JP2004511949A - Cdma受信機の干渉除去システムおよび干渉除去方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、前段階の複合機出力信号が次段階における干渉推定手段に適用されるように各段階が接続された多段階干渉除去システムによってその具現化が可能である。
本発明はさらに、CDMA通信システムにおける干渉除去のための他技術にも関連するものである。
Description
発明の背景
1.発明の分野
本発明は、移動通信システムに関し、特に符号分割多元接続(CDMA)に関し、請求項1および19記載のCDMA受信機の干渉除去システムを対象としたものである。本発明は、さらに請求項11および23記載のCDMA受信機の干渉除去方法に関する。
【0002】
2.従来技術の説明
CDMAシステムの能力は、主に受信信号において各ユーザが受ける干渉によって制限される。CDMA通信システムのセル内の能力を増加するためには、干渉をできるだけ除去する必要がある。
【0003】
また、干渉の大きなシステムにおいて、所定のサービス品質(QoS)を維持するには拡散率を上げる必要がある。しかし、拡散率の増加はデータ送信に利用可能なビットレートの低下に直結する。
【0004】
CDMA通信システムの分野において、干渉の問題を緩和するために受信機側において次の方法が採用されている。
【0005】
よく知られた方法として、複数ユーザの受信信号を一括して検出する方法がある。ただし、一括検出方法にはユーザ数の増加に伴い拡大する行列の転置を要するという難点がある。例えば、セル内のユーザ数を64とすると、64×64の行列を転置する必要があるが、これはきわめて複雑でその処理には過剰のパワーと時間を要する。
【0006】
もう一つの良く知られた方法として、単一ユーザ検出法があるが、これはもっとも単純な検出方式の一つである。この方法は他のすべての信号を無視して一人のユーザを検出するものである。したがって、結果が一人のユーザにとっては最適であっても、多数ユーザ環境における性能、すなわちビット誤り率などは著しく劣化する。
【0007】
1999年12月発行の通信選択領域に関する電気電子技術者協会会報vol.17、no.12、pp2082−2089の「マルチパス・チャネルにアンテナ列およびFECを適用した反復マルチユーザ検出」には、マルチパス伝搬環境におけるアンテナ列による初期推定を改善する反復受信機を搭載した多元接続通信受信機システムについて記載されている。
【0008】
この論文の第三部では、反復受信機の構造が詳述されている。この目的のため、反復受信機はチャネル出力を受信し、ソフト干渉除去とマッチドフィルタを組み合わせて実行する。干渉除去装置は、各ユーザのチャネル・シンボルについて、シンボルのソフト推定を構成するために用いられる優先確率推定(priori probabilities)を行う。次に、拡散領域での干渉除去動作を実行する。
【0009】
しかし、マルチユーザ環境においてはより簡単かつ十分な性能を持った干渉除去システムおよび方法が求められている。
【0010】
この目的は、請求項1および19記載の機能を具備した干渉除去システム、および請求項11および23記載の工程からなる方法によって実現される。
【0011】
本発明の実施の形態は、種々の従属請求項の制約を受ける。
【0012】
好ましい実施例の詳細な説明
本発明の実施の形態について、以下の図面を参照して詳細に説明する。
【0013】
図1は、送信機100の基本構成を示すもので、ソース101から到来する各ユーザの信号は、ブロック符号、畳み込み符号、あるいはその他の符号から構成可能な順方向誤り訂正(FEC)符号等の外部符号を用いた符合器102を使用して符号化される。
【0014】
続いて、符号化された信号は擬似ノイズ符号、直交符号、あるいはその他の符号およびこれらの組み合わせから構成可能な内部符号を用いて拡散され、多元チャネル接続を容易にする。内部符号は、一般にユーザごとに異なる。拡散変調器103は符号器102からの出力信号を変調するために使用し、変調した信号を通信チャネルで送信する。
【0015】
送信機の詳細な構造は当業者にとっては容易に理解できるものであり、ここでの詳細な説明を必要とするまでもない。
【0016】
受信機200の基本構造を図2に示す。ここで、受信した入力信号は復調器201で復調され、ユーザごとに該当する内部符号を用いて逆拡散器202で逆拡散される。信号の逆拡散後、信号は干渉除去および復号段階210に入力されるがその詳細については図3ないし図5に示す。
【0017】
次に、干渉除去および復号段階210からの出力信号は、内部符号に関する情報および外部符号に含まれる情報を用いて取得される。受信した入力信号から干渉を除去することによってセル内部でのシステム容量とデータ速度を増加することができる。
【0018】
図3は、本発明に係る干渉除去システムの第1の実施の形態を示す図である。干渉除去および復号段階210は、CDMA通信システムのn名のユーザの受信機入力信号を受信する第1の複数入力221を持つマルチユーザ検出器220から構成される。検出器はさらに選択スイッチ260の出力信号を受信する第2の複数入力222も含むが、選択スイッチ260の目的については以下に詳細に述べる。
【0019】
検出器220は、検出器出力信号を出力する複数の出力223を含む。検出器220の詳細は図4を参照して説明する。
【0020】
検出器出力は、以下の数式に従う適用信号のログ尤度比を計算するログ尤度計算器230に接続されている。
【数1】
また、ログ尤度計算器230の出力は、受信した入力信号のデータ情報の復号を行うソフト入力/ソフト出力復号器であるMAP復号器240の入力と接続されている。さらに、復号器240はn名のユーザ全員に対して推定したログ尤度比をフィードバック・ループ250を用いて選択スイッチ260の入力ポートBに出力する。
【0021】
次に図4を参照して検出器220の構造を詳細に説明する。複数の推定ログ尤度比Mkは第2の複数検出器入力222で受け取られtanh関数を用いて送信信号についての仮判定を行うためスケーリング手段に適用される。したがって、−∞から+∞までの範囲のスケーリング手段に入力された信号は−1から+1までの範囲の入力信号のログ尤度比の平均推定値と見なされうる信号に拡大・縮小される。
【0022】
スケーリング手段224の正確な数学的計算値は:
Uk = tanh(0,5・εk)
で求められるが、シミュレーションにより次の関係も有利であることが判明している。
スケーリング手段224の出力は、拡大・縮小された信号を加算する加算手段225の該当する入力に接続され、ユーザkが他の全てのユーザから受ける干渉の推定値を得る。このため、加算の前に加算手段の入力に適用される信号をまずそれぞれの推定振幅で拡大・縮小し、次にユーザiの信号とユーザkの信号間の相互相関係数ρikで拡大・縮小する。
【0023】
したがって、加算手段225は次の数学演算を実行する。
ζk = ΣAi・ρik・ui
ここでζk は干渉推定値、Aiはチャネル推定値でチャネルでの減衰および位相回転に関する情報を含み、uiはスケーリング手段224からの出力信号である。
【0024】
最後に、検出器は受信した入力信号rkと加算手段225からの出力信号とを合成する合成手段226を含む。合成手段226の出力は、複数の検出器出力223に設けられている。
【0025】
最後に、上記のCDMA受信機における干渉除去方法について詳細に説明する。
【0026】
通信システムのn名のユーザの受信した入力信号は、最初の反復の間、第1の複数検出器入力221と、選択スイッチ260を介して第2の複数検出器入力222に同時に提供される。この場合、選択スイッチ260はその入力ポートAと接続し、入力された信号をスイッチの出力信号として導く。その後、さらなる反復のたびに選択スイッチ260は入力ポートBを選択し、入力された信号を出力信号として出力する。
【0027】
検出器220において、第1および第2複数入力で提供された信号は、次の処理用の改善信号ykを提供するため論理的に合成される。このため、第2の複数検出器入力222における信号には、スケーリング手段224のスケーリングを含め、加算手段225の内部符号の相互相関特性を考慮した重みがつけられ、受信した干渉の推定値を得る。したがって、干渉は、本来受信した入力信号から重みをつけた信号を単純に減算することによって除去される。これは加算手段226で実行される。
【0028】
したがって、干渉の除去そのものは本来受信した信号からの重みをつけた信号の減算である。このように、干渉除去の実現は容易である。
【0029】
反復は1回のみの場合、すなわち復号器によって提供される外部符号情報の使用を行わない場合でも、従来システムに対しての改善が得られることは注目すべきである。干渉除去はそれによって導入される誤りより多くの誤りを除去するので、このプロセスは数回反復することができ、引き続く受信干渉の推定はMAP復号器の出力から得られる。
【0030】
検出器220の出力信号は、上述したようにログ尤度計算器230を介してMAP復号器240に適用される。復号器のソフト出力は、情報データの復号に使用する情報ビットを提供するとともに、一方ではフィードバック・ループ250を介して選択スイッチ260にフィードバックされる符号ビットを提供する。復号器でのソフト判定出力値の必要性は、畳み込み符号またはターボ符号などのそれらから導かれたものの使用を示唆しているものの、復号器240で使用する外部符号は、どの順方向誤り訂正符号の方式であってもよいことは注目すべきである。
【0031】
選択スイッチ260の入力ポートBにフィードバックされる復号器出力信号には外部コード、すなわち各ユーザkに対する改善された復号信号に含まれる情報が含まれる。この反復を行うたびに選択スイッチはポートBを選択し、第2の複数復号器入力222に適用される信号は以前の反復による復号器出力信号に該当する。
【0032】
不図示の干渉除去システムの改良型によれば、干渉推測値ζkを形成する相互相関係数ρikによって形成される相互相関行列を計算する代わりに、拡散プロセスはスケーリング手段224からの出力信号にも適用可能である。この場合、tanh演算は逆拡散信号に対して実行され、加算手段225内のすべてのユーザに対して加算する前に仮の判定を繰り返す。この改良型によれば、加算手段225からの出力信号は合成手段226に入力され受信した拡散入力信号rkに対して干渉除去を実行する。言い換えれば、受信した入力信号rkは逆拡散されないが、ユーザkに対する拡散符号を用いて合成手段226からの出力信号に逆拡散を適用しなければならない。また、初期推定のためフィードバック信号はスケーリング手段224に入る前に逆拡散されなければならない。この場合、加算手段225において加算の前にチャネル推定Aiのみによりスケーリングを実行する。
【0033】
この改良型は非同期システム、すなわちユーザデータが時系列で受信機に到着しない、および/または異なるユーザが異なる拡散係数で動作しているマルチレート環境におけるシステムを扱う際特に重要である。
【0034】
受信機で仮の判定を行う別の改良型は、tanh関数を使用する代わりに−∞から∞までの範囲の入力値を−1から+1までの範囲の出力値にマッピングする任意の単調関数であり、実現はより簡単であっても性能においては最適ではない場合がある。
【0035】
拡散符号の他に、送信信号には別のスクランブリング符号を適用可能である。受信機において、これにより拡散符号とスクランブリング符号を組み合わせた相互相関行列を計算すること、あるいは再拡散器の後で逆拡散器および再スクランブラの前にデスクランブラを含めることになる。
【0036】
現実の無線環境、特に移動通信環境では、信号は様々な信号フェージング、マルチパス伝播の影響を受ける。このような影響を緩和するため、送信機にインタリーバを、受信機にデインタリーバを導入し、あるいはRAKE受信機などの受信機にマルチパスを解決する構造を含めることが知られている。
【0037】
このような新たなオプション機能は、上記の発明の実施の形態では問題なく搭載することができる。実際、ユーザごとに異なるインタリーバ構造を導入することによって性能の改善、すなわち反復のたびに大きな利得が期待できる。
【0038】
マルチパス受信機にとって、除去した信号は改善した信号において再度RAKE受信機の役割を果たすために使用できる。この結果、チャネル推定が改善され、信号推定が改善され、同じユーザの異なるRAKEフィンガ間の干渉が小さくなる。
【0039】
図5を参照して干渉除去システムの第2の実施の形態を説明する。ここで、干渉除去装置は、同様の構造を持つ複数の段階から構成される多段階システムとして実現される。また、第1の実施の形態の構成要素に該当する構成要素、すなわち干渉除去を実行する合成手段226とMAP復号器240には同じ参照番号を付した。
【0040】
図に詳細に示すとおり、第1段階310は順番に逆拡散器311、推定器312、再拡散器313から構成される。さらに、合成手段226とMAP復号器240の間には逆拡散器314とログ尤度比計算器Σ(参照番号315)を直列に接続する。
【0041】
第2段階320、第3段階330から第N段階までは、逆拡散器311を省略した以外は第1段階と構造が同じである。また、推測器312は、復調器201からの復調入力信号の代わりにその入力としてMAP復号器240からの出力信号を受信する。
【0042】
最後の第N段階以降、復号器の出力は復号情報データと見なされる。
【0043】
図5は単純化した図であって、各矢印は図1から図4に示すそれぞれの信号のフルベクトルを表していることを注意すべきである。
【0044】
また、この実施の形態において、干渉除去システムは入ってくる誤りより除去する誤りの方が多く、複数段階を用いた干渉除去プロセスを反復することによって干渉除去の利得は向上する。
【0045】
図6は、上述したターボ符号を用いた本発明の実施の形態を示す。図の上半分に、ブロック401から406を含み復号器判定出力413を提供するターボ復号器の基本構造を示す。図の下半分に、MAP復号器402、404で得られる結果からフィードバック信号414が計算される過程を示す。ターボ復号器はその技術分野では知られているので、復号動作の詳細は省略しても当業者にとっては理解できるものである。
【0046】
要するに、ログ尤度計算段階401から得られる信号は、それぞれ第1、第2MAP復号器402、404に入力される。これらの信号はMAP復号器がそれぞれの第1入力で受信するシステマティック情報を表している。それぞれの第2入力では、パリティ情報が受信され、出力では情報ビット・メトリック信号および符号ビット・メトリック信号が提供される。
【0047】
詳しくは、復号器402の場合、情報ビット・メトリック1は復号器の入力信号と合成される。得られた信号は第2MAP復号器404に入力され、そこでログ尤度計算器401からのシステマティック情報信号と合成される。同様に、復号器404の出力において、外部メトリック信号が第1MAP復号器402の入力にフィードバックされ、そこでログ尤度計算段階401からのシステマティック情報信号と合成される。ただし、第2MAP復号器404の信号は、インタリーブ演算(ブロック403)を施され、入力信号は復号器に入力される前に所定の方式にしたがってインタリーブを施される。さらに、復号器の出力において情報ビット・メトリック信号に対して逆π−1演算(ブロック405)が実行される。逆π−1演算後、出力された情報ビット・メトリック信号は閾値判定ブロック406に入力され、閾値判定ブロック406は入力信号の符号によって+1または−1を出力し、その後復号器の判定信号413として使用される。
【0048】
基本的に、レート1/3のターボ符号において、3つのビットのうち最初のビットはシステマティック・ビット、2番目のビットはパリティ1ビット、3番目のビットはパリティ2ビットである。フィードバックにはMAP復号器404からのシステマティック情報が採用される。これは一般にMAP復号器402よりも改善されているからである。ただし、このシステマティック情報はMAP復号器404用にインタリーブされるため、インタリーブ・プロセスはシステマティック・フィードバックの計算のために段階409で反転される。パリティ1フィードバックには、MAP復号器402からのパリティ1情報を採用する。パリティ2フィードバックには、MAP復号器404からのパリティ情報を採用する。
【0049】
また、符号ビット・メトリック信号411、412はMAP復号器402、404から得られ、2組のシリーズとして配列され、第1ビットはシステマティック・メトリック、第2ビットはパリティ・メトリックを表す。したがって、ブロック407で信号411はMAP復号器402のシステマティック・メトリックとパリティ・メトリックに分割される。同様に、ブロック408で信号412はMAP復号器404のシステマティック・メトリックとパリティ・メトリックに分割される。
【0050】
これらの派生メトリック信号はブロック410で多重化されて、3つのフィードバック情報信号414のそれぞれがシステマティック/パリティ1/パリティ2の順序に従う。
【0051】
図7は本発明の干渉除去システムを適用したRAKE受信機を示す。RAKE受信機はその技術分野で知られており、当業者にとってその基本構造は周知であるので詳細な説明は省略する。
【0052】
ブロック501から504までは第1段階を表し、図5の逆拡散器311に関連して復調器201に置き換わるものである。干渉推定ブロック505は、図5の推定器312と同一である。また、再拡散器313はそれぞれ再拡散動作とチャネル反復動作を表すブロック506と507で置き換えられる。さらに、図5の合成手段226は、合成手段508に該当する。図5の逆拡散器314はブロック509から512で置き換えられる。
【0053】
動作時、干渉推定ブロック505は、最大比合成手段504からの信号をその入力信号として受け、ブロック507で無線チャネルのマルチパス、フェージング特性などの受信信号の推定値からチャネル複製を形成する。したがって、フィンガ割当ブロック502からの情報は、フィンガの遅延を判定するために必要である。同様に、チャネル推定ブロック503からの情報は、各経路のフェージング特性を再現するために必要である。
【0054】
最大比合成手段512の出力は、第1段階のブロック315への入力として用いられる。チャネル推定ブロック511およびフィンガ割当ブロック510の出力は、第2段階のチャネル複製ブロック507に入力される。次の段階では、上述した第1段階と比較して以下の変化が生じる。ブロック501から504までは実行されない。逆拡散器507において、ブロック502、503の信号に代わって前段のブロック510、511からの信号が用いられる。最後に、ブロック505は、前段からのMAP復号器240の出力が存在する場合はそれを入力として使用する。
【0055】
代案として、干渉推定ブロック505も干渉を推定するためいくつかの異なるブロックを含む場合がある。例えば、パイロット信号が送信される場合、受信機はそれらを完全に把握している。したがって、それらのパイロット・シンボルに対応する受信シンボルから推定を行う代わりに、受信機はそれらのシンボルが送信済みであることが確実であるため元のパイロット・シンボルを用いる。したがって、これらのシンボルの干渉推定はもっとも正確である。
【図面の簡単な説明】
【図1】
CDMA通信システムの送信機の基本構造を示す図
【図2】
CDMA通信システムの該当する受信機の基本構造を示す図
【図3】
本発明に係る干渉除去システムの第1の実施の形態を示す図
【図4】
図3に示す実施の形態で使用する検出器のより詳細な構造を示す図
【図5】
多段構成における本発明の干渉除去システムの第2の実施の形態を示す図
【図6】
ターボ符号を用いた本発明の実施の形態を示す図
【図7】
本発明の干渉除去システムを導入したRAKE受信機を示す図
Claims (25)
- 第1(221)および第2複数(222)検出器入力を持ち、前記第1複数検出器入力(221)は複数の受信機入力信号を受信するよう調整され、各受信機入力信号はCDMA通信システムのn名の複数ユーザのいずれかに割り当てられる検出器(220)と、
前記検出器(220)の複数の検出器出力(223)から検出器出力信号を受信する復号手段(240)と、
復号手段の出力信号を第2複数検出器入力(222)に適用するフィードバック・ループ(250)と、を具備し、
前記検出器(220)は、受信機入力信号とフィードバック・ループ(250)によってフィードバックされるフィードバック信号を合成して検出器出力信号を形成する、合成手段(226)を具備することを特徴とするCDMA受信機における干渉除去システム。 - 受信機入力信号かフィードバック信号のいずれかを選択して第2複数検出器入力(222)に適用する、選択スイッチ(260)をさらに具備する請求項1に記載の干渉除去システム。
- 検出器出力信号のログ尤度比を計算する、ログ尤度計算器(230)をさらに具備する請求項1または2に記載の干渉除去システム。
- 復号手段は、復号情報ビットに関する情報およびMAP、Bahl復号器等の符号ビットに関する情報を与えるソフト入力/ソフト出力復号器(240)であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の干渉除去システム。
- 各フィードバック信号を該当するチャネル推定値によって拡大・縮小する、スケーリング手段(225)をさらに具備する請求項1ないし4のいずれかに記載の干渉除去システム。
- 前記スケーリング手段(225)は、さらにユーザi(i=1...n)およびユーザ(i≠k)のフィードバック信号間の相互相関係数ρikを計算する、相互相関計算手段をさらに具備する請求項5に記載の干渉除去システム。
- フィードバック信号を逆拡散する逆拡散手段と、逆拡散フィードバック信号を拡大・縮小する前に再拡散する最拡散手段をさらに具備する請求項5に記載の干渉除去システム。
- 前記スケーリング手段(225)は、ユーザkを除くn名のユーザ全員に対して拡大・縮小した信号を加算してユーザkが他のすべてのユーザから受ける干渉の推定値を得る加算手段をさらに具備することを特徴とする請求項5から7のいずれかに記載の干渉除去システム。
- フィードバック信号の推定値を得る変換手段(224)をさらに具備する請求項1から8のいずれかに記載の干渉除去システム。
- 前記合成手段(226)は、受信機入力信号からフィードバック信号を減算し、推定したユーザkの信号を他のすべてのユーザからの干渉をほとんど受けることなく提供することを特徴とする請求項1から9のいずれかに記載の干渉除去システム。
- 複数の受信機入力信号を受信し、各受信機入力信号をCDMAシステムのn名の複数ユーザのいずれかに割り当てる工程と、
受信機入力信号を検出器の第1複数検出器入力に適用する工程と、
検出器出力信号を復号して受信機入力信号の復号ビットを提供する工程と、
復号器出力信号を第2複数検出器入力に入力する工程と、
第1複数検出器入力での受信機入力信号と、第2複数検出器入力でのフィードバック信号を合成して検出器出力信号を提供する工程と、を具備するCDMA受信機における干渉除去方法。 - 第1の反復工程で受信機入力信号を第2複数検出器入力に適用する工程と、第2および以降の各反復工程でフィードバック信号を第2複数検出器入力に適用する工程と、をさらに具備する請求項11に記載の方法。
- 検出器出力信号のログ尤度比を計算する工程をさらに具備する請求項11または12に記載の方法。
- 各フィードバック信号を該当するチャネル推定値によって拡大・縮小する工程をさらに具備する請求項11ないし13のいずれかに記載の方法。
- ユーザi(i=1...n)およびユーザ(i≠k)のフィードバック信号間の相互相関係数ρikを計算する工程をさらに具備する請求項11ないし14のいずれかに記載の方法。
- ユーザkを除くn名のユーザ全員に対して拡大・縮小した信号を加算してユーザkが他のすべてのユーザから受ける干渉の推定値を得る工程をさらに具備する請求項14に記載の方法。
- フィードバック信号を変換してその推定値を得る工程をさらに具備する請求項11ないし16のいずれかに記載の方法。
- 合成工程は、受信機入力信号からフィードバック信号を減算し、推定したユーザk信号を他のすべてのユーザからの干渉をほとんど受けることなく提供することを特徴とする請求項11ないし17のいずれかに記載の方法。
- 複数の段階から成り、各段階(310、320、330)は、
各ユーザkがCDMA通信システムの他のユーザから受ける干渉の推定信号を提供する干渉推定手段(312)と、
受信した入力信号と干渉推定信号を合成して得た信号を提供する合成手段(226)と、
合成信号を受信するように調整され、復号器出力信号を生成する復号手段(240)と、を具備し、前記段階(310、320、330)は前段階の復号器出力信号が次の段階の干渉推定手段に適用されるように接続されることを特徴とするCDMA受信機における多段階干渉除去システム。 - 第1段階(310)は、入力信号を受信し入力信号を干渉推定手段(312)に適用するように調整した第1の逆拡散手段(311)と、干渉推定信号を再拡散する再拡散手段(313)と、をさらに具備することを特徴とする請求項19に記載の多段階干渉除去システム。
- 各段階(310、320、330)は、合成手段(226)から得られた信号を逆拡散する第2逆拡散手段(314)と、ログ尤度比を計算して復号手段(240)に適用するログ尤度計算手段(315)と、をさらに具備することを特徴とする請求項19または20に記載の多段階干渉除去システム。
- 復号手段は、MAP、Bahl復号器等ソフト入力/ソフト出力復号器(240)であることを特徴とする請求項19ないし21のいずれかに記載の多段階干渉除去システム。
- 各ユーザkがCDMA通信システムの他のユーザから受ける干渉を推定し干渉推定信号を提供する工程と、
受信した入力信号と干渉推定信号を合成して得た信号を提供する工程と、
合成信号を復号し復号器出力信号を生成する工程と、
前段階からの復号器出力信号に基づいて次の段階の干渉を推定する工程と、からなる多段階CDMA受信機における干渉除去方法。 - 干渉推定信号を生成する前に入力信号を逆拡散し、干渉推定信号と入力信号を合成する前に干渉推定信号を再拡散する工程とをさらに具備する請求項23に記載の方法。
- 得られた信号を逆拡散する工程と、逆拡散信号を復号する前に変換する工程と、をさらに具備する請求項23または24に記載の方法。
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