JP3980263B2 - 受信機および符号分割多元接続システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）のシステムおよび動作方法を用いたワイヤレスシステムに関し、特に、受信機において複数のアンテナを使用するワイヤレスＣＤＭＡシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＤＭＡシステムでは、受信機において干渉を低減する処理は、ノイズの低減によりリンク品質を改善し、システムによりサービスされるユーザ（移動機という）の数の増大によりシステム容量を改善する。したがって、干渉の低減はＣＤＭＡシステムの重要な目標である。しかし、ＣＤＭＡ受信機で信号処理を行うことができる前に、逆拡散が可能になるように、各受信信号のタイミングを正確に推定しなければならない。各受信信号のタイミングを推定するプロセスを同期という。従来提案されている、干渉を低減する信号処理方法は、処理の前に同期が完了していることを仮定している。しかし、すべての受信信号の時間遅延を推定することは、受信信号の数が増大するにつれて干渉が増大するために、より困難になる。
【０００３】
ＣＤＭＡシステムにおいて干渉を低減しシステム容量を増大させる１つの信号処理方法は、複数のアンテナあるいはアンテナアレイを使用するものである。アンテナアレイは、ダイバーシチ受信を行うことができる（ダイバーシチ利得という）とともに、平均の信号対ノイズ比を改善する（アパーチャ利得という）ため、マルチパスフェージングの存在下でワイヤレスリンクがより頑強（ロバスト）になる。また、アンテナアレイは、適当なアンテナ結合を通じて干渉除去を達成することも可能である（信号対干渉＋ノイズ（ＳＩＮＲ）利得という）。容量改善は、干渉を消去し所望の信号を強調するように各アンテナの重みつき出力を結合することによって実現される。重みは、最適化基準および対応する適応アルゴリズムに従って計算される（また、必要であればリアルタイムで追跡される）。通常のアルゴリズムは、受信される各信号ごとに、アンテナ相互相関行列の推定を必要とする。相互相関行列は、干渉を低減するのに適当なアンテナ重みを計算する際に有用な、干渉信号に関する情報（例えば、パワーや、到着角）を含む。ＣＤＭＡシステムでは、相互相関行列は通常、後相関信号(post-correlated signal)（すなわち、逆拡散後の信号）を用いて形成される。相関前の（前相関）行列は、チップレートでベクトル外積を計算することを含み、これは高速計算を必要とする。他方、相関後の相互相関行列を計算することは、同期が事前に行われることを必要とし、これは、改善された信号獲得技術を必要とする。従来必要とされているのは、信号獲得において干渉低減のための改善された同期技術を提供するとともに、前相関信号を処理する際の計算量（複雑さ）があまり大きくならないような、ＣＤＭＡシステムおよびその動作方法である。
【０００４】
ＣＤＭＡシステムにおいて干渉を低減することに関係する従来技術には以下のものがある。
【０００５】
米国特許第５，５００，８５６号（発行日：１９９６年３月１９日）には、各チャネルの送信情報ビットと、各チャネルの拡散符号データ系列と各チャネルの拡散符号データ系列間のあらかじめ求められた相互相関行列に対する逆行列の成分との積の総和との積を表すデータのセットを記憶するメモリを有する送信デコリレータが記載されている。総和は、逆行列の行の方向についての積を加算したものに対応する。カウンタ装置の動作により、メモリは、データを順次出力する。加算器が、各チャネルについてメモリから出力されたデータの総和を計算するように作用する。
【０００６】
米国特許第５，５６８，４７３号（発行日：１９９６年１０月２２日）には、システム内のすべてのユーザの拡散系列を表す単一の参照系列を構成することにより、他のユーザからの干渉を消去することが記載されている。他のユーザからの干渉を消去することができるためには、各受信機が、システム内の他の各ユーザに対する個別のデコリレータを使用することや、あらゆる送信信号の受信パワーレベルの正確な推定を行うことは不要である。
【０００７】
従来技術には、アンテナアレイを用いたＣＤＭＡシステムおよびその動作方法において、信号獲得の際の干渉低減のための同期を改善し、信号獲得および信号処理の両方の計算量があまり大きくならないようなものはない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、１個以上のアンテナアレイを用いて干渉を低減し、適度な計算量で信号獲得および信号処理を改善したＣＤＭＡシステムおよびその動作方法を実現することである。
【０００９】
本発明のもう１つの目的は、１個以上のアンテナアレイを有するＣＤＭＡシステムにおいて、信号獲得および信号処理のための同期が改善された受信機およびその動作方法を実現することである。
【００１０】
本発明のもう１つの目的は、１個以上のアンテナアレイを有するＣＤＭＡシステムにおいて、普遍逆相互相関行列を信号獲得および信号処理の両方で使用して、計算量を低減することである。
【００１１】
本発明のもう１つの目的は、１個以上のアンテナアレイを有するＣＤＭＡシステムにおいて、普遍逆相互相関行列を利用して信号獲得における同期を容易にするとともに、信号獲得および信号処理の両方で計算量を低減することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記およびその他の目的、構成および効果は、受信信号の干渉を低減し、信号獲得を改善し、低減された計算量で処理を行う符号分割多元接続システムおよびその動作方法において達成される。本発明のシステムは、少なくとも２個以上のアンテナからなるアンテナアレイに接続され複数のユーザにサービスする基地局を有する。基地局内の受信機は、アンテナアレイに接続された普遍逆相互相関行列と、各ユーザにサービスする信号獲得回路および信号処理回路とを有する。各信号獲得回路は、遅延段の列を有する。その各段において、入力アンテナ信号と、拡散符号との相関をとり、普遍逆相互相関行列に接続された乗算器で結合することにより、信号獲得の時間遅延推定を改善する。各乗算器は、その段の相関後の信号を、普遍逆相互相関行列の出力と結合して、与えられた期間のアンテナパスにおける信号エネルギーを表す信号振幅を生成する。個々の遅延は、チップ期間の半分で分離される。各遅延段の振幅は、最強の受信信号の選択のためのしきい値情報を含むバッファに捕捉される。信号処理回路は、乗算器で、最強受信信号を、チャネル推定値および普遍逆行列出力と結合して、復調および復号のための出力信号を生成する。この信号の品質は、（ａ）干渉の低減、（ｂ）信号の獲得および処理の時間遅延推定の改善、ならびに、（ｃ）普遍逆相互相関行列が信号獲得および信号処理で計算量を低減していること、により改善される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明は、ＣＤＭＡシステムにおける受信機およびその動作方法を提供する。受信機は、前相関信号から得られる普遍相互相関行列（すなわち、すべてのユーザ信号に対して使用可能な相互相関行列）を有する。これを用いて同期を改善するとともに、干渉低減によりシステム容量を改善する。さらに、単一の、すなわち、普遍的な行列アレイが、基地局に到着するすべてのユーザ信号に対して使用可能であるため、本発明の方法の複雑さはあまり高くない。
【００１４】
本発明の普遍アレイ処理方法は、各アンテナ上の受信サンプルの相関をとって、共通の、すなわち、普遍的な相関行列を生成することを含む。この普遍行列の逆行列をとり、受信サンプルに乗じた結果が、それぞれの所望の信号に対する正しい信号タイミング（すなわち、同期）を推定するために使用される。この処理は、同期に使用される信号における干渉を低減するので、従来の同期方法よりも頑強な同期が実現される。さらに、同期および相関後、この普遍アレイ行列を、それぞれの後相関信号の処理に使用する。この後相関処理は、検出時に各ユーザ信号から見える干渉を低減することにより、システム容量を改善する。また、共通のアレイを使用することにより、本発明の処理の複雑さは、従来のＣＤＭＡシステムおよび受信機に比べて低減される。
【００１５】
図１において、ＣＤＭＡシステム１０は、複数のアンテナ１４、１６を通じて複数のユーザ（例えば、ユーザ１、ユーザ２、...、ユーザｋ（Ｕ₁〜Ｕ_k））に接続された基地局（ＢＳ）１２を有する。図１には２個のアンテナしか示していないが、本発明では、基地局におけるアンテナの数は任意である。
【００１６】
図２において、基地局１２内の受信機２０は、アンテナ１４および１６に接続された、ユーザ１，２，...，ｋに対する信号処理回路２２¹，...，２２^kを有する。各信号処理回路は、同期回路２３¹，...，２３^kを含む。すべてのユーザ信号は、同じ周波数帯域および同じ受信アンテナを使用するため、すべて同様の干渉環境にある。従って、これらのユーザ信号に対して、普遍干渉行列２４が存在する。これは、すべてのユーザ信号の干渉部分空間を表す。このため、行列２４を用いて同期を改善することができるとともに、行列２４は、従来の個別の処理の代わりに、すべてのユーザ信号のアレイ処理を行うブロック２５の入力とすることができる。行列２４は、すべてのアンテナ入力の相互相関行列である。非常に大きい干渉信号がある場合、逆行列法は、それらの値を低減し、同期および検出処理に使用される信号の品質を改善することを示すことができる。逆行列成分を計算するプロセスについては、図４に関連して後述する。
【００１７】
ブロック２４の出力は、相互相関行列Ｒ_xxの逆行列であり、Ｒ_tot ^-1を生成するブロック２５に入力される。ブロック２５の機能については、図４に関連して後で説明する。また、ブロック２４の出力は、同期回路２３¹，...，２３^kにも送られる。同期回路については、図３および図５に関連して説明する。信号処理回路２２¹，...，２２^kの出力は、図２の下部の数学的関係で示すように、乗算器２６で、逆行列２５の出力と結合され、標準的な復調器・復号器回路２８¹，...，２８^kに送られる。後相関信号ｙが、復調器・復号器２８による処理のためのチャネル推定値と結合される信号処理について説明する前に、図３に示した同期回路２３について説明するのが適当である。
【００１８】
図３において、各ユーザ１，２，...，ｋに対する信号獲得回路２３は、遅延素子３５により分離された遅延段の列ｄ１，ｄ２，...，ｄＮを有する。各遅延素子は、通常、チップ遅延の半分である。各遅延段は、相関器３６および３７（すなわち、アンテナ素子の数に等しい）と、１個の総和器・乗算器３９とからなる。アンテナ１４および１６は、各遅延段内の相関器３６、３７に接続される（それぞれの相関器は、同相信号および直交信号との相関をとる）。相関器は、ユーザの拡散符号と受信信号サンプルの相関をとり、当業者に周知である。拡散符号は相関器に既知であるが、対象となる信号の位相およびタイミングは未知である。獲得回路２３は、各アンテナから入力サンプルストリームを受け取り、それと拡散符号の相関をとり、乗算器３９で逆行列成分と結合して、その遅延期間に対する信号エネルギーを示す出力を記憶バッファ３１に送る。乗算器３９で行われる演算の数学的関係は、図３の下部に与えられている。記憶バッファ３１は、任意の遅延で信号の存在を判定することを可能にするしきい値情報を含む。しきい値の選択は、システム設計パラメータである。単一の時間遅延に対するエネルギーを計算するプロセスについては、後で図５に関連してさらに詳細に説明する。
【００１９】
図２に戻り、逆行列成分（ブロック２４および２５）を計算するプロセスについて、図４に関連して説明する。図４において、逆行列成分を計算するプロセスはブロック４０から始まる。ブロック４０で、インデックスＫを０とおく。ただし、Ｋは、相互相関行列を生成するために平均されるベクトル外積の個数である。ブロック４１で、アンテナ１４および１６からの入力信号が、Ｎチップ（すなわち、拡散符号のシンボル）にわたりレジスタ（図示せず）に蓄積されるか、または、単にＮチップごとにサンプリングされる。前者の選択肢のほうが多くの計算量を必要とするが、より良好な信号対ノイズ比を有する。結果として得られた信号から、ブロック４２で、ベクトル外積を計算する。アンテナの個数がＭである場合、ベクトルはＭ×１であり、外積の結果はＭ×Ｍである。ブロック４３で、この外積と以前の結果との和をとる（Ｋ＞１の場合）。ブロック４４で、インデックスＫを１だけ増加させる。ブロック４５で、Ｋの値が所定のウィンドウサイズより大きいかどうかを判定するテストを行う。ウィンドウサイズは、適当な性能のために、アンテナの個数より大きく選択すべきである。Ｋがウィンドウサイズより小さい場合、プロセスは、次の反復のためにブロック４０に戻り、Ｋが次の計算のために更新される。反復数Ｋがウィンドウサイズに等しくなると、ブロック４６で、逆行列をとり、その結果を同期回路とステップ４８に送る。逆行列をとるプロセスは周知であり、教科書、Golub and Van Loan, "Matrix Computation", The John Hopkins University Press, Baltimore and London, 1989, p.142-154、に記載されている。ブロック４８は、次式に従って、信号処理のための拡大行列Ｒｔｏｔ^-1を計算する。
【数１】

Ｒｔｏｔ^-1の次元はＭＬ×ＭＬである。ただし、Ｍはアンテナの個数であり、Ｌは、追跡されるマルチパスの最大数である。
【００２０】
次に、入力信号タイミングを決定するプロセス（すなわち、同期）について、図３に示した信号獲得回路２３に関連して、図５で説明する。開始ブロック５０で、同期プロセスを開始するために、時間のサンプル点を決定する。ブロック５１で、探索点を２分の１チップだけ進める。（これは、図３では、２分の１チップの遅延３５として表されている。遅延は、１チップの２分の１以外とすることも可能であり、システム設計者によって決定されるべきものである。）ブロック５２で、各アンテナからの相関後の信号サンプルから１×２行列のベクトル（２個のアンテナの場合。一般にはこのベクトルは１×Ｍとなる）［Ｘ１，ｍ，Ｘ２，ｍ］を生成し、ブロック５３で、同じ信号サンプルを用いて第２の２×１行列のベクトルを生成する。これらの２個のベクトルを、ブロック５３に示すように、Ｒｘｘの逆行列の前後から乗じる。ただし、（）^*は複素共役を表す。ブロック５３の結果は、ブロック５４で、選択されたウィンドウサイズにわたり蓄積され、図３の記憶バッファ３１に記憶される。ブロック５５で、記憶バッファ内の結果を、信号エネルギーを表すしきい値レベルと比較する。このしきい値はシステム設計者によって決定される。信号エネルギーがしきい値より小さい場合、しきい値を超えるまで、または、すべての遅延が探索されるまで、プロセスは反復される。エネルギーがしきい値を超える場合、受信信号に対する正しい時間遅延が見つかっており、同期プロセスは、すべての遅延が探索されるまで、ブロック５７に進む。
【００２１】
同期後、図２に示した受信機２０で信号処理が行われる。これについて、図６に関連して説明する。開始ブロック６０から開始する。ブロック６１で、信号処理を開始し、同期回路２３で取得したタイミング情報を用いて受信信号と拡散符号との相関をとり、アンテナ１４および１６に対する後相関信号ｙ１，ｎおよびｙ２，ｎを生成する。これらは、１×２行列のベクトル［ｙ１，ｎ，ｙ２，ｎ］として表される。ただし、ｎは、遅延成分（すなわち、受信信号を遅延したもの）を示す。この信号は、乗算器２６に送られる（この場合も、注意すべき点であるが、Ｍ個のアンテナという一般の場合、ベクトルの次元は１×Ｍとなる）。ブロック６２で、チャネル推定を行い、各遅延ｎにおける各アンテナに対するチャネル推定値ａ１，ｎおよびａ２，ｎを得る。チャネル推定は、各遅延におけるチャネルの相対的な強度および位相を示すために実行され、２×１行列のベクトルａｎ＝［ａ１，ｎ，ａ２，ｎ］^Tとして表される。チャネル推定を行うにはいくつかの方法がある。米国特許出願第０９／２９６，６５４号（出願：１９９９年５月）に記載のものは、本発明に適合するチャネル推定である。
【００２２】
ブロック６３で、各アンテナの各パスに対する相関器出力を結合して単一のベクトルｙ＝［ｙ１^T ｙ２^T ... ｙＬ^T］^Tを形成する。ただし、ｙｎは、各遅延に対する２×１ベクトル［ｙ１，ｎ，ｙ２，ｎ］^Tである。乗算器２６は、アンテナ信号ベクトルｙを、チャネル推定値ベクトルａ＝［ａ１^T ａ２^T ... ａＬ^T］^Tおよび逆行列Ｒｔｏｔ^-1と結合する。この乗算は、図２の下部に与えられた数学的関係によって表される。ユーザに対して結果として得られた信号は、ブロック６４で、複数のユーザに対して信号品質が改善された、アンテナからの結合出力（各信号処理回路２２ごとに１つずつ）として、復調器・ビタビ復号器に送られる。ステップ６５で、信号処理は終了する。復調（あるいは検出）およびビタビ復号は当業者に周知である。
【００２３】
【発明の効果】
要約すれば、本発明は、アンテナダイバーシチのために１個以上のアンテナアレイを有するＣＤＭＡシステムにおける受信機およびその動作方法に関する。受信機は、信号遅延推定（同期）および信号処理の両方を行うための普遍行列アレイを有する。アンテナダイバーシチおよび普遍行列アレイ処理は、ＣＤＭＡシステムにおいて同期を改善しノイズを低減するため、このようなシステムでは、従来のシステムおよび方法に比べて、可能な同時ユーザ数が増大するとともに、受信機回路の計算量が低減する。
【図面の簡単な説明】
【図１】複数のユーザにサービスする複数のアンテナに接続された、ＣＤＭＡシステムにおける基地局の図である。
【図２】図１の基地局にあり、本発明の原理を含む受信機のブロック図である。
【図３】図２の信号処理回路にあり、本発明の原理を含む信号同期回路のブロック図である。
【図４】図２および図３に含まれる逆行列の成分を計算するための流れ図である。
【図５】図２の信号獲得回路において信号時間遅延を計算するための流れ図である。
【図６】図２の信号処理回路において信号を処理するためのための流れ図である。
【符号の説明】
１０ ＣＤＭＡシステム
１２ 基地局
１４ アンテナ
１６ アンテナ
２０ 受信機
２２ 信号処理回路
２３ 同期回路
２６ 乗算器
２８ 復調器・復号器回路
３１ 記憶バッファ
３５ 遅延素子
３６ 相関器
３７ 相関器
３９ 総和器・乗算器

Claims (12)

1. 複数の信号を受信する複数のアンテナを含むアンテナ手段と、
   受信信号に結合される逆相互相関行列Ｒ^−１ _ＸＸと、
   前記逆相互相関行列Ｒ^−１ _ＸＸおよび受信信号に結合され、受信信号の信号時間遅延を決定して第１出力を生成する手段と、
   信号処理のための行列Ｒ^−１ _ｔｏｔおよび第1出力に結合され、改善された信号品質を有する出力信号を生成する乗算器手段とを有することを特徴とする受信機。
2. 前記アンテナ手段に結合され、遅延期間における受信信号の相関をとる手段と、
   遅延された相関後の受信信号および前記逆相互相関行列Ｒ^−１ _ＸＸに結合され、前記第１出力を生成する手段とを
   さらに有することを特徴とする請求項1記載の受信機。
3. 前記第１出力に結合され、遅延期間だけ遅延された相関後の受信信号を記憶する手段と、
   最大振幅の遅延された相関後の受信信号を前記出力信号として選択する手段とをさらに有することを特徴とする請求項２記載の受信機。
4. 出力信号として選択された最大振幅の受信信号を復調し復号する手段をさらに有することを特徴とする請求項３記載の受信機。
5. 少なくとも２個のアンテナに結合され、拡散符号およびチップレートを有する信号サンプルを受信する基地局受信機と、
   受信信号サンプルに応答して動作する、前記受信機内の信号獲得回路と、
   前記信号獲得回路に結合された信号処理回路と、
   改善された時間遅延推定を行うために前記信号獲得回路に結合されるとともに、改善された信号品質の出力信号を生成する際に前記信号処理回路にも結合される信号処理のための行列Ｒ^−１ _ｔｏｔとを有することを特徴とする符号分割多元接続システム。
6. 前記アンテナに結合され、受信信号サンプルを遅延期間だけ遅延して、最大信号振幅を有する受信信号サンプルを決定する手段をさらに有することを特徴とする請求項５記載の符号分割多元接続システム。
7. 遅延された受信信号サンプルは、最大信号振幅を有する受信信号サンプルの選択のためのバッファに記憶されることを特徴とする請求項６記載の符号分割多元接続システム。
8. 遅延された受信信号サンプルを、前記信号処理のための行列Ｒ^−１ _ｔｏｔからの出力信号と結合して、前記信号処理回路への入力を形成する結合手段をさらに有することを特徴とする請求項７記載の符号分割多元接続システム。
9. 前記結合手段に結合され、遅延された受信信号サンプルを記憶する手段をさらに有することを特徴とする請求項８記載の符号分割多元接続システム。
10. アンテナアレイと、逆相互相関行列Ｒ^−１ _ＸＸに結合された信号獲得回路および信号処理回路とを有するＣＤＭＡシステムで、拡散符号およびチップレートを有する信号を受信し、信号の獲得および処理のために改善された同期により受信信号を処理する方法において、
    遅延期間において受信信号サンプルの相関をとり、各遅延期間ごとに第１出力を生成するステップと、
    前記逆相互相関行列Ｒ^−１ _ＸＸにおいて受信信号サンプルを処理し、第２出力を生成するステップと、
    第１出力と第２出力を結合し、各遅延期間ごとに、第３出力を記憶手段に出力する結合ステップと、
    しきい値を超え、かつ、改善された同期による低減されたノイズ干渉を有する第３出力を前記記憶手段から出力するステップと、
    前記第３出力および信号処理のための行列Ｒ^−１ _ｔｏｔを処理し、改善された信号品質の出力信号を取得する処理ステップとを有することを特徴とする、ＣＤＭＡシステムにおいて信号を受信し処理する方法。
11. 前記行列Ｒ ^−１ _ＸＸ が、
    ａ）前記複数のアンテナからの入力信号の反復から計算されるベクトル外積から行列成分を決定し、ここでアンテナの個数がＭである場合、ベクトルはＭ×１であり、外積の結果はＭ×Ｍであり、
    ｂ）前記行列成分を生成するために平均化されるベクトル外積の反復数であるウィンドウサイズとしてインデックスの組を用意し、
    ｃ）前回のベクトル外積反復数であるＫを１だけ増加させるＫ加算を行い、Ｋを前記ウィンドウサイズと比較し、
    ｄ）反復数Ｋが前記ウィンドウサイズより大きくなる場合に逆行列をとる
    ことにより得られる請求項１記載の受信機。
12. 前記行列Ｒ ^−１ _ｔｏｔ が、
    ＭＬ×ＭＫの次元をもつ配列において行列成分Ｒ ^−１ _ＸＸ を有し、Ｍはアンテナの個数であり、Ｌはアンテナにより追跡されるマルチパスの最大数であり、
    

    

    により得られる請求項１１記載の受信機。

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