JP4304335B2

JP4304335B2 - 光近似同期ｃｄｍａ方式とそれを用いた光無線システム

Info

Publication number: JP4304335B2
Application number: JP2003412590A
Authority: JP
Inventors: 信哉松藤; 嘉博棚田; 幹也田中; 隆博松元; 晃彦内堀
Original assignee: Yamaguchi University NUC
Current assignee: Yamaguchi University NUC
Priority date: 2003-12-10
Filing date: 2003-12-10
Publication date: 2009-07-29
Anticipated expiration: 2023-12-10
Also published as: JP2005175849A

Description

本発明は光無線通信方式に係り、特に他局間干渉を排除可能でしかも処理利得及びネットワーク全体の伝送効率が高い光近似同期ＣＤＭＡ方式とそれを用いた光無線システムに関する。

近年、通信のニーズの多様化や情報伝送の大容量化に伴い、既に電波法の適用外である光無線通信が着目され、室外や室内における光無線ネットワークが実用化されている。
特に、ＣＤＭＡ(Code Division Multiple Access：符号分割多元接続)と呼ばれ、スペクトラム拡散技術による通信方式で、複数のユーザが同一周波数帯を共用する技術を光通信に採用する光無線ネットワークが構築されている。
例えば、特許文献１では「光ＣＤＭＡ回路および光通信システム」として基板上に入力用光導波路、分波用のＮチャネルアレイ格子、Ｎ個の２×２光スイッチ、合波用のＮチャネルアレイ格子、および出力用光導波路が形成された光回路において、分波用のＮチャネルアレイ格子と合波用のＮチャネルアレイ格子がＮ本の長さの等しい光導波路で結ばれており、各々の光導波路の一部に前記２×２光スイッチおよび位相シフタが配置されている光ＣＤＭＡ回路が開示されている。
このように構成される光ＣＤＭＡ回路においては、パワーではなく電界での加算を可能として実質的な減算を可能とすることで光スペクトラム拡散通信方式においてＳＮ比の高い光信号の拡散変調・逆拡散復調を行うことができる。

また、特許文献２では「光符号分割多元接続方式の送受信システム」として、光ＣＤＭＡ方式の送受信システムにおいて、送信側には、光ＣＤＭＡエンコーダの光源として強度可変のものを用いると共に、信号の多重化手段としては入射光の最大値を出力とする光セレクタを用い、また、受信側では信号判定手段としての光ＣＤＭＡデコーダの前段に光ハードリミッタを設けるものが開示されている。
このように構成される光符号分割多元接続方式の送受信システムにおいては、送信信号の品質を高めてより多重度を大きくし、また、送信側において干渉成分を低減させて誤り率特性や多重度の向上の効果を可能にすると共に受信側においても信号の判定前に干渉成分を除去して上記効果を更に高めることが可能となっている。

さらに、特許文献３においては、「光ＣＤＭＡ伝送システム」として、情報送受信手段が出力した信号を伝送回線から受信して光ＣＤＭＡ多重方式に用いるために符号化した光信号を光伝送回線に送出する符号化手段と、この符号化手段から出力する光信号の強度を制御する出力強度制御手段と、光ＣＤＭＡ符号化された光信号を光伝送回線から受信して復号した信号を出力する復号手段と、復号手段において求められる各情報送受信手段毎の相関強度値を比較した比較情報を生成し、復号手段により復号した信号に対応する出力強度制御手段に向けて比較情報を通知する比較処理手段を備える発明が開示されている。
このように構成される光ＣＤＭＡ伝送システムにおいては、各符号化手段から出力されるレベルを、合波される各送信データ間のレベル差が減少するように出力強度制御手段によって調整することによって、受信側で自己の光ＣＤＭＡ信号レベルが他の符号化手段から出力される光ＣＤＭＡ信号レベルよりも極端に小さいことによって正しく復号されないという現象を回避することができる。

特開平１０−３０３８６２号公報特開２００２−１４１８８９号公報特開２００２−１６５８３号公報

しかしながら、上述の特許文献１乃至３に開示された発明においては、光スイッチや位相シフタ、強度可変の光ＣＤＭＡエンコーダ光源や光ハードリミッタ、あるいは出力強度制御手段などハードウェアとしての構成要素を付加して複数の受信側による復号時の干渉を低減することが発明の主目的となっている。
これらの光ＣＤＭＡ方式では、異なった符号を情報伝送することにより、符号の分離より情報識別するが、この異なった符号として０と１からなる系列を送っている。この場合、複数のユーザからの送信信号が重なり合って送信されることになる。受信側では、情報識別する際に、ユーザと情報を識別する系列が送られてきたか否かを判断するために、同じ系列と相関をとってどの系列から送られてきたかを判断することになる。これが情報の復号ということになる。このときに他ユーザの受信信号との相関が特許文献３に開示されるように他局間干渉となり情報誤りに大きく影響を及ぼすことになる。他局間干渉を削除するために、同期点における相互相関を零にすることになるが、一般に非同期であるため、すべての系列の位相において相関の低い系列が要求される。しかし、これらの光ＣＤＭＡ方式では、その系列長に対して光のＯＮに相当する１の数が極端に少なくいので、対雑音、妨害に対して強いとは言えなかった。また、系列数が少ないことから、同時に通信できるユーザ数が多い、または、システム全体の情報伝送容量が高いとは言えなかった。

すなわち、ハードウェア的な改善がなされているものの、原理的あるいは論理的な観点からすれば、従来の光ＣＤＭＡ方式においては必ずしも情報伝送効率が高いとはいえないという課題があった。しかも、ハードウェアによる改善は構造の複雑化とコスト増大を招くという課題もあった。
本発明はかかる従来の事情に対処してなされたものであり、簡素な構成で安価に構築できると共に、高速伝送、同時刻での多元接続を可能とし、さらに他局間干渉がなく通信仕様に対して柔軟に対応できる光近似同期ＣＤＭＡ方式とそれを用いた光無線システムを提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の光近似同期ＣＤＭＡ方式においては、上述の課題を解決するため、送信側は２値情報に対して光のＯＮ、ＯＦＦに対応させた１と０の要素からなる異なる送信系列をもとに生成した情報フレーム波形を送信し、受信側は１対の送信系列に応じて生成した１と−１からなる受信系列との相関より、自己相関がシフト０において、正、あるいは負のピーク値が現われることより２値情報を復調して、０シフト近傍のシフト区間と、他ユーザとの相互相関が０シフト区間を含めてその近傍のシフト区間において無相関領域を有することより他局間干渉を除去しマルチパスの影響を低減するものである。

また、請求項２に記載の光無線システムにおいては、２値情報に対して光のＯＮ、ＯＦＦに対応させた１と０の要素からなる異なる送信系列をもとに生成した情報フレーム波形を送信する送信機と、１対の送信系列に応じて生成した１と−１からなる受信系列との相関より、自己相関がシフト０において、正、あるいは負のピーク値が現われることより２値情報を復調して、０シフト近傍のシフト区間と、他ユーザとの相互相関が０シフト区間を含めてその近傍のシフト区間において無相関領域を有することより他局間干渉を除去しマルチパスの影響を低減する受信機を有するものである。

本発明の光近似同期ＣＤＭＡ方式及びそれを用いた光無線システムにおいては、他局間干渉を完全に排除できるので情報誤りの少ない同時刻多元接続が可能となる。また、他局間干渉が現れないことから遠近問題に対するパワーコントロールが不要となる。さらに、ネットワーク全体の伝送効率が高く、マルチメディア情報伝送に柔軟に対処できる。

以下に本発明の実施の形態に係る光近似同期ＣＤＭＡ方式とそれを用いた光無線システムについて図１乃至図４を参照しながら説明する。
本発明では、従来の光ＣＤＭＡ方式や光無線システムにはない性質を備える光無線用符号として、光ＺＣＺ(Zero Correlation Zone：無相関領域)符号を提案する。この光ＺＣＺ符号は、光直交符号と同様に要素０と１とからなる符号語（送信系列）の集合であり、１、−１の要素からなる受信系列との相関（便宜的に自己相関と呼ぶ。）は、零シフトでは、系列要素１の数に相当するピーク値を取り、それ以外の両側のあるシフト区間で零値を取り、異なる系列における相互相関は、零シフトも含めたそのシフト区間で零値を取るような零相関領域を有する。
この光ＺＣＺ符号について以下に詳細に説明する。
長さＮのＭ個の系列対（ａ^ｊ，ｂ^ｊ）の集合を

とする。
但し、ａ^ｊを２相系列、ｂ^ｊを２値系列とする。ここで、ａ^ｊとｂ^ｋの周期相関関数を、

と定義する。このとき、周期相関関数が、

を満たすならば、集合Ｓを零相関関数Ｚ_ＣＺを有する光ＺＣＺ符号と呼ぶ。但し、｜ω｜＜Ｎは系列ｂ^ｊの要素１の数に等しいものである。
光ＺＣＺ符号の一つの構成法を考える。長さＮ_１＝２^ｎ１−１のＭ系列、あるいは長さＮ_１＝４ｎ_１−１の平方剰余系列を

とする。この周期自己相関関数は、

となる。これを用いて、長さＮ_１の２値系列∧ｍ（本願明細書中では、∧、∨あるいは〜が文字上部に付されて変数や定数を構成する場合に、その文字の上部に代えて前に∧、∨あるいは〜を示す場合がある。）を

と与える。系列ｍと∧ｍの周期相互相関関数は、

と、インパルス特性となることが容易に示される。すなわち、相互に直交する系列であり、（ｍ，∧ｍ）を直交系列対と呼ぶ。
長さＮ_２＝２^ｎ２、系列数Ｍ＝Ｎ_２−１の平衡アダマール符号を

と表す。これは異なる系列間の内積が０、つまり

であり、１と−１の個数が等しい。これは、全て１の要素からなる行を含むアダマール行列のそれ以外の各行の集合と等しい。この候補として、シルベスター型アダマール行列やＭ系列型アダマール行列、あるいは、それらの各列を入れ替えたアダマール行列が挙げられる。
ここで、長さＮ_２の２系列∧ｈ^ｊ、∨ｈ^ｊを

とおく。このとき、

を得る。
これより次の定理１を導いた。
（定理１）
長さＮ_１の直交系列対（ｍ，∧ｍ）と要素１からなる符号を除いた長さＮ_２のＭ＝Ｎ_２−１個の平衡アダマール符号を考える。今、長さＮ＝Ｎ_１Ｎ_２、ペアの数をＭとして

を与えると、

または、

は、零相関領域Ｚ_ＣＺ＝Ｎ_１−１を有する光ＺＣＺ符号である。ここで、

を得る。
この定理を証明すると、長さＮ_１とＮ_２は互いに素、すなわち、ｇ．ｃ．ｄ（Ｎ_１，Ｎ_２）＝１なので

と表せる。したがって、式（１）乃至式（３）を用いることにより導ける（証明終了）。
系列長Ｎ、系列数Ｍ、零相関領域Ｚ_ＣＺのＺＣＺ符号は、直交性より

となる関係を持つ。定理１の光ＺＣＺ信号は、

となるので、上界にほぼ到達する。ここで、−１はアダマール符号のすべての要素が１となる系列を除いていることを意味している。
系列値１と０の符号語で１と０の符号語との相関を議論する通常の光ＣＤＭＡ方式における符号設計に比べ、光ＺＣＺ符号の設計は、相関特性を定義した上での系列長、系列数、系列値１の数の割合に関しての数学的な上界（最適性）の観点から理にかなっていることが説明できる。
一般には、系列値が複素あるいは実数でないと数学的上界に到達できないが、このような光通信であれば数学的上界に到達する系列値が２値の光ＺＣＺ符号によって与えられることに大きな意義がある。
このように数学的上界に到達するような最適な符号を与えていることによって最適な光近似同期ＣＤＭＡ方式とそれを用いた光無線システムを実現することができるのである。

以下、具体的に本実施の形態に係る光近似同期ＣＤＭＡ方式について説明する。
まず、光ＺＣＺ符号を用いた光近似同期ＣＤＭＡ方式と、他局間干渉を消去できる原理について図１を参照しながら説明する。図１は、ＺＣＺ符号を適用した近似同期方式を説明するための概念図である。
近似同期方式は、各子局の同期店をある許容時間内に制御する方式である。すなわち、図１に示されるように各子局の情報フレームの先頭ビットが許容時間内に受信される方式である。ここで、許容時間に相当するシフト区間をＺＣＺとすると、今ユーザｊの情報フレームは定理１の光ＺＣＺ符号である、長さＮの光ＺＣＺ符号のａ^ｊのメイトｂ^ｊ，∧ｂ^ｊにガードタイムを設けた長さＬ＝Ｎ＋２Ｚ_ＣＺの拡張系列を

とする。

２値情報の１つをＢ^ｊ、もう１つを〜Ｂ^ｊに対応させて光のＯＮ／ＯＦＦによって送信することを考える。受信側では、光強度を直接電気信号に変換し、各子局の受信系列ａ^ｊとの相関によって情報を復調する。このときＺＣＺ符号の零相関領域Ｚ_ＣＺは、同期の許容時間に相当するように決定されているので、理論上、他局間干渉は除去できる。送信側は２値情報を送るためにそれに相当する異なった２値系列を送信するが、受信側では同じ２相系列との相関よりピーク値が正または負となることより情報を復調できるのである。
長さＮ_１＝３のＭ系列、ｍ＝（＋＋−）と、長さＮ_２＝８の全ての１の行を除いたＭ系列型アダマール符号

より構成される長さＮ＝２４、系列数Ｍ＝７の光ＺＣＺ符号を考える。今ｊ＝７とすると

と書ける。但し、＋、−、０はそれぞれ系列の要素、１、−１、０を表す。このとき零相関領域Ｚ_ＣＺ＝２となるので、シルベスター型では、ガードタイムが付加された長さＬ＝２８の系列Ｂ^７，〜Ｂ^７は、

となる。また、受信側では同じ系列

を用いて相関処理を行う。系列ｂ^７が送信されたとすると、系列ａ^７との相関特性は図２（ａ）で示されるとおりとなる。このようにピーク値が正に現れるので情報１を復調できたと考えられる。また同様に、系列ｂ^７が送信された場合の相関特性は、図２（ｂ）に示されるようになり、ピーク値が負であることから情報−１が復調できたものと考えられる。

一方、系列ｂ^７とのセットである系列ｂ^ｋは、系列ａ^７との相互相関特性が図２（ｃ）に示されるようにシフト０と零相関領域で０値をとる。本実施の形態では、ｋ＝６としている。
シルベスター型アダマール行列より導いた平衡アダマール系列は、短い系列が周期的に現れるので自己相関特性が良好ではない。また、シルベスター型、あるいはＭ系列型アダマール行列の列を並べ替えたアダマール行列を用いた場合も、相関特性はほぼＭ系列型の場合に類似している。したがって、Ｍ系列アダマール行列を用いた。

次に、発明者らは図３に示されるような実験装置を用いて、光空間伝送実験を行い、光ＺＣＺ符号が同期点における他局間干渉を除去できることを遠近問題も考慮しながら確認したので説明する。
図３に示される実験装置において、送信側では任意波形発生器１で発生した符号を図示しない電気／光変換器により光に変換し、受信側ではシャープカットフィルター付きの光／電気変換器２、アンプ３、ローパスフィルター４及びディジタルオシロスコープ５を介してノート型パーソナルコンピュータ７で相関処理を行う。この光空間伝送実験の諸元を表１に示す。

送信機Ａ、Ｂから別々の情報が等電力で同時に送られ、受信機は多重化された信号からＡの情報を復調する。送信機Ａ、Ｂから受信機までの距離は、それぞれ２００ｃｍ、４０ｃｍとし、受信されるＡの電力はＢよりも小さくなる。ここでは、受信時の同期のずれはなく、同期点（τ＝０）は既知とする。

図４（ａ）乃至（ｃ）は信号Ａ、信号Ｂ、雑音を組み合わせた各種受信信号に対するＡの系列による相関出力を示す。図４（ａ）は（Ａ＋Ｂ＋雑音）の相関出力であり、（ｂ）は（Ａ＋雑音）の相関出力、（ｃ）は（Ｂ＋雑音）の相関出力を示している。それぞれ横軸は、時間を信号のチップ時間幅、すなわち、系列間の位相シフトτとして換算している。但し、１シフトの時間幅は、１×１０^−８ｍｓである。系列間の位相シフトτとして換算している。
これらの図より、相関値が０となる｜τ｜＝１，２において、雑音の影響が生じているものの、受信したＢの電力がＡに比べ非常に大きくても、同期点での他局間干渉が無く２値情報＋１を復調できることが確認できる。つまり、従来必要とされていた他局間干渉を制御するためのパワーコントロールを必要としないのである。

以上説明したとおり、本実施の形態に係る光近似同期ＣＤＭＡ方式は、送信側は２値情報に対して光のＯＮ、ＯＦＦに対応させた１と０の要素からなる異なる送信系列をもとに生成した情報フレーム波形を送信する一方、受信側は１対の送信系列に応じて生成した１と−１からなる受信系列との相関を取り、かつ、無相関領域を有することで、他局間における干渉を除去して複数の情報信号による影響を低減するのである。受信系列として１、−１という要素からなるＺＣＺ符号を考え、それと送信系列の相関を取り、情報の復調を行うものである。
また、このような光近似同期ＣＤＭＡ方式を採用する送信機と受信機を有する光無線システムにおいても同様の効果を備える。

本発明に係る光近似同期ＣＤＭＡ方式とそれを用いた光無線システムはパーソナルコンピュータ間のローカルエリアネットワーク構築や、ＡＶ機器などの間での通信、医療や教育現場におけるモニタリングシステム、ロボットの遠隔制御や情報収集システムなどに適用が可能である。

ＺＣＺ符号を適用した近似同期方式を説明するための概念図である。（ａ）は本実施の形態に係る光近似同期ＣＤＭＡ方式における情報１検出際の相関特性を示す概念図であり、（ｂ）は同様に情報−１検出際の相関特性を示す概念図であり、（ｃ）は同様にセット内の相互相関の例を示す概念図である。本実施の形態に係る光近似同期ＣＤＭＡ方式の効果を確認するための空間光伝送実験装置の構成図である。本実施の形態に係る光近似同期ＣＤＭＡ方式において、信号Ａ、信号Ｂ、雑音を組み合わせた各種信号に対するＡの系列による相関出力を示す概念図で、（ａ）は、（Ａ＋Ｂ＋雑音）の相関出力、（ｂ）は（Ａ＋雑音）の相関出力、（ｃ）は（Ｂ＋雑音）の相関出力を示している。

符号の説明

１…任意波形発生器２…光／電気変換器３…アンプ４…ローパスフィルター５…ディジタルオシロスコープ６…分周器７…ノート型パーソナルコンピュータ

Claims

送信側は２値情報に対して光のＯＮ、ＯＦＦに対応させた１と０の要素からなる異なる送信系列をもとに生成した情報フレーム波形を送信し、受信側は１対の送信系列に応じて生成した１と−１からなる受信系列との相関より、自己相関がシフト０において、正、あるいは負のピーク値が現われることより２値情報を復調して、０シフト近傍のシフト区間と、他ユーザとの相互相関が０シフト区間を含めてその近傍のシフト区間において無相関領域を有することより他局間干渉を除去しマルチパスの影響を低減することを特徴とする光近似同期ＣＤＭＡ方式。
２値情報に対して光のＯＮ、ＯＦＦに対応させた１と０の要素からなる異なる送信系列をもとに生成した情報フレーム波形を送信する送信機と、１対の送信系列に応じて生成した１と−１からなる受信系列との相関より、自己相関がシフト０において、正、あるいは負のピーク値が現われることより２値情報を復調して、０シフト近傍のシフト区間と、他ユーザとの相互相関が０シフト区間を含めてその近傍のシフト区間において無相関領域を有することより他局間干渉を除去しマルチパスの影響を低減する受信機と、を有することを特徴とする光無線システム。