WO2021033297A1 - 無線通信装置、制御回路、無線通信方法および記憶媒体 - Google Patents

Abstract

無線通信装置は、複数の送信アンテナ（１３）と、搬送波を送信データに基づいて周波数変調して、送信アンテナ（１３）から送信される送信信号を生成する変調部（１２）と、変調部（１２）の前段に設けられ、複数の送信アンテナ（１３）のそれぞれから送信される複数の送信信号が互いに直交するように、複数の送信アンテナ（１３）のそれぞれに異なる搬送波を割り当てるマッピング部（１１）と、を備えることを特徴とする。

Description

無線通信装置、制御回路、無線通信方法および記憶媒体

　本発明は、送信ダイバーシティ技術を用いる無線通信装置、制御回路、無線通信方法および記憶媒体に関する。

　無線通信システムにおいて、簡易に伝送品質を向上させる技術の１つに、送信ダイバーシティが挙げられる。送信ダイバーシティとは、複数の送信アンテナから同じ情報に基づいた信号を送信し、それぞれの送信信号が異なる伝搬路の影響を受けて受信装置に到達することで、空間ダイバーシティ効果によって、伝送品質を向上させる技術である。

　非特許文献１には、巡回遅延ダイバーシティ（ＣＤＤ：Cyclic　Delay　Diversity）と呼ばれる技術が開示されている。巡回遅延ダイバーシティは、ブロック伝送において複数のアンテナのそれぞれから送信する信号に、それぞれ異なる遅延を与え、人工的に周波数選択性を作り出すことでダイバーシティ効果を得る技術である。巡回遅延ダイバーシティは、複数のアンテナによる空間ダイバーシティを周波数ダイバーシティに変換する技術とも言える。

　また、無線通信システムにおいて用いられる変調技術において、周波数変調（ＦＳＫ：Frequency－Shift　Keying）は、変調信号の包絡振幅が一定であり、電力増幅器において入力バックオフ値を小さく設定することができるため、位相変調（ＰＳＫ：Phase　Shift　Keying）、直交振幅変調（ＱＡＭ：Quadrature　Amplitude　Modulation）などと比較して高い電力効率をもつことが知られている。周波数変調を用いた通信システムにおいても、送信ダイバーシティ技術を導入して伝送品質を向上させることが望まれる。

G.　Bauch,　"Differential　Modulation　and　Cyclic　Delay　Diversity　in　Orthogonal　Frequency-Division　Multiplex.",　IEEE　TRANSACTIONS　ON　COMMUNICATIONS,　VOL.54,　NO.5,　pp.798－801,　May　2006.

　しかしながら、周波数変調を用いた通信システムに適用する場合、上記非特許文献１に記載の技術では、信号を意図的に歪ませるため、原理的に伝送品質が低下してしまうという問題があった。

　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電力効率を維持しつつ、伝送品質を向上させることが可能な無線通信装置を得ることを目的とする。

　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる無線通信装置は、複数の送信アンテナと、搬送波を送信データに基づいて周波数変調して、送信アンテナから送信される送信信号を生成する変調部と、変調部の前段に設けられ、複数の送信アンテナのそれぞれから送信される複数の送信信号が互いに直交するように、複数の送信アンテナのそれぞれに異なる搬送波を割り当てるマッピング部と、を備えることを特徴とする。

　本発明にかかる無線通信装置は、電力効率を維持しつつ、伝送品質を向上させることが可能であるという効果を奏する。

本発明の実施の形態にかかる無線送信装置の機能構成を示す図 図１に示すマッピング部が使用するマッピング規則の一例を示す図 図１に示す無線送信装置の動作を説明するためのフローチャート 本発明の実施の形態にかかる無線受信装置の機能構成を示す図 図４に示す無線受信装置の動作を説明するためのフローチャート 本発明の実施の形態にかかる無線送信装置および無線受信装置の機能を実現するための専用のハードウェアを示す図 本発明の実施の形態にかかる無線送信装置および無線受信装置の機能を実現するための制御回路の構成を示す図

　以下に、本発明の実施の形態にかかる無線通信装置、制御回路、無線通信方法および記憶媒体を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
　図１は、本発明の実施の形態にかかる無線送信装置１０の機能構成を示す図である。無線送信装置１０は、マッピング部１１と、複数の変調部１２と、複数の送信アンテナ１３とを有する無線通信装置である。複数の変調部１２は、複数の送信アンテナ１３のそれぞれに１対１で対応して設けられている。

　マッピング部１１は、複数の変調部１２の前段に設けられる。マッピング部１１は、複数の変調部１２のそれぞれに対して、互いに異なる搬送波を割り当てる。このときマッピング部１１は、複数の送信アンテナ１３のそれぞれから送信する送信信号が周波数軸上で互いに直交するように、搬送波を割り当てる。したがって、マッピング部１１は、送信ダイバーシティのために変調前の信号に対して符号化処理を施す信号処理部と称することもできる。

　マッピング部１１には、ビット列ｂ＝｛ｂ₁，ｂ₂，…ｂ_m｝が入力される。ここで、ｍは、１変調シンボルあたりのビット数であり、ＭをＦＳＫ変調多値数とした場合、ｍ＝ｌｏｇ₂Ｍである。マッピング部１１は、入力されたビット列ｂの値に応じて、各送信アンテナ１３に対応する変調部１２に対して、変調部１２が使用する搬送波を識別する番号であるＦＳＫキャリア番号ｋ_iを各変調部１２に出力する。送信アンテナ数をＮ、ＦＳＫ変調指数をαとした場合、ｉ番目（１≦ｉ≦Ｎ）の変調部１２において用いられる搬送波のＦＳＫキャリア番号ｋ_iは、以下に示す数式（１）を用いて表される。

　数式（１）のｍｏｄは、剰余演算を表す。また、Ｋは、２つの搬送波が直交となる最小のキャリア間隔であり、以下の数式（２）で表される。数式（１）を用いることで、マッピング部１１は、送信アンテナ１３のアンテナ数Ｎ、変調部１２のＦＳＫ変調多値数ＭおよびＦＳＫ変調指数αに基づいて、搬送波の割り当て規則であるマッピング規則を定義することになる。

　Ψ（ｂ）は、ビット列ｂとＦＳＫキャリア番号ｋ_iとを１対１で対応させるマッピング関数であり、一般的には、グレイラベリングに基づくマッピングが使用される。

　図２は、図１に示すマッピング部１１が使用するマッピング規則の一例を示す図である。図２では、Ｎ＝２，Ｍ＝４，α＝０．５の場合を例示している。図２に示す例では、入力される情報ビット列の全ての値「００，０１，１１，１０」に対して、ＦＳＫキャリア番号ｋ₁，ｋ₂の組合せが異なる組合せとなっている。このため、マッピング部１１は、複数の送信アンテナ１３のそれぞれに割り当てる搬送波の組合せが、入力される情報ビット列の全ての値に対して異なる組合せとなるように、搬送波を割り当てることになる。

　変調部１２は、送信データに基づいて搬送波を周波数変調して、送信アンテナ１３から送信される送信信号を生成する。変調部１２は、マッピング部１１によって割り当てられた搬送波を用いて、周波数変調処理を行う。具体的には、変調部１２は、まず、送信アンテナ１３におけるＦＳＫ変調シンボルの初期位相を決定する。ｉ番目の送信アンテナ１３の初期位相は、以下の数式（３）で表される。数式（３）を用いて初期位相を決定することで、変調部１２は、複数の送信アンテナ１３のそれぞれに対して、異なる初期位相を用いることができる。

　変調部１２は、マッピング部１１が出力したＦＳＫキャリア番号ｋ_iと、上記で決定した初期位相φ_iとに基づいて、ＦＳＫ変調シンボルを生成する。ここで生成されるＦＳＫ変調シンボルＳ_i（ｔ）は、以下の数式（４）で表される。

　ここでｆcは中心周波数であり、２Δｆは搬送波間の周波数間隔である。変調部１２は、生成したＦＳＫ変調シンボルＳ_i（ｔ）を送信アンテナ１３から送信する。

　図３は、図１に示す無線送信装置１０の動作を説明するためのフローチャートである。マッピング部１１は、まず、空間・周波数マッピング処理を行う（ステップＳ１０１）。具体的には、マッピング部１１は、各送信アンテナ１３に搬送波を割り当てて、割り当てた搬送波を識別するＦＳＫキャリア番号ｋ_iを複数の変調部１２のそれぞれに出力する。

　変調部１２は、ＦＳＫ変調シンボルの初期位相を選択する（ステップＳ１０２）。変調部１２は、ステップＳ１０２において選択した初期位相と、マッピング部１１に割り当てられたＦＳＫキャリア番号ｋ_iの搬送波とを用いて、ＦＳＫ変調処理を行う（ステップＳ１０３）。これにより、ＦＳＫ変調シンボルを含む信号が生成される。変調部１２は、生成した信号を送信アンテナ１３から送信する（ステップＳ１０４）。

　図４は、本発明の実施の形態にかかる無線受信装置２０の機能構成を示す図である。無線受信装置２０は、受信アンテナ２１と、尤度計算部２２と、復調部２３とを有する無線通信装置である。

　尤度計算部２２は、受信アンテナ２１で受信された受信信号の周波数成分から、Ｍ個のＦＳＫシンボル候補のそれぞれに対応するシンボル尤度を計算する。尤度計算部２２は、計算したシンボル尤度を復調部２３に出力する。なお、尤度計算部２２は、周波数成分の電力を尤度としてもよいし、周波数成分の複素数値に基づいて複素空間上でのユークリッド距離を尤度としてもよい。

　復調部２３は、尤度計算部２２が出力するＭ個のシンボル尤度と、数式（１）で定義されたマッピング規則とに基づいて、Ｍ個の情報ビット列候補に対応するビット列尤度を算出する。復調部２３は、計算したビット列尤度に基づいて、最尤推定を行うことで、情報ビット列の推定値ｂ（ハット）を得る。なお、文字の後に（ハット）と記載する場合、その文字の上に＾を付していることを表す。

　図５は、図４に示す無線受信装置２０の動作を説明するためのフローチャートである。無線受信装置２０は、受信アンテナ２１において信号を受信する（ステップＳ２０１）。尤度計算部２２は、受信アンテナ２１が受信した受信信号の周波数成分に基づいて、Ｍ個のＦＳＫシンボル候補のそれぞれに対応するシンボル尤度を計算する（ステップＳ２０２）。尤度計算部２２は、複数のシンボル尤度を復調部２３に出力する。

　復調部２３は、複数のシンボル尤度と、マッピング規則とに基づいて、Ｍ個の情報ビット列候補に対応するビット列尤度を計算する（ステップＳ２０３）。復調部２３は、空間・周波数デマッピング処理を行うことで、情報ビット列の推定値ｂ（ハット）を得る（ステップＳ２０４）。具体的には、復調部２３は、計算したビット列尤度に基づく最尤推定を行うことで、情報ビット列の推定値ｂ（ハット）を得る。

　続いて、本発明の実施の形態にかかる無線送信装置１０および無線受信装置２０のハードウェア構成について説明する。マッピング部１１、変調部１２、尤度計算部２２および復調部２３は、処理回路により実現される。これらの処理回路は、専用のハードウェアにより実現されてもよいし、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）を用いた制御回路であってもよい。

　上記の処理回路が、専用のハードウェアにより実現される場合、マッピング部１１、変調部１２、尤度計算部２２および復調部２３の機能は、図６に示す処理回路９０により実現される。図６は、本発明の実施の形態にかかる無線送信装置１０および無線受信装置２０の機能を実現するための専用のハードウェアを示す図である。処理回路９０は、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application　Specific　Integrated　Circuit）、ＦＰＧＡ（Field　Programmable　Gate　Array）、またはこれらを組み合わせたものである。

　上記の処理回路が、ＣＰＵを用いた制御回路で実現される場合、マッピング部１１、変調部１２、尤度計算部２２および復調部２３の機能は、例えば図７に示す構成の制御回路９１により実現される。図７は、本発明の実施の形態にかかる無線送信装置１０および無線受信装置２０の機能を実現するための制御回路９１の構成を示す図である。図７に示すように、制御回路９１は、プロセッサ９２と、メモリ９３とを備える。プロセッサ９２は、ＣＰＵであり、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＤＳＰ（Digital　Signal　Processor）などとも呼ばれる。メモリ９３は、例えば、ＲＡＭ（Random　Access　Memory）、ＲＯＭ（Read　Only　Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable　Programmable　ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically　ＥＰＲＯＭ）などの不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ（Digital　Versatile　Disk）などである。

　上記の処理回路が制御回路９１により実現される場合、マッピング部１１、変調部１２、尤度計算部２２および復調部２３の機能は、プログラムとして記述され、メモリ９３に格納される。プロセッサ９２が、メモリ９３に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、マッピング部１１、変調部１２、尤度計算部２２および復調部２３の機能は実現される。また、メモリ９３は、プロセッサ９２が実行する各処理における一時メモリとしても使用される。なお、上記の機能の一部を専用のハードウェアで実装し、残りをプログラムで実現するようにしてもよい。

　なお、上記では、無線送信装置１０および無線受信装置２０をそれぞれ別の装置として説明したが、無線送信装置１０および無線受信装置２０の機能を備える無線通信装置が提供されてもよい。

　以上説明したように、本発明の実施の形態にかかる無線通信装置は、変調部１２の前段に設けられたマッピング部１１を備える。マッピング部１１は、複数の送信アンテナ１３のそれぞれに異なる搬送波を割り当てる。つまり、マッピング部１１における送信ダイバーシティ処理は、変調部１２の前段で行われ、周波数変調後の信号に対して処理を加えずに送信することとなる。このため、ＦＳＫ変調指数α＝１．０の場合には位相不連続が発生せず、高い電力効率を維持することが可能になる。

　また、マッピング部１１は、無線通信装置が備える複数の送信アンテナ１３のそれぞれから送信される複数の送信信号が互いに直交するように、搬送波を割り当てる。このような構成をとることで、各送信アンテナ１３から送信される信号が周波数軸上で直交するため、ビット列ｂのそれぞれの値と搬送波との組合せが１対１で対応するＮ＜Ｍの場合には、フルダイバーシティを獲得することが可能になる。したがって、ブロック伝送において複数のアンテナのそれぞれから送信する信号に、それぞれ異なる遅延を与え、人工的に周波数選択性を作り出す巡回遅延ダイバーシティの技術を用いるよりも、高い伝送品質を達成することが可能になる。

　また、本実施の形態では、１つのＦＳＫ変調シンボル内に閉じた形で、各送信アンテナ１３からの送信信号の直交性が担保されている。このため、通信路の時変動に対する耐性を高めることが可能である。

　また、本実施の形態では、送信アンテナ１３毎に異なる初期位相を割り当てている。このような構成をとることで、初期位相を同一とした場合と比較して、ビット列尤度が形成する信号点空間の最小信号点間距離を増大させることができる。したがって、伝送品質を向上させることが可能になる。

　以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。本発明は、直交周波数分割多重(ＯＦＤＭ:Orthogonal　Frequency-Division　Multiplexing)、直接スペクトル拡散(ＤＳＳＳ:Direct　Sequence　Spread　Spectrum)などの任意の二次変調技術と組み合わせて用いることも可能であり、その場合も本発明の効果である高い伝送品質を達成できる。例えばＯＦＤＭと本発明の技術とを組み合わせた場合には、周波数利用効率の向上が期待でき、ＤＳＳＳと本発明の技術とを組み合わせた場合には、処理利得による対干渉性の向上が期待できる。

　１０　無線送信装置、１１　マッピング部、１２　変調部、１３　送信アンテナ、２０　無線受信装置、２１　受信アンテナ、２２　尤度計算部、２３　復調部、９０　処理回路、９１　制御回路、９２　プロセッサ、９３　メモリ。

Claims (8)

1. 　複数の送信アンテナと、
   　搬送波を送信データに基づいて周波数変調して、前記送信アンテナから送信される送信信号を生成する変調部と、
   　前記変調部の前段に設けられ、前記複数の送信アンテナのそれぞれから送信される複数の送信信号が互いに直交するように、前記複数の送信アンテナのそれぞれに異なる搬送波を割り当てるマッピング部と、
   　を備えることを特徴とする無線通信装置。
2. 　前記マッピング部は、前記複数の送信アンテナのそれぞれに割り当てる搬送波の組合せが、入力される情報ビット列の全ての値に対して異なる組合せとなるように、前記搬送波を割り当てることを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
3. 　前記変調部は、前記複数の送信アンテナのそれぞれに異なる変調シンボルの初期位相を割り当てることを特徴とする請求項１または２に記載の無線通信装置。
4. 　受信シンボルの周波数成分から尤度を計算し、前記マッピング部における前記搬送波の割り当て規則であるマッピング規則に基づいて最尤推定を行う受信機をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の無線通信装置。
5. 　前記マッピング部は、前記送信アンテナのアンテナ数、前記変調部の変調多値数および変調指数に基づいて前記搬送波の割り当て規則であるマッピング規則を定義することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の無線通信装置。
6. 　複数の送信アンテナを備える無線通信装置を制御する制御回路であって、
   　前記複数の送信アンテナのそれぞれから送信される複数の送信信号が互いに直交するように、前記複数の送信アンテナのそれぞれに異なる搬送波を割り当てるステップ、
   　を無線通信装置に実行させることを特徴とする制御回路。
7. 　複数の送信アンテナを備える無線通信装置が実行する無線通信方法であって、
   　前記複数の送信アンテナのそれぞれから送信される複数の送信信号が互いに直交するように、前記複数の送信アンテナのそれぞれに異なる搬送波を割り当てるステップと、
   　前記複数の送信アンテナのそれぞれに割り当てられた搬送波を送信データに基づいて周波数変調することで、前記複数の送信アンテナのそれぞれから送信される送信信号を生成するステップと、
   　を含むことを特徴とする無線通信方法。
8. 　複数の送信アンテナを備える無線通信装置を制御するプログラムを記憶した記憶媒体において、該プログラムは、
   　前記複数の送信アンテナのそれぞれから送信される複数の送信信号が互いに直交するように、前記複数の送信アンテナのそれぞれに異なる搬送波を割り当てるステップ、
   　を無線通信装置に実行させることを特徴とする記憶媒体。

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