JP5219843B2 - マルチキャリア送信器に対して送信電力を最適に割り当てる送信方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、電気通信分野の一部を成すいわゆるデジタル通信に関する。デジタル通信は、特に送信チャネルが無線チャネルである無線通信と、さらに有線通信とを有している。この分野において、本発明は、送信方法に関し、さらに詳細にはマルチキャリア送信技術に関する。これらの技術は、特に、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）方式、または直交周波数分割多重接続（ＯＦＤＭＡ）方式の技術を有している。

ＯＦＤＭ送信技術の重要な特徴は、各サブキャリアのデータレートを減少させるとともに、複数のサブキャリアを同時に使用することによって高ビットレートでの送信を実現することである。周波数帯域は、狭い範囲に再分割され、異なる各サブキャリアにそれぞれ分配される。サブキャリアは、相互に直交である。この特性は、複数の相互のシンボル期間によってサブキャリアを離間することによって得られる。マルチキャリア変調システムは、全サブキャリアが同時にフェージングの影響を受けるというわけではないため、チャネルを介した送信中に発生する周波数選択性フェージングに対処することができる。それでもなお、このフェージング現象に対処するため、送信信号を受信する各サブキャリアに対して、送信チャネルを推定および修正する必要がある。

ＯＦＤＭ送信器は、チャネルを介して送信されるいわゆるＯＦＤＭ信号を生成するため、入力される高ビットレートバイナリデータに関する様々な処理を行う。したがって、高ビットレートバイナリデータは、たとえば畳み込みコードを使用して、符号化されるとともに、たとえば２位相偏移変調（ＢＰＳＫ）、４位相偏移変調（ＱＰＳＫ）、または１６値直交振幅変調（１６ＱＡＭ）によって変調される。次いで、前記データは、低レートでそれぞれ変調される複数のデータストリームとして並列の形式に変換され、ＯＦＤＭマルチプレクサのサブキャリアのブランチが提供される。マルチプレクサは、Ｎ点逆離散フーリエ変換（ＩＤＦＴ）によって、周波数分割多重化を行う。その結果生じるＯＦＤＭ信号は、デジタル−アナログ変換器によってアナログ形式に変換されるとともに、送信チャネルに送信するため、周波数変換器（Ｕ／Ｃ）によって無線周波数（ＲＦ）帯域にシフト（アップコンバート（Ｕ／Ｃ））される。

典型的に、ＯＦＤＭシステムは、１／Ｎによって離間されるサブキャリアによって決定されるＮ個のサブチャネルで、ｉ番目のＯＦＤＭシンボル期間に、Ｎ個のシンボルを伝送する。ｉ番目のブロックに対して、送信されるベースバンドＯＦＤＭ信号は、次の式で表される。

ただし、記号Ｎは、ブロックサイズであり、

は、ｉ番目に送信されるシンボル列である。

シンボル間干渉（ＩＳＩ）およびキャリア間干渉（ＩＳＩ）に対処するため、サイクリックプレフィックスまたはゼロパディング（ＺＰ）のようなガードインターバル（ＧＩ）が、各ＯＦＤＭシンボルに付加される。このガードインターバルは、送信遅延が前記インターバル長よりも短い場合、ＯＦＤＭシンボル間のオーバーラップを防止する。ガードインターバルが出力列の拡張である場合、すなわちその内容が出力信号の一部のコピーである場合に、送信信号は、次の式で表される。

ただし、記号Ｇは、ガードインターバル長である。

送信チャネルが、各振幅および遅延によってそれぞれ特徴付けられるＰ個の離散経路で構成されていると仮定すると、チャネルのベースバンドインパルス応答は、次の式で表される。

ただし、α_ｐおよびτ_ｐは、チャネルの複素ゲインと、拡散遅延として知られているｐ番目の経路の遅延とをそれぞれ表している。様々なサブキャリアを介してチャネルにより送信される総電力は、１に正規化される。

他の仮定は、τ_max（＝最大τ_j ）＜ Tg（＝ガードインターバルの長さ）である。

チャネルの伝達関数H（ｔ，ｆ）は、次の式において周波数領域で表される。

受信器による受信に関して、受信信号は、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）によってフィルタリングされるとともに、ベースバンドにシフト（ダウンコンバート（Ｄ／Ｃ））される。信号は、アナログ−デジタル変換器（Ａ／Ｄ）によって、サンプリングされる。ガードインターバルを除去した後、サンプルデータは、Ｎ点離散フーリエ変換（ＤＦＴ）にかけられるとともに、複数のサブキャリアが存在するため多数のブランチに逆多重化される。

前記ガードインターバルが最大拡散遅延よりも長い場合、ベースバンドにシフトされる受信信号は、次の式で表される。

ただし、

および

は、受信信号と、ガードインターバルが除去された後に、かつ処理に先立って、ｉ番目のＯＦＤＭシンボルに対する付加的ガウス白色雑音とをそれぞれ示している。

前記チャネルのひずみの影響を低減するため、周波数領域サブキャリアのチャネルをサブキャリアによって補償することは知られており、特に、最小平均二乗誤差（ＭＭＳＥ）基準またはゼロフォーシング（ＺＦ）等価基準の関数として決定される係数を使用する。その後、各ブランチにおいて、データは復調および復号される。この補償は、受信信号と与えられたサブキャリアに対する相互のチャネルゲインとの積に相当する。この方法は、特にチャネルゲインの値が小さい場合（フェージングイベントで典型的に見られる状態）、受信中の雑音レベルが増加するという欠点を有している。

したがって、本発明は、Ｎ個のキャリアを介して送信する信号の周波数分割多重化を行う送信方法を提案する。前記信号は、キャリア毎に決定された電力Ｐ_ｕで送信されるため、受信信号の雑音レベルを増加させることなくフェージング現象に対処することができる。

提案方法は、送信チャネルによって分離された、少なくとも１つの送信アンテナと、少なくとも１つの受信アンテナとを有するシステムの送信方法であり、前記システムは複数のキャリアを介して送信する信号の周波数分割多重化を行う。前記信号は、個々のキャリアを介して、各キャリアに対して決定された各電力で送信される。前記方法は、所定の基準を適用することにより、キャリアセットをＮ個のキャリアの中からサブグループに分配する。前記方法は、各キャリアサブグループによって送信される電力セットを決定する。所定の各電力セットは、セットのキャリア中の、セットに対する総送信電力の最適な周波数分布に適合する。このセットは、セットの所定の電力の合計がサブグループのキャリアの個数と全キャリアを介して送信される総平均電力との積に等しいという制約の下、全体誤差基準（ＢＥＲ、ＰＥＲ）を最小化することによって決定される。

前記全体誤差基準（典型的に全体ビット誤り率（ＢＥＲ））がキャリアサブグループ毎に最小化される送信電力セットを探索することによって、本発明の方法は、伝播状態を考慮して個々のキャリアで送信される電力を調節するとともに、送信電力の最適化な周波数分布を得る。これにより、フェージング現象に対処するのにより役立つとともに、システムの効率を向上させる。

前記全体誤差基準は、典型的にビット誤差率（ＢＥＲ）であるが、同様にパケット誤差率（ＰＥＲ）であってもよく、たとえば、畳み込みコード、ターボコード、またはＬＤＰＣコードによるチャネル符号化を行うシステムで一般的に使われる誤差測定基準である。いわゆる符号化システムでは、両方の全体誤差基準（ＢＥＲおよびＰＥＲの両方）を使用することが可能である。

隣接するサブキャリア間の伝播チャネルの変化は、一般的にゆっくり起こる。したがって、大量のフェージングイベントでは、チャネルに関連した変化は、隣接するサブキャリアにおいて非常に大きな変動を引き起こす。

したがって、特定の実施例では、フェージングのようなチャネル変動による影響を最も強く受けるサブキャリアは、最も弱い影響を受けるサブキャリアといっしょにグループ化される。周波数領域におけるフェージングの影響を推定する方法は、チャネル係数の電力（一般的に｜Ｈ_ｍ｜^２と記述され、ｍはキャリアインデックスである）を計算することである。そのような環境下で、サブグループ中にキャリアを分配する基準は、チャネル係数の電力レベルである。

本発明の他の特徴および利点は、限定しない例として与えられる添付の図面への参照とともに、以下の記載から明らかである。

図１は、本発明の方法を実施する無線送信を有する送信システムのブロック図である。

図２は、本発明の方法のフローチャートである。

図３は、本発明の方法の第１実施例のフローチャートである。

図４は、本発明の方法の第２実施例のフローチャートである。

図５は、本発明の方法の特定の実施例を行う無線送信を用いた送信システムのブロック図である。

図１は、本発明の方法を特定の実施例を行う送信システムＳＹの例を示した図である。システムは、送信器ＥＭ（エミッタの代わりに）、送信アンテナＴＸ、受信アンテナＲＸ、および受信器ＲＥを具備している。送信アンテナおよび受信アンテナは、送信チャネルＣＨによって分離されている。

本発明の方法１は、回帰ループと、送信される信号に対して係数を重み付けするサブキャリア毎とによって概略的に表す。本方法は、チャネルの送信状態に関する情報に基づいて、サブキャリア毎に送信される電力の分布の最適化を行う。回帰ループは、全体誤差基準に対する表現において、チャネル状態情報（ＣＳＩ）を考慮するのを可能にする。回帰ループは、すでに知られている技術の適用によって、チャネルの特徴が決定されるようにするパイロットシンボルを使用する例示である（特に、チャネルの伝達関数を決定する）。送信モード（たとえば周波数分割複信（ＦＤＤ）または時間分割複信（ＴＤＤ）方式）に応じるため、Ｈ_ｍの送信器における情報は、受信器から送信器に返す情報を必要としてもしない。

したがって、これにより、次のように知られている各チャネル係数の位相および絶対値が可能になる。

図２は、本発明の方法のフローチャートである。

前記方法１は、Ｎ個のキャリアで送信される信号を周波数分割によって多重化する送信方法である。信号は、キャリア毎に所定の電力Ｐ_ｕで送信される。

第１ステップ２で、本方法は、所定の基準を適用することによって、Ｎ個のキャリアから得られるキャリアセットをサブグループに再分割する。

前記基準は、典型的に送信チャネルの係数｜Ｈ_ｍ｜^２の電力レベルである。

先のステップに続いて、または交互に配置される、第２ステップ３で、本方法は、サブグループ毎に送信される電力セットを決定する。

前記方法は、本発明の方法の第１および第２実施例のフローチャートをそれぞれ詳述する図３および４への参照とともにさらに詳細に記載される。

これらの実施例において、前記第１ステップ２および第２ステップ３は、一定の回数だけ繰り返される。

前記第１ステップ２は、第１サブステップおよび第２サブステップを具備している。

前記第１サブステップ４で、本方法は、キャリアセットを決定する。

前記第１実施例では、第１反復に対して、このセットは、Ｎ個のサブキャリアで構成されている（５）。

前記第２実施例では、第１反復に対して、このセットは、Ｎ個のキャリアのセットのサブセットで構成されている（６）。このサブセットは、チャネルによって最も大きく変動したサブキャリアと、最も小さく変動したサブキャリアとを同数具備している。最も多く変動したサブキャリアは、誤差基準に対して得られた値が基準値よりも大きい、サブキャリアを保持することによって選択される。

前記第２実施例の以下の記載は、全体誤差基準がバイナリ誤差率（ＢＥＲ）である特定の実施例への参照とともに与えられる。そのような環境下で、前記実施例は、サブキャリアｍ、ＢＥＲ_ｍに関連したバイナリ誤差率は、次の式により推定できるという仮定に基づく。

ただし、Ｍ（＝２^Ｎｍ）は、変調ワード数であり、Ｎｍはシンボル毎のビット数であり、Ｇ_ｍは、周波数ｍにおいて選択された周波数フェージングによるチャネル補償値であり、ａ（＝０.１）は、ヒューリスティックな第１係数であるとともに、ｂ（＝３.０）は、ヒューリスティックな第２係数である。ゼロフォーシング等化を用いて、Ｈ_ｍとＧ_ｍとの間の関係は、次の式によって与えられる。

ただし、^＊は共役値を意味している。

さらに、最小平均二乗誤差（ＭＭＳＥ）等化を使用する場合、Ｈ_ｍとＧ_ｍとの間の関係は、次の式に等しい。

ただし、σ^２ _ｎは、雑音の変動を表している。

したがって、前記サブキャリアに対して得られたバイナリ誤差率を基準値と比較することは、前記サブキャリアに対して得られたβ_ｍの値をＢＥＲ基準値に対応するβの閾値と比較するのに十分であり、Ｐ_ｍがサブキャリアｍで送信される電力であるという近似を使用する。例示目的で、基準（ＢＥＲ）は、１０^−４に等しい。したがって、サブセットを決定するため、本方法は、閾値を個々のサブキャリアに関連したβ_ｍに対する値と比較する。本方法は、β_ｍが閾値よりも大きいサブキャリア、すなわち基準値よりも大きいバイナリ誤差率を生じるサブキャリアを選択する。前記選択は、β_ｍに対する最良値（すなわち最も低いバイナリ誤差率）を表す、同一数のサブキャリアを伴う。前記第２実施例は、送信電力が幾つかのサブキャリアに対してのみ決定されるため、第１実施例よりも複雑でないという利点を有している。

前記両実施例では、後に続く反復の間、キャリアセットを、先の反復の間いっしょにグループ化されたサブキャリアに減らす（７）。

第２サブセット８では、反復ｉの間、本方法は、サイズＮ_ｔｇのｉ番目のサブグループとして、チャネルゲインが最も高いＮ_ｔｇ／２個のサブキャリアとチャネルゲインが最も低いＮ_ｔｇ／２個のサブキャリアとでグループを作る。

前記過程における反復回数は、第１実施例において典型的にＮ／Ｎ_ｔｇに等しい。前記第１実施例は、次の制約を満たすことを仮定する。すなわち、Ｎ ｍｏｄｕｌｏ Ｎ_ｔｇ＝０である（Ｎ／Ｎ_ｔｇ＝ｋであるということに等しく、ｋは自然数である）。第２実施例では、反復回数Ｉは、Ｎ／Ｎ_ｔｇよりも小さい。

先のステップに続いて、または交互に配置される、第２ステップ３で、本方法は、サブグループ毎に送信される電力セットを決定する。所定の電力セットは、前記セットに対して送信される総電力に対する、セットのサブキャリア中の最適周波数分布に適合する。前記最適な分布は、サブグループセットの電力の合計がサブグループ内のキャリア数Ｎ_ｔｇとＮ個のサブキャリアで送信される平均総電力

との積に等しいという制約の下、全体誤差基準を最小化することによって得られる。この制約は、次の式で表される。

ただし、記号Ｎ_ｔｇおよびｐ_ｍは、最小化が行われるサブグループのサイズと、サブグループのサブキャリアｍに割り当てられる電力とをそれぞれ表している。

前記全体誤差基準は、典型的にバイナリ誤り率（ＢＥＲ）である。バイナリ誤り率（ＢＥＲ）は、信号対雑音比（ＳＮＲ）の関数である。フラットフェージングを有するチャネルにおいて、前記率は、サブキャリアｍによって送信される電力ｐ_ｍと係数β_ｍとの関数として表される。

ただし、β_ｍは、前記式（８）によって決まる。

前記バイナリ誤り率（ＢＥＲ）は、サブキャリアに対応する各周波数サブバンドに対して最小化される場合に、最小化される。最小値を決定するための１つの解決方法は、ラグランジアンアルゴリズムを使用することである。

前記最小化は、次のように表すことができる。

式（１１）は、Ｎ_ｔｇ個のサブキャリア全てを介して送信される総電力が、一定かつ固定されているという制約の下、本方法が、送信電力の最良なセットを決定することによって、ＢＥＲを最小化するという事実を表している。

前記式（１１）は、ラグランジアンアルゴリズムを実施例することによって解くことができる。サブキャリアの各サブグループに対して、ラグランジアンは、次の式で表すことができる。

前記送信電力の最適なセットを得るため、本方法は、次の連立方程式を解く。

前記式（７）によって与えられるＢＥＲに対する簡単な推定を導くことによって、連立方程式（１３）は次の式で表すことができる。

これは、前記１つのサブキャリアに対する所定の送信電力に関する次の式を導く。

本方法は、前記ラグランジアンアルゴリズムの実施例が、物理的な現実性を表さない解を導く場合（典型的には得られた電力が負である場合）、さらなる制約を考慮する。そのような環境下で、本方法は、サブキャリアセットから前記サブキャリアを除去することができる。

前記第１実施例では、本方法は、全体誤差基準を最小化することによって、各サブグループの各サブキャリアに対する出力電力を決定する。

図５は、前記線送信を使用するとともに、本発明の方法の特定の実施例を行う送信システムのブロック図である。図５において、図１の構成要素と同一の構成要素には、同一の参照符号が与えられるとともに、再度説明しない。

前記特定の実施例では、送信方法（１）は、チャネルによって生じる位相シフトφを補償する送信に基づいて行う。したがって、各サブキャリアｍに対して、送信される信号Ｖｍは、値−φによって位相シフトされるとともに、所定の送信電力値の平方根によって重み付けされる。これは、次の式によって表すことができる。

本発明の方法は、様々な手段を使用して実施することができる。たとえば、本方法はハードウェア、ソフトウェア、または両者の組み合わせによる形態で実施することができる。

ハードウェアによる実施例において、個々のステップを実行するため送信器で使用される電力セットを決定するモジュールは、１つまたは複数のアプリケーション特定統合化回路（ＡＳＩＣ：Application Specific integrated circuit）に、１つまたは複数のデジタル信号処理装置（ＤＰＳ、ＤＳＰＤ）に、プログラマブル論理回路（ＰＬＤ、ＦＰＧＡ）に、あるいはコントローラ、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、または上述の機能を実行するように構成された他の電子回路コンポーネントに、統合することができる。

ソフトウェアによる実施例において、本発明の送信方法の幾つかまたは全てのステップは、上述の機能を実行するソフトウェアモジュールによって実施することができる。ソフトウェアコードは、メモリに格納するとともに、プロセッサによって実行することができる。メモリは、プロセッサの一部を構成してもよく、またはプロセッサの外部で、すでに知られている手段によって接続されてもよい。

したがって、本発明は、特にデータ媒体上またはメモリ内のコンピュータプログラムで、かつ本発明を実施するのに適したコンピュータプログラムを同様に提供する。プログラムは、プログラム言語の使用を可能にするとともに、ソースコード、オブジェクトコード、または部分的にコンパイルされた、ソースコードとオブジェクトコードとの中間的コード、または本発明の方法を実施するように構成された他の形式であることができる。

前記データ媒体は、プログラムを格納することができる装置、またはエンティティである。たとえば、媒体は、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）（たとえば、ＣＤ−ＲＯＭ、マイクロ電子回路ＲＯＭ）、またはさらに磁気記録手段（たとえば、フロッピー（登録商標）ディスクまたはハードディスク）といった記録手段を具備している。

さらに、前記データ媒体は、電気信号または光信号といった送信可能な媒体であり、電気ケーブル、光ケーブル、無線、または他の手段によって伝送するのに適している。本発明のプログラムは、特にインターネット型ネットワークからダウンロードすることができる。

したがって、本発明は、Ｎ個のサブキャリアを介して、サブキャリア毎に所定の電力Ｐ_ｕで送信される信号の周波数分割多重化を行う送信器で使用するデジタル信号を提供する。デジタル信号は、少なくとも送信器が以下のステップを実行するのを可能にするコードを具備している。
すなわち、
・ 所定の基準を適用することによって、サブグループ中のＮ個のサブキャリアから得られるサブキャリアセットを分配するステップと、
・１つのセットの電力の合計が、サブグループのサブキャリア数Ｎ_ｔｇとＮ個のサブキャリアを介して送信される総平均電力との積に等しいという制約の下、全体誤差基準を最小化することによって、セットのサブキャリア中の、セットによって送信される総電力の最適な周波数分布を満たすサブグループ毎に送信される電力セットを決定するステップと
である。

本発明の方法を実施する無線送信を具備する送信システムのブロック図である。 本発明の方法のフローチャートである。 本発明の方法の第１実施例のフローチャートである。 本発明の方法の第２実施例のフローチャートである。 本発明の方法の特定の実施例を行う無線送信を用いた送信システムのブロック図である。

符号の説明

１ セットのキャリアをサブグループにグループ化するステップ
２ キャリアセットを決定するステップ
３ サブグループ毎に電力Ｐ_ｕのセットを決定するステップ

Claims (11)

1. Ｎ個のサブキャリアから得られたサブキャリアセットを、送信チャネルの係数の電力レベルに応じてサブグループに分配するステップ（２）と、
   サブグループ毎に送信される電力セットを決定するステップ（３）と
   を具備し、Ｎ個のサブキャリアを介して送信する信号の周波数分割多重化を行う送信方法（１）において、
   前記信号は、サブキャリア毎に所定の電力Ｐ_ｕで送信するとともに、
   前記サブグループ毎に送信される前記電力セットは、１つのセットの電力合計が、サブグループのサブキャリアの数Ｎ_ｔｇとＮ個のサブキャリアを介して送信される平均総電力との積に等しいという制約の下、サブキャリア毎に全体誤差基準を最小化することによって、前記セットのサブキャリア中の、前記セットによって送信される総電力の最適な周波数分布に適合することを特徴とする送信方法。
2. 前記Ｎ個のサブキャリアを介して送信される信号は、送信器（ＥＭ）によって送信されるとともに、送信器と送信信号の受信器（ＲＥ）との間の送信チャネル（ＣＨ）を介して送信され、
   前記送信信号（Ｖ_０，・・・，Ｖ_Ｎ−１）は、送信チャネルによって生じる位相シフトの逆数である位相値によって位相シフトされることを特徴とする請求項１に記載の送信方法（１）。
3. 前記サブキャリアセットは、全体誤差基準に対する基準値の関数として選択されたサブキャリアによって一部が構成されることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の送信方法（１）。
4. 前記全体誤差基準は、ラグランジアンアルゴリズムによって最小化されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の送信方法（１）。
5. 前記全体誤差基準は、バイナリ誤差率（ＢＥＲ）に対応することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の送信方法（１）。
6. 前記バイナリ誤差率は、サブキャリア毎の所定の電力Ｐ_ｕに対する分析式を得るため、指数関数によって推定されることを特徴とする請求項５に記載の送信方法（１）。
7. 前記全体誤差基準は、全体パケット誤差率（ＰＥＲ）に対応することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の送信方法（１）。
8. Ｎ個のサブキャリアを介して送信する信号の周波数分割多重を行うとともに、送信チャネルの係数の電力レベルに応じて、Ｎ個のサブキャリアから得られたサブキャリアセットをサブグループ中に分配するモジュールを具備する送信器（ＥＭ）において、
   前記信号は、サブキャリア毎に所定の電力Ｐ_ｕで送信されるとともに、
   １つのセットの電力の合計が、前記サブグループのサブキャリア数Ｎ_ｔｇとＮ個のサブキャリアを介して送信される総平均電力との積に等しいという制約の下、サブキャリアによる全体誤差基準を最小化することによって、前記セットのサブキャリ中の、前記セットに対する総送信電力の最適な周波数分布に適合するサブグループを介して送信される前記電力セットを決定するモジュールを具備することを特徴とする送信器。
9. 請求項８に記載の送信器（ＥＭ）を具備することを特徴とする送信システム（ＳＹ）。
10. データ媒体上のコンピュータプログラムであって、
    前記プログラムが送信器で読み込まれるとともに実行される場合、請求項１から７のいずれか１項に記載の送信方法を実施するように構成されたプログラム命令を具備することを特徴とするコンピュータプログラム。
11. 前記プログラムが送信器で読み込まれるとともに実行される場合、請求項１から７のいずれか１項に記載の送信方法を実施するように構成されたプログラム命令を具備すること特徴とする記録媒体。

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