JP6193477B2 - ターボ等化を行う受信装置 - Google Patents
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Description
本発明は、ターボ等化を行う受信装置に関し、主にシングルキャリア通信における信号処理に関する。
移動通信のようなマルチパス伝搬路環境下では、遅延波の影響により、シンボル間干渉が生じる。このシンボル間干渉の影響を軽減するため、近年、ターボ等化技術の実装が検討されている。
図１は、従来のシングルキャリア通信受信機でのターボ等化の一例を示す機能ブロック図である。
ターボ等化は、伝送路推定器１０１での伝送路推定結果と参照信号１２３から干渉信号のレプリカを生成し、受信信号１２１からそのレプリカ信号を減ずることによって干渉を除去し、除去した信号に対してＭＭＳＥ(Minimum Mean Square Error)等化部１０３でＭＭＳＥ等化処理を行い、等化出力から尤度算出部１０４でビット尤度を算出して、デインタリーバー１０５でデインタリーブ処理したものをＳＩＳＯ（Soft In Soft Out）復号器１０６で誤り訂正を行い、インタリーバー１０９でインタリーブ処理したビット尤度から軟推定値算出部１１０で軟推定値を算出し、軟推定値を参照信号１２３としてフィードバックする。
また既知信号のフレーム区間は、既知信号格納メモリ部１１３に記憶している既知信号を参照信号１２３として用いる。これによりデータシンボルも参照信号として復調処理に使用し、繰り返すことで干渉信号を除去することが可能となる。
ターボ等化は、伝送路推定器１０１での伝送路推定結果と参照信号１２３から干渉信号のレプリカを生成し、受信信号１２１からそのレプリカ信号を減ずることによって干渉を除去し、除去した信号に対してＭＭＳＥ(Minimum Mean Square Error)等化部１０３でＭＭＳＥ等化処理を行い、等化出力から尤度算出部１０４でビット尤度を算出して、デインタリーバー１０５でデインタリーブ処理したものをＳＩＳＯ（Soft In Soft Out）復号器１０６で誤り訂正を行い、インタリーバー１０９でインタリーブ処理したビット尤度から軟推定値算出部１１０で軟推定値を算出し、軟推定値を参照信号１２３としてフィードバックする。
また既知信号のフレーム区間は、既知信号格納メモリ部１１３に記憶している既知信号を参照信号１２３として用いる。これによりデータシンボルも参照信号として復調処理に使用し、繰り返すことで干渉信号を除去することが可能となる。
一般的に、ターボ等化初回時は軟推定値が得られていないので、軟推定値を０格納器１１１に記憶している０とする。よって、干渉レプリカを生成せず、干渉除去は行わない。
また、伝送路推定器１０１は、既知信号時以外は更新せず、次の更新まで伝送路推定結果を保持させる。
また、伝送路推定器１０１は、既知信号時以外は更新せず、次の更新まで伝送路推定結果を保持させる。
松本 正、外１名、"ターボ等価の基礎、及び情報理論的考察"、［online］、平成１９年1月、社団法人電子情報通信学会、［平成２６年１月３１日検索］、インターネット＜URL ：http://www.ieice.org/cs/jpn/JB/PDF/2007/j90-b_1_1.pdf＞
しかしながら、前述の従来技術は、変動が速いフェージング環境下において、ターボ等化初回時は既知信号区間のみ伝送路推定を更新するため変動に追従することができない。従って、当該環境下での初回時の等化出力およびビット尤度の性能が低下し、所要の性能を得るためにターボ等化のループ回数が増加するという問題があった。その結果、情報ビットが得られるまでの初期遅延も増加し、以降の処理でも初期遅延がそのまま維持されてしまう。
本発明の一側面に係る受信装置は、シングルキャリア信号を受信しターボ等化を行う受信装置であって、受信装置はソフト干渉キャンセラーとＭＭＳＥ等化器と尤度算出部とデインタリーバーとＳＩＳＯ復号器と情報ビット硬判定器と減算器とインタリーバーと軟推定値算出部と０格納器と既知信号格納メモリ部と伝送路推定器と複数の切替器を有し、伝送路推定器は等化時には既知信号格納メモリ部に記憶している既知信号またはＭＭＳＥ等化器の出力を伝送路推定用参照信号とする。
また、本発明の一側面に係る受信装置は、上述の受信装置であって、受信装置はさらに硬判定部を有し、伝送路推定器は初回等化時にはＭＭＳＥ等化器の出力を硬判定部で硬判定を行い、該判定結果を伝送路推定用参照信号とする。
本発明によれば、初回時の伝送路推定追従性能を向上により等化性能を向上させ、ターボ等化の所定の性能を得るためのループ数を削減し、実装規模削減および処理遅延削減ができる。
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
図２は本発明の第一の実施形態であるシングルキャリア通信受信機を示す機能ブロック図である。
第一の形態は、伝送路推定器１０１と、ソフト干渉キャンセラー１０２と、ＭＭＳＥ（Minimum Mean Square Error）等化部１０３と、尤度算出部１０４と、デインタリーバー１０５と、ＳＩＳＯ（Soft In Soft Out）復号器１０６と、情報ビット硬判定器１０７と、減算器１０８と、インタリーバー１０９と、軟推定値算出部１１０と、０格納器１１１と、参照信号切替器１１２と、既知信号格納メモリ部１１３と、参照信号切替器１１４と、参照信号切替器２０１とを備える。本実施形態は、伝送路推定器１０１とソフト干渉キャンセラー１０２に、異なる参照信号を与えられるようにしたことなどが特徴である。
図２は本発明の第一の実施形態であるシングルキャリア通信受信機を示す機能ブロック図である。
第一の形態は、伝送路推定器１０１と、ソフト干渉キャンセラー１０２と、ＭＭＳＥ（Minimum Mean Square Error）等化部１０３と、尤度算出部１０４と、デインタリーバー１０５と、ＳＩＳＯ（Soft In Soft Out）復号器１０６と、情報ビット硬判定器１０７と、減算器１０８と、インタリーバー１０９と、軟推定値算出部１１０と、０格納器１１１と、参照信号切替器１１２と、既知信号格納メモリ部１１３と、参照信号切替器１１４と、参照信号切替器２０１とを備える。本実施形態は、伝送路推定器１０１とソフト干渉キャンセラー１０２に、異なる参照信号を与えられるようにしたことなどが特徴である。
伝送路推定器１０１は、入力される受信信号１２１と伝送路推定用参照信号２２４を用いて送受信間の伝搬状態を推定し、伝送路推定結果をソフト干渉キャンセラー１０２とＭＭＳＥ等化器１０３へ出力する。
ここで、ｎは基本的にはシンボルのインデックスだが、サブシンボルのサンプリングを用いることを妨げない。また、μはステップサイズパラメータである。なお本例の伝送路推定器１０１が用いる参照信号s(n)は、ＭＭＳＥ等化器１０３の出力或いは既知信号である。
ここで、ｎは基本的にはシンボルのインデックスだが、サブシンボルのサンプリングを用いることを妨げない。また、μはステップサイズパラメータである。なお本例の伝送路推定器１０１が用いる参照信号s(n)は、ＭＭＳＥ等化器１０３の出力或いは既知信号である。
ソフト干渉キャンセラー１０２は、入力される参照信号２２３と伝送路推定結果を用いて干渉信号のレプリカを生成し、入力される受信信号１２１からレプリカ信号を減じた干渉除去信号をＭＭＳＥ等化器１０３へ出力する。
なお本例のソフト干渉キャンセラー１０２が用いる参照信号s(n)は、軟推定値算出部１１０からのソフトシンボル、既知信号或いは０である。
なお本例のソフト干渉キャンセラー１０２が用いる参照信号s(n)は、軟推定値算出部１１０からのソフトシンボル、既知信号或いは０である。
ＭＭＳＥ等化器１０３は、入力される干渉除去信号と伝送路推定結果を用いてＭＭＳＥ規範による等化処理を行い、等化信号を尤度算出部１０４と信号切替器２０１へ出力する。MMSEフィルタ係数をｗH(n)、干渉除去信号ベクトルをｒ’(n)とすると、等化後信号Ｘ^(n)は、例えば、数式５で表される。
ここで、ｗH(n)は数式６による。
ここで、σn 2は雑音電力、ＩLはL×Lの単位行列である。ＭＭＳＥ等化器１０３は実際には、ソフト干渉キャンセラ１０２で除去できなかった残差の除去も行いうる。等価後信号Ｘ^(n)では、ソフト干渉キャンセラ１０２の出力信号の位相や振幅が補正されるとともに、複数のサンプルに分散した信号の電力が１つのサンプルに集約される。
尤度算出部１０４は、入力される等化出力信号から各変調ビットの対数尤度を算出し、ビット対数尤度をデインタリーバー１０５へ出力する。ビット対数尤度の算出は、例えば、当該変調方式の各理想マッピング点ckとの距離を算出し、各変調ビットにおいて0となる理想点との最小距離min(d0(ck))と、同様に1となる理想点との最小距離min(d 1 (c k ))とを探索し、ビット対数尤度LE e(ck)は数式７で表される。
デインタリーバー１０５は、入力されるビット対数尤度を、送信側で予め決められた順序で並び替えられたものを元の順序に並び直す処理を行い、ＳＩＳＯ復号器１０６と減算器１０８へ出力する。
ＳＩＳＯ復号器１０６は、入力されるデインタリーブされたビット尤度に対して誤り訂正復号を行い、誤り訂正された情報ビット対数尤度を情報ビット硬判定器１０７へ出力し、誤り訂正された符号化ビット対数尤度を減算器１０８へ出力する。情報ビットとは、送信側でターボ符号化された、元のバイナリ情報である。
誤り訂正復号は、例えば、畳み込み符号化された信号に対して、ＳＯＶＡ(Soft Output Viterbi Algorithm)やＢＣＪＲ(Bahl-Cocke-Jelinek-Raviv)アルゴリズムによる軟入力軟出力復号である。
誤り訂正復号は、例えば、畳み込み符号化された信号に対して、ＳＯＶＡ(Soft Output Viterbi Algorithm)やＢＣＪＲ(Bahl-Cocke-Jelinek-Raviv)アルゴリズムによる軟入力軟出力復号である。
情報ビット硬判定器１０７は、入力される誤り訂正された情報ビット対数尤度に対して硬判定処理を行い、硬判定結果０または１を情報ビット１２２として出力する。
減算器１０８は、入力される誤り訂正された符号化ビット対数尤度（事後情報ビット対数尤度）とデインタリーブされたビット対数尤度（事前情報ビット対数尤度）との差（外部情報ビット対数尤度）を算出し、外部情報ビット対数尤度をインタリーバー１０９へ出力する。外部情報ビット対数尤度は誤り訂正処理で改善した尤度である。
インタリーバー１０９は、入力された外部情報ビット対数尤度を、送信側と同一の予め決められた順序で並び替えて、軟推定値算出部１１０へ出力する。
軟推定値算出部１１０は、インタリーブされた外部情報ビット対数尤度からビット確率を算出し、ビット確率と理想マッピング点を用いて軟推定値（ソフトシンボル）を生成する。
ここで、Ｑは変調ビット数で、i[q]は変数iのqビット目であり、0または1である。
０格納器１１１は、０を参照信号切替器１１２へ出力する。
参照信号切替器１１２は、入力される軟推定値と０を選択し、参照信号切替器１１４へ出力する。ターボ等化の繰り返し処理の初回（つまり、軟判定値算出部１１０から有効なソフトシンボルが出力されていない時）は０を選択し、それ以降は軟推定値を選択し、出力する。
既知信号格納メモリ１１３は、送受信間で既知の信号（例えば、プリアンブル信号やパイロット信号）を参照信号切替器１１４へ出力する。
参照信号切替器１１４は、入力される参照信号切替器１１２で選択された信号と既知信号の何れかを選択し、ソフト干渉キャンセラー１０２へ出力する。受信信号１２１が既知信号区間時は既知信号を選択し、それ以外は参照信号切替器１１２選択信号を出力する。既知信号区間であるかどうかは、公知の、既知信号との相関に基づくフレーム同期の技術により判別されうる。
参照信号切替器２０１は、参照信号切替器１１４と連動して動作し、既知信号区間時は既知信号を選択し、それ以外の時はＭＭＳＥ等価器１０３の出力を選択し、伝送路推定器１０１へ出力する。
ここで、第一の形態の動作を述べる。シングルキャリア通信受信機を起動後、既知信号区間が来るまでは、参照信号切替器２０１は、等価器１０３の出力を選択し続ける。伝送路推定器１０１、ソフト干渉キャンセラ１０２、及びＭＭＳＥ等化器１０３は、最初の１シンボル目（n=0）から動作するが、ソフト干渉キャンセラ１０２に０のソフトシンボルが与えられているため、数式３に示す実際のキャンセルは達成されない。
一方参照信号２２４として等価器１０３の出力が与えられる伝送路推定器１０１においては、適応更新アルゴリズムが動作しうる。つまり、伝送路推定器１０１等は、誤り訂正を利用しなくても、メインパス以外のパスを干渉としてキャンセル或いは減衰できるような伝搬路推定を行う能力があり、伝送路推定は1次の収束状態に達しうる。ただし伝送路推定の初期値としてh^(0,l) = 0(l=1..L）が与えられていたりすると、推定値は変化せず、停止しているに等しい。
一方参照信号２２４として等価器１０３の出力が与えられる伝送路推定器１０１においては、適応更新アルゴリズムが動作しうる。つまり、伝送路推定器１０１等は、誤り訂正を利用しなくても、メインパス以外のパスを干渉としてキャンセル或いは減衰できるような伝搬路推定を行う能力があり、伝送路推定は1次の収束状態に達しうる。ただし伝送路推定の初期値としてh^(0,l) = 0(l=1..L）が与えられていたりすると、推定値は変化せず、停止しているに等しい。
その後、デインタリーブ後に連続する数ビットが確保され、復号器が動作すると、その結果がインタリーブされてソフトシンボルが断続的（歯抜け状）に参照信号２２３として出力される。或いは、既知信号区間になれば記憶している既知信号を参照信号２２３として利用できる。これらの０でない参照信号２２３がソフト干渉キャンセラ１０２に入力され、数式３のキャンセルが行われると、伝送路推定器１０１の伝送路推定結果は緩やかに変化し、最終的に２次の収束状態に達する。単発的に入力される参照信号２２４であっても、数式１の誤差信号e(n)に変化を与え、伝送路推定の少なくとも１つの係数に更新をもたらす。それらの係数が以降の干渉キャンセル及び等化に適用されるので、参照信号２２４が入力される都度、最終的な収束状態に近づいていく。
特に、既知信号が連続するプリアンブル区間を1回経ると、伝送路推定結果は比較的信頼できるものとなり、等価器１０３の出力も収束状態に近いものが得られるので、プリアンブル区間後に等価器１０３の出力を用いて伝送路推定の更新を続けることができる。
特に、既知信号が連続するプリアンブル区間を1回経ると、伝送路推定結果は比較的信頼できるものとなり、等価器１０３の出力も収束状態に近いものが得られるので、プリアンブル区間後に等価器１０３の出力を用いて伝送路推定の更新を続けることができる。
以上の第一の実施形態により、ターボ等化初回時において既知信号区間外に伝送路推定器１０１に等化器１０３の出力をフィードバックすることにより、従来は伝送路推定値更新を止めていた既知信号区間外でも更新を続けることにより、高速な変動に追従することが可能となる。
図３に本発明を実施するための第二の形態を示す。
図３は本発明の第二の実施形態であるシングルキャリア通信受信機を示す機能ブロック図である。
第二の形態は、伝送路推定器１０１とソフト干渉キャンセラー１０２とＭＭＳＥ等化器１０３と尤度算出部１０４とデインタリーバー１０５とＳＩＳＯ復号器１０６と情報ビット硬判定器１０７と減算器１０８とインタリーバー１０９と軟推定値算出部１１０と０格納器１１１と参照信号切替器１１２と既知信号格納メモリ部１１３と参照信号切替器１１４と参照信号切替器２０１と硬判定器３０１とを備える。本実施形態は、伝送路推定器１０１に、硬判定した等価器１０３の出力を参照信号２２４として与えられるようにした点で、第一の実施形態と異なる。
図３は本発明の第二の実施形態であるシングルキャリア通信受信機を示す機能ブロック図である。
第二の形態は、伝送路推定器１０１とソフト干渉キャンセラー１０２とＭＭＳＥ等化器１０３と尤度算出部１０４とデインタリーバー１０５とＳＩＳＯ復号器１０６と情報ビット硬判定器１０７と減算器１０８とインタリーバー１０９と軟推定値算出部１１０と０格納器１１１と参照信号切替器１１２と既知信号格納メモリ部１１３と参照信号切替器１１４と参照信号切替器２０１と硬判定器３０１とを備える。本実施形態は、伝送路推定器１０１に、硬判定した等価器１０３の出力を参照信号２２４として与えられるようにした点で、第一の実施形態と異なる。
第二の形態において、伝送路推定器１０１とソフト干渉キャンセラー１０２とＭＭＳＥ等化器１０３と尤度算出部１０４とデインタリーバー１０５とＳＩＳＯ復号器１０６と情報ビット硬判定器１０７と減算器１０８とインタリーバー１０９と軟推定値算出部１１０と０格納器１１１と参照信号切替器１１２と既知信号格納メモリ１１３と参照信号切替器１１４と参照信号切替器２０１は第一の形態と同一であるため、説明は省略する。
硬判定器３０１は、入力される等化器１０３の出力信号を受信点から最も近い当該変調方式の理想マッピング点に置き換える硬判定を行い、硬判定結果を参照信号切替器２０１へ出力する。参照信号２２４としてこの硬判定結果を受取る伝送路推定器１０１では、既知信号区間におけるトレーニングと同様のことが常に行えるため、伝送路推定精度を向上させることができる。
硬判定は、十分な割合（少なくとも５０％以上）で正しいものでなければならず、信頼できる伝送路推定を行った後に適用すべきである。既知信号における等価器出力の硬判定と、既知信号格納メモリ部１１３が保持している既知信号とを比較し、一致したときに硬判定を採用するような構成を備えてもよい。
以上説明した実施形態において、MMSE等化は時間領域で処理するように説明したが、伝送路推定器１０１等に入力される受信信号が予め周波数領域信号に変換されていれば、周波数領域等化（FDE）を適用してもよい。
本発明は、VHF或いはUHF帯の比較的狭帯域の単一搬送波による無線通信に好適であるが、等化と反復復号によりターボ符号を受信処理する通信機器に広く適用できる。
１０１…伝送路推定器、１０２…ソフト干渉キャンセラー、１０３…ＭＭＳＥフィルタ部、１０４…尤度算出部、１０５…デインタリーバー、１０６…ＳＩＳＯ復号器、１０７…情報ビット硬判定器、１０８…減算器、１０９…インタリーバー、１１０…軟推定値算出部、１１１…０格納器、１１２…参照信号切替器、１１３…既知信号格納メモリ部、１１４…参照信号切替器、２０１…参照信号切替器、３０１…等化信号硬判定器。
Claims (3)
- 送信機でディジタル変調されたシングルキャリア送信信号を受信し、ターボ等化を行う受信装置において、
受信信号と第１の参照信号を用いて送受信間の伝送路を推定する伝送路推定部と、
前記伝送路推定部の出力と第２の参照信号を用いて受信信号から干渉信号を除去する干渉信号除去部と、
前記干渉信号除去部の出力信号の位相及び振幅を補正する等化器と、
前記等化器の出力信号のビット対数尤度を算出するビット対数尤度算出部と、
前記ビット対数尤度算出部出力に対して、送信側で予め決められた順序に並び替えられたものを正規の順序に戻す処理を施すデインタリーブ部と、
前記デインタリーブ部で並びを戻したビット対数尤度を入力とした軟入力軟出力の誤り訂正復号を行うＳＩＳＯ号器と、前記ＳＩＳＯ復号器で誤り訂正されたビット対数尤度を該予め決められた順序に並び替えるインタリーブ部と、
前記インタリーブ部出力のビット対数尤度をビット確率に変換して軟推定値の算出を行う軟推定値算出部と、
前記軟推定値が得られていないターボ等化の反復の初回において、ゼロを選択し、前記軟推定値が得られている該反復の2回目以降において、前記軟推定値を選択し、前記第２の参照信号として前記干渉信号除去部に与える第１の参照信号切替器と、
既知信号区間において、前記第１の参照信号切替器から選択された値に代えて、保持している既知信号を与える第２の参照信号切替器と、
既知信号区間の時は前記既知信号を選択し、それ以外の時は前記等化器の出力を選択し、前記第１の参照信号として前記伝送路推定部に与える第３の参照信号切替器と、を備える、ターボ等化を行う受信装置。 - 前記等化処理部出力と前記第３の参照信号切替器の間に等化信号硬判定処理部を設けたことを特徴とする請求項１記載のターボ等化を行う受信装置。
- 前記干渉信号除去部は、シンボル間干渉信号のレプリカを生成し、前記受信信号から除去するものであり、前記ビット対数尤度算出部は、前記等化器の出力信号と当該ディジタル変調のマッピングにおける理想点との距離を算出し、各変調ビットにおいて0となる理想点との最小距離と、同様に1となる理想点との最小距離に基づいて、ビット対数尤度を算出することを特徴とする請求項１記載のターボ等化を行う受信装置。
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