JP4169796B2 - 無線通信システム - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、多搬送波変調技術を利用する無線通信システムに関する。かかるシステムはオーディオ若しくはデータチャネル、又は、両方の組合せを伝搬する。
背景技術
直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）又は離散マルチトーン変調（ＤＭＴ）として公知であるような多搬送波変調（ＭＣＭ）は、１個の高ビットレート搬送波ではなく、数個の低ビットレート搬送波を並列に変調することによってデータが高レートで伝送される技術である。ＭＣＭはスペクトル的に効率的であり、高性能ディジタル無線リンクに有効であることが分かっている。可能なアプリケーション領域には、（高品質オーディオ信号用の）ディジタルオーディオ放送（ＤＡＢ）、コンピュータシステム間の高速、短距離無線リンク用の）ワイヤレス非同期転送モード（ＷＡＴＭ）、並びに、ユニバーサル移動通信システム（ＵＭＴＳ）のような移動無線システムが含まれる。
高データレートで伝送する際の主要な問題は、信号が種々の伝送ルートを経由して受信器に到達する多重路伝搬である。多重路伝搬は、フェージング（信号が破壊的に干渉する場合）又はシンボル間干渉（一方の信号が他方の信号に対し遅延される場合）を生じる可能性がある。ＭＣＭは、本質的にノイズ及び遅延に対し非常にロバスト性が高いので、多重路伝搬によって生ずる問題の殆どを解決することができる。
しかし、ＭＣＭを用いたとしても一部の問題は残されたままである。極度のフェードは一部のデータが失われるのに充分な期間に亘って１個以上の搬送波に影響を与えるので、データの完全性を維持するため、システムに冗長性が導入される。このための一つの手段は、４種類の基本的な形式を用いるダイバーシチとして公知である。
１．空間ダイバーシチ：同時に全てのアンテナに影響を与える
フェードの生じる可能性を減少させる目的で２本以上のアンテナを使用する。
２．時間ダイバーシチ：全てのデータのコピーに影響を与える時間的に変化するフェードが生ずる可能性を減少させる目的で、データの１個以上の付加的なコピーを、コピー間に時間遅延を与えて伝送する。
３．周波数ダイバーシチ：全ての周波数に同時に影響を与える
フェードが生ずる可能性を減少させるため、２個以上の周波数で伝送する。
４．符号化ダイバーシチ：誤り訂正符号をデータに付加する。符号化されたデータの１個のコピーしか伝送されない場合でも、データの一時的な損失に対処するため、十分な補助的な情報が符号化される。
米国特許明細書第5,283,780号には、符号化ダイバーシチの外延が記載され、多数のオーディオチャネルを同時に伝送することが扱われている。各チャネルには誤り訂正符号化が付加され、一方の搬送波から次の搬送波に定期的に切り換えられるので、周波数選択性フェードだけが各チャネル毎に伝送されたデータの一部分に影響を与える。
データのそのままの反復並びに誤り符号化の付加は、データを伝送するため必要とされる帯域幅を増大させる欠点がある。
発明の概要
本発明の目的は、多搬送波システムの性能を向上させることである。
本発明の一面によれば、複数の部分により構成されるデータストリームを供給する局を含む２個以上の局の間でデータを伝送する多搬送波変調を用いて無線通信システムを動作させる方法が提供され、この方法は、異なる形式のダイバーシチを上記部分の中の少なくとも２個の部分に適用し、ダイバーシチ手段の選択はデータの重要性又は伝送チャネルの品質に応じて動的になされることを特徴とする。
本発明の第２の面によれば、入力ビットストリームをシンボルに変換する変換手段と、各入力シンボルの１個以上のコピーを発生させる反復手段と、データストリーム内のシンボルを並び換えるインターリーブ手段と、無線チャネルを介した伝送に適するデータストリームを発生させる変調手段と、多数の周波数で変調された搬送波を発生させる手段と、送信手段とを有する送信機が提供され、この送信機は、データの重要性又は伝送チャネルの品質に応じて適用されるダイバーシチ手段を動的に変更する手段が設けられていることを特徴とする。
本発明の第３の面によれば、多数の周波数で信号を受信する受信手段と、多数の周波数で変調された搬送波から変調されたデータを取り出す手段と、送信されたデータからデータストリームを取り出す復調手段と、データストリーム内のシンボルを並び換える逆インターリーブ手段と、シンボルの１個以上の送信されたコピーから１個の出力シンボルを発生させる合成手段と、シンボルストリームから出力ビットストリームを発生させる変換手段とを有する受信機が提供され、この受信機は、送信のため使用されたダイバーシチ手段に対応するため適用されるダイバーシチ手段を動的に変更する手段が設けられていることを特徴とする。
本発明が依拠する認識であって、従来技術の中には見られない認識は、伝送される全てのデータが必ずしも同程度の保護を必要としないので、システムが実施するダイバーシチは変更し得ることが望ましいということである。
本発明によれば、多搬送波変調を使用する無線通信システムは、例えば、伝送される情報の重要性及び無線チャネルの状態に依存して、伝送されるべきデータの構成部分に対しダイバーシチを可変的に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
以下、添付図面を参照して、例を用いて本発明を説明する。図面中、
図１は本発明によるシステムのブロック構成図であり、
図２は本発明に従って構成された送信機の一実施例のブロック構成図であり、
図３は本発明に従って構成された受信機の一実施例のブロック構成図である。
本発明の実施態様
図１に示されたシステムは二つの局１０２及び１０４により構成され、各局はトランシーバを含み、局間には双方向無線通信リンクが設けられる。
図２に示された送信機は、入力ビットストリームを処理し、ＭＣＭ技術を用いてその入力ビットストリームを放送する。入力ビットストリームは送信されるべきデータによって構成され、ロバスト性を高めるため、選択的に誤り訂正符号が付加される。このビットストリームは、最初に変換器２０２に与えられ、変換器２０２は更なる処理のため要求される入力シンボルのストリームを生成する。制御ブロック２２８は、生成された入力シンボルが送信のため使用される変調スキームに適切であることを保証する。例えば、直角位相シフトキーイング（ＱＰＳＫ）を使用すべき場合には、２ビットシンボルの生成が保証される。制御ブロックは、ダイバーシチがどのように適用されたかを詳細に示す情報をデータストリームに付加してもよい。
シンボル反復器２０４は、この入力シンボルのストリームを取得し、制御ブロック２２９からの命令に従って各シンボルを１回以上出力する（これにより、データストリームの異なる部分に対し異なる量のダイバーシチを実現することができる）。要求に応じて、セキュリティ上の理由から、入力シンボルのストリームは、選択的な暗号化ブロック２０６によって暗号化される。暗号化ブロック２０６が設けられた場合、暗号化ブロックは制御ブロック２２８からの命令に従って動作する。
マルチプレクサ２０８は、Ｎ₁個のシンボルの直列ストリームを入力として取得し、各シンボルをＮ₁本の並列出力ラインの中の１本のライン上に出力する。制御ブロック２２８はブロックサイズを変更してもよく、要求される出力ライン数が少ない場合、ビットストリームはＮ₁個未満のシンボルで構成することができる。インターリーブ器２１０は、制御ブロック２２８からの命令に従って、シンボルを並べ換え、並べ換えられたシンボルを出力データラインに供給する。出力シンボルは、デマルチプレクサ２１２によって直列シンボルに再構成される。
次に、マルチプレクサ２１４は、Ｎ₂個のシンボルの直列ストリームを入力として受け、各シンボルをＮ₂本の並列出力ラインの中の１本のライン上に出力する。制御ブロック２２８はブロックサイズを変更してもよく、要求される出力ライン数が少ない場合、ビットストリームはＮ₂個未満のシンボルで構成することができる。尚、Ｎ₁＝Ｎ₂の場合には、デマルチプレクサ２１２及びマルチプレクサ２１４は省略できることに注意する必要がある。
マルチプレクサ２１４（Ｎ₁＝Ｎ₂の場合にはインターリーブ器２１０）からの各出力データライン上のシンボルは、変調器２１６によって変調される。変調器２１６における変調方法（例えば、ＱＰＳＫ）は制御ブロック２２８によって制御され、制御ブロック２２８は、変調方法が変換器２０２によって生成されたシンボルに適切であることを保証する。要求に応じて、例えば、送信機から異なる距離の多数のユーザにサービスを提供するシステムの場合、各シンボルを送信するため使用される電力レベルは、選択的な電力コントローラブロック２１８により調節することができる。次に、変調されたデータは、デマルチプレクサ２２２により直列データストリームに再編成される前に、ＩＦＦＴブロック２２０によって逆高速フーリエ変換を受ける。
データストリームが伝送に適するために、シンボル拡張ブロック２２４によって、シンボル間干渉を防止するため、巡回拡張部（ガードインタバルとも処される）が付加され、パルス成形が行われる。シンボル拡張ブロック２２４によって使用される技術は、例えば、M.Alard及びR.Lassalle著の“Principles of Modulation and Channel Coding for Digital Broadcasting for Mobile Receivers”，EBU Review-Technical, August 1987, pp.168-190に記載されているように公知である。
最後に、信号は無線放送手段２２６に送られる。
制御ブロック２２８の基本的な役割は、入力データストリームの構成部分を識別すること、例えば、宛先情報と他の制御情報を識別することである。この情報は、伝送チャネルの品質に関して獲得された他の情報と共に、データストリームの構成部分に適用されるべきダイバーシチの程度と、適切な変調スキームを使用する周波数スロットとを決めることができる。
制御ブロック２２８は、システムの挙動を変更するため使用され得る最大３個までの調節可能な数量を利用することができる。
１．第１の数量は入力シンボルのビット数ｍである。ｍビットを符号化するシンボルは２^m個の状態を有する。
２．第２の数量はデータブロックサイズｎ₁である。このサイズは、マルチプレクサ２０８の並列出力ラインの本数Ｎ₁を超えられない。
３．第３の数量はＭＣＭシンボルサイズｎ₂である。このサイズは伝送される搬送波の個数とも一致する。このサイズは、マルチプレクサ２１４の並列出力ラインの本数Ｎ₂を超えられない。
変調器２１６のための変調スキームの選択は、要求される入力シンボルの数ｍを決める。
殆どのアプリケーションにおいて、データブロックサイズｎ₁は、ＭＣＭシンボルサイズｎ₂の整数倍である。ｎ₁＝ｋ×ｎ₂である場合、１個のデータブロックはｋ個のＭＣＭ伝送周期で伝送される。したがって、ｋ＞１である場合、デマルチプレクサ２１２からの出力でｎ₂個よりも多数個に分割されるシンボルが異なるじかんに伝送されるので、制御ブロックは時間ダイバーシチを利用することができる。これは、インターリーブ器２１０によって使用されるアルゴリズムを制御することにより実現される。
ＩＦＦＴブロック２２０の異なる入力ラインに供給されるデータは、異なる搬送周波数で変調されて伝送される（例えば、J.A.C.Binghamによる“Multicarrier Modulation for Data Transmission: An Idea Whose Time Has Come”，IEEE Communications Magazine, May 1990, pp.5-14に記載されている）。したがって、制御ブロックは、インターリーブ器２１０により使用されるアルゴリズムを制御することにより周波数ダイバーシチを実現することができるので、反復器２０４によって生成されたデータのコピーは、ＩＦＦＴブロックへの異なる入力ラインに現れる。
図３に示された受信機は、放送ＭＣＭ信号を受信し、送信機への入力として与えられたビットストリームを再生するため放送ＭＣＭ信号を処理する。無線受信手段３０２は複素時間域波形を発生し、シンボル復元ブロック３０４は、その波形から送信機によって付加された巡回拡張部を除去する。この波形は、次に、マルチプレクサ３０６に入力として供給され、マルチプレクサ３０６は、１個のＭＣＭシンボルを伝送するため要する時間に対応する波形の一部分を取得し、その波形の一部分をＮ₂個のサンプルに分離する。分離された各サンプルは、Ｎ₂本の並列出力ラインの中の１本のラインに供給される。制御ブロック３２６はブロックサイズを変更することが可能であり、波形は、実際に伝送された搬送波の数に一致するようにＮ₂個未満の個数のサンプルに分離される。
サンプルは、次に、高速フーリエ変換を適用するためＦＦＴブロック３０８に供給され、ＦＦＴブロックは各出力ラインに変調されたデータを発生する。データはシンボル復調ブロック３１０によって復調される。シンボル復調ブロック３１０における復調方法は、送信の際に使用された方法と一致するように制御ブロック３２６によって制御される。出力シンボル（勿論、伝送誤りに起因して間違いを含む場合がある）は、次に、デマルチプレクサ３１２によって直列ストリームに再編成される。
マルチプレクサ３１４は、Ｎ₁個のシンボルのストリームを入力として取得し、各シンボルをＮ₁本の並列出力ラインの中の１本のライン上に出力する。制御ブロック３２６は、送信のため使用されたデータブロックサイズに一致するようにブロックサイズを変更することができる。出力シンボルは逆インターリーブ器３１６に供給され、逆インターリーブ器３１６は、送信時と同じアルゴリズムを使用する制御ブロック３２６の命令に従って、出力シンボルを並び換え、出力ラインに供給する。結果として得られたシンボルの組は、デマルチプレクサ３１８によって直列ストリームに再編成される。
送信機の場合と同様に、Ｎ₁＝Ｎ₂であるとき、デマルチプレクサ３１２及びマルチプレクサ３１４は省略してもよく、復調器３１０からの出力が逆インターリーブ器３１６への入力としてそのまま使用される。
送信の際に暗号化が行われている場合、直列シンボルストリームは暗号解読ブロック３２０によって処理される。
生成され、周波数ダイバーシチ或いは時間ダイバーシチを用いて送信されたシンボルの多数のコピーは、合成器３２２に入力として供給される直列シンボルストリーム内で相互に隣接する。合成器３２２は、シンボルに対する正しい値を決めるため、各種の技術を使用することができる。一例として、異なる搬送波上で同じ時間に送信されたデータのｎ個のコピーを用いる差動位相シフトキーイング（ＤＰＳＫ）の場合、合成された複素シンボルは、

から決定され得る。式中、Ｒｅ（ｘ）は、ｘの実部を表し、ｘ_i（ｔ）は時点ｔでチャネルｉから受信された位相を表し、ｘ_i（ｔ−１）は先行のシンボルから受信された位相の複素共役を表し、ｇ_i ²は、決定を最適化するように選択されたスケーリング率を表す。受信されたデータはｄ（ｔ）の位相を１個以上の閾値と比較することにより決定される。
最後に、変換器３２４は、供給されたシンボルのストリームから所望の出力ビットストリームを再生し、制御ブロック３２６は使用されるシンボルに対し適切な変換が行われることを保証する。
本発明に従って構成されたＭＣＭシステムの実際の動作を更に考察するため、以下では２通りの例について説明する。
第１の例は、ＷＡＴＭのような高ビットレート室内通信システムの例である。チャネルは定常的であるか、或いは、緩やかに変化し、入力データはインターリーブ処理の深さの利点が得られる程度に長い符号語を用いるチャネル符号化によって保護される場合を考える。時間ダイバーシチは有効ではないと考えられる。個のシステムに対するパラメータは以下の通りである。
搬送波数Ｎ₂＝１６
巡回拡張部 ２サンプル
送信機側の有効サンプリングレート＝２０ＭＨｚ
ＯＦＤＭシンボル期間＝０．９μｓ
変調ＤＱＰＳＫ、変換器は２ビットを１シンボルに合成
総ビットレート ２×１６／０．９ｅ−６＝３５．５６Ｍｂｐｓ
以下の３種類の動作モードを想定する。適切なモードは、各搬送波の信号レベル及びデータ品質を検査することにより決定される。必要なシグナリングは、最適な動作モードを確立するため（良好に保護されたチャネルを用いて）実施され得る。
１．良好な条件下で有意な多重路フェージングが存在しない場合、ダイバーシティは要求されない。データは（チャネル符号化によって変更されたような）総ビットレートで伝送される。インターリーブ処理の利点は無いので、Ｎ₁＝Ｎ₂に設定される。ブロック２１０、２１２及び２１４は必要とされないので、処理能力を節約するためバイパスしても構わない。
２．悪い条件下で周波数ダイバーシチが（本例では全てのデータに）適用される。本例の場合、全シンボルが１回ずつ反復される。この場合も、Ｎ₁＝Ｎ₂に設定される。固定ブロックのインターリーブ処理が、反復されたシンボルをＮ₁／２で分離するため適用される。実際上、これ以外にシンボル順序の並び換えを行う必要がない。伝送レートは、第１の動作モードよりも２倍だけ低下される。
インターリーブ処理されたシンボルの順序は、１，３，５，．．．，Ｎ₁−１，２，４，６，．．．，Ｎになる。
３．ある種の条件下で、固定ダイバーシチ分離は有効ではない。このような条件の一例は、周波数域におけるチャネル伝達関数がダイバーシチ分離（又はその倍数）に一致する周期の周期性を有する場合である。この条件は、例えば、チャネルが、ダイバーシチ間隔の逆数（又は、ダイバーシチ間隔の逆数の倍数）に一致する遅延差を偶然に有する２個の支配的な伝搬路を含む場合に起こり得る。本例では、Ｎ₁を増加させてもよく、例えば、Ｎ₁＝８×Ｎ₂である。インターリーブ器２１０は、反復シンボルのダイバーシチ分離が一致せず、ＯＦＤＭシンボル毎に変化するように構成してもよい。伝送レートは第２の動作モードの伝送レートと同じである。Ｎ₂個のインターリーブ処理されたシンボルの第１のブロックの順序は、第２の動作モードと同じでもよい。巡回シフトがデータの一部に適用される場合、第２のブロックの順序は、例えば、１，３，５，７，９，１１，１３，１５，６，８，１０，１２，１４，１６，２，４になる。
第２の例は移動無線システムの場合の例である。この場合、チャネルは急速に変化してもよいので、時間ダイバーシチが有効である。
音声通信のため使用されるダウンリンクを最初に想定する。システムへの入力データは、単一のデータストリームに多重化された種々のユーザからの符号化された音声を含む。一例として、各音声に対し、一部のビットのフレームエラーが音声品質の観点から重要ではない場合（例えば、ＧＳＭフルレートコーデックはこの特性を有する）を想定する。チャネル符号化は最上位ビットだけに適用される。
音声コーデックのパラメータは以下の通りである。
ビットレート＝８ｋｂｐｓ
上位ビットの端数＝０．５
上位ビットに適用される符号化レート＝２／３
（符号化された）上位ビットのビットレート＝６ｋｂｐｓ
（符号化されない）下位ビットのビットレート＝４ｋｂｐｓ
伝送システムのパラメータは以下の通りである。
搬送波数Ｎ₂＝５１２
巡回拡張部 １００サンプル
送信機側の有効サンプリングレート＝２０ＭＨｚ
ＯＦＤＭシンボル期間＝３０．６μｓ
変調ＤＱＰＳＫ、変換器は２ビットを１シンボルに合成
総ビットレート ２×５１２／０．６ｅ−６＝３３．４６Ｍｂｐｓ
本システムは、理論的に、約３３００個の音声チャネルをサポートすることができる。本例では、反復器２０４は、符号化された上位ビットを含むシンボルだけを１回ずつ反復する。
最初にダウンリンクを想定する。時間及び周波数の両方のダイバーシチが移動中の端末の多重路フェージングへの耐性を実現するため適用される。本例では、両方のダイバーシチが考慮される。本例において、Ｎ₁＞Ｎ₂であり、例えば、Ｎ₁＝８×Ｎ₂であり、インターリーブ器２１０は、反復されたビットレートが時間及び周波数に関して分離されるように構成される。本例では、データの時間及び周波数域の間隔が均一である点を除いて、１２８×３２ブロックのインターリーブ器が適切である。均一ではない間隔は、１２８×３２要素のマトリックス内の行及び列の巡回シフトによって実現され得る。
次に、アップリンクを想定する。この場合、総ビットレートは非常に小さい（すなわち、一人のユーザからの音声である）。このため、及び、（電力消費の節約のような）種々の他の実際的な理由から、制限された数の隣接した搬送波を用いて伝送することが望ましい。入力ストリームには、（少なくとも概念的に）ヌルデータが詰め込まれ、この場合、変調器２１６からの出力は、望ましい搬送波を除いて、零である。インターリーブ器２１０は、決められた間隔で周波数に関して分離された少数のシンボルブロック（例えば、２個）を生成するように構成される。反復されるシンボルは、周波数ダイバーシチを実現するため、種々のブロックに配置される。
一例として、音声コーデックは、１００シンボル（チャネル符号化を含む２００ビット）からなる２０ｍｓのフレームでデータを送出する。上位シンボルの反復後、これは１６０シンボルになり、８０シンボルずつの二つのグループで伝送され得る。これらのシンボルのグループの周波数域における場所は、連続的なフレームの間に変化し得る。
本明細書の開示を読むことにより、当業者には他の変形が明らかになるであろう。このような変形には、無線通信システム並びに無線システムの構成部品の設計、製造及び使用とにおいて公知である他の特徴が含まれ、これらの特徴は、本明細書に記載された特徴の代わりに、或いは、本明細書に記載された特徴に加えて使用することができる。
産業上の利用性
本発明は、ディジタルオーディオ放送、ワイヤレスＡＴＭ及び将来の移動無線システムを含む広い範囲の産業上利用性がある。

Claims (8)

1. ビットストリームをシンボルに変換し；
   前記シンボルを異なる周波数の複数の搬送波に変調し；
   前記複数の搬送波を伝送する；
   ことを有する、データを伝送する方法であって：
   前記シンボルの少なくともいくつかの１つ以上のコピーを生成し；
   インターリーブ処理アルゴリズムを適用することにより、前記コピーを含む前記シンボルを並び換え；
   前記シンボル及び該シンボルのそれぞれのコピーの周波数域での分離が時間的に変化するように、前記インターリーブ処理アルゴリズムを変更する；
   ことを特徴とする方法。
2. 前記シンボル及び該シンボルのそれぞれのコピーの時間域での分離が時間的に変化するように、前記インターリーブ処理アルゴリズムを変更することを更に有する、請求項１に記載の方法。
3. 伝送される搬送波の数が時間的に変化するように、シンボル毎のデータビット数を変更することを更に有する、請求項１又は２に記載の方法。
4. 入力ビットストリームをシンボルに変換する変換手段と；
   前記シンボルを異なる周波数の複数の搬送波に変調する変調手段と；
   前記複数の搬送波を伝送する伝送手段と；
   を有する送信機であって：
   前記シンボルの少なくともいくつかの１つ以上のコピーを生成する反復手段と；
   インターリーブ処理アルゴリズムを適用することにより、前記コピーを含む前記シンボルを並び換えるインターリーブ手段と；
   前記シンボル及び該シンボルのそれぞれのコピーの周波数域での分離が時間的に変化するように、前記インターリーブ処理アルゴリズムを変更する制御手段と；
   を有することを特徴とする送信機。
5. 前記シンボル及び該シンボルのそれぞれのコピーの時間域での分離が時間的に変化するように、前記インターリーブ処理アルゴリズムを変更する手段を更に有する、請求項４に記載の送信機。
6. 伝送される搬送波の数が時間的に変化するように、シンボル毎のデータビット数を変更する手段を更に有する、請求項４又は５に記載の送信機。
7. シンボルで変調された異なる周波数で複数の搬送波を受信する受信手段と；
   前記受信した搬送波から前記シンボルを取り出す復調手段と；
   前記取り出されたシンボルをビットストリームに変換する変換手段と；
   を有する受信機であって：
   逆インターリーブ処理アルゴリズムに従って前記取り出されたシンボルを並び換える逆インターリーブ手段と；
   前記逆インターリーブされたシンボルの少なくともいくつかの伝送されたバージョンを合成することにより、１つの出力シンボルを生成する合成手段と；
   変化する量だけ周波数域で分離されたシンボル及び該シンボルのそれぞれのコピーが前記合成手段により合成されるように、前記逆インターリーブ処理アルゴリズムを変更する制御手段と；
   を有することを特徴とする受信機。
8. 変化する量だけ時間域で分離されたシンボル及び該シンボルのそれぞれのコピーが前記合成手段により合成されるように、前記逆インターリーブ処理アルゴリズムを変更する手段を有する、請求項７に記載の受信機。

Images