JP2008509594A - デジタル信号の送信方法、デジタル信号の受信方法、並びに送信機及び受信機 - Google Patents

Abstract

既存の送信方法における性能を向上させる。
少なくとも一つの信号値ブロックにグループ化される複数の信号値からなる信号を送信する送信機（１０６）である。この送信機は、各信号値ブロックを前変換により処理して、変調符号のブロックを生成するように構成された前変換部（１０１）を備え、前変換は、相回転行列を有する前記信号値ブロックの乗算に対応する信号ブロック値の相回転からなる。送信機は、少なくとも一の搬送波信号を、変調符号に基づいて変調するように構成された変調部（１０２）と、変調された搬送波信号を送信するように構成された送信部（１０４）とを備える。

Description

本発明は、デジタル信号の送信方法、デジタル信号の受信方法、並びに送信機及び受信機に関する。

移動体通信においては、ユーザ容量が高く、データ速度が高いことが望ましい。これを実現するには、移動体無線システムのスペクトル効率が高くなければならない。ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing：直交周波数分割多重）に基づくマルチキャリア変調を用いると、ロバスト性能及び高スペクトル効率を実現できる。

ＯＦＤＭ変調前に、前変換を実行することで、いわゆるＰＴ−ＯＦＤＭ（pre-transform OFDM）システムを作ることができる。

特許文献１（更に非特許文献１）には、ＰＴ−ＯＦＤＭシステム用反復検出アルゴリズムが記載されている。これを次に説明する。

反復検出アルゴリズムにおける（反復指標ｉに対応する）反復は、３つの工程に対応する。即ち、復元工程、線形フィルタリング工程及び決定工程である。

ｉ番目の復元工程、即ち、反復指標ｉに対応する反復の復元工程では、受信信号ｒ（受信信号ベクトル）のｍ_ｉ番目の成分が推定される。これは、先に検出された符号（シンボル）

（即ち、先の反復で検出された信号ベクトル）を用いて行われる。ｍ_ｉは、ｉ番目の最小振幅を有する周波数ドメインチャネルに対応する。フィルタリング工程では、異なる配列間のデータ干渉（cross interference）が、Ｇで示される線形フィルタにより除去される。決定工程では、仮の（硬又は軟）判定（これは、ｄｅｃ（．）で示される）が行われ、ｉ番目の反復で検出される符号

が生成される。

アルゴリズムは、次式で初期化される。

ｉ番目の反復は、次式で与えられる。

但し、０ _ｍは、ｍ番目の対角項が１からなり、そのほかは０からなる対角行列として規定される。また、１ _ｍは、ｍ番目の対角項が０からなり、そのほかは１からなる対角行列として規定される。

特許文献１では、前変換は、ウォルシュ・アダマール変換（ＷＨＴ）又はその他の基準変換に基づいている。

上記には、以下の文献が引用されている。

Receiver Having a Signal Reconstructing Section for Noise Reduction, System and Method Thereof, International Application Number: PCT/SG02/00194 Z. Lei, Y. Wu, C.K. Ho, S. Sun, P. He, and Y. Li, "Iterative detection for Walsh-Hadamard Transformed OFDM", in Proc. 57th IEEE Vehicular Technology Conf., Jeju, Korea, Apr. 2003, pp. 637-640

本発明は、既存の送信方法における性能の向上を課題とする。

上記の課題は、独立項に係る特徴を有するデジタル信号の送信方法、デジタル信号の受信方法、送信機及び受信機により実現される。

少なくとも一つの信号値ブロックにグループ化される複数の信号値からなる信号を送信する方法であって、各信号値ブロックを前変換により処理して、変調符号のブロックを生成する工程を備え、前記前変換は、相回転行列を有する前記信号値ブロックの乗算に対応する前記信号ブロック値の相回転からなり、少なくとも一の搬送波信号を、前記変調符号に基づいて変調する工程と、前記変調された搬送波信号を送信する工程とを備えることを特徴とする信号送信方法が提供される。

更に、信号を受信する方法であって、変調された搬送信号を受信する工程と、前記変調された搬送信号を復調して変調符号ブロックを生成する工程と、前記変調符号ブロックを逆前変換により処理する工程とを備え、前記逆前変換は、相回転行列を有する前記変調符号ブロックの乗算に相当する、前記変調符号ブロックの相回転からなることを特徴とする信号受信方法が提供される。

更に、前記デジタル信号の送信方法に係る送信機、及び前記デジタル信号の受信方法に係る受信機が提供される。

具体的には、相回転からなる前変換を用いる。相回転により、エラーが均等に広がってエラー伝播が減少する。特に、変換サイズが小さい場合、即ち、信号値ブロックの次元が小さく、信号ノイズ比が高い場合は、ＢＥＲ（ビットエラーレート）の観点からみた性能は、従来技術の送信方法よりも向上する。

本発明の実施例は、従属項から発生する。デジタル信号の送信方法の内容に記載された本発明の実施例は、デジタル信号の受信方法、送信機及び受信機にも有効である。

前記前変換は、前記信号値ブロックのドメイン変換からなる。この場合、前変換は、相回転行列とドメイン変換行列、例えばＦＦＴ（fast Fourier transform）行列との積を有する信号値ブロックの乗算に相当しうる。

一の実施例では、前記ドメイン変換は、前記相回転の後に行われる。

前記ドメイン変換は、離散サイン変換、離散コサイン変換又は離散フーリエ変換であってよい。前変換は、ウォルシュ・アダマール変換（ＷＨＴ）から構成することができる。

一の実施例では、前記相回転は、前記信号値ブロックの成分のうちの少なくとも一成分を、ゼロでない角度で回転させる。別の実施例では、前記相回転は、前記信号値ブロックの成分のうちの全成分、又は一つだけ除いた全成分を、ゼロでない角度で回転させる。一の実施例では、信号値ブロックの成分の絶対値は、相回転により変化しない。

前記相回転行列は、例えば、対角行列である。一の実施例では、相回転行列における斜め方向成分の全ての絶対値は、１である。

一の実施例では、前記相回転行列は、ｄｉａｇ（１，α，…，α^Ｍ−１）の形態を有し、ここでα＝ｅｘｐ（−ｊπ／（２Ｍ））であり、Ｍは前記信号値ブロックの次元である。その他の値も、その他の相回転を実現させるように、α又は相回転行列の対角要素に用いることもできる。

本発明は、例えば、ＷＬＡＮ１１ａ、ＷＬＡＮ１１ｇ、Ｓｕｐｅｒ３Ｇ、ＨＩＰＥＲＬＡＮ２及びＷＩＭＡＸ（Worldwide Interoperability for Microwave Access）に基づく通信システムで用いることができる。

本発明に関わる方法は、対応する命令を提供されているコンピュータにより実行できる。

図１は、本発明の実施例に係る送信機／受信機システム１００を示す。

送信機／受信機システム１００は、ＰＴ−ＯＦＤＭ（Pre-Transform Orthogonal Frequency Division Multiplexing）システムに基づいて形成される。簡単のために、Ｍ＝２^ｋ、例えばＭ＝３２であり、Ｍの情報符号ｘ_ｍ（ｍ＝１，２，…，Ｍ）は、一のＯＦＤＭ符号の形態で同時に送信されると仮定する。これらの情報符号を送信するために、情報符号のベクトルｘ＝［ｘ_１，ｘ_２，…，ｘ_ｍ］^Ｔ（本来の信号ベクトルと次に称される）は、前変換部１０１に供給される。上付き文字Ｔは、移項演算子を意味する。

前変換部１０１は、次式に従って、本来の信号ベクトルに対して変調符号のベクトルｓ＝［ｓ_１，ｓ_２，…，ｓ_Ｍ］^Ｔを計算する。

ｓ＝Ｗ・ｘ・
Ｗは、サイズＭ×ＭのＰＴ（pre-transform）行列を表す。チャネル使用のたびに送信された情報符号の数という観点では、符号レートの損失はない。ＯＦＤＭシステムの場合、行列Ｗは、単に単位行列であろう。

次に、前変換部１０１により生成された変調符号のベクトル（又はブロック）sは、逆高速フーリエ変換を変調符号のブロックに対して実行するＩＦＦＴ（inverse fast Fourier transform）部１０２に移される。

逆高速フーリエ変換は、本実施例において、逆フーリエ変換を有効に実現する変換として用いられる。逆高速フーリエ変換の代わりに、例えば、逆離散サイン変換又は逆離散コサイン変換のその他のドメイン変換を用いることができる。

次に、ＩＦＦＴ部１０２により生成されたベクトルは、Ｐ／Ｓ（parallel to serial）部１０３により、並列から直列に、即ち信号値シークエンスにマッピングされる。サイクリックプレフィックス部１０４は、サイクリックプレフィックスを信号値シークエンスに挿入し、チャネル１０５を介して送信されるＰＴ−ＯＦＤＭ符号を形成する。

挿入されたサイクリックプレフィックスの継続時間は、最大チャネル遅延拡散より短くはない。チャネル１０５は、加算性白色ガウス雑音（ＡＷＧＮ）により劣化する準静的周波数選択レーリーフェージングチャネルであると仮定する。

前変換部１０１、Ｐ／Ｓ部１０２及びサイクリックプレフィックス部１０４は、送信機１０６の一部である。

ＰＴ−ＯＦＤＭ符号は、受信機１０７により受信される。サイクリックプレフィックス除去部１０８は、ＰＴ−ＯＦＤＭ符号からサイクリックプレフィックスを除去する。その結果生じた信号値シークエンスは、Ｓ／Ｐ部１０９により並列から直列にマッピングされ、ＦＦＴ（fast Fourier transform）部１１０により、高速フーリエ変換に基づいてドメイン変換される。ＩＦＦＴ部１０２と同様に、ＦＦＴ部１１０は、その他の実施例において、離散サイン変換又は離散コサイン変換或いは別のドメイン変換を実行するように構成することができる。

ＦＦＴ部１１０の出力ベクトルは、ｒ＝［ｒ_１，ｒ_２，…，ｒ_ｍ］^Ｔで示され、次式として記述される。

ｒ＝Γ・ｓ＋ｎ＝Γ・Ｗ・ｘ＋ｎ
但し、Γ＝ｄｉａｇ（ｈ_１，ｈ_２，…，ｈ_Ｍ）は、周波数ドメインチャネル係数である対角要素ｈ_１，ｈ_２，…，ｈ_Ｍを有する対角行列であり、ｎは、次元Ｍ×１のＡＷＧＮベクトルである。周波数ドメインチャネル係数は、サンプリングされた空間Ｌ次ＦＩＲ（finite input response）チャネルモデル

を仮定する場合に、次式として与えられる。

ＦＦＴ部１１０の出力ベクトルｒは、検出部１１１に供給される。検出部１１１は、反復検出アルゴリズムを実行する。反復検出アルゴリズムにおける（反復指標ｉに対応する）反復は、３つの工程に対応する。即ち、復元工程、線形フィルタリング工程及び決定工程である。

ｉ番目の復元工程、即ち、反復指標ｉに対応する反復の復元工程では、ベクトルｒのｍ_ｉ番目の成分が推定される。これは、先に検出された符号（シンボル）

（即ち、先の反復で検出された信号ベクトル）を用いて行われる。ｍ_ｉは、ｉ番目の最小振幅を有する周波数ドメインチャネルに対応する。フィルタリング工程では、異なる配列間のデータ干渉（cross interference）が、Ｇで示される線形フィルタにより除去される。決定工程では、仮の（硬又は軟）判定（これは、ｄｅｃ（．）で示される）が行われ、ｉ番目の反復で検出される符号

が生成される。最終反復が実行された場合（例えば、反復が与えられた回数、例えば４回行われた後）、検出された符号

は、複数の決定部１１２により出力される。

アルゴリズムは、次式で初期化される。

ｉ番目の反復は、次式で与えられる。

但し、０ _ｍは、ｍ番目の対角項が１からなり、そのほかは０からなる対角行列として規定される。また、１ _ｍは、ｍ番目の対角項が０からなり、そのほかは１からなる対角行列として規定される。

前変換部１０１により実行される前変換を規定する行列Ｗは、次の基準に従って選択される。即ち、Ｗはユニタリ行列であるべきであり、Ｗは一定振幅の要素を有するべきであるという基準である。

一番目の要求は、システム容量を維持する役目をする。一方、二番目の要求は、エラー伝播がない場合に、検出工程の度に後置フィルタリングされたＳＮＲ（信号ノイズ比）を最も悪化させてしまう。

仮に、当該行列が前述の基準を満足するならば、エラー伝播が生じる際に、他よりも優れた性能を導くような変換が存在する。その効果は、ＺＦフィルタをフィルタリング工程に用いる場合であって、且つ変換サイズが小さい場合に、最も著しい。

ウォルシュ・アダマール変換を用いると、ＱＰＳＫ（quadrature phase shift keying）（四位相偏移変調）信号群を用いる際の高ＳＮＲ条件では、性能が悪くなる。これは、エラー伝播が、その他の適切に設計された変換を用いる場合と比べて、ビットエラー性能を高める「エラー群（error constellation）」の原因となるからである。

本実施例では、エラー伝播が生じるのは避けられないので、よりランダム状の「エラー群」を与える設計に基づく変換が用いられる。これは、次式に規定される行列Ｗ _０に基づく前変換を用いることで実現される。ここで前述のように、変換サイズＭは、２の累乗であると仮定している。

Ｗ _０＝Ｆ×ｄｉａｇ（１，α，…，α^M−１）
但し、α＝ｅｘｐ（−ｊπ／（２Ｍ））であり、ＦはサイズＭのＦＦＴ行列である。

Ｗ _０はユニタリ行列であり、一定振幅の要素を有することは、容易に検証される。

同時に、この変換は、文献［３］においてチャネルダイバーシティを最大に利用するように最尤検出（ＭＬＤ）に提案されている。しかしながら、ここで採用している手法は異なっている。なぜならＱＰＳＫ群向けの４Ｍ程度で、実施が非常に困難なＭＬＤにW _０を用いておらず、また変換により生じるエラー伝播を最小化するためにＷ _０を用いられているからである。また、変換にＷ _０を用いる際、図１に示したＰＴ−ＯＦＤＭシステムは、単一の搬送周波数領域等化（ＳＣ−ＦＤＥ）システムとなり、これにより複数の符号がＷ _０向けの式で規定された相回転対角行列に従って前回転することを留意されたい。

これは、有利なことに、用いられた信号群が一定振幅を有する場合に、平均電力に対するピーク電力の比（peak-to-average-power ratio）ができるだけ小さい比まで減少することを意味する。

シミュレーションによれば、行列Ｗ _０に基づく前変換を用いることにより、特にＳＮＲが高い場合に、ＢＥＲ（ビットエラーレート）が低いという観点でより高い性能が実現できる。従って、ノイズの分散が受信機で知られていない場合は、設計された変換により、著しく性能が改良されうる。

チャネル１０５を劣化させるノイズの分散が知られているという仮定の下、検出部１１１が後述のＭＭＳＥ（minimum mean square error）フィルタを用いることで、送信機／受信機システム１００の性能を向上させることができる。

ＭＭＳＥ基準を考慮し、また先に検出された符号の夫々は復元において正確であると仮定すると、ｉ番目（ｉ＝１，２，…，Ｍ）の反復の線形フィルタは次式のように導かれる。

Ｇ＝Ｗ ^−１・Ｂ=Ｗ^−１・ｄｉａｇ（β_１，β_２，…，β_Ｍ）
但し、

また、σ^２はノイズ分散である。このＧは、前述のように、検出部１１１により実行される復元アルゴリズムのフィルタリング工程で用いられる。

復元アルゴリズムの初期反復に対して、次式のＭＭＳＥフィルタが用いられる。

行列Ｗがユニタリ行列として選択され、且つ一定振幅の要素を有する場合は、ＭＭＳＥフィルタが用いられる場合においても、ｍ_ｉの選択は不変である（ｉ番目の最小振幅を有する周波数ドメインチャネルに対応する）。つまり、この選択は、先の検出が正しいという仮定の下で、検出工程の度に後置フィルタリングされたＳＮＲ（信号ノイズ比）を最も悪化させてしまう。

シミュレーションによれば、このフィルタを用いることにより、エラーフロアを減少させ、また高ＳＮＲに対して優れた性能を実現できる。このＭＭＳＥフィルタは、ノイズ分散が受信機で知られているという認識を必要とすることに留意されたい。しかしながら、シミュレーションによれば、それはノイズ分散エラーに対してロバストである。

一の実施例では、復元は、図２及び図３を参照して説明されるように、拡張される。

図２は、本発明の実施例に係る受信機２００を示す。

受信機２００は、送信機／受信機システム１００において、図１の示した受信機１０７の代わりに用いてよい。受信機２００は、検出部２０１と、図１の受信機１０７の決定部１１２に対応する複数の決定部２０６とから構成される。受信機１０７と同様に、受信機２００は、図２には図示していない例えばＦＦＴ部等の、その他の機能部を備えている。

検出部１１１と同様に、例えばＦＦＴを実行するＦＦＴ部の出力ベクトル等の、ベクトルｒは、決定部２０１に供給される。

受信機２０１のフィルタリング部２０２は、例えば上述した復元アルゴリズムの初期フィルタリング工程等の、復元アルゴリズムのフィルタリング工程を実行する。上述の復元アルゴリズムに従って

で示されるフィルタリング工程の結果は、第１非線形検出部２０３に供給される。

受信機は、第２非線形検出部２０５を更に備える。第１非線形検出部２０３及び第２非線形検出部２０５の構造について、図３を参照して以下に説明する。

図３は、本発明の実施例に係る非線形検出部３００を示す。

非線形検出部は、以下に示すように、規則正しい干渉除去アルゴリズムを実行する。

非線形検出部３００の入力ベクトルは、送信された信号の軟推定値である（第１非線形検出部の場合には、これはフィルタリング部２０２の出力

である）。非線形検出部３００の入力ベクトルは、順序付け部３０１に供給される。

順序付け部３０１は、信号除去におけるいずれかの点に対する入力の最小ユークリッド距離を得ることにより、順序付け工程を実行する。そして、入力ベクトルの成分は、最大ユークリッド距離から最小ユークリッド距離に並べられ、入力ベクトルの成分に対してｃ_１，ｃ_２，…，ｃ_Ｍを生成するために硬判定が行われる。

ｃ_１，ｃ_２，…，ｃ_Ｍは、以下のようなアルゴリズムを実行する除去部３０２に供給される。即ち、
干渉除去ｊ＝１，…，Ｊに対して、
（ｉ）｛ｃ_ｋ｝_ｋ≠ｊを用いて復元された受信信号ｒ _ｉから除去し、ｃ_ｊの軟推定値を得る。
（ｉｉ）当該軟推定値に対し硬判定を実行し、新しく検出されたｃ_ｊを更新する。
（ｉｉｉ）ｊを増加させて（ｉ）を続ける。

Ｊは除去工程の数であり、例えばＭと等しく選択される。

具体的には、干渉除去アルゴリズムは、推定値の「最良又は最高」成分を用いている。これは、信号群までの高ユークリッド距離を有する「最悪又は最低」成分を改良するために、信号群までの最小ユークリッド距離を有しているという意味である。

第１除去部３０２の出力は、復元部２０４に供給される。復元部２０４は、上述した復元アルゴリズムに従って、ｉ番目の反復（但しｉ＝１，２，…）に対して復元工程及びフィルタリング工程を行う。

復元部２０４により実行された反復の夫々における結果は、第２非線形検出部２０５に供給される。第２非線形検出部２０５の出力は、当該出力が、受信機２００の出力を生成する複数の決定部２０６に供給されると同時に、最終反復以外の場合に、実行されるべき次の反復のために、復元部２０４に供給される。

先行技術に係る（行列Ｗに係る）前変換と、先行技術に係る（行列Ｇに係る）フィルタと共に、受信機２００を用いることができる。これは、距離測定に基づいて信号値の順序付けを行い、且つ（最小距離という観点から）最良の信号値を用いてその他の信号値からの干渉を除去するいう考えが、相回転行列からなる前変換とデータ送信に用いられたチャネルのノイズ分散に依存するフィルタとを用いるという考えから独立している。

本発明の実施例に係る送信機／受信機システム１００を示す図である。 本発明の実施例に係る受信機２００を示す図である。 本発明の実施例に係る非線形検出部を示す図である。

符号の説明

１００ 送信機／受信機システム
１０１ 前変換部
１０２ ＩＦＦＴ部
１０３ Ｐ／Ｓ部
１０４ サイクリックプレフィックス部
１０５ チャネル
１０６ 送信機
１０７ 受信機
１０８ サイクリックプレフィックス除去部
１０９ Ｓ／Ｐ部
１１０ ＦＦＴ部
１１１ 検出部
１１２ 決定部

Claims (10)

1. 少なくとも一つの信号値ブロックにグループ化される複数の信号値からなる信号を送信する方法であって、
   各信号値ブロックを前変換により処理して、変調符号のブロックを生成する工程を備え、
   前記前変換は、相回転行列を有する前記信号値ブロックの乗算に対応する前記信号ブロック値の相回転からなり、
   少なくとも一の搬送波信号を、前記変調符号に基づいて変調する工程と、
   前記変調された搬送波信号を送信する工程と
   を備えることを特徴とする信号送信方法。
2. 前記前変換は、前記信号値ブロックのドメイン変換からなることを特徴とする請求項１に記載の信号送信方法。
3. 前記ドメイン変換は、前記相回転の後に行われることを特徴とする請求項２に記載の信号送信方法。
4. 前記ドメイン変換は、離散サイン変換、離散コサイン変換又は離散フーリエ変換であることを特徴とする請求項１又は２に記載の信号送信方法。
5. 前記相回転は、前記信号値ブロックの成分のうちの少なくとも一成分を、ゼロでない角度で回転させることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の信号送信方法。
6. 前記相回転行列は、対角行列であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の信号送信方法。
7. 前記相回転行列は、ｄｉａｇ（１，α，…，α^Ｍ−１）の形態を有し、ここでα＝ｅｘｐ（−ｊπ／（２Ｍ））であり、Ｍは前記信号値ブロックの次元であることを特徴とする請求項６に記載の信号送信方法。
8. 信号を受信する方法であって、
   変調された搬送信号を受信する工程と、
   前記変調された搬送信号を復調して変調符号ブロックを生成する工程と、
   前記変調符号ブロックを逆前変換により処理する工程とを備え、
   前記逆前変換は、相回転行列を有する前記変調符号ブロックの乗算に相当する、前記変調符号ブロックの相回転からなることを特徴とする信号受信方法。
9. 少なくとも一つの信号値ブロックにグループ化される複数の信号値からなる信号を送信する送信機であって、
   各信号値ブロックを前変換により処理して、変調符号のブロックを生成するように構成された前変換部であって、前記前変換は、相回転行列を有する前記信号値ブロックの乗算に対応する前記信号ブロック値の相回転からなる前変換部と、
   少なくとも一の搬送波信号を、前記変調符号に基づいて変調するように構成された変調部と、
   前記変調された搬送波信号を送信するように構成された送信部と
   を備えることを特徴とする送信機。
10. 信号を受信する受信機であって、
    変調された搬送信号を受信するように構成された受信部と、
    前記変調された搬送信号を復調して変調符号ブロックを生成するように構成された復調部と、
    前記変調符号ブロックを逆前変換により処理するように構成された処理部であって、前記逆前変換は、相回転行列を有する前記変調符号ブロックの乗算に相当する、前記変調符号ブロックの相回転からなる処理部と
    を備えることを特徴とする受信機。

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