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JP2006033083A - Ofdm伝送システム。 - Google Patents

Ofdm伝送システム。 Download PDF

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JP2006033083A
JP2006033083A JP2004205048A JP2004205048A JP2006033083A JP 2006033083 A JP2006033083 A JP 2006033083A JP 2004205048 A JP2004205048 A JP 2004205048A JP 2004205048 A JP2004205048 A JP 2004205048A JP 2006033083 A JP2006033083 A JP 2006033083A
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Hirotsugu Akahori
博次 赤堀
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Oki Electric Industry Co Ltd
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Oki Electric Industry Co Ltd
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Abstract

【課題】正確に伝送路推定が行え、受信装置で信号を正確に復調できることを目的とする。
【解決手段】第1及び第2の送信アンテナを用いて送信を行う送信機および複数の受信アンテナを用いて受信を行う受信機間の伝送システムにおいて、第1の送信アンテナから送信されるパイロット信号が第2の送信アンテナから送信されるパイロット信号と直交させる。
【選択図】 図2

Description

本発明は、直交周波数分割多重(OFDM:Orthogonal Frequency Division Multiplexing)信号伝送システムに関し、特に、複数のアンテナを備えた送信装置と複数のアンテナを備えた受信装置とを用いたMIMO(Multiple Input Multiple Output)システムにおいて用いられるパイロット信号のデータ構造及びそれを用いたOFDM伝送システムに関する。
特許文献1は、従来のパイロット信号のデータ構造及びそれを用いたOFDM伝送システムを開示している。特許文献1には、OFDM信号伝送システムにおいて、間欠パイロット方式を開示している。ここで、パイロット信号は、送信側のアンテナから受信側のアンテナへの伝達関数を知るために用いられる。
特許文献1によれば、間欠パイロット方式とは、電波1がパイロット信号を送信する際には、電波2のパイロット信号は送信しないで無信号とする、ことである。つまり、それぞれの電波から送信されるパイロット信号が時間軸上で重ならないように送信している。
特開2004―96186号公報
しかしながら、従来のパイロット信号のデータ構造及びそれを用いたOFDM伝送システムは、間欠パイロット方式を採用しているため、受信装置は、数回に1回の割合でしかパイロット信号を受信できない。送信装置と受信装置の周辺環境が全く変わらない場合は、数回に一度の割合でパイロット信号を受信しても、伝送路推定が変わらないので有益である。しかしながら、実際の動作環境においては、パイロット信号を受信した後に、一方の機器が移動したり、または送信装置と受信装置との間の伝送路に従前とは異なるマルチパスを生じるような障害物が移動してきたりする場合がある。この場合は、前回受信したパイロット信号では正確に伝送路推定ができず、受信装置で信号を正確に復調できないという課題がある。
また、従来のパイロット信号のデータ構造及びそれを用いたOFDM伝送システムは、P個のアンテナを用いて送受信を行う場合は、P回の送信データを受信しなければ、P個のパイロット信号を得ることができない。よって、通信の初期段階においては、伝送路推定に時間がかかるという課題がある。
また、従来のパイロット信号のデータ構造及びそれを用いたOFDM伝送システムは、もともとパイロット信号が時間軸上で重ならないよう設定しているため、動作環境の変化において時間軸上で重なる場合が生じることを想定していない。そのため、動作環境の変化によりパイロット信号が時間軸上で重なる場合、所望のパイロット信号を抽出できないという課題がある。
また、従来のパイロット信号のデータ構造及びそれを用いたOFDM伝送システムを単に、常にパイロット信号を送るようにするだけでは、互いのパイロット信号の干渉により、所望のパイロット信号を抽出することができないという課題がある。
本発明は、第1及び第2の送信アンテナを用いて送信を行う送信機および複数の受信アンテナを用いて受信を行う受信機間のOFDM伝送システムにおいて、第1の送信アンテナから送信されるパイロット信号は、第2の送信アンテナから送信されるパイロット信号と直交させる。
本発明のパイロット信号及びそれを用いたOFDM伝送システムによれば、正確に伝送路推定が行え、受信装置で信号を正確に復調できる。
初めに、図1を用いて、本発明のパイロット信号を用いるMIMOシステムについて説明する。MIMOシステムは、2以上のアンテナを備えた送信装置100と、2以上のアンテナを備えた受信装置110とにより構成される。この場合、送信装置100は、3つのアンテナ101〜103と、送信機TX1〜TX3とにより構成されている。一方、受信装置110は、3つのアンテナ111〜113と、受信機RX1〜RX3と、MIMO演算処理部114とにより構成されている。
送信データT1は、送信機TX1においてOFDM変調され、アンテナ101を介して、送信信号Xとして送信される。ここで、OFDM変調とは、送信データをサブキャリア変調し、サブキャリア変調されたデータを逆フーリエ変換し、逆フーリエ変換されたデータにガード・インターバル(GI:Guard Interval)を付加し、その後直交変調することを言う。同様にして、送信データT2は、送信機TX2においてOFDM変調され、アンテナ102を介して、送信信号Yとして送信される。送信データT3は、送信機TX3においてOFDM変調され、アンテナ103を介して、送信信号Zとして送信される。ここで、説明の都合上、送信装置100の一つのアンテナと受信装置110の一つのアンテナとのマルチパスをそれぞれ3つと仮定する。この場合、受信装置110のアンテナ111は、送信信号Xを受信信号X1として、送信信号Yを受信信号Y1として、送信信号Zを受信信号Z1として入力する。アンテナ111は、時間軸上で重なるように受信信号X1、Y1、Z1を受信する。同様にして、アンテナ112は、送信信号Xを受信信号X2として、送信信号Yを受信信号Y2として、送信信号Zを受信信号Z2として入力する。アンテナ112は、時間軸上で重なるように受信信号X2、Y2、Z2を受信する。アンテナ113は、送信信号Xを受信信号X3として、送信信号Yを受信信号Y3として、送信信号Zを受信信号Z3として入力する。アンテナ113は、時間軸上で重なるように受信信号X3、Y3、Z3を受信する。
各アンテナと接続している受信機RX1〜RX3は、受信信号を周波数変調し、ガード・インターバルGI除去し、ガード・インターバルGIが除去されたデータをフーリエ変換することによりサブキャリア毎に分離する。各受信機RX1〜RX3と接続しているMIMO演算処理部114は、パイロット信号を用いてサブキャリア毎の振幅・位相を測定することにより、受信信号を復調する。
図2は、図1の各アンテナ101〜103から送信される送信信号のデータ構造である。送信信号は、パイロット信号とパイロット信号よりも後ろに位置するデータ本体とにより構成されている。ここでは、説明の都合上、送信信号は、パイロット信号とデータ本体のみ開示している。図2に示すように、各送信信号は、時間軸上で互いに重なるように送信されている。
図3は、電力密度と周波数の関係を示す送信信号を示している。図3において、fij(i、jは任意の整数)はサブキャリアを示している。隣接するサブキャリアがお互いに干渉されないようになっている。また、図3において、Xi、Yi、Zi(iは任意の正整数)は、各サブキャリアのパイロット信号のデータ列を示している。例えば、Xi=(x1、x2、・・・、xn)(nは正整数)。
本発明の特徴は、時間軸上で重なるサブキャリアのパイロット信号及びそのサブキャリアに隣接するサブキャリアのパイロット信号は、直交している。図3を用いて説明すると、送信信号Xのサブキャリアf00のパイロット信号X3は、送信信号Yのサブキャリアf10のパイロット信号Y3及び送信信号Zのサブキャリアf20のパイロット信号Z3と直交している。更に、送信信号Xのサブキャリアf00のパイロット信号X3は、送信信号Xのサブキャリアf00と隣接するサブキャリアf-01のパイロット信号X2及びサブキャリアf01のパイロット信号X4とも直交している。
以下、図2を用いて、直交関係について具体的に説明をする。
OFDMシンボルam内に含まれるk番目のデータサブキャリアの変調信号をak,mとする。ここで、OFDMシンボルとは、各サブキャリアの変調信号をもとに、OFDM化した一つあたりのシンボルをいう。ここで、サブキャリアの変調が2相位相変調(BPSK:Binary Phase Shift Keying)の場合、ak,m=1、−1とする。サブキャリアの変調が4相位相変調(QPSK:Quadrature Phase Shift Keying)の場合、ak,m=ak,m,Re+J*ak,m,Imとし、ak,m,Re=1、−1及びak,m,Im=1、−1とする。ここで、k番目のデータサブキャリアの連続するn個のパイロット信号をAk=[ak,1、ak,2、・・・、ak,4n]とする。同様にして、OFDMシンボルbm内に含まれるk番目のデータサブキャリアの連続するn個のパイロット信号をBk=[bk,1、bk,2、・・・、bk,4n]とする。OFDMシンボルcm内に含まれるk番目のデータサブキャリアの連続するn個のパイロット信号をCk=[ck,1、ck,2、・・・、ck,4n]とする。本発明は、以下の規則性に準じたパイロット信号出力する。
(1)nは正整数であり、パイロット信号は4の倍数分のOFDMシンボルを連続的に送出する。
(2)1となるak,m,Re及びak,m,Im(BPSKにおいてはak,m)の数と、−1となるak,m,Re及びak,m,Im(BPSKにおいてはak,m)の数は等しい。同様にして、1となるbk,m,Re及びbk,m,Im(BPSKにおいてはbk,m)の数と、−1となるbk,m,Re及びbk,m,Im(BPSKにおいてはbk,m)の数は等しい。また、1となるck,m,Re及びck,m,Im(BPSKにおいてはck,m)の数と、−1となるck,m,Re及びck,m,Im(BPSKにおいてはck,m)の数は等しい。
(3)図2に示すように、各送信フレームに含まれるパイロット信号の送出時間位置を同一にする。
(4)同時刻に送出される各送信フレームの信号列は、直交する符号列であり、以下の関係を満たす。
k*Bk T=0、Bk*Ck T=0、Ck*Ak T=0、
k*Bk-1 T=0、Ak*Bk+1 T=0、Bk*Ck+1 T=0、Ck*Ak-1 T=0、Ck*Ak+1 T=0、
(ここで、及びは、及びの転置行列である)
上記の構成としたことにより、本願発明は下記の効果を有する。
各サブキャリアにて複数のパイロット信号の相関値を取ることにより、雑音成分の拡散効果が生じ、雑音成分を減少させたより精度の高い補正情報を得ることができる。
また、パイロット信号を連続送信することで、連続しない同じ数のパイロット信号から補正成分を得ることよりも、フェージングによる受信レベル変動及び位相変動の影響を軽減した補正情報を得ることができる。
また、絶対値が等しく、極性の異なる変調情報の数を同じとした信号列にて相関を取ることにより、仮にガード・インタバールを超えるマルチパスの影響でシンボル間干渉が生じたとしても、相関を取る過程で、シンボル間干渉成分同士が打ち消しあい、シンボル間干渉の影響が軽減された補正情報を得ることができる。
また、受信装置内の周波数変数に用いる周波数と、受信されたOFDM信号の周波数が異なり、サブキャリア間干渉が生じる状況になったとしても、隣り合うサブキャリアのパイロット信号と、受信側のサブキャリアにてあらかじめ有する信号情報による相関演算にて、サブキャリア間干渉の影響が軽減された補正情報を得ることができる。
また、時間軸上で同時刻に受信した他の送信フレームのパイロット信号に該当するサブキャリアの信号パイロット信号と、受信側の各サブキャリアにてあらかじめ有するパイロット信号による相関演算にて、他の送信フレームによる干渉の影響が軽減された補正情報を得ることができる。
また、各送信装置の送信周波数に誤差が生じた場合、受信側ではそれら送信装置の送信周波数を同時に処理しなければならない。そのため、その誤差により生じるサブキャリア間干渉の度合いは送信フレームにより異なる。しかし、サブキャリア間干渉が生じる状況になったとしても、異なる送信フレーム間の隣り合うサブキャリアのパイロット信号と、受信側の各サブキャリアにてあらかじめ有するパイロット信号とによる相関演算にて、異なる送信フレーム間のサブキャリア間干渉の影響が軽減された補正情報を得ることができる。
ここで、特許文献1において用いられた伝送路及び干渉の特性を推定するための数式を用いて、本願発明の効果について説明する。アンテナ101から送信されるパイロット信号をP1、アンテナ102から送信されるパイロット信号をP2、アンテナ111が受信する信号をR1、アンテナ112が受信する信号をR2、アンテナ101からアンテナ111までの伝送路特性をW11、アンテナ102からアンテナ111までの伝送路特性をW12、アンテナ101からアンテナ112までの伝送路特性をW21、アンテナ102からアンテナ112までの伝送路特性をW22とする。すると、伝送路及び干渉の特性を推定するための式は、以下の式で表わされる。
Figure 2006033083
Figure 2006033083
ここで、P1*P1T=n、P2*P1T=0、P1*P2T=0、P2*P2T=n
つまり、本発明のパイロット信号のデータ構造及びそれを用いた伝送システムは、P個のアンテナを用いて送受信を行う場合であっても、1回の送信によりP個のパイロット信号を得ることができる。よって、通信の初期段階において、伝送路推定に要する時間を短縮することができる。
次に、図4を用いて、各アンテナから送信される送信信号の各パイロット信号が直交関係となる組合せを説明する。
初めに、送信装置及び受信装置がそれぞれ2つのアンテナを用いる場合について説明する。この場合、図1において、送信装置100はアンテナ101、102を用い、受信装置110はアンテナ111、112を用いて通信を行うとする。図4(A)に示されるように、送信信号Xの各サブキャリアの各パイロット信号は、(X1、X2、X3、X4、X5)=(A、B、C、D、E)の関係を満たす。ここで、A〜Eは、互いに異なる直交符号列である。一方、送信信号Yの各サブキャリアの各パイロット信号は、(Y1、Y2、Y3、Y4、Y5)=(F、G、H、I、J)の関係を満たす。ここで、F〜Jは、互いに異なる直交符号列であり、A〜Eとも異なる直交符号列である。このように、すべての直交符号が全く異なる構成にしたことにより、たとえ2つの送信信号が動作環境により位相が大きくずれたとしても、2つの送信信号の各サブキャリアの各パイロット信号は、互いに干渉しない。それにより、良好な通信を行うことができる。なお、上述のようにサブキャリアのパイロット信号をすべて異なる直交符号で構成することを、アンテナが2つ以上の場合に適用しても良いことは言うまでもない。
次に、送信装置及び受信装置がそれぞれ2つのアンテナを用いる場合の他の例について説明する。図4(B)に示されるように、送信信号Xの各サブキャリアの各パイロット信号は、(X1、X2、X3、X4、X5)=(A、B、A、B、A)の関係を満たす。ここで、AとBは、互いに異なる直交符号列である。一方、送信信号Yの各サブキャリアの各パイロット信号は、(Y1、Y2、Y3、Y4、Y5)=(C、D、C、D、C)の関係を満たす。ここで、CとDは、互いに異なる直交符号列であり、AとBとも異なる直交符号列である。つまり、送信信号X及び送信信号Yで用いられる直交符号列は、それぞれ2つずつとした。このように、一つの送信信号において用いる直交符号列を2つにしたことにより、有限な直交符号列を有効利用することができる。この場合は、2つの送信信号の位相が大きくずれないことがわかっている場合に適用するのが良い。
次に、送信装置及び受信装置がそれぞれ2つのアンテナを用いる場合の他の例について説明する。図4(C)に示されるように、送信信号Xの各サブキャリアの各パイロット信号は、(X1、X2、X3、X4、X5)=(A、B、A、B、A)の関係を満たす。ここで、AとBは、互いに異なる直交符号列である。一方、送信信号Yの各サブキャリアの各パイロット信号は、(Y1、Y2、Y3、Y4、Y5)=(B、A、B、A、B)の関係を満たす。つまり、送信信号Xと送信信号Yで用いられる直交符号は、同じものであるが、その配列が異なっている。このように、同じ直交符号を用いその配列のみを異なる構成したことにより、有限な直交符号を有効利用することができる。また、直交符号列を生成する回路も一つでまかなうこともでき、装置全体の小さくすることができる。また、回路数が減ることにより、消費電力も節約することができる。なお、この場合は、同じ直交符号を用いその配列のみを異なる構成したことにより、2つの送信信号の位相が大きくずれないことがわかっている場合に適用するのが良い。
次に、送信装置及び受信装置がそれぞれ3つのアンテナを用いる場合について説明する。この場合、図1において、送信装置100はアンテナ101〜103を用い、受信装置110はアンテナ111〜113を用いて通信を行うとする。なお、この場合は、図4(C)の方法の変形例である。図4(D)に示されるように、送信信号Xの各サブキャリアの各パイロット信号は、(X1、X2、X3、X4、X5)=(A、B、C、A、B)の関係を満たす。ここで、A〜Cは、互いに異なる直交符号列である。一方、送信信号Yの各サブキャリアの各パイロット信号は、(Y1、Y2、Y3、Y4、Y5)=(B、C、A、B、C)の関係を満たす。また、送信信号Zの各サブキャリアの各パイロット信号は、(Z1、Z2、Z3、Z4、Z5)=(C、A、B、C、A)の関係を満たす。つまり、送信信号X〜Zで用いられる直交符号は、同じものであるが、その配列が異なっている。このように、同じ直交符号を用いその配列のみを異なる構成したことにより、有限な直交符号を有効利用することができる。また、直交符号列を生成する回路も一つでまかなうこともでき、装置全体の小さくすることができる。また、回路数が減ることにより、消費電力も節約することができる。なお、この場合は、同じ直交符号を用いその配列のみを異なる構成したことにより、3つの送信信号の位相が大きくずれないことがわかっている場合に適用するのが良い。上述のようにサブキャリアのパイロット信号を同じ直交符号を用いその配列のみを異なる構成することを、アンテナが4つ以上の場合に適用しても良いことは言うまでもない。
本発明のパイロット信号を用いるMIMOシステムの構成を示すブロック図である。 本発明で用いるパイロット信号を含む送信OFDM信号の例を示すタイムチャートである。 送信信号の電力密度と周波数との関係を示すグラフである。 各パイロット信号が直交関係となる組合せを示すテーブルである。
符号の説明
100 送信装置
110 受信装置
101〜103、111〜113 アンテナ101〜103
TX1〜TX3 送信機
RX1〜RX3 受信機
114 MIMO演算処理部

Claims (8)

  1. 第1及び第2の送信アンテナを用いて送信を行う送信機および複数の受信アンテナを用いて受信を行う受信機間のOFDM伝送システムにおいて、
    前記第1の送信アンテナから送信される第1パイロット信号は、前記第2の送信アンテナから送信される第2パイロット信号と直交していることを特徴とするOFDM伝送システム。
  2. 前記第1パイロット信号と時間軸上で重なる前記第2パイロット信号とは直交していることを特徴とする請求項1記載のOFDM伝送システム。
  3. 前記第1及び第2パイロット信号は各サブキャリア毎に送信され、該各サブキャリア毎に送信される該第1及び第2パイロット信号のすべては互いに直交していることを特徴とする請求項1記載のOFDM伝送システム。
  4. 前記第1パイロット信号は各サブキャリア毎に送信され、第1サブキャリアで送信される該第1パイロット信号は、該第1サブキャリアと隣接しない第3サブキャリアで送信される該第1パイロット信号とは同一であり、該第1及び第3サブキャリアと隣接する第2サブキャリアで送信される該第1パイロット信号とは直交することを特徴とする請求項1記載のOFDM伝送システム。
  5. 前記第2パイロット信号は各サブキャリア毎に送信され、第4サブキャリアで送信される該第2パイロット信号は、該第4サブキャリアと隣接しない第6サブキャリアで送信される該第2パイロット信号とは同一であり、該第4及び第6サブキャリアと隣接する第5サブキャリアで送信される該第2パイロット信号とは直交し、
    前記第4〜第6サブキャリアで送信される前記第2パイロット信号は、前記第1〜第3サブキャリアで送信される前記第1パイロット信号とは直交していることを特徴とする請求項4記載のOFDM伝送システム。
  6. 前記第2パイロット信号は各サブキャリア毎に送信され、第4サブキャリアで送信される該第2パイロット信号は、該第4サブキャリアと隣接しない第6サブキャリアで送信される該第2パイロット信号とは同一であり、該第4及び第6サブキャリアと隣接する第5サブキャリアで送信される該第2パイロット信号とは直交し、
    前記第4及び第6サブキャリアで送信される前記第2パイロット信号は前記第1及び第3サブキャリアで送信される前記第1パイロット信号と同一であり、前記第5サブキャリアで送信される前記第2パイロット信号は前記第2サブキャリアで送信される前記第1パイロット信号と同一であることを特徴とする請求項4記載のOFDM伝送システム。
  7. 第1、第2及び第3の送信アンテナを用いて送信を行う送信機および複数の受信アンテナを用いて受信を行う受信機間のOFDM伝送システムにおいて、
    前記第1の送信アンテナから送信される第1パイロット信号は、第1、第2及び第3サブキャリア毎に送信され、該第1〜第3サブキャリアは互いに直交し、
    前記第2の送信アンテナから送信される第2パイロット信号は、第4、第5及び第6サブキャリア毎に送信され、該第4〜第6サブキャリアは互いに直交し、
    前記第3の送信アンテナから送信される第3パイロット信号は、第7、第8及び第9サブキャリア毎に送信され、該第7〜第9サブキャリアは互いに直交し、
    前記第1サブキャリアで送信される前記第1パイロット信号は、前記第6サブキャリアで送信される前記第2パイロット信号及び前記第8サブキャリアで送信される前記第3パイロット信号と同一であり、
    前記第2サブキャリアで送信される前記第1パイロット信号は、前記第4サブキャリアで送信される前記第2パイロット信号及び前記第9サブキャリアで送信される前記第3パイロット信号と同一であり、
    前記第3サブキャリアで送信される前記第1パイロット信号は、前記第5サブキャリアで送信される前記第2パイロット信号及び前記第7サブキャリアで送信される前記第3パイロット信号と同一であることを特徴とするOFDM伝送システム。
  8. n(4は正整数)本の送信アンテナを用いて送信を行う送信機および複数の受信アンテナを用いて受信を行う受信機間のOFDM伝送システムにおいて、
    前記第i(i≦nを満たす正整数)番目の送信アンテナから送信される第i番目のパイロット信号は、n個のサブキャリア毎に送信され、該n個のサブキャリアは互いに直交し、
    前記第i+1番目の送信アンテナから送信される第i+1番目のパイロット信号は、n個のサブキャリア毎に送信され、該n個のサブキャリアは互いに直交し、
    前記i番目の送信アンテナを介して第j(j≦nを満たす正整数)番目のサブキャリアで送信される前記第i番目のパイロット信号は、前記i+1番目の送信アンテナを介して第j-1(j-1が0のときは、第n番目とする)番目のサブキャリアで送信される前記第i+1番目のパイロット信号と同一であることを特徴とするOFDM伝送システム。
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