ブロードバンド無線アクセスにおけるMIMO多重法を用いた2.5Gbit/s超高速パケット信号伝送屋外実験〜3.実験装置構成

試作した実験装置の送信機、受信機構成を図1(a)、(b)に示す。

図1 実験装置構成

送信機/受信機は、6送信/受信アンテナ、RF(Radio Frequency)無線部およびメモリ部から構成される。本実験装置では、送信機でのデジタルアナログ変換前の送信信号生成処理、および受信機でのアナログデジタル変換後の受信信号復調処理は、ワークステーションにおいてオフラインで行う構成となっている。しかし、実際の無線機を用いて信号伝送を行うため、無線伝送特性はリアルタイム信号伝送装置と同等である。基本仕様を表2に示す。

表2 実験装置基本仕様
無線アクセス VSF−Spread OFDM
キャリア周波数 4.635GHz
周波数帯域幅 101.4MHz
送信電力 19W(1アンテナ当り35dBm)
送受信アンテナ数 6
サブキャリア数 1536(65.919kHzサブキャリア間隔)
OFDMシンボル長 15.170μs+CP2.067μs
拡散率 1
データ変調 64QAM
伝送レート 2.556Gbit/s
チャネル符号化/復号 ターボ符号(R =8/9)/Max−Log−MAP復号
信号分離 ASESS法を用いるQRM−MLD法

無線アクセス方式として、周波数帯域幅が101.4MHzのVSFSpreadOFDMを用いた。送信機では、送信アンテナごとに直並列変換後の情報ビット系列を拘束長注意1 4bit、符号化率R=8/9のターボ符号化注意2、64QAMにてマッピングする。各送信アンテナの送信シンボル系列は、周波数方向のシンボルインタリーブ注意3を行った後、1536個のサブキャリアへマッピングする。受信機におけるシンボルタイミング検出、および各送受信アンテナ間のチャネル推定を行うための6直交パイロットシンボルを、0.5msフレーム内に時間多重する。サブキャリアにマッピングされたシンボル系列は、2048ポイントの逆フーリエ変換(IFFT : Inverse FastFourier Transform)注意4により、OFDMシンボル(15.170μs)に変換し、CP(2.067μs)を付加する。これにより伝送レートは、2.556Gbit/sとなる。CP付加後の同相/直交(I/Q:In−phase/Quadrature−phase)成分注意5のベースバンド注意6変調信号は、送信機のメモリ部にいったん蓄積されデジタルアナログ変換および中間周波数注意7に直交変調後、4.635GHzのRFキャリア周波数に周波数変換され、各アンテナから送信される。

受信機では、各アンテナで受信した受信信号を中間周波数帯において自動制御利得( AGC : Automatic GainControl)増幅器による線形増幅および直交検波後、I/Qチャネルの信号を12bitのアナログデジタル変換を行い、メモリにいったん蓄積する。蓄積したI/Qチャネルベースバンド受信信号に対して、ワークステーション上で復調処理を行う。高速フーリエ変換(FFT:Fast Fourier Transform)注意8前の受信信号とパイロットシンボルレプリカとの相関値を基に受信OFDMシンボルタイミングを0.5ms周期で検出する。検出した受信OFDMシンボルタイミングを基に、2048ポイントのFFTにより各サブキャリアの信号成分に分離する。その後、直交パイロットチャネルを用いる2次元重み付き平均化(MSCA:Multi−Slot and sub−Carrier Averaging)注意9チャネル推定フィルタ[7]を用いて、各送受信アンテナ間のサブキャリアごとのチャネル推定値を求める。このチャネル推定値を用いて、ASESS法を用いるQRM−MLD法により信号検出を行う。最後に、QRM−MLDの出力値から、ビットごとの対数尤度比(LLR:Log Likelihood Ratio)注意10を計算[8]し軟判定注意11ターボ復号により、各アンテナの送信信号系列を再生する。

  • 注意1 拘束長 : 出力を得るのに必要な過去の入力ビット数を表す。拘束長を大きくすると誤り訂正能力が高くなる。
  • 注意2 ターボ符号化 : 誤り訂正符号化技術の1つ。復号結果の信頼度情報を用いて、繰り返し復号することにより、強力な誤り訂正能力が得られる。
  • 注意3 インタリーブ : 本稿では、移動通信においてフェージング変動により発生するバースト誤りをランダム化する技術を指す。誤り訂正符号化との組合せにより、高い訂正能力が得られる。
  • 注意4 逆フーリエ変換 :高速フーリエ変換(注意8参照)の逆変換。各周波数成分の信号の畳み込みにより、時間波形の信号を生成する。
  • 注意5 同相/直交成分 : 複素デジタル信号の同相(In−phase)および直交(Quadrature)成分。
  • 注意6 ベースバンド : 通信における、変調前または復調後の情報信号の帯域のこと(変調する前の一番元になる情報信号や、受信側で最後に復調して取り出した信号を指す)。普通は低い周波数帯である。
  • 注意7 中間周波数 : 搬送波(キャリア)周波数よりも低い周波数。無線通信システムの多くでは、ベースバンドの送信信号を直接キャリア周波数に変調(受信信号を直接ベースバンド信号に復調)せず、中間周波数に変換した後に行う。
  • 注意8  高速フーリエ変換 : 信号の中に含まれる周波数成分とその割合を抽出する処理を高速に計算する手法。
  • 注意9  2次元重み付き平均化 : 直交パイロットチャネルを用いて推定した各時間スロット、各サブキャリアの伝搬路(チャネル)変動量を、さらに複数の時間スロット(パケットフレーム)および隣接する複数のサブキャリアで適当な重み付け係数を乗算後平均化すること。平均化に用いるシンボル数の増加により、チャネル推定精度を向上することができる。
  • 注意10 対数尤度比 : 軟判定復号において必要な各受信データが0となる信頼度情報(尤度)と、1となる信頼度情報(尤度)の比の対数値。
  • 注意11 軟判定 : 受信シンボルに信頼度情報を付加して、これに基づいて受信信号の値そのものを利用して復号を行うこと。受信信号の値を0もしくは1に二値化して復号する硬判定と比較して、高い誤り訂正能力が得られる。

本記事は、テクニカル・ジャーナルVol.14 No.1に、掲載されています。