JP2697306B2 - 複数利用者のスペクトル拡散通信システム - Google Patents
複数利用者のスペクトル拡散通信システムInfo
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- Signal Processing (AREA)
- Mobile Radio Communication Systems (AREA)
- Time-Division Multiplex Systems (AREA)
Description
関し、更に特定すれば、複数利用者のスペクトム拡散通
信システムに関するものである。
信者)から送り先(受信者)へチャネルを用いて送信す
ることである。送信装置はメッセージ信号をチャネルで
の送信に適する形に処理(変調)する。その後受信機は
受信した信号を復調し、最初のメッセージ信号の予測を
生成する。
影響する一つの重要なパラメータは送信装置のパワーで
ある。ノイズの制約のある通信システムでは、送信され
たパワーが送信機と受信機との間の許容される分離距離
を決定する。使用可能な送信パワーが受信機の入力にお
けるS/N比を決定するのであるが、これは情報の通信を
成功させるためにはある一定のしきい値を超えていなけ
ればならない。
基準は同時にサービスをすることのできる利用者の数を
指している。一つのよく知られたシステムの応用例はセ
ルラ無線電話システムである。そのようなシステムは、
一般的に、各々が一つのサービスエリアを受け持つ多数
のベース・サイト、および多数の移動電話すなわち携帯
用セルラ電話(以下「加入者」という。)とから構成さ
れる。ベース・サイト基地局のサービス・エリアは、実
質的に連続したサービス・エリアを提供するように部分
的に重複して配置されており、一つのベース・サイトか
らサービスを受けている加入者用通信機器がサービスの
中断を受けることなく隣接する遠隔サイト(遠隔局)に
渡されるようになっている。できるだけ多数の利用者に
サービスを提供することができるように、使用可能なス
ペクトラルを効果的に利用することが、セルラ通信シス
テムの一つの重要な目標である。
かのメッセージ発信源からの信号を同時に無線送信する
ことが可能である。周波数分割多重方式、時分割多重方
式、およびそれらの混合方式がセルラ無線システムの実
施に伝統的に使用されてきた。
x)方式では、通信スペクトル資源がいくつかの狭い周
波数帯に分割される。少なくとも、要求される通信量を
通信するのに必要な時間の間は、一つの周波数分割チャ
ネルが加入者によりベース・サイトとの通信のために占
有されるもう一つの周波数チャネルはベース・サイトか
ら加入者への通信のために使用される。
多重アクセス通信方式のもう一つのタイプである。TDMA
方式では、スペクトル資源が、それぞれ複数のタイム・
スロットすなわち時分割チャネルを持つ反復するタイム
・フレームに分割される。各々の時分割チャネルは異な
る通信リンクに割り当てられる。この構成では、加入者
の情報の一部は一つのタイム・フレームの割り当てられ
たスロットで発生する。この後に他の加入者への情報ま
たは他の加入者からの情報のサービスを行う一つまたは
それ以上の他のタイム・スロットが続く。この処理は、
受信された情報が受信機で妥当に再構築されている状態
で反復される。
ナログおよびディジタルの通信方式が使用される。近年
では、ディジタル方式がアナログ方式よりもいくつかの
操作上の利点があるために好まれているが、この利点に
は特に、チャネルのノイズや干渉を受けるおそれがない
こと、システムの運用が柔軟になること、異なる種類の
メッージ信号の送信に共通のフォーマットが使用できる
こと、ディジタル暗号化の使用により通信の機密保持が
改善されること、および容量が増大すること、が挙げら
れる。
であれディジタルであれ)を送信するためには、そのメ
ッセージ信号は能率的な送信に適する形に処理されなけ
ればならない。メッセージ信号の修正は当業界では良く
知られた変調および数々の適切な方法によって行われ
る。これらに対応して、最初のメッセージを再生するた
めには受信機が必要である。
Access)方式を利用しているスペクトル拡散通信システ
ムは、FDMAおよびTDMAシステムのように多重接続システ
ムとして使用することができる。スペクトル拡散システ
ムでは変調手法が利用され、情報は広範囲の周波数帯に
拡散される。この周波数帯は送られる情報の送信に必要
な最小限のバンド幅よりもはるかに広い。ダイレクト・
シーケンスCDMAシステムにおいては、二つの通信機器間
の通信は、唯一の利用者拡散コードを持つ広い周波数帯
でそれぞれの送信信号を拡散することによって達成され
る。その結果、多数の送信信号が同じ周波数を共有する
ことになる。そのようなシステムが作動することができ
るのは、おのおのの信号が時間または周波数またはその
双方についてコード化されており受信機においてその分
離と再構築を容易にしているという事実に基づいてい
る。個別の送信信号が通信チャネルから検索されるので
あるが、これは通信チャネルの中の信号の全体から、送
信機で行われた個々の拡散に関する既知の利用者拡散コ
ードで一つの信号を広げることによる。
いては、無線搬送波の変調は、情報速度よりもはるかに
速いビット速度を持つディジタル・コード・シーケンス
と共に利用者の情報を拡散した後に行われる。疑似乱数
(PN:Pseudo-random Number)がスペクトルを「拡散」
するためのコードとして使用される。受信機は、同じ既
知のPNを利用することによって、受信した信号を、他の
利用者の拡散信号によって損なわれた場合でさえも、正
しく解読し、最初の情報を再生することができる。その
ようなシステムにおいて同時にサービスをすることので
きる利用者の数は、提供されるスペクトル「拡散」の量
に依存する。
ッピング(Frequency hopping)」である。周波数ホッ
ピングにおいては、搬送波の周波数はコード・シーケン
スによって指示されるパターンを用いて変化する。送信
機はある予定された集合の範囲内で一つの周波数から別
の周波数へと急変させる。受信機では、要求された利用
者のためのホッピング・シーケンスは既知であるから利
用者のホッピング送信の追跡が可能となる。定期的に、
二人以上の利用者の信号が同じ周波数に注がれることに
よって干渉を引き起こすこともあるであろう。情報のコ
ーディング手法(エラー訂正コーディング)を使用する
と、送信されたバーストの小部分が失われた場合でさえ
も、最初の情報の再構築が可能となる。また、送信の時
間がコード・シーケンスによって規制される、時間ホッ
ピングおよび時間−周波数ホッピング構成もある。
続システムをも利用することができる。セルラ・システ
ムでは、いくつかの要素が性能に制限を加えている。一
般的に、チャネルを通して伝達するに際して、送信され
た信号はチャネルの周波数応答における非線形性と不完
全性とのためにひずみが生じている。他の劣化の原因は
ノイズ(熱的および人的な)および、隣接および共通チ
ャネルによる干渉である。
CDMAシステムにおける受信信号に関係するノイズの大部
分は、同じ周波数帯で送信されるがユニークな利用者拡
散コードを持つ他の利用者の信号から来るものである。
要求された拡散信号へのノイズ・パワーの寄与は、他の
個々の利用者のそれぞれの信号のために存在する。追加
されたノイズの大きさはそれぞれの不要な信号の受信信
号パワーに直接関係している。必要な信号よりもはるか
に強く入ってくる不要な受信信号は過剰なノイズの元と
なる。それゆえに、おおよそ同じパワーで受信されるよ
うに全ての利用者のパワーを動的に調整することが望ま
れているのである。このようにすれば、同じスペクトル
資源で同時にサービスを受けることのできる利用者の数
が最適化される。
めには、最も近い送信機は最も遠い送信機のパワーに比
べて80dBもパワーを削減する必要があるであろう。この
パワー制御の限界は達成するのが非常に難しく、かつ非
常に高価なものとなる。
る通信にとっては、80dBのパワーの限界の用件なしに最
適化することのできる手段を必要としているのである。
つ複数利用者のスペクトル拡散通信システムから成るも
のである。それぞれのチャネルには要求された受信信号
の強度のしきい値が割り当てられる。加入者用装置には
それらの受信信号の強度に基づき、それらの限定された
パワー制御レンジ内での作動が許されるように妥当なチ
ャネルが割り当てられる。加入者用装置は送信パワーを
動的に調整することによりこのしきい値に達する。
受信されパワーが測定された後に、システムが、加入者
の動的パワー制御レンジと一致する、加入者信号のため
の受信信号強度のしきい値が割り当てられているチャネ
ルを選択する。この加入者用装置はその選択されたチャ
ネルで送信するように指示されている。一度ある特定の
チャネルに割り当てられると、加入者用送信機の出力パ
ワーはそのチャネルに割り当てられた受信信号強度のし
きい値に合うように調整される。
れ以上の無線周波数搬送波の非重複時分割チャネルから
成る。
テムは、周波数と非重複時分割との組み合わせを使用
し、それぞれが異なるパワー・レベルに割り当てられて
いるチャネルを用いて適用することができる。
ラフである。
しているグラフである。
の再構築された通信信号について要約した説明図であ
る。
成を表すグラフである。
・サイトを図で表したものである。
信構成を表すグラフである。
拡散通信構成を表すグラフである。
のしきい値を割り当てる一つの方法を示すグラフであ
る。
と、従来技術によるFDMA通信構成が図解されている。第
1図では、横軸に周波数の値が割り当てられ、縦軸には
振幅の値が割り当てられている。複数の信号12がグラフ
10で図解されている。理想的には各信号は個別の周波数
レンジ11の中にあるであろう。一組の送信機/受信機が
周波数レンジ11に同調され、そのレンジの信号のみ受信
するのである。
わす広く20と指されたグラフが図解されている。スペク
トル拡散システムにおいては、2つの装置間の通信は、
それぞれの信号をチャネルの周波数帯に拡散することに
よって達成される。それぞれの信号は唯一の利用者拡散
コードと共に拡散される。これはグラフ20に図解されて
いるが、離れた信号のそれぞれのエネルギを取ってそれ
を全チャネルに分散したものである。12′の高さが受信
パワーのレベルである。第3図の概念図では、信号の1
つが再構築されている。図に示されているように、他の
信号が再構築された信号と同じ周波数レンジに分散され
るので、若干の(斜線の領域で示された)干渉が存在す
る。しかしながら、このスペクトル拡散構成は、信号12
の特性が劣化しないのに足りるだけ、再構築された信号
12が他の信号からのノイズよりも大きくなるように設計
されている。
に、受信機(セル・サイト)の立場から各々の信号を同
じパワー・レベルにすることが望まれる。セルラ・シス
テムの中に広く40で指されているセル・サイトの例が第
4図に示されている。サイト40は、境界41、ベース・サ
イト42、および利用者43aおよび43bから成る。図に示さ
れているように、利用者43aからベース・サイト42まで
の距離は利用者43bからベース・サイト42までの距離よ
りも長い。それゆえに、双方の利用者が同じパワー・レ
ベルで操作しているとすると、ベース・サイト42で受信
される信号は、利用者43bの方がより近接しているため
に、はるかに強いであろう。
最大にするために、同じパワーの信号がベース・サイト
42で受信されるようにすることが望まれる。最も弱い信
号は一般にベース・サイト42から最も遠い信号であるか
ら、すべての他の信号は利用者43aのパワー・レベルに
下げられるであろう。
通信装置へ制御信号を送る。この制御信号は利用者43b
の装置に対してパワーを減ずるように命令する。ここで
の問題は、極度に、利用者43bがその装置のパワーを80d
Bも減じなければならない可能性があることである。パ
ワー減少のこの度合いを得るのは、加入者用通信装置の
設計に関しては非常に難しく、極めてコスト高となるも
のである。
能性)を減少するために、本発明は1つの解決方として
提供されるものである。本質において、本発明は通信ス
ペクトルを2つまたはそれ以上のチャネルに分割し、各
チャネルには1つの信号をその信号のパワーに基づいて
割り当てるのである。これについてのグラフの例は、第
5図で広く50で指されたスペクトル拡散構成(例えばCD
MA)のグラフで与えられる。第2図のチャネルは今や3
つのチャネルS1-S3に分割されている。各々のチャネル
には各セグメント内でほぼ同じ量のパワーを持つ複数の
信号がある。この例では、チャネルS1が最も高いパワー
信号を持ち、次がチャネルS3である。チャネルS2には最
も低いパワー・レベルを持つ信号が入っている。
ル・サイトで表されている。ここでは、セル60は副次的
な境界線41aおよび41bと共に示されている。この例は、
ベース42に近い装置からの信号は遠く離れている装置か
らの信号よりも強いという仮定に基づいていることに、
ここでは注意するべきである。伝搬の異常やパワーの出
力レベルの異なる装置が現れるので、これは必ずしも実
際の状況ではない。
境界41bの内側の領域内で送信する装置は、最強の信号
であることから、S1チャネルに置かれるであろう。41a
および41bの境界線の間にある装置からの信号はチャネ
ルS3に置かれるであろう。また41aの境界の外の装置か
らの信号はチャネルS2に置かれるであろう。それゆえ
に、利用者43bの信号はチャネルS1に置かれ、利用者43a
の信号はチャネルS2に置かれるであろう。
のダイナミック・パワー制御レンジの中心に置くことが
できる。装置がセルのサービス・エリアを横切るとき、
利用者のパワー出力はパワー制御の上限に達する可能性
がある。受信されたパワー・レベルがこのレベル以下に
落ちたとすると、利用者はより低い受信信号強度のしき
い値を持つチャネルに変えられるであろう。同様に、利
用者のパワーがそのパワー制御の下限に達する可能性も
ある。この状況では装置はより高い受信信号強度のしき
い値を持つチャネルに変えられるであろう。その結果、
80-90dBのレンジのパワー・レンジは必要でなくなり、2
0-30dBのレンジで十分となる。
れた装置とは逆に高いパワー信号を出すという仮定に基
づいていた。実際問題としては、パワー・レベルは第6
図に示すような地理的な分割に基づく必要はなく、受信
信号のパワーに基づくことが可能となるであろう。例え
ば、利用者43aからの信号は、システムがこの信号をS3
の領域に置く程に強力であるかも知れないのである。他
方、利用者43bからの信号は非常に弱く(例えばそれが
建物の中にあったり、障害物により妨害されたりしてい
るので)、システムがその信号をチャネルS2に置くこと
もあり得る。
はいくつかの方法がある。1つの方法は、前述したこと
であるが、セル・サイト−その利用者からの受信パワー
・レベルの測定結果に基づいて−その加入者のパワー制
御レンジ内で受信信号強度のしきい値を持つチャネルを
選定することである。別の方法は、セル・サイトがベー
ス・サイトで使用可能な各チャネルの受信信号強度のし
きい値情報と、ベース制御チャネルの現在のパワー・レ
ベルの設定値とを送信することである。加入者の装置は
その後制御チャネルの受信パワー・レベルを測定し、パ
ワーの損失を計算する。加入者の装置の送信パワーをそ
のダイナミック・レンジ内に置く受信パワー・レベルを
持つチャネルが次に選択される。使用される方法の選択
は現在の加入者の状態による。第一の方法は、成立した
通信が進行中であるときや装置がシステム内の他のセル
に渡されるときに、装置をセル内でそのパワー制御レン
ジ内に置くのに最も適している。第2の方法は、通信セ
ッションの開始時に加入者がシステムに最初に接続する
のにより適している。
装置の送信パワーは、そのサイトで受信した信号を妥当
な受信信号強度のしきい値またはその近傍に保つため
に、必要に応じて調整することができる。もしも、例え
ば、加入者がサイトに近づきつつあり、その送信パワー
を妥当な受信信号強度を維持するのに十分な程度に、そ
の送信パワーを減少することが不可能な場合には、この
信号は一方のチャネルからより高い受信信号強度のしき
い値を持つ他方のチャネルに移すことができる。
る際には、隣接するチャネルのしきい値を互いに非常に
異なることがないように定めることが強く要望される。
しきい値が異なると隣接するチャネルで変調された信号
からの側波帯エネルギを制限するという要件を追加しな
ければならず、また要望するチャネルの信号を、より高
い受信パワー・レベルを持つ隣接するチャネルの信号か
ら守るために、受信機のフィルタの要件を改善しなけれ
ばならなくなる、ということは当業種の経験者にとって
は明白であろう。第9図は隣接するチャネルの、より強
い信号による干渉を減らすために、しきい値を調整する
方法の1つを示している。隣接する周波数帯でのサービ
スからどのような干渉が予想され得るかは一般的には分
からないので、第9図に従って系統立てること(例えば
システムの周波帯の両端の隣に位置するチャネルS1とS9
にはパワーのしきい値レベルを高く設定すること)が、
これらのチャネルを干渉から受けにくくすることになる
のである。最も低いパワー・レベルのしきい値を持つ、
より被害を受けやすいチャネルS4-S6は、隣接するチャ
ネルの干渉がシステムによって抑制される、システムの
中心部に置かれる。第7図を参照すると、広く70と指さ
れているグラフが別のスペクトル拡散通信システムを表
しており、本発明を図解しているものである。グラフ70
では、第5図と共に述べたようなスペクトル拡散構成
が、1つのスペクトル拡散チャネルにTDMA方式で適応さ
れている。グラフ70では、横軸の値は、周波数の対する
ものとしての時間である。ここではある特定の周波数が
それぞれタイム・スロットT1-T3、71-73に分割されてい
る。それぞれのタイム・スロットは時間分割チャネルで
あり、特定のパワー・レベルが割り当てられている。基
地局で通信信号が受信されると、受信された信号のパワ
ー次第で、その信号はある特定の時間分割チャネル71-7
3に割り当てられる。その上、その信号は基地局によっ
て制御され、その基地局はその信号が置かれている時間
分割チャネルのパワー・レベルに、より適切に調和する
ようにパワーの増減を行う。
別のスペクトル拡散通信構成を表し、本発明を図解して
いるものである。グラフ80は3次元のグラフで第3の次
元として時間を追加したものである。グラフ80は第5図
と第7図の構成の組み合わせを表している。ここでは、
通信チャネルは周波数帯域幅のセグメントS1-S3に分割
されている。各周波数帯域幅のセグメントはタイム・ス
ロットT11-T33に分割されている。各セグメント/スロ
ットの組み合わせに対して異なるパワー・レベルを割り
当てることにより、通信システムは、入力信号のパワー
・レベルに、より密接に合うセグメント/スロットの場
所を割り当てることができる。
テムに必要なダイナミック・パワー制御レンジを非常に
減少させることができることは、当業者にとって明らか
であろう。この結果、送受信機はより簡単でより廉価な
設計にすることが可能となる一方、システムの収容能力
をなお最大にすることができるのである。以上により、
前述した目的とねらいと利点とを十分に満足する方法と
手順とが本発明に基づいて与えられたことは、当業者に
とって明らかであろう。
の変更や改変や変形は当業者にとっては前述の説明に鑑
みて明らかであろう。従って、全てそのような変更や改
変や変形は添付の特許請求の範囲内のものである。
Claims (9)
- 【請求項1】第1受信信号強度のしきい値を割り当てら
れた第1通信チャネル、および第2受信信号強度のしき
い値を割り当てられた第2通信チャネルを有する基地
局;および 加入者用装置が使用するために前記第1および第2通信
チャネルの一つを選択する手段; から成ることを特徴とするスペクトラム拡散通信システ
ム。 - 【請求項2】前記加入者用装置は前記選択する手段を含
み、前記選択は前記基地局から受信された信号に基づく
ことを特徴とする請求項1記載のスペクトラム拡散通信
システム。 - 【請求項3】前記第1および第2通信チャネルが時間分
割チャネルであることを特徴とする請求項1記載のスペ
クトラム拡散通信システム。 - 【請求項4】第1受信信号強度のしきい値を割り当てら
れた第1通信チャネル、および第2受信信号強度のしき
い値を割り当てられた第2通信チャネルを有する基地
局; 加入者用装置が使用するために前記第1および第2通信
チャネルの一つを選択する手段;および 前記加入者用装置の送信機のパワー・レベルを、前記選
択された通信チャネルの前記受信信号強度のしきい値に
合わせる手段; から成ることを特徴とするスペクトラム拡散通信システ
ム。 - 【請求項5】スペクトラム拡散通信システムで使用され
る複数の通信チャネルの1つを加入者用装置に割り当て
る方法であって: 前記加入者用装置で基地局から情報信号を受信する段階
であって、前記情報信号は前記複数の通信チャネルのそ
れぞれの受信信号強度のしきい値に関する情報を有し; 前記複数の通信チャネルの1つを選択する段階;および 前記加入者用装置の送信パワー・レベルを、前記加入者
用装置から前記基地局で受信される信号の信号強度が前
記選択されたチャネルの前記受信信号強度のしきい値と
調和するように設定する段階; から成ることを特徴とする方法。 - 【請求項6】スペクトラム拡散通信システムで使用され
る複数の通信チャネルの1つを加入者用装置に割り当て
る方法であって: 前記加入者用装置から基地局に対して通信システムへの
接続の要請を送信する段階; 前記基地局において前記要請の信号強度を測定する段
階; 前記加入者用装置から前記基地局に対する前記要請の送
信におけるパワーの損失を算定する段階; 前記信号強度及び前記パワー損失に基づいて前記加入者
装置の送信パワー能力を決定する段階; 前記送信パワー能力および前記加入者用装置のダイナミ
ック・パワー送信レンジに基づいて複数の通信チャネル
の1つを選択する段階;および 前記加入者用装置の送信パワー・レベルを、前記加入者
用装置から前記基地局で受信される信号の信号強度が前
記選択されたチャネルの前記受信信号強度のしきい値と
調和するように設定する段階; から成ることを特徴とする方法。 - 【請求項7】受信信号の信号強度を測定する手段;およ
び 複数の通信チャネルのうちの一つの通信チャネルを選択
する手段であって、前記受信信号の信号強度に基づい
て、前記複数の通信チャネルのそれぞれは単一の基地局
内において実質的に単一のカバー範囲を提供する、とこ
ろの手段; を含んで構成されることを特徴とするスペクトラム拡散
通信システム。 - 【請求項8】基地局から複数の通信チャネル・セグメン
トに対応するパワー・レベルのしきい値の信号を送る手
段であって、前記複数の通信チャネル・セグメントのそ
れぞれは単一の基地局内から実質的に単一のカバー範囲
を提供する、ところの手段; 加入者によって受信された前記パワー・レベルのしきい
値の信号に基づいて前記複数の通信チャネル・セグメン
トの1つを選択する手段; 前記加入者から前記基地局に、複数のチャネル・セグメ
ントから選択された前記一つのセグメントの接続チャネ
ルにおいて最初の信号を送信する手段;および 複数の通信チャネル・セグメントの前記選択された一つ
のセグメントの中から一つの通信チャネルを選択する手
段; とから成ることを特徴とするスペクトラム拡散通信シス
テム。 - 【請求項9】基地局と加入者とを持つスペクトラム拡散
通信システムにおいて加入者の送信パワー制御レンジを
縮小する方法であって、前記方法は: 前記基地局で受信した前記加入者からの信号の信号強度
を測定する段階; 前記信号強度に基づいて、一つのセルの中で一つの信号
チャネルを選択する段階であって、前記複数の通信チャ
ネルのそれぞれは実質的に単一のカバー範囲を提供す
る、ところの段階; 前記加入者の送信パワー制御レンジをおおよそ前記選択
された通信チャネルのレンジに縮小する段階; から成ることを特徴とする方法。
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