JP4360972B2 - 通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、通信規格の異なる他の通信装置との通信を確立する通信装置に関するものであり、特に、受信したデジタル電波信号を解析することによって通信規格を推定し、通信規格の異なる通信装置との通信を確立する通信装置に関するものである。

たとえば、規格の異なる複数の通信装置と通信を確立する場合は、電波信号の通信諸元（変調方式等）を推定し、受信機をその通信諸元に適応する技術が必要となる。

上記のような技術を備えた従来の受信機（通信装置）としては、たとえば、変調方式自動判別受信機がある（特許文献１参照）。この変調方式自動判別受信機では、まず、任意の通信装置からのデジタル電波信号を受信し、この信号をベースバンド周波数帯の信号（受信信号）に変換し、その受信信号のシンボル位置を推定する。つぎに、推定した受信信号の推定シンボル位置における瞬時振幅値を抽出し、さらに、その瞬時振幅値の標準偏差を計算する。つぎに、その瞬時振幅値の標準偏差を、予め設定（記憶）された複数の変調方式にそれぞれ対応する瞬時振幅値の特徴的標準偏差値と比較し、上記受信信号の変調方式を識別する。そして、上記受信信号の変調方式に対応する復調方式を選定し、その復調方式で受信信号を復調する。

これにより、従来技術においては、ＱＡＭ（quadrature amplitude modulation）等の多値変調方式およびＧＭＳＫ（Gaussian filtered minimum shift keying）等の周波数変調方式、またはＱＡＭ等の多値変調方式およびＱＰＳＫ（quadrature phase shift keying）等の位相変調方式、というように多値変調方式とそれ以外の変調方式の識別が可能となる。

特開２００１−１１１６４４号公報

しかしながら、上記従来の変調方式自動判別受信機においては、通信諸元不明のデジタル電波信号の復調は可能であるものの、誤り訂正等の機能を備えていないため、電文の再生が不可能である、という問題があった。

また、従来の変調方式自動判別受信機においては、上位層のＭＡＣ（Media Access Control）を備えていないため、通信を確立することが不可能である、という問題があった。

また、従来の変調方式自動判別受信機においては、規格で規定されているＢＴＲ（Bit Timing Recovery：タイミング再生用信号）パターンなどの復調を行う際に必要な情報の使用を前提としていないため、低ＣＮＲ（Carrier-to-noise-power ratio：搬送波対雑音電力比）下においては良好な通信が行えない、という問題があった。

また、従来の変調方式自動判別受信機においては、変調速度推定手法にデジタル電波信号の２乗平均値を用いているが、デジタル非線形変調信号では振幅の変化が小さいために変調推定に誤差が生じやすい、という問題があった。また、変調速度推定値に誤差を含む場合の補正処理も備えていないため、同期ずれが発生する可能性がある、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、通信規格（Ｗ−ＣＤＭＡ，ＣＤＭＡ２０００，無線ＬＡＮ等）が不明な通信装置からのデジタル電波信号を受信した場合に、その通信装置との通信を確立する通信装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる通信装置は、通信規格の異なる他の通信装置との通信を確立する通信装置であって、たとえば、受信信号のスペクトラムの時間経過に基づいて、変調方式がデジタル非線形変調かデジタル線形変調かを推定する変調方式粗推定手段（後述する実施の形態の変調方式粗推定部７に相当）と、前記変調方式の推定結果に応じたフーリエ変換を実行し、その結果に基づいて前記受信信号の変調速度を推定する変調速度粗推定手段（変調速度粗推定部８に相当）と、前記変調速度推定値と、前記受信信号に対する遅延検波により得られる瞬時振幅変動値および瞬時位相変動値と、に基づいて、シンボルが変化するタイミングを検出するシンボル変化点検出手段（シンボル変化点タイミング再生部９に相当）と、前記変調速度推定値と前記シンボル変化点に基づいて前記受信信号のサンプリングレートを変換するサンプリングレート変換手段（サンプリングレート変換部１０に相当）と、既知の手法で詳細に変調方式を推定する変調方式推定手段（変調方式推定部１１に相当）と、前記各手段から得られる情報に基づいて、前記他の通信装置で採用する通信規格を検索し、当該通信規格に対応する通信諸元とともに、当該通信規格に適したソフトウェアおよびハードウェア構成情報を伝送するデータベース手段（通信諸元データベース部１２に相当）と、前記データベース手段から得られる情報に基づいて、通信規格に応じた受信処理および送信処理を行う送受信手段と（ブロック構成変更対象領域２１に相当）、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、通信規格が明らかではない他の通信装置から接続要求があった場合に、受信信号から得られる、たとえば、送信信号帯域幅情報やキャリア周波数情報や変調速度情報や変調方式情報に基づいて、相手側の通信装置で採用する通信規格を検索し、さらに、確定した通信規格に適したソフトウェアおよびハードウェア構成情報に基づいて、通信規格に応じた処理（符号化，変調，復調，復号，ＭＡＣ層の処理等）を行うブロック構成変更対象領域の構成を変更することとした。

この発明によれば、物理層（変調処理，復調処理，符号化処理，復号処理等）やＭＡＣ層（ＴＤＭＡやＣＳＭＡ等）の規格が異なる他の通信装置との通信であっても、シームレスに通信を確立できる、という効果を奏する。

以下に、本発明にかかる通信装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかる通信装置の実施の形態１の構成を示す図である。本実施の形態の通信装置は、空間より電波信号を取得する空中線１と、送信信号と空中線１からの受信信号を分波するサーキュレーター２と、電気信号の増幅および周波数変換を行うＲＦ部３と、ＲＦ部３より出力された中間周波数信号をデジタルサンプリングするＡＤ変換器（ＡＤＣ）４と、デジタルサンプリングされた中間周波数信号をベースバンド信号に変換するデジタルダウンコンバータ（ＤＤＣ）５と、デジタル信号をアナログ電気信号に変換するＤＡ変換器（ＤＡＣ）６と、デジタル線形変調かデジタル非線形変調かを判断する変調方式粗推定部７と、変調速度を計算する変調速度粗推定部８と、シンボルが変化したサンプル点を検出するシンボル変化点タイミング再生部９と、シンボル変化点と変調速度情報からサンプリングレートを変換するサンプリングレート変換部１０と、詳細な変調方式の推定処理を行う変調方式推定部１１と、複数の通信諸元（変調方式，復調方式，符号化方式，復号方式等）を格納し、通信規格（Ｗ−ＣＤＭＡ，ＣＤＭＡ２０００，無線ＬＡＮ等）の検索を行う通信諸元データベース部１２と、通信規格に応じた受信／送信処理（符号化，変調，復調，復号，ＭＡＣ層の処理等）を行うブロック構成変更対象領域２１（上記サンプリングレート変換部１０を含む）と、を備えている。

なお、ブロック構成変更対象領域２１としては、たとえば、上記サンプリングレート変換部１０と、蓄積一括復調を行う復調部１３と、誤り訂正を行う誤り訂正部１４と、デインターリーブ処理を行うデインターリーブ部１５と、アクセス制御を行うＭＡＣ部１６と、変調を行う変調部１７と、符号化処理を行う符号化処理部１８と、インターリーブ処理を行うインターリーブ部１９と、が含まれており、対応するソフトウェアの書き換えにより、それらの内部構成を変化させるものである。これらのソフトウェアは、通信諸元とともに通信諸元データベース部１２よりダウンロードする。

ここで、上記のように構成される通信装置の動作を、図面を用いて詳細に説明する。まず、ＲＦ部３では、空中線１に誘起された高周波信号を増幅し、さらに中間周波数に変換する。ＡＤＣ４では、中間周波数に変換された高周波数信号をデジタル信号に変換し、さらに、ＤＤＣ５では、受け取ったデジタル信号をベースバンド信号に変換する。

つぎに、変調方式粗推定部７では、デジタルのベースバンド信号に対して短時間フーリエ変換を行うことにより複数のスペクトラムに変換し、時間経過における周波数遷移パターンを分析する。なお、上記では短時間フーリエ変換を利用することとしたが、これに限らず、たとえば、連続ウェーブレット変換を用いることとしてもよい。図２、図３は、一例として、短時間フーリエ変換の特定時間において切り出したスペクトラムを示す図である。左側の信号スペクトラムがＭＳＫ（minimum shift keying）であり、右側の信号スペクトラムがＢＰＳＫ（binary phase shift keying）である。周波数変調の一つであるＭＳＫは、時間によりスペクトラムの最大電力周波数が遷移するが、ＢＰＳＫは、一定の帯域スペクトラムがキャリア周波数において対称になる特徴をもつ。この特徴を尖度や歪度や最大電力周波数を評価関数として識別し、デジタル非線形変調方式（周波数変調）またはデジタル線形変調方式（位相変調，直交振幅変調）の判別を行う。また、同時に、信号帯域の中心を検出することによりキャリア周波数を推定し、さらに、送信信号の帯域幅を測定する。

つぎに、変調速度粗推定部８では、上記判別の結果がデジタル線形変調方式による変調であれば、上記ベースバンド信号に対して包絡線検波を行った後の信号にフーリエ変換を実施し、スペクトルのピークより変調速度を推定する(参考文献[1]東田 康志他「PSK信号蓄積一括復調方式におけるタイミング抽出とキャリア推定」電子情報通信学会論文誌 B Vol.J71-B N0.4 pp540-546 1988年4月)。一方で、上記判別の結果がデジタル非線形変調方式による変調であれば、上記ベースバンド信号に基づいて、位相変化量または受信信号のベクトル差分の２乗平均値を計算し、その後、フーリエ変換を実施し、上記同様、スペクトラムのピークより変調速度を推定する。

つぎに、シンボル変化点タイミング再生部９では、上記変調速度粗推定部８から得られる変調速度情報と、上記ベースバンド信号を遅延検波することにより得られる瞬時振幅変動値，瞬時位相変動値から、シンボルが変化するタイミング（シンボル変化点位置）を検出する。これにより、シンボル同期信号の抽出が可能となる。つぎに、サンプリングレート変換部１０では、上記で推定した変調速度と上記で検出したシンボル変化点位置に基づいて、シンボル変化点位置間隔に何シンボル送信されているかを推定し、適切なサンプリング点を決定することによって、サンプリングレートを変換する。すなわち、複数のシンボル変化点位置を起点としたリサンプリング処理（デシメーション）を実施する。このとき、すべてのシンボル変化点位置を基準にリサンプリングを実施するので、推定変調速度が誤差を含む場合であっても（クロック同期ずれが発生した場合であっても）、シンボル変化点位置でリタイミングされ、誤差の蓄積を除去でき、ビットスリップを防ぐことができる。

変調方式推定部１１では、前述した特許文献１（特開2001-111644号公報）に記載の処理と同等の手法を用いて、統計処理から変調方式を推定する。

通信諸元データベース部１２では、変調方式粗推定部７出力のキャリア周波数情報，送信信号帯域幅情報や、上記推定変調速度や上記推定変調方式に基づいて、たとえば、接続を要求する他の通信装置の通信規格を検索し、対応する通信諸元とともに、確定した通信規格に適したソフトウェアおよびハードウェア構成情報を、復調部１３，誤り訂正部１４，デインターリーブ部１５，ＭＡＣ部１６，変調部１７，符号化処理部１８，インターリーブ部１９に対して伝送（ダウンロード）し、構成の変更を指示する。

通信諸元データベース部１２から指示された処理構成の構築が完了後、復調部１３では、サンプリングレート変換部１０でデシメーションされたベースバンド信号に対して、たとえば、変調方式粗推定部８で得られたキャリア周波数に基づいてオフセット分を除去し、蓄積一括復調を行う。誤り訂正部１４では、復調データに対して畳み込み復号またはブロック復号等の復号処理を実施する。デインターリーブ部１５では、復号結果に対してデインターリーブ処理を施し、物理層における復号処理を完了後、ＭＡＣ部１６に対してその復号結果を転送する。ＭＡＣ部１６では、得られた復号結果に基づいて相手側の通信装置とのネゴシエーションを行う。一方、送信を行う場合は、通信諸元データベース部１２から指示された処理構成の構築が完了後、ＭＡＣ部１６からの指示により、既知のインターリーブ，符号化処理，変調処理を実行する。

以上のように、本実施の形態の通信装置においては、通信規格が明らかではない他の通信装置から接続要求があった場合、受信信号から得られる、送信信号帯域幅情報やキャリア周波数情報や変調速度情報や変調方式情報に基づいて、相手側の装置で採用する通信規格を検索し、さらに、確定した通信規格に適したソフトウェアおよびハードウェア構成情報に基づいて、通信規格に応じた処理（符号化，変調，復調，復号，ＭＡＣ層の処理等）を行うブロック構成変更対象領域の構成を変更することとした。これにより、物理層やＭＡＣ層の規格が異なる他の通信装置との通信であっても、シームレスに通信を確立できる。

実施の形態２．
図４は、本発明にかかる通信装置の実施の形態２の構成を示す図である。実施の形態１では、単一周波数帯域のみを受信し復調するため、複数の周波数帯を使用した他の通信装置を考慮した場合においては、その都度周波数帯域を合わせる必要があり非効率的である。そのため、実施の形態２においては、図４のように、監視受信部３１，周波数変換部３２，ＢＰＦ３３，周波数変換部３４を付加することにより、複数周波数帯域のデジタル電波信号を自動的に検出し、オペレータによる操作なしに複数の周波数帯を使用した他の通信装置と通信を行う。

ここで、図４のように構成された通信装置の動作を説明する。なお、ここでは、先に説明した実施の形態１と異なる処理についてのみ説明する。

たとえば、他の通信装置からデジタル電波信号が送信された場合、実施の形態２の通信装置では、監視受信部３１が、リアルタイムに他の通信装置から送信されているデジタル電波信号を感知し、使用されている複数のキャリア周波数を特定する。具体的には、監視受信部３１では、ＤＤＣ５出力のベースバンド信号に対して短時間フーリエ変換を行い、リアルタイムにキャリア周波数や送信信号帯域幅や監視周波数帯域の電力の変化を検出することによって、デジタル電波信号の有無および複数のキャリア周波数を監視する。

周波数変換部３２では、監視受信部３１の検出結果に基づいて、ＤＤＣ５出力のベースバンド信号の周波数を変換する。そして、変換後のベースバンド信号は、ＢＰＦ２２によって不要な帯域が削除される。

一方、送信側の処理では、周波数変換部３４が、変調信号の周波数を受信時に使用した周波数帯、すなわち、受信時にＤＤＣ５にてダウンコンバートを行う前の周波数帯へ変換し、ＤＡＣ６に対して出力する。

以上のように、本実施の形態の通信装置においては、複数の周波数帯を使用した他の通信装置から接続要求がある場合であっても、リアルタイムに監視周波数帯域の電力の変化を検出し、デジタル電波信号の有無を監視することとした。これにより、複数の周波数帯を使用した他の通信装置から接続要求がある場合であっても、物理層やＭＡＣ層の規格が異なる他の通信装置との間でシームレスに通信を確立することができる。

実施の形態３．
図５は、本発明にかかる通信装置の実施の形態３の構成を示す図である。実施の形態１および２においては、通信諸元データベース１２に未登録である通信規格に対しては、通信を確立することができない。また、通信諸元データベース１２に通信規格が未登録の場合は、受信した信号が不明な電波信号として扱われるのみで、それが送信信号であるのかまたは不要な電波信号であるのかを判断できない。実施の形態３では、たとえば、図５のように外部記憶装置４１，解析装置４２を付加し、他の通信装置が使用する通信規格が不明な場合であっても、不明な電波信号を解析、登録することによって、以降、通信を確立できるようにする。なお、本実施の形態においては、特に上記構成を実施の形態１に適応した場合について説明するが、これに限らず、実施の形態２に適用することも可能である。

ここで、図５のように構成された通信装置の動作を説明する。なお、ここでは、先に説明した実施の形態１と異なる処理についてのみ説明する。

本実施の形態の通信装置においては、ＤＤＣ５によってベースバンドに変換されたデジタル電波信号（受信信号）を、半導体記憶デバイス（ＲＡＭ，ＲＯＭ等）で構成される外部記憶装置４１に一時的に記録する。解析装置４２では、外部記憶装置４１に記録されたデジタル電波信号を必要に応じてダウンロードし、すなわち、外部記憶装置４１に記録されたデジタル電波信号が、通信諸元データベース１２に登録されていない、通信規格が不明な他の通信装置からのデジタル電波信号であった場合に、そのデジタル電波信号をダウンロードし、解析し、通信規格を判定する。具体的には、解析装置４２は、デジタル電波信号をオフライン解析できる機能を有し、周波数スペクトラムや遅延プロファイルやコンスタレーションやアイパターン等を解析する。そして、解析装置４２では、この解析結果から、解析装置４２に登録されている物理層の構成やＭＡＣの構成等のコンポーネントを組み合わせ（上記ブロック構成変更対象領域２１を構成するためのコンポーネント）、これらのコンポーネントを新しい通信規格の通信諸元として通信諸元データベース１２に登録する。

なお、上記コンポーネントは、物理層やＭＡＣ層を構成する基本的なブロックを表し、ハードウェア構成（ＤＳＰ等）を考慮してブロック毎にソフトウェア（実行形式）で作成されている。このようなコンポーネントは、たとえば、同一のハードウェアを使用し、ソフトウェアを書き換えることによって装置構成を変えることが可能なソフトウェア無線機に適用される。これにより、ユーザーは高度なハードウェアとソフトウェアの知識なしに装置構成を変えることができ、さらに、各コンポーネントは通信装置のハードウェアに特化して作成してあるので高速な動作が可能となる。

以上のように、本実施の形態においては、通信規格が通信諸元データベース１２にない場合であっても、受信した通信規格が不明なデジタル電波信号（ベースバンド信号に変換された受信信号）を一時的に記憶し、解析することにより、その解析結果に基づいて確定した通信規格の通信諸元を新たに登録することとした。これにより、以降、上記と同一のデジタル電波信号を受信した場合に、その通信装置との通信を確立することができる。また、上記解析装置４２に登録された物理層やＭＡＣ層のコンポーネントは、自通信装置のハードウェア構成とソフトウェア構成を考慮したものであるため、容易に新しい通信規格に対応した通信諸元データベース１２を構築することができる。

以上のように、本発明にかかる通信装置は、通信規格が不明な他の通信装置からデジタル電波信号を受信する可能性のある通信環境で動作する通信装置に有用であり、特に、通信規格が異なる他の通信装置との通信を確立する通信装置として適している。

本発明にかかる通信装置の実施の形態１の構成を示す図である。 短時間フーリエ変換の特定時間において切り出したスペクトラムの一例を示す図である。 短時間フーリエ変換の特定時間において切り出したスペクトラムの一例を示す図である。 本発明にかかる通信装置の実施の形態２の構成を示す図である。 本発明にかかる通信装置の実施の形態３の構成を示す図である。

符号の説明

１ 空中線
２ サーキュレーター
３ ＲＦ部
４ ＡＤ変換器（ＡＤＣ）
５ デジタルダウンコンバータ（ＤＤＣ）
６ ＤＡ変換器（ＤＡＣ）
７ 変調方式粗推定部
８ 変調速度粗推定部
９ シンボル変化点タイミング再生部
１０ サンプリングレート変換部
１１ 変調方式推定部
１２ 通信諸元データベース部
１３ 復調部
１４ 誤り訂正部
１５ デインターリーブ部
１６ ＭＡＣ部
１７ 変調部
１８ 符号化処理部
１９ インターリーブ部
２１ ブロック構成変更対象領域
３１ 監視受信部
３２，３４ 周波数変換部
３３ ＢＰＦ
４１ 外部記憶装置
４２ 解析装置

Claims (6)

1. 通信規格の異なる他の通信装置との通信を確立する通信装置において、
   受信信号のスペクトラムの時間経過に基づいて、変調方式がデジタル非線形変調かデジタル線形変調かを推定する変調方式粗推定手段と、
   前記変調方式の推定結果に応じたフーリエ変換を実行し、その結果に基づいて前記受信信号の変調速度を推定する変調速度粗推定手段と、
   前記変調速度推定値と、前記受信信号に対する遅延検波により得られる瞬時振幅変動値および瞬時位相変動値と、に基づいて、シンボルが変化するタイミングを検出するシンボル変化点検出手段と、
   前記変調速度推定値と前記シンボル変化点に基づいて前記受信信号のサンプリングレートを変換するサンプリングレート変換手段と、
   既知の手法で詳細に変調方式を推定する変調方式推定手段と、
   前記各手段から得られる情報に基づいて、前記他の通信装置で採用する通信規格を検索し、当該通信規格に対応する通信諸元とともに、当該通信規格に適したソフトウェアおよびハードウェア構成情報を伝送するデータベース手段と、
   前記データベース手段から得られる情報に基づいて、通信規格に応じた受信処理および送信処理を行う送受信手段と、
   を備えることを特徴とする通信装置。
2. 前記変調方式粗推定手段は、前記受信信号に対する短時間フーリエ変換または連続ウェーブレット変換で得られるスペクトラムの時間経過に基づいて、変調方式を推定することを特徴とする請求項１に記載の通信装置。
3. 前記サンプリングレート変換手段は、前記変調速度推定値と前記シンボル変化点に基づいて、適切なサンプリング点を決定し、複数のシンボル変化点を起点としたリサンプリング処理を実施することを特徴とする請求項１または２に記載の通信装置。
4. 前記送受信手段は、通信規格に応じた受信処理および送信処理として、符号化処理、変調処理、復調処理、復号処理、ＭＡＣ層の処理、前記サンプリングレート変換手段の処理を、通信規格に応じて動的に変更することを特徴とする請求項１、２または３に記載の通信装置。
5. 前記受信信号に対して短時間フーリエ変換を行うことにより他の通信装置が送信に使用した複数の周波数帯をリアルタイムに監視する監視手段と、
   前記監視結果に基づいて前記受信信号の周波数を変換する周波数変換手段と、
   を備え、
   前記変調方式粗推定手段、前記変調速度粗推定手段、前記シンボル変化点検出手段、前記サンプリングレート変換手段には、前記周波数変換後の受信信号を入力することにより、複数の周波数帯を使用して送信する他の通信装置との通信を確立することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の通信装置。
6. 前記受信信号を一時的に記録する記録手段と、
   前記記録手段に記録された受信信号が前記データベース手段には登録されていない通信規格が不明な他の通信装置からの受信信号であった場合に、当該受信信号を解析し、さらに当該解析結果から通信規格を判定し、判定結果として得られた通信規格の通信諸元を前記データベース手段に登録する解析手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の通信装置。

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