JP4828718B2

JP4828718B2 - セルラ無線通信システム

Info

Publication number: JP4828718B2
Application number: JP2001124024A
Authority: JP
Inventors: クズミンスキーアレクサンドル; ラスチカルロ; エドワードストラウチポール; ホンヤンラン
Original assignee: アルカテル−ルーセントユーエスエーインコーポレーテッド
Priority date: 2000-05-05
Filing date: 2001-04-23
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2021-04-23
Also published as: DE60019091T2; EP1152549A1; EP1152549B1; US20010050967A1; DE60019091D1; JP2002009678A; US6668030B2

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Ｐ_lと、ノイズの予測パワーレベルＰ_N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Ｐ_Nと、干渉パワーＰ_Iと、全パワーＰ_Sとが決定される。
【００１８】
平均ノイズパワーＰ_N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、Ｐ_NとＰ_I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＝Ｐ_S／Ｐ_Nと、ＳＩＲ＝Ｐ_S／Ｐ_Iを計算せずに、Ｐ_NとＰ_I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

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。
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。
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。
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。
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。
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。
請求項５に記載のシステムにおいて、該第１の値は、ｈ_１［ｄＢ］であり、該第２の値は、ｈ_２［ｄＢ］であることを特徴とするシステム。
請求項７に記載のシステムにおいて、ｈ_１＝ｈ２であることを特徴とするシステム。
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。
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。