(57)【要約】【課題】異なる電波伝搬環境にある通信端末との通信において、各端末の伝播環境に最も適した変調方式や変調定数が設定可能な無線通信装置および無線通信システムを提供する。【解決手段】帯域制限されたパルス波形によって整形された複数のサブキャリアからなるマルチキャリア信号を用いて送信または受信の少なくともいずれかを行う第一の通信手段と、前記第一の通信手段とは異なる変調形式または変調定数による信号を用いて送信または受信の少なくともいずれかを行う第二の通信手段と、を有し、前記第一の通信手段は、前記複数のサブキャリアの少なくとも１つを利用せずに通信を行うものであり、前記第二の通信手段は、前記第一の通信手段が利用しないサブキャリアの帯域を利用して通信を行う、ことを特徴とする。【選択図】図１
2015173500.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯域制限されたパルス波形によって整形された複数のサブキャリアからなるマルチキャリア信号を用いて送信または受信の少なくともいずれかを行う第一の通信手段と、
前記第一の通信手段とは異なる変調形式または変調定数による信号を用いて送信または受信の少なくともいずれかを行う第二の通信手段と、
を有し、
前記第一の通信手段は、前記複数のサブキャリアの少なくとも１つを利用せずに通信を行うものであり、
前記第二の通信手段は、前記第一の通信手段が利用しないサブキャリアの帯域を利用して通信を行う、
ことを特徴とする無線通信装置。
【請求項２】
前記第一の通信手段が用いるサブキャリアのシンボルは、前記第二の通信手段が用いるキャリアのシンボルと非同期である、
ことを特徴とする、請求項１に記載の無線通信装置。
【請求項３】
前記第一の通信手段は、前記複数のサブキャリアのうち２つ以上のサブキャリアを利用せずに通信を行うものであり、
前記第二の通信手段は、
前記第一の通信手段が通信に用いないサブキャリアが持つ周波数帯域で同一の信号を通信するものであり、
各周波数帯域の信号を重み付けして送信するか、いずれかの周波数帯域の信号を選択して送信する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の無線通信装置。
【請求項４】
前記第二の通信手段は、伝送先の端末のアンテナ入力において前記複数の周波数帯域の信号が同位相となるように、前記複数の周波数帯域の信号を重み付けして送信する、
ことを特徴とする請求項３に記載の無線通信装置。
【請求項５】
前記第二の通信手段は、周波数間隔が等しい３つの周波数帯域ｆｃ＋ｆｄ、ｆｃ、ｆｃ−ｆｄで信号を送信する、
ことを特徴とする請求項３または４に記載の無線通信装置。
【請求項６】
前記第一の通信手段は、前記複数のサブキャリアのうち２つ以上のサブキャリアを利用せずに通信を行うものであり、
前記第二の通信手段は、前記第一の通信手段が通信に利用しないサブキャリアが持つ周波数帯域の送信信号を用いて、複数の端末に送信を行うものであり、
前記複数の端末宛のデータを伝搬路特性に基づき重み付け合成して、各周波数帯域の送信信号を決定する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の無線通信装置。
【請求項７】
前記第二の通信手段は、前記複数の端末のアンテナ入力において、当該端末宛のデータが支配的に受信されるように重み付けして送信する、
ことを特徴とする請求項６に記載の無線通信装置。
【請求項８】
前記第一の通信手段は、前記複数のサブキャリアのうち２つ以上のサブキャリアを利用せずに通信を行うものであり、
前記第二の通信手段は、前記第一の通信手段が通信に利用しないサブキャリアが持つ周波数帯域を用いて、信号を受信するものであり、
前記各周波数帯域では、送信元から同一のデータの信号が送信されており、
前記第二の通信手段は、各周波数帯域の信号を重み付け合成して受信するか、いずれかの周波数帯域の信号を選択して受信する、
ことを特徴とする請求項１〜７に記載の無線通信装置。
【請求項９】
前記第一の通信手段は、前記複数のサブキャリアのうち２つ以上のサブキャリアを利用せずに通信を行うものであり、
前記第二の通信手段は、前記第一の通信手段が通信に利用しないサブキャリアが持つ周波数帯域を用いて、複数の端末からの信号を受信するものであり、
前記複数の端末はそれぞれが複数の周波数帯域で信号を送信しており、
各周波数帯域で受信される信号を、伝搬路特性に基づき重み付け合成することで、各端末から送信される信号を抽出する、
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の無線通信装置。
【請求項１０】
請求項３〜５のいずれかに記載の無線通信装置の第二の通信手段から送信される複数の周波数帯域の信号を受信する受信手段と、
入力された信号を周波数変換する周波数変換手段と、
を有し、
前記受信手段によって受信された複数の周波数帯域の信号を、前記周波数変換手段によって、共通の周波数帯域に変換する、
ことを特徴とする無線通信装置。
【請求項１１】
請求項５に記載の無線通信装置の第二の通信手段から送信される周波数帯域ｆｃ＋ｆｄ、ｆｃ、ｆｃ−ｆｄの信号を受信する受信手段と、
入力された信号を周波数変換する周波数変換手段であって、入力信号、入力信号を周波数＋ｆｄだけ周波数変換した信号、および入力信号を周波数−ｆｄだけ周波数変換した信号が重畳された信号を出力する周波数変換手段と、
を有し、
前記周波数変換手段によって、前記受信手段が周波数帯域ｆｃ＋ｆｄ、ｆｃ、ｆｃ−ｆｄの信号を、周波数帯域ｆｃに重畳加算する
ことを特徴とする無線通信装置。
【請求項１２】
親局装置と、１つまたは複数のマルチキャリア端末と、１つまたは複数のシングルキャリア端末から構成される無線通信システムであって、
前記親局装置は、
帯域制限されたパルス波形によって整形された複数のサブキャリアからなるマルチキャリア信号を用いてマルチキャリア端末と通信を行う第一の通信手段と、
前記第一の通信手段とは異なる変調形式または変調定数による信号を用い通信を行う第二の通信手段と、
を有し、
前記マルチキャリア端末は、前記親局装置の第一の通信手段と通信を行う通信手段を有し、
前記シングルキャリア端末は、前記親局装置の第二の通信手段と通信を行う通信手段を有し、
親局装置とマルチキャリア端末との間の通信では、前記複数のサブキャリアのうち少なくとも１つを利用せずに通信を行うものであり、
親局装置とシングルキャリア端末との間の通信では、親局装置とマルチキャリア端末間の通信に利用しないサブキャリアの帯域を利用して通信する、
ことを特徴とする無線通信システム。
【請求項１３】
親局装置と、複数の端末から構成される無線通信システムであって、
前記親局装置は、複数の周波数帯域の信号を用いて前記複数の端末に送信を行うものであり、前記複数の端末宛のデータを伝搬路特性に基づく重み付け合成して、各周波数帯域の送信信号を決定する、送信手段を有し、
前記端末は、前記親局の送信手段から送信される各周波数帯域の信号を合成して受信する、受信手段を有する、
ことを特徴とする無線通信システム。
【請求項１４】
前記親局装置の送信手段は、前記複数の端末のアンテナ入力において、当該端末宛のデータが支配的に受信されるように重み付けして送信する、
ことを特徴とする請求項１３に記載の無線通信システム。
【請求項１５】
親局装置と、複数の端末から構成される無線通信システムであって、
前記端末は、それぞれが複数の周波数帯域を用いて親局装置に信号を送信する、送信手段を有し、
前記複数の周波数帯域は、前記複数の端末で共通であり、
前記親局装置は、前記複数の周波数帯域で受信される信号を、伝搬路特性に基づく重み付け合成をすることで、各端末から送信される信号を抽出する、受信手段を有する、
ことを特徴とする無線通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信システムおよび無線通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、無線ＬＡＮなどの比較的近距離の無線通信システムが普及し、伝送速度の高速化が進行している。一般に伝送速度が高速化するとマルチパス伝搬による遅延広がりの影響を受けるようになり、伝送特性が劣化する。この問題に対し、無線ＬＡＮや地上波ディジタルテレビジョン放送ではＯＦＤＭ（直交周波数分割多重）によるマルチキャリア伝送が用いられる。マルチキャリア伝送は複数の変調されたサブキャリアによる周波数多重伝送であり、逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）により変調信号が生成されるため、シンボルは全て同期しており、全サブキャリアの変調は同一シンボルレートとなる。
【０００３】
ＯＦＤＭの送信信号には変調シンボルの先頭部分にはガードインターバル（ＧＩ）と呼ばれる区間が付加される。この区間には、送信シンボル波形の後縁部分のコピーが配置されることから、サイクリック・プリフィックス（ＣＰ）とも呼ばれる。マルチパスの遅延広がりが上記ＧＩ長以下であれば遅延歪みを補償できるが、ＧＩ長を超える遅延広がりに対してはデータ復調時の誤りが増加し特性が劣化する。ＧＩを長くすると遅延広がりが大きい場合にも良好な誤り率特性が得られるが、ＯＦＤＭシンボル長が長くなるためデータレートが低下する。従って、ＯＦＤＭでは伝搬路（伝送路）で想定される遅延広がり、すなわち伝送路特性のインパルス応答長に応じた必要最小限のＧＩ長により通信方式を設計することが一般的である。このＧＩ長は通常固定されており、親局（基地局）装置および子局（端末）装置からなる多元接続を行う通信システムにおいても、全端末に対して共通の値が用いられている。時分割多元接続（ＴＤＭＡ）による通信システムの場合は、ＧＩをタイムスロット毎に時間で切り換えることも可能だが、ＴＤＭＡでは変調速度すなわちシンボルクロックが高速になることと、伝送遅延がＴＤＭＡフレーム長に比例して長くなるという別の問題があるため、前述の問題解決のための技術としては一般的ではない。
【０００４】
また、ＯＦＤＭの各サブキャリアは互いにスペクトルが重なっており、特定のサブキャリアの振幅を０としても当該サブキャリアの周波数には隣接または次隣接サブキャリアのスペクトルが重畳してくる。このため、ある周波数に比較的狭帯域の他の無線通信が存在していると、当該周波数に相当するサブキャリアの振幅を０としても干渉を回避することが困難となる。この問題を解決するため、特許文献１や非特許文献１ではサブキャリアをガウス関数により帯域制限したマルチキャリア伝送方式が提案され、実験結果などが開示されている。ガウス関数によって送信波形を整形することで、急峻なスペクトル減衰特性を与えることができ、自システム内での符号間干渉とサブキャリア間干渉、および他システムとの電波干渉を抑えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２３６３６４号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】大堀哲央，小野寺純一，五嶋研二，寺尾剛，須山聡，鈴木博，“ガウス形マルチキャリア送信機のＦＰＧＡ実装による実現性評価”，電子情報通信学会技術研究報告，RCS2007-220，pp.205-210，Mar.2008
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の従来技術では、例えばＷｉＭＡＸ（ＩＥＥＥ８０２．１６規格）などのＯＦＤＭによる周波数分割多元アクセス（ＯＦＤＭＡ）を行う場合には、ＦＦＴおよびＩＦＦＴ（高速フーリエ変換、逆高速フーリエ変換）により全サブキャリアを一括して変復調信号処理を行う。したがって、特定のサブキャリアだけＧＩ長を別の値とすることができない。このため、ＧＩ長は最大の遅延広がりに合わせて設計する必要が生じ、遅延広がりが小さな伝搬路の状態である子局に対しても必要以上のＧＩを用いることとなり、無用の周波数資源を浪費することとなる。
【０００８】
サブキャリアごとにＧＩ長やシンボルレートなどを変えるためには、異なる２つの変復調手段を設けることも考えられる。すなわち、ＯＦＤＭの変復調を行う変復調手段に加え、ＧＩやシンボルレートなどの変調定数が異なる、あるいは全く別の変調形式による独立した別の変復調手段を親局装置に設けることも考えられる。しかし、各々の変復調手段による信号のスペクトルは重なり合っており、かつＧＩが異なるためこれらの信号は互いに直交関係が無い。よって、各々の信号間で干渉が生じ、ビット誤り率が大幅に増加して実用に供することはできない。
【０００９】
このような、サブキャリアによって異なるＧＩを必要とする環境に、車両内の無線通信システムを例としてあげることができる。近年、車載機器間の通信は、有線接続の代わりに無線接続によって行われることが増えている。車両内には様々な環境があり、周囲が金属で囲まれているエンジンルームは電波の反射が起きやすく遅延広がりが大きくなるため、エンジンルーム内に設置された車載機器間での通信ではＧＩを大きく取る必要がある。さらに、エンジンルームに設置された車載機器と車室内に置かれた車載機器との間は金属で遮蔽されるため、直接波もなく遅延広がりも大きいので、エンジンルーム内と同様に大きなＧＩが必要となる。それに対して、車室内に置かれた車載機器間の伝搬路は遅延広がりがそれほど大きくならず、ＧＩを小さくすることができる。
【００１０】
さらに、ＯＦＤＭＡを行う子局はＯＦＤＭの変復調が必須であるため構成が複雑となり、例えば小型センサ端末などシングルキャリア低速度伝送しか実装できない子局装置には適用が困難である。例えば、車両に搭載されるセンサノードは小型かつ安価であることが求められることが多く、ＯＦＤＭ変復調器を設けることは困難である。
【００１１】
また、ＯＦＤＭのサブキャリアはサブキャリア間隔の数倍の占有帯域幅を有しているため、特定の周波数に比較的狭帯域の他の無線通信が存在している場合、当該周波数に相当するサブキャリアの振幅を０としても干渉を回避することができない。したがって、他の無線システムが用いている周波数から充分に離れた周波数からサブキャリアを割り当てる必要がある。このような理由により上記の従来技術による通信システムは、多種多様な無線システムが混在する２．４ＧＨｚ帯などのＩＳＭ（産業科学医療用）帯での運用が困難となる問題点があった。
【００１２】
本発明は上記問題点を考慮してなされたものであり、その目的は、異なる電波伝搬環境にある通信端末との通信において、各端末の伝播環境に最も適した変調方式や変調定数が設定可能な無線通信装置および無線通信システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明の第一の実施形態に係る無線通信装置では、以下の手段により、異なる電波伝搬環境にある通信端末との通信において、各端末の伝播環境に最も適した変調方式や変調定数を設定可能にする。
【００１４】
本発明の第一の様態に係る無線通信装置は、帯域制限されたパルス波形によって整形さ
れた複数のサブキャリアからなるマルチキャリア信号を用いて送信または受信の少なくともいずれかを行う第一の通信手段と、前記第一の通信手段とは異なる変調形式または変調定数による信号を用いて送信または受信の少なくともいずれかを行う第二の通信手段と、
を有し、前記第一の通信手段は、前記複数のサブキャリアの少なくとも１つを利用せずに通信を行うものであり、前記第二の通信手段は、前記第一の通信手段が利用しないサブキャリアの帯域を利用して通信を行う、ことを特徴とする。
【００１５】
帯域制限されたパルス波形によって送信波形を整形することで、急峻なスペクトル減衰特性を得ることができる。すなわち、スペクトルディップを深く形成することができ、キャリア間干渉を少なくすることができるため、通信に用いないサブキャリア（ヌルキャリア）を作成することで、当該ヌルキャリア帯域を使用して他の通信を行うことができる。この帯域での通信は、マルチキャリア通信に干渉を与えないため、端末毎の機能、想定される伝送路の遅延広がりなどに応じて、変調形式や変調定数を自由に設定し、ＦＤＭＡによってマルチキャリア通信と同時に収容することが可能である。
【００１６】
また、前記第一の通信手段が用いるサブキャリアのシンボルは、前記第二の通信手段が用いるキャリアのシンボルと非同期であることを特徴としてもよい。
【００１７】
帯域制限されたパルス波形によって送信波形を整形することで、サブキャリア間の干渉を最小限に抑えることができる。つまり、第一の通信手段によって変調される信号と、第二の通信手段によって変調される信号は直交していなくても通信を行うことができため、双方のシンボルを非同期とすることができる。
【００１８】
また、前記第一の通信手段は、前記複数のサブキャリアのうち２つ以上のサブキャリアを利用せずに通信を行うものであり、前記第二の通信手段は、前記第一の通信手段が通信に用いないサブキャリアが持つ周波数帯域で同一の信号を通信するものであり、各周波数帯域の信号を重み付けして送信するか、いずれかの周波数帯域の信号を選択して送信する
ことを特徴としてもよい。
【００１９】
このように構成することにより、同一のデータによって変調された複数のキャリアを送信することができるため、周波数選択性フェージングに対応するための周波数ダイバーシティ効果を得ることができる。また、単一の送信アンテナで運用することができ、装置を小型化することができる。
【００２０】
また、前記第二の通信手段は、伝送先の端末のアンテナ入力において前記複数の周波数帯域の信号が同位相となるように、前記複数の周波数帯域の信号を重み付けして送信する
ことを特徴としてもよく、前記第二の通信手段は、周波数間隔が等しい３つの周波数帯域ｆｃ＋ｆｄ、ｆｃ、ｆｃ−ｆｄで信号を送信することを特徴としてもよい。
【００２１】
複数の送信周波数の間隔を等しくし、同位相で送信することにより、伝送先の端末において複雑な演算をすることなく受信信号の復調を行うことができる。
【００２２】
また、前記第一の通信手段は、前記複数のサブキャリアのうち２つ以上のサブキャリアを利用せずに通信を行うものであり、前記第二の通信手段は、前記第一の通信手段が通信に利用しないサブキャリアが持つ周波数帯域の送信信号を用いて、複数の端末に送信を行うものであり、前記複数の端末宛のデータを伝搬路特性に基づき重み付け合成して、各周波数帯域の送信信号を決定する、ことを特徴としてもよく、前記第二の通信手段は、前記複数の端末のアンテナ入力において、当該端末宛のデータが支配的に受信されるように重み付けして送信することを特徴としてもよい。
【００２３】
このように構成することにより、単一の送信アンテナによって空間多重伝送を行うことができ、周波数利用効率が向上する。また、伝送先の端末においては信号分離処理が必要ないため、装置を単純化することができる。
【００２４】
また、前記第一の通信手段は、前記複数のサブキャリアのうち２つ以上のサブキャリアを利用せずに通信を行うものであり、前記第二の通信手段は、前記第一の通信手段が通信に利用しないサブキャリアが持つ周波数帯域を用いて、信号を受信するものであり、前記各周波数帯域では、送信元から同一のデータの信号が送信されており、前記第二の通信手段は、各周波数帯域の信号を重み付け合成して受信するか、いずれかの周波数帯域の信号を選択して受信することを特徴としてもよい。
【００２５】
このように構成することにより、同一の信号を複数の周波数で伝送することによる周波数ダイバーシティ効果を受信時にも得ることができる。
【００２６】
また、前記第一の通信手段は、前記複数のサブキャリアのうち２つ以上のサブキャリアを利用せずに通信を行うものであり、前記第二の通信手段は、前記第一の通信手段が通信に利用しないサブキャリアが持つ周波数帯域を用いて、複数の端末からの信号を受信するものであり、前記複数の端末はそれぞれが複数の周波数帯域で信号を送信しており、各周波数帯域で受信される信号を、伝搬路特性に基づき重み付け合成することで、各端末から送信される信号を抽出することを特徴としてもよい。
【００２７】
このように構成することにより、空間多重伝送による周波数の利用効率向上効果を受信時にも得ることができる。
【００２８】
本発明の第二の様態に係る無線通信装置は、第一の様態に係る無線通信装置が有する第二の通信手段から送信される複数の周波数帯域の信号を受信する受信手段と、入力された信号を周波数変換する周波数変換手段と、を有し、前記受信手段によって受信された複数の周波数帯域の信号を、前記周波数変換手段によって、共通の周波数帯域に変換することを特徴とする。
【００２９】
このように構成することにより、単一の周波数を受信する受信手段によって、複数の周波数によって送信される信号を受信することができるため、装置構成を単純化することができる。
【００３０】
また、本発明の第二の様態に係る無線通信装置は、第一の様態に係る無線通信装置の第二の通信手段から送信される周波数帯域ｆｃ＋ｆｄ、ｆｃ、ｆｃ−ｆｄの信号を受信する受信手段と、入力された信号を周波数変換する周波数変換手段であって、入力信号、入力信号を周波数＋ｆｄだけ周波数変換した信号、および入力信号を周波数−ｆｄだけ周波数変換した信号が重畳された信号を出力する周波数変換手段と、を有し、前記周波数変換手段によって、前記受信手段が周波数帯域ｆｃ＋ｆｄ、ｆｃ、ｆｃ−ｆｄの信号を、周波数帯域ｆｃに重畳加算することを特徴とすることが好ましい。
【００３１】
このように構成することにより、通常のシングルキャリア送受信回路に、周波数変換手段を追加した簡易な構成で、複数の周波数帯域から信号を受信することが可能になる。
【００３２】
また、本発明に係る無線通信システムは、親局装置と、１つまたは複数のマルチキャリア端末と、１つまたは複数のシングルキャリア端末から構成される無線通信システムであって、前記親局装置は、帯域制限されたパルス波形によって整形された複数のサブキャリアからなるマルチキャリア信号を用いてマルチキャリア端末と通信を行う第一の通信手段と、前記第一の通信手段とは異なる変調形式または変調定数による信号を用い通信を行う
第二の通信手段と、を有し、前記マルチキャリア端末は、前記親局装置の第一の通信手段と通信を行う通信手段を有し、前記シングルキャリア端末は、前記親局装置の第二の通信手段と通信を行う通信手段を有し、親局装置とマルチキャリア端末との間の通信では、前記複数のサブキャリアのうち少なくとも１つを利用せずに通信を行うものであり、親局装置とシングルキャリア端末との間の通信では、親局装置とマルチキャリア端末間の通信に利用しないサブキャリアの帯域を利用して通信することを特徴とする。
【００３３】
このように構成することにより、本発明の第一の様態に係る無線通信装置、および第二の様態に係る無線通信装置によって無線通信システムを構築することができる。
【００３４】
また、本発明に係る無線通信システムは、親局装置と、複数の端末から構成される無線通信システムであって、前記親局装置は、複数の周波数帯域の信号を用いて前記複数の端末に送信を行うものであり、前記複数の端末宛のデータを伝搬路特性に基づく重み付け合成して、各周波数帯域の送信信号を決定する送信手段を有し、前記端末は、前記親局の送信手段から送信される各周波数帯域の信号を合成して受信する、受信手段を有することを特徴としてもよく、前記親局装置の送信手段は、前記複数の端末のアンテナ入力において、当該端末宛のデータが支配的に受信されるように重み付けして送信することを特徴としてもよい。
【００３５】
また、本発明に係る無線通信システムは、親局装置と、複数の端末から構成される無線通信システムであって、前記端末は、それぞれが複数の周波数帯域を用いて親局装置に信号を送信する、送信手段を有し、前記複数の周波数帯域は、前記複数の端末で共通であり、前記親局装置は、前記複数の周波数帯域で受信される信号を、伝搬路特性に基づく重み付け合成をすることで、各端末から送信される信号を抽出する、受信手段を有することを特徴としてもよい。
【００３６】
このように構成することにより、単一のアンテナを用いて異なる周波数で多重伝送を行うことができる無線通信システムを構築することができる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、異なる電波伝搬環境にある通信端末との通信において、各端末の伝播環境に最も適した変調方式や変調定数が設定可能な無線通信装置および無線通信システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係る無線通信装置の機能構成図である。
【図２】ガウシアンパルスによって整形されたサブキャリアを説明する図である。
【図３】ガウシアンパルスによるサブキャリアの整形方法を説明する図である。
【図４】マルチキャリア通信のヌルキャリアに別のキャリアおよびシンボルを配置した図である。
【図５】第一の実施形態に係るマルチキャリア変調信号生成部の構成を説明する図である。
【図６】第一の実施形態に係るシングルキャリア変調信号生成部の構成を説明する図である。
【図７】第一の実施形態に係るマルチキャリア復調部の構成を説明する図である。
【図８】第一の実施形態に係るシングルキャリア端末の構成を説明する図である。
【図９】第二の実施形態に係る無線通信システムの端末構成を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
（第一の実施形態）
<システム構成>
図１は、無線通信システムのシステム構成を表す図である。
本システムは、屋内、車両内、装置内など比較的近距離の空間において、基地局、アクセスポイント、親機、あるいはシンクノードなどとも呼ばれる親局装置と、端末、子機、センサノードなどとも呼ばれる子局との間で無線伝送を行うものである。親局装置は複数の子局との間で多元接続を行う。
【００４０】
本システムは、親局装置Ｂと、子局装置であるマルチキャリア端末ＴＭおよびシングルキャリア端末ＴＳから構成される。ここでは、親局装置Ｂは、２台のマルチキャリア端末ＴＭ１、ＴＭ２および２台のシングルキャリア端末ＴＳ１，ＴＳ２と通信する場合を例に説明するが、子局装置の台数は何台であってもかまわない。マルチキャリア端末は、シングルキャリア端末よりも伝送速度が高い。シングルキャリア端末は、伝送速度が低いが、構成が簡単で消費電力が低い。このようなシングルキャリア端末は、たとえば電源が限られ小型低消費電力が要求されるセンサ端末などの実装形態として好適である。
【００４１】
本実施形態では、親局装置およびマルチキャリア端末間の通信では、マルチキャリア通信に利用可能なサブキャリアのうち、１つ又は複数のサブキャリアを使用しないでマルチキャリア通信を行う。親局装置とシングルキャリア端末間の通信では、マルチキャリア通信に使用しないサブキャリアの周波数を用いて、シングルキャリア通信を行う。
【００４２】
親局装置Ｂのシステム構成について説明を行う。
第一の実施形態における親局装置Ｂは、マルチキャリア変調信号生成部１１１、シングルキャリア変調信号生成部１１２、Ｄ／Ａ変換器１１３、増幅器１１４を有しており、これらの各部が送信手段を構成する。また、マルチキャリア復調部１２１、シングルキャリア復調部１２２、Ａ／Ｄ変換器１２３、増幅器１２４を有しており、これらの各部が受信手段を構成する。また、送信および受信手段に共通する、スペクトル制御部１０１、アンテナ切換部１０２およびアンテナ１０３を有している。
【００４３】
それぞれの構成について説明を行う。マルチキャリア変調信号生成部１１１は、入力された送信対象のデジタル信号列を、複数キャリアを持つ変調信号に変換する手段である。具体的には、送信データをパラレル変換し、それぞれのデータに対して一次変調を行い、フーリエ逆変換（ＩＦＦＴ）を行って複数のサブキャリア信号を生成し、ガウシアンパルスを用いた波形整形による帯域制限を行った後で合成する。ガウシアンパルスを用いた波形整形による帯域制限、およびマルチキャリア変調信号生成部１１１の詳細については後述する。本実施形態においては、ＯＦＤＭＡによる多元接続を想定しているが、ＴＤＭＡやＦＤＭＡを用いて多元接続を実現してもよい。
【００４４】
シングルキャリア変調信号生成部１１２は、入力された送信対象のデジタル信号列を、シングルキャリアによる変調信号に変換する手段である。具体的には、送信データに対して一次変調を行い、ガウシアンパルスを用いた波形整形によって帯域制限を実施する。本実施形態においては、周波数ダイバーシティ効果を得るために、同一の送信データを異なる複数の周波数にて送信する。シングルキャリア生成部１１２の詳細については後述する。本実施形態においては、一次変調の方式として、ＱＡＭ（直角位相振幅変調：Quadrature Amplitude Modulation）やＱＰＳＫ（四位相偏移変調：Quadriphase Phase-Shift Keying）を想定しているが、その他の変調方式を用いてもよい。
【００４５】
マルチキャリア変調信号生成部１１１が生成した変調信号と、シングルキャリア変調信号生成部１１２が生成した変調信号は合成され、Ｄ／Ａ変換器１１３へ入力される。信号の生成方法、および具体的な信号の内容については後述する。
【００４６】
Ｄ／Ａ変換器１１３は、生成されたベースバンド信号であるデジタル信号列を無線周波信号に変換する手段である。また、増幅器１１４は、変換された無線周波信号を増幅するためのパワーアンプである。Ｄ／Ａ変換器１１３と増幅器１１４との間にはバンドパスフィルタを備えていてもよい。
【００４７】
アンテナ切換部１０２は、アンテナ１０３を送受信にて共有するため、送信経路と受信経路を電気的に分離するための切換器である。受信周波数を阻止域とする送信フィルタと、送信周波数を阻止域とする受信フィルタとを、位相器を介して接続することで実現される。
【００４８】
Ａ／Ｄ変換器１２３は、無線周波信号をデジタル信号列に変換する手段である。また、増幅器１２４は、Ａ／Ｄ変換器１２３に入力される無線周波信号を増幅する低ノイズアンプである。
【００４９】
マルチキャリア復調部１２１は、マルチキャリア変調信号をベースバンド信号であるデジタル信号列に復調する手段である。また、シングルキャリア復調部１２２は、入力された、シングルキャリアによる変調信号をベースバンド信号であるデジタル信号列に復調する手段である。
【００５０】
また、スペクトル制御部１０１は、各端末との通信に使用する周波数、すなわちスペクトルを決定する手段である。スペクトル制御部１０１の動作の詳細については後述する。
【００５１】
<ガウシアンパルスによる波形整形>
親局装置Ｂの詳細な説明を行う前に、ガウシアンパルスを用いた波形整形による帯域制限について説明する。ガウシアンパルスとは、ガウス関数を利用したパルス信号であり、継続時間と帯域幅が共に限定されているという性質を持つ。このパルス信号と、キャリア波形とを乗算することで、周波数スペクトルに対して急峻なサイドローブ減衰を得ることができる。図２は、ＯＦＤＭによる変調を行った周波数スペクトル２０２（点線）と、ガウシアンパルスによる乗算を行った結果の周波数スペクトル２０１（実線）とを比較した図である。スペクトルディップが、通常のＯＦＤＭでは１０ｄＢ程度であるのに対し、ガウシアンパルスによる整形を行った結果、６０ｄＢ以上の減衰を得ることができる。
【００５２】
つまり、ＯＦＤＭにて使用されるサブキャリアに、ガウシアンパルスを用いた波形整形によって帯域制限を行うことで、隣接するサブキャリアまたはシンボルへの影響を最小限にすることができる。なお、整形に用いるガウシアンパルスの時間方向に対する電力の標準偏差σは、小さくすることでシンボル間干渉が小さく、大きくすることでキャリア間干渉が小さくなることが知られている。この標準偏差σは、発明の目的を達成できる範囲で、どのような値が用いられてもよい。
【００５３】
図３は、ガウス関数による帯域制限の方法を詳細に表した図である。図３（ａ）が、逆フーリエ変換を行った信号のうち、３シンボル分を表したものである。このうち、ｕ0（
ｔ）の区間について帯域制限を実施する例を示す。図３（ａ）の信号に対して、ガウス波形である図３（ｃ）の信号を以下の式によって乗算し、３シンボル分を足し合わせたものが、目的とする帯域制限された信号となる。なお、ガウス波形をｇ（ｔ）、入力信号をｕ（ｔ）、シンボル長をＴｓとし、ｔの範囲は０＜ｔ≦Ｔｓとする。
ｇ（ｔ−Ｔｓ）ｕ１（ｔ＋Ｔｓ）＋ｇ（ｔ）ｕ０（ｔ）＋ｇ（ｔ＋Ｔｓ）ｕ-1（ｔ―Ｔｓ）
すなわち、帯域制限された信号ｓ（ｔ）は、数式１で表すことができる。なお、ガウス波形の打ち切り幅はＭ×Ｔｓで表せられるが、本例ではＭ＝３としている。ｋは任意の整数である。
【数１】
2015173500.tif 000003
【００５４】
ＯＦＤＭＡによって複数の端末が複数のサブキャリアにて通信を行おうとした場合には、隣接するサブキャリア同士のスペクトルが重なっているため、それぞれのキャリアは直交性を持っていなければならない。しかし、本手法を用いることで、隣接するサブキャリア同士が干渉しなくなり、直交関係が無くても通信が行えるようになるため、シンボル同士の同期を行う必要がなくなる。すなわち、複数の端末が複数のシンボルレートによって通信を行うことが可能となる。
【００５５】
<送信キャリアの配置方法>
次に、送信キャリアの配置方法について説明を行う。
【００５６】
親局装置もしくは子局装置のいずれかが通信を開始すると、各子局と親局との通信に使用する周波数、すなわちスペクトルをスペクトル制御部１０１が割り当てる。より詳細には、スペクトル制御部１０１は、マルチキャリア端末と親局装置との間の通信に割り当てる周波数と、シングルキャリア端末と親局装置の間の通信に割り当てる周波数を決定する。決定された周波数情報はマルチキャリア変調信号生成部１１１に送信される。マルチキャリア変調信号生成部１１１は、この情報を用いて変調信号を生成する。マルチキャリア変調信号生成部１１１は、マルチキャリア通信に使用しないと決定された周波数のサブキャリアにはデータを割り当てない。すなわち、このサブキャリア変調の出力は振幅が０になる。また、スペクトル制御部１０１が決定した周波数情報はシングルキャリア変調信号生成部１１２にも送信される。シングルキャリア変調信号生成部１１２は、この情報を用いて変調信号を生成する。
【００５７】
本実施形態では、マルチキャリア通信に使用しないと決定されたサブキャリアをヌルキャリアと称する。また、ＤＣサブキャリアなど、本来通信に使用されないサブキャリアも、ヌルキャリアと称する。
【００５８】
周波数の割り当ては、例えば図４に示すようにすることができる。図４において、横軸は時間、縦軸は周波数である。白抜きの楕円（符号４００）は、親局装置Ｂとマルチキャリア端末ＴＭの間で送受信される変調信号のサブキャリア毎のシンボルを示す。ハッチングを加えた楕円は親局装置Ｂとシングルキャリア端末ＴＳの間で送受信される変調信号のサブキャリア毎のシンボルを示す。
【００５９】
ここで、Ｔをマルチキャリア変調信号のシンボル長（シンボル周期）とする（時間の単位は秒、以下同じ）。マルチキャリア変調信号は以下で詳述するように、逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）により生成されるので、サブキャリアの間隔は１／Ｔ（周波数の単位はＨｚ。以下同じ）またはその整数倍となる。ここでは、サブキャリアの間隔は１／Ｔとする。また、ｆｃはマルチキャリア変調信号の中心周波数である。
【００６０】
サブキャリアの周波数は、ｆｃ＋ｍ／Ｔという式で与えられる。ただし、ｍは整数で、
ＩＦＦＴ（逆フーリエ変換）のポイント数をＮとすると、−Ｎ／２≦ｍ≦Ｎ／２−１を満たす値である。
【００６１】
この実施の形態においては、ｍ＝０、ｍｆ、−ｍｆ以外のサブキャリアを用いてマルチキャリア端末との通信を行う。すなわち、マルチキャリア通信においては、ｍ＝０、ｍｆ、−ｍｆのサブキャリアの振幅が零に設定されている。そしてマルチキャリア端末が用いていないこれらのサブキャリアのスペクトルを、シングルキャリア端末と親局装置の間の通信に用いる。ここではシングルキャリア変調信号の占有帯域幅が１／（２Ｔ）未満の例を示す。したがって、親局装置１１０は１つのヌルキャリアの帯域を使って、２台のシングルキャリア端末ＴＳ１，ＴＳ２とシングルキャリア通信が可能である。シングルキャリア端末ＴＳ１とは、ｆｃ＋１／（２Ｔ）、ｆｃ＋（ｍｆ＋１／２）／Ｔ、ｆｃ−（ｍｆ−１／２）／Ｔのサブキャリアのスペクトルを用いる。シングルキャリア端末ＴＳ２とは、ｆｃ−１／（２Ｔ）、ｆｃ＋（ｍｆ−１／２）／Ｔ、ｆｃ−（ｍｆ＋１／２）／Ｔのサブキャリアのスペクトルを用いる。
【００６２】
ここで、マルチキャリア通信とシングルキャリア通信とでシンボルレートを変更できるのは、上述したようにマルチキャリア通信の変調信号がガウシアンパルスを用いた波形整形によって帯域制限されており、キャリア間干渉を起こさないためである。
【００６３】
図４において、それぞれのシングルキャリア通信で３つのキャリアを用いているが、本実施形態ではこれらの各キャリアは同一データで変調した信号を送信する。従って同一データが３つの異なる周波数で伝送されるので、周波数ダイバーシティ効果が得られ、安定した伝送が可能になる。このように互いにスペクトルが重ならないよう、サブキャリアおよびシングルキャリアの周波数が、スペクトル制御部により配置される。
【００６４】
なお、本実施の形態では以下ＴＤＤ（Time Division Duplex、時分割複信）通信を行うものとして説明する。また、以降、マルチキャリア変調信号生成部１１１が生成するキャリアを高レートキャリア、シングルキャリア変調信号生成部１１２が生成するキャリアを低レートキャリアと称する。
【００６５】
<高レートキャリアの送信方法>
次に、前述したキャリアの配置を実現するための具体的な方法について説明を行う。
まず、高レートキャリアの送信方法について説明を行う。図５は、マルチキャリア変調信号生成部１１１の構成図である。まず、通信先の相手ごとに入力された送信データは、変換器５０１によって、宛先マルチキャリア端末毎の１シンボル分ごとにシリアル／パラレル変換される。ここでデータＭ１はマルチキャリア端末ＴＭ１宛の、データＭ２はマルチキャリア端末ＴＭ２宛のデータを示す。そして、サブキャリアマッピング部５０２が、スペクトル制御部１０１から送信された周波数情報に従って、通信先相手ごとに適当なサブキャリアの組を割り当てる。割り当てられるサブキャリアの合計はＮ本以下とする。ここでＮはＩＦＦＴのポイント数であり２のべき乗の数である。なお、サブキャリアマッピング部５０２は、ｆｃ１およびｆｃ１±ｆｄ、ｆｃ２およびｆｃ２±ｆｄに対応するサブキャリア（文字の定義は後述）には、データを割り当てない。すなわち、これらのサブキャリアに対する変調出力の振幅は０に設定される。
【００６６】
Ｎ個のサブキャリアに分割された信号は、サブキャリアごとに配置された変調器５０３によって、例えばＱＰＳＫやＱＡＭ変調が行われ、ポイント数ＮのＩＦＦＴ変換器５０４によってマルチキャリア変調信号に変換される。
【００６７】
ここまでの構成は、従来のＯＦＤＭＡによる無線通信装置と同様である。従って、上記マルチキャリア変調信号は、従来のＯＦＤＭもしくはＯＦＤＭＡによる伝送信号からガー
ドインターバルを除いたものと同等である。
【００６８】
次に、帯域制限部５０５によって、サブキャリア毎にガウシアンパルスを用いたフィルタ処理を施す。帯域制限部５０５は、ガウシアンパルスを用いた波形整形によって帯域制限を行うフィルタのインパルス応答の１シンボル分を乗算する畳み込み乗算手段である。帯域制限部５０５は、２つの遅延器５０６と３つのフィルタ５０７および加算器５０８から構成される。遅延器５０６は、レジスタもしくはメモリであり、１シンボル分の遅延を行う手段である。図中ｕ０を基準にするとｕ−１は１シンボル前、ｕ１は１シンボル後のＯＦＤＭ信号データとなる。フィルタ５０７におけるフィルタ特性は、前述したようにガウス関数が好適であるが、他の関数、たとえばルートコサインロールオフフィルタ等を用いてもよい。本実施形態においては、３シンボル分のデータによってフィルタ処理、すなわちトランケーションを行っているが、処理シンボル数は増加させてもよい。増加させることによって、隣接サブキャリアおよびチャネルへの干渉をより低く抑えることができる。
【００６９】
以上の処理によって生成されたマルチキャリア変調信号は、加算器５０８によって足し合わされる。他のサブキャリアも同様の処理が行われ、全サブキャリアの信号がシリアル変換器５０９によってシリアルデータに変換される。その後、低レートキャリアの変調信号と加算され、Ｄ／Ａ変換器、送信回路を経て送信される。
【００７０】
高レートキャリアの送信においては、以上で説明した方法によってサブキャリアを配置し、送信信号に対してガウス関数による帯域制限を行う。
【００７１】
<低レートキャリアの送信方法>
次に、低レートキャリアの送信方法について説明を行う。図６は、シングルキャリア変調信号生成部１１２をさらに詳細に説明した図である。まず、シングルキャリア端末ＴＳ１に対する変調信号生成について説明する。
【００７２】
シングルキャリア変調部６０１は、入力された通信データに対してＱＰＳＫやＱＡＭなど通常のシングルキャリア変調を行う手段である。また、帯域フィルタ６０２は、例えばガウス関数もしくはルートコサインロールオフフィルタなどによって帯域制限を行う手段である。これらの処理により、従来技術と同様の基底帯域シングルキャリア変調信号が生成される。
【００７３】
この生成されるシングルキャリア変調信号は、前述した高レートキャリア、すなわちマルチキャリア変調信号とシンボルレートなどの変調定数が異なっていてもよい。例えばセンサ端末など小型で簡易構成の端末への伝送では低ビットレートでの伝送が良い場合が多い。したがって、本実施形態では、シングルキャリア変調信号は、高レートキャリアに対してシンボルレートが半分、シンボル長が２倍の２Ｔ、占有帯域幅が約半分の約１／（２Ｔ）であるものとして説明を行う。
【００７４】
次に、周波数変換部６０３が、シングルキャリア端末ＴＳ１宛の変調信号を、基底帯域においてｆｃ１−ｆｄ、ｆｃ１、ｆｃ１＋ｆｄとなるように３つの周波数に変換する。ここで、ｆｃ１＝ｆｃ＋１／（２Ｔ）であり、ｆｄ＝ｍｆ／Ｔである。これら３つの信号は、同一のデータに同一の変調が施された信号であり、キャリア周波数のみが異なるものである。中心周波数であるｆｃ１と、シフト幅であるｆｄは、変換後の３つの周波数が、スペクトル制御部１０１から受信したヌルキャリアの周波数と一致するように制御される。ｆｃ１が図４における４０１ｂ、ｆｃ１−ｆｄが４０１ｃ、ｆｃ１＋ｆｄが４０１ａに該当する。
【００７５】
周波数変換部６０３によって変換された３つの信号は、加算器６０４にて重みづけ加算される。加算に用いる重みは、上記３つの周波数の伝搬損（伝送損失）により決定し、伝搬損が少ない周波数ほど大きい値を設定してもよいし、３つとも等振幅で出力しても良い。加算に用いられる重みは、複素数の重みであり位相制御を伴う。すなわち、伝送先の端末のアンテナ入力にて、３つが同位相になるように制御される。伝送路の伝送特性は、多くの無線システムで公知のように、トレーニング信号を送信データの先頭に付加して計測してもよい。また、３つの周波数の送信信号の位相と振幅を親局装置Ｂが有する受信回路で受信して比較することで伝送特性を推定してもよい。なお、加算器６０４は、重みづけ加算のみを行うものではなく、伝播損失が最も少ない周波数のみを選択し、他の周波数に対応する信号の出力を停止してもよい。この場合は、構成および演算が簡単化される。
【００７６】
シングルキャリア端末ＴＳ２宛の送信データについても同様の構成により変調信号が生成される。シングルキャリア端末ＴＳ２宛の変調信号は、周波数変換部６０３により、基底帯域におけるキャリア周波数がｆｃ２−ｆｄ、ｆｃ２、ｆｃ２＋ｆｄの３つの周波数に変換され出力される。ここで、ｆｃ２＝ｆｃ−１／（２Ｔ）である。ｆｃ2が図４におけ
る４０２ｂ、ｆｃ2−ｆｄが４０２ｃ、ｆｃ2＋ｆｄが４０２ａに該当する。
【００７７】
<高レートキャリアの受信方法>
次に、高レートキャリアの受信方法について説明を行う。
図７は、マルチキャリア復調部１２１をさらに詳細に説明した図である。受信されたマルチキャリア信号は、フロントエンド部７０１で増幅され、ベースバンド信号に変換される。ベースバンド信号はＡ／Ｄ変換器を経ることによってデジタル信号列に変換される。
【００７８】
変換されたデジタル信号列は、シリアル／パラレル変換器７０２で、シンボルごとにＮサンプルのパラレルデータに変換される。これらのパラレルデータは、図５に示す帯域制限部５０５と同一構成の帯域制限部７０３によってフィルタ処理が施される。帯域制限部７０３では、シンボル長Ｔの遅延メモリ７０４を介して、フィルタ７０５によってフィルタ処理が行われる。この帯域制限部７０３により、サブキャリア単位でバンドパスフィルタをかけたのと等価なフィルタ処理がなされる。フィルタ７０５の、フィルタ特性すなわちインパルス応答は、帯域制限部５０５のフィルタ５０７のフィルタ特性に対応する整合フィルタとすることができる。
【００７９】
なお、当該フィルタ処理は必ず整合フィルタである必要はなく、サブキャリア間隔に大略等しい通過帯域幅のフィルタとすればよい。たとえば、ガウス関数のインパルス応答とする場合、ガウシアンパルス幅をやや短くすることでシンボル間干渉が減少するので、遅延広がりが大きい場合はパルス幅を短くすると特性が改善される場合がある。
【００８０】
フィルタ処理された信号は、ＦＦＴ変換器７０７により、サブキャリア毎の変調信号に変換される。以降は、従来のＯＦＤＭ受信機やＯＦＤＭＡ受信機と全く同様の動作となる。復調部７０８にて信号が復調され、送信部のサブキャリアマッピングと逆の処理を行うデマッピング部７０９、パラレル／シリアル変換部７１０を経ることによって元のデータに変換される。
【００８１】
<低レートキャリアの受信方法>
図１におけるシングルキャリア復調部１２２の構成（低レートキャリアの受信方法）については、周波数ｆｃ１およびｆｃ１±ｆｄの３つを受信し、復調出力をダイバーシティ合成して受信データとする従来のシングルキャリア受信機の信号処理と同一であるため説明を省略する。
【００８２】
<マルチキャリア端末>
マルチキャリア端末ＴＭは、親局装置Ｂから、シングルキャリアの送受信に係る機能を省いたものであるため、説明を省略する。
【００８３】
<低レートキャリア専用端末>
ここまでの説明では、主に親局装置Ｂによる送受信方法について説明を行った。次に、低レートキャリア専用端末による送受信方法について説明を行う。
【００８４】
図８は、シングルキャリア端末ＴＳの構成を説明した図である。図８における受信回路および復調手段は、従来のシングルキャリア受信機と同様のもので、キャリア周波数ｆｃ１またはｆｃ２を受信するものである。なお、ｆｃ１、ｆｃ２は、親局装置Ｂが送信する低レートキャリアの中心周波数（ｆｃ＋１／（２Ｔ）またはｆｃ−１／（２Ｔ））である。本実施形態においては、シングルキャリア端末ＴＳ１がキャリア周波数ｆｃ１を、シングルキャリア端末ＴＳ２がキャリア周波数ｆｃ2を受信するものとして、ＴＳ１の周波数
を例に説明する。
【００８５】
アンテナ８０１からの受信信号は、アンテナ切換部１０２と同等のデュプレクサであるアンテナ切換部８０２と、周波数変換回路としてのミクサ８０３を介して同受信回路へ入力される。ミクサ８０３では、局部発振器８０４が生成した周波数ｆｄの局部信号と混合される。ミクサの構成には回路によっていくつかの種類があるが、ここでは入力信号周波数と局部信号周波数の和と差、および入力信号が出力に現れるものを用いる。ミクサ８０３は、例えばソース接地ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）増幅回路の入力に入力信号と局部信号を加えるソース注入ミクサでも良いし、ギルバートセルミクサなどの、平衡変調回路の入力ポートに対する差動入力の平衡度をやや不平衡にした回路でも良い。これらは極めて一般的な高周波回路である。
【００８６】
ここではミクサ８０３に、周波数ｆｃ１およびｆｃ１±ｆｄの３つの周波数が入力されるものとする。ミクサからの出力には、入力信号周波数と局部信号周波数の和と差、および入力信号が出力に現れるから、ｆｃ１の入力成分は出力ポートにおいてｆｃ１およびｆｃ１±ｆｄの周波数成分に、ｆｃ１＋ｆｄの入力成分はｆｃ１、ｆｃ１＋ｆｄおよびｆｃ１＋２ｆｄの周波数成分に、ｆｃ１−ｆｄの入力成分はｆｃ１、ｆｃ１−ｆｄおよびｆｃ１−２ｆｄの周波数成分に変換されて現れる。すなわち、ｆｃ１およびｆｃ１±ｆｄの周波数をそれぞれ持つ３つの受信信号がいずれも周波数ｆｃ１に変換される。
【００８７】
上記受信回路は、ｆｃ１に受信周波数が設定されている。つまり、他の周波数成分は除去され、上記３つの周波数成分の信号がｆｃ１を中心に重畳加算され受信される。前述のように、親局装置Ｂにおけるシングルキャリア変調信号生成部１１２では、これら３つの周波数成分が同相となるよう位相制御されて送信されるため、これらの信号は互いに強め合い、最大比合成または等利得合成の周波数ダイバーシティ受信となる。上記位相制御は親局装置Ｂ側でなされるため、端末側では通常のシングルキャリア受信回路に、ミクサ回路と局部発振器を追加するのみでダイバーシティ受信を行うことができる。
【００８８】
なお、親局装置Ｂにおいては、低レートキャリアの送信周波数を、ｆｃ１以外にもｆｃ２などにも設定することができるが、キャリア周波数が異なる場合であっても、シングルキャリア端末による受信のロジックは同様であることは言うまでも無い。
【００８９】
なお、本実施形態は、時分割によって同一周波数で送受信を行うＴＤＤの無線システムであるが、異なる周波数にて同時に送受信を行うＦＤＤ（Frequency Division Duplex）
システムにも用いることができる。この場合、図１のアンテナ切換部１０２および図８のアンテナ切換部８０２は、アンテナ共用器（デュプレクサ）となる。
【００９０】
続いて、図８に示したシングルキャリア端末ＴＳの構成を用いて、低レートキャリアの送信を行う方法について説明する。変調手段および送信回路は従来のシングルキャリア無線機における送信装置と同様のものであり、キャリア周波数ｆｃ１またはｆｃ２を送信するものである。この出力には周波数変換回路としてのミクサ８０５が接続されている。ミクサ８０５の動作は受信動作で説明したミクサ８０３と同一である。したがってミクサ８０５の出力にはｆｃ１およびｆｃ１±ｆｄあるいはｆｃ２およびｆｃ２±ｆｄの３つの周波数成分が同相でそれぞれ出力され、アンテナから親局装置Ｂへ送信される。つまり、同等のミクサ回路を送信用に追加することで、受信時と同様の周波数ダイバーシティ効果を得ることができる。
【００９１】
（第二の実施形態）
第二の実施形態は、親局装置Ｂとシングルキャリア端末ＴＳ１およびＴＳ２を用いて、ＭＩＭＯによる通信を行う形態である。
図９は、第二の実施形態における無線通信装置および端末の関係を表した図である。本実施形態においては、親局装置Ｂと、２台のシングルキャリア端末ＴＳ１、ＴＳ２を使用して通信を行う。ここでは、シングルキャリア端末を子局装置と称する。
【００９２】
子局装置ＴＳ１およびＴＳ２は、上記第一の実施形態で説明したものと同一の構成である。ただし、本実施形態では、これらの子局装置ＴＳ１，ＴＳ２に割り当てられる周波数は共通であり、ｆｃ１およびｆｃ１±ｆｄなる同一のスペクトルを用いて通信を行う場合を説明する。図９において、Ｈ１（ｆ）、Ｈ2（ｆ）は、周波数ｆにおける子局装置ＴＳ
１、ＴＳ２から親局装置までの伝送路（伝搬路）の伝達関数をそれぞれ表す。
【００９３】
ｘ１、ｘ２は子局装置ＴＳ１、ＴＳ２における送信信号の基底帯域信号をそれぞれ表し、ｙ１、ｙ２、ｙ３は、親局装置における受信信号の周波数ｆｃ１およびｆｃ１＋ｆｄ、ｆｃ１−ｆｄのスペクトルにおける受信信号の基底帯域信号をそれぞれ表す。なお、端末ＴＳ１、ＴＳ２における送信信号の基底帯域信号は、図８の構成からも明らかなようにｆｃ１およびｆｃ１±ｆｄいずれの周波数におけるスペクトルでも共通である。
【００９４】
以上のように構成された通信システムの動作を以下に説明する。子局装置ＴＳ１およびＴＳ２からの送信信号ｘ１、ｘ２と親局装置における受信信号ｙ１、ｙ２、ｙ３には、数式２に記載した関係がある。
【数２】
2015173500.tif 000004
【数３】
2015173500.tif 000005
【００９５】
これを数式３のように書き換える。ここでｘ１、ｘ2の列ベクトルをｘとおき、ｙ１、
ｙ２、ｙ３の列ベクトルをｙとおき、数式２右辺の３行２列の行列をＨとした。親局装置の受信信号にはｘ１とｘ2が混ざった信号となるので、このままでは互いに干渉して受信
できない。そこで、親局装置がＨを推定し、数式４のようにＨの一般化逆行列Ｈ＋を両辺
の左から乗ずると、Ｈ＋Ｈは２行２列の単位行列に近い値となる。上記３つの受信信号ｙに対してＨの一般化逆行列による重み付け加算を行えば、ｘ１とｘ2が分離されて得られ
る。つまり、所望する信号の電力と、所望しない信号すなわち干渉信号の電力の比が最少となるようにＨを決定する。この信号処理はゼロフォーシング（Zero forcing）と呼ばれる。
【数４】
2015173500.tif 000006
【００９６】
このような、複数の伝送路により複数の信号が重畳されたものから信号を分離・復調する技術はＭＩＭＯと呼ばれ、ゼロフォーシングの他にＭＭＳＥ（Minimum Mean Squared Error）など数種類の信号処理方式が知られている。ＭＭＳＥを使用する場合、干渉信号電力と雑音信号電力の和に対する所望信号電力の比が最大となるよう重みづけ加算の重みを制御すればよい。また、ゼロフォーシングとＭＭＳＥ以外であっても、多重伝送効果を得られる信号処理方式であれば、ＭＬＤ（Maximum Likelihood Detection）など他のアルゴリズムを用いても構わない。これらの信号処理方式については、例えば日本国特許庁ＷＥＢサイトで公開されている、標準技術集「ＭＩＭＯ(Multi Input Multi Output)関連技術」などで開示されている。
【００９７】
本実施形態におけるＭＩＭＯと従来のＭＩＭＯは、以下の点で相違する。すなわち従来のＭＩＭＯによる通信では、子局装置である複数の端末と、親局装置が有する複数のアンテナによって同一周波数で空間多重伝送を行っていた。これに対し、第二の実施形態では、子局装置である複数の端末と、複数の周波数を用いて、１本のアンテナでＭＩＭＯ伝送路を形成することができる。
【００９８】
次に、親局装置から子局装置ＴＳ１およびＴＳ２へ送信する場合を説明する。逆方向の通信においても、上記同様に、同一周波数において異なる端末宛の２つの信号を伝送することが可能である。以下、数式５を参照して説明する。ｙｄ１、ｙｄ２はそれぞれ、子局装置ＴＳ１、ＴＳ２での受信信号の基底帯域信号を、ｘｄ１、ｘｄ２、ｘｄ３は親局装置の周波数ｆｃ１、ｆｃ１＋ｆｄおよびｆｃ１−ｆｄのスペクトルにおける送信信号の基底帯域信号を表す。
【数５】
2015173500.tif 000007
【数６】
2015173500.tif 000008
【００９９】
ＨＴはＨの転置行列で、数式６はｙｄ１、ｙｄ２、およびｘｄ１、ｘｄ２、ｘｄ３をそれぞれ列ベクトルに書き換えたものである。そしてｓ１、ｓ２をそれぞれ子局装置ＴＳ１、ＴＳ２に向けた送信信号の基底帯域信号とし、列ベクトルｘｄを数式７とおくと、数式８の関係が得られる。
【数７】
2015173500.tif 000009
【数８】
2015173500.tif 000010
【０１００】
つまり、同式の示す信号処理によりｘｄを生成して送信すれば、子局装置側ではｓ１、またはｓ２の一方のみが支配的に受信できる。この場合子局装置ＴＳ１、ＴＳ２では特に信号分離のための演算は必要で無く、図８に示した周波数変換回路によりなされる。
【０１０１】
このように本実施形態によれば、端末装置における複雑な信号処理が不要となり、小型センサ端末などに好適な親局装置、子局装置およびそれらを用いた通信システムを提供することができる。
【０１０２】
（変形例）
上記の実施形態はあくまでも一例であって、本発明はその要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施しうるものである。例えば、実施形態の説明では、ヌルキャリアを３本として説明したが、中心周波数よりさらに離れた位置にヌルキャリアをもう一組を設け、計５本としても構わない。また、周波数ダイバーシティを利用せず、複数の低レートキャリアを用いて別の通信を行っても構わない。
【０１０３】
また、シングルキャリア通信に用いるシンボルレートは、マルチキャリア通信に用いるシンボルレートの１／２である必要はなく、任意であってかまわない。
【０１０４】
また、上記の説明では、親局装置とマルチキャリア端末の間、および親局装置とシングルキャリア端末の間で、送受信処理を行うものとして説明したが、いずれか一方または両方において、片方向のみの通信を行うものとしてもかまわない。一例として、親局装置とマルチキャリア端末は送受信を行うが、シングルキャリア端末は親局装置に対して送信のみを行うことなどが考えられる。このような場合であっても、上記で説明したような有利な効果を奏することができる。
【０１０５】
また、第二の実施形態における空間多重伝送は、マルチキャリア端末を用いず、親局装
置とシングルキャリア端末のみを用いて行っても構わない。このような場合であっても、子局装置である複数の端末と、複数の周波数を用いて、１本のアンテナでＭＩＭＯ伝送路を形成することができる。
【０１０６】
また、シングルキャリア端末において、周波数変換器（ミクサ）が入力周波数をｆｃ１として、ｆｃ１＋ｆｄ、ｆｃ１、ｆｃ１−ｆｄの周波数を出力する構成を例として、周波数ダイバーシティ効果やＭＩＭＯの効果が得られることを説明した。しかしながら、シングルキャリア端末のミクサは、入力周波数ｆｃ１に対してｆｃ１＋ｆｄとｆｃ１−ｆｄの２つの周波数のみを出力するような構成であっても同様にダイバーシティ効果やＭＩＭＯ効果を得ることができる。
【０１０７】
また、実施形態の説明においては、一つの親局装置が子局装置との通信を行う例を挙げたが、使用するキャリアの周波数が重複しないように制御することで、複数の親局装置と子局装置の組み合わせを互いの通信範囲内に配置することも可能である。
【符号の説明】
【０１０８】
Ｂ…無線通信装置（親局装置）
１０１…スペクトル制御部
１０２…アンテナ切換部
１０３…アンテナ
１１１…マルチキャリア変調信号生成部
１１２…シングルキャリア変調信号生成部
１１３…Ｄ／Ａ変換器
１１４，１２４…増幅器
１２１…マルチキャリア復調部
１２２…シングルキャリア復調部
１２３…Ａ／Ｄ変換器
ＴＭ１，ＴＭ２…マルチキャリア端末（子局装置）
ＴＳ１，ＴＳ２…シングルキャリア端末（子局装置）
３０１，３０２…ヌルキャリア
４０１，４０２…低レートキャリア
【図１】
2015173500.tif 000011
【図２】
2015173500.tif 000012
【図３】
2015173500.tif 000013
【図４】
2015173500.tif 000014
【図５】
2015173500.tif 000015
【図６】
2015173500.tif 000016
【図７】
2015173500.tif 000017
【図８】
2015173500.tif 000018
【図９】
2015173500.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成27年6月1日(2015.6.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
親局装置と、複数の端末から構成される無線通信システムであって、
前記親局装置は、複数の周波数帯域の信号を用いて前記複数の端末に送信を行うものであり、前記複数の端末宛のデータを伝搬路特性に基づく重み付け合成して、各周波数帯域の送信信号を決定する、送信手段を有し、
前記端末は、前記親局の送信手段から送信される各周波数帯域の信号を合成して受信する、受信手段を有する、
ことを特徴とする無線通信システム。
【請求項２】
前記親局装置の送信手段は、前記複数の端末のアンテナ入力において、当該端末宛のデータが支配的に受信されるように重み付けして送信する、
ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
【請求項３】
親局装置と、複数の端末から構成される無線通信システムであって、
前記端末は、それぞれが複数の周波数帯域を用いて親局装置に信号を送信する、送信手段を有し、
前記複数の周波数帯域は、前記複数の端末で共通であり、
前記親局装置は、前記複数の周波数帯域で受信される信号を、伝搬路特性に基づく重み付け合成をすることで、各端末から送信される信号を抽出する、受信手段を有する、
ことを特徴とする無線通信システム。