JP4298918B2 - データを無線通信網でデジタル伝送する方法およびこの方法により伝送されるデータを受信するための受信装置 - Google Patents
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Description
本発明は、データを無線通信網でデジタル伝送する方法に関し、この方法ではチャネルの設定バンド幅内で制御通信が、マスタ局から全ての加入者へ(ダウンリンク)設定された信号フレームを用いて行われ、該信号フレームの開始は加入者により検知可能な専用のフレーム同期信号により表される。
【0002】
本発明はさらに、前記の方法に従って伝送されたデータの受信装置に関する。
【0003】
既に実現されたデジタルデータ伝送システム、例えばDAB(Digital Audio Broadcast)またはDVB(Digital Video Broadcast)はOFDM変調に基づく(Waechter: "Das Uebertragungsverfahren des zukuenftigen digitalen Hoerrundfunks", Der Fernmeldeingenieur 11, 12/92, pp.1-43; Engels, Rohling, Breide: "OFDM-Uebertragungsverfharen fuer den digitalen Fernsehrundfunk" Rundfunktechnische Mitteilung 1993, pp.260-270)。伝送フレームの検知を可能にするため、これらのシステムではいわゆるゼロシンボルが使用される。すなわち電力が送信されないか、または非常に小さな電力しか送信されない。このような純粋な分散サービスではゼロシンボルは一度だけであり、したがって受信器での検知は簡単で一義的である。
【0004】
WO97/29568Aに、周波数同期および時同期が開示されている。ここではエネルギーのないゼロシンボルの組合せ、異なる周波数で信号を有する2つのシンボルS1,S2が周波数オフセットと時間ずれの検出に使用され、2つのシンボルS3とS4がシンボル同期化に使用される。周波数状態と時間ずれは最尤度推定によって検出される。この最尤度推定は、複雑なデジタル信号処理ととりわけ乗算とを含んでいる。
【0005】
Nogami H. et al: "A frequency and timing period acquisition technique for OFDM systems" IEICE Transactions on Communications, Japan, Band E 97-B, No.8 1.August 1996, pp.1135-1146 には、周波数同期および時同期のためのゼロシンボルとパイロットの組合せが説明されている。ゼロシンボルは最初の粗い時同期に用いる。パイロットは周波数シーケンスを有しており、このシーケンスでは信号エネルギーが伝送される。このシーケンスは擬似ランダムシーケンスである。
【0006】
EP0722235Aには、相関により信号S0への時同期が達成されることが記載されており、この信号は周波数の擬似ランダムシーケンスにおいて信号エネルギーを有する。このために基準タイミング発生器62が使用される(列18,18〜24行)。信号S0はさらに周波数同期のために使用され、ここで信号S0は周波数に依存して対称性エネルギー分布を有する。識別された非対称性が周波数についてのエラー同期を指示する。
【0007】
Schmidl T.M.et al: "Low-Overhead, Low Complexity Burst Synchronisation for OFDM", 1996, IEEE International Conference on Communication (ICC), converting technologies for tomorrows applications, Dallas, Jun 23-27, 1996, Band 3, pp.1301-1306 には、パイロットが時間的に2つの同じ半分に分割される時同期が記載されている。信号エネルギーは擬似ランダムシーケンスにより偶数周波数に分散され、奇数周波数はエネルギーがないままである。最初の半分の信号値を、第2の半分の相応する信号値の共役複素数と乗算し、続いてこの積を加算することにより、D4の後に中間結果が得られ、これが第2の半分の信号エネルギーにより除算される。最大値を探索することにより時同期が達成される。
【0008】
さらに同期目的のためにシンボルを伝送することが公知である。このシンボルは、その相関特性に基づき、とりわけ自己相関特性に基づき、受信器で相関技術により検知可能である(例えばDE4319216A1参照)。相関技術の欠点は、多くの複雑な乗算のために受信器での実現が比較的面倒であり、多くの電力を消費することである。
【0009】
伝送チャネルを基地局と移動ユーザにより交互に占有することのできる通信システム(これは例えば移動無線システムに当てはまる)では、純粋な分散サービスには適するゼロシンボルがフレーム同期に対して一義的ではない。なぜなら、基地局から伝送チャネルへの伝送(ダウンリンク)開始前と、移動加入者から伝送チャネルへの伝送(アップリンク)開始時に、送信電力のないトランシーバー・ターンアラウンド・インターバルが発生し、さらにアップリングシグナリングのためのタイムスロットが必ずしも占有されないからである。なぜなら加入者が一部では偶然的アクセスで伝送チャネルにアクセスするからである。
【0010】
フレーム開始の検知はとりわけ無線TDMA(Time division multiple access)−TDD(time division duplex)マルチ搬送波伝送システムでは重要であり、2つのダウンリンクフェーズ間の持続時間(フレーム持続時間)は、加入者の多重アクセスをダインリンクを介してフレキシブルに編成するため可変であるから、これまで相関技術の欠点を甘受していた。
【0011】
これに対し本発明の課題は、フレーム開始、とりわけダウンリングフェーズの開始を簡単に識別できるように構成することである。
【0012】
この課題から出発し、冒頭に述べた形式の方法は本発明により、バンド幅の第1の部分領域を送信信号により占有し、バンド幅の別の相補的部分領域を送信信号により占有しないことをフレーム同期信号として使用し、部分領域を相互に分離するように構成される。
【0013】
したがって本発明の方法では、特別の周波数パターンが各送信フレームの開始時に伝送され、受信装置で検知されるようなフレーム伝送が行われる。周波数パターンは、バンド幅の少なくとも部分領域を送信信号により所定のように占有し、バンド幅の少なくとも相補的部分領域を送信信号により占有しないことによって形成される。
【0014】
本発明の最も簡単で有利な実施例では、バンド幅の半分が送信信号により占有され、バンド幅の別の半分には送信信号がない。このようなパターンはOFDMシステムにおいて、使用されるN個のサブ搬送波のうち、上側または下側のN/2のサブ搬送波振幅をゼロにセットすることにより簡単に形成される。
【0015】
本発明のフレーム同期信号は、検知装置を有する本発明の受信装置において検知される。この検知装置は、中間周波バンドを部分領域に分配するためのフィルタ装置と、部分領域で受信された送信エネルギーを比較するための比較装置とを有する。このような受信装置の構成は、僅かなハードウエアコストで可能であり、所要の電力に関して問題なしに最適化される。とりわけ受信装置は、相関技術のように常時複雑な乗算機能を実行し、フレーム同期信号を識別する必要がない。むしろ本発明の受信装置では、受信装置の電流供給を電流節約モードで行い、検知装置によるフレーム同期信号の検知に依存して、全電気エネルギーが信号フレーム内のダウンリンク信号の評価のために必要であるときに全駆動状態に切り換えることができる。
【0016】
本発明の枠内では、送信信号により占有された部分領域に均等の振幅分布を実現すると有利である。したがってN個のサブ搬送波をOFDMシステムで使用する場合には、送信信号に対して占有されたN/2のサブ搬送波の位相と振幅を次のように選択する。すなわち一方ではエネルギーができるだけ均等に全ての占有サブ搬送波に分散されるように選択し、これにより無線チャネルの周波数選択性障害に対する感度を最小にする。他方では生じる時間信号ができるだけ一定のエンベロープを有するように選択し、これにより非線形送信増幅器による問題を回避するのである。
【0017】
本発明により構成されたフレーム同期信号はここで考察するシステムに対して一義的である。なぜなら他の全てのシンボルが均等な電力分布を使用されるサブ搬送波にわたって有しているからである。このことはゼロシンボルに対しても当てはまる。したがって占有された、または占有されていない部分領域での電力差の評価によって、フレーム同期信号を識別することができる。電力差の評価はアナログまたはデジタルで行うことができる。
【0018】
本発明のフレーム同期信号を送信するマスタ局は規則的に移動無線網の基地局とすることができる。しかし加入者が基地局を介さないで直接相互に通信する通信網で、加入者に持続的または一時的にマスタ機能を割り当て、これによりこの加入者が本発明の意味でのマスタ局となることもできる。
【0019】
本発明を以下、図面に示された実施例に基づき詳細に説明する。
【0020】
図1は、本発明の方法のデータ構造の例を示す図である。
【0021】
図2は、ダウンリンク信号の信号構造の例を示す図である。
【0022】
図3は、OFDM伝送に対する本発明のフレーム同期信号の概略図である。
【0023】
図4は、OFDM信号に対する受信器の構造を示す基本図である。
【0024】
図5は、本発明のフレーム同期信号を識別するための検知回路のブロック回路図である。
【0025】
図6は、付加的にゼロ信号を識別するための、図5の検知回路の変形実施例を示すブロック回路図である。
【0026】
図7は、フレーム同期信号に対する評価回路の実施例の概略図である。
【0027】
図8は、フレーム同期信号に対する評価回路の第2実施例の概略図である。
【0028】
図9は、フレーム同期信号に対する評価回路の第3実施例の概略図である。
【0029】
図10は、本発明のフレーム同期信号の別の実施例を示す線図である。
【0030】
図1では、基地局と多数の通信加入者間で、例えば移動無線網で通信するための信号フレーム1が示されている。この信号フレーム1はダウンリンクフェーズ2とアップリンクフェーズ3からなり、ダウンリンクフェーズではダウンリンク信号DSとDCが基地局から無線伝送チャネルを介して加入者に送信される。アップリンクフェーズでは、アップリンク信号UCとUSが加入者から伝送チャネルを介して基地局へ伝送される。
【0031】
図1には、ダウンリンクフェーズ2とアップリンクフェーズの開始前に送信エネルギーのない短いインターバル4が示されている。このインターバルは機器を送信動作と受信動作との間で切り換えることにより生じる(トランシーバー・ターンアラウンド・インターバル)。この送信エネルギーのないインターバルは、通常はフレーム同期信号として使用されるゼロ信号を曖昧にする。
【0032】
伝送チャネルでの通信の編成は、ダウンリンク信号DCをダウンリンクフェーズ2で送信することにより基地局で行われる。この基地局により、個々の加入者にはアップリンクフェーズ3中にデータを伝送するためのタイムスロットが割り当てられる。アップリンクフェーズ3で加入者はさらに基地局に場合により送信希望を通知し、この送信希望は次のダウンリンクフェーズ2での割り当ての際に考慮される。
【0033】
図2は、ダウンリンクフェーズ2でのダウンリンク信号の詳細を示す。このダウンリンクフェーズは切り換えインターバル4に続いている。ダウンリンク信号はダウンリンクフェーズ2でフレーム同期信号5により開始する。このフレーム同期信号は本発明により下に詳細に説明する実施例にしたがって構成することができる。次にプレアンブル6と2つのOFDMシンボル7が微同期のために続いている。これにそれぞれ必要な数のデータパケット8が続き、このようにしてダウンリンクフェーズ2の長さは可変である。
【0034】
フレーム同期信号5の実施例が図3に示されている。
【0035】
横軸にはOFDM信号のサブ搬送波に対するNの周波数が離散的に均等の間隔でプロットされており、これらのうちそれぞれN/2のサブ搬送波が主搬送波周波数の正の側と負の側にある。
【0036】
図示の実施例では、負側(n)にあるN/2のサブ搬送波は遮断されている。すなわち信号エネルギーがない。これに対し、正側(p)にあるN/2のサブ搬送波は相互に同じ振幅でフレーム同期信号を形成するため伝送される。
【0037】
図4は、OFDM受信信号に対する受信装置の基本構造を示す。受信信号は増幅器10で増幅され、バンドパスフィルタ11により予ろ波される。第1の基準周波数fref1が供給されるミクサ段12で受信信号は中間周波数に逓低され、続いてバンドパスフィルタ13によりさらにろ波され、引き続き分岐段14で分割される。分岐段14の一方の出力分岐路は別のミクサ段15の入力側と接続されている。この別のミクサ段には第2の基準周波数fref2が供給される。このようにしてベースバンドに混合された信号はA/D変換器16を介して一方ではOFDM復調器17に、他方では同期ユニット18に達する。同期ユニット18はブロック同期、クロック同期、および周波数同期を行う。OFDM復調器17と同期ユニット18の機能経過は制御ユニット19により制御される。
【0038】
分岐段14の他方の出力は、フレーム同期信号を識別するための検知装置20に達する。検知装置20は出力信号を形成し、この出力信号により制御ユニット19にはフレームシンボルの発生事実と発生時点が通知される。これに基づき制御ユニット19は命令を同期ユニット18に出力し、同期ユニットは精確な同期を実行する。これが行われたなら、同期ユニット18は周波数偏差とブロック開始を介して検出されたデータをOFDM変調器17に引き渡す。OFDM復調器は続いて信号を復調し、出力側に受信されたデータシーケンスを送出する。
【0039】
ここに示したフレーム同期信号のアナログ検知の実施例は、これが他のデジタル信号処理にまったく依存しないで実行できるという利点を有する。フレーム開始の識別は(相関の場合のように)、チャネルのアクティブ監視によって行われるのではない。そうではなく、フレームシンボルの発生時にイベントがトリガされる。すなわち受信装置はパッシブであり、フレーム同期信号によって通知される。したがって本発明の方法は、受信装置を電流節約モードから呼び起こすのにも使用できる。このことによりエネルギー効率の良い移動加入者端末機が実現できる。
【0040】
図5には検知装置20の構造が示されており、この検知装置には分岐段14の出力側で分岐された中間周波信号が供給される。この入力信号は2つの分岐路に分割される。この分岐路はそれぞれ、バンドパスフィルタ21,22、後置接続された二乗器23,24、および後置接続されたローパスフィルタ25,26を有する。バンドパスフィルタ21は上側周波数バンド(p)を取り出しろ波し、バンドパスフィルタ22は下側周波数バンド(n)を取り出しろ波する。2つのろ波された信号成分は非線形に二乗器23,24によってベースバンドに混合され、ローパスフィルタ25,26によりろ波される。それぞれの分岐路で得られた信号は受信エネルギーに時間窓t0内で比例する。この時間窓はローパスフィルタ25,26のバンド幅によって可変に調整することができる。比較装置27では、このようにして形成された信号sp(t)とsn(t)とが比較される。十分に大きな差があれば、フレーム同期信号の受信が推定される。図6に示した検知装置20’は信号sp(t)とsn(t)を形成するために、同じ構成素子21〜26を有し、フレーム同期信号に対しても図3と同じ比較装置27を有する。
【0041】
ここでは付加的に加算段28が設けられており、この加算段で2つの信号sp(t)とsn(t)が加算され、評価装置29でゼロ信号の識別のために検知される。すなわち加算段28の出力側の和がノイズ強度より僅かに上にある閾値より小さければ、ゼロ信号が推定される。フレーム検知信号が識別されると比較装置27が正の出力信号を出力し、ゼロ信号が識別されると評価装置29が正の出力信号を出力する。出力信号の一方を適切に遅延することで、AND段30はフレーム識別信号d(t)を制御装置19に出力する。
【0042】
2つの識別基準を信号フレーム1の開始に対して使用することにより、誤検知の確率が格段に低減される。もちろん前提となるのは、相応の送信器が図3のフレーム検知信号の時間的に直前または直後にゼロ信号を信号フレーム1の開始時に送信することである。
【0043】
比較装置27は信号sp(t)とsn(t)を比較し、相応の出力信号d(t)を形成する。
【0044】
図7によれば、出力信号d(t)は次の条件で形成される。
【0045】
【数1】
【0046】
このために反転された信号sn(t)が加算段30に供給され、このようにして形成された差が閾値検知器31で調整された閾値と比較される。
【0047】
差が閾値検知器31の調整された閾値を上回ると、フレーム同期信号の識別を表す電位が閾値検知器31の出力側に形成される。
【0048】
この構成は最も簡単であるが、最適の閾値が送信信号の減衰度に依存するという欠点を有する。
【0049】
この欠点は図8の実施形態により回避される。この実施形態では2つのエネルギー信号sp(t)とsn(t)とが互いに除算される。したがって出力信号d(t)に対する条件は以下のとおりである。
【0050】
【数2】
【0051】
ハードウエア的実現は次のように行われる。すなわち、入力信号sp(t)とsn(t)とをそれぞれ対数形成器32,33に供給し、対数化された信号の差を加算段30で形成するのである。このことは数学的には、信号sp(t)とsn(t)の商の対数を形成することに相応する。
【0052】
図9は次の条件で動作する比較段27を示す。
【0053】
【数3】
【0054】
このために対数形成器32,33にそれぞれ1つの加算段34,35が前置接続される。加算段34には入力信号sp(t)と反転された入力信号sn(t)が供給され、加算段35には入力信号sp(t)とsn(t)が反転されずに供給される。比較装置27のこの実現により検知時点の変動が、図8による方法での比較の際に低減される。
【0055】
図10は、本発明のフレーム同期信号を形成するための、図3に対する変形実施例を示す。ここでも負側(n)のサブ搬送波の振幅はゼロである。しかし正側(p)でもサブ搬送波は1つおきにだけ送信エネルギーにより占有され、その間にあるサブ搬送波は同様に振幅ゼロを有する。
【0056】
このことにより、時間領域にフレームシンボルについてオン周期性が生じる。この周期性は相関により評価することができ、同期ユニット18での微同期のために使用することができる。
【0057】
図10のフレーム同期信号はさらにデジタルフレーム検知を実行するためにも有利である。ここでは受信信号が走査され、フーリエ変換(FFT)により処理される。ここではシンボル長の半分の(=N/2)FFT窓が使用される。このことにより伝送されるOFDMシンボル当たりに少なくとも1つのシンボル部分にブロック間干渉のないことが保証される。正(p)または負(n)の周波数領域内で一つおきにだけサブ搬送波を占有することにより、フレームシンボルの絶対値スペクトルが時間窓の位置に依存しなくなる。
【0058】
フレーム同期信号は、変数
【0059】
【数4】
【0060】
が所定の閾値を上回るブロックkで正確に検知される。ここでRi,kは、周波数iΔF(ΔF=サブ搬送波間隔)の際の時点kT/2(T=OFDMシンボルの有効シンボル持続時間)におけるN/2−FFTの複素出力信号を表す。
【0061】
本発明のフレーム同期方法はとりわけ実施例にも示したOFDM伝送に対して適する。なぜならOFDMでは信号の形成が、単搬送波方式の場合よりも格段に簡単だからである。しかし基本的には本発明の方法を単搬送波伝送方式により使用することもできる。この場合、時間信号のサンプリング値を記憶し、必要に応じて読み出す。
【0062】
受信装置で使用される中間周波数はできるだけ低くあるべきである。このことにより、複雑性の少ないバンドパスフィルタを実現できる。
【0063】
図3と図10に示したフレーム同期信号は占有された部分領域(p)と占有されない部分領域(n)しか有していないが、基本的にはスペクトルを例えば4つに分割し、部分領域を別々に占有することもできる。スペクトルをさらに分割することも理論的には考えられるが、しかし一般的には実際上有利ではない。
【0064】
フレーム同期信号が1つの部分バンドに電力成分だけを含む場合であっても、振幅増幅度を受信器で調整するための基準信号として使用することもできる。このためにはフレーム同期信号を、エンベロープが時間領域でできるだけ一定に経過するよう選択しなければならない。このことは一方ではフレーム同期信号を増幅器制御の調整に使用するため重要であり、他方ではこれにより送信増幅器の過制御が回避される。
【0065】
個々のサブ搬送波をフレーム同期信号に対して占有することは変調形式に依存しない。なぜならフレーム同期信号は復調されないからである。したがって信号空間(複素平面)中の任意の点を選択することができる。
【0066】
特別の場合には、アップリンクフェーズ3の識別を保証することも有利である。解決手段では、正と負の側波帯を入れ替えればよい。例えばダウンリンクフェーズ2の開始を識別するために正の側波帯(p)だけを占有し、アップリンクフェーズ3の開始を識別するためには負の側波帯(n)だけを占有することができる。この目的のために、比較装置27で実行される比較の一方を対数構成素子によって行うことができる。この場合、閾値検知器31に印加される信号の符号が変わるだけである。
【0067】
エラー検知確率を低減するために図6の構成の変形として、ゼロ信号とフレーム同期信号の検知の代わりに、フレーム同期信号1−フレーム同期信号2の組合せを使用してエラー検知確率を低減することができる。この場合は、例えば第1のフレーム検知信号に対して正の全てのサブ搬送波周波数を占有し、第2のフレーム検知信号に対しては負の全てのサブ搬送波周波数を占有することができる。
【0068】
本発明の方法を、時分割二重(TDD)システムで使用する例で説明した。しかし本発明の方法を、周波数分割二重(FDD)システムで相応の変更により適用することもできる。このことはとりわけ電流節約型加入者端末機で実現するのに有利である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、本発明の方法のデータ構造の例を示す図である。
【図2】 図2は、ダウンリンク信号の信号構造の例を示す図である。
【図3】 図3は、OFDM伝送に対する本発明のフレーム同期信号の概略図である。
【図4】 図4は、OFDM信号に対する受信器の構造を示す基本図である。
【図5】 図5は、本発明のフレーム同期信号を識別するための検知回路のブロック回路図である。
【図6】 図6は、付加的にゼロ信号を識別するための、図5の検知回路の変形実施例を示すブロック回路図である。
【図7】 図7は、フレーム同期信号に対する評価回路の実施例の概略図である。
【図8】 図8は、フレーム同期信号に対する評価回路の第2実施例の概略図である。
【図9】 図9は、フレーム同期信号に対する評価回路の第3実施例の概略図である。
【図10】 図10は、本発明のフレーム同期信号の別の実施例を示す線図である。
Claims (11)
- データを無線通信網でデジタル伝送する方法であって、
チャネルの設定バンド幅内で制御通信が、マスタ局から全ての加入者へ(ダウンリンク)設定された信号フレーム(1)を用いて行われ、
該信号フレーム(1)の開始が、加入者により検知可能な専用のフレーム同期信号(5)により表される形式の方法において、
バンド幅をフレーム同期信号(5)に対して相互に別個の部分領域に分割し、
部分領域の第1の部分を送信信号により占有し、部分領域の第2の部分には送信信号がないままとし、
部分領域を取り出しろ波し、
部分領域に対してそれぞれ信号電力を検出し、
部分領域当たりの相対的または絶対的信号電力を閾値と比較し、フレーム同期信号(5)を検知する、
ことを特徴とする方法。 - フレーム同期信号に加えて、少なくとも1つの別の同期信号をフレーム同期信号より時間的に前または後に使用する、請求項1記載の方法。
- 前記別の同期信号はゼロ信号である、請求項2記載の方法。
- 前記別の同期信号は別のフレーム同期信号であり、
前記別のフレーム同期信号は別の部分領域を第1のフレーム同期信号として送信信号により占有する、請求項2記載の方法。 - フレーム同期信号(5)は、送信信号により占有された部分領域を最大で2つ有し、送信信号のない部分領域を最大で2つ有する、請求項1から4までのいずれか1項記載の方法。
- 送信信号により占有された部分領域(p)内では均等に振幅が分布している、請求項1から5までのいずれか1項記載の方法。
- 送信信号により占有された部分領域(p)内には、一定のエンベロープを有するサブ搬送波が存在する、請求項1から6までのいずれか1項記載の方法。
- 占有された部分領域(p)ではサブ搬送波を一つおきに使用する、請求項7記載の方法。
- 請求項1から8までのいずれか1項記載の方法を実施するための受信装置であって、
受信装置はマスタ局または他の局にあり、
チャネルの設定バンド幅内で制御通信を、マスタ局から全ての加入者へ(ダウンリンク)設定された信号フレーム(1)を用いて行う手段を有しており、
受信装置は、信号フレーム(1)の開始を、検知可能な専用のフレーム同期信号(5)により識別するように構成されている形式の受信装置において、
当該受信装置は検知装置(20,20’)を有し、
該検知装置は、
バンド幅をフレーム同期信号(5)に対して相互に別個の部分領域に分割する手段と、
部分領域の第1の部分を送信信号により占有し、部分領域の第2の部分には送信信号がないままとする手段と、
部分領域中の中間周波領域を分離するためのフィルタ装置(21,22)と、
部分領域に対してそれぞれ信号電力を検出する手段と、
部分領域当たりの相対的または絶対的信号電力を閾値と比較するための比較装置(27)と、
フレーム同期信号(5)を検知する手段とを備えている、
ことを特徴とする受信装置。 - 付加的な評価装置(28,29)がゼロ信号の識別のために設けられている、請求項9記載の受信装置。
- 受信装置に電流供給制御部が設けられており、
該電流供給制御部は、検知装置(27,29,30)によるフレーム同期信号の検知に依存して、電流節約モードからアクティブ駆動状態へ切り換え可能である、請求項9または10記載の受信装置。
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