JP2005151555A - Ｃｄｍａ通信システムにおける受信機処理のための方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＣＤＭＡ信号の受信機処理のための方法および装置を提供すること。
【解決手段】 ＣＤＭＡ信号の受信機処理のための方法および装置において、少なくとも１つの受信信号の線形等化を行った後、受信信号中の各シンボル・ストリームの非線形シンボル推定が行われる。次に推定シンボル・ストリームから形成された元の受信信号の近似にフィルタリングを施す。このフィルタリングからの出力は、受信信号のフィルタリングからの出力と合成されて、受信機の処理済受信信号を生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は通信システムに関し、より詳細には、ＣＤＭＡ通信システムにおける受信機処理のための方法及び装置に関する。

ＵＭＴＳなどのＣＤＭＡセルラ・システムでは、ユーザ・データは、複数の直交符号を用いて送信される。例えば、Ｋ個の送信源からのユーザ・データｂ_ｋは、拡散系列ｓ_ｋが割り当てられ、合成信号として分散チャネルｈ（例えば、エア・インタフェース）を介して送信される。１つまたは複数のチップにまたがるそのような時間分散マルチパス・チャネルは、２つの異なるタイプの劣化、すなわち、符号間の直交性の喪失に起因する符号間干渉（ＭＡＩ）、および通常のシンボル間干渉（ＩＳＩ）の原因となる。シンボル当たりのチップ数が１６に過ぎないＨＳＤＰＡなどの高速データ通信では、ＩＳＩの影響が重要なものになり得る。

上記の劣化は共に、受信機におけるチップ・レベルの線形等化によって対処することができる。線形等化器は、送信源ごとの逆拡散操作の前に置かれる。チップ・レベル等化器の注目すべき特性は、すべての拡散符号を補正するのに、わずか１つの等化器があればよいことである。システム能力をさらに向上させるには、チップ・レベルで判定フィードバック等化（ｄｅｃｉｓｉｏｎ−ｆｅｅｄｂａｃｋ ｅｑｕａｌｉｚｅｔｉｏｎ）を用いるのが望ましい。しかし、チップのＳＮＲはきわめて低く、合成信号はきわめて大きなコンステレーションを有するので、個々のチップについての判定は信頼することができない。この問題を克服するため、複数の等化器が並列に動作し、各等化器が可能なデータ・シンボル仮説によって条件付けられる、仮説フィードバック（ｈｙｐｏｔｈｅｓｉｓ−ｆｅｅｄｂａｃｋ）を用いることが、かつて提案されたことがある。これは、単一ユーザのＩＳＩを低減するのには非常に有効であり得るが、ダウンリンクで必要となるように、Ｋ人のユーザ全員についての仮説がすべて含まれる場合、きわめて複雑となる。例えば、１６個の拡散符号を用いるＱＰＳＫシステムでは、可能な仮説は４^１６＝４．３×１０^９存在する。
米国特許出願第１０／３４０８７５号

従って、上述した問題を解決できる、ＣＤＭＡ通信システムにおける受信機処理のための方法及び装置に対する要求がある。

ＣＤＭＡ信号の受信機処理のための方法および装置において、少なくとも１つの受信信号の線形等化を行った後、受信信号中の各シンボル・ストリームの非線形シンボル推定が行われる。本発明の例示的な一実施形態では、線形等化は、（例えば、逆拡散の前に）受信信号のチップ・レベルで行われ、シンボル推定は、（例えば、逆拡散の後に）受信信号のシンボル・レベルで行われる。次に推定シンボル・ストリームから形成された元の受信信号の近似にフィルタリングを施す。本発明の一実施形態では、このフィルタリングは、受信信号のチップ・レベルで行われ、このフィルタリングからの出力は、受信信号の現在のチップに以前および以降のチップの少なくとも１つが与える影響を表す。このフィルタリングからの出力は、受信信号のフィルタリングからの出力と合成されて、等化受信信号を生成する。

本発明の実施形態に関して詳しく説明するように、本発明は、単一入力／単一出力（ＳＩＳＯ）通信システム、複数入力／複数出力（ＭＩＭＯまたはＢＬＡＳＴ）通信システム、送信ダイバーシティ・システムなどに適用可能である。

以下本明細書で提供される詳細な説明および説明としてのみ提供される添付の図面から、本発明をより深く理解できるであろう。図面において、同じ参照番号は複数の図面間で対応する部分を示す。

図１には、本発明による受信機処理のための装置の例示的な一実施形態が示されている。図示するように、サンプリング回路１０は、アンテナ８で受信した信号のチップをサンプリングして、受信信号を生成する。本発明の一実施形態では、サンプリング回路１０は、チップ当たり少なくとも２つのサンプルが取得されるように、チップをオーバサンプリングする。線形等化器１２は、受信信号を処理して、線形等化信号を生成する。線形等化器によって実行される線形等化は、周知の線形等化アルゴリズムに基づいて行われる。線形等化信号は、混合器（ｍｉｘｅｒ）１４で線形等化信号を個々の拡散符号ｓ_１，・・・，ｓ_ｋと混合することによって、逆拡散される。混合器１４に関連付けられた累算器（ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ）１６は、混合器１４によって生成された逆拡散チップを累算する。各累算器１６に関連付けられたシンボル推定器１８は、累算器１６から出力された出力ストリーム中のシンボルについて、非線形ソフト推定（ｎｏｎ−ｌｉｎｅａｒ，ｓｏｆｔ−ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ）を実行する。例えば、各シンボル推定器１８は、個々のシンボルの推定値を得る最適条件平均推定器（ｏｐｔｉｍａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎａｌ−ｍｅａｎ ｅｓｌｉｍａｔｏｒ）とする。推定されたシンボル・ストリームは、混合器２０によって再拡散され、加算器２２で合成されて、元のチップ系列

の近似

を生成する。「正しい」チップ判定（ｃｈｉｐ ｄｅｃｉｓｉｏｎ）のこの系列は、フィードバック・フィルタ２４への入力として用いられる。

以下で詳しく説明するように、フィードバック・フィルタ２４は、受信信号中の現在のチップに、それ以前および以降のチップが及ぼす影響を表す出力を生成する。遅延２６は、受信信号を遅延させ、フィードフォワード・フィルタ２８は、受信信号をフィルタリングする。本発明の例示的な一実施形態では、遅延２６は、線形等化信号の発生、ならびに線形等化信号の逆拡散、検出、および再拡散に要する時間量だけ、受信信号を遅延させる。これによって、シンボル推定器１８は、以降のチップに基づいてシンボル判定を行うことが可能となり、フィードバック・フィルタ２４は、フィードフォワード・フィルタ２８によって出力される受信信号中の現在のチップに、それ以前および以降のチップが与える影響を表す出力を発生することができる。理解されるであろうが、本発明のこの実施形態は、現在のチップにそれ以前のチップだけが与える影響を表す出力をフィードバック・フィルタ２４が発生するように、構成することもできる。第２の合成器（コンバイナ，ｃｏｍｂｉｎｅｒ）３０は、フィードフォワード・フィルタ２８の出力からフィードバック・フィルタ２４の出力を減算して、以前および以降のチップの悪影響が抑制および／または除去された、受信信号中の現在のチップの推定値を生成する。第２の合成器３０から出力される処理済の受信信号は、図１に示すように、拡散および累算を行って、個々のシンボル・ストリームを生成することができる。以下で詳しく説明するように、フィードバック・フィルタ２４およびフィードフォワード・フィルタ２８は、判定−フィードバック−等化と類似する処理によって同時発生される。

ＦＦはフィードフォワード・フィルタ２８中のチップ数を表し、ＦＢはフィードバック・フィルタ２４中のチップ数を表し、Ｐはサンプリング回路１０のオーバサンプリング係数を表すものとする。フィードフォワード・フィルタに含まれる受信サンプルのベクトルは、

すなわち、
ｒ_ｋ＝Γ（ｈ）ｘ_ｋ＋ｎ_ｋ （０．２）
となり、ｒ_ｋは受信サンプルのベクトル、Γ（ｈ）は各受信サンプル用チャネルのＬ個のエコー（マルチパス遅延歪み）、ｘ_ｋはｋ番目の送信サンプル、ｎ_ｋはサンプルｋの雑音を表す。

ｆ（ｉ）およびｂ（ｉ）は、ｉ番目のフィードフォワード・タップおよびフィードバック・タップをそれぞれ表すものとする。遅延をｄとした場合のチップ値の推定値は、

となり、各項はフィードフォワード部、因果関係（ｃａｕｓａｌ）フィードバック部、非因果関係（ａｎｔｉ−ｃａｕｓａｌ）フィードバック部に対応する。ＭＭＳＥ（最小平均自乗誤差）タップ重みは、

を解くことによって得られ、ここで、

と定義する。ｃはフィードバック・フィルタ２４およびフィードフォワード・フィルタ２８の現在または最初のタップであり、ｖはフィードバック・フィルタ２４およびフィードフォワード・フィルタ２８への入力のベクトルである。

直交原理（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｉｔｙ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ）によって得られる解は、

となり、σ_ｘは信号出力、σ_ｎは雑音出力、ｈは遅延をＬとした場合のチャネルのインパルス応答を表す複素数、Ｒ_ｐは受信信号の共分散行列

である。

各条件付平均推定器１８は、

で表され、ｓは推定されるシンボル、∀_ｓは可能なシンボルからなる記号体系、ｒは累算器１６からの出力、ｐ（ｒ／ｓ_ｉ）はｒの尤度、

である。尤度が複素スカラｒで与えられる場合、相関器出力は

となり、ｇは線形等化器利得に応じた利得係数である。例えば、本発明の例示的な一実施形態では、ｇは拡散利得に等しく設定される。シンボル記号体系

をもつＱＰＳＫの場合、推定器は、

で表されることを、本発明者らは見出した。８−ＰＳＫ、１６−ＱＡＭなどの場合も、同様の式を見出すことができる。

本発明の一実施形態では、受信機にあるコントローラ（図示せず）は、フィードバック・フィルタ２４のタップ、フィードフォワード・フィルタ２８のタップを発生するのに上記の式中で用いられる変数、およびシンボル推定値ｓ_ｏｐｔを発生する際に推定器１８によって用いられる変数を生成するため、測定を行い、測定値を受信する。上記の式中の変数はよく知られており、それらの変数を生成するのに必要な測定もよく知られているので、これらの処理については詳しく説明しない。例えば、送信機がパイロット信号を送信すると、受信信号が分かり、それに基づいて、信号出力、雑音出力などを導き出すことができる。

図２には、線形等化器１２のタップが第１の適応プロセッサ４０によって決定され、フィードバック・フィルタ２４およびフィードフォワード・フィルタ２８のタップが第２の適応プロセッサ４２によって決定される、本発明の別の実施形態が示されている。第１および第２の適応プロセッサ４０、４２は、適応アルゴリズムを用いて、タップ重み［ｗ，ｆ，ｂ］を決定する。タップ重みは、当技術分野で周知の標準的なＬＭＳ（最小平均二乗）、ＲＬＳ（再帰最小二乗）、チップ・レベル、シンボル・レベルなどのアルゴリズムを用いて決定することができる。例えば、フィードバック・フィルタ２４およびフィードフォワード・フィルタ２８のタップは、以下の式に基づいて、ＬＭＳによって決定することができる。

上で説明したように、適応アルゴリズムで用いられる「基準」信号は、ＣＤＭＡパイロット符号ｘ_{ｐｉｌｏｔ}、通常のトレーニング・シンボル、またはトラフィック関連信号についての部分的知識と組み合わされたＣＤＭＡパイロット符号とすることができる。この部分的知識を用いない場合、パイロット・チャネル用の追加の相関器が、誤差信号からの雑音の除去に役立つ。代替的に、いわゆる「ブラインド（ｂｉｌｎｄ）」または「セミブラインド（ｓｅｍｉ−ｂｌｉｎｄ）」推定アルゴリズムを用いることができる。

上記の実施形態は、ＳＩＳＯ（単一入力／単一出力）システムに関する。しかし、本発明は、ＳＩＳＯシステムに限定されるものではなく、ＭＩＭＯ（複数入力／複数出力）や送信ダイバーシティ・システムなど、その他のタイプのシステムにも適用可能である。

図３には、本発明によるＭＩＭＯシステムの一実施形態が示されている。ＭＩＭＯシステムは、Ｍ本の送信アンテナとＮ本の受信アンテナを備えるものとして示されている。図３に示す受信機処理機構は、複数のマルチパス・チャネルのため、ＭＩＭＯシステムの線形等化器およびフィルタが行列で表現される点を除いて、図１の機構と類似している。

具体的には、図３に示された各サンプリング回路は、Ｎ本のアンテナの１つで受信された信号のチップをサンプリングして、受信信号を発生する。本発明の一実施形態では、サンプリング回路１１０は、チップ当たり少なくとも２つのサンプルが得られるように、チップをオーバサンプリングする。行列線形等化器（ｍａｔｒｉｘ ｌｉｎｅａｒ ｅｑｕａｌｉｚｅｒ）１１２は、受信信号を処理して、線形等化信号を生成する。行列線形等化器によって実行される線形等化は、周知の行列線形等化（ｍａｔｒｉｘ ｌｉｎｅａｒ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ）アルゴリズムのいずれかによって行われる。線形等化信号は各々、シンボル推定機構１５０によって受信される。図４には、シンボル推定機構の一実施形態が示されている。図示するように、逆拡散器１１４は、混合器を使用して線形等化信号を個々の拡散符号ｓ_１，・・・，ｓ_ｋと混合することによって、線形等化信号を逆拡散する。空間白色化ユニット１１６（ｓｐａｔｉａｌ ｗｈｉｔｅｎｉｎｇ ｕｎｉｔ）は、残留干渉および雑音を、その空間共分散（ｓｐａｔｉａｌ ｃｏｖａｒｉａｎｃｅ）が単位行列と等しくなるように、任意の周知の方式で変形する。例えば、この方式には、２００３年１月１０日に出願された「METHOD AND APPARATUS FOR DETERMINING AN INVERSE SQUARE ROOT OF A GIVEN POSITIVE-DEFINITE HERMITIAN MATRIX」と題する米国特許出願第１０／３４０８７５号に開示されたものがあり、同出願の内容の全体を参照により本明細書に組み込む。結合シンボル推定器（ｊｏｉｎｔ ｓｙｍｂｏｌ ｅｓｔｉｍａｔｏｒ）１１８は、空間白色化ユニット１１６から出力された出力ストリーム中のＭ個のシンボルの非線形ソフト推定を同時に実行する。例えば、球内復号（ｓｐｈｅｒｅ ｄｅｃｏｄｉｎｇ）アルゴリズムなど、ハードまたはソフト出力を伴う準最尤（ｎｅａｒ−ｍａｘｉｍｕｍ ｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄ）処理は、結合シンボル推定器１１８によって実行することができる。代替的に、いわゆる「Ｖ−Ｂｌａｓｔ」減法タイプ処理（ｓｕｂｔｒａｃｔｉｖｅ ｔｙｐｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）を利用することもできる。以下の式は、Ｍ個のシンボルからなるベクトル用の条件付平均推定器に相当する結合シンボル推定器１１８によって実行される推定処理のさらなる例である。

ここで、

であり、Ｃ^Ｍは可能なコンステレーション・ポイントのＭ次元ベクトルを表す。

次にソフト・シンボル値は再拡散され、Ｋ個の符号からの寄与が再拡散器１２０によって足し合わされる。その結果は、Ｍ個の送信源の各々によって送信されたチップの推定となる。これらは、加算器１３０によって行列フィードバック・フィルタ１２４の出力を行列フィードフォワード・フィルタ１２８の出力と合成する際に、同じアンテナのチップ干渉および異なるアンテナのチップ干渉を取り除く、図３の行列フィードバック・フィルタ１２４で用いられる。この場合も行列フィードフォワード・フィルタ１２８は、各受信信号に対応する遅延１２６からの遅延入力を有する。本発明の一実施形態では、（以前および以降のチップを取り除くのに）両側（ｆｗｏ−ｓｉｄｅｄ）フィードバック・フィルタ１２４が使用されるが、別の実施形態では、フィルタ１２４は片側フィルタとする。次に加算器１３０からの出力は逆拡散され、各拡散符号について白色化検出される（ｗｈｉｔｅｎｅｄ ｄｅｔｅｃｔｅｄ）。

本発明のこの実施形態に関連するフィルタは、行列フィルタ［Ｗ，Ｆ，Ｂ］である。行列フィードバック・フィルタ１２４および行列フィードフォワード・フィルタ１２８は、次のように計算することができる。ｍ番目の送信機からのチップの推定値は、

となる。ここでは、すべての受信空間信号が利用され、フィードバックによって、送信機間のすべての潜在的なクロスカプリング（以前および以降）が取り除かれる。次に、

を解く。ここで、

と定義する。この場合も解は直交原理によって得られ、

となる。ここで、

と定義し、ｅ_ｄはｄ番目の位置が１になる他はすべての成分が０のベクトルである。

図１の実施形態の場合と同様に、閉じた形式の（ｃｌｏｓｅｄ−ｆｏｒｍ））解１．１６は直接計算可能であるか、または代替的に、図２に関して説明したような様々な送信アンテナからの独自のトレーニングまたはパイロット信号を使用する適応フィルタリング（ＬＭＳ、ＲＬＳなど）に基づいた実装を用いることができる。

送信ダイバーシティ・システムは、（ＭＩＭＯとは異なり）単一のデータ・ストリームを送信するのに、複数の送信アンテナと１つまたは複数の受信アンテナを使用する。送信ダイバーシティ方式は、符号器および復号器によって定義することができる。例えば、ＵＭＴＳでは、２本のアンテナを有するオープン・ループ送信ダイバーシティ方式（ＳＴＴＤ）によって、一度に２つのシンボルが符号化される。符号器は、２つの連続するタイム・スロットで、

をアンテナ１に、

をアンテナ２に送信する。次に復号器は、受信信号から２つの合成

および

を形成する。送信ダイバーシティのこの典型的な動作は、無線チャネルが時間分散的でないことを仮定している。

時間分散を補正するため、図３に示すような線形等化器を用いることができる。システムは、良好な性能を得るため、少なくとも送信アンテナと同数の受信アンテナを備えるべきである。等化器出力の数は、送信アンテナの数と等しくする。この線形等化器は、ＭＩＭＯシステムとの関連で先に説明した線形等化器と同じものである。

図５には、送信ダイバーシティ・システム用の本発明による受信機処理機構の一実施形態が示されている。図示するように、受信機処理機構は、図３に示すシンボル推定機構１５０がシンボル推定機構１６０で置き換えられている点を除いて、図３に示すものと同じである。したがって、この相違点についてだけ簡潔に説明する。図示するように、線形等化器の後に、送信ダイバーシティ復号器１６２、さらにシンボル推定器１８が続く。次にシンボルは、再構成チップ・ストリームを供給する送信ダイバーシティ符号器１６４によって符号化される。ダウンリンク中に他の信号も存在する場合、それらも再構成され、全体的な送信ストリームを供給するために、それらのチップも共に加え合わされる。先に説明したように、これはフィードバック・フィルタ１２４およびフィードフォワード・フィルタ１２８で用いられる。加算器１３０の出力で、送信ダイバーシティ復号器を再び用いることができ、受信機処理は通常の方式（ＦＥＣ復号化など）で続行される。

以上、本発明について説明したが、多くの方法で本発明を変形し得ることは明らかであろう。例えば、ダウンリンクＣＤＭＡ信号の受信機処理に関して本発明の態様を説明したが、本発明は、例えば、直交アップリンク信号が送信される場合には、アップリンクにも等しく適用可能である。そのような変形形態は、本発明の主旨および範囲から逸脱するものとは見なされず、そのようなすべての変更形態は本発明の範囲内に包含されるものとする。

本発明による受信機処理用装置の例示的な一実施形態を示した図である。 フィルタ・タップが適応的に決定される本発明の別の実施形態を示した図である。 本発明によるＭＩＭＯシステムの一実施形態を示した図である。 図３の実施形態におけるシンボル推定機構の一実施形態を示した図である。 送信ダイバーシティ・システム用の本発明による受信機処理機構の一実施形態を示した図である。

Claims (10)

1. ＣＤＭＡ信号の受信機処理のための方法であって、
   少なくとも１つの受信信号について線形等化を実行して、少なくとも１つの線形等化信号を発生する工程と、
   各線形等化信号を逆拡散して、各線形等化信号に関連する１つまたは複数の信号ストリームを発生する工程と、
   各信号ストリーム中のシンボルを推定して、関連するシンボル推定信号ストリームを発生する工程と、
   各線形等化信号に関連する前記シンボル推定信号ストリームを再拡散して、各線形等化信号に関連する合成信号を発生する工程と、
   各合成信号を第１のフィルタを用いてフィルタリングする工程と、
   各受信信号を前記第１のフィルタを補完する第２のフィルタを用いてフィルタリングする工程と、
   前記第１および第２のフィルタからの出力を合成して、各受信信号に関連する処理済受信信号を発生する工程とを含む方法。
2. 前記推定工程が、各信号ストリーム中のシンボルの非線形ソフト判定推定を実行する請求項１に記載の方法。
3. 各合成信号をフィルタリングする前記工程が、関連する受信信号中の現在のチップに少なくとも以前のチップが与える影響を表す出力を発生し、
   合成器が、各合成信号をフィルタリングする前記工程からの出力を、各受信信号をフィルタリングする前記工程からの関連する出力から減算する請求項１に記載の方法。
4. 各合成信号をフィルタリングする前記工程が、関連する受信信号中の現在のチップに以前および以降のチップが与える影響を表す出力を発生する請求項３に記載の方法。
5. 各合成信号をフィルタリングする前記工程が、関連する受信信号中の現在のチップに少なくとも以降のチップが与える影響を表す出力を発生し、
   合成器が、各合成信号をフィルタリングする前記工程からの出力を、各受信信号をフィルタリングする前記工程からの関連する出力から減算する請求項１に記載の方法。
6. 前記第１および第２のフィルタについてフィルタ・タップを発生する工程をさらに含む請求項１に記載の方法。
7. フィルタ・タップを発生する前記工程が、前記第１および第２のフィルタについてフィルタ・タップを適応的に発生する請求項６に記載の方法。
8. 前記逆拡散工程が、各線形等化信号を１つまたは複数のデータ・シンボル・ストリームに逆拡散する請求項１に記載の方法。
9. 少なくとも１つの受信信号が、２以上のユーザのためのシンボルを含む請求項１に記載の方法。
10. 各受信信号が、異なるアンテナによって受信される信号に関連する請求項１に記載の方法。
    

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