WO2023189229A1 - 送信機、方法及びプログラム - Google Patents

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receiver
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nonlinear distortion
transmitter
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大詩 渡辺
武雄 大関
浩輔 山崎
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Kddi株式会社
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    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04B3/00Line transmission systems
    • H04B3/02Details
    • H04B3/04Control of transmission; Equalising
    • H04B3/06Control of transmission; Equalising by the transmitted signal
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04JMULTIPLEX COMMUNICATION
    • H04J13/00Code division multiplex systems
    • H04J13/16Code allocation
    • H04J13/22Allocation of codes with a zero correlation zone
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04LTRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L27/00Modulated-carrier systems
    • H04L27/26Systems using multi-frequency codes

Definitions

  • the present invention relates to a transmitter, method, and program suitable for a configuration that performs nonlinear distortion compensation on the receiving side.
  • Patent Document 1 There are conventional technologies such as Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 regarding performing nonlinear distortion compensation of a power amplifier used in communication such as 5G (fifth generation mobile communication system) on the receiving side.
  • 5G farth generation mobile communication system
  • Patent Document 1 a non-constant envelope is used to compensate for non-linear distortion on the receiving side. This means that when compensating for nonlinear distortion on the receiving side, if the distortion is learned using the Zadoff-Chu sequence (ZC sequence) with a constant amplitude used in 5G, it will not be sufficient when a signal with a large amplitude is generated. This is thought to be due to the inability to provide compensation.
  • ZC sequence Zadoff-Chu sequence
  • Non-Patent Document 1 a neural network is used to compensate for nonlinear distortion on the receiving side. Since all subcarriers transmit pilot signals, block pilot symbols are transmitted every frame before data symbols, and the results of LS (least squares) estimation using block pilot symbols are input to the neural network. Propagation path compensation and nonlinear distortion compensation are performed simultaneously.
  • Patent Document 1 when a non-constant envelope is sent as a pilot signal, it is necessary to consider the influence of interference with other users and allocate it to independent resources, which reduces the efficiency of resource use. It was bad. Furthermore, as a problem in Non-Patent Document 1, since propagation path estimation and nonlinear distortion estimation are performed simultaneously, and it is necessary to send block pilot symbols at the same frequency as propagation path estimation, transmission efficiency deteriorates significantly.
  • an object of the present invention is to provide a technology that enables efficient nonlinear distortion compensation from the viewpoint of resource utilization efficiency, transmission efficiency, etc.
  • the present invention provides a transmitter for a receiver that performs nonlinear distortion compensation by deep learning, which transmits a pilot signal for nonlinear distortion compensation used in the receiver, and a channel estimation signal used in the receiver. It is characterized in that the pilot signal and the pilot signal are separately generated and transmitted to the receiver.
  • the present invention by separately generating a pilot signal for nonlinear distortion compensation and a pilot signal for channel estimation, it is possible to efficiently perform nonlinear distortion compensation in a receiver.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a communication system and a procedure performed in the configuration according to an embodiment.
  • FIG. FIG. 3 is a diagram showing a frame structure including a pilot signal generated in this embodiment in comparison with a comparative example.
  • FIG. 3 is a diagram listing attributes of a channel estimation pilot signal and a nonlinear distortion compensation pilot signal in a frame configuration of the present embodiment in a table format.
  • 1 is a diagram illustrating an example of the configuration of a computer device having a wireless communication function.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a communication system 100 according to an embodiment and steps S1 to S3, which are procedures performed in the configuration.
  • the communication system 100 is a part of a cellular communication system (mobile communication network) in 5G, for example, and includes a transmitter 10 as a base station device and a receiver 20 as a user terminal, which is a mobile communication device such as a smartphone. Be prepared.
  • a transmitter 10 as a base station device
  • a receiver 20 as a user terminal
  • Be prepared a mobile communication device
  • the pilot signal is transmitted on the downlink side as shown in FIG.
  • the transmitter 10 (base station) in FIG. 1 is the receiving side
  • the receiver 20 (user terminal) is the transmitting side).
  • Step S1 to S3 are shown as procedures executed between the transmitter 10 and the receiver 20 in a normal state. Each step S1 to S3 will be explained below.
  • step S1 the transmitter 10 generates a frame including a pilot signal and transmits this frame to the receiver 20.
  • the pilot signal for channel estimation (for channel estimation) and the pilot signal for nonlinear distortion estimation are distinguished, and the pilot signal for channel estimation is generated more frequently within a frame, and the pilot signal for nonlinear distortion estimation is It will be generated less frequently within the system.
  • FIG. 2 is a diagram showing a frame configuration C1 including a pilot signal generated in this embodiment in comparison with a frame configuration C2 of a comparison example. Note that a legend column EX is provided to indicate the contents of these frame structures C1 and C2.
  • attributes of the channel estimation pilot signal and the nonlinear distortion compensation pilot signal in the frame configuration C1 of this embodiment are listed in a table format. Since the ZC sequence, which is an orthogonal sequence, is used for the channel estimation pilot signal sequence that is frequently transmitted, user multiplexing (user separation) is possible, and the orthogonality problem that was the problem with the method of Patent Document 1 mentioned above can be achieved.
  • This embodiment solves the problem of poor resource utilization efficiency, as independent resources are required for each user in order to take into account the influence of interference with other users, since a non-constant envelope in which the signal is lost is used for the pilot signal. You can deal with it.
  • the block pilot in an OFDM frame that is intermittently generated and transmitted only once every several frames can consist entirely (or even in part) of a sequence of non-constant envelopes.
  • step S2 the receiver 20 receives the frame containing the pilot signal generated and transmitted by the transmitter 10 in step S1, and channels the block pilot BP1 by performing LS estimation etc. Estimation is performed and nonlinear distortion is learned using the distortion compensation pilot signal after channel equalization. That is, obtain the channel estimation result at the relevant time from the block pilot BP1, obtain the channel-equalized block pilot BP1 [channel equalization] using this channel estimation result, and obtain the channel-equalized block pilot BP1 [channel [Equalization]] , a learned compensator is obtained by learning the nonlinear distortion.
  • step S3 the receiver 20 further performs channel estimation using the pilot signal for channel estimation (indicated by a gray circle in FIG.
  • the data handled is a frame including the pilot signal according to this embodiment, and the processing is performed with the exception that the pilot signal is distinguished between channel estimation and distortion compensation.
  • the content itself may be the same as the comparative example (Non-Patent Document 1).
  • channel estimation and nonlinear distortion compensation processing are separated, different pilot signals are used for each, and channel estimation is performed frequently and nonlinear distortion estimation is performed less frequently.
  • this embodiment it is possible to reduce the frequency of transmission of pilot signals for distortion compensation with poor resource utilization efficiency and transmission efficiency, and improve resource utilization efficiency and transmission efficiency when performing distortion compensation processing on the receiving side.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the configuration of a computer device 200 having a wireless communication function, and each of the transmitter 10 and receiver 20 in the wireless communication system 100 is realized as having the configuration of the computer device 200. be able to.
  • the computer device 200 includes a processor 201 including a CPU (and GPU), a memory 202 as a temporary storage device that provides a work area for the processor 201, a storage 203 as a secondary storage device, and a modulation/demodulation circuit 204. , an antenna 205, and a bus BS that connects them so that digital data can be communicated with each other.
  • a processor 201 including a CPU (and GPU), a memory 202 as a temporary storage device that provides a work area for the processor 201, a storage 203 as a secondary storage device, and a modulation/demodulation circuit 204.
  • an antenna 205 and a bus BS that connects them so that digital data can be communicated with each other.
  • the processor 201 executes each process (related to digital processing) of the transmitter 10 and receiver 20 in each of the embodiments described above. It is something to be carried out. That is, in the transmitter 10, the processor 201 executes the pilot signal generation and transmission processing in step S1 as a predetermined program. Furthermore, in the receiver 20, the processor 201 executes channel estimation and distortion learning by deep learning for each signal in steps S2 and S3 as a predetermined program.
  • the antenna 205 may be configured to include multiple antennas, and may be able to configure multiple beam patterns by switching the antennas used.
  • the modulation/demodulation circuit 204 performs modulation/demodulation of radio signals transmitted and received from the antenna 205.
  • the communication system 100 of the present embodiment it is possible to improve resource usage efficiency and transmission efficiency when performing distortion compensation processing on the receiving side, thereby contributing to infrastructure development of information communication technology. This will make it possible to contribute to Goal 9 of the Sustainable Development Goals (SDGs) led by the United Nations: ⁇ Build resilient infrastructure, promote sustainable industrialization, and expand innovation.'' .
  • SDGs Sustainable Development Goals

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Abstract

深層学習により非線形歪み補償を行う受信機20に対する送信機10であって、前記受信機20で用いる非線形歪み補償用のパイロット信号と、前記受信機20で用いるチャネル推定用のパイロット信号と、を区別して生成して、前記受信機20へと送信S1する。

Description

送信機、方法及びプログラム
 本発明は、受信側において非線形歪み補償を行う構成に好適な送信機、方法及びプログラムに関する。
 5G(第5世代移動通信システム)などの通信において利用される電力増幅器の非線形歪み補償を受信側で行うことに関して、特許文献1や非特許文献1の従来技術が存在する。
 特許文献1では、非定包絡線を利用し、受信側で非線形歪みの補償をする。これは、非線形歪みを受信側で補償する場合、5Gで用いられる振幅一定のZadoff-Chu系列(ZC系列)を用いて、歪みの学習をした場合、振幅が大きい信号が発生した際に十分な補償ができないためであると考えられる。
 また、非特許文献1では、ニューラルネットワークを利用し、受信側で非線形歪みの補償をする。すべてのサブキャリアがパイロット信号を伝送するため、ブロックパイロットシンボルをデータシンボルよりも先に毎フレーム送信し、ブロックパイロットシンボルを用いたLS(最小二乗法)推定の結果をニューラルネットワークに入力することで伝搬路の補償と非線形歪みの補償を同時に行う。
特表2021-507605号公報
K. Mei, J. Liu, X. Zhang, K. Cao, N. Rajatheva, and J. Wei, 'A Low Complexity Learning-Based Channel Estimation for OFDM Systems With Online Training', IEEE Transactions on Communications, vol. 69, no. 10, pp. 6722-6733, Oct. 2021
 しかしながら、以上のような従来技術における受信側での非線形歪み補償の手法には、効率上での改良の余地が残っていた。
 すなわち、特許文献1の問題点として、パイロット信号として非定包絡線を送った場合、他ユーザとの干渉の影響を考慮し、すべてを独立したリソースに配置する必要があり、リソースの利用効率が悪かった。また、非特許文献1の問題点として、伝搬路推定と非線形歪みの推定を同時に行っており、伝搬路推定と同様の頻度でブロックパイロットシンボルを送る必要があるため、伝送効率が大きく劣化した。
 上記従来技術の課題に鑑み、本発明は、リソースの利用効率や伝送効率などの観点から、効率的に非線形歪み補償を行うことを可能とする技術を提供することを目的とする。
 上記目的を達成するため、本発明は、深層学習により非線形歪み補償を行う受信機に対する送信機であって、前記受信機で用いる非線形歪み補償用のパイロット信号と、前記受信機で用いるチャネル推定用のパイロット信号と、を区別して生成して、前記受信機へと送信することを特徴とする。
 本発明によれば、非線形歪み補償用のパイロット信号とチャネル推定用のパイロット信号とを区別して生成することにより、受信機において効率的に非線形歪み補償を行うことを可能とさせることができる。
 本発明のその他の特徴及び利点は、添付図面を参照とした以下の説明により明らかになるであろう。なお、添付図面においては、同じ若しくは同様の構成には、同じ参照番号を付す。
 添付図面は明細書に含まれ、その一部を構成し、本発明の実施の形態を示し、その記述と共に本発明の原理を説明するために用いられる。
一実施形態に係る通信システムの構成及び当該構成において実施される手順を示す図である。 本実施形態で生成するパイロット信号を含むフレーム構成を、対比例との比較で示す図である。 本実施形態のフレーム構成におけるチャネル推定用パイロット信号及び非線形歪み補償用パイロット信号の各属性を表形式で列挙する図である。 無線通信機能を有するコンピュータ装置の構成の例を示す図である。
 以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。なお、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明に必須のものとは限らない。実施形態で説明されている複数の特徴のうち二つ以上の特徴は任意に組み合わされてもよい。また、同一若しくは同様の構成には同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。
 図1は、一実施形態に係る通信システム100の構成及び当該構成において実施される手順であるステップS1~S3を示す図である。通信システム100は、例えば5Gにおけるセルラ通信システム(移動通信ネットワーク)の一部分であり、基地局装置としての送信機10と、スマートフォン等の移動体通信装置であるユーザ端末としての受信機20と、を備える。なお、以下では図1に示されるようにパイロット信号が下り側で送信される場合を例として説明するが、本実施形態はこれを逆として、パイロット信号が上り側に送信される場合(パイロット信号に関して図1の送信機10(基地局)が受信側で、受信機20(ユーザ端末)が送信側となる場合)についても全く同様に適用可能である。(換言すれば、図1の送信機10及び受信機20はパイロット信号の送受信の向きによる名称であり、図1の送信機10がユーザ端末で、受信機20が基地局装置であってもよい。)
 これら送信機10及び受信機20のそれぞれは複数存在しうるが、図1では、当該複数存在しうるものの中から、相互に無線通信可能な状態にある任意の1台がそれぞれ示され、このような状態にある送信機10及び受信機20の間で実行される手順としてステップS1~S3が示されている。以下、各ステップS1~S3を説明する。
 ステップS1では、送信機10がパイロット信号を含むフレームを生成して、このフレームを受信機20へと送信する。このフレーム内のパイロット信号の生成においては、非特許文献1の手法(以下、本実施形態に対する「対比例」等と呼ぶ)を改良した手法として、対比例のパイロット信号とは異なり、チャネル推定用(伝送路推定用)のパイロット信号と非線形歪み推定用のパイロット信号とを区別し、且つ、チャネル推定用のパイロット信号をフレーム内においてより高頻度に生成させ、非線形歪み推定用のパイロット信号をフレーム内においてより低頻度に生成させるようにする。
 図2は、本実施形態で生成するパイロット信号を含むフレーム構成C1を、対比例のフレーム構成C2との比較で示す図である。なお、これらフレーム構成C1,C2の内容を示すために凡例欄EXを設けてある。
 対比例のフレーム構成C2では、時間順のOFDM(直交周波数分割多重)フレームF101,F102,...の全てにおいて、チャネル推定用と歪み補償用とを兼ねたパイロット信号(図中、黒丸で示す)を用いてチャネル推定と歪み補償と同時に学習するため、チャネルの変動に対応するためには毎フレームF101,F102,...に対して常にブロックパイロットBP101,BP102,...を送る必要が生じてしまう。
 一方、本実施形態のフレーム構成C1では、時間順のOFDM(直交周波数分割多重)フレームF1,F2,...について、歪み補償用のパイロット信号(図中、×印を有する丸で示す)とチャネル推定用のパイロット信号(図中、グレーの丸で示す)とを区別して設け、前者を低頻度に、後者を高頻度に発生及び送信するようにしている。
 すなわち、本実施形態では比較的変動が少ないと考えられる歪み補償のみを、例えばフレームF1のブロックパイロットBP1で学習し、その結果を以降の例えば10枚のフレームF1,F2,F3,...,F10(フレームF3以降は図2では不図示)で共通して利用することができる。従って、本実施形態ではブロックパイロットについて対比例C2のように毎フレームに生成する必要はなく、例えば10枚といったような数フレーム(所定の複数フレーム)に一度のみの割合でブロックパイロットを生成すれば済む。
 従って、前述の通り、対比例ではチャネル推定と非線形歪み補償の用途を兼ねたパイロット信号でこれらを同時に行うことから、ブロックパイロットシンボルの送信頻度がチャネル推定の頻度と同程度に増えてしまい、伝送効率が大きく劣化する問題があったが、本実施形態ではこの問題に対処して伝送効率を改善することができる。
 図3に、本実施形態のフレーム構成C1におけるチャネル推定用パイロット信号及び非線形歪み補償用パイロット信号の各属性を表形式で列挙する。高頻度に送信するチャネル推定用パイロット信号のシーケンスに直交系列であるZC系列を用いることから、ユーザ多重(ユーザ分離)が可能であり、前述した特許文献1の手法における問題であった、直交性が失われている非定包絡線をパイロット信号に用いることから他ユーザとの干渉の影響を考慮するにはユーザ毎に独立したリソースを必要とし、リソース利用効率が悪いという問題に、本実施形態では対処することができる。
 一方で、本実施形態において数フレーム毎に1回だけ間欠的に生成・送信されるOFDMフレームにおけるブロックパイロット(1つのタイムスロットで構成されることにより、複数のタイムスロットで構成される1フレームよりも短い)は、その全て(一部でもよい)を非定包絡線のシーケンスで構成することができる。
 図1の各ステップの説明に戻り、ステップS2では、ステップS1において送信機10で生成され送信されたパイロット信号を含むフレームを受信機20が受信し、ブロックパイロットBP1をLS推定等することによりチャネル推定を行い、チャネル等化後の歪み補償用パイロット信号を用いて非線形歪みを学習する。すなわち、ブロックパイロットBP1より当該時刻でのチャネル推定結果を得て、このチャネル推定結果によりチャネル等化されたブロックパイロットBP1[チャネル等化]を得て、このチャネル等化されたブロックパイロットBP1[チャネル等化]から、非線形歪みを学習することで、学習済みの補償器を得る。
ステップS3では受信機20がさらに、チャネル推定用パイロット信号(図2中にグレーの丸で示す)よりチャネル推定することで、対応する時刻のデータ信号(図2中に白丸で示され、チャネル推定用パイロット信号がスキャッタードパイロットとして構成されているフレームF1,F2,...内にあるデータ信号)をチャネル等化し、ステップS2で学習済みの補償器を用いて歪み補償を行うことで、歪み補償されたデータ信号を得る。
 この、ステップS2,S3の処理については、扱うデータが本実施形態に係るパイロット信号を含むフレームであり、パイロット信号にチャネル推定用と歪み補償用の区別が設けられている点を除いて、処理内容自体については対比例(非特許文献1)と同様にしてよい。
 以上、本実施形態によれば、チャネル推定と非線形歪みの補償処理を分離し、それぞれで別のパイロット信号を用い、チャネル推定は高頻度に非線形歪みの推定は低頻度に実施する。本実施形態の効果として、リソースの利用効率および伝送効率が悪い歪み補償用のパイロット信号の送信頻度を減らし、受信側での歪み補償処理をする場合のリソースの利用効率及び伝送効率を改善できる。
 図4は、無線通信機能を有するコンピュータ装置200の構成の例を示す図であり、無線通信システム100内の送信機10及受信機20の各々は、コンピュータ装置200の構成を有するものとして実現することができる。
 コンピュータ装置200は、CPU(及びGPU)等で構成されるプロセッサ201と、プロセッサ201にワークエリアを提供する一時記憶装置としてのメモリ202と、二次記憶装置としてのストレージ203と、変復調回路204と、アンテナ205と、これらの間でデジタルデータを相互に通信可能なように接続するバスBSと、を備える。
 プロセッサ201は、ストレージ203に記憶されメモリ202に読み込まれた所定のプログラムを実行することによって、以上説明してきた各実施形態における送信機10及受信機20の各々の処理(デジタル処理に関するもの)を実行するものである。すなわち、送信機10ではステップS1におけるパイロット信号の生成及び送信処理を、プロセッサ201が所定プログラムとして実行する。また、受信機20では、ステップS2,S3における各信号に対するチャネル推定及び深層学習による歪み学習を、プロセッサ201が所定プログラムとして実行する。
 アンテナ205は、複数アンテナを含んで構成され、用いるアンテナを切り替えられることで複数のビームパターンを構成可能なものであってもよい。変復調回路204は、アンテナ205から送受信する無線信号の変復調を行う。
 本実施形態の通信システム100によれば、受信側での歪み補償処理をする場合のリソースの利用効率及び伝送効率を改善できるので、情報通信技術のインフラ整備に寄与することができる。これにより、国連が主導する持続可能な開発目標(SDGs)の目標9「レジリエントなインフラを整備し、持続可能な産業化を推進するとともに、イノベーションの拡大を図る」に貢献することが可能となる。
 本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために、以下の請求項を添付する。
 本願は、2022年3月31日提出の日本国特許出願特願2022-058072を基礎として優先権を主張するものであり、その記載内容の全てを、ここに援用する。

Claims (7)

  1.  深層学習により非線形歪み補償を行う受信機に対する送信機であって、
     前記受信機で用いる非線形歪み補償用のパイロット信号と、前記受信機で用いるチャネル推定用のパイロット信号と、を区別して生成して、前記受信機へと送信する送信機。
  2.  前記生成するに際してさらに、前記非線形歪み補償用のパイロット信号を生成する第1頻度よりも前記チャネル推定用のパイロット信号を生成する第2頻度の方を高くする請求項1に記載の送信機。
  3.  前記チャネル推定用のパイロット信号を複数の連続するフレーム内において間欠的に生成し、前記非線形歪み補償用のパイロット信号を当該複数の連続するフレーム間において間欠的に生成されるパイロットブロック内において生成することにより、前記第1頻度よりも前記第2頻度を高くする請求項2に記載の送信機。
  4.  前記非線形歪み補償用のパイロット信号を非定包絡線のシーケンスとして生成する請求項1ないし3のいずれかに記載の送信機。
  5.  前記チャネル推定用のパイロット信号をZC系列のシーケンスとして生成する請求項1ないし4のいずれかに記載の送信機。
  6.  深層学習により非線形歪み補償を行う受信機に対する送信機が実行する方法であって、
     前記受信機で用いる非線形歪み補償用のパイロット信号と、前記受信機で用いるチャネル推定用のパイロット信号と、を区別して生成し、前記受信機へと送信することを含む方法。
  7.  深層学習により非線形歪み補償を行う受信機に対する送信機としてコンピュータを機能させるプログラムであって、
     前記受信機で用いる非線形歪み補償用のパイロット信号と、前記受信機で用いるチャネル推定用のパイロット信号と、を区別して生成して、前記受信機へと送信することを前記コンピュータに実行させるプログラム。
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