JPH09503113A

JPH09503113A - マルチユーザ干渉低減のための方法および装置

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Publication number: JPH09503113A
Application number: JP7520919A
Authority: JP
Inventors: エレザリオ、エヴァンゲロス; ピイターソン、ブレント、ロバート
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1994-02-10
Filing date: 1994-02-10
Publication date: 1997-03-25
Anticipated expiration: 2013-12-16
Also published as: BR9408527A; DE69412288T2; JP2839039B2; CA2179979C; KR970700962A; US5761237A; EP0744101A1; DE69412288D1; EP0744101B1; KR100228950B1; WO1995022209A1; CA2179979A1

Abstract

(57)【要約】本発明は、入力信号のマルチユーザ干渉を低減するための装置および方法に関する。本発明による装置は、多変量予測器（８１）と決定量子化器（８２）とを含み、前記多変量予測器（８１）が干渉信号を抽出する手段（８３）により提供される干渉信号η’（Ｄ）に対して作用し、前記干渉信号η’（Ｄ）が前記入力信号と前記決定量子化器（８２）の出力号を抽出するための前記手段（８３）に供給される。

Description

【発明の詳細な説明】マルチユーザ干渉低減のための方法および装置技術分野本発明は、コード分割多重アクセス（ＣＤＭＡ）マルチチャネル通信システム、特に、ＣＤＭＡセルラ無線通信システムにおけるマルチユーザ干渉を低減するための方法および装置に関する。また、本発明は、ＣＤＭＡ赤外線（ＩＲ）ネットワークにも適用可能である。

発明の背景無線通信システム、特に、セルラ無線通信システムおよび拡散赤外線（ＩＲ）システムは、モビリティを高め、ほぼすべての場所の電話およびコンピュータ・ユーザに無線接続を提供するので、ますます重要なものになっている。後者は通常、コンピュータとサーバの相互接続などのために室内に配置されるが、セルラ無線通信システム、たとえば、米国のアナログＡＭＰシステムや、ヨーロッパのディジタルＧＳＭシステムは、ほぼすべての大都市地域での移動通信とデータ交換を容易にしている。新たに出現したパーソナル通信ネットワーク（ＰＣＮ）は、現在のアナログまたはデイジタル・セルラ・モービル無線技術によって表される通信能力より広範囲の通信能力を包含するものと思われる。この新たに出現したセルラ・システムでは、大容量のトラフィックと消費電力の低さが２つの重要な問題である。

現在、セルラ無線通信システムでのチャネル・アクセスは、周波数分割複数アクセス（ＦＤＭＡ）方式と時分割複数アクセス（ＴＤＭＡ）方式を使用することによって達成されている。ＦＤＭＡベースのシステムでは使用可能な周波数副帯の数によって容量が制限され、ＴＤＭＡシステムの容量は伝送された信号を伝達するフレーム当たりのスロットの数によって制限される。

これに対して、コード分割複数アクセス（ＣＤＭＡ）では、周波数と時間の両面で信号が重なることができる。したがって、すべてのＣＤＭＡ信号は同一周波数スペクトルを共用する。時間または周波数いずれかの領域では、複数アクセス信号が相互に支配しているように見える。ＣＤＭＡベースの通信システム・モデルを第４図に示す。伝送すべきｋ番目のユーザのデータ・ストリーム｛ｂ_k（ｎ）｝、たとえば、音声またはデータは、ユーザ固有信号ｓ_k（ｔ）によって変調される。各信号ｓ_k（ｔ）は固有の展開コードｃ _kに対応する。複数の展開スペクトル信号が変調され、無線周波（ＲＦ）搬送波で伝送される。受信側では、複合信号ｒ（ｔ）が復調され、指定の展開コードｃ _kと相関する。ユーザ固有の展開コードによる相関によって、対応するデータ信号が分離され、復調される。

ＣＤＭＡ技術に関連する利点はいくつかある。ＣＤＭＡベースのシステムの容量は、既存のアナログＦＤＭＡシステムの容量より数倍大きくなると予測されている。さらに、ＣＤＭＡはマルチパス干渉やフェーディングに耐えられる。しかも、ＣＤＭＡ信号のスクランブル形式により、呼出しの盗聴や追跡が難しくかつ高価なものになり、ユーザのプライバシー保証が向上し、放送時間の不正に対する耐性も強化される。

従来のＣＤＭＡシステムはマルチユーザ干渉によって限定されていたが、上記のＴＤＭＡシステムおよびＦＤＭＡシステムは主に帯域幅によって限定される。

したがって、ＣＤＭＡの実用的な実施態様では、容量が信号対混信（Ｓ／Ｉ）比に正比例するが、この比率は本質的に他の重複信号によって発生するマルチユーザ干渉の尺度である。したがって、解決すべき問題は、システム容量をさらに増加しながら、信号復号を効率よく正確に行えるように適度なＳ／Ｉ比を維持する方法である。

従来のコード分割複数アクセス・セルラおよびマイクロセルラ無線システムでは、長い展開コード、すなわち、その期間がデータ記号周期よりかなり長いシーケンスを使用し、マルチユーザ干渉の影響を緩和するために複雑で強力な重畳コードを使用し、「遠近問題」を救済するために電力制御方式に依存している。しかし、固定帯域幅のシステムでの同時伝送の数が増すにつれて、あるいは、各種ユーザ信号の相対電力レベルがまったく別々のものになると（遠近問題）、高性能が犠牲になることが分かっている。このようなシステムはマルチユーザ干渉および「遠近問題」に対して敏感なので、システム全体の容量が大幅に低減される可能性がある。また、各種ユーザ信号が異なる電力レベルで到着する可能性がある非同期アップリンク、すなわち、移動局（ＭＳ）から基地局（ＢＳ）への通信では、「遠近問題」がより重要になる。これに対して、同期ダウンリンク、すなわち、ＢＳからＭＳへの通信では、近隣基地局による同時伝送がマルチユーザ干渉の主な原因になる。

従来のＣＤＭＡシステムの一部、特に、現在の状況に関連のある受信機について、以下に説明する。M．B．パースリー（Pursley）の論文「Performance Evalu ation for Phase-Coded Spread Spectrum Multiple-Access Communication- Par t I: System analysis」（IEEE Transactions on Communications，Vol．COM-25 ，pp．795-799，1977年８月）には、従来の非同期ＣＤＭＡシステムのパフォーマンス上の制約が述べられている。

また、S.ヴェルデュ（Verdu）の論文「Minimum Probability of error for as ynchronous Gaussian multiple accesschannels」（IEEE Transactions on Info rmation Theory，Vol．IT-32，pp．85-96，1986年１月）には、複数の適合フィルタのバンクと、それに続き共同最大尤度シーケンス推定（ＭＬＳＥ）を実行するビタビ検出器とから構成される最適マルチユーザ受信機が検討されている。

R.ルパス（Lupas）およびS.ヴェルデュの論文「Linear multiuser detectors for synchronous code-division multiple access channels」（IEEE Transacti ons on Information Theory，Vol．IT-35，pp．123-136，1989年１月）には、同期または非同期ＣＤＭＡシステム用の部分最適線形マルチユーザ相関解除検出器が提示されている。このような部分最適検出器は、基本的には、ゼロ強制（ＺＦ）複数入力／複数出力線形等化器、すなわち、ＺＦ基準を使用してマルチユーザ干渉を最小限にする複数入力／複数出力線形フィルタである。また、この検出器は、ＺＦマルチユーザ等化器とも呼ばれる。相関解除検出器は遠近問題に耐えられることが分かっている。さらに、R.ルパスおよびS.ヴェルデュは上記の論文で、相関解除検出器またはマルチユーザＺＦ等化器ではすべてのユーザの展開コードを把握している必要があるが、相対受信信号電力を明示的に把握している必要はないと指摘している。

従来の多変量決定フィードバック等化器（ＭＤＦＥ）では、すべてのユーザの展開コードを把握している必要があるが、この等化器については、A.デュエル＝ハレン（Duel-Hallen）の論文「Equalizers for multiple input/multiple outp utchannels and PAM systems with cyclostationary input sequences」（IEEE Journal on Selected Areas in Communications，Vol．10，No．3，pp．630-639 ，1992年４月）に開示されている。また、C．A.ベルフィオーレ（Belfiore）および J．H.パーク（Park）ジュニアの報告「Decision feedback equalization」（Pro c．IEEE，Vol．67，No．8，pp．1143-1156，1979年８月）には、ノイズ予測決定フィードバック等化器（ＮＰ−ＤＦＥ）が提案されている。しかし、後者の構造は、単一変数の場合専用としてもたらされたものであり、記号間干渉（ＩＳＩ）と付加ノイズによって破壊された唯一のユーザのデータが検出されることを意味する。このような構造はＣＤＭＡシステムには適していない。

M.アブドゥルラーマン（Abdulrahman）、D．D.フォールコナー（Falconer）、 A．U．H．シェイク（Sheikh）の報告「Equalization for interference suppres sion in spread spectrum multiple access systems」（Conference Records IE EE VTC 92，Vol．1，(Denver，CO)，pp．1-4，1992年５月）には、ＣＤＭＡシステムでの適応部分チップ間隔決定フィードバック等化器（ＤＦＥ）の使用が述べられている。ＭＳ受信機に置かれた単一入力／単一出力適応ＤＦＥがマルチユーザ干渉の影響を緩和することができ、マルチパス構成要素の結合についてＲＡＫＥ（ＲＡＫＥとは、J．G.プロアキス（Proakis）著「Digital Communications」（McGraw-Hill Book Company，1983年）に記載されている受信機のコード名である）を実行することができること、また、干渉者の展開コードを明示的に把握する必要がないことも立証されている。ＤＦＥのフィードバック・セクションでは、単一ユーザによる過去の決定を使用しているので、さらにマルチユーザ干渉を補正することはできない。このような構成のフィードバック・セクションは、ＩＳＩ（記号間干渉）のみを除去する。

ＣＤＭＡシステムのもう１つの提案は、ユーザ・オーダの干渉者の信号を検出し減ずる技法に基づくものであり、干渉取消し（ＩＣ）とも呼ばれている。このＣＤＭＡシステムの提案は、Ｍ.エウァーブリング（Ewerbring）、G.ラルソン（ Larsson）、P.ティーダー（Teder）の論文「CDMA using interference cancella tion」（CEC Deliverable R2020/PKI/RI/DS/I/005/b1 (W.グランツォフ（Granzo w）編)，pp．141-163，1992年）に開示されている。しかし、このＣＤＭＡシステムの提案の多くの特徴には、ユーザの展開コードの知識が不可欠であるということが含まれている。

「Method and Apparatus for Reducing Effects of Multiple Access Interfe rence in a Radio Receiver in a Code Division Multiple Access Communicati on System」という名称の米国特許第５１３６６１２号には、別のＣＤＭＡ方式が開示されている。この米国特許によれば、マルチユーザ干渉とも呼ばれる複数アクセス干渉の影響を低減することによって、チャネル容量が増加する。ＣＤＭＡ無線伝送の受信は複数の段階で行われ、第１の段階後に複数アクセス干渉が推定される。次にこの複数アクセス干渉が元の受信入力から減じられ、複数アクセス干渉が低減された信号について初期の信号の検出が行われる。

「CDMA Subtractive Demodulation」という名称の米国特許第５２１８６１９号により、わずかに異なる手法が知られている。この手法によれば、受信した情報信号、すなわち、複合信号は、各情報信号が正常に復号された後、再符号化され、複合信号から除去される。このＣＤＭＡ復調は、信号強度が最も強いものから最も弱いものの順に複合信号を復号することによって強化されている。後者の２つの米国特許に共通の原理を第１図に示すが、同図は概略ＣＤＭＡ受信機を示している。同図に示すように、複合信号ｒ（ｔ）はデスプレッダ（ＤＳ）１０に供給され、そこではそれそれの情報信号を復号するために、送信機側で使用した展開コードが使用される。次にこれらの情報信号が決定量子化器（Ｑ）１１に転送される。検出された信号は、最も正しいと思われるものと、正しいとは思われないものとに分類される。その後、検出プロセと思われるものが展開回路（Ｓ）１２に戻され、そこで、対応する展開コードを使用して再符号化（展開）される。マルチユーザ干渉の一部を除去するために、再生成した展開波形が元の受信信号ｒ（ｔ）から減じられる。したがって、最初に正しくないと分類された出力が第２の段階で再検出される。

A.デュエル＝ハレンの論文に記載された構造の基礎となる概念を第２Ａ図に示す。これは、複数入力／複数出力順方向フィルタ１７と、複数入力／複数出力フィードバック・フィ員に関する決定を表し、決定量子化器１３の出力側に提供され、複数入力／複数出力フィードバック・フィルタ（ＦＢＦ）１４によってろ波される。そこから、量子化器の入力に戻され、マルチユーザ干渉を低減する。

M.アブドゥルラーマン他によって記載されたシステムの基出データ記号、すなわち、決定量子化器１５の出力側の記号は、単一入力／単一出力フィードバック・フィルタ１６を介して戻される。ただし、フィードバック・セクションは、マルチユーザ干渉ではなく、ＩＳＩしか緩和できないことに留意されたい。

依然として、「遠近」問題とマルチユーザ干渉は、容量増加の主な障害になっている。

発明の概要本発明の一目的は、各種ユーザの展開コードを明示的に把握する必要もなく、ＣＤＭＡシステムでの同時伝送による干渉の影響を緩和するための新規の構造および方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、各種ユーザの相対受信電力レベルを明示的に把握する必要もなく、マルチユーザ干渉を低減するための新規の構造および方法、すなわち、「遠近」問題に鈍感な構造および方法を提供することにある。

上記の目的は、特許請求の範囲１および１２に記載のマルチユーザ干渉を低減するための新規の方式を使用することによって達成されている。

本発明による多変量ノイズ予測決定フィードバック等化器（ＭＮＰ−ＤＦＥ）には、以下の利点がある。

１．多変量予測器係数の導出は、順方向マルチユーザ等化器係数の導出から切り離される。

２．多変量予測器は、固定デスプレッダなど、適応または固定の線形フィルタのバンクの出力に対して機能する。

３．ＭＮＰ−ＤＦＥをソフト決定重畳コード化と容易に組み合わせることができる。

４．ＭＭＳＥ（最小平均二乗誤差基準）に基づいて最適化されたＭＮＰ−ＤＦＥの多変量予測器と順方向線形マルチユーザ等化器は、ＬＭＳアルゴリズムを使用することにより、単純な適応実施に役に立つ。その後、順方向線形マルチユーザ等化器と多変量予測器は個別に更新される。

５．ＭＮＰ−ＤＦＥ構成の順方向線形マルチユーザ等化器は、Ｋ×Ｋ個のＴ間隔等化器のマトリックスが続くデスプレッダのバンクとして、またはＫ個の部分チップ間隔等化器のバンクとして実現することができる。この場合、Ｋは同期ユーザの数である。

図面および使用表記の説明図面を参照しながら、本発明を以下に詳細に説明する。

第１図は、当技術分野で既知のＣＤＭＡ受信機の概略ブロック図を示す。

第２Ａ図は、デュエル＝ハレンが記載する他のＣＤＭＡシステムの概略ブロック図を示す。

第２Ｂ図は、M.アブドゥルラーマン他が記載する他のＣＤＭＡシステムの概略ブロック図を示す。

第３図は、セルラ通信システムを示している。

第４図は、ＤＳ／ＣＤＭＡ（ダイレクトシーケンス・コード分割複数アクセス）通信システムを示す。

第５図は、等価離散時間複数入力／複数出力モデルを示す。

第６図は、ＭＭＳＥマルチユーザ線形等化器を示す。

第７図は、ユーザ１用の等化器／検出器構造を示す。

第８図は、本発明による多変量ノイズ予測決定フィードバック等化器の概略ブロック図を示す。

第９図は、本発明による他の多変量ノイズ予測決定フィードバック等化器の概略ブロック図を示す。

第１０Ａ図および第１０Ｂ図は、３人のユーザ用に設計された本発明によるＭＮＰ−ＤＦＥの概略ブロック図を示す。

第１１図は、本発明によるＣＤＭＡ赤外線ネットワークの概略ブロック図を示す。

一般説明通信システム・モデル：セル２１および２２と、基地局（ＢＳ）１５〜１７と、移動局（ＭＳ）１８〜２０とから構成されるセルラ・システムを第３図に示す。図示の通り、ＢＳのうちの２つは共通無線ネットワーク制御装置２３に接続され、第３のＢＳ１７は非協力オペレータ（図示せず）によって操作される。ＣＤＭＡシステムの場合、セル間の分離は、大部分が展開コードと距離によって達成され、一部が周波数と時間によって達成されている。しかし、セル間の分離は理想的ではないので、セル内干渉およびセル間干渉の原因となっている。さらに、同一地域内に協力または非協力オペレータが複数存在するために、マルチユーザ干渉の問題がさらに悪化する。

セル間干渉の発生原因：・ＢＳ１７からＢＳ１６とＭＳ２０への干渉など、非協力オペレータからのマルチユーサ干渉（ＢＳ１７が非協力オペレータに属している場合）・協力セルラ・システムからのマルチユーザ干渉・ＭＳ１９とＢＳ１６間のような、同一セルラ・システムの各種セルからのマルチユーザ干渉。新しいセルに対する何らかの形式のハンドオーバ時など、ＭＳ１９とＢＳ１６が通信を必要としている場合でも、ＢＳ１６がＭＳ２０からの信号を検出すると、ＭＳ１９からの信号がＢＳ１６で干渉を引き起こす可能性がある。

セル内干渉の発生原因：・ＢＳ１５など、何らかのセルラ・システムの１つのセル内でのマルチユーザ干渉。たとえば、ＢＳ１５はＭＳ１８からの信号を検出しなければならないが、それはＭＳ１９からの信号によって破壊される。また、ＢＳ１５はＭＳ１９からの信号も検出しなければならないが、それはＭＳ１８からの信号によって破壊される。

第４図は、ダイレクトシーケンスＣＤＭＡ（ＤＳ／ＣＤＭＡ）通信システム・モデルの一般ブロック図を示している。このモデルでは、共通付加白色ガウス・ノイズ（ＡＷＧＮ）チャネルが同期または非同期ユーザ（１，２，．．．，Ｋ）によって共用され、そのユーザの伝送出力は様々な値によって減衰されている。

一般性を失わずに、減衰レベルｗ₁，ｗ₂，．．．，ｗ_kは、対応するデータ記号ｂ₁（ｎ），．．．，ｂ_k（ｎ）とともにひとまとめになっている。さらに、受信機側の展開解除回路４０、４４、４５の存在が想定されている。この展開解除回路は、デスプレッダ４０と、積分ユニット４４と、ダンプ・ユニット４５とを含む。各ユーザの送信機は、基本的に、展開変調ユニット４１から構成される。移動局（ＢＳ）に位置する送信機の場合、遅延ユニット４２は、各種ＭＳユーザ間の伝送の相対遅延（τ₁，．．．，τ_k）を表す。次に加算ユニット４３は、物理媒体によって伝送されたときの信号の重ね合わせのプロセスを示す。これに対して、送信機が基地局（ＢＳ）に位置する場合、各種ユーザ間には相対遅延が存在しないので、対応ユニット４２を除去することができる。この場合、加算ユニット４３はＢＳ送信機の一部になる。

ｋ番目のユーザのデータ・シーケンス｛ｂ_k（ｎ）｝は、Ｄ変換によって表される。

この場合、ｋ＝１，２，．．．，Ｋであり、ｎは整数である。ベクトル表記では、ｂ（ｎ）＝（ｂ₁（ｎ），ｂ₂（ｎ），...，ｂ_k（ｎ））（２）によってデータ・シーケンス・ベクトルが表され、ｂ（Ｄ）によって対応するＤ変換が表される。記号は、１／Ｔの速度で伝送され、未相関になり、平均エネルキーが１になる。各ユーザに対応するシグナチャ波形は次の通りである。

この場合、ｐ_c（ｔ）はチップ・パルス形状であり、Ｎ＝Ｔ／展開コードである。

通常、ＢＳまたはＭＳ端末の送信機側の展開機能は、伝送されたデータ・シーケンス｛ｂ_k（ｎ）｝にシグナチャ波形Ｓ_k（ｔ）を掛けることによって行われる。スプレッダ４１（およびデスプレッダ４０）の代替実施態様は、展開コードをフィルタのインパルス応答にすることによる。したがって、伝送された展開信号は、乗算演算とは反対の畳み込み演算の結果になる。後者の手法の利点は、１つの記号期間より長い（または短い）展開コードに対応しながら、受信機側に含まれるマルチユーザ等化器の時間不変特性を維持できることである。表記を単純化するため、以下の説明では、第４図に示す乗算による展開を想定している。

受信機は、分散量がσ²で付加白色ガウス・ノイズη（ｔ）（ＡＷＧＮ）が存在する場合のＫ個のユーザ信号の重ね合わせｒ（ｎ）を検出する。すなわち、次の通りである。

₁＜τ₂．．．τ_k＜Ｔは相対時間遅延を表す。

適合フィルタリング（４０、４４、４５による）とサンプラ４５での記号速度サンプリングの後、１組の十分統計｛ｙ（ｎ）｝が得られる。この場合、ｙ（ｎ）＝（ｙ₁（ｎ），ｙ₂（ｎ），...，ｙ_k（ｎ））（５）およびｙ_k（ｎ）＝∫ｒ（ｔ）ｓ_k（ｔ−ｎＴ−τ_k）ｄｔ１≦ｋ≦Ｋ（６）は、ｋ番目の適合フィルタの出力を示す。ベクトル表記では、適合フィルタ出力を次のように書くことができる。

ｙ（ｎ）＝Ｒ（１）Ｗｂ（ｎ−１）＋Ｒ（０）Ｗｂ（ｎ）＋Ｒ（−１）Ｗｂ（ｎ＋１）＋η（ｎ）（７）（S.ヴェルデュの上記論文「Minimum probability of error for asynchronous Gaussian multiple access channels」も参照されたい。）したがって、重要なシステム・パラメータは、Ｋ×Ｋの相互相関マトリックスＲ（ｉ），ｉ＝−１，０，１と、対角マトリックスＷ＝ｄｉａｇ（ｗ₁，ｗ₂，．．．，ｗ_k）によって表される。Ｒ（ｉ）のｋｌ番目の要素は次のように計算される。

ｒ_kl（ｉ）＝∫ｓ_k（ｔ−π_k）ｓ₁（ｔ＋ｉＴ−τ₁）ｄｔ１≦ｋ，１≦Ｋ（８）ただし、Ｒ（０）は対称マトリックスであり、Ｒ（１）は対角成分がゼロの上三角マトリックスである。さらに、Ｒ（−１）＝Ｒ（１）^Tであり、Ｔは複素共役転置を示す。

また、適合フィルタ４０、４４の出力側のノイズ・ベクトルの自己相関マトリックスが次のように示されることが分かるだろう。

Ｒη（ｉ）＝Ｅ｛η（ｎ＋ｉ）η（ｎ）^T｝＝σ²Ｒ（ｉ）ｉ＝−１，０，１（９）式（７）と（９）は、ＣＤＭＡシステム用の等価離散時間複数入力／複数出力モデルの元である。第５図は、このモデルのブロック図を示している。式（７）を使用すると、等価チャネル５０の伝達関数マトリックスが次のように示されることが分かるだろう。

Ｓ（Ｄ）＝Ｒ（１）Ｄ＋Ｒ（０）＋Ｒ（−１）Ｄ^-1 （１０）同様に、離散時間ノイズ・ベクトルη（ｎ）のスペクトルは次のように示される。

式（７）と（９）、または同等に（１０）と（１１）は、Ｋ人の非同期または同期ＣＤＭＡユーザの共同検出問題を、付加色付きベクトル・ノイズが存在する場合に複数入力／複数出力離散時間チャネルから出現するベクトル・シーケンスを推定する問題に転換する。また、同じ式から、マルチユーザ干渉の確定的性質とそれが短展開コードの自己相関特性および相互相関特性に依存していることも明らかになる。したがって、記号間干渉（ＩＳＩ）と漏話を含む複数入力／複数出力チャネルによる多重化信号のために開発された等化技法の一部（A.デュエル＝ハレンの上記論文「Equalizers for multiple input/multiple output channe ls and PAM systems with cyclostationary input sequences」（IEEE J．Selec t．Areas Commun.，Vol．10，No．3，pp．630-639，1992年４月）とその参考文献を参照されたい）は、原則として、ＣＤＭＡシステムの同様の問題を解決するために適用することができる。

ＭＭＳＥ線形マルチユーザ等化器：適合フィルタ出力｛ｙ（ｎ）｝の追加処理が線形に制限されている場合、Ｋ× ＫでＴ間隔で無限長の横等化器の後にＫ個のメモリなし検出器のバンクが続く形態を取る線形受信器構造に到達する。ここで、Ｃ（Ｄ）はＫ×Ｋの等化器伝達マトリックスを示すとする。平均二乗誤差基準は次のようになる。

Ｅ｛｜ｘ（ｎ）−Ｗｂ（ｎ）｜²｝（１２）この場合、ｘ（ｎ）は、第６図に示すマルチユーザ等化器６０の出力を示す。直交性の原理を適用すると、ＭＭＳＥを示すこのマルチユーザ等化器６０の伝達マトリックスＣ（Ｄ）が得られる。すなわち、Ｃ（Ｄ）は次のように選択される。

Ｅ｛（ｘ（ｎ＋ｉ）−Ｗｂ（ｎ＋ｉ））ｙ（ｎ）^T｝＝０∀ｉ（１３）式（１３）は、Ｒ _x ,y（ｉ）＝Ｒ_wb,y（ｉ）になるか、またはＤ領域のクロススペクトルを使用すると同等にＳ _x ,y（Ｄ）＝Ｓ_wb,y（Ｄ）になる。このため、次のようになる。

Ｃ（Ｄ）（Ｓ（Ｄ）Ｗ²＋σ²Ｉ）Ｓ（Ｄ）＝Ｗ²Ｓ（Ｄ）（１４）この場合、ＩはＫ×ＫのＩＤマトリックスを表す。したがって、ＭＭＳＥ基準に基づくマルチユーザ等化器６０の伝達マトリックスＣ（Ｄ）は次のようになる。

Ｃ（Ｄ）＝Ｗ²（Ｓ（Ｄ）Ｗ²＋σ²Ｉ）^-1 （１５）第１のユーザのための本発明による等化器／検出器構造を第７図に示す。この場合、伝達関数ｃ₁₁（Ｄ），．．．，ｃ_1k（Ｄ）は、伝達マトリックスＣ（Ｄ）の第１行の要素である。この第１行の３つのユニット６１の概略を第７図に示す。ここで、η’（Ｄ）＝ｘ（Ｄ）−Ｗｂ（Ｄ）がマルチユーザ等化器６０の出力側のノイズと残留干渉ベクトルのＤ変換を示すとする。すると、 η’（Ｄ）＝（Ｃ（Ｄ）Ｓ（Ｄ）−Ｉ）Ｗｂ（Ｄ）＋Ｃ（Ｄ）η（Ｄ）（１６）とそのスペクトルが次のように示される。

S _η' (D)＝(C(D)S(D)−I)W²(C(D^-1)S(D^-1)−I)^T＋σ²C(D)S(D)C(D^-1)^T，（１７）この場合、第１項は残留干渉のスペクトルを表し、第２項は出力ノイズのスペクトルを表す。マトリックス反転補助定理を使用すると、次のように示すことができる。

S _η' (D)＝σ²C(D) . （１８）したがって、ｋ番目のユーザのＭＭＳＥは、ユニット円上のマトリックスＳη ’ Ｄ）のｋｋ番目の対角成分を積分するだけで計算することができる。すなわち、次のようになる。

ＺＦマルチユーザ等化器とは対照的に、各種ユーザの相対電力レベルはＭＭＳＥ等化器の伝達マトリックスＣ（Ｄ）に明示的に現れる。ＭＭＳＥに対するその影響については、数値計算によってすでに検討されている。すなわち、無限に長いＭＭＳＥマルチユーザ等化器は各種電力レベルに対してほとんど鈍感であることが分かっている。

この結果は、本発明のＭＭＳＥマルチユーザ線形等化器６０に固有の「遠近」に対する抵抗力を立証するものである。

ＭＭＳＥ多変量ノイズ予測決定フィードバック等化器：線形マルチユーザ等化器の出力側のノイズおよび残留干渉ベクトルη’（Ｄ）のＭＳＥは、多変量予測によってさらに低減することができる。ベクトルη’（Ｄ）上で白色化複数入力／複数出力フィルタとして機能する多変量予測器を使用するという考え方である。この趣旨は、第８図に示す多変量ノイズ予測決定フィードバック等化器構造の動機付けになっている。これは、上記の項で定義したように順方向ＺＦまたはＭＭＳＥ線形マルチユーザ等化器８０と、それに続く多変量予測器８１とから構成される。ここでは、この手法の基本原理について述べる。そこで、Ｐ（Ｄ）は一般多変量予測器Ｋ×Ｋ伝達マトリックスを示すものとする。すなわち、次のようになる。

この場合、Ｐ（０）は対角成分がゼロの下対角マトリックスのベクトルη’（ｎ−１），η（ｎ−２），．．．，だけでなく、現在の値η’_i+1 （ｎ），．．．，η’_k（ｎ）にも依存することに留意されたい。したがって、本発明による多変量予測プロセスは、過去の情報とユーザオーダの両方を利用するものと見なすことができる。メモリなし検出器８２の入力側のエラー・ベクトルｅ（Ｄ）は、次のように表すことができる。

したがって、ｅ（Ｄ）＝η’（Ｄ）−Ｐ（Ｄ）η’（Ｄ）（２２）は多変量予測誤差になる。広義の定常確率プロセスの逆スペクトル・マトリックス｛η’（ｎ）｝によって、次のような因数分解が可能になる。

S _η' (D)^-1＝ H(D^-1)TH(D) （２３）この場合、Ｈ（Ｄ）＝Ｈ（０）＋Ｈ（１）Ｄ＋Ｈ（２）Ｄ²．．．であり、Ｈ（０）は下三角非特異マトリックスである。同等に、次のようになる。

S _η' (D)^-1＝H'(D^-1)^T(H^d(O))²H'(D) （２４）この場合、Ｈ^d（０）はその要素がＨ（０）の対角成分である対角マトリックスであり、Ｈ’（Ｄ）＝Ｈ^d（０）^-1Ｈ（Ｄ）である。式（２２）を使用すると、次式が得られる。

S _e (D)＝(I-P(D))S _η' (D)(I-P(D^-1))^T .（２５）したがって、予測器８１の伝達マトリックスは次のように示される。

Ｐ（Ｄ）＝Ｉ−Ｈ^d（０）^-1Ｈ（Ｄ）（２６）また、予測誤差スペクトル・マトリックスは次のようになる。

Ｓ _e （Ｄ）＝Ｈ^d（０）^-2 （２７）したがって、ｋ番目のメモリなし検出器の入力側のＭＭＳＥ、すなわち、ｋ番目のユーザのＭＭＳＥは、式（２７）の対角マトリックスのｋｋ番目の対角成分になる。従来のマルチユーザＤＦＥとノイズ予測マルチユーザＤＦＥをパフォーマンス上同等にするには、次のように設定することができる。すなわち、およびＢ（Ｄ）＝Ｐ（Ｄ）＝Ｉ−Ｈ^d（０）^-1Ｈ（Ｄ）（２９）と定義する。

ここで、Ｆ（Ｄ）とＢ（Ｄ）がＭＤＦＥの順方向セクションとフィードバック・セクションとを定義する伝達マトリックスであることが容易に分かるだろう（Ａ．デュエル＝ハレンの上記IEEE J．Select．Areas論文を参照されたい）。したがって、無限に長いＭＮＰ−ＤＦＥと無限に長いＭＤＦＥが同じパフォーマンスを有する。しかし、実施態様の観点から見ると、この２つの方式は異なっている。

第９図は、多変量予測器構造の基本原理を示している。信号ベクトルｘ（Ｄ）のマルチユーザ干渉部分は、決定ベクトルチユーザ干渉部分の分離は、干渉信号８３の抽出によって行われる。時間とユーザ・オーダの両方で機能する多変量予測器８１により、ＭＭＳＥの点でできるだけマルチユーザ干る。入力ベクトルｘ（Ｄ）から多変量予測器出力η’（Ｄ）を減じると、量子化器８２の入力側のマルチユーザ干渉が最小限になる。

ＣＤＭＡシステム設計の考慮事項：以下の項では、本発明のＣＤＭＡシステムの一般的な態様について述べる。実際に応用する場合、ＭＭＳＥマルチユーザ線形等化器と多変量予測器は有限長を有する。有限長と既知の相互相関マトリックスの場合、１組の線形式を解くだけで、マルチユーザ等化器の係数を得ることができる。マルチユーザ・ノイズ予測決定フィードバック等化器の場合、順方向線形マルチユーザ等化器の係数をまず求めることから解法が始まる。次に、多変量予測器の係数が１組の一般標準式の解になる。適応等化器は、複数式の体系を明示的に解かずに正しい１組の係数に動的に収束するという特性を持つ。

ただし、等化器の実施態様および本発明の実施例は、基地局への伝送および基地局からの伝送が非同期であるかまたは同期であるかに依存しないことに留意されたい。同期伝送であれば、展開コードの直交性が改善され、マルチユーザ等化器のパフォーマンスがわずかに改善されるだろう。

本発明による線形ＭＭＳＥマルチユーザ等化器は、Ｋ×Ｋ個のＴ間隔の等化器のネットワークとして、またはＫ個の部分チップ間隔等化器のバンクとして実現することができる。後者の場合、展開解除機能を個別に明示的に実現する必要はない。部分チップ間隔等化器は、展開解除機能と等化機能の両方を同期化する特性を備えている。ＭＭＳＥ等化器の実際上の利点は、単純な適応実現に役立つことである。したがって、フェーディング・チャネルや未知の相互相関機能の場合、標準の適応アルゴリズムを応用することができる。この適応アルゴリズムは、参照指向モードまたは決定指向モードで機能することができる。チャネルが記号速度に比べ非常にゆっくり変化するような環境では、等化器が変化を追跡することはより易しくなるだろう。高速で変化する環境では、チャネル・サウンディングなどの追加の技法が必要になる可能性がある。しかし、マルチユーザ等化器はチャネル周波数応答を反転せず、むしろ、各種展開コードから形成される相関マトリックスのスペクトルを反転することに留意されたい。したがって、この点に関しては、一般にマルチユーザ等化器の追跡問題の方が、高速フェーディング周波数選択チャネルでの従来の単一入力単一出力等化器の追跡問題より容易になるはずである。

本発明のマルチユーザ・ノイズ予測決定フィードバック等化器の主な実際上の利点の１つは、順方向線形マルチユーザ等化器の適合が多変量予測器の適合から切り離されていることである。その結果、システムの通常動作に影響せずに、多変量予測器をいつでも切断したり接続することができる。たとえば、高速フェーディング状況でのフィードバックによって高いエラー伝播が検出された場合、多変量予測動作を完全に切断することが必要になる場合もある。これに対して、ヘビー・シャドウ化状況では、比較的大きい電力を備えたユーザに対して部分多変量ノイズ予測を適用すると、本来は高いエラー率が発生しそうな弱いユーザのパフォーマンスが大幅に改善される可能性もある。

通常、基地局（ＢＳ）は、特定のセル内のすべてのユーザ（ＭＳ）の展開コードを把握しており、共同マルチユーザ等化／検出方式を実現するためにさらに複雑なものを受信機に提供することができる。したがって、本発明のマルチユーザ・ノイズ予測決定フィードバック等化は、基地局での共同等化／検出のための有望な手法である。展開コードの知識を使用すると、必要に応じて等化器の高速収束または再訓練あるいはその両方の役に立つ可能性がある。これは、対応する展開コードが分かっている順方向マルチユーザ等化器係数を単純に事前設定するか、または展開コード、遅延、電力、マルチパス・プロファイルの知識を使用してマルチユーザ線形等化器係数の値を計算することによって、実施することができる。

基地局（ＢＳ）でのマルチパス受信は、デスプレッダとそれに続くマルチユーザ・ノイズ予測決定フィードバック等化器とＲＡＫＥ受信機とを組み合わせることによって実施することができる。共同等化／検出受信機の部分チップ間隔実施態様の場合、順方向部分チップ間隔マルチユーザ等化器によってマルチパス受信が固有かつ自動的に行われる。次に、マルチユーザ等化器によって、それがＭＭＳＥの解に適合するという意味でマルチパス構成要素の最適結合が得られる。重畳的に符号化されたデータの場合、決定フィードバックのためにビタビ・デコーダの経路メモリから信頼できる遅延決定を行うという問題は、インターリーバ／デインターリーバ対のパラメータを賢明に選択することによって効率よく解決することができる。

第１０Ａ図および第１０Ｂ図は、Ｋ＝３同期ユーザの共同等化／検出のための多変量ノイズ予測決定フィードバック等化器（ＭＮＰ−ＤＦＥ）の構造の実施例を示している。順方向セクション９０は、Ｋ＝３の部分チップ間隔等化器のバンクから構成される。前記順方向セクション９０の９つの遅延要素９２は、Ｔ_c／ｑの遅延に備えたものである。マルチユーザ等化器の係数はＴ_c／ｑ間隔になっており、ｑは整数の割合である。多変量フィードバック予測器（第１０Ｂ図を参照）は、Ｋ²＝９のＦＩＲ（有限インパルス応答）Ｔ間隔フィルタのバンク９１から構成される。前記Ｔ間隔フィルタのそれぞれは、遅延Ｔに備えた２つの遅延要素９３を含む。また、同図は、エラー信号ｅ_1i（ｎ）およびｅ_2i（ｎ）、ｉ＝１，２，３も示すが、これは、順方向マルチユーザ線形等化器係数と多変量フィードバック予測器係数をそれぞれ更新するために使用することができる。

ＭＮＰ−ＤＦＥの重要な特徴は、時間だけでなくユーザ・オーダの点でも干渉予測と減算を可能にすることである。ただし、同期ＣＤＭＡシステムでは、干渉予測がユーザ・オーダについてのみ行われることに留意されたい。この場合、フイードバック多変量予測器は、Ｋ（Ｋ−１）／２の単一タップ・フィルタから構成される。これは、フィードバック・フィルタ９１のバンク内の左端の列の係数のみ存在すると想定した場合の非同期ＣＤＭＡシステム（第１０Ａ図および第１０Ｂ図を参照）のケースでもある。

時間０の係数を除き、本発明のＭＮＰ−ＤＦＥのすべての係数は従来どおり、すなわち、ＬＭＳアルゴリズムのような技法を使用することにより、適応される。時間０の係数がどのように異なるかという例は、ユーザ・オーダ１、２、３による検出について第１０Ａ図および第１０Ｂ図に示す。この場合、適応された唯一の時間０の係数は、予測係数ｐ₂₁、ｐ₃₁、ｐ₃₂になる。０というラベルが付いた係数は必ずゼロであり、０ｍというラベルが付いた係数は現時点で、しかも、この特定の検出オーダについてのみ、ゼロである。しかし、ユーザのオーダで適当な変化が検出された場合に回復できるように、最後の非ゼロ値はどこか他の所に格納される。ユーザ・オーダの決定は、受信信号電力や、線形フィルタ９１のバンクの出力側の平均二乗誤差（ＭＳＥ）などのユーザ間の様々な基準の椎定に基づいて行うことができる。いずれの場合も、決定したユーザ・オーダは、フェーディングまたはノイズなどのチャネル障害によって変化する可能性がある。ユーザ・オーダの変更は、現行予測係数を保管し、新しいユーザ・オーダに対応する新しい組としてロードすることによって実施される。

また、本発明は、ＣＤＭＡ赤外線（ＩＲ）ネットワークにも適用可能である。

ＣＤＭＡベースのＩＲシステムを第１１図に示す。移動局１１０は、展開回路１１１とオプトエレクトロニクス伝送ユニット１１２とを備えている。オプトエレクトロニクス受信機１１３による光検出と、デスプレッダ４０によって行われる展開後に基地局では、マルチユーザ干渉を低減するために、各種ユーザの信号がＭＮＰ−ＤＦＥ１１５によって処理される。

【手続補正書】

【提出日】１９９６年８月９日

【補正内容】請求の範囲１．ＣＤＭＡ通信システム内の、入力信号ｘ（Ｄ）のマルチユーザ干渉を低滅するための装置において、前記装置が受信機の一部であるかまたは受信機に接続され、多変量予測器（８１）と決定量子化器（８２）とを含み、前記多変量予測器（８１）が干渉信号を抽出するための手段（８３）により提供される干渉信号η ’ （Ｄ）に対して作用し、前記干渉信号η’（Ｄ）が前記入力信号ｘ（Ｄ）と前記決定量子化器（８２）の出力側で得られる出力信号特徴とする装置。２．その入力側の第１の干渉低減のための順方向フィルタ（８０）のマトリックスをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。３．その入力側に位置する、第１の干渉低減のための部分チップ間隔フィルタのバンク（９０）をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。４．干渉信号を生成するための前記手段（８３）が前記入力徴とする、請求項１に記載の装置。５．前記予測器がＫ×Ｋ個のＴ間隔フィルタのネットワーク（９１）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。６．前記予測器が、前記入力信号ｘ（Ｄ）から、Ｋ×Ｋ個のＴ間隔フィルタの前記ネットワーク（９１）の出力側に提むことを特徴とする、請求項５に記載の装置。７．前記マトリックスの各順方向フィルタ（８０）が、・ゼロ強制（ＺＦ）線形等化器か、または・最小平均二乗誤差（ＭＭＳＥ）線形等化器のいずれかであることを特徴とする、請求項２に記載の装置。８．前記量子化器（８２）が、重畳的に符号化されたデータを復号するためのビタビ・デコーダであることを特徴とする、請求項１に記載の装置。９．前記予測器の予測係数を更新するために使用する予測誤差ｅ（Ｄ）を決定するための手段を含むことを特徴とする、請求項１ないし８のいずれかの一項に記載の装置。 10．基地局（ＢＳ）または移動局（ＭＳ）あるいはその両方が、請求項１ないし９のいずれか一項に記載の装置を含むことを特徴とする、ＣＤＭＡ通信システム。 11．ＴＤＭＡベースまたはＦＤＭＡベースのトラフィックを送受信するための装備をも備えることを特徴とする、請求項１０に記載のＣＤＭＡ通信システム。 12．ＣＤＭＡ通信システム内の、入力信号ｘ（Ｄ）のマルチユーザ干渉を低減するための方法において、ことにより、前記入力信号ｘ（Ｄ）から干渉信号η’（Ｄ）を抽出するステップと、・前記分離干渉信号η’（Ｄ）を入力として取ることにップと、・前記入力信号ｘ（Ｄ）から前記多変量予測器出力信号のノイズおよび残留干渉信号を低減するステップとを含むことを特徴とする方法。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】号を抽出するための前記手段（８３）に供給される。

Claims

【特許請求の範囲】１．入力信号ｘ（Ｄ）のマルチユーザ干渉を低減するための装置において、前記装置が受信機の一部であるかまたは受信機に接続され、多変量予測器（８１）と決定量子化器（８２）とを含み、前記多変量予測器（８１）が干渉信号を抽出するための手段（８３）により提供される干渉信号η ’ （Ｄ）に対して作用し、前記干渉信号η’（Ｄ）が前記入力信号ｘ（Ｄ）と前記決定量子化器（８２）の出力側で得られる出力信号特徴とする装置。２．その入力側の第１の干渉低減のための順方向フィルタ（８０）のマトリックスをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。３．その入力側に位置する、第１の干渉低減のための部分チップ間隔フィルタのバンク（９０）をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。４．干渉信号を生成するための前記手段（８３）が前記入力徴とする、請求項１に記載の装置。５．前記予測器がＫ×Ｋ個のＴ間隔フィルタのネットワーク（９１）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。６．前記予測器が、前記入力信号ｘ（Ｄ）から、Ｋ×Ｋ個のＴ間隔フィルタの前記ネットワーク（９１）の出力側に提むことを特徴とする、請求項５に記載の装置。７．前記マトリックスの各順方向フィルタ（８０）が、・ゼロ強制（ＺＦ）線形等化器か、または・最小平均二乗誤差（ＭＭＳＥ）線形等化器のいずれかであることを特徴とする、請求項２に記載の装置。８．前記量子化器（８２）が、重畳的に符号化されたデータを復号するためのビタビ・デコーダであることを特徴とする、請求項１に記載の装置。９．前記予測器の予測係数を更新するために使用する予測誤差ｅ（Ｄ）を決定するための手段を含むことを特徴とする、請求項１ないし８のいずれかの一項に記載の装置。 10．基地局（ＢＳ）または移動局（ＭＳ）あるいはその両方が、請求項１ないし９のいずれか一項に記載の装置を含むことを特徴とする、ＣＤＭＡ通信システム。 11．ＴＤＭＡベースまたはＦＤＭＡベースのトラフイックを送受信するための装備をも備えることを特徴とする、請求項１０に記載のＣＤＭＡ通信システム。 12．入力信号ｘ（Ｄ）のマルチユーザ干渉を低減するための方法において、ことにより、前記入力信号ｘ（Ｄ）から干渉信号η’（Ｄ）を抽出するステップと、・前記分離干渉信号η’（Ｄ）を入力として取ることにップと、・前記入力信号ｘ（Ｄ）から前記多変量予測器出力信号のノイズおよび残留干渉信号を低減するステップとを含むことを特徴とする方法。 13．第１の干渉低減ステップが、干渉信号η’（Ｄ）の前記抽出より前に行われることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。