JP4539969B2 - マルチキャリアスペクトル拡散通信装置及びマルチキャリアスペクトル拡散通信方法 - Google Patents

マルチキャリアスペクトル拡散通信装置及びマルチキャリアスペクトル拡散通信方法 Download PDF

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本発明は、マルチキャリアスペクトル拡散通信装置及びマルチキャリアスペクトル拡散通信方法に関する。
無線通信において、様々な障害物等からの反射波が重なりあい多重伝送路(マルチパス)となることがある。そして、各伝送路の伝搬遅延の違いにより、伝送帯域内の周波数特性が歪む周波数選択性フェージングや、時間軸上で隣り合う信号(シンボル)が互いに干渉するシンボル間干渉を生じ、通信品質の劣化を招く。このような劣化に対する対策としてマルチキャリアスペクトル拡散通信方式が注目されている。
このマルチキャリアスペクトル拡散通信方式では、情報を複数の低レートのキャリア(サブキャリア)に分けて伝送する。すなわち、マルチキャリアスペクトル拡散通信では1つのシンボル長を長くすることにより、シンボル長に比較して遅延量が小さいため、上述のマルチパスによる干渉の影響を小さくすることができる。特に、各キャリアが互いに直交するように選んだものは直交マルチキャリア変調方式と呼ばれ、直交周波数分割多重(Orthogonal Frequency Division Multiplex :OFDM)がある。また、マルチキャリアスペクトル拡散通信と「CDMA(Code Division Multiple Access )」とを組み合わせた無線伝送方式として「MC−CDMA(Multi-Carrier-CDMA)」等の無線アクセス方式が提案されている。このMC−CDMAは、情報シンボルに対して拡散コードを用いて拡散を行ない、拡散された情報シンボルを複数のサブキャリアもしくはOFDMシンボル上にマッピングして並列伝送する方式である(例えば、特許文献1参照。)。
ここで、図8に示すマルチキャリアスペクトル拡散通信システムの送信装置20を用いて信号を送信する場合について説明する。まず、送信装置20は、入力された送信データに対して情報シンボル生成部21を用いて情報シンボルを生成する。そして、送信装置20は、誤り訂正符号化部22において、データの誤りを訂正するための誤り訂正符号を付加する誤り訂正符号化処理を実行する。次に、生成した情報シンボルに対してデータ変調部23においてデータ変調処理を行なう。このデータ変調部23は、QAM(Quadrature
Amplitude Modulation )やQPSK(Quadrature Phase Shift Keying )変調等を実行する。
次に、送信装置20は、コード拡散部24において2次元拡散を行なう。具体的には、コード拡散部24は、データ変調処理が行なわれた情報シンボルを直並列変換し、情報シンボルを複数の情報シンボルに分割する。そして、コード拡散部24は、直並列変換され、分割された複数の情報シンボルを、その情報シンボルを伝送するデータチャネルに対応する拡散コードの拡散コード周期と等しい個数だけ複製する。コード拡散部24は、各データチャネルに割り当てられた各データチャネルに対応する拡散コードを生成する。そして、送信装置20は、複製された情報シンボルに、その情報シンボルを送信するデータチャネルに対応する拡散コードを乗算して情報信号とする。そして、情報信号を複数のサブキャリア上への割り当て処理を行なう。更に、送信装置20は、情報信号にパイロット信号を挿入し、各データチャネルの情報信号とパイロット信号を合成し、コード多重を行なう。
そして、送信装置20は、コード多重された情報信号を、その情報信号を送信する周波数の異なる複数のサブキャリアに拡散する。具体的には、送信装置20は、IFFT部2
5において情報信号の周波数時間信号変換を行なう。ここでは、高速フーリエ逆変換(IFFT:Inverse Fast Fourier Transform)処理を行なう。そして、情報信号を周波数の異なる複数のサブキャリアに割り振って、OFDMシンボルを生成する。
さらに、送信装置20は、DA変換部26において、OFDMシンボル毎にガードインターバル挿入処理、シンボル整形処理、デジタル・アナログ変換処理、直交変換処理を実行する。ここで、ガードインターバル挿入処理では、ガードインターバルをOFDMシンボル間に挿入することにより、マルチパス伝搬の影響により遅延して受信装置に到達し、OFDMシンボル間で干渉する影響を低減することができる。例えば、OFDMシンボルの後半部分を複製した信号をOFDMシンボルの先頭に挿入する。又、ガードインターバルの長さは、遅延時間を考慮して定めることができる。
シンボル整形処理では、帯域外にもれる信号を減らすために波形整形を行なう。直交変換処理では、複素数表現のベースバンド信号を中間周波数無線信号に変換する。そして、送信装置20は、マルチキャリアCDMA信号を、アンテナを介して受信装置に送信する。
例えば、情報シンボルを16チップに拡散すると仮定した場合に、時間軸方向及び周波数軸方向に、複数の形態でチップを配置することができる。ここで、拡散率(SF)は、時間軸拡散率(SFtime)と周波数軸拡散率(SFfreq)とを乗算することにより算出される。時間軸方向及び周波数軸方向に対して(16x1)に拡散する場合、図9の拡散パターン101内で順次各チップを配置する。同様に、時間軸方向及び周波数軸方向に対して、それぞれ(8x2)、(4x4)、(2x8)、(1x16)に拡散する場合、図9の拡散パターン102〜105で順次各チップを配置する。このように配置されたチップに対して、時間軸上に配置されたデジタルシンボルがそれぞれ異なるサブキャリアに割り当てられてOFDMシンボルが生成される。このように、時間軸方向及び周波数軸方向に拡散することにより、従来よりも伝送特性を良好にすることができる。
特開平2002−190788号公報(第1頁、図1)
このようなマルチキャリアスペクトル拡散通信システムにおいては、拡散率も通信量や無線資源に応じて可変とするべきである。先の例で、拡散率を16と仮定したが、この値は1、2、4、16・・・といった様に様々な値を取り得る。ここでも、高い自由度が必要とされる。この様な、可変拡散コードを用いた2次元拡散機能を、その高い自由度を保った上で実現することは回路規模の著しい増大を招く。
さらに、チップ数が多くなる場合、多様な配置が考えられ、本質的には、時間軸方向及び周波数軸方向にMxNの資源がある場合に、(MxN)!個の配置方法は存在することになり、その自由度は非常に高い。
本発明は、上述した課題に鑑みてなされ、マルチキャリアスペクトル拡散通信において、効率的に多様なパターンを用いての2次元拡散を実現し、フレキシビリティが高く、伝送特性を向上させることが可能なマルチキャリアスペクトル拡散通信装置及びマルチキャリアスペクトル拡散通信方法を提供することを目的とする。
上記問題点を解決するために、本発明は、複数のサブキャリアによるマルチキャリアスペクトル拡散通信方式に用いる通信装置であって、前記通信装置が、情報シンボルを可変拡散コードにより拡散する拡散手段と、前記拡散手段で拡散された各チップのアドレスに
基づいて、サブキャリアに配置する時間軸アドレスと周波数軸アドレスとに変換するマッピング手段と、前記マッピング手段により時間軸アドレスと周波数軸アドレスとに配置されたデータを格納するバッファ手段と、前記バッファ手段に記録されたデータから、同一時刻にIFFT処理を行なうデータを抽出し、OFDMシンボルを生成する信号生成手段とを備えることを要旨とする。これにより、スペクトル拡散のための拡散処理と、OFDMのための2次元化処理とを別個に行なうことになり、それぞれの処理のフレキシビリティを高くすることができる。
本発明は、複数のサブキャリアによるマルチキャリアスペクトル拡散通信方式に用いる通信装置であって、前記通信装置が、情報シンボルを格納するバッファ手段と、前記情報シンボルのデータを可変拡散コードにより拡散する拡散手段と、IFFT処理を行なってOFDMシンボルを生成する信号生成手段と、これらを制御するマッピング手段とを備え、前記マッピング手段が、OFDMシンボルを生成するために必要な時間軸アドレスと周波数軸アドレスを特定し、前記時間軸アドレスと周波数軸アドレスに対応するチップデータのアドレスを特定し、前記チップデータのアドレスを生成するための情報シンボルを前記バッファ手段から抽出し、拡散処理及びIFFT処理を実行させることを要旨とする。これにより、スペクトル拡散のための拡散処理と、OFDMのための2次元化処理とを別個に行なうことになり、それぞれの処理のフレキシビリティを高くすることができる。さらに、バッファ手段には拡散処理前のデータが蓄積され、必要なデータのみを取り出して拡散処理及びIFFT処理を実行するため、バッファ手段の記憶容量の低減を図ることができる。
本発明は、前記マッピング手段は、各チップのアドレスに対応させて、サブキャリアに配置する時間軸アドレスと周波数軸アドレスを関連付けた検索テーブルを備えることを要旨とする。これにより、効率的に2次元化処理を実行することができる。
本発明は、前記マッピング手段は、チップインターリーブ処理をさらに実行することを要旨とする。これにより、符号化後の隣接ビットの伝送において、できる限り離れたサブキャリアを用いることにより、誤りを低減することができる。
本発明は、通信装置を用いて、複数のサブキャリアによるマルチキャリアスペクトル拡散通信を行なう方法であって、前記通信装置が、情報シンボルを可変拡散コードにより拡散し、拡散された各チップのアドレスに基づいて、サブキャリアに配置する時間軸アドレスと周波数軸アドレスとに変換し、時間軸アドレスと周波数軸アドレスとに配置されたデータを格納し、同一時刻にIFFT処理を行なうデータを抽出し、OFDMシンボルを生成することを要旨とする。これにより、スペクトル拡散のための拡散処理と、OFDMのための2次元化処理とを別個に行なうことになり、それぞれの処理のフレキシビリティを高くすることができる。
本発明は、情報シンボルを格納するバッファ手段と、前記情報シンボルのデータを可変拡散コードにより拡散する拡散手段と、IFFT処理を行なってOFDMシンボルを生成する信号生成手段と、これらを制御するマッピング手段とを備えた通信装置を用いて、複数のサブキャリアによるマルチキャリアスペクトル拡散通信を行なう方法であって、前記マッピング手段が、OFDMシンボルを生成するために必要な時間軸アドレスと周波数軸アドレスを特定し、前記時間軸アドレスと周波数軸アドレスに対応するチップデータのアドレスを特定し、前記チップデータのアドレスを生成するための情報シンボルを前記バッファ手段から抽出し、拡散処理及びIFFT処理を実行させることを要旨とする。これにより、スペクトル拡散のための拡散処理と、OFDMのための2次元化処理とを別個に行なうことになり、それぞれの処理のフレキシビリティを高くすることができる。さらに、バッファ手段には拡散処理前のデータが蓄積され、必要なデータのみを取り出して拡散処
理及びIFFT処理を実行するため、バッファ手段の記憶容量の低減を図ることができる。
本発明によれば、マルチキャリアスペクトル拡散通信において、効率的に多様なパターンを用いての2次元拡散を実現し、フレキシビリティが高く、伝送特性を向上させることが可能なマルチキャリアスペクトル拡散通信装置及びマルチキャリアスペクトル拡散通信方法を提供することができる。
以下、本発明のマルチキャリアスペクトル拡散通信システム及びマルチキャリアスペクトル拡散通信用受信装置を具体化したマルチキャリアCDMA伝送(MC−CDMA)の一実施形態を図1〜図6に従って説明する。本実施形態では、マルチキャリアスペクトル拡散通信としてOFDM伝送を用いて説明する。
図1に示すように、本実施形態におけるマルチキャリアスペクトル拡散通信システムでは、マルチキャリアスペクトル拡散通信装置としての送信装置20及び受信装置(図示せず)を用いる。
まず、送信装置20は、入力された送信データに対して情報シンボル生成部21を用いて情報シンボルを生成する。そして、送信装置20は、誤り訂正符号化部22において、データの誤りを訂正するための誤り訂正符号を付加する誤り訂正符号化処理を実行する。次に、生成した情報シンボルに対してデータ変調部23においてデータ変調処理を行なう。このデータ変調部23は、QPSK変調やQAM変調等を行なう。
次に、送信装置20は、拡散手段としてのコード拡散部24において情報シンボルの拡散処理を行なう。ここでは、情報シンボルの1次元拡散のみを実行する。コード拡散部24は、各データチャネルに割り当てられた各データチャネルに対応する拡散コードを生成する。さらに、伝送路状態に応じて、周波数軸上および時間軸上の配置を変更する可変コードを用いる。これにより、周波数選択性フェージング伝送路の影響を受ける伝送路や時間変動の大きい伝送路等に容易に適応することができる。そして、送信装置20は、この拡散コードを情報シンボルに乗算して拡散を行なう。
次に、送信装置20は、マッピング手段としてのマッパ30を用いて拡散された情報シンボルの2次元化処理を行なう。このマッパ30はカウンタを備え、入力されたシンボル順序とチップ順序とをカウントする。このカウンタ値は、後述するバッファ部32に書き込むときのアドレスに変換される。この変換には、特定のマッピングルールが用いられる。
本実施形態では、マッパ30は、検索テーブル記憶部31を備え、この検索テーブル記憶部31に格納された検索テーブル310を用いる。この検索テーブル310を、図2を用いて説明する。検索テーブル310では、チップデータのアドレス(addr(before map):チップアドレス)に対応して、周波数軸方向のアドレス(maped freq addr :周波数軸アドレス)と時間軸方向のアドレス(maped time addr :時間軸アドレス)とが関連付けられて記録されている。そして、マッパ30は、この検索テーブル310を用いて、1次元の情報シンボルの各チップデータを、それぞれ対応する周波数軸アドレスと時間軸アドレスとから構成され、シンボル順序を考慮して2次元マップに配置する。
次に、マッピングされたデータは、バッファ手段としてのバッファ部32に格納される。IFFT処理を行なう場合、各チップをOFDMシンボルに変換するため、時刻tにお
いて、2次元マップ(MxN)のN個の全チップデータが必要である。一方、コード拡散部24とマッパ30は入力された情報シンボルの順番にチップデータを生成する。そこで、IFFT処理を実施するために生成された(MxN)のチップデータを蓄積するため、送信装置20にバッファ部32を設ける。このバッファ部32は、通常のRAM(random-access memory)により実現され、周波数軸アドレス及び時間軸アドレス毎に拡散されたチップデータを記憶する。
そして、バッファ部32に記録されたチップデータを用いて、送信装置20のIFFT部25において周波数時間信号変換を行なう。ここでは、逆高速フーリエ変換を用いる。そして、情報信号を周波数の異なる複数のサブキャリアに割り振って、OFDMシンボルを生成する。
さらに、送信装置20は、信号生成手段としてのDA変換部26において、OFDMシンボル毎にガードインターバル挿入処理、シンボル整形処理、デジタル・アナログ変換処理、直交変換処理を実行する。そして、送信装置20は、マルチキャリアCDMA信号を、アンテナを介して受信装置に送信する。
マルチキャリアCDMA信号を受信した受信装置は、通常のマルチキャリアスペクトル拡散通信と同様に信号処理を実行する。すなわち、受信装置は、OFDMシンボルタイミングの同期を確立し、各OFDMシンボルに挿入されているガードインターバルを除去する。そして受信装置は、マルチキャリアCDMA信号に対して高速フーリエ変換を行ない、周波数の異なる複数のサブキャリアに拡散されたCDMA信号を、サブキャリア毎に分離する。さらに、受信装置は、CDMA信号に各データチャネルに対応する拡散コードを乗算することにより逆拡散を行なう。次に、受信装置は、拡散コード周期に渡って合成され、復元された情報シンボルの並直列変換処理を実行し、データ復調処理を行なう。更に、受信装置は、誤り訂正復号処理を行い、情報シンボルを取得する。これにより、OFDM通信方式とCDMA通信方式とを組み合わせたマルチキャリアスペクトル拡散通信を実現する。
上記実施形態のマルチキャリアスペクトル拡散通信によれば、以下のような効果を得ることができる。
・ 上記実施形態では、送信装置20は、コード拡散部24において拡散処理を行なう。ここでは、情報シンボルの1次元拡散のみを実行する。そして、送信装置20は、マッパ30を用いて拡散された情報シンボルの2次元化処理を行なう。このように、拡散処理と2次元化処理とを分離して実行することにより、拡散器、マッパを簡単な回路構成で実現することができるとともに、各処理の自由度を高めることができる。例えば、拡散処理において用いられる拡散コードの生成には、Barker、M-Sequence、Gold、Hadamard-Walsh等の各種シーケンスがあり、その選択の自由度を高くすることができ、拡散率の変更が容易になる。
さらに、チップデータを順番に配列する場合と異なり、各チップデータを自由に配置することが可能になり、必要に応じて各チップデータの距離を稼ぐことも可能になる。例えば、同一シンボルに属するチップ間の最小ユークリッド距離を常に一定以上に保つパターン等を用いることも可能である。これにより、より高いスループットの高品質な通信を提供することができる。
・ 上記実施形態では、マッパ30は、検索テーブル記憶部31を備え、この検索テーブル記憶部31には検索テーブル310が格納される。この検索テーブル310には、情報シンボルに対して割り当てられたチップのアドレスに対応して、周波数軸アドレスと時間軸アドレスとが関連付けられて記録されている。これにより、マッパ30は、チップデ
ータを効率的に2次元化することができる。
・ 上記実施形態では、送信装置20は、マッパ30とIFFT部25との間にバッファ部32を設ける。IFFT処理を行なう場合、各チップをOFDMシンボルに変換するため、任意の一時刻において全チップデータ(2次元マップ(MxN)においてはN個のチップデータ)が必要であるが、バッファ部32に記録されたチップデータを用いて、IFFT部25において情報信号の周波数時間信号変換を行なうことができる。
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 上記実施形態では、マッパ30は、検索テーブル記憶部31に格納された検索テーブル310を用いて2次元化処理を行った。これに代えて、2次元マップへの配置を回路構成によって実現することも可能である。これを、図3を用いて説明する。例えば、バッファ部32に2次元バッファのサイズ(time,freq)=(64,256)を設けておく。(SFtime,SFfreq)=(8,2)の場合、拡散率(SF)=16は4ビットで表現され、SFtime,SFfreqは、それぞれ3ビット、1ビットで表現することができる。送信するシンボルの数を1024個とした場合、このシンボルは10ビットで表現することができる。従って、14(=10+4)ビットのカウンタを用いて、最下位ビット(Least Significant Bit :LSB)から4ビットを拡散器に割り当て、最上位ビット(Most Significant Bit:MSB)から10ビットをシンボルバッファの読み出しに割り当てる。
そして、この拡散器に与えた4ビットを、周波数拡散率SFfreqと時間拡散率SFtimeとに対応させて、さらにMSB1ビットとLSB3ビットに分ける。また、シンボルバッファの読み出しアドレスとした10ビットをMSB7ビットとLSB3ビットに分ける。これにより、14ビットのカウンタは、MSBから7ビット,3ビット,1ビット,3ビットで区切られることになる。この内のMSB7ビットとSFfreqに対応する1ビットをまとめて8ビットとし、これを2次元チップバッファの周波数方向のアドレスとして用いる。また同様に、残った3ビットと3ビットを併せた6ビットを時間方向のアドレスとして用いる。これにより、各シンボルの各拡散されたチップを、2次元に配置することができる。すなわち、1024シンボルを16倍に拡散し、それを2x8に配置した上で、256x64の大きさのバッファに並べることができる。
○ 上記実施形態では、マッパ30は、検索テーブル記憶部31を備え、この検索テーブル記憶部31に格納された検索テーブル310を用いて2次元化処理を行った。2次元マップの配置方法は、順次配列されるものに限られるものではない。例えば、検索テーブル310として、隣り合わせのチップが分散して配置されるようなテーブルを設定してもよい。これにより、チップインターリーブを実現することができる。また、この場合にも、2次元マップへの配置を回路構成によって実現することも可能である。これを、図5で示す。ここでは、拡散コードのシャッフルを行なう。エラーが一箇所に集中していたり、エラー発生箇所に周期性があったりした場合、エラー訂正能力が落ちることがある。また、無線通信路では、例えば特定の周波数(=サブキャリア)のみが、狭帯域雑音との干渉を受ける、特定の時刻でのOFDMシンボルのみが、例えばシャドウイング等で劣化する場合がある。チップインターリーブは、無線通信路上で発生した雑音/干渉をシャッフルすることで、エラーが一箇所に集中することを避け、後に受信機のエラー訂正復号器(ターボデコーダ、ビタビデコーダ等)での訂正能力の劣化を防ぐことができる。更に、図6に示すように、カウンタの全ビットでシャッフルを行ない、その後、2次元チップバッファの周波数方向アドレス、時間方向アドレスを生成してもよい。
○ 上記実施形態では、送信装置20のバッファ部32には、マッピングされたデータが格納される。これに代えて、図7に示すように拡散処理を行なう前にバッファ部40を設けてもよい。上述したように、IFFT処理を行なう場合、各チップをOFDMシンボ
ルに変換するため、時刻tにおいて、2次元マップ(MxN)のN個の全チップデータが必要である。そこで、マッパ30は、時刻tにおいてIFFT処理を行なうために必要なN個のチップデータの配置位置を、検索テーブル記憶部31を格納された検索テーブル310を用いて逆引きする。すなわち、マッパ30は、2次元マップにおいてIFFT処理に必要なチップデータと、そのチップデータの生成に必要な情報シンボルのデータをバッファ部40において特定する。
そして、マッパ30は、IFFT処理に必要な情報シンボルのデータを抽出し、コード拡散部24にて拡散処理を実行させる。そして、IFFT部25において必要なデータのみの周波数時間信号変換を行なう。これにより、OFDMフレームのために必要な情報シンボルのみを蓄積すればよく、全チップデータを蓄積するより少ないバッファ部の記憶容量を低減することができる。
本発明のマルチキャリアスペクトル拡散通信の送信装置のブロック図。 検索テーブル記憶部に格納された検索テーブルの説明図。 2次元拡散のためのマッピングの説明図。 チップインターリーブの説明図。 他の2次元拡散のためのマッピングの説明図。 他の2次元拡散のためのマッピングの説明図。 他のマルチキャリアスペクトル拡散通信の送信装置のブロック図。 従来のマルチキャリアスペクトル拡散通信の送信装置のブロック図。 周波数軸、時間軸での2次元拡散の概念図。
符号の説明
20…送信装置、24…拡散手段としてのコード拡散部、30…マッピング手段としてのマッパ、31…検索テーブル記憶部、310…検索テーブル、32…バッファ手段としてのバッファ部、25…IFFT部、40…バッファ手段としてのバッファ部。

Claims (4)

  1. 複数のサブキャリアによるマルチキャリアスペクトル拡散通信方式に用いる通信装置であって、
    前記通信装置が、
    情報シンボルを格納するバッファ手段と、
    前記情報シンボルのデータを可変拡散コードにより拡散する拡散手段と、
    IFFT処理を行なってOFDMシンボルを生成する信号生成手段と、
    これらを制御するマッピング手段とを備え、
    前記マッピング手段が、OFDMシンボルを生成するために必要な時間軸アドレスと周波数軸アドレスを特定し、
    前記時間軸アドレスと周波数軸アドレスに対応するチップデータのアドレスを特定し、
    前記チップデータのアドレスを生成するための情報シンボルを前記バッファ手段から抽出し、拡散処理及びIFFT処理を実行させることを特徴とするマルチキャリアスペクトル拡散通信装置。
  2. 前記マッピング手段は、各チップのアドレスに対応させて、サブキャリアに配置する時間軸アドレスと周波数軸アドレスを関連付けた検索テーブルを備えることを特徴とする請求項1に記載のマルチキャリアスペクトル拡散通信装置。
  3. 前記マッピング手段は、チップインターリーブ処理をさらに実行することを特徴とする請求項1または2に記載のマルチキャリアスペクトル拡散通信装置。
  4. 情報シンボルを格納するバッファ手段と、前記情報シンボルのデータを可変拡散コードにより拡散する拡散手段と、IFFT処理を行なってOFDMシンボルを生成する信号生成手段と、これらを制御するマッピング手段とを備えた通信装置を用いて、複数のサブキャリアによるマルチキャリアスペクトル拡散通信を行なう方法であって、
    前記マッピング手段が、
    OFDMシンボルを生成するために必要な時間軸アドレスと周波数軸アドレスを特定し、
    前記時間軸アドレスと周波数軸アドレスに対応するチップデータのアドレスを特定し、
    前記チップデータのアドレスを生成するための情報シンボルを前記バッファ手段から抽出し、拡散処理及びIFFT処理を実行させることを特徴とするマルチキャリアスペクトル拡散通信方法。
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