JP4359691B2 - 通信システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）変調を利用した通信システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
無線通信によりデータを送信する場合、確実にデータを伝達するためにはある程度の電界強度が必要である。そのために、例えば複数の送信局から同じデータを送信することによってサービスエリアを広げることが有効である。しかし、サービスエリアが重複する複数の送信局から同じデータを同じ周波数で送信すると、電波が干渉しあって通信を行うことができない。これを回避するため、従来は、複数の送信局から同じデータを送信する際には、異なる周波数もしくは時間を割り当てる。そして、受信側でいずれかの送信局から送信される電波を検波することで、チャネルの分離を行ってきた。しかし、送信局が多くなると、割り当てる周波数が枯渇し、また時分割にも限界があるといった問題があった。
【０００３】
一方、複数のキャリアを一度に利用して並列にデータを伝送するＯＦＤＭ変調方式の活用が考えられている。例えばＩＥＥＥ８０２．１１規格のように、ＯＦＤＭ変調方式を無線ＬＡＮに応用することが考えられており、現在標準化が進められている。このＯＦＤＭ変調方式は、同じ周波数で送信された同一データは、ガードインターバルに収まる限り干渉を与えずに復調できることが知られている。例えば同じ送信局から発射された電波が異なる経路を通って受信される、いわゆるマルチパスが発生した場合でも、良好にデータを受信することができる。このように、ＯＦＤＭ変調方式はマルチパスに強いという性質を持っており、マルチパス環境で伝送する際の有効な方式である。
【０００４】
このようなマルチパスに強いという性質を利用することによって、サービスエリアが重複する複数の送信局から同一の周波数を用いて同一の内容のデータを送信することができる。これによって、サービスエリアを広くすることができるとともに、重複するサービスエリア内の受信機においても干渉の影響をほとんど受けずにデータを受信することができる。
【０００５】
例えば室内（屋内）に送信局を配置した場合、壁や天井、床などによる反射によりマルチパスが発生する。そのため、受信機においては各パスからの電波が干渉しあうことになる。しかしＯＦＤＭ変調方式を用いることによって、このようなマルチパス環境においても、良好にデータを受信することができる。また、サービスエリアが重複する放送局や、同じく室内（屋内）にサービスエリアが重複する複数の送信局を設置する場合、同じ周波数で同じデータを送信しても、それぞれの放送局あるいは送信局から発射された電波は、受信機側ではマルチパスと同様に１つの波として扱うことができ、合成波を干渉せずに取り込んで、良好に受信することができる。
【０００６】
このように、ＯＦＤＭ変調方式を用いることによって、例えばサービスエリアが重複していても、同一のデータを同一の周波数で送信することが可能になる。これによって、従来のように同一のデータを送信する隣接局に対して異なる周波数を割り当てる必要がなくなり、周波数の枯渇といった問題を解決することができる。
【０００７】
しかし、それぞれの送信局は、同一のデータを送信するほか、それぞれが異なるデータを送信したい場合がある。サービスエリアが重複する複数の送信局からＯＦＤＭ変調により異なるデータを送信した場合には、その重複するサービスエリア内ではそれぞれの送信局から発射される波は互いに干渉しあうため、通常のＯＦＤＭ復調を行ってもデータを受信することは困難となる。
【０００８】
例えば特許第３００９６６２号公報に記載されているように、サービスエリアが重複する複数の送信局から同一データを送信する場合にはＯＦＤＭ変調方式を用い、それぞれの送信局が異なるデータを送信する場合にはスペクトラム拡散方式を用いることが提案されている。しかしこの場合にも、それぞれの送信局が同一データを送信する周波数帯と異なるデータを送信する周波数帯を別々に設けている。そのため、複数の送信局が同一周波数で同一データと異なるデータを送信することはできなかった。また、スペクトラム拡散方式で異なるデータを別々に送信するためには、非常に広い帯域が必要となるという問題もある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、サービスエリアが重複している場合でも、複数の送信手段から同一周波数で同時に同一データとともにそれぞれの送信手段により異なるデータを送信し、受信側でそれぞれのデータを分離して受信可能な通信システムを提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、通信システムにおいて、データをＯＦＤＭ変調して送信する複数の送信手段と、複数の送信手段に対して同一のデータあるいはそれぞれの送信手段によって異なるデータを送信させるように制御する送信制御手段と、複数の送信手段から送信された電波を受信する複数のアンテナを有する１ないし複数の受信手段を含み、送信制御手段は、それぞれの送信手段から同一のデータあるいは各送信手段によって異なるデータを送信させる際には、それぞれの送信手段に対して、ＯＦＤＭ変調する複数のキャリアを、同一のデータを送信するキャリア群と異なるデータを送信するキャリア群により構成してＯＦＤＭ変調し、送信させることを特徴とするものである。このとき、同一のデータを送信するキャリア群と、異なるデータを送信するキャリア群として、ＯＦＤＭ変調する複数のキャリアのうちのいずれを用いるかを１ないし複数の送信フレームごとに変更可能に制御することができる。
【００１１】
上述のように、複数の送信手段から同時に異なるデータをＯＦＤＭ変調して送信した場合、そのままＯＦＤＭ復調してもデータを取り出すことは困難である。しかし受信手段において複数のアンテナを有し、例えばアダプティブアレーアンテナとして位相及び振幅を制御することにより、相関の高い電波を取り込み、相関の低いデータに関しては除去することが可能となる。これによって、複数の送信手段から同一のデータが同じキャリア群で送信されている場合にはそれぞれのアンテナにおいて受信した電波をダイバーシティ効果により強め合い、受信特性を改善することができる。また、複数の送信手段からそれぞれ異なるデータが同じキャリア群で送信されている場合には、相互の干渉を抑制し、所望の送信手段から送出されたデータのみを選択的に受信することができる。
【００１３】
また受信手段においては、各アンテナごとにＯＦＤＭ変調された信号を複数のキャリア信号に変換するフーリエ変換手段と、該フーリエ変換手段で変換した各キャリア信号に対してそれぞれに対応した所定の重みを乗算する乗算手段と、各アンテナごとに前記フーリエ変換手段で変換された同一のキャリア信号について前記乗算手段で乗算後の信号を加算する加算手段を有する構成とすることができる。重みは、例えば適応的に設定し、少なくとも、それぞれの送信手段から異なるデータが送信されているキャリアについては希望波のみを取り出すべく調整することができる。これによって、不要な信号を除去し、必要な信号のみを取り込むことができ、複数の送信手段からＯＦＤＭ変調して送信された信号についても選択的に受信することができる。また、重みとして、複数の送信手段から同一のデータが送信されているキャリアについては信号を強めあうように調整することによって、受信特性を改善し、良好に受信することができる。これらの重みは各キャリア信号について設定することができる。そのため、キャリアごとに、同一のデータあるいは送信手段によって異なったデータを割り当てることが可能である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の通信システムの実施の一形態を示す概念図である。図中、１は送信制御部、２，３は送信部、４は受信端末である。送信部２，３は、それぞれが送信制御部１から送られてくるデータをＯＦＤＭ変調し、同一の周波数により同時に送信する。送信部２と送信部３は、サービスエリアを拡大するように離れて設置される場合が多いが、そのサービスエリアは一部において重複している。なお、この例では送信部を２つ設けた例を示しているが、これに限らず、３以上設けることももちろん可能である。
【００１５】
送信制御部１は、外部から与えられたデータを送信部２，３に転送し、送信させる。このとき、複数の受信端末に対して同一のデータを送信する場合には、送信部２，３に同一のデータを転送する。また、送信部２と送信部３のそれぞれのサービスエリアに異なるデータを送信したい場合には、データを送信するサービスエリアを担当する送信部に対してデータを送信する。このとき、ＯＦＤＭ変調方式において用いる複数のキャリアについて、送信部２，３から同一のデータを送信させるキャリア群と、送信部２と送信部３に異なるデータを送信させるキャリア群に分け、それぞれのキャリアにデータを乗せて送信させてもよい。この場合、送信部２，３から同一のデータを送信させるキャリア群と、送信部２と送信部３に異なるデータを送信させるキャリア群は、常に同じでなくてもよく、使用するキャリヤを時間とともに変更したり、データ量に応じてキャリア数を変更することもできる。あるいは、送信フレームごとに、送信部２と送信部３で同じデータを送信する送信フレームと、送信部２と送信部３に異なるデータを送信させる送信フレームを設けてもよい。このように、送信部２，３について同一のデータを送信する場合と、送信部２と送信部３に異なるデータを送信する場合とで、同じ周波数を用いて送信部２，３に送信させることができる。なお、送信部２と送信部３の動作タイミングなどについても、この送信制御部１によって制御することができる。もちろん、３以上の送信部についても同様に制御することができる。
【００１６】
受信端末４は、複数のアンテナを備えたアレーアンテナの構成を有しており、送信部２及び送信部３から送信された電波を受信する。図２は、受信端末の一例を示す概略図である。図中、１１はアンテナ、１２は受信部、１３は端末装置である。この例では、アンテナ１１及び受信部１２からなる受信機を、端末装置１３に取り付けた例を示している。各アンテナ１１で受信した電波は、受信部１２においてＯＦＤＭ復調され、送信部２，３から送信されたデータが取り出される。このとき、ＯＦＤＭ変調方式で用いる複数のキャリアのそれぞれについて適応的に重み付けを行う。これによって、送信部２と送信部３から同じデータが送られてきている時には、それぞれのアンテナで受信し、ＯＦＤＭ復調したそれぞれのキャリアについて強めるように合成することができる。また、送信部２と送信部３から異なるデータが送られてきている時には、それぞれのアンテナで受信し、ＯＦＤＭ復調したそれぞれのキャリアについて、干渉が少なくなるように重み付けして所望のデータを分離する。取り出されたデータは、この例では端末装置１３に送られる。なお、図２では受信端末４にアンテナ１１を４本図示しているが、これに限らず、送信部の数より多いアンテナがあれば構成可能である。
【００１７】
受信端末４には、図１に示す例では、少なくとも送信部２及び送信部３からの電波が到来する。また、例えば室内などの環境を考えると、天井や床、壁などによる反射によって、図１に矢線で示すように複数の経路を介して、送信部２及び送信部３からの電波が受信端末４に到来する。上述のように、送信部２及び送信部３は、上述のようにデータをＯＦＤＭ変調して送信している。そのため、送信部２及び送信部３が同一のデータを同時に送信している場合には、図１に示すように種々の経路を通って電波が到来する場合でも、到来する電波の位相差がガードインターバルの範囲内であれば、干渉の影響を受けることなく復調することができる。この場合は通常のＯＦＤＭ変調方式を利用した通信と同じであるが、複数のアンテナを利用することによって、復調後のキャリアをそれぞれのアンテナからの出力によって強めあい、ダイバーシティ効果により良好な受信特性を得ることができる。例えば送信部２と送信部３が離れており、受信端末４がそのどちらからも遠い場合でも、電波の減衰による影響を軽減することができる。
【００１８】
一方、送信部２及び送信部３から異なるデータを同時に送信している場合には、送信部２からの直接波及びその反射波と、送信部３からの直接波及びその反射波は互いに干渉してしまう。そのため、１本のアンテナのみでは復調することが困難である。しかし本発明では、受信端末４に複数のアンテナを設けている。これによって相互に干渉する成分を抑え、希望する成分のみを取り出すことができる。そのため、例えば送信部２と送信部３のサービスエリアが重なる部分に配置された受信端末４であっても、送信部２あるいは送信部３のいずれかから送られてくるデータでも選択的に受信することが可能である。なお、１つの干渉する成分を抑えるためにアンテナ１つ分のダイバーシティゲインは減少する。しかし、独立な干渉波以上のアンテナが残っている場合、希望波を取り込むことができ、ある程度の品質を保った通信が可能である。
【００１９】
図３は、受信端末における受信部の概要を示すブロック図である。図中、２１は離散フーリエ変換（ＤＦＴ：Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）部、２２は重み付け部、２３は加算部、２４は復調部、２５は並直列変換部、２６は重み制御部である。ＯＦＤＭ変調方式では、送信部２，３において、データを並直列変換し、複数のキャリアに乗せた上で逆離散フーリエ変換（Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ：ＩＤＦＴ）して、所定の周波数帯域の信号として送信する。基本的には、受信側ではこの逆の操作を行うことでデータを取り出すことができる。本発明では、複数のアンテナを用い、適応的に重み付けをして干渉を防止している。
【００２０】
Ｍ本のアンテナ１１は、例えば互いに受信周波数の１／２波長以上の間隔を置いて設置されている。Ｍ本のアンテナ１１で受信されたＯＦＤＭ信号は、それぞれのアンテナ１１ごとに設けられた離散フーリエ変換部２１に入力される。離散フーリエ変換部２１では、複数のキャリア成分に分離される。この例では、Ｋ本のキャリア成分に分離している。それぞれのキャリア成分をｘij（ｉ＝１〜Ｋ、ｊ＝１〜Ｍ）で示している。なお、離散フーリエ変換部２１は、例えば高速フーリエ変換手段などにより置換可能である。
【００２１】
離散フーリエ変換部２１で分離されたそれぞれのキャリア成分は、重み付け部２２において、重み制御部２６から供給される重みが乗算される。重み付け部２２は、それぞれの離散フーリエ変換部２１で分離されたそれぞれのキャリア成分ごとに設けられており、すなわち、Ｋ×Ｍ個設けられている。それぞれの重み付け部２２に入力される重みをｗij（ｉ＝１〜Ｋ、ｊ＝１〜Ｍ）で示している。なお、重みｗijは複素数であり、位相及び振幅の両方について重み付けすることになる。また、重み付け部２２で重み付けされたキャリア成分をｙij（ｉ＝１〜Ｋ、ｊ＝１〜Ｍ）で示しており、ｙij＝ｘijｗijである。
【００２２】
加算部２３は、それぞれのアンテナ１１ごとに分離して得られた同じキャリア成分について、その重み付け後のキャリア成分を加算する。すなわち、ｉ番目のキャリア成分についての加算後の信号は、
ｙi ＝Σj=1 Mｙij＝Σj=1 Mｘijｗij
となる。
【００２３】
加算部２３で加算した後のキャリア成分は、それぞれ、復調部２４において復調されてデータに戻される。この例では、その後、並直列変換部２５でシリアルデータに変換され、端末装置１３などに出力される。もちろん、パラレルデータとして出力してもよい。なお、複数のキャリアのうち、一部を共通のデータの送信に用い、他の部分を各送信部２，３について個別のデータを送信している場合には、出力の際に共通データと個別のデータとを分離して端末装置１３に出力してもよい。あるいは、受信部１２からはデータが混在したまま端末装置１３に転送し、端末装置１３の側で共通データと個別のデータを分離してもよい。
【００２４】
重み制御部２６は、重み付け部２２において各キャリア成分に乗算する重みを算出する。重みの算出法としては、非相関波を抑圧して、希望波を取り出すことが可能なＭＭＳＥ（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ Ｅｒｒｏｒ）規範のＲＬＳ（Ｒｅｃｕｒｓｉｖｅ Ｌｅａｓｔ Ｓｑｕａｒｅｓ）法などを利用することができる。この方式では、各キャリアにおいて参照信号ｒi をあらかじめトレーニングシーケンスなどを用いて生成し、加算演算後のキャリア信号ｙi とから生成される誤差信号ｅi を最小にするように逐次重みｗij（ｊ＝１〜Ｍ）が制御される。ここで、誤差信号ｅi は
ｅi ＝ｒi −ｙi
である。なお、上述のように重みは複素共役数であるので、実数部と虚数部について、それぞれ、誤差信号ｅi が最小になるように制御される。このような重み制御は、Ｋ個のキャリア信号それぞれについて行われることになる。もちろん、他の方式を用いて重みを決定してもよい。
【００２５】
次に、送信部２，３に共通のデータ及びそれぞれ個別のデータの送信方法の一例について説明する。図４は、ＯＦＤＭフレーム構成の一例の説明図である。送信部２，３から送信するＯＦＤＭ変調方式による１フレーム分の送信シーケンスの一例を図４に示している。図中、縦軸は周波数を示しており、左右に延在する矩形がそれぞれのキャリアについてのシーケンスを示している。また、横軸は時間であり、トレーニングスロット（Ａ）、重み生成スロット（Ｂ）、データスロット（Ｃ）から構成されている。
【００２６】
まず（Ａ）に示すトレーニングスロットでは、図３に示した受信部１２における重み制御部２６に入力される参照信号を生成するための時間である。このトレーニングスロットでは、例えば送信部２及び送信部３から、順次、例えば拡散符号などによって送信し、各送信部２，３からの参照信号を取得する。なお、この時点でキャリア毎に送信部２，３から同一のデータが送られてくるのか、あるいはそれぞれ異なるデータが送信され、いずれの送信部から送信されたデータを選択したらよいのか等が決定される。このような同一のデータが送られるのか異なったデータが送られるのか、及び、異なったデータが送られる場合にはいずれの送信部からのデータを選択するか等の情報は、予め与えられることもあるし、このトレーニングスロットにおいて送信部２，３から送信してもよい。
【００２７】
次に（Ｂ）に示す重み生成スロットでは、送信部２，３から所定のデータを送信し、受信部１２の重み制御部２６において重みを決定する。このとき、トレーニングスロット（Ａ）において取得した参照信号に従い、誤差が少なくなるように重みを適応的に制御する。例えば送信部２，３から同一のデータが送られてくるキャリアについては、それぞれのアンテナ１１で受信して分離した各キャリア信号が加算部２３で加算されて大きな信号となるように、重みが制御される。また、送信部２と送信部３で異なるデータを送信しているキャリアについては、それぞれのアンテナ１１で受信して分離したキャリア信号のうち干渉となる成分については減衰させ、参照信号として与えられた送信部２あるいは送信部３のいずれかから送られてくる信号のみを選択するように、重みが制御される。
【００２８】
次の（Ｃ）に示すデータスロットにおいて、実際に送信部２，３から受信端末４に対して転送するデータが送られる。受信端末４では、重み生成スロット（Ｂ）において決定した重みを用い、キャリア毎に送信部２，３に共通のデータ、あるいは、送信部２または送信部３のいずれかから送信されたデータを受信する。
【００２９】
なお、このトレーニングスロット（Ａ）及び重み生成スロット（Ｂ）は、各フレームに挿入するほか、例えば複数フレーム毎に挿入したり、変更を要する場合にのみ挿入するようにしてもよい。また、重み生成スロット（Ｂ）及びデータスロット（Ｃ）ではＯＦＤＭ変調方式によって通信が行われるので、ガードインターバルを設けておく必要がある。
【００３０】
図５は、共通データ及び個別データの転送シーケンスの一例の説明図である。図４に示すようなＯＦＤＭフレームを用い、各キャリアにどのようなデータを乗せるかを示す。図５に示す例は、キャリアごとに、送信部２，３から同一のデータ（ＢＲＯＡＤと表記）か、あるいは、送信部２と送信部３から異なるデータ（ＵＮＩと表記）のいずれかを送信する例である。
【００３１】
一般的にパケット通信に用いるパケットには制御情報や放送型の通信を送るブロードキャスト型パケットと個別の端末に対して情報を送信するユニキャスト型パケットの２種類がある。ブロードキャスト型パケットはエリア内の全端末に対して誤りを少なくして正確に伝送しなければならない。そのため、送信部２及び送信部３から同一のデータを送信することになる。一方、ユニキャストパケットは大量のデータをある一定の端末に対して送る必要がある。この場合には、受信端末４がサービスエリア内に含まれている送信部２または送信部３のいずれかからデータを送信すればよく、他方の送信部では別のユニキャストパケットを送信することができる。すなわち、送信部２と送信部３で異なるデータを送信することになる。
【００３２】
図５に示す例では、フレーム▲１▼と▲３▼では、１／４のキャリアにおいて送信部２，３で同一のデータ（ブロードキャストパケット）を送信し、３／４のキャリアにおいて送信部２と送信部３から異なるデータ（ユニキャストパケット）を送信している。これによって、ユニキャストパケットのための転送データ量を確保している。
【００３３】
また、フレーム▲２▼では、半分のキャリアにおいて送信部２，３で同一のデータ（ブロードキャストパケット）を送信し、残り半分のキャリアにおいて送信部２と送信部３から異なるデータ（ユニキャストパケット）を送信している。このように、転送しなければならないブロードキャストパケットとユニキャストパケットのデータ量に応じて、使用するキャリア数を変更することが可能である。
【００３４】
図３でも説明したように、キャリアごとに重みを決定しているので、上述のように、キャリアごとに、送信部２，３から同一のデータ（ＢＲＯＡＤと表記）か、あるいは、送信部２と送信部３から異なるデータ（ＵＮＩと表記）のいずれかを送信することが可能である。
【００３５】
この例では送信部２，３で同一のデータを送信するキャリアと、送信部２と送信部３から異なるデータを送信するキャリアを、ある程度決めて使用しているが、例えば時間の経過とともに、それぞれのデータの転送に使用するキャリアを変更してゆくこともできる。
【００３６】
図６は、共通データ及び個別データの転送シーケンスの別の例の説明図である。この例では、各フレーム毎に送信部２，３で同一のデータを送信するフレームと、送信部２と送信部３から異なるデータを送信するフレームを設けた例を示している。フレーム▲１▼と▲３▼では、送信部２，３からすべてのキャリアを用いて同一のデータを送信する。このフレームでは、通常のＯＦＤＭ通信と同様である。また、フレーム▲２▼では、すべてのキャリアについて、送信部２と送信部３から異なるデータを送信している。この場合には、受信端末４における複数のアンテナによって、干渉成分が除去され、目的の信号のみを取り出して受信することになる。もちろん、送信部２，３で同一のデータを送信するフレームと、送信部２と送信部３から異なるデータを送信するフレームは、交互に設ける必要はなく、データ量に応じて適宜変更すればよい。
【００３７】
このようにフレーム毎に、送信部２，３で同一のデータを送信するフレームと、送信部２と送信部３から異なるデータを送信するフレームを設ける場合には、フレームの変更の都度、重みを変更してゆくことになる。
【００３８】
次に、本発明による通信特性を評価するための実験例をシミュレーション結果により示す。図７は、シミュレーション条件の一例を示す説明図、図８は、同一データを送信した時のＣＮＲ特性の一例を示すグラフ、図９は、異なるデータを送信したときのＣＮＲ特性の一例を示すグラフである。図７に示すように、各キャリアの変調方式としてＤＱＰＳＫ（Ｄｉｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）を用いることとして、受信端末４側にＭ本のアンテナを持つシステムを考える。マルチキャリアのキャリア数を４８とし、ガードタイムとして２０％取ることとする。送信部２，３から発射された３２の素波が受信端末４近傍において反射し、到来するものとする。このとき、各素波は、一様に分布するランダムな角度から到来するものとし、各々の電力、遅延が下記に示すような指数分布に従うとする。
ｐ（τ）＝（２ＰR ／Ｎ）ｅｘｐ（−τ／２στ ）
ここで、ｐ（τ）は素波の電力、ＰR は受信平均電力、Ｎは素波の数を示し、στ は遅延スプレッドを表している。このようにランダムな角度で入力される波は統計的にはレイリーフェージングで表すことができる。
【００３９】
また、重み制御に用いるアルゴリズムには、上述のＲＬＳ法を利用することとする。さらに、図４に示したトレーニングスロット（Ａ）において、参照信号作成用にトレーニングビットを系列長３１ビットのＭ系列で３１ビット送信する。また重み生成スロット（Ｂ）において、更新用のビットとして系列長３１のＭ系列を２周期６２ビットを送信する。データスロット（Ｃ）におけるパケットとしてキャリアあたり１９２ビットのランダムデータを仮定し、パケット内の伝搬環境の変化は無いものとした。
【００４０】
送信部２と送信部３から等距離に受信端末４が配置されているものと仮定して、各々の送信部２，３からの搬送波電力対雑音電力比（ｃａｒｒｉｅｒ ｔｏ ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ：ＣＮＲ）を変化させて性能評価を行った。ここで、受信端末４のアンテナ数を１、２、４本として、送信部２，３からの受信電力が等しい時に、送信部２，３から同一データを送信した場合のＢＥＲ特性と別のデータを送信した場合のＢＥＲ特性をそれぞれ図８，図９に示している。ここで、横軸は１つの送信部あたりのＣＮＲを示している。
【００４１】
図８を参照して分かるように、送信部２，３から同一データを送信した場合、アンテナのエレメント数が１つの場合でも、送信部２，３から送信されたデータは一つの相関の高い波の合成と考えられ、フラットレイリーフェージングの特性を持っている。これは、ＯＦＤＭ変調を利用して、送信部２，３からの波がガードインターバル内に収まり、双方からの波を取り込んでいるものと考えられる。また、アンテナエレメント数を増加させると、エレメント数分のダイバーシティ効果が発生して、特性は大幅に改善する。
【００４２】
一方、送信部２と送信部３で別のデータを送信した場合には、図９に示すように、エレメント数が１つの場合には互いに干渉になるため、高い誤り率となっている。この状態では、いずれの送信部が送信したデータも、取り込むことは困難である。それに対して、エレメント数を増やすことにより、相関の低い別の送信部からのデータを抑圧するように、適応的に重み付けが行われ、特性は改善する。ＯＦＤＭ変調を用いているため、複数の遅延を持った波の集合が、キャリア毎には１つの振る舞いをするため、アンテナエレメント数がマルチパス波の数より少ない場合でも効果的に干渉信号の抑圧が可能となっている。
【００４３】
また別のシミュレーションによって、本発明の通信システムが高い伝送容量を有することを示す。ここでは本発明の通信システムを用い、図５で説明したように各キャリア毎に共通データあるいは個別データのいずれかを送信する方式で送信部２，３からＯＦＤＭ変調されたデータを送信するものとする。比較のために、２つの送信部２，３が共通データ及び個別データを含むＯＦＤＭ変調したデータを同時に送信する場合と、送信部２と送信部３が時分割によりいずれか一方のみがＯＦＤＭフレームごとに送信する場合を考える。
【００４４】
図１０は、別のシミュレーションにおいて送信部から送信するＯＦＤＭフレーム構成の一例の説明図である。図中、送信部２，３から同一データを送信する場合に‘ＢＲＯＡＤ’、個別データを送信する場合に送信部２から送信されるデータに‘ＵＮＩ ＢＳ２’、同様に送信部３から送信される個別データに‘ＵＮＩＢＳ３’と付して示している。ここでは４キャリアのみを示している。図１０（Ａ）に示すＯＦＤＭフレーム構成は図５で説明したものと同様であり、同一のＯＦＤＭフレーム中に、同一データのためのキャリアと個別データのためのキャリアが混在している。また、送信部２と送信部３は同時に送信する。一方、図１０（Ｂ）に示すＯＦＤＭフレーム構成では、同一のＯＦＤＭフレーム中に、同一データのためのキャリアと個別データのためのキャリアが混在していることは変わりがないが、送信部２と送信部３は同時に送信することはなく、１つのＯＦＤＭフレームにおいてはいずれか一方のみが送信する。なお、送信部２と送信部３のいずれか一方のみ送信する場合には、図４に示す重み生成スロット（Ｂ）が必要ないため、フレーム長は短くなっている。
【００４５】
図１１は、別のシミュレーションにおける送信部２，３の設置条件の説明図である。シミュレーションの条件として、図１１に示すような５０ｍ×１００ｍ、高さ３ｍの室内を想定する。この室内の中心から２５ｍずつ、５０ｍ離して送信部２，３を設置している。送信電力は１７ｄＢｍ（５０ｍＷ）、雑音レベルは−９５ｄＢｍとした。また、受信端末４の位置は、ランダムに配置する。受信端末４におけるアンテナ数Ｍは２とした。さらに、受信信号は送信部２，３からの距離の３乗に反比例して減衰するものとした。このような条件の下で、個別データのパケットを８０％、同一データのパケットを２０％の割合で発生させることとし、送信は全体に行き渡らせる必要のある同一データのパケットを優先して送信するものとする。
【００４６】
図１２は、別のシミュレーションにおける伝送負荷と伝送容量との関係を示すグラフである。上述のような条件でシミュレーションを行うと、横軸を図１０（Ａ）のフレームの長さを基準としたときの伝送負荷、縦軸を伝送容量とした場合に、個別データのパケットの伝送容量は図１２に示すような結果が得られた。図１２において、実線で示すグラフは、図１０（Ａ）に示すＯＦＤＭフレーム構成の場合、すなわち送信部２と送信部３が同時に送信する場合を示している。また、破線で示すグラフは、図１０（Ｂ）に示すＯＦＤＭフレーム構成の場合、すなわち送信部２と送信部３のいずれか一方のみが送信する場合を示している。
【００４７】
図１２から分かるように、本発明の通信システムを利用し、同一周波数で複数の送信部から同時に送信することによって、別の種類のデータに関して時分割のシステムと比べ、同じ帯域幅で見た場合に伝送路の容量が大きくなっている。これにより、本発明の通信システムが、高い伝送負荷まで耐えられることが分かる。
【００４８】
本発明の通信システムは、上述の別のシミュレーションにおいても条件として設定したように、例えば屋内における無線ネットワークなどに応用することができる。例えば天井などに間隔を置いて複数の送信部を設置し、ネットワークを介して送られてくる、すべての受信端末に送信するデータ、及び、特定の受信端末に送信するデータを、同一周波数を用いて同時に送信することが可能である。もともと、ＯＦＤＭ変調方式はマルチパスに強い特性を有しているので、屋内のようにマルチパスが発生する環境においては適している通信方式である。特に本発明の通信システムでは、同一周波数で複数の送信部から異なるデータを同時に送信することができるので、通信データ量を増大させることができる。
【００４９】
なお、上述の例では、ネットワーク側から端末側へのデータ転送について示しているが、端末側からネットワーク側へのデータ転送についても同様の構成を用いることができる。あるいは、端末側からのデータ転送については、別の通信方式を用いてもよい。
【００５０】
また、本発明の通信システムを放送用に用いることも可能である。この場合、サービスエリアが重複する複数の放送局は、同一周波数を用いて放送することが可能になる。例えば広域用放送では、複数の放送局は同一のデータを送信すればよい。また、地域用放送では、各放送局が異なるデータを送信すればよい。この場合、例えば図５に示したようにキャリアで分けたり，図６に示したようにフレームによって分けることが可能である。例えば複数の放送局のサービスエリアに含まれる受信機では、上述のように複数本のアンテナを用いて適応的に重み付けして受信することによって、それぞれの放送局から行われる地域用放送についても選択的に受信することができる。また、広域用放送についても、例えばいずれの放送局からも遠い位置の受信機でも、複数本のアンテナによるダイバーシティ効果によって受信特性は改善し、良好に受信することができるようになる。
【００５１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、サービスエリアが重複する複数の送信手段から、同一のデータだけでなく、それぞれ異なるデータについても、ＯＦＤＭ変調方式により同一周波数で同時に送信することができる。受信手段は複数のアンテナを有しているので、複数の送信手段が同一のデータを送信した場合にはダイバーシティ効果によって高い通信品質を確保することができる。また、複数の送信手段が異なるデータを送信した場合には、干渉成分を抑圧し、希望波のみを取り出すことが可能である。この場合、異なるデータを同一の周波数で同時に送信することができるので、伝送容量を大幅に向上させることが可能となるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の通信システムの実施の一形態を示す概念図である。
【図２】受信端末の一例を示す概略図である。
【図３】受信端末における受信部の概要を示すブロック図である。
【図４】ＯＦＤＭフレーム構成の一例の説明図である。
【図５】共通データ及び個別データの転送シーケンスの一例の説明図である。
【図６】共通データ及び個別データの転送シーケンスの別の例の説明図である。
【図７】シミュレーション条件の一例を示す説明図である。
【図８】同一データを送信した時のＣＮＲ特性の一例を示すグラフである。
【図９】異なるデータを送信したときのＣＮＲ特性の一例を示すグラフである。
【図１０】別のシミュレーションにおいて送信部から送信するＯＦＤＭフレーム構成の一例の説明図である。
【図１１】別のシミュレーションにおける送信部２，３の設置条件の説明図である。
【図１２】別のシミュレーションにおける伝送負荷と伝送容量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１…送信制御部、２，３…送信部、４…受信端末、１１…アンテナ、１２…受信部、１３…端末装置、２１…離散フーリエ変換部、２２…重み付け部、２３…加算部、２４…復調部、２５…並直列変換部、２６…重み制御部。
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）変調を利用した通信システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
無線通信によりデータを送信する場合、確実にデータを伝達するためにはある程度の電界強度が必要である。そのために、例えば複数の送信局から同じデータを送信することによってサービスエリアを広げることが有効である。しかし、サービスエリアが重複する複数の送信局から同じデータを同じ周波数で送信すると、電波が干渉しあって通信を行うことができない。これを回避するため、従来は、複数の送信局から同じデータを送信する際には、異なる周波数もしくは時間を割り当てる。そして、受信側でいずれかの送信局から送信される電波を検波することで、チャネルの分離を行ってきた。しかし、送信局が多くなると、割り当てる周波数が枯渇し、また時分割にも限界があるといった問題があった。
【０００３】
一方、複数のキャリアを一度に利用して並列にデータを伝送するＯＦＤＭ変調方式の活用が考えられている。例えばＩＥＥＥ８０２．１１規格のように、ＯＦＤＭ変調方式を無線ＬＡＮに応用することが考えられており、現在標準化が進められている。このＯＦＤＭ変調方式は、同じ周波数で送信された同一データは、ガードインターバルに収まる限り干渉を与えずに復調できることが知られている。例えば同じ送信局から発射された電波が異なる経路を通って受信される、いわゆるマルチパスが発生した場合でも、良好にデータを受信することができる。このように、ＯＦＤＭ変調方式はマルチパスに強いという性質を持っており、マルチパス環境で伝送する際の有効な方式である。
【０００４】
このようなマルチパスに強いという性質を利用することによって、サービスエリアが重複する複数の送信局から同一の周波数を用いて同一の内容のデータを送信することができる。これによって、サービスエリアを広くすることができるとともに、重複するサービスエリア内の受信機においても干渉の影響をほとんど受けずにデータを受信することができる。
【０００５】
例えば室内（屋内）に送信局を配置した場合、壁や天井、床などによる反射によりマルチパスが発生する。そのため、受信機においては各パスからの電波が干渉しあうことになる。しかしＯＦＤＭ変調方式を用いることによって、このようなマルチパス環境においても、良好にデータを受信することができる。また、サービスエリアが重複する放送局や、同じく室内（屋内）にサービスエリアが重複する複数の送信局を設置する場合、同じ周波数で同じデータを送信しても、それぞれの放送局あるいは送信局から発射された電波は、受信機側ではマルチパスと同様に１つの波として扱うことができ、合成波を干渉せずに取り込んで、良好に受信することができる。
【０００６】
このように、ＯＦＤＭ変調方式を用いることによって、例えばサービスエリアが重複していても、同一のデータを同一の周波数で送信することが可能になる。これによって、従来のように同一のデータを送信する隣接局に対して異なる周波数を割り当てる必要がなくなり、周波数の枯渇といった問題を解決することができる。
【０００７】
しかし、それぞれの送信局は、同一のデータを送信するほか、それぞれが異なるデータを送信したい場合がある。サービスエリアが重複する複数の送信局からＯＦＤＭ変調により異なるデータを送信した場合には、その重複するサービスエリア内ではそれぞれの送信局から発射される波は互いに干渉しあうため、通常のＯＦＤＭ復調を行ってもデータを受信することは困難となる。
【０００８】
例えば特許第３００９６６２号公報に記載されているように、サービスエリアが重複する複数の送信局から同一データを送信する場合にはＯＦＤＭ変調方式を用い、それぞれの送信局が異なるデータを送信する場合にはスペクトラム拡散方式を用いることが提案されている。しかしこの場合にも、それぞれの送信局が同一データを送信する周波数帯と異なるデータを送信する周波数帯を別々に設けている。そのため、複数の送信局が同一周波数で同一データと異なるデータを送信することはできなかった。また、スペクトラム拡散方式で異なるデータを別々に送信するためには、非常に広い帯域が必要となるという問題もある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、サービスエリアが重複している場合でも、複数の送信手段から同一周波数で同時に同一データとともにそれぞれの送信手段により異なるデータを送信し、受信側でそれぞれのデータを分離して受信可能な通信システムを提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、通信システムにおいて、データをＯＦＤＭ変調して送信する複数の送信手段と、複数の送信手段に対して同一のデータあるいはそれぞれの送信手段によって異なるデータを送信させるように制御する送信制御手段と、複数の送信手段から送信された電波を受信する複数のアンテナを有する１ないし複数の受信手段を含み、送信制御手段は、それぞれの送信手段から同一のデータあるいは各送信手段によって異なるデータを送信させる際には、それぞれの送信手段に対して、ＯＦＤＭ変調する複数のキャリアを、同一のデータを送信するキャリア群と異なるデータを送信するキャリア群により構成してＯＦＤＭ変調し、送信させることを特徴とするものである。このとき、同一のデータを送信するキャリア群と、異なるデータを送信するキャリア群として、ＯＦＤＭ変調する複数のキャリアのうちのいずれを用いるかを１ないし複数の送信フレームごとに変更可能に制御することができる。
【００１１】
上述のように、複数の送信手段から同時に異なるデータをＯＦＤＭ変調して送信した場合、そのままＯＦＤＭ復調してもデータを取り出すことは困難である。しかし受信手段において複数のアンテナを有し、例えばアダプティブアレーアンテナとして位相及び振幅を制御することにより、相関の高い電波を取り込み、相関の低いデータに関しては除去することが可能となる。これによって、複数の送信手段から同一のデータが同じキャリア群で送信されている場合にはそれぞれのアンテナにおいて受信した電波をダイバーシティ効果により強め合い、受信特性を改善することができる。また、複数の送信手段からそれぞれ異なるデータが同じキャリア群で送信されている場合には、相互の干渉を抑制し、所望の送信手段から送出されたデータのみを選択的に受信することができる。
【００１３】
また受信手段においては、各アンテナごとにＯＦＤＭ変調された信号を複数のキャリア信号に変換するフーリエ変換手段と、該フーリエ変換手段で変換した各キャリア信号に対してそれぞれに対応した所定の重みを乗算する乗算手段と、各アンテナごとに前記フーリエ変換手段で変換された同一のキャリア信号について前記乗算手段で乗算後の信号を加算する加算手段を有する構成とすることができる。重みは、例えば適応的に設定し、少なくとも、それぞれの送信手段から異なるデータが送信されているキャリアについては希望波のみを取り出すべく調整することができる。これによって、不要な信号を除去し、必要な信号のみを取り込むことができ、複数の送信手段からＯＦＤＭ変調して送信された信号についても選択的に受信することができる。また、重みとして、複数の送信手段から同一のデータが送信されているキャリアについては信号を強めあうように調整することによって、受信特性を改善し、良好に受信することができる。これらの重みは各キャリア信号について設定することができる。そのため、キャリアごとに、同一のデータあるいは送信手段によって異なったデータを割り当てることが可能である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の通信システムの実施の一形態を示す概念図である。図中、１は送信制御部、２，３は送信部、４は受信端末である。送信部２，３は、それぞれが送信制御部１から送られてくるデータをＯＦＤＭ変調し、同一の周波数により同時に送信する。送信部２と送信部３は、サービスエリアを拡大するように離れて設置される場合が多いが、そのサービスエリアは一部において重複している。なお、この例では送信部を２つ設けた例を示しているが、これに限らず、３以上設けることももちろん可能である。
【００１５】
送信制御部１は、外部から与えられたデータを送信部２，３に転送し、送信させる。このとき、複数の受信端末に対して同一のデータを送信する場合には、送信部２，３に同一のデータを転送する。また、送信部２と送信部３のそれぞれのサービスエリアに異なるデータを送信したい場合には、データを送信するサービスエリアを担当する送信部に対してデータを送信する。このとき、ＯＦＤＭ変調方式において用いる複数のキャリアについて、送信部２，３から同一のデータを送信させるキャリア群と、送信部２と送信部３に異なるデータを送信させるキャリア群に分け、それぞれのキャリアにデータを乗せて送信させてもよい。この場合、送信部２，３から同一のデータを送信させるキャリア群と、送信部２と送信部３に異なるデータを送信させるキャリア群は、常に同じでなくてもよく、使用するキャリヤを時間とともに変更したり、データ量に応じてキャリア数を変更することもできる。あるいは、送信フレームごとに、送信部２と送信部３で同じデータを送信する送信フレームと、送信部２と送信部３に異なるデータを送信させる送信フレームを設けてもよい。このように、送信部２，３について同一のデータを送信する場合と、送信部２と送信部３に異なるデータを送信する場合とで、同じ周波数を用いて送信部２，３に送信させることができる。なお、送信部２と送信部３の動作タイミングなどについても、この送信制御部１によって制御することができる。もちろん、３以上の送信部についても同様に制御することができる。
【００１６】
受信端末４は、複数のアンテナを備えたアレーアンテナの構成を有しており、送信部２及び送信部３から送信された電波を受信する。図２は、受信端末の一例を示す概略図である。図中、１１はアンテナ、１２は受信部、１３は端末装置である。この例では、アンテナ１１及び受信部１２からなる受信機を、端末装置１３に取り付けた例を示している。各アンテナ１１で受信した電波は、受信部１２においてＯＦＤＭ復調され、送信部２，３から送信されたデータが取り出される。このとき、ＯＦＤＭ変調方式で用いる複数のキャリアのそれぞれについて適応的に重み付けを行う。これによって、送信部２と送信部３から同じデータが送られてきている時には、それぞれのアンテナで受信し、ＯＦＤＭ復調したそれぞれのキャリアについて強めるように合成することができる。また、送信部２と送信部３から異なるデータが送られてきている時には、それぞれのアンテナで受信し、ＯＦＤＭ復調したそれぞれのキャリアについて、干渉が少なくなるように重み付けして所望のデータを分離する。取り出されたデータは、この例では端末装置１３に送られる。なお、図２では受信端末４にアンテナ１１を４本図示しているが、これに限らず、送信部の数より多いアンテナがあれば構成可能である。
【００１７】
受信端末４には、図１に示す例では、少なくとも送信部２及び送信部３からの電波が到来する。また、例えば室内などの環境を考えると、天井や床、壁などによる反射によって、図１に矢線で示すように複数の経路を介して、送信部２及び送信部３からの電波が受信端末４に到来する。上述のように、送信部２及び送信部３は、上述のようにデータをＯＦＤＭ変調して送信している。そのため、送信部２及び送信部３が同一のデータを同時に送信している場合には、図１に示すように種々の経路を通って電波が到来する場合でも、到来する電波の位相差がガードインターバルの範囲内であれば、干渉の影響を受けることなく復調することができる。この場合は通常のＯＦＤＭ変調方式を利用した通信と同じであるが、複数のアンテナを利用することによって、復調後のキャリアをそれぞれのアンテナからの出力によって強めあい、ダイバーシティ効果により良好な受信特性を得ることができる。例えば送信部２と送信部３が離れており、受信端末４がそのどちらからも遠い場合でも、電波の減衰による影響を軽減することができる。
【００１８】
一方、送信部２及び送信部３から異なるデータを同時に送信している場合には、送信部２からの直接波及びその反射波と、送信部３からの直接波及びその反射波は互いに干渉してしまう。そのため、１本のアンテナのみでは復調することが困難である。しかし本発明では、受信端末４に複数のアンテナを設けている。これによって相互に干渉する成分を抑え、希望する成分のみを取り出すことができる。そのため、例えば送信部２と送信部３のサービスエリアが重なる部分に配置された受信端末４であっても、送信部２あるいは送信部３のいずれかから送られてくるデータでも選択的に受信することが可能である。なお、１つの干渉する成分を抑えるためにアンテナ１つ分のダイバーシティゲインは減少する。しかし、独立な干渉波以上のアンテナが残っている場合、希望波を取り込むことができ、ある程度の品質を保った通信が可能である。
【００１９】
図３は、受信端末における受信部の概要を示すブロック図である。図中、２１は離散フーリエ変換（ＤＦＴ：Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）部、２２は重み付け部、２３は加算部、２４は復調部、２５は並直列変換部、２６は重み制御部である。ＯＦＤＭ変調方式では、送信部２，３において、データを並直列変換し、複数のキャリアに乗せた上で逆離散フーリエ変換（Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ：ＩＤＦＴ）して、所定の周波数帯域の信号として送信する。基本的には、受信側ではこの逆の操作を行うことでデータを取り出すことができる。本発明では、複数のアンテナを用い、適応的に重み付けをして干渉を防止している。
【００２０】
Ｍ本のアンテナ１１は、例えば互いに受信周波数の１／２波長以上の間隔を置いて設置されている。Ｍ本のアンテナ１１で受信されたＯＦＤＭ信号は、それぞれのアンテナ１１ごとに設けられた離散フーリエ変換部２１に入力される。離散フーリエ変換部２１では、複数のキャリア成分に分離される。この例では、Ｋ本のキャリア成分に分離している。それぞれのキャリア成分をｘij（ｉ＝１〜Ｋ、ｊ＝１〜Ｍ）で示している。なお、離散フーリエ変換部２１は、例えば高速フーリエ変換手段などにより置換可能である。
【００２１】
離散フーリエ変換部２１で分離されたそれぞれのキャリア成分は、重み付け部２２において、重み制御部２６から供給される重みが乗算される。重み付け部２２は、それぞれの離散フーリエ変換部２１で分離されたそれぞれのキャリア成分ごとに設けられており、すなわち、Ｋ×Ｍ個設けられている。それぞれの重み付け部２２に入力される重みをｗij（ｉ＝１〜Ｋ、ｊ＝１〜Ｍ）で示している。なお、重みｗijは複素数であり、位相及び振幅の両方について重み付けすることになる。また、重み付け部２２で重み付けされたキャリア成分をｙij（ｉ＝１〜Ｋ、ｊ＝１〜Ｍ）で示しており、ｙij＝ｘijｗijである。
【００２２】
加算部２３は、それぞれのアンテナ１１ごとに分離して得られた同じキャリア成分について、その重み付け後のキャリア成分を加算する。すなわち、ｉ番目のキャリア成分についての加算後の信号は、
ｙi ＝Σj=1 Mｙij＝Σj=1 Mｘijｗij
となる。
【００２３】
加算部２３で加算した後のキャリア成分は、それぞれ、復調部２４において復調されてデータに戻される。この例では、その後、並直列変換部２５でシリアルデータに変換され、端末装置１３などに出力される。もちろん、パラレルデータとして出力してもよい。なお、複数のキャリアのうち、一部を共通のデータの送信に用い、他の部分を各送信部２，３について個別のデータを送信している場合には、出力の際に共通データと個別のデータとを分離して端末装置１３に出力してもよい。あるいは、受信部１２からはデータが混在したまま端末装置１３に転送し、端末装置１３の側で共通データと個別のデータを分離してもよい。
【００２４】
重み制御部２６は、重み付け部２２において各キャリア成分に乗算する重みを算出する。重みの算出法としては、非相関波を抑圧して、希望波を取り出すことが可能なＭＭＳＥ（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ Ｅｒｒｏｒ）規範のＲＬＳ（Ｒｅｃｕｒｓｉｖｅ Ｌｅａｓｔ Ｓｑｕａｒｅｓ）法などを利用することができる。この方式では、各キャリアにおいて参照信号ｒi をあらかじめトレーニングシーケンスなどを用いて生成し、加算演算後のキャリア信号ｙi とから生成される誤差信号ｅi を最小にするように逐次重みｗij（ｊ＝１〜Ｍ）が制御される。ここで、誤差信号ｅi は
ｅi ＝ｒi −ｙi
である。なお、上述のように重みは複素共役数であるので、実数部と虚数部について、それぞれ、誤差信号ｅi が最小になるように制御される。このような重み制御は、Ｋ個のキャリア信号それぞれについて行われることになる。もちろん、他の方式を用いて重みを決定してもよい。
【００２５】
次に、送信部２，３に共通のデータ及びそれぞれ個別のデータの送信方法の一例について説明する。図４は、ＯＦＤＭフレーム構成の一例の説明図である。送信部２，３から送信するＯＦＤＭ変調方式による１フレーム分の送信シーケンスの一例を図４に示している。図中、縦軸は周波数を示しており、左右に延在する矩形がそれぞれのキャリアについてのシーケンスを示している。また、横軸は時間であり、トレーニングスロット（Ａ）、重み生成スロット（Ｂ）、データスロット（Ｃ）から構成されている。
【００２６】
まず（Ａ）に示すトレーニングスロットでは、図３に示した受信部１２における重み制御部２６に入力される参照信号を生成するための時間である。このトレーニングスロットでは、例えば送信部２及び送信部３から、順次、例えば拡散符号などによって送信し、各送信部２，３からの参照信号を取得する。なお、この時点でキャリア毎に送信部２，３から同一のデータが送られてくるのか、あるいはそれぞれ異なるデータが送信され、いずれの送信部から送信されたデータを選択したらよいのか等が決定される。このような同一のデータが送られるのか異なったデータが送られるのか、及び、異なったデータが送られる場合にはいずれの送信部からのデータを選択するか等の情報は、予め与えられることもあるし、このトレーニングスロットにおいて送信部２，３から送信してもよい。
【００２７】
次に（Ｂ）に示す重み生成スロットでは、送信部２，３から所定のデータを送信し、受信部１２の重み制御部２６において重みを決定する。このとき、トレーニングスロット（Ａ）において取得した参照信号に従い、誤差が少なくなるように重みを適応的に制御する。例えば送信部２，３から同一のデータが送られてくるキャリアについては、それぞれのアンテナ１１で受信して分離した各キャリア信号が加算部２３で加算されて大きな信号となるように、重みが制御される。また、送信部２と送信部３で異なるデータを送信しているキャリアについては、それぞれのアンテナ１１で受信して分離したキャリア信号のうち干渉となる成分については減衰させ、参照信号として与えられた送信部２あるいは送信部３のいずれかから送られてくる信号のみを選択するように、重みが制御される。
【００２８】
次の（Ｃ）に示すデータスロットにおいて、実際に送信部２，３から受信端末４に対して転送するデータが送られる。受信端末４では、重み生成スロット（Ｂ）において決定した重みを用い、キャリア毎に送信部２，３に共通のデータ、あるいは、送信部２または送信部３のいずれかから送信されたデータを受信する。
【００２９】
なお、このトレーニングスロット（Ａ）及び重み生成スロット（Ｂ）は、各フレームに挿入するほか、例えば複数フレーム毎に挿入したり、変更を要する場合にのみ挿入するようにしてもよい。また、重み生成スロット（Ｂ）及びデータスロット（Ｃ）ではＯＦＤＭ変調方式によって通信が行われるので、ガードインターバルを設けておく必要がある。
【００３０】
図５は、共通データ及び個別データの転送シーケンスの一例の説明図である。図４に示すようなＯＦＤＭフレームを用い、各キャリアにどのようなデータを乗せるかを示す。図５に示す例は、キャリアごとに、送信部２，３から同一のデータ（ＢＲＯＡＤと表記）か、あるいは、送信部２と送信部３から異なるデータ（ＵＮＩと表記）のいずれかを送信する例である。
【００３１】
一般的にパケット通信に用いるパケットには制御情報や放送型の通信を送るブロードキャスト型パケットと個別の端末に対して情報を送信するユニキャスト型パケットの２種類がある。ブロードキャスト型パケットはエリア内の全端末に対して誤りを少なくして正確に伝送しなければならない。そのため、送信部２及び送信部３から同一のデータを送信することになる。一方、ユニキャストパケットは大量のデータをある一定の端末に対して送る必要がある。この場合には、受信端末４がサービスエリア内に含まれている送信部２または送信部３のいずれかからデータを送信すればよく、他方の送信部では別のユニキャストパケットを送信することができる。すなわち、送信部２と送信部３で異なるデータを送信することになる。
【００３２】
図５に示す例では、フレーム▲１▼と▲３▼では、１／４のキャリアにおいて送信部２，３で同一のデータ（ブロードキャストパケット）を送信し、３／４のキャリアにおいて送信部２と送信部３から異なるデータ（ユニキャストパケット）を送信している。これによって、ユニキャストパケットのための転送データ量を確保している。
【００３３】
また、フレーム▲２▼では、半分のキャリアにおいて送信部２，３で同一のデータ（ブロードキャストパケット）を送信し、残り半分のキャリアにおいて送信部２と送信部３から異なるデータ（ユニキャストパケット）を送信している。このように、転送しなければならないブロードキャストパケットとユニキャストパケットのデータ量に応じて、使用するキャリア数を変更することが可能である。
【００３４】
図３でも説明したように、キャリアごとに重みを決定しているので、上述のように、キャリアごとに、送信部２，３から同一のデータ（ＢＲＯＡＤと表記）か、あるいは、送信部２と送信部３から異なるデータ（ＵＮＩと表記）のいずれかを送信することが可能である。
【００３５】
この例では送信部２，３で同一のデータを送信するキャリアと、送信部２と送信部３から異なるデータを送信するキャリアを、ある程度決めて使用しているが、例えば時間の経過とともに、それぞれのデータの転送に使用するキャリアを変更してゆくこともできる。
【００３６】
図６は、共通データ及び個別データの転送シーケンスの別の例の説明図である。この例では、各フレーム毎に送信部２，３で同一のデータを送信するフレームと、送信部２と送信部３から異なるデータを送信するフレームを設けた例を示している。フレーム▲１▼と▲３▼では、送信部２，３からすべてのキャリアを用いて同一のデータを送信する。このフレームでは、通常のＯＦＤＭ通信と同様である。また、フレーム▲２▼では、すべてのキャリアについて、送信部２と送信部３から異なるデータを送信している。この場合には、受信端末４における複数のアンテナによって、干渉成分が除去され、目的の信号のみを取り出して受信することになる。もちろん、送信部２，３で同一のデータを送信するフレームと、送信部２と送信部３から異なるデータを送信するフレームは、交互に設ける必要はなく、データ量に応じて適宜変更すればよい。
【００３７】
このようにフレーム毎に、送信部２，３で同一のデータを送信するフレームと、送信部２と送信部３から異なるデータを送信するフレームを設ける場合には、フレームの変更の都度、重みを変更してゆくことになる。
【００３８】
次に、本発明による通信特性を評価するための実験例をシミュレーション結果により示す。図７は、シミュレーション条件の一例を示す説明図、図８は、同一データを送信した時のＣＮＲ特性の一例を示すグラフ、図９は、異なるデータを送信したときのＣＮＲ特性の一例を示すグラフである。図７に示すように、各キャリアの変調方式としてＤＱＰＳＫ（Ｄｉｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）を用いることとして、受信端末４側にＭ本のアンテナを持つシステムを考える。マルチキャリアのキャリア数を４８とし、ガードタイムとして２０％取ることとする。送信部２，３から発射された３２の素波が受信端末４近傍において反射し、到来するものとする。このとき、各素波は、一様に分布するランダムな角度から到来するものとし、各々の電力、遅延が下記に示すような指数分布に従うとする。
ｐ（τ）＝（２ＰR ／Ｎ）ｅｘｐ（−τ／２στ ）
ここで、ｐ（τ）は素波の電力、ＰR は受信平均電力、Ｎは素波の数を示し、στ は遅延スプレッドを表している。このようにランダムな角度で入力される波は統計的にはレイリーフェージングで表すことができる。
【００３９】
また、重み制御に用いるアルゴリズムには、上述のＲＬＳ法を利用することとする。さらに、図４に示したトレーニングスロット（Ａ）において、参照信号作成用にトレーニングビットを系列長３１ビットのＭ系列で３１ビット送信する。また重み生成スロット（Ｂ）において、更新用のビットとして系列長３１のＭ系列を２周期６２ビットを送信する。データスロット（Ｃ）におけるパケットとしてキャリアあたり１９２ビットのランダムデータを仮定し、パケット内の伝搬環境の変化は無いものとした。
【００４０】
送信部２と送信部３から等距離に受信端末４が配置されているものと仮定して、各々の送信部２，３からの搬送波電力対雑音電力比（ｃａｒｒｉｅｒ ｔｏ ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ：ＣＮＲ）を変化させて性能評価を行った。ここで、受信端末４のアンテナ数を１、２、４本として、送信部２，３からの受信電力が等しい時に、送信部２，３から同一データを送信した場合のＢＥＲ特性と別のデータを送信した場合のＢＥＲ特性をそれぞれ図８，図９に示している。ここで、横軸は１つの送信部あたりのＣＮＲを示している。
【００４１】
図８を参照して分かるように、送信部２，３から同一データを送信した場合、アンテナのエレメント数が１つの場合でも、送信部２，３から送信されたデータは一つの相関の高い波の合成と考えられ、フラットレイリーフェージングの特性を持っている。これは、ＯＦＤＭ変調を利用して、送信部２，３からの波がガードインターバル内に収まり、双方からの波を取り込んでいるものと考えられる。また、アンテナエレメント数を増加させると、エレメント数分のダイバーシティ効果が発生して、特性は大幅に改善する。
【００４２】
一方、送信部２と送信部３で別のデータを送信した場合には、図９に示すように、エレメント数が１つの場合には互いに干渉になるため、高い誤り率となっている。この状態では、いずれの送信部が送信したデータも、取り込むことは困難である。それに対して、エレメント数を増やすことにより、相関の低い別の送信部からのデータを抑圧するように、適応的に重み付けが行われ、特性は改善する。ＯＦＤＭ変調を用いているため、複数の遅延を持った波の集合が、キャリア毎には１つの振る舞いをするため、アンテナエレメント数がマルチパス波の数より少ない場合でも効果的に干渉信号の抑圧が可能となっている。
【００４３】
また別のシミュレーションによって、本発明の通信システムが高い伝送容量を有することを示す。ここでは本発明の通信システムを用い、図５で説明したように各キャリア毎に共通データあるいは個別データのいずれかを送信する方式で送信部２，３からＯＦＤＭ変調されたデータを送信するものとする。比較のために、２つの送信部２，３が共通データ及び個別データを含むＯＦＤＭ変調したデータを同時に送信する場合と、送信部２と送信部３が時分割によりいずれか一方のみがＯＦＤＭフレームごとに送信する場合を考える。
【００４４】
図１０は、別のシミュレーションにおいて送信部から送信するＯＦＤＭフレーム構成の一例の説明図である。図中、送信部２，３から同一データを送信する場合に‘ＢＲＯＡＤ’、個別データを送信する場合に送信部２から送信されるデータに‘ＵＮＩ ＢＳ２’、同様に送信部３から送信される個別データに‘ＵＮＩＢＳ３’と付して示している。ここでは４キャリアのみを示している。図１０（Ａ）に示すＯＦＤＭフレーム構成は図５で説明したものと同様であり、同一のＯＦＤＭフレーム中に、同一データのためのキャリアと個別データのためのキャリアが混在している。また、送信部２と送信部３は同時に送信する。一方、図１０（Ｂ）に示すＯＦＤＭフレーム構成では、同一のＯＦＤＭフレーム中に、同一データのためのキャリアと個別データのためのキャリアが混在していることは変わりがないが、送信部２と送信部３は同時に送信することはなく、１つのＯＦＤＭフレームにおいてはいずれか一方のみが送信する。なお、送信部２と送信部３のいずれか一方のみ送信する場合には、図４に示す重み生成スロット（Ｂ）が必要ないため、フレーム長は短くなっている。
【００４５】
図１１は、別のシミュレーションにおける送信部２，３の設置条件の説明図である。シミュレーションの条件として、図１１に示すような５０ｍ×１００ｍ、高さ３ｍの室内を想定する。この室内の中心から２５ｍずつ、５０ｍ離して送信部２，３を設置している。送信電力は１７ｄＢｍ（５０ｍＷ）、雑音レベルは−９５ｄＢｍとした。また、受信端末４の位置は、ランダムに配置する。受信端末４におけるアンテナ数Ｍは２とした。さらに、受信信号は送信部２，３からの距離の３乗に反比例して減衰するものとした。このような条件の下で、個別データのパケットを８０％、同一データのパケットを２０％の割合で発生させることとし、送信は全体に行き渡らせる必要のある同一データのパケットを優先して送信するものとする。
【００４６】
図１２は、別のシミュレーションにおける伝送負荷と伝送容量との関係を示すグラフである。上述のような条件でシミュレーションを行うと、横軸を図１０（Ａ）のフレームの長さを基準としたときの伝送負荷、縦軸を伝送容量とした場合に、個別データのパケットの伝送容量は図１２に示すような結果が得られた。図１２において、実線で示すグラフは、図１０（Ａ）に示すＯＦＤＭフレーム構成の場合、すなわち送信部２と送信部３が同時に送信する場合を示している。また、破線で示すグラフは、図１０（Ｂ）に示すＯＦＤＭフレーム構成の場合、すなわち送信部２と送信部３のいずれか一方のみが送信する場合を示している。
【００４７】
図１２から分かるように、本発明の通信システムを利用し、同一周波数で複数の送信部から同時に送信することによって、別の種類のデータに関して時分割のシステムと比べ、同じ帯域幅で見た場合に伝送路の容量が大きくなっている。これにより、本発明の通信システムが、高い伝送負荷まで耐えられることが分かる。
【００４８】
本発明の通信システムは、上述の別のシミュレーションにおいても条件として設定したように、例えば屋内における無線ネットワークなどに応用することができる。例えば天井などに間隔を置いて複数の送信部を設置し、ネットワークを介して送られてくる、すべての受信端末に送信するデータ、及び、特定の受信端末に送信するデータを、同一周波数を用いて同時に送信することが可能である。もともと、ＯＦＤＭ変調方式はマルチパスに強い特性を有しているので、屋内のようにマルチパスが発生する環境においては適している通信方式である。特に本発明の通信システムでは、同一周波数で複数の送信部から異なるデータを同時に送信することができるので、通信データ量を増大させることができる。
【００４９】
なお、上述の例では、ネットワーク側から端末側へのデータ転送について示しているが、端末側からネットワーク側へのデータ転送についても同様の構成を用いることができる。あるいは、端末側からのデータ転送については、別の通信方式を用いてもよい。
【００５０】
また、本発明の通信システムを放送用に用いることも可能である。この場合、サービスエリアが重複する複数の放送局は、同一周波数を用いて放送することが可能になる。例えば広域用放送では、複数の放送局は同一のデータを送信すればよい。また、地域用放送では、各放送局が異なるデータを送信すればよい。この場合、例えば図５に示したようにキャリアで分けたり，図６に示したようにフレームによって分けることが可能である。例えば複数の放送局のサービスエリアに含まれる受信機では、上述のように複数本のアンテナを用いて適応的に重み付けして受信することによって、それぞれの放送局から行われる地域用放送についても選択的に受信することができる。また、広域用放送についても、例えばいずれの放送局からも遠い位置の受信機でも、複数本のアンテナによるダイバーシティ効果によって受信特性は改善し、良好に受信することができるようになる。
【００５１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、サービスエリアが重複する複数の送信手段から、同一のデータだけでなく、それぞれ異なるデータについても、ＯＦＤＭ変調方式により同一周波数で同時に送信することができる。受信手段は複数のアンテナを有しているので、複数の送信手段が同一のデータを送信した場合にはダイバーシティ効果によって高い通信品質を確保することができる。また、複数の送信手段が異なるデータを送信した場合には、干渉成分を抑圧し、希望波のみを取り出すことが可能である。この場合、異なるデータを同一の周波数で同時に送信することができるので、伝送容量を大幅に向上させることが可能となるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の通信システムの実施の一形態を示す概念図である。
【図２】受信端末の一例を示す概略図である。
【図３】受信端末における受信部の概要を示すブロック図である。
【図４】ＯＦＤＭフレーム構成の一例の説明図である。
【図５】共通データ及び個別データの転送シーケンスの一例の説明図である。
【図６】共通データ及び個別データの転送シーケンスの別の例の説明図である。
【図７】シミュレーション条件の一例を示す説明図である。
【図８】同一データを送信した時のＣＮＲ特性の一例を示すグラフである。
【図９】異なるデータを送信したときのＣＮＲ特性の一例を示すグラフである。
【図１０】別のシミュレーションにおいて送信部から送信するＯＦＤＭフレーム構成の一例の説明図である。
【図１１】別のシミュレーションにおける送信部２，３の設置条件の説明図である。
【図１２】別のシミュレーションにおける伝送負荷と伝送容量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１…送信制御部、２，３…送信部、４…受信端末、１１…アンテナ、１２…受信部、１３…端末装置、２１…離散フーリエ変換部、２２…重み付け部、２３…加算部、２４…復調部、２５…並直列変換部、２６…重み制御部。
Claims (5)
- データをＯＦＤＭ変調して送信する複数の送信手段と、前記複数の送信手段に対して同一のデータあるいはそれぞれの送信手段によって異なるデータを送信させるように制御する送信制御手段と、前記複数の送信手段から送信された電波を受信する複数のアンテナを有する１ないし複数の受信手段を含み、前記送信制御手段は、それぞれの前記送信手段に対して、ＯＦＤＭ変調する複数のキャリアを、同一のデータを送信するキャリア群と異なるデータを送信するキャリア群により構成してＯＦＤＭ変調し、送信させることを特徴とする通信システム。
- 前記送信制御手段は、前記同一のデータを送信するキャリア群と、前記異なるデータを送信するキャリア群として、前記ＯＦＤＭ変調する複数のキャリアのうちのいずれを用いるかを１ないし複数の送信フレームごとに変更可能に制御することを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
- 前記受信手段は、各アンテナごとにＯＦＤＭ変調された信号を複数のキャリア信号に変換するフーリエ変換手段と、該フーリエ変換手段で変換した各キャリア信号に対してそれぞれに対応した所定の重みを乗算する乗算手段と、各アンテナごとに前記フーリエ変換手段で変換された同一のキャリア信号について前記乗算手段で乗算後の信号を加算する加算手段を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の通信システム。
- 前記重みは、少なくとも、それぞれの送信手段から異なるデータが送信されているキャリアについては希望波のみを取り出すべく調整されることを特徴とする請求項３に記載の通信システム。
- 前記重みは、複数の送信手段から同一のデータが送信されているキャリアについては信号を強めあうように調整されることを特徴とする請求項３に記載の通信システム。
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