JP6126026B2 - 受信装置、受信方法、プログラム - Google Patents

Description

本発明は可視光通信における受信装置、受信方法、プログラムに関する。

近年、可視光源は明かりを得るための照明用途のみならず通信用途にも用いられている。これは可視光源として発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）の普及が進んだことが寄与している。発光ダイオードは素子１つあたりの発光量は白熱電球や蛍光灯などの従来の可視光源には及ばないものの、その寿命や大きさおよび消費電力の面で従来の可視光源に対して優れている。発光ダイオードは上記のような特徴に加え、応答速度が非常に速いという特性を持つ。また、発光ダイオードの発光を電気的に制御することは容易である。発光ダイオードには上記のような特性があるため、近年では明かりを得るための照明用途のみならず、可視光の点滅を利用した信号伝送用途に用いるための研究開発が行われている。たとえば非特許文献１では発光ダイオードを用いた家庭用照明器具に信号を重畳させて通信を行うことを提案している。また、現在のところ可視光は電波法の規制の対象外であることから帯域や電力の制限がなく、帯域や電力を大きくとることができるため、このことを利用して発光ダイオードを通信専用に用いることを提案している研究もある（例えば、非特許文献２参照）。発光ダイオードなどの可視光源を用いて行う通信を可視光通信と呼ぶ。可視光通信では受信装置の受光素子としてフォトディテクタあるいはそのアレーであるイメージセンサを用いる。フォトディテクタでは通常、信号を連続的に得ることが出来る。一方で、イメージセンサは大量のフォトディテクタからの信号を一度に取得できるが、その性質上通常は周期Ｔｓで標本化された信号のみ取得可能である。本明細書においては、受光素子として主にイメージセンサを用いることを想定する。以下、図１を参照して従来の可視光通信システムについて概説する。図１は、従来の可視光通信システム９０００の機能構成を示すブロック図である。図１に示すとおり、従来の可視光通信システム９０００は、送信装置８と受信装置９とからなり、送信装置８は、変調部８１、発光部８２を備え、受信装置９は、受光部９１、同期部９３、復号部９４を備える。発光部８２は、発光信号制御部８２１と、発光素子８２２とを備え、受光部９１は、受光素子９１１を備え、同期部９３は、クロック素子９３１と、シンボルタイミング再生回路９３２と、輝度推定素子９３３とを備える。

以下、図２を参照して図１に示す可視光通信システム９０００において使用される信号について説明する。図２は従来の可視光通信システム９０００で使用される信号を例示する図であって、図２Ａは伝送信号の例、図２Ｂは変調信号の例、図２Ｃは処理時間ｄ＝０の場合の電気信号の例、図２Ｄは処理時間ｄ＝０の場合の光信号の例、図２Ｅは処理時間ｄ≠０の場合の電気信号の例、図２Ｆは処理時間ｄ≠０の場合の光信号の例をそれぞれ示す。

＜送信装置８：変調部８１＞
送信装置８の変調部８１は、ディジタルの伝送信号Ｓ（ｉ）を入力として（図２Ａ参照）、当該伝送信号を変調し、０または１のみ（スイッチがオンかオフか）の変調信号Ｍ（ｉ）を出力する（図２Ｂ参照）。このような変調方法をオンオフ変調と呼ぶ。ここで、ｉは時間を示すインデクスであって伝送信号の番号を表す整数とする。変調部８１は、入力された伝送信号Ｓ（ｉ）の系列Ｓ（１）、Ｓ（２）、…の変調信号Ｍ（ｉ）の系列Ｍ（１）、Ｍ（２）、…を生成し、当該変調信号Ｍ（ｉ）の系列Ｍ（１）、Ｍ（２）、…を出力する。伝送信号Ｓ（ｉ）、変調信号Ｍ（ｉ）はともに１ビットの情報である。

例えば、伝送信号の系列がＳ（１）＝０、Ｓ（２）＝１、Ｓ（３）＝１、Ｓ（４）＝１であった場合、変調部８１は変調結果としてＭ（１）＝０、Ｍ（２）＝１、Ｍ（３）＝１、Ｍ（４）＝１を出力する。

＜送信装置８：発光部８２＞
発光信号制御部８２１はＭ（ｉ）に従い発光素子を駆動するための電気信号Ｅ（ｔ）を出力する。ただし、時間的に離散的な信号Ｍ（ｉ）に対してＥ（ｔ）は時間的に連続的な信号である（図２Ｃ参照）。発光素子８２２はＥ（ｔ）に従い発光・消灯を繰り返し光信号Ｆ（ｔ）を出力する（図２Ｄ参照）。時系列のインデクスｉに相当するＥ（ｔ）の出力時間はインデクスｉで示される時刻を中心とする所定時間幅Ｔｆとする。以下ではＴｆを点滅周期と呼ぶ。

具体的には、発光信号制御部８２１は、入力された変調信号Ｍ（ｉ）が１である場合は、時刻ｉ×Ｔｆ−Ｔｆ／２＋Ｔ（ただしＴは遅延量）から所定時間Ｔｆ経過した時刻ｉ×Ｔｆ＋Ｔｆ／２＋Ｔまでの間で発光素子８２２に電気信号を与える。入力された変調信号Ｍ（ｉ）が０である場合は、時刻ｉ×Ｔｆ−Ｔｆ／２＋Ｔから所定時間Ｔｆ（Ｔ≦Ｔｆ）経過した時刻ｉ×Ｔｆ＋Ｔｆ／２＋Ｔまでの間、発光素子８２２には電気信号を与えない。なお、図２の例では、遅延量Ｔ＝（−Ｔｆ／２）である。発光素子８２２は発光信号制御部８２１から与えられた電気信号により発光する。これらにより、発光部８２から光信号Ｆ（ｔ）が出力される。また、発光信号制御部８２１の性能によっては発光素子８２２の制御に時間を要する場合があり、処理時間ｄの間発光できない場合がある。そのような場合は、入力された変調信号Ｍ（ｉ）が１である場合は、時刻ｉ×Ｔｆ−Ｔｆ／２＋ｄ／２＋Ｔから所定時間Ｔｆ−ｄ（Ｔ≦Ｔｆ）経過した時刻ｉ×Ｔｆ＋Ｔｆ／２−ｄ／２＋Ｔまでの間、発光素子８２２に電気信号を与える。入力された変調信号Ｍ（ｉ）が０である場合は、時刻ｉ×Ｔｆ−Ｔｆ／２＋ｄ／２＋Ｔから所定時間Ｔｆ−ｄ（Ｔ≦Ｔｆ）経過した時刻ｉ×Ｔｆ＋Ｔｆ／２−ｄ／２＋Ｔまでの間、発光素子８２２には電気信号を与えない（図２Ｅ参照）。発光素子８２２は発光信号制御部８２１から与えられた電気信号Ｅ（ｔ）に従って光信号Ｆ（ｔ）を出力する（図２Ｆ参照）。発光素子８２２は例えばＬＥＤとすることができる。これらの動作により、発光部８２から光信号Ｆ（ｔ）が出力される。なお、図２に示すように、インデクスｉは所定の時間幅Ｔｆを持つ。ただし、時間的に離散的な信号を表す場合はインデクスｉの示す時間幅のある一点（例えば中心の時刻）をやはりｉによって表す。例えば離散的な信号を表す場合、インデクスｉとｉ＋１で表される時間の差はＴｆとなる。また、前述したように発光素子８２２の制御に時間を要する場合があり、処理に要する時間をｄとおくとインデクスあたりの発光時間はＴｆ−ｄとなる。

＜受信装置：受光部９１＞
受光素子９１１は送信装置８（の発光素子８２２）から出力された光信号Ｆ（ｔ）にノイズが重畳した光信号Ｆ’（ｔ）を受信（受光）する。理想的にはＦ（ｔ）＝Ｆ’（ｔ）であるが、フォトディテクタの性能や遅延により変化する場合もあるのでここではＦ（ｔ）とＦ’（ｔ）を分けて記述する。おおよそＦ（ｔ＋Ｔ）＝Ｆ’（ｔ）であることが想定される。前述したようにＴは遅延量を表す。受光素子９１１は、たとえばフォトディテクタやフォトディテクタを格子状に並べたイメージセンサや高速カメラ等である。また、受光素子９１１の前段に光学レンズを設けてもよい。

図３を参照して従来の可視光通信システム９０００における発光素子、受光素子の実現例について説明する。図３は従来の可視光通信システム９０００における発光素子、受光素子を例示する図である。図３に示すように、従来の可視光通信システム９０００においては、例えば発光素子８２２をＬＥＤ素子とすることができる。また受光素子９１１をフォトディテクタ９１１−ａ，ｂ，ｃ，…よりなるイメージセンサとして実現することができる。図３に示すように、インデクスｉで表される送信装置８の点滅がイメージセンサ上の領域Ωｋ（図３の編み掛け部分）に結像するとする。受信装置８は領域Ωｋのすべてのフォトディテクタの出力値の合計を送信装置８からの受信信号としてとらえる。

＜シンボルクロック同期＞
通信路において情報を伝送する際には元の情報をなんらかのかたちで符号化することが一般的である。符号化された情報を構成する最小単位の信号をシンボルと呼ぶ。ディジタル通信路では、送信装置から送信される符号化された情報を復号装置で正しく復号するために送信装置のシンボルのクロック（１つのシンボルを伝送する際に使用する時間幅を表す情報）を受信装置側で検出することが重要である。これを行うことを受信装置と送信装置の間でのシンボルクロック同期という。シンボルクロック同期は通信をしている間常に行われていることが望ましい。これは、一般に受信装置と送信装置の間で同じ発振器を共有する手段がないため、同期が常にずれてしまう可能性があるからである。

＜同期部９３＞
同期部９３は、送信装置８から送信された情報Ｆ（ｔ）を正しく復号するために必要なパラメータ（同期ずれのパラメータＴＩと最大輝度のパラメータＲ）を推定し、出力する。具体的には、クロック素子９３１、シンボルタイミング再生回路９３２、輝度推定素子９３３の以下の動作により、復号に必要なパラメータ（ＴＩ，Ｒ）が生成される。

＜クロック素子９３１＞
クロック素子９３１は、クロックを発生する。

＜シンボルタイミング再生回路９３２＞
シンボルタイミング再生回路９３２は、クロック素９３１から取得したクロックと受光部９１から得た電気信号Ｅ’（ｔ）とを用いて、クロック素子９３１のクロックと送信装置８のクロックの同期ずれのパラメータＴＩを求めて出力する。シンボルタイミング再生回路９３２としては、例えば非特許文献５が知られている。非特許文献５では、入力された２つの信号の位相差を検出しフィードバック制御をかけることで位相を同期させる。２つの信号のうち片方が発振器からの入力であり、もう片方が同期させたい信号である。

＜輝度推定素子９３３＞
輝度推定素子９３３は、受光部９１から得た電気信号Ｅ’（ｔ）を用いて、最大輝度のパラメータ（最大輝度値）Ｒを推定する。

＜復号部９４＞
復号部９４は、受光部９１から出力された電気信号Ｅ’（ｔ）を、同期ずれのパラメータＴＩと最大輝度のパラメータＲとを手掛かりに最小二乗法などを用いて復号し、復号結果Ｍ’^＋（ｉ）を出力する。電気信号Ｅ’（ｔ）をなんらかのかたちで離散化することで最小二乗法をデジタル回路で行うことができる。なお、受信装置９に復調部を設け、復調部が復号結果Ｍ’^＋（ｉ）を復調して復調結果Ｓ’（ｉ）を出力する構成としてもよい。この場合復調部は変調部８１と対応するように構成されている必要がある。

小峯 敏彦、田中 裕一、中川 正雄、「白色ＬＥＤ照明信号伝送と電力線信号伝送の融合システム」、電子情報通信学会技術研究報告、社団法人電子情報通信学会、2002年3月12日、Vol.101、No.726、pp.99-104 石田 正徳, 春山 真一郎, 中川 正雄, 「並列可視光無線通信方式における通信速度限界の検討」, 電子情報通信学会技術研究報告 ＣＳ 通信方式, 社団法人電子情報通信学会, 2007年1月4日, Vol. 106, No. 450, pp. 37-41 Miyauchi, S.; Komine, T.; Haruyama, S.; Nakagawa, M.; "Analysis of LED-allocation algorithm for high-speed parallel wireless optical communication system," Proc. IEEE 2006 Radio and Wireless Symposium, pp. 191 - 194. Nagura, T.; Yamazato, T.; Katayama, M.; Yendo, T.; Fujii, T.; Okada, H.; "Improved Decoding Methods of Visible Light Communication System for ITS using LED Array and High-Speed Camera," Proc. IEEE 71st Vehicular Technology Conference 2010, pp. 1-5. Bertrand, C.; Sehier, P.; , "A novel approach for full digital modems implementing asynchronous sampling techniques," Global Telecommunications Conference, 1996. GLOBECOM '96. 'Communications: The Key to Global Prosperity , vol.2, no., pp.1320-1324 vol.2, 18-22 Nov 1996

受光素子としてフォトディテクタを用いる場合、信号を連続的に得ることが出来るので非特許文献５のようなシンボルタイミング再生回路を用いることは容易である。しかしながら、デジタル回路によってシンボルクロック同期を行うことが望まれる場合においてはある程度大きな標本化周波数が必要となる。例えば、イメージセンサを用いる場合、得られる信号は標本化された信号（離散時間信号）となる。この場合、シンボルタイミング再生回路によるシンボルクロック同期を行うために必要な周波数は本来の通信に必要な標本化周波数よりも大きくなってしまうため、問題であった。

さらに、受光素子としてイメージセンサを用いた場合、一般的にイメージセンサと後段の一般の処理装置との間のスループット（単位時間当たりのデータ伝送量）には限界があるために、画素数×標本化周波数は一定の値を上回ることができない。このため、標本化周波数を上げようとすれば、画素数を絞らざるを得なくなり、その結果一つの受信装置に設ける受光素子の数を減らさざるを得ない。一方、標本化周波数に上限がある受信装置を用いた場合、正確なシンボルクロック同期を行うためには送信機の点滅周期を大きく（点滅周波数を小さく）せざるを得ない。そこで本発明では、シンボルタイミング再生に要する標本化周波数を従来よりも小さくすることができる受信装置を提供することを目的とする。

本発明の受信装置は、送信装置と可視光通信をする受信装置であって、受光素子と、受信信号生成部と、系列出力部と、同期部とを含む。

受光素子は、送信装置から光信号を受信して、光信号に対応する電気信号を出力する。受信信号生成部は、電気信号の強度を所定の時間間隔ごとに計測して、当該計測結果をインデクスごとの受信信号の系列として出力する。系列出力部は、受信信号の系列と、受信信号の以前の系列における同期ずれのパラメータと最大輝度のパラメータとを用いて仮の復号結果の系列を生成した場合の仮復号結果の系列の長さと同じ長さの、予め定めた系列を出力する。同期部は、受信信号の系列と、予め定めた系列とを用いて、Ｌ１ノルム最小化を用いて、同期ずれのパラメータと最大輝度のパラメータとを計算する。

本発明の受信装置によれば、シンボルタイミング再生に要する標本化周波数を従来よりも小さくすることができる。

従来の可視光通信システムの機能構成を示すブロック図。 従来の可視光通信システムで使用される信号を例示する図。 従来の可視光通信システムにおける発光素子、受光素子を例示する図。 本発明の実施例１に係る可視光通信システムの機能構成を示すブロック図。 本発明の実施例１に係る可視光通信システムの動作を示すシーケンス図。 本発明の実施例２に係る可視光通信システムの機能構成を示すブロック図。 本発明の実施例２に係る可視光通信システムの動作を示すシーケンス図。 本発明の実施例３に係る可視光通信システムの機能構成を示すブロック図。 本発明の実施例３に係る可視光通信システムの動作を示すシーケンス図。 Ｔｆ＝Ｔｓであって各露光時間が各点滅周期内に収まらない場合の受信信号の例を示す図。 Ｔｆ＝Ｔｓであって各露光時間が各点滅周期内に収まる場合の受信信号の例を示す図。 Ｔｆ／２＜Ｔｓ＜Ｔｆかつｄ＝０の場合の受信信号の例を示す図 図１２の例においてＩ^＋とＩ⁻の具体例を示す図。 ｄ≠０の場合の受信信号の例を示す図。 点滅周期と露光時間のずれにより生じる６通りの場合分けについて示す図。 時刻ｔｍ、ｔｐ、Ｔｍｍ、Ｔｍｐ、Ｔｐｍ、Ｔｐｐの定義を説明する図。 本発明の実施例６に係る可視光通信システムの機能構成を示すブロック図。 本発明の実施例６に係る可視光通信システムの動作を示すシーケンス図。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。

以下、図４、図５、図１０、図１１を参照して実施例１の可視光通信システム１０００について説明する。図４は本実施例の可視光通信システム１０００の機能構成を示すブロック図である。図５は本実施例の可視光通信システム１０００の動作を示すシーケンス図である。図１０はＴｆ＝Ｔｓであって各露光時間が各点滅周期内に収まらない場合の受信信号の例を示す図である。図１１はＴｆ＝Ｔｓであって各露光時間が各点滅周期内に収まる場合の受信信号の例を示す図である。

図４に示すとおり、本実施例の可視光通信システム１０００は、送信装置８と受信装置１とからなり、送信装置８は前述の可視光通信システム９０００に含まれる送信装置８と同じものである。受信装置１は、受光部１１、仮復号部１２、同期部１３、復号部１４、記憶部１５を備える。受光部１１は、受光素子１１１、受信信号生成部１１２を備える。

後述する受信信号生成部１１２の計測周期をＴｓ、受光素子１１１の露光時間をτとし、本実施例では点滅周期Ｔｆと計測周期Ｔｓが等しく、かつ処理時間ｄ＝０である場合について扱う。

＜受光部１１＞
受光素子１１１は、従来技術と同じくたとえばフォトディテクタとすることができる。また、受光素子１１１の前段に光学レンズを設けてもよい。さらに、受光素子１１１はフォトディテクタを格子状に並べたイメージセンサでもよい。受信信号生成部１１２は標本化素子、メモリ、演算装置などからなる。受光素子１１１は、送信装置８から光信号Ｆ’（ｔ）を受信して、光信号Ｆ’（ｔ）に対応する電気信号Ｅ’（ｔ）を受信信号生成部１１２に対して出力する（ＳＳ１１１）。

受信信号生成部１１２は、電気信号Ｅ’（ｔ）の強度を所定の時間間隔Ｔｓ＝Ｔｆ毎に計測する（ＳＳ１１２）。受光素子１１１が単独のフォトディテクタの場合、受信信号生成部１１２は、具体的には図１０に示すように、時刻ＴＩ＋ｉＴｓ−Ｔｓ／２−τ／２からＴＩ＋ｉＴｓ−Ｔｓ／２＋τ／２までに標本化素子に蓄積された電荷を計測し、計測結果をインデクスごとの受信信号Ｂ’（ｉ）の系列として出力する。一方、受光素子１１１がイメージセンサの場合、受信信号生成部１１２は標本化素子にたまった電荷を計測し、予め定められた範囲Ωｋ内の計測結果を加算し、加算結果をインデクスごとの受信信号Ｂ’（ｉ）の系列として出力する。

＜仮復号部１２＞
仮復号部１２はメモリ、演算装置などからなる。仮復号部１２は受信信号生成部１１２から受信信号Ｂ’（ｉ）の系列を取得し、受信信号Ｂ’（ｉ）の以前の系列（現フレームの受信信号の時刻のインデクスがｉである場合、以前の系列は例えばｉ−１）において同期部１３で得られた同期ずれのパラメータＴＩと最大輝度のパラメータＲとを記憶部１５から取得して、Ｂ’（ｉ）に対応する送信装置の送信信号を復号した仮の復号結果Ｍ’（ｉ）の系列を生成する（Ｓ１２）。なお、受信信号Ｂ’（ｉ）より以前の系列がない場合には、予め定めた初期値（予め記憶部１５に記憶しておく）を用いるものとする。仮復号部１２における初期値復号方法としてビタビアルゴリズムなどの最尤推定が用いられることが想定される。通常、仮復号部１２はある程度の数Ｌ（Ｌは正の整数）の受信信号Ｂ’（ｉ）をまとめて復号を行う。この時出力される仮の復号結果Ｍ’（ｉ）の数はＫ（Ｋは正の整数）である。ＫはＬとＴＩによって決まる値であり、図１１のように各露光時間が各点滅周期内に収まる場合に限り、Ｋ＝Ｌとなり、それ以外の図１０の場合にはＫ＝Ｌ−１となる。具体的には、仮復号部１２は、以下の式（１）により計算した系列Ｍ＾’（ｉ）を新たな仮の復号結果Ｍ’（ｉ）として生成する（Ｓ１２）。

式（１）は観測された受信信号Ｂ’（ｉ）と同期ずれのパラメータＴＩを手掛かりとして最小二乗法により系列Ｍ＾’＝[Ｍ＾’（１），・・・，Ｍ＾’（Ｋ）]を求めることに相当する。ただし，‖・‖^２はＬ２ノルムを表し，ΩはＬ個の連続した時間インデックスの集合である。

＜同期部１３＞
同期部１３はメモリ、演算装置などからなる。同期部１３は受信信号生成部１１２から受信信号Ｂ’（ｉ）の系列と、仮復号部１２から仮の復号結果Ｍ’（ｉ）の系列とを取得して、最小二乗法などを用いて、インデクスごとに同期ずれのパラメータＴＩと最大輝度のパラメータＲとを計算して記憶部１５に格納し、当該ＴＩ、Ｒを復号部１４に出力する（Ｓ１３）。具体的には、同期部１３は以下の式（２）を用いて各パラメータＴＩ、Ｒを算出する。従って、記憶部１５には、インデクスごとに同期ずれのパラメータＴＩと最大輝度のパラメータＲとが記憶される。

式（２）では系列Ｍ’を用いてＬ１ノルム最小化によりＴＩとＲを推定している。

＜復号部１４＞
復号部１４は、同期部１３で求めたＴＩとＲ、および受信信号生成部１１２から取得した受信信号Ｂ’（ｉ）の系列を用いて、受信信号Ｂ’（ｉ）を復号した復号結果Ｍ’^＋（ｉ）を出力する（Ｓ１４）。復号の方法は、仮復号部１２と同様である。なお、復号部１４は必須の構成要件ではない。復号部１４を用いずに、仮復号部１２で得た仮の復号結果Ｍ’（ｉ）をそのまま、復号結果として出力しても良い。また、前述同様受信装置１に復調部を設け、復調部が復号結果Ｍ’^＋（ｉ）を復調して復調結果Ｓ’（ｉ）を出力する構成としてもよい。この場合復調部は変調部８１と対応するように構成されている必要がある。

本実施例の受信装置１によれば、シンボルタイミング再生に要する標本化周波数を従来よりも小さくすることができる。また、本実施例の受信装置１によれば、同じ標本化周波数の従来の受信装置を用いた場合よりも高い点滅周期の送信信号の正確なシンボルクロック同期を実現することが出来る。

以下、図６、図７、図１２、図１３を参照して実施例２の可視光通信システム２０００について説明する。図６は本実施例の可視光通信システム２０００の機能構成を示すブロック図である。図７は本実施例の可視光通信システム２０００の動作を示すシーケンス図である。図１２はＴｆ／２＜Ｔｓ＜Ｔｆかつｄ＝０の場合の受信信号の例を示す図である。図１３は図１２の例においてＩ^＋とＩ⁻の具体例を示す図である。実施例１では、ＴｆとＴｓが同期している（Ｔｆ＝Ｔｓ）ことを前提としていたため、送信装置の伝送信号（送信信号）の時間のインデクスと受信装置の受信信号の時間のインデクスが同じ（ｉ）ものとして説明していた。しかし、実施例２ではＴｆとＴｓが同期していないので、送信信号の時間のインデクスと受信信号の時間のインデクスが異なる。送信信号の時間のインデクスをｊ、受信信号の時間のインデクスをｉとすると、インデクスｉの受信信号Ｂ’（ｉ）は、インデクスｊの送信信号Ｍ（ｊ）に対応する発光素子の発光を受光素子で取得したものである。受信装置側で正確なｊの値を知ることはできないので、受信装置では、Ｉ^＋とＩ⁻を送信信号のインデクスｊの推定値として用いる。

図６に示すとおり、本実施例の可視光通信システム２０００は、送信装置８と受信装置２とからなり、送信装置８は前述の送信装置８と同じものである。受信装置２は、受光部１１、仮復号部２２、同期部２３、復号部１４、記憶部１５を備える。仮復号部２２、同期部２３以外の各機能構成部は実施例１における同一番号を付した各機構構成部と同じであるから説明を割愛する。

本実施例ではＴｆとＴｓが異なる場合について述べる。具体的には、Ｔｆ／２＜Ｔｓ＜Ｔｆかつｄ＝０の場合について扱う。本実施例の仮復号部２２は、実施例１の仮復号部１２と同じように、受信信号生成部１１２から受信信号Ｂ’（ｉ）の系列を取得し、受信信号Ｂ’（ｉ）の以前の系列において同期部２３で得られた同期ずれのパラメータＴＩと最大輝度のパラメータＲとを記憶部１５から取得して、仮の復号結果Ｍ’（ｉ）の系列を生成する（Ｓ２２）。なお、Ｂ’（ｉ）より以前の系列がない場合には、予め定めた初期値（予め記憶部１５に記憶しておく）を用いるものとする。復号方法はビタビアルゴリズム（参考非特許参考文献１）などの最尤推定が用いられることが想定される。
（参考非特許文献１）C.M. ビショップ (著), 元田 浩 (監訳), 栗田 多喜夫(監訳), 樋口 知之 (監訳), 松本 裕治 (監訳), 村田 昇 (監訳)、「パターン認識と機械学習」、丸善出版、2012

通常、仮復号部２２はある程度の数ＫのＢ’（ｉ）をまとめて復号を行う。この時出力される仮の復号結果Ｍ’（ｊ＾）の数はＬであり、これはＴｆとＴｓの関係及び同期ずれのパラメータＴＩによって決まる。ここで、ｊ＾は送信信号のインデクスの推定値である。

仮復号部２２は、以下の式（３）により計算した系列Ｍ＾’を新たな仮の復号結果の系列として生成する（Ｓ２２）。

ただし、Ｉ^＋（ｉ，ＴＩ，Ｔｓ，Ｔｆ，τ）、Ｉ⁻（ｉ，ＴＩ，Ｔｓ，Ｔｆ，τ）はそれぞれ送信信号のインデクスの推定値（ｊ＾の値）を出力する関数であり、

と定義される。式（３）の役割は式（１）と同様であるが、ＴｆとＴｓが非同期（値が異なる）であるため、ｉにおけるＢ’（ｉ）を系列Ｍ’のうちどのスロットに対応させるかを、ｉの値に応じてＩ^＋とＩ⁻によって計算するための項が追加されている。式（４）と式（５）で定義されるＩ^＋、Ｉ⁻の具体例を図１３に示した。

＜同期部２３＞
同期部２３は受信信号Ｂ’（ｉ）の系列と、仮の復号結果Ｍ’（ｊ＾）の系列とを取得して、Ｌ１ノルム最小化などを用いて、インデクスごとに同期ずれのパラメータＴＩと最大輝度のパラメータＲとを計算する（Ｓ２３）。具体的には、同期部２３は以下の式（６）を用いてＫ個のＭ’（ｊ＾）とＬ個のＢ’（ｉ）を用いて各パラメータＴＩとＲを算出する。

本実施例の受信装置２によれば、シンボルタイミング再生に要する標本化周波数を従来よりも小さくすることができる。また、本実施例の受信装置２によれば、同じ標本化周波数の従来の受信装置を用いた場合よりも高い点滅周期の送信信号の正確なシンボルクロック同期を実現することが出来る。

以下、図８、図９、図１４、図１５、図１６を参照して実施例３の可視光通信システム３０００について説明する。図８は本実施例の可視光通信システム３０００の機能構成を示すブロック図である。図９は本実施例の可視光通信システム３０００の動作を示すシーケンス図である。図１４はｄ≠０の場合の受信信号の例を示す図である。図１５は点滅周期と露光時間のずれにより生じる６通りの場合分けについて示す図であって、図１５（ａ）はＴ≦Ｔｆ−ｄにおける６通りの場合分けについて示す図、図１５（ｂ）はＴ＞Ｔｆ−ｄにおける６通りの場合分けについて示す図である。図１６は時刻ｔｍ、ｔｐ、Ｔｍｍ、Ｔｍｐ、Ｔｐｍ、Ｔｐｐの定義を説明する図である。

図８に示すとおり、本実施例の可視光通信システム３０００は、送信装置８と受信装置３とからなり、送信装置８は前述の送信装置８と同じものである。受信装置３は、受光部１１、仮復号部３２、同期部３３、復号部１４、記憶部１５を備える。仮復号部３２、同期部３３以外の各機能構成部は実施例１における同一番号を付した各機構構成部と同じであるから説明を割愛する。

本実施例では発光部８２における処理の性質上、発光パタンの切り替えに有限な処理時間ｄがかかる場合（ｄ≠０の場合）について述べる。また、本実施例は、一般的な形式で説明するために仮復号部３２及び同期部３３について実施例２に基づいて記述したが、本実施例の受信装置３はこれに限定されることはなく、実施例１に基づいて記述することも可能である。受光部１１の機能は実施例１、２と同様である。発光部８２における発光の様子は図２Ｆに示される。Ｆ’（ｔ）とＢ’（ｉ）の関係は図１４に示すとおりである。なお、本実施例において露光時間τはｄより大きいものとする。

＜発光部８２＞
発光部８２の発光信号生成部８２１は、入力された変調信号Ｍ（ｊ）が１である場合は、時刻ｊ×Ｔｆ−Ｔｆ／２＋ｄ／２＋Ｔから所定時間Ｔｆ−ｄ（Ｔ≦Ｔｆ）経過した時刻ｊ×Ｔｆ＋Ｔｆ／２−ｄ／２＋Ｔまでの間、発光素子８２２に電気信号を与える。入力された変調信号Ｍ（ｊ）が０である場合は、時刻ｊ×Ｔｆ−Ｔｆ／２＋ｄ／２＋Ｔから所定時間Ｔｆ−ｄ（Ｔ≦Ｔｆ）経過した時刻ｊ×Ｔｆ＋Ｔｆ／２−ｄ／２＋Ｔまでの間、発光素子８２２には電気信号を与えない。発光素子８２２は発光信号生成部８２１から与えられた電気信号により発光する。これらにより、発光部８２から光信号Ｆ（ｔ）が出力される。

＜仮復号部３２＞
仮復号部３２は受信信号生成部１１２から受信信号Ｂ’（ｉ）の系列を取得し、受信信号Ｂ’（ｉ）の以前の系列において同期部３３で得られた同期ずれのパラメータＴＩと最大輝度のパラメータＲとを記憶部１５から取得して、仮の復号結果Ｍ’（ｊ＾）の系列を生成する（Ｓ３２）。復号方法はビタビアルゴリズム（参考非特許文献１）などの最尤推定が用いられることが想定される。通常、仮復号部３２はある程度の数ＫのＢ’（ｉ）をまとめて復号を行う。この時出力される仮の復号結果Ｍ’（ｊ＾）の数はＬであり、これはＴｆとＴｓの関係及び同期ずれのパラメータＴＩによって決まる。仮復号部３２は、以下の式（７）により計算した系列Ｍ＾’を新たな仮の復号結果の系列として生成する（Ｓ３２）。

ここでτ≦Ｔｆ−ｄならばＴ⁻とＴ^＋は、
Ｉ⁻＝Ｉ^＋のとき、

Ｉ⁻≠Ｉ^＋のとき、

のように書ける。式（８）、式（９）は図１５（ａ）に示す６通りの場合に対応するようになっている。
一方でτ＞Ｔｆ−ｄならばＴ⁻とＴ^＋は、
Ｉ⁻＝Ｉ^＋のとき、

Ｉ⁻≠Ｉ^＋のとき、

のように書ける。
式（１０）、式（１１）は図１５（ｂ）に示す６通りの場合に対応するようになっている。
ただし、ここで

である。すなわち、時刻ｔｍ、ｔｐ、Ｔｍｍ、Ｔｍｐ、Ｔｐｍ、Ｔｐｐはそれぞれ図１６に図示する時刻を示すものとする。

＜同期部３３＞
同期部３３は受信信号生成部１１２から受信信号Ｂ’（ｉ）の系列と、仮復号部１２から仮の復号結果Ｍ’（ｊ＾）の系列とを取得して、最小二乗法などを用いて、インデクスごとに同期ずれのパラメータＴＩと最大輝度のパラメータＲとを計算して記憶部１５に格納し、当該ＴＩ、Ｒを復号部１４に出力する（Ｓ３３）。具体的には、同期部３３はＫ個のＭ’（ｊ＾）とＬ個のＢ’（ｉ）を用いて、以下の式（１８）により各パラメータＴＩとＲを算出する。

本実施例の受信装置３によれば、シンボルタイミング再生に要する標本化周波数を従来よりも小さくすることができる。また、本実施例の受信装置３によれば、同じ標本化周波数の従来の受信装置を用いた場合よりも高い点滅周期の送信信号の正確なシンボルクロック同期を実現することが出来る。

＜送信装置が複数ある場合＞
送信装置が複数（Ｈ個）ある場合でも、本発明の可視光通信システムを構成することができる。この場合は、送信装置に対応する受光部、仮復号部、同期部を複数組（計Ｈ組）用意すればよい。この場合は同期ずれのパラメータＴＩ、及び最大輝度のパラメータＲはそれぞれの送信装置に対応して計算される。送信装置が複数ある場合においても、各々の送信装置に対して独立に同期をとることが可能である。

＜離散的最適化＞
同期部で行うパラメータＴＩの推定はあらかじめ用意したいくつかの候補の中から選ぶという形で（式２）、（式４）、（式１８）などを最適化してもよい。

実施例１〜５においては同期ずれのパラメータＴＩ、及び最大輝度のパラメータＲは推定された系列Ｍ’を用いて計算していたが、これを系列Ｍ’と同じ長さの、予め用意した系列Ｐを用いて計算してもよい。系列Ｐとして、例えば１と０をランダムにもつ系列や系列中に一要素のみ１を持つ系列などが使用できる。

以下、図１７、図１８を参照して、系列Ｍ’の代わりに前述した系列Ｐを用いる実施例６の可視光通信システム６０００について説明する。図１７は本実施例の可視光通信システム６０００の機能構成を示すブロック図である。図１８は本実施例の可視光通信システム６０００の動作を示すシーケンス図である。図１７に示すとおり、本実施例の可視光通信システム６０００は、送信装置８と受信装置６とからなり、送信装置８は前述の送信装置８と同じものである。受信装置６は、受光部１１、系列出力部６２ａ、系列記憶部６２ｂ、同期部６３、復号部１４、記憶部１５を備える。系列出力部６２ａ、系列記憶部６２ｂ，同期部６３以外の各機能構成部は実施例１における同一番号を付した各機構構成部と同じであるから説明を割愛する。本実施例においては、実施例１に存在した仮復号部１２が存在しなくなっており、その代用として、系列出力部６２ａ、系列記憶部６２ｂを設けた。系列記憶部６２ｂには、予め定めた系列Ｐ（ｉ）が記憶されている。ただし、系列記憶部６２ｂは必須ではなく、例えば、系列出力部６２ａが系列Ｐ（ｉ）を生成して出力することとすれば、省略可能である。系列出力部６２ａは、系列Ｍ’（ｉ）と同じ長さ（仮復号を実行した場合の仮復号結果の長さと同じ長さ）の、予め定めた系列Ｐ（ｉ）を出力する（Ｓ６２）。前述したとおり、系列Ｐ（ｉ）として例えば１と０をランダムにもつ系列や系列中に一要素のみ１を持つ系列などが使用できる。同期部６３は、受信信号生成部１１２から受信信号Ｂ’（ｉ）の系列と、系列出力部６２ａから系列Ｐ（ｉ）を取得して、Ｌ１ノルム最小化を用いて、同期ずれのパラメータＴＩと最大輝度のパラメータＲとを計算して記憶部１５に格納し、当該ＴＩ、Ｒを復号部１４に出力する（Ｓ６３）。

このように、本実施例の受信装置６によれば、Ｌ１ノルム最小化を用いることにより、仮復号の手順が不要となり、ステップＳ６３を繰り返し実行する手間を省くことができる。

〔その他の変形例等〕
本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、仮復号部１２、２２、３２は、α，βを
α＋β＝τ
を満たす同期のずれのパラメータＴＩに応じた重みとしたとき、

に基づいて復号信号の系列Ｍ＾’を求める処理として一般化することができる。つまり、仮復号部は、現在のフレームの受信信号の時刻のインデクスをｉとし、受信信号Ｂ’（ｉ）に対応する送信装置の送信信号の時刻のインデクス（発光素子の発光時刻のインデクス）の推定値をｊ＾としたとき、受信信号Ｂ’（ｉ）に対応する送信装置における変調信号Ｍ（ｊ＾）を復号した仮の復号結果Ｍ’（ｊ＾）と当該変調信号に隣接するインデクスの仮の復号結果Ｍ’（ｊ＾＋１）の少なくともいずれか一方（つまり、Ｍ’（ｊ＾−１）および／またはＭ’（ｊ＾＋１））とを受信信号の以前の系列における最大輝度のパラメータＲと同期のずれのパラメータＴＩとに応じた割合で配分することにより復号したときの信号（Ｒ｛αＭ’（ｊ＾±１）＋βＭ’（ｊ＾）｝）と受信信号Ｂ’（ｉ）との差が小さくなる基準に基づいて、仮の復号信号の系列Ｍ＾’を求める。ここで、実施例１のように送信装置の点滅周期Ｔｆと受信装置の計測周期Ｔｓが等しい場合は、ｊ＾＝ｉである。実施例２や３のように、ＴｆとＴｓが同期していない場合は、ｊ＾とｉの値は異なる。このような場合の＾ｊの値は、例えば、式（４）（５）により推定することができる。

また、同期部１３、２３、３３は、現在の受信信号の時刻のインデクスをｉとし、受信信号Ｂ’（ｉ）に対応する送信装置の送信信号の時刻のインデクスの推定値をｊ＾としたとき、送信信号Ｍ（ｊ＾）を復号したときの仮の復号結果Ｍ’（ｊ＾）と隣接するインデクスの仮の復号結果の少なくともいずれか一方とを受信信号の以前の系列における最大輝度のパラメータＲと同期のずれのパラメータＴＩとに応じた割合で配分することにより復号したときの信号（Ｒ｛αＭ’（ｊ＾±１）＋βＭ’（ｊ＾）｝）と受信信号Ｂ’（ｉ）との誤差が小さくなるように、同期ずれのパラメータＲと最大輝度のパラメータＴＩとを更新する処理であればなんでもよい。例えば、式(2)、式(6)、式(18)で用いた最小二乗誤差に限らず、絶対値誤差やデシベル（対数）誤差に基づいて、誤差が小さくなるように同期のずれのパラメータＴＩと最大輝度のパラメータＲとを更新する処理であれば、同様の効果を得ることができる。 また、上述の各種の処理は、記載に従って時系列に実行されるのみならず、処理を実行する装置の処理能力あるいは必要に応じて並列的にあるいは個別に実行されてもよい。その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることはいうまでもない。

また、上述の構成をコンピュータによって実現する場合、各装置が有すべき機能の処理内容はプログラムによって記述される。そして、このプログラムをコンピュータで実行することにより、上記処理機能がコンピュータ上で実現される。

この処理内容を記述したプログラムは、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録しておくことができる。コンピュータで読み取り可能な記録媒体としては、例えば、磁気記録装置、光ディスク、光磁気記録媒体、半導体メモリ等どのようなものでもよい。

また、このプログラムの流通は、例えば、そのプログラムを記録したＤＶＤ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬型記録媒体を販売、譲渡、貸与等することによって行う。さらに、このプログラムをサーバコンピュータの記憶装置に格納しておき、ネットワークを介して、サーバコンピュータから他のコンピュータにそのプログラムを転送することにより、このプログラムを流通させる構成としてもよい。

このようなプログラムを実行するコンピュータは、例えば、まず、可搬型記録媒体に記録されたプログラムもしくはサーバコンピュータから転送されたプログラムを、一旦、自己の記憶装置に格納する。そして、処理の実行時、このコンピュータは、自己の記録媒体に格納されたプログラムを読み取り、読み取ったプログラムに従った処理を実行する。また、このプログラムの別の実行形態として、コンピュータが可搬型記録媒体から直接プログラムを読み取り、そのプログラムに従った処理を実行することとしてもよく、さらに、このコンピュータにサーバコンピュータからプログラムが転送されるたびに、逐次、受け取ったプログラムに従った処理を実行することとしてもよい。また、サーバコンピュータから、このコンピュータへのプログラムの転送は行わず、その実行指示と結果取得のみによって処理機能を実現する、いわゆるＡＳＰ（Application Service Provider）型のサービスによって、上述の処理を実行する構成としてもよい。なお、本形態におけるプログラムには、電子計算機による処理の用に供する情報であってプログラムに準ずるもの（コンピュータに対する直接の指令ではないがコンピュータの処理を規定する性質を有するデータ等）を含むものとする。

また、この形態では、コンピュータ上で所定のプログラムを実行させることにより、本装置を構成することとしたが、これらの処理内容の少なくとも一部をハードウェア的に実現することとしてもよい。

Claims (3)

1. 送信装置と可視光通信をする受信装置であって、
   前記送信装置から光信号を受信して、前記光信号に対応する電気信号を出力する受光素子と、
   前記電気信号の強度を所定の時間間隔ごとに計測して、当該計測結果をインデクスごとの受信信号の系列として出力する受信信号生成部と、
   前記受信信号の系列と、前記受信信号の以前の系列における同期ずれのパラメータと最大輝度のパラメータとを用いて仮の復号結果の系列を生成した場合の仮復号結果の系列の長さと同じ長さの、予め定めた系列を出力する系列出力部と、
   前記受信信号の系列と、前記予め定めた系列とを用いて、Ｌ１ノルム最小化を用いて、前記同期ずれのパラメータと前記最大輝度のパラメータとを計算する同期部とを含む
   受信装置。
2. 送信装置と可視光通信をする受信装置が行う受信方法であって、
   前記送信装置から光信号を受信して、前記光信号に対応する電気信号を出力する受光素子ステップと、
   前記電気信号の強度を所定の時間間隔ごとに計測して、当該計測結果をインデクスごとの受信信号の系列として出力する受信信号生成ステップと、
   前記受信信号の系列と、前記受信信号の以前の系列における同期ずれのパラメータと最大輝度のパラメータとを用いて仮の復号結果の系列を生成した場合の仮復号結果の系列の長さと同じ長さの、予め定めた系列を出力する系列出力ステップと、
   前記受信信号の系列と、前記予め定めた系列とを用いて、Ｌ１ノルム最小化を用いて、前記同期ずれのパラメータと前記最大輝度のパラメータとを計算する同期ステップとを含む
   受信方法。
3. 請求項２に記載された受信方法の各ステップをコンピュータに実行させるためのプログラム。

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