JP3580551B2 - 受信機における経路利得予測 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、一般的に、多重経路において動作するスペクトル拡散通信システムに関し、特にかかる通信システムの受信機における経路利得（path gain）の予測に関するものである。
発明の背景
同一通信チャンネル上において短い間隔で遠隔地にある多くの加入者装置と通信する特性を備えるように設計された通信システムは、多重アクセス（multiple access）通信システムと呼ばれている。多重アクセスシステムとなり得る通信システムの一種がスペクトル拡散システムである。スペクトル拡散システムでは、変調技術を利用して送信信号を通信チャンネル内の広い周波数帯域に拡散するものである。この周波数帯域は、送出される情報を送信するのに必要な最少帯域よりもかなり広い。例えば、音声信号は振幅変調（AM）では、情報自体の帯域のわずか２倍の帯域で送信することができる。低偏移周波数変調（FM）（low deviation frequency modulation）または単一側波帯AM（single sideband AM）のような他の形式の変調でも、情報自体の帯域に相当する帯域で、情報を送信することができる。しかしながら、スペクトル拡散システムでは、送信信号の変調は、わずか数キロヘルツの帯域のベースバンド信号（例えば、音声チャンネル）を取り込み、メガヘルツ幅の広い周波数帯にわたって送信信号を拡散することがしばしば行われる。これは、送信すべき信号を、送出すべき情報および広帯域のエンコーディング信号で変調することによって達成することができる。
一般的に、次の３種類のスペクトル拡散通信技術が存在する。
直接シーケンス（Direct Sequence）
情報信号帯域よりもかなり広いビット・レートのデジタル・コード・シーケンスによる、搬送波の変調。かかるシステムは、「直接シーケンス」変調システムと呼ばれている。
ホッピング（hopping）
コード・シーケンスによって指示されるパターンにおいて離散的増分で搬送波周波数をシフトすること。これらのシステムは「周波数ホッパ」と呼ばれている。送信機はある所定集合内で周波数から別の周波数へジャンプし、周波数の使用順序はコード・シーケンスによって決定される。同様に、「時間ホッピング」および「時間−周波数ホッピング」はコード・シーケンスによって規制される送信時点を有する。
チャープ（Chirp）
所与のパルス間隔中に、広い帯域にわたって搬送波が掃引される、パルス−FM即ち「チャープ」変調。
情報（即ちメッセージ信号）をスペクトル拡散信号に埋め込む（embed）には、いくつかの方法を用いることができる。１つの方法は、拡散コードが拡散変調に用いられる前に、情報を拡散コードに付加するというものである。この技術は、直接シーケンスおよび周波数ホッピングシステムに用いることができる。拡散コードと情報との組み合わせは典型的に二進コードであり、モデュロ−２の加算を伴うので、送出される情報は拡散コードに付加される前にデジタル化されていなければならないことに気が付くであろう。或いは、情報またはメッセージ信号を用いて、それを拡散する前に搬送波を変調してもよい。
以上のように、スペクトル拡散システムは次にあげる２つの特性を持っていなければならない。（１）送信帯域は送出される情報の帯域またはレート（rete）よりも大幅に広くなければならない。（２）送出される情報以外の関数を用いて、得られる変調チャンネル帯域を決定する。スペクトル拡散通信システムは、多くの異なる方法で、多重アクセスシステムとして実施することができる。多重アクセス・スペクトル拡散システムの一種に、直接シーケンス・コード分割多重アクセス（DS−CDMA）システムがある。
共有周波数帯域内の各（そして全）ユーザに固有の拡散コードを指定することによって、多重通信チャンネルが割り当てられる。結果として、送信信号は通信チャンネルの同一広帯域周波数帯内ではあるが、固有の拡散コードによって指定される、広帯域周波数帯の固有部分内にある。これら固有の拡散コードは互いに直交し、拡散コード間の相互関（cross−correlation）がほぼゼロとなることが好ましい。通信チャンネル内の信号と、通信チャンネルから取り出すべき特定の送信信号に関連する拡散コードとの和を表わす信号を拡散解除（despread）することによって、当該特定の送信信号を通信チャンネルから取り出すことができる。更に、拡散コードが互いに直交しているの場合、受信信号を特定の拡散コードと相関付け、この特定の拡散コードに関連する所望の信号のみを強調し（enhance）、他の信号は強調しないようにすることもできる。
スペクトル拡散およびその他の通信システムは、しばしば多重経路歪みを受け、多数の無線経路の反射の結果として、送信信号が幾重かに重複し、異なる遅れ、利得、および位相を伴って受信される。多経路スペクトル拡散信号の受信に特に適した受信機の一種に、RAKE受信機がある。これは当技術では公知である。RAKE受信機は、受信機内で別個の経路を最適に組み合わせる「フィンガ（fingers）」を備えている。一般的に、RAKE受信機は整合フィルタ（matched filter）に類推して考えることができ、整合フィルタのタップのように、送信信号を高精度に受信するRAKE受信機を構成するように、各「フィンガ」の経路利得を予測する必要がある。送信信号は、受信機への経路において、多くの障害（corruptions）を受けるので（多経路効果、レイリー・フェーディング等）、受信機は障害を受けた送信信号を用いて信号経路を予測しなければならない。明らかに、結果的に得られる受信信号は、RAKE受信機内の「フィンガ」毎の経路利得予測と同程度でしかない。
したがって、予測を行うのに障害を受けた送信信号に頼ることなく、RAKE受信機の各「フィンガ」毎に正確な経路利得予測を行うことができる受信機、特にRAKE受信機が必要とされている。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明による経路利得を予測するコヒーレントRAKE受信機の一部の概略を示す。
第２図は、双曲線正接関数tanh（ｘ）を表す。
好適実施例の詳細な説明
本発明による最尤評価（maximum likelihood criterion）に基づく「ブラインド・ブロック」経路利得予測スキーム（blind block path gain estimation scheme）について説明する。これは、コード化ビット（即ち、障害を受けた送信信号からのコード化ビット）についての暫定的なハードな決定（hard decision）を用いないという点で「ブラインド」である。その代わりにソフトな決定形式を用いる。また、例えば、Ｂ個の相関器出力から成るブロックのような分離されたブロックのために複雑な経路利得を予測するという点で、これは「ブロック」スキームである。好適実施例では、「ブラインド・ブロック経路利得予測スキーム」を効果的に利用する受信機は、コード分割多重アクセス（CDMA）通信システムに実施された、コヒーレントRAKE受信機である。図示の実施例では、Ｂ＝36ビットのコード化ビットを含み、時間長1.25msのデータ・ブロックを送信し、疑似ランダム時間間隔によって他のブロックから分離する。「ブラインド・ブロック」経路利得予測スキームは、典型的なCDMAシステムの欠点を克服するが、CDMAシステムでは、FIRフィルタ型予測スキームの基礎となる連続送信の保証がないことがある。この結果、或いは送信データ符号の知識に頼らないいずれかの予測スキームの結果、予測に位相の曖昧さが現れる。結果として、データ・ビットを差動的に（differentially）エンコードしなければならず、エラーが対になって現れる傾向がある。
コヒーレントRAKE受信機は、コヒーレント・スペクトル拡散通信システムにおいて最適な結合を行うためには、正確なチャンネルの多経路成分の予測を必要とする。これは、Ｌ個の異なる多経路素子またはダイバーシティ・アンテナからの、相関器または整合のフィルタの複素数化（complex−valued）した出力を処理する。

典型的に、Ｌは１ないし４である。式（１）では、ｎは時間インデックス、Ｎはコード化ビット当たりのCDMAチップの数、Tcはチップ間隔、ｙ（ｔ）は所望の信号とノイズとを含む複素受信波形、ｓ（ｔ）は所望の信号に対するCDMA拡散コード、t_mは、ｍ番目の経路の時間遅れ（正確に予測された仮定する）、そして＊は複素共役を意味する。各サンプルu_m（ｎ）は、次の形式となる。
u_m（ｎ）＝ｃ（ｎ）f_m（ｎ）＋v_m（ｎ） （２）
ここで、ｃ（ｎ）＝±１は未知の二進コード化ビット、v_m（ｎ）は複素ノイズ・サンプルである。実際に、ノイズv_m（ｎ）は、干渉CDMA信号、熱雑音、および異なる経路遅れのその他の多経路成分（拡散シーケンスが低い自己相関サイドローブを有し、しかもＮが大きい場合、これら他の多経路成分の寄与は小さいと考えられる）を含む。
目的は、ある所与の経路遅延に対して、Ｂ個の連続する相関器出力｛u_m（ｎ）,m＝1,2,...,L,n＝1,2,...B,｝のブロックが与えられている場合に、経路利得の予測

を見つけることである。一旦かかる予測が得られたなら、RAKE受信機は次のＲ（ｎ）を形成し、これをデコーダに送って処理する。

Ｌ個の複素経路利得

は、ドプラー効果のために、時間と共にかなり変動する可能性がある。更に、共通チャンネル干渉（co−channel interference）によってもu_m（ｎ）に比較的高いノイズ成分が発生する。予測

は、Ｂ個の連続するサンプルu_m（ｎ）のブロックから得なければならない。ここでＢは典型的に約36であり、9.6kb/sのビットレートを有し、1/3二進コードのレートを用いる代表的なCDMAシステムにおける1.25msの時間期間に対応する。更に、これらはｃ（ｎ）の知識即ち明示的な予測がない状態で得なければならない（即ち、障害を受けた送信信号を用いずに）。
「ブラインド・ブロック」予測スキームは、最尤（ML）原理に基づいて、導出し評価することができる。第１図は、本発明にしたがって経路利得を予測するコヒーレントRAKE受信機の一部を、概略的に図示したものである。Ｂ個のサンプルu_m（ｎ）から成るブロックは、巡回式遅延線（recirculating delay line）またはその他のメモリ素子に記憶される。これに続いて、このブロックを処理してｍ＝1,2,...Lおよびｎ＝1,2...Bに対する予測

を得るために、繰り返しアルゴリズムの記述を行う。
（１）パラメータを、a_m（ｉ）＝１、b_m（ｉ）＝０、ｍ＝1,...L、ｉ＝１として開始する。
（２）図１の参照数字１で示される点に示すように、以下のように

を近似することにより、ｉ回目の繰り返しを開始する。

ここで、a_m（ｉ）は前記ブロックのf_m（ｎ）の平均値のｉ回目の予測、b_m（ｉ）はその変化率（傾斜）のｉ回目の繰り返し予測である。ブロック期間は、時間と共にほぼ線形に変化する経路時間変動（path time variation）に対して、十分小さいものと仮定する。
（３）図１の参照数字２で示される点で示すように、以下のように「ソフト決定」

を形成する。

ここで、tanh（ ）は、図２に示すように、飽和増幅器（saturating amplifier）またはソフト・リミッタとして動作する、双曲線正接関数である。σ_v ²/2は複素ノイズ・サンプルの実部および虚部各々の分散（variance）の受信機予測値である。
（４）図１の参照数字３で示される点に示すように

を（1/B）u_m（ｎ）と乗算し、累積して以下の式を形成する。

（５）図１の参照数字４で示される点に示すように、

を（12/B（B²−１））（ｎ−（Ｂ＋１）/2）u_m（ｎ）と乗算し、累積して以下の式を形成する。

（６）図１の参照数字５および６で示される点に示すように、確率的近似アルゴリズム（stochastic approximation algorithm）を用いて、ｉ回目の繰り返しにおけるa_m（ｉ）およびb_m（ｉ）をそれぞれ更新する。

ここで、k_i＝i/（ｉ＋Ｋ）、ＫはＫ＝20のような適当な定数である。
（７）ｉがｉ＝30のような固定カウントに達するまで、ｉを１増分し、ステップ（２）に戻る。
繰り返しが完了した時、予測

は（４）によって与えられる。このアルゴリズムまたは真のビット｛ｃ（ｎ）｝を利用しない他の予測アルゴリズムでは、符号の曖昧さ（±１）があることに注意されたい。したがって、差動的（differential）なビット・エンコード処理を用いなければならない。ｉ回目の繰り返しが完了した時、Ｂ個の整合フィルタ出力u_m（ｎ）から成るブロック全体が処理され、対応するソフト決定

が形成され、a_m（ｉ）およびb_m（ｉ）が更新される。
a_m（ｉ）およびb_m（ｉ）の式は以下のようにして導き出される。経路利得予測器は、一連のＢ個の照合フィルタ出力を表わすベクトルである所与のｕに対して、複素タップ利得を表わす係数

を決定する。したがって、上述のように、最尤（ML）が最適評価として選択される。

ここで、

が与えられた時のｕの条件付確率密度）である。
ｕに含まれるBc（ｎ）の集合をベクトルｃで表わす。ｃの成分は、等しい確率で、独立して＋１または−１であると仮定する。これから、以下の式が得られる

ここで、

経路利得f_m（ｎ）は、ドプラーのために、時間ｎと共に変動する。例えば、85Hzのドプラ周波数は約60m/hの車両速度および約900Mhzのキャリア周波数に対応する。したがって、長さ1.25msのブロックＢは、１ドプラー・サイクルの約11％に対応する。この短い時間間隔中、f_m（ｎ）の変動がｎについて線形であるとして近似することは合理的である。即ち、以下の式が得られる。

ここで、a_mおよびb_mは予測すべき固定パラメータであり、a_mはブロック内のｍ番目の経路の平均経路利得、b_mはその変化率即ち傾斜である。式（11）に現れる量（Ｂ＋１）/2は、式（11）の第２項の１からＢまでの和がゼロになるように選択された。ここで注意すべきは、この場合の予測の問題は、｛a_m｝および｛b_m｝を表わすベクトルa,bに関してｐ（u|a,b）を最大化することである。独立したランダム変数（ｃ（ｎ）＝±１）に関して、（９）において平均を求めると、以下の式が得られる。

ａおよびｂに関してｐ（u|a,b）を最大化するために、a_mおよびb_m関してｐ（u|a,b）の微分係数をゼロに設定し、次の式を得る。
ｍ＝1,2,...Lに対して、

および
ｍ＝1,2,...Lに対して

（13）および（14）のtanh関数の引数は、（11）によって与えられる経路予測に対するRAKE経路結合器の出力である。信号対ノイズ比が高い場合（即ち、σ_v ²/2がゼロに近づく）、（13）および（14）のtanh関数は、シグナム関数（signum function）±１に近づくので、したがって、RAKE受信機出力に基づく、ｃ（ｎ）のハードな暫定的決定（preliminary decision）となることに注意されたい。式（13）および（14）は、それぞれ、ｃ（ｎ）のソフト決定（tanh関数によって決定される）によって、u_m（ｎ）と

の積の加重平均として解釈することができる。また、予測の中には±１の曖昧さがあるので、先に述べたように、データ・ビットの差動的エンコード処理が必要であることにも注意されたい。
式（13）および（14）は、a_m,b_mについて解かなければならない非線形な式である。これらは以下のように書き換えることができる。
ａ−ｐ（a,b）＝０ （15）
ｂ−ｑ（a,b）＝０ （16）
ここで、ｐ（a,b）およびｑ（a,b）は、Ｌ次元ベクトルであり、それらのｍ番目の成分はそれぞれ、（13）および（14）の右辺である。これらの式は、確率的近似を繰り返し用いることによって、即ち、ｉ回目の繰り返しで解くことができる。

ここで、k_iは減少段階サイズ（decreasing step sizes）、例えばk_i＝1/（ｉ＋１）である。これらの式の解の１つは、ａ＝ｂ＝０であることに注意されたい。しかしながら、分析によって、この解は最尤関数の最小値に対応するので、ゼロでない初期状態によって、確率的近似アルゴリズムがこの解に収束するという恐れはない。
「ブラインド・ブロック」経路利得予測スキームは、急送フェーディングで干渉が制限された環境で動作するデジタル・セルラCDMA通信システムのための、コヒーレントBPSKコード化変調を可能にする。シミュレーションでは、典型的なCDMA通信システムの逆監視通信路（reverse channel）に利用される非コヒーレント直交スキーム（noncoherent orthogonal scheme）に対して、大まかに言って3dBの改善が見られた。更に、本スキームは暫定的なデータ決定の存在に頼ることなく、連続送信ではなくブロック毎の送信を基にしたものである。また、このスキームによって可能となったコヒーレント動作モードは、適切な拡散シーケンスに適合した受信機において、単一の照合フィルタで実施することができる。これにより、同期が単純化され、市街地環境を移動する車両に伴う多経路成分の突然の発生や消失に対する素早い応答が容易に得られるようになる。
以上、特定実施例を参照しながら本発明を特定して示しかつ説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形式および詳細に種々の変更が可能であることは当業者には理解されよう。例えば、他の実施例では、前記スキームは弱い経路の存在を確認するためのモニタを含み、それらが検出された時、以降の考慮から除外することもできる。これが可能なのは、

が比較的小さい場合、式（３）に経路を含ませることには殆ど価値がないことが分かっているからである。更に、式（５）および図２に示す双曲線正接関数は、リード・オンリ・メモリ（ROM）またはソフト・リミッタ素子として実施されるデジタル参照テーブルによって近似することも可能である。

Claims (10)

1. 受信機において複素数化した経路利得を予測する方法であって：
   Ｂ個のサンプルから成るブロックにおける平均経路利得と経路利得の変化率の関数として、経路利得を近似するステップ；
   整合フィルタ出力と、前記Ｂ個から成るブロックに関連するデータ符号についてなされたソフト決定とを利用して、前記Ｂ個のサンプルから成るブロックにおける経路利得予測を発生するステップ；
   第１および第２係数（式６および７）によって前記発生された経路利得予測を変更し、第１および第２調節係数（式8aおよび8b）を生成するステップ；および
   前記第１調節係数を用いて平均経路利得を修正し、前記第２調節係数を用いて経路利得の変化率を修正することにより、予測された経路利得として更新された経路利得の近似を得るステップ；
   から成ることを特徴とする方法。
2. 請求項１において、前記受信機はコヒーレントRAKE受信機であることを特徴とする方法。
3. 請求項２において、前記ソフト決定を発生するステップは、更に、双曲線正接関数を用いてソフト決定を発生するステップを含むことを特徴とする方法。
4. 請求項２において、前記経路利得予測を発 生するステップ、前記第１および第２係数によって前記 発生された経路利得予測を変更して第１および第２調整 係数を生成するステップ、および前記第１調節係数を用 いて平均経路利得を修正しかつ前記第２調節係数を用い て経路利得の変化率を修正することにより予測された経 路利得として更新された経路利得の近似を得るステップ を繰り返して、前記経路利得予測を得ることを特徴とする方法。
5. 請求項４において、前記経路利得予測は、コヒーレントRAKE受信機に入力され、更に処理されることを特徴とする方法。
6. 複素数化した経路利得予測を行う受信機であって：
   Ｂ個のサンプルから成るブロックにおける平均経路利得と経路利得の変化率の関数として、経路利得を近似し、整合フィルタ出力と、前記Ｂ個から成るブロックに関連するデータ符号についてなされたソフト決定とを利用して、前記Ｂ個のサンプルから成るブロックにおける経路利得予測を発生する手段；および
   第１および第２係数（式６および７）によって前記発生された経路利得予測を変更して第１および第２調節係数（式8aおよび8b）を生成し、前記第１調節係数を用いて平均経路利得を修正すると共に、前記第２調節係数を用いて経路利得の変化率を修正することにより、予測された経路利得として更新された経路利得の近似を得るための修正手段；
   から成ることを特徴とする受信機。
7. 請求項６において、前記受信機は更にコヒーレントRAKE受信機から構成されることを特徴とする受信機。
8. 請求項７において、前記ソフト決定を発生する手段は、更に、双曲線正接関数を用いてソフト決定を発生する手段から構成されることを特徴とする受信機。
9. 請求項７において、前記発生手段および前記修正手段による処理を繰り返し、経路利得予測を得ることを特徴とする受信機。
10. 請求項９において、前記経路利得予測は、コヒーレントRAKE受信機に入力され、更に処理されることを特徴とする受信機。

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