JP3749730B2 - 信号有用性を判定する方法および装置 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、一般に通信システムに関し、特に通信資源の地理的再使用を行う通信システムに関する。
発明の背景
通信資源を地理的に再使用する通信システムは、周知である。これらのシステムは、１つの地域に所定の１組の通信資源を割り当て、１つ以上の他の地域において同じ組の通信資源を再利用する。この再利用技術は、いくつかのより小さな地域からなる大きな地域内に通信サービスを提供するために必要な通信資源の数を最小限に抑えることにより、通信容量を改善する。周知のように、通信資源とは、周波数搬送波，１対の周波数搬送波，時分割多重（ＴＤＭ）時間フレーム内の時間スロットまたは任意の無線周波数（ＲＦ）送信媒体である。
通信資源を地理的に再利用する最も一般的な通信システムのうち２つは、セルラ通信システムと中継移動通信システム（trunked mobile communication system）である。いずれの通信システムにおいても、通信資源の割当は、通信ユニットが通信サービスを要求すると始まる。資源の使用可能性と信号の有用性とに基づいて、資源コントローラが通信資源を通信ユニットに割り振る。会話またはファクシミリ送信などの通信は、通信ユニットと他の通信ユニットとの間、あるいは通信ユニットと公衆サービス電話網への加入者との間の通信資源上で行われる。この通信は、サービスの完了または中断が起こるまで続く。通信の最後に、資源コントローラは通信資源を回収し、それによって他の通信にこの通信資源が使用できるようにする。
容認することのできる通信資源を識別する際に重要なパラメータは、信号有用性である。無線通信システムにおいては、通常、通信資源は所定の帯域幅を占有するＲＦチャネルである。ＲＦチャネル上に情報信号が送信されると、フェーディングまたは干渉などの望ましくないチャネル効果により送信中の情報信号が変造される。そのため、通信ユニット内の受信機または基地局により受信される情報信号が望ましくないチャネル効果によって破壊される。使用可能な通信資源上の破壊の指標を確認することにより、最も破壊の少ない通信資源が通信のために選択される。この破壊の指標を信号有用性と呼ぶ。
地理的再利用通信システムにおいては、信号有用性は、通常はＲＦチャネル上に存在する同一チャネル干渉の量により制限される。同一チャネル干渉は、所望のＲＦチャネルと同じチャネル上で送信する近隣の通信ユニットまたは基地局から、受信機が不必要な情報信号を受信すると起こる。そのため、同一チャネル干渉が大きくなると、信号有用性が小さくなる。
被受信信号強度指標（ＲＳＳＩ：received signal strength indication）とビット誤り率（ＢＥＲ：bit error rate）は、信号有用性を評価する２つの一般的な方法である。ＲＳＳＩ評価においては、受信機は所望のＲＦチャネル上の被受信信号レベルを測定する。この測定によって、所望の情報信号（Ｃ），同一チャネル干渉（Ｉ）および所望のＲＦチャネル上のノイズ（Ｎ）を含む信号レベルの総和（すなわち、Ｃ＋Ｉ＋Ｎ）が求められる。この方法は、被受信信号のレベルを正確に評価するが、所望の情報信号と同一チャネル干渉による信号とを区別することができない。そのため、容認することのできるＲＳＳＩ測定を行っても、高レベルの同一チャネル干渉による容認することのできない信号有用性が得られる場合がある。あるいは、ＢＥＲ測定は、信号有用性を正確に評価するが、誤り率の低い地域では正確な推定値を得るために複数回の測定と過剰な平均化時間とが必要とされることがある。正確なＢＥＲデータを得るためには、１０ないし５０秒もの測定時間が必要になることがある。
上記に簡単に述べたように、フェーディングもまた、送信される情報信号を変造する望ましくないチャネル効果である。フェーディングは、ＲＦチャネルでの送信中に所望の情報信号が複数回反射されることにより起こる。これらの反射は、通常は、建物や山などの経路上の障害物から被送信情報信号が不測に反射されることにより起こり、この反射によって被送信情報信号の複数の改変された複製が生成され、それぞれの複製がそれぞれ新しい信号経路において当初の信号の振幅と位相を種々に変造して導入することがある。すべての被送信信号の複製が、受信機への入力において複合情報信号を形成する。複合信号の信号有用性は、フェーディングの種類に依存する。
一般に起こる２種類のフェーディングは、平坦フェーディング（flat fading）と周波数選択性フェーディング（frequency selective fading）である。デジタル送信においては、平坦フェーディングは、それぞれの新規の信号経路間の最大差動時間遅延が符号期間より短いと起こる。周知のように、ＲＦチャネルの平坦フェーディングを評価する方法が存在し、それを用いて平坦フェーディングに帰する信号有用性の低下を最小限に抑える。周波数選択性フェーディングは、それぞれの新規の信号経路間の最大差動時間遅延が符号期間と匹敵するか、あるいはそれよりも長いときに起こる。周波数選択性フェーディングも信号有用性を低下させる。最近の技術的な進歩によって、周波数選択性フェーディングがあっても信号品質を評価することができるようになった。周波数選択性フェーディングを説明する信号品質の測定法については、モトローラ社に譲渡された米国特許第５，１７０，４１３号「Control Strategy For Reuse System Assignments And Handoff」を参照されたい。この方法には多くの利点があるが、同一チャネル干渉およびノイズの測定された近似値に基づき信号有用性を評価することについては技術的な関心を示していない。
そのため、ＲＦチャネル干渉の判定に基づいて信号有用性を決定する方法および装置が必要である。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明による送信および受信された変造情報符号を星座状に示したものである。
第２図は、本発明による受信機を有する通信システムのブロック図である。
第３図は、本発明による受信機を有する通信システムの代替のブロック図である。
好適な実施例の説明
一般に、本発明は被受信信号の有用性のレベルを判定する方法および装置を提供する。被受信信号は、所望部分と非所望部分の和で構成される。通常、所望部分には振幅と位相が改変された当初の被送信信号が含まれ、非所望部分にはノイズと干渉が含まれる。本発明においては、受信機は被受信信号から所望部分の表現を抽出し、それを利用して被受信信号の非所望部分の表現を得る。次に受信機は、各部に含まれる平均電力を計算し、２つの電力の比を形成する。この比は、通常、搬送波対干渉およびノイズ比またはＣ／（Ｉ＋Ｎ）と呼ばれ、被受信信号の有用性の指標となる。
本発明は、第１図ないし第３図に関してさらに詳しく説明することができる。第１図は、被送信情報符号パターン１００および変造された被受信情報符号パターン１０１である。第１図に示される二次元の符号パターンは、１６の直角振幅変調（ＱＡＭ）を用いるデジタル通信システムを代表するものであるが、四分割相シフト・キーイング（ＱＰＳＫ）および差動ＱＰＳＫなどの代替のデジタル変調法に対応する符号パターンも当技術ではよく用いられる。
デジタル送信システムにおいては、送信機は情報符号のストリームを放出し、各情報符号は被送信情報符号パターン１００に含まれる個々の組の可能な値から選択された特定の値である。たとえば、特定の符号時刻に送信機が被送信情報符号パターン１００内に示される情報符号１０３を送信するとする。送信される情報符号のストリームは、送信機から受信機に向かって、ＲＦ送信チャネルなどの通信資源上を伝播する。受信機によって受信された情報符号ストリームは、通常は、送信チャネル上での送信中に出会った望ましくない効果により変造される。
被送信情報符号１０３は、２通りに変造される。第１は、通信資源が符号の振幅と位相を改変する。すなわち、実際には、被送信情報符号パターン１００を回転させ、拡大縮小（スケーリング）して変造された被受信情報符号パターン１０１を生成する。通信資源により導入される回転と拡大縮小の実際の量は、一般に、レイリーの効果または平坦フェーディングによる時間の関数として無作為に変化する。第２は、通信資源が被送信情報符号１０３にノイズと干渉を加えて、被受信情報信号がある無作為の量だけ変位される。通信資源の地理的再利用を行う多重サイト通信システムにおいては、干渉はシステム内の他の送信機が通信資源を使用したことにより起こる。ノイズは、熱ノイズおよび環境ノイズなど種々の源から起こる。多重サイト通信システムは、通常は送信チャネルにより導入されるノイズおよび干渉が、被送信情報符号１０３と比較して小さいままになるよう設計されるので、通常の動作条件では、被受信情報符号は、高い確率で、対応する被送信情報符号に近い領域１０２内にある。
通信資源により導入された変造の結果、被受信情報符号ストリームは、所望部分と非所望部分とから構成される。送信機により当初送信された情報符号ストリームを含む所望部分は、フェーディングにより回転され拡大縮小される部分である。非所望部分は、通信資源により被送信符号ストリームに加えられた干渉とノイズである。
第２図は、送信機２０１，ＲＦチャネル２０２，受信機２０３およびノイズと干渉２０４を含む通信システム２００を示す。送信機２０１は、基地局または双方向無線機や無線電話などの通信ユニット内に含まれることがある。同様に、受信機２０３も通信ユニットや基地局に含まれることがある。周知のように、通信ユニットは、ＲＦチャネル２０２または通信資源を介して基地局と情報のやり取りをする。これらの通信が開設される方法は周知のものであり、本件とは関わりがない。
情報符号のストリームなどの信号は、送信機２０１によりノイズと干渉２０４が起こるＲＦチャネル２０２または通信資源上を送信され、受信機２０３によって受信される。被受信信号は、ノイズおよび干渉２０４と合計された被送信信号の表現も含めて、所望部分判定装置２０５，非所望部分判定装置２０６および信号有用性判定装置２０９によって構成される、受信機２０３内の装置２１０内に入る。所望部分判定装置２０５は、被受信信号を受け取り、それから所望部分を判定する。本実施例においては、所望部分には被送信信号の表現の推定値が含まれ、これは被受信信号をアナログ形式からデジタル形式に変換してデジタル信号処理を行うことにより得られる。非所望部分判定装置２０６は、所望部分判定装置２０５に動作可能に結合され、被受信信号と所望部分とを受け取り、それらから被受信信号の非所望部分を判定する。非所望部分判定装置２０６は、被受信信号から所望部分を減じて非所望部分を判定する減算器によって構成される。信号有用性判定装置２０９は、所望部分判定装置２０５と非所望部分判定装置２０６から所望部分と非所望部分とをそれぞれ受信して、それらに基づいて被受信信号の有用性の指標を判定する。上記に簡単に述べたように、有用性の指標には、一般には所望部分の非所望部分に対する比を評価することが含まれる。
装置２１０には、非所望部分平均化装置２０７と所望部分平均化装置２０８とが含まれることもある。これらは非所望部分と所望部分とをそれぞれ受け取って、それらの対応する平均値を生成する。信号有用性判定装置２０９は、非所望部分平均化装置２０７と所望部分平均化装置２０８により生成された平均値を利用して、有用性の指標を判定する。通常、非所望部分平均化装置２０７と所望部分平均化装置２０８により生成された平均値は、非所望部分と所望部分の複合したものを二乗した強度を平均化することにより判定される平均信号電力である。そのため、信号有用性判定装置２０９により提供される有用性の指標は、前述の搬送波対干渉およびノイズ比に近似する。受信機２０３内の装置２１０は、非所望部分判定装置２０６および所望部分判定装置２０５と、非所望部分平均化装置２０７および所望部分平均化装置２０８と、信号有用性判定装置２０９として機能するソフトウェア・ルーチンを含むデジタル信号処理（ＤＳＰ）ユニットである。
第３図は、送信機２０１，ＲＦチャネル２０２および受信機３０１を含む通信システム３００である。送信機２０１は、変造されていない情報符号のストリームをＲＦチャネル２０２上で受信機３０１に送信する。ＲＦチャネル２０２においては、変造されていない情報符号ストリームは、フェーディング３０２の乗算効果およびノイズと干渉の加算効果を受けて、結果として受信機３０１の入力において変造された情報符号のストリームとなる。たとえば、変造されていない情報符号ストリームの各情報符号は、個別の値Ｄによって表される。ＲＦチャネル２２内のフェーディング３０２の効果は、変造されていない情報符号のそれぞれにフェーディング信号ｈを掛算することによりモデル化され、ノイズと干渉２０４の効果は、干渉信号Ｉをフェーディングされた情報符号のそれぞれに加えることにより表される。ＲＦチャネル２０２の送信が終了すると、受信機の入力に現れる情報符号の複合ストリームは、情報符号の変造されたストリームを形成する。変造されたストリームの各符号は、Ｄｈ＋１により数学的に示される。そのため変造されたストリームの各符号は、所望部分と非所望部分との和で構成され、所望部分はＤｈと示され、非所望部分はＩと示される。
信号受信機３０３，符号判定装置３０４，フェーディング信号判定装置３０５，所望部分判定装置３０６，非所望部分判定装置２０６および信号有用性判定装置２０９によって構成される受信機３０１は、変造されたストリームを処理して、変造されたストリームの有用性を判定するために用いられる。情報符号の変造されたストリームがアンテナを通じて受信機３０１に入り、信号受信機３０３の入力に伝播する。信号受信機３０３は、変造されたストリームを増幅，濾波して、アナログ形式からデジタル形式に変換する。変造されたストリームのデジタル表現は、符号判定装置３０４とフェーディング信号判定装置３０５の入力に提供されるが、このとき変造されていない情報符号Ｄの表現とフェーディング信号ｈの表現がそれぞれ判定される。フェーディング信号と変造されない各情報符号の表現を判定する方法については、モトローラ社に譲渡された同時継続出願第０７／７８３，２８９号「Communication Signal Having A Time Domain Pilot Component」を参照されたい。
変造されていない各情報符号Ｄの表現とフェーディング信号ｈの表現は、所望部分判定装置３０６に提出され、そこで被変造ストリームの所望部分が、その２つの入力表現に基づいて判定される。たとえば、所望部分判定装置３０６は、出力信号Ｄｈを提供するデジタル掛算器でもよい。非所望部分判定装置２０６は、所望部分判定装置３０６と信号受信機３０３から入力を受け取り、これらを処理して被変造ストリームの非所望部分を生成する。第２図に関して前述されたように、非所望部分判定装置２０６は、所望部分Ｄｈを被変造ストリームＤｈ＋Ｉの各符号から減じて非所望部分Ｄｈ＋Ｉ−Ｄｈを生成する減算器によって構成される。変造されていない各々の情報符号Ｄとフェーディング信号ｈの表現が正確であるとすると、非所望部分は干渉信号Ｉに近似する。フェーディング信号判定装置３０５と非所望部分判定装置２０６の出力が、信号有用性判定装置２０９に提供されて、被変造ストリームの有用性の指標が判定される。有用性の指標は、フェーディング信号表現の非所望部分に対する比すなわちｈ／Ｉを評価することにより判定される。
受信機３０１には、非所望部分平均化装置２０７と所望部分平均化装置２０８とが含まれることがある。これらは非所望部分とフェーディング信号の表現をそれぞれ受け取り、それぞれの入力の平均値を生成する。所望部分平均化装置２０８により生成された平均値には、フェーディング信号の平均値を変造されていない各々の情報符号の所定の平均値だけ拡大縮小することが含まれる。非所望部分平均化装置２０７と所望部分平均化装置２０８の平均化された出力は、信号有用性判定装置２０９に送られて、被受信信号の有用性が判定される。第２図に関して前述したように、非所望部分平均化装置２０７および所望部分平均化装置２０８により生成された平均値は、通常は平均信号電力である。そのため、信号有用性判定装置２０９が設ける有用性指標は、搬送波対干渉およびノイズ比に近似する。この方法で、信号有用性の指標（Ｃ／（Ｉ＋Ｎ））を５秒以内に判定することができる。
本発明は、被受信信号の有用性の指標を判定する方法および装置を提供する。本発明により、多重サイト周波数再利用通信システム内の受信機は、被受信信号の有用性を迅速に正確に評価することができる。これは、チャネル割当およびチャネル切換（ハンドオフ）などのシステム動作にとって重要な手順である。本発明の方法は、被受信信号強度測定と比べて、はるかに優れた被受信信号有用性の指標を提供する。これは、被受信信号強度測定では行わない被受信信号の所望部分と非所望部分との区別を行うためである。さらに、本発明の方法は、特に誤り率の低い地域においてビット誤り率測定と比べ迅速であるが、ビット誤り率測定と同様に正確な被受信信号有用性の指標を提供する。その結果、多重サイト通信システムの動作が改善される。

Claims (4)

1. 複数の通信ユニットと、複数の基地局により送受信される限られた数の通信資源と、複数のサイトとを有する通信システムであって、前記限られた数の通信資源が前記複数のサイト全体に分配および再利用されて、前記複数の通信ユニットのそれぞれには受信機と送信機が含まれ、前記複数の基地局のそれぞれには受信機と送信機が含まれる通信システムにおいて、被受信信号の有用性を判定する方法であって：
   ａ）第１通信ユニットまたは第１基地局のいずれか一方の送信機により情報符号のストリームを送信して符号ストリームを生成する段階であって、符号ストリームの各情報符号が所定の組の個別値の１つである段階；
   ｂ）第２通信ユニットまたは第２基地局のいずれか一方の少なくとも１つの受信機によって変造された情報符号のストリームを受信し、被変造ストリームを生成する段階であって、前記被変造ストリームのそれぞれの被変造情報符号が、フェーディング信号により乗算され干渉信号と加算された符号ストリームの情報符号の１つに対応する段階；
   ｃ）前記少なくとも１つの受信機により、前記被変造ストリームから前記フェーディング信号の表現を判定し、判定されたフェーディング信号を生成する段階；
   ｄ）前記少なくとも１つの受信機により、前記被変造ストリームから符号ストリーム内の情報符号の表現を判定して、判定された情報符号を生成する段階；
   ｅ）前記少なくとも１つの受信機により、前記の判定された情報符号と前記の判定されたフェーディング信号とに基づいて、前記被変造ストリームの所望部分を判定する段階；
   ｆ）前記少なくとも１つの受信機により、前記被変造ストリームの所望部分と前記被変造ストリームに基づいて、前記被変造ストリームの非所望部分を判定する段階；および
   ｇ）前記少なくとも１つの受信機により、前記判定されたフェーディング信号に基づいて生成される前記被変造ストリームの所望部分と前記被変造ストリームの非所望部分とに基づいて、前記被変造情報符号の有用性の指標を提供する段階；
   によって構成されることを特徴とする方法。
2. 段階ｅ）の判定が、前記の判定されたフェーディング信号に判定されたそれぞれの情報符号を乗算して前記被変造ストリームの所望部分を求める段階によって構成され、段階ｆ）の判定が、前記被変造ストリームの所望部分を、前記被変造ストリームから減じて、前記被変造ストリームの非所望部分を判定する段階によって構成される請求項１記載の方法。
3. 通信システム内の通信ユニットまたは基地局に含まれる受信機であって：
   被変造情報符号のストリームを受信する信号受信機であって、被変造情報符号のストリーム内の各被変造情報符号は変造されていない情報符号にフェーディング信号を乗算し、干渉信号と加算した結果である信号受信機；
   前記信号受信機に動作可能に結合されて、フェーディング信号の表現を判定して判定されたフェーディング信号を生成するフェーディング信号判定装置；
   前記信号受信機に動作可能に結合され、変造されていない情報符号のそれぞれの表現を判定して判定された情報符号を生成する符号判定装置；
   前記フェーディング信号判定装置および前記符号判定装置に動作可能に結合され、前記の判定されたフェーディング信号および判定された情報符号に基づいて、被変造情報符号のストリームの所望部分を判定する所望部分判定装置；
   前記所望部分判定装置および前記信号受信機に動作可能に結合され、前記被変造情報符号のストリームの所望部分と前記被変造情報符号のストリームとに基づいて、前記被変造情報符号のストリームの非所望部分を判定する非所望部分判定装置；および
   前記フェーディング信号判定装置および前記非所望部分判定装置に動作可能に結合され、前記判定されたフェーディング信号に基づいて生成される被変造情報符号のストリームの所望部分と、前記被変造情報符号のストリームの非所望部分とに基づいて、前記被変造情報符号の有用性の指標を判定する信号有用性判定装置；
   によって構成されることを特徴とする受信機。
4. 前記フェーディング信号判定装置および前記信号有用性判定装置に動作可能に結合された所望部分平均化装置と、前記非所望部分判定装置および前記信号有用性判定装置に動作可能に結合された非所望部分平均化装置によって構成され、前記信号有用性判定装置は、前記所望部分平均化装置によって生成された平均値と前記非所望部分平均化装置によって生成された平均値とを用いて、前記被変造情報符号のストリームの所望部分の、前記被変造情報符号のストリームの非所望部分に対する比を生成して、前記被変造情報符号の有用性の指標を判定する請求項３記載の受信機。

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