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
dD
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
nm
1
f n ( t ) f m ( t ) dt  
0
nm
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 sn
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