JP5578674B2 - 無線通信機および無線通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＳＤＭ（Space Division Multiplexing：空間多重）を用いる無線通信機および無線通信方法に関わる。

従来、無線通信の分野において複数のアンテナを用いるＭＩＭＯ（Multiple-Input Multiple-Output：多入力多出力）技術が知られている。ＳＤＭ（Space Division Multiplexing：空間多重）はＭＩＭＯ技術の１種であり、複数の送信アンテナから同一の無線リソースを用いて異なる信号を送信し、空間で混ざり合った信号から受信側での信号処理により元の信号を復元し通信を行う。ＳＤＭにおける受信側での信号処理方式としては、信号の伝搬路情報を基に、混ざり合った信号を線形演算を用いて分離するＺＦ（Zero Forcing）、ＭＭＳＥ（Minimum Mean Square Error）等の空間フィルタリング方式や、受信信号と伝搬路情報から送信信号の候補点を探索し、最も尤度の高い信号を検出するＭＬＤ（Maximum Likelihood Detection）方式が知られている。

ＭＬＤ方式では受信信号と全送信信号の候補点から作りだした受信信号レプリカとのメトリック演算を行い、元の送信信号の尤度を算出するため、最適な通信特性を得ることができる。しかしながら、送信信号の候補点はＳＤＭに用いられる送信アンテナ数に対して指数関数的に増加するため、演算量が膨大になる。そのため、ＭＬＤ方式では複数の演算量削減方法が提案されており、主に尤度算出に用いる送信信号の候補点を絞り込むことにより演算量の削減が行われる。非特許文献１は、このようなＳＤＭにおける受信信号処理方法を開示している。

特開２００６−２２２８７２号公報

Geert Awater, Allert van Zelst and Richard van Nee, "Reduced Complexity Space Division Multiplexing Receivers"in proceedings IEEE VTC ２０００, Tokyo, Japan, MAY １１−１５, ２０００.

しかし、上述した受信信号処理方法においては、演算処理の演算量の削減を十分に行うことができない。
本発明は、空間多重方式を用いた無線通信装置であって、簡易に演算量を削減することができる無線通信装置および無線通信方法を提供することを目的とする。

課題を解決する一実施形態は、
アンテナから与えられる受信信号からチャネル情報を推定する推定部と、
前記チャネル情報と送信信号点候補の少なくとも一方に基づいて、擬似送信信号点候補を生成する候補生成部と、
前記擬似送信信号点候補と前記推定されたチャネル情報に基づいて、受信信号レプリカを生成するレプリカ生成部と、
前記生成された受信信号レプリカと前記受信信号に基づいてメトリック演算を行い、尤度算出に影響の大きい擬似送信信号点候補を選択するメトリック演算部と、
前記選択された擬似送信信号点候補を元の前記送信信号点候補に戻し、最終的な尤度を算出する尤度演算部と、
前記算出された尤度に基づいて前記受信信号を復元する復元部と、
を有し、
複数個ある前記擬似送信信号点候補のそれぞれは、複数個の前記送信信号点候補を代表するものとして対応付けられ、前記擬似送信信号点候補の個数は前記送信信号点候補の個数より少ないことを特徴とする無線通信装置である。

擬似的な送信信号点候補を生成し、これに基づいてメトリック演算を行うために用いることで、メトリック演算の演算量を格段に削減することができる。

本発明の一実施形態に係る無線通信機１の構成の一例を示すブロック図。 無線通信機１の間の通信の一例を示す模式図。 無線通信機１のディジタル信号処理部の構成の一例を示すブロック図。 無線通信機１のＭＬＤ処理部の構成の一例を示すブロック図。 無線通信機１のＭＬＤ処理部のメトリック演算方法の一例を示す説明図。 無線通信機１のＭＬＤ処理部の６４ＱＡＭを用いた場合の擬似的な送信信号点候補の生成方法の一例を示す説明図。 無線通信機１のＭＬＤのＢＥＲ特性のシミュレーション結果 実施例１に係る無線通信機１００の構成図

以下、この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１は、本発明の一実施形態に係る無線通信機の構成の一例を示すブロック図、図２は、同じく無線通信機の間の通信の一例を示す模式図、図３は、同じく無線通信機のディジタル信号処理部の構成の一例を示すブロック図、図４は、同じく無線通信機のＭＬＤ処理部の構成の一例を示すブロック図である。

本発明の一実施形態に係る無線通信機１は、図１に示すように、送受信信号制御部１１と、これに接続されるディジタル信号処理部１２と、複数のアンテナ１４−１…１４−ｕが接続されるアナログフロントエンド１３を有している。このようにＳＤＭを用いて送信を行う無線通信機１−１、１−２は複数のアンテナを有し、ＳＤＭを用いた送信信号を受信する無線通信機１−１、１−２、１−３は、少なくとも１つのアンテナを有する。

また、本発明の一実施形態に係る無線通信機１のディジタル信号処理部１２は、図３に示すように、送信信号生成部２１と、受信信号再生部とを有している。受信信号再生のための構成として、アナログフロントエンド１３から受信信号を受ける受信信号検出・捕捉部２２と、受信信号検出・捕捉部２２の後段であるチャネル推定部２３と、チャネル推定部２３の後段に設けられたＭＬＤ（Maximum Likelihood Detection）処理部２４と、ＭＬＤ処理部２４の後段に設けられたデータ復元部２５を有する。

このような構成をもったディジタル信号処理部１２においては、補足された受信信号をチャネル推定部２３が受け取り、受信信号から伝搬路情報を抽出する。ＭＬＤ処理部２４では入力された伝搬路情報と受信データから、送信側より送られた送信信号の尤度を算出し、データ復元部２５へ出力する。データ復元部２５では、ＭＬＤ処理部２４から与えられる尤度に基づいて受信データの復元を行う。また、ＭＬＤ処理部２４やチャネル推定部２３がデータの事前知識を利用できる場合には、データ復元部２５で得られた送信信号の事前知識をＭＬＤ処理部２４やチャネル推定部２３にフィードバックしても良い。

次に、上述したＭＬＤ処理部２４の構成を図４を用いて説明する。ＭＬＤ処理部２４は、送信信号点候補３１と、擬似送信信号点候補生成部３６と、擬似送信信号点候補生成部３６とチャネル推定部２３に接続されるレプリカ生成部３２と、チャネル推定部２３から受信信号が供給される行列演算部３３と、レプリカ生成部３２および行列演算部３３に接続されるメトリック演算部３４と、メトリック演算部３４に接続される尤度演算部３５を有している。

次に、上述したＭＬＤ処理部２４の動作について、以下に説明する。レプリカ生成部３２は、送信信号点候補とチャネル情報に基づいて受信信号のレプリカを生成する。行列演算部３３は、受信信号ベクトルｙを演算量削減のために変換する。この変換としては、伝播路情報をＱＲ分解して得られるユニタリ行列のエルミート転置行列を用いてＱＲ−ＭＬＤが知られる。このような変換にあわせて、レプリカ生成部３２は入力された送信信号点候補にも同様の変換を行う。
送信アンテナ数をＮ_tx、受信アンテナ数をＮ_rxとする（Ｎ_tx、Ｎ_rxはそれぞれ自然数で、少なくとも一方は２以上）と、受信信号ベクトルｙ、送信信号候補ベクトルｓ、伝播路行列Ｈ、受信信号のレプリカｒはそれぞれ（式１）で表される。

メトリック演算部３４では、レプリカ生成部３２からのレプリカｒと受信信号ｙとから算出されるノルムに基づき、メトリック演算を行う。データ復元部２５からのフィードバックが存在する場合には、そのフィードバックを事前知識としてメトリック演算に利用する。

ＭＬＤ処理部２４は、ビット尤度の情報として一般的な、対数尤度比（ＬＬＲ：Log Likelihood Ratio）を出力する。ＬＬＲは（式２）で表される。

ここで、ｂ_iはi番目のビット、シグマの二乗は雑音の分散であり、ｌｏｇ内の分母と分子は、ｂ_i＝１或いはｂ_i＝０となるようなレプリカ全体（つまり送信信号点候補全体）の尤度（ビット尤度）をそれぞれ表している。（式２）におけるノルム||ｙ−ｒ_k||は、厳密な演算ではユークリッドノルム（２−ノルム）となるが、演算量削減のためにマンハッタンノルム（１−ノルム）や最大値ノルム（∞−ノルム）、またはそれらの組み合わせを用いて近似しても良い。
（式２）から完全なビット尤度を得るには、全ての受信信号レプリカｒ及びノルムを演算する必要がある。送信信号の変調多値数をＭ（Ｍは２以上の整数）とすると、全ての信号点候補に対する受信信号レプリカの数はＭのＮ_tx乗となるため、ＭやＮ_rxが大きいとメトリック演算の演算量が膨大になる。そのため、演算量を削減したＭＬＤでは、尤度算出に影響の大きい送信信号点候補に対してのみメトリック演算を行うことで、演算量を削減する。例えば、（式２）において各ビットに対するビット尤度を、夫々のビットｂ_i＝０，１において最もノルムが小さいもののみから求めるMax-Log-Mapアルゴリズムは、厳密なビット尤度の良い近時になることが知られている。この場合、理想的には、ビット毎にｂ_i＝０、１の２種類の送信信号点候補についてのみメトリック演算すればよいことになる。即ち、ビット尤度の算出に影響の大きな送信信号点候補を少ない演算量で絞り込むことができればＭＬＤにおける演算量を大幅に削減しえる。

本実施形態の特徴として、ＭＬＤ処理部２４は、擬似的な送信信号点候補を生成する擬似的送信信号点候補生成部３６を有し、擬似的な送信信号点候補に対してレプリカ生成、メトリック演算を行う。擬似的送信信号点候補生成部３６で生成される擬似的送信信号点候補は、元の送信信号点候補やチャネル情報に基づいて生成される複数の信号点候補をまとめた（代表する）信号点候補であり、送信信号点候補の絞り込みにおいてこの擬似的な送信信号点候補を用いることにより、演算量を削減する。

図５は、ＭＬＤ処理部２４のメトリック演算方法の一例を示す説明図である。この図５では、送信信号は複素平面で１６個の信号点が直交格子配列されるディジタル変調方式である１６ＱＡＭとし、Ｎ_tx＝２とした場合の、ＭＬＤ処理部２４におけるメトリック演算方法を示している。図５の左側は、元の送信信号の信号点配置を示しており、元の送信信号点候補５１は、各送信アンテナに対して１６点ある（つまりＭ＝１６）。

擬似的な送信信号点候補５２は、元の送信信号の信号点配置に基づいて擬似的送信信号点候補生成部３６によって生成され、その個数Ｍ_s（Ｍ_sは２以上Ｍ未満の整数）は本例では４であり、その位置は元の信号点配置が定まれば基本的には固定でよく、信号点配置図上になるべく一様に分布し、元の（代表される前の）送信信号点候補群の重心にそれぞれ位置することが望ましい。本例では信号点配置の各象限の４点の送信信号点候補５１に対し、その中央に１点の擬似的な送信信号点候補５２が生成される。大抵の変調方式（信号点配置）では、全ての擬似的な送信信号点候補５２の位置は、元の送信信号点候補５１のいずれとも異なる。
この擬似的な送信信号点候補５２に対して、受信側での受信信号レプリカ５５は全部でＭ_s ²＝１６点となる。この受信信号レプリカ５５と受信信号５４のメトリック演算を行い、最終的な尤度算出に影響の大きいと推測される送信信号点候補５６を残す（抽出する）。この残された擬似的な送信信号点候補を元の複数の送信信号点候補５７に戻した後Max-Log-Mapを適用して（つまり、戻された元の複数の送信信号点候補の中でノルムが最小の送信信号点候補から）ビット尤度を算出し、ＬＬＲを得る。

信号点候補を絞り込んだ結果、特定のビットｂ_iにおいてｂ_i＝０である送信信号点候補か、ｂ_i＝１である送信信号点候補のどちらかが、１点も存在しない状況になることがある。この場合、ｂ_i＝０，１のどちらかの尤度が消失してしまい（式２）からＬＬＲを算出できなくなるため、何らかの近似的な尤度を割り当てる。近似尤度は最終的に残された他のビットｂ_i （ｊ≠ｉ）に対するビット尤度から算出する。例えば、ｂ_jに対するビット尤度の中で最も小さいビット尤度（最も大きいノルムとなるもの）を、消失したビット尤度に割り当てる手法が用いられる。
また、最終的な尤度算出に影響の大きい送信信号点候補の選び方としては、ノルムの小さいものから順にＮ_m（Ｎ_mは２以上の整数）個の送信信号点候補を選ぶ方法が用いられる。この際に、なるべくビット尤度の消失が起こらないようにするために、単純なノルムの大小だけでなく、最もノルムの小さい送信信号点候補に対して反対のビットを持つ信号点候補がビット毎に見て少なくとも１つは残るように優先して信号点候補を残しても良い。

図５では送信信号の信号点配置図から擬似的な送信信号点候補を生成したが、チャネル情報を用いて受信信号レプリカにした場合に近接する複数の送信信号点候補を代表する擬似的な信号点候補を生成し演算量を削減することも可能である。また、図５では１６ＱＡＭの場合について示したが、本発明はＱＡＭだけでなく他の多値変調方式の場合にも同様の手法で擬似的な送信信号点候補を生成することができる。

また、図５ではアンテナ１本あたりの送信信号点候補が１６点の場合について示したが、より変調多値数の多い場合には、擬似的な送信信号点候補の生成や、信号点候補の絞り込みを複数段階に分けて行ってもよい。
図６は、６４ＱＡＭを用いた場合の擬似的な送信信号点候補の生成方法の１例を示す。図６では、信号点配置図に基づいて擬似的な送信信号点候補を生成する手法を示している。図５に示した場合と同様に、送信信号点候補の絞り込みを１段階で完了する場合には、元の６４点の信号５８を１６点の信号５９で代表するか、４点の信号６０で代表して信号点候補の絞り込みに用い、その後、元に戻して最終的なメトリック演算を行う。

絞り込みを２段階に分ける場合には、４点の信号６０を、１６点擬似的な送信信号点候補５９をさらにまとめた擬似的な信号点とみなし、１段階目で擬似的な４点の信号点候補を用いて信号点候補の絞り込みを行った後、それぞれを１６点の擬似的な送信信号点候補に戻し、２段階目の絞り込みを行い、最終的にそれぞれを元の６４点の送信信号点候補に戻してメトリック演算を行う。このように、擬似的な送信信号点候補を用いることにより、メトリック演算処理の演算量を格段に削減することができる。

図７は、本実施形態による削減された演算量のＭＬＤのＢＥＲ特性のシミュレーション結果である。この図７では、送信アンテナ数Ｎ_tx＝２、受信アンテナ数Ｎ_rx＝２、変調多値数Ｍ＝１６、誤り訂正符号として拘束長Ｋ＝７、符号化率１／２の畳み込み符号を用いた場合の２ｘ２ＭＩＭＯ−ＭＬＤについてのものであり、実線の「ＭＬＤ」は演算量削減がMax-Log-Mapのみ（従来）、Ｎ_m＝６やＮ_m＝４は送信信号点候補選択数Ｎ_mが６や４の場合（本実施形態）をそれぞれ示している。つまり本実施形態に係るＭＬＤのシミュレーションでは、１６点の送信信号点候補に対して４点の擬似的な送信信号点候補を生成し、擬似的な送信信号点候補を用いて生成された受信信号レプリカと受信信号とのメトリック演算を行い、Ｎ_m個の擬似的な送信信号点候補に絞り込んだ後、その絞り込んだＮ_m個の候補をそれぞれもとの４点の信号点候補に戻し、最終的なビット尤度を算出した。Ｎ_m＝６であればＢＥＲの劣化はほとんど無いことが確認できる。

図８は、実施例１に係る無線通信機１００の構成図である。図８の無線通信機１００は、ＳＤＭを用いて通信を行うＭＩＭＯ−ＯＦＤＭ通信機であり、１１２、１１３、１１４は、先の実施形態の無線通信機１におけるディジタル信号処理部１２、アナログフロントエンド１３、アンテナ１４に相当し、送受信信号制御部１１は先の無線通信機１と同様なので図示を省略した。

送信側は、送受信信号制御部１１から送信信号を受け取り、符号器（Encoder）１８１で符号化し、パンクチャ８２により所望の符号化率の符号を生成する。生成された符号語はパーサー８３によりＳＤＭの各ストリームに振り分けられ、インタリーバ８４によりインタリーブされ、を介してマッパ８５により一次変調され、送信ＭＩＭＯ処理８６された後に、ＩＦＦＴ８７及びＧＩ（ガードインターバル）付加器９９によりＯＦＤＭ変調され、アナログフロントエンド（RF）１１３を介してアンテナ１１４から送信される。

受信側は、アナログフロントエンド１１３からアンテナ毎の受信信号を受け取り、ＧＩ除去器９１が同期補足及びＧＩ除去をし、ＦＦＴ９２がＯＦＤＭ復調した後で、受信ＭＩＭＯ処理９３を行う。この受信ＭＩＭＯ処理９３は、図３のチャネル推定２３及びＭＬＤ処理２４を含むものである。受信ＭＩＭＯ処理後の信号は、デインタリーバ９４でデインタリーブし、集約器（Ｐ／Ｓ）９５で１ストリームに併合し、誤り訂正復号器９６に送られる。誤り訂正復号器９６は、図３のデータ復元部２５に相当し、誤り訂正結果を受信ＭＩＭＯ処理部９３にフィードバックする場合には、あまり訂正後に得られたビット尤度の外部情報を、インタリーバ９４の逆のインタリーブを施してから受信ＭＩＭＯ処理部９３に渡す（図示せず）。

チャネル特性の異なる複数パスからの合成信号を受信し、少なくとも１つのパスからの受信信号が４値を超える多値変調信号であり、Max-Logのような近似を用いる最尤復号、最大事後確率復号或いは反復復号等を行う無線通信機に容易に適用できる。

１〜３…無線通信機、１１…送受信信号制御部、１２…ディジタル信号処理部、１３…アナログフロントエンド、１４…送受信アンテナ、２１…送信信号生成部、２２…受信信号検出／補足部、２３…チャネル推定部、２４…ＭＬＤ処理部、２５…データ復元部、３１…送信信号点候補選択部、３２…受信信号レプリカ生成部、３３…行列演算部、３４…メトリック演算部、３５…尤度演算部、３６…擬似送信信号点候補生成部、５１…１６ＱＡＭの信号点、５２…１６ＱＡＭの４点を代表する擬似送信信号点、５４…受信信号点、５５…擬似送信信号点候補を用いた受信信号レプリカ、５６…絞り込まれた擬似送信信号点候補の受信信号レプリカ、５７…絞り込まれた元の送信信号点候補の受信信号レプリカ、５８…６４ＱＡＭの信号点、５９…６４ＱＡＭの４点を代表する擬似送信信号点、６０…６４ＱＡＭの１６点を代表する擬似送信信号点。

Claims (7)

1. アンテナから与えられる受信信号からチャネル情報を推定する推定部と、
   送信信号点候補に基づいて、擬似的な送信信号点候補を生成する候補生成部と、
   前記擬似的な送信信号点候補と前記推定されたチャネル情報に基づいて、前記送信信号点候補の数より少ない複数の受信信号レプリカを生成するレプリカ生成部と、
   前記生成された受信信号レプリカと前記受信信号に基づいてメトリック演算を行い、尤度算出に影響の大きい擬似的な送信信号点候補を複数選択するメトリック演算部と、
   前記複数選択された擬似的な送信信号点候補のそれぞれを元の前記送信信号点候補に戻し、前記元の送信信号点候補を構成する各ビットの最終的な尤度を算出する尤度演算部と、
   前記算出された尤度に基づいて前記受信信号を復元する復元部と、
   を有することを特徴とする無線通信装置。
2. 前記擬似的な送信信号点候補は、それぞれが当該擬似的な送信信号点候補によって代表される複数の前記送信信号点候補の重心に位置することで、信号点配置図上に一様に分布することを特徴とする請求項１記載の無線通信装置。
3. アンテナから与えられる受信信号からチャネル情報を推定し、
   送信信号点候補の少なくとも一方に基づいて、擬似的な送信信号点候補を生成し、
   前記擬似的な送信信号点候補と前記推定されたチャネル情報に基づいて、前記送信信号点候補の数より少ない数の受信信号レプリカを生成し、
   前記生成された受信信号レプリカと前記受信信号に基づいてメトリック演算を行い、尤度算出に影響の大きい擬似的な送信信号点候補を少なくとも２つ選択し、
   前記選択された少なくとも２つの擬似的な送信信号点候補のそれぞれを元の前記送信信号点候補に戻して、前記元の送信信号点候補を構成する各ビットの最終的な尤度を算出し、
   前記算出された尤度に基づいて前記受信信号を復元することを特徴とする無線通信方法。
4. 前記複数選択される擬似的な送信信号点候補として、尤度の算出対象とするビットが０と１のそれぞれの場合に最小のノルムを与える、２つの擬似的な送信信号点候補を選択し、元の信号点にそれぞれ復元することを特徴とする請求項１又は２記載の無線通信装置。
5. 前記尤度演算部は、前記送信信号点の候補の中に、送信信号の所定の１つのビットを０にする信号点、もしくは該ビットを１にする信号点のどちらかが欠如した場合、該欠如したビットについての尤度は、他のビットについての尤度で代替することを特徴とする請求項１又は２記載の無線通信装置。
6. 前記複数選択される擬似的な送信信号点候補は、その候補が代表していた信号点に、尤度の算出対象とする１つのビットを０にする信号点と、該ビットを１にする信号点の両方を含むことを特徴とする請求項１又は２記載の無線通信装置。
7. 前記候補生成部は、送信信号点配置に、前記推定部が推定したチャネル情報を適用し、その結果近接するようになった複数の送信信号点のレプリカを１つにまとめることで、前記送信信号点候補を生成する請求項１又は２記載の無線通信装置。

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