特許 7140333 スペクトラム分割伝送システム、スペクトラム分割伝送方法、送信装置および受信装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-09-12

(45)【発行日】2022-09-21

(54)【発明の名称】スペクトラム分割伝送システム、スペクトラム分割伝送方法、送信装置および受信装置

(51)【国際特許分類】

   H04L 27/26 20060101AFI20220913BHJP

【ＦＩ】

H04L27/26 200

H04L27/26 313

H04L27/26 412

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2019013498

(22)【出願日】2019-01-29

(65)【公開番号】P2020123788

(43)【公開日】2020-08-13

【審査請求日】2021-04-21

(73)【特許権者】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】501241645

【氏名又は名称】学校法人 工学院大学

(74)【代理人】

【識別番号】110003199

【氏名又は名称】弁理士法人高田・高橋国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】浦田 泉

(72)【発明者】

【氏名】山下 史洋

(72)【発明者】

【氏名】杉山 隆利

(72)【発明者】

【氏名】小俣 澄夏

(72)【発明者】

【氏名】白井 基

【審査官】原田 聖子

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－１０３９００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１４３４３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１４／１３６７５６（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０４Ｌ ２７／２６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

シングルキャリア変調信号を１以上のサブスペクトラムに分割し、各サブスペクトラムを周波数軸上に分散配置して伝送するスペクトラム分割伝送システムにおいて、
送信装置は、前記各サブスペクトラムの周波数配置の順番を入れ替えるインターリーブ手段を備え、
受信装置は、抽出フィルタで抽出した前記各サブスペクトラムを、前記インターリーブ手段で入れ替えた周波数配置の順番を元に戻すデインターリーブ手段を備え、
前記インターリーブ手段は、前記各サブスペクトラムの位相が不連続・非相関になる所定の法則で並び替えを行う構成であり、
前記デインターリーブ手段は、前記インターリーブ手段と共通の前記所定の法則に基づいて、前記インターリーブ手段で入れ替えた周波数配置の順番を元に戻す構成である
ことを特徴とするスペクトラム分割伝送システム。

【請求項2】

シングルキャリア変調信号を１以上のサブスペクトラムに分割し、各サブスペクトラムを周波数軸上に分散配置して伝送するスペクトラム分割伝送方法において、
送信装置は、前記各サブスペクトラムの周波数配置の順番を入れ替えるインターリーブ処理を行い、
受信装置は、抽出フィルタで抽出した前記各サブスペクトラムを、前記インターリーブ処理で入れ替えた周波数配置の順番を元に戻すデインターリーブ処理を行い、
前記インターリーブ処理では、前記各サブスペクトラムの位相が不連続・非相関になる所定の法則で並び替えを行い、
前記デインターリーブ処理では、前記インターリーブ処理と共通の前記所定の法則に基づいて、前記インターリーブ処理で入れ替えた周波数配置の順番を元に戻す
ことを特徴とするスペクトラム分割伝送方法。

【請求項3】

シングルキャリア変調信号を１以上のサブスペクトラムに分割し、各サブスペクトラムを周波数軸上に分散配置して伝送するスペクトラム分割伝送システムの送信装置において、
前記各サブスペクトラムの周波数配置の順番を入れ替えるインターリーブ手段を備え、
前記インターリーブ手段は、前記各サブスペクトラムの位相が不連続・非相関になる所定の法則で並び替えを行う構成であり、
前記所定の法則は、前記スペクトラム分割伝送システムが備える受信装置との間で予め共通化されている
ことを特徴とする送信装置。

【請求項4】

シングルキャリア変調信号を１以上のサブスペクトラムに分割し、各サブスペクトラムを周波数軸上に順番を入れ替えて分散配置して伝送するスペクトラム分割伝送システムの受信装置において、
抽出フィルタで抽出した前記各サブスペクトラムを、前記スペクトラム分割伝送システムが備える送信装置との間で予め共通化されている所定の法則に基づいて、前記送信装置で入れ替えた周波数配置の順番を元に戻すデインターリーブ手段を備え、
前記所定の法則は、前記各サブスペクトラムの位相が不連続・非相関になる並び替えを行うものである
ことを特徴とする受信装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、シングルキャリア変調信号を送受信する無線通信システムにおいて、シングルキャリア変調信号を複数のサブスペクトラムに分割し、さらに各サブスペクトラムを周波数軸上に分散配置して伝送するスペクトラム分割伝送システム、スペクトラム分割伝送方法、送信装置および受信装置に関する。

【背景技術】

【0002】

図５は、通信衛星を中継局とする無線通信システムの構成を示す。
図５(a) において、端末局と基地局は中継局（通信衛星）を介して接続される。実線は通信回線を示し、破線は制御回線を示す。基地局に設置される回線制御装置は、通信回線の周波数帯域の使用状況を把握しており、各端末局に対して通信回線の周波数帯域の割当および開放を行っている。また、図５(b) に示すように、基地局とは別に回線制御装置を配置した回線制御局を配置しても同様である。

【0003】

図６は、基地局を中継局とする無線通信システムの構成を示す。
図６において、端末局は各セル内において、基地局に設置される回線制御装置から周波数帯域の割当を受ける。なお、マクロセルとマイクロセルなど、セルが重畳している無線通信システムでは、重畳しているセル間で回線制御装置が連係動作する。

【0004】

このような無線通信システムでは、各端末局に割り当てられる通信回線の総帯域は、中継局が利用できるシステム帯域以下に制約される。システム帯域を有効利用するために用いられるデマンドアサイン方式では、通信を開始する端末局に動的に回線を割り当て、通信終了時に回線を開放するが、各端末局が非同期に回線割当と回線開放を繰り返すため、システム帯域上に不連続の複数の空き帯域が生じてしまう。

【0005】

そこで、送信側においてシングルキャリア変調信号を複数のサブスペクトラムに分割し、各サブスペクトラムを空き帯域に分散配置して送信し、受信側で元の連続した帯域の変調信号に復元する「スペクトラム分割伝送」が用いられている（非特許文献１）。

【0006】

図７は、従来のスペクトラム分割伝送システムの構成例を示す。図７(a) は送信装置、図７(b) は受信装置を示す。

【0007】

図７(a) において、送信装置は、変調器１０１、送信フィルタバンク１０、ＲＦ装置１０３を備える。送信データは、変調器１０１でＱＰＳＫなどの変調方式で変調され、シングルキャリア変調信号として送信フィルタバンク１０に入力する。

【0008】

送信フィルタバンク１０は、ＦＦＴ（フーリエ変換) 回路１２、分割フィルタ１３₁ ～１３_n （ｎは２以上の整数）、周波数シフタ１４₁ ～１４_n 、加算回路１５、ＩＦＦＴ（逆フーリエ変換) 回路１６を備え、シングルキャリア変調信号の帯域をｎ分割し、周波数軸上で分散配置して送信する構成である。シングルキャリア変調信号の帯域を４分割し（ｎ＝４）、各サブスペクトラムを分散配置する例を図８(a) ～(c) に示す。

【0009】

送信フィルタバンク１０に入力するシングルキャリア変調信号は、ＦＦＴ回路１２でフーリエ変換し、時間領域の信号から周波数領域の信号へ変換する。分割フィルタ１３₁ ～１３₄ は、周波数領域に変換されたシングルキャリア変調信号に対して、図８(a) の破線で示す信号帯域を４分割するフィルタ係数を周波数ごとに乗算し、図８(b) に示す４個のサブスペクトラム１～４を生成する。周波数シフタ１４₁ ～１４₄ は、各サブスペクトラムを周波数軸上の所望の帯域に分散配置し、加算回路１５で足し合わせることにより、図８(c) に示すような分散配置されたサブスペクトラム１～４が生成される。この分散配置後のサブスペクトラム１～４は、ＩＦＦＴ回路１６で逆フーリエ変換により周波数領域の信号から時間領域の信号へ変換され、ＲＦ装置１０３から送信される。

【0010】

図７(b) において、受信装置は、ＲＦ装置２０１、受信フィルタバンク２０、復調器２０３を備える。受信信号は、ＲＦ装置２０１で受信処理されて受信フィルタバンク２０に入力する。

【0011】

受信フィルタバンク２０は、ＦＦＴ回路２２、抽出フィルタ２３₁ ～２３_n 、周波数シフタ２４₁ ～２４_n 、加算回路２５、ＩＦＦＴ回路２６を備え、帯域をｎ分割されたサブスペクトラムを分割前のシングルキャリア変調信号に合成する構成である。帯域が４分割（ｎ＝４）されたシングルキャリア変調信号を合成する例を図８(d) ～(f) に示す。

【0012】

受信フィルタバンク２０に入力する受信信号は、ＦＦＴ回路２２でフーリエ変換し、時間領域の信号から周波数領域の受信信号へ変換する。抽出フィルタ２３₁ ～２３₄ は、周波数領域に変換された受信信号に対してフィルタ係数を乗算し、図８(d) に示すように、送信側で周波数シフトされた各サブスペクトラム１～４を抽出する。周波数シフタ２４₁ ～２４₄ は、図８(e) に示すように、抽出されたサブスペクトラム１～４を送信側で周波数シフトされる前の帯域に戻し、加算回路２５で足し合わせることにより、図８(f) に示すような合成された変調信号が生成される。この合成後の変調信号は、ＩＦＦＴ回路２６で逆フーリエ変換により周波数領域の信号から時間領域の信号へ変換されて出力される。復調器２０３は、受信フィルタバンク２０から出力されたシングルキャリア変調信号を復調し、受信データを復元する。

【0013】

このような送信装置および受信装置を用いることにより、シングルキャリア変調信号の占有帯域を分割して生成された各サブスペクトラムを周波数軸上の任意の場所に分散配置できるため、異なる複数のユーザで不連続な空き周波数帯域を有効利用することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0014】

【文献】特開２０１６－１１１６０７号公報

【非特許文献】

【0015】

【文献】阿部，中平，杉山：“帯域分散伝送におけるブラインド型位相補償方式の実験的検証”，信学技報,vol.111, no.336,SAT2011-46, pp.41-46, 2011年12月

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0016】

スペクトラム分割伝送では、スペクトラム分割数の増加に伴い、スペクトラム分割前に比べてＰＡＰＲ（Peak toAverage Power Ratio ：ピーク対平均電力比）が増大する。ＰＡＰＲが増大し、送信側の電力増幅器の最大送信電力を超えると、電力増幅器から出力される信号に非線形歪が生じ、通信品質が劣化する。

【0017】

非特許文献１の構成では、図９に示すように、送信側で分割したサブスペクトラム１～４は低周波数域から高周波数域に向けて順番に周波数配置するファーストフィット法が用いられる。この場合、サブスペクトラム間の位相は連続ではないが、サブスペクトラム間の相関性が高いため、ＰＡＰＲが増大する確率が高い。

【0018】

そこで、スペクトラム分割伝送において、ＰＡＰＲを低減しつつ送受信を可能にする方法が必要になる。

【0019】

特許文献１には、送信側で分割した各サブスペクトラムに意図的に異なる位相差を加え、全ての位相差の組み合わせの中からＰＡＰＲが最小となる位相差の組み合わせを一つ選択し、その組み合わせの位相差をサブスペクトラムに加えて送信することで、ＰＡＰＲを低減する方法が開示されている。しかし、この方法では、与える位相の分解能と分割数に応じて位相差の組み合わせ数が増大し、それぞれのＰＡＰＲを算出するための演算回路数が増大する。

【0020】

本発明は、簡単な構成でスペクトラム分割によって生じる送信時のＰＡＰＲを低減することができるスペクトラム分割伝送システム、スペクトラム分割伝送方法、送信装置および受信装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0021】

第１の発明は、シングルキャリア変調信号を１以上のサブスペクトラムに分割し、各サブスペクトラムを周波数軸上に分散配置して伝送するスペクトラム分割伝送システムにおいて、送信装置は、各サブスペクトラムの周波数配置の順番を入れ替えるインターリーブ手段を備え、受信装置は、抽出フィルタで抽出した各サブスペクトラムを、インターリーブ手段で入れ替えた周波数配置の順番を元に戻すデインターリーブ手段を備える。

【0022】

第１の発明のスペクトラム分割伝送システムにおいて、インターリーブ手段は、各サブスペクトラムの位相が不連続・非相関になる並び替えを行う構成である。

【0023】

第２の発明は、シングルキャリア変調信号を１以上のサブスペクトラムに分割し、各サブスペクトラムを周波数軸上に分散配置して伝送するスペクトラム分割伝送方法において、送信装置は、各サブスペクトラムの周波数配置の順番を入れ替えるインターリーブ処理を行い、受信装置は、抽出フィルタで抽出した各サブスペクトラムを、インターリーブ処理で入れ替えた周波数配置の順番を元に戻すデインターリーブ処理を行う。

【0024】

第２の発明のスペクトラム分割伝送方法において、インターリーブ処理では、各サブスペクトラムの位相が不連続・非相関になる並び替えを行う。

【0025】

第３の発明は、シングルキャリア変調信号を１以上のサブスペクトラムに分割し、各サブスペクトラムを周波数軸上に分散配置して伝送するスペクトラム分割伝送システムの送信装置において、各サブスペクトラムの周波数配置の順番を入れ替えるインターリーブ手段を備える。

【0026】

第４の発明は、シングルキャリア変調信号を１以上のサブスペクトラムに分割し、各サブスペクトラムを周波数軸上に順番を入れ替えて分散配置して伝送するスペクトラム分割伝送システムの受信装置において、抽出フィルタで抽出した各サブスペクトラムを、送信側で入れ替えた周波数配置の順番を元に戻すデインターリーブ手段を備える。

【発明の効果】

【0027】

本発明は、シングルキャリア変調信号を分割した各サブスペクトラムの周波数配置の順番を入れ替えて分散配置することにより、各サブスペクトラムに分割することで生じる送信時のＰＡＰＲの増大を低減し、通信品質を改善することができる。

【図面の簡単な説明】

【0028】

【図1】本発明のスペクトラム分割伝送システムの構成例を示す図である。

【図2】本発明におけるスペクトラム分割・分散配置例１を示す図である。

【図3】本発明におけるスペクトラム分割・分散配置例２を示す図である。

【図4】従来方法と本発明方法のシミュレーション結果を示す図である。

【図5】通信衛星を中継局とする無線通信システムの構成を示す図である。

【図6】基地局を中継局とする無線通信システムの構成を示す図である。

【図7】従来のスペクトラム分割伝送システムの構成例を示す図である。

【図8】スペクトラム分割伝送における帯域分割・帯域合成の例を示す図である。

【図9】従来のスペクトラム分割伝送における位相状態を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0029】

本発明のスペクトラム分割伝送システムは、送信側においてシングルキャリア変調信号を複数のサブスペクトラムに分割し、各サブスペクトラムを周波数軸上に分散配置して送信し、受信側で元の連続した帯域の変調信号に復元する構成は、従来のものと同様である。本発明の特徴は、分割した複数のサブスペクトラムの周波数配置をインターリーブ（並び替え）し、各サブスペクトラムの位相を不連続・非相関にしてＰＡＰＲを低減するところにある。

【0030】

図１は、本発明のスペクトラム分割伝送システムの構成例を示す。図１(a) は送信装置、図１(b) は受信装置を示す。

【0031】

図１(a) において、送信装置を構成する変調器１０１、送信フィルタバンク１０、ＲＦ装置１０３は、図７(a) に示す従来の送信装置と同様の構成である。送信フィルタバンク１０は、ＦＦＴ（フーリエ変換) 回路１２、分割フィルタ１３₁ ～１３_n （ｎは２以上の整数）、周波数シフタ１４₁ ～１４_n 、加算回路１５、ＩＦＦＴ（逆フーリエ変換) 回路１６を備える。本発明における周波数シフタ１４₁ ～１４_n は、サブスペクトラム配置パターン制御部１７の制御によりそれぞれの周波数シフト量を調整し、シングルキャリア変調信号の帯域をｎ分割した各サブスペクトラムの周波数配置をインターリーブして分散配置する。シングルキャリア変調信号の帯域を４分割し（ｎ＝４）、各サブスペクトラムをインターリーブ分散配置する例を図２(a) ～(c) に示す。

【0032】

図２(c) に示すインターリーブ分散配置例は、周波数順のサブスペクトラム１，２，３，４をランダム配置によりサブスペクトラム２，４，３，１に並び替える。このインターリーブ分散配置後のサブスペクトラム２，４，３，１は、ＩＦＦＴ回路１６で周波数領域の信号から時間領域の信号へ変換され、ＲＦ装置１０３で増幅されて送信される。このとき、各サブスペクトラムの位相が不連続・非相関になっているのでＰＡＰＲが低減する。

【0033】

図１(b) において、受信装置を構成するＲＦ装置２０１、受信フィルタバンク２０、復調器２０３は、図７(b) に示す従来の受信装置と同様の構成である。受信フィルタバンク２０は、ＦＦＴ回路２２、抽出フィルタ２３₁ ～２３_n 、周波数シフタ２４₁ ～２４_n 、加算回路２５、ＩＦＦＴ回路２６を備える。本発明における周波数シフタ２４₁ ～２４_n は、サブスペクトラム配置パターン制御部２７の制御により周波数シフト量を調整し、周波数順に抽出されたサブスペクトラム２，４，３，１をデインターリーブし、送信側でインターリーブ分散配置される前のサブスペクトラム１，２，３，４の周波数順に戻し、シングルキャリア変調信号に合成して復調する。

【0034】

図２(a) ～(c) は、インターリーブ分散配置の例として所定の法則によるランダム配置を示す。送信装置のサブスペクトラム配置パターン制御部１７と、受信装置のサブスペクトラム配置パターン制御部２７におけるインターリーブ／デインターリーブの所定の法則を共通とすることにより、インターリーブした周波数配置を元の周波数配置に戻すことができる。

【0035】

図３(a) ～(c) は、インターリーブ分散配置の他の例としてローテーション配置を示す。すなわち、サブスペクトラム１，２，３，４をローテーション配置によりサブスペクトラム３，４，１，２に並び替える。あるいは、サブスペクトラム４，１，２，３に並び替えてもよい。また、サブスペクトラム１，２，３，４を逆ローテーション配置によりサブスペクトラム２，１，４，３に並び替えてもよい。各サブスペクトラムのインターリーブの方法は、これらの組み合わせでもよいし、他の方法を用いてもよい。

【0036】

図４は、従来方法と本発明方法のシミュレーション結果を示す。
図４において、(a),(b) シングルキャリア変調信号の帯域を４分割し、(c1)従来の４分割ファーストフィット法により分散配置後のサブスペクトラム１，２，３，４と、(c2)本発明の４分割インターリーブ法により分散配置後のサブスペクトラム４，１，２，３を示す。

【0037】

ＰＡＰＲ累積確率分布（ＣＣＤＦ）10^-2点は、従来手法では 8.4ｄＢになるのに対して、本発明手法では7.95ｄＢまで低減し、0.45ｄＢの改善効果を確認した。

【0038】

なお、以上の説明では、シングルキャリア変調信号を４つのサブスペクトラムに分割する例を示したが、スペクトラム分割は２以上であればよい。また、一部のサブスペクトラムを削除して送信し、受信側で削除したサブスペクトラムを再生する「スペクトラム圧縮伝送」においても、本発明の各サブスペクトラムのインターリーブは有効である。

【符号の説明】

【0039】

１０ 送信フィルタバンク
２０ 受信フィルタバンク
１２，２２ ＦＦＴ（フーリエ変換) 回路
１３，２３ 分割フィルタ
１４，２４ 周波数シフタ
１５，２５ 加算回路
１６，２６ ＩＦＦＴ（逆フーリエ変換) 回路
１７，２７ サブスペクトラム配置パターン制御部
１０１ 変調器
１０３，２０１ ＲＦ装置
２０３ 復調器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】