JP2007201523A - 受信信号等化装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】周波数領域の信号処理により等化を行う周波数領域イコライザにおいて、高速移動環境で優れた等化特性を実現できる受信信号等化装置を提供する。
【解決手段】伝送路応答推定部２は、ガードインターバル挿入単位のデータブロックをＮ分割したサブブロック毎に周波数領域の伝送路応答を求める。ウエイト計算部５−１〜Ｎは、各サブブロックの等化ウエイトを計算する。データ分配部６は、受信信号を各サブブロックの等化処理で用いるオーバラップした受信信号に分配する。ＦＦＴ部８−１〜Ｎは、各サブブロックの受信信号をＭ_ＦＦＴポイント高速フーリエ変換する。フィルタ処理部９−１〜Ｎは、各サブブロックのＦＦＴ信号を等化する。ＩＦＦＴ部１０−１〜Ｎは、各サブブロックの等化信号をＭ_ＦＦＴポイント高速逆フーリエ変換する。データ合成部１１は、各サブブロックの等化信号のうち中央の必要な信号のみを取り出し、順番に並べて合成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、受信信号の等化処理に関し、特に周波数領域の信号処理を用いて、最小平均自乗誤差法（ＭＭＳＥ：Minimum Mean Square Error）あるいはZero Forcing法により、受信信号の等化を行う受信信号等化装置および方法に関する。

次世代移動通信の無線方式では、高速データ伝送を実現することが重要であるが、ディジタル変調されたシングルキャリア信号を用いてデータ伝送を行う場合、データ速度が速くなるとマルチパスによるシンボル間干渉（マルチパス干渉）が問題となる。このマルチパス干渉を抑圧する簡単な方法に線形等化器があり、等化処理を周波数領域の信号処理で行い処理量を大幅に削減する周波数領域イコライザが検討されている（非特許文献１参照）。

図１は、非特許文献１に記載された周波数領域イコライザを用いた等化装置の構成を示す。従来の等化装置は、タイミング検出部１０１、伝送路応答推定部１０２、直並列（Ｓ／Ｐ）変換部１０３、高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform）部１０４、ウエイト計算部１０５、ガードインターバル（ＧＩ）除去部１０６、Ｓ／Ｐ変換部１０７、ＦＦＴ部１０８、フィルタ処理部１０９、高速逆フーリエ変換（ＩＦＦＴ：Inverse Fast Fourier Transform）部１１０、並直列（Ｐ／Ｓ）変換部１１１で構成される。

図２に周波数領域イコライザを用いる場合の無線フレームフォーマットの一例を示す。無線フレーム信号は複数のパイロット信号あるいはデータ信号のブロックで構成され、図の例では先頭と後尾にパイロット信号ブロックがあり、その間にデータブロックが複数連続する構成になっている。各ブロックの先頭にはＦＦＴ処理の際に前ブロックからのマルチパス干渉を回避するためＧＩが付加される。ＧＩには一般に各ブロックの最後部データを最前部に付加するサイクリックプリフィクスが用いられる。

タイミング検出部１０１は、ディジタル変調されたシングルキャリア受信信号を入力とし、受信信号に含まれるパイロット信号を用いて、複数のパスのタイミングを検出する。タイミング検出部１０１には、受信信号に含まれるパイロット信号と既知のパイロット信号系列とのスライディング相関検出結果に基づいて、レベルの大きい複数のパスのタイミングを検出する方法などが用いられる。伝送路応答推定部１０２は、受信信号およびタイミング検出部１０１で検出したパスタイミングを入力とし、受信信号に含まれるパイロット信号を用いて、パスタイミングにおける伝送路推定値を推定し、伝送路のインパルス応答を求める。Ｓ／Ｐ変換部１０３は、伝送路応答推定部１０２で推定した伝送路のインパルス応答をＳ／Ｐ変換する。ＦＦＴ部１０４は、Ｓ／Ｐ変換部１０３で変換した伝送路のインパルス応答を入力とし、Ｎ_ＦＦＴ（Ｎ_ＦＦＴは２以上かつ２のべき乗の整数）ポイントのＦＦＴを行い、周波数領域に変換した伝送路応答を出力する。ウエイト計算部１０５は、ＦＦＴ部１０４の出力である周波数領域の伝送路応答を入力とし、等化ウエイトを計算する。ウエイト計算部１０５は、最小平均自乗誤差法（ＭＭＳＥ：Minimum Mean Square Error）あるいはZero Forcing法などが用いられる。ＭＭＳＥを用いた場合、サブキャリアｆにおけるウエイトＷ_０（ｆ）（１≦ｆ≦Ｎ_ＦＦＴ）は、伝送路応答Ｈ_０（ｆ）を用いて、次式で計算される。

ここで、＊は複素共役、σ^２は雑音電力を表す。

ＧＩ除去部１０６は、受信信号を入力し、ＧＩに相当する部分の信号を除去する。Ｓ／Ｐ変換部１０７は、ＧＩ除去部１０６でＧＩを除去した受信信号をＳ／Ｐ変換する。ＦＦＴ部１０８は、Ｓ／Ｐ変換部１０７で変換した受信信号を入力とし、Ｎ_ＦＦＴポイントのＦＦＴを行い、周波数領域に変換した受信信号を出力する。フィルタ処理部１０９は、ウエイト計算部１０５で計算した等化ウエイトおよびＦＦＴ部１０８で周波数変換した受信信号を入力とし、それぞれをサブキャリア毎に乗じることにより、周波数領域で受信信号の等化処理を行う。ＦＦＴ部１０８で受信信号を周波数領域に変換した受信信号をＸ（ｆ）（１≦ｆ≦Ｎ_ＦＦＴ）、ウエイト計算部１０５で計算したウエイトＷ_０（ｆ）とすると、フィルタ処理部１０９で等化された信号Ｙ（ｆ）（１≦ｆ≦Ｎ_ＦＦＴ）は、次式で表される。

Ｙ（ｆ）＝Ｗ_０（ｆ）Ｘ（ｆ） （２）

ＩＦＦＴ部１１０は、フィルタ処理部１０９の出力である周波数領域の等化信号を入力とし、Ｎ_ＦＦＴポイントのＩＦＦＴを行い、時間領域の信号に変換する。Ｐ／Ｓ変換部１１１は、時間領域に変換した信号をＰ／Ｓ変換し、復調信号として出力する。
D. Falconer, S. L. Ariyavisitakul, A. Benyamin-Seeyar, and B.Eidson, "Frequency Domain Equalization for Single-Carrier Broadband Wireless Systems" IEEE Commun. Mag., vol.40, no.4, pp.58-66, Apr.2002.

しかしながら、従来の等化装置では、ＦＦＴブロック毎に一つの伝送路応答Ｈ_０（ｆ）を用いて、等化フィルタ１０９のウエイトＷ_０（ｆ）を計算するが、高速移動環境において伝送路がＦＦＴブロック内で無視できないほど大きく変動する場合には伝送路ずれにより等化特性が劣化するという問題がある。

図３に高速移動環境における伝送路変動とＦＦＴブロックの関係を示す。ウエイト計算に用いる伝送路応答Ｈ_０（ｆ）はＦＦＴブロック内の平均的な伝送路応答であり、図のように伝送路がＦＦＴブロック内で直線的に変動する場合にはＦＦＴブロックの中心の伝送路応答となる。この伝送路応答Ｈ_０（ｆ）から計算したウエイトＷ_０（ｆ）を用いてＦＦＴブロック内の信号を等化すると、ＦＦＴブロックの中心から離れたシンボルほど伝送路ずれが生じ、ブロック全体の等化特性が劣化する。また、高速移動環境における特性劣化を小さく抑えるためにＦＦＴブロックを小さくする方法があるが、ＧＩの挿入損失が増加するという問題がある。

そこで本発明は、ＦＦＴブロックを複数のサブブロックに分割し、それぞれのサブブロックに対応する伝送路応答および等化ウエイトを計算し、各サブブロックの受信信号の等化処理ではサブブロックより広い範囲でオーバラップさせながらＦＦＴを行うことにより、高速移動環境において優れた等化特性を実現できる受信信号等化装置および方法を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明は、ディジタル変調されたシングルキャリア信号を受信し、周波数領域の信号処理により等化を行う受信信号等化装置であって、ガードインターバル挿入単位のデータブロックをＮ（Ｎは２以上の整数）分割したサブブロック毎に周波数領域の伝送路応答を求める伝送路応答推定部と、各サブブロックの等化ウエイトを計算するウエイト計算部と、受信信号を各サブブロックの等化処理で用いるオーバラップした受信信号に分配するデータ分配部と、各サブブロックの受信信号をＭ_ＦＦＴ（Ｍ_ＦＦＴは２以上かつ２のべき乗の整数）ポイント高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform）するＦＦＴ部と、各サブブロックのＦＦＴ信号を等化するフィルタ処理部と、各サブブロックの等化信号をＭ_ＦＦＴポイント高速逆フーリエ変換（ＩＦＦＴ：Inverse Fast Fourier Transform）するＩＦＦＴ部と、各サブブロックの等化信号のうち中央の必要な信号のみを取り出し、順番に並べて合成するデータ合成部を有することを特徴とする。

また、前記受信信号等化装置における前記伝送路応答推定部は、無線フレームに挿入した複数のパイロット信号ブロックのそれぞれで伝送路応答を求め、それらの伝送路応答からデータブロックの各サブブロックに対応する伝送路応答を補間処理により計算することを特徴とする。

また、前記受信信号等化装置における前記伝送路応答推定部は、時間領域の信号処理あるいは周波数領域の信号処理に基づくことを特徴とする。

本発明は、ＦＦＴブロックを複数のサブブロックに分割し、それぞれのサブブロックに対応する伝送路応答および等化ウエイトを計算し、各サブブロックの受信信号の等化処理ではサブブロックより広い範囲でオーバラップさせながらＦＦＴを行うことにより、高速移動環境において優れた等化特性を実現できる。

次に、本発明の最良の形態について図面を参照して説明する。

図４は、本発明の受信信号等化装置の実施形態を示す構成図である。本発明の受信信号等化装置は、タイミング検出部１、伝送路応答推定部２、Ｓ／Ｐ変換部３−１〜Ｎ、ＦＦＴ部４−１〜Ｎ、ウエイト計算部５−１〜Ｎ、データ分配部６、Ｓ／Ｐ変換部７−１〜Ｎ、ＦＦＴ部８−１〜Ｎ、フィルタ処理部９−１〜Ｎ、ＩＦＦＴ部１０−１〜Ｎ、データ合成部１１で構成される。本発明の受信信号等化装置では、ＦＦＴブロックを複数のサブブロックに分割し、それぞれのサブブロックに対応する伝送路応答および等化ウエイトを計算し、各サブブロックの受信信号の等化処理ではサブブロックより広い範囲でオーバラップさせながらＦＦＴを行うことを特徴とする。

タイミング検出部１は、ディジタル変調されたシングルキャリア受信信号を入力とし、受信信号に含まれるパイロット信号を用いて、複数のパスのタイミングを検出する。タイミング検出部１は、受信信号に含まれるパイロット信号と既知のパイロット信号系列とのスライディング相関検出結果に基づいて、レベルの大きい複数のパスのタイミングを検出する方法などが用いられる。伝送路応答推定部２は、受信信号およびタイミング検出部１で検出したパスタイミングを入力とし、受信信号に含まれるパイロット信号を用いて、サブブロック毎にパスタイミングにおける伝送路推定値を推定し、伝送路のインパルス応答を求める。

図５に本発明の高速移動環境における伝送路変動とＦＦＴブロックの関係を示す。図５（ａ）に示すようにＧＩ挿入単位のデータブロックを複数のサブブロックに分割し、それぞれのサブブロックに対応する伝送路応答を求める。図の例ではＦＦＴブロックを４つのサブブロックに分割し、各サブブロックに対応する伝送路応答Ｈ_１（ｆ）、Ｈ_２（ｆ）、Ｈ_３（ｆ）、Ｈ_４（ｆ）を求める。

図２のように無線フレームの先頭と後尾にパイロット信号ブロックがある場合は、各パイロット信号ブロックで伝送路応答を求め、それらの伝送路応答からデータブロックの各サブブロックに対応する伝送路応答を補間処理により計算する方法がよく用いられる。Ｓ／Ｐ変換部３−１〜Ｎは、伝送路応答推定部２で推定した各サブブロックの伝送路のインパルス応答をＳ／Ｐ変換する。ＦＦＴ部４−１〜Ｎは、Ｓ／Ｐ変換部３−１〜Ｎで変換した各サブブロックの伝送路のインパルス応答を入力とし、Ｍ_ＦＦＴ（Ｍ_ＦＦＴは２以上かつ２のべき乗の整数）ポイントのＦＦＴを行い、周波数領域に変換した各サブブロックの伝送路応答を出力する。ウエイト計算部５−１〜Ｎは、ＦＦＴ部４−１〜Ｎの出力である各サブブロックの周波数領域の伝送路応答を入力とし、各サブブロックの等化ウエイトを計算する。ウエイト計算部５−１〜Ｎは、ＭＭＳＥあるいはZero Forcing法などが用いられる。ＭＭＳＥを用いた場合、サブブロックｎのサブキャリアｆにおけるウエイトＷ_ｎ（ｆ）（１≦ｎ≦Ｎ、１≦ｆ≦Ｎ_ＦＦＴ）は、伝送路応答Ｈ_ｎ（ｆ）を用いて、次式で計算される。

ここで、＊は複素共役、σ^２は雑音電力を表す。

データ分配部６は、受信信号を入力し、各サブブロックの等化処理で用いる受信信号を分配する。各サブブロックの等化処理で用いる受信信号は、図５（ｂ）に示すように各サブブロックより広い範囲でサブブロックの信号を中心にオーバラップさせる。Ｓ／Ｐ変換部７−１〜Ｎは、データ分配部６で分配した各サブブロックの等化処理で用いる受信信号をＳ／Ｐ変換する。ＦＦＴ部８−１〜Ｎは、Ｓ／Ｐ変換部７−１〜Ｎで変換した各サブブロックの受信信号を入力とし、Ｍ_ＦＦＴポイントのＦＦＴを行い、周波数領域に変換した受信信号を出力する。フィルタ処理部９−１〜Ｎは、ウエイト計算部５−１〜Ｎで計算した各サブブロックの等化ウエイトおよびＦＦＴ部８−１〜Ｎで周波数変換した受信信号を入力とし、それぞれをサブキャリア毎に乗じることにより、周波数領域で各サブブロックの受信信号の等化処理を行う。ＦＦＴ部８−１〜Ｎで周波数領域に変換した各サブブロックの受信信号をＸ_ｎ（ｆ）（１≦ｎ≦Ｎ、１≦ｆ≦Ｎ_ＦＦＴ）、ウエイト計算部５−１〜Ｎで計算した各サブブロックのウエイトＷ_ｎ（ｆ）とすると、フィルタ処理部９−１〜Ｎで等化された信号Ｙ_ｎ（ｆ）（１≦ｎ≦Ｎ、１≦ｆ≦Ｎ_ＦＦＴ）は、次式で表される。

Ｙ_ｎ（ｆ）＝Ｗ_ｎ（ｆ）Ｘ_ｎ（ｆ） （４）

ＩＦＦＴ部１０−１〜Ｎは、フィルタ処理部９−１〜Ｎの出力である各サブブロックの周波数領域の等化信号を入力とし、Ｍ_ＦＦＴポイントのＩＦＦＴを行い、時間領域の等化信号に変換する。データ合成部１１は、時間領域に変換した各サブブロックの等化信号のうち中央の必要な信号のみを取り出し、順番に並べて合成し、復調信号として出力する。ここで、Ｍ_ＦＦＴの値はＦＦＴブロック内の伝送路ずれを小さくするため、できるだけ小さい値にしたいが、ＧＩを利用できないことによりブロック間干渉を受けるため、サブブロックのサイズよりは大きい値にする必要がある。ＧＩがない場合は、ＩＦＦＴ後の等化信号におけるブロック間干渉の影響はブロックの両端に現れる特徴があるため、ＦＦＴブロックのサイズをサブブロックより大きくし、ＩＦＦＴ後にサブブロックの信号のみを取り出すことでブロック間干渉の少ない等化信号を得ることができる。Ｍ_ＦＦＴの値にはＦＦＴブロック内の伝送路ずれとブロック間干渉の影響を考慮した最適値が存在する。

本実施形態では、伝送路応答推定をパイロット信号との時間領域の相関計算に基づき行っているが、パイロット信号を直接ＦＦＴし、周波数領域の相関計算により行う方法も考えられ、その場合にも本発明は適用できる。

また、本実施形態では、高速移動環境で有効な受信信号等化装置の構成を述べているが、低速移動環境では、ＦＦＴブロック内の伝送路ずれが小さいため、ＧＩを利用してブロック間干渉を回避できる従来の等化装置が優れている。したがって移動速度環境に応じて、従来の等化装置と本発明の等化装置を切り替える構成も考えられ、本発明に含まれる。

以上、説明したように、本発明の受信信号等化装置では、ＦＦＴブロックを複数のサブブロックに分割し、それぞれのサブブロックに対応する伝送路応答および等化ウエイトを計算し、各サブブロックの受信信号の等化処理ではサブブロックより広い範囲でオーバラップさせながらＦＦＴを行うことにより、高速移動環境において優れた等化特性を実現できる。

本発明は、移動通信システムの基地局無線装置あるいは移動局無線装置に用いることができる。

従来の等化装置を示すブロック図である。 周波数領域イコライザを用いる場合の無線フレームフォーマットの一例を示す図である。 高速移動環境における伝送路変動とＦＦＴブロックの関係を示す図である。 本発明の受信信号等化装置の実施例を示す構成図である。 本発明の高速移動環境における伝送路変動とＦＦＴブロックの関係を示す図である。

符号の説明

１ タイミング検出部
２ 伝送路応答推定部
３−１〜Ｎ，７−１〜Ｎ Ｓ／Ｐ変換部
４−１〜Ｎ，８−１〜Ｎ ＦＦＴ部
５−１〜Ｎ ウエイト計算部
６ データ分配部
９−１〜Ｎ フィルタ処理部
１０−１〜Ｎ ＩＦＦＴ部
１１ データ合成部

Claims (6)

1. ディジタル変調されたシングルキャリア信号を受信し、周波数領域の信号処理により等化を行う受信信号等化装置であって、
   ガードインターバル挿入単位のデータブロックをＮ（Ｎは２以上の整数）分割したサブブロック毎に周波数領域の伝送路応答を求める伝送路応答推定部と、
   各サブブロックの等化ウエイトを計算するウエイト計算部と、
   受信信号を各サブブロックの等化処理で用いるオーバラップした受信信号に分配するデータ分配部と、
   各サブブロックの受信信号をＭ_ＦＦＴ（Ｍ_ＦＦＴは２以上かつ２のべき乗の整数）ポイント高速フーリエ変換するＦＦＴ部と、
   各サブブロックのＦＦＴ信号を等化するフィルタ処理部と、
   各サブブロックの等化信号をＭ_ＦＦＴポイント高速逆フーリエ変換するＩＦＦＴ部と、
   各サブブロックの等化信号のうち中央の必要な信号のみを取り出し、順番に並べて合成するデータ合成部とを有することを特徴とする受信信号等化装置。
2. 前記伝送路応答推定部は、無線フレームに挿入した複数のパイロット信号ブロックのそれぞれで伝送路応答を求め、それらの伝送路応答からデータブロックの各サブブロックに対応する伝送路応答を補間処理により計算することを特徴とする請求項１に記載の受信信号等化装置。
3. 前記伝送路応答推定部は、時間領域の信号処理あるいは周波数領域の信号処理に基づくことを特徴とする請求項１に記載の受信信号等化装置。
4. ディジタル変調されたシングルキャリア信号を受信し、周波数領域の信号処理により等化を行う受信信号等化方法であって、
   ガードインターバル挿入単位のデータブロックをＮ（Ｎは２以上の整数）分割したサブブロック毎に周波数領域の伝送路応答を求め、
   各サブブロックの等化ウエイトを計算し、
   受信信号を各サブブロックの等化処理で用いるオーバラップした受信信号に分配し、
   各サブブロックの受信信号をＭ_ＦＦＴ（Ｍ_ＦＦＴは２以上かつ２のべき乗の整数）ポイント高速フーリエ変換し、各サブブロックのＦＦＴ信号を等化し、
   各サブブロックの等化信号をＭ_ＦＦＴポイント高速逆フーリエ変換し、
   各サブブロックの等化信号のうち中央の必要な信号のみを取り出し、順番に並べて合成する各ステップを有することを特徴とする受信信号等化方法。
5. 前記伝送路応答推定ステップでは、無線フレームに挿入した複数のパイロット信号ブロックのそれぞれで伝送路応答を求め、それらの伝送路応答からデータブロックの各サブブロックに対応する伝送路応答を補間処理により計算することを特徴とする請求項４に記載の受信信号等化方法。
6. 前記伝送路応答推定ステップでは、時間領域の信号処理あるいは周波数領域の信号処理に基づくことを特徴とする請求項４に記載の受信信号等化方法。

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