JP5047834B2

JP5047834B2 - 無線通信装置及び無線通信方法

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Publication number: JP5047834B2
Application number: JP2008034935A
Authority: JP
Inventors: 裕介大渡; 孝浩浅井; 聡須山; 博鈴木; 和彦府川
Original assignee: NTT Docomo Inc; Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: NTT Docomo Inc; Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2008-02-15
Filing date: 2008-02-15
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2028-02-15
Also published as: US20090207931A1; CN101510799B; CN101510799A; EP2091198B1; JP2009194732A; EP2091198A3; EP2091198A2; US8254476B2

Description

本発明は、線形プリコーディングを用いるMIMO伝送方式における無線通信装置及び無線通信方法に関するものである。

移動通信において高速・高信頼MIMO-OFDM伝送方式が注目されている。OFDM信号は、多数のサブキャリアから構成され、周波数選択性フェージングに強い性質を有するが、ピーク値対平均電力比(Peak-to-Average Power Ratio (PAPR))が大きいという問題がある。また、CDMA方式においても、拡散後の複数の信号系列をコード多重して送信する場合には、OFDM信号同様にPAPRが大きくなるという問題がある。さらに、OFDM方式やCDMA方式に限らず、シングルキャリア方式等を用いる場合においても、複数送信アンテナを用いたMIMO伝送を行う場合には、並列多重を行う信号ストリーム数が増加すると、PAPRが大きくなるという問題がある。

このように、PAPRの大きな送信信号波形では、送信電力増幅器により非線形歪が発生し、伝送特性が劣化するとともに、帯域外輻射電力が生じる。これを避けるため、送信電力増幅器の入力バックオフを大きく取ると、送信電力効率が大幅に低下する。このため、MIMO-OFDMにおける伝送特性の改善とPAPR低減を同時に実現するサブキャリア位相ホッピング選択マッピング(Subcarrier Phase Hopping-Selected Mapping (SPH-SLM))が下記の非特許文献１に記載されている。非特許文献１の方法では、各サブキャリアの変調信号を位相回転させる複数のユニタリ行列であるランダム位相行列候補から、ピークを最も抑圧する位相パターンを選択することにより、PAPR低減を可能としている。
S. Suyama, N. Nomura, H. Suzuki, and K. Fukawa, "Subcarrier phase hopping MIMO-OFDM transmission employing enhanced selected mapping for PAPR reduction," Annual IEEE Inter. Symposium on Personal Indoor Mobile Radio Communication. (PIMRC), pp.1-5, Sept. 2006

しかし、上記従来技術であるランダム位相行列を乗算する方法を、MIMO固有モード伝送等の線形プリコーディングを用いるMIMO伝送方式に適用した場合、線形プリコーディングにより得られる効果が保持できないという問題があった。つまり、線形プリコーディング処理として、各送信信号ストリームに対して送信アンテナウェイトを乗算することにより形成されたビームの特性が、上記従来技術の適用により崩れてしまうという問題があった。たとえば、線形プリコーディング処理としてMIMO固有モード伝送を用いた場合には、形成された複数のビームが直交するという特徴を有するが、このMIMO固有モード伝送に上記従来技術であるランダム位相行列を乗算する方法を適用した場合、形成された直交ビームが崩れてしまう。

本発明は、MIMO固有モード伝送等の線形プリコーディングを用いるMIMO伝送方式において、線形プリコーディングの効果を保持したまま、位相回転によりPAPRを低減させることができる無線通信装置及び無線通信方法を提供することを目的とする。

上記の問題点を解決するため、本発明に係る無線通信装置は、複数の送信アンテナを用いて線形プリコーディング処理を行い無線信号の送信を行う無線通信装置であって、ピーク値対平均電力比を低減する位相パターンを選択する位相パターン制御部と、前記位相パターン制御部において選択された前記位相パターンを用いて、変調信号に対して位相回転を行う位相回転部と、前記位相パターン制御部において選択された前記位相パターンに基づいて制御信号を生成する制御信号生成部と、前記位相回転部及び前記制御信号生成部からの出力信号、に対して線形プリコーディング処理を行うプリコーディング部と、を備え、前記位相パターン制御部は、予め定められた各位相パターンに対応する変調信号の位相回転を行うピーク値算出部と、前記ピーク値算出部からの出力に基づいて、所定の閾値以上の総電力を最小化する位相パターンを選択する位相パターン選択部と、を備えたことを特徴とする。

上記の構成により、位相回転部において、送信信号に位相回転を与えた後にプリコーディングを行うことにより、線形プリコーディングの効果を保持することができる。また、位相パターン制御部において、複数の位相パターン候補の中から所定の閾値以上の総電力を最小化する位相パターンを選択することにより、PAPRを低減させることができる。

また、本発明に係る無線通信装置では、MIMO-OFDM変調部と、MIMO-OFDM送信部とをさらに有し、前記MIMO-OFDM変調部において生成された各サブキャリアの信号が、前記位相回転部及び前記位相パターン制御部に入力され、前記プリコーディング部からの出力が、前記MIMO-OFDM送信部に入力されるよう構成されることが望ましい。即ち、MIMO-OFDMシステムにおける変調後の各サブキャリアの信号に対して位相回転が行われた後に、プリコーディング処理が行われる。これにより、MIMO-OFDMシステムにおいて線形プリコーディングの効果を保持したままPAPRを低減することができる。

また、本発明に係る無線通信装置では、MIMO-CDMA変調部と、MIMO-CDMA送信部とをさらに有し、前記MIMO-CDMA変調部において各拡散符号を用いて生成された拡散後の信号が、前記位相回転部及び前記位相パターン制御部に入力され、前記プリコーディング部からの出力が、前記MIMO-CDMA送信部に入力されるよう構成されていることが望ましい。即ち、MIMO-CDMAシステムにおいて、各拡散符号で拡散された信号に対して位相回転が行われた後に、プリコーディング処理が行われる。これにより、MIMO-CDMAシステムにおいて線形プリコーディングの効果を保持したままPAPRを低減することができる。

また、本発明に係る無線通信装置では、シングルキャリアMIMO変調部をさらに有し、前記シングルキャリアMIMO変調部において並列伝送を行うために生成された各送信ストリームの信号が、前記位相回転部及び前記位相パターン制御部に入力されるよう構成されていることが望ましい。即ち、シングルキャリアMIMOシステムにおける変調後の信号に対して位相回転が行われた後に、プリコーディング処理が行われる。これにより、シングルキャリアMIMOシステムにおいて線形プリコーディングの効果を保持したままPAPRを低減することができる。

上記の問題点を解決するため、本発明に係る無線通信装置は、複数の送信アンテナを用いて線形プリコーディング処理を行い無線信号の送信を行う無線通信装置であって、MIMO-OFDM変調部と、前記MIMO-OFDM変調部において生成された各サブキャリアの信号に対して、線形プリコーディング処理を行うプリコーディング部と、前記プリコーディング部からの出力が入力されるブロック制御部と、前記ブロック制御部において複数のブロックに分割された信号が入力される逆フーリエ変換部と、前記逆フーリエ変換部の出力が入力される並直列変換部と、前記並直列変換部の出力である時間信号波形を用いて、ピーク値対平均電力比を低減する位相パターンを選択する位相パターン制御部と、前記位相パターン制御部において選択された前記位相パターンを用いて、前記並直列変換部より入力された信号に対して位相回転を行う位相回転部と、前記位相パターン制御部において選択された前記位相パターンに基づいて制御信号を生成する制御信号生成部と、を備え、前記位相パターン制御部は、予め定められた各位相パターンに対応する、前記並直列変換部から出力された信号の位相回転を行うピーク値算出部と、前記ピーク値算出部からの出力に基づいて、所定の閾値以上の総電力を最小化する位相パターンを選択する位相パターン選択部と、を備えることを特徴とする。これにより、前記位相パターン制御部での演算量低減を図りつつ、MIMO-OFDMシステムにおいて線形プリコーディングの効果を保持したままPAPRを低減することができる。

上記の問題点を解決するため、本発明に係る無線通信方法は、複数の送信アンテナを用いて線形プリコーディング処理を行い無線信号の送信を行う無線通信方法であって、ピーク値対平均電力比を低減する位相パターンを選択する位相パターン制御ステップと、前記位相パターン制御ステップにおいて選択された前記位相パターンを用いて、変調信号に対して位相回転を行う位相回転ステップと、前記位相パターン制御ステップにおいて選択された前記位相パターンに基づいて制御信号を生成する制御信号生成ステップと、前記位相回転ステップ及び前記制御信号生成ステップからの出力信号に対して線形プリコーディング処理を行うプリコーディングステップと、を備え、前記位相パターン制御ステップは、予め定められた各位相パターンに対応する変調信号の位相回転を行うピーク値算出ステップと、前記ピーク値算出ステップでの位相回転結果に基づいて、所定の閾値以上の総電力を最小化する位相パターンを選択する位相パターン選択ステップと、を備えたことを特徴とする。

上記の構成により、位相回転ステップにおいて、送信信号に位相回転を与えた後にプリコーディングを行うことにより、線形プリコーディングの効果を保持することができる。また、位相パターン制御ステップにおいて、複数の位相パターン候補の中からPAPRのピーク値に基づいて最適な位相パターンを選択することにより、PAPRを低減させることができる。

また、本発明に係る無線通信方法では、MIMO-OFDM変調ステップと、MIMO-OFDM送信ステップとをさらに有し、前記MIMO-OFDM変調ステップにおいて生成された各サブキャリアの信号が、前記位相回転ステップ及び前記位相パターン制御ステップに入力され、前記プリコーディングステップからの出力が、前記MIMO-OFDM送信ステップに入力されるよう構成されることが望ましい。即ち、MIMO-OFDMシステムにおける変調後の各サブキャリアの信号に対して位相回転が行われた後に、プリコーディング処理が行われる。これにより、MIMO-OFDMシステムにおいて線形プリコーディングの効果を保持したままPAPRを低減することができる。

また、本発明に係る無線通信方法では、MIMO-CDMA変調ステップと、MIMO-CDMA送信ステップとをさらに有し、前記MIMO-CDMA変調ステップにおいて各拡散符号を用いて生成された拡散後の信号が、前記位相回転ステップ及び前記位相パターン制御ステップに入力され、前記プリコーディングステップからの出力が、前記MIMO-CDMA送信ステップに入力されるよう構成されていることが望ましい。即ち、MIMO-CDMAシステムにおいて、各拡散符号で拡散された信号に対して位相回転が行われた後に、プリコーディング処理が行われる。これにより、MIMO-CDMAシステムにおいて線形プリコーディングの効果を保持したままPAPRを低減することができる。

また、本発明に係る無線通信方法では、シングルキャリアMIMO変調ステップをさらに有し、前記シングルキャリアMIMO変調ステップにおいて並列伝送を行うために生成された各送信ストリームの信号が、前記位相回転ステップ及び前記位相パターン制御ステップに入力されるよう構成されていることが望ましい。即ち、シングルキャリアMIMOシステムにおける変調後の信号に対して位相回転が行われた後に、プリコーディング処理が行われる。これにより、シングルキャリアMIMOシステムにおいて線形プリコーディングの効果を保持したままPAPRを低減することができる。

上記の問題点を解決するため、本発明に係る無線通信方法は、複数の送信アンテナを用いて線形プリコーディング処理を行い無線信号の送信を行う無線通信方法であって、MIMO-OFDM変調ステップと、前記MIMO-OFDM変調ステップにおいて生成された各サブキャリアの信号に対して、線形プリコーディング処理を行うプリコーディングステップと、前記プリコーディングステップからの出力が入力されるブロック制御ステップと、前記ブロック制御ステップにおいて複数のブロックに分割された信号が入力される逆フーリエ変換ステップと、前記逆フーリエ変換ステップの出力が入力される並直列変換ステップと、前記並直列変換ステップの出力である時間信号波形を用いて、ピーク値対平均電力比を低減する位相パターンを選択する位相パターン制御ステップと、前記位相パターン制御ステップにおいて選択された前記位相パターンを用いて、前記並直列変換ステップより入力された信号に対して位相回転を行う位相回転ステップと、前記位相パターン制御ステップにおいて選択された前記位相パターンに基づいて制御信号を生成する制御信号生成ステップと、を備え、前記位相パターン制御ステップは、予め定められた各位相パターンに対応する、前記並直列変換ステップの出力である信号の位相回転を行うピーク値算出ステップと、前記ピーク値算出ステップでの位相回転結果に基づいて、所定の閾値以上の総電力を最小化する位相パターンを選択する位相パターン選択ステップと、を備えることを特徴とする。これにより、前記位相パターン制御ステップでの演算量低減を図りつつ、MIMO-OFDMシステムにおいて線形プリコーディングの効果を保持したままPAPRを低減することができる。

本発明に係る無線通信装置及び無線通信方法によれば、MIMO固有モード伝送等の線形プリコーディングを用いるMIMO伝送方式において、線形プリコーディングの効果を保持したまま、位相回転によりPAPRを低減することができる。

本発明の実施形態にかかる無線通信装置について図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
まず、本発明の第１実施形態に係るMIMO-OFDM伝送系についての無線通信装置の構成について説明する。図１はMIMO-OFDM伝送系についての本無線通信装置１０のハードウェア構成図である。無線通信装置１０は、物理的には、図１に示すように、MIMO-OFDM変調部１１と、位相パターン制御部１２と、位相回転部１３と、プリコーディング部１４と、制御信号生成部１５と、MIMO-OFDM送信部１６とを含んで構成される。ここで、MIMO-OFDM変調部１１は直並列変換部１１Ａと、チャネル符号化部１１Ｂと、インタリーバ部１１Ｃと、信号変調部１１Ｄとを含んで構成され、MIMO-OFDM送信部１６は逆フーリエ変換部１６Ａと、並直列変換部１６Ｂと、ガードインターバル挿入部１６Ｃとを含んで構成される。

図２は本実施形態におけるMIMO-OFDM伝送系についての位相パターン制御部１２の構成図を示す。位相パターン制御部１２は、位相パターン選択部２２と位相パターンの候補数(Ｕ)だけのピーク値算出部２１とを含んで構成される。各位相パターンに対応するピーク値算出部２１は、位相回転部２１Ａと、プリコーディング部２１Ｂと、制御信号生成部２１Ｃと、逆フーリエ変換部２１Ｄと、ピーク値検知部２１Ｅとを含んで構成される。

続いて、本実施形態にかかる無線通信装置１０の動作及び無線通信方法について説明する。以下では、サブキャリア数Ｎ、送信アンテナ数Ｎ_Ｔ、受信アンテナ数Ｎ_Ｒ、空間多重をおこなう送信信号ストリーム数Ｍ（Ｍ≦Ｎ_Ｔ）を用いるMIMO-OFDM伝送において、線形プリコーディング処理として固有モード伝送を用いた場合について説明する。

はじめに、図１に示されるMIMO-OFDM変調部１１では、送信する情報信号系列を直並列変換部１１Ａにおいて、多重化する各送信ストリームに割り当て、チャネル符号化部１１Ｂにおいてチャネル符号化を施してインタリーバ部１１Ｃにおいてインタリーブを施し、直並列変換部１１Ａにおいて各サブキャリアに割り当てた後、信号変調部１１Ｄにおいて変調を行い、送信信号ｚ_ｎを発生させる。ここで、ｚ_ｎは第ｎ（０≦ｎ≦Ｎ−１）サブキャリアにおける送信信号を表し、以下では、第ｎ（０≦ｎ≦Ｎ−１）サブキャリアにおける処理について述べる。

信号変調部１１Ｄにおいて送信信号ｚ_ｎを発生させた後、位相回転部１３において送信信号ｚ_ｎに

を乗算した後に、プリコーディング部１４においてユニタリ行列Ｖ_ｎを乗算することにより、

を生成する。ここで、

は、後述する位相パターン制御部１２で選択された

における行列を表す。また、ユニタリ行列Ｖ_ｎは、以下の式(1)で表されるＮ_Ｔ×Ｎ_ＲMIMOチャネルのチャネル行列Ｈ_ｎを特異値分解(SVD)することにより得られる行列であり、以下の式(2)の形で表すことができる。

ここで、^Ｈは複素共役転置を表し、行列Ｄ_ｎは以下の式で表すことができる。

なお、λ_ｎＴ,ｎはＨ_ｎ ^ＨＨ_ｎの第ｎ_Ｔ番目の固有値で、

である。

プリコーディング部１４で生成される

は、上記のユニタリ行列Ｖ_ｎ及び

を用いて、以下の式で表すことができる。

ここで、^Ｔは転置を表し、生成された

における各要素は、対応する送信アンテナにおける逆フーリエ変換部１６Ａに入力される。

一方、制御信号生成部１５では、位相パターン制御部１２において選択された

を受信側に通知するための制御信号を生成し、生成された制御信号はプリコーディング部１４に入力される。プリコーディング部１４では、制御信号を送信するサブキャリアにおけるチャネル行列を用いて、式(2)に示す特異値分解を行うことにより得られるユニタリ行列を制御信号に乗算することにより、制御信号に対してプリコーディング処理を行う。

逆フーリエ変換部１６Ａでは、プリコーディング部１４から入力された、プリコーディング処理後の

と制御信号に対して逆フーリエ変換を行うことにより時間領域の信号を生成し、並直列変換部１６Ｂに入力する。並直列変換部１６Ｂは、並列に入力した信号系列を直列の信号系列に変換し、ガードインターバル挿入部１６Ｃに入力する。ガードインターバル挿入部１６Ｃでは、入力された信号に対してガードインターバルを挿入し、各アンテナにおける送信信号を生成する。

続いて図２に示される位相パターン制御部１２の動作について説明する。位相パターン選択部２２と位相パターンの候補数(Ｕ)だけのピーク値算出部２１とを含んで構成される位相パターン制御部１２において、第ｕ（１≦ｕ≦Ｕ）位相パターンに対応するピーク値算出部２１では、入力される送信信号ｚ_ｎに対して、位相回転部２１Ａにおいて、以下の式で定義される行列Ｑ_ｕ,ｎを乗算することにより位相回転を施す。

その後、位相回転部２１Ａから出力された信号は、プリコーディング部２１Ｂに入力され、プリコーディング部２１Ｂではユニタリ行列Ｖ_ｎを乗算することによりプリコーディング処理を行う。このとき、プリコーディング後の第ｕ位相パターンに対応した送信信号ベクトルｓ_ｕ,ｎは

となる。プリコーディング部２１Ｂにおいて生成された送信信号ベクトルｓ_ｕ,ｎの各要素が、対応する各送信アンテナにおける逆フーリエ変換部２１Ｄに入力される。また、第ｕ位相パターンに対応した制御信号が制御信号生成部２１Ｃにおいて生成され、生成された制御信号はプリコーディング部２１Ｂに入力される。プリコーディング部２１Ｂでは、制御信号を送信するサブキャリアにおけるチャネル行列を用いて、特異値分解を行うことにより得られるユニタリ行列を制御信号に乗算することにより、制御信号に対してプリコーディング処理を行う。

逆フーリエ変換部２１Ｄでは、プリコーディング部２１Ｂから入力された、プリコーディング処理後の送信信号ベクトルｓ_ｕ,ｎと制御信号に対して逆フーリエ変換を行うことにより時間信号波形を生成する。各送信アンテナに対応する逆フーリエ変換部２１Ｄから出力された時間信号波形はピーク値検知部２１Ｅに入力される。ピーク値検知部２１Ｅでは、クリッピングされる閾値電力以上の総電力を算出する。各ピーク値算出部２１におけるピーク値検知部２１Ｅで算出された、クリッピングされる閾値電力以上の総電力が位相パターン選択部２２に入力されて、位相パターン選択部２２ではクリッピングされる閾値電力以上の総電力を最小とする最適な位相パターンを選択する。ここで、選択された位相パターンを

とすると、

は以下の式により選択される。

ここで、

は、位相パターンｕが適用された第ｎ_ｔアンテナ、第ｋ（０≦ｋ≦Ｎ−１）サンプルにおける時間信号波形を表す。選択された

が、位相パターン選択部２２から出力されて、図１における位相回転部１３及び制御信号生成部１５に入力される。

続いて本実施形態にかかる無線通信装置１０の作用及び効果について説明する。本実施形態にかかる無線通信装置１０では、式(7)により選択された

を用いて、各サブキャリアの位相を回転させることによりPAPRを低減することができる。また、位相回転をプリコーディング部１４の前で行うことにより、受信側では従来の固有ビーム伝送と同様に、受信信号ベクトルｒ_ｎに対して、ユニタリ行列Ｕ^Ｈを乗算することによりチャネルの直交化が可能となる。ここで、Ｎ_Ｒ次元の受信信号ベクトルｒ_ｎを次式で表す。
ｒ_ｎ＝Ｈ_ｎｓ_ｎ＋ｎ_ｎ(8)
ただし、ｎ_ｎはＮ_Ｒ次元の雑音ベクトルである。この受信信号ベクトルｒ_ｎに対して、受信側でユニタリ行列Ｕ^Ｈを乗算すると、

は、式(2)の関係を用いることにより以下の式で表すことができる。

ここで、式(9)における行列Ｄ_ｎ及び

は対角行列であるためチャネルの直交性が維持される。つまり、PAPRを低減させるために

により位相回転を施した

は、ユニタリ行列Ｖ_ｎの乗算に基づく線形プリコーディングの効果を保持することが可能である。なお、受信側では

に対して、制御信号により通知された

を用いて、

により回転された位相と逆の位相回転を与えることで、元の情報信号を検出することができる。

ここで、従来の固有モード伝送において、プリコーディングを施した後に、各アンテナに対して異なる位相回転を施すと、プリコーディングにより形成された直交ビームが崩れるため伝送特性が劣化する。これに対して、本発明における上記位相パターン制御部１２においては、プリコーディングを施す前に送信信号ｚ_ｎに対して位相回転を施し、その後、プリコーディングを行うことを特徴とする。これにより、プリコーディング後の信号に特別な操作を加えることなく送信信号に対して位相回転を施すことができるため、プリコーディングにより形成された直交ビームを維持したまま、PAPRを低減することが可能となる。

なお、本実施形態における上述の説明ではMIMO-OFDM伝送系への適用例について示したが、Multi Carrier (MC)-CDMAやOFDMAなどの、OFDMに基づくいずれの方式にも適用可能である。つまり、OFDMのサブキャリアを用いて拡散後の信号を送信するMC-CDMAや、OFDMのサブキャリアを複数のユーザに割り当てるOFDMAなどの、OFDMに基づく方法において線形プリコーディング処理を用いたMIMO伝送を行う場合には、本発明を適用することが可能である。

以下、上述の無線通信装置の構成の変形例について説明する。上述の例ではMIMO-OFDM伝送系に本発明を適用した場合の装置及び方法を示したが、MIMO-CDMA伝送系に適用することも可能である。図３はMIMO-CDMA伝送系についての本無線通信装置３０のハードウェア構成図である。無線通信装置３０は、物理的には、図３に示すように、MIMO-CDMA変調部３１と、位相パターン制御部３２と、位相回転部３３と、プリコーディング部３４と、制御信号生成部３５と、MIMO-CDMA送信部３６とを含んで構成される。ここで、MIMO-CDMA変調部３１は直並列変換部３１Ａと、チャネル符号化部３１Ｂと、インタリーバ部３１Ｃと、信号変調部３１Ｄと、拡散部３１Ｅとを含んで構成され、MIMO-CDMA送信部３６はコード多重部３６Ａにより構成される。

図４は本実施形態におけるMIMO-CDMA伝送系についての位相パターン制御部３２の構成図を示す。位相パターン制御部３２は、位相パターン選択部４２と位相パターンの候補数だけのピーク値算出部４１とを含んで構成される。各位相パターンに対応するピーク値算出部４１は、位相回転部４１Ａと、プリコーディング部４１Ｂと、制御信号生成部４１Ｃと、ピーク値検知部４１Ｄとを含んで構成される。

続いて、MIMO-CDMA伝送系における無線通信装置３０の動作及び無線通信方法について説明する。はじめに、MIMO-CDMA変調部３１における直並列変換部３１Ａにおいて、情報信号を各送信ストリームに割り当て、チャネル符号化部３１Ｂにおいてチャネル符号化を施してインタリーバ部３１Ｃにおいてインタリーブを施し、信号変調部３１Ｄにおいて変調を行い、拡散部３１Ｅにおいて（コード多重を行う）各拡散符号を用いて信号を拡散し、送信信号を発生させる。

続いて、位相パターン制御部３２においてPAPRを低減する上で最適な位相パターンを選択し、位相回転部３３において各拡散符号により生成された送信信号と選択された位相パターンを乗算し、プリコーディング部３４に入力する。一方、制御信号生成部３５では、位相パターン制御部３２において選択された位相パターンに基づいて制御信号を生成し、制御信号用の拡散符号を用いて拡散を行った後に、プリコーディング部３４に入力する。プリコーディング部３４は、位相回転部３３から入力された信号と、制御信号生成部３５から入力された信号に対してプリコーディング処理を施した後、プリコーディング処理後の信号はMIMO-CDMA送信部３６におけるコード多重部３６Ａに入力される。コード多重部３６Ａでは、入力された信号のコード多重を行うことにより、各送信アンテナにおける送信信号を生成する。なお、MIMO-CDMA伝送系における位相パターン制御部３２の動作については、MIMO-OFDM伝送系における位相パターン制御部１２（図２）の逆フーリエ変換部２１Ｄにおける逆フーリエ変換動作が無いことを除いて、MIMO-OFDM伝送系における位相パターン制御部１２の動作と同じである。

上述では無線通信装置の構成の変形例としてMIMO-CDMA伝送系への適用例について示したが、以下では別の変形例として、シングルキャリアMIMO伝送系への適用例について説明する。図５はシングルキャリアMIMO伝送系についての本無線通信装置５０のハードウェア構成図である。無線通信装置５０は、物理的には、図５に示すように、シングルキャリアMIMO変調部５１と、位相パターン制御部５２と、位相回転部５３と、プリコーディング部５４と、制御信号生成部５５とを含んで構成される。ここで、シングルキャリアMIMO変調部５１は直並列変換部５１Ａと、チャネル符号化部５１Ｂと、インタリーバ部５１Ｃと、信号変調部５１Ｄとを含んで構成される。

図６は本実施形態におけるシングルキャリアMIMO伝送系についての位相パターン制御部５２の構成図を示す。位相パターン制御部５２は、位相パターン選択部６２と位相パターンの候補数だけのピーク値算出部６１とを含んで構成される。各位相パターンに対応するピーク値算出部６１は、位相回転部６１Ａと、プリコーディング部６１Ｂと、制御信号生成部６１Ｃと、ピーク値検知部６１Ｄとを含んで構成される。

続いて、シングルキャリアMIMO伝送系における無線通信装置５０の動作及び無線通信方法について説明する。はじめに、シングルキャリアMIMO変調部５１における直並列変換部５１Ａにおいて、情報信号を多重化する各送信ストリームに割り当て、チャネル符号化部５１Ｂにおいてチャネル符号化を施してインタリーバ部５１Ｃにおいてインタリーブを施し、信号変調部５１Ｄにおいて変調を行い、送信信号を発生させる。続いて、位相パターン制御部５２においてPAPRを低減する上で最適な位相パターンを選択し、それを基に位相回転部５３では送信信号と選択された位相パターンとを乗算し、プリコーディング部５４に入力する。一方、制御信号生成部５５では、位相パターン制御部５２において選択された位相パターンに基づいて制御信号を生成し、プリコーディング部５４に入力する。プリコーディング部５４は、位相回転部５３から入力された信号と、制御信号生成部５５から入力された信号に対してプリコーディング処理を施した後、プリコーディング処理後の信号は、各送信アンテナより送信される。

ここで、上述では位相回転部５３及び制御信号生成部５５から出力された信号がプリコーディング部５４において空間多重される場合の例について説明したが、位相回転部５３及び制御信号生成部５５から出力された信号が時間多重することとしても良い。

なお、シングルキャリアMIMO伝送系における位相パターン制御部５２の動作については、MIMO-OFDM伝送系における位相パターン制御部１２（図２）の逆フーリエ変換部２１Ｄにおける逆フーリエ変換動作が無いことを除いて、MIMO-OFDM伝送系における位相パターン制御部１２の動作と同じである。

なお、本実施形態にかかる上述の説明では、線形プリコーディング処理として固有モード伝送を用いる場合の装置及び方法を示したが、その他の送信プリコーディング方法を用いる場合においても、上記方法を利用して、線形プリコーディングの効果を保持したままPAPRを低減させることが可能である。

［第２実施形態］
続いて、本発明の第２実施形態に係る無線通信装置の構成について説明する。本実施形態に係る無線通信装置は、第１実施形態に係るMIMO-OFDM伝送系における無線通信装置と比較して、位相パターン制御部における逆フーリエ変換部の数を減少させることができるため、位相パターン制御部での演算量低減が可能となる。図７は本無線通信装置７０のハードウェア構成図である。本実施形態にかかる無線通信装置７０は、MIMO-OFDM変調部７１と、プリコーディング部７２と、ブロック制御部７３と、逆フーリエ変換部７４と、並直列変換部７５と、位相パターン制御部７６と、位相回転部７７と、制御信号生成部７８と、加算部７９と、ガードインターバル挿入部７Ａとを含んで構成される。ここで、MIMO-OFDM変調部７１は、第１実施形態における構成と同一である。

図８に本実施形態における位相パターン制御部７６の構成図を示す。位相パターン制御部７６は、位相パターン選択部８２と位相パターンの候補数だけのピーク値算出部８１とを含んで構成される。各位相パターンに対応するピーク値算出部８１は、位相回転部８１Ａと、加算部８１Ｂと、制御信号生成部８１Ｃと、ピーク値検知部８１Ｄとを含んで構成される。

続いて、本実施形態にかかる無線通信装置７０の動作及び無線通信方法について説明する。本実施形態のMIMO-OFDM変調部７１における信号生成方法は、第１実施形態と同一である。MIMO-OFDM変調部７１により生成された送信信号ｚ_ｎに対して、本実施形態では第１実施形態と異なり、プリコーディング部７２においてユニタリ行列Ｖ_ｎを先に乗算する。プリコーディング部７２から出力された信号は、ブロック制御部７３において複数のブロックに分割され、ブロック毎に逆フーリエ変換部７４において時間信号波形に変換する。逆フーリエ変換部７４から出力された信号は、並直列変換部７５において直列の時間信号系列に変換される。並直列変換部７５から出力された信号は、後述の位相パターン制御部７６に入力され、PAPR低減を行う上で最適な位相パターンが選択される。位相パターン制御部７６で選択された位相パターン情報は、位相回転部７７及び制御信号生成部７８に入力される。位相回転部７７では、位相パターン制御部７６から入力された位相パターン情報を用いて、並直列変換部７５より入力された信号に対して位相回転を行い、位相回転後の信号が加算部７９に入力される。一方、制御信号生成部７８は、位相パターン制御部７６から入力された位相パターン情報を用いて、受信側に位相パターン情報を通知するための制御信号を生成し、生成された制御信号は各送信アンテナに対応する加算部７９に入力される。ここで、制御信号生成部７８における制御信号の生成に関して、各位相パターン候補に対応した時間信号波形を予めメモリに保存し、選択された位相パターンに対応する時間信号波形を、制御信号として出力することができる。また、位相パターン制御部７６で選択された位相パターンに対応した制御信号を周波数領域で生成し、生成後の信号を逆フーリエ変換した時間信号波形を、制御信号生成部７８からの出力信号として用いることもできる。

加算部７９では、位相回転部７７から出力される複数ブロックの信号と制御信号を加算して、加算後の信号をガードインターバル挿入部７Ａに入力する。ガードインターバル挿入部７Ａでは、加算部７９から入力された信号に対してガードインターバルを挿入して、各アンテナにおける送信信号を生成する。

続いて、図８に示される位相パターン制御部７６の動作について説明する。位相パターン選択部８２と位相パターンの候補数（Ｕ）だけのピーク値算出部８１とを含んで構成される位相パターン制御部７６において、第ｕ（１≦ｕ≦Ｕ）位相パターンに対応するピーク値算出部８１では、並直列変換部７５より入力される信号に対して、位相回転部８１Ａにおいて以下の式で定義される行列Ｑ'_ｕ,ｎを乗算することにより位相回転を施す。

ここで、式(11)に示されるように、本実施形態では式(5)で示される第１実施形態の場合とは異なり、形成される各ビームに対して同一の位相回転量を与えることを特徴とする。

一方、制御信号生成部８１Ｃでは、第ｕ（１≦ｕ≦Ｕ）位相パターンに対応する制御信号を生成する。ここで、制御信号生成部８１Ｃにおける制御信号の生成に関しては、上述のように当該位相パターンに対応した制御信号の時間信号波形を予めメモリに保存しておくか、当該位相パターンに対応した制御信号を周波数領域で生成した後に逆フーリエ変換を施すことにより、制御信号を生成することができる。制御信号生成部８１Ｃから出力された制御信号と、位相回転部８１Ａから出力された信号は加算部８１Ｂに入力され、加算後の時間信号波形が生成される。加算部８１Ｂから出力された信号はピーク値検知部８１Ｄに入力され、ピーク値検知部８１Ｄではクリッピングされる閾値電力以上の総電力を算出する。各ピーク値算出部８１のピーク値検知部８１Ｄで算出された、クリッピングされる閾値電力以上の総電力が位相パターン選択部８２に入力される。位相パターン選択部８２では、クリッピングされる閾値電力以上の総電力を最小とする最適な位相パターンを選択し、選択された

を出力する。選択された

は、図７における位相回転部７７及び制御信号生成部７８に入力される。

続いて本実施形態にかかる無線通信装置７０の作用及び効果について説明する。本実施形態にかかる無線通信装置７０では、式(11)により定義される行列を用いて位相回転を行う。その結果、第１実施形態では式(6)の形で表された送信信号ベクトルｓ_ｕ,ｎは、本実施形態では以下の式で表される。

ここで、ｓ_ｎはプリコーディング部７２より出力される信号であり、ｓ_ｎ＝Ｖ_ｎｚ_ｎである。

ブロック制御部７３において、第ｂ（０≦ｂ≦Ｂ−１）ブロックには、サブキャリア番号{b, B+b,…,(N/B-1)B+b}の信号が属するように分割し、同一ブロック内の各サブキャリアにおける位相回転量φ_ｕ,ｎをφ_ｕ,ｎ＝φ_ｕ,B+b＝…＝φ_{ｕ,(N/B-1)B+b}として、同一の位相回転量を与えることとする。このとき、送信信号ベクトルｓ_ｕ,ｎにおける第ｎ_ｔ送信アンテナにおける

は以下の式で表すことができる。

ここで、式(13)における

は、第ｂブロックに属するサブキャリアの変調信号から構成される、以下の式(14)で表される長さＮの信号系列を逆フーリエ変換した時間信号波形となる。

したがって、式(13)は、各ブロックに分割された信号を逆フーリエ変換した時間信号波形に

を乗算して、全ブロックを足し合わせた形となる。これにより、ブロック制御部７３で各ブロックに分割された信号を逆フーリエ変換した後の信号に対して、図７及び図８における位相回転部７７、８１Ａにおいて位相回転を行うことが可能となる。その結果、図８に示される位相パターン制御部７６における各ピーク値算出部８１において、図２に示される第１実施形態のピーク値算出部２１で用いられていた逆フーリエ変換部２１Ｄを省略することができるため、演算量を低減することができる。つまり、本実施形態ではブロック制御部７３において式(14)に示す形で各サブキャリアの信号を分割し、同一ブロック内の各サブキャリアでは同一の位相回転量を与えるようにすることで、位相パターン制御部７６における演算量低減を図りつつ、MIMO-OFDMシステムにおいて線形プリコーディングの効果を保持したままPAPRを低減することができる。

さらに、式(13)に関して、Ｎ_Ｂ＝Ｎ／Ｂとすることにより、式(13)は以下の式(15)とすることができる。

ここで、

は、以下の式(16)で表される長さＮ_Ｂの信号系列を逆フーリエ変換した時間信号波形となる。

したがって、逆フーリエ変換におけるポイント数をＮからＮ_Ｂに低減することができる。これにより、図７における逆フーリエ変換部７４による逆フーリエ変換の演算量をさらに低減することができる。つまり、図７におけるブロック制御部７３で、ブロックごとに式(16)で示される信号系列を生成し、逆フーリエ変換部７４による逆フーリエ変換におけるポイント数をＮ_Ｂとすることにより、逆フーリエ変換の演算量低減を図りつつ、MIMO-OFDMシステムにおいて線形プリコーディングの効果を保持したままPAPRを低減することができる。

なお、本実施形態における上述の説明では、MIMO-OFDM伝送系への適用例について示したが、第１実施形態の場合と同様に、本発明をMulti Carrier (MC)-CDMAやOFDMAなどの、OFDMに基づくいずれの方式にも適用可能である。ここで、本発明をOFDMAに適用する場合、ブロック制御部７３で分割された各ブロックの信号を異なるユーザに割当てることにより、制御信号として送信すべき情報量の低減、または、制御信号生成部７８の省略が可能となる。これは、本実施形態では同一ブロック内の信号には同一の位相回転量が適用されるため、各ユーザに向けて送信される全てのサブキャリアが同一の位相回転の影響を受けることによる。

[実施例１]

本発明の第１実施形態にかかる実施例について図面を参照して説明する。本発明の有効性を確認するため、線形プリコーディングとして固有モード伝送を用いるMIMO-OFDM方式に、本発明の第１実施形態を適用した場合の計算機シミュレーション結果について以下に示す。送信及び受信のアンテナ数はそれぞれ2とし、2ストリームを空間多重した。また、OFDMのパラメータは5GHz帯無線LANに準拠し、FFTポイント数は64とした。変調方式はQPSKとし、本発明における位相パターン数Ｕは16とした。

図９に従来の固有モード伝送と本発明におけるPAPRのCCDF(Complementary Cumulative Distribution Function)特性を示す。また、比較のために固有モード伝送を行わない場合のCCDF特性も併せて示す。同図においてEMは従来の固有モード伝送におけるCCDF特性を表し、EM-SLMは本発明の第１実施形態を適用した固有モード伝送のCCDF特性を示す。また、SDMは固有モード伝送を行わないMIMO-OFDM方式のCCDF特性を表し、SDM-SLMは固有モード伝送を行わないMIMO-OFDM方式において非特許文献１の方法を適用した場合のCCDF特性を示す。

図９よりPAPR低減処理を用いないEMとSDMは、ほぼ同等のCCDF特性となり、本発明の第１実施形態を適用したＵ＝16のEM-SLMのCCDF特性は、EMのCCDF特性に対してCCDF＝１０^−３におけるPAPRを約3.6dB低減できることがわかる。また、EM-SLMは、固有モード伝送を用いないSDM-SLMとほぼ同等のPAPR特性を実現できることがわかる。

第１実施形態に係るMIMO-OFDM伝送系の無線通信装置の構成図である。第１実施形態に係るMIMO-OFDM伝送系の無線通信装置の位相パターン制御部の構成図である。第１実施形態に係るMIMO-CDMA伝送系の無線通信装置の構成図である。第１実施形態に係るMIMO-CDMA伝送系の無線通信装置中の位相パターン制御部の構成図である。第１実施形態に係るシングルキャリアMIMO伝送系の無線通信装置の構成図である。第１実施形態に係るシングルキャリアMIMO伝送系の無線通信装置中の位相パターン制御部の構成図である。第２実施形態に係る無線通信装置の構成図である。第２実施形態に係る無線通信装置の位相パターン制御部の構成図である。本発明の適用効果を示すPAPR特性を表す図である。

符号の説明

１０…無線通信装置、１１…MIMO-OFDM変調部、１１Ａ…直並列変換部、１１Ｂ…チャネル符号化部、１１Ｃ…インタリーバ部、１１Ｄ…信号変調部、１２…位相パターン制御部、１３…位相回転部、１４…プリコーディング部、１５…制御信号生成部、１６…MIMO-OFDM送信部、１６Ａ…逆フーリエ変換部、１６Ｂ…並直列変換部、１６Ｃ…ガードインターバル挿入部、２１…ピーク値算出部、２１Ａ…位相回転部、２１Ｂ…プリコーディング部、２１Ｃ…制御信号生成部、２１Ｄ…逆フーリエ変換部、２１Ｅ…ピーク値検知部、２２…位相パターン選択部、３０…無線通信装置、３１…MIMO-CDMA変調部、３１Ａ…直並列変換部、３１Ｂ…チャネル符号化部、３１Ｃ…インタリーバ部、３１Ｄ…信号変調部、３１Ｅ…拡散部、３２…位相パターン制御部、３３…位相回転部、３４…プリコーディング部、３５…制御信号生成部、３６…MIMO-CDMA送信部、３６Ａ…コード多重部、４１…ピーク値算出部、４１Ａ…位相回転部、４１Ｂ…プリコーディング部、４１Ｃ…制御信号生成部、４１Ｄ…ピーク値検知部、４２…位相パターン選択部、５０…無線通信装置、５１…シングルキャリアMIMO変調部、５１Ａ…直並列変換部、５１Ｂ…チャネル符号化部、５１Ｃ…インタリーバ部、５１Ｄ…信号変調部、５２…位相パターン制御部、５３…位相回転部、５４…プリコーディング部、５５…制御信号生成部、６１…ピーク値算出部、６１Ａ…位相回転部、６１Ｂ…プリコーディング部、６１Ｃ…制御信号生成部、６１Ｄ…ピーク値検知部、６２…位相パターン選択部、７０…無線通信装置、７１…MIMO-OFDM変調部、７１Ａ…直並列変換部、７１Ｂ…チャネル符号化部、７１Ｃ…インタリーバ部、７１Ｄ…信号変調部、７２…プリコーディング部、７３…ブロック制御部、７４…逆フーリエ変換部、７５…並直列変換部、７６…位相パターン制御部、７７…位相回転部、７８…制御信号生成部、７９…加算部、７Ａ…ガードインターバル挿入部、８１…ピーク値算出部、８１Ａ…位相回転部、８１Ｂ…加算部、８１Ｃ…制御信号生成部、８１Ｄ…ピーク値検知部、８２…位相パターン選択部。

Claims

複数の送信アンテナを用いて線形プリコーディング処理を行い無線信号の送信を行う無線通信装置であって、
ピーク値対平均電力比を低減する位相パターンを選択する位相パターン制御部と、
前記位相パターン制御部において選択された前記位相パターンを用いて、変調信号に対して位相回転を行う位相回転部と、
前記位相パターン制御部において選択された前記位相パターンに基づいて制御信号を生成する制御信号生成部と、
前記位相回転部及び前記制御信号生成部からの出力信号、に対して線形プリコーディング処理を行うプリコーディング部と、
を備え、
前記位相パターン制御部は、
予め定められた各位相パターンに対応する変調信号の位相回転を行うピーク値算出部と、
前記ピーク値算出部からの出力に基づいて、所定の閾値以上の総電力を最小化する位相パターンを選択する位相パターン選択部と、
を備えたことを特徴とする無線通信装置。
前記無線通信装置は、MIMO-OFDM変調部と、MIMO-OFDM送信部とをさらに有し、
前記MIMO-OFDM変調部において生成された各サブキャリアの信号が、前記位相回転部及び前記位相パターン制御部に入力され、
前記プリコーディング部からの出力が、前記MIMO-OFDM送信部に入力されるよう構成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
前記無線通信装置は、MIMO-CDMA変調部と、MIMO-CDMA送信部とをさらに有し、
前記MIMO-CDMA変調部において各拡散符号を用いて生成された拡散後の信号が、前記位相回転部及び前記位相パターン制御部に入力され、
前記プリコーディング部からの出力が、前記MIMO-CDMA送信部に入力されるよう構成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
前記無線通信装置は、シングルキャリアMIMO変調部をさらに有し、
前記シングルキャリアMIMO変調部において並列伝送を行うために生成された各送信ストリームの信号が、前記位相回転部及び前記位相パターン制御部に入力されるよう構成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
複数の送信アンテナを用いて線形プリコーディング処理を行い無線信号の送信を行う無線通信装置であって、
MIMO-OFDM変調部と、
前記MIMO-OFDM変調部において生成された各サブキャリアの信号に対して、線形プリコーディング処理を行うプリコーディング部と、
前記プリコーディング部からの出力が入力されるブロック制御部と、
前記ブロック制御部において複数のブロックに分割された信号が入力される逆フーリエ変換部と、
前記逆フーリエ変換部の出力が入力される並直列変換部と、
前記並直列変換部の出力である時間信号波形を用いて、ピーク値対平均電力比を低減する位相パターンを選択する位相パターン制御部と、
前記位相パターン制御部において選択された前記位相パターンを用いて、前記並直列変換部より入力された信号に対して位相回転を行う位相回転部と、
前記位相パターン制御部において選択された前記位相パターンに基づいて制御信号を生成する制御信号生成部と、
を備え、
前記位相パターン制御部は、
予め定められた各位相パターンに対応する、前記並直列変換部から出力された信号の位相回転を行うピーク値算出部と、
前記ピーク値算出部からの出力に基づいて、所定の閾値以上の総電力を最小化する位相パターンを選択する位相パターン選択部と、
を備えることを特徴とする無線通信装置。
複数の送信アンテナを用いて線形プリコーディング処理を行い無線信号の送信を行う無線通信方法であって、
ピーク値対平均電力比を低減する位相パターンを選択する位相パターン制御ステップと、
前記位相パターン制御ステップにおいて選択された前記位相パターンを用いて、変調信号に対して位相回転を行う位相回転ステップと、
前記位相パターン制御ステップにおいて選択された前記位相パターンに基づいて制御信号を生成する制御信号生成ステップと、
前記位相回転ステップ及び前記制御信号生成ステップからの出力信号に対して線形プリコーディング処理を行うプリコーディングステップと、
を備え、
前記位相パターン制御ステップは、
予め定められた各位相パターンに対応する変調信号の位相回転を行うピーク値算出ステップと、
前記ピーク値算出ステップでの位相回転結果に基づいて、所定の閾値以上の総電力を最小化する位相パターンを選択する位相パターン選択ステップと、
を備えたことを特徴とする無線通信方法。
前記無線通信方法は、MIMO-OFDM変調ステップと、MIMO-OFDM送信ステップとをさらに有し、
前記MIMO-OFDM変調ステップにおいて生成された各サブキャリアの信号が、前記位相回転ステップ及び前記位相パターン制御ステップに入力され、
前記プリコーディングステップからの出力が、前記MIMO-OFDM送信ステップに入力されるよう構成されている、
ことを特徴とする請求項６に記載の無線通信方法。
前記無線通信方法は、MIMO-CDMA変調ステップと、MIMO-CDMA送信ステップとをさらに有し、
前記MIMO-CDMA変調ステップにおいて各拡散符号を用いて生成された拡散後の信号が、前記位相回転ステップ及び前記位相パターン制御ステップに入力され、
前記プリコーディングステップからの出力が、前記MIMO-CDMA送信ステップに入力されるよう構成されている、
ことを特徴とする請求項６に記載の無線通信方法。
前記無線通信方法は、シングルキャリアMIMO変調ステップをさらに有し、
前記シングルキャリアMIMO変調ステップにおいて並列伝送を行うために生成された各送信ストリームの信号が、前記位相回転ステップ及び前記位相パターン制御ステップに入力されるよう構成されている、
ことを特徴とする請求項６に記載の無線通信方法。
複数の送信アンテナを用いて線形プリコーディング処理を行い無線信号の送信を行う無線通信方法であって、
MIMO-OFDM変調ステップと、
前記MIMO-OFDM変調ステップにおいて生成された各サブキャリアの信号に対して、線形プリコーディング処理を行うプリコーディングステップと、
前記プリコーディングステップからの出力が入力されるブロック制御ステップと、
前記ブロック制御ステップにおいて複数のブロックに分割された信号が入力される逆フーリエ変換ステップと、
前記逆フーリエ変換ステップの出力が入力される並直列変換ステップと、
前記並直列変換ステップの出力である時間信号波形を用いて、ピーク値対平均電力比を低減する位相パターンを選択する位相パターン制御ステップと、
前記位相パターン制御ステップにおいて選択された前記位相パターンを用いて、前記並直列変換ステップより入力された信号に対して位相回転を行う位相回転ステップと、
前記位相パターン制御ステップにおいて選択された前記位相パターンに基づいて制御信号を生成する制御信号生成ステップと、
を備え、
前記位相パターン制御ステップは、
予め定められた各位相パターンに対応する、前記並直列変換ステップの出力である信号の位相回転を行うピーク値算出ステップと、
前記ピーク値算出ステップでの位相回転結果に基づいて、所定の閾値以上の総電力を最小化する位相パターンを選択する位相パターン選択ステップと、
を備えることを特徴とする無線通信方法。