JP4627008B2 - パスサーチャ及びパスサーチ方法 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信の技術分野に関し、特に電力遅延プロファイルに基づいてパスサーチを行なうパスサーチャ及びパスサーチ方法に関する。

一般に、無線送信機から送信された信号は、直接波として無線受信機に到達することに加えて又はその代わりに、建物その他の障害物や地面等による１以上の反射波として無線受信機に到達する。これら直接波又は反射波は、時間軸上に並ぶ一連の到来波群を形成し、その一連の到来波群は、複数のパスが並ぶ電力遅延プロファイルを形成する。無線通信では、これらのパスの振幅及びタイミングを正確に判別することで、送信信号を良好に復元することが可能になる。電力遅延プロファイルにおけるパスのタイミングの検出は、パスサーチと呼ばれる手法で行なわれる。従来のパスサーチでは、ある雑音レベルが設定され、パスの電力レベルがその雑音レベルを超えるか否かに基づいてパスが検出されていた。

従来のパスサーチについては、例えば、特許文献１に記載されている。
特開２００１−２１７７４７号公報

しかしながら、電力遅延プロファイルに現われるパスのタイミングの候補には、真のパスのタイミングに加えて、パスのサイドローブ成分に起因するものもある。例えば、比較的電力の大きなパスがロールオフフィルタを通過すると、そのパスに関するサイドローブ成分が生じ、そのサイドローブ成分が電力遅延プロファイル上に現われる虞がある。従来の用途ではそのような成分は、比較的小さく無視できるかもしれないが、将来的な高性能な製品用途では、パスサーチの精度を劣化させる原因になりかねない。雑音レベルを基に設定されるしきい値を上下させることによって、そのような余分なパスを充分に排除することは困難である。なぜなら、しきい値が低すぎると、多くの余分なパスを真のパスとして採用することになる一方、しきい値が高すぎると、余分なパスだけでなく真のパスも破棄してしまうことになるからである。言い換えれば、真のパスの電力レベルに匹敵するサイドローブ成分が存在する虞がある。

一方、通信容量を向上させる多入力多出力（ＭＩＭＯ：Ｍｕｌｔｉ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉ Ｏｕｔｐｕｔ）方式では、複数の送信アンテナ及び複数の受信アンテナが送受信機に使用される。従って、ＭＩＭＯ方式では、図１に示されるように、ある１つの受信アンテナ２０８−ｘに関する伝搬路でのマルチパス干渉は、ある１つの送信アンテナ２０６−ｐとの間で生じるだけでなく、別の送信アンテナ２０６−ｑとの間でも生じる。従って、ＭＩＭＯ方式では、パスの候補数がアンテナ数に応じて多くなり、パスサーチの高精度化が特に要請される反面、上記のパスサーチの精度劣化に対する懸念も大きくなる。

本発明は、上記問題点の少なくとも１つに対処するためになされたものであり、その課題は、帯域制限フィルタに受信信号を通すことで発生するパスのサイドローブ成分を電力遅延プロファイルから除去し、パスを正しく検出するパスサーチャ及びパスサーチ方法を提供することである。

一実施例によるパスサーチャは、
複数の送信アンテナから送信され複数の受信アンテナで受信された受信信号に基づいて、１つの送信アンテナ及び１つの受信アンテナの組み合わせ毎に、電力遅延プロファイルを生成する生成手段と、
生成された複数の電力遅延プロファイルを、１つの電力遅延プロファイルに合成する手段と
帯域制限フィルタの応答特性を利用して、合成された前記１つの電力遅延プロファイルにおけるパスのサイドローブ成分を求める手段と、
前記サイドローブ成分を前記１つの電力遅延プロファイルから除去し、修正された電力遅延プロファイルを作成するサイドローブ除去手段と、
修正された電力遅延プロファイルに基づいて、パスのタイミングを検出する手段と
を備える、パスサーチャである。

本発明によれば、帯域制限フィルタに受信信号が通ることで発生するパスのサイドローブ成分を電力遅延プロファイルから除去することで、パスを正しく検出することが可能になる。

本発明の一態様では、受信信号から電力遅延プロファイルが作成され、パスのサイドローブ成分が、帯域制限フィルタの応答特性から算出される。サイドローブ成分は電力遅延プロファイルから除去され、修正された電力遅延プロファイルに基づいて、パスのタイミングが検出される。これにより、雑音レベルを基に設定されるしきい値を上下するだけでは除去できない余分な成分を、電力遅延プロファイルから効果的に除去することができる。

複数の送信アンテナからの信号が複数の受信アンテナで受信される場合に、電力遅延プロファイルは、１つの送信アンテナ及び１つの受信アンテナの組み合わせ毎に（送信及び受信アンテナで区別される伝搬路毎に）作成されてもよい。

複数の電力遅延プロファイルは、１つの電力遅延プロファイルに合成されてもよい。合成は、例えば平均化により行われてもよい。合成された電力遅延プロファイルからパスのサイドローブが算出されてもよい。平均化された電力遅延プロファイルに基づいて、サイドローブの検出及び除去を行う場合には、後段の信号検出に平均化された電力遅延プロファイルによるパスタイミング等が与えられるので、信号検出における演算量が比較的少なくて済む。これに対して、信号検出における高精度化を図る観点からは、そのような平均化を行わずに、伝搬路毎に作成された電力遅延プロファイルを個々に修正することが望ましい。

以下、ＤＳ−ＣＤＭＡ方式を採用するＭＩＭＯ方式の無線通信システムを例にとって本発明の実施例が説明されるが、本発明は、そのような態様に限定されず、任意の無線通信システムにおけるパスサーチに使用されてもよい。

図２は、送信機２０２及び受信機２０４を含むＭＩＭＯ方式の通信システムの概要を示す。図示されるように、本実施例で使用されるＭＩＭＯ方式は、ＭＩＭＯ多重方式であり、複数の送信アンテナ２０６−１〜Ｎから別々の信号が、同時に同一の周波数で送信される。なお、実質的に同一内容の信号が各送信アンテナから同時に送信されるＭＩＭＯダイバーシチ方式に、本発明が適用されてもよい。これらの送信信号は複数の受信アンテナ２０８−１〜Ｎにて受信される。簡単のため、送信アンテナ数及び受信アンテナ数は共にＮ個とされているが、異なるアンテナ数でもよい。

図３は、受信機２０４の概念図を示す。各受信アンテナで受信された受信信号ｙ_１〜ｙ_Ｎは、信号検出部３０２に入力される。また、受信信号ｙ_１〜ｙ_Ｎは、パスサーチャ３０４にも入力される。パスサーチャ３０４は、送信機及び受信機の双方で既知のパイロット信号を含む受信信号に基づいてチャネルを推定し、電力遅延プロファイルを作成し、パスのタイミングやフェージング補償等に関する情報を信号検出部３０２に与える。信号検出部３０２は、受信信号及び推定されたパスのタイミング等に基づいて、複数の送信アンテナの各々から送信された信号を検出し、分離する。信号分離法として、例えば、最小二乗誤差法（ＭＭＳＥ）、最尤判定法（ＭＬＤ）、ＱＲ分解方式の最尤判定法（ＱＲＭ−ＭＬＤ）等の手法が使用されてもよい。分離された送信信号は、更なる復調処理のためにチャネルデコーダに与えられる。

図４は、本発明の一実施例によるパスサーチャの機能ブロック図を示す。パスサーチャは、電力遅延プロファイル生成部４０２と、電力遅延プロファイル平均化部４０４と、サイドローブ生成部４０６と、サイドローブ除去部４０７と、パスタイミング検出部４０８とを有する。

電力遅延プロファイル生成部４０２は、複数の受信アンテナで受信され、帯域制限処理済みの受信信号ｙ_１〜ｙ_Ｎの各々に基づいて、複数の電力遅延プロファイルを作成する。より具体的には、電力遅延プロファイル生成部４０２は、１つの送信アンテナと１つの受信アンテナとの組み合わせ毎に、受信したパイロット信号に基づいてチャネル推定を行ない、受信信号に含まれるパスの電力レベル及びタイミングを調べ、電力遅延プロファイルに関する情報を出力する。従って、電力遅延プロファイル生成部４０２は、Ｎ_ＴＸ×Ｎ_ＲＸ個の電力遅延プロファイルを生成する。ここで、Ｎ_ＴＸは送信アンテナ数を表し、Ｎ_ＲＸは受信アンテナ数を表す。ＭＩＭＯ方式では、１つの受信アンテナで受信された信号には、Ｎ_ＴＸ個の送信アンテナからの信号が含まれている。送信アンテナ及び受信アンテナのＮ_ＴＸ×Ｎ_ＲＸ個の組み合わせは、例えば送信アンテナ毎に異なるパイロット信号を利用することで区別できる。これらのパイロット信号は互いに直交する関係になるように選択されることが望ましい。

電力遅延プロファイル平均化部４０４は、複数の受信アンテナの各々に対応する複数の電力遅延プロファイルを、各自のタイミングを合わせながら１つに合成する。この合成は、一般に、複数の電力遅延プロファイルを平均化することで行なわれる。平均化は、算術平均でもよいし、重み付け平均でもよい。

図５は、合成後の電力遅延プロファイルを模式的に示す。図示の例では、雑音レベルを基に設定されるしきい値Ｅ_ｔｈ以上の電力を有する９個のパス（下向き矢印で示される）の内、５０１〜５０６の６つは真のパスに対応するが、５１１〜５１３の３つは、真のパスのサイドローブ成分に相当し、実際のチャネルには存在しないかもしれない。このようなサイドローブ成分を真のパスであるとして誤って検出すると、後段の信号検出部における信号分離精度が劣化し、ひいては送信信号を良好に復元することが困難になる虞がある。比較的大きな電力を有するパスが、ロールオフフィルタ（帯域制限フィルタ）を通過することで、そのようなサイドローブ成分が生じる。

図４のサイドローブ生成部４０６は、電力遅延プロファイルに現われるサイドローブ成分を、ロールオフフィルタ（帯域制限フィルタ）のインパルス応答特性を利用して生成する。インパルス応答特性ｈ_ＲＣ（ｔ）は、受信機にて既知であり、例えば図６に示されるような特性を有し、次式（１）で表現される：

ここで、Ｔｃはチップ周期を表し、αはロールオフファクタを表す（図６の例では、α＝０．２２である。）。一般に、正負１チップ周期の範囲内（｜ｔ｜≦Ｔｃ）はメインローブと呼ばれ、真のパスに関連し、それ以外の範囲（｜ｔ｜＞Ｔｃ）はサイドローブに関連する。

例えば、図５に示される先頭パス５０１の電力レベル及びタイミングから、この先頭パス５０１に関するサイドローブの電力レベル及びそのタイミングが上記の数式（１）により求められる。次のパス５０２の電力レベル及びタイミングから、このパス５０２に関するサイドローブも求められる。以下同様にして、比較的電力の大きなパスを選択し（例えば、Ｙ個選択し）、選択されたパスに関するサイドローブ成分が求められる。サイドローブ成分は、理論上は無数に存在するが、用途に応じて必要な個数のサイドローブ成分（電力レベル及びタイミング）が求められる（例えば、メインローブの左右Ｚ個）。サイドローブ成分を算出する対象となるパスは、例えば、閾値を超える電力レベルを有するパスの中から電力の大きい順にパスを（例えばＹ個）選択することで、決定されてもよい。

図４のサイドローブ除去部４０７は、電力遅延プロファイル平均化部４０４からの電力遅延プロファイルから、サイドローブ生成部４０６で求められたサイドローブ成分を除去する。これにより、例えば図５に示される不要なパス５１１，５１２，５１３が除去され、電力遅延プロファイルに６つの真のパス５０１，．．．，５０６のみが残るようになる。

パスタイミング検出部４０８は、サイドローブ除去部４０７により修正された電力遅延プロファイルに基づいて、パスのタイミングを抽出する。図示の例では、パスの電力レベルと雑音レベルとを比較することで、６つのパス５０１〜５０６が選択される。このように、本実施例によるパスサーチャは、余分なパスが排除された電力遅延プロファイルに基づいてパスサーチを行なうので、パスサーチを正確に行なうことができる。

図７は、本発明の一実施例によるパスサーチャの動作例を示すフローチャートである。このフローは電力遅延プロファイルの中から上位Ｙ個のパスを検出する様子を示す。フローはステップ７１から始まり、ステップ７２に進む。ステップ７２では、図４の電力遅延プロファイル生成部４０２にて、受信信号から電力遅延プロファイルが生成される。電力遅延プロファイルは、１つの送信アンテナと１つの受信アンテナとの組み合わせ毎に作成される。複数の電力遅延プロファイルは、算術平均、重み付け平均その他の何らかの方法により１つの電力遅延プロファイルに合成される。

ステップ７３では、電力遅延プロファイルに含まれるパスのうち、Ｎ番目に電力の大きなパスを選択する。パラメータＮは１に初期設定されているものとする。

ステップ７４では、選択されたパスのタイミング及び電力から、そのパスのサイドローブ成分が所定数個（Ｚ個）算出される。サイドローブ成分は、上記の数式（１）に示されるような帯域制限フィルタの応答特性に基づいて、図４のサイドローブ生成部４０６にて算出される。

ステップ７５では、算出したＺ個のサイドローブ成分を、サイドローブ除去部４０７にて電力遅延プロファイルから除去する。これにより、Ｎ番目に大きなパスのメインローブ及びサイドローブのうち、サイドローブの成分が電力遅延プロファイルから除去される。そして、パラメータＮはインクリメントされる。

ステップ７６では、Ｎが所定値Ｙ以下であるか否かが判定される。ＮがＹ以下ならば、フローはステップ７３に戻り、次に電力の大きなパスが選択され、以下同様な手順が反復される。一方、Ｎが所定値Ｙを上回ったならば、フローはステップ７７に進む。この時点での電力遅延プロファイルは、上位Ｙ個のパスのメインローブの成分と、それより小さなパスのメインローブ及びサイドローブの成分とを含み、上位Ｙ個のパスのサイドローブの成分を含まないように修正されている。

ステップ７７では、修正された電力遅延プロファイルに基づいて、上位Ｙ個及びそれ以外のパスの電力及びタイミングが確定し、フローはステップ７８に進み、終了する。

図８は、本発明の実施例による手法と従来手法とを比較するシミュレーション結果を示す。シミュレーションにて使用された主な条件は以下のとおりである：
変調方式： ８ＰＳＫ
ターボ符号化率Ｒ： ３／４
最大ドップラ周波数ｆ_Ｄ： ２０Ｈｚ
データチャネルに対するパイロット電力比率： ３０％
最大フィンガ数： ６
シミュレーションでは、指数２ｄＢ減衰６パスの信号モデルが採用され、先頭パス以降６つのパスの電力レベルがそれぞれ２ｄＢずつ減衰することが想定されている。図中、横軸は、受信アンテナ当たりの、情報１ビット当たりの信号電力対雑音電力密度比（Ｅｂ／Ｎ_０）の平均を表す。縦軸は、平均ブロックエラーレート（ＢＬＥＲ）を表す。●印はカンニングによる理想的な推定結果を示し、推定の限界値を示す。この理想曲線に近接する○、△、□印は本発明の実施例による推定結果を示す。図中右上の□、△、×、▽印は従来方式による推定結果を示す。

従来の４種の推定結果は、パスサーチの電力閾値（Ｅ_ｔｈ）を４通りに変化させた場合に得られたものである。□印は、電力閾値が、ある平均電力値（Ｐ_Ａ）に等しく設定された場合の結果を示す（Ｅ_ｔｈ＝Ｐ_Ａ）。△印は、電力閾値が、ある平均電力値（Ｐ_Ａ）の３倍に設定された場合の結果を示す（Ｅ_ｔｈ＝３Ｐ_Ａ）。×印は、電力閾値が、ある平均電力値（Ｐ_Ａ）の５倍に設定された場合の結果を示す（Ｅ_ｔｈ＝５Ｐ_Ａ）。▽印は、電力閾値が、ある平均電力値（Ｐ_Ａ）の７倍に設定された場合の結果を示す（Ｅ_ｔｈ＝７Ｐ_Ａ）。ここで、ある平均電力値とは、電力の大きい順に２４個のパスを電力遅延プロファイルから除いた後のパスの平均電力である。電力閾値が小さい場合に推定結果が悪いのは、電力閾値を超えるパスとして選択したパスの中に、真のパス以外のパスが含まれていることに起因すると思われる。逆に、電力閾値が大きい場合も推定結果が悪いのは、選択されるべき真のパスが、電力閾値を下回って選択されなかったことに起因すると思われる。

本発明の実施例による３種の推定結果は、除去するサイドローブ成分数（Ｙ）を変化させた場合に得られたものである。パスサーチの電力閾値は、上記のある平均電力値の２倍に設定されている（Ｅ_ｔｈ＝２Ｐ_Ａ）。△印は、真のパスの左右１つのサイドローブ成分を電力プロファイルから除去した場合の結果を示す（Ｙ＝１）。□印は、真のパスの左右２つのサイドローブを電力プロファイルから除去した場合の結果を示す（Ｙ＝２）。○印は、真のパスの左右３つのサイドローブを電力プロファイルから除去した場合の結果を示す（Ｙ＝３）。何れの場合も、従来方式による推定結果とは大きく異なり、理想的な推定結果（●印）に非常に近接していることが分かる。

図９は、本発明の一実施例によるパスサーチャの機能ブロック図を示す。パスサーチャは、電力遅延プロファイル生成部４０２に加えて、サイドローブ生成部４０６−ｎ、サイドローブ除去部４０７−ｎ及びパスタイミング検出部４０８−ｎ（ｎ＝１，．．．，Ｎ_ａｌｌ）に関するＮ_ａｌｌ個の系統を有する。但し、Ｎ_ａｌｌ＝Ｎ_ＴＸ×Ｎ_ＲＸであり、Ｎ_ＴＸは送信アンテナ数を表し、Ｎ_ＲＸは受信アンテナ数を表す。

電力遅延プロファイル生成部４０２は、１つの送信アンテナと１つの受信アンテナとの組み合わせ毎にチャネル推定を行ない、Ｎ_ＴＸ×Ｎ_ＲＸ個の電力遅延プロファイルを生成する。送信アンテナ及び受信アンテナのＮ_ＴＸ×Ｎ_ＲＸ個の組み合わせは、例えば送信アンテナ毎に異なるパイロット信号を利用することで区別できる。各々の電力遅延プロファイルに関する情報は、各自の系統におけるサイドローブ生成部及びサイドローブ除去部に与えられる。Ｎ_ａｌｌ個の系統の各々に含まれる要素は、同様な構成及び機能を有するので、第１の系統に含まれる要素がそれらを代表して説明される。

サイドローブ生成部４０６−１は、電力遅延プロファイルに現われるサイドローブ成分を、ロールオフフィルタのインパルス応答特性（例えば、上記の数式（１）により表現される。）を利用して生成する。用途に応じて必要な個数のサイドローブ成分（電力レベル及びタイミング）が求められる。

サイドローブ除去部４０７−１は、そこに入力された個々の電力遅延プロファイルから、サイドローブ生成部４０６−１で求められたサイドローブ成分を除去する。

パスタイミング検出部４０８−１は、サイドローブ除去部４０７−１により修正された電力遅延プロファイルに基づいて、パスのタイミングを検出する。

本実施例では、Ｎ_ａｌｌ個の電力遅延プロファイルは平均化されず、個々の電力遅延プロファイル毎に、サイドローブ成分の除去及びパスタイミングの検出が行われ、図３の検出結果が信号検出部に与えられる。信号検出部３０２は、送信及び受信アンテナ毎に異なる個々の伝搬路に関する正確なパスタイミングに基づいて、実施例１の場合よりも高精度に信号分離を行うことができる。

電力遅延プロファイルの概念図を示す。 ＭＩＭＯ方式の無線通信システムの概念図を示す。 ＭＩＭＯ方式の受信機の概念図を示す。 本発明の一実施例によるパスサーチャの機能ブロック図を示す。 電力遅延プロファイルを示す図である。 ロールオフフィルタのインパルス応答特性を示す図である。 本発明の一実施例によるパスサーチャの動作例を示すフローチャートである。 本発明の実施例による手法と従来手法とを比較するシミュレーション結果を示す。 本発明の一実施例によるパスサーチャの機能ブロック図を示す。

符号の説明

２０２ 送信機； ２０４ 受信機； ２０６−１〜Ｎ 送信アンテナ； ２０８−１〜Ｎ 受信アンテナ；
３０２ 信号検出部； ３０４ パスサーチャ；
４０２ 電力遅延プロファイル生成部； ４０４ 電力遅延プロファイル平均化部； ４０６ サイドローブ生成部； ４０７ サイドローブ除去部； ４０８ パスタイミング検出部；
５０１〜５０６ 真のパス； ５１１〜５１３ 真のパスのサイドローブ成分

Claims (2)

1. 複数の送信アンテナから送信され複数の受信アンテナで受信された受信信号に基づいて、１つの送信アンテナ及び１つの受信アンテナの組み合わせ毎に、電力遅延プロファイルを生成する生成手段と、
   生成された複数の電力遅延プロファイルを、１つの電力遅延プロファイルに合成する手段と
   帯域制限フィルタの応答特性を利用して、合成された前記１つの電力遅延プロファイルにおけるパスのサイドローブ成分を求める手段と、
   前記サイドローブ成分を前記１つの電力遅延プロファイルから除去し、修正された電力遅延プロファイルを作成するサイドローブ除去手段と、
   修正された電力遅延プロファイルに基づいて、パスのタイミングを検出する手段と
   を備える、パスサーチャ。
2. 複数の送信アンテナから送信され複数の受信アンテナで受信された受信信号に基づいて、１つの送信アンテナ及び１つの受信アンテナの組み合わせ毎に、電力遅延プロファイルを生成するステップと、
   生成された複数の電力遅延プロファイルを、１つの電力遅延プロファイルに合成するステップと、
   帯域制限フィルタの応答特性を利用して、合成された前記１つの電力遅延プロファイルにおけるパスのサイドローブ成分を求めるステップと、
   前記サイドローブ成分を前記１つの電力遅延プロファイルから除去し、修正された電力遅延プロファイルを作成するステップと、
   修正された電力遅延プロファイルに基づいて、パスのタイミングを検出するステップと
   を有する、パスサーチ方法。

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