JP6651476B2 - 無線受信方法 - Google Patents

Description

本発明は、マルチキャリア無線通信を行う無線通信システムにおける無線受信方法に関する。

近年、各種無線通信システムの普及により周波数資源の枯渇が問題となっており、複数の無線信号による周波数共用化を図ることで周波数利用効率を向上する重畳伝送技術の検討が進められている。

図４は、２つの周波数チャネルを共用する無線通信システムの一例を示す。
図４において、無線通信システムは、無線ＬＡＮ基地局５１，５２と無線端末５３とを備える。無線ＬＡＮ基地局５１は、中心周波数ｆa である周波数チャネルCH１を用いて通信する。無線ＬＡＮ基地局５２は、中心周波数ｆb (ｆa＜ｆb)である周波数チャネルCH５用いて通信する。無線端末５３は、無線ＬＡＮ基地局５１，５２の双方の無線信号が到達する位置に配置され、中心周波数ｆa ，ｆb の２つの無線信号が部分的に互いに干渉した信号を受信する。なお、周波数帯域を共用する他の例として、無線ＬＡＮシステムと、 bluetooth（登録商標)や ＷｉＭＡＸ（登録商標) との組合せなど、異なる通信方式のシステム同士が周波数共用する場合も考えられる。

一般にこのような干渉信号が存在する場合、通信特性が著しく劣化するが、所望信号の伝送方式がマルチキャリアかつ誤り訂正符号化を具備することを前提に、干渉の影響を抑圧しながらＦＥＣ（前方誤り訂正：Forward Error Correction）復号し、正確な伝送を実現する技術がある（非特許文献１）。当該技術は、所望信号の復調前に、受信信号のうち干渉信号の存在する周波数成分をＲＦ段やＩＦ段においてフィルタリング処理、あるいはベースバンド領域において該当周波数成分に対する尤度の重み付け処理を施すことで、干渉信号の影響を抑圧して復調、復号することを特徴としている。

このような受信処理を実施するために、干渉信号の存在する周波数帯域（各サブキャリアの干渉確率）や所望信号対干渉信号電力比を検出する技術が提案されている（非特許文献２）。これは、無線フレームを受信後、パイロットシンボルを用いて１フレーム内で繰り返し干渉帯域を推定し、得られた干渉帯域を用いて不要信号電力を推定する技術である。当該技術を用いた従来の無線受信装置の構成例を図５に示す。

図５において、無線受信装置には、所望信号に干渉信号および雑音電力が重畳された受信信号が入力する。この受信信号の同期確立後、サイクリックプレフィックス除去回路１１でＯＦＤＭ信号のサイクリックプレフィックスが除去され、ＦＴＴ回路１２で周波数領域信号に変換され、サブキャリア成分を抽出して受信信号バッファ１３およびＬＬＲ演算回路１４に入力する。以降、サブキャリア単位の処理となる。

不要信号電力算出回路２１は、受信信号バッファ１３に蓄積された受信信号から、誤り訂正符号化回路１６、ＰＳＫ／ＱＡＭマッピング回路１７および伝送路重み回路１８により生成された所望信号（レプリカ信号）を減算することで、不要信号電力を計算して重畳帯域判定回路２２に入力する。重畳帯域判定回路２２は、不要信号電力を適当な閾値を用いて判定し、不要信号電力が閾値を越えれば重畳帯域、閾値を下回れば非重畳帯域と判定し、重畳帯域と判定されたサブキャリアにおいて干渉電力を推定し、非重畳帯域と判定されたサブキャリアにおいて雑音電力を推定し、各推定値をＬＬＲ演算回路１４に与える。

ＬＬＲ演算回路１４は、干渉電力および雑音電力の推定値を用いて対数尤度比（Log-likelihood ratio：ＬＬＲ）を計算する。このとき、重畳帯域では雑音電力と干渉電力を考慮したＬＬＲを演算し、非重畳帯域では雑音電力のみを考慮したＬＬＲを演算し、ＬＬＲを復号回路１５に入力して復号受信ビットを得る。

なお、誤り訂正符号化回路１６およびＰＳＫ／ＱＡＭマッピング回路１７は、復号回路１５から出力される復号受信ビットを元に送信レプリカ信号を生成し、伝送路重み回路１８で送信レプリカ信号と伝送路推定値を乗算してサブキャリアごとの受信レプリカ信号（所望信号）を生成する。

増野，杉山，"マルチキャリア重畳伝送による周波数利用効率向上効果，"信学技報, vol.108, no.188, RCS2008-67, pp.85-90, 2008年８月． 柴田洋平, 依田尚賢, 大槻知明, 増野淳, 杉山隆利, "マルチキャリア重畳伝送における対数尤度設定に関する一検討, "映像情報メディア学会放送技術研究会, 2015年２月19日

重畳帯域および非重畳帯域の判定に用いる閾値について、低ＳＮＲ値などの特定の条件下でレプリカ信号を減算した後の残留電力を使用すると、閾値の初期推定値に誤差が生じてしまう可能性があった。また、従来方式では、干渉発生などの環境がある程度予測できる際には有効であったが、予測不能な干渉が発生する環境では干渉情報の検出精度が劣化することがあった。例えば、干渉電力が高い場合には検出率が低下し、干渉電力が大きく変動する場合にはその変動に追従できない課題があった。

本発明は、干渉電力が高いあるいは干渉電力の変動が大きいなど、予測不能な干渉が発生する環境でマルチキャリア無線通信を行う無線通信システムにおいて、重畳帯域および非重畳帯域の判定に用いる閾値をＱ学習によりダイナミックに算出することにより、干渉情報の検出精度を高めることができる無線受信方法を提供することを目的とする。

本発明は、マルチキャリア重畳伝送方式を用いて送信されたデータサブキャリアの所望信号と、該所望信号に干渉を与える干渉信号とが重畳された受信信号を受信する無線受信方法において、受信信号から所望信号のレプリカ信号を減算して得られる不要信号の電力をサブキャリアごとに算出するステップと、不要信号の電力を所定の閾値を用いて判定し、不要信号の電力が閾値を超えたサブキャリアを重畳帯域、閾値を下回ったサブキャリアを非重畳帯域に分類し、重畳帯域に分類されたサブキャリアにおいて干渉信号の電力を推定し、非重畳帯域に分類されたサブキャリアにおいて雑音電力を推定するステップと、推定された干渉信号の電力および雑音電力を用いて対数尤度比を算出するステップとを有し、所望信号と干渉信号の電力比（ＤＵＲ）と、閾値に対する異なる複数の増減値との組合せで場合分けされたＱテーブルをもち、所定の仮閾値を用いてＤＵＲを計算し、該ＤＵＲに対応するＱテーブルの各要素の値の中で最大となる要素に対応する閾値の増減を行い、この増減後の閾値を用いて対応するＱテーブルの各要素の値を報酬関数に基づいて再計算・更新するＱ学習を用いて閾値の決定を行い、Ｑテーブルの各要素の値を決める報酬関数は、重畳帯域および非重畳帯域のサブキャリアの各平均電力から閾値を減算して絶対値をとり、それぞれの絶対値の差が最小となったときに最大値をとる設定である。

本発明の無線受信方法において、閾値の増減の際に、所定の確率でＱテーブルの各要素の値の中で最大とならない要素に対して閾値の増減を行う。

本発明は、干渉電力が高いあるいは干渉電力の変動が大きいなど、予測不能な干渉が発生する環境でも、重畳帯域および非重畳帯域の判定に用いる閾値をＱ学習によりダイナミックに算出することにより、干渉情報の検出精度を高めることができる。

本発明における閾値を最適化する処理手順を示すフローチャートである。 本発明の有効性を示すシミュレーション結果を示す図である。 本発明におけるＥb/Ｎoと検出率の関係を示す図である。 ２つの周波数チャネルを共用する無線通信システムの一例を示す図である。 従来の無線受信装置の構成例を示す図である。

本発明は、重畳帯域および非重畳帯域の判定に用いる閾値を最適化するために、Ｑ学習によるＱテーブルの値を最適化する報酬関数を用いることを特徴とする。

ここで、Ｑテーブルは、状態ｓとアクションａの組み合わせの各要素Ｑ_SyAxを用いて次のように表される。

図１は、本発明における閾値を最適化する処理手順を示す。
図１において、所望信号と干渉信号の電力比ＤＵＲ（Desired to Undesired power Ratio）を計算し、状態ｓを決定する。次に、状態ｓ_m （ｍ＝０〜ｙ）においてアクションタイプの選択を行い、基本的にはＱ値最大のアクションａ_n （ｎ＝０〜ｘ）を選択し、所定の確率ρでＱ値最大以外のアクションａ_n も選択する。アクションａ_n は閾値の増加、保持、減少の３通りで与える。なお、閾値の増減値は任意の固定値または変数とする。

ここで、重畳帯域および非重畳帯域のサブキャリアの平均電力をＲ_SB、Ｒ_NSB とし、重畳帯域および非重畳帯域の判定に用いる閾値をＴ_rpとする。本発明はこの閾値Ｔ_rpの最適化を目的としており、その指標Ｓ(Ｔ_rp)として、Ｒ_SBおよびＲ_NSB から閾値Ｔ_rpをそれぞれ減算し、それぞれの絶対値間で再度減算を行った値を次のように定義する。
Ｓ(Ｔ_rp)＝｜Ｒ_SB−Ｔ_rp｜−｜Ｒ_NSB−Ｔ_rp｜

このＳ(Ｔ_rp)が最小となったときに最大値をとる報酬関数Ｒω_t(s,a)を次のように計算する。
Ｒω_t(s,a)＝γ(s,a)＊｜１／Ｓ(Ｔ_rp)_t｜＊（１＋(Ｓ(Ｔ_rp)_t-1−Ｓ(Ｔ_rp)_t))
このように、状態ｓで選択されたアクションａの機能的有用性を決定する報酬関数に基づいて評価されるＱテーブルを更新しながら、閾値Ｔ_rpの最適値を算出する。

なお、報酬関数の一部であるγ(s,a) は減少係数であり、次のように表される。
γ(s,a)＝１＊(0.7^GT(s,a))
0.7 は、収束の安定性と収束時間の関係を決める値であり、他の値を用いてもよい。ここでのＧＴ(s,a) は、Ｑテーブルと同じサイズの行列である。

ＧＴ(s,a) は、状態ｓにおけるアクションａが連続して選択された回数であり、選択回数が多いほどγ(s,a) は小さな値となるため、報酬関数の増加量が減ることになり、状態ｓとアクションａにおけるＱテーブルのＱ値が収束することになる。

また、Ｓ(Ｔ_rp)_t-1−Ｓ(Ｔ_rp)_tは、閾値設定のアクションの妥当性に関して評価する項である。仮に間違った方向に閾値を設定した場合、この値は負の値をとる。ただし、必要以上に報酬関数が減少することを防ぐために、数値１を加えることによってその影響の低減を図っている。

図２は、本発明の有効性を示すシミュレーション結果を示す。
ここでは、ＤＵＲ＝０[dB]、Ｅb/Ｎo＝０[dB]における従来方式（Theoretical Threshold）と本発明方式（Q-Learning Threshold）のパケット数と検出率の正確性を示す。パケット数が増えると、Ｑ学習が完了し、従来方式より正確に検出できていることがわかる。

本シミュレーションに用いるパラメータは次の通りである。
ＳＮＲ range ０〜10 dB
ＤＵＲ −３，０，３dB
サブキャリア数 62
パケットサイズ ７シンボル（２パイロット、５データ）
パケット数 1430
閾値の初期値 0.8
閾値の変更率 0.05
重複帯域 20/64 (31.25％）

図３は、本発明におけるＥb/Ｎoと検出率の関係を示す。
ここでは、本発明における検出率は、低ＳＮＲ領域において従来方式より改善し、高ＳＮＲ領域においても従来方式とほぼ同等であることが確認できる。したがって、Ｅb/Ｎoの閾値を別途設定し、Ｅb/Ｎoと当該閾値の大小関係に応じて、従来方式と本発明方式を切り替えるようにしてもよい。

１１ サイクリックプレフィックス除去回路
１２ ＦＦＴ回路
１３ 受信信号バッファ
１４ ＬＬＲ演算回路
１５ 復号回路
１６ 誤り訂正符号化回路
１７ ＰＳＫ／ＱＡＭマッピング回路
１８ 伝送路重み回路
２１ 不要信号電力算出回路
２２ 重畳帯域判定回路

Claims (2)

1. マルチキャリア重畳伝送方式を用いて送信されたデータサブキャリアの所望信号と、該所望信号に干渉を与える干渉信号とが重畳された受信信号を受信する無線受信方法において、
   前記受信信号から前記所望信号のレプリカ信号を減算して得られる不要信号の電力をサブキャリアごとに算出するステップと、
   前記不要信号の電力を所定の閾値を用いて判定し、前記不要信号の電力が前記閾値を超えたサブキャリアを重畳帯域、前記閾値を下回ったサブキャリアを非重畳帯域に分類し、前記重畳帯域に分類されたサブキャリアにおいて前記干渉信号の電力を推定し、前記非重畳帯域に分類されたサブキャリアにおいて雑音電力を推定するステップと、
   推定された前記干渉信号の電力および前記雑音電力を用いて対数尤度比を算出するステップと
   を有し、
   前記所望信号と前記干渉信号の電力比（ＤＵＲ）と、前記閾値に対する異なる複数の増減値との組合せで場合分けされたＱテーブルをもち、所定の仮閾値を用いてＤＵＲを計算し、該ＤＵＲに対応するＱテーブルの各要素の値の中で最大となる要素に対応する前記閾値の増減を行い、この増減後の前記閾値を用いて対応するＱテーブルの各要素の値を報酬関数に基づいて再計算・更新するＱ学習を用いて前記閾値の決定を行い、
   前記Ｑテーブルの各要素の値を決める前記報酬関数は、前記重畳帯域および前記非重畳帯域のサブキャリアの各平均電力から前記閾値を減算して絶対値をとり、それぞれの絶対値の差が最小となったときに最大値をとる設定である
   ことを特徴とする無線受信方法。
2. 請求項１に記載の無線受信方法において、
   前記閾値の増減の際に、所定の確率で前記Ｑテーブルの各要素の値の中で最大とならない要素に対して前記閾値の増減を行う
   ことを特徴とする無線受信方法。

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