JP4986589B2 - デジタル無線通信システム - Google Patents

Description

本発明は基地局と移動局との間で時分割多元接続による無線通信を行うデジタル無線通信システムに関する。

コードレス電話システムの利用形態として、基地局と複数の移動局とから構成されるホームテレホンコードレス電話システムや、ビル内又は構内などに設置した複数の基地局にどの移動局からもアクセス可能なコードレスＰＢＸ（Private Branch Exchange）などが普及している。この種のコードレス電話システムにおいては、デジタル変調方式によるＴＤＤ（Time Division Duplex）システムがよく用いられている。例えば、第二世代コードレス電話システムにおける基地局と移動局との間における無線アクセス方式は、１つの周波数を時間的に分割して共用する４チャンネル多重マルチキャリアＴＤＭＡ／ＴＤＤ（Time Division Multiple Access / Time Division Duplex）方式を採用しており、移動局から基地局への上り方向と基地局から移動局への下り方向とでそれぞれ交互に音声データや制御信号の送受信を行っている。

特開２００５−２６９０６２号公報に開示されているようにＴＤＤシステムでは、システム内で同期を維持するために又は伝送フレームを認識するために、送信装置は、ユニークワード（同期語）と称される同期パターンが挿入されたフレームを受信装置に送信している。受信装置は、予めレジスタに格納されているリファレンス用のユニークワードと、受信フレームに挿入されているユニークワードとの相関値を計算し、そのピークを検出することで、送信装置と受信装置との間の同期を確立している。
特開２００５−２６９０６２号公報

ところで、基地局と移動局との間の距離が１ｋｍ以内の近距離であることを前提とした近距離通信では、移動局から基地局へのフレームの送信タイミングや送信パワーは何れも予め定められた固定値で十分である。そのため、複雑な送信タイミング制御や送信パワー制御を必要としない安価な通信システムを提供することができた。

しかし、通信に使われる変調速度が１２８ｋｂｐｓと仮定すると、１ビットの伝送時間は約７．８μｓｅｃとなり、その時間に相当する光速換算距離は約２３４０ｍとなる。基地局と移動局との間の距離が１１７０ｍ以上離れると、局間の通信では、１ビット以上のずれが生じることになる。

そのため、基地局と移動局との間の距離が１ｋｍ以上の長距離であることを前提とした遠距離通信では、局間の距離に応じて、移動局から基地局へのフレームの送信タイミングや送信パワーを制御する必要がある。特に、基地局と移動局との間の距離が８ｋｍ程度の遠距離であることを前提とした特殊用途のコードレス電話システムにおいては、システム内の正確な同期確立と効率的な送信電力制御とが不可欠とされている。

デジタル変調を用いた通信システムの中でも、基地局と移動局との間で同期確立を必要としないＦＤＤシステムでは、局間の距離は問題とならないが、局間での同期確立を必要とするＴＤＤシステムでは、通信品質を維持するためにも、移動局から基地局へのフレームの送信タイミングや送信パワーを局間の距離に応じて制御する必要がある。

そこで、本発明は、このような問題を解決し、移動局から基地局へのフレームの送信タイミングや送信パワーを局間の距離に応じて制御することのできるデジタル無線通信システムを提案することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係わるデジタル無線通信システムは、基地局と、基地局との間で時分割多元接続による無線通信を行う移動局とを備える。移動局は、基地局におけるユニークワード検出位置に基づいてフレームの送信タイミングを調整するタイミングコントローラと、前記基地局におけるユニークワード検出位置に基づいて送信パワーを制御する第１のモデムとを備える。ユニークワード検出位置は、基地局と移動局との間の距離に応じて変化する。

かかる構成により、移動局の移動により局間の距離が変化する場合であっても、局間の同期を確立し、その同期を維持することができる。

かかる構成により、移動局の移動により局間の距離が変化する場合であっても、局間の距離に応じた最適な送信パワー制御を実現できる。

基地局は、移動局から送信されるフレームに含まれているユニークワードを検出するユニークワード検出器と、ユニークワード検出器によって検出されたユニークワード検出位置を移動局に通知する第２のモデムとを備える。移動局は、基地局から通知されるユニークワード検出位置に基づいてフレームの送信タイミングを調整する。

かかる構成により、移動局は、基地局におけるユニークワード検出位置が常時所定の位置になるようにフレームの送信タイミングを調整することができる。

基地局は、移動局から送信されるユニークワードを検出できない場合には、所定の位置においてユニークワードを検出したものとし、移動局から送信されるデータを復調する。

かかる構成により、基地局においてユニークワードを検出できない場合でも、安定した通信を維持することができる。

本発明によれば、移動局から基地局へのフレームの送信タイミングや送信パワーを局間の距離に応じて制御することができる。

以下、各図を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図１は本実施形態に係わるコードレス電話システム１０のシステム構成を示す。
コードレス電話システム１０は、事業所用デジタル無線通信システムであり、基地局２０と、移動局３０と、ＰＢＸ４０とを備える。ＰＢＸ４０は、事業所内に設置される主装置であり、局線が接続されている。ＰＢＸ４０には、屋内通信用又は屋外通信用の複数の基地局２０が接続されている。移動局３０は、マスタ局２０との間で時分割多元接続による無線通信を行う。

図２は時分割多元接続による無線通信に用いられるフレーム構成を示す。
同図において、ＴＸは基地局２０が送信するフレームを示し、ＲＸは基地局２０が受信するフレームを示す。ＧＡＰは、基地局２０が送信動作も受信動作も行わないガードタイム区間を示す。基地局２０は、ガードタイム区間において、フレームの送信動作から受信動作への切り替え、又はフレームの受信動作から送信動作への切り替えを実行する。ＴＸ及びＲＸのそれぞれは、フレームの先頭を示すプリアンブル（ＰＡ）、局間の同期を確立するためのユニークワード（ＵＷ）、局間の制御情報を送受信するための低速付随制御チャネル（ＳＡＣＣＨ）、音声データなどを格納するためのトラフィックチャネル（ＴＣＨ）を含む。

通信開始時点における移動局３０は、基地局２０自身が刻むタイミングを推測することはできないが、基地局２０から送信されてくるフレーム内に挿入されているユニークワードを検出することにより、局間の同期を確立することができる。基地局２０は、基地局２０自身が刻むタイミングに同期して移動局３０からフレームを送信してくるものとして、ユニークワードを検出する。

尚、この種のデジタル無線通信システムにおいては、局間の同期を維持するために、被変調信号が“１”又は“０”に偏らないようにユニークワード以降のデータをスクランブルすることがある。フレーム内のユニークワードの位置を正確に検出することは、ユニークワード以降のデータを正確に復調する上でも重要である。

電波干渉等のノイズや建物等の障害物の影響を受けてユニークワードを検出できない場合においては、デジタル無線通信システムは、ユニークワードの検出位置は不変であるという前提の下、過去に検出したユニークワードの位置を利用することで、ユニークワード以降のデータを正確に復調することができる。

このように、デジタル無線通信システムでは、受信フレームを正確に復調するためにユニークワードの検出が重要である。ユニークワードの検出位置を安定化（又は固定化）しておくと、仮にユニークワードの位置を検出できない場合が生じても、過去に検出したユニークワードの位置を利用してユニークワード以降のデータを正確に復調できる。

図３は本実施形態に係わる移動局３０の機能ブロックを示す。
移動局３０は、アンテナ３１、モデム３２、フレームフォーマッタ３３、ユニークワード検出器３４、及びタイミングコントローラ３５を備える。

モデム３２は、フレームフォーマッタ３３から転送されてくるベースバンド信号（フレーム）を無線周波数帯へ変調し、その変調された無線信号を基地局２０へアンテナ３１を介して無線伝送するとともに、アンテナ３１を介して基地局２０から受信した無線信号をベースバンド信号に復調するための高周波変復調回路である。更に、モデム３２は、後述する送信パワー制御も行う。

ユニークワード検出器３４は、予めレジスタに格納されているリファレンス用のユニークワードと、受信フレームに挿入されているユニークワードとの相関値を計算し、そのピークを検出することで、フレーム内のユニークワードの位置を検出する。ユニークワードの検出位置は、タイミングコントローラ３５に通知される。

フレームフォーマッタ３３は、送信フレームを作成する一方で、タイミングコントローラ３５から通知されるユニークワード検出位置を基準に受信フレームを分解する。

尚、基地局２０の機能ブロックは、移動局３０の機能ブロックと同様なので、その詳細な説明を省略する。

図４はビット数と、その伝送時間に相当する光速換算距離と、送信パワーレベルとの対応関係を示すテーブル５０を示す。テーブル５０は、変調速度が１２８ｋｂｐｓの場合の値である。
テーブル５０に示すように、基地局２０と移動局３０との間の距離が１．１７ｋｍ離れると、基地局２０が移動局３０から受信するユニークワードの受信位置は、局間の距離が近距離（例えば１．１７ｋｍ未満の距離）である場合の受信位置に比べて１ビット遅延することが分かる。更にテーブル５０は、局間の距離が１．１７ｋｍ離れると、局間で無線信号を送受信するための送信パワーレベルは、少なくともＬ１以上必要であることを示している。

尚、説明の便宜上、テーブル５０には、それぞれのビット数に対応する送信パワーレベルを８段階に分けているが、必ずしもテーブル５０に格納されている送信パワーレベルにて送信する必要はなく、テーブル５０に格納されている送信パワーレベル以上の送信パワーで送信すればよい。例えば、送信パワーレベルを４段階に分ける場合には、局間の距離が２．３４ｋｍ未満のときに送信パワーレベルをＬ２とし、局間の距離が４．６８ｋｍ〜２．３４ｋｍの範囲のときに送信パワーレベルをＬ４とし、局間の距離が７．０２ｋｍ〜４．６８ｋｍの範囲のときに送信パワーレベルをＬ６とし、局間の距離が９．３６ｋｍ〜７．０２ｋｍの範囲のときに送信パワーレベルをＬ８としてもよい。

次に、図５を参照しながら局間の距離に応じて無線信号の送信タイミングや送信パワーを移動局３０が制御する方法について説明する。
基地局２０が有するユニークワード検出器は、８ビット幅のユニークワード検出窓を有している。検出信号は、ユニークワードの検出位置（ビット位置）を示している。ここでは、説明の便宜上、通常の使用態様において想定され得る移動局３０の移動範囲は、基地局２０を起点として半径２．３４ｋｍ付近であるものとする。基地局２０と移動局３０との間の距離が上記の範囲内である場合、基地局２０では、ユニークワード検出窓の２ビット目の位置においてユニークワードが検出される。そこで、ユニークワード検出窓の２ビット目の位置を正規位置（位相差ゼロ）として定義する。かかる定義によれば、基地局２０と移動局３０との間の距離が上記の範囲よりも短い場合、ユニークワード検出窓の１ビット目の位置（進み位相）でユニークワードが検出される。一方、基地局２０と移動局３０との間の距離が上記の範囲よりも長い場合、ユニークワード検出窓の３ビット目〜８ビット目の位置（遅れ位相）でユニークワードが検出される。

尚、上記の例では、ユニークワード検出窓の２ビット目の位置を正規位置として定義したが、移動局３０の移動範囲に応じて任意に正規位置を定義することができる。また、移動局３０のユニークワード検出器３４も、８ビット幅のユニークワード検出窓を有している。

さて、基地局２０と移動局３０との間で通信が開始されると、基地局２０は、無線信号による接続要求を移動局３０へ送信する。移動局３０は、基地局２０からの接続要求を受信すると、その無線信号に挿入されているユニークワードを検出し、基地局２０からの呼び出しであることを認識する。すると、移動局３０は、予め設定されているデフォルトタイミングで無線信号による接続応答を基地局２０へ送信し始める。

基地局２０は、８ビット幅を有するユニークワード検出窓のどの位置でユニークワードが検出されたかを判定する。そして、基地局２０は、ユニークワード検出位置（ユニークワード検出窓の中のビット位置）の情報をＳＡＣＣＨに含ませて移動局３０に通知する。例えば、ユニークワード検出窓の７ビット目の位置でユニークワードが検出された場合、基地局２０は、ビット位置「７」という情報を移動局３０に通知する。

移動局３０のタイミングコントローラ３５は、ビット位置「２」が正規位置であることを予め把握しているので、ユニークワード検出位置がビット位置「７」であるという情報を基地局２０から受信すると、５ビット遅い位置からデータ送信を開始するように送信タイミングを調整する。このように、移動局３０は、基地局２０におけるユニークワード検出位置に応じて、データ送信するタイミングを動的に調整する機能を有しているので、移動局３０が移動することにより基地局２０と移動局３０との間の距離が刻々と変化したとしても、基地局２０では、常時ビット位置「２」で安定的にユニークワードを検出できるようになる。更に、基地局２０においてユニークワードが検出されない場合でも、ユニークワード検出位置は、ビット位置「２」であるとの推定の下、基地局２０は、ユニークワード以降のデータを正確に復調することができる。

また、移動局３０は、テーブル５０を保持しており、局間の距離に応じて送信パワーレベルを調整している。局間の距離は、ユニークワード検出窓の中で定義されている正規位置と、基地局２０におけるユニークワード検出位置が正規位置になるように移動局３０が送信タイミングを何ビットずらしているかによって推定することができる。例えば、上記の例では、正規位置はビット位置「２」であり、移動局３０は、５ビット遅い位置からデータ送信しているので、局間の距離は、約８．１９ｋｍであると推定できる。そこで、移動局３０のモデム３２は、送信パワーレベルをＬ７以上に設定する。一方、基地局２０もテーブル５０を保持しており、ユニークワード検出位置を基に局間の距離を推定し、送信パワーレベルを調整する。

尚、局間の距離が変化した場合だけでなく、ビル等の建築物が電波伝搬の障害となり、基地局２０又は移動局３０の受信電力が低下することもあり得る。このような場合には、局間の距離に基づく送信パワー制御に加えて、受信電界強度（ＲＳＳＩ）やデジタルマッチドフィルタの相関値などを利用して送信パワーを調整するのが望ましい。

本実施形態によれば、移動局３０の移動により局間の距離が変化する場合であっても、局間の同期を確立及び維持し、更に送信パワーを適切に制御できる。また、移動局３０の送信タイミングに合わせて基地局２０の受信タイミングを調整する方式に比べてシステム構成を簡略化することができる。

本実施形態に係わるコードレス電話システムのシステム構成図である。 時分割多元接続による無線通信に用いられるフレーム構成を示す説明図である。 本実施形態に係わる移動局の機能ブロック図である。 ビット数と、その伝送時間に相当する光速換算距離と、送信パワーレベルとの対応関係を示すテーブルである。 本実施形態に係わるユニークワード検出窓の説明図である。

符号の説明

１０…コードレス電話システム ２０…基地局 ３０…移動局 ３１…アンテナ ３２…モデム ３３…フレームフォーマッタ ３４…タイミングコントローラ ３５…ユニークワード検出器 ４０…ＰＢＸ ５０…テーブル

Claims (3)

1. 基地局と、前記基地局との間で時分割多元接続による無線通信を行う移動局とを備えるデジタル無線通信システムであって、前記移動局は、
   前記基地局におけるユニークワード検出位置に基づいてフレームの送信タイミングを調整するタイミングコントローラと、
   前記基地局におけるユニークワード検出位置に基づいて送信パワーを制御する第１のモデムとを備え、
   ユニークワード検出位置は、前記基地局と前記移動局との間の距離に応じて変化する、
   デジタル無線通信システム。
2. 請求項１に記載のデジタル無線通信システムであって、
   前記基地局は、前記移動局から送信されるフレームに含まれているユニークワードを検出するユニークワード検出器と、前記ユニークワード検出器によって検出されたユニークワード検出位置を前記移動局に通知する第２のモデムとを備え、
   前記移動局は、前記基地局から通知されるユニークワード検出位置に基づいてフレームの送信タイミングを調整する、デジタル無線通信システム。
3. 請求項１に記載のデジタル無線通信システムであって、
   前記基地局は、前記移動局から送信されるユニークワードを検出できない場合には、前記所定の位置においてユニークワードを検出したものとし、前記移動局から送信されるデータを復調する、デジタル無線通信システム。

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