JP3947770B2 - 多種拡散系列を用いたcdma通信方式 - Google Patents
多種拡散系列を用いたcdma通信方式 Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、伝送過程において混入する雑音のうち、とくに大きな妨害を与えるセル内及びセル間干渉雑音を分離除去できる上に、周波数利用効率を高め電力帯域幅積を減少しうる、スペクトル拡散変調を用いた符号分割多重通信方式(CDMA)に関する。ここでは、BPSK信号にスペクトル拡散変調を施す移動通信方式を例にとり、セル内及びセル間干渉回避技術やマルチアリ(多値)変調技術などの主要技術の説明を行う。
【0002】
【従来の技術】
スペクトル拡散通信は、送信データにより拡散系列を変調する拡散変調技術を用いる方式である。この拡散変調により前記データのもつ比較的狭い帯域幅のスペクトルは、広い周波数帯域に拡散され、この拡散された信号が送信される。そして、1個の基地局(BS)が通信サービスを供給する地域(セルまたはセクター)内には、複数局のユーザが存在する。この方式は単位周波数当たりの伝送電力が小さく、他の通信への妨害を比較的軽微なレベルにすることができると共に、伝送過程において混入する環境雑音(CW雑音のような外部雑音)と、希望局以外の他のユーザである移動局−干渉局から入来する局間干渉雑音に対し、耐性を有する特徴をもつ優れた通信方式である。一般に、この干渉雑音には、干渉局から多重伝搬路(マルチパス)を経て、入来する遅延波も含まれる。しかし、多数の局からの通信が同一周波数帯域を共用するので、局間干渉雑音による妨害により、収容できるユーザ数の増大が困難になるという問題点が存在する。すなわち、拡散変調により使用周波数帯域幅を増大する割には、ユーザ数を増加できないことを意味し、周波数利用効率の低下、あるいは、1bitの送信に必要な電力帯域幅の増大を招くことになる。
【0003】
図14は無線通信路を介して直接拡散形のスペクトル拡散通信(DS−SS)を行う移動通信システムの一般的な構成を示すブロック図であって、送信機TXは系列発生器1にて発生した拡散系列に送信2値データbを乗積変調してベースバンド送信出力s(t)を得、さらに発振器2にて発生した周波数f0の搬送波をベースバンド送信出力により変調することによって、2値データbをスペクトル拡散した後、無線通信路を介して送出する。なお、ユーザのアドレスを識別するための拡散系列には、他ユーザと異なる疑似雑音(PN)系列がシグネチャとして用いられ、このPN系列としては、最大長符号(M)系列やゴールド(Gold)系列が通常用いられている。
【0004】
受信機RXはスペクトル拡散変調された信号を、図示を省略したアンテナを介して増幅器3に導き、ここでその入力を所要レベルに増幅し、
数混合した出力を生成し、この周波数混合出力をローパスフィルタ5に加えることにより、その低周波成分を、ベースバンド受信復調信号r(t)として生成する。この場合、通常コヒーレント復調を行う。
このベースバンド帯域復調信号と、系列発生器6から発生される前記送信機TXにおいて用いた系列と同一の拡散系列とが乗算器7に加えられる。乗積器7の乗積出力を積分器8により、拡散系列の系列長(1シンボルフレーム分)の期間について積分を行い整合濾波出力が得られる。この出力を検波器9により前記フレームの終了時点で、しきい値と比較
検出データをもとに作られた制御信号を、同期検波器10を介して前記系列発生器6の制御端子に加え、受信された信号と位相が同期するように拡散系列の発生タイミングを制御する。なお、図14の受信機RXにおいて、局部発振器4と系列発生器6による乗積機能を交換配置することがしばしば行なわれるが、全体の復調機能は同一であり、何れの構成を用いてもよい。
【0005】
図15は受信復調過程にある信号のスペクトルを模擬的に示した図であって、図(a)の11は受信機入力信号であるスペクトル拡散変調信号のスペクトル、12は混入した環境雑音のスペクトルである。この入力を受信機にて拡散系列による復調(逆拡散)を行うと、図(b)の逆拡散出力に示すように、広い周波数帯域幅に拡散されていた前記スペクトル拡散変調信号11が狭帯域幅の信号13となり、また環境雑音12は広い周波数帯域に分散された信号14となるから、環境雑音による影響を抑圧しうる通信方式である。
【0006】
図16は従来の直接拡散形スペクトル拡散通信方式(DS−SS)におけるベースバンド送信シンボルフレーム波形(以下シンボルは省略される)を示す図である。図において、n,T,Tc,bn,g(i),s(i),s(t)はそれぞれシンボルフレームの時系列順序を示すフレーム番号、データの送信シンボルフレームの周期、チップ周期、n番目の2値送信情報、拡散(インパルス)系列、離散表示の送信フレーム、連続時間表示の送信フレームである。ここでは、g(i)として系列長L=7(チップ)の系列を例として示す。2値データbnは、データ1、0に対応して1、−1をとる。送信フレームs(t)は、s(i)=bng(i)の各インパルスを方形波としたベースバンド送信波形である。離散系列g(i)とその連続時間波形g(t)は、
で与えられる。
【0007】
ここでci(i=0,1,2,..L−1)は拡散系列のi番目のチップ振幅、δはデルタ関数、q(t)は方形波関数である。実際の無線帯域送信波sa(t)は、通常
により、搬送波を変調することにより生成される。
【0008】
ここでq(t)として方形波を用いると、符号間干渉を生ずるので、これを避けるために、式(3)に対し、隣接標本点における自己相関関数が0をとるような波形(f形標本化関数と呼ばれ、そのスペクトルは余弦ロールオフ特性をもつ。)が用いられる。この場合受信機は送信側と同じチップ波形q(t)を準備し、q(t)と局部搬送波の乗積波形により受信シンボルフレームを相関復調すれば、受信信号中の希望波成分は式(1)のインパルス列となり、先行または後続するチップの妨害を受けない。このインパルス列を拡散系列g(i)で逆拡散した出力を積分し、この積分出力を硬判定することにより送信情報bnを検出できる。f形標本化関数を用いるとき、ロールオフ率をα(通常0.1〜1の値をとる)とすれば、上記拡散信号の無線帯域幅BSと送信データの無線帯域幅BDは、
となる。しかしながら、実用システムではL≫1でありL倍の帯域を使用するにもかかわらず、最大同時通話数(前記ユーザ局数)Kは、K≪Lとなり、同時伝送容量/Hzは時分割多重無線方式(TDMA)の大略(K/L)倍となる。したがって、この観点から時分割多重方式と比較すると、従来のCDMA方式の周波数利用効率は、必ずしも高くないという欠点がある。
【0009】
このようにユーザ局数対系列長比(K/L)を大きく設定し得ない理由は、希望局に割当てた系列g0(i)と他の移動局に割当てた種類の異なる系列gk(i)(k≠0)の相互間に存在する相互相関値を十分小さくなし得ないからである。さらにマルチパスによる遅延波も考慮すると各ユーザ局から入来する多数の遅延波系列群と系列g0(i)相互間の相互相関値は増大する。すなわち、高い相互相関をもつ干渉波が多数入来するので、符号誤り率が著しく劣化し、その結果ユーザ局数Kを増大できず、周波数利用効率を高め得ない。
【0010】
上述の干渉雑音による妨害を抑圧するために,多くの方法が従来研究されてきたが、十分な雑音抑圧効果は得られていない。ここでは、本発明と密接な関係にある4種の先行技術について説明しよう。
(A)並列組合系列の選択伝送方式[文献S.Sasaki,H.Kikuchi,J.Zhu,and G.Marubayashi,“Error Rate Analysis of Coherent and Differential Multiphase Parallel Combinatorial Spread Spectrum System,”IEICE Trans.Fundamentals,Vol.E80−A,No.7,pp.1196−1203,1997−07.]
(B)孤立パイロット支援形分析復調方式[文献Mitsuhiro Tomita,Noriyoshi Kuroyanagi,Naoki Suehiro,Shinya Matsufuji,“A Pilot Frame Assisted CDMA System using Gold Sequences”,Proceedings of WPMC’99,9.4,pp.346−353,Amsterdam,1999−09]
(C)レイク受信方式[書籍Ramjee Prasad“CDMA for wirelesspersonal communications”,Artech House1996,Sections11.5and11.6(p348,pp365−366)]
(D)空間時間符合化方式[文献Ben Lu and Xiaodong Wang,“Iterative Receivers for Multiuser Space−Time Coding Systems”,IEEE JSAC,VOL.18.No.11,November2000]
【0011】
方式(A)において、送信機はM種の拡散系列を準備し、その中のγ個を選択し、これらに2進情報を乗じ、加算して送信する。この場合送信すべき2進情報IビットをMとγで定まる組合に対応させるので、そのシンボルフレーム当りの情報量は、
となる。すなわち、本方式は多値変調方式(マルチアリーシステム)の一例であり、周波数利用効率の改善が期待されてきた。
【0012】
1個の送信シンボルフレームが受信機に到着したとき、マルチパスにより一般に1個の主波とJ個の遅延波からなる(J+1)個の波となる。ユーザ数をKとすれば、受信機は、希望局から(γ−1)個の波(系列)を自己干渉成分として受信し、干渉局からγ(K−1)(J+1)個の波を局間干渉成分として受信するので、これらの妨害は一般に著しく大となる。また、この方式は多数(MK種)の拡散系列を必要とし、その中の任意の系列間の相互相関関数の平均値はファミリサイズMKの増大と共に増大する。すなわち、干渉電力はM,K,Jに比例して増大する。したがって、方式(A)により所望の誤り率特性を得るためには、M,Kをあまり増大できず、その結果、周波数利用効率を高めることはできない。
【0013】
方式(B)において、各ユーザの送信機は、他ユーザからの干渉波の妨害を受けないように、孤立パイロットフレームを送信する。受信機は、これらの孤立パイロットフレームを受信し、すべてのユーザからの高精度パイロット応答を常に準備する。各ユーザ送信機は、そのユーザに割当てられた系列を用い、ユーザ共通の搬送波を用いて送信データフレームを生成し、これを送信する。
【0014】
すなわち、方式(B)は、孤立パイロット信号を各ユーザが基地局(BS)に送信することにより、BSは各ユーザから基地局への伝送路特性(チャンネル)を正確に把握できるようにした方式である。すなわちBSはk(=0,1,2,...K−1)番目ユーザからの伝送路のパイロット応答(チャンネルレスポンス){psk}(s:相関関数の成分順序を示す番号、s=0,1,2,...L−1)をうることができる。受信フレームr(t)の相関応答{Φs}は、k番目のユーザの送信情報をbkとすれば、
で与えられる。上式の右辺第2項は、r(t)に含まれる白色雑音に対応する誤差成分である。式(6)を解くことにより、送信情報の検出出力
に除くことができる。{psk}も白色雑音による妨害成分を含むので、干渉波の完全な分離はできないが、白色雑音より干渉波が大きな妨害を与えるCDMA方式において、干渉波成分の大部分を除去できる利点は大きい。
【0015】
しかし、方式(B)は、相関応答を用いているので{psk}はサイズL×L
関係が必要となる。すなわち、収容できるユーザ数は、拡散系列長により制限され、周波数利用効率を十分高め得ないという問題点がある。
【0016】
方式(C)は、マルチパス環境下において、受信フレーム内には希望局送信フレームが発生する多数の遅延波が含まれるが、主波のみならず、これらの遅延波を多数のフィンガ(遅延波に同期して動作する復調回路)により復調し、その出力を合算して復調検出する方法である。この方式は、上記の各フィンガ出力は、干渉局から入来する主波と遅延波による局間干渉成分を含むので、その妨害によりユーザ数を増大すれば、誤りが著しく増大することが報告されている。
【0017】
方式(D)は、複数個宛の送信及び受信アンテナを用いたCDMA通信方式である。このシステムでは、各ユーザの送信機は、送信データ系列に対し複数個のたたみこみ符合化処理を施して、複数のフレーム系列を生成し、これらを複数のアンテナに導いて送信する。基地局受信機は、複数(Nd)のアンテナ入力から受信した信号群からマルチユーザ復調器によりユーザ毎の復調出力を求め、そのn番目のフレームの第1検出値bnを生成する。この第1検出値bnの時系列は高い誤り率をもつ。この時系列の複数(Nd)セットをもとにして、たたみこみ復号器において複号することにより第2検出値を生成する。この検出値を前記マルチユーザ復調器とたたみこみ復号器に帰還し、上記復調及び復号処理を行い第3の検出値を求める。この処理を多数回繰返すことにより最終検出値を確定する方式である。
方式(D)は、極めて複雑な処理と長い遅延時間を必要とする。その割りには、周波数利用効率を高め得ないという問題がある。なお、後述する本発明の実効系列増大技術は、上述の第1検出値bnを低い誤り率で求める方式であり、簡易な処理で優れた特性を得ることができるもので、本質的に異なる技術である。
【0018】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、拡散系列セットを用いた新しいマルチアリーシステムの構成技術を提供することにより、上記の問題点を解決し、CDMA方式の方式評価尺度である周波数利用効率や電力帯域幅積に対し、上述の諸方式が示してきた限界を克服するためになされたものである。
【0019】
【本発明の実施の形態】
本発明はCDMA通信方式のもつ上述の問題点−他の移動局(ユーザ)から入来する干渉波による妨害に弱い特性−を克服し、かつ周波数利用効率を高めた方式で、主として技術的に困難な上りリンクを対象として実施例を説明する。本発明において、k(=0,1,...K−1)番目のユーザの送信機ukは孤立パイロットフレームを送信し、基地局受信機BSは、このパイロットフレームまたはその相関応答を用いて、前記方式(B)と同様にデータフレームに含まれる干渉波による妨害成分を除去し、自己干渉波も利用する機能を有する。さらに、送信機は予め送信すべき2値データ情報セット{b}を多値情報{β}に変換する。すなわち、この多値情報{β}を多種符号セットに乗ずることにより2値と多値を対応づける。すなわち、TXは、M種の符号セット(系列母集団)にM−γ個の0を含む情報セット{β}=(β0,β1,...βM−1)を乗じ、M種の中
れらの被選択拡散符号に乗じて送信する。受信機は、選択された符号の種類と極性(±1)を検出する。この検出出力から前記送信2値情報セ
報を伝送できるマルチアリーシステムの一種であり、周波数利用効率を高め得る。
【0020】
図1は本発明の補助説明図で、CDMA移動通信方式のセル内伝送経路説明図である。図1(a)の上りリンク伝送は、このセルの中で通信する移動局uk(k=0,1,2,.....K−1)(以下ユーザ局と称する)から基地局BSへ送信波sU(uk)を送信する状態を示す。いま、0番目のユーザu0を希望局とすれば(以後この仮定のもとに説明する)、BSにとって直接波である受信波rD(t)が希望波となる。ここで点線はマルチパスによる遅延波を示す。希望局の送信波が発生する遅延波は自己干渉波rSI(t)となる。一方、希望局以外のユーザ局(干渉局とも称する)からの送信波は、局間干渉波rXI(t)として受信される。この中には直接波のみならず、図示のようにマルチパスによる遅延波も含まれる。したがって、受信する干渉波rI(t)は、自己干渉波と局間干渉波の和となる。全受信波r(t)は次式で表現される。
ここにx(t)は白色雑音(AWGN:Additive White Gaussion Noise)である。
【0021】
図1(b)は下りリンク伝送の経路を示す。ここでも、波線で示すマルチパスによる遅延波が発生する。また、ユーザ局u0が受信する受信波は、図示の送信波sD(u0)とその遅延波のみならず、他局uk(k≠0)への送信波とその遅延波も含まれる。
なお、直接波を遮ぎる物体が存在する場合は、直接波の代わりに遅延波を主波として復調することもある。この場合、マルチパスによる干渉波のいくつかは復調対称波より先行する。以下の説明では、技術的により困難な上りリンクを対象に、便宜上先行波を省いた状態を仮定して(この仮定は一般性を失わない)、システムの設計法を述べる。
【0022】
図2〜4は、本発明の第1の実施例の説明図であり、ゴールド系列のような一般的拡散系列を用いるとともに、周波数分割形パイロットフレーム伝送方式を用いた送受信機の回路構成と伝送路のモデルを示す。図2はk番目のユーザukの送信機TX(uk)の回路である。Iビットの2進情報セット{b}と、パイロット情報pが準備される。前者は図の直並列変換回路s−pにより多値情報セット{β}に変換され、その出力は、
で与えられ、M個のβm中のγ個のβmは±1の値をとり、残余の(M−γ)個のβmは0値をとる。(一般にβmは0を含む多値、実数値、複素数値などをとることができるが、ここでは簡単のため上式のように3値として説明する。)一方、パイロット情報は、ここでは常にp=1とする。ユーザukにはM種類の互いに異なる基礎拡散系列gm(i)が系列母集団として与えられる。gm(i)は下記に示す長さLの離散系列である。
【0023】
ここに、gmiはi番目のチップ振幅で、ここでは2値(±1)の場合を仮定する。一般には多値、実数値、複素数で与えられる。(本発明は、任意のランダム系列を用いることもできる)δはデルタ関数、Tcはチップ周期である。パイロット用系列gp(i)も同様な長さLの基礎拡散系列である。変調器MOD0,MOD1,...MODM−1において、この基礎拡散系列gm(i)に前記3値情報βmを乗じて、L個の2値チップインパルス列からなるシンボルフレーム(以下、通常シンボルを省いて表現する)を生成する。これらの出力を加算器Σにおいて合成すれば、Lチップからなる多値合成インパルス列sD(i)が得られる。図示の繰返回路REPDにおいて、この出力をN回繰返し、系列長LG=NLの繰返しコア拡散系列sDN(i)を生成する。さらに図示の包装(enveloping)回路ENVDにおいて、sDN(i)の前後部にsDN(i)の後部l(i)と前部h(i)を複製し付加することにより、系列長LEの被包装系列(Enveloped Frame)eD(i)を生成する。その各チップインパルス列をたたみこみ乗算器COVDにそれぞれ加えることにより、式(3)のチップ波形q(t)によるたたみこみ乗算出力を得る。この被包装フレーム出力eD(t)は、フレーム周期がTE=LETcの連続時間波形をもつ下式のベースバンド送信データフレームとなる。
ここにgm(t)/TEは、系列長LEをもつgm(i)の周期系列とq(t)のたたみこみ乗算出力である。
【0024】
一方、変調器MODpにおいて、パイロット情報pにより、基礎拡散系列gp(i)[i=0,1,2,...L−1.]からパイロット離散系列sp(i)を生成する。さらに繰返し回路REPp、包装回路ENVp、たたみこみ乗算器COVpを用いて、同様な方法で下式に示すベースバンド送信パイロットフレームが得られる。
図示の変調器MODfpとMODfDにおいて、(被包装)データフレーム
フレーム出力ska(t)が得られる。
【0025】
図3は伝送路のモデルを示すブロック図である。伝送路TLkはk番目のユーザukと基地局受信機BSとの間のチャネル特性(伝達関数)のパラメータを示す。これは、送信信号ska(t)に減衰を与えた直接波とともに多重伝搬路による多数の遅延波を生成し、これらをBSに加えることになる。1個の送信フレームにより生成される、これらの波の集合をここでは群波(フロックフレーム)と呼ぶ。TLkの出力のすべてが受信点で加算(Σで表示)されて、K個の波の和のフロックフレームと白色雑音x(t)からなる受信フレーム信号ra(t)が生成される。
【0026】
図4に希望局u0の送信情報を検出する受信機の回路RX(u0)を示す。
信号を生成し、これをマッチドフィルタに加えてパイロット応答を生
域濾波器LPFI、LPFQにそれぞれ加えることにより、その出力として
うな、IQ出力分離生成のための回路の詳細は簡単のため省かれている。]希望局u0の送信波の減衰と歪みは、図示を省いた等化回路により補償される。
【0027】
各ユーザ局の送信波は、それぞれ主波(直接波または、最大電力をもつ受信波)を含むJ個のマルチパスによる遅延波を発生するから、
フレームに注目しよう。これらのベースバンド受信波はp=1として、
で与えられる。ここに両式の第1項はユーザu0の送信パイロット及びデータフレームにより生成された直接波と遅延波の和からなるフロッ
号振幅であり、一般に送受信搬送波の位相差によりI、Q成分対応の振幅となるので複素数となる。x(t)はAWGNである。
【0028】
データフレーム成分も含まれている。上式の第3項と第4項は、局間
調した出力である。これらの出力は、上述の直交搬送波による復調と、後述する図4の平均化回路AOによる平均化操作により0となる。
[AOの代わりに、図4の整合フィルタMF(z)や図9の相関器Cor(y)の積分操作によっても0となる。]したがって、以下これらの成分は存在しないものとして説明する。
【0029】
また式(13)のem(t)はem(i)とq(t)とのたたみこみ乗算出力であり、em(i)はgm(i)をN回繰返したコア系列に、ヘッダh(i)とテールl(i)を付加した系列長LEの被包装系列である。
復調処理は、チップ時間間隔Tc毎に値をもつ離散時間軸の波形に変換して遂行される。そのために、図示のチップ波形相関器C0r(q)において、これらの連続波形と、チップ波形q(t)との相関出力がTC毎に生成される。[ここではq(t)として標本化関数波形を仮定する。その拡がり幅は相関器の積分時間となるが、その値は、相関誤差を小さくするために、チップ周期TCより十分長く選ばれる。]これらの相関出力はチップ周期間隔で配列されたチップ要素からなる離散系列r0pf(i),r0Df(i)となる。(この相関器の機能は、重み係数をf形標本化関数としたときのトランスバーサルフィルタと同等である。)
【0030】
ここで、希望局宛受信信号の主波に同期した同期受信フレーム周期
の主波のコア系列部分が抽出され、これらのフレームは、LG(=NL)個のチップインパルスからなる(繰返し)同期受信パイロット及びデータ
の2つの平均化回路AOに加えられ、AOはその平均化操作により、これらのフレームの系列長をNLからLチップへと変換する。この操作
【0031】
分析系列z(i)に整合した整合フィルタMF(z)に加えられ、希望局u0に対応した相互相関関数{μ0}が伝送路のチャンネル応答(図3のTL0に相当する)として生成される。この出力{μ0}は擬似フレーム発生回路FFG(Fabricated Frame Generator)と同期回路SYNに加えられる。前者ではパイロット応答{μ0}と拡散系列gm(i)をもとにして、m番目の擬似
【0032】
同期回路SYNは公知の手段により、チャネル応答{μ0}から同期受信
路へ伝送する。このタイミングの助けにより、前述のようにra(t)から
される。[確度の高いパイロット応答を活用する本方式では、搬送波の
(図に点線枠で示す回路SQEXp、SQEXDについては後述される。)
【0033】
の中の±1に最も近い値をとるγ個の出力に対し改めて順序番号を付
を多値→2値変換回路p−sに加えることにより、u0から送信された情
【0034】
この伝送方式において、(βm∈±1,0)とした場合、送信フレームeD(i)当りの情報量Iは次式で与えられる。
ここで、前述の方式(A)ではγを固定値としたが、γを固定値とせず、送信機が第1選択として選択できるγの値をγmax以下の自然数とし、第2選択としてM種の系列からγ個の系列を選択することにすれば、その場合の情報量は
となる。(γにγmax以下の自由度を許容するためには、本発明の高精度干渉除去技術が必要である。)ここでは、γを固定値とした場合につき、主として説明する。もし、βmに対し±1の代りに、多値や複素数値を用いると、Iは上式の値よりさらに増大する。
【0035】
図5は図2の実施例の補助説明図であり、上りリンクにおいて、ユーザが送信する周波数分割形フレームの構成法を示す。この送信フレームは、パイロットフレームとデータフレームの合成されたものである。ここに、ユーザuk=(k=0,1)の送信機TX(uk)が送信するフレームを例にとり、その構成法を示す。
【0036】
TX(u0)には、系列長L(チップ)のパイロット用基礎拡散系列
れる。後者の2系列は、前述のようにM個の基礎拡散系列
個の系列に対し新しい順序番号と上付符号Sを付加して表示した系列である。これらの拡散系列にパイロット情報p(=1とする)とデータ情報
生成する。前者は、基礎パイロットフレームsp(i)となる。後2者の対応チップを加え合わせた系列長Lチップの合成系列が基礎データフレームsD(i)となる。
【0037】
られる。この場合のgp(i)はu0用の基礎拡散系列に等しいが、後2者の
u1の送信2値情報セット{b}/u0と{b}/u1に、これらのデータ系列は対応しているからである。
【0038】
TX(u0)において、ユーザ共通の基礎パイロットフレームsp(i)をもとにして、図示のように、sp(i)を系列繰返し数N(ここではN=4に設定する)回繰返し配列したコア系列spN(i)=sp(i)×4を作り、その前後にガード系列としてヘッダ系列hp(i)とテール系列lp(i)を付加することにより、被包装パイロットフレームep(i)を生成する。同様にsD(i)を基にして被包装データフレームeD(i)を生成する。これらの被包装フレームのインパルス列により前述のチップ波形q(t)をたたみこみ変調すれば、ベースバンド被包装フレーム波形ep(t)、eD(t)を得る。これらの被包装
を合成(同じ時間軸上の波形の加算)することにより、u0の無線帯域
【0039】
上述の被包装フレームの系列長LE(チップ)と時間幅TEは次式で与えられる。
【0040】
ここにLh、LG、Llはヘッダ、コア、テールの各系列の系列長、Nは基礎系列繰返し数で使用する搬送波の数に等しい値であり、TCはチップ周期である。上述の例ではユーザ数K(=2)に対応して、N=2K=4に設定されている。
【0041】
図6は図2、5の補助説明図で、送信フレームのコア系列部のスペクトル図である。ここで、例えば送信パイロットフレームを構成する長さLチップの基礎パイロットフレームsp(i)と長さLG(=4L)チップのコア系列spN[=sp(i)×4]に対し、DFT(ディスクリート・フーリエ変換)を施し、その周波数スペクトルの主要部分を模擬的に示すと、図6(a)のようになる。同図の離散周波数fD、fGとシンボルレートfSは次式で与えられる。
【0042】
ここに、TD,TGは基礎系列周期、繰返し系列周期である。図6の櫛の歯状スペクトルは、L=7の基礎系列を使用した場合の例である。したがって、gp(i)[=sp(i)]は7チップで構成されるので、[ここでは、チップ波形q(t)に対しロールオフファクタα=1のf形標本化関数を仮定する。]そのスペクトルは0を中心に±7fDまで拡がっている。一方コア系列gpN(i)[=gp(i)×4]は28チップで構成されるので、そのスペクトルは0を中心に±28fGまで存在する。[±7fD、±28fG上のスペクトルは0となるがここでは小振幅で表示した] ここでは両者とも同一のチップ周期TCを用いているので、占有帯域幅は同一となるが、後者の周波数スロット数は前者の4倍に増加し、全スロットの1/4にスペクトルが存在するが、系列繰返しの効果により他は空スロットとなる。
【0043】
コア系列sDN(i)[=sD(i)×4]のスペクトルも同様な櫛の歯状周波数スロットを占有する。f00を任意の基準周波数として、ukが用いる前述の搬送波に次式の関係
を与えよう。しかるとき、時間波形とスペクトルを
のように対応づけると、図6(b)に示すように各フレームのスペクトルが互いに重ならないように配置された合成スペクトルが得られる。
解するために、各スペクトルを異なる振幅で表示してある。]
【0044】
このように、式(18)の関係をもつ直交周波数の搬送波を用いて周波数軸上に分散した多重化を施すことにより、周期TGの同期受信フレームに含まれる多くの異なる周波数で変調されたフレーム成分は互いに直交するので、受信機はこれらのフレーム成分を分離して相関復調できる。
【0045】
図7は図2、4の実施例の補助説明図で、連続時間波形送受信フレームの時系列図である。簡単のため、図5のシンボルフレームの中でパイロットフレームのみを送信した場合を仮定し、そのベースバンド送受信フレームの時間関係を示す。図7(a)はuk(k=0,1)の送信パイ
等しい波形である。図の最上部に表示した時系列フレーム番号nに対応する被包装フレームを、パイロットの添字pを省いた
御チャンネルを用いて制御される。
【0046】
複素振幅である。[実際に、ある1個の遅延波は、TCの実数値倍の遅れで受信されるが、この波を、図4の相関器C0r(q)においてTCの整数倍の時間位置jTCの標本値を成分とする複数の遅延フレームの和に変換できるので、この変換出力を分析処理することにより正確な復調ができる。したがって、整数倍の遅れをもつ波のみを示してある。]
【0047】
図において最初の(n=0)フレームに着目すると、希望局u0から受信
る。
【0048】
図7(b)に示す時間差τsは、希望局の受信フレーム(主波)と、自己干渉波のうち最大遅延(または先行)で入来する波(図の場合2TC秒遅延のフレーム)との時間差である。τIは局間干渉のうち最大遅延(または先行)で入来する波との同様な時間差である。τIには、前述の主波
に設定する。τs、τIはセル半径や地形で定まるのでTh、Tl上式を満
の波が存在すれば、負極性のτS,τIも発生する。テールの時間幅Tlはこのような負極性の時間差に対するガード系列としての役割を果たす。]
【0049】
図7(b)は上式の準同期条件を満足している場合である。ここで、
に複素振幅を乗じた系列になっている。もし式(19)が満足されな
ルまたは(ヘッダ)が含まれることになる。その結果、干渉成分は、単純なある系列のN回繰返し系列ではなくなるので、図6で説明した周波数軸上の直交関係は失われる。すなわち、式(19)を満足し、その結果希望局や干渉局から受信したフロックフレームの情報変調の
ーム上の成分との間には直交搬送波による直交関係が成り立つので、
できる。これは他局からの干渉がないことを意味する。同じ理由で、u0からデータフレームが同一時間帯に送信されていたと仮定し、同様
分は異なる周波数f0に対応する周波数スロットの上に存在し、両者は同様な繰返し系列であるから、互いに直交関係が成りたつ。したがって、同一ユーザの同期受信パイロットとデータフレームも互いに分離して復調分析することができる。この原理により、受信機は後述する干渉妨害を受けない孤立パイロット応答を求めることができる。
【0050】
図8は、図7の説明図の補助説明図で、単一ユーザの1個のベースバンド送受信シンボルフレームの詳解図である。したがってこの図ではユーザ番号kの上付符号と時系列順序番号nの下付符号の表示を省いて説明する。図8(a)は、図5で説明した被包装パイロットフレームep(i)と、それに対応する受信フロックフレームrpf(i)を示す。被包装系列ep(i)のコア系列は、N=4と仮定すればpgpN(i)[=sp(i)×4]であり、
一般に次式で与えられる。
【0051】
s(=0,1,2,...N−1)番目の単位系列の中のi(=0,1,2,...L−1)番目のチップ振幅を示す。はAWGNによる偏差を含むことを示す。ここでは、時間変数t=iTCと、遅延時間変数τ=jTCの離散値表現としてiとjを用いている。この例はJ=3に対応し3波からなる。[rpf(i)と後述するrDf(i)に対しては、ヘッダとテールの図中の記号表示を省いてある]また、xp(i)はAWGNである。
【0052】
図8(b)は図5で説明した被包装データフレームeD(i)と、それに
礎拡散系列をN回繰返した系列である。図8(a)との違いは、各波の構成系列が、γ=2に対応して2個の系列の和の系列になっているこ
jTC遅れの遅延波の複素振幅とし、xD(i)をAWGNとすれば、一般に次式で与えられる。
【0053】
分から構成されているので、該単位系列の同一チップ要素のN個を平均化することにより、Lチップの成分に変換できる。(雑音電力は1/N
【0054】
Lチップの要素からなる次式の同期受信パイロット及びデータフレームに変換できる。[この平均化操作を、後述する式(29)の求解処理や、式(25)の相関処理などの中に含めることもできる。また、式(12)と(13)の第3項と第4項に示す成分は、この平均化操作により0となる。]
【0055】
法を以下に説明する。
【0056】
図4の整合フィルタMF(z)は系列z(i)に整合したフィルタである。このz(i)は系列長Lのパイロット分析系列で、次式の周期相互相関関数Rpzを満足する。
【0057】
ここにgp(i)はパイロット用基礎拡散系列、 ̄は複素共軛の記号である。このパイロット分析系列z(i)と、ユーザ番号kを省いた同期受信パ
チャネル応答であり、AWGNをx(i)=0とすれば、下式で与えられる。
【0058】
ここにμjは図7(b)、図8(b)に示した、直接波よりjTC遅延した受信フレーム振幅で、一般に複素数となる。もし、J≧Lの場合は、nLTC(n=0,1,2,...)遅延した遅延波は重なって検出されるので上式は
となる。ここで[ ]はガウス記号である。これから式(18)、(19)の条件の下で、干渉波の妨害を受けず、図2の伝送路特性TLkで定まる孤立パイロットによるチャネル応答{μk}が求まる。[ただし、AWGNの妨害は受ける。また、図4のMF(z)の出力{μ0}は図3のTL0に対応する。]
【0059】
ここで、パイロット用基礎拡散系列gp(i)の代わりにデータ用基礎拡散系列gm(i)を用いてパイロットフレームを送信した場合に得られる
まるLチップの成分で、次式で表現される。
【0060】
ここにρmi(i=0,1,2,...L−1)はi番目のチップ振幅であり、′はAWGNによる偏差を含むことを示す。
いま、被包装パイロットフレームep(i)を式(18)に示したパイロット用とデータ用搬送波f′k、fkを用いて同時に伝送したと仮定する。
じ2個の整合フィルタMF(z)にそれぞれ加え、式(26)で示した相
分の間には次の関係が生ずる。
【0061】
ここに、fGは式(17)のシフト周波数であり、jTcは遅延波の遅延時間である。すなわち、信号を運ぶ搬送波の周波数が異なれば、そのチャネル応答にはθの位相回転が生ずる。したがってデータフレー
【0062】
【直接分析方式】
式(27)の擬似パイロットフレームにより式(24−A)のデータフレームを表現すると次式が得られる。
【0063】
されるAWGNである。またβmはM個の要素から成ることを考慮し、式(27)の要素を転置した表現(添字の順序変更)を用いてパイロットフレームを書き直すと、次式が得られる。
【0064】
タ行列である。ρ′とd′の各列は(M−γ)個の0値をとる要素を含む。′は式(30)に示したAWGNによる偏差成分(Δρnm,Δβn,Δdn)が含まれていることを示す。式(29)を解いて送信情報を検出する方法を直接分析方式と呼ぶ。
【0065】
【最尤判定方式】
未知数セット{β}のM個の要素の中で(M−γ)個の要素が0であること
る。この最尤解を求める3通りの具体的手法を次に示す。
【0066】
解法(a):
式(29)のM個の未知数を減少し、次式を満足する任意整数MRを選ぶ。
ここで、
個の縮小未知数セットの中の0番目の配列をとるセットを
個のセット{βR}ν(ν=0,1,2,..NR−1)を準備する。しかるとき、{βR}0に対して式(29)のサイズを(MR×MR)に縮小した下式の縮小サイズ(MR元)連立方程式を構成できる。
MRが式(29)を満足する条件下、一般に上式の解は求まる。
【0067】
もし、γ個の被選択情報のすべてが上記{βR}0に含まれていたとすれ
中のγ個の要素が±1を、残りの(MR−γ)個の要素が0をとる組合]の
解は、正しい値の何れの組合からも大きく異なる値をとる。
【0068】
定義しよう。
【0069】
ここで、1個の未知数解に対する3個の偏差値の中の最小値をとり
ぞれ小大順に配列し、各々の値に改めて上付記号AとBを付し、それらのセットの構成要素に対し別々の順序番号n=(1,2,...)を付し、これら
次に他の未知数セット{βR}ν(ν≠0)を作り、その各々から得られる同様な偏差値セット{ΔA}ν,{ΔB}νを求める。これらの偏差値セットに対し、その構成要素の代数和を偏差評価関数として次式で与える。
【0070】
数がγ以外となる場合は、この候補を除く)NR個の未知数セットに対し、同様な評価関数を求め、その中でSν′が最小値をとれば、その未知
【0071】
もし、γを固定値としない場合は、
【0072】
解法(b):
このセットをUs(s=0,1,2,..Nu−1)とする。この組合数はNu=MCγ個ある。次に+1または−1をとるγ個の要素からなる仮想(送信情報)系列
Ch(=c0,c1,...cγ−1)は、極性反転の場合を除くと2γ−1個生成できる。Usの各セットの要素フレームにChの要素(極性)を順次乗ずることにより、受信可能な擬似送信フレームFshを複数個生成する。この組合数は極性反転の場合を除くと2γ−1Nu存在する。簡単のため、M=4,γ=2の場合について説明する。
【0073】
擬似送信フレームは次式で与えられる。また、仮想系列はC0(=1,1)、C1(1,−1)の2個となる。U0とChをもとに次の擬似送信フレームFsh(i)が生成できる。
【0074】
同様にして、他のセットU1〜U3に対しても擬似送信フレームが求まり、合計8個となる。同期受信データフレームと擬似送信フレームとの0シフト相関値は下式で与えられる。
【0075】
このような8個の中で、Rshが±1に最も近い値をとる擬似送信フレームを見出すために下式の評価関数を用いる。
係から求めることができる。
【0076】
解法(c):
値が0をとる下式を満足する分析系列wm(i)を求める。
w0(i)=(w00,w01,...w0,L−1)Tの転置行列(添字交換)を用いて、下式が求まる。
【0077】
mを固定値としたとき、m′のとりうる組合[m′]を複数
Nm′=[(M−1)/(M−1−MT)]+1個{[]はガウス記号}作り、これに対応する分析系列をwm[m′](i)としよう。しかるとき、Nm′個の上記分析系列により(M−1)種の系列領域を覆うことができる。これらを用いて次式の0シフト相関値を求めよう。
【0078】
もし、βmとβ[m′]の中に合計γ個の送信情報{βs}のすべてが含まれている場合は、この相関値は±1に極めて近い値を示す。したがって、
MNm′個の全組合に対して求めた相関値Rm[m′]の中、±1に最も近いγ個を最尤セットとして式(39)と同様な評価関数を用いて見出せば、
ができる。
【0079】
【相関分析方式】
同一の分析系列ym(i)で相関分析し、その出力を用いて連立方程式を生成することもできる。この相関分析方式を用いた第2の実施例の受信機の部分回路を図9に示す。この部分回路は図4の後部の部分回路に
式(27)の擬似パイロットフレームである。これをもとにしてデータ分析系列ym(i)が、図のy−AYZにおいて、次式の周期相互相関関数の条件を満足するように生成する場合を考えよう。
【0080】
て直交する系列である。
【0081】
タ分析系列yn(i)(n=0,1,2,...M−1)を図のパイロット応答発生器PGNに加え、両者の0シフト相関値(相関係数)を求める。
ここではその偏差を0と仮定する。]このpnmをn行m列の成分とすれば、サイズM×Mのパイロット応答(Decorrelation)行列Pが生成される。Pは、u0から受信する可能性のあるM種のデータフレーム相互の関係を、分析系列yn(i)により規定したパラメータである。また、使用する搬送波の異なる他局から受信したパイロットやデータフレームによる妨害を受けない孤立パイロット応答である
【0082】
こで両者の0シフト相関値Φnが生成される。Φnのセットであるデータ応答行列Φは、式(24)、(27)においてxD(i)=xp(i)=0とすれば、下式で表現される。
【0083】
式(28)、(45)、(46)から、Φnは次式で表現される。
式(47)から次のM元連立一次方程式が得られる。
【0084】
考慮し、それを含む値を′で表示すると次式が得られる。
【0085】
列である。図9(b)のβ−AYZにおいて、上記方程式を解くことによ
る。(以下βの順序記号をn→mに変更する。)βm=0,±1であり、βm=0は有効な出力ではないので、式(49)のM個の出力{β′}をま
これらの値から±1をしきい値とし、下式により差分の絶対値Δm+,Δm−を求める。
【0086】
Δm+,Δm−を小大順に配列し、各々の値に改めて上付記号Aと順序番
に対応する推定値{β′}の正負を硬判定することにより、送信情報の検
る。式(49)を解くに当り、行列P′の階位が低下する場合は、前述の解法(a)〜(c)の何れかを適用すればよい。
【0087】
上述の手段によりM種類のフレームの中から選ばれたγ個の被変調系列セットよりなる送信データフレームを、マルチパス伝送路を経由して受信し、この受信信号をベースバンド信号に復調した後に、こ
個の被変調系列セットを識別し、その各系列が運んできたγ個の2値情報{βs}を検出することができる。この場合、式(30)、(50)に含まれる偏差Δρmn、Δdm、Δpnm、ΔΦnが大きいと、同時に伝送された他の系列による妨害を受けるが、M種の系列相互の周期相関値が小さい系列セットを選ぶことによりこの妨害を十分軽減できる。
【0088】
求めるとき、この値を運んできた受信フロックフレームに含まれる主波及びすべての遅延波のエネルギは、これらの式の列ベクトル(ρ00,ρ10,ρ20,...ρM−1,0)、(p00,p10,p20,...pM−1,0)などの形で利用されている。一方、方式(C)として説明したレイク受信方式では、干渉波成分を含む受信パイロット応答を用いているので、遅延波のすべてのエネルギを利用することは困難である。しかし、本発明の方式は、上述の原理により、孤立パイロット応答を用いているので、理想的なレイク受信特性を実現できる。
【0089】
上述の説明では、パイロットとデータ分析系列としてz(i)、ym(i)を用いたが、これらに対し、任意の系列を用いることもできる。例えばym(i)の代わりにgm(i)を用いても、雑音がない場合は同じ結果が得られる。
検出感度を高める特性を有するので、一般にパイロット応答行列Pの正則性を高め、解β′の値が雑音Δpnm、ΔΦnの影響を受けにくくするという利点がある。
【0090】
上述の方法はM種の異なる系列を用いる方法であるが、これを拡張し、M′種の基礎系列gm(i)をもとにして、そのτ(=0,1,2...L−1)シフト系列も母集団に加えることにすれば、系列数はLM′倍となる。すなわち、LM′種の系列の中からγ個選択して伝送する巡回シフト多種系列方式を考えよう。図2を用いた直接分析方式にこれを適用する場合は、前述の説明において単に送受信系列の構成要素を明確にしたことに相当する。
と置くことにより、式(29)を用いて解を求めればよい。
【0091】
一方、本系列セットを相関分析方式に適用する場合は、図9(b)の相関器に整合フィルタMF[yn(i)],(n=0,1,2,...M′−1)を用いる必要がある。これらの全出力はM=M′L個となる。したがって、式(49)の連立
整合フィルタに加える。n番目の整合フィルタMF[yn(i)]はシフト値τ(=0,1,2,...L−1)の各々における下式の相関出力Φnτを生成する。
【0092】
このpmτnτ′とΦnτを用いると、式(49)と同様にサイズM×Mの連立1次方程式が下式の形で得られる。
【0093】
したがって、本方式は少ない基礎拡散系列数M′を用いて大容量伝送を実現できる。なお、gm(i)として自己直交系列(自己相関が0シフト以下のシフト位置で0をとるような系列で、長さL=4の2相系列、L=16の4相系列などが知られている)を用いると、式(55)の連立方程式を解くことが容易となる。
【0094】
上記系列母集団においてM′=1とすれば、M種の拡散系列を、例えばg0(i)を用いた巡回シフト系列のみで構成できる。これは巡回シフト単一系列方式であり、g0(i)として自己直交系列を用いると、優れた誤り率特性が得られる。
また、M種の拡散系列の別の例を考えよう。サイズN×Nのアダマール行列の各行(Walsh関数)An(n=0,1,2,...N−1)と、例えば系列長の長いM系列からとり出した系列長Lの部分系列Ms(s=0,1,2,...s−1)との積を求め、これを拡散系列gnS(i)とすれば、NS個からなる拡散系列gnS(i)のセットが得られる。系列gnS(i)とgn′S(i)(n′≠n)は直交するので、短い系列長で相互相関が小さく、種類の多い系列セットを、この方法により生成できる。本発明はこのようなセットを用いることもできる。
【0095】
【データチャネル共用方式】
次に第3の実施例として、すべてのユーザのデータフレームを共通の搬送波fDを用いて送信するデータチャネル共用方式を説明しよう。この送受信機は、図2、図4の記号の一部を変更したブロック図を用いて実現できる。第3の実施例の特徴は、すべてのユーザのベースバンド送信データフレーム、eD(i)/uk、(k=0,1,2,...K−1)を共通のデータ用搬送波fDにより伝送する点にある。[第1、第2の実施例では、ユーザ毎に異なるデータ用搬送波(
るものとしよう。
【0096】
しかるときこのシステムは
種類の系列を必要とする。
本発明の送信機は、図2においてk番目のデータ用搬送波fkを共通
【0097】
図10に本実施例を直接分析方式に適用した方式のマルチユーザ受信機RXのブロック図を示す。これは、図4の機能の中で、u0用パイ
た形になっている。k番目のユーザのパイロット応答{μk}をもとにして、そのユーザが使用するM′種の擬似パイロットフレームのセット
となり、全部でM′個生成される。
上述のパイロット応答{uk}は同期回路SYNに加えられ、ここで同期受信周期を指定するフレームパルスeFが生成される。eFはすべてのユーザから入来した被包装フレームの境界が、この周期に含まれないように設定される。
【0098】
図示のデータ信号復調部DDは図4と同様に、このフレームパルスeFを利用して、下式の同期受信データフレームを生成する。
を転置した擬似パイロットフレームを用いてパイロット行列ρを生成すれば下式が得られるので、これを解くことにより分析が行われる。
【0099】
上式の行列ρ′のサイズは、(L×M)となるが、M=KM′=Lの場合には、通常、解が求まる。また、M<Lの場合は前述の最尤解を求める解法(a),(b),(c)を適用することができる。この場合、前述の解法で用いたパラメータを(M→KM′,γ→Kγ)と変換して用いることになる。
【0100】
ではγ=2とした)個宛の送信情報が含まれていることになる。上式を解くことにより、全部でKγ個の情報が求まる。すなわち、図10は、マルチユーザ受信機能をもつ。本方式において、K個のパイロット用
あるので、式(18)を参照して例えば、
のような関係を与える必要がある。
【0101】
このようにして得られたKγ個の送信情報から、図示の回路p−sに
なお、第3の実施例に対し、相関分析方式を用いることもできる。
を求め、式(49)と同様な連立方程式を解くことにより、未知数セ
また、この実施例において、M′=1とすれば、各ユーザが1個の拡散系列gk(i)使い孤立パイロット支援を受けるシングルアリーシステムとなる。この方式の受信復調に対しても上述の方式を用いることができる。
【0102】
【複素数展開形系列拡張方式】
上述の諸方式において、チャンネル応答{μk}が一般に複素数をとるので、送信用基礎系列gm(i)が2相または実数系列の場合でも、擬似パ
として説明してきた。そして、式(29)を解く場合、式の構成要素
た。ここでMが基礎拡散系列の長さLにより制限されていることに注目し、この系列長Lを受信側で人為的に長くする第4の実施例の方法を示す。
【0103】
その方法は、複素数をとるLチップの同期受信フレームを展開し、実数をとる2Lチップのフレームに変換することである。式(27)と
う。
【0104】
いて示した。上式の虚部を別の実部と見なし和記号+と虚数jを除いたフレームを下式により表現しよう。
【0105】
上式において、要素の配列順序に関しては、これを任意に選ぶことができる。(ただし、パイロットとデータフレームに対し、同一の配列順序を用いる。)このようにして2Lチップからなる2倍長フレームが構成できる。ここで重要なことは、チャネル応答{μk}の実部と虚部が互いに独立なランダム変数であるので、上述の2倍長フレームは何れもランダム系列で構成されていると見なせる。[もし、マルチパスのない伝送路では、上述の実部、虚部間の独立性は失われる。このような場合に対しては、予め送信用基礎系列gm(i)をその実部と虚部が互いに独立なランダム系列で構成される4相系列とすればよい。]
【0106】
この系列拡張方式の原理を第1の実施例に適用すると、式(29)においてL→2Lとなる。その結果例えば式(29)を一般的解法により
倍長フレームを用いることによりこれを、
に緩和できることになる。なお、M>2Lの場合に対し、前述の解法(a),(b),(c)を適用するとしても、2倍長フレームを用いることにより、雑音による誤り率特性を著しく改善できることになる。この原理を第2、第4の実施例に適用する場合も、分析次元が増大するので、MやKW′を増大することが容易になる。
【0107】
SQEXDにより遂行される。また擬似パイロットフレームに対する同様な機能は、FFGの中に準備された系列拡張器SQEXpにより遂行され、
3の実施例に適用する場合、図9、10の回路の中に点線枠で示した
分析を行えばよい。
【0108】
【ダイバーシィティ受信形系列拡張方式】
図11は第4の他の実施例として、ダイバーシィティアンテナを用いた、系列拡張方式を第1の実施例に付加したときの送受信機の回路構成を示す。図(a)はk番目のユーザukの送信機の回路構成である。図2の送信機の回路であるTXkの出力は、2(一般に1乃至複数)個の送信ダイバーシィティアンテナAT0、AT1に導かれ送信される。
【0109】
図(b)は0番目ユーザu0を希望局とし、その信号を検出するため
路が準備される。AR0とAR1は、スペースダイバーシィティ受信の原理により、一般に搬送波の波長の1/2程度離れた間隔に設置される。また、偏波ダイバーシィティを用いるとすれば、(あるいは偏波ダイバーシィティを併用するとすれば)物理的には1個のアンテナで2個の出力が得られる。(この場合、送信アンテナも偏波ダイバーシィティにするか、偏波ダイバーシィティを併用する必要がある。)
【0110】
示を省いた基礎拡散系列セット{gm}により、擬似フレーム発生器FFGd
れらの出力は系列拡張回路SQEXpに加えられる。mを固定値とした場
ップ要素がSQEXpに加えられる。これらの要素は、時間軸上に予め定めた順序に配列される。このようにして配列された長さNdLチップの
が作られる。
【0111】
Lチップ宛の要素からなる各フレームの全要素(NdL個のチップ)が時間軸上に配列され、NdLチップからなる拡張同期受信データフレーム
式(61)と同様に、系列拡張器SQEXpとSQEXDへの入力は下式で表現される。
(64)の入力をdに関してカスケードに順次配列する方法を例にとると、SQEXpとSQEXDの出力は固定値mに対して下式で与えられる。
ここで簡単のため、Nd=2として、上式の構成要素を式(64)を用いると下式で表現される。
【0112】
ロット行列ρ′が作られる。一方M,NdL個の要素からなる未知数行列β′、拡張同期受信データ行列d′を生成し、これらを用いると式(29)と同様な連立方程式が生成される。したがって通常の方法で解を求め
【0113】
図11の回路構成を用いた前述の説明では、送信機TXがm番目の送信情報βmを送信するために用いるm番目の基礎拡散系列gm(i)は1個と仮定した。いま、これを送信アンテナ数Nνに対応して、Nν種類用意しよう。すなわち、系列セット{gm}=(gm0,gm1,...gmν,...gm,Nν−1)を準備する。いま簡単のため、γ=1とすれば、βmgmνが図5の基礎データフレームSDν(i)となり、同様なNν個のフレームを生成する。
一方、パイロット用に系列セット{gp}=(gp0,gp1,...gp,Nν−1)を用意し、上記と同様にしてこれから基礎パイロットフレームpgpνがNν個生成される。上記データ及びパイロットフレームの合成系列がそれぞれ、図5のsDν(i),spν(i)となる。これらをN回宛繰返して、コア系列を生成し、コア系列にガード系列を付加してベースバンド被包装送信フレームeDν(i)[=eDmν(i)]、ePν(i)が生成される。これらのフレームによるチップ波形のたたみこみ変調と直交搬送波変調によりν番目の送信フレームsaν(t)が生成される。これをν番目の送信ダイバーシティアンテナATνより送信する。
受信機は、逆拡散系列数が1個からNν個に増大するので、図11
出力として、チャネル応答{μ0}νd(ν=0,1,...Nν−1,d=0,1,...Nd−1)が、NνNd
される。
上記パイロット応答と、基礎拡散系列をもとにして、系列長Lの擬
れらのフレームを配列することにより系列長NνNdLの拡張擬似パイ
フレームの一部を除く、あるいは時間軸上で加算するなどの方法により、NνNdLより短縮することもできる。)同様に同期受信データフレ
NνNdLに増大できる。
なお、上述の系列拡張回路SQEXp、SQEXDの機能の中に、式(62)を用いて説明した複素数展開形系列拡張機能を併用することができる。この場合、前記行列群の次元数は2NνNdLに増大するので、通常方程式を容易に解くことのできる条件を
に緩和できる。
【0114】
また、図11により説明した受信ダイバーシティの原理を第2、第3の実施例にも適用することができる。すなわち図10において、Nd個の受信アンテナを設ける。1個のアンテナの出力をK個のパイロッ
全アンテナ出力を同様なNd個の受信ブロックに導き、これらの出力群を図11のSQEXp、SQEXDと同様な系列拡張回路SQEXp、SQEXDにそれぞれ加えて、M個の拡張擬似パイロットフレームと1個の拡張同期受信データフレームを作る方法により、拡張系列を用い次元数を増大したマルチユーザ受信機を実現できる。また、図9において、同様に
拡張系列を用いた受信機を実現できる。
なお、上記の場合に対しても、送信ダイバーシティの原理を付加することができる。すなわち、送信アンテナ数と拡散系列数をNν倍にすれば、方程式の次元数をさらに増大することができる。
【0115】
【分析行列正則化方式】
一般に式(49)のパイロット応答行列P′の正則性は、基礎拡散系列
場合が発生する。これを避けるには、公知の模造パイロット応答を用いた行列正則化技術[富田光博他、″孤立パイロット信号と模造パイロット応答を用いるCDMA信号の干渉分析方式″電子情報通信学会の信学技報、SST2000−43]を用いることができる。この公知の方式は、同一のシンボルフレームの時間幅TEを用いて送信できるシンボルフレームの種類(情報の数)を拡散系列長Lに対し(L−1)個に減少し、残余の1個を模造情報として用い、実際の情報伝送には利用しない技術である。すなわち、実際にはL個の情報を伝送できる機能をもちながら、正則性向上のため、(L−1)個の情報しか伝送できない問題点があった。
【0116】
本発明では、上記技術をさらに発展させ、付加的模造情報(Dummy Information)、模造拡散系列(Dummy Spreading Sequence)とともに、付加ベクトルを用いる方式を示す。すなわち、実際には送信しないが、受信機でh(一般にはh≧1)個の擬似同期受信フレームを付加挿入して分析を行う。このため、受信機はその系列母集団の数を、例えばh個の模造拡散系列を加えることにより、(M+h)個に増大し、実際にはM種の系列を利用する。すなわち、式(49)のパイロット応答
応答を付加列ベクトル(p0M,p1M,...pnM,...pM,M)T=[A]=(a0,a1...an...aM)Tとする場合を説明しよう。
【0117】
受信機は、模造拡散系列gMと希望局u0と基地局BSとの間のチャネ
し、これをもとに式(45)を用いて付加行ベクトル
【0118】
これらの式から、式(49)のサイズを拡大した下式が得られる。
【0119】
知数行列、修正データ応答行列であり、受信機がAを選定する。具体
(デターミナント)または、特異値を増大できる。もし、P′の階位が2以上低下している場合には、模造系列数hを2個以上に増大して処理
で、この方法で白色雑音の影響を受け難い、したがって信頼性の高い送信情報推定値{β′}の値を求めることができる。
【0120】
[または規準化特異値(最小特異値と最大特異値の比)]が増大するように上記の付加列ベクトルAを選定する手段を準備することにより、これらの式の正則性を改善し解くことができる。
【0121】
また、式(49)に含まれる各要素を実部と虚部に分離し、行列のサイズを2倍にした式に変換する公知の方法により解くこともできる。しかし、前述の複素数展開形系列拡張方式により擬似パイロットフレ
場合が多い。もし、解けない場合は、上述の付加列ベクトルAを加えて解くことができる。したがって、付加ベクトル方式を系列拡張方式と併用する方法が有利である。
【0122】
なお、h〉1とすれば、行列P′の正則性を高める効果はさらに増大する。また、この付加ベクトル方式は、式(55)などを解く場合にも適用できる。
【0123】
ができない。式(29)においてL=Mとおき、M元連立1次方程式を解く場合に対しては、上述の模造未知数、模造拡散系列、付加列ベクトルを用いる技術をさらに発展させることによりパイロット行列ρ′の階位が低下しても、これを解くことができる。式(70)と同様に付加列ベクトルAを付加し、さらに付加行ベクトルC=(c0,c1,...cM−1)と
方程式に変換する。
【0124】
タ行列である。なお、dMは付加定数であり、Δdm(m=0,1,2,...M−1)は列
ここでは、簡単のため、
としよう。さらに、送信情報の制約から
が成立つ。また、仮想データ要素dMは下式で与えられる。
Δdm(m=0,1,2,...M−1)も0となる。したがって、cm(∈±1)、βm(∈±1,0)を考慮すると、γが偶数の場合、dM=0、γが奇数の場合、dM=1(または−1)になるような行ベクトルCが存在する。
【0125】
いま、例えばγ=2とし、β0=β1=1であったとしよう。しかるとき、c0=−c1=1とし、cm(m≠0,1)に任意値を与えればdM=0となる。ここで、
トルCが存在する。それ故、予め複数個の行ベクトルのセット
何れかのベクトルを用いて、dM=0を実現できるようにする。
【0126】
トの中で式(34)、(35)と同様な方法を用いて、最尤セットを求
ることができる。
【0127】
なお、階数が2以上低下するような受信パイロット行列ρ′に対しては、h(≧2)個宛の付加列ベクトルA0,A1,...Ah−1及び行ベクトルC0,C1,...Ch−1、
{d}=(dM,dM+1,...dM+h−1)を用い、(M+h)元の連立1次方程式に変換して解くことができる。上記の方法は、一般的な連立1次方程式に応用しても、正則性改善効果を発揮できる。
【0128】
【スクランブルド系列形分析方式】
CDMA移動通信方式では、サービス地域を多数のセルに分割し、各セルに基地局を置き、セル内ユーザは当該セルの基地局と通信する。ここで、各セルに同一周波数帯域を割当てることにより、周波数利用効率の向上を図っている。その結果、セル内の他ユーザからの干渉のみならず、隣接セルのユーザからの干渉も受ける。上述のように本発明の方式は、各セルのk番目のユーザが式(18)の搬送波周波数
る。したがって、各セルと隣接セルのk番目のユーザのパイロットフレーム相互間、データフレーム相互間には、相互干渉が発生する。
【0129】
[セルを例えば6個のセクターに分割し、アンテナの指向性を利用して、干渉を除くセクター方式では、隣接セルの代わりに隣接セクターからの干渉を考えれば良い。]
【0130】
前述のユーザukがデータ用搬送波fkを使う方式において、セル内の局間干渉に対しては、各ユーザは同一の拡散系列セット(M種類の系列)を用いることができる。もし、隣接するセルのユーザに対しても、同一の系列セットを割当てることができるならば、システム設計は有利となる。この同一系列方式を実現する手段として、各セルにセル固有のスクランブル符号σc(i)(c=0,1,2,...NC−1)を割当てる。ここで相互に干渉を与えるセルの数をNC=(7)とする。c番目のセルのユーザは、拡散系列gp、gmに対し、両系列の対応するチップ毎の乗算を施し、式(9)を用い次式に示すようなスクランブルド系列セットを作る。
【0131】
通常のCDMA方式でも、しばしばスクランブル方式が用いられるが、この場合送信機は上述のようなスクランブルド系列をガード系列をもつ前述の被包装フレームに変換することなく送信し、受信機は受信信号の主波に同期した(送信機が使用した)スクランブル符号によりデスクランブルを行う。このような従来方式は、希望局からの遅延波に対して非同期デスクランブルと奇相関成分を生成する相関復調を行うことになるので、遅延波のエネルギを信号検出のために十分利用することは困難である。
【0132】
本発明においては、送信機は拡散系列としてスクランブルド系列セットを用いて被包装送信フレームを生成し、受信機は希望局の送信機が用いた系列と同じパイロット及びデータ用スクランブルド系列セッ
受信データフレームの分析処理を行う。このようにして、セル間またはセクター間干渉の大部分を除き、希望局遅延波のエネルギをすべて利用する復調検出を行うことができる。したがって、受信誤り率特性の点で、はるかに有利な方式を実現できることになる。
【0133】
【パイロットフレーム伝送方式】
前述の図2、4、9、10、11により説明した第1〜第4の実施例は、各ユーザの孤立パイロットフレームを伝送するために、K個の
フレーム伝送方式である。対照的に、時分割形パイロットフレーム伝送方式を用いることもできる。図12は図7と同様なベースバンド送受信フレームの構成に関する補助説明図である。
【0134】
図12(a)はデータ共用チャネル形パイロット時分割伝送方式における、2人のユーザuk(k=0,1)の送信信号sk(t)を示す図である。図にはsk(t)の中の、フレーム系列順序番号n,n′(n≠n′)を添字の最後に含む7個の拡張フレーム(周期TE)の系列が示されている。ここでは、パイ
が時間軸上に図のように配置されている。図は、パイロットフレームとデータフレームの挿入割合が1:2(後述するパイロットオーバヘッドαp=1/2に相当)の場合を示す。このsk(t)により式(18)の直交周波数fkの搬送波を変調し、その変調出力が送信機TX(uk)から送信
フレームをフレームパルスを用いて時分割的に抽出し、これを用いて
ムや他局の送信したパイロットフレームの干渉を受けることなく、パイロット応答{μ0}を生成できる。この例では図の矢印で示すように、
度が遅い場合は、受信信号の変化速度は緩慢であり、ドプラシフト周波数fdは低くなる。シンボルレートfIとの比を、
とするとき、λ≪1ならばパイロットフレームの挿入頻度(または後述するαp)を低減できる。なお、パイロットとデータフレームの順序を、受信機RXは公知の同期技術により識別できる。
【0135】 共通の櫛の歯状周波数スロットをセル内のすべてのユーザにパイロット伝送のために割当て、この周波数スロットを各ユーザが時分割的に利用することもできる。このような共通パイロットチャンネル形時分割伝送方式において、基地局BSが受信したベースバンド受信フレーム構成を図12(b)に示す。
【0136】
図において、rp(t)は上記の共通パイロットチャンネル上の拡張フレ
は、K個のユーザ(k=0,1,2,...K−1)に順次割当てられ、Kパイロットフレームに1回の割合で同期フレームrF(t)が挿入されている。
【0137】
いる。これは、図8(b)のデータフロックフレームrDf(t)とほぼ同じ構成をとる、搬送波fk(または共通搬送波fD)上の連続波形である。こ
し互いに一致するように画かれているが、実際には、式(19)の準同期条件と遅延波の遅延時間により、必ずしも一致しない。各受信フ
タイムスロットの周囲に異なる拡がりを示し、隣接フロックフレームの一部は互いに重複する。
【0138】
また、同期フレームrF(t)のタイムスロットは、基地局BSの受信機のタイミング回路により供給される。このフレームスロットからk番
される。したがって、ある同期受信フレームの中に、異なるユーザから受信した隣接フロックフレームは含まれない。
【0139】
式(18)、(60)と同様に下式に示す直交関係を与える。
【0140】
ここで、もし第3の実施例である共通データチャネル方式に、この時分割パイロットフレーム伝送方式を用いると、fkをfD=f00+fGすることになり、下式のように搬送波の数はN=2となる。
【0141】
このような原理を用いて所要パラメータを設計することにより、データフレームからも、他のユーザから受信したパイロットからも妨害を受けることなく、RXは孤立パイロットフレームを受信できる。
【0142】
【部分回路の説明】
図13は図4、図9〜11で用いた受信機の部分回路の詳細図である。これらの回路の相互相関処理機能は、CDMA受信機における最も重要な復調分析要素である。
【0143】
図13(a)は、連続時間形相関器Cor1(q)である。r(t)は受信フレーム連続時間波形[式(2)のg(t)に情報βを乗じたLチップの系列波形を仮定する。]q(t)は式(3)のチップ連続時間波形である。両者を乗算器MODで乗算した後、積分器Iに加える。アンドゲードAにIの出力を加えれば、積分時間の終(t=iTc,i=0,1,2,...L−1)を指定するトリガ入力d(t)により、積分値r(i)が0シフト相互相関出力として順次得られる。積分器Iは、上記トリガ点毎に一旦リセットされる。この回路は図4のCor(q)として用いられている。ここでは、r(t)を構成する要素波形であるチップ波形q(t)をチップ時間幅Tcの方形波を仮定した。もし、q(t)としてf形標本化関数波形を用いる場合、Iの積分範囲を[−nTc〜nTc,n>10]に拡大する必要があるので、上述のリセットを行うために、相関器を2n個以上並列に設置する必要がある。
【0144】
図13(b)は、図(a)で得られた離散時間波形r(i)とデータ分析系列y(i)の0シフト相互相関出力を求める回路である。すべての処理は離散時間軸iTcの上で行われる。したがって、図(a)と比較すれば、積分器Iは加算器になっている。また、トガリ入力d(t)のトガリ点は、nをフレーム番号とすれば、[t=n(LTc),n=0,1,2,...L]となり、LTc毎に出力Φnが得られる。この回路は、図9のCor(yn)として用いられている。
【0145】
図13(c)は、図(b)の相互相関出力をすべてのシフト位置(τ=0,1,2,...L−1)で求める整合(マッチド)フィルタである。ここでは、受信フレームr(i)と式(25)で定義したパイロット分析系列z(i)との周期相互相関関数を求める回路の例について説明する。
【0146】
図において、DはTc秒の遅延回路、ShはTc秒の遅延と、系列z(i)を1チップだけ周期的にシフトする機能をもつ回路、Cor−j(j=0,1,2,...J−1)は図(b)と同じ相関器である。図より、相関器Cor−jの入力は、遅延時間を除いて考えると、r(i)とz(i−j)となる。
したがって、その出力は両者の0シフト相関値μjとなり、jTc遅延した時間位置に発生する。このようにしてすべての相関器出力の和{μ}が得られる。もし、すべての要素を同時に得たいならば、Dを除き、Shの遅延機能を除くことにより、J個のμjを並列出力として得ることができる。(ここでは、相関器入力は複素数であるから各相関器において複疎遠算処理が行われる。)この回路は、図4の整合フィルタMF(z)などに用いられている。
【0147】
【電力帯域幅特性】
本方式の周波数利用効率を1ビット送るために必要なチップ数νを評価尺度として求めると次式が得られる。
ここに、
LE:拡張フレームの係列長 (=LG+2Lh)
K:ユーザ数
I:シンボルフレーム当り情報量 [式(14)参照]
L:基礎拡散系列長
Lh:ヘッダ系列長(テール系列に等しいと仮定)
LG:コア系列長(=NL)
N:搬送波数[N=K(1+αP)]
【0148】
上式の値を占有帯域1Hz当り伝送できる情報量に換算すると、大略(2/ν)ビット/Hzとなる。なお、前述のデータ共用チャネル形や共通パイロットチャネル形時分割伝送を用いると、αP<1となる。前述の第3の実施例を用いると、αD<1となる。セルサイズが比較的小さい場合はαhを小さくできる。また、シンボル当り情報量Iが大きい場合は、拡張フレーム周期は長くなるので、αhを小さくできる。
【0149】
次に基地局から平均的な距離にあるユーザの送信電力について考えよう。パイロットフレーム上の白色雑音による誤り率特性の劣化は、データフレーム上の雑音による劣化よりも著しく大きいので、パイロットフレーム電力PPは、γ=1の場合のデータフレームの単位電力PD0に比し、大略基礎拡散系列の長さ、L倍以上必要となる。一方、低速移動体の場合は、式(76)において、λ=fd/fI≪1となるので、パイロット応答として隣接する多数のパイロットフレーム応答の積分値を用い、PPの値を著しく小さく選ぶことができる。[積分するフレーム数をNaとすればパイロット応答に含まれる雑音電力は1/Naとなる。]ここでは、各ユーザの送信全電力を、
としよう。λ≪1ならば、η=Pp/PD0≪1となり、PU≒γPD0に低下させることができる。あるいは、ηを減少させる代りに、αP≪1に設定し、νをさらに低下させることもできる。γ=2〜3程度とすれば、低電力消費が望ましい移動局の送信機に対しても過大な電力負担を要求することなく実現できる。
【0150】
なお、本方式を下りリンクに応用する場合を考えよう。この場合は、共通のパイロットフレームを用いうるので、パイロットフレーム伝送に割当てるべき搬送波数は1個で十分であり、式(79)においてαp=1/Kに激減する。また下りリンクにおける基地局送信機の送信電力はすべてのユーザが平均的距離に存在する場合に、
となる。実際上基地局は送信電力を高めることができるので、γを増大し、νを減少することができる。最大値γmを用いる場合は上式のγがγm以下の値の平均値となる。上記送信電力とチップ/ビットの積は、1ビットの情報を送るために必要な電力帯域幅積となり下式で与えられる。
ここにPに対してはPUまたはPBを用いる。PBが小さい程有利な方式と考えられる。
【0151】
これから、表1の設計例を考えよう
【0152】
X、Y、Wは上りリンク用、Zは下りリンク用のシステム例である。また、Xは図2、4の方式、Yは図9で巡回シフト単一系列を用いた方式、Wは図10のデータチャネル共用方式である。Zは図2、図4、
値γmを設定し、γm以下のすべてのγを活用する方式である。X、Y、Wの諸方式のPBの値(下りリンクに対しては、ユーザ当たりの値として表の値の1/30を考える)は、現在の実用方式の実現値10程度に比し、はるかに有利な特性である。上記設計例ではαp=1に選んであるので、シンボルフレーム毎にパイロットフレームを伝送していることになり、積分によりパイロットフレーム上の雑音を減少できる。したがって、式(80)、(81)においてη≒0を仮定できる。下りリンク用の方式Zのνの値は、共通パイロットを利用できるので一般に上りリンクより減少し、有利な特性を実現できることを示している。しかし、上りリンクに対してもパイロットの時分割伝送方式を用いることにより、ν及びPBをさらに減少できる。
【0153】
γに対し、固定値を用いる方式に比し、最大値γmを用いる方式は、さらに有利な特性を示す。このようにして本発明により、従来方式の周波数利用効率に比し極めて高い効率をもつ方式を実現できる。
【0154】
なお、システムの情報伝送速度をR(ビット/秒)としたときの拡張フレームの周期、ヘッダ系列の周期は次式で与えられる。
【0155】
前記の設計例(X)に対して、R=100kbpsとして求めると、Th=10.8μsecとなる。セル半径1kmを仮定すると、最大遅延時間はτM≒1.8μsecとなる。したがって、τM≪Thから、式(19)に示した準同期条件が十分満足されることを示している。
【0156】
なお、本発明は理想的レイク受信機能をもつ。この機能はパス・ダイバーシティとも呼ばれ、直接波のみならず、多数の遅延波の原力も利用可能とするもので、誤り率特性の向上に寄与する。さらに表1の諸方式に、2種の系列拡張方式を付加すると、系列数Mまたはユーザ数Kの増大が可能となるので、PBの値を表の値の数分の一に減少できる極めて優れた方式を実現できる。
【0157】
【発明の効果】
請求項1記載の発明は、第一の実施例として説明したように、シンボル当りIビットの送信情報を送るために、送信機は繰返し形拡散系列にガード系列を付加した被包装系列をM種類作り、その中のγ個を選択して、(M−γ)個の0とγ個の非零からなる原情報セット{β}を生成し、これを用いてγ個の被選択情報セット{βS}を生成する。{βS}により被選択被包装系列をそれぞれ変調することによりベースバンド・データフレームを生成する。同様な手段で1個のパイロット用基礎系列をもとにして孤立パイロットフレームを生成し、各ユーザの送信するデータフレームが相互に干渉妨害を受けないように、各データフレームは別々の直交搬送波を変調して周波数分割形無線帯域送信データフレームを生成した後、これらを送信し、受信機は前記送信フレームに対応するデータフロックフレームとパイロットフロックフレームとを受信し、後者の復調出力から生成した高純度チャネル応答をもとに、前者を分析し、その結果から干渉波成分の影響を推定することにより、受信復調成分から干渉成分の影響を除去するので、干渉妨害を受けることなくシンボル当りI(例えばM=65,γ=2の場合I=13)ビットの送信情報を検出することができる。その結果、高い周波数利用効率を実現できる。さらに、γを過大に選ばない限り送信電力を低く抑えうるので、上りリンクにも応用できる。
【0158】
請求項2記載の発明は、上記請求項1記載の発明における送信機能のもとで遂行する受信機の直接分析手法を示すものであり、同期受信パイロットフレームから生成したチャネル応答と各拡散系列からパイロット行列を生成し、同期受信データフレームをもとにして受信データ行列を生成する。これらの行列と未知数行列をもとに生成したM元連立1次方程式を解く直接分析方式により同時に送信された他種拡散系列成分の妨害を受けることなく、各送信情報を検出できる。したがって、拡散系列母集団の系列数Mや被選択系列数γが過大な場合でも、
ることなく、これを求めることができる。さらに孤立パイロットを用いたチャネル応答をもとに分析するので、理想的なレイク受信と同一の受信信号電力を利用できるから、優れた誤り率対SN(信号対雑音)比特性を実現できる効果がある。
【0159】
パイロットフレームをk番目の櫛の歯状周波数スロットを用いて周波数分割伝送するが、データフレームを各ユーザのデータに対し共通の搬送波fDにより、共通の櫛の歯状周波数スロットを用いて伝送する方式である。すなわち、同一のデータ帯域をすべてのユーザが共通に使用するので、占有帯域を節約できる効果がある。
【0160】
請求項4、5、6の発明は、高純度パイロットフレームの伝送に関する方式である。送信機はパイロット用基礎拡散系列を繰返したコア系列にガード系列を付加した被包装系列を準備し、これにパイロット情報を乗じたベースバンド送信パイロットフレームを送信するに当り、すべての局の送信するデータフレームや他局の送信するパイロットフレームに対し、該パイロットフレームが直交関係をもつように、受信機が各ユーザ局から受信するフロックフレームの受信タイミング偏差を、ガード系列の範囲に抑える同期技術の下で、各ユーザが互いに直交する周波数の搬送波(同期受信フレーム周期の逆数の周波数間隔をもつ搬送波セット)を用いて櫛の歯状周波数スロット上に該送信パイロットフレームを周波数分割的に送信する技術を提供する。または、該送信パイロットフレームに対し自己のデータフレームと同じ直交周波数の搬送波を用い、該データフレームとは時分割的に送信する技術を提供する。または、ユーザ局共通の搬送波を用いて、共通パイロットフレームの時間軸上に、他ユーザのパイロットフレームとは時分割的に送信する周波数分割・時分割組合技術を提供する。
この発明により受信機は、自局のデータフレームはもとより、他ユーザの送信したパイロット及びデータフレームによる干渉妨害を全く受けることなく、希望局の高純度孤立パイロットを受信し、これをもとに正確なチャネル応答を生成できる。本発明の実施例における誤り率対SN比特性を、このパイロットの高純度化により著しく向上しうる効果がある。なお、パイロットフレームの時分割的送信により、パイロットオーバーヘッドを減少できる利点がある。
【0161】
請求項7及び8記載の発明は、請求項2に記載した受信機における直交分析方式をとる代わりに、相関分析方式を用いる。すなわち、同期受信パイロット及びデータフレームの両者に対し同一の分析系列yによる相関関数を求め、その出力である、パイロット応答及びデータ応答を用いてサイズM×Mの連立方程式を作り、これを解いて送信情報を求める。この方式は連立方程式のサイズを系列長Lに限定する制約はなく送信機に準備したM種の系列に対しサイズM×Mの方式を生成できる上に、特定の系列成分に注目した分析ができるので、これを解く場合の自由度が増す効果がある。
【0162】
請求項9、10記載の発明は、複素数展開形系列拡張方式によりパイロット(応答)行列の実効長を2倍に増大し、連立方程式の次元数を倍増する技術である。すなわち、受信機が受信した同期受信データフ
幅をもつL個のチップ要素を実部と虚部に分離しその虚部を新しい実部と見なし、両実部を加えて、2倍長系列のフレームを生成し、これを分析する方式である。
【0163】
請求項11、12記載の発明は、ダイバーシィティ送受信形系列拡張方式による次元数増大技術である。すなわち、送受信機の出力、入力側にそれぞれ送信ダイバーシィティアンテナNν個と、受信ダイバーシィティアンテナNd個を用い、複数(Nd)個の受信入力をパイロット信号復調、チャネル応答生成、擬似パイロットフレーム生成、データフレーム復調などの機能をもつ複数(NνNd)個宛のパイロットとデータ用受信ブロックにそれぞれ導き、その出力であるNνNd個の擬似パイロットフレームのL個宛のチップ要素を時間軸上に配列して実効系列長をNνNdLに増大した拡張擬似パイロットフレームを生成し、他方、前記受信ブロックの出力であるNνNd個のデータフレームのL個宛のチップ要素を同様に配列して拡張データフレームを生成することにより連立方程式の次元数をNνNdLに増大することができる。
【0164】
請求項13に記載の発明は、請求項9または10と請求項11、12の系列拡張技術を併用した技術である。このようにして、請求項9〜13記載の発明は、受信機が処理する拡散系列の実効長を増大する技術を提供する。これらの技術により前記受信パイロット行列やパイロット応答行列の正則性を高めうるのみならず、系列数Mまたは、収容ユーザ数Kを増大しうる。したがって、システムの周波数利用効率を高め、電力帯域幅積を減少しうる効果がある。
【0165】
請求項14、15、16、17、記載の発明は、送信機が準備した基礎拡散系列の種類Mが、拡散系列長(実数拡散系列長)に比し過大である場合、請求項2、3、7〜13で生成したパイロット行列やパイロット応答行列の階位は低下する傾向がある。そのような場合に対処するために、送信する被選択系列数γがMや拡散系列長より十分小さい特性を利用し、複数の仮想解セットを求め、真値との差を示す評価関数を導入することによりこの仮想解(セット)の1個を最尤解(セット)として求めるものである。これは、Mの増大を可能とするので、システムの周波数利用効率を高める効果がある。
【0166】
請求項18の発明は、送信機が伝送する拡散系列の数γを固定値とせず、γ≦γmの条件下でγの選択を許容することにより、情報量/シンボルを増大し、周波数利用効率を高めることができる。この技術は、本発明の高度な干渉波除去技術と併用することにより、始めて達成される。
【0167】
請求項19、20記載の発明は、受信機がパイロット(応答)行列とデータフレーム(応答)をもとに生成したM元連立1次方程式を解く場合に、h(≧1)個宛の模造情報と付加列ベクトルAを、請求項20では付加行ベクトルAと付加行ベクトルCを付加することにより、これを(M+h)元連立1次方程式に変換し、そのパイロット(応答)行列の正則性を付加ベクトルAを選定することにより高めるようにした技術である。なお、請求項20ではさらに付加行ベクトルCを選定し、最尤解を求める。この技術は、正則性を高めることにより、パイロット(応答)行列等に含まれる雑音や誤差成分が、求めた解に対して与える影響を最小限に抑圧できる効果がある。
【0168】
請求項21記載の発明は、各セルに対しセル固有のスクランブル符号を割当てることにより、該セルの各ユーザは共通のM種の基本拡散系列セットからセル固有のスクランブルド拡散系列セットを生成し、これをM種の基礎拡散系列として利用できる。移動局であるユーザは多数のセルを移動するが、何処のセルでも同一の基本系列セットを利用できるので、システムの規模を簡易化できる効果がある。さらにこの発明は、受信機で、前記スクランブルド系列セットを生成し、このセットとチャネル応答を用いて前述の原理で復調分析を行うので、セル間セル内に対し優れた干渉分離機能をもつとともに、希望局遅延波のエネルギをすべて有効に利用できる。したがって、従来方式に比し有利な伝送特性が得られる。
【0169】
請求項22記載の発明は、M′種の基礎拡散系列とサイズN×Nのアダマール符号をもとにして、これを乗積することにより、M′N種の系列母集団を準備する。送信機は、この中からγ個の拡散系列を選択してデータフレームを作り送信する。本発明は少数の基礎拡散系列をもとに、相互相関の小さな送信用多種拡散系列セットを生成できる効果がある。
【0170】
請求項23記載の発明は、M′種の基礎拡散系列をもとにして、これに各拡散系列の巡回シフト系列を加えることにより、拡散系列の系列長Lに対応してLM′種の系列母集団を準備する。送信機は、この中からγ個の拡散系列を選択してデータフレームを作り送信する。受信機は、基礎拡散系列に対応するデータ分析系列を求め、この分析系列に整合するM′個の整合フィルタを準備し、M=LM′個の相関出力を出力し、これらをもとにM元連立1次方程式を解くことにより、送信情報を検出する。したがって、M′種の系列をもとにLM′個の系列母集団を利用できるので、情報量/シンボルを増大しうる効果がある。
【0171】
本発明の技術を下りリンクに応用すると、共通のパイロットフレームを利用できるの上に、下りリンクは同期伝送特性をもつことからガードチップ数も減少できるので、パイロット及びガード系列のオーバヘッドを減少できる。したがって上りリンクよりもさらに周波数利用効率を向上できる。
【0172】
本発明を無線LANに応用する場合を考えると、LANは静止系であるから、パイロットフレームの送信頻度を低下することができる。したがって、パイロットフレーム送信用共通搬送波の利用などにより、パイロット送信のためのオーバヘッドは減少する。その結果高い周波数利用効率が得られる。
【0173】
このような理由で、本発明の伝送技術をセルラー形移動通信システムや無線LANシステムに応用すれば卓効を奏する。さらに、本発明の付加ベクトル形高精度求解方式を、雑音や誤差成分を含む多元連立1次方程式を解くことが必要なすべてのシステムに応用すれば、著しい効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】CDMA移動通信方式のセル内伝送経路の説明図である。
【図2】本発明の第1の実施例の説明図で、周波数分割形データ・パイロットフレーム伝送方式のユーザ送信機TX(uk)の回路構成を示す図である。
【図3】本発明の一実施例の説明図で、移動通信システムの送受信機間の伝送路のモデルを示す図である。
【図4】本発明の第1の実施例の説明図で、周波数分割形データ・パイロットフレーム伝送方式の基地局受信機RX(u0)の回路構成を示す図である。
【図5】図2〜図4の補助説明図であり、上りリンクにおいて、ユーザが送信する周波数分割形シンボルフレームの構成法を示す図である。
【図6】図2〜図4の補助説明図で、送信フレームのコア系列部のスペクトル図である。
【図7】図2〜図4の補助説明図で、連続時間波形送受信フレームの時系列図である。
【図8】図7の補助説明図で、単一ユーザ(u0)のベースバンド送受信シンボルフレームの詳解図である。
【図9】本発明の第2の実施例の受信機RX(u0)のブロック図である。
【図10】本発明の第3の実施例の説明図であり、データ共通チャネル方式の受信機の回路構成を示す図である。
【図11】本発明の第4の実施例の説明図であり、ダイバーシィティ・アンテナを用いた送信機TX(uk)と受信機RX(u0)の回路構成図である。
【図12】図2、図4、図9、図10、図12の補助説明図で、パイロット時分割伝送方式に用いるベースバンド送信フレームの構成図である。
【図13】図2、図4、図9、図10、図12の補助説明図で、受信機の部分回路図である。
【図14】無線通信路を介して直接拡散形のスペクトル拡散通信(DS−SS)を行う移動通信システムの一般的な構成を示すブロック図である。
【図15】伝送過程にある信号のスペクトルを模擬的に示した図である。
【図16】従来の直接拡散形スペクトル拡散通信方式(DS−SS)における拡散(インパルス)系列gIと2値情報との対応を示す図である。
【符号の説明】
1 系列発生器、 2 発振器、 3 増幅器、 4 局部発振器、
5 ローパスフィルタ、 6 系列発生器、 7 乗算器、
8 積分器、 9 検波器、 10 同期検波器、
11 スペクトル拡散変調信号のスペクトル、
12 混入した環境雑音のスペクトル、 13 狭帯域の信号、
14 広い周波数帯域に分散された信号
Claims (23)
- 直接拡散形CDMA通信方式において、k番目ユーザuk(k=0,1,...K−1)の送信機はシンボルフレーム当りIビットの送信情報を送るために系列長LをもつM種の基礎拡散系列セット
(g0,g1,...gm...gM−1)を準備し、その各々にM−γ個の0を含むM個の原情報セット{β}=(β0,β1,...βM−1)をそれぞれ乗じた被変調系列セットから0値を含まないγ個の情報セット{βS}=(β0,β1,...βγ−1)を生成し、これから
手段と、前記被選択拡散系列セットを加算合成した被変調合成系列sDを生成し、該系列を整数(N)回繰返した系列長NLの繰返しコア拡散系列群sDNを生成し、その各々の前後外側に該繰返しコア拡散系列の後部と前部をガード系列として配置した被包装系列eDをベースバンド送信データフレームとして生成し、該データフレームeDにより、kに関して互いに直交する直交周波数fkの搬送波を変調して送信、する手段と、パイロット情報pをパイロット用基礎拡散系列gpに乗じて生成した系列pgpをもとに同様な被包装系列epをベースバンド送信パイロットフレームとして生成し、すべての同様なデータフレーム及び他のユーザ用パイロットフレームとは相互に干渉しない手段により、該パイロットフレームを送信する機能を備え、受信機は受信信号を希望ユー
バンド信号に復調し、この復調出力に含まれる希望ユーザからの信号成分の主波に同期した位置にある長さNLチップの同期受信周期を設定し、該ベースバンド信号のこの周期上の成分を抽出することにより、
を生成する機能と、該推定値を判定し、希望局の送信した情報の検出
レーム当り前記Iビットの送信情報を検出することを特徴とした多種拡散系列を用いたCDMA通信方式。 - 直接拡散形CDMA通信方式において、k番目ユーザuk(k=0,1,...K−1)の送信機はシンボルフレーム当りIビットの送信情報を送るために系列長LをもつM種の基礎拡散系列セット
(g0,g1,...gm...gM−1)を準備し、その各々にM−γ個の0を含むM個の原情報セット{β}=(β0,β1,...βM−1)をそれぞれ乗じた被変調系列セットから0値を含まないγ個の情報セット{βS}=(β0,β1,...βγ−1)を生成し、これから
手段と、前記被選択拡散系列セットを加算合成した被変調合成系列sDを生成し、該系列を整数(N)回繰返した系列長NLの繰返しコア拡散系列群sDNを生成し、その各々の前後外側に該繰返しコア拡散系列の後部と前部をガード系列として配置した被包装系列eDをベースバンド送信データフレームとして生成し、該データフレームeDにより、kに関して互いに直交する直交周波数fkの搬送波を変調して送信する手段と、パイロット情報pをパイロット用基礎拡散系列gpに乗じて生成した系列pgpをもとに同様な被包装系列epをベースバンド送信パイロットフレームとして生成し、すべての同様なデータフレーム及び他のユーザ用パイロットフレームとは相互に干渉しない手段により、該パイロットフレームを送信する機能を備え、受信機は受信信号を希望ユー
バンド信号に復調し、この復調出力に含まれる希望ユーザからの信号成分の主波に同期した位置にある長さNLチップの同期受信周期を設定し、該ベースバンド信号のこの周期上の成分を抽出することにより
レームの復調出力のチャネル応答{μ}と前記M種の基礎拡散系列セットを用いてM個の長さLチップの擬似パイロットフレーム
ップ要素からなる受信データ行列d′=(d0,d1,...dL−1)Tと未知数行列
らの値を判定することにより希望局の送信した情報の検出値
u0が送信したシンボルフレーム当りIビットの送信情報を検出することを特徴とした多種拡散系列を用いたCDMA通信方式。 - 直接拡散形CDMA通信方式において、k番目ユーザuk(k=0,1,...K−1)の送信機はシンボルフレーム当りIビットの送信情報を送るために系列長LをもつM′種の基礎拡散系列セット
成する手段と、前記被選択拡散系列セットを加算合成した被変調合成
周波数fDのデータ用共通搬送波を変調して送信する手段と、パイロット情報pをパイロット用基礎拡散系列gpに乗じて生成した系列pgpを
ップの同期受信周期の逆数に相当する周波数fG整数倍だけ互いに異なるように設定する手段とを備え、受信機は受信信号を送信機が用
号に復調し、準同期条件を満足するように長さNLチップの同期受信周期を設定し、該ベースバンド信号のこの周期上の成分を抽出すること
調出力のチャネル応答{μk}と前記M′種のuk用拡散系列からM′個の長
M=KM′個の擬似パイロットフレームにより、サイズL×Mのパイロット行列ρ′を生成する手段と、該パイロット行列ρ′と前記同期受信デー
とM個の要素からなる未知数行列
程式を生成し、これを解くことにより、k番目ユーザukが送信した該
る手段を備えることにより、 各ユーザが送信したシンボルフレーム当りIビットの送信情報を検出することを特徴とした多種拡散系列を用いたCDMA通信方式。 - 請求項1〜2において、k番目ユーザukの送信機は、前記パイロット用基礎拡散系列gpをもとに生成した被包装系列で
て送信する手段を備え、前期パイロット及びデータフレーム送信用直
し同期受信周期TGの逆数の周波数fGの整数倍だけ、kに関して互いに異なるように設定し、前記ガード系列の系列長を、該同期受信周期の
ないように設定することにより周波数分割的パイロットフレーム送信手段を備え、受信機は、受信信号を希望局u0の送信機が用いた直交周
調する手段を備えることにより、希望局から受信した前記データフレームの妨害や干渉局から受信したすべての干渉波の妨害を受けない希望局用孤立パイロット応答を生成できるようにしたことを特徴とする多種拡散系列を用いたCDMA通信方式。 - 請求項1〜2において、ユーザukの送信機は、前記ベースバンド送信データフレーム系列に空スロットを設け、該データフレーム系列の中にパイロットフレームを時分割的に挿入することにより、合成フレーム系列を生成し、周波数fkの前記直交搬送波を用いてこれを送信する手段と、受信機は、前記受信同期フレームで抽出したフレーム系列の中のパイロットフレーム対応部分を時分割的に抽出し、これを復調する手段を備えることにより、前記干渉波の妨害を受けない孤立パイロット応答を生成できるようにしたことを特徴とする多種拡散系列を用いたCDMA通信方式。
- 請求項1〜3、7、8において、送信機は1乃至複数の送信ダイバーシティアンテナATν(ν=0,1,2,...)から送信信号を送信する手段を備え、受信機は、複数の受信ダイバーシティアンテナARd(d=0,1,2,...)から受信信号rdを受信する機能をもち、d番目の受信信号rdをパイロット及びデータ復調部Dpd、DDdにおいて、希望局の送信機が用いた搬送波に対応する局部搬送波によりベースバンド復調出力を生成し、これからd番目の同期受信パイロット及びデータフレーム
のチャネル応答{μ}dを求め、該チャネル応答{μ}dと希望局のm番目の基礎拡散系列からd番目の受信信号に対応する擬似パイロットフレー
るアンテナ番号dに属するチップ要素を時間軸上に配列しフレーム長
法により時間軸上に配列することにより、拡張同期受信データフレー
該原情報セットの推定値を生成し、これらの値を判定することにより、希望局の送信情報の検出値を生成することを特徴とした多種拡散系列を用いたCDMA通信方式。 - 請求項11において、送信機は1個の送信情報
同一情報βmによりν番目の基礎拡散系列gmνを変調し、この変調出力をもとにデータ用コア系列、データ用被包装系列を順次生成し、同様な手段でパイロット用被包装系列epνを生成し、該両被包装系列をν番目の送信ダイバーシティアンテナATνに導いて送信する手段を備え、受信機はd番目の受信ダイバーシティアンテナARdの受信入力をもとにして、ν番目の送信ダイバーシティアンテナATνが送信した成分を復調し
生成し、後者をもとにしてν番目の送信アンテナからd番目の受信アンテナへのチャネル応答{μ}νdを生成し、該チャネル応答から擬似パイロ
に対応する該擬似パイロットフレームを構成するチップ要素を時間軸上にνdに関して配列しフレーム長を増大する方法により、拡張擬似パ
種拡散系列を用いたCDMA通信方式。 - 請求項11、12において、前記擬似パイロットフレーム及び同期受信データフレームの異なる送受信アンテナ順序番号ν,dに属する要素を時間軸上に配列し、前記拡張擬似パイロットフレーム及び拡張同期受信データフレームを生成する際に、該各フレームを構成する実数振幅チップ要素と虚数振幅チップ要素を別々の時間位置に配列する機能を付加したことを特徴とする多種拡散系列を用いたCDMA通信方式。
- 請求項2、7、9、11〜13において受信機は、M元連立1次方程式を解く代りに、擬似パイロットフレームrpm(m=0,1,2,...M−1)の中のγ個のフレームからなる組Us(s=0,1,...Nγ−1)を作り、該組Usの各フレームに複数個の該仮想系列Ch(c0,c1,...cγ−1)の要素を乗積したフレームの和を擬似送信フレームFshとして生成し、該擬似
める手段を備え、該相関値をもとに最尤擬似送信フレームを求め、該最尤擬似送信フレームの構成要素UsとChを用いて該原情報セットの
る手段を備えることにより、各ユーザが送信したシンボルフレーム当りIビットの送信情報を検出することを特徴とした多種拡散系列を用いたCDMA通信方式。 - 請求項1〜3、7、8において、送信機はIビットの送信情報を、拡散系列数として1乃至γmの中の任意の数γを選ぶ第1の選択と、基礎拡散系列の種類として前記MまたはM′種の基礎拡散系列セットの中からγ個の拡散系列を選ぶ第2の選択とを合成した場合の数に対応づける方法により、2値−多値変換を行ない、前記原情報セット{β}または{βk}からγ個の被選択拡散系列セットを生成し、これを用いて送信フレームを生成する手段と、受信機は前記チャネル応答{μ}をもとに擬似パイロットフレームを求め、これらを用い
トの推定値{β′}または{βk′}を求め、この推定値を用いて送信した拡散
シンボルフレーム当り前記Iビットの送信情報を検出することを特徴とした多種拡散系列を用いたCDMA通信方式。 - 請求項7において、受信機は、前記M元連立1次方程式を解くに当り、送信用基礎拡散系列セットに含まれない
乗じて生成されるフレームが、前記同期受信データフレームに含まれているものと仮定して、M個の該擬似パイロットフレーム
シフト相関値により生成した(M+h)個宛の要素からなるM個の列ベクトルにh個の付加列ベクトルAを加えることにより、拡大パイロッ
データ分析系列ynとの0シフト相関値に所要の修正項を加える方法
1次方程式を生成し、該付加列ベクトルAを該拡大パイロット応答行
まるように選定した後、該(M+h)元連立1次方程式を解き、該原情報セットの推定値{β′}または{βk′}を求めるようにしたことを特徴とした多種拡散系列を用いたCDMA通信方式。 - 請求項1〜3において、複数のセルに同一のM種の基礎拡散系列セットを割当て、各セルにセル固有のスクランブル系列を割当て、あるセルの送信機は、該拡散系列セットの各系列に該セル固有のスクランブル系列を乗ずることによりスクランブルド系列セットを生成し、これを用いて送信フレームを生成する手段を備え、受信機は、前記スクランブルド系列セットをもとにして、パイロット及びデータ分析系列を生成し、これらの分析系列を用いて前記同期受信フレームを分析する手段を備えることを特徴とした多種拡散系列を用いたCDMA通信方式。
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