JP4534037B2

JP4534037B2 - Ｏｆｄｍ通信装置

Info

Publication number: JP4534037B2
Application number: JP2004326136A
Authority: JP
Inventors: 誠大西; 正雄中川
Original assignee: Keio University
Current assignee: Keio University
Priority date: 2004-11-10
Filing date: 2004-11-10
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2024-11-10
Also published as: JP2006140566A

Description

本発明は、ＯＦＤＭ通信装置に関し、特にデジタル通信でありながら遅延が少ないＯＦＤＭ通信装置に関する。

ロボット等の遠隔操縦技術の研究開発が盛んに行われている。特に、触覚情報（駆動力及び反応力）を双方向伝送して制御を行う双方向ロボットは、遠隔医療手術、地震や災害による倒壊家屋での救護、行方不明者の捜索、さらには地雷撤去、原発事故等における危険物処理などでの活躍が期待されている。

ところで、これらのロボットと操縦装置との情報伝達手段としては、従来、有線通信が主流であった。この情報伝達を無線通信で行うことは、ロボットの可動性、ケーブルから解放されることによる移動範囲の拡大、ロボット装置の搬送、設置の容易さなどの緊急時即応性等、多くの利点がある。一方で、無線を用いることによる欠点もある。無線通信には伝送路上で雑音が混入することは避けられず、そのために生ずる伝送符号誤りの対策が不可欠である。この対策としては、
１）誤り検出符号を用いて受信側で誤りの有無を検出し、誤り検出された場合には、送信側に再送要求を返すＡＲＱ方式（自動再送要求方式）、
２）誤り訂正符号を用い、受信側で自動的に誤りを訂正するＦＥＣ（Forward Error Correction 前方誤り訂正）方式
などがある。

後者の方式では、訂正能力を向上させるためにインタリーブ（伝送符号を時間的にシャッフルし、連続なバースト誤りをランダム誤りに変換する）技術が併用されることが多く、いずれの方式でも、信号の送受に時間遅延を伴う欠点があり、ロボット制御などのリアルタイム通信への無線通信の適用を阻害する最大要因となっていた。

この伝送時間遅延を小さくできる無線通信手段として、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing 直交周波数分割多重）方式に、ＡＣＳ（Adaptive sub-Carrier Selection 適応チャネル選択）技術を適用する方式が提案されている（例えば、特許文献１参照）。ＯＦＤＭ方式は周波数の異なる複数の直交サブキャリヤを用いて通信を行う方式で、周波数利用効率が高く、高速なデータが伝送可能な特徴を持つ無線通信方式である。

図５は、従来のＯＦＤＭ通信装置の構成を示す図である。従来のＯＦＤＭ通信装置は、受信部が、低雑音増幅器（ＬＮＡ）３１、周波数変換器（ＤＣ）３２、フーリエ変換器（ＦＦＴ）３３、復調器３４、デインタリーパ３５、及び復号器３６から成り、送信部が、符号器３７、インタリーバ３８、変調器３９、逆フーリエ変換器（ＩＦＦＴ）４０、周波数変換器（ＵＣ）４１、及び電力増幅器（ＨＰＡ）４２から成る。

ＯＦＤＭ送信部に入力されたデータは符号器３７、インタリーバ３８により誤り訂正符号化され、変調器３９によりＯＦＤＭの各サブキャリヤを変調する。変調されたサブキャリヤを周波数分割多重し、逆フーリエ変換器４０により時間域のＯＦＤＭ変調波形に変換する。得られたＯＦＤＭ送信波を周波数変換器４１、電力増幅器４２を経て、アンテナから送出する。

受信部では、アンテナで受信された受信信号は、低雑音増幅器３１、周波数変換器３２を経て、受信ＯＦＤＭ変調波をフーリエ変換器３３により、各サブキャリヤに周波数分割分離し、復調器３４を経てからデインタリーパ３５、復号器３６により、データを誤り訂正復号する。

無線伝送では伝搬路でのフェーディングにより伝搬路周波数特性の影響を受け、符号誤り率が劣化するので、図５に示した符号誤り対策技術が用いられる。しかしながら、ロボット制御のように伝送速度のあまり大きくない通信の場合には、ＯＦＤＭの複数のチャネルの中からキャリヤ振幅の大きいチャネルを適応的に選択して通信を行うＡＣＳ通信方式が適用できる。

図６は、ＡＣＳ通信方式の原理を示す図である。図６に示すように、ＯＦＤＭ送信機１００から送出された電波は様々な伝搬経路を通ってＯＦＤＭ受信機２００に到達する。そのため、各伝搬経路の遅延を受けた複数の遅延波からなるフェーディング合成波として、受信される。その結果、ＯＦＤＭ送信機１００の出力端では平坦であったＯＦＤＭスペクトルは、ＯＦＤＭ受信機２００ではフェーディング伝搬路の周波数特性の影響を受け、各サブキャリヤは周波数によって振幅が変動する。ここで、キャリヤ振幅の減衰したチャネルでは、雑音による符号誤りが生ずる。

しかしながら、振幅の大きいキャリヤのみを選択して用いる（ＡＣＳ：適応サブキャリヤ選択）ことによりフェーディングのある伝搬路でも、符号誤りの少ない伝送が可能となる。このＡＣＳ方式を用いる場合にはキャリヤ振幅の大きいチャネルのみを使用することができるので、符号誤り対策としてインタリーブを用いる必要は無くなり、伝送に要する時間遅延を大幅に短縮することが可能となる。このように伝送遅延時間が短いことが要求される情報をＨＲ（hard real time）情報、伝送遅延が多少あっても構わない情報をＳＲ（soft real time）情報と呼んでいる。ＯＦＤＭ通信方式では、伝送帯域幅が大きく、これらの情報を多重化して、同時に伝送することが可能であり、ＨＲ情報にはＡＣＳを適用して符号誤り対策と伝送遅延短縮を行い、ＳＲ情報は通常のインタリーブにより、符号誤り対策を行うことができる。
特開２００３−２７３８２８号公報

このＡＣＳ技術を実際のＯＦＤＭ通信装置に適用するためには
１）電波伝搬環境情報を取得する手段を有すること
２）選択したＡＣＳチャネル情報を相手局に知らせること
の２つの技術課題を解決することが必要である。

本発明の目的は、これらの技術課題を具体的に実行する手段を提供し、実用的なＯＦＤＭ通信装置を提案することにある。

本発明のＯＦＤＭ通信装置は、受信信号を各搬送波毎の信号に変換するフーリエ変換器と、フーリエ変換器からの各搬送波毎の信号が変調多値数の異なる複数の変調方式のいずれで変調されているかを判別する変調方式判別器と、該変調方式判別器によって判別された変調方式として前記フーリエ変換器からの各搬送波を復調する復調器と、前記フーリエ変換器からの各搬送波をその振幅によって分けて振幅の大きい搬送波をＡＣＳチャネルとするチャネル推定器と、送信信号で、該チャネル推定器によってＡＣＳチャネルとされた搬送波を前記複数の変調方式の内の変調多値数の小さい変調方式で変調し、非ＡＣＳチャネルとされた搬送波を変調多値数の大きい変調方式で変調する変調器と、該変調器からの変調信号を時間域の信号に変換する逆フーリエ変換器と、前記チャネル推定器によって推定されたＡＣＳチャネルに関する情報であるＡＣＳ情報の履歴を記憶するＡＣＳメモリと、該ＡＣＳメモリに記憶されているＡＣＳ情報の履歴によって最新のＡＣＳ情報の誤りを訂正して前記変調器に出力する訂正器とを備える。

また、前記ＡＣＳメモリは、前記変調方式判別器によって判別された各搬送波の変調方式から取得するＡＣＳ情報をＡＣＳ情報の履歴として記憶することで、相手局から伝送されてくるＡＣＳ情報も利用してＡＣＳ情報の信頼度を更に向上することができる。

また、前記変調方式判別器が判別する前記複数の変調方式は、ＱＰＳＫ変調方式及びＢＰＳＫ変調方式であり、前記変調器が変調する前記変調多値数の小さい変調方式はＢＰＳＫ変調方式であり、前記変調多値数の大きい変調方式はＱＰＳＫ変調方式であることで、ＡＣＳチャネルの誤り率を小さくすることができる。

本発明によれば、電波伝搬環境情報の抽出に、データフレームを使用することが可能となるので、ＡＣＳ情報の信頼度が向上する。

また、ＡＣＳ情報の履歴によりＡＣＳ情報の誤りを補正することができるので、誤りの少ない無線通信が実現できる。

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１によるＯＦＤＭ通信装置の構成を示す図である。図２は、本発明のデータフレーム構成例を示す図である。図３は、本発明の変調方式例を説明する図である。

無線通信において双方向伝送を行う方式としては、図２に示すようにＦＤＤ（Frequency Division Duplex）方式とＴＤＤ（Time Division Duplex）方式がある。ＦＤＤ方式は、上り回線（ＳＳ(子局：Subscriber Station)→ＭＳ(親局：Master Station)）と下り回線（ＭＳ→ＳＳ）に異なる周波数を割当てて通信を行う。ＴＤＤ方式では親局と子局で同一の周波数の電波を用いて通信を行い、上り回線（ＳＳ→ＭＳ）と下り回線（ＭＳ→ＳＳ）で時間を交互に分割してバースト状に電波を送信する方式である。ＦＤＤ方式では上りと下りで周波数が異なるため時間的には連続してデータを送出することができるが、データの同期をとる目的で、ＴＤＤ方式と同じようにデータをフレーム構成する。フレームの先頭にはプリアンブルという送受で既知のフレームが置かれ、続いて複数のデータフレームが配置される。

ＯＦＤＭ方式では複数のサブキャリヤを用いるので、各々の変調方式を変えることが可能である。そこで、ＨＲ情報とＳＲ情報の変調方式を異なる方式とする。図３では例として、ＨＲ情報をＢＰＳＫ（２相位相）変調方式、ＳＲ情報をＱＰＳＫ（４相位相）変調方式で伝送する場合を示す。ＢＰＳＫは１ビットデータの０、１に応じて搬送波の位相を０とπに割当てる方式、ＱＰＳＫは２ビットデータの００、０１、１１、１０に対して搬送波位相をπ／４、３π／４、５π／４、７π／４に対応させる方式である。変調方式を変えても各チャンネルの送信電力は同じ値とするため、ＢＰＳＫ及びＱＰＳＫ変調の変調信号点配置を描くと図３のように同一円上に並ぶ。ここで、ＢＰＳＫ信号のＱ（直交位相）軸の振幅は０となることに注意する。こうして、ＯＦＤＭフレームのデータフレームの内、ＡＣＳチャンネルはＨＲ情報によりＢＰＳＫ変調し、非ＡＣＳチャンネルはＱＰＳＫ変調して伝送する。受信側では、データフレームの各チャンネルのＱ（直交位相）軸成分の振幅値を調べ、振幅値がＱｔｈ（ＱＰＳＫ変調のＱ成分振幅値の１／２）よりも小さければ、ＢＰＳＫ変調されたＨＲ情報、Ｑｔｈよりも大きければＱＰＳＫ変調されたＳＲ情報として判定し、復号を行うことができる。

これを具体的にＴＤＤ方式において実現したＯＦＤＭ通信装置の構成を図１に示した。本実施例１のＯＦＤＭ通信装置は、受信ＲＦ部１１、フーリエ変換器（ＦＦＴ）１２、変調方式判別器１３、復調器１４、チャネル推定器１５、ＡＣＳメモリ１６、訂正器１７、変調器１８、逆フーリエ変換器（ＩＦＦＴ）１９、及び送信ＲＦ部２０から成る。受信ＲＦ部１１は低雑音増幅器３１及び周波数変換器３２（図５参照）と、フーリエ変換器１２はフーリエ変換器３３と、それぞれ同じものである。変調方式判別器１３は、各周波数の変調方式がＢＰＳＫ変調であるのか、ＱＰＳＫ変調であるのかを上述のようにＱ軸成分の振幅値によって判別し、判別結果からＡＣＳ情報を取得してＡＣＳメモリ１６に前バーストのＡＣＳ情報として記憶する。復調器１４は変調方式判別器１３によって判別された変調方式の復調を行ってＨＲ情報又はＳＲ情報を出力する。これら情報は従来のＯＦＤＭ通信装置と同様に、ＨＲ情報についてはそのまま、ＳＲ情報についてはデインタリーブして復号する。チャネル推定器１５は、受信したプリアンブル及び各データフレームからフェーディング伝搬路の情報を推定し、キャリヤ振幅の大きいチャネルをＡＣＳチャネルとして、現バーストのＡＣＳ情報としてＡＣＳメモリ１６に記憶する。この際、本実施例において、ＢＰＳＫ変調又はＱＰＳＫ変調を用いているので、バースト中を通じて各キャリヤの振幅は同一であり、現バーストにおける振幅の平均値を各キャリヤの振幅値とすることができるし、精度をやや犠牲にできるのであれば、プリアンブル又はデータフレームのいずれかのサンプルの振幅値を用いて平均計算を省略することもできる。ＡＣＳメモリ１６は、一連のバーストのＡＣＳ情報を記憶する。ＴＤＤ方式では自局と相手局で用いる周波数帯が同一であるから、フェーディングの状況も同じとなる。したがって、相手局から取得したＡＣＳ情報と自局で推定したＡＣＳ情報とを一連のバーストのＡＣＳ情報とすることができる。訂正器１７は、ＡＣＳメモリ１６に記憶された現バーストから推定されたＡＣＳ情報を過去のＡＣＳ情報と比較して極端に違う場合に誤りがあると見て直前のＡＣＳ情報と置き換えること等で誤り訂正する。変調器１８は、インタリーブされていないＨＲ情報をＡＣＳチャネルに割り当ててＢＰＳＫ変調し、インタリーブされたＳＲ情報を非ＡＣＳチャネルに割り当ててＱＰＳＫ変調する。この際のＡＣＳ情報は、ＡＣＳメモリ１６に記憶された最新のＡＣＳ情報を訂正器１７で誤り訂正したものを用いる。逆フーリエ変換器１９は逆フーリエ変換器４０と、送信ＲＦ部２０は周波数変換器４１及び電力増幅器４２（図５参照）と、それぞれ同じものである。

本実施例においては、受信した各キャリヤの変調方式を判別することによってＡＣＳ情報を取得するので、特別にＡＣＳ情報を伝送するためのデータフレームを用意する必要がない。

また、ＨＲ情報をＢＰＳＫ変調するのは、ＢＰＳＫ変調の方がビット当たりのパワーが大きいので誤り率が少ないことによる。これにより、ＨＲ情報を少ない誤り率で確実に伝送することができる。

図４は、本発明の実施例２によるＯＦＤＭ通信装置の構成を示す図である。本実施例は、本発明をＦＤＤ方式に適用したものである。ＦＤＤ方式では自局と相手局で用いる周波数帯が異なるから、相手局から取得したＡＣＳ情報は専ら復調のために使い、自局で推定したＡＣＳ情報の確からしさを確認するために用いることはできない。そこで、実施例１における変調方式判別器１３で変調方式を判別して取得したＡＣＳ情報をＡＣＳメモリ１６に記憶するものではないため、これらを新たに、変調方式判別器２３及びＡＣＳメモリ２６とした点を除いて、実施例１と同じ構成である。

本実施例においても、受信した各キャリヤの変調方式を判別することによってＡＣＳ情報を取得するので、特別にＡＣＳ情報を伝送するためのデータフレームを用意する必要がない。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない。

上記実施例１（ＴＤＤ方式）では、チャネル推定により取得した現バーストのＡＣＳ情報の誤りを訂正したが、変調方式判別により取得した前バーストのＡＣＳ情報の誤りを訂正するようにしてもよいし、さらに、現バースト及び前バーストを含めたＡＣＳ情報の履歴から、多数決論理などにより前バースト及び現バースト両方の誤りを訂正するようにしてもよい。また、このＡＣＳ情報の履歴を使ってＡＣＳ情報の誤りを訂正する技術は、変調方式によってＡＣＳ情報を伝送する技術とは独立した技術であるので、必ずしも変調方式によってＡＣＳ情報を伝送しなくても、別途ＡＣＳ情報伝送のためのフレームを用意してそのフレームで受信したＡＣＳ情報を、推定したＡＣＳ情報及び／又はＡＣＳ情報の履歴を使って誤り訂正する構成とすることもできる。

精度をやや犠牲にできるのであれば、訂正器を割愛してチャネル推定器で推定したＡＣＳ情報を誤り訂正せずにそのまま用いることもできる。

本発明の実施例１によるＯＦＤＭ通信装置の構成を示す図である。本発明のデータフレーム構成例を示す図である。本発明の変調方式例を説明する図である。本発明の実施例２によるＯＦＤＭ通信装置の構成を示す図である。従来のＯＦＤＭ通信装置の構成を示す図である。ＡＣＳ通信方式の原理を示す図である。

符号の説明

１１受信ＲＦ部
１２フーリエ変換器
１３変調方式判別器
１４復調器
１５チャネル推定器
１６ＡＣＳメモリ
１７訂正器
１８変調器
１９逆フーリエ変換器
２０送信ＲＦ部
２３変調方式判別器
２６ＡＣＳメモリ
３１低雑音増幅器
３２周波数変換器
３３フーリエ変換器
３４復調器
３５デインタリーパ
３６復号器
３７符号器
３８インタリーバ
３９変調器
４０逆フーリエ変換器
４１周波数変換器
４２電力増幅器
１００ＯＦＤＭ送信機
２００ＯＦＤＭ受信機

Claims

受信信号を各搬送波毎の信号に変換するフーリエ変換器と、
該フーリエ変換器からの各搬送波毎の信号が変調多値数の異なる複数の変調方式のいずれで変調されているかを判別する変調方式判別器と、
該変調方式判別器によって判別された変調方式として前記フーリエ変換器からの各搬送波を復調する復調器と、
前記フーリエ変換器からの各搬送波をその振幅によって分けて振幅の大きい搬送波をＡＣＳチャネルとするチャネル推定器と、
送信信号で、該チャネル推定器によってＡＣＳチャネルとされた搬送波を前記複数の変調方式の内の変調多値数の小さい変調方式で変調し、非ＡＣＳチャネルとされた搬送波を変調多値数の大きい変調方式で変調する変調器と、
該変調器からの変調信号を時間域の信号に変換する逆フーリエ変換器と、
前記チャネル推定器によって推定されたＡＣＳチャネルに関する情報であるＡＣＳ情報の履歴を記憶するＡＣＳメモリと、
該ＡＣＳメモリに記憶されているＡＣＳ情報の履歴によって最新のＡＣＳ情報の誤りを訂正して前記変調器に出力する訂正器と
を備えることを特徴とするＯＦＤＭ通信装置。
前記ＡＣＳメモリは、前記変調方式判別器によって判別された各搬送波の変調方式から取得するＡＣＳ情報をＡＣＳ情報の履歴として記憶することを特徴とする請求項１記載のＯＦＤＭ通信装置。
前記変調方式判別器が判別する前記複数の変調方式は、ＱＰＳＫ変調方式及びＢＰＳＫ変調方式であり、
前記変調器が変調する前記変調多値数の小さい変調方式はＢＰＳＫ変調方式であり、前記変調多値数の大きい変調方式はＱＰＳＫ変調方式であることを特徴とする請求項１又は２記載のＯＦＤＭ通信装置。