JP4546145B2 - マルチキャリア伝送システム及びマルチキャリア伝送用受信装置 - Google Patents

Description

本発明は、パイロットチャネルとデータチャネルとが符号分割多重されているマルチキャリア伝送技術に係り、詳しくは、伝送路条件に応じてパイロットチャンネルの逆拡散方法を変更するマルチキャリア伝送システム及びマルチキャリア伝送用受信装置に関する。

無線通信において、様々な障害物等からの反射波が重なりあい多重伝送路（マルチパス）となることがある。そして、各伝送路の伝搬遅延の違いにより、伝送帯域内の周波数特性が歪む周波数選択性フェージングや、時間軸上で隣り合う信号（シンボル）が互いに干渉するシンボル間干渉を生じ、通信品質の劣化を招く。このような劣化に対する対策としてマルチキャリア伝送方式が注目されている。

このマルチキャリア伝送方式では、情報を複数の低レートなキャリア（サブキャリア）に分けて伝送する。すなわち、マルチキャリア伝送では１つのシンボル長を長くすることができる。その結果、シンボル長に比較して遅延量が小さいため、上述のマルチパスによる干渉の影響を小さくすることができる。特に、各キャリアが互いに直交するように選んだものは直交マルチキャリア変調方式と呼ばれ、直交周波数分割多重（Orthogonal Frequency Division Multiplex ：ＯＦＤＭ）がある。また、マルチキャリア伝送と「ＣＤＭＡ（Code Division Multiple Access ）」とを組み合わせた無線伝送方式として「ＭＣ−ＣＤＭＡ（Multi-Carrier-CDMA）」等の無線アクセス方式が提案されている。このＭＣ−ＣＤＭＡは、データシンボルに対して拡散コードを用いて拡散を行ない、拡散されたデータシンボルを複数のサブキャリアもしくはＯＦＤＭシンボル上にマッピングして並列伝送する方式である。

さらに、送信機から送信された信号が伝送路の影響を受けた場合には、受信機において伝送路で生じた振幅や位相の変動を受信信号から取り除き、情報を復元する必要がある。このため、送信機と受信機との間で互いに振幅や位相が既知のシンボル（パイロットシンボル）を伝送し、伝送路で生じる変動を推定（チャネル推定）する方法が知られている。例えば、ＭＣ−ＣＤＭＡにおける拡散方法およびパイロット多重方法に関する技術が開示されている（例えば、非特許文献１、２参照。）。非特許文献１では、周波数（サブキャリア）方向と時間（シンボル）方向にわたる２次元拡散が示されている。２次元拡散はデータチャンネルに適応され、パイロットチャンネルは時間多重されており拡散はされていない。非特許文献２では、時間多重型パイロットチャンネルとコード多重型パイロットチャンネルの性能が比較されている。コード多重型パイロットチャンネルはデータチャンネルと直交するコードを用いて拡散される。
前田規行，「２次元拡散を用いるＶＳＦ−ＯＦＣＤＭとその特性」，信学技報，社団法人電子通信情報学会，平成１４年５月，ＲＳＣ２００２−６１，ｐ．５９−６４ 岸田祥久，「ＶＳＦ−ＯＦＣＤＭにおけるパイロットチャネル構成の検討」，信学技報，社団法人電子通信情報学会，平成１４年１０月，ＲＳＣ２００２−１６９，ｐ．１９−２４

非特許文献１や非特許文献２に記載された技術では、コード多重されたパイロットチャンネルは前述した２次元拡散が用いられると考えられる。しかし、伝送路条件を鑑みたパイロットチャンネルの逆拡散方法の制御を検討していない。よって、伝送路条件によって
は、使用されるパイロットチャンネルの逆拡散方法が最適ではなく、チャネル推定精度を劣化させることがある。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされ、マルチキャリア伝送における伝送路の状態を考慮してパイロットチャンネルの逆拡散方法を制御することが可能なマルチキャリア伝送システム及びマルチキャリア伝送用受信装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、マルチキャリア伝送システムは伝送路条件に対してパイロットチャネルの逆拡散率を特定するための逆拡散方法決定テーブルを記録した逆拡散方法決定テーブルデータ記憶手段を備える。取得した伝送路状態に基づいてパイロットチャネルの逆拡散率を決定する。これにより、伝送路の状態に応じて、パイロットシンボルの逆拡散方法を変更することができ、チャネル推定精度が向上し、効率的な通信を行なうことができる。

さらに、本発明によれば、伝送路状態を示す指標として、遅延スプレッドを用い、パイロットチャネルの逆拡散率を決定する。これにより、遅延スプレッドが小さい伝送路状態では、パイロットチャネルのサブキャリア方向の逆拡散率を大きくすることにより、チャネル推定精度を向上させ、効率的に通信を行なうことができる。一方、遅延スプレッドが大きい伝送路状態では、パイロットチャネルのサブキャリア方向の逆拡散率を低減させ、周波数選択性フェージングによるチャネル推定精度の劣化を軽減し、効率的な通信を行なうことができる。

さらに、本発明によれば、希望波電力対干渉波電力比を用いてパイロットチャネルの逆拡散コードを推定する。ここでは、符号多重されている他のチャネル群と直交する逆拡散率が推定される。直交しない逆拡散率を用いると、直交する逆拡散率（例えば、基地局送信機で使用しているパイロットチャンネルの拡散率）を用いた場合の希望波電力対干渉波電力比の推定値から極端に離れた値が推定される。これにより、直交しない拡散率が明らかになり、パイロット逆拡散に使用可能な拡散率が導かれる。

本発明によれば、マルチキャリア伝送における伝送路の状態を考慮してパイロットチャンネルの逆拡散方法を制御し、チャネル推定精度を向上させることが可能なマルチキャリア伝送システム及びマルチキャリア伝送用受信装置を提供することができる。

以下、本発明のマルチキャリア伝送システム及びマルチキャリア伝送用受信装置を具体化したマルチキャリアＣＤＭＡ伝送（ＭＣ−ＣＤＭＡ）の一実施形態を図１〜図７に従って説明する。本実施形態では、マルチキャリア伝送としてＯＦＤＭ伝送を用いて説明する。

図１に示すように、本実施形態では、パイロットチャネル１１とデータチャネル１２とを用いてチャネルを構成する。ここでは、データチャネル１２と直交するコードを用いて、同一時間内にパイロットチャネル１１が多重化される。

そして、図２に示すように、各チャネル（１１、１２）は、サブキャリア数、ＯＦＤＭシンボル数に渡って拡散されている。ここでは、拡散率（ＳＦ）は、時間軸拡散率（ＳＦtime）と周波数軸拡散率（ＳＦfreq）とを乗算することにより算出される。

以下、ＳＦtime＝２、ＳＦfreq＝２の場合を想定して２次元拡散を説明する。ここで、拡散率ＳＦ＝４の拡散コードについては、図３のパターンαに示すように、Ｃ（４，０）
〜Ｃ（４，３）を用いることができる。これらの拡散コードに対して、２次元拡散を行なうために、Ｃ（４，０）〜Ｃ（４，３）を、パターンβに示すように時間軸と周波数軸に展開する。

次に、図４を用いて、パイロットチャネルの逆拡散と拡散コードとの関係を説明する。ここでは、パイロットチャネルの拡散コードとして、Ｃ（４，０）を仮定し、データチャネルの拡散コードとしてＣ（４，１）〜Ｃ（４，３）を用いるパターンβ１と、Ｃ（４，１）とＣ（４，３）を用いるパターンβ２とを用いて説明する。

パターンβ１の場合、データチャンネルが３チャネル使われるので、データチャネルに直交するパイロットチャンネルの逆拡散コードはＣ（４，０）のみである。一方、パターンβ２の場合、データチャネルが２チャネルで、その拡散コードは、Ｃ（４，１）とＣ（４，３）である。従って、この場合、データチャネルに直交するパイロットチャンネルの逆拡散コードはＣ（２，０）およびＣ（４，０）の２種類となる。周波数選択性フェージングが大きい場合、パイロットチャンネルの逆拡散コードにＣ（２，０）を用いると、内部コード干渉によるチャネル推定のエラーを軽減することができる。

本実施形態では、データチャネルと直交する逆拡散コードを、送信装置からの通知を受けることなく、受信装置において推定する機能のみ追加する。また、送信装置はデータチャネルを２チャネルとして、パイロットチャンネルの拡散コードをＣ（２，０）と設定し、パイロットチャンネルの送信パワーを変更することも可能である。

次に、図５を用いて、本実施形態におけるマルチキャリア伝送システムを説明する。このマルチキャリア伝送システムは、マルチキャリア伝送用送信装置としての送信装置２０及びマルチキャリア伝送用受信装置としての受信装置４０から構成されている。

まず、送信装置２０を用いて信号を送信する場合について説明する。送信装置２０は、入力された送信データに対してチャンルエンコーダ２１を用いてデータシンボルを生成する。そして、送信装置２０は、生成したデータシンボルに対してデータ変調部２２においてデータ変調処理を行なう。このデータ変調部２２は、１６ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation ）や６４ＱＡＭ等の多値直交振幅変調、ＢＰＳＫ（Binary Phase Shift Keying ）変調、ＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying ）変調等を行なう。

次に、送信装置２０は、拡散部２３において２次元拡散を行なう。具体的には、拡散部２３は、データ変調処理が行われたデータシンボルを直並列変換し、データシンボルを複数のデータシンボルに分割する。そして、拡散部２３は、直並列変換され、分割された複数のデータシンボルを、そのデータシンボルを伝送するデータチャネルに対応する拡散コードの拡散コード周期と等しい個数だけ複製する。拡散部２３は、各データチャネルに割り当てられた各データチャネルに対応する拡散コードを生成する。そして、送信装置２０は、複製されたデータシンボルに、そのデータシンボルを送信するデータチャネルに対応する拡散コードを乗算して情報信号とする。

次に、送信装置２０は、サブキャリアマッピング部２４において、情報信号を複数のサブキャリア上への割り当て処理を行なう。
更に、送信装置２０は、データ多重化手段としてのデータチャネル多重化部２５において、所定のチャネル数にコード多重される。ここで、情報信号にパイロット信号を挿入する。データチャネル多重化部２５は、各データチャネルの情報信号とパイロット信号を合成し、コード多重を行なう。

そして、送信装置２０は、コード多重された情報信号を、その情報信号を送信する周波
数の異なる複数のサブキャリアに拡散する。具体的には、送信装置２０は、ＩＦＦＴ部２６において情報信号の周波数時間信号変換を行なう。ここでは、逆高速フーリエ変換を行なう。そして、情報信号を周波数の異なる複数のサブキャリアに割り振って、マルチキャリアＣＤＭＡ信号を生成する。

さらに、送信装置２０は、ＧＩ付加部２７において、ＯＦＤＭシンボル毎にガードインターバルを挿入する。このガードインターバルは、ＯＦＤＭシンボル間の干渉を防ぐもので、ＯＦＤＭシンボル間に挿入される。各ＯＦＤＭシンボルが、マルチパス伝搬の影響により遅延して受信装置４０に到達し、ＯＦＤＭシンボル間で干渉する影響を、ガードインターバルを挿入することによって、低減することができる。ＧＩ付加部は、ガードインターバルとして、例えば、ＯＦＤＭシンボルの後半部分を複製した信号をＯＦＤＭシンボルの先頭に挿入することができる。又、ガードインターバルの長さは、遅延時間を考慮して定めることができる。

そして、送信装置２０は、ガードインターバルが挿入されたマルチキャリアＣＤＭＡ信号を、アンテナを介して受信装置４０に送信する。
次に、図５に示す受信装置４０を用いてマルチキャリアＣＤＭＡ信号を受信する場合について説明する。受信装置４０のアンテナが、周波数の異なる複数のサブキャリアにより送信されたマルチキャリアＣＤＭＡ信号を受信する。受信装置４０は、タイミング検知部４１において、ＯＦＤＭシンボルタイミングの同期を確立する。受信装置４０は、ＧＩ除去部４２において各ＯＦＤＭシンボルに挿入されているガードインターバルを除去する。

次に、受信装置４０は、ＦＦＴ部４３において、マルチキャリアＣＤＭＡ信号に対して高速フーリエ変換を行ない、周波数の異なる複数のサブキャリアに拡散されたＣＤＭＡ信号を、サブキャリア毎に分離する。

更に、受信装置４０は、データチャネル逆拡散手段としての逆拡散部４５において、ＣＤＭＡ信号に乗算されている拡散コードと同様の拡散コードを生成する。そして，受信装置４０は、アンテナによって受信されたＣＤＭＡ信号に、各データチャネルに対応する拡散コードを乗算することにより逆拡散が行われる。これにより、送信装置２０において拡散コードが乗算される前のデータシンボルが復元される。

次に、受信装置４０は、拡散コード周期に渡って合成され、復元されたデータシンボルを並直列変換する。受信装置４０は、データ復調部４６において、並直列変換されたデータシンボルに対して、データ復調処理を行なう。更に、受信装置４０は、データ復調処理を行なったデータシンボルに対して、誤り訂正復号処理を行う。最後に、受信装置４０は、チャネルデコーダ４７において、誤り訂正復号処理が行われたデータシンボルを、ディスプレイやスピーカー等の出力装置に出力可能な状態に復元し、出力装置に出力する。

さらに、受信装置４０は、パイロットチャネル逆拡散部４４において、パイロットシンボルの逆拡散を行なう。逆拡散率は複数の値を用いることができる。
そして、ここで生成された逆拡散結果を用いてパラメータ制御部４８は、最適なパイロットチャネル逆拡散率の決定を行なう。すなわち、パラメータ制御部４８は、特許請求の範囲の制御手段、逆拡散コード推定手段として機能する。このパラメータ制御部４８は、逆拡散方法決定テーブルデータ記憶手段５０を備える。この逆拡散方法決定テーブルデータ記憶手段５０には、伝送路条件に対してパイロットチャネルの逆拡散率を特定するための逆拡散方法決定テーブル５１が記録されている。具体的には、逆拡散方法決定テーブル５１には、遅延スプレッドに関連付けてパイロットチャンルの逆拡散率を決定するためのテーブルが記録されている。

そこで、このパラメータ制御部４８における処理を、図６を用いて説明する。なお、以下に説明するパイロットチャンネル逆拡散率選定に関する処理は通信開始時に実行される。

パラメータ制御部４８は、パイロットチャネルの逆拡散から、逆拡散結果を引き継いで、信号電力を算出する（ステップＳ１）。ここでは、例えば、信号の平均値算出することにより行なわれる。これにより希望波電力が算出される。

更に、パラメータ制御部４８は、干渉電力を算出する（ステップＳ２）。ここでは、例えば、信号の分散値を算出することにより行なわれる。これにより干渉波電力が算出される。

そして、パラメータ制御部４８は、希望波電力対干渉波電力比（ＣＩＲ：Carrier to Interference Power Ratio ）を算出する（ステップＳ３）。具体的には、ステップＳ１で算出した信号電力と、ステップＳ２で算出した干渉電力との比を算出する。ここで、符号多重されている他のチャネル群と直交しない逆拡散コードを用いて逆拡散を行なった場合、直交する逆拡散コード（例えば、基地局送信機で使用しているパイロットチャンネルの拡散率）を用いた場合の希望波電力対干渉波電力比の推定値から極端に離れた値が推定される。これにより、直交しない拡散率を特定でき、パイロット逆拡散に使用可能な拡散コードが導かれる。

一方、パイロットチャネルのパラメータ（例えば、基地局送信機で使用しているパイロットチャンネルの拡散率）を用いて遅延スプレッドを算出する。ここでは、送信された信号が距離の異なる複数の伝搬経路を通って受信アンテナに到達するため、行路差に相当した時間ずれが生じて、受信信号が時間方向に広がる。この遅延時間に対する電力分布の広がりの形状を遅延プロファイル、その分散値を遅延スプレッドと呼ぶ。この両者が伝送路条件となる。ここでは、パラメータ制御部４８は、伝送路応答を算出する（ステップＳ４）。そして、パラメータ制御部４８は、この応答から遅延スプレッドを算出する（ステップＳ５）。

そして、導出した多重されている他のチャネル群と直交する逆拡散率と遅延スプレッドを用いて、適切なパイロットチャネル逆拡散率を決定する（ステップＳ６）。ここでは、逆拡散方法決定テーブルデータ記憶手段５０に記録された逆拡散方法決定テーブル５１を参照される。

以上のように、伝送路の状態に応じて、パイロットチャネルの逆拡散率を変更しながらシミュレーションした結果を図７に示す。ここでは、２つの条件（Ａ、Ｂ）における、スループットの搬送波対雑音比（ＣＮＲ：Carrier to Noise Ratio）依存性を示している。ここで、条件Ａは、データチャネルを１５チャネル、パイロットチャネルを１チャネルとする。パイロットチャネルの逆拡散率としてはＳＦ＝１６を使用した。一方、条件Ｂにおいては、データチャネルを１２チャネル、パイロットチャネルを１チャネルとする。パイロットチャネルの逆拡散率としてはＳＦ＝４を使用した。そして、サブキャリア数を７６８、サブキャリア周波数間隔を１３１．８３６ｋＨｚ、逆フーリエ変換ポイント数を１０２４、ガードインターバルを２２６として計算した。ここで、グラフ５１０は、遅延スプレッドとして「０．４３μｓ」した場合、グラフ５２０は、遅延スプレッドとして「０．０４３μｓ」した場合を想定する。このように、両者の伝送路条件においては、条件Ａと条件Ｂとではスループットが逆転する。

上記実施形態のマルチキャリア伝送によれば、以下のような効果を得ることができる。
・ 上記実施形態では、受信装置４０は、パラメータ制御部４８で導出したパイロット
チャンネル逆拡散率を用いて受信処理をする。このため、遅延スプレッドが小さい伝送路条件では、パイロットチャネルの拡散率を大きくし、一方、遅延スプレッドが大きい伝送路条件では、パイロットチャネルの拡散率を低減させ、チャネル推定精度を向上させることにより、結果的によりよいスループットを得ることができる。このように、伝送路および多重チャネルの状態に応じて適切なパイロットチャネル逆拡散率を用いることにより、より高いスループットの高品質な通信を提供することができる。

・ 上記実施形態では、このパラメータ制御部４８は、逆拡散方法決定テーブルデータ記憶手段５０を備える。この逆拡散方法決定テーブルデータ記憶手段５０には、遅延スプレッドに対してパイロットチャンルの逆拡散率を関連付けた逆拡散方法決定テーブル５１が記録されている。これにより、遅延スプレッドを用いてパイロットチャンルの逆拡散率を決定することができる。そして、ステップＳ３において推定した逆拡散コードから、実際に使用されている逆拡散コードを特定することができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 上記実施形態では、パイロットチャンネル逆拡散率選定に関する処理を、通信開始時に実行する。これに代えて、定期的にパイロットシンボルを測定し、必要に応じてパイロットチャンネル逆拡散率選定に関する処理を行なってもよい。

○ 上記実施形態では、受信装置４０が、パイロットチャネル逆拡散率を決定する。これに代えて、受信装置４０以外の監視システムがパイロットシンボルを監視し、送信装置２０および受信装置４０に通知してもよい。これにより、受信装置４０の付負荷を軽減しながら伝送路環境を考慮した通信を行なうことができる。

マルチキャリア伝送の概念図。 ２次元拡散の概念図。 ２次元拡散における拡散コードの説明図。 パイロットチャネルの逆拡散率の説明図。 本発明のマルチキャリア伝送システムの説明図。 本発明のパラメータ制御部の処理手順の説明図。 本発明のシミュレーション結果の説明図。

符号の説明

１１…パイロットチャネル、１２…データチャネル、２０…送信装置、２５…データ多重化手段としてのデータチャネル多重化部、４０…受信装置、４４…伝送路条件取得手段としてのパイロットチャネル逆拡散部、４５…データチャネル逆拡散手段としての拡散部、４８…制御手段、逆拡散コード推定手段としてのパラメータ制御部、５０…逆拡散方法決定テーブルデータ記憶手段、５１…逆拡散方法決定テーブル。

Claims (5)

1. パイロットチャネルとデータチャネルとが符号分割多重されているマルチキャリア伝送システムであって、
   前記マルチキャリア伝送システムが、
   所与の伝送路条件に対して前記パイロットチャネルの逆拡散率を特定するための逆拡散方法決定テーブルを記録した逆拡散方法決定テーブルデータ記憶手段と、
   基地局送信機で使用している前記パイロットチャネルの拡散率を含む前記パイロットチャネルのパラメータを用いて伝送路状態の伝送路条件を取得する伝送路条件取得手段と、
   前記マルチキャリア伝送システムにおける通信開始時に、前記逆拡散方法決定テーブルの前記所与の伝送路条件と、前記伝送路状態の伝送路条件とに基づいて前記パイロットチャネルの逆拡散率を決定し、前記パイロットチャネルの逆拡散率を用いて逆拡散コードを特定する逆拡散コード推定手段と
   を備えることを特徴とする、マルチキャリア伝送システム。
2. 前記逆拡散コード推定手段は、前記伝送路条件として遅延スプレッドを用いて前記パイロットチャネルの逆拡散率を決定することを特徴とする、請求項１に記載のマルチキャリア伝送システム。
3. 前記逆拡散コード推定手段は、前記伝送路条件として希望波電力対干渉波電力比を用いて前記パイロットチャネルの逆拡散コードを推定することを特徴とする、請求項１又は２に記載のマルチキャリア伝送システム。
4. 前記マルチキャリア伝送システムは、マルチキャリア伝送用送信装置とマルチキャリア伝送用受信装置とから構成され、
   前記マルチキャリア伝送用受信装置は、前記伝送路条件取得手段及び前記逆拡散コード推定手段を備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のマルチキャリア伝送システム。
5. 符号分割多重されているパイロットチャネルとデータチャネルとを用いて、マルチキャリア伝送用送信装置との間で通信を行なうマルチキャリア伝送用受信装置であって、
   前記データチャネルにおけるデータシンボルの逆拡散を行なうデータチャネル逆拡散手段と、
   基地局送信機で使用している前記パイロットチャネルの拡散率を含む前記パイロットチャネルのパラメータを用いて伝送路状態の伝送路条件を取得する伝送路条件取得手段と、
   これらを制御する制御手段と、
   所与の伝送路条件に対して前記パイロットチャネルの逆拡散率を特定するための逆拡散方法決定テーブルを記録した逆拡散方法決定テーブルデータ記憶手段とを備え、
   前記マルチキャリア伝送システムにおける通信開始時に前記制御手段が、
   前記逆拡散方法決定テーブルの前記所与の伝送路条件と、前記伝送路状態の伝送路条件とに基づいて前記パイロットチャネルの逆拡散率を決定し、前記パイロットチャネルの逆拡散率を用いて逆拡散コードを特定することを特徴とする、マルチキャリア伝送用受信装置。

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