JP7690185B2 - 協調無線装置及びそのプログラム - Google Patents

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Description

本発明は、無線双方向時刻同期技術を用いる協調無線装置及びそのプログラムに関する。
従来、光ファイバ等のケーブルを利用した基地局間同期による協調無線通信が提案されている（非特許文献１）。この協調無線通信は、分散配置された基地局間で信号送信を協調して行うことで、端末における通信性能（スループット等）を向上させる。例えば、端末において電波が同相で受信できるように、基地局から送信する信号を制御すれば、端末における受信信号電力を大幅に向上させることができる。
協調無線通信として代表的な従来手法が、３ＧＰＰで標準化されたＣｏＭＰ（Coordinated Multi-Point access）である（非特許文献２）。ＣｏＭＰでは、各基地局から送信するデータの信号をマスタ基地局が生成し、マスタ基地局が各基地局との間でケーブルを介して同期を行った上で、各基地局が信号を送信する。なお、マスタ基地局とは、各基地局の中から予め選択した１台の基地局のことである。
このＣｏＭＰでは、基地局間のケーブル敷設工事が必要となり、その工事や保守に要するコストが高くなる。例えば、工事現場で一時的に基地局を設置する場合、ＣｏＭＰは、コストが高いため、適さないと考えられる。そこで、光ファイバ等のケーブル敷設に代えて、無線双方向時刻同期技術を用いれば、工事や保守のコストを低減できると考えられる。
なお、無線双方向時刻同期技術とは、ワイワイ（Ｗｉ－Ｗｉ：Wireless two-way interferometry）とも呼ばれ、離れた場所にある無線デバイスの時刻を正確に合わせるものである（非特許文献３～５）。
ＮＴＴドコモ、「LTE-Advanced におけるRemote Radio Headを用いた下りリンクCoMP Coherent Joint Transmission の屋外実験」、2013年. 3GPP TR 36.741 V14.0.0, "Study on further enhancements to Coordinated Multi-Point (CoMP) Operation for LTE," Release 14, 2017年. 「無線双方向時刻比較技術」、［online］、［令和３年２月５日検索］、インターネット<URL：https://www2.nict.go.jp/sts/tft/rsc_wiwi.html> 「時空間認証基盤」、［online］、［令和３年２月５日検索］、インターネット<URL：https://shingi.jst.go.jp/var/rev0/0000/4254/2016_kisoken1_3.pdfl> 「6 時空標準技術の社会実装を目指して」、［online］、［令和３年２月５日検索］、インターネット<URL：https://www.nict.go.jp/publication/shuppan/kihou-journal/houkoku65-2_HTML/2019S-06-01(05-01).pdf>
しかしながら、前記したワイワイでは、基地局間で搬送周波数の位相同期は確立できるものの、電波伝搬路における位相変動補償を行っていないため、端末における受信信号電力の向上が困難である。
そこで、本発明は、電波伝搬路における位相変動補償を行う協調無線装置及びそのプログラムを提供することを課題とする。
前記課題を解決するため、本発明に係る協調無線装置は、無線双方向時刻同期技術を用いて、基地局である協調無線装置と他の協調無線装置との間で搬送波の周波数の同期と時刻の同期とが確立されている協調無線装置であって、端末である受信装置から協調無線装置への上り回線で受信したトレーニング信号に基づいて、受信装置と協調無線装置との間の電波伝搬特性を推定する伝搬推定部と、協調無線装置から受信装置への下り回線で送信するデータを、電波伝搬特性が示す電波伝搬路の位相回転で補償する位相補償部と、位相補償部が補償したデータを下り回線で受信装置に送信する送信部と、他の協調無線装置の中から予め選択した１台のマスタ協調無線装置と協調無線装置との時刻差の閾値処理、及び、トレーニング信号の受信電力の閾値処理によって、協調無線に参加するか否かを判定する制御部と、を備え、伝搬推定部は、電波伝搬特性の影響を受けていない周波数領域の基準トレーニング信号を予め設定し、電波伝搬特性の影響を受けた周波数領域のトレーニング信号と基準トレーニング信号との比に基づいて、トレーニング信号を送信した周波数について、電波伝搬特性を推定し、送信部は、制御部が協調無線に参加すると判定した場合、データを受信装置に送信する構成とした。
かかる構成によれば、協調無線装置は、受信装置と協調無線装置との間の電波伝搬特性を推定し、電波伝搬路における位相変動補償を行うことができる。
なお、本発明は、コンピュータを、前記した協調無線装置として機能させるためのプログラムで実現することもできる。
本発明によれば、電波伝搬路における位相変動補償を行うことができる。
第１実施形態に係る協調無線通信システムの全体構成の第１例を示す図である。 第１実施形態に係る協調無線通信システムの全体構成の第２例を示す図である。 第１実施形態に係る協調無線通信システムの全体構成の第３例を示す図である。 第１実施形態に係る協調無線通信システムの全体構成の第４例を示す図である。 第１実施形態に係る協調無線通信システムの構成を示すブロック図である。 第１実施形態において、時分割多重のときのトレーニング信号を説明する説明図である。 第１実施形態において、時分割多重及び周波数分割多重のときのトレーニング信号を説明する説明図である。 第１実施形態において、データの受信タイミングがずれている状態を説明する説明図である。 第１実施形態において、データの受信タイミングが一致している状態を説明する説明図である。 第１実施形態において、端末と基地局との協調無線通信の第１例を説明する説明図である。 第１実施形態において、端末と基地局との協調無線通信の第２例を説明する説明図である。 第１実施形態において、端末と基地局との協調無線通信の第３例を説明する説明図である。 第１実施形態に係る協調無線通信システムの動作を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る協調無線通信システムの全体構成の第１例を示す図である。 第２実施形態に係る協調無線通信システムの全体構成の第２例を示す図である。 第２実施形態に係る協調無線通信システムの構成を示すブロック図である。 第２実施形態に係る協調無線通信システムの動作を示すフローチャートである。 実施例において、協調無線通信システムのシミュレーション結果を示すグラフである。
以下、本発明の各実施形態について図面を参照して説明する。但し、以下に説明する各実施形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本発明を以下のものに限定しない。また、同一の手段には同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。
（第１実施形態）
［協調無線通信システムの全体構成］
図１～図４を参照し、第１実施形態に係る協調無線通信システム１の全体構成について説明する。
図１に示すように、協調無線通信システム１は、端末１０と、複数の基地局２０（２０１～２０ｉ）と、複数のモジュール３０（３０１～３０ｉ）と、を備える（但し、ｉは２以上の自然数）。なお、モジュール３０を「ワイワイ」と図示した。
ここで、本実施形態では、一例として、端末１０が「受信装置」であり、基地局２０が「協調無線装置」であることとする。従って、端末１０が基地局２０にトレーニング信号を送信し（上り回線）、基地局２０が端末１０にデータを送信する（下り回線）。
また、協調無線通信システム１では、基地局２０１～２０ｉのみがワイワイで同期するが、端末１０はワイワイで同期しないこととする。また、協調無線通信システム１では、ワイワイで使用する回線αの周波数ｆＷｉ－Ｗｉ（例えば、９２０ＭＨｚ）と、協調無線通信で使用する回線βの周波数ｆｃｏｍ（例えば、２．５ＧＨｚ）とが異なる（ｆＷｉ－Ｗｉ≠ｆｃｏｍ）。
端末１０は、各基地局２０ｉからデータを受信するものである。また、端末１０は、端末１０と各基地局２０ｉとの間の電波伝搬特性を推定するためのトレーニング信号を各基地局２０ｉに送信する。この端末１０は、無線通信機能を備えていれば特に制限されず、一般的なコンピュータ、タブレット、又は、スマートフォンである。
基地局２０は、ワイワイを用いて、搬送波の周波数及び時刻（クロック）の同期が確立されていることを前提として、電波伝搬路における位相変動補償を行って協調無線通信するものである。ここで、基地局２０は、後記するモジュール３０によって、ワイワイによる同期が確立される。また、基地局２０は、端末１０から受信したトレーニング信号を用いて、電波伝搬路における位相変動補償を行い、データを端末１０に送信する。このとき、各基地局２０ｉのうちの１台（例えば、基地局２０１）がマスタ基地局として予め選択される。そして、このマスタ基地局に格納されてるデータ又は協調無線通信時に使用することを予め決定されたデータを各基地局２０ｉが端末１０に送信する。
なお、各基地局２０ｉは、同一の構成であることとし、その詳細を後記する。
モジュール３０は、基地局２０ｉ毎に備えられており、ワイワイにより搬送波の時刻及び周波数の同期を確立するものである。ここで、各モジュール３０のうちの１台（例えば、モジュール３０１）をマスタモジュールとし、残り（例えば、モジュール３０２～３０ｉ）をスレーブモジュールとする。まず、マスタモジュールとスレーブモジュールとの搬送波位相を比較して、両者の搬送波位相の先頭が揃うようにスレーブモジュールの内部時計の周波数を調整する（位相ロック）。次に、位相ロックが成立した状態において、マスタモジュールとスレーブモジュールとの間で時刻情報をやり取りし、両者の時刻差を調整する。その後、モジュール３０は、基準周波数（例えば、１０ＭＨｚ）を発振器２１ａ及びＢＢＵ２２に出力し、基準時刻（例えば、１ＰＰＳ）をＢＢＵ２２に出力する。
なお、協調無線通信システム１の全体構成は、図１の例に限定されない。
図２に示すように、協調無線通信システム１は、端末１０の側にモジュール４０を備え、基地局２０１～１０ｉ及び端末１０がワイワイで同期してもよい。このモジュール４０は、モジュール３０と同様のものである。これにより、フレーム同期やＰＬＬによる周波数引き込みなど、協調無線通信で周波数及び時刻（クロック）を同期するために必要なプリアンブル信号区間を短縮できる。なお、図２の協調無線通信システム１では、ワイワイの周波数ｆＷｉ－Ｗｉと協調無線通信の周波数ｆｃｏｍとが異なる（ｆＷｉ－Ｗｉ≠ｆｃｏｍ）。
また、図３に示すように、協調無線通信システム１では、ワイワイの周波数ｆＷｉ－Ｗｉと協調無線通信の周波数ｆｃｏｍとが同一であってもよい（ｆＷｉ－Ｗｉ＝ｆｃｏｍ）。つまり、ワイワイの周波数チャンネルと、協調無線通信の周波数チャンネルとを共用化する。この場合、トレーニング信号やデータは、時分割又は周波数分割により多重化する。なお、図３の協調無線通信システム１では、基地局２０１～２０ｉのみがワイワイで同期するが、端末１０はワイワイで同期しない。
さらに、図４に示すように、協調無線通信システム１では、ワイワイの周波数ｆＷｉ－Ｗｉと協調無線通信の周波数ｆｃｏｍとが同一であり（ｆＷｉ－Ｗｉ＝ｆｃｏｍ）、基地局２０１～１０ｉ及び端末１０がワイワイで同期してもよい。
なお、図１及び図２では、基地局２０及びモジュール３０を別々に図示したが、図３及び図４と同様、基地局２０がモジュール３０を内蔵してもよい。
＜位相変動補償の概要＞
以下、電波伝搬路における位相変動補償を説明する。
前記したように、協調無線通信システム１では、ワイワイを用いて、分散配置された各基地局２０ｉで搬送波の周波数及び時刻（クロック）の同期が確立できている。そして、協調無線通信システム１では、複数の基地局２０を用いた協調無線通信（端末１０における電波の振幅合成受信）を行うため、各基地局２０ｉが位相変動補償を行う。
まず、各基地局２０ｉは、ワイワイで時刻及び周波数が同期した無線フレーム構成において、端末１０から受信したトレーニング信号を用いて、電波伝搬特性を推定する。周波数ｆに対する電波伝搬特性Ｈｉ（ｆ）は、以下の式（１）で表される。従って、ｉ番目の基地局２０ｉは、以下の式（２）を用いて、電波伝搬特性Ｈｉ（ｆ）の推定値Ｈ＾ｉ（ｆ）を算出する。なお、ａｉ（ｆ）は振幅、ｅｚはｚに対する指数関数、ｊは虚数単位、ｐｉ（ｆ）は位相、＾は推定値を表す。
Figure 0007690185000001
Figure 0007690185000002
各基地局２０ｉは、端末１０が振幅合成受信できるように、端末１０に送信するデータＸＤ（ｆ）を電波伝搬特性Ｈｉ（ｆ）の位相ｐｉ（ｆ）で補償する。補償後のデータＸ´Ｄ，ｉ（ｆ）は、以下の式（３）で表される。
Figure 0007690185000003
ここで、ｐｉ（ｆ）＝ｐ＾ｉ（ｆ）であれば、端末１０の受信信号Ｒ（ｆ）は、以下の式（４）で表される。
Figure 0007690185000004
位相変調のように、｜ＸＤ（ｆ）｜＝１とすると、受信信号電力が以下の式（５）で表されることから、この協調無線通信により端末１０で振幅合成受信が行われていることがわかる。
Figure 0007690185000005
このように、端末１０で振幅合成受信を行うためには、ｐｉ（ｆ）＝ｐ＾ｉ（ｆ）が成立すればよい。すなわち、真値である位相ｐｉ（ｆ）と推定値である位相ｐ＾ｉ（ｆ）との位相差を最小にすればよい。
［端末の構成］
図５を参照し、端末１０の構成について説明する。
図５に示すように、端末１０は、周波数変換部１１と、ＢＢＵ（ベースバンド信号処理装置）１２とを備える。また、端末１０は、ワイワイで同期する場合、モジュール４０を備えてもよい（図５不図示）。
周波数変換部１１は、各基地局２０ｉとの間の通信で使用するベースバンド信号を搬送周波数帯に変換（送信時）、又は、その逆変換（受信時）を行うものであり、例えば、発振器１１ａと、ミキサ部１１ｂとを備える。ここで、発振器１１ａは、周波数ｆｃｏｍの搬送波を生成する。また、ミキサ部１１ｂは、トレーニング信号生成部１２０から入力されたトレーニング信号を搬送波に乗せて送信する。さらに、周波数変換部１１は、各基地局２０ｉが受信したデータ信号を復調部１２１に出力する。
ＢＢＵ１２は、ベースバンド信号を処理するものであり、トレーニング信号生成部１２０と、復調部１２１とを備える。
トレーニング信号生成部１２０は、基地局２０が電波伝搬特性を推定するためのトレーニング信号ｘＴ（ｎ）を生成するものである。なお、ｎは時間（時間領域）を示す。ここで、トレーニング信号生成部１２０は、一般的に使用されているトレーニング信号を生成すればよい。
例えば、図６に示すように、時分割多重が可能なシングルキャリア伝送の場合を考える。この場合、トレーニング信号生成部１２０は、トレーニング信号ｘＴ（ｎ）として、Ｚａｄｏｆｆ－Ｃｈｕ系列等の複素定包絡線波形の信号を生成すればよい。なお、図６では、「Ｔ」がトレーニング信号を表し、「Ｄ」がデータを表す。
また、例えば、図７に示すように、時分割多重及び周波数分割多重が可能なＯＦＤＭ伝送の場合を考える。この場合、トレーニング信号生成部１２０は、トレーニング信号ＸＴ（ｎ）として、複素定包絡線波形の信号、又は、Ｍ系列等の擬似ランダム系列の信号を生成すればよい。
ここで、端末１０が全基地局２０に対して同一のトレーニング信号ｘＴ（ｎ）を送信することで、電波伝搬特性Ｈｉ（ｆ）を効率的に推定できる。一方、端末１０が基地局２０ｉ毎にトレーニング信号ｘＴ（ｎ）を送信し、電波伝搬特性Ｈｉ（ｆ）を推定してもよい。
なお、複数のアンテナを用いるＭＩＭＯ伝送の場合、複数アンテナ端間の電波伝搬特性を推定するため、アンテナ毎に異なるトレーニング信号ｘＴ（ｎ）を送信してもよい。
復調部１２１は、周波数変換部１１が受信したデータを一般的な手法（例えば、Ｍ値ＱＡＭ）で復調するものである。ここで、復調部１２１に入力されるデータは、振幅合成受信が行われているため、式（４）の信号を時間領域に変換した信号として、以下の式（６）で表される。そして、復調部１２１は、式（６）で表されるデータを復調することで、データｄ~Ｄ（ｋ）を出力する。なお、ｃｉ（ｎ）は時間領域における振幅、ｋはビット列の順番を示す。
Figure 0007690185000006
［基地局の構成］
図５を参照し、基地局２０の構成について説明する。
図５に示すように、基地局２０は、周波数変換部（送信部）２１と、ＢＢＵ２２と、制御部２３とを備える。
なお、前記したように、ｉ台の基地局２０ｉが同一構成であることとする。また、図５では、図面を見やすくするため、モジュール３０の図示を省略した。
周波数変換部２１は、端末１０との間の通信で使用するベースバンド信号を搬送周波数帯に変換（送信時）、又は、その逆変換（受信時）を行うものであり、例えば、発振器２１ａと、ミキサ部２１ｂとを備える。ここで、発振器２１ａは、モジュール３０から入力された基準周波数に従って、周波数ｆｃｏｍの搬送波を生成する。また、ミキサ部２１ｂは、遅延部２２７から入力されたデータｘＤ（ｎ－δｉ）を搬送波に乗せて送信する。さらに、周波数変換部２１は、端末１０が受信した搬送波帯のトレーニング信号をベースバンド信号に変換し、トレーニング信号ｘＴ，ｉ（ｎ）として遅延計測部２２０に出力する。
ＢＢＵ２２は、ベースバンド信号を処理するものである。例えば、ＢＢＵ２２は、遅延計測部２２０と、ＦＦＴ部２２１と、伝搬推定部２２２と、変調部２２３と、ＦＦＴ部２２４と、位相補償部２２５と、ＩＦＦＴ部２２６と、遅延部２２７とを備える。
遅延計測部２２０は、各基地局２０ｉで受信したトレーニング信号ｘＴ，ｉ（ｎ）により、端末１０と各基地局２０ｉとの伝搬遅延を含む遅延時間Δｉを計測するものである。ここで、ワイワイのモジュール３０により各基地局２０ｉの時刻が同期しているため、全基地局２０の間で遅延時間Δｉの計測開始時刻を予め設定しておくことで、各基地局２０ｉでトレーニング信号ｘＴ，ｉ（ｎ）を受信した時刻の差が遅延時間Δｉとなる。そして、遅延計測部２２０は、計測した遅延時間Δｉを遅延部２２７に出力すると共に、周波数変換部１１からのトレーニング信号ｘＴ，ｉ（ｎ）をＦＦＴ部２２１に出力する。
ＦＦＴ部２２１は、一般的な時間－周波数変換処理により、時間領域のトレーニング信号ｘＴ，ｉ（ｎ）を周波数領域のトレーニング信号ＸＴ，ｉ（ｆ）に変換するものである。例えば、時間－周波数変換処理としては、高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform）があげられる。そして、ＦＦＴ部２２１は、周波数領域のトレーニング信号ＸＴ，ｉ（ｆ）を伝搬推定部２２２に出力する。
伝搬推定部２２２は、ＦＦＴ部２２１から入力されたトレーニング信号ＸＴ，ｉ（ｆ）に基づいて、端末１０と基地局２０ｉとの間の電波伝搬特性Ｈｉ（ｆ）を推定するものである。ここで、伝搬推定部２２２は、一般的な手法で電波伝搬特性Ｈｉ（ｆ）を推定可能であり、その一例を説明する。
まず、伝搬推定部２２２は、電波伝搬特性Ｈｉ（ｆ）の影響を受けていない基準トレーニング信号ＸＴ（ｆ）を予め設定する。次に、伝搬推定部２２２は、電波伝搬特性Ｈｉ（ｆ）の影響を受けてたトレーニング信号ＸＴ，ｉ（ｆ）と基準トレーニング信号ＸＴ（ｆ）との比に基づいて、電波伝搬特性Ｈｉ（ｆ）を推定する。
図６に示すように、トレーニング信号ＸＴ，ｉ（ｆ）が周波数チャンネルの全体を用いる場合（時分割多重の場合）、伝搬推定部２２２は、以下の式（７）を用いて、電波伝搬特性Ｈｉ（ｆ）を推定する。すなわち、伝搬推定部２２２は、端末１０がトレーニング信号ＸＴ，ｉ（ｆ）を送信した周波数ｆについて、トレーニング信号ＸＴ，ｉ（ｆ）と基準トレーニング信号ＸＴ（ｆ）との比から、電波伝搬特性Ｈｉ（ｆ）の推定値Ｈｉ＾（ｆ）を求める。
Figure 0007690185000007
図７に示すように、トレーニング信号ＸＴ，ｉ（ｆ）が周波数チャンネルの一部を用いる場合（ＯＦＤＭ伝送などの周波数分割多重の場合）、伝搬推定部２２２は、以下の式（８）を用いて、電波伝搬特性Ｈｉ（ｆ）を推定する。すなわち、伝搬推定部２２２は、端末１０がトレーニング信号ＸＴ，ｉ（ｆ）を送信した周波数ｆＳについて、トレーニング信号ＸＴ，ｉ（ｆ）と基準トレーニング信号ＸＴ（ｆ）との比から、電波伝搬特性Ｈｉ（ｆＳ）の推定値Ｈｉ＾（ｆＳ）を求める。また、伝搬推定部２２２は、端末１０がトレーニング信号ＸＴ，ｉ（ｆ）を送信していない周波数ｆＧについて、電波伝搬特性Ｈｉ（ｆＨ）及びＨｉ（ｆＬ）の推定値Ｈｉ＾（ｆＨ）及びＨｉ＾（ｆＬ）で線形補間する。なお、ｆＨは、周波数ｆＳよりも高い周波数で電波伝搬特性Ｈｉ（ｆ）を推定した周波数のうち、最も低い周波数を示す。また、ｆＬは、周波数ｆＳよりも低い周波数で電波伝搬特性Ｈｉ（ｆ）を推定した周波数のうち、最も高い周波数を示す。
Figure 0007690185000008
その後、伝搬推定部２２２は、推定した電波伝搬特性Ｈｉ（ｆ）を位相補償部２２５に出力する。
変調部２２３は、端末１０に送信するデータｄＤ（ｋ）を一般的な手法（例えば、Ｍ値ＱＡＭ）で変調することで、時間領域のデータｘＤ（ｎ）を生成するものである。そして、変調部２２３は、時間領域のデータｘＤ（ｎ）をＦＦＴ部２２４に出力する。
ＦＦＴ部２２４は、一般的な時間－周波数変換処理により、変調部２２３から入力された時間領域のデータｘＤ（ｎ）を周波数領域のデータＸＤ（ｆ）に変換するものである。例えば、時間－周波数変換処理としては、前記したＦＦＴがあげられる。そして、ＦＦＴ部２２４は、周波数領域のデータＸＤ（ｆ）を位相補償部２２５に出力する。
位相補償部２２５は、ＦＦＴ部２２４から入力されたデータＸＤ（ｆ）を、電波伝搬特性Ｈｉ（ｆ）の推定値Ｈｉ＾（ｆ）が示す電波伝搬路における位相回転で補償するものである。具体的には、位相補償部２２５は、補償前のデータＸＤ（ｆ）と、伝搬推定部２２２から入力された電波伝搬特性Ｈｉ（ｆ）の推定値Ｈｉ＾（ｆ）の位相ｐｉ＾（ｆ）とを前記した式（３）に代入することで、補償後のデータＸ´Ｄ，ｉ（ｆ）を算出する。すなわち、位相補償部２２５は、式（３）を用いて、電波伝搬で加わる位相回転を予め戻しておくことでデータＸＤ（ｆ）を補償する。そして、位相補償部２２５は、補償後のデータＸ´Ｄ，ｉ（ｆ）をＩＦＦＴ部２２６に出力する。
ＩＦＦＴ部２２６は、一般的な時間－周波数逆変換処理により、位相補償部２２５から入力された周波数領域のデータＸ´Ｄ，ｉ（ｆ）を時間領域のデータｘ´Ｄ，ｉ（ｎ）に変換するものである。例えば、時間－周波数逆変換処理としては、逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ：Inverse Fast Fourier Transform）があげられる。そして、ＩＦＦＴ部２２６は、時間領域のデータｘ´Ｄ，ｉ（ｎ）を遅延部２２７に出力する。
遅延部２２７は、遅延計測部２２０から入力された遅延時間Δｉに応じて、ＩＦＦＴ部２２６から入力されたデータｘ´Ｄ，ｉ（ｎ）を遅延させるものである。例えば、遅延部２２７は、予め設定した基準時間Δから遅延時間Δｉだけデータｘ´Ｄ，ｉ（ｎ）を遅延させ、遅延後のデータｘ´Ｄ，ｉ（ｎ－δｉ）を周波数変換部１１に出力する。なお、時間δｉ＝Δ－Δｉが成立する。
図８に示すように、振幅合成受信では、端末１０が各基地局２０ｉからの各データｘ´Ｄ，ｉ（ｎ）を加算するため、各データｘ´Ｄ，ｉ（ｎ）の受信タイミングがずれると、受信電力の損失が生じる。そこで、遅延部２２７は、図９に示すように、各データｘ´Ｄ，ｉ（ｎ）の受信タイミングが一致するように時間δｉ（δ１，δ２，…，δｉ）だけ遅延させることで、受信電力の損失を抑制する。これにより、基地局２０は、離散的なデータ列を送信する場合においても、位相同期をデータ信号全体に渡って行うことが可能となる。
図５に戻り、基地局２０の構成の説明を続ける。
制御部２３は、ＢＢＵ２２の各種制御を行うものである。具合的には、制御部２３は、マスタ基地局と基地局２０ｉとの時刻差の閾値処理、及び、トレーニング信号の受信電力の閾値処理によって、協調無線に参加するか否かを判定する。そして、制御部１３は、その判定結果に基づいて、ＢＢＵ１２によるデータ送信を制御する。
なお、制御部１３の詳細は、後記する。
＜端末と基地局との協調無線通信＞
図１０～図１２を参照し、端末１０と基地局２０との協調無線通信について説明する。
なお、図１０～図１２では、「同期」がワイワイによる同期、「Ｔ」がトレーニング信号、「Ｄ」がデータを表す。
図１０では、ワイワイの周波数ｆＷｉ－Ｗｉと協調無線通信の周波数ｆｃｏｍとが異なることとする。この場合、協調無線通信システム１では、ワイワイによる同期の終了後、端末１０が上り回線で各基地局２０ｉにトレーニング信号を送信し、各基地局２０ｉが電波伝搬特性を測定する。その後、協調無線通信システム１では、各基地局２０ｉが下り回線でデータを端末１０に送信する。
図１１では、ワイワイの周波数ｆＷｉ－Ｗｉと協調無線通信の周波数ｆｃｏｍとが同一であり、時分割多重を行うこととする。この場合、協調無線通信システム１では、ワイワイによる同期の終了後、端末１０が各基地局２０ｉにトレーニング信号を送信し、各基地局２０ｉが電波伝搬特性を測定する。その後、協調無線通信システム１では、各基地局２０ｉがデータを端末１０に送信する。
図１２では、ワイワイの周波数ｆＷｉ－Ｗｉと協調無線通信の周波数ｆｃｏｍとが同一であり、周波数分割多重及び時分割多重を行うこととする。この場合、協調無線通信システム１では、ワイワイによる同期と同時に、各基地局２０ｉがデータを端末１０に送信する。その後、協調無線通信システム１では、端末１０が各基地局２０ｉにトレーニング信号を送信し、各基地局２０ｉが電波伝搬特性を測定する。
なお、端末１０と基地局２０との協調無線通信は、図１０～図１２の例に限定されない。
［協調無線通信システムの動作］
図１３を参照し、協調無線通信システム１の動作について説明する。
ステップＳ１において、各基地局２０ｉは、マスタ基地局を基準として、ワイワイにより同期を確立する。ここで、端末１０がモジュール４０を備える場合、端末１０もワイワイにより同期を確立してもよい。
ステップＳ２において、端末１０は、トレーニング信号を各基地局２０ｉに送信する。
ステップＳ３において、各基地局２０ｉは、制御部２３によって、ワイワイによる同期が確立できているか否かを判定する。具体的には、制御部２３は、マスタ基地局と各基地局２０ｉとの時刻差が予め設定された閾値未満であるか否かを判定する。なお、マスタ基地局では、ステップＳ３の処理を行わずともよい。
時刻差が閾値以上の場合（ステップＳ３でＮｏ）、制御部２３は、ワイワイによる同期が確立できていないと判断し、ステップＳ６の処理に進む。
時刻差が閾値未満の場合（ステップＳ３でＹｅｓ）、制御部２３は、ワイワイによる同期が確立できていると判断し、ステップＳ４の処理に進む。
ステップＳ４において、各基地局２０ｉは、制御部２３によって、電波伝搬特性の推定が成功したか否かを判定する。具体的には、制御部２３は、トレーニング信号の受信電力が予め設定された閾値以上であるか否かを判定する。
トレーニング信号の受信電力が閾値未満の場合（ステップＳ４でＮｏ）、制御部２３は、電波伝搬特性の推定が成功していないと判定し、ステップＳ６の処理に進む。
トレーニング信号の受信電力が閾値以上の場合（ステップＳ４でＹｅｓ）、制御部２３は、電波伝搬特性の推定が成功したと判定し、ステップＳ５の処理に進む。
ステップＳ５において、各基地局２０ｉは、周波数変換部２１によって、協調無線通信でデータを端末１０に送信し、処理を終了する。
ステップＳ６において、各基地局２０ｉは、協調無線通信に参加しないので、データを端末１０に送信せずに、処理を終了する。
［作用・効果］
以上のように、第１実施形態に係る協調無線通信システム１は、端末１０と基地局２０との間の電波伝搬特性を推定し、電波伝搬路における位相変動補償を行うことができる。これにより、協調無線通信システム１では、光ファイバ等のケーブル敷設が不要となり、その工事や保守に要するコストを抑制できる。例えば、協調無線通信システム１は、地面付近で移動するロボットの遠隔制御のように、電波伝搬特性が変化しやすい環境においても、安定した協調無線通信を提供できる。
（第２実施形態）
［システムの全体構成］
図１４及び図１５を参照し、第１実施形態に係る協調無線通信システム１Ｂの全体構成について、第１実施形態と異なる点を説明する。
協調無線通信システム１Ｂでは、基地局５０が端末７０にトレーニング信号を送信し、端末７０が基地局５０にデータを送信する点が、第１実施形態と異なる。本実施形態では、基地局５０が「受信装置」であり、端末７０が「協調無線装置」であることとする。
図１４に示すように、協調無線通信システム１Ｂは、基地局５０と、モジュール６０と、複数の端末７０（７０１～７０ｉ）と、複数のモジュール８０（８０１～８０ｉ）と、を備える（但し、ｉは２以上の自然数）。
ここで、協調無線通信システム１Ｂでは、基地局５０及び端末７０１～７０ｉがワイワイで同期することとする。また、協調無線通信システム１Ｂでは、ワイワイで使用する回線αの周波数ｆＷｉ－Ｗｉと、協調無線通信で使用する回線βの周波数ｆｃｏｍとが異なる（ｆＷｉ－Ｗｉ≠ｆｃｏｍ）。これにより、フレーム同期やＰＬＬによる周波数引き込みなど、協調無線通信で周波数及び時刻（クロック）を同期するために必要なプリアンブル信号区間を短縮できる。
基地局５０は、各端末７０ｉからデータを受信するものである。また、基地局５０は、基地局５０と各端末７０ｉとの間の電波伝搬特性を推定するためのトレーニング信号を各端末７０ｉに送信する。
モジュール６０は、基地局５０に対応するように備えられ、ワイワイにより搬送波の周波数及び時刻（クロック）の同期を確立するものである。なお、ワイワイによる搬送波の周波数及び時刻（クロック）の同期は、第１実施形態と同様のため、これ以上の説明を省略する。
端末７０は、ワイワイを用いて、搬送波の周波数及び時刻（クロック）の同期が確立されていることを前提として、電波伝搬路における位相変動補償を行って協調無線通信するものである。ここで、端末７０は、モジュール８０によって、ワイワイによる同期が確立される。また、端末７０は、基地局５０から受信したトレーニング信号を用いて、電波伝搬路における位相変動補償を行い、データを基地局５０に送信する。このとき、各端末７０ｉのうちの１台（例えば、端末７０１）がマスタ端末として予め選択される。そして、このマスタ端末に格納されてるデータ又は協調無線通信時に使用することを予め決定されたデータを各端末７０ｉが基地局５０に送信する。
なお、各端末７０ｉは、同一の構成であることとし、その詳細を後記する。
モジュール８０は、端末７０ｉ毎に備えられており、ワイワイにより搬送波の時刻及び周波数の同期を確立するものである。ここで、基地局５０が備えるモジュール６０をマスタモジュールとし、端末７０が備えるモジュール８０をスレーブモジュールとする。なお、ワイワイによる搬送波の周波数及び時刻（クロック）の同期は、第１実施形態と同様のため、これ以上の説明を省略する。
図１４では、基地局５０及びモジュール６０を別々に図示したが、基地局５０がモジュール６０を内蔵してもよい。また、端末７０及びモジュール８０を別々に図示したが、端末７０がモジュール８０を内蔵してもよい。
協調無線通信システム１Ｂの全体構成は、図１４の例に限定されない。
図１５に示すように、協調無線通信システム１Ｂでは、ワイワイで使用する回線αの周波数ｆＷｉ－Ｗｉと協調無線通信で使用する回線βの周波数ｆｃｏｍとが同一であってもよい（ｆＷｉ－Ｗｉ＝ｆｃｏｍ）。つまり、ワイワイの周波数チャンネルと、協調無線通信の周波数チャンネルとを共用化する。この場合、トレーニング信号やデータは、時分割又は周波数分割により多重化する。なお、図１５の協調無線通信システム１Ｂでは、基地局５０及び端末７０１～７０ｉがワイワイで同期する。
［基地局の構成］
図１６を参照し、基地局５０の構成について説明する。なお、図１６では、図面を見やすくするため、モジュール６０，８０の図示を省略した。
図１６に示すように、基地局５０は、周波数変換部５１と、ＢＢＵ５２とを備える。
周波数変換部５１は、各端末７０ｉとの間の通信で使用するベースバンド信号を搬送周波数帯に変換（送信時）、又は、その逆変換（受信時）を行うものであり、例えば、発振器５１ａと、ミキサ部５１ｂとを備える。
ＢＢＵ５２は、ベースバンド信号を処理するものであり、トレーニング信号生成部５２０と、復調部５２１とを備える。
なお、基地局５０の各手段は、図５の端末１０と同様の同様のため、これ以上の説明を省略する。
［端末の構成］
図１６を参照し、端末７０の構成について説明する。
図１６に示すように、端末７０は、周波数変換部７１と、ＢＢＵ７２と、制御部７３とを備える。
周波数変換部７１は、基地局５０との間の通信で使用するベースバンド信号を搬送周波数帯に変換（送信時）、又は、その逆変換（受信時）を行うものであり、例えば、発振器７１ａと、ミキサ部７１ｂとを備える。
ＢＢＵ７２は、ベースバンド信号を処理するものである。例えば、ＢＢＵ７２は、遅延計測部７２０と、ＦＦＴ部７２１と、伝搬推定部７２２と、変調部７２３と、ＦＦＴ部７２４と、位相補償部７２５と、ＩＦＦＴ部７２６と、遅延部７２７とを備える。
なお、端末７０の各手段は、図５の基地局２０と同様の同様のため、これ以上の説明を省略する。
［協調無線通信システムの動作］
図１７を参照し、協調無線通信システム１Ｂの動作について説明する。
ステップＳ１０において、各端末７０ｉは、マスタモジュール（基地局５０が備えるモジュール６０）を基準として、ワイワイにより同期を確立する。
ステップＳ１１において、基地局５０は、トレーニング信号を各端末７０ｉに送信する。
ステップＳ１２において、各端末７０ｉは、制御部７３によって、ワイワイによる同期が確立できているか否かを判定する。具体的には、制御部７３は、マスタ端末と各端末７０ｉとの時刻差が予め設定された閾値未満であるか否かを判定する。なお、マスタ端末では、ステップＳ１２の処理を行わずともよい。
時刻差が閾値以上の場合（ステップＳ１２でＮｏ）、制御部７３は、ワイワイによる同期が確立できていないと判断し、ステップＳ１５の処理に進む。
時刻差が閾値未満の場合（ステップＳ１２でＹｅｓ）、制御部７３は、ワイワイによる同期が確立できていると判断し、ステップＳ１３の処理に進む。
ステップＳ１３において、各端末７０ｉは、制御部７３によって、電波伝搬特性の推定が成功したか否かを判定する。具体的には、制御部７３は、トレーニング信号の受信電力が予め設定された閾値以上であるか否かを判定する。
トレーニング信号の受信電力が閾値未満の場合（ステップＳ１３でＮｏ）、制御部７３は、電波伝搬特性の推定が成功していないと判定し、ステップＳ１５の処理に進む。
トレーニング信号の受信電力が閾値以上の場合（ステップＳ１３でＹｅｓ）、制御部７３は、電波伝搬特性の推定が成功したと判定し、ステップＳ１４の処理に進む。
ステップＳ１４において、各端末７０ｉは、周波数変換部７１によって、協調無線通信でデータを基地局５０に送信し、処理を終了する。
ステップＳ１５において、各端末７０ｉは、協調無線通信に参加しないので、データを基地局５０に送信せずに、処理を終了する。
［作用・効果］
以上のように、第２実施形態に係る協調無線通信システム１Ｂは、基地局５０と端末７０との間の電波伝搬特性を推定し、電波伝搬路における位相変動補償を行うことができる。これにより、協調無線通信システム１Ｂでは、光ファイバ等のケーブル敷設が不要となり、その工事や保守に要するコストを抑制できる。例えば、協調無線通信システム１Ｂは、地面付近で移動するロボットの遠隔制御のように、電波伝搬特性が変化しやすい環境においても、安定した協調無線通信を提供できる。
以上、本発明の各実施形態を詳述してきたが、本発明は前記した各実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
前記した各実施形態では、協調無線通信を行うこととして説明したが、本発明は、これに限定されない。例えば、本発明は、無線通信だけでなく、無線電力伝送にも適用することができる。この場合、本発明は、受信信号電力を大幅に向上させることから、高効率な無線電力伝送手法となり、従来にはないバッテリーレス無線端末の実現にもつながる。
前記した各実施形態では、協調無線装置を独立したハードウェアとして説明したが、本発明は、これに限定されない。例えば、協調無線装置は、コンピュータが備えるＣＰＵ、メモリ、ハードディスク等のハードウェア資源を、前記した各手段として協調動作させる３次元モデル生成プログラムで実現することもできる。このプログラムは、通信回線を介して配布してもよく、ＣＤ－ＲＯＭやフラッシュメモリ等の記録媒体に書き込んで配布してもよい。
図１８を参照し、実施例として、本発明に係る協調無線通信システムの受信信号電力をシミュレーションした結果について説明する。
３台の基地局で構成される協調無線通信システムについて、計算機シミュレーションによる評価を行った。電波伝搬モデルは、自由空間モデルとした。ワイワイ同期における同期ずれ（ジッタ）は、実測値を用いた。巡回拡張Ｚａｄｏｆｆ－Ｃｈｕ系列のトレーニング信号、及び、図１０の時分割多重によるプロトコルを用いた。協調無線通信の周波数ｆｃｏｍは、２ＧＨｚとした。この条件において、基地局から５０ｍの等距離にある端末の受信信号電力を評価した。
図１８に示すように、従来の電力合成時における平均値は、－１５．２ｄＢｍであった。これに対して、本発明に係る協調無線通信システムでは、受信信号電力の平均値を－１０．６ｄＢｍに改善できた。両方の差は４．６ｄＢ（＝２．８８）であり、理想的な振幅合成時の差が４．８ｄＢ（＝３．００）であることから、本発明に係る協調無線通信システムでは理想的な特性が得られることがわかった。
１，１Ｂ 協調無線通信システム
１０ 端末（受信装置）
１１ 周波数変換部
１１ａ 発振器
１１ｂ ミキサ部
１２ ＢＢＵ（ベースバンド信号処理装置）
１２０ トレーニング信号生成部
１２１ 復調部
２０（２０１～２０ｉ） 基地局（協調無線装置）
２１ 周波数変換部（送信部）
２１ａ 発振器
２１ｂ ミキサ部
２２ ＢＢＵ（ベースバンド信号処理装置）
２２０ 遅延計測部
２２１ ＦＦＴ部
２２２ 伝搬推定部
２２３ 変調部
２２４ ＦＦＴ部
２２５ 位相補償部
２２６ ＩＦＦＴ部
２２７ 遅延部
２３ 制御部
３０（３０１～３０ｉ） モジュール
４０ モジュール
５０ 基地局（受信装置）
５１ 周波数変換部
５２ ＢＢＵ
５１ａ 発振器
５１ｂ ミキサ部
５２０ トレーニング信号生成部
５２１ 復調部
６０ モジュール
７０（７０１～７０ｉ） 端末（協調無線装置）
７１ 周波数変換部（送信部）
７１ａ 発振器
７１ｂ ミキサ部
７２ ＢＢＵ
７２０ 遅延計測部
７２１ ＦＦＴ部
７２２ 伝搬推定部
７２３ 変調部
７２４ ＦＦＴ部
７２５ 位相補償部
７２６ ＩＦＦＴ部
７２７ 遅延部
７３ 制御部
８０（８０１～８０ｉ） モジュール

Claims (3)

  1. 無線双方向時刻同期技術を用いて、基地局である協調無線装置と他の協調無線装置との間で搬送波の周波数の同期と時刻の同期とが確立されている協調無線装置であって、
    端末である受信装置から前記協調無線装置への上り回線で受信したトレーニング信号に基づいて、前記受信装置と前記協調無線装置との間の電波伝搬特性を推定する伝搬推定部と、
    前記協調無線装置から前記受信装置への下り回線で送信するデータを、前記電波伝搬特性が示す電波伝搬路の位相回転で補償する位相補償部と、
    前記位相補償部が補償したデータを前記下り回線で前記受信装置に送信する送信部と、
    前記他の協調無線装置の中から予め選択した１台のマスタ協調無線装置と当該協調無線装置との時刻差の閾値処理、及び、前記トレーニング信号の受信電力の閾値処理によって、協調無線に参加するか否かを判定する制御部と、
    を備え、
    前記伝搬推定部は、前記電波伝搬特性の影響を受けていない周波数領域の基準トレーニング信号を予め設定し、前記電波伝搬特性の影響を受けた周波数領域の前記トレーニング信号と前記基準トレーニング信号との比に基づいて、前記トレーニング信号を送信した周波数について、前記電波伝搬特性を推定し、
    前記送信部は、前記制御部が前記協調無線に参加すると判定した場合、前記データを前記受信装置に送信することを特徴とする協調無線装置。
  2. 前記トレーニング信号により遅延時間を計測する遅延計測部と、
    前記遅延計測部が計測した遅延時間に応じて、前記位相補償部が補償したデータを遅延させる遅延部と、をさらに備え、
    前記送信部は、前記遅延部が遅延させたデータを前記受信装置に送信することを特徴とする請求項１に記載の協調無線装置。
  3. コンピュータを、請求項１又は請求項２に記載の協調無線装置として機能させるためのプログラム。
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