JP4891762B2 - 無線通信システム及び無線通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、通信技術に関し、特に無線通信システム及び無線通信方法に関する。

CDMAは、第三世代移動通信の主流となる多元接続技術であり、将来の通信システムのアクセス方式候補の1つである。CDMAシステムの上り伝送において、移動環境に複数の同期されてない伝送パスが存在し、しかもユーザの間が完全な同期を保持することができないため、マルチアクセス干渉（MAI）がシステム容量及び受信機検出性能を制限する主な要素の1つとなっている。

従来のCDMA受信機は、レイク(RAKE)受信機とよばれ、一組のマッチドフィルターからなる。レイク受信機は、各ユーザにとって、シングルユーザ検出器であり、このユーザの拡散コード情報のみによって検出を実現し、その他のユーザの信号はノイズと見なされる。このように、レイク受信機は、マルチアクセス干渉の影響を取り除くことができない。CDMAシステムの上り伝送の容量及び受信機の検出性能を向上させるために、複数のユーザの情報を同時に利用し、複数のユーザ信号を検出するマルチユーザ検出技術がますます重視され、近年、広く、深く研究されている。

Verduが「IEEE Transaction on Information Theory，Vol. IT-32，No.1，January 1986,85-96」で発表した「Minimum Probability of Error for Asynchronous Gaussian Multiple-Access Channels」において、マルチユーザ検出の概念がはじめて提起された。上記文章では、良好な誤り率性能を有する最尤検出器が記載されているが、その計算の複雑度がユーザ数の増加につれ、指数レベルで増加するので、予見できる将来において、実現される可能性が低い。

処理複雑度を低下させるために、Xie、ShortとRushforthが「IEEE J. Select. Area Communication,Vol.8,May 1990,683-690」で発表した「A family of suboptimum detectors for coherent multi-user communications」においては、時間領域処理のZFとMMSE線形検出器が提起された。この類の検出器は、拡散コードの相関行列に対して線形変換を行い、マルチアクセス干渉を取り除くことができ、比較的良い誤り率性能を有すると同時に、複雑度が最尤マルチユーザ検出器より小さい。しかし、この検出器の計算複雑度は依然として高く、実用性は低い。

Vollmer、HaardtとGotzelが「IEEE J. Select. Area Communication, Vol.19,August 2001,1461-1475」で発表した「Comparative study of joint-detection techniques for TD-CDMA based mobile radio systems」においては、ブロックフーリエ変換に基づく周波数領域処理の線形マルチユーザ検出アルゴリズムが提起されている。このアルゴリズムは、相関行列を帯状ブロックToeplitz構造行列に変換し、この特殊の構造を利用して線形マルチユーザ検出器の演算複雑度の低下を実現する。

しかし、上記アルゴリズムは、同期CDMAシステムにしか適用できず、非同期CDMAシステムには適用できない。しかも、ZFアルゴリズムに基づく線形検出器のみが提起され、MMSEの解決案が提起されていなかった。通常、MMSE線形検出器の方がより良い検出性能を有する。
Verdu, "Minimum Probability of Error for Asynchronous Gaussian Multiple-Access Channels",IEEE Transaction on Information Theory，Vol. IT-32，No.1，January 1986,85-96 Xie、Short and Rushforth, "A family of suboptimum detectors for coherent multi-user communications", IEEE J. Select. Area Communication,Vol.8,May 1990,683-690 Vollmer、Haardt and Gotzel, "Comparative study of joint-detection techniques for TD-CDMA based mobile radio systems", IEEE J. Select. Area Communication, Vol.19,August 2001,1461-1475

本発明の目的は、無線通信システムを提供することである。

本発明のもう1つの目的は、無線通信方法を提供することである。

本発明の無線通信システムは、ユーザ送信機と基地局受信機とを含む。上記ユーザ送信機は、Ｍ個のユーザデータシンボルを、それぞれ拡散コードＮを用いて拡散し，拡散されたユーザデータシンボルＭ個毎にサイクリックプレフィックスを挿入するガードタイム挿入部を含む。上記基地局受信機は、同時に送信されたK個のユーザからの信号を周波数領域に変換後，マルチユーザ検出を行ってK個のユーザの合成された信号からユーザ個別の信号を検出，分離する周波数領域MUD部を含む。そのうちのK、M、Nは自然数である。

上記基地局受信機は、さらに、受信機により受信された同期情報及びチャネル推定情報に基づいてチャネル等化を行い、等化された後の受信信号を上記周波数領域MUD部に入力する。

また、上記基地局受信機は、さらに、周波数領域MUD部の検出遅延時間をカウントし、カウント結果に基づき、処理単位となるシンボル数Mを調整し、調整された後のM値を各ユーザ送信機のガードタイム挿入部に通知する処理時間遅延検出部を含む。

本発明の無線通信方法は、Ｍ個のユーザデータシンボルを、それぞれ拡散コードＮを用いて拡散し，拡散されたユーザデータシンボルＭ個毎にサイクリックプレフィックスを挿入する処理ステップ10と、同時に送信されたK個のユーザからの信号に対して、周波数領域マルチユーザ検出を行い、K個のユーザの合成された信号からユーザ個別の信号を検出，分離するステップ20とを含み、上記K、M、Nは自然数である。

従来の技術と比べると、本発明は、ユーザ送信機のガードタイム挿入部でガードタイムを挿入し、しかも、ガードタイムの長さをチャネル時間遅延拡張時間より長くとすることによって、受信機が最初に到達したユーザのタイミングで処理ユニットを選択することができるようにする。同時に、本発明は、従来の時間領域でのマルチユーザ検出を周波数領域でのマルチユーザ検出に変換することによって、いかなる情報もなくさずに、同じ検出効果が得られる前提の下で、処理の複雑度が大幅に低減されている。

次に、図面を参照して本発明を詳しく説明する。

図1は、本発明の無線通信システムのユーザ送信機の構成図を示す。図1に示すように、この送信機は、CRC検査部11、インタリーブ部12、畳み込み符号化部13、変調部14、拡散部15、及びガードタイム挿入部16を備える。DS-CDMAシステムのユーザ送信機と比べると、本発明のユーザ送信機は、拡散部の後ろに、拡散後のユーザデータパケットにガードタイム、すなわちサイクリックプレフィックス（Cyclic Prefix）を挿入するためのガードタイム挿入部16を増やしておる。ユーザデータにサイクリックプレフィックスを挿入することによって、長いユーザデータパケットが複数の処理部分に分けられ、各処理部分は複数のシンボルを有し、隣接する二つの処理部分の間は1つのサイクリックプレフィックスによって分けられている。そこで、処理部分の長さを制御することができ、受信機の毎回の処理複雑度を低減することができる。

サイクリックプレフィックスを挿入する具体的な方法を、以下に示す。

拡散されたユーザデータシンボルＭ個毎にサイクリックプレフィックスを挿入し、このサイクリックプレフィックスの伝送時間は、チャネル遅延拡張時間とユーザ伝送最大非同期時間の和である。ここで、拡散コードの長さをNとすると、M個の拡散後のシンボルはすべてでN×M個のポイントとなる。各ユーザのサイクリックプレフィックスの長さ及び挿入位置は同じであり、しかも、サイクリックプレフィックスの構成が従来のサイクリックプレフィックスの構成と同じである。ここでのMは可変であり、受信機からのフィードバック情報に基づいて変化させることができる。

サイクリックプレフィックスが挿入された後、ユーザ送信機は、サイクリックプレフィックスが挿入されたユーザデータパケットを基地局の受信機に送信する。

図2は、基地局受信機の構成図を示す。この受信機は、周波数領域MUD部（周波数領域マルチユーザ検出部）22、及び各ユーザに対応する並列/直列変換部24、復調部25、デインタリーブ部26、チャネル復号部27を備える。

周波数領域マルチユーザ検出をより行いやすくするために、周波数領域MUD部22の前に、さらにマルチパスフェージングの平滑化に用いられる等化部21を増やしてもよい。

これに基づいて、処理部分の長さ、すなわち、各ユーザのシンボル長さMを適応に制御することができるために、この受信機は、処理時間遅延検出部23をさらに備える。

次に、各部品の構成及びその機能を詳しく説明する。

等化部は、受信機により取得した同期情報及びチャネル推定情報に基づいて、チャネル等化を行うことによって、マルチパスフェージングを平滑化する。

周波数領域MUD部22は、マルチパスフェージングが削除されたマルチユーザ信号に対して周波数領域マルチユーザ検出を行い、複数のユーザの間における干渉を削除することによって、より確実な検出結果を取得する。同時に、各ユーザのデータをそれぞれ対応する並列/直列変換部24に出力する。

並列/直列変換部24は、ユーザデータに対して、並列/直列変換を行い、並列して入力されたデータを直列に出力する。

復調部25は、ユーザ送信機に対応する復調方法を採用して、シンボルシーケンス初期検出結果を復調することによって、相応の復調データを取得する。

デインタリーブ部26は、ユーザ送信機に対応するデインタリーブ方法を採用して、復調後のシンボルシーケンスに対して、デインタリーブを行うことによって、相応のデインタリーブデータを取得する。

チャネル復号部27は、ユーザ送信機に対応するチャネル復号方法を採用して、デインタリーブされたシンボルシーケンスに対して、チャネル復号を行うことによって、最終の情報検出結果を取得する。

処理時間遅延検出部23は、周波数領域MUD部22の検出遅延時間をカウントし、該カウント結果に基づいて処理単位となるシンボル数Mを調整し、さらに、調整された後のM値を各ユーザ送信機に通知する。ここで、実現できる方法は、カウント結果で検出時間が比較的長いことを示すときに、M値を低くし、かつ、カウント結果で検出時間が比較的短いことを示すときに、M値を大きくすることである。

図3は、周波数領域MUD部22の構成図を示す。この周波数領域MUD部22は、処理部分設定ユニット221、直列/並列変換ユニット222、第1のN組MポイントFFTユニット223、周波数領域MMSE-MUDユニット（周波数領域MMSEマルチユーザ検出ユニット）224、K組MポイントIFFTユニット225、拡散コード行列形成ユニット226、第2のN組MポイントFFTユニット227、及びブロック対角行列形成ユニット228を備える。

そのうち、処理部分設定ユニット221は、最初に到達したユーザを基準とし、重なり合ったユーザの時間領域信号に対して信号処理を施す部分を設定する。図4に示すように、最初に到達したユーザをユーザ1、順にユーザ2、…、ユーザKとすると、処理部分設定ユニットは、最初に到達したユーザ1を基準として、重なり合ったユーザの時間領域信号に対して信号処理を施す部分を設定する。すなわち、図4から分かるように、ユーザ1にとって、設定された処理部分はちょうどM個のシンボルであるが、ユーザ2乃至ユーザKにとっては、サイクリックプレフィックスの一部を保留し、一部のシンボルを削除した可能性がある。図4において、ユーザKの処理部分が削除されたシンボル数が最多であり、Qと仮定し、最大のチップオフセット量を示す。しかし、すべてのユーザにとっては、選択された処理部分の長さは同じであり、すべてM個のシンボルの長さである。

該直列/並列変換ユニット222は、処理部分設定ユニット221により設定されたM個のシンボルに対して直列/並列変換を行い、生成されたN×M個の並列する時間領域出力を第1のN組MポイントFFTユニット223に入力する。

図5に示すように、この第1のN組MポイントFFTユニット223は、N個のFFTユニットを有する。ここで、M個のシンボルの前からM個のポイントを第1のFFTユニットに入力し、この順で類推し、最後のM個のポイントを第NのFFTユニットに入力する。各FFTユニットは、N×M個の並列する時間領域出力信号のM個のポイントに対して高速フーリエ変換を行い、高速フーリエ変換後のM個の周波数領域出力信号を出力する。すべてのN個のFFTユニットは、全部でN×M個の周波数領域出力（ここで、ｙとする）を周波数領域MMSE-MUDユニット224に並列に出力する。

一方、図6に示すように、拡散コード行列形成ユニット226は、各ユーザデータの送信時間（t₁、 t₂、…t_k）に基づいて、K個のユーザの拡散コードを順に拡散コード行列のエレメントとして拡散コード行列を形成する。そのうち、該拡散コード行列は、すべてでN×M行、K列であり、各列に1つのユーザの拡散コードを有する。図において空白部分は、エレメントが0であることを示す。

第2のN組MポイントFFTユニット227は、第1のN組MポイントFFTユニット223の構成と同じであり、拡散コード行列の各列のN×M個のエレメントに対して、順に類似の処理を行う。すなわち、N×M個のエレメントを、夫々対応するFFTユニットに順に並列に入力して、高速フーリエ変換を行い、各FFTユニットは高速フーリエ変換後のM個の周波数領域信号を出力する。各ユーザにとって、N個のFFTユニットは合計N×M個の周波数領域出力信号を取得する。すべてのユーザにとっては、K×N×M個の周波数領域出力信号により上記時間領域拡散コード行列に対応する周波数領域拡散コード行列を構成する。

ブロック対角行列形成ユニット228は、図7に示すように、N行、K列を1つのブロックとして、前記第2のN組MポイントFFTユニット227から得られる周波数領域拡散コード行列をM個のブロックに分け、各ブロックがブロック対角行列∧の対角線における1つのエレメントを構成するように行列を再形成する。

周波数領域MMSE-MUDユニット224は、第1のN組MポイントFFTユニット223から入力された周波数領域信号yと、ブロック対角行列形成ユニット228から入力されたブロック対角行列∧、及びノイズ推定部（図示せず）が取得した周波数領域ノイズ分散σ²に基づいて、yに対応する周波数領域出力xを下記公式で計算する。

上記公式で、∧^Tは、ブロック対角行列∧の転置行列を示す。

そして、周波数領域MMSE-MUDユニット224は、周波数領域信号xをK組MポイントIFFTユニット225に出力する。この周波数領域信号xは、M×K個のシンボルを含む。すなわち、周波数領域MMSE-MUDユニット224を介した後、各ユーザの周波数領域シンボルが分離されている。

図8に示すように、K組MポイントIFFTユニット225は、K個のIFFTユニットを有する。各々のIFFTユニットがそれぞれＫ個のユーザのM個の周波数領域シンボルに対して、逆高速フーリエ変換をそれぞれ行い、該ユーザのM個の時間領域符号を並列に該ユーザの並列/直列変換部24に出力して、後の信号処理を行う。

時間領域での従来のマルチユーザ検出と比べると、本発明は、ユーザ送信機のガードタイム挿入部16においてガードタイムを挿入し、ガードタイムの長さをチャネル遅延拡張時間より長くすることによって、受信機が最初に到達したユーザのタイミングで処理ユニットを選択できるようにする。同時に、本発明は、従来の時間領域上のマルチユーザ検出を周波数領域上のマルチユーザ検出に変換させることによって、いかなる情報もなくさずに同じ検出効果が得られる前提で、処理の複雑度を大幅に低減させている。

図9と図10は、それぞれ、従来の時間領域MMSEマルチユーザ検出及び本発明の周波数領域MMSEマルチユーザ検出において、異なる長さの処理単位及び異なるユーザ数の場合の両者のアルゴリズムの複雑度の比較図を示す。比較の条件は、拡散比Nが64であり、最大非同期値Qが4つのチップであることである。

図9と図10から分かるように、同じ条件の下で、本発明の周波数領域マルチユーザ検出のアルゴリズムの複雑度は従来の時間領域マルチユーザ検出より小さい。

図11と図12は、それぞれ、従来の時間領域MMSEマルチユーザ検出及び本発明の周波数領域MMSEマルチユーザ検出のシングルパスレイリーフェージングチャネルにおける誤り率のシミュレーション結果を示す。その比較の条件は、拡散比Nが64であり、最大非同期値Qが4つのチップであり、処理単位長さMが32個のシンボルであることである。

図11と図12から分かるように、ユーザ数がそれぞれ20（図11）、30（図12）である場合、相当する誤り率性能の状況において、本発明の周波数領域MMSEマルチユーザ検出の複雑度が普通の時間領域MMSEマルチユーザ検出より大幅に低減されている。

本発明の無線通信システムのユーザ送信機の構成図を示す。 本発明の無線通信システムの基地局受信機の構成図を示す。 基地局受信機の周波数領域MUD部の構成図を示す。 処理部分設定ユニットが重なり合ったユーザの時間領域信号に対して信号処理を施す部分を設定する方法を示す図である。 第1のN組MポイントFFTユニットの具体構成図を示す。 拡散コード行列形成ユニットが拡散コード行列を形成する方法を示す図である。 ブロック対角行列形成ユニットがブロック対角行列を形成する方法を示す図である。 K組MポイントIFFTユニットの具体構成図を示す。 従来の時間領域MMSEマルチユーザ検出及び本発明の周波数領域MMSEマルチユーザ検出において、異なる長さの処理単位及び異なるユーザ数の場合の両者のアルゴリズムの複雑度の比較図である。 従来の時間領域MMSEマルチユーザ検出及び本発明の周波数領域MMSEマルチユーザ検出において、異なる長さの処理単位及び異なるユーザ数の場合の両者のアルゴリズムの複雑度の比較図である。 従来の時間領域MMSEマルチユーザ検出及び本発明の周波数領域MMSEマルチユーザ検出のシングルパスレイリーフェージングチャネルにおける誤り率のシミュレーション結果をそれぞれ示す。 従来の時間領域MMSEマルチユーザ検出及び本発明の周波数領域MMSEマルチユーザ検出のシングルパスレイリーフェージングチャネルにおける誤り率のシミュレーション結果をそれぞれ示す。

符号の説明

11…CRC検査部、12…インタリーブ部、13…畳み込み符号化部、14…変調部、15…拡散部、16…ガードタイム挿入部、21…等化部、22…周波数領域MUD部、23…処理時間遅延検出部、24…並列/直列変換部、25…復調部、26…デインタリーブ部、27…チャネル復号部、221…処理部分設定ユニット、222…直列/並列変換ユニット、223…第1のN組MポイントFFTユニット、224…周波数領域MMSE-MUDユニット、225…K組MポイントIFFTユニット、226…拡散コード行列形成ユニット、227…第2のN組MポイントFFTユニット、228…ブロック対角行列形成ユニット

Claims (6)

1. ユーザ送信機と基地局受信機とを含む無線通信システムにおいて、
   前記ユーザ送信機は、
   Ｍ個のユーザデータシンボルを、それぞれ拡散コードＮを用いて拡散し，拡散されたユーザデータシンボルＭ個毎にサイクリックプレフィックスを挿入するガードタイム挿入部を含み、
   前記基地局受信機は、
   同時に送信されたK個のユーザからの信号を周波数領域に変換後，マルチユーザ検出を行ってK個のユーザの合成された信号からユーザ個別の信号を検出，分離する周波数領域MUD部と、
   前記周波数領域MUD部の検出遅延時間をカウントし、カウント結果に基づいて、処理単位となるシンボル数Mを調整し、調整された後のM値を各ユーザ送信機のガードタイム挿入部に通知する処理時間遅延検出部と
   を含み、
   前記K、M、Nが自然数であることを特徴とする無線通信システム。
2. 前記基地局受信機は、
   受信機により受信された同期情報及びチャネル推定情報に基づいてチャネル等化を行い、等化された後の受信信号を前記周波数領域MUD部に入力する等化部をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。
3. 前記周波数領域MUD部は、
   最初に到達したユーザを基準とし、重なり合ったK個のユーザの時間領域信号に対して信号処理を施す部分を設定する処理部分設定ユニットと、
   処理部分設定ユニットにより取り出されたM個の拡散後のシンボルに対して直列/並列変換を行って、N×M個の並列する時間領域出力を生成する直列/並列変換ユニットと、
   前記N×M個の並列する時間領域出力のM個のポイントに対して、高速フーリエ変換を行い、N×M個の周波数領域出力を並列に出力するN個のFFTユニットを有する第1のN組MポイントFFTユニットと、
   各ユーザの到達時間に基づいて、K個のユーザの拡散コードを順に拡散コード行列のエレメントとして、N×M行、K列の時間領域拡散コード行列を形成する拡散コード行列形成ユニットと、
   前記拡散コード行列の各列のN×M個のエレメントを、夫々対応するN個のFFTユニットに順に並列に入力して、高速フーリエ変換を行うことにより、前記時間領域拡散コード行列に対応する周波数領域拡散コード行列を取得する第2のN組MポイントFFTユニットと、
   N行、K列を1つのブロックとして、前記第2のN組MポイントFFTユニットから得られる周波数領域拡散コード行列をM個のブロックに分け、各ブロックがブロック対角行列の対角線における1つのエレメントを構成するように行列を再形成するブロック対角行列形成ユニットと、
   第1のN組MポイントFFTユニットにより入力されたN×M個の周波数領域出力、ブロック対角行列形成ユニットにより入力されたブロック対角行列、及び周波数領域ノイズ分散に基づいて、第1のN組MポイントFFTユニットにより入力されたN×M個の周波数領域出力に対応するM×K個のシンボルの周波数領域出力を計算する周波数領域MMSE-MUDユニットと、
   K個のIFFTユニットを有し、各々のIFFTユニットがそれぞれＫ個のユーザのM個の周波数領域シンボルに対して、逆高速フーリエ変換をそれぞれ行い、該ユーザのM個の時間領域符号を並列に出力するK組MポイントIFFTユニットと
   を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の無線通信システム。
4. 無線通信方法において、
   Ｍ個のユーザデータシンボルを、それぞれ拡散コードＮを用いて拡散し，拡散されたユーザデータシンボルＭ個毎にサイクリックプレフィックスを挿入する処理ステップ10と、
   同時に送信されたK個のユーザからの信号に対して、周波数領域マルチユーザ検出を行い、K個のユーザの合成された信号からユーザ個別の信号を検出，分離するステップ20と、
   周波数領域マルチユーザ検出の検出遅延時間をカウントし、カウント結果に基づいて、処理単位となるシンボル数Mの調整を行うステップ30と
   を含み、
   前記K、M、Nが自然数であることを特徴とする無線通信方法。
5. ステップ10とステップ20との間において、
   同期情報及びチャネル推定情報に基づいて、チャネル等化を行うステップ11をさらに含むことを特徴とする請求項4に記載の無線通信方法。
6. 前記周波数領域マルチユーザ検出は、
   最初に到達したユーザを基準として、重なり合ったK個のユーザの時間領域信号に対して信号処理を施す部分を設定するステップ21と、
   選択されたM個の拡散後のシンボルに対して直列/並列変換を行って、N×M個の並列する時間領域出力を生成するステップ22と、
   前記N×M個の並列する時間領域出力に対して、高速フーリエ変換を行い、N×M個の周波数領域出力を並列に出力するステップ23と、
   各ユーザの到達時間に基づいて、K個のユーザの拡散コードを順に拡散コード行列のエレメントとして、N×M行、K列の時間領域拡散コード行列を形成するステップ24と、
   前記拡散コード行列の各列のN×M個のエレメントを、夫々対応するＮ個のFFTユニットに順に並列に入力して、高速フーリエ変換を行うことにより、前記時間領域拡散コード行列に対応する周波数領域拡散コード行列を取得ステップ25と、
   N行、K列を1つのブロックとして、前記周波数領域拡散コード行列をM個のブロックに分け、各ブロックがブロック対角行列の対角線における1つのエレメントを構成するように行列を再形成するステップ26と、
   ステップ23のN×M個の周波数領域出力、ブロック対角行列、及び周波数領域ノイズ分散に基づいて、ステップ23のN×M個の周波数領域出力に対応するM×K個のシンボルの周波数領域出力を計算するステップ27と、
   各ユーザのM個の周波数領域シンボルに対して、逆高速フーリエ変換をそれぞれ行い、該ユーザのM個の時間領域シンボルを並列に出力するステップ28と
   を含むことを特徴とする請求項4または5に記載の無線通信方法。

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