JP2011525758A - マルチバンド直交周波数分割多重接続（ｏｆｄｍａ）通信システム中のデータ送受信方法とそれを用いた通信装置 - Google Patents

Abstract

【解決手段】通信装置が提供される。受信モジュールは、所定の信号帯域幅を有する信号を受信する。ローパスフィルター（LPF）は信号をろ過して、フィルター処理された信号を得る。LPFのろ過帯域幅は十分に広く、信号のレギュラー副搬送波周波数成分と少なくとも半分の保護副搬送波周波数成分を通過させる。アナログデジタルコンバータ（ADC）は、サンプリングレートによりフィルター処理された信号をサンプリングし、複数のデジタルサンプルを得る。サンプリングレートは、信号の所定信号帯域幅に関して定義される標準サンプリングレートを超過する。高速フーリエ変換（FFT）モジュールは、デジタルサンプルの所定点数上で高速フーリエ変換を実行し、複数の変換されたサンプルを得る。所定点数は、所定キャリア帯域幅に関して定義される標準点数を超過する。副搬送波コレクターは、変換されたサンプルからデータを収集する。
【選択図】図３

Description

この出願は、２００８年７月７日付の出願の「マルチバンドOFDMAシステム中、保護副搬送波上のデータ伝送のためのエイリアシング削減」と題された米国仮出願番号６１／０７８，５０９の利益を主張する。その全体の内容は参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、マルチバンド直交周波数分割多重接続（Orthogonal Frequency Division Multiple Access、OFDMA）システム中、保護副搬送波（guard sub-carriers）上で、データを送受信する方法に関するものである。

直交周波数分割多重（Orthogonal frequency division multiplexing、OFDM）は、周波数選択性チャネル上で、信号を伝送する効果的な変調スキームである。OFDM中、広い帯域幅は複数の狭帯域副搬送波に分割され、互いに直交するように配置される。副搬送波上で変調された信号は、並列（parallel）に伝送される。OFDMAは、OFDMの基本形式を用いて、複数の加入者のマルチアクセスをサポートする一方法である。OFDMA中、複数の加入者は、周波数分割多元接続（frequency division multiple access、FDMA）と類似方式で、同時に、異なる副搬送波を使用する。

近年、OFDMAは、高スペクトル効率を有する周波数選択性チャネル（frequency selective channels）上で、高速ワイヤレス伝送を実行する効果的なマルチアクセススキームとして用いられている。マルチバンドOFDMAは、第四世代(4G)モバイルセルラーシステムの一基幹技術として期待されている。例えば、4Gモバイルセルラーシステムは、1Gbpsピーク伝送速度と拡張されたデータ伝送帯域幅を要求する。

マルチバンドOFDMAは、マルチラジオ周波数(RF)キャリアを利用して、拡張されたデータ伝送帯域幅を得る。図1は、4個の連続したRFキャリアバンド(Band #1、Band #2、Band #3、及び、Band #4で示される)を用いる拡張されたデータ伝送帯域幅の例を示すスペクトログラムである。各RFキャリアバンドは、RF搬送周波数を中心とし、且つ、所定数量の副搬送波からなる。例えば、各RFキャリアバンド中の副搬送波の数量は1024（逆高速フーリエ変換（Inverse Fast Fourier Transform、IFFT）の1024点に対応する）で、且つ、RFキャリアバンドの帯域幅は、約10MHzに制限される。マルチバンドOFDMAシステムのスペクトル効率を更に改善するために、伝送速度が速い新規のデータ送受信方法が必要である。

マルチバンドOFDMA通信システムの通信装置とデータを送受信する方法が提供される。このような通信装置の具体例は、受信モジュール、ローパスフィルター（LPF）、アナログデジタルコンバータ（ADC）、高速フーリエ変換（Fast Fourier Transform、FFT）モジュール、及び、副搬送波コレクターからなる。受信モジュールは、所定の信号帯域幅を有する信号を受信する。信号は、複数のレギュラー副搬送波周波数成分と複数の保護副搬送波周波数成分からなり、且つ、信号は、レギュラー、及び、保護副搬送波周波数成分上で、データを運ぶ。LPFは信号をろ過して（filter）、フィルター処理された信号を得る。LPFのろ過帯域幅は十分に広く、信号のレギュラー副搬送波周波数成分と少なくとも半分の保護副搬送波周波数成分を通過させる。ADCは、サンプリングレートによりフィルター処理された信号をサンプリングし、複数のデジタルサンプルを得る。サンプリングレートは、信号の所定信号帯域幅に関して定義される標準サンプリングレートを超過する。FFTモジュールは、デジタルサンプルの所定点数上で高速フーリエ変換を実行し、複数の変換されたサンプルを得る。所定点数は、所定キャリア帯域幅に関して定義される標準点数を超過する。副搬送波コレクターは、変換されたサンプルからデータを収集する。

マルチバンドOFDMA通信システム中のデータ送受信方法の具体例は、以下のステップからなる。複数のラジオ周波数(RF)キャリアバンドから無線インタフェース（air interface）にデータを伝送し、各RFキャリアバンドは所定信号帯域幅を有し、且つ、N個の副搬送波トーンの周波数成分からなり、N個の副搬送波トーンは、複数のレギュラー副搬送波トーンと、近接するRFキャリアバンド間に位置する複数の保護副搬送波トーンと、からなる。データは、レギュラー副搬送波トーンと保護副搬送波トーン両方により運ばれる。無線インタフェースから、少なくとも一つのRFキャリアバンドの周波数成分からなるRF信号を受信する。RF信号を処理して、複数のデジタルサンプルを得て、デジタルサンプルは、所定信号帯域幅を超過するサンプリングレートに従って得られる。デジタルサンプルからデータを回収する。

マルチバンドOFDM通信システム中、データを受信する方法の別の具体例は、以下のステップからなる。無線インタフェースから信号を受信し、信号は、ラジオ周波数(RF)キャリアバンド内で、データを運び、複数のレギュラー副搬送波周波数成分と、RFキャリアバンドの両辺縁（the edges）に位置する複数の保護副搬送波周波数成分と、からなる。フィルター帯域幅により、信号に対しローパスフィルターを実行し、フィルター処理された信号を得る。フィルター帯域幅は十分な幅で、信号のレギュラー副搬送波周波数成分と少なくとも半分の保護副搬送波周波数成分が通過する。サンプリングレートによりフィルター処理された信号をサンプリングし、複数のデジタルサンプルを得る。サンプリングレートは、RFキャリアバンドの所定信号帯域幅を超過する。デジタルサンプルからデータを回収する。

以下で、図式により、実施例を詳細に説明する。

図式を参照して、その後の詳述と例を読むことによって、本発明をより完全に理解できる。
4個のRFキャリアバンドを用いた拡張されたデータ伝送帯域幅の例を示すスペクトログラムである。 本発明の具体例による通信装置の伝送手段を示す図である。 本発明の具体例による通信装置中の受信器300を示す図である。 本発明の具体例によるマルチバンドRF信号のスペクトルを示す図である。 本発明の具体例によるマルチバンドOFDMA通信システム中のデータ送受信方法のフローチャートである。 本発明の具体例によるRF信号を処理して、所望のデータを回収する方法のフローチャートである。

以下で、本発明の好ましい実施方式を説明する。相関する描写は本発明を詳細に説明するためのもので、本発明に限定するものではない。本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。

本技術領域の通常の知識を有する者なら分かるように、近接するRFキャリアバンド間の無線スペクトルの未使用部分、例えば、図1で示される保護バンド（guard bands）は、通常、保留されて、理想的でないローパスフィルタリングによる信号干渉、及び/又は、エイリアシング（aliasing）を回避する。本発明の具体例中、マルチバンドOFDMA通信システムのピーク伝送速度を改善するため、近接するバンド干渉が生じない、保護バンド上で、データ伝送する新規の送受信スキームが提出される。新規の送受信スキームは以下で詳述される。

図2は、本発明の具体例による通信装置の伝送器200を示す図である。まず、QAM変調器201は、直交振幅変調（Quadrature Amplitude Modulation、QAM)により伝送される所望のデータを変調する。QAMは、16-QAM、64-QAMである。QAM変調後、直列-並列（Serial to Parallel）転換手段202は、シリアルデータをパラレルデータに変換する。次に、IFFT手段203は、パラレルデータ上で、N点の逆高速フーリエ変換（IFFT)を実行し、N個の直交副搬送波上でデータを運ぶ。本発明の具体例によると、図1で示されるように、バンド101に位置するレギュラー副搬送波とバンド102に位置する保護副搬送波からなる全副搬送波は、データの伝送に用いられる。言い換えると、保護バンド中の保護副搬送波はゼロトーンを運ばず、レギュラー副搬送波と所望のデータを運ぶのに用いられる。IFFT後、サイクリックプレフィックス（Cyclic Prefix）挿入手段204が、変換データ中に、サイクリックプレフィックスを挿入する。次に、デジタルアナログコンバータ(DAC)205は、デジタルデータをアナログ信号に変換する。ラジオ周波数(RF)変調器206が、所定のRF搬送周波数に従って、ベースバンドアナログ信号をRF信号にアップコンバートした後、RF信号は、アンテナ207により、無線インタフェースに伝送される。本発明の具体例によると、伝送器200は、マルチRFキャリアバンド、例えば、図1で示されるBand #1〜Band #4上で、データを運ぶ。各RFキャリアバンドは、中心RF搬送周波数と所定チャネル帯域幅(信号帯域幅)を有する。本発明の具体例によると、近接するRFキャリアバンド間の保護副搬送波は、所望のデータの伝送に用いられるので、OFDMA通信システムのピーク伝送速度は更に加速し、スペクトル効率が大幅に改善される。

図3は、本発明の具体例による通信装置中の受信器300を示す図である。アンテナ301は、受信モジュールの一素子で、無線インタフェースからRF信号S_RFを受信する。本発明の具体例によると、受信器300は、複数の受信経路を有し、マルチバンドRF信号を受信する。各RF信号S_RFは所定の信号帯域幅内で、RFキャリア信号のデータを運び、且つ、各RF信号S_RFは、複数のレギュラー副搬送波周波数成分と複数の保護副搬送波周波数成分からなり、前述のように、保護副搬送波はRFキャリアバンドの両辺縁（the edges）周囲に位置する。図4(A)は、本発明の具体例によるマルチバンドRF信号の周波数成分を示すスペクトルで、図4(A)中、第i個と第(i+1)個のRFキャリアバンドのスペクトルが示され、黒塗り円はレギュラー副搬送波トーンを示し、斜線がある空心円は近接するRFキャリアバンド間に位置する保護バンドの保護副搬送波トーンを示す。図で示されるように、各RFキャリアバンドは所定帯域幅BWを有する。本技術領域を熟知する者なら分かるように、RFキャリア帯域幅はOFDMA標準により明確に定義される。例えば、RFキャリア帯域幅は、10MHzに設計される(保護バンドが含まれる時、実際は、11.2MHz)。RF復調器302は、受信モジュールのその他の素子で、RFキャリアバンドの所定RF搬送周波数に従って、RF信号S_RFをダウンコンバートして、ベースバンド信号を生成する。ローパスフィルター(LPF)303は、不要な信号をろ過で除去し、フィルター処理された信号を得る。本発明の具体例によると、ローパスフィルターのフィルター帯域幅は十分に広く設計され、RFキャリアバンド中のレギュラー副搬送波周波数成分と少なくとも半分の保護副搬送波周波数成分を歪まないように通過させる。例えば、図4(B)と図4(C)で示されるように、LPF401とLPF402のフィルター帯域幅は十分に広く、レギュラー副搬送波周波数成分と保護副搬送波周波数成分両方が通過できる。本発明の別の具体例によると、保護バンドは近接するRFキャリアバンド間でシェアされるので、ローパスフィルターのフィルター帯域幅は十分に広く設計されて、信号のレギュラー副搬送波周波数成分と半分の保護副搬送波周波数成分が通過する。

ローパスフィルタリング後、アナログデジタルコンバータ(ADC)304は、サンプリングレートF_Sによりフィルター処理された信号をサンプリングし、複数のデジタルサンプルを得る。本発明の具体例によると、サンプリングレートF_Sは、標準のサンプリングレートF_Stdより高く設計される。本技術領域を熟知する者なら分かるように、標準サンプリングレートF_StdとFFT/IFFTを実行する標準点数Nは、一般に、RFキャリア帯域幅BWに基づいて定義される。本発明の具体例によると、LPF303のフィルター帯域幅は、公知のOFDMA受信器のLPFより更に広く、且つ、ADC304のサンプリングレートF_Sは、標準のサンプリングレートF_Stdより高く設計されて、近接するバンド干渉を回避する。ADC後、サイクリックプレフィックス除去手段305は、デジタルサンプルから、挿入されたサイクリックプレフィックスを除去し、高速フーリエ変換(FFT)モジュール306は、デジタルサンプル上で、M点のFFTを実行して、複数の変換されたサンプルを得る。本発明の具体例によると、前述のように、所定点数Mは、所定のキャリア帯域幅に関連して定義された標準点数Nより大きい。FFT後、伝送器により変調されたレギュラー副搬送波トーンと保護副搬送波トーンが回収でき、図4(D)で示される。FFT後、副搬送波コレクター307は、変換されたサンプルから、伝送器200により副搬送波中でスクランブルされているデータを収集し、更に、デコードする。本発明の具体例によると、副搬送波コレクター307は、レギュラー、及び、保護副搬送波トーン両方からデータを収集する。最後に、並列-直列（Parallel to Serial）転換手段308は収集されたサンプルを変換し、シリアルデータを得て、QAM復調器309は、シリアルデータを復調して、所望のデータを回収する。

本発明の具体例によると、ADC303のサンプリングレートF_Sは、標準のサンプリングレートF_Std、或いは、所定RFキャリア帯域幅BWの倍数である。例えば、サンプリングレートF_Sと標準のサンプリングレートF_Stdの比率、或いは、サンプリングレートF_Sと所定信号帯域幅BWの比率は2の累乗である。FFTモジュール306の所定点数Mは、比率(F_S/F_Std)、或いは、(F_S/BW)と相関する。例えば、FFTモジュール306の所定点数MはK×Nに設計され、Kは正の整数で、比率(F_S/F_Std)、或いは、(F_S/BW)に関連する。本発明の具体例によると、拡張されたフィルター帯域幅と増加したサンプリングレートを有するので、近接するバンドのエイリアシング（alias signals）の干渉が減少する。よって、保護バンド上のデータ伝送と受信が達成される。この他、本発明により提出される送受信スキームに基づいて、伝送器と受信器機構は、変化なしで、各種システム帯域幅に応用することができ、異なる数量のRFキャリアバンドを用いて、異なるシステム帯域幅を得ることができる。

図5は、本発明の具体例によるマルチバンドOFDMA通信システム中のデータ送受信方法のフローチャートを示す図である。本発明の具体例によると、伝送器(例えば、伝送器200)は、複数のRFキャリアバンドにより、データを無線インタフェースに伝送する(ステップS501)。各RFキャリアバンドは所定の信号帯域幅を有し、且つ、N個の副搬送波トーン周波数成分からなり、N個の副搬送波トーンは、複数のレギュラー副搬送波トーンと、近接するRFキャリアバンド間に位置する複数の保護副搬送波トーンと、からなる。データは、レギュラー副搬送波トーンと保護副搬送波トーン両方により運ばれる。受信器(例えば、受信器300)は、無線インタフェースから、RF信号を受信し、RF信号は、少なくとも一つのRFキャリアバンドの周波数成分を含む(ステップS502)。次に、受信器は、RF信号を処理して、複数のデジタルサンプルを得る(ステップS503)。本発明の具体例によると、デジタルサンプルは、RF信号の所定信号帯域幅を超過するサンプリングレートに従って得られる。最後に、受信器は、デジタルサンプルからデータを回収する(ステップS504)。

図6は、本発明の具体例によるRF信号を処理して、所望のデータを回収する方法のフローチャートである。まず、受信器は、RF信号をベースバンド信号にダウンコンバートする(ステップS601)。次に、受信器は、フィルター帯域幅を用いて、ベースバンド信号にローパスフィルターを実行して、フィルター処理された信号を得る。フィルター帯域幅は十分に広く、受信されたRFキャリアバンドのレギュラー副搬送波トーンと少なくとも半分の保護副搬送波トーンが通過する(ステップS602)。次に、受信器は、RF信号の所定の信号帯域幅、或いは、標準のサンプリングレートより高いサンプリングレートにより、フィルター処理された信号をオーバーサンプリングして、デジタルサンプルを得る(ステップS603)。次に、受信器は、デジタルサンプル上でM点のフーリエ変換を実行して、複数の変換されたサンプルを得て、M=K×N、Kは正の整数で、且つ、Kは、サンプリングレートと所定の信号帯域幅の比率、或いは、サンプリングレートと標準のサンプリングレートの比率に関連する(ステップS604)。最後に、受信器は変換されたサンプルからデータを収集する(ステップS605)。

本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変動や潤色を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。

Claims (19)

1. 通信システムに用いる通信装置であって、
   所定信号帯域幅を有する信号を受信し、前記信号は、複数のレギュラー副搬送波周波数成分と複数の保護副搬送波周波数成分からなり、且つ、前記信号は、前記レギュラー、及び、前記保護副搬送波周波数成分上で、データを運ぶ受信モジュールと、
   前記信号をろ過して、フィルター処理された信号を得て、フィルター帯域幅が十分に広く、前記信号の前記レギュラー副搬送波周波数成分と少なくとも半分の前記保護副搬送波周波数成分が通過するローパスフィルターと、
   前記信号の前記所定信号帯域幅に従って定義される標準のサンプリングレートを超えるサンプリングレートで、前記フィルター処理された信号をサンプリングし、複数のデジタルサンプルを得るアナログデジタルコンバータ(ADC)と、
   前記所定のキャリア帯域幅に従って定義される標準点数を超える所定点数の前記デジタルサンプルで、高速フーリエ変換を実行し、複数の変換されたサンプルを得る高速フーリエ変換(FFT)モジュールと、
   前記変換されたサンプルから、データを回収する副搬送波コレクターと、
   からなることを特徴とする通信装置。
2. 前記変換されたサンプルは、複数のレギュラー副搬送波トーンと複数の保護副搬送波トーンからなり、且つ、前記副搬送波コレクターは、前記レギュラーと前記保護副搬送波トーン両方から前記データを収集することを特徴とする請求項１に記載の通信装置。
3. 前記データは、複数のラジオ周波数(RF)キャリアバンド上で伝送され、且つ、各RFキャリアバンドは、前記所定信号帯域幅中、前記レギュラー副搬送波周波数成分と、近接するRFキャリアバンド間に位置する前記保護副搬送波周波数成分と、からなることを特徴とする請求項１に記載の通信装置。
4. 前記ローパスフィルターの前記フィルター帯域幅は十分に広く、RFキャリアバンドの前記レギュラー副搬送波周波数成分と前記保護副搬送波周波数成分が通過することを特徴とする請求項３に記載の通信装置。
5. 前記ADCの前記サンプリングレートは前記標準のサンプリングレートの倍数であることを特徴とする請求項１に記載の通信装置。
6. 前記ADCの前記サンプリングレートと前記標準のサンプリングレートの第一比率は、２の累乗であることを特徴とする請求項１に記載の通信装置。
7. 前記FFTの前記所定点数と前記標準点数の第二比率は前記第一比率に相関することを特徴とする請求項６に記載の通信装置。
8. 前記通信システムは、マルチバンド直交周波数分割多重接続(OFDMA)通信システムであることを特徴とする請求項１に記載の通信装置。
9. マルチバンド直交周波数分割多重接続(OFDMA)通信システムに用いるデータ送受信方法であって、
   複数のラジオ周波数(RF)キャリアバンドにより、データを無線インタフェースに伝送し、各RFキャリアバンドは所定信号帯域幅を有し、且つ、N個の副搬送波トーンの周波数成分からなり、前記N個の副搬送波トーンは、複数のレギュラー副搬送波トーンと、近接するRFキャリアバンド間に位置する複数の保護副搬送波トーンと、からなり、前記データは、前記レギュラー副搬送波トーンと前記保護副搬送波トーン両方により運ばれるステップと、
   前記無線インタフェースから、少なくとも一つのRFキャリアバンドの前記周波数成分からなるRF信号を受信するステップと、
   複数のデジタルサンプルを得るために前記RF信号を処理するステップであって、前記デジタルサンプルは、前記所定信号帯域幅を超えるサンプリングレートに従って得られるステップと、
   前記デジタルサンプルから、データを回収するステップと、
   からなることを特徴とする方法。
10. 前記処理ステップは、更に、
    前記RF信号をダウンコンバートして、ベースバンド信号を生成するステップと、
    フィルター帯域幅を用いて、前記ベースバンド信号にローパスフィルターを実行して、フィルター処理された信号を得て、前記フィルター帯域幅は十分に広く、前記受信されたRFキャリアバンドの前記レギュラー副搬送波トーンと少なくとも半分の前記保護副搬送波トーンが通過するステップと、
    前記サンプリングレートにより、前記フィルター処理された信号をオーバーサンプリングして、前記デジタルサンプルを得るステップと、
    を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記サンプリングレートは、前記所定信号帯域幅の倍数であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
12. 前記回収ステップは、更に、
    前記デジタルサンプルで、K×N点のフーリエ変換を実行し、複数の変換されたサンプルを得て、前記Kは、前記サンプリングレートと前記所定信号帯域幅の比率に相関するステップと、
    前記変換されたサンプルからデータを収集するステップと、
    を含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
13. 前記サンプリングレートと前記所定信号帯域幅の比率は２の累乗であることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
14. 前記ローパスフィルターの前記フィルター帯域幅は十分に広く、前記受信されたRFキャリアバンドの前記レギュラー副搬送波トーンと前記保護副搬送波トーンが通過することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
15. マルチバンド直交周波数分割多重接続(OFDMA)通信システムに用いるデータ受信方法であって、
    無線インタフェースから信号を受信し、前記信号はラジオ周波数(RF)キャリアバンド内でデータを運び、且つ、複数のレギュラー副搬送波周波数成分と、前記RFキャリアバンドの両辺縁に位置する複数の保護副搬送波周波数成分と、からなるステップと、
    フィルター帯域幅を用いて、前記信号にローパスフィルターを実行して、フィルター処理された信号を得て、前記フィルター帯域幅は十分に広く、
    前記信号の前記レギュラー副搬送波周波数成分と少なくとも半分の前記保護副搬送波周波数成分が通過するステップと、
    前記RFキャリアバンドの所定信号帯域幅を超えるサンプリングレートにより、前記フィルター処理された信号をサンプリングして、複数のデジタルサンプルを得るステップと、
    前記デジタルサンプルから、データを回収するステップと、
    からなることを特徴とする方法。
16. 前記信号は、N点の逆高速フーリエ変換(IFFT)を用いて変調され、前記RFキャリアバンド内でデータを運び、前記方法は、更に、
    前記デジタルサンプル上で、M点の高速フーリエ変換(FFT)を実行して、複数の変換されたサンプルを得て、前記Mは、正の整数で、且つ、前記Nより大きいステップと、
    前記変換されたサンプルからデータを収集するステップと、
    からなることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記MとNの比率は、正の整数で、且つ、前記サンプリングレートと前記所定信号帯域幅の比率に相関することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
18. 前記サンプリングレートと前記所定信号帯域幅の比率は、２の累乗であることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
19. 前記フィルター帯域幅は十分に広く、前記信号のレギュラー副搬送波周波数成分と保護副搬送波周波数成分両方が通過し、前記フィルター処理された信号を得ることを特徴とする請求項１５に記載の方法。

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