JP2005260977A - Ｃｄｍａ通信システムにおけるアンテナアレーを用いた送信 - Google Patents

Abstract

【課題】符号分割多元アクセス（CDMA）通信システムにおいて送信電力レベルを上げることなく受信信号の品質をさらに改善する。
【解決手段】各アンテナは特有の擬似ランダムチップ符号系列を有する特有のパイロット信号を送信する。受信機はパイロット信号をそのパイロット信号のチップ符号系列を用いてフィルタ処理し、重みづけして合成する。各パイロット信号への重みを合成信号の信号品質に一部基づき適応的に調節する。データ信号の送信を、そのデータ信号の互いに異なるスペクトラム拡散出力が複数の送信アンテナからそれぞれ送出されるように行う。それらスペクトラム拡散出力の各々は互いに異なるチップ符号識別子を有する。受信側では、それらスペクトラム拡散出力の各々を関連のチップ符号系列でフィルタ処理する。フィルタ処理したスペクトラム拡散出力をそれぞれのアンテナのパイロット信号関連の調節ずみの重みにしたがって重みづけする。
【選択図】 図３

Description

この発明は概括的には無線符号分割多元接続（CDMA）通信システムにおける信号の送信および受信に関する。より詳細にいうと、この発明は無線CDMA通信システムにおいて信号受信の改善のためにアンテナアレーを用いる送信システムおよび送信方法に関する。

従来技術のCDMA通信システムを図１に示す。この通信システムは複数の基地局20−32を含む。各基地局(20)はスペクトラム拡散CDMAを用いて稼動領域内のユーザ装置（UE）34−38と交信する。基地局20からUE34−38の各々への通信をダウンリンク通信と呼び、UE34−38の各々から基地局20への通信をアップリンク通信と呼ぶ。

単純化したCDMA送信機および受信機を図２に示す。所定の帯域幅のデータ信号をミキサ40で擬似ランダムチップ符号系列と混合してディジタルスペクトラム拡散信号を発生しアンテナ42により送信する。受信側ではアンテナ44で受信した信号を、データ送信に用いた擬似ランダムチップ符号系列と同じ符号系列との間でミキサ46で相関をとってデータを再生する。互いに異なる擬似ランダムチップ符号系列を用いることによって、多数のデータ信号が同じチャネル帯域幅を共用できる。より詳細に述べると、基地局20は同じ帯域幅で多数のUE34−38に信号を伝送できる。

受信機との間の同期確保のために無変調パイロット信号を用いる。このパイロット信号によって各受信機は特定の送信機と同期をとり受信機におけるデータ信号の逆拡散を行うことが可能になる。通常のCDMAシステムでは、各基地局20は特有のパイロット信号、すなわち交信範囲内の全UE34−38が受信して順方向リンク送信を同期させる特有のパイロット信号を送信する。例えばB-CDMA無線インタフェースなどのCDMAシステムでは、逆にUE34−38の各々から特有の割当てパイロット信号を送信して逆方向リンク送信を同期させる。

UE34−38または基地局20−32が特定の信号を受信しているときは、同一帯域幅の中のその特定の信号以外の信号は特定の信号との関係では雑音と同様のものになる。一つの信号の電力レベルを上げると、同一帯域幅の中のそれ以外のすべての信号を劣化させる。しかし、電力レベルを下げすぎると受信信号の品質が低下する。受信信号の品質の評価に用いられる一つの尺度が信号対雑音比（SNR）である。受信機で所望の受信信号の大きさを受信雑音の大きさと比較する。高いSNRで受信した送信信号の中のデータは受信機で容易に再生できる。低いSNRはデータ喪失の原因となる。最低送信電力レベルで所望のSNRを維持するために適応型電力制御を用いる。

最小送信電力レベルで所望の信号対雑音比を維持するために、大半のCDMAシステムでは何らかの適応型電力制御を利用している。送信電力を最小にすることによって、同じ帯域幅の中の信号相互間雑音を低下させる。したがって、同じ帯域幅の中で所望の信号対雑音比で受信できる信号の最大数が増加する。

適応型電力制御は同じ帯域幅の中の信号相互間の干渉を低下させるが、干渉はやはり存在しシステム容量を制限する。同じ無線周波数（RF）スペクトラムを用いて信号数を増やす手法はセクタ構成の採用である。セクタ構成では、基地局に指向性アンテナを用いて基地局の稼働範囲を多数のセクタに分割する。その結果、互いに異なるセクタの中の信号相互間の干渉は低下する。しかし、同じ帯域幅の中の同じセクタの中の信号は相互に干渉する。また、セクタ構成の基地局は互いに隣接するセクタに互いに異なる周波数を通常割り当てるので、一定の周波数帯域幅についてのスペクトラム利用効率は低下する。

ＵＳＰ ５ ６５２ ７６４ ＥＰ ０ ８８１ ７８１ ＵＳＰ ５ ８１２ ５４２

したがって、送信信号の電力レベルを上げることなく受信信号の品質をさらに改善するシステムが必要になっている。

この発明は複数の送信アンテナを用いたデータ信号の送信および受信を可能にする。それらアンテナは擬似ランダムチップ符号系列含有の互いに異なるパイロット信号をそれぞれ送信する。受信機は特定のパイロット信号のチップ符号系列を用いて、送信されてきた信号をフィルタ処理する。フィルタ処理されたパイロット信号を重みづけして合成する。それらパイロット信号の各々の重みづけを合成信号の信号品質に部分的に基づき適応的に調節する。データ信号の送信は、それらデータ信号の互いに異なるスペクトラム拡散出力が送信アンテナからそれぞれ送信されるように行う。それらスペクトラム拡散出力の各々をその関連のチップ符号でフィルタ処理する。フィルタ処理ずみのデータ信号スペクトラム拡散出力をそれぞれのアンテナのパイロット信号関連の調節ずみ重みにしたがって重みづけする。

送信電力レベルを上げることなく受信信号の品質を高めたCDMA通信システムを提供できる。

同じ構成要素には全体を通じて同じ参照数字を付けて示した図面を参照して、この発明の好ましい実施例を説明する。図３はこの発明の送信機である。この送信機は好ましくは３個または４個のアンテナから成る複数アンテナ48−52のアレーを備える。これらアンテナ48−52の相互間の区別のために、互いに異なる信号をこれらアンテナにそれぞれ関連づける。各アンテナとの関連づけに好ましい信号は図３に示すようなパイロット信号である。スペクトラム拡散ずみのパイロット信号の各々をパイロット信号発生器56−60により互いに異なる擬似ランダムチップ符号系列を用いて発生し、コンバイナ62−66によりそれぞれの拡散ずみデータ信号と合成する。拡散ずみのデータ信号の各々をデータ信号発生器54からのデータ信号とアンテナ48−52対応で互いに異なる擬似ランダムチップ符号系列Ｄ１−ＤＮとのミキサ378−382における混合により発生する。合成ずみの信号で所望の搬送波周波数を変調し、アレーのアンテナ48−52から放射する。

アンテナアレーの使用により、この送信機は空間ダイバーシティを利用する。アンテナ間隔を十分に大きくすると、アンテナ48−52の各々から放射される信号は所定の受信機への伝送中に互いに異なるマルチパス歪を生ずる。アンテナ48−52から放射される信号の各々は所定の受信機への伝送中に多数の伝送経路を辿るので、複数の受信信号の各々は多数のマルチパス成分を含む。それらのマルチパス成分が送信機のアンテナ48−52の各々と受信機との間に仮想通信チャネルを形成する。アンテナ48−52の一つから一つの仮想チャネル経由で所定の受信機に送信された信号がフェーディングを生じる場合は、そのアンテナ以外のアンテナからの信号を受信信号SNRを高い値に維持するために用いて好結果が得られる。この効果は受信機で伝送信号を適応合成することによって得られる。

図４は多数のデータ信号の送信のために基地局20で用いる送信機を示す。スペクトラム拡散ずみデータ信号を、データ信号発生器74−78からのデータ信号を互いに異なる擬似ランダムチップ符号系列Ｄ_１１−Ｄ_ＮＭとそれぞれ混合することによって生ずる。したがって、データ信号の各々は、アンテナ48−52の各々について互いに異なる擬似ランダムチップ符号系列、すなわち全部でＮ×Ｍ個（Ｎはアンテナの数、Ｍはデータ信号の数）の符号系列を用いてスペクトラム拡散される。拡散ずみのデータ信号の各々をそれらアンテナ48−52関連の拡散ずみパイロット信号と合成する。この合成信号を変調してアレーのアンテナ48−52で放射する。

パイロット信号受信回路を図５に示す。送られてきたパイロット信号の各々をアンテナ80で受信する。パイロット信号の各々について、図５に示したレイク（Rake）82−86などの逆拡散装置またはベクトル相関器を用いて、対応パイロット信号の擬似ランダムチップ符号系列のレプリカによりパイロット信号の各々を逆拡散する。この逆拡散装置は通信チャンネルの中のマルチパスについての補償も行う。再生したパイロット信号の各々を重みづけ装置88−92により重みづけする。重みづけは信号の大きさおよび位相の両方を対象とする。図には重みづけをレイクに接続した形で示してあるが、この重みづけ装置はレイクの各指部の重みづけも行うようにするのが好ましい。重みづけのあと、再生パイロット信号の重みづけ出力をコンバイナ94で合成する。誤差信号発生器98により重みづけ合成からのパイロット信号概算値を用いて誤差信号を生ずる。この誤差信号に基づき、重みづけ装置88−92の各々の重みを最小二乗平均（LMS）や再帰最小二乗（RLS）などの適応型アルゴリズムにより誤差信号最小化に向けて調節する。その結果、合成信号の品質を最高にする。

図６はパイロット信号再生回路で定まる重みを用いるデータ信号受信回路を示す。送られてきたデータ信号はアンテナ80で捕捉する。送信側アレーのアンテナ48−52の各々について、レイク82−86として図示した対応の逆拡散装置からの重みを用いて対応の送信側アンテナ用のデータ信号拡散符号のレプリカによりデータ信号をフィルタ処理する。各アンテナのパイロット信号について算定した重みを用いて、重みづけ装置106−110の各々は対応のパイロット信号関連の重みでレイクの逆拡散出力信号を重みづけする。例えば、重みづけ装置88はパイロット信号１用の送信アンテナ48に対応する。パイロット信号１用のパイロット信号レイク82で定まる重みを図６の重みづけ装置106でもかける。また、レイクの指部の重みを対応のパイロット信号のレイク82−86について調節した場合は、同じ重みをデータ信号のレイク100−104の指部にもそれぞれかける。重みづけのあと重みづけずみの信号をコンバイナ112で合成してもとのデータ信号を再生する。

各アンテナのパイロット信号に用いたのと同じ重みをデータ信号にかけることによって、各レイク82−86は各アンテナの信号の受けるチャネル歪を補償する。その結果、データ信号受信回路は各仮想チャネル経由のデータ信号受信を最適化する。各仮想チャネルの最適化ずみの信号を最適に合成することによって、受信データ信号の品質を向上させる。

図７はパイロット信号再生回路の実施例を示す。送られてきたパイロット信号の各々を受信機アンテナ80で捕捉する。パイロット信号の各々を逆拡散するためにレイク82−86の各々は対応のパイロット信号の擬似ランダムチップ符号系列Ｐ_１−Ｐ_Ｎのレプリカを用いる。パイロット信号の各々の遅延出力を遅延装置114−124によって発生する。これら遅延出力をミキサ126−142で受信信号とそれぞれ混合する。混合出力信号を加算ダンプ回路424−440にそれぞれ加え、ミキサ144−160において重み調節装置170により定まる量で重みづけする。各パイロットについての重みづけずみのマルチパス成分をコンバイナ162−164により合成する。各パイロットの合成ずみ出力をコンバイナ94で合成する。パイロット信号はデータを含まないので、合成ずみのパイロット信号の値は１＋j0で表される。合成ずみのパイロット信号を減算器168で理想値１＋j0と比較する。合成ずみパイロット信号の理想値からの偏移に基づき、重みづけ装置144−160の重みを重み調節装置170で適応アルゴリズムにより調節する。

重みの発生に用いるLMSアルゴリズムを図８に示す。減算器168の出力をミキサ172によりパイロット信号の対応逆拡散遅延出力と乗算する。この乗算出力を増幅器174で増幅し、積分器176で積分する。この積分出力をレイク指部重みづけ用の重みＷ_１Ｍとして用いる。

図７の実施例で用いるデータ受信回路を基地局受信機について図９に示す。アレーのアンテナ48−52にそれぞれ関連づけられたレイク100−104の組に受信信号を加える。レイク100−104の各々は遅延装置178−188により受信信号の遅延出力を生ずる。これら遅延出力を、対応のアンテナのパイロット信号について算定した重みに基づきミキサ190−206で重みづけする。レイク100−104のそれぞれの重みづけずみのデータ信号をコンバイナ208−212でそれぞれ合成する。コンバイナ208−212の一つをＮ個の送信アンテナ48−52の各々と関連づけてある。合成信号の各々を、ミキサ214−230において合成信号と送信側におけるＭ個のスペクトラム拡散ずみデータＤ_１１−Ｄ_ＮＭ発生用の拡散符号のレプリカとを混合することによりＭ回逆拡散する。逆拡散ずみのデータ信号の各々を加算ダンプ回路232−248に加える。データ信号の各々について、対応の加算ダンプ回路の出力をコンバイナ250−254で合成してデータ信号の各々を再生する。

もう一つのパイロット信号受信回路を図10に示す。この受信回路の逆拡散回路82−86は図７の回路の場合と同じである。逆拡散ずみのパイロット信号の合成の前にレイク82−86の各々の出力をミキサ256−260で重みづけする。合成ずみのパイロット信号を理想値と比較してその比較の結果を用いて適応アルゴリズムによりレイク出力の各々の重みづけを調節する。レイク82−86の各々の中の重みの調節のために、レイク82−86の各々の出力を減算器262−266により理想値と比較する。この比較の結果に基づき、重みづけ装置144−160の各々の重みを重み調節装置268−272で定める。

図10の実施例に用いるデータ信号受信回路を図11に示す。この回路は図９のデータ信号受信回路と同様であり、加算ダンプ回路232−248の各々の出力を重みづけするミキサ274−290を追加してある。加算ダンプ回路232−248の各々の出力を対応のパイロット信号用レイク82−86への重みづけと同じ値で重みづけする。代わりに、レイクの各々のコンバイナ208−212の出力をミキシング後の重みづけでなくミキシング前にミキサ214−230により対応のパイロット信号用レイク82−86の重みづけ値で重みづけすることもできる。

送信用アレーのアンテナ48−52の間隔が小さい場合は、各アンテナへの信号は同様のマルチパス環境の影響を受ける。その場合は、図12のパイロット信号受信回路を用いる。パイロット信号のうちの選ばれた一つへの重みづけの重みは図10の場合と同様に定める。しかし、各パイロット信号は同じ仮想チャネルを伝搬するので、回路の単純化のためにそれ以外のパイロット信号の逆拡散にも同じ重み値を用いる。遅延装置292−294は受信信号の遅延出力を生ずる。それら遅延出力の各々を上記選ばれたパイロット信号の対応の遅延出力への重みづけと同じ重みでミキサ296−300により重みづけする。重みづけ装置の出力をコンバイナ302で合成する。合成ずみの信号をパイロット信号の擬似ランダムチップ符号系列Ｐ_２−Ｐ_Ｎのレプリカを用いてミキサ304−306により逆拡散する。パイロット信号のミキサ304−306出力を加算ダンプ回路308−310にそれぞれ加える。図10の場合と同様に逆拡散ずみのパイロット信号の各々を重みづけして合成する。

図12の実施例で用いるデータ信号再生回路を図13に示す。遅延装置178−180は受信信号の遅延出力を生ずる。これら遅延出力を図12におけるパイロット信号への重みづけと同じ重みでミキサ190−194により重みづけする。これらミキサの出力をコンバイナ208で合成する。コンバイナ208の出力を図13のデータ信号逆拡散器の各々に入力する。

この発明は図14に図解した適応型ビーム操縦の手法も提供する。アンテナアレーから送出された各信号はそのアレーのアンテナ48−52の各々への重みに基づくパターンで有用な干渉または有害な干渉を生ずる。したがって、適切な重みを選ぶことによってアンテナアレーのビーム312−316を所望の方向に向ける。

図15はビーム操縦送信回路を示す。この回路は図３の回路と同様であり、重みづけ装置318−322を追加してある。目標の受信機は上記アレーからのパイロット信号を受信する。図５のパイロット信号受信回路を用いて、目標の受信機は各パイロット信号のレイクの出力の調節のための重みを算定する。これらの重みをシグナリングチャネルの利用などにより送信側にも送る。これらの重みを図15に示すように拡散ずみデータ信号にも加える。アンテナの各々について、目標の受信機におけるアンテナパイロット信号の調整用の重み対応の重みを重みづけ装置により拡散ずみデータ信号に与え、空間利得をもたらす。したがって、放射されたデータ信号は目標の受信機に集束される。図16は多数のデータ信号を互いに異なる目標の受信機に送る基地局に用いるビーム操縦送信機を示す。目標の受信機の受ける重みを重みづけ装置324−340により対応のデータ信号にかける。

図17は図15および図16のビーム操縦送信機のためのデータ信号受信回路を示す。送られてきた信号は重みづけを既に受けているので、このデータ信号受信回路は図６の重みづけ装置106−110を必要としない。

この発明のビーム操縦には二重の利点がある。すなわち、送信データ信号は目標の受信機に集束されて受信信号の品質を高める。逆に、送信データ信号は目標の受信機以外の受信機を集束から外してそれら受信機への干渉を軽減する。これら二重の利点により、この発明のビーム操縦を用いたシステムの通信容量は増大する。また、パイロット受信回路で用いた適応型アルゴリズムにより、重みづけは動的に調節される。重みの調節により、データ信号のビームは移動中の受信機または送信機にもマルチパス環境の変動にも動的に応答できる。

時分割二重（TDD）通信などダウンリンク信号およびアップリンク信号に同じ周波数を用いるシステムでは代わりの実施例を用いる。相反性により、ダウンリンク信号も同じ周波数経由のアップリンク信号と同じマルチパス環境の影響を受ける。この相反性を利用するために基地局受信機の算定した重みを基地局送信機にも適用する。その種のシステムでは図18の基地局受信回路を同一基地局の中など図19の送信回路と同じ場所に配置する。

図18の受信回路ではアンテナ48−52はUEからのパイロット信号をそれぞれ受ける。捕捉されたパイロット信号をレイク406−410でそれぞれフィルタ処理して重みづけ装置412−416でそれぞれ重みづけする。重みづけしフィルタ処理したパイロット信号をコンバイナ418により合成する。誤差信号発生器420および重み調節装置422を用いて、重みづけ装置412−416関連の重みを適応アルゴリズムにより調節する。

図19の送信回路はデータ信号の発生のためにデータ信号発生器342を備える。データ信号はミキサ384によりスペクトラム拡散する。拡散ずみのデータ信号を、図19の受信回路で算定したのと同様に、重みづけデバイス344−348により各仮想チャネルにつき重みづけする。

図20の回路を基地局におけるデータ信号受信回路として用いる。送られてきた信号を複数のアンテナ48−52で受信する。これらアンテナ48−52にそれぞれ接続したデータ信号レイク392−396によりデータ信号をフィルタ処理する。フィルタ処理ずみのデータ信号を対応アンテナ受信信号につきそれぞれ算定した重みで重みづけ装置398−402により重みづけし、コンバイナ404で合成してデータ信号を再生する。図19の送信回路は最適重みづけでデータ信号を送信するので、UEで再生したデータ信号は従来技術による場合よりも高い信号品質を備える。

無線CDMA通信システムの無線回線利用効率の改善およびシステム容量の増大に利用できる。

従来技術による無線スペクトラム拡散CDMA通信システムの説明図。 従来技術によるスペクトラム拡散CDMA送信機および受信機の説明図。 この発明の送信機の説明図。 複数のデータ信号を送信するこの発明の送信機の説明図。 この発明のパイロット信号受信回路。 この発明のデータ信号受信回路。 パイロット信号受信回路の実施例。 最小二乗平均重みづけ回路。 図７のパイロット信号受信回路とともに用いるデータ信号受信回路。 各レイク（Rake）の出力を重みづけするパイロット信号受信回路の実施例。 図１０のパイロット信号受信回路とともに用いるデータ信号受信回路。 送信アレーのアンテナを狭い間隔で配置した場合のパイロット信号受信回路の実施例。 図１２のパイロット信号受信回路とともに用いるデータ信号受信回路。 CDMA通信システムにおけるビーム操縦の図解。 ビーム操縦送信機。 複数のデータ信号を送信するビーム操縦送信機。 図１４の送信機とともに用いるデータ信号受信回路。 アップリンク信号およびダウンリンク信号が同じ周波数を用いる際に用いられるパイロット信号受信回路。 図１８のパイロット信号受信回路とともに用いる送信回路。 図１８のパイロット信号受信回路とともに用いるデータ信号受信回路。

符号の説明

20−32 基地局
34−38 ユーザ装置
40、46 ミキサ
42、44、48−52、80 アンテナ
56−60 パイロット信号発生器
62−66 コンバイナ
54、74−78 データ信号発生器
62−66、94、112、208−212 合成器（コンバイナ）
360−376、378−382、214−230 ミキサ
82−86、100−104 レイク受信機
88−92、106−110 重みづけ装置
96 誤差信号発生器
98 重み調節装置

Claims (9)

1. ユーザ装置であって、
   基準信号およびデータ信号バージョンの受信を、それらデータ信号の各々が単一の送信地点から互いに異なるアンテナを通じて受信されるとともに前記データ信号バージョンの各々が単一の送信地点から互いに異なるアンテナを通じて受信されるように行う受信アンテナと、
   前記受信アンテナに接続され、受信した前記基準信号をそれら基準信号に関連した符号を用いてフィルタ処理するとともに、フィルタ処理した前記基準信号の各々を特定の重みで重みづけする手段と、
   前記重みづけしたフィルタ処理ずみの基準信号を合成して合成信号を生ずるとともに、それら基準信号の各々の特定の重みを前記合成信号の信号品質に一部基づき適応的に調節する手段と、
   前記データ信号バージョンの各々をそのデータ信号バージョンに関連した符号でフィルタ処理するとともに、フィルタ処理ずみのバージョンを合成してデータを回復する手段と
   を含むユーザ装置。
2. 送信信号を時分割複信フォーマットで受信する請求項１記載のユーザ装置。
3. 前記データ信号バージョンの各々を、それに対応する基準信号の特定の重みで重みづけする手段をさらに含む請求項１記載のユーザ装置。
4. 前記フィルタ処理ずみの初めの信号の各々の重みづけを前記フィルタ処理手段の各指部で行う請求項３記載のユーザ装置。
5. 前記フィルタ処理をＲＡＫＥによって行う請求項４記載のユーザ装置。
6. ユーザ装置であって、
   基準信号およびデータ信号バージョンの受信を、それら基準信号の各々が単一の送信地点から互いに異なるアンテナを通じて受信されるとともに前記データ信号バージョンの各々が単一の送信地点から互いに異なるアンテナを通じて受信されるように行う受信アンテナと、
   前記受信アンテナに接続され、受信した前記基準信号をフィルタ処理するとともに、フィルタ処理した前記基準信号の各々を特定の重みで重みづけする第１の複数のＲＡＫＥと、
   前記重みづけしたフィルタ処理ずみの基準信号を合成して合成信号を生ずるとともに、それら基準信号の各々の特定の重みを前記合成信号の信号品質に一部基づき適応的に調節するコンバイナと、
   前記データ信号バージョンの各々をそのデータ信号バージョンに関連した符号でフィルタ処理するとともに、フィルタ処理ずみのバージョンを合成してデータを回復する第２の複数のＲＡＫＥと
   を含むユーザ装置。
7. 送信信号を時分割複信フォーマットで受信する請求項６記載のユーザ装置。
8. 前記データ信号バージョンの各々をそれに対応する基準信号の特定の重みで重みづけする重みづけ装置をさらに含む請求項６記載のユーザ装置。
9. 前記フィルタ処理ずみの初めの信号の各々の重みづけを前記ＲＡＫＥの各指部で行う請求項６記載のユーザ装置。

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