博士学位論文

(1)

博士学位論文

OFDM 伝送を対象とした判定帰還伝搬路推定に基づくフェージング補償法に関する研究

A Study on Fading Compensation Scheme based on

Decision Feedback Channel Estimation for OFDM Transmission

2006 年 2 月

早稲田大学大学院理工学研究科電子・情報通信学専攻

ワイヤレスコミュニケーション研究

吉田晴人

Haruhito Yoshida

(2)

(3)

第 1 ^章序論

1.1 研究の背景と目的

近年，インターネットや携帯電話の急速な普及に伴い，従来有線系ネットワークにおいて提供されてきたマルチメディアサービスが，移動通信環境においても利用可能となりつつある．マルチメディアコンテンツには，音声，メールなどの比較的容量の小さなコンテンツのみならず，静止画像や音楽ファイル，動画像といった容量の大きいコンテンツも含まれており，今後，移動端末の高機能化や送受信データの大容量化に伴って，さらなる高速かつ高品質なディジタル伝送が可能なシステムの実現が求められている[1], [2]．

ところが，移動通信環境においては，送信アンテナと受信アンテナの間に見通しがない場合が多く，送信アンテナからの電波は周囲の地物や建物などの反射，回折，散乱によって多くの経路を経て受信点に到来し，多重伝搬路が形成されるため，受信アンテナにおいては多重波が受信される．このため，受信局では多重波が互いに干渉するとともに，受信局の移動に伴って，受信信号の振幅と位相が激しく変動するマルチパスフェージングが発

生する[3]〜[13]．復調器においては，熱雑音の影響に加えて，この振幅・位相変動を十

分に補償できない場合，伝送特性が劣化する．さらに，各多重波には伝搬遅延時間差が存在するため，伝送速度の高速化に伴い，ディジタル伝送信号のシンボル長に対してこの時間差が無視できなくなると，波形歪みによる符号間干渉誤りが生じ，伝送特性が極端に劣化する問題がある．符号間干渉が発生するフェージング環境は，伝送信号の周波数帯域内で伝搬路の周波数特性が一様でないので，周波数選択性フェージングと呼ばれる．したがって，移動通信環境において，高速かつ高品質なディジタル伝送を行うためには，何らかの周波数選択性フェージング対策技術が必要不可欠となる．このような伝送特性の劣化要因に対する対策技術として，ダイバーシチ技術[3], [6]〜[12], [14], [18]，適応等化技術 [7]〜[10], [14]，誤り制御技術[7], [9], [10], [16]〜[19]，あるいはマルチキャリヤ伝送技術 [7], [8], [13], [15]〜[18]などが有効である．特に，適応等化技術とマルチキャリヤ伝送技術は周波数選択性フェージング対策を主眼としたものであり，ダイバーシチ技術や誤り制御技術と組み合わせることでさらなる伝送特性の改善を図ることも非常に有効である[7]．

マルチキャリヤ伝送は，高速なデータ系列を複数の低速なデータ系列に分割し，並列伝

(6)

送を行うという原理に基づいており，分割したデータ系列によって複数の副搬送波（サブキャリヤ）を各々変調し，同時に送信する方式である．このとき，各サブキャリヤのシンボル長は，元々のシンボル長よりも非常に長くなるため，周波数選択性フェージングに起因する符号間干渉の影響を抑圧することが可能となる．したがって，一般に，構成が複雑でハードウェア規模が大きくなる適応等化器が必要ないという利点がある[16]〜[18]が，

送・受信機においてサブキャリヤ数分の発振器が必要になることから，サブキャリヤ数の増加に伴って装置規模が増大する問題がある[7], [8]．

一方，マルチキャリヤ伝送の一種である直交周波数分割多重（OFDM：Orthogonal Fre- quency Division Multiplexing）[15]〜[19]が，近年，広く注目を集めている．OFDMは直交関係を有する複数の狭帯域なサブキャリヤを用いて伝送する方式であり，サブキャリヤ間隔を理論上最も狭めることが可能であるため，周波数利用効率が非常に高い方式である．また，離散フーリエ変換（DFT：Discrete Fourier Transform）を用いて全サブキャリヤを一括変復調及び多重化処理することが可能であることから，その高速化アルゴリズムである高速フーリエ変換（FFT：Fast Fourier Transform）を適用することによって効率的に処理を行うことができ，装置規模を削減可能であるとともにLSI化も容易であるという特徴を有する．さらに，OFDMでは，シンボルの先頭部へガードインターバルを挿入することによって，周波数選択性フェージングに起因する符号間干渉の影響を効果的に抑圧できることから，その対策技術として極めて有効である[16]〜[18]．

OFDMの歴史は比較的古く，1970年代にはDFTを用いた方式がすでに提案されている

[15]．OFDMは近年のデバイス技術の進歩によって，FFTや誤り訂正等，キーとなるデバ

イスの実現が現実的なものとなり，最近ではいくつかのシステムで実用化されている．代表的なものとして，5GHz帯を利用する高速無線LANであるIEEE 802.11a [20]〜[22]の標準方式としてバーストモードのOFDM方式が採用され，実用化に至っており，室内環境において，準静止から歩行程度の端末移動速度で物理層において最大54Mbps程度の伝送速度を実現している．また，現在，OFDM伝送のさらなる高速・広帯域化に向けた研究や，高速移動受信に向けた研究等が広く行われている．

一般に，OFDM信号を同期検波により復調する場合，伝搬路特性を精度良く推定する必要がある．これまでに，OFDM伝送を対象とした伝搬路推定に関する研究は数多くなされており，文献[23]では，LS（Least-squares）伝搬路推定とMMSE（Minimum mean-squared

error）伝搬路推定が提案されている．また，文献[24]では，MMSE伝搬路推定の演算量

を削減するため，特異値分解（SVD：Singular value decomposition）を用いた推定法が提案されている．一方で，伝搬路推定を行うためには，一般的に，既知信号をパイロットシンボルとして送信する方法が用いられ，パイロットシンボルによって伝搬路特性を推定し，データシンボルに対するフェージング補償を行うことが必須となる[24], [25]が，パ

(7)

イロットシンボルの多重方法についても数多く研究されている．文献[26]では，時間多重と周波数多重が比較されており，特定のサブキャリヤに対して連続的にパイロットシンボルを配置する周波数多重の方が，伝搬路変動に対する高いトラッキング性能によって特性が良好となることが示されている．しかしながら，バースト伝送を想定した場合，パイロットシンボルによるオーバーヘッドの影響を軽減すべく，バースト先頭部に時間多重する構成がよく用いられる[20]〜[22]．また，将来的に高速・広帯域通信の実現にあたっては，遅延スプレッドの影響がいっそう大きくなることが予想され，周波数多重のパイロットシンボルによって周波数方向の補間処理を行うことが困難となることから，時間多重のパイロットシンボルが有効であると考えられる．

バースト構成のOFDM信号を想定した場合，そのフェージング補償法としては，バースト先頭部に時間多重したパイロットシンボルにおける伝搬路推定値を用いて，後続するデータシンボルに対する補償を行うのが一般的である．この場合，バースト長が長くなると，パイロットシンボルによる推定値とデータシンボルにおける実際の伝搬路変動との誤差が増大し，補償特性が劣化する問題がある．この対策として，1シンボル単位での逐次的な推定が可能な判定帰還伝搬路推定[32], [33]が有効である．判定帰還伝搬路推定に基づくフェージング補償では，バースト内のフェージング変動に追随した補償が可能となることから，高速移動時に問題となるドップラー変動に起因した時間選択性フェージングに対しても，効果的である．ところが，判定帰還伝搬路推定に基づくフェージング補償法では，バースト内における受信レベルの低下に付随して発生する判定誤りに起因して，後続するデータシンボルの伝搬路推定が困難となり，誤り伝搬が生じるという問題がある．

上記の観点から，本論文では，判定帰還伝搬路推定に基づくフェージング補償において問題となる誤り伝搬の影響を軽減し，伝送特性を改善すべく，バースト構成のOFDM伝送を対象としたフェージング補償方式を提案する．具体的には，まず，バースト内の受信レベルの低下に伴う判定誤りが後続するシンボルに対する伝搬路推定を困難にし，その結果，誤り伝搬を発生させることに着目し，バースト先頭部のみならず，最後部にもパイロットシンボルを分割して配置するバースト構成[27], [28]を想定し，それらのパイロットシンボルから得られる伝搬路推定値に基づき，データシンボルに対するフェージング補償を行う方式について議論する．判定帰還伝搬路推定は，時間軸に対して，基本的に一方向の制御であるために，どちらか一方のパイロットシンボルのみで動作が可能であるが，

バーストの両側に配置されたパイロットシンボルの両方を有効に活用すれば，よりいっそうの補償特性の改善が期待できる．そこで，まず，OFDM伝送を対象として，バースト前方と後方の各々のパイロットシンボルにおいて瞬時SNRをサブキャリヤごとに検出するとともに，瞬時SNRの良好な方向からフェージング変動を補償する方式と，バースト内における受信レベルの低下をサブキャリヤごとに検出し，その位置の前後で補償方向

(8)

を適応的に切り換える方式を提案する．さらに，これら提案方式の有効性を確認すべく，

バースト前方にのみパイロットシンボルを配置し，フェージング補償を行う方式を比較対象として，計算機シミュレーションによってその伝送特性を評価する．

ところで，判定帰還伝搬路推定の特性改善には，誤り訂正（FEC：Forward Error Cor-

rection）後の判定値を次のシンボルの推定に用いることが極めて有効である[34], [35]．ま

た，OFDM伝送においては，周波数軸方向に隣接するサブキャリヤに対してチャネル符号化を施すことで，周波数選択性フェージング環境下において高い周波数ダイバーシチ効果が得られ，ビット誤り率を大幅に改善することが可能である[17], [19]ことから，実用的な観点からも，FECを適用した符号化OFDM（COFDM：Coded OFDM）伝送に関する議論は非常に重要である．以上の点を鑑み，本論文では，次に，COFDM伝送を対象とした判定帰還伝搬路推定に基づくフェージング補償方式を提案する．具体的には，バーストの両端にパイロットシンボルを時間多重したバースト構成を想定し，バースト両端から両方向に判定帰還伝搬路推定に基づくフェージング補償を実行し，バースト前方と後方のからの各々の補償範囲を，バースト両端のパイロットシンボルにおける受信電力に基づいて適応的に決定する方式を提案し，その有効性について検証する．また，COFDM伝送においては，FECがパスメトリックによって訂正後の信号のゆう度を与えることに着目すると，各データシンボルにおいて，前方と後方の2方向の判定帰還型伝搬路推定から得られる判定値のゆう度をパスメトリックを基準に比較することができ，適切な判定値の選択が可能となるものと考えられる．そこで，伝送特性のさらなる改善を目的として，両端にパイロットシンボルを配置したバースト構成の各データシンボルにおいて，前方と後方の2 方向からの復号結果をそれらのパスメトリックに基づき選択する方式を提案し，その伝送特性を評価する．

また，バースト伝送のように，利用可能なパイロットシンボルの数が限られている場合，伝搬路推定精度を改善する一つのアプローチとして，判定帰還データシンボルを用いた繰り返し伝搬路推定があり，その有効性が報告されている[27]．そこで，上記のメトリック比較を用いたフェージング補償方式の一つの応用として，本方式に対して繰り返し伝搬路推定を適用し，そのときに得られる伝送特性の改善度について評価する．

1.2 本論文の構成

本論文では，まず第2章において，判定帰還伝搬路推定に基づくフェージング補償法の問題点について述べた後，OFDM伝送を対象とした瞬時SNR推定に基づくフェージング補償法及び受信レベルの落込み検出に基づく両方向フェージング補償法について説明するとともに，計算機シミュレーションによって得られた伝送特性を評価することにより，

(9)

提案方式の有効性を明らかにする．さらに，第3章と第4章においては，COFDM伝送を対象として，各々，パイロット電力比較及びメトリック比較を用いた両方向フェージング補償法を説明するとともに，それらの有効性を検証する．最後に，第5章において，メトリック比較を用いたフェージング補償法の一つの応用として，繰り返し伝搬路推定を適用した場合の伝送特性について議論する．

(10)

(11)

第 2 ^章

OFDM 伝送におけるバーストの両端に配置したパイロットシンボルに基づくフェージング補償法

OFDM伝送を対象としたフェージング補償法として，バースト先頭部に挿入された伝搬路推定用のパイロットシンボルにおいて得られたサブキャリヤごとの伝搬路推定値を初期値として，後続するデータシンボル区間におけるシンボルの判定値に基づき，伝搬路推定値を逐次的に更新する判定帰還型の補償法が提案されており，その有効性が確認され

ている[32], [33], [35]．ところが，判定帰還伝搬路推定に基づくフェージング補償法では，

バースト内における受信レベルの低下に付随して発生する判定誤りに起因して，後続するデータシンボルの伝搬路推定が困難となり，誤り伝搬が生じるという問題がある．

本章では，バースト内の受信レベルの低下に伴う判定誤りが後続するシンボルに対する伝搬路推定を困難にし，その結果，誤り伝搬を発生させることに着目し，バースト先頭部のみならず，最後部にもパイロットシンボルを配置し，それらのパイロットシンボルから得られる伝搬路推定値に基づき，データシンボルに対するフェージング補償を行う2種類の方式を提案する[36]．具体的には，各々のパイロットシンボルにおいて瞬時SNRをサブキャリヤごとに検出するとともに，瞬時SNRの良好な方向からフェージング変動を補償する方式（以下，提案方式A）と，バースト内においてフェージングによる振幅レベルの落込みが発生する位置をサブキャリヤごとに検出し，その位置の前後で補償する方向を切り換える方式（以下，提案方式B）を提案する．ここで，提案方式Aは多値変調方式にも容易に適用可能であり，提案方式Bは定包絡線変調方式にのみ適用可能である．

以下，判定帰還伝搬路推定に基づくフェージング補償法の問題点について述べた後，2 種類の提案方式の動作原理とシステム構成について，各々説明する．さらに，提案方式の有効性を確認すべく，その特性を計算機シミュレーションにより評価する．

2.1 判定帰還伝搬路推定とその問題点

図2.1は判定帰還伝搬路推定に基づくフェージング補償を行う受信機のシステム構成を示したものであり，図2.2はバースト構成を示したものである．ここで，図2.2に示すよ

(12)

うに，連続するM_p個のパイロットシンボルと後続するM_d個のデータシンボルから成るバースト構成を想定し，バースト先頭のパイロットシンボルにおける伝搬路推定値を初期値とし，データシンボル区間においてバースト前方から後方に向かって一方向に判定帰還伝搬路推定及びフェージング補償を実行する．（以下，本方式を前方等化方式と呼ぶ．）受信機ではまず，M_p個のパイロットシンボルを用いてサブキャリヤごとに伝搬路特性を推定し，推定値をパイロットシンボル区間において平均化処理することで伝搬路推定値の初期値を算出する．算出した伝搬路推定値に基づき後続するデータシンボルに対してフェージング補償を実行する．ただし，時間変動する伝搬路特性に追随したフェージング補償処理を行うために，伝搬路推定値はデータシンボルの判定値を参照値とした伝搬路推定により，データシンボル区間において逐次的に更新する．

図2.3は前方等化方式によるフェージング変動の推定状況の一例を，振幅と位相に分けて示したものである．ただし，OFDMシンボル周期T_sで正規化した最大ドップラー周波数 f_DT_s = 0.002，平均E_b/N₀ = ∞，1バースト当たりの全シンボル数M_F = 300とし，先頭の1シンボルをパイロットシンボルとしている．また，バースト長T_F (= M_FT_s)で正規化した最大ドップラー周波数 fDTF = 0.6とし，4つのバーストを連続して送信した場合を想定している．同図において，2番目と4番目のバーストに対しては，前方等化方式によってフェージングによる振幅と位相の変動に追随した伝搬路推定が可能となる．しかしながら，1番目と3番目のバーストに着目すると，実際のフェージングによる位相変動と推定された位相にずれが生じていることが分かる．これは，振幅レベルの低下に伴って生じる急激な位相変動により判定誤りが生じ，後続するシンボルにおいて正確な判定帰還伝搬路推定が困難となることに起因した結果である．これにより，振幅レベルが低下する位置を起点として誤りがバースト最後部まで伝搬し，特に3番目のバーストのように，バースト先頭のパイロットシンボルにおける振幅レベルが著しく低下すると，1バースト全体でフェージング変動に追随した判定帰還伝搬路推定が不可能となる．以上のように，判定帰還伝搬路推定に基づくフェージング補償においては，判定誤りによって生じる誤り伝搬が伝送品質に深刻な悪影響を与える問題がある．

(13)

!

"

#

$

%&'( ))*

+'

$

,- )

%&

図2.1 受信機のシステム構成（前方等化方式）

!

"

#

$

%

&'

( )*

+ ,

%-

./ 0

1 2

3

4 5

667 8

9

8 : ;

< 667 9 8 8 8

= >

?

@A

B

CDEC

F GH

IJ

K L

MH

N G

O P

図2.2 バースト構成（前方等化方式）

(14)

!

"

#

$

%

&

$ ' (

)

* +

,- .

/

0 + 1

2- +

3 4

5

678

9:; 5

678

9:< 5

678

9:= 5

678 9:>

? @ AB

C BB

D

B

C E

F BB G

HI

HJ

J K L

M N

O P

Q

P

図2.3 フェージング変動の推定状況の一例

(15)

!"

#

$

#

%&

!! '(

)"

*+

)&&! ,

$ -

#

.) -

#

%&

/

0&$ -

)&

-

)&!%1$ 2

34 5 6

7 8

9 :;

<=

>

234

$ -#

.) -#

%&

? @

A B C 234

$ -#

.) -#

%&

D -

+

$1 (

D

")EE

#

!E F

G H

I K LJ

M N

O

P

Q R

S

TUV

W

X TUV

W

X Y

Z X

Z

Y

Z X

Z

TUV

W

X TUV

W X ] ]

^ _ ` abcd

efg h

i j

図2.4 提案方式Aのバースト構成と概念

2.2 提案方式 A

前節で述べた，バースト内の受信レベルの低下に伴う誤り伝搬の影響を軽減すべく，バースト先頭部のみならず，最後部にもパイロットシンボルを配置し，各々のパイロットシンボルにおいて瞬時SNRをサブキャリヤごとに検出するとともに，瞬時SNRの良好な方向からフェージング補償を行う方式を提案し，その動作原理とシステム構成について説明する．

2.2.1 動作原理

図2.4は提案方式Aのバースト構成とフェージング補償の概念を示したものである．バーストは連続するMd個のデータシンボルに対して，その前後にMp/2個ずつのパイロットシンボルを時間多重した構成とし，同図においてはMp =4の場合を示している．受信機においては，まず，バースト前方と後方のパイロットシンボル区間において，サブキャリヤごとに瞬時SNRγ_f(k)，γ_b(k)を推定する．さらに，推定したγ_f(k)とγ_b(k)を比較し，その値が良好な方向から判定帰還伝搬路推定に基づくフェージング補償を実行する．すなわち，サブキャリヤごとに瞬時SNRを推定し，受信品質の良好な方向からフェージング補償を行うことで，伝搬路推定値の初期値の品質の向上を図るとともに，誤り伝搬の影響の軽減を図る．

図2.5は，任意のサブキャリヤに着目し，1バーストの途中においてフェージングによ

(16)

! "

# $

%

&

'

( ) ()

* + ,

- -

. . /

0

123

4

56786 9:

;<8

=>

?8

@>

5A

B

65C5DE 9F

G H

EIEJ

図2.5 前方等化方式と提案方式Aにおける誤り発生パターン

る受信レベルの落込みが発生する場合について，前方等化方式と提案方式Aにおける誤りの発生パターンを示したものである．ここで，提案方式Aでは，前方と後方のパイロットシンボル部で各々推定した瞬時SNRγ_f(k)とγ_b(k)の値の良好な方向からフェージング補償を行うため，同図に示すように，γf(k)< γb(k)と推定される場合，後方からの補償となる．同図より，前方等化方式と提案方式Aの両者とも，バースト途中において受信レベルの低下する点を境界として誤り伝搬が発生するが，提案方式Aを用いることにより，

常に前方から一方向の補償を行うよりも，誤り伝搬の長さを短縮でき，伝送特性の改善効果が期待できる．

(17)

2.2.2 瞬時SNRの推定法

バースト前方と後方に各々配置されたM_p/2個のパイロットシンボル部における，k番目のサブキャリヤの瞬時SNRγ_f(k)，γ_b(k)は，各シンボルにおいて得られる瞬時SNRを M_p/2個にわたって平均化することにより求められる．具体的には，前方のパイロットシンボルにおける瞬時SNRγ_f(k)を例にとると，n番目のシンボルのk番目のサブキャリヤにおける瞬時SNRγ_n(k) (0≤ n< M_p/2)は，受信パイロットシンボルR_n(k)を伝搬路推定値H¯_f(k)で複素除算することにより得られる補償後の信号Pˆ_n(k) (=R_n(k)/H¯_f(k))と既知のパイロットシンボルP(k)の差分を雑音とみなすことによって，次式のように与えられる．

γ_n(k) = |P(k)|²

|Pˆn(k)−P(k)|² (2.1)

ただし，H¯_f(k)は，前方のパイロットシンボル区間における伝搬路推定値の平均値を表しており，後述の式(2.5)により与えられる．サブキャリヤkの最終的な瞬時SNRγ_f(k)は，

式(2.1)により得られるシンボル単位の瞬時SNRγ_n(k)をM_p/2シンボルにわたって平均化することにより，次式のように与えられる．

γ_f(k) = M_p|P(k)|² 2P_M_p_/2−1

n=0 |Pˆn(k)−P(k)|² (2.2)

バースト後方のパイロットシンボル部における瞬時SNRγ_b(k)についても，γ_f(k)の推定と同様の手順により，次式のように求められる．

γ_b(k) = M_p|P(k)|² 2PMp+Md−1

n=Mp/2+Md|Pˆ_n(k)−P(k)|² (2.3) 瞬時SNRの上記推定は，パイロットシンボルのみを使用しているため，定包絡線変調方式のみならず，QAMのようにシンボルごとに振幅が変動する方式に対しても適用可能である．なお，上述のように，瞬時SNRγ_f(k)とγ_b(k)の推定に際しては，パイロットシンボル区間における伝搬路推定値の平均値を用いる必要があることから，バースト前後に各々，最低2シンボルずつ(M_p/2≥2)のパイロットシンボルが必要である．

2.2.3 システム構成

図2.6は提案方式における送・受信機のシステム構成を示したものである．まず，送信機では，M_d個のデータシンボル区間において，1OFDMシンボルずつN_c本のサブキャリヤに対して送信データをマッピングした後，NポイントのIFFT処理によりサンプリング周波数1/T の時間領域OFDM信号を生成し，ガードインターバルを付加した後，送信する．ただし，バーストの先頭部と最後部においては，各々M_p/2個ずつ既知のパイロットシンボルを時間多重する．

(18)

受信機では，まず，受信OFDM信号からガードインターバルを除去し，有効シンボル周期NT を抽出する．次に，NポイントのFFT処理により，時間領域の受信信号から周波数領域の受信信号R_n(k)に変換し，1バースト全体にわたって，順にメモリに記憶する．ただし，nをOFDMシンボル番号（0≤ n< M_d+M_p），kをサブキャリヤ番号（0≤ n< N_c）とする．1バースト全体のデータの受信が終了した時点で，バースト前方と後方のパイロットシンボルの各々において，サブキャリヤごとに伝搬路推定を行うとともに，その値に基

づき式(2.2)と(2.3)を用いて瞬時SNRを推定する．ここで，各シンボルの伝搬路推定に

ついては，LS（least-squares）周波数領域伝搬路推定により，次式で与えられる．

Hˆn(k)=Rn(k) P^∗_n(k)

|P_n(k)|² (2.4)

なお，参照信号P_n(k)は，パイロットシンボルにおいては既知の送信シンボルP(k)，データシンボルにおいては，判定帰還値とする．パイロットシンボル区間においては，Hˆn(k) の平均値を算出し，瞬時SNRの推定及び後続するデータシンボルのフェージング補償に用いる．

H¯_f(k) = 2 M_p

MXp/2−1 n=0

Hˆ_n(k) (2.5)

H¯_b(k) = 2 Mp

MpX+Md−1

n=Mp/2+Md

Hˆ_n(k) (2.6)

次に，バースト前方と後方のパイロットシンボル部における瞬時SNRγf(k)とγb(k)をサブキャリヤごとに比較し，その値の良好となる方向からメモリ内の各サブキャリヤの信号を読み出し，パイロットシンボル区間において得られた伝搬路推定値H¯_f(k)あるいはH¯_b(k) を初期値として，後続するデータシンボルに対して逐次的に判定帰還伝搬路推定に基づくフェージング補償を行う．

ここで，k番目のサブキャリヤにおいて，瞬時SNR比較の結果，前方のパイロットシンボルからの補償処理が選択された場合(γ_f(k)≥γ_b(k))について，その具体的な処理について述べる．なお，後方のパイロットシンボルからの補償処理が選択された場合(γ_f(k)< γ_b(k)) についても処理手順は同様である．まず，前方のパイロットシンボル区間における伝搬路推定値の初期値を，H¯Mp/2−1(k) = H¯f(k)と設定する．このH¯Mp/2−1(k)を初期値として，後続するMd個のデータシンボル(Mp/2≤ n < Mp/2+Md)に対して判定帰還型伝搬路推定に基づくフェージング補償を行う．具体的には，nシンボル目において，1シンボル前の伝搬路推定値H¯_n−1(k)に基づき，サブキャリヤごとにフェージング補償し，送信シンボルの推定値Xˆ_n(k)を推定する．

Xˆ_n(k)=R_n(k)

H¯_n−1^∗ (k)

|H¯n−1(k)|² (2.7)

(19)

軟判定データシンボルXˆ_n(k)を符号判定器（Decision）に入力し，硬判定データシンボル X¯_n(k)を求め，デマッピングする．次に，X¯_n(k)を用いて判定帰還伝搬路推定値Hˆ_n(k)を式

(2.4)によって求める．さらに，雑音の軽減のために，図2.7及び次式に示すような忘却係数

λの一次フィルタを用いて，サブキャリヤごとに時間軸方向の平均化処理を行う[33], [35]． H¯_n(k)=λHˆ_n(k)+(1−λ) ¯H_n−1(k) (2.8) このH¯_n(k)に基づき，次のデータシンボルに対するフェージング補償及び判定帰還伝搬路推定を実行する．以上の処理をサブキャリヤごとに全データシンボルに対して逐次的に実行し，最終的なビット系列を出力する．ただし，後方からの補償処理の場合，最終的にデータの順序を元に戻す処理が必要となる．

(20)

(a)送信機

!"

#$ #$

%

& ' ( (

) )

*

+

,+

-.

/ 0

-.12 334

51

0

67 3

-.

(b)受信機

図2.6 提案方式Aのシステム構成

!"

#

$

%

&

' ()

*

+) ,

-+)./ 0

1/ 203&

+)

4

56 7

8

9

7

4

:

5

;

<=

>

?@

AB AB AB

AB C D

D

D E

E E

E F G

HG IG

F G J

K

LM

N

O P Q

R LM

N

O P Q

S

TU

図2.7 忘却係数λを用いた一次平均化フィルタ

(21)

2.3 提案方式 B

前節と同様のバースト構成において，両端に配置したパイロットシンボルをより有効活用すべく，各サブキャリヤにおいて受信レベルの落込みを検出し，その前後でフェージング補償方向の方向を切り換えることにより，両方向にフェージング補償を行う方式を提案し，その動作原理とシステム構成について説明する．

2.3.1 動作原理

図2.3より明らかなように，判定帰還伝搬路推定に基づくフェージング補償においては，

受信レベルの低下に伴って生じる急激な位相変動により判定誤りが発生し，誤り伝搬に起因して伝送特性が著しく劣化する問題がある．そこで，誤り伝搬のさらなる軽減を図るべく，受信レベルの落込みの前後で補償方向を切り換えることで，誤り伝搬の長さを短縮し，伝送特性を改善する方式を提案する．具体的には，各サブキャリヤにおいて，バースト前方からのフェージング補償時に受信信号のレベルを併せて検出し，これがあらかじめ設定したしきい値より下回ったシンボルにおいて，補償方向を後方からに切り換えるものである．

図2.8は，任意のサブキャリヤに着目し，バーストの途中においてフェージングによる受信レベルの落込みが発生する場合について，提案方式Bにおける誤りの発生パターンを示したものである．同図に示すように，まず，(i)バースト前方のパイロットシンボルにおいてサブキャリヤごとに伝搬路特性の初期値を求め，後続するデータシンボルに対して判定帰還伝搬路推定に基づくフェージング補償を逐次的に行い，(ii)受信レベルの落込みをしきい値γ_thにより検出した時点でフェージング補償の方向を後方からに切り換え，後方のパイロットシンボルから前方に位置するデータシンボルに対してフェージング補償を逐次的に行う．最後に，前方と後方からのフェージング補償によって復調したデータを組み合わせることにより，最終的な1バースト分の受信データを復調する．以上の処理により，同図に示すように，バースト内の受信レベルの低下に起因する誤りの伝搬を大幅に軽減でき，前方等化方式や提案方式Aと比較して，さらなる伝送特性の改善効果が期待できる．

2.3.2 受信レベルの検出法

バースト内の受信レベルの検出には，受信データシンボルの振幅を既知のパイロットシンボルの振幅で正規化することにより得る．具体的には，バースト先頭からn番目の OFDMシンボルにおけるk番目のサブキャリヤの受信データシンボルをRn(k)，既知信号をP(k)とすると，既知信号で正規化した受信データシンボルの振幅γn(k)は次式で表さ

(22)

! !

"

#$%$&' ()

* +

','-

図2.8 提案方式Bにおける誤り発生パターン

れる．

γ_n(k) = |R_n(k)|

|P(k)| (2.9)

受信レベルの上記検出は，パイロットシンボルのみならず，データシンボルに対しても実行するため，前節の提案方式Aとは異なり，送信データシンボルの振幅がQAMのようにシンボルごとに変動する変調方式に対しては適用不可能であり，QPSKのように定包絡線変調方式に対してのみ適用可能である．

(23)

!

"

#

$

%

&

'

(

)

(

!

"

* +

,-./ 00

1

2.

+

34 0

,-

図2.9 提案方式Bにおける受信機のシステム構成

2.3.3 システム構成

図2.9は提案方式Bにおける受信機のシステム構成を示したものである．送信機については，図2.6の提案方式Aと同様である．受信機ではまず，受信OFDM信号からガードインターバルを除去し，有効シンボル周期NT を抽出する．次に，NポイントのFFT処理により，時間領域の受信信号から周波数領域の受信信号R_n(k)に変換し，1バースト全体にわたって，順にメモリに記憶する．1バースト全体のデータの受信が終了した時点で，

従来の前方等化方式と同様，サブキャリヤごとにバースト前方のパイロットシンボルから判定帰還伝搬路推定に基づくフェージング補償を実行する．この際，受信レベルγ_n(k)を各シンボルごとに検出し，受信レベルがしきい値γ_th以下になると，バースト後方に配置したパイロットシンボルを用いた，後方からのフェージング補償に切り換える．ここで，

前方のパイロットシンボルにおける受信レベルがしきい値γ_th以下の場合は，その時点で後方のパイロットシンボルからのフェージング補償に切り換える．また，フェージング補償の方向を後方からに切り換えたシンボル位置以降における，硬判定後のデータ系列に対しては，最終的にデータの順序を元に戻す処理が必要となる．なお，パイロットシンボルにおける初期伝搬路推定，判定帰還伝搬路推定，及びフェージング補償処理の詳細については，前方等化方式及び2.2.3項で述べた提案方式Aと同様である．

博 士 学 位 論 文