JP5680734B1 - 帯域分散伝送システム、帯域分散伝送方法、送信装置および受信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】帯域分散伝送に用いる占有帯域で、サブスペクトラムの配置パタンに対応する情報の伝送を可能とする。【解決手段】送信装置は、所定のサブスペクトラムの配置位置を基準に、送信データ２に応じて、周波数軸上に分散配置する各サブスペクトラムの配置パタンを設定する配置パタン設定回路を備え、受信装置は、抽出された各サブスペクトラムを入力し、所定のサブスペクトラムと他のサブスペクトラムとの間で隣接する遷移帯域の相関演算処理を行い、その相関値を出力する遷移帯域相関演算回路と、相関値に応じて所定のサブスペクトラムに隣接するサブスペクトラムを順次同定して各サブスペクトラムの配置パタンを検出するとともに、該配置パタンに応じて各サブスペクトラムを分散配置前の周波数帯域に戻す制御を行う配置パタン検出回路とを備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、送信装置から変調信号を複数のサブスペクトラムに分割し、さらに空き帯域に分散配置して送信された信号を受信装置で受信し、その信号から抽出したサブスペクトラムを帯域合成して復調する帯域分散伝送システム、帯域分散伝送方法、送信装置および受信装置に関する。

無線通信や有線通信では、需要増大に伴い周波数帯域の利用効率の向上が求められている。周波数帯域の利用効率の向上を図るために、送信装置から変調信号のスペクトラムを複数のサブスペクトラムに分割し、さらに空き帯域に分散配置して送信し、受信装置で複数のサブスペクトラムを受信して帯域合成し、元の変調信号に復調する帯域分散伝送技術がある（非特許文献１参照）。この技術では、周波数軸上に散在する空き帯域を利用することにより、使用されない帯域を減少させることができる。

図６は、従来の帯域分散伝送システムの送信装置の構成例を示す。
図６において、送信装置は、変調回路１、送信フィルタバンク１０、Ｄ／Ａ変換器２を備える。変調回路１は、送信データをＱＰＳＫなどの変調方式で変調し、波形整形した変調信号を送信フィルタバンク１０に入力する。

送信フィルタバンク１０は、直並列変換回路１１、ＦＦＴ（高速フーリエ変換) 回路１２、分割回路１３₁ 〜１３_N （Ｎは２以上の整数）、周波数シフタ１４₁ 〜１４_N 、加算回路１５、ＩＦＦＴ（高速逆フーリエ変換) 回路１６、並直列変換回路１７を備え、変調信号の帯域をＮ分割して送信する構成である。変調信号の帯域を３分割（Ｎ＝３）する例を図８に示す。

送信フィルタバンク１０の直並列変換回路１１は変調信号を直並列変換し、ＦＦＴ回路１２で高速フーリエ変換し、時間領域の信号から周波数領域の信号へ変換する。分割回路１３₁ 〜１３_N は、周波数領域に変換された変調信号に対して、図８(a) の破線で示す信号帯域をＮ分割するフィルタ係数を周波数ごとに乗算し、図８(b) に示すＮ個のサブスペクトラム１〜Ｎを生成する。周波数シフタ１４₁ 〜１４_N は、サブスペクトラム１〜Ｎを周波数軸上の空き帯域に分散配置するための周波数シフト操作を行い、加算回路１５で足し合わせることにより、図８(c) に示すような分散配置されたサブスペクトラムが生成される。この分散配置後の送信サブスペクトラムは、ＩＦＦＴ回路１６で高速逆フーリエ変換により周波数領域の信号から時間領域の信号へ変換され、並直列変換回路１７で並直列変換して出力される。さらに、送信フィルタバンク１０の出力信号は、Ｄ／Ａ変換器２によってアナログ信号に変換して送信される。

図７は、帯域分散伝送システムの受信装置の構成例を示す。
図７において、受信装置は、Ａ／Ｄ変換器３、受信フィルタバンク２０、復調回路４を備える。受信フィルタバンク２０は、直並列変換回路２１、ＦＦＴ回路２２、抽出回路２３₁ 〜２３_N 、周波数シフタ２４₁ 〜２４_N 、加算回路２５、ＩＦＦＴ回路２６、並直列変換回路２７を備え、帯域をＮ分割されたサブスペクトラムを分割前の変調信号に合成する構成である。帯域が３分割（Ｎ＝３）された変調信号を合成する例を図９に示す。

受信装置のＡ／Ｄ変換器３は、受信信号をデジタル信号に変換して受信フィルタバンク２０に入力する。受信フィルタバンク２０の直並列変換回路２１は受信信号を直並列変換し、ＦＦＴ回路２２で高速フーリエ変換し、時間領域の信号から周波数領域の受信信号へ変換する。抽出回路２３₁ 〜２３_N は、周波数領域に変換された受信信号に対して、図９(a) の破線で示すフィルタ係数を周波数ごとに乗算し、送信側で周波数シフトされたサブスペクトラム１〜Ｎを抽出する。周波数シフタ２４₁ 〜２４_N は、図９(b) に示すように、受信サブスペクトラム１〜Ｎを送信側で周波数シフトされる前の帯域に戻し、加算回路２５で足し合わせることにより、図９(c) に示すような合成された変調信号が生成される。この合成後の変調信号は、ＩＦＦＴ回路２６で高速逆フーリエ変換により周波数領域の信号から時間領域の信号へ変換され、並直列変換回路２７で並直列変換して出力される。復調回路２は受信フィルタバンク２０から出力された変調信号を復調し、送信装置から送信された送信データに対応する受信データを復元する。

このような送信装置および受信装置を用いることにより、変調信号の占有帯域を分割して生成された各サブスペクトラムを周波数軸上の任意の帯域に分散配置できるため、不連続な空き帯域等を有効利用することができる。

阿部、山下、小林、"高周波数利用効率を実現するスペクトラム編集型帯域分散伝送の提案"、電子情報通信学会技術研究報告、SAT2009-48、2009年12月

従来の帯域分散伝送システムの送信装置では、周波数軸上に散在する空き帯域にサブスペクトラムを割り当てる際に、通常は低い周波数の空き帯域から高い周波数の空き帯域に、サブスペクトラム番号の小さい順に割り当てていた。そして、サブスペクトラム分割数Ｎと、各サブスペクトラムの周波数位置および周波数帯域情報は、制御回線等を用いて送信装置から受信装置へ伝送された。受信装置では、通知された情報を元に対応するサブスペクトラムを抽出し、周波数シフトにより元の周波数帯域に戻して合成することにより、送信装置から伝送された変調信号を再生し、復調していた。

ところで、サブスペクトラム分割数Ｎ（図８，図９の場合はＮ＝３）に対して、従来の各サブスペクトラムの配置パタンは固定であったが、各サブスペクトラムの配置パタンを可変とし、受信装置側で各サブスペクトラムの配置パタンを検出できれば、その配置パタンに応じた情報の伝送が可能となる。

本発明は、帯域分散伝送に用いる占有帯域で、サブスペクトラムの配置パタンに対応する情報の伝送を可能とする帯域分散伝送システム、帯域分散伝送方法、送信装置および受信装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、送信データ１で変調した変調信号の占有帯域を複数のサブスペクトラムに分割するときに、隣接するサブスペクトラムの遷移帯域が重複するように分割した各サブスペクトラムを周波数軸上に分散配置して送信する送信装置と、送信装置から送信された信号を受信し、周波数軸上に分散配置された各サブスペクトラムを抽出し、分散配置前の周波数帯域に戻して帯域合成した変調信号を復調し、送信データ１に対応する受信データ１を出力する受信装置とを備えた帯域分散伝送システムにおいて、送信装置は、所定のサブスペクトラムの配置位置を基準に、送信データ２に応じて、周波数軸上に分散配置する各サブスペクトラムの配置パタンを設定する配置パタン設定回路を備え、受信装置は、抽出された各サブスペクトラムを入力し、所定のサブスペクトラムと他のサブスペクトラムとの間で互いに周波数が近接する側の遷移帯域の相関演算処理を行い、その相関値を出力する遷移帯域相関演算回路と、相関値に応じて、配置パタンにおける所定のサブスペクトラムに隣接するサブスペクトラムを順次同定して各サブスペクトラムの配置パタンを検出し、該配置パタンを送信データ２に対応する受信データ２として出力するとともに、該配置パタンに応じて各サブスペクトラムを分散配置前の周波数帯域に戻す制御を行う配置パタン検出回路とを備える。

第２の発明は、送信装置で、送信データ１で変調した変調信号の占有帯域を複数のサブスペクトラムに分割するときに、隣接するサブスペクトラムの遷移帯域が重複するように分割した各サブスペクトラムを周波数軸上に分散配置して送信し、受信装置で、送信装置から送信された信号を受信し、周波数軸上に分散配置された各サブスペクトラムを抽出し、分散配置前の周波数帯域に戻して帯域合成した変調信号を復調し、送信データ１に対応する受信データ１を出力する帯域分散伝送方法において、送信装置は、配置パタン設定回路により、所定のサブスペクトラムの配置位置を基準に、送信データ２に応じて、周波数軸上に分散配置する各サブスペクトラムの配置パタンを設定し、受信装置は、遷移帯域相関演算回路により、抽出された各サブスペクトラムを入力し、所定のサブスペクトラムと他のサブスペクトラムとの間で互いに周波数が近接する側の遷移帯域の相関演算処理を行い、その相関値を出力し、配置パタン検出回路により、相関値に応じて、配置パタンにおける所定のサブスペクトラムに隣接するサブスペクトラムを順次同定して各サブスペクトラムの配置パタンを検出し、該配置パタンを送信データ２に対応する受信データ２として出力するとともに、該配置パタンに応じて各サブスペクトラムを分散配置前の周波数帯域に戻す制御を行う。

第３の発明は、第１の発明の帯域分散伝送システムの受信装置において、抽出された各サブスペクトラムを入力し、所定のサブスペクトラムと他のサブスペクトラムとの間で互いに周波数が近接する側の遷移帯域の相関演算処理を行い、その相関値を出力する遷移帯域相関演算回路と、相関値に応じて、配置パタンにおける所定のサブスペクトラムに隣接するサブスペクトラムを順次同定して各サブスペクトラムの配置パタンを検出し、該配置パタンを送信データ２に対応する受信データ２として出力するとともに、該配置パタンに応じて各サブスペクトラムを分散配置前の周波数帯域に戻す制御を行う配置パタン検出回路とを備える。

本発明では、帯域分散伝送による送信データ１の伝送に加え、帯域分散伝送で使用する占有帯域幅や電力を変えることなく、サブスペクトラムの配置パタンにより送信データ２の伝送ができるため、周波数利用効率を向上させることができる。

本発明によるサブスペクトラムの配置パタンに対応するデータ伝送原理を示す図である。 本発明の帯域分散伝送システムの送信装置の実施例構成を示す図である。 本発明における送信装置の動作例を示す図である。 本発明の帯域分散伝送システムの受信装置の実施例構成を示す図である。 遷移帯域相関演算回路２８および配置パタン検出回路２９の処理手順を示すフローチャートである。 従来の帯域分散伝送システムの送信装置の構成例を示す図である。 従来の帯域分散伝送システムの受信装置の構成例を示す図である。 送信装置における帯域分割例を示す図である。 受信装置における帯域合成例を示す図である。

図１は、本発明によるサブスペクトラムの配置パタンに対応するデータ伝送原理を示す。
図１において、送信装置は、送信データ１を変調した変調信号の占有帯域をサブスペクトラム１，２，３に分割し（分割数Ｎ＝３）、周波数シフト量を調整して各サブスペクトラムを周波数軸上に分散配置する際に、送信データ２により各サブスペクトラムの配置パタンを変更する。ここでは、サブスペクトラム１を周波数軸上の左端に固定とし、サブスペクトラム１，２，３の配置パタンとして、送信データ２が「０」であれば（１，２，３）とし、送信データ２が「１」であれば（１，３，２）とする。一般的に、分割数Ｎに対して、受信側で検出起点となる１つのサブスペクトラムの位置を固定とすると、配置パタンは（Ｎ−１）！通りとなる。

ここで、分割時に隣接するサブスペクトラムの遷移帯域（ロールオフ領域）において、例えばサブスペクトラム１の右側遷移帯域とサブスペクトラム２の左側遷移帯域は、元々同じ信号成分であるのでその相関値は高い。サブスペクトラム２の右側遷移帯域とサブスペクトラム３の左側遷移帯域も同様に相関値は高い。一方、サブスペクトラム１の右側遷移帯域とサブスペクトラム３の左側遷移帯域の相関値は低い。

この原理により、受信装置において、サブスペクトラム１を起点に、サブスペクトラム１の右側遷移帯域と、他の（Ｎ−１）個のサブスペクトラムの左側遷移帯域の相関演算を総当たりで行い、相関値が閾値以上かつ最大となったものをサブスペクトラム２として同定する。次に、サブスペクトラム２の右側遷移帯域と、他の（Ｎ−２）個のサブスペクトラムの左側遷移帯域の相関演算を総当たりで行い、相関値が閾値以上かつ最大となったものをサブスペクトラム３として同定する。以下同様に、サブスペクトラムＮまでの同定を行うことにより、配置パタンを検出することができる。図１に示す例はＮ＝３であるので、サブスペクトラム１，２，３の配置パタンとして、（１，２，３）または（１，３，２）を検出することができる。

このように、送信装置において、送信データ１の変調信号をサブスペクトラム１，２，３に分割し、さらに送信データ２に応じて各サブスペクトラムの配置パタンを可変とし、受信装置側で各サブスペクトラムの配置パタンを検出できれば、当該送信データ２の伝送が可能となる。例えば、図１の例では、送信データ２の「０」を伝送する場合にサブスペクトラムの配置パタンを（１，２，３）とし、送信データ２の「１」を伝送する場合に配置パタンを（１，３，２）とすると、受信装置でその配置パタンを検出することにより、１ビット情報（０／１）の伝送が可能となる。なお、一般的にサブスペクトラム分割数Ｎに対して、（Ｎ−１）！個の情報伝送が可能である。

図２は、本発明の帯域分散伝送システムの送信装置の実施例構成を示す。
図２において、送信装置は、変調回路１、送信フィルタバンク１０、Ｄ／Ａ変換器２を備え、さらに送信フィルタバンク１０は、直並列変換回路１１、ＦＦＴ回路１２、分割回路１３₁ 〜１３_N 、周波数シフタ１４₁ 〜１４_N 、加算回路１５、ＩＦＦＴ回路１６、並直列変換回路１７を備える。これらの構成は従来の送信装置と同様であり、送信データ１を変調し、複数のサブスペクトラムに分割し、さらに各サブスペクトラムをそれぞれ周波数軸上の空き帯域に割り当てて送信する。

本発明の送信装置の特徴は、サブスペクトラムに分割して伝送する送信データ１とは別に伝送する送信データ２を配置パタン設定回路１８に入力し、送信データ２に応じて周波数シフタ１４₁ 〜１４_N の周波数シフト量をそれぞれ制御して各サブスペクトラムの配置パタンを設定するところにある。

従来の送信装置であれば、例えば送信データ１を変調した変調信号を３分割する場合（Ｎ＝３）、サブスペクトラム１，２，３をその配置パタンのまま周波数シフトして伝送していた。本実施例では、図３に示すように、送信データ２の「０」に対してサブスペクトラムの配置パタンを（１，２，３）とし、送信データ２の「１」に対してサブスペクトラムの配置パタンを（１，３，２）とする。したがって、送信データ２のビットパタン「０１１０１…」に応じて、サブスペクトラムを（１，２，３）、（１，３，２）、（１，３，２）、（１，２，３）、（１，３，２）、…のような配置パタンになるように、周波数シフタ１４₁ ，１４₂ ，１４₃ における周波数シフト量を設定し、送信データ１の変調信号を分割した各サブスペクトラムの配置パタンを切り替えて送信する。

なお、サブスペクトラムの配置パタンは、ＦＦＴ周期ごとに変更されるのに対して、変調信号は変調シンボルレートごとに変更される。したがって、配置パタンによって伝送される送信データ２のビットレートは、送信データ１のビットレートと、ＦＦＴ回路１２の１周期（時間）の比によって決まる。

図４は、本発明の帯域分散伝送システムの受信装置の実施例構成を示す。
図４において、受信装置は、Ａ／Ｄ変換器３、受信フィルタバンク２０、復調回路４を備え、さらに受信フィルタバンク２０は、直並列変換回路２１、ＦＦＴ回路２２、抽出回路２３₁ 〜２３_N 、周波数シフタ２４₁ 〜２４_N 、加算回路２５、ＩＦＦＴ回路２６、並直列変換回路２７を備える。これらの構成は従来の受信装置と同様であり、帯域をＮ分割されたサブスペクトラムを分割前の変調信号に合成して復調する。

本発明の受信装置の特徴は、図１に示した受信装置の動作原理に基づく処理を行う遷移帯域相関演算回路２８および配置パタン検出回路２９を備える。遷移帯域相関演算回路２８は、抽出回路２３₁ 〜２３_N で抽出された各サブスペクトラムを入力し、所定のサブスペクトラムとの間で相関演算処理を行う。配置パタン検出回路２９は、その相関演算結果に基づいて各サブスペクトラムの配置パタンを検出し、送信データ２に対応する受信データ２として出力するとともに、配置パタンに応じて周波数シフタ２４₁ 〜２４_N の周波数シフト量を制御してサブスペクトラムの配列を復元し、送信データ１に対応する受信データ１を復調する。

本実施例では、サブスペクトラムが（１，２，３）、（１，３，２）、（１，３，２）、（１，２，３）、（１，３，２）、…の配置パタンで伝送された場合、ビットパタン「０１１０１…」の送信データ２に対応する受信データ２を復元するとともに、それぞれの配置パタンをサブスペクトラム１，２，３の配列に復元し、送信データ１に対応する受信データ１を復調する。

図５は、遷移帯域相関演算回路２８および配置パタン検出回路２９の処理手順を示す。 図５において、サブスペクトラムの分割数をＮとし、ここでは周波数軸上の左端に配置されるサブスペクトラム１を基準位置サブスペクトラムとする。まず、ｎ＝１とし（Ｓ１）、基準位置サブスペクトラムｎの位置を起点に、基準位置サブスペクトラムｎの右側遷移帯域と、他のサブスペクトラムの左側遷移帯域の相関演算を総当たりで行う（Ｓ２）。相関値が閾値を超え、かつ最大となるものをサブスペクトラムｎ＋１として同定する（Ｓ３）。次に、ｎ≧Ｎ−１となるまで、ｎをインクリメントし、基準位置サブスペクトラムｎの右側遷移帯域と、他のサブスペクトラムの左側遷移帯域の相関演算を総当たりで行い（Ｓ４，Ｓ５，Ｓ２）、相関値が閾値を超え、かつ最大となるものをサブスペクトラムｎ＋１として同定する（Ｓ３）。以下同様に、サブスペクトラムＮまでの同定を行うことにより配置パタンを検出し（Ｓ６）、配置パタンに対応するビットパタンを受信データ２として出力する（Ｓ７）。

なお、以上の説明では、図１に示すように、各サブスペクトラムの帯域幅が一定値である場合を想定していた。ここで、各サブスペクトラムの帯域幅が空き帯域に応じて可変である場合、図２に示す送信回路の配置パタン設定回路１８は、周波数シフタ１４−１〜１４−Ｎとともに分割回路１３−１〜１３−Ｎにおける各サブスペクトラムの帯域幅を制御する。すなわち、図１(b) において、例えば３つの空き帯域のうち中間の帯域が広い場合、送信データ２に応じて、当該帯域にサブスペクトラム２またはサブスペクトラム３のいずれかに割り当てられる。図３に示す受信装置では、送信装置から通知された帯域情報により広い空き帯域のサブスペクトラムを抽出する抽出回路で、サブスペクトラム２またはサブスペクトラム３を抽出するが、そのいずれであるかは、遷移帯域相関演算回路２８および配置パタン検出回路２９により同定する。

１ 変調回路
２ Ｄ／Ａ変換器
３ Ａ／Ｄ変換器
４ 復調回路
１０ 送信フィルタバンク
１１ 直並列変換回路
１２ ＦＦＴ回路
１３₁ 〜１３_N 分割回路
１４₁ 〜１４_N 周波数シフタ １５ 加算回路
１６ ＩＦＦＴ回路
１７ 並直列変換回路
１８ 配置パタン設定回路
２０ 受信フィルタバンク
２１ 直並列変換回路
２２ ＦＦＴ回路
２３₁ 〜２３_N 抽出回路
２４₁ 〜２４_N 周波数シフタ
２５ 加算回路
２６ ＩＦＦＴ回路
２７ 並直列変換回路
２８ 遷移帯域相関演算回路
２９ 配置パタン検出回路

Claims (3)

1. 送信データ１で変調した変調信号の占有帯域を複数のサブスペクトラムに分割するときに、隣接するサブスペクトラムの遷移帯域が重複するように分割した各サブスペクトラムを周波数軸上に分散配置して送信する送信装置と、
   前記送信装置から送信された信号を受信し、周波数軸上に分散配置された前記各サブスペクトラムを抽出し、前記分散配置前の周波数帯域に戻して帯域合成した変調信号を復調し、前記送信データ１に対応する受信データ１を出力する受信装置と
   を備えた帯域分散伝送システムにおいて、
   前記送信装置は、所定のサブスペクトラムの配置位置を基準に、送信データ２に応じて、周波数軸上に分散配置する前記各サブスペクトラムの配置パタンを設定する配置パタン設定回路を備え、
   前記受信装置は、
   前記抽出された各サブスペクトラムを入力し、前記所定のサブスペクトラムと他のサブスペクトラムとの間で互いに周波数が近接する側の遷移帯域の相関演算処理を行い、その相関値を出力する遷移帯域相関演算回路と、
   前記相関値に応じて、前記配置パタンにおける前記所定のサブスペクトラムに隣接するサブスペクトラムを順次同定して前記各サブスペクトラムの配置パタンを検出し、該配置パタンを前記送信データ２に対応する受信データ２として出力するとともに、該配置パタンに応じて前記各サブスペクトラムを前記分散配置前の周波数帯域に戻す制御を行う配置パタン検出回路と
   を備えたことを特徴とする帯域分散伝送システム。
2. 送信装置で、送信データ１で変調した変調信号の占有帯域を複数のサブスペクトラムに分割するときに、隣接するサブスペクトラムの遷移帯域が重複するように分割した各サブスペクトラムを周波数軸上に分散配置して送信し、
   受信装置で、前記送信装置から送信された信号を受信し、周波数軸上に分散配置された前記各サブスペクトラムを抽出し、前記分散配置前の周波数帯域に戻して帯域合成した変調信号を復調し、前記送信データ１に対応する受信データ１を出力する
   帯域分散伝送方法において、
   前記送信装置は、配置パタン設定回路により、所定のサブスペクトラムの配置位置を基準に、送信データ２に応じて、周波数軸上に分散配置する前記各サブスペクトラムの配置パタンを設定し、
   前記受信装置は、
   遷移帯域相関演算回路により、前記抽出された各サブスペクトラムを入力し、前記所定のサブスペクトラムと他のサブスペクトラムとの間で互いに周波数が近接する側の遷移帯域の相関演算処理を行い、その相関値を出力し、
   配置パタン検出回路により、前記相関値に応じて、前記配置パタンにおける前記所定のサブスペクトラムに隣接するサブスペクトラムを順次同定して前記各サブスペクトラムの配置パタンを検出し、該配置パタンを前記送信データ２に対応する受信データ２として出力するとともに、該配置パタンに応じて前記各サブスペクトラムを前記分散配置前の周波数帯域に戻す制御を行う
   ことを特徴とする帯域分散伝送方法。
3. 請求項１に記載の帯域分散伝送システムの受信装置において、
   前記抽出された各サブスペクトラムを入力し、前記所定のサブスペクトラムと他のサブスペクトラムとの間で互いに周波数が近接する側の遷移帯域の相関演算処理を行い、その相関値を出力する遷移帯域相関演算回路と、
   前記相関値に応じて、前記配置パタンにおける前記所定のサブスペクトラムに隣接するサブスペクトラムを順次同定して前記各サブスペクトラムの配置パタンを検出し、該配置パタンを前記送信データ２に対応する受信データ２として出力するとともに、該配置パタンに応じて前記各サブスペクトラムを前記分散配置前の周波数帯域に戻す制御を行う配置パタン検出回路と
   を備えたことを特徴とする受信装置。

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