WO2015159638A1

WO2015159638A1 - 無線通信システム

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Publication number: WO2015159638A1
Application number: PCT/JP2015/058086
Authority: WO
Inventors: 雅之竹川; 圭吾長谷川
Original assignee: 株式会社日立国際電気
Priority date: 2014-04-16
Filing date: 2015-03-18
Publication date: 2015-10-22
Also published as: US20170013582A1; JPWO2015159638A1; US10070406B2; JP6283738B2

Abstract

周波数領域に等間隔に配置されたランダムコードの受信による遅延測定において、折り返しによる多義性を克服する方法が開示される。基地局２が、端末局３から受信したレンジング信号に基づいて、端末局３の送信タイミングの調整値を算出して端末局３へ送信し、端末局３が、基地局２から受信した送信タイミングの調整値に従って送信タイミングの調整を行う。また、基地局２は、レンジング信号に基づく端末局３の送信タイミングの調整が成功したと判断できた後に、端末局３の送信タイミングの調整が適切か否かを判定し、不適切と判定された場合には、追加調整用に送信タイミングの調整値を算出し、当該算出した調整値を端末局３へ送信して送信タイミングの更なる調整を実施させる。

Description

無線通信システム

　本発明は、無線通信システムに関し、特に時分割方式における端末局の送信タイミングの調整方法に関する。

　無線通信では、光路の長さに比例した伝搬距離による遅延が発生する。一般に、基地局と端末局とで構築されるセルラシステムでは、基地局がマスターとなって複数の端末局との同期を制御し、端末局は基地局が定めたタイミングに信号が到達するように信号の送信を行う。もし、タイミングの同期に誤差が生じると、他局との間で干渉が発生することがある。

　具体的には、時分割多元接続（ＴＤＭＡ：Time Division Multiple Access）のようなフレームやスロットと呼ばれる送信期間の単位を有する多元接続方式では、タイミング誤差が大きい場合にはフレームやスロットを跨ぐ送信を行ってしまい、ある他局の送信期間と重複し、当該他局或いは別の他局において干渉が発生する。また、周波数直交分割多元接続（ＯＦＤＭＡ：Orthogonal Frequency Division Multiple Access）などのサイクリックプレフィックス（ＣＰ：Cyclic Prefix）を用いる多元接続方式の場合は、サイクリックプレフィックスを超えるタイミング誤差が生じると直交性が崩れ、端末局間の信号を正しく分離できなくなる。

　同期を実現するための方法としては、例えば、ＷｉＭＡＸ（Worldwide Interoperability for Microwave Access）やＬＴＥ（Long Term Evolution）やＩＥＥＥ８０２．２２システムでは、端末局が同期を確立するためにレンジング・コードやランダムアクセスプリアンブルと呼ばれる信号を送信し、これらの信号に基づいて基地局がタイミングの誤差を検出し、タイミングの調整値や決められたタイミングからのオフセット値（差分値）を端末局に通知してタイミング調整を行わせることで、同期を確立する、等の方法がある。レンジングとは、初期接続の段階で、端末局の位置に応じて、端末局の送信電力、周波数、送信タイミングを調整する処理である。

　ＯＦＤＭ変調を用いるシステムの場合、ランダムコードをサブキャリア変調してＯＦＤＭ変調（ＩＦＦＴ：Inverse Fast Fourier Transform）を行い、得られた時間領域信号をレンジング用のシンボルとして送信する。基地局におけるタイミングオフセットの検出方法としては、ＯＦＤＭ復調器（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform）の出力とコードの相関を利用する方法がある。受信した信号のタイミングと基地局が想定している受信タイミングとの間にタイミングオフセットが発生すると、ＦＦＴ出力後の各サブキャリア間には位相差が発生する。位相差は周波数差に比例して大きくなる。この特性を利用して、サブキャリア間隔と位相回転量の差に基づいてタイミングオフセット量の検出を行う方法がとられる。

　例えば、ＩＥＥＥ８０２．２２のようなＦＦＴサイズが２０４８ポイントのＯＦＤＭシステムの場合、最も遅い周期のサブキャリアは２０４８サンプルで１周期であるから、１サンプルのタイミングオフセットが発生すると、２π／２０４８ラジアンの位相回転が発生する。同様に、最も遅い周期のサブキャリアに隣接するサブキャリアでは、２×２π／２０４８ラジアンの位相回転が発生する。すなわち、隣接するサブキャリア同士で位相回転量を比較すると、２π／２０４８ラジアンの位相差が発生することになる。ＩＥＥＥ８０２．２２では１０サブキャリア毎にレンジングサブキャリア（レンジング信号のサブキャリア）を割り当てているため、１０サブキャリア離れたサブキャリア同士の関係では、１０×２π／２０４８ラジアンの位相差が発生することになる。したがって、ＦＦＴ出力に対してレンジングサブキャリア間の位相差がφラジアンであった場合、タイミングオフセットは下記の（式１）で計算できる。

特表２０１１－５１７１４４号公報特許第５５４４２２２号公報

米国電気電子学会（IEEE）Computer Society編、「IEEE Std 802.22-2011 Part 22: Cognitive Wireless RAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer(PHY)Specifications: Policies and Procedures for Operation in the TV Bands 」、（米国）、ＩＥＥＥ標準化協会、２０１１年７月２７日、p.53,327,353

　このように、ＯＦＤＭ方式のシステムでは全サブキャリアにランダムコードを割り当てずともタイミングオフセットを検出することができ、タイミング調整のためのオーバーヘッドを少なくすることが可能である。しかしながら、レンジング信号のサブキャリア間隔が広い場合には、１シンボル時間未満であっても大きなオフセットが発生した場合に正しくタイミングオフセットを検出できないという問題がある。例えば、ＩＥＥＥ８０２．２２の場合、１０サンプルのオフセットで生じる位相差は下記の（式２）で表され、２１４．８サンプルのオフセットで生じる位相差は下記の（式３）で表される。

　このように、２πの整数倍の位相差を区別できないことに起因して、位相差からオフセットを求めようとすると２０４．８サンプル周期のアンビギュイティ（Ambiguity：曖昧さ、多義性）が発生してしまう。結果、基地局等の受信機においては、ランダムコードに基づいてオフセットを一意に特定することができない。

　ＩＥＥＥ８０２．２２は、ベースとなるチャネルがテレビ放送帯のため、各国のチャネル幅６ＭＨｚ、７ＭＨｚ、８ＭＨｚを想定して仕様が決められている。ベースチャネルを６ＭＨｚとする場合、サンプリング周期は１４６ｎｓであるため、１０サンプルの誤差は１．４６μｓであり、光速を乗じて空間距離に換算すると４３８ｍに相当する。同様に２１４．８サンプルの遅延は９．４ｋｍに相当する。これらの距離は往復の伝搬距離に相当するため、２１９ｍと４．７ｋｍが判別できないことを意味している。Wireless Regional Area NetworksであるＩＥＥＥ８０２．２２にとって、この測距能力が十分ではないことは明らかである。
　ＩＥＥＥ８０２．２２の初期レンジングでは、端末局は上記の１０サブキャリア間隔のサブチャネルでしかレンジング信号を送信できない。２０４．８サンプル（４．５ｋｍ相当）が、レンジング信号の持つタイミングオフセットの最大検出能力であり、基地局と端末局の間がこれよりも長距離の場合には正しくタイミングオフセットを調整できず、問題となる。

　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、レンジングによる端末局の送信タイミングの調整が成功状態となったものの、実際には端末局の送信タイミングを適切に調整できていない場合に、端末局の送信タイミングを適切に調整できるようにすることを目的とする。

　本発明の一側面に係る無線通信システムは、基地局と端末局を有しており、基地局が、端末局から送信されるレンジング信号に基づいて、端末局の送信タイミングの調整値を算出して端末局へ送信し、端末局が、基地局から送信される送信タイミングの調整値に従って、自局の送信タイミングの調整を行う。

　基地局は、レンジング信号に基づく端末局の送信タイミングの調整が成功状態となった場合に、端末局の送信タイミングの調整が適切か否かを判定し、調整が不適切と判定された場合には、レンジング信号のタイミングオフセット検出能力の整数倍の調整値を算出し、当該算出した調整値を端末局へ送信して送信タイミングの更なる調整を試行させる。

　または、基地局は、上記の判定で調整が不適切と判定された場合には、レンジング信号のタイミングオフセット検出能力の不足分に相当する調整値を算出し、当該算出した調整値を端末局へ送信して送信タイミングの更なる調整を実施させてもよい。
　または、基地局は、上記の判定で調整が不適切と判定された場合には、前記レンジング信号とは異なる間隔で前記端末局から送信される他の基準信号に基づいて前記端末局の送信タイミングの調整値を算出し、当該算出した調整値を端末局へ送信して送信タイミングの更なる調整を実施させてもよい。

　ここで、端末局の送信タイミングの調整が適切か否かの判定は、種々の方法により行うことができる。
　一例として、端末局からの信号の受信電力から期待されるＣＩＮＲ（Carrier-to-Interference and Noise Ratio；搬送波レベル対干渉・雑音比）よりも、チャネル推定用に埋め込まれたパイロットシンボルから推定されるＣＩＮＲの方が低く、その差が閾値以上の場合に、端末局の送信タイミングの調整が不適切と判定する方法が挙げられる。
　また、他の例として、端末局との接続確立時に通知された位置情報に基づいて基地局と端末局の間の距離を算出し、この距離がレンジング信号で調整可能な上限距離を超えている場合に、端末局の送信タイミングの調整が不適切と判定する方法が挙げられる。

　本発明によれば、レンジングによる端末局の送信タイミングの調整が成功したと判断できたものの、実際には端末局の送信タイミングを適切に調整できていない場合に、端末局の送信タイミングを適切に調整できるようになる。

本発明の一実施形態に係る無線通信システムの全体構成の一例を示す図である。基地局の構成例を示す図である。端末局の構成例を示す図である。無線通信システムにおける初期レンジングの流れ図。初期レンジング後の基地局によるタイミングの追加調整の流れ図。初期レンジング後の端末局によるタイミングの追加調整の流れ図。基地局のＢＢ処理部２０３の内部構成を示すブロック図。初期レンジング信号の受信タイミングの模式図。タイミングオフセット推定部２０９のＢＢ処理部分の一例。タイミングオフセット推定部２０９のＢＢ処理部分の他の例。

　本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において参照する各図では、他の図と同等部分は同一符号によって示される。

＜無線通信システムの概要＞
　図１には、本実施形態に係る無線通信システムの全体構成の一例を示してある。
　本例の無線通信システムは、基地局２と、１乃至複数の端末局３を有している。この無線通信システムは、非特許文献１のIEEE 802.22-2011をベースシステムとして想定しており、基地局２と端末局３の基本的な構成は従来と同様である。すなわち、基地局２と端末局３の同期の確立後に、基地局２が、端末局３から送信されるレンジング信号に基づいて、端末局３の送信電力、周波数、送信タイミングの調整値を算出し、これらの調整値を含めたレンジングコマンド（レンジング応答）を端末局３に送信して送信電力、周波数、送信タイミングの調整を実施させる処理を、初期接続の成功と判断されるまで繰り返す。
　ただし、本例の無線通信システムでは、基地局２はレンジング信号を用いずにタイミングオフセットを算出する機能等を有し、端末局３は基地局２への初期接続の失敗時にタイミングを自己調整する機能等を有するなど、従来のそれらと異なる構成を有している。

＜基地局の具体的構成例＞
　図２には、基地局２の構成例を示してある。
　基地局２は、アンテナ部２０１と、ＲＦ部２０２と、ＢＢ（ベースバンド）信号処理部２０３と、ＭＡＣ処理部２０４と、主制御部２０５と、インターフェース部２０６と、外部ネットワーク接続端子２０７と、タイミングオフセット調整部２０８と、タイミングオフセット推定部２０９とを具備している。

　アンテナ部２０１は、電波を送信及び受信するための役割を持つ。
　ＲＦ部２０２は、ベースバンドから無線周波数帯への周波数変換および無線周波数帯からベースバンドへの周波数変換や、信号増幅等の処理を行う。
　ＢＢ信号処理部２０３は、誤り訂正符号化、復号処理、および変復調処理等を行う。また、受信電力やＣＩＮＲなどを算出し、通信品質の情報としてタイミングオフセット調整部２０８へ提供する。
　ＭＡＣ処理部２０４は、自局が使用する周波数チャネルやデータ送受信タイミングの制御、パケットへの自局識別子の付加、およびデータ送信元の無線装置の認識等の処理を行う。また、基地局の位置（経緯度）及び、端末局３から通知された端末局３の位置を記憶し、その位置情報をタイミングオフセット調整部２０８へ提供する。

　主制御部２０５は、各部を集中制御するとともに、各部間のインターフェースの役割を持つ。
　インターフェース部２０６は、外部ネットワークとのインターフェースとしての役割を持つ。
　外部ネットワーク接続端子２０７は、外部ネットワークに接続するための端子である。

　タイミングオフセット推定部２０９は、ＢＢ信号処理部２０３から提供されるＦＦＴ後のパイロット信号を基に、タイミングオフセットの推定を行い、その推定値をタイミングオフセット調整部２０８へ提供する。この推定値は多義性を有しており、個々の推定値の確からしさに関係する情報も併せて提供されうる。
　タイミングオフセット調整部２０８は、ＢＢ信号処理部２０３から提供される通信品質の情報（受信電力やＣＩＮＲなど）や、ＭＡＣ処理部２０４から提供される端末局３の位置情報や、タイミングオフセット推定部２０９から提供されるタイミングオフセットの推定値を基に、タイミングオフセットの調整量の判断を行う。

　図７には、基地局のＢＢ処理部２０３の内部構成を示してある。ＢＢ処理部２０３は、送信部（Tx）２３１と受信部（Rx）２４１とを有する。
　送信部（Tx）２３１は、誤り訂正のチャネル符号化を行うチャネル符号化処理部２３２と、送信データをＩ／Ｑ(In-phase/Quadrature)空間のコンスタレーションのシンボルに変換するマッパー２３３と、サブチャネル（データ用に６０個ある）を物理的なサブキャリア（データ用に１４４０本ある）に割り付けるサブキャリアアロケータ２３４と、所定のサブキャリアにパイロット・シンボルを挿入するパイロット挿入部２３５と、所定のシンボルにプリアンブルを挿入するプリアンブル挿入部２３６と、ＩＦＦＴ（Inverse Fast Fourier Transform；逆高速フーリエ変換）を行うＩＦＦＴ部２３７と、遅延波の影響を避けるためのＣＰ（Cyclic Prefix）を挿入するＣＰ挿入部２３８と、Ｄ／Ａ変換器（DAC）２３９とを備える。

　受信部（Rx）２４１は、１ないし複数の端末局からの受信信号をＡ／Ｄ変換しデジタル直交信号を出力するADC２４２と、受信信号に含まれるプリアンブルやＣＰを基にFFTウィンドウを決定する同期化部２４３と、指定されたFFTウィンドウで受信信号を切り出すＣＰ除去器２４４と、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）を行うＦＦＴ部２４５と、送信元が同じサブチャネル毎に伝搬路推定を行うチャネル推定器２４６と、サブキャリアをサブチャネルに束ねるサブキャリアデアロケータ２４７と、伝搬路推定結果に基づいて周波数領域等化を行い、シンボルを判定するデマッパ２４８と、判定結果の符号を復号化をするチャネル復号化処理部２４９と、を備える。
　受信部２４１は、２以上の端末局３からの信号が、サブキャリア（周波数空間）及びシンボル（時間）上で多重化された状態の信号を受信するが、同期化部２４３は、利用されている全てサブチャネルからなるOFDMシンボル全体に対して最適な時間位置に、FFTウィンドウを決定しようとする。或いは、受信信号の観測とは無関係に、ＣＰ挿入部２３８がＣＰを挿入するタイミングから所定時間オフセットさせるだけれもよいかもしれない。

　ＢＢ処理部２０３は、全ての上りサブフレームや下りサブフレーム内のバースト（レンジングの信号も含む）、CBPバーストを、適切な変調方式や符号化方式を選んで処理しうる。図２や図３で明示的に示したタイミングオフセット推定部２０９、ＢＢ処理部２０３がレンジング信号に対してする処理機能等を抽出したものともいえる。

　図８には、初期レンジング信号の受信タイミングを模式的に示してある。図８の上側に示される、端末局３から送信される信号の時間表現は、非特許文献１によれば下記のように定められる。

ここで、
　s(n,l)は初期レンジングにおけるl番目のOFDMシンボルで、ｎはサンプルインデックス、ｌは [0,1,2]、
　kは、サブチャネル内のサブキャリアインデックス、
　Ciは、レンジングコードでi = [0 ～Ｎ_code-1] 、
　R は、レンジングサブチャネルに含まれるサブキャリアのインデックスの集合、
　N_FFTはＦＦＴサイズ（2048）、
　N_CPは、ＣＰのサイズである。
　つまり初期レンジング信号は、３OFDMシンボルに亘って変調が変化しない、言い換えればシンボル境界でも不連続とならないトーン信号となる。

　図８の下側には、基地局２のタイミングで受信された信号ｓ_r(n,0)が示される。基地局２は、ＵＳサブフレームの先頭から５OFDMシンボルの間、初期レンジング信号を待ち受けており、ＵＳサブフレームの先頭の先頭は、ＤＳサブフレームの終わりから、ＤＣＤ（DCD Downstream Channel Descriptor）で報知したＴＴＧ（Transmit/Receive Transition Gap）の時間経過後である。s(n,l)は基地局２では４OFDMシンボルに跨って受信され、中央寄りの２シンボルでは完全に受信されるが、両端の２シンボルでは１部のみ受信され信号強度は弱くなる。なお図８ではマルチパス受信を考慮していないが、それについては後で検討する。

　図９には、タイミングオフセット推定部２０９の処理の内のＢＢ処理部分についての、簡素な例を示してある。タイミングオフセット推定部２０９には、レンジングや帯域要求用に予約されたサブチャネル｛-840，-830，…，-20，-10，10，20，…，830，840｝の受信信号Ｓ_rが、上りサブフレームの先頭から５OFDMシンボル分、シリアルに入力される。更に本例の特徴として、初期レンジング後の端末局からの信号（基地局への登録要求等）が入力される。

　CDMAコード発生器２６１は、生成多項式によりＰＲＢＳ（Pseudo Random Binary Sequence）を生成する。生成多項式のシード値は、基地局２自身が端末局３にＵＣＤ（Upstream Channel Descriptor）内のStart of CDMA codes group情報要素（要素ID:154）により報知した開始数Sに基づいて設定する。
　符号反転器２６２は、順次入力される受信信号Ｓ_rを、同様に順次入力されるＰＲＢＳに基づいて符号反転（逆拡散）する。具体的にはＰＲＢＳが０のときに符号反転し、１のときは入力をそのまま出力する。

　１サンプル遅延器２６３は、符号反転器２６２の出力を、１サンプル保持し、現在より１つ前のサンプルを出力する。
　複素共役乗算器２６４は、符号反転器２６２の出力と１サンプル遅延器２６３の出力を複素共役乗算して出力する。これはレンジング信号の隣接するサブキャリア間の位相差を得るための演算である。なお複素共役乗算器２６４は、OFDMシンボルを跨いでの複素共役乗算は行わない。

　累算器２６５は、複素共役乗算器２６４の出力を、１OFDMシンボルの間、累積加算し、累積位相差として出力する。つまり１OFDMシンボル毎に167個のサブキャリア間位相差が合計され、５回出力される。
　累算器２６７は、ｌ番目（ｌ=0..4）のOFDMシンボルに、対応する位相回転量exp(j2πl・N_CP/N_FFT)を乗算する。この位相回転は、図８に示したシンボル間の連続性の保持のために、N_CP/N_FFTに応じて発生し、基準となる最初のシンボルは０とする。

　累算器２６８は、累算器２６７から出力された、回転が補償された累積位相差を、５OFDMシンボルに亘って累積加算し、初期レンジングの信号強度として出力する。
　累算器２６９は、累算器２６７から出力された、５個の累積位相差を絶対値化した上で、下記の式により粗いタイミングＴ_{offset_coarse}を算出する。
　　Ｔ_{offset_coarse}＝（１＋（-P₁＋P₄）／（P₂＋P₃））×Ｎ_FFT
ここで、P₁～P₄は、レンジング信号が犬種るされた連続する４OFDMシンボル（時刻順）であり、入力された５個の累積位相差の中から絶対値が最小の１つを除いたものに相当する。

　上記の式は、図８におけるＳ_r(n,0)やＳ_r(n,3)におけるハッチングの割合に基づいてＴ_{offset_coarse}を求めようとするものであるが、レンジング信号の先頭と末尾が基地局でのＣＰに一致する間、不感となり、またシングルパスとみなせる伝搬路以外では、誤差を含む。

　一方、シンボル間干渉推定器２７０は、サブキャリアデアロケータ２４７から、初期レンジング後の端末局３の上り通信に割り当てられたサブチャネルの信号が入力され、シンボル間干渉を推定してその度合い（ＣＩＮＲ）を出力する。シンボル間干渉は、簡易的には、チャネル推定器２４６の推定結果に基づき等化した信号と、その信号をデマッパ２４８で硬判定した結果との差分（等化誤差）によって推定でき、その差分を電力化及び累積加算して、干渉の度合いを示す値とすることができる。なお、初期レンジング後の端末局３に限らず、他の上り信号からも干渉の度合いを計算してもよい。

　図１０に、タイミングオフセット推定部２０９の処理の内のＢＢ処理部分についての、より実用的な例を示す。CDMAコード発生器２６１と符号反転器２６２は、図９のタイミングオフセット推定部と同じである。シンボル間干渉推定器２７０も備えられるが、図９と同一構成なので図示を省略した。
　IFFT２７３は、符号反転器２６２の出力を、１OFDMシンボル毎に、周波数領域から時間領域の信号に変換し、得られた遅延プロファイルを出力する。なおIFFTの前に、適切なフィルタ（或いは窓関数）が施されてもよい。

　時間シフト器２７４は、ｌ番目（ｌ=0..4）のOFDMシンボルの遅延プロファイルに、対応する遅延ｌ・Ｎ_CPを与える。IFFT２７３の出力は時系列信号なので、遅延の付与は、系列をシフト或いは巡回（ローテーション）させることで為される。
　コヒーレント加算器２７５は、時間シフト器２７４から出力された５OFDMシンボル分の遅延プロファイルを、位相を合わせて合算する。遅延プロファイルは、キャリア周波数のずれに応じて一様な位相回転を受けるが、それらを同相化して加算すると電力加算よりＳ／Ｎにおいて有利となる。同相化に要した位相回転の変化速度から、周波数オフセットが派生的に得られる。

　メインパス検出器２７６は、コヒーレント合成された遅延プロファイルから、主パスに対応する最大ピークを検出し、その位置をＴ_{offset_fine}として出力する。前述の様にＴ_{offset_fine}には多義性があるため0 ～Ｎ_FFT／10の範囲内で扱う（Ｎ_FFT／10が最大測距可能距離に対応する）。なお最大ピークの大きさは、初期レンジングの信号強度を示す。
　累算器２７７は、コヒーレント合成前のOFDMシンボル毎の遅延プロファイルの最大ピークの絶対値に基づいて、累算器２６９と同様にＴ_{offset_coarse}を計算する。最大ピークの探索処理を軽減或いは省略するために、メインパス検出器２７６による検出位置を利用できる。
　つまり累算器２６７から出力された、５個の累積位相差を絶対値化した上で、下記の式により粗いタイミングＴ_{offset_coarse}を算出する。
　この位相回転は、図８に示したシンボル間の連続性の保持のために、N_CP/N_FFTに応じて発生し、基準となる最初のシンボルは０とする。
符号反転器２６２の出力を、１OFDMシンボル毎に、周波数領域から時間領域の信号に変換する。なおIFFTの前に、適切なフィルタ（或いは窓関数）が施されてもよい。

　図９や図１０のタイミングオフセット推定部２０９によれば、Ｔ_offset＝Ｔ_{offset_coarse}＋Ｔ_{offset_fine}を用いることで、多義的なタイミングオフセットを、もっともらしい候補に絞り込むことができる。ただし、上述の不感域のために１０サンプルと２１４．８サンプルの遅延を確実に区別することは依然として困難であり、完全ではない。

　＜端末局の具体的構成例＞
　図３には、端末局３の構成例を示してある。
　端末局３は、アンテナ部３０１と、ＲＦ部３０２と、ＢＢ信号処理部３０３と、ＭＡＣ処理部３０４と、主制御部３０５と、インターフェース部３０６と、外部ネットワーク接続端子３０７と、タイミングオフセット調整部３０８とを具備している。

　アンテナ部３０１は、電波を送信及び受信するための役割を持つ。
　ＲＦ部３０２は、ベースバンドから無線周波数帯への周波数変換および無線周波数帯からベースバンドへの周波数変換や、信号増幅等の処理を行う。なお端末局３では、送信に用いるキャリア周波数は、基地局から受信したそれと、サブキャリア間隔の1/2以下の誤差で一致させることが望ましい。これは受信処理において再生したキャリアを送信に用いることで達成されうる。
　ＢＢ信号処理部３０３は、誤り訂正符号化、復号処理、および変復調処理等を行う。
　ＭＡＣ処理部３０４は、自局が使用する周波数チャネルやデータ送受信タイミングの制御、パケットへの自局識別子の付加、およびデータ送信元の無線装置の認識等の処理を行う。

　主制御部３０５は、各部を集中制御するとともに、各部間のインターフェースの役割を持つ。
　インターフェース部３０６は、外部ネットワークとのインターフェースとしての役割を持つ。
　外部ネットワーク接続端子３０７は、外部ネットワークに接続するための端子である。

　タイミングオフセット調整部３０８は、基地局２からのレンジングコマンドが成功（success）として通知されている（つまり、送信電力、周波数、送信タイミングの調整が成功裏に終わっていると通知されている）にも関わらず、その後の初期接続の処理が成功しない場合に、レンジング信号のタイミングオフセット検出能力の整数倍のオフセットを与えたタイミング調整を実施する。

　＜無線通信システムの初期レンジング＞
　図４を参照して、無線通信システムの初期レンジングについて説明する。
　本実施形態における初期レンジングの動作は、従来の技術と類似している。本例では、基地局２と端末局３がレンジングによって端末局３の送信電力、周波数、送信タイミングの調整を行う例を説明する。ただし、基地局２と端末局３は、初期レンジング信号の持つタイミングオフセット検出能力により制限される最大測距可能距離を超える長距離の位置関係にあるものとする。
　なお、初期レンジングの各処理は、基地局２のタイミングオフセット調整部２０８およびタイミングオフセット推定部２０９や、端末局３のタイミングオフセット調整部３０８等により実施される。

　基地局２は、起動後、セルの運用の状況を端末局３に報知するためのブロードキャストメッセージ（ＳＣＨ、ＦＣＨ、ＤＳ－ＭＡＰ、ＵＳ－ＭＡＰ、ＤＣＤ、ＵＣＤなど）と、端末局３がフレームの開始タイミングを同期するためのプリアンブルを送信する（ステップＳ００１）。それぞれのメッセージは決められた周期やタイミングで送信される。

　端末局３は、起動後、基地局２のサーチ（セルサーチ）を行う（ステップＳ００２）。セルサーチでは、周波数を任意の順序でスイープさせながら、各スーパーフレームの先頭で送信されるスーパーフレームプリアンブルの検出を行う。これにより、基地局２が使用する周波数を認識するとともに、基地局２との同期を確立する。本例のスーパーフレームは１０ミリ秒のフレームを１６フレーム毎にまとめた単位であり、基地局２はスーパーフレーム毎に基地局２の基本情報をブロードキャストしている。

　端末局３は、セルサーチを行った結果、プリアンブルの受信電力が閾値以上であった場合は検出成功と判断し、ＳＣＨ、ＦＣＨ、ＤＳ－ＭＡＰ、ＵＳ－ＭＡＰ、ＤＣＤ、ＵＣＤなどのブロードキャストメッセージによりセルの運用情報（運用の状況）を受信する（ステップＳ００３）。
　その後、端末局３は、基地局２への初期接続を確立するため、初期レンジング（イニシャルレンジング）処理を開始して、送信電力、周波数、送信タイミングの調整を行う。その初めの処理として、端末局３は、基地局２に対して初期レンジング信号を送信する（ステップＳ００４）。これは端末局３が初めて行う送信である。

　基地局２は、端末局３から初期レンジング信号を受信すると、この初期レンジング信号に基づいて、端末局３の送信電力、周波数、送信タイミングの調整値を計算する（ステップＳ００５）。
　その後、基地局２は、求めた送信電力、周波数、送信タイミングの調整値をレンジングコマンドで端末局３に送信する（ステップＳ００６）。このとき、レンジングコマンドに継続（continue）のステータス情報を付加して送信することで、調整完了後に再度レンジング信号の送信を行うよう端末局３に通知する。

　端末局３は、基地局２からレンジングコマンドを受信すると、レンジングコマンドの情報に従い、送信電力、周波数、送信タイミングのパラメータの調整を行う（ステップＳ００７）。
　その後、端末局３は、基地局２に対して初期レンジング信号を再送する（ステップＳ００８）。

　基地局２は、再送された初期レンジング信号を受信すると、この初期レンジング信号に基づいて、端末局３の送信電力、周波数、送信タイミングの調整値を計算する（ステップＳ００９）。
　その後、基地局２は、求めた送信電力、周波数、送信タイミングの調整値をレンジングコマンドで端末局３に送信する（ステップＳ０１０）。このとき、ステップＳ００９で調整が必要ないと判断した場合や許容範囲内の調整量であると判断した場合には、レンジングコマンドに成功（success）のステータス情報を付加して送信することで、次の初期接続処理に移行してよいことを端末局３に通知する。
　なお、調整が十分でない場合は、継続（continue）となるため、ステップＳ００６～ステップＳ００９の処理が繰り返される。
　ここで、送信電力、周波数、送信タイミングの調整値としては、調整の目標となる値そのものを用いてもよく、基準となる値や現在の値に対するオフセット値（差分値）を用いてもよい。

＜初期レンジング後の基地局によるタイミングの追加調整＞
　図５を参照して、初期レンジング後の基地局２によるタイミングの追加調整について説明する。
　初期レンジングが成功（success）で終了しても、基地局２と端末局３の距離がレンジング信号のタイミングオフセット検出能力を超えている場合には、シンボル間干渉が発生し、初期接続処理の通信に失敗する可能性がある。そこで、本例の基地局２は、初期レンジングが成功として終了した場合（成功状態となった場合）に、下記のような追加調整を行う。
　なお、初期レンジング後の基地局２によるタイミングの追加調整は、タイミングオフセット調整部２０８およびタイミングオフセット推定部２０９等により実施される。

　基地局２は、初期レンジングが成功として終了した後に、初期接続処理の成否を判定する（ステップＳ１０１）。初期接続処理の成否は、一例として、シンボル間干渉の程度により判定することができ、この場合には、例えば、シンボル間干渉の度合いが閾値以上の場合に初期接続処理の失敗とし、シンボル間干渉の値が閾値未満の場合に初期接続処理の成功とすればよい。

　ステップＳ１０１において、初期接続処理が失敗したと判定された場合（Ｙｅｓの場合）には、基地局２は、端末局３からの信号を無視して、端末局３から初期レンジング信号を再び受信するまで待機する（ステップＳ１０２）。
　そして、基地局２が端末局３からの初期レンジング信号を再び受信すると、ステップＳ００１～ステップＳ０１０の初期レンジング処理が行われる（ステップＳ１０３）。この後、従来の技術では初期レンジングの動作が繰り返されることになるが、本実施例では、後述の端末局３の処理（ステップＳ２０１～ステップＳ２０３）により、初期接続処理を成功に導くことが可能である。

　ステップＳ１０１において、シンボル間干渉の影響が小さく初期接続処理が成功したと判定された場合（Ｎｏの場合）には、基地局２は、端末局３が送信タイミングの追加調整を行う必要があるかの監視ステータスになる（ステップＳ１０４）。
　追加調整の要否を判定する簡易な方法としては、一例として、端末局３が接続確立時にREG-REQメッセージ内で通知した位置情報に基づいて基地局２と端末局３の間の距離ｄを算出し、距離ｄがレンジング信号で調整可能な上限距離ｄ_maxを超えている場合に、送信タイミングの調整が不適切であり、追加調整する必要があると判定する方法がある。

　この方法により追加調整が必要と判定された場合には、基地局２は、レンジング信号により検出可能なタイミングオフセットの最大値の［ｄ／ｄ_max］－１倍送信を早める調整値を求めればよい。ここでの［ｘ］は、実数ｘの小数点以下の切り捨て（すなわち、実数ｘの整数部分）を求める床関数である。すなわち、距離ｄがレンジング信号で調整可能な距離ｄ_maxを超えている場合には、レンジング信号の持つタイミングオフセット検出能力の不足分（基地局２と端末局３の間の距離ｄから上限距離ｄ_maxを差し引いた値）に相当する調整値（［ｄ／ｄ_max］－１）を求める。この調整値は、距離の計算が正確であれば、レンジング信号により検出可能なタイミングオフセットの最大値の整数倍（レンジング信号の持つタイミングオフセット検出能力の整数倍）になるべきものである。

　追加調整の要否を判定する他の方法として、端末局３からの信号の受信電力から期待されるＣＩＮＲ（装置製造時に事前に測定された値）よりも、チャネル推定用に埋め込まれたパイロットシンボルから推定されたＣＩＮＲの方が低く、その差が閾値以上の場合に、送信タイミングの調整が不適切であり、追加調整する必要があると判定する方法がある。なお、ＣＩＮＲの差の判定は、他の端末において実施してもよく、この場合には、端末局３と同時に送信を行った際にＣＩＮＲが劣化していないかの判断を行うことになる。

　この方法によって追加調整が必要と判断された場合、基地局２は、レンジング信号により検出可能なタイミングオフセットの最大値の整数倍（レンジング信号の持つタイミングオフセット検出能力の整数倍）を調整値とする。一例として、ＩＥＥＥ８０２．２２では、２０４．８サンプル以内のタイミングオフセットを区別可能であるため、端末局３の送信タイミングを２０４または２０５サンプル早める調整値とし、追加調整の必要が無くなるまで２０４または２０５サンプルずつ端末局３の送信タイミングを早めていく（整数倍の倍数を１を初期値として１ずつ加算していく）。

　基地局２は、上記のようにして端末局３の送信タイミングの調整値を求めた後、この調整値を含めたレンジングコマンドを端末局３に送信して、端末局３に送信タイミングの調整を実施させる（ステップＳ１０５）。レンジングコマンドの送信は、ステップＳ１０４の処理の後の任意のタイミングで行ってもよいし、端末局３が周期的に発する周期レンジング信号に対するコマンドとして送信してもよい。
　その後、基地局２は、周期レンジング処理によって、送信電力や周波数にも異常がないかの監視を行い、再びタイミング調整が必要かどうかの監視状態に入る（ステップＳ１０６）。

＜初期レンジング後の端末局によるタイミングの追加調整＞
　図６を参照して、初期レンジング後の端末局３によるタイミングの追加調整について説明する。
　初期レンジングが成功（success）で終了しても、基地局２と端末局３の距離がレンジング信号のタイミングオフセット検出能力を超えている場合には、シンボル間干渉が発生し、初期接続処理の通信に失敗する可能性がある。そこで、本例の端末局３は、初期レンジングが成功として終了した場合（成功状態となった場合）に、下記のような追加調整を行う。
　なお、初期レンジング後の端末局３によるタイミングの追加調整は、タイミングオフセット調整部３０８等により実施される。

　端末局３は、初期レンジングが成功として終了した後に、初期接続処理の成否を判定する（ステップＳ２０１）。初期接続処理の成否は、一例として、シンボル間干渉の程度或いは受信品質により判定することができ、この場合には、例えば、シンボル間干渉の値が閾値以上の場合に初期接続処理の失敗とし、シンボル間干渉の値が閾値未満の場合に初期接続処理の成功とすればよい。誤り訂正ができないほど劣化すれば、受信したメッセージは破棄され、当然失敗となる。

　ステップＳ２０１で初期接続処理が失敗（タイムアウト）したと判定された場合（Ｙｅｓの場合）には、端末局３は、送信タイミングの追加調整が必要であると判断し、送信タイミングの再調整を行う（ステップＳ２０２）。送信タイミングの再調整は、レンジング信号により検出可能なタイミングオフセットの最大値の整数倍（レンジング信号の持つタイミングオフセット検出能力の整数倍）だけ前倒しする調整とする。ＩＥＥＥ８０２．２２では、２０４．８サンプル以内のタイミングオフセットを区別可能であるため、端末局３の送信タイミングを２０４または２０５サンプルずつ早める調整値となる（整数倍の倍数を１を初期値として１ずつ加算していく）。

　端末局３は、ステップＳ２０２で調整したタイミングで、再び初期レンジング信号を送信する（ステップＳ２０３）。
　基地局２は、２０４または２０５サンプルのオフセットの違いを区別できないため、レンジングコマンドを成功（success）のステータスで端末局３に送信することになる。
　ステップＳ２０１～ステップＳ２０３の処理を繰り返すことによって、初期化シーケンス（初期接続処理）が成功するまで送信タイミングが前倒しされ、最終的に初期接続処理が成功するので、レンジング信号のタイミングオフセットの検出能力の不足を補うことができる。

　ステップＳ２０１において、初期接続処理が成功したと判定された場合（Ｎｏの場合）には、端末局３は、基地局２からのレンジングコマンド待ちになり、追加調整の指示を待ち受ける。端末局３は、ステップＳ１０５における基地局２からのレンジングコマンドの送信に対応する処理として、レンジングコマンドの受信処理を行う（ステップＳ２０４）。
　端末局３は、基地局２からのレンジングコマンドを受信すると、当該レンジングコマンドに従い、送信タイミングの調整を行う（ステップＳ２０５）。
　その後、端末局３は、周期レンジング処理によって調整値に異常がないかの確認を行う（ステップＳ２０６）。周期レンジング処理は、従来技術と同様に予め決められた周期のタイミングで実施してもよいが、タイミング調整の処理が適切に実施されたかを確認するため、決められた周期を待たずに周期レンジング処理を開始することが好ましい。

　以上の手続きによって、レンジング信号のタイミングオフセットの検出能力が不足し、従来のレンジングではタイミングを適切に調整できない長距離通信時においても、タイミング調整を適切に行い、他の端末局３との干渉を防ぐことができる。

＜送信タイミングの調整方法の他の例＞
　ステップＳ１０４における送信タイミングの調整方法の他の例として、端末局３から送信される信号に含まれるパイロットシンボルを用いる方法が考えられる。パイロットシンボルは、一般に、チャネル応答（伝送路の状態）の推定に用いられ、等化処理によって同期検波および振幅情報の復元を行い、正しく信号を受信するために用いられる。パイロットシンボルは、ＩＥＥＥ８０２．２２の場合、７サブキャリア毎に配置されるため、仮に端末局３に全リソース（全サブキャリア）を使った送信機会を与えれば、レンジング信号により算出されるタイミングオフセットに生じるアンビギュイティを解決することができる。

　前述したタイミングオフセットとＦＦＴ出力におけるサブキャリア間の位相差との関係のとおり、タイミングオフセットが１サンプルであった場合、７サブキャリア離れたサブキャリア同士では、７×２π／２０４８ラジアンの位相差が発生することになる。したがって、ＦＦＴ出力に対してパイロットサブキャリア間の位相差がθラジアンであった場合、タイミングオフセットは下記の（式５）で計算できる。

　ここで、ＩＥＥＥ８０２．２２の場合、０サンプルのオフセットで生じるレンジングサブキャリア間の位相差φ(0)、及び、２０４．８サンプルのオフセットで生じるパイロットサブキャリア間の位相差φ(204.8)は下記の（式６）で表される。

　一方、ＩＥＥＥ８０２．２２において、０サンプルのオフセットで生じるパイロットサブキャリア間の位相差は下記の（式７）で表され、２０４．８サンプルのオフセットで生じるパイロットサブキャリア間の位相差は下記の（式８）で表される。

　このように、レンジングサブキャリア間の位相差を使用するだけではアンビギュイティが発生して区別できないタイミングオフセット量であっても、更にパイロットサブキャリア間の位相差を利用することで区別可能であることが分かる。すなわち、サブキャリア間隔の違いを利用することで、基地局２の受信機においてアンビギュイティを解決することができる。

　そこで、基地局２が、初期レンジングが成功として終了（成功状態となった）したものの、初期接続処理が失敗したと判定された場合（端末局３の送信タイミングの調整が不適切であり、追加調整する必要があると判断された場合）には、レンジング信号とは異なる間隔で送信されるパイロット信号に基づいて送信タイミングの調整値を算出する構成とすることで、レンジング信号のタイミングオフセットの検出能力の不足を補うことができるようになる。なお、パイロット信号に基づいて算出される調整値は、レンジング信号により検出可能なタイミングオフセットの最大値の整数倍（レンジング信号の持つタイミングオフセット検出能力の整数倍）となる。
　ここで、端末局３に対して全リソースを使った送信機会を割り当てられない場合であっても、最低でも一組のパイロットサブキャリア同士が７サブキャリア間隔で送信されていれば、図１０に示した構成により上記の計算を行うことが可能である。

　以上のように、本例の無線通信システムは、基地局２と端末局３を有しており、基地局２が、端末局３から送信されるレンジング信号に基づいて、端末局３の送信タイミングの調整値を算出して端末局３へ送信し、端末局３が、基地局２から送信される送信タイミングの調整値に従って、自局の送信タイミングの調整を行う。
　そして、基地局２は、レンジング信号に基づく端末局３の送信タイミングの調整が成功状態となった場合に、端末局３の送信タイミングの調整が適切か否かを判定し、調整が不適切と判定された場合には、追加調整用に送信タイミングの調整値を算出し、当該算出した調整値を端末局３へ送信して送信タイミングの更なる調整を実施させるようにした。

　このとき、追加調整用の送信タイミングの調整値をレンジング信号の持つタイミングオフセット検出能力の整数倍とし、その分だけ端末局３の送信タイミングを早める（前倒しする）ようにした。その結果、レンジングによる送信タイミングの調整が可能な距離範囲を等倍ずつ拡大したような効果が得られる。
　これにより、本例の無線通信システムでは、レンジングによる端末局３の送信タイミングの調整が成功状態となったものの、実際には送信タイミングを適切に調整できていない場合に、送信タイミングを適切に調整できるようになる。
　このため、基地局２と端末局３が、レンジングによるタイミングオフセット検出時にアンビギュイティが発生するような長距離の位置関係にある場合でも、端末局３の送信タイミングを適切に調整でき、他の端末局との干渉を抑制することができる。

　ここで、上記の説明では、具体的な例として、基地局２が、端末局３からの信号の受信電力から期待されるＣＩＮＲよりも、チャネル推定用に埋め込まれたパイロットシンボルから推定されるＣＩＮＲの方が低く、その差が閾値以上の場合に、端末局３の送信タイミングの調整が不適切と判定して、レンジング信号のタイミングオフセット検出能力の整数倍ずつ送信タイミングを早める調整値を算出し、当該算出した調整値をレンジングコマンドに含めて端末局３に送信する構成を示した。

　また、他の例として、基地局２が、端末局３との接続確立時に通知された位置情報に基づいて基地局２と端末局３の間の距離を算出し、この距離がレンジング信号で調整可能な上限距離を超えている場合に、端末局３の送信タイミングの調整が不適切と判定して、レンジング信号のタイミングオフセット検出能力の不足分だけ送信タイミングを早める調整値を算出し、当該算出した調整値をレンジングコマンドに含めて端末局３に送信する構成を示した。

　また、他の例として、基地局２が、端末局３の送信タイミングの調整が不適切と判定した場合に、レンジング信号とは異なる間隔で端末局３から送信される他の基準信号（本例ではパイロット信号）に基づいて端末局の送信タイミングを早める調整値を算出し、当該算出した調整値をレンジングコマンドに含めて端末局３に送信する構成を示した。

　なお、端末局３の送信タイミングの調整が適切か否かを判定する方法と、追加調整用に送信タイミングの調整値を算出する方法との組み合わせは任意であり、上記で挙げたような組み合わせ方に限定するものではない。

　また、本例の無線通信システムは、端末局３が、基地局２からレンジングによる送信タイミングの調整が成功状態となった旨を通知されたものの、基地局２との初期接続が失敗した場合には、レンジング信号のタイミングオフセット検出能力の整数倍だけ送信タイミングを早める調整値を算出し、当該算出した調整値に従って送信タイミングの更なる調整を実施し、レンジング信号を基地局２に再度送信する処理を、初期接続が成功するまで繰り返すようにした。

　これにより、端末局３において、初期接続処理が成功するまで、レンジング信号のタイミングオフセット検出能力の整数倍ずつ送信タイミングを早める調整が行われるため、レンジング信号のタイミングオフセット検出能力の不足を補うことができる。

　なお、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、このような方法や方式を実現するためのプログラムや当該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。
　また、本発明に係るシステムや装置などの構成としては、必ずしも以上に示したものに限られず、種々な構成が用いられてもよい。

　本発明は、レンジングにより端末局の送信タイミングの調整を行う、無線又は有線の双方向通信システムやアクセスシステムに利用できる。

　２：基地局、　３：端末局、
　２０１：アンテナ部、　２０２：ＲＦ部、　２０３：ＢＢ信号処理部、　２０４：ＭＡＣ処理部、　２０５：主制御部、　２０６：インターフェース部、　２０７：外部ネットワーク接続端子、　２０８：タイミングオフセット調整部、　２０９：タイミングオフセット推定部、
　３０１：アンテナ部、　３０２：ＲＦ部、　３０３：ＢＢ信号処理部、　３０４：ＭＡＣ処理部、　３０５：主制御部、　３０６：インターフェース部、　３０７：外部ネットワーク接続端子、　３０８：タイミングオフセット調整部

Claims

　基地局と複数の端末局とがＴＤＤ方式で通信する無線通信システムにおいて、
　前記端末局が、ＯＦＤＭシンボル内に一定の周波数間隔のサブキャリアに割当てられたレンジング信号を送信し、
　前記基地局は、前記端末局からの該レンジング信号に基づいて多義性を有する伝搬遅延を算出し、該伝搬遅延から前記端末局の送信タイミングの調整値を決定して前記端末局へ送信し、
　前記端末局は、前記基地局からの送信タイミングの調整値に従って、自局の送信タイミングの調整を行い、
　前記基地局は、前記レンジング信号に基づく前記端末局の送信タイミングの調整が形式的に成功状態となった後、該端末局からの受信信号に基づいて、該端末局の送信タイミングの調整が適切か否かを判定し、調整が不適切と判定された場合には、前記レンジング信号のタイミングオフセット検出能力の整数倍の調整値を算出し、当該算出した調整値を前記端末局へ送信して送信タイミングの更なる調整を実施させることを特徴とする無線通信システム。
　前記基地局は、該成功状態となった後に該端末局から通知された位置情報に基づいて、該基地局と該端末局の間の地理的距離を計算し、該地理的距離に基づく伝搬遅延と比較して該タイミングオフセット検出能力の不足分を、前記調整値として算出することを特徴とする請求項１記載の無線通信システム。
　前記端末局は、該成功状態となった後に、前記一定の周波数間隔と異なる周波数間隔で挿入されたパイロットを含む上り信号を送信し、
　前記基地局は、受信した該上り信号内の該パイロットに基づいて多義性を有する伝搬遅延を算出し、該レンジング信号に基づく伝搬遅延と組み合わせて一意に得た伝搬遅延から、前記端末局の送信タイミングの他の調整値を算出し、当該他の調整値を前記端末局へ送信して送信タイミングの更なる調整を実施させることを特徴とする請求項１記載の無線通信システム。
　前記基地局は、該成功状態となった後に該端末局からの上り信号を受信したときのシンボル間干渉を測定し、該干渉がしきい値以上のときに、該端末局の送信タイミングの調整が適切ではないと判定することを特徴とする請求項２又は３記載の無線通信システム。
　基地局と複数の端末局とがＴＤＤ方式で通信する方法において、
　前記端末局が、ＯＦＤＭシンボル内に一定の周波数間隔のサブキャリアに割当てられたレンジング信号を送信する過程と、
　前記基地局が、前記端末局からの該レンジング信号に基づいて多義性を有する伝搬遅延を算出し、該伝搬遅延から前記端末局の送信タイミングの調整値を決定して前記端末局へ送信する過程と、
　前記端末局が、前記基地局からの送信タイミングの調整値に従って、自局の送信タイミングの調整を行う過程と、
　前記基地局が、前記レンジング信号に基づく前記端末局の送信タイミングの調整が形式的に成功状態となった後、該端末局からの受信信号に基づいて、該端末局の送信タイミングの調整が適切か否かを判定する過程と、
　該調整が不適切と判定された場合には、前記レンジング信号のタイミングオフセット検出能力の整数倍の調整値を算出し、当該算出した調整値を前記端末局へ送信する過程と、
　該端末局に送信タイミングの更なる調整を実施する過程と、を有する通信方法。