JP4440889B2 - 可変拡散率直交周波数・符号分割多重（ｖｓｆ−ｏｆｃｄｍ）システム、そのようなシステム内で受信信号を処理する受信機および方法 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

発明の分野
この発明は、可変拡散率直交周波数・符号分割多重(VSF-OFCDM)システム、及びそのようなシステム内で受信信号を処理する受信機および方法に関する。

発明の背景
進歩する移動インターネットに加えて、ブロードバンドの無線アクセスおよびマルチメディアサービスは、更なる無線通信システムに対する研究の殺到および開発活動を駆り立てている。可変拡散率直交周波数・符号分割多重(VSF-OFCDM)システムは、ブロードバンドのパケット無線送信に対し、最大に期待するダウンリンク無線アクセスとして提案されてきた。2001年９月刊の2001 Third International Workshop on Multi-Carrier Spread Spectrum (MC-SS 2001) & Related TopicsのH. Atarashi and M. Sawahashiによる“Variable spreading factor orthogonal frequency and code division multiplexing (VSF-OFCDM)”を参照。

多搬送波符号分割多重アクセス(CDMA)システムの変形であるVSF-OFCDMは、マルチキャリアおよびCDMAシステム双方の利点を採用して、マルチパスによるフェーディングがある無線伝播環境に挑戦している時であっても極めて高速の伝送データ速度を達成するように設計される。

VSF-OFCDMシステムでは、時間領域か周波数領域のどちらかで多搬送波信号を拡散することができる。H. Atarashi, N. Maeda, Y. Kishiyama, and M. Sawahashi により、2002年６月刊の Technical Report of IEICEの(日本語による)“Performance of VSF-OFCDM with Twodimensional Spreading Prioritlzing Time Domain Spreading ”には、拡散信号の間の直交性を維持する限り、時間領域の拡散は、周波数領域の拡散より、良好であることが示されている。この特性は、時間領域拡散のシステムに、より少ないコード間干渉をもたらし、これはVSF-OFCDMシステムで使われた適応型変調およびチャンネルコードスキームで重要である。

モバイル受信機の電力消費量、サイズ、重さ、および費用が最高である環境では、ダウンリンク送信に対して、VSF-OFCDMシステムが指定される。通常のVSF-OFCDM受信機は、周波数領域で最も多く動作し、そして、送信機から受信された時間領域の信号は、処理のために、周波数領域ら変換されなくてはならない。高速フーリエ変換(FFT)のような高速のアルゴリズムは変換に利用可能であるが、FFTがチップ速度で実行される、従来の時間領域拡散のVSF-OFCDMシステムでは、演算負荷、または電力消費量が今も問題の一つになっている。したがって、時間領域で拡散するVSF-OFODMシステムでの使用のために、受信機を簡素化する必要がある。

発明の概要
一般的には、この発明は、例えば高速フーリエ変換(FFT)により、周波数領域のような第２の領域に変換される前に、時間領域のような第１の領域(この第１の領域で受信信号が拡散される)で拡散するVSF-OFCDMシステムのための受信機構造を提案する。したがって、FFT動作の周波数は、拡散の処理ゲイン分の１に低減され、シンボル速度である。この発明を具体化する簡易型の受信機構造は、システムのコンピュータ負荷、および/または、電力消費量を抑えるのを目指す。

この発明の第１の態様によれば、可変拡散率直交周波数および符号分割多重(VSF-OFCDM)システムでの使用のための受信機が提供され、前記受信機は、関連したチップ速度を持つ受信信号を処理するように構成され、
前記受信機は、
前記受信信号の少なくとも１つの予め設定された位置から、予め設定された数のチップを除去して修正された信号を形成するシーケンス拡張除去器と、
前記修正された信号を、シリアル系列からパラレル系列に変換する第１のコンバータと、
前記第１のコンバータに結合され、前記パラレル系列を受信し、前記パラレル系列を逆拡散してシンボルのグループを引き出す逆拡散器と、
前記逆拡散器に結合され、前記シンボルを第１の領域から変換して、第２の領域の変換された信号を形成する直交変換ブロックと、
前記変換ブロックに結合され、前記変換された信号を等化して、チャンネル歪みを低減しかつ等化された信号を形成するイコライザブロックと、
前記イコライザブロックに結合され、前記等化された信号を受信し、そして逆インターリーブされた信号を形成する逆インターリーバブロックと、
前記逆インターリーバブロックに結合され、前記逆インターリーブされた信号をパラレル系列からシリアル系列に変換する第２のコンバータとを備える。

この発明の第２の態様によれば、一つ以上の可変拡散率直交周波数および符号分割多重(VSF-OFCDM)システムが提供される。

この発明の第３の態様によれば、可変拡散率直交周波数および符号分割多重(VSF-OFCDM)システム内の関連したチップ速度を持つ受信信号を処理する方法が提供され、
前記受信信号の少なくとも１つの予め設定された位置から、予め設定された数のチップを除去して修正された信号を形成するステップと、
前記修正された信号を、シリアル系列からパラレル系列に変換するステップと、
前記パラレル系列を逆拡散してシンボルのグループを引き出すステップと、
直交変換ブロックにて、前記シンボルを第１の領域から変換して、第２の領域の変換された信号を形成するステップと、
前記変換された信号を等化して、チャンネル歪みを低減しかつ等化された信号を形成するステップと、
前記等化された信号を逆インターリーブして、逆インターリーブされた信号を形成するステップと、
前記逆インターリーブされた信号をパラレル系列からシリアル系列に変換するステップとを備える。

この発明の好ましい特徴は、図示目的のみのために、以下の図面を参照して、次に説明される。

好ましい実施例の詳細な説明
時間領域の拡散がある従来のダウンリンクVSF-OFCDMシステムは、図１aと１bに図示される。図示したシステムでは、同時にかつ、同期して送信するK個のアクティブのユーザが存在すると仮定している。ウォルシュアダマールコードなどの直交拡散コード(拡散係数Gを持つ)は、ユーザの間の直交性を確実にするために使用される。

図１aは、時間領域の拡散がある従来のダウンリンクVSF-OFCDMシステム内の送信機の概略ブロック図を示す。各ユーザ k (k=1,2,...,K)に対し、変調されたデータ系列は、シリアル/パラレルコンバータ２において、最初にNc個のパラレル系列に変換される。Ncは、簡単にするために、VSF-OFCDMシステムの多搬送波の数と等しいと仮定される。そして、Nc個のパラレル系列はインターリーバ４を通過する。一般的な損失なしでは、各ユーザkに対するNc個のシンボルのブロックは、考慮され、そして、インターリーブ後、d _k ⁿ として示される。ここで、nは、n番目のシンボルを表し、また、n番目の副搬送波に対応する(n=1,2,...,Nc)。各々のデータシンボル、d _k ⁿ は次に、シンボルあたりG個のチップを持つ拡散ブロック６内において時間領域で拡散される。拡散されたチップ速度データは、IFFTブロック１０にて、逆高速フーリエ変換(IFFT)の適用によって時間領域へ変換される前に、コード混合ブロック８で他のユーザのそれと混合される。結果として得られるシリアル出力信号は、次に、ガードインターバルか周期的なプレフィックスが加えられて、無線のチャンネルで送信される。

図１bは、時間領域の拡散があるダウンリンクVSF-OFCDMシステム内の受信機の概略ブロック図を示す。受信機では、例えば、図１bに示したタイプの送信機から受信したシリアル信号は、周期的なプリフィックスを除去するため処理される。受信したシリアル信号は、FFTブロック１２にて、高速フーリエ変換(FFT)の適用により、変換されて周波数領域から戻され、そしてパラレル信号にされる。変換された信号は、特定のユーザに対応する逆拡散ブロック１４にて逆拡散され、そして、逆インターリーブブロック１６にて逆インターリーブ処理される。逆インターリーブの信号は、パラレル/シリアル変換器１８にて、パラレルからシリアルの領域に変換される。

図２は、この発明の実施例によるVSF-OFCDMシステムのための受信機を示す。そのような受信機は、例えば、図１aの送信機に関連して使用されてもよく、そして、図２の受信機は、そこからのシリアルの信号出力を受信する。

所望されるユーザの受信機にて、時間領域の受信されたシリアル信号のG×Nc個の要素(チップ)は処理されて、周期的なプリフィックスが除去される。処理された信号は次に、シリアル/パラレルコンバータ１９にて、シリアル系列からパラレル系列のアレイに変換され、各系列は、システム内の多搬送波の一つに対応する。

各系列内のチップは、特定のユーザに対応する逆拡散器２０にて、一緒にグループ化され、そして、逆拡散される。逆拡散された信号は、FFTブロック２２にて高速フーリエ変換(FFT)の適用により、周波数領域に変換される。変換された信号は、次にイコライザ２４にて等化され、そして、逆インターリーバ２６にて逆インターリーブされる。逆インターリーブされた信号は次に、パラレル/シリアルコンバータ２８にて、変換され、パラレルからシリアルの系列に戻される。

図１aで図示した送信機では、周波数領域内の一つのVSF-OFCDMブロックのシンボルの間に送信された信号は、数式１のように、マトリックス形態で記述される。

C_kgは、ユーザkの拡散コードのg番目の要素であり、eは、全てが１の要素を持つ長さGの列ベクトルであり、'T'は転置を表す。

チャンネルインパルス応答が、周期的なプレフィックスの長さほどの有限の最大遅れの拡散を持つと仮定される。

図１bで図示した従来の受信機では、上述したように、受信信号は、周期性のプレフィックスの除去後、高速フーリエ変換(FFT)の適用により、変換され、周波数領域にもどされる。周波数領域での受信信号は、(ユーザ１が所望されるユーザと仮定)数式２のごとく記述される。

ここで、HはNc×Gのマトリックスであり、(n,g)番目の入力は、n番目のサブキャリアおよびg番目のチップでの周波数領域内のチャンネル応答に対応する。Vfは、周波数領域で被った付加的なホワイトGaussianノイズ(AWGN)である。“。”は、Hadamard積またはドット積を表す。

逆拡散および等化の後、逆インターリーブ前の統計値は、数式３で示される。

図２に図示したこの発明を具体化した受信機では、周期性のプレフィックスの除去後、時間領域内の受信信号ブロックのG×Nc個の要素(チップ)は、r ₁ ¹ , r ₂ ¹ ...r _G ¹ ,...,r ₁ ^Nc , r ₂ ^Nc ...r _G ^Nc のように示されてもよい。ここで、上付きおよび下付きは、対応する周波数ビンおよび、周波数ビン毎のチップビンをそれぞれ表す。

上述したように、図２の受信機では、例えば図１bに図示したタイプの従来のVSFOFCDM受信機と異なって、チップは、FFTブロックに直接に供給されず、替わりに、高速フーリエ変換(FFT)の適用後の異なる周波数ビンに従って、最初にグループ化される。例えば、FFT後の第１のサブ搬送波に対応する信号要素(チップ)r ₁ ¹ ,r ₂ ¹ ....,r _G ¹ は一緒にグループ化される。グループ後の時間領域信号は、数式４のようにマトリックス形態で記述されてもよい。

ここで、Rは、Nc×Gのマトリックスであり、(n,g)番目の入力(n=1,...,Ncおよびg=1,,..,G)としてｒ _g ⁿ を持つ。Vtは、時間領域のノイズマトリックスである。Fは、離散フーリエ変換(DFT)のマトリックスとして定義され、それのn番目の行m番目の列の要素として、Ｗ_Nc-nm=1/√(Nc)・exp(-j2πnm/Nc)を持つ。従って、逆DFT(lDFT)マトリックスはF ^H であり、ここで'H'は、Hermitian変換を示す。

チップの各々は、所望のユーザの(チップ毎の)拡散コードをマルチプライすることにより、最初に逆拡散され、そしてその結果を累積する。その後、上述したように、逆拡散された信号は、変換のためにFFTブロック２２に供給される。逆拡散後の信号は、Nc長のベクトルとして数式５のように表現される。

逆拡散信号系列のサイズが処理ゲインG分の１に今や低減されることに気付くべきであり、この処理ゲインは、シンボル速度に対するチップ速度の比である。したがって、高速フーリエ変換(FFT)ブロック２２はシンボル速度で動作し、これは、例えば図１bに示した従来のチップ速度で動作する受信機と対照的になっている。

コンピュータの負荷および/または、受信機回路の電力消費量の主な要因の一つは、高速フーリエ変換(FFT)ブロック１２、２２から来る。図２の発明を具体化する受信機は、図１Bのタイプの従来の受信機と比較して、高速フーリエ変換(FFT)ブロック２２の動作速度を減じ、その結果、演算負荷および／または電力消費を、時間領域で拡散するVSF-OFCDMシステムの処理ゲイン分の１に低減できる。

図２に示した受信機では、周波数領域でのサブ搬送波に対するウエイトを増大することによる等化の後、逆インターリーブ前に生じた統計ベクトルZは数式６のように記述される。

この発明の実施例による受信機および従来の受信機の双方の(等化の後であるが、逆インターリーブ前の信号である)統計が同等であることがわかる。実際、数式４および５からのXおよびRそれぞれを数式６に置き換えると、数式７が得られる。

したがって、数式３により、Yを置き換えると、数式７が上記の数式３と同じであることがわかるであろう。

概要では、この発明は、時間領域の拡散を取り入れるVSF-OFCDMシステムでの使用のための簡易型受信機構造を提案する。この発明を具体化する受信機は、逆インターリーバでの統計量が従来の受信機のそれと等価となるように、システム性能に妥協することなく、システムの拡散係数分の１に、演算負荷、および/または、電力消費量を低減させることを目的にする。

この発明に従ったシステムと方法は、例えば4G技術のためのダウンリンクブロードバンドパケット無線アクセス体系として動作するVSF-OFCDMシステムでの使用のためのデバイスの生産に特に有用である。

上で説明されたこの発明の具体化への様々な変更がなされてもよい。例えば、上述のものに対し、他のモジュールや方法ステップを加えるか、置き換えることができる。明確に、この発明は、時間領域と周波数領域の双方で拡散する２次元拡散を有するVSF-OFDMAシステムに、容易に拡大できる。２次元で拡散するVSF-OFDMAシステムでは、時間領域のみで拡散するVSF-OFCDMシステムに関連して上述したように、この発明を具体化する受信機は、高速フーリエ変換(FFT)の適用の前に、時間領域で信号を拡散する。周波数領域の拡散は、２次元拡散を有する従来のVSF-OFCDMシステムのように、高速フーリエ変換(FFT)の適用後に実行されてもよい。従って、この発明は、特定の実施例を用いて上述してきたが、当業者には明白なように、この発明の範囲からそれることなく、この発明の範囲内で多くの変形が可能である。

時間領域の拡散がある従来のダウンリンクVSF-OFCDMシステム内の送信機の概略ブロック図を示す。 時間領域の拡散がある従来のダウンリンクVSF-OFCDMシステム内の受信機の概略ブロック図を示す。 この発明の実施例による時間領域の拡散があるVSF-OFCDMシステム内の受信機の概略ブロック図を示す。

１９：シリアル/パラレルコンバータ
２０：逆拡散器
２２；FFTブロック
２４：イコライザ
２６：逆インターリーバ
２８：パラレル/シリアルコンバータ

Claims (12)

1. 可変拡散率直交周波数および符号分割多重(VSF-OFCDM)システムでの使用のための受信機であり、前記受信機は、関連したチップ速度を持つ受信信号を処理するように構成され、
   前記受信機は、
   前記受信信号の少なくとも１つの予め設定された位置から、予め設定された数のチップを除去して修正された信号を形成するシーケンス拡張除去器と、
   前記修正された信号を、シリアル系列からパラレル系列に変換する第１のコンバータと、
   前記第１のコンバータに結合され、前記パラレル系列を受信し、前記パラレル系列を逆拡散してシンボルのグループを引き出す逆拡散器と、
   前記逆拡散器に結合され、前記シンボルを第１の領域から変換して、第２の領域の変換された信号を形成する直交変換ブロックと、
   前記変換ブロックに結合され、前記変換された信号を等化して、チャンネル歪みを低減しかつ等化された信号を形成するイコライザブロックと、
   前記イコライザブロックに結合され、前記等化された信号を受信し、そして逆インターリーブされた信号を形成する逆インターリーバブロックと、
   前記逆インターリーバブロックに結合され、前記逆インターリーブされた信号をパラレル系列からシリアル系列に変換する第２のコンバータとを備える受信機。
2. 前記シーケンス拡張除去器は、周期的なプレフィックスを示すデータを担う予め決められた個数のチップを除去するように構成された請求項１記載の受信機。
3. 前記直交変換ブロックは、高速フーリエ変換ブロックを備える請求項１または２に記載の受信機。
4. 前記第１の領域は、時間領域であり、前記第２の領域は周波数領域である請求項１から３のいずれかに記載の受信機。
5. 前記逆拡散器は、前記系列をシンボル速度に逆拡散し、
   前記シンボル速度は、前記受信信号が前記受信機により受信される前に拡散されるときの前記チップ速度よりも小さく、
   前記シンボル速度に対する前記チップ速度の比は、前記受信機の処理ゲインである請求項１から４のいずれかに記載の受信機。
6. 請求項１から５のいずれかに基づく１台以上の受信機を備える可変拡散率直交周波数・符号分割多重(VSF-OFCDM)システム。
7. 可変拡散率直交周波数および符号分割多重(VSF-OFCDM)システム内の関連したチップ速度を持つ受信信号を処理する方法であり、
   前記受信信号の少なくとも１つの予め設定された位置から、予め設定された数のチップを除去して修正された信号を形成するステップと、
   前記修正された信号を、シリアル系列からパラレル系列に変換するステップと、
   前記パラレル系列を逆拡散してシンボルのグループを引き出すステップと、
   直交変換ブロックにて、前記シンボルを第１の領域から変換して、第２の領域の変換された信号を形成するステップと、
   前記変換された信号を等化して、チャンネル歪みを低減しかつ等化された信号を形成するステップと、
   前記等化された信号を逆インターリーブして、逆インターリーブされた信号を形成するステップと、
   前記逆インターリーブされた信号をパラレル系列からシリアル系列に変換するステップとを備える方法。
8. 前記予め設定された数のチップを除去するステップは、周期的なプレフィックスを示すデータを担うチップを除去することを備える請求項７記載の方法。
9. 前記シンボルを変換するステップは、高速フーリエ変換を前記シンボルに適用することを備える請求項７または８に記載の方法。
10. 前記シンボルを変換するステップは、前記シンボルを時間領域から周波数領域に変換することを備える請求項７から９のいずれかに記載の方法。
11. 前記逆インターリーブするステップは、逆インターリーブされた信号を形成する請求項７から１０のいずれかに記載の方法。
12. 前記逆拡散するステップは、前記系列をシンボル速度に逆拡散することを備え、
    前記シンボル速度は、前記受信信号が前記受信機により受信される前に拡散されるときの前記チップ速度よりも小さく、
    前記シンボル速度に対する前記チップ速度の比は、前記受信機の処理ゲインである請求項７から１１のいずれかに記載の方法。

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