JP4578474B2 - マルチキャリア送信装置およびマルチキャリア送信方法 - Google Patents

マルチキャリア送信装置およびマルチキャリア送信方法 Download PDF

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Description

本発明は、マルチキャリア送信装置およびマルチキャリア送信方法に関する。
移動体通信において高速伝送を行う場合、マルチパスによる遅延波の影響が無視できなくなり、周波数選択性フェージングにより伝送特性が劣化する。そのため、今日、周波数選択性フェージング対策技術の一つとして、OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)方式などのマルチキャリア方式が注目されている。マルチキャリア方式は、周波数選択性フェージングが発生しない程度に伝送速度が抑えられた複数の搬送波(サブキャリア)を用いてデータを伝送することにより、結果的に高速伝送を行う技術である。特に、OFDM方式は、データが配置される複数のサブキャリアが相互に直交しているため、マルチキャリア方式の中で最も周波数利用効率が高い方式であり、また、比較的簡単なハードウエア構成で実現できることから、とりわけ注目されており、様々な検討が加えられている。
そのような検討の一例として、送信データを複製(以下「レピティション」という)してOFDM方式で送信する技術が開発されている(非特許文献1)。
また、マルチキャリア方式において、サブキャリア全体の品質情報に応じて最大比合成型の送信電力制御を行う、つまり、回線品質レベルが低いサブキャリアほど送信電力を小さく、回線品質レベルが高いサブキャリアほど送信電力を高くする技術も開発されている(特許文献1、特許文献2)。
なお、以下、便宜上、OFDM方式(またはマルチキャリア方式)で送信することを「OFDM(またはマルチキャリア)送信」と、最大比合成型の送信電力制御を行って送信することを「最大比合成送信」とそれぞれ呼ぶことにする。
前田,新,岸山,佐和橋,"下りリンクブロードバンドチャネルにおけるOFCDMとOFDMの特性比較,"信学技報RCS2002−162、2002年8月 特開2000−358008号公報 特開平11−317723号公報
しかしながら、上記2つの技術を単純に組み合わせると、つまり、送信データをレピティションしてOFDM送信するシステムに、サブキャリア全体で最大比合成送信を行う技術を単純に適用すると、あるビットの電力が低すぎて正しく受信できず、パケットエラーが発生するおそれがある。
例えば、あるビットをレピティションした信号が、割り当てられた全サブキャリアにおいて送信電力が低く制御された場合、受信側ではそのビットを復調することができなくなる。これにより、そのビットを含むパケットは誤りとみなされ、パケット誤り率が劣化する。なお、具体例については、図面を用いて後で説明する。
本発明の目的は、送信データをレピティションしてマルチキャリア送信するシステムにおいて、パケット誤り率を改善することができるマルチキャリア送信装置およびマルチキャリア送信方法を提供することである。
本発明のマルチキャリア送信装置は、送信データを複製(レピティション)する複製手段と、複製後の信号を周波数軸方向および時間軸方向にマッピングするマッピング手段と、マッピング後の信号を送信電力制御する送信電力制御手段と、送信電力制御された信号をマルチキャリア方式で送信する送信手段と、を有し、前記送信電力制御手段は、前記マッピング後の信号に対し、各ビットまたは各シンボルに割り当てられる送信電力を一定に保ちつつ、各ビットまたは各シンボル内において最大比合成型の送信電力制御を行う、構成を採る。
本発明によれば、送信データをレピティションしてマルチキャリア送信するシステムにおいて、パケット誤り率を改善することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図3は、本発明の一実施の形態に係るマルチキャリア送信装置の構成を示すブロック図である。
図3に示すマルチキャリア送信装置(以下単に「送信機」という)100は、送信データをレピティションしてOFDM送信するシステム(以下「レピティションOFDM方式」という)であって、誤り訂正符号化部102、変調部104、レピティション部106、マッピング部108、送信電力制御部110、OFDM送信部112、送信RF(Radio Frequency)部114、送受信共用アンテナ116、受信RF部118、回線品質情報抽出部120、送信電力値算出部122、送信電力配分計算部124、および送信電力算出部126を有する。送信機100は、例えば、マルチキャリア方式(本実施の形態ではOFDM方式)の移動体通信システムにおける基地局装置に搭載されている。
誤り訂正符号化部102は、図示しないベースバンド部などから出力された送信データを所定の符号化率、例えば、R=1/2で誤り訂正符号化し、誤り訂正符号化後の送信データを変調部104に出力する。
変調部104は、誤り訂正符号化部102から出力された送信データを、所定の変調方式を用いて変調することにより、送信シンボルを生成する。生成された送信シンボルは、レピティション部106に出力される。
レピティション部106は、変調部104から出力された送信シンボルを所定の複製数になるまで複製し、複製した送信シンボルをマッピング部108に出力する。なお、レピティション部106から出力される信号、つまり、レピティション後の信号を、以下、「レピティションビット」と呼ぶことにする。
マッピング部108は、レピティション部106から出力されたレピティションビットを所定のマッピング方法に従ってマッピングする。例えば、レピティションビットを、所定のパターンに基づいて、周波数軸方向および時間軸方向に二次元にマッピングする。このとき、レピティションビットは、周波数軸方向および/または時間軸方向にインタリーブされながらマッピングされる。マッピング後の送信データ(レピティションビット)は、送信電力制御部110に出力される。マッピング部108は、マッピング処理の結果を送信電力配分計算部124に出力する。なお、マッピング方法の具体例については、後で詳述する。
送信電力制御部110は、送信電力算出部126の算出結果に従ってレピティションビットの送信電力を制御する。なお、送信電力制御の具体的内容については、後で詳細に説明する。
OFDM送信部112は、送信電力制御された信号に対してOFDM送信処理を行うことにより、レピティションされたOFDM信号を生成する。具体的には、例えば、送信電力制御された信号を、逆高速フーリエ変換(IFFT:Inverse Fast Fourier Transform)した後、IFFT処理後の並列信号を直列信号にパラレル/シリアル変換し、得られた直列信号(OFDM信号)にガードインターバル(GI:Guard Interval)を挿入する。GI挿入後のOFDM信号は、送信RF部114に出力される。
送信RF部114は、デジタル/アナログ変換器や低雑音アンプ、バンドパスフィルタなどを有し、OFDM送信部112から出力されたOFDM信号に対してアップコンバートなどの所定の無線処理を施す。無線処理後のOFDM信号は、アンテナ116から無線送信される。
なお、アンテナ116から無線送信された信号は、例えば、移動通信システムにおける移動局装置などの通信端末装置によって受信される。通信端末装置は、送信機100から送信された信号の受信品質をサブキャリア毎に測定し、測定したサブキャリア毎の受信品質を回線品質情報として送信機100に送信する。このとき、回線品質情報は、例えば、通信端末装置から送信機100に送信される信号に含めて送信される。
受信RF部118は、アナログ/デジタル変換器や低雑音アンプ、バンドパスフィルタなどを有し、アンテナ116で受信した信号に対してダウンコンバートなどの所定の無線処理を施す。受信RF部118の出力信号(ベースバンド信号)は、回線品質情報抽出部120に出力される。
回線品質情報抽出部120は、受信RF部118の出力信号(ベースバンド信号)から回線品質情報(サブキャリア毎の受信品質)を抽出する。抽出された回線品質情報は、送信電力配分計算部124に出力される。
送信電力値算出部122は、1シンボル当たりの送信電力値を算出する。具体的には、
例えば、無線リソースの割り当てを行う上位レイヤから送信シンボル数の情報と総送信電力の情報を受け取り、この二つの情報(送信シンボル数情報と総送信電力情報)を用いて1シンボル当たりの送信電力値を算出する(1シンボル当たりの送信電力値=総送信電力÷送信シンボル数)。算出された1シンボル当たりの送信電力値は、送信電力配分計算部124に出力される。
送信電力配分計算部124は、マッピング部108から出力されたマッピング処理の結果、回線品質情報抽出部120から出力された回線品質情報(サブキャリア毎の受信品質)、および送信電力値算出部122から出力された1シンボル当たりの送信電力値を用いて、1シンボル内における送信電力の配分を計算する。具体的には、例えば、受信側(通信端末装置)から通知されたサブキャリア毎の受信品質から、レピティションビット毎の受信品質を調べ、1ビットを構成するレピティションビットの送信電力の合計値がすべてのビットで同じになるように、かつ、受信品質の良いレピティションビットは送信電力が大きく、受信品質の悪いレピティションビットは送信電力が小さくなるように、1シンボル内における送信電力の配分を計算する。計算された1シンボル内の送信電力の配分は、送信電力算出部126に出力される。
送信電力算出部126は、送信電力配分計算部124から出力された1シンボル内の送信電力の配分に従って、1シンボル内の各レピティションビットの送信電力値を算出する。この算出結果は、送信電力制御部110に出力される。
次いで、上記構成を有する送信機100の動作の要部について、図4〜図10を用いて説明する。
ここで、図4(A)には、誤り訂正符号化前の送信データを示し、図4(B)には、誤り訂正符号化後の送信データを示し、図4(C)には、レピティション後の信号(レピティションビット)を示し、図4(D)には、レピティションビットのマッピング結果を示す。図5は、マッピング方法の他の例を示す図、図6は、マッピング方法のさらに他の例を示す図である。図7Aは、ある時間におけるサブキャリア毎の受信品質を示す図、図7Bは、他の時間におけるサブキャリア毎の受信品質を示す図である。図8Aは、ある時間におけるレピティションビット毎の受信品質を示す図、図8Bは、他の時間におけるレピティションビット毎の受信品質を示す図である。図9は、本実施の形態におけるレピティションビットの送信電力を示す図、図10は、本実施の形態におけるレピティションビットの受信電力を示す図である。なお、図1は、図9と比較するための図であって、従来技術を単純に組み合わせた場合におけるレピティションビットの送信電力を示す図、図2は、図10と比較するための図であって、従来技術を単純に組み合わせた場合におけるレピティションビットの受信電力を示す図である。
送信機100は、まず、誤り訂正符号化部102で、送信データを所定の符号化率で誤り訂正符号化する。例えば、図4(A)に示す送信データを符号化率R=1/2で誤り訂正符号化することにより、図4(B)に示す送信データが得られる。なお、図4(A)では、簡略化のため、2ビットのみを示している。
そして、変調部104では、誤り訂正符号化部102から出力された送信データ(図4(B)参照)を、所定の変調方式を用いて変調することにより、送信シンボルを生成する。なお、変調部104で用いる変調方式は、特に限定されず、BPSK(Binary Phase Shift Keying)やQPSK(QuadraturePhase Shift Keying)、16QAM(Quadrature Amplitude Modulation)、64QAM、256QAMなど、任意の変調方式を用いることができる。
そして、レピティション部106では、変調部104から出力された送信シンボルを所定の複製数になるまで複製する。例えば、図4(B)に示す4ビットの信号の各ビットをそれぞれ3回複製して、図4(C)に示す16ビットの信号(レピティションビット)を得る。ここで、a1、a2、a3、a4は、aとその複製であり、b1、b2、b3、b4は、bとその複製であり、c1、c2、c3、c4は、cとその複製であり、d1、d2、d3、d4は、dとその複製である。
そして、マッピング部108では、レピティション部106から出力されたレピティションビット(図4(C)参照)を所定のマッピング方法に従ってマッピングする。例えば、レピティションビットを、所定のパターンに基づいて、図4(D)に示すように、周波数軸方向および時間軸方向に二次元にマッピングする。ここでは、レピティションビットは、周波数軸方向と時間軸方向の両方向にインタリーブされながらマッピングされている。
マッピング部108で上記の二次元マッピングを行う際には、次のマッピング方法を採ることが好ましい。第1は、例えば、図5に示すように、レピティションされた信号を隣り合う位置に配置しないこと、第2は、例えば、図6に示すように、レピティションされた信号130をマッピングする際に互いに離して配置し、離した部分132には他のチャネルの信号を送信することである。
図5または図6に示すマッピング方法は、レピティションOFDM方式と組み合わせて使用することにより、拡散を導入したOFDM方式、つまり、CDMA(Code Division Multiple Access)方式とOFDM方式を組み合わせた方式(MC(マルチキャリア)−CDMA方式ともOFDM−CDMA方式とも呼ばれる)と組み合わせて使用する場合と比較して、次の効果が得られるため、性能が向上する。
拡散を導入したOFDM方式では、拡散後の信号(チップデータ)を離れた位置に配置すると、性能が劣化してしまう。理由は、次の通りである。CDMA方式において信号をコード多重している場合には、拡散後の信号の受信電力のばらつきが大きくなると、コード間干渉が発生して受信SIRが劣化し、受信誤り率特性が大きく劣化する要因となる。この点、拡散を導入したOFDM方式においてチップデータを離れた位置に配置すると、拡散後の信号(チップデータ)の受信電力のばらつきが大きくなってしまう。なぜなら、信号を離れた位置に配置するということは、周波数選択性フェージングの影響により、チップデータが配置された場所間で伝播環境の違いが大きくなり、受信電力の違いも大きくなるからである。したがって、拡散を導入したOFDM方式においてチップデータを離れた位置に配置すると、コード間干渉が発生して受信SIRが劣化し、受信誤り率特性が大きく劣化する。
これに対し、レピティションOFDM方式においては、上記のような性能の劣化は起こらない。理由は、次の通りである。レピティションOFDM方式では、信号をコード多重していないため、レピティション後の信号の受信電力のばらつきが大きくなったとしてもコード間の干渉は発生しない。そのため、SIRの劣化が生じず、受信誤り率特性が劣化することはない。逆に、レピティションOFDM方式では、レピティション後の信号の受信電力のばらつきが大きくなった方が、むしろ性能は向上する。なぜなら、受信側においてレピティション後の信号を最大比合成して受信することにより、ダイバーシチゲインを得ることができるためである。
そして、送信電力制御部110では、送信電力値算出部122、送信電力配分計算部124、および送信電力算出部126の処理結果に従って、レピティションビットの送信電力を制御する。具体的には、まず、送信電力値算出部122で、上位レイヤから送信シン
ボル数の情報と総送信電力の情報を受け取り、この二つの情報(送信シンボル数情報と総送信電力情報)を用いて1シンボル当たりの送信電力値を算出する(1シンボル当たりの送信電力値=総送信電力÷送信シンボル数)。そして、送信電力配分計算部124で、マッピング部108から出力されたマッピング処理の結果(図4(D)参照)および受信側から通知されたサブキャリア毎の受信品質(図7A、図7B参照)から、レピティションビット毎の受信品質(図8A、図8B参照)を調べ、1ビットを構成するレピティションビットの送信電力の合計値がすべてのビットで同じになるように、かつ、受信品質の良いレピティションビットは送信電力が大きく、受信品質の悪いレピティションビットは送信電力が小さくなるように、1シンボル内における送信電力の配分を計算する(図9参照)。そして、送信電力算出部126で、その1シンボル内の送信電力の配分に従って、1シンボル内の各レピティションビットの送信電力値を算出する。
例えば、図4(D)に示すマッピング結果に対して、各時間におけるサブキャリア毎の受信品質が、それぞれ、図7A、図7Bに示すようであるとすると、レピティションビット毎の受信品質は、それぞれ、図8A、図8Bに示すようであると判定される。
このとき、本実施の形態では、あるビットを構成するレピティションビットの送信電力の合計値がすべてのビットで同じになるように制御される。具体的には、a1+a2+a3+a4=b1+b2+b3+b4=c1+c2+c3+c4=d1+d2+d3+d4となるように制御される。すなわち、ビット単位で見れば、送信電力は一定値になるように制御される。
例えば、送信シンボル数を4、総送信電力を80とし、まず、総送信電力(80)を各送信シンボルに均等に配分すると、1シンボル当たりの送信電力値は20となる。そして、さらに、各送信シンボル内において回線品質(受信品質)の比率に応じて1シンボル当たりの送信電力(20)を配分する。図8Aおよび図8Bから、a1、a2、a3、a4の受信品質の比率は、8:8:4:4であり、b1、b2、b3、b4の受信品質の比率は、2:2:1:1であり、c1、c2、c3、c4の受信品質の比率は、6:8:6:8であり、d1、d2、d3、d4の受信品質の比率は、3:8:3:8である。したがって、各送信シンボル内において1シンボル当たりの送信電力(20)を受信品質の比率に応じて配分すると、図9に示すように、a1、a2、a3、a4の送信電力は、それぞれ、6.6、6.6、3.4、3.4となり、b1、b2、b3、b4の送信電力は、それぞれ、6.6、6.6、3.4、3.4となり、c1、c2、c3、c4の送信電力は、それぞれ、4.3、5.7、4.3、5.7となり、d1、d2、d3、d4の送信電力は、それぞれ、2.7、7.3、2.7、7.3となる。すなわち、本実施の形態では、各ビットに割り当てられる送信電力が同じになるように各ビット内で最大比合成送信を行う。このとき、フェージングによって送信電力の二乗が受信信号に現れるため、各レピティションビットの受信電力は、図10に示すようになる。すなわち、すべてのビットで受信品質を満たすため、すべてのビットを正しく受信することができる。
このように、本実施の形態では、ビット単位で見れば、送信電力は一定値になるように制御されるため、特定のビットの送信電力が極端に低下してしまうということはない。これにより、パケット誤り率を改善することができる。
これに対し、送信データをレピティションしてOFDM送信するシステムに、サブキャリア全体で最大比合成送信を行う技術を単純に適用する場合には、サブキャリア全体の受信品質に応じて最大比合成型の送信電力制御を行うため、上記のように、あるビットの電力が低すぎて正しく受信できず、パケットエラーが発生するおそれがある。
例えば、レピティションビット毎の受信品質が、それぞれ、図8A、図8Bに示すよう
であるとした場合、総送信電力(80)を回線品質(受信品質)の比率に応じて配分すると、図1に示すように、a1、a2、a3、a4、b1、b2、b3、b4、c1、c2、c3、c4、d1、d2、d3、d4の送信電力は、それぞれ、8、8、4、4、2、2、1、1、6、8、6、8、3、8、3、8となる。このとき、フェージングによって送信電力の二乗が受信信号に現れるため、各レピティションビットの受信電力は、図2に示すようになる。
すなわち、ビット「b」を構成するレピティションビットb1〜b4のサブキャリアは、受信品質が低いため(図8A、図8B参照)、低い電力で送信されることになる(図1参照)。そのため、受信側では、レピティションビットb1〜b4の受信電力が低くなり過ぎて(図2中の符号140で示す部分)、正しく受信できず、ビット「b」を正しく復調することができなくなる。ビット「b」を誤って復調すると、そのビットを含むパケットはエラーとして処理されるため、パケット全体が誤ったとして処理され、システムのスループットが大きく低下する。
このように、本実施の形態によれば、各ビットに割り当てられる送信電力を一定に保ちつつ、各ビット内で最大比合成送信を行うため、特定のビットに低い送信電力となるサブキャリアが集中するという状況を避けることができ、パケット誤り率を改善することができる。
なお、上記実施の形態では、本発明をハードウエアで構成する場合を例にとって説明したが、本発明はソフトウエアで実現することも可能である。
また、上記実施の形態の説明に用いた各機能ブロックは、典型的には集積回路であるLSIとして実現される。これらは個別に1チップ化されてもよいし、一部または全てを含むように1チップ化されてもよい。ここでは、LSIとしたが、集積度の違いにより、IC、システムLSI、スーパーLSI、ウルトラLSIと呼称されることもある。
また、集積回路化の手法はLSIに限るものではなく、専用回路または汎用プロセッサで実現してもよい。LSI製造後に、プログラムすることが可能なFPGA(Field Programmable Gate Array)や、LSI内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサーを利用してもよい。
さらには、半導体技術の進歩または派生する別技術によりLSIに置き換わる集積回路化の技術が登場すれば、当然、その技術を用いて機能ブロックの集積化を行ってもよい。バイオ技術の適応等が可能性としてありえる。
本明細書は、2004年7月6日出願の特願2004−199380に基づくものである。この内容はすべてここに含めておく。
本発明に係るマルチキャリア送信装置およびマルチキャリア送信方法は、送信データをレピティションしてマルチキャリア送信するシステムにおいて、パケット誤り率を改善することができるという効果を有し、マルチキャリア方式の移動体通信システムにおける基地局装置等に用いるのに好適である。
従来技術を単純に組み合わせた場合におけるレピティションビットの送信電力を示す図 従来技術を単純に組み合わせた場合におけるレピティションビットの受信電力を示す図 本発明の一実施の形態に係るマルチキャリア送信装置の構成を示すブロック図 本実施の形態に係るマルチキャリア送信装置の動作説明図 マッピング方法の他の例を示す図 マッピング方法のさらに他の例を示す図 ある時間におけるサブキャリア毎の受信品質を示す図 他の時間におけるサブキャリア毎の受信品質を示す図 ある時間におけるレピティションビット毎の受信品質を示す図 他の時間におけるレピティションビット毎の受信品質を示す図 本実施の形態におけるレピティションビットの送信電力を示す図 本実施の形態におけるレピティションビットの受信電力を示す図

Claims (6)

  1. 送信データを複製する複製手段と、
    複製後の信号を周波数軸方向および時間軸方向にマッピングするマッピング手段と、
    マッピング後の信号を送信電力制御する送信電力制御手段と、
    送信電力制御された信号をマルチキャリア方式で送信する送信手段と、を有し、
    前記送信電力制御手段は、
    前記マッピング後の信号に対し、各ビットまたは各シンボルに割り当てられる送信電力を一定に保ちつつ、各ビットまたは各シンボル内において最大比合成型の送信電力制御を行う、
    マルチキャリア送信装置。
  2. サブキャリア毎の回線品質情報を取得する取得手段、をさらに有し、
    前記送信電力制御手段は、
    送信ビット数情報および総送信電力情報に基づいて、1ビットまたは1シンボル当たりの送信電力を算出する第1算出手段と、
    前記マッピングの結果、取得されたサブキャリア毎の回線品質情報、および算出された1ビットまたは1シンボル当たりの送信電力に基づいて、各ビットまたは各シンボルに割り当てられる送信電力がすべてのビットまたはシンボルで同じになるように、かつ、各ビットまたは各シンボルを構成する信号のうち、回線品質の良いサブキャリアに割り当てられる信号は送信電力が大きく、回線品質の悪いサブキャリアに割り当てられる信号は送信電力が小さくなるように、各ビットまたは各シンボル内における送信電力を算出する第2算出手段と、
    を有する請求項1記載のマルチキャリア送信装置。
  3. 前記マッピング手段は、
    複製後の信号を周波数軸方向および/または時間軸方向にインタリーブしながらマッピングを行う、
    請求項1記載のマルチキャリア送信装置。
  4. 前記マッピング手段は、
    複製後の信号を隣り合う位置に配置しないようにマッピングを行う、
    請求項1記載のマルチキャリア送信装置。
  5. 前記マッピング手段は、
    複製後の信号をマッピングする際に互いに離して配置し、離した部分には他のチャネルの信号を配置する、
    請求項1記載のマルチキャリア送信装置。
  6. 送信データを複製する複製ステップと、
    複製後の信号を周波数軸方向および時間軸方向にマッピングするマッピングステップと、
    マッピング後の信号を送信電力制御する送信電力制御ステップと、
    送信電力制御された信号をマルチキャリア方式で送信する送信ステップと、を有し、
    前記送信電力制御ステップにおいて、
    前記マッピング後の信号に対し、各ビットまたは各シンボルに割り当てられる送信電力を一定に保ちつつ、各ビットまたは各シンボル内において最大比合成型の送信電力制御を行う、
    マルチキャリア送信方法。
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