JP2009542122A - 干渉除去のための装置と方法 - Google Patents

Abstract

ソフトウェアあるいは低速のハードウェアを用いた干渉除去のための装置と方法。アンテナ信号が受信され選択される。選択の後、干渉除去処理が適用される。１つの実施形態において、該信号はスペクトラム拡散信号であり、選択は該信号を逆拡散することを含む。１つの例においては、干渉除去処理は位相回転ステップと規模操作ステップとを含む。

Description

この開示は一般に干渉除去のための装置と方法とに関連する。

無線通信システムにおいて、複数のソースあるいは複数のパスからの信号干渉は一般的な問題である。信号干渉は受信機によって受信されると信号の質に影響する。干渉除去は、信号対雑音比を増加させ、もってその信号の復号および／または検出を向上させるために無線受信機において用いられる技術である。

干渉除去のための様々な技術が無線通信システムにおいて用いられている。これらの技術は、干渉を除去するために分析および処理される着信信号サンプルストリームを含む。結果として生じる新たな信号サンプルストリームは、元の信号の復元時の追加処理のために、受信検出およびまたは復号ロジックに供給される。

干渉除去のための１つの技術は「ミニマムアンテナ結合＜minimum antenna combining＞」を備える。「ミニマムアンテナ結合」技術においては、複数のアンテナからの入力ストリームが、主要なソースからの信号を破壊的に結合するような方法で加えられる。これはノイズフロアを低下させ、元々ノイズフロアを下回る電力レベルにある微弱な信号を、検出可能にする。

干渉除去のための他の技術は、前もって検出および／または復号されている様々な信号に関連付けられている電力レベルを減じることを含む。これは同様にノイズフロアを低下させ、元々ノイズフロアを下回る電力レベルにある微弱な信号を、検出可能にする。

干渉除去のためのこれらの技術は、入力ストリームが、信号逆拡散より前に処理されることを必要とする。例えば、信号逆拡散に先んじて干渉除去を実行することは、典型的にはkHzレンジあるいはHzレンジではなく、MHzレンジ中の速度で個々のサンプルを処理することを必要とする。MHzレンジで作動するハードウェアは、典型的には、kHzレンジあるいはHzレンジで作動するハードウェアよりも複雑かつ高価である。信号逆拡散に先んじて干渉除去を実行することはまた、受信されたそのようなサンプルの格納を必要とする。個々のサンプルがハードウェアにおいて処理されるシステムにおいては、干渉除去技術は、特別用途のハードウェアブロック内に実装される。

従って、処理速度が低い周波数レンジにある干渉除去のための装置と方法とを供給することが望ましい。加えて、格納の必要性が最小限あるいは皆無である干渉除去のための装置と方法とを供給することが望ましい。さらに、干渉除去が特別用途のハードウェアブロックを利用することなくソフトウェアで実施可能な干渉除去を有する干渉除去のための装置と方法とを供給することが望ましい。

（関連出願に対する相互参照）
本出願は、２００６年６月２１日に出願され本願の譲受人に譲渡され参照によって本明細書に明確に引用された、「スペクトラム拡散システムにおける干渉除去に関する低コストの方法」と題された米国特許出願６０／８１５，６６６への優先権を主張する。

干渉除去のための装置と方法とが開示される。１つの局面に従い、干渉除去を処理するための受信システムは、信号を処理するための事前選択処理ユニットと、事前選択処理に接続され、信号を選択するためのセレクタと、セレクタから出力された信号に干渉除去を実行する干渉キャンセラとを備える。１つの実施形態において、干渉キャンセラは、信号に干渉除去を実行するためのハードウェアユニットを備える。他の実施形態においては、ハードウェアユニットは、位相モジュールと規模モジュールとを備える。１つの実施形態において、該信号はスペクトラム拡散信号であり、該セレクタは逆拡散器である。１つの実施形態において、該セレクタから出力された信号をコヒーレント積分するコヒーレント積分器が、セレクタに接続されている。

他の局面に従い、干渉除去の方法は、信号を事前処理することと、信号を選択することと、該信号を選択した後に該信号に干渉除去処理を実行することとを備える。

他の実施形態は、様々な実施形態が例示によって図示および記載されている以下の詳細な記述から、当業者にとって容易に理解できるようになることが理解される。これらの図と詳細な記述は、本質的に一例であるとみなされ、限定的であるとは見なされない。

図１は、スペクトラム拡散通信システムを示すブロック図である。 図２は、スペクトラム拡散信号のための送受信システムの例示である。 図３は、受信システムのブロック図を示す。 図４は、受信システムのブロック図を示す。 図５は、干渉除去を実行するためのフロー図である。 図６は、干渉除去のための従来の２アンテナシステムの利用を示す。 図７は、信号逆拡散とコヒーレント積分との後に起こるアンテナ重み付けを用いた干渉除去のための２アンテナシステムの利用を示す例である。 図８は、アンテナ重み付けが位相回転ステップと規模操作ステップとに分解される図７の干渉除去のための２アンテナシステムの他の例である。 図９は、信号逆拡散とコヒーレント積分との後に起こるアンテナ重み付けを用いた干渉除去スキームの効果と、従来の干渉除去スキームとを比較したグラフである。

添付図面に関連して以下に説明される詳細な説明は、本発明の様々な実施形態の記述として意図されており、本発明が実現されうる唯一の実施形態を表すようには意図されていない。本開示において記述される各実施形態は、単に本発明の実例や例示として提供され、他の実施形態に対して有利であったりあるいは推奨されていたりするとしては必ずしも解釈されるべきではない。本詳細な説明は、本発明の完全な理解を提供するための具体的な詳細を含む。しかしながら、本発明がこれらの具体的な詳細なしでも実現されうることは、当業者にとって明白であろう。いくつかの例において、周知の構成およびデバイスが、本発明の概念を曖昧にすることを避けるためにブロック図において示される。頭字語とその他記述用語とが単に簡便さと明確さのために用いられるが、本発明の範囲を限定するようには意図されていない。

図１は、加入者ユニット３が多数のスペクトラム拡散信号６ａ、６ｂ、６ｃを受信するスペクトラム拡散通信システム２を示すブロック図である。特に、加入者ユニット３は基地局４ａからの信号６ａを受信する。加入者ユニット３は、障害物５からの信号６ａの反射によって生じた信号６ｂもまた受信する。加えて加入者ユニット３は、基地局４ｂからのスペクトラム拡散信号６ｃを受信する。加入者ユニット３は、例えば、モバイル無線通信電話、衛星ラジオ電話、無線通信携帯情報端末（ＰＤＡ）などを含みうる。１つの実施形態において、加入者ユニット３は、信号を受信するための受信システムを含む。障害物５は、建物、橋、広告板、車などのように、加入者ユニット３に近接した任意の構造物でありうる。

信号６ａと６ｂは、同一の情報が２つの個別のパスに沿って搬送されるマルチパスの状況を例示する。この例において、同一の情報を搬送している２つのパスが存在するために、２つの信号６ａ，６ｂは、異なる振幅、位相、時間遅延を有しうる。本質的に、２つの信号６ａ，６ｂは、相互に干渉しあう。加えて、加入者ユニット３は、他の加入者ユニットに向けて基地局４ｂによって送信された信号６ｃを受信することができる。信号６ｃもまた、信号６ａ，６ｂと干渉する。図１に例示されていないさらなる干渉信号が、加入者ユニット３によって受信される可能性がある。

干渉除去の技術は、干渉信号を除去するために無線通信システムにおいて用いられる。図２は、スペクトラム拡散信号のための送受信システム１０の例示である。データ／音声信号１１ａは、予め定めた擬似雑音符号（ＰＮ符号）とともに拡散ユニット１２に入力される。送信されたスペクトラム拡散信号１３は、その後、送信アンテナ１４によって送信され、受信アンテナ１６によって受信される。拡散ユニット１２は、送信されるスペクトラム拡散信号１３の帯域幅を広げ、元々のデータ／音声信号１１ａの帯域幅より広くする。受信されたスペクトラム拡散信号１７は、送信されたスペクトラム拡散信号１３と同一の帯域幅を有する。受信されたスペクトラム拡散信号１７は、その後、該データ／音声信号１１ａを（理想的に）復元する逆拡散ユニット１８に入力される。予め定めた擬似雑音符号（ＰＮ符号）はまた、データ／音声信号１１ａを復元することを助ける逆拡散ユニット１８にも入力される。送信中に取り込まれた雑音と干渉によって、逆拡散ユニット１９の出力（データ／音声信号１１ｂ）は、データ／音声信号１１ａとは完全に同一とは限らない。１つの実施形態において、逆拡散ユニット１８の出力において、最小の干渉を伴うデータ／音声信号１１ａを復元するために、干渉が軽減される。この干渉除去処理は、低い速度レートを活用するために逆拡散ユニット１８の後に実行される。典型的には、受信されたスペクトラム拡散信号１７の帯域幅は、典型的にはｋＨｚレンジあるいはＨｚレンジにある逆拡散信号１９の帯域幅よりも大きいＭＨｚレンジにある。逆拡散信号１９に干渉除去を実行することによって、干渉除去処理のためのハードウェアは、ｋＨｚレンジあるいはＨｚレンジで逆拡散信号速度において作動する。

図３は、受信システム２０のブロック図である。受信システム２０は、少なくとも１つのアンテナ２１と受信ユニット２２ａを含む。受信ユニット２２ａは、選択前の信号処理のための事前選択処理ユニット２３を含む。そのような処理の例は、限定はされないが、増幅、バンドパスフィルタリング、周波数ダウンコンバージョン、振幅制限および自動利得制御を含むことができる。受信ユニット２２ａはまた、受信された信号を選択するための選択ユニット２５を含む。受信信号を選択するための選択ユニット２５の具体的な詳細は、用いられた複数のアクセス技術と無線伝達環境とに依存する。例えば、符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）を採用しているシステムは、ＰＮ符号を用いて受信信号の帯域幅を拡散し、選択ユニットは、望まれない信号および干渉から、受信された信号を選択する逆拡散器でありうる。選択ユニットの他の形態は、周波数デホッパ(dehopper)と時間デホッパとを含むことができる。当業者は、セレクタの構成は、本開示で挙げられた例に限られず、用いられた複数のアクセス技術と無線伝達環境とに依存することを理解するであろう。受信ユニット２２ａもまた、干渉除去を処理するための干渉キャンセラ２７を含む。１つの実施形態において、干渉キャンセラ２７はまた、ローパスフィルタリング、コヒーレント積分、信号検出、および／またはｄｃバイアス除去を処理する。他の実施形態においては、コヒーレント積分器２９（図示せず）が、干渉除去前に、選択ユニット２５の出力からの信号をコヒーレント積分する。

図４に示された１つの実施形態において、受信された信号はスペクトラム拡散信号である。この実施形態において、受信ユニット２２ｂはプリ逆拡散処理を実行するためのプリ逆拡散処理ユニット２４、受信された拡散スペクトラム信号を逆拡散するための逆拡散ユニット２６、およびポスト逆拡散処理を実行するためのポスト逆拡散処理ユニット２８を含む。プリ逆拡散処理の例は、限定はされないが、増幅、バンドパスフィルタリング、周波数ダウンコンバージョン、振幅制限および自動利得制御を含む可能性がある。１つの実施形態において、ポスト逆拡散処理ユニット２８は、干渉除去処理を実行するための干渉キャンセラ２７を含む。１つの実施形態において、ポスト逆拡散処理ユニット２８はまた、ローパスフィルタリング、コヒーレント積分、信号検出および／またはｄｃバイアス除去を処理する。

本開示で記述される様々な例示的な論理ブロック、モジュールおよび回路は、１または複数のプロセッサを用いて実行あるいは実装されうる。プロセッサは、マイクロプロセッサのような汎用プロセッサ、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）のような特殊アプリケーションプロセッサ、あるいはソフトウェアをサポート可能なその他任意のハードウェアプラットフォームでありうる。ソフトウェアは、ソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェア、マイクロコードあるいは任意の他の専門用語として呼ばれようと、プログラムコード、データ構造、あるいは命令を任意に組み合わせたものを意味すると広く解釈される。あるいは、プロセッサは、特定用途向けアプリケーション積分回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）、フィールドプログラマブルゲートアレー（ＦＰＧＡ）、コントローラ、マイクロコントローラ、状態機械、ディスクリートなハードウェアコンポーネントの組み合わせ、あるいはこれら任意の組み合わせでありうる。本明細書で記述される様々な例示的な論理ブロック、モジュール、および回路はまた、ソフトウェアを格納するための機械読取可能媒体を含むことができる。機械読取可能媒体はまた、データ信号をエンコードする搬送波、伝送線路、1または複数の格納デバイスを含みうる。

逆拡散処理と干渉除去との直線性によって、干渉除去のための処理が、逆拡散処理の後に生じるようになり、これによって、関連する処理要件および帯域幅要件が低減する。ポスト逆拡散処理の一部として、低減された帯域幅要件で干渉除去を実行することによって、限定されないが「ソフトウェアラジオ」として知られるソフトウェアのみの解決策を含むソフトウェアベースでの実現が使用されうる。加えて、（典型的にはより複雑ではなくより安価な）より低速のハードウェアが、ポスト逆拡散信号に対する干渉除去のために実装されうる。

図５は、干渉除去を実行するためのフロー図である。ステップ７０において、信号が少なくとも１つのアンテナに受信される。該受信された信号はその後ステップ７２において事前処理される。１つの例において、この事前処理ステップの一部として、ステップ７２において、アンテナ重み付けが行われる。ステップ７４において、該信号が選択される。１つの例において、該信号は信号選択が信号を逆拡散することを含むスペクトラム拡散信号である。ステップ７６において、ソースからの元の信号の復元を可能にするために該信号について干渉除去処理が実行される。

図６は、干渉除去のために、従来式の２アンテナシステム３０を用いることを例示する。該２アンテナシステム３０は、第１アンテナ３６と第２アンテナ３８とを含む。これら２つのアンテナは、互いに空間的にオフセットしている。１つの例において、送信ソース３２が望ましい信号を送信している一方、送信ソース３４は、干渉信号を送信していると仮定する。両アンテナ３６，３８によって受信された信号（望ましい信号と干渉信号）の処理は、干渉信号を抑え、望ましい信号を増強するために用いられる。通常、アンテナ重み付けは、より高速のスペクトラム拡散レートにある逆拡散処理の前に適用される。図６を参照すると、干渉除去のための従来技術においては、各アンテナ３６，３８からの入力ストリームが逆拡散され１つのストリーム３９に結合される前に、合成重みが該２つのストリームに適用される。１つの例において、該１つのストリーム３９は、元の信号を復元するためにコヒーレント積分あるいは非コヒーレント積分される。

図７は、信号逆拡散とコヒーレント積分との後に起こるアンテナ重み付けを用いた干渉除去のための２アンテナシステム４０の利用を例示している例である。１つの例において送信ソース４２は、望ましい信号を送信している一方、送信ソース４４は、干渉信号を送信していると仮定する。両アンテナ４６，４８によって受信された信号（望ましい信号と干渉信号）の処理は、干渉信号を抑え、望ましい信号を増強するために用いられる。ここで、アンテナ重み付けは、スペクトラム拡散レート（典型的にはＭＨｚレンジ）よりも低いレート（典型的にはｋＨｚレンジあるいはＨｚレンジ）にある逆拡散処理の後に適用される。図７を参照すると、干渉除去のためのアンテナ重み付けは、逆拡散処理の後、各ストリームに適用される。１つの実施形態において、コヒーレント積分あるいは非コヒーレント積分は、アンテナ重み付け処理の前に適用もされる。該２ストリームはその後、１つのストリーム４９に結合される。

数学的に、アンテナＡ（３６）の合成電圧ストリームはｉ０＋ｊｑ０として、アンテナＢ（３８）の合成電圧ストリームはｉ１＋ｊｑ１として表されうる。該信号が探索されるための符号は、（各信号が符号によって表されるＣＤＭＡのような環境を仮定して）ｉ２＋ｊｑ２と表されうる。さらに、各アンテナからのストリームに適用される重みがそれぞれａ０＋ｊｂ０、およびａ１＋ｊｂ１であると仮定する。ｉ０、ｑ０、ｉ１、ｑ１、ｉ２、ｑ２は、およそ長さＬのベクトルである一方、固定のチャネルに対するａ０、ｂ０、ａ１、ｂ１は、長さＬにわたって一定であることに留意されたい。フェージングチャネルに関して、変数は一般にｋＨｚあるいはＨｚのレートで変動する。

該干渉除去アルゴリズムは、数学的に以下のように表現されるアンテナ個別の重み付けの動作を開始する。その後、Ｎ個のチップにわたって逆拡散およびコヒーレント積分が行われる。

干渉アルゴリズムが線形性を有することを利用し、干渉除去処理は、逆拡散処理がなされた後に実行される。乗算は結合的であるので、総和部は以下の通り書き換えることが可能である。

この例において、該コヒーレント積分が１秒のオーダを超えないようにＮが選択される。しがたって、ａ０、ｂ０、ａ１およびｂ１は、Ｎ個にわたって一定である。この単純化によって、（ａ０＋ｊｂ０）と（ａ１＋ｊｂ１）を、総和の外に出すことができる。

上記式において示したように、総和は単純に、干渉除去処理からのいかなる操作もなく、Ｎ個のチップにわたったコヒーレント積分となる。したがって、アンテナ個別の重み付けは、信号逆拡散とコヒーレント積分との後に起こる。１つの実施形態においては、干渉除去は、ソフトウェアアルゴリズムを用いて実施されうる。他の実施形態においては、該干渉除去は、信号逆拡散およびコヒーレント積分の前にアンテナ重み付けがなされる干渉除去スキームよりも、低い帯域幅および処理要求でハードウェアにおいて実現されうる。

１つの実施形態において、干渉除去アルゴリズムは、２つの要素、すなわち位相と規模とに分解される。これらの２つの要素は、図８に示されているような独立した方法で、位相モジュールおよび規模モジュールによって、信号処理における異なる段階で適用されうる。１つの実施形態において、図８で例示されている合成重み付けの順序は、規模操作が位相回転に先行するように逆転されうる。典型的な実施形態においては、従来の信号処理を実行する際に存在する位相モジュールと規模モジュールとが、干渉除去のために活用される。１つの例において、規模操作のために自動利得制御（ＡＧＣ）ユニットが用いられ、位相操作のために回転子が用いられうる。

数学的に、重み付け式ａ０＋ｊｂ０は下記に等しい。

ここで、

である。

同様に、重み付け式ａ１＋ｊｂ１は下記に等しい。

ここで、

である。

したがって、重みは、規模パラメータＡ０，Ａ１と、回転パラメータｔａｕ０，ｔａｕ１とにそれぞれ分解されうる。１つの実施形態において、乗算の結合則と、加算の結合則とが実施される。回転操作と規模操作とが、計算プロセスにおける異なるポイントにおいて適用され、これによって、個別のＡＧＣブロックおよび回転子ブロックとを用いた既存の設計を、干渉除去目的のために利用できるようになる。

１つの実験において、信号逆拡散とコヒーレント積分のあとに起こるアンテナ重み付けを用いた干渉除去スキームの、従来の干渉除去スキームに対する効果を比較するためにMatlabスクリプトが著された。普遍性を失うことなく、アディティブ・ホワイト・ガウシアン・ノイズ（ＡＷＧＮ：Additive White Gaussian Noise）環境が仮定される。干渉除去からの感度利得が、様々なチャネル干渉状態のもと、両スキームについてプロットされている。結果は図９に示されている。予想通り、２つの干渉除去スキームに関する結果は同一である。なぜなら、１）測定された信号エネルギーが数学的に証明されたように同一であり、２）測定された総受信電力は、両スキームに関して同一の方法で計算された最小の固有値に直接起因するからである。

該開示された実施形態についての先の記述は、いかなる当業者も本発明を利用あるいは製造することが可能になるように提供される。これらの実施形態に対する様々な修正は当業者に容易に理解可能であろう。また本開示において定義された一般的な原理は、本発明の範囲及び趣旨から逸脱することなしに他の実施形態に対して適応されうる。

Claims (33)

1. 干渉除去を処理するための受信システムであって、
   信号を選択するセレクタと、
   前記セレクタから出力された信号に干渉除去を実行するための干渉キャンセラと
   を備える受信システム。
2. 前記信号を処理するための事前選択ユニットを更に備える請求項１に記載の受信システム。
3. 前記信号がスペクトラム信号である請求項１に記載の受信システム。
4. 前記セレクタが逆拡散器である請求項３に記載の受信システム。
5. 前記事前選択処理ユニットがMHzレンジのレートで作動する請求項２に記載の受信システム。
6. 前記干渉キャンセラが、ｋHzレンジあるいはHzレンジのレートで作動する請求項５に記載の受信システム。
7. 前記干渉キャンセラが、前記信号に干渉除去を実行するためのソフトウェアアルゴリズムを備える請求項１に記載の受信システム。
8. 前記干渉キャンセラが、前記信号に干渉除去を実行するためのソフトウェア無線通信を備える請求項１に記載の受信システム。
9. 前記干渉キャンセラが、前記信号に干渉除去を実行するためのハードウェアユニットを備える請求項１に記載の受信システム。
10. 前記ハードウェアユニットが、位相モジュールと規模モジュールとを備える請求項９に記載の受信システム。
11. 前記位相モジュールが回転子である請求項１０に記載の受信システム。
12. 前記規模モジュールが、自動利得制御（ＡＧＣ）ユニットである請求項１０に記載の受信システム。
13. 干渉除去を処理するための受信システムであって、
    信号を選択するための選択手段と、
    前記選択手段から出力された信号に干渉除去を実行するための干渉除去手段と
    を備える受信システム。
14. 信号を処理するための事前選択処理手段を更に備える請求項１３に記載の受信システム。
15. 前記干渉除去手段が、前記信号に干渉除去を実行するためのソフトウェアアルゴリズムを備える請求項１３に記載の受信システム。
16. 前記干渉除去手段が、前記信号に干渉除去を実行するためのハードウェアユニットを備える請求項１３に記載の受信システム。
17. 干渉除去を処理するための受信システムであって、
    信号を選択するためのセレクタと、
    セレクタに接続され、前記セレクタから出力された信号をコヒーレント積分するコヒーレント積分器と、
    前記コヒーレント積分器から出力された信号に干渉除去を実行するための干渉キャンセラと
    を備える受信システム。
18. 前記セレクタが逆拡散器である請求項１７に記載の受信システム。
19. 干渉除去のための方法であって、
    信号を選択することと、
    前記信号を選択した後に前記信号に干渉除去処理を実行することと
    を備える方法。
20. 少なくとも１つのアンテナを用いて前記信号を受信することを更に備える請求項１９に記載の方法。
21. 前記信号がスペクトラム拡散信号である請求項１９に記載の方法。
22. 前記信号を選択するために逆拡散器が用いられる請求項２１に記載の方法。
23. 前記信号を選択した後でかつ前記信号に干渉除去処理を実行する前に前記信号をコヒーレント積分することを更に備える請求項１９に記載の方法。
24. 干渉除去処理がｋＨｚレンジあるいはＨｚレンジで作動する請求項２３に記載の方法。
25. 干渉除去を実行するためにソフトウェアアルゴリズムが用いられる請求項１９に記載の方法。
26. 干渉除去を実行するためにソフトウェア無線通信が用いられる請求項１９に記載の方法。
27. 干渉除去を実行するためにハードウェアユニットが用いられる請求項１９に記載の方法。
28. 前記ハードウェアユニットが、位相モジュールと規模モジュールとを備える請求項２７に記載の方法。
29. 前期位相モジュールが回転子である請求項２８に記載の方法。
30. 前記規模モジュールが自動利得制御（ＡＧＣ）ユニットである請求項２８に記載の方法。
31. 干渉除去を実行するようにコンピュータによって実行可能な命令のプログラムを組み込んだ機械読取可能媒体であって、
    信号を選択する命令と、
    前記信号を選択した後に前記信号に干渉除去処理を実行する命令と
    を備える機械読取可能媒体。
32. 前記信号がスペクトラム拡散信号である請求項３１に記載の機械読取可能媒体。
33. 前記信号を選択した後でかつ前記信号に干渉除去処理を実行する前に、前記信号をコヒーレント積分するための命令を更に備える請求項３１に記載の機械読取可能媒体。

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