JP6936381B2 - 無線通信装置および無線通信装置の周波数オフセット補償方法 - Google Patents

Description

本開示は無線通信装置に関し、例えば周波数ホッピングを行う無線通信装置に適用可能である。

所定の時間およびパターンで送受信する搬送波周波数を切り替える周波数ホッピングを行うＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency-Division Multiplexing：直交周波数分割多重方式）の無線通信において周波数オフセットを補償する際、受信信号のガードインターバル相関値を用いて、相関ピークの実数成分と虚数成分との位相差から周波数オフセットを求めて、ローテータにより周波数オフセットを除去する方法が一般的である。フレーム単位の伝送の場合、フレームの先頭に付加される既知のプリアンブルシンボルで算出した周波数オフセット値を当該フレームの周波数オフセット値として固定する方法もある。

特開２０１２−２３５３２８号公報 特開２００９−１４１６３４号公報 特表２０１２−５３１８５６号公報 特表２０１２−５１１２６９号公報

しかし、周波数ホッピングを行うことにより遷移先での無線周波数で周波数オフセット量が変わるため、再度計算が必要となる。上述のガードインターバル相関を用いた方法で計算を行うにあたり、周波数ホッピング直後のＯＦＤＭシンボルは電力増幅器の立ち上がりの影響によりガードインターバルの先頭が削れるためガードインターバル相関による計算の周波数オフセット量の精度は劣化する。また、これを回避するため周波数ホッピング後にプリアンブル信号を付加する方法も考えられるが、システム全体の伝送レートが低下する問題が発生する。
本開示の課題は、スループットが向上する無線通信装置を提供することにある。

本開示のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。
すなわち、無線通信装置は、無線周波数を時間的に所定のパターンで変化させる周波数ホッピング手段と、周波数オフセット補償部と、を備える。前記周波数オフセット補償部は、受信信号から周波数オフセット量を算出する周波数オフセット算出部と、前記周波数オフセット量と前記周波数オフセット量を算出した無線周波数と前記周波数ホッピング手段により遷移した遷移先無線周波数とを用いて前記遷移先無線周波数における周波数オフセット推定値を算出するホッピング周波数値変換部と、前記遷移先無線周波数における前記周波数オフセット推定値を用いて前記受信信号を位相回転するローテータと、を備える。

上記無線通信装置によれば、スループットを向上することができる。

第一実施例の無線通信装置のデジタル信号処理部の構成を示す図である。 送信フレーム構成の一例を示す図である。 図１の周波数オフセット補償部の構成を示す図である。 第二実施例の無線通信装置のデジタル信号処理部の構成を示す図である。 図４の周波数オフセット補償部の構成を示す図である。 第二実施例における周波数多重分割と周波数ホッピング併用の周波数方向とシンボル(時間)方向一例を示す図である。 図５の周波数オフセット格納部の一例を示す図である。 第三実施例の無線通信装置のデジタル信号処理部の構成を示す図である。 図８の周波数オフセット補償部の構成を示す図である。

まず、実施形態の無線通信装置について以下説明する。
（１）無線通信装置は、無線周波数を時間的に所定のパターンで変化させる周波数ホッピング手段と、周波数オフセット補償手段と、を備える。この周波数オフセット補償手段は、受信信号から周波数オフセット量を算出する手段と、この周波数オフセット量とこの周波数オフセット量を計算した無線周波数とこの周波数ホッピング手段により遷移した遷移先無線周波数とを用いてその遷移先無線周波数における周波数オフセット推定値を算出する手段と、この遷移先無線周波数の周波数オフセット推定値を用いてこの受信信号を位相回転する手段と、を備え、周波数オフセット補償を行う。この無線通信装置は、例えば、後述する第一実施例の無線通信装置で実現される。
（２）上記（１）の無線通信装置は、さらに、一つの送信ストリームを複数の送信ストリームに分割してそれぞれ異なる無線周波数で複数のアンテナから送信された信号を複数のアンテナで異なる複数の無線周波数のストリームを受信して複数の受信ストリームを１つの受信ストリームに結合する周波数分割多重機能と、これら複数の周波数の受信ストリームから得られた各受信ブランチでの無線周波数と各々で計算した周波数オフセット量を記憶する手段と、を備える。ホッピングにより遷移した無線周波数が他のブランチで周波数オフセット量を計算した無線周波数であった場合、記憶した周波数オフセット量を用いて周波数オフセット補償を行う。この無線通信装置は、例えば、後述する第二実施例の無線通信装置で実現される。
（３）上記（２）の無線通信装置は、さらに、前記各受信ストリームで計算した周波数オフセット量算出に用いた受信信号に対して既知信号の相互相関演算を行う手段と、各受信ストリームの相互相関演算結果から各周波数オフセット値に乗じる重み付け係数を算出する手段と、遷移先周波数オフセット量推定を行う際に重み付け係数を用いて重み付け平均する手段と、を備える。この重み付け平均する手段により遷移先周波数オフセット量を推定する。この無線通信装置は、例えば、後述する第三実施例の無線通信装置で実現される。

以下、実施例について、図面を用いて説明する。ただし、以下の説明において、同一構成要素には同一符号を付し繰り返しの説明を省略することがある。

第一実施例の無線通信装置について図１〜３を用いて説明する。図１に第一実施例の無線通信装置のデジタル信号処理部の構成を示す。第一実施例の無線通信装置のデジタル信号処理部１００は、ＡＧＣ（オートゲインコントローラ）部１０１とガードインターバル相関演算部（ＧＩ相関演算部）１０２と周波数オフセット補償部１０３とガードインターバル除去部（ＧＩ除去部）１０４とＦＦＴ演算部１０５と復調部１０６と復号部１０７とを備える。なお、無線通信装置はＡＧＣ部１０１の前にはＡ／Ｄ変換部（不図示）やＲＦ（高周波）部（不図示）、アンテナ（不図示）を備える。

図２に送信フレームの一例を示す。送信フレーム７００は、ＡＧＣ・同期捕捉用のプリアンブルシンボル（プリアンブル）７０１、制御情報格納用のヘッダシンボル（ヘッダ）７０２、データ伝送用のデータシンボル（データ）７０３、周波数切替時間７０４を備える。周波数切替時間７０４でＲＦ部の周波数切替処理を行う。また、図中の各シンボルに記載された＜ｆ＊＞はホッピング周波数（ｆ_０，ｆ_１，ｆ_２・・・）を示す。送信フレーム７００は、ホッピング毎にプリアンブルを有していない。

ＡＧＣ部１０１は、入力時間信号の信号電力を算出し、所定の信号電力になるように振幅値を補正して、振幅値を補正した入力時間信号をガードインターバル相関演算部１０２へ出力する。

ガードインターバル相関演算部１０２は、有効シンボル長（ＦＦＴポイント数）分サンプル遅延させた信号との相関演算を行い、ガードインターバル相関電力ピーク値のI成分およびＱ成分値、入力時間信号を周波数オフセット補償部１０３へ出力する。

周波数オフセット補償部１０３は、例えば、相関電力ピーク値のＩ成分およびＱ成分値から位相を算出し、また、算出した位相とホッピング周波数情報から当該ホッピング周波数の周波数オフセット量を推定し、推定した周波数オフセット量値から位相回転量を求め、ローテータで回転補正を行い、ガードインターバル除去部１０４へ出力する。上記ホッピング周波数情報は上位層である無線周波数を時間的に所定のパターンで変化させる周波数ホッピング手段から供給される。周波数オフセット補償部１０３について、図３を用いて説明する。

図３に周波数オフセット補償部１０３の構成を示す。周波数オフセット補償部１０３は、周波数オフセット（回転量）算出部２０１と、ホッピング周波数値変換部２０２と、ローテータ２０３とを備える。

周波数オフセット（回転量）算出部２０１は、ガードインターバル相関電力ピーク値のI成分とＱ成分値を用いて回転量（Δθ_０）（周波数オフセット（ｆ_ｄ）に比例）を算出する。ガードインターバル相関電力ピーク値のI成分とＱ成分値をＣ_ＧＩ，Ｉ、Ｃ_ＧＩ，Ｑ、サブキャリア間隔をｆ_ＳＣとすると、周波数オフセット量（回転量）（Δθ_０）は次の式（１）による。

ホッピング周波数値変換部２０２は以下の計算により、当該無線周波数での周波数オフセット量に変換を行い、変換した周波数オフセット量（回転量）（Δθ_Ｃ）をローテータ２０３へ出力する。変換後の周波数オフセット量（回転量）（Δθ_Ｃ）は、プリアンブル期間の無線周波数をｆ_０、ホッピング遷移先の無線周波数をｆ_Ｃとするとき、次の式（２）により計算される。

式（２）について説明する。無線周波数ｆ_０と無線周波数ｆ_Ｃにおける移動速度ｖにおけるそれぞれの周波数オフセット量をｆ_ｄ０，ｆ_ｄＣ、光速をｃとするとき以下の式（３）（４）となる。

上記式（３）（４）を整理すると次の式（５）となり、周波数オフセット量は無線周波数の比で算出できる。ここで、ホッピング周波数値変換部２０２で算出した周波数オフセット量を周波数オフセット推定値という。

ローテータ２０３はホッピング周波数値変換部２０２で計算された周波数オフセット量（Δθ_Ｃ）をローテータの回転量として、位相回転を行う。位相回転は、位相回転後の信号をｙ’(ｎ)、位相回転前の信号をｙ(ｎ)、ガードインターバルのサンプル数をＮ_ＧＩとするとき、次の式（６）により計算される。

なお、本実施例ではフィードフォワード型の周波数オフセット補償部で説明したが、フィードバック型であっても構わない。

ガードインターバル除去部１０４は、ガードインターバル相関やプリアンブル相関のピークを用いてシンボルの先頭を検出し、受信時間信号からガードインターバル部分を除去し、ＦＦＴ演算部１０５へ出力する。

ＦＦＴ演算部１０５は、ガードインターバル部分が除去された受信時間信号に対して高速フーリエ変換を行った受信周波数信号を復調部１０６へ出力する。

復調部１０６は、受信周波数信号に対してチャネル等化を行い、受信ビット対数尤度比または硬判定結果の復調結果を復号部１０７へ出力する。

復号部１０７は、復調結果に対して誤り訂正を行い、誤り訂正を行った受信ビット系列を出力する。

本実施例では、プリアンブル期間に求めた周波数オフセット量とホッピング周波数から当該ホッピング周波数における周波数オフセット推定値を求めて周波数オフセット補償を行うので、ホッピング毎に周波数オフセット量を求めるプリアンブルが不要となりスループットを向上することができる。

第二実施例の無線通信装置について図４〜６を用いて説明する。第二実施例の無線通信装置は、周波数多重分割（所謂キャリアアグリゲーション）と周波数ホッピングを併用する装置である。すなわち、第二実施例の無線通信装置は、一つの送信ストリームを複数の送信ストリームに分割してそれぞれ異なる無線周波数で複数のアンテナから送信し、複数のアンテナで異なる複数の無線周波数のストリームを受信して複数の受信ストリームを１つの受信ストリームに結合する周波数分割多重方式の無線通信システムにおける無線通信装置である。

図４に第二実施例の無線通信装置のデジタル信号処理部の構成を示す。第二実施例の無線通信装置は、第一無線周波数の第一受信ストリームを処理する第一受信ブランチ１００Ａと、第二無線周波数の第二受信ストリーム処理する第二受信ブランチ１００Ｂと、周波数オフセット格納部３０２と、を備える。第一受信ブランチ１００Ａおよび第二受信ブランチ１００Ｂのそれぞれのデジタル信号処理部は、ＡＧＣ部１０１とガードインターバル相関演算部１０２と周波数オフセット補償部３０１とガードインターバル除去部１０４とＦＦＴ演算部１０５と復調部１０６と復号部１０７と、を備える。

ＡＧＣ部１０１とガードインターバル相関演算部１０２とガードインターバル除去部１０４とＦＦＴ演算部１０５と復調部１０６と復号部１０７は第一実施例と同様であるため、説明は省略する。

周波数オフセット補償部３０１は、第一実施例の周波数オフセット補償部１０３の機能に加え、周波数オフセット格納部３０２へのアクセスが付加されている。具体的な動作としては、プリアンブル期間においては算出した周波数オフセット量を無線周波数と共に周波数オフセット格納部３０２へ格納し、ホッピング時は割り当てられた無線周波数（ホッピング遷移先の無線周波数）の周波数オフセット量が周波数オフセット格納部３０２に存在していればそれを用いるという二点である。

図５に周波数オフセット補償部３０１の構成を示す。周波数オフセット補償部３０１は、周波数オフセット（回転量）算出部２０１と、ホッピング周波数値変換部２０２と、アクセス部４０１とローテータ２０３とを備える。

周波数オフセット（回転量）算出部２０１と、ホッピング周波数値変換部２０２と、ローテータ２０３は第一実施例と同様であるため、説明は省略する。

アクセス部４０１は、プリアンブル期間の場合、周波数オフセット（回転量）算出部２０１で算出した周波数オフセット量（Δθ_０）をΔθ_Ｍとして周波数オフセット格納部３０２へ書き込みアクセスを行う。ホッピング時、当該ホッピング遷移先の無線周波数の周波数オフセット量が周波数オフセット格納部３０２に存在していれば、周波数オフセット格納部３０２から読み出した周波数オフセット量（Δθ_Ｍ）をローテータ２０３に用いる動作を行う。

図６にホッピングパターンの一例を示す。縦方向が無線周波数、横方向がシンボル番号、「Ａ」記載箇所は第一送受信系統でそのシンボル送受信時に左端の無線周波数を使用、「Ｂ」記載箇所は第二送受信系統でそのシンボル送受信時に左端の無線周波数を使用していることを示す。シンボル番号０がプリアンブル期間に相当する。図６の例では、楕円Ｘで囲まれたシンボル番号８と９の「Ａ」は、第二受信ブランチ（第二送受信系統）がプリアンブル期間で算出した無線周波数ｆ_１の周波数オフセット量を第一受信ブランチ（第一送受信系統）が使用することが可能である。

周波数オフセット格納部３０２は、各受信ブランチ（送受信系統）のプリアンブル期間に算出した周波数オフセット量を格納する。また、ホッピング時、当該ホッピング遷移先の無線周波数の周波数オフセット量が格納されていれば、それを用いて周波数オフセット補償を行うため読み出す。

図７に周波数オフセット量格納の一例を示す。無線周波数毎に周波数オフセット量を格納するテーブルを設ける。プリアンブルが受信されていない無線周波数の周波数オフセット量はNullとする。

なお、本実施例では周波数多重分割数が２における例で説明したが、３以上であっても構わない。３以上であっても受信部の系統数が増え、１つの周波数オフセット格納部３０２へアクセスする構成である。

本実施例では、周波数多重分割と周波数ホッピングを併用する装置において、各受信ブランチのプリアンブル期間に求めた周波数オフセット量とホッピング周波数を記憶し、ホッピング遷移先の無線周波数がいずれかの受信ブランチのプリアンブルの無線周波数（ホッピング周波数）で合った場合、無線周波数の比による推定値ではなく、当該プリアンブルの無線周波数の算出値を用いて周波数オフセット補償を行う。これにより、ホッピング遷移先の無線周波数の周波数オフセット推定値を算出する必要がなくなる。

第三実施例の無線通信装置について図８を用いて説明する。第三実施例の無線通信装置は、第二実施例同様、周波数多重分割と周波数ホッピングを併用する装置である。図８に第三実施例の無線通信装置のデジタル信号処理部の構成を示す。第三実施例の無線通信装置は、第一無線周波数の第一受信ストリームである第一受信ブランチ２００Ａと、第二無線周波数の第二受信ストリームである第二受信ブランチ２００Ｂと、周波数オフセット格納部３０２と、プリアンブル相関演算部５０１と重み付け平均算出部５０２と、を備える。

第一受信ブランチ２００Ａおよび第二受信ブランチ２００Ｂのデジタル信号処理部のうち周波数オフセット補償部５０３と周波数オフセット格納部３０２は第二実施例と同様であるため、説明は省略する。

プリアンブル相関演算部５０１は、既知のプリアンブル時間信号と受信信号との相互相関演算を行い、相関電力を重み付け平均算出部５０２へ出力する。

重み付け平均算出部５０２は、各受信ブランチのプリアンブル相関出力ＣＯＲ１，ＣＯＲ２を用いて重み付け係数を算出し、各受信ブランチのプリアンブル期間に算出した周波数オフセット量からホッピング遷移先の無線周波数の周波数オフセット量を算出する際、重み付け係数を用いて重み付け平均を行う。

まず、重み付け係数の算出について説明する。第一受信ブランチの相関出力をｒ_１、第二受信ブランチの相関出力をｒ_２とするとき、重み付け係数（α_１、α_２）は次の式（７）（８）により求められる。

受信ブランチ数がＮのとき、第ｎ受信ブランチの重み付け係数（α_ｎ）は次の式（９）により求められる。

相関出力を重み付け係数に用いることにより、相関が高いブランチの信用度を上げることができる。

次に重み付け平均について説明する。重み付け平均によるホッピング遷移先の無線周波数の周波数オフセット量は、式（５）と式（７）、（８）で算出した重み付け係数を用いて次の式（１０）により求められる。

受信ブランチ数がＮのときの重み付け平均によるホッピング遷移先の無線周波数の周波数オフセット量は次の式（１１）により求められる。

ただし、各受信ブランチのプリアンブル期間で求めた周波数の周波数オフセット量は重み付け平均を行わず、計算値をそのまま用いる。

図９に周波数オフセット補償部５０３の構成を示す。周波数オフセット補償部５０３は、周波数オフセット（回転量）算出部２０１と、ホッピング周波数値変換部２０２と、アクセス部６０１とローテータ２０３と、を備える。

アクセス部６０１は、プリアンブル期間の場合、算出した周波数オフセット量（Δθ_０）をΔθ_Ｍとして周波数オフセット格納部３０２へ書き込みアクセスを行う。ホピング時、当該無線周波数の周波数オフセット値が周波数オフセット格納部３０２に存在していれば、周波数オフセット格納部３０２から読み出し、重み付け平均算出部５０２で算出した周波数オフセット値（Δθ’_Ｍ）をローテータ２０３に用いる動作を行う。

本実施例により、各受信ブランチのプリアンブル相関出力を用いて重み付け平均を行うことにより、信頼度の高いホッピング遷移先の無線周波数の周波数オフセット量の推定を行うことができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、種々変更可能であることはいうまでもない。

１０１…ＡＧＣ部
１０２…ＧＩ相関部
１０３…周波数オフセット補償部
１０４…ＧＩ除去部
１０５…ＦＦＴ演算部
１０６…復調部
１０７…復号部
２０１…周波数オフセット算出部
２０２…ホッピング周波数値変換部
２０３…ローテータ
３０１…周波数オフセット補償部
３０２…周波数オフセット格納部
４０１…アクセス部
５０１…プリアンブル相関演算部
５０２…重み付け平均算出部
５０３…周波数オフセット補償部
６０１…アクセス部

Claims (4)

1. 複数のアンテナで異なる複数の無線周波数のストリームを受信して複数の受信ストリームを１つの受信ストリームに結合する周波数多重分割機能に対応する複数の受信ブランチと、
   前記複数の受信ストリームから得られた各受信ブランチでの無線周波数と前記各受信ブランチで算出した周波数オフセット量を記憶する格納部と、
   を備え、
   前記各受信ブランチは、無線周波数を時間的に所定のパターンで変化させる周波数ホッピング手段と、周波数オフセット補償部と、を備え、
   前記周波数オフセット補償部は、
   受信信号から周波数オフセット量を算出する周波数オフセット算出部と、
   前記周波数オフセット量と前記周波数オフセット量を算出した無線周波数と前記周波数ホッピング手段により遷移した遷移先無線周波数とを用いて前記遷移先無線周波数における周波数オフセット推定値を算出するホッピング周波数値変換部と、
   前記遷移先無線周波数における前記周波数オフセット推定値を用いて前記受信信号を位相回転するローテータと、
   を備え、
   前記ローテータは、ホッピングにより遷移した無線周波数が他の前記受信ブランチで前記周波数オフセット量を算出した無線周波数であった場合、前記格納部に記憶した前記周波数オフセット量を用いて前記受信信号を位相回転する無線通信装置。
2. 請求項１記載の無線通信装置において、さらに、
   前記各受信ブランチで算出した前記周波数オフセット量の算出に用いた前記受信信号に対して既知信号の相互相関演算を行う相関演算部と、
   前記各受信ブランチの前記相関演算部による相互相関演算結果から各周波数オフセット量に乗じる重み付け係数を算出し、前記格納部に記憶した前記周波数オフセット量を前記重み付け係数を用いて重み付け平均して周波数オフセット量を算出する重み付け平均部と、
   を備え、
   前記ローテータは、ホッピングにより遷移した前記無線周波数が他の前記受信ブランチで前記周波数オフセット量を算出した無線周波数であった場合、前記重み付け平均部で算出した前記周波数オフセット量を用いて前記受信信号を位相回転する無線通信装置。
3. 複数のアンテナで異なる複数の無線周波数のストリームを受信して複数の受信ストリームを１つの受信ストリームに結合する無線通信装置の周波数オフセット補償方法であって、
   受信信号から周波数オフセット量を算出し、
   前記周波数オフセット量と前記周波数オフセット量を算出した無線周波数と無線周波数を時間的に所定のパターンで変化させる周波数ホッピング手段により遷移した遷移先無線周波数とを用いて前記遷移先無線周波数における周波数オフセット推定値を算出し、
   前記遷移先無線周波数における前記周波数オフセット推定値を用いて前記受信信号を位相回転し、
   前記複数の受信ストリームから得られた各受信ストリームでの無線周波数と前記各受信ストリームで算出した周波数オフセット量を格納部に記憶し、
   ホッピングにより遷移した無線周波数が他の前記受信ストリームで前記周波数オフセット量を算出した無線周波数であった場合、前記格納部に記憶した前記周波数オフセット量を用いて前記受信信号を位相回転する無線通信装置の周波数オフセット補償方法。
4. 請求項３記載の無線通信装置の周波数オフセット補償方法において、さらに、
   前記各受信ストリームで算出した前記周波数オフセット量の算出に用いた前記受信信号に対して既知信号の相互相関演算を行い、
   前記各受信ストリームの前記相互相関演算の結果から各周波数オフセット量に乗じる重み付け係数を算出し、
   前記格納部に記憶した前記周波数オフセット量を前記重み付け係数を用いて重み付け平均して周波数オフセット量を算出し、
   重み付け平均して算出した前記周波数オフセット量を用いて前記受信信号を位相回転する無線通信装置の周波数オフセット補償方法。

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