JP4391692B2 - スペクトル拡散無線通信用のフレーム同期技法及びシステム - Google Patents

Description

【０００１】
［背景］
本発明はデジタル無線システムに関し、より詳細には、スペクトル拡散無線通信において受信した信号の処理の一部として同期を実行することに関する。
【０００２】
無線通信システムは、例えば搬送周波数を情報で変調することによって、エア・インタフェースによる情報の送信を伴う。受信の際に、受信機は適切な復調技法を実行することにより受信した信号から情報を正確に抽出するように試みる。しかしながら、受信した信号を復調するためには、送信機と受信機との間でタイミングを同期することが最初に必要となる。無線通信システムの設計に応じて、異なったレベルの同期が必要とされる。例えば、ほとんどのシステムにおける送信機と受信機とのクロックの相違により、ビットレベルでのタイミングの差が生成される。更に、ある無線通信システムでは、情報は「フレーム」とも呼ばれることがあるバーストで送信され、これらバーストは独立して検出され復調される情報の断片を表している。このようなタイプのシステムでは、フレームの開始位置を見つけることも望ましく、そのため特定の受信機に関連する情報は分離されて復調される。同様に、あるシステム（例えば、時分割多元接続あるいはＴＤＭＡシステム）では、互いに時間多重されたチャネルを生成するためにフレームを更にタイムスロットに細分化する。これらのシステムでは、受信機を各タイムスロットの開始に同期させることがより望ましい。
【０００３】
あるシステムは、符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）として知られているスペクトル拡散技法を用いてチャネル化する。ＣＤＭＡシステムでは、送信されるべき情報データストリームは、最初に独自の拡散コードを用いて符号化あるいは拡散され、次に長いＰＮシーケンスあるいは短いスクランブル・シーケンスと組み合わされる。後者の場合、スクランブル・シーケンスはセル毎に設計され、この結果、隣接セルは異なったスクランブル・シーケンスあるいはスクランブル・マスクを使用する。情報データストリーム及びＰＮシーケンス又はスクランブル・シーケンスは、ビット・レートが同じでも異なっていてもよい。独自の拡散コード及び長いＰＮシーケンスを有する情報データストリームの多重化は、チップの出力ストリームをもたらす。このように、ＣＤＭＡシステムでは、受信機をチップの境界に同期させることも望ましい。
【０００４】
ＣＤＭＡ無線通信システムにおける信号処理に関する同期タスクを更に理解するために、以下の例を検討する。図１はセルラ・システムにおいて移動体ユーザ（移動局）に無線波を送信する基地局の使用を表している。ＣＤＭＡシステムでは、基地局１０は移動局１４及び１５に単一の（コンポジット）信号として信号を送信し得る。移動局１４へ向けられた信号は、一般に移動局１５に向けられた信号を符号化するのに使用されるショート・コードと直交あるいはほぼ直交するショート・コードで符号化される。これらの信号はロング・コードを呼ばれることもある基地局１０に関連する第２のコードで拡散される。そして符号化され拡散された２つの信号の和が基地局１０によって送信される。
【０００５】
移動局１４がコンポジット信号を受信すると、移動局１４は拡散信号をロング・コード及びショート・コードで乗算して移動局１４へ向けられた信号を再構成し、移動局１５へ向けられた信号を干渉雑音として抑圧する。同様に、移動局１５は拡散信号を移動局１５に割り当てられたロング・コード及びショート・コードで乗算して移動局１５に向けられた信号を再構成し、移動局１４へ向けられた信号を干渉雑音として抑圧する。移動局１４及び１５に関連した受信機は、上記で説明した受信信号にある情報の逆拡散及び復号化を実行するために適用可能なロング及びショート・コードを突き止めるあるいは知るのに加えて、受信信号に対する様々なレベルの同期を得る必要がある。
【０００６】
様々なレベルそれぞれで同期を得るために、多くの異なった技法が開発された。フレーム同期に対してこれらの技法は、フレーム構造及び移動局にオーバーヘッドあるいは制御情報が運ばれる方法に、かなりの割合で依存している。オーバーヘッド情報は通常、１つ以上の同報制御チャネルでもたらされ、同報制御チャネルは、移動局が素早く追跡でき、とりわけ該基地局との同期フレームを得るのに使用される情報を含んでいるオーバーヘッド情報を受信する既知のチャネルを使用して基地局によって送信される。当業者は多くの無線通信システムが同期されない基地局、すなわち、共通のタイミング基準信号を共有しない基地局を有することが解るであろう。従って、フレーム同期は、例えば、起動時（すなわち、移動局がパワー・オンされたとき）に、移動局がセルからセルへ移動しセル再選択手順の一部として（例えば、移動局が「最良の」サービスを行っている基地局を聴取していることを確認するために）隣接セルに関連するチャネルでの測定を行うときに、実行される必要のある処理である。
【０００７】
もちろん、受信機で実行されるほとんどの信号処理と同様に、同期に関する遅延を減少することは受信機の性能を向上させるのに重要である。多くのタイプの通信サービス、特に、音声通信は、比較的遅延を許容できない。このため、システムの設計者は、フレーム同期を含むあらゆる所与の信号処理タスクを実行するのに必要な時間の総計を減少する方法を常に求めている。
【０００８】
［要旨］
本発明は、特定のフレームの位相を判定するために評価する必要の有るビットあるいはシンボルの数を減少することによって、フレーム同期の速度を向上させるデジタル無線信号の同期に関する。本発明の代表的実施形態によれば、同報制御チャネルは複数のタイムスロットそれぞれに同期ビットあるいはシンボルを含んでいる。これらのビットあるいはシンボルの連続的性質は、フレームの現在の位相を特定の基地局によって送信されているものと受信機が判定するのに使用され得る。
【０００９】
より詳細には、本発明による同期ビットあるいはシンボルのシーケンスは、シーケンスにおけるビットあるいはシンボルの総数のサブセットを読み取ることによって、移動局が受信したフレームの位相を判定できるようなものである。単なる説明としての実施形態では、同期シーケンスが１６のビットを含むように、各フレームは１６のタイムスロットから構成される。しかしながら、シーケンス内で連続する４つのビットはいずれもフレームの位相を一意に識別できる。このように、移動局は、フレーム同期を得るのに、１６のビットのシーケンス全体でなく、４つのタイムスロットの同期ビットを読み取るだけでよく、同期速度がかなり向上する。
【００１０】
［詳細な説明］
以下、添付図面を参照して本発明を説明する。
【００１１】
以下の記載において、具体的な回路、回路部品、技法などの特定の詳細な記述は限定のためでなく説明のために記載したものであり、本発明をより良く理解するためのものである。しかしながら、本発明をこれら特定の詳細事項とは異なる他の実施形態で実現できることは、当業者には明白であろう。他の場合においては、不必要な詳細事項により本発明の記載が解りにくくならないように、周知の方法、装置および回路の詳細な記載は省略した。
【００１２】
ここで検討する代表的無線通信システムを、基地局と移動体端末との通信が拡散コードを用いて行われるＴＤＭＡ／ＣＤＭＡのハイブリッド方式を使用するものとして記載したが、情報も個々のタイムスロットで運ばれる。しかしながら、当業者は、ここで開示した概念が、周波数分割多元接続（ＦＤＭＡ）、ＴＤＭＡ、ＣＤＭＡ又は他のアクセス方式を含むがこれらに限定されない、他の方式で使用できることがわかるであろう。同様に、代表的実施形態のいくつかは、ある種の第３世代の無線通信システムのための代表的フレーム及び論理チャネルの構造に関する例を表しているが、ここで記載された技法はあらゆるシステムで使用される機器に等しく適用できる。
【００１３】
所望の情報信号の第１のフレームが受信機によって受信されたとき、ほとんどの通信システムでは送信機のクロックと受信機のクロックとは「ロック」されておらず、すなわち、それらは時間において同期されていない。このロック手順の一部は一般にフレーム同期と呼ばれている。限定のためでなく説明のために、図２に記載した代表的フレーム及び論理チャネルのフォーマットを検討する。ここにはそれぞれがスーパフレームを構成する１０ｍｓの無線フレームが６４ある。各無線フレームには１６のタイムスロットがある。各タイムスロットは対応するチャネルに従って、情報の様々なタイプ及びフィールドを含んでいる。図２では、そのような２つのチャネル、ＢＣＣＨ１及びＢＣＣＨ２が示されている。これら２つのチャネルは、基地局から該基地局がサービスするエリア内の移動局全てに、例えば、移動局に事前に知られた異なったショート・コードを用いて、送信される同報制御チャネルである。この図からわかるように、各制御チャネルはタイムスロット毎に１つの同期シンボル（ビット）を含んでいる。ＢＣＣＨ２の同期シンボル（ビット）は以下で説明するようにフレーム同期に使用され得る。ＢＣＣＨ１も、例えば、チャネル推定を行うために受信機によって使用され得るパイロット・シンボルと、例えば、ネットワーク・オペレータ、セクタ等を識別する様々なタイプのオーバーヘッド情報を運び得る論理情報チャネルとを運んでいる。
【００１４】
図３は、図２に示したフレーム及び論理チャネル構造を用いてエア・インタフェースによって情報を通信するのに使用され得る、送信及び受信部品のいくつかを示しているブロック図である。ここでは、例えば、単一の基地局内の異なった送信機によってサポートされる、２つのソース４０および５０は、スペクトル拡散技法を用いて同じ周波数スペクトルによって異なった信号を送信する。符号化され拡散されたユーザ・データの和は、無線周波数搬送波及び送信アンテナを用いて送信される。例えば、図３では、ユーザ入力データ４１は、直交ショート・コード５３によって乗算され、ロング・コード５５を用いて拡散される。符号化され拡散されたユーザ・データの和４７は、送信アンテナ４２によって送信される無線周波数搬送波４９を変調するのに使用される。同様に、ユーザ入力データ５１は、直交ショート・コード５３で乗算され、ロング・コード５５を用いて拡散される。符号化され拡散されたユーザ・データの和５７は、送信アンテナ５２によって送信される無線周波数搬送波５９を変調するのに使用される。送信アンテナ４２は信号４４を送信し、送信アンテナ５２は信号５４を送信する。
【００１５】
受信機６０は受信アンテナ６２を有している。信号４４及び５４は、エア・インタフェースによって送信されることにより、例えば、様々な長さの異なった経路に沿って移動する信号４４および５４の反射などのチャネル効果の影響を受ける。これら反射の相互作用は、所与の時間の移動局の特定の位置によって影響が変化するマルチパス・フェージングを発生させ、これら信号の強度はソースと受信機との距離が増加するにつれて減少する。受信機６０には、異なった信号経路から信号エネルギーを収集するために（当業者には周知である）ＲＡＫＥ受信機を使用してもよい。受信機６０が信号９８を受信すると、受信機６０はキャリア信号６４を用いて信号を復調し、コンポジット信号６７をもたらす。コンポジット信号６７は同期されたロング・コード６５を用いて逆拡散され、同期された直交コード６３を用いて復調される。受信機６０は、送信されたユーザ・データを再構成するのに、積分器６８及びサンプラ６９を使用することができる。
【００１６】
割り当てられた、すなわち、独自のショート・コードを使用したトラフィック・チャネルで受信した信号の処理に加え、移動局は他の信号処理タスクも有している。例えば、パワー・オンされてアイドル状態のとき、移動局は様々な情報、例えば、ページング・メッセージのために同報制御チャネルを聴取する。移動局は周期的に、他の隣接セルによって同報された制御チャネルの品質、並びに聴取している同報制御チャネルの品質、例えば、信号強度を測定するように指示され、これによりシステムはアイドル状態の移動局が適切な制御チャネルを聴取しているのを保証する。隣接した基地局によって送信された同報制御チャネルの品質をモニタする処理において、移動局もそれに同期する必要がある。
【００１７】
起動、セル間移動及びセル再選択に関する信号処理タスクを達成するため、受信機６０は様々な同期されていない基地局からの送信フレームの構造に時間的に同期できる必要がある。１つの技法によれば、移動局は最初にタイムスロット（あるいは主要な）同期を得、その後にフレーム同期そしてロング・コードの識別が行われる。タイムスロット同期は、第１の同報制御チャネルＢＣＣＨ１にある同期情報を用いて行われ得る。ロング・コードの識別処理は、１つあるいは両方の同報制御チャネルで情報を復調するのに使用されたコードを判定することによって行われ得、このコードはこれらのチャネルで送信している基地局によって使用される特定のロング・コードを識別するのに使用される。同期処理のこれらの部分は本発明の中心的部分ではないので、ここではこれ以上言及しない。
【００１８】
一方、フレーム同期は、本発明の代表的実施形態によれば、ＢＣＣＨ２内にある同期シンボルあるいはビットを用いて行われる。より正確には、同期シンボルあるいはビットは、所定の巡回的パターンに従って各タイムスロットで基地局によって送信され、このパターンは基地局が現在聴取しているフレーム境界の位置を求めるのに移動局によって使用され得る。同期シーケンスは一般に、良好な自己相関特性を持つように選択されたもの、例えば、最大の長さのシーケンスである。代表的シーケンスの１つは、同期シーケンスとして使用するのに既に提案したものであり、本発明を適切に説明するためにここで使用する。すなわち、
1,1,1,0,0,0,0,1,0,1,0,0,1,1,0,1,
であるが、当業者はあらゆるシーケンスのビット、あるいはそのためにシンボルが２値のアルファベット（このシーケンスのあらゆるシフトを含む）あるいはＭ値のアルファベット（M-ary alphabet）を用いて表現されているかどうかに関わらず、あらゆるシーケンスのシンボルを用いて本発明を実施できることがわかるであろう。しかしながら、このシーケンスに対して、基地局はＢＣＣＨ２のタイムスロット＃１で同期ビットとして「１」、タイムスロット＃２で同期ビットとして「１」、・・・、タイムスロット＃６で同期ビットとして「１」を送信する。
【００１９】
パターンは予め決められており巡回的であるので、移動局は既に受信したタイムスロットにおける順番間のタイム・シフト、及びフレーム同期を達成するためにフレームの開始を識別する必要がある。これは、移動局によって受信された１６のシーケンスを基地局によって繰り返される所定の巡回的シーケンスに一致させるためには何回シフトが必要であるのかを判定することによって達成される。例えば、移動局が特定の移動局によって送信されたＢＣＣＨ２の連続する１６のタイムスロットで、
1,0,1,0,0,0,1,1,0,1,1,1,1,0,0,0,0
のパターンを同期ビットとして受信して識別したと仮定する。このパターンを右に７回（あるいは左に９回）シフトすることにより、受信したパターンは所定のパターンに一致し、これにより移動局にフレーム境界の位置がもたらされる。
【００２０】
しかしながら、フレーム同期に使用される所定の巡回シーケンスの特定の特性を利用することによって、このフレーム同期処理をより高速に行えることを出願人は認識している。例えば、上記の１６のビット・パターン内には、図４に示されるように４ビットの一意なコード・ワードが１６ある。ここで、各コード・ワードは所定の巡回的シーケンス内でボックスによって示されており、また、２値及び１６進表記で別個に示されている。１６のビット・シーケンス内のあらゆる連続した４つの同期ビットを正しく読み取ることにより、移動局がシーケンスの開始に到達するのにいくつのシフトが必要であるのか、従って、フレーム境界の位置を正しく識別することができるのが、この図からわかるであろう。このように、フレーム同期を得るために連続した１６のタイムスロットを読み取る代わりに、本発明は特定のシステム設計に対して４分の１まで受信機の信号処理のこの側面に関する時間を短縮する。
【００２１】
この特定のシステム設計は本発明の範囲を限定するものと解釈すべきではないが、本発明はより一般的には、フレーム同期を達成するためにフレームの位相を一意に識別する同期ビットあるいはシンボルのシーケンスのサブセットを識別して読み取ることを特徴とする。更に、上記の代表的実施形態では、フレームの位相を明白に識別するのにその同期ビットが使用され得るタイムスロットの数を最小としたものについて本発明が記載されているが、フレーム同期を求めるのに最小数より多い数の同期シーケンスのサブセットを選択するのが望ましいことは解るであろう。付加的シンボルあるいはビットを使用することは、正しいフレーム同期が選択される可能性を高め、同報制御チャネルで誤って復号されたビットの影響を減少する。
【００２２】
例えば、５つの連続したタイムスロットからの５つの同期シンボルあるいはビットを評価することにより、移動局は同期シーケンスの４ビットの一意なサブセット２つを効率的に識別することができ、これはフレーム境界を正しく位置決めするする確率を２倍にする。同様に、６つの連続したビットは３倍確実にし（図５に示した場合）、７つのビットは４倍確実にする等となる。これらの場合全てにおいて、シーケンス内の利用可能なビット全て未満が評価されるので、処理速度は依然として増大している。
【００２３】
このように、速度と確実さとのトレード・オフに基づいて、フレームの位相を明白に識別する、いくつかの固定的あるいは適応的に決定された利用可能な同期情報のサブセットを用いて、本発明を変形し適応する形式で使用できることがわかるであろう。例えば、Ｌ個の利用可能なビットのｍビットのある固定的なサブセットを使用でき、ここで、ｍ＜Ｌ、かつｍはｍビットが正しく復号されたときにフレームの位相を一意に識別するのに十分な数である。代替的に、移動局は最初のｍビットの１つが正しく復号されなかたら、使用されるビットの数をｍ＋１、ｍ＋２等に変更してもよい。この本発明の適応的実施形態では、特定の雑音の多いあるいは干渉レベルの高いチャネルに対しては、ｍがＬと同じあるいは越えてもよい。
【００２４】
第３の代替例として、同期ビットの復号の確実性は様々な測定可能な変化するパラメータ、例えば、受信した信号品質に関するパラメータ、に起因するので、フレーム同期処理で受信機によって評価されるタイムスロット、すなわち、同期ビットの最小数を変更するのがより望ましい。例えば、あらゆる特定のシンボルの推測が正しいという尤度に関する情報が利用可能であれば、例えば、受信機が隣接セルによって送信されたチャネルでの測定を指示されたときなど、受信機が次にフレーム同期ルーチンを実行する必要があるときに、受信機が評価するタイムスロットの最小数を増加すべきか減少すべきか判定するのに、そのようなメトリックを使用することができる。
【００２５】
本発明を、限定するものではない代表的な実施形態によって本発明を説明した。特許請求の範囲によって定義された本発明の要旨及び範囲から逸脱することなしに、当業者は変形や変更が可能であろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 セルラ無線通信システムを示す図である。
【図２】 本発明を実施可能な物理及び論理チャネルの代表的構造を示す図である。
【図３】 本発明を実施可能な送信機及び受信機の代表的構造を示す図である。
【図４】 本発明の代表的実施形態によるフレーム同期を実行するのに使用される、同期シーケンスの代表的サブセットの例を示す表である。
【図５】 本発明の別の代表的実施形態によるフレーム同期を実行するのに使用される、同期シーケンスの代表的サブセットの別の例を示す表である。

Claims (20)

1. 無線通信システムによって送信される情報に関連するフレームに対して時間的に同期させる方法であって、
   前記無線通信システムが、前記フレーム内において他の情報ビット間に点在する同期シンボルを第１の数有するシーケンスを提供するステップと、
   受信機が、前記シーケンス内における任意の位置で開始する前記同期シンボルを第２の数受信するステップと、
   前記受信機が、前記第２の数の前記同期シンボルを用いて前記フレームの境界を識別するステップと、を備え、
   同期シンボルの前記第２の数は、前記フレームの少なくとも１つから後続のフレームにかけて前記受信機により変更され、該少なくとも１つのフレームに対する前記第１の数とは異なることを特徴とする方法。
2. 前記情報を時分割多元接続技法を用いて送信するステップを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記情報を符号分割多元接続技法を用いて送信するステップを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記フレームが、各フレームに関して複数のタイムスロットを含み、各タイムスロットが前記第１の数の同期シンボルの１つを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記同期シンボルそれぞれが１ビットであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記同期シンボルそれぞれが少なくともＭ値の数字１つを用いて表わされていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記複数のタイムスロットは１６のタイムスロットであり、前記第１の数の同期シンボルは、1,1,1,0,0,0,0,1,0,1,0,0,1,1,0,1、のビット・シーケンスあるいはそれをいくつかシフトしたものであることを特徴とする請求項４に記載の方法。
8. 同期シンボルの前記第２の数は４であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 同期シンボルの前記第２の数は６であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
10. 前記フレームの１つにおいて前記第２の数の前記同期シンボルの１つ以上が誤って復号された場合、該１つのフレームから後続のフレームにかけて前記同期シンボルの前記第２の数を増加させるステップを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
11. 前記境界が正しく判定される所望の可能性と前記情報が送信される無線チャネルの品質との少なくとも一方に基づいて、前記フレームの１つから後続のフレームにかけて前記同期シンボルの前記第２の数を適応的に選択するステップを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
12. 巡回的に繰り返されるフレーム同期シーケンスに関連する複数のフレーム同期シンボルそれぞれを含むフレームを、送信源から受信する受信機と、
    前記フレームそれぞれに対して、前記複数のフレーム同期シンボルを評価して前記送信源に対してフレームを同期させるプロセッサと、を備え、
    前記フレームそれぞれに対して、前記複数のフレーム同期シンボルは、前記繰り返されるフレーム同期シーケンスに含まれるフレーム同期シンボルのサブセットであり、前記複数のフレーム同期シンボルは前記フレームの１つから後続のフレームにかけて数が変更可能であることを特徴とする移動局。
13. 前記受信機は、情報を時分割多元接続技法を用いて前記送信源から受信することを特徴とする請求項１２に記載の移動局。
14. 前記受信機は、情報を符号分割多元接続技法を用いて前記送信源から受信することを特徴とする請求項１２に記載の移動局。
15. 前記送信源によって用いられる前記フレームが、各フレームに関して複数のタイムスロットを含み、各タイムスロットが前記繰り返されるフレーム同期シーケンスの前記同期シンボルの１つを含んでいることを特徴とする請求項１２に記載の移動局。
16. 前記同期シンボルそれぞれが１ビットであることを特徴とする請求項１２に記載の移動局。
17. 前記同期シンボルそれぞれが少なくともＭ値の数字１つを用いて表わされていることを特徴とする請求項１２に記載の移動局。
18. 前記複数のタイムスロットは１６のタイムスロットであり、前記繰り返されるシーケンスの前記同期シンボルは、1,1,1,0,0,0,0,1,0,1,0,0,1,1,0,1、のビット・シーケンスあるいはそれをいくつかシフトしたものであることを特徴とする請求項１５に記載の移動局。
19. 前記複数の同期シンボルは４つであることを特徴とする請求項１８に記載の移動局。
20. 前記複数の同期シンボルは６つであることを特徴とする請求項１８に記載の移動局。

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