JP2007518287A - 通信システム内で干渉を減らすための方法と装置 - Google Patents

通信システム内で干渉を減らすための方法と装置 Download PDF

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Abstract

通信システムにおいて干渉を抑制するための方法である。受信機(100)とその受信機を作動する方法である。受信機はフィルタバンク(103〜104)を使用して広帯域信号をより小さいサブ帯域に分割する。干渉抑制は、広帯域信号全体ではなくてサブ帯域(周波数帯)で個々に行われる。小さなサブ帯域での周波数抑制を使用することによって、広帯域全体で干渉抑制する場合よりも計算の複雑性を軽減できる。

Description

本発明は干渉の抑制に関し、特には、通信システム内で干渉を減らすための方法と装置に関する。
干渉はしばしば通信システムの性能を妨害する。通信システム内でユーザがしばしば遭遇するタイプの干渉は、他のユーザの通信によって発生する干渉である。これは、同一周波数帯内で多くのユーザが送信することによって発生し、同一チャネル干渉と呼ばれる。同一チャネル干渉を減らすために、多くの通信システムでは、隣接セルの送信者は異なる周波数で送信するという周波数再使用パターンを採用している。
H.CheonとD.Hongによる「A Blind Spatio−Temporal Equalizer Using Cyclic Prefix in OFDM Systems」,IEEE ICASSP−2000,イスタンブール,トルコ、 J.G.ProakisとD.G.Manolakisによるデジタル信号処理(Digital Signal Processing)第2版、Macmillan Publishing、New York、1992、
しかしながら、スペクトルの価格が与えられているので、将来の通信システムでは積極的に周波数再使用パターンを採用するようになり、その結果、同一チャネル干渉のレベルは大幅に増加するであろう。
それにも拘わらず、より多くのシステム作業者は情報送信のために無許可で使用できる周波数帯を活用しようとする。無許可で使用できる周波数帯での送信者の数は制限されないので、同一チャネル干渉が大幅に増加する可能性がある。更に、無許可で使用できる周波数帯での送信者は一般の通信源に同期してはならないので、同一チャネル干渉は非同期で、干渉信号は必要な信号とは適切な時間には並ばない。
干渉は通信システムの効率を大幅に低下させ、干渉は同期と非同期との両方があるので、通信システム内で干渉を減らす方法や装置への要求は存在する。
上述の要求に対応するために、干渉抑圧のための方法と装置を提供する。特に、受信機および受信機を作動するための方法を提供する。受信機はフィルタバンクを用いて広帯域信号を小さいサブ帯域に分割する。干渉抑制は広帯域信号全体ではなくてサブ帯域(周波数帯域)で個々に行われる。本干渉抑制法は小さいサブ帯域で干渉抑制することによって、広帯域信号全体で干渉抑制をするよりも計算の複雑性が抑えられる。
本発明は、第1の広帯域信号を出力する第1のアンテナ、第2の広帯域信号を出力する第2のアンテナ、第1のアンテナに接続されており、第1の広帯域信号を受信して第1の複数の
狭帯域信号を出力する第1のフィルタバンク、第2のアンテナに接続されており、第2の
広帯域信号を受信して第2の複数の狭帯域信号を出力する第2のフィルタバンク、および、第1のフィルタバンクから第1の狭帯域信号と第2のフィルタバンクから第2の狭帯域信号とを受信して、第1と第2の狭帯域信号を基に干渉抑制信号を出力する干渉抑制器、を備える装置である。
本発明は更に干渉抑制の装置を含む。本装置は、第1の広帯域信号r(n)を出力する
第1アンテナ、第2アンテナ出力r(n)、第1アンテナに接続してr(n)を受信し
てω(l=1、…、X)の中心周波数を有するX狭帯域信号を出力する第1フィルタバ
ンク、第2アンテナに接続してr(n)を受信してω(l=1、…、X)の中心周波数を有するX狭帯域信号を出力する第2フィルタバンク、第1フィルタバンクから第1の狭帯域信号および第2フィルタバンクから第2の狭帯域信号を受信して、同一の中心周波数を有する第1と第2の狭帯域信号を基に第1の干渉抑制信号を出力する第1の干渉抑制器、および第1フィルタバンクから第3の狭帯域信号および第2フィルタバンクから第4の狭帯
域信号を受信して、同一の中心周波数を有する第3と第4の狭帯域信号を基に第2の干渉抑制信号を出力する第2の干渉抑制器からなる。
本発明は更に、第1フィルタバンクで広帯域信号を受信し、第2フィルタバンクで広帯域
信号を受信し、その広帯域信号に基づいて第1フィルタバンクから第1の中心周波数を有
する第1の狭帯域信号を出力し、その広帯域信号に基づいて第2フィルタバンクから第1
の中心周波数を有する第2の狭帯域信号を出力する工程からなる方法も含む。第1と第2
の狭帯域信号が受信され、その第1と第2の狭帯域信号で干渉抑制が行われる。
図では同様の番号は同様の部品を示す。図1は受信機100のブロックダイアグラムを示す。受信機100は、直交周波数分割多重(OFDM)通信システムのプロトコルを使用しているが、本発明の別の実施例では、広帯域送信法を用いた他のシステム・プロトコルも同様に使用し得る。他のシステム・プロトコルには、サイクリック接頭辞を含む/含まない周波数分域等化単一搬送波システム、サイクリック接頭辞を含む/含まないCDMAシステム、多重搬送波CDMAシステム、および拡散OFDMシステム、があるが、それには限定されない。結果として、受信機100はOFDMシステム、単一搬送波システム、CDMAシステム、および他の同様な又は組み合わせシステムに使用可能であり有効である。
受信機100は、広帯域信号を出力する少なくとも1つの受信アンテナ101、広帯域信号を受信する少なくとも1つのフィルタバンク103〜104、少なくとも1つの干渉抑制器105〜106、合成フィルタバンク107、サイクリック接頭辞除去器108、および高速フーリエ変換器(FFT)109、を含む。上記の要素の具体的な数は、受信機が同時に受信すると予想される信号の数に依存して変化する。簡単のために2つの受信信号を示した、すなわち望ましい送信機(即ち、受信機が予期していた送信機)から受信される信号s(n)、および干渉する送信機から受信される信号i(n)であり、nは個別の時間指数を示す整数である。(図示の目的で、s(n)およびi(n)は共に列ベクトルで受信アンテナの数に等しい長さを有する。)チャネルによって乱される前の望ましい送信機によって送信される望ましい信号をd(n)で示す。
望ましい送信信号を一つだけ示したが、本発明は一つだけの望ましい送信機から送信される複数のデータ信号も回収できる(或いは、複数の望ましい送信機から送信される単数や複数のデータ信号も回収できる。)望ましい送信機は又、望ましい信号や望ましいユーザでもある。s(n)およびi(n)は共に、それぞれの送信機から、それぞれのチャネルによって乱された後に各受信アンテナが受信した信号のベクトルである。s(n)およびi(n)は共通の時間源に同期されていてもいなくてもよい。1つの干渉送信信号を示したが、本発明は複数の干渉送信機から送信される複数の干渉信号を抑制することも可能である。
同時に受信される信号の数にかかわらず、受信機100は各チャネル(アンテナ101から102)に1つのフィルタバンク103〜104を備える。各フィルタバンク103〜
104は受信広帯域信号ベクトルr(n)=s(n)+i(n)を複数(X)のサブ帯域に分割する(ここでは簡単化のために受信機ノイズの影響は無視する)。特にOFDMを使用するときは、OFDMの帯域幅は小さな周波数帯に分割されるので、受信バンクは受信されたM×1OFDM広帯域信号ベクトル、r(n)(ここで、Mは受信アンテナの数)をXのサブ帯域、すなわち狭帯域信号(例えば、16のサブ帯域/狭帯域信号)に分割する。各サブ帯域は、ω(l=1、…、X)の中心周波数を有する狭帯域信号からなる。それぞれの中心周波数での狭帯域信号はそれぞれ、r(n)を、周波数wだけずらすことによって生成される(ここでr(n)はアンテナmから受信された広帯域信号、即ち、
Figure 2007518287
である)。次に低域通過フィルタf(n)によってフィルタリングして、次にX個に分割する。フィルタf(n)が選択され、干渉抑制器105〜106がなくて単一チャネル(アンテナ101〜102)の場合、OFDMシステムと同じ帯域幅に広がる任意の信号q(n)がフィルタバンク103〜104に入力されたとき、合成フィルタバンク107の出力は任意の信号q(n)に等しく(あるいはほぼ等しく)なる。フィルタバンクは環状畳み込みで動作するブロックとは反対に、連続した線形畳み込みで動作する。換言すればフィルタバンクは従来のOFDM受信機処理とは大きく異なり、受信信号のサイクリック接頭語に対応する部分は、N回分域の信号のブロックがFFT動作によって周波数分域に変換される前に削除される。本発明においてはフィルタバンクを使用することで受信信号が連続的に処理されて、受信信号のサイクリック接頭語に対応する部分は受信信号のデータ部分と共に処理される(即ち、捨てられない)。連続処理の使用によって(即ち、環状畳み込みとは反対に線形畳み込みなので)、フィルタバンクの使用によって、計算の複雑性は低いままで受信機での非同期干渉を圧縮する能力を大幅に向上させる。
X=16の例のように、図2は、周波数がそれ自身畳み込まれて、中心周波数はωから
ω16までずれている特定のフィルタf(n)の周波数応答を示す。従って図2は16個の特定サブ搬送波を示す。干渉抑制器105〜106はこの例で動作する。低域通過フィルタf(n)は、0.2のロールオフ因子と0.8333μsecの記号時間を有する、平方根で上がる余弦(cosine)スペクトルのパルスとして選択される。この例の場合、中心周波数は
Figure 2007518287
で与えられる。ここで、NはFFT109のFFTサイズであり、KはOFDMサブ搬送波の数である。(図2ではN=1024でK=760である)。全帯域幅は16個の重複部分のあるセクションに分解される。第1と最後のサブ帯域はOFDM信号帯域幅の外側
のパルスロールオフ部分も含む。
図1において、各フィルタバンク103〜104はX個のサブ帯域/狭い帯域の信号を出力し、サブ帯域は同じ干渉抑制器105〜106サブ帯域(即ち、中心周波数がωからω)に向かう。特に、各干渉抑制器105〜106には種々のフィルタバンク103〜104から信号が入力され、各入力は同一の特定のサブ帯域からなる。従って、第1の干
渉抑制器はωを中心周波数とするすべてのサブ帯域を受信し、一方、第2の干渉抑制器はωを中心周波数とするすべてのサブ帯域を受信する、等々。干渉抑制器は次に、特定のサブ帯域上で動作し、干渉抑制器105〜106の出力は特定のサブ帯域のスカラー時間順になる。サブ帯域の帯域幅は元の信号に比べて小さいので、各サブ帯域中のチャネルの有効長は元のチャネル長よりも小さい。従って、種々の干渉抑制フィルタ(下記する)は、パイロット順の、周波数シフトやフィルタされたバージョンを使用して設計され得る。ここでパイロット順は、受信機に知られている所望の送信機によって送信された記号群である、
干渉抑制器105〜106の出力は合成フィルタバンク107に入力される。ここで信号が追加されて、合成された干渉抑制信号が作成される。特に、合成フィルタバンク107は、種々の無干渉サブ帯域から、無干渉の等化された広帯域信号d(n)を生成する役割をする。換言すれば、合成フィルタバンク107の出力d(n)は等化された時間分域OFDM信号であり、従って、更なる等化は不必要である(適切な記号のFFTのみを実施すればよい)。これは、干渉抑制器105〜106の出力をサンプリングして、f(n)によってフィルタリングし、次に周波数帯をずらして、ωからωの信号を生成し、最後に、すべての周波数がずれた信号を合計する、ことによって完了する。
合成フィルタバンク107から出力された所望の信号d(n)を予測して、正常のOFDM処理が「きれいな」信号上で行われる。特に、所望の信号d(n)のサイクリック接頭辞部分はサイクリック接頭辞除去器108によって除去されて、標準FFT処理がFFT109を介して行われる。その結果得られた信号が正常OFDM復号処理される。
図3は、図1の受信機の動作を示すフローチャートである。このフローは工程301で始まり、そこでは、第1と第2のアンテナがそれぞれ第1と第2の広帯域信号を出力する。工程303では、第1と第2の広帯域信号が第1と第2のフィルタバンクで受信されて、そこで、信号は複数の小さな狭帯域信号に分割される。上述のように、各フィルタバンクはX個の狭帯域信号を出力する。各狭帯域信号は、好ましい実施例においては、同一の帯域幅とω(l=1、…X)の中心周波数を有する。工程305では、種々の狭帯域信号が干渉抑制器105〜106に出力されて、干渉抑制が行われる。特に、一つの干渉抑制器は、すべてのフィルタバンク103〜104から同一のサブ帯域信号出力を受信する。例えば、干渉抑制器105は中心周波数がωのすべてのサブ帯域を受信し、干渉抑制器106は中心周波数がωのすべてのサブ帯域を受信する。工程307では、干渉抑制が種々のサブ帯域で行われて、無干渉のサブ帯域が合成フィルタバンク107に供給されて、無干渉の広帯域信号が再構築される(工程309)。
上述のように、種々の干渉抑制フィルタ(下記する)は、パイロット順の、周波数シフトやフィルタされたバージョンを使用して設計され得る。サイクリック接頭辞通信システムは、データブロックの始めに、N個の記号のデータブロック中の最後のLcp記号を繰り返すことによって冗長性を組み込む。ここで述べる干渉抑制法は、他の形式のサイクリック冗長性を使用したシステムにも使用できる。例えば、N個の記号のデータブロック中の最初のLcp記号はデータブロックの最後で繰り返すこともできる。他の例では、冗長性はデータブロックの最初と最後でも表示され得る。更に、これらの干渉抑制法はサイクリック冗長性を使用しないシステムにも適用され得る。ωの周波数シフトとf(n)でのフィルタリング、それからの分割の後でさえも、f(n)が有限インパルス応答(FIR)を有し、最後の所で適当に減衰する限り、その結果得られた信号、y(n,b)は依然としてサイクリック接頭辞特性を有している(好ましい実施例において、f(n)は平方根の余弦スペクトルを有するパルスである)。サイクリック接頭辞の配列を追跡するために、得られた信号、y(n,b)に、時間ブロック数、bが付加される(サイクリック接頭辞がある場合)。サイクリック接頭辞がない場合、下記のように、干渉抑制器のパ
イロットのみの計算が可能である。H.CheonとD.Hongによる「A Blind Spatio−Temporal Equalizer Using Cyclic
Prefix in OFDM Systems」,IEEE ICASSP−2000,イスタンブール,トルコ、と同様な方法で、y(n,b)中のサイクリック冗長性が、サイクリック接頭辞が所望のユーザで時間配列されていない(即ち、非同期干渉)、所望の信号と圧縮信号とを等化する、空間−時間の組合せ重み付けに活用される。基本的に、ブラインドの空間‐時間組み合わせ重み付けは、同一の等化データブロックの最後のL’cp記号に、等化データブロックのサイクリック接頭辞部を作ることで動作する(L’cpは、f(n)でフィルタリングして縮小した後にOFDM信号の有効なサイクリック接頭辞長)。データブロックbのM×l受信信号は以下で与えられる。
Figure 2007518287
ここでs(n,b)は、ブロックb上で時間nでの所望のユーザ記号であり(s(n,b)は元のOFDM信号d(n)(適当な時間での)を位相シフトe−jωlnで乗じて、f(n)でフィルタリングし、次に分割する)することによって得られる。
Figure 2007518287
はフィルタバンクlの(長さLの)実効チャネルであり、z(n,b)はノイズに同期や非同期の干渉を加えて組み合わされたものである(受信機ノイズと干渉も位相シフトe−jωlで乗じて分割する)。0≦n≦N1(ここでNは分割信号の実効データブロックサイズ)のブロックb上の受信信号はブロックb、sl(n,b)上のデータ記号で同期されると推測される(サイクリック接頭辞の特性は、
Figure 2007518287
を含むから)。M×1の空間‐時間等化器のタップをg(0)からg(L−1)にする(即ち、g(0)からg(L−1)はサブバンドlの干渉抑制器105〜106のインパルス応答を特定する)。そこで、等化記号は
Figure 2007518287
で与えられる(Lは空間‐時間等化器の長さ)。ここでDは等化器の遅延である(典型的には(L+L−1)/2)。ブラインド等化器は、
Figure 2007518287
を作ることによって見出される。行列式の表記を用いて、等化器は下記の式への解として
見出され得る。
Figure 2007518287
上式を簡略化して、gは、
Figure 2007518287
への、非自明(すなわちゼロではない)解として見出される。
1つの非自明解は、Ylの最小固有値と関連する固有ベクトルとしてgを選択することである。この解は完全にブラインドなので、パイロットを基にした方法よりも大きく劣る傾向にあり、スカラーと位相が不明確になる。更に、このブラインド等化器は、未知の干渉が同期されると困難になる、即ち、干渉のサイクリック接頭辞が所望の信号と一緒に同時に並んでしまう。
しかしながら、限定された数のパイロット信号が可能ならば、上記のブラインド等化器はパイロットと一緒に使用できて、同期干渉と非同期干渉との両方が存在中で優秀な準ブラインド等化器を見出すことができる。準ブラインド推定器は既知のパイロット列(記号)を説明する項を加えて(7)を変形する。すべての既知の時間分域パイロットの1ブロック(サイクリック接頭辞を含む)があると仮定すると、(7)は
Figure 2007518287
になる。ここで、γはパイロットの最小値に対するブラインドの最小値を強調する/強調しない重み付けである(好ましい実施例ではγ=1)。
Figure 2007518287
が、
Figure 2007518287
によって与えられる(データブロックb=1はパイロット記号を含むと仮定する)。Yl,3は単なる等化記号で、等化器は、等化記号と(ブラインド基準に沿った)パイロットとの間の平均2乗誤差を最小化すべく設計されている。(9)への解は、
Figure 2007518287
となる。
従って、本発明の種々の実施例において、3つの干渉抑制法が干渉抑制器105〜106で使用できる。第1の方法はブラインドのみの方法で、干渉抑制フィルタを計算するため
のパイロット記号を必要とせず、その代わりに、干渉抑制フィルタを計算するために、伝送された所望の信号中のサイクリック冗長性(即ち、サイクリック接頭辞)を使用する。第2の方法はパイロットのみの方法で、伝送された所望の信号中のサイクリック冗長性を
考慮せずに、パイロット記号を使用して動作するための干渉抑制フィルタを設計する。(従って、このパイロットのみの方法はサイクリック冗長性のないシステムで使用できる)。最後に第3の方法は、準ブラインドの方法で、伝送された所望の信号中のサイクリック
冗長性も考慮しながら、パイロット記号を使用して動作するための干渉抑制フィルタを設計する。
特定の実施例を参照して本発明を示して述べたが、本発明の範囲や精神を逸脱せずに種々
の形式変更や詳細変更が可能である。 例えば、本発明のフィルタバンクの具体的な実施法はたった1つの可能な実施法を示したものである。フィルタバンクの他の実施法も可能であり、同等の受信機が得られるであろう。例えば、J.G.ProakisとD.G.Manolakisによるデジタル信号処理(Digital Signal Processing)第2版、Macmillan Publishing、New York、1992、に具体的に記載されているように、単純な低域フィルタf(n)を使用する代わりに、各Xの中心周波数に対して種々のバンドパスフィルタ、f(n)からf(n)を使用して同等に実施できる。バンドパスフィルタリングの後の同等の実施において、X信号はそれぞれXで分割されて、周波数をシフトする(周波数シフトと反対に、低域f(n)でフィルタリングされ、次にXで減算される)。このような変更は請求項の範囲内である。
干渉を抑制するための受信機のブロックダイアグラム。 図1のフィルタの周波数対応を示す図。 図1の受信機の動作を示すフローチャート。

Claims (9)

  1. 第1の広帯域信号を出力する第1のアンテナと、
    第2の広帯域信号を出力する第2のアンテナと、
    第1のアンテナに結合されて第1の広帯域信号を受信し、第1の複数の狭帯域信号を出力する第1のフィルタバンクと、
    第2のアンテナに結合されて第2の広帯域信号を受信し、第2の複数の狭帯域信号を出力する第2のフィルタバンクと、
    第1のフィルタバンクから第1の狭帯域信号を受信し、第2のフィルタバンクから第2の狭帯域信号を受信して、第1と第2の狭帯域信号を基に干渉抑制信号を出力する干渉抑制器と、であって、
    第1と第2のフィルタバンクは線形畳み込み方式で連続動作する、装置。
  2. 干渉抑制信号と複数の他の干渉抑制信号を受信して、該干渉抑制信号と複数の他の干渉抑制信号を基に合成干渉抑制信号を出力する合成回路を更に備える請求項1の装置。
  3. 第1と第2の狭帯域信号が同じサブ帯域内で出力する請求項1の装置。
  4. 第1のフィルタバンクから第3の狭帯域信号を受信し、第2のフィルタバンクから第4の狭帯域信号を受信して、第1と第2の狭帯域信号を基に第2の干渉抑制信号を出力し、第3と第4の狭帯域信号は同じサブ帯域内で出力する請求項3の装置。
  5. 第1の広帯域信号r(n)を出力する第1のアンテナと、
    (n)を出力する第2のアンテナと、
    第1のアンテナに結合されてr(n)を受信し、各狭帯域信号は中心周波数ω(l=1,…x)を有するx個の狭帯域信号を出力する第1のフィルタバンクと、
    第2のアンテナに結合されてr(n)を受信し、各狭帯域信号は中心周波数ω(l=1,…x)を有するx個の狭帯域信号を出力する第2のフィルタバンクと、
    第1のフィルタバンクから第1の狭帯域信号を受信し、第2のフィルタバンクから第2の狭帯域信号を受信して、同一の中心周波数を有する、第1と第2の狭帯域信号を基に第1の干渉抑制信号を出力する第1の干渉抑制器と、
    第1のフィルタバンクから第3の狭帯域信号を受信し、第2のフィルタバンクから第4の狭帯域信号を受信して、同一の中心周波数を有する、第3と第4の狭帯域信号を基に第2の干渉抑制信号を出力する第2の干渉抑制器と、からなり、
    第1と第2のフィルタバンクは線形畳み込み方式で連続動作する、
    緩衝抑制装置。
  6. 第1の干渉抑制信号と複数の第2の干渉抑制信号を受信して、該第1と第2の干渉抑制信号を基に合成干渉抑制信号を出力する合成回路を更に備える請求項5に記載の装置。
  7. 第1と第2の干渉抑制器が、干渉抑制フィルタを計算するためにパイロット信号を必要としない、ブラインドのみの方法によって干渉を抑制する請求項5に記載の装置。
  8. 第1と第2の干渉抑制器がサイクリック接頭辞を活用して干渉を抑制する請求項5に記載の装置。
  9. 第1と第2の干渉抑制器が送信されたパイロット記号を活用して干渉を抑制する請求項8に記載の装置。
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