(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
時間領域から周波数領域への数学的変換を適用することにより復調する復調段階と、変換された信号を等化する等化段階と、等化された信号を逆拡散する逆拡散段階とを含んで成るタイプの多重搬送波及び拡散符号分割多元接続による変調を行う信号受信法であって、
前記等化段階が、前記変換された信号の成分のそれぞれにおいて、該成分を搬送する搬送波に影響を与える外乱と、少なくとも一つの別の搬送波に影響を与える外乱と、前記拡散符号の少なくともいくつかとを表す等化係数を含んだ等化行列を用いるものである、信号受信法。
【請求項２】
前記等化係数が前記伝送路をも表すものであり、前記等化行列の対角成分の係数以外の係数のうちの少なくともいくつかが時々零でないことを特徴とする請求項１に記載の信号受信法。
【請求項３】
前記等化行列の係数が、逆拡散関数を考慮して、前記受信信号全体にわたり大域的に適用されるウィーナー・フィルタリング技術に従って決定されることを特徴とする請求項２に記載の信号受信法。
【請求項４】
前記等化行列が次式により表されることを特徴とする請求項３に記載の信号受信法。
【数１】
0004585732.tif 000017
ただし、H = 伝送路を表す行列、
C =拡散符号の行列、
A = [ajj]:ユーザｊが活動状態にある場合には零ではないajjをもつ対角行列、
σ2N =各副搬送波に影響する雑音分散、
ES =受信信号の平均電力、
I =恒等行列。
【請求項５】
前記推定値σ2N / ESが閾値と比較され、前記推定値が前記閾値より小さい場合には前記閾値により置換されることを特徴とする請求項4に記載の信号受信法。
【請求項６】
前記推定値σ2N / ESが所定の閾値より小さい場合には1つの代替的な検出法が用いられることを特徴とする請求項４に記載の信号受信法。
【請求項７】
前記等化行列が、勾配アルゴリズムを用いる逐次プロシージャーにより決定される請求項３から請求項５のいずれかに記載の信号受信法。
【請求項８】
複数ユーザの異なる前記拡散符号が受信機から分かることを可能にする複数ユーザ検出技術を用いるタイプの請求項１から請求項７のいずれかに記載の信号受信法において、前記等化技術と同一の等化技術が、多元接続干渉を無効化する段階でも使用されることを特徴とする信号受信法。
【請求項９】
前記干渉無効化段階が逐次的であり、少なくとも２つの順次の等化ステップを備える請求項８に記載の信号受信法。
【請求項１０】
複数ユーザ干渉の推定値を生成する初期段階と、
前記受信信号から前記複数ユーザ干渉推定値を減算する段階と、
このようにして得られた補正信号を等化する等化段階と
を用いることを特徴とする請求項８又は９に記載の信号受信法。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０のいずれかに記載の信号受信法で用いられる等化法。
【請求項１２】
請求項１から請求項１１のいずれかに記載の方法を用いる受信装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［発明の分野］
本発明は多重搬送波の伝送、より正確には受信に関する。本発明は特に、多重搬送波と符号分割多元接続との組合せによる信号の受信器における等化処理あるいは検出処理に関する。
【０００２】
技術の発展及び適合によって、将来の世代のヘルツ通信のための基本である、多数のユーザのための高転送速度でマルチメディアデータを同時に転送することが可能となり、これにより、スペクトルの不足及びユーザ数の増加に起因するようなスペクトル効率のための制約をより良好に満たすことが継続的に可能となってきた。
【０００３】
１つの公知のアプローチは、スペクトル高効率を有する（ＯＦＤＭタイプの）多重搬送波のための変調技術と、符号分割多元接続（ＣＤＭＡタイプ）の技術との最適な組合せを追求することから成る。これらの新技術は例えば、（ＵＭＴＳタイプ及びＵＭＴＳステーションの）移動体通信システム、或は建造物内部及び外部の通信システムで伝送の信頼性及び能力を高くするために適用されることが可能である。
【０００４】
［従来技術］
（２．１  科学的背景）
１９９３年以来、多重搬送波のための技術とスペクトラム拡散のための技術との組合せを提案するいくつかの論文がいくつかの国際チームにより刊行された(S. Hara, R. Prasad, "Overview of multicarrier CDMA" (IEEE Communications Magazine, December 1997, pp 126-166))。このようにして、ＯＦＤＭ技術とＣＤＭＡ技術とを組合せる３つのファミリーの伝送システムが、現在のところ公知である。即ち、
ＣＤＭＡに基づく多重搬送波のＭＣ−ＣＤＭＡ（多重搬送波ＣＤＭＡ）と、
ＣＤＭＡマルチパイロット、つまりＭＴ−ＣＤＭＡ（マルチトーンＣＤＭＡ）と、
ＣＤＭＡ直接シーケンス多重搬送波、つまりＭＣ−ＤＳ−ＣＤＭＡ（多重搬送波直接シーケンスＣＤＭＡ）と
である。
【０００５】
これらは、これらの拡散技術或は多元接続とこれらの周波数分割とについて、ＯＦＤＭとＣＤＭＡとを組合せる方法によって互いに異なる。
【０００６】
本発明は、他を排除するものではないが、特にこれらのファミリーのうちの第１のファミリーであるＣＤＭＡ多重搬送波、つまりＭＣ−ＣＤＭＡに関する。
【０００７】
（２．２  ＭＣ−ＣＤＭＡシステムの説明）
従来技術で公知の図１に示すＭＣ−ＣＤＭＡ変調器ではデータの流れは、詳しくは、拡散符号を使用することにより周波数領域にわたり拡散され、次いでＯＦＤＭマルチプレックスの別々の異なる副搬送波上で伝送される。長さLeの拡散コードのある“チップ”に対応した源にあるデータの部分は、副搬送波Npのそれぞれによって伝送される。
【０００８】
このようにして、ユーザj ( j=1…Nu)に割当てられて期間nの間に伝送された各記号xnjは、長さLcのその特定の拡散符号Cj=[Cj1, Cj2,.., CjLc]Tにより乗算される。ただし[]Tは転置ベクトルを表す。
すべてのユーザによりnth MCCDMA記号の間に伝送された記号ベクトルは、Xn=[xn1, xn2……xnj,……xn Lc]Tと書くことができ、ユーザｊが活動していない状態にある場合には xn j=0 である。符号Ｃの行列はこの場合には次式に等しい。
【数２】
0004585732.tif 000002
ただしＣの第ｊ列ベクトルは、ユーザｊの拡散符号Cjに対応する。
【０００９】
異なるユーザにアドレス指定された異なる信号が同期して発信される下りの接続の場合には、使用符号は通常は直交するように選択され、これにより受信の場合にユーザ間の干渉をより良好に排除できる。
【００１０】
このようにしてウォルシュ・アダマール符号ではユーザの最大数が、符号当りのチップ数に等しい。一般に、拡散符号のチップの数Lcは、副搬送波の数Npに等しく選択されるが、伝送条件（チャネル、セルラ形態など）に対して発生する信号の分け方をより良好に決定するために、分散させることが可能である。
【００１１】
（２．３  検出技術）
（２．３．１  線形等化のための「伝統的」技術）
ＭＣ−ＣＤＭＡ受信機では、図１のＯＦＤＭ復調器に実現される直接フーリエ変換の後に周波数領域内で逆拡散が行われる。
【００１２】
同期システムの場合のウォルシュ・アダマール符号のような直交符号の使用は、ガウシアンのチャネルでの多元接続の干渉が無いことを保証する。
【００１３】
他方では周波数選択チャネルでの伝送の間に、符号と符号との間の直交性が破壊され、これによりユーザ間の干渉が生じる。
【００１４】
保護期間の長さがチャネルのインパルス応答の拡散より長く、前記の拡散が記号の長さに対して緩慢に変動すると仮定すると、第ｋ副搬送波へのチャネル効果は、hk=ρkeiθk.と呼ばれる複素数成分により記号全長にわたり近似される。
【００１５】
この場合にはチャネルは直交し、次式に等しい。
【数３】
0004585732.tif 000003
N=[n1,n2,……,nNp]Tを雑音を表すベクトルと呼び、nkを第ｋ搬送波σN2=E[|nk|2], k=l,……, Npに影響する雑音項と呼ぶと、得られるベクトルは次式により表される。
【数４】
0004585732.tif 000004
次元Np×Npの行列Ｇは、等化係数の行列である。
【００１６】
単数ユーザ検出技術は、ユーザ間の干渉を考慮せずに有用信号を検出することから成る。直接フーリエ変換操作後に、減衰ρkおよび位相外れθkを補償するために、各受信記号を各副搬送波に属する係数gkと乗算することによって受信信号は周波数領域で等化される。
【００１７】
別の検出法がつぎに示すように存在する（これは非制限的なリストである）。・「最大比組合せ」（ＭＲＣ）：
ＭＲＣ法は単一ユーザが活動状態にある場合にエラーレベルに関して最適である。ＭＲＣ法は各記号を、チャネルの共役複素応答と乗算することから成り、次式により表される。
【数５】
0004585732.tif 000005
【００１８】
・「等利得組合せ」（ＥＧＣ）：
ＥＧＣ検出技術はチャネルの位相歪のみを補正し、次式により表される。
【数６】
0004585732.tif 000006
【００１９】
・「直交性回復組合せ」（ＯＲＣ）或は「零強制」（ＺＦ）：
ＯＲＣ法により、異なる拡散符号の間の直交性を回復することによりユーザ間の干渉を完全に除去することが可能となる。この場合には係数は次式に等しい。
【数７】
0004585732.tif 000007
しかしこの方法の主な欠点は、小さい振幅hkではチャネルの逆関数との乗算により雑音の振幅が増幅され、これにより急速にエラーレベルが劣化されることにある。
【００２０】
・「制御された等化」（ＣＥ）或は「閾値ＯＲＣ」（ＴＯＲＣ）：
ＣＥ技術は、当該搬送波のためのチャネルの周波数応答の絶対値|hk|がある特定の閾値を越える場合にのみチャネルの逆関数と受信信号を乗算することから成る。このプロシージャーの改善は、大幅に減衰された搬送波にＥＧＣを適用することによって可能であり、これにより、当該の搬送波においてチャネルの位相歪を補償することが可能となる。
【００２１】
（２．３．２  「最小平均２乗誤差」つまりMMSEの基準による従来の検出技術）  MMSE基準によるMC−CDMAで伝統的に提案されている等化は、各搬送波ｋにおいて独立的に伝送信号skと、等化器からの出力信号で発生される推定値sk=gkrkとの間の平均２乗誤差値εkを最小化することを目的としており、次式により表される。
【数８】
0004585732.tif 000008
ユーザの数が符号の長さLcに等しい場合には最小平均２乗誤差の基準による等化器の係数は次式に等しい。
【数９】
0004585732.tif 000009
ただしγkは副搬送波ｋの信号対雑音比である。ユーザの数Nuが符号の長さLcより短い場合には最小平均２乗誤差基準による等化器係数は次式に等しい。
【数１０】
0004585732.tif 000010
ただしγxは伝送信号ｘの信号対雑音比である。
【００２２】
これは特にS. Kaiser "Analytical performance evaluation of OFDM-CDMA mobile radio systems" (Proceedings First European Personal and Mobile Communications Conference (EPMCC'95), Bologna, Iatly, November 1995, pp 215-220)の文書に説明されている。
【００２３】
他の検出技術と同様に、等化関数は、ＦＦＴからの出力信号で発生されるNp記号のそれぞれを各副搬送波に属する単一係数gkと周波数領域において乗算することにより、各副搬送波において独立して行われる。
【００２４】
［発明の目的］
本発明の目的は、特にシステムが全負荷で動作しない場合、即ちユーザの数が拡散符号の長さLcより短い場合において、ＭＣ−ＣＤＭＡとして上述の従来技術に開示された技術より効率的な、新規な等化技術や検出技術を提案することにある。
【００２５】
［発明の説明］
上記目的は、以下に明示する他の目的と同様に、多重搬送波と符号分割多元接続との変調技術の組合せ用いる信号受信法であって、時間領域から周波数領域への数学的変換を適用することにより復調する復調段階と、変換された信号を等化（即ち検出）する等化段階と、等化された信号を逆拡散する逆拡散段階とを含んで成るタイプの受信法を用いて達成される。
【００２６】
本発明では前記等化段階が、前記変換された信号の成分のそれぞれにおいて、前記成分を搬送する搬送波と、前記複数の搬送波のうちの少なくとも１つの他の搬送波と、前記拡散符号のうちの少なくともいくつかとに影響する外乱を考慮する。
【００２７】
このようにして等化は、単に各構成要素に乗算係数を適用することに頼る従来技術と異なるアプローチに従って実施される。本発明では伝送チャネルの外乱が全体として考慮されるか又は少なくともこれらの搬送波のうちのいくつかに起因する外乱が考慮される。この技術により、特にシステムが全負荷で動作していない場合にはより良好な結果が得られることが立証された。
【００２８】
このようにして本発明は、等化技術内に逆拡散関数を組込むことにより全体としての受信信号の平均２乗誤差を最小化する等化技術に関する。
【００２９】
好適には前記等化段階は、伝送チャネルの等化係数、時々零でない行列の対角線の係数以外の係数のうちの少なくともいくつかを含む等化行列を用いる。
【００３０】
従って本発明による技術を受信機において動作させることは簡単である。
【００３１】
好適には前記重み付け行列の前記係数が、逆拡散関数を考慮して、前記受信信号全体にわたり大域的に適用されるウィーナー・フィルタリング技術に従って決定される。
【００３２】
この重み付け行列はこのようにして次式により表される。
【数１１】
0004585732.tif 000011
ただし、H=伝送チャネルを表す行列、
C=拡散符号の行列、
A= [ajj]はユーザｊが活動状態にある場合にはajj が零でない対角行列、
σ2N=各副搬送波に影響する雑音分散
ES =[xj2]は受信信号の電力、
I =恒等行列である。
【００３３】
σ2N / ESが零へ向かう場合には逆行列をとれないこともある。この問題を克服するために推定値σ2N / ESが閾値と比較され、前記推定値σ2N / ESが閾値より小さい場合には前記閾値により置換されることも可能である。
【００３４】
好適には前記推定値σ2N / ESが閾値より小さい場合には１つの代替的な検出技術例えばいわゆるＯＲＣ技術を用いることも可能である。
【００３５】
この問題の別の好適な解決法は、前記重み付け行列を、勾配アルゴリズムを用いる逐次プロシージャーにより決定することから成る。
【００３６】
受信プロセスが並列および／または直列の無効化タイプの非線形複数ユーザ検出技術を用いる場合には（複数ユーザのための異なる拡散符号は受信機により知られている）、好適には、他のユーザによる多元接続干渉を無効化する段階で前記等化技術が使用される。
【００３７】
この場合には前記無効化段階は逐次的であり、少なくとも２つの順次の等化段階を備えることが可能である。
【００３８】
以上のようにして、本発明による方法は、
複数ユーザ干渉の推定値を生成する初期段階と、
前記受信信号から前記複数ユーザ干渉推定値を減算する段階と、
このようにして得られた補正信号を等化する等化段階と
を備えることが可能である。
【００３９】
本発明は、前述の受信プロセスで実施される等化法と、これらのプロシージャーを適用する受信法とを提供することに関係している。
【００４０】
（５．  図のリスト）
本発明の他の特徴及び利点が、１つの簡単な例示的で非制限的な例として与えられている本発明の１つの好ましい実施形態を、添付図面を参照して読むことによりより明瞭になる。
【００４１】
（６.  ある好ましい実施形態の説明）
このようにして、この新規の検出技術は、全体としての受信信号にわたり大域的に平均２乗誤差を最小化する目的を有する。Wj=[wjo,wj1,...wjNp]を最適重みつきベクトルと呼ぶとすると、第ｊユーザに与えられる記号は次式により表される。
【数１２】
0004585732.tif 000012
【００４２】
このようにして平均２乗誤差を最小化するこの操作の間に逆拡散関数を考慮することが分かる。
【００４３】
全体としての受信信号に適用されたウィーナー・フィルタリングでは最適重みつきベクトルは次式に等しい。
【数１３】
0004585732.tif 000013
ただしΓRRは受信ベクトルRの自己相関行列であり、ΓRxjは記号xjと受信信号Ｒのベクトルとの間の相互相関ベクトルである。これらの量は次式に等しい。
【数１４】
0004585732.tif 000014
ただし()* は共役複素数である。最適重みつきベクトルは次式に等しい。
【数１５】
0004585732.tif 000015
【００４４】
副搬送波に影響する異なる雑音が同一の分散を有し独立である場合には、E[NN*T ]=σN2.Iである（ただしＩは恒等行列である）。異なるユーザ信号が同一の電力(E[xj2]= ESを有し、独立的である場合にはE[XX*T ]=EsA,である（ただしA=[ajj] は対角行列であり、ユーザｊが活動状態にある場合にはajj=lであり、ユーザｊが非活動状態にある場合にはajj=Oである）。等化係数の行列は次式に等しい。
【数１６】
0004585732.tif 000016
【００４５】
明らかに、異なる副搬送波に影響する雑音の分散及び独立性と、信号電力とのための、前の節で説明された条件は、本アプローチを有効化するのに完全に不要である。
【００４６】
全負荷(Nu=Lc)の場合かつウォルシュ・アダマール符号等の直交符号が使用される場合には、量C.A.CTは恒等行列に等しく、従って、等化係数の行列は第ｋ副搬送波の等化係数が前述の式（８）に等しい対角行列である。前記所与の例では受信電力がすべてのユーザにとって同一であることに注意されたい。
【００４７】
他方では、Nu<Lcであるすべての場合には量C.A.CTは恒等行列でなく、等化係数のためのＧ行列は対角行列でない。提案される受信機はこの場合には図２の図式に従う。
【００４８】
異なるユーザからの信号の受信電力がすべてのユーザにおいて同一ではない場合には新規のアプローチは、ＭＭＳＥ基準に対して最適のままである。この場合には前記計算により行列Ａが得られ、行列Ａは、すべてのユーザが独立的である場合には、活動状態のユーザｊについてajjが１ではないような依然として対角行列である。
【００４９】
本発明によるアプローチと反対にＭＭＳＥ基準による従来技術では、操作が全負荷で行われない場合には最適でない式（８）が得られ、全負荷の場合でさえも、異なるユーザの電力が同一でない場合には、このアプローチはＭＭＳＥ基準に対して最適でない。
【００５０】
行列Ｇは次元行列Np×Npである。このように、提案される方法は、ＦＦＴからの出力信号で発生される各記号を各副搬送波に割当てられた係数と乗算することから成るのではなく、信号ベクトルＲを信号ベクトルを行列Ｇと乗算することによって前述の計算と適合させて全体として取り扱うことから成る。
【００５１】
この新規の検出技術は、複数ユーザの異なる拡散符号の知識を必要とし、従って前記検出技術は線形タイプの複数ユーザ検出技術内に分類されることが可能である。
【００５２】
式（１４）を直接適用することは、この式の分母に対応する行列の逆行列をとる必要がある。特定の場合には、特に、信号対雑音比が非常に高い場合に確認される、量σN2 / ESが零へ向かう傾向を有する場合には、式（１４）により表される行列は逆行列をとれない。
【００５３】
この欠点を克服する第１の可能性は、推定値σN2 / ESが制限され、このようにして、少なくとも、注目しているシステムの正確なパラメーターを考慮することにより、最適化された値に等しいように閾値装置を使用することから成る。
【００５４】
この欠点を克服するための第１の可能性は、推定値σN2 / ESが零に向かう傾向を有する場合には例えば２．３．１で説明されたOrthogonality Restoring Combining method (ORC)等の別の技術を使用することから成る。
【００５５】
更に、行列ＭＭＳＥと呼ばれる、提案される検出技術を行うために逆行列をとるということに対する代替法は、例えば最小２乗平均（ＬＭＳ）などの勾配アルゴリズムに頼る逐次処理を使用することにある。この場合にはウィーナー・フィルタリングによる２乗平均誤差の最小化により、いくつかの逐次操作の後に、式（１４）により与えられた等化行列Ｇのための最適係数を得ることが可能となる。
【００５６】
（６.２干渉を無効化する非線形検出技術への適用）
複数ユーザ検出器には３つのメインのカテゴリーがある、即ち、Maximum Likelihood Detectors (MLD)（最尤検出器）、例えば前述の検出器などの線形検出器、そして、干渉無効化を有する非線形検出器である。この節では、この第３のカテゴリーに注目する。図４に示したもの等の並列タイプの干渉無効化を有する検出器並びに直列タイプの干渉無効化を有する検出器は、受信信号からの複数ユーザ干渉を除去するために他の信号に起因する干渉を推定しようとする。このプロシージャーは、いくつかの順次の検出段階を用いて逐次的に実施されることが可能である。異なる単一ユーザ検出技術はこのようにして、異なる段階で組合せられる。ＭＭＳＥ検出アルゴリズムを用いるための提案される新規の方法は、干渉無効化を有する複数ユーザ検出器の各段階で選択されることも可能である。この場合には式（１４）の行列は、各ステップである特定の方法で最適化されなければならない。このようにして線形検出器と非線形検出器とを組合せることが可能となる。
【００５７】
例として図４は、提案される新規の技術を用いており、２つのステップを有する並列タイプの干渉無効化を有する検出器の原理の概要図を示す。最初のステップでKU -1の数の他のユーザの記号が、行列ＭＭＳＥアルゴリズム（等化行列Ｇ１）を用いることにより並列で検出される。このようにして逆拡散後において、逆写像(SBC-1)と、決定と、写像(SBC - Signal Binary Code（信号２進符号）)と、チャネル係数の行列による拡散及び乗算とによって、複数ユーザ干渉の推定値を得ることが可能であり、次いで、前記推定値は受信信号から減算される。その後、第２のステップは、再び新規の行列ＭＭＳＥアルゴリズム（等化行列Ｇ２）を使用することにより最終的検出を行う。
【００５８】
（６.３  結果の例）
呈示されたけ結果は、独立レイリー・プロシージャーと、各副搬送波について同一の電力と、チャネルが、これらの副搬送波上で周波数非選択性と考えられる場合に得られた。ガウシアンの加算可能な白色ノイズが、同一の電力のプロシージャーにより、各副搬送波について独立となるように発生される。使用符号は、ウォルシュ・アダマール符号であり、信号２進符号化はＭＤＰ４のものである。
【００５９】
図３は、BER（TEB,ビットエラーレート）=10-3を得るために比E0/N0のスペクトル効率を考慮したときの、Lc=Np=64での異なる単一ユーザ検出技術の性能を示す。最大スペクトル効率は、全負荷システム(Nu=Lc=Np)に対応して2bit/s/Hzに等しい、何故ならば保護時間と、同期化と、チャネル推定（例えばパイロット搬送波）とに起因する損失が考慮されていないからである。
【００６０】
曲線（ｂ）は、副搬送波当り１つの係数を有する式（９）に適合されていて各副搬送波上で独立的に最適化される等化係数を有する従来のＭＭＳＥシステムの性能を示す。曲線（ａ）は、式（１４）により与えられる等化行列係数を有する行列アプローチを使用する新規のＭＭＳＥシステムの性能に相当する。全負荷(Nu=64)では、２つのＭＭＳＥシステムの性能は同一である。他方、システムが全負荷されない場合(Nu<64)には、新規の行列ＭＭＳＥは、Nu=32及び16において、それぞれ1及び0.5 bit/s/Hzに相当するスペクトル効率に相当する約2dBの利得を提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  公知のタイプのＭＣ−ＣＤＭＡ送受信チャネルの概要図を示す。
【図２】  本発明によるＭＣ−ＣＤＭＡ送受信チャネルの概要図を示す。
【図３】  線形検出について異なる技術の性能の比較である。
【図４】  並列干渉を無効化するＭＣ−ＣＤＭＡｈ成形複数ユーザ受信機の概要図である。
【図１】
0004585732.tif 000018
【図２】
0004585732.tif 000019
【図３】
0004585732.tif 000020
【図４】
0004585732.tif 000021