JP2009081831A - 送信信号のピーク対平均電力比を低減する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】方法及び装置は、送信ＯＦＤＭ信号のピーク対平均電力比を低減する。
【解決手段】入力信号は、前方誤り訂正符号を使用して符号化され、入力信号に対応するコードワードが生成される。コードワードに対応するピーク電力が測定される。ピーク電力は所定の閾値と比較され、ピーク電力が所定の閾値を上回る場合、コードワード内の選択されるビットのセットが操作されて、ピーク電力が所定の閾値を下回る、誤りを含むコードワードが計画的に生成され、送信される。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線通信システムに関し、より詳細には、直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）信号におけるピーク対平均電力比（ＰＡＰＲ）を低減する方法及び装置に関する。

直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）は、多数の個々のサブキャリアにわたる情報シンボルを変調する。ＯＦＤＭ信号は、互いに直交する、等間隔に離間された異なる周波数において変調された複数のサブキャリアを含む。ＯＦＤＭ変調は、マルチパスフェージングチャネルにわたる高レートでのデータ伝送に有効な変調方式である。利点として、ＯＦＤＭは、スペクトル効率が高くマルチパスフェージングに対してロバストであるため、ブロードバンドデジタル通信用途に使用することができる。ＩＥＥＥ８０２．１１標準規格及びＩＥＥＥ８０２．１６標準規格がＯＦＤＭ変調を指定している。

ＯＦＤＭでは、１つのチャネル内の利用可能な帯域幅が、Ｎ個の狭帯域サブキャリア周波数に分割される。データはこれらのＮ個の等間隔に離間されたキャリアを介して同時に送信される。サブキャリアは、それらの対応する波形の直交性を維持するのに必要な最小の周波数分離を有するように設計される。ＯＦＤＭは、逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）を使用して時間領域信号波形を生成する。ＩＥＥＥ標準規格８０２．１６−２００４の無線ＭＡＮ−ＯＦＤＭは、２５６点ＩＦＦＴに基づく。ＩＥＥＥ Ｐ８０２．１６ｅ文書／Ｄ９のＯＦＤＭＡ ＰＨＹモードは、ＩＦＦＴサイズ２０４８（ＩＥＥＥ標準規格８０２．１６−２００４に下位互換性がある）、１０２４、５１２及び１２８を含む。多くの無線通信規格において、雑音が多いか又はフェージングしているチャネル状態下でシステム性能を向上させるために前方誤り訂正（ＦＥＣ）が指定される。ＦＥＣは一連のシンボルをコードワードとして符号化する。

ＯＦＤＭの主要な欠点の１つは、送信信号において振幅が変動することである。Ｎ個の指数信号を推定的に合計する結果として、平均電力のＮ倍であるピーク電力を求めることができる。ピーク電力に関して頻繁に使用される測定値の１つが、ピーク対平均電力比（ＰＡＰＲ）である：

式中、ｘ（ｔ）はＯＦＤＭ送信信号であり、Ｔはサンプリング期間であり、ＮはＯＦＤＭシンボル用のサブキャリアの数である。

送信機電力増幅器（ＰＡ）は、特定の電力範囲のみにおける線形利得を有する。入力信号振幅が非常に高くなった後、ＰＡは非線形になる。この非線形効果によってサブキャリア間で直交性が歪み、過度の帯域外放射も生成されるが、これは調整により抑制される。送信機増幅器が非線形領域に制限（クリッピング）するか又は駆動されるのを防止するために、平均信号電力を、信号が増幅器を通じて比較的線形に維持するのに十分低く維持しなければならない。

ＯＦＤＭ信号内のサブキャリアの数が増加すると、ＯＦＤＭ信号の振幅は非常に大きなダイナミックレンジでより雑音が多くなる。したがって、送信機内のＰＦ電力増幅器（ＰＡ）は、大きな入力バックオフを有してその線形性を維持するべきである。バックオフの結果として、電力変換が非効率的になる。たとえば、クラスＢ ＰＡの最大電力効率は７８．５％である。しかしながら、この効率は、１０ｄＢのＰＡＰＲを有する入力信号に関して７．８５％にまで低下する。したがって、ＤＣ電力消費は１．３ワットであり、１００ｍＷの電力レベルを達成する。高いＤＣ電力消費は電池の寿命を低減する可能性がある。したがって、ＯＦＤＭ信号のＰＡＰＲを低減する方法が望まれている。

ＯＦＤＭ信号におけるＰＡＰＲを低減する多数の異なる技法が既知である。

ブロック符号化
ＰＡＰＲを低減するコードワードが送信に関して選択される。ＰＡＰＲを低減しているいくつかのコードシーケンス、たとえばシャピロ−ルダンシーケンス、ゴーレイ符号、Ｍシーケンス、２値バーカー位相及びニューマン位相が存在する。しかしながら、ブロック符号化には良好な符号を求めての徹底的な探索が必要である。Ｎが増加すると、これは不可能になる。

選択的マッピング
送信機は同じ情報データブロックに対する候補データブロックのセットを生成する。最小のＰＡＰＲを有する最良のマッピングが送信に関して選択される。実施のために、送信機はいくつかのＩＦＦＴオペレーションを必要とし、これらのシーケンスに対する対応するＰＡＰＲを求める。いずれの候補が使用されるかのサイド情報が、情報データブロックと共に受信機に送信されなければならない。候補の数が増加するにつれて複雑さが増す。

部分送信シーケンス
Ｎ個のシンボルの情報データブロックがサブブロックに分割される。各サブブロック内のサブキャリアが位相因子によって重み付けされる。位相因子は、結果として求められるＰＡＰＲが最小になるように選択される。一般に、位相因子はＷ個の要素に制限され、複雑さが低減される。いずれの位相因子が使用されるかのサイド情報が、情報データブロックと共に受信機に送信される。Ｗが増加するにつれて複雑さが増す。

インターリーブ
インターリーバのセットが最小のＰＡＰＲを有するシーケンスの発見に使用される。いずれのインターリーバが使用されるかに関するサイド情報が受信機に送信されなければならない。この方法は、サイド情報の誤りの結果として送信信号が喪失される可能性があるため、サイド情報を必要とするすべての方法と同じ問題を有する。

ピークウィンドウイング
この方法では、ＰＡＰＲは、大きなピーク信号をガウスウィンドウと乗算することによって低減される。ＰＡＰＲ低減は帯域外スペクトル成分及び帯域内雑音を犠牲にして達成される。

圧伸
この概念は、音声信号の圧伸と同様である。ＯＦＤＭ信号は、大きなピークは頻繁には発生しないという意味では音声と同様であるため、μ−ｌａｗ圧伸技法を使用してＰＡＰＲを低減することができる。しかしながら、圧伸は帯域外スペクトル成分をも生じ、シンボル誤り率の改善はより高いＳＮＲでしか起こらない。ＰＡＰＲは約√Ｎにまで低減される。

振幅クリッピング及びフィルタリング
振幅クリッピングは、入力信号のピークエンベロープを所定値に制限する。クリッピング関数の非線形特性によって生じる雑音は、帯域内（ＢＥＲ性能の劣化）及び帯域外（スペクトル効率の低下）の両方で低下する。クリッピング後のフィルタリングによって帯域外雑音を低減することができる。最も頻繁に使用される振幅クリッピングオペレーションが、以下によって与えられる。

式中、φ_ｎはｘ_ｎの位相であり、Ａは所定のクリッピングレべルである。この方法は、ハードクリッピング（ＨＣ）と呼ばれる。マスキングは、ハードクリッピングを使用して帯域外放射の一部を除去するにすぎない。通常、周波数領域の送信信号に多くのゼロが挿入される。これは、オーバーサンプリングされた信号を生成するために非常に大きな値のＩＤＦＴを必要とする。

トーンリザベーション及びトーン導入
１つのＯＦＤＭシンボルにおいて、いくつかのサブキャリアがＰＡＰＲ低減用に留保される。これらのサブキャリアの送信値は凸最適化問題を解くことによって求められる。ＰＡＰＲ低減の量は、留保されるサブキャリア及びそれらの位置によって決まる。ＩＥＥＥ８０２．１６適応バースト伝送に関して、より小さいＳＮＲを受けるいくつかのサブキャリアをこの目的に使用することができる。

しかしながら、ＰＡＰＲ低減に使用されるサブキャリア位置をそれに応じて変更する必要がある。これによってさらに複雑になる。サブキャリア位置が固定される場合、帯域幅が減少する。トーン導入は、立体配座のサイズを増大させ、それによって、元の立体配座内の立体配座点のそれぞれがいくつかの立体配座点にマッピングされる。データブロック内の各送信シンボルをいくつかの等価な立体配座点のうちの１つにマッピングすることができる。トーン導入に伴う問題は、この技法によって電力要件が増大することである。

方法及び装置は、送信ＯＦＤＭ信号のピーク対平均電力比を低減する。

入力信号は、前方誤り訂正符号を使用して符号化され、入力信号に対応するコードワードが生成される。コードワードに対応するピーク電力が測定される。

ピーク電力は所定の閾値と比較され、ピーク電力が所定の閾値を上回る場合、コードワード内の選択されるビットのセットが操作されて、ピーク電力が所定の閾値を下回る、誤りを含むコードワードが計画的に生成され、送信される。

ＰＡＰＲ低減送信機
図１は、直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）信号におけるピーク対平均電力比（ＰＡＰＲ）を低減する、本発明の一実施の形態による送信機１００の基本構造を示している。直列入力信号（Ｄ_Ｕ）１０１がＦＥＣ符号化されて（１１０）、コードワードＤ_Ｃ１１１が生成される。コードワードＤ_Ｃは並列信号１２１に変換されて（１２０）、（任意選択で）インターリーブされ、システムによって指定される、ＱＰＳＫ、１６ＱＡＭ、６４ＱＡＭ、又は他の変調シンボル（ｘ_０，ｘ_１，．．．ｘ_Ｎ−１）１２１にマッピングされる。

シンボル１２１が、以下でより詳細に説明されるＰＡＰＲ低減のために処理される（１３０）。図４を参照されたい。出力データ（ｙ_０，ｙ_１，．．．ｙ_Ｎ−１）１３１が、複素数値ベースバンド信号を生成する逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）１４０によって時間領域信号１４１に変換される。

式中、Ｎは１つのＯＦＤＭシンボル内のサブキャリアの数であり、ａ_ｋは複素数値変調シンボルの実数成分であり、ｂ_ｋは複素数値変調シンボルの虚数成分である。

周波数領域におけるＰＡＰＲ低減を実施する代わりに、ＩＦＦＴ１４０後に時間領域においてＰＡＰＲ低減を実施することもできる。図５を参照されたい。

並列−直列（Ｐ／Ｓ）変換１５０後に、直列化された出力１５１は、アナログベースバンド信号を生成するためにデジタル−アナログ変換器（Ｄ／Ａ）１６０に供給される。送信機無線周波数回路（ＴＸ−ＲＦ）１７０は、ベースバンド信号を変調、変換、及び増幅して、無線周波数（ＲＦ）送信信号１７１を生成し、無線周波数（ＲＦ）送信信号１７１は受信機に送信される。図２を参照されたい。

ＰＡＰＲ低減
ＰＡＰＲブロック１３０は、符号化信号１２１の選択されるビットのセットを計画的に操作して、ＰＡＰＲを低減する。このセットは１つ又は複数のビットを含むことができる。この操作によって、そのビットのために送信される信号の位相又は振幅を変更することができる。たとえば、位相を±９０度若しくは１８０度、又は他の或る角度だけ変更することができる。振幅も変更することができる。たとえば、振幅をゼロに設定することができ、この場合ビットは実質的に「ヌル化」される。操作されたビットのセットによって、受信信号内に計画的な誤りが生じる。受信機は、以下で説明するようにそのＦＥＣ復号器によってこれらの誤りを訂正する。

ＰＡＰＲ低減受信機
図２は、本発明の実施の形態による受信機２００を示している。受信機はアンテナ２０１と、ＲＦプロセッサ２０３と、ガードインターバル除去器２０５と、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）ユニット２０７と、デインターリーバ／デマッパ２０９と、ＦＥＣ復号器２１１とを備える。

受信信号は、信号がマルチパスチャネルを通過するときに信号に付加される雑音、及び計画的なＰＡＰＲによって導入される誤りを含んでいる。Ｒｘアンテナ２０１を通じて受信された信号はＲＦプロセッサ２０３に入力され、ＲＦプロセッサ２０３は信号をベースバンドにダウンコンバートし、その後、ダウンコンバートされた信号をガードインターバル除去器２０５に出力する。

ガードインターバル除去器２０５はＲＦプロセッサ２０３から信号を受信し、受信信号からガードインターバルを除去して、その後、信号をＦＦＴ２０７に出力する。ＦＦＴ２０７はガードインターバル除去器２０５から出力された信号に対してＦＦＴを実施し、その後、高速フーリエ変換された信号をデインターリーバ／デマッパ２０９に出力する。

デインターリーバ／デマッパ２０９はインターリーバが行ったプロセス、すなわち送信機１００のマッピングブロック１２０を、ＦＦＴ２０７からの信号をデインターリーブ及び復調することによって逆に行い、その後、当該信号をＦＥＣ復号器２１１に出力する。ＦＥＣ復号器２１１は誤り訂正を受信信号に適用して計画的な誤りを訂正し、送信機から送信されたデータビットを出力する。

トーンシーケンス
図３は、ＰＡＰＲ制御に使用することができるトーンシーケンスを示している。たとえば、ＯＦＤＭシンボル内には、合計で１６個の利用可能なサブキャリア（トーン）が存在する。１４個のデータトーン（ｂ_０，ｂ_１，．．．ｂ_１３）が存在し、おそらく２個は固定周波数で留保されているトーン（ｒ_０，ｒ_１）である。留保されているトーンはＰＡＰＲ低減に使用することができる。このような手法には不都合なことが２つある。第１に、スペクトル効率が、ＰＡＰＲ低減が実施されるか否かにかかわらず１４／１６すなわち８７．５％で固定である。第２に、ＰＡＰＲの低減に使用することができるのが留保トーンのみであるため、この技法は柔軟性が制限されている。

多くの無線通信システム、たとえばＩＥＥＥ８０２．１１及びＩＥＥＥ８０２．１６が前方誤り符号訂正（ＦＥＣ）１１０を使用する。本発明の実施の形態は、電力ピークの位置を特定又は予測し、送信シーケンス内の選択されるビットのセットを操作してＰＡＰＲを低減する。

ビットの反転又はヌル化によって送信データ及び受信データ内に誤りが生じる。データがＦＥＣによって符号化される場合、誤りは受信機２００内のＦＥＣ復号器２１１によって訂正される。

送信機は、導入される誤りが受信機の誤り訂正能力の範疇であることを確実にする。したがって、送信機１００は、ＦＥＣ復号器２１１の能力を前もって知っており、ＰＡＰＲのオペレーションはＦＥＣ符号によって決まる。

本発明の実施の形態はＰＡＰＲを低減するだけでなく、留保されているビットを使用するＰＡＰＲ低減と比較してスペクトル効率をも向上させる。ＰＡＰＲが許容可能である限り、ビットは操作されず、追加のオーバヘッドはほとんど又は全く生じない。

周波数選択的低減
移動装置によって使用されるチャネルは周波数選択的であり得ると共に高速フェージングの影響を受けやすいものであり得ることが既知である。フェージングはマルチパス伝搬に起因し、マルチパス誘導フェージングと呼ばれることがある。受信信号の各コピーには、チャネルを通じて伝搬される間に、減衰、遅延及び位相シフトにおいて差が生じる。この結果として、建設的干渉又は相殺的干渉、受信信号の増幅又は減衰、及びチャネルＳＮＲの深刻な低下が生じる可能性がある。

受信機がチャネル状態情報（ＣＳＩ）を測定して、当該ＣＳＩを送信機にフィードバックすると、送信機は、ＰＡＰＲ低減のために、比較的低いＳＮＲを有する選択されるトーン（ビット）のセットを選択的に操作することができる。

パターン認識
図４は、ＰＡＰＲ低減の一実施の形態を示している。ＦＥＣ符号化１１０が入力信号１０１に適用されて、コードワード１１１が生成される。このデータはトーン１２１にマッピングされる（１２０）。ＰＡＰＲ低減ユニット１３０において、パターン認識ブロック４１０は、所定の閾値を超えるピークを生成するパターンを検出することができる。

このような所定のパターンが検出されると、誤り信号（１つ又は複数のビット（−ｂ_３））４２１が生成される。誤り信号はルックアップテーブル４２０から取得することができる。誤り信号は、いずれのビットを操作すべきか（４０５）、及びどのように（たとえば、位相、振幅又はその両方を）操作すべきかを示す。信号１３１において、ビットｘ１４２は操作されたビットを示す。操作は計画的に、ピーク電力が所定の閾値を下回る、誤りを含むコードワードを生成する。信号１３１は、ＩＦＦＴ１４０後にＰＡＰＲが低減された時間領域信号１４１を生成する。

時間領域ＰＡＰＲ低減
図５に示されるように、誤りトーン導入ＰＡＰＲ低減を、時間領域で実施することもできる。トーンマッピング１２０が実施されて、信号１２１が生成される。ＩＦＦＴ１４０は時間領域信号５１１を生成する。信号５１１は閾値を超えるピークを有している場合がある。ピーク検出器５１０が、閾値を超えるピークの位置を検出する。この情報に基づいて、トーン生成器５２０は、１つ又は複数の誤りトーン（−ｔ_３）５２１を生成する。誤りトーンが元の時間領域信号５１１に付加されて（５０５）、ＰＡＰＲが低減された時間領域信号１４１が生成される。

図６は、類似の受信機構造の詳細を示している。ＦＦＴ２０７後に、受信信号はトーンマッピングされる（２０９）。信号２０８は計画的な誤り（ｘ）を含むことができ、計画的な誤り（ｘ）はＦＥＣ復号器２１１によって訂正されて、送信機１００において元の入力信号１１１が再現される。

本発明を好ましい実施の形態の例として説明してきたが、本発明の精神及び範囲内でさまざまな他の適応及び変更を行うことができることは理解されたい。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の精神及び範囲に入るすべてのこのような変形及び変更を包含することである。

本発明の一実施の形態によるＰＡＰＲ低減を含む送信機システムのブロック図である。 本発明の一実施の形態によるＰＡＰＲ低減を含む受信機システムのブロック図である。 本発明の一実施の形態によるＰＡＰＲ制御に使用されるトーンのブロック図である。 本発明の一実施の形態による周波数領域におけるＰＡＰＲ低減を含む送信機システムの詳細のブロック図である。 本発明の一実施の形態による時間領域におけるＰＡＰＲ低減を含む送信機システムの詳細のブロック図である。 本発明の一実施の形態によるＰＡＰＲ低減を含む受信機システムの詳細のブロック図である。

Claims (13)

1. 前方誤り訂正符号を使用して入力信号を符号化し、前記入力信号に対応するコードワードを生成するステップと、
   前記コードワードに対応するピーク電力を測定するステップと、
   前記ピーク電力を所定の閾値と比較するステップと、
   前記ピーク電力が前記所定の閾値を下回る、誤りを含むコードワードを計画的に生成するよう、前記ピーク電力が前記所定の閾値を上回る場合、前記コードワード内の選択されるビットのセットを操作するステップと、
   前記誤りを含むコードワードを送信信号として送信するステップと
   を含む、送信信号のピーク対平均電力比を低減する方法。
2. 前記測定するステップ、前記比較するステップ、及び前記操作するステップは、周波数領域で実施される
   請求項１記載の方法。
3. 前記測定するステップ、前記比較するステップ、及び前記操作するステップは、時間領域で実施され、前記選択されるビットはトーンに対応する
   請求項１記載の方法。
4. 前記操作するステップは、前記選択されるビットのセットに対応する前記送信信号の位相を変更する
   請求項１記載の方法。
5. 前記操作するステップは、前記選択されるビットのセットに対応する前記送信信号の振幅を変更する
   請求項１記載の方法。
6. 前記操作するステップは、前記選択されるビットのセットに対応する前記送信信号の位相及び振幅を変更する
   請求項１記載の方法。
7. 前記振幅は、前記選択されるビットのセットをヌル化するゼロである
   請求項５記載の方法。
8. 前記送信信号を受信信号として受信するステップと、
   誤り訂正を前記受信信号に適用するステップとをさらに含む
   請求項１記載の方法。
9. チャネル状態情報を測定するステップと、
   前記チャネル状態情報に従って前記選択されるビットのセットを確定するステップとをさらに含む
   請求項１記載の方法。
10. 前記選択されるビットのセットは、相対的に小さい信号対雑音比を有する
    請求項９記載の方法。
11. パターン認識及びルックアップテーブルによって前記選択されるビットのセットを確定するステップをさらに含む
    請求項１記載の方法。
12. 前記送信信号は、直交周波数分割多重化される
    請求項１記載の方法。
13. 前方誤り訂正符号化器を使用して入力信号を符号化し、前記入力信号に対応するコードワードを生成するように構成される符号化器と、
    前記コードワードに対応するピーク電力を測定する手段と、
    前記ピーク電力を所定の閾値と比較するように構成される比較器と、
    前記ピーク電力が前記所定の閾値を下回る、誤りを含むコードワードを計画的に生成するよう、前記ピーク電力が前記所定の閾値を上回る場合、前記コードワード内の選択されるビットのセットを操作する手段と、
    前記誤りを含むコードワードを前記送信信号として送信する手段と
    を備える、送信信号のピーク対平均電力比を低減する装置。

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