奈良先端科学技術大学院大学 情報科学研究科 情報コミュニケーション講座 岡田 実 情報通信システム論Ⅰ －無線LAN(物理層)－ 奈良先端科学技術大学院大学 情報科学研究科　情報コミュニケーション講座 岡田　実

本日の話 無線LANの物理層の話 マルチパス伝搬の問題 802.11bでのマルチパス対策 802.11aでのマルチパス対策 OFDM

マルチパス伝搬路 インパルス インパルス応答 時間 時間

符号間干渉 (Inter-Symbol Interference: ISI) インパルス インパルス応答 時間 時間 送信波形 受信波形 時間 時間 受信シンボルに先行シンボルが重なり干渉となる．

802.11 DS/SS 2.5GHz ISM-band (Industry Scientific and Medical) 電子レンジ、医療機器等が利用 干渉信号が非常に多い 干渉に強い伝送方式 マルチパス 1Mbps/ 2Mbps DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

ISM band 2471—2497MHz帯域に1チャネル定義 ch.14 ch.1—13 但しスペクトルが重ならないようにすると3チャネルしか確保できない。 2400MHz—2483.5MHz帯域に13チャネル定義 2400 2420 2440 2460 2480 2500MHz

（バーカー符号：＋1,－1, ＋1, ＋1, －1, ＋1, ＋1, ＋1, －1, －1, －1） 802.11 DS/SS 1Msps 1Mbps 2Mbps スクランブル処理 DQPSK DBPSK 拡散 11Mcps 変調器 拡散符号 1Msps 1Mbps 2Mbps 逆拡散 DPSK検波 デスクランブル処理 11Mcps 802.11DS/SSの変復調器の構成を図に示す。変調器には1Mbpsまたは2Mbpsのデータが入力される。データはまず、スクランブル処理部に入力され、ビット列の0あるいは1が連続して発生しないように処理を行う。スクランブル処理後のビット列は1Mbpsの場合はDBPSK (Differentially encoded Binary Phase Shift Keying)、2Mbpsの場合はDQPSK (Differentially encoded Quadrature Phase Shift Keying)により一次変調される。この時点で、変調信号の信号速度は1Msymbol/sである。変調信号は、11Mchip/sの拡散符号（バーカー符号：＋1,－1, ＋1, ＋1, －1, ＋1, ＋1, ＋1, －1, －1, －1）により拡散される。 一方、復調器では、直交検波後の受信信号が送信信号と同じ拡散符号系列により逆拡散され、元の1Msymbol/sのDQPSK/DBPSK信号に戻される。逆拡散後の変調信号は、DPSK検波器により復調が行われる。復調データは、デスクランブル処理を行い、送信ビット列が復元される。 受信機の構成は規格では指定されていない。メーカごとにRAKE受信、等化器や干渉除去などのさまざまな信号処理を追加して特性改善を行うことが可能である。 復調器 拡散符号 （バーカー符号：＋1,－1, ＋1, ＋1, －1, ＋1, ＋1, ＋1, －1, －1, －1）

802.11b CCK 6 11Mcps 符号選択 変調器 S/P 11Mbps スクランブル 処理 DQPSK 拡散 2 1:8 CCK: Complementary Code Keying 6 11Mcps 符号選択 変調器 S/P 11Mbps スクランブル 処理 DQPSK 拡散 2 1:8 1Msps 6 相関 検波 P/S 11Mbps デスクランブル 処理 CCK (Complementary Code Keying)は、符号にも情報を持たせることで最大11Mbpsの伝送を可能にする方式である。変調器では、11Mbpsのビット列がスクランブル処理後直並列変換 (S/P: Serial-to-Parallel)により8bit並列データに変換される。8bitデータのうち、2ビットはDQPSK変調器へ、残り6ビットは符号選択部に入力される。符号選択部では、64個の8チップ拡散系列の中から1つの系列が選択される。選択された符号を用いてDQPSK変調信号の拡散が行われる。受信機側では、64個の拡散系列との符号相関が相関検波部により求められる。相関検波器出力のうち、振幅が最大となる符号が選択されたと判定される。この符号に対応した6bitの系列が出力される。また、振幅最大相関器出力のI/Q信号はDQPSK検波器に入力され、DQPSK検波が行われる。前述の6ビットおよびDQPSK検波器出力2ビットをあわせた8ビット並列データは、並直列変換(P/S: Parallel-to-Serial)に入力され、元のシリアルデータ系列に変換される。変換後のビット列は、デスクランブル処理により元の送信系列に戻される。 DQPSK 2 復調器 1:8

CCK変調 (d2k-1, d2k) jk (in deg) 00 01 90 10 180 11 270

CCK変調 シンボル番号 j2 j3 j4 1 ○ 2 3 4 5 6 7 8

Block Diagram of CCK Demodulator p/2 p -p/2 p/2 x0 p/2 p/2 x1 p/2 p x2 p/2 -p/2 x3 x4 p x5 p p/2 x6 p p x7 p -p/2 -p/2 -p/2 p/2 -p/2 p -p/2 -p/2 16-tap 32-tap 64-tap

Butterfly Operation

フレームフォーマット 192ms 96ms ロングPLCPプレアンブル 144ビット PLCPヘッダ 48ビット PSDU 1Mbps DSSS 1Mbps / 2Mbps DSSS 5.5Mbps/ 11Mbps CCK 96ms ショートPLCPプレアンブル 72ビット PLCPヘッダ 48ビット PSDU 1Mbps DSSS 2Mbps DSSS 5.5Mbps/ 11Mbps CCK 2Mbps DSSS

IEEE 802.11a/g 5GHz帯 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, and 54Mbps IEEE802.11g 日本:5.15～5.25MHz　（4.9GHz帯, 5.0GHz帯検討中） 米国：5.15～5.35MHz, 5.725MHz～5.825MHz 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, and 54Mbps 6, 12, 24はmandatory IEEE802.11g 2.4GHz版

5GHz帯域 IEEE802.11b/g IEEE802.11a J52 W52 W53 チャネルの変更 チャネルの追加 従来 改正 34ch 38ch 42ch 46ch 52ch 36ch 40ch 44ch 48ch 56ch 60ch 64ch (5.17) (5.19) (5.23) (5.21) (5.18) (5.22) (5.20) (5.24) (5.26) (5.30) (5.28) (5.32) 2005年5月改正

IEEE 802.11a 諸元

Data Rate * optional Rate Modulation Coding Rate Signal Bits 6Mbps BPSK R=1/2 1101 9Mbps R=3/4 1111 12Mbps QPSK 0101 18Mbps 0111 24Mbps 16QAM 1001 36Mbps* 1011 48Mbps* 64QAM R=2/3 0001 54Mbps* 0011 * optional

802.11aフレームフォーマット

802.11aプリアンブルフォーマット プリアンブル長　20ms

OFDMの話 IEEE802.11a/gで使われているOFDM技術の解説

OFDM マルチキャリア変調 低速伝送 シンボル長が長い→マルチパス遅延分散対策 複数の異なった搬送波を用いて並列伝送 →高速ディジタル伝送

マルチキャリア伝送 インパルス インパルス応答 時間 時間 受信波形 周波数 周波数 時間 時間 符号間干渉が減少する

マルチキャリア伝送 1957 短波帯マルチキャリア伝送 1966 ロールオフフィルタマルチキャリア伝送 1971 DFTを用いたマルチキャリア伝送(OFDM) 1981 DFT/Roll-off Filtered MCM 1983 MCM for Microwave Digital Transmission　(NTT) 199x xDSL/ DAB/ DVB-T/ W-LAN (IEEE802.11a/g), 802.16a 2003 ISDB-T （地上デジタルテレビ放送） PAN (IEEE 802.15.3a), 802.11n, 802.16, 802.20 3GPP/ 4G Mobile

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplex 直交周波数多重伝送 マルチキャリア変調 観測区間で直交関係にある周波数を用いる 離散フーリエ変換を用いて変復調を行う

OFDM送受信機 逆FFT シンボル マッピング f1 ガード 直列 区間 挿入 並列 変換 f2 fN マルチパス 伝搬路 FFT デマッピング 削除 f1 f2 fN

OFDM送受信機 逆FFT ガード 区間 挿入 マルチパス 伝搬路 FFT 削除 f1 f2 fN シンボル マッピング 直列 並列 変換 01… シンボル マッピング 直列 並列 変換 01… 0111101… シンボル マッピング 01… シンボル マッピング シンボル デマッピング 並列 直列 変換 シンボル デマッピング シンボル デマッピング

無線信号の等価低域表現 無線信号 振幅 周波数 位相 A ベクトル表現 等価低域表現

等価低域表現（２） 中心周波数 fc からの偏差 I Q I Q

マルチキャリア変調信号の表現（１） 周波数スペクトル 周波数間隔: fs サブキャリア数:N fc 中心周波数 freq I Q Ak qk 信号点配置

マルチキャリア変調信号の表現（２） k番目の サブキャリア振幅 k番目の サブキャリア位相 サブキャリア数 中心周波数 周波数間隔

マルチキャリア変調信号の表現（３） 等価低域表現 フーリエ級数展開の式に似ている？

Cited: http://dictionary.com/ フーリエ級数展開 Fourier, Baron Jean Baptiste Joseph. 1768-1830. French mathematician and physicist who formulated a method for analyzing periodic functions and studied the conduction of heat. Cited: http://dictionary.com/ Cited: http://www-groups.dcs.st-and.ac.uk/~history/Mathematicians/Fourier.html

フーリエ級数展開 任意の周期波形は正弦波の和で表すことができる． T フーリエ級数展開 f=0 f=1/T f=2/T フーリエ係数

Orthogonal Frequency Division Multiplex OFDMとフーリエ級数展開 マルチキャリア変調 とすれば．．． 周波数間隔 フーリエ級数展開と一致 OFDM　 Orthogonal Frequency Division Multiplex

OFDM信号波形 1/T T freq f=0 -2 -1 1 2 time

OFDM T time n=0 n=1 n=2

なぜ正弦波か？ 線形系に入力しても形が変わらない 線形系（マルチパス） 正弦波を入力 波形は変化しない 周波数応答

ガード区間による符号間干渉除去 符号間干渉の除去 インパルス インパルス応答 時間 時間 受信波形 周波数 周波数 時間 時間 符号間干渉成分 符号間干渉の除去

ガード区間による符号間干渉除去 T 遅延波 time 符号間干渉 time 遅延時間＜TGならば 符号間干渉無し ガード区間：TG

Cyclic ExtensionによるICI除去 サブチャネル間干渉の除去 D F T W i n d o w G . I . D F T O u t P u t C k 波形歪 T i m e f k F r e q C k F r e q f + 1 - A I T i m e paste copy C k F r e q f T i m e C k F r e q f P h a s S i t T i m e

OFDMの周波数スペクトル Ts=T+TG time Ts freq freq

離散フーリエ変換 DFT (Descrete Fourier Transform) サンプリング信号に対するフーリエ変換 サンプリング定理 周波数範囲: -N/2ts～N/2ts 周波数分解能: 1/ts

DFT

高速フーリエ変換 FFT (Fast Fourier Transform) DFTの演算量：N2 基数2FFTの演算量：Nlog2N Cooky / Tukey (1965) DFTの演算量：N2 Nの増加につれて急激に増大 基数2FFTの演算量：Nlog2N 8kの場合 DFT: 81922≒67M FFT: 8192×13≒100k (約1/600)

基数２のFFTの原理

バタフライ

バタフライ

DFT 演算量 前 後 + －

バタフライ

8 Point DFT

DFTの簡略化(1)

DFTの簡略化(2)

DFTの簡略化(3)

ビット反転

シンボルタイミングの推定 Matched Filter (training Seq) Peak Detector

周波数オフセット推定 位相差測定 細かい周波数オフセット推定 位相差測定 粗い周波数オフセット推定

振幅・位相変動推定 等化 マルチパス 伝搬路 freq freq

802.11aにおける 周波数オフセット推定 FFT入力し，伝搬路推定

まとめ 無線LAN物理層の解説 802.11b SS/ CCK 802.11a/g OFDM