JP4160249B2 - 可変レートｃｄｍａ通信システムにおけるレート検出 - Google Patents

Description

【０００１】
（背景技術）
本発明は全体として可変データレート伝送に関し、特に、明示的なビットレート情報が伝送されている際の可変レートデータ伝送の効率的な検出技術に関する。
【０００２】
スペクトラム拡散変調及び符号分割多重アクセス（ＣＤＭＡ）技術を用いるセルラ無線通信システムが近年開発されてきている。典型的なＣＤＭＡシステムにおいて、伝送される情報データストリームは、しばしば拡散符号として知られる十分高いビットレートのデータストリームに重畳される。拡散符号の各シンボルは一般にチップと呼ばれる。情報信号及び拡散符号信号はしばしば情報信号の符号化又は拡散と呼ばれる処理において一般的に乗算によって結合される。複数の符号化情報信号は無線周波数搬送波の変調として伝送され、受信器において合成信号としてまとめて受信される。符号化信号のそれぞれは他の全ての符号化信号及びノイズ関連の信号と周波数及び時間の両方について重複する。合成信号と特定の拡散符号の１つとの相関を取ることによって、対応する情報信号が分離、復号化される。
【０００３】
無線通信がより広く受け入れられるようになるに連れて、消費者の要求に合った数々のタイプの無線通信サービスを提供することが好ましい。例えば、無線通信システムを介したファクシミリ通信、電子メール、ビデオ通信、インターネットアクセス等のサポートが考えられる。さらに、ユーザが同時に異なるタイプのサービスにアクセスすることを望むであろうことも予期される。例えば、２人のユーザ間におけるビデオ会議は音声及びビデオサポートの両方に関係するであろう。これらの異なるサービスのうちいくつかはこれまで無線通信システムにおいて提供されてきた音声サービスと比較して比較的高いデータレートを必要とするであろうし、一方他のサービスは可変データレートサービスを必要とするであろう。従って、将来の無線通信システムは高データレート通信だけでなく可変データレート通信をもサポート可能なことが必要となるであろうことが予想される。
【０００４】
ＣＤＭＡ無線通信システムにおいて可変レート通信を実装するためのいくつかの技術が開発されている。変動するレートでのデータ伝送という考え方によれば、これらは例えば不連続伝送（discontinuous transmission: ＤＴＸ）、可変拡散ファクタ(variable spreading factors)、多符号伝送(multi-code transmission)及び可変前方エラー訂正符号化(variable forward error correction coding: ＦＥＣ)といった技術を含む。ＤＴＸを用いるシステムでは、各フレームの可変部分の期間、すなわち、所定サイズのデータブロックの伝送用に規定された期間だけにデータ伝送がおこなわれる。全体のフレーム時間とデータ伝送に用いられる部分との比率は、一般にデューティサイクルγと呼ばれる。例えば、最速データレート、すなわちフレーム期間全体でデータ伝送を行う場合にはγ＝１であり、例えば会話における息継ぎ時間のようなゼロレートによる伝送の場合にはγ＝０となる。ＤＴＸは例えば、米国規格である”２重モード広帯域スペクトラム拡散セルラシステムのための移動局−基地局相互接続性規格 (Mobile Station-Base Station Compatibility Standard for Dual-Mode Wideband Spread Spectrum Cellular System)”、ＴＩＡ／ＥＩＡ暫定規格 TIA/EIA/IS-95 (1993年7月）及びその修正版であるＴＩＡ／ＥＩＡ暫定規格 TIA/EIA/IS-95-A (1995年5月）に準拠して設計されたシステムにおいて可変データレート伝送を提供するために用いられる。米国のセルラ通信システムを規定するこれらの規格は、ヴァージニア州アーリントンにある、通信産業協会(Telecommunication Industry Association)及び電気産業協会によって公布されている。
【０００５】
拡散ファクタを変化させることは、可変データレート通信を提供する別の技術として知られている。上述したように、スペクトラム拡散システムは各データ信号を拡散符号と乗じることによって、データ信号を有効な帯域に渡って拡散する。符号シンボルのレートは固定しながらデータシンボルあたりの符号シンボル又はチップの数、すなわち拡散ファクタの数を変化させることで、実効的なデータレートを制御可能に変化させることができる。可変拡散ファクタ手法の一般的な実装において、拡散ファクタはＳＦ_minを最大のユーザレートに対応する最小の拡散ファクタとしたとき、ＳＦ＝２^ｋ×ＳＦ_minの関係で制限される。
【０００６】
伝送データレートを変化させる別の技術として知られているものは一般に多符号伝送(multi-code transmission)と呼ばれている。この技術によれば、データは可変数の拡散符号を用いて伝送される。この場合に用いられる符号の正確な数は瞬間的なユーザビットレートに依存する。多符号伝送の例は、1996年4月23日に出願された、米国特許出願番号第08/636,648号である、”多符号圧縮モードＤＳ−ＣＤＭＡシステム及び方法(Multi-Code Compressed Mode DS-CDMA Systems and Methods)”に記述されている。この米国特許出願の開示内容は参照文献として本明細書の一部をなすものとする。
【０００７】
無線通信システムにおいて伝送データレートを変化させるさらに別の技術はＦＥＣを変化させることを必要とする。さらに詳細に述べれば、前方エラー訂正（ＦＥＣ）符号化のレートが符号分割(code-puncturing)及び反復を用いるか、異なるレートの符号間を切り替えることによって変化させられる。この方法においてユーザレートは変化するがチャネルビットレートは一定である。本技術分野における当業者はＦＥＣを変化させることと可変拡散ファクタとが可変レート伝送を実装するための仕組みに関して類似していることを認識するであろう。
【０００８】
可変レート伝送を実現するために無線通信システムで用いられる特定の技術とは無関係に、受信器は受信信号を正しく検出し、復号化するために信号が送信される特定のデータレートを知らねばならない。受信信号の瞬間的なデータレートを受信器に知らせる方法は一般に２つのカテゴリに分類される。すなわち、伝送される信号とともに明示的な(explicitly)伝送ビットレート情報（ＢＲＩ）を送信するシステムと、受信器に盲目的(blindly)にデータが送信されたレートを判定する能力、例えば異なるレートを試して、正しい巡回冗長チェック（ＣＲＣ）を探すなどの能力を与えるシステムである。Butlerらに与えられた米国特許第5,566,206号は盲目的なレート検出の一例を提供する。
【０００９】
明示的なＢＲＩの送信も盲目的なレート検出アプローチも、それぞれある欠点を有する。例えば、盲目的なレート検出は可能性のある複数のデータ伝送レートの１つを正しく特定するために付加的な回路が必要であるため、受信器が相対的に複雑になる。
【００１０】
明示的なＢＲＩの送信もまた、設計上の問題を有する。例えば、ＢＲＩはそれが示すデータフレームの前のデータフレーム中でも同じデータフレーム中ででも送信可能である。もしＢＲＩが前のフレームで送信される場合、送信器において１フレームの余分な遅延が発生する。すなわち、送信器においてフレーム用のデータが準備でき次第、そのフレームに対するＢＲＩが計算され送信されるが、一方でそのデータの送信は次のフレーム期間まで遅らされることになる。この余分な遅延は例えば音声、特に長いフレーム長の音声などの遅延の少ないサービスにおいては望ましくないものとなりうる。
【００１１】
一方、ＢＲＩがデータと同じフレームで伝送される場合には、ＢＲＩが検出され、復号化がなされるまで受信器で受信信号をバッファしておく必要がある。この方法は受信器に余分なバッファリングをさせることになり、結果として余分なコスト及び複雑さを生むことになる。
【００１２】
従って、明示的なレート情報を、その情報が表すフレームと同じフレームで送信するとともに、受信器において必要なバッファリングの量を最小化する新しい方法及びシステムの開発が望まれている。
【００１３】
（発明の概要）
従来の通信システムにおけるこれら及び他の問題点は、以下に示す本出願人の発明、すなわち、自分自身がデータそのものとして同じフレームで送信されるＢＲＩを有する様に適応された、可変拡散ファクタを用いる可変レートデータ伝送によって解決される。ウォルシュ符号拡散(Walsh code spreading)が用いられる場合、逆拡散処理はステージ間のバッファリングを伴う２つの別々なステージに分離することができる。そしてずっと速いチップレートの代わりに最大ユーザレートにおけるバッファリングを行うことができる。このようにしてバッファの容量を顕著に削減することができる。
【００１４】
最初の逆拡散ステージにおいて、逆拡散は最大ユーザデータレート及び共通のルートに由来するウォルシュ符号ワードの特性に基づく、全ての物理チャネルに共通な第１の符号を用いて行うことができる。例えば物理制御チャネルからＢＲＩが復号化された後、この情報は復号化されるべき各物理チャネルに関連する個々の符号ワードの判定を行う第２の逆拡散ステージに供給される。
【００１５】
（詳細な説明）
この説明は可搬型もしくは移動体無線電話に関するセルラ通信システムについて書かれているが、本技術分野の当業者には本出願人の発明が他の通信応用分野にも適用可能であることが理解されるであろう。
【００１６】
本発明の典型的な実施形態によれば、各フレームにそのフレームに対する瞬間的なデータシンボルレートを示す制御情報を提供することによって、ＣＤＭＡシステムは音声といった可変ビットレートサービスをサポートすることができる。これを規則的な時間間隔で達成するため、物理チャネルを等しい長さのフレームで編成することができる。各フレームは整数値のチップ及び整数値の情報ビットを搬送する。
【００１７】
この典型的なフレーム構成を用い、ビットレート制御情報を別個の物理チャネルに伝送することによって、ビットレート制御情報を各ＣＤＭＡフレームに供給することが可能である。データ及び制御情報を搬送する物理チャネルはそれぞれ物理データチャネル（ＰＤＣＨ）及び物理制御チャネル（ＰＣＣＨ）と記述することができる。ＰＣＣＨの拡散符号、シンボルレート又は等価である拡散ファクタは、事前に受信器に知らされている。
【００１８】
多くの潜在的な利点を可変レート伝送に帰すことができる。例えば、チップレートが一定に保たれ、低いビットレートが高い拡散ファクタを与える結果、低い伝送パワーを用いることができるため、システムの多くのユーザに対して干渉を削減することができる。本技術分野の当業者は、ＣＤＭＡシステムにおいて情報レートを変化させるこの能力がどのように他のパラメータを都合良く変化させることが可能であるかを容易に理解することができるであろう。
【００１９】
典型的な受信器（例えば、基地局又は移動局のいずれにも用いることができる）の構成を図１に示す。受信信号はまず最初に複素ベースバンドサンプルを生成するためにプロセッサ１０で処理される。そして信号は制御チャネル及びデータチャネルＲＡＫＥ復調器１２及び１４を含む信号処理ブランチにそれぞれ分配される。図１には１つのＰＤＣＨ信号処理ブランチのみが示されているが、本技術分野の当業者は本発明による受信器に複数のこれらブランチが含まれていても良いことを理解するであろう。復調器１２及び１４はまた、ＰＣＣＨ及びＰＤＣＨに対応する拡散符号をユニット１６及び１８から供給される。上述したとおり、ＰＣＣＨフレームは現在ＰＤＣＨで伝送されている構成に関連する情報を含んでおり、従って、ＰＣＣＨ情報はＰＤＣＨが復調可能になるより前に復号化されるべきである。よって、ＰＤＣＨ ＲＡＫＥ復調器１４の上流に位置するフレームバッファ２０は、ＰＤＣＨ ＲＡＫＥ復調器１４がＰＤＣＨの拡散ファクタを復号化前に受信するようにベースバンド信号の復調器１４への入力を遅延する。この情報はＰＤＣＨによって伝送されたデータのフレーム毎のレートに関連し、ＰＣＣＨ復号化器２２によって供給される。ＰＤＣＨの復号化のために下流に設けられたＰＤＣＨ復号化器２４は当技術分野でよく知られたものである。フレームバッファ２０のサイズは、以下に説明する本発明の典型的な実施形態に従って最小化することができる。
【００２０】
どのようにしてバッファ２０のサイズを削減することが可能なのかを十分理解するため、まず可変拡散ファクタ及び直交符号についての簡単な説明を行う。上述したように、可変レートサービスはデータストリームを可変拡散ファクタによって拡散することによってサポートすることが可能である。例えば、第１の期間には第１（低い）データレートが、第２の期間には第２（高い）データレートが必要で、移動局と基地局との間で１つのＰＤＣＨを用いることによってサポートされるサービスを考えてみる。第１の期間の間、第１のデータレートに基づいて第１の拡散符号を選択することができる。第２の期間の間は、第２のデータレートで送信されるべきフレームを拡散するための第２の拡散符号を選択することができる。第２のデータレートは第２のデータレートよりも高いため、第２の拡散符号は第２の拡散符号よりも短くなるであろう。
【００２１】
さらに、複数の可変レートＰＤＣＨは同様の方法で取り扱うことができる。例えば、多くのデータストリームを異なる長さを有するウォルシュ符号を用いてチップレートに拡散することができ、その後、合計及びスクランブリングを行う。図２は、２つの物理チャネルを例にして、これらの拡散及びスクランブリング操作を示したものである。図において、チップレートＲ_ｃをそのデータストリームに対する拡散ファクタＳＦ_１で割ったものと等しいデータレートＲ_１を有する第１のデータストリームが乗算器３０に供給される。このデータストリームは乗算器３０の出力がチップレートＲ_ｃの物理チャネルであるように符号語Ｃ_１によって拡散される。同様に、乗算器３２に供給される第２のデータストリームは第２の拡散ファクタＳＦ_２でチップレートＲ_ｃを割ったものと等しい第２のデータレートＲ_２を有する。このデータストリームは物理チャネルでのチップレートがＲ_ｃとなるように選択される長さを有する第２の符号語Ｃ_２によって拡散される。２つの物理チャネルは加算器３４で加算され、その後合成信号はブロック３６においてスクランブリング符号Ｃ_scrによってスクランブルされる。得られた信号は例えば送信信号処理回路へ出力され、最終的にアンテナに結合される。データストリームのレートは使用される拡散ファクタのインターバルが所定のＳＦ_minと等しいか大きくなるように制限することができる。
【００２２】
乗算器３０及び３２で拡散に用いられるウォルシュ符号は、図３に示すような樹形図状に表される。樹形図における同レベルの符号は直交し、同じ拡散ファクタを有する。ある物理チャネルが樹形図の第１の符号で拡散され、他の物理チャネルが（１）第１の符号と異なり、（２）樹形図におけるルートへのパスにおいて第１の符号の左隣になく、（３）第１の符号をルートとするサブツリーに含まれない符号で拡散されるならば、拡散された物理チャネルは互いに直交する。物理チャネルの各々はそれぞれのデータレートに合致する拡散ファクタとともに、樹形図から拡散符号が割り当てられる。例えば、データレートの増加は符号の選択を樹形図の左へと移動させるし、データレートの減少は選択を右へと移動させる。従って、典型的な可変レートＰＤＣＨはそのデータレートの変化に連れて、所定のパスに沿って符号ツリーを上方向及び下方向への移動する。
【００２３】
図３において、樹形図中の任意の符号はその右の（すなわち、ルートよりも先の）符号を構成するために使われているように見ることができる。従って、任意の符号は符号樹形図のルートへ至る経路における低レベルの符号を形成するように見ることができる。出願人はこの符号の性質を受信器において必要とされるバッファリング要求の削減に使用可能であることを見いだした。
【００２４】
図１に示した受信器において、受信信号はデスクランブル及び逆拡散される。しかし、受信器はフレームを逆拡散する前にそのフレームの伝送に使用された拡散ファクタを知る必要がある。本発明の典型的な実施形態に従って、同一フレーム中にＢＲＩが伝送されているため、その信号をバッファする必要がある。しかしながら、特定の接続設定(connection setup)のために使用可能な全てのウォルシュ符号に共通する最も長い部分を用いての逆拡散は、バッファリングを行わずに、すなわちＢＲＩが復号化される前に行うことが可能であることを出願人は見いだした。従って、バッファ２０及びＰＤＣＨ ＲＡＫＥ復調器１４を有する図１に示した受信器部分は図４に示すように変更することが可能である。図４において、信号は、ブロック５０において、部分的に受信シンボルを逆拡散するために、全ての可能な符号が含まれるサブツリーのルートにある第１の符号と相関が取られる。この処理は全てのマルチパス路(multipath ray)に対して行われ、ＲＡＫＥ結合が行われるとともに、得られた中間シンボルはバッファ２０にバッファされる。また、ＢＲＩが一旦ＰＣＣＨ復号化器２２で得らると、バッファ２０からの中間シンボルはブロック５２において、逆拡散生ビット(raw bits)を得るために第２の符号との相関が取られる。逆拡散の第２ステップで用いられる符号は符号樹形図から容易に同定できる。例えば、符号(+1+1-1-1-1-1+1+1)の逆拡散はまず最初にブロック５０で(+1+1)による逆拡散がなされた後、ブロック５２において(+1-1-1+1)を用いて逆拡散される。他の代替的な方法としては、ブロック５０で(+1+1-1-1)を用いて逆拡散した後、ブロック５２において(+1-1)で逆拡散する方法がある。前者の組み合わせは結果として高いレートでの中間シンボルのバッファリングを必要とする。しかしながら、もう一方においては、チップレートよりも十分に低いレートでの、本発明に従ったバッファリングが行われる。例えば、６４から２５６までの可変拡散ファクタを用いるシステムにおいて、バッファリングはチップレートの６４倍低いレートで行われる。
【００２５】
図５は２つのフィンガーＲＡＫＥ受信器における２つの符号のための、本発明に従った典型的な逆拡散処理を示している。まず、ブロック６０及び６２において、受信信号は図２のブロック３６で行われた処理を逆に行うためにデスクランブルされる。そして、ブロック６４及び６６で、受信信号は共通符号、すなわちこの特定の伝送に対する全ての可変拡散ファクタオプションに共通する、符号樹形図の最左端の部分にある符号を用いて部分的に逆拡散される。得られた部分的な逆算信号はブロック６８及び７０においてそれぞれ積分され、ブロック７２及び７４においてチャネル推定に基づき変更される。後半の２つの操作はＲＡＫＥ受信器に関する信号処理として当業者にはよく知られている。結果である部分逆拡散信号はブロック７６で加算され、バッファ２０へ供給される。部分逆拡散信号はＰＣＣＨ復号器からのビットレート情報が得られるまでバッファ２０に記憶される。しかし、信号はバッファ２０に保存される前に部分的に逆拡散されているため、ストレージのデータレートはチップレートよりもずっと低く、バッファ１８のサイズ削減の機会を設計者に提供する。ＢＲＩ情報が一旦このフレームから得られると、第２の符号Ｃ₁"及びＣ₂"をブロック７８及び８０におけるそれぞれの逆拡散操作を完結させるために選択することができる。逆拡散信号はブロック８２及び８４に統合され、従来のＲＡＫＥ受信器で行われる、よく知られた操作が引き続いて行われる。
【００２６】
本出願人の発明は上述した特定の実施形態に限定されるものではなく、当業者により変更が加えられても良い。出願人の発明の範囲は以下のクレームによって決定され、全ての改変は本発明の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明が適用可能な受信器構成の例を示すブロック図である。
【図２】 ２つの物理チャネルにおける、共通のスクランブルによる可変拡散を示す図である。
【図３】 符号ツリーの例を示す図である。
【図４】 本発明の実施形態に係る２ステージ逆拡散を示す図である。
【図５】 図４のブロック図をさらに詳細に示した図である。

Claims (13)

1. 制御チャネル及び第１のデータチャネルを含む少なくとも２つの物理チャネルを含み、可変伝送ビットレートで送信されるデータと、可変拡散ファクタで拡散されたウォルシュ符号とを有するスペクトラム拡散信号を受信する手段と、
   第１の符号を用いて前記第１のデータチャネルを部分的に逆拡散する手段と、
   前記部分的に逆拡散された信号をバッファする手段と、
   第２の符号を用いて前記バッファされた信号を逆拡散する手段と、
   前記制御チャネルを復調及び復号化し、前記第１のデータチャネルに関する伝送ビットレート情報を取得する手段と、
   前記伝送ビットレート情報を、前記バッファされた信号を逆拡散する手段に供給する手段とを有し、
   前記第１の符号が、ある特定の接続に対して利用可能な符号全てに共通する最も長い部分であり、前記第２の符号が、前記伝送ビットレート情報に基づいて選択されることを特徴とする受信器。
2. 前記スペクトラム拡散信号がチップレートで受信され、前記バッファ手段が前記部分的に逆拡散された信号を前記チップレート未満で記憶することを特徴とする請求項１記載の受信器。
3. 前記第１のデータチャネルが複数のデータレートのうち任意のレートで受信可能であり、前記第１の符号が前記複数のデータレートに基づいて選択されることを特徴とする請求項１記載の受信器。
4. 前記少なくとも２つの物理チャネルがさらに第２のデータチャネルを有することを特徴とする請求項１記載の受信器。
5. 前記部分的に逆拡散する手段が前記第２のデータチャネルも前記第１の符号を用いて逆拡散することを特徴とする請求項４記載の受信器。
6. 前記逆拡散する手段が、前記第１及び第２のデータチャネルをそれぞれ逆拡散するための前記第２の符号及び第３の符号を、前記伝送ビットレート情報に基づいて選択することを特徴とする請求項５記載の受信器。
7. 前記伝送ビットレート情報が前記第１及び第２のデータチャネルの拡散ファクタを含むことを特徴とする請求項６記載の受信器。
8. 前記伝送ビットレート情報が拡散ファクタであることを特徴とする請求項１記載の受信器。
9. 前記第１の符号が前記第１及び第２のデータチャネルに共通する符号ビットに基づいて選択されることを特徴とする請求項５記載の受信器。
10. 前記逆拡散する手段が、前記受信したスペクトラム拡散信号をスクランブル符号を用いてデスクランブルすることを特徴とする請求項１記載の受信器。
11. 可変伝送ビットレートと可変拡散ファクタによって拡散されたウォルシュ符号とを有し、データチャネル上を伝送されるデータに属するデータフレームを逆拡散する方法であって、
    （ａ）ある特定の接続に対して利用可能な符号全てに共通する最も長い部分である第１の符号を用いて前記データフレームを部分的に逆拡散するステップと、
    （ｂ）前記ステップ（ａ）の出力をバッファするステップと、
    （ｃ）前記データチャネルとともに受信された制御チャネルを逆拡散及び復号化して、前記データチャネルに関する伝送ビットレート情報を判定するステップと、
    （ｄ）前記バッファされた出力を、前記判定された伝送ビットレート情報に基づいて選択された第２の符号により逆拡散するステップと、
    前記第１の符号を最大ユーザデータレートに基づいて選択するステップと、
    前記判定された伝送ビットレート情報を、前記バッファされた信号を逆拡散する逆拡散器に供給するステップと、
    前記第２の符号を、前記伝送ビットレート情報に基づいて選択するステップ、
    とを有することを特徴とする方法。
12. 前記ステップ（ｂ）が、
    前記出力を前記データフレームのチップレート未満のレートでバッファするステップをさらに有することを特徴とする請求項１１記載の方法。
13. 前記ステップ（ａ）が、
    前記第１の符号を、前記データフレームが伝送されうる複数のデータレートに基づいて決定するステップをさらに有することを特徴とする請求項１１記載の方法。

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