JP4440934B2 - 複数搬送波通信システム向けのピーク対平均電力比を低減するシステム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数搬送波通信システムにおいて、送信信号のピーク対平均電力比を低減するシステム及び方法に関する。

ピーク対平均電力比（ｐｅａｋ−ｔｏ−ａｖｅｒａｇｅ ｐｏｗｅｒ ｒａｔｉｏ；ＰＡＰＲ）は、ＰＭＰＲ（ｐｅａｋ−ｔｏ−ｍｅａｎ ｐｏｗｅｒ ｒａｔｉｏ）又はピークファクターとしても知られ、複数搬送波送信信号の重要な特性である。信号のピークはしばしば平均電力レベルのＮ倍の大きさになり得る。これらの大きなピークは誤り率の増大をもたらす相互変調歪みの原因となる。これらの歪みは送信増幅器固有の限界から引き起こされる。

送信増幅器による制限（クリッピング）を防止するために、信号が増幅器を介しても比較的線形に維持されるように、平均信号電力は充分低く保たれなければならない。大電力信号を送信するため、大きな直流システム電力を必要とする大電力増幅器が要求される。複数搬送波形を送信するためには、一定包絡線波形と比較してはるかに高出力の増幅器が要求される。例えば、６４多重の搬送波を用いるためには、４０ｄＢｍの電力増幅器は約１５ｄＢのバックオフを必要とする。それ故、増幅器は４０ｄＢｍ（１０Ｗ）動作の代わりに、単に２５ｄＢｍ（０．３１６Ｗ）でしか動作することができない。このように、所望の４０ｄＢｍで送信するためには５５ｄＢｍ（３１６Ｗ）の増幅器が要求されるであろう。電力供給に付随する電力消費はかなり増大され得る。加えて、このような大電力要求により、スペース需要及び熱放散要求が付随して増大することになる。

直交周波数分割変調（ＯＦＤＭ）、特に８０２．１１ａ及び８０２．１１ｇ通信技術への多大な興味及び活動に伴い、ＰＡＰＲの問題が強調されている。複雑な波形を使用する８０２．１１は高い線形性を有するＲＦ増幅器を必要とする。現在の８０２．１１物理レイヤー集積回路はＰＡＰＲ低減の仕組みを提供していない。特に、マルチトーンＯＦＤＭは、高いＰＡＰＲのために、典型的に１０ｄＢより大きい電力増幅器のバックオフを必要とする。これらの要因の最終結果は、他の８０２．１１技術で遭遇した直流電力要求を超えるさらに高い要求となる。この影響は、短いデューティサイクル信号に対してはさほど言う必要はないかもしれないが、データの連続送信を要求する状況においては有意である。

上述のＯＦＤＭは、変調及び復調にフーリエ変換処理を用いて、複数の等空間かつ位相が同期化された搬送周波数で同時にデータを送信する方法である。この方法は、例えば無線ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、並びに、デジタル音声放送及びデジタル映像放送等の多くの方式の無線システムに提案され採用されてきた。ＯＦＤＭは、高いデータ速度での複数搬送波送信、特にモバイル応用について、多くきちんと解説されているという利点を有する。特に、この方法は伝播チャネルにおける分散に対して固有の抵抗力を備えている。さらに、符号化が追加されるとき、低い信号対雑音比の状況下で優れた特性を得るために、周波数選択フェーディングチャネルにおける周波数冗長性を有効に使用することが可能である。これらの理由のため、ＯＦＤＭは適応等化を備える一定包絡線変調にしばしば好ましく、実施がさほど複雑でないことも恐らく間違いない。

ＯＦＤＭの原理的困難は、先に触れたように、Ｎ個の搬送波の正弦波信号をほとんど積み上げるように足し合わせるとき、ピーク包絡線電力が平均包絡線電力のＮ倍の大きさになることである。もし、ピーク包絡線電力が設計上又は規制上の限界に制約される場合、ＯＦＤＭで許容される平均包絡線電力は、一定包絡線変調で許容されるそれと比較して、限定されてしまうという影響を有する。モバイル消費機器、ノート型パソコン、及び高度な国防総省通信システム等の可搬型機器で一般的であるように、もし電池電力が制約であるとすると、ピーク包絡線電力まで線形動作が要求される電力増幅器は、圧縮からのかなりのバックオフで非効率な動作になるに違いない。この問題を緩和するために送信信号をデジタルで大きく制限することが示されてきたが、単にスペクトルサイドローブの成長及びそれに伴うビット誤り性能の低下を犠牲にするだけである。

図１は、ＯＦＤＭ信号の特質として周波数が搬送波１０１についてのＣヘルツから搬送波１１６についての１６Ｃヘルツまで分布し、中間搬送波の周波数がＣずつ増加する同相の１６個の搬送波を例示している。各々の搬送波は図示されるように基準最大振幅１を有するが、図２に見られるように、同相で足し合わされた搬送波には種々の要素から成る影響が容易にはっきりと見てとれる。図２は、足し合わされた搬送波の時間標本２５周辺及び時間標本１５７５周辺の大きなピーク振幅を示している。

図３は同相変調された１６個の搬送波のピーク対平均電力比を例示している。大きなピーク対平均電力比は図２に例示された大きな振幅スパイクに対応する。図３でのピーク対平均電力比は次の関数に従って計算される。

ここで、Ｘｉは標本番号ｉの信号標本の振幅であり、Ｎは複数搬送波記号の標本数である。

これらの問題は、送信信号のピーク対平均包絡線電力比を制御するための他の解法を探求する明らかな動機付けとなる。公知の１つの解法は搬送波の全域で、小さなＰＡＰＲを有する多位相系列のみを送信するブロック符号化を用いる。しかし、これは最適な系列を特定するために網羅的な探索を必要とし、また、符号化及び復号化に大きな参照表を必要とする。

スペクトル白色化等の幾つかの技術は、ピーク対平均比を低減する機能を果たすとともに、ＲＦ増幅器のその１ｄＢ圧縮点近くでの使用を可能とし、それによって直流電力需要を削減することが可能である。幾つかの従来の解法はＰＡＰＲを低減するために切り捨て（クリッピング）又はマッピングを用いてきた。しかしながら、どの解法も本発明で示されるような選択的マッピング及びソフトクリッピングを含むハイブリッドシステムを採用又は提案していない。

本発明の目的は、従来技術の欠点を取り除き、複数搬送波通信システムにおける送信信号のピーク対平均電力比を低減するための新規のシステム及び方法を提供することである。

１つの方法はデータベクトルに従って情報データを系列化し、複数搬送波記号を系列化されたデータで変調する。その結果得られた変調データ信号のピーク対平均電力比が測定され、所定の閾値と比較される。本方法では、ピーク対平均電力比が所定の閾値を上回る場合は、そのデータは新しいデータベクトルに従って再系列化され、変調及び比較手順が繰り返される。さもなければ、変調データ信号は、それぞれのデータベクトルに関連するデータマップを付加され、かつ、標本化される。所定の範囲を上回るそれら変調データ信号標本群はクリップされ、かつ、クリップされた変調データ信号はフィルターにかけられ、それにより複数搬送波通信システムで送信される信号のＰＡＰＲを低減する。

本発明はさらに複数搬送波通信システムでデータを送信する新規のシステム及び方法を提供することを目的とする。システム及び方法の１つの実施形態は、データを１以上の他とは異なる系列に従って系列化すること、１以上のデータ系列を変調すること、及び変調されたデータ系列の１つをＰＡＰＲに基づいて選択することを有する。システム及び方法はさらに、閾値帯域の外側の振幅ピークを除去するために、選択された変調データ系列をフィルター処理すること、及びフィルター処理された信号を複数搬送波通信システムで送信することを有する。

本発明はまた、線形増幅器を有する複数搬送波通信システムにおいて、増幅器を制限することを防止する新規のシステム及び方法を提供することを目的とする。新規のシステム及び方法は、系列化されたデータを変調した結果のＰＡＰＲに基づいて、送信されるデータを系列化することを有する。また、変調された系列化データを標本化すること、及び閾値の外側にある標本を切り捨てること、それによって増幅器の制限を除去するデータ信号を形成することが含まれる。

本発明はさらに、データ送信のための複数搬送波通信システムにおいて、送信機に必要な電力を削減するデータ信号を形成するための新規のシステム及び方法を提供することを目的とする。新規のシステム及び方法は、送信されるデータを１以上の他とは異なる系列で提供すること、及び１以上の他とは異なる系列を変調すること、それによって１以上の他とは異なる変調された系列を作成することを有する。システム及び方法はまた、他とは異なる変調された系列の１つを送信するために、それに関連するＰＡＰＲに基づいて選択すること、及び信号を送信するために必要な電力を削減するデータ信号を形成するために、選択された系列の振幅群であり所定範囲の外側の振幅群を切り捨てることを有してもよい。

本発明はその上さらに、複数の搬送波を有するデータを送信する新規の送信機を提供することを目的とする。送信機はデータを有する複数搬送波記号を変調するための変調器、変調されたデータのＰＡＰＲを測定するための処理装置、及びＰＡＰＲを閾値と比較するための論理装置を有してもよい。送信機はまた、決定論的にデータを再系列化するための処理装置、及び、変調されたデータ信号のピーク群であり所定範囲の外側のピーク群を小さくするための振幅フィルターを有してもよい。

本発明は、送信出力電力を効果的に平滑化し、その結果、従来の一定搬送波形に通常伴う増幅器性能に近づける予測的信号生成方法を提供する。この解法は、ＯＦＤＭ変調技術の送信を支援するために要求される１０ｄＢを上回るピーク対平均電力の低減をもたらす。この手法は、選択的マッピング及びソフトクリッピングを結合させてＰＡＰＲの低減を最大化する。この手法はまた、オーバーヘッド、ビット誤り率、再送信、並びに、多数の反復を伴う処理サイクルを実行すること及び待ち時間の増加を最小化する。開示された手法はシステム全体の直流電力効率を改善し、ＯＦＤＭにおけるＰＡＰＲ低減のための最適解を提供し、かつ従来技術とは比類なく異なるものである。

本発明に係るこれら及び他の目的及び利点は、当業者にとって、請求項、添付図、及び好ましい実施形態についての以下の詳細な記載を読むことにより容易に明らかとなるであろう。

図４は本発明に係るＰＡＰＲ低減方法の実施形態の概観図である。ブロック４０１で、送信されるデータが収集される。このデータはデータ源から送信される情報を収容する。データ源は、コンピュータ、ノート型コンピュータ、移動電話、若しくは電子機器、又はその他のデータ生成、リレー、入力若しくは記憶源である。データ系列がデータベクトルに記入される。変調器４０２にて、複数搬送波記号が収集されたデータで変調される。複数搬送波システムは好ましくはＯＦＤＭ又は他の８０２．１１複数搬送波システムであるが、その他の８０２．１１以外の複数搬送波システムもまた想定される。

ブロック４０３ａにて、データベクトルで記述された系列化データを有する変調搬送波のＰＡＰＲ結果が測定される。ブロック４０３ｂにて、測定されたＰＡＰＲが所定の閾値と比較される。閾値は、例えばユーザが決定した値又は規制要求から得られる値でもよい。また、閾値は参照表又はその他の経験的方法から選択されることも想定される。もし、データベクトルの測定されたＰＡＰＲが適切な閾値を上回るならば、すなわちＰＡＰＲが高すぎるならば、ブロック４０４にてデータは決定論的にスクランブルされ（すなわち、再系列化され）、異なるデータベクトルが作成される。ここで、この異なるデータベクトルは異なる又は唯一の系列を単に有するだけであり、当然ながら同一のデータを有する。新しいスクランブルされたデータ又はデータベクトルは、ブロック４０２にて複数搬送波記号で変調される。そして、新しい反復のデータベクトルのＰＡＰＲが再び測定される。もし、ＰＡＰＲが再び閾値を上回る場合、さらに他の異なるデータベクトルを作成するため、データが再び決定論的にスクランブルされ、変調、測定及びスクランブルを介した処理を、それぞれのデータベクトルのＰＡＰＲが閾値の範囲内になるまで継続する。この処理は最適系列を得ることに向けられたものではなく、むしろ許容できる系列を得ることに向けられたものである。また一方、もしＰＡＰＲが閾値より小さいならば、ブロック４０５にて、データベクトルを記述するデータマッピングバイト（スクランブルされたデータ系列を指し示している）が変調されたデータに付加される。データマッピングバイトは受信機端でスクランブルを解くために用いられる。そして、変調されたスクランブルデータ及び付加されたデータマッピングバイトは、記号をソフトクリッピングアルゴリズムに引き渡すブロック４０６に移動する。

続いて図５を参照し、ブロック５０１にて、変調されたデータ及び付加されたマッピングバイトのパケット全体が標本化される。すなわちメモリーから処理される。ブロック５０２にて示されるように、標本群Ｘｉは第２の閾値と比較される。もし、標本Ｘｉがこの閾値を上回る場合、閾値を上回る標本群を小さくする、すなわちクリップするウィンドウ操作、すなわちフィルター処理操作がパケットに適用される。Ｘｉを小さくすることに加え、ブロック５０３にて示されるように、近接する標本群｛Ｘ_{（ｉ−Ｋ）}…Ｘ_{（ｉ−２）}、Ｘ_{（ｉ−１）}、Ｘ_{（ｉ＋１）}、Ｘ_{（ｉ＋２）} …Ｘ_{（ｉ＋Ｋ）}｝も小さくすることが有効である。ここで、Ｋは実験的、理論的又は経験的に決定され得る。フィルター処理は、同一の周波数及び時間領域での特徴を有するガウシアン型フィルターとされ得る。フィルター処理操作は例えばｈ（ｎ）＝｛．７５，．５，．７５｝等のＦＩＲ又はＩＩＲとして実行され得る。フィルター処理操作はまた、当該フィルター処理操作を適応させるために、フィルター出力の測定パラメータを用いて適合される。図６はソフトクリッピングアルゴリズムの代表的な例を示している。第２の閾値はウィンドウ境界６０１ａ及び６０１ｂとして示されている。閾値６０１ａを上回る及び／又は閾値６０１ｂを下回る、集合的に記号６００で示される振幅群が、公知の方法によってクリップすなわち切り捨てられる。このようにして、ソフトクリッピングアルゴリズムは動的閾値を上回るピーク群を除去する。

ソフトクリッピング処理の結果は帯域外雑音を増大させるかも知れないが、この影響は二乗余弦フィルター又はその他の適切なフィルターによって改善され得る。第２の閾値、すなわちウィンドウ閾値は、許容されるデータベクトルについて測定されたＰＡＰＲ等の幾つかの因子に基づいて動的に調整されてもよいし、ユーザによって予め決められてもよい。なお、閾値はこれらには限られない。第２の閾値を設定するための参照表を用いることが同様に想定される。

上述のＰＡＰＲ法は、ハードウェア若しくはソフトウェアのどちらか又は両方を介して実施されることが想定される。ハードウェア実施によるＰＡＰＲ低減システムの実施形態が図７に示されている。図７において、８０２．１１ａ ＭＡＣレイヤー７０１がデータバス７０２ａによってデジタル信号処理装置（ＤＳＰ）７０３に接続される。ＤＳＰはデジタルアナログ変換器７０４及び８０２．１１ａ物理レイヤー７０５に、それぞれのデータバス７０２ｂ及び７０２ｃによって接続される。ベースバンドすなわち中間周波数ＩＦ信号が供給される物理レイヤー７０５は、データバス７０２ｄによってもとのＤＳＰに接続されたアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器７０６に接続される。

デジタルアナログ変換器７０４はＩＦ信号をアップコンバータ７０９に供給する。アップコンバータ７０９は無線周波数ＲＦ信号、すなわちデータ伝送媒体に対して適用可能な周波数の信号を、パワー増幅器７０７に向けて発生する。パワー増幅器７０７は、伝送媒体に対して適用可能なアンテナ７０８又は振動子によって送信チャネル上で送信するために、信号を増幅する。

本発明は、送信出力電力を効果的に平滑化し、その結果、従来の一定搬送波形に通常伴う増幅器性能に近づける予測的信号生成アルゴリズムを提供する。本発明はまた、好ましくはＯＦＤＭ又はその他の複数搬送波形を生成するチップセットである複数搬送波チップセットから生成される波形のＰＡＰＲを、チップセットへの外付けの方法を用いて低減する技術を提供する。従来技術は、ＰＡＰＲ低減技術を実施するためには、実際の波形生成チップセットの変更（一般的には不可能なこと）を必要とする。本発明に係る技術は他とは異なり、チップセットへの変更なしでＰＡＰＲを低減する方法を提供する。

ＯＦＤＭシステムに典型的なＮ＝１６の同相搬送波を示す波形である。 図１の搬送波が同相で足し合わされたときの振幅の時間変化を示す波形である。 足し合わされた搬送波のＰＡＰＲの時間変化を示す波形である。 本発明の実施形態に従ったＰＡＰＲ低減システム及び方法の概観図である。 本発明の実施形態に従ったソフトクリッピング方法の概観図である。 本発明の実施形態に従ったウィンドウ動作を示すグラフである。 本発明の実施形態を実施したハードウェアの概観図である。

Claims (9)

1. 複数搬送波通信システムにおいて、データを送信する方法であって：
   （ａ）複数搬送波通信システムで送信するデータを収集する工程；
   （ｂ）データを２以上の他とは異なる系列に従って系列化し、２以上のそれぞれの系列化されたデータ信号を生成する工程；
   （ｃ）前記系列化されたデータ信号の各々で複数搬送波通信信号を変調し、２以上の変調されたデータ系列を形成する工程；
   （ｄ）前記２以上の変調されたデータ系列のうちの１つを該変調されたデータ系列のＰＡＰＲに基づいて選択する工程であり、
   （ｄ１）前記２以上の変調されたデータ系列の各々のＰＡＰＲを測定し、
   （ｄ２）前記２以上の変調されたデータ系列の各々のＰＡＰＲの値を所定の閾値と比較し、且つ
   （ｄ３）前記２以上の変調されたデータ系列から、前記所定の閾値より低いＰＡＰＲの値を有する変調されたデータ系列を選択する、
   ことよって選択する工程；
   （ｅ）選択された変調されたデータ系列に、前記２以上の他とは異なる系列のうちの対応する１つに関するデータマップを付加する工程；
   （ｆ）閾値帯域の外側の振幅ピーク群を除去するよう、前記選択された変調されたデータ系列を、付加された前記データマップとともにフィルター処理し、それによってフィルター処理した信号を作成する、フィルター処理する工程；及び
   （ｇ）前記フィルター処理した信号を、前記複数搬送波通信システムを用いて送信する工程；
   を有する方法。
2. 前記フィルター処理する工程が更に、前記データマップが付加された前記選択された変調されたデータ系列の標本群を閾値と比較すること、及び該閾値を上回る標本群の振幅を小さくすることを有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記標本群と比較される前記閾値を上回る前記標本群に近接する標本群の振幅を小さくする工程をさらに有する、請求項２に記載の方法。
4. データを送信するための複数搬送波通信システムにおいて、送信機に必要な電力を削減するデータ信号を形成するための方法であって：
   （ａ）複数搬送波通信システムで送信するデータを収集する工程；
   （ｂ）データを２以上の他とは異なる系列に従って系列化し、２以上のそれぞれの系列化されたデータ信号を生成する工程；
   （ｃ）前記系列化されたデータ信号の各々で複数搬送波通信信号を変調し、２以上の変調されたデータ系列を形成する工程；
   （ｄ）前記２以上の変調されたデータ系列のうちの１つを、送信するために、該変調されたデータ系列のＰＡＰＲに基づいて選択する工程であり、
   （ｄ１）前記２以上の変調されたデータ系列の各々のＰＡＰＲを測定し、
   （ｄ２）前記２以上の変調されたデータ系列の各々のＰＡＰＲの値を所定の閾値と比較し、且つ
   （ｄ３）前記２以上の変調されたデータ系列から、前記所定の閾値より低いＰＡＰＲの値を有する変調されたデータ系列を選択する、
   ことよって選択する工程；
   （ｅ）選択された変調されたデータ系列に、前記２以上の他とは異なる系列のうちの対応する１つに関するデータマップを付加する工程；及び
   （ｆ）自身の送信のために必要な電力を削減するデータ信号を形成するために、前記データマップが付加された前記選択された変調されたデータ系列の、所定範囲の外側の振幅群を小さくする工程；
   を有する方法。
5. 前記振幅群を小さくする工程が更に、前記選択された変調されたデータ系列の標本群を閾値と比較すること、及び該閾値を上回る標本群の振幅を小さくすることを有する、請求項４に記載の方法。
6. 前記振幅群を小さくする工程が更に、前記標本群と比較される前記閾値を上回る前記標本群に近接する標本群の振幅を小さくすることを有する、請求項５に記載の方法。
7. 複数搬送波通信システムであって、複数の搬送波でデータを送信する送信機が：
   複数搬送波通信で送信するデータを収集し、且つ
   データを２以上の他とは異なる系列に従って系列化し、２以上のそれぞれの系列化されたデータ信号を生成する
   ように構成されたデータ処理装置；
   前記それぞれの系列化されたデータ信号の各々で複数搬送波通信信号を変調し、２以上の変調されたデータ系列を形成するように構成された変調器；
   前記２以上の変調されたデータ系列のＰＡＰＲを測定し、
   前記２以上の変調されたデータ系列のうちの１つを、送信のために、該変調されたデータ系列のＰＡＰＲに基づいて選択することを、
   前記２以上の変調されたデータ系列の各々のＰＡＰＲの値を所定の閾値と比較し、且つ
   前記２以上の変調されたデータ系列から、前記所定の閾値より低いＰＡＰＲの値を有する変調されたデータ系列を選択する
   ことによって行い、且つ
   選択された変調されたデータ系列に、前記２以上の他とは異なる系列のうちの対応する１つに関するデータマップを付加する
   ように構成された処理装置；
   前記データマップが付加された前記選択された変調されたデータ系列の、所定範囲の外側の振幅群を小さくするように構成された振幅フィルター；
   を有する、システム。
8. 前記振幅フィルターがＦＩＲフィルターである、請求項７に記載のシステム。
9. 前記振幅フィルターがＩＩＲフィルターである、請求項７に記載のシステム。

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