JPH08509349A - 通信システムにおいて符号化レートを制御する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）通信システムは、選択された移動局について符号化レートを低減することにより干渉を低減する。このシステムは、特に、距離測定値，物理的資源パワーおよび移動局判定雑音などのリンク関連特性を主に利用して、どの移動局が符号化レート低減を必要としているかを判定する。判定されると、この判定された移動局の符号化レートが低減され、これは自己干渉を低下させ、システム容量を増加する。

Description

【発明の詳細な説明】 通信システムにおいて符号化レートを制御する方法 および装置 発明の分野 本発明は、通信システムに関し、さらに詳しくは、かかる通信システムにおい て符号化レートを制御することに関する。 発明の背景 近年、限られた有効無線周波数スペクトル内で多重ユーザ移動通信を行うため 様々な方法が利用されている。これらの方法には、周波数分割多元接続（ＦＤＭ Ａ：frequency division multiple access），時分割多元接続（ＴＤＭＡ：time division multiple access），符号分割多元接続（ＣＤＭＡ：code division m ultiple access）や、より一般にはこれらの方法のハイブリッド型が含まれる。 これらすべての方法は、過去１０年間で、商用セルラ通信システムの設計で採用 されてきた。北米のＡＭＰＳシステムではＦＤＭＡが採用され、欧州のＧＳＭ（ Groupe Speciale Mobile）規格ではＦＤ／ＴＤＭＡが 採用され、最近ではＩＳ−９５規格に具現された米国のTelecommunications Ind ustry Associationによって直接シーケンスＦＤ／ＣＤＭＡ方式が採用された。 ＩＳ−９５規格では、加入者はセルラ・バンドにおけるいくつかのワイドバンド 無線チャネルのうち１つを共用する。いわゆるパーソナル通信システム（ＰＣＳ ：personal communications system）に関するいくつかの提案は同様なＦＤ／Ｃ ＤＭＡ原理に基づいて設計中である。 ほとんどすべての最近のセルラおよびＰＣＳシステムは、音声通信の物理層と してデジタル音声符号化および順方向チャネル誤り訂正（forwardchannel error correction）を利用している。この点で興味深いことは、音声アクティビティ 検出（ＶＡＤ：voicc activity detection）を利用して、いずれかの通話当事者 側で音声の有無を認識する点である。音声がない場合、音声符号器は、これがリ ンクされた変調器または送信機に、その出力パワーをゼロに低減するか、あるい はいずれかのユーザの場所における背景雑音（background noise）のみを記述す る情報の随時のパケットを送信するように指示できる。無線送信機のデューティ ・サイクルをこのように低減することは、電力消費を節約すること（これは移動 ユニットの場合、バッテリ寿命を延長する）および同一ＲＦスペクトルを共用す るユーザ間の干渉を低減することの二重の効果を提供する。通話の状況に応じて 、４０％〜６５％の送信電 力の低減が達成できる。電力節減量は、大幅なＶＡＤ方法に伴う音声品質の劣化 が許容可能と認められる程度によって最終的に制限される。 電力節減の可能性は、ＣＤＭＡシステムでは特に重要である。かかるシステム では、ユーザ容量はシステムの自己干渉（self-interference）の量に反比例す る。ＴＩＡ ＩＳ−９５ ＦＤ／ＣＤＭＡ規格では、単純なオン・オフまたは不 連続送信方法に代わって、可変レート音声符号器が用いられる。ＩＳ−９５シス テムに伴う音声符号器および復号器について説明するＴＩＡ ＩＳ−９６規格で は、ソース６４ｋｂｐｓのＰＣＭ音声サンプルを２０ｍｓの間隔またはフレーム に分割する。音声符号器は、８０００ｂｐｓ，４０００ｂｐｓ，２０００ｂｐｓ または８００ｂｐｓの有効ビット・レートで各フレームを符号化することを選ぶ 。移動局に対する基地局（順方向）および基地局に対する移動局（逆方向）のＩ Ｓ−９５リンクは、この可変レート符号化方法を利用する。順方向リンクの場合 、平均送信電力は、符号化レートが低くなるにつれて出力電力を低減することに よって節減される。チャネル・シンボル反復（channel symbol rcpetition）に より、移動受信機側でシンボル合成（symbol combining）が可能であり、よって 、リンク性能を決定する雑音電力スペクトル密度に対するシンボル当たりのエネ ルギの比率を維持できる。可変レート送信は、基地局側では電力消費の点であま り効果はないが、 平均送信電力、ならびにシステム自己干渉は８００ｂｐｓ送信中に４分の１に低 減されることに留意されたい。一般的な双方向通話の総合音声アクテイビティを 平均することにより、ＴＩＡ標準ＩＳ−９６で定義される標準的な音声符号化お よび音声アクテイビテイ検出アルゴリズムを利用する場合、平均送信電力は公称 値の約４１％にまで低下する。これは、システムの順方向および逆方向リンク容 量の両方に対して大きな影響を及ぼす。 ＣＤＭＡ原理（ＴＩＡ規格ＩＳ−９５など）に基づいて設計されたセルラ移動 通信システムがピーク・テレトラヒック需要（peak tele-traffic demand）の期 間に近づくにつれて、音声品質の低下を犠牲にしてシステム容量仝体を一時的に 増加することが可能になる。これを達成するための１つの方法として、リンクの 順方向および逆方向の両方における平均送信ビット・レートを、ＴＩＡＩＳ−９ ６レート判定アルゴリズムによって通常選択されるレベル以下に強制的に低下さ せる方法がある。これは、リンクの一方の側でレート判定アルゴリズムによって 選択されるレートに上限を単純に設けることによって行うことができる。わずか だがより洗練された方法として、デューティ・サイクルに基づいてこの上限を変 える方法がある。例えば、ユーザは最大許容レートとしてフルレートを利用して ２つのフレームを送信し、次にハーフレートの最大許容レートで単一フレームを 送信することが許され、このサイクルが繰り 返される。デューティ・サイクル比率および許容レートは、制約のない音声符号 器によって達成される送信電力に対する送信電力の平均節減を決定する。明らか に、この方法はあまり洗練されていないＶＡＤ方式を含み、ここでは、例えば、 フルレートおよび背景雑音記述レートしか存在しない。また、単一レートしか存 在しないシステムにも拡張できる。その場合、符号化音声フレームはブランクさ れ（すなわち、送信されず）、受信側音声復号器が補間（interpolation）また はフレーム置換（frame substitution）を行って、欠落した音声波形セグメント を復元する。 従って、上記の環境において、音声品質を犠牲にせずにシステム容量を増加す るシステムおよび方法が必要とされる。 図面の簡単な説明 第１図は、従来のＣＤＭＡ基地局送信機を示すブロック図である。 第２図は、ＣＤＭＡ基地局の受信側を示すブロック図である。 第３図は、本発明により単一移動局から複数の基地局によって同時に受信され た復調逆方向リンク信号の組み合わせを示すブロック図である。 第４図は、本発明により音声レート制御を実施できる送 信機を示すブロック図である。 好適な実施例の詳細な説明 符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）通信システムは、選択された移動局について符 号化レートを低減することにより干渉を低減する。システムは、特に、距離測定 値，物理的資源パワー，移動局判定雑音などリンク関連特性を主に利用して、ど の移動局が符号化レート低減を必要とするかを判定する。判定されると、この判 定された移動局の符号化レートは低減され、これは自己干渉を低下させ、システ ム容量を増加させる。 システム容量の増加を達成するための強制的な音声符号化レート低減の方法は 、移動局と基地局との間の伝搬損は、一般にこれらを隔てる距離の幾何学関数で あることを認識することによって大幅に改善できる。従って、担当基地局からあ る距離にあるセルで動作する移動局は、隣接セルにサービスを提供する基地局に おいて生じる干渉に不相応に寄与する。これは、セル内の遠距離移動局が確実な 復調を確保するため受信側基地局で必要な信号対雑音（Ｓ／Ｎ）比を維持するた めにより多くの電力を送信する必要性に直接起因する。この影響は、かかる移動 局が担当基地局に比べて干渉している隣接基地局に対して概して近接するという 事実によって悪化する。この結果、経路損がそれに対応 して低下し、そのため干渉が増加する。また、かかる移動局は順方向リンク上で も主な干渉源となる。なぜならば、かかる移動局は担当基地局の送信電力に対し て最も強く要求し、そのため隣接セルにおける移動局と、（用いられる拡散符号 およびチャネル時間分散（channel time dispersion）の量に依存して）同一セ ル内の移動局の両方で生じるシステム自己干渉が増加するためである。この所見 はいわゆる「ソフト・ハンドオフ（soft handoff）方法においてすでに利用され 、この方法では、システム自己干渉全体を低減するため、移動局が１つまたはそ れ以上の基地局と同時リンクを確立する。 担当基地局から離れた移動局が識別され、レート低減のため選択されると、シ ステム容量は、レート低減がセル内における位置にかかわらずすべての移動局に 適用される場合とほとんど同じように増加される。これは、レート低減に伴う音 声品質の劣化を、移動局全体ではなく選択されたサブセットの移動局のみに制限 し、その結果、システム音声品質全体が改善される。 通信システムは、複数の移動局からのリンク関連特性を判定し、この判定され たリンク関連特性に基づいて特定の移動局の符号化レートを制御することにより 、符号化レートを制御する。リンク関連特性には、移動局のハンドオフ状態（ソ フトまたはハード・ハンドオフ状態），（担当基地局または隣接基地局に対する ）移動局の位置，移動局の 送信特性（例えば、移動局の現在送信レベル），担当基地局の送信特性（例えば 、担当基地局の現在送信レベル）および移動局で生じる音響背景雑音の量（例え ば、担当基地局との通信中に移動局で生じる音響背景雑音の量）が含まれるが、 それらに限定されない。 本発明に好適な実施例について、Telecommunication Industry Association規 格ＩＳ−９５およびＩＳ−９６に基づくＣＤＭＡデジタル・セルラ通信システム に関連して説明する。本発明は、可変レート音声符号化による自己干渉低減が適 用される任意のＣＤＭＡ通信システムに適用できることが当業者に理解される。 本方法は、ＧＳＭ ＴＤＭＡ通信システムなど任意のＴＤＭＡ通信システムにも 同様に有利に利用できる。 第１図は、ＴＩＡ ＩＳ−９５デジタル・セルラ無線規格の好適な実施例につ いて設計されたＣＤＭＡ基地局（１０２）の順方向リンクのハイレベル・アーキ テクチャを示す。第１図の基地局（１０２）は、特に、可変レート音声符号化， 順方向誤り訂正，順方向リンク電力制御，多重接続拡散（multiple access spre ading）および変調ならびに送信を行う。第１図において、公衆電話交換網（Ｐ ＳＴＮ：public switched telephone network）（１００）からのいくつかの標 準的なμロー（law）符号化され多重化された６４ｋｂｐｓのパルス符号変調（ ＰＣＭ：pulse code modulated）Ｔ１リンク（１０１）は、デマルチプレクサ （１０３）に導かれる。各６４ｋｂｐｓの音声リンク（１０４）は、デジタル音 声符号器（１０５）にかけられる。従来の構成では、音声符号化機能は、モトロ ーラＤＳＰ５６１５６プロセッサ，ＲＯＭ符号化ＤＳＰまたは特定用途向け集積 回路（ＡＳＩＣ：application specific integrated circuit）など、多数の汎 用デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）によって実行される。いくつかのかかるプ ロセッサは単一のプリント回路板上にまとめられ（ただし、これは本発明では必 要ない）、これが多重化音声チャネルのフルＴ１トランクを処理できる。音声符 号化の次に、畳込みおよび巡回符号の形式で誤り訂正（１０６）が適用され、そ の次にＢＰＳＫベースバンド変調（１０７），ウォルシュ・カバー（Walsh cove r）および短い疑似雑音（ＰＮ：pseudo-noise）シーケンス拡散（１０８），低 域通過フィルタ（１０９），送信電力レベル調整（１１０）および電力増幅（１ １１）が行われ、最終的に移動局（１１３）に送信される（簡単にするため、Ｒ Ｆへの周波数シフトは図示せず）。 第２図は、ＣＤＭＡ基地局の受信側のハイレベル・アーキテクチャを示す。一 般に、第２図は、基地局を構成し、かつ多重接続信号逆拡散（despreading）， アンテナ合成，復調，順方向誤り訂正復号および音声復号を行う多くの個別受信 機のうちの１つを示す。具体的には、基地局内に存在し、かつＰＳＴＮ（１００ ）への多重逆接続をサポート するいくつかの受信機（２００）のうちの１つを示す。各受信機のＲＦ回路は、 空間ダイバーシチ・アンテナ・システム（２０９）および前置増幅回路（２０８ ）からなる（簡単にするため、ＡＧＣおよびフィルタ機能は図示せず）。多重接 続を行うために用いられるユーザ固有疑似雑音（ＰＮ）拡散シーケンスの逆拡散 は、ＰＮ逆拡散器（２０７）において行われ、このＰＮ逆拡散器（２０７）は、 好適な実施例では、複素乗算器および積分器からなる。移動局の送信信号とのＰ Ｎシーケンス同期を確立するため、好適な実施例では、各受信機が内部生成され たＰＮシーケンスを、基地局と移動局との間の単方向ＲＦ伝搬遅延の約２倍だけ （グローバル・システム時間基準に対して）遅らせる必要があることに留意され たい。このパラメータは、第２図において所要ＰＮ位相（２０６）として現れる 。最初にこの位相オフセットを推定（例えば、順次検索による）し、次に追跡（ 例えば、遅延同期ループ（delay lock loop）による）する方法は周知であり、 ここでは説明しない。完全を期するため、第２図は２つの逆拡散ユニットを示す 。それぞれは２次元空間ダイバーシチ・アンテナ・システムの単一のアンテナに 取り付けられる。チャネル上で時間分散が存在する場合、より多くの逆拡散ユニ ットを利用してもよい。本発明の観点では、分散チャネルの第１着信成分の時間 遅延（あるいは同義的にはＰＮ位相（２０６））は、以下で説明するように本発 明により用いられるものである。第２ 図の説明を完成するため、基本となる６４次直交信号の非コヒーレント復調（２ ０５）およびシンボル合成（２０４）の次に、順方向誤り訂正復号（２０３）が 行われ、その後、音声フレーム・レート判定（２０２）が行われ、最後に６４ｋ ｂｐｓのμローＰＣＭフォーマット（１０４）への音声フレーム復号が行われる 。Ｔ１フォーマット（１０１）への多重化およびＰＳＴＮへの挿入がそれに続く 。 第３図は、第２図を敷衍するものであり、ここで単一の音声復号器（２０１） は、単一の逆方向リンク受信機とは関係なく、それぞれが異なる基地局（３０１ ）に収容されるいくつかの受信機のうち任意の１つから復調された符号化音声フ レームを受けることができる。音声復号器は、選択機能によって選択されたフレ ーム上で動作し、これは移動電話交換局（ＭＴＳＯ：mobile telephone switchi ng office）の制御下で動作して、基地局によって送られる３つのフレームから １つの２０ｍｓ符号化音声フレームを復号する。かかる構成は、「ソフト・ハン ドオフ」または「マクロ・ダイバーシチ（macro-diversity）」と呼ばれる場合 がある。各受信機は、移動局からの同じ逆方向リンク信号を復調する。第３図に おいて、３つの基地局（３０１）が示されるが、このように合成できる基地局の 数に制限はない。選択機能（３００）は、巡回符号パリティ検査または他の復調 品質メトリックに基づいて、３つの符号化音声フレームのうちどのフレームを音 声復号器 （２０１）による復号のために受けるかを特定するために導入されたことに留意 されたい。全体的な制御はＭＴＳＯ（３０４）によって行われ、このＭＴＳＯ（ ３０４）は、基地局においてＲＦ信号強度測定を行うように指示するか、あるい は移動局によって測定された各基地局信号強度の信号強度測定値を受信すること によって、各基地局と移動局との間にほぼ匹敵する経路損が存在する場所に移動 局がいることを判断する。 これを背景にして、本発明によるＣＤＭＡ順方向リンクのための音声レート制 御について説明する。第４図は、順方向リンク上で動作する音声符号器（１０５ ）によって選択されたレートを制御するレート・コントローラ（４００）を示す 。レート・コントローラ（４００）は、多数の異なるパラメータを入力として受 け、それには、ａ）音声符号器が割り当てられた移動局のソフト判定ハンドオフ 状態に関するＭＴＳＯ（３０４）から入力，ｂ）移動局に割り当てられた順方向 リンクが動作している送信電力レベルに関する送信電力制御ＲＦ回路（１１０） からの入力，およびｃ）移動局の逆方向リンクを現在復調しており、かつ推定さ れるビット当たりの平均エネルギと雑音電力スペクトル密度の比が正確なＰＮ位 相推定を行うのに十分高い（すなわち、推定されるビット当たりの平均エネルギ と雑音電力スペクトル密度の比が、受信機が同期状態出あることを示す所定の閾 値以上であり、ここでも、この状態を確立する ための方法は周知であり、説明しない）１つまたはすべての受信機のＰＮ位相か らの入力が含まれる。次に、レート・コントローラ（４００）は、移動局に対し てレート低減を優先的に行うための前段階として、担当基地局からより離れた距 離にある移動局を特定する。レート・コントローラ（４００）は、可変レート音 声符号器についてレート選択判定を行い、あるいは符号器に伴うレート判定手順 によって独立して選択できるレートに対して制限を設ける。 レート・コントローラ（４００）に与えられる情報があれば、レート制御はさ まざまな方法で行うことができることが明白である。各基地局の距離は、順方向 リンクを選択するために必要な送信電力レベルを利用することによって推定でき る。順方向リンク経路損を得ることにより、経路損と距離を関連づけるいくつか の利用可能な数学的モデルのうち１つを利用して、あるいは該当するセルからの 測定された伝搬測定値を利用して、基地局と移動局との間の距離を算出できる。 別の方法では、チップ・レート（好適な実施例では、１．２２８８Ｍチップ／ｓ ）から単方向伝搬遅延を単純に計算し、次に光の速度で乗算することにより、被 測定ＰＮ位相（２０６）から基地局から移動局までの距離を確立できる。より正 確な方法では、おそらく基地局の地理的位置の知識とともに、移動局を復調する すべての基地局（３０１）のＰＮ位相によって与えられる距離推定値を利用して 、三角測量により移動局の位置を確立する。あ るいは、ＭＴＳＯは、移動局をソフト・ハンドオフ状態にすることにより、移動 局が２つまたはそれ以上のセルからほぼ等距離にあることをすでに暗に把握して いるので、この条件のみでレート低減の主候補として移動局を識別するのに十分 である。最後に、これらのパラメータの組み合わせを用いてもよい。 音声トラヒック・チャネルまたはシステムのみが本発明の効果を享受できるも のではない。データ用途において、本発明を利用して、移動局からまたは移動局 に対する送信データの許容レートを調整できる。また、音声の前に低減または中 止すべきデータ送信を優先化し、ユーザの知覚音声劣化を最小限に抑えることが できる。 用途により、本発明を基地局または加入者ユニットによって自律的に採用させ ることができる。例えば、加入者ユニットは容量限度に達しつつあることを検出 できる。ソフト・ハンドオフ状態にあるか、あるいは高送信出力を必要とする場 合、加入者ユニットはより低い有効平均ビット・レートを利用してその音声を符 号化することを優先的に試みるか、あるいはデータ送信中の場合には転送レート を低減することができる。もちろん、基地局も同様に行うことができる。 提案した方法は、干渉の生成に影響を与える方法で加入者に対するまたは加入 者からの情報の送信を制御できる任意のデジタル・セルラ・システムにおける利 用にも拡張で きることは明らかである。例えば、ＤＳ−ＣＤＭＡ以外の別の用途には、周波数 ホッピング（frequency hopping）があり、音声アクティビティまたは可変レー トを制御できる。 本発明について特定の実施例を参照して詳しく図説してきたが、発明の精神お よび範囲から逸脱せずに、形式および詳細の点でさまざまな変更が可能なことが 当業者に理解される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．通信システムにおいて、符号化レートを制御する方法であって： 複数の移動局からリンク関連特性を判定する段階；および 前記判定されたリンク関連特性に基づいて、特定の移動局の符号化レートを制 御する段階； によって構成されることを特徴とする方法。 ２．リンク関連特性は、移動局のハンドオフ状態，移動局の位置，移動局の送信 特性，担当基地局の送信特性および移動局で生じる音響背景雑音の量のいずれか をさらに含んで構成されることを特徴とする請求項１記載の方法。 ３．前記移動局の位置は、担当基地局または隣接基地局に対する移動局の位置を さらに含んで構成されることを特徴とする請求項２記載の方法。 ４．前記移動局の送信特性は、移動局の現在送信レベルをさらに含んで構成され ることを特徴とする請求項２記載の方法。 ５．前記担当基地局の送信特性は、担当基地局の現在送信レベルをさらに含んで 構成されることを特徴とする請求項２記載の方法。 ６．通信システムにおいて、符号化レートを制御する装置であって： 複数の移動局からリンク関連特性を判定する手段；および 前記判定する手段に結合され、前記判定されたリンク関連特性に基づいて、特 定の移動局の符号化レートを制御する手段； によって構成されることを特徴とする装置。 ７．リンク関連特性は、移動局のハンドオフ状態，移動局の位置，移動局の送信 特性，担当基地局の送信特性および移動局で生じる音響背景雑音の量のいずれか をさらに含んで構成されることを特徴とする請求項６記載の装置。 ８．前記移動局のハンドオフ状態は、ソフト・ハンドオフまたはハード・ハンド オフ状態のいずれかをさらに含んで構成されることを特徴とする請求項６記載の 装置。 ９．前記移動局の送信特性は、移動局の現在送信レベルをさらに含んで構成され ることを特徴とする請求項６記載の装置。 １０．前記移動局で生じる音響背景雑音の量は、担当基地局との通信中に移動局 で生じる音響背景雑音の量をさらに含んで構成されることを特徴とする請求項６ 記載の装置。