JP4364274B2 - 干渉低減受信装置 - Google Patents

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Description

本発明はCDMA(Code Division Multiple Access)方式を用いた通信システムに用いられる干渉低減受信装置に関する。
通信システムの受信装置においては、伝搬路の多重反射によって様々な遅延時間差をもって到来するマルチパス信号が干渉信号として受信品質を悪化させるため、その干渉を低減する種々の方式が提案されている。
図1は従来のイコライザの概要を示す図であり、CDMAの受信信号をA/D(Analog Digital)変換したサンプルデータ(チップあるいはチップをオーバーサンプリングしたもの)をシフトレジスタ11に入力し、シフトレジスタ11の各桁の値に適当なウェイトw〜wを乗算器12において乗算し、それらを加算器13で加算し、相関器14で所定の拡散コードにより逆拡散を行うことで出力を得るものである。なお、図1ではシフトレジスタを用いた構成を例示したが、シフトレジスタに代えて他の遅延手段を用いて構成されることもある(後述する図2、図3についても同様)。
ここで、シフトレジスタ11の各桁はマルチパス信号の遅延プロファイル15(インパルス応答)の時間軸に対応するため、パイロット信号のチャネル推定値から求めた適切なウェイトw〜wを選定することで、マルチパス信号による干渉を低減することができる。なお、このようなイコライザにおいては、特性としては最良となる反面、サンプルデータを単位にウェイトの乗算を行う必要があることから計算量が多くなるという短所がある。
図2は従来のRAKE(レイク)受信機の概要を示す図であり、CDMAの受信信号をA/D変換したサンプルデータをシフトレジスタ11に入力し、シフトレジスタ11の各桁のうち遅延プロファイル15でピークの検出された時間(タイミング)に対応する桁の値から相関器14で所定の拡散コードにより逆拡散を行い、それらに適当なウェイトw、w・・を乗算器12において乗算し、それらを加算器13で加算して出力を得るものである。このようなRAKE受信機においては、上述したイコライザに比べて、ウェイト乗算の計算量が少なくなるという利点があるが、特性は若干落ちるという短所がある。
図3は従来のG−RAKE(Generalized RAKE)受信機の概要を示す図であり、図2に示したRAKE受信機における遅延プロファイル15でピークの検出されたタイミングに加え、干渉除去に有効なその他のタイミングを含めるようにしたものである(例えば、特許文献1、2、非特許文献1参照。)。このようなG−RAKE受信機においては、前述したイコライザに比べて、ウェイト乗算の計算量が少なくなるという利点を維持しつつ、特性も最良に近いという利点があり、干渉低減のための技術として有望視されている。
また、G−RAKE受信機におけるウェイトwは次のように導かれる。すなわち、yを複数の相関器14の出力信号(複素信号)を要素に持つベクトル、zを加算器13の出力信号(複素信号)、wをウェイトのベクトルとすると、
z=wH
と表すことができる。ここで、Hはエルミート転置を表す。
また、sを特定のユーザの送信データ、hをチャネル推定値のベクトル、nを熱雑音とマルチパス干渉を含む雑音のベクトルとすると、
y=hs+n
と表すことができる。
ここで、出力信号zから雑音成分nを除去する観点から、次式で表される共分散行列R
R=E[nn
を用い(E[]は期待値を表す)、
w=R-1
がウェイトとして用いられる。
図4は従来のG−RAKE受信機における共分散行列の要素Rijを求めるための回路構成例を示す図であり、受信データ(チップデータ)から相関器21においてパイロット信号(CPICH:Common PIlot CHannel)をタイミングtiで逆拡散し、この逆拡散した信号から同信号を平均部22で平均化したものを加算器23において減算し、同様に、受信データから相関器24においてパイロット信号をタイミングtjで逆拡散し、この逆拡散した信号から同信号を平均部25で平均化したものを加算器26において減算し、加算器23と加算器26の出力信号を乗算器27において乗算し、これを平均部28において平均化することで共分散行列の要素Rijが求められる。
一方、RAKE受信機において、任意の2つのパスの間の遅延時間分だけ、一方のパスタイミングを中心に、他方のパスタイミングと対称の位置にあるタイミング(MICT:Multipath Interference Correlative Timing)を逆拡散タイミングとすることで、干渉を低減する技術が開示されている(例えば、特許文献3、4参照。)。
特表2002−527927号公報 特表2003−503879号公報 特開2003−133999号公報 特願2004−173793号 Gregory E. Bottomley, Tony Ottosson, Yi-Pin Eric Wang, "A Generalized RAKE Receiver for Interference Suppression", IEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS, VOL.18, NO.8, AUGUST 2000
上述したG−RAKE受信機はイコライザに比べて計算量が少ないとともに特性も最良に近いという利点から干渉低減のための技術として有望視されているものではあるが、昨今のHSDPA(High Speed Downlink Packet Access)をはじめとする高速大容量の無線方式の実現のためには、更なる高性能な受信装置が求められるところである。
G−RAKE受信機において高速化が図れない一因としては、ウェイトを共分散行列から求めているため、その共分散行列の要素を算出するために既知のパイロット信号を用いなければならない点が挙げられる。これは、共分散行列Rは雑音成分の相関であるため、受信信号から既知の信号を差し引かなければ求められないからである。
従って、パイロット信号が例えば拡散率が256である場合、256チップに一つのデータしか得ることができないため、短時間で十分な精度の共分散行列ひいてはウェイトが得られないものである。
また、非特許文献1には干渉除去に有効なタイミングについて具体的な示唆はなく、干渉除去に有効なタイミングをいかに決定するかという点も課題となっている。
本発明は上記の従来の問題点に鑑み提案されたものであり、その目的とするところは、短時間で十分な精度のウェイトを求めることができ、更なる高速大容量の無線方式の実現に寄与することのできる干渉低減受信装置を提供することにある。また、干渉除去に有効なタイミングを決定する手法を提供すること等も目的としている。
上記の課題を解決するため、本発明にあっては、受信信号から複数の所定のタイミングで逆拡散を行い、逆拡散後の信号に所定のウェイトを乗算して合算することにより信号を復調する受信装置であって、上記受信信号の信号相関行列とチャネルレスポンスベクトルとの積により上記ウェイトを求めるウェイト生成手段を備える干渉低減受信装置を要旨としている。
本発明の干渉低減受信装置にあっては、信号相関行列を用いるようにしたため、既知のパイロット信号を用いなくても信号相関行列ひいてはウェイトを求めることができ、短時間で十分な精度の値を得ることができる。すなわち、既知のパイロット信号を用いる従来のG−RAKE受信機の場合、例えば拡散率が256である場合、256チップに一つのデータしか得ることができなかったが、本発明の信号相関行列を用いる方式では256チップにつき256のデータを使用することができ、短時間で十分な精度の値を得ることができる。また、下りリンクのCDMA信号の場合は全てのチャネルが同じ信号相関を持つため、全チャネルの信号を用いることができ、信号相関行列の精度を向上させることができる。
従来のイコライザの概要を示す図である。 従来のRAKE受信機の概要を示す図である。 従来のG−RAKE受信機の概要を示す図である。 従来のG−RAKE受信機における共分散行列の要素を求めるための回路構成例を示す図である。 本発明の一実施形態にかかるCDMA送受信装置の回路構成例を示す図である。 タイミング生成部、逆拡散部および信号合成部のより詳細な回路構成例を示す図である。 ウェイト生成部のより詳細な回路構成例を示す図である。 信号相関行列生成部のより詳細な回路構成例を示す図である。 チップの平均化時間と行列算出値の信頼度の関係の例を示す図である。 基地局と移動端末の間のマルチパスの概念図である。 パスのインパルス応答と逆拡散タイミングの関係の例を示す図である。 タイミングの例を示す図である。 タイミングを規定するテーブルの例を示す図である。 ウェイト生成部の他の構成例を示す図である。
符号の説明
100 CDMA送受信装置
101 アンテナ
102 デュープレクサ
103 無線受信部
104 A/D変換部
105 タイミング生成部
106 逆拡散部
107 ウェイト生成部
108 信号合成部
109 信号処理部
110 レベル測定部
111 無線送信部
121 サーチャ
122 MICT生成部
123 タイミング選択部
124 逆拡散部
125 乗算器
126 加算器
131 チャネル推定部
132 信号相関行列生成部
133 乗算部
141 遅延部
142 乗算器
143 平均部
151 信号相関行列ウェイト生成部
152,153 RAKEウェイト生成部
154 レベル補整部
155 乗算器
以下、本発明の好適な実施形態について説明する。
<CDMA送受信装置の全体構成>
図5は本発明の一実施形態にかかるCDMA送受信装置の回路構成例を示す図である。図5において、アンテナ101で受信された無線信号はデュープレクサ102を介して無線受信部103において復調され、A/D変換部104においてデジタル信号(サンプルデータ)に変換される。このサンプルデータはタイミング生成部105および逆拡散部106に与えられ、タイミング生成部105で生成された所定の逆拡散のタイミングに従い、逆拡散部106における複数のフィンガにより逆拡散が行われる。また、A/D変換部104のサンプルデータおよびタイミング生成部105のタイミングはウェイト生成部107にも与えられ、逆拡散部106の複数のフィンガに対応するウェイトが生成される。そして、逆拡散部106の複数のフィンガの逆拡散出力信号は信号合成部108によりウェイト生成部107から与えられるウェイトに従って合成され、信号処理部109でチャネルデコード等が行われ、受信データとなる。
一方、逆拡散部106の逆拡散出力信号はレベル測定部110に与えられ、信号レベルに応じて信号合成部108にフィードバック制御がかけられるとともに、送信データを変調してデュープレクサ102、アンテナ101を介して送出する無線送信部111の送信電力が制御される。
<タイミング生成部等の詳細構成>
図6は図5におけるタイミング生成部105、逆拡散部106および信号合成部108のより詳細な回路構成例を示す図である。図6において、タイミング生成部105は、A/D変換部104の出力であるサンプルデータから1乃至複数のパスによるインパルス応答の発生遅延時間に対応するタイミング(通常のRAKE受信機におけるタイミングであるため、以下「RAKEタイミング」と呼ぶ。)t11、t22、・・を生成するサーチャ121と、RAKEタイミングに基づき、任意の2つのパスの間の遅延時間分だけ一方のパスタイミングを中心に他方のパスタイミングと対称の位置にあるタイミング(MICT)t12、t21、・・を生成するMICT生成部122と、サーチャ121のRAKEタイミングおよびMICT生成部122のMICTの中から適切なタイミングを選択するタイミング選択部123とを備えている。
また、逆拡散部106は、複数のフィンガを構成する逆拡散部124−1、124−2、・・を備えている。
また、信号合成部108は、逆拡散部106の逆拡散部124−1、124−2、・・の逆拡散出力とウェイト生成部107から与えられるウェイトとをフィンガ毎に乗算する乗算器125−1、125−2、・・と、乗算器125−1、125−2、・・の出力を合算する加算器126とを備えている。
<ウェイト生成部の詳細構成>
図7は図5におけるウェイト生成部107のより詳細な回路構成例を示す図である。図7において、ウェイト生成部107は、タイミング生成部105から与えられるタイミングおよびA/D変換部104から与えられるサンプルデータに基づいてチャネル推定を行ってチャネルレスポンスベクトルhを生成するチャネル推定部131と、同じくタイミング生成部105から与えられるタイミングおよびA/D変換部104から与えられるサンプルデータに基づいて信号相関行列の要素R' ijを求める信号相関行列生成部132と、チャネル推定部131で生成されたチャネルレスポンスベクトルhと信号相関行列生成部132で生成された信号相関行列R'からR'-1を生成して乗算し、ウェイトwを生成する乗算部133とを備えている。
<信号相関行列生成部の詳細構成>
図8は図7における信号相関行列生成部132のより詳細な回路構成例を示す図である。図8において、信号相関行列生成部132は、A/D変換部104から与えられるサンプルデータに対し、タイミング生成部105から与えられるタイミングtijに基づき第1のタイミングtiと第2のタイミングtjとの差の時間の遅延を与える遅延部141と、A/D変換部104から与えられるサンプルデータと遅延部141の出力信号との積をとる乗算器142と、乗算器142の出力信号の平均化を行い、信号相関行列の要素R' ijを求める平均部143とを備えている。
なお、信号相関行列生成部132では全サンプルデータにつき信号相関行列の要素R' ijを求める場合のほか、全サンプルデータから所定の時間間隔をもってサンプルを取得し、取得したサンプルに基づき信号相関行列の要素R' ijを求めることで計算量を削減することができる。すなわち、サンプルデータの番号をp、サンプルデータの信号をv(p)とすると、全サンプルデータにつき信号相関行列の要素R' ijを求める場合は、アスタリスク「*」を複素共役として、
' ij=Σv(p)×v(p+ti−tj)
となり、例えば、5サンプル毎に信号相関行列の要素R' ijを求める場合は、
' ij=Σv(p×5)×v(p×5+ti−tj)
となる。
<信号相関行列によるウェイトと共分散行列によるウェイトとの比較>
次に、本発明における信号相関行列R'と従来のG−RAKE受信機における共分散行列Rとの関係につき考察する。
先ず、あるタイミングtiでの受信信号(サンプルデータ)をviとすると、viは次式(1)で表される。
Figure 0004364274






ここで、akは拡散後のチップ系列、h()はインパルスレスポンス、niは雑音、Tは1チップの長さ(時間)であり、viは各チップの信号のインパルスレスポンスの和になっている。このときタイミングtiでの受信信号viとタイミングtjでの受信信号vjの相関は次式(2)のようになる。
Figure 0004364274
ただし、<x>はxの平均値を表し、ak,al,nk,nlが互いに無相関であることを利用している。
これが本発明における信号相関行列を表すものであり、より簡略化してakの平均電力を1とすると、次式(3)のように表すことができる。
Figure 0004364274
次に受信信号viの干渉と雑音成分について考える。今着目している信号に対応するチップ系列をa0とすると、viのうちa0のみが信号、それ以外は干渉信号あるいは雑音信号であるので、干渉と雑音成分Iiはviからa0を除いたものになる。Iiは次式(4)のようになり、総和をとる条件から「k=0」が除外されている点がviの式と異なる。
Figure 0004364274
このIiについても同様に相関を求めると次式(5)のようになる。
Figure 0004364274
これが従来のG−RAKE受信機における共分散行列を表すものであり、より簡略化してakの平均電力を1とすると、次式(6)のように表すことができる。
Figure 0004364274
なお、ここでは逆拡散前の信号で雑音の相関を求めたが、逆拡散後であっても同様に求めることができ、全体として拡散率(SF:Spreading Factor)倍されるのみであるので、本質的な違いはない。
上記の式(3)(6)より、
R=R'−hhH
を導くことができ、共分散行列から求めたウェイトをw、信号相関行列から求めたウェイトをw'とすると、
Rw=h
''=h
であることから、
'w=hhHw+h
'w=h(hHw+1)
w=w'(hHw+1)
と変形することができ、両ウェイトはスカラ倍されているのみで同等のものであることがわかる。従って、行列要素の平均数に対する収束速度も同程度のオーダーであり、信号相関行列は共分散行列に比べて拡散比と同じ程度のオーダーで高速に求めることができる。
図9はチップの平均化時間と行列算出値の信頼度の関係の例を示す図であり、同じ強度の3つのパスが存在する環境におけるものであるが、実線で示す本発明の信号相関行列R'は、破線で示す従来のG−RAKE受信機における共分散行列Rと比べて、短時間の平均化であっても高い精度を有していることがわかる。
<逆拡散タイミングの選択>
次に、図5および図6のタイミング生成部105におけるタイミングの選択について説明する。
図10は基地局と移動端末の間のマルチパスの概念図であり、基地局と移動端末の間に2つのパス1、2が存在する場合を示している。図11は図10の環境におけるパス1、2のインパルス応答と逆拡散タイミングの関係の例を示す図であり、RAKEタイミングとしてタイミングt11、t22が検出可能であるとともに、MICTとしてタイミングt12、t21が検出可能である。ここで、タイミングt12は2つのパス1、2の間の遅延時間分だけタイミングt11を中心にタイミングt22と対称の位置にあるタイミングであり、タイミングt12で逆拡散するフィンガを加えることで、タイミングt11で逆拡散した信号の中に干渉として含まれるパス2の成分を打ち消すことができる。すなわち、タイミングt11で逆拡散した信号にはパス1のチップAから正常に逆拡散した信号のほかに、パス2のチップZから逆拡散した干渉成分が含まれるが、タイミングt12で逆拡散するフィンガを加えることで、パス1のチップZから逆拡散した干渉成分を得ることができ、これはパス2のチップZから逆拡散した干渉成分と同内容となるため、これを打ち消しのために利用することができる。タイミングt22とタイミングt21との関係も同様である。
図12は3つのパス1、2、3が存在する場合のタイミングの例を示す図であるが、逆拡散のタイミングに使用可能なものとして、RAKEタイミングであるタイミングt11、t22、t33と、MICTであるタイミングt12、t21等がある。そこで、これらのタイミングを、図13に示すように、理論上もしくは経験上、干渉除去に有効であると推定される順にテーブルに規定し、タイミング生成部105のタイミング選択部123(図6)は使用できるフィンガの数に応じて上記のテーブルの上位に規定されたタイミングから順に割り当てることで最適なタイミングとすることができる。
<ウェイト生成部の他の構成>
図14は図5〜図7におけるウェイト生成部107の他の構成例を示す図であり、複数のフィンガに対応するウェイトの一部を通常のレイク方式により求めるようにすることで演算処理量の削減を図ったものである。すなわち、本発明の信号相関行列に基づいてウェイトを生成することで短時間に精度の高いウェイトを求めることができるが、反面、演算処理量が若干増加するものであるため、フィンガのうち干渉除去に有効であると推定される順位として下位にあるRAKEタイミングについては、通常のレイク方式を採用するようにしたものである。
図14において、ウェイト生成部107は、フィンガ#1〜#4に対応するタイミングt11、t12、t22、t21から信号相関行列に基づいてウェイトを生成する信号相関行列ウェイト生成部151と、フィンガ#5、#6に対応するタイミングt33、t44から通常のレイク方式によりウェイトを生成するRAKEウェイト生成部152とを備えている。
また、信号相関行列に基づいて生成されたウェイトと通常のレイク方式により生成されたウェイトとのレベル補整を行うため、フィンガ#1〜#4のうちRAKEタイミングとなるフィンガ#1、#3に対応するタイミングt11、t22から通常のレイク方式によりウェイトを生成するRAKEウェイト生成部153と、同タイミングに基づいて信号相関行列ウェイト生成部151により求められるウェイトとRAKEウェイト生成部153により求められるウェイトとの絶対値の比を計算し、乗算器155−1〜155−4によりレベル補整を行うレベル補整部154とを備えている。ここで、レベル補整部154における比の計算は次式により行われる。
Figure 0004364274
ここで、分母は信号相関行列に基づいて生成されたウェイトのうちRAKEタイミングでのウェイトの全電力を示し、分子は分母に対応するRAKEタイミングでの通常のレイク方式により生成されたウェイトの全電力を示している。なお、bは適当な係数であり、「1/2」、「2」といった定数である。また、レベル補整は、信号相関行列に基づいて生成されたウェイトと通常のレイク方式により生成されたウェイトとのレベルを完全に平等にするというよりも、精度の良い信号相関行列に基づいて生成されたウェイトを若干大きめにするように行うことが好ましい。
以上、本発明の好適な実施の形態により本発明を説明した。ここでは特定の具体例を示して本発明を説明したが、特許請求の範囲に定義された本発明の広範な趣旨および範囲から逸脱することなく、これら具体例に様々な修正および変更を加えることができることは明らかである。すなわち、具体例の詳細および添付の図面により本発明が限定されるものと解釈してはならない。

Claims (5)

  1. 受信信号から複数の所定のタイミングで逆拡散を行い、逆拡散後の信号に所定のウェイトを乗算して合算することにより信号を復調する受信装置であって、
    上記受信信号の信号相関行列とチャネルレスポンスベクトルとの積により上記ウェイトを求めるウェイト生成手段を備えたことを特徴とする干渉低減受信装置。
  2. 上記受信信号の全サンプルから所定の時間間隔をもってサンプルを取得し、取得したサンプルに基づき上記信号相関行列を求めることを特徴とする請求項1に記載の干渉低減受信装置。
  3. 上記逆拡散を行う複数のタイミングの一部として、上記受信信号に含まれる任意の2つのパスの間の遅延時間分だけ一方のパスタイミングを中心に他方のパスタイミングと対称の位置にあるタイミングを含むことを特徴とする請求項1に記載の干渉低減受信装置。
  4. 上記受信信号に含まれる1乃至複数のパスによるインパルス応答の発生遅延時間に対応するタイミングと、任意の2つのパスの間の遅延時間分だけ一方のパスタイミングを中心に他方のパスタイミングと対称の位置にあるタイミングとを、干渉除去に有効であると推定される順に規定したテーブルを備え、
    上記ウェイトを乗算するフィンガの数に応じて上記テーブルの上位に規定されたタイミングから順に割り当てることを特徴とする請求項1に記載の干渉低減受信装置。
  5. 上記受信信号に含まれる1乃至複数のパスによるインパルス応答の発生遅延時間に対応するタイミングの一部に基づき、通常のレイク方式により上記ウェイトの一部を求めるレイクウェイト生成手段を備え、
    当該レイクウェイト生成手段により求められる上記ウェイトの一部以外を上記ウェイト生成手段により求めることを特徴とする請求項1に記載の干渉低減受信装置。
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