JP6120595B2 - Mimo受信装置及びプログラム - Google Patents
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Description
以下、従来のQR分解による一般的な復調処理について説明する。送信装置100に備えた送信アンテナTx1,Tx2から送信される信号(送信信号)をx1,x2(以下、数式ではx1,x2にて表す。)とし、受信装置200に備えた受信アンテナRx1,Rx2にて受信した信号(受信信号)をy1,y2(以下、数式ではy1,y2にて表す。)とし、受信アンテナRx1と送信アンテナTx1との間の伝送路特性をh11、受信アンテナRx2と送信アンテナTx1との間の伝送路特性をh21、受信アンテナRx1と送信アンテナTx2との間の伝送路特性をh12、受信アンテナRx2と送信アンテナTx2との間の伝送路特性をh22とすると、以下の式が得られる。尚、式(4)に示すように、xは、送信信号x1,x2を要素とする送信信号行列であり、yは、受信信号y1,y2を要素とする受信信号行列であり、Hは、伝送路特性h11,h12,h21,h22を要素とする伝送路推定値行列である。
y=H・x ・・・(1)
y1=h11x1+h12x2 ・・・(2)
y2=h21x1+h22x2 ・・・(3)
H=Q・R ・・・(5)
ユニタリー行列Qは、以下の式のように、q11,q12,q21,q22を要素とする行列であり、三角行列Rは、r11,r12,0,r22を要素とする行列である。
QH・H=QHQ・R=R ・・・(7)
ここで、QHは、Qの共役転置行列である。
QH・y=QH・H・x=R・x ・・・(8)
すなわち、以下の式が得られる。
y1’=q11 *y1+q21 *y2=r11x1+r12x2 ・・・(10)
y2’=q12 *y1+q22 *y2=r22x2 ・・・(11)
これにより、前記式(11)において、x1の成分を消去することができ、x2の成分のみからなる式とすることができる。このため、x2のLLRを最初に算出することにより、効率的な演算を行うことができる。
dx2=|y2’−r22x2| (x2∈S00,S01,S10,S11) ・・・(12)
ここで、S00,S01,S10,S11は、2ビットの情報からなるx2である真値を示し、右下付きの2桁の数値のうち1番目の数値は1ビット目を示し、2番目の数値は2ビット目を示す。前記式(12)により、QR分解によってy2が変形されたy2’とr22x2との間の距離(の絶対値)として、x2の1ビット目が0及び2ビット目が0を真値S00とした場合の距離d00、x2の1ビット目が0及び2ビット目が1を真値S01とした場合の距離d01、x2の1ビット目が1及び2ビット目が0を真値S10とした場合の距離d10、及び、x2の1ビット目が1及び2ビット目が1を真値S11とした場合の距離d11が算出される。すなわち、x2の距離dx2として、4パターンの値d00,d01,d10,d11が算出される。x2の距離dx2は、受信信号y2’から得られる送信信号x2の受信値(位置)と、送信信号x2における真値S00,S01,S10,S11との間の誤差を示す。
LLRx2_1bit=min(d10,d11)−min(d00,d01) ・・・(13)
LLRx2_2bit=min(d01,d11)−min(d00,d10) ・・・(14)
ここで、LLRx2_1bitはx2の1ビット目における対数尤度比を示し、LLRx2_2bitはx2の2ビット目における対数尤度比を示す。LLRx2_1bitがマイナスであり、その値が大きい場合は、1ビット目が1である可能性が高い信号位置の距離を示すmin(d10,d11)よりも、1ビット目が0である可能性が高い信号位置の距離を示すmin(d00,d01)の方が大きいから、x2の1ビット目が1である確率が高いことを示している。一方、LLRx2_1bitがプラスであり、その値が大きい場合は、1ビット目が1である可能性が高い信号位置の距離を示すmin(d10,d11)よりも、1ビット目が0である可能性が高い信号位置の距離を示すmin(d00,d01)の方が小さいから、x2の1ビット目が0である確率が高いことを示している。LLRx2_2bitについても、マイナスの値が大きい場合は、x2の2ビット目が1である確率が高いことを示しており、プラスの値が大きい場合、x2の2ビット目が0である確率が高いことを示している。
dx1=|(y1’−r12x2)−r11x1|+dx2 (x1,x2∈S00,S01,S10,S11)
・・・(15)
ここで、S00,S01,S10,S11は、それぞれ2ビットの情報からなるx1,x2である真値を示す。x1,x2はそれぞれ2ビットの情報からなり、それぞれのビットは0または1であることから、x1,x2の値が取り得るパターンはそれぞれ4つあり、x1,x2の値が取り得る組み合わせのパターンは合計で16となる。また、x2とdx2とは対応しており、例えばx2をS00とした場合、dX2にはS00の場合の前記式(12)で算出したd00が用いられる。
以下、従来のQR分解による一般的な復調処理においてMアルゴリズムを用いた例について説明する。前述のとおり、Mアルゴリズムは、x1の距離dx1及びLLRを算出する計算量を減らすための処理であり、Mアルゴリズムによって、前記(a)(b)と同様の処理の後、前記(c)(d)とは異なる(c’)(d’)の処理が行われる。以下、(c’)及び(d’)の処理について説明する。
〔送信装置〕
まず、図12に示したMIMO通信システム1における送信装置について説明する。図1は、その送信装置の構成を示すブロック図である。この送信装置100は、2本の送受信アンテナを用いた空間多重MIMO伝送方式に用いる送信側の装置であり、キャリア変調後の信号を2分割し、2分割した信号のそれぞれに対してOFDMフレーム化、IFFT(Inverse Fast Fourier Transform:逆高速フーリエ変換)、GI(Guard Interval:ガードインターバル)付加の処理を施し、2本の送信アンテナ101(送信アンテナTx1,Tx2)から異なる信号を送信する。
次に、本発明の実施形態による受信装置について説明する。図2は、その受信装置の構成を示すブロック図である。この受信装置(MIMO受信装置)2は、図12に示したMIMO通信システム1において、2本の送受信アンテナを用いた空間多重MIMO伝送方式に用いる受信側の装置であり、従来の受信装置200とは異なり、伝送路推定値行列の要素を入れ替えてQR分解し、送信信号のLLRを算出する機能を備えている。
次に、図2に示した受信装置2のQR−MLD部23について詳細に説明する。まず、実施例1によるQR−MLD部23について説明する。図3は、実施例1によるQR−MLD部23の構成を示すブロック図であり、図4は、実施例1によるQR−MLD部23の処理を示すフローチャートである。実施例1によるQR−MLD部23は、送信信号x1,x2のLLRを算出する処理を、伝送路推定値行列Hの要素を入れ替えて2回行うことにより、受信信号y1,y2、ユニタリー行列Q及び三角行列Rを用いて第1及び第2のLLRを算出し、第1のLLR及び第2のLLRに基づいて送信信号x1,x2のLLRを決定し出力する。
QR分解部32−1は、伝送路推定値行列生成部30から伝送路推定値行列Hを入力し、前記式(5)(6)のとおり、伝送路推定値行列HをQR分解してユニタリー行列Q及び三角行列Rを求め、前記式(8)(9)のとおり、前記式(1)の両辺にユニタリー行列Qの共役転置行列QHを乗算する(ステップS403)。これにより、受信信号y1,y2を要素とする受信信号行列yにユニタリー行列Qの共役転置行列QHが乗算され、受信信号y1’,y2’が得られる。そして、QR分解部32−1は、受信信号y1’を送信信号x1,x2及び三角行列Rの要素r11,r12で表した前記式(10)を求めると共に、受信信号y2’を送信信号x2及び三角行列Rの要素r22で表した前記式(11)を求める(ステップS404)。
図3及び図4に戻って、伝送路推定値行列要素入替部31は、伝送路推定値行列生成部30から伝送路推定値行列Hを入力し、伝送路推定値行列Hの要素を入れ替えて伝送路推定値行列H’を生成する(ステップS406)。具体的には、伝送路推定値行列要素入替部31は、伝送路推定値行列Hの第1列の要素h11,h21と第2列の要素h12,h22とを入れ替えることで、伝送路推定値行列H’を生成する。これにより、前記式(1)〜(4)を満たすように、以下の式が得られる。
y=H’・x’ ・・・(20)
H’=Q・R ・・・(22)
QH・H’=QHQ・R=R ・・・(24)
QH・y=QH・H’・x’=R・x’ ・・・(25)
前記式(25)を変形すると、以下の式が成り立つ。
y1’=q11 *y1+q21 *y2=r11x2+r12x1 ・・・(27)
y2’=q12 *y1+q22 *y2=r22x1 ・・・(28)
これにより、前記式(28)において、x2の成分を消去することができ、x1の成分のみからなる式とすることができる。このため、x1のLLRを最初に算出することにより、効率的な演算を行うことができる。
dx1=|y2’−r22x1| (x1∈S00,S01,S10,S11) ・・・(29)
ここで、S00,S01,S10,S11は、2ビットの情報からなるx1である真値を示し、右下付きの2桁の数値のうち1番目の数値は1ビット目を示し、2番目の数値は2ビット目を示す。前記式(29)により、QR分解によってy2が変形されたy2’とr22x1との間の距離(の絶対値)として、x1の1ビット目が0及び2ビット目が0を真値S00とした場合の距離d00、x1の1ビット目が0及び2ビット目が1を真値S01とした場合の距離d01、x1の1ビット目が1及び2ビット目が0を真値S10とした場合の距離d10、及び、x1の1ビット目が1及び2ビット目が1を真値S11とした場合の距離d11が算出される。すなわち、x1の距離dx1として、4パターンの値d00,d01,d10,d11が算出される。x1の距離dx1は、受信信号y2’から得られる送信信号x1の受信値(位置)と、送信信号x1における真値S00,S01,S10,S11との間の誤差を示す。
LLRx1_1bit=min(d10,d11)−min(d00,d01) ・・・(30)
LLRx1_2bit=min(d01,d11)−min(d00,d10) ・・・(31)
ここで、LLRx1_1bitはx1の1ビット目における対数尤度比を示し、LLRx1_2bitはx1の2ビット目における対数尤度比を示す。LLRx1_1bitがマイナスであり、その値が大きい場合は、1ビット目が1である可能性が高い信号位置の距離を示すmin(d10,d11)よりも1ビット目が0である可能性が高い信号位置の距離を示すmin(d00,d01)の方が大きいから、x1の1ビット目が1である確率が高いことを示している。一方、LLRx1_1bitがプラスであり、その値が大きい場合は、1ビット目が1である可能性が高い信号位置の距離を示すmin(d10,d11)よりも1ビット目が0である可能性が高い信号位置の距離を示すmin(d00,d01)の方が小さいから、x1の1ビット目が0である確率が高いことを示している。LLRx1_2bitについても、マイナスの値が大きい場合は、x1の2ビット目が1である確率が高いことを示しており、プラスの値が大きい場合、x1の2ビット目が0である確率が高いことを示している。
dx2=|(y1’−r12x1)−r11x2|+dx1 (x1,x2∈S00,S01,S10,S11)
・・・(32)
ここで、S00,S01,S10,S11は、それぞれ2ビットの情報からなるx1,x2である真値を示す。x1,x2はそれぞれ2ビットの情報からなり、それぞれのビットは0または1であることから、x1,x2の値が取り得るパターンはそれぞれ4つあり、x1,x2の値が取り得る組み合わせのパターンは合計で16となる。また、x1とdx1とは対応しており、例えばx1をS00とした場合、dx1にはS00の場合の式(29)で算出したd00が用いられる。
図3及び図4に戻って、尤度決定部34は、尤度算出部33−1から第1のLLR(LLRx1_1bit_1,LLRx1_2bit_1,LLRx2_1bit_1,LLRx2_2bit_1)を入力すると共に、尤度算出部33−2から第2のLLR(LLRx1_1bit_2,LLRx1_2bit_2,LLRx2_1bit_2,LLRx2_2bit_2)を入力し、第1のLLR及び第2のLLRに基づいて、誤り訂正に用いるLLR(LLRx1_1bit,LLRx1_2bit,LLRx2_1bit,LLRx2_2bit)を決定し(ステップS410)、決定したLLR(LLRx1_1bit,LLRx1_2bit,LLRx2_1bit,LLRx2_2bit)を誤り訂正内符号復号部24に出力する(ステップS411)。
if(|LLRx1_1bit_1|<|LLRx1_1bit_2|){LLRx1_1bit=LLRx1_1bit_2}
else{LLRx1_1bit=LLRx1_1bit_1}
LLRx1_1bit=(LLRx1_1bit_1+LLRx1_1bit_2)/2 ・・・(35)
送信信号x1の2ビット目、送信信号x2の1ビット目及び2ビット目についても同様の処理が行われる。また、第1のLLR及び第2のLLRの各ビットについて重み付けが予め行われ、尤度決定部34は、第1のLLR及び第2のLLRの各ビットについてその重み付けを反映した計算により、誤り訂正に用いるLLRを決定するようにしてもよい。
次に、実施例2によるQR−MLD部23について詳細に説明する。図7は、実施例2によるQR−MLD部23の構成を示すブロック図であり、図8は、実施例2によるQR−MLD部23の処理を示すフローチャートである。実施例2によるQR−MLD部23は、送信信号x1,x2のLLRを算出する処理を、伝送路推定値行列Hの要素を入れ替えて2回行うことにより、従来のQR分解による一般的な復調処理により送信信号x2のLLRを算出し、伝送路推定値行列Hの要素を入れ替えたQR分解による復調処理により送信信号x1のLLRを算出し、これらのLLRを誤り訂正に用いるLLRとして出力する。
図8に示したステップS801〜ステップS804の処理の後、尤度算出部35−1は、QR分解部32−1により求めた、受信信号y2’と送信信号x2との関係を表した前記式(11)に基づいて、前記(a)(b)のとおり、送信信号x2の距離dx2及びLLR(LLRx2_1bit,LLRx2_2bit)を算出する(ステップS805)。尤度算出部35−1は、送信信号x2のLLR(LLRx2_1bit,LLRx2_2bit)を尤度出力部36に出力する。
図7及び図8に戻って、図8に示したステップS806〜ステップS808の処理の後、尤度算出部35−2は、QR分解部32−2により求めた、受信信号y2’と送信信号x1との関係を表した前記式(28)に基づいて、送信信号x1の距離dx1及びLLR(LLRx1_1bit,LLRx1_2bit)を算出する(ステップS809)。尤度算出部35−2は、送信信号x1のLLR(LLRx1_1bit,LLRx1_2bit)を尤度出力部36に出力する。
図7及び図8に戻って、尤度出力部36は、尤度算出部35−1から送信信号x2のLLR(LLRx2_1bit,LLRx2_2bit)を入力すると共に、尤度算出部35−2から送信信号x1のLLR(LLRx1_1bit,LLRx1_2bit)を入力し、入力したLLR(LLRx1_1bit,LLRx1_2bit,LLRx2_1bit,LLRx2_2bit)を誤り訂正に用いるLLRとして誤り訂正内符号復号部24に出力する(ステップS810)。
次に、実施例1によるQR−MLD部23−1を備えた受信装置2の実験結果(計算機シミュレーション結果)について説明する。図11は、その計算機シミュレーション結果を示す図である。図11において、横軸はC/N[dB]、縦軸は誤り訂正内符号復号後のBERを示す。また、この計算機シミュレーション結果は、キャリア変調方式がQPSK、内符号がターボ符号、符号化率がr=1/2、伝送路が都市型6波モデルTU6、ドップラー周波数が20Hzの条件の下で得られた特性である。図11から、従来技術(従来のQR分解による一般的な復調処理)の結果と、本発明の実施形態(実施例1によるQR−MLD部23−1を備えた受信装置2)の結果とを比較すると、本発明の実施形態では、所定のBERにおけるC/Nが、従来技術よりも0.9dB改善されたことがわかる。
2,200 受信装置
10 誤り訂正外符号符号化部
11 誤り訂正内符号符号化部
12 キャリア変調部
13 分割部
14 OFDMフレーム化部
15 IFFT部
16 GI付加部
20 GI除去部
21 FFT部
22 伝送路推定部
23 QR−MLD部
24 誤り訂正内符号復号部
25 誤り訂正外符号復号部
30 伝送路推定値行列生成部
31 伝送路推定値行列要素入替部
32 QR分解部
33,35 尤度算出部
34 尤度決定部
36 尤度出力部
100 送信装置
101 送信アンテナ
201 受信アンテナ
Claims (3)
- 複数の送信アンテナと複数の受信アンテナとの間の伝送路特性を推定し、前記伝送路特性を要素とする伝送路推定値行列をQR分解し、前記複数の送信アンテナから送信された送信信号の尤度を算出し、前記送信信号の尤度を用いて復号を行うMIMO受信装置において、
前記伝送路特性を要素とする伝送路推定値行列を生成する伝送路推定値行列生成部と、
前記伝送路推定値行列生成部により生成された伝送路推定値行列をQR分解して第1のユニタリー行列及び第1の三角行列を求め、前記複数の受信アンテナにて受信した受信信号を要素とする受信信号行列、前記第1のユニタリー行列及び前記第1の三角行列に基づいて、前記複数の送信アンテナから送信した送信信号の尤度を算出する第1のQR分解及び尤度算出部と、
前記伝送路推定値行列生成部により生成された伝送路推定値行列の要素を入れ替え、新たな伝送路推定値行列を生成する伝送路推定値行列要素入替部と、
前記伝送路推定値行列要素入替部により生成された伝送路推定値行列をQR分解して第2のユニタリー行列及び第2の三角行列を求め、前記受信信号行列、前記第2のユニタリー行列及び前記第2の三角行列に基づいて、前記送信信号の尤度を算出する第2のQR分解及び尤度算出部と、
前記第1のQR分解及び尤度算出部により算出された送信信号の尤度と、前記第2のQR分解及び尤度算出部により算出された送信信号の尤度とを比較し、絶対値の大きい尤度を、前記復号のために用いる送信信号の尤度として決定する尤度決定部と、
を備えたことを特徴とするMIMO受信装置。 - 請求項1に記載のMIMO受信装置において、
前記第1のQR分解及び尤度算出部は、
前記第1のユニタリー行列の共役転置行列を前記受信信号行列に乗算して得た行列を乗算後の第1の受信信号行列とし、前記複数の送信アンテナから送信した送信信号を要素とする行列を送信信号行列として、
前記乗算後の第1の受信信号行列における1つの要素と前記送信信号行列における1つの要素との関係を前記第1の三角行列の要素で表した式を用いて、前記送信信号行列における1つの要素を第1の送信信号とした場合の前記第1の送信信号における真値との間の誤差を示す距離を算出し、前記算出した距離を用いて、前記第1の送信信号の尤度を算出し、
前記乗算後の第1の受信信号行列における他の1つの要素と前記送信信号行列における複数の要素との関係を前記第1の三角行列の要素で表した式を用いて、前記第1の送信信号とは異なる送信信号における真値との間の誤差を示す距離を算出し、前記算出した距離を用いて、前記第1の送信信号とは異なる送信信号の尤度を算出し、
前記第2のQR分解及び尤度算出部は、
前記第2のユニタリー行列の共役転置行列を前記受信信号行列に乗算して得た行列を乗算後の第2の受信信号行列とし、
前記乗算後の第2の受信信号行列における1つの要素と前記送信信号行列における1つの要素との関係を前記第2の三角行列の要素で表した式を用いて、前記送信信号行列における1つの要素を前記第1の送信信号とは異なる第2の送信信号とした場合の前記第2の送信信号における真値との間の誤差を示す距離を算出し、前記算出した距離を用いて、前記第2の送信信号の尤度を算出し、
前記乗算後の第2の受信信号行列における他の1つの要素と前記送信信号行列における複数の要素との関係を前記第2の三角行列の要素で表した式を用いて、前記第2の送信信号とは異なる送信信号における真値との間の誤差を示す距離を算出し、前記算出した距離を用いて、前記第2の送信信号とは異なる送信信号の尤度を算出する、ことを特徴とするMIMO受信装置。 - コンピュータを、請求項1または2に記載のMIMO受信装置として機能させるためのMIMO受信プログラム。
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