WO2024053023A1 - 信号処理装置及び信号処理方法 - Google Patents

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WO2024053023A1
WO2024053023A1 PCT/JP2022/033587 JP2022033587W WO2024053023A1 WO 2024053023 A1 WO2024053023 A1 WO 2024053023A1 JP 2022033587 W JP2022033587 W JP 2022033587W WO 2024053023 A1 WO2024053023 A1 WO 2024053023A1
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WO
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signal
waveform data
timing
frame
timing correction
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Application number
PCT/JP2022/033587
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English (en)
French (fr)
Inventor
一光 坂元
洋輔 藤野
皓平 須崎
陽平 片山
賢司 鈴木
康義 小島
喜代彦 糸川
史洋 山下
Original Assignee
日本電信電話株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日本電信電話株式会社 filed Critical 日本電信電話株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/08—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the receiving station
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/14—Relay systems
    • H04B7/15—Active relay systems
    • H04B7/155—Ground-based stations

Definitions

  • the present invention relates to a signal processing device and a signal processing method.
  • Satellite IoT-PF Internet of Things platform
  • satellite IoT-PF collects sensor data from IoT terminals anywhere on the earth using low-orbit orbiting satellites.
  • the locations where IoT terminals are installed include areas that are difficult to cover with terrestrial communication networks, such as at sea and in mountainous areas.
  • FIG. 13 is a diagram showing radio signals received by a low orbit satellite in the satellite IoT-PF.
  • solid arrows represent desired signals from satellite IoT terminals
  • dashed arrows represent interference signals from terrestrial IoT terminals.
  • Satellite IoT terminals are targets for collecting data in the satellite IoT-PF.
  • low-orbit satellites In addition to receiving desired signals transmitted from a large number of satellite IoT terminals, low-orbit satellites also receive a large number of interference signals from terrestrial IoT terminals that are widely used on the ground. Therefore, in the satellite IoT-PF, it is necessary to extract, demodulate, and decode a weak desired signal transmitted from a desired satellite IoT terminal while these signals interfere with each other.
  • low orbit satellites are generally required to be small, lightweight, and power efficient.
  • LPWA Low Power Wide Area
  • IoT terminals such as LoRa (registered trademark), Sigfox (registered trademark), and ELTRES (registered trademark).
  • LoRa registered trademark
  • Sigfox registered trademark
  • ELTRES registered trademark
  • Non-Patent Document 2 a system configuration in which a device on the ground performs reception beam control by off-line signal processing is being considered (for example, see Non-Patent Document 2).
  • multiple receiving antennas are mounted on a low orbit satellite.
  • the low orbit satellite transmits sampled received waveform data from each receiving antenna to the ground.
  • a device on the ground extracts a desired signal from a satellite IoT terminal by performing reception beam control on a signal obtained from received waveform data through offline signal processing.
  • RF Radio Frequency
  • a low orbit satellite has an IoT reception system corresponding to each reception antenna.
  • each IoT reception system in order to ensure the performance of reception beam control, it is desirable to perform sampling in a state where the sample timings are synchronized with each other. If there is a difference in sample timing between reception systems, especially in the LoRa (registered trademark) system or the LPWA system with a high transmission rate, the characteristics of reception beam control will deteriorate.
  • LoRa (registered trademark) is a Chirp diffusion method.
  • a sample timing shift leads to a frequency shift.
  • the difference in sample timing makes it impossible to combine symbol points with each other, resulting in characteristic deterioration.
  • the purpose is
  • the communication device performs processing between the plurality of reception systems based on a known signal section included in waveform data obtained by sampling the waveform of a radio signal received by each of the plurality of reception systems.
  • a first timing correction unit that detects a sample timing deviation of and performs processing on the waveform data to correct the detected sample timing deviation; and a frame of a wireless signal in the waveform data whose sample timing deviation has been corrected a frame detection section that performs Doppler shift compensation on the detected frames; a beam control section that performs receive beam control on the plurality of Doppler shift-compensated frames; a decoding unit that decodes the transmitted signal and obtains data transmitted by the wireless signal.
  • a communication device performs processing between a plurality of reception systems based on a known signal section included in waveform data obtained by sampling the waveform of a radio signal received by each of the plurality of reception systems.
  • a timing correction step of detecting a sample timing deviation of the waveform data and performing a process of correcting the detected sample timing deviation on the waveform data; and detecting a frame of a wireless signal in the waveform data with the sample timing deviation corrected.
  • a frame detection step of performing Doppler shift compensation on the detected frame a reception beam control step of performing reception beam control on a plurality of the frames whose Doppler shifts have been compensated, and decoding a signal to obtain data transmitted by the wireless signal; has.
  • the present invention it is possible to reduce characteristic deterioration of reception beam control even when there is a sample timing shift in reception waveforms between radio signal reception systems.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a wireless communication system according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining sample timing shift detection and correction processing according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing known signal sections of a signal frame used in the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing a two-dimensional distribution of correlation values according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a flow diagram showing processing of the wireless communication system according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a flow diagram showing processing of the wireless communication system according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a flow diagram showing processing by a timing correction section according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of a signal processing section according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing the configuration of a wireless communication system according to a second embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining sample timing shift detection and correction processing according to the second embodiment.
  • FIG. 7 is a flow diagram showing processing of a wireless communication system according to a second embodiment.
  • FIG. 7 is a flow diagram showing processing by a signal processing unit according to a second embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing radio signals received by a low orbit satellite in satellite IoT-PF.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a wireless communication system 1 according to a first embodiment of the present invention.
  • the wireless communication system 1 includes a terminal station 2, a mobile relay station 3, a base station 4, and a reference station 5.
  • the base station 4 is an example of a signal processing device.
  • the numbers of terminal stations 2, mobile relay stations 3, base stations 4, and reference stations 5 are arbitrary. Note that it is assumed that the number of terminal stations 2 is large.
  • the mobile relay station 3 moves above the earth.
  • the terminal station 2, base station 4, and reference station 5 are installed on the earth. "Earth” includes land and sea.
  • the radio signal transmitted from the terminal station 2 to the mobile relay station 3 and the radio signal transmitted from the reference station 5 to the mobile relay station 3 will be referred to as an "uplink signal.”
  • a radio signal transmitted from the terminal station 2 to the mobile relay station 3 will be referred to as a “terminal uplink signal.”
  • the radio signal transmitted from the mobile relay station 3 to the base station 4 will be referred to as a "downlink signal.”
  • the terminal station 2 is, for example, a satellite IoT terminal.
  • the terminal station 2 includes a transmission data storage section 21, a transmission section 22, and an antenna 23.
  • FIG. 1 shows an example in which there is one antenna 23, there may be two or more antennas 23.
  • the transmission data storage unit 21 stores transmission data.
  • the transmitted data is, for example, environmental data detected by a sensor.
  • the transmitting unit 22 generates a terminal uplink signal set with the transmission data read from the transmission data storage unit 21.
  • the transmitter 22 transmits a terminal uplink signal from the antenna 23 to the mobile relay station 3 moving in the sky using a wireless method used in the satellite IoT platform.
  • the transmitter 22 transmits a signal using the LPWA (Low Power Wide Area) method.
  • LPWA methods include LoRaWAN (registered trademark), Sigfox (registered trademark), LTE-M (Long Term Evolution for Machines), NB (Narrow Band)-IoT, etc., but any wireless communication method can be used. .
  • the transmitter 22 may perform transmission with other terminal stations 2 by time division multiplexing, OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), or the like.
  • the transmitter 22 determines the channel and transmission timing that the own station uses to transmit the terminal uplink signal, using a method predetermined in the wireless communication system to be used.
  • the mobile relay station 3 is an example of a communication device that moves over time.
  • the mobile relay station 3 moves in the sky by being mounted on a mobile body.
  • the mobile relay station 3 is provided on, for example, a LEO (Low Earth Orbit) satellite.
  • the mobile relay station 3 orbits the earth along a predetermined orbit. LEO satellites have an altitude of less than 2,000 km, and orbit above the Earth in about 1.5 hours.
  • the mobile relay station 3 receives terminal uplink signals from each terminal station 2 while moving above the earth.
  • the mobile relay station 3 stores data received by the terminal uplink signal.
  • the mobile relay station 3 transmits the accumulated data to the base station 4 using a downlink signal at a timing when communication with the base station 4 is possible.
  • the mobile relay station 3 mounted on the LEO satellite communicates while moving at high speed, the time during which each terminal station 2 or base station 4 can communicate with the mobile relay station 3 is limited. Specifically, when viewed from the ground, the mobile relay station 3 passes over the sky in about a few minutes. Therefore, the mobile relay station 3 mounted on the LEO satellite has a smaller link budget than, for example, when the relay station is mounted on a drone or HAPS (High Altitude Platform Station). Therefore, the mobile relay station 3 receives terminal uplink signals from the terminal stations 2 within the coverage at the current location while moving, and samples the waveform of the terminal uplink signals received by each of these receiving antennas. Save the waveform data obtained. For example, MIMO (Multiple Input Multiple Output) is used for reception using a plurality of receiving antennas. Communication quality can be improved by the diversity effect and beamforming effect of communication using multiple receiving antennas.
  • MIMO Multiple Input Multiple Output
  • the mobile relay station 3 includes antennas 31-1 to 31- NR ( NR is an integer of 2 or more), receiving sections 32-1 to 32- NR , and waveform sampling sections 33-1 to 33- NR . , a data storage section 34, a base station communication section 35, and an antenna 36.
  • FIG. 1 shows an example of one antenna 36, two or more antennas 36 may be used.
  • Antennas 31-1 to 31-N R are used for wireless communication with terminal station 2 and reference station 5.
  • the antennas 31-1 to 31-N R correspond to receiving antennas for uplink signals.
  • the antenna 36 is used for wireless communication with the base station 4.
  • the frequency used for wireless communication with the terminal station 2 and the reference station 5 and the frequency used for wireless communication with the base station 4 are generally different. Therefore, the mobile relay station 3 can perform wireless communication regarding the terminal station 2 and reference station 5 and wireless communication regarding the base station 4 in parallel.
  • the receiving unit 32-n and the waveform sampling unit 33-n are the n-th IoT receiving system of the mobile relay station 3 and correspond to the antenna 31-n (n is an integer from 1 to NR ).
  • the n-th IoT reception system is referred to as IoT reception system #n or reception system #n.
  • the receiving unit 32-n receives the uplink signal through the antenna 31-n.
  • the waveform sampling section 33-n samples the received waveform of the uplink signal received by the receiving section 32-n, and stores the waveform data obtained by sampling in the data storage section 34.
  • a commercially available RF chip can be used as the waveform sampling section 33-n.
  • the RF chip used as the waveform sampling section 33-n down-converts the uplink signal of the RF (Radio Frequency) signal received by the receiving section 32-n, and converts the received waveform of the down-converted uplink signal. sample.
  • the base station communication unit 35 transmits a downlink signal to the base station 4 at a timing when the base station 4 is present in the coverage. Waveform data read from the data storage section 34 is set in the downlink signal.
  • the base station 4 includes an antenna 41, a base station receiving section 42, a timing correction section 43, and M signal processing sections 44 (M is an integer of 1 or more). Although FIG. 1 shows an example of one antenna 41, two or more antennas 41 may be used. Each of the plurality of antennas 41 may be provided at antenna stations that are geographically distant from each other.
  • the M signal processing units 44 are respectively referred to as signal processing units 44-1 to 44-M.
  • the base station receiving unit 42 receives a downlink signal from the mobile relay station 3 using the antenna 41.
  • the base station receiving unit 42 obtains waveform data of each of IoT receiving systems #1 to #NR from the received downlink signal.
  • the base station receiving section 42 outputs the obtained waveform data to the timing correcting section 43.
  • the waveform data of IoT reception systems #1 to #NR may not be synchronized due to a difference in sample timing between the IoT reception systems of mobile relay station 3. Therefore, the timing correction unit 43 detects a relative shift in sample timing between IoT reception systems. In order to detect this relative shift, waveform data of the terminal correction signal transmitted from the reference station 5 is used similarly to the terminal uplink signal.
  • the terminal correction signal is, for example, a LoRa (registered trademark) signal with high timing detection resolution.
  • the timing correction section 43 performs processing to correct the detected relative deviations on the waveform data of each of the IoT reception systems #1 to #NR , and then outputs the waveform data to the signal processing section 44.
  • the signal processing units 44-1 to 44-M each perform signal processing using a different LPWA method.
  • the LPWA method corresponding to the signal processing unit 44-m (m is an integer between 1 and M) is referred to as LPWA method #m.
  • the signal processing unit 44 performs processing such as frame detection (terminal signal detection), Doppler shift compensation, and reception beam control on the waveform data of IoT reception systems #1 to #NR . In this embodiment, a description of reception processing performed by other general wireless communication devices will be omitted.
  • the signal processing section 44 includes a frame detection section 441, a beam control section 442, and a terminal signal decoding section 443.
  • the frame detection section 441, beam control section 442, and terminal signal decoding section 443 of the signal processing section 44-m are respectively referred to as a frame detection section 441-m, a beam control section 442-m, and a terminal signal decoding section 443-m.
  • the frame detection unit 441-m detects a frame of the LPWA system #m in the waveform data of the IoT reception systems #1 to #NR inputted from the timing correction unit 43.
  • Frame detection is a process of detecting frame sections from waveform data.
  • the frame section is a section in which a terminal transmission frame of a terminal uplink signal is included.
  • the frame detection unit 441-m compensates for the Doppler shift of the frame section in each waveform data. Doppler shift compensation may include compensation for Doppler shift variations. Note that the Doppler shift fluctuation refers to the fluctuation of Doppler shift per unit time.
  • the frame detection unit 441-m outputs the waveform data of the frame section in which the Doppler shift of each of the IoT reception systems #1 to #NR is compensated to the beam control unit 442-m.
  • the beam control unit 442-m receives the waveform data of the frame section of each IoT reception system #1 to #NR from the frame detection unit 441-m, and performs reception beam control. In reception beam control, the beam control unit 442-m sets weights for performing amplitude correction and phase correction for strengthening and combining desired signals of each IoT reception system, while suppressing interference signals, for each IoT reception system #. After multiplying the waveform data of frame sections 1 to #NR , the waveform data is added and synthesized. Beam control section 442-m outputs the waveform data that has been added and combined as a received signal to terminal signal decoding section 443-m.
  • the terminal signal decoding unit 443-m inputs the received signal obtained by receiving beam control from the beam control unit 442-m.
  • the terminal signal decoding section 443-m decodes the symbols of the input received signal and obtains terminal transmission data transmitted from the terminal station 2.
  • the reference station 5 includes a transmitter 51 and an antenna 52.
  • the transmitter 51 transmits the timing correction signal from the antenna 52 to the mobile relay station 3.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the process of detecting and correcting sample timing deviation between IoT receiving systems in the wireless communication system 1.
  • Detection and correction of relative deviations in sample timing between IoT reception systems is performed by the base station 4, which is a ground demodulation system.
  • the timing correction unit 43 of the base station 4 detects and corrects a relative shift in sample timing through correlation processing between the timing correction signal and the known signal.
  • the receiving unit 32-n of the mobile relay station 3 receives the uplink signal r n through the antenna 31-n.
  • the uplink signals are a terminal uplink signal transmitted by the terminal station 2 using an arbitrary LPWA method, and a timing correction signal transmitted by the reference station.
  • the LPWA method used for the timing correction signal is LoRa (registered trademark).
  • the waveform sampling unit 33-n samples the received waveform of the uplink signal r n received by the receiving unit 32-n to obtain waveform data y n .
  • a sampling delay ⁇ t n occurs after the uplink signal r n (t) is received at time t until its waveform data y n (t) is obtained. Therefore, waveform data y n (t) at time t can be expressed as r n (t ⁇ t n ).
  • Mobile relay station 3 transmits waveform data y n (t) to base station 4 using a downlink signal.
  • a relative shift in sample timing may occur between IoT reception systems #1 to #NR . This shift affects the separation and demodulation of the LoRa signal. Therefore, the timing correction unit 43 of the base station 4 performs two-dimensional correlation detection using the known signal section of the LoRa (registered trademark) signal on the waveform data y n (t) of the timing correction signal.
  • T n be the timing at which the beginning of the known signal included in the received signal of IoT reception system #n is sampled
  • x 1, f (t) be the transmitted known signal to which a frequency shift of f [Hz] has been added.
  • x 1,f (t) is commonly used for IoT reception systems #1 to #N R.
  • the transmission known signal x 1,f (t) is obtained by adding a frequency shift f to the known signal section in the LPWA signal format used for the timing correction signal.
  • the frequency shift f is -df max , -df max +f step , -df max +2 ⁇ f step , ..., df max -f step , Take the value of df max .
  • the timing correction unit 43 uses each transmission known signal x 1,f (t) while changing the value of delay time ⁇ for each IoT reception system #n, and calculates waveform data y n (t ) is selected, and the value of t ⁇ is set as the timing T n .
  • the * on the right shoulder indicates complex conjugate.
  • the timing T n corresponds to the first sample timing of the known signal section included in the timing correction signal.
  • the timing correction unit 43 calculates the timing T j detected for the IoT reception system #j (j is an integer from 1 to NR ) and the timing T j detected for the IoT reception system #k (k ⁇ j, k is 1 to NR).
  • the timing of the waveform data y k ( t) is adjusted to obtain the waveform data z k (t) based on the difference T k ⁇ T j detected for the timing T k (the following integer).
  • the timing correction unit 43 directly outputs the waveform data y 1 (t) of the IoT reception system #1 to the signal processing unit 44 as the waveform data z 1 (t). Furthermore, the timing correction unit 43 calculates the timing difference between the waveform data y 1 (t) and the waveform data y 2 (t) by T 2 ⁇ T 1 .
  • T 2 ⁇ T 1 is equal to the difference ⁇ 2 ⁇ 1 between the sampling delay ⁇ 2 in IoT receiving system #2 and the sampling delay ⁇ 1 in IoT receiving system #1.
  • the timing correction unit 43 adjusts the timing of the waveform data y 2 (t) using a timing correction value (T 2 ⁇ T 1 ) to obtain waveform data z 2 (t).
  • the timing correction section 43 outputs the waveform data z 2 (t) to the signal processing section 44 .
  • the timing correction unit 43 calculates the timing difference between the waveform data y 1 (t) and the waveform data y 3 (t) by T 3 ⁇ T 1 .
  • T 3 ⁇ T 1 is equal to the difference ⁇ 3 ⁇ 1 between the sampling delay ⁇ 3 in IoT receiving system #3 and the sampling delay ⁇ 1 in IoT receiving system #1.
  • the timing correction unit 43 obtains waveform data z 3 (t) by adjusting the timing of the waveform data y 3 (t) using a timing correction value (T 3 ⁇ T 1 ).
  • the timing correction section 43 outputs the waveform data z 3 (t) to the signal processing section 44 .
  • the sample timings of each of the waveform data z 1 (t) to z 3 (t) are all adjusted to the antennas 31-1 to 31-3.
  • the signals are aligned ⁇ t 1 after the reception time t at .
  • the timing correction unit 43 uses the timing correction signal from the reference station 5 to detect the timings T 1 to T NR of the known signals included in the waveform data of each IoT reception system #1 to #NR . Then, a timing correction value (T k ⁇ T j ) of another IoT reception system #k is calculated using the timing T j of a certain IoT reception system #j as a reference. The timing correction unit 43 sets the timing correction value to 0 for the IoT reception system #j, and outputs the waveform data y j (t) as it is to the signal processing unit 44 as waveform data z j (t).
  • the timing correction unit 43 outputs waveform data z k (t) whose timing has been corrected using the timing correction value (T k ⁇ T j ) for the waveform data y k (t) of the IoT reception system #k to the signal processing unit 44. do.
  • the signal processing unit 44-m performs frame detection of the LPWA system #m, signal separation by reception beam control, and decoding processing.
  • FIG. 3 is a diagram showing a known signal section included in a LoRa (registered trademark) frame
  • FIG. 4 is a diagram showing two correlation values obtained by performing correlation detection using the known signal section of LoRa (registered trademark). It is a figure showing dimensional distribution.
  • the leading known signal section of the LoRa (registered trademark) frame includes a preamble and a synchronization symbol.
  • FIG. 4 shows a two-dimensional distribution of correlation values when correlation with waveform data is detected using the last three symbols of the synchronization symbols when the received power is -140 dBm.
  • high correlation values are obtained for specific time and frequency combinations. That is, by performing correlation detection in two dimensions of time and frequency, even a received signal subjected to Doppler shift can be accurately detected without a deviation of one sample.
  • the timing correction unit 43 may perform a three-dimensional search of time, frequency shift, and frequency variation, including frequency variation for compensating for Doppler shift variation. For example, when transmitting a 920 MHz terminal uplink signal to the mobile relay station 3 at an orbital altitude of 570 km, the expected range of Doppler shift is approximately -20 [kHz] to 20 [kHz], which is the range of Doppler shift fluctuation. is approximately -310 [Hz/s] to -50 [Hz/s]. In this case, the timing correction unit 43 stores in advance a transmission known signal that is a known signal to which combinations of different types of frequency shifts f and different types of frequency fluctuations fl are added.
  • a plurality of types of frequency shifts f can be obtained by dividing the range from ⁇ 20 [kHz] to 20 [kHz] in steps of f step Hz. Further, multiple types of frequency fluctuations fl can be obtained by dividing the range from 50 Hz/s to 310 Hz/s in steps of several Hz.
  • the necessary step size varies depending on the characteristics of the LPWA signal and is determined by prior system design.
  • the timing correction unit 43 performs sliding correlation processing between the received signal waveform indicated by the waveform data y n of each IoT reception system #n and each known transmission signal, and obtains the timing T n at which the correlation value is maximum.
  • FIG. 5 is a flow diagram showing the processing of the wireless communication system 1 when the mobile relay station 3 receives an uplink signal.
  • the terminal station 2 acquires data detected by a sensor (not shown) provided externally or internally at any time, and writes the acquired data into the transmission data storage section 21 (step S101).
  • the transmitting unit 22 reads the sensor data from the transmitting data storage unit 21 as the terminal transmitting data at the transmission timing of its own station, and wirelessly transmits the terminal uplink signal in which the terminal transmitting data is set from the antenna 23 (step S102).
  • the terminal station 2 repeats the processing from step S101.
  • the reference station 5 transmits a timing correction signal at its own transmission timing (step S111).
  • the reference station 5 repeats the process from step S111.
  • the receiving units 32-1 to 32- NR of the mobile relay station 3 receive the terminal uplink signal transmitted from the terminal station 2 and the uplink signal which is the timing correction signal transmitted from the reference station 5 (step S121).
  • Uplink signals of the same frequency from multiple terminal stations 2 may be transmitted simultaneously. In this case, the desired signals transmitted at the same frequency at the same time interfere with each other, but by receiving beam control, the signals are separated from each other and each can be received.
  • the waveform sampling unit 33-n samples the waveforms of these uplink signals, and associates the waveform data representing the sampled waveform, the reception time representing the sampling time, and the reception system identification information representing the IoT reception system #n.
  • the received waveform information is written into the data storage section 34 (step S122).
  • the mobile relay station 3 repeats the processing from step S121.
  • FIG. 6 is a flow diagram showing the processing of the wireless communication system 1 when transmitting a downlink signal from the mobile relay station 3.
  • the base station communication unit 35 of the mobile relay station 3 detects that it is the pre-stored transmission start timing (step S201).
  • the transmission start timing is calculated in advance based on, for example, the orbit information of the LEO satellite carrying the own station and the position of the base station 4.
  • the base station communication unit 35 reads the received waveform information from the data storage unit 34 as transmission data (step S202).
  • the base station communication unit 35 transmits a downlink signal set with the acquired transmission data from the antenna 36 (step S203).
  • the mobile relay station 3 repeats the processing from step S201.
  • the base station receiving unit 42 of the base station 4 receives the downlink signal through the antenna 41 (step S211).
  • the base station receiving unit 42 demodulates and decodes the downlink signal to obtain received waveform information (step S212).
  • the base station receiving unit 42 outputs waveform data y 1 (t) to y NR (t) of the IoT reception systems #1 to #NR indicated by the received waveform information to the timing correction unit 43.
  • the timing correction unit 43 detects sample timing deviations between the IoT receiving systems, and performs processing to correct the detected sample timing deviations for the waveform data y 1 (t) to y NR (t) (step S213).
  • the timing correction unit 43 outputs waveform data z 1 (t) to z NR (t) obtained by correcting the sample timing deviation to the signal processing unit 44 .
  • the signal processing unit 44 performs reception processing on the terminal uplink signals indicated by the waveform data z 1 (t) to z NR (t) to obtain terminal transmission data transmitted from the terminal station 2 (step S214).
  • the base station 4 repeats the processing from step S211.
  • FIG. 7 is a flow diagram showing the processing in the timing correction section 43 of the base station 4.
  • the timing correction unit 43 performs the timing correction process from step S302 shown in FIG. 7.
  • a known transmission signal x f (t) is prepared in advance.
  • the transmission known signal x f (t) is obtained by adding each combination of a different frequency shift f and a different frequency variation fl to the known signal included in the timing correction signal.
  • the timing correction unit 43 stores the known transmission signal x f (t) (step S301). If the timing correction unit 43 has already stored the known transmission signal, it is not necessary to perform the process of step S301.
  • the timing correction unit 43 performs sliding correlation processing between the waveform data y 1 (t) and each known transmission signal x f (t), and calculates the received signal waveform in the waveform data y 1 (t) when the correlation value is maximum.
  • the start time is obtained as timing T1 (step S302).
  • the timing correction unit 43 sets each of the waveform data y 2 (t) to y NR (t) as waveform data y k (t).
  • the timing correction unit 43 performs sliding correlation processing between the waveform data y k (t) and each known transmission signal x f (t) for each IoT reception system, and selects a waveform whose deviation from timing T 1 is less than a threshold value.
  • the start timing of the received signal waveform when the correlation value is maximum within the time interval of data y k (t) is obtained as timing T k (step S303).
  • the threshold value is determined by measuring in advance the maximum value of sample timing deviation between IoT reception systems that occurs in the waveform sampling units 33-1 to 33-N R of the mobile relay station 3, and setting the threshold value to a value greater than or equal to the maximum value. Set. If the value is too large than the maximum value, false detection will occur if another LoRa (registered trademark) signal arrives with a slight time delay.
  • LoRa registered trademark
  • the timing correction unit 43 compares the timings T 1 to T NR extracted in each IoT reception system #1 to #N, and adjusts the waveform data y 1 (t ) ⁇ y NR (t) after adjusting the delay, it is output to the subsequent signal processing section 44 (step S304). That is, the timing correction section 43 outputs the waveform data y 1 (t) as it is as waveform data z 1 (t) to the signal processing section 44, and the waveform data y k (t) is corrected by the timing shift (T k ⁇ T 1 ) is output to the signal processing section 44 .
  • FIG. 8 is a flow diagram showing the processing of the signal processing unit 44 of the base station 4.
  • the signal processing units 44-1 to 44-M each perform the processing shown in FIG.
  • the processing in FIG. 8 will be explained using the signal processing unit 44-m as an example.
  • the frame detection unit 441-m receives waveform data z 1 (t) to z NR (t) of the IoT reception systems #1 to #NR from the timing correction unit 43, respectively.
  • the frame detection unit 441 performs a frame detection process to detect frames of LPWA method #m on the input waveform data z 1 (t) to z NR (t) (step S401).
  • the frame detection unit 441-m stores in advance a plurality of known transmission signals of the LPWA method #m in a storage unit inside or outside the frame detection unit 441.
  • Each transmission known signal is obtained by adding combinations of different types of frequency shifts and different types of frequency fluctuations to the known signal defined by the frame format of LPWA system #m.
  • the known signal of the LPWA method #m is a preamble or the like set at a predetermined position such as the beginning of a frame within a frame.
  • the frame detection unit 441-m performs sliding correlation processing between each of the plurality of transmission known signals of the LPWA system #m read from the storage unit and the received signal waveform indicated by the waveform data z n (t) of each IoT reception system #n. Calculate the correlation value by The frame detection unit 441-m detects a frame section in the waveform data z n (t) based on the position of the received signal waveform where the maximum correlation value or the correlation value greater than or equal to the threshold value is obtained for each IoT reception system #n. Detect. Further, the frame detection unit 441-m obtains, for each IoT reception system #n, the frequency shift and frequency fluctuation added to the known transmission signal used when detecting the frame section.
  • the resulting frequency shift and frequency variation are approximately the same as the Doppler shift and Doppler shift variation experienced by the terminal uplink signal of the desired signal, respectively.
  • the frame detection unit 441-m may use the frame interval, frequency shift, and frequency fluctuation obtained for the waveform data z n (t) of any one IoT reception system #n for other IoT reception systems. good.
  • the frame detection unit 441-m extracts a frame length section defined by the frame format from the waveform data, or identifies the end position of the frame based on frame length information written in the header of the received frame. Then, the frame section of LPWA method #m is extracted from each waveform data z n (t). The frame detection unit 441-m compensates for the Doppler shift of the frame section extracted from each waveform data z n (t) (step S402).
  • the frame detection unit 441-m compensates for the Doppler shift of the frequency shift obtained for the IoT reception system #n in the frame section of the waveform data z n (t). Furthermore, the frame detection unit 441-m adds a phase rotation that cancels the Doppler shift fluctuation of the frequency fluctuation obtained for the IoT reception system #n over the entire frame section of the waveform data z n (t). Performs compensation to cancel Doppler shift fluctuations.
  • the frame detection unit 441-m outputs Doppler shift-compensated waveform data of the frame section of each IoT reception system to the beam control unit 442-m.
  • the frame detection unit 441-m uses the known signal of the LPWA system #m to which a different frequency shift is added as the transmission known signal, and extracts the frame section and frequency shift of each IoT reception system #n in the same manner as above. , the Doppler shift of the extracted frequency shift may be compensated for the extracted frame section.
  • the frame detection unit 441-m estimates the Doppler shift fluctuation for each IoT reception system #n based on the amount of phase rotation of the known signal section in the frame after Doppler shift compensation, and estimates the Doppler shift variation for the frame section. Compensate for fluctuations.
  • the beam control unit 442-m performs narrowband filtering on the waveform data of the frame section of each IoT reception system input from the frame detection unit 441-m.
  • the passband width of narrowband filtering is the same as the transmission signal bandwidth of the desired signal defined in LPWA method #m, or a bandwidth with a little margin added.
  • the beam control unit 442-m performs reception beam control using an adaptive array on the narrowband filtered frame to separate interference signals remaining in the filter band in the spatial domain and extract a desired signal (step S403). ).
  • Beam control section 442-m outputs the extracted desired signal to terminal signal decoding section 443-m.
  • the terminal signal decoding unit 443-m performs decoding processing on the desired signal input from the beam control unit 442-m to obtain terminal transmission data (step S404).
  • Terminal signal decoding section 443-m outputs the obtained terminal transmission data.
  • the terminal signal decoding unit 443-m may perform a CRC (Cyclic Redundancy Check) determination on the decoding result, and output the decoding result to a subsequent stage if it is determined that the decoding is successful.
  • CRC Cyclic Redundancy Check
  • the timing correction unit 43 of the base station 4 detects sample timing deviation using a timing correction signal from the reference station 5. Therefore, it is necessary to install a reference station 5 in the area where the mobile relay station 3 mounted on the LEO satellite collects data. Therefore, in a modification of the first embodiment, the reference station 5 is not used, and instead of the timing correction signal, a terminal uplink signal transmitted from the terminal station 2, which is the satellite IoT terminal from which information is collected, is used. , detects and corrects sample timing deviations.
  • the timing correction unit 43 of the base station 4 performs sliding correlation processing between the waveform data of each IoT reception system of the terminal uplink signal received by the mobile relay station 3 and the transmission known signal, and performs a sliding correlation process between all or more than a predetermined number of IoT reception signals. If the correlation value for the system is higher than a threshold value, a LoRa (registered trademark) signal transmitted by any terminal station 2 is detected.
  • the timing correction unit 43 performs the same processing as in the first embodiment using the waveform data of the detected LoRa (registered trademark) signal instead of the waveform data of the timing correction signal in the first embodiment, and Detects and corrects sample timing deviations between receiving systems.
  • the sample timing shift is caused by a slight time difference in the power-on timing of the RF chips that perform waveform sampling in each IoT reception system. As long as the power of the RF chip is not turned on or off, the sample timing difference between IoT reception systems will not change. Therefore, the timing correction unit 43 only needs to detect at least one LoRa (registered trademark) signal included in the waveform data to detect and correct the timing shift.
  • LoRa registered trademark
  • a sample timing shift is detected and corrected using a predetermined LPWA uplink signal.
  • a signal processing unit that performs reception processing of terminal uplink signals of each LPWA system also performs frame detection and detects and corrects sample timing deviation. The second embodiment will be described focusing on the differences from the first embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram showing the configuration of the wireless communication system 10 of the second embodiment.
  • the wireless communication system 10 includes a terminal station 2, a mobile relay station 3, and a base station 6.
  • the base station 6 is an example of a signal processing device.
  • the base station 6 is installed on the earth.
  • the number of base stations 6 is arbitrary.
  • the base station 6 includes an antenna 41, a base station receiving section 42, and a signal processing section 61.
  • the M signal processing units 61 (M is an integer greater than or equal to 1) are respectively referred to as signal processing units 61-1 to 61-M.
  • Each of the plurality of signal processing units 61 performs signal processing using a different LPWA method.
  • the signal processing unit 61-m (m is an integer greater than or equal to 1 and less than or equal to M) corresponds to the LPWA system #m.
  • the signal processing section 61 includes a timing correction section 611, a beam control section 442, and a terminal signal decoding section 443.
  • the timing correction unit 611, beam control unit 442, and terminal signal decoding unit 443 included in the signal processing unit 61-m are respectively referred to as a timing correction unit 611-m, a beam control unit 442-m, and a terminal signal decoding unit 443-m. .
  • the timing correction section 611-m receives waveform data of each of the IoT reception systems #1 to #NR from the base station reception section 42.
  • the timing correction unit 611-m performs frame detection of the terminal transmission frame of the LPWA method #m by performing sliding correlation processing of the waveform data of each of the IoT reception systems #1 to #N R and the known transmission signal of the LPWA method #m. At the same time, sample timing deviations between IoT reception systems are detected and corrected.
  • the timing correction unit 611-m extracts the frame section of the LPWA method #m from the waveform data of each of the IoT reception systems #1 to #NR , in which the sample timing deviation between the IoT reception systems has been corrected.
  • the timing correction unit 611-m compensates for the Doppler shift of these extracted frame sections, and then outputs them to the beam control unit 442-m.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining a process of detecting and correcting sample timing deviation between IoT reception systems in the wireless communication system 10.
  • Detection and correction of relative deviations in sample timing between IoT reception systems is performed by the base station 6, which is a ground demodulation system.
  • the timing correction unit 611 of the signal processing unit 61 of the base station 6 also serves as frame detection in the LPWA system #m, and detects and corrects a relative shift in sample timing.
  • Mobile relay station 3 receives terminal uplink signals from terminal station 2 .
  • the waveform data y n (t ) is obtained until a sampling delay ⁇ t n occurs.
  • the timing correction unit 611-m of the signal processing unit 61-m of the base station 6 adds the known data of the LPWA system #m to the waveform data y 1 (t) to y NR (t) of the IoT reception systems #1 to #NR. Two-dimensional correlation detection is performed using signal sections.
  • T n be the timing at which sampling of the known signal of LPWA method #n included in the received signal of IoT reception system #n is started, and x 1, f (t) is added with a frequency shift of f [Hz]. It is assumed to be a transmission known signal of LPWA method #m. The frequency shift f is determined in the same manner as in the first embodiment.
  • the timing correction unit 611-m uses each transmission known signal x 1,f (t) while changing the value of delay time ⁇ for each IoT reception system #n, and calculates waveform data y n according to the following equation (2). (t) and obtain the values of timing T n and frequency shift F n when the correlation value with (t) becomes maximum.
  • Timing T n is the value of t- ⁇ using the value of ⁇ when the maximum correlation value is obtained for IoT reception system #n
  • frequency shift F n is the maximum correlation value for IoT reception system #n. is the frequency shift f added to the known transmission signal when .
  • the timing correction unit 611-m uses the timings T 1 to T NR obtained for each IoT reception system #1 to #NR to adjust the waveform data y 1 (t) to y NR in the same manner as in the first embodiment. Correct the relative timing deviation of (t).
  • the timing correction unit 611-m sets the timing correction value to 0 for the waveform data y j (t) of the IoT reception system #j (j is an integer from 1 to NR ), and sets the timing correction value to 0 for the waveform data y
  • j (t) be the waveform data z j (t) as it is.
  • the timing correction unit 611-m adjusts the timing of the waveform data y k (t) of the IoT reception system #k (k ⁇ j, k is an integer from 1 to NR ) based on the timing correction value (T k ⁇ T j ). is corrected and set as waveform data z k (t).
  • the timing correction unit 611-m detects a frame section in the waveform data z 1 (t) to z NR (t) in which the relative timing shift is corrected, using timing T j as the position of the known signal of LPWA #m. do.
  • the timing correction unit 611-m extracts the frame length section defined by the frame format of LPWA #m from the waveform data z 1 (t) to z NR (t), or extracts the section of the frame length defined by the frame format of LPWA #m, or extracts the section of the frame length defined by the frame format of LPWA #m, or extracts the section of the frame length defined by the frame format of LPWA #m, or extracts the section of the frame length defined by the frame format of LPWA #m, or The end position of the frame is specified based on the frame length information, and the frame section is extracted.
  • the timing correction unit 611-m compensates the Doppler shift of the frequency shift F n obtained for the IoT reception system #n in the frame section of each extracted waveform data z n (t).
  • the timing correction unit 611-m applies the waveform data z' n (t) obtained by compensating the Doppler shift of the frequency shift F n to the beam control unit 442-m in the frame section extracted from the waveform data z n (t). Output to m.
  • the subsequent processing is similar to the first embodiment.
  • the timing correction unit 611-m adjusts the frequency shift obtained for any IoT reception system #n for all IoT reception systems #1 to #NR . Compensate for Doppler shift by F n .
  • the timing correction unit 611-m may perform a three-dimensional search of time, frequency shift, and frequency variation, including frequency variation to compensate for Doppler shift variation.
  • the timing correction unit 611-m stores in advance a transmission known signal that is a known signal of the LPWA method #m to which combinations of different types of frequency shifts f and different types of frequency fluctuations fl are added.
  • the timing correction unit 611-m performs sliding correlation processing between the received signal waveform indicated by the waveform data y n (t) of each IoT reception system #n and each known transmission signal.
  • the timing correction unit 611-m obtains the timing T n at which the correlation value is maximum, the frequency shift F n , and the frequency fluctuation FL n for each IoT reception system #n.
  • the frequency shift F n and the frequency variation FL n are the frequency shift f and the frequency variation fl added to the transmission known signal used when the correlation value is the maximum.
  • the timing correction unit 611-m compensates for the Doppler shift of the frequency shift F n in the frame section of each waveform data z n (t). Furthermore, the timing correction unit 611-m adds phase rotation to cancel Doppler shift fluctuations of the frequency fluctuation FL n over the entire frame section of each waveform data z n (t), thereby performing compensation for canceling Doppler shift fluctuations. and obtain waveform data z' n (t).
  • the timing correction section 611-m outputs the frame section of the waveform data z' 1 (t) to z' NR (t) to the beam control section 442-m.
  • the processing of the wireless communication system 10 when the mobile relay station 3 receives an uplink signal is the same as the processing of the first embodiment shown in FIG. 5, except for the processing of the reference station 5.
  • FIG. 11 is a flow diagram showing the processing of the wireless communication system 10 when transmitting a downlink signal from the mobile relay station 3.
  • the processing of the mobile relay station 3 and the processing of steps S211 and S212 of the base station 6 are similar to those in the first embodiment shown in FIG. 6. However, the base station 6 does not receive the timing correction signal.
  • the signal processing units 61-1 to 61-M of the base station 6 receive waveform data y 1 (t ) to y NR (t ).
  • the timing correction unit 611-m of the signal processing unit 61-m uses the waveform data y 1 (t) to y NR (t) of each of the IoT reception systems #1 to #NR and the known transmission signal x of the LPWA system #m. Perform sliding correlation processing with f (t).
  • the timing correction unit 611-m detects frames of the LPWA method #m in the waveform data y 1 (t) to y NR (t) based on the results of the sliding correlation process, and adjusts the sample timing shift based on the detected positions. is corrected (step S511).
  • the timing correction unit 611-m adds waveform data z obtained by compensating the Doppler shift to the LPWA method #m frame extracted from the waveform data z 1 (t) to z NR (t) with sample timing deviations corrected. Output ' 1 (t) ⁇ z' NR (t).
  • the beam control section 442-m performs offline reception beam control using the waveform data z' 1 (t) to z' NR (t) input from the timing correction section 611-m.
  • the terminal signal decoding section 443-m decodes the symbol of the received signal subjected to offline beam control by the beam control section 442-m, and obtains terminal transmission data transmitted from the terminal station 2 (step S512).
  • FIG. 12 is a flow diagram showing the processing in the signal processing section 61.
  • the signal processing unit 61 performs the timing correction process after step S602 shown in FIG. 12.
  • the processing in FIG. 12 will be explained using the signal processing unit 61-m as an example.
  • a known transmission signal x f (t) of LPWA method #m is prepared in advance.
  • the transmission known signal x f (t) is obtained by adding a combination of a different frequency shift f and a different frequency fluctuation fl to the known signal included in the signal frame of the LPWA method #m.
  • the timing correction unit 611-m stores the known transmission signal x f (t) of the LPWA method #m (step S601). If the timing correction unit 611-m has already stored the known transmission signal, it is not necessary to perform the process of step S601.
  • the timing correction unit 611-m performs sliding correlation processing between the waveform data y 1 (t) and each known transmission signal x f (t), and generates a frequency shift F 1 and a frequency fluctuation FL 1 that maximize the correlation value,
  • the timing T1 is extracted (step S602).
  • the frequency shift F 1 and the frequency variation FL 1 are the frequency shift f and the frequency variation fl used to generate the transmission known signal x f (t) for which the maximum correlation value was obtained.
  • Timing T 1 is the start time of the received signal waveform in waveform data y 1 (t) when the correlation value is maximum.
  • the timing correction unit 611-m sets each of the waveform data y 2 (t) to y NR (t) as waveform data y k .
  • the timing correction unit 611-m performs sliding correlation processing between the waveform data y k and each known transmission signal x f (t), and the correlation value is maximum in a time interval in which the deviation from timing T 1 is less than a threshold value.
  • the frequency shift Fk , frequency fluctuation FLk , and timing Tk are extracted (step S603).
  • the frequency shift F k , the frequency variation FL k and the timing T k are obtained in the same manner as the extraction of the frequency shift F 1 , the frequency variation FL 1 and the timing T 1 in step S602.
  • the threshold value is set similarly to step S303 of the first embodiment shown in FIG.
  • the timing correction unit 611-m converts all frequency shifts and frequency fluctuations of the IoT reception systems #1 to #NR into the frequency of the IoT reception system #1.
  • the shift F 1 and the frequency fluctuation FL 1 are set (step S604).
  • the timing correction unit 611-m compares the timings T 1 to T NR extracted in each IoT reception system #1 to #N, and adjusts the waveform data y 1 ( t) to y NR (t) is adjusted (step S605). That is, the timing correction unit 611-m uses the waveform data y 1 (t) as waveform data z 1 (t) as it is, and adjusts the timing shift (T k ⁇ T 1 ) for the waveform data y k (t). Let the waveform data be z k (t).
  • the timing correction unit 611-m extracts the frame section of the LPWA method #m from the waveform data z 1 (t) to z NR (t), using timing T 1 as the position of the known signal in the frame of the LPWA method #m.
  • the timing correction unit 611-m compensates for the Doppler shift of the frame section extracted from the waveform data z n (t) of each IoT reception system #n (step S606).
  • the timing correction unit 611-m compensates for the Doppler shift of the frequency shift F n in the frame section of the waveform data z n (t), and further performs compensation to cancel the Doppler shift fluctuation of the frequency fluctuation FL n , thereby converting the waveform data z' Obtain n (t).
  • the timing correction section 611-m outputs the waveform data z' 1 (t) to z' NR (t) to the beam control section 442-m.
  • the frequency shift and frequency fluctuation that give the maximum correlation value in the timing correction process described above are the Doppler shift and Doppler shift fluctuation that the received signal has undergone due to the high-speed movement of the LEO satellite. Therefore, the timing correction unit 611-m performs Doppler shift compensation to cancel this. At this time, due to the influence of thermal noise, the frequency shift F n at which the correlation value is maximum may differ slightly depending on the IoT reception system. If Doppler shift compensation is performed with a different value for each IoT reception system, a signal with a shifted frequency will be input to the subsequent beam control unit 442-m, leading to deterioration of reception beam control characteristics. Therefore, the timing correction unit 661-m performs Doppler shift compensation using the known transmission signal with the maximum correlation value for any IoT reception system.
  • the beam controller 442-m performs the same process as step S403 in FIG. 8 using the waveform data z' 1 (t) to z' NR (t) input from the timing corrector 611-m. That is, the beam control unit 442-m performs narrowband filtering on the waveform data z' 1 (t) to z' NR (t), and then performs reception beam control using an adaptive array to extract a desired signal (step S607).
  • the terminal signal decoding unit 443-m performs the process of step S403 in FIG. That is, terminal signal decoding section 443-m performs decoding processing on the desired signal input from beam control section 442-m to obtain terminal transmission data (step S608).
  • the mobile body on which the mobile relay station is mounted is a LEO satellite, but it may be a geostationary satellite, a drone, a HAPS, or other flying body that flies in the sky. Furthermore, the above embodiments can also be applied to a case where a relay station that does not move receives a radio signal from a terminal station that moves on a determined trajectory, for example.
  • All or part of the timing correction unit 43 and signal processing unit 44 of the base station 4 and the signal processing unit 61 of the base station 6 are stored in a processor such as a CPU (central processing unit) or a GPU (graphics processing unit). It may also be realized by reading a program from the section and executing it.
  • all or part of the functions of the timing correction unit 43 and signal processing unit 44 of the base station 4 and the signal processing unit 61 of the base station 6 may be implemented using an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), a PLD (Programmable Logic Device), or a PLD (Programmable Logic Device). It may be realized using hardware such as FPGA (Field Programmable Gate Array).
  • the base station 4 may not have the timing correction section 43 and the signal processing section 44, and the signal processing device connected to the base station 4 may have the timing correction section 43 and the signal processing section 44.
  • the base station 6 may not have the signal processing section 61, and the signal processing device connected to the base station 6 may have the signal processing section 61.
  • the signal processing device includes a first timing correction section, a frame detection section, a beam control section, and a decoding section.
  • the signal processing device corresponds to the base stations 4 and 6.
  • the first timing correction unit corrects sample timing deviation between the plurality of reception systems based on a known signal section included in waveform data obtained by sampling the waveform of a wireless signal received by each of the plurality of reception systems by the communication device. A process of detecting and correcting the detected sample timing deviation is performed on the waveform data.
  • the communication device is the mobile relay station 3 of the embodiment.
  • the frame detection unit detects a frame of the wireless signal in the waveform data whose sample timing shift has been corrected, and performs Doppler shift compensation on the detected frame.
  • the beam control unit performs reception beam control on the plurality of waveform data whose Doppler shift has been compensated.
  • the decoding unit decodes the signal obtained by the reception beam control and obtains data transmitted by the wireless signal.
  • the communication device may be provided on an aircraft flying over the sky.
  • the first timing correction unit converts the sample timing of the timing correction signal wirelessly transmitted by the reference station from the ground area where the terminal station that transmits the wireless signal to the communication device is installed into the wireless signal used for the timing correction signal. Detection is performed for each receiving system based on the correlation between each of the multiple known transmission signals obtained by performing different Doppler shift compensation on the known signal of the system and the waveform data, and the detected sample timing is used to transfer data between the multiple receiving systems. Detect sample timing deviation.
  • the signal processing device has a set of a frame detection unit, a beam control unit, and a decoding unit that process the wireless signal system for each wireless signal system used for the wireless signal from the terminal station.
  • the frame detection unit detects a frame of a wireless signal of a wireless signal system to be processed in the waveform data whose sample timing shift has been corrected, and performs Doppler shift compensation on the detected frame.
  • the first timing correction unit performs different Doppler shift compensation on the sample timing of a wireless signal of a predetermined wireless communication method having a high timing detection resolution, and performs different Doppler shift compensation on the known signal of the wireless communication method, respectively.
  • the detection may be performed for each receiving system based on the correlation between the signal and the waveform data, and the detected sample timing may be used to detect a sample timing shift between the plurality of receiving systems.
  • the signal processing device has a set of a frame detection unit, a beam control unit, and a decoding unit that process the wireless signal system for each wireless signal system used for a wireless signal received by the communication device.
  • the frame detection unit detects a frame of a wireless signal of a wireless signal system to be processed in the waveform data whose sample timing shift has been corrected, and performs Doppler shift compensation on the detected frame.
  • the signal processing device may include a second timing correction section instead of the first timing correction section and the frame detection section.
  • the second timing correction unit calculates the timing between the frame of the wireless communication system to be processed in the waveform data and the plurality of receiving systems based on the known signal section of the wireless communication system to be processed included in the waveform data of each of the plurality of receiving systems. A sample timing shift is detected, and Doppler shift compensation is performed for the detected frame in the waveform data in which the detected sample timing shift is corrected.
  • the second timing correction unit determines the sample timing of the known signal and the known Detected frames in waveform data in which the Doppler shift received by the signal is detected for each receiving system, the detected sample timing is used to detect sample timing deviations between multiple receiving systems, and the detected sample timing deviations are corrected. The detected Doppler shift is compensated for.
  • the second timing correction unit compensates for the Doppler shift detected for any of the reception systems for frames of the plurality of reception systems.
  • the functions of the signal processing device may be realized by a computer.
  • the functions of the signal processing device may be realized by recording a program on a computer-readable recording medium, causing the computer system to read and execute the program recorded on the recording medium.
  • the computer system includes, for example, hardware such as a processor, an OS, and peripheral devices.
  • the program for the signal processing device may be recorded on a computer-readable recording medium.
  • the computer-readable recording medium is, for example, a portable medium such as a flexible disk, magneto-optical disk, ROM, or CD-ROM, or a storage device such as a hard disk built into a computer system.
  • the signal processing device program may be transmitted via a telecommunications line.

Abstract

信号処理装置は、タイミング補正部と、フレーム検出部と、ビーム制御部と、復号部とを備える。タイミング補正部は、通信装置が複数の受信系統それぞれにより受信した無線信号の波形をサンプリングして得られた波形データに含まれる既知信号区間に基づいて受信系統間のサンプルタイミングずれを検出し、検出されたサンプルタイミングずれを補正する処理を波形データに対して行う。フレーム検出部は、サンプルタイミングずれが補正された波形データにおける無線信号のフレームを検出し、検出されたフレームのドップラーシフトの補償を行う。ビーム制御部は、ドップラーシフトが補償された複数のフレームに受信ビーム制御を行う。復号部は、受信ビーム制御により得られた信号を復号し、無線信号により送信されたデータを得る。

Description

信号処理装置及び信号処理方法
　本発明は、信号処理装置及び信号処理方法に関する。
　近年、衛星ＩｏＴ（Internet of Things）プラットフォーム（衛星ＩｏＴ－ＰＦ）の検討が行われている。衛星ＩｏＴ－ＰＦは、地球上のあらゆる場所のＩｏＴ端末から、低軌道周回衛星によりセンサデータを収集する。ＩｏＴ端末の設置場所は、海上や山間部等の地上通信網ではカバーが困難なエリアを含む。
　図１３は、衛星ＩｏＴ－ＰＦにおいて低軌道衛星が受信する無線信号を示す図である。図１３において、実線の矢印は衛星ＩｏＴ端末からの所望信号を表し、破線の矢印は地上ＩｏＴ端末からの干渉信号を表す。衛星ＩｏＴ端末は、衛星ＩｏＴ－ＰＦにおいてデータを収集する対象である。低軌道衛星には、多数の衛星ＩｏＴ端末から送信される所望信号が到来するだけでなく、地上に広く普及する地上ＩｏＴ端末からの干渉信号も多数到来する。従って、衛星ＩｏＴ－ＰＦではそれらの信号が互いに干渉する中で、所望の衛星ＩｏＴ端末から送信される微弱な所望信号を抽出して復調及び復号を行う必要がある。そのための有効な手法として、低軌道衛星に複数の受信アンテナを搭載し、これらの受信アンテナを用いて受信ビーム制御を行う手法がある（例えば、非特許文献１参照）。
　また、低軌道衛星には、一般に小型、軽量及び省電力が求められる。一方で、ＩｏＴ端末が用いるＬＰＷＡ（Low Power Wide Area）方式には、ＬｏＲａ（登録商標）やＳｉｇｆｏｘ（登録商標）、ＥＬＴＲＥＳ（登録商標）など多くの種類がある。低軌道衛星に各ＬＰＷＡ方式の復調及び復号を行う受信機を具備すると受信機が複雑化し、消費電力の増加に繋がる。また、低軌道衛星が受信ビーム制御を行うことによって、多数の所望の衛星ＩｏＴ端末からの所望信号を抽出し、抽出した信号を復調及び復号することも、低軌道衛星内で膨大な信号処理を必要とするため消費電力の増大に繋がる。加えて、新たなＬＰＷＡ方式が開発された場合、低軌道衛星はその方式に対応した受信機を具備していないために正常な受信ができない。
　そこで、地上の装置がオフライン信号処理により受信ビーム制御を行うシステム構成が検討されている（例えば、非特許文献２参照）。このシステム構成では、低軌道衛星に複数の受信アンテナを搭載する。低軌道衛星は、サンプリングした各受信アンテナの受信波形データを地上に伝送する。地上の装置は、受信波形データから得られる信号に対してオフライン信号処理により受信ビーム制御を行うことで衛星ＩｏＴ端末からの所望信号を抽出する。また、波形サンプリング機能を有する市販のＲＦ（Radio Frequency：無線周波数）チップがある（例えば、非特許文献３参照）。
J. Chu, X. Chen, C. Zhong and Z. Zhang, "Robust Design for NOMA-Based Multibeam LEO Satellite Internet of Things", IEEE Internet of Things Journal, vol. 8, no. 3, pp. 1959-1970, 2021. F. Yamashita, D. Goto, Y. Kojima, M. Matsui, K. Itokawa, K. Yoshizawa, K. Sakamoto, Y. Fujino, C. Kato, and M. Nakadai, "920-MHz IoT platform via LEO satellite employing feeder-link MIMO technology," Proc. 2020 International Conference on Emerging Technologies for Communications (ICETC2020), A1-2, Dec. 2020. Semtech, SX1257 Data Sheet Rev. 1.2, March 2018.
　低軌道衛星は、各受信アンテナに対応するＩｏＴ受信系統を有する。各ＩｏＴ受信系統においては、受信ビーム制御の性能を確保するために、互いにサンプルタイミングの同期が取れた状態でサンプリングを行うことが望ましい。受信系統間でサンプルタイミングのずれがある場合、特にＬｏＲａ（登録商標）方式や高伝送レートのＬＰＷＡ方式では、受信ビーム制御の特性劣化を招く。
　例えば、ＬｏＲａ（登録商標）は、Ｃｈｉｒｐ拡散方式である。この方式では、サンプルタイミングのずれが周波数のずれに繋がる。つまり、サンプルタイミングがずれると、各受信系統の信号を合成する際に、周波数がずれた信号同士が合成されるため、受信ビーム制御の特性劣化を招く。また、高伝送レートのＬＰＷＡ方式では、サンプルタイミングのずれにより、シンボル点同士の合成ができなくなるため、特性劣化を招く。
　各受信系統で正確にサンプルタイミングの同期が取れた状態でサンプリングを行うには、専用のサンプリング装置を衛星に搭載する必要がある。これは、サンプリング装置の高コスト化、開発期間の長期間化に繋がる。また、非特許文献３に記載されるような波形サンプリング機能を有する市販のＲＦチップを複数搭載して波形サンプリングを行う場合、各受信系統のＲＦチップにおける電源ＯＮタイミングのわずかな時間差によって、サンプルタイミングずれが生じる。
　上記事情に鑑み、本発明は、無線信号の受信系統間で受信波形のサンプルタイミングずれが生じる場合でも受信ビーム制御の特性劣化を低減することができる信号処理装置及び信号処理方法を提供することを目的としている。
　本発明の一態様の信号処理装置は、通信装置が複数の受信系統それぞれにより受信した無線信号の波形をサンプリングして得られた波形データに含まれる既知信号区間に基づいて複数の前記受信系統間のサンプルタイミングずれを検出し、検出された前記サンプルタイミングずれを補正する処理を前記波形データに対して行う第一タイミング補正部と、サンプルタイミングずれが補正された前記波形データにおける無線信号のフレームを検出し、検出された前記フレームに対してドップラーシフトの補償を行うフレーム検出部と、ドップラーシフトが補償された複数の前記フレームに受信ビーム制御を行うビーム制御部と、前記受信ビーム制御により得られた信号を復号し、前記無線信号により送信されたデータを得る復号部と、を備える。
　本発明の一態様の信号処理方法は、通信装置が複数の受信系統それぞれにより受信した無線信号の波形をサンプリングして得られた波形データに含まれる既知信号区間に基づいて複数の前記受信系統間のサンプルタイミングずれを検出し、検出された前記サンプルタイミングずれを補正する処理を前記波形データに対して行うタイミング補正ステップと、サンプルタイミングずれが補正された前記波形データにおける無線信号のフレームを検出し、検出された前記フレームに対してドップラーシフトの補償を行うフレーム検出ステップと、ドップラーシフトが補償された複数の前記フレームに受信ビーム制御を行う受信ビーム制御ステップと、前記受信ビーム制御により得られた信号を復号し、前記無線信号により送信されたデータを得る復号ステップと、
　を有する。
　本発明により、無線信号の受信系統間で受信波形のサンプルタイミングずれが生じる場合でも受信ビーム制御の特性劣化を低減することが可能となる。
本発明の第１の実施形態による無線通信システムの構成を示す図である。 第１の実施形態によるサンプルタイミングずれの検出及び補正の処理を説明するための図である。 第１の実施形態に用いられる信号フレームの既知信号区間を示す図である。 第１の実施形態による相関値の２次元分布を示す図である。 第１の実施形態による無線通信システムの処理を示すフロー図である。 第１の実施形態による無線通信システムの処理を示すフロー図である。 第１の実施形態によるタイミング補正部の処理を示すフロー図である。 第１の実施形態による信号処理部の構成を示すブロック図である。 第２の実施形態による無線通信システムの構成を示す図である。 第２の実施形態によるサンプルタイミングずれの検出及び補正の処理を説明するための図である。 第２の実施形態による無線通信システムの処理を示すフロー図である。 第２の実施形態による信号処理部の処理を示すフロー図である。 衛星ＩｏＴ－ＰＦにおいて低軌道衛星が受信する無線信号を示す図である。
　以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、複数の図面において同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
［第１の実施形態］
　図１は、本発明の第１の実施形態による無線通信システム１の構成を示す図である。無線通信システム１は、端末局２と、移動中継局３と、基地局４と、参照局５とを備える。基地局４は、信号処理装置の一例である。無線通信システム１において、端末局２と、移動中継局３と、基地局４と、参照局５との各台数は、任意である。なお、端末局２の台数は多数であることが想定される。移動中継局３は、地球の上空を移動する。端末局２と、基地局４と、参照局５とは、地球上に設置される。地球上は、地上及び海上を含む。
　以下では、端末局２から移動中継局３に送信される無線信号及び参照局５から移動中継局３に送信される無線信号を「アップリンク信号」と記載する。アップリンク信号のうち、端末局２から移動中継局３に送信される無線信号を「端末アップリンク信号」と記載する。また、移動中継局３から基地局４に送信される無線信号を「ダウンリンク信号」と記載する。
　端末局２は、例えば、衛星ＩｏＴ端末である。端末局２は、送信データ記憶部２１と、送信部２２と、アンテナ２３とを備える。図１ではアンテナ２３が１本の例を示しているが、アンテナ２３は２本以上でもよい。
　送信データ記憶部２１は、送信データを記憶する。送信データは、例えば、センサによって検出された環境データ等である。送信部２２は、送信データ記憶部２１から読み出した送信データを設定した端末アップリンク信号を生成する。送信部２２は、上空を移動中の移動中継局３に向けて、衛星ＩｏＴプラットフォームにおいて用いられる無線方式によりアンテナ２３から端末アップリンク信号を送信する。例えば、送信部２２は、ＬＰＷＡ（Low Power Wide Area）方式により信号を送信する。ＬＰＷＡ方式には、ＬｏＲａＷＡＮ（登録商標）、Ｓｉｇｆｏｘ（登録商標）、ＬＴＥ－Ｍ（Long Term Evolution for Machines）、ＮＢ（Narrow Band）－ＩｏＴ等があるが、任意の無線通信方式を用いることができる。また、送信部２２は、他の端末局２と時分割多重、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing：直交周波数分割多重）などにより送信を行ってもよい。送信部２２は、使用する無線通信方式において予め決められた方法により、自局が端末アップリンク信号の送信に使用するチャネル及び送信タイミングを決定する。
　移動中継局３は、時間の経過に伴って移動する通信装置の一例である。移動中継局３は、移動体に搭載されることによって、上空を移動する。移動中継局３は、例えば、ＬＥＯ（Low Earth Orbit）衛星に備えられる。移動中継局３は、予め定められた軌道に沿って地球を周回する。ＬＥＯ衛星の高度は２０００ｋｍ以下であり、地球の上空を１周約１．５時間程度で周回する。移動中継局３は、地球の上空を移動しながら、各端末局２から端末アップリンク信号を受信する。移動中継局３は、端末アップリンク信号により受信したデータを蓄積する。移動中継局３は、蓄積していたデータを、基地局４との通信が可能なタイミングにおいて、ダウンリンク信号を用いて基地局４に送信する。
　ＬＥＯ衛星に搭載された移動中継局３は、高速で移動しながら通信を行うため、個々の端末局２や基地局４が移動中継局３と通信可能な時間が限られている。具体的には、地上で見ると、移動中継局３は、数分程度で上空を通り過ぎる。そのため、ＬＥＯ衛星に搭載された移動中継局３は、例えば、ドローンやＨＡＰＳ（High Altitude Platform Station）に中継局を搭載する場合よりもリンクバジェットが小さい。そこで、移動中継局３は、移動中の現在位置におけるカバレッジ内の端末局２から複数の受信アンテナにより端末アップリンク信号を受信し、それら各受信アンテナが受信した端末アップリンク信号の波形をサンプリングして得られた波形データを保存しておく。複数の受信アンテナによる受信には、例えば、ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）が用いられる。複数の受信アンテナを用いた通信のダイバーシティー効果、ビームフォーミング効果により、通信品質を高めることができる。
　移動中継局３は、アンテナ３１－１～３１－ＮＲ（ＮＲは２以上の整数）と、受信部３２－１～３２－ＮＲと、波形サンプリング部３３－１～３３－ＮＲと、データ記憶部３４と、基地局通信部３５と、アンテナ３６とを有する。図１ではアンテナ３６が１本の例を示しているが、アンテナ３６は２本以上でもよい。
　アンテナ３１－１～３１－ＮＲは、端末局２及び参照局５との無線通信に使用される。アンテナ３１－１～３１－ＮＲは、アップリンク信号の受信アンテナに相当する。一方、アンテナ３６は、基地局４との無線通信に使用される。端末局２及び参照局５との無線通信に使用される周波数と、基地局４との無線通信に使用される周波数とは一般に異なる。そのため、移動中継局３は、端末局２及び参照局５に関する無線通信と、基地局４に関する無線通信とを、並行に実行可能である。
　受信部３２－ｎ及び波形サンプリング部３３－ｎは、移動中継局３のｎ番目のＩｏＴ受信系統であり、アンテナ３１－ｎに対応する（ｎは１以上ＮＲ以下の整数）。ｎ番目のＩｏＴ受信系統を、ＩｏＴ受信系統＃ｎ又は受信系統＃ｎと記載する。受信部３２－ｎは、アンテナ３１－ｎによりアップリンク信号を受信する。波形サンプリング部３３－ｎは、受信部３２－ｎが受信したアップリンク信号の受信波形をサンプリングし、サンプリングにより得られた波形データをデータ記憶部３４に保存する。波形サンプリング部３３－ｎとして、市販のＲＦチップを用いることができる。波形サンプリング部３３－ｎとして用いられるＲＦチップは、受信部３２－ｎが受信したＲＦ（Radio Frequency：無線周波数）信号のアップリンク信号をダウンコンバートし、ダウンコンバートされたアップリンク信号の受信波形をサンプリングする。基地局通信部３５は、カバレッジに基地局４が存在するタイミングにおいてダウンリンク信号を基地局４へ送信する。ダウンリンク信号には、データ記憶部３４から読み出された波形データが設定される。
　基地局４は、アンテナ４１と、基地局受信部４２と、タイミング補正部４３と、Ｍ個（Ｍは１以上の整数）の信号処理部４４とを備える。図１ではアンテナ４１が１本の例を示しているが、アンテナ４１は２本以上でもよい。複数のアンテナ４１それぞれが、相互に地理的に離れたアンテナ局に備えられてもよい。Ｍ個の信号処理部４４をそれぞれ、信号処理部４４－１～４４－Ｍと記載する。
　基地局受信部４２は、アンテナ４１により移動中継局３からダウンリンク信号を受信する。基地局受信部４２は、受信したダウンリンク信号からＩｏＴ受信系統＃１～＃ＮＲそれぞれの波形データを得る。基地局受信部４２は、得られた波形データをタイミング補正部４３に出力する。
　ＩｏＴ受信系統＃１～＃ＮＲの波形データは、移動中継局３のＩｏＴ受信系統間のサンプルタイミングのずれなどのために、同期していない場合がある。そこで、タイミング補正部４３は、ＩｏＴ受信系統間のサンプルタイミングの相対的なずれを検出する。この相対的なずれの検出のために、端末アップリンク信号と同様に参照局５から送信された端末補正用信号の波形データが用いられる。端末補正用信号は、例えば、タイミング検出分解能が高いＬｏＲａ（登録商標）信号である。タイミング補正部４３は、ＩｏＴ受信系統＃１～＃ＮＲそれぞれの波形データに、検出された相対的なずれを補正する処理を行った後、信号処理部４４に出力する。
　信号処理部４４－１～４４－Ｍはそれぞれ、異なるＬＰＷＡ方式の信号処理を行う。信号処理部４４－ｍ（ｍは１以上Ｍ以下の整数）に対応するＬＰＷＡ方式を、ＬＰＷＡ方式＃ｍと記載する。信号処理部４４は、ＩｏＴ受信系統＃１～＃ＮＲの波形データに、フレーム検出（端末信号検出）、ドップラーシフト補償、及び、受信ビーム制御等の処理を行う。本実施形態では、その他の一般的な無線通信装置が行う受信処理の説明は省略する。信号処理部４４は、フレーム検出部４４１と、ビーム制御部４４２と、端末信号復号部４４３とを備える。信号処理部４４－ｍのフレーム検出部４４１、ビーム制御部４４２及び端末信号復号部４４３をそれぞれ、フレーム検出部４４１－ｍ、ビーム制御部４４２－ｍ及び端末信号復号部４４３－ｍと記載する。
　フレーム検出部４４１－ｍは、タイミング補正部４３から入力したＩｏＴ受信系統＃１～＃ＮＲの波形データにおけるＬＰＷＡ方式＃ｍのフレームを検出する。フレーム検出は、波形データから、フレーム区間を検出する処理である。フレーム区間は、端末アップリンク信号の端末送信フレームが含まれる区間である。さらに、フレーム検出部４４１－ｍは、各波形データにおけるフレーム区間のドップラーシフトを補償する。ドップラーシフトの補償には、ドップラーシフト変動の補償が含まれてもよい。なお、ドップラーシフト変動とは、ドップラーシフトの単位時間あたりの変動のことである。フレーム検出部４４１－ｍは、ＩｏＴ受信系統＃１～＃ＮＲそれぞれのドップラーシフトが補償されたフレーム区間の波形データをビーム制御部４４２－ｍへ出力する。
　ビーム制御部４４２－ｍは、フレーム検出部４４１－ｍから各ＩｏＴ受信系統＃１～＃ＮＲのフレーム区間の波形データを入力し、受信ビーム制御を行う。受信ビーム制御において、ビーム制御部４４２－ｍは、干渉信号を抑圧しつつ、各ＩｏＴ受信系統の所望信号を強め合って合成するための振幅補正および位相補正を行うウェイトを、各ＩｏＴ受信系統＃１～＃ＮＲのフレーム区間の波形データに乗算した後、加算合成する。ビーム制御部４４２－ｍは、加算合成した波形データを受信信号として端末信号復号部４４３－ｍに出力する。
　端末信号復号部４４３－ｍは、受信ビーム制御によって得られた受信信号をビーム制御部４４２－ｍから入力する。端末信号復号部４４３－ｍは、入力した受信信号のシンボルを復号し、端末局２から送信された端末送信データを得る。
　参照局５は、送信部５１と、アンテナ５２とを備える。送信部５１は、タイミング補正用信号をアンテナ５２から移動中継局３に送信する。
　図２は、無線通信システム１におけるＩｏＴ受信系統間サンプルタイミングずれの検出及び補正の処理を説明するための図である。図２では、ＮＲ＝３の場合を例に示している。ＩｏＴ受信系統間サンプルタイミングの相対的なずれの検出及び補正は、地上復調系である基地局４により行われる。基地局４のタイミング補正部４３は、タイミング補正用信号と既知信号との相関処理によってサンプルタイミングの相対的なずれを検出し、補正する。
　移動中継局３の受信部３２－ｎは、アンテナ３１－ｎによりアップリンク信号ｒｎを受信する。アップリンク信号は、端末局２が任意のＬＰＷＡ方式を用いて送信した端末アップリンク信号、及び、参照局が送信したタイミング補正用信号である。ここでは、タイミング補正用信号に用いられるＬＰＷＡ方式がＬｏＲａ（登録商標）であるとする。波形サンプリング部３３－ｎは、受信部３２－ｎが受信したアップリンク信号ｒｎの受信波形をサンプリングし、波形データｙｎを得る。時刻ｔにおいてアップリンク信号ｒｎ（ｔ）が受信されてから、その波形データｙｎ（ｔ）が得られるまでにサンプリング遅延Δｔｎが生じる。よって、時刻ｔにおける波形データｙｎ（ｔ）は、ｒｎ（ｔ－Δｔｎ）と表せる。移動中継局３は、ダウンリンク信号により波形データｙｎ（ｔ）を基地局４に送信する。
　ＩｏＴ受信系統＃１～＃ＮＲ間で、サンプルタイミングに相対的なずれが発生する場合がある。このずれは、ＬｏＲａ（登録商標）信号の分離及び復調に影響する。そこで、基地局４のタイミング補正部４３は、タイミング補正用信号の波形データｙｎ（ｔ）に、ＬｏＲａ（登録商標）信号の既知信号区間を用いた２次元相関検出を行う。
　ＩｏＴ受信系統＃ｎの受信信号に含まれる既知信号の先頭がサンプリングされたタイミングをＴｎとし、ｘ１，ｆ（ｔ）を、ｆ［Ｈｚ］の周波数シフトが付加された送信既知信号とする。ｘ１，ｆ（ｔ）は、ＩｏＴ受信系統＃１～＃ＮＲに共通して用いられる。送信既知信号ｘ１，ｆ（ｔ）は、タイミング補正用信号に用いられるＬＰＷＡ方式の信号フォーマットにおける既知信号区間に、周波数シフトｆを付加して得られる。想定されるドップラーシフトの範囲を－ｄｆｍａｘ～ｄｆｍａｘとすると、周波数シフトｆは、－ｄｆｍａｘ，－ｄｆｍａｘ＋ｆｓｔｅｐ，－ｄｆｍａｘ＋２×ｆｓｔｅｐ，...，ｄｆｍａｘ－ｆｓｔｅｐ，ｄｆｍａｘの値をとる。タイミング補正部４３は、ＩｏＴ受信系統＃ｎ別に、遅延時間τの値を変えながら、各送信既知信号ｘ１，ｆ（ｔ）を用いて、以下の式（１）により波形データｙｎ（ｔ）との相関値が最大のときのτの値を選択し、ｔ－τの値をタイミングＴｎとする。右肩の＊は、複素共役を示す。タイミングＴｎは、タイミング補正用信号に含まれる既知信号区間の先頭のサンプルタイミングに相当する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　タイミング補正部４３は、ＩｏＴ受信系統＃ｊ（ｊは、１以上ＮＲ以下のいずれかの整数）について検出したタイミングＴｊと、ＩｏＴ受信系統＃ｋ（ｋ≠ｊ、ｋは１以上ＮＲ以下の整数）について検出したタイミングＴｋとの差分Ｔｋ－Ｔｊによって、波形データｙｋ（ｔ）のタイミングを調整して波形データｚｋ（ｔ）を得る。図２では、ｊ＝１の場合を示している。
　具体的には、タイミング補正部４３は、ＩｏＴ受信系統＃１の波形データｙ１（ｔ）をそのまま波形データｚ１（ｔ）として信号処理部４４に出力する。また、タイミング補正部４３は、波形データｙ１（ｔ）と波形データｙ２（ｔ）のタイミングのずれをＴ２－Ｔ１により算出する。Ｔ２－Ｔ１は、ＩｏＴ受信系統＃２におけるサンプリング遅延Δ２とＩｏＴ受信系統＃１におけるサンプリング遅延Δ１との差分Δ２－Δ１に等しい。タイミング補正部４３は、波形データｙ２（ｔ）のタイミングを、タイミング補正値（Ｔ２－Ｔ１）により調整して波形データｚ２（ｔ）を得る。タイミング補正部４３は、波形データｚ２（ｔ）を信号処理部４４に出力する。
　同様に、タイミング補正部４３は、波形データｙ１（ｔ）と波形データｙ３（ｔ）のタイミングのずれをＴ３－Ｔ１により算出する。Ｔ３－Ｔ１は、ＩｏＴ受信系統＃３におけるサンプリング遅延Δ３とＩｏＴ受信系統＃１におけるサンプリング遅延Δ１との差分Δ３－Δ１に等しい。タイミング補正部４３は、波形データｙ３（ｔ）のタイミングを、タイミング補正値（Ｔ３－Ｔ１）により調整した波形データｚ３（ｔ）を得る。タイミング補正部４３は、波形データｚ３（ｔ）を信号処理部４４に出力する。
　上記のように、ＩｏＴ受信系統間の相対的なタイミングのずれを補正することで、波形データｚ１（ｔ）～ｚ３（ｔ）それぞれのサンプルタイミングは全て、アンテナ３１－１～３１－３における受信時刻ｔからΔｔ１後に揃う。
　上述のように、タイミング補正部４３は、参照局５からのタイミング補正用信号を用いて各ＩｏＴ受信系統＃１～＃ＮＲの波形データに含まれる既知信号のタイミングＴ１～ＴＮＲを検出し、あるＩｏＴ受信系統＃ｊのタイミングＴｊを基準として他のＩｏＴ受信系統＃ｋのタイミング補正値（Ｔｋ－Ｔｊ）を算出する。タイミング補正部４３は、ＩｏＴ受信系統＃ｊについてはタイミング補正値を０とし、波形データｙｊ（ｔ）をそのまま波形データｚｊ（ｔ）として信号処理部４４に出力する。タイミング補正部４３は、ＩｏＴ受信系統＃ｋの波形データｙｋ（ｔ）についてはタイミング補正値（Ｔｋ－Ｔｊ）によりタイミングを補正した波形データｚｋ（ｔ）を信号処理部４４に出力する。信号処理部４４－ｍは、ＬＰＷＡ方式＃ｍのフレーム検出、受信ビーム制御による信号分離、及び、復号処理を行う。
　図３は、ＬｏＲａ（登録商標）フレームに含まれる既知信号区間を示す図であり、図４は、ＬｏＲａ（登録商標）の既知信号区間を用いて相関検出を行って得られた相関値の２次元分布を示す図である。図３に示すようにＬｏＲａ（登録商標）フレームの先頭の既知信号区間にはプリアンブルと同期シンボルとが含まれる。図４は、受信電力が－１４０ｄＢｍの場合に、同期シンボルのうち後ろ３シンボルを使用して波形データとの相関検出を行った場合の相関値の２次元分布を示している。図４に示すように、特定の時間及び周波数の組み合わせにおいて高い相関値が得られている。つまり、時間及び周波数の２次元で相関検出を行うことで、ドップラーシフトを受けた受信信号でも１サンプルのずれもなく正確に検出が可能である。
　タイミング補正部４３は、ドップラーシフト変動を補償するための周波数変動も含め、時間・周波数シフト・周波数変動の３次元の探索を行ってもよい。例えば、軌道高度５７０ｋｍの移動中継局３に、９２０ＭＨｚの端末アップリンク信号を送信する場合、想定されるドップラーシフトの範囲はおよそ－２０［ｋＨｚ］～２０［ｋＨｚ］であり、ドップラーシフト変動の範囲はおよそ－３１０［Ｈｚ／ｓ］～－５０［Ｈｚ／ｓ］である。この場合、タイミング補正部４３は、異なる種類の周波数シフトｆ及び異なる種類の周波数変動ｆｌの組み合わせそれぞれを付加した既知信号である送信既知信号を事前に記憶しておく。複数種類の周波数シフトｆは、－２０［ｋＨｚ］～２０［ｋＨｚ］の間をｆｓｔｅｐＨｚ刻みで分割することにより得られる。また、複数種類の周波数変動ｆｌは、５０Ｈｚ／ｓ～３１０Ｈｚ／ｓの間を数Ｈｚ刻みで分割することにより得られる。必要な刻み幅は、ＬＰＷＡ方式の信号の特徴によって異なり、事前のシステム設計により決定される。タイミング補正部４３は、各ＩｏＴ受信系統＃ｎの波形データｙｎが示す受信信号波形と各送信既知信号とのスライディング相関処理を行って、相関値が最大となるタイミングＴｎを得る。
　続いて、無線通信システム１の動作を説明する。図５は、移動中継局３がアップリンク信号を受信する場合の無線通信システム１の処理を示すフロー図である。端末局２は、外部又は内部に備えられた図示しないセンサが検出したデータを随時取得し、取得したデータを送信データ記憶部２１に書き込んでいる（ステップＳ１０１）。送信部２２は、自局の送信タイミングに、送信データ記憶部２１からセンサデータを端末送信データとして読み出し、端末送信データを設定した端末アップリンク信号をアンテナ２３から無線送信する（ステップＳ１０２）。端末局２は、ステップＳ１０１からの処理を繰り返す。一方、参照局５は、自局の送信タイミングに、タイミング補正用信号を送信する（ステップＳ１１１）。参照局５は、ステップＳ１１１からの処理を繰り返す。
　移動中継局３の受信部３２－１～３２－ＮＲは、端末局２から送信された端末アップリンク信号及び参照局５から送信されたタイミング補正用信号であるアップリンク信号を受信する（ステップＳ１２１）。複数の端末局２からの同一周波数のアップリンク信号が同時に送信されることもある。その場合、同一の時間に同一周波数で送信された所望信号同士が干渉するが、受信ビーム制御によって、互いの信号が分離されてそれぞれが受信可能となる。波形サンプリング部３３－ｎは、これらアップリンク信号の波形をサンプリングし、サンプリングされた波形表す波形データと、サンプリング時刻を表す受信時刻と、ＩｏＴ受信系統＃ｎを表す受信系統識別情報とを対応付けた受信波形情報をデータ記憶部３４に書き込む（ステップＳ１２２）。移動中継局３は、ステップＳ１２１からの処理を繰り返す。
　図６は、移動中継局３からダウンリンク信号を送信する場合の無線通信システム１の処理を示すフロー図である。移動中継局３の基地局通信部３５は、予め記憶していた送信開始タイミングであることを検出する（ステップＳ２０１）。送信開始タイミングは、例えば、自局を搭載しているＬＥＯ衛星の軌道情報と、基地局４の位置とに基づいて予め計算される。基地局通信部３５は、データ記憶部３４から受信波形情報を送信データとして読み出す（ステップＳ２０２）。基地局通信部３５は、取得した送信データを設定したダウンリンク信号をアンテナ３６から送信する（ステップＳ２０３）。移動中継局３は、ステップＳ２０１からの処理を繰り返す。
　基地局４の基地局受信部４２は、アンテナ４１によりダウンリンク信号を受信する（ステップＳ２１１）。基地局受信部４２は、ダウンリンク信号の復調及び復号を行って受信波形情報を得る（ステップＳ２１２）。基地局受信部４２は、受信波形情報が示すＩｏＴ受信系統＃１～＃ＮＲそれぞれの波形データｙ１（ｔ）～ｙＮＲ（ｔ）をタイミング補正部４３に出力する。
　タイミング補正部４３は、ＩｏＴ受信系統間のサンプルタイミングずれを検出し、波形データｙ１（ｔ）～ｙＮＲ（ｔ）に対して検出したサンプルタイミングずれを補正する処理を行う（ステップＳ２１３）。タイミング補正部４３は、サンプルタイミングずれを補正して得られた波形データｚ１（ｔ）～ｚＮＲ（ｔ）を信号処理部４４に出力する。
　信号処理部４４は、波形データｚ１（ｔ）～ｚＮＲ（ｔ）が示す端末アップリンク信号の受信処理を行って、端末局２から送信された端末送信データを得る（ステップＳ２１４）。基地局４は、ステップＳ２１１からの処理を繰り返す。
　図７は、基地局４のタイミング補正部４３における処理を示すフロー図である。タイミング補正部４３は、図６のステップＳ２１３において、図７に示すステップＳ３０２以降のタイミング補正処理を行う。
　まず、送信既知信号ｘｆ（ｔ）を事前に準備する。送信既知信号ｘｆ（ｔ）は、タイミング補正用信号に含まれる既知信号に、異なる周波数シフトｆと異なる周波数変動ｆｌとの組み合わせそれぞれを付加して得られる。タイミング補正部４３は、送信既知信号ｘｆ（ｔ）を記憶する（ステップＳ３０１）。タイミング補正部４３が送信既知信号をすでに記憶している場合、ステップＳ３０１の処理を行わなくてもよい。
　タイミング補正部４３は、波形データｙ１（ｔ）と各送信既知信号ｘｆ（ｔ）とのスライディング相関処理を行い、相関値が最大のときの波形データｙ１（ｔ）における受信信号波形の開始時刻をタイミングＴ１として得る（ステップＳ３０２）。
　続いて、タイミング補正部４３は、波形データｙ２（ｔ）～ｙＮＲ（ｔ）のそれぞれを波形データｙｋ（ｔ）とする。タイミング補正部４３は、ＩｏＴ受信系統毎に、波形データｙｋ（ｔ）と各送信既知信号ｘｆ（ｔ）とのスライディング相関処理を行い、タイミングＴ１とのずれがしきい値以下の波形データｙｋ（ｔ）の時間区間内において相関値が最大のときの受信信号波形の開始タイミングをタイミングＴｋとして得る（ステップＳ３０３）。しきい値は、移動中継局３の波形サンプリング部３３－１～３３－ＮＲで生じるＩｏＴ受信系統間サンプルタイミングずれ量の最大値を事前に測定して把握し、その最大値以上の値に設定する。最大値より大きすぎる値にすると、他のＬｏＲａ（登録商標）信号が微小時間遅延して到来した場合に誤検出を招く。
　タイミング補正部４３は、各ＩｏＴ受信系統＃１～＃Ｎにおいて抽出されたタイミングＴ１～ＴＮＲを比較し、ＩｏＴ受信系統間の相対的なタイミングずれを０にするよう波形データｙ１（ｔ）～ｙＮＲ（ｔ）の遅延を調整した後、後続の信号処理部４４に出力する（ステップＳ３０４）。すなわち、タイミング補正部４３は、波形データｙ１（ｔ）をそのまま波形データｚ１（ｔ）として信号処理部４４に出力し、波形データｙｋ（ｔ）についてはタイミングずれ（Ｔｋ－Ｔ１）を調整した波形データｚｋ（ｔ）を信号処理部４４に出力する。
　図８は、基地局４の信号処理部４４の処理を示すフロー図である。図６のステップＳ２１４において、信号処理部４４－１～４４－Ｍはそれぞれ、図８に示す処理を行う。ここでは、信号処理部４４－ｍを例にして、図８の処理を説明する。
　フレーム検出部４４１－ｍは、タイミング補正部４３からＩｏＴ受信系統＃１～＃ＮＲそれぞれの波形データｚ１（ｔ）～ｚＮＲ（ｔ）を入力する。フレーム検出部４４１は、入力した波形データｚ１（ｔ）～ｚＮＲ（ｔ）に対して、ＬＰＷＡ方式＃ｍのフレームを検出するフレーム検出処理を行う（ステップＳ４０１）。
　フレーム検出部４４１－ｍは、ＬＰＷＡ方式＃ｍの複数の送信既知信号をフレーム検出部４４１の内部又は外部の記憶部に予め記憶している。各送信既知信号は、ＬＰＷＡ方式＃ｍのフレームフォーマットにより定義される既知信号に、異なる種類の周波数シフト及び異なる種類の周波数変動の組み合わせそれぞれを付加して得られる。ＬＰＷＡ方式＃ｍの既知信号は、フレーム内のフレーム先頭などの所定位置に設定されるプリアンブル等である。
　フレーム検出部４４１－ｍは、記憶部から読み出したＬＰＷＡ方式＃ｍの複数の送信既知信号それぞれと、各ＩｏＴ受信系統＃ｎの波形データｚｎ（ｔ）が示す受信信号波形とのスライディング相関処理により相関値を計算する。フレーム検出部４４１－ｍは、ＩｏＴ受信系統＃ｎ別に、最大の、又は、しきい値以上の相関値が得られた受信信号波形の位置に基づいて、波形データｚｎ（ｔ）におけるフレーム区間を検出する。さらに、フレーム検出部４４１－ｍは、各ＩｏＴ受信系統＃ｎについて、フレーム区間を検出した際に用いた送信既知信号に付加された周波数シフト及び周波数変動を得る。得られた周波数シフト及び周波数変動はそれぞれ、所望信号の端末アップリンク信号が受けたドップラーシフト及びドップラーシフト変動とほぼ同じである。なお、フレーム検出部４４１－ｍは、いずれか一つのＩｏＴ受信系統＃ｎの波形データｚｎ（ｔ）について得られたフレーム区間、周波数シフト及び周波数変動を、他のＩｏＴ受信系統に用いてもよい。
　フレーム検出部４４１－ｍは、フレームフォーマットにより定義されたフレーム長の区間を波形データから抽出するか、もしくは受信フレーム内のヘッダに記述されるフレーム長の情報に基づいてフレームの末端位置を特定して、各波形データｚｎ（ｔ）からＬＰＷＡ方式＃ｍのフレーム区間を抽出する。フレーム検出部４４１－ｍは、各波形データｚｎ（ｔ）から抽出したフレーム区間のドップラーシフトを補償する（ステップＳ４０２）。
　具体的には、フレーム検出部４４１－ｍは、波形データｚｎ（ｔ）のフレーム区間に、ＩｏＴ受信系統＃ｎについて得られた周波数シフトのドップラーシフトを補償する。さらに、フレーム検出部４４１－ｍは、波形データｚｎ（ｔ）のフレーム区間全体に渡って、ＩｏＴ受信系統＃ｎについて得られた周波数変動のドップラーシフト変動を打ち消す位相回転を付加することで、ドップラーシフト変動を打ち消す補償を行う。フレーム検出部４４１－ｍは、ドップラーシフトが補償された各ＩｏＴ受信系統のフレーム区間の波形データをビーム制御部４４２－ｍに出力する。
　なお、フレーム検出部４４１－ｍは、異なる周波数シフトが付加されたＬＰＷＡ方式＃ｍの既知信号を送信既知信号として用い、上記と同様に各ＩｏＴ受信系統＃ｎのフレーム区間及び周波数シフトを抽出し、抽出したフレーム区間に対して抽出した周波数シフトのドップラーシフトを補償してもよい。フレーム検出部４４１－ｍは、各ＩｏＴ受信系統＃ｎについて、ドップラーシフト補償後のフレームにおける既知信号区間の位相回転量に基づいてドップラーシフト変動を推定し、フレーム区間に対して、推定したドップラーシフト変動の補償を行う。
　ビーム制御部４４２－ｍは、フレーム検出部４４１－ｍから入力した各ＩｏＴ受信系統のフレーム区間の波形データに対して狭帯域フィルタリングを行う。狭帯域フィルタリングの通過帯域幅は、ＬＰＷＡ方式＃ｍで定義された所望信号の送信信号帯域幅と同じ又はマージンを少し加えた帯域幅である。ビーム制御部４４２－ｍは、狭帯域フィルタリングされたフレームに対してアダプティブアレーによる受信ビーム制御を行うことにより、フィルタ帯域に残留した干渉信号を空間領域で分離して所望信号を抽出する（ステップＳ４０３）。ビーム制御部４４２－ｍは、抽出した所望信号を端末信号復号部４４３－ｍに出力する。
　端末信号復号部４４３－ｍは、ビーム制御部４４２－ｍから入力した所望信号に復号処理を行って、端末送信データを得る（ステップＳ４０４）。端末信号復号部４４３－ｍは、得られた端末送信データを出力する。端末信号復号部４４３－ｍは、復号結果のＣＲＣ（Cyclic Redundancy Check：巡回冗長検査）判定等を行い、復号成功と判断した場合に復号結果を後段に出力してもよい。
　上記の実施形態によれば、ＩｏＴ受信系統間でアップリンク信号の受信波形のサンプルタイミングずれが生じる場合でも、それら受信波形の相対的なサンプルタイミングずれを補償することができる。よって、受信ビーム制御の特性劣化を低減することが可能となる。
［第１の実施形態の変形例］
　第１の実施形態において、基地局４のタイミング補正部４３は、参照局５からのタイミング補正用信号を用いてサンプルタイミングずれを検出している。従って、ＬＥＯ衛星に搭載された移動中継局３がデータ収集を行う対象のエリアに参照局５の設置が必要となる。そこで、第１の実施形態の変形例では、参照局５を用いず、タイミング補正用信号に代えて、情報収集対象の衛星ＩｏＴ端末である端末局２から送信された端末アップリンク信号を用いて、サンプルタイミングずれの検出及び補正を行う。
　基地局４のタイミング補正部４３は、移動中継局３が受信した端末アップリンク信号の各ＩｏＴ受信系統の波形データと、送信既知信号とのスライディング相関処理を行い、全て又は所定数以上のＩｏＴ受信系統について相関値がしきい値よりも高い場合にいずれかの端末局２が送信したＬｏＲａ（登録商標）信号を検出する。タイミング補正部４３は、検出したＬｏＲａ（登録商標）信号の波形データを、第１の実施形態におけるタイミング補正用信号の波形データの代わりに用いて第１の実施形態と同様の処理を行い、ＩｏＴ受信系統間のサンプルタイミングずれの検出及び補正を行う。
　前述のとおりサンプルタイミングずれは、各ＩｏＴ受信系統において波形サンプリングを行うＲＦチップの電源ＯＮタイミングのわずかな時間差によって生じる。ＲＦチップの電源ＯＮ／ＯＦＦをしない限り、ＩｏＴ受信系統間のサンプルタイミングずれは変わらない。そのため、タイミング補正部４３は、波形データに含まれるＬｏＲａ（登録商標）信号を１つでも検出して、タイミングずれの検出及び補正を行えばよい。
［第２の実施形態］
　第１の実施形態では、所定のＬＰＷＡ方式のアップリンク信号を用いて、サンプルタイミングずれの検出及び補正を行っている。第２の実施形態では、各ＬＰＷＡ方式の端末アップリンク信号の受信処理を行う信号処理部が、フレーム検出を兼ねてサンプルタイミングずれの検出及び補正を行う。第２の実施形態を、第１の実施形態との差分を中心に説明する。
　図９は、第２の実施形態の無線通信システム１０の構成を示す図である。図９において、図１に示す第１の実施形態の無線通信システム１と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。無線通信システム１０は、端末局２と、移動中継局３と、基地局６と備える。基地局６は、信号処理装置の一例である。基地局６は、地球上に設置される。基地局６の台数は任意である。
　基地局６は、アンテナ４１と、基地局受信部４２と、信号処理部６１とを備える。Ｍ個（Ｍは１以上の整数）の信号処理部６１をそれぞれ、信号処理部６１－１～６１－Ｍと記載する。複数の信号処理部６１はそれぞれ、異なるＬＰＷＡ方式の信号処理を行う。信号処理部６１－ｍ（ｍは１以上Ｍ以下の整数）は、ＬＰＷＡ方式＃ｍに対応する。
　信号処理部６１は、タイミング補正部６１１と、ビーム制御部４４２と、端末信号復号部４４３とを備える。信号処理部６１－ｍが備えるタイミング補正部６１１、ビーム制御部４４２及び端末信号復号部４４３をそれぞれ、タイミング補正部６１１－ｍ、ビーム制御部４４２－ｍ及び端末信号復号部４４３－ｍと記載する。
　タイミング補正部６１１－ｍは、基地局受信部４２から、ＩｏＴ受信系統＃１～＃ＮＲそれぞれの波形データを入力する。タイミング補正部６１１－ｍは、ＩｏＴ受信系統＃１～＃ＮＲそれぞれの波形データと、ＬＰＷＡ方式＃ｍの送信既知信号のスライディング相関処理により、ＬＰＷＡ方式＃ｍの端末送信フレームのフレーム検出を行うとともに、ＩｏＴ受信系統間のサンプルタイミングずれの検出及び補正を行う。タイミング補正部６１１－ｍは、ＩｏＴ受信系統間のサンプルタイミングずれが補正された各ＩｏＴ受信系統＃１～＃ＮＲそれぞれの波形データからＬＰＷＡ方式＃ｍのフレーム区間を抽出する。タイミング補正部６１１－ｍは、これら抽出したフレーム区間のドップラーシフトを補償した後、ビーム制御部４４２－ｍに出力する。
　図１０は、無線通信システム１０におけるＩｏＴ受信系統間サンプルタイミングすれの検出及び補正の処理を説明するための図である。図１０では、ＮＲ＝３の場合を例に示している。ＩｏＴ受信系統間サンプルタイミングの相対的なずれの検出及び補正は、地上復調系である基地局６により行われる。基地局６の信号処理部６１のタイミング補正部６１１は、ＬＰＷＡ方式＃ｍのフレーム検出を兼ねてサンプルタイミングの相対的なずれを検出し、補正する。
　移動中継局３は、端末局２からの端末アップリンク信号を受信する。第１の実施形態と同様に、移動中継局３の受信部３２－ｎが、アンテナ３１－ｎにより時刻ｔにアップリンク信号ｒｎ（ｔ）を受信してから、その波形データｙｎ（ｔ）が得られるまでにサンプリング遅延Δｔｎが生じる。基地局６の信号処理部６１－ｍのタイミング補正部６１１－ｍは、ＩｏＴ受信系統＃１～＃ＮＲの波形データｙ１（ｔ）～ｙＮＲ（ｔ）に、ＬＰＷＡ方式＃ｍの既知信号区間を用いた２次元相関検出を行う。
　ＩｏＴ受信系統＃ｎの受信信号に含まれるＬＰＷＡ方式＃ｎの既知信号のサンプリングが開始されたタイミングをＴｎとし、ｘ１，ｆ（ｔ）を、ｆ［Ｈｚ］の周波数シフトが付加されたＬＰＷＡ方式＃ｍの送信既知信号とする。周波数シフトｆは、第１の実施形態と同様に決められる。タイミング補正部６１１－ｍは、ＩｏＴ受信系統＃ｎ別に、遅延時間τの値を変えながら、各送信既知信号ｘ１，ｆ（ｔ）を用いて、以下の式（２）により波形データｙｎ（ｔ）との相関値が最大となるときのタイミングＴｎ及び周波数シフトＦｎの値を得る。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　タイミングＴｎは、ＩｏＴ受信系統＃ｎについて最大の相関値が得られたときのτの値を用いたｔ－τの値であり、周波数シフトＦｎはＩｏＴ受信系統＃ｎについて最大の相関値が得られたときの送信既知信号に付加された周波数シフトｆである。タイミング補正部６１１－ｍは、各ＩｏＴ受信系統＃１～＃ＮＲについて得られたタイミングＴ１～ＴＮＲを用いて、第１の実施形態と同様に波形データｙ１（ｔ）～ｙＮＲ（ｔ）の相対的なタイミングずれを補正する。すなわち、タイミング補正部６１１－ｍは、ＩｏＴ受信系統＃ｊ（ｊは、１以上ＮＲ以下のいずれかの整数）の波形データｙｊ（ｔ）についてはタイミング補正値を０とし、波形データｙｊ（ｔ）をそのまま波形データｚｊ（ｔ）とする。タイミング補正部６１１－ｍは、ＩｏＴ受信系統＃ｋ（ｋ≠ｊ、ｋは１以上ＮＲ以下の整数）の波形データｙｋ（ｔ）についてはタイミング補正値（Ｔｋ－Ｔｊ）によりタイミングを補正し、波形データｚｋ（ｔ）とする。図１０では、（ｊ＝１）かつ（ｋ＝２，３）である。
　タイミング補正部６１１－ｍは、タイミングＴｊをＬＰＷＡ＃ｍの既知信号の位置として、タイミングの相対的なずれが補正された波形データｚ１（ｔ）～ｚＮＲ（ｔ）におけるフレーム区間を検出する。タイミング補正部６１１－ｍは、ＬＰＷＡ＃ｍのフレームフォーマットにより定義されたフレーム長の区間を波形データｚ１（ｔ）～ｚＮＲ（ｔ）から抽出するか、もしくは受信フレーム内のヘッダに記述されるフレーム長の情報に基づいてフレームの末端位置を特定してフレーム区間を抽出する。
　タイミング補正部６１１－ｍは、抽出した各波形データｚｎ（ｔ）のフレーム区間に、ＩｏＴ受信系統＃ｎについて得られた周波数シフトＦｎのドップラーシフトを補償する。タイミング補正部６１１－ｍは、波形データｚｎ（ｔ）から抽出したフレーム区間に、周波数シフトＦｎのドップラーシフトを補償して得られた波形データｚ’ｎ（ｔ）をビーム制御部４４２－ｍに出力する。以降の処理は、第１の実施形態と同様である。
　なお、雑音の影響により、Ｆ１＝Ｆ２＝…＝ＦＮＲとならない場合がある。この場合、ビーム制御の特性劣化が生じるため、例えば、タイミング補正部６１１－ｍは、ＩｏＴ受信系統＃１～＃ＮＲの全系統とも、いずれかのＩｏＴ受信系統＃ｎについて得られた周波数シフトＦｎによってドップラーシフトを補償する。
　タイミング補正部６１１－ｍは、ドップラーシフト変動を補償するための周波数変動も含め、時間・周波数シフト・周波数変動の３次元の探索を行ってもよい。この場合、タイミング補正部６１１－ｍは、異なる種類の周波数シフトｆ及び異なる種類の周波数変動ｆｌの組み合わせそれぞれを付加したＬＰＷＡ方式＃ｍの既知信号である送信既知信号を事前に記憶しておく。タイミング補正部６１１－ｍは、各ＩｏＴ受信系統＃ｎの波形データｙｎ（ｔ）が示す受信信号波形と、各送信既知信号とのスライディング相関処理を行う。タイミング補正部６１１－ｍは、各ＩｏＴ受信系統＃ｎについて相関値が最大となるタイミングＴｎと、周波数シフトＦｎ及び周波数変動ＦＬｎとを得る。周波数シフトＦｎ及び周波数変動ＦＬｎは、相関値が最大であるときに用いられた送信既知信号に付加された周波数シフトｆ及び周波数変動ｆｌである。
　タイミング補正部６１１－ｍは、各波形データｚｎ（ｔ）のフレーム区間に、周波数シフトＦｎのドップラーシフトを補償する。さらに、タイミング補正部６１１－ｍは、各波形データｚｎ（ｔ）のフレーム区間全体に渡って、周波数変動ＦＬｎのドップラーシフト変動を打ち消す位相回転を付加することで、ドップラーシフト変動を打ち消す補償を行い、波形データｚ’ｎ（ｔ）を得る。タイミング補正部６１１－ｍは、波形データｚ’１（ｔ）～ｚ’ＮＲ（ｔ）のフレーム区間をビーム制御部４４２－ｍに出力する。
　続いて、無線通信システム１０の動作を説明する。移動中継局３がアップリンク信号を受信する場合の無線通信システム１０の処理は、参照局５の処理を除いて、図５に示す第１の実施形態の処理と同様である。
　図１１は、移動中継局３からダウンリンク信号を送信する場合の無線通信システム１０の処理を示すフロー図である。移動中継局３の処理、及び、基地局６のステップＳ２１１及びステップＳ２１２の処理は、図６に示す第１の実施形態と同様である。ただし、基地局６は、タイミング補正用信号を受信しない。
　基地局６の信号処理部６１－１～６１－Ｍは、基地局受信部４２から受信波形情報が示すＩｏＴ受信系統＃１～＃ＮＲそれぞれの波形データｙ１（ｔ）～ｙＮＲ（ｔ）を入力する。信号処理部６１－ｍのタイミング補正部６１１－ｍは、ＩｏＴ受信系統＃１～＃ＮＲそれぞれの波形データｙ１（ｔ）～ｙＮＲ（ｔ）と、ＬＰＷＡ方式＃ｍの送信既知信号ｘｆ（ｔ）とのスライディング相関処理を行う。タイミング補正部６１１－ｍは、スライディング相関処理の結果に基づいて波形データｙ１（ｔ）～ｙＮＲ（ｔ）におけるＬＰＷＡ方式＃ｍのフレームを検出し、それらの検出位置に基づいてサンプルタイミングずれを補正する（ステップＳ５１１）。タイミング補正部６１１－ｍは、サンプルタイミングずれを補正した波形データｚ１（ｔ）～ｚＮＲ（ｔ）から抽出したＬＰＷＡ方式＃ｍのフレームに、ドップラーシフトを補償して得られた波形データｚ’１（ｔ）～ｚ’ＮＲ（ｔ）を出力する。
　ビーム制御部４４２－ｍは、タイミング補正部６１１－ｍから入力した波形データｚ’１（ｔ）～ｚ’ＮＲ（ｔ）を用いてオフラインの受信ビーム制御を行う。端末信号復号部４４３－ｍは、ビーム制御部４４２－ｍによりオフラインビーム制御が施された受信信号のシンボルを復号し、端末局２から送信された端末送信データを得る（ステップＳ５１２）。
　図１２は、信号処理部６１における処理を示すフロー図である。信号処理部６１は、図１１のステップＳ５１１～Ｓ５１２において、図１２に示すステップＳ６０２以降のタイミング補正処理を行う。ここでは、信号処理部６１－ｍを例にして、図１２の処理を説明する。
　まず、ＬＰＷＡ方式＃ｍの送信既知信号ｘｆ（ｔ）を事前に準備する。送信既知信号ｘｆ（ｔ）は、ＬＰＷＡ方式＃ｍの信号フレームに含まれる既知信号に、異なる周波数シフトｆと異なる周波数変動ｆｌとの組み合わせを付加して得られる。タイミング補正部６１１－ｍは、ＬＰＷＡ方式＃ｍの送信既知信号ｘｆ（ｔ）を記憶する（ステップＳ６０１）。タイミング補正部６１１－ｍが送信既知信号をすでに記憶している場合、ステップＳ６０１の処理を行わなくてもよい。
　タイミング補正部６１１－ｍは、波形データｙ１（ｔ）と各送信既知信号ｘｆ（ｔ）とのスライディング相関処理を行い、相関値が最大となる周波数シフトＦ１及び周波数変動ＦＬ１と、タイミングＴ１とを抽出する（ステップＳ６０２）。周波数シフトＦ１及び周波数変動ＦＬ１は、最大の相関値が得られた送信既知信号ｘｆ（ｔ）の生成に用いられた周波数シフトｆ及び周波数変動ｆｌである。タイミングＴ１は、相関値が最大のときの波形データｙ１（ｔ）における受信信号波形の開始時刻である。
　タイミング補正部６１１－ｍは、波形データｙ２（ｔ）～ｙＮＲ（ｔ）のそれぞれを波形データｙｋとする。タイミング補正部６１１－ｍは、波形データｙｋと各送信既知信号ｘｆ（ｔ）とのスライディング相関処理を行い、タイミングＴ１とのずれがしきい値以下の時間区間において、相関値が最大となる周波数シフトＦｋ及び周波数変動ＦＬｋと、タイミングＴｋとを抽出する（ステップＳ６０３）。周波数シフトＦｋ、周波数変動ＦＬｋ及びタイミングＴｋは、周波数シフトＦ１、ステップＳ６０２における周波数変動ＦＬ１及びタイミングＴ１の抽出と同様に得られる。しきい値は、図７に示す第１の実施形態のステップＳ３０３と同様に設定される。
　タイミング補正部６１１－ｍは、各ＩｏＴ受信系統の周波数シフトＦ１～ＦＮＲが異なる場合、ＩｏＴ受信系統＃１～＃ＮＲの全ての周波数シフト及び周波数変動を、ＩｏＴ受信系統＃１の周波数シフトＦ１及び周波数変動ＦＬ１とする（ステップＳ６０４）。
　タイミング補正部６１１－ｍは、各ＩｏＴ受信系統＃１～＃Ｎにおいて抽出されたタイミングＴ１～ＴＮＲを比較し、ＩｏＴ受信系統間の相対的なずれを０にするよう波形データｙ１（ｔ）～ｙＮＲ（ｔ）の遅延を調整する（ステップＳ６０５）。すなわち、タイミング補正部６１１－ｍは、波形データｙ１（ｔ）をそのまま波形データｚ１（ｔ）とし、波形データｙｋ（ｔ）についてはタイミングずれ（Ｔｋ－Ｔ１）を調整して波形データｚｋ（ｔ）とする。
　タイミング補正部６１１－ｍは、タイミングＴ１をＬＰＷＡ方式＃ｍのフレームにおける既知信号の位置として、波形データｚ１（ｔ）～ｚＮＲ（ｔ）からＬＰＷＡ方式＃ｍのフレーム区間を抽出する。タイミング補正部６１１－ｍは、各ＩｏＴ受信系統＃ｎの波形データｚｎ（ｔ）から抽出したフレーム区間のドップラーシフトを補償する（ステップＳ６０６）。タイミング補正部６１１－ｍは、波形データｚｎ（ｔ）のフレーム区間に周波数シフトＦｎのドップラーシフトを補償し、さらに、周波数変動ＦＬｎのドップラーシフト変動を打ち消す補償を行って波形データｚ’ｎ（ｔ）を得る。タイミング補正部６１１－ｍは、波形データｚ’１（ｔ）～ｚ’ＮＲ（ｔ）をビーム制御部４４２－ｍに出力する。
　上記のタイミング補正処理において相関値が最大となる周波数シフト及び周波数変動は、受信信号がＬＥＯ衛星の高速移動により受けたドップラーシフト及びドップラーシフト変動となる。そこで、タイミング補正部６１１－ｍは、それを打ち消すドップラーシフト補償を行う。このとき、熱雑音の影響によって、相関値が最大となる周波数シフトＦｎは、ＩｏＴ受信系統ごとにわずかに異なる場合がある。ＩｏＴ受信系統ごとに異なる値でドップラーシフト補償を行うと、後続のビーム制御部４４２－ｍには周波数がずれた信号が入力されることになり、受信ビーム制御の特性劣化を招く。そこで、タイミング補正部６６１－ｍは、任意のＩｏＴ受信系統について相関値が最大となる送信既知信号を用いてドップラーシフト補償を行う。
　ビーム制御部４４２－ｍは、タイミング補正部６１１－ｍから入力された波形データｚ’１（ｔ）～ｚ’ＮＲ（ｔ）を用いて、図８のステップＳ４０３と同様の処理を行う。すなわち、ビーム制御部４４２－ｍは、波形データｚ’１（ｔ）～ｚ’ＮＲ（ｔ）に狭帯域フィルタリングを行った後、アダプティブアレーによる受信ビーム制御を行って所望信号を抽出する（ステップＳ６０７）。端末信号復号部４４３－ｍは、図８のステップＳ４０３の処理を行う。すなわち、端末信号復号部４４３－ｍは、ビーム制御部４４２－ｍから入力した所望信号に復号処理を行って、端末送信データを得る（ステップＳ６０８）。
　上記実施形態において、移動中継局が搭載される移動体は、ＬＥＯ衛星である場合を説明したが、静止衛星、ドローンやＨＡＰＳなど上空を飛行する他の飛行体であってもよい。また、上記実施形態は、移動しない中継局が、例えば決められた軌道を移動する端末局から無線信号を受信する場合にも適用可能である。
　上述した実施形態によれば、移動中継局３の受信系統間において受信信号のサンプルタイミングずれが生じる場合も、サンプルタイミングずれを補正して受信ビーム制御の特性劣化を防ぐことが可能となる。
　基地局４のタイミング補正部４３及び信号処理部４４、ならびに、基地局６の信号処理部６１の全て又は一部は、ＣＰＵ（central processing unit）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）などのプロセッサが、記憶部からプログラムを読み出して実行することにより実現されてもよい。また、基地局４のタイミング補正部４３及び信号処理部４４、ならびに、基地局６の信号処理部６１の機能の全て又は一部は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアを用いて実現されてもよい。
　また、基地局４がタイミング補正部４３及び信号処理部４４を有せず、基地局４と接続される信号処理装置がタイミング補正部４３及び信号処理部４４を有してもよい。また、基地局６が信号処理部６１を有せず、基地局６と接続される信号処理装置が信号処理部６１を有してもよい。
　上述した実施形態によれば、信号処理装置は、第一タイミング補正部と、フレーム検出部と、ビーム制御部と、復号部とを備える。例えば、信号処理装置は、基地局４、６に対応する。第一タイミング補正部は、通信装置が複数の受信系統それぞれにより受信した無線信号の波形をサンプリングして得られた波形データに含まれる既知信号区間に基づいて複数の受信系統間のサンプルタイミングずれを検出し、検出されたサンプルタイミングずれを補正する処理を波形データに対して行う。例えば、通信装置は、実施形態の移動中継局３である。フレーム検出部は、サンプルタイミングずれが補正された波形データにおける無線信号のフレームを検出し、検出されたフレームに対してドップラーシフトの補償を行う。ビーム制御部は、ドップラーシフトが補償された複数の波形データに受信ビーム制御を行う。復号部は、受信ビーム制御により得られた信号を復号し、無線信号により送信されたデータを得る。
　通信装置は、上空を飛行する飛行体に備えられてもよい。第一タイミング補正部は、通信装置へ無線信号を送信する端末局が設置された地上のエリアから参照局が無線により送信したタイミング補正用信号のサンプルタイミングを、タイミング補正用信号に用いられる無線信号方式の既知信号に異なるドップラーシフト補償を行って得られた複数の送信既知信号それぞれと波形データとの相関に基づいて受信系統ごとに検出し、検出されたサンプルタイミングを用いて複数の受信系統間のサンプルタイミングずれを検出する。信号処理装置は、端末局からの無線信号に用いられる無線信号方式ごとに、その無線信号方式を処理対象とするフレーム検出部、ビーム制御部及び復号部の組を有する。フレーム検出部は、サンプルタイミングずれが補正された波形データにおける処理対象の無線信号方式の無線信号のフレームを検出し、検出されたフレームに対してドップラーシフトの補償を行う。
　第一タイミング補正部は、タイミング検出分解能が高い所定の無線通信方式の無線信号のサンプルタイミングを、その無線通信方式の既知信号に異なるドップラーシフト補償を行って得られた複数種類の送信既知信号それぞれと波形データとの相関に基づいて受信系統ごとに検出し、検出されたサンプルタイミングを用いて複数の受信系統間のサンプルタイミングずれを検出してもよい。信号処理装置は、通信装置が受信する無線信号に用いられる無線信号方式ごとに、その無線信号方式を処理対象とするフレーム検出部、ビーム制御部及び復号部の組を有する。フレーム検出部は、サンプルタイミングずれが補正された波形データにおける処理対象の無線信号方式の無線信号のフレームを検出し、検出されたフレームに対してドップラーシフトの補償を行う。
　信号処理装置は、第一タイミング補正部及びフレーム検出部に代えて、第二タイミング補正部を有してもよい。第二タイミング補正部は、複数の受信系統それぞれの波形データに含まれる処理対象の無線通信方式の既知信号区間に基づいて、波形データにおける処理対象の無線通信方式のフレームと複数の受信系統間のサンプルタイミングずれとを検出し、検出されたサンプルタイミングずれを補正した波形データにおける検出されたフレームに対してドップラーシフトの補償を行う。
　第二タイミング補正部は、処理対象の無線通信方式の既知信号に異なるドップラーシフト補償を行って得られた複数の送信既知信号それぞれと波形データとの相関に基づいて、既知信号のサンプルタイミング及び既知信号が受けたドップラーシフトを受信系統ごとに検出し、検出したサンプルタイミングを用いて複数の受信系統間のサンプルタイミングずれを検出し、検出されたサンプルタイミングずれを補正した波形データにおける検出されたフレームに対して、検出されたドップラーシフトの補償を行う。
　第二タイミング補正部は、複数の受信系統のフレームに対して、いずれかの受信系統について検出されたドップラーシフトの補償を行う。
　また、信号処理装置の少なくとも一部の機能をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、信号処理装置の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。コンピュータシステムは、例えば、プロセッサや、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。信号処理装置のプログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置である。信号処理装置のプログラムは、電気通信回線を介して送信されてもよい。
　以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
１、１０　無線通信システム
２　端末局
３　移動中継局
４、６　基地局
５　参照局
２１　送信データ記憶部
２２、５１　送信部
３１－１～３１－ＮＲ、３６　アンテナ
３２－１～３２－ＮＲ　受信部
３３－１～３３－ＮＲ　波形サンプリング部
３４　データ記憶部
３５　基地局通信部
４１　アンテナ
４２　基地局受信部
４３　タイミング補正部
４４－１～４４－Ｍ、６１－１～６１－Ｍ　信号処理部
４４１－１　フレーム検出部
４４２－１　ビーム制御部
４４３－１　端末信号復号部
６６１、６６１－１　タイミング補正部

Claims (7)

  1. 　通信装置が複数の受信系統それぞれにより受信した無線信号の波形をサンプリングして得られた波形データに含まれる既知信号区間に基づいて複数の前記受信系統間のサンプルタイミングずれを検出し、検出された前記サンプルタイミングずれを補正する処理を前記波形データに対して行う第一タイミング補正部と、
    　サンプルタイミングずれが補正された前記波形データにおける無線信号のフレームを検出し、検出された前記フレームに対してドップラーシフトの補償を行うフレーム検出部と、
    　ドップラーシフトが補償された複数の前記フレームに受信ビーム制御を行うビーム制御部と、
    　前記受信ビーム制御により得られた信号を復号し、前記無線信号により送信されたデータを得る復号部と、
    　を備える信号処理装置。
  2. 　前記通信装置は、上空を飛行する飛行体に備えられ、
    　前記第一タイミング補正部は、前記通信装置へ無線信号を送信する端末局が設置された地上のエリアから参照局が無線により送信したタイミング補正用信号のサンプルタイミングを、前記タイミング補正用信号に用いられる無線信号方式の既知信号に異なるドップラーシフト補償を行って得られた複数の送信既知信号それぞれと前記波形データとの相関に基づいて前記受信系統ごとに検出し、検出された前記サンプルタイミングを用いて複数の前記受信系統間のサンプルタイミングずれを検出し、
    　前記信号処理装置は、前記端末局からの無線信号に用いられる無線信号方式ごとに、前記無線信号方式を処理対象とする前記フレーム検出部、ビーム制御部及び前記復号部の組を有し、
    　前記フレーム検出部は、サンプルタイミングずれが補正された前記波形データにおける処理対象の無線信号方式の無線信号のフレームを検出し、検出された前記フレームに対してドップラーシフトの補償を行う、
    　請求項１に記載の信号処理装置。
  3. 　前記第一タイミング補正部は、タイミング検出分解能が高い所定の無線通信方式の無線信号のサンプルタイミングを、前記無線通信方式の既知信号に異なるドップラーシフト補償を行って得られた複数種類の送信既知信号それぞれと前記波形データとの相関に基づいて受信系統ごとに検出し、検出された前記サンプルタイミングを用いて複数の受信系統間のサンプルタイミングずれを検出し、
    　前記信号処理装置は、前記通信装置が受信する無線信号に用いられる無線信号方式それぞれを処理対象とする前記フレーム検出部、前記ビーム制御部及び前記復号部の組を有し、
    　前記フレーム検出部は、サンプルタイミングずれが補正された前記波形データにおける処理対象の無線信号方式の無線信号のフレームを検出し、検出された前記フレームに対してドップラーシフトの補償を行う、
    　請求項１に記載の信号処理装置。
  4. 　前記信号処理装置は、前記第一タイミング補正部及び前記フレーム検出部に代えて、第二タイミング補正部を有し、
    　前記第二タイミング補正部は、複数の前記受信系統それぞれの前記波形データに含まれる処理対象の無線通信方式の既知信号区間に基づいて、前記波形データにおける処理対象の前記無線通信方式のフレームと複数の前記受信系統間のサンプルタイミングずれとを検出し、検出された前記サンプルタイミングずれを補正した前記波形データにおける検出された前記フレームに対してドップラーシフトの補償を行う、
    　請求項１に記載の信号処理装置。
  5. 　前記第二タイミング補正部は、処理対象の前記無線通信方式の既知信号に異なるドップラーシフト補償を行って得られた複数の送信既知信号それぞれと前記波形データとの相関に基づいて、前記既知信号のサンプルタイミング及び前記既知信号が受けたドップラーシフトを前記受信系統ごとに検出し、検出された前記サンプルタイミングを用いて複数の前記受信系統間のサンプルタイミングずれを検出し、検出された前記サンプルタイミングずれを補正した前記波形データにおける検出された前記フレームに対して、検出された前記ドップラーシフトの補償を行う、
    　請求項４に記載の信号処理装置。
  6. 　前記第二タイミング補正部は、複数の前記受信系統の前記フレームに対して、いずれかの前記受信系統について検出された前記ドップラーシフトの補償を行う、
    　請求項５に記載の信号処理装置。
  7. 　通信装置が複数の受信系統それぞれにより受信した無線信号の波形をサンプリングして得られた波形データに含まれる既知信号区間に基づいて複数の前記受信系統間のサンプルタイミングずれを検出し、検出された前記サンプルタイミングずれを補正する処理を前記波形データに対して行うタイミング補正ステップと、
    　サンプルタイミングずれが補正された前記波形データにおける無線信号のフレームを検出し、検出された前記フレームに対してドップラーシフトの補償を行うフレーム検出ステップと、
    　ドップラーシフトが補償された複数の前記フレームに受信ビーム制御を行う受信ビーム制御ステップと、
    　前記受信ビーム制御により得られた信号を復号し、前記無線信号により送信されたデータを得る復号ステップと、
    　を有する信号処理方法。
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