JP5344825B2 - 基準シンボルレートのナイキスト周波数よりも大きなオフセットを有するｔｄｍａ信号のための、繰り返しによるパイロット信号を用いた周波数オフセット推定及びｃ／ｉ比計測法 - Google Patents

Description

本発明は、通信装置に関し、特に無線通信装置に関するものである。

従来から、時分割多元接続方式（ＴＤＭＡ）通信システムが知られている。このシステムは、通常、一つあるいはそれ以上の数の基地局を有しており、（例えば、個人情報端末（ＰＤＡ）、携帯電話などの）携帯無線装置が、基地局を介して他の装置又は無線通信サービスにアクセスできるようになっている。

基地局へアクセスするため、携帯装置は、まずはじめに、一つあるいはそれ以上の数の制御チャネルを監視し、基地局からの信号を検出する。アクセスを可能とするために、基地局は、制御チャネル上に識別信号を送信する。

ＴＤＭＡ無線システムでは、受信したデータ信号を正確に復調し、搬送波対干渉波比を正確に計測するために、受信機が、タイミング同期及び周波数同期を行うことが重要である。これら両者の目的は、送信信号に既知のシンボルストリームを組み込んだ送信装置によって実現することができる。通常、これらの既知のシンボルは、基準シンボルと呼ばれる。

組み込まれた既知のシンボルストリームは、少なくとも、いくつかのＳＹＮＣ及び／あるいはＰＩＬＯＴシンボルを含んでいる。ＳＹＮＣシンボルは、基本的に、タイミング推定のために用いられ、ＰＩＬＯＴシンボルは、基本的に周波数推定のために用いられる。

受信機は、ＳＹＮＣシンボルを処理し、繰り返しフレーム構造内で、受信したＳＹＮＣシンボルと、既知のＳＹＮＣシンボルの既知の値との間の相関を求める。一旦、時間同期が確立されると、受信機はＰＩＬＯＴシンボルを用いて、周波数オフセットを推定する。

周波数オフセットは、受信信号の搬送周波数と、局発の基準周波数との差である。周波数オフセットは、携帯装置の任意の多数の異なる要因（例えば、クロックオフセット、ドップラー効果、同期クロック変動等）によって引き起こされる。

繰り返し周波数Ｆｐを有する基準シンボル（例えば、パイロットシンボル）に対しては、従来の（エイリアシングを行わない）方法を用いて推定することができる最大の周波数オフセットは、Ｆｐ／２となる（すなわち、パイロットシンボルの繰り返し率に相当するナイキスト周波数）。周波数オフセットが、Ｆｐ／２よりも大きい場合には、従来の方法では、正確に周波数を推定できず、搬送波対干渉波比（Ｃ／Ｉ）計測の精度はかなり悪くなり、不適切なチャネル選択、復調誤差、高いシンボルエラー率を引き起こす結果をもたらす。従って、Ｃ／Ｉ値を計算するためのより良い方法が求められている。

以下では、組み込まれたトレーニングシーケンスによって、一群のサンプルから無線信号を逆符号化するための方法及び装置を示す。本方法は、第一の周波数オフセットが、トレーニングシーケンスの基準シンボルの繰り返し周波数の半分未満であるものと仮定して、サンプルから第一の周波数オフセットを決定するステップと、第一の周波数オフセットに基づき、第一の搬送波対干渉波比を計算するステップとを含んでいる。本方法は、さらに、基準シンボルの繰り返し周波数の半分の整数倍から第一の周波数オフセットの絶対値を差し引き、第一の周波数オフセットの逆符号を第二の周波数オフセットに付与することにより、サンプルから第二の周波数オフセットを決定するステップと、第二の周波数オフセットに基づき、第二の搬送波対干渉波比を計算するステップと、計算した搬送波対干渉波比の相対値に基づき、第一及び第二の周波数オフセットの中から一方を選択するステップとを含んでいる。

他の特徴として、本方法は、さらに、より大きな相対値を有する搬送波対干渉波比を与える周波数オフセットを選択するステップを含む、第一及び第二の周波数オフセットの中から一方を選択するステップを含んでいる。

さらに他の特徴として、本方法は、さらに、無線信号の搬送波エネルギー（Ｅｃ）を決定するステップを含む、搬送波対干渉波比（Ｃ／Ｉ）を計算するステップを含んでいる。

さらに他の特徴として、搬送波エネルギーを決定するステップは、ＳＹＮＣ及びＰＩＬＯＴシンボルと、一群の基準ＳＹＮＣ及びＰＩＬＯＴシンボルとの相関を求めるステップを含んでいる。

さらに他の特徴として、本方法は、受信チャネル出力（Ｉｏ）を決定するステップを含んでいる。

さらに他の特徴として、受信チャネル出力（Ｉｏ）を決定するステップは、さらに、一群のサンプルの各サンプルを二乗し総和をもとめるステップを含んでいる。

さらに他の特徴として、搬送波対干渉波比（Ｃ／Ｉ）を計算するステップは、さらに、次式を解くステップを含んでいる。

図１は、本発明を例証する実施例に従い、一般的に示された無線トランシーバの一部である。無線トランシーバ１０は、搬送波対干渉波比の計測のために周波数オフセットを推定する新たな方法を用いている。無線トランシーバ１０は、図２に示すような、狭帯域時分割多元接続方式（ＴＤＭＡ）の携帯無線通信システム１００で用いられる。

ＴＤＭＡ無線受信システム１００では、クロック変動及びドップラー効果並びに非同期タイミング基準システムのために、受信信号１０４と局発の基準信号との間の周波数オフセットが頻繁に生じる。周波数オフセットの推定は、搬送波対干渉波比（Ｃ／Ｉ）の計測のために必須のステップである。従来のパイロット信号に基づく、周波数オフセットの推定では、推定できる最大周波数オフセットの上限値は、基準シンボル繰り返し率に相当するナイキスト周波数であることを教示している。周波数オフセットが、ナイキスト周波数より大きい場合には、従来の周波数オフセット推定方法では、正確な周波数オフセット値を求めることができない。そのため、搬送波対干渉波比の計測精度はかなり悪くなり、状況によっては、周波数同期を完全に失ってしまう結果をもたらす。この問題を克服するため、繰り返しパイロット信号援用による周波数オフセット方法を示す。この方法は、パイロット繰り返し率に相当するナイキスト周波数よりも大きな周波数オフセット値を、正確に推定できる。以下で説明する、繰り返しパイロット信号援用による周波数オフセット方法は、周波数オフセット推定アルゴリズムと、搬送波対干渉波比計算アルゴリズムとを統合し、繰り返しにより正確な周波数オフセットを求めるものである。送信機と受信機との間で比較的大きな周波数オフセットを有するＴＤＭＡシステムに対して、搬送波対干渉波比の計測に大きな改善をもたらすことを示す。

無線トランシーバ１０は、ＴＤＭＡシステム内のＣ／Ｉ比と周波数オフセットを、正確に計測するが、その際、受信信号の周波数オフセットは、基準シンボル繰り返し率に相当するナイキスト周波数Ｆｐよりも相当大きくなる。このような状況が起こるのは、受信機が単段周波数推定・補正ブロックを有していたり、粗周波数推定ブロックが、基準シンボル繰り返し率に相当するナイキスト周波数を下回る周波数オフセットの推定ができない場合である。なお、ここで説明する方法は、実質的に、データ収集が短いバースト状である場合、すなわち、短時間でのみデータ収集を行う場合に、有利なものである。この場合、位相同期ループや直接周波数推定器などによる、他の従来の推定方法では、効果的に周波数同期を行えない。

図１によれば、無線トランシーバ１０は、処理プラットフォーム１２と、基準受信機１６と、信号受信機１４とを含んでいる。基準受信機１６は、アンテナ１８から全地球測位システム（ＧＰＳ）信号を受信し、受信信号をＧＰＳ受信機２０に送り、そこで、受信信号からＧＰＳ時間信号を回復する。ＧＰＳ時間信号は、局発タイミング発生器２６内で、局発クロック信号を発生するために用いられる。

信号受信機１４は、通信システム１０２のローカル基地局１０２から信号１０４を受信する。信号１０４は、無線サブシステム２４内のベースバンドに落とされ、局発クロックの制御のもとでサンプリングされ、各サンプリング区間に対する一群のＩ、Ｑ値としてＩ／Ｏサンプルバッファ２７内に保存される。

バッファ２７からサンプリングされた信号は、相関プロセッサ２８への入力となり、そこで、サンプリングされた信号は、既知のＳＹＮＣシーケンスとの間の相関が求められる。既知のＳＹＮＣシーケンスは、メモリから取り出されたものであるか、基準ＰＩＬＯＴ／ＳＹＮＣシンボル発生プロセッサ３０内で生成されたもののいずれかである。

ＳＹＮＣプロセッサ２８内では、信号サンプルを、既知のＳＹＮＣシーケンスと比較し、両者が一致するまで比較を続ける。一致を検出すると、無線トランシーバ１０にフレーム同期が与えられる。

さらに、サンプリングされた信号は、パイロットチャネル・シンボルに基づく周波数推定プロセッサ３２に送られる。推定プロセッサ３２では、サンプリングされた信号のＰＩＬＯＴシンボルのＩ、Ｑ値を、発生器３０で発生させた一群の基準シンボルと比較する。この場合、フレーム又は、フレーム同期により、マルチフレーム内でのＰＩＬＯＴシンボルの位置を特定する。推定プロセッサ３２は、ＰＩＬＯＴ位置でのＰＩＬＯＴシンボルの位相を求め、さらに、以前のＰＩＬＯＴ位置と現在のＰＩＬＯＴ位置との間の全体的な位相差を求める。この位相差を、パイロット周期（Ｍ＊Ｔ。ここで、Ｍは、連続したＰＩＬＯＴシンボル位置の間にあるシンボル数であり、Ｔは、シンボル周期を表す）で割って、残留周波数誤差の推定値Ｆを求め、推定プロセッサ３２の出力とする。

従来の周波数推定方法は、信号１０４に対するＦｐＨｚの基準シンボル繰り返し率では、−Ｆｐ／２からＦｐ／２の周波数範囲での周波数オフセットＦは、Ｆ＝Ｆ０（Ｈｚ）だけしか与えられない。この推定値Ｆ０は、元の周波数オフセットがＦｐ／２未満である場合には正確なものとなる。しかし、エイリアシングによって、不正確なものとなる。従来の周波数推定方法では、Ｆｐ／２を上回る周波数オフセットについての推定は不確実なものであることがわかっている。実際に、所定の推定値Ｆ０に対して、実際の周波数オフセットは、
−Ｆｐ＋Ｆ０，ただしＦ０＞０かつＦ０＜｜Ｆｐ／２｜の場合 （１）
Ｆｐ＋Ｆ０，ただしＦ０＜０かつＦ０＜｜Ｆｐ／２｜の場合 （２）
となる。
従って、従来の方法で得られた周波数オフセット推定値Ｆ０を用いた無線トランシーバ１０では、この不確実性を解決するために、以下に示すステップを追加して実行することが必要となる。最初のステップでは、周波数推定プロセッサ３２内の周波数プロセッサ４２が、元の推定周波数Ｆの符号に応じて、式（１）又は式（２）を用い、他の周波数Ｆ’を計算して求める。例えば、Ｆｐが、なんらかの周波数（例えば、５０Ｈｚ）に等しい場合には、Ｆｐ／２＝２５Ｈｚとなる。もし、Ｆが１０Ｈｚに等しいと推定された場合には、（式（１）を用いて）Ｆ’＝−４０Ｈｚとなる。しかし、このＦ’は、ナイキスト周波数からずれている。

周波数推定プロセッサ３２は、二つの値（ＦとＦ’）を、パイロットチャネルシンボルに基づく位相推定プロセッサ３４に送る。位相推定プロセッサ３４では、サンプルストリームから受信したＰＩＬＯＴシンボルを比較し、ローカル時間を基準にした位相変化を決定する。

位相推定プロセッサ３４内の搬送波エネルギープロセッサ４４は、搬送波エネルギーＥｃを計算して求める。搬送波エネルギープロセッサ４４は、各々のオフセット周波数Ｆ及びＦ’で受信したＳＹＮＣシンボルとＰＩＬＯＴシンボルとの間の相関の強さと、それらの基準値とを比較することにより、搬送波エネルギーＥｃを求める。

位相推定プロセッサ３４内のチャネルパワープロセッサ４６は、受信したチャネルパワーＩｏを決定する。チャネルパワープロセッサ４６は、周波数Ｆ及びＦ’での受信サンプルの信号強度の二乗の総和を求めることにより、チャネルパワーを決定する。

搬送波エネルギーＥｃとチャネルパワーＩｏは、Ｃ／Ｉ計測及び決定制御ブロック３６に送られる。制御ブロックでは、先ず、各Ｃ／Ｉプロセッサ４８及び５０が、周波数Ｆ及びＦ’でのＥｃとＩｏの比、Ｅｃ／Ｉｏを求める。最後に、以下の式を用いて、各周波数Ｆ及びＦ’での比Ｅｃ／Ｉｏを、各プロセッサ４８及び５０で決定する。

最後のステップで、ＣＩＰプロセッサ４８及び５０は、周波数オフセットＦ又はＦ’のうち、より大きな比Ｃ／Ｉを持つものを選択するコンパレータ５２に、Ｃ／Ｉ値を送る。このステップでは、無線トランシーバ１０は、従来方法で扱うことができた周波数オフセットの上限を拡大するため、周波数オフセット推定とＣ／Ｉ計算を組み合わせている。

上記の方法は、多くの状況で、通常は繰り返して用いることができる。例えば、本方法は、システム１００内で最も近いところにある基地局を選択するために用いることができる。又は、本方法は、通信チャネルの変化を検出し追跡するために、繰り返して用いることができる。

なお、以上の説明では、周波数オフセットは、−ＦｐとＦｐの間であるとの仮定に基づくものであったが、上記の方法は、上述のナイキストサンプリング理論に基づいたエイリアシングを応用することにより、任意の周波数オフセット範囲（ナイキスト値の整数倍）に拡張することができる。処理性能を向上させ、メモリ容量を増やせば、適切なチャネルフィルタを用いることにより、本方法は、任意の大きな周波数オフセットの推定に拡張することができる。

図３に、シミュレーション結果の代表例を示す。ここでは、デジタルカラーコード検出速度について、従来の周波数オフセット方法によるものと、本方法によるものとを比較している。デジタルカラーコードは、基地局によって送信信号に変調される情報である。この情報は、複数の基地局を識別するために、受信機で用いられる。結果のグラフは、様々なオフセット条件でのデジタルカラーコード復調性能を示している。

図３からは、本方法が、従来の方法では得られなかった良好な性能をもたらすことが分かる。図３に示すように、１０ｄＢのＣ／Ｉ比において、従来の方法による受信機では、デジタルコードの検出が０％であった時間内に、受信機１０は、デジタルコードを概ね１００％検出できている。さらに、６ｄＢｎｏＣ／Ｉ比においては、従来の方法による受信機では、デジタルコードの検出が０％であった時間内に、受信機１０は、デジタルコードを概ね８７％検出できている。

以上、本発明を実施し利用する方法を示すために、オフセット周波数を決定するための方法と装置の特別な実施例を説明してきた。本発明とその様々な観点についての他の変更や修正は、当業者にとって自明であり、本発明は、上記の特別な実施例に限定されるものではない。従って、本発明と、ここで開示しクレームされた基本的な原理の真の精神及び範囲内に入るような任意及び全ての変更、修正又は均等物をカバーすることが企図されている。

本発明の実施例による、トランシーバの一部を示す図である。 図１のトランシーバを用いた通信システムを示す図である。 図１のトランシーバによる信頼性の高い検出と、従来のトランシーバによるものとの比較を示す図である。

符号の説明

１２ 処理プラットフォーム
１８、２２ 無線アンテナ
２０ ＧＳＰ受信機
２４ 無線サブシステム
２６ 局発タイミング発生器
２７ Ｉ／Ｏサンプルバッファ
２８ 相関に基づくＳＹＮＣピーク検出
３０ 基準ＰＩＬＯＴ及びＳＹＮＣシンボル生成
３２ パイロット信号シンボルに基づく周波数推定
３４ パイロットチャネルシンボルに基づく位相推定
３６ Ｃ／Ｉ計測及び決定制御ブロック
３８ Ｉ／Ｏブロック
４０ コンピュータ表示ユニット
４２ 周波数プロセッサ
４４ チャネルエネルギープロセッサ
４６ チャネルパワープロセッサ
４８ Ｃ／Ｉプロセッサ１
５０ Ｃ／Ｉプロセッサ２

Claims (14)

1. 組み込まれたトレーニングシーケンスで一群のサンプルから無線信号を逆符号化する方法であって、
   第一の周波数オフセットが、トレーニングシーケンスの基準シンボルの繰り返し周波数の半分未満であるものと仮定して、サンプルから第一周波数オフセットを決定するステップと、
   第一の周波数オフセットに基づき、第一の搬送波対干渉波比を計算するステップと、
   基準シンボルの繰り返し周波数の半分の整数倍から第一の周波数オフセットの絶対値を差し引き、第一の周波数オフセットの逆符号を第二の周波数オフセットに付与することにより、サンプルから第二の周波数オフセットを決定するステップと、
   第二の周波数オフセットに基づき、第二の搬送波対干渉波比を計算するステップと、
   計算した搬送波対干渉波比の相対値に基づき、第一及び第二の周波数オフセットの中から一方を選択するステップとを含むことを特徴とする方法。
2. 請求項１記載の、無線信号を逆符号化する方法において、
   前記第一及び第二の周波数オフセットの中から一方を選択するステップは、さらに、より大きな相対値を有する搬送波対干渉波比を与える周波数オフセットを選択するステップを含むことを特徴とする方法。
3. 請求項１記載の、無線信号を逆符号化する方法において、
   前記搬送波対干渉波比（Ｃ／Ｉ）を計算するステップは、さらに、無線信号の搬送波エネルギー（Ｅｃ）を決定するステップを含むことを特徴とする方法。
4. 請求項３記載の、無線信号を逆符号化する方法において、
   前記搬送波エネルギーを決定するステップは、さらに、ＳＹＮＣ及びＰＩＬＯＴシンボルと、一群の基準ＳＹＮＣ及びＰＩＬＯＴシンボルとの相関を求めるステップを含むことを特徴とする方法。
5. 請求項４記載の、無線信号を逆符号化する方法は、さらに、受信チャネル電力（Ｉｏ）を決定するステップを含むことを特徴とする方法。
6. 請求項５記載の、無線信号を逆符号化する方法において、前記受信チャネル電力（Ｉｏ）を決定するステップは、さらに、一群のサンプルの各サンプルを二乗し、それらの総和を求めるステップを含むことを特徴とする方法。
7. 請求項５記載の、無線信号を逆符号化する方法において、前記搬送波対干渉波比を計算するステップは、さらに、次式を解くステップを含むことを特徴とする方法。
   

   
8. 組み込まれたトレーニングシーケンスで一群のサンプルから無線信号を逆符号化する装置であって、
   第一周波数オフセットが、トレーニングシーケンスの基準シンボルの繰り返し周波数の半分未満であると仮定して、サンプルから第一周波数オフセットを決定する手段と、
   前記第一周波数オフセットに基づき、第一の搬送波対干渉波比を計算する手段と、
   基準シンボルの繰り返し周波数の半分の整数倍から前記第一の周波数オフセットの絶対値を差し引き、前記第一の周波数オフセットの逆符号を第二の周波数オフセットに付与することにより、サンプルから第二の周波数オフセットを決定する手段と、
   前記第二の周波数オフセットに基づき、第二の搬送波対干渉波比を計算する手段と、
   計算した搬送波対干渉波比の相対値に基づき、前記第一及び第二の周波数オフセットの中から一方を選択する手段とを含むことを特徴とする装置。
9. 請求項８記載の、無線信号を逆符号化する装置において、
   前記第一及び第二の周波数オフセットの中から一方を選択する手段は、さらに、より大きな相対値を有する搬送波対干渉波比を与える周波数オフセットを選択する手段を含むことを特徴とする装置。
10. 請求項８記載の、無線信号を逆符号化する装置において、
    前記搬送波対干渉波比（Ｃ／Ｉ）を計算する手段は、さらに、無線信号の搬送波エネルギー（Ｅｃ）を決定する手段を含むことを特徴とする装置。
11. 請求項１０記載の、無線信号を逆符号化する装置において、
    前記搬送波エネルギーを決定する手段は、さらに、ＳＹＮＣ及びＰＩＬＯＴシンボルと、一群の基準ＳＹＮＣ及びＰＩＬＯＴシンボルとの相関を求める手段を含むことを特徴とする装置。
12. 請求項１１記載の、無線信号を逆符号化する装置は、さらに、受信チャネル出力（Ｉｏ）を決定する手段を含むことを特徴とする装置。
13. 請求項１２記載の、無線信号を逆符号化する装置において、前記受信チャネル出力（Ｉｏ）を決定する手段は、さらに、一群のサンプルの各サンプルを二乗しそれらの総和を求める手段を含むことを特徴とする装置。
14. 請求項１２記載の、無線信号を逆符号化する装置において、前記搬送波対干渉波比を計算する手段は、さらに、次式を解くステップを含むことを特徴とする装置。
    

    

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