【文献】
中村 円香 他,基底展開モデルによる伝搬路推定を用いたOFDMキャリア間干渉補償に関する検討 ,映像情報メディア学会技術報告 Vol.38 No.5 ,日本,(一社)映像情報メディア学会 ,2014年 4月30日,第38巻,pp.109-112
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。本実施形態では、送信アンテナ数を2本、受信アンテナ数を2本とする2×2MIMOシステムについて説明するが、本発明は2×2MIMOシステムに限定されるものではない。
【0014】
[送信装置]
本発明の一実施形態に係る受信装置については後述し、まず該受信装置に対してOFDM信号を送信する送信装置について説明する。
図4は、送信装置の構成例を示すブロック図である。
図4に示す例では、送信装置1は、エネルギー拡散部111と、誤り訂正符号化部112と、ビットインターリーブ部113と、マッピング部114と、時間・周波数インターリーブ部115と、空間/時空間符号化部116と、パイロット信号生成部117と、OFDMフレーム構成部118(118−1及び118−2)と、逆フーリエ変換部119(119−1及び119−2)と、GI(Guard interval)付加部120(120−1及び120−2)と、送信アンテナ121(121−1及び121−2)と、を備える。
【0015】
エネルギー拡散部111は、伝送信号のエネルギー集中を防止するために、入力データに対して擬似ランダム符号系列を用いてエネルギー拡散を行う。
【0016】
誤り訂正符号化部112は、受信側で伝送誤りを訂正可能とするために、エネルギー拡散部111から入力されるデータをLDPC符号化方式などにより符号化して誤り訂正符号を生成し、ビットインターリーブ部113に出力する。
【0017】
ビットインターリーブ部113は、誤り訂正符号の性能を高めるために、誤り訂正符号化部112により生成された誤り訂正符号をビット単位で並べ替えるインターリーブ処理を行い、マッピング部114に出力する。
【0018】
マッピング部114は、ビットインターリーブ部113により並べ替えられたデータを、mビット/シンボルとしてIQ平面へのマッピングを行い、多値変調方式に応じてキャリア変調を施したキャリアシンボルを生成し、時間・周波数インターリーブ部115に出力する。
【0019】
時間・周波数インターリーブ部115は、マッピング部114により生成されたキャリアシンボルの順序を、時間方向及び周波数方向に並べ替えるインターリーブ処理を行い、空間/時空間符号化部116に出力する。
【0020】
空間/時空間符号化部116は、時間・周波数インターリーブ部115から入力されるデータを空間符号化又は時空間符号化して2系統のデータストリームを生成し、OFDMフレーム構成部118に出力する。時空間符号化としては、例えばAlamoutiのSTBC(Space-Time Block Coding)を適用することができる。
【0021】
パイロット信号生成部117は、スキャッタードパイロット(SP:Scattered Pilot)信号、無信号のパイロット信号であるヌル信号、制御情報を示すTMCC信号、及び付加情報を示すAC信号などのパイロット信号を生成する。本発明では、ICI成分を推定するため、クラスターパイロットを用いる。クラスターパイロットは、SP信号の両側に隣接する複数のキャリアシンボルをヌル信号としたパイロットである。
【0022】
図2は、OFDM信号におけるクラスターパイロットの第1の配置例を示す図であり、
図2(a)は第1の送信アンテナ121−1から送信されるOFDM信号におけるクラスターパイロットの配置を示しており、
図2(b)は第2の送信アンテナ121−2から送信されるOFDM信号におけるクラスターパイロットの配置を示している。
【0023】
図2で丸印はキャリアシンボルを表しており、丸印に+又は−が表記されたキャリアシンボルはSP信号であり、−が表記されたSP信号は、+が表記されたSP信号を反転させた信号であることを意味する。
図2ではSP信号は周波数方向に24キャリアごと、時間方向に4シンボルごとに挿入されるが、SP信号の間隔(周波数方向、時間方向)はこれに限られるものではない。また、網掛け表記されたキャリアシンボルはヌル信号である。なお、ヌル信号の数を増やしてSP信号の両隣の各2キャリアシンボル以上をヌル信号としてもよい。残りのキャリアシンボルはデータキャリアである。
【0024】
つまり、
図2(a)は、第1の送信アンテナから送信されるOFDM信号として、中央に第1のSP信号を有する第1のクラスターパイロットを所定の間隔に配置する例を示している。また、
図2(b)は、第2の送信アンテナから送信されるOFDM信号として、中央に第2のSP信号を有する第2のクラスターパイロットを第1のクラスターパイロットと同位置に配置し、第2のSP信号を交互に、第1のSP信号と同一の信号、又は第1のSP信号を反転させた信号とする例を示している。
【0025】
図3は、OFDM信号におけるクラスターパイロットの第2の配置例を示す図であり、
図3(a)は一方の送信アンテナ121−1から送信されるOFDM信号におけるクラスターパイロットの配置を示しており、
図3(b)は他方の送信アンテナ121−2から送信されるOFDM信号におけるクラスターパイロットの配置を示している。
【0026】
図2と同様に、丸印に+が表記されたキャリアシンボルはSP信号である。
図3ではSP信号は周波数方向に24キャリアごと、時間方向に4シンボルごとに挿入されるが、SP信号の間隔(周波数方向、時間方向)はこれに限られるものではない。また、網掛け表記されたキャリアシンボルはヌル信号である。なお、ヌル信号の数を増やしてもよい。残りのキャリアシンボルはデータキャリアである。
【0027】
つまり、
図3(a)は、第1の送信アンテナから送信されるOFDM信号として、中央にSP信号を有する第1のクラスターパイロットと、ヌル信号のみからなる第2のクラスターパイロットを所定の間隔に交互に配置する例を示している。また、
図3(b)は、第2の送信アンテナから送信されるOFDM信号として、中央にSP信号を有する第3のクラスターパイロットを第2のクラスターパイロットと同位置に配置し、ヌル信号のみからなる第4のクラスターパイロットを第1のクラスターパイロットと同位置に配置する例を示している。
【0028】
OFDMフレーム構成部118は、空間/時空間符号化部116により生成された信号に、パイロット信号生成部117により生成されたパイロット信号(SP信号、TMCC信号、及びAC信号)を挿入し、全キャリアを1 OFDMシンボルとして、所定数のOFDMシンボルのブロックでOFDMフレームを構成し、逆フーリエ変換部119に出力する。
【0029】
逆フーリエ変換部119は、OFDMフレーム構成部118により生成されたOFDMシンボルに対して、逆フーリエ変換処理を施して時間領域の有効シンボル信号を生成し、GI付加部120に出力する。
【0030】
GI付加部120は、逆フーリエ変換部119により生成された有効シンボル信号の先頭に、有効シンボル信号の後半部分をコピーしたガードインターバルを挿入し、直交変調処理及びD/A変換を施したアナログ信号を、送信アンテナ121を介して外部に送信する。
【0031】
送信アンテナ121は、例えば偏波間の直交性を利用した偏波MIMOの場合には、水平偏波用アンテナ及び垂直偏波用アンテナ、又は右旋円偏波用アンテナ及び左旋円偏波用アンテナである。
【0032】
[受信装置]
次に、本発明に係る受信装置について説明する。
図2は、本発明の一実施形態に係る受信装置の構成例を示すブロック図である。
図2に示す例では、受信装置2は、受信アンテナ200と、GI除去部201と、フーリエ変換部202と、パイロット信号抽出部203と、伝送路応答推定部204と、MIMO検出部205と、時間・周波数デインターリーブ部206と、尤度比算出部207と、ビットデインターリーブ部208と、誤り訂正符号復号部209と、エネルギー逆拡散部210と、を備える。受信装置2は、送信装置1から、SP信号の両側に隣接する複数のキャリアシンボルをヌル信号としたクラスターパイロットを含むOFDM信号を受信する。
【0033】
GI除去部201は、受信アンテナ200を介して受信したOFDM信号を直交復調処理してベースバンド信号を生成し、A/D変換によりアナログ信号を生成する。そして、GI除去部201は、ガードインターバルを除去して有効シンボル信号を抽出する。
【0034】
フーリエ変換部202は、GI除去部201から入力される有効シンボル信号に対して、フーリエ変換処理を施して複素ベースバンド信号を生成し、パイロット信号抽出部203及びMIMO検出部205に出力する。
【0035】
パイロット信号抽出部203は、フーリエ変換部202から入力される複素ベースバンド信号からパイロット信号を抽出し、伝送路応答推定部204に出力する。
【0036】
伝送路応答推定部204は、複素ベースバンド信号に含まれるクラスターパイロットをもとに時間領域の伝搬路行列を算出した後、周波数領域の伝搬路行列を算出し、MIMO検出部205に出力する。具体的な演算については後述する。
【0037】
MIMO検出部205は、フーリエ変換部202から入力される複素ベースバンド信号を、伝送路応答推定部204で推定された伝送路応答を用いて波形等化及びMIMO分離を行い、時間・周波数デインターリーブ部206に出力する。
【0038】
時間・周波数デインターリーブ部206は、MIMO検出部205によりMIMO分離されたデータの順序を、時間方向及び周波数方向に、送信装置1の時間・周波数インターリーブ部115と逆方向に並べ替えるデインターリーブ処理を行い、尤度比算出部207に出力する。
【0039】
尤度比算出部207は、時間・周波数デインターリーブ部206から入力されるデータから、送信された各ビットのLLR(Log Likelihood Ratio:対数尤度比)を雑音分散を用いて算出し、ビットデインターリーブ部208に出力する。
【0040】
ビットデインターリーブ部208は、尤度比算出部207から入力されるLLRの順序を、ビット単位で、送信装置1のビットインターリーブ部113と逆方向に並べ替えるデインターリーブ処理を行い、誤り訂正符号復号部209に出力する。
【0041】
誤り訂正符号復号部209は、ビットデインターリーブ部208から入力されるLLRを用いて、既知の手法(例えば、sum-product復号法)により、送信されたビットの推定値を復号し、エネルギー逆拡散部210に出力する。
【0042】
エネルギー逆拡散部210は、誤り訂正符号復号部209から入力されるデータを、送信装置1のエネルギー拡散部111と逆方向に拡散させるエネルギー逆拡散処理を行い、最終的な受信データとして外部に出力する。
【0043】
伝送路応答推定部204によりICI成分の推定が行われ、ICIの補償は、例えばMIMO検出部205で行うことができる。あるいは、尤度比算出部207で確率伝搬法(BP:Belief Propagation)を適用して受信シンボルの尤度関数を算出し、最大事後確率(MAP:Maximum a posteriori probability)復号によりICIを考慮したLLRを算出することでICIを補償することができる。なお、確率伝搬法の詳細については、P.Ochandiano, H. Wymeersch, I. Sobr'on, L. Mart'inez, M. Mendicute : “Novel ICI Suppressing Receiver for High-Mobility DVB-T2 Reception with Large FFT Modes”, IEEE International Symposium on Broadband Multimedia Systems and Broadcasting (BMSB), mm11-66 (June 2011)を参照されたい。
【0044】
[伝送路応答推定]
次に、伝送路応答推定部204の具体的な推定方法について説明する。周波数領域での送信信号をx
j(j=1,2)、受信信号をy
i(i=1,2)とする。また、2×2MIMOの周波数領域の伝搬路行列をH
ij、受信信号に加わる雑音をz
iとすると、受信信号y
iは、式(1)で示される。
【0046】
H
ij(t)は式(2)で示される時間領域の伝搬路行列、Fは式(3)で示される要素を持つフーリエ変換行列、F
Hは逆フーリエ変換行列を示す。時間領域の伝搬路行列H
ij(t)の要素中のLは、推定する伝搬路応答において考慮する、遅延波の直接波に対する最大遅延時間にFFTサンプル速度をかけた数を示す。NはFFTサイズを示し、時間領域の伝搬路行列H
ij(t)はN×Nの行列となる。このようにして伝搬路行列を時間領域で表すことにより、隣接するサブキャリア間のICI成分を算出することができる。
【0049】
本実施形態では、4つの時間領域の伝搬路行列H
11(t),H
12(t),H
21(t),H
22(t)それぞれに対して基底展開モデルを適用する。基底展開モデルは、時間領域の伝搬路行列を基底関数行列と係数の積で表現できると仮定し、その係数を求める推定法である。式(2)のH
ij(t)のl行目のゼロではないL個の要素h
ij,l(t)を(h
ij,l,0,・・・,h
ij,l,L-1)と表すと、h
ij,l(t)は式(5)の要素を持つ基底関数行列B=[b
0,・・・,b
q]を用いて、式(4)で表すことができる。b
qは基底関数と呼ばれており、b
q=[b
q,0,・・・,b
q,N-1]
Tで示され、各要素b
a,bは式(5)で表される。なお、Qは基底関数b
qの数を設定するための正の整数であり、例えばQ=2とする。
【0051】
式(4)を拡張すると、単位行列Iを用いて、時間領域の伝搬路行列H
ij(t)は式(6)で表すことができる。
【0053】
よって、基底展開モデルを用いることにより、伝搬路行列H
ij(t)は行列h
ij,rを求めることで算出でき、行列h
ij,rのサイズはL×(Q+1)であるため、演算量を大幅に減らすことができる。
【0054】
次に、行列h
ij,rを求める方法を示す。式(6)を式(1)に代入すると、式(1)は、基底関数b
qの周波数応答である巡回行列D
qと、基底展開した周波数応答をフーリエ変換したΔ
ij,qとを用いて、式(7)で表すことができる。F
Lはフーリエ変換行列Fの最初のL列を示す。ここで、巡回行列D
qは式(8)で表され、Δ
ij,qは式(9)で表される。
【0056】
クラスターパイロットにデータキャリアからの干渉成分がないと仮定すると、クラスターパイロット部分の受信信号y
i,m(p)(m=0,…,C)は、データ信号と分離することができ、クラスターパイロットの送信信号x
j,m(p)と雑音z
i,m(p)からなる式(10)で表すことができる。ここで、CはOFDM 1シンボルあたりのクラスターパイロット数を示し、上付きの(p)はクラスターパイロット部分を示す。
【0058】
さらに式(10)は、式(12)を用いると式(11)で表すことができる。
【0060】
[伝送路応答推定の第1の具体例]
第1の具体例として、
図2で示したクラスターパイロットを有するOFDM信号を伝送するMIMOシステムにおいて、ICI成分の推定を含めた伝搬路特性を推定する例を示す。
図2(a)に示す送信信号をx
1、
図2(b)に示す送信信号をx
2とすると、クラスターパイロットの中央にあるSP信号は、半数が送信信号x
1とx
2で同じ信号となり、残る半数が送信信号x
2のSP信号のみ反転した信号である。また、隣接するクラスターパイロット間は十分な周波数間隔があるため、分離して考えることができる。よって、式(11)は式(13)の2つの式に分離することができる。
【0062】
式(13)の上付きの(p1)は同じSP信号を持つクラスターパイロットの集合を示し、上付きの(p2)は送信信号x
2のSP信号が反転しているクラスターパイロットの集合を示す。同じSP信号を持つクラスターパイロットの場合はX
2(p1)=X
1(p1)となり、送信信号x
2のSP信号が反転している場合はX
2(p2)=−X
1(p1)となる。これを式(13)に代入すると式(14)となる。
【0064】
式(14)にMMSE(Minimum Mean Squared Error)を適用すると、式(15)によりh
i1,r+h
i2,rと、h
i1,r−h
i2,rを求められ、h
i1,rとh
i2,rは式(16)となる。
【0066】
式(15)及び式(16)のW
MMSEは式(17)により表される。ここで、E{}は期待値を示す。
【0068】
式(14)〜(16)に受信信号y
1,y
2をそれぞれ代入すると、h
11,r,h
12,r,h
21,r,h
22,rを求められる。その後、式(6)から時間領域の伝搬路行列H
ij(t)を算出し、最後に式(1)により周波数領域の伝搬路行列H
ij(=H
11、H
12、H
21、H
22)を算出することができる。以上により、キャリア間干渉成分の推定を含めた伝搬路特性を推定できる。
【0069】
[伝送路応答推定の第2の具体例]
次に、第2の具体例として、
図3で示したクラスターパイロットを有するOFDM信号を伝送するMIMOシステムにおいて、ICI成分の推定を含めた伝搬路特性を推定する例を示す。
図3(a)に示す送信信号をx
1、
図3(b)に示す送信信号をx
2とすると、2つの送信信号x
1とx
2のクラスターパイロットの中央にあるキャリアは、送信信号x
1がSP信号の場合は送信信号x
2はヌル信号であり、送信信号x
2がSP信号の場合は送信信号x
1はヌル信号である。
【0070】
第2の具体例についても、第1の具体例と同様にパイロット信号の集合を2つに分離して考える。(p1)を送信信号x
1がSP信号の場合のクラスターパイロットの集合、(p2)を送信信号x
2がSP信号の場合のクラスターパイロットの集合とすると、式(11)は式(18)の2つの式に分離することができる。
【0072】
式(18)にMMSEを適用すると、式(19)によりh
i1,rとh
i2,rを求めることができる。
【0074】
式(19)のW
MMSEは式(20)により表される。
【0076】
式(19)に受信信号y
1,y
2をそれぞれ代入すると、h
11,r,h
12,r,h
21,r,h
22,rを求められる。その後、式(6)から時間領域の伝搬路行列H
ij(t)を算出し、最後に式(1)により周波数領域の伝搬路行列H
ij(=H
11、H
12、H
21、H
22)を算出することができる。以上により、キャリア間干渉成分の推定を含めた伝搬路特性を推定できる。
【0077】
上述したように、本発明に係る受信装置2は、クラスターパイロットを含むOFDM信号を受信し、クラスターパイロットをもとに時間領域の伝搬路行列H
ij(t)を算出した後、周波数領域の伝搬路行列H
ijを算出するため、ICI成分を考慮した伝搬路特性を推定することができる。また、伝送路応答推定部204は、時間領域の伝搬路行列H
ij(t)を基底関数行列Bと係数の積で表現できると仮定して算出することにより、演算量を大幅に減らすことができる。
【0078】
なお、上述した受信装置2として機能させるためにコンピュータを好適に用いることができ、そのようなコンピュータは、受信装置2の各機能を実現する処理内容を記述したプログラムを該コンピュータの記憶部に格納しておき、該コンピュータのCPUによってこのプログラムを読み出して実行させることで実現することができる。なお、このプログラムは、コンピュータ読取り可能な記録媒体に記録可能である。
【0079】
上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本発明の趣旨及び範囲内で、多くの変更及び置換ができることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。例えば、実施形態に記載の複数の構成ブロックを1つに組み合わせたり、あるいは1つの構成ブロックを分割したりすることが可能である。
【0080】
また、上述した実施形態では2×2MIMOシステムを例に説明したが、送信アンテナ数及び受信アンテナ数がさらに多いMIMOシステムについても同様に、本発明を適用することができる。