JP2011507359A - キャリア間干渉が限定された無線通信ネットワークのチャネル推定方法及びシステム - Google Patents

Abstract

無線通信チャネル推定方法及びシステム。周波数オフセット仮説値が決定される。周波数オフセット仮説値に基づくチャネル間干渉（ＩＣＩ）行列が生成される。ＩＣＩ行列に基づくパイロットチャネル推定値が取得される。周波数オフセット仮説値に対するパイロットチャネル推定値の相関誤差が計算される。相関誤差は、所定の相関誤差値と比較される。周波数オフセット仮説値が更新され、相関誤差が所定の相関誤差値より大きい場合、上述したステップが繰り返される。パイロットチャネル推定値が、無線通信チャネルを推定するのに利用される。

Description

本発明は、無線ネットワーク通信に関し、特にキャリア間干渉が存在する無線チャネルを推定する方法及びシステムに関する。

信頼性できる高データスループットの無線通信ネットワークに対する需要が現在ほど大きくなったことはない。当初の消費者及び企業の要求は音声通信をサポートするための無線通信技術のためのものであったが、この要求は膨大なユーザ数と帯域幅要求との双方に関して増大してきた。後者は無線ブロードバンドデータサービスの要求の結果である。これらのサービスは、無線インタフェース技術として直交周波数分割多重接続（ＯＦＤＭＡ）技術を利用する３ＧＰＰ Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ（ＬＴＥ）に基づく第４世代（４Ｇ）無線システム、ＩＥＥＥ８０２．１６ｅ ＷｉＭａｘ及び３ＧＰＰ２ Ｕｌｔｒａ Ｍｏｂｉｌｅ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ（ＵＭＢ）などにより提供される。これら４Ｇシステムは、時速３５０ｋｍまでのモビリティをサポートすることが義務付けられ、このようなシステムは、５ＧＨｚまでの各種チャネル周波数帯において配置可能である。

ＯＦＤＭＡは、大きなチャネル帯域幅が多数の直交する狭い帯域のサブキャリアに分割される変調多重無線ネットワーク接続方式である。情報データシンボルはこれらのサブキャリア上に変調される。サブキャリアは狭帯域であるため、ＯＦＤＭＡシンボルはより長い期間を有する。ＯＦＤＭＡシンボルは、長いシンボル期間の結果として、無線（無線ネットワーク）チャネルからのマルチパス及びシンボル間干渉の影響を相対的に受けない。

実際的に使用では、ＯＦＤＭＡを用いて送信されるシンボルは、送信信号の振幅及び位相を歪ませる無線フェージングチャネルを伝搬する。他方、チャネル誘発される振幅及び位相は、ＯＦＤＭＡサブキャリアからの情報シンボルを正しく復調するため、受信機において推定される必要がある。従って、チャネル推定が受信機の機能の重要な側面となる。ＯＦＤＭＡシステムにおけるチャネル推定を支援するため、ＯＦＤＭＡシンボルのサブキャリアの一部はパイロットとして用いるため確保される。パイロットサブキャリアは、受信機に事前に知らされているシンボル、すなわち、ユーザデータ情報シンボルでないシンボルを搬送する。

ＯＦＤＭＡチャネル推定は、通常は２ステップの処理である。第１ステップは、既知のシンボルを搬送するパイロットサブキャリアについてチャネルを推定するものである。第２ステップは、パイロットサブキャリアからのチャネル推定を用いて情報データを搬送するサブキャリアのチャネル推定を補間するものである。このような補間を実行するため、リニア補間、２次補間、スプライン補間、低パスフィルタリングによる補間などの既知の方法がいくつか存在する。

補間したチャネル推定を正確なものにするため、パイロットサブキャリアから取得される推定は大変正確なものである必要があることは当然である。従って、チャネル障害及び干渉が存在する際に正確なパイロットサブキャリアチャネル推定を抽出する第１ステップは、重要なステップである。ＯＦＤＭＡシステムの主要な干渉源は、キャリア間干渉（ＩＣＩ）として知られる。ＩＣＩは、サブキャリアを相互干渉させ、信号対ノイズ比（ＳＮＲ）の劣化を生じさせる。ＩＣＩは、受信モバイル端末のモビリティによるドップラーオフセット及びスプレッドによるサブキャリアのスペクトル広がりにより生じる可能性がある。受信周波数のドップラーシフト／スプレッドは、

として記述できる。

式（１）において、ｆ_ｄは受信周波数におけるドップラーシフト／スプレッドであり、ｆ_ｃはチャネル送信／受信周波数であり、νは受信端末の速度であり、ｃは光の速度である。ドップラーシフト／スプレッドがサブキャリ間隔の１％より大きくなる従って、ＩＣＩはパイロットＳＮＲを低下させ、パイロットチャネル推定及び結果としての補間されたチャネル推定を不正確にする。高いＩＣＩレベルでの信頼できないチャネル推定は、復調されたデータのエラー確率を有意に増大させる。例えば、ドップラーシフトがサブキャリア間隔の１０％であるとき、０．０１のビットエラーレート（ＢＥＲ）においてほぼ１５ｄＢのＳＮＲの低下が生じることが判明している。

上述されるように、４Ｇ無線通信技術は、ＬＴＥ、ＷｉＭａｘ及びＵＭＢを含む。サブキャリア間隔は、ＬＴＥ、ＷｉＭａｘ及びＵＭＢのそれぞれについて１５ＫＨｚ、１０．９４ＫＨｚ及び９．６ＫＨｚである。時速３５０ｋｍのモビリティで５ＧＨｚのチャネル周波数について、ドップラーシフトは、ＬＴＥ、ＷｉＭａｘ及びＵＭＢベース無線システムのそれぞれについて１０．８％、１４．８１％及び１６．８８％のサブキャリア間隔となる。この結果は、従来のチャネル推定方法が受信機において用いられるとき、時速３５０ｋｍの移動速度で５ＧＨｚのチャネル周波数において、ＳＮＲ対ＢＥＲの１５ｄＢを超えるパフォーマンスの低下が予想されるということである。すなわち、サブキャリアが拡げられ、互い干渉し始めるため、ドップラーシフトが増大するとＩＣＩが増加する。

チャネル推定技術は、実際のチャネルと推定されたチャネルとの間の平均二乗誤差が最小化されるように、チャネルを推定しようとする。フィルタリングベースの技術は、実現するのが簡単であるが、動作環境がモバイル端末のモビリティ、例えば、速度や状態などの変動を生じさせるとき、実現するのが極めて困難なフィルタの帯域幅の最適化を必要とする。

最小平均二乗誤差（ＭＭＳＥ）推定手段がまた利用された。ＭＭＳＥ技術は、チャネル状態の２次統計量を利用してチャネル推定の平均二乗誤差を最小化する。ＭＭＳＥ推定手段を用いたパフォーマンスは、低いモビリティでは良好であるが、高いモビリティでは劣化する。ＭＭＳＥ推定手段の大きな欠点は、（ｉ）チャネルの２次モーメントを知る必要があることと、（ｉｉ）特にデータが変更される度に行列反転が必要となる場合、高い計算複雑さとである。このため、ＭＭＳＥ推定手段はモバイル端末内に搭載するには適していない。

最小二乗（ＬＳ）技術に基づく方法もまた試みられてきた。ＬＳ技術は、チャネルの統計量の知識を必要としない。しかしながら、ＬＳ推定手段は極めて低い複雑さによる計算しか使用しないため、特に低ＳＮＲ状態では高い平均二乗誤差を被る。

従って、より正確に無線通信茶得る状態を推定することが可能であって、無線モバイル装置に搭載可能なシステム及び方法を有することが望まれる。このような推定は、ＩＣＩがファクタとなる無線ブロードバンド通信システムに搭載するのに適したものであるべきである。

本発明は、効果的には、ＯＦＤＭ無線通信チャネルなどの無線通信チャネルを推定するための方法及びシステムを提供する。

一態様によると、本発明は、無線通信チャネル推定方法を提供する。周波数オフセット仮説値が決定される。周波数オフセット仮説値に基づくチャネル間干渉（ＩＣＩ）行列が生成される。ＩＣＩ行列に基づくパイロットチャネル推定値が取得される。周波数オフセット仮説値に対するパイロットチャネル推定値の相関誤差が計算される。相関誤差は、所定の相関誤差値と比較される。周波数オフセット仮説値が更新され、相関誤差が所定の相関誤差値より大きい場合、上述したステップが繰り返される。パイロットチャネル推定値が、無線通信チャネルを推定するのに利用される。

他の態様によると、本発明は、無線信号からの無線通信チャネル推定システムを提供する。アンテナが無線通信信号を受信する。受信機はアンテナと通信する。受信機は、
（ａ）周波数オフセット仮説値を決定するステップと、
（ｂ）前記周波数オフセット仮説値に基づきチャネル間干渉（ＩＣＩ）行列を生成するステップと、
（ｃ）前記ＩＣＩ行列に基づきパイロットチャネル推定値を取得するステップと、
（ｄ）前記周波数オフセット仮説値に対する前記パイロットチャネル推定値の相関誤差を計算するステップと、
（ｅ）前記相関誤差と所定の相関誤差値とを比較するステップと、
（ｆ）前記周波数オフセット仮説値を更新し、前記相関誤差が前記所定の相関誤差値より大きい場合、ステップ（ａ）〜（ｅ）を繰り返すステップと、
（ｇ）前記パイロットチャネル推定値を用いて無線通信チャネルを推定するステップと、
を実行する。

本発明のより完全な理解と、付随する効果及び特徴とは、添付した図面に関して考慮されるとき、以下の詳細な説明を参照することによってより容易に理解される。
図１は、本発明の原理により構成されるシステムの実施例を示す。 図２は、本発明の原理により構成される一例となる基地局のブロック図である。 図３は、本発明の原理により構成される一例となるモバイル端末のブロック図である。 図４は、本発明の原理により構成される一例となるＯＦＤＭアーキテクチャのブロック図である。 図５は、本発明の原理による受信信号処理のフローのブロック図である。 図６は、利用可能なサブキャリア間のパイロットシンボルの一例となる分散を示す。 図７は、本発明の原理による最小二乗チャネル推定方法のフローチャートである。 図８は、図７の最小二乗チャネル推定方法のブロック図である。

参照することによりここに援用されるＵＭＢ（Ｕｌｔｒａ−Ｍｏｂｉｌｅ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ）ブロードバンド無線規格に従って動作する無線ネットワークに関して特定の実施例が説明されるが、本発明はこれに限定されるものでなく、他のＷｉＭａｘ（ＩＥＥＥ８０２．１６）やＬｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ（ＬＴＥ）などの第３世代パートナーシッププロジェクト（３ＧＰＰ）の進展を含む他のＯＦＤＭベースシステムに従って動作する他のブロードバンドネットワークに適用可能である。同様に、本発明はＯＦＤＭベースシステムに限定されるものでなく、ＣＤＭＡ、ＳＣ−ＦＤＭＡ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｃａｒｒｉｅｒ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）などの他のシステム技術に従って実現可能である。

同様の参照符号が同様の要素を参照する図面を参照するに、図１では、本発明の原理に従って構成され、“８”により参照されるシステムが示される。システム８は、対応する基地局（ＢＳ）１４によりサービス提供される複数のセル１２内の無線通信を制御する基地局コントローラ（ＢＳＣ）１０を有する。図示されないが、ＬＴＥやＷｉＭａｘなどの一部の実現形態はＢＳＣ１０を利用しないことが理解される。一般に、各基地局１４は、対応する基地局１４に係るセル１２の地理的範囲内にあるものとして示されるモバイル端末１６によりＯＦＤＭを用いた通信を実現する。基地局１４に関するモバイル端末１６の移動は、人工のオブジェクト（建物や他の構造物など）により引き起こされるマルチパス歪み、地形変動、反射及び／又は干渉などの結果として、チャネル状態の有意な変動をもたらしうる。基地局１４に対するモバイル端末１６の移動は、チャネル状態の有意な変動を生じさせる。図示されるように、基地局１４とモバイル端末１６とは、通信のための空間ダイバーシチを提供する複数のアンテナを有してもよい。

本発明の基地局１４とモバイル端末１６とのハイレベルな概略が、好適な実施例の構成上及び機能上の詳細を調べる前に提供される。図２を参照するに、本発明の一実施例により構成される基地局１４が示される。基地局１４は、一般に制御システム２０と、ベースバンドプロセッサ２２と、送信回路２４と、受信回路２６と、複数のアンテナ２８と、ネットワークインタフェース３０とを有する。受信回路２６は、モバイル端末１６（図３に示される）が備える１以上のリモート送信機から、情報を搬送する周波数信号を受信する。好ましくは、低ノイズアンプとフィルタ（図示せず）とは、処理用の信号からの帯域外干渉を増幅及び除去するよう協調する。その後、ダウン変換デジタル化回路（図示せず）が、フィルタリングされた受信信号を中間又はベースバンド周波数信号にダウン変換し、その後、変換された信号は１以上のデジタルストリームにデジタル化される。

ベースバンドプロセッサ２２は、受信信号により伝搬された情報又はデータビットを抽出するため、デジタル化された受信信号を処理する。この処理は、典型的には、復調、復号及び誤り訂正処理からなる。また、ベースバンドプロセッサ２２は、一般に１以上のデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）又は特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）により実現される。その後、受信情報は、ネットワークインタフェース３０を介し有線又は無線ネットワークに送信されるか、又は基地局１４によりサービス提供を受けている他のモバイル端末１６に送信される。

送信側では、ベースバンドプロセッサ２２は、制御システム２０の制御の下でネットワークインタフェース３０から、音声、データ又は制御情報を表しうるデジタル化されたデータを受信し、当該データを送信のため符号化する。符号化されたデータは送信回路２４に出力され、所望の送信周波数を有する搬送信号により変調される。パワーアンプ（図示せず）は、変調された搬送信号を送信に適したレベルに増幅し、適合するネットワーク（図示せず）を介し変調された搬送信号をアンテナ２８に送信する。変調及び処理の詳細は、以下で詳細に説明される。

図３を参照するに、本発明の一実施例により構成されるモバイル端末１６が説明される。基地局１４と同様に、本発明の原理により構成されるモバイル端末１６は、制御システム３２と、ベースバンドプロセッサ３４と、送信回路３６と、受信回路３８と、複数のアンテナ４０と、ユーザインタフェース回路４２とを有する。受信回路３８は、１以上の基地局１４から情報を搬送する無線周波数信号を受信する。好ましくは、低ノイズアンプとフィルタ（図示せず）とが、処理用の信号から帯域外干渉を増幅及び除去するよう協調する。その後、ダウン変換デジタル化回路（図示せず）は、フィルタリングされた受信信号を中間又はベースバンド周波数信号にダウン変換し、その後、１以上のデジタルストリームにデジタル化される。

ベースバンドプロセッサ３４は、受信信号により搬送される情報又はデータビットを抽出するためデジタル化された受信信号を処理する。この処理は、以下でより詳細に説明されるように、復調、復号及び誤り訂正処理からなる。ベースバンドプロセッサ３４は、一般に、１以上のデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）と特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）とにより実現される。

送信に関して、ベースバンドプロセッサ３４は、送信用にベースバンドプロセッサ３４が符号化する音声、データ又は制御情報を表しうるデジタル化データを制御システム３２から受信する。符号化されたデータは送信回路３６に出力され、所望の送信周波数による搬送信号を変調するため変調手段により利用される。パワーアンプ（図示せず）は、変調された搬送信号を送信に適したレベルに増幅し、適合するネットワーク（図示せず）を介し変調した搬送信号をアンテナ４０に送信する。当業者に利用可能な各種変調及び処理技術が、本発明に適用可能である。

ＯＦＤＭ変調では、送信帯域は複数の直交搬送波に分割される。各搬送波は、送信されるデジタルデータに従って変調される。ＯＦＤＭは送信帯域を複数のキャリアに分割するため、キャリア毎の帯域幅は減少し、キャリア毎の変調時間は増加する。複数のキャリアがパラレルに送信されるため、所与のキャリア上でのデジタルデータ又はシンボルの送信レートは、単一のキャリアが使用される場合より低くなる。

ＯＦＤＭ変調は、例えば、送信される情報に対する逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）のパフォーマンスなどを介して実現される。復調については、受信信号に対する高速フーリエ変換（ＦＦＴ）が、送信情報を復元するため実行される。実際、ＩＦＦＴ及びＦＦＴはそれぞれ、逆離散フーリエ変換（ＩＤＦＴ）及び離散フーリエ変換（ＤＦＴ）を実行するデジタル信号処理により提供される。従って、ＯＦＤＭ変調の特徴は、送信チャネル内の複数の帯域に対して直交搬送波が生成されるということである。変調信号は、相対的に低い送信レートを有し、各帯域内に留まることが可能なデジタル信号である。各搬送波は、デジタル信号により直接的には変調されない。その代わり、すべての搬送波はＩＦＦＴ処理により瞬時に変調される。

一実施例では、ＯＦＤＭは、少なくとも基地局１４からモバイル端末１６へのダウンリンク装置について利用される。各基地局１４にはｎ個の送信アンテナが設けられ、各モバイル端末１６にはｍ個の受信アンテナ４０が設けられる。特に、各アンテナは、適切なデュプレクサ又はスイッチを用いた送受信用に利用可能であり、簡単化のためにそのようにラベル付けされる。

図４を参照するに、一実施例による論理的なＯＦＤＭ送信アーキテクチャが説明される。まず、基地局コントローラ１０は、各種モバイル端末１６に送信されるデータを基地局１４に送信する。基地局１４は、モバイル端末に係るチャネル品質インジケータ（ＣＱＩ）を用いて、送信用のデータをスケジューリングすると共に、スケジューリングされたデータを送信するのに適した符号化及び変調を選択するようにしてもよい。ＣＱＩは、モバイル端末１６により直接提供されてもよいし、又はモバイル端末１６により提供される情報に基づき基地局１４において決定されてもよい。何れのケースでも、各モバイル端末１６のＣＱＩは、チャネル振幅（又は応答）がＯＦＤＭ周波数帯域において変動する程度の関数となる。

ビットのストリームであるスケジューリングされたデータ４４は、データスクランブリングロジック４６を用いて、データに係るＰＡＰＲ（Ｐｅａｋ−ｔｏ−Ａｖｅｒａｇｅ Ｐｏｗｅｒ Ｒａｔｉｏ）を低下させるようにスクランブル化される。スクランブル化されたデータのＣＲＣ（Ｃｙｃｌｉｃ Ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ Ｃｈｅｃｋ）が決定され、ＣＲＣ加算ロジック４８を用いてスクランブル化されたデータに付加される。次に、チャネルエンコーダロジック５０を用いてモバイル端末１６における復元及び誤り訂正を実現するため、データに冗長性を効果的に付加するようチャネル符号化が実行される。再び、特定のモバイル端末１６のチャネル符号化はＣＱＩに基づく。チャネルエンコーダロジック５０は、一実施例において、既知のＴｕｒｂｏ符号化技術を利用する。その後、符号化されたデータは、符号化に係るデータ拡張を補償するため、レートマッチングロジック５２により処理される。

ビットインタリーバロジック５４は、連続するデータビットのロスを最小化するため、符号化されたデータにビットをシステマティックに記録する。結果としてのデータビットは、マッピングロジック５６により選択されたベースバンド変調に応じて、システマティックに対応するシンボルにマッピングされる。好ましくは、ＱＡＭ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）又はＱＰＳＫ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙ）変調が利用される。変調の程度は、好ましくは、当該モバイル端末のＣＱＩに基づき選択される。シンボルは、シンボルインタリーバロジック５８を用いた周波数選択フェージングにより生じる周期的なデータロスに対する送信信号の耐性をさらに強化するため、システマティックにリオーダされてもよい。

ここで、ビットグループは、振幅及び位相コンステレーションにより各位置を表すシンボルにマッピングされた。空間ダイバーシチが所望されるとき、シンボルの各ブロックが空間時間ブロックコード（ＳＴＣ）エンコーダロジック６０により処理され、ＳＴＣエンコーダロジック６０は、送信信号をより干渉耐性があり、モバイル端末１６においてより容易に復号化される方法によって、シンボルを変更する。ＳＴＣエンコーダロジック６０は、入力シンボルを処理し、基地局１４の送信アンテナ２８の個数に対応するｎ個の出力を提供する。制御システム２０及び／又はベースバンドプロセッサ２２は、ＳＴＣ符号化を制御するため、マッピング制御信号を提供する。ここで、ｎ個の出力のシンボルが、送信されるデータを表し、モバイル端末１６により復元可能であると仮定する。参照することによりここに援用される、Ａ．Ｆ．Ｎａｇｕｉｂ，Ｎ．Ｓｅｓｈａｄｒｉ，ａｎｄ Ａ．Ｒ．Ｃａｌｄｅｒｂａｎｋ，“Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｐａｃｅ−ｔｉｍｅ ｃｏｄｅｓ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｄａｔａ ｒａｔｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｙｓｔｅｍｓ”，Ｔｈｉｒｔｙ−Ｓｅｃｏｎｄ Ａｓｉｌｏｍａｒ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｓｉｇｎａｌｓ，Ｓｙｓｔｅｍｓ＆Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ，Ｖｏｌｕｍｅ ２，ｐｐ．１８０３−１８１０，１９９８を参照されたい。

本例について、基地局１４は２つのアンテナ２８（ｎ＝２）を有し、ＳＴＣエンコーダロジック６０は２つの出力シンボルストリームを提供すると仮定する。従って、ＳＴＣエンコーダロジック６０により出力される各シンボルストリームは、理解を容易にするため個別に示される対応するＩＦＦＴプロセッサ６２に送信される。当業者は、１以上のプロセッサが、単独で又はここに記載される他の処理と共に、このようなデジタル信号処理を提供するのに利用可能であることを認識するであろう。ＩＦＦＴプロセッサ６２は、好ましくは、逆フーリエ変換を提供するため各シンボルに対して処理を行う。ＩＦＦＴプロセッサ６２の出力は、時間ドメインにおいてシンボルを提供する。時間ドメインシンボルは、プリフィックス毎などの挿入ロジック６４に係るフレームにグループ化される。結果としての各信号は、デジタルドメインにおいて中間周波数にアップ変換され、対応するデジタルアップ変換（ＤＵＣ）及びデジタル・アナログ（Ｄ／Ａ）変換回路６６を介しアナログ信号に変換される。結果としての（アナログ）信号は、その後に所望のＲＦ周波数で同時に変調及び増幅され、ＲＦ回路６８及びアンテナ２８を介し送信される。特に、意図されるモバイル端末１６により知られるパイロット信号は、サブキャリアに分散される。以下で詳細に説明されるモバイル端末１６は、チャネル推定のためパイロット信号を利用する。

モバイル端末１６による送信信号の受信を示す図５が参照される。モバイル端末１６の各アンテナ４０に送信信号が到来すると、各信号は対応するＲＦ回路７０により復調及び増幅される。簡単化のため、受信パスの１つしか詳細には説明及び図示されないが、各アンテナ４０について受信パスが存在することは理解されるであろう。アナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ及びダウン変換回路７２は、デジタル処理のためアナログ信号をデジタル化及びダウン変換する。結果としてのデジタル化された信号は、受信信号レベルに基づきＲＦ回路７０のアンプのゲインを制御するため、自動ゲイン制御（ＡＧＣ）回路７４により利用されてもよい。

まず、デジタル化された信号が、粗同期ロジック７８を有する同期ロジック７６に提供され、複数のＯＦＤＭシンボルがバッファされ、連続する２つのＯＦＤＭシンボルの間の自己相関が計算される。相関結果の最大値に対応する結果としての時間インデックスは、ヘッダに基づき正確なフレーム処理スタートポジションを決定するため精密同期ロジック８０により使用される精密同期サーチウィンドウを決定する。精密同期ロジック８０の出力は、フレーム配置ロジック８４によるフレーム取得を実現する。以降のＦＦＴ処理が時間から周波数ドメインへの正確な変換を提供するように、適切なフレーム配置が重要である。精密同期アルゴリズムは、ヘッダにより搬送される受信パイロット信号と既知のパイロットデータのローカルコピーとの間の相関に基づく。フレーム配置取得が実行されると、ＯＦＤＭシンボルのプリフィックスがプリフィックス除去ロジック８６により除去され、結果としてのサンプルが周波数オフセット訂正ロジック８８に送信され、送信機及び受信機における一致しないローカルオシレータにより生じるシステム周波数オフセットが補償される。好ましくは、同期ロジック７６は、周波数オフセットクロック推定ロジック８２を有し、これは、ヘッダに基づき送信信号に対するこのような影響を推定し、これらの推定をＯＦＤＭｉｎ簿るを適切に処理するために訂正ロジック８８に提供するのを支援する。

ここで、時間ドメインにおけるＯＦＤＭシンボルは、ＦＦＴ処理ロジック９０を用いて周波数ドメインへの変換のため準備される。この結果は周波数ドメインシンボルであり、処理ロジック９２に送信される。処理ロジック９２は、分散パイロット抽出ロジック９４を用いて分散パイロット信号を抽出し、チャネル推定ロジック９６を用いて抽出されたパイロット信号に基づきチャネル推定を決定し、チャネル再構成ロジック９８を用いてすべてのサブキャリアのチャネル応答を提供する。各サブキャリアのチャネル応答を決定するため、パイロット信号は、時間と周波数の双方における既知のパターンのＯＦＤＭサブキャリア全体でデータシンボル間に分散される実質的に複数のパイロットシンボルである。図６は、ＯＦＤＭ環境における所与の時間及び周波数パイロットにおいて利用可能なサブキャリア間のパイロットシンボルの一例となる分散を示す。図５を再び参照するに、処理ロジックは、パイロットシンボルが送信されるサブキャリアのチャネル応答を決定するため、特定時点に特定のサブキャリアにおいて予想されるパイロットシンボルと受信したパイロットシンボルとを比較する。この結果は、パイロットシンボルが提供されなかった残りのサブキャリアのすべてではないが大部分について、チャネル応答を推定するため補間される。実際の及び補間されたチャネル応答は、ＯＦＤＭチャネルのサブキャリアのすべてではないが大部分のチャネル応答を含む全体チャネル応答を推定するのに用いられる。ＩＣＩに直面してもこの推定を提供するための一例となるシステム及び方法が、以下で詳細に説明される。

各受信パスのチャネル応答から導出される周波数ドメインシンボルとチャネル再構成情報とがＳＴＣデコーダ１００に提供され、ＳＴＣデコーダ１００は、送信シンボルを復元するため両方の受信パスに対してＳＴＣ復号化を提供する。チャネル再構成情報は、各周波数ドメインシンボルを処理する際、送信チャネルの効果を除去するのに十分な等化情報をＳＴＣデコーダ１００に提供する。

復元されたシンボルは、送信機のシンボルインタリーバロジック５８に対応するシンボルデインタリーバロジック１０２を用いて再配置される。インタリーブ解除されたシンボルは、その後にデマッピングロジック１０４を用いて対応するビットストリームに復調又はデマッピングされる。その後、これらのビットは送信機構成のビットインタリーバロジック５４に対応するビットデインタリーバロジック１０６を用いてインタリーブ解除される。インタリーブ解除されたビットは、その後にレートデマッチングロジック１０により処理され、最初にスクランブル化されたデータとＣＲＣチェックサムとを復元するため、チャネルデコーダロジック１１０に提供される。従って、ＣＲＣロジック１１２は、ＣＲＣチェックサムを除去し、従来方法によりスクランブル化されたデータをチェックし、当初の送信データ１１６を復元するため、既知の基地局デスクランブリングコードを用いたスクランブル解除のため、デスクランブリングロジック１１４に提供する。

本発明は、効果的には、ＩＣＩが存在する場合のパイロットチャネル推定のための方法及びシステムを提供する。高いＩＣＩにおける正確なパイロットチャネル推定は、周波数オフセットとチャネルの繰り返しのジョイントサーチを介し実現される。この繰り返しのサーチ処理を介して取得される推定された周波数オフセットは、同期回路７６などの受信機３８のフロントエンド周波数追跡補償回路にわたされる。推定されたチャネル情報は、データチャネル推定を補間するためわたされる。周波数オフセット及びチャネルのジョイントサーチは、各ＯＦＤＭＡシンボルに対して実行される。前のサーチからの周波数オフセット推定は、以降のＯＦＤＭＡシンボルのサーチの繰り返し回数を減少させるのに利用される。

本発明は、ＩＣＩが限定されたＯＦＤＭＡチャネルステイのための以下のコンポーネント、すなわち、ＯＦＤＭシンボルにおけるＩＣＩモデリング、繰り返しサーチ処理の計算及び処理負担を減少させるための本発明のＩＣＩモデルの性質、周波数オフセット及びチャネルのジョイント推定方法、周波数オフセット及びチャネルのＬＭＳサーチ技術及び本発明を実現するための一例となる処理、を用いて説明される。それぞれが詳細に説明される。
［ＯＦＤＭシンボルにおけるＩＣＩモデリング］
ＯＦＤＭＡ送信機２４は、シリアルデータストリームをサイズＮのパラレルなブロックに変換し、逆離散フーリエ変換（ＩＤＦＴ）を用いてＯＦＤＭＡシンボルを生成するため、これらのブロックを変調する。時間ドメインサンプルは、

として表現できる。

ただし、式（２）において、Ｘ_ｋはｋ番目のサブキャリアにより送信されるシンボルである。時間ドメイン信号は、前のシンボルからのＩＳＩを回避するため循環的に延長される。

プリアンブルとして知られる送信されたＯＦＤＭＡシンボルの一部は、Ｎ個すべてのサブキャリアにおいてパイロットシンボルを搬送する。他のＯＦＤＭＡシンボルは、パイロットシンボルとデータシンボルとをそれらのＮ個のサブキャリア内で搬送するようにしてもよい。受信機３８において、信号はノイズと共に受信される。受信機３８のフロントエンドは、例えば、同期回路７８を用いて粗チャネル周波数追跡及び周波数補償を実行する。これは、時間同期とプリフィックス除去手段８６を用いたサイクリックプリフィックスの除去に続く。受信機３８は、その後に受信した時間ドメインサンプルに対してＦＦＴを実行する。ベースバンド受信周波数ドメインサンプルは、以下の式（３）を用いてマトリックス形式により記述可能である。

ただし、ｙは受信シンボルのベクトルであり、Ｘは対角上に送信されたパイロットシンボルを有する対角行列である。ベクトルｈ＝［ｈ_１ｈ_２．．．ｈ_Ｘ］^Ｔは、チャネル誘発された振幅及び位相を表す。チャネル推定の目的は、チャネル周波数応答（ＣＦＲ）ベクトルとも呼ばれるベクトルｈの推定である。ｎは、平均がゼロで分散がσ_ｎ ^２の加法性白色ガウスノイズベクトルである。

Ｎ×Ｎの行列Ｓ_εｐはＩＣＩ行列である。このＩＣＩ行列は、無線チャネルのモビリティから生じるオシレータドリフト又はドップラースプレッド／ドップラーシフトから生じる受信周波数オフセットによるサブキャリア間の漏れ、すなわち、クロストークを表す。周波数オフセットがない場合、すなわち、εｐ＝０である場合、Ｓ_εｐはＳ_０＝Ｉ（単位行列）となり、これは、近隣サブキャリア間に干渉がないことを意味する。Ｓ_εｐのエントリは、以下の式を用いて求めることができる。

ただし、式（４）において、ε_ｐは正規化されたキャリア周波数オフセット、すなわち、サブキャリア間間隔に対する周波数オフセットの比である。
［繰り返しサーチ処理の計算負荷を低減するための本発明のＩＣＩモデルの性質］
本発明の推定方法の計算負荷を低減するため利用可能な干渉行列のいくつかの性質がある。これらの性質は以下のように説明される。

性質Ｉ：Ｓ^ＨＳ＝Ｉ 干渉行列はユニタリ行列（Ｉは単位行列を表す）である。従って、干渉行列のインバースは、Ｓ^−１＝Ｓ^Ｈ（Ｈは共役転置）であるため、共役転置をとることによって容易に計算可能である。

性質ＩＩ：Ｓ_ε１Ｓ_ε２＝Ｓ_{ε１＋ε２} ２つの異なる周波数オフセットに対応する２つの干渉行列が乗算された場合、その和に対応する他の干渉行列が取得可能である。これは、格納される数個のＩＣＩ行列からの周波数オフセット／チャネルサーチ処理のための複数のＩＣＩ行列のシンプルかつ処理量の小さな生成を可能にする。

性質ＩＩＩ：Ｓ_−ε＝Ｓ_ε ^Ｈ 負の周波数オフセットの干渉行列は、複素転置を求めることによって、同じ大きさの正の周波数オフセットに対応する干渉行列から取得可能である。

これらの性質によって、周波数オフセット及びチャネルを一緒に推定するための一例となる方法が説明される。
［周波数オフセット及びチャネルのジョイント推定方法］
式（３）の干渉行列Ｓ_εｐが受信機においてわかっている場合、受信ベクトルｙと当該行列の共役転置とを予め乗算することは、受信したＯＦＤＭ信号におけるＩＣＩを完全に排除し、チャネル周波数応答（ＣＦＲ）ベクトルの正確な推定が可能となる。しかしながら、干渉行列Ｓ_εｐは一般には受信機３８に知らされていない。それは、無線チャネルにおけるモビリティから生じる未知のキャリア周波数オフセットに依存するためである。

本発明は、実際の周波数オフセットε_ｐとε_ｈ（ε_ｈは真の周波数オフセットの仮想値である）とを一致させようとするものである。この仮想値を用いて、ＩＣＩ行列Ｓ_εｈが計算される。パイロットシンボルはすでに受信機においてわかっているため、（Ｓ_εｈＸ）^−１が生成可能である。周波数オフセット仮説値ε_ｈに対応するパイロットチャネル推定値ｈ_εｈは、式（３）の両辺に（Ｓ_εｈＸ）^−１を乗算することによって取得される。

上述された干渉行列の性質Ｉ〜ＩＩＩを利用することによって、上記式（５）の２つの干渉行列の乗算は、

と記述できる。ただし、ε_ｒは実際の周波数オフセットと周波数オフセット仮説値との差であり、すなわち、周波数オフセット仮説値における残存する周波数オフセット又は誤差である。

さらに簡単化することによって、式（５）は、

として記述されてもよい。

式（７）は、異なる周波数オフセット仮説値に対して複数のチャネル推定をもたらす。実際の周波数オフセットε_ｐに最も近い周波数オフセット仮説値について、式（７）はＣＦＲの最良の推定値をもたらす。

最良の周波数オフセット仮説値を選択するため、パイロットチャネル推定ベクトルの相関が、判定基準として用いられる。周波数オフセット仮説値ε_ｈが実際の周波数オフセットε_ｐに近づくと、相関は最大値に近づく。パイロットチャネル推定ベクトルｈ_εｈの相関は、周波数オフセット仮説値の各繰り返しについて実行される。パイロット推定ベクトルｈ_εｈの相関は、残存周波数オフセットに依存する。
［周波数オフセット及びチャネルのＬＭＳサーチ技術］
周波数オフセット仮説値の収束を実現するため、サーチ方法及び対応する基準が利用される。本発明の周波数オフセットサーチ方法は、適応的最小二乗（ＬＭＳ）技術に基づく実際的実現形態又は最適勾配サーチに基づく。一般に、ＬＭＳ技術は既知であり、ここでは説明されない。サーチ基準は、パイロットチャネル周波数相関の最大化である。本発明のＬＭＳ方法は、周波数オフセット仮説値の収束を実現するため、勾配に基づく最急降下法である。本発明のＬＭＳ方法は、勾配ベクトルの負の方向への周波数オフセット仮説値に連続的な訂正を行う繰り返し処理を含める。これは、最終的には推定値の最小二乗誤差を導く。

周波数オフセット及びチャネル推定のための一例となるＬＭＳ方法は、図７のフローチャートと図８の処理ブロック図とを参照して説明される。一般に、所与のＯＦＤＭシンボル期間中のサーチループの（ｎ＋１）番目の繰り返しのための周波数オフセット仮説値は、式（８）を用いて以下のように導出される。

Ｅｒｒｏｒ！ Ｏｂｊｅｃｔｓ ｃａｎｎｏｔ ｂｅ ｃｒｅａｔｅｄ ｆｒｏｍ ｅｄｉｔｉｎｇ ｆｉｅｌｄ ｃｏｄｅｓ
ただし、
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は、ＬＭＳサーチの（ｎ＋１）番目の繰り返しのための周波数オフセット仮説値であり、
Ｅｒｒｏｒ！ Ｏｂｊｅｃｔｓ ｃａｎｎｏｔ ｂｅ ｃｒｅａｔｅｄ ｆｒｏｍ ｅｄｉｔｉｎｇ ｆｉｅｌｄ ｃｏｄｅｓ
は、ＬＭＳサーチの前のｎ番目の繰り返しにおいて用いられた周波数オフセット仮説値であり、
Ｅｒｒｏｒ！ Ｏｂｊｅｃｔｓ ｃａｎｎｏｔ ｂｅ ｃｒｅａｔｅｄ ｆｒｏｍ ｅｄｉｔｉｎｇ ｆｉｅｌｄ ｃｏｄｅｓ
は、勾配パラメータであり、
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は、周波数相関誤差である。式（８）の後者の部分、すなわち、
Ｅｒｒｏｒ！ Ｏｂｊｅｃｔｓ ｃａｎｎｏｔ ｂｅ ｃｒｅａｔｅｄ ｆｒｏｍ ｅｄｉｔｉｎｇ ｆｉｅｌｄ ｃｏｄｅｓ
は、各繰り返しにより更新されるコンポーネント（Δε_ｈとも呼ばれる）である。

図７を参照するに、ＯＦＤＭシンボル番号は、ｎ＝１に設定される（ステップＳ１００）。ｎ番目に受信したベースバンドＯＦＤＭシンボルについて、対角パイロットシンボル行列Ｘが生成される（ステップＳ１０２）。ＬＭＳサーチの周波数オフセット仮説初期値ε_{ｈ，ｎ（０）}が決定される（ステップＳ１０４）。この値は、ｎ≠１である場合、（ｎ−１）番目のＯＦＤＭＡシンボル周波数オフセットサーチから取得可能である。ｎ＝１である場合、この値は粗周波数追跡ロープから取得される。この周波数オフセットに対応するＩＣＩ行列Ｓ_{εｈ，ｎ（０）}が、上記式（４）を用いて生成される（ステップＳ１０６）。逆行列（Ｓ_{ε，ｎ（０）}Ｘ）^−１が生成される（ステップＳ１０８）。受信したベースバンドベクトルｙは、（Ｓ_{ε，ｎ（０）}Ｘ）^−１と予め乗算される（ステップＳ１１０）。ステップＳ１１０から取得されたパイロットチャネル推定ベクトルに対して、１の相関ラグの相関が決定される（ステップＳ１１２）。相関誤差は、ステップＳ１１２からＣｉ値として生成され、その後、周波数オフセット仮説値Ｓ_{ε，ｎ（１）}が、相関誤差を用いて次の繰り返しに対して更新される（ステップＳ１１４）。ステップＳ１０６〜Ｓ１１４が、相関誤差が所定値の範囲内になるまで、Ｓ_{ε，ｎ（１）}，．．．，Ｓ_{ε，ｎ（ｍ）}（ｍは繰り返し回数）により繰り返される（ステップＳ１１６）。この所定値は、設計者の好みに基づき確定される。相関誤差が小さくなるほど（相関が高くなるほど）、より良好な推定によるシステムパフォーマンスが大きくなる。しかしながら、処理結果は、より高い相関を実現するのにより多くの繰り返しを要するということである。

ＯＦＤＭシンボル番号ｎは、ｎ＝ｎ＋１に設定され、ステップＳ１０４〜Ｓ１１６が繰り返される（ステップＳ１１８）。もちろん、シンボルがパイロットを有しない場合、当該シンボルを用いた推定は省略される。最良の周波数オフセット値が次のＯＦＤＭシンボルサーチに用いられ、受信機のフロントエンド周波数オフセット訂正８８にわたされる。さらに、取得される最良のパイロットチャネル推定値は、データチャネル補間のためわたされる。図８は、当該処理がブロック図形式であることを示し、上述した各ステップを本発明の全体処理にマッピングしたものを示す。

本発明のシステム及び方法は、１５ｄＢまで符号化されていないＯＦＤＭシステムのリンクレベルパフォーマンスを向上させることが可能である。本発明から実現可能な実際のパフォーマンスの向上は、無線チャネルの特定のファクタと周波数オフセットサーチループのパラメータとに依存する。これらのファクタは、以下に限定するものでないが、チャネル周波数とモバイル装置のモビリティ、ＯＦＤＭシステムにおいて使用される変調タイプ（ＱＰＳＫ／ＱＡＭ）、周波数オフセットサーチループパラメータ（Ｃｉ及びμ）の最適化、周波数オフセットサーチにおける繰り返し回数、及びパイロットチャネル推定値からのデータチャネル推定値に用いられる補間のタイプを含む。データチャネル推定値は、例えば、ＣＱＩを決定するためなどに受信機により利用され、さらに、変調符号化方式を選択するのに利用される。

本発明がモバイル装置１６の受信機３８に関して説明されたが、本発明はこれに限定されるものでない。本発明が基地局１４の受信機に移入可能であることは容易に明らかであり、想定される。

本発明は、効果的には、システム８の基地局１４及びモバイル装置１６のプロセッサの負担となることなく正確な方法によってＯＦＤＭＡ無線通信チャネルを推定するのに利用可能な方法及びシステムを提供する。本方法は、最初の（及び更新された）周波数仮説値からより少ない繰り返ししか必要としないように、より大きな許容される誤差が指定されることを可能にする。

本発明が特に図示及び上述されたものに限定されないことは、当業者に理解されるであろう。さらに、逆のことが述べられない場合、添付した図面のすべてがスケーリングされていないことに留意すべきである。以下の請求項によってのみ限定される本発明の範囲及び趣旨から逸脱することなく、上記教示に基づく各種改良及び変形が可能である。

Claims (20)

1. 無線通信チャネル推定方法であって、
   （ａ）周波数オフセット仮説値を決定するステップと、
   （ｂ）前記周波数オフセット仮説値に基づきチャネル間干渉（ＩＣＩ）行列を生成するステップと、
   （ｃ）前記ＩＣＩ行列に基づきパイロットチャネル推定値を取得するステップと、
   （ｄ）前記周波数オフセット仮説値に対する前記パイロットチャネル推定値の相関誤差を計算するステップと、
   （ｅ）前記相関誤差と所定の相関誤差値とを比較するステップと、
   （ｆ）前記周波数オフセット仮説値を更新し、前記相関誤差が前記所定の相関誤差値より大きい場合、ステップ（ａ）〜（ｅ）を繰り返すステップと、
   （ｇ）前記パイロットチャネル推定値を用いて無線通信チャネルを推定するステップと、
   を有する方法。
2. 前記無線通信チャネルは、ＯＦＤＭＡチャネルである、請求項１記載の方法。
3. パイロットを有する各ＯＦＤＭシンボルに対して、ステップ（ａ）〜（ｇ）が繰り返される、請求項２記載の方法。
4. 前記相関は、１の相関ラグに基づく、請求項１記載の方法。
5. 前記ＩＣＩ行列に基づきパイロットチャネル推定値を取得するステップは、
   前記ＩＣＩ行列とパイロットシンボル対角行列との積の逆行列を生成するステップと、
   前記逆行列と受信したベースバンドベクトルとを予め乗算するステップと、
   を有する、請求項１記載の方法。
6. 前記周波数オフセット仮説値を更新するステップは、パイロットチャネル周波数相関を最大化する最小二乗法に基づく、請求項１記載の方法。
7. 前記周波数オフセット仮説値を更新するステップは、更新された周波数オフセットコンポーネントを前記周波数オフセット仮説値に加えることを含む、請求項１記載の方法。
8. 前記更新された周波数オフセットコンポーネントは、勾配パラメータと周波数相関誤差コンポーネントとを含む、請求項７記載の方法。
9. 前記ＩＣＩ行列は、前記無線通信チャネルのサブキャリア間の漏れに対応する、請求項１記載の方法。
10. 前記チャネル推定は、チャネル品質インジケータ（ＣＱＩ）を確定するのに利用され、
    当該方法はさらに、前記ＣＱＩに基づき変調符号化方式を選択するステップを有する、請求項１記載の方法。
11. 無線通信信号の無線通信チャネル推定システムであって、
    前記無線通信信号を受信するアンテナと、
    前記アンテナと通信する受信機と、
    を有し、
    前記受信機は、
    （ａ）周波数オフセット仮説値を決定するステップと、
    （ｂ）前記周波数オフセット仮説値に基づきチャネル間干渉（ＩＣＩ）行列を生成するステップと、
    （ｃ）前記ＩＣＩ行列に基づきパイロットチャネル推定値を取得するステップと、
    （ｄ）前記周波数オフセット仮説値に対する前記パイロットチャネル推定値の相関誤差を計算するステップと、
    （ｅ）前記相関誤差と所定の相関誤差値とを比較するステップと、
    （ｆ）前記周波数オフセット仮説値を更新し、前記相関誤差が前記所定の相関誤差値より大きい場合、ステップ（ａ）〜（ｅ）を繰り返すステップと、
    （ｇ）前記パイロットチャネル推定値を用いて無線通信チャネルを推定するステップと、
    を実行するシステム。
12. 前記無線通信チャネルは、ＯＦＤＭＡチャネルである、請求項１１記載のシステム。
13. パイロットを有する各ＯＦＤＭシンボルに対して、前記受信機は、ステップ（ａ）〜（ｇ）を繰り返す、請求項１２記載のシステム。
14. 前記相関は、１の相関ラグに基づく、請求項１１記載のシステム。
15. 前記受信機は、
    前記ＩＣＩ行列とパイロットシンボル対角行列との積の逆行列を生成するステップと、
    前記逆行列と受信したベースバンドベクトルとを予め乗算するステップと、
    を少なくとも実行することによって、前記ＩＣＩ行列に基づきパイロットチャネル推定値を取得する、請求項１１記載のシステム。
16. 前記受信機は、パイロットチャネル周波数相関を最大化する最小二乗構成を用いて前記周波数オフセット仮説値を更新する、請求項１１記載のシステム。
17. 前記受信機は、少なくとも更新された周波数オフセットコンポーネントを前記周波数オフセット仮説値に加えることによって、前記周波数オフセット仮説値を更新する、請求項１１記載のシステム。
18. 前記更新された周波数オフセットコンポーネントは、勾配パラメータと周波数相関誤差コンポーネントとを含む、請求項１７記載のシステム。
19. 前記ＩＣＩ行列は、前記無線通信チャネルのサブキャリア間の漏れに対応する、請求項１１記載のシステム。
20. 前記チャネル推定は、チャネル品質インジケータ（ＣＱＩ）を確定するのに利用される、請求項１１記載のシステム。

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