JP5318922B2 - 順方向リンクの可変レート符号化 - Google Patents

Description

本発明は一般に無線通信システム、詳細には、ディジタル符号化無線チャネルを介して可変データ伝送速度（レート）接続を提供する方法に関する。

セルラー無線電話のようなパーソナル無線通信装置の第１世代は、個々に異なる無線搬送波周波数を各ユーザに割り当てることにより動作していた。例えば、拡張移動電話サービス（ＡＭＰＳ）方式のセルラー移動電話では、２つの３０ｋＨｚ帯域幅チャネルを割り当てて、各加入者ユニットと基地局との間の全二重音声通信をサポートする。このような各チャネル内の信号は、周波数変調（ＦＭ）のようなアナログ変調技術を利用して変調される。

後の世代のシステムはディジタル変調技術を使用して、複数ユーザが同時に同一周波数スペクトルにアクセス可能にしている。これら技術は表面上は、所定の有効無線帯域幅に対するシステム容量を増大する。米国内で最も普及しているこの技術は、符号分割多重アクセス（ＣＤＭＡ）の一種である。ＣＤＭＡでは、各トラフィック信号は最初に、送信機において疑似雑音（ＰＮ）コード・シーケンスを用いて符号化される。受信機は、異なるＰＮコード・シーケンスまたは異なるコード位相を用いて符号化された信号を相互に分離可能な方法により、ＰＮ復号化機能を実行する装置を含む。ＰＮコード内またはそれ自体のＰＮコードはチャネルの完全分離を実現できず、特定のシステムは“直交コード”と呼ばれる符号化の追加層を有することにより、チャネル間の干渉を低減させる。

ＰＮおよび直交コード特性が受信機において正常に作動するためには、特定の他の設計上の考慮が必要となる。逆リンク方向に伝播する信号、すなわち移動ユニットから中央基地局に戻る方向に伝播する信号に対し、パワー・レベルを精密に制御する必要がある。詳細には、コードの直交特性を受信機に到達する状態に対し最適化して、個々の信号がほぼ同一パワー・レベルを持つようにする。同一レベルを持たない場合、チャネル間の干渉が増大する。

順リンク方向は別の問題点を持つ。詳細には、基地局から加入者ユニットに伝播する信号は、いわゆる遠近問題の結果では予測できない方法で、別の信号を妨害する。例えば、正確に検出するためには、遠方の移動ユニットは相対的に大きいパワーを必要とするのに対し、近くの移動ユニットは小さいパワーでよい。大きい信号は基地局近くに置かれた、一般には小さいレベルで作動する移動ユニットの適正な動作を妨害する。不都合な点は、その性能が移動通信システムの特定の動作環境に依存することであり、この環境には周辺の地理上の接続形態（トポロジー）、加入者ユニット相互の並置、およびその他の要素を含む。

過去には、パワー・レベルを個々に設定して各順方向リンク・チャネルを最適化して、干渉を最小にすることが可能であった。具体的には、各パワー・レベルを調整して、加入者ユニットで受信されるパワー・レベルに最適の影響を与えることにより、干渉を最小にすることが推奨されていた。

さらに、畳み込み、リード・ソロモン（Ｒｅｅｄ−Ｓｏｌｏｍｏｎ）および他の種類のコードを使用する順方向誤り訂正（ＦＥＣ）方式アルゴリズムのような符号化アルゴリズムを使用して、受信機における実効信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）を向上できる。このようなコードは、雑音の多い環境下におけるビット誤り率を低下させる性能を向上させるが、チャネル相互の干渉に関連する問題点を改良できない。

本発明は、個々のトラフィック・チャネル・データ伝送速度を特定のチャネル状態に適合させることにより、追加の自由度を提供する。詳細には、順方向誤り訂正（ＦＥＣ）符号化レートを個々のチャネルに適合させることができる。同時に、ＦＥＣ符号化レートおよびパワー・レベルと独立に、送信フレーム当り固定数のＦＥＣシンボルが維持される。これにより、異なるＦＥＣレートまたは異なるＦＥＣコードにも、チャネル状態に依存して、実効送信パワー・レベルを変更することなく各ユーザ・チャネルを割り当てできる。

例えば、チャネルが相対的に良好な伝播状態にある場合、ＦＥＣ符号化レートを低下させることができ、１ＦＥＣフレーム当りの入力ビット数を送信パワー・レベルを変更せずに増加できる。この時全体情報速度は生データ伝送速度を符号化レートで割った比に依存し、また別のユーザ・ユニットへの干渉を増大することなく高速情報速度が得られる。

これに反し、特定チャネルが相対的に劣るかまたは限界送信環境である場合、別の手順を採用して全体情報速度を低下させることができる。具体的には、送信のパワー・レベルを増加させるのでなく、実効ＦＥＣ符号化レートを増加し、ＦＥＣフレーム当りの入力ビット数を減少できる。これにより、送信パワー・レベルを増加することなくチャネルの安定性を増すことができる。

好ましい実施形態では、各所定のチャネルでの将来の送信に使用される符号化レートを示すメッセージを、目的とする受信機に周期的に送信することにより、ＦＥＣ符号化レートを変更する。例えば、典型的な具体化では、レート・メッセージは順方向リンク・ページング・チャネルまたは特定受信機に割り当てられた同期チャネル上に送出できる。

本発明はいくつかの利点を有する。符号分割多重アクセス（ＣＤＭＡ）システムにおいて、特にマルチパス・フェージングまたは他の不十分なチャネル状態が存在する環境においても、パワー・レベルを調整して全体システムの情報速度を最適化する必要がない。

本発明の前述およびその他の目的、特徴、および利点は、添付図面に示す本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明で明らかになるであろう。図面では、同一参照符号は異なる図面においても同一部品を指す。図面は必ずしも縮尺通りでなく、本発明の原理を示すことに重点が置かれている。

本発明を利用できる無線通信システムの概略図である。 本発明による可変レート符号化を実現するシステムの順方向リンク部分の詳細図である。 フレーム形成回路と対応する符号化回路の特定のセットを示す。 異なる符号化レートに対するビット当りエネルギー対スペクトル雑音パワーで測定された、ビット誤り率対受信信号強度のグラフである。

次に図面により詳細に説明する。図１はシステム１０のブロック図であり、このシステムは、例えば、符号分割多重アクセス（ＣＤＭＡ）として既知のディジタル変調無線・サービスのような無線接続を介して高速データ・サービスを提供する。システム１０は1つまたは複数の基地局プロセッサ１２および複数の加入者アクセス・ユニット１４−１、．．．、１４−ｎ、．．．１４−ｍ（まとめてアクセス・ユニット１４）から構成される。図１は１つの基地局と３つのアクセス・ユニット１４とを示すが、これは単なる例であり、本発明の説明をし易くするためのものである。本発明は一般に、１つまたは複数の基地局と通信する多数の加入者ユニットが存在するシステムに適用可能である。

アクセス・ユニット１４は、無線データ・サービスを提供し、また例えばラップトップ・コンピュータ、ポータブル・コンピュータ、個人用携帯情報端末（ＰＤＡ）などの装置を、基地局を介してネットワーク１５（公衆交換電話網（ＰＳＴＮ）、パケット切換コンピュータ・ネットワーク、またはインターネットあるいは専用イントラネットなどの他のデータ・ネットワークであってもよい）に接続できる。基地局１２は任意の数の異なる効率的な通信プロトコル（例えば、基本速度ＩＳＤＮ、またはＩＳ−６３４あるいはＶ５．２などの他のＬＡＰＤベース・プロトコル、もしくはネットワーク１５がインターネットのようなイーサネット（登録商標）・ネットワークである場合はＴＣＰ／ＩＰなどの通信プロトコル）を介してネットワーク１５と通信できる。アクセス・ユニット１４は本質的に移動可能であり、基地局１２と通信している間は１つの場所から別の場所に移動できる。

図１は、無線チャネルを割り当てて基地局１２とアクセス・ユニット１４との間で信号を伝送する標準セルラー方式通信システムと同一であってもよいことは、当業者には理解されるであろう。しかし、具体的には、本発明は非音声の、変動帯域幅を持つディジタル・データ伝送を提供する。好ましい実施形態では、システム１０は符号分割多重アクセス（ＣＤＭＡ）原理を使用して送信信号を変調する。しかし、本発明は、ＩＳ−９５のような標準ＣＤＭＡプロトコルまたはＣＤＭＡ−ＯｎｅまたはＷ−ＣＤＭＡのような新しく発表されたＣＤＭＡプロトコルを使用することを制限するものではない。本発明は他の多重アクセス変調方法にも適合可能である。

アクセス・ユニット１４と基地局１２との間のデータおよび音声通信を提供するために、制限された数の無線チャネル資源が順方向通信チャネル１６−１、．．．１６−ｎと逆方向通信チャネル１７−１、．．．１７−ｎとを介して提供される。本発明は、これらチャネル信号を各アクセス・ユニット１２に対する必要性をベースに符号化する方法を精密に管理する手法を提供する。データ信号は無線チャネル１６と１７上を双方向に伝播する。すなわち、アクセス・ユニット１４から発生したデータ信号はネットワーク１５に接続され、ネットワークから受け取ったデータ信号はアクセス・ユニット１４に接続される。

図２は基地局プロセッサ１２の特定エレメントと遠隔アクセス・ユニット１４とを詳細に示す。基地局プロセッサ１２とアクセス・ユニット１４とは、１つまたは複数の順方向リンク・チャネル１６−１、．．．１６−ｎを介して少なくとも順方向に通信する。基地局プロセッサ１２とアクセス・ユニット１４とはまた、図２には示していないが、逆リンク方向に相互に通信する。順方向リンク１６の具体化に対しここで説明する原理は、逆リンク方向通信の実現にも利用できる。

ＣＤＭＡシステムでは、所定の順方向リンク１６−ｎ上の信号は、共通無線搬送波周波数と別の順方向リンク１６−ｍに割り当てられた信号を持つタイムスロットとを共有する。したがって、特定のアクセス・ユニット１４−ｎにだけ割り当てられた所定の順方向リンク１６−ｎを介して送信される信号は、別の順方向リンク１６−ｍを介して送信され、別のアクセス・ユニット１４−ｍに割り当てられた信号にある程度の干渉を及ぼす可能性がある。

詳細には基地局プロセッサ１２はコントローラ３０と、順方向リンク１６の送信信号を形成する各種信号を発生する信号処理回路とを含む。これらはパイロット・チャネル３２、ページング・チャネル３４、および1つまたは複数トラフィック・チャネル３６などの機能を実行する回路を含む。当技術分野では周知のように、パイロット・チャネル３２は既知の連続パイロット信号を発生する機能を有し、その信号により、アクセス・ユニット１４内の受信機回路を基地局プロセッサ１２により送信された信号に正しく同期させる。ページング・チャネル３４はアクセス・ユニット１４に制御信号を送り、例えば順方向リンク１６を介してトラフィック・チャネル容量を割り当てる。例えば、アクセス・ユニット１４−ｎにメッセージを送る必要があるとき、順方向リンク１６−ｎ上にトラフィック・チャネルを割り当てる必要がある場合に、ページング・チャネル３４を使用してアクセス・ユニット１４−ｎにメッセージを送信する。

トラフィック・チャネル３６は順方向リンク１６を介してペイロード・データを送信する物理層構造を備える。好ましい実施形態では、ＣＤＭＡ符号化を使用して、パイロット・チャネル３２、ページング・チャネル３４、およびトラフィック・チャネル３６を規定する（形成する）。

具体的には、トラフィック・チャネル回路３６はシンボルフレーム形成部４０、順方向誤り訂正論理部４２、デマルチプレクサ４４、加算器５０、および無線周波数（ＲＦ）アップ・コンバータ５２を含む。

順方向リンク１６を介して送信されるデータは最初にフレーム形成部４０に供給される。フレーム形成部４０は入力ペイロード・データをフレームと呼ばれる便利なサイズのグループにパッケージする。これらの事前符号化フレームのサイズは、ＦＥＣエンコーダ４２により任意の所定時間において選択された特定順方向誤り誤り訂正（ＦＥＣ）符号化方式に応じて変化する。重要なことは、フレーム形成部４０とＦＥＣエンコーダ４２との組合せが各所定の送信されるフレーム内の固定数の出力ＦＥＣシンボルを生成する。

図３は、フレーム形成部４０とＦＥＣエンコーダ４２とをペアで選択して、この最終結果を達成する方法を示す。図示された実施形態の固定出力ＦＥＣフレーム・サイズは４０９６シンボルである。この実施形態は、１／４、１／３、１／２、７／８レート符号化をそれぞれ備える４つの異なるＦＥＣシンボルエンコーダ４２−１、４２−２、４２−３、４２−４を使用する。各ＦＥＣシンボルエンコーダ４２の符号化レートは入力ビット数と出力ビット数との比率を示す。ＦＥＣエンコーダ４２で使用される実際コードは任意の数の異なる種類の誤り訂正コード（例えばＲ）にでき、したがって、高いレートのＦＥＣコードを用いて高速の情報が得られる。

この実施形態はまた、４つのＦＥＣシンボルエンコーダ４２−１、４２−２、４２−３、４２−４に対応する４つのフレーム形成回路４０−１、４０−２、４０−３、４０−４を使用する。例えば、１／４レート・エンコーダ４２−１は、入力ビットを１０２４ビットの事前符号化ＦＥＣグループに分類して、所望の４０９６出力シンボルを生成する、１／４レート・フレーム形成回路４０−１を必要とする。同様に、１／３レート・エンコーダ４２−２は、入力ビットを１３３１ビットの事前符号化セットに分類する１／３レート・フレーム形成部４０−２を必要とする。１／２レート・エンコーダ４２−３は２０４８サイズの事前符号化セットを持つフレーム形成部４０−３を使用し、７／８レート・エンコーダ４２−４は３５８４サイズの事前符号化セットを持つフレーム形成回路４０−４を使用する。

このように、フレーム形成回路４０とＦＥＣエンコーダ４２とは、任意の時点で特定フレーム形成部４０−１、４０−２、４０−３または４０−４の１つと、特定のエンコーダ４２−１、４２−２、４２−３または４２−４の１つとだけを使用する。フレーム形成回路４０とＦＥＣエンコーダ４２のどれを起動するかは、フレーム形成回路４０とエンコーダ４２との各々への符号化レート制御信号６０の入力により制御される。符号化レート制御信号６０はコントローラ３０により発生される。

図２に戻ると、所定の接続は、複数のトラフィック・チャネルを特定時間に割り当てることを必要とする。例えば、デマルチプレクサ４４はＦＥＣエンコーダ４２で発生した信号を受け取り、それを多重拡散回路３６−１と、横軸位相偏移変調（ＱＰＳＫ）だけでなく適正な疑似雑音（ＰＮ）および／またはウォルシュ（Ｗａｌｓｈ）または他の符号化を加えて複数のＣＤＭＡチャネル信号４９−１、．．．４９−ｎを生成するチャネル変調器３８−１とに供給する。次に、これら複数のＣＤＭＡトラフィック信号を、チャネル・パイロット回路３２で形成されたパイロット・チャネル信号とページング・チャネル回路３４で形成されたページング信号と共に、加算器５０により加算する。次に、加算器回路５０の出力をＲＦアップ・コンバータ４２に供給する。

コントローラ３０は、任意の便利に適合するマイクロコントローラまたはマイクロプロセッサであっても良く、それのソフトウェア・プログラム間に容量マネージャ５５と呼ばれるプロセスを有する。容量マネージャ５５は1つまたは複数のチャネル変調器４８を特定の順方向リンク１６−ｎのトラフイック・チャネル接続に割り当てるだけでなく、符号化レート選択記号６０の値を設定する。さらに、容量マネージャ５５は、その値を特定の順方向リンク信号１６−ｎのパワー・レベルに設定する。

基地局プロセッサ１２内の単一容量マネージャ５５は、各々が複数の順方向リンク信号１６を生成する複数のトラフィック・チャネル回路３６を管理できる。容量マネージャ５５はトラフィック・チャネルに従って符号化レート選択信号６０を設定する。チャネル物理層特性に対するこれらの調整は、例えば、受信機での正規化雑音パワー・レベル（Ｅｂ／Ｎｏ）で割ったデータ・ビット当りのエネルギーの比を測定することによって、信号強度値を決定することに応じてなされることが望ましい。

したがって、変調器８で発生した個々の変調された信号のパワー・レベルを変更することに加えて、本発明によるシステムを用いて、符号化レート選択信号６０の値を調整して異なる条件下で異なる符号化レートを選択することにより、受信機でのＥｂ／Ｎｏを制御することも可能である。

例えば、建物内部深くに置かれた遠隔アクセス・ユニット１４が悪条件のマルチパスまたは別のひずみの大きい状態を伴なう場合、過去には、順方向リンク１６−ｎのパワー・レベルを増加させて、アクセス・ユニット１４において適正な受信信号レベルを得る必要があると考えられていた。しかし、本発明では、完全な最大データ伝送速度が必要でない場合、ＦＥＣエンコーダ３２により実行される符号化レートを低くできる。

直接見通し状態にあるような、マルチパスひずみが最小である別の環境では、最高符号レート発生器４２−４を選択できると同時に、その特定チャネルに対し順方向リンク１６−ｎ上に放射されるパワー・レベルを低減できる。したがって、これにより所定のユーザに対する有効データ伝送速度を最大にすると同時に、同一無線チャネルの別のユーザへの干渉を最小にする。

このように、伝播が良好な環境では、システム１０は他のユーザへの干渉を増加することなく所定のユーザに対するデータ伝送速度を増加できる。しかし、劣った信号環境でも、各特定ユーザ・チャネルはパワー・レベルを増加することなく安定性を増加できるという利点が得られる。

図２にさらに説明を加えて、アクセス・ユニット１４の各種構成を詳細に説明する。アクセス・ユニット１４はＲＦダウン・コンバータ６０、等化器６２、複数のレーキ受信器６４−１、．．．、６４−ｎ、複数のチャネル復調器６６−１、．．．、６６−ｎ、マルチプレクサ６８、ＦＥＣデコーダ７０、およびフレーム形成回路７２から構成される。

ＲＦダウン・コンバータ６０は順方向リンク信号１６−ｎを受け取り、ベースバンド・ディジタル化信号を生成する。チップ等化器６２は受信信号の個々のチップの均等化を実現して、それをいくつかのレーキ・フィンガの１つと干渉キャンセル回路６４とに結合させる。これら回路は従来技術で既知の方法で多重チャネル復調器６６と協働し、各チャネル上のＣＤＭＡ符号化を解除する。パイロット受信回路７４およびページング信号受信回路７６は、同様に、基地局プロセッサ１２で発生されたパイロット・チャネル信号およびページング信号を受信する。マルチプレクサ６８は複数のトラフィック・チャネルが特定接続を割り当てられていた状態に信号を再構成する。

コントローラ８０はトラフィック・チャネル回路５８の構成の各種パラメータプログラムを実行する。ここで特に重要なことは、コントローラ８０が管理プロセス８２を実行して、ＦＥＣデコーダ７０に送られる符号化レート選択信号８４を決定することである。

詳細には、受信アクセス・ユニット１４においてＦＥＣデコーダ７０により選択された符号化レートは、送信基地局プロセッサ１２におけるＦＥＣエンコーダ３１の符号化レートと同一であり、それにより受信機フレーム形成回路７２が入力データ信号を正しく再構成される必要がある。したがって、システム１０がＲＦリンク１６の変更状態に適合するには、基地局プロセッサ１２がこの情報を何らかの方法でアクセス・ユニット１４に通信する必要がある。

例えば、接続期間中に符号化レートを変更可能にすることを望む場合、それは好ましい実施形態の場合であり、ページング・チャネル２４は最初に（チャネル取得シーケンスの間に）コマンドを含み、そのコマンドにより、通信しようとする異なるチャネル３８のアクセス・ユニット１４に知らせるだけでなく、使用しようとする特定の符号化レートのアクセス・ユニットにも知らせることができる。次に、接続をオープンに維持し、時間の最適変更である符号化レートを維持すると同時に、コマンド・メッセージをコマンド信号入力８６を介してコントローラ８０に戻された受信データ内に組み込むことにより、追加選択メッセージをトラフィック・チャネルに組み込むことができる。

リンク品質の判断基準は出力信号８６からコントローラ８０により決定され、逆方向リンク・チャネル（図示なし）上のコマンド構成を介して定期的に基地局プロセッサ１２のコントローラ３０に送り返される。これにより、基地局プロセッサ１２のコントローラ３０は、特定接続に対するＦＥＣエンコーダ４２とＦＥＣデコーダ７０とで使用されるＦＥＣ符号化レートを適正に設定できる。

図４は、フレーム形成部４０とＦＥＣエンコーダ４２との各種組合わせに対する、ビット誤り率（ＢＥＲ）対Ｅｂ／Ｎｏをデシベル（ｄＢ）で示したグラフである。グラフ中の説明は、特定ビットのエネルギーに対して正規化された異なるレートのターボ乗算コードの性能を示す。例えば、ポイントＡで示された状態では、特定チャネルは約１／２レート・ターボ乗算コードで動作し、相対的に低いビット誤り率０．０５を伴なう。送信パワーを調整せずに、単に、約１／４レート符号化のような低いレート・ターボ乗算コード（レート０．２６６のターボ乗算コードにより示される）を選択することにより、状態Ｂはビット誤り率が約０．０００２まで大幅に減少するシステムに対し入力される。これにより、ビット当りエネルギーを調整することなく、または送信パワー・レベルを変更することなく達成される。

本発明を好ましい実施形態により具体的に図示し、説明してきたが、当業者には、添付の特許請求項に限定された本発明の精神と範囲から逸脱することなく、形状または細部に各種の変更を加えることが可能であることは理解されるであろう。

Claims (5)

1. データを符号化するための方法であって、
   複数のフレームを受信するステップであって、前記複数のフレームのそれぞれは異なる数のデータビットを含む、ステップと、
   １以上の受信機への符号化フレームの送信に使用される複数のチャネルを決定するステップと、
   前記複数のチャネルの第１チャネルの状態に基づき第１順方向誤り訂正（ＦＥＣ）符号化方式と、前記複数のチャネルの第２チャネルに基づき第２ＦＥＣ符号化方式とを決定するステップであって、前記第１ＦＥＣ符号化方式は前記第２ＦＥＣ符号化方式と異なる、前記決定するステップと、
   １以上の誤り訂正コードと、前記第１ＦＥＣ符号化方式又は前記第２ＦＥＣ符号化方式が利用されたかに従って決定されるいくつかの入力データビットとを含むように、前記第１ＦＥＣ符号化方式を利用して第１符号化シンボルと、前記第２ＦＥＣ符号化方式を利用して第２符号化シンボルとを生成するために、前記複数のフレームを符号化手段によりＦＥＣ符号化するステップと、
   前記第１符号化シンボルを有する第１符号化フレームと前記第２符号化シンボルを有する第２符号化フレームとを有する複数の符号化フレームを生成するステップであって、前記複数の符号化フレームのそれぞれの符号化ビットの数が同じになる、前記生成するステップと、
   前記１以上の受信機へ前記複数のチャネルを使用して前記符号化フレームを送信するステップであって、実効送信パワーレベルを変更することなく前記誤り訂正コードに基づき、前記第１符号化フレームは前記第１チャネルにより送信され、前記第２符号化フレームは前記第２チャネルにより送信される、前記送信するステップと、
   を備えることを特徴とする方法。
2. 前記複数の符号化フレームのそれぞれの符号化ビットの数が同じになるように前記複数のフレームに対して前記第１ＦＥＣ符号化方式と前記第２ＦＥＣ符号化方式とを選択するステップを備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記複数の符号化フレームを変調し、変調された符号化信号を生成するステップを備え、前記１以上の受信機へ前記複数のチャネルを使用して前記符号化フレームを送信するステップは、前記変調された符号化信号を送信することを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記１以上の受信機への符号化フレームの送信に使用される前記複数のチャネルの決定は、前記受信機に関連付けられたチャネルの状態に基づいていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記ＦＥＣ符号化ステップは、無線接続の間変化する符号化レートに従って前記複数の符号化フレームのそれぞれを符号化するステップを備え、前記符号化レートは、１／４コードレート、１／３コードレート、１／２コードレート、又は７／８コードレートのいずれか１つであることを特徴とする請求項１に記載の方法。

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