JP4983484B2

JP4983484B2 - Ｍｉｍｏ方式通信システムの受信装置

Info

Publication number: JP4983484B2
Application number: JP2007225053A
Authority: JP
Inventors: 陽一菊地; 三夫小林
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2007-08-31
Filing date: 2007-08-31
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2027-08-31
Also published as: JP2009060311A

Description

本発明は、ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）方式通信システムの受信装置に関し、特に、複数のアンテナそれぞれで受信される受信信号に対する正規化処理を行う受信装置に関する。

ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）は、送信側及び受信側ともに複数のアンテナにて、データの送受信を行う通信方式であり、高速無線通信技術として無線ＬＡＮ、移動通信などへの適用が期待されている。

ＭＩＭＯ方式通信システムの受信装置は、複数のアンテナで受信した各信号を復調する復調回路を搭載する。復調回路における復調方式は、例えば、ビタビ復号などの最尤復調（MLD：Maximam Likelihood Decoding）などさまざまな方式が提案されている。この最尤復調は演算量が非常に多く、復調回路が最尤復調を行う場合、復調回路への入力ビット数の増加により、復調回路の回路規模が著しく大きくなる。

図１は、従来のＭＩＭＯ方式通信システムの受信装置の構成例を示す図である。各アンテナ10-1〜10-nで受信された信号（受信信号）には、伝播路やアンテナの熱雑音などからノイズ(N1〜Nn)が足されている。図１では、受信信号における信号成分をS1〜Snとして表し、受信信号に含まれるノイズ成分N1〜Nnは、信号成分S1〜Snに加算される成分として模式的に表している。

受信信号レベルは、アンテナ毎にばらつきが生じているため、ＡＧＣ(Auto Gain Control)回路20-1〜20-nにおいて、内部処理に適したレベルに受信信号の補正を行う。ＡＧＣ(Auto Gain Control：自動利得制御)回路20-1〜20-nのパワーコンパレータ21-1〜21-nは、受信信号を所定のレベル（ＡＧＣ基準レベル）に増幅するための可変アンプ22-1〜22-nの利得(K1〜Kn)を求め、受信信号のレベル調整をおこなう。受信信号は、ＡＤコンバータ23-1〜23-nによりデジタルデータに変換され出力される。

ＡＧＣ(Auto Gain Control)処理は、ＡＤコンバータ23-1〜23-nに適正レベルの受信信号を入力するために、受信信号を一定レベルになるようにレベル調整を行う。しかしながら、ＡＧＣ処理により、受信信号における信号成分S1〜Snだけではなく、ノイズ成分N1〜Nnも一緒に増幅されて、各アンテナの受信信号レベルは一定レベルに調整されるので、ＡＤコンバータ23-1〜23-nから出力されるデジタルデータからは、各アンテナの信号成分S1〜Snのレベル差は不明となる。最尤復調を行う場合、信号成分のレベルは尤度判定の精度に影響を与えるため、ＡＤコンバータ23-1〜23-nにより出力されたデジタルデータのレベルを、信号成分のレベル差に応じたレベルを有するデジタルデータに正規化する必要がある。

正規化処理は、各受信信号のノイズ成分レベルを推定し、そのノイズ推定値でＡＧＣ処理された各デジタルデータを除算することにより実現する（下記特許文献１参照、特許文献１の正規化処理は、干渉量推定値で信号を除算する）。これにより、各デジタルデータにおけるノイズ成分レベルは一定となり、信号成分のレベルに基づいたレベルを有するデジタルデータを生成することができる。

図１では、ノイズ推定部30-1〜30-nが、ノイズ推定値σ1〜σnを求め、正規化部40-1〜40-nが、このノイズ推定値σ1〜σnでデジタルデータを除算（ビットシフト）することによって、デジタルデータを正規化し、復調部50における復調処理に適したレベルのデジタルデータにする。

ノイズ推定は、受信信号に含まれるパイロットシンボルを用いて行う。パイロットシンボルとは送信側で挿入された既知の信号パターンである。パイロットシンボルは、複素数の形式で表され、パイロットシンボルと、その複素共役を用いてノイズ推定が行われる。ノイズ推定の原理について簡単に説明する。

図２は、ノイズ推定の原理について説明する図である。送信信号：Ａ、受信信号：Ｂ、パイロットシンボルの複素共役：Ｃ、ノイズ：Noiseとすると、図２（ａ）は、複素数平面上におけるノイズが含まれないパイロットシンボルのみの送信信号Ａとパイロット信号の複素共役Ｃの関係を示す。縦軸が虚数軸、横軸が実数軸である。

受信信号Ｂは、Ｂ＝Ａ＋Noiseと表すことができるが、仮に、ノイズが加算されずに送信信号Ａが受信されると、図２（ｂ）に示すように、ノイズが加算されていないパイロットシンボルに対応する受信信号１も送信信号Ａと同じ点に表すことができる。ここで、点Ｐとして、以下の（数式１）で表される点を定義すると、

ノイズが加算されないパイロットシンボル（送信信号Ａ又は受信信号Ｂ１）に対応する点Ｐ１は、実数軸上の点として表される。ただし、実際の伝搬路では、ノイズが加算されるため、受信信号Ｂには、位相回転や減衰が発生する。図２（ｃ）は、ノイズが加算されたパイロットシンボルに対応する受信信号Ｂ２とそれに対応する点Ｐ２の位置を示す。ノイズが加算されたパイロットシンボルに対応する受信信号Ｂ２は、送信信号Ａの点から異なる位置で表され、点Ｐ２も実数軸上からはずれた位置に表される。

そして、図２（ｄ）に示すように、各アンテナにおいて、パイロットシンボルの受信タイミング毎の複数の受信信号Ｂ１〜Ｂｎに対応する点Ｐ（Ｐ１〜Ｐｎ）を求め、求められたｎ個分の点Ｐの平均／Ｐを求める。平均／Ｐは、以下の（数式２）で表され、図２（ｅ）は、平均／Ｐの位置を示す。

求められた平均／Ｐから各点Ｐ１〜Ｐｎへのベクトル（図２（ｆ）参照）の電力が、各受信のノイズ量Ｖ１〜Ｖｎとなる。ノイズ量Ｖ１〜Ｖｎは、以下の（数式３）により求められる。

そして、求められたノイズ量Ｖ１〜Ｖの平均がノイズ推定値（Noise）となる。ノイズ推定値Noiseは、以下の（数式４）により求められる。

図３は、ノイズ推定値に基づいた従来の正規化処理を説明する図である。図３では、アンテナ２本（アンテナ10-1、10-2）の場合を例示し、それぞれに対応するＡＤコンバータ23-1、23-2から出力されるデジタルデータのビット数が１０ビットである場合において、アンテナ10-1のノイズ推定値σ１が２^５、アンテナ10-2のノイズ推定値σ２が２^２であるとする。ノイズ推定値は２の指数として求められ、その対数値（ビット数に相当）分をビットシフトすることにより、正規化処理が行われる。具体的には、アンテナ10-1については、５ビットシフトするため、正規化されたデジタルデータは１５ビットデータとなり、アンテナ10-2については、２ビットシフトするため、正規化されたデジタルデータは１２ビットとなる。

ノイズ推定値はアンテナ毎に異なるため、正規化後のデジタルデータのビット数もアンテナ毎に異なるが、復調部５０に入力するデジタルデータのビット数をそろえるため、正規化されたデジタルデータのビット数を最大ビット数（図３の例では、１５ビット）のデジタルデータに合わせる必要がある。そのため、アンテナ10-2におけるデジタルデータについても、最大ビット数に合わせて３ビット追加される。
特開２００１−３０８７６４号公報

上述したように、受信装置の復調部５０に入力する入力ビット数を、正規化された複数のデジタルデータのうち最大ビット数のデジタルデータのビット数に合わせる必要があるため、復調部５０への入力ビット数が増大し、その回路規模も入力ビット数の増大に応じて大きくなるという問題が生じている。

そのため、本発明の目的は、ＭＩＭＯ方式通信システムにおける受信装置において、ノイズ推定値により正規化された受信信号（デジタルデータ）のビット数を抑えることができる受信装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の受信装置の第一の構成は，送信側及び受信側ともに複数のアンテナにてデータの送受信を行うＭＩＭＯ方式通信システムにおける受信装置において、複数のアンテナで受信された受信信号それぞれに含まれるノイズの推定値を求めるノイズ推定部と、各推定値を正規化処理し、該正規化処理された推定値と所定の上限値のうちの小さい値を選択し、該選択した値により、前記受信信号を正規化する正規化部と、前記正規化部により正規化された受信信号を復調とする復調部とを備えることを特徴とする。

本発明の受信装置の第二の構成は，上記第一の構成において、前記受信信号を一定レベルに増幅する自動利得制御部を備え、前記上限値は、前記自動利得制御部の自動利得制御基準値であることを特徴とする。

本発明の受信装置の第三の構成は，送信側及び受信側ともに複数のアンテナにてデータの送受信を行うＭＩＭＯ方式通信システムにおける受信装置において、複数のアンテナで受信された受信信号を一定レベルに増幅し、所定ビット数のデジタルデータに変換する自動利得制御部と、複数のアンテナで受信された受信信号それぞれに含まれるノイズの推定値を求めるノイズ推定部と、各推定値の最小値に基づいて各推定値を正規化処理し、該正規化処理された推定値に対応するビット数を求め、該ビット数と所定の上限ビット数のうちの小さいビット数を選択し、該選択したビット数分前記デジタルデータの各ビットをシフトさせることにより、前記デジタルデータを正規化処理する正規化部と、シフトされたビット数分ビット数が増大したデジタルデータが入力され、該デジタルデータに対する復調処理を行う復調部とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、受信装置における受信信号（デジタルデータ）を復調する復調部に入力されるデジタルデータのビット数を削減することができ、復調部の回路規模を小さくすることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。しかしながら、かかる実施の形態例が、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

本発明の実施の形態におけるＭＩＭＯ方式通信システムの受信装置は、複数のアンテナからの受信信号に対するノイズ推定値を求めると、その中から最小のノイズ推定値を選択し、各ノイズ推定値をその最小のノイズ推定値で正規化し、その正規化された各ノイズ推定値により、受信信号の正規化処理を行う。すなわち、求めたノイズ推定値をそのまま用いて受信信号の正規化処理を行う従来の正規化処理と比較して、本発明では、求めたノイズ推定値に対して正規化処理を行い、その正規化されたノイズ推定値を用いて受信信号の正規化処理を行う。

図４は、本発明の実施の形態におけるＭＩＭＯ方式通信システムの受信装置の第一の構成例を示す図である。図４において、受信装置は、図１の構成例と同様に、複数のアンテナ10-1〜10-nを備え、各アンテナ10-1〜10-nで受信された信号（受信信号）には、伝播路やアンテナの熱雑音などからノイズ(N1〜Nn)が足されている。図４では、図１と同様に、受信信号における信号成分をS1〜Snとして表し、受信信号に含まれるノイズ成分N1〜Nnは、信号成分S1〜Snに加算される成分として模式的に表している。

受信信号レベルは、アンテナ毎にばらつきが生じているため、ＡＧＣ(Auto Gain Control)回路20-1〜20-nにおいて、内部処理に適したレベルに受信信号の補正を行う。ＡＧＣ回路20-1〜20-nのパワーコンパレータ21-1〜21-nは、受信信号を所定のレベル（ＡＧＣ基準レベル）に増幅するための可変アンプ22-1〜22-nの利得(K1〜Kn)を求め、受信信号のレベルがＡＧＣ基準レベルとなるように受信信号のレベル調整をおこなう。受信信号は、ＡＤコンバータ23-1〜23-nによりデジタルデータに変換され出力される。

正規化部40-1〜40-nは、このＡＤコンバータ23-1〜23-nによりデジタルデータに変換された受信信号に対して正規化処理を行う。

正規化部40-1〜40-nのノイズ推定値正規化部41-1〜41-nは、ノイズ推定部30-1〜30-nにより求められたノイズ推定値σ1〜σnに対する正規化処理を行い、受信信号正規化部42-1〜42-nは、正規化されたノイズ推定値σ1〜σnでデジタルデータを除算（ビットシフト）することによって、デジタルデータに変換された受信信号を正規化し、復調部50における復調処理に適したレベルのデジタルデータにする。

図５は、第一の構成例における受信装置の正規化処理について説明する図である。アンテナ２本（アンテナ10-1、10-2）の場合を例示し、それぞれに対応するＡＤコンバータ23-1、23-2から出力されるデジタルデータのビット数が１０ビットである場合において、従来例と同様に、アンテナ10-1のノイズ推定値σ１が２^５、アンテナ10-2のノイズ推定値σ２が２^２であるとする。

最小のノイズ推定値はσ２＝２^２であるので、各ノイズ推定値を最小のノイズ推定値σ２で正規化（除算）する。ノイズ推定値σ１＝２^３、σ２＝１（２^０）となる。具体的には、図４に示すように、ノイズ推定値正規化部41-1〜41-nは、ノイズ推定値σ１〜σｎの対数値α０〜αｎを求め、さらに、その中から最小の対数値βを求め、各対数値α０〜αｎから最小の対数値βを減算した値γ１〜γｎを求める。値γ１〜γｎは、正規化されたノイズ推定値の対数値である。図５の例では、α１＝５、α２＝２となり、β＝２である。そして、γ１＝５−２＝３、γ２＝２−２＝０となる。対数の底はもちろん２である。

そして、受信信号正規化部42-1〜42-nは、値γ１〜γｎ分をビットシフトすることにより、正規化処理を行う。具体的には、アンテナ10-1については、３ビットシフトするため、正規化されたデジタルデータは１３ビットデータとなり、アンテナ10-2については、ビットシフトは行われない。ただし、復調部５０に入力するデジタルデータのビット数をそろえるため、正規化されたデジタルデータのビット数を最大ビット数（図５の例では、１３ビット）のデジタルデータに合わせるため、アンテナ10-2におけるデジタルデータについても、最大ビット数に合わせて３ビット追加される。

このように、本発明の実施の形態では、ビットシフトされるビット数又は追加されるビット数が、ノイズ推定値の正規化処理により、ノイズ推定値σ１〜σｎの対数値の最大値（図５の例では５ビット）より小さくすることができ（図３参照）、復調部５０の入力ビット数を削減することができる。復調部５０の演算量は、アンテナ数に応じて指数関数的に増えていき、演算には、乗算器が多く用いられる。そのため、復調部５０の入力ビット数を減らすことで、復調部５０の回路規模を大幅に小さくすることができ、設置スペース、コストの両面で有利な効果が生じる。これに対して、正規化部40-1〜40-nは、選択処理、減算処理が追加されるのみであり、正規化部40-1〜40-nの回路規模の増大は、復調部５０の回路規模の削減効果に比べて、はるかに小さく済む。

図６は、本発明の実施の形態におけるＭＩＭＯ方式通信システムの受信装置の第二の構成例を示す図である。第二の構成例は、第一の構成例と比較して、正規化部40-1〜40-nに、ビットシフト量に制限を設けるリミッタ処理部43-1〜43-nが追加される。

図７は、第二の構成例における受信装置の正規化処理について説明する図である。アンテナ２本（アンテナ10-1、10-2）の場合を例示し、それぞれに対応するＡＤコンバータ23-1、23-2から出力されるデジタルデータのビット数が１０ビットである場合において、アンテナ10-1のノイズ推定値σ１が２^１０、アンテナ10-2のノイズ推定値σ２が２^２であるとする。

第一の構成例におけるノイズ推定値正規化処理を行うと、最小のノイズ推定値はσ２＝２^２であるので、各ノイズ推定値は最小のノイズ推定値σ２で正規化（除算）され、ノイズ推定値σ１＝２^８、σ２＝１（２^０）と正規化される。すなわち、アンテナ10-1からの受信信号（デジタルデータ）は８ビットシフトされ、アンテナ10-2からの受信信号はビットシフトされず、８ビット追加される（図７（ａ）参照）。しかしながら、８ビットシフトされたアンテナ10-1のデジタルデータは、ＡＧＣ基準値に対して非常に小さな値となり、復調部５０に入力しても、正しく復調できない可能性がある。ＡＧＣ基準値は、ＡＧＣ回路20-1〜20-nにおけるＡＧＣ基準レベルに対応するデジタル値であって、２の指数で表される。

そこで、ＡＧＣ基準値の有効桁数を利用して、シフトするビット数に制限をかける。ＡＧＣ基準値が２^５とすると、有効桁数は５ビットである。従って、シフトするビット数の上限値を５ビットとする。すなわち、図７（ｂ）に示すように、正規化されたノイズ推定値によるシフトされるべきビット数が、上限値を超える場合は、シフトされるビット数はその上限値に制限される。これにより、リミッタ処理を行わない場合と比較して、入力ビット数を削減することができる。リミッタ処理を行わない図７（ａ）の場合は、ノイズ推定値を正規化した場合でも、８ビットシフトさせるため、入力ビット数は１８ビットとなるが、リミッタ処理を行う図７（ｂ）の場合、シフトされるビット数は５ビットであるため、入力ビット数は１５ビットとなり、入力ビット数が削減される。

ノイズ量が大きい信号は、復調してもエラーとなる可能性が高いため、リミッタ処理により入力ビット数を削減しても特性劣化しない。また、上限値はマージンを設定することが可能であり、マージンビットがあらかじめ設定されてもよい。この場合、上限値は、ＡＧＣ基準値の有効桁数にマージンビット数を加えたビット数が上限値となる。

図６（ｂ）に示す第二の構成例における正規化部40-1〜40-nの構成において、第一の構成例と同様に、ノイズ推定値正規化部41-1〜41-nは、ノイズ推定値σ１〜σｎの対数値α０〜αｎを求め、さらに、その中から最小の対数値βを求め、各対数値α０〜αｎから最小の対数値βを減算した値γ１〜γｎを求める。図６の例では、α１＝１０、α２＝２となり、β＝２である。そして、γ１＝５−２＝３、γ２＝２−２＝０となる。

そして、リミッタ処理部43-1〜43-nは、値γ１〜γｎとＡＧＣ基準値RefAGCの対数値ｇ（マージンビットＭが設定されている場合は、マージンビット数Ｍを加算）を求める。ＡＧＣ基準値RefAGCの対数値は、ＡＧＣ基準値の有効桁数に対応する。図６の例の場合は、ＡＧＣ基準値は２^５であり、マージンビットの設定はなく、ｇ＝５となる。

さらに、リミッタ処理部43-1〜43-nは、求められた値ｇと値値γ１〜γｎとをそれぞれ比較し、小さい方の値をシフトさせるビット数δ０〜δｎとして決定する。

そして、受信信号正規化部42-1〜42-nは、値δ１〜δｎ分をビットシフトすることにより、正規化処理を行う。具体的には、アンテナ10-1については、５ビットシフトするため、正規化されたデジタルデータは１５ビットデータとなり、アンテナ10-2については、ビットシフトは行われない。ただし、復調部５０に入力するデジタルデータのビット数をそろえるため、正規化されたデジタルデータのビット数を最大ビット数（図６の例では、１５ビット）のデジタルデータに合わせるため、アンテナ10-2におけるデジタルデータについても、最大ビット数に合わせて５ビット追加される。

このように、複数のノイズ推定値を正規化し、その正規化されたノイズ推定値に対して、上限値を設定し、正規化されたノイズ推定値が上限値を超えている場合は、上限値により受信信号を正規化することで、復調部への入力ビット数を削減することができる。

従来のＭＩＭＯ方式通信システムの受信装置の構成例を示す図である。ノイズ推定の原理について説明する図である。ノイズ推定値に基づいた従来の正規化処理を説明する図である。本発明の実施の形態におけるＭＩＭＯ方式通信システムの受信装置の第一の構成例を示す図である。第一の構成例における受信装置の正規化処理について説明する図である。本発明の実施の形態におけるＭＩＭＯ方式通信システムの受信装置の第二の構成例を示す図である。第二の構成例における受信装置の正規化処理について説明する図である。

符号の説明

１０：アンテナ、２０：ＡＧＣ回路、２１：パワーコンパレータ、２２：可変アンプ、２３：ＡＤコンバータ、３０：ノイズ推定部、４０：正規化部、４１：ノイズ推定値正規化部、４２：受信信号正規化部、４３：リミッタ処理部

Claims

送信側及び受信側ともに複数のアンテナにてデータの送受信を行うＭＩＭＯ方式通信システムにおける受信装置において、
複数のアンテナで受信された受信信号それぞれに含まれるノイズの推定値を求めるノイズ推定部と、
各推定値を正規化処理し、該正規化処理された推定値と所定の上限値のうちの小さい値を選択し、該選択した値により、前記受信信号を正規化する正規化部と、
前記正規化部により正規化された受信信号を復調とする復調部とを備えることを特徴とする受信装置。
請求項１において、
前記受信信号を一定レベルに増幅する自動利得制御部を備え、
前記上限値は、前記自動利得制御部の自動利得制御基準値であることを特徴とする受信装置。
送信側及び受信側ともに複数のアンテナにてデータの送受信を行うＭＩＭＯ方式通信システムにおける受信装置において、
複数のアンテナで受信された受信信号を一定レベルに増幅し、所定ビット数のデジタルデータに変換する自動利得制御部と、
複数のアンテナで受信された受信信号それぞれに含まれるノイズの推定値を求めるノイズ推定部と、
各推定値の最小値に基づいて各推定値を正規化処理し、該正規化処理された推定値に対応するビット数を求め、該ビット数と所定の上限ビット数のうちの小さいビット数を選択し、該選択したビット数分前記デジタルデータの各ビットをシフトさせることにより、前記デジタルデータを正規化処理する正規化部と、
シフトされたビット数分ビット数が増大したデジタルデータが入力され、該デジタルデータに対する復調処理を行う復調部とを備えることを特徴とする受信装置。