JP4629611B2 - ピーク電力低減システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、時間軸方向に拡散するMC-CDMA方式など、送信機から送信シンボルを時間軸方向に拡散して送信する際のピーク電力低減システム及び方法に関する。

近年、第4世代移動通信システムの候補として、MC-CDMA（Multi-Carrier Code Division Multiple Access）システムが有力視されている。このシステムに関し、時間領域で拡散するCDMAにより同一チャネル干渉を低減し、OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplex）によりマルチパス干渉を低減するSCS-MC-CDMA（Sub-Carrier Selecting Multi-Carrier Code Division Multiple Access）システムが提案されている。このSCS-MC-CDMAシステムでは、端末の信号処理量を低減するため、ユーザーの伝送速度に応じた数のサブキャリアを割当てるサブキャリア選択法を採用している。

また、SCS-MC-CDMAシステムでは、OFDMの採用とGI（Guard Interval）の付加によりマルチパスを軽減できるが、その変調信号のピーク電力はシングルキャリアの変調信号と比べて高い値となる。一般に、高いピーク電力の変調信号を電力増幅する場合、その電力増幅器には大きなバックオフが要求され、増幅器の電力効率は低下するため、変調信号のピーク電力は低い方が望ましい（特許文献1）。OFDMシステムでは、変調信号のピーク電力を低減する方法としてBlock Scaling法が提案されている。Block Scaling法ではシンボル毎に送信波形のピーク電力を計算し、所定の値より大きい場合には該当シンボルを線形圧縮することにより、ピーク電力を低減することができる。なお、このピーク電力低減の前後で波形は保存されるため、波形歪みは発生しない。
特開2003-298549号公報 「サブキャリア選択MC-CDMA（SCS- MC-CDMA）方式におけるピーク電力低減法」，RCS2005-206,pp169-173,2006.

しかしながら、上述したBlock Scaling法では、受信電力の低下に伴い、受信特性が劣化するという問題がある。特に、このBlock Scaling法をSCS-MC-CDMA方式に適用した場合、シンボル毎に圧縮することから、ピーク電力を低減させた前後における時間波形は保存され、コード間での干渉も低減できる一方で、このSCS-MC-CDMA方式では、シンボル長が増加する傾向にあるため、局所的なピーク電力を低減させるためにシンボルの全長にわたって送信電力を低減させることとなり、送信信号全体が必要以上に電力を低減されることとなる。この結果、増幅器の効率が低下するとともに、送信距離が短くなり、また、誤り率等の受信特性が低下するという惧れがある。

そこで、本発明は、上記のような問題を解決するものであり、時間軸方向に拡散するMC-CDMA方式等の送信機から送信シンボルを時間軸方向に拡散して送信する通信方式において、線形圧縮した電力の低下を軽減し一層の誤り率特性の改善を図り、受信特性を向上させることのできるピーク電力低減システム及び方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、送信シンボルを時間軸方向に拡散して送信する際のピーク電力低減システム及び方法であって、送信シンボルを時間軸方向に拡散する拡散処理部と、拡散された送信シンボルを構成するチップ毎に、送信電力の最大値であるピーク電力を測定し、所定のしきい値と比較する電力測定部と、電力測定部による比較結果に従って、ピーク電力がしきい値を越えるチップについてピーク電力が該しきい値となるように、チップの送信信号を線形圧縮する圧縮処理部と、送信電力をチップ毎に増幅する増幅部とを用いる。

そして、本発明では、増幅部によって圧縮処理部による線形圧縮により低減された電力量を他のチップに分配するように、送信電力の増幅を行う。

この増幅部による電力量の分配方式としては、前記低減された電力量を、しきい値までの残量がある他のチップのうち、先頭のチップから順次分配したり、各チップにおける電力量に応じて、その時点での各チップにおける電力量に対する所定の割合ずつ、チップ毎のバラツキを抑えながら分配する方式が考えられる。

このような本発明によれば、1シンボルを複数のチップで構成し、線形圧縮をチップ単位で行うため、例えば1つのチップを線形圧縮しても、1シンボル全体を線形圧縮する従来の方法に比べて受信電力の低下が小さいことから、誤り率特性などの受信特性の劣化を低減させることができる。すなわち、本発明では、ピーク電力が所定のしきい値より低いチップに対し、線形圧縮法により低減された電力を再配分することで、送信電力の低減を補償して通信品質の改善を図ることができる。

また、本発明では、増幅部によってチップ毎の電力量がしきい値に到達するように、送信電力の増幅を行ってもよい。この場合には、線形圧縮による電力量の低減に関係なく、送信電力をチップ毎にしきい値まで高めるため、増幅器の効率を向上させることができる。

以上述べたように、この発明によれば、時間軸方向に拡散するMC-CDMA方式等の送信機から送信シンボルを時間軸方向に拡散して送信する通信方式において、線形圧縮した電力の低下を軽減し、増幅器の効率を向上させるとともに、送信距離を伸ばすことができ、また、一層の誤り率特性の改善を図り、受信特性を向上させることができる。

（ピーク電力低減システム）
以下に添付図面を参照して、本発明に係るピーク電力低減システムの実施形態を詳細に説明する。本実施形態では、SCS-MC-CDMA方式による通信を前提とする。図1は、本実施形態に係るSCS-MC-CDMAシステムのフレーム構成を示す説明図である。同図に示すように、送信機側において時間領域で拡散された送信シンボルは、複数のチップで1シンボルが構成され、サブキャリア毎にパイロットシンボルと符号多重される。受信機における同期及びチャネル推定は、受信機側で受信されたパイロット信号を用いて行う。

図2（a）は、送信機1の構成を示すブロック図である。同図に示すように、送信機1は、S/P変換部11と、拡散処理部12と、IFFT変換部13と、GI付加部14と、電力調整部15とを備えている。

S/P変換部11は、送信シンボルをMC-CDMAの各サブキャリアへ割り当てるモジュールである。

拡散処理部12は、既知信号（パイロットシンボル）を付加した上でサブキャリア毎に時間軸方向に拡散するモジュールである。IFFT変換部13は、時間軸方向に拡散された信号に対して逆フーリエ変換（IFFT：Inverse Fast Fourier Transform）処理を行いマルチキャリア変調信号を生成するモジュールである。GI付加部14は、IFFT変換された送信信号に対して、ガードインターバルを付加して出力するモジュールである。

電力調整器15は、送信シンボルを構成する複数のチップ毎に送信電力を調整するモジュールであり、本実施形態では、電力測定部151と、圧縮処理部152と、増幅部153とを有する。なお、本モジュールはIFFT部の直後に置くこともできる。

電力測定部151は、チップ毎の送信電力の最大値であるピーク電力を測定し、所定のしきい値と比較するモジュールである。圧縮処理部152は、電力測定部による比較結果に従って、ピーク電力がしきい値を越えるチップについてピーク電力が該しきい値となるように、チップの送信信号に係数α（α<1）を乗算して線形圧縮するモジュールである。増幅部153は、送信電力をチップ毎に増幅するモジュールである。本実施形態において増幅部153は、電力測定部151の比較結果に基づいて、圧縮処理部152による線形圧縮により低減された電力量を他のチップに分配するように、送信電力の増幅を行う。

図2（b）は、受信機2の構成を示すブロック図である。同図に示すように、受信機2は、GI除去部21と、FFT変換部22と、逆拡散処理部23と、フェージング補償部24と、P/S変換部25と、チャネル推定部26とを備えている。

GI除去部21は、受信信号からガードインターバルを除去するモジュールである。FFT変換部22は、受信信号に対してフーリエ変換（FFT：Fast Fourier Transform）処理を行うモジュールである。逆拡散処理部23は、時間領域における逆拡散を行うモジュールである。

チャネル推定部26は、受信信号から分離された既知信号であるパイロットシンボルを用いて、マルチパス環境下における送受信機間の伝搬路におけるチャネル推定を行うモジュールである。フェージング補償部24は、チャネル推定部26により推定されたチャネル情報を用いてフェージング補償を行うモジュールである。P/S変換部25は、P/S（Parallel/Serial） 変換により、サブキャリアに分割されたシンボルを並び換えて受信シンボル列を生成するモジュールである。

（ピーク電力低減方法）
以上の構成を有するピーク電力低減システムを動作させることによって、本発明のピーク電力低減方法を実施することができる。なお、本実施形態におけるSCS-MC-CDMAシステムの諸元を表1に示す。

表1に示すように、システム帯域幅は40.96MHz、サブキャリア間隔は40kHzである。ユーザーに割当てるサブキャリア数は32の倍数とする。フレーム長は10msecである。チップ長（OFDMシンボル長）は25μsとし、GI長はその1/4とした。拡散は時間領域で行い、拡散長は16である。ショートコードはWalsh系列である。

図4は、本実施形態に係るピーク電力低減システムの動作を示すフローチャート図である。先ず、送信機1において、1次変調された送信データは、S/P変換部11でS/P変換され、拡散処理部12により時間領域で拡散され、IFFT変換部13により逆フーリエ変換されてマルチキャリア変調信号の送信波形（図3（a））が得られ、GI付加部14によりガードインターバルが付加される。

次いで、図4に示すように、電力調整部15において、送信波形の圧縮及び増幅を行う。先ず、得られた送信波形から、電力測定部151でチップ毎の送信電力を測定し、送信電力の最大値であるピーク電力を導出する（S101）。

そして、各チップのピーク電力と所定のしきい値を比較し（S102）、ピーク電力の方が大きい場合（ステップS102における”ピーク電力＞しきい値”）には、該当するチップ毎に係数α（α＜1）を乗算して線形圧縮し（S103）、ピーク電力をしきい値まで低減するとともに、低減した電力量（Pr）を計算する（S105、S106及び図3（b））。一方、ステップS102においてピーク電力がしきい値を下回っている場合（ステップS102における”ピーク電力＜しきい値”）には、線形圧縮をすることなく（S104）、そのチップに対しピーク電力としきい値の差分からチップ毎の再配分可能な電力量（Pv）を計算する（S105，S106）。

次いで、PrとPvの電力量を比較することで、各チップでの再配分電力を決定し（S107）、電力の再配分が可能であるときには（ステップS107における”Y”）、ピーク電力がしきい値より小さいチップに再分配する（S108、図4（d））。

この再配分法としては、図5（A)のように、しきい値までの残量がある他のチップのうち先頭のチップから順に、しきい値まで飽和させるように再配分していく方法と、図5（B)のように、各チップにおける現在の電力量に対する所定の割合ずつ分配するなど、各チップにおける電力量に応じて、チップ毎のバラツキを抑えながら均等に分配する方式が挙げられる。

他方、ステップS107において、電力の再配分が可能なチップが存在しないとき（ステップS107における”N")には、ステップS109に移行する。

そして、再配分可能な電力が0となったか、又は、全チップがしきい値まで到達したかを判断し、再配分可能な電力が未だ残存しており、再配分を受けることができるチップが残存しているとき（ステップS109における”N”）には、上記ステップS107以降の処理を繰り返し、再配分可能な電力が0となるか、全チップがしきい値に到達したとき（ステップS109における”Y”）、次のシンボルの処理に移行する。

このように全てのシンボルについて圧縮及び増幅処理をしつつ、送信信号を送信する。受信機2では、GI除去部21によってGIを除去し、FFT変換部22によってフーリエ変換を行い、逆拡散処理部23によって、サブキャリア毎の受信信号を求め時間領域で逆拡散する。得られた復調信号は、チャネル推定部26によるチャネル情報を用いて、フェージング補償部24によりフェージング補償が行われる。最後に、P/S変換部25により、P/S変換を行い受信シンボル列（受信データ）を得る。

（作用・効果）
以上説明した本実施形態による作用効果は、以下の通りである。本実施形態におけるシミュレーション条件を表2に示す。

なお、ここでの変調方式はQPSKとし、サブキャリア数はサブキャリア選択を考慮して32、64とし、割当てコード数はサブキャリア毎に16とする。また、チャネル条件は準静的レーリーフェージングとし、遅延プロファイルはダブルスパイクモデルとし、遅延時間はチップ長の1/8（3.125μs）とする。なお、線形圧縮で用いるしきい値は、線形圧縮前の平均送信電力を基準として設定する。

図6（a）に、サブキャリア数32にした場合の誤り率特性を示す。同図の横軸は線形圧縮前の信号に基づく受信Eb/N0であり、縦軸はビット誤り率（BER）を示し、基準としてフラットレーリーフェージングの理論値を示し、また、比較としてBlock Scaling法の結果を示す。同図に示すように、例えば誤り率0.01の場合に、しきい値が6dBのときは、Block Scaling法と比較して約2dBの改善が図れる。

図6（b）に、本実施形態による電力改善率を示す。同図において、横軸はしきい値を示し、縦軸は改善率を示す。なお、図中の実線や破線は、本実施形態による送信電力の改善率（（本実施形態による電力を再配分後の送信電力）／（従来のChip Scaling法による電力を低減後の送信電力））を示す。また、図中の記号□、×は、誤り率特性0.01について、本実施形態と従来のChip Scaling法とを比較した場合のEb/N0の改善率である。

同図に示すように、例えば、サブキャリア数が32、しきい値が6dBの場合、送信電力の改善率は0.38dBである一方、Eb/N0の改善率は0.24dBである。これは従来のChip Scaling法と比較して、本実施形態は、電力を再配分することによってチップ間の電力のばらつきが大きくなるため、コード間干渉が増大するためと考えられる。また、サブキャリア数が64の場合、サブキャリア数32と比較すると、しきい値が高い値にシフトしているが、Eb/N0の改善率の特性はほぼ同じであることがわかる。

この理由について図7を用いて考察する。図7は、サブキャリア数32とした場合、線形圧縮前の1チップあたりの平均送信電力を1としてChip Scaling法により減少した電力量Pr、再配分可能な電力量Pv、及び本実施形態で実際に再配分した電力量を示している。なお、同図の横軸はしきい値を示し、縦軸は電力量を真値で示す。

同図に示すように、しきい値が小さい場合は、しきい値を超えるチップが多いため、減少した電力量は大きい。また、電力を再配分できるチップが少ないため、再配分可能な電力量は小さい。そのため実際に再配分した電力量が少ないことから、電力改善率は小さい。一方、しきい値が高い場合は、しきい値を超えるチップが少ないため再配分できる電力量が少なく電力改善率は小さい。

すなわち、減少した電力量と再配分可能な電力量が同等な値となるしきい値5〜6dBで最も改善率が大きくなると考えられる。一般に、各チップの最大電力がアンプ入力として過大にならないようにしきい値を設ける。逆に言えば、各チップの最大電力がしきい値を超えない範囲では、最大入力を増大することが可能である。このとき、各チップの最大電力値はしきい値である。

このように、本実施形態によれば、チップ単位で圧縮し、低減させた電力を他のチップに再配分して各シンボルの送信電力を下げないように制御することにより、誤り率特性の改善を図ることができる。

すなわち、サブキャリア選択MC-CDMAシステムを対象としてChip Scaling法に加えて線形圧縮し、低減した電力をピーク電力の低い他のチップに再配分することで信号電力を向上させることができる。本実施形態では、Block Scaling法と比較すると、しきい値が6dBの場合において誤り率特性を約2dB改善が図れる。また、本実施形態をChip Scaling法と比較した場合における電力改善率を求めた結果、サブキャリア数32、しきい値6dBの場合において約0.24dBの改善量が図れる。

（変更例）
上述した実施形態では、線形圧縮前の平均送信電力を超えないように電力の再配分を行ったが、例えば図5（C）のように、全てのチップの電力を、各チップ毎に電力調整部15のしきい値まで上げるようにしてもよい。この変更例による評価結果を図8に示す。この図8においても、上記実施形態図6（b）と同様に、横軸は線形圧縮前の送信信号を基準としたしきい値を示し、縦軸はChip Scaling法からの送信電力の改善率とEb/N0の改善率を示す。

図8に示すように、しきい値まで上げる場合、上記実施形態と比べてさらなる電力の付加が可能であり通信品質の向上が可能となる。例えば、しきい値が6dBの場合、上記実施形態ではChip Scaling法と比べて約0.24dBの改善であるのに対し、この変更例では約0.4dB改善できる。これにより、電力調整部においてより低いバックオフの設定が可能となる。

実施形態に係るSCS-MC-CDMAシステムのフレーム構成を示す説明図である。 （a）は、実施形態に係る送信機1の構成を示すブロック図であり、（b）は、受信機2の構成を示すブロック図である。 実施形態に係るピーク電力低減方法の概要を示す説明図である。 実施形態に係るピーク電力低減システムの動作を示すフローチャート図である。 実施形態に係るピーク電力低減方法において送信電力を配分する方法の説明図である。 （a）は、実施形態に係るサブキャリア数32にした場合の誤り率特性を示すグラフ図であり、（b）は、実施形態による電力改善率を示すグラフ図である。 実施形態において、サブキャリア数32とした場合、線形圧縮前の1チップあたりの平均送信電力を1としてChip Scaling法により減少した電力量Pr、再配分可能な電力量Pv、及び本実施形態で実際に再配分した電力量を示すグラフ図である。 変更例における評価結果を示すグラフ図である。

符号の説明

1…送信機
2…受信機
11…S/P変換部
12…拡散処理部
13…IFFT変換部
14…GI付加部
15…電力調整部
21…GI除去部
22…FFT変換部
23…逆拡散処理部
24…フェージング補償部
25…P/S変換部
26…チャネル推定部
151…電力測定部
152…圧縮処理部
153…増幅部

Claims (8)

1. 送信シンボルを時間軸方向に拡散して送信する際のピーク電力低減システムであって、
   前記送信シンボルを時間軸方向に拡散する拡散処理部と、
   拡散された前記送信シンボルを構成する複数のチップ毎に、送信電力の最大値であるピーク電力を測定し、所定のしきい値と比較する電力測定部と、
   前記電力測定部による比較結果に従って、前記ピーク電力がしきい値を越えるチップについて該ピーク電力が該しきい値となるように、該チップの送信信号を線形圧縮する圧縮処理部と、
   送信電力を前記チップ毎に増幅する増幅部と
   を有し、
   前記増幅部は、前記圧縮処理部による線形圧縮により低減された電力量を他のチップに分配するように、前記送信電力の増幅を行う
   ことを特徴とするピーク電力低減システム。
2. 前記増幅部は、前記低減された電力量を、しきい値までの残量がある他のチップのうち、先頭のチップから順次分配することを特徴とする請求項1に記載のピーク電力低減システム。
3. 前記増幅部は、しきい値までの残量がある他のチップに対し、各チップにおける電力量に対する所定の割合ずつ、前記低減された電力量を分配することを特徴とする請求項1に記載のピーク電力低減システム。
4. 前記増幅部は、チップ毎の電力量が前記しきい値に到達するように、前記送信電力の増幅を行うことを特徴とする請求項１〜３に記載のピーク電力低減システム。
5. 送信機から、送信シンボルを時間軸方向に拡散して送信する際のピーク電力低減方法であって、
   拡散処理部によって、前記送信シンボルを時間軸方向に拡散するステップ(1)と、
   電力測定部によって、前記送信シンボルを構成する複数のチップ毎に、送信電力の最大値であるピーク電力を測定し、所定のしきい値と比較するステップ(2)と、
   前記電力測定部による比較結果に従い圧縮処理部よって、前記ピーク電力がしきい値を越えるチップについて該ピーク電力が該しきい値となるように、該チップの送信信号を線形圧縮するステップ(3)と、
   増幅部によって前記圧縮処理部による線形圧縮により低減された電力量を他のチップに分配するように、前記送信電力の増幅を行うステップ(4)と
   を有することを特徴とするピーク電力低減方法。
6. 前記ステップ(4)において前記増幅部は、前記低減された電力量を、しきい値までの残量がある他のチップのうち、先頭のチップから順次分配することを特徴とする請求項5に記載のピーク電力低減方法。
7. 前記ステップ(4)において前記増幅部は、しきい値までの残量がある他のチップに対し、各チップにおける電力量に対する所定の割合ずつ、前記低減された電力量を分配することを特徴とする請求項5に記載のピーク電力低減方法。
8. 前記増幅部によってチップ毎の電力量が飽和電力に到達するように、前記送信電力の増幅を行うステップをさらに有することを特徴とする請求項５〜７に記載のピーク電力低減方法。