JP2008236383A - 無線通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】同期プロセスのできるだけ早いタイミングで新たな情報を追加して伝送可能な無線通信システムを提供する。
【解決手段】同期プロセスにおいて、送信機（基地局）がパイロット信号の位相を追加情報で変調することにより、受信機（移動局）に追加情報を伝達する。受信機は、同期信号から基地局のグループを同定し、このグループに属する基地局がそれぞれ固有に用いるスクランブリングコードを用いてパイロット信号の相関を求める。そして最大の相関値が得られるパイロット信号の位相を、同期信号の位相を基準として求め、この求めた位相から上記追加情報を検出するようにしたものである。
【選択図】 図２

Description

この発明は、OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)方式を採用した、例えば携帯電話システムなどの無線通信システムに関する。

現在、3GPP(3^rd Generation Partnership Project)では、W-CDMA(Wideband Code Division Multiple Access)方式に続く、新しい無線アクセスおよび無線アクセスネットワークに関するLong Term Evolution(LTE)の検討が開始されている（例えば、非特許文献１参照）。この文献は、3GPPによりリリースされた技術文書であり、物理層に関する規格のフレームワークについて述べられたものである。

ここで述べられている同期プロセスは、移動局が、基地局から受信した信号に基づいて、基地局との間で時間および周波数の同期をとり、基地局の識別番号を検出するための手続きである。

またLTEシステムでは、複数の異なるシステム帯域をサポートする、Scalable Bandwidthが適用される。LTEシステムの同期プロセスにおいては、基地局のシステム帯域は、移動局にとって未知であり、移動局が基地局のシステム帯域を検出して、それぞれに応じた処理を行うには、複雑なサーチプロセスが必要になる。

これに対し、システム帯域のサーチプロセスを簡略化するため、いずれのシステム帯域を利用する基地局にも共通するシステム帯域に、同期用チャネル、システム情報を報知するチャネルを配置して、基地局から移動局に送信することが考えられている。これにより移動局は、基地局のシステム帯域を知らなくても、予め決められた共通のシステム帯域内に配置された同期用チャネル、システム情報報知チャネルを受信することにより、同期プロセスを遂行することができる。
またこのような同期プロセスにおいて、手順を変更することなく新たな情報を追加して伝送することが求められている。
3GPP, TR25.814(V7.1.0), "Physical Layer Aspects for Evolved UTRA", Section 7.1.2.4, "Cell search"。

従来、検討されている無線通信システムでは、同期プロセスの手順を変更することなく、新たな情報を追加して伝送したいという要望があった。
この発明は上記の要望に応えるべくなされたもので、同期プロセスの手順を変更することなく新たな情報を追加して伝送可能な無線通信システムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、この発明は、第１通信装置から第２通信装置にOFDM方式を用いた無線伝送を行う無線通信システムにおいて、第１通信装置は、パイロット信号にスクランブリングコードを乗算する乗算手段と、この乗算手段が出力するパイロット信号に、第２通信装置で既知の同期信号の位相を基準として、伝送情報に応じた位相変調を施す変調手段と、同期信号と、変調手段にて位相変調されたパイロット信号とをサブキャリアに割り当てて無線送信する送信手段と、第２通信装置は、第１通信装置が送信する無線信号を受信して、同期信号とパイロット信号を得る受信手段と、パイロット信号と複数のスクランブリングコードとの相関値をそれぞれ求める相関手段と、この相関手段が求めた相関値のうち、最もレベルの高い相関値ベクトルの位相を同期信号の位相を基準として求める検出手段と、この検出手段が検出した位相を復調して伝送情報を得る復調手段とを具備して構成するようにした。

以上述べたように、この発明では、第１通信装置においてパイロット信号の位相を追加情報で変調することにより、第２通信装置に追加情報を伝達するようにしている。したがって、この発明によれば、同期プロセスの処理順序を変更することなく、追加情報を伝達可能な無線通信システムを提供できる。

以下、図面を参照して、この発明の一実施形態について説明する。なお、以下の説明では、送信機を基地局とし、受信機を移動局として説明する。また、通信方式としてOFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)方式を採用し、移動局における同期プロセスが、図１に示すようなルーチンからなる場合を例に挙げて説明する。すなわち、上記同期プロセスは、処理Ａ、処理Ｂ、処理Ｃ、処理Ｄからなり、この順で実行されるものとする。

処理Ａにおいて移動局は、各サンプリングタイミングでのベースバンドディジタル信号と同期信号１に含まれる既知の同期コードとの相互相関を求めることによって、受信信号の時間系列から、時間フレーム境界、すなわちＧＩ（ガードインターバル）除去およびＦＦＴ演算を行うサンプリングデータ列を切り出すタイミングを検出する。フレーム同期の方法としては、これ以外にも、時間ドメインで繰り返し波形を持った同期コードを用いる方法が考えられ、この場合は自己相関によって時間フレーム境界を検出する。

処理Ｂ、処理Ｃにおいて移動局は、ベースバンドディジタル信号のサンプリングデータ列を処理Ａで求めた時間フレーム単位にＦＦＴをかけて周波数領域の信号、すなわちサブキャリア毎の信号に分割し、周波数領域上の情報により基地局ＩＤの同定を行う。一般にセルラシステムでは基地局ＩＤの同定時間を短縮するため、処理Ｂでは基地局ＩＤグループの同定までを行い、処理Ｃにより基地局ＩＤグループの中から基地局ＩＤを特定するというように、２段階にわけて基地局ＩＤ同定を行う。

この例では、処理Ｂでは同期信号２を使用し、処理Ｃではデータ信号のチャネル等価や、各基地局の受信信号測定にも用いるパイロット信号を使用することを前提としている。パイロット信号には、基地局間の干渉低減や、基地局ごとの受信電力測定を可能とするために、基地局固有のスクランブリングコードがかけられる。このため、処理Ｃでは、処理Ｂまでに特定した基地局ＩＤグループの各基地局のスクランブリングコード候補との相互相関演算により、基地局ＩＤ同定をする。

最後に、処理Ｄでは、システム情報報知チャネル（Ｐ−ＢＣＨ）を受信する。このときシステム情報報知チャネルのチャネル等価のために、パイロット信号を使用する。
以上のように、通信を行うために必要な基本的なシステムパラメータを取得するまでの処理を同期プロセスと定義する。同期プロセスの１つの目的は、パイロット信号にかけられた基地局ＩＤ固有のスクランブリングコード系列を特定することにより、基地局ＩＤを特定することにある。

この発明に係わる実施形態では、新たに追加して送信したい情報ビットを、同期信号２を位相基準として、パイロット信号の位相回転量として変調する処理を行う。このように位相回転したパイロット信号を全サブキャリアで共通に用いることで、同期信号２、パイロット信号に特別な変更を加えることなく、また、基本的な受信プロセスも変更することなく、送信情報量を増加させる。すなわち、パイロット信号を用いる処理Ｃに関する。

図２は、後述する基地局から送信されるOFDM信号のサブキャリアのうち、いずれのシステム帯域を利用する基地局にも共通するシステム帯域を示すものであって、１つのマス目が１つのサブキャリアを示し、各サブキャリアにはOFDMシンボルが割り当てられて送信される。この図に示すシンボル配置では、ある共通の時刻の全てのサブキャリアに、移動局が既知の同期信号s(0), s(1),…が割り当てられ、パイロット信号p(0), p(1),…は、上記同期信号に時間軸方向に後続するサブキャリアに、周波数軸方向に１つおきに割り当てている。すなわち、同期信号とパイロット信号は、時間的に近接したサブキャリアに割り当てられている。またパイロット信号p(0), p(1),…は、基地局の基地局ＩＤを識別するために、所定の複素スクランブリング系列が掛けられ、さらに追加の送信ビットとして、位相回転量θが与えられている。
なお、図２に示す同期信号は、周波数ドメインで既知であることが条件であり、図１の同期信号２である。

図３に、基地局、すなわちOFDM送信機の構成例を示す。基地局は、変調部１１と、サブキャリア割当部１２と、IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)部１３と、GI(Guard Interval)付加部１４と、無線送信部１５とを備える。
変調部１１は、他の基地局との干渉低減や、移動局で基地局毎に受信電力を測定することを可能とするために、パイロット信号に、当該基地局に固有に割り当てられたスクランブリングコードを乗算する。そして、変調部１１は、後述する同期信号２を位相基準として、スクランブリングコードを乗算したパイロット信号に対して、追加情報に応じた位相変調を行う。これにより、追加情報に相当する位相回転がパイロット信号の全サブキャリアに対する共通の位相回転として表れることになる。

サブキャリア割当部１２は、システム情報報知信号と、変調部１１にて変調されたパイロット信号と、データ信号と、同期信号１，２が入力され、これらの信号を、図２に示したように、それぞれ所定のサブキャリアに割り当てる。なお、システム情報報知信号には、当該基地局が送信に用いるシステム帯域や、送信アンテナ数などのシステム情報が含まれる。

IFFT部１３は、サブキャリア割当部１２の出力信号に対してOFDM変調を施して、複数のOFDMシンボルの系列であるOFDM信号を生成する。すなわち、IFFT部１３は、周波数領域の信号を時間領域の信号に変換することによってOFDM信号を生成する。
GI付加部１４は、IFFT部１３にて生成したOFDM信号に、ガードインターバル（ＧＩ）を付加する。

無線送信部１５は、GI付加部１４の出力をディジタル／アナログ変換するディジタル／アナログ変換器と、このアナログ出力をＲＦ信号にアップコンバートするアップコンバータと、このＲＦ信号を電力増幅する電力増幅器とを備える。電力増幅器によって電力増幅されたＲＦ信号は、アンテナを通じて空間に放射される。

図４に、移動局、すなわちOFDM受信機の同期プロセスに関わる構成例を示す。移動局は、無線受信部２１と、第１同期部２２と、GI除去部２３と、FFT(Fast Fourier Transform)部２４と、信号分離部２５と、第２同期部２６と、基地局ＩＤ同定部２７と、システム情報受信部２８とを備える。なお、ここでいう同期信号１、同期信号２は、図１の同期信号１、同期信号２にそれぞれ対応する。

無線受信部２１は、空間よりアンテナが受信したＲＦ信号から所望の帯域外の雑音を除去する帯域通過フィルタと、この帯域通過フィルタを通過したＲＦ信号をアナログ／ディジタル変換してベースバンドディジタル信号を得るＡ／Ｄ変換器とを備える。

第１同期部２２は、図１に示した処理Ａを実施するものであり、各サンプリングタイミングでのベースバンドディジタル信号と同期信号１に含まれる既知の同期コードとの相互相関を求めることによって、ベースバンドディジタル信号の時間系列から、時間フレーム境界、すなわちＧＩ除去およびＦＦＴ演算を行うサンプリングデータ列を切り出すタイミングを検出する。

このタイミングは、制御部２０に通知される。これにより、制御部２０は、ＧＩ除去およびＦＦＴ演算を行うサンプリングデータ列を切り出すタイミングや、サブキャリア上のどの位置（時間および周波数）に、どの信号が配置されているかを認識する。

なお、フレーム同期の方法としては、これ以外にも、時間ドメインで繰り返し波形を持った同期コードを用いる方法が考えられ、この場合は自己相関によって時間フレーム境界を検出する。

GI除去部２３、FFT部２４、信号分離部２５および第２同期部２６は、図１に示した処理Ｂを実施するものである。
GI除去部２３は、制御部２０から、第１同期部２２が検出したタイミングが通知され、このタイミングでベースバンドディジタル信号からガードインターバルを除去する。

FFT部２４は、制御部２０から、第１同期部２２が検出したタイミングが通知され、このタイミングでベースバンドディジタル信号にFFT演算を行い、ベースバンドディジタル信号を時間領域の信号から周波数領域の信号に変換する。これにより、ベースバンドディジタル信号がサブキャリア毎の信号に分割される。

信号分離部２５は、制御部２０からの指示にしたがって、FFT部２４により得られたサブキャリア毎の信号を、システム情報報知信号、パイロット信号、データ信号、同期信号２などに分離する。このうち、システム情報報知信号は、システム情報受信部２８に入力され、パイロット信号は、基地局ＩＤ同定部２７に入力され、同期信号２は、第２同期部２６および基地局ＩＤ同定部２７に入力される。

第２同期部２６は、同期信号２から基地局ＩＤグループの同定を行う。このようにして同定された基地局ＩＤグループの識別情報は、制御部２０に通知される。これに対して制御部２０は、予め、基地局毎に固有に割り当てられたスクランブリングコードを基地局ＩＤグループ毎に記憶しており、第２同期部２６から通知された基地局ＩＤグループに属する基地局に固有に割り当てられたスクランブリングコードq1(f), q2(f), q3(f)…（f=0,1,…,Nf）パイロットサブキャリアの総数）を基地局ＩＤ同定部２７に通知する。

基地局ＩＤ同定部２７は、図１に示した処理Ｃを実施して基地局IDを特定するためのスクランブリングコードを検出するとともに、パイロット信号を変調するのに用いた追加情報を復調するものであり、相関部２７１と、検出部２７２と、復調部２７３とを備える。
相関部２７１は、パイロット信号と、制御部２０から通知される複数のスクランブリングコードq1(f), q2(f), q3(f)…との間で、同期信号２を位相基準とした相互相関演算をそれぞれ行い、相関値ベクトルを求める。

検出部２７２は、相関部２７１の演算結果のうち、最もレベルの高い相関値ベクトルが得られるスクランブリングコードqn(F)を求める。このスクランブリングコードqn(F)は、制御部２０に通知される。これにより、制御部２０は、受信すべき基地局が、スクランブリングコードqn(F)に対応する基地局であることを認識して、基地局ＩＤを特定し、以後、制御部２０は、スクランブリングコードqn(F)を用いてパイロット信号を受信するように、各部を制御する。

復調部２７３は、検出部２７２が検出した基地局IDに対応する相関部２７１で求めた相互相関ベクトルの位相θを検出し、これより追加情報を復調する。
以下、基地局ＩＤ同定部２７で実施する相互相関演算について、詳細に説明する。
基地局における同期信号をs(f)とし、また変調部１１によって位相回転したパイロット信号をp(f)exp(jθ)とする。なお、追加情報は２ビットとし、00、01、10、11が、それぞれθ＝０、π／４、π／２、３π／４に変調されるとする。

そして伝送路応答をh(f)とすると、移動局で受信される同期信号は、s(f)h(f)と表せ、同様に、移動局で受信されるパイロット信号は、p(f)exp(jθ)h(f)と表せる。ここで、同期信号s(f)は、移動局においても既知であることより、移動局の基地局ＩＤ同定部２７において、受信される同期信号s(f)h(f)から伝送路応答h(f)を求めることができる。

したがって、相関部２７１および検出部２７２が下式にしたがった演算を行う。すなわち、伝送路応答h(f)を用いて下式にしたがい、相関部２７１は、複数のスクランブリングコードq1(f), q2(f), q3(f)…との相互相関演算を行い、そのうち、最大の相関値が得られるスクランブリングコードqn(F)を検出部２７２が検出する。

そして、復調部２７３が、同期信号を位相基準として、上記スクランブリングコードqn(F)を用いて相関部２７１が求めた相関値ベクトルの位相θから、追加情報のビットが、00（θ＝０）、01（θ＝π／４）、10（θ＝π／２）、11（θ＝３π／４）のいずれであるかを判定する。

システム情報受信部２８は、信号分離部２５から入力されるシステム情報報知信号を、制御部２０から通知されるスクランブリングコードqn(F)をパイロット信号に適用することにより生成した位相基準信号を用いて同期検波して、システム情報を得る。

以上のように、上記構成の無線通信システムでは、同期プロセスにおいて、送信機（基地局）においてパイロット信号の位相を追加情報で変調することにより、受信機（移動局）に追加情報を伝達するようにしている。このため、図１に示したようなこれまでの同期プロセスの手順を変更することなく、追加情報を伝達できる。

またパイロット信号を用いて伝送できるので、これまで処理Ｄによって伝達できたシステム情報を処理Ｄよりも前に伝送することができ、追加情報を処理Ｄで利用することも可能である。例えば、追加情報として、システム情報報知信号で送信していたシステム情報を伝送することで、処理Ｄを行う前に、基地局のシステム帯域や送信アンテナ数を移動局が認識でき、処理Ｄにおける受信品質を向上させることができる。またこれまでシステム情報報知信号の伝送のために用いていたリソースを節約できるので、同期プロセスを短縮し、消費減力を低減させることもできる。

なお、この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また上記実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって種々の発明を形成できる。また例えば、実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除した構成も考えられる。さらに、異なる実施形態に記載した構成要素を適宜組み合わせてもよい。

その一例として例えば、上記実施の形態では、基地局の送信アンテナが１つの場合を例に挙げて説明したが、図３に示した送信系の構成を冗長に設ける場合にも適用できる。例えば２つの送信系を冗長に設ける場合には、各送信系について送信アンテナ＃１、＃２を備えることになるが、この場合には、図５（ａ）、（ｂ）に示すサブキャリア配置のように、各送信アンテナ＃１、＃２毎に異なる追加情報を伝送するために、アンテナ毎にパイロット信号に与える位相回転量を異ならせ、また各パイロット信号に時間軸方向に近接するタイミングで、アンテナ間で異なる同期信号を送信する。

このような構成によれば、送信アンテナ数の増加に応じて、より多くの情報を送信することができる。なお、上述したように送信系を冗長な構成とする場合には、パイロット信号、同期信号ともに送信アンテナごとに分離できる必要があるため、例えば、パイロット信号の場合であれば、異なるスクランブリングコードを適用したり、異なる時間シンボルに送信したり、異なるサブキャリアを使用する。同期信号も同様である。

また、時間軸方向に同期信号とパイロット信号を繰り返して送信する場合には、図６に示すサブキャリア配置のように、繰り返し送信されるパイロット信号毎に、異なる追加情報に応じた位相回転を行うようにする。このような構成によれば、繰り返し周期に応じて、より多くの情報を送信することができる。

さらに、図７に示すように、周波数軸方向に連続する複数のサブキャリアからなるブロック間で、同じ同期信号とパイロット信号が用いられる場合には、ブロック間でパイロット信号に与える位相回転量を異ならせるようにする。このような構成によれば、ブロック数に応じて、より多くの情報を送信することができる。

そしてまた上記実施の形態では、変調部１１が同期信号を位相基準として、パイロット信号に追加情報に応じた位相回転を施すようにしたが、これに代わって例えば、変調部１１が、パイロット信号を位相基準として、同期信号の位相回転を追加情報に応じて行うようにしてもよい。そして、受信機では、第２同期部２６がパイロット信号の位相を基準として同期信号の位相を検出し、これを復調して追加情報を得る。これによれば、例えば、パイロット信号が他の基地局と共用され、基地局毎に異なる同期信号が用いられる場合に、適用可能である。

その他、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を施しても同様に実施可能であることはいうまでもない。

この発明に係わる無線通信システムの同期プロセスを説明するための図。 この発明に係わる無線通信システムで用いられる無線信号のサブキャリア上の信号配置を説明するための図。 この発明に係わる無線通信システムの送信機の構成を示す回路ブロック図。 この発明に係わる無線通信システムの受信機の構成を示す回路ブロック図。 この発明に係わる無線通信システムの変形例で用いられる無線信号のサブキャリア上の信号配置を説明するための図。 この発明に係わる無線通信システムの変形例で用いられる無線信号のサブキャリア上の信号配置を説明するための図。 この発明に係わる無線通信システムの変形例で用いられる無線信号のサブキャリア上の信号配置を説明するための図。

符号の説明

１１…変調部、１２…サブキャリア割当部、１３…ＩＦＦＴ部、１４…ＧＩ付加部、１５…無線送信部、２０…制御部、２１…無線受信部、２２…第１同期部、２３…ＧＩ除去部、２４…ＦＦＴ部、２５…信号分離部、２６…第２同期部、２７…基地局ＩＤ同定部、２７１…相関部、２７２…検出部、２７３…復調部、２８…システム情報受信部。

Claims (5)

1. 第１通信装置から第２通信装置にOFDM方式を用いた無線伝送を行う無線通信システムにおいて、
   前記第１通信装置は、
   パイロット信号にスクランブリングコードを乗算する乗算手段と、
   この乗算手段が出力するパイロット信号に、前記第２通信装置で既知の同期信号の位相を基準として、伝送情報に応じた位相変調を施す変調手段と、
   前記同期信号と、前記変調手段にて位相変調されたパイロット信号とをサブキャリアに割り当てて無線送信する送信手段と、
   前記第２通信装置は、
   前記第１通信装置が送信する無線信号を受信して、前記同期信号と前記パイロット信号を得る受信手段と、
   前記パイロット信号と複数のスクランブリングコードとの相関値ベクトルをそれぞれ求める相関手段と、
   この相関手段が求めた相関値ベクトルのうち、最もレベルの高い相関値ベクトルの位相を前記同期信号の位相を基準として求める検出手段と、
   この検出手段が検出した位相を復調して前記伝送情報を得る復調手段とを具備することを特徴とする無線通信システム。
2. 第１通信装置から第２通信装置にOFDM方式を用いた無線伝送を行う無線通信システムにおいて、
   前記第１通信装置は、
   パイロット信号にスクランブリングコードを乗算する乗算手段と、
   前記第２通信装置で既知の同期信号に、前記パイロット信号の位相を基準として、伝送情報に応じた位相変調を施す変調手段と、
   この変調手段で位相変調された同期信号と、前記乗算手段が出力するパイロット信号とをサブキャリアに割り当てて無線送信する送信手段と、
   前記第２通信装置は、
   前記第１通信装置が送信する無線信号を受信して、前記同期信号と前記パイロット信号を得る受信手段と、
   前記パイロット信号と複数のスクランブリングコードとの相関値ベクトルをそれぞれ求める相関手段と、
   この相関手段が求めた相関値ベクトルのうち、最もレベルの高い相関値ベクトルの位相を基準として、前記同期信号の位相を求める検出手段と、
   この検出手段が検出した位相を復調して前記伝送情報を得る復調手段とを具備することを特徴とする無線通信システム。
3. さらに、前記第１通信装置は、複数のアンテナを備え、
   前記変調手段は、送信に用いるアンテナ毎に異なる位相変調を施すことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の無線通信システム。
4. 前記送信手段は、前記同期信号と前記パイロット信号とを、時間軸方向に繰り返してサブキャリアに割り当てて無線送信するものであって、
   前記変調手段は、前記送信手段による無線送信毎に異なる位相変調を施すことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の無線通信システム。
5. 前記送信手段は、前記同期信号および前記パイロット信号を、それぞれ周波数軸方向に並ぶサブキャリアに割り当てて無線送信するものであって、
   前記変調手段は、前記送信手段により割り当てられてるサブキャリア毎に異なる位相変調を施すことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の無線通信システム。

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