JP2839039B2 - マルチユーザ干渉低減のための方法および装置 - Google Patents

マルチユーザ干渉低減のための方法および装置

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JP2839039B2
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    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、コード分割多重アクセス（CDMA）マルチチ
ャネル通信システム、特に、CDMAセルラ無線通信システ
ムにおけるマルチユーザ干渉を低減するための方法およ
び装置に関する。また、本発明は、CDMA赤外線（IR）ネ
ットワークにも適用可能である。
発明の背景 無線通信システム、特に、セルラ無線通信システムお
よび拡散赤外線（IR）システムは、モビリティを高め、
ほぼすべての場所の電話およびコンピュータ・ユーザに
無線接続を提供するので、ますます重要なものになって
いる。後者は通常、コンピュータとサーバの相互接続な
どのために室内に配置されるが、セルラ無線通信システ
ム、たとえば、米国のアナログAMPシステムや、ヨーロ
ッパのディジタルGSMシステムは、ほぼすべての大都市
地域での移動通信とデータ交換を容易にしている。新た
に出現したパーソナル通信ネットワーク（PCN）は、現
在のアナログまたはディジタル・セルラ・モービル無線
技術によって表される通信能力より広範囲の通信能力を
包含するものと思われる。この新たに出現したセルラ・
システムでは、大容量のトラフィックと消費電力の低さ
が２つの重要な問題である。
現在、セルラ無線通信システムでのチャネル・アクセ
スは、周波数分割複数アクセス（FDMA）方式と時分割複
数アクセス（TDMA）方式を使用することによって達成さ
れている。FDMAベースのシステムでは使用可能な周波数
副帯の数によって容量が制限され、TDMAシステムの容量
は伝送された信号を伝達するフレーム当たりのスロット
の数によって制限される。
これに対して、コード分割複数アクセス（CDMA）で
は、周波数と時間の両面で信号が重なることができる。
したがって、すべてのCDMA信号は同一周波数スペクトル
を共用する。時間または周波数いずれかの領域では、複
数アクセス信号が相互に支配しているように見える。CD
MAベースの通信システム・モデルを第４図に示す。伝送
すべきｋ番目のユーザのデータ・ストリーム｛b
k（ｎ）｝、たとえば、音声またはデータは、ユーザ固
有信号sk（ｔ）によって変調される。各信号sk（ｔ）は
固有の展開コードｃ ｋに対応する。複数の展開スペクト
ル信号が変調され、無線周波（RF）搬送波で伝送され
る。受信側では、複合信号ｒ（ｔ）が復調され、指定の
展開コードｃ ｋと相関する。ユーザ固有の展開コードに
よる相関によって、対応するデータ信号が分離され、復
調される。
CDMA技術に関連する利点はいくつかある。CDMAベース
のシステムの容量は、既存のアナログFDMAシステムの容
量より数倍大きくなると予測されている。さらに、CDMA
はマルチパス干渉やフェーディングに耐えられる。しか
も、CDMA信号のスクランブル形式により、呼出しの盗聴
や追跡が難しくかつ高価なものになり、ユーザのプライ
バシー保証が向上し、放送時間の不正に対する耐性も強
化される。
従来のCDMAシステムはマルチユーザ干渉によって限定
されていたが、上記のTDMAシステムおよびFDMAシステム
は主に帯域幅によって限定される。したがって、CDMAの
実用的な実施態様では、容量が信号対混信（S/I）比に
正比例するが、この比率は本質的に他の重複信号によっ
て発生するマルチユーザ干渉の尺度である。したがっ
て、解決すべき問題は、システム容量をさらに増加しな
がら、信号復号を効率よく正確に行えるように適度なS/
I比を維持する方法である。
従来のコード分割複数アクセス・セルラおよびマイク
ロセルラ無線システムでは、長い展開コード、すなわ
ち、その期間がデータ記号周期よりかなり長いシーケン
スを使用し、マルチユーザ干渉の影響を緩和するために
複雑で強力な重畳コードを使用し、「遠近問題」を救済
するために電力制御方式に依存している。しかし、固定
帯域幅のシステムでの同時伝送の数が増すにつれて、あ
るいは、各種ユーザ信号の相対電力レベルがまったく別
々のものになると（遠近問題）、高性能が犠牲になるこ
とが分かっている。このようなシステムはマルチユーザ
干渉および「遠近問題」に対して敏感なので、システム
全体の容量が大幅に低減される可能性がある。また、各
種ユーザ信号が異なる電力レベルで到着する可能性があ
る非同期アップリンク、すなわち、移動局（MS）から基
地局（BS）への通信では、「遠近問題」がより重要にな
る。これに対して、同期ダウンリンク、すなわち、BSか
らMSへの通信では、近隣基地局による同時伝送がマルチ
ユーザ干渉の主な原因になる。
従来のCDMAシステムの一部、特に、現在の状況に関連
のある受信機について、以下に説明する。M.B.パースリ
ー（Pursley）の論文「Performance Evaluation for Ph
ase−Coded Spread Spectrum Multiple−Access Commun
ication−Part I:System analysis」（IEEE Transactio
ns on Communications,Vol.COM−25,pp.795−799,1977
年８月）には、従来の非同期CDMAシステムのパフォーマ
ンス上の制約が述べられている。
また、S.ヴェルデュ（Verdu）の論文「Minimum Proba
bility of error for asynchronous Gaussian multiple
access channels」（IEEE Transactions on Informati
on Theory,Vol.IT−32,pp.85−96,1986年１月）には、
複数の適合フィルタのバンクと、それに続き共同最大尤
度シーケンス推定（MLSE）を実行するビタビ検出器とか
ら構成される最適マルチユーザ受信機が検討されてい
る。
R.ルパス（Lupas）およびS.ヴェルデュの論文「Linea
r multiuser detectors for synchronous code−divisi
on multiple access channels」（IEEE Transactions o
n Information Theory,Vol.IT−35,pp.123−136,1989年
１月）には、同期または非同期CDMAシステム用の部分最
適線形マルチユーザ相関解除検出器が提示されている。
このような部分最適検出器は、基本的には、ゼロ強制
（ZF）複数入力／複数出力線形等化器、すなわち、ZF基
準を使用してマルチユーザ干渉を最小限にする複数入力
／複数出力線形フィルタである。また、この検出器は、
ZFマルチユーザ等化器とも呼ばれる。相関解除検出器は
遠近問題に耐えられることが分かっている。さらに、R.
ルパスおよびS.ヴェルデュは上記の論文で、相関解除検
出器またはマルチユーザZF等化器ではすべてのユーザの
展開コードを把握している必要があるが、相対受信信号
電力を明示的に把握している必要はないと指摘してい
る。
従来の多変量決定フィードバック等化器（MDFE）で
は、すべてのユーザの展開コードを把握している必要が
あるが、この等化器については、A.デュエル＝ハレン
（Duel−Hallen）の論文「Equalizers for multiple in
put/multiple output channels and PAM systems with
cyclostationary input sequences」（IEEE Journal on
Selected Areas in Communications,Vol.10,No.3,pp.6
30−639,1992年４月）に開示されている。また、C.A.ベ
ルフィオーレ（Belfiore）およびJ.H.パーク（Park）ジ
ュニアの報告「Decision feedback equalization」（Pr
oc.IEEE,Vol.67,No.8,pp.1143−1156,1979年８月）に
は、ノイズ予測決定フィードバック等化器（NP−DFE）
が提案されている。しかし、後者の構造は、単一変数の
場合専用としてもたらされたものであり、記号間干渉
（ISI）と付加ノイズによって破壊された唯一のユーザ
のデータが検出されることを意味する。このような構造
はCDMAシステムには適していない。
M.アブドゥルラーマン（Abdulrahman）、D.D.フォー
ルコナー（Falconer）、A.U.H.シェイク（Sheikh）の報
告「Equalization for interference suppression in s
pread spectrum multiple access systems」（Conferen
ce Records IEEE VTC 92,Vol.1,（Denver,CO）,pp.1−
4,1992年５月）には、CDMAシステムでの適応部分チップ
間隔決定フィードバック等化器（DFE）の使用が述べら
れている。MS受信機に置かれた単一入力／単一出力適応
DFEがマルチユーザ干渉の影響を緩和することができ、
マルチパス構成要素の結合についてRAKE（RAKEとは、J.
G.プロアキス（Proakis）著「Digital Communication
s」（McGraw−Hill Book Company,1983年）に記載され
ている受信機のコード名である）を実行することができ
ること、また、干渉者の展開コードを明示的に把握する
必要がないことも立証されている。DFEのフィードバッ
ク・セクションでは、単一ユーザによる過去の決定を使
用しているので、さらにマルチユーザ干渉を補正するこ
とはできない。このような構成のフィードバック・セク
ションは、ISI（記号間干渉）のみを除去する。
CDMAシステムのもう１つの提案は、ユーザ・オーダの
干渉者の信号を検出し減ずる技法に基づくものであり、
干渉取消し（IC）とも呼ばれている。このCDMAシステム
の提案は、M.エウァーブリング（Ewerbring）、G.ラル
ソン（Larsson）、P.ティーダー（Teder）の論文「CDMA
using interference cancellation」（CEC Deliverabl
e R2020/PKI/RI/DS/I/005/b1（W.グランツォフ（Granzo
w）編,pp.141−163,1992年）に開示されている。しか
し、このCDMAシステムの提案の多くの特徴には、ユーザ
の展開コードの知識が不可欠であるということが含まれ
ている。
「Method and Apparatus for Reducing Effects of M
ultiple Access Interference in a Radio Receiver in
a Code Division Multiple Access Communication Sys
tem」という名称の米国特許第5136612号には、別のCDMA
方式が開示されている。この米国特許によれは、マルチ
ユーザ干渉とも呼ばれる複数アクセス干渉の影響を低減
することによって、チャネル容量が増加する。CDMA無線
伝送の受信は複数の段階で行われ、第１の段階後に複数
アクセス干渉が推定される。次にこの複数アクセス干渉
が元の受信入力から減じられ、複数アクセス干渉が低減
された信号について初期の信号の検出が行われる。
「CDMA Subtractive Demodulation」という名称の米
国特許第5218619号により、わずかに異なる手法が知ら
れている。この手法によれば、受信した情報信号、すな
わち、複合信号は、各情報信号が正常に復号された後、
再符号化され、複合信号から除去される。このCDMA復調
は、信号強度が最も強いものから最も弱いものの順に複
合信号を復号することによって強化されている。後者の
２つの米国特許に共通の原理を第１図に示すが、同図は
概略CDMA受信機を示している。同図に示すように、複合
信号ｒ（ｔ）はデスプレッダ（DS）10に供給され、そこ
ではそれぞれの情報信号を復号するために、送信機側で
使用した展開コードが使用される。次にこれらの情報信
号が決定量子化器（Ｑ）11に転送される。検出された信
号は、最も正しいと思われるものとし、正しいとは思わ
れないものとに分類される。その後、検出プロセスが繰
り返される。復号データ信号（ｎ）から最も正しいと
思われるものが展開回路（Ｓ）12に戻され、そこで、対
応する展開コードを使用して再符号化（展開）される。
マルチユーザ干渉の一部を除去するために、再生成した
展開波形が元の受信信号ｒ（ｔ）から減じられる。した
がって、最初に正しくないと分類された出力が第２の段
階で再検出される。
A.デュエル＝ハレンの論文に記載された構造の基礎と
なる概念を第2A図に示す。これは、複数入力／複数出力
順方向フィルタ17と、複数入力／複数出力フィードバッ
ク・フィルタ14とから構成される。検出したデータ・ベ
クトル（ｎ）＝（１（ｎ）,...,ｋ（ｎ））は、
Ｋ人のユーザ全員に関する決定を表し、決定量子化器13
の出力側に提供され、複数入力／複数出力フィードバッ
ク・フィルタ（FBF）14によってろ波される。そこか
ら、量子化器の入力に戻され、マルチユーザ干渉を低減
する。
M.アブドゥルラーマン他によって記載されたシステム
の基礎となる概念を第2B図に示す。特定のユーザ
ｋ（ｎ）の検出データ記号、すなわち、決定量子化器15
の出力側の記号は、単一入力／単一出力フィードバック
・フィルタ16を介して戻される。ただし、フィードバッ
ク・セクションは、マルチユーザ干渉ではなく、ISIし
か緩和できないことに留意されたい。
依然として、「遠近」問題とマルチユーザ干渉は、容
量増加の主な障害になっている。
発明の概要 本発明の一目的は、各種ユーザの展開コードを明示的
に把握する必要もなく、CDMAシステムでの同時伝送によ
る干渉の影響を緩和するための新規の構造および方法を
提供することにある。
本発明の他の目的は、各種ユーザの相対受信電力レベ
ルを明示的に把握する必要もなく、マルチユーザ干渉を
低減するための新規の構造および方法、すなわち、「遠
近」問題に鈍感な構造および方法を提供することにあ
る。
上記の目的は、特許請求の範囲１および12に記載のマ
ルチユーザ干渉を低減するための新規の方式を使用する
ことによって達成されている。
本発明による多変量ノイズ予測決定フィードバック等
化器（MNP−DFE）には、以下の利点がある。
1.多変量予測器係数の導出は、順方向マルチユーザ等化
器係数の導出から切り離される。
2.多変量予測器は、固定デスプレッダなど、適応または
固定の線形フィルタのバンクの出力に対して機能する。
3.MNP−DFEをソフト決定重畳コード化と容易に組み合わ
せることができる。
4.MMSE（最小平均二乗誤差基準）に基づいて最適化され
たMNP−DFEの多変量予測器と順方向線形マルチユーザ等
化器は、LMSアルゴリズムを使用することにより、単純
な適応実施に役に立つ。その後、順方向線形マルチユー
ザ等化器と多変量予測器は個別に更新される。
5.MNP−DFE構成の順方向線形マルチユーザ等化器は、Ｋ
×Ｋ個のＴ間隔等化器のマトリックスが続くデスプレッ
ダのバンクとして、またはＫ個の部分チップ間隔等化器
のバンクとして実現することができる。この場合、Ｋは
同期ユーザの数である。
図面および使用表記の説明 図面を参照しながら、本発明を以下に詳細に説明す
る。
第１図は、当技術分野で既知のCDMA受信機の概略ブロ
ック図を示す。
第2A図は、デュエル＝ハレンが記載する他のCDMAシス
テムの概略ブロック図を示す。
第2B図は、M.アブドゥルラーマン他が記載する他のCD
MAシステムの概略ブロック図を示す。
第３図は、セルラ通信システムを示している。
第４図は、DS/CDMA（ダイレクトシーケンス・コード
分割複数アクセス）通信システムを示す。
第５図は、等価離散時間複数入力／複数出力モデルを
示す。
第６図は、MMSEマルチユーザ線形等化器を示す。
第７図は、ユーザ１用の等化器／検出器構造を示す。
第８図は、本発明による多変量ノイズ予測決定フィー
ドバック等化器の概略ブロック図を示す。
第９図は、本発明による他の多変量ノイズ予測決定フ
ィードバック等化器の概略ブロック図を示す。
第10A図および第10B図は、３人のユーザ用に設計され
た本発明によるMNP−DFEの概略ブロック図を示す。
第11図は、本発明によるCDMA赤外線ネットワークの概
略ブロック図を示す。
bk（ｎ） 時間ｎにおけるｋ番目のユーザのデータ記号 ｛bk（ｎ）｝ ｋ番目のユーザの離散時間データ記号シ
ーケンスｂ （ｎ） Ｋ×１のデータ記号ベクトル、すなわち、
（ｎ）＝（１（ｎ）,...,ｋ（ｎ）） ｛ｂ（ｎ）｝ 離散時間データ記号ベクトル・シーケン
ス sk（ｔ） ｋ番目のユーザのシグナチャ波形 シグナチャ波形Sk（ｔ）に応するｋ番目のユーザの展
開コード wk ｋ番目のユーザの減衰レベル yk（ｎ） 時間ｎにおけるｋ番目のユーザの適合フィル
タ出力 ｛yk（ｎ）｝ ｋ番目のユーザの離散時間適合フィルタ
出力シーケンスｙ （ｎ） Ｋ×１の適合フィルタ出力ベクトル、すなわ
ち、ｙ（ｎ）＝（y1（ｎ）,...,yk（ｎ）） ｛ｙ（ｎ）｝ 離散時間適合フィルタ出力ベクトル・シ
ーケンス rkl（ｉ） マトリックスＲ（ｉ）のkl番目の要素、ｉ
＝−1,0,1 Ｒη（ｉ） ベクトルη（ｎ）の自己相関マトリックス Ｓη（Ｄ） 離散時間ベクトルη（ｎ）のスペクトル Ｓ（Ｄ） 等価複数入力／複数出力チャネル出力の伝達
関数マトリックス Ｃ（Ｄ） 複数入力／複数出力等化器の伝達関数マトリ
ックス Ｐ（Ｄ） 複数入力／複数出力（多変量）予測器の伝達
関数マトリックス Ｓ ｅ （Ｄ） 離散時間予測エラー・ベクトルｅ（ｎ）の
スペクトル 一般説明 通信システム・モデル： セル21および22と、基地局（BS）15〜17と、移動局
（MS）18〜20とから構成されるセルラ・システムを第３
図に示す。図示の通り、BSのうちの２つは共通無線ネッ
トワーク制御装置23に接続され、第３のBS17は非協力オ
ペレータ（図示せず）によって操作される。CDMAシステ
ムの場合、セル間の分離は、大部分が展開コードと距離
によって達成され、一部が周波数と時間によって達成さ
れている。しかし、セル間の分離は理想的ではないの
で、セル内干渉およびセル間干渉の原因となっている。
さらに、同一地域内に協力または非協力オペレータが複
数存在するために、マルチユーザ干渉の問題がさらに悪
化する。
セル間干渉の発生原因： ・ BS17からBS16とMS20への干渉など、非協力オペレー
タからのマルチユーザ干渉（BS17が非協力オペレータに
属している場合） ・ 協力セルラ・システムからのマルチユーザ干渉 ・ MS19とBS16間のような、同一セルラ・システムの各
種セルからのマルチユーザ干渉。新しいセルに対する何
らかの形式のハンドオーバ時など、MS19とBS16が通信を
必要としている場合でも、BS16がMS20からの信号を検出
すると、MS19からの信号がBS16で干渉を引き起こす可能
性がある。
セル内干渉の発生原因： ・ BS15など、何らかのセルラ・システムの１つのセル
内でのマルチユーザ干渉。たとえば、BS15はMS18からの
信号を検出しなければならないが、それはMS19からの信
号によって破壊される。また、BS15はMS19からの信号も
検出しなければならないが、それはMS18からの信号によ
って破壊される。
第４図は、ダイレクトシーケンスCDMA（DS/CDMA）通
信システム・モデルの一般ブロック図を示している。こ
のモデルでは、共通付加白色ガウス・ノイズ（AWGN）チ
ャネルが同期または非同期ユーザ（1,2,...,K）によっ
て共用され、そのユーザの伝送出力は様々な値によって
減衰されている。一般性を失わずに、減衰レベルw1,
w2,...,wkは、対応するデータ記号b1（ｎ）,...,b
k（ｎ）とともにひとまとめになっている。さらに、受
信機側の展開解除回路40、44、45の存在が想定されてい
る。この展開解除回路は、デスプレッダ40と、積分ユニ
ット44と、ダンプ・ユニット45とを含む。各ユーザの送
信機は、基本的に、展開変調ユニット41から構成され
る。移動局（BS）に位置する送信機の場合、遅延ユニッ
ト42は、各種MSユーザ間の伝送の相対遅延（τ1,...,τ
ｋ）を表す。次に加算ユニット43は、物理媒体によって
伝送されたときの信号の重ね合わせのプロセスを示す。
これに対して、送信機が基地局（BS）に位置する場合、
各種ユーザ間には相対遅延が存在しないので、対応ユニ
ット42を除去することができる。この場合、加算ユニッ
ト43はBS送信機の一部になる。
ｋ番目のユーザのデータ・シーケンス｛bk（ｎ）｝
は、Ｄ変換によって表される。
この場合、ｋ＝1,2,...,Kであり、ｎは整数である。
ベクトル表記では、ｂ （ｎ）＝（b1（ｎ）,b2（ｎ）,...,bk（ｎ））（２） によってデータ・シーケンス・ベクトルが表され、ｂ
（Ｄ）によって対応するＤ変換が表される。記号は、1/
Tの速度で伝送され、未相関になり、平均エネルギーが
１になる。各ユーザに対応するシグナチャ波形は次の通
りである。
この場合、pc（ｔ）はチップ・パルス形状であり、Ｎ
＝T/Tcは展開係数であり、 はｋ番目のユーザの展開コードである。
通常、BSまたはMS端末の送信機側の展開機能は、伝送
されたデータ・シーケンス｛bk（ｎ）｝にシグナチャ波
形sk（ｔ）を掛けることによって行われる。スプレッダ
41（およびデスプレッダ40）の代替実施態様は、展開コ
ードをフィルタのインパルス応答にすることによる。し
たがって、伝送された展開信号は、乗算演算とは反対の
畳み込み演算の結果になる。後者の手法の利点は、１つ
の記号期間より長い（または短い）展開コードに対応し
ながら、受信機側に含まれるマルチユーザ等化器の時間
不変特性を維持できることである。表記を単純化するた
め、以下の説明では、第４図に示す乗算による展開を想
定している。
受信機は、分散量がσ２で付加白色ガウス・ノイズη
（ｔ）（AWGN）が存在する場合のＫ個のユーザ信号の重
ね合わせｒ（ｎ）を検出する。すなわち、次の通りであ
る。
この場合、▲ｗ2 K▼はｋ番目のユーザの受信電力を示
し、０τ１...τｋＴは相対時間遅延を表す。
適合フィルタリング（40、44、45による）とサンプラ
45での記号速度サンプリングの後、１組の十分統計｛ｙ
（ｎ）｝が得られる。この場合、 ｙ（ｎ）＝（y1（ｎ）,y2（ｎ）,...,yk（ｎ））
（５） および yk（ｎ）＝∫ｒ（ｔ）sk（ｔ−nT−τｋ）dt １≦ｋ≦Ｋ （６） は、ｋ番目の適合フィルタの出力を示す。ベクトル表記
では、適合フィルタ出力を次のように書くことができ
る。
ｙ（ｎ）＝Ｒ（１）Ｗｂ（ｎ−１）＋Ｒ（０）Ｗｂ
（ｎ）＋Ｒ（−１）Ｗｂ（ｎ＋１）＋η（ｎ） （７） （S.ヴェルデュの上記論文「Minimum probability of
error for asynchronous Gaussian multiple access c
hannels」も参照されたい。）したがって、重要なシス
テム・パラメータは、Ｋ×Ｋの相互相関マトリックスＲ
（ｉ）,i＝−1,0,1と、対角マトリックスＷ＝diag（w1,
w2,...,wk）によって表される。Ｒ（ｉ）のkl番目の要
素は次のように計算される。
rkl（ｉ）＝∫sk（ｔ−πｋ）s1（ｔ＋iT−τ１）dt １≦k,l≦Ｋ （８） ただし、Ｒ（０）は対称マトリックスであり、Ｒ
（１）は対角成分がゼロの上三角マトリックスである。
さらに、Ｒ（−１）＝Ｒ（１）Ｔであり、Ｔは複素共役
転置を示す。
また、適合フィルタ40、44の出力側のノイズ・ベクト
ルの自己相関マトリックスが次のように示されることが
分かるだろう。
Ｒη(ｉ)＝Ｅ｛η(ｎ＋ｉ)η(ｎ)Ｔ｝＝σ2R(ｉ) ｉ＝−1,0,1 （９） 式（７）と（９）は、CDMAシステム用の等価離散時間
複数入力／複数出力モデルの元である。第５図は、この
モデルのブロック図を示している。式（７）を使用する
と、等価チャネル50の伝達関数マトリックスが次のよう
に示されることが分かるだろう。
Ｓ（Ｄ）＝Ｒ（１）Ｄ＋Ｒ（０）＋Ｒ（−１）D-1 （10） 同様に、離散時間ノイズ・ベクトルη（ｎ）のスペク
トルは次のように示される。
式（７）と（９）、または同等に（10）と（11）は、
Ｋ人の非同期または同期CDMAユーザの共同検出問題を、
付加色付きベクトル・ノイズが存在する場合に複数入力
／複数出力離散時間チャネルから出現するベクトル・シ
ーケンスを推定する問題に転換する。また、同じ式か
ら、マルチユーザ干渉の確定的性質とそれが短展開コー
ドの自己相関特性および相互相関特性に依存しているこ
とも明らかになる。したがって、記録号干渉（ISI）と
漏話を含む複数入力／複数出力チャネルによる多重化信
号のために開発された等化技法の一部（A.デュエル＝ハ
レンの上記論文「Equalizers for multiple input/mult
iple output channels and PAM systems with cyclosta
tionary input sequences」（IEEE J.Select.Areas Com
mun.,Vol.10,No.3,pp.630−639,1992年４月）とその参
考文献を参照されたい）は、原則として、CDMAシステム
の同様の問題を解決するために適用することができる。
MMSE線形マルチユーザ等化器： 適合フィルタ出力｛ｙ（ｎ）｝の追加処理が線形に制
限されている場合、Ｋ×ＫでＴ間隔で無限長の横等化器
の後にＫ個のメモリなし検出器のバンクが続く形態を取
る線形受信器構造に到達する。ここで、Ｃ（Ｄ）はＫ×
Ｋの等化器伝達マトリックスを示すとする。平均二乗誤
差基準は次のようになる。
Ｅ｛｜ｘ（ｎ）−Ｗｂ（ｎ）|2｝ （12） この場合、ｘ（ｎ）は、第６図に示すマルチユーザ等
化器60の出力を示す。直交性の原理を適用すると、MMSE
を示すこのマルチユーザ等化器60の伝達マトリックスＣ
（Ｄ）が得られる。すなわち、Ｃ（Ｄ）は次のように選
択される。
Ｅ｛（ｘ（ｎ＋ｉ）−Ｗｂ（ｎ＋ｉ））ｙ（ｎ）Ｔ｝ ＝０∀ｉ （13） 式（13）は、Ｒ ｘ ， ｙ （ｉ）＝Rw ｂ ， ｙ （ｉ）になる
か、またはＤ領域のクロススペクトルを使用すると同等
にＳ ｘ ， ｙ （Ｄ）＝Sw ｂ ， ｙ （Ｄ）になる。このため、
次のようになる。
Ｃ（Ｄ）（Ｓ（Ｄ）W2＋σ2I）Ｓ（Ｄ）＝W2S（Ｄ） （14） この場合、ＩはＫ×ＫのIDマトリックスを表す。した
がって、MMSE基準に基づくマルチユーザ等化器60の伝達
マトリックスＣ（Ｄ）は次のようになる。
Ｃ（Ｄ）＝W2（Ｓ（Ｄ）W2＋σ2I）-1 （15） 第１のユーザのための本発明による等化器／検出器構
造を第７図に示す。この場合、伝達関数c11（Ｄ）,...,
c1k（Ｄ）は、伝達マトリックスＣ（Ｄ）の第１行の要
素である。この第１行の３つのユニット61の概略を第７
図に示す。ここで、η′（Ｄ）＝ｘ（Ｄ）−Ｗｂ（Ｄ）
がマルチユーザ等化器60の出力側のノイズと残留干渉ベ
クトルのＤ変換を示すとする。すると、 η′（Ｄ）＝（Ｃ（Ｄ）Ｓ（Ｄ）−１）Ｗｂ（Ｄ）＋Ｃ（Ｄ）η（Ｄ）（16） とそのスペクトルが次のように示される。
Ｓ η′ （Ｄ）＝（Ｃ（Ｄ）Ｓ（Ｄ）−１）W2（Ｃ（D-1）Ｓ（D-1）−１）Ｔ ＋σ2C（Ｄ）Ｓ（Ｄ）Ｃ（D-1）T, （17） この場合、第１項は残留干渉のスペクトルを表し、第
２項は出力ノイズのスペクトルを表す。マトリックス反
転補助定理を使用すると、次のように示すことができ
る。
Ｓ η′ （Ｄ）＝σ2C（Ｄ） （18） したがって、ｋ番目のユーザのMMSEは、ユニット円上
のマトリックスＳη′ Ｄ）のkk番目の対角成分を積分
するだけで計算することができる。すなわち、次のよう
になる。
ZFマルチユーザ等化器とは対照的に、各種ユーザの相
対電力レベルはMMSE等化器の伝達マトリックスＣ（Ｄ）
に明示的に現れる。MMSEに対するその影響については、
数値計算によってすでに検討されている。すなわち、無
限に長いMMSEマルチユーザ等化器は各種電力レベルに対
してほとんど鈍感であることが分かっている。この結果
は、本発明のMMSEマルチユーザ線形等化器60に固有の
「遠近」に対する抵抗力を立証するものである。
MMSE多変量ノイズ予測決定フィードバック等化器： 線形マルチユーザ等化器の出力側のノイズおよび残留
干渉ベクトルη′（Ｄ）のMSEは、多変量予測によって
さらに低減することができる。ベクトルη′（Ｄ）上で
白色化複数入力／複数出力フィルタとして機能する多変
量予測器を使用するという考え方である。この趣旨は、
第８図に示す多変量ノイズ予測決定フィードバック等化
器構造の動機付けになっている。これは、上記の項で定
義したように順方向ZFまたはMMSE線形マルチユーザ等化
器80と、それに続く多変量予測器81とから構成される。
ここでは、この手法の基本原理について述べる。そこ
で、Ｐ（Ｄ）は一般多変量予測器Ｋ×Ｋ伝達マトリック
スを示すものとする。すなわち、次のようになる。
この場合、Ｐ（０）は対角成分がゼロの下対角マトリ
ックスである。また、 （ｎ）は多変量予測器出力ベクトルを表すものとする。
すると、 （ｎ）＝Ｐ（Ｄ）η′（ｎ）になる。ただし、予測器出
力ベクトル （ｎ）のｉ番目の成分は過去のベクトルη′（ｎ−
１），η（ｎ−２）,...,だけでなく、現在の値η′i+1
（ｎ）,...,η′ｋ（ｎ）にも依存することに留意され
たい。したがって、本発明による多変量予測プロセス
は、過去の情報とユーザオーダの両方を利用するものと
見なすことができる。メモリなし検出器82の入力側のエ
ラー・ベクトルｅ（Ｄ）は、次のように表すことができ
る。
したがって、 ｅ（Ｄ）＝η′（Ｄ）−Ｐ（Ｄ）η′（Ｄ） （22） は多変量予測誤差になる。広義の定常確率プロセスの逆
スペクトル・マトリクス｛η′（ｎ）｝によって、次の
ような因数分解が可能になる。
Ｓ η′ （Ｄ）-1＝Ｈ（D-1）TH（Ｄ） （23） この場合、Ｈ（Ｄ）＝Ｈ（０）＋Ｈ（１）Ｄ＋Ｈ
（２）D2...であり、Ｈ（０）は下三角非特異マトリッ
クスである。同等に、次のようになる。
Ｓ η′ (Ｄ)-1＝Ｈ′(D-1)Ｔ(Hd(０))2H′(Ｄ) （24） この場合、Hd（０）はその要素がＨ（０）の対角成分
である対角マトリックスであり、Ｈ′（Ｄ）＝Hd（０）
-1H（Ｄ）である。式（22）を使用すると、次式が得ら
れる。
Ｓ ｅ （Ｄ）＝（１−Ｐ（Ｄ））Ｓ η′ （Ｄ）（１−Ｐ（D-1））Ｔ （25） したがって、予測器81の伝達マトリックスは次のよう
に示される。
Ｐ（Ｄ）＝Ｉ−Hd（０）-1H（Ｄ） （26） また、予測誤差スペクトル・マトリックスは次のよう
になる。
Ｓ ｅ （Ｄ）＝Hd（０）-2 （27） したがって、ｋ番目のメモリなし検出器の入力側のMM
SE、すなわち、ｋ番目のユーザのMMSEは、式（27）の対
角マトリックスのkk番目の対角成分になる。従来のマル
チユーザDFEとノイズ予測マルチユーザDFEをパフォーマ
ンス上同等にするには、次のように設定することができ
る。
すなわち、 および Ｂ（Ｄ）＝Ｐ（Ｄ）＝Ｉ−Hd（０）-1H（Ｄ） （29） と定義する。
ここで、Ｆ（Ｄ）とＢ（Ｄ）がMDFEの順方向セクショ
ンとフィードバック・セクションとを定義する伝達マト
リックスであることが容易に分かるだろう（A.デュエル
＝ハレンの上記IEEE J.Select.Areas論文を参照された
い）。したがって、無限に長いMNP−DFEと無限に長いMD
FEが同じパフォーマンスを有する。しかし、実施態様の
観点から見ると、この２つの方式は異なっている。
第９図は、多変量予測器構造の基本原理を示してい
る。信号ベクトルｘ（Ｄ）のマルチユーザ干渉部分は、
決定ベクトル（Ｄ）を使用することによって分離され
ている。前記マルチユーザ干渉部分の分離は、干渉信号
を抽出する手段83によって行われる。時間とユーザ・オ
ーダの両方で機能する多変量予測器81により、MMSEの点
でできるだけマルチユーザ干渉ベクトルη′（Ｄ）に近
い出力ベクトル （Ｄ）が得られる。入力ベクトルｘ（Ｄ）から多変量予
測器出力η′（Ｄ）を減じると、量子化器82の入力側の
マルチユーザ干渉が最小限になる。
CDMAシステム設計の考慮事項： 以下の項では、本発明のCDMAシステムの一般的な態様
について述べる。実際に応用する場合、MMSEマルチユー
ザ線形等化器と多変量予測器は有限長を有する。有限長
と既知の相互相関マトリックスの場合、１組の線形式を
解くだけで、マルチユーザ等化器の係数を得ることがで
きる。マルチユーザ・ノイズ予測決定フィードバック等
化器の場合、順方向線形マルチユーザ等化器の係数をま
ず求めることから解法が始まる。次に、多変量予測器の
係数が１組の一般標準式の解になる。適応等化器は、複
数式の体系を明示的に解かずに正しい１組の係数に動的
に収束するという特性を持つ。
ただし、等化器の実施態様および本発明の実施例は、
基地局への伝送および基地局からの伝送が非同期である
かまたは同期であるかに依存しないことに留意された
い。同期伝送であれば、展開コードの直交性が改善さ
れ、マルチユーザ等化器のパフォーマンスがわずかに改
善されるだろう。
本発明による線形MMSEマルチユーザ等化器は、Ｋ×Ｋ
個のＴ間隔の等化器のネットワークとして、またはＫ個
の部分チップ間隔等化器のバンクとして実現することが
できる。後者の場合、展開解除機能を個別に明示的に実
現する必要はない。部分チップ間隔等化器は、展開解除
機能と等化機能の両方を同期化する特性を備えている。
MMSE等化器の実際上の利点は、単純な適応実現に役立つ
ことである。したがって、フェーディング・チャネルや
未知の相互相関機能の場合、標準の適応アルゴリズムを
応用することができる。この適応アルゴリズムは、参照
指向モードまたは決定指向モードで機能することができ
る。チャネルが記号速度に比べ非常にゆっくり変化する
ような環境では、等化器が変化を追跡することはより易
しくなるだろう。高速で変化する環境では、チャネル・
サウンディングなどの追加の技法が必要になる可能性が
ある。しかし、マルチユーザ等化器はチャネル周波数応
答を反転せず、むしろ、各種展開コードから形成される
相関マトリックスのスペクトルを反転することに留意さ
れたい。したがって、この点に関しては、一般にマルチ
ユーザ等化器の追跡問題の方が、高速フェーディング周
波数選択チャネルでの従来の単一入力単一出力等化器の
追跡問題より容易になるはずである。
本発明のマルチユーザ・ノイズ予測決定フィードバッ
ク等化器の主な実際上の利点の１つは、順方向線形マル
チユーザ等化器の適合が多変量予測器の適合から切り離
されていることである。その結果、システムの通常動作
に影響せずに、多変量予測器をいつでも切断したり接続
することができる。たとえば、高速フェーディング状況
でのフィードバックによって高いエラー伝播が検出され
た場合、多変量予測動作を完全に切断することが必要に
なる場合もある。これに対して、ヘビー・シャドウ化状
況では、比較的大きい電力を備えたユーザに対して部分
多変量ノイズ予測を適用すると、本来は高いエラー率が
発生しそうな弱いユーザのパフォーマンスが大幅に改善
される可能性もある。
通常、基地局（BS）は、特定のセル内のすべてのユー
ザ（MS）の展開コードを把握しており、共同マルチユー
ザ等化／検出方式を実現するためにさらに複雑なものを
受信機に提供することができる。したがって、本発明の
マルチユーザ・ノイズ予測決定フィードバック等化は、
基地局での共同等化／検出のための有望な手法である。
展開コードの知識を使用すると、必要に応じて等化器の
高速収束または再訓練あるいはその両方の役に立つ可能
性がある。これは、対応する展開コードが分かっている
順方向マルチユーザ等化器係数を単純に事前設定する
か、または展開コード、遅延、電力、マルチパス・プロ
ファイルの知識を使用してマルチユーザ線形等化器係数
の値を計算することによって、実施することができる。
基地局（BS）でのマルチパス受信は、デスプレッダと
それに続くマルチユーザ・ノイズ予測決定フィードバッ
ク等化器とRAKE受信機とを組み合わせることによって実
施することができる。共同等化／検出受信機の部分チッ
プ間隔実施態様の場合、順方向部分チップ間隔マルチユ
ーザ等化器によってマルチパス受信が固有かつ自動的に
行われる。次に、マルチユーザ等化器によって、それが
MMSEの解に適合するという意味でマルチパス構成要素の
最適結合が得られる。重畳的に符号化されたデータの場
合、決定フィードバックのためにビタビ・デコーダの経
路メモリから信頼できる遅延決定を行うという問題は、
インターリーバ／デインターリーバ対のパラメータを賢
明に選択することによって効率よく解決することができ
る。
第10A図および第10B図は、Ｋ＝３同期ユーザの共同等
化／検出のための多変量ノイズ予測決定フィードバック
等化器（MNP−DFE）の構造の実施例を示している。順方
向セクション90は、Ｋ＝３の部分チップ間隔等化器のバ
ンクから構成される。前記順方向セクション90の９つの
遅延要素92は、Tc/qの遅延に備えたものである。マルチ
ユーザ等化器の係数はTc/q間隔になっており、ｑは整数
の割合である。多変量フィードバック予測器（第10B図
を参照）は、K2＝９のFIR（有限インパルス応答）Ｔ間
隔フィルタのバンク91から構成される。前記Ｔ間隔フィ
ルタのそれぞれは、遅延Ｔに備えた２つの遅延要素93を
含む。また、同図は、エラー信号e1i（ｎ）およびe
2i（ｎ）、ｉ＝1,2,3も示すが、これは、順方向マルチ
ユーザ線形等化器係数と多変量フィードバック予測器係
数をそれぞれ更新するために使用することができる。
MNP−DFEの重要な特徴は、時間だけでなくユーザ・オ
ーダの点でも干渉予測と減算を可能にすることである。
ただし、同期CDMAシステムでは、干渉予測がユーザ・オ
ーダについてのみ行われることに留意されたい。この場
合、フィードバック多変量予測器は、Ｋ（Ｋ−１）/2の
単一タップ・フィルタから構成される。これは、フィー
ドバック・フィルタ91のバンク内の左端の列の係数のみ
存在すると想定した場合の非同期CDMAシステム（第10A
図および第10B図を参照）のケースでもある。
時間０の係数を除き、本発明のMNP−DFEのすべての係
数は従来どおり、すなわち、LMSアルゴリズムのような
技法を使用することにより、適応される。時間０の係数
がどのように異なるかという例は、ユーザ・オーダ１、
２、３による検出について第10A図および第10B図に示
す。この場合、適応された唯一の時間０の係数は、予測
係数p21、p31、p32になる。０というラベルが付いた係
数は必ずゼロであり、0mというラベルが付いた係数は現
時点で、しかも、この特定の検出オーダについてのみ、
ゼロである。しかし、ユーザのオーダで適当な変化が検
出された場合に回復できるように、最後の非ゼロ値はど
こか他の所に格納される。ユーザ・オーダの決定は、受
信信号電力や、線形フィルタ91のバンクの出力側の平均
二乗誤差（MSE）などのユーザ間の様々な基準の推定に
基づいて行うことができる。いずれの場合も、決定した
ユーザ・オーダは、フェーディングまたはノイズなどの
チャネル障害によって変化する可能性がある。ユーザ・
オーダの変更は、現行予測係数を保管し、新しいユーザ
・オーダに対応する新しい組としてロードすることによ
って実施される。
また、本発明は、CDMA赤外線（IR）ネットワークにも
適用可能である。CDMAベースのIRシステムを第11図に示
す。移動局110は、展開回路111とオプトエレクトロニク
ス伝送ユニット112とを備えている。オプトエレクトロ
ニクス受信機113による光検出と、デスプレッダ40によ
って行われる展開後に基地局では、マルチユーザ干渉を
低減するために、各種ユーザの信号がMNP−DFE115によ
って処理される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−129890（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−150107（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−35314（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−292059（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H04J 13/00

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】コード分割多重アクセス（CDMA）マルチチ
    ャネル通信システムにおける入力信号ｘ（Ｄ）のマルチ
    ユーザ干渉を低減するための装置であって、 前記装置が受信機の一部であるかまたは受信機に接続さ
    れ、かつ多変量予測器（81）と決定量子化器（82）とを
    含み、 前記入力信号ｘ（Ｄ）と前記決定量子化器（82）の出力
    側で得られる出力信号（Ｄ）との差から干渉信号η′
    （Ｄ）を得る手段を備え、 前記多変量予測器（81）が前記干渉信号η′（Ｄ）を入
    力として受け取って前記干渉信号η′（Ｄ）の平均二乗
    誤差を低減した出力信号 （Ｄ）を与えるものであり、 前記決定量子化器（82）が前記入力信号ｘ（Ｄ）から前
    記出力信号 （Ｄ）を減じたものをその入力として受け取ることを特
    徴とする装置。
  2. 【請求項２】その入力側の第１の干渉低減のための順方
    向フィルタ（80）のマトリックスをさらに含むことを特
    徴とする、請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】その入力側に位置する、第１の干渉低減の
    ための部分チップ間隔フィルタバンク（90）をさらに含
    むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
  4. 【請求項４】前記予測器がＫ×Ｋ個のＴ間隔フィルタの
    ネットワーク（91）を含むことを特徴とする、請求項１
    に記載の装置。
  5. 【請求項５】前記マトリックスの各順方向フィルタ（8
    0）が、 ・ ゼロ強制（ZF）線形等化器か、または ・ 最小平均二乗誤差（MMSE）線形等化器 のいずれかであることを特徴とする、請求項２に記載の
    装置。
  6. 【請求項６】前記量子化器（82）が、重畳的に符号化さ
    れたデータを復号するためのビタビ・デコーダであるこ
    とを特徴とする、請求項１に記載の装置。
  7. 【請求項７】前記予測器の予測係数を更新するために使
    用する予測誤差ｅ（Ｄ）を決定するための手段を含むこ
    とを特徴とする、請求項１ないし６のいずれかの一項に
    記載の装置。
  8. 【請求項８】基地局（BS）または移動局（MS）あるいは
    その両方が、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の
    装置を含むことを特徴とする、CDMA通信システム。
  9. 【請求項９】TDMAベースまたはFDMAベースのトラフィッ
    クを送受信するための装備をも備えることを特徴とす
    る、請求項８に記載のCDMA通信システム。
  10. 【請求項１０】コード分割多重アクセス（CDMA）マルチ
    チャネル通信システムにおける入力信号ｘ（Ｄ）のマル
    チユーザ干渉を低減するための方法であって、 決定量子化器（82）の出力信号（Ｄ）と前記入力信号
    ｘ（Ｄ）との差から干渉信号η′（Ｄ）を得るステップ
    と、 前記干渉信号η′（Ｄ）を入力として取り、その平均二
    乗誤差を低減した多変量予測器出力信号 （Ｄ）を生成するステップと、 前記入力信号ｘ（Ｄ）から前記多変量予測器出力信号 （Ｄ）を減じたものを前記決定量子化器に与えることに
    より、前記入力信号ｘ（Ｄ）のノイズおよび残留干渉信
    号を低減するステップとを含むことを特徴とする方法。
  11. 【請求項１１】第１の干渉低減ステップが、干渉信号
    η′（Ｄ）の前記抽出より前に行われることを特徴とす
    る、請求項10に記載の方法。
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