JP4438482B2 - 受信品質推定方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、適応変調および符号化方式を用い高速データ伝送を実現する無線通信システムに関するものである。

従来、通信システムにおいて、誤り訂正符号の符号化率と多値変調度数とを伝播路品質に応じて変化させ、伝播路品質が良いユーザには雑音耐久特性を犠牲にする一方で高速データ通信を提供し、伝播路品質が悪いユーザには雑音耐久特性を重視し低速データ通信を提供するような適応変調・符号化率通信方式がある（例えば特許文献１）。

このような適用変調を用いた通信方式は携帯電話のような移動体無線通信を行う無線通信システムにも近年導入されており、その一例として、HDR (High Data Rate)等がある。また、W-CDMA(Wide-band Code Division Multiple Access)においても同様の方式(HSDPA: High Speed Downlink Packet Access)が追加採用される。

本方式では、以下の基本手順により適応変調・符号化率を採用した通信を実現する。
１．基地局から送信された信号の受信品質を端末が測定し、
２．端末は、受信品質測定結果から最適と思われる変調方式・符号化率（以下、モード要求メッセージ）を基地局に通達し、
３．基地局は、端末から送信されたモード要求メッセージと基地局資源の状態から、実際に割り当てる変調方式・符号化率（総称して送信モードという）を決定し、決定した送信モードのパラメータ（送信パラメータ）を端末に送信し、
４．基地局は、決定した送信パラメータに基づきユーザデータを送信し、
５．端末は、送信パラメータを受信し、その送信パラメータに基づきデータ受信処理を行い、
６．端末は、受信データに誤りが検出された場合に再送要求を返信し、データが正確に受信できた場合には新規データ送信要求を基地局に返信する。
７．上記１〜６を周期的に繰り返す。

この処理手順を図４に示す。図４は、基地局からの下りデータ送信の送信パラメータを端末に知らせるための下り制御チャネルと、基地局からのユーザデータを送信する下りデータチャネルと、端末からの送信パラメータ要求を送信する上り制御チャネルとの関係を示したものである。本図では上記ステップ１〜６をフレーム周期で行う例を示した。

基地局は、下りデータの伝送に際し、ユーザ端末の受信情況（受信品質）に合わせてデータ伝送速度を変化させ、より効率よくデータをユーザ端末側に伝送する。また、システムの効率を重視して、受信品質が長期平均受信品質よりも相対的に良いユーザ端末に、所定のデータ伝送無線資源を割り当てる。

図５に本通信方式を実現する従来の基地局の構成例を示す。基地局は、送受信共用装置１１０１、逆拡散部１１０２、受信品質メッセージ抽出部１１０５、モード判定部１１０６、モード制御部１１０７、拡散部１１１１、適応符号化・変調部１１１２から構成される。

基地局は、送受信共用装置１１０１、逆拡散部１１０２にて、ユーザからの送信信号を復調する。復調されたデータから、受信品質メッセージ抽出部１１０５にて、端末から送信された受信品質値を得る。モード判定部１１０６では、抽出された受信品質から最適な送信モード（変調、符号化方式）を選択する。モード制御部１１０７では、モード判定部１１０６にて判定された送信モードに従い、適応符号化・変調部１１１２の設定を行い、ユーザデータチャネルを制御する。変調・符号化されたユーザデータと、同期用に用いるパイロット信号を拡散部１１１１にて拡散する。このとき、ユーザデータの拡散率と、パイロット信号拡散率は、必ずしも一致せず、ユーザデータ拡散率ＳＦｄ＜＝パイロット信号拡散率ＳＦｐの関係にある。拡散合成された信号は送受信共用装置１１０１を経由して無線信号として送信される。

図６に、本通信方式を実現する従来のユーザ端末の構成例を示す。

ユーザ端末は、送受信共用装置１２０１、逆拡散部１２０２、チャネル推定部１２０３、同期検波部１２０４、復調・復号部１２０５、パイロットチャネル受信品質推定部１２０６、データチャネル受信品質変換部１２０７、受信品質メッセージ挿入部１２１３、拡散部１２１５から構成される。

基地局から送出される送信信号は、送受信共用装置１２０１を経て受信され、逆拡散部１２０２にて、逆拡散処理によりデータチャネルと、パイロットチャネルデータとに分離される。分離されたパイロット信号は、チャネル推定部１２０３へ入力され、無線伝播路特性が推定される。無線伝播路特性としてのチャネル推定値は、既知データ（パイロット信号）を利用し、例えば下記式（１）にて導出できる。
ここに、式（１）の左辺の変数ｈのハットマークは推定値であることを示す。

分離されたデータ信号は、同期検波部１２０４にて、式（１）で求めたチャネル推定値の複素共役を、次式（２）のように、受信データ（逆拡散データ）ｒdに乗算することにより、無線伝播路にて受けた位相変動を補償する。

同期検波部１２０４から出力されるデータｄは、復調・復号部１２０５にて復調処理、誤り訂正処理が施され、受信データとなる。

パイロットチャネル受信品質推定部１２０６では、下記の式（３）（４）によりパイロットチャネルの信号Ｓを求め、式（５）によりその雑音を求め、式（６）によりパイロットチャネルの信号対雑音比（ＳＮＲ）を計算する。
ここに、式（３）（４）内の”Ｍ”は平均長（この例では１スロット内のパイロットシンボル数１０）である。

データチャネル受信品質変換部１０７では、上記パイロットチャネル品質をデータチャネル品質に変換する。この変換は拡散率の違いを補正するものであり次式（７）のように変換する。

式（７）の右辺第２項の値は、前述のように通常、ユーザデータ拡散率ＳＦｄの方がパイロット信号拡散率ＳＦｐより小さいので、負となる。すなわち、式（７）は、パイロットチャネルの受信品質推定値を両拡散率の比に応じて低下させた値をデータチャネルの受信品質の推定値とするよう機能する。これは、図７に示すように、逆拡散により除去された高周波部の雑音を補うものとしても考えることができる。すなわち、逆拡散はフィルタ機能とみることができ、拡散率が大きいほど狭帯域のフィルタを通したことになる。従って拡散率の大きいパイロットチャネルの受信信号を逆拡散して得られるノイズ成分より、拡散率の小さいデータチャネルの受信信号を逆拡散して得られるノイズ成分の方が大きくなるからである。

受信品質メッセージ挿入部１２１３では、式（７）で得られたデータチャネル受信品質値を送信データに挿入する。

拡散部１２１５では、送信データおよび受信品質値を拡散し、送受信共用装置１２０１を経て、無線信号として基地局へ送信する。

このような構成により、端末の受信品質に応じた、変調、符号化方式を基地局側で選択することが可能となり、ユーザ端末の受信情況に合わせてデータ伝送速度を変化させて、効率良いデータ伝送が可能となる。
特開２００３−１７４４８５号公報

このように、基地局は、ユーザ端末の受信品質に応じて送信すべくデータ伝送速度を決定する。このため、効率良くシステムを運用するためには、端末側で推定する受信品質値の精度が重要となる。

一方で、式（７）にて適用する拡散率変換は、雑音が白色であるという仮定に基づいたものである。次式（８），（９）に示すように、受信信号ｒxには、希望信号ｓと、無線区間で発生する雑音ｎchと、受信機内部で発生する雑音ｎoがあり、受信機内部雑音を無視できる状況においては、式（７）の仮定は有効である。
ｒx ＝ ｓ ＋ ｎch ＋ ｎo ・・・（８）
ｎo ＝ ｎwhite ＋ ｎcolor ・・・（９）

しかしながら、図９に示すように、ＳＮＲが極端に良い状況、すなわち、非常に高いデータ伝送が可能な状況下では、受信機雑音ｎoを無視できない状態になり、受信機雑音を構成する白色雑音以外の雑音要素ｎcolor（有色雑音）を加味する必要がある。雑音要素ｎcolorは、無線機を構成するＰＬＬ(Phase Locked Loop)、ＡＦＣ(Automatic Frequency Control)が起因して発生し、一般的には図８に示すようにパイロットから観測できる雑音の中でも低周波領域に属する低周波雑音を発する。このため、拡散率が高いパイロット信号（Low Pass Filter化された信号）から推定した雑音を式（７）によりデータチャネル雑音に換算すると、高周波領域にも、低周波領域と同等の雑音があるものとして推定してしまう。これが原因で、高周波領域の雑音を実際の雑音量よりも多く見積もってしまい、本来受信可能な高データレートのサービスが受けらないという問題があった。

本発明はこのような背景においてなされたものであり、その目的は、受信品質を参照するためのパイロット信号を伝送するパイロットチャネルと、受信品質を推定する推定対象チャネルとの帯域（拡散率）が異なる通信方式においてパイロット信号に基づいて推定対象チャネルの受信品質をより精度よく推定することができる受信品質推定方法および装置を提供することにある。

本発明による受信品質推定方法は、受信品質を参照するためのパイロット信号を伝送するパイロットチャネルと、受信品質を推定する推定対象チャネルとの帯域（拡散率）が異なる通信方式においてパイロット信号に基づいて前記推定対象チャネルの受信品質を推定する受信品質推定方法であって、前記パイロット信号の雑音成分を抽出するステップと、雑音を構成する周波数別成分を抽出するステップと、前記帯域の異なる程度に応じて前記パイロット信号の雑音成分を帯域拡張するステップと、前記周波数別成分に基づいて、前記帯域拡張により得られる雑音量を調整するステップと、前記帯域拡張により得られた雑音量に基づいて推定対象チャネルの受信品質を求めるステップとを備えたことを特徴とする。

本発明では、パイロット信号から抽出した雑音成分を単に帯域拡張して推定対象チャネルの雑音量を推定するのではなく、パイロット信号の雑音を構成する周波数別成分を抽出し、これに基づいて帯域拡張により得られる雑音量を調整を行う。すなわち、周波数別成分の抽出により、例えば高受信品質時に影響が現れる受信機内雑音を認識し、これに基づいて推定対象チャネルの受信信号品質をより高精度に推定する。なお、「帯域の異なる程度」とは実施の形態においては拡散率の比である。

前記雑音を構成する周波数成分を抽出するステップは、例えば、前記雑音を構成する周波数別成分として低周波成分を求めるステップと、求められた低周波成分と前記抽出された雑音成分とから周波数領域による雑音成分の差を推定するステップとを有し、この場合、前記帯域拡張する雑音量を調整するステップは、前記周波数領域による雑音成分の差に基づいて前記帯域拡張する雑音量を調整する。

前記雑音成分の差に対しては、前記パイロットチャネルの受信品質を求め、この求められた受信品質に応じて重み付けを行うようにしてもよい。

本発明による受信品質推定装置は、受信品質を参照するためのパイロット信号を伝送するパイロットチャネルと、受信品質を推定する推定対象チャネルとの帯域（拡散率）が異なる通信方式においてパイロット信号に基づいて前記推定対象チャネルの受信品質を推定する受信品質推定装置であり、逆拡散部とチャネル推定部とパイロットチャネル受信品質推定部と低周波雑音成分推定部とデータチャネル受信品質変換部とを備える。逆拡散部は、逆拡散処理により推定対象チャネルのデータとパイロットチャネルのパイロット信号を分離する。チャネル推定部は、分離されたパイロット信号に基づいてチャネル推定値を求める。パイロットチャネル受信品質推定部は、求められたチャネル推定値および前記パイロット信号に基づいてパイロットチャネルの信号レベルおよび雑音レベルを生成する。低周波雑音成分推定部は、前記パイロット信号の雑音の低周波成分を生成する。データチャネル受信品質変換部は、前記パイロットチャネル受信品質推定部および前記低周波雑音成分推定部の両出力に基づいて、データチャネルの受信品質を求める。

本発明によれば、周波数領域による雑音成分の差を考慮することにより、受信パイロット信号中の白色仮定できない受信機内雑音を認識し、これに基づいて推定対象チャネルの受信信号品質をより高精度に推定することができる。その結果、データチャネルの受信品質を推定する用途において、高ＳＮＲ環境下においてもより精度の良い受信品質の推定が可能となり、効率よく適応変調・符号化方式を運用することが可能となる。

パイロット信号の受信品質に応じて雑音成分の差に重み付けを行うことにより、低受信品質時の推定分散による誤動作を抑制することが可能となる。

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本実施の形態で適応変調および符号化方式を用い高速データ伝送を実現する無線通信システムにおけるユーザ端末の構成例を示す。基地局の構成は図５に示したものと同様である。

図１のユーザ端末は、送受信共用装置１０１、逆拡散部１０２、チャネル推定部１０３、同期検波部１０４、復調・復号部１０５、パイロットチャネル受信品質推定部１０６、データチャネル受信品質変換部１０７、受信品質メッセージ挿入部１１３、拡散部１１５に加えて、低周波雑音成分推定部１０８を備える。パイロットチャネル受信品質推定部１０６、データチャネル受信品質変換部１０７、低周波雑音成分推定部１０８以外の構成および機能は、図６に示した従来のユーザ端末と同じである。

本実施の形態では、パイロット信号中の周波数別雑音成分を分離して求め、帯域による雑音成分差を補正する例を説明する。

図１０に、本実施の形態によるデータチャネルＳＮＲの算出の手順を表したフローチャートを示す。

基地局から送出される送信信号は、送受信共用装置１２０１を経て受信され、逆拡散部１０２にて、逆拡散処理によりデータチャネルと、パイロットチャネルデータとに分離される。分離されたパイロット信号は、チャネル推定部１０３へ入力され、上記式（１）に示したように、無線伝播路特性が推定される（チャネル推定値の算出）（Ｓ１１）。

パイロットチャネル受信品質推定部１０６では、従来技術同様、式（１０）により信号成分ｓを求め、式（１１）によりパイロットチャネルの信号レベルＳを求め（Ｓ１２）、さらに、式（１２）によりパイロットチャネルの雑音Ｎ１を計算し（Ｓ１３）、ＳおよびＮ１を後段のデータチャネル受信品質変換部１０７へ出力する。

低周波雑音成分推定部１０８では、次式（１３）（１４）（１５）のようにして、パイロット信号雑音の低周波雑音成分（Ｎ２）を推定する（Ｓ１４）。式（１５）の処理は、パイロットチャネルの拡散率を倍にすることに相当し、これにより等価的に帯域を半分にして低周波雑音成分を求めるものである。逆拡散処理はフィルタ処理と等価であり、拡散率が大きい程、帯域を小さくしたことに対応する。

ここでは、パイロットチャネルの拡散率を倍にして、雑音をフィルタする形を例に示したが、雑音成分（ｒp[ｉ]−ｓ）を直接ローパスフィルタに通過させるか、または、ＦＦＴによる周波数分離を行うことにより低周波雑音成分Ｎ２を求めることも可能である。式（１３）の信号成分ｓは式（１０）と同じである。式（１１）と式（１４）の信号レベルＳは同じであり、パイロットチャネル受信品質推定部１０６と低周波雑音成分推定部１０８のいずれかで算出して、データチャネル受信品質変換部１０７へ送ればよい。

データチャネル受信品質変換部１０７では、データチャネル帯域変換処理として、前記Ｓ， Ｎ１， Ｎ２を用いて以下の要領でデータチャネルＳＮＲ（ＳＮＲｄ）の計算を行う（Ｓ１５）。

このステップＳ１５のデータチャネル帯域変換処理の具体例を図１１のフローチャートを参照して説明する。

(ａ) 低周波成分と高周波成分差推定
まず、周波数領域による雑音成分の差ΔＮを次式（１６）により推定する。ここに右辺第１項の係数”２”は帯域を半分にしたことに対応して半減した雑音レベルを補償するものである。雑音が白色であればΔＮ値は０となる。
ΔＮ＝（２×Ｎ２−Ｎ１） ・・・（１６）
なお、ここでの「低周波成分」とは図２から分かるように、パイロットチャネル雑音の低周波領域内でもさらに低周波側の領域に対応し、「高周波成分」としての雑音Ｎ１は厳密には低周波成分Ｎ２を含んでおり、「低周波成分」に対して相対的に高周波という意味である。

(ｂ) 重み係数計算
ついで、次式（１７）により雑音Ｎ１によるパイロットチャネル受信品質ＳＮＲ１を求め、さらにこれに基づいて、式（１８）により重み係数ａを算出する（Ｓ２２）。重み係数ａは、前述したように、有色雑音の影響はＳＮＲ１が良好であるときに発現することを、データチャネルＳＮＲに加味するためのものである。
ＳＮＲ１＝Ｓ／Ｎ１ ・・・（１７）
ａ＝ｆｕｎｃ（ＳＮＲ１） ・・・（１８）

ここで、ｆｕｎｃ（）は引数ＳＮＲ１が低いとき０．０になり、大きいほど１．０に近づくような関数とする。例えば、２つのしきい値ＴＨ１，ＴＨ２の関係をＴＨ１＜ＴＨ２としたとき、ＳＮＲ１＜ＴＨ１の場合はａ＝０．０、ＴＨ１＜＝ＳＮＲ１＜ＴＨ２の場合はａ＝０．５、ＴＨ２＜＝ＳＮＲ１の場合はａ＝０．７５といった簡単なものでもよい。

(ｃ) 帯域変換
式（１２）で求められた雑音Ｎ１を、次式（１９）のように、ΔＮ、重み係数ａ、拡散係数ＳＦｐ，ＳＦｄに応じて、高周波成分を補正して、データチャネル帯域の雑音成分Ｎへの変換を行う（Ｓ２３）（図２参照）。

なお、雑音が白色（ΔＮ＝０）であれば、次式（２０）のように、
となり、従来技術で説明した式（７）と等価になる（但し、式（７）はｄＢ表示であるのに対し、式（２０）は非ｄＢ表示である）。

このように式（２０）で求められた雑音Ｎを、次式（２１）に代入することにより、データチャネル品質ＳＮＲｄが求められる（Ｓ２４）。

本実施の形態によれば、このように白色仮定できない受信機内雑音の補正を行うことにより、図３に示すように、高ＳＮＲ環境下においても精度良い受信品質の推定が可能となり、効率より適応変調・符号化方式の運用を可能となる。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明の要旨を逸脱することなく種々の変形、変更を行うことが可能である。例えば、データチャネルの受信品質は適応変調および符号化方式を用いて高速データ伝送を実現する場合に利用されるものとして説明したが、他の用途に利用してもよい。

本発明の実施の形態でにおけるユーザ端末の構成例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態におけるパイロットチャネルの雑音Ｎ１のデータチャネル帯域の雑音成分Ｎへの変換の様子を説明するための図である。 本発明の実施の形態の効果を説明するためのグラフである。 本発明が適用されるシステムの処理手順を説明するための図である。 本発明が利用する通信方式を実現する従来の基地局の構成例を示すブロック図である。 従来のユーザ端末の構成例を示すブロック図である。 パイロットチャネルの信号から観察される、周波数対雑音レベルを表すグラフである。 従来の問題点を説明するための周波数対雑音レベルを表すグラフである。 従来の問題点を説明するための測定ＳＮＲの誤差を説明するためのグラフである。 本発明の実施の形態によるデータチャネルＳＮＲの算出の手順を表したフローチャートである。 図１０内のステップＳ１５のデータチャネル帯域変換処理の具体例を表したフローチャートである。

符号の説明

１０１…送受信共用装置、１０２…逆拡散部、１０３…チャネル推定部、１０４…同期検波部、１０５…復調・復号部、１０６…パイロットチャネル受信品質推定部、１０７…データチャネル受信品質変換部、１０８…低周波雑音成分推定部、１１３…受信品質メッセージ挿入部、１１５…拡散部

Claims (10)

1. 受信品質を参照するためのパイロット信号を伝送するパイロットチャネルと、受信品質を推定する推定対象チャネルとの帯域（拡散率）が異なる通信方式においてパイロット信号に基づいて前記推定対象チャネルの受信品質を推定する受信品質推定方法であって、
   前記パイロット信号の雑音成分を抽出するステップと、
   前記パイロット信号の雑音成分のうち低周波成分を求めるステップと、
   前記帯域の異なる程度に応じて前記パイロット信号の雑音成分を帯域拡張するステップと、
   前記低周波成分に基づいて、前記帯域拡張により得られる雑音量を調整するステップと、
   前記帯域拡張により得られた雑音量に基づいて推定対象チャネルの受信品質を求めるステップと、
   を備えたことを特徴とする受信品質推定方法。
2. 前記低周波成分を求めるステップは、
   前記求められた低周波成分と前記抽出された雑音成分とから周波数領域による雑音成分の差を推定するステップを有し、
   前記帯域拡張により得られる雑音量を調整するステップは、
   前記周波数領域による雑音成分の差に基づいて前記帯域拡張する雑音量を調整する
   ことを特徴とする請求項１記載の受信品質推定方法。
3. 前記パイロットチャネルの受信品質を求めるステップと、
   求められた前記パイロットチャネルの受信品質に応じて前記雑音成分の差に重み付けを行うステップと
   を備えたことを特徴とする請求項２記載の受信品質推定方法。
4. 受信品質を参照するためのパイロット信号を伝送するパイロットチャネルと、受信品質を推定する推定対象チャネルとの帯域（拡散率）が異なる通信方式においてパイロット信号に基づいて前記推定対象チャネルの受信品質を推定する受信品質推定方法であって、
   前記パイロット信号の雑音成分を抽出するステップと、
   有色雑音を抽出するステップと、
   前記帯域の異なる程度に応じて前記パイロット信号の雑音成分を帯域拡張するステップと、
   前記帯域拡張する際に、前記雑音成分を前記有色雑音に基づいて調整するステップと、
   前記調整された雑音成分に基づく帯域拡張により得られた雑音量に基づいて推定対象チャネルの受信品質を求めるステップと、
   を備えたことを特徴とする受信品質推定方法。
5. 前記雑音成分の調整は、パイロットチャネルの受信品質が所定レベルより高いときのみ実行することを特徴とする請求項４記載の受信品質推定方法。
6. 受信品質を参照するためのパイロット信号を伝送するパイロットチャネルと、受信品質を推定する推定対象チャネルとの帯域（拡散率）が異なる通信方式においてパイロット信号に基づいて前記推定対象チャネルの受信品質を推定する受信品質推定方法であって、
   前記パイロット信号に基づいてチャネル推定値を求めるステップと、
   前記チャネル推定値と前記パイロットチャネルの受信信号に基づいて前記パイロット信号の信号レベルを求めるステップと、
   前記パイロット信号の雑音レベルを求めるステップと、
   前記パイロット信号の雑音の低周波成分を求めるステップと、
   前記信号レベル、前記雑音レベルおよび前記低周波成分に基づいて、前記推定チャネルの信号品質を推定するステップと、
   を備えたことを特徴とする受信品質推定方法。
7. 前記受信品質を推定するステップは、
   前記雑音レベルと前記低周波成分とから雑音の周波数成分の差を推定するステップと、
   推定された周波数成分の差に基づいて前記推定対象チャネルの雑音レベルを求めるステップと、
   求められた推定対象チャネルの雑音レベルから推定対象チャネルの受信品質を求めるステップと、
   を有することを特徴とする請求項６記載の受信品質推定方法。
8. 受信品質を参照するためのパイロット信号を伝送するパイロットチャネルと、受信品質を推定する推定対象チャネルとの帯域（拡散率）が異なる通信方式においてパイロット信号に基づいて前記推定対象チャネルの受信品質を推定する受信品質推定装置であって、
   逆拡散処理により推定対象チャネルのデータとパイロットチャネルのパイロット信号を分離する逆拡散部と、
   分離されたパイロット信号に基づいてチャネル推定値を求めるチャネル推定部と、
   求められたチャネル推定値および前記パイロット信号に基づいてパイロットチャネルの信号レベルおよび雑音レベルを生成するパイロットチャネル受信品質推定部と、
   前記パイロット信号の雑音の低周波成分を生成する低周波雑音成分推定部と、
   前記パイロットチャネル受信品質推定部および前記低周波雑音成分推定部の両出力に基づいて、データチャネルの受信品質を求めるデータチャネル受信品質変換部と、
   を備えたことを特徴とする受信品質推定装置。
9. 前記データチャンネル受信品質変換部は、
   前記生成された低周波成分と前記生成された雑音レベルとから周波数領域による雑音成分の差を推定する手段と、
   前記周波数領域による雑音成分の差に基づいて、帯域拡張する雑音量を調整する手段とを有する
   ことを特徴とする請求項８記載の受信品質推定装置。
10. 前記データチャンネル受信品質変換部は、
    前記パイロットチャンネルの受信品質推定部において生成されたパイロットチャンネルの信号レベル及び雑音レベルに基づいて前記推定された周波数領域による雑音成分の差に重み付けを行う手段
    を備えたことを特徴とする請求項９記載の受信品質推定装置。