JP5291668B2 - 送信機及びｍｉｍｏ多重伝送方法 - Google Patents

Description

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（ｘ１、ｘ２…）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ｘ１を送信し、他方の送信アンテナ＃２から情報シンボルｘ２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ｙ１が受信され、他方の受信アンテナ＃２で受信信号ｙ２が受信される。このとき、受信信号ｙ１、ｙ２は、次式で表すことができる。
ｙ１＝ｈ_１，１ｘ１＋ｈ_１，２ｘ２＋ｗ１
ｙ２＝ｈ_２，１ｘ１＋ｈ_２，２ｘ２＋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、ｙ１、ｙ２は変数ｘ１、ｘ２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Ntx、受信アンテナブランチ数NrxのMIMO多重を考える。空間多重されるストリーム数LはNtxとする。ただし、L（=Ntx）ストリームの内で、実際に情報伝送に寄与するのはNmin=min(Ntx,Nrx)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clは、（１）式のように表わされる。

ここでceff,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。cl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xl^(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Nrx×Ntx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Nrx×Nrxのユニタリ行列、Vは大きさがNtx×Ntxのユニタリ行列、Λは大きさがNrx×Ntx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Nmin×Nminの対角行列である。Nminより大きいlに対するλlは0であり、さらにλl≧λl+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Ntx×Ntx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Nrx×Nrx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Nrx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（Nrx×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、Nmin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λl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pl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pl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ｘl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Nmin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Ntx×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，ｙiをYのi(1≦i≦F)番目の列ベクトルとし，ｘi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ｙi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、Δi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Ntx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、|λl|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λl、より大きなpl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λlないしはpl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pl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pl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（Lmax＝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λl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λl(pl)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Lpr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Lpr+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Ntx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）λl＝０となるストリームがあれば、それら全部
（これは、Ntx＞Nrxのため、Nmin＜Ntxとなるとき成り立ち、Nmin＋１~Ntx番
目のストリームが該当）
（２）λl＝０となるストリームがなければ、λlが最小のNmin＝Ntx番目のストリーム
（これは、Ntx≦Nrxのため、Nmin＝Ntx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Npr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Npr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Npr＋１からNtx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Npr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、Pmaxはピーク電力であり、minimize Pmax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clとl番目のストリームの割当て電力plとから送信信号xi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~Lpr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~Lpr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Ntx×Ntx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Lpr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Lpr＋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Lpr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Lpr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Lpr＋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Lpr+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cb,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Nrx×Ntxのチャネル行列をHbと表すものとすると、Hbは特異値分解により、以下のように分解できる。

ここで、Ubは大きさがNrx×Nrxのユニタリ行列，Vbは大きさがNtx×Ntxのユニタリ行列、Λbは大きさがNrx×Ntxで各対角成分が第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。

ここで、Σbは大きさがNmin×Nminの対角行列である。Nminより大きいlに対するλb,lは0であり、さらにλb,l≧λb,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Vbを用いたプリコーディングを行い、受信機ではUb^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λb,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pb,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pb,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xb,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Nmin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Xb=[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。

Ybを、大きさがNtx×Kで、第(t,i)成分が第t(1≦t≦Ntx)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、Ybは下式で与えられる。

以降では、yb,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Yb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zt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。ztにCF法の処理を施すことにより、zt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YbであるY^〜bは、次式で表せる。

ここで、Δb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Xbが、下式に変換されることを意味する。

ここで、wb,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Ei[|wb,l,i|²]は、iについての|wb,l,i|²の平均値を表す。式(24)は、より大きなλb,l，同じことだがより大きなpb,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pb,lを持つストリームの数をLeff,bとする。このとき、Leff,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-Leff,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。Leff,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λb,l、同じことだがより小さいpb,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、Leff,bがLと等しいときは最も小さいpb,l(λb,l)を持つLeff,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、Lpr,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Lpr,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、ut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〜Lpr,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cb,lとl番目のストリームの割当て電力pb,lとから送信信号Xbを生成する。
Xb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）：＝Xb）。

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,…,Ntx)。
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）＋Δb^（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）：＝Vb^HY^〜b^（ｊ））。

ステップ５）ストリーム番号１~Lpr,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~Lpr,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Ntx×Ntx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Vbｘ＾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Ｖbｘ＾b＋ΔbにＶb^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Lpr,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Lpr,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。

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ｘbが入力され、ユニタリ行列Vb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。

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Vb^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Lpr,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Lpr,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Lpr,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。

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。

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。

１１ チャネル符号化部
１２ データ変調部
１３ 直並列変換部
１４ IFFT部
１５ プリコーディング部
１６ クリッピング及びフィルタリング部
１７ 繰り返し処理終了判定部
１８ 等価ストリーム信号計算部
１９ 干渉成分除去部
２１ CP付加部
２２ RF送信回路

Claims (6)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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から請求項３のいずれかに記載の送信機。
5. 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から請求項４のいずれかに記載の送信機。
6. 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。

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