JP2009005099A - 受信装置の同期制御方法および受信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マルチパスおよび端末の高速移動によるフェージングが存在する中でも、タイミング推定値のばらつきを小さく抑え、端末が移動している場合でも、周波数の推定精度を安定させた、精度のよいタイミングおよび周波数の同期制御方法を提供する。
【解決手段】受信装置の同期制御方法は、複数の到来波を受信する受信ステップと、所定の期間にわたって受信した複数の到来波に含まれる既知信号のインパルス応答を算出する算出ステップと、所定の期間にわたって受信した到来波に含まれる参照信号から算出されたインパルス応答のうち最も早いタイミングのインパルス応答に基づき、先行波到来タイミングを推定する推定ステップと、推定された先行波到来タイミングに基づき同期処理を行う同期ステップとを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、受信装置の同期制御方法および受信装置に関する。

ＷｉＭＡＸ（Worldwide Interoperability for Microwave Access）等のＯＦＤＭＡ（Orthogonal Frequency Division Multiple Access：直交周波数分割多元接続）方式、またはＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing：直交周波数分割多重）方式の無線システムでは、基地局が送信したプリアンブル等の下り参照信号を受信した端末が、その参照信号に基づいて自機のタイミング及び周波数を合わせることによって、送信／受信間の同期が保たれる。端末の受信タイミングは、参照信号のインパルス応答を算出することにより求めることができ、従来技術に、このインパルス応答を用いたタイミング同期及び周波数同期方法が多数提案されている。

図９に、従来技術における受信端末（受信装置）のブロック構成の一例を示す。受信装置１０は、アンテナＡＮＴ、ＲＦ／ＩＦ部１１、Ａ／Ｄ変換部ＡＤＣ、ＦＦＴ部１２、参照信号抽出部１３、クロック生成器１４、ＦＦＴウィンドウタイミング決定部１５、タイミングエラー推定部１６、周波数エラー推定部１７、電圧制御基準発振器ＶＣＯ、位相制御回路ＰＬＬ、並びに図示しないその他のシステムクロックおよび復調／デコード部を具える。上述のように、ＯＦＤＭおよびＯＦＤＭＡシステムでは、受信端末においてタイミング及び周波数についての同期処理を行って、送信側である基地局との同期を達成する。この同期処理を、例えば受信装置１０では、タイミングエラー及び周波数エラーの推定値を、タイミングエラー推定部１６及び周波数エラー推定部１７でそれぞれ推定し、それをフィードバックすることで行う。これらタイミング及び周波数エラーの推定方法として、非特許文献１では、受信した参照信号と理想的な参照信号との相関を周波数ドメインで取ることで周波数エラーを推定している。この方法を用いた場合、サブキャリア間隔程度の周波数エラーについては推定することが可能であるが、それ以下の間隔のエラーは相関によっても雑音成分として残るため、高精度の推定は困難と考えられる。特にＷｉＭＡＸシステムでは、周波数エラーに関し、サブキャリア間隔の２％という厳しいスペックが規定されていることに加え、プリアンブルの構成上、隣り合うサブキャリアが別のセクターのプリアンブル信号に占有されてしまうことも、劣化要因になる。

非特許文献２では、複数送信される同じ参照信号の相関をタイムドメインにおいて算出して位相の変化量を求め、そこから周波数エラーを算出している。この方法では、遅延波が存在するようなマルチパスフェージング環境下で端末が高速に移動する際に、フェージングに起因する位相変動により、大きな推定誤差を生じると考えられる。特にＷｉＭＡＸシステムでは、１フレーム内に１シンボル分のプリアンブルしか存在しないため、参照信号として複数のプリアンブルを用いる場合には複数フレームに渡る演算が必要となり、これによる時間差が、移動耐性のより大きな劣化を引き起こすおそれがある。

非特許文献３及び４は、チャネル・インパルス応答を算出して到来波の受信タイミングを推定し、それをもとにＦＦＴウィンドウのタイミングを決定している。周波数エラーは長期的にはタイミングエラーを引き起こすことになるので、タイミングエラーの変化量をもとに周波数補正へのフィードバックをかけることも可能であるが、これらの従来技術も、遅延波の存在するようなフェージング環境下で端末が移動した場合には、その遅延波の影響を受けてタイミング推定値が大きくばらつき、結果的に大きな周波数エラーを引き起こすおそれがある。

"Frequency Offset Estimation Technique for OFDM Transmission System," IEICE Trans. Commun., Vol.E86-B, No.4, April, 2003. "高速無線LAN用OFDM変調方式の同期系に関する検討, "電子情報通信学会技術研究報告書RCS97−210, (1998-01). "Timing Recovery for OFDM Transmission," IEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS, VOL.18, NO.11, November, 2000. "FFT利得を利用したOFDM用タイミング同期方式に関する検討, "電子情報通信学会論文誌 B Vol. J86-B No.10, pp.2097-2106 (2003-10).

上述のように、従来の同期手法では、端末が高速に移動する際には誤差が大きくなるおそれがある。即ち、従来の同期手法は、理想的な伝搬路を持つ「理想的な電波伝播環境」においては精度良く機能することが多いが、マルチパスおよび端末の高速移動によるフェージングが存在するような実際によく見られるよう伝搬路を持つ「理想的でない電波伝播環境」において精度が悪化することが多くなる。本発明の目的は、上述した諸課題を解決し、マルチパスおよび端末の高速移動によるフェージングが存在するような「理想的でない電波伝播環境」でも、タイミング推定値のばらつきを小さく抑え、受信周波数の推定精度を安定させた精度のよいタイミングおよび周波数の同期制御方法を提供することにある。

上述した課題を解決すべく、第１の発明による無線通信方法は、
複数の到来波を受信する受信ステップと、
所定の期間にわたって受信した前記複数の到来波に含まれる既知信号（プリアンブルなど）のインパルス応答を算出する算出ステップと、
前記所定の期間にわたって受信した到来波に含まれる参照信号から算出されたインパルス応答のうち最も早いタイミングのインパルス応答に基づき、先行波到来タイミングを推定する推定ステップと、
前記推定された先行波到来タイミングに基づき同期処理を行う同期ステップと、
を有することを特徴とする。
なお、各ステップでは、必要に応じて演算手段（ＣＰＵ、ＤＳＰなどのプロセッサ）を用いることが好適である。

また、第２の発明による無線通信方法は、
前記同期処理が、受信タイミング同期処理、および／または、周波数同期処理である、
ことを特徴とする。

また、第３の発明による無線通信方法は、
前記同期ステップが、
前記推定された先行波到来タイミングに基づき基準クロックを設定する、
ことを特徴とする。

また、第４の発明による無線通信方法は、
前記同期ステップが、
前記設定された基準クロックに基づき、受信タイミング同期処理、および／または、周波数同期処理を実行する、
ことを特徴とする。

また、第５の発明による無線通信方法は、
前記同期処理が、高速フーリエ変換のウィンドウタイミング設定処理である、
ことを特徴とする。

また、第６の発明による無線通信方法は、
前記同期制御方法が、ＯＦＤＭＡ方式の無線通信システムのために使用される、
ことを特徴とする。

上述のように本発明の解決手段を方法として説明してきたが、本発明はこれらの方法を実施するための装置、プログラム、プログラムを記録した記憶媒体としても実現し得るものであり、本発明の範囲にはこれらも包含されるものと理解されたい。

例えば、本発明を装置として実現させた第７の発明による受信装置（端末）は、
複数の到来波を受信する受信部と、
所定の期間にわたって受信した前記複数の到来波に含まれる既知信号（プリアンブルなど）のインパルス応答を算出する算出部と、
前記所定の期間にわたって受信した到来波に含まれる参照信号から算出されたインパルス応答のうち最も早いタイミングのインパルス応答に基づき、先行波到来タイミングを推定する推定部と、
前記推定された先行波到来タイミングに基づき同期処理を行う同期部と、
を有することを特徴とする。

本発明は、従来技術と同様にインパルス応答をもとに受信タイミングを推定して、周波数補正および／またはタイミング補正へとフィードバックを行うが、従来技術と異なり、インパルス応答を複数フレームにわたってモニターすることでマルチパスの中で最も先頭に位置する到来波を高確率で検出して、タイミング推定値のばらつきを小さく抑えることができるため、端末が移動している場合でも、正確な同期処理を行うことができる。

以降、諸図面を参照しながら、本発明による受信装置の実施態様を詳細に説明する。まず、図２に、本発明による受信装置の同期制御方法における同期過程の、フローチャートの一例を示す。なお、システムとしてはＷｉＭＡＸシステムを仮定している。ステップＳ１１にて起動した端末は、まず、下りバーストの先頭位置のサーチを開始する（ステップＳ１２）。先頭シンボルが検出された場合、そのタイミングにＦＦＴウィンドウの開始位置を合わせるように、タイミングの粗調整を行う（ステップＳ１３）。その後、先頭シンボルに含まれるプリアンブル・パターンを判別し（ステップＳ１４）、判定したプリアンブル・パターンとの相関を取るなどして周波数の粗調整を行う（ステップＳ１５）。その後、インパルス応答を用いた周波数及びタイミングの引込み過程へと移行し（ステップＳ１６）、ステップＳ１６の引込み過程を複数フレームにわたって行う。

本発明による同期制御方法は、ステップＳ１６の同期過程に適用されるものである。詳細は本発明による受信装置のブロック図につきこれ以降に述べるが、まず、図３に、この同期過程の一例のフローチャートを示す。受信装置は、同期処理を開始すると、引数ｋを０に初期化する（ステップＳ２１）。その後、到来波を受信し（ステップＳ２２）、受信した到来波をＩＦＦＴ（逆高速フーリエ変換）処理し、インパルス応答を算出する（ステップＳ２３）。その後、算出したインパルス応答から、ピーク電力を示すタイミングを検出し、検出したタイミングを、後述する記憶部１０９に格納する（ステップＳ２４）。そして、このようなステップＳ２２からステップＳ２４までの処理を、所定のフレーム数（ｎ個のフレーム：ｎは２以上の自然数）（所定の期間）に到るまで行う（ステップＳ２５，Ｓ２６）。その後、記憶部１９０に格納したｎ個のタイミングの中から先行波の到来タイミングを推定し（ステップＳ２７）、推定した到来タイミングに基づいて、基準クロック（サンプリングクロック）へのフィードバックを行う（サンプリングクロックの同期処理）（ステップＳ２８）。次に、この基準クロックを元に、周波数の同期処理（ステップＳ２９）、およびＦＦＴウィンドウタイミングを決定する（ステップＳ３０）。ここで、フィードバックは、先行波の到来タイミングを推定した直後に行えば、伝播環境の変化に対して比較的少ない遅延で追従した同期処理が可能となるが、誤差が蓄積して制度が悪化しない程度に、ある時間経過してからフィードバックしても良い。なお、この同期過程（ステップＳ１６）に至るまでのステップＳ１２〜Ｓ１５の粗調整の方式等に関しては、様々な技法を適用することが可能である。

図１は、本発明による受信装置のブロック図の一例である。受信装置１００は、アンテナＡＮＴ、ＲＦ／ＩＦ部１０１、Ａ／Ｄ変換器ＡＤＣ、ＦＦＴ部１０２、参照信号抽出部１０３、クロック生成器１０４、ＦＦＴウィンドウ決定部１０５、演算部ＭＩＸ、複素共役変換部１０６、参照信号生成部１０７、ＩＦＦＴ部１０８、記憶部１０９、先行波到来タイミング推定部１１０、ローパスフィルタＬＰＦ、電圧制御基準発振器ＶＣＯ、位相同期回路ＰＬＬ、並びに図示しないその他のシステムクロックおよび復調／デコード部を具える。アンテナＡＮＴで受信したＲＦ信号は、ＲＦ／ＩＦ部１０１によって、中間周波数（ＩＦ信号）を経てベースバンド信号へと周波数変換され、Ａ／Ｄ変換器ＡＤＣによってデジタル信号へ変換される。ここまではタイムドメインの信号であるが、ＦＦＴ部１０２によって、周波数ドメインの信号へと変換される。なお、ここまでの周波数変換に使用するＬＯ（Local Oscillator）信号や、Ａ／Ｄ変換器ＡＤＣのサンプリングクロックの周波数を決定する基準発振器ＶＣＯは、既に粗調整されているものとする。また同様に、ＦＦＴウィンドウのタイミングも、ＦＦＴタイミング決定部１０５によって粗調整されているものとする。

ＦＦＴ部１０２でのＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理後、参照信号抽出部１０３によって、プリアンブルシンボル（信号）のみを抽出する。ここで抽出したプリアンブルは、端末にとって既知信号であるため、端末内部の参照信号生成部１０７にて、理想的な参照信号を生成することができる。よって、受信したプリアンブル信号を

、参照信号の複素共役を

とすると、受信信号のチャネル応答

が、次式の演算によって求まる。

（ここで、ｎは０からＮ−１のサブキャリア番号、ＮはＦＦＴの段数を表す。）
その後、受信信号のインパルスレスポンス

は、ＩＦＦＴ部１０８で

をＩＦＦＴ（逆高速フーリエ変換）処理し、タイムドメインに変換することによって求まる。すなわち、ＩＦＦＴ部１０８では、次式で表される処理を行う。

（ここで、τはサンプリング時間で表した到来タイミングである。）

いま、基地局アンテナ（図示せず）から端末アンテナＡＮＴまでの経路が単一の場合、時間τに到来したプリアンブル信号の電力となる

を時間軸で表示すると、

はプリアンブル信号の到来時間に単一のピークを示すことになるが、複数の経路が存在する場合には、その経路差に応じた遅延波が存在するため、

の時間軸表示には複数のピークが含まれることになる。図４に、この遅延波が存在する場合のインパルスレスポンス

の例を示す。図４の場合は、４つのタイミングに到来波が存在しており、一番先頭の到来波が最も大きな電力を持っていることが分かる。

しかしながら、端末が移動する等のフェージング下では、受信波の到来タイミングが見かけ上シフトし得るため、受信波の到来タイミングを、精度よく安定して求めることが難しくなる。この状況を、図を用いて説明する。図５に、図４の状態から端末が一定時間移動した際の、インパルス応答の一例を示す。このように、マルチパスフェージング下では複数経路からの到来波による定在波が存在しているため、その中を移動すると、大きくレベルが変動し、図５の場合には、先頭の到来波のレベルが下がり、２番目の到来波の電力が増大していることが分かる。よって、ピーク検出によって推定されるタイミングは２番目の到来波の方に移り、その結果、見かけ上Δｔ分だけシフトしたタイミングが検出されてしまう。この、誤推定された大きなタイミングオフセット値が周波数へフィードバックされた場合には、大きな周波数偏差を生じることとなり、タイミング補正へとフィードバックされた場合には、ＦＦＴウィンドウの位置が不適切に設定されることになる。

この様なタイミング推定の不安定性を避けるには、常に先頭到来波の位置を検出することが必要であり、本発明における同期制御方法（タイミング及び周波数の同期制御方法）の基本原理は、このピーク電力を示す到来波の受信タイミングエラーが、常にゼロ（理想的なタイミング）となるように周波数補正を行うことにある。そこで、受信装置１００では、ＩＦＦＴ部１０８において、例えば図４のようなチャネル・インパルス応答を複数フレームに渡って求め、フレーム毎に、そのチャネル・インパルス応答から、ピーク電力を示すタイミングを検出する。検出されたタイミングは記憶部１０９に格納され、先行波到来タイミング推定部１１０にて、それらの中で最も時間が早いものを、当該複数フレームによるフレームセットにおける先頭波の到来タイミングと判定する。この原理を、図を用いて説明する。図６は、複数フレームに渡って観測したピーク電力を示すタイミングを、フレーム毎に示した図である。図において、縦軸はフレーム数（フレームナンバー）、横軸はピーク電力を示すタイミングであり、タイミングの基準点（ゼロ点）は、例えば図２のフローにおけるステップＳ１２〜Ｓ１５等の処理によって、予め粗調整されている。

図６において、各フレームで検出された受信波の電力レベルが最大のもの（ピーク波）の到来タイミングを、×印で表す。端末が移動する場合には、時間とともに各到来波の電力が変動するため、フレームによっては、検出されるピーク波の到来タイミングが入れ替わり、結果として、図６に示したようにフレーム毎に推定タイミングもシフトすることになる。これらある一定時間間隔の検出タイミングを記憶部１０９に格納しておき、この中で最も早いタイミングとして検出された値を、先頭波の到来タイミングとして採用してフィードバックし、周波数およびタイミングの補正に用いる。図６の例では、観測したフレームセットにおける先頭波のタイミングは、τ_Ｄｅｔとなる。このような処理により、安定して先頭波の位置を推定することが可能になる。なお、この複数フレームの数に関しては、観測時間が長過ぎるとそれだけ応答が遅くなり、誤差が蓄積されることになるが、フレーム長とフェージングの条件に応じて、例えば、フレーム数にして５０〜２００フレーム、観測時間にして０．２５〜１秒とすることができる。

なお、真の先頭波の受信タイミングを求めるのに、複数フレームに渡って検出したピーク波の受信タイミングの平均値を利用する方法もあるが、レスポンスがなまり、推定した受信タイミングを周波数補正のためにフィードバックしても、フレーム毎に求めた周波数が不安定になり発散するおそれがある。また、ある電力ピークから所定のデシベルだけ電力レベルが低下した位置を閾値として、その閾値を越える受信電力レベルを受信タイミングとして採用する方法もあるが、Ｓ／Ｎが悪い環境下では閾値がノイズフロアに近づき、ノイズフロアの受信タイミングをも採用してしまうおそれがある。従来技術との比較結果は後に述べるが、本発明による、長時間にわたって検出した到来波の中でピーク波に対応するタイミングのうち、一番先頭にいた受信波を真の先頭波の受信タイミングとする方法では、上述のような欠点が発生せず、精度のよい安定したタイミング推定値を求めることができる。

先行波到来タイミング推定部１１０にて推定した先頭波のタイミングを示す信号（クロック制御電圧信号）は、同期処理の基礎をなす「基準クロック」の設定に用いるべく、電圧制御基準発振器ＶＣＯへ送られる。電圧制御基準発振器ＶＣＯは、受取った先頭波のタイミングを示す信号（クロック制御電圧信号）に基づき、基準クロックを発振する。本願発明は、先頭波のタイミングを示す信号に基づき、「同期処理の基礎をなす基準クロック」を設定するため、後段のＰＬＬ（即ち、ＲＦ／ＩＦ部１０１）、クロック生成器１０４（即ち、ＡＤＣ）において、高精度な同期処理を行うことを可能にする。即ち、「同期処理の基礎をなす基準クロック」を高精度に設定するだけで、後続の同期処理を簡便に実行することが可能である。基準クロックの設定（最終的には、ＬＯおよびサンプリングクロックの補正となる。）は基準発振器ＶＣＯのクロック制御電圧値を操作することによって達成されるが、この制御電圧は、適切な時定数のローパスフィルタＬＰＦを介することによって、より良好な収束特性を得ることができる。さらに、電圧制御基準発振器ＶＣＯを経た信号（即ち、基準クロック）は、位相制御回路ＰＬＬ、クロック生成器１０４、および、その他のシステムクロックへと送信されて、同期を取るのに用いられる。

また、図８に、本発明の別の実施態様を示す。図８のように、先行波到来タイミング推定部１１０で推定した受信タイミングを、ＦＦＴウィンドウタイミング決定部１０５に直接フィードバックし、ＦＦＴウィンドウの規定に用いてもよい。受信タイミングが精度よく推定されているため、結果的に、フィードバックして求めた周波数も、ばらつきの小さい安定したものとなる。或いは、先行波到来タイミング推定部１１０からＦＦＴウィンドウタイミング決定部１０５に直接フィードバックするのではなく、ＶＣＯが基準クロックをＦＦＴウィンドウタイミング決定部１０５に供給し、これに応じて、ＦＦＴウィンドウタイミングを規定してもよい。

図７（ｂ）に、本発明の同期制御方法を適用して推定した各フレームにおける周波数の、理想的な周波数からのオフセット量のシミュレーション結果を示す。同図（ａ）には、比較のため、従来技術による結果を示している。これから、従来技術では、フレーム毎の理想的な周波数からのオフセット量（ばらつき）が大きいが、本発明による方法では、複数のフレームに渡ってオフセット量が小さく、精度のよい安定した推定ができていることが分かる。

本発明による同期制御方法の利点を再度述べる。本発明は、インパルス応答の算出によって推定した受信信号の到来タイミングを複数フレームに渡って監視及び格納することによって、遅延波の存在するようなマルチパスフェージング環境下においても確実に先頭波に追従し、移動特性を改善することができる。

本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各手段、各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段やステップなどを１つに組み合わせたり、あるいは分割したりすることが可能である。

本発明による受信装置のブロック図である。 本発明による同期制御方法の処理を示すフローチャートの一例である。 本発明による同期制御方法の処理を示すフローチャートの一例である。 遅延波が存在する場合の、インパルスレスポンスの一例である。 図４から一定時間経過した場合の、インパルスレスポンスの一例である。 フレーム毎に検出した受信電力のピークに対するタイミングを示す図である。 従来の同期制御方法による、フレーム毎の周波数オフセットを示す図である。 本発明の同期制御方法による、フレーム毎の周波数オフセットを示す図である。 本発明による受信装置の別の実施態様のブロック図である。 従来技術による受信装置のブロック図である。

符号の説明

１０，１００ 受信装置
１１，１０１ ＲＦ／ＩＦ部
１２，１０２ ＦＦＴ部
１３，１０３ 参照信号抽出部
１４，１０４ クロック生成器
１５，１０５ ＦＦＴウィンドウタイミング決定部
１０６ 複素共役変換部
１０７ 参照信号生成部
１０８ ＩＦＦＴ部
１０９ 記憶部
１１０ 先行波到来タイミング推定部
１６ タイミングエラー推定部
１７ 周波数エラー推定部
ＭＩＸ 演算部
ＬＰＦ ローパスフィルタ
ＶＣＯ 電圧制御基準発振器
ＰＬＬ 位相同期回路
ＡＮＴ アンテナ
τ_Ｄｅｔ 図６の例における先頭波タイミング

Claims (7)

1. 複数の到来波を受信する受信ステップと、
   所定の期間にわたって受信した前記複数の到来波に含まれる既知信号のインパルス応答を算出する算出ステップと、
   前記所定の期間にわたって受信した到来波に含まれる参照信号から算出されたインパルス応答のうち最も早いタイミングのインパルス応答に基づき、先行波到来タイミングを推定する推定ステップと、
   前記推定された先行波到来タイミングに基づき同期処理を行う同期ステップと、
   を有することを特徴とする受信装置の同期制御方法。
2. 請求項１に記載の受信装置の同期制御方法において、
   前記同期処理が、受信タイミング同期処理、および／または、周波数同期処理である、
   ことを特徴とする受信装置の同期制御方法。
3. 請求項１に記載の受信装置の同期制御方法において、
   前記同期ステップが、
   前記推定された先行波到来タイミングに基づき基準クロックを設定する、
   ことを特徴とする受信装置の同期制御方法。
4. 請求項３に記載の受信装置の同期制御方法において、
   前記同期ステップが、
   前記設定された基準クロックに基づき、受信タイミング同期処理、および／または、周波数同期処理を実行する、
   ことを特徴とする受信装置の同期制御方法。
5. 請求項１に記載の受信装置の同期制御方法において、
   前記同期処理が、高速フーリエ変換のウィンドウタイミング設定処理である、
   ことを特徴とする受信装置の同期制御方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の受信装置の同期制御方法において、
   前記同期制御方法が、ＯＦＤＭＡ方式の無線通信システムのために使用される、
   ことを特徴とする受信装置の同期制御方法。
7. 複数の到来波を受信する受信部と、
   所定の期間にわたって受信した前記複数の到来波に含まれる既知信号のインパルス応答を算出する算出部と、
   前記所定の期間にわたって受信した到来波に含まれる参照信号から算出されたインパルス応答のうち最も早いタイミングのインパルス応答に基づき、先行波到来タイミングを推定する推定部と、
   前記推定された先行波到来タイミングに基づき同期処理を行う同期部と、
   を有することを特徴とする受信装置。

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