周波数領域信号処理による 局部発振器位相雑音補償 …3...

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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

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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)

[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.

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．

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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

IFFT デジタル 変調

FFT S/P変換 P/S変換 同期検波 復調

OFDM送信機 OFDM受信機

伝播路

OFDM変調 OFDM復調

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．

OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplex (直交周波数分割多重)

OFDM通信伝送システム

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D/A 直交 変調

IFFT デジタル 変調

S/P 変換

～ 局部発振器

FFT P/S 変換

同期 検波 復調

直交 検波

A/D

～ 局部発振器 送信機 受信機

理想的な局部発振器 実際の局部発振器

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。

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。

理想的な OFDM信号

位相雑音存在下 のOFDM信号

位相雑音補償信号処理が必要

OFDMと位相雑音

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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．

位相雑音問題の定式化（１）

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CPE (Common Phase Error) Common phase shift of all subcarriers

ICI (Inter-Carrier Interference) Interference among subcarriers

-5 0 510

-2

10-1

100

Normalized Frequency

No

rmal

ized

Am

pli

tud

e

Received Signal

Subcarrier A

Subcarrier B

Normalized Frequency

No

rmalized

Am

plitu

de

位相雑音問題の定式化（２）

7

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

Time index

Ph

ase

No

ise

[deg

]

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)

※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．

サブキャリアと干渉レベルの関係（１）

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-200 -100 0 100 20010

-10

10-5

100

m

|(

m)|

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計算結果

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．

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

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．

サブキャリアと干渉レベルの関係（２）

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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

Inverse

Compensated signal

Received signal

従来の位相雑音補償技術（１）

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[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

[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

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．

従来の位相雑音補償技術（２）

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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．

MMSEpilot symbol

Combined Subcarrier

周波数領域による位相雑音補償技術

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

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重み係数の決定方法

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211968

7488

[1]

This work (MMSE)

104

102

100

103

101

105

106

Com

ple

xity

Complexity is reduced to about 1/30�

of the conventional time domain method.

Time Domain�

Compensation [1]

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．

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．

従来法 [3]

提案法

演算量の評価

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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．

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．

18 20 22 24 26 28 30 3210

-3

10-2

10-1

100

SNR (dB)

PE

R

This work

Conv. [1]

CPE Comp

No Comp

No PN

2dB

Modulation OFDM and 64- QAM

Coding Convolution code(R = 3/4)

Packet length 10 OFDM symbols

Subcarrier Spacing 4.2 MHz

No. of FFT points 512

Length of CP 32

No. ofsubcarriers data: 496, pilot: 16

Weight Estimation MMSE

Wireless channel Nakagami-Rice fading

LOS: K = 10dB

NLOS: 5 - path with

exponential

Phase noise -90dBc/Hz @ 1MHz-85dBc/Hz@1MHz

パケット誤り率(PER)特性

-82 dBc/Hz @1MHz Offset -85 dBc/Hz @1MHz Offset

15

18 20 22 24 26 28 30 3210

-3

10-2

10-1

100

SNR (dB)

PE

R

No Comp

CPE Comp

FD-PNC

No PN

18 20 22 24 26 28 30 3210

-3

10-2

10-1

100

SNR (dB)

PE

R

Proposed

CPE Comp

No Comp

No PN

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．

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．

2.5 dB程度の干渉抑圧 2.5 dB程度の干渉抑圧

干渉抑制効果と位相雑レベルの関係

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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.

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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.

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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.

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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

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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

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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

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■ミリ波とOFDMの位相雑音問題

■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．

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

まとめ