JP3096538B2 - ディジタル信号送信方法および装置、ディジタル信号ビットセット生成方法ならびに受信機 - Google Patents
ディジタル信号送信方法および装置、ディジタル信号ビットセット生成方法ならびに受信機Info
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Description
ムの分野に関し、特に、セルラ無線のような無線通信の
分野に関する。
の効果であるフェージングを縮小するために、アンテナ
ベースの通信システム(例えばセルラ無線)において使
用される技術である。アンテナダイバーシチは、受信機
に複数の(すなわち、N≧2)アンテナを備えることに
よって得られる。このN個のアンテナは、統計的に独立
にフェージングを受けるN個のチャネルを意味する。従
って、あるチャネルがフェージングしている(すなわ
ち、多重経路干渉の弱めあう効果によって振幅損失を受
けている場合)、他のあるチャネルが同時にフェージン
グを受けていない可能性が多い。これらの独立なチャネ
ルによって与えられる冗長性によって、受信機はフェー
ジングの悪い効果を避けられることが多い。
信するために少なくとも1つのアンテナを必要とする。
フェージングの回避を容易にするために使用される追加
の各アンテナは、受信機にコストおよび複雑さを加え
る。当然、できるだけ少ないアンテナを使用してフェー
ジングの効果を回避することが望ましい。
は、単一のアンテナを備えた移動無線装置は、対応する
基地局が情報送信時に複数のアンテナを使用している場
合にはアンテナダイバーシチの利益を得ることが可能で
ある。アンテナダイバーシチは、両伝送方向におけるシ
ステムチャネル応答特性(例えば、振幅およびフェージ
ング)がほぼ等しい限り、適応再送の原理を使用してT
DDシステムにおいて可能である。(W.C.ジェイク
ス,Jr.編「マイクロ波移動通信」(1974年)参
照。)
アンテナを使用してアンテナダイバーシチを提供するこ
とができるにもかかわらず、移動通信(例えばセルラ無
線)に対してこのようなシステムの望ましい点は、いく
つかの要因によって相殺される。第1に、TDDベース
のシステムは、基地局間の正確なクロック同期を要求す
る。このようなクロック同期がない場合、ある呼におけ
る移動局から基地局への伝送は、隣接するセル内の同一
の周波数を使用する基地局から移動局への伝送とかなり
干渉する。適切なクロック同期は広域位置決定システム
(GPS)を使用して実現されるが、GPSベースのタ
イミングは基地局の(従ってユーザの)コストを大幅に
増大させる。
えば、狭帯域TDMAディジタルセルラ標準のIS−5
4によって指定されるもの)では、基地局から移動局へ
の、および、移動局から基地局へのチャネルは異なり、
それによって、適応再送の利益を減少させる。低信号速
度の問題は、より短いタイムスロットの使用によって対
処し得るが、その結果、固定信号オーバヘッドが各スロ
ットに要求される場合には容量が大きく損失することに
なる。
TDD通信システムは、周波数分割二重(FDD)通信
を使用する現在のセルラシステムと互換でない。
ステムは、TDDシステムについて上に説明したタイミ
ングおよび互換性の問題を提示しない。しかし、FDD
ベースのシステムは、適応再送を実行する能力を有しな
い。その理由は、移動局から基地局への、および、基地
局から移動局への伝送が、2つの独立のフェージング周
波数帯域で起こるためである。単一の受信アンテナを使
用するFDDベースのシステムにおけるダイバーシチの
利益は、以前は、2つの時間的に異なるインタバルに1
つのチャネルで情報記号のセットを反復して送信するこ
とによって実現されていた。
いるため、ダイバーシチは、チャネルのフェージング特
性がその間に変化し得るように2つの送信を時間的に十
分遠く分離することによって得られる。チャネルフェー
ジング特性の変化を仮定すれば、この技術は、2つの独
立のフェージングチャネルの使用を模倣しており、その
ために、ダイバーシチの利益が得られる。
る複数の送信アンテナを利用することによって移動受信
機にアンテナダイバーシチの利益を与える。そうするこ
とによって、本発明は、受信機にただ1つのアンテナし
か要求しない。本発明は、ダイバーシチの利益を与える
ために、チャネル符号によって導入される冗長性を利用
する。最大ダイバーシチ利益は、基地局で使用されるア
ンテナ要素の数によって上限が定められ、これは、使用
されるチャネル符号の最小ハミング距離に等しい。本発
明は、FDDベースおよびTDDベースの両方のシステ
ムに適用可能である。
を放送するために送信機によって使用されるアンテナの
数)の記号のチャネル符号、および、最小ハミング距離
2≦dmin≦Nを使用する基地局からなる。このチャネ
ル符号は、K個の情報ビットの群を符号化するために使
用される。基地局送信機のN個のアンテナは、従来N個
のアンテナでダイバーシチ受信をする場合のように、数
波長だけ離して設置される。チャネル符号記号ciは、
このKビットを表現するために第iアンテナで送信され
る。受信機では、通常の最尤チャネル符号復号器によっ
てdminのダイバーシチが得られる。
信号処理のさまざまな概念は、例えばディジタル通信技
術の分野では周知である。従って、それについては詳細
には説明を要しない。これらの概念は、例えば、結合変
調および符号化、最尤復号などである。これらの概念
は、米国特許第4,457,004号(発行日:198
4年6月26日、発明者:A.ガーショ他)、米国特許
第4,489,418号(発行日:1984年12月1
8日、発明者:J.E.マゾ)、米国特許第4,52
0,490号(発行日:1985年5月28日、発明
者:L.ウェイ)、米国特許第4,597,090号
(発行日:1986年6月24日、発明者:G.D.フ
ォーニー,Jr.)、米国特許第5,029,185号
(発行日:1991年7月2日、発明者:L.ウェ
イ)、および、米国特許出願第07/797,381号
(出願日:1991年11月26日、発明者:セシャド
リほか)に記載されている。これらの特許および特許出
願の譲受人はすべて本特許出願と同一である。
にするため、本発明の実施例は、個別の機能ブロックか
らなるものとして提示する。これらのブロックが表現す
る機能は、(例えばソフトウェアを実行可能なハードウ
ェアを含めて)共有の、または、専用のハードウェアを
使用して実現される。実施例は、ディジタル信号プロセ
ッサ(DSP)ハードウェア(例えば、AT&TのDS
P16またはDSP32C)、および、以下で説明する
動作を実行するソフトウェアからなることが可能であ
る。超大規模集積回路(VLSI)ハードウェア、また
は、ハイブリッドDSP/VLSIによる本発明の実現
も可能である。
イバーシチ受信の中心的アイデアは、高い確率で、異な
るアンテナで受信される信号は異なる瞬間にフェージン
グを受けることである。従って、受信機は、ほとんど歪
みのない送信信号を再構成するために、異なる受信信号
を結合または選択することができる。
することによって、ダイバーシチの利益を与える。送信
信号の異なるコピーを受信機へ送るために、本発明の実
施例は、異なる送信アンテナを使用して、2つの異なる
重畳しないインタバルで同一の信号を送信する。受信機
は、N(例えば2)個の異なる送信信号のコピーを受信
する。ここで、各コピーは、他のコピーとは統計的に独
立のフェージングを受ける。次にこれらのコピーは、ダ
イバーシチの利益を得るために、従来の最尤復号器を使
用して結合される。この場合、この復号は、N個のアン
テナ(N≧2)によって受信された信号の複数のコピー
を結合するために使用される従来技術によってなされ
る。
素の数に等しい反復長を有する反復符号を備える。送信
効率(帯域幅およびパワーによる)はN分の1になるた
め、結合変調および符号化技術を使用することが有効で
ある。これらの技術は当業者には周知であり、ここでは
直接適用することができる。(上記のウェイおよびセシ
ャドリの文献を参照。)
例および実施例のエラー性能に関する概念を説明する。
る全伝送チャネルはN個の異なるチャネルからなり、そ
の各チャネルは例えば独立の遅い(静的な)レイリーフ
ェージングを受けるとみなすことができる(本発明の原
理は他のクラスのフェージングチャネルにも同様に適用
可能である)。第iチャネルに対するインパルス応答は
次式で与えられる。
フェージング値である。その位相は、(−π,π)にわ
たって一様に分布する乱数値であり、その大きさは次式
によってレイリー分布する。
次式で与えられる。
る)。
データ)記号である。符号語cnは、最小ハミング距離
2≦dmin≦Nのチャネル符号を使用してK個の情報ビ
ットの第n群をN個のチャネル記号に符号化することに
よって生成される。
有する平方根コサインナイキストパルスであるパルス型
である(狭帯域TDMA北米ディジタルセルラ標準であ
るIS−54では35%)。
される信号は、次式で与えられる。
ω0t}は、加法的共チャネル干渉(白色ガウス型ノイ
ズとしてモデル化される)および同じく白色ガウス型と
してモデル化されるその他のノイズ源である(A↑
{B}はAのB乗を表す)。
からの)記号の送信を時間的に分離することが有効であ
る。この分離は、干渉が最小化され、最小ハミング距離
に等しいダイバーシチ利益が得られるようなものである
ことが好ましい。例えば、この分離は、ナイキストパル
ス型伝送の1記号インタバルに等しい。一般に、最適時
間分離(または位相関係)は、次式に従って得られる。
は記号の送信中に使用されることが好ましい。
(t)e↑{jω0t}は、同一周波数ω0で動作する異
なる送信機からくる共チャネル干渉を表し、同一送信機
(ほぼ同時に送信する)のアンテナからのものは表さな
い。
ト復調を仮定すると、第i送信信号に対応する復調信号
は次式で与えられる。
分散を有する加法的干渉である(本発明の原理は他の復
調方式にも同様に適用可能である)。
信パルスp(t)に一致する平方根ナイキストフィルタ
を構成する。このフィルタに対応する出力は、時刻jT
(記号間干渉自由タイミング)におけるサンプルであっ
て、次式で与えられる。 ri(jT)=zicij+wi
は、数8に対応して次の判断統計量を形成する。
語のうちの1つである。可能な符号語ごとに相関が計算
される。
た符号語として選択され、これは、K個の情報ビットの
符号化された第j群となる(最尤復号の代わりに他の復
号方式を使用することも可能である)。
号が与えられると、独立レイリーフェージングの存在下
での実施例のエラー性能は次式のようになる。
り、SNR=<Es>/N0(<Es>は記号あたり受信
される平均エネルギー)であり、N0は両側加法的白色
ガウス型ノイズスペクトル密度である。
る。最小ハミング距離にある符号語のあらゆる対に対し
て、その符号語のうちの1つにおける記号iが他の符号
語の記号iと異なる場合には、記号ごとに平方されるユ
ークリッド距離が決定される。これらの平方ユークリッ
ド距離が乗算され、その符号語の対に対する積距離を与
える。すべての積距離の最小値が最小積距離となる。
ディジタル無線通信システム送信機の実施例である。送
信機は、音声信号源101からアナログ音声信号を受信
し、この信号を、アンテナ116a,bで送信するため
に処理する。送信機は、ソース符号器104、チャネル
符号器106、コンステレーションマッパ108a,
b、一時記憶バッファ110a,b、スイッチ111、
パルス形成器112、変調器114およびスイッチ11
5からなる。無線信号の送信に付随するパワー増幅は、
明確化のために、図1から省略されている。
信器へ送信されるアナログ音声信号を供給する。この音
声信号は、ソース符号器104による通常のアナログ−
ディジタル変換によってディジタル信号に変換される。
ソース符号器104は、チャネル符号器106への出力
として、アナログ音声信号を表現するディジタル信号を
生成する。ソース符号器104は、通常の音声符号器で
実現可能である。
04から、複数ビットからなるPCMディジタル信号を
受信する。チャネル符号器106は、通常のチャネル符
号を使用してPCMディジタル信号を符号化する。各チ
ャネル符号語中の記号数が符号語を送信するために使用
されるアンテナの数Nに等しく、符号の最小ハミング距
離が2≦dmin≦Nという関係を満足する限り、この目
的のために任意のチャネル符号が使用可能である。
は、基地局のアンテナの数が2に等しいことを仮定す
る。以下の符号の例は、長さN=2の複素符号(記号あ
たり、2記号×2成分(同相および直交)=4次元(4
D))であり、最小ハミング距離dmin=2を有する。
個の符号語のうちの1つを生成するために一度に2個の
情報ビットを符号化する。生成される各符号語は2個の
記号からなる(表1の記号1および記号2とラベルされ
た列を参照)。各記号は、図2の左端の4−PSKコン
ステレーションに属する。従って、符号記号あたり1情
報ビットの符号化速度はこの符号によって与えられる。
以下で説明するように、記号1はアンテナ116aによ
って送信され、記号2はアンテナ116bによって送信
される。
の第1記号は、コンステレーションマッパ108aに入
力として送られ、符号語の第2記号はマッパ108bに
送られる。
は、符号器106から受信される記号に対応して複素数
値出力を生成する。この出力の実部はアンテナ116
a,bで送信される変調信号の同相成分を決定する。同
様に、この出力の虚部は変調信号の直交成分を決定す
る。コンステレーションマッパ108a,bは周知の従
来型マッパである。これは、参照テーブルとして、また
は、直接論理素子を結合して実現される。マッパ108
a,bはそれぞれ各受信符号語の第1および第2記号に
作用し、バッファ110aおよびbへ複素数値出力を送
る。
8a,bから受信される複素数値の一時記憶装置を提供
し、例えばそのような数値を100個記憶する。複素数
値のバッファリングは、パルス形成器112および変調
器114の形成を容易にするために備えられる。
成器112はバッファ110aまたは110bから、バ
ッファリングされた複素数値を受信し、複素数値からな
る信号にスペクトル形成を実行する。例えば、パルス形
成器112は、上記のように、平方根コサインナイキス
トフィルタからなる。スペクトル形成信号は変調器11
4によって送信のために変調され、その結果生じた変調
信号はアンテナ116a,bによって送信される。
は110bのいずれかからの複素数値信号を選択するよ
うに動作する。スイッチ115は、アンテナ116aま
たは116bへ形成され変調された信号を送るために、
スイッチ111と同期して動作する。動作時には、スイ
ッチ111および115は、形成、変調、およびアンテ
ナ116aでの送信のためにバッファ110aからの出
力を選択する。バッファ110aの内容がこのように処
理された後、スイッチ111および115は、形成、変
調、およびアンテナ116bでの送信のためにバッファ
110bからの出力を選択するように状態を変更する。
このバッファ間切替の手順は、ソース101が符号化の
ための出力を生成する限り継続する。
実施例を図3に示す。この実施例は上記のものと類似す
るが、2個のパルス形成器および変調器を有する。制御
ロジック201および増幅器205a,bは、符号語の
2つの記号が別々のアンテナ116aおよび116bを
使用して連続する時間インタバルに送信されることを保
証するために、スイッチ111および115に代わって
動作する。これは、一方のパルス形成器(例えば112
a)に複素記号を与え、同時に他方(例えば112b)
に0値入力を与えることによってなされる。
のチャネル符号を使用することができる。例えば、長さ
2、dmin=2、および積距離2である次の符号は、図
2の中央の8−PSKコンステレーションから形成され
る。この符号は1.5ビット/記号の効率を有する。
例えば記号0および1と記号0および5の間の平方ユー
クリッド距離は2に等しいため、最小積距離は2であ
る。2インタバルで3個の情報ビットが運搬される。従
って速度は1.5ビット/記号である。
符号化効率が与えられる。dmin=2を達成し、符号の
ブロック長が2に等しいという制約は維持するため、少
なくとも16個の符号語を有することが必要である。従
って、ダイバーシチ利益2が得られる最小コンステレー
ションは16−PSK(図2の右端)である。一般に、
N個のアンテナで、および、最小ハミング距離dmin=
Nで帯域幅効率を維持するためには、最小コンステレー
ション展開因子は2Nである。4D−16PSK符号を
次に示す。
号点ほど多数の情報ビット誤りを受けるように、情報デ
ータをグレイ符号化することによって幾分の性能向上が
得られる。その最小積距離は(0.587)2である。
受信機300の例である。受信機300は、アンテナ3
01から送信信号を受信し、出力としてアナログ音声を
生成する。受信機300は、RF−ベースバンドフロン
トエンド305、スイッチ306、受信バッファ307
a,b、チャネル復号器310、および音声復号器32
0からなる。
は、通常の復調出力(すなわち、受信記号)を、スイッ
チ306を通じて受信バッファ307a,bへ送る。フ
ロントエンド305は、例えば、RF−IF変換、受信
フィルタリング、ならびにタイミングおよび搬送波回復
回路を有する。
ンド305からの受信記号を記憶する。バッファ307
a,bはD説で説明した図1の送信機の例のバッファ1
10a,bと同様である。すなわち、バッファ307a
は、バッファ110aによって以前に記憶された記号に
対応する100個の複素記号を受信する。これらの記号
はフロントエンド305によってスイッチ306を通じ
て与えられる。
ッチ306は状態を変化し、フロントエンド出力をバッ
ファ307bに送る。バッファ307bはフロントエン
ド305によって与えられる次の100個の記号を記憶
する。両方のバッファ307a,bが満たされると、そ
こに記憶された記号はチャネル復号器310に送られ、
バッファ307a,bが満たされた処理は次の200個
の送信記号の群に対して反復される。
a,bから復調記号出力を受信し、復号した情報ビット
を音声復号器320に送る。例示した復号器310は、
図5の流れ図に従って動作する。
記号は、メモリ311に記憶されたすべての可能な妥当
符号語との相関を計算する際に使用される。例えば、バ
ッファ307aから受信された第1記号は、バッファ3
07bから受信された第2記号とともに、受信記号シー
ケンスを形成する。このシーケンスは、いずれの妥当符
号語が受信シーケンスと最も近く一致するかを決定する
ために、各妥当符号語との相関が計算される(31
2)。
れる符号語となる(313)。復号符号語は、復号情報
からなるビット列にマップされる(314)。この処理
は、バッファ307a,bの内容から利用可能な各受信
記号シーケンスに対して反復される。その結果、復号情
報ビットがバッファリングされ、これは音声復号器32
0に送られ、アナログ音声信号を生成する。
をアナログ音声にマッピングする通常の装置である。復
号器320は、図1で説明したソース符号器104と逆
の作用をなす。
アンテナを使用する本発明のダイバーシチ利益は、複数
の受信機アンテナを使用することによって改善されるこ
とが理解される。この効果は、受信機アンテナごとのフ
ロントエンドと受信バッファの対との組合せによって実
現される。
に対するこの改善による復号器の例を示す。図示のよう
に、各アンテナに付随する第1および第2バッファから
の受信記号は独立に加算される(307aおよび307
c;307bおよび307d)。その結果加算された値
は上記の処理を行うチャネル復号器310に送られる。
地局における複数の送信アンテナを利用することによっ
て移動受信機にアンテナダイバーシチの利益を与える。
そうすることによって、本発明は、受信機にただ1つの
アンテナしか要求しない。最大ダイバーシチ利益は、基
地局で使用されるアンテナ要素の数によって上限が定め
られ、これは、使用されるチャネル符号の最小ハミング
距離に等しい。本発明は、FDDベースおよびTDDベ
ースの両方のシステムに適用可能である。
ネル符号コンステレーションの図である。
ある。
る。
Claims (13)
- 【請求項1】 2≦dmin≦Nとして、最小ハミング距
離dminを有するチャネル符号に従って、ディジタル信
号のビットのセットを表すN個の記号の符号語を生成す
るステップと、 生成された符号語のN個の記号のうちの1つをそれぞれ
表現するN個の信号をN個の異なるアンテナで送信する
送信ステップとを有することを特徴とする、N個のアン
テナを使用してディジタル信号を送信する方法。 - 【請求項2】 前記送信ステップは、ダイバーシチ利益
を得るような位相関係を互いに有するように前記N個の
信号を送信するステップを含むことを特徴とする請求項
1に記載の方法。 - 【請求項3】 得られるダイバーシチ利益がdminであ
ることを特徴とする請求項2に記載の方法。 - 【請求項4】 前記送信ステップは、前記N個の記号の
うちの1個の記号に基づいて同相および直交振幅値を形
成するステップを含むことを特徴とする請求項1に記載
の方法。 - 【請求項5】 前記送信ステップで送信される信号は同
相および直交振幅値に基づくことを特徴とする請求項4
に記載の方法。 - 【請求項6】 2≦dmin≦Nとして、最小ハミング距
離dminを有するチャネル符号に従って、ディジタル信
号のビットのセットを表すN個の記号の符号語を生成す
るチャネル符号器と、 生成された符号語のN個の記号のうちの1つをそれぞれ
表現するN個の信号をN個の異なるアンテナで送信する
送信手段とを有することを特徴とする、N個のアンテナ
を使用してディジタル信号を送信する装置。 - 【請求項7】 前記送信手段は、ダイバーシチ利益を得
るような位相関係を互いに有するように前記N個の信号
を送信する手段を含むことを特徴とする請求項6に記載
の装置。 - 【請求項8】 得られるダイバーシチ利益がdminであ
ることを特徴とする請求項7に記載の装置。 - 【請求項9】 前記送信手段は、前記N個の記号のうち
の1個の記号に基づいて同相および直交振幅値を形成す
る手段を含むことを特徴とする請求項6に記載の装置。 - 【請求項10】 前記送信手段は、同相および直交振幅
値に基づく変調信号を生成する変調器をさらに有するこ
とを特徴とする請求項9に記載の装置。 - 【請求項11】 前記送信手段により送信される信号は
同相および直交振幅値に基づくことを特徴とする請求項
9に記載の装置。 - 【請求項12】 2≦dmin≦Nとして、最小ハミング
距離dminを有するチャネル符号に基づく符号語のN個
の記号のうちの1つをそれぞれ表現する、N個の異なる
アンテナから送信されたN個の信号を受信するステップ
と、N個の受信信号に基づいて、受信シーケンスのN個
の記号を形成するステップと、 前記受信シーケンスを1個以上の妥当符号語と比較し
て、前記受信シーケンスを1個の妥当符号語に対応させ
るステップと、 前記受信シーケンスに対応する妥当符号語に基づいてビ
ットのセットを生成するステップとを有することを特徴
とする、ディジタル信号のビットのセットを生成する方
法。 - 【請求項13】 2≦dmin≦Nとして、最小ハミング
距離dminを有するチャネル符号に従ってN個の記号の
符号語を通信する、N個のアンテナを有する送信機を含
む通信システムで使用される受信機において、 N個のアンテナによって送信された信号を受信する受信
手段と、 前記受信手段に接続され、各アンテナによって送信され
た信号を分離する分離手段と、 前記分離手段に接続され、N個の分離した信号に基づい
てN個の記号の受信シーケンスを形成する形成手段と、 前記形成手段に接続され、前記N個の記号の受信シーケ
ンスを1個以上の妥当符号語と比較して、該受信シーケ
ンスを1個の妥当符号語に対応させる比較手段と、 前記比較手段に接続され、前記受信シーケンスに対応す
る符号語に基づいてビットのセットを生成する手段とか
らなることを特徴とする受信機。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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