JP5360205B2 - 移動通信端末におけるドップラー拡散評価装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、1またはそれ以上の移動通信手段を含む通信システムに関し、特にこのような移動通信手段におけるドップラー拡散の評価に関する。

車中にある場合、あるいは歩行者により使用されている場合であっても、移動通信手段が非ゼロの速度で移動すると、基地局から移動通信端末への下り無線信号はフェージングと呼ばれるプロセスを経る。フェージングは受信信号の位相及び振幅の比較的ゆっくりとした擬似ランダム変化としてあらわれる。変化のスピードは「ドップラー拡散」として測定され、移動通信手段の移動速度に関係する。

ドップラー拡散はドップラー偏移とは異なる現象である。ドップラー偏移は、移動通信端末と基地局との間のラジアル速度による、移動通信手段における周波数の見かけ上の変化である。ドップラー偏移は、通常、移動通信手段の自動周波数制御ループによりキャンセルされる。

移動通信システムは、アクティブな移動通信手段がそのアンテナによってドップラー拡散を評価するように設計することができる。この評価はその後基地局に報告され、基地局はこの情報を用いて各個別の移動通信手段への無線リソースの割り当てを改善する。たとえば基地局は、より速く移動する移動通信手段に対しては高帯域幅で低いデューティサイクルの短い通信バーストを割り当て、より遅く移動する移動通信手段に対しては低帯域幅の長いバーストを割り当てることを選択できる。いずれの場合も、各移動通信手段への平均データレートは同じである（たとえば特許文献１及び特許文献２参照）。しかし、もし移動通信手段が下り信号の瞬間的な品質（３ＧＰＰ ＷＣＤＭＡまたは３ＧＰＰ ＬＴＥ ＯＦＤＭシステムのチャネル品質指標（ＣＱＩ）など）を報告し、基地局が高速で移動する移動通信端末に対しその下り信号の品質がピークのときに送信を行なえば、全体の平均受信品質を改善できる。

特開２００２−５２３９６７号公報 特願２００２−５２３９６２号公報

しかし、移動通信手段においてドップラー拡散を評価するための既存の技術は、位置決め手段（ＧＰＳ受信器など）、絶対時間または周波数基準へのアクセス、移動通信手段自体の周波数基準の正確なキャリブレーション、あるいは基地局からの補助を必要とする。

したがって、移動通信手段におけるドップラー拡散の評価を、現在可能であるよりもより効率的でより簡易に行えるようにする必要がある。さらに、移動通信手段において、既知のドップラー拡散評価技術が有する１またはそれ以上の欠点を改良または克服するドップラー拡散の評価方法及び手段を提供することが望ましい。

本発明の第一の様態として、移動通信手段におけるドップラー拡散の評価方法は、
（ａ）タイムスロットの各シーケンスから、一連の選択されたサブキャリア周波数のそれぞれにおけるチャネル推定値を選択し、
（ｂ）各選択されたサブキャリア周波数における選択されたチャネル推定値にディジタルフーリエ変換（ＤＦＴ）を行い、これにより異なる周波数ビンにおけるＤＦＴ成分を計算し、
（ｃ）各異なる周波数ビンについて、選択されたすべてのサブキャリア周波数におけるＤＦＴ成分を合計し、
（ｄ）合計されたＤＦＴ成分が所定の閾値を最初に下回る周波数ビンを検出し、
（ｅ）検出された周波数ビンをドップラー拡散評価に変換する。

これらの工程を含む方法はチャネル推定値を用いるが、これは移動通信手段が下り信号を正確に受信するためにはいかなる場合にも計算しなければならないものである。移動通信手段におけるドップラー拡散の評価を引き出すために、フェージングプロセスに関する情報がこれらのチャネル推定値を用いて得られる。

通常、工程（b）は各選択されたサブキャリア周波数の選択されたチャネル推定値に対するＧｏｅｒｔｚｅｌアルゴリズムの実行を含む。受信信号の帯域幅に渡って均一に高速フーリエ変換アルゴリズムを計算するのとは異なり、Ｇｏｅｒｔｚｅｌアルゴリズムは特定された所定の周波数に着目し、ドップラー拡散の評価方法の計算要件を最小限にする。

チャネル推定値は、望ましくは各タイムスロットの最初のシンボルにあたる受信されたパイロットシンボルから計算される。さらに、選択されたサブキャリア周波数は望ましくは送信帯域幅に渡って均一に間隔をあけている。

本発明の実際の実施形態では、工程（b）において各選択されたサブキャリア周波数の選択されたチャネル推定値から計算されたＤＦＴ成分は、工程（c）で合計される前に個別にバッファに記憶されてもよい。

ドップラー拡散の評価における計算要件をさらに最小化するために、工程（ｂ）は低いほうの最初のＮ＿ｄｆｔ個の周波数ビンのＤＦＴ成分のみを計算するものとしてもよい。ここでＮ＿ｄｆｔは所定の整数である。

本発明の他の様態として、移動通信手段の速度の評価方法は、上記の方法を実行することにより移動通信手段におけるドップラー拡散を評価し、ドップラー拡散評価を移動通信手段の評価速度に変換することからなる。このような計算は、たとえばＧＰＳ信号が常には利用できないような「アーバンキャニオン」環境においてナビゲーションシステムに対し位置決めデータを与えるなど、移動通信手段に関連した位置決めサービスの正確さを改善するために用いることができる。

本発明の他の様態は、移動通信手段にドップラー拡散を評価するためのドップラー拡散評価手段を設けるものであり、この評価手段は上記のドップラー拡散評価方法を実行する１またはそれ以上の計算ブロックを含んでいる。

本発明の他の様態は、移動通信手段の速度を評価する速度評価手段を提供するものであり、この評価手段は上記の移動通信手段の速度評価方法を実行する１またはそれ以上の計算ブロックを含んでいる。

本発明のさらに他の様態は、上記のドップラー拡散評価手段を含む移動通信手段を提供するものである。

本発明のさらに他の様態は、上記の速度評価手段を含む移動通信手段を提供するものである。

本発明は３ＧＰＰ ＬＴＥ移動電話システムのようなＯＦＤＭシステムにおける使用に適するものであり、そのような適用例との関連において本発明を説明するのが適切であろう。

図１は移動通信システムの選択された要素の概略図である。 図２は、図１に示した部分を構成する移動通信手段の内部で生成されるチャネル推定の構成を記載した図である。 図３は、ドップラー拡散の評価中に、図１に示した部分を構成する移動通信手段で行なわれる工程を記載したフローチャートである。 図４は、図３に示したドップラー拡散の評価において行なわれる工程を記載した図である。 図５は、図３に示したドップラー拡散の評価中に行なわれる他の工程を記載した他の図である。 図６はビン周波数に対しＤＦＴ成分をプロットしたグラフの例であり、ドップラー拡散を検出するために用いられるエッジを示すグラフである。

本発明を図に基づいてさらに詳細に説明する。なお図の具体性は発明の上述した記載の一般性を失わせるものではないことを理解されたい。

まず図１を参照すると、基地局１２及び移動通信手段１４からなる移動通信システム１０の概要が記載されている。信号は、無線チャネル１６を介して、基地局１２から移動通信手段１４に送信され、フェージングを受ける。無線受信ブロック１８により信号が受信された後、信号はアナログディジタル変換器によりディジタル化される。データフレーム内のデータの検出はタイミングアライメントブロック２２により可能となる。

移動通信手段１４のＦＦＴブロック２４により、受信信号から、システム１０に割り当てられた帯域全体に渡り、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）が定期的に計算される。ＦＦＴが繰り返して計算される期間は３ＧＰＰ ＬＴＥの用語でシンボルと呼ばれる。いくつかのシンボル（一般的に６または７）がスロットを形成する。各スロットは正確に定義された時間にわたって送信されるが、これは３ＧＰＰ ＬＴＥの基準では０．５ミリ秒に設定されている。１シンボルにおけるＦＦＴの出力の各周波数ビンはリソース・エレメントと呼ばれる。各リソース・エレメントは時間内の位置として（すなわち特定のスロット内の特定のシンボル位置として）、また特定の周波数として、定義される。ＦＦＴの出力の距離周波数はサブキャリアと呼ばれ、均一の間隔を置いている。３ＧＰＰ ＬＴＥシステムはサブキャリアが１５ｋＨｚまたは７．５ｋＨｚの間隔を持つものとして定義される。

各リソース・エレメントは、基地局から情報シンボル（上記のＯＦＤＭシンボルとは異なる）の形式で送信され、３ＧＰＰ ＬＴＥシステムのＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、１６ＱＡＭ、６４ＱＡＭにより変調された情報を伝えることができる。いくつかのシンボルは、リソース・エレメント内の予め定義された位置において、固定されたＱＰＳＫ変調シーケンスを伝えることができ、これは参照信号または「パイロット」と呼ばれる。これらの「パイロット」はそれ自体ではなんらの情報も伝えず、また移動通信手段に知られたものであるので、フェージングプロセスにおける瞬間的な位相及び振幅の評価に用いられる。パイロット以外の位置におけるフェージングの値はチャネル推定ブロック２６により決定される。一般にこのブロックは時間／周波数領域ベースの補間を行う。

したがってチャネル推定機能の出力は、連続する時間サンプル及び各サブキャリアにおける（すなわち、各リソース・エレメントの）、無線周波数チャネルフェージングの状態を表すレプリカまたは２次元配列である。チャネル推定ブロック２６により行なわれるチャネル推定機能の出力の構成を図２に示す。受信の一環として、移動通信手段１４は、復調ブロック３０においてチャネルシンボルを復調する処理の前に、等化ブロック２８においてチャネル推定値を用いてフェージングを補正する。

本発明は、チャネル推定ブロック２６により算出されたチャネル推定値を用いて移動通信手段１４のドップラー拡散の評価を行う。図３は移動通信手段１４の一部を形成するドップラー拡散評価ブロック３２により行なわれるさまざまな処理ブロックを示す。

はじめに、チャネル推定値セレクタブロック５０がチャネル推定値のサブセットを選択する。図２に示す実施様態では、選択されたサブセットは、時間領域におけるスロットのそれぞれからの１のチャネル推定値を含んでいる。本発明の他の実施様態では、スロットにつき１より多くのサブセットが用いられてもよい。好ましくは、チャネル推定値は各タイムスロットの最初のシンボルであるパイロットシンボルについてのものである。これがチャネル推定値がもっとも正確な箇所だからである。

周波数領域においては、チャネル推定値セレクタブロック５０はＮ＿ｓｃ個のサブキャリアを選択するが、これは送信帯域幅にわたって均等の間隔をあけている。したがって、チャネル推定値は、選択されたサブキャリア周波数の一連のそれぞれについて、タイムスロットの各シーケンスから選択される。

選択されたチャネル推定値のそれぞれは、バッファ５２に別々に記憶される。図４に示すバッファ７０、７２及び７４はそれぞれ、タイムスロットのシーケンスから、３つのサブキャリア周波数についてのチャネル推定値を記憶するものである。

チャネル推定値が選択されるタイムスロットのシーケンスはＮ＿ｓｌｏｔ個の連続するタイムスロットを含む。３ＧＰＰ ＬＴＥ通信システムにおいて良好に機能する典型的な値はＮ＿ｓｌｏｔ＝２００である。しかし本発明の他の実施様態ではこれと異なる数のタイムスロットがシーケンスに含まれていてもよい。同様にチャネル推定値セレクタは、送信帯域幅にわたって均等に間隔をおいたＮ＿ｓｃ個のサブキャリアを選択する。３ＧＰＰ ＬＴＥ通信システムにおいて良好に機能する典型的な値はＮ＿ｓｃ＝８である。もちろん本発明の他の実施態様では他の数のサブキャリアが用いられてもよい。

Ｎ＿ｓｌｏｔ個のタイムスロットからＮ＿ｓｃ個の選択されたサブキャリアのそれぞれついてのチャネル評価がすべて得られると、ＤＦＴブロック５４により離散フーリエ変換（ＤＦＴ）が行なわれる。ＤＦＴ演算は各選択されたサブキャリアについて集められたチャネル推定値につき個別に行なわれ、結果としてＮ＿ｓｃ個の別個のＤＦＴ出力サンプルセットとなる。バッファ７０、７２及び７４の出力にそれぞれ接続されたＤＦＴ計算ブロック７５、７８及び８０を図４に示す。

バッファ７０−７４への入力として与えられるチャネル推定値の数はＮ＿ｓｌｏｔ個であるが、Ｎ＿ｓｌｏｔの値は必ずしも２の累乗である必要はない。さらに、計算ブロック７６−８０によってなされるＤＦＴ演算ですべての可能なＮ＿ｓｌｏｔの値が用いられる必要はない。ＤＦＴ成分は低い最初のＮ＿ＤＦＴ個の周波数ビンについて計算されるだけでよい。Ｎ＿ＤＦＴ＝４０という値が３ＧＰＰ ＬＴＥ通信システムにおいて十分なものであると発明者は判断している。

これら簡易化の要件から、移動通信手段１４において必ずしも高速フーリエ変換（ＦＦＴ）アルゴリズムを用いる必要はない。かわりにＧｏｅｒｔｚｅｌアルゴリズム、あるいは他のより計算の必要が少ない変換を用いることができる。Ｇｏｅｒｔｚｅｌアルゴリズムは信号の周波数成分を識別するために用いられるディジタル信号処理技術である。一般の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）アルゴリズムが到来信号の帯域幅にわたって均等に計算を行うのに対して、Ｇｏｅｒｔｚｅｌアルゴリズムは特定の、予め定められた周波数に着目するものである。

本発明においては、Ｇｏｅｒｔｚｅｌアルゴリズムは以下のように実行される：

システムの起動に際し、係数のセットが予め以下のように計算される：
ｋ＝0…N_dft−1について：
DFT_COEFF_ｋ＝2*cos(2*K*PI/N_slots)

選択的に、これらはＲＯＭまたは他の記憶手段（図示せず）に記憶できる。次に、Ｎ＿ｓｌｏｔの蓄積期間の終了時に変数Ｑ１及びＱ２が設定される：
ｃ＝0…N_dft−1について：
Q1_c,k＝0
Q2_c,k＝0

この例では、Ｑ１及びＱ２は2次元バッファである（図示せず）。

次に、Ｇｏｅｒｔｚｅｌアルゴリズムにより、各サブキャリアについてＤＦＴ係数が個別に計算される。
0…N_slot−１のスロットにつき、
ｃ＝0…N_sc−1、
ｋ＝0…N_dft−1について：
Q0=DFT_COEFF_k*Q1_c,k−Q2_c,k+Re{ce_sample_slot,c}
Q2_c,k=Q1_c,k
Q1_c,k−Q0

上記において、Re{}はチャネル推定値の実部のみを取ることを指している。次に、以下を設定する。
k＝0…N_dft−1について：
DFT_ｋ＝0
次に、Ｇｏｅｒｔｚｅｌアルゴリズムにより最終パワーを計算する；
ｃ＝0…N_sc−1、
ｋ＝0…N_dft−1について：
Mag=[Q1_c,k]2=[Q2_c,k]2−Q1_c,k*Q2_c,k*DFT_COEFF_k
DFT_k=DFT_k+Mag

上記の式は、ＤＦＴ合計ブロック５６により行なわれるsummation関数である。summation関数は図５にも示される。このsummation関数により、各異なる周波数ビンにおいて、選択されたすべてのサブキャリア周波数におけるＤＦＴ成分が合計される。合計ＤＦＴ［ｋ］の結果はバッファに記憶されてもよい。バッファＤＦＴ［ｋ］の典型的な内容の例を図６に示す。Ｒａｙｌｅｉｇｈのフェージングプロセスに従う最も典型的な無線チャネルのシナリオでは、合計値に明確なエッジが示される。このエッジはフェージングプロセスの最大ドップラー周波数、またはドップラー拡散に対応する。エッジの位置、すなわち周波数ビンｋに対応する値は、ドップラー拡散周波数をあらわす。したがって、ドップラー拡散を評価するため、ＤＦＴ成分の合計が最初に所定の閾値ＭＡＸ（ＤＦＴ［ｋ］）より低くなる周波数ビンを見つける。

このエッジ検出は以下のように行なわれる：

最初に、すべてのDFT[K]の値にわたっての最大値を決定する、すなわち、max(DFT[K])を見つける。次に、max(DFT[ｋ])*Edge_threshold_coeffより大きな最初のｋ(ビン番号)の位置を見つける。すなわち、係数Edge_threshold_coeffとし、最後のｋからサーチを開始し：
k=N_dft−1 down to 0について：
もしDFT_k>max(DFT_k)*Edge_threshold_coeffならば：
ｋ_edge=k
であり、
ループをブレイクする。

３ＧＰＰ ＬＴＥ通信システムにおいて良好に機能するEdge_threshold_coeffの値はEdge_threshold_coeff＝０．２である。このエッジ検出はＤＦＴエッジ検出ブロック５８により行なわれる。

次にｋ_edgeの値はドップラー拡散評価に変換される。
FD_est=ｋ_edge*FD_COEFF
ここでFD_estはＨｚであらわされ、またＤＦＴサンプル数をＨｚに変換する係数であるFD_COEFFはキャリア周波数及びスロット期間に依存する。０．５ｍｓのスロット及び２ＧＨｚのキャリア周波数については、FD_COEFF＝１０．９である。次にドップラー拡散計算ブロック６０によりドップラー拡散の計算が行なわれる。

通常、ドップラー拡散は速度計算ブロック６２において、以下のような簡単な計算により、移動通信手段の評価速度に変換できる。
Speed_est=c*3.6/FD_est
ここでSpeed_estはｋｍ／ｈであらわされ、cは光の速さをｍ／ｓであらわしたものである。

上記のさまざまな機能ブロックは、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣｓ）のフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡｓ）として実装できる。しかし、この機能を実行する他の方法も当業者には明らかである。

本発明は限られた数の実施形態と共に説明されたが、多くの代替、変更、変化が上記説明に照らして可能であることは当業者には明らかである。したがって本発明はすべてのそのような代替、変更、変化を、本発明の範囲内として包含することを意図している。

この出願は２００８年１０月２４日に出願されたオーストラリア仮出願特許２００８９０５５１９を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１８ 無線受信ブロック
２０ アナログディジタル変換器
２２ タイミングアライメントブロック
２４ ＦＦＴブロック
２６ チャネル推定ブロック
２８ 等化ブロック
３０ 復調ブロック
３２ ドップラー拡散評価ブロック

Claims (11)

1. 移動通信手段におけるドップラー拡散の評価方法であって、
   （ａ）タイムスロットの各シーケンスから、一連の選択されたサブキャリア周波数におけるチャネル推定値を選択し、
   （ｂ）選択されたサブキャリア周波数における前記選択されたチャネル推定値にディジタルフーリエ変換（ＤＦＴ）を行い、これにより異なる周波数ビンのＤＦＴ成分を計算し、
   （ｃ）各異なる周波数ビンについて、選択されたすべてのサブキャリア周波数におけるＤＦＴ成分を合計し、
   （ｄ）合計されたＤＦＴ成分が所定の閾値を最初に下回る前記周波数ビンを検出し、
   （ｅ）検出された前記周波数ビンをドップラー拡散評価に変換することを特徴とする評価方法。
2. 前記請求項１に記載の方法において、
   工程（ｂ）は各選択されたサブキャリア周波数の前記選択されたチャネル推定値に対するＧｏｅｒｔｚｅｌアルゴリズムの実行を含むことを特徴とする方法。
3. 前記請求項１又は２に記載の方法において、
   前記チャネル推定値は、各タイムスロットの最初のシンボルにあたる受信されたパイロットシンボルから計算されることを特徴とする方法。
4. 前記いずれかの請求項に記載の方法において、
   前記選択されたサブキャリア周波数は望ましくは送信帯域幅に渡って均一に間隔をあけていることを特徴とする方法。
5. 前記いずれかの請求項に記載の方法において、
   工程（ｂ）において各選択されたサブキャリア周波数の前記選択されたチャネル推定値から計算されたＤＦＴ成分は工程（ｃ）で合計される前に個別にバッファに記憶されることを特徴とする方法。
6. 前記いずれかの請求項に記載の方法において、
   工程（ｂ）は低いほうの最初のＮ＿ｄｆｔ個の周波数ビンのＤＦＴ成分のみを計算するものであり、Ｎ＿ｄｆｔは所定の整数であることを特徴とする方法。
7. 移動通信手段の速度の評価方法は、上記いずれかの請求項に記載の方法を実行することにより移動通信手段におけるドップラー拡散を評価し、
   ドップラー拡散評価を移動通信手段の評価速度に変換することを特徴とする方法。
8. ドップラー拡散を評価するためのドップラー拡散評価手段であって、前記請求項１−６のいずれかに記載の方法を実行する１またはそれ以上の計算ブロックを含んでいる評価手段。
9. 移動通信手段の速度を評価する速度評価手段であって、前記請求項7に記載の方法を実行する１またはそれ以上の計算ブロックを含んでいる評価手段。
10. 前記請求項８に記載のドップラー拡散評価手段を含む移動通信手段。
11. 前記請求項９に記載の速度評価手段を含む移動通信手段。

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