JP6016607B2

JP6016607B2 - 送信装置および符号化方法

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Publication number: JP6016607B2
Application number: JP2012273092A
Authority: JP
Inventors: 康義能田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2016-10-26
Anticipated expiration: 2032-12-14
Also published as: JP2014120836A

Description

本発明は、ＤＳＴＢＣ（Differential Space-Time Block Coding）を適用した無線通信システムの送信装置および符号化方法に関する。

無線信号伝送に際してフェージングなどの影響を抑えるための技術として、ダイバーシチ技術が使用されている。例えば、複数の送信アンテナを用いて特定の規則で信号を送出することによりダイバーシチ効果を得ることが可能なＳＴＢＣ（Space-Time Block Coding）は、受信側の処理が簡易であるなどの理由から、さまざまなシステムに利用されている。

ＳＴＢＣを適用したシステムでは受信側において伝搬路推定が必要であるが、受信側での伝送路推定を不要としつつダイバーシチ効果を得ることが可能な方式として、差動符号化をＳＴＢＣのブロック単位で行うことで伝送路推定を不要にするＤＳＴＢＣが非特許文献１に開示されている。たとえば、２アンテナ送信によるＤＳＴＢＣでは、２シンボルを１つのブロックとして構成し、２つのブロックのデータを用いて差動符号化を行い、受信側では２つのブロックの受信データを差動復号化することでデータを復調する。

一方、一般的な無線通信システムでは、同期ワード（ＳＷ：Sync Word）やユニークワード等の信号を用いて、受信側が相関演算などによって同期するための手段を提供する必要がある。たとえば、送信側では、受信側が既知の信号パターンであるＳＷの系列を送信し、受信側では、既知のＳＷの系列と受信信号との相関演算を行い、ピーク検出などの手法によって、フレームやシンボルのタイミングを抽出する。

ここで、差動符号化を用いるシステムにおいては、フレーム構成上、一定の周期で差動符号化の信号を初期化することが多い。たとえば、送信側ではフレームの先頭で差動符号化信号を固定の値に初期化し、それを基準として送信パターンに応じた信号を時系列に生成する。

V.Tarokh, H.Jafarkhani, "A Differential Detection Scheme for Transmit Diversity", IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol.18, pp1169-1174, July 2000.

差動符号化を用いるシステムにおいて、差動符号化初期化からＳＷが埋め込まれる系列までに、既知でないパターン（通信用のデータペイロードなど）が含まれる場合、そのパターンに依存してＳＷ部分で実際に送信される無線信号のコンステレーションは変化してしまう。ＤＳＴＢＣを用いない一般的な方式、たとえばＤＱＰＳＫ（Differential Quadrature Phase Shift Keying）などの方式においては、ＳＷ全体に不確定な位相オフセットが加わるという現象として受信側で観測される。一方、ＤＳＴＢＣを送信するシステムにおいて、差動符号化は複数のシンボルを単位とした行列演算形式で定義されるため、上記既知でないパターンによって、ＳＷ送信時のコンステレーションは、複雑に変化する。たとえば、ＱＰＳＫを送信する場合でも、上記既知でないパターンに依存して、４通りを越える組み合わせの送信信号が与えられる。また、多値変調方式を利用すると、この組み合わせの数が爆発的に増大する。このため、受信側で既知のパターンを用いて相関をとる処理を行うのが困難になる。

この問題に対して、差動符号化の初期値を、上記既知でないパターンに応じて変更することでＳＷ部分の送信信号を所望の値にすることができる。これを実現するために、シミュレーションによってパターンに対応する組み合わせ毎に、対応した必要な初期値を引くことができるテーブルを送信機に用意しておく方法が考えられるが、このテーブルの大きさであるテーブルインデクス数は、上記の組み合わせの数によって決まり、多値変調方式を採用する場合、インデクス数が現実的に搭載できない大きさになる可能性がある、という問題があった。また、差動符号化の初期化をＳＷの先頭で再度行う場合、その初期値を送るシンボルは情報伝送に寄与せず、通信のスループットが低下してしまうという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、所望系列（既知パターンなど）のフレーム内の位置によらず、所望系列部分の波形を固定化可能な送信装置および符号化方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、信号を差動符号化して送信する送信装置であって、差動符号化開始時の基準値として仮初期値を使用して前記信号を差動符号化する差動符号化手段と、前記差動符号化手段による差動符号化結果、所望値および前記仮初期値に基づいて、差動符号化開始時の基準値としての初期値を算出する初期値算出手段と、前記仮初期値、前記差動符号化手段による差動符号化結果、および前記初期値算出手段により算出された初期値に基づいて送信信号を生成する送信信号生成手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、たとえば固定パターンである同期ワードなど、送信系列内の所望の系列に対応する送信信号波形を固定化することができる、という効果を奏する。

図１は、ＤＳＴＢＣ方式を使用する従来の送信装置の構成例を示す図である。図２は、送信されるフレームの構成例を示す図である。図３は、実施の形態１にかかる送信装置の構成例を示す図である。図４は、実施の形態２にかかる送信装置の構成例を示す図である。

以下に、本発明にかかる送信装置および符号化方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

ここで、参考のため、ＤＳＴＢＣ方式を使用して通信を行う従来の一般的な送信装置について説明する。

図１は、ＤＳＴＢＣ方式を使用する従来の送信装置の構成例を示す図である。図示したように、従来の送信装置は、系列生成部１０１、マッピング部１０２、差動符号化部１０３、初期値設定部１０４および送信部１０５を備えている。なお、図１の構成では送信アンテナを２本としている。

系列生成部１０１は、フレームを構成するビットパターンを生成する。マッピング部１０２は、系列生成部１０１で生成されたビットパターン受け取り、ＩＱ信号に変換する。たとえば、ＱＰＳＫでは２ビットの値を１シンボルの情報へ、具体的には、２ビットの値を４つの候補点のうちいずれかにマップすることでＩＱ信号を生成する。ＩＱ信号は、差動符号化部１０３に送られ、差動符号化部１０３は、一定の範囲のデータごとに差動符号化処理を行う。ＤＳＴＢＣを用いた差動符号化は、次式（１）で表現することができる。

ここで、Ｃ（ｋ）はあるブロックｋにおける差動符号化結果、すなわち差動符号化部１０３の出力と対応する行列で、Ｓ（ｋ）はマッピング結果、すなわちマッピング部１０２の出力と対応する行列である。差動符号化部１０３は、自らの出力Ｃ（ｋ−１）を用いて次のブロックの出力Ｃ（ｋ）を計算する。例として、２アンテナＤＳＴＢＣ送信を行うものとすると、ブロックは２シンボルを単位に構成することになり、行列は２×２の大きさとなる。以降、２アンテナＤＳＴＢＣを仮定して説明するが、アンテナ数については特に限定しない。この例において行列は、次式（２）のように構成される。

ここで、＊は複素共役演算を意味している。Ｃ（ｋ）の行列要素は、２つのアンテナと２つのシンボル（ＤＳＴＢＣでは、時間と対応）で送信される送信部１０５の各アンテナの出力波形と対応しており、たとえばブロックを構成する２つのシンボルのうち前のシンボルでｃ（１，ｋ）およびｃ（２，ｋ）を２本のアンテナでそれぞれ送り、次のシンボルで−ｃ＊（２，ｋ）およびｃ＊（１，ｋ）を送ることを意味するが、実際にはブロックのどの時刻にどの要素をどのアンテナで送信するかについては、特に限定されない。送信部１０５は、このように演算結果を空間（アンテナ）、時間などにアサインし、周波数変換やフィルタリングなどを施し、所望の搬送波上に変調してアンテナから送出する。一方、マッピング信号の行列Ｓ（ｋ）についても、各ブロックｋについて同様に２つのシンボルｓ（１，ｋ）およびｓ（２，ｋ）を、それぞれの複素共役と対応させる形で配置する。この行列演算操作は、正方行列の乗算の形式になっているが、この例では半分の要素は、もう半分の要素の複素共役であるから、実際の実装においては、より乗算回数などを減らし、複素共役処理などでＣ（ｋ）の一部の要素が、他の要素から簡易に生成できることは自明であり、必ずしも行列形式で全要素を演算し求めることは必須とはしない。

差動符号化によって、任意のブロックｎにおける送信波形は、次式（３）で表される。

式（３）は、ある初期値Ｃ（０）から、マッピング信号Ｓの各ブロックを乗算していった結果として、ブロックｎの送信波形が得られることを示している。図１の送信装置において、初期値は初期値設定部１０４により設定され、一定の時間間隔で初期化することが多い。図２のように、１フレームごとに先頭の波形が初期化信号に対応し、任意のビットパターンから生成されたデータ部をまたいでＳＷなどの固定パターンＦを付加するようなフォーマットとする例が考えられる。ＤＳＴＢＣではない差動符号化送信機では、初期値設定部１０４は、ある固定の値を設計時に決めておき、それを毎フレームで共通して使い続けることが一般的であるが、ＤＳＴＢＣの場合、送信波形が初期値とその後の系列により大きく変化し、ＳＷ部分で固定ビットパターンを使ったとしても、差動符号化後の送信波形のパターンを固定化することが困難であった。この問題を回避するため、ある初期値で生成した仮送信波形の値から、所望の波形を送信するための対照表をテーブルで持ち、そのテーブル出力を真の初期値として送信する方法が考えられるが、これは仮送信波形のとりうる信号点数にテーブルサイズが依存する構成であり、この取り得る信号点数が拡大する高次の変調多値数では、実装が困難である。

本発明にかかる送信装置は、上記従来の送信装置が有している問題を解決可能な構成としている。本発明にかかる送信装置によれば、変調多値数によらない固定送信波形の生成が簡易に可能となる。以下、送信装置の実施の形態を説明する。

実施の形態１．
まず、固定送信波形の生成原理について説明する。一例として、ブロックｎにおいて上記の式（３）のＣ（ｎ）が希望の送信波形であるとして説明する。このとき、目的とする初期値はＣ（０）であることは式（３）より明らかであり、マッピング信号Ｓ（ｋ）（ｋ＝１，２，…，ｎ）のパターンに対して決まるＣ（０）を初期値とすれば、Ｃ（ｎ）が送信できることを示している。一方、初期値をＤ（０）、マッピング信号を上記と同じとし、その仮初期値から生成されるブロックｎの波形をＤ（ｎ）とすると、Ｄ（ｎ）は次式（４）で表すことができる。

式（３）と式（４）の間で、マッピング信号Ｓ（ｋ）（ｋ＝１，２，…，ｎ）のパターンは共通であることに注意すると、Ｃ（ｎ）とＤ（ｎ）は次の式（５）で結びつくことがわかる。

式（５）を変形すると、Ｃ（０）は、次式（６）で求められることがわかる。

すなわち、あるブロックｎで固定の波形Ｃ（ｎ）を送りたい場合は、任意の初期値Ｄ（０）、その初期値から生成されたブロックｎの波形Ｄ（ｎ），それと希望の波形Ｃ（ｎ）を使って、希望の初期値Ｃ（０）が求められることを式（６）は示している。

ここで、特にＤＳＴＢＣでは、行列Ｓ，Ｃ，Ｄは各ブロックについてユニタリ行列であることが一般的であり、そのとき逆行列演算は複素共役転置で表現できることが明らかであるので、そのような計算に代替してもよい。また、Ｄ（０）の選び方は特に問わないが、単位行列にすることが望ましい。単位行列を使用することで、希望の初期値Ｃ（０）は実質的に２つの行列の間の乗算で表現でき、計算処理を簡略化することが可能になる。行列の形式が上記の式（２）のように複素共役と対称な形式の場合は、対称性を利用し行列の一部要素の計算を簡略化してもよく、必ずしも行列形式で全要素を求めることを必須とはしない。

上記のあるタイミングｎがＳＷに対応する差動符号化ブロックのうちいずれかのブロックを示しているのであれば、このブロックで波形の固定化を行えば、このブロックを含むＳＷを構成するブロック系列においても、ビットパターンが固定であることから送信波形はＳＷ区間に渡って固有のパターンを遷移することになり、ＳＷパターンの波形系列を固定化することができる。明らかに、ｎの値はＳＷが送信されるブロックのうち任意のブロックから選ぶことができるし、ＳＷの直前のブロックを使用してもよい。

以上のように、差動符号化の仮初期値を与える手段と、仮初期値に基づいて、差動符号化系列を仮送信信号として生成する手段と、系列の生成順のうちある特定の順番の仮送信信号と、その順番における所望の送信信号とに基づいて新しい初期値を生成する手段と、新しい初期値を用いて最終的に送信する送信信号を生成する手段とによって、ＳＷ部分を固定した送信波形を送信することができる。

次に、実施の形態１にかかる送信装置の構成について説明する。

図３は、実施の形態１にかかる送信装置の構成例を示す図である。この送信装置は、上記従来の送信装置を拡張したものであり、具体的には、従来の送信装置（図１）の初期値設定部１０４に代えて仮初期値設定部１０６、仮送信信号記憶部１０７、所望値設定部１０８、初期値計算部１０９および送信信号生成部１１０を備えた構成となっている。これら以外の構成要素は従来の送信装置と同様であるため、図１と同じ符号を付して説明を省略する。

図３に示した送信装置は、全体の動作として、図２に示したようなフレーム構成で信号を送出するものとし、ＳＷの固定パターンのあるブロックｎにおける波形をＣ（ｎ）とすることで、ＳＷ全体の送信波形を固定化するように動作するものとする。

仮初期値設定部１０６は、差動符号化部１０３が差動符号化処理を行う際の基準となる初期値として仮初期値を設定し、差動符号化部１０３は設定された仮初期値を使用して各フレームを差動符号化する。仮初期値設定部１０６は、差動符号化部１０３に設定する仮初期値を初期値計算部１０９および送信信号生成部１１０に対しても出力する。

仮送信信号記憶部１０７は、差動符号化部１０３による差動符号化結果を受け取り記憶する。仮送信信号記憶部１０７は、また、初期値を算出する際に使用されるブロックｎの差動符号化結果Ｄ（ｎ）を受け取ると、これを初期値計算部１０９に出力する。

初期値計算部１０９は、仮送信信号記憶部１０７からＤ（ｎ）を受け取ると、このＤ（ｎ）と、所望値設定部１０８からの入力であるＣ（ｎ）と、仮初期値設定部１０６からの入力であるＤ（０）とに基づき、上記の式（６）を使用して初期値Ｃ（０）を算出する。また、算出した初期値Ｃ（０）を送信信号生成部１１０に出力する。

所望値設定部１０８は、初期値計算部１０９が初期値を算出する際に使用する所望値（たとえばＳＷ）を設定する。フレーム構成によって異なるＳＷを用いる場合、各ＳＷに応じた値を所望値設定部１０８が初期値計算部１０９に対して設定するようにすれば、各フレーム構成において、対応する固定したＳＷの送信信号を生成することができる。

送信信号生成部１１０は、仮初期値設定部１０６から受け取った仮初期値Ｄ（０）と、初期値計算部１０９から受け取った初期値Ｃ（０）と、仮送信信号記憶部１０７が記憶している差動符号化結果Ｄ（ｎ）とを使用し、上記の式（５）に従って送信信号Ｃ（ｎ）を生成する。生成した信号Ｃ（ｎ）は送信部１０５によって送信される。なお、他のブロックｋについても、仮送信信号記憶部１０７が記憶しているｋ番目のブロックの信号Ｄ（ｋ）に右からＤ（０）の逆行列およびＣ（０）を順番に乗算することで送信信号を生成する。上述したように、仮初期値Ｄ（０）は単位行列を使用することができ、このとき仮初期値分の乗算処理などは省略することができる。構成上、仮初期値設定部１０６が陽に存在せず、差動符号化部１０３，初期値計算部１０９，送信信号生成部１１０で同じ行列Ｄ（０）を持って処理する構成においても、同様に希望の送信系列Ｃ（ｋ）を生成することが可能である。

このように、本実施の形態の送信装置は、仮初期値と、あるブロックにおける仮送信信号と、所望の送信信号とを使用して、所望の送信信号を実現するための初期値を生成し、これに従って差動符号化信号を生成する。これにより、ＳＷなど固定パターンの送信波形を固定化することができる。特に、マッピング信号が多値変調方式である場合など、マッピング信号の系列の乗算結果のとりうる点数が増大する場合においても、計算量や処理コストを拡大せずに初期値を求めることができるようになり、多値変調方式を利用したＤＳＴＢＣシステムの構成が容易になるという効果を奏する。本発明はマッピング信号の生成方法について特に依存するものではなく、一般的なＰＳＫやＱＡＭについて適用可能である。

なお、本実施の形態ではＤＳＴＢＣを想定した差動符号化を例に説明したが、送信信号を時間ではなく周波数方向に並べるＤＳＦＢＣ（Differential Space-Frequency Block Coding）でも同様に、固定パターン生成のために利用することができる。また、ＤＳＴＢＣではない差動符号化においても、行列をスカラー値と見なして処理することで、同様にＳＷ部分の波形を固定化することができる。また、送信部１０５は、２つのアンテナから送信する構成としたが、特にこれに限定するものではなく、送信ダイバーシチの都合により、それ以下またはそれ以上のアンテナ数を用いて送信してよい。

実施の形態２．
図４は、実施の形態２にかかる送信装置の構成例を示す図である。図２に示した送信装置は、従来の送信装置（図１）の初期値設定部１０４に代えて所望値設定部１０８、初期値計算部１０９、バッファ部１１１、初期化制御部１１２および信号選択出力部１１３を備えた構成となっている。これら以外の構成要素は従来の送信装置と同様であるため、図１と同じ符号を付して説明を省略する。また、所望値設定部１０８および初期値計算部１０９は実施の形態１の送信装置（図３）が備えていたものと同様である。

バッファ部１１１は、系列生成部１０１で生成されたビット系列を保持し、初期化制御部１１２からの指示に従ってビット系列をマッピング部１０２へ出力する。このバッファ部１１１は、系列生成部１０１からの信号をそのままマッピング部１０２に出力しながら保存する第１のモードと、保存されているデータをマッピング部１０２に出力する第２のモードとを有し、これらのモードを初期化制御部１１２の指示に従って切り替える。

マッピング部１０２は、実施の形態１の送信装置（図３）が備えていたものと同様に規定の変調方式でマッピングを行う。差動符号化部１０３は、初期化制御部１１２から与えられる仮初期値を用いて差動符号化を行う。信号選択出力部１１３は、差動符号化部１０３から出力された差動符号化結果のうち、初期値計算部１０９が初期値を算出する際に必要な差動符号化結果、すなわち、ブロックｎの仮送信信号Ｄ（ｎ）を初期値計算部１０９に出力する。

初期値計算部１０９は、信号選択出力部１１３から取得したＤ（ｎ）、所望値設定部１０８から取得したＣ（ｎ）および初期化制御部１１２から取得した仮初期値Ｄ（０）を用いて、上記の式（６）に従って初期値Ｃ（０）を算出する。また、求めた初期値Ｃ（０）を初期化制御部１１２に出力する。

初期化制御部１１２は、送信動作の動作開始直後は第１のモードで動作するようバッファ部１１１に指示を行うとともに、仮初期値Ｄ（０）を差動符号化部１０３および初期値計算部１０９に設定する（出力する）。その後、仮初期値Ｄ（０）を用いてブロックｎの差動符号化が行われ、この差動符号化結果を用いて初期値計算部１０９で算出された初期値Ｃ（０）が入力されると、初期化制御部１１２は、バッファ部１１１に対して、第２のモードでの動作を開始して再度フレームのデータを先頭から出力するよう制御するとともに、差動符号化部１０３に新しい初期値Ｃ（０）を設定する。この新しい初期値Ｃ（０）を使用して差動符号化部１０３により生成された差動符号化系列は、信号選択出力部１１３を経由して送信部１０５に送られ、送信部１０５によって送信される。

本実施の形態の送信装置（図４）と実施の形態１の送信装置（図３）の違いは、差動符号化後の仮送信信号をバッファリングして、新しい初期値との演算で送信信号を出力する代わりに、送信系列（ビット系列）を記憶しておき、新しい初期値が算出された後に再度差動符号化するように構成した点である。このように構成することで、バッファのためのメモリ使用量を節約することができる。なお、本発明はデータを一時保存する方法や箇所について限定するものではなく、仮初期値と、その仮初期値を使用して差動符号化により生成したあるブロックｎの仮送信信号と、そのブロックｎに対する希望の送信信号とを用いて新しい初期値を計算し、この初期値を用いて最終的な送信波形を生成することができる各種の送信装置に対して適用可能である。

このように、本実施の形態のような構成とした場合にも実施の形態１と同様の送信信号を生成することが可能であり、同様の効果を得ることができる。

以上のように、本発明にかかる送信装置は、送信系列を差動符号化して送信する送信装置に適している。

１０１系列生成部、１０２マッピング部、１０３差動符号化部、１０４初期値設定部、１０５送信部、１０６仮初期値設定部、１０７仮送信信号記憶部、１０８所望値設定部、１０９初期値計算部、１１０送信信号生成部、１１１バッファ部、１１２初期化制御部、１１３信号選択出力部。

Claims

信号を差動符号化して送信する送信装置であって、
差動符号化開始時の基準値として仮初期値を使用して前記信号を差動符号化する差動符号化手段と、
前記差動符号化手段による差動符号化結果、所望値および前記仮初期値に基づいて、差動符号化開始時の基準値としての初期値を算出する初期値算出手段と、
前記仮初期値、前記差動符号化手段による差動符号化結果、および前記初期値算出手段により算出された初期値に基づいて送信信号を生成する送信信号生成手段と、
を備えることを特徴とする送信装置。
信号を差動符号化して送信する送信装置であって、
差動符号化開始時の初期値として仮初期値を使用し、かつ前記信号の中の先頭から所定の長さの信号を対象として差動符号化を行う第１の差動符号化処理と、差動符号化開始時の初期値として正式な初期値を使用し、かつ前記信号の全体を対象として差動符号化を行い送信信号を生成する第２の差動符号化処理と、を選択的に実行する差動符号化手段と、
前記第１の差動符号化処理による差動符号化結果、所望値および前記仮初期値に基づいて、前記第２の差動符号化処理で使用する初期値を算出する初期値算出手段と、
を備え、
前記差動符号化手段は、前記初期値算出手段で前記初期値が算出される前は前記第１の差動符号化処理を実行し、前記初期値が算出された後は前記第２の差動符号化処理を実行することを特徴とする送信装置。
前記差動符号化手段は、処理対象のビット系列をＤＳＴＢＣまたはＤＳＦＢＣにて符号化することを特徴とする請求項１または２に記載の送信装置。
前記仮初期値は１または単位行列であることを特徴とする請求項１、２または３に記載の送信装置。
信号を差動符号化する符号化方法であって、
差動符号化開始時の基準値として仮初期値を使用して前記信号を差動符号化する第１の差動符号化ステップと、
前記第１の差動符号化ステップにおける差動符号化結果、受信側で既知の所望値および前記仮初期値に基づいて、差動符号化開始時の基準値としての初期値を算出する初期値算出ステップと、
前記仮初期値、前記第１の差動符号化ステップにおける差動符号化結果、および前記初期値算出ステップで算出した初期値に基づいて、最終的に送信する差動符号化系列を生成する第２の差動符号化ステップと、
を含むことを特徴とする符号化方法。
信号を差動符号化する符号化方法であって、
差動符号化開始時の初期値として仮初期値を使用し、かつ前記信号の中の先頭から所定の長さの信号を対象として差動符号化を行う第１の差動符号化ステップと、
前記第１の差動符号化ステップにおける差動符号化結果、受信側で既知の所望値および前記仮初期値に基づいて、差動符号化開始時の正式な初期値を算出する初期値算出ステップと、
前記正式な初期値を使用し、かつ前記信号の全体を対象として差動符号化を行う第２の差動符号化ステップと、
を含むことを特徴とする符号化方法。