JP4892286B2 - 移動体無線通信装置及び送信周波数制御方法 - Google Patents

Description

本発明は移動体無線通信装置及び送信周波数制御方法に関する。

ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Divisional Multiplex：直交周波数分割多重）は、密に配置された互いに直交する多数のキャリア（サブキャリアと呼ばれる。）を用いて通信を行う方式であり、周波数利用効率に優れる。このＯＦＤＭの特徴を生かした多元接続方式がＯＦＤＭＡ（Orthogonal Frequency Divisional Multiple Access：直交周波数分割多元接続方式）であり、同方式を適用した移動体通信システムでは、複数の移動体無線通信装置のそれぞれが、一部又は全部のサブキャリアを用いて基地局装置と通信を行う。

ＯＦＤＭＡを適用した移動体通信システムでは、ドップラーシフト等により各移動体無線通信装置から基地局装置に到来するサブキャリア間の直交性が崩れると、隣接間キャリア干渉（ＩＣＩ：Inter Carrier Interference）が顕著となる。例えば、基地局装置と通信する移動体無線通信装置にＡＦＣ（Automatic Frequency Control：自動周波数制御）が備えられており、基地局装置から送信されるパイロット信号の周波数に同期した周波数にて移動体無線通信装置から基地局装置に通信信号が送信される場合には、移動体無線通信装置が高速に移動するとドップラーシフトによる周波数オフセットが顕著となる。この場合、基地局装置ではＩＣＩの影響を強く受けてしまう。

この点、下記特許文献１には、ＯＦＤＭを適用した地上波ディジタル放送の受信装置において、ドップラー周波数を高精度に推定する技術が開示されている。
特開２００４−２７４７２２号公報（図１９等）

しかしながら、ＯＦＤＭとは異なり、ＯＦＤＭＡを適用した移動体通信システムでは、各移動体無線通信装置から送信される、それぞれ別々の周波数オフセットを伴った電波の合成波が基地局装置に到来することから、基地局装置側（受信側）にてドップラー周波数その他の周波数オフセットを移動体無線通信装置毎に推定するのは非常に困難である。したがって、ドップラー周波数その他の周波数オフセットを、移動体無線通信装置側（送信側）で低減できるようにすることが望まれる。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、受信側における周波数オフセットを送信側にて低減することができる移動体無線通信装置及び送信周波数制御方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る移動体無線通信装置は、直交周波数分割多元接続方式により基地局装置と通信を行う移動体無線通信装置であって、前記基地局装置から送信されるパイロット信号を受信する受信部と、前記パイロット信号に基づいて該パイロット信号の周波数オフセットを検出する周波数オフセット検出部と、前記基地局装置における受信周波数が所期の周波数となるよう前記周波数オフセットに基づいて前記基地局装置に送信する通信信号の送信周波数を制御する周波数制御部と、当該移動体無線通信装置の移動の有無を判定する停止判定部と、を含み、前記周波数制御部は、前記周波数オフセットに含まれるドップラー周波数に対応する、前記基地局装置における受信周波数のドップラー周波数を相殺するよう、前記通信信号の送信周波数を制御し、前記停止判定部において当該移動体無線通信装置が移動していないと判断される間に前記周波数オフセット検出部により検出される周波数オフセットに基づいて、当該移動体無線通信装置と前記基地局装置との間のドップラーシフト以外の理由による基礎周波数オフセットを取得するとともに、該基礎周波数オフセットに基づいて、前記通信信号の送信周波数を制御し、前記基礎周波数オフセットに基づく前記通信信号の周波数の制御を、前記基礎周波数オフセットが取得されてからの経過時間に基づいて制限する、ことを特徴とする。
を含むことを特徴とする。

本発明によれば、基地局装置から送信されるパイロット信号に基づいて該パイロット信号の周波数オフセットを検出する。そして、この周波数オフセットに基づいて基地局装置に送信する通信信号の送信周波数を制御して、基地局装置における受信周波数が所期の周波数となるようにする。こうすれば、受信側、すなわち基地局装置における周波数オフセットを送信側、すなわち移動体無線通信装置側にて低減することができ、基地局装置におけるＩＣＩの影響を低減できる。

なお、前記周波数制御部は、前記周波数オフセットに含まれるドップラー周波数に対応する、前記基地局装置における受信周波数のドップラー周波数を相殺するよう、前記通信信号の送信周波数を制御するようにしてよい。こうすれば、ドップラーシフトに起因する周波数オフセットを送信側、すなわち移動体無線通信装置側で低減できるようになる。

また、当該移動体無線通信装置の移動の有無を判定する停止判定部をさらに含んでよく、前記周波数制御部は、前記停止判定部において当該移動体無線通信装置が移動していないと判断される間に前記周波数オフセット検出部により検出される周波数オフセットに基づいて、当該移動体無線通信装置と前記基地局装置との間のドップラーシフト以外の理由による基礎周波数オフセットを取得するとともに、該基礎周波数オフセットに基づいて、前記通信信号の送信周波数を制御してよい。こうすれば、ドップラーシフト以外の理由による基礎周波数オフセットを送信側、すなわち移動体無線通信装置側で低減できるようになる。また、周波数オフセット検出部により検出される周波数オフセットのうちドップラーシフトに起因するドップラー周波数を算出できるようになる。

また、前記周波数制御部は、前記基礎周波数オフセットに基づく前記通信信号の周波数の制御を、前記基礎周波数オフセットが取得されてからの経過時間に基づいて制限するようにしてよい。こうすれば、時間が経過して既に妥当性の低下した基礎周波数オフセットを用いた周波数制御が制限されるようになる。

一方、本発明に係る送信周波数制御方法は、受信側装置と無線通信を行う送信側装置における送信周波数制御方法であって、前記受信側装置から送信される既知信号を受信する既知信号受信ステップと、前記既知信号に基づいて該既知信号の周波数オフセットを検出する周波数オフセット検出ステップと、前記受信側装置における受信周波数が所期の周波数となるよう前記周波数オフセットに基づいて前記受信側装置に送信する通信信号の送信周波数を制御する周波数制御ステップと、前記送信側装置の移動の有無を判定する停止判定ステップと、を含み、前記周波数制御ステップにおいて、前記周波数オフセットに含まれるドップラー周波数に対応する、前記受信側装置における受信周波数のドップラー周波数を相殺するよう、前記通信信号の送信周波数を制御し、前記停止判定ステップにおいて前記送信側装置が移動していないと判断される間に前記周波数オフセット検出ステップにおいて検出される周波数オフセットに基づいて、前記送信側装置と前記受信側装置との間のドップラーシフト以外の理由による基礎周波数オフセットを取得するとともに、該基礎周波数オフセットに基づいて、前記通信信号の送信周波数を制御し、前記基礎周波数オフセットに基づく前記通信信号の周波数の制御を、前記基礎周波数オフセットが取得されてからの経過時間に基づいて制限する、ことを特徴とする。

本発明によれば、受信側装置から事前に送信される既知信号に基づいて該既知信号の周波数オフセットを検出する。そして、この周波数オフセットに基づいて送信側装置に送信する通信信号の送信周波数を制御して、送信側装置における受信周波数が所期の周波数となるようにする。こうすれば、受信側装置における周波数オフセットを送信側装置側にて低減することができる。

以下、本発明の一実施形態について図面に基づき詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る移動体通信システムの全体構成図である。同図に示す移動体通信システム１０は、複数の移動端末（移動体無線通信装置）１４のそれぞれが、ＯＦＤＭＡにより１つの基地局（基地局装置）１２と、多重化通信を行うものである。各移動端末１４は一部又は全部のサブキャリアにより通信信号等の信号を基地局１２に送信し、また基地局１２からパイロット信号等の信号を受信する。

本移動体通信システム１０では、各移動端末１４が、基地局１２から送信されるパイロット信号（既知信号）を受信して、該パイロット信号に基づいて基地局１２と移動端末１４との間の周波数オフセットΔｆを算出する。周波数オフセットΔｆは、次式（１）に示すように、基地局１２と移動端末１４との間の源振のずれ等、ドップラーシフト以外に起因する周波数オフセットΔｆ、すなわち基礎周波数オフセットΔｆ０と、移動端末１４が移動してドップラーシフトが生じることに起因する周波数オフセット、すなわちドップラー周波数Δｆｄと、から構成されている。

Δｆ ＝ Δｆ０＋Δｆｄ … （１）

各移動端末１４は、周波数オフセットΔｆに加えて、基礎周波数オフセットΔｆ０を算出するようになっており、基地局１２に通信信号を送信する場合に、その通信信号の周波数を基礎周波数オフセットΔｆ０及びドップラー周波数Δｆｄを考慮したものに制御する。これにより、各移動端末１４から送信される通信信号の基地局１２での受信周波数が、基礎周波数オフセットΔｆ０及びドップラー周波数Δｆｄが存在しない所期の周波数となるようにしている。

すなわち、ドップラーシフト以外に起因して、基地局１２から送信されるパイロット信号が、該パイロット信号の本来の周波数よりも基礎周波数オフセットΔｆ０だけ高い周波数にて、移動端末１４で受信される場合には、移動端末１４は、事前に定められた各サブキャリアの周波数よりも基礎周波数オフセットΔｆ０だけ高い周波数で、通信信号を送信する。これにより、この通信信号は、基地局１２において、あたかも基礎周波数オフセットΔｆ０が存在しないかに見える。

また、ドップラーシフトに起因して、基地局１２から送信されるパイロット信号が、該パイロット信号の本来の周波数よりもドップラー周波数Δｆｄだけ高い周波数にて、移動端末１４で受信される場合には、移動端末１４は、事前に定められた各サブキャリアの周波数よりもドップラー周波数Δｆｄだけ低い周波数で、通信信号を送信する。これにより、この通信信号は、基地局１２において、あたかもドップラー周波数Δｆｄが存在しないかに見える。

すなわち、本実施形態に係る各移動端末１４は、事前に定められた各サブキャリアの周波数よりも、次式（２）に示される値だけ高い周波数にて、基地局１２に通信信号を送信する。これにより、この通信信号は、基地局１２において、あたかも基礎周波数オフセットΔｆ０及びドップラー周波数Δｆｄの両方がそもそも存在しないかに見えるようになり、その受信周波数は所期の周波数（通信信号の通信に割り当てられたサブキャリアの本来の周波数）に一致する。

Δｆ０−Δｆｄ ＝ Δｆ０−（Δｆ−Δｆ０） …（２）

基地局１２では、このようにして各移動端末１４において送信周波数が制御され、送信される通信信号の合成波を受信する。この通信信号の合成波には、多数のサブキャリアが含まれているが、その直交性は、上述の送信周波数制御により維持される。このため、ＩＣＩの影響を排して、良好にＯＦＤＭ復調することが可能となる。

基地局１２の構成・動作は、通常のＯＦＤＭＡを適用した基地局のそれと同じであるから、以下では、移動端末１４の構成・動作について主に説明する。

図２は、移動端末１４の構成図である。同図に示すように、移動端末１４は、受信用の構成として、受信アンテナ２０、ダウンコンバータ２２、ＯＦＤＭ復調・周波数推定部２４及び受信ＡＦＣ部２６を含んでいる。また、送信用の構成として、送信アンテナ３４、アップコンバータ３６、送信ＡＦＣ部３８及びＯＦＤＭ変調・送信部４０を含んでいる。また、送信周波数制御用の構成（本発明の周波数制御部に相当する。）として、周波数オフセット検出部２８、周波数オフセットメモリ部３０、停止検出部３２、送信周波数判定部４２、制御部４４及び時間計測部４６を含んでいる。

ダウンコンバータ２２は、基地局１２から送信される無線周波数のパイロット信号その他の受信信号に、受信ＡＦＣ部２６により周波数が制御されたローカル信号を乗算して、該受信信号の周波数を中間周波数まで下げるものである。ＯＦＤＭ復調・周波数推定部２４は、ダウンコンバータ２２から出力されるアナログの受信信号をディジタルに変換し、ガードインターバル（ＧＩ：Guard Interval）の除去、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform：高速フーリエ変換）を行って、通信シンボルを取得する。特にパイロット信号の通信シンボルであるパイロットシンボルから送信周波数の推定を行う。受信ＡＦＣ部２６は、ＯＦＤＭ復調・周波数推定部２４により推定された周波数のローカル信号をダウンコンバータ２２に供給する。

周波数オフセット検出部２８は、ＯＦＤＭ復調・周波数推定部２４により推定された送信周波数とパイロット信号の周波数とのずれ、すなわち周波数オフセットΔｆを算出する。この周波数オフセットΔｆは、該周波数オフセットΔｆが算出された時刻とともに、周波数オフセットメモリ部３０に順次記憶される。周波数オフセット検出部２８は、算出される周波数オフセットΔｆに基づいて、基地局１２からの通信信号から受信データを取得し、これを図示しない出力装置に供給する。

停止検出部３２は、移動端末１４が移動しているか、停止しているかを判断するものである。例えば、所定時間前から現在までに受信された周波数オフセットΔｆの分散の値が所定値より小さければ、移動端末１４が停止していると判断し、所定値以上であれば、移動端末１４が移動していると判断する。或いは、ＧＰＳ（Global Positioning System）を備え、該ＧＰＳによる測定される移動端末１４の位置の単位時間あたりの変化量が所定値より小さければ、移動端末１４が停止しており、所定値以上であれば、移動端末１４が移動していると判断するようにしてもよい。さらに、加速度センサを備え、該加速度センサの検出値に従って移動端末１４が移動しているか、停止しているかを判断してもよい。また、受信信号のＳＮＲ（Signal to Noise Ratio）が所定値より高い状態が所定時間継続した場合には移動端末１４が停止しており、それ以外の場合には移動していると判断してもよい。

制御部４４は、ＣＰＵを中心として構成されるものであり、移動端末１４の各部を制御する。特に、停止検出部３２により移動端末１４が停止していると判断されている時間に対応する周波数オフセットΔｆを周波数オフセットメモリ部３０から読み出し、その値に基づいて基礎周波数オフセットΔｆ０を取得する。すなわち、移動端末１４が停止している場合の周波数オフセットΔｆは、ドップラーシフト以外に起因すると考えられることから、制御部４４では、周波数オフセットメモリ部３０から周波数オフセットΔｆを１つ読み出して、それをそのまま基礎周波数オフセットΔｆ０としたり、或いは、複数の周波数オフセットΔｆを読み出して、その平均値等の演算結果を基礎周波数オフセットΔｆ０とする。制御部４４では、こうして基礎周波数オフセットΔｆ０を取得したタイミングからの経過時間を時間計測部４６から出力される計時信号に従って管理しており、該経過時間が所定時間に達するまでの時間を、取得された基礎周波数オフセットΔｆ０の有効期間とする。そして、有効期間が過ぎた基礎周波数オフセットΔｆ０を用いた送信周波数の制御が行われないようにしている。

送信周波数判定部４２は、制御部４４からの指示に従って、送信ＡＦＣ部３８がアップコンバータ３６に供給するローカル信号の周波数を制御する。すなわち、所定時間前から現在までの間に移動端末１４の停止が検出され、基礎周波数オフセットΔｆ０が取得されて、有効な（利用可能な）基礎周波数オフセットΔｆ０が存在している場合には、上記（２）式に示される値の周波数オフセットと本来の送信周波数との合計値を実際の送信周波数とする。それ以外の場合は、ＯＦＤＭ復調・周波数推定部２４により推定される周波数を送信周波数とする。

ＯＦＤＭ変調・送信部４０は、図示しない入力装置から供給される送信データに位相及び振幅を関連づけるマッピングを行い、その後、ＩＦＦＴ（Inverse Fast Fourier Transform：逆高速フーリエ変換）、ＧＩの付加、フィルタリング及び直交変調を施してから、アナログの送信信号を得る。このアナログの送信信号（中間周波数）は、送信ＡＦＣ部３８から供給されるローカル信号とアップコンバータ３６により掛け合わされ、無線周波数の送信信号に変換され、送信アンテナ３４により放射される。

図３は、移動端末１４における送信周波数の制御フロー図である。この制御では、まず、送信アンテナ２０、ダウンコンバータ２２、ＯＦＤＭ復調・周波数推定部２４及び受信ＡＦＣ部２６からなる受信部により、移動端末１４は、基地局１２から送信されるパイロット信号を受信する（Ｓ１０１）。さらに、基地局１２と移動端末１４との間の伝搬路推定を行う（Ｓ１０２）。この際、周波数オフセット検出部２８は、パイロット信号の周波数オフセットΔｆを検出し、それを周波数オフセットメモリ部３０に格納する。次に、停止検出部３２が上述したようにして移動端末１４が停止しているか否かを判断する（Ｓ１０３）。そして、移動端末１４が停止し始めた場合には、制御部４４が、基礎周波数オフセットΔｆ０有効期間の計測をスタートする（Ｓ１０４）。

次に、制御部４４では、現在までに移動端末１４の停止が検出されているか否か（Ｓ１０５）、及び基礎周波数オフセットΔｆ０の有効期間内であるか否か（Ｓ１０６）、を判断する。そして、まだ移動端末１４の停止が検出されていない場合や、移動端末１４の停止がすでに検出されていても、それに応じて取得された基礎周波数オフセットΔｆ０の有効期間が過ぎていれば、送信周波数判定部４２が、送信ＡＦＣ部３８に対して、ＯＦＤＭ復調・周波数推定部２４により推定される受信周波数のローカル信号を出力するよう指示する。

また、移動端末１４の停止がすでに検出されており、有効期間内の基礎周波数オフセットΔｆ０が存在すれば、制御部４４は、上記式（２）の右辺の値、すなわち本来の送信周波数に加えるべき周波数オフセットを算出する（Ｓ１０７）。具体的には、現時点の周波数オフセットΔｆから基礎周波数オフセットΔｆ０を減算した値を求め、この値の符号を逆にしたものに基礎周波数オフセットΔｆ０を加算した値を算出する。

或いは、上記式（２）の左辺の値を算出してもよい。すなわち、図４に示すように移動端末１４が基地局１２の側を通過して、ドップラー周波数Δｆｄ（＝Δｆ−Δｆ０）が図５に示すように徐々に減少する場合等、ドップラー周波数Δｆｄの変化には規則性が認められる場合がある。この場合には、現在のドップラー周波数Δｆｄを推定して、それと基礎周波数オフセットΔｆ０を上記式（２）の左辺に算出することにより、送信周波数の周波数オフセットを算出してもよい。

送信周波数判定部４２は、こうして算出される周波数オフセットだけ所期の周波数よりも高い周波数のローカル信号を出力するよう送信ＡＦＣ部３８に指示し（Ｓ１０８）、ＯＦＤＭ変調・送信部４０及びアップコンバータ３６は、送信ＡＦＣ部３８により供給されるローカル信号の周波数にて、送信アンテナ３４より通信信号を送信する（Ｓ１１０）。

以上説明した実施形態によれば、基地局１２における受信周波数が所期の周波数、すなわちサブキャリアの本来の周波数となるよう、周波数オフセット検出部２８により検出される周波数オフセットに基づいて基地局１２に送信する通信信号の送信周波数を制御するようにしたので、各移動端末１４の側にてＩＣＩの影響を簡易に低減できるようになる。また、周波数オフセット検出部２８で検出される周波数オフセットΔｆのうち、ドップラー周波数Δｆｄの部分は、基地局１２における受信周波数のドップラー周波数に対応することとなるが、これを相殺するよう通信信号の送信周波数を制御するので、基地局１２は移動端末１４が移動することによるドップラーシフトの影響を受けずに済む。すなわち、基地局１２にはサブキャリア間の直交性が維持された合成波が到来することになり、ＩＣＩの影響を配して、良好に受信信号の復調をすることができるようになる。

また、停止判定部３２により移動端末１４が移動していないと判断される間に周波数オフセット検出部２８により検出される周波数オフセットΔｆに基づいて、移動端末１４と基地局１２との間のドップラーシフト以外の理由による基礎周波数オフセットΔｆ０を算出するとともに、該基礎周波数オフセットΔｆ０に基づいて、通信信号の送信周波数を制御するようにしたので、基礎周波数オフセットΔｆ０の存在が基地局１２側で見えないようにできる。また、受信周波数の周波数オフセットΔｆから、ドップラー周波数Δｆｄを適切に算出できるようになる。

さらに、基礎周波数オフセットΔｆ０に基づく通信信号の周波数の制御を、該基礎周波数オフセットΔｆ０が算出されてからの経過時間に基づいて制限するようにしたので、妥当性を失った基礎周波数オフセットΔｆ０を用いて不適切な送信周波数の制御が行われることを防止できる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。例えば、上記実施形態ではＯＦＤＭＡを適用した移動体通信システムに本発明を適用したが、本発明は、その他の多元接続方式を採用する移動体通信システムにも適用可能である。また、一対一の通信にも本発明は適用可能である。

本発明の実施形態に係る移動体通信システムの全体構成図である。 移動端末の構成図である。 移動端末における送信周波数の制御フロー図である。 移動端末の移動の様子を示す図である。 移動端末の移動に伴う受信周波数の変動を示す図である。

符号の説明

１０ 移動体通信システム、１２ 基地局（基地局装置）、１４ 移動端末（移動体無線通信装置）、２０ 受信アンテナ、２２ ダウンコンバータ、２４ ＯＦＤＭ復調・周波数推定部、２６ 受信ＡＦＣ部、２８ 周波数オフセット検出部、３０ 周波数オフセットメモリ部、３２ 停止検出部、３４ 送信アンテナ、３６ アップコンバータ、３８ 送信ＡＦＣ部、４０ ＯＦＤＭ変調・送信部、４２ 送信周波数判定部、４４ 制御部、４６ 時間計測部。

Claims (2)

1. 直交周波数分割多元接続方式により基地局装置と通信を行う移動体無線通信装置であって、
   前記基地局装置から送信されるパイロット信号を受信する受信部と、
   前記パイロット信号に基づいて該パイロット信号の周波数オフセットを検出する周波数オフセット検出部と、
   前記基地局装置における受信周波数が所期の周波数となるよう前記周波数オフセットに基づいて前記基地局装置に送信する通信信号の送信周波数を制御する周波数制御部と、
   当該移動体無線通信装置の移動の有無を判定する停止判定部と、
   を含み、
   前記周波数制御部は、
   前記周波数オフセットに含まれるドップラー周波数に対応する、前記基地局装置における受信周波数のドップラー周波数を相殺するよう、前記通信信号の送信周波数を制御し、
   前記停止判定部において当該移動体無線通信装置が移動していないと判断される間に前記周波数オフセット検出部により検出される周波数オフセットに基づいて、当該移動体無線通信装置と前記基地局装置との間のドップラーシフト以外の理由による基礎周波数オフセットを取得するとともに、該基礎周波数オフセットに基づいて、前記通信信号の送信周波数を制御し、
   前記基礎周波数オフセットに基づく前記通信信号の周波数の制御を、前記基礎周波数オフセットが取得されてからの経過時間に基づいて制限する、
   ことを特徴とする移動体無線通信装置。
2. 受信側装置と無線通信を行う送信側装置における送信周波数制御方法であって、
   前記受信側装置から送信される既知信号を受信する既知信号受信ステップと、
   前記既知信号に基づいて該既知信号の周波数オフセットを検出する周波数オフセット検出ステップと、
   前記受信側装置における受信周波数が所期の周波数となるよう前記周波数オフセットに基づいて前記受信側装置に送信する通信信号の送信周波数を制御する周波数制御ステップと、
   前記送信側装置の移動の有無を判定する停止判定ステップと、
   を含み、
   前記周波数制御ステップにおいて、
   前記周波数オフセットに含まれるドップラー周波数に対応する、前記受信側装置における受信周波数のドップラー周波数を相殺するよう、前記通信信号の送信周波数を制御し、
   前記停止判定ステップにおいて前記送信側装置が移動していないと判断される間に前記周波数オフセット検出ステップにおいて検出される周波数オフセットに基づいて、前記送信側装置と前記受信側装置との間のドップラーシフト以外の理由による基礎周波数オフセットを取得するとともに、該基礎周波数オフセットに基づいて、前記通信信号の送信周波数を制御し、
   前記基礎周波数オフセットに基づく前記通信信号の周波数の制御を、前記基礎周波数オフセットが取得されてからの経過時間に基づいて制限する、
   ことを特徴とする送信周波数制御方法。

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