JP2014064171A - デジタル無線通信装置およびデジタル無線通信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マルチパスフェージング環境下における通信品質およびスループットの低下を軽減するデジタル無線通信装置を提供する。
【解決手段】本発明に係るデジタル無線通信装置は、フレーム単位でデータを送受信するデジタル無線通信装置であって、受信信号のフレームに含まれる２つ以上のトレーニングシンボルから、独立して信号品質を推定する受信部５１０と、推定した信号品質の差をフィードバック情報として通信相手に送信する送信部５３０とを備え、受信部５１０は、通信相手から当該デジタル無線通信装置が送信した信号の信号品質の差をフィードバック情報として受信し、送信部５３０は、受信したフィードバック情報に基づいて、次回送信するフレームに挿入するトレーニングシンボルの数を決定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、デジタル無線通信装置およびデジタル無線通信方法に関するものである。

デジタル無線通信においては、信号をフレームと呼ばれる所定の期間毎に区切って送信することが多い。１つのフレームは複数のシンボルを含む。例えば、１フレームの長さが１０００ｕｓｅｃであり、１シンボルの長さが２ｕｓｅｃの場合、１フレームに５００シンボルが含まれる。

図６に、デジタル無線通信におけるフレーム構成の一例を示す。この例においては、フレームは、前方から後方に向かって、プリアンブル、前方トレーニングシンボル、インフォメーションシンボル、後方トレーニングシンボルおよびガードタイムを順次配置する構成である。

なお、ここで、前方トレーニングシンボル、インフォメーションシンボルおよび後方トレーニングシンボルは、１つのシンボルを意味するものではなく、複数のシンボルからなるシンボル列を意味するものとする。プリアンブルおよびガードバンドも複数のシンボルから構成される。

プリアンブルは、前のフレームとの干渉回避およびランプアップのための時間を確保するためなどに用いられる。

前方トレーニングシンボルは、受信側の装置も既知であるシンボルパターンによって構成される。前方トレーニングシンボルを受信したデジタル無線通信装置は、受信した前方トレーニングシンボルを既知のシンボルパターンと比較することにより、タイミングを同期すること、および、伝搬路の状況を推定することができる。

インフォメーションシンボルは、ユーザデータを運搬するシンボルである。適応変調を採用する無線通信システムにおいては、通信環境等に応じた変調方式で変調されて送信される。例えば、通信環境が良好な場合は、伝送効率のよいＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）方式等が変調方式として選択される。

後方トレーニングシンボルは、受信側の装置も既知であるシンボルパターンを含み、前方トレーニングシンボルと同様に、伝搬路状況の推定などに用いることができる。また、後方トレーニングシンボルに、相手装置から受信した信号の伝搬路状況をフィードバック情報として含めることができる。このように、伝搬路状況などを相手装置にフィードバックし、フィードバック情報を取得した相手装置が送信出力や変調方式等を適応的に変更する技術は、例えば、非特許文献１などにおいて知られている。フィードバックする伝搬路状況の指標としては、例えば、ＳＩＮＲ（Signal to Interference and Noise Ratio）などが用いられる。ＳＩＮＲは、受信したトレーニングシンボルを既知のシンボルと比較することにより算出することができる。

また、後方トレーニングシンボルに、インフォメーションシンボルをどの変調方式で変調したのかの情報を含めることができる。変調方式の情報は、冗長性を十分に確保した上で、ＢＰＳＫ（Binary Phase Shift Keying）のような所要ＳＩＮＲの小さい変調方式で変調して送信することが好ましい。

ガードバンドは、後ろのフレームとの干渉回避およびランプダウンのための時間を確保するためなどに用いられる。

ここで、インフォメーションシンボルは、受信した前方トレーニングシンボルと既知のシンボルとを比較することにより推定された伝搬路状況に基づいて算出された等化係数を用いて復調される。

High Capacity-Spatial Division Multiple Access (HC-SDMA) WTSC-2005-032(ATIS/ANSI)

無線通信においては、通信装置の一方または双方が移動可能である場合がある。

マルチパスフェージング環境下においては、通信装置が移動し双方の位置関係が変わると伝搬路環境が大きく変動する。とくに通信装置の移動速度が速い場合は、１フレーム内においても伝搬路環境が大きく変動するおそれがある。

このような場合は、前方トレーニングシンボルを受信したタイミングと、インフォメーションシンボルの後半部を受信したタイミングとで、通信装置間の伝搬路状況が大きく変動している場合があり、前方トレーニングシンボルにより推定した伝搬路状況に基づいて算出された等化係数によっては、インフォメーションシンボルの後半部を適切に復調できないおそれがある。

上述のように、マルチパスフェージング環境下において、通信装置が高速移動すると、インフォメーションシンボルで適切に復調できない部分が生じる場合があり、そのような場合は、通信品質やスループットの低下につながってしまうおそれがあるという問題があった。

したがって、かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、マルチパスフェージング環境下における通信品質およびスループットの低下を軽減できるデジタル無線通信装置およびデジタル無線通信方法を提供することにある。

上記目的を達成する第１の観点に係るデジタル無線通信装置の発明は、
フレーム単位でデータを送受信するデジタル無線通信装置であって、
受信信号のフレームに含まれる２つ以上のトレーニングシンボルから、独立して信号品質を推定する受信部と、
推定した前記信号品質の差をフィードバック情報として通信相手に送信する送信部とを備え、
前記受信部は、前記通信相手から当該デジタル無線通信装置が送信した信号の信号品質の差をフィードバック情報として受信し、
前記送信部は、受信した前記フィードバック情報に基づいて、次回送信するフレームに挿入するトレーニングシンボルの数を決定すること
を特徴とする。

第２の観点に係る発明は、第１の観点に係るデジタル無線通信装置であって、前記送信部は、受信した前記フィードバック情報において、当該デジタル無線通信装置の前記信号品質の差が大きい場合は、挿入するトレーニングシンボルの数を多くし、当該デジタル無線通信装置の前記信号品質の差が小さい場合は、挿入するトレーニングシンボルの数を少なくすることを特徴とする。

上述したように本発明の解決手段を装置として説明してきたが、本発明はこれらに実質的に相当する方法、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、本発明を方法として実現させた第３の観点に係るデジタル無線通信方法の発明は、
フレーム単位でデータを送受信するデジタル無線通信装置におけるデジタル無線通信方法であって、前記デジタル無線通信装置が、
受信信号のフレームに含まれる２つ以上のトレーニングシンボルから、独立して信号品質を推定するステップと、
推定した前記信号品質の差をフィードバック情報として通信相手に送信するステップと、
前記通信装置から当該デジタル無線通信装置が送信した信号の信号品質の差をフィードバック情報として受信するステップと、
受信した前記フィードバック情報に基づいて、次回送信するフレームに挿入するトレーニングシンボルの数を決定するステップとを含むこと特徴とする。

本発明によれば、マルチパスフェージング環境下における通信品質およびスループットの低下を軽減することができる。

本発明の一実施形態に係るデジタル無線通信装置を用いる通信システムの一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係るフレーム構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る前方ＳＩＮＲと後方ＳＩＮＲとの差と、送信フレームパターンと、シンボルパターンとの対応を示す図である。 図１に示したデジタル無線通信装置の要部の概略構成を示す機能ブロック図である。 本発明の一実施形態に係る前方ＳＩＮＲと後方ＳＩＮＲとの差と、送信フレームパターンとの対応を示す図である。 デジタル無線通信におけるフレーム構成の一例を示す図である。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るデジタル無線通信装置を用いる通信システムの一例を示す図である。図１では、説明を簡便にするため、デジタル無線通信装置である一台の基地局１０と、デジタル無線通信装置である一台の無線端末２０とからなる通信システムを示す。基地局１０と無線端末２０とは、無線リンクを介して接続され、同じフレームフォーマットを用いて無線通信を行う。

図２に、本発明の一実施形態に係るデジタル無線装置がデータの送受信に際して用いるフレームパターンの一例を示す。図２は、フレームパターンとして４種類のフレームパターンを有する場合の例であり、図２（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、フレームパターン１〜４に対応する。

フレームパターン１〜４は、いずれも、前方にプリアンブルと前方トレーニングシンボルとを有し、また、後方に後方トレーニングシンボルとガードバンドとを有する。前方トレーニングシンボルと後方トレーニングシンボルとの間には、インフォーションシンボルおよび挿入トレーニングシンボルが配置され、フレームパターンの種類によって、挿入トレーニングシンボルの数が異なる。

前方トレーニングシンボル、挿入トレーニングシンボルおよび後方トレーニングシンボルは、既知のシンボルパターンであり、実際に受信したシンボルパターンと比較することにより、通信品質から伝搬路の状況を推定し等化係数を算出することができる。

図２（ａ）（フレームパターン１）は、挿入トレーニングシンボルが挿入されないフレームパターンである。フレームパターン１においては、前方トレーニングシンボルと後方トレーニングシンボルの間にインフォメーションシンボル１のみが配置され、挿入トレーニングシンボルは配置されない。図２（ｂ）（フレームパターン２）は、挿入トレーニングシンボルが１つ配置されたフレームパターンである。フレームパターン２においては、前方トレーニングシンボルと後方トレーニングシンボルの間にインフォメーションシンボル１および２と挿入トレーニングシンボル１が配置される。図２（ｃ）（フレームパターン３）は、挿入トレーニングシンボルが２つの場合のフレームパターンである。フレームパターン３においては、前方トレーニングシンボルと後方トレーニングシンボルの間にインフォメーションシンボル１〜３と挿入トレーニングシンボル１および２が配置される。図２（ｄ）（フレームパターン４）は、挿入トレーニングシンボルが３つの場合のフレームパターンであり、前方トレーニングシンボルと後方トレーニングシンボルの間にインフォメーションシンボル１〜４と挿入トレーニングシンボル１〜３が配置される。

インフォメーションシンボルは、直前に配置された、前方トレーニングシンボルまたは挿入トレーニングシンボルから得られる等化係数を用いて復調される。例えば、フレームパターン１においては、インフォメーションシンボル１は、直前の前方トレーニングシンボルから得られる等化係数を用いて復調される。また、フレームパターン２においては、インフォメーションシンボル１は、直前の前方トレーニングシンボルから得られる等化係数を用いて復調され、インフォーメンションシンボル２は、直前の挿入トレーニングシンボル１から得られる等化係数を用いて復調される。フレームパターン３および４のインフォメーションシンボルも同様の方法により復調される。

マルチパスフェージング環境下においては、通信装置が高速移動を行うことにより伝搬路状況の変動が大きい場合は、挿入トレーニングシンボルの数を増やし、近い時間に推定した等化係数でインフォメーションシンボルを復調すること、すなわち、フレームパターン４のようなフレームパターンを選択することにより、通信品質およびスループットの低下を軽減することができる。また、通信装置が停止しているか低速で移動していることにより伝搬路状況の変動が小さい場合は、挿入トレーニングシンボルの数を減らし、フレーム内におけるインフォメーションシンボルの割合を増やすこと、すなわち、フレームパターン１のようなフレームパターンを選択することにより、高速なデータ通信を実現することができる。

１フレーム内において、通信品質または伝搬路状況の変動が大きいか否かは、前方トレーニングシンボルのＳＩＮＲ（前方ＳＩＮＲ）と後方トレーニングシンボルのＳＩＮＲ（後方ＳＩＮＲ）との差から判定することができる。後方トレーニングシンボルに、前回受信時の前方ＳＩＮＲと後方ＳＩＮＲとの差を情報として含ませることにより、伝搬路状況の変動に関する情報を通信相手にフィードバックすることができる。これにより、通信相手は、受信したフィードバック情報に基づいて適したフレームパターンを選択することができる。

図３に、前方ＳＩＮＲと後方ＳＩＮＲとの差、送信フレームパターン、および、シンボルパターンの対応を示す表の一例を示す。図３のシンボルパターンは、後方トレーニングシンボルに情報として含ませるシンボルパターンである。例えば、通信相手から前回受信したフレームにおける前方ＳＩＮＲと後方ＳＩＮＲとの差が１．８ｄＢ以上６．４ｄＢ未満であった場合に、その情報を、フレームパターン２を用いて通信相手にフィードバックする場合は、シンボルパターン"110010101111111001"を、後方トレーニングシンボルに含ませる。通信相手にとっても、図３の対応関係は既知であるため、通信相手は、前回送信した信号の前方ＳＩＮＲと後方ＳＩＮＲとの差の情報を知ることができる。

シンボルパターンは、互いに相関が低くなるようなパターンを選択しておくことにより、高い確度で受信したシンボルパターンを推定することが可能である。

図４は、図１に示したデジタル無線通信装置の要部の概略構成を示す機能ブロック図である。基地局１０および無線端末２０ともに同一の構成を有している。図４に示すデジタル無線通信装置は、アンテナ１００、無線部２００、アナログ／デジタル変換部（ＡＤＣ）３００、メモリ４００、シンボル処理部５００およびデジタル／アナログ変換部（ＤＡＣ）６００を備える。

シンボル処理部５００は、受信部５１０および送信部５３０を備える。シンボル処理部５００は、ＣＰＵ（中央処理装置）等の任意の好適なプロセッサ上で実行されるソフトウェアとして構成したり、各処理に特化した専用のプロセッサ、例えばＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）によって構成したりすることができる。

最初に、受信部５１０について説明する。

受信部５１０は、最大相関タイミング検出部５１１、既知前方トレーニングシンボル記憶部５１２、後方トレーニングシンボルパターン推定部５１３、既知後方トレーニングシンボル記憶部５１４、受信フレームパターン決定部５１５、復調用パラメータ取得部５１６、インフォメーションシンボル復調部５１７、前方トレーニングシンボルパターンＳＩＮＲ解析部５１８、後方トレーニングシンボルパターンＳＩＮＲ解析部５１９および受信品質フィードバック情報生成部５２０を備える。

アンテナ１００から入射した受信信号は、無線部２００で処理された後、ＡＤＣ３００により適時サンプリングされてデジタル信号に変換され、メモリ４００に格納される。

最大相関タイミング検出部５１１は、メモリ４００に格納された最新の受信信号と、既知前方トレーニングシンボル記憶部５１２に記憶されている既知の前方トレーニングシンボルとの相関を比較する。最大相関タイミング検出部５１１は、相関が予め定めた閾値以上になると、受信信号と既知の前方トレーニングシンボルのタイミングを少しずつずらしながら、相関が最大になるタイミングを検出する。

最大相関タイミング検出部５１１は、受信信号のフレームを、前方トレーニングシンボル、後方トレーニングシンボル、および、その間に位置する中間シンボルの３系統に分けて後段に供給する。ここで、中間シンボルとは１つ以上のインフォメーションシンボルを含む構成であり、インフォメーションシンボルが複数の場合は、インフォメーションシンボルとインフォメーションシンボルとの間に挿入トレーニングシンボルが挿入されている構成である。

最大相関タイミング検出部５１１は、前方トレーニングシンボルを、前方トレーニングシンボルパターンＳＩＮＲ解析部５１８に供給し、後方トレーニングシンボルを、後方トレーニングシンボルパターン推定部５１３に供給し、中間シンボルを、復調用パラメータ取得部５１６に供給する。

後方トレーニングシンボルパターン推定部５１３は、受信した後方トレーニングシンボルと、既知後方トレーニングシンボル記憶部５１４に記憶されている既知後方トレーニングシンボルパターンとの相関を比較し、一番相関が強い既知後方トレーニングシンボルパターンが受信したフレームのフレームパターンに対応する後方トレーニングシンボルパターンであると推定する。

受信フレームパターン決定部５１５は、後方トレーニングシンボルパターン推定部５１３が推定した後方トレーニングシンボルパターンから受信フレームパターンを決定する。

復調用パラメータ取得部５１６は、受信フレームパターン決定部５１５から受け取った受信フレームパターンに基づいて、受信したフレームのフレームパターンがフレームパターン１〜４のいずれであるかを判定し、フレームパターン２〜４であった場合は、挿入トレーニングシンボルの位置を特定する。

復調用パラメータ取得部５１６は、前方トレーニングシンボルおよび挿入トレーニングシンボルから等化係数を取得し、インフォメーションシンボル復調部５１７に等化係数を供給する。

インフォメーションシンボル復調部５１７は、それぞれのインフォメーションシンボルを、当該インフォメーションシンボルの直前に配置された、前方トレーニングシンボルまたは挿入トレーニングシンボルから取得した等化係数を用いて復調する。

前方トレーニングシンボルパターンＳＩＮＲ解析部５１８は、受信した前方トレーニングシンボルと、既知前方トレーニングシンボル記憶部５１２に記憶された前方トレーニングシンボルとを比較して、前方ＳＩＮＲを算出する。

後方トレーニングシンボルパターンＳＩＮＲ解析部５１９は、受信した後方トレーニングシンボルと、既知の後方トレーニングシンボルとを比較して、後方ＳＩＮＲを算出する。

受信品質フィードバック情報生成部５２０は、前方ＳＩＮＲと後方ＳＩＮＲとの差から、前方ＳＩＮＲと後方ＳＩＮＲとの差に関するフィードバック情報を生成する。この受信品質フィードバック情報は、次回以降の送信時に用いられる。

続いて、送信部５３０について説明する。

送信部５３０は、送信フレームパターン決定部５３１、インフォメーションシンボル変調部５３２、挿入トレーニングシンボル付与部５３３、後方トレーニングシンボル付与部５３４および前方トレーニングシンボル付与部５３５を備える。

送信フレームパターン決定部５３１は、後方トレーニングシンボルに含まれる、前方ＳＩＮＲと後方ＳＩＮＲとの差に関するフィードバック情報に基づいて次回送信する際に使用するフレームパターンを選択する。

図５に、受け取ったフィードバック情報における前方ＳＩＮＲと後方ＳＩＮＲとの差と、次回送信する際に使用するフレームパターンとの対応の一例を示す。送信フレームパターン決定部５３１は、フィードバック情報として受け取った前方ＳＩＮＲと後方ＳＩＮＲとの差が０ｄＢ以上〜１．８ｄＢ未満である場合はフレームパターン１を、１．８ｄＢ以上〜６．４ｄＢ未満である場合はフレームパターン２を、６．４ｄＢ以上〜１２．９ｄＢ未満である場合はフレームパターン３を、１２．９ｄＢ以上である場合はフレームパターン４を、次回の送信に使用するフレームパターンとして選択する。

インフォメーションシンボル変調部５３２は、送信フレームパターン決定部５３１から受け取ったフレームパターンに応じて、フレーム内にインフォメーションシンボルを振り分けて変調を行う。

挿入トレーニングシンボル付与部５３３は、フレームパターンに応じて、対応する位置に挿入トレーニングシンボルを付与する。

後方トレーニングシンボル付与部５３４は、受信品質フィードバック情報生成部５２０から受け取った前方ＳＩＮＲと後方ＳＩＮＲとの差に関するフィードバック情報と、送信フレームパターン決定部５３１が決定したフレームパターンとの組み合わせに対応する後方トレーニングシンボルパターンを付与する。

前方トレーニングシンボル付与部５３５は、前方トレーニングシンボルを付与する。

前方トレーニングシンボルが付与されたフレームは、ＤＡＣ６００でアナログ信号に変換され、さらに無線部２００で無線信号に変換されてアンテナ１００から送信される。

このように、本実施形態によれば、マルチパスフェージング環境下において、通信装置が高速移動を行うことにより伝搬路状況の変動が大きい場合は、挿入トレーニングシンボルの数を増やし、近い時間に推定した等化係数でインフォメーションシンボルを復調することにより、通信品質およびスループットの低下を軽減することができる。また、通信装置が停止しているか低速で移動していることにより伝搬路状況の変動が小さい場合は、挿入トレーニングシンボルの数を減らし、フレーム内におけるインフォメーションシンボルの割合を増やすことにより、高速なデータ通信を実現することができる。

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、各部材、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、或いは分割したりすることが可能である。

なお、本発明は、無線通信システムとして、ＴＤＤ（Time Division Duplex）のような時分割方式に限定して適用されるものではなく、ＯＦＤＭＡ（Orthogonal Frequency Division Multiple Access）のような通信方式においても適用可能である。

１０ 基地局
２０ 無線端末
１００ アンテナ
２００ 無線部
３００ ＡＤＣ
４００ メモリ
５００ シンボル処理部
５１０ 受信部
５１１ 最大相関タイミング検出部
５１２ 既知前方トレーニングシンボル記憶部
５１３ 後方トレーニングシンボルパターン推定部
５１４ 既知後方トレーニングシンボル記憶部
５１５ 受信フレームパターン決定部
５１６ 復調用パラメータ取得部
５１７ インフォメーションシンボル復調部
５１８ 前方トレーニングシンボルパターンＳＩＮＲ解析部
５１９ 後方トレーニングシンボルパターンＳＩＮＲ解析部
５２０ 受信品質フィードバック情報生成部
５３０ 送信部
５３１ 送信フレームパターン決定部
５３２ インフォメーションシンボル変調部
５３３ 挿入トレーニングシンボル付与部
５３４ 後方トレーニングシンボル付与部
５３５ 前方トレーニングシンボル付与部
６００ ＤＡＣ

Claims (3)

1. フレーム単位でデータを送受信するデジタル無線通信装置であって、
   受信信号のフレームに含まれる２つ以上のトレーニングシンボルから、独立して信号品質を推定する受信部と、
   推定した前記信号品質の差をフィードバック情報として通信相手に送信する送信部とを備え、
   前記受信部は、前記通信相手から当該デジタル無線通信装置が送信した信号の信号品質の差をフィードバック情報として受信し、
   前記送信部は、受信した前記フィードバック情報に基づいて、次回送信するフレームに挿入するトレーニングシンボルの数を決定すること
   を特徴とするデジタル無線通信装置。
2. 請求項１に記載のデジタル無線通信装置であって、前記送信部は、受信した前記フィードバック情報において、当該デジタル無線通信装置の前記信号品質の差が大きい場合は、挿入するトレーニングシンボルの数を多くし、当該デジタル無線通信装置の前記信号品質の差が小さい場合は、挿入するトレーニングシンボルの数を少なくすることを特徴とするデジタル無線通信装置。
3. フレーム単位でデータを送受信するデジタル無線通信装置におけるデジタル無線通信方法であって、前記デジタル無線通信装置が、
   受信信号のフレームに含まれる２つ以上のトレーニングシンボルから、独立して信号品質を推定するステップと、
   推定した前記信号品質の差をフィードバック情報として通信相手に送信するステップと、
   前記通信装置から当該デジタル無線通信装置が送信した信号の信号品質の差をフィードバック情報として受信するステップと、
   受信した前記フィードバック情報に基づいて、次回送信するフレームに挿入するトレーニングシンボルの数を決定するステップとを含むこと特徴とするデジタル無線通信方法。

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