JP2012525750A - Ｏｆｄｍ信号を識別する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、受信信号においてOFDM信号を識別する方法に関し、方法によれば、受信信号が、サンプリングされ、P個のサンプルのブロックに切離され、各ブロック(I)が、複数の周波数に関して複数のシンボル(II)を得るために逆フーリエ変換を受ける。前記複数の周波数の全ての周波数について、前記周波数において得られたシンボル(IV)のセットの尖度(III)が計算され、その後、前記複数の周波数の周波数について計算された尖度値を使用して、尖度が周波数領域において周期性を有するかどうかが判定され、尖度が周期性を有する場合、OFDM信号の存在が受信信号内で識別される。

Description

本発明は、OFDM信号のブラインド識別方法に関する。この方法は、特に、コグニティブ無線の分野における、いわゆる日和見的(opportunistic)電気通信システムに適用可能である。

日和見的電気通信は、1次電気通信システムと呼ばれる既存の電気通信システムに干渉しないように、その伝送パラメータを適合させるためにそのスペクトル環境を永久的に知るべきである。

スペクトルの日和見的使用が想定されるほとんどの1次電気通信システムは、OFDM電気通信システムである。したがって、OFDM信号がその環境内に存在するかどうかは、日和見的端末にとって重要であり、また、存在する場合、この信号のパラメータを確定することが重要である。

OFDM変調は、現状技術においてよく知られており、DVB-T、ADSL、Wi-Fi(IEEE 802 a/g)、WiMax(IEEE 802.16)などの多数の電気通信システムで利用される。OFDM変調は、良好なスペクトル効率および周波数選択性フェージングに対する良好な防御という利点を有する。

OFDMシステムにおいて、送信される情報シンボルは、N個のシンボルのブロックによってグループ化され、ここで、Nは一般に2の累乗であり、情報シンボルの前記ブロックにIFFT(逆高速フーリエ変換)を実施することによってOFDMシンボルが取得されることが想起される。一般的には、符号間干渉つまりISIを吸収し、受信時の等化を容易にするために、サイクリックプレフィックスが各OFDMシンボルの始まり部分に付加される。これらのOFDMシンボルによって構成されるOFDM信号は、その後、おそらく周波数に変換されうる。

一般的には、OFDMシステムが発する信号は、

によってベースバンドで表されうる。式中、T_S=(N+D)T_CはOFDMシンボルの継続時間であり、Eは信号電力であり、NはOFDMマルチプレックスの搬送波数であり、a_k,nは、M次的(M-ary)変調のアルファベット、通常BPSK、QPSK、またはQAMに属するブロックkに関する情報シンボルであり、1/T_C(T_Cは「チップ」時間である)は情報シンボルレートであり、Dは、チップの数で表現されるサイクリックプレフィックスのサイズであり、g(t)は、信号のスペクトルをアポダイズする(apodize)ための時間枠[0,(N+D) T_C]を有するOFDMシンボル整形パルスである。

OFDM信号は、図1に概略的に示される。OFDM信号は、OFDMシンボルのシーケンスから構成され、各シンボルは、有効継続時間NT_Cおよび継続時間のガード区間T_prefix=DT_C(サイクリックプレフィックスが位置する)からなる総合継続時間(N+D)T_Cを有する。従来的には、サイクリックプレフィックスは、ガード区間内のOFDMシンボルの終わり部分のコピーであることが想起される。一部のOFDMシステムでは、サイクリックプレフィックスは単に省略される。換言すれば、シンボルの有効な部分は、「空の(empty)」ガード区間で分離される。

OFDM信号を識別する、知られている方法は、サイクリックプレフィックスの存在によって生じる信号の統計的特性のほとんどの部分を利用する。しかし、これらの方法は、OFDMシンボルの有効継続時間に関してサイクリックプレフィックス長が小さいとき(実際には特にWiMaxおよびDVB-Tシステムにおいて非常に一般的である)に効率が低いことがわかった。さらに、これらの方法は、伝送チャネルがマルチパスタイプであるときに悪い結果をもたらす。

OFDM信号の自己相関関数の時間周期性を使用する識別方法は、IEEE Global Telecommunications Conference(Globecom),Nov.2008にて発表された「A second order statistics based algorithm for blind recognition of OFDM based systems」という名称のA. Bouzegzi等の論文に記載された。しかし、この方法は、サイクリックプレフィックスの小さなサイズについて、また、マルチパスチャネルについて高い頑健性を有する場合、OFDMシンボル内にサイクリックプレフィックスの存在を必要とする。

いくつかの識別方法、特に、IEEE Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications(SPAWC),July 2008で発表された「A fourth-order based algorithm for characterization of OFDM signals」という名称のA. Bouzegzi等の論文に記載される方法が、サイクリックプレフィックスを破棄するために最近提供された。OFDM復調器の出力におけるエントロピー最小化基準に基づくこの方法は、リアルタイム態様(implementation)にほとんど適合しない時間および周波数同期化を必要とする。

IEEE Global Telecommunications Conference(Globecom),Nov.2008にて発表された「A second order statistics based algorithm for blind recognition of OFDM based systems」という名称のA. Bouzegzi等の論文 IEEE Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications(SPAWC),July 2008で発表された「A fourth-order based algorithm for characterization of OFDM signals」という名称のA. Bouzegzi等の論文

したがって、本発明の目的は、使用されるプレフィックスの存在および性質に依存しないが、時間および/または周波数同期化を必要としない、OFDM信号のブラインド識別方法を提供することである。

本発明の別の目的は、ノイズとマルチパスの両方に対して頑健である、サイクリックであっても、そうでなくても、使用されるプレフィックスの長さに依存しないOFDM信号識別方法を提供することである。

本発明は、受信信号におけるOFDM信号識別方法によって規定され、受信信号が、サンプリングされ、P個のサンプルのブロックに切離され(cut off)、各ブロック(B_l)が、その後、複数の周波数において複数のシンボル

を得るために逆フーリエ変換を受ける。前記複数の周波数の各周波数について、各周波数において得られたシンボルのセット

の尖度(kurtosis)(κ(f))が計算され、その後、前記複数の周波数について計算された尖度値から、前記尖度が周波数領域において周期性(periodicity)を有するかどうかが判定され、前記尖度が周期性を有する場合、OFDM信号の存在が受信信号内で識別される。

有利には、前記尖度が周波数領域において周期性を有するかどうかを判定するために、尖度のスペクトルが、計算され、スペクトルが、ある周期(Δf)を有する値についてスペクトルピークを有するかどうかが判定される。

その後、尖度の平均値

を尖度から抽出することができ、中心に移された尖度のフーリエ変換が計算され、スペクトルピークが、スペクトルピークの高さ(α_P)が所定の閾値(α_T)より高い場合に検出される。

別の有利な実施形態によれば、所与のOFDMシンボル継続時間T_sを有するOFDM信号の存在を識別することが試みられる。ブロック当たりのサンプル数が、その後、

であるように選択され、ここで、T_eがサンプリング周期である。

代替法によれば、P個のサンプルのブロックへのサンプリングされた信号の切離しが複数のPの値について繰返され、尖度計算が前記複数のPの値について繰返され、得られた尖度のスペクトルが計算され、スペクトルピーク高さ(α_P)が、スペクトル(H_P)のそれぞれにおいて確定され、最高ピーク高さに対応する値P=P_optが選択される。

この場合、選択されたP_opt値について、スペクトルピークが、所定の閾値(α_T)より高い高さα_Poptを有するかどうかが、有利には判定される。

前記OFDM信号のサブキャリア間隔もまた、選択されたP_opt値について得られた尖度スペクトル内のスペクトルの位置から確定されうる。

最後に、OFDM信号内のOFDMシンボルの有効継続時間が、選択されたP_opt値について得られた尖度スペクトル内のスペクトルピークの位置から確定されうる。

本発明の他の特徴および利点は、添付図面に関連して本発明の好ましい実施形態を読むとより明らかになる。

OFDM信号を概略的に示す図である。 OFDM信号のサンプリング窓を概略的に示す図である。 本発明の実施形態によるOFDM信号識別方法のフローチャートを概略的に示す図である。 BBAGチャネルで伝搬されるOFDM信号の場合の、周波数によって評価されるシンボルグループの尖度の変動を示す図である。 図4Aの尖度のスペクトルを示す図である。 マルチパスタイプチャネルで伝搬されるOFDM信号についての、周波数によって評価されるシンボルグループの尖度の変動を示す図である。 図5Aの尖度のスペクトルを示す図である。 サンプリング窓幅とOFDMシンボルの継続時間の比の関数としての尖度スペクトルのピーク高さにおける1つの例示的な変動を示す図である。

OFDM信号を識別しようと試みる日和見的端末は、以下のように考えられる。日和見的端末は、その環境内にOFDM信号が存在するかどうかを判定しようと試みている、または、必要である場合、この信号について少なくとも1つの変調パラメータを得ようと試みている。OFDM信号の変調パラメータによって、ここでは、OFDMシンボルの有効継続時間(T_u=NT_c)、または等価的に、サブキャリア間隔(1/NT_c)、プレフィックス継続時間(DT_c)、OFDMシンボルの総合継続時間(T_s=(N+D)T_c)が意味される。

OFDM信号は、存在する場合、式(1)で与えられる形態を有すると思われる(suppose)。

日和見的端末は、ベースバンドで受信される信号のサンプリングを実施し、搬送波周波数は、既知であるかまたは既知の離散値に属すると仮定される。f_e=1/T_eが、使用されるサンプリング周波数であり、考えられるOFDM信号の帯域幅に関連するナイキスト基準を満たすのに十分に高く選択されている場合、サンプリング信号は、P個のサンプルのL個のブロックに切離される。ブロックlのサンプルは、
s_l,a(p)=s_a(pT_e-lPT_e)Π_PTe(pT_e-lPT_e) (2)
として表現される。式中、Π_PTeは、0≦u<PT_eである場合、Π_PTe(u)=1であり、そうでなければΠ_PTe(u)=0であるような幅PT_eを有する窓関数であり、lはB_lで表すブロック指数である。ブロックの時間幅PT_eは、OFDMシンボルの一般に使用される継続時間より高くなるように十分に高く選択される。

図2は、受信信号のブロックおよびOFDMシンボルの相対位置を概略的に示す。

所与のブロックについて、B_l、T₀は、ブロックの始まり部分およびそのブロックに含まれる第1のOFDMシンボルの始まり部分を分離する時間を表す。同様に、T₁は、ブロックの終わり部分およびそのブロックに含まれる最後のOFDMシンボルの終わり部分を分離する時間を表す。指数lは、表記を簡略化するために、T₀およびT₁から省略された。一般的な規則として、ブロックB_lは、OFDMシンボルに同期しないことが理解されるであろう。

信号がサンプリングされ、複数ブロックに切離されると、各ブロックB_lのフーリエ変換、通常FFTが、このブロックの搬送波fによって搬送される情報シンボルを評価するために実施される。すなわち、

そのため、評価されるシンボルのシーケンスは、各周波数について得られ

、l=1,…,Lであり、Lは考えられる連続ブロックの数である。

シンボルa_k,nは、非依存性でかつ均等に分布した確率変数(random variable)によって表されることがここで仮定される。より正確には、これらの確率変数は、したがって、OFDMシンボルごとに、また、搬送波ごとに非依存性である。OFDMシンボルは、サイクリックであっても、そうでなくても、プレフィックスを含みうるまたは含まない。

提供される識別方法の非依存性と頑健性を示すために、プレフィックス長がゼロであると仮定される。

最後に、ノイズがないガウスチャネルが最初に考えられ、実際のチャネルが、その後想定される。

本発明による識別方法は、以下の注目すべき特性に基づく。
∀f∈[O,1/T_c]であり、f+Δf∈[O,1/T_c]である場合、

であり、式中、

は、確率変数として考えられる

の尖度である。換言すれば、所与の周波数fについて、この周波数に関して評価されるシンボルの尖度は、準周期Δfの準周期関数である。

特性(4)は、以下のように立証されうる。

ブロックB_lは、OFDMシンボルと同期していないため、一般に、指数k₀を有するOFDMシンボルの終わり部分からなる第1の部分、それぞれの指数k₁,…,k_Kを有する整数K≧1のOFDMシンボルからなる第2の部分、および指数k_K+1を有するOFDMシンボルの始まり部分からなる第3の部分を備える。

3つの部分へのこの分解を実施することによって、また、表記

を導入することによって、式(5)は、

になり、

は、x以下の最も大きな整数である。その他では、

であり、

および

であり、

は位相項である。

評価されるシンボルの尖度は、定義によれば、

によって与えられる。式中、

は

の4次モーメント(4次キュムラント)であり、

は

の分散である(ゼロ平均を有する)。

式(9)の分子はまた、

として書かれうる。式中、n⁽ⁱ⁾およびk⁽ⁱ⁾が便宜のために区別され、i=1,…,4の4つの指数nおよびkがモーメントの計算に含まれ、

である。

情報シンボルが、シンボルごとに、また、副搬送波ごとに非依存性であるため、式(10)の全ての交差項(crossed term)はゼロであり、4次キュムラントは、

として簡略化される。

同様に、式(9)の分母は、

として書かれうる。

式(11)および(12)から、尖度

が導かれる。

であるため、ここで特性(4)が満たされるかどうかがチェックされうる。

すなわち、∧_k,n(f)の式(8)が与えられると、

となり、最終的に、

となり、

、i=2,4である。

は束縛項(bound term)であり、Nが無限大に向かうとき、特性

が証明されることが理解される。

図3は、本発明によるOFDM識別方法のフローチャートを概略的に示す。

ベースバンドで受信される信号のサンプリング周波数は、一般に使用されるチップ周波数1/T_Cよりずっと高くなるように選択される。

ステップ310にて、サンプル数で表示される、サンプリング窓の幅P、換言すれば、受信信号の切離しブロックの時間幅PT_eが選択される。所与のシンボル継続時間T_sを有する、特定のOFDM信号の存在をチェックしたいと思う場合、有利には、

が選択される。式中、λは、正の実数であり、好ましくは1より大きく、有利には1.2と1.7との間、たとえば後で見られるようにλ=1.5である。しかし、一般に、T_sの考えられる値を前もって知ることがない完全ブラインド方法で進められてよく、その場合、Pの十分に高い値が選択される。

ステップ320にて、受信信号が、サンプリングされ、P個の連続サンプルのブロックに切離される。こうして採取されるブロック数がLであることが仮定される。

ステップ330にて、複数の周波数f=f₀,…,f_Jについて、たとえば周波数f_j=jδf,j=0,…,J-1(δfは、通常のOFDM信号の副搬送波間隔に対して十分に低く選択された、周波数サンプルピッチである)について、この周波数によって搬送されるシンボルは、(3):

(s_a(t)はベースバンドで受信される信号である)による逆フーリエ変換によって、通常IFTTを使用して評価される。各周波数fについて、シンボルのシーケンス

、l=1,…,Lが得られる。

ステップ340にて、各周波数fについて、この周波数で評価されるシンボルの尖度が、以下の式

によって計算され、ある定数内で規定される。

本明細書で先に見られたように、OFDM信号が、Δfの副搬送波間隔を持って受信信号内に存在する場合、尖度κ(f)は、準周期Δfを有する準周期関数である。

ステップ350にて、尖度κ(f)が、実際に、周期性を有するかどうかが判定される。たとえば、尖度の連続成分が尖度から減算された尖度κ(f)のフーリエ変換が計算される。すなわち、

であり、こうして得られたスペクトル内にピークが存在するかどうかが判定される。

特にκ(f)の自己相関関数の最大による、尖度の周期性を判定するさらなる方法が使用されうることを当業者は理解するであろう。

こうして確定された周期または準周期はΔ_Pfで示され、スペクトルピークの高さまたは自己相関関数の最大値はα_Pで示される。

周期性を探索するために、たとえば、尖度のスペクトルピークの高さまたは自己相関関数の最大値が実際に有意であるかどうかを判定するために、検出閾値が使用されうる。尖度の周期性を検出するための他の基準が想定されうる。これは、本発明の範囲を逸脱しない。

OFDM信号が存在しない場合、スペクトルH_Pが有意のピークを持たず、評価されるシンボルの尖度内に周期性が検出されない。

第1の代替法によれば、識別方法はこのステップを停止する。これは、特に、所与のシンボル継続時間T_sを有するOFDM信号が、受信信号内に存在するかどうかをチェックすることが所望されるだけである場合である。

完全ブラインドモードで使用される第2の代替法によれば、サンプリング窓幅の範囲は、最小値P_minから最大値P_maxまで走査される。

このために、ステップ360にて、P=P_maxであるかどうかが試験される。noである場合、ステップ365にて、サンプリング窓幅が増分され、P=P+δPになり(δPは1以上の整数である)、その後、プロセスは、ステップ320に戻る。一方、yesである場合、識別方法はステップ370に進む。

ステップ370にて、最も高いスペクトルピーク高さまたは自己相関の最大値を提供したブロックの幅P_optが確定される、すなわち、

である。そして、周期または準周期は、Δ_Poptfによって与えられる。

上記のように、OFDM信号が存在するか否かを結論付けるために、検出閾値α_Tが使用されうる。たとえば、α_Poptである最も高いスペクトルピーク高さが、この閾値と比較されうる。そして、α_Popt＞α_Tである場合だけ、OFDM信号が存在すると結論付けられることになる。

どんな代替法が使用されても、識別方法は、OFDMシンボルのΔf周期および/または対応する有効継続時間を提供する。

図4Aは、加法ホワイトガウスノイズ(additive white Gaussian noise)(AWGN)チャネル内で伝搬されるOFDM信号の場合の、各周波数fについて評価されるシンボルのグループの尖度κ(f)の変動を示す。OFDM信号の存在の兆候である関数κ(f)の周期的外観が認識される。

図4Bは、図4Aの尖度スペクトルを示す。正規化された変数Δf/Δf₀が横座標に示され、Δf₀は、受信信号内に実際に存在するOFDM信号の副搬送波間隔である。Δf/Δf₀=1における明瞭なピークの存在が認識されることになり、それは、一方で、OFDM信号が受信信号内で十分に識別されたことを、他方で、その副搬送波間隔/ OFDMシンボルの有効継続時間が正しく評価されたことを意味する。

図5Aは、マルチパスチャネル内で伝搬されるOFDM信号の場合の、各周波数fについて評価されるシンボルのグループの尖度κ(f)の変動を示す。曲線の外観が、図4Aの外観より実質的に乱れていること、しかし、曲線の外観が周期的変動を示すことが認識される。

図5Bは、図5Aの尖度スペクトルを示す。再び、正規化された変数Δf/Δf₀が横座標に示される。Δf/Δf₀=1におけるピークの存在が、先と同じ結論を持って観察され、それにより、識別方法の頑健性が明確に示される。

図6は、切離しブロック幅とOFDMシンボル継続時間T_sの比

の関数としてのスペクトルピーク高さα_Pを示す。

最も明白なスペクトルピークが、

である、換言すれば、

であるときに得られることがこの図で観測される。そのため、シンボル継続時間T_sを有するOFDM信号が存在するか否かが判定されなければならないとき、有利には、P=P_optが選択されることになる。

Claims (8)

1. 受信信号におけるOFDM信号識別方法において、前記受信信号が、サンプリングされ、P個のサンプルのブロックに切離され、各ブロック(B_l)が、その後、複数の周波数において複数のシンボル
   

   

   を得るために逆フーリエ変換を受ける、識別方法であって、前記複数の周波数の各周波数について、各周波数において得られたシンボルのセット
   

   

   の尖度(κ(f))が計算され、その後、前記複数の周波数について計算された尖度値から、前記尖度が周波数領域において周期性を有するかどうかが判定され、前記尖度が周期性を有する場合、OFDM信号の存在が前記受信信号内で識別されることを特徴とする、識別方法。
2. 前記尖度が周波数領域において周期性を有するかどうかを判定するために、前記尖度のスペクトルが、計算され、前記スペクトルが、ある周期(Δf)を有する値についてスペクトルピークを有するかどうかが判定されることを特徴とする、請求項1に記載の識別方法。
3. 前記尖度の平均値
   

   

   が前記尖度から減算され、中心に移された前記尖度のフーリエ変換が計算され、スペクトルピークが、前記スペクトルピークの高さ(α_P)が所定の閾値より高い場合に検出されることを特徴とする、請求項2に記載の識別方法。
4. 所与のOFDMシンボル継続時間T_sを有するOFDM信号の存在を識別することが試みられ、また、ブロック当たりのサンプル数が
   

   

   であるように選択され、ここで、T_eがサンプリング周期であることを特徴とする、請求項1から3のいずれか1項に記載の識別方法。
5. P個のサンプルのブロックへの前記サンプリングされた信号の切離しが、複数のPの値について繰返され、前記尖度計算が前記複数のPの値について繰返され、得られた尖度のスペクトルが計算され、スペクトルピーク高さ(α_P)が、前記スペクトル(H_P)のそれぞれにおいて確定され、最高ピーク高さに対応する値P=P_optが選択されることを特徴とする、請求項1に記載の識別方法。
6. 前記選択されたP_opt値について、前記スペクトルピークが、所定の閾値(α_T)より高い高さ(α_Popt)を有するかどうかが判定されることを特徴とする、請求項5に記載の識別方法。
7. 前記OFDM信号のサブキャリア間隔が、前記選択されたP_opt値について得られた前記尖度スペクトル内のスペクトルの位置から確定されることを特徴とする、請求項5または6に記載の方法。
8. 前記OFDM信号内のOFDMシンボルの有効継続時間が、前記選択されたP_opt値について得られた前記尖度スペクトル内のスペクトルピークの位置から確定されることを特徴とする、請求項5または6に記載の識別方法。

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