JP2008136234A

JP2008136234A - 受信方法及び受信器

Info

Publication number: JP2008136234A
Application number: JP2007337543A
Authority: JP
Inventors: Olli Piirainen; オーリピーライネン
Original assignee: Nokia Oyj
Current assignee: Nokia Oyj
Priority date: 1995-08-29
Filing date: 2007-12-27
Publication date: 2008-06-12
Also published as: AU710798B2; NO980871D0; NO980871L; FI954053A; CN1094001C; DE69621252T2; EP0872018A1; ES2176479T3; CN1194738A; EP0872018B1; FI954053A0; US6192238B1; ATE217739T1; FI100017B; DE69621252D1; WO1997008841A1; AU6743596A; JPH11511602A

Abstract

【課題】デジタルセルラー方式無線システムにおける受信方法とセルラー方式無線システムの受信器を提供する。
【解決手段】ＳＮ比を計算する時、チャネルの測定されたインパルス応答及び所定のシーケンス（５３）のコンボルーションである参照信号を使用する。ＳＮ比は、参照信号の分散とチャネルから受信された所定のシーケンス（５３）との間の比として得られる。ＳＮ比は、ダイバーシティ受信器のダイバーシティブランチを重み付けるために使用される。
【選択図】図２

Description

本発明は、デジタルセルラー方式無線システムの受信器の受信方法に関する。その受信器は、ビタビ検知及びダイバーシティ受信を使用し、その方法は、チャネルの推定されたインパルス応答を形成することを含み、信号に含まれる所定のシーケンスと同様にチャネルの推定された応答もシンボルシーケンスである。

本発明は更に、デジタル無線システムの受信器に関する。その受信器は、ビタビ検知手段、ダイバーシティブランチ、チャネルの推定されたインパルス応答を形成する手段を備える。

セルラー方式無線システムでは、基地局と加入者端末機器との間の接続品質は絶えず変化する。その変化は、無線経路上に現れる妨害及びチャネルのフェージングアウトの距離及び時間の作用である無線波の減衰から生じる。例えば、受信レベルの強度を測定することによって、接続品質を測定することができる。接続品質の変化をある程度補償するために、出力制御を使用することができる。

デジタルセルラー方式無線システムは、接続品質を推定するより精度の高い方法を必要とする。使用されている既知の品質パラメータには、例えば、ビット誤り率ＢＥＲやＳＮ比ＳＮＲが含まれる。

受信信号のＳＮＲを推定する時に、ビタビ検知の決定を使用することが知られている。受信器として、基地局もしくは加入者端末機器のどちらかを使用できる。従来技術の解決策では、ＳＮＲを推定する前に受信されたバーストに対してビタビ検知を完全に実施する。しばしば、ビタビアルゴリズムは、受信器によって与えられた処理時間の範囲内で、デジタル信号処理プログラムのタスクを過度に必要とするために、別個のビタビハードウェアを使用しなければ成らない。これは、J．Hagenauer、P．Hoeher 著の「柔軟な推定結果を有するビタビアルゴリズム及びその応用（A Viterbi Algorithm with Soft-decision Outputs and its Applications）」（IEEE GLOBECOM 1989、Dallas、Texas、November 1989）に、より詳細に記述されており、ここで参考文献として挙げる。また、受信信号とチャネル推定に基づいて計算された推定信号との間の差異に基づいてＳＮＲを計算することはヨーロッパ特許４２８１９９で取り上げられており、ここで参考文献として挙げる。

様々な種類のダイバーシティ受信器を使用する時に、ＳＮＲ情報が必要とされることは良く知られており、本発明に従う方法で、ＳＮＲ情報は簡単に計算される。ダイバーシティ受信では、最も典型的なダイバーシティ受信器は、検知の前もしくは後に信号を合成する。そして、そのような受信器には、例えば、選択合成法、最大比合成法、等利得合成法がある。通常、ビタビ検知を使用して、ダイバーシティ信号を検知し、これによって、信号の合成が、その検知の後に行われる。しかしながら、検知の前に信号を合成するのが最も有利な方法である。何故ならば、これは、より大きな信号利得を生じるからである。ダイバーシティ受信器に関するより詳細な記述は、例えば、William C．Y．Lee著の「移動通信工学（Mobile Communication Engineering）」、Chapter 10、Combining Technology、pp．291-336、McGraw-Hill、USA、1982に挙げられており、ここで参考文献として挙げる。

William C．Y．Lee著の「移動通信工学（Mobile Communication Engineering）」、Chapter 10、Combining Technology、pp．291-336、McGraw-Hill、USA、1982

本発明の目的は、ビタビ検知を使用せずに、受信信号から直接ＳＮＲを推定可能とする方法を実現し、そうして、ダイバーシティ受信器を使用する時に信号を合成することを可能とすることである。

この目的は、独立請求項の導入部分で記述された方法を改善した方法によって達成され、その方法は、チャネルの推定されたインパルス応答、及び、その信号内の所定のシーケンスから参照信号を形成するステップ、分散タイプの計算として、チャネルから受信された参照信号及び所定のシーケンスから信号に関連するノイズエネルギーを計算するステップ、参照信号エネルギーとノイズエネルギーとの間の比として、ＳＮＲを計算するステップ、一時的に、互いに対応するダイバーシティブランチシンボルを合成するステップ、各々のブランチのＳＮＲによって、各々のブランチの適応フィルタの出力及びインパルス応答の自己相関タップを重み付けるステップを特徴とする。

本発明に従う受信器は、ＳＮＲを計算するために、チャネルの推定されたインパルス応答、及び、その信号内の所定のシーケンスから参照信号を形成するために使用される手段、分散タイプの計算として、参照信号及び受信された所定のシーケンスからチャネルのノイズエネルギーを計算する手段、参照信号エネルギーとノイズエネルギーとの間の比として、ＳＮＲを計算する手段、異なるブランチの一時的に対応するシンボルを合成するダイバーシティブランチ合成手段、各々のブランチのＳＮＲによって、各々のブランチの適応フィルタの出力及びインパルス応答の自己相関タップを重み付ける手段を備えることを特徴とする。

本発明には、いくつかの利点がある。本発明に従う方法によって、すなわち、バースト内の所定のシーケンスを使用して、ビタビ検知の前に本発明の方法を実施することによって、ビタビ検知を実施せずに、受信信号からＳＮＲを直接推定することが可能である。本発明には、２つの主な段階が有る。第１段階は、参照信号の形成であり、第２段階は、受信信号と参照信号との間の分散、すなわち、ノイズエネルギーの計算である。所定のシーケンスによって得られたチャネルの推定されたインパルス応答及び所定のシーケンスのコンボルーションを計算して、参照信号が得られる。推定されたノイズエネルギーは、参照信号及び受信シーケンスからの分散、すなわち、分散に類似している関数として計算される。信号エネルギーは、チャネルの推定されたインパルス応答のタップのエネルギーからか、もしくは、参照信号のサンプル、すなわち、シンボルのエネルギーを計算することによって得られる。このように形成された信号を、ノイズで割り算することによって、チャネルの推定された瞬時ＳＮＲが得られる。

ビタビアルゴリズムの使用を避けることによって、コンピューティング処理で使用されるメモリ容量及び時間が節約される。不十分なフレーム推定方法の補助として、ＭＬ（Maximum likelihood−最尤法）関数で推定するために、チャネルの状況を推定する時に、このように得られたＳＮＲ値を使用することができる。

また、本発明に従う方法の好ましい実施例は、請求の範囲に記載する従属請求項２から９に記載されており、そして、本発明に従う受信器の好ましい実施例は、請求の範囲に記載する従属請求項１１から１３に記載されている。

本発明に従う方法及び受信器は、主要部分が図１に示されているような全てのセルラー方式無線システムに適用することができる。そのシステムは、基地局１０及び基地局への同時送受信方式の接続１４−１６を有する多数の通常の移動加入者端末機器１１−１３を備える。基地局１０は、端末機器１１−１３の接続を基地局のコントローラ１７へ伝送し、そのコントーラは更に、システムの他の部分及び固定ネットワークへ伝送する。基地局コントローラ１７は、１台もしくは１台以上の基地局１０の動作を制御する。ＧＳＭシステムでは、基地局１０及び端末機器１１−１３のどちらも、継続的に、接続品質を測定し、その結果を基地局のコントローラ１７へ伝達する。本発明に従う実施例では、接続品質の測定を、ＳＮＲ測定として実施する。

以下に、セルラー方式無線システムの本発明に従う受信器を、より詳細に説明する。このような受信器の主要部分を、図２のブロック図で示す。基地局及び加入者端末機器のどちらも本発明の受信器として機能することができる。受信器は、アンテナ２１を備え、そのアンテナは信号を受信して、無線周波部分２２に加え、その無線周波部分は、その信号を中間周波数に変換する。無線周波部分から、信号はコンバータ手段２３に与えられ、そのコンバータ手段は、信号をアナログからデジタルへ変換する。デジタル信号は、前処理装置手段２４へ進む。その前処理装置手段では、特に、信号をフィルタし、それからＤＣオフセットを除去し、デジタル信号の自動増幅を制御し、信号を復調することができる。チャネルに配置されたフィルタ２５は、低い符号誤り確率で、チャネル上でひずんだ信号を、本来のデータストリームに戻す。チャネルのインパルス応答及びそのエネルギーの推定は、手段２６によって形成される。インパルス応答情報に基づいて、チャネルの推定されたインパルス応答の自己相関タップは、手段２７で形成される。

デジタルシステムでは、チャネルのインパルス応答は、１キャラクタあたりＮ個のシンボルを有するキャラクタで表される。通常、チャネルインパルス応答は、５個のシンボルを有する。すなわち、Ｎは値５である。本発明の方法では、手段２８を使用して、ＳＮＲを計算する。その手段２８は、手段２８ａ、手段２８ｂ、手段２８ｃを備える。チャネルの推定されたインパルス応答及びその信号内の所定のシーケンスから参照信号を形成するために、手段２８ａを使用する。手段２８ｂは、参照信号及び受信された所定のシーケンスからチャネル上のノイズのエネルギーを計算する。手段２８ｃは、参照信号とノイズエネルギーとの間の比としてＳＮＲを計算する。参照信号と所定のシーケンスとの間のオフセットを修正するために、手段２８ｄを使用する。オフセットという用語は、シンボルが、相対的に時間でシフトすることを言う。最終的に、受信器のビタビ検知手段２９は、手段２７からのインパルス応答の自己相関タップと共に、異なるシーケンス５２、５３、５４、すなわち、適応フィルタの出力からの受信されたバーストのシーケンスを受信する。このようなシーケンスは、図５に示されている。本発明の受信器の解決策に従って、ＳＮＲ情報を、インパルス応答の自己相関タップを形成するために使用される手段２７及び適応フィルタ２５の両方へ伝送する。ＳＮＲ情報はまた、他の手段へも伝送される。ビタビ検知手段２９からの出力として、検知されたシンボルが得られる。

以下に、セルラー方式無線システムの第１の受信器の代替案である第２の受信器を、より詳細に説明する。このような第２の受信器の主要部分のブロック図を図３に示す。大部分は、その受信器は、図２で示された受信器に類似している。この受信器の解決策では、ＳＮＲ情報を、ＳＮＲ計算手段２８からインパルス応答のタップを形成する手段２６へ伝送する。また、ＳＮＲ情報は、他の手段に加えられても良い。ビタビ検知手段２９の出力として、検知されたシンボルが得られる。ＳＮＲ情報もまた同様に、他の手段へ伝送されても良く、それは、図２及び図３で手段２８から出て行く方向を向いている矢印３０によって示される。

図２及び図３に示される解決策を、ダイバーシティ受信で有利に使用することができる。このような装置を、ダイバーシティ合成を使用している受信器に関して図４に示す。図４の受信器は、アンテナ４１及び４２、図２及び図３の受信器と同様に、無線周波部分２２、変換手段２３、前処理装置手段２４、適応フィルタ２５、チャネルインパルス応答の推定手段２６、ＳＮＲ計算手段２８を含む手段４３、４４を備える。図４では、２つだけしかブランチ、すなわちチャネルがないけれども、類似のダイバーシティ合成をより多数のチャネルへも同様に加えることができる。個々のチャネルの推定されたインパルス応答の自己相関タップが、手段２７ａ及び手段２７ｂによって形成され、それらの手段は、図２及び図３の手段２７と同じ目的を果たす。異なるチャネルから受信された信号は、手段４５で合成される。その手段４５では、加算もしくは平均を算出することによって、そして、もし必要ならば、適切な定数で信号を乗算することによって、合成が行われる。従って、信号は、ＳＮＲによって重み付けられる。すなわち、検知のための信号は、ＳＮＲ情報に基づいて選定される。その合成の後、信号をビタビ検知手段２９へ加える。インパルス応答の自己相関タップを形成する手段２７ａ及び２７ｂの出力はまた、例えば、加算もしくは平均を算出することによって、そして、もし必要ならば、適切な定数で出力を乗算することによって、手段４６で合成される。ダイバーシティブランチ及び自己相関タップを合成する時、一時的に互いに対応するシンボルもしくはビットだけを合成するのが有利である。手段４６の出力はまた、ビタビ検知手段２９へ加えられる。このような解決策は、特に有用である。何故ならば、検知の前の信号合成は、信号のより大きな利得を生じるからである。

以下に、ＧＳＭシステムに関して、本発明に従う解決策を、より詳細に説明する。全部で１４８個のシンボルを備える、ＧＳＭシステムの通常のバーストを図５に示す。シンボルは、ビットもしくはビットの組合せを含む。バーストのシンボルは、３個のスタートシンボル（ＴＳ）５１，５８個のデータシンボル（Ｄａｔａ）５２、２６個のトレーニングシンボル（ＴＲＳ）５３、５８個のデータシンボル（Ｄａｔａ）５４、３個のエンドシンボル（ＴＳ）５５から成る順番で現れる。本発明の解決策では、参照信号のシンボルシーケンスをトレーニングシーケンス５３及びチャネルの推定されたインパルス応答の関数として計算する。その関数は、前記シーケンスのコンボルーションを表しているのが有利である。

以下では、ＧＳＭシステムに適応された場合について、本発明の方法を説明する。チャネルの瞬時ＳＮＲの計算は、２つの主要なステップを備える。第１には、チャネルの推定されたインパルス応答Ｈ及びトレーニングシーケンスＴＲＳ（図５のトレーニングシンボル５３）から参照信号ＹＲを、コンボルーションとして有利に形成する。第２には、分散タイプ（分散又は分散に類似する関数）の計算として、参照信号ＹＲ及びチャネルから受信されたトレーニングシーケンスＹからノイズのエネルギーＶＡＲを計算する。従って、ノイズのエネルギーＶＡＲを、分散タイプの計算として計算するが、そのノミネータ（nominator）のキャラクタ（character）は全く重要でない。何故ならば、それを容易に設定することができ、それは、ノイズエネルギーのスケーラ（scaler）として機能する目的を有するのみだからである。それは、計算処理のどの段階でも、容易に、監視して修正できる。チャネル上の実際の信号と同じように、参照信号ＹＲを形成し、そして、その結果をチャネルから受信された信号と比較することによって、ノイズを推定できるという利点が、コンボルーションを計算することによって得られる。ノイズエネルギーＶＡＲを、分散として、参照信号ＹＲ及びチャネルから受信された信号から計算する時、ノイズエネルギーを直接得られるという利点がある。

トレーニングシーケンスＴＲＳは、予め決められているので、チャネルの瞬時の推定されたインパルス応答Ｈを決定することができる。通常、推定されたインパルス応答Ｈは５個のシンボルを有する。すなわち、もし、Ｎ個のシンボルがあるならば、Ｎ＝５は、真を保持する。本発明に従う方法の第１段階では、参照信号ＹＲを、例えば、式（１）を使用して、チャネルの推定されたインパルス応答及びトレーニングシーケンスＴＲＳのコンボルーションとして計算する。ＹＲは、前記の推定されたインパルス応答Ｈで受信されたトレーニングシーケンスＴＲＳの期待値である。

ここで、Ｎは、推定されたインパルス応答Ｈのシンボル数を表し、そのシンボルが計算されていることを示すシンボルインデックスｊに対して、（数式）は真を保持する。Ｎと２６との間のシンボルｊ、すなわち、所定のシーケンスの必要数のシンボルを調べることによって、全体の参照信号ＹＲが得られるであろう。得られた参照信号ＹＲ及び受信されたトレーニングシーケンスである受信された信号Ｙを使用することによって、これら２つの分散タイプ結果ＶＡＲを計算するために、式（２）を使用する。

式（２）では、所定のシーケンス５３のシンボル数からチャネルの推定されたインパルス応答のシンボル数を引いた数を超えない数のシンボルを推定する。これは、計算処理の中で考慮されるシンボルの数を自由に選定できることを意味する。もし、除数Ｋを、加算で使用されるシンボルの数に等しい値とするならば、式（２）の分散タイプ結果の値は、サンプルあたりのエネルギーノイズと同じになり、もしくは、もし、除数Ｋが値１ならば、全シーケンスあたりのエネルギーと同じになる。本発明の解決策に関する限りにおいては、除数Ｋの値は重要ではない。すなわち、除数Ｋの値として、どの数を選定しても良い。式（２）は、Ｉ／Ｑ変調の値を使用する。それによって、シンボルはそれらの複素数の形式で表される。式（２）はオフセットを考慮しており、その項は、受信された信号のシンボルの有利な移動を示しており、受信された信号のシンボルが参照信号のシンボルに対応する、すなわち、トレーニングシーケンスの正しい場所を示すようにする。

チャネルの推定されたインパルス応答Ｈもしくは参照信号ＹＲによって、受信された信号のエネルギーを計算することができる。チャネルの推定されたインパルス応答Ｈのタップのエネルギーを計算することによって、シンボルあたりの信号エネルギーＥ₁が得られるという利点が得られる。例えば、式（３）を使用して、参照信号のＩ／Ｑ変調から得られる複素数のシンボルによって、エネルギーＥ_YRを計算する時、参照信号の総エネルギーを直接得ることが可能となる。

もし、従来技術においてのように、エネルギーＥ_YRに対応する信号の正規化された平均エネルギーを形成するために、前処理装置手段２４を使用するならば、それを別個に計算する必要はない。

式（４）で示される法則に従って、式（２）の除数Ｋを、シンボルの数に対応する値とする時、シンボルあたりのノイズエネルギーＶＡＲで、シンボルあたりの信号エネルギ-Ｅ₁を割ることによって、チャネルの瞬時ＳＮＲを得る。

しかしながら、式（２）の除数Ｋが値１である時、式（５）に従って、ノイズ総エネルギーＶＡＲで信号総エネルギーＥ_YRを割り、その結果、この場合、実質的に同一の数の加算すべき要素を有する式（２）及び式（３）のための特別な割り算を避けるのが、ＳＮＲを計算する有利な方法である。

ＳＮＲをバーストの各々に対して別個に計算するのが有利である。何故ならば、短時間の間でさえ、通信品質は急激に変化する可能性があるからである。

異なるダイバーシティブランチから生じる信号をダイバーシティ受信器で合成する。その合成は、例えば、加算するか、もしくは、平均を算出することによって、そして、必要であれば、適切な定数で信号を乗算することによって行われる。本発明の方法では、信号を、形成されたＳＮＲで重み付ける。すなわち、検知器の信号をＳＮＲ情報に基づいて選定する。合成した後、信号を検知器に加える。インパルス応答の自己相関タップもまた、ＳＮＲによって、重み付けられる。ダイバーシティブランチ及び自己相関タップを合成する時、一時的に、互いに対応するビットもしくはシンボルだけを合成するのが有利である。検知の前に、信号を合成するのが有利であり、それによって、信号に対してより大きな利得を得る。

添付図の例を参照して、本発明を上記に説明したけれども、本発明はそれに限定されず、請求の範囲に記載した本発明の思想の範囲内で、本発明を様々な方法で変更できることは明白である。

本発明に従う方法を適用できるセルラー方式無線システムを示す。ＧＳＭシステムに従う受信器の主要部分を示す。ＧＳＭシステムに従う受信器の主要部分の別の実施例を示す。ＧＳＭシステムに従う受信器を示す。その受信器は、ダイバーシティ合成技術を使用している。ＧＳＭシステムの通常のバーストを示す。

Claims

デジタルセルラー方式無線システムの受信器（１０−１３）のための受信方法であり、前記受信器は各ブランチにおいてビタビ検知及びダイバーシティ受信を使用し、その方法は、前記各ブランチにおいて受信した信号から推定されたインパルス応答を形成することを含んでおり、前記推定されたインパルス応答はシンボルシーケンスであり、前記受信信号に含まれる所定のシーケンス（５３）もシンボルシーケンスである方法において、
前記推定されたインパルス応答を適応フィルタリングの前に前記各ブランチにおいて形成するステップと、
前記推定されたインパルス応答と前記受信信号内の前記所定のシーケンス(５３)から参照信号を前記各ブランチにおいて形成するステップと、
分散タイプの計算として、前記参照信号及び前記所定のシーケンス（５３）から、前記受信信号に関するノイズエネルギーを前記各ブランチにおいて計算するステップと、
前記参照信号と前記ノイズエネルギーとの間の比として、ＳＮＲを適応フィルタリングの前に前記各ブランチにおいて計算するステップと、
前記各ブランチにおける前記適応フィルタリングの出力、及び、前記各ブランチの前記ＳＮＲによって前記推定されたインパルス応答から形成された自己相関タップを重み付けし、一時的に互いに対応する、前記各ブランチからの推定されたインパルス応答のシンボルを合成するステップとを特徴とする方法。
前記ビタビ検知の前に、前記合成が行われる請求項１に記載の方法。
コンボルーションによって、前記参照信号を、前記推定されたインパルス応答と前記所定のシーケンス（５３）から形成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記ノイズエネルギーの計算は、前記所定のシーケンス（５３）のシンボルの数から前記推定されたインパルス応答の数を引いた数を超えないような数のシンボルを考慮することを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記ノイズエネルギーを計算するために、前記受信信号のシンボルが、前記参照信号のシンボルに対応するように、前記所定のシーケンスと前記参照信号のシンボルを相対的にシフトすることによって、前記参照信号と前記所定のシーケンスとの間のオフセットを修正することを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記参照信号のエネルギーを、前記受信信号内のシンボルの実数部分の二乗の合計として形成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記参照信号のエネルギーを、前記推定されたインパルス応答の前記自己相関タップの二乗の合計として形成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
もし、バーストの伝送が行われるならば、受信されたバーストの各々に対して、別個に、前記ＳＮＲを計算することを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記所定のシーケンス（５３）は、ＧＳＭシステムの通常のバーストのトレーニングシーケンスであることを特徴とする請求項１もしくは請求項８に記載の方法。
ビタビ検知手段（２９）、ダイバーシティ受信を使用するブランチ、前記各ブランチにおいて受信した信号から推定されたインパルス応答を形成する手段（２６）を備える、デジタル無線システムの受信器（１０−１３）であって、前記推定されたインパルス応答はシンボルシーケンスであり、前記受信信号に含まれる所定のシーケンス（５３）もシンボルシーケンスである、前記デジタル無線システムの受信器（１０−１３）において、
前記推定されたインパルス応答を適応フィルタリングの前に前記各ブランチにおいて形成する手段（２６）と、
前記推定されたインパルス応答と前記受信信号内の前記所定のシーケンス(５３)から参照信号を前記各ブランチにおいて形成するために使用される手段（２８ａ）と、
分散タイプの計算として、前記参照信号及び前記所定のシーケンス（５３）から、前記受信信号に関するノイズエネルギーを前記各ブランチにおいて計算する手段（２８ｂ）と、
前記参照信号と前記ノイズエネルギーとの間の比として、ＳＮＲを適応フィルタリングの前に前記各ブランチにおいて計算する手段（２８ｃ）と、
前記各ブランチにおける前記適応フィルタリングの出力、及び、前記各ブランチの前記ＳＮＲによって前記推定されたインパルス応答から形成された自己相関タップを重み付けし、一時的に互いに対応する、前記各ブランチからの推定されたインパルス応答のシンボルを合成する手段（２８）とを備えることを特徴とする受信器。
前記ダイバーシティブランチ合成手段（４５及び４６）は、前記ビタビ検知手段（２９）の前に位置することを特徴とする請求項１０に記載の受信器。
前記推定されたインパルス応答と前記所定のシーケンス(５３)のコンボルーションとして、前記参照信号を形成する手段（２８ａ）を備えることを特徴とする請求項１０に記載の受信器。
前記参照信号と前記所定のシーケンス（５３）との間のオフセットを修正する手段（２８ｄ）を備えることを特徴とする請求項１０に記載の受信器。