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明細書 :光近似同期CDMA方式とそれを用いた光無線システム

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B2)
特許番号 特許第4304335号 (P4304335)
公開番号 特開2005-175849 (P2005-175849A)
登録日 平成21年5月15日(2009.5.15)
発行日 平成21年7月29日(2009.7.29)
公開日 平成17年6月30日(2005.6.30)
発明の名称または考案の名称 光近似同期CDMA方式とそれを用いた光無線システム
国際特許分類 H04B   1/707       (2006.01)
H04J  14/00        (2006.01)
H04J  14/04        (2006.01)
H04J  14/06        (2006.01)
FI H04J 13/00 D
H04B 9/00 F
請求項の数または発明の数 2
全頁数 15
出願番号 特願2003-412590 (P2003-412590)
出願日 平成15年12月10日(2003.12.10)
審査請求日 平成18年11月13日(2006.11.13)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】304020177
【氏名又は名称】国立大学法人山口大学
発明者または考案者 【氏名】松藤 信哉
【氏名】棚田 嘉博
【氏名】田中 幹也
【氏名】松元 隆博
【氏名】内堀 晃彦
個別代理人の代理人 【識別番号】100111132、【弁理士】、【氏名又は名称】井上 浩
審査官 【審査官】菊地 陽一
参考文献・文献 特開平07-143110(JP,A)
特開2001-094466(JP,A)
特表2002-536870(JP,A)
調査した分野 H04B 1/707
H04J 14/00
H04J 14/04
H04J 14/06
特許請求の範囲 【請求項1】
送信側は2値情報に対して光のON、OFFに対応させた1と0の要素からなる異なる送信系列をもとに生成した情報フレーム波形を送信し、受信側は1対の送信系列に応じて生成した1と-1からなる受信系列との相関より、自己相関がシフト0において、正、あるいは負のピーク値が現われることより2値情報を復調して、0シフト近傍のシフト区間と、他ユーザとの相互相関が0シフト区間を含めてその近傍のシフト区間において無相関領域を有することより他局間干渉を除去しマルチパスの影響を低減することを特徴とする光近似同期CDMA方式。
【請求項2】
2値情報に対して光のON、OFFに対応させた1と0の要素からなる異なる送信系列をもとに生成した情報フレーム波形を送信する送信機と、1対の送信系列に応じて生成した1と-1からなる受信系列との相関より、自己相関がシフト0において、正、あるいは負のピーク値が現われることより2値情報を復調して、0シフト近傍のシフト区間と、他ユーザとの相互相関が0シフト区間を含めてその近傍のシフト区間において無相関領域を有することより他局間干渉を除去しマルチパスの影響を低減する受信機と、を有することを特徴とする光無線システム。
発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
本発明は光無線通信方式に係り、特に他局間干渉を排除可能でしかも処理利得及びネットワーク全体の伝送効率が高い光近似同期CDMA方式とそれを用いた光無線システムに関する。
【背景技術】
【0002】
近年、通信のニーズの多様化や情報伝送の大容量化に伴い、既に電波法の適用外である光無線通信が着目され、室外や室内における光無線ネットワークが実用化されている。
特に、CDMA(Code Division Multiple Access:符号分割多元接続)と呼ばれ、スペクトラム拡散技術による通信方式で、複数のユーザが同一周波数帯を共用する技術を光通信に採用する光無線ネットワークが構築されている。
例えば、特許文献1では「光CDMA回路および光通信システム」として基板上に入力用光導波路、分波用のNチャネルアレイ格子、N個の2×2光スイッチ、合波用のNチャネルアレイ格子、および出力用光導波路が形成された光回路において、分波用のNチャネルアレイ格子と合波用のNチャネルアレイ格子がN本の長さの等しい光導波路で結ばれており、各々の光導波路の一部に前記2×2光スイッチおよび位相シフタが配置されている光CDMA回路が開示されている。
このように構成される光CDMA回路においては、パワーではなく電界での加算を可能として実質的な減算を可能とすることで光スペクトラム拡散通信方式においてSN比の高い光信号の拡散変調・逆拡散復調を行うことができる。
【0003】
また、特許文献2では「光符号分割多元接続方式の送受信システム」として、光CDMA方式の送受信システムにおいて、送信側には、光CDMAエンコーダの光源として強度可変のものを用いると共に、信号の多重化手段としては入射光の最大値を出力とする光セレクタを用い、また、受信側では信号判定手段としての光CDMAデコーダの前段に光ハードリミッタを設けるものが開示されている。
このように構成される光符号分割多元接続方式の送受信システムにおいては、送信信号の品質を高めてより多重度を大きくし、また、送信側において干渉成分を低減させて誤り率特性や多重度の向上の効果を可能にすると共に受信側においても信号の判定前に干渉成分を除去して上記効果を更に高めることが可能となっている。
【0004】
さらに、特許文献3においては、「光CDMA伝送システム」として、情報送受信手段が出力した信号を伝送回線から受信して光CDMA多重方式に用いるために符号化した光信号を光伝送回線に送出する符号化手段と、この符号化手段から出力する光信号の強度を制御する出力強度制御手段と、光CDMA符号化された光信号を光伝送回線から受信して復号した信号を出力する復号手段と、復号手段において求められる各情報送受信手段毎の相関強度値を比較した比較情報を生成し、復号手段により復号した信号に対応する出力強度制御手段に向けて比較情報を通知する比較処理手段を備える発明が開示されている。
このように構成される光CDMA伝送システムにおいては、各符号化手段から出力されるレベルを、合波される各送信データ間のレベル差が減少するように出力強度制御手段によって調整することによって、受信側で自己の光CDMA信号レベルが他の符号化手段から出力される光CDMA信号レベルよりも極端に小さいことによって正しく復号されないという現象を回避することができる。
【0005】

【特許文献1】特開平10-303862号公報
【特許文献2】特開2002-141889号公報
【特許文献3】特開2002-16583号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、上述の特許文献1乃至3に開示された発明においては、光スイッチや位相シフタ、強度可変の光CDMAエンコーダ光源や光ハードリミッタ、あるいは出力強度制御手段などハードウェアとしての構成要素を付加して複数の受信側による復号時の干渉を低減することが発明の主目的となっている。
これらの光CDMA方式では、異なった符号を情報伝送することにより、符号の分離より情報識別するが、この異なった符号として0と1からなる系列を送っている。この場合、複数のユーザからの送信信号が重なり合って送信されることになる。受信側では、情報識別する際に、ユーザと情報を識別する系列が送られてきたか否かを判断するために、同じ系列と相関をとってどの系列から送られてきたかを判断することになる。これが情報の復号ということになる。このときに他ユーザの受信信号との相関が特許文献3に開示されるように他局間干渉となり情報誤りに大きく影響を及ぼすことになる。他局間干渉を削除するために、同期点における相互相関を零にすることになるが、一般に非同期であるため、すべての系列の位相において相関の低い系列が要求される。しかし、これらの光CDMA方式では、その系列長に対して光のONに相当する1の数が極端に少なくいので、対雑音、妨害に対して強いとは言えなかった。また、系列数が少ないことから、同時に通信できるユーザ数が多い、または、システム全体の情報伝送容量が高いとは言えなかった。
【0007】
すなわち、ハードウェア的な改善がなされているものの、原理的あるいは論理的な観点からすれば、従来の光CDMA方式においては必ずしも情報伝送効率が高いとはいえないという課題があった。しかも、ハードウェアによる改善は構造の複雑化とコスト増大を招くという課題もあった。
本発明はかかる従来の事情に対処してなされたものであり、簡素な構成で安価に構築できると共に、高速伝送、同時刻での多元接続を可能とし、さらに他局間干渉がなく通信仕様に対して柔軟に対応できる光近似同期CDMA方式とそれを用いた光無線システム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】
【0008】
本発明の請求項1に記載の光近似同期CDMA方式においては、上述の課題を解決するため、送信側は2値情報に対して光のON、OFFに対応させた1と0の要素からなる異なる送信系列をもとに生成した情報フレーム波形を送信し、受信側は1対の送信系列に応じて生成した1と-1からなる受信系列との相関より、自己相関がシフト0において、正、あるいは負のピーク値が現われることより2値情報を復調して、0シフト近傍のシフト区間と、他ユーザとの相互相関が0シフト区間を含めてその近傍のシフト区間において無相関領域を有することより他局間干渉を除去しマルチパスの影響を低減するものである。
【0009】
また、請求項2に記載の光無線システムにおいては、2値情報に対して光のON、OFFに対応させた1と0の要素からなる異なる送信系列をもとに生成した情報フレーム波形を送信する送信機と、1対の送信系列に応じて生成した1と-1からなる受信系列との相関より、自己相関がシフト0において、正、あるいは負のピーク値が現われることより2値情報を復調して、0シフト近傍のシフト区間と、他ユーザとの相互相関が0シフト区間を含めてその近傍のシフト区間において無相関領域を有することより他局間干渉を除去しマルチパスの影響を低減する受信機を有するものである。
【発明の効果】
【0010】
本発明の光近似同期CDMA方式及びそれを用いた光無線システムにおいては、他局間干渉を完全に排除できるので情報誤りの少ない同時刻多元接続が可能となる。また、他局間干渉が現れないことから遠近問題に対するパワーコントロールが不要となる。さらに、ネットワーク全体の伝送効率が高く、マルチメディア情報伝送に柔軟に対処できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0011】
以下に本発明の実施の形態に係る光近似同期CDMA方式とそれを用いた光無線システムについて図1乃至図4を参照しながら説明する。
本発明では、従来の光CDMA方式や光無線システムにはない性質を備える光無線用符号として、光ZCZ(Zero Correlation Zone:無相関領域)符号を提案する。この光ZCZ符号は、光直交符号と同様に要素0と1とからなる符号語(送信系列)の集合であり、1、-1の要素からなる受信系列との相関(便宜的に自己相関と呼ぶ。)は、零シフトでは、系列要素1の数に相当するピーク値を取り、それ以外の両側のあるシフト区間で零値を取り、異なる系列における相互相関は、零シフトも含めたそのシフト区間で零値を取るような零相関領域を有する。
この光ZCZ符号について以下に詳細に説明する。
長さNのM個の系列対(a,b)の集合を
【0012】
【数1】
JP0004304335B2_000002t.gif
とする。
但し、aを2相系列、bを2値系列とする。ここで、aとbの周期相関関数を、
【0013】
【数2】
JP0004304335B2_000003t.gif
と定義する。このとき、周期相関関数が、
【0014】
【数3】
JP0004304335B2_000004t.gif
を満たすならば、集合Sを零相関関数ZCZを有する光ZCZ符号と呼ぶ。但し、|ω|<Nは系列bの要素1の数に等しいものである。
光ZCZ符号の一つの構成法を考える。長さN=2n1-1のM系列、あるいは長さN=4n-1の平方剰余系列を
【0015】
【数4】
JP0004304335B2_000005t.gif
とする。この周期自己相関関数は、
【0016】
【数5】
JP0004304335B2_000006t.gif
となる。これを用いて、長さNの2値系列∧m(本願明細書中では、∧、∨あるいは~が文字上部に付されて変数や定数を構成する場合に、その文字の上部に代えて前に∧、∨あるいは~を示す場合がある。)を
【0017】
【数6】
JP0004304335B2_000007t.gif
と与える。系列mと∧mの周期相互相関関数は、
【0018】
【数7】
JP0004304335B2_000008t.gif
と、インパルス特性となることが容易に示される。すなわち、相互に直交する系列であり、(m,∧m)を直交系列対と呼ぶ。
長さN=2n2、系列数M=N-1の平衡アダマール符号を
【0019】
【数8】
JP0004304335B2_000009t.gif
と表す。これは異なる系列間の内積が0、つまり
【0020】
【数9】
JP0004304335B2_000010t.gif
であり、1と-1の個数が等しい。これは、全て1の要素からなる行を含むアダマール行列のそれ以外の各行の集合と等しい。この候補として、シルベスター型アダマール行列やM系列型アダマール行列、あるいは、それらの各列を入れ替えたアダマール行列が挙げられる。
ここで、長さNの2系列∧h、∨h
【0021】
【数10】
JP0004304335B2_000011t.gif
とおく。このとき、
【0022】
【数11】
JP0004304335B2_000012t.gif
を得る。
これより次の定理1を導いた。
(定理1)
長さNの直交系列対(m,∧m)と要素1からなる符号を除いた長さNのM=N-1個の平衡アダマール符号を考える。今、長さN=N、ペアの数をMとして
【0023】
【数12】
JP0004304335B2_000013t.gif
を与えると、
【0024】
【数13】
JP0004304335B2_000014t.gif
または、
【0025】
【数14】
JP0004304335B2_000015t.gif
は、零相関領域ZCZ=N-1を有する光ZCZ符号である。ここで、
【0026】
【数15】
JP0004304335B2_000016t.gif
を得る。
この定理を証明すると、長さNとNは互いに素、すなわち、g.c.d(N,N)=1なので
【0027】
【数16】
JP0004304335B2_000017t.gif
と表せる。したがって、式(1)乃至式(3)を用いることにより導ける(証明終了)。
系列長N、系列数M、零相関領域ZCZのZCZ符号は、直交性より
【0028】
【数17】
JP0004304335B2_000018t.gif
となる関係を持つ。定理1の光ZCZ信号は、
【0029】
【数18】
JP0004304335B2_000019t.gif
となるので、上界にほぼ到達する。ここで、-1はアダマール符号のすべての要素が1となる系列を除いていることを意味している。
系列値1と0の符号語で1と0の符号語との相関を議論する通常の光CDMA方式における符号設計に比べ、光ZCZ符号の設計は、相関特性を定義した上での系列長、系列数、系列値1の数の割合に関しての数学的な上界(最適性)の観点から理にかなっていることが説明できる。
一般には、系列値が複素あるいは実数でないと数学的上界に到達できないが、このような光通信であれば数学的上界に到達する系列値が2値の光ZCZ符号によって与えられることに大きな意義がある。
このように数学的上界に到達するような最適な符号を与えていることによって最適な光近似同期CDMA方式とそれを用いた光無線システムを実現することができるのである。
【0030】
以下、具体的に本実施の形態に係る光近似同期CDMA方式について説明する。
まず、光ZCZ符号を用いた光近似同期CDMA方式と、他局間干渉を消去できる原理について図1を参照しながら説明する。図1は、ZCZ符号を適用した近似同期方式を説明するための概念図である。
近似同期方式は、各子局の同期店をある許容時間内に制御する方式である。すなわち、図1に示されるように各子局の情報フレームの先頭ビットが許容時間内に受信される方式である。ここで、許容時間に相当するシフト区間をZCZとすると、今ユーザjの情報フレームは定理1の光ZCZ符号である、長さNの光ZCZ符号のaのメイトb,∧bにガードタイムを設けた長さL=N+2ZCZの拡張系列を
【0031】
【数19】
JP0004304335B2_000020t.gif
とする。
【0032】
2値情報の1つをB、もう1つを~Bに対応させて光のON/OFFによって送信することを考える。受信側では、光強度を直接電気信号に変換し、各子局の受信系列aとの相関によって情報を復調する。このときZCZ符号の零相関領域ZCZは、同期の許容時間に相当するように決定されているので、理論上、他局間干渉は除去できる。送信側は2値情報を送るためにそれに相当する異なった2値系列を送信するが、受信側では同じ2相系列との相関よりピーク値が正または負となることより情報を復調できるのである。
長さN=3のM系列、m=(++-)と、長さN=8の全ての1の行を除いたM系列型アダマール符号
【0033】
【数20】
JP0004304335B2_000021t.gif
より構成される長さN=24、系列数M=7の光ZCZ符号を考える。今j=7とすると
【0034】
【数21】
JP0004304335B2_000022t.gif
と書ける。但し、+、-、0はそれぞれ系列の要素、1、-1、0を表す。このとき零相関領域ZCZ=2となるので、シルベスター型では、ガードタイムが付加された長さL=28の系列B,~Bは、
【0035】
【数22】
JP0004304335B2_000023t.gif
となる。また、受信側では同じ系列
【0036】
【数23】
JP0004304335B2_000024t.gif
を用いて相関処理を行う。系列bが送信されたとすると、系列aとの相関特性は図2(a)で示されるとおりとなる。このようにピーク値が正に現れるので情報1を復調できたと考えられる。また同様に、系列bが送信された場合の相関特性は、図2(b)に示されるようになり、ピーク値が負であることから情報-1が復調できたものと考えられる。
【0037】
一方、系列bとのセットである系列bは、系列aとの相互相関特性が図2(c)に示されるようにシフト0と零相関領域で0値をとる。本実施の形態では、k=6としている。
シルベスター型アダマール行列より導いた平衡アダマール系列は、短い系列が周期的に現れるので自己相関特性が良好ではない。また、シルベスター型、あるいはM系列型アダマール行列の列を並べ替えたアダマール行列を用いた場合も、相関特性はほぼM系列型の場合に類似している。したがって、M系列アダマール行列を用いた。
【0038】
次に、発明者らは図3に示されるような実験装置を用いて、光空間伝送実験を行い、光ZCZ符号が同期点における他局間干渉を除去できることを遠近問題も考慮しながら確認したので説明する。
図3に示される実験装置において、送信側では任意波形発生器1で発生した符号を図示しない電気/光変換器により光に変換し、受信側ではシャープカットフィルター付きの光/電気変換器2、アンプ3、ローパスフィルター4及びディジタルオシロスコープ5を介してノート型パーソナルコンピュータ7で相関処理を行う。この光空間伝送実験の諸元を表1に示す。
【0039】
【表1】
JP0004304335B2_000025t.gif

【0040】
送信機A、Bから別々の情報が等電力で同時に送られ、受信機は多重化された信号からAの情報を復調する。送信機A、Bから受信機までの距離は、それぞれ200cm、40cmとし、受信されるAの電力はBよりも小さくなる。ここでは、受信時の同期のずれはなく、同期点(τ=0)は既知とする。
【0041】
図4(a)乃至(c)は信号A、信号B、雑音を組み合わせた各種受信信号に対するAの系列による相関出力を示す。図4(a)は(A+B+雑音)の相関出力であり、(b)は(A+雑音)の相関出力、(c)は(B+雑音)の相関出力を示している。それぞれ横軸は、時間を信号のチップ時間幅、すなわち、系列間の位相シフトτとして換算している。但し、1シフトの時間幅は、1×10-8msである。系列間の位相シフトτとして換算している。
これらの図より、相関値が0となる|τ|=1,2において、雑音の影響が生じているものの、受信したBの電力がAに比べ非常に大きくても、同期点での他局間干渉が無く2値情報+1を復調できることが確認できる。つまり、従来必要とされていた他局間干渉を制御するためのパワーコントロールを必要としないのである。
【0042】
以上説明したとおり、本実施の形態に係る光近似同期CDMA方式は、送信側は2値情報に対して光のON、OFFに対応させた1と0の要素からなる異なる送信系列をもとに生成した情報フレーム波形を送信する一方、受信側は1対の送信系列に応じて生成した1と-1からなる受信系列との相関を取り、かつ、無相関領域を有することで、他局間における干渉を除去して複数の情報信号による影響を低減するのである。受信系列として1、-1という要素からなるZCZ符号を考え、それと送信系列の相関を取り、情報の復調を行うものである。
また、このような光近似同期CDMA方式を採用する送信機と受信機を有する光無線システムにおいても同様の効果を備える。
【産業上の利用可能性】
【0043】
本発明に係る光近似同期CDMA方式とそれを用いた光無線システムはパーソナルコンピュータ間のローカルエリアネットワーク構築や、AV機器などの間での通信、医療や教育現場におけるモニタリングシステム、ロボットの遠隔制御や情報収集システムなどに適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【0044】
【図1】ZCZ符号を適用した近似同期方式を説明するための概念図である。
【図2】(a)は本実施の形態に係る光近似同期CDMA方式における情報1検出際の相関特性を示す概念図であり、(b)は同様に情報-1検出際の相関特性を示す概念図であり、(c)は同様にセット内の相互相関の例を示す概念図である。
【図3】本実施の形態に係る光近似同期CDMA方式の効果を確認するための空間光伝送実験装置の構成図である。
【図4】本実施の形態に係る光近似同期CDMA方式において、信号A、信号B、雑音を組み合わせた各種信号に対するAの系列による相関出力を示す概念図で、(a)は、(A+B+雑音)の相関出力、(b)は(A+雑音)の相関出力、(c)は(B+雑音)の相関出力を示している。
【符号の説明】
【0045】
1…任意波形発生器 2…光/電気変換器 3…アンプ 4…ローパスフィルター 5…ディジタルオシロスコープ 6…分周器 7…ノート型パーソナルコンピュータ
図面
【図1】
0
【図2】
1
【図3】
2
【図4】
3