(57)【要約】【課題】  伝送誤り率を改善した超広帯域無線システム用受信機を提案する。【解決手段】  ＤＤＦＳＥ系列推定をビタビ等化器に採用することでＭＢＯＫ  ＤＳ−ＵＷＢ向け等化器の状態数を削減し、加えてＭＢＯＫ  ＤＳ−ＵＷＢのデータ写像を考慮した状態数削減を試みることで計算量の少ない等化器を構成する。受信機は、受信した信号と送信パルス波形との相関をとるパルス相関器と、マルチパスで分散したエネルギーを回収するためのレイク合成器と、レイク合成器の出力と通信に用いる拡散系列との相関をとる拡散系列相関器と、前記拡散系列相関器の出力に含まれるエラーを抑制するためのビタビ等化器と、前記ビタビ等化器の出力を復号して出力する多元陪直交化キーイング復号器と、通信路でのマルチパス環境を含めた通信路状態を推定する通信路推定器と、を備えた多元陪直交化キーイング方式とする。【選択図】  図２
2006197349.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
データ変調信号による帯域幅よりも大きな拡散変調による帯域幅を持った超広帯域無線信号を用いる多元陪直交化キーイング方式の通信装置の受信機であって、
受信した信号と送信パルス波形との相関をとるためのパルス相関器と、
マルチパスで分散したエネルギーを回収するレイク合成器と、
レイク合成器の出力と通信に用いる拡散系列との相関をとる拡散系列相関器と、
該拡散系列相関器の出力に含まれるパルス間干渉を抑圧するためのビタビ等化器と、
該ビタビ等化器の出力を復号して出力する多元陪直交化キーイング復号器と、
通信路でのマルチパス環境を推定する通信路推定器と、
を備えたことを特徴とする超広帯域無線システム用受信機。
【請求項２】
ビタビ等化器においては、マルチパス特性を有する通信路を、あらかじめ与えられた遅延シンボル数に等しい畳み込み符号の拘束長を持った符号器と見なして等化する操作、と等価な操作を行って等化することを特徴とする請求項１に記載の超広帯域無線システム用受信機。
【請求項３】
上記のビタビ等化におけるブランチメトリックの評価において、拡散系列相関器の出力からマルチパス特性による効果の明らかな項について予め差し引いた値について、ブランチメトリックを求めることを特徴とする請求項２に記載の超広帯域無線システム用受信機。
【請求項４】
多元陪直交化キーイング復号器においては、ビタビ等化器の出力を極性判定を行ってそれぞれの極性のグループに振り分け、それぞれのトレリス線図は予め決められた対応関係で対応させるものとし、一方のグループの信号についての復号結果で、上記の対応関係に従って他方のグループの信号の復号を代用することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の超広帯域無線システム用受信機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、伝送誤り率を改善した超広帯域(Ultra Wide Bandwidth ：ＵＷＢ)無線システム用受信機に関している。
【背景技術】
【０００２】
超広帯域(Ultra Wide Bandwidth ：ＵＷＢ)無線通信は、近距離における低消費電力かつ高速データ伝送が可能な無線通信として注目を集めている。このようなＵＷＢ信号を用いた無線通信には、無線パーソナルエリアネットワーク（ＷＰＡＮ）の高速データ伝送向けＰＨＹ（物理層）がある。例えば、ルートレイズドコサイン（Root-raised cosine）パルス信号を用いた直接系列型ＵＷＢ(Direct-Sequence UWB：ＤＳ−ＵＷＢ）方式や、マルチバンド型直交周波数分割多重（Multi-Band Orthogonal Frequency Division Multiplex：ＭＢ−ＯＦＤＭ)方式などが知られている。
【０００３】
ＤＳ−ＵＷＢ方式は、簡素な構成で１Ｇｂｐｓ超までの高速データ伝送を行える方式として注目されているが、マルチパスによる影響を受け易いという欠点もある。例えば、通常用いられるＤＳ−ＵＷＢ方式では、約１ｎｓｅｃ間隔で連続したＵＷＢパルス信号を送信する。一般的にＵＷＢ伝送路でのマルチパス遅延時間は約６０ｎｓｅｃにも達するため、遅延パルス信号が他のパルス信号と干渉するパルス間干渉を生じることになる。よって受信側でのパルス間干渉除去技術の採用が不可欠となり、このためには、判定帰還等化器（Decision Feedback Equalizer：ＤＦＥ）などが用いられている。
【０００４】
また、ＤＳ−ＵＷＢ方式では、データレートに応じて、高速化のために、マルチコード化または拡散符号の短縮化を行う。このうちマルチコード化を行う方法として、多元陪直交化キーイング(M-ary Bi-orthogonal Keying：ＭＢＯＫ)が用いられている。このＭＢＯＫを用いたＤＳ−ＵＷＢ（MBOK DS-UWB）方式は、高速なデータ伝送を行う際にも拡散利得を保つことができるが、マルチコード化することにより受信側で用いる等化器の複雑度が増加してしまう。
【０００５】
図１にＭＢＯＫ  ＤＳ‐ＵＷＢの情報マッピング方法を示す。ＭＢＯＫでは、Ｍ個の拡散系列の中から１つの拡散系列を選択することで、1og2Ｍビットの情報を１シンボルで送信することが可能になる。このように、拡散系列数Ｍを増やすことで多値化を行い、高速データ伝送を実現する。また、ＭＢＯＫでは、Ｍ個の拡散系列の集合をＣとすると、次のように、半分のＭ／２個は他の極性反転した拡散系列となっている。
【０００６】
【数１】
2006197349.tif 000003
【０００７】
ここで、それぞれの拡散系列は長さＬcであり、次のように表される。
【０００８】
【数２】
2006197349.tif 000004
ここで、ｉ番目のシンボルとして選択された拡散系列を
【０００９】
【数３】
2006197349.tif 000005
【００１０】
とすると、送信信号は、拡散系列の各チップを時間幅Ｔpを持つＵＷＢパルス信号ｐ（ｔ）で置換したもので、次のようになる。
【００１１】
【数４】
2006197349.tif 000006
【００１２】
ここで、Ｎsはシンボル数、Ｔcはシンボル間隔を表しておりＴc＝Ｌc×Ｔpとなる。
【００１３】
一般に、マルチパス通信路は、次のように離散サンプルでモデル化される。
【００１４】
【数５】
2006197349.tif 000007
【００１５】
ここでＬはパスの総数、hlとτlは、各パスの利得と遅延時間を表している。
【００１６】
このとき、受信信号は、送信信号ｘ（ｔ）と、通信路の応答ｈ（ｔ）との次の畳み込みで表される。
【００１７】
【数６】
2006197349.tif 000008
【００１８】
ここで、ｎ（ｔ）は、平均０、分散σ2のＡＷＧＮ（加法性白色ガウスノイズ）である。
【００１９】
【非特許文献１】D. Cassioli, M. Z. Win, F. Vatalaro, and A. F. Molish, "performance of low-complexity Rake reception in a realistic UWB channel," Proc. IEEE ICC'03, vol.2, pp.763-767, 2003.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
上記の様に、ＭＢＯＫを用いたＤＳ−ＵＷＢ方式は、高速なデータ伝送を行う際にも拡散利得を保つことができるが、マルチコード化することにより受信側で用いる等化器の複雑度が増加してしまう。
【００２１】
本発明では、ビタビ等化における系列推定アルゴリズムとしてとしてＤＤＦＳＥ（Delayed Decision Feedback Sequence Estimation）を採用することでＭＢＯＫ  ＤＳ−ＵＷＢ向け等化器の状態数を削減し、加えてＭＢＯＫ  ＤＳ−ＵＷＢのデータ写像を考慮した状態数削減を試みることで計算量の少ない等化器を構成する。
【発明の効果】
【００２２】
超広帯域無線通信におけるＭＢＯＫ  ＤＳ‐ＵＷＢ受信機に、ＤＤＦＳＥを適用し、さらにＭＢＯＫの特長を利用した状態数の削減を行うことで、ＭＢＯＫ  ＤＳ‐ＵＷＢにおけるビタビ等化の計算量を削減することができる。この状態数の削減により、０．５ｄＢ以下の損失で、ビタビ等化器におけるメトリック計算量を削減することが可能になる。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の超広帯域無線システム用受信機は、データ変調信号による帯域幅よりも大きな拡散変調による帯域幅を持った超広帯域無線信号を用いる多元陪直交化キーイング方式の通信装置の受信機であって、受信した信号と送信パルス波形との相関をとるパルス相関器と、マルチパスで分散したエネルギーを回収するためのレイク合成器と、レイク合成器の出力と通信に用いる拡散系列との相関をとる拡散系列相関器と、前記拡散系列相関器の出力に含まれるエラーを抑制するためのビタビ等化器と、前記ビタビ等化器の出力を復号して出力する多元陪直交化キーイング復号器と、通信路でのマルチパス環境を含めた通信路状態を推定する通信路推定器と、を備えたことを特徴としている。
【００２４】
また、上記の超広帯域無線システム用受信機では、ビタビ等化器においては、マルチパス特性を有する通信路を、予め与えられた遅延シンボル数に等しい畳み込み符号の拘束長を持った符号器と見なして等化する操作と等価な操作を行って、等化する。
【００２５】
また、上記の超広帯域無線システム用受信機では、ビタビ等化におけるブランチメトリックの評価において、ＤＤＦＳＥに基づき、拡散系列相関器の出力から、規定値以上の遅延シンボルからの干渉を判定帰還推定により予め差し引き、その結果の値について最尤系列推定によりブランチメトリックを計算する。
【００２６】
また、ビタビ等化における計算量を削減するため、ＤＤＦＳＥにおける最尤系列推定部における生き残りパス選択を行うにあたり、各拡散系列の正負極性判定をあわせて行うことで、以降の状態遷移において考慮すべき状態数を削減することが可能になり、計算量の削減が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下に、この発明の実施の形態を、ＭＢＯＫ  ＤＳ‐ＵＷＢ方式に沿って詳細に説明する。ＭＢＯＫ  ＤＳ‐ＵＷＢの情報マッピング方法は、上記と同様であり、図１に示す。つまり、Ｍ個の拡散系列の中から１つの拡散系列を選択することで、1og2Ｍビットの情報を１シンボルで送信する。また、Ｍ個の拡散系列の集合をＣとすると、図１に示す様に、半分のＭ／２個は他の符号を極性反転した符号とする。
【００２８】
また、図２に、本発明の受信器構成例を示す。パルス相関器１でパルス信号レベルで相関をとった後にレイク合成器２でレイク（Ｒａｋｅ）合成し、その後、拡散系列相関器３でｃ１からｃＭ／２までのＭ／２個の拡散系列との相関を得る。ビタビ等化器４によるビタビ等化はシンボルレベルで行い、ＭＢＯＫ復号器５で復号して出力する。ビタビ等化をシンボルレベルでの等化処理にすることで、処理速度への要求を緩和できる構成となっている。以下に、信号の流れに沿って説明する。
【００２９】
受信信号ｒ（ｔ）については、パルス信号ｐ（ｔ）との相関をとった後、パルス信号レベルでのＲａｋｅ合成を行う。パルス信号ｐ（ｔ）との相関については、ｉ番目のシンボルのｊ番目のチップに対応する信号において、相関出力は、
【００３０】
【数７】
2006197349.tif 000009
となる。また、Ｒａｋｅ合成出力は次のように与えられる。
【００３１】
【数８】
2006197349.tif 000010
ここでαfとτfは、ｆ番目のフィンガにおける合成重みと遅延量を表す。
【００３２】
このＲａｋｅ合成出力については、Ｍ／２個の各符号との相関を取る。拡散系列ｃm（ｍ∈１、・・・、Ｍ／２）との相関出力は、次の式で与えられる。
【００３３】
【数９】
2006197349.tif 000011
【００３４】
ＡＷＧＮ項を無視して考えると、式７は所望成分とパルス間干渉成分（Inter pulse interferences：ＩＰＩ）とに分けられる。
【数１０】
2006197349.tif 000012
【００３５】
一般に、マルチパスによるパルス間の干渉がある通信路を、マルチパスを用いた畳み込み符号化装置と同様に考えることができるので、通常の畳み込み符号の復号と同様の操作でその影響を除去できることが可能である。このパルス間干渉成分を等化処理によって除去することができれば、エラーレート特性は大幅に改善される。本発明では、トレリス線図を用いたビタビ等化による干渉除去を行う。ビタビ等化によってマルチパスなどにより生じた干渉効果を除去した信号について、各符号に対する相関値を求め、ＭＢＯＫ復調器によってビット列に変換される。等化においては、ビタビ等化に限定する必要はなく、既に知られている他の等化を用いても良いが、判定帰還等化では低ＳＮＲにおいて誤り伝搬が生じ、誤り率特性の改善が得られない。
【００３６】
［ＭＢＯＫ ＤＳ‐ＵＷＢ用ビタビ等化における計算量の削減］
次に、ＭＢＯＫ ＤＳ-ＵＷＢ 向け等化について本発明の提案する、計算量削減方法について説明する。等化処理の計算量を削減するために、次の２つの方法を取る。
・  ＤＤＦＳＥの採用
・  ＭＢＯＫ ＤＳ‐ＵＷＢを考慮したトレリス状態数の削減
以降、それぞれについて説明をする。
【００３７】
［ＤＤＦＳＥを用いたＭＢＯＫ ＤＳ-ＵＷＢ等化］
ＤＤＦＳＥは、最尤系列推定（Maximum LikelihoodSequence Estimation：ＭＬＳＥ) と、判定帰還推定（Ｄesion Feedback Estimation：ＤＦＥ）とのハイブリツド型である。ＭＬＳＥにおいて考慮する遅延シンボル数ηを削減することで、計算量を軽減することが可能になる。ハイブリッド型である。ＤＤＦＳＥによるビタビ等化で干渉除去を行うにあたり、考慮する遅延シンボル数をηとし、このうちＭＬＳＥによって等化を行う遅延シンボル数を（μ＜η）とすると、ηとμの差分の遅延シンボルはＤＦＥによって等化される。ηを低い値に設定すると、等化する遅延シンボル数が少なくなるため計算量は削減されるが、マルチパス環境によっては等化が十分に行えず、等化後も干渉成分が残る。また、ＤＦＥはＭＬＳＥより計算量が低いことから、μを低い値に設定することで計算量の削減が行える。
【００３８】
図３（ａ）に、ＭＢＯＫ  ＤＳ−ＵＷＢにおけるＭＬＳＥでのトレリス線図例を示す。この図では、考慮する遅延シンボル数η＝２である。図において、各状態（丸で表記）に記入されている拡散系列組が、パルス間干渉を生じさせていると仮定する遅延シンボル組であり、ブランチ（丸と丸をつなぐ線）に示されている拡散系列が現シンボルに対応する。
【００３９】
ここで、ＭＬＳＥおよびＤＤＦＳＥにおけるブランチメトリックは次のように計算される。
・  ＭＬＳＥ
【数１１】
2006197349.tif 000013
【００４０】
また、図３（ｂ）に、ＭＢＯＫ  ＤＳ‐ＵＷＢ  におけるＤＤＦＳＥのトレリス線図の例を示す。この図は、考慮する遅延シンボル数η＝２、判定帰還推定に用いるシンボル数μ＝１の場合を示している。判定帰還推定での干渉除去は、判定済みのシンボル（拡散系列）と通信路推定値から行うものである。
【００４１】
ここで、ＭＬＳＥおよびＤＤＦＳＥにおけるブランチメトリックは次のように計算される。
・  ＤＤＦＳＥ
【数１２】
2006197349.tif 000014
ここで、ハット（＾）は、判定済みのシンボルを表す。
また、ｆnは通信路推定値より計算された重み係数である。
【００４２】
マルチパス信号の最大遅延時間がＴdmである通信路では、ＭＬＳＥでは、次式に含まれる遅延シンボル数を考慮する必要がある。
【００４３】
【数１３】
2006197349.tif 000015
ここで、次のセイル関数は、Ａ以上の最小の整数を示す。
【数１４】
2006197349.tif 000016
【００４４】
図３では、上記の様に、簡素化のためにη＝２とした。ＤＤＦＳＥでは、等化するシンボル数をη＝２として、そのうちＭＬＳＥとして扱う遅延シンボル数をμ＝１とした。…状態数は、ＭＬＳＥでＭのη乗であり、ＤＤＦＳＥでＭのμ乗である。したがって、η＝２かつμ＝１の場合、ＤＤＦＳＥを適用することで、ＭＬＳＥと比較してブランチメトリック計算量を１／Ｍに削減することができる。
【００４５】
［ＭＢＯＫ  ＤＳ‐ＵＷＢを考慮した状態数削減］
ＭＢＯＫ  ＤＳ‐ＵＷＢでは、送信するＭ個の符号のうち、半分が極性反転した符号となっている。極性が異なる符号間距離は大きいため、各シンボルごとに先ず極性判定を行って、判定の結果残った極性を持つ拡散系列からのパルス間干渉のみを消去する方法を採用しても性能劣化は少ないと考えられる。この点を考慮したトレリス線図の例を図４に示す。図３と同様に、ＤＤＦＳＥで考慮する遅延シンボルはη＝２、μ＝１とした。図４では、正極性のシンボルについて示している。正負極性が異なる拡散系列はパラレルブランチとした。図4では、正極性のシンボルが選択された場合を例に示している。正負極性が異なる拡散系列をパラレル（並列）ブランチとして表現し、生き残りパス選択時に一方の極性のみが残るように選択することで、MLSEにおいて考慮する状態数を半減でき、そのブランチメトリック計算量は(M/2)×（Mのμ-1)乗となる。よって、図3に示したようなη=2、μ=1の場合、極性判定を生き残りパス選択に加えることで、計算量は半減できる。よってメトリック計算量もＤＤＦＳＥと比較して半分に減らすことが可能になる。この状態数を削減したＤＤＦＳＥ（Reduced State DDFSE：ＲＳ‐ＤＤＦＳ）アルゴリズムを用いて、ＭＢＯＫ  ＤＳ‐ＵＷＢにおける等化処理について性能評価を行った。これを以下に示す。
【００４６】
［性能評価］
以下では、提案した計算量削減型等化について性能評価を行う。まず、ＵＷＢチャネルモデルを考慮した系列推定間の比較を行い、その後シミュレーション結果を示す。
【００４７】
［ＵＷＢチャネルモデルにおける距離特性］
提案するＲＳ‐ＤＤＦＳＥアルゴリズムについて、ＭＬＳＥやＤＤＦＳＥとの性能比較を定性的に行うために、ここではあるエラーイベントに対する平均二乗距離の比較を行う。図５に、（ａ）ＭＬＳＥ、（ｂ）ＤＤＦＳＥ、（ｃ）ＲＳ‐ＤＤＦＳＥ、各推定アルゴリズムにおいて、４ＢＯＫ  ＤＳ‐ＵＷＢ  におけるエラーイベントを太線で表現したトレリス線図を示す。エラーイベントは｛ｃ２，−ｃ１，ｃ１，ｃ１｝とした。ＤＤＦＳＥにおいて、遅延シンボル数はそれぞれη＝２、μ＝１とした。各トレリス線図からわかるように、計算量の削減を行うことで、エラーイベントのパス長が短くなることがわかる。
【００４８】
正しいパス（すべてＣ１）との距離を考えることで、このエラーイベントがどの程度性能に影響を与えるのか評価を行うことができる。表１に各ＵＷＢチャネルモデルにおける、エラーイベントと正しいパス間との平均二乗距離を示す。
【００４９】
【表１】
2006197349.tif 000017
ここで、Ｒａｋｅフィンガ数は１６本とし、また雑音は加えないものとした。
【００５０】
表２に各チャネルモデルのパラメータを示す。
【表２】
2006197349.tif 000018
【００５１】
表２に示した平均二乗距離は、各チャネルモデルについて１００個の実現値を求め、各実現値における正しいパスとエラーイベント間の二乗距離値を平均した値である。式で表現すると、
【００５２】
【数１５】
2006197349.tif 000019
ここで、
【００５３】
【数１６】
2006197349.tif 000020
は、正しいパスの拡散系列相関値ベクトル、
【００５４】
【数１７】
2006197349.tif 000021
はエラーイベントの拡散系列相関値ベクトルを表している。
【００５５】
パルス間干渉がない場合には、二乗距離は６（＝（１2十１2）十２2）となることから、送受信間が見通せるＬＯＳ（Line Of Sight）環境であるＣＭ１では、パルス間干渉がない場合と同じ距離が得られることがわかる。一方、エネルギー分散が大きくなるにつれて、Ｒａｋｅ合成で得られるエネルギーが小さくなるため、特にＣＭ４において平均二乗距離は小さくなる。提案するＲＳ‐ＤＤＦＳＥは、各チャネルモデルにおいて、ＭＬＳＥおよびＤＤＦＳＥとほぼ同じ距離を示すことがわかる。このことから、このエラーイベントにおいては、ＭＬＳＥおよびＤＤＦＳＥとエラーレート特性上の差はほぼないと言うことができる。
【００５６】
［計算機シミュレーション結果］
次に提案した系列推定アルゴリズムＲＳ‐ＦＤＤＦＳＥを用いたビタビ等化処理について、計算機シミュレーションによる性能評価を行う。表３にシミュレーションでのパラメータを示す。Ｒａｋｅ合成には、パス利得の上位Ｎfをコヒーレント合成するＳ‐ｒａｋｅ（非特許文献１）を用いた。
【００５７】
【表３】
2006197349.tif 000022
【００５８】
図６にチャネルモデルＣＭ３およびＣＭ４におけるＲＳ‐ＤＤＦＳＥを用いたビタビ等化のシミュレーション結果を示す。これらの図には比較のために、等化を行わない場合とＭＬＳＥおよびＤＤＦＳＥを用いた場合のエラーレート特性をあわせて示している。ＣＭ４では等化の効果がＣＭ４と比較して大きく現れていることがわかる。これは表２に示したように、ＣＭ４がもっとも遅延広がりが大きなチャネルモデルであり、よってパルス間干渉の影響もまた大きくなるためである。シミュレーション結果より、ＲＳ‐ＤＤＦＳＥはＤＤＦＳＥと比較して計算量は半減されているにもかかわらず、エラーレート特性における劣化は０．５ｄＢ以下と少ないことがわかる。この結果は前節でのエラーイベントに対する平均距離の比較結果と一致する。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、データ変調信号による帯域幅よりも大きな拡散変調による帯域幅を持った超広帯域無線信号を用いる多元陪直交化キーイング方式の通信装置の受信機を想定しているが、拡散変調の式からも明らかなように、拡散系列を乗ずることによる帯域幅の拡大は、本質的なものではなく、拡散変調を用いた任意の多元陪直交化キーイング方式の通信装置の受信機にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】ＭＢＯＫ  ＤＳ‐ＵＷＢの情報マッピング方法を示す図である。
【図２】本発明の受信器構成例を示すブロック図である。
【図３】ＭＢＯＫ  ＤＳ‐ＵＷＢ  におけるＭＬＳＥのトレリス線図の例を示す。
【図４】トレリス線図の例を示す。
【図５】（ａ）ＭＬＳＥ、（ｂ）ＤＤＦＳＥ、（ｃ）ＲＳ‐ＤＤＦＳＥ、各推定アルゴリズムにおいて、４ＢＯＫ  ＤＳ‐ＵＷＢ  におけるエラーイベントを太線で表現したトレリス線図を示す。
【図６】ＲＳ‐ＤＤＦＳＥを用いたビタビ等化のシミュレーション結果を示す。
【符号の説明】
【００６１】
１  パルス相関器
２  レイク合成器
３  コード相関器
４  ビタビ等化器
５  ＭＢＯＫ復号器
６  通信路推定器
【図１】
2006197349.tif 000023
【図２】
2006197349.tif 000024
【図３】
2006197349.tif 000025
【図４】
2006197349.tif 000026
【図５】
2006197349.tif 000027
【図６】
2006197349.tif 000028