JP2011176406A

JP2011176406A - 無線通信システム、無線通信システムにおける送信装置および送信方法

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Publication number: JP2011176406A
Application number: JP2010037019A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Suzuki; 義規鈴木; Fumihiro Yamashita; 史洋山下; Sei Kobayashi; 聖小林
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2010-02-23
Filing date: 2010-02-23
Publication date: 2011-09-08
Anticipated expiration: 2030-02-23
Also published as: JP5208980B2

Abstract

【課題】装置の増幅器が大型化する必要なく、さらに通信品質が著しく劣化している帯域が存在しても伝送速度の低下を招くことのない、周波数選択性フェージング等の伝搬路の通信品質劣化に対する影響を回避する無線通信システム、無線通信システムにおける送信装置および送信方法を提供する。
【解決手段】無線通信システムにおいて、送信装置は、シングルキャリア変調信号を帯域分割して複数のサブ変調信号を生成する分割回路と、伝送路の通信品質が著しく劣化している周波数領域を回避するように、前記サブ変調信号を周波数配置する周波数シフト回路とを備え、受信装置は、受信したサブ変調信号の周波数配置を分割前の周波数位置に再配置して合成する再合成回路を備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、無線通信において、フェージング、狭帯域干渉、ジャミングの影響などによる伝搬路の通信品質の劣化を補償する為の無線通信システム、並びに無線通信システムにおける送信装置及び送信方法に関するものである。

無線通信においては、送信された無線信号は複数の伝播経路を経ると、受信装置に到達した無線信号は互いに干渉し、受信レベルが大きく変動するフェージングと呼ばれる現象がある。受信レベルの変動は、通信品質に多大の影響を及ぼすため、ダイバーシティ等の様々な対策技術がとられている。

フェージングの影響の概念として、周波数に対する損失の影響を図１に示す。このように特定の周波数において利得が異なる現象は特に周波数選択性フェージングと呼ばれ、このような伝搬路においてシングルキャリア信号を伝送すると、受信信号帯域内で信号レベル差が生じ、通信品質が大幅に劣化する課題がある。なお、ジャミング信号等の狭帯域干渉に関しては、受信信号レベルは変わらないものの、干渉の影響により伝送路の通信品質が大幅に劣化する。

このような通信品質の劣化を生じる周波数選択性フェージング等の伝搬路の通信品質劣化に対する技術の一例は、非特許文献１に記載されている。図２に示すように信号をマルチキャリア信号に分割して伝送し、各サブキャリアの帯域内周波数特性をフラットにすることで、フラットフェージング環境とし、サブキャリア毎の送信電力を適宜調整することにより、通信品質の改善を行っている。

中西他、「マルチレベル送信電力制御を用いたOFDM適用変調方式による1セル繰り返しTDMAシステム」、電子情報通信学会論文誌B、Vol.J87-B、No.8、pp.1043-1052

しかしながら、一般にマルチキャリア信号はＰＡＰＲ(Peak to Average Power Ratio)が大きく、増幅器のバックオフを大きく取る必要があるため、装置の増幅器が大型化する課題があった。逆にＰＡＰＲを下げるために分割キャリヤ数を減じると、周波数選択性フェージングを十分にフラットフェージングと見なすことができず、通信品質の劣化を招く課題があった。

フェージングによる電力変動が送受信装置の有する調整可能なレベルに比較して、大きくなる場合、フェージングの影響を受けるサブキャリアでは、所定の回線品質を得られなくなるため、通信は行えなくなる。その場合、図３に示すよう、フェージング等の影響を避けるようにサブキャリアを配置することで対応が可能である。しかしながら、サブキャリアに空きが無い場合は、使用できないサブキャリア分の伝送速度の低下を招く。また、非特許文献１に記載されるように、変調多値数を減じることでの対処も可能であるが、これもまた、伝送速度の低下を招く。

したがって、本発明は、装置の増幅器が大型化する必要なく、さらに通信品質が著しく劣化している帯域が存在しても伝送速度の低下を招くことのない、周波数選択性フェージング等の伝搬路の通信品質劣化に対する影響を回避する無線通信システム、無線通信システムにおける送信装置および送信方法を提供することを目的とする。

上記目的を実現するため本発明による無線通信システムは、シングルキャリア変調信号を帯域分割して複数のサブ変調信号を生成する分割回路と、伝送路の通信品質が著しく劣化している周波数領域を回避するように、前記サブ変調信号を周波数配置する周波数シフト回路とを備える送信装置と、受信したサブ変調信号の周波数配置を分割前の周波数位置に再配置して合成する再合成回路を備える受信装置とを備える。

また、前記分割回路は、分割前のシングルキャリア変調信号の帯域より、分割後の各サブ変調信号の帯域の総和が小さくなるように帯域分割することも好ましい。

また、前記送信装置は、生成された前記複数のサブ変調信号の全て、または一部を複製する手段をさらに備え、前記周波数シフト回路は該複製したサブ変調信号を異なる周波数位置に配置し、前記受信装置は、受信した複製されたサブ変調信号を選択、または合成する信号合成選択手段をさらに備えることも好ましい。

また、前記送信装置は、トレーニング信号を周波数軸上で挿入し送信する伝搬路検出用信号発生手段をさらに備え、前記受信装置は、受信したトレーニング信号から周波数特性を検出し、該周波数特性を前記送信装置に通知する伝搬路品質検出手段をさらに備えることも好ましい。

上記目的を実現するため本発明による送信装置は、シングルキャリア変調信号を帯域分割して複数のサブ変調信号を生成する分割回路と、伝送路の通信品質が著しく劣化している周波数領域を回避するように、前記サブ変調信号を周波数配置する周波数シフト回路とを備える。

上記目的を実現するため本発明による送信方法は、シングルキャリア変調信号を帯域分割して複数のサブ変調信号を生成する分割ステップと、伝送路の通信品質が著しく劣化している周波数領域を回避するように、前記サブ変調信号を周波数配置する周波数シフトステップとを含む。

本発明の無線通信システムは、シングルキャリア伝送信号のサブ変調信号分解手法を用いて、周波数選択性フェージング等の伝搬路の通信品質劣化の影響を回避するようにサブ変調信号を周波数配置することで、信号伝送品質の改善が可能となる。また、シングルキャリア伝送信号のサブ変調信号分解手法により、小型増幅器の適用が可能となる。

さらに、信号分解時に分割後のサブ変調信号の帯域総和が、分割前の変調信号帯域よりも狭めるように分解し、ここで得られた余剰帯域に通信品質が著しく劣化している帯域を割当てることで、元の変調信号の占有帯域幅を増加することがない。

フェージングの概念図を示す。フェージング対策を行ったマルチキャリア伝送の概念図１を示す。フェージング対策を行ったマルチキャリア伝送の概念図２を示す。本発明によるフェージング対策の概念を示す。本発明を実現する無線装置の構成例を示す。複数のサブ変調信号に分割された送信装置の出力を示す。複数のサブ変調信号に分割された送信装置の出力（余剰帯域発生の例）を示す。サブ変調信号送信ダイバーシティ機能を備える送信装置構成の一例を示す。サブ変調信号送信ダイバーシティ機能を備える受信装置構成の一例を示す。

従来の技術の課題を解決して、周波数選択性フェージング等の伝搬路の通信品質劣化に対する影響を回避する方法について述べる。図４は本発明によるフェージング対策の概念を示す。本発明では伝搬路の通信品質劣化に対する影響を回避するために、著しく通信品質が劣化している周波数領域を避けるように、シングルキャリアの伝送信号を分割配置することを特徴とする。

本発明を実現する送信装置および受信装置の構成の一例は、「阿部他、高周波数利用効率を実現するスペクトラム編集型帯域分散伝送の提案、電子情報通信学会衛星通信研究会、SAT2009-48、pp.7-12」を基本構成とし、伝搬路の通信品質検出手段からの情報を元に、伝送信号の分割配置制御を行うことを特徴とする。送信装置および受信装置の構成例としては図５に示すように、送信装置は、送信するデータ信号を変調する変調回路１と、変調信号を帯域分割して所望の周波数位置に配置する帯域分割フィルタバンク２と、伝搬路検出用信号発生手段および制御器３とを備えており、受信装置は、分割された変調信号を抽出して、合成する帯域合成フィルタバンク４と、帯域合成フィルタバンク４から出力された変調信号を復調し、送信されたデータ信号を復元する復調回路５と、伝搬路品質検出手段６とを備える。なお、伝搬路の通信品質検出手段は、伝搬路検出用信号発生手段および制御器３と伝搬路品質検出手段６により構成される。

このとき、本送信装置における帯域分割フィルタバンク２は、伝搬路の通信品質を検出する伝搬路検出用信号発生手段および制御器３からの情報を元に変調信号を帯域分割して所望の周波数位置に配置するため、変調信号を周波数軸上の信号に変換するフーリエ変換回路２１（ＦＦＴ）と、フーリエ変換回路の出力を複数のサブ変調信号に分割する分割回路２２と、サブ変調信号を所定の周波数位置に配置する周波数シフト回路２３と、周波数シフト回路の出力を足し合わせる加算回路２４と、時間軸上の信号に変換する逆フーリエ変換回路（ＩＦＦＴ）２５とを備える。このとき、サブ変調信号が占有する帯域は分割回路２２に用いる重み係数に依存し、帯域幅を調整することが可能となる。また、分割回路２２は複数の帯域分割重み関数と乗算回路を備える。

具体的な動作としては、図６に示すようには変調回路１から出力された変調信号は、帯域分割フィルタバンク２のＦＦＴ回路２１において高速フーリエ変換処理されることにより、時間軸上の信号が周波数軸上の信号に変換される。同図（Ａ）に示すように、ＦＦＴ回路２１から出力される周波数軸上の信号に対して、帯域分割重み関数_１と帯域分割重み関数_２が乗算回路_１および乗算回路_２においてそれぞれ独立に乗算され、周波数軸上で帯域分割処理される。その乗算結果が周波数シフト回路_１２３および周波数シフト回路_２２３にそれぞれ入力され、周波数軸上で周波数シフトされることで、等価的に周波数変換が行われる。周波数シフトされた結果が同図（Ｂ）に示されている。この図から分かるように、ユーザＡの変調信号に対して異なる重み関数が乗算されてシフトされることにより、周波数軸上では１つの変調信号が２つのサブ変調信号（Ａ１及びＡ２）に帯域分割される。これら分割された２つのサブ変調信号が加算回路２４で再び合成され、ＩＦＦＴ回路２５で高速フーリエ逆変換処理されることによって、周波数軸上の信号から時間軸上の信号に戻される。その後、ＲＦ回路を経て実際に信号が伝送される。

一方、受信装置における帯域合成フィルタバンク４は、受信信号を周波数軸上の信号に変換するフーリエ変換回路４１（ＦＦＴ）と、各サブ変調信号を抽出し、フーリエ変換回路４１（ＦＦＴ）の出力を所定の周波数位置に配置する周波数シフト回路４２と、各サブ変調信号を所定の周波数位置から配置変換前の周波数位置に再配置する再合成回路４３と、再合成回路４３の出力を加算する加算回路４４と、波形整形フィルタ関数４６を乗算する乗算回路４５と、乗算回路４５の出力を時間軸上の信号に変換する逆フーリエ変換回路４７（ＩＦＦＴ）とを備える。また、再合成回路４３は複数の帯域合成重み関数と乗算回路を備える。

具体的な動作は、送信側の信号処理手順と同様になる。受信側において、ＲＦ回路で周波数変換された信号がＦＦＴ回路４１に入力され、時間軸上の受信信号が周波数軸上の受信信号に変換される。変換された周波数軸上の受信信号は、周波数シフト回路_１４２および周波数シフト回路_２４２においてそれぞれ周波数シフトされ帯域合成重み関数_１と帯域合成重み関数_２が乗算回路_１および乗算回路_２においてそれぞれ独立に乗算される。帯域合成重み関数が乗じられることは周波数軸上での等価的なフィルタ処理となり、帯域合成重み関数の通過域・遷移域以外の帯域における雑音成分が除去される。このフィルタ処理された信号が加算回路４４において再び合成される。さらに、乗算回路４５において、加算回路４４の出力に、波形整形フィルタ関数４６が周波数軸上で乗算され、所望帯域外の雑音・信号成分が除去されることで所望の信号を抽出され、ＩＦＦＴ回路４７において時間軸上の信号に再び変換された後、復調回路５において復調される。

伝搬路検出用信号発生手段および制御器３の実現例として、周波数軸上で挿入したトレーニング信号を送信し、受信側の伝搬路品質検出手段６でそのトレーニング信号から周波数特性を検出し、その情報を送信側にフィードバック通知してもよい。このように、本発明を用いると、通信品質が著しく劣化している周波数領域を避けるように、シングルキャリアの信号帯域を周波数分割配置することで、フェージング等の影響を回避することができる。また、シングルキャリアの信号帯域を部分的に分割して送信することで、キャリヤ数を低減でき、結果としてＰＡＰＲを下げることができる。よって、増幅器の小型化も合わせて実現できる。

さらに、本発明で用いる帯域分割手法において、分割前の変調信号に用いるフィルタよりにも、より急峻なフィルタを用いてサブ変調信号を形成すると、重複帯域があるにもかかわらず図７に示すように、分割後のサブ変調信号の帯域総和は、分割前の変調信号帯域よりも狭めることが可能であり、余剰帯域が発生する。なお、サブ変調信号を生成するときには、図７に示す帯域分割規定電力が一致もしくは重複することが、受信側で信号が復元できる条件である。

ここで得られた余剰帯域（分割前の変調信号帯域−分割後のサブ変調信号帯域の総和）を、周波数選択性フェージングにより振幅利得が小さくなる帯域に選択的に割り当てることで、総帯域を増加させることなく、フェージングによる信号品質劣化を低減することができる。

本発明における別の形態において、分割したサブ変調信号の一部または全てを複製し、異なる周波数で送信し、受信側で複製したサブ変調信号を合成してもよい。これを実現する無線装置構成の例としては、送信装置において、図８に示すように乗算回路の出力のサブ変調信号を複成し、複成した信号を所定に周波数に配置して送信し、受信装置において、図９に示すように、複成したサブ変調信号に対して、周波数を所定の位置に戻した後に、複成信号を選択もしくは合成する信号合成選択手段４８を付加すればよい。

以上のように本発明の無線通信システムは、シングルキャリアの変調信号を、帯域分割して周波数選択性フェージングの影響を回避するようにサブ変調信号を周波数配置することで、フェージング等の影響を回避することが可能となる。さらに、キャリヤの分割数を少なくすることで、ＰＡＰＲを小さくすることができるため、小型増幅器の適用が可能となる。

さらに、サブ変調信号を構成することにより得られる余剰帯域（分割前の変調信号帯域−分割後のサブ変調信号帯域の総和）を、フェージングの影響が大きな周波数位置に割り付けることで、占有帯域幅を増加することなくフェージングの影響を緩和することが可能となる。なお、伝送特性が特に著しく劣化する周波数選択性フェージングは、干渉信号のベクトル合成が限りなく零であるため、非常に急峻な周波数特性を有するため、僅かな余剰帯域で周波数選択性フェージングや狭帯域干渉、ジャミング対策を実現することが可能となる。

以上に述べた実施形態は、全て本発明を例示的に示すものであって、限定的に示すものではない、本発明は、他の種々の変形形態及び変更態様で実施できる。従って本発明の範囲は、特許請求の範囲及びその均等範囲によってのみ規定されるものである。

１変調回路
２帯域分割フィルタバンク
３伝搬路検出用信号発生手段および制御器
４帯域合成フィルタバンク
５復調回路
６伝搬路品質検出手段
２１フーリエ変換回路
２２分割回路
２３周波数シフト回路
２４加算回路
２５逆フーリエ変換回路
４１フーリエ変換回路
４２周波数シフト回路
４３再合成回路
４４加算回路
４５乗算回路
４６波形整形フィルタ関数
４７逆フーリエ変換回路
４８信号合成選択手段

Claims

シングルキャリア変調信号を帯域分割して複数のサブ変調信号を生成する分割回路と、
伝送路の通信品質が著しく劣化している周波数領域を回避するように、前記サブ変調信号を周波数配置する周波数シフト回路と、
を備える送信装置と、
受信したサブ変調信号の周波数配置を分割前の周波数位置に再配置して合成する再合成回路
を備える受信装置と、
を備えることを特徴とする無線通信システム。
前記分割回路は、分割前のシングルキャリア変調信号の帯域より、分割後の各サブ変調信号の帯域の総和が小さくなるように帯域分割することを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
前記送信装置は、生成された前記複数のサブ変調信号の全て、または一部を複製する手段をさらに備え、前記周波数シフト回路は該複製したサブ変調信号を異なる周波数位置に配置し、
前記受信装置は、受信した複製されたサブ変調信号を選択、または合成する信号合成選択手段をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の無線通信システム。
前記送信装置は、トレーニング信号を周波数軸上で挿入し送信する伝搬路検出用信号発生手段をさらに備え、
前記受信装置は、受信したトレーニング信号から周波数特性を検出し、該周波数特性を前記送信装置に通知する伝搬路品質検出手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の無線通信システム。
シングルキャリア変調信号を帯域分割して複数のサブ変調信号を生成する分割回路と、
伝送路の通信品質が著しく劣化している周波数領域を回避するように、前記サブ変調信号を周波数配置する周波数シフト回路と、
を備えることを特徴とする送信装置。
シングルキャリア変調信号を帯域分割して複数のサブ変調信号を生成する分割ステップと、
伝送路の通信品質が著しく劣化している周波数領域を回避するように、前記サブ変調信号を周波数配置する周波数シフトステップと、
を含むことを特徴とする送信方法。