JP4344018B2 - バーストモードデジタル無線受信機の性能を改良する装置およびその方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の分野】
本発明は無線通信に関するものであり、さらに詳細には、バーストモードデジタル無線通信システムに関するものである。
【０００２】
【発明の背景】
無線通信システムにおいて、基地局においてアンテナアレーの使用は、ゲインが増加することによってレンジが増し、干渉抑制から容量が増すことが知られている。また、適応アンテナアレーの使用により、多重アンテナで受信された信号は加重、結合されて、例えば所望の受信信号パワーを最大にし、かつ／または干渉を抑制することによりシステム性能を改善する。適応アンテナアレーの性能はアンテナの数により飛躍的に向上する。１９９４年発行のＩＥＥＥトランス・オン・コミュニケーションズ（IEEE Trans. on Communications） に載録されたJ.H.Winters、R.D.Gitlin、およびJ.Salz による論文「無線通信システムキャパシティにおけるアンテナダイバーシティのインパクト(The Impact of Antenna Diversity on the Capacity of Wireless Communication Systems) 」において、受信信号を最適に結合させるＭ個のアンテナアレーを使用することで、Ｎ≦Ｍ−１干渉を減らし、多重通路フェージングに対しＭ−Ｎ折返しダイバーシティゲインを達成し、レンジを増すことが示されている。
【０００３】
しかし、今日ほとんどの基地局は次善の処理として２個のみの受信アンテナを使用している。例えば、受信および処理を行う上で、より大きな信号パワーを有したアンテナが選択される選択ダイバーシティである。既存の基地局が、より大きなアンテナアレー、および／または、改良された受信信号結合技術に適応出来るように改造修正できればそれが望ましい。しかしながら現状、特にこの分野における装置はあらゆるベンダーからなるため、既存装置の改造修正は困難であり、かつ、時間消費面、経費面からも容易なものではない。
【０００４】
代替案の１つに、既存の基地局アンテナと基地局への入力間に設置される外部信号処理ボックスであるアップリケを使用するアプローチがある。これは基地局に供給する受信信号を適切に加重し、結合させる。また、選択的にアンテナを追加使用することも可能である。図１はアップリケを使用した基地局を示している。アップリケ・アプローチを用い実現化する際の重要なポイントは、基地局装置の改造修正（万一あるとしても）をほとんど必要としないということにある。この制約には、アップリケにより実行される処理が既存装置にとり明白なものでなくてはならないということも含まれる。理想的には、アップリケから発信される信号は、基地局にとり単体アンテナからの高品質受信信号となんら変わりないものとすべきである。
【０００５】
既存装置で明白に得られる問題は、アップリケで行われる信号処理、例えば、データ獲得、荷重計算および受信信号の結合によってもたらされる遅延である。一般的なセルラ基地局受信機は信号伝搬による遅延にいくらか対応出来るが、このような遅延は一般的に数十マイクロ秒単位に制限される。ところが、最適なアレー結合の荷重を決定する際に必要となる遅延が一般にその数倍もある。それゆえ、このアップリケによる遅延のため、既存基地局受信機からは基地局の補正能力をはるかに超えた伝搬遅延が生じたように見え、システムは機能しなくなるであろう。
【０００６】
以前に提案された解決案は、受信信号をデジタル信号処理することではなく、受信信号のＲＦアナログ加重、結合を利用することであった。しかしながら、ＲＦアナログ加重は、アップリケを通した場合の信号パスにはわずかな処理遅延をもたらすだけだが、荷重計算に必要な処理時間はわずかなものではない。このような荷重計算による遅延は望ましいものではない。なぜならば、加重計算に先立つ時間の間に品質の低下した信号が出力され、フェージングレートが数Ｈｚよりも早い場合、アレー性能が悪くなる。これは移動通信において、一般車におけるスピードの場合である。
【０００７】
【発明の概要】
上述した問題を解決するため、本発明によるバーストモードデジタル無線受信機性能を改善する装置および方法が提供される。この装置は、複数の受信信号を処理し、処理された信号を供給する処理回路と、処理された信号に所定の遅延を導入する遅延回路とを備えている。所定の遅延とは、処理された信号を後のデータバーストと一致するように遅延させるものである。遅延回路は処理回路に連結されている。
【０００８】
本発明の更なる進歩は、複数のアンテナからの出力信号は処理回路に複数の受信信号を供給することである。更に、本発明の更なる進歩は、処理回路は受信信号を加重し、結合させ、処理回路は出力信号の平均二乗誤差を減らすことである。本発明の更なる進歩は、処理された信号が次のデータバーストの時間間隔と一致して受信機に到達することである。本発明の更なる進歩は、処理回路は、タイムスロット内の同期シーケンス内の所定のシンボルパターンを用いる受信信号を加重し結合させることである。
【０００９】
【発明の詳細な記述】
本発明は、特にＴＤＭＡ（時分割多アクセス）移動無線システムに最も良く適応するため、このアプリケーションに関して説明を行うものであるが、ここに公開する方法および装置は他のバーストモード無線通信システムにも適用可能である。
【００１０】
移動局から基地局へのアップリンクにおいて、ＩＳ−１３６のようなＴＤＭＡ移動無線システムでは、データはタイムスロット、または既知で固定の継続時間のバーストで周期的に伝送される。各データバーストは本来、他のデータバーストに影響されず基地局の受信機で処理される。従って、その実際の信号処理遅延を上まわる人為的遅延を導入するようにアップリケを設計し、アップリケを通る場合のトータルの遅延を、名目上通常のタイムスロット継続時間の倍数となるようにすることは可能である。このような構成により、遅延データバーストは、それ自身のタイムスロットに比較して単に非常に遅れるというよりも、名目上、後のタイムスロットと時間的に整列して到着する。
【００１１】
全てのアップリンクデータバーストはアップリケによってこのように処理されるため、全てのアップリンクバーストは後のタイムスロットにタイムシフトすることから、全アップリンクデータの実遅延はアップリケによる遅延により増加する。一般的にアップリンクデータバーストは音声トラフィック、およびセルラシステムで利用される様々な管理情報との両方より成る。即ち、このアプローチを使用することによって追加されるべき考察点は、追加された音声遅延がユーザにとり許容出来るレベルになること、および、管理情報データにおける追加遅延がセルラシステム全体にとり許容出来るレベルになることである。
【００１２】
例示されるように、ＩＳ−１３６トラフィックチャネルにおいてフルレート音声コーダ（全速度音声符号器）による処理では、あるユーザのタイムスロットの開始時間から、次のタイムスロットの開始時間までは２０ミリ秒（ｍｓ）である。この遅延は必要とされる信号処理上は適当なものであるが、システムユーザにとっては些細なものである。ＩＳ−１３６仕様は、トラフィックチャネルを経由して送信された管理データに対し、１００ｍｓまでの応答時間を見越している。アップリケ遅延２０ｍｓは起こり得る遅延を減らしはするが、この仕様を超過することはない。この技術はＩＳ−１３６のトラフィックチャネルにて実行可能であり、また他のバーストモード無線通信システムにおいても同様である。
【００１３】
欧州および日本における標準デジタルセルラ電話サービスである、移動通信グローバルシステムとして知られているＧＳＭ（Groupe Speciale Mobile）をベースとしたシステムでは、遅延は４．６１５ｍｓの倍数である。全欧州デジタルコードレス電話通信インターフェース仕様である欧州コードレス電気通信（ＤＥＣＴ）をベースとしたシステムでは、遅延は１０ｍｓの倍数である。
【００１４】
図１は基地局のアップリケで使われる信号処理タイプを示したブロック図である。移動局１０により移動アンテナ１２を通して伝送された信号u(t)は、受信信号ｓ₁(t)からｓ_M(t)として、それぞれＭ個のアンテナ１８を通して基地局１６で受取られる。受信信号は、それぞれ荷重ｗ₁(t)からｗ_M(t)を有した倍率器２０を用いて加重され、それぞれ対応する加重信号ｘ₁(t)からｘ_M(t)を発生させる。加重信号ｘ₁(t)からｘ_M(t)はここで、加算器２４により結合され、基地局の装置に供給する出力信号ｙ(t) を発生させる。荷重ｗ₁(t)からｗ_M(t)は、受信信号ｓ₁(t)からｓ_M(t)、および出力信号ｙ(t) を使用して重み付け発生回路２２により発せられる。出力時の信号品質を改善するために、アップリケプロセッサ回路１４において、受信信号ｓ₁(t)からｓ_M(t)は加重され、結合される。一実施形態においては、出力信号における平均二乗誤差を最小限に抑えるための加重調整が行われる。
【００１５】
図２は、適応アンテナアップリケを備えた既存の基地局を示している。既存の基地局３０は１個の送信アンテナ３２と２個の受信アンテナ３４より構成されている。受信アンテナ３４で受信された信号は適合する受信機マルチカプラ３８に結合される。ここでは、受信信号ｓ₀(t)およびｓ₁(t)を、各トラフィックチャネルにつき１個のトランシーバとして、ロケーション受信機４０、制御チャネルトランシーバ４２、Ｎ−１トラフィックチャネルトランシーバ４４、およびトラフィックチャネルトランシーバ４８に分割する。トラフィックチャネルトランシーバ４４は受信アンテナ３４からの受信信号ｓ₀(t)およびｓ₁(t)を用い、各トラフィックチャネルに対し出力音声信号を発生させる。トラフィックチャネルトランシーバ４４から発信された音声信号はセルサイトコントローラ４６に供給され、ここから移動電話交換局ＭＴＳＯ５９に送られる。
【００１６】
トラフィックチャネルトランシーバ４８の性能を改善する目的において、図１に示したような処理を追加するため、図２の具体例によりアンテナアップリケを基地局に追加することが可能である。追加回路５６は２個の追加受信アンテナ５８を備えている。この追加受信アンテナ５８により受信された信号は、現行の基地局３０にあるような適合する受信機マルチカプラ５０に連結する。次に、受信アンテナからの信号ｓ₀(t)からｓ₃(t)は適応アンテナアップリケ５２により処理され、トラフィックチャネルトランシーバ４８へ供給する出力信号ｙ(t) が発せられる。図２において、スイッチ５４はトラフィックチャネルトランシーバ４８の入力信号が既存基地局３０と適応アンテナアップリケ５２間でスイッチ出来るようにする。本実施形態におき、適応アップリケ５２を追加しているが、これによる既存基地局３０の改造修正の必要はない。
【００１７】
図３は、図２の適応アンテナアップリケ５２をさらに詳細に示したものである。図２におけるマルチカプラ３８およびマルチカプラ５０からの受信信号ｓ_０(t)からｓ_３(t)は、ＲＦダウンコンバータ６０によりＲＦからベースバンド、またはＩＦに変換される。この時、ダウンコンバータ６０からの出力信号ｖ_０(t)からｖ_３(t)はＡ／Ｄコンバータ６２によりデジタルサンプルに変換され、このデジタルサンプルはデジタル信号処理回路６４により処理される。次に、デジタル信号処理回路６４は出力信号ａ(t) を発生させる。この出力信号ａ(t) は、Ｄ／Ａコンバータ６６によってアナログ信号に変換され、次に送信変調器／アップコンバータ回路６８によって受信搬送周波数にアップコンバートされ、図２の基地局トラフィックチャネルトランシーバ４８に連結される。アップリケは、基地局３０にとっては一般的なアンテナから来た信号と変わらぬように図２の出力信号を発生させるよう受信信号ｓ_０(t)からｓ_３(t)を処理する。すなわち、アップリケにおける処理は基地局３０にとり明白なものである。
【００１８】
アップリケにおける処理が基地局３０にとり明白なものであるためのキーポイントは、導入される遅延である。図３に示す適応アンテナアップリケ５２は、一般的に移動無線システムにおいて生じる伝達遅延に比較し、かなり多くの処理時間を要することが出来る。その遅延の大部分は最適な結合を行うための適応荷重計算内である。
【００１９】
この遅延は、北米デジタル移動無線規格ＩＳ−１３６を考察することで理解が容易となる。図４ＡはＴＤＭＡフレーム７０、およびタイムスロット７２である。図４ＢはＩＳ−１３６アップリンク（移動局から基地局）デジタルトラフィックチャネルのタイムスロット７２の構造を詳細に示したものである。これは時分割多アクセス（ＴＤＭＡ）フレーム構造であり、各移動局（携帯電話）ユーザから送信されたデータはタイムスロット７２かまたは「バースト」にて周期的に伝送される。フレーム７０には６個のタイムスロットがある。フレーム７０の継続時間は４０ｍｓであるため、各タイムスロット７２の継続時間はフレーム継続時間の１／６であり、約６．７ｍｓとなる。
【００２０】
フルレート音声コーダが使われる場合、各チャネルに３人のユーザが割当てられる。この場合、各々のユーザは６個のうちの２個のタイムスロットで伝送を行う。すなわち、タイムフレーム７０においては、最初のユーザに対しタイムスロット７２の第１および第４タイムスロット、２番目のユーザに対しては第２および第５タイムスロット、３番目のユーザに対しては第３および第６タイムスロットが割当てられる。タイムスロット７２の各々は同期（ＳＹＮＣ）シーケンス７４を含む１６２のシンボルを構成している。同期７４はシンボル１５番目から２８番目を構成する。この同期シーケンスは受信機で前もって決定された既知のものである。干渉を無くす目的においてアップリケ適応荷重計算を行う上で、元々はこの目的を意図したものではないが、各タイムスロット内のいくつかのシンボルとＳＹＮＣ７４のシーケンスを前もって知っておくことは有利である。たとえばこれについては１９９３年発行のＩＥＥＥトランス・オン・ビィーキュラテクノロジーズ（IEEE Trans. on Vehicular Technoligy）に載録されたJack Winters による、「フラットフェージングを伴うデジタル移動無線システムＩＳ−５４における信号獲得と適応アレーによるトラッキング(Signal Acquisition and Tracking with Adaptive Arrays in the Digital Mobile System ISー54 with Flat Fading)」で説明がなされている。従い、アップリケが適応荷重を計算する前に、アップリケはバーストの少なくとも最初の２８シンボルを獲得しなくてはならない。これは、たとえアップリケにおける一連の処理によりもたらされる遅延がない場合であっても、獲得するだけで少なくとも２８シンボル（約１１５２μ秒）の遅延をもたらす。また実際に、適応荷重を実際に計算してアップリケの出力信号を発生させる一連の処理によりもたらされる遅延は、一般にこの遅延を著しく超過するであろう。ＩＳ−１３６基地局の受信機は信号伝搬による遅延に適応するように設計されているが、このような遅延は数シンボルのオーダ上にある。このように、アップリケ適応加重処理のために必要な遅延は本質的に、伝搬影響に対して割当てられた遅延内で処理を行うＩＳ−１３６受信機の性能を超える。
【００２１】
図５は、ＩＳ−５４基地局において遅延の影響をテストする目的で使用される装置のブロック図である。ＩＳ−５４がＩＳ−１３６と同一トラフィックチャネルフォーマットを使用していることは注意しておくべきである。ＩＳ−５４のセルラ電話８０は、移動局から基地局へのパスにおいて遅延をもたらす回路８４を通してＩＳ−５４基地局エミュレータ８２と通信を行う。送受切換器８６および送受切換器８７は、送受切換器８６および送受切換器８７によってセルラ電話８０に直接接続した基地局からの送信信号によって、送信信号と受信信号とを分ける。セルラ電話８０から送信された信号は、送受切換器８６を通りＲＸダウンコンバータ／復調器８８に進む。ここで、ローカルオシレータ９０からの搬送信号ｃ(t)が用いられ、それぞれ、同相コンポーネント、直角位相コンポーネントである、ベースバンド信号ｂ_i(t)とｂ_Q(t)に変換される。次に、ベースバンド信号ｂ_i(t)とｂ_Q(t)はＡ／Ｄコンバータ９２によりデジタル信号ｅ_i(t)とｅ_Q(t)に変換される。また、デジタル信号ｅ_i(t)とｅ_Q(t)は、遅延回路９４の中のデジタル信号プロセッサにより処理され、調整可能な遅延をもたらす。次に、遅延デジタル出力信号ｆ_i(t)とｆ_Q(t)は、Ｄ／Ａコンバータ９６によりアナログベースバンドｇ_i(t)とｇ_Q(t)に変換され、ローカルオシレータ９０からの搬送信号ｃ(t) が用いられてＴＸ復調器／アップコンバータ９８により搬送周波数にアップコンバートされる。次に、送受切換器８７により遅延アナログ信号ｈ(t)が基地局エミュレータ８２に供給される。
【００２２】
セルラ電話呼出しが最初にアップリンクパスにおいて遅延なく設定されると、２０ｍｓよりはかなり少ないが数シンボル以上の追加遅延が導入されたかが観測され、呼出しは中断される。しかし、導入された遅延が２０ｍｓに非常に近かった場合、すなわち、信号がそのユーザの次のタイムスロットと一致するように遅延する場合、呼出しは中断されない。呼出しは２０ｍｓの倍数で２００ｍｓまでの遅延であると観測された。この範囲の遅延では、依然基地局エミュレータ８２は移動送信パワー調整および移動時間アライメント等の管理機能を行うことが出来た。しかし、遅延が、２０ｍｓの内部ユーザバースト遅延の３倍以下でない限り、スロット内のハンドオフを不都合なく完全に行うことは出来なかった。従い、アップリケによるアプローチはユーザバースト遅延内の小さな整数倍である場合に実行可能である。
【００２３】
以上、本発明の実施の形態を詳細に説明したが、本発明の範囲を逸脱することなく他の方法でも具体か出来ることは当業者にとって明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】多重アンテナを用いた適応アレーのブロック図である。
【図２】アップリケを備えた既存の基地局である。
【図３】アップリケの詳細ブロック図である。
【図４Ａ】ＩＳ−１３６において使用されているアップリンクデジタルトラフィックチャネルのフレームおよびタイムスロットの構成図である。
【図４Ｂ】ＩＳ−１３６において使用されているアップリンクデジタルトラフィックチャネルのフレームおよびタイムスロットの構成図である。
【図５】アップリケによる遅延の影響をテストする実験のブロック図である。

Claims (12)

1. バースト・モード・デジタル無線受信機の性能を改良する装置であって、
   複数のアンテナで受信された複数のＴＤＭＡ移動無線信号の複数のデジタルサンプルを処理し、処理された信号を提供するデジタル処理回路と、
   該処理された信号に所定の遅延を導入するための、該処理回路に結合された遅延回路とを含み、
   該所定の遅延は、該処理された信号が、該デジタルサンプルのタイムスロットが割り当てられたユーザと同じユーザに割り当てられた次のタイムスロットと一致するように遅延されるものであることを特徴とする装置。
2. 請求項１に記載の装置において、該処理回路が、出力信号の平均二乗誤差を減少するよう動作する装置。
3. 請求項１に記載の装置において、該処理信号が、該次のタイムスロットと一致するように２０ミリ秒の倍数で遅延されるようになっている装置。
4. 請求項１に記載の装置において、該ＴＤＭＡ移動無線信号が、ＩＳ−５４移動無線信号からなるものである装置。
5. 請求項１に記載の装置において、該ＴＤＭＡ移動無線信号が、ＩＳ−１３６移動無線信号からなるものである装置。
6. 請求項１に記載の装置において、該処理信号が、該次のタイムスロットと一致するように４．６１５ミリ秒の倍数で遅延されるようになっている装置。
7. 請求項１に記載の装置において、該ＴＤＭＡ移動無線信号が、ＧＳＭ移動無線信号からなるものである装置。
8. 請求項１に記載の装置において、該ＴＤＭＡ移動無線信号が、ＤＥＣＴ移動無線信号からなるものである装置。
9. 請求項１に記載の装置において、該処理信号が、該次のタイムスロットと一致するように１０ミリ秒の倍数で遅延されるようになっている装置。
10. 請求項１に記載の装置において、該処理回路が、デジタル信号プロセッサからなる装置。
11. バースト・モード・デジタル無線受信機の性能を改良する方法であって、
    複数のアンテナで受信された複数のＴＤＭＡ無線信号の複数のデジタルサンプルを処理するステップと、
    該処理された信号を、デジタルサンプルのタイムスロットが割り当てられたユーザと同じユーザに割り当てられた次のタイムスロットと一致するように遅延させるステップとを含み、
    該処理するステップは、出力信号の平均二乗誤差を減少させる処理 を含むことを特徴とする方法。
12. 請求項１１に記載の方法において、該処理信号を遅延させるステップが、該処理信号が該次のタイムスロットの時間期間に該受信機に到着するステップからなることを特徴とする方法。

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