JP6173974B2

JP6173974B2 - Ｏｆｄｍ通信システムおよびサブキャリア割当方法

Info

Publication number: JP6173974B2
Application number: JP2014120807A
Authority: JP
Inventors: 大介五藤; 杉山　隆利; 隆利杉山; 山下　史洋; 史洋山下
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2014-06-11
Filing date: 2014-06-11
Publication date: 2017-08-02
Anticipated expiration: 2034-06-11
Also published as: JP2016001802A

Description

本発明は、複数の送信局と複数の受信局との間で、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）信号の各サブキャリアに各受信局を割り当ててＭＩＭＯ伝送を行うＯＦＤＭ通信システムおよびサブキャリア割当方法に関する。

図４は、従来のＯＦＤＭ通信システムの構成例を示す。
図４において、ＯＦＤＭ通信システムは、制御局５０の制御により、複数の送信局Ａ２１，送信局Ｂ２２が協調して複数の受信局３１〜３７にマルチストリーム伝送（協調ＭＩＭＯ伝送）を行う構成である（非特許文献１〜４）。ここで、ＯＦＤＭ伝送では、サブキャリア１〜７に受信局３１〜３７を割り当てる場合、各サブキャリア１〜７がシンボル同期していることが前提となる。しかし、各送信局・受信局間の伝搬路長は互いに異なるので、すべての受信局の受信タイミングを同期させることはできない。

そこで、送信局Ａ２１，送信局Ｂ２２が送信信号にガードインターバルとしてＣＰ(Cyclic Prefix) を設定し、各受信局における遅延時間差がＣＰ長に納まるようにしてシンボル同期をとっている。しかし、例えば各送信局が同時送信する場合、各送信局からほぼ等距離にある受信局３４，３５のように遅延時間差がＣＰ長を超えなければシンボル同期が可能であるが、受信局３１，３７のように遅延時間差がＣＰ長を超える場合にはシンボル同期がとれない。その場合、ＣＰ長を増大させて対応することになるが、遅延時間差が大きくなるほど所要ＣＰ長が増大し、制御フレームの時間帯域が長くなって周波数利用効率が低下する。

Yamashita, Fumihiro, et al. "Broadband multiple satellite MIMO system." Vehicular Technology Conference, 2005. VTC-2005-Fall. 2005 IEEE 62nd. Vol. 4. IEEE, 2005. Liolis, Konstantinos P., Athanasios D. Panagopoulos, and Panayotis G. Cottis. "Multi-satellite MIMO communications at ku-band and above: investigations on spatial multiplexing for capacity improvement and selection diversity for interference mitigation." EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking 2007.2 (2007): 16-16. Zhang, Hongyuan, and Huaiyu Dai. "Cochannel interference mitigation and cooperative processing in downlink multicell multiuser MIMO networks." EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking 2004.2 (2004): 222-235. Irmer, Ralf, et al. "Coordinated multipoint: Concepts, performance, and field trial results." Communications Magazine, IEEE 49.2 (2011): 102-111. Ishihara, Koichi, et al. "Overlap Frequency-Domain Multiuser Detection for Asynchronous Uplink Multiuser MIMO-OFDM Systems." IEICE transactions on communications 92.5 (2009): 1582-1588.

非特許文献１，２の複数衛星ＭＩＭＯ技術は、見通し環境でのＭＩＭＯ伝送であり、アンテナ間の相関が高くなりやすい衛星通信において、複数の衛星中継器で連携して異なる信号を同一周波数伝送することで、低相関化したＭＩＭＯ伝送を可能にするものである。しかし、本文献ではシンボル非同期での復調の考察はされていない。

非特許文献３，４の基地局間協調技術は、セルラ方式におけるセル端のスループットを向上するために、複数の基地局で協調して信号伝送を行うものである。これは各送信局からの伝送距離が異なると受信タイミング誤差が生じ、シンボル間干渉に起因する。本文献では、ＯＦＤＭでマルチパス耐性のために用いられるガードインターバル長（ＣＰ長）以内のずれであればシンボル間干渉が発生しないことを述べている。

ただし、衛星通信のような広範囲なサービスエリアにおいて複数送信局ＭＩＭＯを行う場合、図４のように、送受信局間の伝搬路長が異なることによる各受信局における遅延時間差が大きくなる。各受信局における遅延時間差以上のＣＰ長があればよいが、遅延時間差が大きくなるほど所要ＣＰ長が増大し、制御フレームの時間帯域が長くなって周波数利用効率の低下する。しかし、非特許文献３，４では、周波数利用効率の低下や遅延時間差がシンボル長を超える程の多大な遅延時間差となった場合の考察はされていない。

非特許文献５は、複数受信局によるアップリンクＭＩＭＯ−ＯＦＤＭにおける、時間非同期で基地局に送信することでＣＰ長を超える遅延が生じた場合の復調方法の検討であるが、計算量が増大するという問題点がある。今回はダウンリンクを想定しているため、受信局の回路規模増大は望ましくない。

本発明は、各送信局・受信局間の伝搬路長が大きく異なった場合でも、ＯＦＤＭ信号のＣＰ長の増大を抑え、かつ遅延時間差がシンボル長を超える場合にも対応できるＯＦＤＭ通信システムおよびサブキャリア割当方法を提供することを目的とする。

第１の発明は、複数の送信局と複数の受信局との間で、ＯＦＤＭ信号の各サブキャリアに各受信局を割り当ててＭＩＭＯ伝送を行うＯＦＤＭ通信システムにおいて、複数の送信局から送信された信号が複数の受信局に受信されるときの遅延時間差を受信局ごとに検出し、該遅延時間差があらかじめ設定した最大ＣＰ長を超えない受信局ごとに、ＯＦＤＭ信号のサブキャリアをセグメント分けして割り当てる手段を備え、複数の送信局は、各セグメントごとに遅延時間差が最大ＣＰ長を超えないようにそれぞれの送信タイミングを制御する構成である。

第１の発明のＯＦＤＭ通信システムにおいて、複数の送信局は、セグメントごとに送信タイミングを制御したときの遅延時間差の最大値を当該セグメントにおける所要ＣＰ長として設定する構成である。

第１の発明のＯＦＤＭ通信システムにおいて、複数の送信局は、セグメントごとに送信タイミングを制御するとともに、セグメントのＯＦＤＭ信号の周波数帯域を分離する構成である。

第２の発明は、複数の送信局と複数の受信局との間で、ＯＦＤＭ信号の各サブキャリアに各受信局を割り当ててＭＩＭＯ伝送を行うＯＦＤＭ通信システムのサブキャリア割当方法において、複数の送信局から送信された信号が複数の受信局に受信されるときの遅延時間差を受信局ごとに検出する第１のステップと、遅延時間差があらかじめ設定した最大ＣＰ長を超えない受信局ごとに、ＯＦＤＭ信号のサブキャリアをセグメント分けして割り当てる第２のステップと、各セグメントごとに遅延時間差が最大ＣＰ長を超えないようにそれぞれの送信タイミングを制御する第３のステップとを実行する。

第２の発明のサブキャリア割当方法において、複数の送信局は、セグメントごとに送信タイミングを制御したときの遅延時間差の最大値を当該セグメントにおける所要ＣＰ長として設定する。

第２の発明のサブキャリア割当方法において、複数の送信局は、セグメントごとに送信タイミングを制御するとともに、セグメントのＯＦＤＭ信号の周波数帯域を分離する。

本発明によれば、ロケーションの異なる複数の送信局による協調ＭＩＭＯ伝送をＯＦＤＭを用いて行った場合に、各送信局・受信局間の伝搬路長が大きく異なる場合でも、遅延時間差が最大ＣＰ長を超えない受信局ごとにセグメント分けしてサブキャリアの割り当てと送信タイミング制御を行うことにより、ＯＦＤＭ信号のＣＰ長（ガードインターバル長）の長大化による周波数利用効率の劣化を抑えることができる。

本発明のＯＦＤＭ通信システムの構成例を示す図である。本発明のＯＦＤＭ通信システムの制御局１０の構成例を示す図である。本発明のＯＦＤＭ通信システムの制御局１０の処理手順を示すフローチャートである。従来のＯＦＤＭ通信システムの構成例を示す図である。

図１は、本発明のＯＦＤＭ通信システムの構成例を示す。
図１において、ＯＦＤＭ通信システムは、制御局１０の制御により、複数の送信局Ａ２１，送信局Ｂ２２が協調して複数の受信局３１〜３７に協調ＭＩＭＯ伝送を行う。

本発明の特徴は、複数の送信局Ａ２１，送信局Ｂ２２からそれぞれ所定のタイミングで送信されたＯＦＤＭ信号が各受信局３１〜３７に受信されるときに、送信局・受信局間の伝搬路長の違いによる遅延時間差が、あらかじめ設定した最大ＣＰ長を超えない範囲の受信局に対してのみＯＦＤＭ伝送を行うように、制御局１０がＯＦＤＭ信号のサブキャリア１〜７をセグメント分けし、各セグメントごとに送信局Ａ２１，送信局Ｂ２２の送信タイミングを制御する。これにより、各セグメントのＯＦＤＭ信号のＣＰ長は、最大ＣＰ長以下で各セグメント内での最大遅延時間差（所要ＣＰ長）を満たせばよく、各セグメントのＯＦＤＭ信号のＣＰ長を最小限に抑えながら、送信局Ａ２１，送信局Ｂ２２と受信局３１〜３７との間でＯＦＤＭ伝送が可能となる。ただし、セグメント間は周波数分離され、シンボル同期が不要となる。

図２は、本発明のＯＦＤＭ通信システムの制御局１０の構成例を示す。
図２において、制御局１０は、遅延時間差検出部１１、最大ＣＰ長比較部１２、セグメント割当・送信局制御部１３から構成される。

以下、図１，図２を参照して説明する。遅延時間差検出部１１は、送信局Ａ２１，送信局Ｂ２２が受信局３１〜３７から得た情報を取得し、各受信局における遅延時間差を検出する。例えば、送信局Ａ２１，送信局Ｂ２２がパイロット信号を同時に送信した場合、受信局３１〜３７における受信信号の遅延時間差は、送信局Ａ２１からの信号の受信時間ｔ１と送信局Ｂ２２からの信号の受信時間ｔ２の差ｔ１−ｔ２として、表１に示す遅延時間差のようになる。なお、送信局Ａ２１，送信局Ｂ２２が受信局３１〜３７からＧＰＳなどによる位置情報を取得し、伝搬路長差から遅延時間差を算出してもよい。

ここで、最大ＣＰ長を10μｓと設定し、送信局Ａ２１，送信局Ｂ２２がＯＦＤＭ信号の各サブキャリア１〜７に受信局３１〜３７を割り当てて同時送信する場合、受信局３４，３５の遅延時間差が最大ＣＰ長以下となり、ＯＦＤＭ信号のサブキャリア４，５をそれぞれシンボル同期できる。一方、受信局３１〜３３，３６〜３７の遅延時間差は最大ＣＰ長を超えるので、ＣＰ長を拡大しない限りシンボル同期できない。

本発明は、最大ＣＰ長を10μｓとしたまま、受信局３１〜３３がＯＦＤＭ信号のサブキャリア１〜３を受信するためにセグメント分けし（セグメント１）、例えば受信局３１においてＯＦＤＭ信号の遅延時間差が０になるように、送信局Ａ２１，送信局Ｂ２２の送信タイミングを制御する。具体的には、送信局Ｂ２２を基準として送信局Ａ２１の送信タイミングを19μｓだけ遅くする。この場合、受信局３１〜３３の遅延時間差は、表２に示す相対遅延時間差０〜５μｓとなり最大ＣＰ長以下となるので、ＯＦＤＭ信号のサブキャリア１〜３のシンボル同期が可能となる。このセグメント１のＯＦＤＭ信号の所要ＣＰ長は、相対遅延時間差の最大値である５μｓとなる。なお、受信局３２または受信局３３の遅延時間差を０とする送信タイミング制御を行ってもよい。

同様に、最大ＣＰ長を10μｓとしたまま、受信局３６〜３７がＯＦＤＭ信号のサブキャリア６〜７を受信するためにセグメント分けし（セグメント３）、例えば受信局３６においてＯＦＤＭ信号の遅延時間差が０になるように、送信局Ａ２１，送信局Ｂ２２の送信タイミングを制御する。具体的には、送信局Ａ２１を基準として送信局Ｂ２２の送信タイミングを21μｓだけ遅らせる。この場合、受信局３６〜３７の遅延時間差は、表２に示す調整遅延時間差０〜４μｓとなり最大ＣＰ長以下となるので、ＯＦＤＭ信号のサブキャリア６〜７のシンボル同期が可能となる。このセグメント３のＯＦＤＭ信号の所要ＣＰ長は、相対遅延時間差の最大値である４μｓとなる。なお、受信局３７の遅延時間差を０とする送信タイミング制御を行ってもよい。

制御局１０の最大ＣＰ長比較部１２およびセグメント割当・送信局制御部１３は、このように、各受信局における遅延時間差と最大ＣＰ長を比較し、遅延時間差が最大ＣＰ長以下となるように各サブキャリアをセグメント分けし、セグメント１（サブキャリア１〜３）を受信局３１〜３３に割り当て、セグメント２（サブキャリア４〜５）を受信局３４〜３５に割り当て、セグメント３（サブキャリア６〜７）を受信局３６〜３７に割り当てるとともに、送信局Ａ２１，送信局Ｂ２２の送信タイミングを各セグメントごとに制御する。すなわち、送信局Ａ２１を基準とする送信局Ｂ２２の送信タイミングは、セグメント１については19μｓ早く、セグメント２については同時、セグメント３については21μｓ遅くする。

このとき、各セグメント内のサブキャリアは、送信局Ａ２１，送信局Ｂ２２からそれぞれ所定のタイミングで同期送信される。一方、セグメント間は周波数分離して送信され、シンボル同期は不要である。

なお、セグメント２（サブキャリア４〜５）については、送信局Ａ２１，送信局Ｂ２２の送信タイミングを同時としても、受信局３４，３５における遅延時間差が最大ＣＰ長以下となるのでそのままでよいが、表２に示すセグメント１，３と同様に、例えば受信局３４におけるＯＦＤＭ信号の遅延時間差が０になるように送信タイミングを制御してもよい。その場合の受信局３４，３５の相対遅延時間差は、０μｓと２μｓとなり、所要ＣＰ長を表２に示す３μｓから２μｓに短縮することができる。

以上の処理を効率よく行うための制御局１０の処理手順を図３のフローチャートに示す。
制御局１０は、図２の遅延時間差検出部１１の動作として説明したように、受信局ごとに、各送信局からの信号の遅延時間差を取得する（Ｓ１）。次に、この遅延時間差を昇順とした受信局のリストを作成する（Ｓ２）。表３に示すリストは、各受信局の遅延時間差を昇順に表したものである。

次に、遅延時間差の最小値（ここでは受信局３１の−19μｓ）が０となるように、送信局Ａ２１，送信局Ｂ２２の送信タイミングを制御し、遅延時間差を相対遅延時間差に変更する（Ｓ３）。相対遅延時間差は、表３に示すように、受信局３１が０μｓとなると、受信局３２は２μｓ、受信局３３は５μｓ、受信局３４は20μｓ、以下同様となる。ここで、相対遅延時間差と最大ＣＰ長（例えば10μｓ）を比較し、相対遅延時間差が最大ＣＰ長を超えない受信局３１〜３３については、セグメント１として、相対遅延時間差の昇順にサブキャリア１〜３の割当を順次行う（Ｓ４：Yes ，Ｓ５，Ｓ６：No）。

一方、相対遅延時間差が最大ＣＰ長を超える受信局３４以降についてはセグメントを変更し（Ｓ４：No，Ｓ７）、ステップＳ３の処理に戻る。すなわち、遅延時間差の最小値（ここでは受信局３４の20μｓ）が０となるように、送信局Ａ２１，送信局Ｂ２２の送信タイミングを制御し、遅延時間差を相対遅延時間差に変更する（Ｓ３）。相対遅延時間差は、表３に示すように、受信局３４が０μｓとなると、受信局３５は２μｓ、受信局３６は20μｓ、受信局３７は24μｓとなる。ここで、相対遅延時間差と最大ＣＰ長（例えば10μｓ）を比較し、相対遅延時間差が最大ＣＰ長を超えない受信局３４〜３５については、セグメント２として、相対遅延時間差の昇順にサブキャリア４〜５の割当を順次行う（Ｓ４：Yes ，Ｓ５，Ｓ６：No）。

同様に、相対遅延時間差が最大ＣＰ長を超える受信局３６以降についてはセグメントを変更し（Ｓ４：No，Ｓ７）、ステップＳ３の処理に戻る。すなわち、遅延時間差の最小値（ここでは受信局３６の20μｓ）が０となるように、送信局Ａ２１，送信局Ｂ２２の送信タイミングを制御し、遅延時間差を相対遅延時間差に変更する（Ｓ３）。相対遅延時間差は、表３に示すように、受信局３６が０μｓとなると、受信局３７は４μｓとなる。ここで、相対遅延時間差と最大ＣＰ長（例えば10μｓ）を比較し、相対遅延時間差が最大ＣＰ長を超えない受信局３６〜３７については、セグメント３として、相対遅延時間差の昇順にサブキャリア６〜７の割当を順次行い（Ｓ４：Yes ，Ｓ５）、すべてのサブキャリアの割当を終えたときに終了する。

このように、本発明のＯＦＤＭ通信システムは、３つのＯＦＤＭ信号のセグメントに分解され、所要ＣＰ長としてセグメント１は５μｓ、セグメント２が２μｓ、セグメント３が４μｓとなることが分かる。一方、図４に示すように、受信局３１〜３７を１つのセグメントとしてＯＦＤＭ伝送を行った場合には、所要ＣＰ長は相対遅延時間差の最大値である44μｓとなる。本発明のＯＦＤＭ通信システムは、これに比べてＣＰ長の長大化が大幅に抑えられることが分かる。

１０制御局
１１遅延時間差検出部
１２最大ＣＰ長比較部
１３セグメント割当・送信局制御部
２１送信局Ａ
２２送信局Ｂ
３１〜３７受信局

Claims

複数の送信局と複数の受信局との間で、ＯＦＤＭ信号の各サブキャリアに各受信局を割り当ててＭＩＭＯ伝送を行うＯＦＤＭ通信システムにおいて、
前記複数の送信局から送信された信号が前記複数の受信局に受信されるときの遅延時間差を前記受信局ごとに検出し、該遅延時間差があらかじめ設定した最大ＣＰ長を超えない受信局ごとに、前記ＯＦＤＭ信号のサブキャリアをセグメント分けして割り当てる手段を備え、
前記複数の送信局は、各セグメントごとに前記遅延時間差が前記最大ＣＰ長を超えないようにそれぞれの送信タイミングを制御する構成である
ことを特徴とするＯＦＤＭ通信システム。
請求項１に記載のＯＦＤＭ通信システムにおいて、
前記複数の送信局は、前記セグメントごとに前記送信タイミングを制御したときの前記遅延時間差の最大値を当該セグメントにおける所要ＣＰ長として設定する構成である
ことを特徴とするＯＦＤＭ通信システム。
請求項１に記載のＯＦＤＭ通信システムにおいて、
前記複数の送信局は、前記セグメントごとに前記送信タイミングを制御するとともに、前記セグメントのＯＦＤＭ信号の周波数帯域を分離する構成である
ことを特徴とするＯＦＤＭ通信システム。
複数の送信局と複数の受信局との間で、ＯＦＤＭ信号の各サブキャリアに各受信局を割り当ててＭＩＭＯ伝送を行うＯＦＤＭ通信システムにおいて、
前記複数の送信局から送信された信号が前記複数の受信局に受信されるときの遅延時間差を前記受信局ごとに検出する第１のステップと、
前記遅延時間差があらかじめ設定した最大ＣＰ長を超えない受信局ごとに、前記ＯＦＤＭ信号のサブキャリアをセグメント分けして割り当てる第２のステップと、
前記各セグメントごとに前記遅延時間差が前記最大ＣＰ長を超えないようにそれぞれの送信タイミングを制御する第３のステップと
を実行することを特徴とするサブキャリア割当方法。
請求項４に記載のサブキャリア割当方法において、
前記複数の送信局は、前記セグメントごとに前記送信タイミングを制御したときの前記遅延時間差の最大値を当該セグメントにおける所要ＣＰ長として設定する
ことを特徴とするサブキャリア割当方法。
請求項４に記載のサブキャリア割当方法において、
前記複数の送信局は、前記セグメントごとに前記送信タイミングを制御するとともに、前記セグメントのＯＦＤＭ信号の周波数帯域を分離する
ことを特徴とするサブキャリア割当方法。