JP7643565B2 - 無線通信システム、無線通信方法、及び受信装置 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信システム、無線通信方法、及び受信装置に関する。

従来、シングルキャリア多値変調を行う無線通信システムでは、ＢＰＳＫ（binary phase-shift keying）などの既知信号を用いて通信路を推定し、その推定結果の複素数値を逆算して復調を行うことが一般的である。

また、送信装置が増幅器の非線形領域を用いて信号を送信する場合に、複数同心円のパイロット信号を用いて位相遷移対応を行うことは公知である（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、送信装置が備える増幅器の増幅特性に非線形性が存在する場合、振幅が大きい信号点は、線形の増幅特性で増幅された場合の通信路推定値よりも振幅が小さな値に補正する必要があった（例えば、非特許文献１参照）。

特開２０１７－５９８８９号公報

MOHAMED IBNKAHLA, et al., "High-Speed Satellite Mobile Communications: Technologies and Challenges", PROCEEDINGS OF THE IEEE, VOL. 92, NO. 2, FEBRUARY 2004, p.312-339

本発明は、上述した課題を鑑みてなされたものであり、シングルキャリア多値変調を行う送信装置が非線形領域を用いて増幅させた信号を送信しても、精度よく信号を復調することができる無線通信システム、無線通信方法、及び受信装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様にかかる無線通信システムは、シングルキャリア多値変調を行う送信装置が送信するトレーニング信号に基づいて受信装置が信号を復調する無線通信システムにおいて、前記送信装置は、コンスタレーション上の振幅が異なる複数の信号点を含むように前記トレーニング信号を前記受信装置へ送信し、前記受信装置は、前記送信装置に設けられて送信する信号を増幅させる増幅部の非線形領域を含む入出力特性を示す特性情報に基づいて、前記増幅部の非線形領域における入出力特性も線形であると仮定した場合の前記トレーニング信号に含まれた信号点を推定する推定部と、受信した信号を初期等化する等化部と、前記推定部が推定した信号点に基づいて、非線形の入出力特性と、線形の入出力特性との比を乗算することにより、前記等化部が初期等化した信号を補正する補正部と、前記増幅部が信号を増幅させる前のコンスタレーションに対し、前記補正部が補正した信号の尤度を算出する尤度算出部と、前記尤度算出部が算出した尤度に基づいて、信号を復調する復調部とを有することを特徴とする。

また、本発明の一態様にかかる無線通信方法は、シングルキャリア多値変調を行う送信装置が送信するトレーニング信号に基づいて受信装置が信号を復調する無線通信方法において、前記送信装置が、コンスタレーション上の振幅が異なる複数の信号点を含むように前記トレーニング信号を前記受信装置へ送信する送信工程と、前記受信装置が、前記送信装置に設けられて送信する信号を増幅させる増幅部の非線形領域を含む入出力特性を示す特性情報に基づいて、前記増幅部の非線形領域における入出力特性も線形であると仮定した場合の前記トレーニング信号に含まれた信号点を推定する推定工程と、前記受信装置が、受信した信号を初期等化する等化工程と、前記受信装置が、前記推定工程により推定した信号点に基づいて、非線形の入出力特性と、線形の入出力特性との比を乗算することにより、前記等化工程により初期等化した信号を補正する補正工程と、前記受信装置が、前記増幅部が信号を増幅させる前のコンスタレーションに対し、前記補正工程により補正した信号の尤度を算出する尤度算出工程と、前記受信装置が、前記尤度算出工程により算出した尤度に基づいて、信号を復調する復調工程とを含むことを特徴とする。

また、本発明の一態様にかかる受信装置は、シングルキャリア多値変調を行う送信装置が送信するトレーニング信号に基づいて信号を復調する受信装置において、前記送信装置に設けられて送信する信号を増幅させる増幅部の非線形領域を含む入出力特性を示す特性情報に基づいて、前記増幅部の非線形領域における入出力特性も線形であると仮定して、コンスタレーション上の振幅が異なる複数の信号点を含むように前記送信装置が送信した前記トレーニング信号に含まれた信号点を推定する推定部と、受信した信号を初期等化する等化部と、前記推定部が推定した信号点に基づいて、非線形の入出力特性と、線形の入出力特性との比を乗算することにより、前記等化部が初期等化した信号を補正する補正部と、前記増幅部が信号を増幅させる前のコンスタレーションに対し、前記補正部が補正した信号の尤度を算出する尤度算出部と、前記尤度算出部が算出した尤度に基づいて、信号を復調する復調部とを有することを特徴とする。

本発明によれば、シングルキャリア多値変調を行う送信装置が非線形領域を用いて増幅させた信号を送信しても、精度よく信号を復調することができる。

一実施形態にかかる無線通信システムの構成例を示す図である。 比較例の送信装置が有する機能を例示する機能ブロック図である。 （ａ）は、増幅部の入出力特性を例示するグラフである。（ｂ）は、増幅部が増幅させる前の送信信号のコンスタレーションを例示する図である。（ｃ）は、増幅部が非線形領域も用いて増幅させた後の送信信号のコンスタレーションを例示する図である。 増幅部の入出力特性をより具体的に例示するグラフである。 （ａ）は、１６ＡＰＳＫにおける位相遷移対応を例示する図である。（ｂ）は、３２ＡＰＳＫにおける位相遷移対応を例示する図である。 一実施形態にかかる送信装置が有する機能を例示する機能ブロック図である。 （ａ）は、トレーニング信号生成部が生成する第１内周用の第１トレーニング信号を例示する図である。（ｂ）は、トレーニング信号生成部が生成する第２内周用の第２トレーニング信号を例示する図である。（ｃ）は、トレーニング信号生成部が生成する最外周用の第３トレーニング信号を例示する図である。 トレーニング信号生成部が生成するトレーニング信号の他の例を示す図である。 一実施形態にかかる受信装置が有する機能を例示する機能ブロック図である。 （ａ）は、等化部が初期等化した信号点を示す図である。（ｂ）は、同定部が同定した第３通信路推定値を例示する図である。（ｃ）は、補正部が補正したコンスタレーションを例示する図である。

以下に、図面を用いて無線通信システムの一実施形態を説明する。図１は、一実施形態にかかる無線通信システム１の構成例を示す図である。無線通信システム１は、例えばシングルキャリア多値変調を行う送信装置２が非線形領域を用いて増幅させた信号を送信し、当該信号を受信装置４が受信して復調するように構成されている。

また、送信装置２は、通信路情報（例えばＣＳＩ：Channel State Information）を算出するためのトレーニング信号を受信装置４に対して送信する。受信装置４は、受信したトレーニング信号を用いて通信路情報を算出し、算出した通信路情報を送信装置２に対して送信する。

なお、通信路情報は、送信装置２が既知である場合と未知である場合とがある。また、送信装置２及び受信装置４は、それぞれ送受信を行うように互いに同じ機能を備えていてもよい。

ここで、一実施形態にかかる無線通信システム１の構成の理解を助けるために、まず比較例の送信装置２ａの構成例について説明する。図２は、比較例の送信装置２ａが有する機能を例示する機能ブロック図である。

図２に示すように、比較例の送信装置２ａは、情報ビット生成部２０、変調部２１、Ｄ／Ａ変換部２２、増幅部２３、及びアンテナ２４を有する。

情報ビット生成部２０は、受信装置４に伝送すべき情報ビットを生成し、変調部２１に対して出力する。また、情報ビット生成部２０は、誤り訂正符号化機能、及びインターリーブ機能を備えていてもよい。

変調部２１は、情報ビット生成部２０が生成した情報ビットを例えばシングルキャリア多値変調方式によってデータ信号に変調し、Ｄ／Ａ変換部２２に対して出力する。変調部２１が行うシングルキャリア多値変調方式には、例えば直交振幅変調（６４ＱＡＭ、２５６ＱＡＭ）などがある。

Ｄ／Ａ変換部２２は、変調部２１がデジタル変調したデータ信号をアナログ信号に変換し、増幅部２３に対して出力する。

増幅部２３は、Ｄ／Ａ変換部２２が変換したアナログ信号を増幅させ、アンテナ２４を介して放射する。

図３は、増幅部２３の増幅特性を例示する図である。図３（ａ）は、増幅部２３の入出力特性（増幅特性）を例示するグラフである。図３（ｂ）は、増幅部２３が増幅させる前の送信信号のコンスタレーションを例示する図である。図３（ｃ）は、増幅部２３が非線形領域も用いて増幅させた後の送信信号のコンスタレーションを例示する図である。

図３（ａ）に示すように、増幅部２３は、入力に比例するように増幅させて出力する線形領域と、過大な入力に対して非線形に増幅させる非線形領域とを有する。

図３（ｂ）に示すように、増幅部２３が増幅させる前の送信信号のコンスタレーションには歪みが生じていない。また、増幅部２３が線形領域のみを用いて送信信号を増幅させた場合にも同様に、送信信号のコンスタレーションには歪みが生じない。なお、図５においては、コンスタレーションの第１内周をＡとし、第２内周をＢとし、最外周をＣとして示している。

一方、図３（ｃ）に示すように、増幅部２３が非線形領域も用いて送信信号を増幅させた場合、コンスタレーションに歪み（振幅減少）が生じる。なお、図３（ｃ）は、第１内周及び第２内周の信号点は、増幅部２３の線形領域で増幅され、最外周の信号点は増幅部２３の非線形領域で増幅された場合を示している。

図４は、増幅部２３の入出力特性をより具体的に例示するグラフである。図４において、Ａは、小さな入力電力から大きな入力電力まで線形に増幅させることができる理想的な増幅器の入出力特性である。Ｂは、増幅部２３の入出力特性を例示している。Ｃは、増幅部２３の位相遷移を示すグラフである。

図５は、従来技術における増幅部２３に対する位相遷移対応を例示する図である。図５（ａ）は、１６ＡＰＳＫ（Amplitude and Phase Shift Keying）における位相遷移対応を例示する図である。図５（ｂ）は、３２ＡＰＳＫにおける位相遷移対応を例示する図である。

図５（ａ）に示したように、従来は、２つの半径（振幅）が異なる理想信号点のＩＱ座標を含むコンスタレーション（内周Ａ１、最外周Ｂ１）では、内周Ａ１の振幅レベルに対して１つ以上の理想信号点Ｐをパイロット信号（既知信号）として伝送することにより、位相遷移を補償する。

また、図５（ｂ）に示したように、従来は、３つの半径（振幅）が異なる理想信号点のＩＱ座標を含むコンスタレーション（第１内周Ａ２、第２内周Ｂ２、最外周Ｃ２）では、第１内周Ａ２及び第２内周Ｂ２の振幅レベルそれぞれに対して１つ以上の理想信号点Ｐをパイロット信号として伝送することにより、位相遷移を補償する。

このように、従来は、コンスタレーションの振幅ごとに異なる位相特性を補償するために、半径が異なる信号点ごとに１つのパイロット信号を配置することにより、受信装置で信号点の位相遷移を補償して復調を行うことを可能にしていた。

シングルキャリア多値変調方式では、平均送信電力を許容値まで上げることにより、ＳＮＲを向上させることが見込まれる。一方、増幅部２３に対して過大な送信電力が入力されると、ピーク信号などの振幅が飽和により小さくなる。そして、線形領域のトレーニング信号（例えばＢＰＳＫ）によって推定された通信路応答で等化が行われると、ピーク信号などに検出誤りが発生する。そのため、一般的にはピーク信号に歪みが生じない十分低い送信電力（小さい振幅）で通信が行われている。

このように、従来は、信号点の振幅が増幅器の入出力特性によって遷移しても、信号点を補償することができず、精度よく復調を行うことができないことがあった。

そこで、一実施形態にかかる無線通信システム１は、送信装置２が、コンスタレーション上の振幅が異なる複数の信号点を含むようにトレーニング信号を受信装置４へ送信し、受信装置４がトレーニング信号に基づいて復調を行うことにより、精度よく復調を行うことができるように構成されている。

図６は、一実施形態にかかる送信装置２が有する機能を例示する機能ブロック図である。なお、図６に示した送信装置２において、図２に示した送信装置２ａの構成と実質的に同一の構成には同一の符号が付してある。

図６に示したように、一実施形態にかかる送信装置２は、情報ビット生成部２０、変調部２１、Ｄ／Ａ変換部２２、増幅部２３、アンテナ２４、特性データ化部２５、及びトレーニング信号生成部２６を有する。

特性データ化部２５は、増幅部２３の入出力特性をデータ化して、増幅部２３の入出力特性を示す特性情報を生成し、情報ビット生成部２０に対して出力する。

したがって、情報ビット生成部２０は、生成する情報ビットに増幅部２３の入出力特性を示す特性情報を含めることとなる。

トレーニング信号生成部２６は、コンスタレーションに応じた複数の半径（振幅）パターンのトレーニング信号を生成し、変調部２１がＤ／Ａ変換部２２に対して出力する信号にトレーニング信号を加える。

図７は、例えば図３に示したコンスタレーションに対して、トレーニング信号生成部２６が生成するトレーニング信号を例示する図である。図７（ａ）は、トレーニング信号生成部２６が生成する第１内周Ａ用の第１トレーニング信号を例示する図である。図７（ｂ）は、トレーニング信号生成部２６が生成する第２内周Ｂ用の第２トレーニング信号を例示する図である。図７（ｃ）は、トレーニング信号生成部２６が生成する最外周Ｃ用の第３トレーニング信号を例示する図である。

図７（ａ）～（ｃ）に示したように、トレーニング信号生成部２６は、例えば図３に示したコンスタレーションに対し、３通りのトレーニング信号を生成する。ここで、図７（ａ）～（ｃ）に示したトレーニング信号は、例えば増幅部２３の非線形領域における入出力特性も線形であると仮定した場合の信号点の一部である。

このように、トレーニング信号は、増幅部２３が信号を増幅させる前のコンスタレーション上で異なる振幅の数の信号点を含んでいる。

そして、図７（ａ）～（ｃ）に示した３通りのトレーニング信号は、受信装置４に対して送信され、小さな入力電力から大きな入力電力まで線形に増幅させることができる理想的な増幅器によって増幅されたとみなされる信号の算出に用いられる。

図８は、トレーニング信号生成部２６が生成するトレーニング信号の他の例を示す図である。図８に示すように、トレーニング信号生成部２６が生成するトレーニング信号は、複数の信号点を含む予め定められたコンスタレーション上の領域ごとに１つ選択された信号点を含むものでもよい。

つまり、信号点が多いコンスタレーションに対しては、複数の信号点を代表する信号点を選択することにより、トレーニング信号に含まれる信号点の数を削減することができる。

図９は、一実施形態にかかる受信装置４が有する機能を例示する機能ブロック図である。図９に示したように、一実施形態にかかる受信装置４は、増幅部４０、Ａ／Ｄ変換部４１、推定部４２、記憶部４３、等化部４４、同定部４５、補正部４６、尤度算出部４７、復調部４８、情報ビット検出部４９、及びアンテナ５０を有する。

増幅部４０は、受信装置４がアンテナ５０を介して受信したアナログ信号を増幅させ、Ａ／Ｄ変換部４１に対して出力する。

Ａ／Ｄ変換部４１は、増幅部４０が増幅させたアナログ信号をデジタル信号に変換し、推定部４２及び等化部４４に対して出力する。例えば、Ａ／Ｄ変換部４１は、送信装置２が備える増幅部２３の入出力特性を示す特性情報を含むトレーニング信号をデジタル信号に変換し、推定部４２に対して出力する。また、Ａ／Ｄ変換部４１は、受信装置４が送信装置２から伝送されるべき情報ビットに相当するデータ信号をデジタル信号に変換し、等化部４４に対して出力する。

なお、Ａ／Ｄ変換部４１がデジタル信号に変換したトレーニング信号は、送信装置２と受信装置４とが通信を開始するときに送信される。

推定部４２は、Ａ／Ｄ変換部４１から入力されたトレーニング信号に基づいて、通信路を推定する（例えば図７に示した第１通信路推定値～第３通信路推定値）。つまり、推定部４２は、送信装置２に設けられて送信する信号を増幅させる増幅部２３の非線形領域を含む入出力特性を示す特性情報に基づいて、増幅部２３の非線形領域における入出力特性も線形であると仮定した場合のトレーニング信号に含まれた信号点を推定する。

記憶部４３は、推定部４２が推定した通信路を記憶し、同定部４５からのアクセルに応じて出力する。つまり、受信装置４は、増幅部２３の入出力特性を示す特性情報を送信装置２と共有することができる。

等化部４４は、Ａ／Ｄ変換部４１から入力されたデータ信号を初期等化し、同定部４５及び補正部４６に対して出力する。

同定部４５は、記憶部４３が記憶した通信路（例えば図７に示した第１通信路推定値～第３通信路推定値）に基づいて、等化部４４が初期等化したデータ信号において補正が必要となる信号値を同定し、補正部４６に対して出力する。

補正部４６は、同定部４５が同定した信号値に基づいて、等化部４４が初期等化した信号値を補正し、補正したコンスタレーションを含む信号を尤度算出部４７に対して出力する。例えば、補正部４６は、等化部４４が初期等化した信号値に対し、非線形の入出力特性と、線形の入出力特性との比を乗算して補正を行う。

図１０は、等化部４４が初期等化した信号値を補正部４６が補正する処理過程を例示する図である。図１０（ａ）は、等化部４４が初期等化した信号点を示す図である。図１０（ｂ）は、同定部４５が同定した第３通信路推定値を例示する図である。図１０（ｃ）は、補正部４６が補正したコンスタレーションを例示する図である。

図１０に示したように、補正部４６は、増幅部２３の入出力特性によって歪んだコンスタレーション（ａ）に対し、増幅部２３の非線形領域における入出力特性も線形であると仮定した場合のトレーニング信号に含まれた信号点（ｂ）に基づいて、補正したコンスタレーション（ｃ）を尤度算出部４７へ出力する。

尤度算出部４７は、送信装置２の増幅部２３が信号を増幅させる前のコンスタレーションに対し、補正部４６が補正した信号の尤度を算出し、復調部４８に対して出力する。

復調部４８は、尤度算出部４７が算出した尤度に基づいて信号を復調し、情報ビット検出部４９に対して出力する。

情報ビット検出部４９は、復調部４８が復調した信号から情報ビットを検出する。したがって、一実施形態にかかる受信装置４は、等化部４４が初期等化した信号を補正して、尤度算出部４７が算出した尤度に基づいて信号を復調するので、シングルキャリア多値変調を行う送信装置２が非線形領域を用いて増幅させた信号を送信しても、精度よく信号を復調することができる。

このように、受信装置４は、各信号点間のユークリッド距離が狭まる前の非歪みコンスタレーションに基づいた尤度計算を行うことができ、精度よく信号を復調することができる。

なお、上述した実施形態における送信装置２及び受信装置４を構成する各部は、一部又は全部が、ハードウェアによって構成されてもよいし、プログラムをプロセッサに実行させることによって構成されてもよい。

また、送信装置２及び受信装置４を構成する各部は、一部又は全部がプログラムをプロセッサに実行させることによって構成されている場合、当該プログラムが記録媒体に記録されて供給されてもよいし、ネットワークを介して供給されてもよい。

１・・・無線通信システム、２，２ａ・・・送信装置、４・・・受信装置、２０・・・情報ビット生成部、２１・・・変調部、２２・・・Ｄ／Ａ変換部、２３・・・増幅部、２４・・・アンテナ、２５・・・特性データ化部、２６・・・トレーニング信号生成部、４０・・・増幅部、４１・・・Ａ／Ｄ変換部、４２・・・推定部、４３・・・記憶部、４４・・・等化部、４５・・・同定部、４６・・・補正部、４７・・・尤度算出部、４８・・・復調部、４９・・・情報ビット検出部、５０・・・アンテナ

Claims (8)

1. シングルキャリア多値変調を行う送信装置が送信するトレーニング信号に基づいて受信装置が信号を復調する無線通信システムにおいて、
   前記送信装置は、
   コンスタレーション上の振幅が異なる複数の信号点を含むように前記トレーニング信号を前記受信装置へ送信し、
   前記受信装置は、
   前記送信装置に設けられて送信する信号を増幅させる増幅部の非線形領域を含む入出力特性を示す特性情報に基づいて、前記増幅部の非線形領域における入出力特性も線形であると仮定した場合の前記トレーニング信号に含まれた信号点を推定する推定部と、
   受信した信号を初期等化する等化部と、
   前記推定部が推定した信号点に基づいて、非線形の入出力特性と、線形の入出力特性との比を乗算することにより、前記等化部が初期等化した信号を補正する補正部と、
   前記増幅部が信号を増幅させる前のコンスタレーションに対し、前記補正部が補正した信号の尤度を算出する尤度算出部と、
   前記尤度算出部が算出した尤度に基づいて、信号を復調する復調部と
   を有することを特徴とする無線通信システム。
2. 前記受信装置は、
   前記特性情報を前記送信装置から受信すること
   を特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
3. 前記トレーニング信号は、
   前記増幅部が信号を増幅させる前のコンスタレーション上で異なる振幅の数の信号点を含むこと
   を特徴とする請求項１又は２に記載の無線通信システム。
4. 前記トレーニング信号は、
   複数の信号点を含む予め定められたコンスタレーション上の領域ごとに１つ選択された信号点を含むこと
   を特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の無線通信システム。
5. シングルキャリア多値変調を行う送信装置が送信するトレーニング信号に基づいて受信装置が信号を復調する無線通信方法において、
   前記送信装置が、コンスタレーション上の振幅が異なる複数の信号点を含むように前記トレーニング信号を前記受信装置へ送信する送信工程と、
   前記受信装置が、前記送信装置に設けられて送信する信号を増幅させる増幅部の非線形領域を含む入出力特性を示す特性情報に基づいて、前記増幅部の非線形領域における入出力特性も線形であると仮定した場合の前記トレーニング信号に含まれた信号点を推定する推定工程と、
   前記受信装置が、受信した信号を初期等化する等化工程と、
   前記受信装置が、前記推定工程により推定した信号点に基づいて、非線形の入出力特性と、線形の入出力特性との比を乗算することにより、前記等化工程により初期等化した信号を補正する補正工程と、
   前記受信装置が、前記増幅部が信号を増幅させる前のコンスタレーションに対し、前記補正工程により補正した信号の尤度を算出する尤度算出工程と、
   前記受信装置が、前記尤度算出工程により算出した尤度に基づいて、信号を復調する復調工程と
   を含むことを特徴とする無線通信方法。
6. シングルキャリア多値変調を行う送信装置が送信するトレーニング信号に基づいて信号を復調する受信装置において、
   前記送信装置に設けられて送信する信号を増幅させる増幅部の非線形領域を含む入出力特性を示す特性情報に基づいて、前記増幅部の非線形領域における入出力特性も線形であると仮定して、コンスタレーション上の振幅が異なる複数の信号点を含むように前記送信装置が送信した前記トレーニング信号に含まれた信号点を推定する推定部と、
   受信した信号を初期等化する等化部と、
   前記推定部が推定した信号点に基づいて、非線形の入出力特性と、線形の入出力特性との比を乗算することにより、前記等化部が初期等化した信号を補正する補正部と、
   前記増幅部が信号を増幅させる前のコンスタレーションに対し、前記補正部が補正した信号の尤度を算出する尤度算出部と、
   前記尤度算出部が算出した尤度に基づいて、信号を復調する復調部と
   を有することを特徴とする受信装置。
7. 前記推定部は、
   前記送信装置が送信した前記特性情報に基づいて信号点を推定すること
   を特徴とする請求項６に記載の受信装置。
8. 前記トレーニング信号は、
   前記増幅部が信号を増幅させる前のコンスタレーション上で異なる振幅の数の信号点を含むこと
   を特徴とする請求項６又は７に記載の受信装置。

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