JP2008172814A - 改変ブロック空間時間送信ダイバーシティ符号化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）通信システムに適用でき、かつ構成が単純で製造コストを低減した送信ダイバーシティシステムを提供する。
【解決手段】アンテナアレーを有する送信機と受信機とを含むＣＤＭＡ通信システムにおいてデータシンボルを送信する方法。この方法は、シンボルの第１および第２のデータフィールドを生成するステップと、第１および第２のデータフィールドを符号化して、第１のデータフィールドのシンボルの複素共役値および第２のデータフィールドの複素共役値の否定を作り出すステップと、第１および第２の通信バーストを生成するステップを含む。第１の通信バーストは、第１のバーストミドアンブルの前に第１のデータフィールドを有し、かつ第２のデータフィールドの前にガード期間を有する。第２の通信バーストは、第２のバーストミドアンブルの前に第２のデータフィールドの複素共役値の否定を有し、かつ第１のデータフィールドの複素共役値の前にガード期間を有する。
【選択図】図２

Description

この発明は符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）技術を用いた通信システムに関する。より詳しくいうと、この発明はＣＤＭＡ通信システムに適用できる送信ダイバーシティシステムに関する。

第三世代広帯域符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）システムの中の高速度データ利用のユーザをサポートするために空間ダイバーシティが提案されている。この種のシステムは、複数のアンテナを用いてより高い利得およびリンク品質を達成し、システム容量を拡大する。従来、ダイバーシティはビーム方向操作またはダイバーシティ合成によって達成している。

最近では、空間−時間符号の利用によりダイバーシティの連携利用の達成が可能であることが認識されてきた。その種のシステムは、理論的にはアレーの中の送受信用アンテナの数に等しい倍数の容量拡大を達成できる。空間−時間ブロック符号は入力シンボルのブロックに作用し、アンテナ上および時間軸上で行列出力を生ずる。

従来、空間−時間送信ダイバーシティシステムは、互いに相続くシンボルをそれらシンボルの複素共役値と同時に送信していた。しかし、この種のシステムでは、伝搬チャネルのインパルス応答の長さで定まるシンボルの重なりを受信側で生ずる。時分割複信（ＴＤＤ）モードでは、このシンボルの重なりを共同検出受信機で把握する必要がある。この共同検出受信機は送信されてきたシンボルとそれらシンボルの共役値とを推算する必要があり、その結果構成が複雑になる。

共同検出動作の複雑化を緩和するために、互いに類似しているものの互いに異なる二つのデータフィールドを送信するシステムが提案されている。すなわち、第１の部分Ｄ_１１と第２の部分Ｄ_１２とを有する第１のデータフィールドを第１のアンテナから送信し、この第１のデータフィールドを改変して第２のデータフィールドを生ずるのである。Ｄ_１２の共役値の否定−Ｄ_１２ ^＊が第２のデータフィールドの第１の部分であり、Ｄ_１１の共役値Ｄ_１１ ^＊が第２の部分である。この第２のデータフィールドを第２のアンテナから同時に送信する。この種のシステムにおいては、受信機において実行される共同検出は単一送信アンテナの場合と同一の量のシンボルを推算するだけでよい。このシステムのブロック図を図１に示す。

ブロック相互間の相互干渉を無視すると、受信信号モデルは近似的に次式、すなわち

で表される。ここで、

は送信シンボル系列のベクトル形式である。Ａ_ｉｊおよびＢ_ｉｊは、それぞれアンテナ１および２から特定のユーザへのチャネルによる伝搬帯行列の部分行列である。これらの部分行列は次の（２×２）ブロック行列式、すなわち

で表される。これら行列のＡおよびＢは、ＭＭＳＥ ＢＬＥを用いて、次式、すなわち

で解くことができる。ここで、σ_ｎ ^２は付加白色ガウス雑音である。この式は部分行列操作および帯Toeplitz近似を用いることにより単純化できる。

上述の送信ダイバーシティシステムの問題点は、上記第１のデータフィールドの第１および第２の部分Ｄ_１１，Ｄ_１２がそれら部分の各々に同数のシンボルを要することである。ＴＤＤデータフィールドにはシンボル数が奇数のものもある。したがって、データフィールドを二つの部分に分離した場合に、各部分のシンボル数が異なってくる。この不等性の問題に対処する方法を実現しなければならない。一つの手法では、最初のシンボルを複写してこの問題を解消している。これ以外の手法も周知である。これらの手法の一つを用いると、受信機における共同検出に追加の計算を要する結果になる。より詳しくいうと、上記最初のシンボルはＳＴＴＤ復号化したものではないので、ＳＴＴＤ符号器出力は
Ｓ_１−（Ｓ_{（Ｎ＋１）／２＋１}，Ｓ_{（Ｎ＋１）／２＋２}，・・・，Ｓ_Ｎ）^＊，（Ｓ_２，Ｓ_３，・・・，Ｓ_{（Ｎ＋１）／２}）^＊
になる。

さらに、式１の中間項の消去による当初の近似化により、共同検出処理に小さい誤差が生ずる。

ＥＰ ０ ９９３ １２９ ＥＰ １ ０６９ ７０７

したがって、上記以外の送信ダイバーシティシステムが求められている。

この発明は、アンテナアレーおよび受信機を備える送信機を有するＣＤＭＡ通信システムにおいてデータシンボルを送信するシステムおよび方法にある。このシステムは、シンボルの第１および第２のデータフィールドを発生し、それぞれのシンボルの複素共役値を生ずるようにそれらシンボルを符号化する。ミドアンブルで互いに分離された上記第１および第２のデータフィールドを含む第１の通信信号バーストを第１のアンテナ経由で、またこれら第１および第２のデータフィールドの複素共役値を用いて発生されミドアンブルで互いに分離された第１および第２のデータフィールドを含む第２の通信信号バーストを第２のアンテナ経由で送信機からそれぞれ送信する。受信機はこれら第１および第２の通信信号バーストを受信して復号化し、第１および第２のデータフィールドを回復する。

複数の基地局とユーザ装置とを含むＣＤＭＡ通信システムにおいて、より単純な構成で費用の少ない送信機および受信機を用いた送信ダイバーシティシステムを提供する。

図２は、この発明の好ましい実施例のＣＤＭＡ通信システムにおいて、好ましくは基地局に配置した送信機１０と、好ましくはユーザ装置（ＵＥ）に配置した受信機２０とをブロック図で示す。上述のとおり、送信機は基地局に、受信機はＵＥにそれぞれ配置するのが好ましいが、この発明はこれら送信機および受信機の配置を逆にしてアップリンクで用いるようにすることもできる。送信機１０はブロック符号化装置１１、複数のチャネライゼーション装置８，９、複数の拡散系列挿入装置１２，１３および複数のアンテナ１５，１６を備える。図１には二つのアンテナを備える送信機を示したが、Ｎ個など三つ以上のアンテナを利用できることは当業者には明らかであろう。

通常の通信信号バーストはミドアンブル系列で分離された二つのデータフィールドを有する。後述のとおり、送信機１０で送信すべきデータはデータ発生器（図示してない）で発生する。上記処理による上記データフィールドのデータシンボル（Ｓ_１１，Ｓ_１２，・・・、Ｓ_１ｘ）、（Ｓ_２１，Ｓ_２２，・・・，Ｓ_２ｘ）、すなわちサブデータフィールドｄ_１およびｄ_２でそれぞれ代表できるデータシンボルを、好ましくはブロック空間−時間送信ダイバーシティ（ＢＳＴＴＤ）符号化装置で構成したブロック符号化装置１１に入力する。ブロック符号化装置１１はそれら入力シンボルを符号化して、ｄ_１の複素共役値およびｄ_２の共役値の否定、すなわちｄ_１ ^＊および−ｄ_２ ^＊を発生する。また、符号化装置１１は−Ｄ_２ ^＊がＤ_１ ^＊よりも前に来るようにシンボルの順序を変更する。

これら複素共役値が生じて順序が変更されると、符号器１１は二つのデータフィールド−ｄ_２ ^＊、ｄ_１を第２のチャネライゼーション装置９に送る。これら第１および第２のチャネライゼーション装置８，９は同一のチャネライゼーション符号を用いてそれぞれのデータフィールドを拡散する。第１のチャネライゼーション装置はデータフィールドｄ_１，ｄ_２を拡散し、第２のチャネライゼーション装置８，９の各々からの拡散ずみのデータフィールドを、送信機１０と関連づけたスクランブル用符号を用いてスクランブルする。

これら拡散ずみのデータフィールドはスクランブルにかけたのち、第１および第２のトレーニング系列挿入装置１２，１３にそれぞれ送る。拡散ずみのデータフィールドｄ_１，ｄ_２は第１のトレーニング系列挿入装置１２に送り、一方、拡散ずみのデータフィールド−ｄ_２ ^＊、ｄ_１ ^＊は第２のトレーニング系列挿入装置１３に送る。これらトレーニング系列挿入装置１２，１３は、それぞれ関連の拡散ずみのデータフィールドの間に第１および第２のミドアンブルをそれぞれ挿入する。第１のミドアンブルは複数のアンテナ１５の第１のアンテナに関連づけてあり、第２のミドアンブルは複数のアンテナ１５の第２のアンテナに関連づけてある。拡散ずみのデータフィールドの間へのミドアンブルの挿入により、二つの通信信号バースト１７，１８がそれぞれ生ずる。通常の通信信号バースト１７は、図２に示すとおり、ミドアンブル、ガード期間および二つのデータフィールドｄ_１，ｄ_２を有する。二つのバースト１７，１８により変調をかけ、変調出力をアンテナ１５およびダイバーシティアンテナ１６経由で受信機２０に同時に送信する。

図２に戻ると、受信機２０は、二つの共同検出装置（ＪＤ）２４，ＢＳＴＴＤ復号器２２，チャネライゼーション装置２３およびアンテナ２６を備える。ＵＥ受信機のアンテナ２６は、送信機１０からの上記通信信号バースト１２，１８など種々のＲＦ信号を受信する。これらＲＦ信号を復調してベースバンド信号を生ずる。

そのベースバンド信号を共同検出装置（ＪＤ）２４およびチャネル推算装置２３に送る。チャネル推算装置２３はチャネルインパルス応答などのチャネル情報を共同検出装置（ＪＤ）２４に供給する。共同検出装置（ＪＤ）２４はチャネル推算装置２３に接続してあり、上記ＢＳＴＴＤ復号器はチャネル情報およびチャネライゼーション符号を用いて、受信信号の中の送信されてきた通信信号バースト１７，１８のデータフィールドｄ_１，ｄ_２，−ｄ_２ ^＊，ｄ_１ ^＊を検出する。この発明の好ましい実施例による受信信号の正確な信号モデルは次式、すなわち

で表される。ここで、ｒ_１およびｒ_２は受信信号を表し、ｄ_１およびｄ_２は第１および第２のデータフィールドの送信されてきたシンボル系列をそれぞれ表す。当業者には周知のとおり、ＡおよびＢはアンテナ１５および１６からのチャネルによる伝搬帯行列を表す。ｄ_１およびｄ_２はガード期間およびミドアンブルと境界を形成し、ミドアンブルは通常は打ち消されるので、データフィールド内符号化の中間項は消失する。

共同検出装置（ＪＤ）２４，２５は任意の種類のデータ検出方法を利用できるが、受信信号の上述の式を用いる方法が好ましい。データ検出に最小２乗平均符号器ブロック線形等化器（ＭＭＳＥＢＬＥ）を用いる手法が好ましい。ＭＭＳＥ ＢＬＥ利用のデータ検出は次式、すなわち

で表される。ここで

であり、Ｄ_１１＝Ａ^ＨＡ＋（Ｂ^ＨＢ）^＊＋σ_ｎ ^２Ｉ、Ｄ_２１＝（Ｂ^ＨＡ）^Ｔ−Ｂ^ＨＡであり、（・）^Ｔ，（・）^Ｈおよび（・）^＊は、転置行列、複素共役転置行列および複素共役関数をそれぞれ表す。Toeplitz帯行列のコレスキー分解への巡回約分および部分行列の一部への操作を用いて、データフィールドｄ_１，ｄ_２，−ｄ_２ ^＊、ｄ_１ ^＊を例えばブロックＳＴＴＤ ＢＬＥ−ＪＤにより共同検出装置（ＪＤ）２４で推算する。

この発明の通信システムの流れ図を図３に示す。受信機２０に送信すべきデータをデータ発生器が発生する（ステップ３０１）。データフィールドｄ_１，ｄ_２をブロック符号器１１および第１のチャネライゼーション装置８に送る（ステップ３０２）。ブロック符号器１１に送られたサブデータフィールドは符号化され（ステップ３０３）、第２のチャネライゼーション装置９に送られる（ステップ３０４）。チャネライゼーション装置８，９の各々はチャネライゼーション符号を用いてそれぞれのデータフィールド入力を拡散する（ステップ３０５）。二つの拡散ずみの信号を送信機１０に関連づけたスクランブル用符号によりスクランブルして（ステップ３０６）、ダイバーシティアンテナ１５，１６経由で受信機２０に送信する（ステップ３０７）。

受信機２０はダイバーシティアンテナ１５，１６からの上記二つの拡散ずみの信号を含むＲＦ信号を受信して（ステップ３０８）その信号を復調し、復調出力をチャネル推算装置２３および共同検出装置２４に送る（ステップ３０９）。受信信号はチャネル推算装置２３で信号処理し（ステップ３１０）、チャネル情報を共同検出装置２４，２５によりチャネライゼーション符号とともに用いてダイバーシティアンテナ１５，１６からの送信シンボルを推算するとともに復号化して（ステップ３１１）、データフィールドのソフトシンボルを生ずる。

この発明の上述の好ましい実施例は、ＣＤＭＡ通信システムにブロック空間時間送信ダイバーシティを用いて効率的なデータ送信の方法を提供する。図４は二つのデータフィールドを用いたこの発明によるＢＳＴＴＤと一つのデータフィールドによる慣用のＢＳＴＴＤを比較したこの発明のシステムの性能のグラフである。この発明による性能の改善は、二つのデータフィールドの間にミドアンブルおよびガード期間による分離があるためにそれら二つのデータフィールド相互間に干渉がないことに起因している。また、この発明においては、シンボル数が奇数のデータフィールドの送信の際に、初めのシンボルを２回用いること、またはそれ以外の補償方法をより単純なシステムで実行することにより、不等データフィールド符号化に対する補償を受信機が行う必要がない。

ＣＤＭＡなどによる第三世代広帯域移動無線通信方式の無線リンク品質の改善、システム容量の拡大に適用できる。

空間−時間送信ダイバーシティを用いた従来技術の通信システムのブロック図。 この発明の好ましい実施例による通信システムの送信機および受信機のブロック図。 この発明の送信ダイバーシティシステムの流れ図。 この発明の性能を示すグラフ。

符号の説明

３０１ 受信機に送信すべきデータを発生する
３０２ データフィールドをブロック符号器および第１のチャネライゼーション装置に送る
３０３ それらデータフィールドをブロック符号器で符号化する
３０４ 符号化ずみのデータフィールドを第２のチャネライゼーション装置に送る
３０５ 第１および第２のチャネライゼーション装置がそれぞれの入力データを拡散する
３０６ 拡散ずみの二つの信号をスクランブルする
３０７ スクランブルずみの信号を受信機に送信する
３０８ 受信機が上記送信機からのスクランブルずみの信号を含むＲＦ通信信号を受信する
３０９ ＲＦ通信信号を復調してチャネル推算装置および共同検出器に送る
３１０ その信号をチャネル推算装置で信号処理する
３１１ 共同検出装置が送信機からのシンボルを推算して復号化する

Claims (4)

1. アンテナアレーを有する送信機と受信機とを含む符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）通信システムにおいてデータシンボルを送信する方法であって、
   シンボルの第１および第２のデータフィールドを生成するステップと、
   前記第１および第２のデータフィールドを符号化して、前記第１のデータフィールドのシンボルの複素共役値および前記第２のデータフィールドの複素共役値の否定を作り出すステップと、
   第１および第２の通信バーストを生成するステップと
   を含み、
   前記第１の通信バーストは、第１のバーストミドアンブルの前に前記第１のデータフィールドを有し、かつ前記第２のデータフィールドの前にガード期間を有し、
   前記第２の通信バーストは、第２のバーストミドアンブルの前に前記第２のデータフィールドの前記複素共役値の否定を有し、かつ前記第１のデータフィールドの前記複素共役値の前にガード期間を有することを特徴とする方法。
2. 前記第１のミドアンブルに関連付けられた第１のアンテナ上で前記第１の通信バーストを送信し、前記第２のミドアンブルに関連付けられた第２のアンテナ上で前記第２の通信バーストを送信するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. シンボルの第１および第２のデータフィールドを符号化し、前記第１のデータフィールドのシンボルの複素共役値および前記第２のデータフィールドの複素共役値の否定を作り出す符号器と、
   第１のバーストミドアンブルの前に前記第１のデータフィールドを有し、かつ前記第２のデータフィールドの前にガード期間を有する第１の通信バーストを生成する第１のバースト発生器と、
   第２のバーストミドアンブルの前に前記第２のデータフィールドの前記複素共役値の否定を有し、かつ前記第１のデータフィールドの前記複素共役値の前にガード期間を有する第２の通信バーストを生成する第２のバースト発生器と
   を備えたことを特徴とする送信機。
4. 前記第１のミドアンブルに関連付けられた前記第１の通信バーストを送信する第１のアンテナと、
   前記第２のミドアンブルに関連付けられた前記第２の通信バーストを送信する第２のアンテナと
   をさらに備えたことを特徴とする請求項３に記載の送信機。

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