JP2003506994A - スマート・アンテナおよび干渉キャンセレーションに基づいたベースバンド処理方法 - Google Patents
スマート・アンテナおよび干渉キャンセレーションに基づいたベースバンド処理方法Info
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Abstract
Description
テーションにおいて使用される干渉信号キャンセレーション技術に係り、詳細に
は、スマート・アンテナおよび干渉キャンセレーションに基づいたベースバンド
処理方法に関する。
システム・キャパシティーおよびシステム感度を上げるため、および、より低い
放射力でより長い通信距離を有するために、スマート・アンテナが一般的に使用
される。
信システム」(CN 97 104039.7)という中国における特許では、ス
マート・アンテナを備えたワイヤレス通信システムのベース・ステーション構造
が開示されている。ワイヤレス通信システムは、1つもしくは複数のアンテナ・
ユニットを有するアンテナ・アレイを含んでいる。アンテナ・ユニットは、無線
周波フィーダ・ケーブルおよびコヒーレント無線周波トランシーバのセットに対
応している。ユーザ・ターミナルから送信される信号に対する、各々のアンテナ
・ユニットの異なるレスポンスにより、ベースバンド・プロセッサーは、信号の
到着(DOA:direction of arrival)の空間特性ベクトルおよび方向を取得す
る。次に、対応アルゴリズムにより、アンテナ・ビーム形成(beam forming)受信
が実行される。それらの中で、フィーダ・ケーブルとコヒーレント無線周波トラ
ンシーバに対応するすべてのアンテナ・ユニットが、リンクと呼ばれる。重み(w
eight)の使用によって、下りリンクの送信ビーム形成のために、上りリンクから
各々のリンクの受信ビーム形成が取得されるので、スマート・アンテナの全体の
相関性は、対称な波伝播条件の下でなされることができる。
雑で可変な環境でなされるため(ITU提案M1225参照)、時間変動とマル
チパス伝播のシビアな影響を考慮しなければならない。上記された特許、および
、スマート・アンテナのビーム形成アルゴリズムに関する多くの開示されている
技術文献における結論は、より多くの機能性は、より多くのアルゴリズムの複雑
さによるであろう、ということである。しかしながら、移動通信環境において、
ビーム形成はリアル・タイムでなされなければならず、アルゴリズム完了時間は
マイクロ秒レベルである。今日のマイクロ・エレクトロニック技術の限界として
、ディジタル信号プロセッサー(DSP)もしくは特定用途向けIC(ASIC
)は、短時間の間に、あまりにも複雑なリアルタイム処理を実装することができ
ない。上記のような矛盾に直面するため、移動通信環境においては、スマート・
アンテナの単純でリアル・タイムなアルゴリズムは、マルチパス伝搬の問題を解
決することができないだけでなく、CDMA移動通信システムのシステム・キャ
パシティー問題をまったく解決することができない。
シーバーおよび結合検出(Joint Detection)もしくはマルチユーザ検出(Multi Us
er Detection)のような技術を研究し、符号分割多重接続の移動通信システムに
おいてそれらを広く使用している。しかしながら、上記されたRakeレシーバ
ーもしくはマルチユーザ検出技術は、スマート・アンテナを備えた移動通信シス
テムにおいて、直接使用することはできない。その主要な理由は次のとおりであ
る。: チャネル評価およびフィルタ・マッチングの後に、マルチユーザ検出技術
は複数のコード・チャネルのCDMA信号を処理する。すべてのユーザ・データ
は、逆マトリックスにより、スマート・アンテナ技術を除いて、解決される。各
々のコード・チャネルのビーム形成は別々になされる。ユーザ・マルチパスによ
りもたらされる多様な利点を使用することは困難である。;Rakeレシーバー
技術はユーザ・メイン・マルチパス・コンポーネントを構成する。しかしながら
、それは、アンテナ・アレイのアンテナ・ユニット間の位相関係を破壊する。ま
た、Rakeレシーバ原理の制限により、ユーザの数はスペクトル拡散係数と同
様である。これは、十分なコード・チャネル環境で作動することを不可能とする
。
ゴリズムは未熟で、複雑である。
る。;しかしながら、この時に、各々のコード・チャンネルが分離されるため、
処理は各々のコード・チャネルのために分離されなければならない。結果は、マ
ルチユーザ検出機能を完全に活用することができないだけでなく、ベースバンド
信号処理の複雑さを非常に増加させる。
りよいパフォーマンスを有するためには、スマート・アンテナに基いたCDMA
ワイヤレス通信で使用されることが好ましい、シンプルでリアル・タイムで動作
する干渉キャンセレーション方法を探す必要がある。
ンに基いたベースバンド処理方法を提供することである。新しいディジタル信号
処理方法を設計することにより、その方法を使用するCDMA移動通信システム
もしくは他のワイヤレス通信システムは、スマート・アンテナを使用することが
でき、同時にマルチパス伝搬干渉を解決することができる。
とである。このディジタル信号処理方法は、CDMA移動通信システムもしくは
他のワイヤレス通信システムで使用することができ、スマート・アンテナを使用
し、様々なマルチパス伝播干渉を解決することができる。
ンド処理方法は、A.チャネル評価を行うために、公知のユーザ・トレーニング
・シーケンスにより、各々のリンク・アンテナ・ユニットおよび無線周波トラン
シーバからサンプリング・データ出力信号を取得し、すべてのチャネルのすべて
のユーザ・レスポンスを取得するステップと、B.前記チャネル評価に基づき、
スマート・アンテナのビーム形成を使用して、前記サンプリング・データ出力信
号から有用なシンボリック・レベル信号を抽出するステップと、C.前記有用な
シンボリック・レベル信号により信号を再構築し、スクランブル・コードを加え
、チップ・レベル再構築信号を取得するステップと、D.再構築信号を前記サン
プリング・データ出力信号から減じるステップと、E.すべてのユーザ信号がリ
カバーされるまで、ステップBからDを繰り返し実行するステップと、を有する
。
各々のユーザ・トレーニング・シーケンスに関連し、予め計算され、記憶されて
いる。
ザのレスポンスのパワー評価を行うステップと、すべてのユーザのメイン・パス
およびサーチ・ウィンドウのマルチパス・パワー分布を計算するステップと、信
号を生成するために、計算されたパワー分布を信号ジェネレータに送信するステ
ップと、を有し、信号生成処理は、各々のユーザの最大ピーク値パワー位置を計
算するステップと、ピーク値パワー位置をパワー・ポイントで記憶するステップ
と、スマート・アンテナ・アルゴリズムにより、パワー・ポイントにおけるすべ
ての信号の逆拡散結果を取得するステップと、を有する。
スは各々のユーザ・トレーニング・シーケンスに関連し、予め計算され、記憶さ
れている。
と、すべてのユーザの信号対雑音比を評価するステップと、低い信号対雑音比を
有するユーザにはステップC、D、Eを継続して行い、高い信号対雑音比を有す
るユーザには結果信号を出力するステップと、をさらに有する。
ップと、パワーが有効パワーとして所定のフィールド値より大きいことを決定す
るステップと、対応する配置(constellation)マップ・ポイントにおける有効パ
ワーを有するすべての信号の二乗差を計算するステップと、二乗差がプリセット
値よりも大きいならば、低い信号対雑音比を有するユーザであることを決定する
ステップと、二乗差がプリセット値よりも小さいならば、高い信号対雑音比を有
するユーザであることを決定するステップと、を有する。
ユーザ信号のコンポーネントおよび各々のアンテナ・ユニットのマルチパスを計
算する。
。
るプリセット数に到達するまで、ステップEを決定モジュールで実行し、干渉キ
ャンセレーションを終了し、リカバーされた信号を出力する。
、ステップEを決定モジュールで実行し、干渉キャンセレーションを終了し、リ
カバーされた信号を出力する。
い繰り返し回数、繰り返し実行する。
形成が、各々のチャネルでなされ、有用な信号が抽出され、記憶されることであ
る。したがって、空間ダイバーシティおよび時間ダイバーシティの有利性が最も
活用される。この方法では、シビアなマルチパス干渉およびホワイト・ノイズ干
渉条件においてさえも、よりよい結果を得ることができる。本方法の計算量は制
限されており、ディジタル信号プロセッサ(DSP)もしくはフィールド・プロ
グラマブル・ゲート・アレイ(FPGA)のような市販のチップにより実装する
ことができる。
含む、符号分割多重接続ワイヤレス通信システムを指向している。
ャンセレーションを備えた移動通信システム、あるいは、ワイヤレス・ユーザ・
ループ・システムのようなワイヤレス通信システムである。図1は、システムの
ベース・ステーション構造を示している。システムは、主として、N個の同様な
アンテナ・ユニット201A、201B、…、201i、…、201N、N個の
略同様なフィーダー・ケーブル202A、202B、…、202i、…、202
N、N個の無線周波数トランシーバー203A、203B、…、203i、…、
203N、およびベースバンド・プロセッサー204を有している。各々の無線
周波数トランシーバーがコヒーレントに作動することを保証するために、すべて
のトランシーバー203は、同じローカル・オシレーター208を使用する。各
々の無線周波数トランシーバーはアナログ・ディジタル変換器(ADC)および
ディジタル・アナログ変換器(DAC)を有している。したがって、無線周波数
トランシーバー203のベースバンド入力および出力は、すべてディジタル信号
である。(これらは高速ディジタル・バス209により、ベースバンド・プロセ
ッサーに接続されている。)図1では、ブロック100はベース・ステーション
・デバイスを示している。
信信号の干渉キャンセレーションのみについて議論する。スマート・アンテナ・
インプリメンテーションおよび干渉キャンセレーションは、ベースバンド・プロ
セッサー204において行われる。
ば、スマート・アンテナ・システムは、N個のアンテナ・ユニット、N個のフィ
ーダー・ケーブル、およびN個の無線周波数トランシーバー、すなわち、N個の
リンクにより構成される。各々の受信リンクにおいて、nがn番目のチップであ
るとすると、無線周波数トランシーバーのADCによりサンプリングした後の出
力ディジタル信号は、S1(n)、S2(n)、…、Si(n)、…、SN(n)で
ある。例としてI番目の受信リンクを挙げると、無線周波数トランシーバー20
3iのADCにより受信信号をサンプリングした後の出力ディジタル信号は、ベ
ースバンド・プロセッサー204への入力信号であるSi(n)である。ベース
バンド・プロセッサー204は、N個のリンクのN個の無線周波数トランシーバ
ー203A、203B、…、203i、…、203Nに各々が対応する、チャネ
ル評価モジュール210A、210B、…、210i、…、210N、および、
スマート・アンテナ干渉キャンセレーション・モジュール211を有している。
N個のリンクの出力ディジタル信号S1(n)、S2(n)、…、Si(n)、…
、SN(n)は、チャネル評価モジュール210A、210B、…、210i、
…、210Nに各々送信され、出力ディジタル信号はスマート・アンテナ干渉キ
ャンセレーション・モジュール211にも送信される。チャネル評価モジュール
210A、210B、…、210i、…、210Nの出力に各々対応するチャネ
ル・レスポンス信号@h1、@h2、…、@hi、…、@hNは、スマート・アンテ
ナ干渉キャンセレーション・モジュール211に送信される。スマート・アンテ
ナ干渉キャンセレーション・モジュール211は、@hi=[hi,1、hi,2、…
、hi,k]である場合に、同期調整パラメーターSs(K)を下りリンク送信モジ
ュールに出力し、干渉キャンセレーション結果Sca+1、k(d)をチャネル・デコ
ード・モジュールに送信する。
、Si(n)がチャネル評価モジュール210iに入力されると、K個のチャネ
ルが評価され、K個のチャネル・パルス・レスポンスhi、kが取得される。ここ
でiはi番目のアンテナ・ユニットを示し、kはk番目のチャネルを示す。
グ・シーケンスがmkであるとすると、i番目のアンテナから受信されるトレー
ニング・シーケンスはeiであり、式(1)によって示される。
のアンテナから受信されるホワイト・ノイズである。式(1)は、式(2)のよ
うに示されてもよい。
ンスにのみ関係し、予め計算され、記憶されていてもよい。(リアル・タイムに
おいてMを計算することが不要となるため、チャネル評価は非常に促進される。
)
々計算されることができ、結果hi,kは、スマート・アンテナ干渉キャンセレー
ション・モジュール211へ入力される。(さらなる処理の後に、ユーザ信号は
すべてリカバーされる。)
渉キャンセレーション処理を示している。まず、チャネル評価モジュール210
iにより計算されたチャネル・レスポンスhi、kは、はパワーを評価するパワー
評価モジュール220に送信される。サーチ・ウィンドウの(K個のチャネルを
備えた)K個のユーザのメイン・パスおよびマルチパス・パワー分布が、式(4
)に示されるように計算される。
ザの最もパワフルなパスが、他のユーザの最もパワフルなパスの同じポイントで
なければ、そのユーザがベース・ステーションに同期していないことを意味する
。他のユーザと同期を維持するように調整するために、ベース・ステーションは
下りリンク・チャネルの該当ユーザへ情報を与える。調整パラメーターは上記さ
れたSs(K)である。
イン・パスおよびマルチパス・トータル・パワー分布が計算される。
信号を生成するために信号ジェネレータ221に送信される。同時に、各々のチ
ャネル評価モジュール210A、210B、…、210i、…、210Nにより
出力された、チャネル・レスポンス信号@h1、@h2、…、@hi、…、@hN(
ベクトル)およびN個のリンクの出力ディジタル信号S1(n)、S2(n)、…
、Si(n)、…、SN(n)も信号ジェネレータ221に送信される。
の位置が計算され、power_pointに記憶される。同時に、次の干渉の
際に、このポイントの計算を不要にするために、power_abs(powe
r_point)=0とする。次に、式(6)に示されるように、このポイント
でのすべての信号の逆拡散の結果がpower_pointにおけるスマート・
アンテナ・アルゴリズムにより取得される。
)はスクランブル・コード、Sca、k(d)は最後の干渉キャンセレーション結果
、初期値S0、k(d)=0および出力Sca+1、k(d)はシンボリック・レベルで
ある。ユーザがまったく同期されておらず、システムにシビアなマルチパス干渉
およびホワイト・ノイズが存在するため、初期のSca+1、k(d)は、明らかにラ
フな結果である。
ュール222に送信される。信号対雑音比評価モジュール224の機能は、各々
のユーザの信号対雑音比を評価することである。信号ジェネレータ221により
生成された信号は,逆スクランブル、逆拡散、および、復調信号である。この時
、各々のユーザの信号対雑音比を評価する多くの方法がある。これらの方法の1
つは、式(7)に示されるように、k番目のユーザのためにそのパワーを最初に
計算する。
知られている。有効パワーを有するすべての信号に対し、配置(constellation)
マップのポイントに対応する二乗差が計算される。二乗差がプリセット値より大
きいならば、このユーザの信号対雑音比は比較的低く、そのSca+1、k(d)の値
は信用できない。したがって、干渉キャンセレーションが必要とされる。反対に
、二乗差がプリセット値よりも小さいならば、このユーザの信号対雑比は比較的
高く、そのSca+1、k(d)の値は信用できる。したがって、干渉キャンセレーシ
ョンは必要とされない。信号対雑音比評価モジュールを使用する目的は、信用で
きる信号に対する干渉をキャンセルすることは不要であるため、干渉キャンセレ
ーションの計算を単純化することである。
築するために、式(8)に示されるSca+1、k(d)を使用する。
ンポーネントを計算する。
のリカバーされた結果が、干渉キャンセレーション・モジュール223に送信さ
れる。
ャンセレーションが停止されるときを決定するために使用される。2つの決定条
件とは、:(1)すべての信号の信号対雑音比が設定されたフィールド値より大
きいこと、(2)干渉キャンセレーションのループの回数が、(サーチ・ウィン
ドウの長さ以下であり、FPGAチップなどのディジタル信号プロセッサの処理
能力により決定されるループ回数の範囲内である)設定された値に到達すること
、である。2つの条件のどちらかが満たされたならば、スマート・アンテナの干
渉キャンセレーション方法の処理手続きは終了し、リカバーされた信号Sca+1、k (d)が出力される。
するために、例として、アンテナが8個(N=8)である場合を図3に示す。機
能ブロック301は、パワー評価モジュール220によりチャネル評価パワーを
計算する。機能ブロック303および304は、信号ジェネレータ・モジュール
221によりパワーの最大値を検出し、差を計算し、値を0に設定し、差ポイン
トで逆拡散し、ビーム形成(beam forming)を行う。次に、結果が、同時に、信号
対雑音比決定モジュール225および(決定モジュール225を介して)信号再
構築モジュール222に送信される。機能ブロック308は信号を再構築し、8
個のアンテナのコンポーネントを計算する。機能ブロック309は、受信データ
(receive−data)から再構築されたデータの8個のアンテナのコン
ポーネントを減じ、結果を受信データ(receive−data)に記憶する
。次に、機能ブロック303から309までの処理が繰り返し行われる。機能ブ
ロック305が信号対雑音比決定モジュール244により信号対雑音比の大きさ
を決定し、決定モジュール225により、ループの数が設定された値に到達する
か、もしくは、全てのユーザの信号対雑音比が満足されたことを決定すると、干
渉キャンセレーションは終了し、機能ブロック307はリカバーされた信号を出
力する。
イヤレス通信システムを含むCDMAワイヤレス通信システムを、主として指向
している。ワイヤレス通信システムの開発に従事するすべてのエンジニアは、ス
マート・アンテナの原理およびディジタル信号処理についての知識を有し、(高
性能なさまざまの移動通信もしくはワイヤレス・ユーザ・ループ・システムに使
用されることができる)高品質スマート・アンテナ・システムを設計するための
方法を使用することができる。
ン構造図である。
図である。
ーチャートである。
Claims (11)
- 【請求項1】 A.チャネル評価を行うために、公知のユーザ・トレーニン
グ・シーケンスにより、各々のリンク・アンテナ・ユニットおよび無線周波トラ
ンシーバからサンプリング・データ出力信号を取得し、すべてのチャネルのすべ
てのユーザ・レスポンスを取得するステップと、 B.前記チャネル評価に基づき、スマート・アンテナのビーム形成を使用して
、前記サンプリング・データ出力信号から有用なシンボリック・レベル信号を抽
出するステップと、 C.前記有用なシンボリック・レベル信号により信号を再構築し、スクランブ
ル・コードを加え、チップ・レベル再構築信号を取得するステップと、 D.再構築信号を前記サンプリング・データ出力信号から減じるステップと、 E.すべてのユーザ信号がリカバーされるまで、ステップBからDを繰り返し
実行するステップと、 を有するスマート・アンテナおよび干渉キャンセレーションに基づいたベース
バンド処理方法。 - 【請求項2】 ステップAはチャネル評価モジュールによりなされ、チャネ
ルのレスポンスは各々のユーザ・トレーニング・シーケンスに関連し、予め計算
され、記憶されている、請求項1に記載のスマート・アンテナおよび干渉キャン
セレーションに基づいたベースバンド処理方法。 - 【請求項3】 ステップBは、 パワー評価モジュールによりすべてのチャネルのすべてのユーザのレスポンス
のパワー評価を行うステップと、 すべてのユーザのメイン・パスおよびサーチ・ウィンドウのマルチパス・パワ
ー分布を計算するステップと、 信号を生成するために、計算されたパワー分布を信号ジェネレータに送信する
ステップと、 を有し、 信号生成処理は、 各々のユーザの最大ピーク値パワー位置を計算するステップと、 ピーク値パワー位置をパワー・ポイントで記憶するステップと、 スマート・アンテナ・アルゴリズムにより、パワー・ポイントにおけるすべて
の信号の逆拡散結果を取得するステップと、 を有する請求項1に記載のスマート・アンテナおよび干渉キャンセレーション
に基づいたベースバンド処理方法。 - 【請求項4】 ステップAはチャネル評価モジュールによりなされ、チャネ
ルの前記レスポンスは各々のユーザ・トレーニング・シーケンスに関連し、予め
計算され、記憶されている、請求項3に記載のスマート・アンテナおよび干渉キ
ャンセレーションに基づいたベースバンド処理方法。 - 【請求項5】 ステップBは、 信号対雑音比評価モジュールに逆拡散結果を送信するステップと、 すべてのユーザの信号対雑音比を評価するステップと、 低い信号対雑音比を有するユーザにはステップC、D、Eを継続して行い、高 い信号対雑音比を有するユーザには結果信号を出力するステップと、 をさらに有する請求項1に記載のスマート・アンテナおよび干渉キャンセレー
ションに基づいたベースバンド処理方法。 - 【請求項6】 ユーザの信号対雑音比を評価するステップは、 ユーザ・パワーを計算するステップと、 パワーが有効パワーとして所定のフィールド値より大きいことを決定するステ
ップと、 対応する配置(constellation)マップ・ポイントにおける有効パワーを有する
すべての信号の二乗差を計算するステップと、 二乗差がプリセット値よりも大きいならば、低い信号対雑音比を有するユーザ
であることを決定するステップと、 二乗差がプリセット値よりも小さいならば、高い信号対雑音比を有するユーザ
であることを決定するステップと、 を有する、請求項5に記載のスマート・アンテナおよび干渉キャンセレーショ
ンに基づいたベースバンド処理方法。 - 【請求項7】 ステップCは、 信号再構築モジュールでオリジナル信号を再構築し、 すべてのユーザ信号のコンポーネントおよび各々のアンテナ・ユニットのマル
チパスを計算する、 請求項1に記載のスマート・アンテナおよび干渉キャンセレーションに基づい
たベースバンド処理方法。 - 【請求項8】 ステップDは、干渉キャンセレーション・モジュールで干渉
をキャンセルする、請求項1に記載のスマート・アンテナおよび干渉キャンセレ
ーションに基づいたベースバンド処理方法。 - 【請求項9】 干渉キャンセレーション・ループの数が、サーチ・ウィンド
ウの長さ以下であるプリセット数に到達するまで、ステップEを決定モジュール
で実行し、 干渉キャンセレーションを終了し、 リカバーされた信号を出力する、 請求項1に記載のスマート・アンテナおよび干渉キャンセレーションに基づい
たベースバンド処理方法。 - 【請求項10】 すべての信号の信号対雑音比が設定されたフィールド値よ
りも大きくなるまで、ステップEを決定モジュールで実行し、 干渉キャンセレーションを終了し、 リカバーされた信号を出力する、 請求項1に記載のスマート・アンテナおよび干渉キャンセレーションに基づい
たベースバンド処理方法。 - 【請求項11】 ステップEは、ステップBからDを多くともサーチ・ウィ
ンドウの長さに等しい繰り返し回数、繰り返し実行する、請求項1に記載のスマ
ート・アンテナおよび干渉キャンセレーションに基づいたベースバンド処理方法
。
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