2b-最適受信 - 片山研究室
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Transcript 2b-最適受信 - 片山研究室
日本テクノセンター
2011.08.05
無線通信の高信頼化技術
多様な無線通信チャネルと適応通信技術
名古屋大学 エコトピア科学研究所 情報・通信科学研究部門
(大学院 工学研究科 電子情報システム専攻 兼担)
片山 正昭
適応通信技術
通信品質の向上を図るため
通信環境を認識し,それに適応した通信を行う.
通信品質とは
通信環境とは
適応とは
適応通信技術
通信品質の向上を図るため
通信環境を認識し,それに適応した通信を行う.
通信品質とは
占有帯域幅
通信速度 (平均,最大,最低)
誤り率
(平均,最大)
伝送遅延 (平均,最大)
etc.
アナログとディジタルと
Analog System
Digital System
誤り率の最小化
受信側:最適受信
sˆ ( t )
arg max
s
(m)
(m )
Pr[ S | R ]
( t ) | r ( t )]
Pr[ R | S ] Pr[ S ]
Pr[ R ]
( t ) S arg max
s
Pr[ s
(m )
Bayes' theorem
Pr[ r ( t ) | s
(m )
( t )] Pr[ s ( t ) s
(m )
( t )]
( t ) S 1:1 Mapping
s(t ) S
dD
Modulator
r (t )
sˆ ( t ) S
Demodulator
D: データ系列候補集合
S : 信号波形候補集合
Detector
Decoder
1:1 (de)Mapping
dˆ D
最適受信における信号探索範囲
最適受信
sˆ ( t )
arg max
s
(m )
(m)
Pr[ s
(m )
( t ) | r ( t )]
( t ) S
( t ) | r ( t )] Pr[ u k
(m )
( t ) | r ( t )] ならば
もし
k
(m )
探索範囲は,u k ( t ) U k .
Pr[ s
時間軸
シンボル
パスマージ
周波数軸
サブキャリア
符号軸
直交系列展開
信号のベクトル表現と最適受信
もし信号が基底関数で
N
s
(m )
(t )
(m )
sn
f n (t )
n 1
nm
1
f n ( t ) f m ( t ) dt
0
nm
のように直交展開可能なら
sˆ ( t )
arg max
s
(m)
Pr[ s
(m )
( t ) | r ( t )]
( t ) S sˆ
arg max
s
(m )
Pr[ s
(m )
| r]
( t )S のように最適受信はベクトル表現可能
sˆ ( sˆ1 ,..., sˆn ,..., sˆ N )
sˆ n
sˆ ( t ) f n ( t ) dt
r ( r1 ,..., rn ,..., rN )
rn
r ( t ) f n ( t ) dt
s
(m )
( s1
(m )
(m )
,..., s n
(m )
,..., s N )
(m )
sn
s
(m )
( t ) f n ( t ) dt
AWGNチャネルにおける最適受信
(m )
sˆ arg max Pr[ s | r ]
s
加法性雑音
r sn
s
対数
(m)
(m )
] Pr[ s s
(m )
Pr[ S | R ]
Pr[ R | S ] Pr[ S ]
Pr[ R ]
]
S arg max Pr[ n r s
(m)
Bayes' theorem
S arg max Pr[ r | s
s
ガウス分布:n
(m)
(m )
] Pr[ s s
(m )
]
S (m ) 2
N
( rn s n )
1
(m )
] Pr[ s s ]
exp[
arg max ln
2
n 1 2
(m)
2 n
s S n
受信信号・
N ( rn s n( m ) ) 2
候補信号間距離
(m )
ln Pr[ s s ]
arg max
(雑音エネルギ考慮)
2
(m)
2 n
s S
n 1
N 2 rn s n( m ) ( s n( m ) ) 2
arg max
2
(m)
n 1
2
s S n
受信信号・
(m )
ln Pr[ s s ] 候補信号間相関
(信号エネルギ考慮)
(雑音エネルギ考慮)
最適受信
sˆ ( t )
arg max
s
Pr[ r ( t ) | s
(m)
(m )
Pr[ s ( t ) s
Pr[ r ( t ) | s
(m )
( t )] Pr[ s ( t ) s
(m )
( t )]
( t ) S
( t )]
(m )
:チャネルの性質
(伝送特性,雑音特性,干渉特性)
( t )] :事前確率=外部情報
適応受信技術
通信品質の向上を図るため
通信環境を認識し,
それに適応した通信を行う.
誤り率の最小化を行うために
通信路の統計的性質と送信信号の発生確率を
推定し
最適受信(最尤推定)を行う.
通信路の性質
通信チャネルの統計的性質
Pr[ r ( t ) | s
(m )
( t )]
通信チャネルは確率過程
インパルス応答
(フェージング・シャドウイング)
雑音
干渉
etc.
c ( ; t )
これらの統計が
わかれば
Pr[ r ( t ) | s
(m )
( t )]
が記述可能.
Pr[ r ( t ) | s
非線形特性(送信機内HPA)
(m )
( t )]
非線形増幅は確定変換,1対1変換ではない.
歪の影響
Inter Symbol Interference
Inter Subcarrier Interference
Inter Code Interference
s out ( t ) f [ s input ( t )]
Pr[ r ( t ) | s
(m )
非線形特性(受信機内ADC)
( t )]
~
s (t ) n (t )
rout ( t ) g [ ~
s ( t ) n ( t )]
信号+雑音の非線形増幅出力は確率過程
歪の影響
Inter Symbol Interference
Inter Subcarrier Interference
Inter Code Interference
最大振幅制限
量子化雑音
rout ( t ) g [ ~
s ( t ) n ( t )]
ドップラーシフト
Pr[ r ( t ) | s
(m )
( t )]
地上系ではドプラシフトは,予測困難.
チャネル特性は確率過程.
マルチキャリア信号ではサブキャリア
間の直交性が崩れる.
低軌道衛星では,衛星位置と地上位置
より推定可能.
r ( t ) Re[( s I ( t ) js Q ( t )) exp( j c ) t ] n ( t )
時変人工雑音の例(電力線)
クラスAインパルス雑音
Pr[ r ( t ) | s
(m )
( t )]
Pr[ n ( t ) r ( t ) s
(m )
( t )]
クラスAインパルス雑音下での最適受信機の性能
電力線雑音の
時間周波数分布例
Pr[ r ( t ) | s
(m )
( t )]
Pr[ n ( t ) r ( t ) s
(m )
( t )]
特性改善技術の例
雑音の瞬時電力の推定値を利用した最適受信
人工雑音は時間方向や周波数方向で雑音に相関が存在
OutbandよりCommunication bandの瞬時電力を推定
受信側で復号に利用
特許3993556号
雑音環境適応デジタル受信装置
Communication
Band
(通信で用いる帯域)
Outband
(通信で用いない帯域)
適応送信技術
チャネル容量
与えられたチャネルを複数のサブ
チャネルに分離(時間,周波数,
符号,空間...)
電力を帯域幅と雑音電力に応じて
分配
電力分配ベクトル P ( P1 , P2 ,..., Pl ,..., PL )
Pl
max W l log 1
P
l 1
N
l
L
C all
ただし上式は
ガウス雑音
理想的な符号化(情報の信号空
間への写像)
を想定
W
l
: 周波数帯域幅
P : 信号電力
l
N
l
: 雑音電力
電力線雑音の波形例
電源電圧波形
雑音成分
特性改善技術の例
雑音の周期定常電力分布を利用した適応送信
電力線
Tx
Rx
雑音特性
小
1フレーム T AC 2
frequency
雑音
電力
大
time
OFDMの各シンボル・周波数領域をセルとする
セル毎の雑音電力が不均一かつ周期的
→ 変調多値数,電力の最適割当
澤田直也, 山里敬也, 片山正昭
非白色・周期定常雑音を伴う電力線通信のための適応変調と電力割り当て
電子情報通信学会 通信ソサイエティ大会, A-5-2, p.89
Noise voltage
at
[mV]
複数地点の電力線上の雑音の相関
直線に近く
相関 高
Noise voltage
at
[mV]
相関係数
瞬時電圧
86%
瞬時電力
77%
周期的平均電力
98%
散布図:2変数を縦軸と横軸
にとりプロット
各時刻の瞬時電圧にさえ相関が存在
電子情報通信学会論文誌(A) 掲載予定
複数地点の雑音の相関性の活用
Tx
2
送信端: ˆ n , l
信号割当に利用
Rx
受信端:
2
n ,l
シンボル判定に利用
ˆ
と 2 n , l は雑音の
周期性により既知とする
2
n ,l
多様なチャネル形状
MIMO: 多端子通信路
Multi-Hop: 中継通信路
MIMO
s (t )
(空間ダイバシチ) Pr[ r ( t ) | s
(m )
( t )]
受
信
機
送
信
機
r (t )
時空間符号化前の信号を入力とし,
各受信アンテナ入力を一括して出力ベクトルとする
チャネルと見なせる.
複数経路を持つ多段中継
~マルチホップネットワーク~
最適経路を選択
切り替えダイバシチ
経路次元符号化
合成ダイバシチ
中継手法の分類1 ~入出力の分離~
中継器入出力の分離
周波数分割
時間分割
符号分割
relay
中継器入出力の分離不要
同時・同一周波数(SFN)
relay
中継器入出力の双方の利用
パスダイバシチ効果
relay
中継手法の分類2 ~再生・非再生(1/2)~
非再生中継
再生中継
data
受信信号を増幅,再送信
遅延:小 中継による劣化:大(雑音重畳)
受信信号を一旦復調,復号,再符号化,再変調,再送信
遅延:大 中継による劣化:小
coder
decoder
coder
decoder
modulator
demodulator
modulator
demodulator
data
中継手法の分類2 ~再生・非再生(2/2)~
簡易再生中継
data
受信信号を一旦復調,復号,再符号化,再変調,再送信
遅延:中 中継による劣化:中(誤り伝播)
modulator
demodulator
modulator
demodulator
coder
decoder
coder
decoder
data
簡易再生中継のための送受信機構成
Turbo
encoder
Error
detecting
encoder
Interlever
bit detecter
modulator
Turbo
decoder
De-Interlever
soft
Reliability
decision
error-detection
Decision of Error-Detected Reliability
0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1
code block
0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1
interleaved
0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1
parity-check
encoding
0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1
corrupted by error
0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 1
0:+1; 1:-1
g g g g b b b b g g g g
+g -b -g +g +b +g +g -b -g -g +b -g
error detection:
good and bad state
de-interleaved
複数の中継器の利用
ダイバシチ効果
送信機→中継器/中継器→受信機:中継器毎に異なる
分類
再生中継・非再生中継
-------------------------------
各中継器は同一動作→人工的マルチパス
耐マルチパス通信方式
マルチパス活用通信方式(MIMO)
各中継器が協力
多元接続技術の活用
空間符号化技術の活用
→協力ダイバシチ
複数の中継器の利用
非再生中継
中継器を分離しない
送受信機間をMIMOとみなす
各中継器は共通の増幅率α増幅し再送信
中継器の送受信は何らかの(FDM,TDM等)方法で分離
再生中継
中継器受信信号を復調・復号.
中継器の送受信は何らかの(FDM,TDM等)方法で分離
受信信号成分を推定
送信信号ベクトル推定値×チャネル推定値
複数の中継器の利用
協力中継
中継器群を一つの送信機のようにみなす
協力中継(cooperative diversity)
中継器で誤り検出を行う
誤り検出無しの中継器は同じデータを共有
各中継器が協力して(空間符号化により)データを送出
センサネットワークにおける隠れMIMO
センサネットワークにおける隠れMIMO
Hidden
Source
事前確率について
sˆ ( t )
Pr[ r ( t ) | s
arg max
s
(m)
(m )
( t )] Pr[ s ( t ) s
(m )
( t )]
( t ) S
Pr[ r ( t ) | s
(m )
Pr[ s ( t ) s
( t )]
(m )
:チャネルの性質
(伝送特性,雑音特性,干渉特性)
( t )] :事前確率=外部情報
Turbo 符号・復号
Pr[ s ( t ) s
(m )
( t )]
同一情報を複数チャネル伝送
それぞれのチャネルの復号結果を
他方のチャネルの復号時に事前情報として利用
info.
bits
Turbo encoder
Turbo decoder
Encoder 1
channel
П
Encoder 2
П Interleaver
Decoder 1
П
Decoder 2
П -1
П
П -1 De-Interleaver
相関のある情報の利用
「外部情報」
狭義(通常の定義):
最適受信における事前確率情報
広義:
注目している通信システムの「外」から得た情報.
位置,速度,電源状況,温湿度,人口密度...
チャネルの性質の推定にも活用.
sˆ ( t )
Pr[ r ( t ) | s
arg max
s
(m)
Pr[ r ( t ) | s
( t )] Pr[ s ( t ) s
(m )
( t )]
( t ) S
(m )
Pr[ s ( t ) s
(m )
( t )] :チャネルの性質
(伝送特性,雑音特性,干渉特性)
(m )
( t )] :事前確率=外部情報
Nons for future Communications
無線通信の多様性は環境の多様性
深宇宙~Body Area
光,無線周波数,超音波
ファイバー,電力線(無線?!)・空間伝送
「非」「non」環境
「非」「non」が無い通常環境より一般的.
通常環境の理解のためにも重要
非線形
非静止
非ガウス
非白色
非定常
1対1
-
-
-
-
-
静止
ガウス
白色
定常
多対多,マルチホップ