JP2011097506A - プリアンブル信号検出装置及び検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】無線通信システムにおけるランダムアクセスチャネル（ＲＡＣＨ）におけるプリアンブル信号検出装置及び検出方法に関し、１つのユーザ端末からのプリアンブル信号のサイドピークを、他ユーザ端末からのプリアンブル信号として検出してしまうのを防ぐ。
【解決手段】無線受信部１−１で受信し、チャネル分離部１−２で分離されたＲＡＣＨ信号に対してプリアンブル系列との相関を相関算出部１−３で算出し、プリアンブル検出部１−４で相関値のピークを検出する。サイドピーク検出部１−５は、該相関値のピークがサイドピークであるか否かを判定し、プリアンブル補正部１−６は、サイドピークと判定された相関値のピークをプリアンブル信号検出結果から除外する。サイドピーク検出部１−５は、統計確率的な手法を用いてサイドピークの判定を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プリアンブル信号検出装置及び方法に関する。本発明は、例えば、無線通信システムにおけるランダムアクセスチャネル（ＲＡＣＨ）におけるプリアンブル信号の検出装置及び検出方法に適用することができる。

無線通信システムの３ＧＰＰ（３rd Generation Partnership Project）で規格化されるＬＴＥ（Long Term Evolution）システムでは、ユーザ端末の初期アクセスやタイミング制御等にランダムアクセスチャネル（ＲＡＣＨ）信号が用いられる。図４にランダムアクセス手順の一例を示している。図４において、ユーザ端末４−２は、無線基地局４−１において予め用意されているランダムアクセスチャネル（ＲＡＣＨ）の複数のプリアンブル信号（ＬＴＥシステムでは最大６４個）の中から、通信に使用すべきプリアンブル信号を選択する。

ユーザ端末４−２は、未使用状態のプリアンブル信号を選択してメッセージ＃１として無線基地局４−１に送信する。無線基地局４−１は、常時、ランダムアクセスチャネル（ＲＡＣＨ）のプリアンブル信号の到来をモニタしている。そして、無線基地局４−１は、プリアンブル信号を検出すると、メッセージ＃２としてランダムアクセスチャネル（ＲＡＣＨ）の応答信号を返送する。

ユーザ端末４−２は、ランダムアクセスチャネル（ＲＡＣＨ）の応答信号を受信すると、メッセージ＃３によりユーザ端末識別番号等を送信する。無線基地局４−１は、メッセージ＃３に対して応答のメッセージ＃４を返送する。

ここで、ランダムアクセスチャネル（ＲＡＣＨ）のプリアンブル信号について説明する。ＬＴＥシステムでは、ランダムアクセスチャネル（ＲＡＣＨ）のプリアンブル信号ｘ_ｕ（ｎ）は、Ｚａｄｏｆｆ−ｃｈｕ系列を用いて生成され、下記式（１）で表される。

ｕ：系列番号
ｎ：シンボル番号
Ｌ：系列長

ＬＴＥシステムのランダムアクセス手順では、式（１）で表されるＺａｄｏｆｆ−Ｃｈｕ系列のプリアンブル信号ｘ_ｕ（ｎ）がユーザ端末４−２から送信され、無線伝送路を介して伝播され、無線基地局４−１で受信される。ここで、無線伝送路上でドップラーシフト等による周波数偏差Ｆｏｆｆが発生したものとする。この場合、受信信号系列ｙ_ｕ（ｎ，Ｆ_ｏｆｆ）は、下記の式（２）で表される。

なお、式（２）において、ＴはＺａｄｏｆｆ−Ｃｈｕ系列の時間長であり、ＬＴＥシステムでは０．８ｍ秒である。

受信装置では、レプリカ系列ｘ_ｕと受信信号系列ｙ_ｕとの相関を計算する。なお、レプリカ系列ｘ_ｕは、送信装置から送信されるＺａｄｏｆｆ−Ｃｈｕ系列であり、上記式（１）で表される。また、受信信号系列ｙ_ｕは、送信装置から送信されるＺａｄｏｆｆ−Ｃｈｕ系列が受信装置で受信されたものである。受信装置で計算されるＺａｄｏｆｆ−Ｃｈｕ系列についての自己相関値Ｒ_ｕは、下記の式（３）で表される。

式（３）のＲ_ｕ（ｌ，Ｆ_ｏｆｆ）は、シンボル番号ｌの自己相関値である。式（３）において「ｘ（ｌ＋ｎ）^＊」は「ｘ（ｌ＋ｎ）」の共役複素数である。また、式（３）において「ｅのｊπ（ｌ^２+ｌ）乗」の項は大きさが１で無視することができ、最終式が導出される。

ここで、上記式（３）において周波数偏差Ｆ_ｏｆｆがゼロであるとする。即ち、送信装置から送信されたＺａｄｏｆｆ−Ｃｈｕ系列の周波数が変わることなく、受信装置で受信されるものとする。この場合、相関値Ｒ_ｕ（ｌ，０）の計算結果は下記の式（４）の通りである。

このように、Ｚａｄｏｆｆ−Ｃｈｕ系列は、理想的な自己相関特性を有している。ところが、無線伝送路上でドップラーシフト等による周波数偏差Ｆ_ｏｆｆが生じると、Ｚａｄｏｆｆ−Ｃｈｕ系列の自己相関特性は劣化する。

図５に、系列番号５（ｕ＝５）、系列のシンボル数８３９（Ｎｚｃ＝８３９）、周波数偏差４００Ｈｚ（Ｆ_ｏｆｆ＝４００）の場合の相関プロファイルの例を示している。図５において横軸はシンボル番号ｌの時系列、縦軸は正規化相関値を表している。図５から明らかなように、シンボル番号ｌが０の点以外の点にも大きな相関値ピークが生じる。周波数偏差Ｆ_ｏｆｆが４００Ｈｚの場合の最大サイドピーク位置をｄｐ、周波数偏差Ｆ_ｏｆｆ＝−４００Ｈｚの場合の最大サイドピーク位置をｄｍとすると、式（３）から最大サイドピーク位置ｄｐ，ｄｍは式（５）を満たす。

表１に系列長Ｌが８３９の場合におけるプリアンブル系列番号ｕと最大サイドピーク位置ｄｐ，ｄｍとの対応関係を示す。式（５）及び表１から明らかなように、サイドピーク位置は周波数偏差に依存しない。

ＬＴＥシステムにおいては、上述のプリアンブル系列（Ｚａｄｏｆｆ−Ｃｈｕ系列）の選択に加え、各プリアンブル系列に対してサイクリックシフトを行うことによりユーザ間多重が行われる。ＬＴＥシステムで規定されている非制限セット（unrestricted set）のサイクリックシフトによるプリアンブル系列は、式（６）により与えられる。

式（６）において、Ｎｚｃはプリアンブル系列（Ｚａｄｏｆｆ−Ｃｈｕ系列）のシンボル数であり、ＬＴＥシステムではＮｚｃ＝８３９である。また、Ｎｃｓは、サイクリックシフト数であり、１回のサイクリックシフトで循環移動させるシンボル数である。サイクリックシフトは、プリアンブル系列のＮｚｃ個のシンボルのうち、後方部分のＮｃｓ個のシンボルを、プリアンブル系列の前方部へ順々に移動させることにより生成される。

表２にサイクリックシフト数Ｎｃｓの値の例を示す。表２の左端欄は、サイクリックシフト数Ｎｃｓの構成情報（インデックス番号）を、表２の中央欄は、サイクリックシフト数Ｎｃｓの値を表している。表２の右端欄にはサイクリックシフトによるユーザ多重数を示している。このＮｃｓテーブルは３ＧＰＰ ＴＳ３６．２１１により規定されている。

一例としてサイクリックシフト数Ｎｃｓが１１９の場合、１系列のプリアンブルにつき、式（６）の「Ｎｚｃ／Ｎｃｓ（少数以下切り下げ）」より、最大７（＝８３９÷１１９（少数以下切り下げ））のユーザ端末がサイクリックシフトによって多重化されることになる。

図６は、プリアンブル系列番号２（ｕ＝２）、サイクリックシフト数１１９（Ｎｃｓ＝１１９）の場合の自己相関特性の例を示している。図６は、２つのユーザ端末からそれぞれサイクリックシフト番号０（ｖ＝０）とサイクリックシフト番号３（ｖ＝３）のプリアンブルが送信された場合を示している。サイクリックシフト番号ｖは、サイクリックシフト数Ｎｃｓのシンボルを循環移動させた回数に対応している。

基地局では、図６に示すように、サイクリックシフト数Ｎｃｓ毎に時間的にシフトさせた検出区間（ｖ＝０，ｖ＝１，ｖ＝２，ｖ＝３，・・・，Ｎｚｃ／Ｎｃｓ（小数点以下切り下げ）−１）を設け、検出区間毎に各ユーザ端末から送信されたプリアンブル信号を検出する。

サイクリックシフト番号０（ｖ＝０）とサイクリックシフト番号３（ｖ＝３）のプリアンブルがそれぞれユーザ端末から送信された場合、基地局では、各サイクリックシフト番号に対応した検出区間（ｖ＝０及びｖ＝３）で、各ユーザ端末からのプリアンブル信号が検出される。

プリアンブル信号の相関演算において、受信したプリアンブル信号を一旦ＦＦＴ処理して周波数領域に変換し、それとプリアンブルコードをＦＦＴ処理したものとの相関を求め、ＩＦＦＴ処理することにより、ソフト的にプリアンブルコードを特定する技術等は、例えば下記の特許文献１等によって知られている。

また、３ＧＰＰで規格化されているランダムアクセスチャネル（ＲＡＣＨ）のプリアンブル系列及びサイクリックシフト等については、下記の非特許文献１等に記述されている。

特開２００４−３２５６８号公報

３ＧＰＰ ＴＳ３６．２１１ Ｖ８．７．０（２００９−０５）「3rd Generation Partnership Project ; Technical Specification Group Radio Access Network ; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) ; Physical Channels and Modulation (Release 8)」ｐ．３９−４３

プリアンブル系列のサイクリックシフトが行われるシステムにおいて、前述の周波数偏差Ｆ_ｏｆｆによって発生するサイドピークが、サイクリックシフト多重により送信される他ユーザ端末のプリアンブル信号の検出区間に出現すると、他ユーザ端末のプリアンブル信号として誤って検出してしまうという問題が発生する。

図７は、系列番号２（ｕ＝２）、サイクリックシフト数１１９（Ｎｃｓ＝１１９）、サイクリックシフト番号０（ｖ＝０）のプリアンブル信号に、周波数偏差が発生した場合の自己相関特性の例を示している。ここで、サイドピーク位置ｄｐは、式（５）（又は表１）から４２０（ｄｐ＝４２０）であり、図７に示すように、サイクリックシフト番号３の検出区間（ｖ＝３）と重なる。従って、この場合は、サイクリックシフト番号３（ｖ＝３）のプリアンブル信号として検出してしまう。

上述のように、１つのユーザ端末からのプリアンブル信号のサイドピークであるにも拘わらず、他ユーザ端末からのプリアンブル信号として検出してしまうと、図４のランダムアクセス手順に示すように、誤ってランダムアクセスチャネル（ＲＡＣＨ）の応答信を送信することになり、周波数利用効率の低下、消費電力の増加などを引き起こすこととなる。

上記課題を解決する一形態としてのプリアンブル信号検出装置は、自己相関特性における相関値のサイドピーク位置が周波数偏差に依存しないプリアンブル信号を検出するプリアンブル信号検出装置であって、受信した前記プリアンブル信号の相関値を算出する相関算出部と、前記プリアンブル信号の相関値のピークがサイドピークであるか否かを判定するサイドピーク検出部と、前記サイドピーク検出部でサイドピークと判定された相関値のピークを、プリアンブル信号検出結果から除外する検出プリアンブル補正部と、を備えたものである。

サイクリックシフト多重により送信される他ユーザ端末のプリアンブル信号の検出区間に出現するサイドピークを、他ユーザ端末のプリアンブル信号として検出することを防ぐことができる。

プリアンブル信号検出装置の構成例を示す図である。 サイドピーク検出処理のフローを示す図である。 最大ピークサイド位置から閾値Ｂの範囲内でサイドピークを判定する実施形態の説明図である。 ランダムアクセス手順の一例を示す図である。 周波数偏差が生じる場合の相関プロファイルの例を示す図である。 サイクリックシフト多重の場合の自己相関特性の例を示す図である。 周波数偏差が発生した場合の自己相関特性の例を示す図である。

上記課題を解決するためのプリアンブル信号検出装置の構成例を図１に示す。図１において、無線受信部１−１は無線信号の受信を行い、チャネル分離部１−２はランダムアクセルチャネル（ＲＡＣＨ）におけるプリアンブル信号とその他の物理チャネル信号とを分離する。

相関処理部１−３はプリアンブル信号の自己相関演算処理を行い、プリアンブル検出部１−４は、相関処理部１−３から出力される相関値のピーク位置及びピークレベルを基に、ユーザ端末で使用されたプリアンブル系列番号とサイクリックシフト番号とを推定する。

サイドピーク検出部１−５は、相関値のピークがサイドピークであるか他のユーザ端末からのサイクリック多重されたプリアンブル信号であるか否かの判定を行う。検出プリアンブル補正部１−６は、サイドピークと判定された相関値のピークに対して、該ピークに該当するプリアンブル系列番号及びサイクリックシフト番号のプリアンブル信号を、プリアンブル検出結果から削除する。

ここで、サイドピークの検出について説明する。サイドピークの検出は、検出したプリアンブル信号の相関値のピーク数と使用可能な最大プリアンブル信号数（プリアンブル系列数）との比を基に、サイドピークであるかどうか判定を行う。このような判定により統計確率的に高い確率でサイドピークの判定を行うことができる。

以下に、検出したプリアンブル信号の相関値のピーク数が２の場合を例に挙げて具体的に説明する。ユーザ端末が用いるプリアンブル信号は、使用可能な最大プリアンブル信号数（プリアンブル系列数）のプリアンブル信号の中からランダムに選択される。

従って、或るユーザ端末が送信したプリアンブル信号の相関値のサイドピーク位置に重なるプリアンブル系列番号とサイクリックシフト番号の組のプリアンブル信号を他のユーザ端末が使用する確率Ｐは、以下の式（７）で表すことができる。
Ｐ＝（Ｎ−１）／（Ｚ−１） （７）
Ｎ：検出したプリアンブル信号数（相関値のピーク数）
Ｚ：使用可能な最大プリアンブル信号数（プリアンブル系列数）

検出したプリアンブル信号の相関値のピーク数Ｎが２、使用可能な最大プリアンブル信号数（プリアンブル系列数）Ｚが６４の場合、サイドピーク位置に他のユーザ端末のプリアンブル信号が重なる確率Ｐは、（２−１）÷（６４−１）＝１÷６３＝１．６％となり非常に低く、この場合はサイドピークである確率が高い。つまり、上述の確率Ｐと所定の閾値とを比較し、該確率Ｐが閾値以下であれば、サイドピークである可能性が高いと判断し、他のユーザ端末からのプリアンブル信号として検出しないようにする。

なお、上述の閾値を例えば５０％とし、上述の確率Ｐが５０％以下であればサイドピークと判定し、５０％以上であれば他のユーザ端末からのプリアンブル信号であると判定するなど、単純に可能性の高い方を選択する構成とすることも可能である。また、５０％等の閾値に重み係数を乗じた閾値とし、何れか一方に重みを付けて判定する構成とすることも可能である。

次に、上述のサイドピーク検出部１−５における処理について、図２のフローチャートを参照して説明する。図２に示すように、プリアンブル検出部１−４で検出したプリアンブル信号の相関値のピーク数Ｎから、他のユーザ端末のプリアンブル信号の可能性の確率Ｐを前述の式（７）により算出し、該確率Ｐと閾値とを比較する（ステップ２−１）。

該確率Ｐが閾値以上の場合は、他のユーザ端末からのプリアンブル信号である確率が高く、サイドピークである確率が低いため、サイドピーク検出処理を終了する。一方、該確率Ｐが閾値以下の場合は、検出したＮ個のプリアンブル信号（相関値のピーク）の各々について、他のＭ（＝Ｎ−１）個のプリアンブル信号（相関値のピーク）に対して、以下の関係にあるか否かを調べる。

即ち、各プリアンブル信号ｎ（相関値のピーク）に対し、その最大ピークサイド位置ｄｐ（ｎ）又はｄｍ（ｎ）が、他のプリアンブル信号ｍの検出区間（ｍ）と重なっているか否かの判定を行う（ステップ２−２）。重なっている場合は、他のプリアンブル信号ｍの検出区間（ｍ）に出現した相関値のピークはサイドピークであると判定し、プリアンブル検出結果から除外する（ステップ２−３）。

以降、検出した全プリアンブル信号数Ｎ個分についてサイドピークかいなかを調べ、サイドピーク検出の処理を終了する。なお、最大ピークサイド位置ｄｍ及びｄｐと他のプリアンブル信号の検出区間との重なりについては、サイクリックシフト数Ｎｃｓの検出区間内の全てに亘って判定するのではなく、所定の閾値Ｂを設定し、図３に示すように、ｄｐ±Ｂの範囲内に相関値のピークが出現していた場合に、該相関値のピークはサイドピークであると判定する構成とすることも可能である。

なお、図３では最大サイドピーク位置ｄｐについての実施形態を示しているが、最大サイドピーク位置ｄｍに対しても同様にｄｍ±Ｂの範囲以内に相関値のピークが出現していた場合に、該相関値のピークはサイドピークであると判定する。

１−１ 無線受信部
１−２ チャネル分離部
１−３ 相関処理部
１−４ プリアンブル検出部
１−５ サイドピーク検出部
１−６ 検出プリアンブル補正部

Claims (6)

1. 自己相関特性における相関値のサイドピーク位置が周波数偏差に依存しないプリアンブル信号を検出するプリアンブル信号検出装置であって、
   受信した前記プリアンブル信号の相関値を算出する相関算出部と、
   前記プリアンブル信号の相関値のピークがサイドピークであるか否かを判定するサイドピーク検出部と、
   前記サイドピーク検出部でサイドピークと判定された相関値のピークを、プリアンブル信号検出結果から除外する検出プリアンブル補正部と、
   を備えたことを特徴とするプリアンブル信号検出装置。
2. 前記サイドピーク検出部は、使用可能な最大プリアンブル信号数に対して、検出されたプリアンブル信号の相関値のピーク数が所定の閾値以下のとき、サイクリックシフト数毎の検出区間で検出されるプリアンブル信号の各相関値のピークについて、サイクリックシフト多重された他のプリアンブル信号の最大サイドピーク位置の検出区間で検出された相関値のピークをサイドピークであると判定することを特徴とする請求項１に記載のプリアンブル信号検出装置。
3. 前記サイドピーク検出部は、前記サイクリックシフト数毎の検出区間の範囲より狭く、前記サイクリックシフト多重された他のプリアンブル信号の最大サイドピーク位置から所定の閾値の範囲内で検出された相関値のピークをサイドピークであると判定することを特徴とする請求項２に記載のプリアンブル信号検出装置。
4. 自己相関特性における相関値のサイドピーク位置が周波数偏差に依存しないプリアンブル信号を検出するプリアンブル信号検出方法であって、
   受信した前記プリアンブル信号の相関値を算出する第１のステップと、
   前記プリアンブル信号の相関値のピークがサイドピークであるか否かを判定する第２のステップと、
   前記第２のステップでサイドピークと判定された相関値のピークを、プリアンブル信号検出結果から除外する第３のステップと、
   を含むことを特徴とするプリアンブル信号検出方法。
5. 前記第２のステップにおいて、使用可能な最大プリアンブル信号数に対して、検出されたプリアンブル信号の相関値のピーク数が所定の閾値以下のとき、サイクリックシフト数毎の検出区間で検出されるプリアンブル信号の各相関値のピークについて、サイクリックシフト多重された他のプリアンブル信号の最大サイドピーク位置の検出区間で検出された相関値のピークをサイドピークであると判定することを特徴とする請求項４に記載のプリアンブル信号検出方法。
6. 前記第２のステップにおいて、前記サイクリックシフト数毎の検出区間の範囲より狭く、前記サイクリックシフト多重された他のプリアンブル信号の最大サイドピーク位置から所定の閾値の範囲内で検出された相関値のピークをサイドピークであると判定することを特徴とする請求項５に記載のプリアンブル信号検出方法。

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