JP4828718B2 - セルラ無線通信システム - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線通信システムに関し、特に、移動無線通信システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
移動無線通信システムは、それぞれの基地局によりサービスされるセルを有している。各基地局は、そのセル内にある様々な移動局と通信している。基地局と移動局との間の無線通信は、様々な障害物にさらされる。GSM、あるいはGSMを改良したEDGEのようなTDMAセルラシステムにおいては、受信信号は、シンボル間干渉を引き起こす時間変動するマルチパス伝搬チャネルにより歪む。さらにまた伝送は、環境ノイズと受信器の回路により生成されるノイズの両方から発生する熱ノイズにより障害を受ける。移動局と基地局の無線受信器は、それぞれのアンテナにより得られたノイズを含み、かつ歪んだ波形上で動作する。受信した波形から本来伝送されたデータを抽出するために、TDMA受信器は、等化システムを採用して信号歪み、および付加的な障害を補償(相殺)しようとしている。この等化器(イコライザ)は、トレーニングシンボルを含む信号バーストをベースに動作している。
【0003】
従来TDMAセルラ受信器は、受信信号に対しトレリスベースの受信器を採用している。各バースト内で送信された既知のトレーニングシンボルを用いることにより、等化システムのトレリスプロセッサは、ノイズを含み歪んだ受信信号から伝送されたペイロードを検出することができる。従来トレリスイコライザは、最丈度(maximum likelihood:ML)(これに関しては、G D Forney Jr, 著の“Maximum likelihood sequence estimation of digital sequences in the presence of intersymbol interfere”, IEEE Trans Inform Theory, vol IT-18, no 3, pp 363-378 May 1972 を参照のこと)に基づいて、あるいは最大事後確率(maximum posterion probability:MAP)(これに関しては、L R Bahl, J Cocke, F Jelinek and J Raviv, “Optimal decoding of linear codes for maximising symbol error rate”, IEEE Trans Inform Theory, Vol IT-20, pp 284-287, March 1974 を参照のこと)の基準に基づいておよびノイズがガウス分布を有すると仮定のもとで動作する。
【0004】
さらに別の問題が共通チャネル干渉(co-channel interference:CCI)の存在下で発生する。スペクトラム効率を上げるために、セルラ無線システムは、周波数を再利用している。隣接するセルの基地局は異なる周波数で動作するが、利用可能な周波数の数は限られているために、さらにそこから離れたセルは同一の周波数で動作する。セルが小さくなるとその距離も短くなり、その結果セル間の干渉が増加する。すなわち、あるセル内の基地局あるいは移動局は、リンクが確立された移動局あるいは基地局からの周波数fの信号のみならず、同一の周波数で動作する別のセル内の移動局あるいは基地局からの周波数fの干渉信号も受信する。このような干渉信号は、ガウス分布をしていないために、トレリスベースの等化システムは、CCIの適切な空間−時間モデルを必要とする。障害(disturbance)を正確にモデル化したり予測したりすることができない場合は、トレリスベースのイコライザは、必ずしも最適とはならず、大幅に性能が劣化することになる。
【0005】
CCIに対する適宜のモデルが開発されても、その結果をふまえた受信器は複雑になりすぎ効率的に実現することはできない。干渉が制限された状況においては、空間−時間(spatio-temporal)フィルタ処理技術(これに関しては、A M Kuzminskiy, C Luschi and P Strauch, “Comparson of linear and MISE spatio-temporal interference rejection combing with an antenna array in a GSM system”in Proc VTC 2000, Tokyo, Japan, May 2000 を参照のこと)は、複数のアンテナ受信器に対し特に優れた性能を提供できる。しかしこのような技術は、ノイズが制限されたような状況においては適切に動作しない。
【0006】
空間−時間フィルタ処理段の後、トレリス処理を実行する受信器が提案されている(これに関しては、A J Paulraj and C B Papadias “Space-time processing for wireless communication”IEEE Signal Proc Mag, pp 40-84, November 1997 を参照のこと)。しかしこのようなイコライザをソフトウェアで実現するためには、この方式は実現するには複雑になりすぎる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ノイズ障害および干渉障害の両方を効率的かつ安いコストで実現できる無線通信システムを提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、本発明は請求項1に記載した特徴を有する。すなわち、それぞれが複数の移動局にサービスする基地局を有する複数のセルからなるセルラ無線通信において、前記移動局と基地局の少なくとも一方は、(A)データ信号と、リンクが確立された局から伝搬する付随ノイズと、別のセル内の局から伝搬する干渉信号とを受領する受信器と、(B)歪んだ受信信号内に付随する障害から送信されたデータシンボルを検出するよう動作するトレリスベースの等化システムと、(C)前記データの歪みと障害を最小にするよう受信信号を処理する空間−時間フィルタと、(D)受信信号内の干渉信号のパワーの値とノイズ信号のパワーの値とに関連する所定の基準に応答した切換器とを有し、前記受信した信号をレリスベースの等化システムと空間−時間フィルタとの間で切り替えることを特徴とする。
【0009】
【発明の実施の形態】
図1の移動無線通信システムは、移動局2が位置するセルの基地局4と通信している移動局2を有する。基地局4は複数の異なる場所に配置されたアンテナ6A〜6M(M本のアンテナのうち2本のアンテナ、すなわちアンテナ6A、アンテナ6Mのみが示されている)を有する。各アンテナ(アンテナ6A−6M)は、その受信器のフロントエンド(図では総称してフロントエンド8で示している)に信号を与える。
【0010】
各フロントエンド8の出力は、切換器10を介してトレリスベースの等化システム12、または空間−時間フィルタ14のいずれかに与えられる。空間−時間フィルタ14の出力はトレリスベースの等化システム12と組み合わされてディインタリーバ16に与えられる。ディインタリーバ16の出力はチャネルディコーダ18に与えられ、そして情報データを復号化している。
【0011】
次に動作について説明すると、移動局2はデータ信号を基地局4に送信する。基地局4が受信した信号は、周囲状況によるノイズを伴ったデータ信号と、周囲の地形に起因するデータ信号の反射信号と、離れたセル内で同一周波数で動作している別の移動局ユーザ20からの干渉信号を受信する。これにさらに受信器で生成されるノイズが加わり、アンテナ6A−6Mとフロントエンド8との間に配置された加算機22A−22Mにより示される、全等化ノイズとなる。
【0012】
トレリスベースの等化システム(Viterbi ML、あるいはMAP等化システム)は、データ信号に付随する障害すなわち熱ノイズプラスCCIはガウス分布を有するという仮定のもとで動作している。切換器10がトレリスベースの等化システム12に切り替えられると、このシステムは、障害がノイズに限定された環境のもとで最適のデータ検出を行う。
【0013】
しかし別の移動局からの干渉はガウス分布をしていないために、干渉が特定のレベルに達すると、トレリスベースの等化システムの性能は劣化し始める。切換器10が空間−時間フィルタ14に切り替えられた時点で、その出力における適宜のコスト関数(最小二乗「LS」(least squares“LS”cost)を最小にするために、線形あるいは決定フィードバックフィルタ処理を実行する。障害が干渉に制限された状況においては、この処理は、トレリスベースの等化システムにより達成されるのよりも、より低いビットエラーレートを提供できる。
【0014】
空間−時間フィルタ14の場合にはこのフィルタは、トレーニングシンボル上の干渉の影響を最小にする観点から、すなわちデータ信号内のペイロードに対する干渉の影響を最小にする観点から、異なった時点で来入信号に選択的に重み付けするよう機能する。
【0015】
切換器10は切換コントローラ24により制御され、この切換コントローラ24は受信信号をモニターして、受信信号中に存在する所定の条件に応答して切換器10を動作させる。切換条件は、データ信号と、ノイズ信号Nと、干渉信号Iのそれぞれを含んでいる受信信号中の干渉の予測パワーレベルPlと、ノイズの予測パワーレベルPNの間の関係を決定することに基づいて行われる。
【0016】
切換コントローラ24の実現方法を図2に示す。プロセッサ30は記憶装置32からトレーニング信号と受信信号(S+N+I)を受領して、もとのデータ信号Sを再生する。減算装置34が受信信号(S+N+I)を受信し、プロセッサ30からの再構成されたもとの信号を減算して、ノイズ(N)と干渉(I)からなる差分信号(N+I)を生成する。
【0017】
受信信号中のノイズパワーPNと、干渉パワーPIと、全パワーPSとが決定される。
【0018】
平均ノイズパワーPNは、受信器の設計パラメータであり、通常一定であり、かつ干渉パワーはバーストごとに変動するために、熱ノイズフロアの知識に基づいて、PNとPIの値を決定することができる。
【0019】
信号対ノイズ比(SNR)予測値、または信号対干渉比(SIR)の予測値の関数に基づいて、2つの定数「h1」と「h2」が、あらかじめルックアップテーブル内に記憶されている場合には、減算装置34が動作すべき切換基準は次のとおりとなる。
【0020】
予測されたSNRが、SIRよりh1dBだけ大きい場合には、切換器10は、空間−時間フィルタ14の方に切り替えられる。
【0021】
予測されたSNRが、SIRよりh2dBだけ小さい場合には、切換器10はトレリスベースの等化システム12の方に切り替えられる。定数h1、h2は、一定あるいはSNRまたはSIRの関数である。このレートは、SNR=PS/PNと、SIR=PS/PIを計算せずに、PNとPIの観点から実行できる。
【0022】
このアルゴリズムの有効性をテストするために、h1=h2=5dBを用いてシュミレーションを行った。このシミュレーションは、EDGE(enhanced data for GSM evolution)の2本のアンテナを有する受信器を用いて行われた。干渉は、SIRが15dBの時に同期してなかった。通常の市街地の伝搬チャネルで3Km/Hの速度を用いた。トレリスベースの等化システム12と空間−時間フィルタ14と切換受信器に対するビットエラーレート対SNRをプロットした。その結果は図3に示し、本発明の利点は図3から明らかである。
【0023】
本明細書においては基地局は、空間−時間フィルタとトレリスベースの等化システムと、それらの間を切り替えるスイッチを有するものとして記載したが、同一の構成要素を移動局に組み込むことも可能である。
【0024】
上記の説明においては基地局は複数のアンテナを有するものとして説明したが、基地局は1本のアンテナのみを有してもよい。移動局は、1本のアンテナを有するものとして説明したが、これもまた複数のアンテナを有してもよい。複数のアンテナを使用すると、回路の数が増すが、別々のアンテナの出力を組み合わせることによりさらに利点が得られ、データ信号はさらに正確度が増し、かつノイズ信号と干渉信号をそれらをキャンセルする方向で組み合わせることが可能となる。
【0025】
特許請求の範囲の発明の要件の後に括弧で記載した番号は本発明の一実施例の態様関係を示すもので本発明の範囲を限定するものと解釈してはならない。
【図面の簡単な説明】
【図1】セルラ無線通信システムを表すブロック図。
【図2】図1の切換回路の一部を表すブロック図。
【図3】図1のイコライザと、空間−時間フィルタに対する信号対ノイズ比と、ビットエラーレートの関係を表すグラフ。
【符号の説明】
2 移動局
4 基地局
6 アンテナ
8 フロントエンド
10 切換器
12 トレリスベースの等化システム
14 空間−時間フィルタ
16 ディインタリーバ
18 チャネルディコーダ
20 移動局ユーザ
22 加算機
24 切換コントローラ
30 プロセッサ
32 記憶装置
34 減算装置

Claims (10)

  1. 複数の移動局(2、20)にサービスする基地局(4)を有する複数のセルからなるセルラ無線通信において、
    該移動局と基地局の少なくとも一方は、
    データ信号と、リンクが確立された局から伝搬する付随ノイズと、別のセル内の局から伝搬する干渉信号とを受領する受信器(8)と、
    歪んだ受信信号内に付随する障害から送信されたデータシンボルを検出するよう動作するトレリスベースの等化システム(12)と、
    該データの歪みと障害を最小にするよう受信信号を処理する空間−時間フィルタ(14)と、
    受信信号内の干渉信号のパワーの値とノイズ信号のパワーの値とに関連する所定の基準に応答して、該受信信号を、該トレリスベースの等化システム(12)と該空間−時間フィルタ(14)との間で切り替える切換器(10)と、
    該受信信号をモニタし、該受信信号中に存在する所定の条件に応答して該切換器(10)を動作させる切換コントローラ(24)とを有し、
    該受信信号の推定SNRが第1の値だけ該受信信号のSIRよりも大きい場合には、該切換コントローラ(24)は、該空間−時間フィルタ(14)に切り替えるように該切換器(10)を制御し、該受信信号の推定SNRが第2の値だけ該受信信号のSIRよりも小さな場合には、該切換コントローラ(24)は、該トレリスベースの等化システム(12)に切り替えるように該切換器(10)を制御し、該第1の値と該第2の値とは、可変数であることを特徴とするセルラ無線通信システム。
  2. 請求項1記載のシステムにおいて、該少なくとも一方の局は、基地局であることを特徴とするシステム。
  3. 請求項1、2のいずれかに記載のシステムにおいて、該少なくとも一方の局は、アンテナの列と、該アンテナの列に関係する受信器とを有し、これにより信号歪みと、ノイズ信号と干渉信号の影響を最小にすることを特徴とするシステム。
  4. 請求項1〜3のいずれかに記載のシステムにおいて、該トレリスベースの等化システムは、受信信号のデータ信号成分が、シンボル間干渉とガウス分布障害により損傷されることに基づいて動作することを特徴とするシステム。
  5. 請求項1〜4のいずれかに記載のシステムにおいて、該所定の基準は、受信信号内の信号対ノイズ比(SNR)の値が、信号対干渉比率(SIR)の値を該第1の値だけ超えた時点であることを特徴とするシステム。
  6. 請求項5記載のシステムにおいて、該第1の値及び第2の値は、信号対ノイズ比(SNR)又は信号対干渉比率(SIR)の関数であることを特徴とするシステム。
  7. 請求項5に記載のシステムにおいて、該第1の値は、h[dB]であり、該第2の値は、h[dB]であることを特徴とするシステム。
  8. 請求項7に記載のシステムにおいて、h1=h2であることを特徴とするシステム。
  9. 請求項1〜8の何れかに記載のシステムにおいて、該少なくとも一方の基地局は、ノイズ信号と干渉信号の和のパワーを予測するプロセッサを有することを特徴とするシステム。
  10. 請求項1〜8のいずれかに記載のシステムにおいて、
    該少なくとも一方の局は、
    トレーニングシンボルを記憶する記憶装置と、
    該記憶装置からトレーニング信号を受領し、受領した信号内のトレーニング信号と記憶しているトレーニング信号を比較して、データ信号を再生するプロセッサと、
    該受信した信号から再生したデータ信号を減算する差分手段と、を更に有することを特徴とするシステム。
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