1 周波数領域信号処理による 局部発振器位相雑音補償技術 東京工業大学理工学研究科電気電子工学専攻 助教タンザカン
ミリ波帯を活用した無線通信システム ミリ波帯を活用した無線通信システムを実現するための取り組みが行われている. 屋内無線通信 (IEEE 802.11ad[1] など ) セルラネットワーク (5G) [2] ミリ波帯を活用することによって, より高速 大容量な通信を実現することができる. [1] IEEE Standard for Information technology--telecommunications and information exchange between systems--local and metropolitan area networks--specific requirements-part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications Amendment 3: Enhancements for Very High Throughput in the 60 GHz Band," IEEE Std 802.11ad-2012 (Amendment to IEEE Std 802.11-2012, as amended by IEEE Std 802.11ae-2012 and IEEE Std 802.11aa-2012), vol., no., pp.1,628, Dec. 28 2012. [2] Rappaport, T.S.; Shu Sun; Mayzus, R.; Hang Zhao; Azar, Y.; Wang, K.; Wong, G.N.; Schulz, J.K.; Samimi, M.; Gutierrez, F., "Millimeter Wave Mobile Communications for 5G Cellular: It Will Work!," Access, IEEE, vol.1, no., pp.335,349, 2013. 2
OFDM 通信伝送システム OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplex ( 直交周波数分割多重 ) S/P 変換 デジタル変調 IFFT 伝播路 FFT 同期検波復調 P/S 変換 OFDM 送信機 OFDM 変調 OFDM 復調 OFDM 受信機 広帯域信号を狭帯域信号 ( サブキャリア ) の重ね合わせに変換 OFDM 受信信号通常送信信号 OFDM 送信信号 OFDM 復調信号 高い周波数利用効率 遅延波の影響を受けにくい LTE, WiMAX, IEEE 802.11 a/b/g/n/ac( 無線 LAN) に採用ミリ波通信においても OFDM を活用したい. 3
OFDM と位相雑音 S/P 変換 デジタル変調 IFFT D/A 直交変調 直交検波 A/D FFT 同期検波復調 P/S 変換 送信機 局部発振器 ~ ~ 局部発振器 受信機 ミリ波通信用の局部発振器は位相雑音 ( 周波数揺らぎ ) を有する 理想的な局部発振器 実際の局部発振器 理想的な OFDM 信号 位相雑音存在下の OFDM 信号 位相雑音によってサブキャリア間干渉 (ICI) や共通位相誤差 (CPE) が生じてしまう 位相雑音補償信号処理が必要 4
位相雑音問題の定式化 (1) OFDM Transmitter Channel and Phase Noise OFDM Receiver 位相雑音以外の RF 損失 (IQ インバランス, 周波数オフセット等 ) は無視する. 5
Normalized Amplitude 位相雑音問題の定式化 (2) CPE (Common Phase Error) Common phase shift of all subcarriers ICI (Inter-Carrier Interference) Interference among subcarriers Received Signal 10 0 Normalized Amplitude 10-1 10-2 Subcarrier A Subcarrier B -5 0 5 Normalized Frequency Normalized Frequency 6
Phase Noise [deg] サブキャリアと干渉レベルの関係 (1) 1. 数値計算ソフトウェア上で, 位相雑音を生成する. ( 位相雑音レベル -85 dbc/hz @ 1MHz Offset を仮定 ) 0.15 0.1 0.05 0-0.05-0.1 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Time index 位相雑音の確率過程は自己回帰移動平均モデル (ARMA) に従うと仮定. 7
サブキャリアと干渉レベルの関係 (2) 10 0 計算結果 全キャリア間干渉に占める, 隣接キャリア間干渉の割合は ( m) 2 10-5 10-10 -200-100 0 100 200 m サブキャリアとサブキャリアの周波数差が大きくなるにつれて干渉レベルが急激に低下することを表している. 隣接サブキャリア間干渉を解消することができれば, 全キャリア間干渉の半分以上を抑圧できることを表している. 8
従来の位相雑音補償技術 (1) 従来の位相雑音補償技術の多くは時間領域信号処理を用いている. Time Domain Frequency Domain Compensated signal Received signal Inverse 9
従来の位相雑音補償技術 (2) [3] においては, 繰返し処理とレプリカ生成を用いることによって時間領域位相雑音補償を実現している. Replica Generation Iterative Processing 本手法はほぼ完全に位相雑音を除去することができる一方で, 繰返し処理におけるレプリカ生成過程において膨大な演算量を必要とするという問題点がある. [3] Suyama, S.; Suzuki, H.; Fukawa, K.; Izumi, J., "Iterative receiver employing phase noise compensation and channel estimation for millimeter-wave OFDM systems," Selected Areas in Communications, IEEE Journal on, vol.27, no.8, pp.1358,1366, October 2009 10
周波数領域による位相雑音補償技術 従来の位相雑音補償技術における演算量が大きいという問題を解決するために周波数領域における線形処理を活用した低演算量な位相雑音補償技術を提案した. frequency domain 周波数等化後の隣り合う 3 つのサブキャリア信号を足し合わせることで, キャリア間干渉を低減する. Combined Subcarrier MMSE pilot symbol 11
重み係数の決定方法 MMSE (Minimum Mean Square Error) 法を用いて, 以下のように重み係数を決定できる. 受信パイロット信号を要素とする行列 送信パイロット信号を要素とするベクトル 12
Complexity 演算量の評価 提案法と従来法 [3] において,OFDM シンボルあたりの位相雑音補償に係わる演算量を比較した. 10 6 10 5 10 4 10 3 10 2 10 1 10 0 211968 Time 従来法 Domain [3] Compensation [1] Complexity is reduced to about 1/30 of the conventional time domain method. 提案法は従来法に比べて,30 分の1 程度少ない演算量で位相雑音補償を実現することができる. 7488 提案法 This work (MMSE) 13
PER パケット誤り率 (PER) 特性 従来法と提案法において, パケット誤り率特性を比較した.3dB の ICI 抑圧を観測した. 10 0 10-1 10-2 10-3 2dB This work Conv. [1] CPE Comp No Comp No PN 18 20 22 24 26 28 30 32 SNR (db) Modulation OFDM and 64- QAM Coding Convolution code( R = 3/4) Packet length Subcarrier Spacing 4.2 MHz No. of FFT points 512 Length of CP 32 10 OFDM symbols No. ofsubcarriers data: 496, pilot: 16 Weight Estimation Wireless channel Phase noise MMSE Nakagami-Rice fading LOS: K = 10dB NLOS: 5 - path with exponential -90dBc/Hz -85dBc/Hz@1MHz @ 演算量削減のトレードオフとして, 従来法に比べて 2dB 程度の SNR 劣化がみられる. 14
PER PER 干渉抑制効果と位相雑レベルの関係 キャリア間干渉抑圧効果と位相雑音レベルの関係を明らかにするために, 異なる位相雑音レベルにおいて計算機シミュレーションを行った. -82 dbc/hz @1MHz Offset -85 dbc/hz @1MHz Offset 10 0 10-1 10 0 10-1 Proposed CPE Comp No Comp No PN 10-2 10-3 No Comp CPE Comp FD-PNC No PN 18 20 22 24 26 28 30 32 SNR (db) 10-2 10-3 18 20 22 24 26 28 30 32 SNR (db) 2.5 db 程度の干渉抑圧 2.5 db 程度の干渉抑圧 局部発振器の位相雑音レベルによらず,50 % 程度の干渉抑制効果を実現可能. 15
想定される用途 携帯電話 モバイルWiFiルーター等のようなバッテリー駆動端末において本技術を適用することで, 本技術の演算量が小さいという特徴を生かすことができると考えられる. 基地局のようにバッテリー駆動でない通信機器であっても, 複数の送受信アンテナを活用した空間多重 (MIMO 技術 ) を用いる場合, 演算量の観点から本技術を導入することのメリットが大きいと考えられる. 16
17 実用化に向けた課題 位相雑音補償信号処理の計算量の低減が端末の消費電力にどの程度寄与するか明らかにする必要がある. 現在, 無線チャネルの応答が既知であると仮定して検討を行っている. 今後, 無線チャネルの応答が既知でない場合に位相雑音補償の性能がどの程度劣化するのか明らかにする必要がある.
18 企業への期待 未解決の位相雑音によるサブキャリア間干渉については, 提案技術により克服できると考えている. 低消費電力なミリ波通信用のベースバンドチップを開発中の企業には, 本技術の導入が有効と思われる.
19 本技術に関する知的財産権 発明の名称 : 局部発振器位相雑音を補償するための受信機ベースバンド部における周波数領域信号処理 出願番号 : 特願 2014-220797 出願人 : 東京工業大学 発明者 : タンザカン, 荒木純道, 張裕淵, 松本光平
20 産学連携の経歴 2014 2017 総務省 ミリ波を活用するヘテロジニアスセルラネットワークの研究開発 の戦略的情報通信研究開発推進事業の国プロに採択 2014 2017 総務省 ミリ波帯における高度多重化干渉制御技術等に関する研究開発 の電波資源拡大のための研究開発事業の国プロに採択
21 お問い合わせ先 東京工業大学 産学連携コーディネーター松下近 TEL 03-5734 - 7693 FAX 03-5734 - 7694 e-mail matsushita@sangaku.titech.ac.jp
まとめ ミリ波と OFDM の位相雑音問題 OFDM は広帯域信号をサブキャリアの重ね合わせに変換して信号を送信 ミリ波通信用の局部発振器は位相雑音を有する 位相雑音によってサブキャリア間の干渉と位相回転が生じる 位相雑音無し 位相雑音あり 位相雑音補償技術 従来の位相雑音補償技術には演算量が大きいという問題があった. 提案法を用いることで, 低演算量な位相雑音補償技術を実現することができる. 提案法は演算量が小さいことが特徴であることから, バッテリー駆動の端末や複数のアンテナを用いる端末に適用することで大きなメリットがあると考えられる. 22