JP2010532939A - 簡易ｒａｃｈプリアンブル検出受信機 - Google Patents

Abstract

本明細書では、低複雑度ＲＡＣＨプリアンブル検出器について説明する。ＲＡＣＨプリアンブル検出アルゴリズムは、周波数領域処理による時間領域相関関数のピーク検出を使用する。周波数領域処理は、周波数領域ＣＡＺＡＣ系列から直接生成される基準信号、または時間領域ＣＡＺＡＣ系列からＤＦＴ変換を用いて生成される基準信号を考慮する。ロングＦＦＴ演算の所要の長さを１／Ｎに低減するために、ＦＦＴの前にダウン・サンプリングとともに低複雑度多相ＬＰＦが実装される。

Description

本出願は、２００７年６月１４日出願の米国特許仮出願第６０／９４３，８７４号の優先権を主張する。

本発明は、ＲＡＣＨプリアンブル検出のための方法および装置に関する。本発明は特に通信技術を対象とし、したがって特に通信技術に関して説明するが、本発明は他の分野および適用例においても有用性を有することが諒解されよう。

背景として、第３世代パートナーシップ・プロジェクト（３ＧＰＰ）は１９９８年１２月に設立された共同協定である。３ＧＰＰの範囲は、ＵＭＴＳ（発展型ＧＳＭコア・ネットワークと、ＦＤＤおよびＴＤＤモードの汎用地上波無線アクセス（ＵＴＲＡ）と、発展型ＧＳＭ無線アクセス技術（ＧＰＲＳ、ＥＤＧＥ）を含むＧＳＭとに基づく３Ｇシステム）のための世界的に適用可能な第３世代（３Ｇ）携帯電話システム仕様を作成することである。

３ＧＰＰ標準化部門は、現在、３Ｇロング・ターム・エボリューション（ＬＴＥ）に取り組んでいる。たとえば、３ＧＰＰ ＴＲ２５．９１２および２５．９１３を参照されたい。そのような長期的進化の重要な部分は、待ち時間（ｌａｔｅｎｃｙ）の低減、ユーザ・データ転送速度の向上、システム容量およびカバレージの改善、オペレータのコスト削減を含む。これを達成するために、無線インタフェースならびに無線ネットワーク・アーキテクチャの進化が検討される。データ転送速度のさらなる向上の要求を考慮し、将来の追加の３Ｇスペクトル割当てをも考慮に入れると、長期的３ＧＰＰ進化は、５ＭＨｚよりも広い伝送帯域幅のサポートに向けた進化を含むことになる。同時に、システムが展開されるどの周波数帯域でも柔軟性の向上が可能なように、５ＭＨｚ以下の伝送帯域幅のサポートが研究されることになる。

ランダム・アクセス・チャネル（ＲＡＣＨ）は、初期アップリンク送信のための、すなわち、ＵＥ（ユーザ装置）からノードＢ（基地局）への、競合ベースのチャネルである。このチャネルは、いくつかの目的のために使用できる。ＲＡＣＨ機能はシステムの技術に応じて様々である。ＲＡＣＨは、ネットワークへのアクセス、リソースの要求、制御情報の搬送、アップリンクの時間オフセットの調整の基準、送信電力の調整の基準、および少量のデータの送信に使用できる。競合の解消はランダム・アクセス・チャネルの主要な特徴である。多数のＵＥが集中して同じ基地局に同時にアクセスするので、衝突が起こることがある。

時分割多重（ＴＤＭ）、周波数分割多重（ＦＤＭ）、および符号分割多重（ＣＤＭ）など、ＲＡＣＨとスケジュールベースのチャネルとの間の多重化のために、いくつかのオプションが利用できる。

ユニバーサル移動体通信システム（ＵＭＴＳ）ＬＴＥシステムのＲＡＣＨフォーマットは一般に、０．１ｍｓの巡回プレフィックスと、０．８ｍｓのＲＡＣＨプリアンブルと、０．１ｍｓのガード時間とを含む。ＬＴＥシステムは、プリアンブル検出のための処理利得の向上を可能にするために、０．８ｍｓのＲＡＣＨプリアンブルを集合的に処理するように設計される。０．８ｍｓのＲＡＣＨプリアンブルの集合的な処理では、時間領域プリアンブル信号を周波数領域プリアンブル信号に変換するロング高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を必要とする。ロングＦＦＴの長さは、０．８ｍｓの長さでのサンプル数に依存し、これは各サンプリングの持続時間に反比例する。たとえば、５ＭＨｚのシステムでのサンプル数は、０．８ｍｓの持続時間では６１４４個である。したがって、６１４４のＦＦＴ長を処理する必要がある。ＲＡＣＨ情報は全スペクトル（たとえば、５ＭＨｚ）の中心の１．０８ＭＨｚに埋め込まれるので、ＲＡＣＨ情報は、検出に進む前にロングＦＦＴ処理の周波数領域出力から抽出される必要がある。

本発明は、上述の困難などを解決する新しい改善された方法および装置を企図する。

ＲＡＣＨプリアンブル検出のための方法および装置が提供される。ＲＡＣＨプリアンブル検出方法および装置は、周波数領域処理による時間領域相関関数のピーク検出を使用する。周波数領域処理では、周波数領域ＣＡＺＡＣ系列から直接生成される基準信号、または時間領域ＣＡＺＡＣ系列からＤＦＴ変換を用いて生成される基準信号を考慮する。ロングＦＦＴ演算の所要の長さを１／Ｎに低減するために、ＦＦＴの前にダウン・サンプリングとともに低複雑度多相ＬＰＦが実装される。

本発明の一態様によれば、信号中のプリアンブル系列を検出する方法が提供される。本方法は、広帯域ＯＦＤＭ信号を受信するステップと、広帯域ＯＦＤＭ信号から狭帯域信号をフィルタ処理するステップと、フィルタ処理済み信号を１／Ｎにダウン・サンプリングするステップと、フィルタ処理済み信号を時間領域信号から周波数領域信号に変換するステップと、周波数領域フィルタ処理済み信号から狭帯域ランダム・アクセス・チャネル（ＲＡＣＨ）信号を抽出するステップと、時間領域相関系列出力を生成するために、抽出された信号を基準系列と相関させるステップと、時間領域相関系列出力のピークを検出するステップとを含む。

本発明の別の態様によれば、信号中のプリアンブル系列を検出するための装置が提供される。本装置は、信号をフィルタ処理するためのローパス・フィルタと、フィルタ処理済み信号を１／Ｎにダウン・サンプリングするための１／Ｎダウン・サンプリング・モジュールと、フィルタ処理済み信号を時間領域信号から周波数領域信号に変換するためのロング高速フーリエ変換（ＦＦＴ）モジュールと、周波数領域信号から信号を抽出するための抽出モジュールと、時間領域相関系列出力を生成するために、抽出された信号を基準系列と相関させるための相関モジュールと、逆離散フーリエ変換モジュールと、時間領域相関系列出力のピークを検出するためのピーク検出モジュールとを備える。

本発明の適用性のさらなる範囲は、以下に与える詳細な説明から明らかになろう。ただし、本発明の趣旨および範囲内の様々な変更および改変が当業者には明らかであろうから、詳細な説明および具体的な例は、本発明の好ましい実施形態を示すが、例示として与えられるものにすぎないことを理解されたい。

本発明は、デバイスの様々な部分の構成、配置、および組合せ、ならびに方法のステップに存在し、それにより、以下でより十分に説明し、特許請求の範囲で具体的に指摘し、添付の図面に示す、企図される目的が達成される。

ＲＡＣＨフォーマットを示す図である。 一般的なＬＴＥ ＲＡＣＨプリアンブル検出受信機のブロック図である。 本発明の態様による改善されたＬＴＥ ＲＡＣＨプリアンブル検出受信機のブロック図である。

次に図面を参照すると、各図は例示的な実施形態のみを説明するためのものであり、請求する主題を限定するためのものではないが、ＬＴＥ ＵＬ（アップリンク）受信機でのＲＡＣＨ処理は、図１に示すＲＡＣＨフォーマットに基づく。

十分な数のランダム・アクセス機会を与えるために１つのアクセス期間Ｔ_ＲＡ内に時間または周波数領域で複数のランダム・アクセス・チャネルを定義することができる。ランダム・アクセスの場合、プリアンブル系列２は、図１に示すように定義される。プリアンブル系列２は、０．８ｍｓ（Ｔ_ＰＲＥ＝０．８ｍｓ）を占め、巡回プレフィックス（ＣＰ）４は、１ｍｓの１つのサブフレーム内に０．１ｍｓ（Ｔ_ＣＰ＝０．１ｍｓ）を占める。ガード時間（ＧＴ）６（Ｔ_ＧＴ＝０．１ｍｓ）中には何も送信されない。プリアンブル帯域幅は１．０８ＭＨｚ（７２個の副搬送波）である。上位層シグナリングは、プリアンブル送信がどのサブフレーム中で可能にされるか、および周波数領域中の位置を制御する。セル当たり６４個のランダム・アクセス・プリアンブルがある。

ガード時間６は、伝搬遅延によるＯＦＤＭ（直交周波数分割多重）間シンボル干渉をなくすために追加される。巡回プレフィックス４は一般に、ガード・インターバル中にシンボルの前に付加される、データ・シンボルの最後の部分のコピーである。プリアンブル２は、あるシステムが、データを送信しようとしており、通信システムによって認識される一連のいくつかの送信パルスによって定義されることを示す。プリアンブルのためのパルスは、採用されるネットワーク技術に応じて異なる。

ＬＴＥシステムは、プリアンブル検出のための処理利得の向上を可能にするために、０．８ｍｓのＲＡＣＨプリアンブル２を集合的に処理する。０．８ｍｓのＲＡＣＨプリアンブル２の集合的な処理では、時間領域プリアンブル信号を周波数領域プリアンブル信号に変換するロングＦＦＴを必要とする。ロングＦＦＴの長さは、０．８ｍｓのプリアンブル長でのサンプル数に依存し、これは各サンプリングの持続時間に反比例する。たとえば、５ＭＨｚのシステムでのサンプル数は、０．８ｍｓの持続時間では６１４４個である。したがって、６１４４のＦＦＴ長を処理する必要がある。１．０８ＭＨｚのＲＡＣＨ情報が全スペクトル（たとえば、５ＭＨｚ）の中心部分に埋め込まれるので、ＲＡＣＨ情報はロングＦＦＴ処理の後に抽出される。ＲＡＣＨ情報の抽出は、周波数領域で副搬送波をフィルタで取り除くことによって達成される。ＲＡＣＨ抽出とＦＦＴ処理を組み合わせると、ＲＡＣＨ検出設計の複雑度が低減する。

従来のＲＡＣＨプリアンブル検出受信機１０の機能モジュールを図２に示す。ＲＡＣＨプリアンブル検出受信機１０は、ロングＦＦＴ（たとえば、６１４４）モジュール１２と、ＲＡＣＨ抽出モジュール１４と、ＲＡＣＨ相関モジュール１６と、ＩＤＦＴ（逆離散フーリエ変換）処理モジュール１８と、ピーク検出機能モジュール２０とを含む。ＲＡＣＨ相関モジュール１６の機能は、抽出されたＲＡＣＨ信号を周波数領域の基準系列と乗算することである。基準信号は一般にＣＡＺＡＣ（定振幅ゼロ自己相関）系列である。ＣＡＺＡＣ波形は、係数１およびゼロ自己相関をもつ周期的な複素数値信号である。

周波数領域の基準系列は、以下の方法で時間または周波数領域で生成される。

送信されたＣＡＺＡＣ系列が単一の搬送波演算の後に周波数領域で生成される場合、基準系列は周波数領域ＣＡＺＡＣ系列から直接生成される。

ＣＡＺＡＣ系列が単一の搬送波ＤＦＴプロセスの前に生成される場合、基準系列は時間領域で生成され、次いでＤＦＴ処理を受ける。

時間領域ＲＡＣＨ相関系列は、ＩＤＦＴ処理による周波数領域ＲＡＣＨスペクトル相関出力から得られる。時間領域ＲＡＣＨ相関系列は送信ＣＡＺＡＣ系列の自己相関関数を含む。送信されたＲＡＣＨ系列の伝搬遅延は自己相関関数に直接反映する。ＲＡＣＨ送信のためのＣＡＺＡＣ系列は低相互相関特性を生じるので、所望の自己相関関数は時間領域ＲＡＣＨ相関系列のピークである。したがって、ＲＡＣＨ検出は単に時間領域ＲＡＣＨ相関出力のピーク検出である。

次に図３を参照すると、本発明による例示的なＲＡＣＨプリアンブル検出受信機２１が示されている。最初に、ＯＦＤＭ信号など広帯域信号が受信機２１によって受信される。ＲＡＣＨプリアンブル検出受信機２１は、（時間領域信号を周波数領域に変換する）ロングＦＦＴ処理の後に全伝送帯域幅（たとえば、５、１０、２０ＭＨｚ）から１．０８ＭＨｚのＲＡＣＨ情報を抽出する必要がある。抽出処理は周波数領域信号のフィルタ処理および選択を表す。入力信号のフィルタ処理は、０．８ｍｓのプリアンブル内の非ＲＡＣＨ副搬送波の部分を除去する。ＲＡＣＨは、ＬＴＥシステムにおいてスペクトルの中央の６物理リソース・ブロック（ＰＲＢ）にマッピングされる。ＲＡＣＨ情報は、全伝送帯域幅（たとえば、５、１０、２０ＭＨｚ）の中央の１．０８ＭＨｚの帯域幅に含まれる。したがって、周波数領域で非ＲＡＣＨ副搬送波を除去することは、図３に示すように、簡易ＲＡＤＩＸ−２ ＦＦＴモジュール２６の前に時間領域で短い長さのローパス・フィルタ（ＬＰＦ）２２を有することに相当する。ＬＰＦ２２の出力は時間領域の狭帯域情報を含む。

ＬＰＦ設計を簡略化するために、フィルタ帯域幅は、より長い遷移帯域を可能にするために所望の１．０８ＭＨｚよりも大きくなるように設定される。狭帯域情報は、たいてい追加のノイズを伴うＲＡＣＨ情報を含む。ＲＡＣＨ情報は、ローパス・フィルタ処理の後に数個のサンプルで繰り返される。したがって、ＬＰＦ２２の出力はダウン・サンプル・モジュール２４に送信される。ダウン・サンプリング・レートはＬＰＦ２２の帯域幅に依存する。時間領域の１／Ｎにダウン・サンプリングされた信号は、ロングＦＦＴ演算に必要な１／Ｎの長さの低減を暗示する。全算術演算は、ＬＰＦ２２で複雑度が追加されて、ＦＦＴ２６で１／Ｎに低減されることになる。５ＭＨｚのシステムの場合、より長い遷移帯域を可能にし、１．０８ＭＨｚのＲＡＣＨ情報を抽出するために、フィルタ帯域幅が全帯域幅の約１／３（１．６６ＭＨｚ）であるので、Ｎは３に設定される。図３では、５ＭＨｚの信号はローパス・フィルタ処理され、１／３にダウン・サンプリングされる。ダウン・サンプリングされた信号を時間領域から周波数領域に変換するために、信号にＲＡＤＩＸ−２ ＦＦＴ処理が適用される。このようにして、ロングＦＦＴの長さは１／３に低減され、６１４４から２０４８になる。２０４８のＦＦＴはＲＡＤＩＸ−２ ＦＦＴ演算であるので、複雑度が低減される利点もある。

ＬＰＦ設計の目的は、ＲＡＣＨ受信機における全体的計算の低減である。ローパス・フィルタ（ＬＰＦ）はＲＡＣＨ帯域外情報の大部分を除去する。ＬＰＦ設計は、すべての帯域外信号を除去するものではない。ＬＰＦの長さおよび係数は、遷移帯域特性および追加の計算の複雑度を決定する。複雑度は、フィルタ長の増加および係数のビット幅につれて増加する。ＬＰＦ２２は、ＲＡＣＨ受信機における計算の複雑度の増加を最小限に抑えるために、短いフィルタ長および低いビット幅を有するように設計される。多相ＬＰＦは、ＲＡＣＨの帯域外信号のほぼ大部分を取り除くと考えられる。たとえば、５ＭＨｚの帯域幅信号は、帯域幅が約１．６７ＭＨｚにフィルタ処理される。１．６７ＭＨｚの信号は、次いで、ＲＡＣＨ信号抽出の前に２０４８のＦＦＴ演算を可能にするために１／３にダウン・サンプリングされる。

要約すると、本明細書では、低複雑度ＲＡＣＨプリアンブル検出器について説明する。ＲＡＣＨプリアンブル検出アルゴリズムは、周波数領域処理による時間領域相関関数のピーク検出を使用する。周波数領域処理では、周波数領域ＣＡＺＡＣ系列から直接生成される基準信号、または時間領域ＣＡＺＡＣ系列からＤＦＴ変換を用いて生成される基準信号を考慮する。ロングＦＦＴ演算の所要の長さを１／Ｎに低減するために、ＦＦＴの前にダウン・サンプリングとともに低複雑度多相ＬＰＦが実装される。パフォーマンス結果は、この実装で劣化がほとんど起こらないことを示す。

上記の説明の一部は、中央処理装置（ＣＰＵ）と、ＣＰＵ用のメモリ記憶デバイスと、接続された表示デバイスとを含む従来のコンピュータ構成要素によって実行されるデータ・ビット上の演算のアルゴリズムおよび記号表現で示された。これらのアルゴリズムの説明および表現は、データ処理の当業者がその仕事の本質を他の当業者に最も効果的に伝えるために使用する手段である。アルゴリズムは一般に、所望の結果をもたらす自己無撞着な一連のステップとして認知される。ステップは、物理量の物理操作を必要とするステップである。必ずしもそうとは限らないが、通常、これらの量は、格納、転送、組合せ、比較、および他の操作が可能な、電気信号または磁気信号の形態をとる。主に一般的な用法という理由で、これらの信号をビット、値、要素、記号、文字、項、数字などと呼ぶことは時々便利であることがわかっている。

ただし、これらおよび同様の用語はすべて、適切な物理量に関連すべきものであり、これらの量に付与される便利なラベルにすぎないことを理解されたい。上記の説明から明らかなように、特に別段の規定がない限り、説明全体にわたって、「処理」または「計算」または「算出」または「決定」または「表示」などの用語を利用する説明は、コンピュータ・システムのレジスタおよびメモリ内の物理（電気）量として表現されるデータを操作し、コンピュータ・システムのメモリまたはレジスタ、あるいは他のそのような情報記憶デバイス、伝送デバイス、または表示デバイス内の物理量として同様に表現される他のデータに変換する、コンピュータ・システム、または同様の電子計算デバイスの動作およびプロセスを指すことを諒解されたい。

本明細書で提示したアルゴリズムおよび表示は本質的に特定のコンピュータまたは他の装置に関係するものではない。様々な汎用システムが本明細書の教示によるプログラムとともに使用でき、または、より特殊化された装置を構成することが、本明細書で説明した方法を実施するのに便利であることがわかる。様々なこれらのシステムの構造は説明から明らかであろう。さらに、例示的な実施形態は、特定のプログラミング言語に関して説明したものではない。本明細書で説明した例示的な実施形態の教示を実施するために様々なプログラミング言語が使用できることを諒解されたい。

機械可読媒体は、機械（たとえば、コンピュータ）によって読取り可能な形式で情報を記憶または送信するためのいかなる機構をも含む。たとえば、機械可読媒体は、読取り専用メモリ（「ＲＯＭ」）、ランダム・アクセス・メモリ（「ＲＡＭ」）、磁気ディスク記憶媒体、光記憶媒体、フラッシュ・メモリ・デバイス、電気、光、音または他の形態の伝搬信号（たとえば、搬送波、赤外信号、デジタル信号など）などを含む。

上記の説明は、本発明の特定の実施形態の開示を与えるものにすぎず、本発明を特定の実施形態に限定するものではない。したがって、本発明は上記の実施形態のみに限定されない。そうではなく、当業者なら、本発明の範囲内に入る代替実施形態を想到することができることが認められる。

Claims (10)

1. 信号中のプリアンブル系列を検出する方法であって、
   広帯域ＯＦＤＭ信号を受信するステップと、
   前記広帯域ＯＦＤＭ信号から狭帯域信号をフィルタ処理するステップと、
   前記フィルタ処理された信号を１／Ｎにダウン・サンプリングするステップと、
   前記フィルタ処理された信号を時間領域信号から周波数領域信号に変換するステップと、
   前記周波数領域のフィルタ処理された信号から狭帯域ランダム・アクセス・チャネル（ＲＡＣＨ）信号を抽出するステップと、
   時間領域相関系列出力を生成するために前記抽出された信号を基準系列と相関させるステップと、
   前記時間領域相関系列出力のピークを検出するステップと、を含む方法。
2. 前記受信広帯域信号が、ＵＭＴＳ ＬＴＥシステムにおけるランダム・アクセス・チャネルのバーストを含む、請求項１に記載の方法。
3. Ｎが３である、請求項１に記載の方法。
4. 前記フィルタが短い長さのローパス・フィルタを備える、請求項１に記載の方法。
5. 前記基準信号が、シフト特性をもつ定振幅ゼロ自己相関（ＣＡＺＡＣ）系列を備える、請求項１に記載の方法。
6. 信号中のプリアンブル系列を検出する装置であって、
   広帯域信号から狭帯域信号をフィルタ処理するローパス・フィルタと、
   前記フィルタ処理された信号を１／Ｎにダウン・サンプリングする１／Ｎダウン・サンプリング・モジュールと、
   前記フィルタ処理された信号を時間領域信号から周波数領域信号に変換する簡易ＲＡＤＩＸ−２高速フーリエ変換（ＦＦＴ）モジュールと、
   前記周波数領域信号から信号を抽出する抽出モジュールと、
   時間領域相関系列出力を生成するために前記抽出された信号を基準系列と相関させる相関モジュールと、
   前記相関させた信号を周波数領域から時間領域に変換する逆離散フーリエ変換モジュールと、
   前記時間領域相関系列出力のピークを検出するピーク検出モジュールと、を備える装置。
7. 受信信号が、ＵＭＴＳ ＬＴＥシステムにおける前記広帯域信号に埋め込まれたランダム・アクセス・チャネル（ＲＡＣＨ）のバーストを含む、請求項６に記載の装置。
8. Ｎが３である、請求項６に記載の装置。
9. 前記フィルタがローパス・フィルタである、請求項６に記載の装置。
10. 前記基準信号が、シフト特性をもつ定振幅ゼロ自己相関（ＣＡＺＡＣ）系列を備える、請求項６に記載の装置。

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