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JP3998685B2 - マルチキャリア信号の受信処理方法及びこれを適用するマルチキャリア受信装置 - Google Patents

マルチキャリア信号の受信処理方法及びこれを適用するマルチキャリア受信装置 Download PDF

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Description

発明の背景
本発明は、マルチキャリア信号の受信処理方法及び、これを適用するマルチキャリア受信装置に関し、特にマルチキャリア受信装置における受信データのシンボル間干渉等化に関する。
マルチキャリア通信システムに適用される技術として、下記の非特許文献1に記載されている、直交周波数分割多重(OFDM:Orthogonal Frequency Division Multiplexing)伝送方式と、マルチキャリア−符号分割多元接続(MC−CDMA:Code Division Multiple Access)方式がある。
直交周波数分割多重伝送方式は、互いに直交する複数の狭帯域サブキャリアを用いて高速ビットレート伝送を実現するものである。
即ち、周波数帯域幅は、小さな範囲に分割され、分割された各々は、低ビットレートのサブキャリアにより処理される。各サブキャリアは、周波数選択性フェージングを受けないので、マルチキャリア変調システムは、周波数選択性フェージングに対して有利である。
一方、MC−CDMA方式においては、マルチプルアクセス多重化技術としてCDMA技術が直交周波数分割多重(OFDM)変調に使用されている。それぞれのユーザデータは、周波数領域で直交拡散符号により拡散され、異なる拡散符号により拡散された他のユーザデータと多重化される。
上記の従来方式を使用する送信装置と受信装置の概略構成は次のようである。
即ち、図1は、上記従来方式を使用するMC−CDMA送信装置の構成例であり、MC−CDMA送信信号を生成し、送信する。
図1において、2値データ1は、所定ビット長に符号器2で符号化され、符号に対応して、BPSK,QPSK,16−QAM等の変調方式を用いて変調器3により変調される。変調されたデータは、シリアル/パラレル変換器4によりNpl個のデータシンボルに変換される。
Npl個のデータシンボルは同時に処理され、一つのデータシンボルは、複写器5により拡散係数(SF:Spread Factor)によりデータセットに複製される。この場合、送信装置はNpl*SFの数のサブキャリアによりデータを送信する。各サブキャリアにおいて、長さSFの直交符号であるチップによりデータが多重化される。
MC−CDMA送信装置は、周波数領域で拡散符号6を用いて信号を拡散し、次いで、逆高速フーリエ変換(IFFT)器7において、(NplSF)次元に等しい次元で逆高速フーリエ変換を行う。これが、MC−CDMAシステムの主たる特徴である。
更に、パラレル/シリアル変換器8によりデータセットは、シリアルデータに変換され、シンボル間干渉を除去するために、挿入部8において、ガードインターバルGIが挿入される。
一方、上記の従来技術を用いた、図1のMC−CDMA送信装置に対応するMC−CDMA受信装置は、図2に示される構成である。
図2において、先ず送信側で挿入されたガードインターバルを受信データから除去部9により除去する。ガードインターバルGIが除去されたデータは、シリアル/パラレル変換器10によりパラレル信号に変換され、高速フーリエ変換器11による離散フーリエ変換(Discrete Fourier Transform)の対象とされる。このとき、チャネル補償器13においてパイロットシンボルにより各サブキャリアのチャネル特性が推定される。
次いで、例えば、直交復元合成法(ORC),等利得合成法(EGC),最大比合成法(MRC),最小二乗誤差合成法(MMSEC)等の合成方法を用いて、高速フーリエ変換器11の出力に合成係数を乗算すると共に、送信側での拡散符号と同じ符号12を乗算する。
チャネル補償を受けた高速フーリエ変換器11の出力は、送信側に置ける拡散係数(SF:Spread Factor)によるデータセットの複製に対応して、周波数領域の拡散係数(SF)の区間で整合的に蓄積部14において累積される。これにより、一のユーザの特定のデータシンボルが抽出される。
更に、蓄積部14で累積された信号はパラレル/シリアル変換器15によりシリアル信号に変換され、復調器16で復調され、次いで、復号器17で復号される。
図3、図4は、それぞれ上記従来方式を使用するOFDM送信装置及び、受信装置の構成例であり、図1のMC−CDMA送信装置の構成に対し、拡散符号による拡散処理及び、受信装置において逆拡散処理が行われない点が異なる。他の構成は、図1、図2に示したMC−CDMA送信装置、受信装置と同様であるので更なる説明は省略する。
R.Van Nee and R.Prasad,"OFDM For Wireless Multimedia Communications",Artech House Publishers,2000
発明の概要
上記の従来例説明において、OFDM送信方式はマルチパス及び、回線歪に対して有効ではあるが、極端な場合、ガードインターバルGIの長さが最大伝播遅延より大きくなり、先行するシンボルにより隣接シンボルへの影響即ち、シンボル間干渉(ISI:Inter−Symbol Interference)が生じる場合は、不十分となる。
従って、本発明の目的は、かかる問題を回避するマルチキャリア受信処理方法及びこれを用いるマルチキャリア受信装置を提供することにある。
かかる本発明の目的を達成する第1の態様は、マルチキャリア方式におけるマルチキャリア信号を受信し、前記受信されたマルチキャリア信号の1シンボルより長い区間のマルチキャリア信号を選択し、前記選択されたマルチキャリア信号に対し、離散フーリエ変換を行い、前記離散フーリエ変換された信号に対し、チャネル等化を行い、前記チャネル等化された信号の次元を前記受信されたマルチキャリア信号の次元に減少することを特徴とする。
上記の本発明の目的を達成する第2の態様は、第1の態様において、前記1シンボルより長い区間のマルチキャリア信号の選択は、前記受信されたマルチキャリア信号の次元より長い離散フーリエ変換の実行のために行うことを特徴とする。
上記の本発明の目的を達成する第3の態様は、第1の態様において、前記チャネル等化は、マルチキャリア信号に等化係数を乗算することに行い、これにより周波数領域において前記受信マルチキャリア信号のチャネル歪効果を減少することを特徴とする。
上記の本発明の目的を達成する第4の態様は、第1の態様において、前記マルチキャリア方式は、直交周波数分割多重を適用するものであることを特徴とする。
上記の本発明の目的を達成する第5の態様は、第1の態様において、前記マルチキャリア方式は、マルチキャリア−符号分割多元接続を適用するものであることを特徴とする。
上記の本発明の目的を達成する第6の態様は、第1乃至第5の態様のいずれかにおいて、前記受信されたマルチキャリア信号が、隣接するシンボルフレーム間にガードインターバルを含んでいないことを特徴とする。
さらに、上記の本発明の目的を達成する第7の態様は、第2の態様において、マルチキャリア信号の次元より長い離散フーリエ変換は、前記マルチキャリア信号の次元の整数倍の長さであることを特徴とする。
また、上記の本発明の目的を達成する第8の態様は、第7の態様において、各チャネル毎の前記離散フーリエ変換された出力に対するチャネル応答推定値が、減少された次元の推定値を補間して求めることを特徴とする。
本発明の特徴は、以下の図面を参照して説明する発明の実施の形態例から更に明らかになる。
図1は、従来方式を使用するMC−CDMA送信装置の構成例である。
図2は、図1のMC−CDMA送信装置に対応するMC−CDMA受信装置の構成例である。
図3は、従来方式を使用するOFDM送信装置の構成例である。
図4は、従来方式を使用するOFDM受信装置の構成例である。
図5は、本発明に従うOFDM受信装置の構成例ブロック図である。
図6は、図5のOFDM受信装置の構成例に対応する、処理の流れを説明するフロー図である。
図7は、変換マトリクス111の構成例である。
図8は、ガードインターバルがある場合の2N連続ポイントのクラスタの構成を示す図である。」
図9は、送信装置においてパイロットシンボルを送信フレームに挿入する場合のフレーム構成を示す図である。
図10は、ガードインターバルを使用しないMC−CDMAの場合の、受信装置の実施例構成を示す図である。
図11は、図10の受信装置構成における2N高速フーリエ(FFT)変換器110の実施例構成を示す図である。
図12は、2Nディメンジョン高速フーリエ変換する原理を更に拡張して、4Nディメンジョンに拡張する場合の高速フーリエ(FFT)変換器110の実施例構成である。
以下に図面に従い本発明の実施の形態例を説明する。
本発明のマルチキャリア受信装置の適用において、対応する送信装置の構成は、図1、図3に示す従来構成と同様のものが使用可能である。ただし、後に説明するように、本発明のマルチキャリア受信装置は、送信側でガードインターバルGIが挿入されていない信号の受信にも適用できるものである。
図5は、本発明に従うOFDM受信装置の構成例ブロック図である。図6は、図5のOFDM受信装置の構成例に対応する処理の流れを説明するフロー図であり、シンボル間干渉(ISI)の部分を避け、チャネル歪を等化補償するに必要な処理の概要を示している。
なお、以下の説明においては、OFDMシンボル長Nがチャネルモデルからの最大遅延量(τmaxで表される)より遥かに長いものとする。
図5において、受信信号列は、先ずシリアル/パラレル変換器10によりパラレル信号に変換される。パラレル信号から、本発明の特徴は、実施例として連続する2個のシンボルフレームから2Nポイント分の大きさの窓(j−1,j)により2N個のデータシンボルを求める(D1,図6参照)。
図6において、連続する2個のシンボルフレームから2N個のデータシンボルを順次求める様子が示される。すなわち、(j−1)番目のOFDMシンボルフレームとj番目のOFDMシンボルフレームから2N個のデータシンボルが求められ、j番目のOFDMシンボルフレームと(j+1)番目のOFDMシンボルフレームから2N個のデータシンボルを求める様子が示されている。
完全に同期化される場合、区間[iN;(i+1)N]に、i及びi−1のタイミングのただ2つのシンボルがデータ処理の対象となる。
この様な2N個のデータシンボルに対し、後に実施例構成が説明される2Nポイント高速フーリエ変換器110による高速フーリエ変換処理により離散フーリエ変換を行う(ステップS1)。
次いで、各サブキャリアに対して離散フーリエ変換されたデータ(D2)に、歪補償器13によりチャネル補償を行い、チャネル歪を低減する(ステップS2)。その後、復調器16で復調する前に、特別の変換マトリクス111を用いて、信号の次元を減少させる。
図7は、上記の変換マトリクス111の構成例である。実施例として2Nポイントに対する逆高速フーリエ変換器(IFFT)112と、IFFT112の変換処理出力のうち、下位Nポイントに対して逆離散フーリエ変換を行なう第2のIFFT113を有している。
逆高速フーリエ変換器(IFFT)112は、チャネル補償されたデータ(D3)に対し、逆高速フーリエ変換により逆離散フーリエ変換を行なう(ステップS3)。次いで、逆離散フーリエ変換されたデータD4のうち、Nポイントのみに対して第2のIFFT113により逆離散フーリエ変換を行ない(ステップS4)、逆離散フーリエ変換されたデータD5を得る。これにより、受信データの次元2Nが次元Nに削減される。
次いで、図5において、次元Nの受信データは、パラレル・シリアル変換器15によりシリアル信号に変換され、その後、送信側の変調器3(図1、参照)に対応して復調器6による復調と、チャネル符号器2に対応して復号器17による復号が行われる。
上記の受信装置による処理を要約すると、本発明による原理は、シンボル間干渉(ISI:inter−symbol interference)の影響を減少するために高速フーリエ変換即ち、離散フーリエ変換の対象とする長さを拡張するものである。マルチキャリア受信装置において、2Nポイント高速フーリエ変換(FFT)を求めることによって、先行するOFDMシンボルの影響を緩和することが出来る。
ここで、本発明の有用性を根拠付けるために、OFDM受信装置における処理を数式を用いて更に説明する。なお、以下に、ガードインターバルGIが挿入されていない場合を説明するが、後に本発明の適用は、ガードインターバルGIの挿入の有無に関わらずに可能であることを説明する。
本発明の適用において、OFDMシンボル長は、遅延分散量より遥かに大きいものと想定しているので、受信信号の残差部分のみが、二つの連続する送信シンボルの組み合わせとなる。
Figure 0003998685
先に説明したように、本発明の基本は、シンボル間干渉をキャンセルするものではなく、離散フーリエ変換長の拡張を用いる等化によってシンボル間干渉を緩和するものである。
Figure 0003998685
する。
説明を明確にするべく、本発明のマルチキャリア受信装置の構成部分の処理を3つのステップに分けて説明する。
第1ステップ[拡張離散フーリエ変換(Discreate Fourier Transform)演算]
Figure 0003998685
Figure 0003998685
が得られる。
更に、式1と式2とを結合すると、
Figure 0003998685
第2ステップ(チャネル歪補償)
Figure 0003998685
対角行列である。
チャネル歪補償は周波数領域で、次のように表される。
Figure 0003998685
第3ステップ(データ次元の削減)
チャネル歪補償後に、受信データの次元と等しくするために周波数領域においてデータ次元の削減が必要である。
これを実行するために、特別の変換マトリクス(図5において示す変換マトリクス111)により2Nポイント信号をNポイント信号ストリームに変換する。
Figure 0003998685
式を単純にすると、
Figure 0003998685
となる。
上記の変換マトリクス111による処理により求められる受信データは、
Figure 0003998685
ここで、ガードインターバルGIがある場合は、シンボルブロックの選択は、サンプル間の連続性(即ち、周波数領域における直交性)を保つように規定されることが必要である。
図8は、ガードインターバルGIがある場合の2N連続ポイントのクラスタの構成を示す図である。図の太線矢印は、ガードインターバルGIの構成を示している。(j−1)番目のOFDMシンボルフレームと(j)番目のOFDMシンボルフレームを組み合わされて2Nポイントを得る。更に、一フレーム分遅延して、(j)番目のOFDMシンボルフレームと(j+1)番目のOFDMシンボルフレームを組み合わせて2Nポイントを得る。
次に上記した本発明の基本構成を適用するマルチキャリア受信装置における実施例構成を説明する。
第1の実施例(ガードインターバルGIを有しないOFDM変調方式に対するチャネル応答推定):
Nポイントの周波数領域でチャネル応答(回線特性)を正確に推定するために、送信装置においてパイロットシンボルを送信フレームデータに多重することが可能である。
この場合のフレームは、例えば、図9に示すようである。即ち、各フレームの先頭及び後尾の2つのOFDMシンボル(Pと表示されている)が、受信側で認識されるパイロットシンボルである。
受信装置において周波数領域におけるチャネル応答を推定するために、先ず、チャネル補償回路13において、Nポイント高速フーリエ変換により周波数領域の信号に変換する。そして、パイロットシンボルを用いて、歪を補償するため各サブキャリアに対するチャネル応答を推定する。
推定されたチャネル応答に基づき、2N次元の高速フーリエ変換器110の出力に対して、補償係数を乗算する。
しかし、この場合、2Nポイントのチャネル応答を得る本発明の構成に対応してチャネル応答をオーバーサンプリングする必要がある。しかし、異なる方法も使用が可能である。例えば、次に示すような補間により即ち、次元Nで得られる推定値から、平均化により2Nポイントのチャネル応答を得ることができる。
即ち、周波数領域で、次元Nに対するチャネル応答をhとし、次元2Nに対するチャネル応答をgとすると、次の式4の関係で表される。
Figure 0003998685
より具体的に説明する。今、受信信号をYとすると、チャネル応答を考慮して、受信信号Yは、周波数領域で各サブキャリアに対して次のように表される。
Y=H・X+N
ただし、Hはチャネル歪、Xは送信信号、Nは雑音である。
時間領域では、等価的に次のように表される。
y=h*x+n
ただし、y、h、x、nは、それぞれ時間領域における受信信号、チャネル歪、送信信号及び、雑音である。また、*は畳込み演算子である。
パイロット列は送信側で逆高速フーリエ変換され、回線(チャネル)を通して受信側で受信され、対応する高速フーリエ変換が行われる。そして、データに多重されたパイロット列を周波数領域でX1とすると、次の式によりチャネル応答H1が推定される。
H1=Y/X1
従って、2Nポイントの周波数領域に対するチャネル応答を、補間により得ることができる(上記式4参照)。最終的に、チャネル応答の推定値から各サブキャリアに対する補償係数を求めることが出来る。
第2実施例(ガードインターバル無しのMA−CDMA):
本発明にしたがうマルチキャリア受信装置であって、チャネル符号化を伴い、且つガードインターバルを使用しないMC−CDMAの場合の、受信装置の実施例構成が図10に示される。なお、送信装置側は、従来の構成(図1)が使用できる。
先に説明したように、等化処理は3つのステップにより行われる。
すなわち、先ず、FFT受信信号に対して、一つのMC−CDMAシンボルより長い2N次元の離散フーリエ変換を高速フーリエ(FFT)変換器110により実行する。次いで、FFT変換器110の出力は、チャネル推定値から求められる等化係数がチャネル補償器13により乗算される。
次に、等化した後、先に示した式3で示される変換マトリクス111を使用して、信号の次元が受信されたMC−CDMAシンボルの次元Nに等しくされる。
最後に、周波数領域でSFチップの区間に渉って、逆拡散符号12により逆拡散したデータを累積器14で累積して、一のユーザの特定データシンボルを抽出する。
第3の実施例(ガードインターバルなしで、OFDM変調に対するNより長い高速フーリエ変換):
図10の受信装置構成における2N高速フーリエ(FFT)変換器110の実施例構成が図11に示される。
受信データをシリアル/パラレル変換器10によりパラレル信号に変換し、次いで、Nポイントに対する高速フーリエ変換器1111によりNポイントの離散フーリエ変換を行なう。そして、変換処理されたデータに対し、パラレル/シリアル変換器112によりシリアルデータ列を得る。
さらに、2Nポイント離散フーリエ変換を演算するために、バタフライパターン(同型写像)1114を用い、2つの連続するデータ列を得る。即ち、バタフライパターン(同型写像)1114に、高速フーリエ変換器1111の出力に遅延器1113により1フレーム分の遅延を与えたものと、高速フーリエ変換器1111の出力をそのまま入力する。
これにより、受信したデータの2つの連続するセットを同期させることが可能である。そして、バタフライパターン(同型写像)1114の2つの出力をシリアル/パラレル変換器1115によりパラレルに変換して出力する。
ここで、以上の説明では、2フレーム分を対象として、2Nポイントを離散フーリエ変換することを示したが、本発明の適用はこれに限定されるものではない。更に拡張して、より大きい連続するフレーム数を用いることができる。
図12は、4N次元に拡張した場合の高速フーリエ(FFT)変換器110の実施例構成であって、フレーム遅延器1113により3つのフレーム遅延により同期を行い、バタフライパターン1114を実行するものである。なお、図12のバタフライパターン1114におけるjで示される部分は、“−1”の平方根を示す。
なお、図12の高速フーリエ(FFT)変換器110に対応して、変換機111は、入力が4Nとなるように、W4NNのマトリクスが必要である。
上記したように、本発明により、ガードインターバルンターバルを不要とし、また ガードインターバルの長さに基づくシンボル間干渉(ISI)の影響を回避できるマルチキャリア受信装置の提供が可能である。

Claims (16)

  1. マルチキャリア通信方式におけるマルチキャリア信号を受信し、
    前記受信されたマルチキャリア信号の1シンボルより長い区間のマルチキャリア信号を選択し、
    前記選択されたマルチキャリア信号に対し、離散フーリエ変換を行い
    前記離散フーリエ変換された信号に対し、チャネル等化を行い、
    前記チャネル等化された信号の次元を前記受信されたマルチキャリア信号の次元に減縮する
    ことを特徴とするマルチキャリア信号の受信処理方法。
  2. 請求項1において、
    前記1シンボルより長い区間のマルチキャリア信号を選択は、前記受信されたマルチキャリア信号の次元より長い離散フーリエ変換の実行のために行うことを特徴とするマルチキャリア信号の受信処理方法。
  3. 請求項1において、
    前記チャネル等化は、マルチキャリア信号に等化係数を乗算することに行い、これにより周波数領域において前記受信マルチキャリア信号のチャネル歪効果を減少することを特徴とするマルチキャリア信号の受信処理方法。
  4. 請求項1において、
    前記マルチキャリア通信方式は、直交周波数分割多重を適用するものであることを特徴とするマルチキャリア信号の受信処理方法。
  5. 請求項1において、
    前記マルチキャリア通信方式は、マルチキャリア−符号分割多元接続を適用するものであることを特徴とするマルチキャリア信号の受信処理方法。
  6. 請求項1乃至5のいずれかにおいて、
    前記受信されたマルチキャリア信号が、隣接するシンボルフレーム間にガードインターバルを含んでいないことを特徴とするマルチキャリア信号の受信処理方法。
  7. 請求項2において、
    マルチキャリア信号の次元より長い離散フーリエ変換は、前記マルチキャリア信号の次元の整数倍の長さであることを特徴とするマルチキャリア信号の受信処理方法。
  8. 請求項7において、
    各チャネルの前記離散フーリエ変換された出力に対するチャネル応答推定値が、減少された次元の推定値を補間して求めることを特徴とするマルチキャリア信号を受信処理方法。
  9. マルチキャリア方式におけるマルチキャリア信号の受信装置であって、
    マルチキャリア信号を受信し、パラレル信号に変換するシリアル/パラレル変換器と、
    前記シリアル/パラレル変換器の出力から、前記受信されたマルチキャリア信号の1シンボルより長い区間のマルチキャリア信号を選択し、前記選択されたマルチキャリア信号に対し、離散フーリエ変換を行うフーリエ変換器と、
    前記離散フーリエ変換された信号に対し、チャネル等化を行うチャネル補償器と、
    前記チャネル等化された信号の次元を前記受信されたマルチキャリア信号の次元に減縮するマトリクス変換器と、
    前記マトリクス変換器の出力をシリアル信号に変換するパラレル/シリアル変換器と、更に
    前記パラレル/シリアル変換器の出力を、送信装置側の変調器に対応する復調器と、符号器に対応する復号器を
    有することを特徴とするマルチキャリア信号の受信装置。
  10. 請求項9において、
    前記フーリエ変換器における離散フーリエ変換の長さは、前記1シンボルより長い区間の、前記選択されたマルチキャリア信号の長さに対応することを特徴とするマルチキャリア信号の受信装置。
  11. 請求項9において、
    前記チャネル補償器によるチャネル等化は、マルチキャリア信号に等化係数を乗算することに行い、これにより周波数領域において前記受信マルチキャリア信号のチャネル歪効果を減少することを特徴とするマルチキャリア信号の受信装置。
  12. 請求項9において、
    前記マルチキャリア方式は、直交周波数分割多重を適用するものであることを特徴とするマルチキャリア信号の受信装置。
  13. 請求項9において、
    前記マルチキャリア方式は、マルチキャリア−符号分割多元接続を適用するものであることを特徴とするマルチキャリア信号の受信装置。
  14. 請求項9乃至13のいずれかにおいて、
    前記受信されたマルチキャリア信号が、隣接するシンボルフレーム間にガードインターバルを含んでいないことを特徴とするマルチキャリア信号の受信装置。
  15. 請求項10において、
    マルチキャリア信号の次元より長い離散フーリエ変換は、前記マルチキャリア信号の次元の整数倍の長さであることを特徴とするマルチキャリア信号の受信装置。
  16. 請求項15において、
    各チャネルの前記離散フーリエ変換された出力に対するチャネル応答推定値が、減少された次元の推定値を補間して求めることを特徴とするマルチキャリア信号の受信装置。
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