搬送波干渉法

キャリア干渉法(CI)は、多重化と多重アクセスのために直交周波数分割多重(OFDM) 通信システムで使用するために設計された拡散スペクトル方式であり、システムが同じ周波数帯域で同時に複数のユーザーをサポートできるようにします。

MC-CDMAと同様に、 CI-OFDM は各データ シンボルを周波数領域で拡散します。つまり、各データ シンボルは複数の OFDM サブキャリアで搬送されます。ただし、2 値位相アダマールコード (コード値 0 度または 180 度) またはバイナリ疑似ノイズを使用する MC-CDMA とは異なり、CI コードは複素数値の直交コードです。最も単純なケースでは、CI コード値は離散フーリエ変換(DFT) 行列の係数です。DFT 行列の各行または各列は、データ シンボルを拡散する直交 CI 拡散コードを提供します。拡散は、データ シンボルのベクトルに DFT 行列を乗じて符号化データ シンボルのベクトルを生成することによって実現されます。次に、符号化された各データ シンボルは、逆高速フーリエ変換(IFFT) の入力ビンを介して OFDM サブキャリアにマッピングされます。連続するサブキャリアのブロックを選択するか、より優れた周波数ダイバーシティを実現するために、広い周波数帯域に分散した非連続のサブキャリアを使用することもできます。ベースバンドCI-OFDM信号には、無線フロントエンドで処理されてRF信号に変換される前に、巡回プレフィックス（CP）などのガードインターバルが付加され、アンテナから送信されます。

CI-OFDMが他のOFDM技術に対して持つ大きな利点は、CI拡散によって送信波形の時間領域特性が整形されることです。そのため、CI-OFDM信号は、他の種類のOFDMと比較して、ピーク対平均電力比（PAPR）、つまり波高率（クレストファクタ）が大幅に低くなります。[ 1 ]これにより電力効率が大幅に向上し、無線送信機で使用されるパワーアンプのコストが削減されます。

CI-OFDM受信機は、受信したCI-OFDM伝送から巡回プレフィックスを除去し、OFDM受信機で一般的に用いられるDFT（例えばFFT）を用いてOFDM復調を行います。CI拡散シンボル値は、逆マッピング処理においてそれぞれのサブキャリアから収集され、マルチパスフェージングを補償するためにイコライズされたり、空間多重分離処理のために処理されたりします。CI逆拡散器は、拡散シンボルに対して逆DFTを実行し、元のデータシンボルを復元します。

CI-OFDM送信機および受信機
CI-OFDM送信機および受信機

CI符号化は送信波形の時間領域特性を整形できるため、直接拡散スペクトル拡散[ 2 ]や周波数シフトキー[ 3 ] [4]信号など、様々な波形の合成に使用できます。その利点は、受信機が伝送路における散乱の程度に応じて時間領域イコライゼーションと周波数領域イコライゼーションのどちらかを選択できることです。散乱の多い環境では、FFTを用いた周波数領域イコライゼーションは従来の時間領域イコライゼーションよりも計算量が少なく、性能が大幅に向上します。

CIの歴史

CIは、イドリス・コミュニケーションズの科学者であるスティーブ・シャティル氏によって、1998年2月12日に出願された米国特許第5,955,992号[ 4 ]と、1999年4月に発表された最初の論文[ 5 ]で導入されました。この概念は、共振空洞を用いた周波数領域合成によって、伝送光信号に所望の時間領域特性を生成する光モード同期に着想を得ています。無線システムでは、ユーザーは同じサブキャリアを共有しますが、異なる直交CIコードを使用することで、スペクトル干渉測定メカニズムを介してキャリア干渉多重アクセス（CIMA）を実現します。

CI の原理の多くの応用は、その後の数十件の特許出願、会議論文、学術論文で発表されました。周波数ホッピング OFDM での CI は、国際特許出願 WO 9941871 に記載されています。[ 6 ]光ファイバー通信とMIMOでの CI は、US 7076168 に記載されています。 [ 7 ] US 6331837 [ 8 ]では、複数の受信アンテナを必要としないマルチキャリア信号を使用した空間多重分離について説明しています。参照信号の CI 符号化は、US 7430257 で開示されています。[ 9 ]線形ネットワーク符号化とオニオン符号化での CI の使用は、US 20080095121 [ 10 ]で開示されており、そこでは、自然なマルチパス チャネルに基づくランダム線形コードを使用して、マルチホップ ピアツーピア ネットワーク内のノードによってルーティングされる送信信号を符号化します。

アンテナアレイ処理とCI処理の類似性は、CIの初期の研究から認識されていました。CIをフェーズドアレイと組み合わせると、サブキャリア間の連続的な位相変化によってアレイのビームパターンが空間を走査し、送信ダイバーシティが実現されます。これは、巡回遅延ダイバーシティの初期の形態を表しています。[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] CIコーディングとMIMOプリコーディングの組み合わせが研究されており、[ 14 ] MIMOプリコーディング分散アンテナシステムで中央調整を使用してCIを使用するというアイデアは、2001年の暫定特許出願で初めて開示されました。[ 15 ] 4つの異なるプロトコルスタックを実装したCIベースのソフトウェア定義無線（SDR）は、2000年にIdrisで開発され、US 7418043に記載されています。[ 16 ]

数学的記述

拡散OFDMでは、直交サブキャリア間で拡散が行われ、 x = F −1 Sbで表される送信信号が生成されます。 ここで、F −1は逆DFT、Sは拡散OFDMコード行列、bはデータシンボルベクトルです。逆DFTは通常、オーバーサンプリング係数を使用するため、その次元はKxN（K > NはOFDMシンボルブロックあたりの時間領域サンプル数）です。一方、拡散OFDMコード行列の次元はNxNです。

受信機では、受信拡散OFDM信号は r = HF −1 Sbで表される。ここでHはチャネル行列を表す。OFDMでは巡回プレフィックスの使用により、テプリッツのようなチャネル行列が巡回行列に変換されるため、受信信号は次のように表される。

r = F −1 Λ H FF −1 Sb

= F −1 Λ H Sb

ここで、 H = F −1 Λ H Fの関係は巡回行列の定義から得られ、Λ Hは巡回チャネル行列Hの最初の列に対応する対角要素を持つ対角行列である。受信機はDFT（OFDMで一般的）を使用して、

y = Λ H Sb。

単純なケースでは、S = I（ここでIは単位行列）は拡散のない通常の OFDM を与えます。

受信信号は次のように表現することもできます。

r = F −1 Λ H FF −1 ( Λ C F ) b ,

ここでS = Λ C Fであり、CはC = F −1 Λ C Fで定義される巡回行列である。ここでΛ Cは巡回行列の対角行列である。したがって、受信信号rは次のように表される。

r = F −1 Λ H Λ C Fb = F −1 Λ C Λ H Fb、

受信機のDFT後の信号yはy = Λ C Λ H Fbとなる。

拡散行列S には、事前等化対角行列 (たとえば、ゼロ強制の場合はΛ C = Λ H −1 ) を含めることができます。または、等化は、受信機の DFT (OFDM 復調器) と逆 DFT (CI デスプレッダー) の間で実行できます。

CI-OFDMの最も単純なケースでは、拡散行列はS = F（つまりΛ C = I、つまりCI拡散行列はNxNのDFT行列となる）である。OFDMのオーバーサンプリングDFTはKxN（K > N ）であるため、基本的なCI拡散行列は、各データシンボルをOFDMサブキャリアの重ね合わせから形成された周期的にシフトされ、直交配置されたパルスにマッピングする同期パルス整形フィルタのように動作する。CIの他のバージョンでは、異なる対角行列Λ C を選択することで、異なるパルス形状を生成できる。

有用な特性

  1. 低いPAPR（クレストファクター）
  2. 非線形歪みに対する感度が低い
  3. 搬送周波数オフセットに対する感度が低い
  4. 深いフェード（スペクトルヌル）に対する堅牢性

参照

参考文献

  1. ^無線通信のためのマルチキャリア技術（2002年版）スタンフォード、カリフォルニア州：シュプリンガー。2001年11月30日。ISBN 9780804725071。
  2. ^ Zhiqiang Wu; Nassar, C.; Shattil, S. (2001). 「チップシェーピングの革新による超広帯域DS-CDMA」. IEEE 54th Vehicular Technology Conference. VTC Fall 2001. Proceedings (Cat. No.01CH37211) . 第4巻. pp.  2470– 2474. doi : 10.1109/VTC.2001.957194 . ISBN 978-0-7803-7005-0. S2CID  28052623 .
  3. ^ Natarajan, B.; Nassar, CR; Shattil, S. (2001). 「物理層のマルチキャリア実装によるBluetoothとIEEE 802.11 (FH)の強化」. 2001 IEEE Emerging Technologies Symposium on Broad Band Communications for the Internet Era. シンポジウムダイジェスト (Cat. No.01EX508) . pp.  129– 133. doi : 10.1109/ETS.2001.979440 . ISBN 978-0-7803-7161-3. S2CID  16077120 .
  4. ^ US 5955992、「フェーズドアレイアンテナコントローラおよびキャリア干渉多重アクセス拡散スペクトル送信機として使用される周波数シフトフィードバックキャビティ」
  5. ^ Nassar, CR; Natarajan, B.; Shattil, S. (1999). 「スペクトラム拡散多元接続への搬送波干渉の導入」. 1999 IEEE Emerging Technologies Symposium. 無線通信とシステム (IEEE Cat. No.99EX297) . pp.  4.1 – 4.5 . doi : 10.1109/ETWCS.1999.897312 . hdl : 2097/4274 . ISBN 978-0-7803-5554-5. S2CID  37339498 .
  6. ^ WO9941871、「多重アクセスシステムおよび方法」
  7. ^ US 7076168、「光ファイバ通信を強化するためのマルチキャリア干渉法を使用する方法および装置」
  8. ^ US 6331837、「無線通信における空間干渉多重化」
  9. ^ US 7430257、「直接シーケンスチャネルおよび多重アクセス符号化のためのマルチキャリアサブレイヤー」
  10. ^ US 20080095121、「キャリア干渉計ネットワーク」
  11. ^ Zekavat, Seyed Alireza; Nassar, Carl R.; Shattil, Steve (2000). 「指向性と送信ダイバーシティを両立するスマートアンテナ空間スイープ」. Journal of Communications and Networks . 2 (4): 325– 330. doi : 10.1109/JCN.2000.6596766 . S2CID 18877233 . 
  12. ^ Zekavat, SA; Nassar, CR; Shattil, S. (2002). 「DS-CDMA（CIチップ形状）と振動ビームスマートアンテナアレイの融合：送信ダイバーシティ、周波数ダイバーシティ、指向性の活用」2002 IEEE 国際通信会議. 会議論文集. ICC 2002 (カタログ番号02CH37333) . 第2巻. pp.  742– 747. doi : 10.1109/ICC.2002.996954 . ISBN 978-0-7803-7400-3. S2CID  33663974 .
  13. ^ Shattil, S.; Nassar, CR (1999). 「周波数シフトフィードバックキャビティを用いたマルチキャリアプロトコル用アレイ制御システム」RAWCON 99. 1999 IEEE Radio and Wireless Conference (Cat. No.99EX292) . pp.  215– 218. doi : 10.1109/RAWCON.1999.810968 . ISBN 978-0-7803-5454-8. S2CID  108425375 .
  14. ^ Barbosa, PR; Zhiqiang Wu; Nassar, CR (2003). 「キャリア干渉計を用いた高性能MIMO-OFDM」. GLOBECOM '03. IEEE Global Telecommunications Conference (IEEE Cat. No.03CH37489) . 第2巻. pp.  853– 857. doi : 10.1109/GLOCOM.2003.1258360 . ISBN 978-0-7803-7974-9. S2CID  20747953 .
  15. ^米国特許出願第60286850号「キャリア干渉法を用いてマルチキャリア信号を処理する方法および装置」
  16. ^ US 7418043、「ソフトウェア適応型高性能マルチキャリア伝送プロトコル」
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