JP5473850B2 - 無線送信装置および無線送信方法 - Google Patents

Description

本発明は、無線送信装置および無線送信方法に関する。

一般に無線通信を用いた移動通信においては、多重波伝搬により受信レベルが変動するフェージングが発生し、伝送品質が大きく劣化する。受信レベルの変動による伝送品質の劣化を軽減する技術としてダイバーシチ技術が知られている。

受信側の演算量を増大させない送信ダイバーシチ方式が、下記特許文献１に開示されている。下記特許文献１の送信ダイバーシチ方式では、送信信号が生成され、ｍ（ｍは２以上の整数）本の送信アンテナにそれぞれ対応したｍ個の周波数オフセット付与手段を備える。そして、ｍ個の周波数オフセット付与手段が、送信信号に対してそれぞれの送信アンテナに対応した周波数オフセットを付与するが、この際、付与する全ての周波数オフセット同士の差が所定の規則を満たすように付与する。このようにして、各送信アンテナから異なる周波数オフセットを付加して送信することにより、受信側では周波数オフセット差に応じた周期の受信信号レベルの変動（うねり）が発生するが、下記特許文献１では、インターリーブと誤り訂正とを組み合わせることにより、高いダイバーシチ効果を得ている。

下記特許文献１に類似した送信ダイバーシチの方式として、下記特許文献２に開示されている方式がある。下記特許文献２に記載の方式では、例えばＴ（Ｔは送信アンテナ数以上の自然数）シンボル間隔で差動符号化し、各送信アンテナに対してｅｘｐ（ｊ・２πｍ／Ｔ）（ｍは送信アンテナ番号）のオフセットを付加することにより、インターリーバを不要としている。

特開２００７−３２５０７９号公報 特開２００８−１５３７６２号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の送信ダイバーシチ方式によれば、伝送するデータ長と受信器側で許容できる周波数オフセット間の周波数差とから、付加する周波数オフセットの種類（数）が決まるが、その種類以上に送信アンテナ数を増やした場合、使用する周波数オフセットの繰り返しが発生する（同一の周波数オフセットを付加する送信アンテナが存在する）。また、上記特許文献２でも、例えば初期の時点では、Ｔを送信アンテナ数より大きくしたとしても、送信アンテナ数を追加することにより送信アンテナ数がＴより多くなった場合には、使用する周波数オフセットの繰り返しが発生してしまう。

同じ周波数オフセットの繰り返しが発生した場合、同じ周波数オフセットが付与された送信信号を受信する受信器では、受信した信号間の位相関係によっては互いに信号が打ち消されることがあり、受信電力が極端に落ち込み、通信不能になる可能性がある、という問題がある。特に受信器が移動せず、伝搬環境が変化しない状況においては、通信不能な状態が長期間に渡り継続してしまう可能性がある。

また、複数の周波数オフセットが付加された信号を受信することにより受信側において観測される受信信号レベルの変動（うねり）は、付加された周波数オフセットの組み合わせや位相関係によって大きく異なる。一般的に受信信号レベルの変動が大きいほど受信品質が劣化する傾向にあるため、受信する信号に付加された周波数オフセットの組み合わせや位相関係により受信信号レベルの変動が大きくなる受信器では、受信品質が劣化する。したがって、伝搬環境が変化しない状況においては、常に受信品質が悪い受信器が発生してしまう可能性がある、という問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、送信アンテナ数を増やした場合でも、受信不能や受信品質劣化が定常的に生じる受信器の発生を抑制することができる無線送信装置および無線送信方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、複数の送信アンテナと、各々の前記送信アンテナに対して、例えばフレームごとに周波数オフセット量、初期位相のうち１つ以上を変更しかつ前記フレーム内では周波数オフセット量および初期位相が一定となるよう、前記送信アンテナから送信される送信信号に付与する周波数オフセット量および初期位相を決定する周波数オフセット決定手段と、前記周波数オフセット決定手段が決定した前記周波数オフセット量および初期位相に基づいて、前記送信アンテナごとに、前記送信アンテナから送信される送信信号に周波数オフセット量および初期位相を付与する周波数オフセット付与手段と、を備えることを特徴とする。なお、フレームとは、送受信器間でデータの伝送を行う単位であり、単独または複数のパケット(誤り訂正や誤り検出を行う単位)が集積された無線信号区間を指す。

本発明によれば、送信アンテナ数を増やした場合でも、受信不能や受信品質劣化が定常的に生じる受信器の発生を抑制することができる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態１の無線送信装置の機能構成例を示す図である。 図２は、実施の形態２の無線通信システムの構成例を示す図である。

以下に、本発明にかかる無線送信装置および無線送信方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかる実施の形態１の無線送信装置の機能構成例を示す図である。図１に示すように、本実施の形態の無線装置は、データ部生成手段１と、周波数オフセット付与手段２−１〜２−ｍ（ｍは２以上の整数）と、直交変調部３−１〜３−ｍと、高周波部４−１〜４−ｍと、送信アンテナ５−１〜５−ｍと、乱数発生手段（周波数オフセット決定手段）５と、で構成される。また、データ部生成手段１は、符号化手段１１と、インターリーバ１２と、変調マッピング部（変調マッピング）１３と、で構成される。

図１の信号２０−１〜２０−ｍは、周波数オフセット付与手段２−１〜２−ｍに対して付加する周波数オフセットの初期位相を決定する信号を示し、信号２１−１〜２１−ｍは、周波数オフセット付与手段２−１〜２−ｍに対して、付加する周波数オフセット量を決定する信号を示す。

つぎに、本実施の形態の動作について説明する。データ部生成手段１では、符号化手段１１は、入力されるデータ（送信データ）を誤り訂正符号化する。インターリーバ１２は、符号化手段１１により誤り訂正符号化されたデータをインターリーブする。変調マッピング部１３は、インターリーブ後のデータに基づいて位相変調及び複素平面上へのマッピングを行い送信シンボル列を生成して周波数オフセット付与手段２−１〜２−ｍへ出力する。

変調マッピング部１３のシンボル生成方法はどのような方法でもよいが、例えば、インターリーブ後のデータシンボル列ｐ（ｎ）に対して、以下の式（１）に示すようにＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）変調してｓ（ｎ）を生成する。
ｓ（ｎ）＝ｅｘｐ（ｊ・π／４） （ｐ_2n＝０，ｐ_2n+1＝０のとき)
ｅｘｐ（ｊ・３π／４） （ｐ_2n＝１，ｐ_2n+1＝０のとき)
ｅｘｐ（ｊ・５π／４） （ｐ_2n＝１，ｐ_2n+1＝１のとき)
ｅｘｐ（ｊ・７π／４） （ｐ_2n＝０，ｐ_2n+1＝１のとき) …（１）
その後、ｓ（ｎ）に対して８シンボル間隔で差動符号化を行い、以下の式（２）で示す差動符号化後の送信シンボル列ｘ（ｎ）を出力する。なお、^*は複素共役を示す。
ｘ（ｎ）＝ｓ（ｎ）×ｘ（ｎ−８）^* (ｎ：シンボル番号) …（２）

周波数オフセット付与手段２−１〜２−ｍは、データ部生成手段１より出力された送信シンボル列ｘ（ｎ）に対して、乱数発生手段６からの指示に従って周波数オフセットを付与して周波数オフセット付与後のシンボル列を生成する。周波数オフセット付与手段２−ｋ（ｋ＝１，２，…，ｍ）に指示される周波数オフセット量，初期位相をそれぞれｒ_ok，ｒ_ikとすると、周波数オフセット付与手段２−ｋは、以下の式（３）に示す周波数オフセット付与後のシンボル列ｙ_k（ｎ）を生成する。
ｙ_k（ｎ）＝ｘ（ｎ）×ｅｘｐ（ｊ２π（ｒ_ok・ｎ／８＋ｒ_ik／８）） …（３）

ここで、周波数オフセット量ｒ_okは、８シンボル間で互いに直交する０，１，…，７の８種類の値のうちのいずれかを取るとする。また、初期位相ｒ_ikのとりうる値の数は、必ずしもｒ_okの取りうる値の数と揃える必要はなく、ｒ_okとｒ_ikは互いに独立して決定すればよいが、ここでは簡単のため、ｒ_ikについても０，１，…，７の８種類の値のうちのいずれかの値をとるとする。ｒ_ikのとりうる値の数が、８以外の数（Ｐとする）場合には、上記（２）式では、ｒ_ik／８の代わりにｒ_ik／Ｐを用いる。

周波数オフセット付与手段２−ｋにより周波数オフセットが付与された送信シンボルは、直交変調部３−ｋにより直交変調され、高周波部４−ｋにより所定の無線送信処理が実施された後、送信アンテナ５−ｋから送信される。受信器では、本実施の形態の無線装置から送信された信号を受信すると、受信信号に対して遅延検波、デインターリーブ、誤り訂正復号化処理等を実施することにより、送信されたデータを得る。

本実施の形態では、乱数発生手段６が、乱数を発生させることにより、乱数に基づいて周波数オフセット付与手段２−ｋへ指示する周波数オフセット量ｒ_ok，初期位相ｒ_ikの値を決定する。乱数発生手段６は、例えば、Ｍ系列の疑似乱数を生成し、周波数オフセット付与手段２−１〜２−ｍに対して、それぞれに対応する周波数オフセット量ｒ_okと初期位相ｒ_ikを生成した乱数に基づいて生成する。なお、この乱数を生成する際の乱数の種として、送信アンテナ番号（送信アンテナ５−１〜５−ｍの識別情報），時刻情報などを用いることとし、送信アンテナ５−１〜５−ｍ間およびフレーム間で同じ乱数列とならないように構成する。また、近隣に無線送信装置が複数存在し、受信側が複数の無線送信装置からの送信信号を受信するような環境となる場合には、乱数の種として、さらに無線送信装置番号（無線送信装置の識別情報）等を用いることにより、受信側が受信する全ての送信アンテナ５−１〜５−ｍ間（異なる無線送信装置の送信アンテナ５−１〜５−ｍも含み）で同じ乱数列とならないように乱数を生成する。

また、周波数オフセット量に関しては、上記０，１，…，７の８つの値の周波数オフセット量に対してさらに受信性能に影響を与えない程度の値、例えば０，±ｆｓ／５１２（ｆｓはシンボル周波数）の３値のいずれかをとる周波数オフセット量ｒ_oakを、乱数に基づいて加えるようにしてもよい。これにより、送信アンテナ数が増加して同じｒ_okが繰り返し選択された場合でも、周波数オフセット量ｒ_oakを加えることにより５１２シンボル周期でうねりが発生し、パケットのシンボル長が５１２シンボルよりも長い場合には、十分なダイバーシチ効果を得ることができる。この場合、ｒ_oakの３種類の値と、ｒ_okの８種類の値との組み合わせにより、合計２４種類の周波数オフセット量を設定することが可能となる。

また、送信アンテナ数ｍが８より少ない場合には、乱数発生手段６は、同一フレームで同じ送信アンテナ５−１〜５−ｍ間で互いに同一となる乱数が発生した場合（周波数オフセット量が同一となる場合）には、再度、乱数を発生させるなどして、送信アンテナ５−１〜５−ｍ間で互いに周波数オフセット量が重ならないようにｒ_okを生成するように構成してもよい。

また、送信アンテナ数ｍが８以上の場合には、送信アンテナ５−１〜５−ｍ間で互いに周波数オフセット量が同一となる場合がある。このため、上述のように、周波数オフセット量ｒ_oakを用いて周波数オフセット量の取りうる値の数を増やして送信アンテナ数ｍより大きくなるようにし、送信アンテナ５−１〜５−ｍ間で互いに周波数オフセット量が重ならないようにすることが望ましい。

なお、ここでは、乱数発生手段６が、Ｍ系列の疑似乱数を生成する例を説明したが、乱数の発生方法はこれに限定されない。ｒ_okの取りうる値の数も８種類に限定されず、何種類としてもよい。ｒ_okの取りうる値の数を８以外の数（Ｑとする）とする場合には、上記式（２）では、ｒ_ok・ｎ／８の代わりにｒ_ok・ｎ／Ｑとする。

なお、本実施の形態では、周波数オフセット量および初期位相の両方をフレーム毎にランダムに変更するようにしたが、これに限らず、周波数オフセット量と初期位相の一方をランダムに変更し、他方を、送信アンテナ５−１〜５−ｍごとに、固定の値または周期的に変化する値として設定してもよい。

なお、図１では、周波数オフセット付与手段２−１〜２−ｍを送信アンテナ５−１〜５−ｍごとに備えるようにしているが、１つの周波数オフセット付与手段が、送信アンテナ５−１〜５−ｍに対してそれぞれ対応する周波数オフセット量および初期位相を付与するようにしてもよい。なお、図１の周波数オフセット付与手段２−１〜２−ｍ全体を１つの周波数オフセット付与手段と考えることもできる。

以上のように、本実施の形態では、周波数オフセットダイバーシチにおいて、付加する周波数オフセットのオフセット量および初期位相を乱数によりフレーム毎にランダムに変化させるようにした。そのため、送信アンテナ数の増加により周波数オフセット量が同一となる送信アンテナ５−１〜５−ｍが存在する場合（周波数オフセット量の繰り返しが発生する場合）でも、定常的に受信不能となる受信器が発生するのを抑制する効果がある。

また、周波数オフセット量の繰り返しが発生していない場合でも、受信側で観測する周波数オフセット量および初期位相の組み合わせがフレーム毎に変化するため、受信信号電力レベルの変動の仕方がフレーム毎に変化し、常に受信品質が悪い状況が継続するのを抑制する効果がある。

実施の形態２．
図２は、本発明にかかる実施の形態２の無線通信システムの構成例を示す図である。図２に示すように、本実施の形態の無線通信システムは、実施の形態１で述べた無線通信装置としての機能を有する基地局１０１，１０２と、端末２００と、で構成される。基地局１０１，１０２は、セルエリア３００をカバーする基地局であり、端末２００は、セルエリア３００内に位置する端末である。

図２では、簡略化のため、基地局１０１，１０２の送信アンテナの数を２（送信アンテナ５−１，５−２の２つ）としているが、送信アンテナの数は２に限定されない。

実施の形態１では、図２に示すような構成の場合、全送信アンテナ（基地局１０１の送信アンテナ５−１，５−２、基地局１０２の送信アンテナ５−１，５−２）が、互いに異なる乱数系列を生成して、周波数オフセット量を決定するようにしたが、本実施の形態では、送信アンテナの設置状況に応じて一部制限を加えて周波数オフセット量を決定する。

基地局１０１，１０２は、互いに距離の離れた場所（サイト）に設置されている。このように、複数のサイトにそれぞれ複数の送信アンテナを設置することにより、一方の基地局の電波しか到来しない場所に存在する端末でも、同じサイトの複数の送信アンテナからの到来波が観測できる可能性が高くなり、高いダイバーシチ効果を得ることが期待できる。

本実施の形態では、周波数オフセット量に関する乱数の発生に関して、周波数オフセット量の０〜７の８つのとりうる値のうち、０〜３と４〜７の２つのグループにグルーピングし、各サイトの１方の送信アンテナには０〜３のいずれかを、もう１方の送信アンテナには４〜７のいずれかを、それぞれ実施の形態１と同様にフレーム毎にランダムに設定する。また、初期位相についても同様にフレーム毎にランダムに設定してもよい。このように設定することにより、同一の無線装置内では、送信アンテナ５−１，５−２間で異なる周波数オフセット量が設定される。無線送信装置１０１，１０２間では、同一の周波数オフセット量となることを許容する。

初期位相についても、同様にとりうる値を０〜３と４〜７の２つのグループにグルーピングし、各サイトの１方の送信アンテナには０〜３のいずれかを、もう１方の送信アンテナには４〜７のいずれかを、それぞれ実施の形態１と同様にフレーム毎にランダムに設定する。以上述べた以外の本実施の形態の動作は、実施の形態１と同様である。

なお、アンテナ数が２以外を含む数ｍの場合には、周波数オフセット量の０〜７の８つのとりうる値をｍ個のグループにグルーピングし、同様に１つの送信アンテナに１つのグループを割り当てて、グループ内の値のいずれかをフレーム毎にランダムに設定すればよい。また、周波数オフセット量のとりうる値がＱ個の場合には、同様にＱ／ｍのグループにグルーピングすればよい。また、Ｑ≦ｍの場合には、実施の形態１で述べたように、周波数オフセット量ｒ_oakを用いることにより、周波数オフセット量のとりうる値を増やしたうえで、周波数オフセット量のとりうる値をグルーピングして割り当てることにより、送信アンテナ間で同一の周波数オフセット量が設定されないようにしてもよい。

また、同一のサイトに複数の基地局（無線送信装置）が設置される場合には、それらの基地局の全ての送信アンテナ間で同一の周波数オフセット量が設定されないように、１つの基地局だけでなく同一サイト内の全ての基地局の送信アンテナにそれぞれ異なるグループを割り当てるようにしてもよい。

本実施の形態では、同じサイトの送信アンテナ５−１，５−２では、互いに周波数オフセット量のとりうる値を重ならないようにして、異なる周波数オフセット量を付与するようにした。そのため、１つの基地局の電波しか届かない端末でも、異なる周波数オフセットが付与された２つのアンテナからの到来波を高品質で受信できる可能性が高くなり、高いダイバーシチ効果が得られることが期待できる。

また、フレーム毎にはランダムに周波数オフセット量および初期位相が変化するため、実施の形態１と同様、端末側が常に受信品質が悪い状況が継続するのを抑制する効果がある。

以上のように、本発明にかかる無線送信装置および無線送信方法は、送信ダイバーシチ方式を採用する無線通信システムに有用であり、特に、伝搬環境の変化が少ない無線通信システムに適している。

１ データ部生成手段
２−１〜２−ｍ 周波数オフセット付与手段
３−１〜３−ｍ 直交変調部
４−１〜４−ｍ 高周波部
５−１〜５−ｍ 送信アンテナ
６ 乱数発生手段
１１ 符号化手段
１２ インターリーバ
１３ 変調マッピング
１０１，１０２ 基地局
２００ 端末
３００ セルエリア

Claims (12)

1. 複数の送信アンテナと、
   各々の前記送信アンテナに対して、データの伝送を行う単位であるフレームごとに周波数オフセット量、初期位相のうち１つ以上を変更しかつ前記フレーム内では周波数オフセット量および初期位相が一定となるよう、前記送信アンテナから送信される送信信号に付与する周波数オフセット量および初期位相を決定する周波数オフセット決定手段と、
   前記送信アンテナごとに、前記周波数オフセット決定手段が決定した前記周波数オフセット量および初期位相に基づいて、変調マッピングされた複素平面上の位相に対し、前記周波数オフセット量に相当する位相回転を与えるとともに初期位相を与える周波数オフセット付与手段とを備え、
   前記周波数オフセット付与手段の出力に対して直交変調して送信信号を生成することを特徴とする無線送信装置。
2. 前記周波数オフセット決定手段は、前記フレームごとかつ前記送信アンテナごとに乱数を生成し、前記乱数に基づいて周波数オフセット量を決定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線送信装置。
3. 前記周波数オフセット決定手段は、前記フレームごとかつ前記送信アンテナごとに２種類の乱数を生成し、前記２種類の乱数のうち一方に基づいて周波数オフセット量を決定し、他方に基づいて初期位相を決定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線送信装置。
4. 前記乱数に基づいて、同一の前記フレーム内で同一の周波数オフセット量が決定された前記送信アンテナが存在する場合には、再度乱数を再生成し、当該乱数に基づいて前記同一の周波数オフセット量が決定された前記送信アンテナのうちいずれか一方に対応する周波数オフセット量を再決定し、同一の前記フレーム内で前記送信アンテナ間の周波数オフセット量が互いに異なる値となるまで、乱数の再生成と周波数オフセット量の再決定とを繰り返す、
   ことを特徴とする請求項２に記載の無線送信装置。
5. 前記周波数オフセット決定手段は、前記フレームごとかつ前記送信アンテナごとに、乱数を生成し、前記乱数に基づいて初期位相を決定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線送信装置。
6. 前記乱数を生成する際に用いる種として、送信アンテナの識別情報と、時刻情報と、を用いる、ことを特徴とする請求項２〜５のいずれか１つに記載の無線送信装置。
7. 前記乱数を生成する際に用いる種として、さらに、自装置の識別情報を用いる、ことを特徴とする請求項２〜５のいずれか１つに記載の無線送信装置。
8. 前記周波数オフセット量のとり得る値を、グループ間で重複する値がないように複数のグループにグループ分けし、前記送信アンテナごとに互いに異なるグループを割り当て、各々の送信アンテナに対して決定する周波数オフセット量が、当該送信アンテナに割り当てられたグループに属する値となるよう周波数オフセット量を決定する、
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の無線送信装置。
9. 前記送信信号をＮ（Ｎは２以上の整数）シンボルの間隔で差動符号化されたシンボル列とし、
   前記周波数オフセット量のとり得る値の数をＮ個とする、
   ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の無線送信装置。
10. 前記フレームは、送受信器間でデータの伝送を行う単位であり、誤り訂正または誤り検出を行う単位であるパケットが単独または複数集積された無線信号区間であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の無線送信装置。
11. 複数の送信アンテナを備える無線送信装置における無線送信方法であって、
    各々の前記送信アンテナに対して、データの伝送を行う単位であるフレームごとに周波数オフセット量、初期位相のうち１つ以上を変更しかつ前記フレーム内では周波数オフセット量および初期位相が一定となるよう、前記送信アンテナから送信される送信信号に付与する周波数オフセット量および初期位相を決定する周波数オフセット決定ステップと、
    前記周波数オフセット決定ステップで決定した前記周波数オフセット量および初期位相に基づいて、前記送信アンテナごとに、前記送信アンテナから送信される送信信号に周波数オフセット量および初期位相を付与する周波数オフセット付与ステップと、
    を含むことを特徴とする無線送信方法。
12. 前記フレームは、誤り訂正または誤り検出を行う単位であるパケットが単独または複数集積された無線信号区間であることを特徴とする請求項１１に記載の無線送信方法。

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