JP4247532B2 - 高精度タイミング再生を備えたmimo−ofdm受信方式および受信機 - Google Patents
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・線形合成処理によりCCIを抑圧することができる
・CCI環境において高精度なタイミング再生が行える
・CCI環境においてパラメータ推定が良好に行える
・CCI環境において伝送速度を落とさずに高信頼な高速伝送を維持することができる
・誤り訂正処理との連携による繰り返し処理により受信電力が低い場合にも良好な伝送特性を実現することができる
・CCI環境においてGIを超えるマルチパス遅延が到来する場合に発生する干渉を除去することができる
・線形合成処理によりCCIを抑圧することができる
・CCI環境において高精度なタイミング再生が行える
・CCI環境においてパラメータ推定が良好に行える
・CCI環境において伝送速度を落とさずに高信頼な高速伝送を維持することができる
・誤り訂正処理との連携による繰り返し処理により受信電力が低い場合にも良好な伝送特性を実現することができる
・CCI環境においてGIを超えるマルチパス遅延が到来する場合に発生する干渉を除去することができる
という優れた効果を奏し得る。
となる。ここで、bkn(i)は第k送信アンテナ、第iシンボル、第n(0≦n≦N−1)サブキャリアにおける変調信号である。また、ΔGはΔG=TG/Δtで定義する整数であり、OFDMシンボルのシンボル番号iはii≦i≦ifとする。
はrl(t)を第l要素とするNR次元受信信号ベクトルとする。また、D波のマルチパスが到来し、伝搬路の時間変動は無視できるものとする。第k送信アンテナのd(1≦d≦D)パスの複素包絡線をhkd、その遅延時間と到来角をτkd及びφkdとする。このとき、
は
となる。ただし、Mi=ii(N+ΔG)、Mf=if(N+ΔG)−1である。ここで、ps(t)は送受信機における波形整形用フィルタの合成インパルス応答であり、コサインロールオフフィルタを仮定する。また、
は、到来角φの到来波に対するNR次元アンテナ応答ベクトルである。
は、他の(K−1)ユーザ分の信号を合成したNR次元干渉波ベクトルであり、CCI成分を表す。
は各受信アンテナの熱雑音信号を要素に持つNR次元雑音信号ベクトルである。
となる。ここで、*は複素共役を表す。また、
と
はNT(D0+1)次元ベクトルであり、チャネル応答及びOFDM信号候補に対応する。したがって、フィルタの合成出力からレプリカ信号を減算したα(l,m)は
上記数16のYl(i,n)は、
yr(l,m)
の離散フーリエ変換、すなわち、サブキャリア信号であり、また、上記数16のHl(k1,n)は第k1送信アンテナからの伝送路の伝達関数に相当し、下記数17、数18でそれぞれ表される。
だけであり、この項から{bkn(i)|1≦k≦NT}が信号判定できる。即ち、信号検出処理では、上記数19を最小にする
を選び、これを{bkn(i)|1≦k≦NT}の判定値とする最尤推定を行う。全てのサブキャリアについて上記処理を行い、L個のサブキャリア信号からNT個の送信信号が抽出される。
同様に、λpを検波信号として誤り訂正復号処理へ出力する。また、符号化されたビットの対数尤度比
を用いて、変調信号の構成ビットとその出現確率から変調信号の期待値を生成し、それを上記数19の信号候補
として用いることができ、計算量を削減することができる。
として表されるので、この推定アルゴリズムについて述べる。
であるので、λqが〈|α(l,m)|2〉と一致する。これは残留干渉波と雑音信号との平均電力和に相当する。また、信号電力は
の第(2M+1)NR+1要素から第(2M+1)NR+NT(D0+1) 要素の2乗和に比例するので、
とした時のSINRは、下記数26のγqに比例する。
を用いて、{bkn(i)|1≦k≦NT}の信号判定を行う。このとき、パラメータ推定は固有展開ではなく、上記数13のα(1,m)の絶対値2乗を最小にするよう逐次的最小2乗法であるRLSやLMSアルゴリズムを適用する(RLSやLMSアルゴリズムについては、非特許文献12に詳しく書かれている)。すなわち、下記数28で定める評価関数J(m)を最小にするよう
を推定する。
と既知なプリアンブル信号sp(m)との相互相関処理や受信信号の自己相関処理により仮タイミング候補を検出する。時刻mでの受信信号とプリアンブル信号とのスライディング相関値Pmは
とする。各仮タイミング候補
に対してパラメータ推定処理を行い、上記数28の評価関数J(m)が最小となるタイミングを最適なタイミングとする。
となる。なお、αは上記数30のminm[Pm≧αPmax]の分散を最小にする値を選び、m0はその平均値から決定する。次に、決定した仮タイミングにおいてパラメータ推定用のタップ数を(2M+1)NR+NT(D0+1)
以上に設定し、パラメータ推定処理を行い、各タップの重み係数の大きさにより仮タイミングが正しい位置からシフトした場合に起こるタップの位置のシフト量を検出して、仮タイミングを補正する。具体的には、
または、
や
の重み係数の内で大きさの小さい方から50%はあまり受信特性には影響を及ぼさないタップとして、その平均値を
とする。タップの大きさが
のβ1(β1>1)倍のタップを抽出し、その最も先頭となるタップが先行波の位置であると決定して、仮タイミングを補正する。また、各タップの重み係数の大きさより必要なタップ数の決定も行う。閾値を
のβ2(β1>β2>1)倍とし、最大遅延時間の遅延波の位置も検出して、パラメータ推定の精度を上げるため、最小な有効タップ数を推定する。遅延波の電力は先行波に比べ平均的には小さいため、パラメータβ2を別に設ける。
の終了位置からFFTを行うフーリエ変換区間2で処理が行う。
図5に同一チャネル干渉に対する平均ビット誤り率(BER)特性を示しており、図中の横軸は1ビット当たりの信号対雑音電力比Eb/N0である。干渉ユーザ数が0の場合に、パスダイバーシチを十分に得られる従来方式が最も良い特性を示す。この理由は、本発明方式ではトランスバーサルフィルタのタップ数不足によるSINRの劣化、簡略化方式では更にメトリック生成器を1つに削減したことによるダイバーシチ効果の低減が考えられる。なお、前者については実施例11の手法を用いることでその劣化を抑えることができる。一方、干渉ユーザ数が1の場合に、従来方式では大幅に特性が劣化するが、本発明方式とその簡略化方式は、若干の劣化が見られるものの、十分なBER特性が得られている。
図6にCIRに対する平均BER特性を示しており、図中のCIRは信号対干渉電力比を示す。受信アンテナ数は3、4である。干渉量が多い場合には本発明方式やその簡略化方式が優れたBER特性を示すが、干渉量が少なくなるにつれて従来方式の特性が改善され、最も良いBER特性を示す。CIRが低くなると本発明方式とその簡略化方式の特性差が小さくなる理由は、干渉抑圧のために受信アンテナの自由度が使われダイバーシチ効果が得られなくなるからである。また、受信アンテナ数の増加に伴い本発明方式では、アンテナダイバーシチの効果を充分に得られるため特性が改善する。
図7にパスの角度広がりに対する平均BER特性を示す。干渉が無い場合には、従来方式と本発明方式は角度広がりの増加に伴い特性が改善しているが、簡略化方式は角度広がりが増加しても特性は改善しない。即ち、簡略化方式は角度広がりによるパスダイバーシチが得られていない。また、同一チャネル干渉環境下では、本発明方式と簡略化方式が角度広がりの増加に伴い特性が劣化しているが、これは角度広がりの増大に伴い、分離可能な干渉波数が増えるためである。
図8にタイミング再生に誤差が生じた場合のタイミングオフセットに対する平均BER特性を示す。本発明方式やその簡略化方式では分数間隔トランスバーサルフィルタにより、タイミングオフセットの生じた状況下でもBER特性の劣化を抑えることができる。一方、従来方式ではサンプリング・オフセットにより特性が大幅に劣化している様子がわかる。
Claims (11)
- NT(NTは正の整数)個の相異なる誤り訂正符号化されたOFDM信号をNR(NRは正の整数)本のアンテナで受信した受信信号からタイミングを再生するタイミング再生処理と、
前記受信信号を白色化し合成信号を出力するL(Lは正の整数)個の線形合成処理と、
前記合成信号をサブキャリア信号に変換するL個のフーリエ変換処理と、
前記サブキャリア信号を用いて尤度計算を行い、検波信号を出力する信号検出処理と、
前記検波信号をデインターリーブして誤り訂正復号するNT個の誤り訂正復号処理と、
前記線形合成処理及び前記信号検出処理で用いるパラメータを一括して推定するパラメータ推定処理と、
上記各処理の一部または全部を繰り返して行う繰り返し制御処理と、
から構成されることを特徴とする高精度タイミング再生を備えたMIMO-OFDM受信方式。 - 前記タイミング再生処理として、前記受信信号と既知なプリアンブル信号との相互相関や前記受信信号の自己相関により仮タイミング候補を検出し、前記仮タイミング候補毎に前記パラメータ推定処理を行い、推定された重み係数を用いて前記線形合成処理で出力された前記合成信号とそのレプリカの誤差が最小となる前記仮タイミング候補をタイミングとするか、または、前記仮タイミング候補の内で最も確からしい候補においてタップ数を増やして前記パラメータ推定処理を行い、推定された各タップの重み係数の大きさにより前記パラメータ推定処理に必要なタップ数の決定と仮タイミングを補正してタイミングの再生を行うか、または、上記二つのタイミング再生処理を行う請求項1に記載の高精度タイミング再生を備えたMIMO-OFDM受信方式。
- 前記線形合成処理として、前記受信信号をフィルタリングする分数間隔トランスバーサルフィルタとその出力を合成する合成器とを用いて、前記パラメータ推定処理で推定された分数間隔トランスバーサルフィルタの重み係数で前記受信信号の線形合成を行う請求項1に記載の高精度タイミング再生を備えたMIMO-OFDM受信方式。
- 前記フーリエ変換処理として、前記合成信号のガードインターバル成分を前記タイミング再生処理から得られた前記タイミングにより除去してフーリエ変換を行うか、または、フーリエ変換の開始位置によって変化する所望信号の電力と発生する干渉の電力の比を前記パラメータ推定処理から得られるチャネル応答の推定値から計算し、前記電力比が最大となる位置でフーリエ変換を行うか、または、計算された前記電力比が最大になる位置において範囲の異なった二つのフーリエ変換を行って同相合成するかによって、前記合成信号をサブキャリア信号に変換する請求項1に記載の高精度タイミング再生を備えたMIMO-OFDM受信方式。
- 前記信号検出処理として、L個のサブキャリア信号に対して、前記チャネル応答の推定値をフーリエ変換して導出された伝達関数を用いてレプリカ信号を生成し、前記サブキャリア信号と前記レプリカ信号の差の絶対値2乗値をメトリックとして最尤推定を行い、さらに、繰り返し制御時は、前記誤り訂正復号処理の出力である符号化されたビットの対数尤度比を帰還して事前情報として用いて最大事後確率推定を行うか、または、前記伝達関数を用いてL個のサブキャリア信号からNT個の信号を分離する線形処理や、信頼度の順番に信号分離と干渉キャンセルを行う順次復号を行うかによって検波信号を出力する処理を行う請求項4に記載の高精度タイミング再生を備えたMIMO-OFDM受信方式。
- 前記誤り訂正復号処理として、サブキャリア数分の前記検波信号をパラレルシリアル変換し、デインターリーブし、ソフト入力・ソフト出力の誤り訂正復号を行い、情報ビットと符号化されたビットの対数尤度比を出力し、前記情報ビットの対数尤度比により受信ビット系列を決定する処理を行う請求項1に記載の高精度タイミング再生を備えたMIMO-OFDM受信方式。
- 前記パラメータ推定処理として、前記分数間隔トランスバーサルフィルタの重み係数ならびに前記信号検出処理に用いるチャネル応答を一括して、前記合成信号とプリアンブル信号を用いて生成される合成信号のレプリカとの差の絶対値2乗値が最小になるように最小2乗法により推定するか、または、前記受信信号とプリアンブル信号を要素に持つベクトルの自己相関行列の固有値および固有ベクトルにより推定する請求項3に記載の高精度タイミング再生を備えたMIMO-OFDM受信方式。
- 前記繰り返し制御処理として、前記受信ビット系列に対して巡回符号による誤り検出を行い、誤りが検出されなかった場合には受信処理を終了し、誤りが検出された場合には、前記符号化されたビットの対数尤度比、または、それから計算されるサブキャリア信号の期待値を用いて、上記各処理の一部または全部を再度行い、一連の処理をさらに繰り返して行う請求項6に記載の高精度タイミング再生を備えたMIMO-OFDM受信方式。
- 前記フーリエ変換処理と前記信号検出処理として、前記合成信号に対して、前記フーリエ変換処理を含んだ信号分離を行う線形処理によりNT個の信号を分離し、前記検波信号を出力する離散フーリエ変換・信号分離線形処理を行うか、または、前記繰り返し制御時は、前記合成信号から所望サブキャリア信号成分をレプリカ減算によって抽出し、前記フーリエ変換処理を含んだ線形処理によりその抽出された信号を合成して、前記検波信号を出力するターボ等化処理を行う請求項5に記載の高精度タイミング再生を備えたMIMO-OFDM受信方式。
- 前記パラメータ推定処理を行い、推定された重み係数を用いて前記線形合成処理で出力された前記合成信号とそのレプリカの誤差と、前記受信信号と前記線形合成処理を行わないで前記受信信号に対して前記パラメータ推定処理を行い、前記チャネル応答の推定値で生成された受信信号のレプリカとの誤差とを比較して、後者の上記誤差が小さい場合には前記線形合成処理を行わない請求項4に記載の高精度タイミング再生を備えたMIMO-OFDM受信方式。
- NT(NTは正の整数)個の相異なる誤り訂正符号化されたOFDM信号をNR(NRは正の整数)本のアンテナで受信した受信信号からタイミングを再生するタイミング再生器と、
前記受信信号を白色化し合成信号を出力するL(Lは正の整数)個の線形合成器と、
前記合成信号をサブキャリア信号に変換するL個のフーリエ変換器と、
前記サブキャリア信号を用いて尤度計算を行い、検波信号を出力する信号検出器と、
前記検波信号をデインターリーブして誤り訂正復号するNT個の誤り訂正復号器と、
前記線形合成器及び前記信号検出器で用いるパラメータを一括して推定するパラメータ推定器と、
上記処理の一部または全部を繰り返して行う繰り返し制御器と、
を備えることを特徴とする高精度タイミング再生を備えたMIMO-OFDM受信機。
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