JP2006515119A - 適応型エアインタフェースの波形生成 - Google Patents

Abstract

適応エアインタフース波形生成方法は、可変キャリア周波数／可変バンド幅信号を構成する波形を生成する。可変帯域信号は、所定の周波数レンジにわたって動的に配置される１以上のサブキャリアで構成され、各サブキャリアは、直接拡散（ＤＳ−ＳＳ）により個別に変調される。波形には、当該波形の１以上のスペクトラム効率を最適化するパイロットが埋め込まれている。生成された波形の変調コンステレーション、コードレート、およびコード長は、使用可能なスペクトラムと１以上のサブキャリアの状態に応じて適応制御される。

Description

本発明は無線通信に関し、特に、適応型エアインタフェースの波形生成に関する。

現状の無線通信システムでは、電波スペクトラムの動的変化への適応が十分に行われておらず、満足のいくサービス品質を提供することができない。高帯域サービスへの要求が増大するにつれ、この問題は深刻化する。

従来から、電波スペクトラムの動的変化に追従して無線通信システムの適応能力を向上させる試みがなされてきた。しかし従来の試みは、特定の一時点で利用できる特性に関して適応処理することに焦点が当てられていた。たとえば、拡散スペクトラム変調信号などの信号波形を、特定の通信リンク状態に適応するように、データレートや処理ゲインを変調する、あるいは、特定の周波数割り当てのために、多様なパラメータを用いた種々のエラー訂正符号技術を適用する、などである。周波数適応技術は、主として短波（ＨＦ）帯で用いられている。周波数適応は、無線ＬＡＮなどの通信システムでも採用されているが、開放された周波数帯へ比較的ゆっくりと適応した後、その開放周波数帯を選択する。

通常、移動通信システムは、割り当てられたチャネル周波数で動作する。通信速度が遅い場合は、ＦＤＭＡ方式を採用できる。適応変調技術も開発されているが、多かれ少なかれ、特定の変調方式でのパラメータ変更に限定されていた。一方、スペクトラムの使用は、世界各国でかなり差があり、複雑なスペクトラム割り当てが必要になる。商業的な無線市場の成長に伴って、将来の周波数帯の再分配は、さらに複雑なスペクトラム割り当てを要すると思われるが、現在の無線通信システムでは、ひとつの通信センサシステム（レーダなど）に１以上の周波数が静的に割り当てられている。周波数割り当ては、複数の通信センサシステム間で周波数が重複しないように、かつ、システム間での干渉が起きないように十分な空間間隔をとって行われる。

本発明では、以下の実施形態において、上述した従来の無線通信の問題点を解決する。

一実施形態によれば、適応型エアインタフェースの波形生成方法が提供される。この方法は、可変キャリア周波数／可変バンド幅信号を構成する波形を生成する。可変バンド幅信号は、所定の周波数レンジに渡って動的に設定可能な１以上のサブキャリアを含み、各サブキャリアは、ＤＳ−ＳＳ（直接拡散）方式に従って、個別に変調される。生成波形には、パイロット信号が埋め込まれ、パイロット信号は、当該波形のスペクトラム効率を最適化するために使用される。生成された波形の変調方式、コードレート、コード長は、使用可能なスペクトラム（周波数帯）と１以上のサブキャリアの状態に応じて適応調整される。

本発明の実施形態の効果として、複数パラメータの動的な適応制御により、無線通信システムは１以上の機能オプションを持つことができる。複数パラメータとして、時間適応、電力適応、適応バンド幅、適応データレート、適応変調符号化、空間適応などがある。

実施形態では、波形は、利用可能な信号空間の多様な次元の特性について、環境に適応する。信号空間とは、たとえば、周波数、時間、電力、変調、符号、空間ドメインなどである。実施形態では、波形生成とともに、この波形の１以上のパラメータを選択して波形を変更し、他の通信ネットワーク、通信リンク、ユーザ要求に適応させるメカニズムを提供する。また、実施形態では、適応空間の複数次元の特性、たとえば周波数、変調方式および変調パラメータ、符号化方式および符号化パラメータ、データレートなどを高度に選択する。実施形態では、波形は、１以上のリンク状態に応じて最適化される。

変調方式は、種々のコンステレーションをとることができ、空間的にも様々な伝送時間に適応可能である。実施形態では、マルチキャリアＣＤＭＡ（ＭＣ−ＣＤＭＡ）方式を採用する。この変調方式では、個々のキャリア（搬送波）は、それぞれ適応先の通信リンクの品質に応じて、適応的に変調、符号化される。特定の通信リンクへ適応する場合、データレートや周波数の時間変化に関する要求を受けることになる。また、各周波数のパワー制御を行いながら、特定の周波数をブロックあるいは強調することによって、非連続の（隣接しない）周波数サブバンドを使用することができる。特定のサブバンドに特定の変調・符号化方式を選択してもよい。ヘテロモーフィック（適応変形可能）な波形は、複数の無線通信リソース（周波数バンドなど）に合わせて変形することもできる。周波数、変調方式および変調パラメータ、符号化方式および符号化パラメータ、時間、空間、パワー、バンド幅、処理方法が分析して、刻一刻変化するチャネル状況に、きわめて迅速に適応することができる。

実施形態ではさらに、適応空間における多様な特性の選択やチャネル推定など、無線通信の用途に応じた適応波形を生成する。ある波形において、種々の周波数でパワー制御が行われる。また、非連続の周波数サブバンドが生成される。所望のチャネル編成が特定され、選択される。データレートやサービス品質に関する要望に応じて、所望の変調・符号化方法が選択される。

周波数、空間および時間で定義されるスペクトラムにおける利用可能なホールを動的に捕捉して使用するスペクトラム認識型のヘテロモーフィック波形は、スペクトラムの共有を可能にする。複数の波形パラメータを同時に適応することで、相互の干渉を抑制して、通信を確実にすることができる。実施形態に係る動的なスペクトラム割り当て方法によれば、スペクトラム利用効率を２０倍に高めることができる。

実施形態では、利用可能な周波数の中から適切な周波数を用いる、クイックレスポンスの適応マルチキャリア認識を行う。また、実施形態における信号設計は、波形パラメータを最適化するリアルタイムのサブキャリアチャネル推定のためのパイロットと、バースト送信のための迅速な信号取得を含む。また、複数のサブキャリアに関する多次元の変数を同時制御する適応型のバンド幅有効符号化・変調方式を提供する。チャネルの使用を迅速に開放し、ハイブリッドなマルチアクセス方法を動的に再構成する高速反応性能を提供する。

ＷＬＡＮやセルラシステムなど多様なシステムに適用されるシングル適応波形を提供する。異種ネットワークで１００Ｍｂｐｓ〜１Ｍｂｐｓのデータレートで動作する有用なエアインタフェースを提供する。ネットワーク環境は、セルラマクロ環境、マイクロセル／ピコセルのセルラ環境、ＷＬＡＮその他類似の環境を含む。また、ネットワーク環境は、セルラ型、中央集中型、アドホック型、ハイブリッド型などのフレキシブルなアーキテクチャを含む。また、データ伝送率の高いサービスやアプリケーションを支援する。スペクトラム使用における空きリソース（ギャップあるいはホール）で自動的に動作する。空きリソースは、時間、周波数、空間など複数の特性（次元）を含む。

発明の実施の形態

本発明は、周波数、時間、変調、符号、データレート、電力、シグナリング、マルチキャリア構成に関して動的に適応変化するヘテロモーフィック波形に関する。本発明の実施形態で生成される波形は、空きスペクトルの使用の機会を効果的に捕捉した協同的なスペクトラム利用を可能にすることで、スペクトラム効率を向上する。時間／周波数／空間における「ホール（空きリソース）」を捉えて、干渉のない通信に適合する最も効率のよい符号化、変調、シグナリング、マルチキャリア構成を行うことによって、生成された波形は、刻一刻と変化するチャネルおよびその利用状況に対応する。本発明のヘテロモーフィック波形の生成は、２つの主要部分に分割される。
適応マルチキャリア構成・信号発生（シグナリング）
可変キャリア周波数と可変帯域信号を１または複数のサブキャリアに構成する。このサブキャリアは２５０ＭＨｚまでの範囲に渡って動的に配置され、既存のスペクトラムユーザの送信信号との干渉を回避する。各サブキャリアは、直接拡散（ＤＳ−ＳＳ）方式により個別に変調され、協同信号、非協同信号、脅威信号などに対して可変的に拡散／コーディングゲインを調節する。波形には時間／符号合成パイロットが埋め込まれ、サブキャリアのチャネル推定に基づく最適化を促す。この波形は、ＣＤＭＡ，ＴＤＭＡ、ＦＤＭＡ、ＦＨＭＡ、これらの組み合わせを含む広い範囲での適応／ハイブリッドマルチアクセス方式をサポートする。
（２）適応マルチレベルバンド幅有効符号化・変調（ＢＥＣＭ：ｂａｎｄｗｉｄｔｈ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｃｏｄｉｎｇ ａｎｄ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）
ＢＥＣＭ系の符号化・変調方式を規定し、マルチコンステレーション変調とフォワードエラー訂正符号の双方を組み込む。低密度パリティチェック（ＬＤＰＣ）符号による変調系は、バンド幅効率と適応能力についての最新技術をさらに進歩させる。変調方式、コードレート、コード長を適応制御して、利用可能なスペクトラムとサブキャリアの状態を整合させ、スペクトラム効率を最大にするとともに、要求されるＱｏＳとデータレートを満足する。

全体的なスペクトラム効率は、使用スペクトラムの周波数、空間、および時間効率の組み合わせに依存する。これらの要因は、相互依存関係にあり、あるエリアで効率を上げると、別のエリアでの効率が低下する。たとえば、
（ａ）呼／接続あたりのスペクトラム使用が減少すると、変調効率（ビット／秒／Ｈｚ）が向上し、エラー訂正符号化効率が向上し、ソース情報が圧縮され、容量限界が「ソフト」な適応（ハイブリッド）マルチアクセス方法（ＦＤＭＡ／ＣＤＭＡが可能なＭＣ−ＣＤＭＡ方式など）が使用される。
（ｂ）バンド幅の空間再利用が増加すると、変調パワー効率（十分なＢＥＲを達成する最小Ｅ_ｂ／Ｎ_ｏ 比）が向上し、信号電力の制御で高速な適応を使用し、波形設計による干渉への感度が低減し、より「干渉に優しい」波形を送信し、より広い帯域にわたって信号情報を拡散し、バンド幅の指向性共有が増加する。
（ｃ）一時的なバンド幅共有が増えると、スペクトラムの使用時間を（たとえばマルチアクセス方法によって）調整し、スペクトラム使用において「ホール」が一時的に利用可能になったときにそれを捕捉する（たとえば、高速信号取得、バースト対バースト適応）。

これらの手法の多くは、変調効率が上がればパワー効率が下がるなど、互いに抵触することが多い。全体的なスペクトラム利用効率を正確に評価するには、電波スペクトラムの周波数／時間／空間再利用の複雑な相互作用を考慮する必要がある。

図１は、本発明の一実施形態に係るヘテロモーフィック（適応変形可能）な波形生成機能を示す概略図である。ヘテロモーフィック波形は、現時点で未使用のスペクトラムの「ホール」を埋めるように動的に変化して、スペクトラム効率を大幅に向上する。全体としての波形適応は、「内部」関数、「外部」関数、特性、最終的な送信波形を決定するパラメータ集合の階層的な組み合わせを考慮して行う。「外部」集合は、周波数と一時的な利用可能な機会、およびその他の環境特性を定義する。「内部」集合の定義は、全体のバンド幅スパンの中で波形がどのように「反応」し、どのように波形パラメータの最適化を実行してローカル（局所的）なチャネル状態や相互干渉回避やＬＰＩ／ＬＰＤ要件に応じてスペクトラム効率を最大にするかを調整する。

本発明の波形は、マルチキャリア直接拡散（ＭＣ−ＤＳ ＳＳ）方式の、マルチレート、マルチコンステレーション合成ワイドバンド波形であり、時間、周波数、パワー、変調方式、速度、符号、マルチキャリア構成、アクセス方式に迅速に適応する。適応可能なインタフェースは種々のアクセス制御方法を可能にし、周波数割り当て帯域と物理空間が同じでも、別のネットワークへの適応を可能にし、さらに時間変化するチャネル状況や脅威、あるいはユーザの要求に適応する。波形は、利用可能な短い（ミリ秒単位の）時間セグメントをパケットベースで利用して、チャネルがアクティブになったらすぐに他のネットワークに明け渡し、予見される利用可能性に基づいてさらに別のチャネルを捕捉する。

このような周波数機敏性（ａｇｉｌｉｔｙ）は、いくつかの方法によって達成される。まず、それぞれ異なる周波数チャネルの利用状態の時間変化につれて、波形の中央周波数とＲＦ帯域を変化させて、異なる周波数チャネルの中で空いているチャネルを占有する。この様子を図２に示す。図２の例では、４つの周波数帯のチャネルのスペクトラム使用状態が時間とともに変化する。図２において、既存のユーザ領域は、次世代システムではない既存のシステムを利用するユーザの通信領域を示す。白で示す空スペクトラム領域は、時間・周波数スペクトラム利用状況に存在する「ホール」である。まず現在利用可能な周波数チャネルＦ１における「ギャップ」を利用して、次世代（ＸＧ）システムの通信を行っている場合を考える。Ａ時点で、信号波形は、その中央周波数とバンド幅を「変形」させて微視的な周波数調整を行い、周波数チャネルＦ１とＦ２の双方を占有した後で、チャネルＦ２に移行する。Ｂ時点で、非次世代（既存）システムと次世代（ＸＧ）システムの通信が、チャネルＦ２を共有する。この場合、既存システムの通信は、チャネルＦ２の一部のみを使用していることになる。次世代（ＸＧ）システムの全バンド幅の範囲内において、送信波形のサブキャリアを調整して、全バンド幅の少なくとも一部（サブセット）を占有する。すなわち、信号波形が占有するバンド幅は、全帯域スパンと同等またはそれよりも狭い範囲である。この機敏な周波数の微小調整によって、既存システムの信号により現に占有されている周波数チャネル部分を避けて、空きチャネルを選択することが可能になる。既存システムの信号の許容ＳＩＲの範囲内で、これら未使用のサブキャリアで電力を送信、非送信して、他システムの通信信号との干渉を回避する。巨視的な周波数調整と、微視的な周波数調整を組み合わせることによって、通信と電波探知の双方で必要なスペクトラムの制限を解いて、周波数／空間／時間にける利用可能なギャップを捕捉して、次世代スペクトラム効率を最大にする。

図３は、信号波形の２次元表示（図３の左側）と、３次元表示（図３の右側）である。図の中央に示すように、非拡散ＱＡＭベースの変調領域と、空スペクトラム領域と、除外スペクトラムと、ＤＳ−ＳＳ（直接拡散）変調領域がある。除外スペクトラムは、次世代無線において外部制御機構によって規制される利用不能な時間−周波数ホールの集合である。波形は、微視的な周波数調整を行い、信号エネルギーを調節してこれらの除外領域を回避し、動的に「変形」して３次元（周波数、時間、パワー）での可変形状を確保する。除外領域は、３次元表示において、「ブロック」領域として示され、この時間−周波数領域では信号送信されない。その他のサブキャリアにおいて、信号波形はＱＡＭベースの変調と、同時間に異なる周波数サブチャネルで共存するシングルキャリア／マルチキャリア直接拡散スペクトラムを組み合わせ、所定のサブチャネルで時間変化する変調を行う。バンド幅有効符号化・変調（ＢＥＣＭ：ｂａｎｄｗｉｄｔｈ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｃｏｄｉｎｇ ａｎｄ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式とサブキャリアの構成は継続して用いられ、全体のスペクトラム利用効率を最大にする。信号最適化とデータレート要求に基づいて、利用可能な時間−周波数ホールの一部を空き状態のまま残しておくこともできる。

上述したように、波形生成は、２つの主要な部分、すなわち、適応マルチキャリア構成・信号発生（シグナリング）と、適応マルチレベルバンド幅有効符号化・変調（ＢＥＣＭ）を含む。
（１）適応マルチキャリア構成・信号発生
２５０ＭＨｚ幅までのチャネルを１以上の可変幅サブキャリアに構成する。各サブキャリアは、可変コーディングゲインのために、ＤＳ−ＳＳ（直接拡散）により個別に変調される。波形信号は、ＣＤＭＡ、ＴＤＭＡ、ＦＤＭＡ、ＦＨＭＡ、ＣＤＭＡ／ＣＡ、ＲＴＳ／ＣＴＳなど、広い範囲のマルチアクセス方式をサポートする。複数のユーザは、２５０ＭＨｚまでのバンド幅に含まれるサブチャネルにおいて、異なるデータレートで、同時かつ個別的にサービスの提供を受けることができる。
（２）適応マルチレベルバンド幅有効符号化・変調（ＢＥＭＣ）
ＢＤＣＭ系の符号化・変調方式を規定する。マルチコンステレーション変調と、サブチャネルの状況に応じて最適化されたマルチレベルフォワードエラー訂正符号化を組み込む。ベースライン設計は、符号化変調の基礎として、最近のＢＥＣＭ研究で有効なものとして考えられている低密度パリティチェック符号（ＬＤＰＣ）を用いる。

周波数／空間／時間におけるギャップを利用してスペクトラム効率を高めるためには、多次元での適応処理が必要となる。ヘテロモーフィック波形は、表１に示すように、複数の異なる次元（特性）にわたって同時に適応する。表１では、次世代（ＸＧ）信号の送信に必要な巨視的な周波数移行を行って、必要に応じてチャネル間を「ホップ」しながら、キャリア周波数、バンド幅スパン、占有バンド幅を変更する。適応マルチキャリア構成・信号発生部は、２５０ＭＨｚまでのバンド幅スパンを１以上の可変幅サブキャリアに構成し、微視的な周波数調整を行い、信号波形バンド幅の範囲内で、送信を避ける。その結果占有されるバンド幅は、ユーザデータレート要求とサブチャネル状況と次世代（ＸＧ）プラットフォームの処理能力によって決まる。適応マルチレベルバンド幅有効符号化・変調（ＢＥＣＭ）部は、波形に埋め込まれたパイロットシンボルによる次世代（ＸＧ）チャネル推定を利用して、サブチャネルにわたって容量を最大にするエラー訂正符号と変調方式を選択する。マルチアクセス干渉を最小にするパワー制御方式に加え、波形は、バースト対バースト「高速適応」パワー制御能力を有し、時間／周波数／空間において同時に既存システムの信号が検出されたことが外部制御信号によって示される場合は、個々のサブキャリアまたは全体の占有バンド幅の使用を即座に放棄する。

図４は、次世代（ＸＧ）無線における波形適応システムを示す図である。適応マルチキャリア構成・信号発生（シグナリング）部は、プリアンブルとパイロットシンボルを定義し、サブキャリアを設定して容量を割り当て、ユーザデータに必要なＰＮ拡散、時間ダイバーシチ、チャネル決定を行う。適応マルチレベルバンド幅有効符号化・変調（ＢＥＣＭ）部は、符号化を行い、符号化したデータを割り当てられたサブキャリアにマップする。その後、適応パワー制御を経て、２５０ＭＨｚまでのバンド幅でのヘテロモーフィック波形信号となる。受信データのチャネル推定は、波形に埋め込まれた双方向パイロットシンボルを用いて、送信ごとに行われ、隣接する２つのＸＧノード間の広範に変化するサブキャリアチャネル特性が推定される。復号されたプリアンブルは、リンクの他端からのチャネル推定情報を含む。チャネル推定データは各適応ブロックに送られて、サブキャリア容量を最適化する。このようにして、チャネル推定はマルチキャリア構成・シグナリングとマルチレベルバンド幅有効符号化・変調（ＢＥＣＭ）を駆動する。チャネル推定のためのパイロットシンボルの設計については後述する。

ヘテロモーフィック波形のマルチキャリア構成により、空間処理技術を異なるサブバンドにわたって個別に適用することが可能になる。すなわち、波形は、現在および将来の空間処理と互換性があるだけではなく、バンド幅全体にひとつの解決法を提供する手法と比較して性能向上を図ることができる。これは、ビーム／ヌル形成および空間／パスダイバーシチ処理システムを含み、多様な技術分野にわたって達成される干渉抑制強化とより高いデータレートでの送信ゲインを活用するものである。

図５は、周波数／時間／パワー３次元表示を複数示す図である。左端のＸＹ平面は、波形の時間−周波数マッピングを示す。ユーザデータは、Ｋ個の可変幅サブキャリアにわたってマップされる。複数のサブキャリアが集合して、全ＲＦ帯域内の可変幅サブバンドを多数構成する。可変長の積分時間でＦＦＴベースの変換が行われる。各サブキャリアのパワーレベル（電力値）は、周波数と時間の関数として任意に低減され、通信環境におけるほかの送信信号との重複を避ける。波形は、異なるサブキャリアでの複数の拡散幅と変調方式を同時にサポートする。

図５の上の部分は、ＣＤＭＡにより複数ユーザをサポートする様子を概念的に描いたものである。図において、ひとつのサブキャリアが、１人のユーザの専用とされる。すなわち、単一の短いＰＮ拡散符号を１人のユーザに割り当てることによって、ひとつのサブキャリアをこのユーザの専用としてデータレートを増大する。このとき、別のサブキャリアでは、複数の可変レートユーザが異なる長さのＰＮ符号でチャネルにアクセスする。この様子は、「ＣＤＭＡモード」と記載されている図の部分において示される。同図の部分では、ユーザ符号Ｃ_Ａ 、Ｃ_Ｂ 、Ｃ_Ｃ のパワーレベルを合成して、一体的なパワーレベルを構成する。あるいは、ＰＳＫ／ＱＡＭベースの変調を行って、一人のユーザがあるサブキャリア全体を占有して、そのサブキャリアにデータを集中する。波形はまた、図５の右下に示すように、ユーザデータの異なる部分を異なる変調方式へと符号化するハイブリッドモードをサポートする。

波形で規定されるチャネル推定に基づいて、上記の送信信号は２つの部分にマップされる。第１の部分では、既存システムの信号に害を与えない程度にまで電力ペクトラム密度を低減するために、ユーザデータをバンド幅全域に拡散する。第２の部分では、残りのデータを見使用のバンド幅に集中させる。

広帯域信号のバンド幅にわたって、周波数のいくつかは強いチャネルゲインを受け、他の周波数部分は深いフェージングを受ける。シングルキャリアＤＳ−ＳＳもマルチキャリアＤＳ−ＳＳも、無線チャネルのマルチパス環境に起因する時間変化する狭帯域干渉と周波数選択フェージング対策として設けられている。シングルキャリアの場合は、キャリアのバンド幅が、チャネルのコヒーレントバンド幅（Ｂｃ）を超えると、レイクレシーバの複数の「フィンガー」が個々のマルチパス成分を分離して、達成可能なダイバーシチゲインを獲得する必要がある。分離されるマルチパス成分の数、すなわち必要なレイクレシーバの数は、コヒーレンスバンド幅に対するキャリアのバンド幅の比である。別の方法として、全バンド幅ＢをＮ箇の狭帯域サブキャリアに分割する。サブキャリアのバンド幅ｂは、ｂ＝Ｂ／Ｎであり、コヒーレンスバンド幅にほぼ等しい（ｂ≒Ｂｃ）。マルチキャリアの場合は、周波数ダイバーシチにより、時間ドメインでのシングルキャリアを複数のレイクフィンガーで集める代わりに、周波数ドメインでの複数の個別キャリアをダイバーシチ結合することによって、オリジナル信号の広いバンド幅を維持する。所定のデータシンボルを複数のサブキャリア（周波数拡散された）にまたがって送信し、データについて最終決定する前にこれらのサブキャリアからのテスト統計を組み合わせることによって、周波数ダイバーシチのゲイン量を、この種の波形設計のデータレートを勘案して調整してもよい。この制限において、各サブキャリアは、他のサブキャリアから独立してデータ変調され、全体の送信レートが最大になり、各シンボルは周波数ダイバーシチなしに送信される。

レイクレシーバによるシングルキャリアＤＳ−ＳＳ波形の性能と、同等の設計によるマルチキャリアＤＳ−ＳＳ波形とは、ほぼ等しいことがわかっている。

利用可能なバンド幅（およびデータレート）が、コヒーレンスバンド幅よりもずっと大きい場合は、より多数のレイクフィンガーが必要になり、受信機構成が複雑になる。シングルキャリアＤＳ−ＳＳで、各々がバンド幅Ｂの信号を処理するＮ個（Ｎ＝Ｂ／Ｂｃ）のフィンガーを用いる代わりに、マルチキャリアＤＳ−ＳＳの波形は、各サブサブキャリアにつきひとつのフィンガーでバンド幅ｂ（ｂ＝Ｂ／Ｎ）の信号を処理するトータルＮ個のフィンガーを用い、受信器の複雑さは低減される。これは、サブキャリアのチップ期間は、シングルキャリアシステムのチップ期間よりＭ倍長いので、信号を順次復調するのに必要な計算数が少なくなるからである。３あるいは４以上のレイクフィンガーが必要になる場合は、マルチキャリア変調のほうが効率がよい。

マルチキャリア変調の効果は、狭帯域干渉があるときにより明白になる。マルチキャリアシステムは連続する周波数帯を必要としないからである。次世代（ＸＧ）システムの適用例では、複数のサブキャリアを配置する際に適切な間隔を設けることによって、複数のキャリアを既存の狭帯域信号にかぶせる。干渉を回避するためのこのようなサブキャリア配置の適応「リルーチング」は、トータルで同じ占有バンド幅で、近接サブキャリアに対する動作ロスなしに実現できる。シングルキャリアの信号は、適応ノッチフィルタにかける必要があり、そのような適応ノッチフィルタで達成可能なノッチの深さとノッチ幅は複雑に関連する。

マルチキャリアＤＳ−ＳＳ波形のメリットとして、サブキャリアの一部または全部で異なるデータレートを用い、強いサブキャリアでより多くのデータを送り、弱いサブキャリアでは送信データ量を減らすという柔軟性が挙げられる。この柔軟性を十分に活かすには、サブキャリアのフェージング状態をシステムがどれだけ正確に推定できるかにかかっている。チャネル推定は、パイロットにより行われる。正確にフェージングを推定する能力は、信号電力対雑音電力比（ＳＮＲ）、受信信号電力対干渉電力比（ＳＩＲ）ドップラー周波数スペクトラム拡散、フォワードエラー訂正など、多くのシステムパラメータに依存する。

本発明の波形は、マルチキャリア構成・シグナリングとバンド幅有効符号化・変調を適応的に導くチャネル推定機能を備え、スペクトラム利用効率を最適にする。チャネル推定は、データバーストのプリアンブルに埋め込まれている拡散符号で構成されるハイブリッドＣＤＭＡ／ＴＤＭＡパイロットを用いて行われる。パイロットシンボルは、適応等化器のトレーニング系列と論理的に等価である。パイロットを用いることで、コヒーレント復調が可能になり、パワー効率が向上する。パイロットを拡散することで、検出、妨害の確率を低減する。パイロットを少なくともデータと同じだけ拡散して、妨害があっても、パイロットのみに焦点を合わせることによって波形は簡単には破壊されないようにする。

また、パイロットを使用することによって、サブキャリアのフェージングの「断片」を用いてチャネルのコヒーレンスバンド幅を推定することができる。この推定は、スペクトラムギャップの利用可能性の制限を受けるサブキャリア幅および設定を適応する基礎として用いられる。サブキャリア幅がチャネルのコヒーレントバンド幅によって決まるのと同様に、フェージングの変化率もチャネルのコヒーレント時間によって決まる。コヒーレント時間は、どのくらいの時間チャネル推定が有効であるかを示すものであり、ドップラーシフトと反比例する。たとえば、時速５０マイルで走行しながら２．５ＧＨｚ帯で通信する車輌のドップラーシフトは１８６Ｈｚであり、チャネル推定値およびそれに引き続く多変適応量を、５．４ミリ秒ごとに更新する必要がある。チャネル推定ができない場合、またはその持続時間がチャネルのコヒーレント時間を越える場合は、データは各サブキャリアで同じ伝送速度で通信される。

マルチキャリア構成およびシグナリングの基礎にマルチキャリア信号を用いることは、スペクトラム効率を最大にするために種々の設計上のトレードオフを要する。異なる波形パラメータの組み合わせは、等価のユーザペイロードデータレートを与える。複数の変数における適応効果には、以下のようなものがある。
（可変バンド幅）
バンド幅のスパンと占有バンド幅を変えることによって、波形を現に利用可能なバンド幅に整合させることができる。バンド幅が広ければ、ダイバーシチ、符号化、拡散ゲインなどの適応容量が大きくなる。逆にバンド幅が狭いと、利用可能なスペクトラムが少なくても、波形の適応制御が可能になる。
（可変サブキャリア数）
サブキャリアの数を変えることによって、利用可能なバンド幅をひとつにまとめて、選択されたサブキャリア狭帯域干渉や妨害を防止することができる。単一のサブキャリアだけが用いられる場合は、波形は単一キャリア波形（ＤＳ−ＳＳや従来のＱＰＳＫ変調など）に変形される。
（可変サブキャリア構成）
ユーザデータをサブキャリアの異なる組み合わせにマッピングすることで、異なる種類のシステムゲインを信号に適用して、フェージングや干渉に対処することができる。隣接するサブキャリア間にまたがって拡散ゲインと周波数ダイバーシチゲインを適用することができ、データを隣接しないサブキャリアにまたがってマッピングすることで、可変量の干渉を平均化することができる。
（可変サブキャリアデータレート）
各サブキャリアの状態をモニタし、チャネル状況が許す範囲でより高い変調を使用することで、各サブキャリア内のデータレートを最適化することができる。
（可変周波数ダイバーシチ）
異なるサブキャリアで複数ビットを並行して送信（マルチキャリア負荷共有）することで、データレートが周波数ダイバーシチとトレードされる。

ＤＳ−ＳＳシステムにおいては、いわゆる「遠近（ｎｅａｒ−ｆａｒ）問題」、すなわち大幅に異なった距離に多数のユーザが混在するために希望受信電力が他のものより格段に小さく、妨害マージンに入らない場合を緩和する手段がシステム設計の一部として必要になってくる。アドホック無線システムでは、商業的なセルラＣＤＭＡにおける基地局用の電力制御は、すべての送信者のための中央管理制御を必要とする。遠近干渉に対する波形強化の方法として、以下のものがある。

・周波数／空間／時間において信号を適応変形する次世代（ＸＧ）機能は、このような遠近（ｎｅａｒ−ｆａｒ）干渉に対する本来的な対抗力を有する。マルチキャリア構成・信号発生と、バンド幅有効符号化・変調の適応手法は、遠近マルチアクセス干渉（ＭＡＩ）を考慮している。

・利用可能なスクペクトラムを捕捉し解放するために、データは可変長のパケットに構成される。これにより、パケット到着時間に基づくユーザ多重が可能になる。すなわち、アドホックな移動ネットワークで波形の適応変形によりＴＤＭＡをサポートすることが可能になる。

・サブキャリアのスロットを適切に設定することによって、ほぼ直交する周波数ホッピング（ＦＨ）パターンでＨＦＭＡをサポートし、遠近信号が任意の瞬間に異なるサブキャリアを占有するように制御できる。

・アドホックネットワークでは、ユーザのクラスタそのものがサブネットワークを構成し、標準電力制御の効率が向上する。

・ＬＰＩが必要ない場合は、平均二乗誤差を最小にするレシーバ設計に基づいて、単一ユーザのマルチアクセス干渉抑制手法を採用することができる。そのようなレシーバは、システム内のユーザパラメータに関するアプリオリ（事後）知識を必要としないので、アドホックネットワークに適している。しかし、短い拡散系列（周期がデータシンボルの持続時間と同じ程度の）が使用される。

・空間処理が可能であれば、適切なビーム形成により、さらに遠近問題に対処することができる。特に、サブバンドビーム形成にはより大きな遠近干渉抑制効果が期待できる。

上述したヘテロモーフィック（適応変形可能）な波形においては、適応的な周波数／時間割り当て、周波数ホッピング、電力制御、空間アレイなどを組み合わせることにより、遠近問題の解決を図ることができる。本発明のヘテロモーフィックな波形は、ＴＤＭＡ，ＴＳＭＡ，ＦＤＭＡ，ＣＤＭＡ，ＦＨＭＡ、その他一般に用いられる制御方式（ＣＳＭＡ／ＣＡ、ＲＴＳ／ＣＴＳなど）に適用できる。必要であれば、あるいは状況が許すならば、基本無線システムのマルチアクセス方式を用いることにより、本発明の波形の適応範囲を広げることができる。ハイブリッドのマルチアクセス方式を用いて、複数のアクセス方式を局所的なスペクトラム利用特性に動的にマッチさせてもよい。これにより、さらにスペクトラム効率を高めることができる。

エラー訂正符号によっても、バンド幅効率を低減させることなく、パワー効率を向上することができる。ただし、制御が多少複雑になる。ベースラインのエラー訂正符号化・変調設計は、次世代（ＸＧ）システムに適した適応低密度パリティチェック（ＬＤＰＣ）符号による変調符号系に基づいて行われる。

ＬＤＰＣ符号は、そのパリティチェックマトリックスＨが（たとえばほとんどがゼロで構成される）低密度のエントリを有するリニアな２元ブロック符号である。このような特性により、符号ＬＤＰＣ符号において、改善された重み付けスペクトラムとシンプルでほぼ最適な復号アルゴリズムを実現することができるが、ＬＤＰＣアルゴリズムは、２つのトレリス間ではなく、グラフ上で反復する。ＴＴＣＭ（ターボトレリス符号変調）では２つのトレリスはグラフとして与えられるが、このグラフはＬＤＰＣグラフよりもずっと複雑である。ＬＤＰＣ系の変調は、次の特性により、迅速な適応を可能にする。

・マルチレベル符号化構造を用いる。これは、マルチレート符号化にとって自然なアーキテクチャである。

・循環または擬似循環ＬＤＰＣ符号を用いて、簡単なシフトレジスタ回路により簡単なエンコーダが実現できる。

本発明のヘテロモーフィックな波形は、スペクトラムの空状態とサブキャリアチャネル状況に基づいて、所定の範囲のコード長とコードレートを取り込んで、通信機能を最適化する。

図６は、Ｎ個の符号系列と１のマッパ（変調器）とから成るマルチレベル構成のバイナリＬＤＰＣ符号を示す図である。この方法は、符号系列のコードレートとマッパのコンステレーションサイズを変更することによって、バンド幅効率（とバンド幅）を広い範囲にわたって変化させることができる。このマルチレベル構成により、ほぼ容量いっぱいに機能することができる。一般に、レベル数はコンステレーションサイズにマッチする。２^Ｎ ?ａｒｙのコンステレーションにおいては、Ｎ個のエンコーダを用いる。

循環ＬＤＰＣ符号のエンコーダは、ＢＣＨ符号化に用いられる周知のシフトレジスタ回路を使って構成することができる。公称コードレートがｋ／ｎとすると、公称コードワード長はｎ、公称データワード長はｋであり、これらのパラメータは容易に変更可能である。待ち時間の少ない適応制御は、一定範囲のコード長を要する。

バンド幅有効符号化・変調にＬＤＰＣ系の符号を用いることによって、広範なトレードオフを行ってスペクトラム効率を最大にすることができる。変調コンステレーションとコードレートの多様な組み合わせによって、ユーザペイロードデータレートを等価にする。
コード長もエラー性能に影響する。マルチ変数の適応制御の効果として、以下のものが挙げられる。
（変調コンステレーション）
変調コンステレーションを変えることによって、未調整のデータレートをパワー効率とトレードオフすることができる。変調コンステレーションが小さければ、受信電力レベルを小さくしてカバレッジを拡張できる。変調コンステレーションが大きくなると（６４ＱＡＭまで）、容量が大きくなり、コーディングゲインとトレードオフしてサブキャリアチャネル状況と整合させることができる。
（コードレート）
コードレートを変えることによって、自由度が拡がり、符号強度をローカルなチャネル状態に合わせることができる。コードレートを低くすると、リンクマージンを拡張することができ、コードレートを高くすると、ユーザデータレートを最大にしつつ適切なコーディングゲインを得ることができる。
（コード長）
可変コード長を用いて、ユーザデータを広いレンジのサブキャリアに効率的にマップすることができる。コード長を長くすると、スペクトラム中に比較的長い「ギャップ」がある場合に、容量限界近くで動作することができる。コード長が短いと、待ち時間低減の要求を満たすことができ、迅速な適応制御を行い、短い（小さな）スペクトラムギャップを捕捉して波形生成することができる。
（マルチレベル符号化）
マルチレベル符号化を行うことによって、符号化・復号アーキテクチャを簡単にする。また、複数ユーザのデータブロックを「プレフィル（ｐｒｅ−ｆｉｌｌｉｎｇ）」して、符号選択のためのチャネル推定データが取得され次第、すぐに送信できるようにすることにより、本来的に適応符号化方法のサポートに適している。

キャリア周波数、バンド幅、サブキャリア構成・シグナリングを動的に変更できるワイドバンドのマルチキャリアＤＳ−ＳＳ波形構造を、バンド幅有効符号化・変調と組み合わせることによって、ヘテロモーフィックな波形を生成することができる。波形アーキテクチャは、現在の無線通信および情報理論の最先端の研究をさらに刷新する。本発明は、波形パラメータの同時多変的な適応制御を用いて、利用可能なスペクトラムの「ホール（空きスペクトラム）」を充填し、利用可能なサブキャリア上のユーザデータレートを最適化することによって、境界線を拡張する。

以上、図面を参照して本発明の良好な実施の形態を説明してきたが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、本発明の技術思想を逸脱することなく、多様な変更、改良が可能であることはいうまでもない。

本発明の一実施形態に係る次世代（ＸＧ）アプリにおけるヘテロモーフィック波形の生成機能のブロック図である。 利用可能な時間・周波数スペクトラムギャップを満たす周波数アジャイルヘテロモーフィック波形の例を示す図である。 スペクトラム効率を最適化する複数変数に応じたヘテロモーフィック波形を示す図である。 チャネル推定データを最適化するためのマルチキャリア構成、シグナリング、マルチレベルバンド幅有効符号化／変調を示す図である。 本発明の一実施形態に係る、ヘテロモーフィック波形の周波数／時間／符号化を示す図である。 符号パラメータの迅速な適応を容易にするＬＤＰＣベースの符号化変調方式のマルチレベル構成を示す図である。

Claims (31)

1. 可変キャリア周波数／可変バンド幅信号を構成する波形を生成する適応マルチキャリア構成・信号発生部と、
   利用可能なスペクトラムと１以上のサブキャリアの状態に応じて、前記生成された波形の変調方式、コードレート、コード長を適応制御する適応マルチレベルバンド幅有効符号化・変調（ＢＥＣＭ）部と
   を備え、前記可変キャリア周波数／可変バンド幅信号は、所定の周波数レンジにわたって動的に配置される１以上のサブキャリアで構成され、各サブキャリアは直接拡散方式によって個別に変調され、前記波形には、当該波形の１以上のスペクトラム効率を最適化するパイロットが埋め込まれていることを特徴とする適応エアインタフェース波形生成システム。
2. 前記生成された波形は、周波数、時間、変調、データレート、電力、シグナリング、マルチキャリア構成の少なくともひとつに関して動的に適応するヘテロモーフィックな波形であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記所定の周波数レンジは、約２５０ＭＨｚの範囲にわたることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
4. 前記生成された波形は、周波数、空間、時間の少なくともひとつで決定されるスペクトラムにおける未使用のホールを使用することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
5. 前記生成された波形は、複数のマルチアクセス方式に対応することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
6. 前記複数のマルチアクセス方式は、キャリア分割マルチアクセス（ＣＤＭＡ）、時間分割マルチアクセス（ＴＤＭＡ）、周波数分割マルチアクセス（ＦＤＭＡ）、および周波数ホップマルチアクセス（ＦＨＭＡ）を含むことを特徴とする請求項５に記載のシステム。
7. 前記複数のマルチアクセス方式の少なくともひとつは、ハイブリッドマルチアクセス方式であることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
8. 前記ＢＥＣＭ部は、低密度パリティチェック（ＬＤＰＣ）符号変調を用いて、前記生成された波形の変調コンステレーション、コードレート、およびコード長を適応制御することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
9. 前記ＢＥＣＭ部は、前記利用可能なスペクトラムとサブキャリア状態に加え、ＱｏＳ要求およびデータレート要求に応じて、前記生成された波形の変調コンステレーション、コードレート、およびコード長を適応制御することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
10. 前記生成された波形は、巨視的な周波数以降と、微視的な周波数移行を示すことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
11. 所定の周波数レンジにわたって動的に配置される１以上のサブキャリアを含む可変キャリア周波数／可変バンド幅信号で構成される波形を生成し、前記各サブキャリアは、直接拡散方式にしたがって個別に変調され、前記波形には、１以上のスペクトラム効率を最適化するパイロットが埋め込まれ、
    利用可能なスペクトラムと１以上のサブキャリアの状態に応じて、前記生成された波形の変調コンステレーション、コードレート、およびコード長を適応制御することを特徴とする適応エアインタフェース波形の生成方法。
12. 前記生成された波形は、周波数、時間、変調、データレート、電力、シグナリング、マルチキャリア構成の少なくともひとつに関して動的に適応するヘテロモーフィックな波形であることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記周波数レンジは、約２５０ＭＨｚの範囲にわたることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
14. 前記生成された波形は、周波数、空間、時間の少なくともひとつで決定されるスペクトラムにおける未使用のホールを使用することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
15. 前記生成された波形は、複数のマルチアクセス方式に対応することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
16. 前記複数のマルチアクセス方式は、キャリア分割マルチアクセス（ＣＤＭＡ）、時間分割マルチアクセス（ＴＤＭＡ）、周波数分割マルチアクセス（ＦＤＭＡ）、および周波数ホップマルチアクセス（ＦＨＭＡ）を含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記複数のマルチアクセス方式の少なくともひとつは、ハイブリッドマルチアクセス方式であることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
18. 低密度パリティチェック（ＬＤＰＣ）符号変調を用いて、前記生成された波形の変調コンステレーション、コードレート、およびコード長を適応制御することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
19. 前記利用可能なスペクトラムとサブキャリア状態に加え、ＱｏＳ要求およびデータレート要求に応じて、前記生成された波形の変調コンステレーション、コードレート、およびコード長を適応制御することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
20. 前記生成された波形は、巨視的な周波数移行と、微視的な周波数移行を示すことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
21. 媒体で具現化される適応エアインタフェース波形生成ソフトウエアであって、当該ソフトウエアの実行時に、
    所定の周波数レンジにわたって動的に配置される１以上のサブキャリアを含む可変キャリア周波数／可変バンド幅信号で構成される波形が生成され、前記各サブキャリアは、直接拡散方式にしたがって個別に変調され、前記波形には、１以上のスペクトラム効率を最適化するパイロットが埋め込まれ、
    利用可能なスペクトラムと１以上のサブキャリアの状態に応じて、前記生成された波形の変調コンステレーション、コードレート、およびコード長が適応制御される
    ことを特徴とするソフトウエア。
22. 前記生成された波形は、周波数、時間、変調、データレート、電力、シグナリング、マルチキャリア構成の少なくともひとつに関して動的に適応するヘテロモーフィックな波形であることを特徴とする請求項２１に記載のソフトウエア。
23. 前記周波数レンジは、約２５０ＭＨｚの範囲にわたることを特徴とする請求項２１に記載のソフトウエア。
24. 前記生成された波形は、周波数、空間、時間の少なくともひとつで決定されるスペクトラムにおける未使用のホールを使用することを特徴とする請求項２１に記載のソフトウエア。
25. 前記生成された波形は、複数のマルチアクセス方式に対応することを特徴とする請求項２１に記載のソフトウエア。
26. 前記複数のマルチアクセス方式は、キャリア分割マルチアクセス（ＣＤＭＡ）、時間分割マルチアクセス（ＴＤＭＡ）、周波数分割マルチアクセス（ＦＤＭＡ）、および周波数ホップマルチアクセス（ＦＨＭＡ）を含むことを特徴とする請求項２５に記載のソフトウエア。
27. 前記複数のマルチアクセス方式の少なくともひとつは、ハイブリッドマルチアクセス方式であることを特徴とする請求項２５に記載のソフトウエア。
28. 低密度パリティチェック（ＬＤＰＣ）符号変調を用いて、前記生成された波形の変調コンステレーション、コードレート、およびコード長が適応制御されることを特徴とする請求項２１に記載のソフトウエア。
29. 前記利用可能なスペクトラムとサブキャリア状態に加え、ＱｏＳ要求およびデータレート要求に応じて、前記生成された波形の変調コンステレーション、コードレート、およびコード長が適応制御されることを特徴とする請求項２１に記載のソフトウエア。
30. 前記生成された波形は、巨視的な周波数移行と、微視的な周波数移行を示すことを特徴とする請求項２１に記載のソフトウエア。
31. 所定の周波数レンジにわたって動的に配置される１以上のサブキャリアを含む可変キャリア周波数／可変バンド幅信号で構成される波形を生成する波形生成手段と、
    利用可能なスペクトラムと１以上のサブキャリアの状態に応じて、前記生成された波形の変調コンステレーション、コードレート、およびコード長を適応制御する適応制御手段と
    を備え、前記各サブキャリアは、直接拡散方式にしたがって個別に変調され、前記波形には、１以上のスペクトラム効率を最適化するパイロットが埋め込まれていることを特徴とする適応エアインタフェース波形生成システム。

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