符号化および復号化の方法と、同時式信号伝送およびマルチユーザーシステムにおける干渉を削減するための装置

专利摘要:
相補系列の組の諸群（ファミリー）に対応する系列により畳み込まれた又は適応されたバンドパスフィルタ-3-を通じて更に小さな帯域に分割された各ユーザーのスペクトルで構成され、当該諸群の部分集合間の相互相関がヌルであり、互いに直交する各ユーザーに割り当てられる方法を主として特徴とし、該方法がM相補系列の組を使用し、「相補」とは、自己相関の和によりクロネッカーのデルタが得られることを意味し、Mの値は、互いに直交する直交相補系列の組の数に一致し、つまり各系における相補系列の相互相関の和が0であり、それに加えて、発信された信号-4-が、直交化工程に影響されず、それとはとは独立した変調、電力および帯域幅を有する、ことを特徴とする符号化および復号化の方法と、同時式信号伝送およびマルチユーザーシステムにおける干渉を削減するための装置。
公开号:JP2011510576A
申请号:JP2010543530
申请日:2008-11-24
公开日:2011-03-31
发明作者:フェンテ、ビセンテ ディアス
申请人:フェンテ、ビセンテ ディアス；
IPC主号:H04J13-12

专利说明:

[0001] 当技術の使用範囲が広域である故に、本発明は幾つかの分野において開発される。ここにおいては特に指定なき限り視聴覚産業（特に電気通信産業）の分野を一例として本発明の使用を説明する。但し、当技術は、軍事および民事分野におけるレーダーまたはソナー装置の通信の場合にも同様に有用なものである。当技術の妥当性と多様性を示す別の例としては、核磁気共鳴映像法や超音波など、画像に基づいた医療診断装置にも使用できるという点である。]
背景技術

[0002] ほとんどの通信システムではスペクトルが限定されており、それを多くのユーザーが共有しなければならない。]
[0003] スペクトル共同利用システムが幾つか存在するが、その例として周波数分割方式(OFDM、DMT、等)、周波数ホッピング方式(FH：Frequency Hopping)、符号分割多重アクセス方式(CDMA：Code Division Multiple Access)、波長分割多重方式(WDM：Wavelength Division Multiplexing)およびそれらの組合せによるものが挙げられる。]
[0004] ここ数年に亘り、スペクトルを再利用する（若しくは、少なくとも干渉を最小限に抑える）可能性に焦点を置いた調査および研究が幾つか行われてきた。そのすべてが、スペクトル効率を最大限に引き上げ、それによって相互干渉のない信号の同時伝送を可能にするとともに伝送チャネルを最も有効に利用しようと試みるものである。]
[0005] 最も大きな問題の一つは、現在および将来のモバイル電話技術システムにおけるユーザー同士の干渉である。符号分割方式または符号分割多重アクセス方式に基づくシステムは、異なる加入者により使用される異なる系列の低相互相関特性に基づくシステムである。該相互相関がヌルでないという事実上、数人のユーザーが同時にアクセスすることによって多重アクセス干渉（MAI：Multi-Access Interference）と呼ばれる干渉が生じ、それ故に、該干渉に関する限界以上に加入者の数を増すことができなくなる。]
[0006] 一方、数人の加入者間の伝送に電力差がある場合は低相関性が満たされない。このためネットワークは、確実に多重アクセス干渉（MAI）を可能最小限に止めるためにも、各加入者により伝送される電力を制御できるものでなければならない。欧州コンソーシアム3GPPが手掛けたモバイル電話技術の発展は様々な技術の使用に向けられており、この内、周波数分割方式と直交周波数分割多重方式（OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing）の使用による多重アクセスが提案されている。]
[0007] なおまた、加入者またはサービス同士が同じ周波数帯域を共有することの影響は、xDSLケーブル広帯域アクセスシステムに特に害を及ぼし、この場合、同じ対のケーブルを共有する加入者の数が増加すると遠端漏話(FEXT：Far End Crosstalk)により特定の距離で各加入者が送信できるデータの速度が低下する。この影響は大きく、有効範囲半径1Km〜200mの伝送において12Mbpsに関する中速度の場合は最大50%まで、そして速度が20Mbpsの場合には2500%まで、特定のサービス範囲が減少することになる。［「A Multicarrier CDMAArchitecture Based on Orthogonal Complementary Codes for New Generations of Wideband Wireless Communications」（仮訳：新世代広帯域無線通信の直交相補的コードに基づくマルチキャリアCDMAアーキテクチャ），『IEEEコミュニケーションズマガジン』 2001年10月号，pp.126〜135）］にてシャオ・ワー・チェン（Hsiao-Hwa Chen）らにより出版されたものなど、幾つかの調査において相補系列の組の使用による異なるキャリアの符号化が既に提案されている。]
[0008] 同対策への別のアプローチが、［「Complex Orthogonal Spreading Sequences Using Mutually Orthogonal Complementary Sets」（仮訳：相互直交相補系を使用する複合直交拡散系列），『MILKON国際会議』2006年5月22日-24日，pp.622-625］にてザオ・イング（Zao Ying）らにより提案されており、この場合、系列とキャリアがそれぞれ4つのフェーズを必要とするように相補系列が使用される。両方法は、採用される系列についてのわずかな修正を除いて同一のものである。]
[0009] 最後に、シューミン・ツェン（Shu-Ming Tseng）著の文献［「Asynchronous Multicarrier DS-CDMAUsing Mutually Orthogonal Complementary Sets of Sequences」（仮訳：相互直交相補系列の組を使用する非同期マルチキャリアDS-CDMA），『IEEEトランザクションズオンコミュニケーションズ』 第48巻，2000年1月1日号，pp.53-59］への参照があるが、この場合、同じ変調と復調手順が、わずかな修正を有する前のものに関連して繰り返される。]
[0010] 前期の実装全てに共通して見られる不便な点の一つは、最大スペクトル効率が1ビット/秒/Hzであるということである。例えば既存の高容量通信システムで使用される場合（無線システムにおける3ビット/秒/HzからxDSLにおける12ビット/秒/Hzと様々）、当該効率では非常に低いことが明らかである。]
[0011] また、当該技術は、CDMAと基盤とするシステム専用に設計されており、このため加入者同士の干渉を削減するべく他の通信システムで使用することができない。]
[0012] その上、出力信号帯域幅が基幹信号帯域幅より大きい。したがって、該技術を統合するためには現行システムの伝送および受信フェーズを完全に修正することが必要である。上記すべてにより、例えばOFDM、CDMA、QAM、WDM他それの変形など基幹帯域中のデータを変調する方法にかかわらず帯域幅パラメーターと伝送された電力を尊重しながら同じ周波数帯域を使用して情報を効率的に発するとともに加入者またはサービス同士の干渉を削減することができる技術が必要であることが演繹される。]
[0013] 当技術は、伝送スペクトルも伝送電力も修正することなく情報チャネルが互いに独立するまたは直交化することを要するシステムの如何なるものにおいても使用し得る。数多く存在する顕著な用途の中でも、特に、xDSLサービスの同時加入者間混信の削減、モバイル電話技術システムにおけるセル当たり加入者数の増加、異なる波長またはRADARまたはSONAR信号直交化を使用する光ファイバーケーブル容量の増加、および医用画像の生成について説明する。]
[0014] ここに開示されるものに類似した特徴を有する背景技術、特許またはモデルで周知のものはない。]
発明が解決しようとする課題

[0015] ここに記載の発明は、符号化および復号化の方法と、同時式信号伝送およびマルチユーザーシステムにおける干渉を削減するための装置に関する。この方法は、同時に符号化されたインパルス伝送による伝送または画像キャプチャの如何なる手段に基づき多重アクセス方式の通信システムにおける混信または干渉の削減を可能にする。]
課題を解決するための手段

[0016] ここに記載される発明は、M個の相補系列の組を使用することに基づく。「相補」とは、自己相関の和によりクロネッカーのデルタが得られることを意味する。]
[0017] また、Mの値は、互いに直交する相補系列の組の数に一致する。]
[0018] 「直交」とは、各相補系列の組の相互相関の和が0であることを意味する。]
[0019] 所望の結果を得るために、これら二つの特性が本特許において使用される。直交系列の特定の対(M=2)は、その発見者に敬意を払ってゴーレイ系列と呼ばれる。]
[0020] 本発明において使用される系列の主な特性は、理想的な自己相関性を有している（すなわち、サイドローブなき完璧なクロネッカーのデルタに一致する）、および直交系列系に属する群（ファミリー）同士で互いにヌルの相互相関を有しているということである。]
[0021] 該結果の適切な実施に向けて、システムは、明確に定義されている次の二つのブロックからなる。
a. -伝送における符号化システムと、
b. - 受信における復号化システム。]
[0022] 該方法は以下のとおりである:
同時ユーザーM人の伝送システムが次のことをつかさどる。
・ 各ユーザーの信号を、上術の相互直交化特性を保証しながら各ユーザーに対して選択された系列に対応するフィルターバンクでフィルターすること。
・ 各ユーザーから得られた信号の各々をプロセス出力に追加して、それを無線周波数フェーズを通じて伝送手段に送ること。
・ 一つまたは様々なアンテナによる信号の変調と伝送。]
[0023] ユーザー「i」の受信システムは次のことをつかさどる。
・アンテナから受信した信号を復調して等化すること。
・伝送時、該ユーザーに対して選択された系列に対応するバンドパスフィルターバンクで得られた信号をフィルターすること。
・ ユーザーのオリジナル信号を他のユーザーの干渉なく得るために、該フィルターバンクの出力から得られた信号の各々を追加すること。]
[0024] この工程を適切に利用することによって干渉を完全に取り消すことが可能になる。]
図面の簡単な説明

[0025] まず、同一の参照符号は同一の要素を指すことを念頭に置きながら、図面を構成する要素について説明する。
図１は、ユーザーが一人だけの場合の符号化システムのブロック図を示す。
-1- F(ω) は、該ユーザーに対して選ばれた相補系列の組に適応されたバンドパスフィルタバンクから成る。
-2- H(ω)は、 N個の独立したバンドパスフィルタの和として変調できる送信器と受信器点間のチャネルに相当する。
-3- F'(ω)は、次のものの同一式に適応されたバンドパスフィルターバンクから成る：
-4- D1(ω), D2(ω)…DM(ω) は、同時に伝送されることになっている異なるデータ流信号に相当する。
-5-FA(ω), FB(ω)…FM(ω)は、残りのデータ流に関して各々からデータを受信する際に直交させるために各ユーザーにより使用される直交系列の諸群に適応されたバンドパスフィルターバンクに相当する。
-6- H(ω)は、-2-に類似したもので、伝送の手段に相当する。
-7- F'A(ω), F'B(ω)… F'M(ω)は、残りのデータ流に関して各々からデータを受信する時に直交させるために各ユーザーによって伝送に使用される直交系列の諸群に適応されたバンドパスフィルターバンクに相当する。
-8- RX1(ω), RX2(ω)… RxM(ω)は、相互干渉なく各ユーザーにより読み出された信号に相当する。] 図１
[0026] 本発明をよりよく理解してもらうために、次のようにそれぞれ異なる3枚の図面が添付されている。
ユーザーが一人だけの場合の符号化システムのブロック図を示す。
独立して送受信されるM人のユーザーに関するブロック図を示す。
本特許に記載の技術を使用するxDSL通信システムの概略図を示す。]
実施例

[0027] ここに開示される発明は、同じ統一した結果を得るための独立した二つの応用から成る。
.- 一方では方法に係り、
.- 他方では装置に係る。]
[0028] 該方法の実施形態には、信号の符号化と復号化のための装置が必要である。]
[0029] 該方法は、M個の相補系列の組を使用する。「相補」とは、自己相関の和によりクロネッカーのデルタが得られることを意味する。]
[0030] また、Mの値は、互いに直交する相補系列の組の数に一致する。]
[0031] 「直交」とは、各相補系列の組の相互相関の和が0であることを意味する。]
[0032] 所望の結果を得るために、これら二つの特性が本特許において使用される。直交系列の特定の対(M=2)は、その発見者に敬意を払ってゴーレイ系列と呼ばれる。]
[0033] 該装置は通信システムとして、エンコーダ-1-と-5-、デコーダ-3-と-7-、そしてチャネル-2-と-6-の三つのメインブロックで構成される。]
[0034] エンコーダシステムは、相補系列の組で伝送される基幹帯域信号のバンドパスフィルタの応答の畳み込みをつかさどる。一方、デコーダは、もとのスペクトルを得るために結果の送出および追加に使用される同じ相補系列の組で受信された信号を相互に関連付けることをつかさどる。]
[0035] 本発明において使用される系列の主な特性は、理想的な自己相関性を有している（すなわち、サイドローブなき完璧なクロネッカーのデルタに一致する）、および直交系列系における群同士で互いにヌルの相互相関を有しており、次のものに準拠しているということである。



この場合、Φｉｉは、Nの長さで選択された各M相補系列の個々の自己相関であり、ΦとΩｉは、使用される帯域幅におけるMの長さの直交系列系中の一群Ωの自己相関のおよび相補系列iの周波数における応答であり、そして＊は共役オペレーターである。]
[0036] 当該系列の発生は、今日に至り2ビット、10ビットおよび26ビットとして知られるいわゆる基幹カーネルに基づいて行なわれる（相補系列群の発生の規則については、『IEEEトランザクションズオンインフォメーションセオリー』第IT-18巻，第5号（1972年9月）の644頁〜651頁に掲載されているC.-C.ツェン（Tseng）およびC. L. リウ（Liu）著の「Complementary Sets of Sequences」（仮訳：相補系列の組）と題される論文にて考察されている）。]
[0037] 該技術を理解する際に、工程ブロック図（図1）を参照にすると便利である。図中d[n]で表されている伝送されるべき情報（帯域幅がB）は、バンドパスフィルターバンクF1〜FNを使って処理され、それにより伝送用の信号からスペクトル成分が取り除かれる。N帯域の数は、使用される相補系列の組のサイズおよび直交させたいユーザーまたはサービスの数に依存する。]
[0038] 帯域幅周波数Bにおけるチャネル転移の機能が次のとおりであることを考慮して、]
[0039] 工程を簡易化するために各チャネルの帯域幅がB/Nであるとする。]
[0040] チャネルを通じて受信された信号は、チャネル応答による入力信号の畳み込み、または（それに類似したものであるが）次の当該スペクトルの積に相当する。]
[0041] この場合、F1(ω), F2(ω)…FN(ω) は、チャネル1, 2, …, Nの周波数帯域に対応するバンドパスフィルタであり、単一ゲインが次のように相補系列により畳み込まれる。]
[0042] この場合、Ωｉiは、互いに特性(4)を満たすN要素の相補系列の組(A、B、C、D、…)の内の一式Ωの要素ｉであり、上記ツェン著の論文で説明されている。図1の図解と演算に基づいて次式が得られる。]
[0043] 式(8)と式(6)が等しくなるために、すべてのチャネル応答がユニットと同一で等しいべきである。この工程は等化と呼ばれ、様々な従来の工程により達成され得る。]
[0044] したがって、基幹帯域において、チャネルはあらかじめこの工程に等化されていると仮定し、最終的に次式を得ることができる。]
[0045] この場合、F1(ω), F2(ω)…FN(ω) は、チャネル1、2、…、Nの周波数帯域に対応するバンドパスフィルタであり、単一ゲインが相補系列によって次のように畳み込まれる。]
[0046] この場合、*は、共役のオペレーターである。]
[0047] 式(9)において相補系列の組(4)の特性を適用して置換することにより、次のことが明らかになる。]
[0048] この結果から、そして図2に基づいて、M人のユーザーD1(ω), D2(ω)…DM(ω)により共有されるものであり、全員に対して1本のチャネルが備えられている通信システムにおける課題は次式に準拠することである。]
[0049] このように、ユーザーはみな互いに独立している。直交系列の一群からの相補系列の組が各ユーザーに割り当てられれば、それらが独立して相互干渉なしで読み出せることが分かる。明確にするために、直交系を使用する一対のユーザー（内、AとM）で示す。このようにして、方程式(12)は、チャネル等化を仮定して、式(9)において式(7)と式(10)を置換するとともに簡易化するべく変数ωを取り除くことにより、次式を得る。]
[0050] 直交相補系列群系の特性により、式(13)の交さ項はヌルであり、結果として次式が得られる。]
[0051] Nユーザーに対して一般化された前工程を次のように表せることを示し得る。]
[0052] すなわち、受信された信号の和は、定数と掛け合わせた且つ相互干渉なく伝送されたデータの和に等しくなる。これは、ユーザーが直交且つ独立していることを意味する。]
[0053] 発明の別の実施形態では、幾つかの無線システム、衛星、RADARまたはxDSLのシステムの場合のように、各ユーザーのチャネルは異なりうる。この場合、2人のユーザーのチャネルモデルは以下の通りである。]
[0054] この場合、D1は伝送された信号であり、D2は干渉しているソースによる伝送信号であり、H1は信号D1の生成点と受信器間チャネルの伝達関数であり、そしてH2は信号D2(または干渉しているユーザー)と受信器1の生成点からの伝達関数である。]
[0055] この場合、チャネルが同一でないところでは、直交化特性を満たすために、干渉している各チャネル H1，H2, … で各ユーザーに対応するものを独立して等化することが必要であり、かなり複雑であるが、それでも該特性は本稿に記載の用途に有用である。]
[0056] その他、モバイル電話通信基幹発受信局における加入者への下流チャネル、衛星‐地球リンク、またはxDSLチャネルなど、全ユーザーの伝送点が同じである場合もある（図3参照）。このような場合、チャネルH2は、定数を掛けたH1よりも近似的に等しくなり、よって受信器における信号は次式に等しくなる。]
[0057] この場合、H1=H2=H およびcte1, cte2 は定数である。よって、式(17) は主として式(12)と一致するので、一旦チャネルHが受信器において等化されればユーザーはみな互いに直交した状態となる。]
[0058] 発信された信号Dは、直交化工程に影響されず、それとは独立した変調、電力および帯域幅を有すると見なされ、上記提案を前にして大きな利点を示す、ということを強調しておく。]
[0059] なおまた、xDSL通信では（図3における図解を参照）、ケーブル内部の各対の応答が、中核起源(CO/DSLAM)の- a -点からユーザーRxiの受信点（-b‐点）に近づいたところにおいて同じケーブルの内の各対H(ω)の応答が近似的に等しいはずであるが、但し定数と干渉または混信結合が受信点*b-において生成される、ということも考慮すべきである。したがって、図面の下側に示されるように、受信の際にユーザー-a-に対応する信号が、該点においてケーブルを共有する残りのユーザーの信号の結合により干渉される。]
[0060] 結論として、当技術の一つ目の利点は、異なるユーザーが同じ周波数帯域を使う時に独立して直交チャネルを構築できる能力を有すること、そして二つ目の利点は、前述の工程に影響されることなく高いスペクトル効率を維持する能力を有することである、ということができる。したがって、ここに記載の発明は、通信システムにおけるスペクトル効率を増加させる（或いはRADAR、SONAR、または医用画像システムにおいて得られる情報量を増加させる）とともに相補的コードを使用して現在の技術を改善するチャネル直交化のための有力なシステムを構成するものである。]

权利要求:

請求項1
符号化および復号化の方法と、同時式信号伝送およびマルチユーザーシステムにおける干渉を削減するための装置であり、相補系列の組の諸群（ファミリー）に対応する系列により畳み込まれた又は適応されたバンドパスフィルタ-3-を通じて更に小さな帯域に分割された各ユーザーのスペクトルで構成され、当該諸群の部分集合間の相互相関がヌルであり、互いに直交する各ユーザーに割り当てられる方法を主として特徴とし、該方法がM相補系列の組を使用し、「相補」とは、自己相関の和によりクロネッカーのデルタが得られることを意味し、Mの値は、互いに直交する直交相補系列の組の数に一致し、つまり各系における相補系列の相互相関の和が0であり、それに加えて、発信された信号-4-が、直交化工程に影響されず、それとはとは独立した変調、電力および帯域幅を有する、ことを特徴とする符号化および復号化の方法と、同時式信号伝送およびマルチユーザーシステムにおける干渉を削減するための装置。
請求項2
システムが、結果を適切に実施するために、明確に定義されている. -伝送における符号化システムと、. - 受信における復号化システムと、. - 前記伝送および受信システム間のチャネルの三つのブロックからなり、該システムの機能としては、M人の同時ユーザーの伝送システムが、各ユーザー-4-の信号を、直交化特性を保証しながら各ユーザーに対して選択された系列に対応するフィルターバンク-5-でフィルターすることと、各ユーザーから得られた信号の各々をプロセス出力に追加して、それを無線周波数フェーズを通じて伝送手段に送ることと、一つまたは様々なアンテナによる信号の変調と伝送を行うこと、をつかさどり、M 人のユーザーの受信システムが、 一つまたは様々な受信素子から受信した信号を復調して等化することと、該ユーザーに対して選択された系列に対応するバンドパスフィルターバンク-7-で得られた信号をフィルターすることと、ユーザーのオリジナル信号を他のユーザーとの干渉なく得る如く、該フィルターバンクの出力から得られた信号の各々を追加すること、 をつかさどる、ことを特徴とする請求項１に記載の符号化および復号化の方法と、同時式信号伝送およびマルチユーザーシステムにおける干渉を削減するための装置。
請求項3
各ユーザーのチャネルが異なる場合、チャネルモデルが以下の通りになり、その場合、D1は伝送された信号であり、D2は干渉しているソースによる伝送信号であり、H1は信号D1の生成点と受信器間チャネルの伝達関数であり、そしてH2は信号D2(または干渉しているユーザー)と受信器1の生成点からの伝達関数であることを特徴とする請求項１に記載の符号化および復号化の方法と、同時式信号伝送およびマルチユーザーシステムにおける干渉を削減するための装置。
請求項4
通信システムとして-5-:符号化装置と、-7-:復号化装置と、-6-: -5-と-7-の間のチャネルの三つのメインブロックで構成されることを特徴とする符号化および復号化の方法と、同時式信号伝送およびマルチユーザーシステムにおける干渉を削減するための装置。
請求項5
符号化装置-5-が、相補系列の組の各要素の畳み込みを通じて構築されたバンドパスフィルタを使うことにより、異なる帯域において発せられるべき信号のスペクトルの分割を可能にすることを特徴とし、且つ各バンドパスフィルタの応答が該フィルターの周波数または作用帯域（work band）に適応されたことを特徴とする請求項4に記載の符号化および復号化の方法と、同時式信号伝送およびマルチユーザーシステムにおける干渉を削減するための装置。
請求項6
符号化装置は、一式のフィルター（各々の周波数帯域の和が、発せられる信号の全範囲またはその一部を覆う）を使用することを特徴とする請求項4と請求項5に記載の符号化および復号化の方法と、同時式信号伝送およびマルチユーザーシステムにおける干渉を削減するための装置。
請求項7
復号化装置が、使用される共役の相補系列間の畳み込みを通じて構築されたバンドパスフィルタを使うことにより、異なる帯域において受信された信号のスペクトルの分割を可能にすることを特徴とし、且つ該バンドパスフィルタの応答が該フィルターの周波数または作用帯域に適応されたことを特徴とし、それに加えて各々の周波数帯域の和が、発せられた且つ又は受信された信号の全範囲またはその一部を覆い、この場合、全フィルターの出力の和により復号信号-8-が得られることを特徴とする請求項4に記載の符号化および復号化の方法と、同時式信号伝送およびマルチユーザーシステムにおける干渉を削減するための装置。
請求項8
チャネル-6-が全員に対して同じであり、次の方程式に従うことを特徴とする請求項4に記載の符号化および復号化の方法と、同時式信号伝送およびマルチユーザーシステムにおける干渉を削減するための装置。
請求項9
使用される相補系列の組の諸群は如何なる長さのものであることを特徴とする前記請求項に記載の符号化および復号化の方法と、同時式信号伝送およびマルチユーザーシステムにおける干渉を削減するための装置。