JP5241437B2 - 受信装置、及び信号処理方法 - Google Patents
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Description
本発明の好適な実施形態について説明するに先立ち、当該説明の流れについて簡単に述べておくことにする。まず、図1を参照しながら、同実施形態において想定するMIMOシステム及び送信装置の構成について簡単に説明する。次いで、図2〜図4を参照しながら、QRDE−MLD方式の信号分離技術について説明する。次いで、図5及び図6を参照しながら、MPIC−QRDE−MLD方式の信号分離技術について説明する。次いで、図7及び図8を参照しながら、同実施形態に係る信号分離技術について説明する。次いで、図9及び図10を参照しながら、同実施形態に係る信号分離技術を適用することにより得られる効果について説明する。
まず、図1を参照しながら、後述する各技術が適用されるMIMOシステムの構成について簡単に説明する。但し、図1に例示するMIMOシステム10は、説明の都合上、簡略化して記載されている。そのため、実際には、図1に例示されていない構成要素が付加されたり、種々の変形が施されたりすることがある。しかし、これら構成要素の付加や種々の変形が施されたMIMOシステムに対しても後述する各技術を適用することは可能である。
本発明の好適な実施形態について説明するに先立ち、本実施形態に係る技術の基盤となるQRDE−MLD方式について簡単に説明する。この方式は、シングルキャリア伝送のMIMOシステムにおける多重信号分離手段において、チャネル行列の各要素に独立して含まれる周波数選択性を等化することを目的とする最尤検出技術に関する。
まず、図2を参照しながら、QRDE−MLD方式に係る受信装置100の機能構成について説明する。図2は、QRDE−MLD方式に係る受信装置100の機能構成を示す説明図である。なお、同方式に適用される送信装置12は、例えば、符号化部14によりストリーム毎に誤り訂正符号化/誤り検出符号化し、送信部16により離散フーリエ変換、周波数領域における変調マッピング、及び時間領域に逆フーリエ変換を順次実行して信号を送信する構成を有する。
FFT部102は、各アンテナを介して入力された時間領域の受信信号y(t)を周波数領域の受信信号y(ω)に変換する手段である。このとき、FFT部102は、高速フーリエ変換(FFT;Fast Fourier Transform)のアルゴリズムに基づいて受信信号を周波数領域の信号に変換する。FFT部102により周波数領域に変換された受信信号は、乗算処理部104に入力される。なお、受信信号ベクトルyは、チャネル行列Hを用いて下記の式(1)のように表現される。但し、xは送信信号ベクトルである。また、nは雑音項である。
信号等化部106は、乗算処理部104の出力信号と、後述する等化係数算出部112、114により算出された等化係数と、乗算係数算出部116、118により算出された乗算係数とに基づき、後述するQR分解部110により算出された上三角行列Rの各要素が持つ周波数選択性を等化し、さらに、その周波数選択性を平坦化する手段である。信号等化部106の出力信号ZはIDFT部120に入力される。なお、信号等化部106が有する機能構成の詳細については後述する。
チャネル推定部108は、パイロットシンボル等に基づいて信号伝送路の状態を示すチャネル行列Hを推定する手段である。チャネル推定部108により推定されたチャネル行列Hは、QR分解部110に入力される。QR分解部110は、チャネル推定部108により推定されたチャネル行列Hをユニタリ行列Qと上三角行列Rとの積に分解(所謂、QR分解)する手段である。
等化係数算出部112、114は、受信サブストリーム毎に周波数領域等化を実現するための等化係数(Fa、Fs)を算出する手段である。特に、等化係数算出部112は、主に、後述する加算用の乗算係数Caに関係する信号に対して周波数領域等化するための等化係数(以下、加算用等化係数Fa)を算出する。一方、等化係数算出部114は、主に、後述する減算用の乗算係数Csに関係する信号に対して周波数領域等化するための等化係数(以下、減算用等化係数Fs)を算出する。但し、上三角行列Rの最下行に対応する乗算処理部104の出力信号に対しては、後述するように、乗算係数Ca、Csとの関係を考慮しなくてもよい。
乗算係数算出部116、118は、受信サブストリーム毎に周波数領域等化の処理を実行する前段で、乗算処理部104の各出力信号に対し、上三角行列Rの非対角要素に対応する成分を除去又は注入するための乗算係数(Ca、Cs)を算出する。例えば、乗算係数算出部116は、乗算処理部104の各出力信号に対し、上三角行列Rの非対角要素に対応する成分を注入するための乗算係数(以下、加算用乗算係数Ca)を算出する。一方、乗算係数算出部118は、乗算処理部104の各出力信号に対し、上三角行列Rの非対角要素に対応する成分を除去するための乗算係数(以下、減算用乗算係数Cs)を算出する。後述するように、乗算係数算出部116により算出される加算用乗算係数Caは、上三角行列Rの非対角要素に対応する信号の周波数選択性を対角要素に対応する信号の周波数選択性に近似させる効果を奏するものである。
IDFT部120は、信号等化部106の各出力信号Zに対し、逆離散フーリエ変換(IDFT;Inverse Discrete Fourier Transform)を施して周波数領域の信号Z(ω)から時間領域の信号Z(t)に変換する手段である。各IDFT部120の出力信号は、EDC部122に入力される。
EDC部122は、IDFT部120により時間領域の信号に変換された信号等化部106の出力信号と、所定の変調方式に対応する送信シンボル候補との間のユークリッド距離(Euclidean Distance)を算出する手段である。但し、送信シンボル候補とは、所定の変調方式に対応する信号点配置図(コンステレーション)上の各信号点のことである。つまり、送信装置12において用いた変調多値数が分かれば、送信シンボル候補が決定される。また、このユークリッド距離は、下記の式(7)で表現される評価関数により算出される。
LLR部124は、EDC部122から入力された推定送信信号ベクトルの対数尤度比(LLR;Log−Likelihood Ratio)を算出する手段である。S/P変換部126は、推定送信信号ベクトルをサブストリーム毎に分離する手段である。S/P変換部126により分離されたサブストリーム毎の推定送信信号は、FEC部128に入力される。FEC部128は、LLR部124により算出された対数尤度比に基づいてサブストリーム毎の推定送信信号に対して誤り訂正(FEC;Forward Error Correction)を施し、再生データを出力する。
図3を参照しながら、信号等化部106の機能構成について、より詳細に説明する。図3は、QRDE−MLD方式に係る信号等化部106の機能構成を示す説明図である。
まず、信号等化部106は、乗算処理部104から入力された信号{QHy}(3)を2つに分岐してFDE部172に入力する。FDE部172は、その入力された信号の一方に対して加算用等化係数Fa(3)を乗算し、その乗算結果(Z(3))をIDFT部120に向けて出力する。さらに、FDE部172は、その入力された信号の他方に対して減算用等化係数Fs(3)を乗算する。減算用等化係数Fs(3)が乗算された信号は、分岐されて加減算部174、178、182に入力される。
次いで、信号等化部106は、乗算処理部104から入力された信号{QHy}(2)を2つに分岐して加減算部174に入力する。加減算部174は、FDE部172から入力された信号に加算用乗算係数Ca23を乗算する。そして、加減算部174は、その乗算して得られた信号を信号{QHy}(2)に加算して加算信号を生成する。同様に、加減算部174は、FDE部172から入力された信号に減算用乗算係数Cs23を乗算する。そして、加減算部174は、その乗算して得られた信号を信号{QHy}(2)から減算して減算信号を生成する。これら加算信号及び減算信号は、FDE部176に入力される。
次いで、信号等化部106は、乗算処理部104から入力された信号{QHy}(1)を2つに分岐して加減算部178に入力する。加減算部178は、FDE部172から入力された信号に加算用乗算係数Ca13を乗算する。そして、加減算部178は、その乗算して得られた信号を信号{QHy}(1)に加算して第1の加算信号を生成する。同様に、加減算部178は、FDE部172から入力された信号に減算用乗算係数Cs13を乗算する。そして、加減算部178は、その乗算して得られた信号を信号{QHy}(1)から減算して第1の減算信号を生成する。
次いで、信号等化部106は、乗算処理部104から入力された信号{QHy}(0)を2つに分岐して加減算部182に入力する。加減算部182は、FDE部172から入力された信号に加算用乗算係数Ca03を乗算する。そして、加減算部182は、その乗算して得られた信号を信号{QHy}(0)に加算して第1の加算信号を生成する。同様に、加減算部182は、FDE部176から入力された信号に加算用乗算係数Ca02を乗算する。そして、加減算部182は、その乗算して得られた信号を第1の加算信号に加算して第2の加算信号を生成する。さらに、加減算部182は、FDE部180から入力された信号に加算用乗算係数Ca01を乗算する。そして、加減算部182は、その乗算して得られた信号を第2の加算信号に加算して第3の加算信号を生成する。この第3の加算信号は、FDE部184に入力される。
ここで、図4を参照しながら、信号等化部106の処理による効果について簡単に説明する。図4は、信号等化部106の第3段目で実行される等化処理の効果を示す説明図である。なお、第3段目の処理を例に挙げて説明するが他段の処理についても同様である。
以上説明した通り、信号等化部106は、上三角行列Rの各要素に独立して含まれる周波数選択性を等化することができる。その結果、シングルキャリア伝送方式のMIMOシステムにおいて、マルチパス干渉による影響を効果的に抑制することが可能になる。また、最尤検出に基づく信号分離方式であるため、ダイバーシチゲインが得られることで高いSN比が実現され、結果として最大消費電力を低減させることが可能になる。しかし、各段で実行される等化処理により、他段で処理されるサブストリームの周波数選択性が強調されるため、マルチパス干渉の影響が大きい場合には十分に除去できない場合がある。そこで、この問題を解決するために、本件発明者により後述するMPIC−QRDE−MLD方式が考案された。
以下、上記のQRDE−MLD方式の課題を解決するために考案されたMPIC−QRDE−MLD方式について説明する。MPIC−QRDE−MLD方式は、上記のQRDE−MLD方式を基盤とし、信号等化処理の前段で、繰り返し処理によるマルチパス干渉除去処理を実行する点に特徴がある。これは、マルチパス干渉による影響が大きな広帯域伝送等の場合でも、QRDE−MLD方式の利点を生かせるようにするものである。
まず、図5を参照しながら、MPIC−QRDE−MLD方式に係る受信装置200の機能構成について説明する。図5は、MPIC−QRDE−MLD方式に係る受信装置200の機能構成を示す説明図である。なお、上記のQRDE−MLD方式に係る受信装置100と実質的に同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付することにより詳細な説明を省略する。
制御部204は、QRDE−MLD方式の受信装置100と実質的に同一の処理により再生された再生データを用いて送信レプリカ信号x’を生成させる手段である。まず、FEC部128から出力された再生データが変調部206に入力されて時間領域の送信レプリカ信号x’(t)が生成される。次いで、時間領域の信号レプリカ信号x’(t)は、DFT部208に入力されて周波数領域の送信レプリカ信号x’(ω)に変換される。この周波数領域の送信レプリカ信号x’(ω)は、マルチパス干渉除去部202、及び乗算処理部104に入力される。
マルチパス干渉除去部202は、FFT部102から入力された周波数領域の受信信号に含まれるマルチパス干渉の影響を繰り返し処理により除去する手段である。マルチパス干渉除去部202は、下記の式(8)に示すように、DFT部208から出力された送信レプリカ信号x’を用いてチャネル行列Hの周波数依存成分ΔH(ω)を減算することで周波数選択性を除去する。但し、送信レプリカ信号x’には、誤差が含まれることがあり、送信信号xと送信レプリカ信号x’とが一致せずに周波数選択性が残留する可能性がある。しかし、この残留した周波数選択性(又は残留マルチパス干渉)は、後段の信号等化部106によって除去される。なお、Havは、周波数領域におけるチャネル行列Hの平均を表す。
再び図5を参照し、制御部204の機能構成について、より詳細な説明を行う。制御部204は、伝送路の状況や再生データの復号品質を監視しながら、マルチパス干渉除去部202の動作を制御する手段である。チャネル行列Hの平均値Havは、例えば、周波数帯域内での位相や振幅等の変化に応じて零又は非常に低いレベルとなる場合がある。こうした場合、制御部204は、チャネル行列Hの平均値Havを算出するための平均化手法を変更する。例えば、制御部204は、平均化手法として周波数領域内における電力重み付け平均を用いたり、或いは、時間領域(インパルス応答)内で最大レベルを有するパスの伝達関数を平均値Havに代えて用いる。制御部204は、こうした手法を伝送路の状況に応じて変化させるように構成されている。
以上、MPIC−QRDE−MLD方式に係る受信装置200の機能構成、及び信号処理方法について説明した。上記の方法は、繰り返し復号を前提とし、2回目以降の繰り返し復号処理において、周波数領域におけるマルチパス干渉の除去処理をする点に特徴がある。また、マルチパス干渉の除去後に出力される信号に対してQRDE−MLD方式の信号等化処理を施す。このような制御は、伝送路の状況や復号品質に応じて実行される。
MPIC−QRDE−MLD方式を用いると、送信側に高い電力負担を強いずに最尤検出に際してマルチパス干渉の抑圧が実現される。その結果、高速パケット伝送の際に、その高速性を犠牲にすることなく通信品質を改善できる。また、最尤検出による受信アンテナ間のダイバーシチゲインを得ることができるため、MMSE方式よりも大幅な信号特性の改善が見込まれる。結果として、所望の通信品質を得るために要する送信電力が低減され、携帯端末等(受信装置22)のバッテリ持続時間を延ばすことにも繋がる。また、下り回線で考えれば、インフラ設備の省電力化が実現される。もちろん、電波到達距離が延びるという効果も得られる。
以下、本実施形態に係る技術について説明する。本実施形態は、上記のMPIC−QRDE−MLD方式を基盤とし、上記の受信装置200が備えるマルチパス干渉除去部202、QR分解部110、信号等化部106、等化係数算出部112、114、及び乗算係数算出部116、118により実行される処理をマルチパスのパス毎に実行する構成に特徴がある。以下の説明においては、マルチパス干渉除去部202により実行される処理をMPIC処理と呼び、QR分解部110、信号等化部106、等化係数算出部112、114、及び乗算係数算出部116、118により実行される処理をQRDE処理と呼ぶことにする。
まず、図7を参照しながら、本実施形態に係る受信装置300の機能構成について説明する。図7は、本実施形態に係る受信装置300の機能構成例を示す説明図である。なお、上記の受信装置200と実質的に同一の機能を有する構成要素については同一の符号を付することにより詳細な説明を省略することにする。
図8を参照する。図8には、MPIC処理の前後(前:(A)、後:(B))、及びQRDE処理の前後(前:(B)、後:(C)〜(E))におけるインパルス応答が示されている。但し、インパルス応答が紙面の奥行き方向に傾倒する角度は位相変化を表している。また、説明の都合上、一部のインパルス応答のみを図示した。
ここでは、図9及び図10を参照しながら、本実施形態に係る技術を適用した場合に得られる効果について具体的なシミュレーション結果を交えて説明を行う。図9及び図10は、計算機シミュレーションによる伝送特性の比較結果を示す説明図である。
12 送信装置
14 符号化部
16 送信部
18 アンテナ
20 アンテナ
22 受信装置
100 受信装置
200 受信装置
300 受信装置
102 FFT部
104 乗算処理部
106 信号等化部
108 チャネル推定部
110 QR分解部
112 等化係数算出部
114 等化係数算出部
116 乗算係数算出部
118 乗算係数算出部
120 IDFT部
122 EDC部
124 LLR部
126 S/P変換部
128 FEC部
172 FDE部
176 FDE部
180 FDE部
184 FDE部
174 加減算部
178 加減算部
182 加減算部
202 マルチパス干渉除去部
204 制御部
206 変調部
208 DFT部
302 MPIC+QRDE処理部
304 信号加算部
Claims (5)
- 複数のサブストリームが含まれる多重信号を受信する複数のアンテナと、
周波数領域に変換された前記多重信号から対象パスに対するマルチパス干渉成分を抑圧して各対象パスの成分を抽出する複数のマルチパス干渉抑圧部と、
チャネル行列をQR分解して得られる上又は下三角行列を前記各マルチパス干渉抑圧部から出力される前記各パスの成分に乗算し、前記上又は下三角行列が乗算された当該各対象パスの成分に対して周波数領域等化を施す複数の信号等化部と、
前記各信号等化部により周波数領域等化が施された前記各対象パスの成分を合成するマルチパス成分合成部と、
時間領域に変換された前記マルチパス成分合成部の出力信号から最尤検出を用いて前記多重信号に含まれる各サブストリームを復号する最尤復号部と、
を備える、受信装置。 - 前記最尤復号部により前記各サブストリームが復号される際に出力される対数尤度比を用いて前記各サブストリームの信号に誤り訂正を施す誤り訂正部と、
前記誤り訂正部により誤り訂正が施された前記各サブストリームの信号に基づいてレプリカ信号を生成するレプリカ信号生成部と、
をさらに備え、
前記マルチパス干渉抑圧部は、前記レプリカ信号生成部により生成されたレプリカ信号を用いてチャネル行列の周波数依存成分を減算することで前記マルチパス干渉成分を抑圧する、請求項1に記載の受信装置。 - 前記マルチパス干渉抑圧部から出力された信号を前記各信号等化部、前記マルチパス成分合成部、前記最尤復号部、及び前記誤り訂正部に順次入力させ、前記誤り訂正部から出力された信号を前記レプリカ信号生成部に入力させ、前記レプリカ信号生成部から出力された信号を前記マルチパス干渉抑圧部に入力させる制御処理を繰り返し実行して前記マルチパス干渉成分の抑圧処理を反復実行させる制御部をさらに備える、請求項2に記載の受信装置。
- 前記周波数領域に変換された多重信号からMMSE(Minimum Mean Squared Error)等化係数を算出するMMSE分離・等化部をさらに備え、
前記制御部による制御に応じて反復実行される前記マルチパス干渉成分の抑圧処理の第1回目においては、前記レプリカ信号生成部が前記MMSE分離・等化部により算出されたMMSE等化係数に基づいてレプリカ信号を生成し、当該レプリカ信号を用いて前記マルチパス干渉抑圧部が前記マルチパス干渉成分の抑圧処理を実行する、請求項3に記載の受信装置。 - 複数のサブストリームを含む多重信号が複数のアンテナにより受信されるステップと、
マルチパスのパス毎に周波数領域に変換された前記多重信号から対象パスに対するマルチパス干渉成分が抑圧されて各対象パスの成分が抽出されるマルチパス干渉抑圧ステップと、
チャネル行列をQR分解して得られる上又は下三角行列が前記各マルチパス干渉抑圧部から出力される前記各対象パスの成分に乗算され、前記上又は下三角行列が乗算された当該各対象パスの成分に対して周波数領域等化が施される信号等化ステップと、
前記信号等化ステップで周波数領域等化が施された前記各対象パスの成分が合成されるマルチパス成分合成ステップと、
前記マルチパス成分合成ステップの出力信号が時間領域に変換され、当該時間領域の出力信号から最尤検出を用いて前記多重信号に含まれる各サブストリームが復号される最尤復号ステップと、
を含む、信号処理方法。
Priority Applications (3)
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