JP3575751B2 - 通信システムにおける同相チャネルと直交チャネルの電力比の制御 - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の背景）
本発明は、Ｉ／Ｑ変調を用いる無線通信システムに開し、特に、かかるシステムにおけるＩチャネルとＱチャネルの電力比の制御に関する。
【０００２】
同相（Ｉ：In-phase）信号成分および直交（Ｑ：Quadrature）信号成分を利用する変調方法が知られている。ヨーロッパおよび日本で提案されたIMT2000広帯域符号分割多元接続（WCDMA：Wideband Code Division Multiple Access）無線通信システム標準におけるアップリンク伝送等のいくつかの例においては、Ｉ成分とＱ成分とでは異なるデータチャネル（以下、本明細書では、「Ｉチャネル」、「Ｑチャネル」という。）が伝送されるようなＩ／Ｑ変調が用いられる。提案されたWCDMAシステムでは、共通制御チャネル（PCCH：Common Control Channel）は、拡散係数256、16kbit/sのデータ速度で、Ｑチャネルにより伝送される。一方、トラフィック・チャネルおよび個別制御チャネル（PDCH：Dedicated Control Channel）は、32kbit／s（拡散係数128）から1024kbit／s（拡散係数４）の間のデータ速度で、Ｉチャネルにより伝送される。
【０００３】
これらのＩチャネルおよびＱチャネルそれぞれの電力要求は当然互いに異なる。したがって、拡散およびスクランブリングが適用される前の、ＩチャネルおよびＱチャネルの電力レベルが異なる。まず、チャネルの電力はそのチャネルのデータ速度に比例すると仮定することができる。しかし、チャネルよってＱｏＳ（サービス品質：Ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ Ｓｅｒｖｉｃｅ）要求は異なるので、これは必要な条件ではない。ＰＣＣＨチャネルは、ＰＤＣＨチャネルで多重化される音声またはデータサービスに要求されるＱｏＳとは異なるＱｏＳを要するパイロットを有する。
【０００４】
ＩチャネルおよびＱチャネルの電力レベルは共通の電力制御アルゴリズムによって制御される。このアルゴリズムは、受信機において信号電力を一定に保つよう電力を増減させる。これを達成するために、このアルゴリズムは、レイリー・フェージング（Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｆａｄｉｎｇ）、対数正規分布フェージング、および端末−基地局間の距離の変化に起因する経路変化損失を追跡することになる。
【０００５】
ＷＣＤＭＡシステムにおける端末は良好な変調精度を特徴とする送信機を備えるという要求により、ある問題に直面する。ＩチャネルとＱチャネルの間で、例えば３ｄＢの正確な電力差を得るためには、端末における振幅比が次の値を有することを要する。
【０００６】
β＝１／√２＝０．７０７
【０００７】
この電力比を得るため、Ｑチャネルのデータサンプルにβが乗じられ、その結果得られるサンプルはＩチャネルからのサンプルと共に拡散−複素変調回路に供給される。
【０００８】
0.707の値を表現するには、伝送されるサンプル毎に行われる乗算に多くのビットを必要とするので、このような正確な電力比の実現は難しい。周知のとおり、乗算によって生じる演算負荷は、関係するオペランド長に関連している。演算負荷の増加によって、演算時間が長くなることはもとより、演算実行のための電力要求が増加するともいえる。
【０００９】
さらに、βの値が連続的に変化可能であるという仮定の上で、上述したWCDMAのようなシステムを設計する場合、システム内の構成機器が異なれば（例えば、端末間で製造業者が異なる場合）、βを表現する場合に生じる量子化誤差が異なる。これらの不整合の結果、システムの性能が劣化することになる。
【００１０】
（発明の概要）
すなわち、本発明は、従来の技術に比べて性能を改善させる電力比の制御手法を提供することを目的としている。
【００１１】
本発明の一の側面によれば、前記した目的およびその他の目的は、WCDMA通信システム等の無線通信システムにおける送信機で用いる方法および装置によって達成される。送信機は、１のデータセットをＩチャネルで送信し、別のデータセットをＱチャネルで送信する。送信機は、利得信号βを発生し、Ｑチャネルに係るディジタルデータに利得信号βを乗じる。ここで、利得信号βを、所定のビット数でちょうど表現可能な有限値（たとえば小数点以下のビット長を４ bit ）に制限することによって、乗算演算の複雑度が減少する。
【００１２】
本発明の別の側面によれば、無線通信システム内のすべての構成機器においてβについて同じ量子化サイズを使用することにより、βの量子化による変調誤差（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｉｎａｃｃｕｒａｃｙ）を除去することができる。
【００１３】
（詳細な説明）
以下、本発明のさまざまな特徴を、図面を用いて説明する。図面中、同一部には同一の参照番号を付すものとする。
【００１４】
図１は、本発明に従って動作する、無線通信システムの送信機のブロック図である。発明の背景の項目で説明したように、送信機はＩチャネルおよびＱチャネルを使用する。Ｑチャネル１０３に係るデータサンプルは乗算器１０５の入力の一端に供給され、乗算器１０５の入力の他端は電力比制御回路１０７から値βを受信する。先に説明したように、乗算器１０５は電力比の制御のためにＱチャネルデータをβで乗算する。乗算されたＱチャネルデータは、Ｉチャネル１０１に係るデータとともに、拡散−複素変調回路１０９に供給される。結果得られるＩチャネル信号およびＱチャネル信号は各々、第１および第２のＤ／Ａ変換器１１１、１１３に供給される。Ｄ／Ａ変換器１１１、１１３により供給されるアナログ信号は各々、第１および第２のミキサ１１５、１１７に供給される。ミキサ１１５はコサイン信号を用いてミキシングし、一方、ミキサ１１７はサイン信号を用いてミキシングする。第１および第２のミキサ１１５、１１７からの出力は結合手段１１９（例えば、加算器）に接続されており、その出力は伝送の前段増幅のための電力増幅器１２１に供給される。
【００１５】
本発明の一の側面によれば、送信機は更に、以下に説明する方法で値βを発生する電力比制御装置１０７を含んでいる。電力比制御装置１０７が動作する原理は、少なくとも部分的にはＣＤＭＡのような無線通信システムにおいては全ての信号が同一の搬送波周波数で同時に伝送されるということから導かれる。所望の信号以外のすべての信号は、受信機における干渉とみなされる。基地局によって受信されるとき、各使用者からの干渉を最小化し、それによってセルの収容能力を最適化するため、すべての受信信号は、ほぼ同等の伝送ビット当たりエネルギを有する必要がある。
【００１６】
上記したWCDMAシステムのようなＩ／Ｑ変調手法のアップリンクチャネルにおいて、Ｑチャネルの拡散係数は256に設定されている。ここで、Ｉチャネルの拡散係数は128、64、32、16、８、または４の、いずれの値とすることもできる。利得係数βの目的は、システム性能の最適化を担保することにある。従来のシステムにおいては、βのとりうる値には制限がなかった（すなわち、従来のシステムでは、βは連続的なパラメータとして記述されていた。）。
【００１７】
βの値の選択はシステム性能に多大な影響を及ぼす可能性がある。例えば、CDMAシステムにおいて伝送される情報の速度の尺度としては「チップレート」がある。典型的なシステムにおいて、基本チップレートをfc＝4.096Mchip/sとし、用途に従って1.024、2.048、8.192、または16.384Mchip/sといった他のチップレートも定義することができる。図１を参照されたい。Ｑチャネル103に供給されるディジタル情報信号は、４のオーバサンプリングレート（“OS”）を有し、各サンプルをビット数Nbで表現するようにすることができる。そして、その結果得られる各サンプルのβによる乗算は、4.096Mchip／sモードにおいては、fs＝fc・OS＝16.385Mopsを必要とすることになる。
【００１８】
乗算器におけるすべての追加ビット（すなわち、Ｎｂ＊βのビット数）は、それぞれの乗算演算をより複雑にし、また、伝送され処理される必要のあるサンプル当たりの追加ビットを増加させる。よって、電力効率のよい設計を達成するために、乗算に係るビット数が最小化されなければならない。これは相対的に少ないビット数で正確に表現できる値にβを制限することによって実現できる。しかし、上述したとおり、利得係数βの目的はシステム性能の最適化を担保することであり、そして、これは任意のβ値で実現することはできない。むしろ、システム性能を劣化させすぎることなく、乗算演算に係る必要な演算の複雑度を減少させることのできる適切なβ値を決める分析を行う必要がある。
【００１９】
分析の一例は次の通りである。典型的な送信機の実現において、βは有限のビット数を持つ信号の形態であると仮定する。従って、β_{ＩＤＥＡＬ}は最適化されたシステム性能を保証する「理想的（ｉｄｅａｌ）」な値を表現し、β信号は、理想的な値と、有限のビット数による理想的な値の近似によって生じた若干の量子化雑音との和を示すことになる。すなわち、β＝β_{ＩＤＥＡＬ}＋（量子化雑音）である。
【００２０】
実施例において、可能であるかぎり（例えば、β_IDEAL＝0.5で、βが小数点以下のビット長が少なくとも１ビットの２進数で表現される場合）、βはβ_IDEALを正確に表現することが可能であることによってそのβが選択され、他のすべての場合には、βを、その次に大きな表現可能な数に切り上げることによってそのβが選択される。最も近くの表現可能な数に丸める（これは場合によっては、切り捨てとなる。）よりも、常に切り上げることが適当である理由は、切り捨てによってＩ対Ｑの電力比が減少してしまうためである。したがって、Ｉチャネルの電力は、Ｑチャネルの電力に比べてその性能が相対的に向上するように増加させるべきである。β値の選択のためのこの方法では、このβが若干増加したときに伝送される追加的な電力を、βを表現可能なビットサイズの複数の候補について、計算することができる。
【００２１】
図２は、所望の利得値βの関数として、複数の量子化サイズ（すなわち、βの表現に使われるビット数）の候補それぞれについて要求される追加的な送信電力（単位はdB）を示すグラフである。グラフは3bit、4bit、5bit、および6bitのβの表現について示している。３bit表現が使われたとき、最悪の場合に要する追加的な送信電力は0.5dBであることがグラフより理解されよう。比較して見ると、4ビット表現が使われたとき、最悪の場合に要する追加的な送信電力は0.25dBにすぎず、大部分の場合においてはもっと少ない。βの表現に使われるビット数が増加すると、必要な追加的な送信電力は減少する。どの程度のβの値が最も使いやすいかを決定するときに考慮されるもう一つの要素は、送信電力を調整するステップサイズである。多くの通信システムにおいては、送信電力の調整は離散量でのみ行われる。典型的なWCDMAシステムにおいては、送信電力の最小調整幅は0.25dBである。そのため、βの表現に５bitまたは6bitを使用すると、追加的な送信電力は、多くとも約0.12dBしか必要としないが（図２を参照）、小さな調整は不可能であるので、無線通信システムは実際には0.25dBまで電力を増加させなければならない。よって、４bit以上使っても乗算の複雑度を増加させるだけで、追加的な送信電力の節約になることはないので、βには４bitを使用して表現するのが最適である。
【００２２】
上記見地より、本発明の一つの実施例は、最小の電力調整量である△P_ADJ に所定の倍数Ｋを乗じて得た値を下回らない限度において、追加的な送信電力の最大必要量P_EXTRA が最小となるビット数N_βで、βを量子化（すなわち、βを表現）することを含む。上記した例においては、K＝１で、βの量子化の結果として、とりうる最小の電力調整量だけが要求される。しかし、他のいくつかの例においては、追加的な送信電力をさらに減少させるメリットよりも、N_βを小さくしておくメリットを優先したい場合には、異なるＫの値を選択するのが望ましい。N _β の値を選択する一つの方法を、図３のフローチャートに示す。ステップ301で、量子化サイズN_βは最小可能値（すなわち１）に初期化される。次に、P_EXTRAが、所与のN_βの関数として決定される（ステップ303）。そして、P_EXTRAの値がK・△P_ADJの量と比較され（判断ブロック305）、P_EXTRAの値がK・△P_ADJ以上であると（判断ブロック305からの“yes”経路を通って）、N_βの値は１増加される（ステップ307）。このステップの背後にある意味は、所望のK・△P_ADJの最小値より下に落ち込むことなく、必要とされる追加的な送信電力を減少させることができるかを見るために、別の量子化サイズを試すことにある。N_βを調整した後、ステップ303に戻って処理を繰り返す。
【００２３】
Ｐ_{ＥＸＴＲＡ}の値がＫ・△Ｐ_ＡＤＪより小さいことが分かると（判断ブロック３０５から“ｎｏ”経路を通って）、β表現に使うビット数が多すぎることになる。これに応じて、Ｎ_β値は以前に受け入れられたレベルに戻すよう調整され（ステップ３０９）、βの量子化レベルの選択処理は終了する。
【００２４】
次に示す表１は、データ速度比に近くなるように選択された典型的なβのセットを示している。それぞれの比に対して、上記のごとく決定されたようにβの表現に４ｂｉｔを使用することに基づいて提案された値とともに、理想値β_{ＩＤＥＡＬ}が示されている。
【００２５】

【００２６】
βの表現のための量子化サイズを選択するのに考慮するもう一つの要素は、これがどんな変調誤差をもたらすかという影響に関係している。多くのセルラ電話システムにおいては例えば、標準規格（これらのシステムはこの標準規格に従って動作させなければならない）は、与えられたいかなる端末によっても受け入れられる変調誤差量について制限を置いている。無線通信システムがβ値に何の制限も置かない標準規格の下で動作すると仮定する（すなわち、システムはβ_IDEALが使われると仮定する。）と、βの量子化値を用いる端末を使用した場合には、システムが期待する信号と比べたときの変調誤差が生じてしまうことになる。図４は、複数の量子化サイズの候補のそれぞれについて、理想的な利得パラメータβ_IDEALの関数としてプロットされた、変調誤差の結果を示すグラフである。４bitのβ値を使ったとき、変調誤差は約6％である。これは一般的に受け入れられる変調誤差量であり、許容できる変調誤差の限度を超えないようにするため、無線端末における別の構成要素に厳格な制限を課す必要がある。
【００２７】
本発明の別の観点によれば、βの量子化による変調誤差に関する問題は、むしろ制限のない理想的なβ_{ＩＤＥＡＬ}で量子化されたβ値に基づく無線通信システム全体の設計によって説明される。それぞれの送信機に、βについて同一の量子化サイズ（例えば、Ｎ_β＝４）を使わせることによって、システムはこの量子化によるいかなる変調誤差も受けなくなる。これはシステムの性能を劣化させることなく端末の設計を容易にするとともに、異なる製造業者が異なるサイズで量子化するときに生じるシステムの不整合を除去できるという、二重の効果を持つ。
【００２８】
以上、利得βを得るための技術について説明した。使用において、図１に示したように、これらのβは電力比制御装置107によって生成される。電力比制御装置107は、例えば、ディジタル記憶装置がその中に必要とする１または２以上のβ値を記憶することによって実現される。βの量子化の値の選択のために好ましい尺度は前記の典型的なWCDMAシステムでの使用のために好適な特定の値はβ＝4として説明した。しかし、他の尺度をβの量子化の値の選択に用いることが可能であることは当業者には容易に認識されよう。例えば、P_EXTRA≧K・△P_ADJの関係を満足する最小のP_EXTRAの値を作り出すN_β値を常に探すために努力する必要はない。そのかわりに、他の場合において好適な変調精度と必要な追加的な送信電力との間の、異なるトレードオフとすることもできる。本発明はこれらの側面を含んでいる。
【００２９】
本発明は特定の実施例を参照して説明された。しかし、上述した好適な実施形態とは異なる特定の形態により本発明の具現化が可能であることは明らかであろう。これは本発明の主旨を逸脱することなく行うことが可能である。好適な実施形態は、説明のためのものにすぎず、いかなる限定も考慮すべきではない。本発明の範囲は、上述した説明ではなく、特許請求の範囲によって与えられ、すべてのバリエーションや均等物は、この特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲内に包含されることを意図したものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一側面に従って動作する無線通信システムの送信機のブロック図である。
【図２】多数の量子化サイズ候補のそれぞれについて、所望の利得値βの関数としての、必要とされる追加的な送信電力を示すグラフである。
【図３】本発明の一側面に従って、βを選択する手法の一例を示すフローチャートである。
【図４】多数の量子化サイズ候補のそれぞれについて、理想的な利得パラメータβ_{ＩＤＥＡＬ}の関数としてプロットされた、変調精度の結果を示すグラフである。

Claims (12)

1. 送信機用の装置であって、
   同相（Ｉ）チャネルに係るディジタルデータを受信する手段と、
   直交（Ｑ）チャネルに係るディジタルデータを受信する手段と、
   利得信号βを生成する手段と、
   前記Ｑチャネルに係るディジタルデータに前記利得信号βを乗じる手段と、
   前記Ｉチャネルに係るディジタルデータと、前記利得信号βが乗じられた前記Ｑチャネルに係るディジタルデータとを用いてＩ／Ｑ変調を行う手段と、を備え、
   前記利得信号βは、小数点以下のビット長が４ bit の２進数で表現される信号であることを特徴とする装置。
2. 前記送信機は、小数点以下のビット長が４ bit の２進数で表現される信号だけを前記利得値として使用することを要件とする無線通信システムでの使用のためのものであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 理想利得値β_IDEAL を小数点以下のビット長が４ bit の２進数で表現される信号で正確に表現可能である場合には、当該小数点以下のビット長が４ bit の２進数で表現される信号の値が前記利得信号βとして選択される一方、
   前記理想利得値β_IDEAL を小数点以下のビット長が４ bit の２進数で表現される信号では正確に表現可能でない場合には、当該小数点以下のビット長が４ bit の２進数で表現される信号で表現可能な次に大きな値に切り上げて得た値が前記利得信号βとして選択される
   ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記理想利得値β_IDEALは、
   前記Ｉチャネルに係る前記ディジタルデータのデータ速度と前記Ｑチャネルに係る前記ディジタルデータのデータ速度との比の関数であることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 送信機において使用する方法であって、
   同相（Ｉ）チャネルに係るディジタルデータを受信するステップと、
   直交（Ｑ）チャネルに係るディジタルデータを受信するステップと、
   利得信号βを生成するステップと、
   前記Ｑチャネルに係るディジタルデータに前記利得信号βを乗じるステップと、
   前記Ｉチャネルに係るディジタルデータと、前記利得信号βが乗じられた前記Ｑチャネルに係るディジタルデータとを用いてＩ／Ｑ変調を行うステップと、を有し、
   前記利得信号βは、小数点以下のビット長が４ bit の２進数で表現される信号であることを特徴とする方法。
6. 前記送信機は、小数点以下のビット長が４ bit の２進数で表現される信号だけを前記利得値として使用することを要件とする無線通信システムでの使用のためのものであることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記利得信号βを生成する前記ステップでは、
   理想利得値β_IDEAL を小数点以下のビット長が４ bit の２進数で表現される信号で正確に表現可能である場合には、当該小数点以下のビット長が４ bit の２進数で表現される信号の値が前記利得信号βとして選択される一方、
   前記理想利得値β_IDEAL を小数点以下のビット長が４ bit の２進数で表現される信号では正確に表現可能でない場合には、当該小数点以下のビット長が４ bit の２進数で表現される信号で表現可能な次に大きな値に切り上げて得た値が前記利得信号βとして選択される
   ことを特徴とする請求項５に記載の方法。
8. 前記理想利得値β_IDEALは、
   前記Ｉチャネルに係る前記ディジタルデータのデータ速度と前記Ｑチャネルに係る前記ディジタルデータのデータ速度との比の関数であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 請求項１から４までのいずれかに記載の装置を有する送信機。
10. 請求項１から４までのいずれかに記載の装置を有する移動通信装置 。
11. 前記移動通信装置は WCDMA 無線通信システムにおいて使用されるものであることを特徴とする請求項１０に記載の移動通信装置。
12. 前記移動通信装置は移動電話であることを特徴とする請求項１０に記載の移動通信装置。

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