(57)【要約】【課題】  MIMO-OFDMにおける計算量の少ないアンテナ選択法を提供する。【解決手段】  Ｃ（Ｍ，Ｍr）Ｃ（Ｎ，Ｎt）通りある送受信アンテナの組み合わせに１からＣ（Ｍ，Ｍr）Ｃ（Ｎ，Ｎt）の番号をつけ、その番号に対応する送信アンテナ番号をＧt(ｉ)、受信アンテナ番号をＧr(ｉ)とする（ＳＴ１００）。各ｉに対し、数１を計算する（ＳＴ２００）。数１の最大値を求め、最大値を与えるｉをＩとおく（ＳＴ３００）。Ｇt(Ｉ)の番号を持つ送信アンテナとＧr(Ｉ)の番号を持つ受信アンテナを選択する（ＳＴ４００）。【選択図】  図５
2007043625.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ本の送信アンテナＴ1〜ＴNとＭ本の受信アンテナＲ1〜ＲMを利用するMIMO（Multi-Input Multi-Output）−OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）通信においてＮt本の送信アンテナとＭr本の受信アンテナを選択する方法であって、
各送信アンテナから一定電力の信号を送信したとき、第ｎ送信アンテナＴnから第ｍ受信アンテナＲmへの受信信号の電力をＰm,n（Ｐm,nは与えられているものとする。）とし、
Ｃ（Ｍ，Ｍr）Ｃ（Ｎ，Ｎt）通りある送受信アンテナの組み合わせに１からＣ（Ｍ，Ｍr）Ｃ（Ｎ，Ｎt）の番号をつけ、その番号に対応する送信アンテナ番号をＧt(ｉ)、受信アンテナ番号をＧr(ｉ)とし（ただし、Ｃ（ｋ，ｌ）＝ｋ！／｛ｌ！（ｋ−ｌ）！｝、ｉ＝１〜Ｃ（Ｍ，Ｍr）Ｃ（Ｎ，Ｎt）である。）、
各ｉに対し、
【数１】
2007043625.tif 000008
を計算し、
数１の最大値を求め、最大値を与えるｉをＩとおき、
Ｇt(Ｉ)の番号を持つ送信アンテナとＧr(Ｉ)の番号を持つ受信アンテナを選択することによりＮt本の送信アンテナとＭr本の受信アンテナを選択する、
ことを特徴とするアンテナ選択方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、MIMO（Multi-Input Multi-Output）−OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）通信におけるアンテナ選択方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線通信では、アンテナから送信された信号はさまざまな経路を通過して受信アンテナに到着する（図１）。受信機では、複数経路からの直接波、反射波、透過波、回折波の和を受信する。このように複数の伝送路が存在する通信路をマルチパス通信路と呼ぶ。
【０００３】
マルチパス通信路では伝搬経路が違うためそれぞれの経路からの波の強度や位相は互いに異なる。そのため、それらの和である受信信号は、受信位置により受信電界強度が大きく変動する。一般にさまざまな原因のために生じる受信電力の変動をフェージング（fading）と呼ぶ。マルチパスによる受信電力の変動はマルチパスフェージングと呼ばれ、遅延波が存在するとき端末が同じ位置にあっても周波数領域において受信電力の変動が発生する（図２）。このようなフェージングを周波数選択性フェージングと呼ぶ。遅延波は通信品質を低下させる。周波数選択性フェージング環境下であっても遅延波の影響を除去し効率的に伝送できることから、直交波周波数分割多重（OFDM）（非特許文献１）は、地上波デジタル放送、IEEE802.11aなどの無線LANの伝送方式として採用されている。
【０００４】
より多くの情報を伝送する必要がある次世代無線LANと次世代(3.5世代あるいは4世代)携帯電話を実現するため、OFDMを基本変調方式とし、複数送受信アンテナ（MIMO）を用いたダイバシティ技術を導入することが検討されている。現在策定中の次世代無線LAN/WAN標準規格IEEE802.11n/IEEE802.16eでは、OFDMを基本変調方式に採用し、複数送受信アンテナ技術である時空間ブロック符号（STBC）、アダプティブアレーアンテナ等を採用しようとしている。
【非特許文献１】R. V. Nee and R. Prasad, OFDM for wireless multimedia communications, Artech House Publishers, 2000
【非特許文献２】Erik G. Larsson and Petre Stoica, Space-time block coding for wireless communications, Cambridge University Press, 2003.
【非特許文献３】M. K. Simon and M.-S. Alouini, Digital Communication over fading channels, John Wiley & Sons, Inc., 2000.
【非特許文献４】S. Sanayei and A. Nosratinia, "Antenna Selection in MIMO Systems," IEEE Commun. Mag., pp. 68-73, Oct. 2004.
【非特許文献５】S. Sandhu, R. Nabar, D. A. Gore and A.  Paulraj, "Near optimal antenna selection of transmit antennas for a MIMO channel based on Shannon capacity," in Proc.34th Asilomar Conf., Nov. 1999, pp. 567-571.
【非特許文献６】R. Heath and A. Paulraj, "Antenna selection for spatial multiplexing systems based on minimum error rate," Proc. IEEE Int. Control Conf., 2001, pp. 2276-2280.
【非特許文献７】S. Alamouti, "A simple transmit diversity technique for wireless communications," IEEE J.Select. Areas Commun., vol. 16, pp. 1451-1458, Oct. 1998.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
STBCを含む複数送受信アンテナ技術（非特許文献２）は、アンテナ数が多いほど性能が向上する。しかし、使用アンテナ数を増やすためには複数の送受信回路や合成装置が必要となる。セルラー方式の無線LANにおいて、通常、基地局は複数のアンテナや十分な計算資源を装備することが可能である。しかし、移動端末では物理的制約により、多くのアンテナや計算資源を装備することはできない。
【０００６】
複数送受信アンテナのいくつかを選択し、そのアンテナを利用することをアンテナ選択という（非特許文献３、４）。アンテナ選択は全てのアンテナを利用するわけではないため、全てのアンテナを利用する場合ほど性能向上は見込めない。しかし、アンテナ選択は、限られた送受信装置でも性能が向上することができるため応用上重要な技術であり、現在、実際に利用されている。
【０００７】
OFDMを基本変調方式としアンテナ選択を行う場合、周波数選択性フェージングにより各サブキャリアの受信電力が異なることから全てのサブキャリアで性能を評価しなければならず、最適なアンテナを選択するために大量の計算が必要となる。
【０００８】
本発明の目的は、MIMO-OFDMにおける計算量の少ないアンテナ選択法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によるアンテナ選択方法は、Ｎ本の送信アンテナＴ1〜ＴNとＭ本の受信アンテナＲ1〜ＲMを利用するMIMO（Multi-Input Multi-Output）−OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）通信においてＮt本の送信アンテナとＭr本の受信アンテナを選択する方法であって、
各送信アンテナから一定電力の信号を送信したとき、第ｎ送信アンテナＴnから第ｍ受信アンテナＲmへの受信信号の電力をＰm,n（Ｐm,nは与えられているものとする。）とし、
Ｃ（Ｍ，Ｍr）Ｃ（Ｎ，Ｎt）通りある送受信アンテナの組み合わせに１からＣ（Ｍ，Ｍr）Ｃ（Ｎ，Ｎt）の番号をつけ、その番号に対応する送信アンテナ番号をＧt(ｉ)、受信アンテナ番号をＧr(ｉ)とし（ただし、Ｃ（ｋ，ｌ）＝ｋ！／｛ｌ！（ｋ−ｌ）！｝、ｉ＝１〜Ｃ（Ｍ，Ｍr）Ｃ（Ｎ，Ｎt）である。）、
各ｉに対し、
【００１０】
【数１】
2007043625.tif 000003
【００１１】
を計算し、
数１の最大値を求め、最大値を与えるｉをＩとおき、
Ｇt(Ｉ)の番号を持つ送信アンテナとＧr(Ｉ)の番号を持つ受信アンテナを選択することによりＮt本の送信アンテナとＭr本の受信アンテナを選択する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のアンテナ選択方法では各サブキャリアで性能評価を行わずに受信電力のみを用いるため計算量を大幅に減らすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態によるアンテナ選択法について説明する。なお、以下の説明では、一般的なMIMOアンテナ選択およびMIMO-OFDMアンテナ選択について簡単に説明した後に、本発明の実施形態によるアンテナ選択法について説明する。
【００１４】
＜MIMOアンテナ選択＞
Ｎ本の送信アンテナＴ1〜ＴN、Ｍ本の受信アンテナＲ1〜ＲMを利用するシステムを考える（図３）。このように複数の送受信アンテナを利用するシステムをMIMOシステムと呼ぶ。
【００１５】
通信に利用する送受信アンテナ数を増やすと、性能は向上する。しかし、多数の信号を処理する必要があるため送受信機が複雑となり実現が困難となる。特に、サイズの小さい移動端末は多数のアンテナやアンテナ毎の受信回路を装備することは困難である。基地局では多数のアンテナを装備することができるが、移動端末の処理能力が限定されているため、多くのアンテナをあるひとつの端末に対する通信に利用できないことがある。
【００１６】
アンテナ選択は、装備されているアンテナの全てを利用するのではなく、送受信機の能力に応じ利用するアンテナを選択する技術である。簡単のため、図４のように、１本の送信アンテナＴ1、２本の受信アンテナＲ1,Ｒ2を持つシステムを考える。受信機は２本の受信アンテナＲ1,Ｒ2を持つが、受信信号処理回路はひとつだけであるとする。受信機は２本の受信アンテナＲ1,Ｒ2の受信信号を比較し、よりよい受信信号を持つアンテナを選択し、その信号を信号処理回路に入力する（図４）。受信アンテナを１つしか持たないシステムと比較すると、２本の受信アンテナを持つシステムは、よりよい受信信号を選択できるので良い性能を示す。これを選択ダイバシティ効果と呼ぶ（非特許文献３）。
【００１７】
上で説明したアンテナ選択は受信アンテナを選択しているので受信アンテナ選択という。同様に、送信アンテナを選択する送信アンテナ選択でも性能が向上する。また、受信アンテナ選択と送信アンテナ選択を併用することも可能である。
【００１８】
時空間符号は、複数送受信アンテナを用いることで高性能高速通信を可能にする技術のひとつである（非特許文献２）。時空間符号は、ある決められた数の送受信アンテナを利用する。したがって、時空間符号に必要な数以上の送受信アンテナを装備しておき、必要数の送受信アンテナを選択することで、選択ダイバシティ効果による性能向上が可能となる（非特許文献４，５，６）。
【００１９】
＜MIMO-OFDMアンテナ選択＞
遅延波の影響がある周波数選択性フェージング通信路では、遅延波の影響を除去しなければならない。
【００２０】
OFDMは送信側でガードインターバルを挿入し、受信側でガードインターバルに対応する受信信号を除去することで、マルチパス遅延波の影響を低減化することができる（非特許文献１）。OFDMでは、データを複数のデータ列に分割し、複数のサブキャリアを用いて並列伝送を行う。複数のデータに分割することによって、各サブキャリア信号のシンボル時間が遅延広がりに比較して相対的に長くなり、遅延波の影響が小さくなる。
【００２１】
図３に示した、Ｎ本の送信アンテナＴ1〜ＴN、Ｍ本の受信アンテナＲ1〜ＲMを利用するシステムにおいて、OFDMのサブキャリア数をＮSとする。ガードインターバルにより遅延波の影響が除去できていると仮定する。サブキャリアｋの第ｎ送信アンテナＴnからの送信信号をｘn,k、第ｍ受信アンテナＲmの受信信号をｒm,k、ノイズをｗm,kとすると、
【００２２】
【数２】
2007043625.tif 000004
【００２３】
が成り立つ。ここでHkはサブキャリアにおける通信路を示すM×N行列である。OFDMの特徴は周波数選択性通信路を数２のようにサブキャリア数ＮS個のパラレル通信路に変換することである。
【００２４】
ｋとｌを整数とするとｋ個からｌ個選択する組み合わせの総数は、
【００２５】
【数３】
2007043625.tif 000005
【００２６】
となる。数２のモデルに対し、送信アンテナをＮt本、受信アンテナをＭr本選択する場合、送信アンテナの組み合わせ数はＣ（Ｎ，Ｎt）、受信アンテナの組み合わせ数はＣ（Ｍ，Ｍr）となる。したがって、送受信アンテナ選択の組み合わせは、Ｃ（Ｎ，Ｎt）Ｃ（Ｍ，Ｍr）通り存在する。
【００２７】
チャネル容量やビット誤り率などシステムの性能を評価する関数が与えられている場合、全ての選択方法に対し性能を評価すれば最適なアンテナ選択法を得ることができる。しかし、この総当りで最適アンテナ選択を求める方法は、ＮS個のサブキャリアで性能を評価しなければならず、通常、多くの計算が必要となる。
【００２８】
＜本発明の実施形態によるアンテナ選択法＞
図３に示した、Ｎ本の送信アンテナＴ1〜ＴN、Ｍ本の受信アンテナＲ1〜ＲMを利用するシステムを考える。
【００２９】
各送信アンテナから一定電力の信号を送信したとき、第ｎ送信アンテナＴnから第ｍ受信アンテナＲmへの受信信号の電力をＰm,nとする。Ｐm,nは与えられているものとする。本発明の実施形態によるアンテナ選択法（以下、「提案選択法」という。）は、Ｐm,nを利用し、次のように、送信アンテナをＮt個、受信アンテナをＭr個選択する（図５）。
【００３０】
（ＳＴ１００）…まず、準備段階として、Ｃ（Ｍ，Ｍr）Ｃ（Ｎ，Ｎt）通りある送受信アンテナの組み合わせに１からＣ（Ｍ，Ｍr）Ｃ（Ｎ，Ｎt）の番号をつけ、その番号に対応する送信アンテナ番号をＧt(ｉ)、受信アンテナ番号をＧr(ｉ)とする。
【００３１】
（ＳＴ２００）…次に、各ｉに対し、
【００３２】
【数４】
2007043625.tif 000006
【００３３】
を計算する。
【００３４】
（ＳＴ３００）…次に、数４の最大値を求め、最大値を与えるｉをＩとおく。
【００３５】
（ＳＴ４００）…次に、Ｇt(Ｉ)の番号を持つ送信アンテナとＧr(Ｉ)の番号を持つ受信アンテナを選択する。
【００３６】
以上のようにして送信アンテナをＮt個、受信アンテナをＭr個選択する。
【００３７】
（選択例）
図３に示したシステムにおいて、Ｎ＝３、Ｎt＝２、Ｍ＝２、Ｍr＝１、とする。
【００３８】
送信アンテナの組み合わせは、（Ｔ1，Ｔ2），（Ｔ1，Ｔ3），（Ｔ2，Ｔ3）の３通り、受信アンテナの組み合わせはＲ1あるいはＲ2の２通りある。したがって、送受信アンテナの組み合わせは、図６に示すように６通り（ｉ＝１〜６）ある。
【００３９】
いま、ｉ＝５のとき数４が最大になったとすると送信アンテナＴ1とＴ3、受信アンテナＲ1が選択される。
【００４０】
提案法のアルゴリズムは各サブキャリアで性能評価を行わず、受信電力のみを用いるため計算量が減少する。しかし、各サブキャリアで性能評価を行っていないため、最適なアンテナ選択となるとは限らない。なお、受信アンテナが１つの場合、次のように簡略化できる。
・Ｐ1,nの値の大きいもの順にＮt個選び、そのｎに対応するアンテナを選択する。
【００４１】
送信アンテナが１つの場合も同様のアルゴリズムを得ることができる。
【００４２】
＜適用例＞
IEEE802.11n/IEEE802.16eで検討されているMIMO-OFDMに対し、提案法を適用する。STBCとして、受信アンテナが１本でもダイバシティ効果が得られるAlamoutiのSTBC（非特許文献７）を用いる。AlamoutiのSTBCは送信アンテナを２本利用する。基地局の送信アンテナはN本であり移動端末の受信アンテナは１本であるとする。N本の送信アンテナのなかから２本のアンテナを選択するので、アンテナの組み合わせはＣ（Ｎ，２）＝Ｎ（Ｎ−１）／２通りある。
【００４３】
性能評価基準としてチャネル容量を考える。送信アンテナｉ，ｊを利用したときのチャネル容量は、
【００４４】
【数５】
2007043625.tif 000007
【００４５】
で与えられる（非特許文献２）。ただし、［Ｈk］1,iはＨkの第ｉ成分、γは送信ＳＮ比とする。
【００４６】
図７にアンテナ選択を用いたSTBC-OFDMの概略を示す。ここで、IFFTは逆フーリエ変換、FFTはフーリエ変換を表している。
【００４７】
Ｃ（Ｎ，２）＝Ｎ（Ｎ−１）／２通りのアンテナの組み合わせのなかで数５のチャネル容量を最大にする送信アンテナｉ，ｊを選べば、チャネル容量を最大にする最適なアンテナ選択となる。Ｈkが与えられているとすると、１つの組み合わせのチャネル容量を求めるためにはＮS回のｌｏｇ演算が必要となる。したがって、全体としてＮSＣ（Ｎ，２）＝ＮSＮ（Ｎ−１）／２回のｌｏｇ演算が必要となる。一方、提案法は最適解を得られない場合もあるが、ｌｏｇ演算は全く不要である。
【００４８】
最適アンテナ選択と提案法により得られたアンテナ選択をシミュレーションにより比較する。サブキャリア数をＮS＝６４とし、送信アンテナは３本および６本の場合を考える。２００個の次数Ｌ＝７のレイリー通信路に対し最適法と提案法のチャネル容量の平均値を求めた。
【００４９】
図８にチャネル容量の結果を示す。Maxが最適アンテナ選択、Averageがランダムなアンテナ選択、Proposedが提案法によるアンテナ選択による結果である。ランダムなアンテナ選択は全ての選択法の平均性能を示す。送信アンテナが３本の場合（N=3）、６本の場合（N=6）のいずれも、提案法によるアンテナ選択（Proposed）のチャネル容量は最適アンテナ選択（Max）のチャネル容量とほぼ等しくなっており、提案法が有効であることがわかる。
【００５０】
図９は、QPSK信号を利用した場合の、最適アンテナ選択と提案法によるアンテナ選択のビット誤り率（BER）を示している。送信アンテナが３本の場合（N=3）、提案法によるアンテナ選択（Proposed）は最適アンテナ選択（Max）とほぼ同じビット誤り率を持つ。送信アンテナが６本の場合（N=6）、高いＳＮ比において両者の差が大きくなっている。これは、提案法で最適解が得られていない場合に大きなビット誤り率の差が発生し、そのため平均ビット誤り率に差が生じているためだと考えられる。しかし、送信アンテナが３本の場合の最適アンテナ選択（N=3  Max）より、送信アンテナが６本の場合の提案法によるアンテナ選択（N=6  Proposed）が良い性能を示している。
【００５１】
＜効果＞
以上、本発明の実施形態による、MIMO-OFDMシステムにおけるアンテナの選択法について説明した。本実施形態によるアンテナ選択法によれば、全ての組み合わせを調べることによる最適法と比較して計算量を大幅に減らすことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明のアンテナ選択方法は、単純な方法でアンテナ選択を行い計算資源を多く必要としないため安価なシステムの開発に役立つと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】アンテナから送信された信号がさまざまな経路を通過して受信アンテナに到着する状況（マルチパス環境）の一例を示す図。
【図２】周波数選択フェージングの一例を示すグラフ。
【図３】Ｎ本の送信アンテナとＭ本の受信アンテナを利用するＭＩＭＯシステムを示す図。
【図４】１本の送信アンテナと２本の受信アンテナを利用するＭＩＭＯシステムを示す図。
【図５】本実施形態によるアンテナ選択法の処理手順を示すフローチャート。
【図６】３本の送信アンテナと２本の受信アンテナを利用するＭＩＭＯシステムにおいて２本の送信アンテナと１本の受信アンテナを選択する場合の送受信アンテナの組合せを示す表。
【図７】アンテナ選択ＳＴＢＣ−ＯＦＤＭの概略を示すブロック図。
【図８】ＳＮ比に対するチャネル容量を示すグラフ。
【図９】ＱＰＳＫ信号のビット誤り率を示すグラフ。
【図１】
2007043625.tif 000009
【図２】
2007043625.tif 000010
【図３】
2007043625.tif 000011
【図４】
2007043625.tif 000012
【図５】
2007043625.tif 000013
【図６】
2007043625.tif 000014
【図７】
2007043625.tif 000015
【図８】
2007043625.tif 000016
【図９】
2007043625.tif 000017