JP4837527B2

JP4837527B2 - 通信装置、通信システム及び通信方法

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Publication number: JP4837527B2
Application number: JP2006294984A
Authority: JP
Inventors: 千田充治
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2006-10-30
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2026-10-30
Also published as: JP2008113243A

Description

本発明は、通信装置、通信システム及び通信方法に関する。

ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing：直交周波数分割）は、データを変調する搬送波を、互いに直交した複数の「サブキャリア」（細分化された搬送波）に分割し、データ信号をそれぞれのサブキャリアに分散させて送信する方式である。

ＯＦＤＭ変調ではシンボル間干渉（ＩＳＩ）抑圧のため、通常ガードインターバル（ＧＩ）を追加して送信を行う。受信側では、ガードインターバルとガードインターバル元の複素共役で相関演算し、ピーク検出を行うことでシンボル同期を行っている。

例えば、特許文献１によれば、図８に示すように、ガードインターバルは、信号がマルチパス妨害を受けて遅延時間が発生した場合においても、復号誤りの大きな原因となるシンボル間干渉を生じないために付加される信号であり、ガードインターバルは、送信データに対応する有効シンボル期間のデータの一端の一部の波形を繰返すことにより付加される。

これにより、隣接シンボル（図では、（ａ）主波と（ｂ）マルチパス波）間に重なる区間が発生した場合でも、この区間がガードインターバル内であれば、復調される信号は同一の有効シンボルのデータが重なって得られるだけであるため、シンボル間干渉による復号誤りは発生しない。

また、ＯＦＤＭに加えＴＤＭＡやＴＤＤを有する通信システムでは、通常フレーム同期用シンボル（プリアンブル等）を挿入している。例えば、図９に示すように、非特許文献１には、ＩＥＥＥｓｔｄ８０２．１６のＴＤＤモードにおけるＯＦＤＭＡフレーム構造が記載されている。
このような同期用シンボル（プリアンブル等）は既知のシンボルであり、受信側では受信した信号と、受信側で持っている同期用のレプリカシンボルとの相関演算でピークサーチを行うことで、フレームタイミングを抽出している。
特許第３４５１９４７号（第４頁段落００３５、図４） AMENDENT2 AND CORRIGENGUM 1 TO IEEE Std 802.16-2004（Figure 218-Example of an OFDMA frame(with only mandatory zone)in TDD mode）

ところが、同期用シンボルは、既知のシンボルであるため、入れた数だけデータレートが低下する。ＯＦＤＭの場合は、特定時間を全て同期用シンボルとするのが一般的であるが、これだけで、フレーム全体に対する約３％のデータを捨てていることになる。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、ＯＦＤＭ方式で通信を行う通信システムにおいて、フレーム同期用シンボルを挿入することなくフレーム同期をすることができる通信装置、通信システム及び通信方法を得ることを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る通信装置は、ＯＦＤＭ方式で通信を行う通信システムにおいて、フレーム内の伝送データのシンボルのうちの一部のシンボルに関し、有効シンボル期間の後部データを当該有効シンボル期間の先頭に１８０°位相をずらしてガードインターバルとして付加し、前記一部のシンボル以外のシンボルには、有効シンボル期間の後部データを１８０°位相をずらさずに当該有効シンボル期間の先頭にガードインターバルとして付加するガードインターバル付加部を含み、該伝送データを送信する送信部と、ガードインターバルを含む伝送データを受信し、前記ガードインターバルとガードインターバル元である前記有効シンボル期間の後部データとの複素共役で相関演算を実行し、この相関演算の結果である相関ベクトルの成分が虚数である場合は前記一部のシンボルであることを判定し、実数である場合は前記一部のシンボル以外のシンボルであることを判定する相関演算部を含む受信部と、を備えることを特徴とする（請求項１）。

さらに、前記一部のシンボルはフレーム先頭のシンボルであり、前記受信部は、抽出された前記フレーム先頭のシンボルを用いて、通信フレームの同期をとることを特徴とする（請求項２）。

本発明に係る通信システムは、ＯＦＤＭ方式で通信を行う通信システムにおいて、フレーム内の伝送データのシンボルのうちの一部のシンボルに関し、有効シンボル期間の後部データを当該有効シンボル期間の先頭に１８０°位相をずらしてガードインターバルとして付加し、前記一部のシンボル以外のシンボルには、有効シンボル期間の後部データを１８０°位相をずらさずに当該有効シンボル期間の先頭にガードインターバルとして付加するガードインターバル付加手段と、該伝送データを送信する送信手段と、該伝送データを受信する受信手段と、受信した前記伝送データのうち前記ガードインターバルとガードインターバル元である前記有効シンボル期間の後部の複素共役で相関演算を実行し、この相関演算の結果である相関ベクトルの成分が虚数である場合は前記一部のシンボルであることを判定し、実数である場合は前記一部のシンボル以外のシンボルであることを判定する手段と、を備えることを特徴とする（請求項３）。

さらに、前記一部のシンボルはフレーム先頭のシンボルであり、抽出された前記フレーム先頭のシンボルを用いて、通信フレームの同期をとる同期手段を備えることを特徴とする（請求項４）。

本発明に係る通信方法は、通信装置の送信部から受信部へのデータ送信において、前記送信部からデータを送信するステップは、送信するデータのシンボルがフレームの先頭であるか否かを判断するステップと、前記シンボルが先頭である場合は、ガードインターバルを１８０°位相をずらして付加するステップと、前記シンボルが先頭ではない場合は、前記ガードインターバルを１８０°位相をずらさないで付加するステップと、を含み、前記受信部がデータを受信するステップは、前記ガードインターバルとガードインターバル元の複素共役で相関演算を実行するステップと、前記相関演算により得られた相関ベクトルの成分を判断するステップと、判断された前記相関ベクトルの成分が虚数の場合は、フレーム先頭のシンボルを抽出するステップと、抽出された前記フレーム先頭のシンボルを用いて、通信フレームの同期を行うステップと、を含むことを特徴とする（請求項５）。

本発明に係る通信装置、通信システム及び通信方法によれば、フレームの先頭のシンボルには転置したガードインターバル（ＧＩ）を付加し、他のシンボルは転置しないガードインターバル（ＧＩ）を付加して送信することにより、フレーム同期をすることができるので、フレーム同期用シンボル（プリアンブル等）を挿入する必要がなくなるので、データレートを低下させずに済む。また、従来のフレーム同期用シンボルを用いた場合の同期アルゴリズムをそのまま使用することができる。

以下、本発明に係るＯＦＤＭ方式で通信を行う通信システムの実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る通信システムにおける通信装置のブロック図である。
図１に示すように、通信装置１は、逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）部１１、ガードインターバル付加部１２、パラレル／シリアル変換部１３、Ｄ／Ａコンバータ１４、無線周波数（ＲＦ）信号に周波数変換するＲＦ部１５、を備える送信部１０と、無線周波数（ＲＦ）信号を周波数変換するＲＦ部２１、Ａ／Ｄコンバータ２２、シリアル／パラレル変換部２３、相関演算部２４、ガードインターバル除去部２５、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）部２６、を備える受信部２０と、を備えている。

図１において、各サブキャリアに対してＱＰＳＫ等の変調が施されたデータは、逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）部１１によって、ＩＦＦＴ演算を施され、周波数領域の送信データから時間領域の送信データに変換され、互いに直交する関係にある複数のサブキャリアがそれぞれ独立に変調されたマルチキャリア変調信号が生成される。
そして、逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）部１１の出力は、ガードインターバル付加部１２に供給される。

ガードインターバル付加部１２は、後述の図４及び図５に示すようにして、伝送データの有効シンボル期間の後部（ＧＩ元）をガードインターバル（ＧＩ）として、有効シンボル期間の先頭に、ＧＩ元から転置せずにそのまま付加するか、あるいは、ＧＩ元から転置して付加する。

そして、ガードインターバル付加部１２で得られた信号は、パラレル／シリアル変換部１３でシリアルの送信データに変換され、Ｄ／Ａコンバータ１４によってアナログの送信信号に変換され、ＲＦ部１５によって無線周波数（ＲＦ）信号に周波数変換した後に伝搬路に出力する。

受信部２０は、伝搬路応答が付加された送信信号を受信し、ＲＦ部２１によって周波数変換され、Ａ／Ｄコンバータ２２によってデジタル信号に変換され、シリアル／パラレル変換部１３でパラレルの信号に変換される。また、このデジタル信号は、相関演算部２４に送られる。

そして、相関演算部２４に送られた信号は図２に示すように処理される。
図２は、相関演算部２４が実行する各処理機能部を示すブロック図である。
図２に示すように、相関演算部２４において、シンボル抜出部２４−１は前記デジタル信号から自己相関シンボルを抜き出し、自己相関部２４−２は抜き出したシンボルで自己相関を行う。そして、ピーク検波部２４−３はピーク検波を行い、シンボルタイミング抽出部２４−４はピーク検波された信号からシンボルタイミングを抽出する。ここで抽出されたシンボルタイミング信号は後述のガードインターバル除去部２５に送出される。
一方、ピーク検波部２４−３の出力は、ピーク成分を検出するピーク成分検出部２４−５にも供給される。そしてさらに、検出されたピーク成分を使用して、フレーム同期シンボル検出部２４−６によりフレーム同期シンボルが検出される。

また、ガードインターバル除去部２５は、シリアル／パラレル変換部１３で変換されたパラレル信号から、相関演算部２４のシンボルタイミング抽出部２４−４から供給されるシンボルタイミング信号に従って、ガードインターバルを除去する。ガードインターバル除去部２５で得られた信号は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）部２６に供給される。
高速フーリエ変換（ＦＦＴ）部２６は、入力される時間領域の受信データをＦＦＴ演算を施すことによって周波数領域の受信データに変換する。

次に、本実施の形態に係る通信装置の送信部におけるガードインターバルを付加する動作を図３、図４及び図５を参照して説明する。
図３はガードインターバルを付加する動作のフロー図であり、図４及び図５はガードインターバルを付加する動作を複素平面上の信号点配置で示した説明図である。なお、図４はＧＩをＧＩ元から転置せずにそのまま付加した場合、図５はＧＩをＧＩ元から転置して付加した場合を示す。

図３に示すように、ガードインターバル付加部１２は、逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）部１１から送られた伝送データの各シンボルに対して、フレームの先頭であるか否かを判断する（ステップＳ１）。当該シンボルが先頭である場合（Ｙｅｓ）は、ガードインターバル（ＧＩ）を転置して付加する（ステップＳ２）。
すなわち、図５において、左図に示される黒丸であるＧＩ元（伝送データの有効シンボル期間の後部）の送信データを転置し（１８０°位相をずらして）、右図のように、ＧＩ元の送信データを転置してシンボルの先頭に付加する。

また、当該シンボルが先頭ではない場合（Ｎｏ）は、ガードインターバル（ＧＩ）をそのままの状態（転置しない）で付加する（ステップＳ３）。
すなわち、図４において、左図に示される黒丸であるＧＩ元（伝送データの有効シンボル期間の後部）を右図のように転置せずにそのままの状態でシンボルの先頭に付加する。

このようにして、フレーム先頭のシンボルには転置したガードインターバル（ＧＩ）を付加し、他のシンボルは転置しないガードインターバル（ＧＩ）を付加して送信を実行する（ステップＳ４）。

このように、本実施の形態に係る通信システムにおいて、ＯＦＤＭ信号はシンボル間干渉を防ぐために、各シンボル毎にＧＩが付加されるが、フレーム先頭のシンボルには転置したガードインターバル（ＧＩ）を付加し、他のシンボルは転置しないガードインターバル（ＧＩ）を付加して送信する。

次に、本実施の形態に係る通信装置の受信部におけるシンボルがフレーム先頭のシンボルか否かを抽出する動作を図６、図７を参照して説明する。
図６はシンボルがフレーム先頭のシンボルか否かを抽出する動作のフロー図であり、図７はシンボルがフレーム先頭のシンボルか否かを抽出する動作を複素平面上の信号点配置で示した説明図である。

図６に示すように、受信部２０はデータを受信する（ステップＳ１１）。
次に、受信部２０の相関演算部（抽出手段）２４は、ガードインターバル（ＧＩ）とガードインターバル（ＧＩ）元の複素共役で相関演算を実行し相関ベクトルを求める（ステップＳ１２）、次に、複素共役で畳み込むことで現れる相関ベクトルの成分が虚数成分（Image）であるか、実数成分（Real）であるかを判断する（ステップＳ１３）。

ここで、判断された相関ベクトルの成分が“Image”（虚数）の場合は、フレーム先頭のシンボルを抽出する（ステップＳ１４）（図７に示す時間領域のＮフレームの先頭）。

また、判断された判断された相関ベクトルの成分が“Real”（実数）の場合は、通常のシンボルを抽出する（ステップＳ１５）（図７に示す時間領域のＮフレームの先頭以外）。

そして、抽出されたフレーム先頭のシンボルを用いて、通信フレーム全体（図７に示すＮフレーム）の構成を行う（ステップＳ１６）。

すなわち、図７に示すように、フレーム先頭のシンボルには転置したガードインターバル（ＧＩ）を付加し、他のシンボルは転置しないガードインターバル（ＧＩ）を付加して送信することにより、図７における左から２番目のシンボルがＮフレームの先頭のシンボルであることがわかるので、フレーム同期用シンボルを挿入することなくフレーム同期をすることができる

以上、詳述したように、本発明の実施の形態に係る通信システムにおける通信装置は、ＯＦＤＭ方式で通信を行う通信システムにおいて、フレーム内の伝送データのシンボルのうちの一部のシンボルに関し、有効シンボル期間の後部データを当該有効シンボル期間の先頭に転置してガードインターバルとして付加し、前記一部のシンボル以外のシンボルには、有効シンボル期間の後部データを転置せずに当該有効シンボル期間の先頭にガードインターバルとして付加するガードインターバル付加部１２と、を含み、該伝送データを送信する送信部１０と、ガードインターバルを含む伝送データを受信し、前記ガードインターバルとガードインターバル元である前記有効シンボル期間の後部データとの複素共役で相関演算を実行し、この相関演算の結果である相関ベクトルの成分が虚数である場合は前記一部のシンボルであることを抽出し、実数である場合は前記一部のシンボル以外のシンボルであることを判定する相関演算部２４を含む受信部２０と、備えることにより、フレーム同期用シンボル（プリアンブル等）を挿入しなくても、フレーム同期をすることができるので、データレートを低下させずに済む。また、従来のフレーム同期用シンボルを用いた場合の同期アルゴリズムをそのまま使用することができる。

本発明の実施の形態に係る通信システムにおける通信装置のブロック図である。相関演算部が実行する各処理機能を示すフロー図である。ガードインターバルを付加する動作のフロー図である。ＧＩをＧＩ元から転置せずにそのまま付加する場合における、ガードインターバルを付加する動作を複素平面上の信号点配置で示した説明図である。ＧＩをＧＩ元から転置して付加する場合における、ガードインターバルを付加する動作を複素平面上の信号点配置で示した説明図である。フレーム先頭のシンボルか否かを抽出する動作のフロー図である。フレーム先頭のシンボルか否かを抽出する動作を複素平面上の信号点配置で示した説明図である。従来のガードインターバル付加方法における説明図である。フレーム同期用シンボル（プリアンブル）を挿入した従来のＯＦＤＭＡフレーム構造の一例を示す図である。

符号の説明

１通信装置
１０送信部
１２ガードインターバル付加部
２０受信部
２４相関演算部
２４−１シンボル抜出部
２４−２自己相関部
２４−３ピーク検波部
２４−４シンボルタイミング抽出部
２４−５ピーク成分検出部
２４−６フレーム同期シンボル検出部

Claims

ＯＦＤＭ方式で通信を行う通信システムにおいて、フレーム内の伝送データのシンボルのうちの一部のシンボルに関し、有効シンボル期間の後部データを当該有効シンボル期間の先頭に１８０°位相をずらしてガードインターバルとして付加し、前記一部のシンボル以外のシンボルには、有効シンボル期間の後部データを１８０°位相をずらさずに当該有効シンボル期間の先頭にガードインターバルとして付加するガードインターバル付加部を含み、該伝送データを送信する送信部と、
ガードインターバルを含む伝送データを受信し、前記ガードインターバルとガードインターバル元である前記有効シンボル期間の後部データとの複素共役で相関演算を実行し、この相関演算の結果である相関ベクトルの成分が虚数である場合は前記一部のシンボルであることを判定し、実数である場合は前記一部のシンボル以外のシンボルであることを判定する相関演算部を含む受信部と、
を備えることを特徴とする通信装置。
前記一部のシンボルはフレーム先頭のシンボルであり、
前記受信部は、抽出された前記フレーム先頭のシンボルを用いて、通信フレームの同期をとることを特徴とする請求項１に記載の通信装置。
ＯＦＤＭ方式で通信を行う通信システムにおいて、フレーム内の伝送データのシンボルのうちの一部のシンボルに関し、有効シンボル期間の後部データを当該有効シンボル期間の先頭に１８０°位相をずらしてガードインターバルとして付加し、前記一部のシンボル以外のシンボルには、有効シンボル期間の後部データを１８０°位相をずらさずに当該有効シンボル期間の先頭にガードインターバルとして付加するガードインターバル付加手段と、
該伝送データを送信する送信手段と、
該伝送データを受信する受信手段と、
受信した前記伝送データのうち前記ガードインターバルとガードインターバル元である前記有効シンボル期間の後部の複素共役で相関演算を実行し、この相関演算の結果である相関ベクトルの成分が虚数である場合は前記一部のシンボルであることを判定し、実数である場合は前記一部のシンボル以外のシンボルであることを判定する手段と、
を備えることを特徴とする通信システム。
前記一部のシンボルはフレーム先頭のシンボルであり、抽出された前記フレーム先頭のシンボルを用いて、通信フレームの同期をとる同期手段を備えることを特徴とする請求項３に記載の通信システム。
通信装置の送信部から受信部へのデータ送信において、
前記送信部からデータを送信するステップは、
送信するデータのシンボルがフレームの先頭であるか否かを判断するステップと、
前記シンボルが先頭である場合は、ガードインターバルを１８０°位相をずらして付加するステップと、
前記シンボルが先頭ではない場合は、前記ガードインターバルを１８０°位相をずらさないで付加するステップと、を含み、
前記受信部がデータを受信するステップは、
前記ガードインターバルとガードインターバル元の複素共役で相関演算を実行するステップと、
前記相関演算により得られた相関ベクトルの成分を判断するステップと、
判断された前記相関ベクトルの成分が虚数の場合は、フレーム先頭のシンボルを抽出するステップと、
抽出された前記フレーム先頭のシンボルを用いて、通信フレームの同期を行うステップと、を含むことを特徴とする通信方法。