JPH08509591A - 通信システムにおいて多重拡散符号を利用する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 通信システムは、多重拡散符号を利用して、高データ・レート情報を送信する。このシステムは、高データ・レートのユーザ情報（２０１）を符号化し、この符号化された情報（２０２）を２ビットＢ１，Ｂ２からなるブロックに分割する。ビットＢ１およびＢ２の表現に基づいて、システムは、送信のために用いられる４つの可能な拡散符号（Ｗ₁，Ｗ₂およびそれらの位相反転Ｗ₁’，Ｗ₂’）のうち１つを選択する。受信時には、送信信号は、各拡散符号Ｗ₁，Ｗ₂に固有の相関器（３０６，３０９）に入力され、相関器（３０６，３０９）から出力される最大絶対値が判定される。この判定から、被送信拡散符号Ｗ₁，Ｗ₂，Ｗ₁’またはＷ₂が決定される。多重拡散符号を利用することにより、通信システムのワイヤレス・エア・インタフェースを変更せずに、高データ・レートの情報の送信が可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】 通信システムにおいて多重拡散符号を利用する 方法および装置 発明の分野 本発明は、一般に、通信システムに関し、さらに詳しくは、かかる通信システ ムにおいて多重拡散符号を利用することに関する。 発明の背景 通信システムは、多くの形態をとる。一般に、通信システムの目的は、情報を 有する信号を、ある点に位置する発信源から、ある距離離れた別の点に位置する ユーザ宛先に送信することである。通信システムは、一般に、３つの基本構成要 素、すなわち、送信機，チャネルおよび受信機によって構成される。送信機は、 メッセージ信号を、チャネル上で送信するのに適した形式に処理する機能を有す る。このメッセージ信号の処理は、変調という。チャネルの機能は、送信機出力 と受信機入力との間で物理的な接続を行うことである。受信機の機能は、受信信 号を処理して、元のメッセージ信号の推定値を生成することである。この受 信信号の処理は、復調という。 メッセージ信号を通信チャネル上で送信するため、アナログおよびデジタル送 信方法が用いられる。デジタル方法を利用することは、アナログ方法に比べてい くつかの動作上の利点を提供し、それには、チャネル雑音および干渉に対する耐 性の向上，システムの動作の柔軟性，異なる種類のメッセージ信号の送信のため の共通のフォーマット，暗号化による通信の機密性の向上および容量の増加があ るが、それらに限定されない。 割り当てられたチャネル帯域幅を有する通信チャネル上でメッセージ信号（ア ナログまたはデジタル）を送信する場合、メッセージ信号はこのチャネル上で効 率的に送信するのに適した形式に処理しなければならない。メッセージ信号の修 正は、変調と呼ばれる処理によって達成される。 この処理では、変調波のスペクトルが割り当てられたチャネル帯域幅と一致する ように、メッセージ信号に基づいて搬送波のパラメータを変更する。変更できる 搬送波のパラメータには、振幅，周波数および／または位相が含まれる。 よって、受信機は、チャネルによる伝搬後の送信信号の劣化したものから元のメ ッセージ信号を復元する必要がある。この復元は、送信機で用いられる変調処理 とは反対の復調と呼ばれる処理を利用して行われる。 スペクトル拡散システムは、特に、妨害（jamming）に対する耐性，良好な干 渉およびマルチパス阻止および盗聴に 対して本質的に安全な通信を提供する。スペクトル拡散システムにおいて、送信 信号が通信チャネル内の広い周波数バンド上で拡散される、変調方法が利用され る。周波数バンドは、送信対象の情報を送信するために必要な最小帯域幅よりも はるかに広い。例えば、音声信号は、情報自体の帯域幅のわずか２倍の帯域幅で 、振幅変調（ＡＭ）によって送信できる。低偏移周波数変調（ＦＭ）または単側 波帯ＡＭなどの他の形式の変調でも、情報自体の帯域幅と同等な帯域幅で情報を 送信できる。しかし、スペクトル拡散システムでは、送信される信号の変調は、 数キロヘルツしかない帯域幅のベースバンド信号（例えば、音声チャネル）を取 り、送信される信号を大きなメガヘルツ幅の周波数バンド上で分散することを含 む場合が多い。これは、送信される信号を、送信される情報と、広帯域符号化信 号（一般に拡散符号（spreading code）という）とで変調することによって達成 される。 従って、スペクトル拡散システムは、２つの特性、すなわち（１）被送信帯域 幅は、送信される情報の帯域幅またはレートよりもはるかに大きくなければなら ない、および（２）送信される情報以外のある機能を利用して、変調チャネル帯 域幅を判定する、という２つの特性を有していなければならない。 スペクトル拡散通信の本質は、信号の帯域幅を拡大し、この拡大された信号を 送信し、そして受信された拡散スペ クトルを元の情報帯域幅に再マッピングすることにより所望の信号を復元するこ とである。さらに、この一連の帯域幅処理を実行する過程で、スペクトル拡散方 法の目的は、システムが雑音の多い信号環境において誤りのない情報を伝達する ことを可能にすることである。 デジタル通信では、音声などのユーザ情報は、バイナリ情報のシーケンスに符 号化される。この符号化は、変調に便利であり、潜在的に劣化する通信チャネル 上で送信するために容易に誤り訂正符号化される。このようなバイナリ情報は、 「直接シーケンス」スペクトル拡散変調を利用して送信するのに特に適している 。直接シーケンスでは、デジタル情報は、ビット・レートが情報信号自体よりも はるかに高い拡散符号で拡散される。拡散はいくつかの方法で達成できるが、最 も一般的な方法では、（一般に適切な誤り訂正符号化の後に）情報の各ビットを 拡散符号のビットのシーケンスに追加する。従って、拡散処理で望ましいように 、送信したい各符号化情報ビットについて、多くのビットが生成される。 受信機がユーザ信号を拡散するために用いられる拡散符合を知り得るので、直 接シーケンス・スペクトル拡散通信システムの利点が得られる。当技術分野で周 知なように、受信機は、受信信号に適切に同期した後に、拡散シーケンスの複製 （replica）を利用して広帯域幅の拡散信号を復号できる。スペクトル拡散通信 システムの別の利点は、多重接 続機能を提供できる点である。特に、セルラ電話通信システムは、同一通信チャ ネル上で多くのリモート・ユーザと通信する特性を具現するように設計される。 直接シーケンス・スペクトル拡散とともに用いられる多重接続スペクトル拡散 通信システムの１つの種類として、符号分割多元接続（ＣＤＭＡ：code divisio n multiple access）通信システムがある。ＣＤＭＡ通信システムにおいて、２ つの通信ユニット間の通信は、通信チャネルの周波数バンド上で各送信信号を固 有のユーザ拡散符号で拡散することによって達成される。その結果、送信信号は 、通信チャネルの同じ周波数バンドにあり、固有ユーザ拡散符号によってのみ分 離される。特定の送信信号は、通信チャネルにおける信号の和を表す信号を、通 信チャネルから取り出すべき特定の送信信号に関連するユーザ拡散符号で逆拡散 （despread）することにより、通信チャネルから取り出される。同一チャネル上 に存在する他のすべての信号の和によって生じる干渉を低減するため、特に適し た拡散符号が用いられる。この目的のために、直交符号（orthogonal code）が 一般に用いられ、そのうち、ウォルシュ符号（Walsh code）が最も一般的である 。 多くのデジタルセルラ通信システムは、低減されたデータ・レート・トラヒッ ク・チャネルを提供する能力を有する。これらのシステムは、特定のデータ・レ ートで動作するように設計されたトラヒック・チャネルを有し、また設 計されたデータ・レートにおける容量以上のトラヒック・データ容量を提供する 低減されたデータ・レート・トラヒック・チャネルも有する。このように増加し たトラヒック・データ容量は、品質の低下および／または音声符号器および復号 器の複雑化を犠牲にして達成される。しかし、スペクトル拡散通信システム、特 に、ＣＤＭＡ通信システムでは、設計されたデータ・レート・トラヒック・チャ ネルよりも高いレートでデータの送信を可能にする、大きいまたは高いデータ・ レートのトラヒック・チャネルを提供する必要がある。ただし、このデータ・レ ート増加は、従来のハードウェア設計およびエア・インタフェース規格に対して トランスペアレントに達成しなければならない。 図面の簡単な説明 第１図は、従来のスペクトル拡散送信機のブロック図を示す。 第２図は、本発明により多重拡散符号を有利に利用できる、スペクトル拡散送 信機のブロック図を示す。 第３図は、本発明により多重拡散符号の送信を受信するスペクトル拡散受信機 のブロック図を示す。 好適な実施例の詳細な説明 通信システムは、多重拡散符号を利用して高データ・レート情報を送信する。 このシステムは、高データ・レートのユーザ情報（２０１）を符号化し、符号化 された情報（２０２）を２ビット、すなわちＢ１およびＢ２、からなるブロック に分割する。ビットＢ１およびＢ２の表現に基づいて、システムは、送信のため 利用される可能な４つの拡散符号（Ｗ₁，Ｗ₂およびそれらの位相反転であるＷ₁ ’，Ｗ₂’）のうち１つを選択する。受信されると、この送信信号は、各拡散符 号Ｗ₁，Ｗ₂に固有の相関器（correlator）（３０６，３０９）に入力され、これ らの相関器（３０６，３０９）から出力される最大絶対値が判定される。この判 定から、被送信拡散符号Ｗ₁，Ｗ₂，Ｗ₁’またはＷ₂’が決定される。多重拡散符 号を利用することにより、通信システムのワイヤレス・エア・インタフェースを 変更せずに、高データ・レート情報の送信が可能になる。 当業者に理解されるように、本発明により多重拡散利用を実施する多くの実施 例が存在する。好適な実施例では、スペクトル拡散通信システムは、誤り訂正符 号器／インタリーバ２２７およびシフト・レジスタ２２４を介して、送信すべき 情報を受け、この情報に基づいて、マルチプレクサ２０３を介して、複数の拡散 符号から１つの拡散符号を選択する。好適な実施例では、選択は符号化情報に基 づいて行われるが、別の実施例では、符号化の前の入力ユーザ情報に基づいて選 択は行われる。また好適な実施例では、 複数の拡散符号は、互いに直交な複数のウォルシュ符号である。 ここで、第１図を参照して、従来のスペクトル拡散送信機を示す。第１図の従 来のスペクトル拡散送信機において、ユーザ１のデータ・ビット１００は、特定 のビット・レート（例えば、９．６ｋｂｐｓ）で符号器１０２に入力される。ユ ーザ１のデータ・ビット１００は、ボコーダによってデータに変換された音声， 純粋なデータまたはこれら２種類のデータの組み合わせのいずれかを含むことが できる。符号器１０２は、ユーザ１データ・ビット１００を固定符号化レートで データ・シンボルに畳み込み符号化する。例えば、符号器１０２は、１９．２ｋ ｓｙｍ／ｓレートでデータ・シンボルを出力するように、１データ・ビット対２ データ・シンボルの固定符号化レートで受信データ・ビット１００を符号化する 。 符号器１０２は、符号化反復により、可変のより低いレートでユーザ１データ ・ビット１００の入力に対処できる。すなわち、データ・ビット・レートが、符 号器１０２が動作するように設計された特定のビット・レートよりも遅い場合、 符号器１０２は、ユーザ１データ・ビット１００を反復して、そのためユーザ１ データ・ビット１００は所望のフル・レートで符号器１０２内の符号化要素に与 えられる。例えば、入力レートが１／２レートの場合、情報は２回反復される（ すなわち、フル・レートを模擬する）。入 力レートが１／４レートの場合、情報は４回反復される。従って、符号器１０２ は、データ・ビット１００が符号器１０２に入力されるレートに関係なく、同じ 固定レートでデータ・シンボル１０４を出力する。 次に、データ・シンボル１０４は、インタリーバ１０６に入力される。インタ リーバ１０６は、入力データ・シンボル１０４をインタリーブする。インタリー ブされたデータ・シンボル１０８は、排他的ＯＲ合成器（exclusive-OR combine r）１１２の一方の入力に入力された同じデータ・シンボル・レート（例えば、 １９．２ｋｓｙｍ／ｓ）でインタリーバによって出力される。 長疑似雑音（ＰＮ）発生器（long pseudo-noise generator）１１０は、排他 的ＯＲ合成器１１２の他方の入力に動作可能に結合され、データ・シンボル１０ ８をスクランブルすることにより通信チャネルの機密性を向上させる。長ＰＮ発 生器１１０は、長ＰＮシーケンスを利用して、排他的ＯＲゲート１１２に入力さ れたデータ・シンボル１０８のデータ・シンボル・レート（例えば、１９．２ｋ ｓｙｍ／ｓ）に等しい固定レートで、シンボルのユーザ固有シーケンスまたは固 有ユーザ符号を生成する。スクランブルされたデータ・シンボル１１４は、デー タ・シンボル１０８が排他的ＯＲ合成器１１２に入力されるレート（例えば、１ ９．２ｋｓｙｍ／ｓ）に等しい固定レートで、排他的ＯＲ合成器１１２から出力 される。次に、スクランブル されたデータ・シンボル１１４は、排他的ＯＲ合成器１１８に入力される。 符号分割チャネル選択発生器１１６は、特定の所定長の拡散（ウォルシュ）符 号を排他的ＯＲ合成器１１８の別の入力に与える。符号分割チャネル選択発生器 １１６は、６４ｘ６４アダマール行列から６４個のウォルシュ符号に相当する６ ４個の直交符号のうち１つを与えることができ、ここでウォルシュ符号はこの行 列の単一の行または列である。排他的ＯＲ合成器１１８は、符号分割チャネル発 生器１１６によって入力された特定のウォルシュ符号を利用して、入力されたス クランブル・データ・シンボル１１４をウォルシュ符号拡散データ・シンボル１ ２０に拡散する。ウォルシュ符号拡散データ・シンボル１２０は、固定チップ・ レート（例えば、１．２２８８Ｍｃｈｉｐｓ／ｓ）で排他的ＯＲ合成器１１８か ら出力される。 ウォルシュ符号拡散データ・シンボル１２０は、２つの排他的ＯＲ合成器１２ ２，１２８の入力に与えられる。一対の短ＰＮシーケンス（すなわち、長ＰＮ発 生器１１０によって用いられる長ＰＮシーケンスに比べて短い）は、Ｉチャネル ＰＮ発生器１２４およびＱチャネルＰＮ発生器１３０によって生成される。これ らのＰＮ発生器１２４，１３０は、同じまたは異なる短ＰＮシーケンスを生成で きる。排他的ＯＲ合成器１２２，１２８は、ＰＮ Ｉチャネル発生器１２４およ びＰＮ Ｑチャネル発生器１３０によって それぞれ生成される短ＰＮシーケンスで、入力ウォルシュ符号拡散データ１２０ をさらに拡散する。その結果得られるＩチャネル符号拡散シーケンス１２６およ びＱチャネル符号拡散シーケンス１３２は、一対の正弦波の電力レベル制御を駆 動することにより、正弦波の直交対を二相変調（bi-phase modulate）するため に用いられる。正弦波の出力信号は、加算され、帯域通過濾波され、ＲＦ周波数 に変換され、増幅され、濾波されて、アンテナによって放射され、通信チャネル を介するユーザ１データ・ビット１００の送信を完成する。 第２図は、第１図の従来の実施例に示すレートの２倍のレートでユーザ・デー タを送信する好適な実施例を示す。チップ・レート，振幅，スペクトルなどの点 で、最終的に送信される信号の特性は、望ましいように、従来技術と同一である ことに留意されたい。ユーザ１のデータ・ビット２０１は、第１図の従来の送信 機と同じように符号化およびインタリーブを行う誤り訂正符号器／インタリーバ ２２７に入る。留意すべき重要な点は、第２図に示すユーザ１データ・ビット２ ０１は、第１図のビット１００のレートの２倍であることである。従って、誤り 訂正符号器／インタリーバ２２７を出るビット２０２は、第１図のインタリーバ １０６を出るビット１０８のレートの２倍である。誤り訂正符号器／インタリー バ２２７を出るビット２０２は、シフト・レジスタ２２４によって２ビットのワ ードにブロッ ク化され、これらのビットはＢ１およびＢ２と記される。これら２ビットの状態 は、マルチプレクサ２０３を利用して、送信される特定のウォルシュ符号および 位相を決定する。この２倍レートの例では、２倍のデータ・レートを送信するた めには、第１ウォルシュ符号Ｗ₁の他に、第２ウォルシュ符号Ｗ₂を利用する必要 がある。 ４対１マルチプレクサ２０３は、第１ウォルシュ符号Ｗ₁，その位相反転Ｗ₁’ ，第２ウォルシュ符号Ｗ₂およびその位相反転Ｗ₂’を入力として有する。送信さ れる特定のウォルシュ符号情報は、シフト・レジスタ２２４の内容Ｂ１Ｂ２によ って選択される。シフト・レジスタ２２４によって捕捉される各２ビットについ て、単一の６４ビット・ウォルシュ符号／位相選択が行われる。誤り訂正符号器 ２２７に入力される２倍レートに対処するため、マルチプレクサ２０３に入力さ れるデータ・レートと、ＰＮ拡散器２１２によって生成されるデータとの間で２ 分の１分周（divide by two）が行われる。従って、従来の例と同様に、送信の ため１．２２８８Ｍｃｈｐ／ｓｅｃのチップ・レートが維持される。 表１は、特定のウォルシュ符号がどのように選択されるのかを示す。 Ｂ１およびＢ２は、０または１のいずれかをとる。従って、Ｂ１およびＢ２につ いて４つの可能な状態がある。この表は、ウォルシュ符号／位相Ｗ₁，Ｗ₁’，Ｗ₂ またはＷ₂’のうち１つを選択するためこれらの状態をどのように利用するかを 示す。 第２図の送信機２００は、多重拡散符号（ウォルシュ符号）を利用して、送信 機ハードウェアを実質的に複製せずに、より高い（例えば、２倍）情報レートで 送信することを可能にする。同じことを第１図の従来の送信機で行う場合には、 ブロック１１６は一度に１つのウォルシュ符号（例えば、Ｗ₁）しか生成しない ので、送信機全体を複製しなければならない。次に、各送信機「鎖」の対応する 出力１２６，１３２は、送信のため加算される。一方、第２図の好適な実施例で は、より高い情報レートに対処するため多重ウォルシュ符号が利用され、１つの 送信機「鎖」だけですむ。これは、特に、高レートの音声符号器が望ましい 場合や、高レートのデータ送信が必要な場合などに利用される。 第３図は、第２図の送信機２００によって送信された信号を受信する受信機３ ００を示す。受信機３００は、ＰＮブロック３０３における受信復調器（図示せ ず）から受信された情報について通常のＰＮ訂正を行う。ＰＮブロック３０３か らの出力は分離され、２つのウォルシュ相関器３０６，３０９に供給される。相 関器３０６はＷ₁について用いられ、相関器３０９はＷ₂について用いられる。第 ２図の送信機２００は２つの独立したウォルシュ符号を利用して単一ユーザ（ユ ーザ１）の情報を送信するので、各ウォルシュ符号について１つの相関器が必要 とされる。第１図の従来のシステムでは、バイポーラ出力の極性が単一ウォルシ ュ符号のどの位相が送信されたかを判定するので、受信機において１つのウォル シュ相関器のみが用いられる。 相関器３０６，３０９によるウォルシュ逆相関（decorrelation）の次に、２ つの相関器３０６，３０９の出力は、セレクタ回路３１２によって調べられる。 セレクタ回路は、ウォルシュ相関器３０６，３０９のアナログ・バイポーラ出力 を調べることにより、どのウォルシュ符号／位相が実際に送信されたのかを判定 する。これは、相関器３０６，３０９のどの出力が最も大きい大きさ（絶対値） を有するか選択することによって行われる。この判定は、ウォルシュ符号Ｗ₁ま たはＷ₂のうち送信されたほうを与え る。次に、判定された信号の極性は、その位相を決定する。表２は、判定された ウォルシュ符号および位相のマッピングを示し、これは元の送信されたビットで あるＢ１，Ｂ２の値を固有に識別するために用いられる。この時点で、ビットＢ １，Ｂ２は、送信機２００の誤り訂正符号器２２７に本来入力された「ユーザ１ データ・ビット」を表す。 上記の方法を適切に実施するためには、当技術分野で周知の同期手法が必要なこ とが理解される。特に、受信機３００は、特定のウォルシュ符号および位相を選 択するため、２倍レート・ビットＢ１，Ｂ２がシフト・レジスタによってどのよ うにブロック化されるのかを把握しなければならない。すなわち、受信機は、（ 例えば）ウォルシュ符号Ｗ₁がブロック化されたビット「００」を表すことを把 握しなければならない。いったん判定されると、これらのビット（および他のビ ット）は、さらに処理され、宛先ユーザに 伝達される。 特定の用途では、レートが可変になるため、データの送信を変調することが望 ましい場合がある。そのような一例として、送信用の情報が可変レート音声符号 器によって生成される場合がある。この情報の低減された送信により、他のユー ザに対する干渉を低減することによるシステム改善を実現できる。また、このよ うに送信を制限することにより、携帯加入者ユニットのバッテリ消費も節減でき る。相関器出力信号の判定において適切な最小閾値を有利に利用することで、ウ ォルシュ符号が送信されないときを判定できる。 ウォルシュ符号および位相選択に対する可能なＢ１およびＢ２状態の割当は、 相対的な復号感度の差を考慮することにより最適化できる。これは、特定のウォ ルシュ符号の存在を判定する場合と、位相を判定する場合との間に感度差が存在 するという事実に起因する。例えば、表１は、復号感度を考慮するため再編成し て、以下の表３にすることができる。 当業者に理解されるように、ウォルシュ符号の多くの異なる組み合わせが存在す る。表３は、これらの組み合わせのうち１つを表す。 本発明について特定の実施例を参照して具体的に図説してきたが、発明の精神 および範囲から逸脱せずに、形式および詳細の点でさまざまな変更が可能なこと が当業者に理解される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．スペクトル拡散通信システムにおいて、多重拡散符号を利用する方法であっ て： 送信されるべき情報を受け入れる段階；および 前記情報に基づいて、複数の拡散符号から拡散符号を選択する段階； によって構成されることを特徴とする方法。 ２．前記選択する段階は、符号化情報に基づいて拡散符号を選択する段階をさら に含んで構成されることを特徴とする請求項１記載の方法。 ３．前記複数の拡散符号は、互いに直交することを特徴とする請求項１記載の方 法。 ４．前記情報は複数のビットであり： 送信されるべき前記複数のビットを符号化して、複数の符号化データ・ビット を生成する段階； 前記複数の符号化データ・ビットのうち少なくとも２ビットを分割する段階； および 前記分割された符号化ビットの表現に基づいて、前記複数の拡散符号から拡散 符号を選択する段階； をさらに含んで構成されることを特徴とする請求項１記載の方法。 ５．前記複数の拡散符号は、拡散符号の第１部分と、前記拡散符号の第１部分の 位相反転からなる拡散符号の第２部 分とをさらに含んで構成され； 前記拡散符号は、送信前に位相変調され；および 前記複数の拡散符号は、個別のＰＮ符号発生器によってさらに修正されること を特徴とする請求項４記載の方法。 ６．スペクトル拡散通信システムにおいて、多重拡散符号を利用する装置であっ て： 送信されるべき複数のビットを受け入れる手段； 前記受け入れる手段に結合され、前記複数のデータ・ビットのうち少なくとも ２ビットを分割する手段；および 前記分割する手段に結合され、前記分割されたビットの表現に基づいて、複数 の拡散符号から拡散符号を選択する手段； によって構成されることを特徴とする装置。 ７．前記受け入れる手段は、前記複数のデータ・ビットを符号化する手段をさら に含んで構成されることを特徴とする請求項６記載の装置。 ８．複数のデータ・ビットを符号化する手段は、誤り訂正符号器をさらに含んで 構成されることを特徴とする請求項６記載の装置。 ９．前記複数の拡散符号は、複数のウォルシュ拡散符号からなり； 前記複数の拡散符号は、個別のＰＮ符号発生器によってさらに修正されること を特徴とする請求項６記載の装置。 １０．前記受け入れる手段は、送信されるべき複数のビッ トを符号化する符号器であり； 前記分割する手段は、前記符号器に結合され、前記複数のデータ・ビットのう ち少なくとも２ビットを分割するシフト・レジスタであり； 前記選択する手段は、前記シフト・レジスタに結合され、前記分割されたビッ トの表現に基づいて、複数の拡散符号から拡散符号を選択するマルチプレクサで あることを特徴とする請求項６記載の装置。