JP3762162B2 - データバーストのタイミングロケーション推定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、送信される無線信号中のトレーニングシーケンスの追跡に係り、特に、ＧＳＭシステムにおけるデータバースト中のトレーニングシーケンスの追跡に関するが、これに限定されない。この発明は、雑音の大きな低い信号対雑音比の環境に適用される場合に特に有利である。
【０００２】
【従来の技術】
無線通信において、システムインターシンボルインタフェース（ＩＳＩ）は、受信アンテナから遠く離れた対象物からの反射により無線パス中において生じる。シンボルは、時間的に広がっていき、隣接するシンボルが互いに干渉する。無線通信システムの受信機は、送信することを意図された情報を決定しなければならない。
【０００３】
ＧＳＭシステムにおいて、データはタイムスロット内に配置されたバースト中で送信される。既知のパターンおよび良好な自動相関特性を有するトレーニングシーケンスが、データバーストの中央に配置される。トレーニングシーケンスは、バーストの第１および第２の半分に対する正確なチャネル推定を提供するために、バーストの中央に配置される。受信されるバーストの時間的な位置は、バースト毎に変化する。これは、伝播チャネルの変化および移動体局の移動による。
【０００４】
ＧＳＭシステムにおいて、チャネルイコライザが、受信機中に備えられる。受信信号のパス中に配置されるイコライザの目的は、正しい決定の確率を最大化するために、ＩＳＩおよびマルチパス効果を可能な限り低減することである。チャネルイコライザは、バースト中のトレーニングシーケンスを使用して、マルチパス効果を等化する。等化を有効に実行するために、受信機は、トレーニングシーケンスの正確な位置をまず同定しなければならない。
【０００５】
トレーニングシーケンスは、チャネルモデルを作るためにイコライザにより使用される。これは、常に変化するが、１つのバーストの中では時間的にゆっくり変化するチャネルに対して一定であるとみなすことができる。２つの同様な妨害信号が、ほとんど同時に受信機に到達した場合、かつそれらのトレーニングシーケンスが同じである場合、受信信号に対する各々の寄与を区別する方法がない。この理由のために、十分に近いセルにおいて同じ周波数を使用するチャネルに、異なるトレーニングシーケンスを割り当てて、それが干渉しないようにしている。２つのトレーニングシーケンスが異なる場合、かつ可能な限り相関が小さい場合、受信機は、受信信号に対する各々の寄与を極めて容易に決定することができる。
【０００６】
受信機は、無線通信システムの送信機が送信するトレーニングシーケンスを知り、そのトレーニングシーケンスを記憶する。記憶されたトレ−ニングシーケンスを送信機から受信されたトレーニングシーケンスと相関づけることにより、チャネルインパルス応答が測定され得る。イコライザは、送信チャネルのモデルを生成し、かつ最も蓋然的な受信機シーケンスを計算する。
【０００７】
概念的には、イコライザは、異なる時間分散成分をとり、チャネル特性に従って重み付けし、成分間に適切な遅れを挿入した後にそれらを加算して、送信された信号のレプリカが回復されるようにする。
【０００８】
セルラ無線における問題は、チャネルのダイナミックな性質によってさらに複雑になる。移動体が周辺のマルチパスを通って移動するとき、イコライザは、変化したチャネル特性に連続的に適合しなければならない。イコライザは、送信されるトレーニングシーケンスを知り、実際に受信されたものが何であるかも知っている。したがって、イコライザは、チャネル伝達関数の推定をすることができる。適応型イコライザは、伝達関数の推定を連続的に更新し、チャネル送信の間に決定誤りがあまり多くならないことを保証する。
【０００９】
通常のシステムにおいて、タイミング推定は、データバーストを基地局に記憶されたトレーニングシーケンスと相関させることにより得られる。基地局は、移動体局により使用されるトレーニングシーケンスを知っている。相関は、受信信号の様々なビット位置において実行される。最高の相関値を提供するビット位置は、トレーニングシーケンスの第１ビットであると決定される。そして、受信されたデータバーストは、チャネルについて補償するために有効に等化され得る。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この知られた技術は、低い信号対雑音比の非常に雑音の大きい環境において、マルチパス遅れの影響を大きく受ける。等化の前に相関をとることは、タイミング推定における誤りを導き、イコライザの出力におけるビット誤りを導く。
【００１１】
本発明の目的は、雑音の大きい環境においても信頼性よく動作する受信されたデータバーストのタイミングロケーションを推定するための改良された技術を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、請求項１に記載した特徴を有する。
【００１３】
即ち、本発明のデータバーストのタイミングロケーション推定方法は、データストリームで受信したデータバーストのタイミングロケーションを推定する方法において、前記各データバーストは、タイミングシーケンスを一定位置に有する複数のビットを含み、各受信したデータバーストに対し、トレーニングシーケンスのタイミングロケーションの少なくとも１つの位置を推定するステップと、前記ステップで推定された位置に対し、データバーストを等化するステップと、前記ステップで等化したデータバーストの相関をとるステップとを有することを特徴とする。
【００１４】
本発明によればデータバーストのタイミングロケーションを決定し、これにより雑音環境中で大幅な性能の向上が図られる。
【００１５】
さらに本発明は請求項２に記載した特徴を有する。即ち、前記トレーニングシーケンスの複数のタイミングロケーションを推定し、各受信したデータバーストに対し、最高値を有する相関結果を決定するステップと、前記最高値を有する相関結果の等化データバーストを保持するステップとをさらに有することを特徴とする。
【００１６】
さらに本発明の他の態様によれば、本発明は請求項３に記載した受信機である。即ち、一定位置にタイミングシーケンスを含む複数のビットを含むデータバーストを同期化する受信機において、前記受信機は、受信した各データバーストに関し、トレーニングシーケンスのタイミングロケーションの少なくとも１つの位置を推定し、前記推定した各位置に対するデータバーストを等化し、前記等化した各データバーストの相関をとる
ことを特徴とする。
【００１７】
さらに本発明によれば、請求項４に記載した特徴を有する。即ち、前記トレーニングシーケンスのタイミングロケーションの複数の位置を推定し、前記受信機は、各受信したデータバーストに対し、最高の値を有する相関結果を決定し、前記最高値を有する相関結果の等化データバーストを保持することを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）には、典型的なＧＳＭ送信信号の基本構造が示されている。図から分かるように、送信信号は、複数のデータバースト２ａないし２ｎを含む。ＧＳＮシステムにおいては５つの異なる種類のバーストがある、即ちノーマルバースト、同期化バースト、周波数訂正バースト、アクセスバーストおよびダミーバーストである。各バーストは、１５６．２５ビット長である。本発明は、バーストを等化するためのトレーニングシーケンスを含むいかなるバーストにも適用される。トレ−ニングシーケンスの長さは、データバーストのタイプに従って変化する。ノーマルデータバーストにおいて、トレ−ニングシーケンスは２６ビット長である。
【００１９】
実際に、送信のセットアップフェーズにおいて、送信されるメッセージの前にアクセスバーストが置かれる。したがって、受信局は、最初にアクセスバーストのトレーニングシーケンスを探す。その後、メッセージは、複数のノーマルデータバーストを含み、受信局は、ノーマルデータバーストのトレーニングシーケンスを探す。送信されるメッセージからのバーストの抽出は、当業者によりよく理解されるものであり、本発明の範囲の外にある。
【００２０】
図１（ｂ）において、各ノーマルデータバーストは、ヘッダ部分４、第１データ部分６ａ、トレーニングシーケンス８、第２データ部分６ｂおよびテール部分１０を含むことが分かる。図１（ａ）のデータバーストの各部分のフォーマットおよび生成は、当業者によく知られている。
【００２１】
図２には、ＧＳＭ移動体およびＧＳＭ基地局の受信機において通常の等化プロセスを実行するための等化回路のブロック図が示されている。等化回路は、図１に示されたようなデータバーストを含むデータストリームを、受信アンテナから信号線４６において受信する。この等化回路は、信号線４８上の受信機においてさらに処理されるべき等化されたデータストリームを出力する。
【００２２】
等化の前に受信信号が通らなければならない受信アンテナおよびダウンコンバータのような前処理回路は、図２には示されていない。そのような回路は、本発明の範囲を超えており、その具現化は、当業者の能力の範囲内にある。
【００２３】
等化回路は、制御回路３２、トレーニングシーケンス記憶回路３０、相関器４０、レジスタセット４２、イコライザ４４、記憶回路３６、コンパレータ回路３８、カウンタ３４および値記憶３５を含む。
【００２４】
図２の回路の動作は、図３のフローチャートとの関係で説明する。図３は、通常の等化プロセスにおいて実行されるステップを示す。等化回路は、信号線４６においてデータのストリームを受信し、受信されたデータストリームは、制御回路３２からの信号線７０の制御下で、レジスタセット４２にシフトされる。レジスタセット４２は、データバースト中のビット数を超える多数のビットを記憶することができる。
【００２５】
制御回路３２が、レジスタセット４２を到来するデータストリームで満たした場合、図３のステップ１２において、制御回路は、線６０上の信号をセットし、カウンタ３４中の値ｉをセットする。カウンタ中のこの値ｉは、レジスタセット４２中に記憶されたデータのビット位置であり、受信機により推定されるものは、第１のデータバーストのトレーニングシーケンスの第１ビットである。このビット位置の推定は、予め定められている。
【００２６】
次のステップ１４において、受信機は、ビット位置ｉの内容を、および受信データストリームの次の連続する２５ビット位置を、信号７０の制御下で２６ビットパラレル信号ライン５４を介してレジスタセット４２から相関器４０に転送する。受信データストリームは、ＧＳＭノーマルデータバーストにおいて２６ビットの推定トレ−ニングシーケンスを含む。相関器は、トレーニングシーケンス記憶回路３０において受信機中に記憶されたトレーニングシーケンスを、２６ビットパラレル信号ライン５２上で受信する。これは、受信機が受信することを期待するトレーニングシーケンスである。
【００２７】
そして、相関器４０は、ステップ１６において、パラレルライン５４上の推定トレーニングシーケンスを、パラレルライン５０上の記憶されたトレーニングシーケンスと相関させる。したがって、受信機は、受信信号のビットｉおよび次の連続する２５ビットをトレーニングシーケンス記憶回路３０の２６ビットと相関させる。この相関の結果は、ライン６４上の出力となり、ステップ１８において、この結果は、制御回路からの信号７２の制御下で記憶回路３６に記憶される。
【００２８】
そして、受信機の制御回路３２は、ステップ２０において、カウンタ３４中の値ｉが値ストア３５中に記憶されかつライン６３上で読み出される値ｎに等しいかどうかを決定する。この値ｎは、相関が実行されるべきｉの最大値である。制御回路３２は、ライン６２上で、カウンタ３４の内容を読み出し、これをライン６３上で記憶された値ｎと比較する。
【００２９】
制御回路３２が、値ｉが値ｎにまだ到達していないと決定した場合、受信機は、ステップ２２に進み、図３のステップ２２に示されているように、ライン６０上の信号をセットすることにより、カウンタ３２中の値ｉを増加させる。値ｉがインクリメントされる量は、予め定められる。
【００３０】
以上に説明した図３のステップ１４ないし２０が、トレーニングシーケンスの異なる推定がライン５４に出力されてかつトレーニングシーケンス記憶回路の内容と相関させられるように、異なるｉの値で繰り返される。
【００３１】
値ｉが図３のステップ２０において、値ｎに等しい場合、受信機の制御回路３２は、記憶回路３６中の記憶された相関値を比較するために、ライン７４を介してコンパレータ回路３８を制御する。記憶された相関値は、ライン７２を介して制御回路３２の制御下で、コンパレータ回路３８に対してライン６６に与えられる。これは、図３のステップ２４により示されている。コンパレータ回路は、記憶された相関結果を比較して、最も大きな値を決定する。
【００３２】
記憶回路３６は、相関結果を、相関が実行された値ｉと共に記憶する。コンパレータは、最も大きな相関値の値ｉを、制御回路３２に対してライン７６上に出力する。最も大きな値に戻る相関結果は、第１データバーストのトレーニングシーケンスの１番目のビットであるｉの値であると推定される。
【００３３】
ステップ２６において、制御回路３２は、ビット位置ｉにおける第１ビットを有するトレーニングシーケンスに関連づけられたレジスタセットから、第１データバーストを形成するビットのセットを出力する。このデータバーストは、イコライザ４４に対してライン５６上に出力される。
【００３４】
例えば、ＧＳＭノーマルデータバーストの例において、データバーストは１５６．２５ビット長であり、トレーニングシーケンスの第１ビットは、ノーマルデータバーストの６２番目のビットである。したがって、制御回路は、トレーニングシーケンスの第１ビットの位置を知ると、データバーストの第１ビットを決定することができ、データバーストの全てのビットを選択することができる。もし２００ビットがレジスタセット４２に記憶された場合、制御回路は、ノーマルデータバーストの１５６．２５ビットを選択する。
【００３５】
制御回路３２からのライン７３上への制御信号に応答して、イコライザ４４は、受信したデータバーストを等化する。データバーストは、標準技術にしたがって周知の方法でイコライザにより等化されて、チャネルの伝播パスに対する補償を行う。等化された受信データバーストは、イコライザ４４からライン４８上に出力される。
【００３６】
等化プロセスは、受信信号からマルチパス効果を除去する。即ち、等化プロセスは、受信信号から雑音を推定し、そのきれいなバージョンを作る。イコライザ４４は、マッチドフィルタである。
【００３７】
そして、制御回路は、第１ノーマルデータバーストの最後のビットの後のレジスタセット４２において受信された第１ビットを、レジスタセットの最上位ビット位置にシフトし、レジスタセットにさらなる受信ビットのセットをそれがいっぱいになるまでシフトする。そして、上述したステップが、繰り返されて、第２およびそれ以降のデータバーストのトレーニングシーケンスを同定する。
【００３８】
前述において、相関は、２６ビットトレーニングシーケンスを有するノーマルデータバーストの例に基づいて、受信データから選択された２６ビットについて実行されるものとして説明された。制御回路３２は、到来するデータバーストがトレーニングシーケンス中に異なる数のビットを有する異なるタイプのバーストとして同定されるように、受信機中のプロセッサにより制御されることになり、相関されるビットの数が変化し、トレーニングシーケンス記憶回路中に記憶されるトレーニングシーケンスが調節されることになることがわかる。
【００３９】
図２および３を参照して前述した通常の相関および等化技術は、受信機が移動体局にあるかまたは基地局にあるかにかかわらず、いかなる受信機にも適用可能である。
【００４０】
本発明にしたがって改良された等化技術の動作は、図４および５を参照して説明する。図４には、本発明によるＧＳＭ移動体またはＧＳＭ基地局の受信機において等化プロセスを実行するための回路のブロック図が示されている。図４において、図２に示された構成要素に対応する構成要素には同じ参照符号が付けられている。図４の等化回路は、等化データバースト記憶回路８０を含む。
【００４１】
受信機は、ライン４６上でデータバーストを含むデータストリームを受信し、ライン４８上で等化されたデータバーストを出力する。
最初のステップ１０２において、制御回路はデータストリームをレジスタ４２に入力する。データがレジスタ４２の組に入力されると制御回路は、カウンタ３４の内容ｉをライン６０を介して前と同様にトレーニングシーケンスの第１推定ビット位置に設定する。
【００４２】
次のステップ１０６においては、制御回路３２は並列ライン５６を介してビットｉであるトレーニングシーケンスの第１ビットに対応するデータバーストをイコライザに出力する。ステップ１０８においては、イコライザ（等化器）はチャネルモデル回路２８によりライン７８を介して表われたチャネルモデルに基づいてデータバーストを等化する。
【００４３】
本発明によればイコライザは、並列信号ライン８２を介して等化データバーストを等化データバースト記憶回路に出力し、そこでこの等化データバーストは制御回路からの信号８６とカウンタ３４の値ｉの制御下で記憶される。
【００４４】
ステップ１１０において、制御回路３２はライン６２を介してカウンタ３４の内容を読み出し、それをライン６３を介して記憶回路３５内の記録された値ｎと比較する。値ｉが値ｎに等しくない場合には、制御回路はカウンタ３４内の値ｉをステップ１１２で所定量だけ増分する。ステップ１０６，１０８においては、制御回路３２はｉの異なる値に対し等化ステップを繰り返し、この等化データバーストとｉの対応する値とを等化データバースト記憶回路８０内に記録する。
【００４５】
このようにしてレジスタに登録されたデータストリームは、ｉの異なる値の数に対し等化される。ここでｉは、データバーストの第１ビットが推定されるトレーニングシーケンスの第１ビットの推定値である。ステップ１１０において、値ｉが値ｎに等しいときには制御回路３２はカウンタ３４を元の値ｉにリセットして第２フェーズの動作を開始する（ステップ１１４）。
【００４６】
ステップ１１６においては、制御回路３２は、等化データバースト記憶回路８０を制御して第１等化データバーストの推定トレーニングシーケンスをライン７８上に出力する。かくしてビットｉの第１推定値に関連する等化トレーニングシーケンスは、ライン７８を介して相関器９０に出力される。相関器９０はトレーニングシーケンスストア３０からライン５２を介して記録されたトレーニングシーケンスを受信する。
【００４７】
ステップ１１８において、相関器９０はライン７８と５２を介して２つの信号の相関を通り、相関値をライン６４上に生成する。制御回路３２からの信号７２の制御下でステップ１２０においてこの相関値は記憶回路３６に記憶される。かくしてトレーニングシーケンスの第１推定位置に関連するこの等化トレーニングシーケンスの相関が採られ、この相関値は、推定位置に関連するビットＩと共に記憶される。
【００４８】
次にステップ１２２においては、制御回路３２はライン６２を介してカウンタ３４内の値と値ストア３５内の記録された値ｎとを比較する。ｉがｎに等しくない場合には制御回路３２は、ライン６０を介して信号を所定数（ステップ１１２と同一の所定数）だけｉの増分値に再び設定する。そしてステップ１１６から１２０がｉの次の値に対し繰り返される、即ち、トレーニングシーケンスの異なる推定値に対し繰り返される。かくして等化トレーニングシーケンスは、ｉの連続する値に対し相関が採られる。
【００４９】
値ｉがｎに等しい場合（図５のステップ１２２）には、受信機の制御回路３２は比較回路３８をライン７４を介し制御して、記憶回路３６内の記録された相関値を比較する。この記録された相関値が、ライン６６を介して比較回路３８に、ライン７２を介して制御回路３２の制御の元で比較回路３８に表示される。このことを図３のステップ１２８で示す。比較回路３８は記憶された相関結果を比較して最高の値を決定する。
【００５０】
記憶回路３６は、相関が行われた値ｉと共にこの相関結果を記憶する。記憶回路３６は、最も高い相関値の値ｉをライン７６を介して制御回路３２に出力する。最高値となるこの相関結果は、第１データバーストのトレーニング信号の第１ビットであるｉの値と推定される。
【００５１】
ステップ１３０においては、制御回路３２はライン８６を介して制御信号を等化データバースト記憶回路８０に送り、ライン７６を介して記憶回路３６により得られた値ｉに関連して記録された等化データバーストを選択する。残りの等化データバーストは廃棄される。上記のステップは、第２のデータバーストさらにそれ以上のデータバーストに対してもその後繰り返される。
【００５２】
上記のタイミング推定は、マルチパスの影響を取り除きイコライザの出力点におけるビットエラーレートについて、従来のタイミング推定技術に対し大幅に改善する。
【００５３】
本発明は、等化データバーストの相関を複数回とる前に複数の等化動作が実行される例を挙げて説明した。本発明の重要な点は、等化データバーストの相関をとることである。等化手順によりマルチパスの影響および干渉の影響を除去でき、これにより受信したデータバーストのクリーンなバージョンが得られる。本発明によれば、このクリーンなデータバーストをそのデータバーストのＩＤをその後相関をとる。本発明はデータバーストの相関が採られ、その後等化されるような環境下で適用できる。Ｓ／Ｎ比が低い雑音環境においては、本発明は特に利点があり、受信したデータバーストのタイミングロケーションを推定する技術を改善できる。
【００５４】
本発明は、アダプティブアンテナ処理のような干渉を制限する環境において特に有効であり、その理由は従来のタイミング推定はマルチパスの影響のみならず、他のセルからの干渉の影響も受けるからである。空間−時間処理のようなアダプティブアンテナアルゴリズムによりマルチパスと干渉の影響を取り除くことができる。
【００５５】
本発明の技術は、比較的大きな処理パワーを必要とする。タイミング推定の精度は常に処理パワーとの相反する。処理資源とパワー資源の制約により、本発明は通信システムの基地局にのみ今のところ適用できる可能性がある。現在の移動局で本発明を採用とすることは、さらに処理機能を必要とするため利用可能ではない。しかし、必要とされる処置能力とパワー能力が将来の移動局に組み込むことができるようになった場合には、本発明を採用するような将来の移動局も可能である。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、雑音の多い環境においても信頼性よく動作する受信データバーストのタイミングロケーションを推定するための改良された技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）多数のデータバーストを含むＧＳＭシステムのデータストリームの構造を示す図。
（ｂ）ＧＳＭノーマルデータバーストの構造を示す図。
【図２】ＧＳＭデータバーストの等化を実行するための通常の回路の主要な構成要素を示すブロック図。
【図３】図２の回路の動作を示すフローチャート。
【図４】本発明によるＧＳＭデータバーストの等化を実行するための回路の主要構成要素を示すブロック図。
【図５】図４の回路の動作を示すフローチャート。
【符号の説明】
３０ トレ−ニングシーケンス記憶回路
３２ 制御回路
３６ 記憶回路
３８ コンパレータ回路
４０ 相関器
４２ レジスタ
４４ イコライザ
８０ 等化データバースト記憶回路

Claims (4)

1. データストリームで受信したデータバーストのタイミングロケーションを推定する方法において、
   前記各データバーストは、タイミングシーケンスを一定位置に有する複数のビットを含み、
   各受信したデータバーストに対し、
   トレーニングシーケンスのビットのタイミングロケーションの複数の位置を推定するステップと、
   その後に、推定されたすべての位置に対し、データバーストを等化するステップと、
   既知のシーケンスと、前記等化したデータバーストのトレーニングシーケンスの部分との相関をとるステップとを有することを特徴とするデータバーストのタイミングロケーション推定方法。
2. 前記トレーニングシーケンスの複数のタイミングロケーションを推定し、
   各受信したデータバーストに対し、
   すべての推定された位置に対して、最高値を有する相関結果を決定するステップと、
   前記最高値を有する相関結果に関連した１つのデータバーストを保持するステップとをさらに有することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 一定位置にタイミングシーケンスを含む複数のビットを含むデータバーストを同期化する受信機において、前記受信機は、
   受信した各データバーストに関して、トレーニングシーケンスのビットのタイミングロケーションの複数の位置を推定し、前記推定したすべての位置に対するデータバーストを等化し、その後に既知のシーケンスと、すべての前記等化したすべてのデータバーストのトレーニングシーケンスの部分との相関をとるようにした回路を含むことを特徴とするデータバーストを同期化する受信機。
4. 前記トレーニングシーケンスのタイミングロケーションの複数の位置を推定し、
   前記受信機は、各受信したデータバーストに対し、
   最高の値を有する相関結果を決定し、
   前記最高値を有する相関結果の等化データバーストを保持することを特徴とする請求項３記載の受信機。

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