JP7140907B2 - wireless communication device - Google Patents

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Description

本発明は、複数のデータを階層分割多重方式で送信する無線通信装置に関する。 The present invention relates to a wireless communication device that transmits multiple pieces of data by hierarchical division multiplexing.

第五世代の通信では、スループット拡大のために広い帯域幅を用いる通信方式が主流になっている。その一方で、現行のキャリア周波数帯はひっ迫しており、広い周波数帯域を確保することは困難である。このため、広い周波数帯を確保しやすいサブミリ波またはミリ波の周波数帯を使用することが提案されている。このような高い周波数帯では自由空間損失が大きいので、通信エリアを拡大するために、複数のアンテナを用いてそれらの位相を制御することで、アンテナ利得の大きいペンシルビームを形成する「Massive MIMO」または「Phased Array」技術を用いることが多い。 In the fifth-generation communication, a communication method using a wide bandwidth for increasing throughput has become mainstream. On the other hand, the current carrier frequency band is tight and it is difficult to secure a wide frequency band. For this reason, it has been proposed to use a submillimeter wave or millimeter wave frequency band in which it is easy to secure a wide frequency band. Since the free space loss is large in such a high frequency band, in order to expand the communication area, "Massive MIMO" forms a pencil beam with a large antenna gain by using multiple antennas and controlling their phases. Or "Phased Array" technology is often used.

また、放送の分野において、米国の次世代地上デジタル放送規格であるATSC(Advanced Television Systems Committee standards)3.0では、2つの異なるサービスを上位階層(Upper Layer:UL)と下位階層(Lower Layer:LL)に割り当て、ULとLLを異なる電力比で多重化して伝送する方式が採用されている。この技術は、階層分割多重(Layered Division Multiplexing:LDM)と称されている(非特許文献1,2参照)。また、セルラー通信では、同様の技術がNOMA(Non Orthogonal Multiplexing Access)と称する方式として用いられている。 In the field of broadcasting, ATSC (Advanced Television Systems Committee standards) 3.0, which is the next-generation digital terrestrial broadcasting standard in the United States, provides two different services: Upper Layer (UL) and Lower Layer (UL). LL), and the UL and LL are multiplexed at different power ratios and transmitted. This technology is called layered division multiplexing (LDM) (see Non-Patent Documents 1 and 2). In cellular communication, a similar technique is used as a system called NOMA (Non Orthogonal Multiplexing Access).

以下、従来のLDM送信装置及びLDM受信装置の概略構成について説明する。
図12は、従来のLDM送信装置の機能ブロックの一例を示す図である。図12に示すように、従来のLDM送信装置は、ULデータ処理部100と、LLデータ処理部101と、合成部124と、OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing;直交周波数分割多重方式)変調部125と、送信アンテナ126とを備えている。
Schematic configurations of conventional LDM transmitters and LDM receivers will be described below.
FIG. 12 is a diagram showing an example of functional blocks of a conventional LDM transmitter. As shown in FIG. 12, the conventional LDM transmission device includes a UL data processing unit 100, an LL data processing unit 101, a combining unit 124, and an OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) modulation unit 125. , and a transmit antenna 126 .

ULデータ処理部100は、ULデータについて処理を行うものであり、UL誤り訂正符号化部121Uと、ULキャリア変調部122Uと、電力調整部123Uとを備えている。同様に、LLデータについて処理を行うLLデータ処理部101は、LL誤り訂正符号化部121Lと、LLキャリア変調部122Lと、電力調整部123Lとを備えている。 The UL data processing section 100 processes UL data, and includes a UL error correction coding section 121U, a UL carrier modulation section 122U, and a power adjustment section 123U. Similarly, the LL data processing unit 101 that processes LL data includes an LL error correction coding unit 121L, an LL carrier modulation unit 122L, and a power adjustment unit 123L.

従来のLDM送信装置の動作について説明する。
ULの情報ビットは、ULデータ処理部100のUL誤り訂正符号化部121Uに入力され、UL誤り訂正符号化部121Uで所定の誤り訂正符号化が施される。その後、ULキャリア変調部122Uで、直交振幅変調(Quadrature Amplitude Modulation、以下QAM)やPSK(Phase Shift Keying)、あるいは不等間隔直交振幅変調(Non Uniform QAM)でIQ平面にマッピングする変調方式等のデジタル変調方式により変調される。そして、ULとLLとで所定の電力比となるよう、変調されたUL信号は電力調整部123Uで送信電力が調整され、合成部124に入力される。
The operation of a conventional LDM transmitter will be described.
The UL information bits are input to the UL error correction coding unit 121U of the UL data processing unit 100, and are subjected to predetermined error correction coding by the UL error correction coding unit 121U. After that, in the UL carrier modulation unit 122U, quadrature amplitude modulation (QAM), PSK (Phase Shift Keying), or non-uniform quadrature amplitude modulation (Non Uniform QAM), such as a modulation method that maps to the IQ plane It is modulated by a digital modulation method. Then, the transmission power of the modulated UL signal is adjusted by power adjusting section 123U so as to achieve a predetermined power ratio between UL and LL, and input to combining section 124 .

ULとは異なる情報を送信するLLでは、情報ビットがLLデータ処理部101に入力され、LL誤り訂正符号化部121Lで誤り訂正符号化が行われ、LLキャリア変調部122Lでキャリア変調される。そして、電力調整部123Lで送信電力の調整が行われて、合成部124に入力される。 In LL, which transmits information different from UL, information bits are input to LL data processing section 101, error correction encoded by LL error correction encoding section 121L, and carrier modulated by LL carrier modulation section 122L. Then, power adjustment section 123 L adjusts the transmission power, and the result is input to combining section 124 .

UL誤り訂正符号化部121U及びLL誤り訂正符号化部121Lで行われる誤り訂正符号化は、同一の誤り訂正符号化方式であっても、異なる方式であってもよい。ULキャリア変調部122U及びLLキャリア変調部122Lにおけるキャリア変調方式は、例えば、ULを64QAM、LLをQPSK(Quadrature Phase Shift Keying)で変調し、又はULをQPSK、LLを64QAMで変調する。また、送信電力は、一般的には、受信側における復調処理を容易にするため、UL送信電力とLL送信電力、つまりULとLLのそれぞれの放射電力(実効放射電力または実効等方放射電力)に差を設けることが望ましい。 The error correction encoding performed by the UL error correction encoding unit 121U and the LL error correction encoding unit 121L may be the same error correction encoding scheme or different schemes. The carrier modulation method in the UL carrier modulating section 122U and the LL carrier modulating section 122L modulates the UL with 64QAM and the LL with QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), or modulates the UL with QPSK and the LL with 64QAM. In general, the transmission power is UL transmission power and LL transmission power, that is, each radiation power of UL and LL (effective radiation power or effective isotropic radiation power), in order to facilitate demodulation processing on the receiving side. It is desirable to provide a difference in

そして、合成部124でULとLLの信号が合成されて、OFDM変調部125において、合成された信号がOFDM変調され、送信アンテナ126から送信信号として出力される。このようにして従来のLDM送信装置の動作が行われる。 Then, the UL and LL signals are combined in combining section 124 , the combined signal is OFDM-modulated in OFDM modulation section 125 , and output from transmission antenna 126 as a transmission signal. Thus, the operation of a conventional LDM transmitter is performed.

次に、従来のLDM受信装置の構成について図13を用いて説明する。図13は、従来のLDM受信装置の機能ブロックの一例を示す図である。図13に示すように、従来のLDM受信装置は、受信アンテナ130と、OFDM復調部131と、ULキャリア復調部132と、UL誤り訂正復号化部133と、レプリカ生成部134と、除去処理部135と、LLキャリア復調部136と、LL誤り訂正復号化部137とを備えている。 Next, the configuration of a conventional LDM receiver will be explained using FIG. FIG. 13 is a diagram showing an example of functional blocks of a conventional LDM receiver. As shown in FIG. 13, the conventional LDM receiver includes a receiving antenna 130, an OFDM demodulator 131, a UL carrier demodulator 132, a UL error correction decoder 133, a replica generator 134, and a removal processor. 135 , an LL carrier demodulator 136 and an LL error correction decoder 137 .

従来のLDM受信装置の動作について説明する。
従来のLDM受信装置では、多重されて送信された送信信号は、受信装置の受信アンテナ130で受信され、OFDM復調部131においてFFT(Fast Fourier Transform;高速フーリエ変換)処理や伝送路推定等のOFDM復調処理が行われ、ULキャリア復調部132及び除去処理部135に分岐される。分岐された一方の信号について、ULキャリア復調部132において、送信側でULデータに施されたキャリア変調に対応したキャリア復調が行われる。
The operation of a conventional LDM receiver will be described.
In the conventional LDM receiver, the multiplexed transmitted signal is received by the receiving antenna 130 of the receiver, and the OFDM demodulator 131 performs FFT (Fast Fourier Transform) processing and transmission path estimation. Demodulation processing is performed and branched to the UL carrier demodulation unit 132 and removal processing unit 135 . One of the branched signals is subjected to carrier demodulation corresponding to the carrier modulation applied to the UL data on the transmission side in the UL carrier demodulation section 132 .

キャリア復調されたUL信号は、UL誤り訂正復号化部133で、LDM送信装置側のUL誤り訂正符号化部121Uに対応した誤り訂正復号化が行われ、UL復号ビットが出力される。それと共に、UL誤り訂正復号化部133で復号されたUL復号ビットは、レプリカ生成部134に入力されて、LDM送信装置側のULキャリア変調部122Uで用いている変調方式で再度キャリア変調が施され、更に伝搬路推定結果等を用いてUL受信信号のレプリカ(ULレプリカ信号)が生成される。 The carrier-demodulated UL signal is subjected to error correction decoding in UL error correction decoding section 133 corresponding to UL error correction coding section 121U on the LDM transmitting apparatus side, and UL decoded bits are output. At the same time, the UL decoded bits decoded by the UL error correction decoding unit 133 are input to the replica generation unit 134 and subjected to carrier modulation again using the modulation scheme used by the UL carrier modulation unit 122U on the LDM transmission device side. Furthermore, a replica of the UL received signal (UL replica signal) is generated using the channel estimation result and the like.

そして、除去処理部135において、OFDM復調部131からの多重化された信号から、ULレプリカ信号が除去されて、LLの受信信号であるLL信号が取り出される。その後、LL信号について、LLキャリア復調部136において、LDM送信装置側の電力調整部123U,123LでのUL,LLの電力割合を考慮して、LL信号のキャリア復調が行われる。LLキャリア復調部136からの信号は、LL誤り訂正復号部137に入力され、LDM送信装置側のLL誤り訂正符号部121Lに対応する誤り訂正復号が行われ、LLの復号ビットが出力される。このようにして、受信装置における動作が行われる。 Then, in removal processing section 135, the UL replica signal is removed from the multiplexed signal from OFDM demodulation section 131, and the LL signal, which is the received LL signal, is extracted. Thereafter, the LL signal is carrier-demodulated in the LL carrier demodulation section 136 in consideration of the UL and LL power ratios in the power adjustment sections 123U and 123L on the LDM transmission device side. The signal from the LL carrier demodulation unit 136 is input to the LL error correction decoding unit 137, error correction decoding corresponding to the LL error correction coding unit 121L on the LDM transmission device side is performed, and LL decoded bits are output. Thus, the operation in the receiving device is performed.

OFDM復調部131からの信号は、UL信号とLL信号が合成された状態であるが、誤り訂正復号やレプリカ生成が正確になされていると仮定すると、レプリカ生成部134の出力は純粋なULの受信信号であるUL信号を再現することになる。したがって、多重されたOFDM復調信号からULレプリカ信号を減算すれば、LL信号を抽出することができるものである。 The signal from the OFDM demodulator 131 is in a state in which the UL signal and the LL signal are combined, but assuming that error correction decoding and replica generation are performed accurately, the output of the replica generator 134 is pure UL. The UL signal, which is the received signal, is to be reproduced. Therefore, the LL signal can be extracted by subtracting the UL replica signal from the multiplexed OFDM demodulated signal.

岡田、柴田他,“地上デジタルTV放送におけるLDM方式の適用に関する一考察”,映像情報メディア学会技術報告,40,1-4,2016年10月Okada, Shibata, et al., “A Study on Application of LDM System to Terrestrial Digital TV Broadcasting”, Institute of Image Information and Television Engineers Technical Report, 40, 1-4, 2016.10 佐藤他,“次世代地上放送に向けたLDMの適用に関する一検討”,映像情報メディア学会技報,vol.41,no.6,BCT2017-34,pp.45-48,2017年2月Sato et al., “A Study on Application of LDM for Next Generation Terrestrial Broadcasting”, Institute of Image Information and Television Engineers Technical Report, vol.41, no.6, BCT2017-34, pp.45-48, February 2017

例えば、セルラーにおいて基地局が自身のセクタ内に存する複数の端末局を管理する場合、データ信号と制御信号を異なる周波数などの別回線を用いて伝送する場合が多く、周波数の利用効率が悪いという問題があった。また、複数の周波数を用いる場合には、それぞれの周波数に対応するRF(Radio Frequency)回路が必要となり、装置規模の増大を招いてしまうという問題もあった。 For example, in cellular systems, when a base station manages multiple terminal stations within its own sector, it is often the case that data signals and control signals are transmitted using separate channels such as different frequencies, resulting in poor frequency utilization efficiency. I had a problem. Moreover, when a plurality of frequencies are used, an RF (Radio Frequency) circuit corresponding to each frequency is required, resulting in an increase in the size of the device.

本発明は、上記のような従来の事情に鑑みて為されたものであり、種類が異なる複数のデータを同一の周波数及び時間で効率的に送信することが可能な無線通信装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the conventional circumstances as described above, and it is an object of the present invention to provide a wireless communication device capable of efficiently transmitting a plurality of different types of data at the same frequency and time. With the goal.

上記目的を達成するために、本発明では、無線通信装置を以下のように構成した。
すなわち、複数のデータを階層分割多重方式で送信する無線通信装置において、第1データを送信する第1ビームと、前記第1データとは種類が異なる第2データを送信する第2ビームとを、同一の周波数及び時間で空間に出力するアンテナと、前記第1ビーム及び前記第2ビームの電力比を調整する電力比調整部と、前記第1ビーム及び前記第2ビームの幅を制御するビーム幅制御部とを備え、前記ビーム幅制御部は、前記第1ビームの幅と前記第2ビームの幅とが異なるように制御することを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention configures a wireless communication device as follows.
That is, in a wireless communication device that transmits a plurality of data by hierarchical division multiplexing, a first beam that transmits first data and a second beam that transmits second data different in type from the first data are An antenna that outputs to space at the same frequency and time, a power ratio adjustment unit that adjusts the power ratio of the first beam and the second beam, and a beam width that controls the width of the first beam and the second beam a controller, wherein the beam width controller controls the width of the first beam and the width of the second beam to be different from each other.

このように、本発明に係る無線通信装置は、第1データと、第1データとは種類が異なる第2データとを、それぞれ幅が異なるビームを用いて階層分割多重方式で送信する構成となっている。これにより、種類が異なる複数のデータを同一の周波数及び時間で効率的に送信することが可能となる。 In this way, the wireless communication device according to the present invention is configured to transmit the first data and the second data different in type from the first data using beams of different widths in hierarchical division multiplexing. ing. This makes it possible to efficiently transmit a plurality of different types of data at the same frequency and time.

一構成例として、本発明に係る無線通信装置は、前記第2データとして、前記第1データの送信の制御に使用されるデータを送信する場合に、前記ビーム幅制御部は、前記第1ビームの幅を狭くし、前記第2ビームの幅を広くする制御を行う構成としてもよい。 As one configuration example, when the wireless communication device according to the present invention transmits data used for controlling transmission of the first data as the second data, the beam width control unit may control the transmission of the first beam may be controlled to narrow the width of the second beam and widen the width of the second beam.

この場合、前記電力比調整部は、前記第1ビームの送信方向及び前記第1のビームの幅の範囲において、前記第1ビームの放射電力の方が前記第2ビームの放射電力より大きく、且つ所定の電力差以上になるように調整してもよい。あるいは、前記電力比調整部は、前記第1ビームの送信方向及び前記第1のビームの幅の範囲において、前記第2ビームの放射電力の方が前記第1ビームの放射電力より大きく、且つ所定の電力差以上になるように調整してもよい。また、前記第2データには、当該無線通信装置の位置情報が含まれてもよい。 In this case, the power ratio adjustment unit determines that the radiated power of the first beam is greater than the radiated power of the second beam in the range of the transmission direction of the first beam and the width of the first beam, and You may adjust so that it may become more than a predetermined electric power difference. Alternatively, the power ratio adjustment unit is configured such that, in the range of the transmission direction of the first beam and the width of the first beam, the radiation power of the second beam is greater than the radiation power of the first beam, and a predetermined may be adjusted to be equal to or greater than the power difference of Also, the second data may include location information of the wireless communication device.

また、前記ビーム幅制御部は、前記第1ビーム及び前記第2ビームの幅をデジタル方式で制御する構成としてもよい。また、前記ビーム幅制御部は、前記第1ビーム及び前記第2ビームの幅をアナログ方式で制御する構成としてもよい。また、前記アンテナは、反射鏡と、前記反射鏡に前記第1データの電波を放射して前記第1ビームを発生させる第1の放射器と、前記反射鏡に前記第2データの電波を放射して前記第2ビームを発生させる第2の放射器とを有し、前記ビーム幅制御部は、前記反射鏡に対する前記第1の放射器の位置及び前記第2の放射器の位置の調整により、前記第1ビーム及び前記第2ビームの幅を制御する構成としてもよい。 Further, the beam width control section may be configured to digitally control the widths of the first beam and the second beam. Further, the beam width control section may be configured to control the widths of the first beam and the second beam in an analog manner. The antenna includes a reflector, a first radiator that radiates radio waves of the first data to the reflector to generate the first beam, and a radio wave of the second data that is radiated to the reflector. and a second radiator for generating the second beam by adjusting the position of the first radiator and the position of the second radiator with respect to the reflecting mirror. , the width of the first beam and the width of the second beam may be controlled.

また、本発明に係る無線通信装置は、前記第1データの復調に使用されるパイロット信号と前記第2データの復調に使用されるパイロット信号とを、時間、周波数、または符号の領域で直交する関係で配置して送信する構成としてもよい。 Also, in the radio communication apparatus according to the present invention, the pilot signal used for demodulating the first data and the pilot signal used for demodulating the second data are orthogonalized in the domain of time, frequency, or code. A configuration may be adopted in which they are arranged in relation to each other and transmitted.

本発明によれば、種類が異なる複数のデータを同一の周波数及び時間で効率的に送信することが可能な無線通信装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a wireless communication device capable of efficiently transmitting a plurality of different types of data at the same frequency and time.

第1実施例に係る無線通信装置の機能ブロックの一例を示す図である。1 is a diagram showing an example of functional blocks of a wireless communication device according to a first embodiment; FIG. ビーム方向をアンテナ正面にした場合の指向性利得を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing directivity gain when the beam direction is the front of the antenna; ビーム方向をアンテナ正面から傾けた場合の指向性利得を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing directivity gain when the beam direction is tilted from the front of the antenna; 第1実施例に係る無線通信装置の利用例を説明する図である。FIG. 2 is a diagram for explaining a usage example of the wireless communication device according to the first embodiment; FIG. 第1実施例におけるUL及びLLのビーム形状の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the beam shape of UL and LL in 1st Example. ULのアンテナ利得が最大の方向における受信側のコンスタレーションの例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of a receiving-side constellation in the direction in which the UL antenna gain is maximum; ULのアンテナ利得が小さい方向における受信側のコンスタレーションの例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of a reception-side constellation in a direction in which UL antenna gain is small; 第1実施例に係る無線通信装置の別の利用例を説明する図である。FIG. 7 is a diagram illustrating another example of use of the wireless communication device according to the first embodiment; 第2実施例におけるUL及びLLのビーム形状の例を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing an example of UL and LL beam shapes in the second embodiment; 一般的なパラボラアンテナについて説明する図である。It is a figure explaining a general parabolic antenna. 第3実施例におけるパラボラアンテナについて説明する図である。It is a figure explaining the parabolic antenna in 3rd Example. 第4実施例におけるパイロット信号の配置について説明する図である。FIG. 12 is a diagram for explaining the arrangement of pilot signals in the fourth embodiment; FIG. 従来のLDM送信装置の機能ブロックの一例を示す図である。1 is a diagram showing an example of functional blocks of a conventional LDM transmitter; FIG. 従来のLDM受信装置の機能ブロックの一例を示す図である。1 is a diagram showing an example of functional blocks of a conventional LDM receiver; FIG.

本発明の一実施形態に係る無線通信装置について、図面を参照しつつ説明する。
(第1実施例)
図1には、本発明の第1実施例に係る無線通信装置の機能ブロックの一例を示してある。本例の無線通信装置は、上位階層変調部11と、下位階層変調部12と、上位IL(Injection Level)制御部13と、下位IL制御部14と、上位階層振幅/位相制御部15と、下位階層振幅/位相制御部16と、合成部17と、RF変換部18と、アンテナ部19とを備える。
A wireless communication device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 shows an example of functional blocks of a radio communication apparatus according to the first embodiment of the present invention. The radio communication apparatus of this example includes an upper layer modulation unit 11, a lower layer modulation unit 12, an upper IL (Injection Level) control unit 13, a lower IL control unit 14, an upper layer amplitude/phase control unit 15, A lower layer amplitude/phase control unit 16 , a combining unit 17 , an RF conversion unit 18 and an antenna unit 19 are provided.

本例の無線通信装置には、外部から情報Aと情報Bが供給される。情報Aと情報Bは異なる内容のデータであり、詳細は後述するが、その伝送レートも異なることが多い。情報Aは上位階層変調部11に入力され、情報Bは下位階層変調部12に入力される。
上位階層変調部11は、情報Aに対して、通信路符号化及びデジタル変調処理を施す。同様に、下位階層変調部12は、情報Bに対して、通信路符号化及びデジタル変調処理を施す。
Information A and information B are supplied to the wireless communication apparatus of this example from the outside. The information A and the information B are data with different contents, and their transmission rates are often different, as will be described in detail later. Information A is input to the upper hierarchical modulation section 11 and information B is input to the lower hierarchical modulation section 12 .
The upper layer modulation unit 11 subjects the information A to channel encoding and digital modulation processing. Similarly, the lower layer modulation unit 12 subjects the information B to channel encoding and digital modulation processing.

通信路符号化では、畳み込み符号、ターボ符号、LDPC(Low Density Parity Check)などの符号がよく用いられる。あるいは、これらの符号を内符号とし、RS(Reed-Solomon)符号、BCH(Bose-Chaudhuri-Hocquenghem)符号などの符号を外符号として連接する連接符号化も用いられていることも多い。本発明においては、これらの符号に依存しないため、どのような符号を採用しても差し支えない。 Codes such as convolutional codes, turbo codes, and LDPC (Low Density Parity Check) are often used in channel coding. Alternatively, concatenated coding is often used in which these codes are used as inner codes and codes such as RS (Reed-Solomon) codes and BCH (Bose-Chaudhuri-Hocquenghem) codes are used as outer codes. Since the present invention does not depend on these codes, any code may be adopted.

デジタル変調処理には、シングルキャリア変調方式やOFDMなどがよく用いられる。また、第五世代の通信方式として、FBMC(Filter Bank Multi-Carrier)、GFDM(Generalized Frequency Division Multiplexing)等も検討が進んでいる。本発明においては、これらの変調方式にも大きく依存はしないため、以下では近年主流のOFDMを用いて説明を行う。OFDM方式は、QPSKや16QAMなどの一次変調を施した後、これら複数のサブキャリアを周波数軸上で直交させながら多重する二次変調によりデジタル変調を施す。 A single-carrier modulation method, OFDM, or the like is often used for digital modulation processing. In addition, FBMC (Filter Bank Multi-Carrier), GFDM (Generalized Frequency Division Multiplexing), etc. are also under consideration as fifth-generation communication systems. Since the present invention does not greatly depend on these modulation schemes, OFDM, which has become mainstream in recent years, will be used in the following description. In the OFDM system, after performing primary modulation such as QPSK or 16QAM, digital modulation is performed by secondary modulation in which a plurality of subcarriers are orthogonally multiplexed on the frequency axis.

このように、上位階層変調部11において、情報Aに対して通信路符号化及びデジタル変調処理などが施され、変調信号が生成される。同様に、下位階層変調部12において、情報Bに対して通信路符号化及びデジタル変調処理が施され、変調信号が生成される。なお、上位階層変調部11と下位階層変調部12における通信路符号化の符号化率やデジタル変調の変調多値数などについては後述する。 In this manner, the information A is subjected to channel coding and digital modulation processing in the upper layer modulation unit 11 to generate a modulated signal. Similarly, in the lower hierarchical modulation unit 12, the information B is subjected to channel encoding and digital modulation processing to generate a modulated signal. The coding rate of channel coding and the modulation multilevel number of digital modulation in the upper hierarchical modulation unit 11 and the lower hierarchical modulation unit 12 will be described later.

上位階層変調部11から出力される情報Aの変調信号は、上位IL制御部13により係数αが乗積された後、上位階層振幅/位相制御部15に伝達される。上位階層振幅/位相制御部15では、情報Aの放射ビームを形成する処理が行われる。
同様に、下位階層変調部12出力される情報Bの変調信号は、下位IL制御部14により係数βが乗積された後、下位階層振幅/位相制御部16に伝達される。下位階層振幅/位相制御部16では、情報Bの放射ビームを形成する処理が行われる。
第1実施例では、上位IL制御部13及び下位IL制御部14で使用する係数α、βについて、α=β=0.5として説明を行う。すなわち、ULの総送信電力とLLの総送信電力を等しくする場合について説明する。
The modulated signal of the information A output from the upper layer modulation section 11 is multiplied by the coefficient α by the upper IL control section 13 and then transmitted to the upper layer amplitude/phase control section 15 . In the upper layer amplitude/phase control unit 15, processing for forming a radiation beam of information A is performed.
Similarly, the modulated signal of the information B output from the lower layer modulation section 12 is multiplied by the coefficient β by the lower layer IL control section 14 and then transmitted to the lower layer amplitude/phase control section 16 . In the lower layer amplitude/phase control unit 16, processing for forming a radiation beam of information B is performed.
In the first embodiment, the coefficients α and β used by the upper IL control unit 13 and the lower IL control unit 14 are described as α=β=0.5. That is, a case will be described in which the UL total transmission power and the LL total transmission power are made equal.

上位階層振幅/位相制御部15は、上位階層変調部11からの変調信号に対して、N種類(Nは自然数であり、アンテナ部19が有するアンテナ素子の数と一致する)の振幅An (nはアンテナ番号であり、1≦n≦N)と位相θn を可変制御した結果を出力する。この制御により放射ビームが形成されるが、そのビーム形状はアンテナ部19のアンテナ素子の配置にも依存する。例えば、アンテナ素子が一列に等間隔で配置されている場合は、各位相(図1のθ1 ~θ6 )を等しくなるように制御すると、各アンテナから送出された信号がアンテナ列に対して正面方向で同相合成され、高いアンテナ利得が得られる。このとき、鋭いペンシルビームを形成する場合には、上位階層振幅/位相制御部15の振幅(図1のA1 ~A6 )は同一であることが望ましい。The upper layer amplitude/phase control unit 15 modulates the modulated signal from the upper layer modulation unit 11 with N types (N is a natural number and matches the number of antenna elements that the antenna unit 19 has) of amplitude A n ( n is the antenna number, 1≤n≤N) and the result of variably controlling the phase θn is output. A radiation beam is formed by this control, and the shape of the beam also depends on the arrangement of the antenna elements of the antenna section 19 . For example, if the antenna elements are arranged in a line at equal intervals, if each phase (θ 1 to θ 6 in FIG. 1) is controlled to be equal, the signal sent from each antenna will be High antenna gain is obtained by in-phase combining in the front direction. At this time, when forming a sharp pencil beam, it is desirable that the amplitudes (A 1 to A 6 in FIG. 1) of the upper layer amplitude/phase control section 15 are the same.

図2には、ビーム方向をアンテナ正面にした場合の指向性利得を示してある。同図によれば、正面方向では高いアンテナ利得が得られているが、正面以外の方向ではアンテナ利得が低下している。これは、正面以外の方向では空間合成時の位相が異なり、逆相で打ち消されることもあるためである。 FIG. 2 shows the directional gain when the beam direction is the front of the antenna. According to the figure, a high antenna gain is obtained in the front direction, but the antenna gain is lowered in directions other than the front direction. This is because the phases at the time of spatial synthesis are different in directions other than the front, and may be canceled by the opposite phase.

図3には、ビーム方向をアンテナ正面から傾けた場合の指向性利得を示してある。このように、正面以外の方向にビーム形成したい場合には、所望方向で同相合成されるように上位階層振幅/位相制御部15の位相(図1のθ1 ~θ6 )を制御すればよい。
以上のように、上位階層振幅/位相制御部15の位相θn を制御することで、所望の方向にエネルギーを集中させてエネルギー効率のよい無線伝送を行うことができる。
FIG. 3 shows the directional gain when the beam direction is tilted from the front of the antenna. In this way, when it is desired to form a beam in a direction other than the frontal direction, it is sufficient to control the phase (θ 1 to θ 6 in FIG. 1) of the upper layer amplitude/phase control section 15 so that in-phase synthesis is performed in a desired direction. .
As described above, by controlling the phase θ n of the upper layer amplitude/phase control unit 15, it is possible to concentrate energy in a desired direction and perform wireless transmission with good energy efficiency.

ここで、無線通信装置の構成に関する説明を一旦離れ、本実施例で解決を図る課題について説明する。
図4には、図1に示した無線通信装置を基地局21に搭載し、基地局21と3台の端末局22~24とがデータ通信を行う例を示してある。基地局21は、端末局22(端末X)とデータ通信を行いたい場合には、その方向に上記で説明したビーム形成を行えばよい。同様に、別の端末局とデータ通信を行いたい場合には、その方向にビームを形成すればよい。ビーム形状にもよるが、一般的にはアンテナ利得の高い鋭いペンシルビームを形成すると、通信対象としている端末局以外の端末局では、アンテナ利得が低下するので、データ通信を行うことができない。
Leaving aside the description of the configuration of the wireless communication device, the problem to be solved by this embodiment will be described.
FIG. 4 shows an example in which the wireless communication device shown in FIG. 1 is installed in the base station 21 and the base station 21 and three terminal stations 22 to 24 perform data communication. When the base station 21 wishes to perform data communication with the terminal station 22 (terminal X), the beam forming described above may be performed in that direction. Similarly, when it is desired to perform data communication with another terminal station, a beam can be formed in that direction. Although it depends on the beam shape, in general, when a sharp pencil beam with high antenna gain is formed, data communication cannot be performed at terminal stations other than the terminal station to be communicated because the antenna gain is lowered.

ここで、基地局21がこれら3台の端末局22~24の全てを制御管理下に置く場合には、全ての端末局に制御情報を通知しておくことが望ましい。セルラー通信では、データ信号を送信するUser-Planeと、制御信号を送信するControl-Planeとを互いに異なる周波数などにして、制御信号をデータ信号とは別の通信回線を用いて通知している場合が多い。 Here, when the base station 21 puts all of these three terminal stations 22 to 24 under control management, it is desirable to notify all the terminal stations of the control information. In cellular communication, the User-Plane for transmitting data signals and the Control-Plane for transmitting control signals are set to different frequencies, and control signals are notified using a communication line different from that for data signals. There are many.

例えば、データ信号と制御信号の通信の例として、基地局21は端末局22~24の全てと通信を行うに際して、何らかのスケジューリングの規則に則り(スケジューリング方式については明言しない)、それぞれの端末局に向けたビームを時分割に形成しながらデータ通信を行うことを考える。このとき、ある端末局とデータ通信を行っている期間は、それ以外の端末局にもスケジュール情報などの制御情報を通知して、データ通信の対象外の端末局ともタイミング同期などを取っておいた方が、効率よく通信することが可能となる。 For example, as an example of communication of data signals and control signals, when the base station 21 communicates with all of the terminal stations 22 to 24, according to some scheduling rule (the scheduling method is not specified), each terminal station Consider performing data communication while forming directed beams in a time division manner. At this time, while data communication is being performed with a certain terminal station, control information such as schedule information is also notified to other terminal stations, and timing synchronization is performed with terminal stations that are not subject to data communication. It is possible to communicate more efficiently.

第1実施例では、上記のような特定の端末局に対するデータ信号と複数の端末局に対する制御信号を同一の周波数で通信できるようにビーム形成する階層分割多重方式の無線通信装置を提供することで、周波数の利用効率向上やシステムの簡素化を実現する。
以下に、本発明の主眼である、ビーム形成しながらデータ通信を行う上位階層と、複数の端末局に制御信号をブロードキャスト通信する下位階層を同一周波数で実現する手法について説明する。
In the first embodiment, by providing a hierarchical division multiplexing radio communication apparatus that beamforms data signals for a specific terminal station and control signals for a plurality of terminal stations as described above so that they can be communicated on the same frequency. , improve frequency utilization efficiency and simplify the system.
A method of realizing, on the same frequency, an upper layer in which data communication is performed while forming beams, and a lower layer in which control signals are broadcasted to a plurality of terminal stations, which is the main focus of the present invention, will be described below.

これまで説明したように、データ信号については、上位階層変調部11と上位階層振幅/位相制御部15を用いてビーム形成しながら送信する。
一方、制御信号については、下位階層変調部12と下位階層振幅/位相制御部16を用いてビーム形成しながら送信する。図4の全ての端末局22~24に同じ制御情報を伝送する場合には、ブロードキャスト型の通信となる。
As described above, the data signal is transmitted while being beam-formed using the upper layer modulation section 11 and the upper layer amplitude/phase control section 15 .
On the other hand, the control signal is transmitted while being beam-formed using the lower hierarchical modulation section 12 and the lower hierarchical amplitude/phase control section 16 . When the same control information is transmitted to all the terminal stations 22 to 24 in FIG. 4, the communication is of broadcast type.

一般的に、制御信号は、データ信号に比べて伝送レートが低いため、下位階層変調部12の符号化率を低く、変調多値数も低次にすることで、低い受信電力であっても復調することが可能となる。例えば、符号化率を1/3とし、変調方式にはBPSK(Binary Phase Shift Keying)を用いる。あるいは、更に安定性を改善する場合には、同じデータを複数回伝送することでダイバーシティ効果を得ることができ、受信信号品質を改善することが可能となる。
逆に、データ信号は、高いスループットが要求されることが多く、変調多値数は64QAMや256QAMなどの高次の多値数が用いられ、その分高い受信電力(高い受信S/N)を必要とする。
In general, the control signal has a lower transmission rate than the data signal. Therefore, by lowering the coding rate of the lower hierarchical modulation unit 12 and lowering the modulation multilevel number, even if the received power is low, It is possible to demodulate. For example, the coding rate is 1/3, and BPSK (Binary Phase Shift Keying) is used as the modulation method. Alternatively, in order to further improve stability, it is possible to obtain a diversity effect by transmitting the same data multiple times, and to improve received signal quality.
Conversely, data signals are often required to have high throughput, and high-order multilevel modulation such as 64QAM and 256QAM are used for the modulation multilevel number, and accordingly high reception power (high reception S/N) is required. I need.

下位階層変調部12で生成された変調信号は、下位階層振幅/位相制御部16に伝達される。下位階層振幅/位相制御部16は、複数の端末局を対象にするようにブロードな放射ビームを形成する。ブロードなビームを形成する場合には、下位階層振幅/位相制御部16の振幅(B1 ~B6 )に差を設けた方がよい。例えば、B3 のみ振幅を√6として、それ以外のB1 、B2 、B4 、B5、B6 を0とすることで、LLの正規化電力はULと同じ値となり、ビームを最もブロードに形成することができる。また、下位階層振幅/位相制御部16で形成するビーム形状は必ずしもブロードである必要はなく、上位階層と同様にビーム幅を絞り、尚且つそのビーム方向を可変制御させることも可能である。The modulated signal generated by the lower layer modulation section 12 is transmitted to the lower layer amplitude/phase control section 16 . The lower layer amplitude/phase control unit 16 forms a broad radiation beam so as to target a plurality of terminal stations. When forming a broad beam, it is better to provide a difference in the amplitudes (B 1 to B 6 ) of the lower layer amplitude/phase control section 16 . For example, by setting the amplitude of only B3 to √6 and setting the other B1 , B2, B4, B5, and B6 to 0, the normalized power of LL becomes the same value as that of UL, and the beam is maximized. Can be formed broad. Also, the beam shape formed by the lower layer amplitude/phase control unit 16 does not necessarily have to be broad, and it is possible to narrow the beam width and variably control the beam direction as in the upper layer.

上位階層振幅/位相制御部15からの信号と下位階層振幅/位相制御部16からの信号は、合成部17で合成される。ここで、上位階層変調部11の変調信号生成タイミングと下位階層変調部12の変調信号生成タイミングは、同じであることが望ましい。OFDM信号を用いる場合には、上位階層変調部11と下位階層変調部12で同じシンボルタイミングを用いることになる。
合成部17で合成された信号は、RF変換部18にてRF信号に変換され、アンテナ部19から送出される。
The signal from the upper layer amplitude/phase control section 15 and the signal from the lower layer amplitude/phase control section 16 are combined in the combining section 17 . Here, it is desirable that the modulation signal generation timing of the upper hierarchical modulation section 11 and the modulation signal generation timing of the lower hierarchical modulation section 12 are the same. When an OFDM signal is used, the same symbol timing is used in the upper layer modulation section 11 and the lower layer modulation section 12 .
The signal synthesized by the synthesizing section 17 is converted into an RF signal by the RF converting section 18 and sent out from the antenna section 19 .

RF変換部18やアンテナ部19は、アナログ素子であるため、特性の個体差が発生する。そこで、上位階層振幅/位相制御部15と下位階層振幅/位相制御部16は、これらの個体差を予め何らかの手法で求めておき、個体差を軽減するためのキャリブレーション係数をオフセットしておけばよい。個体差の測定手法に関しては、本発明に直接関わらないため、ここでは言及しない。 Since the RF conversion unit 18 and the antenna unit 19 are analog elements, individual differences in characteristics occur. Therefore, if the upper layer amplitude/phase control unit 15 and the lower layer amplitude/phase control unit 16 obtain these individual differences in advance by some method, and offset the calibration coefficients to reduce the individual differences. good. Since the method for measuring individual differences is not directly related to the present invention, it will not be mentioned here.

図5は、第1実施例におけるUL及びLLのビーム形状の例を示している。同図では、実線で示すUL(データ信号)のビーム幅を狭くし、点線で示すLL(制御信号)のビーム幅を広くしている。このように、第1実施例の無線通信装置では、UL、LLは独立にビーム形成される。 FIG. 5 shows an example of UL and LL beam shapes in the first embodiment. In the figure, the beam width of UL (data signal) indicated by a solid line is narrowed, and the beam width of LL (control signal) indicated by a dotted line is widened. Thus, in the radio communication apparatus of the first embodiment, UL and LL are beamformed independently.

次に、受信側(例えば、図4の端末局22~24)の処理について説明を行う。
OFDMの場合、UL信号とLL信号のタイミングが完全に一致していれば、UL、LL共に各サブキャリアの直交性は保たれ、受信側でのコンスタレーションは図6Aや図6Bのように観測される。
Next, processing on the receiving side (for example, terminal stations 22 to 24 in FIG. 4) will be described.
In the case of OFDM, if the timings of the UL signal and the LL signal are perfectly matched, the orthogonality of each subcarrier is maintained for both UL and LL, and the constellation on the receiving side is observed as shown in FIGS. 6A and 6B. be done.

図6Aは、ULのアンテナ利得が最大の方向における受信側のコンスタレーションの例を示している。○印で示すUL信号は16QAMで変調され、×印で示すLL信号はQPSKで変調されているものとする。コンスタレーションとしては×印のみが観測されるが、観測された受信信号から○印で示すUL信号を復調することができる。このとき、×印で示したLL信号はUL信号にとって雑音として振る舞う。 FIG. 6A shows an example of a receiver constellation in the direction of maximum UL antenna gain. It is assumed that the UL signal indicated by the circle is modulated by 16QAM, and the LL signal indicated by the cross is modulated by QPSK. Although only x marks are observed as a constellation, UL signals indicated by ◯ marks can be demodulated from the observed received signals. At this time, the LL signal indicated by the cross acts as noise for the UL signal.

ここで、UL受信電力対LL受信電力比について説明する。
ULの総送信電力とLLの総送信電力を等しい電力に設定し、LLは無指向のアンテナ利得と仮定する。この場合、ULのアンテナ利得が最大の方向では、UL受信電力はLL受信電力に対して20log10(N)[dB]大きくなる。このため、受信部のLNA(Low Noise Amplifier)で発生する熱雑音がLL受信電力よりも十分小さい場合には、所要S/N比(Signal-to-Noise ratio)として20log10(N)[dB]の変調多値数を用いた伝送を行うことが可能である。
Here, the ratio of UL received power to LL received power will be described.
We set the UL total transmit power and the LL total transmit power to be equal power, and assume LL is the omni-directional antenna gain. In this case, the UL received power is 20 log 10 (N) [dB] larger than the LL received power in the direction in which the UL antenna gain is maximum. Therefore, if the thermal noise generated by the LNA (Low Noise Amplifier) of the receiving unit is sufficiently smaller than the LL received power, the required S/N ratio (Signal-to-Noise ratio) is 20 log 10 (N) [dB ] can be transmitted.

また、LL信号を復調する場合には、非特許文献1,2などに示されるように、UL信号を復調した後、UL信号のレプリカを生成して受信信号から減算することでLL信号を抽出するSIC(Successive Interference Canceller)や、ULとLLを一つの信号とみなし、ULとLLを一括して同時復調するMLD(Maximum Likelihood Detection)方式などがある。これらの方式を用いることで、UL信号(情報A)とLL信号(情報B)を再生することができる。 Further, when demodulating the LL signal, as shown in Non-Patent Documents 1 and 2, etc., after the UL signal is demodulated, the LL signal is extracted by generating a replica of the UL signal and subtracting it from the received signal. There is a SIC (Successive Interference Canceller) system that treats UL and LL as one signal, and an MLD (Maximum Likelihood Detection) system that collectively demodulates UL and LL simultaneously. By using these methods, the UL signal (information A) and the LL signal (information B) can be reproduced.

図6Bは、ULのアンテナ利得が小さい方向における受信側のコンスタレーションの例を示している。○印で示すUL信号は小さく、×印で示すLL信号の方が相対的に大きな値で受信されている。同図は、データ伝送を行っておらず制御信号のみを受信する端末局での例であり、LL信号である×印の信号を復調すればよい。このとき、LL信号に対して漏洩しているUL信号成分(○印)は雑音として振る舞うことになる。 FIG. 6B shows an example of a receive-side constellation in the direction where the UL antenna gain is small. The UL signal indicated by the circle is small, and the LL signal indicated by the cross is received with a relatively large value. The figure shows an example of a terminal station that does not transmit data and receives only control signals, and it is sufficient to demodulate the signals marked with x, which are LL signals. At this time, the UL signal component (marked with a circle) leaking to the LL signal behaves as noise.

このように、ULのアンテナ利得が最大となる方向ではUL信号とLL信号の両方を復調することが可能であり、それ以外の方向ではLL信号のみが復調可能である。こうすることによって、上記に記載したように基地局がセクタ内の複数の端末局を管理する場合であっても、制御信号を全ての端末に同時に送信することが可能となる。 Thus, both the UL signal and the LL signal can be demodulated in the direction in which the UL antenna gain is maximized, and only the LL signal can be demodulated in other directions. By doing so, even if the base station manages a plurality of terminal stations within a sector as described above, it is possible to transmit control signals to all terminals at the same time.

次に、図7を参照して、第1実施例に係る無線通信装置の別の利用例について説明する。図7は、図1に示した無線通信装置を基地局31及び端末局32(例えば、ヘリコプター)に搭載し、基地局31と移動する端末局32とがビーム追尾しながら双方向通信を行う例を示している。基地局31と端末局32は、データ信号については高いスループットを実現するために、互いにペンシルビームを用いて通信を行う。このとき、互いに相手方向にビームを制御するため、LLにブロードなビームを形成し、GPS(Global Positioning System)などで取得した自身の位置情報を含む制御信号を送信する。位置情報などはスループットが低くても構わないため、アンテナ利得の小さいブロードビームで伝送することができる。 Next, another usage example of the wireless communication device according to the first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 7 shows an example in which the wireless communication device shown in FIG. 1 is installed in a base station 31 and a terminal station 32 (for example, a helicopter), and two-way communication is performed while the base station 31 and the moving terminal station 32 follow beams. is shown. The base station 31 and the terminal station 32 communicate with each other using a pencil beam in order to achieve high throughput for data signals. At this time, in order to control the beam in each other's direction, a broad beam is formed on the LL and a control signal including its own position information obtained by a GPS (Global Positioning System) or the like is transmitted. Since it does not matter if the throughput of location information is low, it can be transmitted by a broad beam with a small antenna gain.

また、LLによる位置情報の送信は、端末局が移動しない場合においても有効である。すなわち、基地局からGPS位置情報などを含む制御情報を全ての端末局にブロードキャスト伝送することで、各端末局は基地局の位置を正確に把握することができるので、端末局から基地局側へデータ送信する際に、高い伝送効率が得られるビーム制御を行うことが可能となる。 Also, transmission of location information by LL is effective even when the terminal station does not move. That is, by broadcasting control information including GPS position information from a base station to all terminal stations, each terminal station can accurately grasp the position of the base station. When transmitting data, it is possible to perform beam control that provides high transmission efficiency.

以上のように、第1実施例に係る無線通信装置は、データ信号を送信するULのビームと、データ信号の送信の制御に使用される制御信号を送信するLLのビームとを、同一の周波数及び時間で空間に出力するアンテナ部19と、UL、LLの各ビームの電力比を調整する上位IL制御部13及び下位IL制御部14と、UL、LLの各ビームの幅を制御する上位階層振幅/位相制御部15及び下位階層振幅/位相制御部16とを備えている。そして、上位階層振幅/位相制御部15及び下位階層振幅/位相制御部16により、ULのビームの幅を狭くし、LLのビームの幅を広くする制御を行う構成となっている。また、上位IL制御部13及び下位IL制御部14により、ULのビームの送信方向及びULのビームの幅の範囲において、ULのビームの放射電力の方がLLのビームの放射電力より大きく、且つ所定の電力差以上になるように調整する構成となっている。 As described above, the radio communication apparatus according to the first embodiment uses the same frequency for the UL beam for transmitting the data signal and the LL beam for transmitting the control signal used for controlling the transmission of the data signal. And an antenna unit 19 that outputs to space in time, an upper IL control unit 13 and a lower IL control unit 14 that adjust the power ratio of each beam of UL and LL, and an upper layer that controls the width of each beam of UL and LL An amplitude/phase control section 15 and a lower layer amplitude/phase control section 16 are provided. The upper layer amplitude/phase control unit 15 and the lower layer amplitude/phase control unit 16 are configured to narrow the width of the UL beam and widen the width of the LL beam. Further, by the upper IL control unit 13 and the lower IL control unit 14, the radiated power of the UL beam is greater than the radiated power of the LL beam in the transmission direction of the UL beam and the range of the UL beam width, and It is configured to adjust so that the power difference is equal to or greater than a predetermined power difference.

したがって、第1実施例に係る無線通信装置は、例えば、基地局に搭載することで、基地局がセクタ内の全ての端末に制御信号を送信しつつ、これと同時に、特定の端末局に対してはデータ信号を送信することが可能となる。また、例えば、制御信号として無線通信装置の位置情報を送信することで、端末局から基地局側へデータ送信する際に、高い伝送効率が得られるビーム制御を行えるようになる。また、例えば、通信相手の一方又は双方が移動する場合に、互いの位置情報を制御信号で通知し合うことで、ビーム追尾しながら双方向通信を行えるようになる。このように、種類が異なる複数のデータを同一の周波数及び時間で効率的に送信することが可能となる。 Therefore, by installing the radio communication apparatus according to the first embodiment in a base station, for example, the base station transmits a control signal to all terminals in a sector, and at the same time, a specific terminal station data signals can be transmitted. Also, for example, by transmitting the position information of the wireless communication device as a control signal, it is possible to perform beam control with high transmission efficiency when transmitting data from the terminal station to the base station side. Further, for example, when one or both of the communication partners move, by notifying each other of position information using control signals, two-way communication can be performed while tracking the beam. In this way, it is possible to efficiently transmit a plurality of different types of data with the same frequency and time.

(第2実施例)
本発明の第2実施例に係る無線通信装置について説明する。第2実施例では、第1実施例とは異なり、LLに第1のデータ信号を割り当て、ULに第1のデータ信号とは異なる第2のデータ信号を割り当てる場合について説明する。なお、ビーム形成は、第1実施例と同じく、ULを鋭いペンシルビームとし、LLをブロードなビームとする。
(Second embodiment)
A radio communication apparatus according to a second embodiment of the present invention will be described. In the second embodiment, unlike the first embodiment, a case will be described where a first data signal is assigned to LL and a second data signal different from the first data signal is assigned to UL. As for beam formation, the UL is a sharp pencil beam and the LL is a broad beam, as in the first embodiment.

第2実施例では、LL信号に大きな総送信電力を割り当て、UL信号に小さな総送信電力を割り当てる。第1実施例では、UL、LL共に同一の0.5[W]の送信電力としており、ULとLLの合計で1[W]の送信電力としていた。第1実施例と比較し易くするため、第2実施例でもULとLLの合計の送信電力を1[W]として説明する。 In a second embodiment, the LL signal is allocated a large total transmit power and the UL signal a small total transmit power. In the first embodiment, the same transmission power of 0.5 [W] is used for both UL and LL, and the total transmission power of UL and LL is set to 1 [W]. For ease of comparison with the first embodiment, the second embodiment also assumes that the total transmission power of UL and LL is 1 [W].

LL信号に大きな送信電力を割り当てるので、下位IL制御部14で使用する係数βは、上位IL制御部13で使用する係数αよりも大きな値を設定する(すなわち、β>α)。LLとULの相対電力差をγ[dB]とすると、正規化電力を1とするため、βとαの値は下記(式1)で表される。

Figure 0007140907000001
Since a large transmission power is allocated to the LL signal, the coefficient β used in the lower IL control section 14 is set to a larger value than the coefficient α used in the upper IL control section 13 (that is, β>α). Assuming that the relative power difference between LL and UL is γ [dB], the normalized power is 1, so the values of β and α are expressed by the following (equation 1).
Figure 0007140907000001

ここで、第2実施例では、UL信号は第1実施例と同様にビーム形成されているので、20log10(N)[dB]のアンテナ利得を有している。図8には、第2実施例におけるUL及びLLのビーム形状の例を示している。同図では、実線で示すUL(第1のデータ信号)のビーム幅を狭くし、点線で示すLL(第1のデータ信号)のビーム幅を広くしている。このように、第2実施例の無線通信装置では、UL、LLは独立にビーム形成される。Here, in the second embodiment, since the UL signal is beamformed in the same manner as in the first embodiment, it has an antenna gain of 20log 10 (N) [dB]. FIG. 8 shows examples of UL and LL beam shapes in the second embodiment. In the figure, the beam width of UL (first data signal) indicated by a solid line is narrowed, and the beam width of LL (first data signal) indicated by a dotted line is widened. Thus, in the radio communication apparatus of the second embodiment, UL and LL are beamformed independently.

ULに対してLLの電力はγ[dB]大きく、ULは20log10(N)[dB]のアンテナ利得があるため、LLとULの電力差はγ-20log10(N)[dB]である。図8に示すように、点線で示したブロードなビーム幅のLL信号により、第2のデータ信号を高いスループットでブロードキャスト通信することができる。この場合には、LLの変調多値数は64QAMや256QAMなどの高次の変調多値数が適している。LL power is γ [dB] larger than UL, and UL has an antenna gain of 20 log 10 (N) [dB], so the power difference between LL and UL is γ-20 log 10 (N) [dB] . As shown in FIG. 8, the broad beamwidth LL signal indicated by the dashed line allows the second data signal to be broadcast with high throughput. In this case, a high-order modulation multilevel number such as 64QAM or 256QAM is suitable for the LL modulation multilevel number.

また、実線で示したペンシルビームのUL信号により、特定方向の端末には第2のデータのブロードキャスト伝送の他に、第1のデータを伝送することができる。この場合には、ULの変調多値数は、16QAMなどのLLより低次の変調多値数を用いることが望ましい。 In addition, by the UL signal of the pencil beam shown by the solid line, the first data can be transmitted to the terminal in the specific direction in addition to the broadcast transmission of the second data. In this case, it is desirable to use a lower-order modulation multilevel number than LL, such as 16QAM, as the UL modulation multilevel number.

以上のように、第2実施例に係る無線通信装置は、上位IL制御部13及び下位IL制御部14により、ULのビームの送信方向及びULのビームの幅の範囲において、LLのビームの放射電力の方がULのビームの放射電力より大きく、且つ所定の電力差以上になるように調整する構成となっている。このような制御を行うことで、ブロードキャスト伝送に加えて、特定の方向にいる相手には比較的高いスループットで別のデータを伝送することが可能となる。 As described above, the radio communication apparatus according to the second embodiment uses the upper IL control unit 13 and the lower IL control unit 14 to radiate the LL beam in the transmission direction of the UL beam and the range of the UL beam width. The power is adjusted so that it is greater than the radiation power of the UL beam and equal to or greater than a predetermined power difference. By performing such control, in addition to the broadcast transmission, it becomes possible to transmit other data with a relatively high throughput to the other party in a specific direction.

(第3実施例)
本発明の第3実施例に係る無線通信装置について説明する。第1、第2実施例では、ULとLLを合成部17でデジタル処理により合成していた。これに対し、第3実施例は、ULとLLの合成をアナログ回路での合成、もしくはアンテナ出力後の空間合成する構成である。すなわち、第3実施例に係る無線通信装置は、第1、第2実施例のようにUL、LLの各ビームの幅をデジタル方式で制御する構成に代えて、UL、LLの各ビームの幅をアナログ方式で制御する構成となっている。
(Third embodiment)
A radio communication apparatus according to a third embodiment of the present invention will be described. In the first and second embodiments, the UL and LL are synthesized by the synthesizing unit 17 by digital processing. On the other hand, the third embodiment has a configuration in which UL and LL are combined in an analog circuit or spatially combined after antenna output. That is, in the radio communication apparatus according to the third embodiment, instead of the configuration in which the widths of the UL and LL beams are digitally controlled as in the first and second embodiments, the widths of the UL and LL beams are controlled. is controlled by an analog method.

デジタル合成の場合では、アンテナ素子数Nが大きくなると(例えば、N>32の場合)、装置規模が大きくなってしまうという問題が存在する。この問題は、デジタルビーム形成とアナログビーム形成のハイブリッド構成や、アナログビーム形成のみの構成を用いることで解決することができる。本発明の主眼である、異なるビーム形成を行う階層分割多重伝送においては、デジタルビーム形成やアナログビーム形成などのビーム形成手法に関しては依存しないため、どのようなビーム形成手法を用いてもよい。なお、ビーム走査する場合には、レンズアンテナによるビーム走査や、機械式によるビーム走査のアンテナを用いてもよい。 In the case of digital synthesis, when the number of antenna elements N increases (for example, when N>32), there is a problem that the scale of the device increases. This problem can be solved by using a hybrid configuration of digital and analog beamforming, or a configuration of analog beamforming only. Hierarchical division multiplexing transmission that forms different beams, which is the main focus of the present invention, does not depend on beam forming methods such as digital beam forming and analog beam forming, so any beam forming method may be used. In the case of beam scanning, a lens antenna for beam scanning or a mechanical beam scanning antenna may be used.

以下に、パラボラアンテナを用いる場合のビーム制御について説明する。この場合は、パラボラアンテナの焦点を変えることで、ビーム幅の制御が可能である。
一般的なパラボラアンテナは、図9に示すように、放射器41と、反射鏡42とを備える。放射器41から反射鏡42に向かって放射された電波は、反射鏡42によって反射され、前方方向にビームが形成される。このとき、放射器41と反射鏡42の焦点位置が合致していると、理想的には図9のように平行ビームとなり、ビームは狭く、アンテナ利得は大きくなる。なお、逆に放射器41と反射鏡42の焦点位置がずれると、ビームは広く、アンテナ利得は小さくなる。
Beam control when using a parabolic antenna will be described below. In this case, the beam width can be controlled by changing the focal point of the parabolic antenna.
A general parabolic antenna includes a radiator 41 and a reflector 42, as shown in FIG. Radio waves radiated from radiator 41 toward reflecting mirror 42 are reflected by reflecting mirror 42 to form a beam in the forward direction. At this time, if the focal positions of the radiator 41 and the reflecting mirror 42 match, ideally the parallel beams are formed as shown in FIG. 9, the beams are narrow, and the antenna gain is large. Conversely, when the focal positions of the radiator 41 and the reflector 42 are shifted, the beam becomes wider and the antenna gain becomes smaller.

第3実施例に係る無線通信装置に使用できるパラボラアンテナは、図10に示すように、第1の放射器41と、第2の放射器51と、反射鏡42とを備える。すなわち、一般的なパラボラアンテナに第2の放射器51を追加した構成となっている。同図では、第2の放射器51を反射鏡42の焦点位置からずらして配置し、第1の放射器41を反射鏡42の焦点位置となるように配置してある。第1放射器41ではUL信号を送出し、第2の放射器51ではLL信号を送出する。 A parabolic antenna that can be used in the wireless communication device according to the third embodiment includes a first radiator 41, a second radiator 51, and a reflector 42, as shown in FIG. That is, it has a configuration in which a second radiator 51 is added to a general parabolic antenna. In the figure, the second radiator 51 is arranged to be shifted from the focal position of the reflector 42 and the first radiator 41 is arranged to be the focal position of the reflector 42 . The first radiator 41 emits a UL signal, and the second radiator 51 emits an LL signal.

第1の放射器41は反射鏡42の焦点位置にあり、アンテナ利得が高く、幅の狭いビーム(平行ビーム)が形成される。一方、第2の放射器51は反射鏡42の焦点位置とはずれており、アンテナ利得が低く、幅の広いビームが形成される。そこで、第1の放射器41によるビームをUL信号の送信に利用し、第2の放射器51によるビームをLL信号の送信に利用することで、図5に示すようなLDM信号を生成することができる。このように、第3実施例では、第1の放射器41及び第2の放射器51の配置を調整することで、ULのビームの幅を狭くし、LLのビームの幅を広くしている。 The first radiator 41 is located at the focal position of the reflector 42, has a high antenna gain, and forms a narrow beam (parallel beam). On the other hand, the second radiator 51 is deviated from the focal position of the reflector 42, so that the antenna gain is low and a wide beam is formed. Therefore, the beam from the first radiator 41 is used for transmitting the UL signal, and the beam from the second radiator 51 is used for transmitting the LL signal, thereby generating an LDM signal as shown in FIG. can be done. Thus, in the third embodiment, the UL beam width is narrowed and the LL beam width is widened by adjusting the arrangement of the first radiator 41 and the second radiator 51. .

第3実施例では、第1実施例のようにUL信号を電子的にビーム走査することが困難であるため、ビーム走査を行うにはアンテナ自体を機械的に回転させる必要がある。しかしながら、その反面、第1実施例と比較して、非常に安価にLDM構成を提供することが可能である。 In the third embodiment, it is difficult to electronically beam scan the UL signal as in the first embodiment, so the antenna itself must be mechanically rotated for beam scanning. However, on the other hand, it is possible to provide the LDM configuration at a very low cost compared to the first embodiment.

(第4実施例)
本発明の第4実施例に係る無線通信装置について説明する。ULとLLで用いるデジタル変調方式には、絶対振幅と絶対位相に情報を乗せて伝送行う同期検波方式と、相対的な振幅と位相に情報を乗せて伝送する差動検波方式がある。同期検波を行う場合には、受信側で絶対振幅と絶対位相を把握する必要がある。これに対し、差動検波方式を行う場合には、近隣の時間と周波数はコヒーレント性を有していると仮定し、その差分を利用するため、絶対振幅と絶対位相を把握する必要はない。
(Fourth embodiment)
A radio communication apparatus according to a fourth embodiment of the present invention will be described. Digital modulation schemes used in UL and LL include a synchronous detection scheme in which information is transmitted on absolute amplitude and absolute phase, and a differential detection scheme in which information is transmitted on relative amplitude and phase. When performing synchronous detection, it is necessary to grasp the absolute amplitude and the absolute phase on the receiving side. On the other hand, when the differential detection method is performed, it is assumed that adjacent time and frequency have coherence, and the difference is used, so there is no need to grasp the absolute amplitude and absolute phase.

同期検波では、振幅と位相が既知であるパイロット信号を用いることが多い。具体的には、パイロット信号を帯域内の時間、周波数に分散して配置し、受信側では受信したパイロット信号に対して周波数、時間方向に内挿補間を行うことで、伝送路の特性を推定する。そして、復調処理において、推定した伝送路特性に基づいて、同期検波処理を行う。 Coherent detection often uses a pilot signal whose amplitude and phase are known. Specifically, the pilot signals are distributed over time and frequency within the band, and the receiving side interpolates the received pilot signals in the frequency and time directions to estimate the characteristics of the transmission path. do. Then, in demodulation processing, synchronous detection processing is performed based on the estimated channel characteristics.

第1~第3実施例では、送信側でのULとLLの振幅と位相の関係は、受信側においては保持されない。したがって、ULを復調するためのパイロット信号とLLを復調するためのパイロット信号を用いる必要がある。そのため、時間、周波数、あるいは符号で直交するような関係で、ULパイロット信号とLLパイロット信号を伝送帯域内に配置する。 In the first to third embodiments, the relationship between the amplitude and phase of UL and LL on the transmitting side is not maintained on the receiving side. Therefore, it is necessary to use a pilot signal for demodulating the UL and a pilot signal for demodulating the LL. Therefore, the UL pilot signal and the LL pilot signal are arranged in the transmission band so that they are orthogonal in time, frequency, or code.

図11は、第4実施例におけるパイロット信号の配置の例を示してある。図11の横軸は周波数方向を表している。同図では、周波数領域で直交する関係でULパイロット信号とLLパイロット信号を配置している。 FIG. 11 shows an example of pilot signal arrangement in the fourth embodiment. The horizontal axis of FIG. 11 represents the frequency direction. In the figure, UL pilot signals and LL pilot signals are arranged so as to be orthogonal in the frequency domain.

次に、符号領域で直交関係を保持する場合について説明する。ULパイロット信号をPUL、LLパイロット信号をPLLとすると、偶数シンボルではPeven=PUL+PLLを送信し、奇数シンボルではPodd =PUL-PLLを送信する。受信側では、ULパイロット信号を抽出する場合には、PUL=0.5(Peven+Podd )の演算を行い、LLパイロット信号を抽出する場合には、PLL=0.5(Peven-Podd )の演算を行えばよい。Next, the case where orthogonality is maintained in the code domain will be described. Assuming that the UL pilot signal is P UL and the LL pilot signal is P LL , even symbols transmit P even =P UL +P LL , and odd symbols transmit P odd =P UL -P LL . On the receiving side, when extracting the UL pilot signal, P UL =0.5 (P even +P odd ) is calculated, and when extracting the LL pilot signal, P LL =0.5 (P even -P odd ).

このように、ULとLLを直交するような関係でパイロット信号を配置することで、同期検波方式であっても復調することが可能となる。
また更に、ULとLLで同期検波と差動検波を組合せて実現することも可能である。この場合には、同期検波の階層にのみパイロット信号を配置すれば良い。
上記の説明は、OFDM信号などのマルチキャリア方式に適する方式であるが、シングルキャリア方式であっても、時間的に直交するような関係で振幅、位相を既知とするプリアンブル信号を配置すればよい。
In this way, by arranging the pilot signals so that the UL and LL are orthogonal to each other, it is possible to demodulate even with the coherent detection method.
Furthermore, it is also possible to combine synchronous detection and differential detection in UL and LL. In this case, the pilot signal should be arranged only in the hierarchy of coherent detection.
The above description is suitable for multi-carrier systems such as OFDM signals, but even for single-carrier systems, preamble signals with known amplitudes and phases may be arranged in a temporally orthogonal relationship. .

以上、本発明について第1~第4実施例に基づいて詳細に説明したが、本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、上記以外にも広く適用することができることは言うまでもない。例えば、上記の説明では、上位階層(UL)と下位階層(LL)の2階層を用いて2種類のデータを送信しているが、3階層以上に分けて3種類以上のデータを送信するようにしてもよい。
また、本発明は、例えば、本発明に係る処理を実行する方法や方式、そのような方法や方式を実現するためのプログラム、そのプログラムを記憶する記憶媒体などとして提供することも可能である。
Although the present invention has been described in detail based on the first to fourth embodiments, it is needless to say that the present invention is not limited to these embodiments and can be widely applied to applications other than those described above. For example, in the above explanation, two types of data are transmitted using two layers, the upper layer (UL) and the lower layer (LL). can be
The present invention can also be provided as, for example, a method or system for executing processing according to the present invention, a program for realizing such a method or system, or a storage medium for storing the program.

本発明は、種類が異なる複数のデータを同一の周波数及び時間で送信する場合に有効である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is effective when transmitting a plurality of data of different types with the same frequency and time.

11:上位階層変調部、 12:下位階層変調部、 13:上位IL制御部、 14:下位IL制御部、 15:上位階層振幅/位相制御部、 16:下位階層振幅/位相制御部、 17:合成部、 18:RF変換部、 19:アンテナ部、
21,31:基地局、 22~24,32:端末局、
41,51:放射器、 42:反射鏡、
100:ULデータ処理部、 101:LLデータ処理部、 121U:UL誤り訂正符号化部、121L:LL誤り訂正符号化部、 122U:ULキャリア変調部、122L:LLキャリア変調部、 123U,123L:電力調整部、 124:合成部、 125:OFDM変調部、 126:送信アンテナ、 130:受信アンテナ、 131:OFDM復調部、 132;ULキャリア復調部、 133:UL誤り訂正復号化部、 134:レプリカ生成部、 135:除去処理部、 136:LLキャリア復調部、 137:LL誤り訂正復号化部
11: Upper layer modulation section 12: Lower layer modulation section 13: Upper IL control section 14: Lower IL control section 15: Upper layer amplitude/phase control section 16: Lower layer amplitude/phase control section 17: synthesizing unit, 18: RF conversion unit, 19: antenna unit,
21, 31: base station, 22 to 24, 32: terminal station,
41, 51: Radiator, 42: Reflector,
100: UL data processing unit, 101: LL data processing unit, 121U: UL error correction coding unit, 121L: LL error correction coding unit, 122U: UL carrier modulation unit, 122L: LL carrier modulation unit, 123U, 123L: Power adjustment unit 124: Combining unit 125: OFDM modulation unit 126: Transmission antenna 130: Reception antenna 131: OFDM demodulation unit 132: UL carrier demodulation unit 133: UL error correction decoding unit 134: Replica generator, 135: removal processor, 136: LL carrier demodulator, 137: LL error correction decoder

Claims (8)

複数のデータを階層分割多重方式で送信する無線通信装置において、
第1データを送信する第1ビームと、前記第1データとは種類が異なる第2データを送信する第2ビームとを、同一の周波数及び時間で空間に出力するアンテナと、
前記第1ビーム及び前記第2ビームの電力比を調整する電力比調整部と、
前記第1ビーム及び前記第2ビームの幅を制御するビーム幅制御部とを備え、
前記第1データは、当該無線通信装置が通信可能な複数の無線局のうちの特定の無線局に対するデータであり、
前記第2データは、前記第1データの送信の制御に使用されるデータであり、前記第1データに比べて低い伝送レートであり、前記特定の無線局を含む前記複数の無線局とタイミング同期を取るための情報が含まれており、
前記ビーム幅制御部は、前記第1ビームの幅を狭くし、前記第2ビームの幅を広くする制御を行い、
前記アンテナは、幅狭に制御された前記第1ビームを前記特定の無線局の方向に出力し、幅広に制御された前記第2ビームを前記複数の無線局を含む範囲に出力することを特徴とする無線通信装置。
In a wireless communication device that transmits a plurality of data by hierarchical division multiplexing,
an antenna that outputs a first beam for transmitting first data and a second beam for transmitting second data different in type from the first data in space at the same frequency and time;
a power ratio adjustment unit that adjusts the power ratio of the first beam and the second beam;
A beam width control unit that controls the widths of the first beam and the second beam,
the first data is data for a specific radio station among a plurality of radio stations with which the radio communication device can communicate;
The second data is data used for controlling transmission of the first data, has a transmission rate lower than that of the first data, and is timing synchronized with the plurality of radio stations including the specific radio station. contains information for taking
The beam width control unit narrows the width of the first beam and widens the width of the second beam,
The antenna outputs the narrowly controlled first beam in the direction of the specific radio station, and outputs the widely controlled second beam to a range including the plurality of radio stations. wireless communication device.
請求項に記載の無線通信装置において、
前記電力比調整部は、前記第1ビームの送信方向及び前記第1ビームの幅の範囲において、前記第1ビームの放射電力の方が前記第2ビームの放射電力より大きく、且つ所定の電力差以上になるように調整することを特徴とする無線通信装置。
The wireless communication device according to claim 1 ,
The power ratio adjustment unit is configured such that, in the transmission direction of the first beam and the range of the width of the first beam, the radiation power of the first beam is greater than the radiation power of the second beam, and a predetermined power difference A wireless communication device characterized by adjusting as above.
請求項に記載の無線通信装置において、
前記電力比調整部は、前記第1ビームの送信方向及び前記第1ビームの幅の範囲において、前記第2ビームの放射電力の方が前記第1ビームの放射電力より大きく、且つ所定の電力差以上になるように調整することを特徴とする無線通信装置。
The wireless communication device according to claim 1 ,
The power ratio adjustment unit is configured such that, in the range of the transmission direction of the first beam and the width of the first beam, the radiation power of the second beam is greater than the radiation power of the first beam, and a predetermined power difference A wireless communication device characterized by adjusting as above.
請求項に記載の無線通信装置において、
前記第2データには、当該無線通信装置の位置情報が含まれることを特徴とする無線通信装置。
The wireless communication device according to claim 1 ,
A wireless communication device, wherein the second data includes location information of the wireless communication device.
請求項1に記載の無線通信装置において、
前記ビーム幅制御部は、前記第1ビーム及び前記第2ビームの幅をデジタル方式で制御することを特徴とする無線通信装置。
The wireless communication device according to claim 1,
The wireless communication device, wherein the beam width control unit digitally controls the widths of the first beam and the second beam.
請求項1に記載の無線通信装置において、
前記ビーム幅制御部は、前記第1ビーム及び前記第2ビームの幅をアナログ方式で制御することを特徴とする無線通信装置。
The wireless communication device according to claim 1,
The wireless communication device, wherein the beam width controller controls the widths of the first beam and the second beam in an analog manner.
請求項1に記載の無線通信装置において、
前記アンテナは、反射鏡と、前記反射鏡に前記第1データの電波を放射して前記第1ビームを発生させる第1の放射器と、前記反射鏡に前記第2データの電波を放射して前記第2ビームを発生させる第2の放射器とを有し、
前記ビーム幅制御部は、前記反射鏡に対する前記第1の放射器の位置及び前記第2の放射器の位置の調整により、前記第1ビーム及び前記第2ビームの幅を制御することを特徴とする無線通信装置。
The wireless communication device according to claim 1,
The antenna includes a reflector, a first radiator that radiates radio waves of the first data to the reflector to generate the first beam, and a radio wave of the second data that is radiated to the reflector. a second radiator for generating the second beam;
The beam width control unit controls the width of the first beam and the second beam by adjusting the position of the first radiator and the position of the second radiator with respect to the reflecting mirror. wireless communication device.
請求項1に記載の無線通信装置において、
前記第1データの復調に使用されるパイロット信号と前記第2データの復調に使用されるパイロット信号とを、時間、周波数、または符号の領域で直交する関係で配置して送信することを特徴とする無線通信装置。
The wireless communication device according to claim 1,
A pilot signal used for demodulating the first data and a pilot signal used for demodulating the second data are arranged in an orthogonal relationship in the time, frequency, or code domain and transmitted. wireless communication device.
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