JP2019502325A - モノのインターネット（ＩｏＴ）デバイスを用いたナローバンド向け全般化周波数分割多重伝送 - Google Patents

モノのインターネット（ＩｏＴ）デバイスを用いたナローバンド向け全般化周波数分割多重伝送 Download PDF

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Abstract

特にIoTデバイスから基地局またはアクセスポイントへのアップリンク伝送に用いる帯域限定周波数分割多重のための装置は、最低周波数サブキャリアから中間サブキャリアを介して最高周波数サブキャリアまで及ぶ1セットの連続的に等間隔で離間する周波数サブキャリアを用いて信号を伝送する信号モジュレータを備える。信号モジュレータは、周波数サブキャリアの範囲にわたって非対称フィルタリングを適用することで、伝送信号の平均出力に対するピークの比を低くするフィルタを含む。

Description

本発明は、本発明のいくつかの実施の形態では、ナローバンド向け全般化周波数分割多重アクセス（Frequency Division Multiple Access）（FDMA）伝送スキームに関し、特に、モノのインターネット（Internet of Things）（IoT）デバイスに関係するこのような伝送に関するが、これに限定されない。
モノのインターネット（IoT）は、エレクトロニクス、ソフトウェア、センサおよびネットワーク接続が組み込まれた物理的実体または物のネットワークであり、これらの実体がデータを収集して交換するのを可能にする。モノのインターネットにより、既存のネットワークインフラストラクチャにわたって実体を感知して遠隔的に制御することが可能になって、物理世界と、コンピュータを基礎としたシステムとのより直接的な統合の機会が得られ、これにより、効率、正確度および経済効果が向上する。IoTデバイスは、スマートウォッチおよびスポーツセンサなどのウェアラブルならびに分散したセンサおよびアクチュエータを含み、スマートビルまたはスマートグリッドなどの技術を可能にする。
IoTデバイスと通信する方法に関する疑問が生じる。1つの可能性として、ナローバンドFDM伝送をIoTデバイスと、基地局またはeNodeBまたはアクセスポイントまたはホットスポット（以下、本明細書ではまとめてBSと称する）との間で用いてもよく、この場合、任意の個々のデバイスに割り当てることができる周波数サブバンドの数または全帯域幅に対する制限が生じる場合がある。
伝送信号のピーク対平均電力比（Peak−to−Average Power Ratio）（PAPR）は電力効率の高い通信において重要な要因であり、したがって、特にナローバンド（NB）IoTの重要な要因である。高いPAPRでは、主にパワーアンプ（PA）の非線形性のために、伝送電力態様に実質的な限界が課される。得られたPAPRに応じてPAバックオフが必要になり、したがって、平均伝送電力を低下させることが求められ、カバレッジレンジが減少することは明らかである。PAPRの点でOFDMを超えるシングルキャリアFDM（SC−FDM）の優れた挙動は、E−UTRA標準のアップリンクに用いる変調技術（a．k．a．LTE）として選択する主な動機であった。
しかし、LTE仕様の一部として現在考えられているNB−IoT伝送の代替物は狭い周波数割り付けしか持たず、その結果、PAPR制限のために少数以下にすぎない（たとえば1，2，4または8）サブキャリア（SC）の限られたスループットしか持たない。1つまたは2つのSCを用いたSC−FDMの伝送によりPAPRが0dB付近になる一方で、たとえば32個のSCの場合のPAPRは約8dBであり、このことは過剰に高いPAバックオフをまねき、したがって、このためにカバレッジの減少をまねく。
本発明の目的は、モバイル通信の電力効率を改善することであり、特に、アップリンク通信においてPAPRを低くすることである。
本実施の形態により、PAPRに関する上記の課題に対処することができ、僅か数個を超えるサブキャリア、たとえば、2つを超えるサブキャリアを利用可能にする任意のモードについて、カバレッジを広げることができる。
SC−FDMのPAPRのさらに顕著な低減化はNB−IoTでの無線通信向けに提案されており、セルラ電話通信の代わりとなるLTEで採用されているものよりも優れている。
本発明のいくつかの実施の形態の態様に係れば、基地局またはアクセスポイントへのアップリンク伝送に用いる帯域限定周波数分割多重のための装置であって、装置は、最低周波数サブキャリアから中間サブキャリアを介して最高周波数サブキャリアまで及ぶ1セットの連続的に等間隔で離間する周波数サブキャリアを用いて信号を伝送するように構成されている信号モジュレータを備え、信号モジュレータは、周波数サブキャリアの範囲にわたって非対称フィルタリングを適用することで、伝送信号のピーク対平均電力比を低くするように構成されているフィルタをさらに備える、装置が提供される。
一実施の形態では、信号モジュレータは、連続するサブキャリアの初期セットを、要求される、連続するサブキャリアのより大きいセットに変調する複素値数列を周期的に並べて、非対称フィルタリング動作を連続するサブキャリアのより大きいセットに適用するように構成されている。
一実施の形態では、非対称フィルタリングは、信号モジュレータの入力でデータシンボルを変調するのに用いられる波形間の直交性を維持するように構成されている。
一実施の形態では、直交性の維持は、非対称フィルタリングの係数に制約を適用することを備え、適用する際、M個のトーンについて、各トーンについてのフィルタ係数の絶対値を二乗し、その後、周期的に並んだトーン複製値にわたって総和をとり、すべてのM個のトーンについて同じままであるように総和結果を制約する。
一実施の形態では、π／2 BPSKについて、直交性の維持は、非対称フィルタリングの係数に制約を適用することを備え、M個のトーンおよび偶数であるMについて、
である。
一実施の形態では、信号モジュレータは、周波数分割多重、周波数分割多重アクセス（FDMA）、シングルキャリアFDMA（SC−FDMA）および直交FDMA（OFDMA）からなる変調の群のいずれか1つのために構成されている。
一実施の形態では、信号モジュレータがサブキャリアのセット毎に復調基準信号をそれぞれ伝送し、各復調基準信号がサブキャリアのセットの近隣のサブキャリアの隣接する重畳領域にわたり、各復調基準信号が相互に直交する復調基準信号の有限のセットから選択され、これにより、重畳領域で受信されるデータの復調を受信器が行うことを補助する、ように構成されている。
一実施の形態では、信号モジュレータがサブキャリアのセット毎に復調基準信号をそれぞれ伝送し、各復調基準信号が、異なる時間間隔において、それぞれ上側重畳領域と下側重畳領域とを、セット中のサブキャリアの中間の両側で交互に繰り返す、ように構成されている。
一実施の形態では、信号モジュレータは、それぞれの隣接する重畳領域のカバーおよびカバー解除を行うようにそれぞれの復調基準信号がマッピングされるサブキャリアの範囲に対して拡大および縮小を交互に行うようにさらに構成されている。
本発明の実施の形態をモノのインターネットデバイス（IoT）に配置してもよいし、かつ／またはこのようなデバイスとの通信に用いてもよい。
本発明の第2の態様では、帯域限定変調を通じて周波数分割多重アクセスの連続する帯域を用いて基地局と通信するように構成されているモノのインターネットデバイス（IoT）であって、連続する帯域は、帯域のセットから基地局によって各IoTデバイスに割り当てられ、IoTデバイスは、デバイスに割り当てられた周波数帯域にわたって、デバイスによって伝送される信号に非対称フィルタを適用するように構成されている、モノのインターネットデバイス（IoT）が提供される。
デバイスはセンサまたはウェアラブルであってもよい。
本発明の第3の態様に係れば、周波数分割多重アクセスのための基地局装置であって、
複数の周囲のデバイスと通信するために構成されている送受信器であって、送受信器の送信器が、連続するサブキャリアの複数のセットを重なるように分配し、各このようなセットには、1セットの複数のフィルタのうちの1つのフィルタがともない、この1セットの複数のフィルタの少なくとも1つが周波数において非対称であり、送受信器の送信器が、ダウンリンクチャンネルを用いて、複数のデバイスの各々に、関連するフィルタリング方法の指標とともに、複数のセットのうちのサブキャリアの1つのセットの割り当てをシグナリングするために構成されている、送受信器
を備え、
デバイスは、連続するサブキャリアの割り当てられたセットを用いてアップリンクで伝送される信号に対して、指標で示されたフィルタリング動作を適用するように構成されており、基地局は、フィルタリングされた信号を受信するように構成されているアップリンク受信器をさらに備える、基地局装置を提供することができる。
デバイスの各々の送信器は、連続するサブキャリアの初期セットを、要求される、連続するサブキャリアのより大きいセットに変調する複素値数列を周期的に並べて、非対称フィルタリング動作を適用し、これにより、信号を形成し、信号のスペクトルサポートは周波数領域で連続するサブキャリアのより大きいセットをカバーするように構成してもよい。
送受信器は、周波数分割多重、周波数分割多重アクセス（FDMA）、シングルキャリアFDMA（SC−FDMA）および直交FDMA（OFDMA）からなる変調の群のいずれか1つの信号を受信するように構成してもよい。
送受信器がサブキャリアのセット毎に復調基準信号をそれぞれ割り当て、各復調基準信号がサブキャリアのセットの近隣のサブキャリアの隣接する重畳領域にわたり、各復調基準信号が相互に直交する復調基準信号の有限のセットから選択され、これにより、重畳領域で受信されるデータ信号の復調を送受信器中の受信器が行うことを補助する、ように構成してもよい。
一実施の形態では、送受信器がサブキャリアのセット毎に復調基準信号をそれぞれ割り当て、各復調基準信号が、異なる時間間隔において、それぞれ上側重畳領域と下側重畳領域とを、セット中のサブキャリアの中間の両側で交互に繰り返し、割り当てることが復調基準信号構成をシグナリングすることを備える、ように構成されている。
本発明の第4の態様に係れば、
最低周波数サブキャリアから中間サブキャリアを介して最高周波数サブキャリアまで及ぶ1セットの連続的に等間隔で離間する周波数サブキャリアを伝送するステップと、
周波数サブキャリアの範囲にわたって非対称フィルタリングを適用するステップと
備える帯域限定周波数分割多重に用いられる方法が提供される。
別段定めのない限り、本明細書で用いられる技術用語および／または科学用語は、本発明が関係する技術の当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を持つ。本明細書で説明されているのと同様であるか、均等である方法および材料を本発明の実施の形態の実施または試験に用いることができるが、以下では典型的な方法および／または材料について説明する。矛盾する場合、定義を含む特許明細書が支配的になる。さらに、材料、方法および例は例示に過ぎず、必ずしも限定することを意図しない。
本発明の実施の形態の方法および／またはシステムの実施は、選択タスクを、ハードウェア、ソフトウェアまたはファームウェアまたはオペレーティングシステムを用いたこれらの組合せによって実施することを含むことができる。
たとえば、本発明の実施の形態に係る選択タスクを実行するハードウェアをチップまたは回路として実施することができる。ソフトウェアとして、本発明の実施の形態に係る選択タスクを、任意の適当なオペレーティングシステムを用いるコンピュータによって複数のソフトウェア命令を実行するように実施することができる。本発明の典型的な実施の形態では、本明細書で説明されている方法および／またはシステムの典型的な実施の形態に係る1つ以上のタスクは、複数の命令を実行するコンピュータプラットホームなどのデータプロセッサによって実行される。これとは別に、データプロセッサは、命令および／もしくはデータを記憶する揮発性メモリならびに／または命令および／もしくはデータを記憶する不揮発性記憶装置、たとえば、磁気ハードディスクおよび／もしくはリムーバブルメディアを含んでもよい。
特許または出願包袋は、色付きで作成された少なくとも1つの図面を含む。カラー図面付きのこの特許または特許出願公開のコピーは、請求して必要な手数料を支払えば、特許庁により提供される。
本発明のいくつかの実施の形態を例に限って添付の図面を参照して本明細書で説明する。ここで詳細に図面について特に言及するが、示されている詳細は例としてのものであり、本発明の実施の形態に関する例示的説明のためのものであることを強調する。ただし、図面を用いて説明すれば、本発明の実施の形態をどのように実施し得るかは当業者に明らかになる。
本発明の第1の実施の形態に係るアップリンク伝送向けにIoTデバイスで用いられる装置を示す簡略ブロック図である。 本実施の形態に用いられるSincパルスおよび修正非対称PRFパルスを示す簡略グラフである。 本発明の実施の形態に係るサブキャリアおよびフィルタを割り付ける基地局（BS）を示す簡略図である。 本実施の形態とともに用いられる変調スキームを示すブロック図である。 T＝1についてM＝8の場合の、周期Tと、T／Mにある最初のゼロ点とを持つ周期的なsinc信号を示す簡略グラフである。 図5のsinc信号によって実現されるPAPRを示す簡略グラフである。 本発明の実施の形態に係る周期的展開および周波数領域フィルタリングを含む変調スキームを示す簡略図である。 図7の実施の形態を用いて実現されるPAPRを示す簡略グラフである。 どのように左側の3つのサブキャリアを重ねて全帯域幅を減少させることができるかを示す簡略図である。 図9の重畳を用いたシミュレーションを示す簡略グラフである。 図9の重畳を用いたシミュレーションを示す簡略グラフである。 図9の場合のような重畳を示す。 最高周波数サブキャリアの上端および最低周波数サブキャリアの下端の非対称フィルタリングを示す。 図12Bの実施の形態を用いて実現されるPAPRを他のスキームと比較して示す簡略グラフである。 本実施の形態に係る非対称フィルタリングを含む変調スキームの組合せを用いたアップリンク伝送を示す簡略図である。 本発明に係る復調基準信号の設計の第1の実施の形態を概略的に示す簡略図である。 本発明に係る復調基準信号の設計の第2の実施の形態を概略的に示す簡略図である。
本発明は、本発明のいくつかの実施の形態において全般化FDMAに関し、特に、モノのインターネット（IoT）デバイスに関係するこのような伝送に関するが、これに限定されない。
BSとデバイスとの通信では、アップリンク（UL）はデバイスからBSへの方向と定義され、ダウンリンク（DL）はBSからデバイスへの方向である。本実施の形態は概してUL方向の伝送に関するが、制御セットアップデータはDL方向に伝送され、また、本実施の形態では、通常の（LTEのような）シングルキャリア周波数分割多重（single carrier frequency division multiplexing）（SC−FDM）よりもきわめて低いPAPRを持つアップリンク（UL）伝送スキームを定めてもよく、LTEは、ロングタームエボリューションセルラ電話通信（別名、第4世代）である。LTEによって用いられている既存のスキームに簡単で最低限の修正を施すことで低減化を実現してもよい。この場合でも、通常のシングルキャリア周波数分割多重アクセス（SC−FDMA）システムに関して、提案されているスキームによってスペクトル効率または帯域幅効率はなんら悪化しない。本実施の形態では、受信側で1回の（a single）高速フーリエ変換（FFT）を用いてマルチユーザ（MU）検出を可能にすることもできる。
主に超過帯域幅（bandwidth）（BW）を浪費することを代償とした低PAPR化機構が本文献で提案されているが、本実施の形態では、（マルチユーザに用いる）超過UL BWを不必要にすることができ、比較的単純な検出回路と、比較的実現可能なシグナリング設計（復調基準信号（demodulation reference signal）（DMRS）とダウンリンク制御指標（downlink control indicator）（DCI）フォーマッティングとを含む）としか必要としないようにすることができる。
本実施の形態の伝送スキームは比較的容易にマルチユーザ多入力多出力（multi user multi−input multi−output）（MIMO）に適用することができる。
本実施の形態では、以下、G2−FDMAと称する全般化（generalized）FDMA（G−FDMA）スキームの拡張をそれぞれのDMRS設計、シグナリングおよびMU−MIMOへの拡張とともに開示する。DMRS設計、シグナリングおよびMU−MIMOへの拡張はG−FDMAに関しても関連し、適用可能である点に留意する。
本実施の形態の1つ以上についてのいくつかの利点は以下の1つ以上を含んでもよい。
G2−FDMAにより、G−FDMAに必要な低PAPR化のための超過帯域幅の排除を実現することができ、伝送スキームの複合について効果的な割り付け戦略が可能になる。
以下で説明されているDMRS設計により、（NB−IoTに注目して）実際の標準でG2−FDMAおよびG−FDMAを効果的に実施する道を開くことができる。
以下で説明されているさらなるシグナリングは全般的であり、きわめて極小（たとえば4〜6ビット）にすることができる。
MU−MIMOとのG2−FDMAおよびG−FDMAの統合が可能であり、グループ選択により非直交性をさらに最小にすることができる。
本発明の少なくとも1つの実施の形態を詳細に説明する前に、以下の記載に示され、かつ／または図面および／または例に示されている構成要素および／または方法の構造および配置の詳細に本発明を適用する際に本発明は必ずしも限定されないことを理解するべきである。本発明では、他の実施の形態が可能であったり、本発明を様々な手法で実施または実行することができたりする。
以下、図面を参照して、図1は、BS 14に対するアップリンク伝送12に用いる帯域限定周波数分割多重のための装置10を示す。装置は、送出されるデータがあることを意味するアップリンクを要求する任意のIoTデバイスの全体または一部であってもよい。
典型的には、装置10は、データを取得するなどのデバイスの特定の動作を実現するデバイス機能的ユニット16を有する。この場合、モジュレータ18は伝送用のデータを用意し、その後、データは送信器20を介してアップリンク12を用いて送信される。
装置10は、ダウンリンク22を介してデータを受信してもよい。
信号モジュレータ18は、以下に説明されているように、最低周波数サブキャリアから中間サブキャリアを介して最高周波数サブキャリアまで及ぶ1セットの連続的に等間隔で離間する周波数サブキャリアを用いて信号を伝送するように設計されている。信号モジュレータは、用いられている周波数サブキャリアの範囲にわたって信号に適用されるフィルタ24を含む。結果として信号のPAPRは低くなり、これにより、パワーバックオフ（power backoff）コントローラ28を用いて、モジュレータ18から送信器20に送信される信号の送信チェーン中のパワーアンプ（PA）26のパワーバックオフを低減することができる。
フィルタを用いれば、修正された伝送スキーム（実質的に、低PAPR化フィルタ（PAPR−reduction Filter）（PRF）を用いるSC−FDM）が実現される。本実施の形態では、周波数領域で非対称フィルタを利用する。低PAPRが所望されるアップリンク伝送のためにIoTデバイスで送信（TX）スキームを実施してもよい。本発明は実施の形態で説明されている特定のフィルタ設計に限定されないが、時間領域で特定の修正パルス形状を実現することができる非対称フィルタを包含する。
信号モジュレータ18は、連続するサブキャリアの初期セットを、要求される、連続するサブキャリアのより大きいセットに変調する複素値数列を周期的に並べて、非対称フィルタリング動作を適用して信号を形成することができ、以下でより詳細に説明されるように、信号のスペクトルサポートは上下の先細りになっている側と中央領域とを有する1セットの連続するサブキャリアをカバーする。
図1に戻って、周波数分割多重アクセス（FDMA）、シングルキャリアFDMA（SC−FDMA）および直交FDMA（OFDMA）を含む周波数分割多重を利用可能にする任意のスキームに信号モジュレータ18を用いることができる。
信号モジュレータ18は連続するサブキャリアのセット毎に復調基準信号（DMRS）をそれぞれ提供してもよい。各DMRSは、近隣のサブキャリアの隣接する重畳領域にわたってもよく、相互に直交するDMRSの有限のセットから選択してもよく、これにより、このようなデータ伝送が重なり得る周波数領域で、複数のデバイスからのULデータ伝送の復調を受信器で行うことができる。
これの代わりに、異なるサブキャリアセットのDMRSは、近隣のサブキャリアとの上側重畳領域と下側重畳領域とを異なる時間間隔中に交互に繰り返してもよく、これにより、各重畳領域について、DMRSの1つのみを任意の所定の時間間隔に伝送するが、他の時間間隔で重なる複数のデータ伝送は同時に復調される。
DMRSの最低周波数サブキャリアと最高周波数サブキャリアとを変更して、このDMRSと、近隣の周波数割り付けを用いて別のデバイスによって伝送され得る別のDMRSとの間の1つの隣接する重畳領域のカバーおよびカバー解除を行うことによって、信号モジュレータはDMRS領域に対して拡大および縮小を交互に行ってもよい。
したがって、復調基準信号の設計はサブキャリアに行われる重畳およびフィルタリングに関する。同じ復調基準信号をダウンリンクについて用いてもよく、標準的なGFDMAおよびG2FDMAに用いることができる。
装置10は、帯域限定変調を通じて周波数分割多重アクセスの連続するサブバンドを用いてBS 14と通信するモノのインターネットデバイス（IoT）であってもよい。連続するサブバンドは、サブバンドの大きいセットから、前記セットの異なるサブバンド間に可能な重畳部がある状態で、BS 14によって各IoTデバイスに割り当てられ、その後、IoTデバイスは、割り当てられた周波数サブバンドにわたって、伝送される信号に非対称フィルタを適用する。
IoTデバイスはセンサまたはウェアラブルであってもよいし、スマートグリッドまたはネットワークの一部であってもよいし、スマートホームの一部であってもよいし、他の任意のIoTデバイスであってもよい。
以下、図3を参照して、図3は、図1の装置とともに用いられるBS 30を示す。BS 30は、ダウンリンク34およびアップリンク36を用いたIoTデバイス32．1．．．32．nとの通信を実現する。送受信器38は周囲のデバイスと通信を行い、送信器42は各デバイスに、重なった連続するサブキャリアの各デバイスに固有のセット40．1．．．40．nと、そのセット用のフィルタとを分配する。各セット用のフィルタは1セットの複数のフィルタから選択され、1セットの複数のフィルタの少なくとも1つは周波数において非対称である。関連するフィルタリングの指標とともにサブキャリアの1つのセットをダウンリンク34を用いてデバイスに割り当てる。その後、連続するサブキャリアの割り当てられたセットを用いてアップリンクで伝送される信号に対して、指標で示されたフィルタリング動作をデバイスそれら自体が適用し、BS 30はフィルタリングされた信号を受信するのにアップリンク受信器44を用いる。
したがって、BSは複数のデバイスの周波数スケジューリングを実現することができ、複数のデバイスの伝送サブバンドは超過帯域幅領域で稀に重なり、重畳部の各領域は少なくとも1つのサブキャリアを含む。この場合であっても、重畳領域は帯域の端を超えて広がるべきではない。各個々のデバイスはこのような重畳を認識するようにはなっておらず、これはBS（またはネットワークコントローラ中の他のなんらかのもの）で実施されるスケジューラのスレーブであり、BSは、各デバイスにそれに固有の周波数割り付けと、どの低PAPR化フィルタとどのDMRSスキームとを利用可能にするべきかを含む特定の使用伝送スキームとをシグナリングしてもよい。
SC−FDMのPAPR
以下、実施の形態をより詳細に検討し、以下、本実施の形態に係る変調スキームの概略ブロック図である図4を参照する。
SC−FDMでは、M個の直交振幅変調シンボル（Quadrature−Amplitude Modulation symbols）（QAMs）apを得て、DFTを行って
を生成する。
その後、M個の点列zkを通常のOFDM変調の場合のように変調し、この結果、（所定の周波数シフト以下の）連続時間信号は、
である。
zkの式に上記式を代入して、
和の順序を交換すると、
が得られ、これはシングルキャリア信号である。
この場合のパルス形状φ（t）は、
であり、これは、T＝1についてM＝8の場合の図5に示されているような、周期Tと、T／Mにある最初のゼロ点とを持つ周期的なsinc信号にほかならない。図4は、apを生成する変調ブロック50と、zkを生成する離散フーリエ変換DFT 52と、IFFT 54と、サイクリックプレフィクス（CP）付加56と、x（t）を最終的に生成するデジタル／アナログD2A 58とを示す。出力x（t）は低PAPRの信号であり、これにより、パワーバックオフコントローラ62を用いて、モジュレータから送信器に送信される信号の送信チェーン中のパワーアンプ（PA）60でのパワーバックオフを低減することができる。
しかし、周期的なsinc関数φ（t）はきわめて高いPAPRをまねく。OFDMの場合よりもきわめて優れているが、図6に示されているように、QPSKの場合かつSCが32個の場合について依然として約8dBである。
SC−FDMについての低PAPR化フィルタリング
低PAPR化フィルタリング（PAPR reduction filtering）（PRF）では、超過BWを犠牲にして低PAPR化することができる。考え方としては、超過BWを用いれば、たとえば、Q個のSCを用いてM個のQAMをQ＞Mという条件で伝送すれば、パルス形状を改善することができ、したがってPAPRパフォーマンスを改善することができる、というものである。したがって、この解決手段を適用して、sincパルスを、修正したパルスと置換することができ、
これは、Q＝Mかつgk＝1の場合に通常のSC−FDMと一致する。
以下、例として図2を参照して、図2は、M＝4かつQ＝5の場合の非対称PRFに対応する典型的な修正パルスのグラフである。フィルタ係数は
であり、M＝Q＝4の場合の対称フィルタ係数［1 1 1 1］に対応する図内にある修正していないsincパルスが参考に示されている。
修正パルス
を用いて、伝送信号は形状
をとる。
DFT出力zkが上記例のSC−FDMと同一である点に留意し、
zkがMについて周期的である点にさらに留意すると、DFT出力が
を生成するプロセスでgkを掛ける前に、kについて周期的に並ぶべきであると結論づけられる。その結果が図7に示されており、図7にはapを生成する符号化ビットの変調70が示されている。その後には、zkを生成する離散フーリエ変換DFT 72が続く。その後、周期的展開74を適用し、その後、フィルタリング76が続く。その後、IFFTを適用し（78）、その後、CPの付加80と、
を提供するD2A変換82とが続く。出力x（t）は低PAPRの信号であり、これにより、出力バックオフコントローラ86を用いて、モジュレータから送信器に送信される信号の送信チェーン中のパワーアンプ（PA）84のパワーバックオフを低減することができる。
OFDMおよびSC−FDM伝送スキームの要件としては、ともに多重化される異なるQAMを変調するパルス間の直交性がある。数学的に、SC−FDMの枠組み内で、上記で導入した記号を用いて、直交性は、
と表わされる。
PRFを用いるときにも、すなわちsincパルスφ（t）の代わりに修正パルス
を用いるときにも、直交性を維持することが望ましい。一般化すれば、用いられるQAMの順序が制限されないと仮定する場合、この要件がフィルタ係数gkに対する以下の制約につながることを示すことができる。
上記では、オリジナルのM個のトーンのそれぞれについて、フィルタ係数の絶対値を二乗し、その後、与えられたトーンの周期的に並んだ複製値（cyclically extended replicas）にわたって総和をとり、すべてのM個のトーンについて同じままであるように結果を制約する。
たとえば、M＝4について5タップフィルタ
は0〜1のいずれの値についてもこの制約を満たし（たとえば、a＝1／4が上記例で用いられている）、したがって、直交性にしたがう。
連続するQAM間の位相移り（phase transition）を最小にする位相回転を用いてさらなる低PAPR化を実現し得ることに留意する。たとえば、BPSK（QPSK）の場合、90°（45°）だけ偶数シンボルを位相シフトすることができ、対応する変調スキームはそれぞれπ／2 BPSKおよびπ／4 QPSKと呼ばれている。
π／2 BPSK変調の特定のケースでは、得られるQAM apは、交互に純実数値と純虚数値とになる。
を見れば（Mは偶数とする）、PRFパルス間の直交要件が多少緩和されることが分かり、また、これによって得られる、フィルタ係数gkに対する制約が、
になることが分かる。
たとえば、8タップフィルタ
は、−1〜1の任意の値a，bおよびcについてこの制約を満たし、したがって、π／2 BPSK変調を用いる場合、M＝8について直交性にしたがう。
図8のグラフによって示されているように、PRFによりQPSKについて約3dBの顕著な低PAPR化をもたらすことができ、すなわち、SC−FDMを超える約5dBのPAPR優位をもたらすことができる。しかし、この利得は、BW超過を犠牲にして得られ、たとえば、M＝24かつQ＝32セットアップについて33％増しのBWを犠牲にして得られる。
全般化FDMA（G−FDMA）
以下、図9を参照して、図9は、PRFについて帯域幅を減少させる手法を示す簡略図である。左側に示されているような、3つの異なるデバイスからの3つのアップリンク伝送UL1、UL2およびUL3の帯域の幅減少は、各UL伝送のPAPRが変化しない（QPSKおよびM＝24、Q＝32を用いる上記の例のセットアップでは、約3dBを維持する）ように、右側に示されているように伝送を重ねることによって実現することができる。BWの合計は減少し、この際、さらに詳細に後述されるように、超過帯域幅はアップリンク帯域の端にしかない。
シミュレーション結果は図10および図11のグラフに示されており、単純なMMSE（周波数領域）ディテクタでさえ、異なるソースからのUL伝送間の非直交性重畳による低下が1dB未満であることを示している。
全般化G−FDMA（G2−FDMA）
本実施の形態において、G2−FDMAと呼ばれているスキームでは、周波数帯域の端でUL伝送に非対称フィルタを用いてG−FDMAの必要な超過帯域幅を完全に除去する。以下、図12Aを参照して、UL0およびUL1の周波数割り付け間の重畳ならびにUL1およびUL2間の重畳によって超過帯域幅の除去を行っているが、先細りする側方領域100は残る。図12Bは、非対称フィルタリングをUL0およびUL2に適用することによってこれらの側方領域の超過BWが除去されている様子を示す。図13のグラフに示されているように、非対称フィルタ、たとえば、一方の側のみで超過BWを用いるフィルタでも、SC−FDMと比較して顕著な低PAPR化が可能である。
G2−FDMAは、周波数領域で割り付けに粒度があるシステムで有用な役割を担うことができる。たとえば、3GPP NB−IoTに関する問題は、MNB−IoT個のサブキャリア（たとえば、MNB−IoT＝12（いわゆるLTE物理リソースブロック（Physical Resource Block）（PRB）を含む））のナローバンドの範囲でUL多重アクセススキームを最適化することであり、各IoTデバイスにMi個（たとえば、各々1，2，4または8）のサブキャリアの連続するサブセットが割り付けられる。Mi＞1の場合、第i番目のデバイスにおいて、そのULカバレッジおよび／またはスペクトル効率（spectral efficiency）（SE）を増大させて、上述のPRFを用いた低PAPR化の効果を得ることができる。ただし、すべてのデバイスの各々の得られる超過BWがMNB−IoT個のサブキャリアを越えて広がらないように、すべてのデバイスのPRF係数を制限しなければならない。したがって、NB−IoT BWの端のサブキャリアのサブセットが割り付けられるデバイスにおいて非対称フィルタ係数gk（たとえば、｜gk｜≠｜gQ−1−k｜、ここで、g0≠0，gQ−1≠0であるようにレンジQを定めるとさらに仮定する）を利用可能にすることができる。Miと、MNB−IoT個のサブキャリア内でのこれらの位置とが与えられている場合、フィルタ係数
の最適値を選択し、これにより、修正パルス形状
を間接的に指定する指針を以下のように述べることができ、それは、上述の超過BW制限を行う条件下で、低PAPR化によるSEの上昇（各デバイスのTXパワーの必要なバックオフの減少により得られる）が、NB−IoT BWを共有するデバイスの割り付けTXサブバンド間の重畳に起因して生じる干渉によるSEの低下と比較して可能な限り大きいように、デバイスに固有のフィルタ係数を選択する、というものである。
以下、図14を参照して、図14は、さらにG2−FDMAの場合について、G2−FDMAにより、低PAPR化フィルタリングを用いる場合およびこれを用いない場合のG2−FDMA、G−FDMAおよび通常のSC−FDMAの混成を含む柔軟な周波数割り付け構造への道がどのように開かれるかを示す簡略概略グラフである。割り付けでは、変数M、変数Q、可変フィルタ（非対称のものを含む）を用いたり、図に示されているように他の伝送との可変の（部分的な）重畳をともなったりすることができ、図中、UL0およびUL2で非対称フィルタリングが用いられている一方で、UL2，UL3，UL4およびUL5で他のスキームが用いられている。
G−FDMAおよびG2−FDMAのDMRSスキーム
G2−FDMAおよびG−FDMAを実施する際の問題は、復調基準信号（DMRS）の適切な設計についてのものであり、DMRSはたとえば無線チャンネルの評価に用いられ、また、異なる複数のデバイスに対応するそれぞれのULデータ伝送のためにこれらのデバイスに割り付けられるサブバンド間の重畳が許容された後、DMRSを修正しなければならない。主要な2つの実施の形態を以下に示す。
ジグザグ設計
以下、図15を参照して、図15は、DMRS設計の2つの実施の形態のうちの第1の実施の形態を示す簡略図である。アップリンク伝送時間はタイムスロットに分割され、最初のスロットでは、各デバイスのDMRSは下側の重畳部内まで広がり、その際、必要に応じて上方に引っ込む。2番目のスロットでは、各デバイスのDMRSは上方に上側の重畳部内まで広がり、必要に応じて下方に引っ込む。このように、PRFによる超過BWを用いてSC−FDMを利用可能にするデバイスでは、リソースエレメント（Resource Element）（RE）マッピングとして知られているその周波数割り付けのシフトのみを行って、LTE標準で用いられる同じDMRSを用いてもよい。端で周波数割り付けを行うデバイスでは、これらのデバイスのデータ伝送にデバイスの割り付けサブバンドの一方の側のみで重畳が行われる場合がある際には、異なるタイムスロットにおいて異なる長さのREの範囲にマッピングされる（各スロットで縮小または拡大される）DMRSを用いてもよい。低いPAPRがすべてのDMRSの生成に内在することに留意する。
直交重畳設計
以下、図16を参照して、図16は、本発明に係るDMRS設計の第2の実施の形態を示す簡略図である。本実施の形態では、同じDMRSが両方のスロットで用いられ、この場合、DMRS列は、重なるサブキャリアで直交するように選択され、したがって、
当然、重なる部分は同じ長さである必要はなく、したがって、x1およびx2の長さはx3およびx4の長さよりも長い。代替設計例として、完全な直交性要件をより緩やかな準直交性に替えてもよい。
G2−FDMAシグナリング
G2−FDMAおよびG−FDMAに対応するために、本実施の形態は、既存または新規のダウンリンク制御フォーマットに依存する場合があるUL伝送のための以下のさらなるシグナリングを含んでもよい。G2−FDMAおよび／またはG−FDMAシステム内でUL伝送許可を受信する各デバイスには、その周波数リソース割り付けに加えて、以下の情報をシグナリングする必要がある。
どのフィルタを用いるか（データ伝送について）？
何個のトーンを上から引っ込めるべきか（DMRS伝送について）？
何個のトーンを下から引っ込めるべきか（DMRS伝送について）？
したがって、たとえば、両側での超過BWサブキャリアの数を含むM個毎にフィルタを予め定めることを前提とすると、表1に示されているように、フィルタの種類を設定するのにまず2ビットを用いる必要がある。
表2は、デバイスがそのM個の割り付けトーンの、全NB−IoT帯域幅内の位置を認識している場合に適用可能である。この場合、フィルタの種類を設定するのにビットを1つのみ用いてもよい。
これに加えて、DMRS伝送のための引き込みサイズをシグナリングしてもよい。可変である場合、たとえば、表3で定められているようなシグナリングを用いることができる。
また、下からの引き込みに同様のテーブルを適用してもよい。
上記のシグナリングビットを、LTEのいわゆるダウンリンク制御指標（DCI）である動的なUL許可メッセージに含めるか、これの代わりに、指標の一部または全部をより上のレイヤの半静的なシグナリングメッセージに含めて、高コストをまねく動的なシグナリングオーバーヘッドと、ULスケジューラの最適性のある程度の損失との釣り合いを保つことができる場合がある。
UL MU−MIMO拡張
多くの場合で単一のBSが多数のIoTデバイスを担当することができるので、MU−MIMOはIoTに好適であり、異なるグループ中のデバイス間で（準）直交するUL伝送を示すデバイスのグループの形成がさらに可能である。多くのIoTデバイスは位置的に不動であるので、それぞれのグループは準静的であり得る。MU−MIMOグループの選択をG2−FDMAおよびG−FDMAグループの選択に拡張することができ、これにより、重なるUEは準直交し、したがって、周波数領域で受信器で起こる非直交が最小になる。DMRSに対して（準）直交が確実に選択されるようにしつつ、開示されているG2−FDMAおよびG−FDMA DMRS設計をMU−MIMOに拡張することができる。
本出願以来、特許存続の期間（the life of a patent maturing）中、多くの関連するIoTデバイスおよびナローバンド周波数分割多重伝送スキームが開発されることが予測され、対応する用語の範囲が先天的にすべてのこのような新技術を含むことを意図する。
用語「備える（comprises，comprising）」、「含む（includes，including）」、「有する（having）」およびこれらの活用形は、「含むが、これに限定されない（including but not limited to）」を意味する。
用語「からなる（consisting of）」は「含み、かつこれに限定される（including and limited to）」を意味する。
本明細書で用いられているように、別段、文脈上明確に指定されていない限り、単数形「a」、「an」および「the」は複数を指すことを含む。
明確にするために別々の実施の形態に関して説明されている本発明のいくつかの特徴を単一の実施の形態において組み合わせて設けることもできると解し、この組合せが明確に記載されるように上記の説明を解釈することになる。逆に、簡潔にするために単一の実施の形態に関して説明されている本発明の様々な特徴を別々に設けたり、なんらかの適当なサブコンビネーション形式で設けたり、本発明の他の任意の説明されている実施の形態において適切であるように設けたりすることもできると解し、これらの別々の実施の形態が明確に記載されるように上記の説明を解釈することになる。様々な実施の形態に関して説明されているいくつかの特徴は、実施の形態がこれらの要素なしで実施されない限り、それらの実施の形態の必須の特徴とみなすべきではない。
本発明はその特定の実施の形態に関連して説明されているが、多くの代替、修正および変更が当業者にとって明らかであることは明白である。したがって、添付の請求項の精神および広義の範囲に含まれるすべてのこのような代替、修正および変更を包含することを意図する。
各個々の公開、特許または特許出願が参照によってここで援用されることが明確かつ個別に示されている場合と同程度に、本明細書に記載のすべての公開、特許および特許出願の全体はここで参照によって本明細書に援用される。さらに、本出願のいずれかの引用文献を記載したり、特定したりすることを、このような引用文献が本発明に対する先行技術として用いられることを自認することとして解釈しないこととする。表題を用いる程度に、これらが必然的に限定されるものとして解釈するべきではない。
10 装置
12 アップリンク、アップリンク伝送
14 BS
16 デバイス機能的ユニット
18 信号モジュレータ
20 送信器
22 ダウンリンク
24 フィルタ
28 パワーバックオフコントローラ
30 BS
34 ダウンリンク
36 アップリンク
38 送受信器
42 送信器
44 アップリンク受信器
50 変調ブロック
52 離散フーリエ変換DFT
54 IFFT
56 サイクリックプレフィクス（CP）付加
58 デジタル／アナログD2A
62 パワーバックオフコントローラ
70 変調
72 離散フーリエ変換DFT
74 周期的展開
76 フィルタリング
80 付加
82 D2A変換
86 パワーバックオフコントローラ
100 側方領域

Claims (25)

  1. 基地局またはアクセスポイントへのアップリンク伝送に用いる帯域限定周波数分割多重のための装置であって、前記装置は、
    最低周波数サブキャリアから中間サブキャリアを介して最高周波数サブキャリアまで及ぶ1セットの連続的に等間隔で離間する周波数サブキャリアを用いて信号を伝送するように構成されている信号モジュレータを備え、前記信号モジュレータは、
    前記周波数サブキャリアの前記範囲にわたって非対称フィルタリングを適用することで、前記伝送信号のピーク対平均電力比を低くするように構成されているフィルタ
    をさらに備える、装置。
  2. 前記信号モジュレータは、連続するサブキャリアの初期セットを、要求される、連続するサブキャリアのより大きいセットに変調する前記複素値数列を周期的に並べて、前記非対称フィルタリング動作を連続するサブキャリアの前記より大きいセットに適用するように構成されている、請求項1に記載の装置。
  3. 前記非対称フィルタリングは、前記信号モジュレータの前記入力で前記データシンボルを変調するのに用いられる波形間の直交性を維持するように構成されている、請求項1または2に記載の装置。
  4. 直交性の前記維持は、前記非対称フィルタリングの係数に制約を適用することを備え、M個のトーンについて、各トーンについてのフィルタ係数の絶対値を二乗し、その後、周期的に並んだトーン複製値にわたって総和をとり、すべての前記M個のトーンについて同じままであるように総和結果を制約する、請求項3に記載の装置。
  5. π／2 BPSK変調スキームについて、直交性の前記維持は、前記非対称フィルタリングの係数に制約を適用することを備え、M個のトーンおよび偶数であるMについて、
    である、請求項3に記載の装置。
  6. 前記信号モジュレータは、周波数分割多重、周波数分割多重アクセス（FDMA）、シングルキャリアFDMA（SC−FDMA）および直交FDMA（OFDMA）からなる変調の前記群のいずれか1つのために構成されている、請求項1から5のいずれか一項に記載の装置。
  7. 前記信号モジュレータがサブキャリアの前記セット毎に復調基準信号をそれぞれ伝送するように構成され、各復調基準信号がサブキャリアの前記セットの近隣のサブキャリアの隣接する重畳領域にわたり、各復調基準信号が相互に直交する復調基準信号の有限のセットから選択され、これにより、前記重畳領域で受信されるデータの復調を受信器が行うことを補助する、請求項1から6のいずれか一項に記載の装置。
  8. 前記信号モジュレータがサブキャリアのセット毎に復調基準信号をそれぞれ伝送するように構成され、各復調基準信号が、異なる時間間隔において、それぞれ上側重畳領域と下側重畳領域とを、前記セット中の前記サブキャリアの中間の両側で交互に繰り返す、請求項1から7のいずれか一項に記載の装置。
  9. 前記信号モジュレータは、それぞれの隣接する重畳領域のカバーおよびカバー解除を行うようにそれぞれの復調基準信号がマッピングされる前記サブキャリアの前記範囲に対して拡大および縮小を交互に行うようにさらに構成されている、請求項8に記載の装置。
  10. 請求項1から9のいずれか一項に記載の装置を含むモノのインターネットデバイス（IoT）。
  11. 帯域限定変調を通じて周波数分割多重アクセスの連続する帯域を用いて基地局と通信するように構成されているモノのインターネットデバイス（IoT）であって、前記連続する帯域は、帯域のセットから前記基地局によって各IoTデバイスに割り当てられ、前記IoTデバイスは、前記デバイスに割り当てられた前記周波数帯域にわたって、前記デバイスによって伝送される前記信号に非対称フィルタを適用するように構成されている、モノのインターネットデバイス（IoT）。
  12. センサとウェアラブルとからなる前記群の一要素である請求項10または11に記載のデバイス。
  13. 周波数分割多重アクセスのための基地局装置であって、
    複数の周囲のデバイスと通信するために構成されている送受信器であって、前記送受信器の前記送信器が、連続するサブキャリアの複数のセットを重なるように分配し、各このようなセットには、1セットの複数のフィルタのうちの1つのフィルタがともない、この1セットの複数のフィルタの少なくとも1つが周波数において非対称であり、ダウンリンクチャンネルを用いて、前記複数のデバイスの各々に、関連するフィルタリング方法の指標とともに、前記複数のセットのうちのサブキャリアの1つのセットの割り当てをシグナリングするために構成されている、送受信器
    を備え、
    前記デバイスは、連続するサブキャリアの前記割り当てられたセットを用いて前記アップリンクで伝送される前記信号に対して、前記指標で示されたフィルタリング動作を適用するように構成されており、前記基地局は、前記フィルタリングされた信号を受信するように構成されているアップリンク受信器をさらに備える、
    基地局装置。
  14. 前記デバイスの各々の送信器は、連続するサブキャリアの初期セットを、要求される、連続するサブキャリアのより大きいセットに変調する前記複素値数列を周期的に並べて、前記非対称フィルタリング動作を適用し、これにより、信号を形成し、信号のスペクトルサポートは周波数領域で連続するサブキャリアの前記より大きいセットをカバーするように構成されている、請求項13に記載の装置。
  15. 前記送受信器は、周波数分割多重、周波数分割多重アクセス（FDMA）、シングルキャリアFDMA（SC−FDMA）および直交FDMA（OFDMA）からなる変調の前記群のいずれか1つの信号を受信するように構成されている、請求項13または14に記載の装置。
  16. 前記送受信器がサブキャリアの前記セット毎に復調基準信号をそれぞれ割り当てるように構成され、各復調基準信号がサブキャリアの前記セットの近隣のサブキャリアの隣接する重畳領域にわたり、各復調基準信号が相互に直交する復調基準信号の有限のセットから選択され、これにより、前記重畳領域で受信されるデータ信号の復調を前記送受信器中の前記受信器が行うことを補助する、請求項13，14または15のいずれか一項に記載の装置。
  17. 前記送受信器がサブキャリアの前記セット毎に復調基準信号をそれぞれ割り当てるように構成され、各復調基準信号が、異なる時間間隔において、それぞれ上側重畳領域と下側重畳領域とを、前記セット中の前記サブキャリアの中間の両側で交互に繰り返し、前記割り当てることが復調基準信号構成をシグナリングすることを備える、請求項13，14，15または16のいずれか一項に記載の装置。
  18. 最低周波数サブキャリアから中間サブキャリアを介して最高周波数サブキャリアまで及ぶ1セットの連続的に等間隔で離間する周波数サブキャリアを伝送するステップと、
    前記周波数サブキャリアの前記範囲にわたって非対称フィルタリングを適用するステップと
    備える帯域限定周波数分割多重に用いられる方法。
  19. 連続するサブキャリアの初期セットを、要求される、連続するサブキャリアのより大きいセットに変調する前記複素値数列を周期的に並べて、前記非対称フィルタリング動作を連続するサブキャリアの前記より大きいセットに適用するステップを備える請求項18に記載の方法。
  20. 前記非対称フィルタリングは、前記データシンボルを変調するのに用いられる波形間の直交性を維持するように構成されている、請求項19に記載の方法。
  21. 直交性を維持する前記ステップは、前記非対称フィルタリングの係数に制約を適用するステップであって、M個のトーンについて、各トーンについてのフィルタ係数の絶対値を二乗し、その後、周期的に並んだトーン複製値にわたって総和をとり、すべての前記M個のトーンについて同じままであるように総和結果を制約する、ステップを備える、請求項20に記載の方法。
  22. π／2 BPSK変調スキームについて、直交性を維持する前記ステップは、前記非対称フィルタリングの係数に制約を適用するステップを備え、M個のトーンおよび偶数であるMについて、
    である、請求項20に記載の方法。
  23. 連続するサブキャリアの前記セット毎に復調基準信号をそれぞれ伝送するステップであって、各復調基準信号はサブキャリアの前記セットの近隣のサブキャリアの隣接する重畳領域にわたり、各復調基準信号は相互に直交する復調基準信号の有限のセットから選択され、これにより、前記重畳領域で受信されるデータの復調を受信器が行うことを補助する、ステップをさらに備える請求項18から22のいずれか一項に記載の方法。
  24. サブキャリアのセット毎に復調基準信号をそれぞれ伝送するステップであって、各復調基準信号は、異なる時間間隔において、それぞれ上側重畳領域と下側重畳領域とを、それぞれのセットで交互に繰り返す、ステップを備える請求項18から23のいずれか一項に記載の方法。
  25. 復調基準信号は、それぞれの隣接する重畳領域のカバーおよびカバー解除を行うようにそれぞれの復調基準信号がマッピングされる前記サブキャリアの前記範囲に対して拡大および縮小を交互に行う、請求項22に記載の方法。
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