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Realization of communication system based on extended array and verification of DOF expansion by introducing sum and difference composite co-array

岩崎 翔 横浜国立大学 DOI:info:doi/10.18880/00013479

2020.11.19

概要

近年,通信,信号処理,エレクトロニクス,情報,機械学習をはじめとする,広範囲の分野における著しい技術発展に伴い,一般的となりつつあるIoT(Internet of Things)社会のさらなる活性化に向けて無線通信技術の普及や情報量の加速度的増加に加え今後のリアルタイム通信の大幅な普及見込みに伴うデータトラフィックの爆発的増加によって,無線通信においては周波数の効率的な利用や通信品質の向上などを目的としたアレーアンテナの技術に多くの期待が寄せられている.このため,本格的に導入されつつある5G(5th Generation)技術(超高速,超低遅延,多数同時接続),あるいはその先を見据えた周辺技術が各種分野の観点から新旧手法問わず研究,実装の議論が盛んに進められている状況である.

 一方,ディジタル信号処理についても現在発展の著しい分野であり,信号やデータ,情報などに対するコンピュータや高速プロセッサなどによる変換,分析,合成技術に基づく応用分野は極めて広く,アダプティブアレー技術を含む通信,情報分野をはじめ,画像,映像,音響,計測,制御,経済,統計,脳波,医療,気象など,あらゆる科学分野において必須の基礎技術となっている.また,離散データや離散信号を対象に扱うという共通点持つ多種多様な技術分野に対し,幅広い境界領域を持ち互いに非常に密接な関係性を持つため,もちろん回路やデバイスなどのアナログ技術も含めた各分野における技術の発展がその他それぞれの分野に対し相乗効果を生み出すことに加え,これらを利用するには幅広い知識や最先端の技術動向を踏まえたうえでの検討が必要となる.

 加えて近年では,スパース性を対象とした議論が各分野で盛り上がりを見せ,その応用範囲は広くセンシング,計測,天文学,気象学,物理学,経済学,制御,データ解析をはじめとした各種信号,画像処理の分野で大きな成果を残しており,スパース性,圧縮センシング領域の議論はアレーアンテナ信号処理分野との密接な関連性も示唆されるとともに著しい発展を見せている.

 特に,アレーアンテナ信号処理において,アダプティブビームフォーミングは移動体通信,レーダー,ソナーなど幅広い分野で歴史的にも重要な役割を果たしており,到来方向(DOA:Direction Of Arrival)推定技術についても超分解能とも称されるように精度の良いアレー入力信号の検出に対して非常に効果的でありこれまでに様々なアルゴリズムが提案されてきた.従来提案されてきて古典的とも呼ばれることがある手法は,アレー入力に対する最適ウェイトの最適設計問題やアレー入力のサンプル共分散行列の固有値分解に基づく手法などがその原理の代表例として挙げられ現在でも多くの用途で利用されている重要な技術であるが,その信号処理観点の自由度(DOF:Degree Of Freedom)はアンテナ素子数がNであるとするとO(N)で表現されることが知られている.そのため自然な発展の流れと捉えられるが,このDOFを拡張するためにこれまで拡張アレー信号処理の原型ともいえるMRAs(Minimum Redundancy Arrays)や高次統計処理である4次キュムラントを利用した手法が提案されてきた.

 その後,前述のようなスパース表現を利用した技術の一つである圧縮センシングがスパース性を持つ高次元の信号を少ない観測データから復元するしくみとして提案され,その応用範囲の広さから様々な分野の研究に応用される流れを受けて,アレーアンテナにおける時空間信号処理に対してもKR(Khatori-Rao)積を用いたDOA推定手法が提案された.さらに2010年代に入るとともにネストアレー(Nested Array)やコプライム(Co-prime Array)アレーが拡張アレーの一種である差分アレーの代表的な配置構成でとして紹介され,その特長である定式化可能でスパース(不等間隔)なアレー配置やDOF拡張効果あるいは必要な入力データ数の削減,応用範囲の広さなどが機械化,ハードウェア,ソフトウェア実装の観点からも非常に強力な手法として注目が集まり数々の手法が提案されている状況である.他にも,広帯域の電力スペクトル推定や2次サンプリングなどにも圧縮センシングは応用されており,スパースアレー構成を用いたDOA,エネルギー(電力),振幅,偏波,速度の推定問題はスパースサンプリングと等価であると見做すことが可能である.

 ネストアレーはアレー入力の共分散行列をベクトル化し拡張アレー入力と見立てることで巧みにDOFを拡張し,例えば2-レベルのネストアレーにおいてもN素子の実アレーを用いてO(N2)のDOFを持つ差分アレーを実現可能である.また素子間相互結合の抑圧を低減させる目的もあり提案されたコプライムアレーについてもM+N素子を用いてO(MN)のDOFを実現可能であり,レガシーの一般的なアレーにおけるDOF=O(N)と比較し大幅なDOFの増加が実現されていることがわかるが,差分アレーのDOFの理論最大値はN(N−1)+1であることが知られている.

 本論文では議論の熱が高まる拡張アレーにおけるさらなる発展を目的として,スパースアレーを用いた拡張アレーにおける”DOFのさらなる拡張”,”連続的な仮想アレーの実現”,”変調から復調までを扱う送受信システムの実現”の3点を掲げ,その実現に向けて議論を進める.特に,”DOFのさらなる拡張”,については,従来の差分アレーより大幅なDOFの拡張を図るため新たに”加算・差分複合アレー”という独自のアレー構成と信号処理について提案し検討を進める.具体的には各種差分アレーと比較しよりスパースに実アレーを配置し新たに加算アレーの考え方を融合させることで,差分のみの概念では表現できないような仮想アレーの実現を行いより大きなDOFを実現していく.また,理論検討時の扱い易さや従来手法の応用範囲の広さがそのメリットとして挙げられる”連続的な仮想アレーの実現”については,提案手法における配置構成の”定式化”による表現を示すことでその確実な実現方法について紹介する.

 加えて,従来の文献においてはDOA推定のためのスペクトラムの生成,あるいはビームパターンの形成とそれら特性の評価に留まっていた背景があるため,拡張アレーにおける”変調から復調までを扱う送受信システムの実現”方法について紹介するとともに,上述の提案手法となる加算・差分複合アレーについても通信システムにおける拡張信号処理部に導入することで,その大幅なDOF拡張効果に起因する従来手法となる差分アレーに対する優位性についてシミュレーションに基づき評価検証を進める.さらに拡張ビームフォーマとしての拡張信号処理においては2つの手法を提案することで従来手法の弱点であった低スナップショット数や高SNR(Signal to Noise Ratio)環境におけるロバスト性の劣化について改善を図ることで,今後のさらなる発展に繋げる.

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