JP5014986B2

JP5014986B2 - 直交周波数分割多重化信号においてピーク電力対平均電力比を低減する方法及びシステム

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Publication number: JP5014986B2
Application number: JP2007515555A
Authority: JP
Inventors: ジャン、ジンユン; ファン、シャオツォウ
Original assignee: Mitsubishi Electric Research Laboratories Inc
Current assignee: Mitsubishi Electric Research Laboratories Inc
Priority date: 2005-11-28
Filing date: 2006-11-14
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2026-11-14
Also published as: WO2007060902A1; US7675982B2; CN101313547A; US20070121483A1; KR100948729B1; KR20080059658A; JP2009517890A

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）信号においてピーク電力対平均電力比（ＰＡＰＲ）を低減する方法及びシステムに関する。

直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）は、いくつかの個別のサブキャリア上で情報シンボルを変調する。ＯＦＤＭ信号は、等間隔に配置された異なる周波数において変調される複数のサブキャリアを含み、それらの周波数は互いに直交する。ＯＦＤＭ変調は、マルチパスフェージングチャネル上で高い伝送速度でデータを送信するのに有効な変調方式である。１つの利点として、ＯＦＤＭは、そのスペクトル効率が高い、及びマルチパスフェージングチャネルに耐えることができるという理由から、広帯域デジタル通信の応用形態において用いることができる。ＩＥＥＥ８０２．１１及びＩＥＥＥ８０２．１６標準規格は、高速無線通信のためのＯＦＤＭの仕様を定める。

ＩＥＥＥ標準規格８０２．１６−２００４は、ＷｉｒｅｌｅｓｓＭＡＮ−ＯＦＤＭＰＨＹ及びＷｉｒｅｌｅｓｓＭＡＮ−ＯＦＤＭＡＰＨＹと呼ばれる２つの物理（ＰＨＹ）層を定義する。その標準規格の関連する部分は、ＩＥＥＥ標準規格８０２．１６−２００４（ＩＥＥＥ標準規格８０２．１６−２００１の改訂版）、IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems、及びＩＥＥＥＰ８０２．１６ｅドラフト／Ｄ９、IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 16: Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems; Amendment for Physical and Medium Access Control Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bandsを含む。

ＯＦＤＭでは、１つのチャネル内で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、それぞれが同時に送信される。データは、これらＮ個の等間隔に配置されるキャリア上で同時に送信される。サブキャリアは、その対応する波形の直交性を保持するために必要とされる最小限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）を用いて、信号波形を生成する。ＩＥＥＥ標準規格８０２．１６−２００４におけるＷｉｒｅｌｅｓｓＭＡＮ−ＯＦＤＭは、２５６ＩＦＦＴを基にする。ＩＥＥＥＰ８０２．１６ｅドラフト／Ｄ９におけるＯＦＤＭＡＰＨＹモードは、ＩＥＥＥ標準規格８０２．１６−２００４）に下位互換性のあるＩＦＦＴサイズ２０４８、１０２４、５１２及び１２８を含む。ＯＦＤＭの大きな欠点の１つは、送信される信号の振幅が変動することである。

Ｎ個の指数信号が強め合うように重なり合う結果として、ピーク電力が生じることになり、それは平均電力のＮ倍である。ピーク電力のために頻繁に用いられる測定値のうちの１つがピーク電力対平均電力比（ＰＡＰＲ）である。

ただし、ｘ（ｔ）はＯＦＤＭ送信信号であり、Ｔはサンプリング周期であり、ＮはＯＦＤＭシンボル当たりのサブキャリアの数である。

ＯＦＤＭ信号のサブキャリアの数が増えると、ＯＦＤＭ信号の振幅は、より雑音に近くなっていき、そのダイナミックレンジは非常に広くなる。それゆえ、送信機内のＲＦ電力増幅器（ＰＡ）は、大きな入力バックオフを有するべきであるが、その場合には、電力変換は非効率的である。たとえば、Ｂ級ＰＡの最大電力効率は７８．５％である。しかしながら、ＰＡＰＲが１０ｄＢである入力信号の場合に、この効率は７．８５％まで低下する。それゆえ、１００ｍＷの電力レベルを達成するためのＤＣ電力消費は１．３ワットである。ＤＣ消費が高いと、バッテリ寿命が減少することになる。したがって、ＯＦＤＭ信号のためのＰＡＰＲを低減するための方法が望まれている。

いくつかの異なる技法が知られている。

ブロック符号化：A. E. Jones、T. A. Wilkinson及びS. K. Barton著「Block coding scheme for reduction of peak to mean envelope power ratio of multicarrier transmission schemes」（Electronics Letters, vol. 30, no. 25, pp. 2098-2099, Dec. 1994）。送信するために、ＰＡＰＲを低減するコードワードが選択される。たとえば、シャピロ‐ルーディン（Shapiro-Rudin）系列、ゴーレイ符号、Ｍ系列、バイナリバーカー（Binary Barker）及びニューマン位相（Newman Phases）のような、ＰＡＰＲを低減するいくつかの符号系列が存在する。しかしながら、ブロック符号化は、良好な符号を得るために網羅的な探索を必要とする。Ｎが増えると、これは不可能になる。

選択マッピング：R. W. Bauml、R. F. H. Fisher及びJ. B. Huber著「Reducing the peak-to-average power ratio of multicarrier modulation by selected mapping」（Electronics Letters, vol. 32, no. 22, pp. 2056-2057, Oct. 1996）。送信機が、同じ情報データブロックのための１組の候補データブロックを生成する。送信するために、最も低いＰＡＰＲを有する最良のマッピングが選択される。実施するために、送信機はいくつかのＩＦＦＴ演算を必要とし、これらの系列のための対応するＰＡＰＲを求める。どの候補が用いられるかに関する副次情報が、情報データブロックとともに、受信機に対して送信されなければならない。候補の数が増えると、複雑になる。

部分系列伝送：S.H. Muller及びJ. B. Huber著「OFDM with reduced peak to average power ratio by optimum combination of partial transmit sequences」（Electronics Letters, vol. 33, no. 5, pp. 368-369, Feb. 1997）。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係数によって重み付けされる。位相係数は、結果として生成されるＰＡＰＲが最小になるように選択される。一般的に、複雑にならないようにするために、位相係数はＷ個の要素に制限される。どの位相係数が用いられるかに関する副次情報が、情報データブロックとともに、受信機に対して送信される。Ｗが増えると、複雑になる。

インターリービング：P. V. Eetvelt、G. Wade及びM. Tomlinson著「Peak to average power reduction for OFDM schemes by selective scrambling」（Electronics Letters, vol. 32, no. 21, pp. 1963-1964, Oct. 1996）。１組のインターリーバを用いて、最小のＰＡＰＲを有する系列が見つけられる。どのインターリーバが用いられるかに関する副次情報が、受信機に対して送信されなければならない。副次情報に誤りがある場合、結果として送信された信号が失われる可能性があるので、この方法は、副次情報を必要とする全ての方法の場合と同じ問題を抱える。

トーン予約及びトーン注入（tone reservation and tone injection）：J. Tellado著「Peak to average power reduction for multicarrier modulation」（Ph. D. dissertation, Stanford Univ., 2002）。１つのＯＦＤＭシンボルにおいて、ＰＡＰＲを低減するために、いくつかのサブキャリアが予約される。これらのサブキャリアのための送信される値は、凸最適化問題を解くことによって求められる。ＰＡＰＲの低減量は、予約されるサブキャリアの数、及びそれらの位置による。ＩＥＥＥ８０２．１６適応バースト送信の場合、この目的を果たすために、ＳＮＲが低いいくつかのサブキャリアを用いることができる。しかしながら、ＰＡＰＲ低減のために用いられるサブキャリア位置は適応的に変更されなければならない。これにより、さらに複雑になる。サブキャリア位置が一定である場合には、帯域幅が低減される。トーン注入によって、コンスタレーションのサイズが大きくなり、元のコンスタレーション内のコンスタレーションポイントの各々がいくつかのコンスタレーションポイントにマッピングされるようになる。データブロック内の送信される各シンボルは、いくつかの等価なコンスタレーションポイントのうちの１つにマッピングすることができる。トーン注入が抱える問題は、この技法が電力を増加させる可能性があるということである。

ピークウィンドウイング：M. Pauli及びH. P. Kuchenbecker著「On the reduction of the out of band radiation of OFDM signals」（IEEE conference proceedings ICC, vol. 3, pp. 1304-1308, 1998）。この方法では、大きなピーク信号にガウス窓を乗算することによって、ＰＡＰＲが低減される。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。

コンパンディング：X. Wang、T. T. Tjhung及びC. S. Ng著「Reduction of peak-to-average power ratio of OFDM system using a companding technique」（IEEE Transactions on Broadcasting, vol. 45, no. 3, pp. 303-307, Sept. 1999）。この概念は、音声信号を圧伸することに類似である。ＯＦＤＭ信号は、大きなピークが稀にしか生じないという意味で音声に類似であるので、μ‐ｌａｗコンパンディング技法を用いて、ＰＡＰＲを低減することができる。しかしながら、コンパンディングは帯域外スペクトル成分も生成し、シンボル誤り率が改善されるのは、ＳＮＲが高い場合だけである。ＰＡＰＲは約Ｎ^１／２まで低減される。

振幅クリッピング及びフィルタ：X. Li及びL. Cimini著「Effects of clipping and filtering on the performance of OFDM」（IEEE Communication Letters, vol. 2, no. 5, pp. 131-133, May 1998）並びにH. A. Suraweera、K. Panta、M. Feramez及びJ. Armstrong著「OFDM peak-to-average power reduction scheme with spectral masking」（Symposium on Communication Systems Networks and Digital Signal Processing (CSNDSP 2004), July 2004）。振幅クリッピングは、入力信号のピーク包絡線を所定の値に制限する。クリッピング関数の非線形性によって引き起こされる雑音が、帯域内（ＢＥＲ特性劣化）及び帯域外（スペクトル効率低下）の両方において生じる。クリッピング後にフィルタリングすることによって、帯域外雑音を低減することができる。最も頻繁に用いられる振幅クリッピング演算が以下の式によって与えられる。

ただし、φ_ｎはｘ_ｎの位相であり、Ａは所定のクリッピングレベルである。この方法はハードクリッピング（ＨＣ）と呼ばれる。Suraweera他のマスキングは、ハードクリッピングを用いて、ＯＯＢ放射の一部だけを除去する。彼らは、周波数領域において、送信される信号内に多数の０を挿入することによってオーバーサンプリングを実施する。この技法は、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。

上記の技法の大部分では計算が複雑になり、さらに、それらの技法のうちのいくつかでは副次情報が必要とされるので、効率が低下する。さらに、副次情報を必要とする技法には、別の潜在的な問題が関連付けられる。副次情報に誤りがある場合、結果として送信される全ての信号が失われる可能性がある。

本発明の一実施の形態は、ＯＦＤＭ信号においてピーク電力対平均電力比（ＰＡＰＲ）を低減するシステム及び方法を提供する。その方法は、信号をオーバーサンプリングするステップと、双曲線正接を含む式を用いて、信号の振幅を所定のレベルまで徐々にクリッピングするステップと、非線形クリッピングに起因する信号の帯域外スペクトル成分を、所定のマスク内に入るようにバンドパスフィルタによってフィルタリングするステップと、信号を送信するステップとを含む。

１つの利点として、従来技術のように副次情報が必要とされないので、スペクトル効率が著しく低下しない。ターボ符号化のようなチャネル符号化方式によって、ビット誤り率に関して、小さく、且つ制御可能な量の信号劣化を補償することができる。送信される信号は、ＤＶＢ−Ｔ、ＩＥＥＥ８０２．１１及びＩＥＥＥ８０２．１６のような、ＯＦＤＭを用いる既存の標準規格に適合し、送信機だけで実現することができる。

その方法は、ソースコーディング、チャネル符号化、変調方式及びパイロット挿入とは無関係である。従来技術とは対照的に、帯域外放射の全てが、周波数領域におけるフィルタリングを用いて除去される。オーバーサンプリング速度は相対的に遅く、たとえば４であり、従来技術のような周波数領域においてではなく、線形補間を用いて時間領域において実行される。ソフトクリッピングが徐々に実行され、同じ量のＰＡＰＲ低減を得るのに、従来技術のハードクリッピングと比較してより良好なＢＥＲが達成される。

本発明の一実施の形態は、ＩＥＥＥＰ８０２．１６ｅ標準規格ドラフト／Ｄ９によるＯＦＤＭ信号の場合にＰＡＰＲを低減するための実用的なシステム及び方法を提供する。この例では、オーバーサンプリング速度は４である。サブキャリアの数は１０２４である。送信される情報シンボルはＱＰＳＫによって変調される。周波数領域フィルタリングが、全ての帯域外スペクトル成分を除去する。

図１は、直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）信号のピーク電力対平均電力比（ＰＡＰＲ）を低減するシステム及び方法１００を示す。入力信号ｘ_ｉ１０１に対して、シリアル／パラレル（Ｓ／Ｐ）変換１１０が適用される。逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）１２０が、複素ベースバンド信号１２１を生成する。

ただし、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及びｂ_ｋは変調される複素シンボルの実数成分及び虚数成分であり、そのシンボルとして、ＱＰＳＫ、１６ＱＡＭ又は６４ＱＡＭ変調されるシンボルを用いることができる。サイクリックプレフィックスを付けた後に、ベースバンド信号は、本発明によるＰＡＰＲ低減ブロック２００に通される。ＰＡＰＲ低減ブロック２００の出力は、デジタル／アナログコンバータ（Ｄ／Ａ）１３０に送られ、アナログベースバンド信号が生成される。複素ベースバンド信号の実数成分及び虚数成分を搬送するために、同位相信号及び直交位相信号が用いられる。アナログベースバンド信号は無線周波数（ＲＦ）送信機（ＴＸ）１４０に送り込まれ、送信機において、送信される信号１４１が、所望のＲＦキャリア周波数にアップコンバートされ、増幅される。

図２に示されるように、ＰＡＰＲ低減２００は、Ｎ倍だけ、ＯＦＤＭベースバンド信号ｘ_ｎ１２１をオーバーサンプリングする（３００）。従来技術とは対照的に、そのオーバーサンプリングは時間領域において実行される。

その後、オーバーサンプリングされた各信号４０１は、振幅クリッパ４００及びフィルタ２２２に通されて、帯域外スペクトル成分が除去される。このクリッピング及びフィルタリング過程２２０は、所定のマスクを満たすまでＰＡＰＲが徐々に低減されるように繰り返される。従来技術とは対照的に、そのフィルタリングは、線形フィルタを用いて、周波数領域において実行される。電力低減が繰り返されるので、従来技術の１回限りのハードクリッピングとは対照的に、これは「ソフト」クリッピングと呼ばれる。

図３は、本発明の一実施の形態による、時間領域におけるオーバーサンプリング過程３００を示す。そのオーバーサンプリングは、２つのステップとして実施することができる。最初に、サンプル間に（Ｌ−１）個の０を挿入すると（３１０）、その信号ｘ’_ｎは以下のようになる。

０を挿入した後に、信号ｘ’_ｎは、補間フィルタを用いて補間される（３２０）。

ただし、ｎはサンプルインデックスであり、ｆ_ｌは補間フィルタ３２０のｌ番目のタップであり、ｆ_ｌ、０≦ｌ≦Ｌ−１であり、Ｌはフィルタ長である。線形補間フィルタは、以下のインパルス応答を有することができる。

多項式補間、三次スプライン補間等の他の補間フィルタを用いることもできる。

図４に示されるように、オーバーサンプリング後に、オーバーサンプリングされた信号ｓ_ｎ４０１内の各サンプルの振幅は、所定のレベルまで徐々にクリッピングされる（４００）。

振幅クリッピング関数４１０は、無記憶非線形関数による意図的な歪みである。その関数の基礎を成す振幅変調が式（６）において与えられる。その信号の位相は変化しない。信号ｓ_ｎ４０１は、電力増幅前に、所定のレベルまで意図的にクリッピングされる。そのクリッピング関数は、双曲線正接関数の形をとり、以下のように表される。

ただし、Ａ及びＣは、ＰＡＰＲ低減要件に基づいて予め定義された定数である。

図５は、Ｃ＝０．８及びＡ＝１／０．６の場合の振幅クリッピング非線形関数５００の例を示す。

振幅を「ソフト」クリッピングした後に、バンドパスフィルタ２２２が、帯域外スペクトル成分を除去する。非線形の漸進的なクリッピング関数が、オーバーサンプリングされた信号上で実行されるので、この過程の結果として、時間領域信号の部分ピークが再生することがある。それゆえ、クリッピング４００及びフィルタリング２２２を何度も繰り返して、ＰＡＰＲを繰返し低減することができ、その一方で、予め定義された帯域外マスクに基づいて、帯域外スペクトル放射を許容できるレベルまで抑圧することができる。

フィルタ関数の通過帯域は、変調されたベースバンド信号の情報搬送周波数帯域幅に制限される。阻止帯域内の減衰は、最大許容帯域外放射を満たす。フィルタのための所望のスペクトルマスクの特性は、米国連邦通信委員会（ＦＣＣ）によって特定のＯＦＤＭ信号のスペクトル密度関数に課せられる、スペクトルマスクに関して規定される帯域外放射要件によって定義される。

図６は、ＤＶＢ−Ｔシステムのためのスペクトルマスクの１つの具体的な例を示す。参照により本明細書に援用される、ETSI Digital Video Broadcasting (DVB); Framing Structure, Channel Coding and Modulation for Digital Terrestrial Television (DVB-T)（August 1997, ETS 300 744）を参照されたい。

図７は、クリッピングを用いない元の信号７０５と比べたときの、それぞれＣ＝０．２の場合の１度目の振幅ソフトクリッピング、Ｃ＝０．２の場合の２度目の振幅ソフトクリッピング、Ｃ＝０．４の場合の１度目の振幅ソフトクリッピング、Ｃ＝０．４の場合の２度目の振幅ソフトクリッピングのＰＡＰＲ低減７０１〜７０４を示す。横軸はＰＡＰＲの相補ＣＤＦであり、以下のように定義される。

一方、ＰＡＰＲ_０が縦軸上に示される。

図８は、本発明の一実施の形態によるＯＦＤＭシステムにおける、クリッピングを用いない元の信号８０１と比べたときの、それぞれＣ＝０．２の場合の１度目の振幅ソフトクリッピング、Ｃ＝０．２の場合の２度目の振幅ソフトクリッピング、Ｃ＝０．４の場合の１度目の振幅ソフトクリッピング、Ｃ＝０．４の場合の２度目の振幅ソフトクリッピング８０２〜８０５の場合の、付加白色ガウス雑音（ＡＷＧＮ）チャネルにおけるビット誤り率（ＢＥＲ）特性を示す。

図７及び図８に示されるように、Ｃが０．４に設定されるときに、クリッピング及びフィルタリングを２度繰り返すことによって、ＰＡＰＲを４ｄＢまで低減することができ、その一方で、ＰＡＰＲを低減してもＢＥＲの増加は最小限に留められ、それはターボ符号化によって補償することができる。

本発明が好ましい実施の形態の例として説明されてきたが、本発明の精神及び範囲内で、種々の他の改変及び変更を行うことができることは理解されたい。それゆえ、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このような全ての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ＯＦＤＭ送信機システムの図である。本発明の一実施の形態による、ＰＡＰＲ低減のブロック図である。本発明の一実施の形態による、オーバーサンプリングのブロック図である。本発明の一実施の形態による、振幅クリッピングのブロック図である。本発明の一実施の形態による、振幅クリッピング非線形関数のグラフである。本発明の一実施の形態による、スペクトルマスクのグラフである。本発明の一実施の形態による、ＰＡＰＲ低減特性のグラフである。本発明の一実施の形態による、ＯＦＤＭシステムのビット誤り率特性のグラフである。

Claims

ベースバンド信号を生成するステップと、
前記ベースバンド信号を時間領域においてオーバーサンプリングするステップと、
振幅クリッピング関数を用いて、前記オーバーサンプリングされた信号の振幅を所定のレベルまで徐々に繰返しクリッピングし、周波数領域で線形フィルタを用いて、前記クリッピングに起因する信号の帯域外スペクトル成分をフィルタリングして、クリッピング及びフィルタリングされた信号を送信するステップと
を含む、直交周波数分割多重化信号においてピーク電力対平均電力比を低減する方法。
前記ベースバンド信号は、直交周波数分割多重化信号である
請求項１記載の方法。
シリアル入力信号をＮ個のパラレルサブキャリア信号に変換するステップと、
各サブキャリア信号に逆高速フーリエ変換を適用して前記ベースバンド信号を生成するステップとをさらに含む
請求項１記載の方法。
前記オーバーサンプリングするステップは、
前記ベースバンド信号のサンプル間に０を挿入するステップと、
前記挿入された０を含む前記ベースバンド信号を補間するステップとをさらに含む
請求項１記載の方法。
前記振幅クリッピング関数は、双曲線正接関数である
請求項１記載の方法。
前記双曲線正接関数は、
ｓｎ’＝Ａｔａｎｈ（Ｃ｜ｓｎ｜）
であり、ただし、Ａ及びＣは予め定義された定数であり、ｓｎは前記ベースバンド信号のサンプルである
請求項５記載の方法。
Ｃ及びＡは、ＰＡＰＲ低減要件に応じて選択される
請求項６記載の方法。
Ｃ＝０．８及びＡ＝１／０．６である
請求項６記載の方法。
オーバーサンプリング速度は４である
請求項４記載の方法。
ベースバンド信号を生成するための手段と、
前記ベースバンド信号を時間領域においてオーバーサンプリングするための手段と、
振幅クリッピング関数を用いて、前記オーバーサンプリングされた信号の振幅を所定のレベルまで徐々に繰返しクリッピングし、周波数領域で線形フィルタを用いて、前記クリッピングに起因する信号の帯域外スペクトル成分をフィルタリングして、クリッピング及びフィルタリングされた信号を送信するための手段と
を備える、直交周波数分割多重化信号においてピーク電力対平均電力比を低減するシステム。