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JP6387538B2 - 無線通信システム、無線通信装置および無線通信方法 - Google Patents

無線通信システム、無線通信装置および無線通信方法 Download PDF

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Description

本発明は、複数偏波の信号で通信する無線通信装置、無線通信システムおよび無線通信方法に関する。
デジタル伝送の変調方式では、搬送波の位相を変えて情報を伝送する位相変調（ＰＳＫ変調）や振幅および位相を変化させて伝送速度（周波数利用効率）を高めた直交振幅変調（ＱＡＭ）などがよく用いられる。
これらの変調方式では１シンボルあたりのビット数を増加させる多値化により伝送速度を高めることができるが、シンボル間直線距離（ユークリッド距離）が小さくなるため、同じビット誤り率（BER）を達成するためには高い信号電力が必要となる。送信電力一定の条件下では、ビット誤り率を向上するにはシンボル間最小距離(最小ユークリッド距離)を大きくすることが重要であり、同じ変調多値数で最小ユークリッド距離の大きな信号点配置（最適配置）が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
また、加法性白色ガウス雑音（AWGN）環境下では、シンボル誤りは位相平面上の隣接シンボル間で発生するため、隣接シンボル間が１ビット違いとなる（ハミング距離が１となる）ようにグレイ化された信号点配置を用いることで、各変調方式のビット誤り率を最小化できることが知られている。さらに、誤り訂正符号とデジタル変調を組み合わせて等価的にユークリッド距離を大きくする符号化変調方式としてトレリス符号化変調方式（ＴＣＭ）が知られている（例えば、非特許文献２参照）。
一方で、無線通信システムで用いられる電力増幅器は非線形性による性能劣化が生じるため、特にマルチキャリア伝送や大電力送信時には、送信信号のピーク対平均電力比（ＰＡＰＲ）を小さくすることが重要となる。ＰＡＰＲは変調方式やフィルタ特性などに依存しており、符号化変調やピーク値抑圧によるＰＡＰＲ対策が知られている。
また、近年、無線通信システムの普及により、マイクロ波帯を中心として周波数資源の不足が顕在化しており、高い周波数利用効率を達成するための伝送技術が求められている。直交偏波多重技術は、アンテナから放射される電波の波面方向に着目し、互いに直交する波面をもつ独立した信号を同一周波数で伝送するものである。
この直交多重偏波技術を適用すると、固定無線通信等で使用される直線偏波の場合、垂直（Ｖ）偏波と水平（Ｈ）偏波を用いたＶ，Ｈ偏波多重を実現できる。この場合、直交偏波多重技術を適用しない場合と比較して、周波数利用効率は２倍となる（たとえば、特許文献１を参照）。Ｖ，Ｈ偏波多重信号は、例えば、２つの直線状放射素子を十字型に直交配置することにより送受信することができる。
さらに、衛星通信では、複数偏波に信号を多重して周波数利用効率を向上させる偏波多重方式が知られている（例えば、非特許文献３参照）。この方式では、各偏波にビットを割り当て、合成前の各偏波成分を水平（Ｈ）・垂直（Ｖ）偏波のＩＱ平面上に写像した値を多重（合成）することで信号点を形成する。このとき、Ｈ／Ｖ各偏波上のシンボル間の最小ユークリッド距離が最大となるように、信号点配置の最適化を行っている。
特開２００７−１８９３０６号
Gerard J. Foschini、Richard D. Gitlin、Stephen B. Weinstein、"Optimization of Two-Dimensional Signal Constellation in the Presence of Gaussian Noise"、IEEE Trans. Commun.、Vol.COM-22、No.1、pp.28-38、Jan.1974． G. Ungerboeck "Trellis-coded modulation with redundant signal sets part1 and part2"、IEEE Comm. Mag.、Vol. 25、No. 2、pp.5 -21、1987． M. Yofune, J. Webber, K. Yano, H. Ban, and K. Kobayashi, "Optimization of Signal Design for Poly-Polarization Multiplexing in Satellite Communications," IEEE Communications Letters, Vol. 17, No. 11, pp.2017-2020, Nov. 2013.
しかしながら、非特許文献３においては、以下の数式（Ｅ０）のようにＨ／Ｖ偏波上の各シンボルＨ（ｎ），Ｖ（ｎ）に対してＨ／Ｖ合計の平均電力で正規化することにより、送信電力一定（Ｈ／Ｖ合計電力＝１）の条件下で最適化を行っているため、最適配置の最大電力（ピーク電力）が大きくなる可能性がある。

ただし、Ｈ（ｎ），Ｖ（ｎ）は、Ｈ／Ｖ偏波それぞれに対するｎシンボル目（１≦ｎ≦２N）のＩＱ成分（複素数）、Ｈopt（ｎ），Ｖopt（ｎ）は、Ｈ／Ｖ合計の平均電力で正規化された最適配置のＩＱ成分（複素数）、ＮはＨ／Ｖ偏波上の１シンボル当たりのビット数であり、｜…｜は絶対値を意味する。
本発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、偏波多重方式などの多次元伝送方式に対してＰＡＰＲを抑制して、最適化された信号点配置を用いた無線通信システム、無線通信装置および無線通信方法を提供することである。
この発明の１つの局面に従うと、第１および第２の搬送波信号により構成される空間に信号点を割り当てる多次元伝送で送受信を行う無線通信システムであって、送信機および受信機を備え、送信機は、送信アンテナと、送信シンボルに誤り訂正符号化処理を実行するための誤り訂正符号化処理部と、第１の記憶部とを含み、第１の記憶部は、各送信シンボルについて、信号点配置に対するピーク電力についての正規化および誤り訂正時における各シンボルに割り当てられた符号のビット誤り率への影響を最小化するように算出された信号点配置を記憶し、第１の記憶部に記憶された情報に基づき、多次元伝送において、誤り訂正符号化処理部の出力を、第１および第２の搬送波信号の同相成分および直交位相成分平面内に割り当てるマッピング処理部と、マッピング処理部の処理結果に基づき、第１および第２の搬送波信号について直交変調を実行して、送信アンテナより送出する送信部とをさらに含み、受信機は、受信アンテナと、受信アンテナで受信された信号について、それぞれ第１および第２の搬送波信号について直交検波を実行する受信部と、第１の記憶部に記憶される信号点配置に対応する情報を記憶する第２の記憶部と、第２の記憶部に記憶された情報に基づき、多次元伝送において、第１および第２の搬送波信号について、最尤判定を実行するための最尤判定処理部と、最尤判定処理部の判定結果に基づき、誤り訂正復号処理を実行するための誤り訂正復号処理部とを含む。
好ましくは、信号点配置に対するピーク電力についての正規化は、第１および第２の搬送波信号の合計のピーク電力についての正規化である。
好ましくは、信号点配置に対するピーク電力についての正規化は、第１および第２の搬送波信号それぞれのピーク電力についての正規化である。
好ましくは、信号点配置は、信号点配置に対するピーク電力についての正規化とともに、各送信シンボルについて、ハミング距離をユークリッド距離で割った値を引数とする単調増加関数を、送信シンボルの集合について最小化するように算出されたものである。
好ましくは、関数は、各送信シンボルについてハミング距離をユークリッド距離で割った値の送信シンボルについての総和である。
好ましくは、第１および第２の搬送波信号は、互いに直交する２偏波の搬送波信号である。
好ましくは、第１および第２の搬送波信号は、互いに異なる周波数の搬送波信号である。
この発明の他の局面に従うと、第１および第２の搬送波信号により構成される空間に信号点を割り当てる多次元伝送で送信を行う無線通信装置であって、送信アンテナと、送信シンボルに誤り訂正符号化処理を実行するための誤り訂正符号化処理部と、記憶部とを備え、記憶部は、各送信シンボルについて、信号点配置に対するピーク電力についての正規化および誤り訂正時における各シンボルに割り当てられた符号のビット誤り率への影響を最小化するように算出された信号点配置を記憶し、記憶部に記憶された情報に基づき、多次元伝送において、誤り訂正符号化処理部の出力を、第１および第２の搬送波信号の同相成分および直交位相成分平面内に割り当てるマッピング処理部と、マッピング処理部の処理結果に基づき、第１および第２の搬送波信号について直交変調を実行して、送信アンテナより送出する送信部とをさらに備える。
この発明のさらに他の局面に従うと、第１および第２の搬送波信号により構成される空間に信号点を割り当てる多次元伝送で受信を行う無線通信装置であって、受信アンテナと、受信アンテナで受信された信号について、それぞれ第１および第２の搬送波信号について直交検波を実行する受信部と、記憶部とを備え、記憶部は、各送信シンボルについて、信号点配置に対するピーク電力についての正規化および誤り訂正時における各シンボルに割り当てられた符号のビット誤り率への影響を最小化するように算出された信号点配置を記憶し、記憶部に記憶された情報に基づき、多次元伝送において、第１および第２の搬送波信号について、最尤判定を実行するための最尤判定処理部と、最尤判定処理部の判定結果に基づき、誤り訂正復号処理を実行するための誤り訂正復号処理部とをさらに備える。
好ましくは、信号点配置に対するピーク電力についての正規化は、第１および第２の搬送波信号の合計のピーク電力についての正規化である。
好ましくは、信号点配置に対するピーク電力についての正規化は、第１および第２の搬送波信号それぞれのピーク電力についての正規化である。
好ましくは、信号点配置は、信号点配置に対するピーク電力についての正規化とともに、各送信シンボルについて、ハミング距離をユークリッド距離で割った値を引数とする単調増加関数を、送信シンボルの集合について最小化するように算出されたものである。
好ましくは、関数は、各送信シンボルについてハミング距離をユークリッド距離で割った値の送信シンボルについての総和である。
好ましくは、第１および第２の搬送波信号は、互いに直交する２偏波の搬送波信号である。
好ましくは、第１および第２の搬送波信号は、互いに異なる周波数の搬送波信号である。
この発明のさらに他の局面に従うと、第１および第２の搬送波信号により構成される空間に信号点を割り当てる多次元伝送で送受信を行う無線通信方法であって、送信機が、送信シンボルに誤り訂正符号化処理を実行するステップと、送信機が、各送信シンボルについて、信号点配置に対するピーク電力についての正規化および誤り訂正時における各シンボルに割り当てられた符号のビット誤り率への影響を最小化するように算出された信号点配置に基づき、多次元伝送において、誤り訂正符号化処理の結果を、第１および第２の搬送波信号の同相成分および直交位相成分平面内に割り当てるマッピング処理を行うステップと、送信機が、マッピング処理の結果に基づき、第１および第２の搬送波信号について直交変調を実行して、送信アンテナより送出するステップと、受信機が、受信された信号について、それぞれ第１および第２の搬送波信号について直交検波を実行するステップと、受信機が、送信機における信号点配置に基づき、多次元伝送において、第１および第２の搬送波信号について、最尤判定を実行するステップと、受信機が、最尤判定の判定結果に基づき、誤り訂正復号処理を実行するステップとを備える。
本発明によれば、ＰＡＰＲを抑制しつつ、偏波多重方式などの多次元伝送方式に対するビット誤り率に優れた信号点配置により送信または受信を行うことが可能となる。
本実施の形態の送信機１０００の構成を説明するための機能ブロック図である。 本実施の形態の受信機２０００の構成を説明するための機能ブロック図である。 非直交偏波多重方式の概要を示す概念図である。 多偏波空間変調方式の概要を示す概念図である。 最小ユークリッド距離を最大とする最適化配置を探索した結果を示す図である。 図５における配置ＡのＨ／Ｖ偏波の各々におけるＩＱ平面での信号点配置を示す図である。 図５における配置ＢのＨ／Ｖ偏波の各々におけるＩＱ平面での信号点配置を示す図である。 図５における配置ＣのＨ／Ｖ偏波の各々におけるＩＱ平面での信号点配置を示す図である。 図５に示した探索した各最適配置の評価値を示す図である。 ＢＥＲ特性をシミュレーションした送受信機構成を示す図である。 各最適信号点配置についてのＢＥＲシミュレーションの結果を示す図である。 送信機１０００および受信機２０００での処理を説明するためのフローチャートである。
以下、本発明の実施の形態の無線通信システムについて、図に従って説明する。なお、以下の実施の形態において、同じ符号を付した構成要素および処理工程は、同一または相当するものであり、必要でない場合は、その説明は繰り返さない。
本実施の形態の無線通信システムは、一般には、第１および第２の搬送波信号により構成される空間に信号点を割り当てる「多次元伝送」で送受信を行う無線通信システムである。
より特定的には、好ましくは、このような「多次元伝送」では、第１の搬送波信号により構成される空間の信号点が対応する情報が縮退しており、第２の搬送波信号により構成される空間の信号点により縮退が解かれる関係があり、逆に、第２の搬送波信号により構成される空間の信号点が対応する情報が縮退しており、第１の搬送波信号により構成される空間の信号点により縮退が解かれる関係があるような無線通信システムに適用可能なものである。
ただし、以下の説明では、一例として、本実施の形態の無線通信システムは、偏波多重通信方式を採用するものとして説明する。
好ましくは、本実施の形態では、水平偏波および垂直偏波の２つの偏波を用いて情報伝達を行うシステムにおける通信装置で、衛星通信のように送受信間に際立った障害物の無いシステム系で用いる状態が、より好適である。なお、送信機能のみの通信機には、本実施の形態の送信機能のみを、受信機能のみの通信機には、本実施の形態の受信機能のみを備える構成とすることが可能である。また、送受信機には、送受信機能を備える構成とすることも可能である。
また、本実施の形態の無線通信システムは、２直交の偏波(現実的なレベルでの直交であり、交差偏波成分は０でなくともよい)を同時に情報伝送に利用する無線通信機が対象である。ただし、本実施の形態の送信機、受信機、送受信機において、以下に説明するような偏波多重通信の機能を一時停止させて、従来の通信方式での通信に切り替えることが可能なようにシステムを構成することも可能である。
（送信機および受信機の構成）
図１は、本実施の形態の送信機１０００の構成を説明するための機能ブロック図である。
図１を参照して、送信機１０００は、送信するべきデジタルデータ信号（情報ビット）を受け、情報ビットに対して誤り訂正符号化処理を実行し送信シンボルに変換する誤り訂正符号化処理部１００を備える。なお、誤り訂正符号化処理だけでなく、「インターリーブ処理」などが実行されてもよい。
送信機１０００は、さらに、送信されるシンボルをシリアル／パラレル変換（Ｓ／Ｐ変換）するＳ／Ｐ変換部１０２と、パラレル信号に変換された送信シンボルを、Ｉ／Ｑマッピングデータ記憶部１０６に保持された情報に基づいて、水平偏波（Ｈ偏波）および垂直偏波（Ｖ偏波）の各偏波成分について、信号空間ダイアグラム（コンステレーション）における信号点にマッピングするＶ／Ｈマッピング処理部１０４とを備える。
ここで、Ｉ成分とは、直交変調の際の同相成分を意味し、Ｑ成分とは、直交変調の際の直交位相成分のことを意味し、Ｉ／Ｑマッピングとは、Ｉ成分およびＱ成分で張られる平面上に信号点を配置することを意味する。
送信機１０００は、さらに、Ｖ／Ｈマッピング処理部１０４からのＶ偏波についてのＩ／Ｑ成分を、対応する変調方式（たとえば、ＱＰＳＫ変調方式）で直交変調する直交変調部１０８ａと、Ｖ／Ｈマッピング処理部１０４からのＨ偏波についてのＩ／Ｑ成分を、対応する変調方式（たとえば、ＱＰＳＫ変調方式）で直交変調する直交変調部１０８ｂと、直交変調部１０８ａの出力をデジタル・アナログ変換するためのＤ／Ａ変換部１１０ａと、直交変調部１０８ｂの出力をデジタル・アナログ変換するためのＤ／Ａ変換部１１０ｂとを備える。
Ｄ／Ａ変換部１１０ａの出力は、図示しない電力増幅器で増幅され、送信フィルタ処理部１１２ａで不要な周波数成分を抑圧するためのフィルタ処理をされた後、垂直偏波アンテナ１１４ａから送出される。また、Ｄ／Ａ変換部１１０ｂの出力は、図示しない電力増幅器で増幅され、送信フィルタ処理部１１２ｂでフィルタ処理をされた後、水平偏波アンテナ１１４ｂから送出される。
図１においては、水平偏波についての処理と垂直偏波についての処理は、相互に同期して実行されるものとする。
図２は、本実施の形態の受信機２０００の構成を説明するための機能ブロック図である。
図２を参照して、受信機２０００は、垂直偏波アンテナ２００ａと水平偏波アンテナ２００ｂと、垂直偏波アンテナ２００ａからの受信信号を図示しない低雑音増幅器が増幅した信号をフィルタ処理する受信フィルタ処理部２０２ａと、水平偏波アンテナ２００ｂからの受信信号を図示しない低雑音増幅器が増幅した信号をフィルタ処理する受信フィルタ処理部２０２ｂと、受信フィルタ処理部２０２ａからの信号をアナログデジタル変換するためのアナログデジタル変換部（Ａ／Ｄ変換部）２０４ａと、受信フィルタ処理部２０２ｂからの信号をアナログデジタル変換するためのＡ／Ｄ変換部２０４ｂとを備える。
受信機２０００は、さらに、Ａ／Ｄ変換部２０４ａおよび２０４ｂからの信号をそれぞれ受けて、コンステレーション上におけるＩ／Ｑ成分を分離する直交検波部２０６ａおよび２０６を備える。
最尤判定処理部２０８は、Ｉ／Ｑマッピングデータ記憶部２１０からのマッピング情報に基づいて、直交検波部２０６ａおよび２０６ｂからの信号に対して、信号空間ダイアグラム上の所定の信号点に対する尤度を算出し、ＭＬＤ（Maximum Likelihood Detection）法による最尤復号を行う。ＭＬＤ法では、受信信号に対し、送信アンテナから送信されうる送信信号のすべての組合せを用いてメトリックを算出する。そして、最小の距離を与える送信信号の組合せを選択する。
なお、「信号点」とは、変調方式によりコンステレーション上に定義される基準となる位置のことをいい、「シンボル」とは、送信側で変調されて、基準クロックで伝送される情報の単位である「符号」を意味する。
最尤判定処理部２０８により算出された送信信号のビット情報は、パラレル／シリアル変換（Ｐ／Ｓ変換）を行うＰ／Ｓ変換部２１２を経て、誤り訂正復号処理部２１４により誤り訂正された後、受信シンボルとして出力される。
なお、送信機側の構成に従って、誤り訂正復号処理部２１４では、畳み込みの復号やデインターリーブ処理が実行されてもよい。
（直交偏波多重変調における周波数利用効率の向上のための信号方式）
上述した非特許文献３に記載されているように、直交偏波多重において、周波数利用効率を向上させるための方式として、「非直交偏波多重方式」と「多偏波空間変調方式」とが提案されている。
以下、その内容について簡単にまとめる。
（非直交偏波多重方式）
図３は、非直交偏波多重方式の概要を示す概念図である。
図３（ａ）を参照して、この非直交偏波多重方式では、直交するＨ／Ｖ偏波に対して非直交な偏波（図３（ａ）でＳと表す）を追加合成して伝送情報量を増大させることで、Ｈ／Ｖ偏波のみをそれぞれ独立に用いる従来の方式よりも効率的な伝送を可能とする。
このとき、図３（ａ）のように同時に複数の信号点をＨ／Ｖ空間上に配置する。この方式における信号点は、合成前の各偏波成分Ｈ／Ｖ偏波それぞれに写像した値を合成することで形成される。
図３（ａ）では、非直交な偏波成分は、Ｓ偏波のみとしているが、より一般には、非直交な偏波成分は、複数個を想定することが可能である。
ここで、ｎ番目の偏波Ｓnに割り当てる変調方式の複素信号点をｒn,aとすると、偏波合成後のＨ／Ｖ偏波上の信号点配置点Ｈa，Ｖaは、次式で与えられる。

ただし、ａは、シンボル番号（１≦ａ≦２b）、ｂは１シンボルたりのビット数、Ｎは偏波数（多重数）、ｍsnは偏波Ｓnの振幅、ψSnは、偏波Ｓnの（Ｈ偏波に対する）偏波角とする。
図３（ｂ）は、Ｈ偏波、Ｖ偏波、Ｓ偏波のそれぞれについて、ＱＰＳＫ変調を想定した場合、Ｈ／Ｖ偏波に対して非直交なＳ偏波を追加合成した場合のＨ偏波およびＶ偏波の信号点配置を示す。
すなわち、非直交偏波多重方式における偏波多重数を３、各偏波に割り当てる変調ビット数を２ビット（ＱＰＳＫ）で同一変調とする場合、次式のようにｒn,aに情報ビットｉ（ｎ），ｑ（ｎ）を割当て、数式（１）（２）で表される信号点Ｈa，Ｖaにマッピングを行う。

ただし、ｉ（ｎ）＝（０，１），ｑ（ｎ）＝（０，１）とする。
この設定条件において、基準とする偏波Ｓ1（Ｈ偏波）の振幅ｍs1（＝１）、偏波角ψS1（＝０°）を固定し、Ｓ2／Ｓ3の振幅ｍs2，ｍs3および偏波Ｓ1に対する偏波角ψS2，ψS3を変化させるとする。一例として、ｍs2＝1、ψS2＝９０°で固定したときには、ｍs3およびψS3を変化させた場合、最小ユークリッド距離が最大となるパラメータの組合せは、（ｍs1,ｍs2，ｍs3）＝（１：１：０．７０７），（ψS1，ψS2，ψS3）＝（０°：９０°：４５°）である。これが、図３（ｂ）に示す配置となる。
この場合、Ｈ偏波の空間またはＶ偏波の空間では、１つの信号点（シンボル）は、６ビットの情報に対応しており、４重に縮退している。ただし、Ｈ偏波とＶ偏波の信号点の情報を組み合わせることで、縮退を解いて、表現する情報ビットを特定することができる。
（多偏波空間変調方式）
多偏波空間変調方式では、搬送波のＩ／Ｑ成分と偏波角φlで表現される合成ベクトルをＨ／Ｖ空間上の１つの配置点とみなして変調多値数を増大させることで、従来方式よりも高効率な伝送を可能とする。
図４は、このような多偏波空間変調方式の概要を示す概念図である。
図４（ａ）に示すように、同時に１つの信号点をＨ／Ｖ空間上に配置する。すなわち、従来方式では、Ｈ空間およびＶ空間は、それぞれ、独立なものとして、信号点を配置していた。多偏波空間変調方式では、ＨとＶで張られる空間にも、偏波角を制御することで信号点を配置する。
ここで、基準とする（搬送波のＩ／Ｑ成分に割り当てる）変調方式の複素信号点をｒcとすると、この方式におけるＨ／Ｖ偏波上の信号点配置点Ｈa，Ｖaは、次式で与えられる。

ただし、ｃは基準とする変調方式のシンボル番号（１≦ｃ≦２d）、ｄは基準とする変調方式のビット数、角φlは偏波角（１≦ｌ≦２e），ｅは偏波角に割り当てるビット数とする。
多偏波空間変調方式において、基準とする変調方式をＱＰＳＫ（２ビット）として、偏波角に１ビットを割り当てる場合、次式のようにｒc，φに情報ビットｉ，ｑ，ｋを割り当て、数式（４）（５）で表現される信号点Ｈa，Ｖaにマッピングを行う。

ただし、ｉ＝（０，１），ｑ＝（０，１），ｋ＝（０，１），０°≦ψ≦１８０°とする。
この設定条件において、偏波角ψ＝０°〜１８０°で変化させたときの最小ユークリッド距離が最大となる偏波角を求めると、４５°または１３５°となる。
これが、図４（ｂ）に示す配置となる。
たとえば、図４（ｂ）において、ψ＝４５°とすると、各信号点（シンボル）は、３ビットの情報に対応しており、２重に縮退している。ただし、Ｈ偏波とＶ偏波の信号点の情報を組み合わせることで、縮退を解いて、表現する情報ビットを特定することができる。
以上説明したように、「非直交偏波多重方式」と「多偏波空間変調方式」とは、従来の偏波多重方式よりも周波数利用効率を向上させるために、以下のような性質を利用している点で共通している。
すなわち、従来のＶ偏波およびＨ偏波を用いる直交偏波多重変調は、物理的に互いに独立なＶ偏波内およびＨ偏波内でそれぞれ多値変調を用いた信号点を定義している。この結果、Ｖ偏波のみ、またはＨ偏波のみを利用した場合に比べて、２倍の効率を達成していることになる。
これに対して、「非直交偏波多重方式」または「多偏波空間変調方式」は、Ｖ偏波内およびＨ偏波内だけではなく、Ｖ偏波とＨ偏波により構成される空間にも信号点を割り当てることで、従来方式以上の周波数利用効率を達成していることになる。
そこで、以下では、このようにＶ偏波とＨ偏波により構成される空間にも信号点を割り当てる方式のことを総称する場合「多偏波空間多重伝送方式」と呼ぶことにする。
以上説明したように、図３および図４は、信号点間の最小のユークリッド距離が最大になるように、信号点の配置を決定した場合を示している。
しかしながら、加法性ホワイトガウスノイズ(ＡＷＧＮ：additive white Gaussian noise)環境では、隣接シンボル間においてシンボル誤りが発生するため、隣接シンボル間のユークリッド距離を拡大し、ハミング距離を小さくすることが、誤り耐性の向上に寄与する。
一方で、上述したＰＡＰＲの増大の原因は、信号点配置のピーク電力である。
そこで、本実施の形態では、以下の数式（Ｅ１）、（Ｅ２）のように各シンボルをＨ／Ｖ合計（またはＨ／Ｖ各偏波）のピーク電力で正規化した上で信号点配置を最適化する。
そこで、以下では、数式（Ｅ１）または数式（Ｅ２）による正規化を総称するときには、「信号点配置に対するピーク電力についての正規化」と呼ぶことにする。
このとき、送信電力一定（Ｈ／Ｖ合計電力＝１）の条件に合わせる場合は、さらに数式（Ｅ３）の処理を行う。

そこで、数式（Ｅ３）のような処理については、「信号点配置に対する送信電力についての正規化」と呼ぶことにする。
また、信号点配置の最適化には、最小ユークリッド距離を最大とする評価基準や、ハミング距離Ｈdistとユークリッド距離Ｅdistを組み合わせた評価式（例えば、数式（Ｅ４））を最小とする基準など、評価対象に合わせた基準を用いることができる。この評価式（Ｅ４）と数式（Ｅ１）、（Ｅ２）の正規化手法を組み合わせることで、ＢＥＲ特性劣化の主な要因となる、誤り訂正における各シンボルに割り当てられた符号の影響を最小化するような低ＰＡＰＲの信号点配置を簡単に導出することができる。

２Nは、Ｈ／Ｖ偏波面上の全シンボル数、ＮはＨ／Ｖ偏波上の１シンボル当たりのビット数を示す。
ここで、この評価式（Ｅ４）の関数としては単調な増加関数を用いることで、生成可能な信号点配置の中からＢＥＲ特性を向上させる配置（シンボル間の平均ユークリッド距離が大きく、ＢＥＲ特性劣化の主な要因となるシンボル（Ｈdist：大、Ｅdist：小）が少ない配置）を簡単に導出することができる。
この関数では、Ｈ／Ｖ偏波面上のすべてのシンボルについて、各シンボルについてハミング距離をユークリッド距離で割った値が、関数の引数として含まれ、かつ、各シンボルからの関数Ｆへの寄与が同等となるようにしている。
ｎはＨ／Ｖ偏波面上のシンボルインデックス（１≦ｎ≦２N）、上述のとおり、関数Ｆはｎで指定される値である（Ｈdist（ｎ）／Ｅdist（ｎ））の集合に対して、各要素の増加に対する単調増加関数を示し、この関数Ｆの値が最小となるように信号点配置を決定する。
ここで、逆に、関数Ｆが、ｎで指定される値である（Ｈdist（ｎ）／Ｅdist（ｎ））の集合に対して、各要素の増加に対する単調減少関数である場合に、この関数Ｆの値が最大となるように信号点配置を決定してもよい。本明細書においては、この両者は、実質的に等価であるので、「関数Ｆはｎで指定される値である（Ｈdist（ｎ）／Ｅdist（ｎ））の集合に対して、各要素の増加に対する単調増加関数を示し、この関数Ｆの値が最小となるように信号点配置を決定する」と記載する場合、後者のような場合も含んだ意義を有するものとする。そして、この両者の場合を総称して、「（Ｈ／Ｖ偏波面上の）各送信シンボルについて、ハミング距離をユークリッド距離で割った値を引数とする単調増加関数を、送信シンボルの集合について最小化するように信号点配置を決定する」と記述する。
より具体的には、数式（Ｅ４）の関数Ｆは、例えば、式（Ｅ４）の下に例示するように、（Ｈdist（ｎ）／Ｅdist（ｎ））の総和とすることができる。
（信号配置）
以下では、上記のような基準に従って、信号配置を算出した具体例について説明する。
ここでは、３つの仮想偏波にＩＱ（２bit）を割り当てた信号を数式（Ｅ５）のように合成し、（１シンボル当たり６ビットで表現される）Ｈ／Ｖ偏波上のＩＱ平面にマッピングすることで、Ｈ／Ｖ偏波上の信号点配置のデータ（I/Q mapping Data）が形成されるものとする。

ただし、Ｈは水平偏波のＩＱ成分（複素数）、Ｖは垂直偏波のＩＱ成分（複素数）とし、αk、βkは、k番目の偏波に対するＨ／Ｖ偏波へのマッピング係数（複素数であり各偏波の振幅・位相・偏波角を制御するパラメータ）実部虚部それぞれ±１の範囲の値をとる。ｘk（ｎ）はk番目の偏波に割り当てる変調方式の複素信号点とする。さらに、最適化の条件として、Ｈ／Ｖ偏波間は完全同期で干渉は生じないものとする。
また、Ｈ／Ｖ偏波の電力バランスが保証されない場合は、送信側に大電力用の電力増幅器が必要になるため（Ｈ／Ｖ偏波の電力の大小関係が不定の場合は大きい電力に合わせる必要があるため）、最適配置のＨ／Ｖ各偏波の電力が異なる場合は、適切な角度θの偏波回転行列（数式（Ｅ６））を乗算してＨ／Ｖ等電力の信号点配置に調整を行う。なお、等電力化前後の配置でＢＥＲ特性差は生じない。

（信号配置の具体例）
図５は、最小ユークリッド距離を最大とする最適化配置を探索した結果を示す図である。
図６は、図５における配置ＡのＨ／Ｖ偏波の各々におけるＩＱ平面での信号点配置を示す図である。
図７は、図５における配置ＢのＨ／Ｖ偏波の各々におけるＩＱ平面での信号点配置を示す図である。
図８は、図５における配置ＣのＨ／Ｖ偏波の各々におけるＩＱ平面での信号点配置を示す図である。
図５においては、数式（Ｅ５）のマッピング係数の実部/虚部のそれぞれについて、
±１（0.00001ステップ）
の範囲で変化させた場合に生成可能な信号点配置について、２6[bit/symbol]
（＝６４個）の全シンボルに対する最小ユークリッド距離を最大とする最適化配置を探索した結果を正規化基準とともに示す。
図６に示すように、配置Ａは数式（Ｅ０）（Ｈ／Ｖ合計の平均電力）で正規化した従来の最適配置である。
図７に示すように、配置Ｂは数式（Ｅ１）（Ｈ／Ｖ合計のピーク電力）で正規化した場合の最適配置である。
図８に示すように、配置Ｃは数式（Ｅ２）（Ｈ／Ｖ各偏波のピーク電力）で正規化した場合の最適配置である。
なお、配置Ｂ，Ｃについては、図５に記載のマッピング係数で生成される配置に対して数式（Ｅ３）の処理を行い、送信電力一定（Ｈ／Ｖ合計電力＝１）としている。
図９は、図５に示した探索した各最適配置の評価値を示す図である。
図９に示すように、従来の最適配置Ａに比べて、数式（Ｅ１）または（Ｅ２）により正規化した配置Ｂ，ＣのＰＡＰＲが低減している。
図１０は、ＢＥＲ特性をシミュレーションした送受信機構成を示す図である。
図１０に示す偏波多重方式の送受信機構成にて、図６〜８の各配置に電力増幅器の非線形歪みの影響を与えた場合のＢＥＲ特性を計算機シミュレーションにより確認した。
図１１は、各最適信号点配置についてのＢＥＲシミュレーションの結果を示す図である。
なお、シミュレーションにおいては、誤り訂正方式は、ＬＤＰＣ（Low-Density Parity-Check; 低密度検査）符号化/ＢＰ（Belief Propagation）復号（符号化率Ｒ＝1/2と5/6、ＢＰ復号に必要な雑音電力推定は理想）とし、電力増幅器の非線形歪みの影響はRappモデルで与え、非線形性の強さを表す係数pは１．５とした。
このようなシミュレーションの手法については、たとえば、以下の文献に開示がある。
文献：S. C. Thompson, J. G. Proakis, and J. R. Zeidler, ”The Effectiveness of Signal Clipping for PAPR and Total Degradation Reduction in OFDM Systems，” IEEE GLOBECOM 2005
図１１に示すように、数式（Ｅ１）の手法で最適化した配置Ｂの誤り率は、BER=10-2点で、従来の配置Ａと比較して符号化率１／２で所要Eb/N0が約０．４ｄＢ改善し、符号化率５／６で約１．０ｄＢ改善している。一方、数式（Ｅ２）の手法で最適化した配置Ｃの誤り率は、図９に示したように、ＰＡＰＲについては改善をもたらしつつ、符号化率５／６で約０．２ｄＢ改善している。
このように、本実施の形態によれば、ＰＡＰＲを抑制しつつ、偏波多重方式に対するビット誤り率に優れた最適な信号点配置を簡単に導出することができる。
この図７や図８のようにして計算された、各シンボルとＨ／Ｖ偏波のＩ／Ｑ平面上の信号点配置の関係が、上述したＩ／Ｑマッピングデータ記憶部１０６またはＩ／Ｑマッピングデータ記憶部２１０に格納されているものとする。
図１２は、送信機１０００および受信機２０００での処理を説明するためのフローチャートである。
図１２を参照して、まず、送信機１０００において、送信信号の誤り訂正符号化処理が実行される（Ｓ１００）。
続いて、送信機１０００は、上述したような最適化がされ、Ｉ／Ｑマッピングデータ記憶部１０６に記憶されたＩ／Ｑマッピングデータに基づいて、Ｖ偏波空間およびＨ偏波空間に信号をマッピングする（Ｓ１０２）。
送信機１０００は、さらに、Ｖ偏波空間およびＨ偏波空間において、それぞれ、信号を変調（直交変調）し（Ｓ１０４）、Ｄ／Ａ変換した後、Ｖ偏波およびＨ偏波についてそれぞれアンテナから信号を送出する（Ｓ１０６）。
一方、受信機２０００は、アンテナによりＶ偏波およびＨ偏波を受信し（Ｓ１１０）、Ａ／Ｄ変換の後、Ｖ偏波成分およびＨ偏波成分のそれぞれについて、直交検波を行う（Ｓ１１２）。
さらに、受信機２０００は、上述したような最適化がされ、Ｉ／Ｑマッピングデータ記憶部２１０に記憶されたＩ／Ｑマッピングデータに基づいて、Ｖ偏波空間およびＨ偏波空間で最尤推定を行い（Ｓ１１４）、誤り訂正復号処理を行って受信シンボルを取得する（Ｓ１１６）。
このように、本実施の形態の信号点配置によれば、ＰＡＰＲを抑制しつつ、偏波多重方式などの多次元伝送方式に対するビット誤り率に優れた信号点配置を簡単に導出することができる。
ＰＡＰＲを抑制しつつ、偏波多重方式などの多次元伝送方式に対するビット誤り率に優れた信号点配置により送信または受信を行うことが可能となる。
今回開示された実施の形態は、本発明を具体的に実施するための構成の例示であって、本発明の技術的範囲を制限するものではない。本発明の技術的範囲は、実施の形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲の文言上の範囲および均等の意味の範囲内での変更が含まれることが意図される。
１００ 誤り訂正符号化処理部、１０２ Ｓ／Ｐ変換部、１０４ Ｖ／Ｈマッピング処理部、１０６，２１０ Ｉ／Ｑマッピングデータ記憶部、１０８ａ，１０８ｂ 直交変調部、１１０ａ，１１０ｂ Ｄ／Ａ変換部、１１２ａ、１１２ｂ 送信フィルタ処理部、１１４ａ，２００ａ 垂直偏波アンテナ、１１４ｂ，２００ｂ 水平偏波アンテナ、２０２ａ，２０２ｂ 受信フィルタ処理部、２０４ａ，２０４ｂ Ａ／Ｄ変換部、２０６ａ，２０６ｂ 直交検波部、２０８ 最尤判定処理部、２１２ Ｐ／Ｓ変換部、２１４ 誤り訂正復号処理部、１０００ 送信機、２０００ 受信機。

Claims (16)

  1. 第１および第２の搬送波信号により構成される空間に信号点を割り当てる多次元伝送で送受信を行う無線通信システムであって、
    送信機および受信機を備え、
    前記送信機は、
    送信アンテナと、
    送信シンボルに誤り訂正符号化処理を実行するための誤り訂正符号化処理部と、
    第１の記憶部とを含み、
    前記第１の記憶部は、各送信シンボルについて、信号点配置に対するピーク電力についての正規化および誤り訂正時における各シンボルに割り当てられた符号のビット誤り率への影響を最小化するように算出された信号点配置を記憶し、
    前記第１の記憶部に記憶された情報に基づき、前記多次元伝送において、誤り訂正符号化処理部の出力を、前記第１および第２の搬送波信号の同相成分および直交位相成分平面内に割り当てるマッピング処理部と、
    前記マッピング処理部の処理結果に基づき、前記第１および第２の搬送波信号について直交変調を実行して、前記送信アンテナより送出する送信部とをさらに含み、
    前記受信機は、
    受信アンテナと、
    前記受信アンテナで受信された信号について、それぞれ前記第１および第２の搬送波信号について直交検波を実行する受信部と、
    前記第１の記憶部に記憶される前記信号点配置に対応する情報を記憶する第２の記憶部と、
    前記第２の記憶部に記憶された情報に基づき、前記多次元伝送において、第１および第２の搬送波信号について、最尤判定を実行するための最尤判定処理部と、
    前記最尤判定処理部の判定結果に基づき、誤り訂正復号処理を実行するための誤り訂正復号処理部とを含む、無線通信システム。
  2. 前記信号点配置に対するピーク電力についての正規化は、前記第１および第２の搬送波信号の合計のピーク電力についての正規化である、請求項１記載の無線通信システム。
  3. 前記信号点配置に対するピーク電力についての正規化は、前記第１および第２の搬送波信号それぞれのピーク電力についての正規化である、請求項１記載の無線通信システム。
  4. 前記信号点配置は、信号点配置に対するピーク電力についての正規化とともに、各送信シンボルについて、ハミング距離をユークリッド距離で割った値を引数とする単調増加関数を、送信シンボルの集合について最小化するように算出されたものである、請求項２または３記載の無線通信システム。
  5. 前記関数は、各送信シンボルについてハミング距離をユークリッド距離で割った値の送信シンボルについての総和である、請求項４に記載の無線通信システム。
  6. 前記第１および第２の搬送波信号は、互いに直交する２偏波の搬送波信号である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の無線通信システム。
  7. 前記第１および第２の搬送波信号は、互いに異なる周波数の搬送波信号である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の無線通信システム。
  8. 第１および第２の搬送波信号により構成される空間に信号点を割り当てる多次元伝送で送信を行う無線通信装置であって、
    送信アンテナと、
    送信シンボルに誤り訂正符号化処理を実行するための誤り訂正符号化処理部と、
    記憶部とを備え、
    前記記憶部は、各送信シンボルについて、信号点配置に対するピーク電力についての正規化および誤り訂正時における各シンボルに割り当てられた符号のビット誤り率への影響を最小化するように算出された信号点配置を記憶し、
    前記記憶部に記憶された情報に基づき、前記多次元伝送において、誤り訂正符号化処理部の出力を、前記第１および第２の搬送波信号の同相成分および直交位相成分平面内に割り当てるマッピング処理部と、
    前記マッピング処理部の処理結果に基づき、前記第１および第２の搬送波信号について直交変調を実行して、前記送信アンテナより送出する送信部とをさらに備える、無線通信装置。
  9. 第１および第２の搬送波信号により構成される空間に信号点を割り当てる多次元伝送で受信を行う無線通信装置であって、
    受信アンテナと、
    前記受信アンテナで受信された信号について、それぞれ前記第１および第２の搬送波信号について直交検波を実行する受信部と、
    記憶部とを備え、
    前記記憶部は、各送信シンボルについて、信号点配置に対するピーク電力についての正規化および誤り訂正時における各シンボルに割り当てられた符号のビット誤り率への影響を最小化するように算出された信号点配置を記憶し、
    前記記憶部に記憶された情報に基づき、前記多次元伝送において、前記第１および第２の搬送波信号について、最尤判定を実行するための最尤判定処理部と、
    前記最尤判定処理部の判定結果に基づき、誤り訂正復号処理を実行するための誤り訂正復号処理部とをさらに備える、無線通信装置。
  10. 前記信号点配置に対するピーク電力についての正規化は、前記第１および第２の搬送波信号の合計のピーク電力についての正規化である、請求項８または９記載の無線通信装置。
  11. 前記信号点配置に対するピーク電力についての正規化は、前記第１および第２の搬送波信号それぞれのピーク電力についての正規化である、請求項８または９記載の無線通信装置。
  12. 前記信号点配置は、信号点配置に対するピーク電力についての正規化とともに、各送信シンボルについて、ハミング距離をユークリッド距離で割った値を引数とする単調増加関数を、送信シンボルの集合について最小化するように算出されたものである、請求項１０または１１記載の無線通信装置。
  13. 前記関数は、各送信シンボルについてハミング距離をユークリッド距離で割った値の送信シンボルについての総和である、請求項１２に記載の無線通信装置。
  14. 前記第１および第２の搬送波信号は、互いに直交する２偏波の搬送波信号である、請求項８〜１２のいずれか１項に記載の無線通信装置。
  15. 前記第１および第２の搬送波信号は、互いに異なる周波数の搬送波信号である、請求項８〜１２のいずれか１項に記載の無線通信装置。
  16. 第１および第２の搬送波信号により構成される空間に信号点を割り当てる多次元伝送で送受信を行う無線通信方法であって、
    送信機が、送信シンボルに誤り訂正符号化処理を実行するステップと、
    送信機が、各送信シンボルについて、信号点配置に対するピーク電力についての正規化および誤り訂正時における各シンボルに割り当てられた符号のビット誤り率への影響を最小化するように算出された信号点配置に基づき、前記多次元伝送において、誤り訂正符号化処理の結果を、前記第１および第２の搬送波信号の同相成分および直交位相成分平面内に割り当てるマッピング処理を行うステップと、
    送信機が、前記マッピング処理の結果に基づき、第１および第２の搬送波信号について直交変調を実行して、前記送信アンテナより送出するステップと、
    受信機が、受信された信号について、それぞれ第１および第２の搬送波信号について直交検波を実行するステップと、
    受信機が、前記送信機における前記信号点配置に基づき、前記多次元伝送において、第１および第２の搬送波信号について、最尤判定を実行するステップと、
    受信機が、前記最尤判定の判定結果に基づき、誤り訂正復号処理を実行するステップとを備える、無線通信方法。
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