JPH08509590A - 通信システムにおいて拡散符号の使用を時分割多重化する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 通信システムは、拡散符号の使用を時分割多重化する。通信システムは、少なくとも２ユーザから情報（３０１，３０２）を受け、誤り訂正符号器（３０３，３０６）を利用して各ユーザ情報を符号化する。符号化された情報は、マルチプレクサ（３１２）によってタイムスロットに時分割多重化される。マルチプレクサ（３１２）の出力は、共通の拡散（ウォルシュ）符号によって拡散され、疑似雑音シーケンスでスクランブルされ、送信のため変調器に伝達される。このように、単一の拡散（ウォルシュ）符号のみを利用して、２ユーザの情報を送信できる。

Description

【発明の詳細な説明】 通信システムにおいて拡散符号の使用を 時分割多重化する方法および装置 発明の分野 本発明は、一般に、通信システムに関し、さらに詳しくは、かかる通信システ ムにおいて拡散符号の使用を時分割多重化することに関する。 発明の背景 通信システムは、多くの形態をとる。一般に、通信システムの目的は、情報を 有する信号を、ある点に位置する発信源から、ある距離離れた別の点に位置する ユーザ宛先に送信することである。通信システムは、一般に、３つの基本構成要 素、すなわち、送信機，チャネルおよび受信機によって構成される。送信機は、 メッセージ信号を、チャネル上で送信するのに適した形式に処理する機能を有す る。このメッセージ信号の処理は、変調という。チャネルの機能は、送信機出力 と受信機入力との間で物理的な接続を行うことである。受信機の機能は、受信信 号を処理して、元のメッセージ信号の推定値を生成することである。この受 信信号の処理は、復調という。 メッセージ信号を通信チャネル上で送信するため、アナログおよびデジタル送 信方法が用いられる。デジタル方法を利用することは、アナログ方法に比べてい くつかの動作上の利点を提供し、それには、チャネル雑音および干渉に対する耐 性の向上，システムの動作の柔軟性，異なる種類のメッセージ信号の送信のため の共通のフオーマット，暗号化による通信の機密性の向上および容量の増加があ るが、それらに限定されない。 割り当てられたチャネル帯域幅を有する通信チャネル上でメッセージ信号（ア ナログまたはデジタル）を送信する場合、メッセージ信号はこのチャネル上で効 率的に送信するのに適した形式に処理しなければならない。メッセージ信号の修 正は、変調と呼ばれる処理によって達成される。この処理では、変調波のスペク トルが割り当てられたチャネル帯域幅と一致するように、メッセージ信号に基づ いて搬送波のパラメータを変更する。変更できる搬送波のパラメータには、振幅 ，周波数および／または位相が含まれる。よって、受信機は、チャネルによる伝 搬後の送信信号の劣化したものから元のメッセージ信号を復元する必要がある。 この復元は、送信機で用いられる変調処理とは反対の復調と呼ばれる処理を利用 して行われる。 スペクトル拡散システムは、特に、妨害（jamming）に対する耐性，良好な干 渉およびマルチパス阻止および盗聴に 対して本質的に安全な通信を提供する。スペクトル拡散システムにおいて、送信 信号が通信チャネル内の広い周波数バンド上で拡散される、変調方法が利用され る。周波数バンドは、送信対象の情報を送信するために必要な最小帯域幅よりも はるかに広い。例えば、音声信号は、情報自体の帯域幅のわずか２倍の帯域幅で 、振幅変調（ＡＭ）によって送信できる。低偏移周波数変調（ＦＭ）または単側 波帯ＡＭなどの他の形式の変調でも、情報自体の帯域幅と同等な帯域幅で情報を 送信できる。しかし、スペクトル拡散システムでは、送信される信号の変調は、 数キロヘルツしかない帯域幅のベースバンド信号（例えば、音声チャネル）を取 り、送信される信号を大きなメガヘルツ幅の周波数バンド上で分散することを含 む場合が多い。これは、送信される信号を、送信される情報と、広帯域符号化信 号（一般に拡散符号（spreading code）という）とで変調することによって達成 される。 従って、スペクトル拡散システムは、２つの特性、すなわち（１）被送信帯域 幅は、送信される情報の帯域幅またはレートよりもはるかに大きくなければなら ない、および（２）送信される情報以外のある機能を利用して、変調チャネル帯 域幅を判定する、という２つの特性を有していなければならない。 スペクトル拡散通信の本質は、信号の帯域幅を拡大し、この拡大された信号を 送信し、そして受信された拡散スペ クトルを元の情報帯域幅に再マッピングすることにより所望の信号を復元するこ とである。さらに、この一連の帯域幅処理を実行する過程で、スペクトル拡散方 法の目的は、システムが雑音の多い信号環境において誤りのない情報を伝達する ことを可能にすることである。 デジタル通信では、音声などのユーザ情報は、バイナリ情報のシーケンスに符 号化される。この符号化は、変調に便利であり、潜在的に劣化する通信チャネル 上で送信するために容易に誤り訂正符号化される。このようなバイナリ情報は、 「直接シーケンス」スペクトル拡散変調を利用して送信するのに特に適している 。直接シーケンスでは、デジタル情報は、ビット・レートが情報信号自体よりも はるかに高い拡散符号で拡散される。拡散はいくつかの方法で達成できるが、最 も一般的な方法では、（一般に適切な誤り訂正符号化の後に）情報の各ビットを 拡散符号のビットのシーケンスに追加する。従って、拡散処理で望ましいように 、送信したい各符号化情報ビットについて、多くのビットが生成される。 受信機がユーザ信号を拡散するために用いられる拡散符合を知り得るので、直 接シーケンス・スペクトル拡散通信システムの利点が得られる。当技術分野で周 知なように、受信機は、受信信号に適切に同期した後に、拡散シーケンスの複製 （replica）を利用して広帯域幅の拡散信号を復号できる。スペクトル拡散通信 システムの別の利点は、多重接 続機能を提供できる点である。特に、セルラ電話通信システムは、同一通信チャ ネル上で多くのリモート・ユーザと通信する特性を具現するように設計される。 直接シーケンス・スペクトル拡散とともに用いられる多重接続スペクトル拡散 通信システムの１つの種類として、符号分割多元接続（ＣＤＭＡ：code divisio n multiple access）通信システムがある。ＣＤＭＡ通信システムにおいて、２ つの通信ユニット間の通信は、通信チャネルの周波数バンド上で各送信信号を固 有のユーザ拡散符号で拡散することによって達成される。その結果、送信信号は 、通信チャネルの同じ周波数バンドにあり、固有ユーザ拡散符号によってのみ分 離される。特定の送信信号は、通信チャネルにおける信号の和を表す信号を、通 信チャネルから取り出すべき特定の送信信号に関連するユーザ拡散符号で逆拡散 （despread）することにより、通信チャネルから取り出される。同一チャネル上 に存在する他のすべての信号の和によって生じる干渉を低減するため、特に適し た拡散符号が用いられる。この目的のために、直交符号（orthogonal code）が 一般に用いられ、そのうち、ウォルシュ符号（Walsh code）が最も一般的である 。 多くのデジタルセルラ通信システムは、低減されたデータ・レート・トラヒッ ク・チャネルを提供する能力を有する。これらのシステムは、特定のデータ・レ ートで動作するように設計されたトラヒック・チャネルを有し、また設 計されたデータ・レートにおける容量以上のトラヒック・デート容量を提供する 低減されたデータ・レート・トラヒック・チャネルも有する。このように増加し たトラヒック・データ容量は、品質の低下および／または音声符号器および復号 器の複雑化を犠牲にして達成される。 従って、従来のハードウェア設計およびエア・インタフェース（air interfac e）規格を変更せずに、設計されたデータ・レート・トラヒック・チャネルより も高いレートでデータを送信できる、大きいまたは高いデータ・レートのトラヒ ック・チャネルを提供する通信システムが必要とされる。 図面の簡単な説明 第１図は、従来のスペクトル拡散送信機のブロック図を示す。 第２図は、２ユーザについて情報を送信する従来のスペクトル拡散送信機のブ ロック図を示す。 第３図は、本発明により２ユーザについて拡散符号の時分割多重化を行う好適 な実施例のスペクトル拡散送信機のブロック図を示す。 第４図は、本発明により各ユーザについて１／２レート機能を提供するため２ ユーザの間で拡散（ウォルシュ）符号をどのように共有するかを示すチャートで ある。 好適な実施例の詳細な説明 通信システムは、拡散符号の使用を時分割多重化する。この通信システムは、 少なくとも２ユーザから情報（３０１，３０２）を受け、誤り訂正符号器（３０ ３，３０６）を利用して各ユーザ情報を符号化する。符号化された情報は、マル チプレクサ（３１２）によってタイムスロットに時分割多重化される。マルチプ レクサ（３１２）の出力は、共通の拡散（ウォルシュ）符号によって拡散され、 疑似雑音シーケンスでスクランブルされ、変調器に伝達され、送信される。この ように、２ユーザの情報は、１つの拡散（ウォルシュ）符号を利用して送信でき る。 多くの実施例が存在する。好適な実施例では、第１ユーザ（ユーザ１）および 第２ユーザ（ユーザ２）情報３０１，３０２は、マルチプレクサ３１２によって 少なくとも部分的に重複しない時間期間で多重化され、多重化された第１および 第２ユーザ情報となる。多重化された第１および第２ユーザ情報は、共通の拡散 符号で拡散される。別の実施例では、第１および第２ユーザ情報３０１，３０２ は、まず共通の拡散符号によって拡散され、つぎに少なくとも部分的に重複しな い時間期間に多重化される。いずれの実施例でも、共通の拡散符号は、共通の直 交拡散符号で、一般にウォルシュ符号である。当業者に理解されるように、第 １および第２ユーザ情報は、符号化しても符号化しなくてもよい。選ばれるどの 実施例も、スペクトル拡散通信システムと整合性のある基地局または移動局のい ずれでも実施できる。 第１図を参照して、従来のスペクトル拡散送信機を示す。第１図の従来のスペ クトル拡散送信機において、ユーザ１のデータ・ビット１００は、特定のビット ・レート（例えば、９．６ｋｂｐｓ）で符号器１０２に入力される。ユーザ１の データ・ビット１００は、ボコーダによってデータに変換された音声データ，純 粋なデータまたはこれら２種類のデータの組み合わせのいずれかを含むことがで きる。符号器１０２は、固定符号化レートでユーザ１のデータ・ビット１００を データ・シンボルに畳み込み符号化する。例えば、符号器１０２は、１９２．２ ｋｓｙｍ／ｓレートでデータ・シンボル１０４を出力するように、１データ・ビ ット対２データ・シンボルの固定符号化レートで、受信データ・ビット１００を 符号化する。 符号器１０２は、符号化反復により、ユーザ１データ・ビット１００の入力を 可変のより低いレートで対応できる。すなわち、データ・ビット・レートが、符 号器１０２が動作するように設計された特定のビット・レートよりも低い場合、 符号器１０２はユーザ１データ・ビット１００を反復して、ユーザ１データ・ビ ット１００は、所望のフル・レートで符号器１０２内の符号化要素に与えられる 。例え ば、入力レートが１／２レートの場合、情報は２回反復される（すなわち、フル ・レートを模擬する）。入力レートが１／４レートの場合、情報は４回反復され る。従って、符号器１０２は、データ・ビット１００が符号器１０２に入力され るレートに関係なく、同じ固定レートでデータ・シンボル１０４を出力する。 次に、データ・シンボル１０４は、インタリーバ（interleaver）１０６に入 力される。インタリーバ１０６は、入力データ・シンボル１０４をインタリーブ する。インタリーブされたデータ・シンボル１０８は、排他的ＯＲ合成器（excl usive-OR combiner）１１２の一方の入力に入力される同じデータ・シンボル・ レート（例えば、１９．２ｋｓｙｍ／ｓ）で、インタリーバ１０６によって出力 される。 長疑似雑音（ＰＮ）発生器１１０は、排他的ＯＲ合成器１１２の他方の入力に 動作可能に結合され、データ・シンボル１０８をスクランブルすることにより通 信チャネルの機密性を向上させる。長ＰＮ発生器１１０は、長ＰＮシーケンスを 利用して、排他的ＯＲゲート１１２に入力されるデータ・シンボル１０８のデー タ・シンボル・レート（例えば、１９．２ｋｓｙｍ／ｓ）に等しい固定レートで 、シンボルのユーザ固有シーケンスまたは固有ユーザ符号を生成する。スクラン ブルされたデータ・シンボル１１４は、データ・シンボル１０８が排他的ＯＲ合 成器１１２に入力 されるレート（例えば、１９．２ｋｓｙｍ／ｓ）に等しい固定レートで、排他的 ＯＲ合成器１１２から出力される。次に、スクランブルされたデータ・シンボル １１４は、排他的ＯＲ合成器１１８に入力される。 符号分割チャネル選択発生器１１６は、特定の所定の長さの拡散（ウォルシュ ）符号を排他的ＯＲ合成器１１８の他方の入力に与える。符号分割チャネル選択 発生器１１６は、６４ｘ６４アダマール行列（64 by 64 Hadamard matrix）から ６４個のウォルシュ符号に対応する６４個の直交符号のうち１つを与えることが でき、ここでウォルシュ符号は、この行列の１つの行または列である。排他的Ｏ Ｒ合成器１１８は、符号分割チャネル発生器１１６によって人力された特定のウ ォルシュ符号を利用して、入力されたスクランブル・データ・シンボル１１４を ウォルシュ符号拡散データ・シンボル１２０に拡散する。ウォルシュ符号拡散デ ータ・シンボル１２０は、固定チップ・レート（例えば、１．２２８８Ｍｃｈｉ ｐｓ／ｓ）で、排他的ＯＲ合成器１１８から出力される。 ウォルシュ符号拡散データ・シンボル１２０は、２つの排他的ＯＲ合成器１２ ２，１２８の入力に与えられる。一対の短ＰＮシーケンス（すなわち、長ＰＮ発 生器１１０によって用いられる長ＰＮシーケンスに比べて短い）は、Ｉチャネル ＰＮ発生器１２４およびＱチャネルＰＮ発生器１３０によって生成される。これ らのＰＮ発生器１２４，１ ３０は、同じまたは異なる短ＰＮシーケンスを生成できる。排他的ＯＲ合成器１ ２２，１２８は、ＰＮ Ｉチャネル発生器１２４およびＰＮ Ｑチャネル発生器 １３０によってそれぞれ発生された短ＰＮシーケンスで、入力ウォルシュ符号拡 散データ１２０をさらに拡散する。その結果得られるＩチャネル符号拡散シーケ ンス１２６およびＱチャネル符号拡散シーケンス１３２は、一対の正弦波の電力 レベル制御を駆動することにより、正弦波の直交対を二相変調（bi-phase modul ate）するために用いられる。正弦波の出力信号は、加算され、帯域通過濾波さ れ、ＲＦ周波数に変換され、増幅され、濾波され、アンテナによって放出され、 通信チャネルを介したユーザ１のデータ・ビット１００の送信を完成する。 第２図は、２ユーザに対処するために用いられる一般的な構成を示す。本質的 に、第１図の装置は、第２ユーザについて複製される。各装置の直交出力信号は 、変調および無線送信の前に、合成器１３４によって互いに合成される。各ユー ザは、個別のウォルシュ符号を常に利用して、その情報１１４を拡散する。これ は、入力データ１００のレートが、例えば、最大４．８ｋｂｐｓに低減される場 合でも当てはまる。前述のように、反復符号化は、このデータ・レートを有効９ ．６ｋｂｐｓレートまで拡大し、そのためウォルシュ符号拡散により、常に所望 の１．２２８８Ｍｃｈｉｐｓ／ｓの出力が得られる。従って、例えば、ユーザ １およびユーザ２の、任意の２ユーザの情報を送信するためには、２つの（最大 ６４個の）ウォルシュ符号を用いる必要がある。 第３図は、本発明により２ユーザについて拡散符号の時分割多重化を行う好適 な実施例のスペクトル拡散送信機のブロック図を示す。第３図の送信機は、２ユ ーザの情報を送信するために用いられる場合、第２図に示す従来のスペクトル拡 散送信機を改善する。わかるように、第３図は、情報の送信のために単一の拡散 （ウォルシュ）符号のみを必要とするだけで、２ユーザについて情報を送信する ために送信機ハードウェアの複製を必要としない。 第３図を参照して、ユーザ１のデータ・ビット３０１およびユーザ２のデータ ・ビット３０２は、それぞれ誤り訂正符号器３０３，３０６に入る。拡散符号の 時分割多重化は、第１ユーザ・データ３０１を符号化して、符号化第１ユーザ・ データ３０４を生成し、かつ第２ユーザ・データ３０２を符号化して、符号化第 ２ユーザ・データ３０７を生成することにより達成される。符号化第１ユーザ・ データ３０４および符号化第２ユーザ・データ３０７は、マルチプレクサ３１２ によって少なくとも部分的に重複しない時間期間で多重化される。部分的に重複 しない時間期間は、１／ｆ_cによって与えられ、ここでｆ_cは、マルチプレクサ３ １２に入力されるクロック信号３０９の周波数である。多重化された符号化第１ ユーザ・データおよび符号化第２ ユーザ・データは、共通の拡散符号（Ｗ_i）で拡散器３１５によって拡散され、 変調器データ３１６となる。留意すべき重要な点は、この構成では、１つの共通 の直交拡散（またはウォルシュ）符号だけが必要なことである。 変調器データ３１６は、スクランブラ３１８によってスクランブルされる。好 適な実施例では、スクランブラ３１８は、変調器データ３１６を疑似雑音スクラ ンブル・シーケンスでスクランブルする。スクランブル変調器データ３１９は、 変調器に送られ、ここでワイヤレス・インタフェースを介して宛先に送信される 。好適な実施例では、第３図の回路およびその方法は、スペクトル拡散通信シス テムと整合性のある基地局または移動ユニットのいずれかで実施できる。 多重データ・ストリームを交互にウォルシュ拡散器に同期することは当技術分 野で周知である。もちろん、この方法および同期情報は、情報をうまく復号する ためには、受信機側（すなわち宛先）において既知でなければならない。ＤＳ− ＣＤＭＡシステムは、同期シーケンスおよびＰＮ追跡（tracking）を利用するこ とにより、クロック信号を十分確立するので、追加タイミング情報は必要ない。 ここでも、この方法により、２ユーザの情報の送信のため単一のウォルシュ符号 を利用するだけでよいことがわかる。 第４図は、２ユーザの情報の送信のため単一のウォルシュ符号Ｗ₁がどのよう にして共用されるのかを示すタイミング・ チャートである。交互の送信ブロックにおいて、ユーザ１およびユーザ２の情報 は、ｆ_cによって与えられる部分的に重複しない時間期間で反復的に送信される 。 本発明について特定の実施例を参照して具体的に図説してきたが、発明の精神 および範囲から逸脱せずに、形式および詳細の点でさまざまな変更が可能なこと が当業者に理解される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．スペクトル拡散通信システムにおいて、拡散符号の使用を時分割多重化する 方法であって： 少なくとも部分的に重複しない時間期間で、第１および第２ユーザ情報を時分 割多重化して、多重化された第１および第２ユーザ情報を生成する段階；および 前記多重化された第１および第２ユーザ情報を、共通の拡散符号で拡散する段 階； によって構成されることを特徴とする方法。 ２．前記共通の拡散符号は、共通の直交拡散符号であることを特徴とする請求項 １記載の方法。 ３．スペクトル拡散通信システムにおいて、拡散符号の使用を時分割多重化する 方法であって： 第１ユーザ・データを符号化して、符号化第１ユーザ・データを生成する段階 ； 第２ユーザ・データを符号化して、符号化第２ユーザ・データを生成する段階 ； 少なくとも部分的に重複しない時間期間で、前記符号化第１ユーザ・データお よび前記符号化第２ユーザデータを多重化して、多重化された符号化第１ユーザ ・データおよび符号化第２ユーザ・データを生成する段階；および 前記多重化された符号化第１ユーザ・データおよび符号化第２ユーザデータを 、共通の拡散符号で拡散して、変調 器データを生成する段階； によって構成されることを特徴とする方法。 ４．前記変調器データを疑似雑音スクランブル・シーケンスでスクランブルする 段階；および 前記スクランブルされた変調器データをワイヤレス・インタフェースを介して 宛先に送信する段階； をさらに含んで構成されることを特徴とする請求項３記載の方法。 ５．前記方法は、スペクトル拡散通信システムと整合性のある基地局または移動 ユニットのいずれかにおいて実施されることを特徴とする請求項３記載の方法。 ６．スペクトル拡散通信システムにおいて、拡散符号の使用を時分割多重化する 装置であって： 少なくとも部分的に重複しない時間期間で、第１および第２ユーザ情報を時分 割多重化して、多重化された第１および第２ユーザ情報を生成する時分割多重化 手段；および 前記時分割多重化手段に結合され、前記多重化された第１および第２ユーザ情 報を共通の拡散符号で拡散する手段； によって構成されることを特徴とする装置。 ７．前記共通の拡散符号は、ウォルシュ符号であることを特徴とする請求項６記 載の装置。 ８．前記装置は、スペクトル拡散通信システムと整合性のある無線装置において 実施されることを特徴とする請求項６記載の装置。 ９．スペクトル拡散通信システムにおいて、拡散符号の使用を時分割多重化する 装置であって： 第１ユーザ・データを符号化して、符号化第１ユーザ・データを生成する第１ 符号器； 第２ユーザ・データを符号化して、符号化第２ユーザ・データを生成する第２ 符号器； 前記第１および第２符号器に結合され、少なくとも部分的に重複しない時間期 間で、前記符号化第１ユーザ・データおよび符号化第２ユーザ・データを多重化 して、多重化された符号化第１ユーザ・データおよび符号化第２ユーザ・データ を生成するマルチプレクサ； 前記マルチプレクサに結合され、前記多重化された符号化第１ユーザ・データ および符号化第２ユーザ・データを、共通の拡散符号で拡散して、変調器データ を生成する拡散器； によって構成されることを特徴とする装置。 １０．前記変調器データを疑似雑音スクランブル・シーケンスでスクランブルす るスクランブラ；および 前記スクランブルされた変調器データをワイヤレス・インタフェースを介して 宛先に送信する増幅器； をさらに含んで構成されることを特徴とする請求項９記載の装置。