JP4938037B2

JP4938037B2 - Ｏｆｄｍ送信機及びｏｆｄｍ受信機

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Publication number: JP4938037B2
Application number: JP2008557053A
Authority: JP
Inventors: 勝利石倉; 英伸福政; 俊明亀野; 洋和小林; 剛一恒川
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Priority date: 2007-02-09
Filing date: 2008-01-22
Publication date: 2012-05-23
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Description

本発明は、ＯＦＤＭ技術およびＯＦＤＭ技術とＭＩＭＯ等の通信技術とを組み合わせた通信システムにおいて、ＯＦＤＭシンボル内に配置されるパイロットシンボルを用いて、送受信間のキャリア周波数のオフセットを推定するＯＦＤＭ送信機及びＯＦＤＭ受信機に関する。

近年、ＯＦＤＭ技術に基づく移動通信方式又は他の通信方式、例えば、ＭＩＭＯ、ＣＤＭＡ等の通信技術とこのＯＦＤＭ技術の組み合わせに基づく移動通信方式の検討が盛んに行われている。携帯電話の標準化を行っている３ＧＰＰ（Ｔｈｅ３ｒｄＧｅｎｅｒａｔｉｏｎＰａｒｔｎｅｒｓｈｉｐＰｒｏｊｅｃｔ）において次世代の仕様を検討しているＬＴＥ（ＬｏｎｇＴｅｒｍＥｖｏｌｕｔｉｏｎ）でもダウンリンクの通信方式としてＯＦＤＭ技術の採用が決定されている。

特に、マルチメディア情報等を扱うＯＦＤＭ信号移動通信システムでは、多様な要求品質への対応が求められており、例えば、携帯情報端末を用いたマルチメディア・デジタル通信では、任意の地点から通信網等に接続する移動通信の利便性を有しつつ、信頼性の高い信号伝送が要求される。

ここで、移動体通信に限らず、デジタル通信では、送信機から伝送される情報を復元するために、送受信機間の周波数同期を確立する必要がある。特に、移動体通信では、受信状態が変動するため、同期処理が不可欠であるが、同期を取るには、ある程度の時間を要する。同期がはずれた状態では、情報の復元は、不可能となるため、同期がはずれた場合の回復のためにも、高速な周波数同期が必要となる。

マルチメディア情報等を扱うＯＦＤＭ信号通信システムでは、伝送される情報がバースト的に発生することが可能なため、パケット通信が用いられる。パケット通信では、連続的あるいは一定の周期で信号を送信するのではなく、送信情報の生起に応じてバースト的に信号が送信される。このため、バースト毎に同期を確立する必要があり、短い時間で同期を確立しなければならない。

さらに、マルチメディア情報を取り扱う携帯情報端末では、小型化の観点から高精度発振器の使用が困難であるため、高性能のキャリア周波数同期法を適用する必要がある。

ところで、ＯＦＤＭ伝送方式は、伝送情報を分割して複数のデジタル信号を生成し、その複数信号で直交関係にあるサブキャリアを独立に変調する方式である。このサブキャリアを用いた並列伝送によって、信号伝送速度を低くでき、さらに、ＯＦＤＭ特有のガード区間を設けることによって、単一キャリア変調方式と比べて遅延波の影響を低減することができる。

同時に、ＯＦＤＭ技術に基づく伝送方式では、サブキャリア間隔が狭くなっているため、送受信間のキャリア周波数のずれ（オフセット）が存在すると、サブキャリア間の直交性が崩れて干渉が生じるため、他の伝送方式に比べて受信特性の劣化が激しいことが知られている（参考文献：岡田実、“ＯＦＤＭの基礎”、ＭｉｃｒｏｗａｖｅＷｏｒｋｓｈｏｐａｎｄＥｘｈｉｂｉｔｉｏｎ（ＭＷＥ２００３）、基礎講座０２、デジタル変復調技術（２００３−１１））。

従って、ＯＦＤＭ技術に基づく伝送方式では、キャリア周波数同期の確立が極めて重要である。

こういった問題点を解決するために、例えば、下記特許文献１では、ＯＦＤＭのフレーム単位のデータに一定の間隔でパイロットシンボルが挿入され、そして、このパイロットシンボル及びデータシンボル毎に前記ガード区間が挿入されているＯＦＤＭシンボルから、まず、データシンボルのガード区間を検出し、この区間内のサンプルデータから概略周波数オフセットを算出し補償した後、さらに、上記パイロットシンボルから微細周波数オフセットを算出し補償する技術を開示している。

また、下記特許文献２においても、ガード区間のデータシンボルを使用して、周波数オフセットを算出する技術が開示されている。
特表２００３−５０３９４４号公報特開平０９−１０２７７４号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載している微細の周波数オフセットを算出するパイロットシンボルの領域は、全て既知系列のパイロットシンボルで埋められており、このパイロットシンボルを用いて周波数オフセットを算出している。

従って、前記特許文献１の技術は、このパイロットシンボルの領域内にデータシンボルが挿入されるフォーマットには適用していないため、無線リソースを有効活用できず、データ伝送効率を高めることができないという問題点がある。

また、伝搬遅延の大きい環境では、遅延波がガード区間の奥深く入り込むため、ガード区間の周期性がほとんどなくなってしまう場合がある。このために、周波数オフセット補償における推定誤差が大きくなる等の問題点がある。

前記特許文献２に開示されている技術においても、このガード区間のデータを利用するものであり、上記特許文献１と同様な問題点を有している。

そこで、本発明は、斯かる実情に鑑みて提案されたもので、無線リソースを有効活用し、データ伝送効率を高めると同時に、ガード区間のデータシンボルを使用せずに適切な周波数オフセット補正を行うＯＦＤＭ送信機及びＯＦＤＭ受信機を提供するものである。

本発明に係るＯＦＤＭ送信機及びＯＦＤＭ受信機は、上記課題を解決するため、以下のような特徴を有している。

本発明に係るＯＦＤＭ送信機は、ＯＦＤＭ技術に基づく通信方式又はＯＦＤＭ技術と他の通信技術と組み合わせた通信システムに使用するＯＦＤＭ送信機であって、ＯＦＤＭシンボル内の所定の位置に、所定の既知信号系列からなるパイロットシンボルとデータシンボルとを配置するパイロット／データ配置部と、前記パイロット／データ配置部から出力される前記ＯＦＤＭシンボルに対してＩＦＦＴ演算を行い、時間領域のＯＦＤＭ信号を生成するＩＦＦＴ処理部と、前記ＯＦＤＭ信号を送信キャリア信号によってＲＦ信号を送信する無線部と、を備え、前記パイロット／データ配置部は、少なくとも２つ以上の前記ＯＦＤＭシンボル内に、複数個の前記パイロットシンボルを纏めた集合体を複数、かつ、等間隔で配置し、前記集合体内では前記パイロットシンボルを隣接するサブキャリアにわりあてることにより密接して配置するとともに、他のＯＦＤＭシンボル内にも、前記集合体内のパイロットシンボルとの相対位置関係を保持しながら、パイロットシンボルを配置するようにしたことを特徴とする。

また、本発明に係るＯＦＤＭ送信機において、前記パイロット／データ配置部は、前記ＯＦＤＭシンボル内に配置したパイロットシンボルの配置が、前記ＯＦＤＭシンボルの周波数軸の中心線を対称軸として線対称になるように配置するようにしたことを特徴とする。

また、本発明に係るＯＦＤＭ送信機は、複数の前記集合体において、第一の集合体内のそれぞれのパイロットシンボルは第一の共通係数を乗じたパイロットシンボル値を有するとともに、第二の集合体内のそれぞれのパイロットシンボルは第二の共通係数を乗じたパイロットシンボル値を有し、前記第一の集合体内のパイロットシンボル系列と前記第二の集合体内のパイロット系列が、前記共通係数の違いを除き、同一であることを特徴とする。

また、本発明に係るＯＦＤＭ送信機において、前記パイロット／データ配置部は、送信データをバッファするデータバッファ部と、パイロット信号の生成を行うパイロット信号生成部と、前記パイロット信号と前記送信データの切り替え制御を行うデータ切替制御手段と、を備え、前記データ切替制御手段は、前記パイロット信号と前記送信データの切り替え制御のタイミングを変更することにより、前記パイロットシンボルの配置パターンを変更することを特徴とする。

また、本発明に係るＯＦＤＭ送信機において、前記他の通信技術がＭＩＭＯであり、前記パイロット／データ配置部は、前記集合体内に送信アンテナ数に対応する数種のパイロットシンボルを配置することを特徴とする。

本発明に係るＯＦＤＭ受信機は、上記ＯＦＤＭ送信機の前記パイロット／データ配置部によって生成される前記ＲＦ信号を受信するＯＦＤＭ受信機であって、前記ＲＦ信号をベースバンドに変換し、時間領域のＯＦＤＭ信号を生成する無線部と、送受信間の変調キャリア周波数のオフセットを推定する周波数オフセット推定部と、前記周波数オフセット推定部から算出される周波数オフセットに基づいて、周波数オフセット補正を行う周波数オフセット補正部と、を備え、前記周波数オフセット推定部は、前記ＯＦＤＭ信号から周波数領域のＯＦＤＭシンボルを生成するＦＦＴ処理部と、生成された前記ＯＦＤＭシンボルの内、ＯＦＤＭフレームにおける第ｍＯＦＤＭシンボル内の特定のサブキャリア周波数に位置するパイロットシンボルと第ｎＯＦＤＭシンボル内の前記特定のサブキャリア周波数から高低２つの方向に所定距離分離れたサブキャリア周波数に位置するパイロットシンボルとの複素相関演算を行い、複素相関値を出力するパイロット処理部と、前記複素相関値の位相回転量から周波数オフセットを算出する周波数オフセット算出部と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明に係るＯＦＤＭ受信機において、前記パイロット処理部は、同一の前記ＯＦＤＭシンボル内の隣接する前記特定のパイロットシンボル間の全平均位相回転量を算出し、前記第ｍＯＦＤＭシンボル内の前記特定のサブキャリア周波数に位置するパイロットシンボルに対して、前記全平均位相回転量により位相補正を行い、前記複素相関演算を行うことを特徴とする。

また、本発明に係るＯＦＤＭ受信機において、前記パイロット処理部は、前記第ｍＯＦＤＭシンボル内の前記特定のパイロットシンボルと該パイロットシンボルに対して高いサブキャリア周波数側に隣接するパイロットシンボル間の第１の平均位相回転量と、前記第ｍＯＦＤＭシンボル内の前記特定のパイロットシンボルと該パイロットシンボルに対して低いサブキャリア周波数側に隣接するパイロットシンボル間の第２の平均位相回転量を算出し、前記第ｍＯＦＤＭシンボル内の前記特定のサブキャリアに位置するパイロットシンボルに対して、前記第１の平均位相回転量及び前記第２の平均位相回転量により位相補正を行い、前記複素相関演算を行うことを特徴とする。

本発明に係るＯＦＤＭ送信機及びＯＦＤＭ受信機は、上述した構成を備えているため、下記の効果を奏することができる。

本発明に係る通信システムに使用するＯＦＤＭ送信機及びＯＦＤＭ受信機によれば、複素相関演算により周波数オフセットを算出するにあたって、推定誤差を低減するようにパイロットシンボルをＯＦＤＭシンボル内に配置することによって、周波数オフセット算出精度を向上し、データのサブキャリア間干渉を低減して、受信特性の劣化を防ぐとともに、パイロットシンボルを用いたチャネル推定誤差の改善に寄与することができる。

また、本発明に係る通信システムに使用するＯＦＤＭ送信機及びＯＦＤＭ受信機によれば、ＯＦＤＭシンボル内に、パイロットシンボルとデータシンボルの両方を配置することで、無線リソースを有効に活用することができ、伝送効率を高めることができる。

本発明に係るＯＦＤＭ送信機及びＯＦＤＭ受信機のシステムブロック図である。本発明に係る他のＯＦＤＭ送信機及びＯＦＤＭ受信機のシステムブロック図である。本発明に係る他のＯＦＤＭ送信機及びＯＦＤＭ受信機のシステムブロック図である。（ａ）は第１のパイロットパターンを示す図であり、（ｂ）は第２のパイロットパターンを示す図である。本発明に係るＯＦＤＭ送信機のパイロット／データ配置部の構成を示したブロック図である。（ａ）は第１のパイロットパターンにおいて、どのパイロットシンボル（Ｐ１、Ｐ１’）間の相関演算を行うかを示す図であり、（ｂ）は第２のパイロットパターンにおいて、どのパイロットシンボル（Ｐ１、Ｐ１’）間の相関演算を行うかを示す図である。本実施形態の周波数オフセット推定部２０２の構成を示すブロック図である。第１の実施例のパイロット処理部２５１の構成を示すブロック図である。第２の実施例のパイロット処理部３００の構成を示すブロック図である。第３の実施例のパイロット処理部３５０の構成を示すブロック図である。計算機シミュレーション諸元を示す図である。周波数オフセット推定方法１によるシミュレーション結果を示す図である。周波数オフセット推定方法２によるシミュレーション結果を示す図である。周波数オフセット推定方法３によるシミュレーション結果を示す図である。

符号の説明

１０ＯＤＦＭ送信機
２０、２１、２２ＯＦＤＭ受信機
３０伝搬路
１００パイロット／データ配置部
１０１変調部
１０２ＩＦＦＴ処理部
１０３、２０１無線部
１０４、２００アンテナ
２０２、２１２周波数オフセット推定部
２０３周波数オフセット補正部
２０４、２５０ＦＦＴ処理部
２０５、２２５チャネル推定部
２０６復調部
２４０データバッファ
２４１パイロット信号生成部
２４２データ切替制御手段
２４３切替ＳＷ
２５１、３００、３５０パイロット処理部
２５２、２６４、２６５、２６６加算部
２５３位相変換部
２５４周波数オフセット算出部
２６１遅延部
２６２複素共役部
２６３乗算器

以下、本発明に係るＯＦＤＭ送信機及びＯＦＤＭ受信機の実施形態について図面を参照して説明する。

図１〜図１４は、本発明に係るＯＦＤＭ送信機及びＯＦＤＭ受信機の実施形態の一例を示す図であって、図中、同一の符号を付した部分は同一物を表わすものとする。

まず、本発明に係るＯＦＤＭ送信機及びＯＦＤＭ受信機の通信システムの構成及び概略動作について、以下に簡単に説明する。

図１は、本発明に係るＯＦＤＭ送信機及びＯＦＤＭ受信機のシステムブロック図である。

ここでは、ＯＦＤＭ通信方式と４×４ＭＩＭＯ通信方式を組み合わせたシステム例（４×４ＭＩＭＯ―ＯＦＤＭ通信システム）で説明するものとする。

図１に示す４×４ＭＩＭＯ―ＯＦＤＭ通信システムは、４×４のＭＩＭＯチャンネル（伝搬路３０）を介して４ブランチのＯＦＤＭ信号を送受信するシステムであり、ＯＦＤＭ送信機１０とＯＦＤＭ受信機２０とを備えて構成されている。

なお、図では、簡略化のためＯＦＤＭ送信機１０とＯＦＤＭ受信機２０の本発明に関わる構成要素のみを示している。

また、本発明の特徴であるパイロットシンボルの配置構成、ＯＦＤＭ送信機１０に備えているＯＦＤＭシンボル上にパイロットおよびデータシンボルを配置するパイロット／データ配置部１００及びこのパイロットシンボルを用いて周波数オフセット推定値を算出するＯＦＤＭ受信機２０の周波数オフセット推定部２０２の詳細な構成及びその動作説明については、後述する。

ＯＦＤＭ送信機１０は、ＯＦＤＭシンボル上にパイロット／データシンボルを配置する上記パイロット／データ配置部１００と、図示していないガード区間挿入ブロックと、パイロット／データ配置部１００からのパイロット／データの信号を各サブキャリア成分として変調する変調部１０１と、変調された信号を周波数領域の信号から時間領域の信号に変換するＩＦＦＴ処理部（逆高速フーリエ変換処理部）１０２と、時間領域に変換されたＯＦＤＭ信号をＲＦ信号に変換する無線部１０３と、変換されたＲＦ信号を伝搬路３０に電波として放射するアンテナ１０４と、を備えている。そして、４×４ＭＩＭＯ―ＯＦＤＭ通信システムを想定していることから、ＯＦＤＭ送信機１０は、上記同一の系統を４系統設けている。

一方、ＯＦＤＭ送信機１０から送出されたパイロット信号を含むＯＦＤＭ信号を、伝搬路３０を介して受信するＯＦＤＭ受信機２０は、ＯＦＤＭ送信機１０のアンテナ１０４から送出されたＯＦＤＭ信号を受信するアンテナ２００と、受信したＲＦ信号であるＯＦＤＭ信号をベースバンド信号に周波数変換等を行う無線部２０１と、ＯＦＤＭ送受信機間の変調キャリア周波数ずれ（オフセット）を検出し、オフセット値を推定する周波数オフセット推定部２０２と、周波数オフセット推定部２０２で推定された周波数オフセット分の周波数補償を行う周波数オフセット補正部２０３と、周波数オフセット補正部２０３の周波数補償された時間領域の信号を周波数領域信号に変換するＦＦＴ（高速フーリエ変換処理部）２０４と、チャネルの通信環境変動によるチャネルゲインの変動を補償するチャネル推定部２０５と、ＯＦＤＭ信号の復調を行い、送信データを出力する復調部２０６と、を備えている。

また、４×４ＭＩＭＯ―ＯＦＤＭ通信システムを構成していることから、ＯＦＤＭ送信機と同様に、無線部２０１からＦＦＴ処理部２０４までの系統を４系統設けている。

次に、上記のように構成された送受信機システムの概略動作について簡単に説明する。

ＯＦＤＭ送信機１０は、４つの送信アンテナに対応して、それぞれＯＦＤＭ信号を生成し、ＯＦＤＭ受信機２０は、それぞれのＯＦＤＭ信号を４つの受信アンテナで受信し、ＲＦ信号のＯＦＤＭ信号を受信アンテナ毎にベースバンドの時間領域のＯＦＤＭ信号に変換する。そして、周波数オフセット推定部２０２は、１ＯＦＤＭフレーム毎に周波数オフセット推定値を算出し、周波数オフセット補正部２０３により周波数オフセット補正を行う。ここで、ＯＦＤＭフレームは複数のＯＦＤＭシンボルからなる信号の単位であって、送信データの処理単位とは必ずしも一致しない。

周波数オフセット推定値を算出するにあたっては、前述したように、ＯＦＤＭ送受信機間のサブキャリア周波数のずれ（オフセット）によって、受信機側のサブキャリア間の直交性が崩れて干渉が生じることによる受信特性の劣化を防ぐとともに伝送効率を上げるため、ＯＦＤＭ送信機１０では、ＯＦＤＭ送信機１０のパイロットシンボルの内部にもデータを挿入し、かつ、受信機側で精度よく周波数オフセット推定ができるパイロットシンボル内のパイロットパターンを生成し、このパイロットパターンに基づいたパイロットシンボルを受信機側にＯＦＤＭ信号として送出している。ＯＦＤＭ受信機２０の周波数オフセット推定部２０２では、このパイロットシンボルを検出・抽出し、後述する２つのパイロットシンボル間の相関処理を行い、周波数オフセット値を算出している。

さらに、ＯＦＤＭ受信機２０では、周波数時間領域のＯＦＤＭ信号をＦＦＴ処理部２０４により周波数領域のＯＦＤＭに変換した後、チャンネル推定部２０５によりチャネルゲインの推定・補償を行い、復調部２０６によって、復調されたデータを得る。

なお、チャネル推定部２０５によるチャンネルゲイン推定の演算も１フレーム毎に演算されるのが通常であるが、オフセット推定の処理単位とチャネルゲインの処理単位は異なることもありうる。

また、本実施形態の周波数オフセット推定部２０２は、周波数オフセット補正部２０３を用いて、時間領域のＯＦＤＭ信号に対して直接、周波数補償を行う構成をとっているが、図２に示すように、算出された周波数オフセット推定値をシンセサイザー部２１３に用いて、ループ処理で周波数誤差を収束させるＡＦＣ（自動周波数制御）動作させる構成とすることも可能である。ただし、ＡＦＣ動作の場合には、ループ処理となるため推定された周波数オフセットの補正が反映されるのに遅延が生じる。また、収束時間も一般には本実施形態の場合と比較して大きくなる。

また、チャネル推定部２０５は、周波数領域のパイロットシンボルを利用してチャネルゲインの推定値を算出するが、周波数オフセット推定部２２によって得られる周波数オフセット推定値による周波数補正が行われると、データのサブキャリア間干渉が低減されるため、チャネル推定値誤差が改善されることになる。

図３に示すように、周波数オフセット推定部２０２から得られる途中の結果等を使用してチャネル推定精度を向上させるチャネル推定部２２５を構成することも可能である。

次に、データ伝送効率を高めると同時に、周波数オフセットを精度良く算出させるパイロットパターン構成例を示し、ＯＦＤＭ送信機のパイロットパターン生成部の構成、動作について以下に説明する。

通常、ＯＦＤＭフレームのデータ構成は、データシンボルと既知系列の信号が伝送されるパイロットシンボルで構成される。図４は、本発明に係るＯＦＤＭフレームにおけるパイロットパターン構成例を示す図である。（ａ）は、パイロットパターン１を示し、（ｂ）は、パイロットパターン２を示す。

図４（ａ）及び（ｂ）に示すパイロットパターンは、データ伝送効率を高めると同時に、ＯＦＤＭ受信機側で、周波数オフセットを精度良く算出することが可能で、装置規模も複雑な構成を必要としないパイロットシンボルを配置することを目的として構成したものである。図４（ａ）に示すパイロットパターンはパイロットを纏めて配置しているため、さらに周波数オフセットを精度よく算出することが可能な配置となっている。

図４は、１フレームＯＦＤＭデータを縦軸方向に６４個のサブキャリア周波数、時間軸方向に７個のＯＦＤＭシンボルを２次元表示（７ＯＦＤＭシンボル×６４サブキャリア周波数行列）したものであり、時間軸第１と時間軸第５のＯＦＤＭシンボル内にサブキャリア周波数軸方向に相対的に位置関係を保ちながらパイロットシンボルを配置している。

なお、本実施形態では、上述したように、４×４ＭＩＭＯ―ＯＦＤＭ通信システムを想定しているので、４本の送信アンテナに対応するパイロットシンボルをそれぞれＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４で表している。これらＰ１〜Ｐ４で表すパイロットシンボルは、異なるサブキャリアにわりあてることにより直交化されて、各アンテナの信号が干渉しないように配置している。また、Ｄは、データシンボルを表している。

本発明に係る周波数オフセット推定方法（詳細は後記する）は、上記１フレーム内の２つのパイロットシンボル（例えば、第ｍＯＦＤＭシンボル及び第ｎＯＦＤＭシンボル）の相関を取り、相関値の位相回転量を算出することで、周波数オフセット推定値を算出するものである。

図でも分かるように、２つのパイロットシンボルを設ける一方、パイロットシンボル領域のパイロットシンボル（Ｐ１〜Ｐ４）を除くその他のサブキャリアには、通常のデータを配置させることで、オーバーヘッドの削減を実現し、データ伝送効率を高めることができる。

図４（ａ）（ｂ）に示すパイロットパターン１及び２の差異は、Ｐ１〜Ｐ４を連続的に隣接して配置するか、Ｐ１〜Ｐ４を等間隔的に分散して配置するかの違いである。データシンボルは、送信データ系列によってどのようなシンボルになるかわからないため、周波数オフセットがあると、隣接サブキャリア間の干渉を一定に抑えることができない。一方、パイロットシンボルは、既知信号系列とすることができるため、サブキャリア間干渉をほぼ一定に抑えることが可能であるため、例えば、時間軸１、５のパイロットシンボル目のサブキャリア干渉はほぼ等しくなり、この２つのパイロットシンボルの相関処理を行うことで周波数オフセット推定することができる。

また、第１、５パイロットシンボル目のパイロットシンボル間の相関処理を行う上で、第１パイロットシンボルを基準に、第１パイロットシンボル目の基準となるパイロットシンボルに対して、第５パイロットシンボル目の上のサブキャリアに位置するパイロットシンボルとの相関処理における加算数と、第５パイロットシンボル目の下のサブキャリアに位置するパイロットシンボルとの相関処理の加算数が全体として等しくなるように、各パイロットシンボル（Ｐ１〜Ｐ４）を対称的に配置（ＯＦＤＭシンボルの中心サブキャリア周波数スロットを中心軸として線対称配置）しているため、位相回転量演算における誤差を少なくすることができ、周波数オフセット推定精度を高めることができる。

さらに、図に示す１つのパイロットシンボルの集合体（塊）、例えば、記号Ａの塊（第１の集合体）やＢの塊（第２の集合体）において、それぞれの塊内で共通の係数ｋ_Ａ（第１の共通係数）、ｋ_Ｂ（第２の共通係数）を定義し、各塊のパイロットシンボルが（ｋ_Ａ・Ｐ１、ｋ_Ａ・Ｐ２、ｋ_Ａ・Ｐ３、ｋ_Ａ・Ｐ４）、（ｋ_Ｂ・Ｐ１、ｋ_Ｂ・Ｐ２、ｋ_Ｂ・Ｐ３、ｋ_Ｂ・Ｐ４）とするようにしてもよい。例えば、Ｐ１について考えると、このような関係にあると、Ｐ２からＰ１に与える干渉成分はＰ２／Ｐ１となり、塊に依らず共通の干渉成分を受けることになり、パイロットサブキャリア間の干渉は相関演算の際に相殺することができ、周波数オフセット推定精度を高めることができる。

次に、ＯＦＤＭ送信装置１０のパイロット／データ配置部の構成例及びその動作について以下に説明する。

図５は、本発明に係るＯＦＤＭ送信機のブロック図の１例であり、図１のシステムブロック図のＯＦＤＭ送信機１０におけるパイロット／データ配置部の構成を示したブロック図である。

パイロット／データ配置部１００は、外部からの送信データをバッファするデータバッファ２４０と、パイロットシンボルとなる既知の信号系列を生成するパイロット信号生成部２４１と、データとパイロットを適切に切り替えて信号を変調部１０１に送出するデータ切替制御手段２４２と、データ切替制御手段２４２によって制御される切替ＳＷ２４３と、を備えて構成される。

データ切替制御手段２４２には、予め、１フレームフォーマット上において、パイロット信号を挿入するタイミングと、どのパイロットをどのアンテナからパイロットを送出するかの情報をパラメータテーブルに記憶しておく。パイロット信号生成部２４１ではデータ切替手段２４２からの指示に従って生成するパイロットのパターンを記憶しておく。そして、データ切替制御手段２４２は、このパラメータテーブルに記憶されているデータに基づいて、データとパイロットを切り替えて適切に配置された信号系列を変調部１０１に送出する。

このようにして、適切なパイロットパターンを生成することが可能である。また、上記パラメータテーブルを変更すれば、図４（ａ）（ｂ）に示したパイロット配置に限らず、任意のパイロット配置を生成することが可能である。

次に、ＯＦＤＭ送信機１０から送出されたパイロットパターンに基づいたパイロット信号を受信し、周波数オフセット推定を行う周波数オフセット推定部の構成例をあげて、その具体的な動作について、以下に説明する。

図７は、周波数オフセット部２０２の構成例を示すブロック図である。
周波数オフセット部２０２は、送受信機間のキャリア周波数偏差を受けた時間領域のＯＦＤＭ信号を入力し、時間領域から周波数領域に変換し、所定の時間のＯＦＤＭシンボルとそのＯＦＤＭシンボル上のサブキャリア周波数軸上における所定のスロットに挿入されているパイロットシンボルを検出するＦＦＴ処理部２５０と、図４の第１ＯＦＤＭシンボル目のパイロットシンボル（Ｐ１〜Ｐ４）に対する第５ＯＦＤＭシンボル目のパイロットシンボル（Ｐ１’〜Ｐ４’）との複素相関演算を行うパイロット処理部２５１と、それぞれの相関値を加算する加算器２５２と、加算器２５２により出力した合成相関値の位相角演算を行い、第１、５のパイロットシンボルの合成推定位相差θを算出する位相変換部２５３と、位相変換部２５３から出力される第１、５間の合成推定位相差θから周波数オフセットを算出し、図１に示す周波数オフセット補正部２０３に出力する周波数オフセット算出部２５４と、を備えて構成されている。

上記構成された周波数オフセット部２０２のパイロット処理部２５１の構成例と相関処理及びオフセット算出動作について図６と図８〜図１０とを用いて説明する。

＜第１のパイロット処理部２５１の構成例（周波数オフセット推定方法１）＞
図６は、図７に示すＦＦＴ処理部２５０のＦＦＴ処理後のパイロットシンボルＰ１を代表し、どのパイロットシンボル（Ｐ１、Ｐ１’）間の相関演算を行うかを示す図であり、（ａ）は第１のパイロットパターンにおいて、どのパイロットシンボル（Ｐ１、Ｐ１’）との間の相関演算を行うかを示す図であり、（ｂ）は、第２のパイロットパターンにおいて、どのパイロットシンボル（Ｐ１、Ｐ１’）間の相関演算を行うかを示す図である。

図６の縦軸であるサブキャリア周波数軸において、Ｐ１が配置されているサブキャリア周波数の低い方の側から、ｒ_０、ｒ_１、・・・、ｒ_Ｎｐ−１とすると、第１のシンボル目に配置されているパイロットシンボルは、ｒ_０、ｒ_２、・・・、ｒ_Ｎｐ−２となり、第５のシンボル目に配置されるパイロットシンボルは、ｒ_１、ｒ_３、・・・、ｒ_Ｎｐ−１となる。図６では、Ｎ_Ｐの値は１６である。

ここで、第１のシンボルに配置されたパイロットシンボルＰ１から第５のシンボルに配置されたパイロットシンボルＰ１’のサブキャリア間の位相には、送受信間のキャリア周波数のオフセットΔｆに応じた位相回転が生ずる。この位相回転の量は、パイロットシンボルＰ１とパイロットシンボルＰ１’との複素相関演算を行い、その複素相関値の位相角を算出することで、求めることができる。この位相回転量を算出するために、次式に示す演算を行う。

上式の第１項は、第１シンボル目のパイロットシンボルＰ１と第５シンボル目の４つ上のサブキャリア（図６（ａ）及び（ｂ）の矢印ａ１〜ａ８を示す）に位置するパイロットシンボルＰ１’（基準となるパイロットシンボルに対して１つ上のパイロットシンボル）との複素相関値である。また、上式の第２項は、第１シンボル目のパイロットシンボルＰ１と第５シンボル目の４つ下のサブキャリア（図６（ａ）及び（ｂ）の矢印ｂ１〜ｂ７を示す）に位置するパイロットシンボルＰ１’（基準となるパイロットシンボルに対して１つ下のパイロットシンボル）との複素相関値である。Σ_NΣ_Mは送信アンテナおよび受信アンテナについての総和を取ることを意味する。なお、上式のｒ^＊は、ｒの複素共役を示し、ａｒｇ（ｘ）は、複素数ｘの位相角を意味する。

このようにして、パイロットシンボルＰ１とＰ１間の位相回転量（位相差）を算出することができる。

図８は、第１の実施例のパイロット処理部２５１の構成を示すブロック図である。

上記数式１の第１項の演算は、図８の○で囲んだパイロットシンボルＰ１に注目して、このパイロットシンボルＰ１と１つ上のパイロットシンボルＰ１’との複素相関演算、第２項の演算は、上記パイロットシンボルＰ１と１つ下のパイロットシンボルＰ１’との複素相関演算に対応している。

また、上記数式１では、第１項と第２項の相関演算における加算演算はそれぞれ別々に演算しているが、図８のパイロット処理部２５１では、１つの加算部２６４で同時加算を行っている。

なお、パイロットシンボルＰ１は、パイロットシンボルＰ１’より時間的に先行して得られるため、Ｐ１’とのタイミングを合わせるために、遅延器２６１に通過させている。また、数式１のＰ１については、複素共役を取って、Ｐ１’と乗算することから、遅延器２６１の後段に複素共役部２６２を設けている。

図７に示す本実施形態の周波数オフセット推定部２０２は、４送信アンテナ×４受信アンテナに対して１６個のパイロット処理部２５１が存在し、それぞれのパイロット処理部２５１から得られる相関値を１つの加算部２５２で加算し、その結果である合成相関値に対して上記数式１と同様のａｒｇ（）演算を行う位相変換部２５３により合成位相差θを算出する。

このようにして得られた位相差から下記の式に示す周波数オフセット値Δｆを算出する。

ここで、Ｔｓは、ＯＦＤＭシンボル長であり、Ｄｓはパイロットシンボルの間隔（ここでは、Ｄｓ＝５）である。

このように算出された周波数オフセット値Δｆは、図１に示す周波数オフセット補正部２０３に供給し、この周波数オフセット補正部２０３は、周波数オフセット分、周波数シフトする。

なお、上記数式１を下記のような式に書き換えることもできる。

この式は、第１のシンボル目に配置されるパイロットシンボルＰに対して、第５シンボル目の４つ上のサブキャリア周波数と４つ下のサブキャリア周波数に位置するパイロットシンボルＰ’の平均を求めて、第１パイロットシンボルに配置されるパイロットシンボルＰと同じ周波数のサブキャリアのチャネル推定値を算出し、第１シンボル目のチャネル推定値を算出し、そのチャネル推定値から位相差を求めることができると考えてもよい。

＜第２のパイロット処理部３００の構成例（周波数オフセット推定方法２）＞
図９は、第２の実施例のパイロット処理部３００の構成を示すブロック図である。

なお、本パイロット処理部３００の構成の説明については、下記の推定方法から容易に想定できることからここでは説明を省略する。

まず、同一ＯＦＤＭシンボル内の隣接パイロット間（図６の矢印ｃ１〜ｃ７及びｄ１〜ｄ７で示す）の位相平均φを下式により算出する。すなわち、

により位相平均φを算出する。

そして、第１のパイロット処理部２５１によるパイロットシンボルＰ１と４つ上のサブキャリアのＰ１’との複素相関演算に位相補正成分（−φ／２；位相遅れ分）、パイロットシンボルＰ１と４つ下のサブキャリアのＰ１’との複素相関演算に位相補正成分（＋φ／２；位相進み分）をそれぞれ補正することによって、位相回転量を算出する。

この位相回転量を算出する式を下記に示す。

この推定方法によれば、複素相関演算に位相補正を施すことで、上記周波数オフセット推定方法１による推定値よりもさらに、推定誤差を少なくすることが可能である。

図９に示すように、パイロット処理部３００の複素共役部２６２、乗算器２６３、加算部２６５及び位相変換部２５３によって、位相平均成分θ１１を算出する。この位相平均成分θ１１は、上記位相平均φに相当する。そして、複素相関演算に対する位相補正の構成については、パイロットシンボルＰ１（ｉ番目のパイロットシンボル）と４つ上のサブキャリア（ｉ＋１番目のパイロットシンボル）のＰ１’との複素相関演算の補正を行うために、位相補正成分（ｅ^{−ｊθ１１／２}；上記−φ／２に相当）をパイロットシンボルＰ１に乗算器２６３によって乗算し、パイロットシンボルＰ１と４つ下のサブキャリアのＰ１’との複素相関演算の補正を行うために、位相補正成分（ｅ^{＋ｊθ１１／２}；上記＋φ／２に相当）をパイロットシンボルＰ１に乗算器２６３によって乗算するものとなっている。

＜第３のパイロット処理部３５０の構成例（周波数オフセット推定方法３）＞
図１０は、第３の実施例のパイロット処理部３５０の構成を示すブロック図である。

なお、本パイロット処理部３５０の構成の説明についても、上記第２にパイロット処理部３５０の構成と同様に、下記の推定方法から容易に想定できることからここでは説明を省略する。

前記第２の実施例のパイロット処理部３００では、位相補正分の算出にあたっては、第１パイロットシンボル目（Ｐ１）及び第２パイロットシンボル目（Ｐ１’）の全てのパイロットシンボル（その他のＰ２〜Ｐ４についても同様である）を使用して、位相補正成分θ１１を算出し、パイロットシンボルＰ１の補正（±θ１１／２）を行っていたが、本実施例のパイロット処理部３５０では、第１パイロットシンボル目のパイロットシンボルＰ１について、それぞれのサブキャリア周波数成分毎に位相補正成分（θ１１ｂ、θ１１ｃ）を算出し、パイロットシンボルＰ１の位相補正する構成となっている。

パイロットシンボルＰ１の補正を行うにあたっては、位相補正成分θ１１を使用して位相補正すると却って、種々の位相条件から推定誤差が大きくなる恐れもあることから、本実施例は、相関演算に基準であるパイロットシンボルＰ１のみ使用して算出する位相補正成分により位相補正する構成としたものである。

以上、周波数オフセット推定部の構成、各周波数推定方法について説明したが、それぞれの周波数推定方法について計算機シミュレーションを行い、周波数オフセットの推定誤差を評価した結果、いずれの方法でも所定の範囲内において推定ができていることが分かった。図１１に計算機シミュレーション評価に用いた諸元を示す。図１２〜１４に各周波数オフセット推定方法によるシミュレーション結果を示す。

本実施形態においては、ＯＦＤＭ−ＭＩＭＯ通信システムを用いて説明したが、例えば４送信アンテナ、１受信アンテナのシステムで送信ダイバーシティを行う場合も本実施形態はそのまま適用可能である。あるいは、１送信アンテナ、１受信アンテナのＯＦＤＭ通信システムにおいても、Ｐ１およびＰ２を１送信アンテナから送信するようにして適用することが可能である。
尚、本発明に係るＯＤＦＭ信号移動通信システムに使用するＯＦＤＭ送信機及びＯＦＤＭ受信機は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明に係るＯＤＦＭ信号移動通信システムに使用するＯＦＤＭ送信機及びＯＦＤＭ受信機は、周波数オフセット算出精度を向上し、データのサブキャリア間干渉を低減して、受信特性の劣化を防ぐとともに、パイロットシンボルを用いたチャネル推定誤差の改善に寄与すると同時に、無線リソースを有効活用し、データ伝送効率を高めることが可能であるため、信頼性の高い信号伝送が要求される移動通信システム等に広く適用できる。

Claims

ＯＦＤＭ技術に基づく通信方式又はＯＦＤＭ技術と他の通信技術と組み合わせた通信システムに使用するＯＦＤＭ送信機であって、
ＯＦＤＭシンボル内の所定の位置に、所定の既知信号系列からなるパイロットシンボルとデータシンボルとを配置するパイロット／データ配置部と、
前記パイロット／データ配置部から出力される前記ＯＦＤＭシンボルに対してＩＦＦＴ演算を行い、時間領域のＯＦＤＭ信号を生成するＩＦＦＴ処理部と、
前記ＯＦＤＭ信号を送信キャリア信号によってＲＦ信号を送信する無線部と、を備え、
前記パイロット／データ配置部は、少なくとも２つ以上の前記ＯＦＤＭシンボル内に、複数個の前記パイロットシンボルを纏めた集合体を複数、かつ、等間隔で配置し、前記集合体内では前記パイロットシンボルを隣接するサブキャリアにわりあてることにより密接して配置するとともに、他のＯＦＤＭシンボル内にも、前記集合体内のパイロットシンボルとの相対位置関係を保持しながら、パイロットシンボルを配置するようにしたことを特徴とするＯＦＤＭ送信機。
前記パイロット／データ配置部は、前記ＯＦＤＭシンボル内に配置したパイロットシンボルの配置が、前記ＯＦＤＭシンボルの周波数軸の中心線を対称軸として線対称になるように配置するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のＯＦＤＭ送信機。
複数の前記集合体において、第一の集合体内のそれぞれのパイロットシンボルは第一の共通係数を乗じたパイロットシンボル値を有するとともに、第二の集合体内のそれぞれのパイロットシンボルは第二の共通係数を乗じたパイロットシンボル値を有し、前記第一の集合体内のパイロットシンボル系列と前記第二の集合体内のパイロット系列は、前記共通係数の違いを除き、同一であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＯＦＤＭ送信機。
前記パイロット／データ配置部は、送信データをバッファするデータバッファ部と、パイロット信号の生成を行うパイロット信号生成部と、前記パイロット信号と前記送信データの切り替え制御を行うデータ切替制御手段と、を備え、
前記データ切替制御手段は、前記パイロット信号と前記送信データの切り替え制御のタイミングを変更することにより、前記パイロットシンボルの配置パターンを変更することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のＯＦＤＭ送信機。
前記他の通信技術がＭＩＭＯであり、前記パイロット／データ配置部は、前記集合体内に送信アンテナ数に対応する数種のパイロットシンボルを配置することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のＯＦＤＭ送信機。
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の前記ＯＦＤＭ送信機の前記パイロット／データ配置部によって生成される前記ＲＦ信号を受信するＯＦＤＭ受信機であって、
前記ＲＦ信号をベースバンドに変換し、時間領域のＯＦＤＭ信号を生成する無線部と、
送受信間の変調キャリア周波数のオフセットを推定する周波数オフセット推定部と、
前記周波数オフセット推定部から算出される周波数オフセットに基づいて、周波数オフセット補正を行う周波数オフセット補正部と、を備え、
前記周波数オフセット推定部は、前記ＯＦＤＭ信号から周波数領域のＯＦＤＭシンボルを生成するＦＦＴ処理部と、
生成された前記ＯＦＤＭシンボルの内、ＯＦＤＭフレームにおける第ｍＯＦＤＭシンボル内の特定のサブキャリア周波数に位置するパイロットシンボルと第ｎＯＦＤＭシンボル内の前記特定のサブキャリア周波数から高低２つの方向に所定距離分離れたサブキャリア周波数に位置するパイロットシンボルとの複素相関演算を行い、複素相関値を出力するパイロット処理部と、
前記複素相関値の位相回転量から周波数オフセットを算出する周波数オフセット算出部と、を備えたことを特徴とするＯＦＤＭ受信機。
前記パイロット処理部は、同一の前記ＯＦＤＭシンボル内の隣接する前記特定のパイロットシンボル間の全平均位相回転量を算出し、前記第ｍＯＦＤＭシンボル内の前記特定のサブキャリア周波数に位置するパイロットシンボルに対して、前記全平均位相回転量により位相補正を行い、前記複素相関演算を行うことを特徴とする請求項６に記載のＯＦＤＭ受信機。
前記パイロット処理部は、前記第ｍＯＦＤＭシンボル内の前記特定のパイロットシンボルと該パイロットシンボルに対して高いサブキャリア周波数側に隣接するパイロットシンボル間の第１の平均位相回転量と、前記第ｍＯＦＤＭシンボル内の前記特定のパイロットシンボルと該パイロットシンボルに対して低いサブキャリア周波数側に隣接するパイロットシンボル間の第２の平均位相回転量を算出し、前記第ｍＯＦＤＭシンボル内の前記特定のサブキャリアに位置するパイロットシンボルに対して、前記第１の平均位相回転量及び前記第２の平均位相回転量により位相補正を行い、前記複素相関演算を行うことを特徴とする請求項６に記載のＯＦＤＭ受信機。