとする）とし、通信システムをＭＩＭＯに適用した場合に、従来の受信機の受信アンテナ選択回路と本実施例１の受信アンテナ選択回路（電力基準選択回路２及び固有値基準選択回路３）とを比較する。

従来の受信アンテナ選択回路では、固有値のみを選択基準に用いる場合、少なくとも_ＮＣ_Ｐ通りのＰ行Ｐ列の固有値計算に相当する計算量_ＮＣ_Ｐ×Ｐ^３が必要である。これに対し、本実施例１において、電力基準選択回路２は、受信電力の比較のみでＭ個の受信信号（Ｍ＜Ｎ）を選択するようにしたから、計算量をほとんど必要としない。また、固有値基準選択回路３は、伝搬路行列Ｈから計算した相関行列の固有値に基づいて、Ｌ個の受信信号（Ｐ≦Ｌ＜Ｍ）を選択するようにしたから、少なくとも_ＭＣ_Ｐ通りのＰ行Ｐ列の固有値計算に相当する計算量_ＭＣ_Ｐ×Ｐ^３が必要となる。具体的に、送信４系統、受信２０系統のＭＩＭＯ構成の場合には、従来の計算量が_２０Ｃ_４×４^３＝３１００８０であるのに対し、実施例１の計算量は、Ｍ＝５、Ｌ＝Ｐ＝４に設定すると_５Ｃ_４×４^３＝３２０である。この場合、従来の計算量に対して９６９分の１に削減することができる。また、Ｍ＝１０、Ｌ＝Ｐ＝４に設定しても計算量は_１０Ｃ_４×４^３＝１３４４０である。この場合、従来の計算量に対して２１０分の１に削減することができる。

このように、実施例１の受信アンテナ選択装置１によれば、受信アンテナ選択のための計算量を大幅に削減することができる。つまり、送信アンテナ数Ｐ≦固有値選択出力数Ｌ＜電力選択出力数Ｍ＜受信アンテナ数Ｎとなるから、復調の演算のために必要な受信信号の数Ｌ及びＭを、受信アンテナ数Ｎよりも少なくすることができ、復調のための演算量を削減することができる。また、選択される受信信号は、受信電力が大きく固有値が大きな（チャンネル容量が大きな）受信信号であるから、大きな伝送容量を得ることができる。つまり、ＳＮＲが大きく相関の小さい受信信号を選ぶようにしたから、原理的に復調に有効な受信信号を選択する構成となっており、十分な復調性能が期待できる。

次に、実施例２について説明する。実施例２は、送信をＰ系統、受信をＮ系統（但し、Ｎ＞Ｐとする）とした場合に、本発明を、変調方式がＯＦＤＭのＭＩＭＯに適用した例である。以下、図面を参照してその構成と動作を説明する。

実施例２のＭＩＭＯ受信アンテナ選択装置を含む受信機の構成は、図１に示した実施例１の構成と同様である。すなわち、実施例２の受信アンテナ選択装置１は、電力基準選択回路２、及び固有値基準選択回路３を備えている。また、実施例２の電力基準選択回路２の構成は、図２に示した実施例１の構成と同様である。すなわち、電力基準選択回路２は、電力検出器５−１〜Ｎ、電力判定回路６、及び切替回路７を備え、実施例１に示した同様の構成により同様の処理を実現する。

ここで、電力検出器５−１〜Ｎにより検出される受信電力は、ＯＦＤＭの全電力、すなわち、全てのサブキャリア分の電力である。つまり、電力検出器５−１〜Ｎは、受信電力であるＯＦＤＭの全電力を、パーセバルの定理（周波数領域の信号エネルギーは時間領域の信号エネルギーと等しい）により、フーリエ変換を行って周波数領域で検出する。この場合、電力検出器５−１〜Ｎは、フーリエ変換を行わずに時間領域のままでＯＦＤＭの全電力を検出するようにしてもよい。尚、ＯＦＤＭ信号はシンボル単位で伝送されるので、電力検出器５−１〜Ｎは、シンボル期間で区切って受信電力を検出し、複数シンボルの平均を受信電力として出力することが望ましい。また、切替回路７により電力選択出力１〜Ｍに切り替える時点は、切替タイミング信号により指定されたガード期間である。実施例２の切替回路７は、図３に示した構成例と同様の構成により実現することができる。

固有値基準選択回路３の構成を図７に示す。実施例２の固有値基準選択回路３の構成は、図４に示した実施例１の構成と同様であるが、各構成部が異なる処理を実現することから、異なる番号を付してある。図７を参照して、固有値基準選択回路３は、同期回路１７、チャンネル推定回路１８−１〜Ｍ、固有値判定回路１９、及び切替回路２０を備えている。

同期回路１７は、電力基準選択回路２から電力選択出力１〜Ｍを入力し、ＯＦＤＭ信号のシンボル先頭を検出すると共に、切替回路７，２０が切り替えを行うために必要な切替タイミング信号を発生する。ＯＦＤＭでは、ＭＩＭＯ復調器４は、ガード期間の信号を復調のために用いないので、同期回路１７は、切替回路７，２０がこのガード期間に切り替えることができるように、切替タイミング信号を発生する。これにより、ＭＩＭＯ復調器４は、途切れのない復調処理を実現することができる。

チャンネル推定回路１８−１〜Ｍの構成を図８に示す。実施例２のチャンネル推定回路１８−１〜Ｍの構成は、図５に示した実施例１の構成と同様であるが、各構成部が異なる処理を実現することから、異なる番号を付してある。図８を参照して、チャンネル推定回路１８−ｉ（ｉ＝１〜Ｍ）は、Ｐ個のチャンネル推定部２１−１〜Ｐを備えている。チャンネル推定部１３−１〜Ｐは、電力選択出力ｉをそれぞれ入力し、各送信アンテナについてのチャンネル推定を行い、その推定結果をチャンネル応答ベクトルとして出力する。

このチャンネル推定は、各送信アンテナが伝送している固有の既知信号を用いて実現される。図９は、ＯＦＤＭのサブキャリア配置及びチャンネル推定を説明する図である。ＯＦＤＭの場合、図９（ａ）に示すように、特定のサブキャリア（パイロットキャリア）で既知信号を伝送することが通常行われる。そのため、図９（ｂ）に示すように、パイロットキャリアついて、受信信号と既知信号との比からパイロットキャリアのチャンネル応答を推定し、それを補間することにより、全サブキャリアのチャンネル応答を推定することができる。

チャンネル推定回路１８−１〜Ｍは、まず、電力選択出力１〜Ｍに対してフーリエ変換を行い、周波数領域の情報に変換して解析する。ここで、ＯＦＤＭ方式のＭＩＭＯの場合、各送信アンテナの既知信号は、パイロットキャリアに時分割多重または符号分割多重されることが通常行われるので、多重を解くことにより、各送信アンテナの既知信号に対する受信信号を分離することができる。具体的には、送信アンテナｊ（＝１〜Ｐ）のｋ番目のサブキャリア（パイロットキャリア）の既知信号をｖ_ｊ ^ｋ、電力選択出力ｉの系で受信して分離した送信アンテナｊのｋ番目のサブキャリア（パイロットキャリア）の既知信号をｕ_ｉｊ ^ｋとすると、この組合せによるチャンネル応答ｈ_ｉｊ ^ｋは、ｈ_ｉｊ ^ｋ＝Ｅ［ｕ_ｉｊ ^ｋ／ｖ_ｊ ^ｋ］で求められる。ただし、Ｅ［ｘ］はｘの期待値である。電力選択出力ｉについてｋ番目のサブキャリア（パイロットキャリア）のチャンネル応答ベクトルｈ_ｉ ^ｋは、ｈ_ｉ ^ｋ＝［ｈ_ｉ１ ^ｋ ｈ_ｉ2 ^ｋ・・・ｈ_ｉＰ ^ｋ］となる。

ここで、各受信信号が個々に利得制御を受けて本受信アンテナ選択装置１に入力された場合には、チャンネル推定部２１−１〜Ｍは、各電力選択出力１〜Ｍに対する雑音電力が全て同一になるように、電力選択出力１〜Ｍをスケーリングしてからチャンネル推定を行う。この場合、チャンネル推定回路１０−１〜Ｍは、雑音電力として、電力基準選択回路２が検出した雑音電力の値をそのまま用いるようにしてもよい。

固有値判定回路１９の構成を図１０に示す。実施例２の固有値判定回路１９の構成は、図６に示した実施例１の構成と同様であるが、各構成部が異なる処理を実現することから、異なる番号を付してある。図１０を参照して、固有値判定回路１９は、伝搬路行列生成部２２、固有値計算部２３−１〜_ＭＣ_Ｌ、及び最適組合せ判定部２４を備えている。伝搬路行列生成部２２は、チャンネル推定回路１８−１〜ＭからＭ個のチャンネル応答ベクトルを入力し、当該Ｍ個のチャンネル応答ベクトルからＭＩＭＯ復調に用いる受信信号Ｌ個（但し、Ｐ≦Ｌ＜Ｍ）を選択するために必要な_ＭＣ_Ｌ通りの全ての組合せに対し、チャンネル応答ベクトルを縦に並べた伝搬路行列Ｈ_ｉｋ（ｉ＝１・・・_ＭＣ_Ｌ）を生成する。例えば、Ｐ＝Ｌ＝４、Ｍ＝５の場合、Ｈ_１ｋ＝［ｈ_１ ^ｋ ｈ_２ ^ｋ ｈ_３ ^ｋ ｈ_４ ^ｋ］^Ｔ、Ｈ_２ｋ＝［ｈ_１ ^ｋ ｈ_２ ^ｋ ｈ_３ ^ｋ ｈ_５ ^ｋ］^Ｔ、Ｈ_３ｋ＝［ｈ_１ ^ｋ ｈ_２ ^ｋ ｈ_４ ^ｋ ｈ_５ ^ｋ］^Ｔ、Ｈ_４ｋ＝［ｈ_１ ^ｋ ｈ_３ ^ｋ ｈ_４ ^ｋ ｈ_５ ^ｋ］^Ｔ、Ｈ_５ｋ＝［ｈ_２ ^ｋ ｈ_３ ^ｋ ｈ_４ ^ｋ ｈ_５ ^ｋ］^Ｔの５通りである。固有値計算部２３−１〜_ＭＣ_Ｌは、各伝搬路行列Ｈ_ｉｋについての相関行列Ｈ_ｉｋ ^ＨＨ_ｉｋの固有値をそれぞれ計算する。

この場合、固有値計算部２３−１〜_ＭＣ_Ｌは、全サブキャリア（すべてのｋ）について固有値を計算することができるが、演算量が膨大になるので、サブキャリアをいくつか選択して固有値を計算する。これにより、固有値計算のための演算量を減らすことができる。固有値計算部２３−１〜_ＭＣ_Ｌは、固有値計算を行うサブキャリアをランダムに選択するようにしてもよいし、チャンネル応答を直接求めた全パイロットキャリアを選択するようにしてもよい。図１１は、固有値を計算するためのサブキャリアの選択方法を説明する図である。図１１を参照して、通常、周波数特性が同一とみなせる帯域幅（相関帯域幅：信号の振幅及び位相がほぼ等しく、相関係数が０．９以上または０．５以上である周波数間隔）の中にサブキャリアが多数配置されるので、相関帯域幅の中から１つのパイロットキャリアを選択して固有値を計算し、その平均値を判定に用いると効率的である。図１１に示すように、相関帯域幅がサブキャリア本数１４本分に等しいので、固有値計算部２３−１〜_ＭＣ_Ｌは、サブキャリア１４本を１つのグループとして、その中からパイロットキャリアを１つ選んで固有値を計算する。

本受信アンテナ選択装置１の後段に設けられたＭＩＭＯ復調器４は、ＭＩＭＯ最適組合せ判定部２４により判定された最適な受信信号に対する伝搬路行列を入力し、当該伝搬路行列を復調処理に利用することにより、計算量の削減を実現することができ有効である。

切替回路２０は、電力選択出力１〜Ｍを入力し、同期回路１７から入力した切替タイミング信号により指定された時点（ガード期間）で、固有値判定回路１９から入力した制御信号により指定された受信信号に固有値選択出力１〜Ｌを切り替える。この切替回路２０は、図３に示した切替回路７と同様な構成により実現することができる。

以上のように、実施例２の受信アンテナ選択装置１によれば、ＯＦＤＭ変調方式のＭＩＭＯに適用した場合に、電力基準選択回路２が、受信アンテナから入力したＮ個の受信信号１〜Ｎの中から、受信電力の大きな受信信号を選択し、ガード期間にＭ個の電力選択出力１〜Ｍを出力し（Ｍ＜Ｎ）、固有値基準選択回路３が、Ｍ個の電力選択出力１〜Ｍを入力し、全てのサブキャリアの中からいくつかのサブキャリアを選択し、特定のパイロットキャリアについて伝搬路行列Ｈから相関行列の固有値を判定し、当該固有値に基づいて受信アンテナの組合せを選択し、ガード期間にＬ個の固有値選択出力１〜Ｌを出力するようにした（Ｌ＜Ｍ）。これにより、固有値の計算の精度を損なうことなく、受信アンテナを選択するための計算量を削減することができる。また、実施例１と同様の効果を奏し、送信アンテナ数Ｐ≦固有値選択出力数Ｌ＜電力選択出力数Ｍ＜受信アンテナ数Ｎとなるから、復調の演算のために必要な受信信号の数Ｌ及びＭを、受信アンテナ数Ｎよりも少なくし、復調のための演算量を削減することができ、大きな伝送容量を得ることができる。

以上、実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施例１及び２に限定されるものではなく、その技術思想を逸脱しない範囲で種々変形可能である。例えば、受信アンテナ選択装置１は、図１に示したように、電力基準選択回路２及び固有値基準選択回路３を備えているが、図に示した以外の他の回路を備えていてもよい。同様に、図２に示した電力基準選択回路２、図３に示した切替回路７、図４に示した固有値基準選択回路３、図５に示したチャンネル推定回路１０、図６に示した固有値判定回路１１、図７に示した固有値基準選択回路３、図８に示したチャンネル推定回路１８、図１０に示した固有値判定回路１９は、それぞれの図に示した以外の他の回路や手段などを備えていてもよい。

本発明によるＭＩＭＯ受信アンテナ選択装置を含む受信機の構成を示すブロック図である。 電力基準選択回路の構成を示すブロック図である。 切替回路の構成例である。 実施例１の固有値基準選択回路の構成を示すブロック図である。 実施例１のチャンネル推定回路の構成を示すブロック図である。 実施例１の固有値判定回路の構成を示すブロック図である。 実施例２の固有値基準選択回路の構成を示すブロック図である。 実施例２のチャンネル推定回路の構成を示すブロック図である。 ＯＦＤＭのサブキャリア配置及びチャンネル推定を説明する図である。 実施例２の固有値判定回路の構成を示すブロック図である。 固有値を計算するためのサブキャリアの選択方法を説明する図である。

符号の説明

１ 受信アンテナ選択装置
２ 電力基準選択回路
３ 固有値基準選択回路
４ ＭＩＭＯ復調器
５−１〜Ｎ 電力検出器
６ 電力判定回路
７，１２，２０ 切替回路
８−１〜４ スイッチ
９，１７ 同期回路
１０−１〜Ｍ，１８−１〜Ｍ チャンネル推定回路
１１，１９ 固有値判定回路
１３−１〜Ｐ，２１−１〜Ｐ チャンネル推定部
１４，２２ 伝搬路行列生成部
１５−１〜_ＭＣ_Ｌ，２３−１〜_ＭＣ_Ｌ 固有値計算部
１６，２４ 最適組合せ判定部

Claims (7)

1. Ｐ個の送信アンテナを備えた送信機と、Ｎ個の受信アンテナを備えた受信機とにより構成されるＭＩＭＯ通信システムの下で、受信機が、受信アンテナからの受信信号を用いて送信信号を復調する復調器、及び、該復調器の前段に設けられ、復調のための受信信号を得るために、Ｎ個の受信アンテナのうちの所定数（Ｌ個）の受信アンテナの組合せを選択する受信アンテナ選択装置を備えた場合における該受信アンテナ選択装置であって、
   受信信号の受信電力に基づいて、Ｍ個（Ｍ＜Ｎ）の受信アンテナの組合せを選択する電力基準選択手段と、
   Ｐ個の送信アンテナと前記電力基準選択手段で選択されたＭ個の受信アンテナのうちのＬ個（Ｌ＜Ｍ）の受信アンテナとの間の伝搬路行列における相関行列の固有値に基づいて、Ｌ個の受信アンテナの組合せを選択する固有値基準選択手段と、
   Ｐ個の送信アンテナと前記固有値基準選択手段で選択されたＬ個の受信アンテナとの間の伝搬路行列に基づいて送信信号を復調する復調器とを備え、
   前記電力基準選択手段は、
   Ｎ個の受信信号を入力し、受信したＮ個の受信信号の各々の受信電力及び雑音電力を検出し、各受信信号における雑音電力に対する相対的な受信電力を検出する電力検出手段と、
   該電力検出手段によって検出した相対的な受信電力のうち最も値の大きい値を有する受信アンテナから順にＭ個（Ｍ＜Ｎ）の受信アンテナを選択する電力判定手段とを備え、
   前記固有値基準選択手段は、
   前記Ｍ個の受信アンテナの受信信号に対して、前記Ｐ個の送信アンテナの各々から送信される各送信アンテナに固有の既知信号に基づいてチャンネル推定を行うための同期処理を施し、有効データ期間以外で切替を行うための切替タイミング信号を発生させ、各受信信号における雑音電力が同一になるように調整し、前記Ｐ個の送信アンテナとの間のチャンネル推定を行って各受信信号における雑音電力が同一になるように調整されたＭ個のチャンネル応答ベクトルを生成するチャンネル推定手段と、
   前記Ｍ個のチャンネル応答ベクトルから、Ｌ個（Ｐ≦Ｌ＜Ｍ）のチャンネル応答ベクトルを並べた伝搬路行列について値が最小の固定値を最小固有値とした場合に、該伝搬路行列の相関行列の最小固有値が最大となるＬ個の受信アンテナの組合せを判定して選択する固有値判定手段とを備えることを特徴とする、受信アンテナ選択装置。
2. 請求項１に記載の受信アンテナ選択装置において、
   前記受信信号が、復調に用いるデータ信号と復調に用いない他の信号とから成る場合に、
   前記切替タイミング信号を、前記受信信号のうちの他の信号の期間に切り替える信号とすることを特徴とする受信アンテナ選択装置。
3. 請求項１に記載の受信アンテナ選択装置において、
   ＭＩＭＯの変調方式がＯＦＤＭの場合に、
   前記切替タイミング信号を、受信信号におけるガード期間に切り替える信号とすることを特徴とする受信アンテナ選択装置。
4. 請求項１に記載の受信アンテナ選択装置において、
   前記受信アンテナの組合せのうちの１個の受信アンテナを選択するスイッチを複数備え、
   該複数のスイッチに連続した番号を付し、前記選択する前の受信アンテナに連続した番号を付し、選択する前の受信アンテナからの受信信号であって、該スイッチが入力する受信信号の数をＮ、選択した受信アンテナからの受信信号の数をＭとした場合に、番号の小さいスイッチが番号の小さい受信アンテナからの受信信号を選択し、各スイッチが必要な受信信号を入力する入力ポート数Ｘを、Ｘ＝Ｎ−（Ｍ−１）とすることを特徴とする受信アンテナ選択装置。
5. 請求項１に記載の受信アンテナ選択装置において、
   ＭＩＭＯの変調方式がＯＦＤＭの場合に、
   前記電力基準選択手段は、受信信号であるＯＦＤＭ信号の全電力に基づいて、受信アンテナの組合せを選択することを特徴とする受信アンテナ選択装置。
6. 請求項１から５までのいずれか一項に記載の受信アンテナ選択装置において、
   ＭＩＭＯの変調方式がＯＦＤＭの場合に、
   前記固有値基準選択手段は、既知信号が伝送されるパイロットキャリアを用いてチャンネル推定を行い、全てのパイロットキャリアについて、送信アンテナと受信アンテナとの間の伝搬路行列における相関行列の固有値を計算し、計算した固有値に基づいて、受信アンテナの組合せを選択することを特徴とする受信アンテナ選択装置。
7. 請求項１から５までのいずれか一項に記載の受信アンテナ選択装置において、
   ＭＩＭＯの変調方式がＯＦＤＭの場合に、
   前記固有値基準選択手段は、既知信号が伝送されるパイロットキャリアを用いてチャンネル推定を行い、周波数特性が同一とみなせる範囲から１つのパイロットキャリアを選択し、選択したパイロットキャリアについて、送信アンテナと受信アンテナとの間の伝搬路行列における相関行列の固有値を計算し、計算した固有値に基づいて、受信アンテナの組合せを選択することを特徴とする受信アンテナ選択装置。

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