JP2011082656A - 直交周波数分割多重通信装置及び直交周波数分割多重通信におけるシンボル同期方法 - Google Patents

直交周波数分割多重通信装置及び直交周波数分割多重通信におけるシンボル同期方法 Download PDF

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Abstract

【課題】直交周波数分割多重(OFDM)通信において、並列処理を行うに当たり、伝送効率を劣化させないシンボル同期方法を提供する。
【解決手段】本発明によるシンボル同期方法は、第1の装置が、第1のシンボル・レートで変調した周波数軸上で連続する複数のサブキャリ、及び、第1のシンボル・レートより高い第2のシンボル・レートで変調した周波数軸上で連続する複数のサブキャリを含む変調信号を送信するステップと、第2の装置が、前記変調信号をベースバンド信号に変換するステップと、第2の装置が、前記ベースバンド信号に含まれる第1の信号の同期シンボルに基づき、第1の信号及び第2の信号のシンボル同期を確立するステップを備えている。
【選択図】図4

Description

本発明は、直交周波数分割多重(OFDM)変調を使用する通信システムにおけるシンボル同期技術に関する。
OFDM変調は、送信データを複数のサブキャリアを用いて並列に伝送する方式であり、各サブキャリアのシンボル・レートが比較的低くなるためシンボル間干渉に強く、デジタル地上波放送や、無線LAN(Local Aera Network)システムで既に使用されており、光通信システムへの適用についても検討されている(例えば、非特許文献1、参照。)。
OFDM通信における受信側の処理は、受信信号をデジタルのベースバンド信号に変換し、シンボル同期を確立し、各シンボルからのサンプリング値を離散フーリエ変換することにより行われる。ここで、実時間通信を維持するためには、シンボル周期毎に離散フーリエ変換処理による周波数信号を出力する必要がある。なお、シンボル同期を確立するとは、ベースバンド信号に含まれる同期シンボル、つまり、送信側で周期的に挿入する既知のデータ・パターンを搬送するシンボルに基づき、ベースバンド信号のシンボル境界を特定することを意味している。
光OFDM通信における伝送容量を高くするためには、広帯域化及びシンボル・レートの高速化が必要である。しかしながら、広帯域化は、ベースバンド信号のサンプリング・レートを非常に高くし、シンボル・レートの高速化は、1シンボルの期間を非常に短くし、広帯域化及びシンボル・レートの高速化に伴い、シンボル同期処理と、1つのFFT回路によるシンボル周期毎の離散フーリエ変換処理が困難になっている。このため、FFT回路を複数設け、並列して処理させる構成が提案されている(例えば、非特許文献2、参照。)。
図5は、非特許文献2に記載の光OFDM通信装置の概略的な構成図である。図5によると、光OFDM通信装置は、光受信部51と、アナログ・デジタル(A/D)変換部52と、分離部53と、同期・再配置部54と、離散フーリエ変換(FFT)部55−1から55−Mと、復調部56−1から56−Mとを備えている。
光受信部51は、受信する光OFDM信号を、電気信号である、ベースバンド信号に変換する。なお、ベースバンド信号は、同相成分と直交成分の2つの信号からなるが、以下の総ての図においては簡単のため1つの矢印で表現し、また、その処理は同じであるため、以下の総ての説明においては、単に、ベースバンド信号又はOFDM信号と、2つの成分をまとめて表現する。A/D変換部52は、ベースバンド信号をデジタル変換し、分離部53は、デジタル・ベースバンド信号を、そのサンプル値単位でP個に分離(ディインタリーブ:Deinterleave)する。つまり、分離部53は、P個の出力ポートを有しており、1つのサンプル値が16ビットで表現されているのであれば、分離部53は、それぞれが16ビットである入力サンプル列を、第1のポートから第Pのポートに順に出力することを繰り返す。
同期・再配置部54は、分離部53の出力の1つと、既知のデータ・パターンに対応する時間波形との相関を取ることでシンボル同期を確立する。そのため、非特許文献2に記載の構成では、図6に示す様に、送信側において、S1、S2、・・・SXのサンプル列で構成される同期シンボルを、分離数分だけ連続して挿入している。なお、図6は、P=16の場合を示している。具体的には、図6(a)に示す様に、サンプル値S1を連続して16個送信し、続いて、サンプル値S2を連続して16個送信し、以下同様にして、最後に、サンプル値SXを連続して16個送信している。分離部53は、シンボル境界を意識することなく分離処理を行うため、図6(a)の同期シンボルの最初のサンプル値S1が出力される分離部53のポートは固定的ではない。図6(b)においては、最初のサンプル値S1が第3のポートから出力されている。ただし、同じサンプル値を分離部53における分離数と同じ数だけ連続して送信しているため、各ポートには、同期パターンであるS1、S2、・・・SXが表れる。よって、非特許文献2に記載の光OFDM通信装置は、S1、S2、・・・SXのサンプル列と、元のベースバンド信号より低速な分離部53のいずれかのポートの出力との相関を取ることでシンボル同期を確立している。
同期・再配置部54は、シンボル同期の確立後、あるシンボル内のサンプル値をFFT部55−1に、その次のシンボル内のサンプル値をFFT部55−2に、以後、同様にして、あるシンボル内のサンプル値をFFT部55−Mに出力後、その次のシンボル内のサンプル値をFFT部55−1に出力することを繰り返す。各FFT部55−1〜55−Mは、入力サンプル値を離散フーリエ変換して周波数軸上の信号を出力し、復調部56−1〜56−Mは、対応するFFT部55−1〜55−Mが出力した周波数軸上の信号を復調する。この様に、M個のFFT部を設けることで、各FFT部に必要な処理速度は、1つのFFT部で処理する場合と比較して1/Mになる。
Arthur James Lowery、et al.、"Orthogonal−frequency−division multiplexing for dispersion compensation of long−haul optical systems"、2006 Optical Society of America、OPTICS EXPRESS 2079、Vol.14 No.6、2006年3月 Qi Yang、et al.、"Real−Time Coherent Optical OFDM Receiver at 2.5−GS/s for Receiving a 54−Gb/s Multi−band Signal"、OFC 2009、PDPC5、2009年3月
しかしながら、従来技術による方法は、同期パターンを分離部53における分離数だけ連続して送信するもの、つまり、実際には利用されない同期パターンも送信するものであり伝送効率が劣化する。
したがって、本発明は、伝送効率を劣化させず、並列処理を可能とするOFDM通信装置を提供することを目的とする。
本発明における直交周波数分割多重通信装置によれば、
直交周波数分割多重変調された第1の信号と、直交周波数分割多重変調された第2の信号とを合波した信号により搬送波を変調する直交周波数分割多重通信装置であって、第1の信号の周波数帯域は、第2の信号の周波数帯域とは異なり、第1の信号のシンボル期間は、第2の信号のシンボル期間より長く、第1の信号には、周期的に、同期シンボルが挿入されており、第1の信号の隣接する同期シンボル間の期間は、第2の信号のシンボル期間の自然数倍であることを特徴とする。
本発明の直交周波数分割多重通信装置における他の実施形態によれば、
第2の信号の隣接するシンボルを異なる処理回路により生成することも好ましい。
本発明における直交周波数分割多重通信装置によれば、
直交周波数分割多重変調された第1の信号と、直交周波数分割多重変調された第2の信号とを合波した信号により搬送波を変調した信号を受信する直交周波数分割多重通信装置であって、第1の信号の周波数帯域は、第2の信号の周波数帯域とは異なり、第1の信号のシンボル期間は、第2の信号のシンボル期間より短く、第1の信号には、周期的に、同期シンボルが挿入されており、第1の信号の隣接する同期シンボル間の期間は、第2の信号のシンボル期間の自然数倍であり、受信信号から前記第1の信号を取り出す手段と、前記取り出した第1の信号と、前記同期シンボルに対応する時間波形の信号との相関に基づき第1の信号のシンボル境界を判定する手段と、前記相関に基づき第2の信号のシンボル境界を判定する手段とを備えていることを特徴とする。
本発明の直交周波数分割多重通信装置における他の実施形態によれば、
第2の信号の隣接するシンボルを異なる処理回路により復調することも好ましい。
本発明におけるシンボル同期方法によれば、
直交周波数分割多重変調を使用した通信システムにおけるシンボル同期方法であって、第1の装置が、第1のシンボル・レートで変調した周波数軸上で連続する複数のサブキャリア、及び、第1のシンボル・レートより高い第2のシンボル・レートで変調した周波数軸上で連続する複数のサブキャリを含む変調信号を送信するステップと、第2の装置が、前記変調信号をベースバンド信号に変換するステップと、第2の装置が、前記ベースバンド信号に含まれる第1の信号の同期シンボルに基づき、第1の信号及び第2の信号のシンボル同期を確立するステップとを備えていることを特徴とする。
本発明のシボル同期方法における他の実施形態によれば、
第1のシンボル・レートで変調した複数のサブキャリアの周波数帯域は、第2のシンボル・レートで変調した複数のサブキャリアの周波数帯域より低いことも好ましい。
伝送効率を劣化させず、並列処理が可能になる。
本発明による光OFDM通信装置の送信側の概略的な構成図である。 本発明による光OFDM通信装置が生成する2つのベースバンド信号の概略的なスペクトラムを示す図である。 本発明による光OFDM通信装置が生成する2つのOFDM信号の時間軸における関係を説明する図である。 本発明による光OFDM通信装置の受信側の概略的な構成図である。 従来技術による光OFDM通信装置の概略的な構成図である。 従来技術によるシンボル同期の確立を説明する図である。
本発明を実施するための形態について、以下では図面を用いて詳細に説明する。図2は、本発明による光OFDM通信装置が生成する2つのベースバンド信号の概略的なスペクトラムを示す図である。本発明においては、図2(a)及び(b)に示す様に、周波数帯域の異なるOFDM信号20及びOFDM信号21をそれぞれ生成した後、図2(c)に示す様に、これらを合波する。ここで、OFDM信号21のシンボル期間は、並行処理が必要ではない程度に長い値、つまり、遅いシンボル・レートに設定する。一方、OFDM信号20のシンボル期間は、OFDM信号21のシンボル周期より短く、つまり、速いシンボル・レートに設定する。本発明において、OFDM信号20には、電子回路の速度限界を超えるために並行処理が必要となる程に広い信号帯域及び高速なンボル・レートを使用することができる。
図3は、OFDM信号20及び21を時間軸上で表したものである。図3においては、OFDM信号21の1シンボルの期間が、OFDM信号20の1シンボルの期間のL倍となっている。また、OFDM信号21には、周期的に、図3においてはKシンボル(Kは自然数)ごとに、既知のデータ・パターンである同期シンボルを挿入する。なお、OFDM信号21の隣接する同期シンボル間の期間は、OFDM信号20のシンボル期間の自然数倍となる様に設定する。なお、図3におけるシンボル期間は、サイクリック・プレフィックスを含むものであり、自然数倍とするためには、サイクリック・プレフィクス長を調整すれば良い。図3においては、OFDM信号21の隣接する同期シンボル間の期間は、OFDM信号20のシンボル期間のL×K倍となっている。なお、図3においては、OFDM信号21の同期シンボルの終了位置と、OFDM信号20のシンボル境界とが一致しているが所定のオフセットを持つ形態であっても良い。さらに、図3においては、OFDM信号21のシンボル期間は、OFDM信号20のシンボル期間の自然数倍(L倍)であるが、上述した様に、L×Kが自然数となる限り、Lは自然数でなくとも良い。
図1は、図2及び図3のOFDM信号を生成するための、本発明による光OFDM通信装置の送信側の概略的な構成図である。図1に示す様に、光OFDM通信装置は、離散フーリエ逆変換/サイクリック・プレフィクス(IFFT/CP)部1−1から1−N及び5と、加算部2−1から2−Nと、多重部3と、デジタル・アナログ(D/A)変換部4と、補間部6とを備えている。
IFFT/CP部1−1〜1−Nは、それぞれ、OFDM信号20を生成するために、離散フーリエ逆変換処理及びサイクリック・プレフィックスの挿入処理を行う。なお、OFDM信号21の帯域に相当するサブキャリアについては、未使用とする。上述した様に、OFDM信号20のシンボル期間は短く、IFFT/CP部1−1〜1−Nは、連続するシンボルを並行して処理する。具体的には、例えば、IFFT/CP部1−1に図3の第1フレームの第1シンボルを処理させ、IFFT/CP部1−2に図3の第1フレームの第2シンボルを処理させ、あるシンボルをIFFT/CP部1−Nに処理させた場合、その次のシンボルについては、IFFT/CP部1−1に処理させるということを繰り返す。
IFFT/CP部5は、OFDM信号21を生成するために、離散フーリエ逆変換処理及びサイクリック・プレフィックスの挿入処理を行う。なお、図3に示す様に、OFDM信号21の同期シンボルと、OFDM信号20のフレーム境界との時間位置関係を一定にするため、IFFT/CP部1−1〜1−NとIFFT/CP部5には、同じ同期信号が入力される。
IFFT/CP部5が出力する時間軸上の信号のサンプル・レートと、IFFT/CP部1−1〜1−Nが出力する時間軸上の信号のサンプル・レートは異なるため、そのままではサンプル・レートの不一致により合波することができない。このため、補間部6は、IFFT/CP部5が出力する信号のサンプル・レートをアップサンプリングして、IFFT/CP部1−1〜1−Nが出力する信号のサンプル・レートに等しくし、加算部2−1〜2−Mにおいて、OFDM信号20及び21を合波する。その後、多重部3は、並行処理したOFDM信号20の各シンボルに対応する時間信号をシンボル単位で多重し、D/A変換部4は、多重部3からの信号をアナログ変換して、図2(c)のスペクトラムを持つベースバンド信号を出力する。その後、連続光、つまり搬送波を、D/A変換部4の出力信号で変調して光OFDM信号を出力する。なお、IFFT/CP部1−1〜1−NとIFFT/CP部5からの信号をデジタル領域で加算するのではなく、IFFT/CP部1−1〜1−Nからの信号を多重してアナログ変換し、IFFT/CP部5からの信号をアナログ変換し、その後、アナログ領域で加算する構成であっても良い。
図4は、本発明による光OFDM通信装置の受信側の概略的な構成図である。図4に示す様に、光OFDM通信装置は、アナログ・デジタル(A/D)変換部7及び13と、分離部8と、再配置部9と、離散フーリエ変換(FFT)部10−1から10−M及び15と、復調部11−1から11−M及び16と、フィルタ部12と、同期部14とを備えている。
図示しない光受信部は、受信した光OFDM信号を図2(c)に示すベースバンド信号に変換して、A/D変換部7及びフィルタ部12に出力する。フィルタ部12は、図2(c)及び図3に示すOFDM信号20を抑圧して、OFDM信号21を通過させ、A/D変換部13は、OFDM信号21をデジタル変換し、同期部14は、入力信号と、既知の同期シンボルに対応する時間波形との相関を取ることでシンボル同期を確立、つまり、図3のOFDM信号21の各シンボル境界を認識し、OFDM信号21の同じシンボルに属するサンプル値を単位としてFFT部15に出力する。また、同期部14は、OFDM信号21の同期シンボルの検出を示す周期的な信号を再配置部9に出力する。具体的には、既知の同期シンボルに対応する時間波形とOFDM信号21の相関値は、図3に示すOFDM信号21の同期シンボルの終了時刻においてピークとなり、同期部14は、OFDM信号20の第1フレームと第2フレームの境界を示す信号を周期的に再配置部9に出力する。なお、図3に示す形態において、同期部14が出力する信号は、OFDM信号20のフレーム境界に一致するが、上述した様に、所定のオフセットを持つ形態であっても良い。また、OFDM信号21の分離は、フィルタ部12ではなく、ダウンコンバータを利用する形態であっても良い。
A/D変換部7は、ベースバンド信号をデジタル変換し、分離部8は、デジタル・ベースバンド信号を、そのサンプル値単位でP個にディインタリーブする。つまり、1つのサンプル値が16ビットで表現されているのであれば、分離部8は、1つのサンプル値を示す16ビットを、そのサンプル順に、第1のポートから第Pのポートに順に出力することを繰り返す。
再配置部9は、同期部14からOFDM信号20の第1フレームと第2フレームの境界を示す信号を周期的に受信し、この信号に基づき、OFDM信号20のシンボル境界を認識、つまり、シンボル同期を確立する。再配置部9は、シンボル同期の確立後、連続するシンボルの内、同一シンボルの各サンプル値を、FFT部10−1からFFT部10−Mに順に出力することを繰り返す。各FFT部10−1〜10−M及び15は、入力サンプル値を離散フーリエ変換して周波数軸上の信号を出力し、復調部11−1〜11−M及び16は、対応するFFT部が出力した周波数軸上の信号を復調する。
以上、利用帯域の内の連続する一部のサブキャリについては、並行処理が必要ではない程度に長いシンボル期間、つまり、低いシンボル・レートとし、この低いシンボル・レートのOFDM信号に含まれる同期シンボルに基づき、高いシンボル・レートのOFDM信号のシンボル同期も確立する。従来技術においては、分離数と同じ数だけ連続し、全帯域を利用する同期シンボルを挿入するため、この期間における実データの送信は不可能であり、伝送効率を劣化させていた。しかしながら、本発明においては、伝送帯域の大部分を占め、高速なシンボル・レートで変調するOFDM信号21には同期シンボルを挿入する必要がなく、伝送効率を改善することができる。なお、OFDM信号21の周波数位置については、図2に示すOFDM信号20の低域側でなくとも良いが、シンボル・レートが高速である光OFDM信号において、周波数が0付近のサブキャリアは通常使用されないため、低域側の未使用領域を、シンボル・レートの低いOFDM信号21のために利用することが望ましい。
なお、図3に示すOFDM信号20に対しても、伝送路特性を推定するための既知データ・パターンのシンボルを周期的に挿入することが好ましい。OFDM信号20に挿入する伝送路特性推定用シンボルにより求めた伝送路特性は、復調部11−1〜11−Mで共用することが可能である。しかしながら、OFDM信号20に挿入する伝送路特性推定用シンボルは、シンボル同期確立のために従来挿入していた同期シンボルよりもその量を減少させることができ、伝送効率は改善される。
なお、光通信を用いて説明したが、本発明は、電子回路の速度限界を超えるために並行処理が必要となる程広い信号帯域を使用する無線通信に対しても適用することができる。
1−1〜1−N、5 IFFT/CP部
2−1〜2−N 加算部
3 多重部
4 D/A変換部
6 補間部
7、13 A/D変換部
8 分離部
9 再配置部
10−1〜10−M、15 FFT部
11−1〜11−M、16 復調部
12 フィルタ部
14 同期部
51 光受信部
52 A/D変換部
53 分離部
54 同期・再配置部
55−1〜55−M FFT部
56−1〜56−M 復調部

Claims (6)

  1. 直交周波数分割多重変調された第1の信号と、直交周波数分割多重変調された第2の信号とを合波した信号により搬送波を変調する直交周波数分割多重通信装置であって、
    第1の信号の周波数帯域は、第2の信号の周波数帯域とは異なり、
    第1の信号のシンボル期間は、第2の信号のシンボル期間より長く、
    第1の信号には、周期的に、同期シンボルが挿入されており、
    第1の信号の隣接する同期シンボル間の期間は、第2の信号のシンボル期間の自然数倍である、
    直交周波数分割多重通信装置。
  2. 第2の信号の隣接するシンボルを異なる処理回路により生成する、
    請求項1に記載の直交周波数分割多重通信装置。
  3. 直交周波数分割多重変調された第1の信号と、直交周波数分割多重変調された第2の信号とを合波した信号により搬送波を変調した信号を受信する直交周波数分割多重通信装置であって、
    第1の信号の周波数帯域は、第2の信号の周波数帯域とは異なり、
    第1の信号のシンボル期間は、第2の信号のシンボル期間より短く、
    第1の信号には、周期的に、同期シンボルが挿入されており、
    第1の信号の隣接する同期シンボル間の期間は、第2の信号のシンボル期間の自然数倍であり、
    受信信号から前記第1の信号を取り出す手段と、
    前記取り出した第1の信号と、前記同期シンボルに対応する時間波形の信号との相関に基づき第1の信号のシンボル境界を判定する手段と、
    前記相関に基づき第2の信号のシンボル境界を判定する手段と、
    を備えている直交周波数分割多重通信装置。
  4. 第2の信号の隣接するシンボルを異なる処理回路により復調する、
    請求項3に記載の直交周波数分割多重通信装置。
  5. 直交周波数分割多重変調を使用した通信システムにおけるシンボル同期方法であって、
    第1の装置が、第1のシンボル・レートで変調した周波数軸上で連続する複数のサブキャリア、及び、第1のシンボル・レートより高い第2のシンボル・レートで変調した周波数軸上で連続する複数のサブキャリを含む変調信号を送信するステップと、
    第2の装置が、前記変調信号をベースバンド信号に変換するステップと、
    第2の装置が、前記ベースバンド信号に含まれる第1の信号の同期シンボルに基づき、第1の信号及び第2の信号のシンボル同期を確立するステップと、
    を備えている方法。
  6. 第1のシンボル・レートで変調した複数のサブキャリアの周波数帯域は、第2のシンボル・レートで変調した複数のサブキャリアの周波数帯域より低い、
    請求項5に記載の方法。
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高橋 英憲 外4名: "偏波多重マルチバンド光OFDM方式による121.9Gbit/s×10WDM-1,000km伝送", 電子情報通信学会技術研究報告, vol. 108, no. 423, JPN6013011064, 26 January 2009 (2009-01-26), pages 73 - 78, ISSN: 0002476812 *

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JP2014155194A (ja) * 2013-02-13 2014-08-25 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 送受信システム、及び通信方法

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