JP5024548B2 - 制御信号復調装置、制御信号復調方法、無線通信装置およびプログラム - Google Patents

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Description

本発明は無線通信システムに係り、特にリファレンス信号および制御信号を符号分割多重（ＣＤＭ：Code Division Multiplexing）によって送信する無線通信システムにおける制御信号の復調方法および装置に関する。
無線通信システムの標準化を行う団体である３ＧＰＰでは、現在のＷ−ＣＤＭＡシステムの後継として、高速データ伝送、低遅延、パケット伝送に特化した無線アクセス方式であるＬＴＥ(Long Term Evolution)について検討が進められている。この中で、広帯域無線アクセスにおける上りリンクのアクセス方式としてシングルキャリア送信が採用される。シングルキャリア送信は、直交周波数分割多重(Orthogonal Frequency Division Multiplexing：OFDM)のようなマルチキャリア送信と比べて、ピーク対平均雑音電力比 (ＰＡＰＲ：Peak to Average Power Ratio）が小さく電力効率が優れている。したがって、シングルキャリア送信は、バッテリ容量に限りがある携帯端末のような移動局（User Equipment:ＵＥともいう。）から基地局（ｅＮｏｄｅＢあるいはｅＮＢともいう。）への上りリンクに適したアクセス方式である。
また、上りリンクのリファレンス信号（あるいはパイロット信号、参照信号ともいう。）系列にはＣＡＺＡＣ系列が用いられる。ＣＡＺＡＣ系列とは、時間領域および周波数領域において一定振幅でかつ位相差０以外の自己相関値が０となる系列のことである。時間領域で一定振幅であることからＰＡＰＲが小さく抑えられ、かつ周波数領域においても一定振幅であることから周波数領域における伝搬路推定に適する系列である。
上りリンクのリファレンス信号系列にＣＡＺＡＣ系列が用いられる場合、複数の移動局ＵＥのリファレンス信号多重には、符号分割多重（ＣＤＭ）が用いられる（非特許文献３参照）。リファレンス信号のＣＤＭでは、各ユーザは同一系列長のＣＡＺＡＣ系列を用い、ユーザ（移動局）(またはアンテナ)毎に固有のサイクリックシフトによりリファレンス信号を直交させることができる。以下、サイクリックシフトについて簡単に説明する。
図４はＣＡＺＡＣ系列に基づくサイクリックシフトを説明するための模式図である。図４に示すように、あるＣＡＺＡＣ系列Ｃ１を系列１とすると、その最後部を先頭に付け替えてシフトさせることで系列２を生成し、さらに系列２の最後部を先頭に付け替えてシフトさせることで系列３を生成するというように、順次リング状にシフトさせることで系列４、系列５、系列６を生成する。これをサイクリックシフトといい、サイクリックシフトにより生成されたＣＡＺＡＣ系列をサイクリックシフト系列という。以下、サイクリックシフト系列はシフト量を示す番号を用いてＳ１、Ｓ２・・・というように表記される。
上述したようにＣＡＺＡＣ系列の自己相関値は位相差０以外で常に０となるので、最後部から先頭に付け替えるサイクリックシフト量を想定される最大遅延パス時間以上にすることで、マルチパス環境においても複数のリファレンス信号を直交させることができる。例えば、ＬＴＥの伝搬路モデルは、最大遅延パスが約５μsec、１つのロングブロックが６６．６μsecであるから、理論上は６６．６／５の計算から１３個のサイクリックシフト系列を使用することが可能である。ただし、フィルタの影響等でパスのインパルス応答は広がってしまうため、実際に直交可能であるサイクリックシフト系列数は６程度とされている（非特許文献４参照）。
ＬＴＥの上りリンクのリファレンス信号（適宜、ＲＳと略記する。）は、大きく３種類に分類することができる。主にデータを送信するＰＵＳＣＨ(Physical Uplink Shared Channel)を復調するためのデータ復調用リファレンス信号、制御信号を送信するＰＵＣＣＨ(Physical Uplink Control Channel)を復調するための制御信号復調用リファレンス信号、および、上りリンクの伝搬路品質を測定するためのリファレンス信号あるいはＣＱＩ測定用リファレンス信号（以下、Soundingリファレンス信号という。）である。
図５は、ＰＵＳＣＨおよびＰＵＣＣＨとそれらの復調用リファレンス信号およびSoundingリファレンス信号とを含むスロットのリソース割当の一例を示すフォーマット図である。１スロットは７個のブロックで構成される。ＰＵＣＣＨには全帯域の端のリソースブロック（ＲＢ：Resource Block）が割り当てられ、ＰＵＣＣＨとＰＵＳＣＨはＦＤＭで多重される。なお、１リソースブロックは１２サブキャリアで構成される。
また、ＰＵＣＣＨ、ＰＵＳＣＨおよびそれらの復調に用いるリファレンス信号は、それぞれの帯域に時間分割多重（ＴＤＭ）される。Soundingリファレンス信号は、ＰＵＣＣＨおよびＰＵＳＣＨの復調に用いるリファレンス信号とは別にシステム帯域のリソースに割り当てられる。
図５に示すような制御信号（ＰＵＣＣＨ）送信において、より大きい周波数ダイバーシチ効果を得るために、ＰＵＣＣＨのユーザ多重はＰＵＣＣＨの帯域に拡散するＣＤＭを用いることが標準化で規定されている。このとき、拡散符号に用いる系列としてＣＡＺＡＣ系列を用いることにより、上述したリファレンス信号のＣＤＭ多重と同様に、ユーザ間で直交させることが可能となる。また、制御信号（ＰＵＣＣＨ）の復調に用いるリファレンス信号のユーザ多重においても、リファレンス信号の系列長が小さくならずＣＡＺＡＣ系列数が確保できるようにＣＤＭが採用される。
ＣＤＭ多重された複数ユーザ端末ＵＥのチャネル推定には、周波数領域での相関方式を用いることができる（非特許文献５のFigure 2を参照）。一例として、４つのユーザ端末ＵＥ１−ＵＥ４のチャネル推定について説明する。
図６はマルチユーザチャネル推定装置の基本的構成を示すブロック図である。ＣＰ削除部２０によって受信信号からサイクリックプレフィックス（ＣＰ）を削除した後、フーリエ変換（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform）部２１によって周波数領域へ変換される。続いて、乗算処理部２２によって、周波数領域の受信信号は、同じく周波数領域へ変換された１つのＣＡＺＡＣ系列と複素乗算される。この乗算結果が逆フーリエ変換（ＩＦＦＴ）部２３によって時間領域へ再変換されることで、ユーザ端末ＵＥ１−ＵＥ４のそれぞれのサイクリックシフト遅延に従った相関信号が得られる。このようにして推定された上りリンクもしくは下りリンクの信号受信品質に応じて、データレート制御が行われる。
ＣＤＭＡ受信装置におけるチャネル復調方法の一例が特許文献１に開示されている。この受信装置では、パスごとの遅延時間に対応する信号電力値分布を示す遅延プロファイルを用いてパスサーチを行う。さらに、パスサーチにより得られる所定数の復調用パスにそれぞれ対応するチャネル推定部およびチャネル復調部を有し、復調シンボルを位相調整した後、ＲＡＫＥ部によりパス合成を行うことで合成復調シンボルを得る。
3GPP TS36.211 v1.2.1 B. M. Popovic, "Generalized Chirp-Like Polyphase Sequences with Optimum Correlation Properties," IEEE Transactions on Information Theory, Vol.38, No.4, pp1406-1409, July 1992 3GPP R1-060925 TexasInstruments, "Comparison of Proposed Uplink Pilot Structures For SC-OFDMA," March 2006 3GPP R1-071294 Qualcomm Europe, "Link Analysis and Multiplexing Capability for CQI Transmission," March 2007 3GPP R1-070359 NEC Group, "Definition of Cyclic Shift in Code Division Multiplexing," Jan. 2007 特開２００５−７２９２７号公報（段落００７１、図１参照）
しかしながら、上述したように、制御信号はＣＤＭ、データはＴＤＭ／ＦＤＭというように、上りリンクの制御信号とデータ信号とは異なる多重方式が採用されている。この場合、データ信号の復調処理と同様の構成で制御信号の復調処理を行うと、制御信号送信方式の特性に合った処理を行うことができず、効率が劣化する。
また、特許文献１に開示された構成では、チャネル推定およびチャネル復調についてはユーザ毎に実施しなくてはならず、処理量や回路規模の面で効率が低下する。
そこで、本発明の目的は、制御信号の復調処理を効率よく行うことができる制御信号復調方法および装置を提供することにある。
本発明による制御信号復調装置は、所定の符号のサイクリックシフトにより得られた、複数の無線端末からのそれぞれが直交する制御信号およびリファレンス信号と前記所定の符号との周波数領域での相関に基づいて各無線端末の前記制御信号の復調を行う装置において、前記相関の相関プロファイルからリファレンス信号成分と制御信号成分とを分離する分離手段と、前記リファレンス信号成分の電力から各無線端末のパス位置を検出するパス検出手段と、前記パス位置に対応する前記リファレンス信号成分および前記制御信号成分のそれぞれの相関値を抽出する抽出手段と、前記リファレンス信号成分および前記制御信号成分のそれぞれ抽出された前記相関値を合成することで前記複数の無線端末のそれぞれの制御信号を生成する合成手段と、を有することを特徴とする。
本発明によれば、所定の符号のサイクリックシフトにより多重された複数の無線端末からのそれぞれの制御信号の復調処理を効率よく行うことができる。
１．構成
図１は本発明の一実施形態による制御信号復調装置を搭載した無線通信装置の機能的構成を示すブロック図である。ここでは、所定の符号としてＣＡＺＡＣ符号を用い、無線通信部１０１により受信した信号はフーリエ変換器１０２により周波数領域に変換され、サブキャリアデマッピング部１０３に入力するものとする。サブキャリアデマッピング部１０３は、データ信号以外の制御信号およびリファレンス信号に割り当てられたサブキャリアを周波数領域の受信信号から抽出し、制御信号復調処理部２００へ入力する。
制御信号復調処理部２００は、システムで使用されるＬ個のＣＡＺＡＣ符号Ｃ０〜ＣＬ−１ごとに分離されており、次に述べるように、それぞれのＣＡＺＡＣ符号においてサイクリックシフトにより多重された複数ユーザの制御信号を一括して復調する。各ＣＡＺＡＣ符号に対応する制御信号復調処理部は同じ構成を有するので、以下、図１に示されたＣＡＺＡＣ符号Ｃ０に対応する制御信号復調処理部を一例として説明する。
ＣＡＺＡＣ符号Ｃ０に対応する制御信号復調処理部は、ＣＡＺＡＣ符号Ｃ０を生成するＣＡＺＡＣ符号生成部２０１と乗算処理部２０２とを有し、乗算処理部２０２はサブキャリアデマッピング部１０３から入力した受信信号とＣＡＺＡＣ符号Ｃ０とを周波数領域にて乗算し、その結果が逆フーリエ変換器（ＩＦＦＴ）２０３により時間領域の信号に変換される。
ＩＦＦＴ２０３により時間領域に変換された信号は、図５に示すようにリファレンス信号（ＲＳ）とＰＵＣＣＨ上の制御信号とが時間多重されているので、分離部２０４によってリファレンス信号と制御信号とを分離する。パス検出部２０５は、後述するように、サイクリックシフト長により定義される各ユーザの遅延プロファイルから有効なパス位置を検出し、それをリファレンス信号のピーク値抽出部２０６および制御信号のピーク値抽出部２０７へそれぞれ出力する。
ピーク値抽出部２０６は、分離部２０４により分離されたリファレンス信号の系列からパス位置に相当する箇所の相関値を抽出し、ＲＡＫＥ合成係数としてＲＡＫＥ合成部２０８へ出力する。ピーク値抽出部２０７は、分離部２０４により分離された制御信号の系列からパス位置に相当する箇所の相関値を抽出し、ＲＡＫＥ合成部２０８へ出力する。これにより、ＲＡＫＥ合成部２０８から当該ＣＡＺＡＣ符号Ｃ０で多重された全てのユーザの制御信号を得ることができる。
以下、本実施形態におけるパス検出部２０５、ピーク値抽出部２０６および２０７の具体的な動作を説明する。
２．パス検出およびピーク値抽出
図２は本実施形態による制御信号復調装置におけるパス検出動作およびピーク値抽出動作の一例を示す模式図である。ただし、図１と同じ機能ブロックには同一参照番号を付して説明は省略する。
まず、分離部２０４が時間多重されているリファレンス信号と制御信号とを分離すると、リファレンス信号のみパス検出部２０５に送られる。リファレンス信号は、図６において説明したように、ＣＡＺＡＣ符号のサイクリックシフトにより多重されている各ユーザの遅延プロファイルとなっている。図２では、１シンボル区間（６６．７μｓ）に４Ｕｓｅｒ＃０〜＃３の遅延プロファイルが図示されている。
パス検出部２０５は、所定の閾値より大きい電力を示すタイミングを各ユーザの受信タイミングを示すパス位置として検出する。ここでは、ユーザ＃０にはパス＃０および＃１の２つのパスがあり、ユーザ＃１にはパス＃０のみ、ユーザ＃２にはパス＃０および＃１の２つのパスがあり、ユーザ＃３にはパス＃０のみがあるものとする。パス検出部２０５は、検出されたパス位置をピーク値抽出部２０６および２０７へそれぞれ出力する。
ピーク値抽出部２０６は、分離部２０４により分離されたリファレンス信号の系列からパス位置に相当する箇所の相関値を抽出し、ピーク値抽出部２０７は、図２に示すように、分離部２０４により分離された制御信号の系列からパス位置に相当する箇所の相関値を抽出する。ここで、ピーク値抽出部２０６により抽出されたリファレンス信号のピーク相関値は伝送路の変動を示すチャネル推定値を示し、ピーク値抽出部２０７により抽出された制御信号のピーク相関値は、送信された制御信号のＣＡＺＡＣ符号による逆拡散結果を示している。
３．制御信号の復調処理
次に、図１の本実施形態におけるパス検出部２０５、ピーク値抽出部２０６、２０７およびＲＡＫＥ合成部２０８による制御信号の復調処理を詳細に説明する。なお、この復調処理は、同様のプログラムをＣＰＵ等のプログラム制御プロセッサ上で実行することで実現することもできる。
図３は、本実施形態における制御信号復調方法を示すフローチャートである。まず、リファレンス信号が分離部２０４によって分離され、ピーク値抽出部２０６およびパス検出部２０５に入力する。パス検出部２０５は、入力したリファレンス信号のＩＦＦＴ結果を二乗して電力値に変換する（ステップＳ３０１）。図２のユーザ遅延プロファイルに示すように、あるシンボル区間の信号系列は、ＣＡＺＡＣ符号のサイクリックシフトによって多重されている全ユーザ（図２では４ユーザ）それぞれの遅延プロファイルが順番に現れる。
続いて、サイクリックシフトにより多重されている全ユーザを順次選択しながら、選択されたユーザのプロファイル点数だけ以下の処理Ｓ３０４〜Ｓ３０８を繰り返す。プロファイル点数は、各ユーザのパス位置の数であり、たとえば、図２に示す例では、ユーザ＃０はプロファイル点数は２である。
まず、選択されたユーザのプロファイル点数が設定され（ステップＳ３０２、Ｓ３０３）、パス検出部２０５は、当該ユーザの遅延プロファイルの電力値と閾値レベル（図２では破線)とを比較し（ステップＳ３０４）、電力値が閾値を超えるタイミングを当該ユーザの有効なパスタイミング（パス位置）として検出する。ピーク値抽出部２０６および２０７は、そのパス位置でのリファレンス信号および制御信号の相関値をそれぞれ抽出する（ステップＳ３０５）。この時、リファレンス信号の値は伝送路によって受けた変動を表しているので、これを合成係数としてＲＡＫＥ合成部２０８へ出力する。ＲＡＫＥ合成部２０８は、制御信号の相関とリファレンス信号の複素共役とを累積算することにより、制御信号の復調結果を出力する（ステップＳ３０６）。
上述したステップＳ３０４〜Ｓ３０６を各ユーザの全てのパスに対して行うことで（ステップＳ３０７、Ｓ３０８）、全ユーザの制御信号の復調結果を一括して得ることができる。
４．効果
上述したように、本実施形態によれば、制御信号の復調時に、ユーザ毎に時間軸上のフィルタリングなどの雑音除去処理を必要とせず、またサイクリックシフトされた同一のＣＡＺＡＣ符号で多重されている全ユーザの復調処理を一括して行うことが可能である。また、多重された複数のユーザ端末のリファレンス信号からそれぞれの受信品質を効率よく推定することができる。このようにＣＡＺＡＣ符号の特性を生かした復調処理により制御信号の受信処理を効率化できる。
以上の実施形態では、ＣＡＺＡＣ符号を用いて復調する無線通信システムを例として説明したが、本発明はこれに限定されず、サイクリックシフトの結果得られるリファレンス信号及び制御信号を直交させることができる符号であればよい。
また、本発明は、基地局装置だけでなく、移動局にも適用可能である。
なお、以上の実施形態においては、ＬＴＥの無線通信システムを例として説明したが、本発明はＬＴＥの無線通信システムに限らず、基地局装置および移動局を有する他の無線通信システムにも適用できる。
本発明は、上りリンクもしくは下りリンクの制御信号の復調処理を行う無線通信システム、たとえば移動体通信システムの基地局や移動局に適用可能である。
本発明の一実施形態による制御信号復調装置の機能的構成を示すブロック図である。 本実施形態による制御信号復調装置におけるパス検出動作およびピーク値抽出動作の一例を示す模式図である。 本実施形態における制御信号復調方法を示すフローチャートである。 ＣＡＺＡＣ系列に基づくサイクリックシフトを説明するための模式図である。 ＰＵＳＣＨおよびＰＵＣＣＨとそれらの復調用リファレンス信号およびSoundingリファレンス信号とを含むスロットのリソース割当の一例を示すフォーマット図である。 マルチユーザチャネル推定装置の基本的構成を示すブロック図である。
符号の説明
２１ 高速フーリエ変換部
２２ 乗算処理部
２３ 逆フーリエ変換部
１０１ 無線通信部
１０２ ＦＦＴ（高速フーリエ変換部）
１０３ サブキャリアデマッピング部
２００ 制御信号復調処理部
２０１ ＣＡＺＡＣ符号生成部
２０２ 乗算処理部
２０３ ＩＦＦＴ（逆フーリエ変換部）
２０４ 分離部
２０５ パス検出部
２０６ リファレンス信号ピーク値抽出部
２０７ 制御信号ピーク値抽出部
２０８ ＲＡＫＥ合成部

Claims (13)

  1. 所定の符号のサイクリックシフトにより得られた、複数の無線端末からのそれぞれが直交する制御信号およびリファレンス信号と前記所定の符号との周波数領域での相関に基づいて各無線端末の前記制御信号の復調を行う装置において、
    前記相関の相関プロファイルからリファレンス信号成分と制御信号成分とを分離する分離手段と、
    前記リファレンス信号成分の電力から各無線端末のパス位置を検出するパス検出手段と、
    前記パス位置に対応する前記リファレンス信号成分および前記制御信号成分のそれぞれの相関値を抽出する抽出手段と、
    前記リファレンス信号成分および前記制御信号成分のそれぞれ抽出された前記相関値を合成することで前記複数の無線端末のそれぞれの制御信号を生成する合成手段と、
    を有することを特徴とする制御信号復調装置。
  2. 前記所定の符号はＣＡＺＡＣ(Constant Amplitude Zero Auto-Correlation)符号であることを特徴とする請求項１に記載の制御信号復調装置。
  3. 前記相関プロファイルは、前記複数の無線端末のそれぞれの遅延プロファイルが時系列に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の制御信号復調装置。
  4. 前記パス検出手段は、前記相関プロファイルが所定閾値レベルを超える時間的位置をそれぞれの無線端末のパス位置として検出することを特徴とする請求項１−３のいずれか１項に記載の制御信号復調装置。
  5. 前記合成手段は、前記リファレンス信号成分の抽出された相関値の複素共役値と前記制御信号成分の抽出された相関値とを積算することを特徴とする請求項１−４のいずれか１項に記載の制御信号復調装置。
  6. 所定の符号のサイクリックシフトにより得られた、複数の無線端末からのそれぞれが直交する制御信号およびリファレンス信号と前記所定の符号との周波数領域での相関に基づいて各無線端末の前記制御信号を復調する方法において、
    前記相関の相関プロファイルからリファレンス信号成分と制御信号成分とを分離し、
    前記リファレンス信号成分の電力から各無線端末のパス位置を検出し、
    前記パス位置に対応する前記リファレンス信号成分および前記制御信号成分のそれぞれの相関値を抽出し、
    前記リファレンス信号成分および前記制御信号成分のそれぞれ抽出された前記相関値を合成することで前記複数の無線端末のそれぞれの制御信号を生成する、
    ことを特徴とする制御信号復調方法。
  7. 前記所定の符号はＣＡＺＡＣ(Constant Amplitude Zero Auto-Correlation)符号であることを特徴とする請求項６に記載の制御信号復調方法。
  8. 前記相関プロファイルは、前記複数の無線端末のそれぞれの遅延プロファイルが時系列に配置されていることを特徴とする請求項６または７に記載の制御信号復調方法。
  9. 前記相関プロファイルが所定閾値レベルを超える時間的位置をそれぞれの無線端末の前記パス位置として検出することを特徴とする請求項６−８のいずれか１項に記載の制御信号復調方法。
  10. 前記複数の無線端末のそれぞれの制御信号は、前記リファレンス信号成分の抽出された相関値の複素共役値と前記制御信号成分の抽出された相関値とを積算することで生成されることを特徴とする請求項６−９のいずれか１項に記載の制御信号復調方法。
  11. 請求項１−５のいずれか１項に記載の制御信号復調装置を有する無線通信装置。
  12. 所定の符号のサイクリックシフトにより得られた、複数の無線端末からのそれぞれが直交する制御信号およびリファレンス信号と前記所定の符号との周波数領域での相関に基づいて各無線端末の前記制御信号の復調を行う装置としてコンピュータを機能させるためのプログラムにおいて、
    前記相関の相関プロファイルからリファレンス信号成分と制御信号成分とを分離する分離手段と、
    前記リファレンス信号成分の電力から各ユーザ端末のパス位置を検出するパス検出手段と、
    前記パス位置に対応する前記リファレンス信号成分および前記制御信号成分のそれぞれの相関値を抽出する抽出手段と、
    前記リファレンス信号成分および前記制御信号成分のそれぞれ抽出された前記相関値を合成することで前記複数の無線端末のそれぞれの制御信号を生成する合成手段と、
    を有する制御信号復調装置として前記コンピュータを機能させるためのプログラム。
  13. 前記所定の符号はＣＡＺＡＣ(Constant Amplitude Zero Auto-Correlation)符号であることを特徴とする請求項１２に記載のプログラム。
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