JP3898970B2 - チャネル推定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＭＣ−ＣＤＭＡ方式におけるチャネル推定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、第三世代移動通信方式（Ｗ−ＣＤＭＡ方式）よりも更なる高速化、大容量化を目標とした第四世代方式の検討が進められている。第四世代方式では、周波数利用率の一層の向上や伝搬遅延の克服により通信品質の一層の向上が求められており、これを実現する伝送方式としてＯＦＤＭ技術に基づくＭＣ−ＣＤＭＡ（multicarrier-CDMA）方式が有力視されている。
ＭＣ−ＣＤＭＡ方式には拡散を周波数軸方向に行なう場合と、時間軸方向に行なう場合が考えられる。
【０００３】
図８は、時間軸方向に拡散を行うＭＣ−ＣＤＭＡ通信方式における送信機の概略構成を示すブロック図である。ユーザｋの入力データは変調されて直並列変換器（Ｓ／Ｐ）８１に入力される。直並列変換器８１で並列化されたデータシンボル列は、それぞれ対応する乗算器８２に供給されサブキャリア毎に拡散処理が行われる。図で、ｋ番目のユーザのｎ番目のサブキャリアのデータシンボルは、拡散コードｃ_k,n(t)で拡散される。その後、各サブキャリアに対応して設けられた多重器（ＭＵＸ）８３において、他ユーザのデータシンボル、パイロットシンボル等と多重され、逆フーリエ変換器（ＩＦＦＴ）８４によりマルチキャリア信号として送出される。
図９は、該マルチキャリア信号のフレーム構成を示す図である。この図に示すように、各サブキャリアにおいてパイロットシンボルはデータシンボルと時間軸上においてコード多重されている。
【０００４】
図１０は、受信機構成を示すブロック図である。受信機では、まず、フーリエ変換器（ＦＦＴ）９１によって受信信号をサブキャリア毎の成分に分解し、サブキャリア毎に設けられた逆拡散器９２により逆拡散を行いデータシンボルを得る。また、チャネル推定部９３において、パイロットシンボルについても同様に逆拡散を行って、パイロットシンボルを復調し、伝搬路の推定（チャネル推定）を行う。そして、各サブキャリア対応に設けられた乗算器９４により、チャネル推定値に基づいてデータシンボルの位相補償を行う。その後、並直列変換器（Ｐ／Ｓ）９５を通して、当該ユーザのデータを得る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ＯＦＤＭや周波数軸方向拡散を行うＭＣ−ＣＤＭＡ方式では、サブキャリア毎にいくつかのパイロットシンボルが時間多重されており、それらのパイロットシンボルから適当に選択したパイロットシンボルを同相加算してサブキャリア毎のチャネル推定値を求めている。チャネル推定精度の向上を図るためには、加算するパイロットの選択が重要となる。ＯＦＤＭ方式では時間軸の相関が高いこと、またサブキャリア間の相関も高いことから、隣接するパイロットシンボル及び隣接するサブキャリアのパイロットシンボルを同相加算の対象として選択している。
一方、ＭＣ−ＣＤＭＡ方式ではコード拡散を行うので信号のシンボル長が拡散長（ＰＧ倍）だけ伸長する。そのため、ＰＧ倍に伸長した信号に対する時間相関、周波数相関はＯＦＤＭ方式（ＰＧ＝１）に比べて小さくなる。従って、時間軸又は周波数軸方向から固定長のパイロットシンボル数を選択すると、走行に伴い伝搬環境が刻々と変化する移動伝搬環境下では、場合によっては相関が小さくて本来加算してはならないパイロットシンボルまでも選択することになり、逆にチャネル推定精度を低下させることがある。このようなことを避けるため、非常に厳しい伝搬環境条件（例えば最悪ケース）を想定し、選択するパイロットシンボルの範囲を大きく制限することが一般に行われている。しかしながら、このような厳しい制限を固定的に行えば、比較的良好な伝搬環境下における特性が逆に大きく劣化することとなる。
【０００６】
そこで本発明は、パイロットシンボルを時間軸方向に拡散するＭＣ−ＣＤＭＡ方式において、伝搬環境に柔軟に耐え得るチャネル推定方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のチャネル推定方法は、各サブキャリアでパイロットシンボルが時間軸方向へ拡散されて送信されるＭＣ−ＣＤＭＡ通信方式におけるチャネル推定方法であって、チャネル推定の対象となるパイロットシンボルに対し時間軸方向および周波数軸方向において所定の範囲内に位置するパイロットシンボルの受信信号を、各軸の相関に応じて重み付けした上で同相加算することにより、チャネル推定を行うようにしたものである。
また、チャネル推定の対象となるパイロットシンボルに対する時間軸上の距離と周波数軸上の距離が所定の値以下であるパイロットシンボルを前記同相加算の対象とするようにしたものである。
あるいは、チャネル推定の対象となるパイロットシンボルと同一タイミングであるパイロットシンボルと同一周波数であるパイロットシンボルを前記同相加算の対象とするようにしたものである。
あるいはまた、チャネル推定の対象となるパイロットシンボルに対する時間軸上の距離と周波数軸上の距離の和が所定の値以下となる位置にあるパイロットシンボルを前記同相加算の対象とするようにしたものである。
さらに、到着済みのパイロットシンボルのみを前記同相加算の対象とするようにしたものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明のチャネル推定方法の最も基本的な実施の形態においてチャネル推定に用いるパイロットシンボルを説明するための図である。この図において、横軸は時間軸、縦軸は周波数軸であり、図中太線で囲まれたシンボルがチャネル推定の対象となっているシンボルを示している。
この図に示すように、本発明のチャネル推定方法においては、時間軸、周波数軸の双方の範囲からパイロットシンボルを選択して、面的な範囲のパイロットシンボルを同相加算することを基本としている。但し、同相加算するパイロットシンボルの選択範囲を伝搬環境に応じて適応的に変化させる。これによれば、面的に広がる多くのパイロットシンボルを利用することができるので、チャネル推定精度の大幅な向上が期待できる。具体的には、加算するパイロットシンボルに対して重み付けを適応的に行うことにより等価的に選択範囲の変更を行う。なお、重み付けを適応的に行う方法は選択範囲が固定であり、選択範囲を適応的に変える方法に比べて処理が簡単となる。
また、パイロットシンボルの選択法として、（ａ）過去と未来のパイロットシンボルから選択する蓄積処理法と、（ｂ）過去のパイロットシンボルから選択する実時間処理法がある。蓄積処理法は過去、未来の両側のパイロットシンボルを利用できることから過去の片側パイロットシンボルだけを利用する実時間処理法に比べて推定精度の向上が期待できる。
【０００９】
（１）第１の実施の形態（重み付け面的同相加算法）
（ａ）蓄積処理の場合
図１に示すように、時間軸上、周波数軸上で同相加算を行う片側のパイロットシンボル数をここではそれぞれＮ_t、Ｎ_fとおくと、実際に加算するパイロット数は時間軸上に２Ｎ_t＋１、周波数軸上に２Ｎ_f＋１となり、全体では(２Ｎ_t＋１)(２Ｎ_f＋１)となる。但し、同相加算するパイロットシンボルが復調する信号から離れるほど相関が小さくなることから、加算するパイロットシンボルの距離差に応じて重み付けを行い精度の向上を図るようにしている。時間軸上、周波数軸上の重み係数（以下では、「忘却係数」とよぶ）をそれぞれλ_t、λ_fで与える。そして、対象となるパイロットシンボルをｒ_ti,fiとしたとき、パイロットシンボルｒ_t,fにλ_t ^|t-ti|・λ_f ^|f-fi|を重みとして乗算して同相加算する。図中には、各パイロットシンボルに乗算される重み係数が記載されている。
これにより、重み付け同相加算したｆ_i番目のサブキャリアのｔ_i番目のシンボルのチャネル推定値ｅ_ti,fiは次式で与えられる。
【数１】

ここで、ｒ_t,fはｆ番目のサブキャリアのｔ番目の受信パイロットシンボルの複素振幅を表し、ｐは送信パイロットシンボルの複素振幅を表す。
【００１０】
（ｂ）実時間処理の場合
実時間処理を行なう場合には、図１中に示すように、時間軸上で利用できるパイロットシンボルは過去の（到着済みの）パイロットシンボルに限定される。従って、実際に加算するパイロット数は、時間軸上にＮ_t＋１、周波数軸上に２Ｎ_f＋１となり、全体では(Ｎ_t＋１)(２Ｎ_f＋１)となる。重み付け同相加算したｆ_i番目のサブキャリアのｔ_i番目のシンボルのチャネル推定値は次式で表わされる。
【数２】

【００１１】
（２）第２の実施の形態（簡略アルゴリズム）
上述した第１の実施の形態のように、面的な範囲（四角形）からパイロットシンボルを選択する場合には加算するパイロットシンボル数が非常に多くなり、却って計算処理負荷が大きくなることがある。そこで、相関の高いパイロットシンボルを優先的に選択し、同相加算する本発明の第２の実施の形態について、図２を参照して説明する。
図２に示すように、この実施の形態においては、時間軸上に関しては時間相関が最も高くなるサブキャリア上のパイロットシンボルに限定し、周波数軸上に関しては周波数相関が最も高くなる同じ時間タイミングのパイロットシンボルに限定して選択する。すなわち、この実施の形態では、対象となるパイロットシンボルに対して十字状に広がるパイロットシンボルを同相加算の対象とする。上述した第１の実施の形態（面的な選択）においては、加算するパイロットシンボル数が(２Ｎ_t＋１)(２Ｎ_f＋１)のオーダーになるのに対し、この実施の形態では、(２Ｎ_t＋１)＋(２Ｎ_f＋１)のオーダーとなり、大幅に加算するパイロットシンボルを削減することができる。なお、この実施の形態においても、（ａ）過去と未来のパイロットシンボルから選択する蓄積処理法と、（ｂ）過去のパイロットシンボルから選択する実時間処理法がある。
【００１２】
（ａ）蓄積処理の場合
図２に示すように、時間軸上、周波数軸上で同相加算を行う片側のパイロットシンボル数をそれぞれＮ_t、Ｎ_fとおくと、実際に加算するパイロットシンボル数は時間軸上に２Ｎ_t＋１、周波数軸上に２Ｎ_fとなり、全体では(２Ｎ_t＋１)＋２Ｎ_fとなる。従って、重み付け同相加算したｆ_i番目のサブキャリアのｔ_i番目のシンボルのチャネル推定値ｅ_ti,fiは次式で表わすことができる。
【数３】

【００１３】
（ｂ）実時間処理の場合
実時間処理を行う場合には、図２に示すように、時間軸上で利用できるパイロットシンボルは過去のパイロットシンボルに限定される。そのため実際に加算するパイロット数は、時間軸上にＮ_t＋１、周波数軸上に２Ｎ_fとなり、全体では(Ｎ_t＋１)＋２Ｎ_fとなる。従って、重み付け同相加算したｆ_i番目のサブキャリアのｔ_i番目のシンボルのチャネル推定値ｅ_ti,fiは次式で表わすことができる。
【数４】

【００１４】
（３）第３の実施の形態
図３は、本発明のさらに他の実施の形態について示す図である。図３に示すように、この実施の形態においては、対象となるパイロットシンボルに対する時間軸上での距離と周波数軸上での距離の和が所定の値以下となるパイロットシンボルを同相加算の対象とする。すなわち、対象となるパイロットシンボルを中心に菱形に広がるパイロットシンボルを同相加算の対象としている。また、この実施の形態においても、上述の各実施の形態と同様に、（ａ）蓄積処理および（ｂ）実時間処理の２つの方法がある。
この実施の形態によれば、対象となるパイロットシンボルを中心に菱形に広がる最もチャネル特性の近いパイロットシンボルを利用できるため、高精度のチャネル推定が可能となる。
【００１５】
次に、上述のような本発明のチャネル推定方法を実行するための信号受信装置について説明する。図４は、上述した本発明のチャネル推定方法が実行される信号受信装置の一構成例を示すブロック図である。ここで、送信側装置は前記図８に示した構成と同様のものが用いられ、図９に示したフレーム構成のマルチキャリア信号が受信されることとなる。
受信信号は、ＦＦＴ部１１で各サブキャリアの信号に分割され、各サブキャリア毎に、データシンボルは逆拡散部１２で逆拡散され、パイロットシンボルはパイロットシンボル用の逆拡散部１３で逆拡散される。逆拡散部１２の出力およびパイロットシンボル用逆拡散部１３の出力は、それぞれ、メモリ１４および１５に逐次蓄積される。また、ドップラー周波数および遅延スプレッド測定部１６は受信信号のドップラー周波数ｆ_Dと遅延スプレッドσ_sを逐次測定する。チャネル推定部１７は、重み係数メモリ１９に記憶されている時間軸と周波数軸それぞれの重み係数（忘却係数）λ_tおよびλ_fを用いて、前記各サブキャリア毎に設けられたメモリ１５に蓄積されているパイロットシンボルの逆拡散出力に対し、前述した重み係数λ_t ^|t-ti|・λ_f ^|f-fi|を乗算して同相加算し、チャネル推定値を求める。また、チャネル推定部１７は、前記ドップラー周波数および遅延スプレッド測定部１６からの測定値（あるいは推定値）に基づいて、対応表１８を参照し、上記重み付けに用いる時間軸と周波数軸それぞれの忘却係数λ_t、λ_fの値を決定する。
そして、このようにして求めたチャネル推定値に基づき、乗算器２０において、各サブキャリアのデータシンボルの逆拡散出力の位相および振幅の補償を行う。そして、並列／直列変換器（Ｐ／Ｓ）２１において、各サブキャリアにおける位相及び振幅が補償された受信信号を直列信号に戻し、復調器２２で復調する。
【００１６】
図５は、前記チャネル推定部１７に記憶されている対応表１８の一構成例を示す図であり、（ａ）はドップラー周波数の測定値ｆ_Dと時間軸の忘却係数λ_tとの対応表、（ｂ）は遅延スプレッドの測定値σ_sと周波数軸の忘却係数λ_fとの対応表である。
前記ドップラー周波数ｆ_D、遅延スプレッドσ_sが小さいときは、伝搬変動が小さいため、忘却係数λ_t、λ_fを大きくした方がチャネル推定精度が高くなり、ドップラー周波数ｆ_D、遅延スプレッドσ_sが大きいときは伝搬変動が激しくなるため、忘却係数λ_t、λ_fをある程度小さくして相関の小さなパイロットシンボルの影響を小さくする必要がある。そこで、図５の（ａ）、（ｂ）に示すように、ドップラー周波数ｆ_Dが小さいときは時間軸の忘却係数λ_tが大きな値とされ、ｆ_Dが大きくなるにしたがってλ_tが小さな値とされたドップラー周波数ｆ_Dに対する時間軸の忘却係数λ_tの対応表、および、遅延スプレッドσ_sが小さな値のときは周波数軸の忘却係数λ_fが大きな値とされ、大きくなるにつれてλ_fの値が小さくなるようにされた遅延スプレッドσ_sに対する周波数軸の忘却係数λ_fの対応表が記憶されている。
【００１７】
図６は、前記チャネル推定部１７におけるチャネル推定処理の流れを示すフローチャートである。ここでは、前述したチャネル推定方法のうちのどの方法で推定処理を行うかが、予め決定されているものとする。そこで、チャネル推定に必要なパイロットシンボルの受信信号が前記メモリ１５中に蓄積されるまで待ち（Ｓ１１）、必要な信号の準備ができたら、重み係数メモリ１９を参照して（Ｓ１２）、重み付けを行った上で同期加算を行い、チャネル推定を行う（Ｓ１３）。これにより、タイミングの進行に伴い、順次チャネル推定処理が実行される。
【００１８】
図７は、伝搬環境、すなわち、ドップラー周波数や遅延スプレッドに応じて前記重み係数を適応的に制御する処理を説明するフローチャートである。
前述のように、前記ドップラー周波数および遅延スプレッド測定部１６により、逐次あるいは任意の時間間隔で測定処理が行われており（Ｓ２１）、該測定結果が得られるごとに、前記対応表１８を参照して、現在チャネル推定に用いている重み係数λ_t、λ_fを変更する必要があるか否かの判定を行う（Ｓ２２）。その結果が、前記チャネル推定に用いている重み係数を変更する必要があると判定されたときは、前記重み係数メモリ１９の内容を新しい内容に変更し（Ｓ２３）、前記測定処理（Ｓ２１）に戻る。これにより、伝搬環境に応じて、チャネル推定に用いるパイロットシンボルの重み係数を適応的に制御することができる。
【００１９】
なお、以上の説明においては、データシンボルおよびパイロットシンボルの両者を時間軸上に拡散するＭＣ−ＣＤＭＡ通信方式を例にとって説明したが、本発明のチャネル推定方法は、パイロットシンボルが時間軸上に拡散されているものであれば、データシンボルについては時間軸上、周波数軸上いずれに拡散されていても同様に適用することができる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のチャネル推定方法および信号受信装置によれば、伝搬環境に応じて適応的に制御される重み係数を用いて、時間軸および周波数軸上で近接する複数のパイロットシンボルを同相加算するようにしているので、チャネル推定精度を高く保つことができ、誤り率を低減することができる。
また、加算パイロットシンボル数を一定とし、重み係数を適応的に制御するようにしているため、加算パイロットシンボル数を適応的に制御する場合と比較して制御量を抑えることが可能となる。
さらに、対象となるパイロットシンボルを中心に十字形に広がるパイロットシンボルを同相加算する場合には、演算量を少なくすることができる。
さらにまた、対象となるパイロットシンボルを中心に菱形に広がるパイロットシンボルを同相加算する場合には、最もチャネル特性の近いパイロットシンボルを利用できるため、高精度のチャネル推定が可能となる。
さらにまた、到着済みのパイロットシンボルのみを同相加算の対象とすることにより、リアルタイム処理が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のチャネル推定方法の第１の実施の形態について説明するための図である。
【図２】 本発明のチャネル推定方法の他の実施の形態について説明するための図である。
【図３】 本発明のチャネル推定方法のさらに他の実施の形態について説明するための図である。
【図４】 本発明のチャネル推定方法が実行される受信装置の構成を示すブロック図である。
【図５】 ドップラー周波数と時間軸の忘却係数との対応表、および、遅延スプレッドと周波数軸の忘却係数との対応表の一例につき説明するための図である。
【図６】 チャネル推定部の処理について説明するためのフローチャートである。
【図７】 ドップラー周波数および遅延スプレッドに応じて重み係数を制御する処理の流れを示すフローチャートである。
【図８】 ＭＣ−ＣＤＭＡ方式における送信機の構成を示すブロック図である。
【図９】 ＭＣ−ＣＤＭＡ方式における送信信号のフレーム構成を示す図である。
【図１０】 ＭＣ−ＣＤＭＡ方式における受信機の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１１ ＦＦＴ部、１２ 逆拡散部、１３ パイロットシンボル用逆拡散部、１４、１５ メモリ、１６ ドップラー周波数および遅延スプレッド測定部、１７チャネル推定部、１８ 対応表、１９ 重み係数メモリ、２０ 乗算器、２１並列／直列変換器、２２ 復調器

Claims (5)

1. 各サブキャリアでパイロットシンボルが時間軸方向へ拡散されて送信されるＭＣ−ＣＤＭＡ通信方式におけるチャネル推定方法であって、
   チャネル推定の対象となるパイロットシンボルに対し時間軸方向および周波数軸方向において所定の範囲内に位置するパイロットシンボルの受信信号を、各軸の相関に応じて重み付けした上で同相加算することにより、チャネル推定を行うことを特徴とするチャネル推定方法。
2. チャネル推定の対象となるパイロットシンボルに対する時間軸上の距離と周波数軸上の距離が所定の値以下であるパイロットシンボルを前記同相加算の対象とすることを特徴とする請求項１記載のチャネル推定方法。
3. チャネル推定の対象となるパイロットシンボルと同一タイミングであるパイロットシンボル及び同一周波数であるパイロットシンボルを前記同相加算の対象とすることを特徴とする請求項１記載のチャネル推定方法。
4. チャネル推定の対象となるパイロットシンボルに対する時間軸上の距離と周波数軸上の距離の和が所定の値以下となる位置にあるパイロットシンボルを前記同相加算の対象とすることを特徴とする請求項１記載のチャネル推定方法。
5. 到着済みのパイロットシンボルのみを前記同相加算の対象とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のチャネル推定方法。

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