JP2011135161A - Ｏｆｄｍ無線通信端末 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁環境の評価に信号／雑音電力比でなく、ＡＰＤおよびＡＰＤとそこから推定されるＢＥＲとの関係を用いて、送信手段または受信手段における信号修飾を行い、受信手段から出力される情報のビット誤り率を抑制する。
【解決手段】ＯＦＤＭ信号を送信する送信手段と受信する受信手段とを含むシステムでのＯＦＤＭ無線通信端末であって、スペクトル分解手段と、スペクトルの振幅確率分布を生成する振幅確率分布測定手段と、それを無信号時間帯に取得する制御手段と、を備える。無信号時間帯に各サブキャリア毎に取得されたそれぞれの振幅確率分布を送信手段の符号化方法や変調方法等に、または受信手段の復調方法や復号方法に用いて、受信手段の出力情報のビット誤り率を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線ＬＡＮ（ローカルエリアネットワーク）などに用いるＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency-Division Multiplexing：直交周波数分割多重）方式無線端末で、特に、近傍の電子情報機器などから発生する電磁雑音によるスループットの劣化を軽減したＯＦＤＭ無線通信端末に関するものである。

ＯＦＤＭを用いたテレビ放送や無線通信は、劣悪な伝送路(チャネル)状況に簡単に適応でき、狭帯域伝送路干渉やマルチパス伝達による符号間干渉とフェージングおよびタイミング同期エラーに対して強く、高い周波数利用効率をもち、シングル周波数ネットワークが容易に実現できる等の利点があることから、既によく使われている。

その一例として、例えば、ＯＦＤＭ無線通信としては、ＷｉＭＡＸ（Worldwide Interoperability for Microwave Access）などの公衆無線通信や、無線ＬＡＮなどがよく知られている。この場合の問題点として、特に無線ＬＡＮ用の無線通信端末では、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）などの電子情報機器にその端末が内蔵される場合に、それ自体やその近傍の電子情報機器から発生する電磁雑音によるビット誤り率やスループットの劣化が起こることが知られている。

この様に、受信電力や周囲の電磁雑音などによるビット誤り率が増加すると、パケット誤りが増加し、パケットの再送回数が増加してスループットが低下する。複合後のパケット中に１ビットの誤りがあっても、パケット全体を再送しなければならないのでスループットへの影響が大きい。

この様な性能低下を緩和する方法の一つとして、変調方式や符号化率、あるいはパケット長を周囲の電磁環境に合わせて適応的に変更してパケット当たりの情報伝送量を削減し、パケット誤り率の増加を防止することによってスループットの劣化を抑える手段が用いられる。この方法で問題となるのは、通信リンクの置かれている電磁環境の変化をいかにして評価し、最も適切な変調方式や符号化や復号方式を選択する方法である。

従来行われている方法は、送信側ではパケット送信先からのＡＣＫ信号（ACKnowledgement信号）をモニタして、不達パケットの割合が一定限度以上であれば伝送速度を低下させる。不達パケットが非常に少ない場合には伝送速度を増加させる。

一方受信側では
１）ＯＦＤＭ信号中の定まった周波数やタイミングで送信されている内容が既知のパイロット信号を用いて、サブキャリアごとの信号レベルを推定する。
２）パイロット信号の復調結果や無信号時の受信電力から、サブキャリア毎の雑音電力を推定する。
３）上記１）２）の結果を用いて、サブキャリア毎の信号／雑音電力比を推定し、これに基づき誤り訂正符号の軟判定復号器に入力されるビットに重み付けを行なう、すなわち信号／雑音電力比の小さいサブキャリアから復調された、正しい信頼性が小さなビットには小さい重みをつける。

送信側における従来法の問題点としては、次のものがある。例えば、特定のサブキャリアに対して妨害が生じている場合でも、送信側ではそれが判らないため、送信する全サブキャリアの変調方式を変更する必要があるので無駄が大きくなる場合がある。また、パケット不達情報をモニタしながら変調方式の変更を繰り返す必要があるので、最適な伝送速度に収束するまで時間がかかる、また電磁環境の時間変動が大きい場合には収束しない、といった点があげられる。

一方、受信側で行う上記対策法の最大の問題点としては、次のものがある。これは、雑音の影響を、信号／雑音電力比のみで評価せざるを得ないという点に由来する。外来雑音が無視できると仮定できる場合には、周波数依存性の無いガウス雑音（受信機雑音）が支配的とみなせるため、サブチャネル毎の信号／雑音電力比のみで雑音の影響を評価できる。しかし、通常は外来雑音を含んでおり、これは周波数依存性を持つ非ガウス雑音であるのが一般的である。例えば雑音がインパルス状の場合には、同電力のガウス雑音に比較してビット誤り率の劣化が著しい場合が多いことが知られている。このため、雑音の統計的性質を無視して単に信号／雑音電力のみを基準に送信変調方式や誤り訂正方式を設定すると、結果的に雑音の影響を過大評価もしくは過小評価する可能性がある。

妨害波によって引き起こされるデジタル回線の品質劣化（ビット誤り率：ＢＥＲ）が、妨害波強度の統計パラメータ（振幅確率分布：ＡＰＤ）から推定されることが報告されている。ここで、ＡＰＤは、測定時間Ｔにおいて、その振幅があるレベルＬを超える時間率である。

例えば、非特許文献１では、電子機器から放射される雑音のＡＰＤを用いたＯＦＤＭ信号の受信品質評価法が記載されており、特に、ＯＦＤＭ電波を受信するデジタルテレビ受信機では、ＢＥＲは、ガウスノイズのもとでの符号化効果を用いて、干渉ノイズのＡＰＤで近似的に評価できることが示されている。また、非特許文献２では、雑音のＡＰＤを用いたデジタル変調方式に対するビット誤り率推定法が記載されており、例えば、デジタルコヒーレントラジオ受信機でのＢＥＲとＡＰＤとの関連が示されている。また、非特許文献３には、雑音のＡＰＤを用いた多値変調方式に対するビット誤り率推定法が記載されており、例えば、干渉性の信号によるＡＰＤとＢＥＲとの関連性は、ＱＡＭや多重ＰＳＫなどの変調方式によって変わることが示されている。

また、非特許文献４には、ＯＦＤＭ信号のサブキャリア毎の雑音電力を用いた誤り訂正／ビタビ復号器への入力ビットの重み付けの効果が記載されている。また、非特許文献５には、雑音周波数の情報を用いた誤り訂正／ビタビ復号器への入力ビットの重み付けの効果が記載されている。また、非特許文献６には、軟判定回路におけるサブキャリア重み付け技術が記載されている。

また、特許文献１（特表２００９−５３５９１１号公報）には、ＯＦＤＭシステムの各サブチャネルに関して、そのサブチャネルで検出されるエネルギーに基づいて変調方式及び誤り訂正符号化方式を選択するシステムが、開示されている。また、特許文献２（特表２００６−５０１６９５号公報）には、ＯＦＤＭシステム等価チャネルに対する計量に基づいて伝送するデータレートを決定する方法が開示されている。

しかし、これらの開示や記載を単に集積しても、本発明のＯＦＤＭ無線通信端末を実現できないことは明らかである。

特表２００９−５３５９１１号公報 特表２００６−５０１６９５号公報

K. Gotoh et al., "Evaluation of sensitivity of digital TV receiver subjected to intrasystem interference", Proc. of the 8th Int. Symposium on Electromagnetic Compatibility (EMC Europe 2008), Hamburg, Germany, 727-730, September 8-12, 2008 K. Wiklundh, "Relation Between the Amplitude Probability Distribution of an Interfering Signal and its Impact on Digital Radio Receivers", IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, VOL. 48, NO. 3, 537-544, AUGUST 2006 Y. Matsumoto, "On the Relation Between the Amplitude Probability Distribution of Noise and Bit Error Probability", IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, VOL. 49, NO. 4, 940-941, NOVEMBER 2007 W. Lee and H. Park, "Performance analysis of Viterbi decoder using channel state information in COFDM system", IEEE Trans . Broadcasting, vol . 44, no . 4, pp . 488・496, Dec . 1998 . Y. Matsumoto, K. Fujii, A. Sugiura, and T. Murakami, "Impact of Electromagnetic Noises from PCs on the Performance of MB-OFDM UWB Devices, " 13th IEEE International Symposium on Consumer Electronics, May 2009 守倉正博,久保田周治,「802 .11高速無線LAN教科書」インプレス、216頁、2005年

上記の様に、周波数依存性を持つ非ガウス雑音、例えば、インパルス状の雑音の場合には、同電力のガウス雑音に比較してビット誤り率の劣化が著しい場合が多いことが知られている。つまり、雑音の統計的性質を無視して、単に信号／雑音電力のみを基準に送信変調方式や誤り訂正方式を設定すると、結果的に雑音の影響を過大評価もしくは過小評価することになる。

そこで、本発明では、電磁環境の評価に信号／雑音電力比でなく、ＡＰＤおよびＡＰＤとそこから推定されるＢＥＲの関係を用いて、送信手段または受信手段における信号修飾を行い、受信手段から出力される情報のビット誤り率を抑制する。

本発明は、ＯＦＤＭ信号を送信する送信手段と該ＯＦＤＭ信号を受信する受信手段とを含む送受信システムにおいて上記受信手段として用いるＯＦＤＭ無線通信端末に関するものであって、受信したＯＦＤＭ信号を各サブキャリア毎のスペクトルに変換するスペクトル分解手段と、上記スペクトルのそれぞれについて振幅確率分布を生成するそれぞれの振幅確率分布測定手段と、上記振幅確率分布を上記電波における無信号時間帯に取得する様に制御する制御手段と、を備える。このような構成において、上記無信号時間帯に上記各サブキャリア毎に取得されたそれぞれの上記振幅確率分布を上記送信手段または上記受信手段における信号修飾に用いて、上記受信手段から出力される情報のビット誤り率を抑制する。ここで、送信手段における信号修飾とは、信号の送信形態に関するものであり、符号化方法や変調方法等に関して信号を変形するものである。また、受信手段における信号修飾とは、信号の受信形態、特に、復調方法や復号方法に関して信号を変形するものである。

また、本発明のＯＦＤＭ無線通信端末は、予め取得した上記の振幅確率分布とビット誤り率の関係と、各サブチャネルの上記無信号時間帯に取得した振幅確率分布を用意した状態で、上記受信手段において取得された信号電力指標から上記送信手段における変調方式を上記ビット誤り率を所望の限度値以下にする制御を行うものである。

また、上記送信手段におけるサブチャネル毎の信号電力配分について、上記ビット誤り率を所望の限度値以下にする制御を行うことで決定するものである。

また、上記受信手段は誤り訂正復号器に軟判定復号器を備えるものであって、上記無信号時間帯に取得した振幅確率分布を用いて、上記受信手段における誤り訂正復号器に入力される復調ビットの重み付けを行うものである。

また、上記受信手段は、予定のビット誤り率を得るために必要な各サブキャリアの信号電力を上記振幅確率分布から予測し、上記スペクトル分解手段から取得した各サブキャリアの信号電力とのそれぞれの比を導出するサブキャリア信号電力比較手段を備えるものであって、上記サブキャリア信号電力比較手段の上記のそれぞれの比を予定の値にする様に上記の復調ビットの重み付けを行うものである。

例えば無線ＬＡＮ端末では、通常ＰＣなどの情報電子機器に組みこまれて使用されるため、その端末自身からの雑音の影響を受けることになるが、本発明によってその様な影響が緩和され、通信速度（スループット）が向上する。

ＯＦＤＭ方式パケット無線通信端末の受信部の構成例を示すブロック図である。 ＡＰＤの定義を説明するための時間−振幅図である。 受信機雑音のみの場合と、それに干渉波が加わった場合の確率密度分布例を信号強度に対して示す図である。 サブチャネル毎のＡＰＤからＯＦＤＭ信号の受信ＢＥＲを推定する式を示す表である。 ＢＥＲ推定結果とサブキャリア信号強度の関係を示す図である。

図１に、ＯＦＤＭ方式パケット無線通信端末の受信部５０の構成例を示す。
アンテナで受信した電波は周波数変換部１で中間周波数に周波数変換し、受信フィルタ２で所望の周波数帯域の中間周波数帯信号を濾波する。濾波された中間周波数帯信号はＡＤ（アナログ／デジタル）変換部３でデジタル信号に変換し、ガードインターバル除去部４でガードインターバルを除去した後、ＦＦＴ（高速フーリエ）演算部５でフーリエ変換してスペクトルに分解し、チャネル等価部６で各チャネルのサブキャリア信号の振幅が一定になる様に調整し、サブキャリアデマッピング部７で相空間上の信号点からデジタル信号に変換し、デインタリーブ部８で各サブキャリア毎に分割したデジタル信号を統合して元に戻し、誤り訂正復号部９で前記デジタル信号の誤り訂正を行い、出力する。

ＡＰＤは、図２に示す様に、雑音振幅がある振幅値（スレッショルド値ｘ_k）を超える時間率で表され、次の様にスレッショルド値ｘ_kの関数となる。

ここで、Ｗ_i（ｘ_k）は雑音振幅がある振幅値（スレッショルド値ｘ_k）を超える時間、Ｔ₀は測定時間長、ｐ（ｙ）は確率密度分布である。

図３に、受信機雑音のみの場合と、それに干渉波が加わった場合の確率密度分布例を信号強度に対して示す。この図から干渉波が加わった場合の確率密度分布は、白色雑音の場合とは明確に異なることが分かる。

本発明に特有の部分として、ＦＦＴ（高速フーリエ）演算部５からの信号で、無信号時間帯の雑音についてＡＰＤを測定する雑音ＡＰＤ部１１があるが、この無信号時間帯には信号到来判定部１０で判定した時間帯を用いる。

本発明は、上記無信号時間帯に上記各サブキャリア毎に取得されたそれぞれの上記振幅確率分布を上記送信手段または上記受信手段における信号修飾に用いて、上記受信手段から出力される情報のビット誤り率を抑制するものである。ここで、送信手段における信号修飾とは、信号の送信形態に関するものであり、符号化方法や変調方法等に関して符号化や変調において信号を変形することを指す。また、送信においてＡＰＤを信号修飾に用いるとは、ＡＰＤに応じて符号化方法や変調方法を変えることを意味する。また、受信手段における信号修飾とは、信号の受信形態、特に、復調方法や復号方法に関して復調や復号において信号を変形することを指し、受信においてＡＰＤを信号修飾に用いるとは、ＡＰＤに応じて復調方法や複号方法を変えることを意味する。

図１の構成において、ＡＰＤを得るための構成は、具体的には以下のものである。通信信号が受信されていない時間帯におけるＦＦＴの結果（同相および直交成分）の２乗和平方根を計算して雑音振幅を求め、一定時間内に得られる雑音振幅の時間変動のヒストグラムをサブチャネル毎に作成する。このヒストグラムを振幅の大きい方から累積すればＡＰＤが得られる。

図１の構成では、ＯＦＤＭ受信機に備わっているＦＦＴ機能を用いて無信号時間に受信される雑音のＦＦＴを行い、そのＡＰＤを各サブキャリア毎に同時測定するが、ＯＦＤＭ受信機から独立し同等の機能を備える装置を用いてもよいことは明らかである。

ここで、雑音のＡＰＤと信号電力が与えられると、各種の変調方式や同期検波方式について、誤り訂正を行う前のＯＦＤＭ信号の復調ビット誤り率が近似的に推定できることが知られており（非特許文献1，２，３）、これを図４に示す。

雑音ＡＰＤ部１１からの出力を送信手段における信号修飾に用いる場合は、この出力を、チャネル等価部６でのチャネル等価に用いる信号とともにＢＥＲ制御部１２に送る。ＢＥＲ制御部１２では、雑音のＡＰＤとチャネル等価用信号とから、予め入力した情報を用いて、現状のＢＥＲを推定し、これを目標の値に制御するために必要な変調方式や符号化率などを決定する。この様に決定された変調方式や符号化率を伝送部２０を通じて送信端末へ伝送する。送信端末では、伝送された変調方式や符号化率に従ってＯＦＤＭ信号を送信する。

上記のＡＰＤとＢＥＲの関係を用い、各サブチャネルの雑音ＡＰＤと信号電力から、誤り訂正前のＢＥＲを所望の値にするために必要な変調方式を直接定め、図１の機能２の様に送信側に指示する。雑音が連続的かインパルス状かといった違いはＡＰＤに明確に現れるため、雑音電力による指標に比較して精度が良い。

また、変調方式を変更する代わりにサブチャネル毎の信号電力配分を修正しても良い。例えば、ＢＥＲの要求値からサブキャリア信号強度を決めるためには、図５に示すＢＥＲ推定結果とサブキャリア信号強度の関係から、雑音ＡＰＤによるビット誤り率推定と所要信号レベルの推定を行うことができる。これには、サブチャネルＡとＢのＡＰＤの結果に応じて、ＢＥＲの要求値に対する所要信号レベルＡとＢを図５のように求める。その際、チャネルＡおよびＢから復調されるビットの重みとして、比（実際の信号レベルＡ／所要信号レベルＡ）および比（実際の信号レベルＢ／所要信号レベルＢ）をそれぞれ用いる。

上記いずれの場合も、ＢＥＲの推定に用いる各サブキャリアの電力が求められていることが前提であるが、これはパイロット信号等を用いて推定する。また、雑音ＡＰＤは目的とするＢＥＲ（誤り訂正前：多くの場合は１０^-2〜１０^-4程度）以下の確率まで正しく求めることが望ましい。

また、雑音ＡＰＤ部１１からの出力を受信手段における信号修飾に用いる場合は、この出力を軟判定設定部１３に送り、復号時ビットの重み付けを設定する。この重み付けの設定に当たっては、チャネル等価部６からのチャネル等価用信号を用いて、各チャネル毎の重み付けを変えることが望ましい。軟判定設定部１３の出力信号を誤り訂正復号部９に用いる場合は、誤り訂正復号部９には軟判定復号器を用いる。

図１の機能３に示す様に、上記のＡＰＤ測定結果を用いて、受信側の誤り訂正復号器に入力される復調ビットの重み付けを行うこともできる。復調ビットの重み付けの方法としては、例えば一定のＢＥＲを得るために必要な各サブキャリアの信号電力をＡＰＤから予測し、実際の信号電力との比を用いる方法などが考えられる。上記と同様に、例えば、図５に示すＢＥＲ推定結果とサブキャリア信号強度の関係から、サブチャネルＡとＢのＡＰＤの結果に応じて、ＢＥＲの要求値に対する所要信号レベルＡとＢを求める。ここで、チャネルＡおよびＢから復調されるビットの重みとして、比（実際の信号レベルＡ／所要信号レベルＡ）および比（実際の信号レベルＢ／所要信号レベルＢ）をそれぞれ用いる。

なお、前述した送信側の変調方式や送信電力分布の最適化は、複数の異なる雑音環境下の端末によって同時受信の必要がある信号には使用できない。一方受信側での対策は、個々の受信機の置かれた電磁環境に対して個別に適用可能なので、用途に応じて使い分けることができる。

本発明は、デジタルＡＶ機器（地上デジタルチューナ、ＤＶＤレコーダ、携帯ビデオレコーダ、カーナビゲーション機器などに搭載されるＯＤＦＭ方式を使用した無線通信用デバイス、例えば、無線ＬＡＮ、無線ＰＡＮなどに利用できる。

１ 周波数変換部
２ 受信フィルタ
３ ＡＤ（アナログ／デジタル）変換部
４ ガードインターバル除去部
５ ＦＦＴ（高速フーリエ）演算部
６ チャネル等価部
７ サブキャリアデマッピング部
８ デインタリーブ部
９ 誤り訂正復号部
１０ 信号到来判定部
１１ 雑音ＡＰＤ部
１２ ＢＥＲ制御部
１３ 軟判定設定部
２０ 伝送部
５０ ＯＦＤＭ方式パケット無線通信端末の受信部

Claims (5)

1. ＯＦＤＭ信号を送信する送信手段と、該ＯＦＤＭ信号を受信する受信手段とを含む送受信システムにおいて上記受信手段として用いるＯＦＤＭ無線通信端末であって、
   受信したＯＦＤＭ信号を、各サブキャリア毎のスペクトルに変換するスペクトル分解手段と、
   上記スペクトルのそれぞれについて、振幅確率分布を生成するそれぞれの振幅確率分布測定手段と、
   上記振幅確率分布を、上記電波における無信号時間帯に取得するように制御する制御手段と、を備え、
   上記無信号時間帯に上記各サブキャリア毎に取得されたそれぞれの上記振幅確率分布を上記送信手段または上記受信手段における信号修飾に用いて、上記受信手段から出力される情報のビット誤り率を抑制することを特徴とするＯＦＤＭ無線通信端末。
2. 予め取得した上記の振幅確率分布とビット誤り率の関係と、各サブチャネルの上記無信号時間帯に取得した振幅確率分布と、上記受信手段において取得された信号電力指標とから、
   上記送信手段における変調方式を、上記ビット誤り率を所望の限度値以下にする様に制御することを特徴とする請求項１に記載のＯＦＤＭ無線通信端末。
3. 予め取得した上記の振幅確率分布とビット誤り率の関係と、各サブチャネルの上記無信号時間帯に取得した振幅確率分布と、上記受信手段において取得された信号電力指標とから、
   上記送信手段におけるサブチャネル毎の信号電力配分を、上記ビット誤り率を所望の値にする制御を行うことを特徴とする請求項１に記載のＯＦＤＭ無線通信端末。
4. 上記受信手段は誤り訂正復号器に軟判定復号器を備えるものであって、
   上記無信号時間帯に取得した振幅確率分布を用いて、上記受信手段における誤り訂正復号器に入力される復調ビットの重み付けを行うことを特徴とする請求項１に記載のＯＦＤＭ無線通信端末。
5. 上記受信手段は、予定のビット誤り率を得るために必要な各サブキャリアの信号電力を上記振幅確率分布から予測し、上記スペクトル分解手段から取得した各サブキャリアの信号電力とのそれぞれの比を導出するサブキャリア信号電力比較手段を備え、
   上記サブキャリア信号電力比較手段の上記のそれぞれの比を予定の値にするように上記の復調ビットの重み付けを行うことを特徴とする請求項４に記載のＯＦＤＭ無線通信端末。

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