JP2009038676A - 通信方法、送信装置、受信装置および通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】同期精度を向上させることができる通信方法を得ること。
【解決手段】複数の送信アンテナを有する送信装置のフレーム生成部１３が、自己相関値が所定の値以上となる同一の基本系列に送信アンテナごとにそれぞれ異なる所定の初期オフセットを与えた後に所定の回数だけ繰り返した系列を同期語として生成するステップと、フレーム生成部１３が、送信アンテナに対応する同期語を送信データに挿入するステップと、受信装置が送信アンテナごとの同期語を保持するステップと、受信装置が、送信装置から送信されたデータと同期語とに基づいて同期を確立する同期確立ステップと、を含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、特に複数の送信アンテナから送信された信号を、複数の受信アンテナで受信する無線通信システムにおける通信方法に関する。

従来のシングルキャリアの通信システムの同期手法としてＰＮ（Pseudorandom Noise：擬似ランダム雑音）符号を整数回連送し同期を獲得する手法がある。たとえば、下記特許文献１には、フレーム中に周期が「３１」のＰＮ符号を３回繰り返した同期語を挿入してフレーム同期を確立する技術が記載されている。

特開平１０−７０５２６号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、整数回繰り返されたＰＮ符号である同期語を用いて同期確立を行う。このため、この同期方法をＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）を採用するシステムに適用する場合には、送信アンテナを識別するために各送信アンテナごとに異なるＰＮ符号を用いる必要があり、ＰＮ符号生成回路が送信アンテナ分必要となる、という問題があった。さらに、同期語が基本系列のみから生成され、基本系列の繰り返し数が整数であるため、遅延波の影響を吸収することができず、遅延波の影響により同期精度が低下する、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、同期精度を向上させることができる通信方法、送信装置、受信装置および通信システムを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、複数の送信アンテナから送信データを送信する送信装置および前記送信装置が送信するデータを受信する受信装置を備える通信システムにおける通信方法であって、前記送信装置が、自己相関値が所定の値以上となる同一の基本系列に対して送信アンテナごとにそれぞれ異なる所定の初期オフセットを与えたオフセット系列を生成し、前記オフセット系列を所定の回数だけ繰り返した系列を同期語として生成する同期語生成ステップと、前記送信装置が、送信アンテナごとに、送信アンテナに対応する前記同期語を送信データに挿入する同期語挿入ステップと、前記受信装置が、送信アンテナごとの前記同期語を保持する同期語保持ステップと、前記受信装置が、前記送信装置から送信されたデータを受信し、前記同期語と前記受信データとに基づいて同期を確立する同期確立ステップと、を含むことを特徴とする。

この発明によれば、複数の送信アンテナからオフセット量がそれぞれ異なる同一の自己相関値が所定の値以上となる同期語を送信して、受信側でその同期語を用いて同期処理を行うようにしたので、同期精度を向上させることができる、という効果を奏する。

以下に、本発明にかかる通信方法、送信装置、受信装置および通信システムの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明にかかる送信装置の実施の形態の機能構成例を示す図である。図１に示すように本実施の形態の送信装置は、送信データを生成して分配するデータ生成部１１と、基本系列であるＰＮ符号を生成するＰＮ符号生成部（基本系列生成手段）１２と、データ生成部１１からＰＮ符号生成部１２が生成したＰＮ符号に基づいて同期語を生成して、分配された送信データの間に生成した同期語を挿入して送信フレームを生成するフレーム生成部１３−１，１３−２と、フレーム生成部１３−１，１３−２がそれぞれ生成した送信フレームを変調する変調部１４−１，１４−２と、変調部１４−１，１４−２でそれぞれ変調された変調データの周波数変換，増幅を行う送信部１５−１，１５−２と、送信部１５−１，１５−２で送信処理されたデータをそれぞれ無線信号として出力する送信アンテナ１６−１，１６−２と、で構成される。

図２は、本実施の形態の受信装置の機能構成例を示す図である。図２に示すように、本実施の形態の受信装置は、無線信号を受信する受信アンテナ２０と、受信アンテナ２０が受信した信号に周波数変換，低雑音増幅，帯域制限等を行い、ベースバンド信号を生成する受信部２１と、ベースバンド信号を復調して受信データとクロックを取得する復調器２２と、受信データとクロックに基づいて相関演算を行う相関器２３−１，２３−２と、相関器２３−１，２３−２からそれぞれ出力される相関演算結果に基づいて相関電力値を算出し、相関電力値に基づいて同期時点を判定する同期判定部２４−１，２４−２と、同期判定部２４−１，２４−２から出力される同期判定結果と相関器２３−１，２３−２から出力される相関演算結果とに基づいて各送信アンテナからのチャネル推定を行うチャネル推定部２５と、復調器２２から出力された受信データとチャネル推定部２５から出力されるチャネル推定結果に基づいて各送信アンテナからの信号に対して分離・復号を行い、復号データを生成する復号部２６と、で構成される。

本実施の形態の通信システムは、図１で示した送信装置と、図２で示した受信装置で構成される。つづいて、本実施の形態の同期語の生成について説明する。図３−１，３−２は、本実施の形態の通信システムで用いるフレーム構成の一例を示す図である。図３−１は、フレーム生成部１３−１が生成する送信フレーム（送信アンテナ１６−１から送信されるフレーム）の構成例を示し、図３−２は、フレーム生成部１３−２が生成する送信フレーム（送信アンテナ１６−２から送信されるフレーム）の構成例を示している。

図３−１で示した送信フレームは、送信データであるデータＤ１〜Ｄ３と、２１ビットの同期語である同期語ＵＷ１を含み、同期語ＵＷ１はデータＤ１とデータＤ２の間、データＤ２とデータＤ３の間に挿入される。また、図３−２で示した送信フレームは、送信データであるデータＤ４〜Ｄ６と、２１ビットの同期語である同期語ＵＷ２を含み、同期語ＵＷ２はデータＤ４とデータＤ５の間、データＤ５とデータＤ６の間に挿入される。フレーム生成部１３−１が生成する送信フレーム内の同期語ＵＷ１の設置数は任意であるが、送信フレーム内の所定の位置に一定の規則をもって挿入される。同様にフレーム生成部１３−２が生成する送信フレーム内の同期語ＵＷ１の設置数は任意であるが、送信フレーム内の所定の位置に一定の規則をもって挿入される。一定の規則とは、たとえば、一定の量の送信データごとに同期語を挿入する、などである。

図４−１は同期語ＵＷ１の構成の一例を示す図であり、図４−２は、同期語ＵＷ２の構成の一例を示す図である。同期語ＵＷ１は、周期が「１５」（１５ビット）で、初期オフセットが０であるＰＮ符号（以下、ＰＮ符号Ｍ１５ａという）を１回繰り返し、その両端に３ビットの繰返しパターンを付加している。同期語ＵＷ２は、周期が「１５」（１５ビット）で、初期オフセットが７である（Ｍ１５ａを７ビット分オフセットさせた）ＰＮ符号（以下、ＰＮ符号Ｍ１５ｂという）を１回繰り返し、その両端に３ビットの繰返しパターンを付加している。図４−１，４−２に示すように、右側の端に付加される３ビットの繰り返しのパターンには、それぞれＰＮ符号Ｍ１５ａ，Ｍ１５ｂの左側から３ビット分が挿入され、左側の端に付加される３ビットの繰り返しのパターンには、それぞれＰＮ符号Ｍ１５ａ，Ｍ１５ｂの右側から３ビット分が挿入される。なお、ここでは、ＰＮ系列として、高い自己相関特性を持つＭ系列（Maximum length code）を用いている。

このように、本実施の形態では、基本系列（ここではＰＮ符号）に対してフレーム生成部ごと（送信アンテナごと）に異なるオフセットを与えた系列（オフセット系列）を生成して、そのオフセット系列を所定の回数繰り返すことにより同期語を生成する。

なお、本実施例では、送信アンテナが２本の場合について説明するが、送信アンテナが３本以上の場合には、同様に、フレーム生成部，変調部，送信部も送信アンテナの数だけ備え、それぞれのフレーム生成部では、ＰＮ符号１５ａをそれぞれ異なるビット数分だけオフセットさせた同期語を生成するようにすればよい。

つづいて、本実施例の受信装置の動作について説明する。ここで、図２に戻り、相関器２３−１，２３−２の内部構成について説明する。図２に示すように、相関器２３−１は、１５ビットのシフトレジスタであるシフトレジスタ３１−１，ＰＮ符号Ｍ１５ａを保持するＰＮ符号レジスタ３３−１，シフトレジスタ３１−１の各ビット出力とＰＮ符号レジスタ３３−１の各ビット出力との排他的論理和の演算を行い、演算結果を出力するＥＸ−ＯＲ（Exclusive−OR）回路３２−１を備えている。また、相関器２３−２は、１５ビットのシフトレジスタであるシフトレジスタ３１−２，ＰＮ符号Ｍ１５ｂを保持するＰＮ符号レジスタ３３−２，シフトレジスタ３１−２の各ビット出力とＰＮ符号レジスタ３３−２の各ビット出力との排他的論理和の演算を行い、演算結果を出力するＥＸ−ＯＲ回路３２−２を備えている。

なお、図２では、送信アンテナの数が２本の場合、すなわち、送信装置から送信される同期語の種類が２種類の場合の構成を示しているが、送信アンテナの数が３本以上の場合は、相関器および同期判定部をそれぞれ送信アンテナの数だけ備え、それぞれの相関器のＰＮ符号レジスタが、互いに異なる同期語（送信装置から送信される同期語）をそれぞれ保持するようにすればよい。

まず、受信装置では、受信アンテナ２０が受信した信号を復調部２２が復調し、受信データとクロックを相関器２３−１，２３−２および復号器２６に出力する。相関器２３−１のシフトレジスタ３１−１は、復調部２２から入力されたクロックに基づいて、順次、受信データをとりこみシフトさせるとともに、シフトレジスタ３１−１上の１５ビットのデータをＥＸ−ＯＲ回路３２−１に出力する。ＥＸ−ＯＲ回路３２−１は、シフトレジスタ３１−１から入力される１５ビットのデータとＰＮ符号レジスタ３３−１が保持している１５ビットの同期語（ＰＮ符号Ｍ１５ａ）を、それぞれビットごとに対応させて排他的論理和を計算することにより相関演算を行い、その演算結果を同期判定部２４−１およびチャネル推定部２５に出力する。

相関器２３−１のシフトレジスタ３１−２，ＥＸ−ＯＲ回路３２−２の動作は、シフトレジスタ３１−１，ＥＸ−ＯＲ回路３２−１のそれぞれの動作と同様である。ただし、この際、ＰＮ符号レジスタ３３−１の替わりにＰＮ符号レジスタ３３−２が保持している１５ビットの同期語（ＰＮ符号Ｍ１５ｂ）を用いる。

同期判定部２４−１，２４−２は、それぞれＥＸ−ＯＲ回路３２−１，３２−２から出力される演算結果に基づいて相関電力値を算出して、相関電力値に基づいて同期時点を判定する。ここで、同期時点の判定方法について説明する。図５−１は、相関器２３−１から出力される相関出力（相関演算結果）の一例を示す図であり、図５−２は、相関器２３−２から出力される相関出力の一例を示す図である。図５−１に示すように、相関器２３−１から出力される相関出力は、ＰＮ符号Ｍ１５ａに対応する１つの大きなピーク（図５−１の出力の最大となる点）をもつため、このピーク位置に基づいて同期検出を行うことができる。また、同期語ＵＷ１にはＰＮ符号１５ａの両端にそれぞれ３ビットの繰返し系列が付加されているため、遅延波が存在する場合には、図５−１に示すように大きなピークの両側に、３ビットまでの遅延波に対応するサイドローブが出現する。このサイドローブの検出によって同期判定部２４−１が、遅延波を含めた高精度な同期判定を行うことができる。

また、図５−２に示すように、相関器２３−２から出力される相関出力は、ＰＮ符号Ｍ１５ｂに対応して１つの大きなピークをもつため、このピーク位置に基づいて同期検出を行うことができる。また、同期語ＵＷ２にはＰＮ符号１５ｂの両端にそれぞれ３ビットの繰返し系列が付加されているため、ＵＷ１の場合と同様に、同期判定部２４−２が、遅延波を含めた高精度な同期判定を行うことができる。なお、本実施の形態ではＭ系列のＰＮ符号を基本系列として用いたが、これに限らず、自己相関特性の良好な（自己相関値が所定の値以上となる）符号系列であればどのような他の符号系列を用いてもよい。

チャネル推定部２５は、同期判定部２４−１，２４−２から出力される同期判定結果と相関器２３−１，２３−２から出力される相関出力と、に基づいて各送信アンテナからの通信路に対応するチャネル推定を行う。

ここで、シングルキャリアＭＩＭＯシステムにおけるパイロットシンボルを用いたチャネル推定方式について説明する（「Ji-Woong Choi, etc“Optimum Pilot Pattern for MMSE Channel Estimation in Single-Carrier MIMO Systems”，VTC2004-Fall，2004 IEEE 60th，Vol. 2, pp.1382-1385」参照）。

Ｍ本の送信アンテナとＮ本の受信アンテナを持つシステムにおいて、受信アンテナｎ（ｎはアンテナの番号）が受信する受信信号ｒ_nは下記式（１）のように表すことができる。
ｒ_n＝ＳＨ_n＋ｚ_n…（１）

ただし、Ｓは各送信アンテナからの送信信号であり、ｓ_iをｉ番目の送信アンテナからの送信信号とするとき、Ｓ＝［ｓ₁ｓ₂・・・ｓ_M］である。また、Ｈ_nは各送信アンテナから受信アンテナｎへのチャネル応答であり、ｉ番目の送信アンテナから受信アンテナｎへのチャネル応答をｈ_i,nとするとき、Ｈ_n＝［ｈ_1,nｈ_2,n・・・ｈ_M,n］である。またｚ_nは雑音である。

上記式（１）に基づき、最小平均二乗誤差基準でのチャネル推定「ハットＨ_MMSE」は下記式（２）で表すことができる。

このように、一般には、チャネル推定を行うにはＬ×Ｌの逆行列を計算する必要がある。なお、Ｌはマルチパス数である。

これに対し、本実施の形態では、ＰＮ符号１５ａおよびＰＮ符号１５ｂを基本系列として、同期語ＵＷ１および同期語ＵＷ２を生成している。同期語の基本系列としてＰＮ符号を用いる場合には、ＰＮ符号の特性から、上記式（２）を簡略化することができ、逆行列
演算を行わずにチャネル推定を行うことができるため、従来のチャネル推定方法に比べ、演算量を大幅に削減することができる。

そして、復号部２６では、復調器２２から出力された受信データと、チャネル推定部２５から出力される各送信アンテナに対応するチャネル推定結果と、に基づいて、各送信アンテナから送信された信号の分離・復号を行い、復号データを得ることができる。

なお、本実施の形態では、同期語ＵＷ１，ＵＷ２の基本系列、すなわちＰＮ符号Ｍ１５ａおよびＭ１５ｂの繰り返し数を１回としているが、この基本系列の繰り返しは任意である。たとえば、同期語ＵＷ１として、ＰＮ符号Ｍ１５ａを３回繰り返し、両端にそれぞれ３ビットの繰り返し系列を付加した５１ビットの同期語を用いるようにしてもよい。このように、両端に付加する系列も含めて繰り返し数を計数することとすると、上記の場合における基本系列長の繰り返し数は、５１ビット／１５ビット≒３．４回となる。このように、１５ビットの基本系列の繰り返しを用いることで、同期語長を増やしても、相関器２３−１，２３−２が相関演算を行うビット長を変えることなく同期語を検出することができる。このように繰り返し数を増やす場合には、繰り返し数分の相関ピークを検出することにより、同期確立の精度を向上させることができる。これらは、ＵＷ２に関しても同様である。

このように、本実施の形態では、送信フレームに挿入する同期語を所定数のビット数の基本系列の繰り返しとして生成し、送信アンテナごとに基本系列に異なる初期オフセット量を与えるようにした。そして、受信装置は、送信アンテナごとの同期語を保持し、同期語と受信データの相関を用いて同期を確立するようにした。このため、送信アンテナごとの送信信号に対する同期を精度良く確立することができる。さらに、同期語の基本系列としてＰＮ符号を用いると、逆行列演算を行わずにチャネル推定を行うことができ、従来のチャネル推定方法に比べ演算量を大幅に削減することができる。

以上のように、本発明にかかる通信方法、送信装置、受信装置および通信システムは、複数の送信アンテナから送信された信号を、複数の受信アンテナで受信する無線通信システムに有用であり、特に、同期語を用いて同期を確立する無線通信システムに適している。

本発明にかかる送信装置の実施の形態の機能構成例を示す図である。 実施の形態の受信装置の機能構成例を示す図である。 実施の形態の通信システムで用いるフレーム構成の一例を示す図である。 実施の形態の通信システムで用いるフレーム構成の一例を示す図である。 同期語の構成の一例を示す図である。 同期語の構成の一例を示す図である。 相関出力の一例を示す図である。 相関出力の一例を示す図である。

符号の説明

１１ データ生成部
１２ ＰＮ符号生成部
１３−１，１３−２ フレーム生成部
１４−１，１４−２ 変調部
１５−１，１５−２ 送信部
１６−１，１６−２ 送信アンテナ
２０ 受信アンテナ
２１ 受信部
２２ 復調部
２３−１，２３−２ 相関器
２４−１，２４−２ 同期判定部
２５ チャネル推定部
２６ 復号部
３１−１，３１−２ シフトレジスタ
３２−１，３２−２ ＰＮ符号レジスタ
３３−１，３３−２ ＥＸ−ＯＲ回路
Ｄ１〜Ｄ６ データ
ＵＷ１，ＵＷ２ 同期語

Claims (9)

1. 複数の送信アンテナから送信データを送信する送信装置および前記送信装置が送信するデータを受信する受信装置を備える通信システムにおける通信方法であって、
   前記送信装置が、自己相関値が所定の値以上となる同一の基本系列に対して送信アンテナごとにそれぞれ異なる所定の初期オフセットを与えたオフセット系列を生成し、前記オフセット系列を所定の回数だけ繰り返した系列を同期語として生成する同期語生成ステップと、
   前記送信装置が、送信アンテナごとに、送信アンテナに対応する前記同期語を送信データに挿入する同期語挿入ステップと、
   前記受信装置が、送信アンテナごとの前記同期語を保持する同期語保持ステップと、
   前記受信装置が、前記送信装置から送信されたデータを受信し、前記同期語と前記受信データとに基づいて同期を確立する同期確立ステップと、
   を含むことを特徴とする通信方法。
2. 前記同期確立ステップでは、前記同期語ごとに、前記同期語と前記受信データとの相関値を算出し、前記相関値に基づいて送信アンテナごとに同期を確立することを特徴とする請求項１に記載の通信方法。
3. 前記受信装置が、前記同期語と前記受信データとに基づいて送信アンテナごとのチャネルを推定するチャネル推定ステップ、
   をさらに含み、
   前記基本系列をＰＮ符号とすることを特徴とする請求項１に記載の通信方法。
4. 前記同期確立ステップでは、前記同期語ごとに、前記同期語と前記受信データとの相関値を算出し、前記相関値に基づいて送信アンテナごとに同期を確立し、
   前記チャネル推定ステップでは、前記相関値に基づいて送信アンテナごとのチャネルを推定することを特徴とする請求項３に記載の通信方法。
5. 前記基本系列をＭ系列とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の通信方法。
6. 複数のアンテナから送信データが含まれたフレームを送信する送信装置であって、
   自己相関値が所定の値以上となる同一の基本系列を生成する基本系列生成手段と、
   前記基本系列に対して送信アンテナごとにそれぞれ異なる所定の初期オフセットを与えたオフセット系列を生成し、前記オフセット系列を所定の回数だけ繰り返した系列を同期語として生成して、送信アンテナごとに、送信アンテナに対応する前記同期語を前記送信データに挿入して前記フレームを生成するフレーム生成手段と、
   を備えることを特徴する送信装置。
7. 複数の送信アンテナを備える送信装置が、自己相関値が所定の値以上となる同一の基本系列に対して送信アンテナごとにそれぞれ異なる所定の初期オフセットを与えたオフセット系列を生成し、前記オフセット系列を所定の回数だけ繰り返した系列を同期語として生成し、送信アンテナごとに、送信アンテナに対応する前記同期語を送信データに挿入して生成したフレームを送信する場合において、前記フレーム上の送信データを受信する受信装置であって、
   送信アンテナごとの同期語を保持する同期語保持手段と、
   前記同期語ごとに、前記保持されている同期語と前記送信データとに基づいて同期を確立する同期判定手段と、
   を備えることを特徴とする受信装置。
8. 前記保持されている同期語と前記送信データとに基づいて送信アンテナごとのチャネルの推定を行うチャネル推定手段、
   をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の受信装置。
9. 請求項６に記載の送信装置と、
   請求項７または８に記載の受信装置と、
   を備えることを特徴とする通信システム。

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