JP4582609B2 - 同期化方法 - Google Patents

Description

【０００１】
従来の技術
本発明は、伝送システム内で１つまたは複数の受信機を１つの送信機に同期化する方法を出発点としており、ここでは例えば多重波伝搬を調整するためにガードインターバルを有するデータストリームが使用される。本発明はまた、同期化列を準備する送信機と、この同期化列を評価する受信機と、通信システムとを出発点とする。
【０００２】
ここで前提とするのは例えば、１つの送信機が１つまたは複数の受信機にサービスを提供することである。この送信機は、１時点に１つまたは複数のパケットをこれらの受信機に送信する。
【０００３】
例えばＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）を使用する伝送システムでは、同期化の問題がある。ＯＦＤＭ伝送では送信シンボルは、一般的にはディジタルである変調方式によって周波数領域の複数のサブキャリアに変調される[１]。つぎにこれらのサブキャリアは合計されてＩＦＦＴ（Inverse Fast Fourier Transfomation）により時間領域に変換され、引き続いて送信される。
【０００４】
受信機では、送信された信号についての２，３の情報、例えばブロック開始および周波数偏差（Frequenzablage）を再構成する必要がある。
【０００５】
ブロック開始を求めるためには、受信すべき信号の時間的に位置が既知でなければならない。この目的のため、２段階の方法が使用されることが多い。この方法では、まず大まかな、つぎに精確なブロック開始の検出が順次行われる。
【０００６】
通常の場合、受信機は送信機に対して周波数偏差を有する。ＯＦＤＭの場合にはこの偏差は殊に問題であり、それはこれによってビット誤りの増大に結びつく直交性の障害が発生し得るからである。周波数同期化は、このような周波数差分を補正するために使用される。
【０００７】
比較的短いデータパケットが伝送される通信システムにおいて同期化を達成するためには、[２]，[３]および[４]のように伝送バーストの前に同一の２つの同期化シンボル、例えばＯＦＤＭシンボルを前置する。ここでこれらは所定の間隔で２回送信される。これらの信号の位置は、距離（Metrik）を評価することによって決定することができる。
【０００８】
シンボル間干渉（Intersymbol Interference ＩＳＩ）を回避するため、ＯＦＤＭ伝送技術に関連してガードインターバルを送信機で挿入すること多い。その長さはチャネルパルス応答の持続時間に適合される。受信機において時間的に隣り合うシンボルにより障害が実際に発生しないようにするためにも、過渡時点、すなわちＩＳＩのない信号区間の開始を、受信機でのデータ評価の前に検出しなければならない。この時点の検出は、ブロックまたはシンボル同期化と称される。このチャネルのパルス応答がガードインターバルよりも短い場合、ブロック同期化によって定常状態の開始を精確に求める必要はなく、許容される同期化インターバルが得られる。
【０００９】
発明の利点
請求項１の手段によって同期化の精度が公知の方法に比して格段に改善される。公知の方法は実質的に大まかなブロック同期化だけに使用できるのに対して、本発明の方法は、極めて精度の高い結果を精確なブロック推定についても、周波数推定についても提供する。本発明の解決手段は有利にも、伝送方式としてのＯＦＤＭに適切である。コヒーレントな復調が行われる場合、同期化列をブロック同期化および周波数偏差の推定に、またチャネルパルス応答の推定にも使用可能である。
【００１０】
本発明の方法を実現するためのコストは公知の方法よりも高くなることがなく、しかもこのコストによって、例えば周波数偏差の推定のより高い精度が提供される。
【００１１】
本発明の方法ないしは相応する送信機および受信機は有利にも無線システムでの使用に適しており、しかも送信機および受信機が役割分担を交代し得る通常の双方向通信システムにも、送信機および受信機の役割が時間について静的である放送システムにも適している。
【００１２】
伝送媒体として無線の他に、例えば同軸ケーブルを介する、または線路網のシールドされたまたはシールドされていない線の対を介する線路伝送を設けることも可能である。ハイブリッド通信システム、すなわち無線コンポーネント、線路伝送コンポーネントおよび／または光導波コンポーネントを有する通信システムにも本発明は有利に使用可能である。
【００１３】
変調方式として例えばＯＦＤＭが有利である。しかしながらガードインターバルが多重波伝搬の調整のために設けられている、ＯＦＤＭを有しないシステムにも本発明は有利に使用することができる。
【００１４】
図面
図面に基づき実施例を詳しく説明する。ここで、
図１は、１つの送信機と複数の受信機とを有する無線ネットワークを示しており、
図２は、従来技術による同期化列の構造を示しており、
図３は、本発明による同期化列の構造を示しており、
図４は、プリアンブルを有する同期化列の構造を示しており、
図５は、本発明による送信機のブロック回路図を示しており、
図６は、本発明による受信機のブロック回路図を示している。
【００１５】
実施例の説明
本発明による実現の説明に入る前に、理解を容易にするため従来技術による同期化を説明する。
【００１６】
以下の考察に対して前提とするのは、図１で加入者の送信機Ｓが別の加入者の複数の受信機Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３にサービスを提供することである。
【００１７】
加入者の送信機Ｓは目下、１つまたは複数のデータパケットを受信機Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３に送信し、その持続時間は一定でも可変でもよい。この状況は一般に変化することもあり、これによってダイナミックに加入者のうちの一人が受信モードから後に送信モードに切り替わり、また送信を行っている加入者および／または受信を行っている別の加入者がつぎに受信モードで動作する。
【００１８】
さらに前提とするのは、伝送方式としてＯＦＤＭが使用されていることである（[１]，[３]，[４]を参照されたい）。このために送信シンボルは、周波数領域の複数のサブキャリアに、一般的にはディジタル変調方式によって変調される。これらのサブキャリアは合計されてつぎにＩＦＦＴ（Inverse Fast Fourier Transformation）によって時間領域に変換され、引き続いて送信される。
【００１９】
通信システムでは短いデータパケットだけが伝送されるため、高速の同期化が大いに必要である。これは固有の同期化シンボルによってのみ達成され、この同期化シンボルは送信機においてデータパケットに前置される。
【００２０】
ブロック同期化のための公知の方法（[２]，[３]参照）では、長さＮの信号Ａ＝{
ｒ_ｉ}が評価され、ここでこの信号は間隔Ｐで２回送信される。これについては図２を参照されたい。この信号の位置はつぎの距離を評価することによって決定することができる。すなわち、
【００２１】
【数１】

【００２２】
ブロック開始に対する判定基準はインデックスｉによって得られ、ここで距離はその最小の位相を有する。すなわち、
ｉ_{Ｓｔａｒｔ}＝arg min_ｉλ(ｉ,Ｎ,Ｐ）
ＯＦＤＭシステムにおけるブロック同期化により、周期的なプリアンブルに基づいて後続のデータブロックの干渉のない領域を推定する。このために相関窓が、列長に対してガードインターバルの長さ分だけ短縮される。
【００２３】
上に説明した方法は実質的に大まかなブロック同期化に使用される。したがってこの方法は原理に起因して、精確なブロック推定についても、周波数推定についても共に極めて不正確な結果だけしか提供しない。
【００２４】
図１の送信機Ｓによって固有の同期化列が、例えば送信の開始時にデータストリームに挿入される。この同期化列は受信機において使用されて、受信すべき信号の時間的位置および／または送信機と受信機との間の周波数偏差が推定される。この同期化列は本発明により、以下のように構成される。すなわち、
− 理想的には有利な自己相関特性を有する、長さが等しい相異なる２つのシンボル列ＡおよびＢが選択される。ＯＦＤＭの場合、これはＯＦＤＭシンボルとすることができ、ここでこのシンボルは通常のデータシンボルと同じ長さまたは異なる長さを有し、
−これらの２つのシンボル列ＡおよびＢの送信はつねに、図３のように交互にＡが２回、Ｂが２回送信されるように行われる。ここでシンボル列ＡおよびＢにおけるインデックスは、列ＡおよびＢの発生を示す。
【００２５】
送信機Ｓと受信機Ｅとの間で受信すべき信号の時間的位置は、ここでは所定のインターバル内のシンボル列対である相異なるシンボル列の結合項（Verbundterm）、例えば合計距離から求められる。
【００２６】
この場合、受信機において合計距離λ_Ｓは、同種のすべての列対（Ａ_ｌ，Ａ_ｍ）ないしは（Ｂ_ｌ，Ｂ_ｍ）についての個別距離λの総和から得られ、つぎのようになる。ここで1≦ｌ，ｍ≦Ｍかつｍ＞１であり、
【００２７】
【数２】

【００２８】
この式でＳ(Ｘ，Ｙ)は、信号インターバルＸに対する相対的な開始インデックスを、またΔ(Ｘ，Ｙ)は２つの信号対Ｘ，Ｙの間隔を表す。
【００２９】
インデックスｉ_{Ｓｔａｒｔ}がブロック開始として選択され、ここでこのブロック開始は距離λ_Ｓを、フレーム同期化によってあらかじめ設定されたインターバルＩ_ＲＳ内で最小化する。
【００３０】
【数３】

【００３１】
【外１】

【００３２】
【外２】

【００３３】
【外３】

【００３４】
ここに示したシンボルは、これが送信機および受信機において既知の場合、本発明によりチャネル推定にも使用することができる。この目的のために同期化シンボルは、周波数補正を行った後、受信機においてＦＦＴ処理され、個々のサブキャリアの振幅および位相重み付けが決定される。同期化信号（ＡないしはＢ）が通常のＯＦＤＭシンボルよりも短い場合、伝送されないサブキャリアの位相および振幅重み付けを補間によって求めなければならない。既知の複数の同期化シンボルを使用するという事実を利用して、チャネルパラメタの平均化を既知のシンボルについて行い、これによってチャネル推定の精度を高めることができる。
【００３５】
ここで前提とするのは、送信機が各同期化列に図４によるプリアンブルを前置することである。本発明の同期化列にはプリアンブルが前置されており、ここでこのプリアンブルを使用するのは、受信機のゲインコントロールを正しく調整し、受信機のアナログ−ディジタル変換器を完全に制御するためである。プリアンブルに続く同期化シンボルは列ＡＡＢＢＡＡからなる。
【００３６】
ブロック同期化に対する距離はこの場合、つぎのように計算される。すなわち、
【００３７】
【数４】

【００３８】
個別距離は、対（Ａ_１，Ａ_２），（Ａ_１，Ａ_３），（Ａ_１，Ａ_４），（Ａ_２，Ａ_３），（Ａ_２，Ａ_４），（Ａ_３，Ａ_４），（Ｂ_１，Ｂ_２）に相応する。ブロックに対する開始値は、
ｉ_{Ｓｔａｒｔ}＝arg min_ｉλ_ｓ(ｉ)
である。
【００３９】
周波数同期化に対して周波数偏差ｆ_０はつぎのように計算される。すなわち、
【００４０】
【数５】

【００４１】
送信機の実施例は図５に示されている。ＯＦＤＭ送信機すなわちその符号化ないしは変調装置ＣＭにはビット列が供給される。この後ＩＦＦＴ（Inverse Fast Fourier Transformation）による通例の処理、パラレル−シリアル変換Ｐ／Ｓ、および周期的な継続によるガードインターバルＳＩの挿入が続く（[１]を参照されたい）。引き続き各送信の開始時に同期化列がメモリＳＰから読み出され、図４のプリアンブルと共に挿入装置ＥＢによって挿入される。この信号はディジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）変換され、送信フロントエンドＳＦに渡される。ここではこの信号は場合によっては別の周波数位置に上方混合されてアンテナを介して送信される。同期化列の挿入は図５の実施例ではＩＦＦＴにしたがって行われる。したがってメモリＳＰには同期化列の時間信号が存在しなければならない。しかしながら所定の条件下では、同期化列をＩＦＦＴの前に挿入し、ＩＦＦＴによって処理することも同様に可能である。
【００４２】
受信機の実施例が図６に示されている。この受信機では、ベースバンドに混合されかつアナログ−ディジタル変換された信号がサンプリングメモリＡＳに到達する。このサンプリングメモリＡＳに同期化装置ＳＹはアクセス可能であり、これによってブロック同期化、周波数同期化およびチャネル推定が行われる。ブロック同期化を行った後、正しい値をサンプリングバッファメモリから読み出す窓化ユニットＢＳが操作される。引き続き周波数補正が混合装置ＦＳにおいて、求めた周波数偏差によって行われる。シリアル−パラレル変換Ｓ／ＰおよびＦＦＴ処理の後、チャネル推定によって求めたチャネルパラメタが、復調および復号化に使用される。
【００４３】
以下では本発明を実施するための択一的な例を示す。すなわち、
− 合計距離に対する計算ステップ時には、考えられ得るすべての対を考慮しなくてもよい。実施例ではブロック同期化に対する計算規則は、例えばつぎのように変更され得る。すなわち、
【００４４】
【数６】

【００４５】
個別距離はこの場合、対（Ａ_１，Ａ_２），（Ａ_１，Ａ_３），（Ａ_２，Ａ_４），（Ａ_３，Ａ_４），（Ｂ_１，Ｂ_２）に相応することになる。
【００４６】
同様に周波数偏差に対する計算ステップの際に、φ_０δに対する式の計算の際に生じ得る角度偏差の一部分だけを使用することも可能である。
【００４７】
− 状況によっては、ガードインターバルを個別の周波数対の前に挿入すると有利である。Ｓを任意の長さのガードインターバルとすると（一般的にはシンボルの周期的な連続）、これによって例えば列ＳＡＡＳＢＢＳＡＡが得られる。上記の計算規則は一貫して有効であり、ここでガードインターバルは評価されない。
【００４８】
−上に説明した方法によれば、信号列ＡおよびＢはそれぞれ対で複数回、順次に送信される。これらの信号列が個々に相前後して続く場合、例えば列ＡＢＡＢの場合、ブロックおよび周波数同期化に対する方法を同様に使用可能である。また同様に、列ＡおよびＢを対ではなく、それぞれ２回以上挿入することも可能である。３回ずつ生じる列の例はＡＡＡＢＢＢＡＡＡになる。上に示した計算規則は一貫して有効である。
【００４９】
さらに相異なる２つ以上の信号列、例えば相異なる３つの信号Ａ，ＢおよびＣを使用することができる。この場合のルールは、少なくとも１つの信号列を対として、別の信号の別の対よりも長い間隔で同期化シンボルにまとめることになる。
【００５０】
相異なる信号列を直接続け得て連続的に送信するのではなく、互いに所定の間隔で送信することも可能である。
【００５１】
ここに示した方法は、相異なる信号列がそれぞれ同じ長さを有することを前提としている。異なる長さを有する別個の信号列ＡおよびＢを使用することも可能である。計算規則は一貫して有効であり、詳細にはこの計算規則をこの目的に適合化しなければならない。
【００５２】
文献一覧
[１] W. Zou, Y. Wu "COFDM: an Overview", IEEE Transactions on Broadcasting, Vol 41, No. 1, １９９５年３月
[２] Chevillat, P. R., Mainwald, D, .Ungerboeck, G. (1987) Rapid Training of a Voiceband Data-Modem Receiver Employing an Equalizer with Fractional-T Spaced Coefficients, IEEE Trans. on Communications 35(9), 869-876
[３] Mueller-Weinfurtner, S. H. (1998) On the Optimality of Metrics for Coarse Frame Synchronization in OFDM a Comparison, 9th IEEE PIMRC '98
[４] Mueller-Weinfurtner, S. H., Roessler, J. F., Huber, J. B. (1998) Analysis of a Frame- and Frequency Synchronizer for Bursty OFDM, Proceedings of the 7th CTMC at IEEE Globecom '98, pp.201-206
【図面の簡単な説明】
【図１】 １つの送信機と複数の受信機とを有する無線ネットワークを示す図である。
【図２】 従来技術による同期化列の構造を示す図である。
【図３】 本発明による同期化列の構造を示す図である。
【図４】 プリアンブルを有する同期化列の構造を示す図である。
【図５】 本発明による送信機のブロック回路図である。
【図６】 本発明による受信機のブロック回路図である。

Claims (15)

1. ガードインターバルを有するデータストリームを使用して、伝送システム内で１つまたは複数の受信機を１つの送信機に同期化する方法において、
   − 送信機（Ｓ）によって、固有の同期化列を前記データストリームに挿入し、ここで該同期化列は、受信すべき信号の時間的位置および／または送信機（Ｓ）と受信機（Ｅ）との間の周波数偏差を推定するのに使用し、
   − 前記同期化列を相異なる少なくとも２つのシンボル列（Ａ，Ｂ）から構成し、該シンボル列を交互に周期的に送信し、
   − 受信すべき信号の時間的位置および／または送信機（Ｓ）と受信機（Ｅ）との間の周波数偏差を、所定のインターバル内の相異なるシンボル列（Ａ，Ｂ）の結合項から求め、
   − ブロック同期化のため、同期化列として使用される相異なる少なくとも２つのシンボル列の合計距離を使用し、
   ブロック開始として、該合計距離を所定のインターバル内で最小化するインデックスを選択することを特徴とする
   同期化方法。
2. ＯＦＤＭ伝送システムでは前記シンボル列（Ａ，Ｂ）はＯＦＤＭシンボルからなり、
   該ＯＦＤＭシンボルは、通常のデータシンボルと同じ長さまたは異なる長さを有する
   請求項１に記載の方法。
3. 前記シンボル列（Ａ，Ｂ）を、少なくとも対でそれぞれ交互に送信する
   請求項１または２に記載の方法。
4. 相異なる２つ以上のシンボル列を使用する場合、少なくとも１つのシンボル列は対として、別のシンボル列の別の対よりも長い間隔で同期化列にまとめる、
   請求項１または２に記載の方法。
5. ガードインターバルを個々のシンボル列対（ＡＡ，ＢＢ，ＡＡ，…）の前に設ける
   請求項３または４に記載の方法。
6. あらかじめ設定される前記のインターバルを、前記データストリームのフレーム構造によって決定する
   請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法。
7. 周波数偏差を推定するため、隣り合う同種の２つの信号区間毎の位相ずれを求める
   請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法。
8. 別の同種の信号区間の位相ずれを同様に求め、
   得られた位相ずれについての平均によって、全体的な周波数偏差を推定する
   請求項７に記載の方法。
9. 周波数補正を行った後、前記シンボル列を受信機にてＦＦＴ変換（Fast Fourier Transformation）しかつ個々のサブキャリアの振幅および位相重み付けを決定することによって、前記シンボル列をコヒーレントな復調に対するチャネル推定のために使用する
   請求項１から８までのいずれか１項に記載の方法。
10. チャネルパラメタを相異なるシンボル列（Ａ，Ｂ）についての平均によって推定する
    請求項９に記載の方法。
11. 前記同期化列にプリアンブル（Ｐ）を前置し、
    該プリアンブルは、受信機（Ｅ）の振幅制御（ＧＣ）を調整するために設けられている
    請求項１から１０までのいずれか１項に記載の方法。
12. ガードインターバルを有するデータストリームを使用して、伝送システム内で少なくとも１つの受信機に対して同期化列を準備する送信機（Ｓ）において、
    − 符号化ないしは変調装置（ＣＭ）と、
    − 相異なる少なくとも２つのシンボル列（Ａ，Ｂ）から構成される同期化列に対する挿入装置（ＥＢ）と、
    − 相異なるシンボル列ないしは該シンボル列の結合体に対する記憶装置（ＳＰ）とを有しており、
    前記挿入装置（ＥＢ）は、符号化ないしは変調装置（ＣＭ）によって準備されるデータストリームに同期化列を交互に周期的に挿入できるよう形成されており、
    前記記憶装置（ＳＰ）は挿入装置（ＥＢ）と作用結合されており、
    受信機（Ｅ）にて、
    − 受信すべき信号の時間的位置および／または送信機（Ｓ）と受信機（Ｅ）との間の周波数偏差を、所定のインターバル内の相異なるシンボル列（Ａ，Ｂ）の結合項から求め、
    − ブロック同期化のため、同期化列として使用される相異なる少なくとも２つのシンボル列の合計距離を使用し、ブロック開始として、該合計距離を所定のインターバル内で最小化するインデックスを選択することを特徴とする
    送信機（Ｓ）。
13. ガードインターバルを有するデータストリームを使用して伝送システム内で送信機（Ｓ）によって送信される同期化列を受信しかつ評価する受信機（Ｅ）において、
    − 受信したデータストリームに対するサンプリングメモリ（ＡＳ）と、
    − 同期化評価装置（ＳＹ）とを有しており、
    前記同期化評価装置は、前記サンプリングメモリ（ＡＳ）と作用結合されており、
    前記同期化評価装置は、交互に周期的に送信される相異なる少なくとも２つのシンボル列（Ａ，Ｂ）からなる同期化列が所定のインターバル内で周波数偏差および／または時間的位置について評価され、かつブロック同期化（ＢＳ）、周波数同期化（ＦＳ）および／またはチャネル推定（ＫＳ）のための相応する受信ユニットを制御するのに使用され、
    − 受信すべき信号の時間的位置および／または送信機（Ｓ）と受信機（Ｅ）との間の周波数偏差を、所定のインターバル内の相異なるシンボル列（Ａ，Ｂ）の結合項から求め、
    − ブロック同期化のため、同期化列として使用される相異なる少なくとも２つのシンボル列の合計距離を使用し、ブロック開始として、該合計距離を所定のインターバル内で最小化するインデックスを選択することを特徴とする
    受信機（Ｅ）。
14. 通信システムにおいて、
    該通信システムは、無線通信システム、線路伝送通信システムとして、またはハイブリッド通信システム、すなわち無線コンポーネント、光導波コンポーネントおよび／または線路伝送コンポーネントを有する通信システムとして形成されており、
    加入者に、送信および受信モードが変更可能に１つずつ送信機および受信機が割り当てられていることを特徴とする
    請求項１から１１までのいずれか１項に記載の方法を使用する通信システム。
15. 放送システムにおいて、
    該放送送信通信システムは、無線通信システム、線路伝送通信システムとして、またはハイブリッド通信システム、すなわち無線コンポーネント、光導波コンポーネントおよび／または線路伝送コンポーネントを有する通信システムとして形成されており、
    送信および受信モードの割り当ては固定的にあらかじめ設定されていることを特徴とする、
    請求項１から１１までのいずれか１項に記載の方法を使用する放送通信システム。

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