JP2012124852A

JP2012124852A - Ｗｐｍａ伝送方式

Info

Publication number: JP2012124852A
Application number: JP2010276136A
Authority: JP
Inventors: Eiji Okamoto; 英二岡本; Yasunori Iwanami; 保則岩波; Masaya Fukushima; 政也福島; Shota Uemura; 将太植村
Original assignee: Nagoya Institute of Technology NUC
Current assignee: Nagoya Institute of Technology NUC
Priority date: 2010-12-10
Filing date: 2010-12-10
Publication date: 2012-06-28

Abstract

【課題】ディジタル移動体無線通信の上りリンクにおいて、優れたBER特性、PAPR特性が共に得られるユーザリソースの割り当てを行う。
【解決手段】時間、周波数分解能を持つウェーヴレット変調をユーザ多重化したWPMA(Wavelet Packet Multiple Access)伝送方式において、送信側のユーザリソース割り当てアルゴリズム（ブロック１２）で、ウェーヴレット各スペクトルにおける受信電力の総和をユーザごとに計算し、その和が最大のユーザに対応するウェーヴレットを割り当てる。
【選択図】図1

Description

本発明は、時間、周波数分解能を持つウェーヴレット変調 (Wavelet Packet Modulation,以下WPM) をユーザ多重化したWPMA(Wavelet Packet Multiple Access)伝送方式に関し、特にウェーヴレットパケットを用いてユーザリソースの割り当てを行うものに関する。

従来手法としてOFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)方式がある（非特許文献１参照）。この手法は理想的な周波数帯域制限による周波数の有効利用、周波数領域における低演算量でのマルチパスフェージングの干渉除去が可能である。また、WPMA伝送方式として非特許文献２に記載のものがある。

S. Pietrzyk, "OFDMA for Broadband Wireless Access, " Artech House, 2006. 榊原進," ウェーヴレットビギナーズガイド" 東京電機大学出版局,1995

これらの伝送方式において、移動端末から基地局へ向けた上りリンクでは、端末のコスト削減の指標の一つである瞬時電力対平均電力比(Peak to Average Power Ratio,以下PAPR)特性と、ビット誤り率(Bit Error Rate, 以下BER)特性の両立が求められる。

本発明は、ディジタル移動体無線通信の上りリンクにおいて、優れたBER特性、PAPR特性が共に得られるユーザリソースの割り当てを行うことを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、時間、周波数分解能を持つウェーヴレット変調をユーザ多重化したWPMA(Wavelet Packet Multiple Access)伝送方式において、ウェーヴレット各スペクトルにおける受信電力の総和をユーザごとに計算し、その和が最大のユーザに対応するウェーヴレットを割り当てて多元接続を実現することを特徴とする。
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のWPMA伝送方式において、時間幅が狭いほど周波数幅が広く、時間幅が広いほど周波数幅が狭いという性質を持つMSM(Multi Scale Modulation)型フレーム構成を用いることを特徴とする。
請求項３に記載の発明では、請求項１又は２に記載のWPMA伝送方式において、上りリンクにおいて送信周波数領域等化を行うことを特徴とする。

本発明の一実施形態におけるWPMA伝送方式のシステム構成を示すブロック図である。 WPMA伝送方式のフレーム構成（ａ）と、再構成の様子（ｂ）を示す図である。ユーザ数3のときの各ユーザのフェージング特性の例を示す図である。 WPMA伝送方式において各セルのみに信号が入力されたときの電力スペクトルを示す図である。 WPMA伝送方式のユーザ割り当て手法における提案アルゴリズムのフローチャートを示す図である。マルチパス通信路モデルの概略を示すモデル図である。シミュレーションの結果を示す図で、E_b/N₀=0~20[dB]の場合のBER特性を示している。シミュレーションの結果を示す図で、PAPR特性を示している。

本実施形態では、時間、周波数分解能を持つウェーヴレット変調WPMをユーザ多重化したWPMAに対して、WPMAの電力スペクトルとユーザチャネル情報から情報を割り当てるユーザを選択するという割り当て手法における新しいアルゴリズムを提案する。また、本実施形態では、情報送信の際に送信等化というプレコーディングを行うことにより、通信路におけるフェージングの影響を削減する。その結果、本実施形態によれば、優れたPAPR、BER特性を実現することができる。

以下、本実施形態を図面に基づいて具体的に説明する。まず、本実施形態におけるWPMA伝送方式のシステムの構成を説明し、続いて伝送特性を、雑音環境やマルチパスフェージング環境における誤り率特性のシミュレーション結果を用いて説明する。

まず、WPMAシステムモデルについて説明する。そのブロック図を図１に示す。送信機側では、MSM(Multi Scale Modulation, 以下MSM)型フレーム構成に対してQPSK(Quadrature Phase Shift Keying)信号を割り当てる（ブロック１１）。そのフレーム構成を図２（ａ）に示す。このフレーム構成は、時間幅が狭いほど周波数幅が広く、時間幅が広いほど周波数幅が狭いという性質を持っており、信号を反映したフレーム構成である。整数j、kをそれぞれ周波数、時間方向のシンボル番号とし、ある任意の関数f (x)の離散ウェーヴレット変換DWT(Discrete Wavelet Transform)をd_k ^(j)とするとd_k ^(j)は次のように定義される。

ここで、ψ(x)はHaar Waveletの関数であり、次のように定義される。

割り当てられたQPSK信号は、ブロック１３のIDWT(Inversed Discrete Wavelet Transform)により再構成することにより変調する。再構成アルゴリズムは次式で表される。また図２（ｂ）に再構成の様子を示す。

その後、送信等化処理（ブロック１４）を行う。高速フーリエ変換(Fast Fourier Transform, FFT, 以下FFT)を行い、送信等化重みを加え逆高速フーリエ変換IFFT(Inverse Fast Fourier Transform, IFFT, 以下IFFT)により時間信号に戻した後、GI(Guard Interval)を加え（ブロック１５）、信号を送信する。受信機側ではGIを取り除き（ブロック１６）、自らに割り当てられたサブキャリアを選択し分解アルゴリズム（ブロック１７）により復調され、元の時間周波数成分に分けられる。分解アルゴリズムは次式で表される。

そして、フレーム構成を既知とすることで、QPSKデマッピング（ブロック１８）を行い情報が得られる。

次に、図１に示すユーザリソース割り当てアルゴリズム（ブロック１２）について詳細に説明する。本発明は上りリンクシステムを対象とする。マルチユーザシステムでは端末ごとに通信路が違うため、マルチパスによる周波数選択性レイリーフェージングの影響がそれぞれ異なる。Tをシンボル長、Nをサブキャリア数として、図３にN=16、ユーザ数3、8パス1dB減衰準静的離散レイリーフェージングの各ユーザ特性の例を示す。図３において離散周波数間隔Δf =1 / Tにより離散化されている。

OFDMA方式では、フェージングの周波数領域において受信信号レベルの高いユーザを選択することによりユーザ割り当てを行うが、WPMA方式では時間分解能を持つため図３のサブキャリアにユーザと1対1で対応させることができない。

そこでWPMA方式では離散電力スペクトルに注目する。図２（ａ）に示したMSM型フレーム構成において、図中の各セルのみにQPSK信号が入力され離散フーリエ変換を行ったときの離散電力スペクトルを図４に示す。cell 1〜16はそれぞれ図２（ａ）中のc₀ ^(-4) ~ d₇ ^(-1)に順に対応している。この離散電力スペクトルにおいて、例えばcell 1に信号を割り当てたならば、その情報は0[Hz]の周波数にほぼ集中していると分かる（符号４１参照）。

ここで、各ユーザのフェージングの周波数スペクトルである図３と合わせて考えると、0[Hz]の周波数においてフェージングの受信信号レベルの高いユーザにサブキャリアを割り当てることで、品質の高い伝送を行えることが期待できる。

このような割り当て手法をすべてのセルに対して同様に行う。その割り当て手法における提案アルゴリズムのフローチャートを図５に示す。サブキャリア数をN、全ユーザ数をM、離散周波数間隔をΔfとし、cell kの離散電力スペクトルをC_k( f )、ユーザjの離散フェージング特性をU_j( f )としてアルゴリズムを説明する。ユーザjの離散フェージング特性は受信側からのフィードバックにより得られる。

まず、初期値としてk =1とする（ステップ５１）。その後、j =1〜Mとjを全ユーザ数分変化させ、それぞれについて次式のA_{k , j}を算出する（ステップ５３）。

そして最もA_{k , j}の大きかったユーザjに注目し、そのユーザにcell kにおけるサブキャリアを割り当てる（ステップ５４）。つまり、ウェーヴレット各スペクトルにおける受信電力の総和をユーザごとに計算し、その和が最大のユーザに対応するウェーヴレットを割り当てる。

最後に、k < Nならばk=k+1としてアルゴリズムを繰り返し、kがサブキャリア数Nに達したら（ステップ５２：Ｙｅｓ）、アルゴリズムを終了する。

次に、本発明の送信等化手法について説明する。上りリンクにおいて、OFDMA方式では周波数間で完全に信号を分離できるため、フェージング除去の操作である周波数領域等化FDE(Frequency Domain Equalization)を受信側で行うことが可能である。

一方、WPMAの上りリンクではある周波数は複数のユーザで共有させるが、各ユーザの送信信号が異なるフェージング信号を受け、受信側において周波数間で完全には分離できない。そのため受信側でFDEを行ったとしても、ユーザ間の直交性が部分的にしか再生されず大きなユーザ間干渉が生じてしまう。

これが生じるのは、チャネルの伝達関数が平坦でなく周波数選択性であるためである。そこで等価的にチャネルの伝達関数を平坦にする送信等化を行う。チャネル伝達関数の逆関数になるような周波数領域等化重みを用いて送信側においてあらかじめ送信等化を行うことにより干渉をキャンセルすることが可能である。

送信等化なしの場合、上りリンクにおける全ユーザ数をNとしてユーザkの送信信号をs_k、通信路行列をC_kとし、ウェーヴレット逆変換をH^H、高速フーリエ変換をF、逆変換をF^H、Λ_kを対角行列とし、雑音をnとすると基地局における受信信号rは次式で表される。

そして受信側でユーザkの情報を取り出すためにFDEを行った後の信号をr’とすると次のように表される。

このように受信側でFDEを行っても、直交性が部分的にしか再生されず、ユーザ間干渉が生じてしまう。これに対して、送信等化を行い送信時に等化重みF^HΛ’Fを加えると受信信号rは次式で表される。

この操作により受信側でウェーヴレット変換Hを行えば、各ユーザの送信信号を取り出すことが可能である。

本発明のシステムの計算機シミュレーションを行いその特性を比較する。通信路はマルチパス数8の電力1dB指数減衰準静的レイリーフェージング通信路（Quasi Static Rayleigh fading channel）とする。この通信路の遅延プロファイルを図６に示す。

各パラメータは、グレイマッピングQPSK変調、サブキャリア数N=64、1シンボル時間T_s=0.001[sec]、ガードインターバル長を8とする。

計算機シミュレーションによるE_b/N₀=0~20[dB]のときのBER特性を図７に示す。また、ユーザ数2のときのPAPR特性の結果を図８に示す。図８において縦軸の評価には相補的累積確率分布CCDF(Complementary Cumulative Distribution Function)を用いている。比較対象として従来手法である受信ZF(Zero Forcing)等化を行うOFDMAと送信ZF送信等化を行うOFDMAのBER特性を示す。なお、今回は無符号化系のため、受信側はMMSE等化を行っても特性は変化しない。また、今回は全ユーザが完全に同期して受信されるものとし、受信機のタイミング再生とチャネル推定は理想としている。図７よりユーザ数1、2のときは、従来手法である受信等化OFDMAより本発明と送信等化OFDMA のBER特性が優れ、ユーザ数4のときはEb/N0がおよそ6.5[dB]まで従来手法である受信等化OFDMAが最も特性が優れている（符号７１参照）が、それ以降は本発明と送信等化OFDMAがBER特性は優れていることが分かる。また図８より、PAPR特性は従来手法である受信等化OFDMAと送信等化OFDMAがほぼ同様の特性で、本発明は送信等化OFDMAと比較すると0.01のCCDFについてPAPRが約1dB低減された特性となっていることが分かる（符号８１参照）。

以上述べたように、本実施形態によれば、ディジタル移動体無線通信方式の内の一つWPM(Wavelet Packet Modulation)伝送方式のマルチアクセス系WPMA(Wavelet Packet Multiple Access)伝送方式において、ウェーヴレット各スペクトルにおける受信電力の総和をユーザごとに計算し、その和が最大のユーザに対応するウェーヴレットを割り当てて多元接続を実現するマルチアクセス系WPMA伝送方式を提供することができる。このようなマルチアクセス系の伝送方式のユーザリソース割り当て手法により、優れたBER特性、PAPR特性を実現させることができる。また、本実施形態では、上記したWPMA伝送方式において、時間・周波数分割領域の構成の一つであるMSM型フレーム構成を用いることを特徴とする。さらに、上記したWPMA伝送方式で、上りリンクにおいて送信周波数領域等化を用いることで、受信基地局におけるユーザ間干渉を無くした伝送を実現することができる。

なお、上記した実施形態において、図１に示す各ブロック、図５に示す各ステップは、それぞれの機能を実現するための手段として把握されるものであり、ハードウェア、ソフトウェアを用いて適宜構成され得る。

Claims

時間、周波数分解能を持つウェーヴレット変調をユーザ多重化したWPMA(Wavelet Packet Multiple Access)伝送方式において、ウェーヴレット各スペクトルにおける受信電力の総和をユーザごとに計算し、その和が最大のユーザに対応するウェーヴレットを割り当てて多元接続を実現することを特徴とするWPMA伝送方式。
請求項１に記載のWPMA伝送方式において、時間幅が狭いほど周波数幅が広く、時間幅が広いほど周波数幅が狭いという性質を持つMSM(Multi Scale Modulation)型フレーム構成を用いることを特徴とするWPMA伝送方式。
請求項１又は２に記載のWPMA伝送方式において、上りリンクにおいて送信周波数領域等化を行うことを特徴とするWPMA伝送方式。