JP5457428B2 - ワイヤレス受信機におけるデジタルサンプルの処理 - Google Patents

Description

本発明は、ワイヤレス通信システムの無線受信機と、無線信号の処理方法とに関する。

現在のワイヤレス通信における無線信号の送信は、大抵は規格化がなされているさまざまな通信システムに基づいて実現されている。故に、デバイスに対して、それらのワイヤレス通信システムのうちの１つ以上をサポートするように動作することへの要望が高まっている。移動無線受信機デバイスは、アナログ無線周波数（ＲＦ）／中間周波数（ＩＦ）段を具備し、これらは、１つ以上のアンテナを介してワイヤレス信号の送受信を行うように構成されている。典型的に、ＲＦ／ＩＦ段の出力は、ベースバンドに変換される。アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）が、入力されたアナログ信号をデジタルサンプルに変換し、次いで、デジタルサンプルは、信号の検出及び信号によって運ばれた情報データの復号のために処理される。あるいは、ベースバンドへの変換がデジタル領域で実行される場合には、ＡＤＣは、ＩＦにおいて直接動作する。信号検出を実行するためのデジタルサンプルに対するさまざまなタイプのフロントエンド処理が知られており、それには、レーキ受信機処理やチャネル等化処理が含まれる。その後に続く処理ステップには、復号ステップやエラーチェックステップがある。

符号分割多重接続（ＣＤＭＡ）ワイヤレスシステムでは、別個の物理チャネルが、符号領域において別個の拡散シーケンスを用いて多重化される。故に、直交拡散符号語の場合には、元のデータシンボルは、受信機における逆拡散によって効果的に分離できる。

広帯域ＣＤＭＡ（ＷＣＤＭＡ）携帯電話システムでは、ダウンリンク符号の多重化が直交可変拡散率（ＯＶＳＦ）符号を用いて実行される。しかしながら、ＯＶＳＦ符号語は、時刻合わせが完全であるという条件下でのみ互いに直交となる。多重経路伝搬の存在下では、符号の直交性が失われ、逆拡散動作は多重アクセス干渉（ＭＡＩ）の影響を受ける。

データチャネル（ＤＣＨ）で受信した情報データの信号処理を行うために、ＣＤＭＡ移動無線受信機は、伝統的にレーキプロセッサを利用する。レーキプロセッサの動作は、拡散シーケンスの相関特性に基づく。レーキプロセッサについては、例えば、非特許文献１に説明がある。

図１は、３ＧＰＰ広帯域符号分割多重接続（ＷＣＤＭＡ）受信機の主要機能構成要素を示す概略的な構成図である。参照符号２はアンテナを指す。アンテナ２は、ワイヤレス送信を受信して、それをアナログ形式でＲＦ及びＩＦ段４に与える。受信機フロントエンド６は、アナログ−デジタル変換機能を有しており、デジタルサンプルを信号検出ブロック８に与える。信号検出ブロック８は、さまざまな方法で実現でき、受信した符号化信号サンプルの逆スクランブル及び逆拡散を行う役割を果たす。受信した信号の信号対干渉プラス雑音比（ＳＩＲ）は、信号検出ブロック８の出力で測定できる。タイムスロット毎に、ブロックの受信が行われる。ブロックは、専用物理チャネル（３ＧＰＰ ＷＣＤＭＡにおけるＤＰＣＨ）上に多重化された複数のトランスポートチャネル（ＴｒＣＨ）を含む。図１に示されたように、信号検出及びチャネル復号の後、復号されたデータビットは、巡回冗長検査（ＣＲＣ）ブロック１２に与えられる。ＣＲＣチェックとは、データブロックが正しく復号されたか否かのチェックを指す。また、復号されたデータビットは、情報データとして出力される。情報データは、受信機により実現されるＱｏＳ測定に応じて、使用の判断がなされる。

ＣＤＭＡ技術に基づくものなどの干渉制限されたワイヤレスシステムに対し、送信出力コントロール（ＴＰＣ）メカニズムによってリンク適応が実行される。リンク適応は、十分な受信信号品質を達成するために十分かつ大き過ぎない出力で送信が行なわれることを保証する。すなわち、専用ダウンリンク出力は、指定されたＱｏＳを最小の出力で与えるように能動的にコントロールされる。このＱｏＳは、ＱｏＳを維持すると同時に最小出力レベルで動作する信号処理の実現によって達成される。

３ＧＰＰ ＷＣＤＭＡシステムでは、出力コントロールメカニズムは、２つの部分からなる。すなわち、１）「外部ループ」アルゴリズムと称され、ネットワークにより設定されたブロック誤り率（ＢＬＥＲ）目標を満たすために、目標となる信号対干渉プラス雑音比（ＳＩＲ）を設定及び調整するアルゴリズム１４と、２）「内部ループ」アルゴリズムと称され、受信機ＳＩＲ目標を満たすように送信機が自身の送信信号出力を調整できるようにするために、送信機に高速フィードバックを提供するアルゴリズム１６とである。フィードバックは、ワイヤレス信号として送信されるアップ／ダウン出力コマンドの形をとる。典型的に、内部ループ送信出力コントロール１６は、目標ＳＩＲ（ＳＩＲ_１）と受信信号から推定したＳＩＲ（ＳＩＲ_ｅｓｔ）との比較に基づいている。外部ループメカニズム１４は、ブロック誤り情報（ＢＥＩ）の受信に応答して、ＳＩＲ目標を増減させる。典型的に、ＢＥＩは、ＣＲＣチェック１２の合否によって得られる。データブロックが正確に受信された（ＣＲＣをパスした）場合、ＳＩＲ目標は下げられ、データブロックが不正確に受信された（ＣＲＣエラーとなった）場合、ＳＩＲ目標は引き上げられる。通常の環境では、内部ループ出力コントロールは、短期間（ＷＣＤＭＡにおいては、スロット毎に１ｄＢの出力変更が可能である）で新しい目標を満たすように送信出力を調整するために、送信機にフィードバックを提供できる。しかしながら、送信機の送信出力が許容できる最小出力に達した場合など特定の状況下では、受信機で推定された実際のＳＩＲを目標ＳＩＲまで引き下げることができないケースが生じる可能性がある。そのような場合、ＢＬＥＲは、目標率（ゼロもありうる）に劣ることとなろう。

J. G. Proakis, "Digital Communications", New York: McGraw-Hill, 1995

本発明の目的は、ワイヤレス通信環境における受信機の処理能力最適化にあり、特に、要求された信号処理能力を得るだけでなく、そのような処理能力を得るために必要となる演算リソース及び／又は電力消費の最小化をも考慮する。

本発明の一態様によれば、ワイヤレス通信システムにおけるワイヤレス送信チャネルを介して受信した信号からのデジタルサンプルを処理する方法が提供される。その方法は、目標信号品質値と推定受信信号品質値とを比較する比較段階と、推定受信信号品質値が目標信号品質値を所定期間にわたって越えているか否かを検出する検出段階と、上記検出段階に基づいてデジタルサンプルの処理を行うために、感度の異なる複数の処理ルーチンのうちの１つを選択する選択段階とを有する。

本発明は、３ＧＰＰ ＷＣＤＭＡに沿って説明される。この場合、比較段階に基づいて送信機による信号送信出力の調整が行われるように、送信機に比較段階の結果を提供する段階が存在する。しかしながら、当然、別の方式にも応用可能である。

本発明は、プロセッサによって実行されたとき、先に定義した方法を実現するコンピュータプログラム製品をさらに提供する。

方法の各段階は、上記信号のデータブロックを受信する受信機において実行される。

特に、本発明は、「過剰な（excess）」信号品質が所定期間にわたって検出された際、より低い感度の処理ルーチンを選択する場面で役立つ。

複数の処理ルーチンは、異なるアルゴリズム及び／又は異なるアルゴリズム実装を含んでよい。例えば、コントロール可能な処理選択肢には、
イコライザかレーキ受信機かの選択、
レートマッチングアルゴリズム（例えば、いくつかの反復ビットが無視できる）、
ビタビ復号における計算量削減アルゴリズムの選択（例えば、トレースバック長の短縮）、
ＨＡＲＱ実装、すなわち、いくつかのデータ符号を保存せずに無視すること、
より低いレートで実行可能なチャネルの推定
がある。

処理ルーチンの感度は、入力デジタルサンプルの品質に基づいて処理された情報のために、指定されたサービス品質（ＱｏＳ）を伝える能力を表わす。処理ルーチンの感度を高めるほど、より低い入力品質レベルで指定されたＱｏＳを生成できるようになるが、その実行には、より高いＭＩＰＳ（プロセッサによるルーチン実行の処理回数）及び消費電力を要する。ＱｏＳは、多数の異なるパラメータによって表わすことができ、ビット誤り率（ＢＥＲ）、ブロック誤り率（ＢＬＥＲ）、スループット、及びレイテンシを含む。

本発明の別の態様によれば、ワイヤレス通信システムで使用するための受信機が提供される。その受信機は、ワイヤレス送信チャネルを介して送信機から送信される信号を受信する受信手段と、目標信号品質値と推定受信信号品質値とを所定ブロックにわたって比較する比較手段と、推定受信信号品質値が目標信号品質値を所定期間にわたって越えているか否かを検出する検出手段と、感度の異なる複数の処理ルーチンを保持する保持手段と、検出手段に接続されており、デジタルサンプルを処理するために、感度の異なる複数の処理ルーチンのうちの１つを選択する機能を有した選択手段とを具備する。

目標信号品質値は、出力コントロールに使用できる。例えば、受信機は、送信機に比較手段の結果を提供する手段を具備してよく、それによって、送信機は、例えばＷ−ＣＤＭＡシステムにおいて、比較手段に基づいて送信出力を調整できる。

あるいは／さらに、目標信号品質値は、適応性変調及び符号化に用いられてもよい。

また、本発明は、ワイヤレス通信システムで使用するための移動端末を提供する。その端末は、デジタルサンプルの受信及び提供を行うワイヤレスインタフェースと、先に定義した通りにデジタルサンプルの処理を行う受信機とを具備する。

また、本発明は、先に定義した受信機と、送信機とを具備したワイヤレス通信システムを提供する。その送信機は、比較段階の結果に基づいて送信出力を調整する機能を有する。

推定受信信号品質値（例えば、ＳＩＲ）が目標信号品質値を越えたか否かの検出は、比較段階に直接に基づいて、又は、比較段階の結果として送信機に提供された出力コマンドのカウントに基づいて、又は、それらの組み合わせに基づいて行うことができる。

ワイヤレス受信機の処理構成要素を機能ブロックとして示した概略的な構成図である。 ワイヤレス通信受信機のアーキテクチャの概略的な構成図である。 感度の異なる処理ルーチンの選択の一実施形態を図示した機能ブロック図である。 処理ルーチン選択の別の実施形態の機能ブロック図である。 感度の異なる処理ルーチンを格納した表の概略図である。 コントロールループを実現する概略的な構成図である。

本発明のさらなる理解のため、かつ得られる効果を示すために、これより、例示を目的として添付の図面の参照を行う。

図２は、ワイヤレス通信システムにおいて信号の送受信を行うためのデバイスの概略的な構成図である。そのようなデバイスは、さまざまな方法で実現できるが、図２によれば、一連のＲＦ／ＩＦ段３２（図１のブロック４、６）は、１つ以上のアンテナ２を介してワイヤレス信号を送信及び受信（ＴＸ，ＲＸ）するように構成される。典型的に、ＲＦ／ＩＦ段の出力において、受信信号は、ベースバンドへと変換される。このとき、ＡＤＣがアナログ信号からデジタルサンプルへの変換を行う。図２のブロック３２には、受信した無線信号の処理と、デジタル信号サンプルｙ（ｋ）の提供とを行うための構成要素が含まれる。これは、当業者には既知のさまざまな方法で達成できるので、明細書中ではこれ以上の説明は行わない。

サンプルｙ（ｋ）は、データ転送エンジン３０に渡される。データ転送エンジン３０は、プロセッサ２２、命令メモリ２４、及びデータメモリ２６との通信を行う。プロセッサ２２は、サンプルｙ（ｋ）の処理を行う役割を果たす。プロセッサ２２は、さまざまな機能を実行でき、そのような機能は、コードシーケンスの形式で命令メモリ２４に格納されている。これにより、以下でさらに説明される多数の利点を有したソフトモデムと称されるものが提供される。

図３Ａは、本発明の一実施形態の原理を図示した概略的な構成図である。

信号受信機の構成要素は、機能ブロックとして示されている。当然ながら、これらの構成要素は、ハードウェア若しくはソフトウェア、又はあらゆる適切な手段で実現されてよく、かつ図３の構成は、あらゆる物理的構成を余すことなく表わしたものではない。明細書中に記載された限定を意図しない発明の一実施例であるアーキテクチャでは、機能的構成要素は、スケジューリングソフトウェアの管理のもと、プロセッサ２２に備わるコードシーケンスによって実現される。

信号処理ブロック４０は、受信機の信号処理機能を表わし、例えば、図１の機能ブロック８、１０、１２を含む。ブロック４０は、入力されたブロックのＳＩＲの推定を行うための推定機能４２を有する。これは、信号検出機能（８）で実現できる。信号検出機能は、デジタルサンプルｙ_ｋの信号検出を（例えば、処理を行うことによって）実行するとともに、通常はそのような処理の副産物として行われる、入力されたデジタルサンプルの信号対干渉比ＳＩＲ_ｅｓｔの推定をブロック毎に行う。受信機は、外部ループ出力コントロールアルゴリズム１４を用いて、目標となる信号対干渉比ＳＩＲ_ｔを調整する。アルゴリズム自体は既知のものであるので、明細書中ではこれ以上の説明は行わない。目標信号対干渉比ＳＩＲ_ｔと推定信号対干渉比ＳＩＲ_ｅｓｔとは、内部ループ出力コントロールアルゴリズム１６によって比較される。内部ループ出力コントロールアルゴリズム１６は、送信機から受信機へ送信される信号の出力を増減させるための送信機へのＴＰＣコマンドの送信をコントロールする。このメカニズムは、明細書の導入部に手短に説明されており、当業者には既知のものであるので、明細書中ではこれ以上の説明は行わない。

信号検出ブロック８での信号検出の副産物として推定信号対干渉比を生成することの代替手段として、推定信号対干渉比を生成するための独立した機能が提供されてもよい。

ブロック４０によって実行される信号処理は、さまざまな処理ルーチンを用いて実現できる。これらは、命令メモリ２４に格納された別個のコードシーケンスとして図示されている。特定の処理ルーチンを実行するために、適切なコードシーケンスがプロセッサ２２にロードされ、その処理ルーチンに従って信号の処理が実行される。処理ルーチンは別個のコードシーケンスとして示されているが、実際には、それよりも複雑な構成となることもある。すなわち、処理ルーチンは、同一のアルゴリズムの変形物（ＡＬＧ１，ＡＬＧ２，ＡＬＧ３）であってよく、各アルゴリズムは、共通のコードベースを実質的に有するとともに、命令メモリ２４又はデータメモリ２６から呼び出すことのできるさまざまなパラメータによって変形される。アルゴリズム（処理ルーチン）の各実施形態は、感度が異なっている。すなわち、それらは、（推定されたＳＩＲによって指示される）受信信号出力レベルの下限として要求されるサービス品質を提供する能力が異なる。処理ルーチンの感度を高めるほど、低いＳＩＲで信号処理を実行する際に、指定されたサービス品質を生成するのによい。しかしながら、より感度の高い処理ルーチンは、一般に、より高いＭＩＰＳ及び処理能力を使用する。３ＧＰＰユーザ機器では、物理層において、ＱｏＳが物理チャネルの選択によって定まり、目標ＢＬＥＲがネットワークの選択によって定まる。

明細書の導入部で説明した通り、送信機が既に自身の最小出力で送信を行っているにもかかわらず、内部ループ出力コントロールアルゴリズム１６による比較の結果、「ダウン」出力コントロールコマンドが、受信機から送信機に送り返され続ける状況が起こり得る。そして、これらのコマンドは処理されず、その結果、送信機は、自身の最小出力で送信を続ける。しかしながら、受信機はより低い出力レベルでの信号の受信を許容できるので、このようなことは、広く用いられているワイヤレス環境下では、受信機の要件に対して過剰となる。

このような状況で受信機の機能を最適化するために、本発明の一実施形態は、選択機能１７を提供する。選択機能１７は、推定ＳＩＲと目標ＳＩＲとの比較を行う。比較は、内部ループ出力コントロールブロック１６で実行される。「過剰ＳＩＲ（Excess SIR）」は、現在の目標ＳＩＲと現在のＳＩＲの推定値の平均との差分として定義できる。適切な期間にわたって過剰ＳＩＲが存在していた場合、選択機能１７は、サービス品質を劣化させることなく、処理機能の感度を減少させることができると判断する。したがって、感度を減少させた処理ルーチンが選択される。すなわち、信号検出ブロック８によって現在使用されている処理ルーチンよりも感度の低い処理ルーチンが選択される。期間は、環境によって決まるとともに、偶発的な過剰ＳＩＲの検出を回避するために十分な長さとなるように、かつプロセッサの動作に影響を与えるために十分に短くなるように選択される。感度を急激に増大させることは可能であるが、減少は緩やかとなる。感度増大が約５０ｍｓで行えるのに対して、感度減少には数百ミリ秒を要する。その切り換えは、アルゴリズムに従い、例えば、ターボ反復回数は４０ｍｓ毎に変化するのに対して、検索パラメータは５００ｍｓ毎に変化する。

図３Ｂには、変形実施形態が示される。この実施形態では、処理ルーチンの選択は、目標ＳＩＲと推定ＳＩＲとの比較ではなく、ＴＰＣコマンドのカウントに基づいて実現される。受信機は、送信機へ送信されるＴＰＣコマンドをチェックする（カウンタ１９）。カウント数が所定の数ｎを越えた場合、「ダウン」コマンドが連続的に送信される。これは、送信機が自身の最小出力に達し、かつ受信機が過剰なＳＩＲ状態にあることを示す。

逆に、過剰ＳＩＲ状態にあるときに、所定の数を越えるＴＰＣコマンドが「アップ」コマンドとして判断された場合、受信機がもはや過剰ＳＩＲ状態にないことが認められ、感度を増大させた処理ルーチンを再設定することが必要となる。

処理ルーチンをその感度に影響を与えるように変更する方法には、以下のものがある。
レーキ処理（ブロック８）におけるオーバーサンプリング率及びオーバーサンプリングフィルタの品質の引き下げ
レーキ処理（ブロック８）におけるレーキフィンガ数の削減
探索パラメータ、例えば、しきい値、検索率（検索をどのような頻度で実行するかの決定がコントロールコードで実現される）
ターボ復号機能（ブロック１０）におけるターボ反復回数の削減

さらに考えられるのは、処理に適さない劣った品質となりそうなデータを示すほど低いＳＮＲ比に関連した全データを破棄することである。

処理ルーチンは、先に説明したものと同様のアルゴリズム実装で表すことができる。その場合、実装毎の感度引き下げは、校正表によって範囲分けされる。図４は、校正表の一実施例を示す。

あるいは、図５は、過剰ＳＩＲが上記しきい値以上である限りは実装品質を減少させるコントロールループに基づく順序付けられた変形実施形態をアルゴリズム毎に概略的に示す。コントロールループは、プロセッサ２２上のコードシーケンスの自己実行によって実現できる。

特に、コントロールループを実現した図５の実施形態は、感度減少がチャネルに応じて変化する場合に、チャネル推定率の選択をコントロールすることで変更可能である。

２ アンテナ
４ ＲＦ／ＩＦ段ブロック
６ 受信機フロントエンドブロック
８ 信号検出ブロック
１０ 復号ブロック
１２ ＣＲＣブロック
１４ 外部ループ出力コントロールブロック
１６ 内部ループ出力コントロールブロック
１７ 選択機能ブロック
１９ ＴＰＣカウンタブロック
２２ プロセッサ
２４ 命令メモリ
２６ データメモリ
３０ データ転送エンジン
３２ ＲＦ／ＩＦ段
４０ 信号処理ブロック
４２ 推定機能ブロック

Claims (16)

1. ワイヤレス通信システムにおけるワイヤレス送信チャネルを介して送信機から受信した信号からのデジタルサンプルを処理する方法であって、
   目標信号品質値と推定受信信号品質値とを比較する比較段階と、
   比較段階に基づいて送信機による信号送信出力の調整が行われるように、送信機に比較段階の結果を提供する提供段階と、
   推定受信信号品質値が目標信号品質値を所定期間にわたって越えているか否かを検出する検出段階と、
   検出段階に基づいてデジタルサンプルを処理するために、感度の異なる複数の処理ルーチンのうちの１つを選択する選択段階と
   を有することを特徴とする方法。
2. 推定受信信号品質値を生成する段階をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 信号は、複数のブロックからなり、
   あるブロックに対して推定受信信号品質値を生成する段階は、当該ブロックのデジタルサンプルを処理する間に実行されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 複数の処理ルーチンが、信号検出ルーチン、復号ルーチン、フィルタリングルーチン、及び推定ルーチンのうちの１つ以上からなる異なるアルゴリズム実装を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 検出段階が、比較段階に基づいて行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 提供段階が、送信機に出力コマンドを送信するコマンド送信段階を有し、
   コマンドのうち、ダウン出力コマンドは、送信出力を減少させるように送信機に指示することを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 検出段階が、所定送信回数に達するまでダウン出力コマンドをカウントするコマンドカウント段階を有することを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. ワイヤレス通信システムで使用するための受信機であって、
   ワイヤレス送信チャネルを介して送信機から送信される信号を受信する受信手段と、
   目標信号品質値と推定受信信号品質値とを所定ブロックにわたって比較する比較手段と、
   比較手段に基づいて送信機による送信出力の調整が行われるように、送信機に比較手段の結果を提供する提供手段と、
   推定受信信号品質値が目標信号品質値を所定期間にわたって越えているか否かを検出する検出手段と、
   感度の異なる複数の処理ルーチンを保持する保持手段と、
   検出手段に接続されており、デジタルサンプルを処理するために、感度の異なる複数の処理ルーチンのうちの１つを選択する機能を有した選択手段と
   を具備することを特徴とする受信機。
9. 複数の処理ルーチンを記憶する記憶手段をさらに具備し、
   複数の処理ルーチンが、異なるアルゴリズム実装を含み、
   各実装は、関連した感度とともに記憶されていることを特徴とする請求項８に記載の受信機。
10. 感度の異なる処理ルーチンの順序集合から選択を行なう機能を有したコントロールループ手段をさらに具備することを特徴とする請求項８に記載の受信機。
11. 検出手段が、比較手段からの出力を評価する機能を有した評価手段を具備することを特徴とする請求項８に記載の受信機。
12. 提供手段が、送信機に出力コマンドを送信する機能を有したコマンド送信手段を具備し、
    コマンドのうち、ダウン出力コマンドは、送信出力を減少させるように送信機に指示することを特徴とする請求項８に記載の受信機。
13. 検出手段が、所定送信回数に達するまでダウン出力コマンドをカウントするコマンドカウント手段を具備することを特徴とする請求項１２に記載の受信機。
14. ワイヤレス通信システムで使用するための移動端末であって、
    デジタルサンプルの受信及び提供を行うワイヤレスインタフェースと、
    デジタルサンプルの処理を行う、請求項８ないし１３のいずれか１項に記載の受信機と
    を具備することを特徴とする移動端末。
15. プロセッサによって実行されたとき、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の方法の各段階を実行するプログラムコード手段からなるコンピュータプログラム。
16. ワイヤレス通信システムであって、
    請求項８ないし１３のいずれか１項に記載の受信機と、
    送信機と
    を具備し、
    送信機は、比較手段の結果に基づいて送信出力を調整する機能を有することを特徴とするシステム。

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