JP7126480B2 - タイミング同期装置 - Google Patents

Description

本発明は、時分割多元接続（ＴＤＭＡ）方式の通信の同期を取るタイミング同期装置に関する。

時分割多元接続（ＴＤＭＡ）方式の通信では、複数のユーザーが同一周波数を用いて時分割で通信を行うことができるように、システム全体でフレームタイミング（無線フレームタイミング）の同期が取られる。このフレームタイミングの同期が崩れた場合、前後のスロットの信号同士が干渉し、正しく通信を行うことができなくなる。

そこで、ＴＤＭＡ通信を行うシステムにおいてフレームタイミングの同期を取るための技術が様々に提案されている。例えば特許文献１には、フレームタイミングの誤差が一度に解消できるように、誤差検出後のサンプリングクロックの時間幅を大きく伸縮する、フレームタイミングの同期技術が提案されている。

特開平１０－１２６３３３号公報

しかしながら特許文献１の技術では、サンプリングクロックの位相が急激に変化する部分が発生してしまい、伝送特性が劣化してしまうという問題点があった。

なお、内部の動作クロックを高速にし、フレームタイミングの誤差の検出頻度を高くすれば、上記劣化を抑制することは可能である。しかしながら、装置の消費電力が高くなったり、高速クロックを精度良く実装することにより装置コストが上昇したりするという新たな問題が生じる。

そこで、本発明は、上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、伝送特性の劣化を抑制可能な技術を提供することを目的とする。

本発明に係るタイミング同期装置は、第１通信局に設けられ、前記第１通信局と第２通信局との間で行う時分割多元接続方式の通信の同期を取るタイミング同期装置であって、前記同期の基準となるフレームタイミングを取得するフレームタイミング取得部と、前記フレームタイミング取得部で取得された前記フレームタイミングと、前記第１通信局が前記第２通信局に送信している信号の無線フレームのタイミングとの誤差に基づいて、サンプリングクロック列のうちの複数のサンプリングクロックのそれぞれの時間幅を、前記サンプリングクロックを規定するシステムクロックの１つ分だけ増加または減少する制御を、１つの前記サンプリングクロックの時間幅よりも大きい間隔で行うサンプリングクロック制御部と、前記サンプリングクロック制御部で制御された前記サンプリングクロック列に基づいて前記第２通信局に送信される信号を生成する送信部とを備える。

本発明によれば、取得されたフレームタイミングと、第１通信局が第２通信局に送信している信号の無線フレームのタイミングとの誤差に基づいて、サンプリングクロック列のうちの１つ以上のサンプリングクロックのそれぞれの時間幅を、サンプリングクロックを規定するシステムクロックの１つ分だけ増加または減少する制御を行う。このような構成によれば、サンプリングクロックの急激な変化を抑制することができるので、伝送特性の劣化を抑制することができる。

実施の形態１に係る無線通信システムの構成を示す図である。 実施の形態１に係る無線フレームのフォーマットを示す図である。 実施の形態１に係る基地局の構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係る移動局の構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係るフレームタイミング同期装置の動作を説明するための図である。 実施の形態１に係るフレームタイミング同期装置の動作を説明するための図である。 実施の形態１に係るフレームタイミング同期装置の動作を説明するための図である。 実施の形態１の変形例に係るフレームタイミング同期装置の動作を説明するための図である。 実施の形態２に係る基地局の構成を示すブロック図である。 実施の形態２に係る移動局の構成を示すブロック図である。 実施の形態２に係るフレームタイミング同期装置の動作を説明するための図である。

＜実施の形態１＞
本発明の実施の形態１に係るタイミング同期装置は、時分割多元接続（ＴＤＭＡ）方式の通信の同期を取る装置であり、フレームタイミング（無線フレームタイミング）の同期を取るフレームタイミング同期装置である。

図１は、基地局１及び移動局２を含む無線通信システムの構成を示す図である。図１の例では、基地局１及び移動局２のいずれにも、本実施の形態１に係るフレームタイミング同期装置が設けられており、それぞれにおいて基地局１と移動局２との間の無線フレームタイミングの同期を取ることが可能となっている。基地局１に設けられたフレームタイミング同期装置の第１通信局及び第２通信局は、それぞれ基地局１及び移動局２である。移動局２に設けられたフレームタイミング同期装置の第１通信局及び第２通信局は、それぞれ移動局２及び基地局１である。なお、本実施の形態１に係るフレームタイミング同期装置は、必ずしも基地局１及び移動局２の両方に設けられる必要はなく、一方のみに設けられてもよい。

図１の無線通信システムでは、駅等の地上に設けられている複数の基地局１と、移動体としての列車に設けられている複数の移動局２との間で相互にＴＤＭＡ方式の無線通信が行われる。

基地局１と移動局２との間には無線伝送が用いられ、基地局１から送信された信号は、移動局２である列車の沿線に敷設されたＬＣＸ（Leaky CoaXial cable）３を経由して、無線信号（無線の電波）として移動局２へ伝達される。ＬＣＸ３を伝播する信号ひいては電波は、比較的遠方まで伝播されるように、沿線にほぼ等間隔に設けられている中継局４によって増幅される。

なお、本実施の形態１に係るフレームタイミング同期装置は、ＴＤＭＡ方式の無線通信を用いる無線通信システムであれば、図１の列車無線システム以外の無線通信システムにも利用可能である。

図２は、本実施の形態１に係る無線フレームのフォーマットを示す図である。第１～第ｎスロットがユーザーごとに割り当てられることにより、複数ユーザーの通信が時分割で行われる。本実施の形態１では、第１～第ｎスロットを順に繰り返す通信が行われており、一連のスロットの１周期は無線フレームまたはフレームと呼ばれる。複数ユーザーの信号同士の衝突ひいては干渉を抑制するために、本実施の形態１に係るフレームタイミング同期装置は、以下で説明するように、基地局１と移動局２との間でフレーム及びスロットのタイミングの同期を取るように構成されている。

図３は、本実施の形態１に係る基地局１の構成を示すブロック図であり、図４は、本実施の形態１に係る移動局２の構成を示すブロック図である。本実施の形態１では、基地局１で生成されるフレームタイミングを基準として基地局１及び移動局２の間の同期が取られる。以下、同期の基準となるフレームタイミングを「基準フレームタイミング」と記すこともある。なお、移動局２が基準フレームタイミングを生成可能である場合には、当該基準フレームタイミングを基準として基地局１及び移動局２の間の同期が取られてもよい。その場合には、以下の説明において基地局１及び移動局２を互いに読み替えるとともに、図３を移動局２の図面に読み替え、図４を基地局１の図面に読み替えればよい。

図３の基地局１は、送信機５と、受信機６と、フレームタイミング生成部７とを備える。送信機５は、サンプリングクロック生成部９と、変調処理部１１と、ＤＡ変換部１３と、直交変調部１４と、ＬＰＦ（Low Pass Filter）１５と、増幅部１６とを備える。

フレームタイミング取得部であるフレームタイミング生成部７は、フレームタイミング生成部７が任意のタイミングで設定した基準フレームタイミングを生成（取得）する。基準フレームタイミングは、基地局１で用いられるだけでなく、基準フレームタイミングを含む信号が基地局１から図１のＬＣＸ３などを経由して移動局２に送信されることで、移動局２でも用いられる。

サンプリングクロック制御部であるサンプリングクロック生成部９は、送信機５及び受信機６が現在使用している無線フレームのタイミングから、基地局１が移動局２に送信している信号の無線フレームのタイミングを検出する。なお、基地局１と図１の中継局４との間における信号の遅延が無視できない場合には、サンプリングクロック生成部９は、中継局４から移動局２に送信されている信号の無線フレームのタイミングを、基地局１が移動局２に送信している信号の無線フレームのタイミングとして検出してもよい。

サンプリングクロック生成部９は、フレームタイミング生成部７で生成された基準フレームタイミングと、検出された無線フレームのタイミングとの誤差に基づいて、デジタル－アナログ変換に用いられるサンプリングクロックの生成及び制御を行う。なお、サンプリングクロックの制御については後で詳細に説明する。

変調処理部１１は、移動局２などの外部装置へ送信する送信データをデジタル変調した変調信号を生成する。ＤＡ変換部１３は、サンプリングクロック生成部９で生成及び制御されたサンプリングクロックを用いて、変調処理部１１で生成された変調信号をデジタル－アナログ変換することによってアナログ信号を生成する。

直交変調部１４は、ＤＡ変換部１３で生成されたアナログ信号を直交変調して直交変調信号を生成する。ＬＰＦ１５は、直交変調部１４で生成された直交変調信号のうち低域周波数の信号のみを通過させる。増幅部１６は、ＬＰＦ１５から通過された信号を増幅する。増幅部１６で増幅された信号は、アンテナや図１のＬＣＸ３などを経由して、送信データを含む無線信号として移動局２に送信される。以上により、変調処理部１１、ＤＡ変換部１３、直交変調部１４、ＬＰＦ１５、及び、増幅部１６を含む送信部は、サンプリングクロック生成部９で生成及び制御されたサンプリングクロック列に基づいて、移動局２に送信される信号を生成する。

次に図４の移動局２について説明する。図４の移動局２は、送信機１７と、受信機１８とを備える。送信機１７は、サンプリングクロック生成部２１と、変調処理部２３と、ＤＡ変換部２５と、直交変調部２６と、ＬＰＦ２７と、増幅部２８とを備える。受信機１８は、フレームタイミング抽出部１９を備える。

受信機１８は、基地局１から送信された信号を受信する。本実施の形態１では、基地局１から送信された信号は、ＬＣＸ３などを経由して送信された無線信号である。

フレームタイミング取得部であるフレームタイミング抽出部１９は、基地局１から受信機１８で受信された無線信号から、基地局１で生成された基準フレームタイミングを抽出（取得）する。サンプリングクロック制御部であるサンプリングクロック生成部２１は、フレームタイミング抽出部１９で抽出された基準フレームタイミングと、移動局２が基地局１に送信している信号の無線フレームのタイミングとの誤差に基づいて、サンプリングクロックの生成及び制御を行う。

変調処理部２３、ＤＡ変換部２５、直交変調部２６、ＬＰＦ２７、及び、増幅部２８は、変調処理部１１、ＤＡ変換部１３、直交変調部１４、ＬＰＦ１５、及び、増幅部１６とそれぞれ同様であるため、これらの説明については省略する。

＜動作＞
次に、本実施の形態１に係るフレームタイミング同期装置の動作について、図５～図７を用いて説明する。

図３のフレームタイミング生成部７は、フレームタイミング生成部７の内部で決定したタイミングで、図５～図７のようにパルス信号をサンプリングクロック生成部９に出力することで、サンプリングクロック生成部９に基準フレームタイミングを指示する。

一方、図４のフレームタイミング抽出部１９は、受信機１８で受信された無線信号から、基地局１で生成された基準フレームタイミングを１フレームごとに抽出する。そして、フレームタイミング抽出部１９は、抽出した基準フレームタイミングで、図５～図７のようにパルス信号をサンプリングクロック生成部２１に出力することで、サンプリングクロック生成部２１に基準フレームタイミングを指示する。

これ以外の移動局２の動作は、基地局１の動作において基地局１及び移動局２を互いに読み替えた動作と実質的に同じであることから、以下では基地局１の動作についてのみ説明する。

図３のサンプリングクロック生成部９は、フレームタイミング生成部７から指示された基準フレームタイミングと、基地局１が移動局２に現在送信している信号の無線フレームのタイミングとの誤差を算出する。以下、基地局１が移動局２に送信している信号の無線フレームを「送信フレーム」と記すこともあり、送信フレームのタイミングを「送信フレームタイミング」と記すこともある。なお、図５～７では便宜上、サンプリングクロック生成部９は、各送信フレームの先頭のタイミングで上記誤差を算出しているが、これに限ったものではない。

サンプリングクロック生成部９は、算出した誤差に基づいて、サンプリングクロック列のうちの１つ以上のサンプリングクロックのそれぞれの時間幅を制御する。具体的には、サンプリングクロック生成部９は、算出した誤差の正負に基づいて、１つ以上のサンプリングクロックのそれぞれの時間幅を、１つのシステムクロック分だけ伸長（増加）または収縮（減少）する制御（調整）を行う。ここで、サンプリングクロックはシステムクロックによって規定される。以下では、通常のサンプリングクロックは、６つのシステムクロックによって規定されるものとするが、これに限ったものではない。

まず、図５のように、フレームタイミング生成部７から指示された基準フレームタイミングのパルス信号の立ち上がりと、送信フレームタイミングとが一致している場合（タイミング同士に誤差がない場合）について説明する。この場合、サンプリングクロック生成部９は、送信フレームタイミングの時間幅を調整せずに、６つのシステムクロックの時間幅に維持する。

次に、図６のように、フレームタイミング生成部７から指示された基準フレームタイミングのパルス信号の立ち上がりが、送信フレームタイミングよりも遅い場合（タイミング同士に誤差がある場合）について説明する。この場合、サンプリングクロック生成部９は、誤差の絶対値に時間幅の合計値が最も近くなるシステムクロックの数（図６ではｍ個）を、調整が行われるシステムクロックの数として決定する。そして、サンプリングクロック生成部９は、決定した数と同じ数（図６ではｍ個）のサンプリングクロックのそれぞれの時間幅を、システムクロックの１つ分だけ伸長して、７つのシステムクロックの時間幅と同じにする。

図６に示される例では、サンプリングクロック生成部９は、概ね間隔Ｔごとにサンプリングクロックの時間幅を伸長する。これにより、サンプリングクロックの伸長は、概ね間隔Ｔごとに１回ずつ行われ、概ね間隔ｍ×Ｔの間にｍ回行われる。以上のような本実施の形態１によれば、送信フレームタイミングを少しずつ遅らせて、フレームタイミング生成部７から指示された基準フレームタイミングに少しずつ近づけることによって、両者の同期を取ることが可能となる。

なお、図６の例において、ｍ回伸長する前に次の基準フレームタイミングが指示された場合には、サンプリングクロック生成部９は、送信フレームタイミングと、当該次の基準フレームタイミングとの誤差に基づいて上記動作と同様の動作を行えばよい。

次に、図７のように、フレームタイミング生成部７から指示された基準フレームタイミングのパルス信号の立ち上がりが、送信フレームタイミングよりも早い場合（タイミング同士に誤差がある場合）について説明する。この場合、サンプリングクロック生成部９は、誤差の絶対値に時間幅の合計値が最も近くなるシステムクロックの数（図７ではｎ個）を、調整が行われるシステムクロックの数として決定する。そして、サンプリングクロック生成部９は、決定した数と同じ数（図７ではｎ個）のサンプリングクロックのそれぞれの時間幅を、システムクロックの１つ分だけ収縮して、５つのシステムクロックの時間幅と同じにする。

図７に示される例では、サンプリングクロック生成部９は、概ね間隔Ｔごとにサンプリングクロックの時間幅を収縮する。これにより、サンプリングクロックの収縮は、概ね間隔Ｔごとに１回ずつ行われ、概ね間隔ｎ×Ｔの間にｎ回行われる。以上のような本実施の形態１によれば、送信フレームタイミングを少しずつ早めて、フレームタイミング生成部７から指示された基準フレームタイミングに少しずつ近づけることによって、両者の同期を取ることが可能となる。

なお、図７の例において、ｎ回収縮する前に次の基準フレームタイミングが指示された場合には、サンプリングクロック生成部９は、送信フレームタイミングと、当該次の基準フレームタイミングとの誤差に基づいて上記動作と同様の動作を行えばよい。

また、基準フレームタイミングと送信フレームタイミングとの誤差に最大許容量が設けられている場合、サンプリングクロック生成部９は、算出した誤差がその最大許容量の範囲内にある場合にのみ、上記１つのシステムクロック単位の制御を行ってもよい。そして、サンプリングクロック生成部９は、算出した誤差が最大許容量を超えている場合には、上記１つのシステムクロック単位の制御の代わりに、複数のシステムクロック単位の制御を行ってもよい。このような構成によれば、通信が継続できないほど誤差が大きい場合には、即座に、基準フレームタイミングと送信フレームタイミングとを一致させることが可能となる。

＜実施の形態１のまとめ＞
本実施の形態１に係るフレームタイミング同期装置によれば、同期の基準となるフレームタイミングと、第１通信局が第２通信局に送信している信号の無線フレームのタイミングとの誤差に基づいて、サンプリングクロックの時間幅をシステムクロックの１つ分だけ伸長または収縮する制御を行う。このような構成によれば、サンプリングクロックの位相が急激に変化することを抑制することができるので、サンプリングクロックの周波数ずれを抑制することができる。これにより、フレームタイミングの同期における、無線信号の歪み、ひいては伝送特性の劣化を抑制することができる。

＜変形例＞
図６及び図７に示される間隔Ｔが短くなるほどフレームタイミングの追従が早くなるが、サンプリングクロックの局所的な変化が急激になる。一方、間隔Ｔが長くなるほどフレームタイミングの追従が遅くなるが、サンプリングクロックの局所的な変化が緩慢になる。このため、間隔Ｔは、システムに要求されるフレームタイミングの追従速度とサンプリングクロックの精度とのトレードオフによって決定すればよい。

サンプリングクロックの局所的な変化が許容されるのであれば、図８に示すように、間隔Ｔは概ね１つのサンプリングクロックの時間幅であってもよい。つまり、サンプリングクロック生成部９は、サンプリングクロックに関して連続的に、サンプリングクロックの時間幅を制御してもよい。なお、この変形例は、後述する実施の形態２においても同様に適用可能である。

＜実施の形態２＞
ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）方式の無線通信やＳＣＢＴ（Single Carrier Block Transmission）方式の無線通信では、周波数利用効率が高くなるように、互いに直交したサブキャリアを使用することによって、周波数方向に密にサブキャリアを配置している。ＯＦＤＭ方式やＳＣＢＴ方式の通信局は、ＴＤＭＡと同様に時分割多重を用いるので、当該通信局に実施の形態１と同様の構成を適用することもできる。しかしながら、ＯＦＤＭ方式やＳＣＢＴ方式の通信では、周波数誤差に対する伝送特性の劣化の影響が大きいため、周波数誤差がより小さくなるように制御が行われることが望ましい。

そこで本発明の実施の形態２では、ＣＰ（サイクリックプレフィックス：Cyclic Prefix）を持つＯＦＤＭやＳＣＢＴなどの通信方式において、実施の形態１と同様にサンプリングクロックの時間幅を制御することにより周波数ずれ（周波数誤差）を抑制する。なお、ＣＰとは、ＯＦＤＭやＳＣＢＴなどの通信方式において、遅延波のある環境でシンボル間干渉やサブキャリア間干渉を抑制するために設ける区間であり、ガードインターバルとも呼ばれる。

図９は、実施の形態２に係る基地局１の構成を示すブロック図であり、図１０は、本実施の形態２に係る移動局２の構成を示すブロック図である。以下、本実施の形態２に係る構成要素のうち、上述の構成要素と同じまたは類似する構成要素については同じまたは類似する参照符号を付し、異なる構成要素について主に説明する。

図９及び図１０の構成では、図３及び図４の構成に、変調処理部１１，２３からサンプリングクロック生成部９，２１に対してＣＰのタイミングを出力する機構が追加されている。そして、本実施の形態２に係るサンプリングクロック生成部９，２１は、サイクリックプレフィックスのタイミングに対応するサンプリングクロックに、実施の形態１で説明した制御を行うように構成されている。

例えば図１１のように、指示された基準フレームタイミングが送信フレームタイミングよりも遅い場合には、サンプリングクロック生成部９，２１は、ＣＰに対応するサンプリングクロックの時間幅を、システムクロックの１つ分だけ伸長する。なお図１１の例では、サンプリングクロック生成部９，２１は、１つのＣＰにおける複数のサンプリングクロックのそれぞれの時間幅を制御しているが、例えば１つＣＰにおける１つのサンプリングクロックの時間幅を制御してもよい。

＜実施の形態２のまとめ＞
受信機６，１８での復調処理において、ＣＰ部分は、主にタイミングの推定に使用され、ＣＰ部分以外の別部分は、送信側から受信側に送信したいデータに使用される。そのため、当該別部分の時間幅が変更されるとデータ誤りが生じる可能性があるが、ＣＰ部分の時間幅が変更されてもデータに直接影響しないため、通信品質（ビット誤り率などの無線性能）に影響する可能性が小さい。

そこで本実施の形態２に係るフレームタイミング同期装置によれば、サイクリックプレフィックスのタイミングに対応するサンプリングクロックに、実施の形態１で説明した制御を行うように構成されている。これにより、サンプリングクロックの調整がＣＰ内で行われるので、当該調整が通信品質に対して与える影響を抑制しつつ、実施の形態１と同様にフレームタイミングの同期における伝送特性の劣化を抑制することができる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態及び各変形例を自由に組み合わせたり、各実施の形態及び各変形例を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

１ 基地局、２ 移動局、７ フレームタイミング生成部、９，２１ サンプリングクロック生成部、１１，２３ 変調処理部、１３，２５ ＤＡ変換部、１４，２６ 直交変調部、１５，２７ ＬＰＦ、１６，２８ 増幅部、１９ フレームタイミング抽出部。

Claims (5)

1. 第１通信局に設けられ、前記第１通信局と第２通信局との間で行う時分割多元接続方式の通信の同期を取るタイミング同期装置であって、
   前記同期の基準となるフレームタイミングを取得するフレームタイミング取得部と、
   前記フレームタイミング取得部で取得された前記フレームタイミングと、前記第１通信局が前記第２通信局に送信している信号の無線フレームのタイミングとの誤差に基づいて、サンプリングクロック列のうちの複数のサンプリングクロックのそれぞれの時間幅を、前記サンプリングクロックを規定するシステムクロックの１つ分だけ増加または減少する制御を、１つの前記サンプリングクロックの時間幅よりも大きい間隔で行うサンプリングクロック制御部と、
   前記サンプリングクロック制御部で制御された前記サンプリングクロック列に基づいて前記第２通信局に送信される信号を生成する送信部と
   を備える、タイミング同期装置。
2. 第１通信局に設けられ、前記第１通信局と第２通信局との間で行う時分割多元接続方式の通信の同期を取るタイミング同期装置であって、
   前記同期の基準となるフレームタイミングを取得するフレームタイミング取得部と、
   前記フレームタイミング取得部で取得された前記フレームタイミングと、前記第１通信局が前記第２通信局に送信している信号の無線フレームのタイミングとの誤差に基づいて、サンプリングクロック列のうちの１つ以上のサンプリングクロックのそれぞれの時間幅を、前記サンプリングクロックを規定するシステムクロックの１つ分だけ増加または減少する第１制御を行うサンプリングクロック制御部と、
   前記サンプリングクロック制御部で制御された前記サンプリングクロック列に基づいて前記第２通信局に送信される信号を生成する送信部と
   を備え、
   前記サンプリングクロック制御部は、
   前記誤差が予め定められた許容量の範囲内である場合に、前記第１制御を行い、
   前記誤差が前記許容量の範囲外である場合に、前記１つ以上のサンプリングクロックのそれぞれの時間幅を、２つ以上の前記システムクロックだけ増加または減少する第２制御を行う、タイミング同期装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のタイミング同期装置であって、
   前記フレームタイミング取得部は、
   前記第２通信局から受信した信号から前記フレームタイミングを取得する、タイミング同期装置。
4. 請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載のタイミング同期装置であって、
   前記サンプリングクロック制御部は、
   サイクリックプレフィックスのタイミングに対応するサンプリングクロックに前記制御を行う、タイミング同期装置。
5. 請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載のタイミング同期装置であって、
   前記サンプリングクロック制御部は、
   前記誤差の絶対値に基づいて、前記制御が行われる前記サンプリングクロックの数を決定する、タイミング同期装置。

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