JP2012142932A - 狭帯域干渉を受けるｏｆｄｍ信号を復号する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】受信機における無線チャネル推定を提供する。
【解決手段】信号が狭帯域直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）及び周波数サブキャリアを用いて送信され、信号はデータトーンのセットとパイロットトーンのセットとを含む。信号から抽出された全てのパイロットトーンとチャネルモデルとに基づいてチャネル及びパイロットトーン干渉が推定される。チャネル推定値に基づいてデータのセットが等化される。パイロット干渉及び等化されたデータトーンに従ってデータ干渉が検出される。データ干渉に基づいてサブキャリア干渉対雑音比が求められる。等化されたデータトーンに基づいてデータトーンの信号強度が求められ、サブキャリア干渉対雑音比とデータトーンの信号強度とに基づいてデータトーンによって表されるビットの対数尤度比が求められる。
【選択図】図１

Description

本発明は無線通信に関し、より詳細には、狭帯域干渉を受ける直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）信号を復号することに関する。

干渉は、無線（電波）通信の信頼度を低減する可能性がある。干渉源が受信機の近くにあり、かつ該干渉源が、該干渉源と受信機との間の無線チャネルにおける対象の周波数帯域において十分な電力で信号を生成しているとき、受信機における所望の信号の電力は干渉の電力よりもはるかに低くなる可能性がある。

ブランキング技法は一般に、干渉を受けている信号サンプルを除去するのに用いられる。例えば、干渉源が広帯域信号を生成する場合、受信信号における或る時間サンプルが干渉によって破損されている可能性がある。受信機は、これらの高電力を有する時間サンプルをゼロに置き換え、これによってこれらの時間サンプルにおける所望の信号及び干渉の双方をブランキング除去する。そして、訂正手順が用いられる場合、所望の信号を後に復号することができる。

狭帯域シンボル及びトーン
本明細書においては、ＯＦＤＭ信号はデータシンボル及びパイロットシンボルを含むものと定義する。ＯＦＤＭシンボルは無線信号のサブキャリアにおいて周波数トーンとして送信されるので、データシンボル及びパイロットシンボルは多くの場合にデータトーン及びパイロットトーンと呼ばれる。これ以降、シンボル及びトーンという用語は交換可能に用いられる。

干渉源が狭帯域信号を生成する場合、受信機は破損した干渉している周波数トーンをゼロで置き換え、これによってこれらの特定の周波数トーンにおける所望の信号及び干渉の双方をブランキング除去することができる。

狭帯域干渉の場合、ブランキング技法の有効性は、受信機が干渉が存在する周波数トーンを求める能力に依拠する。無線チャネルのコヒーレンス帯域幅が無線送信の帯域幅よりも大きい場合、干渉は、各受信周波数トーンの受信電力を比較することによって検出することができる。これは比較的単純である。

しかしながら、送信が、無線チャネルのコヒーレンス帯域幅よりも大きい帯域幅を必要とする場合、受信機は、チャネル特性及び可能性のある干渉の双方を同時に推定する必要がある。これは困難である。

非特許文献１は、チャネル特性及び干渉を同時に推定する方法を特定している。コヒーレント周波数帯域の範囲内で、送信機によって少なくとも２つのパイロットトーンが送信される。コヒーレンス帯域幅の定義により、これらの２つのパイロットトーンは同様の受信電力を有する。２つのパイロットトーンの受信電力間の差異が大きいとき、干渉が存在する可能性が高い。非特許文献１において、「１つのグループ内の２つのシンボルは同じコヒーレンス帯域幅内になくてはならないが、異なるグループ内のシンボルは［干渉検出式］を満たす必要がない」ことが明確に述べられている。換言すれば、従来技術は、帯域内の干渉を求めるのにコヒーレンス帯域の外側からのパイロットトーンを用いない。

ＩＥＥＥ８０２．２２−０５／０２６２ｒ０標準規格「Orthogonal Interference Detection」

無線チャネル及び狭帯域干渉を共同で推定するための方法及びシステムを提供することが所望されている。

本発明の実施の形態は、狭帯域干渉の存在下で無線チャネルを復号する方法を提供する。本方法は、誤り訂正手順の軟復号情報を提供することができる。チャネルは、パイロットトーンが同じコヒーレンス帯域内に位置しているか、又は異なるコヒーレンス帯域に位置しているかに関わらず、送信における全てのパイロットトーンを用いて推定される。

本発明の方法によれば、無線チャネル及び狭帯域干渉を共同で推定することができる。

本発明の実施形態による、受信機において無線チャネルを推定し、干渉を検出し、信号を復号する方法及びシステムのブロック図である。 本発明の実施形態による、パイロット部分空間の構築の概略図である。 本発明の実施形態による、干渉を有する受信パイロットトーン及び干渉を有しない受信パイロットトーンの概略図である。 本発明の実施形態によるパイロット部分空間の概略図である。 パイロット部分空間による可能性の高いチャネル実現の概略図である。 本発明の実施形態による、等化に用いられる、干渉の可能性の高いロケーションの概略図である。 本発明の実施形態による、可能性の高い信号及び干渉に基づいて対数尤度比を求めるブロック図である。

図１は、本発明の実施形態による、受信機において無線チャネルを推定し、干渉を検出し、信号を復号する方法及びシステムを示している。受信機が直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）信号１０１を受信すると、システムは高速周波数変換（ＦＦＴ）１１０を実行して、異なる周波数サブキャリア（ＳＣ）に埋め込まれたパイロットトーンのセット１１１及びデータトーンのセット１１２を取得する。

受信機は、パイロットトーンを抽出して（１１１）チャネル推定１２０を実行する。従来から、チャネル推定はパイロットトーンの直接補間によって行われている。しかしながら、本発明は、抽出されたパイロットトーンを、基盤を成すチャネルモデル１０２によって許可されているチャネル実現に射影する。

送信パケットのプリアンブル時間の間に、完全なプリアンブル信号が知られ、サブキャリアは用いられない。これは、全てのサブキャリアがパイロットトーンである本発明の特殊な事例と見なすことができる。

受信パイロットトーンのセット及びチャネルモデルを所与とすると、可能性の高い少数のチャネル推定値を求めることが可能である。チャネルのコヒーレント時間内の過去のチャネル推定値１０３が利用可能である場合、前回のチャネル推定値も用いてチャネル推定を改善することができる。可能性の高いチャネル推定値ごとに、受信機は各推定値の確率を保持する。

チャネルモデル及び抽出されたパイロットトーンを用いて、チャネル推定値は、或るパイロットトーンの受信電力が、予期されるチャネル推定値と大きく異なることを発見することができ、これは干渉である可能性が高い。これらのパイロットトーンの干渉が検出される（１２５）。

同時に、チャネル推定値に従ってＳＣ内のデータトーンが等化される（１３０）。等化されたデータトーンによって、受信機はデータトーンの信号強度及び位相情報を求めることが可能になる。位相情報は、データトーンによって表される受信ビットの対数尤度比（ＬＬＲ）を求めるのに重要な成分である。

干渉も存在する可能性があるので、ＬＬＲの計算は、干渉の電力に関する情報も必要とする。このため、等化器の出力において、受信機はデータ干渉も検出する（１４０）。このステップは、データ干渉とパイロット干渉との間の電力差も比較する。推定された信号干渉を用いてサブキャリア干渉対雑音比（ＳＣ ＩＮＲ）を求めることができる（１４５）。ＬＬＲの決定（１５０）は、ＳＣ ＩＮＲに基づく。

データ干渉を検出する間、受信機が各チャネル推定値の確率を修正する（１５５）必要がある可能性がある。チャネル推定値ごとに、結果としてデータサブキャリアの異なるＬＬＲ値が生じる可能性がある。受信機は、チャネル推定値の確率に従ってＬＬＲ値の加重和を求める。データトーンによって表されるビットの結合されたＬＬＲは、受信機における誤り訂正手順１６０に入力され、受信信号を完全に復元することができる。

本発明の主要な新規性は、
チャネル推定が全てのサブキャリアの全てのパイロットトーン及びチャネルモデルを用いること、
ＳＣの等化及び復号が複数のチャネル推定値の尤度及び干渉推定値を用いること、並びに
複数のチャネル推定値から得られた複数の尤度が結合されること、
にある。

チャネル推定及び干渉推定
従来技術では、チャネル推定はパイロットトーンのみを用いて直接実行される。補間を用いてパイロットトーン間のデータサブキャリアの無線チャネルを推定する。そのような手法は単純である一方、送信機と受信機との間の無線チャネルに関する情報を利用しない。

チャネルのインパルスが経時的に以下の形態を取るような、限られたマルチパスしか有しない無線チャネルを検討する。

ここで、ｔは時間であり、ｇ_ｉは複素数値であり、Ｌは非常に小さく、例えばＬ≦５であり、δはデルタ関数であり、τは無線チャネルによるマルチパス遅延である。

パイロットトーンの周波数がｆ_１，．．．，ｆ_Ｋとして設定される場合、受信パイロットトーンａ_１，．．．，ａ_Ｋは以下を満たす２Ｌ次元複素パイロット部分空間内に位置する。

図２は、パイロット部分空間の構成を要約している。チャネルモデル１０２は、ｇ_１，．．．，ｇ_Ｌ、τ_１，．．．，τ_Ｌ２１０、パイロット周波数ｆ_１，．．．，ｆ_Ｋ２２０の全ての可能な値を取る。全ての可能なパイロットトーンａ_１，．．．，ａ_Ｋ２３０は、チャネル式（１）によって許容可能な値を取る。

図３は、無線チャネル３０２を通じて送信されたパイロットトーン３０１、干渉のない受信パイロットトーン３０３、狭帯域干渉３０４、及び干渉を有する受信パイロットトーン３０５を示している。

パイロットトーンが無線チャネルを通じて送信されるとき、干渉のない受信パイロットトーンａ_１，．．．，ａ_Ｋ及び雑音は式（１）を満たす。狭帯域干渉の存在下で、いくつかのパイロットトーンは追加の電力を受信する。結果として、受信機は、干渉及び雑音の双方を含むパイロットトーンｃ_１，．．．，ｃ_Ｋを観測する。

従来技術において、ｃ_５がｃ_７と同じコヒーレント帯域幅にない場合、それらの値はこれらの２つのトーンに干渉が存在するか否かをチェックするのに用いられない。

本発明の実施形態では、全ての受信パイロットトーンが式（１）を満たすパイロット部分空間内に位置するので、全てのパイロットトーンを同時に用いて任意のパイロットトーンにおける干渉の存在を推定する。

図４は、ｃ_１，．．．，ｃ_Ｋからチャネル推定値を最適に推定する方法を示している。受信したパイロットトーン（ｃ_１，．．．，ｃ_Ｋ）４０１は、干渉及び雑音のない（ａ_１，．．．，ａ_Ｋ）４０４の全ての可能な値を含むパイロット部分空間４０３の最も近い点４０２に射影される（４１０）。任意の従来の最小二乗誤差射影技法を用いてこれを達成することができる。

図５に示すように、全ての可能なチャネル実現の部分空間は線形でないので、受信トーンのセット（ｃ_１，．．．，ｃ_Ｋ）が複数の可能性の高いチャネル（Ａ及びＢ）に最も近い可能性がある。物理的に、これは、干渉が存在する場合に受信機が複数の可能性の高い候補を有する事例に対応する。これは、パイロットトーン数が限られていることに起因して起こり得る。この事例では、受信機は全ての可能性の高いチャネル（例えば図５のチャネルＡ及びチャネルＢ）、及び受信パイロットトーンを所与としてそのようなチャネルがもたらし得る事後確率を求める。

事後確率を求めるために、チャネルモデルは更に強化される必要がある。ｇ_ｉ及びτ_ｉの事前確率分布を取得することが可能であり、ベイス規則を用いて事後確率を推定することができる。そのような情報が利用可能でない場合、可能性の高い各チャネルが等しい確率を有すると仮定することが可能である。

チャネルモデルのコヒーレント時間内にある前回の推定値が作成されると、この情報を更に用いて、可能性の高いチャネル推定値の確率を修正することができる。

可能性の高いチャネル推定値ごとに、データサブキャリアの等化及び復号が実行される。

データサブキャリアの等化及び復号
図６は、等化方式及び復号手順を示している。この例では、二相位相変調（ＢＰＳＫ）又は四相位相変調（ＱＰＳＫ）による変調が、各データシンボルの送信電力が同じであるように仮定される。直交振幅変調（ＱＡＭ）等のより進んだ変調方式を用いるとき、異なるサブキャリアにおける送信電力は異なる。この場合、平均化も実行することができる。

図６に示すように、受信信号は、周波数サブキャリア６０５において、３つのパイロットトーンからなるセット１１１及び１６個のデータトーンからなるセット１１２を含む。全てのデータトーン及びパイロットトーンは等しい電力を用いて送信され、無線チャネルによって受信サブキャリア６０２は異なる電力を有することになる。上述した射影メカニズムから、可能性の高いチャネル候補が求められる。全てのデータトーン及びパイロットトーンを可能性の高いチャネル候補を用いて等化することができる。

等化されたトーンは変動電力を有する可能性がある。送信電力は同じであると仮定されるので、変動電力は干渉によって生じているはずである。受信機は変動電力情報を用いてデータトーンにおける可能性の高い干渉６１０を検出する。いくつかのシステムでは干渉の特性を知ることができる。この事例では、受信機はこの情報を用いて、データトーンにわたって観測された干渉を所与としてチャネル推定値の尤度を実証することができる。この知識は、可能性の高いチャネルの確率推定値における修正１５５をもたらすことができる。

尤度の結合
図７は、複数のチャネル推定値が用いられる方法、及び出力を結合して、最終的なＬＬＲを誤り検出アルゴリズムへの入力として求める方法を更に示している。

受信信号１０１におけるパイロットトーン及びチャネルモデルを用いて、複数の可能性の高いチャネル７０１及びそれらの事後確率が求められる。この例では、２つの可能性の高いチャネル、すなわちチャネルＡ及びチャネルＢが検討される。可能性の高いチャネルＡを用いて受信信号を等化して（１３０）、等化された信号Ａを生成し、可能性の高いチャネルＢを用いて受信信号を等化して、等化された信号Ｂを生成する。次に、等化された信号Ａを用いて可能性の高い信号Ａ７１１及び可能性の高い干渉Ａ７１２を求める。各サブキャリアにおける信号及び干渉を用いてＬＬＲ Ａ７２１を求めることができる（１５０）。

同様に、等化された信号Ｂを用いて、可能性の高い信号Ｂ７１３及び可能性の高い干渉Ｂ７１４を求めることができる。各サブキャリアにおける信号及び干渉を用いてＬＬＲ Ｂ７２２を求めることができる（１５０）。可能性の高いチャネルＡは確率ｐ_Ａを有し、可能性の高いチャネルＢは確率ｐ_Ｂを有するので、最終的なＬＬＲはＬＬＲ値に対応するビットの実際の確率の加重和を用いて求めることができる。

Claims (11)

1. 受信機において、チャネルを推定し、干渉を検出し、信号を復号する方法であって、前記チャネル及び前記受信機は無線であり、前記信号は狭帯域直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）及び周波数サブキャリアを用いて送信され、前記信号はデータトーンのセットとパイロットトーンのセットとを含み、該方法は、
   前記信号から抽出された全てのパイロットトーンとチャネルモデルとに基づいて、前記チャネル及びパイロットトーン干渉を推定することと、
   前記チャネル推定値に基づいて、前記信号から抽出された前記データトーンのセットを等化することと、
   前記パイロット干渉及び前記等化されたデータトーンに従ってデータ干渉を検出することと、
   前記データ干渉に基づいてサブキャリア干渉対雑音比を求めることと、
   前記等化されたデータトーンに基づいて前記データトーンの信号強度を求めることと、
   前記サブキャリア干渉対雑音比と前記データトーンの前記信号強度とに基づいて前記データトーンによって表されるビットの対数尤度比を求めることと、
   を含む、受信機においてチャネルを推定し、干渉を検出し、信号を復号する方法。
2. 前記抽出は、高速周波数変換を用いる、請求項１に記載の方法。
3. 前記トーンは異なる周波数サブキャリアに埋め込まれる、請求項１に記載の方法。
4. 前記推定することは、前回のチャネル推定値を用いる、請求項１に記載の方法。
5. 前記データ干渉に基づいて前記チャネル推定値を修正することを更に含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記対数尤度比は重み付けされ合算される、請求項１に記載の方法。
7. 前記推定することは、
   前記パイロットトーンをパイロット部分空間内の最も近い点に射影することを更に含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記射影することは、最小二乗誤差射影を用いる、請求項７に記載の方法。
9. 前記推定することの結果として、複数のチャネル推定値が生じる、請求項１に記載の方法。
10. 前記受信機は前記チャネル推定値のそれぞれの確率を保持する、請求項１に記載の方法。
11. 前記推定することは、
    誤り訂正手順において前記対数尤度比を用いることを更に含む、請求項１に記載の方法。

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