JP3962008B2 - 無線通信システム及び無線通信装置ならびに無線通信方法 - Google Patents

Description

本発明は周波数方向および時間方向の２次元拡散を伝送路状態等に応じて適応的に制御する無線通信システム及び無線通信装置ならびに無線通信方法に関する。

マルチキャリア変調とＣＤＭＡ(Code Division Multiple Access)を組み合わせたマルチキャリアＣＤＭＡ伝送が幾つか提案されており、周波数方向と時間方向の２次元拡散を行うものも提案されている（例えば非特許文献１および特許文献１を参照）。このような伝送技術では、広帯域の信号を比較的狭帯域の複数のキャリアに分割し、分割後のキャリアを単位として周波数軸上への拡散を行う。

マルチキャリアＣＤＭＡ伝送では、マルチパスの影響により複数キャリアの中で受信電界強度の弱いキャリアが生じることがある。このようなキャリアを含めて逆拡散又は復調を行うと、復調信号の品質に劣化が生じてしまう。マルチパス歪が少ない場合、伝送路状態は比較的周波数方向にフラットであるが、マルチパス歪が大きくなると周波数方向に極めて電界強度の低い、いわゆるノッチ（切欠）を含んだ伝送路状態となる。これはマルチパス伝送路の特徴としてノッチの前後における著しい位相回転が見られるためで、位相が不揃いのまま拡散信号が逆拡散されると、逆拡散後の信号レベルが著しく低下し、通信品質の劣化を招く。

特許文献２には、受信側で伝送路の状態を観測し、周波数方向および時間方向の各方向に対して伝送路状態に応じた拡散率の変更を行うことが記載されている。これは、拡散率を高めることによる拡散ゲインにより、劣悪な伝送路状態における品質の劣化を抑制することを要旨とする。

特許文献３には、受信側で品質測定を行い、回線品質が不良なキャリアに割り当てられたデータを間引いて送信を行うことが記載されている。品質の悪い回線での送信が抑圧されることで、他のユーザに対する干渉を平均的に軽減することが可能である。

特許文献４には、受信側で品質測定を行い、品質の悪いキャリアには特許文献３の場合と同様に送信電力の割り当てを行わず、送信電力の割り当てを行ったキャリアについては、割り当てを行わなかったキャリアの送信電力分相当の電力を割り当てることが記載されている。特許文献４に開示されたものは、受信側での劣化を抑制することができる点で特許文献３と異なる。つまり、キャリアを間引くことで失われてしまう信号電力を他のキャリアの電力を上昇させることで補っている。

以上のように、従来、マルチキャリアＣＤＭＡにおいては伝送路状態におけるノッチの影響による通信品質の低下を防ぐために受信側で伝送路推定等を行い、その情報に基づいて送信側で適応的に２次元拡散を制御することが行われている。
特開２００３−４６４８１公報 特開２００３−４６４７４公報 特開２００２−１９０７８８公報 特開２００３−３２２１８公報 電子情報通信学会技術研究報告 スペクトル拡散 ＳＳＴ２００２−０５ ｐｐ．１−６（２００２）

しかしながら、ノッチの前後で位相が回転してしまう問題に対する根本的な解決はなされていない。例えば、特許文献１では伝送路状態の悪化に応じて拡散率を上げることでこれに対応している。確かに、拡散率を上げれば拡散利得が得られ、性能が向上する場合もある。しかし、これがノッチを跨いだ拡散であるならば、ノッチの前後での位相の著しい変化による影響があることから、十分な品質が得られるとは限らない。また、拡散率を上げることは送信レートを低下させることと等価的であり、一定の送信レートが要求される通信への適用が困難である。

特許文献２および特許文献３では、該当するキャリアを避けて通信を行い、その避けたキャリア分を他の良好なキャリアの送信電力を上げることで補っている。この場合もやはりノッチ前後の位相が回転してしまうという問題は未解決であり、十分な性能が達成されるとは言えない。

本発明はかかる事情を考慮してなされたものであり、伝送路状態からノッチを特定して高精度に２次元拡散を制御することのできる無線通信システム及び無線通信装置ならびに無線通信方法を提供することを目的とする。

本発明の一観点に係る無線通信システムは複数のサブキャリアを用いるマルチキャリア変調と、周波数方向および時間方向の２次元拡散とが組み合わされた無線通信を行う無線通信システムである。第１の無線通信装置は、受信信号に基づく伝送路状態を推定する推定手段と、該伝送路状態に生じたノッチに対応する不使用サブキャリアを決定する決定手段と、該不使用サブキャリアを表す情報を第２の無線通信装置に通知する通知手段とを具備する。第２の無線通信装置は、前記第１の無線通信装置から通知された情報に基づいて特定される不使用サブキャリアを除いて連続するサブキャリアを選択する選択手段と、該選択手段により選択されたサブキャリアを対象に、前記周波数方向の拡散長と前記時間方向の拡散長との積が一定となるように前記２次元拡散を制御する制御手段とを具備する。

本発明によれば、伝送路状態に生じたノッチを特定して高精度に２次元拡散を制御する無線通信システム及び無線通信装置ならびに無線通信方法を提供できる。特に本発明によれば、マルチパス歪による周波数方向での変動が大きい場合であっても通信動作が良好である。

（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る無線通信システムに適用される無線通信装置であって、その送信部の構成を示すブロック図、図２は同システムに適用される他の無線通信装置であって、その受信部の構成を示すブロック図である。以下、図１に示す無線通信装置１は送信を行う側、図２に示す無線通信装置２は受信を行う側として説明する。なお、これら無線通信装置１、２の両者は同じ機能を備えるものであり、図示の簡略化のため、無線通信装置１の復調部１１１は図２に示す無線通信装置２の受信部の構成と同じであり、一方、無線通信装置２の変調部２１４は無線通信装置１の送信部の構成と同じであるものとする。

図１に示すように、無線通信装置１（以下、「通信機１」と称する）では、送信するデータについてターボ符号化部(Turbo encoder)１０１により通信路符号化を行った後に、データ変調部１０２において変調処理およびデータインタリーブを行った後、Ｓ／Ｐ変換部１０３によりシリアルデータをパラレルデータに変換する。このパラレルデータの１つ１つのデータ列がマルチキャリア変調における各キャリアに対応する。Ｓ／Ｐ変換後のパラレルデータに対して２次元拡散部１０４により２次元拡散コードが乗算される。２次元拡散コードは２次元コードデータ／コード制御部１０６により制御された２次元コード発生器１０５から発生される。周波数方向への拡散が行われる場合、Ｓ／Ｐ変換部１０３は同一のデータをパラレルデータとして出力するように２次元コードデータ／コード制御部１０６から制御される。２次元拡散された拡散データは、ＩＦＦＴ部１０７により逆フーリエ変換を施されてマルチキャリア変調信号となり、ＧＩ部１０８によりガードインターバルが付加された後、無線部１０９により無線周波数帯域に周波数変換され、アンテナ１１０より送信される。

一方、図２に示すように、無線通信装置２（以下、「通信機２」）では、アンテナ２０１で受信された受信信号を無線部２０２がベースバンド信号に変換する。このベースバンド信号を入力とし、シンボルタイミング検出部(Symbol timing detector)２０３により時間シンボル同期が確立される。ＧＩ部２０４によりガードインターバルが除去された後、ＦＦＴ部２０５によりフーリエ変換が施され、これにより各キャリアの信号成分が抽出される。抽出された各キャリア信号は予め挿入されていたパイロット信号を用いて推定された伝送路情報により伝送路補正がなされ、その後に２次元逆拡散部２０８により２次元逆拡散処理が施されてパラレルデータ信号として復調される。このパラレルデータ信号はＰ／Ｓ変換部２１１によりシリアルデータに変換され、さらにデータ復調部２１２によるデインタリーバおよびデータ復調処理、ターボ復号化部２１３によるターボ復号処理が行われ、情報信号が得られる。

通信機２は、送信されてきたパイロット信号から伝送路状態の推定を行うチャネル推定部２０６を備える。このチャネル推定部２０６には、推定された伝送路状態に基づいて不使用サブキャリアを選択する選択部２０７が接続される。この選択部２０７は選択した不使用サブキャリアをあらわす情報を変調部２１４を介して送信側の通信機１に送信（通知）する。

図３は伝送路状態と周波数方向および時間方向への２次元拡散を行う場合における通信フォーマットを模式的に示したグラフである。このグラフの各軸はそれぞれ電力（Power）、周波数軸、時間軸を示している。送信側である通信機１の２次元拡散部１０４は、図３（ａ）に示すように周波数方向に８コード拡散（キャリアｆ０〜ｆ７）、時間軸方向に１コード拡散を行っている。受信側である通信機２のチャネル推定部２０６は、各キャリアの電力（受信電界強度）を測定する。図３（ａ）に示す状態では、ほぼ安定した受信電界強度が得られている。

ここで、時間が経過して受信状態に変化があり、図３（ｂ）の状態になったとする。キャリアｆ５，ｆ６はマルチパスなどの影響で受信電界強度が極端に悪くなっており、同図から分かるように周波数軸上にノッチ３０が生じている。通信機２の不使用サブキャリア選択部２０７は、チャネル推定部２０６が推定した伝送路状態（すなわちここでは受信電界強度の測定結果）に基づいて、ｆ５，ｆ６が品質の悪いキャリアであると判断し、これのキャリアを不使用サブキャリアとして特定するための情報を通信機１に通知する。

通知を受けた通信機１は、不使用サブキャリア以外のキャリアを用いて変更前と同一の拡散率となるように周波数軸方向の拡散を行う。具体的には、品質の悪いキャリアであるｆ５，ｆ６を避けて図３（ｃ）に示すようにｆ０〜ｆ４，ｆ７〜ｆ９を用い、周波数方向に８コード拡散を行う。

ここで、図４を参照して不使用サブキャリア選択部２０７の動作を説明する。不使用サブキャリア選択部２０７は、チャネル推定部２０６からの各サブキャリアの信号電力を観測し、これらの値をしきい値Ａ０と比較する（図４（ｃ）を参照）。不使用サブキャリア選択部２０７は、しきい値Ａ０以下の電力レベルが予め定められた時間（例えば５測定区間）にわたって下回った場合、このサブキャリアを品質の悪いサブキャリアとする。

使用しないサブキャリア分の拡散を他のサブキャリアに割り当てることにより、特定のサブキャリアの品質が劣化した時にも安定した通信品質を確保できる。

このように低品質のサブキャリアを適応的に不使用にすることに加え、本実施形態は以下に説明するように２次元拡散を制御することにより通信品質をさらに向上する。

例えば図５に示すようにｆ５，ｆ６が品質の悪いキャリアでありノッチ３０が通信機２で検出されると、これらを不使用サブキャリアとするように通信機１に通知がなされる。通知を受けた通信機１は同図のように周波数方向の拡散長が８、時間方向の拡散長が１である２次元拡散を次のように制御する。すなわち、通信機１の２次元データ／コード制御部１０６は、品質の悪いサブキャリアを跨がないように連続させて周波数方向の拡散長を４とし、かつ２次元での拡散長が一定となるように時間方向の拡散を２に拡大するよう２次元拡散部１０４を制御する。その結果得られる通信フォーマットを図５（ｃ）に示す。

周波数方向にノッチ３０が入るような場合、そのノッチ３０の周波数の前後では信号の位相回転が激しくなる。このようなノッチ３０を回避しないまま拡散および逆拡散を行う従来構成では十分な拡散利得が得られない場合がある。これに対し本発明の実施形態によれば、周波数方向でノッチ３０を跨いだ拡散が回避され、したがって極めて良好な通信特性を得ることができる。また、２次元での拡散長を一定としていることにより、拡散利得が一定に維持され、安定した通信を確保することも可能となる。

図６は通信機１および通信機２の動作手順を示すフローチャートである。説明の便宜上、通信フォーマットを決定する通信機１を「基地局」とする。また、指定された通信フォーマットでの受信を行う通信機２を「移動局」とする。移動局２では、チャネル推定部２０６により各サブキャリア毎の品質測定を行う（ステップＳ１）。サブキャリアが予め定められた期間しきい値を下回ったことを検出し、不使用サブキャリアを選択する（ステップＳ２）。選択した不使用サブキャリアを不使用サブキャリア要求として基地局１に送信（通知）する（ステップＳ３）。基地局１は、通知された要求に応じて不使用サブキャリアを決定する（ステップＳ４）。そして不使用サブキャリアを除いて使用するサブキャリアおよびそのときの２次元拡散方法（周波数方向の拡散長／時間方向の拡散長／拡散コード等）を決定する（ステップＳ５）。その後、基地局１から移動局２に、決定したサブキャリア番号や拡散パラメータおよびその通信フォーマットへ変更する時刻などを表す不使用サブキャリア応答が送信される（ステップＳ６）。基地局１および移動局２ともに、指定した時刻ｔｃｈにおいて新しい通信フォーマットへの変更を行う（ステップＳ７）。

（第２実施形態）
図７、図８を参照しながら本発明の第２実施形態を説明する。図７は、各サブキャリアの品質が総じて悪い場合を示している。ｆ０〜ｆ７の８本のサブキャリアにおいて、しきい値Ａ０を下回るサブキャリアが３本ある。つまり、所要品質を下回るサブキャリアが多く、しきい値Ａ０を上回る場合でもマージンが非常に小さい。この状態で第１実施形態や第２実施形態において説明したような適応制御を実行した場合、サブキャリアの選択や拡散コードの割り当てが出来なくなったり、所要の拡散長を一定に維持することが困難になる場合が考えられる。

そこで本発明の第２実施形態は全ての各サブキャリアの受信品質を基地局１に通知し、又はしきい値Ａ０を下回る品質のサブキャリアに関してのみ各サブキャリアの受信品質を基地局１に通知し、基地局側で不使用のサブキャリアを決定するよう構成される。

図８のフローチャートに示すように、移動局２はサブキャリア毎の受信品質を測定し（ステップＳ１）、しきい値Ａ０を下回るものを状態報告サブキャリアとして選択する（ステップＳ２）。選択したサブキャリアの受信状態情報を基地局１に送信する（ステップＳ３）。基地局１は、通知された受信状態情報を元に不使用サブキャリアを決定する（ステップＳ４）。なお、本実施形態では、使用しているサブキャリアの例えば２０％以上が品質を満たしていない場合、総じてサブキャリアが悪い状態（特定のサブキャリアのみ除外して拡散を行っても特性の改善量が小さい）にあると判断し、該当のサブキャリアを不使用とはせずに通信を継続する。一方、２０％以下のサブキャリアが所定品質を下回っている場合には、基地局側で不使用サブキャリアを決定し（ステップＳ４）、不使用サブキャリアの除いた使用するサブキャリアおよび拡散コード等を決定し（ステップＳ５）、移動局２に通知することで通信フォーマットを変更する（ステップＳ６）。

このような第２実施形態によれば、総じて通信品質が悪い場合にはフォーマット変更を行わないことで、頻繁なフォーマット変更を防止することができる。また、フォーマット変更後に通信品質の改善を確実に得ることも可能となる。

（第３実施形態）
本実施形態はＶＳＦ−ＯＦＣＤＭ(Variable Spreading Factor - Orthogonal Frequency and Code Division Multiplexing)に本発明を適用したものである。図９は本発明の第３実施形態に係る無線通信装置の構成を示すブロック図である。２次元コード決定回路１１２を備える点以外は第１実施形態で説明した通信機１と同様の構成である。

本実施形態では、通信機１０００の２次元コード決定回路１１２が２次元コードの決定を行う。受信側の通信機（不図示）は、チャンネル推定部（Channel estimator）の出力を観測することにより、所定のしきい値以下のサブキャリアを同定し、不使用サブキャリアを選択する。

図１０（ａ）は周波数方向に拡散（コード）長１６の拡散符号（Ｃ０，Ｃ１，Ｃ２…Ｃ１５）を用いた拡散の状態を示す。図１０（ｂ）の状態では、伝送路による劣化が生じ、周波数ｆ９とｆ１０の２箇所が所要品質を満たさないことが、しきい値に基づいて判定されている。

図１１にＶＳＦ−ＯＦＣＤＭに用いられる直交拡散符号を示す。この符号は、ＳＦ＝１から階層的に符号が構成され、コードツリー上の他の枝であれば、互いに直交するという性質をもつ符号である。例えば、ＳＦ＝１６（拡散長１６）のユーザと、ＳＦ＝８（拡散長８）のユーザが同時に通信を行うと仮定すると、コード番号Ｃｎ１６．１とＣｎ８．１は階層的に親子の関係にあるため、同時に使用出来ない。しかし、Ｃｎ８．２とＣｎ１６．１はそれぞれ親子の関係ではない（Ｃｎ８．１とＣｎ８．２で分離されている）ことから、同時に使用しても干渉が発生しない。

図１０（ａ）では、あるユーザ（ｕｓｅｒ１）がＳＦ＝１６のコード（Ｃ０，Ｃ１，Ｃ２…Ｃ１５）で通信を行っていると同時に、他のユーザ（ｕｓｅｒ２）がＳＦ＝８のコード（Ｃ’０，Ｃ’１…Ｃ’７）で通信を行っている。ＳＦ＝１６とＳＦ＝８のコードが直交する条件は、コードの基点が一致していることである。つまり、Ｃ０とＣ’０の位置が同じであることが条件であり、仮にＣ０とＣ’１が同じ位置である場合には直交条件が崩れ、干渉が発生する。

図１２は、２次元コード決定回路の動作手順を示すフローチャートである。通信機２からは、図１０（ｂ）のような伝送路であることからｆ９およびｆ１０が不使用サブキャリアとして通知される。２次元コード決定回路１１２は、まず不使用サブキャリアがいくつ通知されたかをカウントし（ステップＳ１）、予め定められたしきい値以上のサブキャリアが不使用な場合、コード変更の処理を行わない（ステップＳ２）。これは、たとえば不使用サブキャリアが拡散長１６に対して１０個あった場合、最適なコード選択が出来ない可能性が高く、またコード選択を行っても有効な性能改善効果が得られないためである。

ここで、ｆ９、ｆ１０と２つのサブキャリアが不使用と報告され、不使用サブキャリア数しきい値が例えば８に設定されており、ステップＳ３に進む。ステップＳ３では、当初の周波数方向の拡散長１６をその１／２の８とし、図１０の直交性を満たす位置に８個連続したサブキャリアが取れるか否かを判定する（ステップＳ４，Ｓ５）。つまり、ここではｆ０−ｆ７，ｆ８−ｆ１５のどちらかに連続して良好なサブキャリアが存在するかを判定する。本実施形態では、ｆ０−ｆ７に連続して良好なキャリアが存在するため、周波数方向の拡散長を８とし（ステップＳ６）、時間方向の拡散長を２とする（ステップＳ７）。計８×２＝１６の拡散長となり、同一の拡散長が確保され、安定した品質の通信を継続することが可能となる。その結果得られる通信フォーマットを図１０（ｃ）に示す。

一定の拡散長を確保するためには、品質の悪化したコードをスキップし、図１３のようにコードを配置することも可能である。しかし、階層的コードを使用している場合、他のユーザがＳＦ＝８のコードをｆ８−ｆ１５で（Ｃ’１，Ｃ’２…Ｃ’７）を使用しており、１ユーザのみがコードの位置を変更すると、他ユーザとの間の直交性が崩れて干渉が発生することから通信が不可能になってしまう。従って、１ユーザのみが通信を行っている場合には問題にならないが、２ユーザ以上がコード多重により同時に通信を行う場合、まずは周波数方向に連続した良好な拡散長を確保し、その拡散長分の周波数が階層化コードのコード開始位置と合致していることが必要となる。本実施形態では、これらの点を考慮し、トータルの拡散長を維持し、かつ品質を一定に保ちつつ、階層化コードの直交を崩さない２次元コード割り当てを行う。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明は周波数軸での拡散を行う通信方式全般に利用可能であり、特にセルラー通信方式に有効である。

本発明の第１実施形態に係る無線通信システムに適用される無線通信装置であって、その送信部の構成を示すブロック図 本発明の第１実施形態に係る無線通信システムに適用される無線通信装置であって、その受信部の構成を示すブロック図 伝送路状態と周波数方向および時間方向への２次元拡散を行う場合における通信フォーマットを模式的に示したグラフ 不使用サブキャリア選択部の動作を説明するための図 第１実施形態における２次元拡散を説明するための図 通信機１および通信機２の動作手順を示すフローチャート 本発明の第２実施形態を説明するための図 第２実施形態の動作手順を示すフローチャート 発明の第３実施形態に係る無線通信装置の構成を示すブロック図 第３実施形態を説明するための図 ＶＳＦ−ＯＦＣＤＭに用いられる直交拡散符号を示す図 ２次元コード決定回路の動作手順を示すフローチャート 一定の拡散長を確保するためのコード配置を示す図

符号の説明

１…無線通信装置（通信機）、１０１…ターボ符号化部、１０２…データ変調部、１０３…Ｓ／Ｐ変換部、１０４…２次元拡散部、１０５…２次元コード発生器、１０６…２次元コードデータ／コード制御部、１０７…ＩＦＦＴ部、１０８…ＧＩ（ガードインターバル）部、１０９…無線部、１１０…アンテナ、１１１…復調部

Claims (4)

1. 複数のサブキャリアを用いるマルチキャリア変調と、周波数方向および時間方向の２次元拡散とが組み合わされた無線通信を行う無線通信システムにおいて、
   第１の無線通信装置は、受信信号に基づく伝送路状態を推定する推定手段と、該伝送路状態に生じたノッチに対応する不使用サブキャリアを決定する決定手段と、該不使用サブキャリアを表す情報を第２の無線通信装置に通知する通知手段とを具備し、
   前記第２の無線通信装置は、前記第１の無線通信装置から通知された情報に基づいて特定される不使用サブキャリアを除いて連続するサブキャリアを選択する選択手段と、該選択手段により選択されたサブキャリアを対象に、前記周波数方向の拡散長と前記時間方向の拡散長との積が一定となるように前記２次元拡散を制御する制御手段とを具備することを特徴とする無線通信システム。
2. 前記２次元拡散に階層構造を有する直交拡散符号を用いることを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
3. 複数のサブキャリアを用いるマルチキャリア変調と、周波数方向および時間方向の２次元拡散とが組み合わされた無線通信を行う無線通信装置において、
   伝送路状態に生じたノッチに対応する不使用サブキャリアを表す情報を他の無線通信装置から受信する受信手段と、
   前記情報に基づいて特定される不使用サブキャリアを除いて連続するサブキャリアを選択する選択手段と、
   前記選択手段により選択されたサブキャリアを対象に、前記周波数方向の拡散長と前記時間方向の拡散長との積が一定となるように前記２次元拡散を制御する制御手段とを具備することを特徴とする無線通信装置。
4. 複数のサブキャリアを用いるマルチキャリア変調と、周波数方向および時間方向の２次元拡散とが組み合わされた無線通信方法において、
   受信信号に基づく伝送路状態を第１の無線通信装置において推定するステップと、
   前記伝送路状態に生じたノッチに対応する不使用サブキャリアを決定するステップと、
   該不使用サブキャリアを表す情報を第２の無線通信装置に通知するステップと、
   前記第１の無線通信装置から通知された情報に基づき特定される不使用サブキャリアを除いて連続するサブキャリアを前記第２の無線通信装置において選択するステップと、
   前記連続するサブキャリアを対象に、前記周波数方向の拡散長と前記時間方向の拡散長との積が一定となるように前記２次元拡散を制御するステップと
   を具備することを特徴とする無線通信方法。

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