JP5714994B2 - 無線通信システム、通信装置、及び無線通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、同一の周波数帯域を用い、互いに異なる複数の送信アンテナ素子を用いて互いに独立な信号系列を伝送することにより、複数の通信相手との間の情報伝達を実現する高速な無線通信システムである上りリンク空間分割多元接続（Space Division Multiple Access；ＳＤＭＡ）伝送を行う無線通信システム、通信装置、及び無線通信方法に関する。

近年、２．４ＧＨｚ帯又は５ＧＨｚ帯を用いた高速無線アクセスシステムとして、ＩＥＥＥ８０２．１１ｇ規格、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ規格、ＩＥＥＥ８０２．１１ｎ規格などの普及が目覚ましい。これらの無線通信システムでは、マルチパスフェージング環境での特性を安定化させるための技術である直交周波数分割多重（Orthogonal Frequency Division Multiplexing；ＯＦＤＭ）方式を用い、最大で３００Ｍｂｐｓの伝送速度を実現している（非特許文献１）。

今後、更なる高速な無線通信システムを用いたサービスが増加すると考えられる。それに伴い、無線通信システムにおける端末局数が増大すると考えられる。しかしながら、通信に利用できる周波数帯域は有限であるために、端末局数が増加すると、周波数チャネルが逼迫してしまうために、利用できないユーザが増加してしまう問題が生じてしまう。

そこで、最近、伝送速度の高速化、大容量化の技術として、最も注目されているのが空間分割多元接続（Space Division Multiple Access；ＳＤＭＡ）伝送、若しくはマルチユーザＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output；多入力多出力）送信技術である（非特許文献２）。図９は、上りリンクＳＤＭＡ伝送技術が適用される無線通信システム９の構成を示す概略図である。無線通信システム９は、Ｕ（Ｕは、Ｕ≧２の自然数）個の端末局（Station；ＳＴＡ））９２−１〜９２−Ｕと、基地局９１（アクセスポイント（Access Point；ＡＰ））とを備えている。

端末局９２−１〜９２−Ｕは、それぞれが有しているＭ（ｕ）（ｕ＝１、…、Ｕ）本の送信アンテナ素子から同一周波数、かつ同一タイミングで異なる独立な信号を基地局９１に送信する。基地局９１は、自局が有しているＮ（Ｎは、Ｎ≧２の自然数）本の受信アンテナ素子を介して、端末局９２−１〜９２−Ｕが送信した信号を受信する。このとき、基地局９１は、同一時刻、かつ同一周波数で空間的に多重された信号に対し、Ｎ本のアンテナ素子からなるアンテナアレーを用いた信号分離を行い、端末局９２−１〜９２−Ｕが送信したデータを取得する。

このように、上りリンクＳＤＭＡ伝送技術は、同一時刻、かつ同一周波数で空間的に信号を多重して伝送し、アンテナアレーを用いて多重された信号を分離することにより、上り伝送スループットの向上を実現する技術である。

ところで、無線伝送の場合、パケット伝送が主流であることから、パケット（フレーム）の先頭位置を検出するために、タイミング検出が必要である。特に、ＯＦＤＭ伝送の場合、タイミング検出が不完全で、高速フーリエ変換（Fast Fourier Transform；ＦＦＴ）ウィンドウの位置がずれてしまうと、ブロック間干渉（Inter-Block Interference；ＩＢＩ）が生じ、伝送特性が大幅に劣化してしまう。

シングルユーザ伝送の場合には、トレーニング信号を用いてタイミング検出を行っていた。代表的なものとしては、非特許文献３に示されるように、送受信機で既知の信号系列（トレーニング信号系列）を送信し、受信側で受信されたトレーニング信号系列と、受信側が予め記憶しているトレーニング信号系列の相互相関を取ってピークを検出することでタイミング検出を行ってきた。

IEEE, "Part 11: Wireless LAN Medium Access Control （MAC) and Physical Layer （PHY) specifications: Enhancements for Higher Throughput," IEEE 802.11n-2009, Oct. 2009. B. Suard, X. Guanghan, L. Hui, and T. Kailath, "Uplink channel capacity of space-division-multiple-access schemes," IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 44, pp. 1468-1476, July 1998. 鬼沢、溝口、熊谷、高梨、守倉、"高速無線LAN用OFDM変調方式の同期系に関する検討" 信学技報、ＤＳＰ９７−１６５、ＳＡＴ９７−１２２、ＲＣＳ９７−２１０（１９９８−０１）、ｐ１３７−１４２

しかしながら、上りリンクＳＤＭＡ伝送の場合、複数の端末局装置から送信された信号が空間的に多重されて受信されてしまうため、伝搬路の状態によっては複数の端末局装置から送信されるトレーニング信号系列同士が互いに打ち消しあい、受信側である基地局装置における受信信号強度が低下してしまい、フレームのタイミング検出が困難となってしまう問題がある。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、上りリンクＳＤＭＡ伝送においてフレームのタイミング検出ができる無線通信システム、通信装置、及び無線通信方法を提供することにある。

上記問題を解決するために、本発明は、複数の第１の通信装置と通信し複数のアンテナ素子を備えている第２の通信装置と、前記複数の第１の通信装置とを具備する無線通信システムであって、前記第１の通信装置は、前記第１の通信装置のすべてにおいて共通のトレーニング信号系列を生成するトレーニング信号系列生成部と、前記トレーニング信号系列に対して前記第１の通信装置ごとに異なる遅延量の循環シフト遅延を付加する循環シフト遅延付加部と、前記循環シフト遅延が付加されたトレーニング信号系列を送信する無線部と、を備え、前記第２の通信装置は、前記第１の通信装置それぞれから受信する信号の受信信号電力を算出する受信電力算出部と、前記受信電力算出部が算出した受信信号電力の大きい順に前記第１の通信装置それぞれに対する順位付けを行い、順位付けの結果を示す制御信号を前記第１の通信装置それぞれに送信する制御信号生成部と、を備え、前記循環シフト遅延付加部は、前記制御信号が示す前記第１の通信装置の順位が高いほど小さい遅延量を有する前記循環シフト遅延を前記トレーニング信号に対して付加することを特徴とする無線通信システムである。

また、本発明は、上記に記載の発明において、前記受信電力算出部は、前記受信信号電力として、受信信号電力対雑音電力比、あるいは受信信号電力対干渉・雑音電力比を算出することを特徴とする。

また、本発明は、複数の移動局装置と通信し複数のアンテナ素子を備えている通信装置と、前記複数の移動局装置とを具備する無線通信システムにおける通信装置であって、前記移動局装置それぞれから受信する信号の受信信号電力を算出する受信電力算出部と、前記受信電力算出部が算出した受信信号電力の大きい順に前記移動局装置それぞれに対する順位付けを行い、順位付けの結果に基づいて、前記移動局装置から送信されるトレーニング信号に付加される循環シフト遅延の遅延量を制御する制御信号を前記移動局装置に送信する制御信号生成部を備え、前記移動局装置は、前記制御信号が示す前記移動局装置の順位が高いほど小さい遅延量を有する前記循環シフト遅延を前記トレーニング信号に付加することを特徴とする通信装置である。

また、本発明は、複数の通信装置と通信し複数のアンテナ素子を備えている基地局装置と、前記複数の通信装置とを具備する無線通信システムにおける通信装置であって、前記通信装置のすべてにおいて共通のトレーニング信号系列を生成するトレーニング信号系列生成部と、前記基地局装置から受信した制御信号に基づいて定められる遅延量であって通信装置ごとに異なる遅延量の循環シフト遅延を、前記トレーニング信号系列に付加する循環シフト遅延付加部と、前記循環シフト遅延が付加されたトレーニング信号系列を前記基地局装置に送信する無線部とを備え、前記制御信号は、前記通信装置それぞれから送信された信号の前記基地局装置における受信信号電力の大きい順に通信装置それぞれの順位を示し、前記循環シフト遅延付加部は、前記制御信号が示す自装置の前記順位が高いほど小さい遅延量を有する前記循環シフト遅延を前記トレーニング信号に付加することを特徴とする通信装置である。

また、本発明は、複数の第１の通信装置と通信し複数のアンテナ素子を備えている第２の通信装置と、前記複数の第１の通信装置とを具備する無線通信システムにおける無線通信方法であって、前記第２の通信装置が、前記第１の通信装置それぞれから受信した信号の受信信号電力を算出する受信電力算出ステップと、前記第２の通信装置が、前記受信電力算出ステップにおいて算出した受信信号電力の大きい順に前記第１の通信装置それぞれに対する順位付けを行い、順位付けの結果を示す制御信号を前記第１の通信装置それぞれに送信する制御信号生成ステップと、前記第１の通信装置が、前記制御信号が示す自装置の順位が高いほど小さい遅延量を、循環シフト遅延の遅延量とする遅延量制御ステップと前記第１の通信装置が、前記第１の通信装置のすべてにおいて共通のトレーニング信号系列を生成するトレーニング信号系列生成ステップと、前記第１の通信装置が、前記遅延量制御ステップにおいて定めた遅延量を有する循環シフト遅延を前記トレーニング信号系列に対して付加する循環シフト遅延付加ステップと、前記第１の通信装置が、前記循環シフト遅延が付加されたトレーニング信号系列を送信する送信ステップと、を有することを特徴とする無線通信方法である。

この発明によれば、第１の通信装置から第２の通信装置に送信するトレーニング信号系列に、第１の通信装置ごとに異なる遅延量の循環シフト遅延を付加する。これにより、第２の通信装置において、第１の通信装置それぞれから受信するトレーニング信号系列が空間上で多重化された際に互いに打ち消しあうことを抑制することができ、フレームやパケットの先頭のタイミング検出を行うことができる。
また、第２の通信装置におけるトレーニング信号系列の受信信号電力が大きいほど小さい遅延量の循環シフト遅延を付加する。これにより、フレームやパケットの先頭を示す遅延プロファイルを検出しやすくなり、フレームやパケットの先頭を示すタイミングを検出する精度を向上させることができる。

本実施形態における無線通信システム１の構成を示す概略図である。 同実施形態による無線通信システム１の端末局装置１００から送信される信号系列の一例を示す図である。 同実施形態における端末局装置１００−ｕ（１≦ｕ≦Ｕ）の構成を示すブロック図の一例である。 同実施形態の無線通信システム１における遅延プロファイルの変化の一例を示す模式図である。 同実施形態における基地局装置２００の構成を示すブロック図である。 端末局装置の数が３（＝Ｕ）の場合における相互相関の算出結果の一例を示す図である。 同実施形態における無線通信システム１の動作を示すシーケンス図である。 同実施形態においてタイミング検出部２０６が算出する相互相関値の一例を示す図である。 上りリンクＳＤＭＡ伝送技術が適用される無線通信システム９の構成を示す概略図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態における無線通信システム、通信装置、及び無線通信方法を説明する。

以下の実施形態において、無線通信システムは、変調方式としてＯＦＤＭを用い、空間多重したデータをＳＤＭＡ伝送により通信する送信側のＵ（Ｕは、Ｕ≧２の自然数）個の装置を端末局装置（第１の通信装置）とし、空間多重されたデータを受信する受信側の装置を基地局装置（第２の通信装置）とした場合を例にして説明する。
なお、複数の基地局装置から単数、若しくは複数の端末局装置へ空間多重伝送を行う構成においても本発明は実施可能である。また、変調方式は、ＯＦＤＭ伝送の代わりに、シングルキャリア（Single Carrier；ＳＣ）伝送などを用いてもよい。

図１は、本実施形態における無線通信システム１の構成を示す概略図である。同図に示すように、無線通信システム１は、Ｕ個の端末局装置１００−１〜１００−Ｕと、基地局装置２００とを具備している。以下、すべての端末局装置１００−１〜１００−Ｕを代表して示す場合、あるいは、いずれか１つを示す場合、端末局装置１００という。

図２は、本実施形態による無線通信システム１の端末局装置１００から送信される信号系列の一例を示す図である。同図に示すように、送信信号系列は、トレーニング信号系列と、データ信号系列とを含んで構成されており、これらの信号系列が時間多重されて送信される。トレーニング信号系列は、全端末局装置１００、全アンテナにおいて同じ系列を用いる。また、データ信号系列は、全端末局装置１００、全アンテナごとに異なる系列であってもよいし、重複する系列を有していてもよい。

１つのトレーニング信号系列は、（Ｋ＋Ｎ_ｇ）ΔＴサンプルの系列長である。ここで、Ｋ（≧１の自然数）はＦＦＴポイント数であり、Ｎ_ｇ（≧１の自然数）はガードインターバル数であり、ΔＴはサンプリング周期である。なお、図示しているトレーニング信号系列は、データ信号系列の先頭に時間多重されているが、データ信号系列の途中や、データ信号系列の末尾に時間多重することもできる。以下、送信信号系列のうち、端末局装置１００から基地局装置２００へ送信するトレーニング信号系列の部分、及び基地局装置２００から端末局装置１００へ送信する制御信号について説明する。

図３は、本実施形態における端末局装置１００−ｕ（１≦ｕ≦Ｕ）の構成を示すブロック図の一例である。なお、端末局装置１００−１〜１００−Ｕは、同様の構成を有している。

第ｕ（１≦ｕ≦Ｕ）番目の端末局装置１００−ｕは、トレーニング信号系列生成部１０１−ｕと、第１ＣＳＤ（Cyclic Shift Delay；循環シフト遅延）付加部１０２−ｕ−２〜１０２−ｕ−Ｍ（ｕ）と、第２ＣＳＤ付加部１０３−ｕ−１〜１０３−ｕ−Ｍ（ｕ）と、ガードインターバル（Guard Interval；ＧＩ）挿入部１０４−ｕ−１〜１０４−ｕ−Ｍ（ｕ）と、デジタル／アナログ（Digital/Analogue；Ｄ／Ａ）変換部１０５−ｕ−１〜１０５−ｕ−Ｍ（ｕ）と、無線部１０６−ｕ−１〜１０６−ｕ−Ｍ（ｕ）と、アンテナ素子１０７−ｕ−１〜１０７−ｕ−Ｍ（ｕ）と、アナログ／デジタル（Analogue/Digital；Ａ／Ｄ）変換部１０８−ｕと、制御信号判定部１０９−ｕと、ＣＳＤ量制御部１１０−ｕとを備えている。各端末局装置１００−ｕは、上述のように、Ｍ（ｕ）個のアンテナ素子１０７−ｕ−１〜１０７−ｕ−Ｍ（ｕ）を備えている。各端末局装置１００のアンテナ素子の数（Ｍ（ｕ））は、端末局装置１００ごとに異なっていてもよいし、同じでもよい。

トレーニング信号系列生成部１０１−ｕは、端末局装置１００のすべてにおいて共通のトレーニング信号系列であって予め定められた既知のトレーニング信号系列を生成する。このトレーニング信号系列は、同期確立やチャネル推定などに用いる。例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１ａｃの場合、同期確立やチャネル推定用のトレーニング信号系列として、Ｌ−ＳＴＦ、Ｌ−ＬＴＦ、ＨＴ−ＳＴＦ、ＨＴ−ＬＴＦなどが用いられている（参考文献１：ＩＥＥＥ Ｓｔａｎｄａｒｄ ８０２．１１ｎ−２００９．）。

第１ＣＳＤ付加部１０２−ｕ−２〜１０２−ｕ−Ｍ（ｕ）は、各アンテナ素子１０７−ｕ−２〜１０７−ｕ−Ｍ（ｕ）から送信される送信信号系列に対して、アンテナ素子ごとに異なる循環シフト遅延（ＣＳＤ）を付加する。すなわち、第１ＣＳＤ付加部１０２−ｕ−２〜１０２−ｕ−Ｍ（ｕ）は、トレーニング信号系列生成部１０１−ｕが生成したトレーニング信号系列に循環シフト遅延を付加する。

第１ＣＳＤ付加部１０２−ｕ−２〜１０２−ｕ−Ｍ（ｕ）を備える理由としては、各アンテナ素子１０７−ｕ−１〜１０７−ｕ−Ｍ（ｕ）から送信された同じトレーニング信号系列が、伝搬路を通った結果として、受信側の基地局装置２００において逆位相で合成されてしまうことで、トレーニング信号系列を検出できなくなることを防ぐためである。ただし、第１ＣＳＤ付加部１０２−ｕ−２〜１０２−ｕ−Ｍ（ｕ）を必ずしも備えなくてもよいし、Ｍ（ｕ）＝１の場合は、第１ＣＳＤ付加部１０２−ｕ−２〜１０２−ｕ−Ｍ（ｕ）は不要となる。また、循環シフト遅延とは、送信信号系列に対して、１ＯＦＤＭシンボル（もしくは１ブロック）の末尾Ｄｕ個のサンプルをコピーして当該シンボル（もしくはブロック）の先頭につなぎ合わせる処理のことである（参考文献１）。

第２ＣＳＤ付加部１０３−ｕ−１は、トレーニング信号系列生成部１０１−ｕが生成したトレーニング信号系列に循環シフト遅延を付加する。第２ＣＳＤ付加部１０３−ｕ−２〜１０３−ｕ−Ｍ（ｕ）は、第１ＣＳＤ付加部１０２−ｕ−２〜１０２−ｕ−Ｍ（ｕ）において循環シフト遅延が付加されたトレーニング信号系列に対して、更に、循環シフト遅延を付加する。ここで、第２ＣＳＤ付加部１０３−ｕ−１〜１０３−ｕ−Ｍ（ｕ）が付加する循環シフト遅延は、ＣＳＤ量制御部１１０−ｕから入力される情報に基づいて決定され、各端末局装置１００において同じ値であり、かつ端末局装置１００ごとに異なる値である。

ＧＩ挿入部１０４−ｕ−１〜１０４−ｕ−Ｍ（ｕ）は、遅延波による符号間干渉（もしくはブロック間干渉）を受けないようにするために、ＧＩを送信信号系列に挿入する。ＧＩの挿入方法としては、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform；高速フーリエ変換）ブロック（もしくはＯＦＤＭシンボル）ごとに、末尾Ｎ_ｇ（≧０の整数）個のサンプルをコピーしてＦＦＴブロック（もしくはＯＦＤＭシンボル）の先頭につなぎ合わせて挿入する。
Ｄ／Ａ変換部１０５−ｕ−１〜１０５−ｕ−Ｍ（ｕ）は、ＧＩ挿入部１０４−ｕ−１〜１０４−ｕ−Ｍ（ｕ）においてＧＩ挿入された送信信号系列をアナログ信号に変換し、変換後のアナログ信号をベースバンド送信信号として出力する。

無線部１０６−ｕ−１〜１０６−ｕ−Ｍ（ｕ）は、共通の局部発振器を用いて、ベースバンド送信信号を中心周波数ｆ_ｕのＲＦ（Radio Frequency；無線周波数）信号に変換し、アンテナ素子１０７−ｕ−１〜１０７−ｕ−Ｍ（ｕ）を介してＲＦ信号を送信する。
また、無線部１０６−ｕ−１は、基地局装置２００から送信されたＲＦ信号をアンテナ素子１０７−ｕ−１を介して受信し、共通の局部発振器を用いて中心周波数ｆ_ｕのＲＦ信号をベースバンド信号に変換し、出力する。

Ａ／Ｄ変換部１０８−ｕは、無線部１０６−ｕ−１から出力されたベースバンド信号をデジタル信号に変換して、制御信号として制御信号判定部１０９−ｕに出力する。
制御信号判定部１０９−ｕは、Ａ／Ｄ変換部１０８−ｕから出力された制御信号に基づいて、自装置の順位を判定し、判定結果をＣＳＤ量制御部１１０−ｕに出力する。なお、制御信号は、基地局装置２００が、各端末局装置１００から受信した信号の受信信号電力を測定し、受信信号電力の高いものから順次、順序付けを行い生成した順序付け情報を含む。順序付け情報とは、各端末局装置１００へ通知する第ｕ番目の端末局装置１００−ｕの順位（つまり第ｕ番目の端末局装置１００−ｕから送信した信号が、基地局装置２００において何番目に大きい受信信号電力であるか）、を示す情報である。

ＣＳＤ量制御部１１０−ｕは、制御信号判定部１０９−ｕから出力された判定結果に基づいて、第２ＣＳＤ付加部１０３−ｕ−１〜１０３−ｕ−Ｍ（ｕ）が付加する循環シフト遅延の遅延量を決定する。遅延量の決定方法としては、例えば、順位と遅延量とを対応付けたテーブルをＣＳＤ量制御部１１０−ｕに予め備えておき、ＣＳＤ量制御部１１０−ｕは、制御信号判定部１０９−ｕから判定結果が入力されると、当該判定結果が示す順位に対応する遅延量を読み出す。ＣＳＤ量制御部１１０−ｕは、読み出した遅延量を第２ＣＳＤ付加部１０３−ｕ−１〜１０３−ｕ−Ｍ（ｕ）に出力して、循環シフト遅延の遅延量を決定する。
すなわち、制御信号判定部１０９−ｕ及びＣＳＤ量制御部１１０−ｕは、基地局装置２００から送信された制御信号に含まれる順序付け情報に基づいて、第２ＣＳＤ付加部１０３−ｕ−１〜１０３−ｕ−Ｍ（ｕ）が送信信号系列に付加する循環シフト遅延の遅延量を決定する。

なお、制御信号はアンテナ素子１０７−ｕ−１でのみ受信する構成について説明したが、これに限ることはなく、他のアンテナ素子１０７−ｕ−２〜１０７−ｕ−Ｍ（ｕ）のいずれかで受信するようにしてもよいし、アンテナ素子１０７−ｕ−１〜１０７−ｕ−Ｍ（ｕ）のうち複数のアンテナ素子で受信するようにしてもよい。複数のアンテナ素子で制御信号を受信する場合、Ａ／Ｄ変換部１０８−ｕは制御信号の受信に使用するアンテナ素子数分だけ必要となる。

図４は、本実施形態の無線通信システム１における遅延プロファイルの変化の一例を示す模式図である。同図には、端末局装置１００−ｕにおける第２の循環シフト遅延付加により、基地局装置２００のある１つのアンテナ素子において観測される遅延プロファイルの変化が示されている。ここで、遅延プロファイルとは、循環シフト遅延を含み、伝搬路における遅延状態を示す情報である。ここでは、端末局装置１００−ｕのアンテナ数を１（＝（Ｍ（ｕ））とし、端末局装置１００−ｕのアンテナ素子と、基地局装置２００のある１つのアンテナ素子との間の伝搬路をｈ_ｕとし、その伝搬路のパス数を２とし、循環シフト遅延の付加する量をＤ_ｕΔＴ（ΔＴはサンプリング周期）とした場合について説明する。

端末局装置１００−ｕにおいて、第２ＣＳＤ付加部１０３−ｕ−１が、１ＯＦＤＭシンボルの末尾からＤ_ｕ個のサンプルを切り取って、ＯＦＤＭシンボルの先頭につなぎ合わせる処理、つまり循環シフト遅延を付加する。これにより、基地局装置２００において、観測される伝搬路の遅延プロファイルを、循環シフト遅延を付加しないときの遅延プロファイルよりもＤ_ｕΔＴだけ遅らすことができる。

ここで、本実施形態では、受信信号電力が高い順に小さい遅延量（サンプル数）の循環シフト遅延を付加する。受信信号電力が大きい端末局装置１００順に１番目からＵ番目まで順序付けを行ったとき、ｑ（１≦ｑ≦Ｕ）番目に受信信号電力が大きい端末局装置１００の循環シフト遅延の遅延量Ｄ_ｑを算出する式の一例を次式（１）に示す。
それぞれの端末局装置１００が自装置の順序付けを把握するための順序付け情報は、基地局装置２００から制御信号として送信される。後述するように、基地局装置２００は、各端末局装置１００から受信した信号の受信信号電力を測定し、受信信号電力の高いものから順次、順序付けを行い、順序付けの結果を示す順序付け情報を含む制御信号を各端末局装置１００に送信する。端末局装置１００は、基地局装置２００から受信する順序付け情報に基づいて、自装置の順序（ｑ番目）に対応する遅延量を有する循環シフト遅延を付加する。

ただし、Ｎ_Ｄは、Ｎ_Ｄ≧１を満たす自然数である。また、Ｎ_Ｄは、端末局装置１００と基地局装置２００との間の遅延プロファイルのうち、最大の遅延量よりも大きな値に設定して、受信側の基地局装置２００において各端末局装置１００間の遅延プロファイルが重ならないようにしてもよい。また、Ｎ_Ｄは、遅延プロファイルよりも小さな値に設定して、受信側の基地局装置２００において各端末局装置１００間の遅延プロファイルが重なるようにしてもよい。

図５は、本実施形態における基地局装置２００の構成を示すブロック図である。同図に示すように、基地局装置２００は、アンテナ素子２０１−１〜２０１−Ｎ（Ｎは２以上の自然数）と、無線部２０２−１〜２０２−Ｎと、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換部２０３−１〜２０３−Ｎと、ＧＩ除去部２０４−１〜２０４−Ｎと、データ信号判定部２０５と、タイミング検出部２０６と、受信電力算出部２０７と、制御信号生成部２０８と、Ｄ／Ａ変換部２０９とを備えている。

無線部２０２−１〜２０２−Ｎは、それぞれに接続されているアンテナ素子２０１−１〜２０１−Ｎを介して、端末局装置１００−１〜１００−Ｕから送信される信号を受信する。また無線部２０２−１〜２０２−Ｎは、それぞれが共通の局部発振器を用いて、受信したＲＦ信号をベースバンド信号に変換し、ベースバンド信号をＡ／Ｄ変換部２０３−１〜２０３−Ｎに出力する。また、無線部２０２−１は、アンテナ素子２０１−１を用いて、Ｄ／Ａ変換部２０９から出力された制御信号をＲＦ信号に変換して各端末局装置１００に送信する。

Ａ／Ｄ変換部２０３−１〜２０３−Ｎは、無線部２０２−１〜２０２−Ｎから入力されたアナログのベースバンド信号をデジタル信号に変換し、変換したデジタル信号を受信信号系列として出力する。
ＧＩ除去部２０４−１〜２０４−Ｎは、タイミング検出部２０６から入力されるタイミング情報を用いて、Ａ／Ｄ変換部２０３−１〜２０３−Ｎが出力する受信信号系列から、端末局装置１００において挿入されたＮ_ｇサンプルのＧＩを除去する。

データ信号判定部２０５は、ＧＩ除去された受信信号系列から、データ信号系列を判定し、２値データ系列を得る。
タイミング検出部２０６は、Ａ／Ｄ変換部２０３−１〜２０３−Ｎが出力する受信信号系列に含まれているトレーニング信号系列と、基地局装置２００において記憶されている予め定められたトレーニング信号系列（送信トレーニング信号系列）との相互相関値を算出する。また、タイミング検出部２０６は、算出した相互相関値のピークに基づいて、フレーム同期及びシンボル同期のタイミングを検出する。タイミング検出部２０６は、検出したタイミングを示すタイミング情報をＧＩ除去部２０４−１〜２０４−Ｎに出力する。
ここで、相互相関の算出例を次式（２）に示す。

タイミング検出部２０６は、例えば、式（２）を用いて、相互相関値を算出する。ただし、ｒ（ｔ，ｎ）は、第ｎ受信アンテナにおける時刻ｔの受信トレーニング信号系列を示す。ｐ（ｔ）は、送信トレーニング信号系列を示す。また、ｐ（ｔ）の上付きの「＊」は複素共役を示す。
図６は、端末局装置１００の数が３（＝Ｕ）の場合における相互相関の算出結果の一例を示す図である。同図において、横軸は時間を示し、縦軸は電力を示す。タイミング検出部２０６は、式（２）を用いることにより、同図に示すような、複数パスから構成される遅延プロファイルを算出する。

ただし、上りリンクの場合、各端末局装置１００の位置が異なることにより、各端末局装置１００から送信された信号が異なるタイミングで、基地局装置２００に受信されてしまうタイミングオフセット問題がある。しかし、タイミング制御機能を用いれば端末局装置１００間のタイミングオフセットを制御することができる。このタイミング制御機能とは、各端末局装置１００の送信時刻を制御することである。ＯＦＤＭ伝送の場合は、ＧＩ長以内にタイミング誤差が収まるようタイミング制御を行えばよい。

図５に戻って、基地局装置２００の構成の説明を続ける。
受信電力算出部２０７は、各アンテナ素子２０１−１〜２０１−Ｎを介して受信した各信号を用いて、各端末局装置１００から受信した信号の受信信号電力を測定する。測定する際に用いる信号は、トレーニング信号系列やデータ信号を用いてもよいし、各端末局装置１００から送信された参照信号を用いて、予め測定しておいてもよい。
ここで、受信信号電力には、一般的な受信信号から受信強度を測定することで得る値を用いるようにしてもよいし、受信信号電力対雑音電力比（Signal-to-noise power ratio；ＳＮＲ）や、受信信号電力対干渉・雑音電力比（Signal-to-interference plus noise power ratio；ＳＩＮＲ）を推定し、推定した値を用いてもよい。

制御信号生成部２０８は、受信電力算出部２０７が算出した端末局装置１００それぞれの受信信号電力を基に、受信信号電力の大きい順に端末局装置１００の順序付けを行う。また、制御信号生成部２０８は、順序付けの結果を示す順序付け情報を含んだ制御信号を生成する。
Ｄ／Ａ変換部２０９は、制御信号生成部２０８が生成した制御信号をアナログ信号に変換して無線部２０２−１に出力する。

なお、制御信号はアンテナ素子２０１−１でのみ送信する構成について説明したが、これに限ることはなく、他のアンテナ素子２０１−２〜２０１−Ｎのいずれかで送信するようにしてもよいし、アンテナ素子２０１−１〜２０１−Ｎのうち複数のアンテナ素子で送信するようにしてもよい。複数のアンテナ素子で制御信号を送信する場合、Ｄ／Ａ変換部２０９は制御信号の送信に使用するアンテナ素子数分だけ必要となる。

続いて、本実施形態における無線通信システム１の動作について説明する。
図７は、本実施形態における無線通信システム１の動作を示すシーケンス図である。
まず、無線通信システム１において、上りリンクＳＤＭＡ伝送を行う各端末局装置１００−１〜１００−ｕは、参照信号を基地局装置２００に送信する（ステップＳ１０１）。参照信号は、各端末局装置１００の間で時間多重して送信してもよいし、各端末局装置１００間で直交するパターンを送信してもよい。

基地局装置２００において、無線部２０２−１〜２０２−Ｎが各端末局装置１００から送信された参照信号を受信し、受信した参照信号を用いて受信電力算出部２０７が受信信号電力を算出する（ステップＳ１０２）。
そして、制御信号生成部２０８は、受信電力算出部２０７が算出した受信信号電力を用いて、端末局装置１００の順序付けを行う（ステップＳ１０３）。制御信号生成部２０８は、順序付けの結果を示す順序付け情報を含んだ信号を制御信号生成し、無線部２０２−１を介して各端末局装置１００に送信する（ステップＳ１０４）。ここで、第ｕ番目の端末局装置１００−ｕ宛に送信する制御信号としては、第ｕ番目の端末局装置１００−ｕが何番目になるかという情報を少なくとも含んでいればよい。

各端末局装置１００において、無線部１０６−ｕ−１は、基地局装置２００から送信された制御信号を受信する。そして、制御信号判定部１０９−ｕは、自端末局装置１００が何番目に大きい受信信号電力であったかを判定し、その結果に対応する遅延量を有する循環シフト遅延を設定する（ステップＳ１０５）。
その後、第２ＣＳＤ付加部１０３−ｕ−１〜１０３−ｕ−Ｍ（ｕ）は、設定された循環シフト遅延をトレーニング信号系列に付加し、無線部１０６−ｕ−１〜１０６−ｕ−Ｍ（ｕ）は、循環シフト遅延が付加されたトレーニング信号系列を含む送信信号系列を基地局装置２００に送信する上りリンクＳＤＭＡ伝送を行う（ステップＳ１０６）。

図８は、本実施形態においてタイミング検出部２０６が算出する相互相関値の一例を示す図である。同図において、横軸は時間を示し、縦軸は電力を示す。タイミング検出部２０６は、各端末局装置１００における循環シフト遅延の遅延量が基地局装置２００における受信信号電力に応じて設定されたのち、同図に示すような相互相関値を算出する。
本実施形態では、基地局装置２００における受信信号電力が大きい信号を送信する端末局装置１００に対して小さい遅延量の循環シフト遅延を設定するようにした。これにより、タイミング検出部２０６が算出する相互相関値は、図８に示すように、受信信号電力のピークが先頭になり、なだらかな傾斜がかかったような出力結果になる。

本実施形態の無線通信システム１では、基地局装置２００から各端末局装置１００に送信される制御信号に基づいて、各端末局装置１００においてトレーニング信号系列に付加される循環シフト遅延の遅延量を端末局装置１００ごとに異なるようにしている。
これにより、各端末局装置１００と基地局装置２００との間の遅延プロファイルに対して遅延時間を付加した場合と等価な効果を得ることができる。その結果、基地局装置２００において、端末局装置１００それぞれから送信されたトレーニング信号系列が互いに打ち消しあうことによる受信信号強度の低下を防ぐことができ、タイミング検出を行うことができる。

ところで、複数の端末局装置１００が基地局装置２００に対して送信を行う上りリンク伝送の場合、各端末局装置１００のロケーションが異なることにより、基地局装置２００における受信信号電力が異なることがある。例えば、図６に示した相互相関値が算出された場合において、時刻ｔ１及びｔ２に現れている相互相関値のピークが著しく小さいとき、時刻ｔ３に現れている相互相関値のピークをフレームの先頭として認識してしまい、フレームのタイミング検出が適切に行われないことがある。
このような場合、受信信号系列からＧＩを正しく除去することできず、また、フレームの先頭を正しく認識できていないため、受信信号系列の復調においてＦＦＴを行う際にＦＦＴウィンドウを適切に設定することができないことがあった。その結果、シンボル間干渉が発生してしまい、伝送特性が劣化してしまうという問題があった。

これに対して、本実施形態の無線通信システム１では、各端末局装置１００から受信した信号のうち、受信信号電力が最大の信号に対する循環シフト遅延の遅延量を最小するようにしている。また、各端末局装置１００においてトレーニング信号系列に付加する循環シフト遅延の遅延量を受信信号電力に応じて設定している。これにより、基地局装置２００では、図８に示したように、受信信号電力の大きい順に遅延プロファイル（相互相関値）が形成される。
このように、フレームの先頭を示す信号の受信信号電力を大きくしたことにより、タイミング検出部２０６においてフレームの先頭を検出する精度を向上させることができる。その結果、ＧＩの除去、ＦＦＴウィンドウの設定などを適切に行うことができ、シンボル間干渉を生じさせることなくデータ検出が可能となり、伝送特性を改善することができる。また、フレームの先頭の検出を受信信号電力に基づいて行うようにしているので、基地局装置２００の実装においてタイミング検出部２０６の回路構成等を簡易にすることができる。

なお、上述の実施形態では、トレーニング信号系列にガードインターバルを挿入していたが、必ずしも挿入する必要はない。また、例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ規格で用いられているような同じトレーニング信号系列を繰り返して用いる場合にも適用可能である。
また、上述の実施形態では、上りリンクＳＤＭＡ伝送に適用した場合について説明したが、これに限ることなく、マルチユーザＭＩＭＯにも適用可能である。

また、上述の実施形態では、端末局装置１００から基地局装置２００への上りリンク伝送における構成について説明したが、複数の基地局装置からある端末局装置への下りリンク伝送にも適用可能である。また、トレーニング信号系列に対して、送信側で送信ウェイトを乗算してから送信してもよい。

また、上述の実施形態では、基地局装置２００から各端末局装置１００に送信する制御信号が、各端末局装置１００の順位を示す順序付け情報を含む構成について説明した。しかし、これに限ることなく、制御信号が、各端末局装置１００において付加する循環シフト遅延の遅延量を示す情報を含むようにしてもよい。

なお、上述した端末局装置１００、及び基地局装置２００は、内部に、コンピュータシステムを有していてもよい。この場合、上述したトレーニング信号系列、制御信号、参照信号の生成、及びタイミング検出の処理過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われることになる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしてもよい。

本発明における無線通信システム、通信装置、及び無線通信方法、例えば、無線ＬＡＮや、携帯電話などの無線通信システムに用いることができる。

１…無線通信システム
１００，１００−１，１００−２，１００−ｕ，１００−Ｕ…端末局装置
１０１−ｕ…トレーニング信号系列生成部
１０２−ｕ−２，１０２−ｕ−Ｍ（ｕ）…第１ＣＳＤ付加部
１０３−ｕ−１，１０３−ｕ−２，１０３−ｕ−Ｍ（ｕ）…第２ＣＳＤ付加部
１０４−ｕ−１，１０４−ｕ−２，１０４−ｕ−Ｍ（ｕ）…ＧＩ挿入部
１０５−ｕ−１，１０５−ｕ−２，１０５−ｕ−Ｍ（ｕ）…Ｄ／Ａ変換部
１０６−ｕ−１，１０６−ｕ−２，１０６−ｕ−Ｍ（ｕ）…無線部
１０７−ｕ−１，１０７−ｕ−２，１０７−ｕ−Ｍ（ｕ）…アンテナ素子
１０８−ｕ…Ａ／Ｄ変換部
１０９−ｕ…制御信号判定部
１１０−ｕ…ＣＳＤ量制御部
２００…基地局装置
２０１−１，２０１−２，２０１−Ｎ…アンテナ素子
２０２−１，２０２−２，２０２−Ｎ…無線部
２０３−１，２０３−２，２０３−Ｎ…Ａ／Ｄ変換部
２０４−１，２０４−２，２０４−Ｎ…ＧＩ除去部
２０５…データ信号判定部
２０６…タイミング検出部
２０７…受信電力算出部
２０８…制御信号生成部
２０９…Ｄ／Ａ変換部

Claims (5)

1. 複数の第１の通信装置と通信し複数のアンテナ素子を備えている第２の通信装置と、前記複数の第１の通信装置とを具備する無線通信システムであって、
   前記第１の通信装置は、
   前記第１の通信装置のすべてにおいて共通のトレーニング信号系列を生成するトレーニング信号系列生成部と、
   前記トレーニング信号系列に対して前記第１の通信装置ごとに異なる遅延量の循環シフト遅延を付加する循環シフト遅延付加部と、
   前記循環シフト遅延が付加されたトレーニング信号系列を送信する無線部と、
   を備え、
   前記第２の通信装置は、
   前記第１の通信装置それぞれから受信する信号の受信信号電力を算出する受信電力算出部と、
   前記受信電力算出部が算出した受信信号電力の大きい順に前記第１の通信装置それぞれに対する順位付けを行い、順位付けの結果を示す制御信号を前記第１の通信装置それぞれに送信する制御信号生成部と、
   を備え、
   前記循環シフト遅延付加部は、前記制御信号が示す前記第１の通信装置の順位が高いほど小さい遅延量を有する前記循環シフト遅延を前記トレーニング信号に対して付加する
   ことを特徴とする無線通信システム。
2. 前記受信電力算出部は、前記受信信号電力として、受信信号電力対雑音電力比、あるいは受信信号電力対干渉・雑音電力比を算出する
   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. 複数の移動局装置と通信し複数のアンテナ素子を備えている通信装置と、前記複数の移動局装置とを具備する無線通信システムにおける通信装置であって、
   前記移動局装置それぞれから受信する信号の受信信号電力を算出する受信電力算出部と、
   前記受信電力算出部が算出した受信信号電力の大きい順に前記移動局装置それぞれに対する順位付けを行い、順位付けの結果に基づいて、前記移動局装置から送信されるトレーニング信号に付加される循環シフト遅延の遅延量を制御する制御信号を前記移動局装置に送信する制御信号生成部を備え、
   前記移動局装置は、前記制御信号が示す前記移動局装置の順位が高いほど小さい遅延量を有する前記循環シフト遅延を前記トレーニング信号に付加する
   ことを特徴とする通信装置。
4. 複数の通信装置と通信し複数のアンテナ素子を備えている基地局装置と、前記複数の通信装置とを具備する無線通信システムにおける通信装置であって、
   前記通信装置のすべてにおいて共通のトレーニング信号系列を生成するトレーニング信号系列生成部と、
   前記基地局装置から受信した制御信号に基づいて定められる遅延量であって通信装置ごとに異なる遅延量の循環シフト遅延を、前記トレーニング信号系列に付加する循環シフト遅延付加部と、
   前記循環シフト遅延が付加されたトレーニング信号系列を前記基地局装置に送信する無線部と
   を備え、
   前記制御信号は、前記通信装置それぞれから送信された信号の前記基地局装置における受信信号電力の大きい順に通信装置それぞれの順位を示し、
   前記循環シフト遅延付加部は、前記制御信号が示す自装置の前記順位が高いほど小さい遅延量を有する前記循環シフト遅延を前記トレーニング信号に付加する
   ことを特徴とする通信装置。
5. 複数の第１の通信装置と通信し複数のアンテナ素子を備えている第２の通信装置と、前記複数の第１の通信装置とを具備する無線通信システムにおける無線通信方法であって、
   前記第２の通信装置が、前記第１の通信装置それぞれから受信した信号の受信信号電力を算出する受信電力算出ステップと、
   前記第２の通信装置が、前記受信電力算出ステップにおいて算出した受信信号電力の大きい順に前記第１の通信装置それぞれに対する順位付けを行い、順位付けの結果を示す制御信号を前記第１の通信装置それぞれに送信する制御信号生成ステップと、
   前記第１の通信装置が、前記制御信号が示す自装置の順位が高いほど小さい遅延量を、循環シフト遅延の遅延量とする遅延量制御ステップと
   前記第１の通信装置が、前記第１の通信装置のすべてにおいて共通のトレーニング信号系列を生成するトレーニング信号系列生成ステップと、
   前記第１の通信装置が、前記遅延量制御ステップにおいて定めた遅延量を有する循環シフト遅延を前記トレーニング信号系列に対して付加する循環シフト遅延付加ステップと、
   前記第１の通信装置が、前記循環シフト遅延が付加されたトレーニング信号系列を送信する送信ステップと、
   を有することを特徴とする無線通信方法。

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