JP2009060177A - 無線通信装置および無線受信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】受信アンテナが少なくても、遅延到来波を伴うマルチパスフェージングの影響を低減して、復号処理のフェージング耐久性を改善でき、常に安定した受信状態を維持できるとともに、ハードウェアの小型化およびコストダウンが図れる無線通信装置および無線受信方法を提供する。
【解決手段】複数のアンテナ11-1〜11-Mを有し、これら複数のアンテナ11-1〜11-Mの受信信号をダイバーシティ合成する無線通信装置において、複数のアンテナ11-1〜11-Mの受信電力に基づいて、アンテナ合成振幅および合成重みを算出する合成情報算出部14と、算出された合成重みに基づいて、複数のアンテナ11-1〜11-Mの受信信号を重み付けして合成する合成部15と、算出されたアンテナ合成振幅に基づいて、合成部15で生成された合成受信信号を復号処理する復号処理部16と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のアンテナを用いて、受信信号をダイバーシティ合成する無線通信装置および無線受信方法に関するものである。

一般に、移動無線通信システムでは、基地局や移動端末局において、受信性能を改善するために、複数のアンテナを用いて受信ゲインの増大を図っている。ここで、受信性能を劣化させる要因の一つとして、フェージングがある。フェージングとは、基地局または移動端末局から発した無線信号波が、両局間に存在する建物、車両、樹木等による反射、屈折、散乱により、多くの経路から到来してマルチパス信号波化する現象で、このようなマルチパスフェージングが生じると、受信アンテナ端で受信電力が大きく変動することになる。このため、受信側に複数のアンテナを用意して、受信電力を大きくすることにより、マルチパスフェージングの影響を低減させる対策を採っている。

図７は、このようなマルチパスフェージングの影響を低減して受信ゲインの増大を図った従来の無線通信装置の要部の概略構成を示す機能ブロック図である。この無線通信装置は、複数のアンテナ１０１−１〜１０１−Ｍを備えており、アンテナ１０１−１〜１０１−Ｍで受信した到来信号を、対応する受信部１０２−１〜１０２−Ｍで受信処理してＡ／Ｄ変換して出力し、これら受信部１０２−１〜１０２−Ｍからの出力信号を、合成回路１０３において合成受信電力が最大になるようにダイバーシティ合成した後、その合成受信信号を等化器１０４で等化処理してから、復号回路１０５で誤り訂正して復号するようにしている。

ここで、合成回路１０３による複数の受信信号の合成方法としては、例えば、受信信号内に挿入される既知情報信号を利用し、最小平均二乗誤差法（ＭＭＳＥ：Minimum Mean Square Error）により、各アンテナについて、受信した既知情報信号の位相の誤差が最小となるアンテナ重みを算出し、その算出したアンテナ重みに基づいて各受信部からの受信信号の位相を補正して合成することにより、信号対雑音比（ＳＮＲ:Signal to Noise Ratio）が十分大きな合成受信信号を得る方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図７に示す従来の無線通信装置では、合成回路１０３において、各受信部からの受信信号を合成する前処理として、各受信信号の位相を補正する一次等化処理を行い、その後、等化器１０４において、既知情報信号の振幅に基づいて、合成受信信号に対して二次等化処理を行っている。また、復号回路１０５では、等化器１０４による合成受信信号の二次等化処理過程で生成される信頼度情報（合成電力）を利用して、合成受信信号に対して誤り訂正処理を行って復号し、その結果を出力する。なお、このような信頼情報を利用する誤り訂正方法は、例えば、特許文献２に開示されている。

特表２００３−５０１９７１号公報 国際公開第２００４／０８２１８２号パンフレット

しかしながら、上記特許文献１に記載のように、ＭＭＳＥを採用する合成受信信号を得る方法では、マルチパス環境に遅延到来波が混在すると、主信号に対して時間差のある干渉波が重畳したことになって、受信シンボルの分散が増加することになる。

その結果、十分な受信ＳＮＲが確保できなくなって、受信性能が劣化することになる。特に、ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）のような多値変調方式による無線通信では、受信シンボル分散の増大は極めて影響が大きく、正しい受信が全くできなくなってしまうため、通信が成立しない状況に陥ってしまうことになる。このような遅延到来波を伴うマルチパスフェージングの影響は、特に、受信アンテナの本数が少ない場合に著しくなる。

また、ＭＭＳＥによって合成受信信号を得る場合には、逆行列演算を含む推定アルゴリズムを採用する必要があるため、ハードウェアが大型化するとともに、コストアップになることも懸念される。

したがって、かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、受信アンテナが少なくても、遅延到来波を伴うマルチパスフェージングの影響を低減して、復号処理のフェージング耐久性を改善でき、常に安定した受信状態を維持できるとともに、ハードウェアの小型化およびコストダウンが図れる無線通信装置および無線受信方法を提供することにある。

上記目的を達成する請求項１に係る発明は、複数のアンテナを有し、これら複数のアンテナの受信信号をダイバーシティ合成する無線通信装置において、
前記複数のアンテナの受信電力に基づいて、アンテナ合成振幅および合成重みを算出する合成情報算出部と、
該合成情報算出部で算出された前記合成重みに基づいて、前記複数のアンテナの受信信号を重み付けして合成して合成受信信号を生成する合成部と、
前記合成情報算出部で算出された前記アンテナ合成振幅に基づいて、前記合成部で生成された前記合成受信信号を復号処理する復号処理部と、
を備えることを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の無線通信装置において、
前記合成情報算出部は、前記合成重みとして、前記アンテナ合成振幅と各アンテナに対応する受信電力の振幅とに基づいて、アンテナ毎のアンテナ信頼度比を算出することを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の無線通信装置において、
前記合成部で合成する前記複数のアンテナの受信信号は、多値変調された受信信号であることを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、請求項１，２または３に記載の無線通信装置において、
前記合成部で合成する前記複数のアンテナの受信信号は、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ：Orthogonal Frequency Division Multiplexing）された受信信号であることを特徴とするものである。

さらに、上記目的を達成する請求項５に係る発明は、複数のアンテナの受信信号をダイバーシティ合成する無線受信方法において、
前記複数のアンテナの受信電力に基づいて、アンテナ合成振幅および合成重みを算出する合成情報算出ステップと、
該合成情報算出ステップで算出された前記合成重みに基づいて、前記複数のアンテナの受信信号を重み付けして合成して合成受信信号を生成する合成ステップと、
前記合成情報算出ステップで算出された前記アンテナ合成振幅に基づいて、前記合成ステップで生成された前記合成受信信号を復号処理する復号処理ステップと、
を含むことを特徴とするものである。

本発明によれば、複数のアンテナの受信電力に基づいて、アンテナ合成振幅および合成重みを算出し、その算出した合成重みに基づいて、複数のアンテナの受信信号を重み付けして合成して合成受信信号を生成し、その生成した合成受信信号を、算出したアンテナ合成振幅に基づいて復号処理するようにしたので、受信アンテナが少なくても、遅延到来波を伴うマルチパスフェージングの影響を低減して、復号処理のフェージング耐久性を改善でき、常に安定した受信状態を維持できるとともに、ハードウェアの小型化およびコストダウンを図ることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る無線通信装置の要部の概略構成を示す機能ブロック図である。この無線通信装置は、複数のアンテナ１１−１〜１１−Ｍ、アンテナ１１−１〜１１−Ｍに対応する受信部１２−１〜１２−Ｍおよび等化器１３−１〜１３−Ｍ、合成情報算出回路１４、合成回路１５、復号回路１６を備える。

アンテナ１１−１〜１１−Ｍで受信した到来信号は、対応する受信部１２−１〜１２−Ｍで受信処理してＡ／Ｄ変換して出力し、これら受信部１２−１〜１２−Ｍからの出力信号を、対応する等化器１３−１〜１３−Ｍに供給する。

ここで、アンテナ１１−１〜１１−Ｍで受信される到来信号は、無線空間でのマルチパス環境の影響により、その振幅および位相が変動している。本実施の形態では、受信部１２−１〜１２−Ｍに対応して等化器１３−１〜１３−Ｍを設けることにより、受信系路毎に、到来信号に挿入されたトレーニングシーケンスやパイロットシンボルといった既知信号を用いて、到来信号の振幅および位相の変動を補償するチャネル推定および等化補償を独立して行って、アンテナ毎の信頼情報（受信電力）と等化補償後のアンテナ毎の受信信号とを生成する。

等化器１３−１〜１３−Ｍで生成した対応するアンテナの信頼情報は、合成情報算出回路１４に供給し、対応するアンテナの等化補償後の受信信号は、合成回路１５に供給する。合成情報算出回路１４は、入力されたアンテナ毎の信頼情報に基づいて、アンテナ合成振幅を算出して復号回路１６に供給するとともに、合成重みとして、その算出したアンテナ合成振幅とアンテナ毎の信頼情報とに基づいて、アンテナ毎のアンテナ信頼度比を算出して合成回路１５に供給する。

合成回路１５は、等化器１３−１〜１３−Ｍからの等化補償後の受信信号を、合成情報算出回路１４からのアンテナ毎のアンテナ信頼度比（合成重み）に基づいて重み付けして合成して合成受信信号を生成し、復号回路１６に供給する。復号回路１６は、合成回路１５からの合成受信信号を、合成情報算出回路１４からのアンテナ合成振幅に基づいて誤り訂正して復号し、その結果を出力する。

以下、通信方式として直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ：Orthogonal Frequency Division Multiplexing）方式を採用してマルチキャリア変調方式の無線通信を行う場合を例にとって、さらに詳細に説明する。

図２は、ＯＦＤＭ方式におけるパイロット配置の一例を示す図である。この例では、周波数軸方向（ｆ）に１４シンボル（すなわち、１４サブキャリア）で、時間軸方向（ｔ）に４シンボルの１４×４シンボルについて、サブキャリアインデックス１，１３のＯＦＤＭシンボルインデックス２，４と、サブキャリアインデックス５，９のＯＦＤＭシンボルインデックス１，３とに、それぞれパイロットを割り当てた場合を示している。

本実施の形態は、等化器１３−１〜１３−Ｍの各々において、先ず、パイロットのチャネル特性を推定し、その後、推定したチャネル特性を時間軸方向にあるデータシンボルに補間し、周波数軸方向では補間されたチャネル特性および周波数軸方向にあるパイロットのチャネル特性を用いて、周波数軸方向にあるデータシンボルにチャネル特性を補間する。

このため、先ず、パイロットを抽出して、下記（１）式により、抽出したパイロットのチャネルの伝達特性を推定（算出）する。

上記（１）式において、周波数応答情報Ｃ_f,t（ａ）およびＡ_f,t（ａ）は、下記（２）式により算出する。

以上のようにして、各パイロットのチャネル特性を推定したら、次に、時間軸方向における順次のパイロットのチャネル特性を用いて、下記（３）式により、時間軸方向のデータシンボルのチャネル特性を線形補間する。

その後、時間軸方向において推定したパイロットのチャネル特性およびデータシンボルに補間したチャネル特性を用いて、下記（４）式により、周波数軸方向のデータシンボルのチャネル特性を線形補間する。

以上のようにして、各データシンボルのチャネル特性を推定したら、その推定結果を用いて、データシンボルの受信信号を、下記（５）式によりチャネル等化して、合成回路１５へ供給する。

また、等化器１３−１〜１３−Ｍは、下記（６）式により、対応するアンテナのシンボル単位の信頼情報である受信電力を計算して、その結果を合成情報算出回路１４へ供給する。

合成情報算出回路１４は、等化器１３−１〜１３−Ｍからのアンテナ毎の信頼情報（受信電力）に基づいて、下記（７）式によりアンテナ合成振幅を算出し、その算出したアンテナ合成振幅を復号回路１６に供給する。また、合成情報算出回路１４は、算出したアンテナ合成振幅とアンテナ毎の受信電力の振幅とに基づいて、下記（８）式により、合成重みであるアンテナ毎のアンテナ信頼度比を算出し、これら算出したアンテナ毎のアンテナ信頼度比を合成回路１５に供給する。

合成回路１５は、上記（５）式に示した等化器１３−１〜１３−Ｍからの等化補償後の受信信号を、上記（８）式に示した合成情報算出回路１４からの対応するアンテナのアンテナ信頼度比を用いて、下記（９）式により重み付けしてダイバーシティ合成して合成受信信号を生成し、その生成した合成受信信号を復号回路１６に供給する。

図３は、復号回路１６の概略構成を示す機能ブロック図である。この復号回路１６は、ターボ復号回路を構成するもので、シンボル位置判定回路２１、デパンクチャ２２、対数尤度比生成回路２３、デインターリーバ２４および繰り返し復号処理回路２５を有している。本実施の形態では、シンボル位置判定回路２１において、合成受信信号ｙ(i)のシンボル位置を軟判定するにあたって適用する信頼度を、合成情報算出回路１４からのアンテナ合成振幅（Ｓ(i)＝TotalAmp）に基づいて補正することにより、復号処理のフェージング耐久性を改善する。

このため、本実施の形態では、復号回路１６に正規化処理回路２６を設け、該正規化処理回路２６において、合成回路１５から出力される合成受信信号ｙ(i)と、合成情報算出回路１４から出力されるアンテナ合成振幅Ｓ(i)とを入力して、シンボル位置判定回路２１において補正信頼度を生成するための正規化信頼度Ｓ′(i)を生成して、シンボル位置判定回路２１に供給する。

図４は、正規化処理回路２６およびシンボル位置判定回路２１による補正信頼度の生成処理を示すフローチャートである。図４において、ステップＳ４１〜Ｓ４３は、正規化処理回路２６での処理を示しており、ステップＳ４４〜Ｓ４６は、シンボル位置判定回路２１での処理を示している。

正規化処理回路２６においては、先ず、合成情報算出回路１４からアンテナ合成振幅Ｓ(i)が入力されたら、入力フィルタリング処理を行って閾値Ｓｌ(i)を判定する（ステップＳ４１）。この閾値Ｓｌ(i)は、例えば、図５に示すように、入力されたアンテナ合成振幅Ｓ(i)の最大値（limit）を閾値Ｓｌ(i)と判定する。

その後、合成回路１５から入力される合成受信信号ｙ(i)の平均値σｙ(i)を算出するとともに、閾値Ｓｌ(i)の平均値閾値σＳｌ(i)を算出する（ステップＳ４２）。次に、算出した平均値σｙ(i)およびσＳｌ(i)が、ほぼ等しくなるように閾値Ｓｌ(i)を補正して、正規化された信頼度Ｓ′(i)を生成し（ステップＳ４３）、これをシンボル位置判定回路２１に供給する。

一方、シンボル位置判定回路２１においては、合成回路１５から入力される合成受信信号ｙ(i)に基づいて信頼度Ｓｘ(i)を算出し（ステップＳ４４）、その算出した信頼度Ｓｘ(i)と、正規化処理回路２６から供給される正規化信頼度Ｓ′(i)とに基づいて、補正された信頼度Ｓｓ(i)を、Ｓｓ(i)＝Ｓ′(i)×Ｓｘ(i)、により生成する（ステップＳ４５）。その後、生成された補正信頼度Ｓｓ(i)を適応して、情報ビットおよびパリティビットの信頼度を軟判定し（ステップＳ４６）、その判定結果（軟出力）をデパンクチャ２２に供給する。

以後は、従来のターボ復号回路と同様に、デパンクチャ２２において、欠落ビットを補充して信頼度を求めて軟判定し、さらに、対数尤度比生成回路２３において、再正規化および尤度比生成処理を行って、その結果を、繰り返し復号処理回路２５に供給するとともに、デインターリーバ２４で並び替えして繰り返し復号処理回路２５に供給することにより、復号処理して出力する。

図６は、本実施の形態の無線通信装置により合成受信信号を生成して復号処理した場合のフレームエラー（ＦＥＲ）特性のシミュレーション結果と、図７に示した従来の無線通信装置によりＭＭＳＥを採用して合成受信信号を生成して復号処理した場合のＦＥＲ特性のシミュレーション結果とを比較して示す図で、図６（ａ）は本実施の形態の場合のシミュレーション結果を示しており、図６（ｂ）は従来の場合のシミュレーション結果を示している。なお、シミュレーション条件は、受信アンテナは２本とし、遅延波モデルはＩＴＵ−Ｒ Ｍ．１２２５に定義されたＶｅｈｉｃｕｌａｒ−Ａ を使用した。この遅延波モデルによる遅延時間は、２．４μsec程度である。また、このときの移動速度は、１２０（ｋｍ／ｈ）である。通信方式は、ＯＦＤＭ方式として、ＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying），１６ＱＡＭ，６４ＱＡＭの変調方式によるＦＥＲ特性をシミュレーションした。なお、ＱＰＳＫ，１６ＱＡＭ，６４ＱＡＭの符号化率は、１／２，３／４，５／６とした。

図６から明らかなように、１６ＱＡＭ／６４ＱＡＭと多値化を進めると、図６（ｂ）に示す従来の場合には、ＦＥＲ特性の劣化が大きくなって、入力CINR値（Carrier to Interference plus Noise Ratio：信号対干渉雑音比）を大きくしてもＦＥＲ値は低下せず、安定した受信状態が得られる１０^−２以下のＦＥＲ値を得ることができない。これに対し、図３（ａ）に示す本実施の形態の場合には、１６ＱＡＭでは、入力CINR値が２０ｄＢ前後で、６４ＱＡＭでは、入力CINR値が３０ｄＢ前後で、それぞれ１０^−２以下のＦＥＲ値を得ることができるので、常に安定した受信状態を維持することができる。

また、ＱＰＳＫの場合も、１０^−２以下のＦＥＲ値を得るには、従来の場合、１５ｄＢ前後の入力CINR値を必要とするが、本実施の形態の場合には、１０ｄＢ前後の入力CINR値で済むことになる。

以上のように、本実施の形態によれば、複数のアンテナ１１−１〜１１−Ｍの各々に対応する受信電力、すなわちエンベロープ情報に基づいて、合成情報算出回路１４において合成重みであるアンテナ毎のアンテナ信頼度比を算出し、その算出した各アンテナ信頼度比に基づいて、合成回路１５において、対応するアンテナ１１−１〜１１−Ｍの受信信号を重み付けしてダイバーシティ合成するとともに、その合成受信信号に対して、合成情報算出回路１４で算出したアンテナ合成振幅を用いて、復号回路１６においてシンボル位置を判定して復号処理するようにしたので、受信アンテナが少ない場合でも、また、変調方式が多値変調方式の場合であっても、遅延到来波を伴うマルチパスフェージングの影響を低減して、復号処理のフェージング耐久性を改善することができ、常に安定した受信状態を維持することができる。また、ＭＭＳＥにおけるような逆行列演算を含む推定アルゴリズムを採用する必要がないので、ハードウェアの小型化およびコストダウンを図ることができる。

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、本発明は、ＯＦＤＭ方式のようなマルチキャリア変調方式に限らず、複数のアンテナの受信信号をダイバーシティ合成する無線通信装置に広く適用することができる。また、ＭＭＳＥにより合成受信信号を得る場合でも、例えば、図７に示した復号回路１０５にアンテナ合成振幅を供給して、等化器１０４からの信頼度を補正して復号処理することもできる。このようにすれば、復号処理のフェージング耐久性を改善することができる。

本発明の一実施の形態に係る無線通信装置の要部の概略構成を示す機能ブロック図である。 図１に示した無線通信装置の一例の動作を説明するためのＯＦＤＭ方式におけるパイロット配置例を示す図である。 図１に示す復号回路の概略構成を示す機能ブロック図である。 図３に示す正規化処理回路およびシンボル位置判定回路による補正信頼度の生成処理を示すフローチャートである。 図４のステップＳ４１の処理を説明する図である。 本実施の形態の無線通信装置と従来の無線通信装置とのＦＥＲ特性のシミュレーション結果を比較して示す図である。 従来の無線通信装置の要部の概略構成を示す機能ブロック図である。

符号の説明

１１−１〜１１−Ｍ アンテナ
１２−１〜１２−Ｍ 受信部
１３−１〜１３−Ｍ 等化器
１４ 合成情報算出回路
１５ 合成回路
１６ 復号回路
２１ シンボル位置判定回路
２２ デパンクチャ
２３ 対数尤度比生成回路
２４ デインターリーバ
２５ 繰り返し復号処理回路
２６ 正規化処理回路

Claims (5)

1. 複数のアンテナを有し、これら複数のアンテナの受信信号をダイバーシティ合成する無線通信装置において、
   前記複数のアンテナの受信電力に基づいて、アンテナ合成振幅および合成重みを算出する合成情報算出部と、
   該合成情報算出部で算出された前記合成重みに基づいて、前記複数のアンテナの受信信号を重み付けして合成して合成受信信号を生成する合成部と、
   前記合成情報算出部で算出された前記アンテナ合成振幅に基づいて、前記合成部で生成された前記合成受信信号を復号処理する復号処理部と、
   を備えることを特徴とする無線通信装置。
2. 前記合成情報算出部は、前記合成重みとして、前記アンテナ合成振幅と各アンテナに対応する受信電力の振幅とに基づいて、アンテナ毎のアンテナ信頼度比を算出することを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
3. 前記合成部で合成する前記複数のアンテナの受信信号は、多値変調された受信信号であることを特徴とする請求項１または２に記載の無線通信装置。
4. 前記合成部で合成する前記複数のアンテナの受信信号は、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ：Orthogonal Frequency Division Multiplexing）された受信信号であることを特徴とする請求項１，２または３に記載の無線通信装置。
5. 複数のアンテナの受信信号をダイバーシティ合成する無線受信方法において、
   前記複数のアンテナの受信電力に基づいて、アンテナ合成振幅および合成重みを算出する合成情報算出ステップと、
   該合成情報算出ステップで算出された前記合成重みに基づいて、前記複数のアンテナの受信信号を重み付けして合成して合成受信信号を生成する合成ステップと、
   前記合成情報算出ステップで算出された前記アンテナ合成振幅に基づいて、前記合成ステップで生成された前記合成受信信号を復号処理する復号処理ステップと、
   を含むことを特徴とする無線受信方法。

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