JP2009159445A - 通信装置、通信システムおよび通信制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】遅延送信を導入せずに送信アンテナ間距離やマルチユーザ環境に影響されない、より有効なダイバーシティ効果を与える技法を提供する。
【解決手段】周波数軸と時間軸とを有する通信フレームを用いて他の通信装置(200
)と自装置との間で通信する通信装置(100)は、送信すべきデータを通信フレームへ割り当てるデータ割当部(140)と、通信フレームの各々に対して、データの周波数軸方向および／または時間軸方向への割り当て状態を変えるようにデータ割当部を制御する制御部(110)と、割り当て状態を変えられた複数の通信フレームを他の通信装置へ送信する送信部(130)とを有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、通信装置、通信システムおよび通信制御方法に関する。

従来、無線通信では、フェージングの有害な影響を削減するための送信ダイバーシティ技術が多数開発されている。最も単純な送信ダイバーシティ技術の１つに、同じ信号が異なる遅延を伴って複数のアンテナから送信される遅延ダイバーシティ技術がある。これによって、各送信アンテナから各受信アンテナへの周波数の選択性が強化され、従って周波数ダイバーシティが強化された入力チャネルの同等物が得られる。ＯＦＤＭ（直交周波数分割多重）では、送信機で取り込まれた周波数ダイバーシティは、受信機内に配置されたエラー訂正デコーダにより利用できる。

例えば、遅延ダイバーシティを用いた第１の従来技術として、複数の送信アンテナ間の距離を離して配置することなく、所望の伝送レートを達成する技法（特許文献１を参照されたい）がある。また、遅延ダイバーシティをを用いた第２の従来技術として、特にマルチユーザシナリオにおいての強化を狙った技術（特許文献２を参照されたい）がある。
特開２００４−６４６５４号公報 特表２００７−５１５８２９号公報

マルチパスやセルのフリンジ等のさまざまな伝播環境下においては、同一フレームでの遅延ダイバーシティを用いた周波数選択性フェージング対策は、フェージングの相関が高くなる場合もあり、動的環境において、全ての状況に対応することができない。時間（遅延）ダイバーシティを達成するためにしばしば必要とされるマルチキャリア伝送システムにさらなる遅延を導入することによって、より長いガード区間が要求される。これにより、帯域効率が低下する。さらに、ガード区間が十分に長くない場合には、キャリア間相互干渉が発生する恐れがある。

本発明はかかる点を鑑みて、遅延送信を導入せずに送信アンテナ間距離やマルチユーザ環境に影響されない、より有効なダイバーシティ効果を与える技法（装置、方法、システム）を提供することを目的とする。

上述した諸課題を解決すべく、第１の発明による通信装置は、
周波数軸と時間軸とを有する通信フレームを用いて他の通信装置と自装置との間で通信する通信装置（送信装置）であって、
送信すべきデータ（符号化情報（情報シンボル）、冗長性情報など）を、前記通信フレームへ割り当てるデータ割当部と、
前記通信フレームの各々に対して、前記データの周波数軸方向および／または時間軸方向への割り当て状態を変えるように前記データ割当部を制御する制御部と、
前記割り当て状態を変えられた複数の通信フレームを前記他の通信装置へ送信する送信部と、
を有することを特徴とする。

また、第２の発明による通信装置は、
前記制御部が、
送信すべきデータ（符号化情報、冗長性情報など）の周波数軸方向への割り当て状態を通信フレーム毎に変えるように前記データ割当部を制御する、
ことを特徴とする。

また、第２の発明による通信装置は、
前記制御部が、
送信すべきデータ（符号化情報、冗長性情報など）の周波数軸方向、かつ、時間軸方向への割り当て状態を通信フレーム毎に変えるように前記データ割当部を制御する、
ことを特徴とする。

また、第４の発明による通信装置は、
前記割当部が、
送信すべき同じデータを、複数の通信フレームへ割り当てる（即ち、時間ダイバーシティを行う）、ことを特徴とする。

また、第５の発明による通信装置は、
前記通信フレームは、ＯＦＤＭ変調され、ＭＩＭＯ多重化される、ことを特徴とする。

また、第６の発明による通信装置は、
前記通信フレームは、ＯＦＤＭ変調され、ＭＩＭＯ多重化され、空間分割多重化される、ことを特徴とする。

また、第７の発明による通信システムは、
前記通信装置と他の通信装置との間で、周波数軸と時間軸とを有する通信フレームを用いて通信する通信システムであって、
前記他の通信装置が、
前記通信装置から送信された前記複数の通信フレームを受信する受信部と、
前記受信部で受信した前記複数の通信フレームを前記割り当て状態に基づいて処理する信号処理部と、
を有することを特徴とする。

また、第８の発明による通信装置は、
周波数軸と時間軸とを有する通信フレームを用いて他の通信装置と自装置との間で通信する通信装置（受信装置）であって、
前記他の通信装置から送信された、送信すべきデータ（符号化情報（情報シンボル）、冗長性情報（パリティ）など）を、周波数軸方向および／または時間軸方向へ割り当てた複数の通信フレームを受信する受信部と、
前記他の通信装置において前記通信フレームに、送信すべきデータ（符号化情報（情報シンボル）、冗長性情報など）を、周波数軸方向および／または時間軸方向へ割り当てたときの割り当て状態を取得する取得部と、
前記受信部で受信した前記複数の通信フレームを、前記取得部により取得した割り当て状態に基づいて処理する信号処理部と、
を有することを特徴とする。

上述したように本発明の解決手段を装置やシステムとして説明してきたが、本発明はこれらに実質的に相当する方法、プログラム、プログラムを記録した記憶媒体としても実現し得るものであり、本発明の範囲にはこれらも包含されるものと理解されたい。なお、下記の方法の各ステップは、データの処理においては必要に応じて、CPU、DSPなどの演算処理装置を使用するものであり、入力したデータや加工・生成したデータなどを磁気テープ、HDD、メモリなどの記憶装置に格納するものである。

例えば、本発明を方法として実現させた第９の発明による方法は、
周波数軸と時間軸とを有する通信フレームを用いて他の通信装置と自装置との間で通信する通信装置での通信制御方法であって、
送信すべきデータ（符号化情報（情報シンボル）、冗長性情報など）を、前記通信フレームへ割り当てるデータ割当ステップと、
前記通信フレームの各々に対して、前記データの周波数軸方向および／または時間軸方向への割り当て状態を変えるように制御する制御ステップと、
前記割り当て状態を変えられた複数の通信フレームを前記他の通信装置へ送信する送信ステップと、
を有することを特徴とする。

本発明によれば、遅延送信を導入せずに送信アンテナ間距離やマルチユーザ環境に影響されない、より有効なダイバーシティ効果を与えることができるようになる。

以降、諸図面を参照しながら、本発明の実施態様を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施態様による無線通信システムの構成図である。図に示すように、無線通信システムは、主として送信機として機能する第１の通信装置（送信機）１００、および主として受信機として機能する第２の通信装置（受信機）２００から構成されている。第１の通信装置１００は、装置全体の制御を司る制御部１１０、受信部１２０、送信部１３０、データ割当部１４０、および３本のアンテナＡＮＴ１，２，３を具える。第２の通信装置２００は、装置全体の制御を司る制御部２１０、送信部２２０、受信部２３０、取得部２４０、信号処理部２５０、記憶部２６０、および３本のアンテナＡＮＴ４，５，６を具える。第１の通信装置１００と第２の通信装置２００との間では、通信フレームを用いた無線通信が行われる。

第１の通信装置１００のデータ割当部１４０は畳み込み符号やターボ符号やLDPC符号により符号化され、さらに多値変調された、送信すべきデータ（符号化情報（情報シンボル）、冗長性情報など）を、２パケット（物理最小パケット）以上に分割し、通信フレームの周波数軸方向および／または時間軸方向へ割り当てる。制御部１１０は、通信フレームの各々に対して、データの周波数軸方向および／または時間軸方向への割り当て状態を変えるようにデータ割当部１４０を制御する。送信部１３０は、２フレーム以上連続して、符号化・変調して、周波数軸方向および／または時間軸方向への割り当て状態を変えられた通信フレームをアンテナＡＮＴ１，２，３を介して第２の通信装置２００へ送信する。或いは、１パケットを２つ以上複製して複数フレームを連続で送信する。

第２の通信装置２００は、第１の通信装置から送信された一連の複数フレームを受信部２３０で受信する。取得部２４０は、受信部２３０で受信した通信フレームに、送信すべきデータを、周波数軸方向および／または時間軸方向へ割り当てたときの割り当て状態を取得する。信号処理部２５０は、受信部２３０で受信した複数の通信フレームを、取得部２４０により取得した割り当て状態に基づいて処理する。

第２の通信装置２００は、記憶部２６０をさらに有し、記憶部２６０には、例えば、バッファリングした送受信パケット、周波数ホッピングパターン、受信信号の周波数毎の受信品質情報などを格納しておく。

図２は、第１の通信装置１００の送信部１３０の詳細なブロック図である。この例は、MIMO(Multiple Input Multiple Output)マルチキャリア送信機として構成させたものである。図に示すように、送信部１３０は、３系統に分かれた送信信号生成部１３１、符号化部１３２、およびＯＦＤＭ変調部１３６を具える。また、送信部１３０は、アンテナＡＮＴ１，２，３に接続している。送信部１３０は、１つで３系統分を処理するパケット分割記録兼割当部１３４、およびアンテナ分割部１３５をさらに具える。最初に、送信信号生成部１３１が、元の情報（コンテンツなど）から信号を生成する。生成された信号は、符号化部１３２により畳み込み、ターボ、LDPC等で符号化される。適応変調部１３３は、受信機から通知される受信品質に基づき、符号化された信号を適応的に変調（QPSK,64QAM等）する。パケット分割記録兼割当部１３４は、適応変調部１３３により変調された信号をパケット分割し、受信品質に適応した論理レイヤー数（この例では３）にパケットを割当て、次フレーム以降に割当られるパケットを保持（バッファリング）する。アンテナ分割部１３５は、パケット分割記録兼割当部１３４で割当てられた論理信号を各送信アンテナＡＮＴ１，２，３に割り当てる。ＯＦＤＭ（直交周波数分割多重）変調部１３６は、IFFT,ガードインターバル挿入を行いＯＦＤＭ変調を行い、各アンテナＡＮＴ１，２，３に送信信号を送出する。

上述した例では、送信信号列数は３系統、３レイヤー、アンテナ３本の例で説明したが、これに限定されるわけではない。例えば、送信信号列数をL、レイヤー数をM、アンテナ本数をNとおくと、これら各変数は以下の条件で任意に設定できる。
L≦M≦N

図３は、第２の通信装置２００の受信部２３０の詳細なブロック図である。この例も、MIMO(Multiple Input Multiple Output)マルチキャリア受信機として構成させたものである。図に示すように、受信部２３０は、３系統に分かれたＯＦＤＭ復調部２３１を具える。また、受信部２３０はアンテナＡＮＴ４，５，６に接続されている。受信部２３０は、１つで３系統分を処理するチャネル推定等化部２３２、およびパケット記録兼合成部２３３をさらに具える。また、受信部２３０は、適応復調部２３４および復号部２３５をさらに具える。ＯＦＤＭ復調部２３１は、各アンテナから受信した受信信号に対してガードインターバル除去,FFTを行いＯＦＤＭ復調を行う。チャネル推定等化部２３２は、各アンテナからの受信信号のチャネルを推定して等化処理を行う。パケット記録兼合成部２３３は、複数フレームに複数レイヤーからなる信号を記録し、合成が必要な場合は合成も行う。適応復調部２３４は、変調信号を適応的に復調する。復号部２３５は、受信信号を復号する。

上述した例では、受信信号列数は３系統、３レイヤー、アンテナ３本の例で説明したが、これに限定されるわけではない。例えば、レイヤー数をK、アンテナ本数をJとおくと、これら各変数は以下の条件で任意に設定できる。
K≦J

図４は、本発明の一実施態様による送信機の処理を説明するフローチャートである。図に示すように、ステップＳ１１にて、元の送信すべき情報に対して符号・変調処理を行う。ステップＳ１２にて、符号化、変調したデータを通信フレームの周波数軸方向および／または時間軸方向へ割り当てる。ステップＳ１３にて、通信フレームの各々に対して、前記データの周波数軸方向および／または時間軸方向への割り当て状態を変える。ステップＳ１４にて、符号・変調処理を受けた信号であって、周波数軸方向および／または時間軸方向への割り当て状態を変えられた信号（通信フレーム）をバッファリングする。ステップＳ１５にて、バッファリングした信号を順次送信していく。

図５は、本発明の一実施態様による受信機の処理を説明するフローチャートである。図に示すように、ステップＳ２１にて、送信機から送信された信号（通信フレーム）を受信する。ステップＳ２２にて、受信信号をバッファリングする。ステップＳ２３にて、受信信号の周波数軸方向および／または時間軸方向への割り当て状態を取得する。割り当て状態の取得は、受信信号に重畳された何らかの信号から得たり、事前に割り当てパターンを送信機から通知してもらい、記憶部２６０に格納しておき、それを受信の際に読み取ってもよい。次に、ステップＳ２４にて、受信信号の復調・復号処理を行う。

図６は、本発明の一実施態様によるＯＦＤＭ変調を用いた３パケットブロックホッピング送受信を説明する図である。この例は、周波数軸方向に割り当て状態を変化させたものである。１ブロックは、８サブキャリアで６ＯＦＤＭシンボルで構成される。図に示すように、３フレームでフレーム毎に別ブロック（別周波数）にホッピングしてデータが送信されている。これによって、時間的かつ周波数的にフェージング相関を抑制することが可能となる。例えば、ターボ符号化で符号化率３とし、第１パケットに情報シンボル、第２パケットに第１パリティシンボル、第３パケットに第２パリティシンボルを収容することができる。第１パケットのフレーム１は、ブロックＢＬ１の周波数で送信され、第２パケットのフレーム２は、別のブロックＢＬ２の周波数で送信され、第３パケットのフレーム３は、さらに別のブロックＢＬ３の周波数で送信される。

図６のように、フレーム１とフレーム２との間に、ＯＦＤＭサブキャリアあるいはサブチャネル単位でPN符号などでホッピング（ランダマイズ）して周波数を変更する。フレーム２以降についても同様の処理を施す。マルチユーザにおいても同様にホッピングする。このようにフレーム毎に周波数軸方向に割り当て状態を変更すれば、エラー耐性がより向上する。

図７は、本発明の一実施態様によるＯＦＤＭ変調を用いた２パケットサブキャリアホッピング送受信を説明する図である。この例も、周波数軸方向に割り当て状態を変化させたものである。図に示すように、各パケットは、各フレーム内でサブキャリアホッピング（周波数インターリーブ）して送信される。これによって、時間的かつ周波数的にフェージング相関を抑制することが可能となる。この場合は、周波数をサブキャリア単位でホッピングさせてあるため、ある周波数帯におけるバーストエラーなどに特に耐性が強い構成となっている。

図８は、本発明の一実施態様によるＯＦＤＭ変調を用いた２パケット同一パケット送受信を説明する図である。この例は、周波数軸方向および時間軸軸方向に割り当て状態を変化させたものである。即ち、同一パケットを複製して、２つのフレームに割り当てたものである。１ブロックは、８サブキャリアで６ＯＦＤＭシンボルで構成される。図に示すように、同一パケットを２フレーム連続で周波数ホッピングして送信している。従って、受信機は、フレーム１とフレーム２とを受信することによって、時間ダイバーシティゲインと周波数ダイバーシティゲインとを得る。

図９は、本発明の一実施態様によるＯＦＤＭ変調およびＭＩＭＯ多重を用いた２パケットＭＩＭＯ２多重の送受信を説明する図である。この例は、周波数軸方向に割り当て状態を変化させたものである。１ブロックは、８サブキャリアで６ＯＦＤＭシンボルで構成される。図に示すように、系列１のパケットＰＫＴ１１と、系列２のパケットＰＫＴ２１とをフレーム１のタイミングで、同一の周波数帯のブロックＢＬ１で送信している。そして、系列１のパケットＰＫＴ１２と、系列２のパケットＰＫＴ２２とをフレーム２のタイミングで、同一の周波数帯のブロックＢＬ２で送信している。即ち、２系列のパケットを２フレーム連続で周波数ホッピングして送信している。従って、受信機は、フレーム１とフレーム２とを受信することによって、時間ダイバーシティゲインと周波数ダイバーシティゲインとを得る。例えば、ターボ符号で符号化率２とした場合、系列１のパケットＰＫＴ１１を情報シンボル、パケットＰＫＴ１２をパリティシンボルとしてもよい。

図１０は、本発明の一実施態様によるＯＦＤＭ変調、ＭＩＭＯ多重、空間分割多重（ＳＤＭＡ）を用いた２パケットＭＩＭＯ−２ＳＤＭＡの送受信を説明する図である。この例は、周波数軸方向に割り当て状態を変化させたものである。１ブロックは、８サブキャリアで６ＯＦＤＭシンボルで構成される。図に示すように、系列１のパケットＰＫＴ１１と、系列２のパケットＰＫＴ２１とをフレーム１のタイミングで、同一の周波数帯のブロックＢＬ１で送信している。そして、系列１のパケットＰＫＴ１２と、系列２のパケットＰＫＴ２２とをフレーム２のタイミングで、同一の周波数帯のブロックＢＬ２で送信している。即ち、２系列のパケットを２フレーム連続で周波数ホッピングして送信している。なお、この例では、受信機は２つの別個の装置である。従って、受信機１，２（ユーザ１、２）は、フレーム１とフレーム２とを受信することによって、時間ダイバーシティゲインと周波数ダイバーシティゲインとを得る。例えば、ターボ符号で符号化率２とした場合、系列１のパケットＰＫＴ１１を情報シンボル、パケットＰＫＴ１２をパリティシンボルとしてもよい。

本発明の実施態様の構成や処理を再度説明する。畳み込み符号やターボ符号やLDPC符号により符号化され多値変調された送信信号を２パケット（物理最小パケット）以上バッファリングし、２フレーム以上連続して送信する。あるいは、２パケットを複製して複数フレーム連続で送信して繰り返しゲインを得る事も可能である。ＭＩＭＯ多重送信において、例えば２多重で、第１フレームでは、１レイヤーから送信して、第２フレームでは、２レイヤーから送信する事で、通信路を切り替えることができる。２パケット以上送信の場合はターボ符号では、第１フレームに情報信号、第２フレーム以降にパリティ冗長符号を送信する。あるいは、インタリーブして送信する。本発明の実施態様によれば、畳み込み符号でも、同様に第1フレームから順次分割して送信するか、インタリーブして送信することを可能とする。受信機は、割り当て状態などの制御情報を、送信機との制御チャネルなどの前情報から取得することができ、これに基づき上述した受信側処理を行う。２フレーム以上の受信信号をバッファリングして適応復調、エラー訂正復号処理を行うこともできる。

ここで本発明の利点を再度述べる。時間方向及び周波数方向にフェージング相関を抑制する手法なので、送信アンテナや受信アンテナの物理的な間隔に依存しない。複数の送信アンテナにおいて、遅延送信しないので、受信時の遅延による干渉の影響は無い。周波数ホッピングすること、上記遅延送信しないことで、マルチユーザにおいても干渉の発生を抑えつつフェージング相関を下げる事が可能である。

本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各部、各手段、各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段やステップなどを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

本発明の実施態様による無線通信システムの構成図である。 送信部１３０の詳細なブロック図である。 受信部２３０の詳細なブロック図である。 本発明の一実施態様による送信機の処理を説明するフローチャートである。 本発明の一実施態様による受信機の処理を説明するフローチャートである。 図６は、本発明の一実施態様によるＯＦＤＭ変調を用いた３パケットブロックホッピング送受信を説明する図である。 本発明の一実施態様によるＯＦＤＭ変調を用いた２パケットサブキャリアホッピング送受信を説明する図である。 本発明の一実施態様によるＯＦＤＭ変調を用いた２パケット同一パケット送受信を説明する図である。 本発明の一実施態様によるＯＦＤＭ変調およびＭＩＭＯ多重を用いた２パケットＭＩＭＯ２多重の送受信を説明する図である。 本発明の一実施態様によるＯＦＤＭ変調、ＭＩＭＯ多重、空間分割多重（ＳＤＭＡ）を用いた２パケットＭＩＭＯ−２ＳＤＭＡの送受信を説明する図である。

符号の説明

１００ 第１の通信装置
１１０ 制御部
１２０ 受信部
１３０ 送信部
１３１ 送信信号生成部
１３２ 符号化部
１３３ 適応変調部
１３４ パケット分割記録兼割当部
１３５ アンテナ分割部
１３６ ＯＦＤＭ変調部
１４０ データ割当部
２００ 第２の通信装置
２１０ 制御部
２２０ 送信部
２３０ 受信部
２３１ ＯＦＤＭ復調部
２３２ チャネル推定等化部
２３３ パケット記録兼合成部
２３４ 適応復調部
２３５ 復号部
２４０ 取得部
２５０ 信号処理部
２６０ 記憶部
ＡＮＴ１−６ アンテナ
ＢＬ１−３ ブロック
ＰＫＴ１１，１２，２１，２２ パケット

Claims (9)

1. 周波数軸と時間軸とを有する通信フレームを用いて他の通信装置と自装置との間で通信する通信装置であって、
   送信すべきデータを、前記通信フレームへ割り当てるデータ割当部と、
   前記通信フレームの各々に対して、前記データの周波数軸方向および／または時間軸方向への割り当て状態を変えるように前記データ割当部を制御する制御部と、
   前記割り当て状態を変えられた複数の通信フレームを前記他の通信装置へ送信する送信部と、
   を有することを特徴とする通信装置。
2. 請求項１に記載の通信装置において、
   前記制御部が、
   送信すべきデータの周波数軸方向への割り当て状態を通信フレーム毎に変えるように前記データ割当部を制御する、
   ことを特徴とする通信装置。
3. 請求項１に記載の通信装置において、
   前記制御部が、
   送信すべきデータの周波数軸方向、かつ、時間軸方向への割り当て状態を通信フレーム毎に変えるように前記データ割当部を制御する、
   ことを特徴とする通信装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の通信装置において、
   前記割当部が、
   送信すべき同じデータを、複数の通信フレームへ割り当てる、
   ことを特徴とする通信装置。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の通信装置において、
   前記通信フレームは、ＯＦＤＭ変調され、ＭＩＭＯ多重化される、
   ことを特徴とする通信装置。
6. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の通信装置において、
   前記通信フレームは、ＯＦＤＭ変調され、ＭＩＭＯ多重化され、空間分割多重化される、
   ことを特徴とする通信装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の通信装置と他の通信装置との間で、周波数軸と時間軸とを有する通信フレームを用いて通信する通信システムにおいて、
   前記他の通信装置が、
   前記通信装置から送信された前記複数の通信フレームを受信する受信部と、
   前記受信部で受信した前記複数の通信フレームを前記割り当て状態に基づいて処理する信号処理部と、
   を有することを特徴とする通信システム。
8. 周波数軸と時間軸とを有する通信フレームを用いて他の通信装置と自装置との間で通信する通信装置であって、
   前記他の通信装置から送信された、周波数軸方向および／または時間軸方向へデータが割り当てられた複数の通信フレームを受信する受信部と、
   前記他の通信装置が前記通信フレームに、送信すべきデータを、周波数軸方向および／または時間軸方向へ割り当てたときの割り当て状態を取得する取得部と、
   前記受信部で受信した前記複数の通信フレームを、前記取得部により取得した割り当て状態に基づいて処理する信号処理部と、
   を有することを特徴とする通信装置。
9. 周波数軸と時間軸とを有する通信フレームを用いて他の通信装置と自装置との間で通信する通信装置での通信制御方法であって、
   送信すべきデータを、前記通信フレームへ割り当てるデータ割当ステップと、
   前記通信フレームの各々に対して、前記データの周波数軸方向および／または時間軸方向への割り当て状態を変えるように制御する制御ステップと、
   前記割り当て状態を変えられた複数の通信フレームを前記他の通信装置へ送信する送信ステップと、
   を有することを特徴とする通信制御方法。

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