無線通信における信号処理へ
ニューラルネットの適用をめざして
ATR光電波通信研究所 無線通信第二研究室 真鍋 武嗣
1．はじめに
無線通信技術は、社会生活の高度化、多様化、情報化の進展にともない、急速な発展をとげてきました。なかでも、自動車電話をはじめとする、近年の移動通信の急速な発展には目を見張るものがあります。さらに今後、ISDNとの接続をはじめとする多様なメディアへの対応やセキュリティの確保のためには、移動通信の高速ディジタル化は、必然の成行きといえます。
しかしながら、自動車電話に代表される陸上移動通信においては、ビル等の周囲の建造物や自然の地形による反射や散乱により多数の異なった経路を経た電波が干渉するため、電界強度が場所により大きく変動し、その中を走行する移動体における受信強度は時間的に激しく変動します。このような受信強度の変動はフェージングとよばれ、通信の品質を劣化させる大きな原因となっています。特に、異なった通路長の経路を経た電波の干渉によるフェージングはマルチパスフェージングとよばれ、受信強度の変動のみならず、遅延時間の異なる信号の干渉による伝送信号波形の歪を引き起こします。この遅延歪みは、伝送符号の誤りを引き起こすため1、高速ディジタル通信において大きな問題となり[1]、何らかの対策が不可欠となります。
ATR光電波通信研究所では、将来の高速ディジタル移動通信の実現にむけて、前号で紹介したマルチパス伝搬機構の研究[1]と並行して、フェージングを克服するための信号処理や変復調法に関する基礎的な研究を行なっています。フェージング対策技術としては、ダイバーシチ[1]、アンテナの指向性制御[2]、適応等化、フェージングに強い変復調方式、誤り制御などの適用が考えられますが、高速ディジタル移動通信に対応するためには、いずれにおいても高度な信号処理が必要となります。ATRにおける、このような無線通信のための信号処理の研究の一つとして、ここでは、等化器へのニューラルネットの適用についての研究を紹介します。
2．マルチパス遅延歪みの等化
将来のディジタル移動通信におけるマルチパスによる遅延歪みを補償する手段の一つとして適応等化器の使用が検討されています。等化器は、図1に示すように、マルチパス伝搬により遅延歪み[1]を受けた受信信号を、遅延素子を接続したタップ付き遅延線を通すことにより、一定の時間間隔でサンプリングした有限個の過去に遡った受信信号データ（タップデータ）を入力とし、その入力タップデータの組からある時点における送信信号を推定することにより遅延歪みを補償するものです。将来、一般的に用いられているのは、図に示したような、各タップデータに重み付けを行なって和をとることによって送信信号を推定する、トランスバーサル型フィルタを基本構成要素とする等化器ですが、小さなタップ数で移動通信における様な複雑に変動するマルチパス遅延歪みに対応するのには限界があります。そこで、われわれは、等化器の構成要素としてトランスバーサル型フィルタの代わりに階層型ニューラルネットを用いることを検討しています。
3．ニューラルネットによる遅延歪みの等化
階層型ニューラルネットは入力層と出力層の間に、1層あるいは複数層の中間層を持つネットワークであり、将来の等化器で用いられているトランスバーサル型フィルタは、形式的には、中間層のない階層型ニューラルネットの特殊な場合と考えることもできます（図1）。ここで、最も単純なディジタル伝送のモデルとして、1か−1の値を取るシンボル（符号）の連なったディジタル符号系列を送信する場合を考えてみます。簡単のために、マルチパスとして遅延時間差が1シンボル長に等しい2つの経路のみを考え、各々を仮に、直接波、遅延波と呼ぶことにします。
ここで、遅延波が直接波と同位相で振幅が直接波より小さい（例えば、0.5倍）場合、送信シンボルが1の時、受信信号は、1つ前の送信シンボルが1か−1かに応じて、各々、1.5か0.5になり、また、送信シンボルが−1の時各々、−0.5か−1.5になります。同様に、遅延波の振幅が直接波より大きい（例えば1.5倍）場合、受信信号は、送信シンボルが1の時、2.5か−0.5、送信シンボルが−1の時、0.5か−2.5となります。この様に、送信シンボル（符号）が前後のシンボルの影響を受けて歪むことを符号間干渉と呼びます。
このマルチパスによる遅延歪みを、タップ数が2でタップ間の遅延素子の遅延がシンボル長に等しい等化器で等化することを考えます。時刻iにおける受信信号をyiとすると、こyiと1シンボル前の受信信号yi-1が各々等化器の2つのタップデータとなり、等化器は、この2つのタップデータから、例えば、時刻iに対応した送信シンボルを推定するわけです。上に記したマルチパスモデルの場合について、時刻iに対応した送信シンボルと受信タップデータ｛yi,
yi-1｝の関係を図2に示します。図中○および●は、各々送信シンボルが1および−1の場合のタップデータの値を示しています。
等化器は、こ｛yi, yi-1｝の取る値から送信シンボルが1であるか−1であるかを判定し、その判定値を出力すれば良いわけです。即ち、図2の平面を送信シンボルが1の領域と−1の領域に分割できれば良いわけです。ところが、従来の等化器の基本構成要素であるトランスバーサル型フィルタでは、タップデータの重み付け和（線形の演算）を行なっているだけであるため、一本の直線による分割しかできません。従って、図2からわかるように、遅延波の方が直接波より振幅の大きい場合、タップ数2の等化器では、送信シンボルが1の領域と−1の領域を完全に分割することはできず、判定誤り率を25％以下にすることはできません。一方、入出力層間に中間層を持つ階層型ニューラルネットの場合、中間層のニューロン素子の非線形性により、一本の直線で分割できないような複雑な領域の分割が可能になり、図2に示した、遅延波の方が直接波より振幅の大きい場合でも、送信シンボルが1の領域と−1の領域を分割することができ、符号間干渉による符号誤りを完全に取り除くことができます。
ここまでは、伝搬路や受信機の雑音の影響を無視してきましたが、一般にはこれ等の雑音は無視できません。この場合、受信タップデータは、図2○および●の周りに雑音の大きさに応じたある確率分布でばらついてきます。この場合、直線によって分割可能な、遅延波の方が直接波より振幅の小さい場合でも、ニューラルネットを用いることによって、図に示したような複雑な分割が可能になるため、雑音による符号誤りの増加を軽減することができます。
ここでは、タップ数2の最も単純な等化器について、従来の等化器とニューラルネットを用いた等化器の比較を行ないましたが、実際の移動通信においては、この様な、単純な等化器ではなく、判定帰還型等、タップ数も多く複雑な等化器の適用が検討されています。この様な場合でも、ニューラルネットを用いることにより、同じタップ数の従来のトランスバーサル型フィルタを用いた等化器に比べて、より優れた符号間干渉除去特性および耐雑音特性を実現できます。
4．適応等化器
移動通信においては、移動体の移動にともない、マルチパス伝搬の状態は時々刻々、複雑に変動するため、等化器はこの伝搬路の変動に適応的に追従する必要があります。この様な等化器を適応等化器と呼びます。
通常、適応等化器では、送信信号系列の中に一定の周期で既知のシンボル系列（トレーニング系列）を挿入して、これによって周期的に等化器の状態を調節して伝搬路の変動に適応的に追従させます。ニューラルネットを用いた等化器では、このトレーニング系列を教師信号として学習を行なうことによって伝搬路の変動に適応させれば良いわけですが、情報の伝送を効率良く行なうためには送信信号中に占めるトレーニング系列の比率をなるべく小さくする必要があります。このため、我々は、階層型ニューラルネットとして、Hecht-Nielsenの提案したフォワードオンリー・カウンタープロパゲーション・ネットワーク（FCPN）[3]の適用を検討しています[4]。FCPNの学習はバックプロパゲーション型のネットワークのような教師付き学習と教師信号を必要としない自己組織学習を組み合わせたものであるため、トレーニング期間とトレーニング期間の間の情報伝送時にも、受信データを用いた自己組織化により適応的にネットワークを学習させ、伝搬路の変動に等化器を適応的に追従させることができます[5]。
図3は、1シンボル長ずつ遅れて到来する3波の振幅h0, h1, h2が、図の様に正弦波的に変動している場合について、図に示したFCPNを用いた判定帰還等化器と、同一タップ数のトランスバーサル型の判定帰還型等化器を各々、トレーニング終了後、伝搬路の変動に適応的に追従された場合のビット誤り率の変化を計算機シミュレーションによって比較したものです。従来のトランスバーサル型の等化器に比べて、FCPNでは、伝送路の変動に良く追従して、誤り率は低く抑えられていることがわかります。
5．おわりに
ニューラルネットの工学的応用については、これまで、音声や画像の情報処理の分野を中心に研究が進展していますが、無線通信分野への応用については研究の端緒についたばかりであり、未だ手探りの段階にあるというのが現状です。本稿では、ATR光電波通信研究所における無線通信へのニューラルネットの応用のための基礎的研究の一端としてニューラルネットを用いた等化器に関する研究を紹介しました。今後、等化器の高機能化やアレイアンテナ信号処理への適用の研究とともに、ニューラルネットの特徴を活かした新しい無線通信信号処理技術の開拓が期待されます。
参考文献
