JP2003523688A - 直接スペクトル拡散通信レシーバにおける周波数オフセット推定方法 - Google Patents

直接スペクトル拡散通信レシーバにおける周波数オフセット推定方法

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Abstract

(57)【要約】 直接スペクトル拡散通信レシーバにおける周波数オフセット推定値を求めるための方法を提供する。この方法は、ラジオチャネルを介して受信された基地局伝送信号の周波数と、移動受信機において局所的に発生した搬送周波数との差を推定する方法である。ローカル基準発振器の周波数オフセットに起因して、受信した同期化コードの異なった部分に生じた差分位相シフトは、受信機において検出される。単一の伝送スロット内において受信した同期化コードの一連の部分相関によって、差分位相シフトを検出することができる。信号対雑音比は、一連の重なった部分相関によって、改善することができる。相関が実行される期間の長さはラジオチャネルのコヒーレンス時間よりもかなり短い。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直接スペクトル拡散通信に関する。より詳細には、本発明は、移動
レシーバにおけるローカル信号の周波数オフセットを推定する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話システムにおいては、ネットワーク基地局からの信号伝送のタイミン
グと周波数の精度は、極めて安定した高精度の基準発振器に依存する。ネットワ
ーク基地局と通信するための移動局を提供する競争市場においては、低価格であ
ることが移動機器の潜在消費者により要求されている。従って、低価格の基準発
振器、例えば、電圧制御式液晶発振器（ＶＣＸＯ）が、広帯域符号分割多元接続
（ＷＣＤＭＡ）ネットワークに使用されるような移動局の基準発振器として選択
されることが一般的である。
【０００３】 このような低コストの基準発振器の周波数精度、例えば、５ｐｐｍは、基地局
に使用される基準発振器の周波数精度(例えば、０．０５ｐｐｍ)よりもかなり劣
る。この結果として生じる周波数差、すなわち、基地局伝送信号の周波数と、移
動局において周波数を低くする際に使用される局所的に発生した搬送周波数との
間の周波数差（いわゆる周波数オフセット）のために同期化に伴う問題が発生す
ることになる。さらに、移動局の移動によって発生するドップラーシフトのため
に、移動局において周波数誤差が発生し得る。
【０００４】 移動局に電力が供給されると、基地局との同期化作業が開始される(初期セル
サーチ)。次世代移動通信システム(ＵＭＴＳ）の特徴と、本明細書の以下の記載
に関連する初期セルサーチの手順が欧州移動通信標準化機関（ＥＴＳＩ）発行の
ＴＲ１０１ １４６バージョン３．０．０次世代移動通信システム、コンセプト
評価に記載されている。本分野の当業者にとっては明白であるように、本発明は
、ＵＭＴＳに関連して使用することには制限されず、別のＷＣＤＭＡ方式に適用
することも可能である。本発明に対する従来技術の一部として、リュー（Ｌｉｕ
）に付与された米国特許第５，９８２，８０９号を参照する。
【０００５】 移動局による初期セルサ−チは３段階により実行される。第１段階は、フェー
ジング伝搬経路を介して移動局の受信機に最も強い信号を与える基地局の伝送信
号に対するスロット同期化を獲得することである。図１を参照すると、基地局同
報通信伝送の概略が図示されており、１は基地局伝送信号、２が伝送チャネル、
そして、３が移動局受信機を表している。図１では、１例として、２つの基地局
（ＢＴＳ１及びＢＴＳ２）のみからの伝送信号を図示している。
【０００６】 これらの基地局伝送信号は相互に同期化されておらず、スロットと呼ばれる共
通の一定長さの時間間隔と、フレームと呼ばれる共通の一定長さのフレーミング
間隔とにわたって、伝送され続ける。１フレームは１５スロットからなる。図１
においては、第２基地局（ＢＴＳ２）からの伝送に関するスロットの開始が第１
基地局（ＢＴＳ１）からの伝送に関するスロットの開始よりも任意の長さのｔ秒
だけ遅れた状態で図示されている。
【０００７】 基地局伝送信号は、スロット境界と整列する同期化チャネル（ＳＣＨ）と一次
共通制御物理チャネル（ＰＣＣＰＣＨ）とを含む。同期化チャネルは、図２に図
示するように、一次同期化コード（ＰＳＣ）と二次同期化コード（ＳＳＣ）とか
らなる。一次同期化コード（Ｃｐ）として伝送されるコードは、全基地局によっ
て、各スロットの開始時に反復される。
【０００８】 レシーバ３への基地局からの伝送信号はチャネル２により処理される。第２基
地局ＢＴＳ２からの伝送信号が３経路(複数パス)チャネルを介して受信され、第
１基地局ＢＴＳ１からの伝送信号が２経路チャネルを介して受信されるものとし
て図示されている。第１基地局ＢＴＳ１と第２基地局ＢＴＳ２からの信号は、レ
シーバ３に達する前に、チャネル２において効率的に合成される。レシーバに記
録されている予想一次同期化コードと受信した信号との相関関係には、多数の相
関ピークがある。検出されるピークの中で最も大きいピークがネットワークの基
地局（検出された基地局）に対応しており、これにレシーバが同期することにな
る。
【０００９】 初期セルサーチの第２段階では、フレーム同期化を確立し、第１段階において
捜し出された基地局(検出基地局)のコード群を識別する。初期セルサーチの第３
段階では、検出基地局に割り当てられたスクランブルコードを決定する。簡潔に
するために、初期セルサーチの第２及び第３段階に関するより詳細な説明につい
ては本明細書において記載せず、上記のＥＴＳＩ出版のＴＲ１０１ １４６を参
照する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
直接スペクトル拡散通信レシーバにおける周波数オフセットを推定する方法を
改善することが本発明の目的である。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、直接スペクトル拡散通信レシーバにおいて周波数オフセット
を推定するための方法であって、該方法は、前記レシーバにおいて低周波数に変
換することによって、ラジオチャネルを介して受信された同期化コードの一部に
対して生じる位相差を算出する段階を備えており、前記位相差は、前記受信され
た同期化コードの一部と、前記レシーバ内に記録されている同期化コードとの一
連の相関から算出されるものであり、前記一連の相関が実行される期間は前記記
録された同期化コードの長さより小さいものであることを特徴とする周波数オフ
セット推定方法が提供される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図を参照して説明する。
【００１３】 本明細書に記載した本発明に係る方法は、ＵＭＴＳネットワークにおける周波
数分割複式（ＦＤＤ）モードで動作する移動局において実施される初期セルサー
チに対して適用することができる。
【００１４】 ＵＭＴＳセルサーチの性能は、搬送周波数及びサンプリングクロック周波数の
オフセットにより劣化し得る。実際には、搬送周波数とサンプリングクロック周
波数の両者はともに基準発振器(通常はＶＣＸＯ)の周波数から得られる。搬送周
波数(ｆc)とサンプリングクロック周波数(ｆsmp)を式（１）及び（２）にそれぞ
れ表す。これらの式におけるＫ1とＫ2は定数を表しており、ｆxは移動局の基準
発振器により与えられた基準周波数である。
【００１５】 ｆc＝Ｋ1×ｆx （１） ｆsmp＝Ｋ2×ｆx （２） 式（１）及び（２）は、水晶発振器によって生じた基準周波数における不精度
が搬送周波数及びサンプリングクロック周波数における不精度に変わることを示
している。百万分率単位（ｐｐｍ）で表す場合、同一の不精度が３つの周波数ｆ x 、ｆc及びｆsmpにそれぞれ適用される。例えば、２ＧＨｚの所望の搬送周波数
と１５．３６ＭＨｚのサンプリングクロック周波数について、(ｆxにおける)１
ｐｐｍの不精度が、搬送周波数においては２ｋＨｚのオフセットを表し、サンプ
リング周波数においては、１５．３６Ｈｚのオフセットを表すことになる。
【００１６】 ＷＣＤＭＡセルサーチにおいては、搬送周波数オフセットに起因して、受信し
た複合信号の位相が連続的に変化する。サンプリングクロック周波数のオフセッ
トは、重要なシステムのタイミング段階の検出を不正確なものにする場合がある
。サンプリングクロック周波数のオフセットのいかなる影響も、多数のスロット
の信号処理後にのみ観察することができる。搬送周波数におけるオフセットによ
り生じる位相の回転の結果として、信号電力と雑音および干渉電力との間の比が
減少することになり、このために、タイミングを誤って検出する可能性が増大す
ることになる。従って、搬送周波数及びサンプリングクロック周波数の両者のオ
フセットのために、ＵＭＴＳセルサーチプロセスの３つの段階全てにおいて性能
が劣化することになる。
【００１７】 周波数の不精度により生じるセルサーチにおける性能損失は、セルサーチプロ
セスの第１段階においては明らかである。サンプリングクロック周波数のオフセ
ットは、スロット境界の検出における誤りの原因となることがある。すなわち、
スロット境界が誤った位置に配置されることになる。スロット境界の位置を求め
る際の誤りが１チップ周期よりも大きい場合には、まだ行われていないセルサー
チの各段階により得られる結果もまた誤りとなる。しかしながら、実際的な周波
数不精度に関していえば、サンプリングクロックの不精度によって生じる１チッ
プのずれは、長期間にわたって、観察される。
【００１８】 このように、サンプリングクロックの不精度は、搬送周波数におけるオフセッ
トに比較すると、あまり重要ではない。搬送周波数におけるオフセットの影響は
即座に認識することができるので、これらの影響を測定し、基準周波数を修正す
るために使用することができる。基準周波数の不精度が減少すれば、搬送周波数
及びサンプリングクロック周波数の両者におけるオフセットも減少することにな
る。本明細書に記載した方法は、低周波数への変換に使用される局部発振器周波
数における誤差によって、受信した一次同期化コードに対して低周波数変換時に
付与される差分位相オフセットに基づく。この結果得られる位相オフセットの測
定値が基準発振器周波数を修正するために使用される。
【００１９】 基地局により伝送される複合ベースバンド信号は、 Ｓt＝Ａ(t).еjθ(t) と表される。ここでＡ(t)とθ(t)は、信号の大きさと位相とをそれぞれ表してい
る。フェージング伝搬経路を介して受信された伝送信号は、 Ｓr＝β(t).Ｓt．еj(Δωt+φ(t)+σ(t))……（３） と、表される。ここで、Δωは、ラジアン/秒単位の搬送周波数オフセットであ
り、φ(t)はドップラーシフトによるランダム位相(ラジアン単位)であり、σ(t) は、雑音及び干渉によるランダム位相である。信号エンベロープの変数をβ(t)
で表す。
【００２０】 ＵＭＴＳセルサーチの第１段階において、受信信号の同相(Ｉ)成分と直交（Ｑ
）成分が一次同期化コードと相関関係にある。局部一次同期化コードが、受信さ
れたＰＣＣＰＣＨ＋ＳＣＨタイムスロットの最初の記号と整合すると(すなわち
、スロット境界において)、伝送信号は、 Ｓt＝Ｍ．еj・π/4……（４） と表される。ここで、Ｍは定数である。この伝送信号に対応する受信信号と、レ
シーバに記録された局部一次同期化コードとの相関関係を式（５）に示しており
、この式においてＴは相関期間である。
【００２１】
【数１】
【００２２】 式（５）は、スロット境界における局部一次同期化コードと受信された信号と
の相関関係を表している。一次同期化コードは既知の信号であるので、搬送周波
数オフセットは受信された一次同期化コードの位相における変化を測定すること
によって推定できる。ドップラー効果と雑音および干渉による信号成分の影響に
ついて以下に説明する。わかりやすくするために、これらを式（５）から削除す
ると、次のようになる。
【００２３】
【数２】
【００２４】 搬送周波数のオフセットによる位相を求めるために、上述の積分では多数の区
間にわたり(すなわち、部分相関を使用することによって)数値を求めればよい。
この結果としての差分位相は搬送周波数オフセットに正比例する成分を含むこと
になる。このプロセスは、２区間が使用される場合の以下の式に示されている。
２つの重なりあっていない部分相関を使用することも図４に図示されている。
【００２５】
【数３】
【００２６】
【数４】
【００２７】 この２つの計算結果の間の差分位相は次式により与えられる。
【００２８】 ΔΦ＝∠Ｃ2−∠Ｃ1＝(Δω)Ｔ/２ ……（７） 次いで、搬送周波数オフセットが、 Δω＝２ΔΦ/Ｔ ……（８） から計算されることになる。
【００２９】 Ｎ個の部分相関を利用することによって、（Ｎ−１）個の差分位相値が得られ
、それぞれが、 Δω＝（ΔΦ）Ｎ/Ｔ ……（９） の搬送周波数オフセットを表している。 ここで、ΔΦは、 ΔΦ＝∠Ｃi−∠Ｃi-1 ……（１０） ここで、Ｃiは、ｉ番目の部分相関を表している。
【００３０】 差分位相の複数の値は、式（１０）から得られた個々の結果に対して平均化を
行うことによって、加法性白色ガウス雑音（ＡＷＧＮ）、マルチパス及びマルチ
ユーザ状態における搬送周波数オフセットの数値を求めるために使用することが
できる。
【００３１】
【数５】
【００３２】 差分位相値が、部分相関を用いて、チャネルのコヒーレンス時間よりもかなり
短い期間の間に確実に得られるようにすることによって、ドップラー効果を最小
にすることができる。コヒーレンス時間とは、フェージング信号サンプル間に高
程度の相関関係があるような期間であり、これは、ドップラー周波数の逆数にほ
ぼ等しい。
【００３３】 ５００ｋｍ／ｈの移動速度及び２ＧＨｚの公称搬送周波数に対しては、ドップ
ラー周波数は約９２５Ｈｚである。これに対応するコヒーレンス時間の値は約１
×１０-3秒である。上述したような差分位相値の推定は、コヒーレンス時間より
もかなり短い単一のＰＣＣＰＣＨ＋ＳＣＨ記号周期(すなわち、６７×１０-6秒
以下)の時間内で行われる。
【００３４】 ドップラー効果による位相変化は通常小さいものと推定され、このため、上述
した計算に深刻な影響を与えることはない。しかしながら、複数のスロットにわ
たって周波数オフセットの１組の値を計算することにより、搬送周波数オフセッ
トの改善された推定値を得ることができる。次に、平均化プロセスを適用する。
次の式が平均化プロセスを表している。
【００３５】
【数６】
【００３６】 ここで、Δωikは、ｋ番目のスロットのｉ番目の相関関係の周波数オフセット
推定値を表す。Ｍは平均化プロセスにおいて使用されるスロット数である。次い
で、周波数オフセットは、各スロット内の一連の部分相関から複数のスロットに
わたって取られた平均値から求められる。
【００３７】 様々な要因が、上述のプロセスにおいて使用されるべき、一次同期化コード一
個あたりの部分相関の数の選択に影響を与える。一連の相関関係における部分相
関の数が増大すると、相関期間は（コヒーレンス時間に対して）さらに短くなる
。相関期間が短くなるにつれて、ドップラー効果による位相変化が小さくなるこ
とが期待できる。しかしながら、より短くなった相関期間を利用することによっ
て、検出される信号電力が降下し、ひいては、信号電力と雑音及び干渉電力との
間の比が減少することになる。信号／雑音比が小さくなると、検出された差分位
相値に及ぼすＡＷＧＮ及び干渉の影響がより深刻なものになる。一次同期化コー
ド一個当たりについて２つの部分相関があれば、搬送周波数オフセットの推定値
を得るのに十分であることがわかった。
【００３８】 最小の検出可能な周波数オフセットは、信号電力と雑音及び干渉との間の比と
、部分相関期間中のドップラー効果による信号位相の変化とに依存している。実
験結果によれば、８０キロメートル／時間(ｋｍ／ｈ)で移動する移動局について
は、本明細書で記載した方法は、９５％以上の搬送周波数オフセットを検出する
ことができ、検出速度は、５００ｋｍ／ｈについては、７５％以上の値を維持し
ている。
【００３９】 相関関係が増大すれば、部分相関の間で重なり合う相関強さを利用してもよい
。このことは、一連の相関における各相関が、その一連の相関における別の相関
と共通する同期化コードの一部を含むことを意味する。図５を参照すると、２つ
の重なりあった部分相関が単一のスロット内で生じたものとして図示されている
。ＵＭＴＳにおいて、一次同期化コードＸは２５６チップの長さである。１番目
の部分相関ＰＣ１は最初の(２５６−ａ)チップで実行され、２番目の部分相関Ｐ
Ｃ２は、最後の(２５６−ａ)チップで実行される。この一連の相関においては、
２５６−２ａのチップはＰＣ１及びＰＣ２の両者に共通している。１番目及び２
番目の重なり合う部分相関は次のように表されるのが一般的である。
【００４０】
【数７】
【００４１】
【数８】
【００４２】 各部分相関期間の長さが増大することにより、図５に図示した構造は、重なっ
ていない構造から得られる相関強さよりも大きい相関強さを与える。これに対応
する差分位相は(Δω.ａ.Ｔ)／Ｘにより得られる。ここで、Ｘは一次同期化コー
ド内の全チップ数であり、Ｔは、秒単位で表した一次同期化コードの長さであり
、ａは部分相関プロセスで使用されない一次同期化コードのチップ数である。
【００４３】 この例において示すように、１ｐｐｍの搬送周波数オフセット、２ＧＨｚの搬
送周波数、ａ＝６４チップの場合には、部分相関の公称相関ピークは、完全な２
５６チップコードとの相関によって得られた値よりも約２．５ｄＢ小さい。ａ＝
６４チップとの重なりを利用して得られた公称差分位相は１２度であり、この差
は、図３のアルゴリズムを用いて検出するのには十分な大きさである。
【００４４】 重なり合う部分相関を使用することによって得られる利点は、上述の例(ａ＝
６４チップ)と部分相関の重なりのない構造との比較により、証明することがで
きる。ａ＝１２８チップであり、２つの部分相関が単一のスロット内で実行され
る場合、部分相関ピークは、完全相関(ａ＝０)の場合よりも６ｄＢ小さくなる。
雑音及び干渉が比較的高レベルにあるときには、重なった部分相関関係を用いて
部分相関ピークにおける相関強さを増大させることができ、これにより、許容で
きない性能の劣化を回避することができる。
【００４５】 一般的に、ａの適切な値は、算出された差分位相がシステムの検出範囲内であ
って、重なり合う相関力が最大となるような値である。本発明は、本分野におい
て公知の標準ディジタル技術によって実行することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 基地局からの伝送状態の概略図である。
【図２】 基地局からの伝送信号の構成を表す図である。
【図３】 搬送周波数オフセット推定値を求める方法を表すフローチャートである。
【図４】 単一スロット内の一連の部分的相関期間を表す図である。
【図５】 単一スロット内の重なり合う一連の部分的相関期間を表す図である。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 直接スペクトル拡散通信レシーバにおいて周波数オフセット
    を推定するための方法であって、該方法は、前記レシーバにおいて低周波数に変
    換することによって、ラジオチャネルを介して受信された同期化コードの一部に
    対して生じる位相差を算出する段階を備えており、前記位相差は、前記受信され
    た同期化コードの一部と、前記レシーバ内に記録されている同期化コードとの一
    連の相関から算出されるものであり、前記一連の相関が実行される期間は前記記
    録された同期化コードの長さより小さいものであることを特徴とする周波数オフ
    セット推定方法。
  2. 【請求項２】前記一連の相関の各々は、前記受信された同期化コードの一部
    であって、前記一連の相関の中の別の相関に共通する同期化コードの一部を含む
    ことを特徴とする請求項１に記載の周波数オフセット推定方法。
  3. 【請求項３】 第１の一連の相関から算出された出力位相の値は、次に続く
    複数の一連の相関から算出された出力位相の値と合計され、これら合計の平均値
    は周波数オフセットの推定値として使用されることを特徴とする請求項１または
    ２に記載の周波数オフセット推定方法。
  4. 【請求項４】 前記一連の部分相関は、長さＸチップのコード上で実行され
    、また、前記一連の部分相関は、前記コードの最初のＸ−ａチップの第１相関期
    間と、前記コードの最後のＸ−ａチップの第２の相関期間とからなり、ａは前記
    コードのチップ数であり、Ｘ／２よりも小さい数であることを特徴とする請求項
    １乃至３のいずれか一項に記載の周波数オフセット推定方法。
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Cited By (4)

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