JP4263745B2 - Ｔｄ−ｓｃｄｍａ移動通信システムのエリア初期検索における利得制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、移動通信技術に関するものである。更に適切に述べれば、時分割-同期符号分割多重接続（TD-SCDMA）移動通信システムのエリア初期検索時における利得制御方法に関するものである。

全ての移動通信システムのユーザー端末は、電源投入時、またはエリア再選択時にいずれもエリア検索を行なわなければならない。これに対しては、第三世代移動通信システム基準で、エリア検索の方法が提示されている。

エリア検索の方法を説明する前に、まず時分割双方向伝送（Time Division Duplex：TDD）について、TD-SCDMAシステムを例にそのフレーム構造を説明する。図１でTD-SCDMAシステムのフレーム構造、およびそのエリア検索の略図を示す。時間という観点では、TD-SCDMA信号は周期的な時間単位によって構成されている。基本的な時間単位を“無線フレーム”(略称、フレーム)と呼び、各“無線フレーム”の長さは10msである。各“無線フレーム”は、長さがそれぞれ5msとなる二つのサブフレームに分けられ、各サブフレームは７つの通常タイムスロットTS0-TS6と、TS0とTS1の間に位置する３つの特種タイムスロットに区分される。サービスは通常タイムスロットにおいて伝送する。３つの特種タイムスロットには、下りパイロットタイムスロット（DwPTS：Downlink Pilot Times Slot）、上りパイロットタイムスロット(UpPTS：Uplink Pilot Times Slot)とガードインターバル（G）が含まれる。TD-SCDMA基準では、TS0は常に下り方向、TS1は常に上り方向として指定されている。

エリア検索の過程を簡単に述べる。まず、動作キャリア周波数で、一つのサブフレームのデータを受信する。これと同時に、直ちに自動利得制御(AGC)を行ない、このサブフレーム(T=0msからT=5ms)の時間内で受信した信号の最高電気レベルが、受信機を飽和（即ち、ＴＤ−ＳＣＤＭＡ信号におけるサブフレームが持つ時間内（一部時間内）に受信データがいずれもＡＤＣ動的範囲内の最高位に達する場合を意味する。以下、明細書及び図面において、受信機を飽和、のように簡略に記載する）させることの無いようにする（図中、「受信機の最少受信電気レベル」と「受信機の飽和電気レベル」との間に位置する）。その後、TD-SCDMAフレーム構造の特徴、即ち下りパイロットタイムスロットの前後にはいずれも発信出力が無い(即ちアイドル)という特徴に基づき、スライドする時間窓を一点一点検査する方法で図中の到達時刻t0のようなDwPTSの位置を得る。併せて、このDwPTSに対するタイミングを通して、下り回線同期と周波数追跡を得る。その後、エリア検索が完了するまで、TS0タイムスロットで報知チャネル（BCCH：Broadcast Control Channel）の情報を受信し、読み取りを行なう。

上述のスライドする時間窓を一点一点検査することで得たDwPTS位置は、時間窓判定法を採用することができる。以下に、時間窓判定法について説明する。DwPTSマークの幅が4つの符号に固定されるという特徴に基づき、このスライドする時間窓の幅を８つの符号として確定することができる。中間の４つの符号の電気レベルは、その両側にあるそれぞれ２つの符号の電気レベルより高くなることから、DwPTS位置を判断する。

実際の端末では受信機の動的範囲が常に制限されていることから、一般的に受信機はいずれも自動利得制御技術を使用する。エリア検索の開始時、端末は一つのサブフレームのデータを受信すると直ちに自動利得制御を行なって、受信したサブフレーム内の最大信号に干渉が加わった電気レベルが受信機を飽和させないことを保証する。図１中で、縦線を用いた部分は受信した基地局の下り信号の電気レベルを表し、横線を用いた部分は受信した現在動作中であるその他ユーザー端末の上り信号の電気レベルを表す。

周波数分割双方向伝送（FDD）システムでは受信と発信で異なる動作キャリア周波数を採用しているが、時分割双方向伝送（TDD）システムはFDDシステムとは異なり、ただ一つのキャリア周波数を用いる。即ち、TDDシステムの受信と発信は、いずれも同じキャリア周波数を用いている。端末が受信したサブフレーム内の最大信号に干渉が加わった電気レベルが受信機を飽和させないことを保証するために、直ちに自動利得制御を行なうが、このように簡便なAGC方式は、以下に述べる問題が発生した時にはエリア初期検索を困難にするばかりではなく、エリア初期検索の失敗の原因にもなる。例えば、エリア初期検索を実行中のユーザー端末が、基地局からの下り信号を受信するだけでなく、エリア内で動作しているその他ユーザー端末からの上り信号まで受信する。さらに甚だしいケースでは、このユーザー端末がちょうど同一のキャリア周波数を複数採用するエリアの境界付近にある場合、近隣エリア基地局の下り信号、および近隣エリアで動作しているユーザー端末の上り信号をも受信する。また、エリア検索を実行中のユーザー端末の付近で、一つまたは複数のユーザー端末がちょうど通話状態であり、これらの端末の動作キャリア周波数が同一である時、ユーザー端末からの上り信号が基地局からの下り信号よりもはるかに大きくなることがある。これらの干渉の存在が、TDDシステムのエリア初期検索を非常に困難なものとしている。

現時点において、この問題を解決する一般的な方法は、受信機の動的受信範囲を拡大することである。この方法は、より桁数の多いアナログ/デジタル変換機（ADC）を使用しなければならず、設備原価の増加を招く。かつ、ユーザー端末の動作電圧が比較的低く、使用できるADCの桁数が10桁を超えることは難しい。また動的範囲が60dBを超えることも難しく、必要に応じて受信機の動的範囲を拡大するという目的の実現は不可能である。

実際の移動通信ネットワークにおいて、TD-SCDMAユーザー端末受信機のAGC範囲は80dBを超えることができるが、一定の利得における動的範囲（精度10bitのADCを使用すると仮定する）は、僅か60dBである。エリア初期検索の実行時、受信するサブフレームの信号にはいくつかの状況が考えられる。このいくつかの状況を、図２とも結び付けてより踏み込んだ説明を行なうことで、上述した簡便な自動利得制御方法を採用した時にエリア初期検索にもたらされる問題について述べる。

図２Ａは、代表的な状況を示す。一つのサブフレームの中（5ms）で、ユーザーが得ることができるのは、主に基地局からの下り信号であり、図では縦線を用いた部分で示される。これに対し、その他の動作中ユーザーの信号は非常に低く、前述の簡便な自動利得制御技術を使用するだけで、良好な受信効果を得ることができ、エリア初期検索を容易に実現することができる。図中、四角い格子を用いた部分は、熱ノイズの電気レベルを示す。

図２Ｂは、ユーザーが基地局から比較的遠く離れており、かつ近くで一ユーザーが動作中である時の状況を示す。ユーザー(図中、縦線を用いた部分で表示)の付近に、他に一つ動作中のユーザー端末がある時(図中、横線を用いた部分でこれを表示)、この動作中端末の信号レベルは−30dBmに達する可能性があり、甚だしいケースではさらに高くなる。一般的なAGC技術を採用した場合、受信機を飽和させないため、直ちに利得制御を行なうことにより、このサブフレーム（5ms）信号を正常に受信できる電気レベルの状態に調整する。この時、信号（図中で示すDwPTS）はADCサンプリング精度の制限を受け、既にノイズ（図中、影を用いた部分で示したADC数量化ノイズの電気レベル）を下回っており、エリア初期検索の失敗を招く。

図２Ｃは、ユーザーがエリア周辺部におり、かつ近隣エリアの干渉が存在する状況を示す。ユーザーはエリア周辺部におり、近隣ユーザーからの干渉は無いが、近隣エリアからの干渉が深刻であり、SN比(Signal to Noise Ratio)は非常に小さい。近隣エリア基地局がいずれも同期することから、図中で示す異なるエリアのDwPTSのように、各エリアのサブフレームでDwPTSの出現する位置が接近している。しかし、ユーザーが受信するDwPTS幅の増加は少なく、DwPTSの両側がアイドルとなる特徴は依然として存在する。従って、一般的なAGC技術を採用した場合、エリア初期検索は比較的困難ではあるが、実現は可能である。

最後の出現する可能性のある状況は、上述の図２Bと図２Cで示す状況が組み合わさった状況である。基本的には図2Bで示したものと同様の原因で、エリア初期検索は必然的に失敗する。

以上を総括すると、次の通りとなる。エリア初期検索を行なう際、端末は受信機を飽和させないため、一つのサブフレームの信号を受信すると、直ちに自動利得制御を実行する。ユーザー端末付近に動作中のその他端末がある場合、エリア初期検索の実現は難しく、甚だしいケースではエリア初期検索の失敗を招く。

本発明の目的は、TD-SCDMA移動通信システムのエリア初期検索における利得制御方法を設計することである。これはユーザー端末がエリア初期検索時に使用する利得制御の方法であり、背景となる技術に存在する、図２で示したエリア初期検索を困難にする問題を解決し、動的範囲が制限される状況で、ユーザー端末のADCがエリア初期検索を迅速に実行できるようにするものである。

本発明の目的を実現する技術プランは、TD-SCDMA移動通信システムのエリア初期検索における一種の利得制御方法である。その特徴は、以下の手順を含むことにある。

A．ユーザー端末が選定したキャリア周波数において最大受信利得を用いて受信する。
B．受信した複数のサブフレームのデータを記録する。
C．時間窓判定法を採用して、受信した各サブフレームの下りパイロットタイムスロットの位置を確定する。
D．受信した大部分のサブフレームで下りパイロットタイムスロットの位置を確定できた場合、エリア初期検索の後続プロセスを引き続き実行し、さらに手順Aに戻りこれを実行する。受信した大部分のサブフレームで下りパイロットタイムスロットの位置を確定できない場合、手順Eを実行する。
E．受信機が飽和しているか否かを判断する。受信機が飽和していない場合、手順Aに戻りこれを実行する。受信機が飽和している場合、受信利得を1ステップ下げ、手順Bに戻り引き続きこれを実行する。

手順Dと手順Eで、手順Aに戻り引き続きこれを実行すると述べたが、ここで述べる手順Aは、全ての可能なキャリア周波数の中から、改めて別のキャリア周波数を選択して受信を行なうものである。全ての可能なキャリア周波数がいずれも一回選択された時、エリア初期検索を終了する。

手順Dで、受信した大部分のサブフレームで下りパイロットタイムスロットの位置を確定できた場合と述べたが、ここで述べる大部分とは、受信したサブフレームで過半数の下りパイロットタイムスロットの位置が確認されたか否かで判断する。手順Dで、受信した大部分のサブフレームで下りパイロットタイムスロットの位置を確定できない場合と述べたが、ここで述べる大部分とは、受信したサブフレームで過半数の下りパイロットタイムスロットの位置が確認されていないか否かで判断する。

ここで述べる過半数の下りパイロットタイムスロットの位置とは、連続して確定された、または間隔を空けて確定された位置である。

手順Dの中では、受信した大部分のサブフレームで確定された下りパイロットタイムスロットの位置を、複数サブフレームの下りパイロットタイムスロットの位置とする。

手順Eの中では、受信機が飽和していないことを判断すると同時に、受信した信号が外部の干渉であり、現在のキャリア周波数では動作が可能な基地局が無いことを判定する。
手順Eの中で、受信利得を1ステップ下げるとは、6から24dBの範囲内においてである。

本発明の方法はTD-SCDMA移動通信システムに適用するものであり、ユーザー端末がエリア初期検索を行う時に使用する利得制御方法の一つである。ユーザー端末がエリア検索を開始する時、まず受信機の利得を最大にするが、受信機が飽和しているか否かは考慮しない。その後、受信した複数サブフレームのデータを記録し、TD_SCDMAシステムにおけるフレーム構造の特徴に基づき、時間窓判断法を採用して各サブフレームの下りパイロットタイムスロット（DwPTS）の位置を確定する。受信機の飽和が発見されたが、下りパイロットタイムスロット（DwPTS）の位置が得られない時は、受信機の利得を比較的大きなステップ幅で下げる。さらに、この一連の手順を一回実行する毎に引き続き複数のサブフレームのデータを記録して、受信機が再び飽和しなくなるまで、受信機の利得を段階的に下げる。この過程を行なった後の結果、TD_SCDMAシステムにおけるフレーム構造の特徴に基づき、全ての可能なキャリア周波数で下りパイロットタイムスロット（DwPTS）の位置が確定でき、またあるキャリア周波数において接続できる基地局が存在しないと判断することもできる。

本発明の方法は、全ての可能なキャリア周波数に対して繰り返し実行し、最終的にエリア初期検索を完了する。

本発明の方法は、TD-SCDMAユーザー端末のエリア初期検索成功率を大幅に向上させることができる。ユーザー端末付近で、動作中のその他端末がある時、エリア初期検索の実現が難しいという問題を解決する。制限された動的範囲条件において、ユーザー端末のADCにエリアの初期検索を迅速に行なわせることができるので、ADCの桁数に対する条件を緩和できる。即ち、設備の原価を低減することができる。

以下に添付図面にあわせて、本発明について詳しく説明する。

TD-SCDMAシステムでは、そのフレーム構造に特徴的な下りパイロットタイムスロット（DwPTS）が設計されている。図１で示すように、このタイムスロットの時間およびこれに隣接する時間には、本エリアおよび本セクター内にいかなる干渉も存在せず、近隣エリアまたはその他移動通信システムからの干渉があるのみである。ユーザー端末は、このDwPTSのタイムスロットにおいて、比較的精確に下りパイロット信号を受信することができると同時に、これによりエリア初期検索を実現する、とも言うことができる。かつ、この下りパイロット信号の電気レベルは、報知チャネル（BCCH）上の電気レベルと同一、または数dB高くなければならない。これは、TD-SCDMA基準が提示する重要な特徴の一つである。

本発明は、この特徴を利用して、簡単かつ効果的にTD-SCDMAシステム端末のエリア初期検索時における利得制御を実現するものである。本発明が公開する方法は、前述したエリア検索時の困難な問題を基本的に解決することができる。

図３を参照願いたい。エリア検索中に採用する利得制御方法を示している。

ユーザー端末がエリア初期検索の実行を開始する(手順301)。開始キャリア周波数と受信機の最大利得を設定する(手順302)。ユーザー端末が開始キャリア周波数と最大受信利得で複数のサブフレーム信号を受信し、これを記録する(手順306)。TD-SCDMAフレーム構造の特徴に基づき、前述した時間窓判定法を使用して複数サブフレームのDwPTSの位置を検索する。複数サブフレームのDwPTSの位置の検索状況に基づき、数種類の結果が現れる(手順307、308)。

第一の結果は、複数サブフレームのDwPTSの位置を検索したと判断するものであり、引き続きエリア初期検索が完了するまでエリア初期検索の後続過程を実行する。これには、TS0タイムスロットにおける報知チャネル情報の受信と読み取りを含む（手順309）。

第二の結果は、複数サブフレームのDwPTSの位置が検索されないと判断した時、更に受信した信号が受信機を飽和させていないと判断する（手順310）ものである。この場合、受信した信号の電気レベルが非常に低く、受信した信号が外部の干渉、たとえば完全な熱ノイズなどであると判定できる。また、現在のキャリア周波数では、動作可能な基地局が無いと判定することができる（手順312）。その後、キャリア周波数と受信機の最大利得を変更し（手順304）、改めて次の一連のエリア初期検索を実行する（手順302）。

第三の結果は、各サブフレームでDwPTSの位置が得られず、かつ受信した信号の電気レベルも受信機を飽和させている状況において、受信機の受信利得を大きく1ステップ下げるものである。このステップ幅は6から24dBの範囲内で、例えば6、9、12、24dBなどを選択することができる（手順311）。その後、改めて現在のキャリア周波数で複数サブフレームの信号を受信し、これを記録する（手順306）。

受信した信号の電気レベルが受信機を飽和させる、即ち一部時間内に受信したデータがいずれもADC動的範囲内の最高位に達する場合（この一部時間とは、5ms時間内のある時間を指し、1ms未満であっても、数msであってもよい）、受信機の利得を1ステップ分下げる。その後、改めて現在のキャリア周波数で複数サブフレームの信号を受信してこれを記録し、再びエリア初期検索の過程を実行する（手順307）。受信機が再び飽和しなくなるまで、この過程を何度も繰り返す。この過程を繰り返す中で、DwPTSの位置の検索に成功する可能性があり、その場合は後続過程に入る（手順309）。しかし、依然としてDwPTSの位置が検索できない場合、受信した信号は外部干渉であるか、あるいは電気レベルが低すぎると判定するとともに、このキャリア周波数においては、動作可能な基地局が無いと判断することができる（手順312）。その後、現在のキャリア周波数を変更し（手順304）、改めてエリア初期検索を実行する（手順302）。現在のキャリア周波数を変更する際は、全ての可能なキャリア周波数の中で変更し、全てのキャリア周波数でいずれも一回上述の過程を実行した時は、エリア初期検索過程を停止することができる（手順315、316）。

このように受信機の利得を制御することで、端末のエリア初期検索過程を効果的に行なうことができる。この初期検索は、全ての可能なキャリア周波数に対して実行され、最終的には全てのエリア初期検索過程を完了する。

注意が必要となるのは、本発明方法中で行なう各回のエリア初期検索では、いずれも連続して、または間隔を空けて複数サブフレームの受信信号を記録し（手順306）、さらに各サブフレームの受信信号に対して、いずれもDwPTS位置の検索を行なう点である。複数、たとえば過半数のサブフレームで検索されたDwPTSの位置を、手順308における検索されたDwPTS位置の基準とし、なおかつ過半数のサブフレームで検索されたDwPTSの位置をもって、DwPTSの位置とみなす。このように、急速なフェージングの影響を克服できるとともに、SN比が非常に低い（0dBに近い）状況で行なうエリア初期検索の成功率を高めることができる。

本発明の方法は、TD-SCDMA移動通信システムの中で応用し、ユーザー端末がエリア初期検索時に使用する利得制御方法を提供するものである。各キャリア周波数に対し、受信機を最大受信利得に置き、複数サブフレームの受信データを受信してこれを記録する。時間窓法を用いて、基地局が発信する複数サブフレームの下りパイロットタイムスロットの位置を検索する。受信機が飽和していると判断し、また下りパイロットタイムスロットの位置が得られない時は、受信機の利得を大きなステップ幅で下げ(相対的に大きなステップ幅、普通のステップ幅は1から3dB)、さらに上述の検索過程を繰り返す中で、受信機が再び飽和しなくなるまで利得を段階的に下げる。本発明の方法を使用することで、動的範囲が制限される状況において、ユーザー端末のADCにエリア初期検索を迅速に実行させることができる。

TD-SCDMA移動通信システムのフレーム構造、およびエリア検索の略図である。 エリア初期検索時に受信するサブフレームの状況として可能性のある数種類の代表的な状況を示す。 ユーザー端末が基地局から比較的離れ、付近で一ユーザーが動作している状況を示す。 ユーザーがエリア周辺部におり近隣エリアの干渉が存在する状況を示す。 本発明の方法がエリア検索時に行なう自動利得制御過程のフロー図である。

Claims (7)

1. 下記のステップ：
   Ａ．ユーザー端末が選択したキャリア周波数において最大受信利得を用いて受信するステップ；
   Ｂ．受信した複数のサブフレームのデータを記録するステップ；
   Ｃ．時間窓判定法を採用して、受信した各サブフレームの下りパイロットタイムスロットの位置を確定するステップ；
   Ｄ．受信した大部分のサブフレームで下りパイロットタイムスロットの位置を確定できた場合、エリア初期検索の後続過程を引き続き実行し、さらに手順Ａに戻りこれを実行し、受信した大部分のサブフレームで下りパイロットタイムスロットの位置を確定できない場合、手順Ｅを実行するステップ；
   Ｅ．受信機が飽和しているか否かを判断し、即ち、一部時間内に受信したデータがいずれもＡＤＣ動的範囲内の最高位に達するか否かを判断し、受信機が飽和していない場合、手順Ａに戻り引き続きこれを実行し、受信機が飽和している場合、受信利得を１ステップ下げ、手順Ｂに戻り引き続きこれを実行するステップ
   からなるTD-SCDMA移動通信システムのエリア初期検索における利得制御方法。
2. 前記した手順Ｄと手順Ｅにおいて、手順Ａに戻り引き続き実行するとは、該手順Ａは、全ての可能なキャリア周波数の中から、改めて別の周波数を選択して受信を行い、全ての可能なキャリア周波数がいずれも一回選択された時、エリア初期検索を終了することを特徴とする請求項１に記載のTD-SCDMA移動通信システムのエリア初期検索における利得制御方法。
3. 前記手順Ｄで、受信した大部分のサブフレームで下りパイロットタイムスロットの位置を確定できた場合で述べた大部分とは、受信したサブフレームのうち過半数の下りパイロットタイムスロットの位置が確認されたか否かで判断することで、前記手順Ｄで、受信した大部分のサブフレームで下りパイロットタイムスロットの位置を確定できない場合で述べた大部分とは、受信したサブフレームのうち過半数の下りパイロットタイムスロットの位置が確認されていないか否かで判断することを特徴とする請求項１に記載のTD-SCDMA移動通信システムのエリア初期検索における利得制御方法。
4. 前記した過半数の下りパイロットタイムスロットの位置は、連続して確定された位置、または間隔を空けて確定された位置であることを特徴とする請求項３に記載のTD-SCDMA移動通信システムのエリア初期検索における利得制御方法。
5. 前記手順Ｄの中では、受信した大部分のサブフレームで確定された下りパイロットタイムスロットの位置を、複数サブフレームの下りパイロットタイムスロットの位置とすることを特徴とする請求項１に記載のTD-SCDMA移動通信システムのエリア初期検索における利得制御方法。
6. 前記手順Ｅの中では、受信機が飽和していないと判断すると同時に、受信した信号が外部の干渉であり、現在のキャリア周波数では動作可能な基地局が無いことを判定することを特徴とする請求項１に記載のTD-SCDMA移動通信システムのエリア初期検索における利得制御方法。
7. 前記手順Ｅの中で、受信利得を１ステップ下げるとは、６から２４dBの範囲内においてであることを特徴とする請求項１に記載のTD-SCDMA移動通信システムのエリア初期検索における利得制御方法。

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