JP2007537619A - 時空間符号を用いた符号分割多重接続システムの伝送ダイバーシティ送受信装置及びその方法 - Google Patents

Abstract

本発明はＤＳ／ＣＤＭＡシステムにおいて、擬似雑音（ｐｓｅｕｄｏ ｎｏｉｓｅ:ＰＮ）列集合で構成された時空間符号（ｓｐａｃｅ-ｔｉｍｅ ｔｒｅｌｌｉｓ ｃｏｄｅ:ＳＴＴＣ）を使用して実現される伝送ダイバーシティ送受信装置及び、その方法に関するものである。本発明によるＤＳ／ＣＤＭＡシステムの送信装置は、任意の多重擬似雑音（ＰＮ）列を発生するＰＮ列発生手段と；多重ＰＮ列上で二個のＰＮ列を選択して時空間トレリス符号（ｓｐａｃｅ-ｔｉｍｅ ｔｒｅｌｌｉｓ ｃｏｄｅ:ＳＴＴＣ）を構成し、データソースから伝送されるデータを時空間トレリス符号によって時空間符号化してＭ-ａｒｙデータシンボルを出力する時空間符号化手段と;時空間トレリス符号によって時空間符号化されたデータを各々変調する第１及び第２変調手段と;第１及び第２変調手段の出力を無線上で各々伝送する第１及び第２多重伝送アンテナを含む。本発明によれば、多重伝送アンテナを有するＤＳ／ＣＤＭＡシステムにおいて時空間符号化を適用する方法を適用することによって、伝送ダイバーシティ効果を得ることができるだけでなく、付加的な符号化利得を得て、さらにＰＮ列長さを増やすことで多重使用者干渉を減すことができる。

Description

本発明は時空間符号を用いた符号分割多重接続システムの伝送ダイバーシティ送受信装置及びその方法に関し、より具体的には、直接拡散符号分割多重接続（ｄｉｒｅｃｔ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｃｏｄｅ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ａｃｃｅｓｓ:以後“ＤＳ/ＣＤＭＡ”と略記）システムにおいて、擬似雑音（ｐｓｅｕｄｏ ｎｏｉｓｅ:ＰＮ）列集合で構成された時空間トレリス符号（ｓｐａｃｅ-ｔｉｍｅ ｔｒｅｌｌｉｓ ｃｏｄｅ:ＳＴＴＣ）を用いて実現される伝送ダイバーシティ送受信装置及びその方法に関するものである。

一般に無線伝送システムにおいて、ダイバーシティ（ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ）は独立的な幾つかの信号を提供して、フェーディングによる歪曲の影響を減らすためのものである。例えば、移動端末から基地局への上向リンク（ｕｐｌｉｎｋ）通信の場合、いくつかの受信アンテナを通じて上記ダイバーシティが得られ、または基地局から移動端末への下向リンク（ｄｏｗｎｌｉｎｋ）通信の場合には、多重伝送アンテナを通じて上記ダイバーシティが得られる。

一方、Ｖ.Ｔａｒｏｋｈが時空間符号（ｓｐａｃｅ-ｔｉｍｅ ｃｏｄｅ）を用いて伝送ダイバーシティを得る方法を提案した。このような時空間符号を用いる方法は、トレリス（ｔｒｅｌｌｉｓ）符号化によってダイバーシティと符号化利得を帯域幅拡張なく得られる方法であって、エラー訂正符号とダイバーシティ伝送の利点を効果的に生かすことで、システムの性能利得が得られるようになる。

具体的には、１９９８年３月に刊行されたＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ紙の第４４冊、第２号の７４４乃至７９５頁に、“Ｓｐａｃｅ-ｔｉｍｅ ｃｏｄｅｓ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｄａｔａ ｒａｔｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ:ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｄｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ”という名称の論文が掲載されている。

この先行論文は、狭帯域高速移動通信システムにおいて帯域幅を広げずに単一伝送アンテナのような帯域幅を用いて、多重伝送アンテナでダイバーシティ利得を得られる方法に関するものであって、従来の伝送ダイバーシティ方法を含む一般的な規則を発見し、これをトレリス構造を用いた符号化を用いる方法によって検証し、多重伝送アンテナでダイバーシティを得られる方法を提示している。

上記先行論文によれば、狭帯域で使用可能な資源である信号点は、複数の伝送アンテナに適切に対応させられる一種の符号化の規則と例を提示することによって、多様な伝送ダイバーシティ方法が作られる理論的背景と可能性を提示している。しかし、上記先行論文は狭帯域通信という仮定の下で密集した信号の集まり（ｓｉｇｎａｌ ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ）で時空間符号を構成して、上記伝送ダイバーシティが得られる可能性と理論的背景を提示しているだけである。

一方、Ｖ.ＴａｒｏｋｈとＳ.Ｍ.Ａｌａｍｏｕｔｉは時空間ブロック符号（ｓｐａｃｅ-ｔｉｍｅ ｂｌｏｃｋ ｃｏｄｅ:ＳＴＢＣ）を用いる方法を提案した。この方法は、上記時空間トレリス符号（ＳＴＴＣ）より簡単に伝送ダイバーシティが得られる反面、追加的な符号化利得を得ることが容易でなく、伝送アンテナが二個より多い場合には、帯域幅拡張が不可避であるという問題点がある。

一方、時空間符号を用いる符号分割多重接続（ｃｏｄｅ-ｄｉｖｉｓｉｏｎ-ｍｕｌｔｉｐｌｅｌｅ ａｃｃｅｓｓ:ＣＤＭＡ）システムの移動通信から伝送ダイバーシティを得る方法に関する研究が進められている。ＣＤＭＡ移動通信で最も簡単に伝送ダイバーシティを得る方法としては、各々の使用者に伝送する信号を各々の伝送アンテナで拡張符号を用いて拡散（ｓｐｒｅａｄｉｎｇ）させて伝送する方法がある。しかしこの方法は各々の使用者別伝送アンテナごとに一個の拡張符号を付与しなければならないため、直交拡張符号を使用したり、或いは拡張符号の個数が制限されている場合に、支援可能な使用者の数を伝送アンテナの個数で割っただけ落ちるという短所がある。

例えば、各使用者にＭ個ずつの伝送アンテナがあると仮定する時、各使用者にＭ個の拡張符号が各々与えられると、時空間符号を使用せずにＭ-ｆｏｌｄダイバーシティを得ることができる。この方法の短所は、もしＭ個の拡張符号を各々の使用者に全て割り当てて、使用できる全符号の個数が限定されている場合、一個の伝送アンテナのみ使用する場合より１/Ｍ倍ほどの使用者のみ支援できるという短所がある。

このような短所を克服する方法としては、Ａｌａｍｏｕｔｉの符号やその他の時空間ブロック符号を用いてＣＤＭＡ移動通信で伝送ダイバーシティを得る方法がある。

一方、従来技術によるＣＤＭＡ伝送で時空間符号を用いて伝送ダイバーシティを得る方法は、ＣＤＭＡ無線伝送で拡張符号列を使用する方法と関連があり、より詳しくは、フェーディング環境で送信機の多重伝送アンテナを用いてより安定な伝送のために下向リンクで符号化されたメッセージを伝送する方法と関連される。

このような方法は、まず、一個またはそれ以上のグループで構成された使用者にデータシンボル集合を伝送し、この時、各々の使用者グループには符号グループと呼ばれる各々の拡張符号列集合が割り当てられる。また、各データシンボルの集合は二個またはそれ以上の信号列形態で与えられた使用者グループの相当する使用者に伝達される。各々の信号列は二個以上の伝送アンテナの中で該当するアンテナに伝送され、この時、上記各々の信号列は相当する符号グループに属している拡張コード列の線形結合である。このような線形結合で各々の拡張符号列はスカラー係数を有しており、各々のこのようなスカラー係数は適切なデータシンボル（例えば、与えられた使用者グループの使用者に伝達しなければならないデータシンボルなど）の線形結合であるか、または適切なデータシンボルの共役複素数であり得る。

具体的には、米国特許登録番号ＵＳ６，４５２，９１６号（２００２年９月１７日）には“Ｓｐａｃｅ-ｔｉｍｅ ｓｐｒｅａｄｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ＣＤＭＡ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ”という名称の発明が開示されているが、ＣＤＭＡ伝送で時空間符号を用いて伝送ダイバーシティを得る方法に関するものである。

つまり、米国特許登録番号ＵＳ６，４５２，９１６号はＣＤＭＡ移動通信で伝送ダイバーシティを得るものの、制限された全拡張符号個数内で一個のアンテナを使用する場合と同様に最大使用者が収容できる方法を提供し、この時、時間軸の代わりに使用者グループの他の使用者に割り当てられた拡張符号軸を使用するために、既存の時空間ブロック符号を応用した方法であると言える。この発明は、全体拡張符号の個数を増やさなくても伝送ダイバーシティを得ながら、同じ数の最大使用者が収容できるが、移動端末が各グループ内の他の使用者の拡張符号も知らなければならない短所がある。

一方、図１及び図２を参照して、従来技術によるＣＤＭＡ移動通信で伝送ダイバーシティを得る方法の一例を説明する。

図１は従来技術による伝送ダイバーシティ送信機の構成図であり、図２は伝送ダイバーシティ受信機の構成図である。

図１を参照すれば、従来技術による伝送ダイバーシティ送信機はデータソース１１０、複数の掛け算器（乗算器）１２０-１、１２０-２、…、１２０-ｎ、複数の変調器１３０-１、１３０-２、…、１３０-ｎ及び複数のアンテナ１４０-１、１４０-２、…、１４０-ｎで構成され、Ｃ_１乃至Ｃ_ｎは送信機における各々の拡張符号列を示す。

図２を参照すれば、従来技術による伝送ダイバーシティ受信機は複数のアンテナ２１０-１、２１０-２、…、２１０-３、複数の変調装置２２０、２３０、２４０、結合器２５０及び帯域フィルター２６０で構成され、ここで、上記複数の変調装置２２０、２３０、２４０各々は復調器２２１、複数の第１掛け算器２２２-１、２２２-２、…、２２２-ｎ、複数の累積器２２３-１、２２３-２、…、２２３-ｎ、複数の第２掛け算器２２４-１、２２４-２、…、２２４-ｎ、複数の実数化処理部２２５-１、２２５-２、…、２２５-ｎ及び第３掛け算器２２６を含むことができる。ここで、Ｃ^１*、Ｃ^２*及びＣ^ｎ*は、各々の拡張符号列に対応する受信機における共役複素数を示し、α_１，１*、α_２，１*及びα_ｎ，１*は各々の経路利得に対応する受信機における共役複素数を示す。

図１を参照すれば、従来技術による従来の時空間符号の場合、データ伝送率を高めるためにはさらに密集した変調方法を使わなければならなかった。

一方、時空間ブロック符号を時間軸でない拡張符号軸で用いる方法も提案されたが、各使用者をグループに分けて、各グループに使用者数だけの直交拡張符号を割り当て、各使用者に伝送される信号をグループ内の他の使用者に伝送される信号と共に符号化する方法がある。この方法を用いれば、各使用者は各グループ内で使用される拡張符号を全て知らなければならない短所があるが、各々の基地局ごとにさらに多くの拡張符号が必要でないだけでなく、時間遅延なく伝送ダイバーシティを得ることができる。

一方、上述した時空間ブロック符号を時間軸でない拡張符号軸で用いて伝送ダイバーシティを得る方法をより拡張して伝送行列を導入すれば、直交拡張符号のうちの一個であるウォルシュ符号を用いて、各使用者をグループに分けずに伝送ダイバーシティを得るように、より一般化することができる。

具体的には、米国特許登録番号ＵＳ６，５１５，９７８号（２００３年２月４日）に “Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ ｄｏｗｎｌｉｎｋ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ ｉｎ ＣＤＭＡ ｕｓｉｎｇ Ｗａｌｓｈ ｃｏｄｅｓ“という名称の発明が開示されているが、ウォルシュ（Ｗａｌｓｈ）符号を用いた下向リンクＣＤＭＡシステムで時空間ブロック符号とウォルシュ符号を用いた伝送ダイバーシティ方法に関するものである。

つまり、米国特許登録番号ＵＳ６，５１５，９７８号の発明は、ＣＤＭＡ下向リンクダイバーシティを得るために時間軸の代わりにウォルシュ符号軸を使用しているので、既存の時空間ブロック符号を応用した方法であると見られ、このようなウォルシュ符号で区分されるチャンネルは時間または周波数を異ならせることによって得られるチャンネルと同様であると言える。この発明は、ウォルシュ符号のような直交拡張符号を使用する場合に得られる下向リンクダイバーシティの例を提示しており、また、下向リンクダイバーシティが得られる一般的な規則を提示することによって、既存の時空間ブロック符号を適用する新たな方法を提示しているが、単に伝送ダイバーシティのみが得られる方法である。

一方、ＳＴＢＣ（時空間ブロック符号）でないＳＴＴＣ（時空間トレリス符号）を用いてＣＤＭＡ移動通信で伝送ダイバーシティを得る方法として、一人の使用者に一個以上の拡張符号を付与して上記ＳＴＴＣの性能を高める方法が開示されているが、この方法は信号の集まりでない二個以上の直交拡張符号を使用する直交平面列変調（ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｐｌａｎｅ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ:ＯＰＳＭ）を使用している。

具体的には、２００３年３月２０日に刊行されたＩＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｌｅｔｔｅｒｓ紙の第３９冊、第６号の５４１乃至５４３頁に“Ｓｐａｃｅ-ｔｉｍｅ ｔｒｅｌｌｉｓ-ｃｏｄｅｓ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｄａｔａ ｒａｔｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＣＤＭＡｓｙｓｔｅｍｓ”という名称の論文が掲載されている。

この先行論文は、一人の使用者当り拡張符号の個数をＬ個に増やすことによって、新たな時空間トレリス符号（ＳＴＴＣ）を提案しており、また上記ＳＴＴＣの性能を高める方法を提供するために、既存の時空間符号が直交平面列変調（ＯＰＳＭ）に適用できることを示して、これを新たに適用しているが、既存の時空間符号設計自体を変形してはいない。

上記先行論文は直交平面列変調（ＯＰＳＭ）を収容して拡張された信号を通じた符号化利得と、一個のデータ伝送率が実現できる復調方法の多様化によるシステム適応性などの効果があるが、先行論文は拡張符号を異ならせて適用して、互いに直交している場合を仮定しているだけで、効率的な時空間符号を設計する方法はまだ提示されていないのが実情である。

上述した従来技術の多様な問題点を解決するための本発明の目的は、密集した信号の集まりでない擬似雑音（ＰＮ）符号集合で時空間符号を構成することによって、任意の拡張符号が使用される一般的な場合にも、伝送ダイバーシティだけでなく、符号化利益も共に得られるように時空間符号を用いた符号分割多重接続システムの伝送ダイバーシティ送受信装置およびその方法を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、直接拡散符号分割多重接続システムにおいて、より長い長さを有するＰＮ列集合で構成された時空間符号を使用して多重使用者干渉を減らすことができる時空間符号を用いた符号分割多重接続システムの伝送ダイバーシティ送受信装置及びその方法を提供することにある。

上述した多様な目的を達成するための手段として、本発明による時空間符号を用いた符号分割多重接続システムの伝送ダイバーシティ送信装置は、
任意の多重擬似雑音（ＰＮ）列を発生するＰＮ列発生手段；
前記多重ＰＮ列上で二個のＰＮ列を選択して時空間トレリス符号（ｓｐａｃｅ-ｔｉｍｅ ｔｒｅｌｌｉｓ ｃｏｄｅ:ＳＴＴＣ）を構成し、データソースから伝送されるデータを前記時空間トレリス符号によって時空間符号化してＭ-ａｒｙデータシンボルを出力する時空間符号化手段；
前記時空間トレリス符号によって前記時空間符号化されたデータを各々変調する第１及び第２変調手段；および
前記第１及び第２変調手段の出力を無線上で各々伝送する第１及び第２多重伝送アンテナ
を含んで構成される特徴がある。

ここで、前記ＰＮ列発生手段は、前記時空間符号化のためにＭ/２+１個のＰＮ列を発生することを特徴とする。

ここで、前記データソースから伝送されるデータのフレームの各々は、前記Ｍ-ａｒｙデータシンボルを伝送するためのｌｏｇ_２Ｍビットからなることを特徴とする。

ここで、前記データフレームのｌｏｇ_２Ｍビットの中で１ビットは、前記第１及び第２変調手段に入力される並列転換の符号（ｐｏｌａｒｉｔｙ）を決めることを特徴とする。

ここで、前記時空間符号化手段は、一回伝送するたびに前記Ｍ-ａｒｙデータシンボルを伝送し、前記時空間符号化手段は、前記ＰＮ列の中で二個のＰＮ列を選択してｌｏｇ_２Ｍ-１ビットを時空間符号化することを特徴とする。

一方、本発明による時空間符号を用いた符号分割多重接続システムの伝送ダイバーシティ受信装置は、
多重経路を通じて時空間符号化された信号を受信する少なくとも一個の受信アンテナ；
前記受信アンテナ各々から受信されたデータを複数のＰＮ列に逆拡散（ｄｅｓｐｒｅａｄｉｎｇ）し、フェーディング係数の共役複素数を掛けた後、これを実数化処理する複数の受信データ処理手段；
前記複数の受信データ処理手段から出力される信号を各々結合する複数の合算器；および
前記複数の合算器から各々出力される信号を復号化する時空間復号化手段
を含んで構成される特徴がある。

ここで、前記復号されたデータを基底帯域に下げるようにフィルタリングする基底帯域フィルターを追加的に含んでもよい。

ここで、前記複数の受信アンテナ各々から時刻（ｔ）でｊ番目アンテナを通じて出力される信号γ^ｊ（ｔ，τ）は、各々の受信アンテナに該当するフェーディング利得が掛けられた拡散信号の合計に雑音が加えられた値で、

で与えられ、ここで、τ∈０，１，…，Ｎ−１はチップ時刻（ｃｈｉｐ ｔｉｍｅ ｉｎｄｅｘ）、ＮはＰＮ列の長さ、ｃ^ｉ（ｔ，τ）は変調後、ｉ番目アンテナに伝送されるｉ番目変調器の入力、係数α_ｉ，ｊはｉ番目伝送アンテナからｊ番目受信アンテナへの経路利得を示し、η^ｊ（ｔ，τ）は時刻（ｔ）とチップ時刻（τ）における雑音であることを特徴とする。

ここで、前記時刻（ｔ）及びチップ時刻（τ）における雑音η^ｊ（ｔ，τ）は平均が０であり、Ｅ｜η^ｊ（ｔ，τ）｜^２＝Ｎ_０である複素ガウシアンランダム変数にモデル化されるのが好ましい。

ここで、前記係数α_ｉ，ｊは、前記各々の受信アンテナから送信された信号が独立的なフェーディングに遭うことを示しており、平均が０で、Ｅ｜α_ｉ，ｊ｜^２＝１である独立複素ガウシアンランダム変数としてモデル化されるのが好ましい。

ここで、前記複数の受信データ処理手段各々は、前記受信されたデータを復調する復調器；前記復調器の出力に各々のＰＮ列の拡散符号を掛ける複数の第１掛け算器；前記複数の第１掛け算器から出力されるデータをＰＮ列の長さだけ各々累積する複数の累積器；経路利得によるフェーディング係数の共役複素数各々を前記複数の累積器から出力される各々の信号に掛ける複数の第２掛け算器と；および前記複数の第２掛け算器から出力される信号を各々実数化処理する複数の実数化処理部を含むことができる。

ここで、前記時空間復号化手段は枝路測量（ｂｒａｎｃｈ ｍｅｔｒｉｃ）値を使用して復号する時空間ビタビ（Ｖｉｔｅｒｂｉ）復号化器であるのが好ましい。

ここで、前記枝路測量は、

で与えられ、前記時空間ビタビ復号化器は最も小さい蓄積測量（ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄｍｅｔｒｉｃ）を有する経路を探すのが好ましい。

ここで、前記時空間ビタビ復号化器は、前記枝路測量を簡略化するために、前記ＰＮ列間の相関（ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）が小さい場合、

で与えられる値の中で最も大きい値を求めることを特徴とする。

一方、本発明による時空間符号を用いた符号分割多重接続システムの伝送ダイバーシティ送信方法は、
ａ）データソースから伝送されるデータを受信する段階と、
ｂ）任意の多重擬似雑音（ＰＮ）列を発生する段階と、
ｃ）前記多重ＰＮ列上で二個のＰＮ列を選択して時空間トレリス符号（ＳＴＴＣ）を構成する段階と、
ｄ）前記データソースから伝送されるデータを前記時空間トレリス符号によって時空間符号化して、Ｍ-ａｒｙデータシンボルを出力する段階と、
ｅ）前記時空間トレリス符号によって前記時空間符号化されたデータを各々変調して、無線上で各々伝送する段階
を含んで成る特徴がある。

ここで、前記ｂ）段階は、前記時空間符号化のためにＭ/２+１個のＰＮ列を発生することを特徴とする。

ここで、前記ｃ）段階は、前記データソースからｌｏｇ_２Ｍ-１ビットを受信することを特徴とする。

ここで、前記ｄ）段階は、前記ＰＮ列の中で二個のＰＮ列を選択してｌｏｇ_２Ｍ-１ビットを時空間符号化することを特徴とする。

ここで、前記ｅ）段階は、ｌｏｇ_２Ｍビットの中で１ビットを使用して並列転換の符号を決め、それによって各々変調することを特徴とする。

一方、本発明による時空間符号を用いた符号分割多重接続システムの伝送ダイバーシティ受信方法は、
ａ）多重経路を通じて時空間符号化された信号を受信する段階と、
ｂ）前記受信アンテナ各々から受信されたデータを複数のＰＮ列に各々逆拡散する段階と、
ｃ）前記各々逆拡散される複数のＰＮ列各々にフェーディング係数の共役複素数を掛けた後、これを各々実数化処理する段階と、
ｄ）前記各々実数化処理された信号を各々結合する段階と、
ｅ）前記各々結合された信号を復号化する段階と
を含んで成る特徴がある。

ここで、前記ｅ）段階は枝路測量値を使用して復号することが好ましい。

本発明によれば、従来の密集した信号の集まりでないＰＮ列集合で時空間符号を構成することによって、ダイバーシティ利得と符号化利得を共に得ることができ、また、時空間符号を広帯域ＣＤＭＡ移動通信の特性に合わせて変換させることによって、伝送ダイバーシティだけでなく、高い符号化利得も得ることができ、さらに、既存の狭帯域における時空間符号を変形して、このような符号が簡単に受信できる受信機構造を実現することができる。

言い換えると、従来の時空間符号の場合、データ伝送率を高めるためには密集した変調方法を用いなければならなかったが、本発明ではＳＴＴＣ方法をＣＤＭＡ移動通信に適用することによって、ダイバーシティ利得と符号化利得を全て得ることができる。つまり、ＣＤＭＡ通信の場合に、追加的に用いられる資源のＰＮ列が存在するので、従来の密集した変調方法の代わりに、ＰＮ列を用いた変調方法を用いることができ、また、ＰＮ列長さを増やすことで多重使用者干渉を減し、これに伴う適切な時空間符号を設計して符号化利得も共に得ることができる。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施例による時空間符号を用いた符号分割多重接続システムの伝送ダイバーシティ送受信装置及びその方法を詳しく説明する。

まず、本発明の実施例によるＤＳ／ＣＤＭＡ（ｄｉｒｅｃｔ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｃｏｄｅ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ａｃｃｅｓｓ:ＤＳ/ＣＤＭＡ）システムの伝送ダイバーシティ送受信装置は、時空間符号が既存の２次元信号空間でない可能な擬似雑音（ＰＮ）列集合で構成され、また、他のＰＮ列と異なる状態を有する多様な設計例と、これに伴う実現可能な方法を含む。

従来技術と比較すると、後述するように修正された時空間符号化を用いてＤＳ／ＣＤＭＡシステムで伝送ダイバーシティ利得を得ようとするもので、上記時空間符号を可能であればＰＮ列集合上で設計してＰＮ列の個数を増やし、これに伴う新たな時空間符号を作ってシステムの性能を向上させる。

以下、本発明の実施例による時空間符号を用いた符号分割多重接続システムの伝送ダイバーシティ送受信構造と動作を説明する。

図３は本発明の実施例による時空間符号を用いた符号分割多重接続システムの伝送ダイバーシティ送信機の構成図で、二個の伝送アンテナを有する送信機を示している。

図３を参照すれば、本発明の実施例による時空間符号を用いた符号分割多重接続システムの伝送ダイバーシティ送信装置は、任意の多重擬似雑音（ＰＮ）列を発生するＰＮ列発生器３３０と、上記多重ＰＮ列上で二個のＰＮ列を選択して時空間トレリス符号（ＳＴＴＣ）を構成し、データソース３１０から伝送されるデータを上記時空間トレリス符号によって時空間符号化してＭ-ａｒｙ(Ｍ-アレイ)データシンボルを出力する時空間符号化器３２０と、上記時空間トレリス符号によって上記時空間符号化されたデータを各々変調する第１及び第２変調器３４０-１、３４０-２と、上記第１及び第２変調器３４０-１、３４０-２の出力を無線上で各々伝送する第１及び第２多重伝送アンテナ３５０-１、３５０-２を含む。

また、本発明による時空間符号を用いた符号分割多重接続システムの伝送ダイバーシティ送信方法は、データソースから伝送されるデータを受信し、任意の多重擬似雑音（ＰＮ）列を発生し、上記多重ＰＮ列上で二個のＰＮ列を選択して時空間トレリス符号（ＳＴＴＣ）を構成する。その後、上記データソースから伝送されるデータを上記時空間トレリス符号によって時空間符号化してＭ-ａｒｙデータシンボルを出力し、上記時空間トレリス符号によって上記時空間符号化されたデータを各々変調して無線上で各々伝送する。

図３において、本発明の実施例による送信機の時空間符号化器３２０は、一回の伝送に一個のビットではないＭ-ａｒｙデータシンボルを伝送するように設計されている。この時、上記ｌｏｇ_２Ｍビットの中で１ビットは並列転換の符号を決めるのに使用される。上記ｌｏｇ_２Ｍ-１ビットはＭ/２+１ＰＮ列の中で二個の列を選ぶのに使用され、上記二個のＰＮ列は各々二個の伝送アンテナに伝送される。

従来のシステムにおいてｌｏｇ_２Ｍビットを伝送することを望むと仮定してみる。例えば、従来技術による伝送ダイバーシティシステムのＰＮ列の長さがＮ_ｒチップ（ｃｈｉｐ）であれば、従来技術によるシステムはｌｏｇ_２Ｍ回の伝送をしなければならない。もし、従来技術によるシステムと本発明の実施例によるシステムチップの周期が全く同じで、本発明の実施例によるシステムがＭ-ａｒｙ伝送をする場合、ｌｏｇ_２Ｍビットを一個の長さがＮ（=Ｎ_ｒ×ｌｏｇ_２Ｍ）チップのＰＮ列を用いて一度の伝送で伝送できる。結局、本発明の実施例によるシステムは従来技術によるシステムと同様な帯域幅とデータ伝送率を有していてもさらに長いＰＮ列が使用できる。

一方、図４は本発明の実施例による時空間符号を用いた符号分割多重接続システムの伝送ダイバーシティ受信機の構成図である。

図４を参照すれば、本発明の実施例による時空間符号を用いた符号分割多重接続システムの伝送ダイバーシティ受信装置は、多重経路を通じて時空間符号化された信号を受信する少なくとも一個の受信アンテナ４１０-１、４１０-２、…、４１０-Ｍと、上記受信アンテナ各々から受信されたデータを複数のＰＮ列に逆拡散し、フェーディング係数の共役複素数を掛けた後、これを実数化処理する複数の受信データ処理機４２０、４３０、４４０と、上記複数の受信データ処理機４２０、４３０、４４０から出力される信号を各々結合する複数の合算器４５０-１、４５０-２、…、４５０-Ｍと、上記複数の合算器４５０-１、４５０-２、…、４５０-Ｍから各々出力される信号を復号化する時空間復号化器４６０と、上記復号されたデータを基底帯域に下げるようにフィルタリングする基底帯域フィルター４７０とを含む。上記受信装置は、例えば、二個の受信アンテナを用いた伝送ダイバーシティシステムにおける受信機であるのが好ましい。

ここで、上記複数の受信データ処理機４２０、４３０、４４０の各々は、上記受信されたデータを復調する復調器４２１と、上記復調器４２１の出力に各々のＰＮ列の拡散符号を掛ける複数の第１掛け算器（乗算器）４２２-１、４２２-２、４２２-３と、上記複数の第１掛け算器４２２-１、４２２-２、４２２-３から出力されるデータをＰＮ列の長さだけ各々累積する複数の累積器４２３-１、４２３-２、４２３-３と、経路利得によるフェーディング係数の共役複素数各々を上記複数の累積器４２３-１、４２３-２、４２３-３から出力される各々の信号に掛ける複数の第２掛け算器４２４-１、４２４-２、４２４-３、４２４-４と、上記複数の第２掛け算器４２４-１、４２４-２、４２４-３、４２４-４から出力される信号を各々実数化処理する複数の実数化処理機４２５-１、４２５-２、４２５-３、４２５-４を含むことができる。

また、本発明の実施例による時空間符号を用いた符号分割多重接続システムの伝送ダイバーシティ受信方法は、多重経路を通じて時空間符号化された信号を受信し、上記受信アンテナ各々から受信されたデータを複数のＰＮ列に各々逆拡散し、上記各々逆拡散される複数のＰＮ列各々にフェーディング係数の共役複素数を掛けた後、これを各々実数化処理する。その後、上記各々実数化処理された信号を各々結合し、上記各々結合された信号を復号化する。

図４を参照すれば、本発明の実施例による時空間符号を用いた符号分割多重接続システムの伝送ダイバーシティ受信機において、ｊ番目アンテナの出力はｊ番目復調器に入る。この信号は復調器４２１を経ながら基底帯域に下向変換される。

また、時刻（ｔ）でｊ番目アンテナの出力γ^ｊ（ｔ，τ）は、次の数式１の通りである。
数式１：

ここで、τ（∈０，１，．．．，Ｎ−１）はチップ時刻であり、ＮはＰＮ列の長さであり、
ｃ^ｊ（ｔ，τ）は、変調後にｉ番目アンテナに伝送される、ｉ番目変調器の入力である。時刻（ｔ）、チップ時刻（τ）における雑音はη^ｊ（ｔ，τ）は平均０であり、Ｅ｜η^ｊ（ｔ，τ）｜^２＝Ｎ_０である複素ガウシアンランダム変数にモデル化することができる。

また、上記係数α_ｉ，ｊはｉ番目伝送アンテナからｊ番目受信アンテナへの経路利得である。

上記係数α_ｉ，ｊは平均が０であり、Ｅ｜α_ｉ，ｊ｜^２＝１である独立複素ガウシアンランダム変数にモデル化する。これは各々異なるアンテナから送信された信号が独立的なフェーディングに遭うという仮定と同様である。上記γ^ｊ（ｔ，τ）は各々のアンテナに相当するフェーディング利得が掛けられた拡散される信号の合計に雑音が加えられた値となる。

一方、本発明の実施例により、伝送された信号の復号のための枝路測量は次のような数式２で与えられる。
数式２：

この時、上記時空間ビタビ（Ｖｉｔｅｒｂｉ）復号化器は最も小さい蓄積された測量(メトリック)（ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ ｍｅｔｒｉｃ）を有する経路を探す。上記数式２を最少化することは、次のような数式３を最大化することと同様である。
数式３：

一般に、上記ＰＮ列間の相関が無視できるほど小さいために、本発明の実施例による時空間符号では各アンテナに常に異なるＰＮ列を割り当てるので、上記数式３は次の数式４のように簡略化することができる。
数式４：

本発明の実施例によるシステムの簡略化した時空間ビタビ復号化器４６０は、上記のような簡略化された枝路測量（ブランチメトリック）（ｂｒａｎｃｈ ｍｅｔｒｉｃ）値を用いる。したがって、受信信号は各送信アンテナによって可能なＰＮ列に逆拡散された後、フェーディング係数の共役複素数が掛けられ、これらの実数部を各々の送受信アンテナに対して合わせた値が復号のために使用される。

一方、図５は本発明の実施例によって９個のＰＮ列を使用する時空間符号の例を示す図面であり、図６は本発明の実施例によって４個のＰＮ列を使用する時空間符号の例を示す図面である。

図５及び図６を参照すれば、伝送アンテナが二個である場合の時空間符号の例として、Ｃは各ＰＮ符号列を示し、下添字はＰＮ列を示す索引である。もし、Ｍ-ａｒｙ伝送をする場合、各々のＣは{ｃ_１，ｃ_２，…，ｃ_Ｍ/２+１}集合の元素の一個となる。また、左側のＣは最初の伝送アンテナに伝送されるＰＮ列、右側のＣは第２伝送アンテナに伝送されるＰＮ列であり、この時、各添字は各列の索引である。また、各々の転換に対応する上下の二個のＰＮ１０組は、各正、負の符号を有して並列転換することを示す。

一方、図７及び図８、図９及び図１０は、各々本発明の実施例によって適用した時空間ＤＳ／ＣＤＭＡシステムの性能が確認できる模擬実験結果である。

このような模擬実験は遅くて、周波数非選択的なレイリーフェーディング（Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｆａｄｉｎｇ）環境で行われた。言い換えると、チャンネル利得が一個のフレームの間に変わらず、フレームとフレームの間にのみ変わると仮定した。このような模擬実験結果によってグラフに出ている全ての方法は、同一な帯域幅と情報伝送量を有する。また、本発明の実施例による変調方式は、直交変調（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ ｐｈａｓｅｓｈｉｆｔ ｋｅｙｉｎｇ:ＱＰＳＫ）方法と下向リンク通信であると仮定すれば、すべての使用者のフェーディング利得が全て同一である。また、各ＰＮ列は常に任意的に発生させた。

具体的には、図７及び図８は、各々図５のような時空間符号を用いる場合、従来の技術及び本発明の実施例による性能模擬実験によるフレームエラー確率とビットエラー確率結果を各々示す図面である。

図７及び図８は、受信アンテナが各々一個と二個である場合、上述した図１の従来技術による伝送ダイバーシティＤＳ／ＣＤＭＡ（ＤＳ/ＣＤＭＡ）システムと、本発明の実施例による時空間ＤＳ／ＣＤＭＡシステム間の性能模擬実験結果である。Ｋ=３０名の使用者があるフレーム長さが１２０情報ビットである場合を模擬実験したものである。この実験において、本発明の実施例によるシステムの入力は１６-ａｒｙ（ｌｏｇ_２１６=４ｂｉｔｓ/ｓｅｑｕｅｎｃｅ）であり、上述した図５の時空間符号を使用した。

この時、従来技術によるシステムと本発明の実施例によるシステムのＰＮ列の長さは各々１２８と５１２に各々なり、つまり、本発明の実施例によるシステムは従来のシステムの４倍だけＰＮ列の長さが長くなった場合である。ここで、二個のシステムは全く同じ帯域幅を使用する。

図７及び図８に示されているように、本発明の実施例によるシステムがさらに良い性能を示して、受信アンテナが二個である場合、システムの性能向上がさらに目立つことが分かる。

図９及び図１０は、各々図６のように時空間符号での状態数を異ならせる場合、従来の技術及び本発明の実施例による性能模擬実験によるフレームエラー確率とビットエラー確率結果を各々示す図面であって、図９及び図１０は本発明の実施例による時空間符号が互いに異なる状態数を有する時の性能を模擬実験した結果である。Ｋ=５名の使用者があるフレーム長さが８８情報ビットである場合を模擬実験したものである。この模擬実験において、本発明の実施例によるシステムの入力は６-ａｒｙであり、図６のような時空間符号が使用された。この時、本発明の実施例によるシステムのＰＮ列長さは６４となる。

図９及び図１０に示されているように、本発明の実施例による時空間符号の状態が１６である時の利得が受信アンテナが二個であればさらに良くなることが分かる。

上述したように、模擬実験の結果から本発明の実施例によるシステムの性能が優れていることが分かり、さらに受信アンテナが二個である場合、システムの性能向上がさらに明確になることが確認できる。

以上の説明において、本発明を特定の実施例と関連して図示及び説明したが、特許請求の範囲によって示された発明の思想及び領域から逸脱しない限り、多様な改造及び変化が可能であるということを当業界における通常の知識を有する者であれば誰でも簡単に分かる。

本発明によれば、多重伝送アンテナを有するＤＳ／ＣＤＭＡシステムにおいて、時空間符号化を適用する方法を適用することによって、伝送ダイバーシティ効果が得られるだけでなく、付加的な符号化利得を得て、さらにＰＮ列の長さを増やすことにより多重使用者干渉を減すことができる。

また、本発明によれば、ＣＤＭＡシステムの時空間トレリス符号（ＳＴＴＣ）を用いた方法をＣＤＭＡシステム特性に合わせてＰＮ列上で容易に実現することができる。

従来の技術による伝送ダイバーシティ送信機の構成図である。 従来の技術による伝送ダイバーシティ受信機の構成図である。 本発明の実施例による時空間符号を用いた符号分割多重接続システムの伝送ダイバーシティ送信機の構成図である。 本発明の実施例による時空間符号を用いた符号分割多重接続システムの伝送ダイバーシティ受信機の構成図である。 本発明の実施例によって９個のＰＮ列を使用する時空間符号の例を示す図面である。 本発明の実施例によって４個のＰＮ列を使用する時空間符号の例を示す図面である。 図５のような時空間符号を用いる場合、従来の技術及び本発明の実施例による性能模擬実験によるフレームエラー確率とビットエラー確率の結果を各々示す図面である。 図５のような時空間符号を用いる場合、従来の技術及び本発明の実施例による性能模擬実験によるフレームエラー確率とビットエラー確率の結果を各々示す図面である。 図６の時空間符号における状態数を異ならせる場合、従来の技術及び本発明の実施例による性能模擬実験によるフレームエラー確率とビットエラー確率結果を各々示す図面である。 図６の時空間符号における状態数を異ならせる場合、従来の技術及び本発明の実施例による性能模擬実験によるフレームエラー確率とビットエラー確率結果を各々示す図面である。

Claims (22)

1. ＤＳ／ＣＤＭＡシステムにおいて、
   任意の多重擬似雑音（ＰＮ）列を発生するＰＮ列発生手段と;
   前記多重ＰＮ列上で二個のＰＮ列を選択して時空間トレリス符号（ｓｐａｃｅ-ｔｉｍｅ ｔｒｅｌｌｉｓ ｃｏｄｅ:ＳＴＴＣ）を構成し、データソースから伝送されるデータを前記時空間トレリス符号によって時空間符号化してＭ-ａｒｙデータシンボルを出力する時空間符号化手段と;
   前記時空間トレリス符号によって前記時空間符号化されたデータを各々変調する第１及び第２変調手段と;
   前記第１及び第２変調手段の出力を無線上で各々伝送する第１及び第２多重伝送アンテナを含むＤＳ／ＣＤＭＡシステムの送信装置。
2. 前記ＰＮ列発生手段は、前記時空間符号化のためにＭ/２+１個のＰＮ列を発生することを特徴とする、請求項１に記載のＤＳ／ＣＤＭＡシステムの送信装置。
3. 前記データソースから伝送されるデータのフレーム各々は、前記Ｍ-ａｒｙデータシンボルを伝送するためのｌｏｇ_２Ｍビットからなることを特徴とする、請求項１に記載のＤＳ／ＣＤＭＡシステムの送信装置。
4. 前記データフレームのｌｏｇ_２Ｍビットの中で、１ビットは前記第１及び第２変調手段に入力される並列転換の符号を決めることを特徴とする、請求項３に記載のＤＳ／ＣＤＭＡシステムの送信装置。
5. 前記時空間符号化手段は一度伝送するたびに前記Ｍ-ａｒｙデータシンボルを伝送することを特徴とする、請求項１に記載のＤＳ／ＣＤＭＡシステムの送信装置。
6. 前記時空間符号化手段は、前記ＰＮ列の中で二個のＰＮ列を選択してｌｏｇ_２Ｍ-１ビットを時空間符号化することを特徴とする、請求項１に記載のＤＳ／ＣＤＭＡシステムの送信装置。
7. ＤＳ／ＣＤＭＡシステムにおいて、
   多重経路を通じて時空間符号化された信号を受信する少なくとも一個の受信アンテナと;
   前記受信アンテナ各々から受信されたデータを複数のＰＮ列で逆拡散し、フェーディング係数の共役複素数を掛けた後、これを実数化処理する複数の受信データ処理手段と;
   前記複数の受信データ処理手段から出力される信号を各々結合する複数の合算器と;
   前記複数の合算器から各々出力される信号を復号化する時空間復号化手段とを含むＤＳ／ＣＤＭＡシステムの受信装置。
8. 前記復号されたデータを基底帯域に下げるようにフィルタリングする基底帯域フィルターを追加的に含む、請求項７に記載のＤＳ／ＣＤＭＡシステムの受信装置。
9. 前記複数の受信アンテナ各々から時刻（ｔ）でｊ番目アンテナを通じて出力される信号γ^ｊ（ｔ，τ）は各々の受信アンテナに相当するフェーディング利得が掛けられた拡散信号の合計に雑音が加えられた値で、
   

   

   で与えられ、ここで、τ（∈０，１，．．．，Ｎ−１）はチップ時刻、ＮはＰＮ列の長さ、ｃ^ｊ（ｔ，τ）は変調後にｉ番目アンテナに伝送されるｉ番目変調器の入力、係数α_ｉ，ｊはｉ番目伝送アンテナからｊ番目受信アンテナへの経路利得を示し、η^ｊ（ｔ，τ）は時刻（ｔ）とチップ時刻（τ）での雑音であることを特徴とする、請求項７に記載のＤＳ／ＣＤＭＡシステムの受信装置。
10. 前記時刻（ｔ）及びチップ時刻（τ）での雑音η^ｊ（ｔ，τ）は平均が０であり、
    Ｅ｜η^ｊ（ｔ，τ）｜^２＝Ｎ_０である複素ガウシアン（Ｇａｕｓｓｉａｎ）ランダム変数にモデル化されることを特徴とする、請求項９に記載のＤＳ／ＣＤＭＡシステムの受信装置。
11. 前記係数α_ｉ，ｊは前記各々の受信アンテナから送信された信号が独立的なフェーディングに遭うことを示し、平均が０であり、Ｅ｜α_ｉ，ｊ｜^２＝１である独立複素ガウシアンランダム変数でモデル化されることを特徴とする、請求項９に記載のＤＳ／ＣＤＭＡシステムの受信装置。
12. 前記複数の受信データ処理手段各々は、
    前記受信されたデータを復調する復調器と;
    前記復調器の出力に各々のＰＮ列の拡散符号を掛ける複数の第１掛け算器と;
    前記複数の第１掛け算器から出力されるデータをＰＮ列の長さだけ各々累積する複数の累積器と;
    経路利得によるフェーディング係数の共役複素数各々を前記複数の累積器から出力される各々の信号に掛ける複数の第２掛け算器と;
    前記複数の第２掛け算器から出力される信号を各々実数化処理する複数の実数化処理部を含む、請求項７に記載のＤＳ／ＣＤＭＡシステムの受信装置。
13. 前記時空間復号化手段は枝路測量（ｂｒａｎｃｈ ｍｅｔｒｉｃ）値を使用して復号する時空間ビタビ（Ｖｉｔｅｒｂｉ）復号化器であることを特徴とする、請求項７に記載のＤＳ／ＣＤＭＡシステムの受信装置。
14. 前記枝路測量は、
    

    

    で与えられ、前記時空間ビタビ復号化器は最も小さい蓄積測量（ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄｍｅｔｒｉｃ）を有する経路を探すことを特徴とする、請求項１３に記載のＤＳ／ＣＤＭＡシステムの受信装置。
15. 前記時空間ビタビ復号化器は、前記枝路測量を簡略化するために、前記ＰＮ列間の相関（ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）が低い場合、
    

    

    で与えられる値の中で最も大きい値を求めることを特徴とする、請求項１４に記載のＤＳ／ＣＤＭＡシステムの受信装置。
16. ＤＳ／ＣＤＭＡシステムの送信方法において、
    ａ）データソースから伝送されるデータを受信する段階と;
    ｂ）任意の多重擬似雑音（ＰＮ）列を発生する段階と;
    ｃ）前記多重ＰＮ列上で二個のＰＮ列を選択して時空間トレリス符号（ＳＴＴＣ）を構成する段階と;
    ｄ）前記データソースから伝送されるデータを前記時空間トレリス符号によって時空間符号化してＭ-ａｒｙデータシンボルを出力する段階と;
    ｅ）前記時空間トレリス符号によって前記時空間符号化されたデータを各々変調して無線上で各々伝送する段階とを含んで成るＤＳ／ＣＤＭＡシステムの送信方法。
17. 前記ｂ）段階は、前記時空間符号化のためにＭ/２+１個のＰＮ列を発生することを特徴とする、請求項１６に記載のＤＳ／ＣＤＭＡシステムの送信方法。
18. 前記ｃ）段階は、前記データソースからｌｏｇ_２Ｍ-１ビットを受信することを特徴とする、請求項１６に記載のＤＳ／ＣＤＭＡシステムの送信方法。
19. 前記ｄ）段階は、前記ＰＮ列の中で二個のＰＮ列を選択してｌｏｇ_２Ｍ-１ビットを時空間符号化することを特徴とする、請求項１６に記載のＤＳ／ＣＤＭＡシステムの送信方法。
20. 前記ｅ）段階はｌｏｇ_２Ｍビットの中で１ビットを使用して並列転換の符号を決め、その結果各々変調することを特徴とする、請求項１６に記載のＤＳ／ＣＤＭＡシステムの送信方法。
21. ＤＳ／ＣＤＭＡシステムの受信方法において、
    ａ）多重経路を通じて時空間符号化された信号を受信する段階と;
    ｂ）前記受信アンテナ各々から受信されたデータを複数のＰＮ列で各々逆拡散する段階と;
    ｃ）前記各々逆拡散される複数のＰＮ列各々にフェーディング係数の共役複素数を掛けた後、これを各々実数化処理する段階と;
    ｄ）前記各々実数化処理された信号を各々結合する段階と;
    ｅ）前記各々結合された信号を復号化する段階を含んで成るＤＳ／ＣＤＭＡシステムの受信方法。
22. 前記ｅ）段階は枝路測量値を使用して復号することを特徴とする、請求項２１に記載のＤＳ／ＣＤＭＡシステムの受信方法。

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