JP4324612B2 - 直交コードｃｄｍａ信号検出方法 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

[発明の分野]
この発明は、移動通信技術の分野に関し、特に直交コード符号分割多重アクセス方式(CDMA)移動通信システムに適用できる受信信号検出方法に関する。

[発明の背景]
CDMA移動通信システムでは、厳しい多重アクセス干渉(MAI)とシンボル間干渉（Inter Symbol Interference(ISI)がある。単一のユーザのための伝統的な受信信号検出は、整合フィルタ処理を採用しており、整合フィルタは、チャンネル応答の影響を受けた後のユーザのスペクトル拡散シーケンス波形に対して相関した整合演算を実行し、所望信号と干渉信号の分離と検出を実行する。厳しいＭＡＩ及びマルチパス干渉（ＭＰＩ）が存在する場合、伝統的な単一ユーザの整合フィルタ方法は要求を満たすことができなかった。時間スロットCDMAシステムでは、合成検出（joint detection）技術を使用することができる。合成検出技術では、すべてのユーザに係る送信信号上の情報およびそのチャンネル応答が利用され、この信号検出は、統一された合成検出のプロセスとして扱われる。合成検出方法で受信信号が検出された時、多重アクセス干渉(MAI)およびシンボル間干渉を抑圧することができ、そして、符号分割多重アクセス方式システムの性能を著しく向上させることができる。A. Klein, G. K. Kaleh および P. W. Baierによる "Zero forcing and minimum mean square error equalization for multiuser detection in code division multiple access channels," (IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 45, pp.276-287,1996年5月)を参照。

しかしながら、システム性能を改善するために合成検出を使用するとき、２つの挑戦すべき課題が生じるであろう。

第１に、合成検出を実行する時、受信機は、すべてのユーザコードチャンネルに対し、チャンネル化コードについて、およびそのチャンネル応答についての情報を完全に知る必要がある。ある場合、特に、ユーザ端末がダウンリンク信号を受信する時には情報を完全に得るのが困難であるので、合成検出方法を使用するのはしばしば不可能である。

第２に、合成検出方法での計算は、単一ユーザの整合フィルタ処理方法におけるそれと比較してより複雑であり、その結果、その実現はより困難になり、費用、電力消費量、および信頼性のような指標に悪影響をもたらす。

異なった状況(良好か、劣ったチャンネル環境、完全な情報が利用できるか否か)および異なる要件(性能、実現の複雑さ)下で信号検出のための解決法をそれぞれ提供することは、符号分割多重アクセス方式移動通信システムのアプリケーションおよび開発で、主要な技術的要求事項である。

他方、3GPP TDD規格では、３つの異なったミッドアンブル（midamble）分配方式、すなわち、共通（common）、デフォルト（default）、及び指定（specific）モードが存在する。共通およびデフォルトのモードは、上で説明された最初の条件を満たしているので、それらのモードは、合成検出技術をサポートするが、指定のモードは、高いデータレートのユーザが存在するある状況に対してより適切である。指定のモードでは、各ユーザ端末は、ユーザ自身のスペクトル拡散コードとそれの対応するチャンネル応答を知っているだけであり、他のいかなるユーザに関してもミッドアンブルコードとスペクトル拡散コードとの間の対応する関係を知らないので、このような場合には、合成検出を実行するために他のチャンネルの情報を利用するのが困難であり、端末検出の性能を低下させる結果となる。

さらに、使用目的によっては、簡易型の受信検出アルゴリズムが期待される。例えば、端末が高速のダウンリンクデータを受信するアプリケーション(例えば、High-Speed Downlink Packet Access, HSDPA)では、端末により、より複雑な受信検出アルゴリズムを実行することは困難である。別の例では、比較的良好なチャンネル環境の場合には、合成検出を行うことは不要であり、従って、複雑なアルゴリズムは不要である。

上の要求の観点から、新しい信号検出方法を開発するために、符号分割多重アクセス方式移動通信システムの特徴を最大限に利用しなければならない。

3GPP TDDシステムでは、２つの重要な情報が利用される。一つは、スペクトル拡散コードの直交性であり、他の一つは、すべてのユーザのチャンネル推定結果がミッドアンブルコードから得られるということである。

スペクトル拡散コードの直交性に関して、直交コード符号分割多重アクセス方式システムでは、スペクトル拡散コードは、互いに直交したチャンネル化コードと、セルに対するスクランブル用コードとの積である。同じセルでの異なった拡散コード間には、直交性がある。例えば3GPP TDD規格では、複素スペクトル拡散コードc ^(kru)は、jⁱ (そのjⁱは、コードチップのシリアル番号に従う回転係数を表す) で変調されるバイナリであり、ダウンリンクのスペクトル拡散コードc ^(kru)は、次式で得ることができる。

ここで、c₁₆ ^(k)は、k_ruのチャンネル化コード (スペクトル拡散係数が１６であり、シリアル番号がkであるウォルシュ（Walsh）コード)であり、。w₁₆ ^(k)は対応する複素係数であり、vはセルに依存する複素スクランブル用コードベクトルである。

スペクトル拡散コード間には直交性があり、すなわち次式に従う。

*T は、共役転置(シンボルHと同じ)を表す。スペクトル拡散係数が１６であるとき、同じシリアル番号を持つ２つのスペクトル拡散コードの内積は１６である。異なったシリアル番号を持つ２つのスペクトル拡散コードの内積は０である。

マルチユーザチャンネル推定に関して: 3GPP TDDシステムでは、１つのセル内で動作中のすべてのユーザのチャンネル応答結果h^(k)は、ミッドアンブルコードで得ることができ、それは次式で示される。

k=1,・・・,K は、異なるチャンネル推定ウィンドウであり、Wは、チャンネル推定ウィンドウの長さを示し、Tは転置を示す。

3GPP TDD規格に示した３つの異なったミッドアンブル分配方法では、ミッドアンブルコードとスペクトル拡散コードとの間で明確な対応関係が得られないかもしれないが、異なった複数のユーザに対応する明確なチャンネル応答推定結果を取得可能であることが保証される。チャンネル応答推定結果は、マルチパス応答の時間波形およびパワーの特性のみならず、チャンネル推定ウィンドウに対応する１個以上のコードチャンネルの完全なチャンネル応答を反映することができる。

[発明の概要]
この発明の目的は、直交コードCDMA信号を検出するための方法を提供することであり、これは、直交コードの特性を最大限に利用して直交コードCDMA信号を検出し、よって整合フィルタリング処理または合成検出方法を簡単かつ改善された方法で実施でき、さらに、より安価に移動通信システムの性能を向上させることができる。

この発明の目的は、以下の技術的解決法で達成することができる。直交コードを用いる時間スロット直交CDMAシステムの受信装置に適用される、直交コードCDMA信号を検出するための方法であり、
A. ミッドアンブルコードを用いて受信信号に対してチャンネル推定を実行し、１つのセル内で動作中のすべてのユーザのチャンネル応答推定結果を得るステップを備え、
更に、
B. 推定にかかわる干渉コードチャンネルを選択し、そして、１つのセル内で動作中のすべてのユーザのチャンネル応答推定結果を用いることによりマルチパス信号への合計干渉パワーを推定するステップと、
C. 検出すべきユーザに係るスペクトル拡散コードおよびそれのチャンネル応答推定結果を利用することによって、各コードチャンネルの各マルチパス信号に関して受信信号に対する整合フィルタリングを実行し、そして、マルチパス信号への合計干渉パワーを利用することによって、マルチパス信号の整合フィルタリング結果に対して最大比合成を実行し、これにより最適化した整合フィルタリング結果を得て、最適化した整合フィルタリング結果から直交コードCDMA信号を得るステップとを備える。

これとは別にこの発明の目的は、以下の技術的解決法で達成することができる。直交コードを用いる時間スロット直交CDMAシステムの受信装置に適用される、直交コードCDMA信号を検出するための方法であり、本方法は、
A1. ミッドアンブルコードを用いて受信信号に対してチャンネル推定を実行し、１つのセル内で動作中のすべてのユーザのチャンネル応答推定結果を得るステップと、
B1. 合成検出を実行しないことを選択したとき、動作中のセルにおけるすべてのコードチャンネルを、推定にかかわる干渉コードチャンネルとして選択し、または、合成検出を実行することを選択したとき、動作中のセルにおける合成検出にかかわらないコードチャンネルを、推定にかかわる干渉コードチャンネルとして選択した状態で、１つのセル内で動作中のすべてのユーザのチャンネル応答結果を利用することによってマルチパス信号への合計干渉パワーを推定するステップと、
C1. 検出すべきユーザに対するスペクトル拡散コードおよびそれのチャンネル応答推定結果を用いて、各コードチャンネルの各マルチパス信号に関して受信信号に対する整合フィルタリングを実行し、そして、マルチパス信号への合計干渉パワーを用いることにより、マルチパス信号の整合フィルタリング結果に対して最大比合成を実行し、これにより最適化された整合フィルタリング結果を得るステップと、
D1. ステップB1で、合成検出を実行しないことを選択したとき、ステップを終了して、最適化された整合フィルタリング結果を直交コードCDMA検出結果として出力するか、ステップB1で、合成検出を実行することを選択したとき、次のステップE1に進むステップと、
E1. ステップC1で得られた最適化された整合フィルタリング結果に合成検出を実行し、そして、直交コードCDMA検出結果として合成検出結果を得るステップとを備える。

この発明は、主に以下の３ステップで実行される直交コードCDMA信号を検出するための方法を提供する。すなわち、マルチパス信号への合計干渉パワーを推定するステップと、最適化された整合フィルタリング出力を得るために、マルチパス信号に対して整合フィルタリングを実行し、そしてマルチパス信号への合計干渉パワーを用いてマルチパス信号に対する最大比合成を実行するステップと、そして、最適化された整合フィルタリング出力に対し合成検出を実行するステップである。

これを実現するための２つの方法が存在し、最適化された整合フィルタリング検出方法が使用されるなら、最初の２つの主なステップだけが実行され、合成検出方法が使用されるなら、３ステップのすべてが実行される。

この発明の方法は、チャンネル推定結果および直交コード特性を利用して信号の各パスへの干渉を推定し、そして、推定した干渉を用いて最大比合成を実行する。この発明の方法は、マルチユーザのチャンネル推定だけでなく、直交コードの特性を最大限に利用し、整合フィルタリング方法または合成検出方法を簡単かつ改善したアプローチで実現し、そして、低価格でモバイル通信システムの性能を改善できる。

以下の２つの場合では、この発明は大いに重要である。
1) 現在アクセスされている干渉コードチャンネルのチャンネル化コードおよびそれの対応するチャンネル応答についての完全な情報を受信機が得ることができない場合、この発明の方法を用いて、受信機に利用できる情報、すなわち直交コードの特性およびマルチユーザチャンネル推定の結果を最大限に利用することにより、既存の整合フィルタリングおよび合成検出アルゴリズムは改善され、そして、システム性能の改善が達成される。

2) 受信機を実装する際の複雑さの制限に起因して整合フィルタリング方法のみが適用でき、合成検出方法を使用できないような場合、この発明で提供される最適化された整合フィルタリング方法は、伝統的な整合フィルタリング方法のものと同等の複雑さで、システム性能をかなり改善することができる。この発明は、少ない複雑さで受信機性能を向上させるための解決法を提供する。

この発明の方法は、直交コードを使用した時間スロットCDMAシステムに適用でき、特に端末の受信機のアプリケーションに適用できる。当然、基地局の受信機にも適用できる。

[実施例の詳細な説明]
以下に、この発明を添付の図面を参照して詳細に説明する。この発明の実施例の方法は、直交コードを用いた時間スロットCDMAシステムの観点で、スペクトル拡散コードの直交特性と複数ユーザのチャンネル応答とを利用するために提案された直交コードCDMA信号を検出するための方法であり、異なる状況および要求下でそれぞれの信号検出解決法を提供することができる。

この発明の実施例の方法を実行するためのステップは図１に関連して詳細に説明される。

ステップ１１：ミッドアンブルコードを用いて受信信号に対してチャンネル推定を実行し、チャンネル推定結果h _i ^(k) を得る。チャンネル推定は、どのような移動通信システムでも実施しなければならないステップである。この発明の実施例の方法は、チャンネル推定結果に基づいて対して実行される。

ステップ１２：チャンネル推定結果を利用することによってマルチパス信号への合計干渉パワーσ² _total,iを推定する。

各時間遅延位置における干渉コードチャンネルの合計パワーを、チャンネル推定結果を用いて推定することができる。直交コードの特性の１つによれば、同じ時間遅延位置における異なった直交コードチャンネル間の相互干渉のパワーはゼロである。この特性に基づいて、各時間遅延位置における干渉コードチャンネルから所定の信号コードチャンネルへの合計干渉パワーは、時間遅延位置のすべてにおける干渉コードチャンネルのパワーの合計から、その時間遅延位置と同じ時間遅延位置における干渉コードチャンネルのパワーを減じたものになる(後述の式２)。各時間遅延位置における信号コードチャンネルへの合計干渉パワーは、動作中のセルにおける干渉コードチャンネルからの干渉パワーに、隣接セルと熱雑音のパワーを加算したものである(後述の式３)。

まず最初に、各時間遅延位置における干渉コードチャンネルからの合計パワー P_I,i(シンボルIは単に干渉を表す)は、チャンネル推定結果h_i ^(k) を用いて推定される。

式（１）

i＝1,・・・,Wであり、Wは、チャンネル推定ウィンドウの長さを示し、k＝1,・・・,K は、異なるチャンネル推定ウィンドウを示す。注意すべきこととして、合成検出を実行することを選択したとき、上式の“干渉コードチャンネルｋ”は、合成検出にかかわらない動作中セルにおけるコードチャンネルの合計にされることが可能であり、合成検出を実行しないことを選択したとき、“干渉コードチャンネルｋ”は、現在のユーザの現在のコードチャンネルを含む、動作中のセルにおける全コードチャンネルの合計にされることが可能である。前者の場合、後続のステップで合成検出方法が使用され、ここで、スペクトル拡散コードのチャンネル推定結果を用いることにより、重み付けされた最適の適合フィルタリング結果に対して合成検出が実行され、合成検出結果が得られる。後者の場合、複数ユーザのチャンネル推定結果、入力信号、およびマルチパス信号への干渉の推定パワーを用いることにより、重み付けされた最適の適合フィルタリングのみが実行され、そして、整合フィルタリング結果が得られる。

次に、各時間遅延位置(またはタップ位置を参照する場合には、全体でＷ個の時間遅延位置)における干渉コードチャンネルから信号コードチャンネルへの合計干渉パワーI_iは、直交コードの特性(同じ時間遅延位置における直交コードの干渉は０である)を用いて推定される。

式（２）

さらなる推定により、マルチパス信号への合計干渉パワーσ² _total,i 、即ち、各時間遅延位置における干渉コードチャンネルから信号コードチャンネルへの合計干渉パワーと、隣接セルからの干渉及び熱雑音干渉との合計が、次式のように得られる。

式（３）

σ² _noは、隣接セルおよび熱雑音からの干渉パワーであり、βは、式（２）による各時間遅延位置における干渉コードチャンネルから信号コードチャンネルへの干渉の推定値に対する重み付け係数であり、βは０．５から２の範囲をとり、この実施例では１にされる。

ステップ１３：マルチパス信号に整合フィルタリングを実行し、そして、マルチパス信号の干渉パワーを考慮して最大比合成を実行し、最適化された整合フィルタリング出力を得る。つまり、各時間遅延位置における検出すべきユーザのスペクトル拡散コードのチャンネル応答推定結果を用いて、相関した整合フィルタリングを各マルチパス信号に対して実行し、そして、ステップ１２で得られた各時間遅延位置における信号コードチャンネルへの合計干渉パワーを用いて、マルチパス信号の整合フィルタリング結果に対する最大比合成に従って重み付けされた加算を実行し、最適化された整合フィルタリング出力を得る。

各時間遅延位置における整合フィルタリング後の各コードチャンネルに対する重み付け係数をw_i ^(k)と仮定すると、それは、合計干渉パワーσ² _total,iに反比例し、次式で示される。

式（４）

以上により、最適化された整合フィルタリング出力が次式で得られる。

式（５）

w_i＝diag(w_i ⁽¹⁾,w_i ⁽²⁾,・・・w_i ^(k)) (×)Ｉ は重み付け係数の行列であり、(×)はクロネッカー積であり、Ｉは単位行列であり、Ａはシステム応答行列である。

また、

であり、ｅは入力された受信信号である。

ステップ１２では、推定にかかわる干渉コードチャンネルが、動作中のセルのコードチャンネルであるとき(つまり、合成検出を実行しないことを選択したとき)、このステップは終了し、そして、最適化された整合フィルタリング結果は、直交コードCDMA信号検出結果として出力される。つまり、図１の端子１で出力された整合フィルタリング結果d_MF が、直交コードCDMA信号検出結果である。推定にかかわる干渉コードチャンネルが、合成検出を実行していない動作中のセルにおけるコードチャンネルであるとき(つまり、合成検出を実行することを選択したとき)は、ステップ１４に進む。

ステップ１４：最適化された整合フィルタリング出力に対して合成検出を実行する。つまり、スペクトル拡散コードおよびそれの対応するチャンネル応答(チャンネル推定結果)を用いて、ステップ１３で得た整合フィルタリング結果に対して合成検出を実行する。合成検出には、線形処理方法または非線形処理方法を使用できる。合成検出の後、図１の端子２で得られたマルチコードチャンネル信号の合成検出手段が、直交コードCDMA信号検出結果である。

合成検出は、決定フィードバックおよび干渉キャンセル方法(伝統的な合成検出方法のうちの一つ)で実行されてもよく、または、線形ブロック等化(Linear Block Equalization)方法で実行されてもよい。線形ブロック等化方法を用いた合成検出アルゴリズムは、次式に示される。

式（６）

ここで、(T)は次式で得られる。

ここで、ZF-BLE は ゼロ強制ブロック線形等化(Zero Forcing-Block Linear Equalization) アプローチであり、 MMSE-BLE は 最小平均二乗誤差ブロック線形等化(Minimum Mean Squared Error-Block Linear Equalization) アプローチであり、σ_n ² は、動作中のセルにおける干渉コードチャンネルからのパワーを含む、全ての干渉のパワーを示す。

結論として、実用化では、以下の２つの典型的な方法のいずれによってもこの発明における方法を実行できる。

１つは、合成検出方法を使用する方法である。この方法は、上のステップのすべて(ステップ１２、１３、および１４)を実行するのを必要とするが、ステップ１２におけるマルチパス信号への干渉パワーの推定では、干渉コードチャンネル k は、合成検出にかかわらない他の直交コードチャンネルの合計にされる。

他の一つは、合成検出方法を使用しない方法である。この方法は、上の最適化された整合フィルタリングステップ(ステップ１２および１３)を実行するのを必要とするが、ステップ１２におけるマルチパス信号への干渉パワーの推定では、干渉コードチャンネル k は、(現在のユーザの現在のコードチャンネルを含む)直交コードチャンネルの合計にされる。

この発明の方法は、直交コード符号分割多重アクセス方式システムの端末装置に特に適したものであり、当然、基地局の装置にも適用できる。

この発明の実施例の方法を実施するためのフローチャート

符号の説明

１１：チャンネルを推定するステップ
１２：マルチパス信号への合計干渉パワーを推定するステップ
１３：マルチパス信号に整合フィルタリングを実行するステップ
１４：合成検出を実行するステップ

Claims (8)

1. 直交コードを用いる時間スロットCDMAシステムの受信装置に適用される直交コードCDMA信号検出方法であり、
   Ａ． ミッドアンブルコードを用いて受信信号に対してチャンネル推定を実行し、１つのセル内で動作中のすべてのユーザのチャンネル応答推定結果を得るステップと、
   Ｂ． 推定にかかわる干渉コードチャンネルを選択し、そして、１つのセル内で動作中のすべてのユーザのチャンネル応答推定結果を用いることによりマルチパス信号への合計干渉パワーを推定するステップと、
   Ｃ． 検出すべきユーザに係るスペクトル拡散コードおよびそれのチャンネル応答推定結果を利用することによって、各コードチャンネルの各マルチパス信号に関して受信信号に対して整合フィルタリングを実行し、そして、前記マルチパス信号への合計干渉パワーを利用することによって、前記マルチパス信号の整合フィルタリング結果に対して最大比合成を実行し、これにより最適化した整合フィルタリング結果を得て、前記最適化した整合フィルタリング結果から直交コードCDMA信号を得るステップとを備え、
   前記ステップＢにて、上記１つのセル内で動作中のすべてのユーザのチャンネル応答推定結果を用いることにより推定にかかわる干渉コードチャンネルのマルチパス信号への合計干渉パワーを推定することは、
   Ｂ１． チャンネル応答結果 h _i ^(k) を用いることにより、各時間遅延位置における前記干渉コードチャンネルからの合計干渉パワー P _I,i を式
   

   

   により推定するステップを含み、ここでｋ＝１，…，Ｋは異なるチャンネル推定ウィンドウを示し、
   Ｂ２． 直交コードの特性に基づいて、各時間遅延位置における前記干渉コードチャンネルから信号コードチャンネルへの合計干渉パワーＩ _ｉ を式
   

   

   により推定するステップを含み、ここでｉ＝１，…，Ｗであり、Ｗはチャンネル推定ウィンドウの長さを示し、
   Ｂ３． マルチパス信号への合計干渉パワーσ ² _total,i を、式σ ² _total,i ＝βI _i ＋σ ² _no により推定するステップを含み、ここでσ ² _no は隣接セルおよび熱雑音からの干渉パワーであり、βは、各時間遅延位置における前記干渉コードチャンネルから前記信号コードチャンネルへの干渉の推定値に対する重み付け係数である方法。
2. 前記ステップＢにおいて、合成検出を実行しないことを選択したとき、前記推定にかかわる干渉コードチャンネルを選択することは、動作中のセルにおけるすべてのコードチャンネルを前記推定にかかわる干渉コードチャンネルとして選択することであり、
   前記ステップＣにおいて、得られた最適化された整合フィルタリング結果が、直交コードCDMA信号検出結果として採用される請求項１記載の方法。
3. 前記ステップＢにおいて、合成検出を実行することを選択したとき、前記推定にかかわる干渉コードチャンネルを選択することは、合成検出にかかわらない動作中のセルにおけるコードチャンネルを前記推定にかかわる干渉コードチャンネルとして選択することであり、
   前記ステップＣにおいて、前記最適化された整合フィルタリング結果から前記直交コードCDMA検出結果を得るために、本方法はさらに、
   Ｄ． 前記ステップCで得られた前記最適化された整合フィルタリング結果に対して合成検出を実行し、合成検出結果を直交コードCDMA信号検出結果として得るステップを含む請求項１記載の方法。
4. 前記ステップDでの合成検出は、線形ブロック等化の合成検出方法を用いることにより、式
   

   

   により合成検出を実行して左辺の合成検出結果を得るステップを更に備え、ここでB^*Teは前記ステップCで得た最適化された整合フィルタリング結果であり、eは入力された受信信号であり、(T)は式
   

   

   により得られ、ここで、σ_n ²は、干渉パワーを示す請求項３記載の方法。
5. 前記ステップDでの合成検出は、前記ステップCで得た最適化された整合フィルタリング結果に対し、決定フィードバックおよび干渉キャンセル法を用いて合成検出を実行するステップを更に備える請求項３記載の方法。
6. 前記βの範囲は、０.５から２である請求項１記載の直交コードCDMA 信号検出方法。
7. 前記βは１である請求項６記載の直交コードCDMA 信号検出方法。
8. 前記ステップCにて、前記最大比合成を実行して最適化した整合フィルタリング結果を得ることは、
   Ｃ１． マルチパス信号への合計干渉パワーσ² _total,iを用いることにより、各時間遅延位置における整合フィルタリング後のコードチャンネルに対する重み付け係数w_i ^(k)を、式
   

   

   により得るステップと、
   Ｃ２． 最適化された整合フィルタリング結果を式
   

   

   により得るステップとをさらに備え、w_i＝diag(w_i ⁽¹⁾,w_i ⁽²⁾,・・・w_i ^(k)) (×)Ｉ は重み付け係数の行列であり、(×)は クロネッカー積であり、Ｉは単位行列であり、Ａはシステム応答行列であり、
   

   

   であり、ｅは入力された受信信号である請求項１記載の直交コードCDMA 信号検出方法。

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