JP2005522088A - レシーバ関数を使用した送信処理 - Google Patents

Abstract

符号分割多重接続通信システムで、データが送信される（図１参照）。送信後にデータが経るチャネルに近似するチャネル応答行列Ｈとして、チャネル応答が提供される。チャネル応答行列Ｈを用いて、データが拡散され（１４）、処理される（１５）。その拡散され処理されたデータは送信され（１８）、受信される（２２）。データは、その送信された拡散および処理済みデータから再生される。

Description

本発明は、一般には、無線スペクトル拡散通信システムに関し、詳細には、該通信システムにおけるデータの送受信に関する。

符号分割多重接続（ＣＤＭＡ：ｃｏｄｅ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ａｃｃｅｓｓ）通信システムでは、共有の周波数スペクトル上で、複数の通信が同時に送信される。それぞれの通信は、通信を送信するために使用される符号によって区別される。

ＣＤＭＡ通信システムによっては、共有スペクトルをよりよく利用するために、スペクトルが、たとえば１５の時間スロットなど、所定の数の時間スロットを有するフレームに時間分割される。このタイプのシステムは、ハイブリッドＣＤＭＡ／時間分割多重接続（ＴＤＭＡ：ｔｉｍｅ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ａｃｃｅｓｓ）通信システムと称される。アップリンク通信およびダウンリンク通信を特定の時間スロットに制限する、こうした１つのシステムは、時間分割複信（ＴＤＤ：ｔｉｍｅ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｄｕｐｌｅｘ）通信システムである。

共有スペクトル内で送信される複数の通信を受信するある手法は、同時検波（ｊｏｉｎｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）である。同時検波では、複数の通信からのデータが、一緒に求められる。以下の説明では、大文字の記号Ｘは、行列を表し、記号

は、列ベクトルを表す。同時検波は一般に、数式１でモデル化される。

受信信号ベクトル

は、システム送信行列Ａ、送信データベクトル

、およびノイズベクトル

の関数である。システム送信行列Ａは、数式２のように、個々のユーザの寄与率を含む。

Ａ＝［Ａ^（１），Ａ^（２），．．．，Ａ^（Ｋ）］ 数式２
ただし、Ａ^（ｋ）は、システム送信行列Ａに対するユーザｋの寄与率を表す。それぞれのユーザのシステム送信行列は、数式３のように、チャネルインパルス応答、およびそのユーザの拡散符号の関数である。

Ａ^（ｋ）＝Ｈ^（ｋ）Ｃ^（ｋ） 数式３
ただし、Ｈ^（ｋ）は、チャネル応答行列であり、Ｃ^（ｋ）は、ユーザｋの符号行列である。

データベクトル

の最小平均二乗誤差（ＭＭＳＥ：Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ Ｅｒｒｏｒ）は、数式４から得られる。

ただし、Ｒ_ｎは、ノイズの共分散行列である。ノイズがホワイトであれば、Ｒ_ｎは、対角行列であり、そのデータのＭＭＳＥ予想は、数式５Ａおよび５Ｂのようになる。

または、以下のように表すこともできる。

数式５Ａおよび５Ｂは、逆行列の補題を用いて、交換可能である。

同様に、ゼロフォーシング（ＺＦ：ｚｅｒｏ ｆｏｒｃｉｎｇ）予想は、数式６Ａおよび６Ｂから得られる。

上式は、以下のように表すこともできる。

数式６Ａおよび６Ｂは、逆行列の補題を用いて、交換可能である。

ＣＤＭＡシステムでは、典型的なダウンリンク送信の場合のように、すべての符号が同じ伝搬チャネルを通る場合、またはあるアップリンクユーザが時間スロット（Ｈ^（ｋ）＝Ｈ）を独占する場合には、拡散符号

の送信ベクトルは、数式７から求められる。

受信信号は、数式８を用いてモデル化される。

数式９Ａおよび９Ｂに示すように、拡散符号

のＭＭＳＥ予想が得られる。

または、以下のように表される。

数式９Ａおよび９Ｂは、逆行列の補題を用いて、交換可能である。

のＺＦ予想（数式６から導出）は、数式１０Ａおよび１０Ｂから得られる。

または、以下のように表される。

数式１０Ａおよび１０Ｂは、逆行列の補題を用いて、交換可能である。

拡散符号

の推定後は、符号マッチドフィルタ（ＭＦ：Ｍａｔｃｈｅｄ Ｆｉｌｔｅｒ）をかけて、データシンボル（ｄａｔａ ｓｙｍｂｏｌ）を再生することができる。

受信機で、複数のアンテナが使用される場合、受信ベクトルを、数式１で表すこともできる。関連するベクトルおよび行列の定義は、数式１１のように、様々なアンテナからの寄与率を示すように修正される。

ただし、

、Ａ_ｉおよび

は、受信アンテナ要素ｉに関連する項である。数式３のように、Ａ_ｉは、それぞれのアンテナについて、異なるチャネル応答で構成され、またＡは、数式１２のように、Ｋユーザのそれぞれに関連する成分を含む。

Ａ＝［Ａ^（１），Ａ^（２），．．．，Ａ^（Ｋ）］ 数式１２
送信機で、Ｍ送信要素など、複数の送信アンテナ要素が使用される場合もまた、受信ベクトル

は、数式１のとおりである。関連するベクトルおよび行列の適切な定義は、数式１３で表される。

ただし、

は、合成受信信号であり、また

（ｍ＝１，２，．．．，Ｍ）は、ｍ番送信要素から受信機への信号送信のシステム送信行列であり、

（ｍ＝１，２，．．．，Ｍ）は、送信アンテナｍから送信されるデータベクトルである。

ｉ番アンテナ要素に起因するＡの成分は、Ａ_ｉ’で表される。数式１４のように、Ａ_ｉ’成分はそれぞれ、すべてのＫユーザからの寄与率を含む。

Ａ’＝［Ａ’^（１），Ａ’^（２），．．．，Ａ’^（Ｋ）］ 数式１４
数式１５に示すように、それぞれのアンテナ要素に対する各ユーザの寄与率は、チャネルインパルス応答および拡散符号（数式３から導出）の関数である。

Ａ’^（ｋ）＝Ｈ’^（ｋ）Ｃ^（ｋ） 数式１５
受信機と送信機の両方に複数のアンテナがあるシステムは、多入出力（ＭＩＭＯ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）システムと称される。ＭＩＭＯシステムの受信信号は、数式１１で表され、数式１６に書き換えられ得る。

ただし、Ｎは、受信アンテナの数であり、Ｍは、送信アンテナの数であり、Ａ_ｎ（ｎ＝１，２，．．．，Ｎ）は、受信についての送信行列であり、

（ｍ＝１，２，．．．，Ｍ）は、送信についての送信行列である。関連するベクトルおよび行列の適切な定義によって、数式１６は、数式１７に書き換えられる。

ただし、Λは、送信と受信の両方についての合成のシステム送信行列である。数式５に示すデータベクトルのＭＭＳＥ予想は、数式１８Ａおよび１８Ｂで表される。

または、以下のようにも表される。

数式１８Ａおよび１８Ｂは、逆行列の補題を用いて、交換可能である。
ＺＦ予想は、数式１９Ａおよび１９Ｂから得ることができる。

または、以下のようにも表される。

数式１９Ａおよび１９Ｂは、逆行列の補題を用いて、交換可能である。

こうした手法を実施する受信機は、非常に複雑である逆行列を有効に実施する。複雑さを軽減するために、近似Ｃｈｏｌｅｓｋｙ分解または高速フーリエ変換が使用される。

こうした手法では、受信機の複雑さは軽減されるが、データの送受信を簡略化するための代替の手法をもつことが望ましい。

本発明のシステムでは、チャネル応答は、送信後にデータが経る無線チャネルに近似するチャネル応答行列Ｈとして求められる。送信されるデータは、拡散され、拡散されたデータは、チャネル応答行列Ｈを用いて処理される。次いで、拡散され処理されたデータが送信される。データが、受信され、送信された拡散および処理済みデータから再生される。

具体的には、図１に示す符号分割多重接続通信システムにおいて、データが送信される。送信後にデータが経るチャネルに近似するチャネル応答行列Ｈとして、チャネル応答が提供される。チャネル応答行列Ｈを用いて、拡散変調装置１４にてデータが拡散され、前置等化器１５で処理される。この拡散され処理されたデータは、ワイヤレス無線インターフェイス１８を介して送信され、データ検出器２２で受信される。これにより、その送信された拡散および処理済みデータから、データが再生される。

本発明のシステムについて、本明細書では、ＣＤＭＡシステムの時間分割複信（ＴＤＤ）モード（第３世代パートナーシッププロジェクト（３ＧＰＰ：ｔｈｉｒｄ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｐａｒｔｎｅｒｓｈｉｐ ｐｒｏｊｅｃｔ）広帯域ＣＤＭＡシステムの提案ＴＤＤモードなど）に関連して述べている。しかし、本発明は、周波数分割複信（ＦＤＤ：ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｄｕｐｌｅｘ）システムや時分割同期符号分割多重接続（ＴＤ−ＳＣＤＭＡ：ｔｉｍｅ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｃｏｄｅ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ａｃｃｅｓｓ）システムなど、任意のスペクトル拡散通信システムに適用される。

図１は、レシーバ関数を用いた送信処理で使用するための、好ましい送信機１０および受信機１２の概略図である。

送信機１０は、基地局またはユーザ装置（ＵＥ：ｕｓｅｒ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ）あるいはその両方に置くことができ、受信機１２は、ＵＥまたは基地局あるいはその両方に置くことができる。送信機１０から受信機１２に送られるデータは、拡散変調装置１４、および前置等化器（ｐｒｅ−ｅｑｕａｌｉｚｅｒ）１５への入力である。データは、単一の受信機に単一の符号を送信、単一の受信機に複数の符号を送信、複数の受信機に単一の符号を送信、複数の受信機に複数の符号を送信、または複数の受信機に単一符号と複数符号の組合せを送信するためのものであり得る。

データは、適切な符号を使用して拡散され、ワイヤレス無線インターフェイス１８の予想されるチャネル応答を補償するように事前に等価され、四位相偏移変調（ＱＰＳＫ：ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ ｋｅｙｉｎｇ）、多くの直交振幅変調（ＱＡＭ：ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）または他の変調方式などを使用して変調され、無線周波数にアップコンバートされる。無線周波数信号は、アンテナ、すなわちＭ要素アンテナアレー１６_１〜１６_Ｍによって、ワイヤレス無線インターフェイスを介して放射される。

受信機１２で、アンテナ、すなわちＮ要素アンテナアレー２０_１〜２０_Ｎは、受信ベクトル

として、放射された信号を、他の信号およびノイズとともに受信する。データ検出器２２は、受信ベクトルを処理して、データ

を再生する。送信機１０で、事前に等化が行われるため、データ検出器２２の構造は、好ましくは、符号マッチドフィルタを用いて実装するなどによって、典型的な同時検波受信機に比べて簡略化される。

送信機１０は、送信の前に、チャネルの歪みを有効に補償する。その結果、受信ベクトル

は、拡散データベクトル

に近似する。

事前の等化では、受信機１２で使用可能なチャネルおよび符号情報を使用して、送信ベクトルを近似的に処理し、したがって、受信機１２で信号が受信されるときには、チャネルの歪みが既に補償されている。チャネル情報は、受信機１２から送ることができ、同じ周波数スペクトル内で、送信機１０で受信された信号から導出される。たとえば、ＴＤＤ／ＣＤＭＡ通信システムの基地局では、アップリンクの時間スロットで、次のダウンリンク送信時間スロットについてのチャネル情報が収集される。

送信機１０での処理が使用される場合、受信信号は、数式２０Ａから得られる。

チャネルおよび符号行列に関しては、数式２０Ａは、数式２０Ｂになる。

符号行列Ｃ_１からＣ_Ｍは、送信方式に基づいて異なり得る。こうした１つのシステムは、それぞれのアンテナに異なる送信符号が割り当てられる、空間符号送信ダイバーシチ（ＳＴＣＤ：ｓｐａｃｅ ｃｏｄｅ ｔｒａｎｓｍｉｔ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ）である。一部の送信ダイバーシチ方式では、それぞれのアンテナについて、同じ符合行列が使用される。こうした１つのシステムは、送信適応アンテナ（ＴｘＡＡ：ｔｒａｎｓｍｉｔ ａｄａｐｔｉｖｅ ａｎｔｅｎｎａ）である。レシーバ関数を用いた送信処理について、それぞれのアンテナが同じ符合行列Ｃを送信するものに関連して説明しているが、類似の手法を用いた、アンテナによって符合行列が異なるシステムにも適用することができる。

システムによっては、送信データビット

は

を通じて、送信方式に基づいて、具体的には、送信ダイバーシチが使用されているかどうかに基づいて、変化する。類似の手法が、アンテナごとにデータベクトルが異なるシステムに適用されるが、以下では、それぞれのアンテナが同じデータベクトル

を送信することに関連して説明する。それぞれのアンテナから、同じデータおよび符号行列が送信されるシステムでは、システムは、数式２１のようにモデル化される。

送信ベクトルは、数式２２で表される。

右側から掛けたＨの疑似逆行列は、Ｈ^Ｈ（ＨＨ^Ｈ）^−１である。処理後のデータ信号は、この逆行列を用いて送信される。したがって、送信信号

は、数式２３で表される。

その結果の受信ベクトルは、数式２４で表される。

事前の等化が理想的であれば、さらなる処理を必要とせずに、受信機１２で、きれいな信号が受信される。しかし、実際は、ノイズおよびチャネル状態の変化のために、受信信号に、いくらかの劣化が通常生じる。しかし、劣化を除去するために必要な処理は、大幅に減少し、さらに、受信機１２の必要とされる複雑さが増える。

ＭＭＳＥまたはＺＦタイプの受信機の利点の１つは、ＭＭＳＥまたはＺＦ回路が一般に、送信機１０の位置にあることである。たとえば、基地局は一般に、ＭＭＳＥタイプの受信機を含む。したがって、単一のＭＭＳＥ回路を使用して、基地局で、受信および送信データを処理することができる。その結果、レシーバ関数を使用して送信処理を実装する、受信機１２および送信機１０の回路を、簡略化された回路を含む他の通信ユニットとともに、ＵＥまたは基地局内に統合することができる。

たとえば、基地局は、前置等化送信機１０およびＭＭＳＥ受信機を使用することができる。行列または有効な逆行列が、同じ回路で実施される。その結果、単一または一群の符号マッチドフィルタなど、ＵＥの受信機回路を、簡略化することができる。また簡略化された受信機回路によって、受信機１２の電池寿命が延長される。

使用される一般的な回路は、ＭＭＳＥまたはＺＦ受信機回路に限定されないが、行列操作および逆行列の計算が可能であるいずれかの受信機１２構造が、送信機１０で処理を行うのに適している点で、それは、かなり一般的である。前置等化の別の利点は、受信機１２で、送信信号が集束されることである。ダウンリンク信号では、具体的には、他のユーザへの干渉が低減される。

図２を参照すると、本発明による方法３０が示されている。この方法では、最初に、好ましくは、チャネルインパルス応答Ｈの形である、無線チャネル情報を取得する（ステップ３２）。次いで、チャネルインパルス応答Ｈを用いて、送信データが事前に等化される（ステップ３４）。事前に等化されたデータは、ワイヤレス無線インターフェイス１８を介して送信され（ステップ３６）、受信機で、受信ベクトルとして受信される（ステップ３８）。次いで、たとえば符号マッチドフィルタを使用して、受信ベクトルから、データが再生される（ステップ４０）。

レシーバ関数を使用した送信処理を用いる、好ましい送信機および受信機の概略図である。 レシーバ関数を使用した送信のフローチャートである。

Claims (16)

1. 符号分割多重接続通信システムで、データを送信するための方法であって、
   送信後に前記データが経るチャネルに近似するチャネル応答行列Ｈとして、チャネル応答を提供するステップと、
   前記チャネル応答行列Ｈを用いて、前記データを拡散し、該拡散されたデータを処理するステップと、
   送信機から、前記拡散され処理されたデータを送信するステップと、
   受信機で、前記送信された拡散および処理済みデータを受信して前記データを再生するステップと
   を具えたことを特徴とする方法。
2. 前記拡散されたデータの処理ステップは、前記拡散されたデータを、Ｈ^Ｈ（ＨＨ^Ｈ）^−１で乗算することによって実行されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記データ再生ステップは、等化を行わずに、前記受信データに、符号マッチドフィルタをかけることによって実行されることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記提供されるチャネル応答は、前記拡散され処理されたデータが送信されるのと同じ周波数スペクトルで、前記送信機によって受信される信号からのものであることを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 前記提供されるチャネル応答は、前記受信機から送られることを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 前記提供されるチャネル応答行列は、前記送信機で予想されることを特徴とする請求項１記載の方法。
7. 符号でデータを拡散するための拡散装置と、
   送信後に前記データが経るチャネルに近似する提供されるチャネル応答行列Ｈで、前記拡散されたデータを処理するための前置等化器と、
   前記処理された拡散データを送信するためのアンテナと
   を具えたことを特徴とする基地局。
8. 前記拡散されたデータの処理は、前記拡散されたデータを、Ｈ^Ｈ（ＨＨ^Ｈ）^−１で乗算することによって実行されることを特徴とする請求項７記載の基地局。
9. 前記提供されるチャネル応答は、前記処理された拡散データが送信されるのと同じ周波数スペクトルで、前記基地局によって受信される信号から予想されることを特徴とする請求項７記載の基地局。
10. 前記提供されるチャネル応答は、前記基地局に送られることを特徴とする請求項７記載の基地局。
11. 前記提供されるチャネル応答行列は、前記基地局で予想されることを特徴とする請求項７記載の基地局。
12. 符号でデータを拡散するための拡散装置と、
    送信後に前記データが経るチャネルに近似するチャネル応答行列Ｈで、前記拡散されたデータを処理するための前置等化器と、
    前記処理された拡散データを送信するためのアンテナと
    を具えたことを特徴とするユーザ装置。
13. 前記拡散されたデータの処理は、前記拡散されたデータを、Ｈ^Ｈ（ＨＨ^Ｈ）^−１で乗算することによって実行されることを特徴とする請求項１２記載のユーザ装置。
14. 前記提供されるチャネル応答は、前記処理された拡散データが送信されるのと同じ周波数スペクトルで、前記ユーザ装置によって受信される信号から予想されることを特徴とする請求項１２記載のユーザ装置。
15. 前記提供されるチャネル応答は、前記ユーザ装置に送られることを特徴とする請求項１２記載のユーザ装置。
16. 前記提供されるチャネル応答行列は、前記ユーザ装置で予想されることを特徴とする請求項１２記載のユーザ装置。

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