(57)【要約】【課題】大地に対して相対的な受信点の移動量を減らし、伝搬路の変化を抑えることが可能なデジタル無線受信装置を提供する。【解決手段】デジタル無線受信装置１０００は、移動体の進行方向に沿って配列されたリニアアレイアンテナ１０と、受信可能とするアンテナを順次切換えるための切換え部２０と、切換え部により受信可能とされたアンテナを介して地上局から受信された信号に基づいて、ドップラーシフト量推定するためのドップラーシフト推定部３０６と、切換え部により受信可能とされたアンテナを介して地上局から受信された複数の受信信号に対して内挿補間を実行する内挿補間部３０４と、内挿補間された信号におけるドップラーシフト量が極小となるように、切換え部によるアンテナの切換えを制御する切換え制御部３０８とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
デジタル無線通信を行う移動体のための受信装置であって、
前記移動体の進行方向に沿って配列された複数のアンテナと、
前記複数のアンテナのうち受信可能とするアンテナを順次切換えるための切換え部と、
前記切換え部により受信可能とされたアンテナを介して地上局から受信された信号に基づいて、ドップラーシフト量推定するためのドップラーシフト推定部と、
前記切換え部により受信可能とされたアンテナを介して地上局から受信された複数の受信信号に対して内挿補間を実行する内挿補間部と、
前記内挿補間された信号に対して、復調および復号を行うための受信処理手段と、
前記内挿補間された信号におけるドップラーシフト量が極小となるように、前記切換え部によるアンテナの切換えを制御する切換え制御部とを備える、デジタル無線受信装置。
【請求項２】
前記移動体は、軌道上を移動する車両であって、
前記複数のアンテナは、前記移動体の外上部に、前記移動体の進行方向に沿って配列される、請求項１記載のデジタル無線受信装置。
【請求項３】
前記デジタル無線通信の信号を構成するフレームに対して、前記切換え制御部は、フレーム期間の最後において、受信を行う後端の素子から、先頭の素子に切換えるタイミングでは、フレーム周期に同期するように切り替えを行う、請求項１または２記載のデジタル無線受信装置。
【請求項４】
前記デジタル無線通信の信号を構成するフレームに含まれるシンボルに対して、前記切換え制御部は、シンボル周期の整数比となる周期のタイミングでアンテナを切換える、請求項１〜３のいずれか１項に記載のデジタル無線受信装置。
【請求項５】
デジタル無線通信を行うためのデジタル無線通信システムであって、
デジタル無線信号を送信する地上局と、
前記デジタル無線信号を受信する移動局とを備え、前記移動局は、
前記移動局の進行方向に沿って配列された複数のアンテナと、
前記複数のアンテナのうち受信可能とするアンテナを順次切換えるための切換え部と、
前記切換え部により受信可能とされたアンテナを介して地上局から受信された信号に基づいて、ドップラーシフト量推定するためのドップラーシフト推定部と、
前記切換え部により受信可能とされたアンテナを介して地上局から受信された複数の受信信号に対して内挿補間を実行する内挿補間部と、
前記内挿補間された信号に対して、復調および復号を行うための受信処理手段と、
前記内挿補間された信号におけるドップラーシフト量が極小となるように、前記切換え部によるアンテナの切換えを制御する切換え制御部とを含む、デジタル無線通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高速に移動する移動体上に設置された移動局と地上に設置された地上局との間でデジタル通信を行う移動体のための受信装置の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
スマートフォンなどの携帯通信端末は、今や生活必需品であり、バスや列車、航空機内などでもこれによる通信量が増加している。
【０００３】
多数の端末が高密度に存在し移動を伴う環境では、各端末が個別に移動体外の基地局と通信を行うより、移動体内に設置された中継機器を経由して通信するほうが周波数利用効率の面からも好ましい。バスや列車などではこの方式による公衆無線ＬＡＮ（Local Area Network）サービスが既に提供されているが、近年の端末数やトラフィック量の増加に伴ってエントランス回線の容量不足が顕在化しつつある。
【０００４】
新幹線ではＬＣＸ（Leaky Coaxial cable、漏洩同軸ケーブル）がエントランス回線に使用されており、性能向上に向けた研究（たとえば、非特許文献１を参照）も行われているが、２０２０年には通信量が現在の１０倍になるとの予測もあり、それでもなお容量不足が懸念される。新たなエントランス回線の導入を考えた場合、２５６ＱＡＭや１０２４ＱＡＭなどの多値変調やマッシブＭＩＭＯの採用、ミリ波等高い周波数の利用などが想定されるが、従来の参照信号に基づく等化では高速なチャネル変動により性能の劣化が著しいため新たな対策が必要である。
【０００５】
ところで、従来は、高速な移動に伴って発生するドップラーシフトを低減しフェージングの変動速度を低下させるために、１）低いキャリア周波数を選択することや、２）フェージング等化技術を適用するほか、３）直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ：orthogonal frequency-division multiplexing）方式を用いてフェージング耐性をもたせる方法などが知られている。
【０００６】
しかし、１）の方法では周波数資源に限りがあり、低い周波数で広い帯域を確保することは容易ではない。２）の方法は等化に必要な既知の信号を頻繁に伝送する必要から、送信信号において情報伝達に寄与する部分が減少する。また、変動に追従するため演算を高速に行う必要もある。３）の方法でもドップラーシフトによりＯＦＤＭを構成するサブキャリア間の干渉が発生し性能劣化が生じる。
【０００７】
そこで、特許文献では、移動体の進行方向に沿って配列された複数のアンテナを用いて基地局から受信された複数の受信信号に基づいて、大地に対して相対的に固定された地点における受信信号を推定し、この推定値を用いて変調パラメータの推定や復調を行う方法が示されている。
【０００８】
そして、特許文献２では、参考文献１による方式の欠点である、いくつかのアンテナの受信信号に受信特性の劣化が起きた場合の仮想受信信号の受信特性劣化を最小限に抑えることができる方法が示されている。
【０００９】
さらに、特許文献３に開示された適応アレーアンテナ制御装置は、ＯＦＤＭで送信された信号の受信にあたり、ドップラー効果などによりサブキャリアに生じる干渉を抑圧することを目的として、複数のアンテナ素子を有するアレーアンテナ手段から出力される、重み付け合成後のアナログ受信信号を入力信号とするアナログ・デジタル変換手段から出力されるデジタル信号に基づいて、複数のアンテナ素子に対する重み係数を適応制御する。この装置は、デジタル信号をフーリエ変換することで、アナログ受信信号に含まれる複数のサブキャリアの各々についての信号成分を抽出する抽出手段と、複数のサブキャリアの内、所定のサブキャリアに対する信号成分を抑圧するように、重み係数を調整する適応制御手段を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−１５２１０５号公報
【特許文献２】特開２００２−３４５４２９号公報
【特許文献３】特開２００４−２１４８５７号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】大橋章範他, 三菱電機技報, pp.595, Nov. 2012.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、既存の無線規格を採用した無線システムにこれら特許文献１や特許文献２の方法を適用しようとした場合、既存の無線規格では複数のシンボルからなるフレームを構成し、このフレーム単位で伝搬路の推定や伝搬路等化を行っているため、伝搬路の等化が困難になるという問題がある。また、移動速度の検出も必要である。
【００１３】
また、特許文献３の方法では、重み係数を、その都度、状況に応じて調整することが必要となり演算の負荷が大きい。また、フレーム単位で伝搬路の推定や伝搬路等化を行っているため、伝搬路の等化が困難になる点も、やはり問題となる。
【００１４】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであって、大地に対して相対的な受信点の移動量を減らし、伝搬路の変化を抑えることが可能なデジタル無線受信装置およびデジタル無線通信システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この発明のある局面に従うと、デジタル無線通信を行う移動体のためのデジタル無線受信装置であって、移動体の進行方向に沿って配列された複数のアンテナと、複数のアンテナのうち受信可能とするアンテナを順次切換えるための切換え部と、切換え部により受信可能とされたアンテナを介して地上局から受信された信号に基づいて、ドップラーシフト量推定するためのドップラーシフト推定部と、切換え部により受信可能とされたアンテナを介して地上局から受信された複数の受信信号に対して内挿補間を実行する内挿補間部と、内挿補間された信号に対して、復調および復号を行うための受信処理手段と、内挿補間された信号におけるドップラーシフト量が極小となるように、切換え部によるアンテナの切換えを制御する切換え制御部とを備える。
【００１６】
好ましくは、移動体は、軌道上を移動する車両であって、複数のアンテナは、移動体の外上部に、移動体の進行方向に沿って配列される。
【００１７】
好ましくは、デジタル無線通信の信号を構成するフレームに対して、切換え制御部は、フレーム期間の最後において、受信を行う後端の素子から、先頭の素子に切換えるタイミングでは、フレーム周期に同期するように切り替えを行う。
【００１８】
好ましくは、デジタル無線通信の信号を構成するフレームに含まれるシンボルに対して、切換え制御部は、シンボル周期の整数比となる周期のタイミングでアンテナを切換える。
【００１９】
この発明の他の局面に従うと、デジタル無線通信を行うためのデジタル無線通信システムであって、デジタル無線信号を送信する地上局と、デジタル無線信号を受信する移動局とを備え、移動局は、移動局の進行方向に沿って配列された複数のアンテナと、複数のアンテナのうち受信可能とするアンテナを順次切換えるための切換え部と、切換え部により受信可能とされたアンテナを介して地上局から受信された信号に基づいて、ドップラーシフト量推定するためのドップラーシフト推定部と、切換え部により受信可能とされたアンテナを介して地上局から受信された複数の受信信号に対して内挿補間を実行する内挿補間部と、内挿補間された信号に対して、復調および復号を行うための受信処理手段と、内挿補間された信号におけるドップラーシフト量が極小となるように、切換え部によるアンテナの切換えを制御する切換え制御部とを含む。
【発明の効果】
【００２０】
本発明のデジタル無線受信装置およびデジタル無線通信システムによれば、移動体の進行方向に沿って配列させた複数のアンテナで構成されるリニアアレーアンテナを用いて、移動体の移動と逆方向に使用するアンテナを順次切換えることで、大地に対して相対的な受信点の移動量を減らし、伝搬路の変化を抑えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施の形態のデジタル無線受信装置１０００の構成を説明するための機能ブロック図である。
【図２】実施の形態のデジタル無線通信システム２０００の構成を説明するための機能ブロック図である。
【図３】リニアアレイアンテナ１０において、受信状態とするアンテナを切り替える処理を説明するための概念図である。
【図４】リニアアレイアンテナ１０において、受信状態とするアンテナを切り替える場合の受信波形の変化を説明するための概念図である。
【図５】ＭＩＭＯ方式に、本実施の形態のデジタル無線受信装置１０００を適用する場合のアンテナの例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態の無線通信システムについて、図に従って説明する。なお、以下の実施の形態において、同じ符号を付した構成要素および処理工程は、同一または相当するものであり、必要でない場合は、その説明は繰り返さない。
【００２３】
（無線通信システムの概要）
図１は、実施の形態のデジタル無線受信装置１０００の構成を説明するための機能ブロック図である。
【００２４】
なお、後に説明するように、デジタル無線受信装置１０００は、移動体に設置され、地上局（たとえば基地局）から送信されてくる信号を受信するものとする。
【００２５】
図１を参照して、デジタル無線受信装置１０００は、一方方向に整列されたリニアアレイアンテナ１０を備える。リニアアレイアンテナには、ｎ本のアンテナが含まれるものとして、各アンテナを区別する必要がある場合は、アンテナ１０．１〜１０．ｎと記載することとする。
【００２６】
デジタル無線受信装置１０００は、さらに、アンテナ１０．１〜１０．ｎのうちから、受信状態となるアンテナを順次選択して切り替えるための受信信号切換え部２０と、受信信号切換え部２０からの信号に対して信号処理を行うためのデジタル信号処理部３０とを含む。
【００２７】
デジタル信号処理部３０は、受信信号切換え部２０からのアンテナ１０．１〜１０．ｎによる受信信号を、それぞれアナログデジタル変換するためのＡ／Ｄ変換部３０２．１〜３０２．ｎと、Ａ／Ｄ変換部３０２．１〜３０２．ｎから順次与えられる信号に対して、時間軸方向に内挿補間をすることで、ドップラーシフトの影響を軽減した信号を生成するための内挿補間部３０４とを備える。
【００２８】
デジタル信号処理部３０は、さらに、アレイアンテナ１０からの信号と内挿補間部３０４からの信号に基づいて、ドップラーシフト量を推定するドップラーシフト量推定部３０６と、推定したドップラーシフト量が極小となるように、アレイアンテナの切り替え速度を設定する受信信号切り替え制御部３０８と、内挿補間部３０４において内挿補間された信号に対して、復調処理を行う復調部３１０と、復調された信号に対して復号および誤り訂正処理を実行するための復号・誤り訂正部３１２とを含む。
【００２９】
なお、ドップラーシフト量推定部３０６によるドップラーシフト量の推定方法としては、たとえば、以下のようなものが考えられる。
【００３０】
１）デジタル無線受信装置１０００でローカルに発生させる発振周波数と、受信信号の受信周波数との差を観測する。
【００３１】
２）マルチパス環境では移動方向前方や後方など様々な方向から反射波が到来し、これらは異なるフェージングを受けることから本来の送信周波数に対して帯域が広がって観測される。反射波の到来方向が一様な場合には、この電力密度関数S（v）は、vを周波数シフト、fdをドップラー周波数とすると、
【００３２】
【数１】
2015177211.tif 000003
で表せる。これより受信信号の周波数帯域幅からドップラーシフト量が推定可能である。
【００３３】
参考文献  http://en.wikipedia.org/wiki/Rayleigh_fading
この方法ではローカルに発生させる発振周波数の誤差の影響を受けにくい推定が可能である。
【００３４】
３）地上局から送信されてくる信号に、たとえばＯＦＤＭの場合のように、複数の周波数成分が含まれる場合、周波数によって、ドップラーシフトの影響が異なるため、複数の周波数成分間の周波数のシフト量を比較することで、ドップラーシフトを検出することも可能である。
【００３５】
図２は、実施の形態のデジタル無線通信システム２０００の構成を説明するための機能ブロック図である。
【００３６】
図２では、移動体の例として、軌道上を移動する列車を例にとることにする。
【００３７】
本実施の形態では、列車２０１０は、１次元的な移動を行うことに着目し、多素子アンテナを設置し受信する素子を順次切換えることで、チャネル変動を低速化する。この技術では、図２に示すように列車の進行方向に沿って多数のアンテナ素子を直線状に並べたリニアアレーアンテナ１０を使用する。
【００３８】
地上局２００からは列車に対して無線信号が送信され、図１で説明したとおり、リニアアレイアンテナ１０のうちの受信状態となるアンテナ１０．ｉは、受信信号切換え部２０により切り替えられる。
【００３９】
リニアアレイアンテナ１０、受信信号切換え部２０およびデジタル信号処理部３０は、車載中継局として機能する。
【００４０】
デジタル信号処理部３０からの受信信号は、車載アクセスポイント４０を介して、所定の通信規格の無線信号（たとえば、無線ＬＡＮ信号）に再び変換され、端末３００．１〜３００．ｍに送信される。
【００４１】
図３は、リニアアレイアンテナ１０において、受信状態とするアンテナを切り替える処理を説明するための概念図である。
【００４２】
図３に示すように、リニアアレイアンテナ１０のうちの受信する素子を、列車２０１０の時刻ｔ１〜ｔｍの間の移動に応じて、進行方向と逆に順次切換え、リニアアレイアンテナ１０の全体の長さＬで決まる一定の範囲内の移動では、実質的に受信点を一定位置Ｐに固定するため、理想的にはチャネル変動やドップラーシフトの発生を除去する。なお、仮に、理想的に受信点を一定位置Ｐに固定することが困難なほど高速に移動する場合であっても、チャネル変動やドップラーシフトを軽減することが可能である。
【００４３】
従って、キャリア周波数高くなるほど、移動が高速になるほど大きな効果が期待できる。
【００４４】
なお、受信信号切り替え制御部３０８の切り替え制御にあたっては、切換え周期やタイミングは、Ａ／Ｄ変換器のサンプリングや、ＯＦＤＭの場合ではシンボル周期、ＦＦＴウィンドウ位置を考慮する。
【００４５】
また、受信信号切り替え制御部３０８は、フレーム期間の最後において、受信を行う後端の素子から、先頭の素子に切換えるタイミングでは、受信側において周知の方法で検出されるフレーム周期に同期するように切り替えを行う。
【００４６】
すなわち、リニアアレイアンテナの全長は、移動体の想定される最高速度と通信システムで採用している最大のフレーム長により決まる長さとする。
【００４７】
たとえば、フレーム長の時間をＴｆ（ｓ）とし、移動体の最高速度をＶ（ｍ／ｓ）とすれば、少なくとも、リニアアレイアンテナの全長Ｌは、Ｌ＝Ｔｆ×Ｖ以上が必要となる。これは、たとえば、Ｖ＝１００ｋｍ／ｈであり、Ｔｆ＝１０ｍｓであれば、約３０ｃｍとなる。
【００４８】
そして、上述のとおり、受信信号切り替え制御部３０８は、フレーム内では移動方向末尾のアンテナから最初のアンテナに切換える操作が発生しないようにする。加えて、切換えにより新たに発生する移動体上の構造物からの電波の反射波による影響を減らすため、アンテナ素子の切換えタイミングを、移動体の物理的な速度ではなく、受信信号のドップラーシフト量が最小（ないし極小）となるように制御する。
【００４９】
そして、Ａ／Ｄ変換過程での劣化を減らすため、シンボル周期の整数比となる周期でのアンテナ切換えタイミングを採用する。
【００５０】
図４は、リニアアレイアンテナ１０において、受信状態とするアンテナを切り替える場合の受信波形の変化を説明するための概念図である。
【００５１】
移動局側が移動する際のドップラーシフトは、移動局の電波の波に対する相対的な速度が大きくなる結果、単位時間あたりに移動局に到達する波の個数が増加することに起因する。
【００５２】
図４（ａ）のように、地上局２００の方向に向かって、アレイアンテナ１０が移動している場合を考える。この時点では、アンテナ１０．１で受信が行われている。
【００５３】
これに対して、ある時点で、図４（ｂ）のように、受信状態となるアンテナがアンテナ１０．２に切り替わると、波に対して受信するアンテナが実効的に移動体の移動方向と逆向きに動くこととなる。
【００５４】
結果として、このように順次アンテナを移動体の移動方向と逆向きに切り替えていくと、一定時間の平均としては、移動体の移動と関わりなく、一定の位置で受信しているのと等価な状態とすることができる。
【００５５】
ただし、アレイアンテナ１０におけるアンテナの切り替えは、上記のとおり、一定間隔ごとに不連続であるので、内挿補間部３０４は、このような不連続性を、時間軸について補間して連続にアンテナが移動するのと等価な信号を生成する。
【００５６】
なお、このような計算にあたっては、特許文献１（特開２００２−１５２１０５号公報）のように、移動体の移動速度を推定することにより、仮想的な固定位置における信号を推定する構成としてもよい。
【００５７】
なお、現在多くのシステムでは、ＭＩＭＯ（multiple-input and multiple-output）技術が採用されている。
【００５８】
図５は、このようなＭＩＭＯ方式に、本実施の形態のデジタル無線受信装置１０００を適用する場合のアンテナの例を示す図である。
【００５９】
図５は、列車２０１０を上側から見た図である。
【００６０】
図５に示すように、リニアアレイアンテナ１０を進行方向に対して、２列に設けることにし、各列のアンテナを以上の説明と同様に順次切り替えることとすれば、受信側で、ＭＩＭＯに対応した受信を行うことが可能である。
【００６１】
以上説明したように、本実施の形態のデジタル無線受信装置およびデジタル無線通信システムによれば、移動体の進行方向に沿って配列させた複数のアンテナで構成されるリニアアレーアンテナを用いて、移動体の移動と逆方向に使用するアンテナを順次切換えることで、大地に対して相対的な受信点の移動量を減らし、伝搬路の変化を抑えることが可能である。
【００６２】
したがって、アンテナ素子間隔と移動速度が最適な場合、大地に対して相対的に固定された地点で受信を行ったのと等価にすることが可能であり、それ以外の場合でも移動速度が実質的に低下させることが可能なため、移動により発生するフェージングの変動速度を低下させることにより、伝搬路の等化が有効に機能する。これにより効率的な伝送が可能になることに加え従来規格の機器との共存も容易となる。
【００６３】
今回開示された実施の形態は、本発明を具体的に実施するための構成の例示であって、本発明の技術的範囲を制限するものではない。本発明の技術的範囲は、実施の形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲の文言上の範囲および均等の意味の範囲内での変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００６４】
１０  リニアアレイアンテナ、１０．１〜１０．ｎ  アンテナ素子、２０  受信信号切換え部、３０  デジタル信号処理部、２００  地上局、３０２．１〜３０２．ｎ  Ａ／Ｄ変換部、３０４  内挿補間部、３０６  ドップラーシフト量推定部、３０８  受信信号切換え部、３１０  復調部、３１２  復号・誤り訂正部、４０  車載アクセスポイント、３００．１〜３００．ｍ  端末、１０００  デジタル無線受信装置、２０００  デジタル無線通信システム、２０１０  列車。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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