JP2009044717A

JP2009044717A - マルチキャリアシステムにおけるピーク電力対平均電力比低減方法、送信機及び受信機

Info

Publication number: JP2009044717A
Application number: JP2008114179A
Authority: JP
Inventors: Xiaoqiu Wang; 暁秋王; Toshinori Suzuki; 利則鈴木; Xiaofeng Tao; 陶小峰; Yi Wang; 王軼; Ping Zhang; 張平
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications; KDDI Corp
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications; KDDI Corp
Priority date: 2007-08-10
Filing date: 2008-04-24
Publication date: 2009-02-26
Also published as: CN101174867A; CN101174867B

Abstract

【課題】ＯＦＤＭシステム等のマルチキャリアシステムにおいて、ＰＡＰＲの低減を図るとともに情報伝送率の劣化を防止することを図る。
【解決手段】Ｎ個のサブキャリアを有するマルチキャリアシステムにおいて、送信機が、包絡が一定かつ自己相関が０であるＣＡＺＡＣシーケンスを列に従って再配置することにより得られるＮ×Ｎの直交変換行列を有し、周波数領域の送信信号と前記直交変換行列を乗算した信号をマルチキャリア変調後に送信する。
【選択図】図１

Description

本発明は、マルチキャリアシステムにおけるピーク電力対平均電力比低減方法、送信機及び受信機に関する。

従来、マルチキャリア（多重搬送波）伝送方式として、例えば、直交周波数分割多重（Orthogonal Frequency Division Multiplexing：ＯＦＤＭ）方式が知られている。ＯＦＤＭ方式は、移動通信方式において高速伝送を可能とするものとして注目され、次世代の無線通信システムにも有望な方式である。ＯＦＤＭ方式は、マルチパス伝播環境における遅延時間の広がりによる波形歪に対して耐性が高く、周波数利用効率に優れているが、その一方で、独立に変調された搬送波が重畳されているために、ピーク電力対平均電力比（Peak to Average Power Ratio：ＰＡＰＲ）が高くなるという欠点がある。このため、非線形歪みによる信号劣化が生じ、アナログ／デジタル変換回路の複雑化を招くなどの問題が生じる。又、その問題は、電池の寿命を短くすることから、特に携帯端末にとって重要な問題となる。このことを防ぐために線形領域の広い増幅器を利用しようとすると、装置の大型化やコストの増大を招くため、ＰＡＰＲをできる限り抑えることが好ましい。つまり、ＯＦＤＭ信号のＰＡＰＲ削減は、経済的でかつ使い易い移動通信システムの実現に極めて重要である。

従来のＯＦＤＭシステムにおけるＰＡＰＲ削減方法としては、
（１）ある電力閾値における送信信号のクリッピング、
（２）入力データを低ＰＡＰＲ符号語に変換する符号化、
（３）各サブキャリアの変調信号を位相回転させる複数の位相パターン候補からピークを最も抑圧する位相パターンの選択（selected mapping：ＳＬＭ）、
（４）サブキャリアをクラスタに分割し、逆フーリエ変換（ＩＦＦＴ）を行った後に各クラスタに対して最適な位相を乗算する部分系列伝送（partial transmit sequences：ＰＴＳ）、
などが検討されている。
C.Tellambura，"Upper bound on peak factor of N-multiple carriers"，ELECTTONICS LETTERS，vol.33，no.19，1997年9月11日

上述した従来技術の内では、ＳＬＭ及びＰＴＳが優れたＰＡＰＲ性能を有する。しかしながら、ＳＬＭでは、位相パターン侯補数の増加に伴い、ＩＦＦＴ処理の回数が増加する。又、ＳＬＭ及びＰＴＳにおいては、受信側に位相パターン情報を伝送するための付加情報（Side Information：ＳＩ）が必要であるために、情報伝送率が劣化する。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、ＯＦＤＭシステム等のマルチキャリアシステムにおいて、ＰＡＰＲの低減を図るとともに情報伝送率の劣化を防止することのできる、マルチキャリアシステムにおけるピーク電力対平均電力比低減方法、送信機及び受信機を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係るマルチキャリアシステムにおけるピーク電力対平均電力比低減方法は、Ｎ個のサブキャリアを有するマルチキャリアシステムにおいて、送信機が、包絡が一定かつ自己相関が０であるＣＡＺＡＣシーケンスを列に従って再配置することにより得られるＮ×Ｎの直交変換行列を有し、周波数領域の送信信号と前記直交変換行列を乗算した信号をマルチキャリア変調後に送信し、受信機が、周波数領域の受信信号を逆変換することにより、送信信号を回復することを特徴とする。

本発明に係るマルチキャリアシステムにおけるピーク電力対平均電力比低減方法においては、単一アンテナが装備されるＳＩＳＯシステムにおいて、Ｎの二乗の長さの前記ＣＡＺＡＣシーケンスを構成し、該ＣＡＺＡＣシーケンスを列に従って再配置することによりＮ×Ｎの直交変換行列を得ることを特徴とする。

本発明に係るマルチキャリアシステムにおけるピーク電力対平均電力比低減方法においては、前記ＳＩＳＯシステムにおいて、前記送信機が、前記直交変換行列とオリジナル周波数送信信号により構成される列行列を乗算して最終送信信号を生成し、前記直交変換行列とオリジナル周波数送信信号により構成される列行列の乗算は、信号処理技術である直交高速アルゴリズムにより実現することを特徴とする。

本発明に係るマルチキャリアシステムにおけるピーク電力対平均電力比低減方法においては、複数のアンテナが装備されるＭＩＭＯシステムにおいて、Ｎの二乗の長さの前記ＣＡＺＡＣシーケンスを構成し、該ＣＡＺＡＣシーケンスを列に従って再配置することによりＮ×Ｎの直交変換行列を得ることを特徴とする。

本発明に係るマルチキャリアシステムにおけるピーク電力対平均電力比低減方法においては、前記ＭＩＭＯシステムにおいて、前記送信機が、一つ又は複数の前記直交変換行列と各アンテナのオリジナル周波数送信信号により構成される列行列を乗算して最終送信信号を生成し、前記直交変換行列とオリジナル周波数送信信号により構成される列行列の乗算は、信号処理技術である直交高速アルゴリズムにより実現することを特徴とする。

本発明に係る送信機は、Ｎ個のサブキャリアを有するマルチキャリアシステムの送信機において、包絡が一定かつ自己相関が０であるＣＡＺＡＣシーケンスを列に従って再配置することにより得られるＮ×Ｎの直交変換行列を有し、周波数領域の送信信号と前記直交変換行列を乗算する直交行列変換部と、該乗算結果の信号をマルチキャリア変調後に送信する送信手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明に係る送信機においては、単一アンテナが装備されるＳＩＳＯシステムにおいて、前記Ｎ×Ｎの直交変換行列は、Ｎの二乗の長さの前記ＣＡＺＡＣシーケンスを構成し、該ＣＡＺＡＣシーケンスを列に従って再配置することにより得られたことを特徴とする。

本発明に係る送信機においては、前記ＳＩＳＯシステムにおいて、前記直交行列変換部は、前記直交変換行列とオリジナル周波数送信信号により構成される列行列を乗算して最終送信信号を生成し、前記直交変換行列とオリジナル周波数送信信号により構成される列行列の乗算は、信号処理技術である直交高速アルゴリズムにより実現することを特徴とする。

本発明に係る送信機においては、複数のアンテナが装備されるＭＩＭＯシステムにおいて、前記Ｎ×Ｎの直交変換行列は、Ｎの二乗の長さの前記ＣＡＺＡＣシーケンスを構成し、該ＣＡＺＡＣシーケンスを列に従って再配置することにより得られたことを特徴とする。

本発明に係る送信機においては、前記ＭＩＭＯシステムにおいて、前記直交行列変換部は、一つ又は複数の前記直交変換行列と各アンテナのオリジナル周波数送信信号により構成される列行列を乗算して最終送信信号を生成し、前記直交変換行列とオリジナル周波数送信信号により構成される列行列の乗算は、信号処理技術である直交高速アルゴリズムにより実現することを特徴とする。

本発明に係る受信機は、Ｎ個のサブキャリアを有するマルチキャリアシステムの受信機において、周波数領域の受信信号を逆変換することにより、送信信号を回復する手段を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、ＯＦＤＭシステム等のマルチキャリアシステムにおいて、ＰＡＰＲの低減を図るとともに情報伝送率の劣化を防止することができるという効果が得られる。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。本実施形態では、マルチキャリアシステムとしてＯＦＤＭシステムを例に挙げて説明する。

本発明は、ＣＡＺＡＣ（Constant Amplitude Zero Autocorrelation）シーケンスを用いてＯＦＤＭシンボルの相関特性を潰すことにより、ＰＡＰＲ（ピーク電力対平均電力比）の低減を図るものである。特に、ＳＩＳＯ（Single Input Single Output）−ＯＦＤＭシステムとＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）−ＯＦＤＭシステムに適している。

本実施形態に係るＰＡＰＲ低減方法は、以下のステップからなる。
ステップＳ１：Ｔ_ｘ個の送信アンテナを有するＭＩＭＯ（Ｔ_ｘ＝１の場合、ＳＩＳＯ）−ＯＦＤＭシステムにおいて、Ｔ_ｘ個の素数Ｐ_ｉ（但し、ｉ＝１，２，・・・，Ｔ_ｘ）を用意する。次いで、素数Ｐ_ｉからＣＡＺＡＣシーケンス「Ｚ^Ｐｉ＝｛Ｚ_０ ^Ｐｉ，Ｚ_１ ^Ｐｉ，・・・，Ｚ_Ｍ−１ ^Ｐｉ｝を算出する。ＣＡＺＡＣシーケンスＺ_ｋ ^Ｐｉ（但し、ｋ＝０，１，・・・，Ｍ−１）は、（１）式で表される。但し、ＭはＮの二乗である（Ｍ＝Ｎ×Ｎ）。ＮはＯＦＤＭシステムの有効サブキャリア数である。ＣＡＺＡＣシーケンスＺ_ｋ ^Ｐｉは、包絡が一定かつ自己相関が０である。

次いで、ＣＡＺＡＣシーケンスＺ_ｋ ^Ｐｉから、直交変換行列Ａ_Ｐｉを作成する。直交変換行列Ａ_Ｐｉは、（２）式で表される。

ステップＳ２：送信アンテナｉの送信信号「Ｘ^ｉ＝［Ｘ^ｉ（０），Ｘ^ｉ（１），・・・，Ｘ^ｉ（Ｎ−１）］^Ｔ」と直交変換行列Ａ_Ｐｉを乗算し、周波数領域信号Ｙ^ｉを生成する。ここで、Ｘ^ｉ（ｋ）（但し、ｋ＝０，１，・・・，Ｎ−１）はｋ番目のサブキャリアの信号を表す。^Ｔは転置を表す。次いで、周波数領域信号Ｙ^ｉを逆フーリエ変換（ＩＦＦＴ）した結果の信号を、送信アンテナｉから送信する。

以下、本実施形態に係る実施例を説明する。

図１は本発明に係る実施例１のＳＩＳＯ−ＯＦＤＭシステムの原理図である。図１のＳＩＳＯ−ＯＦＤＭシステムでは、ＣＡＺＡＣシーケンスに基づく直交行列変換を行う。実施例１では、１個の送信アンテナを有するＳＩＳＯ−ＯＦＤＭシステムにおいて、あるＣＡＺＡＣシーケンスによりＮ×Ｎの直交変換行列Ａ_Ｐを作成する。ＮはＳＩＳＯ−ＯＦＤＭシステムの有効サブキャリア数である。

図１において、ＳＩＳＯ−ＯＦＤＭシステムは１個の送信アンテナ１６を有する。符号化・変調部１１は、オリジナル信号に対して符号化及び変調し、送信信号「Ｘ＝［Ｘ（０），Ｘ（１），・・・，Ｘ（Ｎ−１）］」を出力する。この送信信号Ｘは、ＯＦＤＭ方式の周波数領域の信号である。直並列変換部１２は、送信信号Ｘを直並列変換し、［Ｘ（０），Ｘ（１），・・・，Ｘ（Ｎ−１）］^Ｔを出力する。直交行列変換部１３は、送信信号「Ｘ＝［Ｘ（０），Ｘ（１），・・・，Ｘ（Ｎ−１）］^Ｔ」と直交変換行列Ａ_Ｐを乗算し、新たな周波数領域信号「Ｙ＝［Ｙ（０），Ｙ（１），・・・，Ｙ（Ｎ−１）］^Ｔ」を算出する。周波数領域信号Ｙは、（３）式で表される。直交変換行列Ａ_Ｐは、上記（２）式により算出されて用意される。なお、行列の乗算は、信号処理技術である直交高速アルゴリズムによって実現することができる。

逆フーリエ変換部（ＩＦＦＴ）１４は、周波数領域信号Ｙを逆フーリエ変換し、時間領域信号を算出する。その時間領域信号は、ＣＰ挿入部１５でサイクリックプレフィクス（ＣＰ）が挿入された後に、送信アンテナ１６から送信される。

非特許文献１によれば、ＯＦＤＭシステムにおけるＰＡＰＲのピーク・ファクタ（Peak factor）γは、（４）式で表される。但し、ＮはＩＦＦＴポイント数、ρ（ｋ）はＩＦＦＴ入力シーケンスの自己相関である。ρ（ｋ）は（５）式で定義される。＊は共役を表す。

ＣＡＺＡＣシーケンスの自己相関は０であるため、「γ（Ｙ）＜γ（Ｘ）」の関係が成り立つ。従って、上述した信号Ｘから信号Ｙへの変換によって、ＰＡＰＲを低減することができる。

図２は本発明に係る実施例２のＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムの原理図である。実施例２では、２個の送信アンテナを有するＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムを例にして説明する。２個の送信アンテナを有するＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムにおいて、あるＣＡＺＡＣシーケンスにより、Ｎ×Ｎの直交変換行列Ａ_Ｐを２個（Ａ_Ｐ１とＡ_Ｐ２）作成する（なお、Ａ_Ｐ１＝Ａ_Ｐ２でもよい）。ＮはＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムの有効サブキャリア数である。図２のＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムでは、ＣＡＺＡＣシーケンスに基づく直交行列変換を行う。

図２において、ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムは２個の送信アンテナ２７，３２を有する。符号化・変調部１１は、オリジナル信号に対して符号化及び変調し、送信信号「Ｘ＝［Ｘ（０），Ｘ（１），・・・，Ｘ（Ｎ−１）］」を出力する。この送信信号Ｘは、ＯＦＤＭ方式の周波数領域の信号である。分配部２２は、送信アンテナ２７の送信系統と送信アンテナ３２の送信系統のそれぞれに対して、送信信号Ｘを分配する。

送信アンテナ２７の送信系統の送信信号Ｘ^１は、直並列変換部２３によって直並列変換され、［Ｘ^１（０），Ｘ^１（１），・・・，Ｘ^１（Ｎ−１）］^Ｔとして直交行列変換部２４に入力される。直交行列変換部２４は、送信信号「Ｘ^１＝［Ｘ^１（０），Ｘ^１（１），・・・，Ｘ^１（Ｎ−１）］^Ｔ」と直交変換行列Ａ_Ｐ１を乗算し、新たな周波数領域信号「Ｙ^１＝［Ｙ^１（０），Ｙ^１（１），・・・，Ｙ^１（Ｎ−１）］^Ｔ」を算出する。ＩＦＦＴ２５は、周波数領域信号Ｙ^１を逆フーリエ変換し、時間領域信号を算出する。その時間領域信号は、ＣＰ挿入部２６でＣＰが挿入された後に、送信アンテナ２７から送信される。

送信アンテナ３２の送信系統の送信信号Ｘ^２は、直並列変換部２８によって直並列変換され、［Ｘ^２（０），Ｘ^２（１），・・・，Ｘ^２（Ｎ−１）］^Ｔとして直交行列変換部２９に入力される。直交行列変換部２９は、送信信号「Ｘ^２＝［Ｘ^２（０），Ｘ^２（１），・・・，Ｘ^２（Ｎ−１）］^Ｔ」と直交変換行列Ａ_Ｐ２を乗算し、新たな周波数領域信号「Ｙ^２＝［Ｙ^２（０），Ｙ^２（１），・・・，Ｙ^２（Ｎ−１）］^Ｔ」を算出する。ＩＦＦＴ３０は、周波数領域信号Ｙ^２を逆フーリエ変換し、時間領域信号を算出する。その時間領域信号は、ＣＰ挿入部３１でＣＰが挿入された後に、送信アンテナ３２から送信される。

周波数領域信号Ｙ^１，Ｙ^２は、（６）式で表される。直交変換行列Ａ_Ｐ１，Ａ_Ｐ２は、上記（２）式により算出されて用意される。なお、行列の乗算は、信号処理技術である直交高速アルゴリズムによって実現することができる。

本実施例２においても、実施例１と同様に、ＣＡＺＡＣシーケンスの自己相関は０であるため、「γ（Ｙ^１）＜γ（Ｘ^１），γ（Ｙ^２）＜γ（Ｘ^２）」の関係が成り立つ。従って、上述した信号Ｘ^１，Ｘ^２から信号Ｙ^１，Ｙ^２への変換によって、ＰＡＰＲを低減することができる。

上述したように本実施形態によれば、ＣＡＺＡＣシーケンスからなるＮ×Ｎの直交変換行列とＯＦＤＭシンボルとの乗算を行い、その乗算結果を各サブキャリアで伝送する。これにより、ＯＦＤＭシステムにおけるＰＡＰＲを低減することができるという効果が得られる。

又、受信側では、受信信号と直交変換行列の逆行列とを乗算することにより、元の送信信号を復元することができる。これにより、ＳＬＭ及びＰＴＳのように付加情報（ＳＩ）を伝送する必要がないので、情報伝送率の劣化を防止することができるという効果が得られる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明に係る実施例１のＳＩＳＯ−ＯＦＤＭシステムの原理図である。本発明に係る実施例２のＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムの原理図である。

符号の説明

１１，２１…符号化・変調部、１２，２３，２８…直並列変換部、１３，２４，２９…直交行列変換部、１４，２５，３０…逆フーリエ変換部（ＩＦＦＴ）、１５，２６，３１…ＣＰ挿入部、１６，２７，３２…送信アンテナ、２２…分配部

Claims

Ｎ個のサブキャリアを有するマルチキャリアシステムにおいて、
送信機が、包絡が一定かつ自己相関が０であるＣＡＺＡＣシーケンスを列に従って再配置することにより得られるＮ×Ｎの直交変換行列を有し、周波数領域の送信信号と前記直交変換行列を乗算した信号をマルチキャリア変調後に送信し、
受信機が、周波数領域の受信信号を逆変換することにより、送信信号を回復する、
ことを特徴とするマルチキャリアシステムにおけるピーク電力対平均電力比低減方法。
単一アンテナが装備されるＳＩＳＯシステムにおいて、
Ｎの二乗の長さの前記ＣＡＺＡＣシーケンスを構成し、該ＣＡＺＡＣシーケンスを列に従って再配置することによりＮ×Ｎの直交変換行列を得る、
ことを特徴とする請求項１に記載のマルチキャリアシステムにおけるピーク電力対平均電力比低減方法。
前記ＳＩＳＯシステムにおいて、
前記送信機が、前記直交変換行列とオリジナル周波数送信信号により構成される列行列を乗算して最終送信信号を生成し、
前記直交変換行列とオリジナル周波数送信信号により構成される列行列の乗算は、信号処理技術である直交高速アルゴリズムにより実現する、
ことを特徴とする請求項２に記載のマルチキャリアシステムにおけるピーク電力対平均電力比低減方法。
複数のアンテナが装備されるＭＩＭＯシステムにおいて、
Ｎの二乗の長さの前記ＣＡＺＡＣシーケンスを構成し、該ＣＡＺＡＣシーケンスを列に従って再配置することによりＮ×Ｎの直交変換行列を得る、
ことを特徴とする請求項１に記載のマルチキャリアシステムにおけるピーク電力対平均電力比低減方法。
前記ＭＩＭＯシステムにおいて、
前記送信機が、一つ又は複数の前記直交変換行列と各アンテナのオリジナル周波数送信信号により構成される列行列を乗算して最終送信信号を生成し、
前記直交変換行列とオリジナル周波数送信信号により構成される列行列の乗算は、信号処理技術である直交高速アルゴリズムにより実現する、
ことを特徴とする請求項４に記載のマルチキャリアシステムにおけるピーク電力対平均電力比低減方法。
Ｎ個のサブキャリアを有するマルチキャリアシステムの送信機において、
包絡が一定かつ自己相関が０であるＣＡＺＡＣシーケンスを列に従って再配置することにより得られるＮ×Ｎの直交変換行列を有し、
周波数領域の送信信号と前記直交変換行列を乗算する直交行列変換部と、
該乗算結果の信号をマルチキャリア変調後に送信する送信手段と、
を備えたことを特徴とする送信機。
単一アンテナが装備されるＳＩＳＯシステムにおいて、
前記Ｎ×Ｎの直交変換行列は、Ｎの二乗の長さの前記ＣＡＺＡＣシーケンスを構成し、該ＣＡＺＡＣシーケンスを列に従って再配置することにより得られたことを特徴とする請求項６に記載の送信機。
前記ＳＩＳＯシステムにおいて、
前記直交行列変換部は、前記直交変換行列とオリジナル周波数送信信号により構成される列行列を乗算して最終送信信号を生成し、
前記直交変換行列とオリジナル周波数送信信号により構成される列行列の乗算は、信号処理技術である直交高速アルゴリズムにより実現する、
ことを特徴とする請求項７に記載の送信機。
複数のアンテナが装備されるＭＩＭＯシステムにおいて、
前記Ｎ×Ｎの直交変換行列は、Ｎの二乗の長さの前記ＣＡＺＡＣシーケンスを構成し、該ＣＡＺＡＣシーケンスを列に従って再配置することにより得られたことを特徴とする請求項６に記載の送信機。
前記ＭＩＭＯシステムにおいて、
前記直交行列変換部は、一つ又は複数の前記直交変換行列と各アンテナのオリジナル周波数送信信号により構成される列行列を乗算して最終送信信号を生成し、
前記直交変換行列とオリジナル周波数送信信号により構成される列行列の乗算は、信号処理技術である直交高速アルゴリズムにより実現する、
ことを特徴とする請求項９に記載の送信機。
Ｎ個のサブキャリアを有するマルチキャリアシステムの受信機において、
周波数領域の受信信号を逆変換することにより、送信信号を回復する手段を備えたことを特徴とする受信機。