JP4152943B2 - 通信信号の時間間隔をトラッキングする方法 - Google Patents

Description

本発明は一般に、通信信号の時間間隔をトラッキングする方法に関し、より詳細には、改良された遅延ロックループ（ＤＬＬ）方法に関する。処理中、その符号化方式を用いてシステムを同期させなければならない符号化方式である、符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）システムに関して本発明を説明するが、本発明は、その他の信号伝送にも適用可能である。

ＣＤＭＡ伝送では、各局のデータ・ストリームには、例えば、擬似雑音（ＰＮ）符号などの２進ビット列が乗じられる。このデータ・ストリームを受信機で復号するには、受信信号を同じＰＮ符号と相関させなければならない。受信信号は、伝送遅延およびフェージングの影響を受ける。マルチパス成分が存在する場合、レイク受信機を使用して、マルチバス成分毎に相関させ、それらを再合成する。したがって、レイク受信機のフィンガ毎に、伝送遅延およびフェージングを決定しなければならない。

適切なＰＮ符号と組み合わせることに加え、各成分の伝送遅延は変動する場合があるので、それらをトラッキングする必要がある。ＤＬＬとタウ・ディザ・ループ（ＴＤＬ）の２つが、ＰＮトラッキング構成として広く使用されている。両方とも、進み／遅れゲート型ループ（ｅａｒｌｙ−ｌａｔｅ ｇａｔｅ−ｔｙｐｅ ｌｏｏｐ）であり、受信ＰＮ符号は、誤差補正特性を生むように、受信機のローカル符号ＰＮ発生器（ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｌｏｃａｌ ｃｏｄｅ ＰＮ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）が出力する遅らせた出力および進ませた出力と相関させられる。

図１および図２に、一般的な２つの例を示す。入力信号は、入力サンプル信号と発生させたＰＮ符号発生信号とを相関させる、進み相関器（ｅａｒｌｙ ｃｏｒｒｅｌａｔｏｒ）および遅れ相関器（ｌａｔｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｏｒ）に供給される。出力は、出力検出器を介して、差動素子に供給される。差または誤差は、ローパス・フィルタ（ＬＰＦ）を介して電圧制御発振器（ＶＣＯ）に供給され、ＶＣＯは、ＰＮ発生器の位相を変化させる。ＰＮ発生器の出力は、オンタイムＰＮ系列（ｏｎ−ｔｉｍｅ ＰＮ ｓｅｑｕｅｎｃｅ）である。図２に、差または誤差をなくすためにデータ遅延を調整する点を除いて、ほぼ同じプロセスを実行する、別の例を示す。入力信号は、進み相関器、遅れ相関器、およびオンタイム相関器（ｏｎ−ｔｉｍｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｏｒ）に接続された可変遅延を介して供給される。それらの結果は、累算器に供給され、そこから決定回路に供給される。オフセットまたは誤差が、決定回路で計算され、ループ・フィルタを介して遅延調整に供給され、サンプリングされた受信信号またはデータの可変遅延入力が調整される。

これらの遅延ロックループまたは相関器は、固定された相関長（ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｌｅｎｇｔｈ）で動作し、進み相関器および遅れ相関器のサンプリング位置または時間は、オンタイム相関器に対して、ほぼ固定されている。このようにすると、計算量および電力消費が非常に大きくなる。
Ａ．Ｐａｐｏｕｌｉｓ、「Ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ，Ｒａｎｄｏｍ Ｖａｒｉａｂｌｅｓ，ａｎｄ Ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ」、ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，Ｉｎｃ．、１９９１年、１４．２ Ｅ．Ｋｒｅｙｓｚｉｇ、「Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ」、Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓ、１９７２年、１８．４

本発明は、遅延ロックループとして説明される、改良されたトラッキング・システムを提供する。通信信号の時間間隔は、最初に通信信号をサンプリングすることによって、トラッキングされる。基準と、ある時間間隔での仮定到着時間ｔ_ａを表す仮定サンプル位置からｉサンプル位置分だけ互いに対して進んだサンプルとが、サンプルｋ個分の相関長にわたって相関させられる。同様に、基準と、ｔ_ａの仮定サンプル位置からｉサンプル位置分だけ互いに対して遅れたサンプルとが、サンプルｋ個分の相関長にわたって相関させられる。タイミング誤差が、相関から決定される。次の時間間隔の予測到着時間（ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ ａｒｒｉｖａｌ ｔｉｍｅ）ｔ_ｐが、タイミング誤差から予測される。１つまたは複数の相関長ｋまたはｉサンプル位置が、予測到着時間ｔ_ｐに基づいて修正される。上記のプロセスが、修正された相関長ｋおよび／またはｉサンプル位置のいずれかを用いて繰り返される。

相関誤差を決定する方法は、現時間間隔における推定到着時間（ｅｓｔｉｍａｔｅｄ ａｒｒｉｖａｌ ｔｉｍｅ）ｔ_０を計算する工程を含む。この推定到着時間ｔ_０を用いて、次の到着時間ｔ_ｐが予測される。推定到着時間ｔ_０は、最大誤差と最小誤差の大きさとそれらの乖離との関数である。次の到着時間ｔ_ｐの予測は、予測到着時間ｔ_ｐと前の仮定到着時間（ａｓｓｕｍｅｄ ａｒｒｉｖａｌ ｔｉｍｅ）ｔ_ａとの差が規定値より小さければ、前の仮定到着時間ｔ_ａを仮定到着時間ｔ_ａに設定する工程を含む。予測到着時間ｔ_ｐと前の仮定到着時間ｔ_ａとの差が規定値より大きければ、前の仮定到着時間ｔ_ａに増分を足し引きした時間を、次の仮定到着時間ｔ_ａに設定する。好ましくは、推定到着時間ｔ_０は、予測器型フィルタ（ｐｒｅｄｉｃｔｏｒ ｔｙｐｅ ｆｉｌｔｅｒ）を通され、その結果は、次の到着時間ｔ_ｐを予測するのに用いられる。

相関長ｋは、２５６サンプルと２０４８サンプルの間とすることができ、３２から１２８サンプル単位に修正することができる。相関長ｋは、推定到着時間ｔ_０の仮定到着時間ｔ_ａからの差異が許容範囲の内か外かに応じて変更される。許容レベルは、ＡＷＧＮ雑音の分散と対応する。

本発明の方法は、誤差が閾値を超えるかどうかを決定する工程を含む。誤差が閾値を超える場合、基準のデータ・サンプル・タイミングが補間され、補間されたタイミングを用いて、通信信号を復号する。誤差が閾値を超えない場合、基準タイミングを用いて、通信信号を復号する。本発明の方法は、ＣＤＭＡ通信信号と共に利用することができ、レイク受信機において各フィンガ毎に利用することができる。時間間隔は、フレーム、スロット、または通信信号のその他の時間間隔とすることができる。好ましくは、本発明の方法は、信号プロセッサ上で実施されるソフトウェアで実行される。

本発明の上記およびその他の態様は、以下に示す本発明の詳細な説明を、添付の図面と併せて考察することにより、明らかとなるであろう。

図３に、通信信号の時間間隔をトラッキングするためのフローチャートを示す。１０で相関器１２に入力される入力は、データまたは信号ｘ_ｅ，ｌ［ｎＴ_ｓ］と、基準ｃ^＊［ｍＴ_ｓ］である。データまたは信号ｘ_ｅ，ｌ［ｎＴ_ｓ］は、例えば、ＣＤＭＡ方式などによる通信信号の同相成分（Ｉ）と直交成分（Ｑ）とからなる、複素系列（ｃｏｍｐｌｅｘ ｓｅｑｕｅｎｃｅ）とすることができる。基準ｃ^＊［ｍＴ_ｓ］は、伝送のＰＮ系列であるｃ［ｍＴ_ｓ］の複素共役である。Ｔ_ｓは、サンプリング時間、ｎは、データまたはサンプルの数である。

遅れ複素相関器（ｌａｔｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｃｏｒｒｅｌａｔｏｒ）および進み複素相関器（ｅａｒｌｙ ｃｏｍｐｌｅｘ ｃｏｒｒｅｌａｔｏｒ）１２は、相関長ｋにわたって相関する。開始位置、または時間位置ｔ_ａからの進みおよび／または遅れの量を、ｉとする。以下で説明するように、進み位置または遅れ位置ｉは、相関長ｋのように、相関誤差に応じて変化する。開始位置ｉおよび相関長ｋを減らすことで、相関を実行するのに必要な時間と電力を大幅に節約することができる。工程１２の相関器はよく知られているので、詳しくは説明しない。相関ｙ_ｌ［ｎＴ_ｓ］とｙ_ｅ［ｎＴ_ｓ］を用いて、工程１４で相関誤差Ｚ［ｎＴ_ｓ］を計算する。この計算は、絶対値の減算となる。

次に、相関誤差Ｚ［ｎＴ_ｓ］を用いて、現時間間隔における到着時間の推定値ｔ_０を計算する。図４Ｂに、実際のアナログ信号の一例を示す。図４Ａに示されているように、相関誤差は、現時間間隔の時間１５付近でＭａｘ（Ｚ［ｎＴ_ｓ］）に達するまで、０を中心に変動しながら進行する。その後、現時間間隔の時間２１付近でＭｉｎ（Ｚ［ｎＴ_ｓ］）に達する。これらの間に、相関誤差が０になる時間である、現時間間隔の推定到着時間ｔ_０が存在する。現時間間隔の仮定到着時間ｔ_ａは、図４Ａに示すように、サンプリング時間位置とする。仮定到着時間ｔ_ａと推定到着時間ｔ_０との差が、サンプル誤差である。
現在の推定到着時間ｔ_０は、以下の式で計算することができる。

工程１６で計算される現時間間隔の推定到着時間ｔ_０は、工程２０で統計データベースを構築するために提供される。統計データベース２０は、規定数の時間間隔にわたって、推定到着時間ｔ_０の変量を求めることによって構成される。この時間間隔の数は、例えば、１０とすることができる。推定到着時間ｔ_０が新たに加わるごとに、新しい分散と新しい移動平均が計算される。次に工程２２で、分散σ^２が許容範囲内にあるかどうかが判定される。許容範囲を外れる場合、相関長ｋが、工程２４で修正され、工程１２で相関器に提供される。分散σ^２が許容範囲内にあるかどうかを判定し、ｋを修正する１つの方法は、以下のようになる。

ｋ＝ｋ＋αＮ
ただし、Ｎは、相関長ｋの増分であり、αは、以下のように定められる。
σ_１ ^２≦σ^２≦σ_２ ^２の場合、α＝０
σ^２≦σ_１ ^２の場合、α＝−１
σ^２≧σ_２ ^２の場合、α＝＋１
ただし、σ_１ ^２とσ_２ ^２は、規定の分散閾値である。

閾値σ_１ ^２とσ_２ ^２は、ＡＷＧＮ雑音の分散と対応する。例えば、σ_１ ^２を０．００１８に、σ_２ ^２を０．００６２にすることができ、これらはそれぞれ、ＡＷＧＮ雑音の分散の０．５と１に対応する。相関長ｋは、２５６サンプルと２０４８サンプルの間とすることができ、増分Ｎは、３２サンプルと１２８サンプルの間とすることができる。

現時間間隔の推定到着時間ｔ_０は、次の時間間隔の到着時間ｔ_ｐを予測し、工程２６で相関器１２のために開始位置ｉまたは仮定サンプル時間位置ｔ_ａからの進みもしくは遅れの量を確定するのにも用いられる。工程２６で行われる、次の時間間隔の到着時間ｔ_ｐの予測の一部には、現時間間隔の推定到着時間ｔ_０を、予測型フィルタ（ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ ｔｙｐｅ ｆｉｌｔｅｒ）、一段予測器（ｏｎｅ ｓｔｅｐ ｐｒｅｄｉｃｔｏｒ）、またはカルマン予測器（Ｋａｌｍａｎ ｐｒｅｄｉｃｔｏｒ）に通す工程が含まれる。その結果は、次の到着時間ｔ_ｐを予測するのに用いられる。到着時間ｔ_ｐを予測する方法の１つは、Ａ．Ｐａｐｏｕｌｉｓ、「Ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ，Ｒａｎｄｏｍ Ｖａｒｉａｂｌｅｓ，ａｎｄ Ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ」、ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，Ｉｎｃ．、１９９１年、１４．２に記載の方法を使用している。

次の到着時間ｔ_ｐが予測された後、進み／遅れ相関開始位置ｉが決定される。次の時間間隔の予測到着時間ｔ_ｐと現時間間隔の仮定到着時間ｔ_ａとの差に応じて、開始位置ｉの値を変更することができ、または次の時間間隔の仮定到着時間ｔ_ａを変更することができる。一例として図４Ａを用いると、次の時間間隔の予測到着時間ｔ_ｐが、現時間間隔の仮定到着時間ｔ_ａの１８よりも時間位置１７に近く、元の開始点ｉが３である場合、時間位置１７に関して少なくとも全体的な隔たりの６が維持されるように、開始点ｉを４に増やすことができ、または仮定到着時間ｔ_ａを１８から１７に変更して、ｉは３に据え置くことができる。

タイミング誤差ｔ_ａ−ｔ_０は、復調の際にも用いられる。タイミング誤差をテストして、それがサンプル時間Ｔ_ｓの一定のパーセントより大きいかどうかを調べる。大きくない場合、工程３２で、仮定到着時間ｔ_ａを用いて、最も近いサンプルで始まる逆スクランブルおよび逆拡散を行う。大きい場合、工程３４で、補間を行い、工程３６で、補間した時間を用いて、逆スクランブルおよび逆拡散を行う。例えば、仮定到着時間ｔ_ａが１８であり、タイミング誤差が事前設定した限界を超える場合、開始時間を０．５だけ増やして、１８．５に設定することができる。前記限界は、例えば、サンプリング時間Ｔ_ｓの２５パーセントとすることができる。補間は、「Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ」、Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓ、１９７２年、１８．４の中でＥ．Ｋｒｅｙｓｚｉｇが説明する様々な方法の１つを用いて、実行することができる。

図５に、フィルタを通していない仮定到着時間ｔ_ａと予測到着時間ｔ_ｐとを対照して示す。仮定到着時間ｔ_ａの移動平均のグラフが、予測ゼロ時間（ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ ｚｅｒｏ ｔｉｍｅ）ｔ_０の質を示すために提示されている。
本発明の方法は、周知の装置上のソフトウェアと遅延ロックループで実行される。

本発明を詳しく説明し、例示してきたが、それらは単なる例示および例として行ったに過ぎず、本発明を限定するために行ったと解釈すべきでないことを、明確に理解されたい。本発明の主旨および範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるものとする。

従来技術の遅延ロックループを示したブロック図である。 従来技術の別の遅延ロックループを示したブロック図である。 本発明の原理による時間間隔をトラッキングする方法を示したフローチャートである。 Ａは受信信号の相関誤差を示したグラフであり、Ｂは受信信号を示したグラフである。 フィルタを通していない仮定到着時間ｔ_ａと、予測到着時間ｔ_ｐと、多くのサンプルの関数である次の仮定到着時間ｔ_ａの移動平均とをそれぞれ示した３つのグラフである。

Claims (17)

1. 通信信号の時間間隔をトラッキングするための方法であって、
   前記通信信号をレートＴ_ｓでサンプリングするステップと、
   基準と、ある時間間隔での仮定到着時間ｔ_ａを表す仮定サンプル位置からｉサンプル位置分だけ互いに対して進んだサンプルとを、サンプルｋ個分の相関長にわたって相関させるステップと、
   前記基準と、前記仮定到着時間ｔ_ａからｉサンプル位置分だけ互いに対して遅れたサンプルとを、サンプルｋ個分の相関長にわたって相関させるステップと、
   前記相関からタイミング誤差を決定するステップと、
   前記誤差から次の時間間隔の予測到着時間ｔ_ｐを予測するステップと、
   前記予測到着時間ｔ_ｐに基づいて１つまたは複数のｋおよびｉを修正するステップと、
   前記修正されたｋおよびｉのいずれかを用いて後続の相関ステップを実行するステップとを含む方法。
2. 前記誤差を決定するステップが、現時間間隔の推定到着時間ｔ_０を計算するステップと、前記推定到着時間ｔ_０を用いて前記次の到着時間ｔ_ｐを予測するステップとを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記推定到着時間ｔ_０は、次式
   

   

   で計算され、Ｚ［ｎＴ_ｓ］は、相関誤差である、請求項２に記載の方法。
4. 前記次の到着時間ｔ_ｐを予測するステップが、現在の予測到着時間ｔ_ｐと仮定到着時間ｔ_ａとの差が規定値より小さければ、現在の仮定到着時間ｔ_ａを次の仮定到着時間ｔ_ａに設定するステップを含む、請求項２に記載の方法。
5. 前記次の到着時間ｔ_ｐを予測するステップが、予測到着時間ｔ_ｐと現在の仮定到着時間ｔ_ａとの差が規定値より大きければ、現在の仮定到着時間ｔ_ａに増分を足し引きした時間を、次の仮定到着時間ｔ_ａに設定するステップと、前記次の仮定到着時間ｔ_ａを相関のために用いるステップとを含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記現在の推定到着時間ｔ_０は、予測器型フィルタ、一段予測器、またはカルマン予測器に通され、その結果が、次の到着時間ｔ_ｐを予測するのに用いられる、請求項２に記載の方法。
7. 前記相関長ｋは、２５６サンプルと２０４８サンプルの間とすることができ、３２から１２８サンプル単位に修正される、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記相関長ｋは、
   ｋ＝ｋ＋αＮ
   のように変更され、Ｎは、前記相関長ｋの増分であり、αは、
   σ_１ ^２≦σ^２≦σ_２ ^２の場合、α＝０
   σ^２≦σ_１ ^２の場合、α＝−１
   σ^２≧σ_２ ^２の場合、α＝＋１
   のように定められ、σ^２は、前記推定到着時間ｔ_０の分散であり、σ_１ ^２とσ_２ ^２は、規定の分散閾値である、請求項２に記載の方法。
9. 前記σ_１ ^２とσ_２ ^２は、ＡＷＧＮ雑音の分散と対応する、請求項８に記載の方法。
10. 前記相関の前記基準は、擬似雑音符号である、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記通信信号は、ＣＤＭＡである、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記方法が、レイク受信機において各フィンガ毎に実行される、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記誤差が閾値を超えるかどうかを決定するステップと、前記誤差が前記閾値を超える場合、前記基準のデータ・サンプル・タイミングを補間するステップと、前記基準のタイミング、または補間された場合は、前記補間された基準のタイミングを用いて、前記通信信号を復号するステップとを含む、請求項１に記載の方法。
14. 前記閾値は、前記サンプリング・レートＴ_ｓの一定のパーセントである、請求項１３に記載の方法。
15. 前記時間間隔は、通信信号のフレームまたはスロットの一方である、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 通信信号の時間間隔をトラッキングするよう動作する受信機であって、
    前記通信信号をレートＴ _ｓ でサンプリングする手段と、
    基準と、ある時間間隔での仮定到着時間ｔ _ａ を表す仮定サンプル位置からｉサンプル位置分だけ互いに対して進んだサンプルとを、サンプルｋ個分の相関長にわたって相関させる手段と、
    前記基準と、前記仮定到着時間ｔ _ａ からｉサンプル位置分だけ互いに対して遅れたサンプルとを、サンプルｋ個分の相関長にわたって相関させる手段と、
    前記相関からタイミング誤差を決定する手段と、
    前記誤差から次の時間間隔の予測到着時間ｔ _ｐ を予測する手段と、
    前記予測到着時間ｔ _ｐ に基づいて１つまたは複数のｋおよびｉを修正する手段と、
    前記修正されたｋおよびｉのいずれかを用いて後続の相関処理を実行する手段とを備える受信機。
17. 前記受信機に備わる各手段が、ソフトウェアを含む、請求項１６に記載の受信機。

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