JP2006345427A - 移動体の無線伝送方法、無線伝送装置及び無線伝送システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】
本発明に係る無線伝送装置が含む送信装置は、送信データから変調信号を生成する変調部と、所定方向に指向性をもった複数のビームを形成するアンテナ部と、移動体の移動速度を検出する移動速度検出部と、複数のビームから送信される変調信号に移動速度とビーム方向に基づいて設定される周波数シフトを与える周波数シフト部とを備える。
【選択図】 図1
Description
図2は、走行する車載端末が受信する到来波のドップラーシフトを模式的に示した図である。走行車両201がアンテナ200で到来波を受信する様子を上から見たものである。ドップラーシフトfdは、(式1)で示されるように到来波の到来角度を進行方向に対してθとするとcosθに比例する。fdはθ=±90度で零、移動方向(θ=0度)で最大となり、最大ドップラー周波数Fdと呼ばれる。Fdは移動速度をv、搬送波の波長をλとすると、(式2)で表される。
Fd=v/λ (式2)
このように、到来波に生じるドップラーシフトは、到来方向に応じてシフト量が異なるという特性がある。だだし、ここで示したドップラーシフトは、受信端末が移動することによって発生するもので、静止するとドップラーシフトは生じないとしている。
図3(a)は、到来波間にドップラーシフトが生じない場合のサブキャリアを示す模式図である。周波数軸上のサブキャリアが隣接キャリア間で互いに直交関係にあり、隣接キャリアの応答が零になるように配置される。これに対し、図3(b)は、到来波にドップラーシフトが生じて、2つの到来波間に周波数差がある場合のサブキャリアを示す。実線で示す到来波1に対して、点線で示す到来波2が到来波1に対して周波数差が生じている。このとき、例えば到来波1のサブキャリアAは、隣接キャリアであってデータが異なる到来波2のサブキャリアBから干渉を受ける。このような干渉が各キャリアで到来波間で相互に発生し、キャリア間干渉と呼ばれる。
図4は、特許文献1に記載された路車間通信システムの構成を示す概念図である。図4において、道路に沿って送受信局404が間隔を置いて設置され、路側のアンテナによりセルが形成されている。各送受信局は、それぞれ車載移動局405の走行方向に沿って前方向の指向性を有するアンテナ402と、後方向の指向性を有するアンテナ403とを有している。前方向の指向性を有するアンテナ402からは、正側にオフセットされた周波数の電波がセル内に放射され、後方向の指向性を有するアンテナ403からは、負側にオフセットされた周波数の電波がセル内に放射される。なお、アンテナから放射される電波の周波数は、オフセット分を除けば同一周波数となっている。送受信局404は、中央基地局401から光ファイバや同軸ケーブル等の有線伝送回線を介して送受信データを取得し、OFDM方式による変調を施して、無線電波としてセル内に送信するものである。
図5は、非特許文献3に記載されるOFDM信号の受信方法を示す概念図である。図5において、移動体501に搭載された移動局は、アレーアンテナ500によって所定方向に指向性をもった複数のビームを形成する。このとき、移動に伴って生じるドップラーシフトは、進行方向に対して左右対称であるので、これに合わせてビームの指向性も、左右対称に同じ指向性パターンをもつビーム(1)(図中では数字を○で囲んで示しているが、明細書中では数字を()ではさんで示している。以下同じ。)からビーム(7)を形成する。ビーム(1)は前方向、ビーム(7)は後ろ方向、ビーム(2)からビーム(6)は左右対称に形成される。そして、これらの複数のビームを用いて、所定の方向ごとに到来波を分離し、最大比合成による復調を行う。
図7は、移動局が送信する通信環境の模式図である。
(実施の形態1)
はじめに、本発明の実施の形態1における無線伝送装置の送信装置を説明する。
図1において、送信装置は送信データ121から変調信号122を生成する変調部101と、移動体の移動速度を検出する移動速度検出部102と、移動速度123を基に周波数シフト量を算出し、変調信号122に周波数シフトを与える周波数シフト部103、104、105、106と、ディジタル信号をアナログ信号に変換するD/A変換器107と、局部発振器109と、ベースバンド帯の変調信号をRF(Radio Frequency)帯のRF変調信号に変換するRF部と、RF変調信号を所定方向に指向性をもった複数のビームを形成して送信するアンテナ110とを備える。ここで、アンテナ110は、進行方向に対し、前方と後方、さらに左右対称の2方向の指向性を複数有する別々のビーム系統131、132、133、134、135を構成するものである。
S’(t)=(SI(t)+j・SQ(t))×exp(j・2πfd・t)
={SI(t)+j・SQ(t)}×
{cos(2πfd・t)+j・sin(2πfd・t)}
={SI(t)・cos(2πfd・t)−SQ(t)・sin(2πfd・t)}
+j・{SQ(t)・cos(2πfd・t)+SI(t)・sin(2πfd・t)}
・・・(式3)
以下、送信装置の動作を説明する。はじめ、送信データ121から変調部101によりベースバンドの変調信号122を生成する。ここでは、図9で示した変調部101を用いて、ディジタル処理でOFDM方式の変調信号を生成する。そして、移動速度検出部102により、移動体の移動速度を検出し、周波数シフト部103、104、105、106でベースバンドの変調信号122に移動速度123をパラメータとする(式1)、(式2)に基づいてドップラーシフトを補正するように周波数シフトを与える。ここで、アンテナ110が形成する複数のビーム系統131、132、134、135ごとに周波数シフト部が設けられ、ビーム方向に応じた周波数シフトが与えられる。なお、90度と270度方向のビーム系統133には周波数シフトを与えない。そして、D/A変換器107でディジタル信号からアナログ信号に変換し、RF部でRF帯の変調信号に変換されてから所定方向に指向性をもったビームで送信する。なお、RF部における搬送波周波数は局部発信器109を基に制御されている。このように、本発明の実施の形態1における無線伝送装置の送信装置は、所定方向に指向性を持った複数のビーム系統を有し、移動体の移動速度に基づいて各ビームの送信方向ごとに送信信号に周波数シフトを与えることにより、予めドップラーシフトを補正して送信することを特徴とする。
図11は、本発明の実施の形態1における受信装置のブロック図である。図11において、受信装置は所定方向に指向性をもった複数のビームを形成し、複数の受信ビーム系統1131、1132、1133、1134、1135を出力するアンテナ1101とRF帯の受信信号をベースバンド帯に変換するRF部と、局部発信器109と、移動速度検出部102と、移動速度123を基に各ビーム系統の受信信号に周波数シフトを与える周波数シフト部1104、1105、1106、1107と、移動速度123を基に補正された各ビーム系統の受信信号を合成する合成部1108と、各ビーム系統の合成信号1139を復調する復調部1109と、復調部1109で検出される周波数誤差をもとに局部発信器109を制御して受信周波数の誤差を補正するAFC(Automatic Frequency Control)部1110とを備える。なお、複数のビームを形成するアンテナと周波数シフト部と移動速度検出部については、送信装置と同じものを利用できる。
次に、本発明に係る無線伝送装置のビームパターンについて説明する。
図15(a)に示す表は、各パターンの隣接との境界角度、中心方向、設定する周波数シフトを示し、図15(b)は各ビームの境界と中心方向を示す模式図である。ここで、設定する周波数シフト量は、例えば、パターン(1)のビーム系統では、周波数シフト部103、1104のシフト量設定部1000で+Fd・4/5に設定する。同様にパターン(2)は+Fd・2/5、パターン(4)は−Fd・2/5、パターン(4)は−Fd・4/5に設定する。このように、各ビーム系統ごとにcosθは固定値で、Fdが移動速度に応じて(式2)に基づいて算出する。
まず、送信局が移動し、受信局が静止している場合を考える。
図18は、送信局と受信局がともに移動する場合のビーム関係を示す模式図である。図18において、送信局Aは図17と同様にa1地点からa7地点を移動しながら送信し、その間、受信局Bはb1地点からb5地点を移動する。送信局Aがa1地点にあるとき、受信局Bはb1地点にあり、送信局Aのビーム1から送信された信号が受信局Bのビーム2で受信される。次に、送信局Aがa3地点にあるとき、受信局Bはb2地点にあり、送信局Aのビーム2から送信された信号が受信局Bのビーム3で受信される。以下、同様に、送信局Aと受信局Bの相対するビーム関係は図19のようになる。図19は、送受信局の間で相対するビームの時間変化である。
図20は、図18において受信局Bで反射波を伴って受信される場合の模式図である。図20において送信局A(a3地点)のビーム4から送信された信号が受信局B(b2地点)の周辺で反射してビーム1で受信される様子を示す。送信局Aのビーム4から送信された信号は、送信局Aの移動に伴って生じるドップラーシフトが補正されている。したがって、受信局Bが静止していればビーム5で受信する到来波はドップラーシフトが生じていない。また、受信局Bが移動していれば受信局B自身で、受信局Bの移動に伴って生じるドップラーシフトを補正して受信する。したがって、反射波について、受信局Bが移動していても、移動局Aが移動しながら送信する信号をドップラーシフトを軽減して受信することができる。
(実施の形態2)
図21は、本発明の実施の形態2で想定する通信システムの模式図である。道路沿いに無線局(路側無線局2102)が設置され、道路上を走行する車両が、車両IDなどの情報を路側アンテナ2101に向けて送信する路車間通信システムである。路側無線局2102はネットワークでセンターに繋がれており、収集した車両IDが交通渋滞の分析や通行料の課金などに用いられる。このとき、送信局Aと路側アンテナとの相対的な位置関係の変化に応じて、路側無線局の受信信号に生じるドップラーシフトが変化する。これにより、車両の移動速度が高速になるにつれて、路側無線局での受信周波数が大きく変化するので、復調時のAFCの追従性が問題となる。
なお、以上に述べた全ての実施形態の構成は、典型的には集積回路であるLSIとして実現されてもよい。これらは、個別に1チップ化されてもよいし、上述した実施形態の全ての構成または一部の構成を含むように1チップ化されてもよい。
また、集積回路化の手法はLSIに限るものではなく、専用回路又は汎用プロセサで実現してもよい。LSI製造後に、プログラムすることが可能なFPGA(Field Programmable Gate Array)や、LSI内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサーを利用しても良い。
102 移動速度検出部
103、104、105、106 周波数シフト部
107 D/A変換器
108 RF部
109 局部発信器
110 アンテナ
121 送信データ
122 変調信号
123 移動速度
131、132、133、134、135 ビーム系統
200 アンテナ
201 走行車両
401 中央基地局
402、403 アンテナ
404 送受信局
405 車載移動局
500 アレーアンテナ
501 移動局
601 ビームスペースアレーアンテナ
602 周波数オフセット補正部
603 S/P
604 DFT部
605 最大比合成部
606 P/S
610 受信データ
901 符号化部
902 インタリーブ部
903 多値変調マッピング部
904 時間領域変換部
905 ガードインターバル付加部
906 プリアンブル付加部
1000 シフト量設定部
1001、1002、1003、1004 乗算器
1005、1006 加算器
1010 周波数シフト信号
1101 アンテナ
1102 RF部
1103 A/D変換器
1104、1105、1106、1107 周波数シフト部
1108 合成部
1109 復調部
1110 AFC部
1140 受信データ
1141 周波数補正値
1131、1132、1133、1134、1135 ビーム系統
1201 同期回路部
1202 周波数ずれ推定部
1203 ガードインターバル除去部
1204 周波数領域変換部
1205 多値変調デマッピング部
1206 デインタリーブ部
1207 誤り訂正部
2101 路側アンテナ
2102 路側無線局
Claims (9)
- 移動体に搭載された無線伝送装置であって、前記無線伝送装置が含む送信装置は、送信データから変調信号を生成する変調部と、所定方向に指向性をもった複数のビームを形成するアンテナ部と、移動体の移動速度を検出する移動速度検出部と、複数の前記ビームから送信される前記変調信号に前記移動速度と前記ビームの方向に基づいて設定される周波数シフトを与える周波数シフト部とを備え、移動に伴って送信信号に生じるドップラーシフトを前記ビームの送信方向に応じて補正して送信する、無線伝送装置。
- 複数の前記ビームの指向性パターンが、移動体の進行方向に対して左右対称に形成される請求項1記載の無線伝送装置。
- 前記ビームの幅および隣接するビームとの境界がコサイン関数に基づいて決定される、請求項1記載の無線伝送装置。
- 前記周波数シフト部で設定される周波数シフトは、隣接する前記ビームの間で差分が同じになるようにコサイン関数に基づいて決定される、請求項1記載の無線伝送装置。
- 前記変調部は、直交周波数分割多重方式で変調する、請求項1記載の無線伝送装置。
- 前記無線伝送装置が含む受信装置は、所定方向に指向性をもった複数のビームを形成するアンテナ部と、移動体の移動速度を検出する移動速度検出部と、複数の前記ビームで受信される受信信号に前記移動速度とビーム方向に基づいて設定される周波数シフトを与える周波数シフト部と、前記周波数シフト部が出力する前記受信信号を復調して受信データを得る復調部とを備え、移動に伴って受信信号に生じるドップラーシフトを前記ビームの受信方向に応じて補正して受信する請求項1記載の無線伝送装置。
- 走行する移動体に搭載された移動局と路側無線局とが通信する路車間通信システムに用いられる移動局の無線伝送装置であって、送信データから変調信号を生成する変調部と、所定方向に指向性をもった複数のビームを形成するアンテナ部と、移動体の移動速度を検出する移動速度検出部と、複数の前記ビームに前記移動速度とビーム方向に基づいて設定される周波数シフトを与える周波数シフト部とを備え、移動に伴って移動局からの送信信号に生じるドップラーシフトを前記ビームの送信方向に応じて補正して送信する無線伝送装置。
- 移動局同士が無線通信を行う無線伝送方法であって、送信する移動局は、所定方向に指向性をもった複数のビームにより、移動に伴って送信信号に生じるドップラーシフトを移動速度に基づき前記ビームごとに補正して送信し、受信する移動局は、所定方向に指向性をもった複数のビームにより、移動に伴って受信信号に生じるドップラーシフトを移動速度に基づき前記ビームごとに補正して受信する無線伝送方法。
- 移動局同士が無線通信を行う無線伝送システムであって、送信する移動局は、所定方向に指向性をもった複数のビームにより、移動に伴って送信信号に生じるドップラーシフトを移動速度に基づき前記ビームごとに補正して送信し、受信する移動局は、所定方向に指向性をもった複数のビームにより、移動に伴って受信信号に生じるドップラーシフトを移動速度に基づき前記ビームごとに補正して受信する無線伝送システム。
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