(57)【要約】【課題】従来の直接拡散方式と周波数ホッピング方式とを切替えるシステムにおいては、方式を切り替える際の妨害量の定量的基準が与えられておらず、さらに使用帯域幅を変更する処理までは考慮されていなかった。また、無線通信中に妨害レベルを観測する方法が明示されていなかった。【解決手段】通信中に占有帯域幅における妨害量を検出して、妨害量が所定レベル以上の場合には周波数ホッピング方式を適用して且つ予め設定した占有帯域幅以上の通信帯域幅を使用し、所定レベル未満の場合には直接拡散方式を適用して且つ予め設定した占有帯域幅未満の通信帯域幅を使用する。妨害量を検出するために、無線通信データにおけるフレームフォーマットの先頭部を既知符号系列からなるプリアンブル信号で構成する。受信されたプリアンブル部に対して相関処理を行って作成する相関プロファイルから全電力量を求め、全電力量と信号電力の差を計算して妨害電力を推定する。【選択図】図１
2006050032.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スペクトル拡散方式として情報を拡散符号により直接拡散する方式と、所定の周波数滞留時間毎に周波数をホッピングする方式とを備えた通信局を用いる耐ジャミング通信方法であって、
前記送信側または受信側の通信局は、通信中に占有帯域幅において妨害波と干渉波と伝送雑音から生じる妨害量のレベルを検出し、
該検出された前記妨害量レベルと予め設定した所定レベルとを比較処理し、
該比較結果が前記所定レベル以上の場合には前記周波数ホッピング方式を適用して且つ予め設定した占有帯域幅以上の通信帯域幅を使用し、前記所定レベル未満の場合には前記直接拡散方式を適用して且つ予め設定した前記占有帯域幅未満の通信帯域幅を使用することを特徴とする耐ジャミング通信方法。
【請求項２】
請求項１記載の耐ジャミング通信方法において、
無線通信データにおけるフレームフォーマットの先頭部を既知符号系列からなるプリアンブル信号で構成し、
受信したプリアンブル部のデータに対して前記既知符号系列との相関処理を行って相関プロファイルを作成し、
前記相関プロファイルのピーク探索を行ってからピーク位置に基づいて信号レベルを推定し、前記相関プロファイルから全プロファイルレベルを求めてから全プロファイルレベルと前記信号レベルの差として妨害レベルを推定することを特徴とする耐ジャミング通信方法。
【請求項３】
請求項１記載の耐ジャミング通信方法において、
第１の通信局において妨害レベルの判定に基づきスペクトル拡散方式あるいは通信帯域幅を変更すると決定した場合には、
まず方式変更の通知を前記第１の通信局から第２の通信局へ送信し、第２の通信局はその通知を受信したら確認したという情報を第１の通信局へ送信してから変復調処理におけるスペクトル拡散方式あるいは通信帯域幅を変更し、
前記第１の通信局は前記第２の通信局からの確認情報を受信してから変復調処理におけるスペクトル拡散方式あるいは通信帯域幅を変更することを特徴とする耐ジャミング通信方法。
【請求項４】
請求項１記載の耐ジャミング通信方法において、
第１の通信局において妨害レベルの判定に基づきスペクトル拡散方式あるいは通信帯域幅を変更すると決定した場合には、
前記第１の通信局は方式変更の通知を第２の通信局へ送信し、それから変復調処理におけるスペクトル拡散方式あるいは通信帯域幅を変更し、
前記第２の通信局は方式変更の通知を受信したら変復調処理におけるスペクトル拡散方式あるいは通信帯域幅を変更することを特徴とする耐ジャミング通信方法。
【請求項５】
請求項１記載の耐ジャミング通信方法において、
初期同期動作時には予め親局と子局とで規定しておいた既知符号系列の周期が短いショートコードを使用する事で高速な同期処理を実施し、
前記初期同期動作以降は既知符号系列を切り替えて周期が長いロングコードを使用して秘匿性を高めることを特徴とする耐ジャミング通信方法。
【請求項６】
請求項１記載の耐ジャミング通信方法において、
前記初期同期以降に同期処理を所要時間内で実施するために、
一定時間間隔で親局が各子局の通信確立を確認する送受信処理であるキープアライブ通信を実施し、
発振安定度に応じて生じる前記親局と前記各子局の位相ずれ時間が、前記同期所要時間を満足する範囲内となるようにキープアライブの通信間隔を設定する手段を備えることを特徴とする耐ジャミング通信方法。
【請求項７】
スペクトル拡散方式として情報を拡散符号により直接拡散する方式と、所定の周波数滞留時間毎に周波数をホッピングする方式とを切替えて使用する通信システムにおける耐ジャミング通信装置であって、
通信システムを前処理部と後処理部と無線部とから構成し、
送信処理においては前記前処理部で情報データの１ブロックを複数個に複製してそれらを連続させて１フレームとして前記無線部に送り、前記無線部ではフレーム単位でデータ送信を行う手段を設け、
受信処理においては前記無線部でフレーム単位でデータ受信を行って前記後処理部に送り、前記後処理部ではブロック単位に分解して多数決判定を実施して正しい情報データを推定する手段を設けることを特徴として備えている耐ジャミング通信装置。
【請求項８】
請求項７記載の耐ジャミング通信装置において、
前記無線部の送信部では畳み込み符号化処理と、インタリーブ処理と、ＱＰＳＫ変調あるいはＧＭＳＫ変調と、直接拡散変調あるいは周波数ホッピング変調を実施してデータ送信する手段を設け、
前記無線部の受信部では直接拡散復調あるいは周波数ホッピング復調と、ＱＰＳＫ復調あるいはＧＭＳＫ復調と、デインタリーブ処理と、ビタビ複合化処理を実施する手段を設けていることを特徴とする耐ジャミング通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信システムにおいてスペクトル拡散通信方式に基づき干渉波や妨害波に適応的に対処する方法に関するものである。本発明は通信中に干渉量及び妨害量等を推定処理し、スペクトル拡散通信の方式と使用する帯域幅とを定量的な判定に基づいて切り替える技術である。
【背景技術】
【０００２】
従来は例えば特開平８−１９５６９９号公報（特許文献１）に記載されているように通信に使用する周波数で突出した雑音レベルが観測される場合にはその周波数を除いて周波数ホッピング方式を適用し、突出した雑音レベルが存在しない場合には直接拡散方式を適用する装置が開示されていた。
【０００３】
さらに例えば、特開平１０−１９０５５１号公報（特許文献２）に記載されているように狭帯域妨害の発生しやすい無線ゾーンでは周波数ホッピング方式の無線機、マルチパスの発生しやすい無線ゾーンでは直接拡散方式の無線機を配置して、送信前に妨害量を検出して所定レベル以下であれば送信を開始するというシステムが開示されていた。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１９５６９９号公報
【０００５】
【特許文献２】特開平１０−１９０５５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した背景技術では、雑音レベルの観測方法が明示されていなかったり、通信中に妨害量を検出することは想定されていなかった。また直接拡散方式と周波数ホッピング方式とを切り替える定量的な基準が与えられておらず、さらに妨害量に応じて使用する帯域幅を変更する処理までは考慮されていなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では通信中に占有帯域幅における妨害量を検出して、予め設定した所定レベルと比較処理を行い、比較結果が所定レベル以上の場合には周波数ホッピング方式を適用して且つ予め設定した占有帯域幅以上の通信帯域幅を使用し、所定レベル未満の場合には直接拡散方式を適用して且つ予め設定した占有帯域幅未満の通信帯域幅を使用する手段を備える。
【０００８】
妨害量を検出するために、無線通信データにおけるフレームフォーマットの先頭部を既知符号系列からなるプリアンブル信号で構成する。受信されたプリアンブル部のデータに対して既知符号系列の相関処理を行って相関プロファイルを作成し、相関プロファイルのピーク探索を行ってからピークを中心とした一定領域を信号範囲と規定して信号電力量を推定し、相関プロファイルから全電力量を求めてから全電力量と信号電力の差として妨害電力を推定する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、妨害量に応じて適応的にスペクトル拡散方式及び使用帯域幅の切り替えを定量的な基準に基づいて実施できる。また通信中に妨害量の観測が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の耐ジャミング通信装置のシステム構成例を図1に示す。図１（ａ）は全体構成例である。送信部の前処理部において情報データの１ブロックを複数個に複製してそれらを連続させて１フレームの無線送信データを構築する。フレーム単位のデータを無線機で送受信し、受信部の無線機で受信したフレームデータを後処理部でブロック単位に分割して多数決処理を行い１ブロックのデータを判定する。このように前処理部及び後処理部で多数決処理を導入することにより、無線機処理において必要なビットエラーレート（以下BERと略す）を高く設定することができる。
【００１１】
所要BERが高い場合に適切な無線機の構成例を図１（ｂ）に示す。送信部ではまずデータに誤り訂正符号化を施して通信中のランダム誤りへの対処を図り、次にインタリーブ処理を行いバースト誤りへの対策を加える。そして1次変調では例えばQPSK方式やGMSK方式のような周波数効率が高く且つピークファクタが低い方式を適用する。続く２次変調ではスペクトル拡散方式（以下ＳＳ方式と略す）として直接拡散方式（以下ＤＳ方式と略す）と周波数ホッピング方式（以下ＦＨ方式と略す）とを無線通信中の妨害量に応じて切り替えて適用する。一方、受信部では２次復調の後に妨害量推定を実施してから1次復調を行い、デインタリーブ処理と誤り復号を施してからデータを後処理部へ送る。妨害量推定に基づいて２次変復調に関する切り替え判定を行い、それが送信部の２次変調と受信部の２次復調とにフィードバックされる。
【００１２】
２次変復調に関する切り替えの処理手順は、まず第１の通信局が２次変復調方式を変更すると判定した場合には、方式変更の通知を第２の通信局へ送信し、第２の通信局はその通知を受信したら確認したという情報を第１の通信局へ送信してから２次変復調方式を変更し、第１の通信局は第２の通信局からの確認情報を受信してから２次変復調方式を変更する。尚、第１の通信局は第２の通信局へ方式変更の通知を送信した後ですぐ２次変復調方式を変更する処理手順も可能であり、その場合は第２の通信局は方式変更の通知を受信したら確認情報を返信せずに２次変復調方式を変更する。この処理手順であれば、信頼性は劣るが切り替え処理を送受１往復分早くすることができる。
【００１３】
ＤＳ方式とＦＨ方式について使用帯域幅に応じた妨害量の変化を図２に示す。ここではＢＥＲが比較的高い値として０．０１になるときの妨害量を例にした。図２より使用帯域が５００ｋHzまではＤＳ方式の方が大きな妨害量に対処できるが、５００ｋHz以上では逆転してＦＨ方式の方が優る。したがってこの例においては、観測される妨害量に応じて使用する帯域幅を変更し、帯域幅５００ｋHzを基準としてDS方式とFH方式を切り替えることによって最適な耐妨害性能を発揮することが可能となる。
【００１４】
本発明のフレームフォーマット例を図３に示す。フレームの最初は２次復調同期及び妨害量観測のためのプリアンブル信号とし、それ以降の情報データには１次復調同期用のパイロット信号を適切な間隔で挿入した構成とする。なおこの例では、専用のパイロットチャネルを別に設定する構成は、信号の常時送信を要するので秘匿性の観点から採用していない。プリアンブル信号には既知符号系列として例えば擬似乱数系列（以下ＰＮ系列と略す）を使用する。初期同期動作時には、ＰＮ系列が短い周期のショートコード（例えば周期１２８）を予め送信親局と受信子局で決めておいて使用することにより高速同期を可能とし、それ以降の通信中には充分な長周期のロングコード（例えば周期２の２０乗）に切り替えて秘匿性の維持を図る。処理手順は、最初に親局がショートコードで初期同期信号を送信し、子局は初期同期信号を受信して同期したら、返信信号をロングコードにより親局に送信する。親局はその返信信号を受信したら、それ以降ロングコードを使用して子局とのデータ送受信処理を行う。
【００１５】
従来は例えばWCDMA方式で採用されているように、ショートコードとロングコードとを階層的に組み合わせた符号系列が提案されていた。その符号系列では１周期分のショートコードを読込むのに時間がかかるという問題があり、本発明では系列自体を切り替えることでより高速な同期処理が可能となる。
【００１６】
図１（ｂ）に示した２次変復調処理におけるＳＳ方式の切り替え手順を図４に示す。最初に方式を切り替える妨害量の閾値とそれに対応する基準帯域幅を設定する。ここで、妨害量は妨害波、干渉波、伝送雑音等により発生するものとする。図２の例では妨害量の閾値が１０ｄB、基準帯域幅が５００ｋHzに該当する。無線通信データを受信処理したら、そのプリアンブル信号を抽出してＰＮ系列の相関処理を行う。次に相関処理のプロファイル結果から全電力量の推定処理を実施し、またプロファイルのピークを基準として信号量の推定処理を行って、妨害量を全電力量と信号量の差として推定処理する。その妨害量と最初に設定した閾値との比較判定を行い、妨害量が閾値以上の場合にはDS方式を使用していればFH方式に切り替えて使用帯域幅を基準値以上に変更し、そうではなくFH方式であればそのままとする。一方、妨害量が閾値よりも小さい場合には、FH方式を使用していればDS方式に切り替えて使用帯域幅を基準値未満に変更し、そうでなければそのままとする。そして受信処理に戻り処理を継続する。
【００１７】
図４における妨害量の推定処理方法を図５で説明する。グラフは相関処理で得られるプロファイルの模式図を表し、横軸ｔはPN系列の１シンボル単位での変化、縦軸Ｒ（ｔ）は相関結果で得られる相対電力値である。プリアンブル長をｎとすれば、全相対電力量はｔ＝T1からｔ＝TnまでのR（ｔ）の総和を計算して推定できる。信号量は相関プロファイルのピークを探索し、ピークを中心として数点の範囲を信号領域として、例えば３点であればピーク位置をTpとしてｔ＝Tp-1からTp＋１までのＲ（ｔ）の総和を信号量推定値とする。以上の推定処理の後、妨害量は全電力量と信号量との差として計算する。
【００１８】
従来の無線通信システムでは所要ＢＥＲが１０の−５乗あるいは１０の−６乗程度を想定して適切な誤り訂正処理が行われていた。しかしながら本発明では所要ＢＥＲを高く設定できるので、それに適した誤り訂正方式を適用する必要が有る。そこで図１（ｂ）で示した誤り訂正処理に関して、誤り訂正方式比較を図６に示す。代表的な符号化方式として、畳み込み符号、Ｂｏｓｅ−Ｃｈａｕｄｈｕｒｉ−Ｈｏｃｑｕｅｎｇｈｅｍ符号（以下ＢＣＨ符号と略す）、Ｒｅｅｄ−Ｓｏｌｏｍｏｎ符号（以下ＲＳ符号と略す）を取り上げ、所要ＢＥＲが０．０１での符号化利得を比較した。ここで各方式の条件は、畳み込み符号化方式は符号化率１／２で拘束長７、ＢＣＨ符号化方式は情報１１３ビットで冗長１４ビット、ＲＳ符号化方式は情報７ビットで冗長８ビットという典型値とした。ＢＣＨ符号とＲＳ符号はＢＥＲが０．０１においてむしろ利得がマイナスとなっているため不適である。したがって畳込み符号化方式を採用する。尚、受信側の誤り訂正復号処理は畳み込み符号に対応してビタビ復号方式を採用する。
【００１９】
畳込み符号の適用効果の例をＢＥＲ特性として図７に示す。ここではＦＨ方式を適用し、狭帯域妨害波が確率的に発生する状況を想定した。周波数ホッピング数を６ホップとした場合には、所要ＢＥＲ＝０．０１において５ｄＢ程度の符号化利得が得られ、さらに２０ホップとした場合には妨害量を増加させても必ず所要ＢＥＲを満足する効果が得られていることが分かる。
【００２０】
初期同期以降に、無線通信が長期間停止すると送受信機が各々備えている発振器の位相ずれが大きくなり、シリアルサーチで１シンボルずつずらしながら相関処理を施して同期捕捉処理する場合に捕捉時間が長くかかるという問題が発生する。そこで本発明では、送信親局が受信子局に対して一定時間毎に送受信確認を行うキープアライブ処理を導入し、キープアライブ間隔を調整することで同期捕捉時間が一定時間を越えないようにする。キープアライブ間隔を決定するための同期捕捉時間の推定例を図８に示す。推定方法は例えば、丸林元、中川正雄、河野隆二、スペクトル拡散通信とその応用、電子情報通信学会（平成１０年）、ｐｐ．９９−１０３に述べられているスライディング相関器のサーチ状態遷移図からマルコフ過程に基づき導出する方法に従う。平均同期捕捉時間は次式で計算される。
【００２１】
【数１】
2006050032.tif 000003
【００２２】
ここで、PDは検出確率、Kは誤同期のペナルティ倍率、PFAは誤同期確率、ｑは１周期のチップ数、Tdは相関積分時間である。また誤同期確率は次式で与えられる。
【００２３】
【数２】
2006050032.tif 000004
【００２４】
ここで、Wは使用帯域幅、Jは妨害量、ｎは単位時間あたり位相ずれするチップ数である。図８では、Kを１０、Wを４０KHｚ、ｑを１０２３ｂｉｔ、送受信器発振精度を０．１ｐｐｍ、キープアライブ間隔を３時間とした場合の誤同期確率と平均捕捉時間の例を示している。誤同期確率が０．０５となる場合で評価すれば、同期捕捉時間は約１．４秒と推定される。
【００２５】
本推定方法に基づきキープアライブ間隔に対して同期時間を推定した結果を図９に示す。キープアライブ間隔を1時間から4時間まで変化させると、同期に要する時間は３７０ｍｓから２．０ｓまで増加する。この結果から、例えば所要同期時間を４００ｍｓ以下とすれば、キープアライブ間隔は１時間以内として設定する必要があることが分かる。したがって、以上の例に則ってキープアライブ時間を調整することにより、所要の同期時間を達成することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明はＦＨ方式を適用する防衛システム全般に適用可能であり、それ以外にもＦＨ方式を使用するシステムとしてＢｌｕｅｔｏｏｔｈや無線ＬＡＮ（ＩＥＥＥ８０２．１１）等へも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の耐ジャミング通信装置のシステム構成例を示す。
【図２】本発明のスペクトラム拡散帯域幅に応じた耐妨害性能例を示す。
【図３】本発明のフレームフォーマット例を示す。
【図４】本発明のスペクトラム拡散方式の切り替え手順を示す。
【図５】本発明の相関処理結果からの妨害量推定方法を示す。
【図６】本発明の誤り訂正方式の比較を示す。
【図７】本発明の無線機のビットエラーレート特性例を示す。
【図８】本発明の同期捕捉時間の推定例を示す。
【図９】本発明のキープアライブ間隔とスペクトラム拡散同期時間の関係を示す。
【符号の説明】
【００２８】
１００：送信機、２００：受信機、１０１：誤り訂正符号化部、１０２：インタリーブ部、１０３：一次変調部、１０４：二次変調部、１０５：誤り訂正復号化部、１０６：デインタリーブ部、１０７：一次復調部、１０８：妨害量推定部、１０９：二次復調部。
【図１】
2006050032.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2006050032.tif 000009
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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