JP2005323382A - ハイブリッド無線通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＤＭＡおよびＯＦＤＭ変調の各態様を用いて移動局と基地局との間の伝送を制御する方法を提供すること。
【解決手段】上記方法は、複数のスロットを内部に有するフレームを形成する工程と、複数のスロットの第１の部分でＣＤＭＡ変調を使用する工程と、複数のスロットの第２の部分でＯＦＤＭ変調を使用する工程とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に電気通信に関し、より詳細には、無線通信に関する。

無線技術では、さまざまな伝送技術が使用される。２つの比較的一般的な技法は、符号分割多重接続（ＣＤＭＡ）および直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）である。ＣＤＭＡは、異なる直交Ｗａｌｓｈ符号を採用する複数のユーザを共通周波数搬送波上で多重化できる変調および多重アクセス技法である。干渉成分の平均およびマルチパスダイバーシチの有用な特性のために、ＣＤＭＡはさまざまな無線通信システムで使用されている。ＣＤＭＡシステムで信号を拡散することで、極めて低い搬送波対干渉波比（Ｃ／Ｉ）での受信される伝送の復号を可能にする処理ゲインを提供できることは当業者には明らかであろう。したがって、ＣＤＭＡ伝送は高レベルの干渉に耐えることができ、ユニバーサル周波数再利用（システムの全セクタで同じ周波数を使用する）を備えた構成を可能にする。ＣＤＭＡを使用する無線通信システムの例は、第２世代のＩＳ−９５システムおよびＵＭＴＳ（ユニバーサル移動通信システム）およびｃｄｍａ２０００などの第３世代セルラシステムである。ＣＤＭＡはまた無線ＬＡＮ（ローカルエリアネットワーク）のＩＥＥＥ８０２．１１ｂ標準で使用される。

ＣＤＭＡダウンリンク（基地局から移動局への）では、移動局で受信される異なるＷａｌｓｈ符号での伝送は直交している。これは、信号がダウンリンク上の固定位置（基地局）から送信され、すべてのＷａｌｓｈ符号が同期化されて受信されるという事実のためである。したがって、マルチパス信号がないと、異なる符号に乗せた伝送は互いに干渉しない。ただし、マルチパス伝搬（セルラ環境に特有の）がある場合、Ｗａｌｓｈ符号は直交でなく、したがって、互いに干渉し、シンボル間干渉（ＩＳＩ）および多重接続干渉（ＭＡＩ）を発生させる。ＩＳＩとＭＡＩは最大達成可能な信号対雑音比（ＳＮＲ）を制限し、その結果、サポート可能な最大データ伝送速度を制限する。

複数のユーザからの受信Ｗａｌｓｈ符号がいかなるマルチパス信号がない場合にも直交でないために、この問題はＣＤＭＡアップリンク（移動局から基地局への）上でも発生する。アップリンクでは、異なる位置にある移動局からの基地局への伝搬時間は異なる場合が多い。受信符号は基地局に到達する時点で同期していないため、異なる移動局から到着する信号の直交性は保証できない。複数のユーザからの伝送は互いに干渉し、多重接続干渉（ＭＡＩ）を発生させ、各ユーザが経験する雑音の増加に寄与する。一般に、基地局での雑音の増加は、所望のシステム容量および通信範囲を保証するためにＲｉｓｅ−ｏｖｅｒ−Ｔｈｅｒｍａｌ（ＲｏＴ）しきい値と呼ばれる一定のしきい値より下に保たれている。基地局の回路は熱雑音と呼ばれる一定量の温度依存雑音を生成する。ＲｏＴしきい値は移動局からの伝送が受信できる熱雑音を超えた電力量を制限する。
他のユーザからの干渉と共に、このしきい値は、ＣＤＭＡアップリンク上で達成可能なデータ伝送速度と伝送容量とを制限する。

従来のＯＦＤＭ送信機チェーン１００の様式図を図１に示す。一般に、エンコーダパケットと呼ばれる１組の情報がハードウェア／ソフトウェア／ファームウェア１０５によって符号化され、インタリーブされ、Ｑ記号とＩ記号とに変調される。ＩおよびＱ記号のグループはデマルチプレクサ１１０によってシリアル−パラレル変換され、利用可能な副搬送波にマッピングされる。１１５に様式的に示すように未使用の副搬送波はゼロが充填され、記号を搬送しない。１２０でＩＦＦＴ（逆高速フーリエ変換）動作が副搬送波記号上で実行され、結果として得られる記号はマルチプレクサ１２５によってパラレル−シリアル変換されてタイムドメイン信号を形成し、タイムドメイン信号は、ハードウェア／ソフトウェア／ファームウェア１３０によって直交変調され、送信用のためにＲＦ周波数に変換される。ＯＦＤＭ送信機チェーン１００のいくつかの実施形態では、ＲＦ周波数への変換に先立ってベースバンドフィルタ１３５を使用することができる。

ＯＦＤＭではＣＤＭＡに関連する問題のいくつかは発生しない。例えば、ＩＳＩはＯＦＤＭ内のより長い記号の継続期間を用いて大幅に低減できる。さらに、多重接続干渉（ＭＡＩ）を発生させることなく直交副搬送波上で伝送が実行される。ＯＦＤＭシステムでは、高速データ伝送速度のストリームがパラレルからシリアルに変換され、パラレルストリームの各々で速度が低下する。ストリームの各々で速度が低下する結果、より長い記号の期間を使用することができる。複数のパラレルデータストリームはＯＦＤＭ内で直交副搬送波にマッピングされる。ＯＦＤＭ変調は、搬送波間干渉（ＩＣＩ）を発生させない限度で被変調副搬送波同士をできるだけ近くに配置することで無線スペクトラムを有効活用する。少なくともその部分的に優れた性能のために、ＯＦＤＭ変調はさまざまな標準、特に、ディジタルオーディオ放送（ＤＡＢ）、ディジタルビデオ放送（ＤＶＢ）、非対称ディジタル加入者線（ＡＤＳＬ）、ＩＥＥＥ ＬＡＮ（８０２．１１ａおよび８０２．１１ｇ）およびＩＥＥＥ ＭＡＮ ８０２．１６ａで採用されている。ＯＦＤＭ変調もさまざまな次世代無線標準の内容として考慮されている。

ＯＦＤＭはＣＤＭＡより優れた点がある一方で、干渉成分の平均、拡散（処理ゲイン）がないといったＣＤＭＡの利点のいくつかを欠いている。したがって、ＯＦＤＭは１より大きい周波数再利用係数の使用に限定され少ない無線スペクトラムの非効率利用を結果とする可能性がある。
本発明は、上記の問題の１つまたは複数を克服するか少なくとも低減することを目的とする。

本発明の一実施形態では、移動局と基地局との間の伝送を制御する方法が提供される。この方法は、複数のスロットを内部に有するフレームを形成する工程を含む。複数のスロットの第１の部分でＣＤＭＡ変調が使用され、複数のスロットの第２の部分でＯＦＤＭ変調が使用される。

本発明は、添付図面を参照する以下の説明を読むことで理解できよう。図面では、同様の符号が同様の要素を識別する。

本発明は、さまざまな変形形態および代替形態をとることができるが、その特定の実施形態は図面で例示され、本明細書で詳述している。ただし、本明細書内の特定の実施形態の説明は、本発明を開示した特定の形式に限定するものではなく、逆に、添付の特許請求の範囲に記載する本発明の精神と範囲を逸脱しないすべての変形形態、均等物、および代替形態を含むことが意図される。

本発明の例示的な実施形態について以下に説明する。話を分かりやすくするために、実際の実施態様のすべての特徴はこの明細書では記載しない。そのような実際の実施形態では、実施態様ごとに変わるシステム関連およびビジネス関連の制約事項を満足するなどの開発者の特定の目標を達成するために数多く実施態様特定の決定をしなければならないことはもちろんである。さらに、そのような開発努力は複雑で時間がかかるが、それでも本開示の恩恵を受ける当業者にとっては日常的な仕事であろう。

一般に、ＣＤＭＡとＯＦＤＭの両方の態様を組み込んだハイブリッド無線通信システムを本明細書で開示する。このハイブリッドシステムは有利にはＣＤＭＡおよびＯＦＤＭ変調両方の望ましい特性を採用している。本発明では、ＣＤＭＡは物理層の信号方式および制御（例えば、ランダムアクセス、資源要求、資源認可、同期化および電力制御コマンドなど）に使用され、ハイブリッドＡＲＱを備えたＯＦＤＭは、ユーザ情報の伝送のために使用される。本発明の一実施形態について１ｘＥＶ−ＤＯ（ＨＲＰＤとも呼ばれる）システムパラメータに関して本明細書に記載する。ただし、本発明の原理は他の無線通信システムにも適用できることを当業者は理解するであろう。

図面に戻り、特に図２を参照すると、ハイブリッドＣＤＭＡ／ＯＦＤＭ無線システム内の移動局と基地局との間のアップリンクチャネルで使用できる信号フォーマットの様式図が示されている。このフォーマットは、複数のスロット１０５に分割されるフレーム１００であって、スロット１０５の第１の部分１１０でＣＤＭＡ変調が使用され、スロット１０５の第２の部分１１５でＯＦＤＭ変調が使用されるフレーム１００を含む。

とりわけ、１ｘＥＶ−ＤＯ内の物理層の信号方式は、図１の電力制御スロット１１０の１つについて示すように、ＨＡＲＱ動作のパイロット、チャネル品質フィードバックおよびＡＣＫ／ＮＡＣＫフィードバックから構成される。図１は、交流ＣＤＭＡ電力制御（ＰＣ）スロット１１０およびＯＦＤＭスロット１１５を有するアップリンクチャネルを示す。すなわち、ＣＤＭＡ ＰＣスロット１１０はフレーム全体に分散され、移動局が送信用電力を定期的に更新することを可能にする。したがって、十分に短く定期的に更新が実行されるのに十分な数のＰＣスロット１１０を提供しなければならない。

電力制御スロット１１０内の伝送は、従来のＣＤＭＡシステム同様、物理層制御信号方式を含み、電力制御されている。クリティカルな物理層制御信号にとって許容容量／通信範囲が信号方式を制御する尤度を増加するために、Ｒｉｓｅ−ｏｖｅｒ−Ｔｈｅｒｍａｌ（ＲｏＴ）はこれらのＰＣスロット１１０内のＲｏＴしきい値より下に維持されている。ＯＦＤＭスロット１１５は、ＯＦＤＭＡ式のユーザデータ伝送、すなわち、複数のユーザがスロット１１５内の直交副搬送波上で伝送可能な方式に使用される。

アクティブなユーザの各々の専用パイロットはＣＤＭＡスロット１１０内で搬送される。パイロット送信電力はダウンリンク上の基地局から受信する送信電力制御（ＴＰＣ）ビットに基いてＣＤＭＡスロット１１０ごとに更新される。これによって、受信されたパイロット電力はシステム内に過剰な干渉を生成することなく所望のレベルにほぼ維持される。ＯＦＤＭ伝送もパイロット送信電力を基準として用いてＯＦＤＭ内に電力を割り当てることで電力制御することができる。例えば、指定されたトラッフィック対パイロット比（ＴＰＲ）を基地局から送信される許可メッセージをスケジューリングすることで移動局に示すことができる。次いで移動局はこのＴＰＲを用いて、アップリンク上の伝送がスケジューリングされている時に、ＯＦＤＭスロット内での伝送に必要な電力を決定することができる。

図３に示すように、ダウンリンクでは、ＣＤＭＡおよびＯＦＤＭの記号は同じ１．２５ＭＨｚ搬送波上の１．６７ｍｓスロット内で時間多重化される。ダウンリンクスロットの構造は、現在のＨＲＰＤレビジョン０およびレビジョンＡ標準と同じである。唯一の実質的な相違は、「データ」フィールド内のＣＤＭＡチップがＯＦＤＭ記号と入れ替えられているという点である。これによって、図４に示すように、新しい移動局とレガシー移動局はスロット単位でダウンリンク資源を共用することができる。パイロットおよびＭＡＣフィールドは変わらず、すべてのスロット（すなわち、空きスロット、ＣＤＭＡスロットおよびＯＦＤＭスロット）内に存在する。これによって、レガシー移動局はシームレスに動作することができる。

ダウンリンクＴＤＭ（時分割多重）パイロットを用いて、図５に示すように周波数エラーを評価（および補償）することができる。周波数エラーは、以下の式を用いて、スロット５００、５０５内の２つのＴＤＭパイロットの間の位相差および時間差に基いて決定することができる。

ただし、２つのＴＤＭパイロットの間の時間差は固定されており、受信側には知られている。位相は受信されたパイロットシンボルに基いて評価できる。同様に、アップリンク上では、電力制御されたＣＤＭスロット内のＣＤＭパイロット（およびＯＦＤＭデータスロット内の組み込み時間−周波数パイロット）を用いて周波数エラーを評価することができる。

アップリンク上のＣＤＭスロットおよびダウンリンク上のＭＡＣフィールド内で搬送される情報はＩＳ−９５無線通信システム内で使用されるＰＮ符号によってスクランブルされる。また、これらのＰＮ符号を用いてＯＦＤＭ伝送の同期およびタイミング情報を取り出すことができる。例えば、ＰＮシーケンスから取り出したタイミングをＯＦＤＭ受信機のＦＦＴ（高速フーリエ変換）ウィンドウの位置合わせに使用することができる。

また、ダウンリンク上のＴＤＭパイロットを図６に示す周波数ドメイン（ＯＦＤＭ）内の復調のチャネル評価に使用できる。ＴＤＭパイロットで、（６００で）チャネルをタイムドメイン内で評価し（６０５で）タイムドメイン評価のＦＦＴ（高速フーリエ変換）を得ることで、周波数ドメインに変換することができる。同様に、アップリンク上の専用ＣＤＭＡパイロットを用いて、周波数ドメイン内にアップリンクチャネル評価を提供することができる。また、周波数ドメイン内の追加のパイロットをダウンリンクとアップリンクの両方のＯＦＤＭスロット内に提供して、チャネル評価の信頼性を高めることができる。次いで、タイムドメインおよび周波数ドメインパイロットの両方に基いて最終チャネル評価を得ることができる。
ハイブリッドＣＤＭＡ／ＯＦＤＭシステムのシステムパラメータの組の例を表１に示す。

ダウンリンクおよびアップリンクＯＦＤＭスロット構造の例をそれぞれ図７および図８に示す。追加のパイロットシンボルはアップリンクスロット構造に示されている。

アップリンクおよびダウンリンクのデータ伝送速度、変調および符号化方式をそれぞれ表２および表３に示す。変調および符号化方式は９０の副搬送波のすべてが単一のユーザへの送信に使用されることを前提とする。９０の副搬送波のサブセットが所与のユーザへのデータ送信に使用される場合に各フォーマットを拡張できることは当業者には明らかであろう。また、アップリンクのケースではスロットあたり１９２のパイロットシンボルと１６０８のデータシンボルとを前提とする。

本明細書のさまざまな実施形態に記載するさまざまなシステムレイヤ、ルーチン、またはモジュールは実行可能な制御ユニットであってもよいことは当業者には明らかであろう。制御ユニットは、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、ディジタル信号プロセッサ、プロセッサカード（１つまたは複数のマイクロプロセッサまたは制御装置を含む）、あるいはその他の制御またはコンピュータデバイスおよび１つまたは複数の記憶装置内に含まれる実行可能な命令を含むことができる。記憶装置は、データおよび命令を記憶する１つまたは複数のマシン可読記憶媒体を含むことができる。記憶媒体はダイナミックまたはスタティックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭまたはＳＲＡＭ）、消去可能およびプログラマブル読み出し専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、電気的消去可能およびプログラマブル読み出し専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）およびフラッシュメモリなどの半導体メモリデバイス、固定、フロッピー（登録商標）、着脱式ディスクなどの磁気ディスク、テープを含むその他の磁気媒体、ならびにコンパクトディスク（ＣＤ）またはディジタルビデオディスク（ＤＶＤ）などの光媒体を含む、さまざまな形態のメモリを含むことができる。さまざまなシステム内のさまざまなソフトウェアレイヤ、ルーチン、またはモジュールを構成する命令をそれぞれの記憶デバイス内に記憶することができる。命令は、それぞれの制御ユニットによって実行されると、該当するシステムにプログラミングされた動作を実行させる。

上記の特定の実施形態は例示的なものに過ぎず、本発明を変更し、本明細書の教示の恩恵を受ける当業者には明らかな別の等価的な形で実施することができる。さらに、本明細書に示す構成または設計の詳細は、特許請求の範囲に記載する以外、限定されない。したがって、上記の特定の実施形態は修正および変更が可能で、そのようなすべての変形形態は本発明の範囲と精神を逸脱しない。したがって、本明細書で求める保護は特許請求の範囲に記載されている。

ＯＦＤＭ送信機チェーンの様式図である。 ハイブリッドＣＤＭＡ／ＯＦＤＭ無線システム内のアップリンクチャネルで使用できる信号フォーマットの様式図である。 ハイブリッドＣＤＭＡ／ＯＦＤＭ無線システム内のダウンリンクチャネルで使用できる信号フォーマットの様式図である。 ＣＤＭＡおよびＯＦＤＭタイプの両方のスロットのダウンリンクスロット構造の様式図である。 図３のダウンリンクチャネルの信号フォーマット内のパイロット信号を用いて周波数エラーを検出する方法の様式図である。 図３のダウンリンクチャネルの信号フォーマット内のＴＤＭパイロットを用いて周波数ドメイン内の復調のチャネル評価を行う方法の様式図である。 ダウンリンクＯＦＤＭスロット構造の例を示す図である。 アップリンクＯＦＤＭスロット構造の例を示す図である。

Claims (10)

1. 移動局と基地局との間の伝送を制御する方法であって、
   ＣＤＭＡおよびＯＦＤＭを用いて情報フレームを送信する工程を含む方法。
2. ＣＤＭＡおよびＯＦＤＭを用いて情報フレームを送信する工程が、
   複数のスロットを内部に有するフレームを形成する工程と、
   前記複数のスロットの第１の部分でＣＤＭＡを使用する工程と、
   前記複数のスロットの第２の部分でＯＦＤＭを使用する工程とをさらに含む請求項１に記載の方法。
3. 複数のスロットの第１の部分でＣＤＭＡを使用する工程が、物理層の信号方式および制御の少なくとも１つにＣＤＭＡを使用する工程をさらに含む請求項１に記載の方法。
4. 物理層の信号方式および制御の少なくとも１つにＣＤＭＡを使用する工程が、パイロット、チャネル品質フィードバックおよびＡＣＫ／ＮＡＣＫの少なくとも１つを含む物理層信号方式をさらに含む請求項２に記載の方法。
5. 複数のスロットの第１の部分でＣＤＭＡを使用する工程が、ＣＤＭＡ電力制御スロットを使用する工程をさらに含む請求項１に記載の方法。
6. 複数のスロットの第２の部分でＯＦＤＭを使用する工程が、ユーザデータ伝送にＯＦＤＭを使用する工程をさらに含む請求項２に記載の方法。
7. 移動局と基地局との間の伝送を制御する方法であって、
   ＣＤＭＡおよびＯＦＤＭを用いて情報フレームを受信する工程を含む方法。
8. ＣＤＭＡおよびＯＦＤＭを用いて情報フレームを受信する工程が、
   複数のスロットを内部に有するフレームを受信する工程であって、
   前記複数のスロットの第１の部分でＣＤＭＡが使用され、
   前記複数のスロットの第２の部分でＯＦＤＭが使用される工程をさらに含む請求項７に記載の方法。
9. 前記複数のスロットの第１の部分でＣＤＭＡが使用されて物理層の信号方式および制御の少なくとも１つを実行する請求項７に記載の方法。
10. ＣＤＭＡを使用して物理層の信号方式および制御の少なくとも１つを実行する工程が、パイロット、チャネル品質フィードバックおよびＡＣＫ／ＮＡＣＫの少なくとも１つを含む物理層信号方式をさらに含む請求項９に記載の方法。
    

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