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JP2016178364A - 送信機、無線通信システム、送信機の制御方法、プログラム - Google Patents

送信機、無線通信システム、送信機の制御方法、プログラム Download PDF

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JP2016178364A JP2015054881A JP2015054881A JP2016178364A JP 2016178364 A JP2016178364 A JP 2016178364A JP 2015054881 A JP2015054881 A JP 2015054881A JP 2015054881 A JP2015054881 A JP 2015054881A JP 2016178364 A JP2016178364 A JP 2016178364A
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智昭 保高
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智昭 保高
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Abstract

【課題】OFDM方式において、ピーク対平均電力比を効果的に低減する仕組みを提供する
【解決手段】
送信機は、第1の周波数帯域において送信されるOFDM信号を生成する第1の生成部と、該第1の周波数帯域とは異なる第2の周波数帯域のキャリアを用いて送信される、該OFDM信号のピークを低減するためのキャンセル信号を生成する第2の生成部と、該OFDM信号と、該第2の生成部にて生成されたキャンセル信号とを加算し、加算後の信号を出力する加算部と、該加算部にて該出力される信号に逆フーリエ変換を行う逆フーリエ変換部を含む。
【選択図】 図9

Description

本開示は、送信機、無線通信システム、送信機の制御方法、プログラムに関する。
テレビ放送等の無線方式に用いられるOFDM(直交周波数分割多重)信号は、平均出力レベルに対して最大振幅が大きくなるという特性がある。すなわち、ピーク電力対平均電力比(PAPR:Peak to Average Power Ratio)が大きくなる。平均出力レベルに対する最大振幅の大きい信号を扱う信号増幅器は、そのダイナミックレンジを広くとる必要があるため、増幅器の電力効率が悪くなる。
そのため、増幅器の電力効率を上げるために、送信信号に関して一定以上のピークをクリップする必要がある。しかし、単純にクリップを行った場合、波形がひずんでしまうため、クリップ処理を行わなかった場合と比べ信号が劣化してしまう。
特許文献1には、このようなピークを低減させる技術として、Tone Reservationという技術がある。
特許文献2の技術の目的は、OFDM方式の通信において、PAPRを低減する処理を簡易化することにある。具体的には、通信機のIFFT部がIFFT(Inverse Fast Fourier Transform)を行って逆変換データを生成する。選択部が逆変換データに基づくベースバンド信号のPAPRを算出し、PAPRが最も低い逆変換データを選択する。送信部は、逆変換データを合成してベースバンド信号を生成し、選択された逆変換データを生成する際に行った演算を特定するデータおよび該ベースバンド信号から送信信号を生成して、他の機器に送信信号を送信する。
特許文献3は、PAPRを低減するシステムを開示している。バンドパスフィルタにて帯域外スペクトル成分が除去された信号は、所望のRFキャリア周波数にアップコンバートされ、増幅される。すなわち、増幅前にバンドパスフィルタによるフィルタリングが行われる。
なお、特許文献4の技術は、低SNR域での推定精度を向上させる伝搬路推定に関する。特許文献4には、送信時にパイロットシンボルの信号帯域の両端に付加する補助パイロットサブキャリアの電力を低減する送信機を開示している。これに対して、受信機は、仮想サブキャリアを挿入して時間窓法を使用する伝搬路推定方法を行う。
非特許文献1には、PAPRの低減手法として選択マッピング方式が開示されている。選択マッピング方式において、送信データに一定の法則を持つ信号を、掛け合わせて生成された複数の時系列信号の中からPAPR値が低い信号が選択される。
特開2012−509645公報 特開2014−204252公報 特表2009−517890公報 特開2009−055430公報
IEEE Electronics Letters, Vol.32, Issue22, pp.2056-2057
しかし、例えば、特許文献1のTone Reservation手法では、データが送信される有効周波数帯域内に、ピークキャンセルを行うためのトーンキャリアを用意する必要がある。このため、トーンキャリアの分だけ伝送できるデータ量が少なくなる。
なお、特許文献2または3のPAPRを低減する技術は、ピークキャンセルを行うためにキャリアを挿入する方法とは全く異なる構成である。また、特許文献4の技術は、パイロットサブキャリアに変更を加えるものである。この変更は低SNR域での推定精度の向上を目的としているため、送信側だけでなく受信側において仮想サブキャリアを挿入して時間窓法を使用する構成を必要としている。
そこで、例示的な実施形態の目的の1つは、OFDM方式において、ピーク対平均電力比を効果的に低減する仕組みを提供する事にある。なお、この目的は、本明細書に開示される実施形態が達成しようとする複数の目的の1つに過ぎないことに留意されるべきである。その他の目的又は課題と新規な特徴は、本明細書の記述又は添付図面から明らかにされる。
例示的な実施形態の送信機は、第1の周波数帯域において送信されるOFDM信号を生成する第1の生成部と、前記第1の周波数帯域とは異なる第2の周波数帯域のキャリアを用いて送信される、前記OFDM信号のピークを低減するためのキャンセル信号を生成する第2の生成部と、前記OFDM信号と、前記第2の生成部にて生成されたキャンセル信号とを加算し、加算後の信号を出力する加算部と、前記加算部にて前記出力される信号に逆フーリエ変換を行う逆フーリエ変換部を含む。
他の例示的な実施形態の無線通信システムは、送信機と受信機とを含む。前記送信機は、第1の周波数帯域において送信されるOFDM信号を生成し、前記第1の周波数帯域とは異なる第2の周波数帯域のキャリアを用いて送信される、前記OFDM信号のピークを低減するためのキャンセル信号を生成し、前記OFDM信号と、前記生成されたキャンセル信号とを加算し、加算後の信号を出力し、前記加算後の信号に逆フーリエ変換を行い、前記逆フーリエ変換に基づくOFDM信号を、受信機に送信する。前記受信機は、前記OFDM信号を受信する。
他の例示的な実施形態の送信機の制御方法は、第1の周波数帯域において送信されるOFDM信号を生成し、前記第1の周波数帯域とは異なる第2の周波数帯域のキャリアを用いて送信される、前記OFDM信号のピークを低減するためのキャンセル信号を生成し、前記OFDM信号と、前記生成されたキャンセル信号とを加算し、加算後の信号を出力し、前記加算後の信号に逆フーリエ変換を行う。
他の例示的な実施形態におけるプログラムは、第1の周波数帯域において送信されるOFDM信号を生成し、前記第1の周波数帯域とは異なる第2の周波数帯域のキャリアを用いて送信される、前記OFDM信号のピークを低減するためのキャンセル信号を生成し、前記OFDM信号と、前記生成されたキャンセル信号とを加算し、加算後の信号を出力し、前記加算後の信号に逆フーリエ変換を行う送信機の制御方法をコンピュータに実行させる。
例示的な実施形態によれば、OFDM方式において、ピーク対平均電力比を効果的に低減できる。
例示的な実施形態に関連するトーンリザベーション回路の構成を示す。 例示的な実施形態に関連する選択マッピング方式に関する構成を示す。 第1の例示的な実施形態の送信機を示す。 第1の例示的な実施形態の信号aの周波数軸波形を示す。 第1の例示的な実施形態の信号nの周波数軸波形を示す。 第1の例示的な実施形態の信号Snの周波数軸波形を示す。 第1の例示的な実施形態の信号aと信号Snを足し合わせた状態の周波数軸波形を示す。 第2の例示的な実施形態の送信機を示す。 第3の例示的な実施形態の送信機を示す。 第4の例示的な実施形態の無線通信システムを示す。
以下では、具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図面において、同一又は対応する要素には同一の符号が付されており、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明は省略される。
以下に説明される複数の実施形態は、独立に実施されることもできるし、適宜組み合わせて実施されることもできる。これら複数の実施形態は、互いに異なる新規な特徴を有している。したがって、これら複数の実施形態は、互いに異なる目的又は課題を解決することに寄与し、互いに異なる効果を奏することに寄与する。
<はじめに>
図1は、例示的な実施形態に関連するトーンリザベーション回路の構成を示す。
図1において、入力されたOFDM変調信号を周波数変換部11おいてIFFT処理した時間軸波形に対して、ピーク検出部14はピークを検出する。
キャンセルレベル算出部15は、検出されたピークのレベルが閾値に対してどれだけ高いか(=キャンセルレベルの値)を算出する。
波形シフト量算出部16は、検出されたピークの位置を基に、検出されたピークにキャンセル波形のピークを合わせるためのシフト量を算出する。
信号シフト部17は、キャンセルベース信号を周波数変換部19でIFFT処理して作成された時間軸波形を入力とし、波形シフト量算出部16の算出結果を用いて、周波数変換部19の出力波形のピークの位置をOFDM変調信号の時間波形のピークの位置へあわせる。この際、波形は巡回的にシフトされる。
信号シフト部17の出力とキャンセルレベル算出部15の出力との複素乗算が乗算器18にて行われる。
加算器13において、乗算器18の出力を、元のOFDM変調信号の時間波形をピーク検出部14から乗算器18までの処理分だけ遅延させるメモリ12の出力と加算することでピークを低減する。
図2は、例示的な実施形態に関連する選択マッピング方式に関する構成を示す。
図2によれば、乗算器において、送信データが送信される有効周波数内の送信キャリアに、固定の疑似ランダム信号が重畳(掛け合わ)される。複数の乗算器からの出力をIFFTし、IFFTの処理がされた信号の中から、PAPRの値が低い信号を選択する。
<第1の例示的な実施形態>
図3は、第1の例示的な実施形態の送信機を示す。
図3において、本実施形態の送信機は、符号化部31と、インターリーバ部32と、QAM(Quadrature Amplitude Modulation)マッピング部33と、S/P(シリアル/パラレル)変換部34と、少なくとも一つのIFFT部35と、選択部36と、CP(サイクリックプレフィックス)部37と、帯域外キャリア用ランダム信号生成部40と、スペクトラムマスク制限部41と、少なくとも一つの加算部42とを含む。
入力される送信データに対して、符号化部31、インターリーバ部32、QAMマッピング部33、S/P変換部34、加算部42、IFFT部35、選択部36、CP部37にて各種処理が行われる。
また、加算部42に加算される信号は、帯域外キャリア用ランダム信号生成部40及びスペクトラムマスク制限部41における処理に基づき、生成される。
符号化部31は、入力された送信データを符号化する。
インターリーバ部32は、符号化されたデータ信号に対して、インタリーブ(ビットの並べ替え)処理を行う。
QAMマッピング部33は、インタリーブがなされたデータ信号を、サブキャリアの位相と振幅で決まる信号点にマッピング(対応づけ)を行う。例えば、位相変調と振幅変調とを組み合わせてより多くの情報を1つのシンボルで伝送するQAMに基づくマッピングが行われる。
S/P変換部34は、マッピングがなされたデータ信号を、パラレル変換し出力する。ここでは、S/P変換部34は、複数の加算部42に対して、マッピングされたデータ信号を出力する。図3において、S/P変換部34から出力されたデータ信号(周波数領域のOFDM信号)は、記号「a」として示される。この信号「a」の一例が、図4に示される。図4において、OFDM信号が送信される帯域に含まれるキャリア数は、送信規格により予め決定されているものとする。
帯域外キャリア用ランダム信号生成部40(以下、生成部40ともいう)は、OFDM信号(送信データ)が送信される周波数帯域以外のキャリア用のランダム信号を生成する。
具体的には、生成部40は、帯域外部分にランダムで作成したキャリアを配置したデータを作成する。この作成されたデータは、図3において、記号「n(i)」で示される。また、図5には、このデータの一例が、簡略化された周波数軸波形の形で示される。例えば、本実施形態のように、PAPR低減のために選択マッピング方式が用いられる場合、データnは用意したIFFT回路分用意する。図3において、IFFT回路はm個用意されているため、信号nは、m個出力される。
スペクトラムマスク制限部41は、生成部40にて作成されたデータnに対して、帯域外スプリアス制限にかからないよう制限をかけた信号Snを作成する。この処理により、データnに対して、必要周波数帯外における周波数の電波の発射に関するレベルが、所定値より小さく抑えられる。図6には、この信号Snの一例が、簡略化された周波数軸波形の形で示される。このように、本実施形態において、送信規格において定められたスペクトラムマスクを制限条件として加え、PAPRを低減するための信号(データ)を生成している。
加算部42は、S/P変換部34の出力信号と、スペクトラムマスク制限部41の出力信号とを加算する。具体的には、データ信号aと、信号Snとを加算することによって、信号「a’」を作成する。複数の信号aまたは信号Snが存在する場合は、其々に対応する加算部にて同様の処理が行われる。
なお、図7には、この信号Snの一例が、簡略化された周波数軸波形の形で示される。図7において、左から6番目のキャリアと、右側から6番目のキャリアの振幅がゼロ(実質的にゼロを含む)になるような具体例を示した。これは、図4の送信キャリアと、加算したキャリアとの間を空けることで、受信機が、加算されたキャリアを容易に認識することができる。
なお、図3において、Sn(1)からSn(m)が図示されている。これらの値は、帯域外キャリア用ランダム信号生成部40によって生成されたランダム信号に基づいている。
なお、図2において、送信キャリアを含めてランダム信号を重畳するために、S/P変換部の出力信号と固定疑似ランダム信号の出力信号とを重畳する乗算器が示された。一方、図3では、送信キャリアとは異なるキャリアにランダム信号から生成したキャリアを加算するため、加算部42が示される。
IFFT部35は、加算部42の加算後の周波数領域のOFDM信号に対して、高速逆フーリエ変換を行い、時間領域のOFDM信号を生成する。
選択部36は、IFFT部35から入力した複数のOFDM信号の中から、もっともピークの少ない系を選択する。選択されたOFDM信号は、CP部37に出力される。
CP部37は、選択部36から選択されたOFDM信号を入力する。CP部37は、入力したOFDM信号に、ガードインターバル(GI)を挿入する。
CP部37から出力された信号に所定の処理が施され、送信機から受信器に対して、OFDM変調信号が送信される。受信機は、送信機とは逆の処理を行い、元のデータを取り出す(復調)処理を行う。
本実施形態によれば、OFDM信号が送信される周波数帯域以外のキャリアを用いることによって、実際の送信帯域のキャリアを使用することなくPAPRを行うことが可能となる。すなわち、送信帯域のキャリアを減らすことによって、送信される有効データが減らされることを防ぐことができる。
また、OFDM信号を時間波形にした際のピークを落とすためのピークキャンセル目的のキャリアが用いられる。このキャリアは、例えば、パイロットキャリアのように受信側で用いられない。また、このキャリアはデータ伝送にも用いられない。このため、受信機側の追加の回路等の構成を新たに設ける必要がなく、OFDM信号のピークを低減できる。
例えば、送信データの周波数帯域が定められている等の仕様(規格)に基づく無線通信システムを構成する送信機及び受信機において、当該仕様の変更を行わず、容易に送信信号のピーク低減が実現できる。
つまり、仕様の変更または受信側の変更を行わずにピーク低減が実現することにより、送信機の電力効率を向上させることができる。
上述のとおり、作成した帯域外キャリアの値が異なる複数のデータを生成し、生成された複数のデータに対してIFFTが実施される。この結果、もっともPAPRの低いデータを送信波形として用いることができる。
<第2の例示的な実施形態>
第1の例示的な実施形態は、選択式マッピング法を用いた例が示された。例示的な実施形態では、他のピーク低減手法が用いられてもよい。例えば、Tone Reservationやその他のPAPR低減手法が用いられてもよい。
図8は、第2の例示的な実施形態の送信機の一部を示す。
本実施形態において、IFFT部50によって生成されたOFDM信号に基づく信号を入力する増幅器51の後段に、フィルタ52を設ける。フィルタ52は、例えば、バンドパスフィルタ(BPF)で構成される。フィルタ52は、上述したスペクトラムマスク制限部41のようにスペクトラムマスクを満足する。なお、本実施形態では、例示的な第1の実施形態におけるスペクトラムマスク制限部41の代わりに、フィルタ52が用いられる。
<第3の例示的な実施形態>
図9は、第3の例示的な実施形態の送信機を示す。
図9の送信機は、第1の生成部101、第2の生成部102、加算部103、逆フーリエ変換部104を有する。
第1の生成部101は、第1の周波数帯域において送信されるOFDM信号を生成する。
第2の生成部102は、第1の周波数帯域とは異なる第2の周波数帯域のキャリアを用いて送信される、OFDM信号のピークを低減するためのキャンセル信号を生成する。
加算部103は、OFDM信号と、第2の生成部にて生成されたキャンセル信号とを加算し、加算後の信号を出力する。
逆フーリエ変換部104は、加算部にて出力される信号に逆フーリエ変換を行う。逆フーリエ変換部104は、逆フーリエ変換された信号を出力する。
本実施形態によれば、OFDM方式において、ピーク対平均電力比を効果的に低減できる。
<第4の例示的な実施形態>
図10は、第4の例示的な実施形態の無線通信システムを示す。
図10において、本実施形態の無線通信システムは、送信機200と、受信機300とを含む。
本実施形態の送信機200は、図9に示す第3の例示的な実施形態の送信機に相当する。送信機は、逆フーリエ変換に基づくOFDM信号を、受信機に送信する。受信機は、このOFDM信号を受信する。
本実施形態によれば、OFDM方式において、ピーク対平均電力比を効果的に低減できる。
<他の例示的な実施形態>
上述した例示的な実施形態は、テレビ送信機などに用いられるOFDM信号時間軸波形(IFFTの後の波形)のピークを低減させるための手法に用いることができる。
また、上述の処理内容を手順として記述したコンピュータプログラム(以下、プログラムと称する)を、送信機を構成する要素のそれぞれにて読取可能な記録媒体に記録し、この記録媒体に記録されたプログラムが送信機の各構成要素それぞれに読み込まれ、実行されるものであっても良い。
この記録媒体に記録されたプログラムは、送信機の各構成要素それぞれに設けられたCentral Processing Unit (CPU)にて読み込まれ、CPUの制御によって、上述したものと同様の処理が行われる。ここで、CPUは、プログラムが記録された記録媒体から読み込まれたプログラムを実行するコンピュータとして動作するものである。
上述の例において、プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体(non-transitory computer readable medium)を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体(tangible storage medium)を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体(例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ)、光磁気記録媒体(例えば光磁気ディスク)、CD(Compact Disc)−ROM(Read Only Memory)、CD−R(Recordable)、CD−R/W(ReWritable)、Digital Versatile Disk (DVD)、半導体メモリ(例えば、マスクROM、PROM(Programmable ROM)、EPROM(Erasable PROM)、フラッシュROM、RAM(Random Access Memory))を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体(transitory computer readable medium)によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。
周波数変換部 11
メモリ 12
加算器 13
ピーク検出部 14
キャンセルレベル算出部 15
波形シフト量算出部 16
信号シフト部 17
乗算部 18
周波数変換部 19
符号化部 31
インターリーバ部 32
QAMマッピング部 33
S/P変換部 34
IFFT部 35
選択部 36
CP部 37
帯域外キャリア用ランダム信号生成部 40
スペクトラムマスク制限部 41
加算部 42
IFFT部 50
増幅器 51
フィルタ 52
第1の生成部 101
第2の生成部 102
加算部 103
逆フーリエ変換部 104
送信機 200
受信機 300

Claims (9)

  1. 第1の周波数帯域において送信されるOFDM信号を生成する第1の生成部と、
    前記第1の周波数帯域とは異なる第2の周波数帯域のキャリアを用いて送信される、前記OFDM信号のピークを低減するためのキャンセル信号を生成する第2の生成部と、
    前記OFDM信号と、前記第2の生成部にて生成されたキャンセル信号とを加算し、加算後の信号を出力する加算部と、
    前記加算部にて前記出力される信号に逆フーリエ変換を行う逆フーリエ変換部と、を含む、
    送信機。
  2. 前記キャンセル信号は、
    スペクトラムマスクにより制限される所定の値に基づき、生成される、
    請求項1記載の送信機。
  3. 複数の前記加算部と、
    複数の前記逆フーリエ変換部と、
    選択部とを有し、
    前記第2の生成部は、
    複数の前記キャンセル信号を生成し、
    前記複数の加算部の其々に、前記キャンセル信号を出力する、
    前記複数の加算部の其々は、
    入力する前記キャンセル信号を、前記OFDM信号に加算し、加算後の信号を、前記複数の逆フーリエ変換部の其々に、出力する、
    前記逆フーリエ変換部は、
    前記加算部にて前記出力される信号に逆フーリエ変換を行い、前記逆フーリエ変換された信号を、選択部に出力する、
    前記選択部は、
    前記複数の逆フーリエ変換部から、前記逆フーリエ変換された信号を複数入力し、
    前記入力された複数の信号の中から、最もピークの少ない信号を選択する、
    請求項1または2記載の送信機。
  4. 前記逆フーリエ変換された信号を増幅する増幅器と、
    前記増幅器にて増幅された信号に対して、スペクトラムマスクにより制限された所定の値を考慮した、周波数帯域の制限を行うバンドパスフィルタと、
    を有する、
    請求項1または3に記載の送信機
  5. 前記キャンセル信号のキャリアは、前記第1の周波数帯域のキャリアによって生じたピーク波形を減衰させるために、用いられる
    請求項1乃至4の何れか一項に記載の送信機。
  6. 前記キャンセル信号のキャリアは、前記送信機から送信されるOFDM変調信号を受信する受信機にて、用いられない、
    請求項1乃至5の何れか一項に記載の送信機。
  7. 送信機と受信機とを含む無線通信システムであって、
    前記送信機は、
    第1の周波数帯域において送信されるOFDM信号を生成し、
    前記第1の周波数帯域とは異なる第2の周波数帯域のキャリアを用いて送信される、前記OFDM信号のピークを低減するためのキャンセル信号を生成し、
    前記OFDM信号と、前記生成されたキャンセル信号とを加算し、
    加算後の信号を出力し、
    前記加算後の信号に逆フーリエ変換を行う、
    前記逆フーリエ変換に基づくOFDM信号を、受信機に送信し、
    前記受信機は、
    前記OFDM信号を受信する、
    無線通信システム。
  8. 送信機の制御方法であって、
    第1の周波数帯域において送信されるOFDM信号を生成し、
    前記第1の周波数帯域とは異なる第2の周波数帯域のキャリアを用いて送信される、前記OFDM信号のピークを低減するためのキャンセル信号を生成し、
    前記OFDM信号と、前記生成されたキャンセル信号とを加算し、
    加算後の信号を出力し、
    前記加算後の信号に逆フーリエ変換を行う、
    送信機の制御方法。
  9. 送信機の制御方法をコンピュータに実行させるプログラムであって、
    第1の周波数帯域において送信されるOFDM信号を生成し、
    前記第1の周波数帯域とは異なる第2の周波数帯域のキャリアを用いて送信される、前記OFDM信号のピークを低減するためのキャンセル信号を生成し、
    前記OFDM信号と、前記生成されたキャンセル信号とを加算し、
    加算後の信号を出力し、
    前記加算後の信号に逆フーリエ変換を行うプロセスをコンピュータに実行させるプログラム。
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