JP5045127B2 - 無線通信システム - Google Patents

Description

この発明は、OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)方式を用いた無線通信システムに関する。

現在、3GPP(3^rd Generation Partnership Project)では、W-CDMA(Wideband Code Division Multiple Access)方式に続く、新しい無線アクセスおよび無線アクセスネットワークに関するLong Term Evolution(LTE)の検討が開始されている（例えば、非特許文献１参照）。この文献は、3GPPによりリリースされた技術文書であり、物理層に関する規格のフレームワークについて述べられたものである。

ここで述べられている初期同期プロセスは、移動局が、基地局から受信した信号に基づいて、基地局との間で時間および周波数同期をとり、基地局の識別番号を検出するための手続きである。

またLTEシステムでは、複数の異なるシステム帯域をサポートする、Scalable Bandwidthが適用される。LTEシステムの初期同期プロセスにおいては、基地局のシステム帯域は、移動局にとって未知であり、移動局が基地局のシステム帯域を検出して、それぞれに応じた処理を行うには、複雑なサーチプロセスが必要になる。

これに対し、システム帯域のサーチプロセスを簡略化するため、いずれのシステム帯域を利用する基地局にも共通する最小のシステム帯域に、同期用チャネル、システム情報を報知するチャネルを配置して、基地局から移動局に送信することが考えられている。これにより移動局は、基地局のシステム帯域を知らなくても、予め決められた共通の最小システム帯域内に配置された同期用チャネル、システム情報報知チャネルを受信することにより、初期同期プロセスを遂行することができる。

しかしながら、現在検討されているLTEシステムでは、システムスループットを最大化するという観点で位相基準信号の電力密度が定められており、同期用チャネル、システム情報報知チャネルが配置される時間シンボル−周波数帯の位相基準信号の配置方法については検討されていない。したがって、以下のような３つの問題が発生する虞がある。

１）同期プロセスに位相基準信号を使用するという観点でみた場合、電力密度が不十分であるため、同期プロセスの一つである、位相基準信号を用いた基地局の識別番号の検出の際に、検出できるまでの時間が長くなる。

２）システム情報報知チャネルの同期検波に位相基準信号を使用するという観点でみた場合、一般に移動局が初期同期プロセスにある間は移動局と基地局の間の周波数同期が不十分である。また、時間および周波数が近接するいくつかの位相基準信号を平均化することによる位相基準信号の信号電力の向上が制限される。これらにより、システム情報報知チャネルの伝送路推定精度を十分に確保することができず、復調性能が劣化する。

３）地理的に隣接する基地局の間で発生する位相基準信号の干渉を低減することを目的として、基地局毎に位相基準信号の周波数シフトが適用されている際には、初期同期プロセスにおいては、移動局は予めこのシフト量を知らない限り、位相基準信号の周波数位置が未定であるため、位相基準信号の抽出自体ができない。
3GPP, TR25.814(V7.1.0), "Physical Layer Aspects for Evolved UTRA", Section 7.1.2.4, "Cell search"。

従来の無線通信システムでは、受信機（例えば移動局）が送信機（例えば基地局）から受信した信号に基づいて、送信機との間で時間および周波数同期をとり、送信機の識別番号を検出する初期同期プロセスにおいて、位相基準信号の検出時間や復調性能、プロセスの安定性に問題があった。

この発明は上記の問題を解決すべくなされたもので、受信機が送信機から受信した信号に基づいて行う初期同期プロセスにおいて、位相基準信号の検出時間短縮や復調性能、プロセスの安定性を向上させた無線通信システムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、この発明は、OFDM信号を送信する複数の送信機と、OFDM信号を受信する受信機とを備えたOFDM無線通信システムにおいて、送信機は、複数の送信機の間で共通に予め設定した初期同期用チャネル帯域である第１周波数帯域と、それ以外の第２周波数帯域のうち、第１周波数帯においては、第２周波数帯域よりも高い電力密度で位相基準信号を割り当てるとともに、送信開始する前に受信することが必要なシステム情報を含む制御信号を割り当てたOFDM信号を送信する送信手段を備え、受信機は、送信機から送信されるOFDM信号を受信する受信手段と、この受信手段が第１周波数帯域を通じて受信した位相基準信号に基づいて、制御信号のチャネル等価を行い、制御信号の復調を行う復調手段とを具備し、
前記送信手段は、前記第１周波数帯域のうち、前記制御信号を割り当てた時間フレームに、前記位相基準信号を前記第２周波数帯域よりも高い電力密度で割り当て、かつ、前記第１周波数帯域のうち、前記制御信号を割り当てたサブキャリアに近接するサブキャリアに、前記位相基準信号を前記第２周波数帯域よりも高い電力密度で割り当て、かつ、前記第１周波数帯域の位相基準信号の周波数位置を送信する基地局や時間フレームによらず一定とし、前記第２周波数帯域の位相基準信号の周波数位置を送信する基地局や時間フレーム毎にシフトする構成にした。

以上述べたように、この発明では、送信機は、複数の送信機の間で共通に予め設定した第１周波数帯域と、それ以外の第２周波数帯域のうち、第１周波数帯においては、第２周波数帯域よりも高い電力密度で位相基準信号を割り当てて送信を行い、受信機は、第１周波数帯域を通じて受信した位相基準信号に基づいて、制御信号のチャネル等価を行い、制御信号の復調を行うようにしている。

したがって、この発明によれば、受信機は、複数の送信機で共通する第１周波数帯域を受信して、高い電力密度で含まれる位相基準信号に基づいて、制御信号のチャネル等価を行うので、受信機が送信機から受信した信号に基づいて行う初期同期プロセスにおいて、位相基準信号の検出時間短縮や復調性能、プロセスの安定性を向上させることが可能な無線通信システムを提供できる。

以下、図面を参照して、この発明の一実施形態に係わるOFDMセルラシステムについて説明する。以下の説明では、送信側を基地局とし、受信側を移動局として説明する。 まず、この発明に係わるOFDMセルラシステムにおける、基地局から移動局への伝送フォーマットについて説明する。このOFDMセルラシステムが備える複数の基地局は、それぞれ異なる帯域幅のシステム帯域（おのおのの基地局が送信信号を割り当てることのできる帯域幅）を用いるが、それらのシステム帯域で共通する帯域を、初期同期用チャネル帯域として、初期同期プロセスに用いる。

図１は、この初期同期用チャネル帯域とその近傍の帯域を示すものである。図１では、初期同期用チャネル帯域のうち、システム情報報知信号を含む、もしくはそれに近接する時間フレームの位相基準信号の周波数密度を、それ以外の時間フレームの位相基準信号と比較して、２倍の周波数密度で割り当てた伝送フォーマットを例示している。

このように位相基準信号を高密度（高割合）にする周波数帯域を限定する理由は以下の通りである。それぞれ異なるシステム帯域幅を有する基地局をサポートするセルラシステム（Scalable Bandwidth）では、初期同期プロセスにおいて移動局は、基地局のシステム帯域幅が不明である。このため、初期同期用に用いるチャネル帯域、すなわち最小のシステム帯域幅（初期同期用チャネル帯域）に配置された位相基準信号のみを使って処理（後述する処理Ｃ）を行うことにより、移動局は基地局のシステム帯域を予め認識していなくても安定した同期性能を発揮して初期同期プロセスを遂行することができ、これにより初期同期プロセスのサーチを簡略化することができる。

また、位相基準信号を高密度（高割合）にする時間シンボルを限定する理由は以下の通りである。すべての時間フレームにおいて、位相基準信号の電力密度を上げることは、時間方向の累積加算を可能とし、結果的に同期時間の短縮につながるかも知れない。しかしながら、電力密度を上げることにより、位相基準信号のシグナリングオーバヘッドが増加し、システムスループットの低下を招き、システム全体としては不利益となる。したがって、処理Ｃを適用する時間フレームに限定して、位相基準信号の電力密度を上げることにより、例えば、その時間フレーム以外では受信ＲＦを停止させるなどして、移動局の消費電力を低減できる。

次に、移動局における初期同期プロセスについて説明する。図２に示すように、移動局は、上記初期同期プロセスとして、４つの処理Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを備える。このうち、処理Ａのみが時間領域の信号を処理し、処理Ｂ〜Ｄは、周波数領域の信号を処理する。なお、この処理に先だって、受信信号をダウンコンバートし、サンプリングしてベースバンドディジタル信号を得る。

処理Ａは、同期信号Ｓ１を所定のタイミングで含んでいるベースバンドディジタル信号と、上記同期信号Ｓ１に含まれる既知の同期コードとの相互相関を求めることによって、ベースバンドディジタル信号の時間フレーム境界、すなわちＧＩ除去およびＦＦＴ演算を行うサンプリングデータ列を切り出すタイミングを見つける処理である。このようなフレーム同期に用いられる同期コードとしては、上記の同期コード以外にも、時間ドメインで繰り返し波形を持つ同期コードを用いる方法が考えられる。この同期コードを用いる場合には、自己相関によってフレーム境界を見つける。

処理Ｂおよび処理Ｃは、それぞれベースバンドディジタル信号のサンプリングデータ列に、処理Ａで求めた時間フレーム単位でFFT(Fast Fourier Transform)をかけて、周波数領域の信号、すなわち図１に示すようなサブキャリア毎の信号に分割して、これによって得た周波数領域上の情報に基づいて基地局ＩＤの同定を行う。

一般にセルラシステムでは基地局ＩＤの同定に費やす時間を短縮するため、処理Ｂでは、基地局が属するグループの同定までを行い、一方、処理Ｃでは、処理Ｂで求めた基地局のグループから基地局ＩＤを特定する。このように２段階にわけて基地局ＩＤの同定を行う。

なお、処理Ｂでは、同期信号Ｓ２を使用し、処理Ｃでは、データ信号のチャネル等価や、各基地局からの受信信号の測定に用いる位相基準信号を使用する。各基地局から送信される信号間の干渉低減や、各基地局からの受信電力を測定するために、位相基準信号には、基地局固有のスクランブリングコードがかけられる。したがって、移動局は、スクランブリングコードを特定することにより、基地局ＩＤを同定できる。

処理Ｄでは、データ信号を受信するために必要なパラメータなどの情報を含んだシステム情報報知信号を受信する。システム情報報知信号のチャネル等価には、位相基準信号を使用する。

以上のような処理Ａ〜Ｄによって、通信に必要となる基本的なシステムパラメータをデータ信号の受信前に取得する処理を、初期同期プロセスと称する。処理Ａ〜Ｄのうち、位相基準信号の配置に関するものは、処理Ｃおよび処理Ｄである。この発明では、図１に示したように位相基準信号を配置することによって、処理Ｃにおける基地局ＩＤの検出に要する時間を短縮し、また、処理Ｄのシステム情報報知信号の受信性能を向上させることができる。このため、初期同期プロセスに要する時間を短縮することできるので、移動局における消費電力を低減するというものである。

上述したOFDMセルラシステムの基地局および移動局の構成について説明する。
図３は、上記基地局の送信系の構成を示すもので、サブキャリア割当部１１と、IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)部１２と、GI(Guard Interval)付加部１３と、無線送信部１４とを備える。なお、この図では、送信系のみを示すが、基地局は、移動局からの無線信号を受信する受信系の構成も備える。

サブキャリア割当部１１は、後段のIFFT部１２で、図１に示すように配置されたOFDMシンボルを生成するために、同期信号Ｓ１、同期信号Ｓ２、位相基準信号、システム情報報知信号、その他の信号（データ信号など）を、それぞれ対応するサブキャリアに割り当てた信号を生成する。

なお、サブキャリア割当部１１にて各信号が割り当てられるフォーマットは、移動局において既知のものである。同期信号Ｓ１は、移動局が既知の時間周期で所定の時間フレームのサブキャリアに割り当てられ、移動局が既知の同期コードにより時間領域でフレーム同定を行うために用いられる。

同期信号Ｓ２は、同期信号Ｓ１と同様に、移動局が既知の時間周期で所定の時間フレームのサブキャリアに割り当てられる。また同期信号Ｓ２は、送信元となる基地局が属するグループに割り当てられた同期コードを含んでいる。

また位相基準信号は、同期信号Ｓ２と時間的に近接した位置に配置され、送信元となる基地局固有に割り当てられたスクランブリングコードがかけられた、移動局が既知のパターンの信号である。そしてシステム情報報知信号は、送信元となる基地局固有に割り当てられたスクランブリングコードでスクランブルされたデータであり、データ信号などを復調するのに必要な情報を含む。

IFFT部１２は、サブキャリア割当部１１から出力される信号に対してOFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)変調を施して、各信号が図１に示すように配置されたOFDM信号を生成する。すなわち、IFFT部１２は、周波数領域の信号を時間領域の信号に変換することによってOFDM信号を生成する。

GI付加部１３は、IFFT部１２が生成したOFDM信号に、ガードインターバル（ＧＩ）を付加する。
無線送信部１４は、ガードインターバルが付加されたOFDM信号をディジタル信号からアナログ信号に変換するディジタル−アナログ変換器と、これによって得られたアナログ信号を無線周波数にアップコンバートするアップコンバータと、これによって得られた無線（ＲＦ）信号の電力を増幅する電力増幅器を備え、この電力増幅器から出力される無線信号をアンテナから送信する。

図４は、上記移動局の受信系の構成を示すもので、無線受信部２１と、サーチ部２２と、GI(Guard Interval)除去部２３と、FFT(Fast Fourier Transform)部２４と、信号分離部２５と、サーチ部２６と、制御信号復調部２７と、相関演算部２８と、データ復調部２９とを備える。なお、この図では、受信系のみを示すが、移動局は、基地局に宛てた無線信号を送信する送信系の構成も備える。

無線受信部２１は、アンテナを通じて受信した無線信号から所望の帯域外の雑音を除去する帯域通過フィルタと、この帯域通過フィルタの出力をアナログ信号からベースバンドのディジタル信号に変換するＡＤ変換器を備える。

サーチ部２２は、前述の初期同期プロセスの処理Ａを実施するもので、無線受信部２１で得たベースバンドディジタル信号のサンプリングデータ列と、同期信号Ｓ１に含まれる既知の同期コードとの相互相関を求めることで、ガードインターバルを除去するフレームタイミング、およびFFT(Fast Fourier Transform)演算によってサンプリングデータ列を切り出すタイミングを検出し、これらのタイミングを制御部２０に通知する。

この通知を受けた制御部２０は、そのタイミングに応じて、ＧＩ除去部２３およびFFT部２４に対して、それぞれの処理を実施するように指示する。また制御部２０は、通知された時間フレームのタイミングに基づいて、信号分離部２５に対し、各時間フレームのサブキャリアに割り当てられた各信号の周波数と時間の各位置を通知する。

ＧＩ除去部２３は、制御部２０から指示されるフレームタイミングで、無線受信部２１から出力されるベースバンドディジタル信号からガードインターバルを除去する。
FFT部２４は、制御部２０から指示されるタイミングで、ガードインターバルが除去されたベースバンド信号を、高速フーリエ変換により時間領域の信号から周波数領域の信号に変換して、サブキャリア毎の信号に分割する。

信号分離部２５は、FFT部２４にてサブキャリア毎に分割された信号の時間と周波数の各位置が制御部２０から通知され、この通知にしたがって、各サブキャリアに割り当てられた信号のうち、同期信号Ｓ２をサーチ部２６に出力し、システム情報報知信号を制御信号復調部２７に出力し、位相基準信号を制御信号復調部２７および相関演算部２８に出力し、その他の信号（データ信号など）をデータ復調部２９にそれぞれ出力する。

サーチ部２６は、前述の初期同期プロセスの処理Ｂを実施するもので、同期信号Ｓ２に含まれる同期コードと、予め記憶した複数の基地局グループの同期コードとの相互相関をそれぞれ求めることで、送信元の基地局のグループを検出し、これを制御部２０に通知する。制御部２０は、複数の基地局をグループ化して、それぞれ固有に割り当てられたスクランブリングコードを記憶しており、上記グループの通知を受けると、そのグループに属する基地局ＩＤを相関演算部２７に通知する。

相関演算部２７は、前述の初期同期プロセスの処理Ｃを実施するもので、候補となるすべての基地局ＩＤとそれに固有に予め割り当てられたスクランブリングコードとを対応づけたテーブルを記憶しており、制御部２０から通知された基地局ＩＤに対応づけられたスクランブリングコードと、信号分離部２５から出力される位相基準信号との間の相互相関を求め、最も大きな相関値が得られるスクランブリングコードの基地局ＩＤを検出し、これを制御部２０に通知する。なお、相関演算部２７は、相互相関を求める際に、相関値をベクトル演算することで、同期性能をさらに向上させることができる。

これに対して制御部２０は、相関演算部２７から基地局ＩＤの通知を受けると、予め基地局ＩＤとスクランブリングコードとを対応づけたテーブルを参照して、対応するスクランブリングコードを検出し、これを制御信号復調部２８に通知する。

制御信号復調部２８は、前述の初期同期プロセスの処理Ｄを実施するもので、制御部２０から通知されたスクランブリングコードと、信号分離部２５から入力される位相基準信号とに基づいて、各システム情報報知信号が割り当てられるサブキャリア周波数のチャネル推定を行い、この推定結果に基づいて、信号分離部２５から入力されるシステム情報報知信号のチャネル等価を行う。そして、制御信号復調部２８は、チャネル等価したシステム情報報知信号を、上記スクランブリングコードを用いて復調し、システム情報報知信号のビット列を再生し、これを制御部２０に出力する。

なお、チャネル推定は、システム情報報知信号と同じ時間で周波数方向に近接するいくつかの位相基準信号のサブキャリアに基づいて補間または平均化することにより、精度を高めることができる。

制御部２０は、制御信号復調部２８が再生したシステム情報報知信号のビット列が入力されると、これに基づいてデータ復調部２９を制御し、データ復調部２９にデータ信号などの信号を復調させる。

以上のように、上記構成のOFDMセルラシステムでは、初期同期用チャネル帯域のうち、初期同期プロセスで用いる時間フレーム（システム情報報知信号を含む時間フレーム、もしくはそれに近接する時間フレーム）の位相基準信号の密度を、他の時間フレームよりも高めるようにしている。したがって、上記構成のOFDMセルラシステムによれば、位相基準信号の検出時間短縮や、制御信号の復調性能向上により、初期同期プロセスの安定性を向上させることができる。

また、位相基準信号を高密度にする周波数帯域が限定されるので、移動局は基地局のシステム帯域を予め認識していなくても安定した同期性能を発揮して初期同期プロセスを遂行することができ、これにより初期同期プロセスのサーチを簡略化することができる。そして、位相基準信号を高密度にする時間シンボルが限定されるので、例えば、その時間フレーム以外では受信ＲＦを停止させるなどして、移動局の消費電力を低減できる。

移動局に、自局と基地局とのクロック周波数のずれをフィードバックにより補償する回路を内蔵する構成も考えられるが、通信を開始したばかりの移動局が上記の補償を行うには、ある程度の時間、受信信号を受ける必要がある。

上記のOFDMセルラシステムでは、上記補償が十分に収束していない初期同期プロセス中にシステム情報報知信号を受信する必要があるため、位相エラーにより周波数方向の相関が低くなり、制御信号復調部２８においてチャネル推定値を求める際の補間や平均化する周波数区間が、周波数補償が収束した後と比較して、狭くなってしまう。

しかし、上記構成のOFDMセルラシステムでは、位相基準信号の周波数方向の電力密度が高いシンボルをシステム情報報知信号と近接して配置するようにしているので、初期同期用チャネル帯域が狭くても位相基準信号の電力が十分確保でき、チャネル推定精度を維持することができる。

なお、この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また上記実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって種々の発明を形成できる。また例えば、実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除した構成も考えられる。さらに、異なる実施形態に記載した構成要素を適宜組み合わせてもよい。

その一例として例えば、図１に代わって、図５に示すように、初期同期用チャネル帯域の位相基準信号の周波数位置が、送信する基地局や時間フレームによらず一定であれば、他のチャネル帯域の位相基準信号の周波数位置が、送信する基地局や時間フレーム毎にシフトする場合にも適用することができる。この場合でも、移動局は、シフトする量を知らなくても安定した同期性能で初期同期プロセスを遂行することができ、初期同期プロセスのサーチを簡略化することができる。

また基地局が複数の送信アンテナを備え、各送信アンテナから送信される位相基準信号がFDM（周波数直交多重化）されている場合にも適用できる。図６は、その一例を示すものである。この例では、基地局は２つの送信アンテナを備えており、各送信アンテナが対応するいずれかの基準信号Ant1、Ant2を送信する。このように送信アンテナが複数であっても、送信アンテナが１本のときと同様の処理をアンテナ数分適用することができる。
その他、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を施しても同様に実施可能であることはいうまでもない。

この発明に係わる無線通信システムで用いられるOFDM伝送フォーマットを示す図。 この発明に係わる無線通信システムの受信側の初期同期プロセスを説明するための図。 この発明に係わる無線通信システムの送信側の構成例を示す回路ブロック図。 この発明に係わる無線通信システムの受信側の構成例を示す回路ブロック図。 この発明に係わる無線通信システムで用いられるOFDM伝送フォーマットを示す図。 この発明に係わる無線通信システムで用いられるOFDM伝送フォーマットを示す図。

符号の説明

１１…サブキャリア割当部、１２…IFFT部、１３…GI付加部、１４…無線送信部、２０…制御部、２１…無線受信部、２２…サーチ部、２３…GI除去部、２４…FFT部、２５…信号分離部、２６…サーチ部、２７…制御信号復調部、２７…相関演算部、２９…データ復調部。

Claims (2)

1. OFDM信号を送信する複数の送信機と、前記OFDM信号を受信する受信機とを備えたOFDM無線通信システムにおいて、
   前記送信機は、
   前記複数の送信機の間で共通に予め設定した初期同期用チャネル帯域である第１周波数帯域と、それ以外の第２周波数帯域のうち、前記第１周波数帯においては、前記第２周波数帯域よりも高い電力密度で位相基準信号を割り当てるとともに、送信開始する前に受信することが必要なシステム情報を含む制御信号を割り当てたOFDM信号を送信する送信手段を備え、
   前記受信機は、
   前記送信機から送信されるOFDM信号を受信する受信手段と、
   この受信手段が前記第１周波数帯域を通じて受信した前記位相基準信号に基づいて、前記制御信号のチャネル等価を行い、前記制御信号の復調を行う復調手段とを備え、
   前記送信手段は、前記第１周波数帯域のうち、前記制御信号を割り当てた時間フレームに、前記位相基準信号を前記第２周波数帯域よりも高い電力密度で割り当て、かつ、前記第１周波数帯域のうち、前記制御信号を割り当てたサブキャリアに近接するサブキャリアに、前記位相基準信号を前記第２周波数帯域よりも高い電力密度で割り当て、かつ、前記第１周波数帯域の位相基準信号の周波数位置を送信する基地局や時間フレームによらず一定とし、前記第２周波数帯域の位相基準信号の周波数位置を送信する基地局や時間フレーム毎にシフトすることを特徴とするOFDM無線通信システム。
2. 前記送信手段は、互いに周波数直交多重化された前記位相基準信号をそれぞれ異なるア
   ンテナを通じて送信することを特徴とする請求項１に記載のOFDM無線通信システム。

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