DE60308803T2

DE60308803T2 - Vorrichtung zum adaptiven Steuern einer Gruppenantenne

Info

Publication number: DE60308803T2
Application number: DE60308803T
Authority: DE
Inventors: Takeshi Toda; Yuuta Nakaya
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2003-12-23
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2023-12-24
Also published as: US20040140929A1; EP1434366A2; EP1434366A3; US7389086B2; JP2004214858A; JP3891427B2; EP1434366B1; DE60308803D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine adaptive Array-Antennten-Steuereinheit.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Übertragungssignale in mobilen Kommunikationssystemen werden in einer Mehrfachpfad-Übertragungsumgebung übertragen. Zum guten Demodulieren von empfangenen Signalen ist es notwendig, eine Auswahl von Signalen geeignet zu bearbeiten, die über mehrere Übertragungspfade eintreffen. In diesem Hinblick ist das OFDM (Orthogonales Frequenzdivisionsmultiplexing, Englisch: Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Verfahren eine vielversprechenden Technologie in diesem technischen Gebiet. In diesem Verfahren werden Daten übertragen von einer Vielzahl von Trägerwellen, die orthogonale Beziehungen zueinander aufweisen, und empfangene Signale werden Fourier-transformiert und demoduliert zum Bereitstellen abklinksicherer Kommunikationssysteme. Dieses Verfahren wird bereitgestellt mit einer bestimmten Länge eines Schutzintervalls bei jedem Symbol, und aus diesem Grund können einige Verzögerungssignale limitiert sein innerhalb des Schutzintervalls, um die orthogonale Beziehung nicht zu stören.
Idealerweise sollten alle Verzögerungssignale, die nach Verzögerungen von der leitenden Welle (die erste eingehende Welle) ankommen, begrenzt sein innerhalb des Schutzintervalls. Jedoch kommen einige Verzögerte Signale (einige Pfadkomponenten) nach den Schutzintervallen, in Abhängigkeit der Kommunikationsumgebung, an. Solche Signale mit großen Verzögerungen bilden Interferenzen, die die orthogonale Beziehung zwischen Unterkanälen stören, und Verhindern das Retten der übertragenen Signale. Folglich ist es notwendig, solche verzögerten Signale zu unterdrücken durch Verwenden von adaptiven Ausgleichtechniken oder adaptiven Array-Antennentechniken.
Konventionelle Technologien zum Unterdrücken ungewünschter verzögerter Signale werden beschrieben in „OFDM Adaptive Array for suppressing Doppler Shift", Nishikawa, Yoshitaha Hara, Shinsuke Hara, The Institute of Electronics, Information and Communication Engineering, Technical Report A-P2000-90, Oktober 2000; „Equalizer Training Algorithms for Multi-carrier Modulation Systems" J. S. Chow, J. M. Cioffi, und J. A. C. Bingham, International Conference on Communications, Seiten 761–765, 1993; und „Asymmetric Digital Subscriber Line", ITU-T Recommendation G. 992.1, 1999.
In diesen konventionellen Technologien werden alle empfangenen gewichteten Signale aus einer Vielzahl von Antennenelementen in digitale Signale konvertiert, und jedes so erhaltene digitale Signal wird einem digitalem Bearbeitungsteil zugeführt zum adaptiven Anpassen der Gewichtungskoeffizienten der Antennenelemente. In diesem Verfahren werden mehrere digitale Signale verwendet, die alle erhalten werden von einer der adaptiven Array-Antennen-Elemente, und eine sehr genaue adaptive Steuerung wird erreicht.
Jedoch muss das konventionelle Verfahren eine Vielzahl von digitalen empfangenen Signalen bilden basierend auf einer Vielzahl von Antennenelementen. Aus diesem Grund ist eine Anzahl von Analog/Digital-Konvertern notwendig, die mit den Antennenelementen korrespondieren, der Schaltkreis ist komplex und es gibt weitere zusätzliche Nachteile hinsichtlich des Verbrauchs von Energie, der Schaltungsgröße und Kosten, die noch viel nachteiliger sind speziell für kleine Radios oder Mobiltelefone.
EP-A-0 892 504 beschreibt ein alternatives Verfahren und System für den Empfang von digitalen Signalen, wo eine vorbestimmte Anzahl von empfangenen Symbolen sukzessiv untersucht wird, wenn die Impulsantworten erzeugt werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Im Hinblick auf das oben gesagte ist es ein allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung, eine adaptive Array-Antennen-Steuereinheit zum Unterdrücken von verzögerten Signalkomponenten (Pfadkomponenten) bereitzustellen, die nach einer bestimmten Verzögerungszeit von einer führenden Welle ankommen, da Interferenzkomponenten enthalten sind in diesen empfangenen Signalen.
Eigenschafen und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dargestellt in der folgenden Beschreibung und werden teilweise klar durch die Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen oder werden klar durch Ausführen der Erfindung gemäß der in der Beschreibung bereitgestellten Leere. Ziele als auch andere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden realisiert und erreicht durch die adaptive Array-Antennen-Steuereinheit, die in deren Spezifikation so vollständig, klar, knapp und exakt dargestellt ist, dass der Fachmann die Erfindung durchführen kann.
Um dies und andere Vorteile gemäß dem Zweck der Erfindung zu erreichen, wie diese verkörpert sind und hier bereits beschrieben sind, stellt die vorliegende Erfindung eine adaptive Array-Antennen-Steuereinheit bereit, die adaptive Gewichtungskoeffizienten einer Vielzahl von Antennenelementen einer Array-Antenne basierend auf einem digitalen Signal steuert, das von einem ein gewichtetes analoges Signal empfangenden Analog/Digital-Konverter ausgegeben wird und von einer Array-Antenne empfangen wird, umfassend: eine Impulsantwort-Messvorrichtung zum Erhalten von Impulsantworten basierend auf einer Korrelationsberechnung des digitalen Signals und eines bekannten Signals, das ein vorbestimmtes Muster aufweist; einen Impulsantwort-Erzeuger zum Extrahieren von innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer existierenden Pfadkomponenten aus einer Vielzahl von Pfadkomponenten, die in den Impulsantworten enthalten sind, und zum Erzeugen von gewünschten Impulsantworten; einen Referenzsignal-Erzeuger zum Bilden eines Referenzsignals, das ein gewünschtes Muster aufweist, basierend auf einer Faltungsberechnung der gewünschten Impulsantworten und des bekannten Signals; und eine adaptive Steuereinheit zum Einstellen der Gewichtungskoeffizienten basierend auf dem digitalen Signal und dem Referenzsignal.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein Blockdiagramm eines adaptiven Array-Antennensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt ein Flussdiagramm, das einen Steuerungsbetrieb darstellt, der in dem adaptiven Array-Antennensystem gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird;
3 zeigt ein Datendiagramm eines OFDM Signals, das in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
4 zeigt einen Graphen von Impulsantworten;
5 zeigt ein Blockdiagramm eines adaptiven Array-Antennensystems gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 zeigt ein schematisches Diagramm eines OFDM Signals, das in der anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
7 zeigt ein Blockdiagramm eines adaptiven Array-Antennensystems gemäß einer weiteren anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
8 zeigt einen Graphen von Impulsantworten gemäß der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1 verwendet Bezugszeichen beginnend mit 1. 2 verwendet Bezugszeichen beginnend mit 2, usw.
1 zeigt ein adaptives Array-Antennensystem 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das adaptive Array-Antennensystem 100 kann verwendet werden in einem Empfänger, so wie einem mobilen Radio oder einem mobilen Telefon. Im allgemeinen umfasst das adaptive Array-Antennensystem 100 eine Array-Antenne 102, einen Analog/Digital-Konverter 104, der mit einem Ausgang der Array-Antenne 102 gekoppelt ist, und eine adaptive Array-Antennen-Steuereinheit 106 die mit einem Ausgang des Analog/Digital-Konverters 104 gekoppelt ist. Die Array-Antenne 102 gemäß dieser Ausführungsform umfasst ein angetriebenes Antennenelement 108 und eine Vielzahl von nicht angetriebenen Antennenelementen 110. Das angetriebene Antennenelement 108 ist gekoppelt mit einer Eingangsvorrichtung 112, die Bandpassbegrenzung und Frequenzkonversion und andere Sachen durchführt. Ein Ausgang der Eingangsvorrichtung 112 bildet einen Ausgang der Array-Antenne 102 und ist verbunden mit dem Analog/Digital-Konverter 104. Jedes der nicht angetriebenen Antennenelemente 110 ist mit dem Erdpotential über ein Reaktanz-Element 111 verbunden, das durch die adaptive Array-Antennensteuereinheit 106 gesteuert wird. Das angetriebene Antennenelement 108 und die nicht angetriebenen Antennenelemente 111 interagieren miteinander elektromagnetisch und bilden einen räumlichen Kombinationstyp einer Array-Antenne, die ihre Richtcharakteristik in Abhängigkeit von räumlichen Beziehungen unter den Antennenelementen und Impedanzen der Reaktanz-Elemente 111 verändern kann.
Die adaptive Array-Antennen-Steuereinheit 106 umfasst eine Impulsantwort-Messvorrichtung 114, die mit einem Ausgang des Analog/Digital-Konverters 104 verbunden ist. Die Impulsantwort-Messvorrichtung 114 misst Impulsantworten durch Berechnen der Korrelation zwischen dem Ausgangssignal des Analog/Digital-Konverters 104 und einem bekannten Signal d. Im genaueren wird ein Präambel-Signal, das periodisch in dem Signal enthalten ist, das an dem Antennenelement 108 empfangen wird, in die Impulsantwort-Messvorrichtung 114 eingegeben. Ein Signalmuster d, das in dem Präambel-Signal enthalten ist, ist sowohl für die Übertragungsseite als auch für die Empfangsseite bekannt. Das bekannte Signalmuster d wird in dem Empfänger gespeichert. Die gemessenen Impulsantworten werden in den Impulsantworterzeuger 116 eingegeben. Der Impulsantworterzeuger 116 erzeugt basierend auf den gemessenen Impulsantworten gewünschte Impulsantworten wie unten beschrieben. Ein Ausgang des Impulsantworterzeugers 116 ist mit einem Referenzsignalerzeuger 118 verbunden.
Der Referenzsignalerzeuger 118 erzeugt basierend auf den gewünschten Impulsantworten und dem bekannten Signal d ein Referenzsignal wie unten beschrieben. Dieses Referenzsignal und das digitale Signal von dem Analog/Digital-Konverter 104 werden in eine adaptive Steuereinheit 120 eingegeben, die adaptiv einen Gewichtungskoeffizienten jedes Antennenelements steuert (ein Steuerungswert zum Einstellen der Impedanzen der Reaktanz-Elemente 111).
Die adaptive Steuereinheit 120 umfasst einen Korrelator 122, der die Korrelation des Referenzsignals von dem Referenzsignalerzeuger 118 und dem digitalen Signal von dem Analog/Digital-Konverter 104 berechnet. Die Korrelationswerte spielen eine Rolle als eine Evaluierungsfunktion, wenn adaptive Steuerung durchgeführt wird. Eine Ausgabe des Korrelators 122 ist verbunden mit einem Gradienten-Berechner 124, der jede Komponente eines Gradientenvektors für die Korrelationswerte berechnet. Ein Ausgang des Gradienten-Berechners 124 ist mit einem Einsteller 126 verbunden, der die Impedanzen der Reaktanz-Elemente einstellt. Der Einsteller 126 umfasst einen ersten Einsteller 128 und einen zweiten Einsteller 130. Der erste Einsteller 128 ändert den Gewichtungskoeffizienten jedes Antennenelements minimal und wird wie unten beschrieben für die Steuerungsberechnung verwendet. Der zweite Einsteller 130 wird verwendet zum Erneuern der Gewichtungskoeffizienten auf Werte, die durch die Steuerungsberechnung bestimmt werden. Die digitalen Signale von dem Einsteller 126 werden in analoge Signale konvertiert durch Analog/Digital-Konverter 132 und dann jedem Reaktanz-Element 111 zugeführt. Durch geeignetes Einstellen des Gewichtungskoeffizienten jedes Antennenelements ist es möglich, die Richtungscharakteristik der Array-Antenne zu steuern durch Lenken eines Strahls zu einer gewünschten Welle (führende Welle) oder Lenken einer Null zu einer gewünschten Welle.
2 zeigt ein Flussdiagramm, das einen Steuerungsprozess darstellt, der in dem in 1 gezeigten adaptiven Array-Antennensystem 100 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird. Bei Schritt 202 wird das System initialisiert. Im genaueren wird eine Erneuerungsschrittzahl i der Gewichtungskoeffizienten, eine Rahmennummer n und eine Identifikationsnummer m von M Antennenelementen auf 1 gesetzt. Eine geeignete Bias-Spannung (oder Steuerungssignale für solche Bias-Spannungen) ν⁰ = (ν⁰ ₁, ν⁰ ₁, ..., ν⁰ _M) wird jeweils jedem Reaktanz-Element 111 gegeben, so dass ein nichtdirektionales Strahlmuster gebildet wird durch die Interaktion zwischen dem angetriebenen Antennenelement 108 und M nicht angetriebenen Antennenelementen 111. Mit anderen Worten wird der Gewichtungskoeffizient jedes Antennenelements so eingestellt, dass ein nichtdirektionales Strahlmuster gebildet wird. Das adaptive Arraysystem kann ein OFDM Signal, einen Rahmen, der eine Präambel enthält, und eine wie in 3 gezeigte folgende Nutzlast empfangen. Die Präambel beinhaltet das bekannte Signal d, das das für die übertragende und empfangende Seite bekannte Muster aufweist.
Beim in 2 gezeigten Schritt 204 wird ein an der Antenne 108 empfangenes Signal bearbeitet durch die Eingangsvorrichtung 112 und den Analog/Digital-Konverter 104 zum Messen des Präambel-Signals y_pre ¹, das sich im ersten Rahmen im digitalen Signal befindet.
Bei Schritt 206 werden das Präambel-Signal y_pre ¹ und das bekannte Signal d basierend auf der folgenden Gleichung zum Messen von Impulsantworten h₀ ¹ (k) im ersten Rahmen korreliert.
k = 0,1, ..., NP – 1
Hierbei ist k eine ganze Zahl von 0 bis NP – 1; NP bedeutet die Gesamtzahl der Präambel-Signallänge; und zeigt eine Komplexkonjugierte an.
Bei Schritt 208 werde gewünschte Impulsantworten h¹(k) von den gemessenen Impulsantworten hp¹(k) erzeugt.
Ein Verfahren zum Erzeugen der gewünschten Impulsantworten h¹(k) wird mit Bezug auf 4 erklärt. 4 zeigt ein schematisches Diagramm von Impulsantworten, die erhalten werden durch Berechnen der Korrelation des bekannten Signals d und des Musters y_pre ¹, das gegeben ist durch Abtasten des Präambel-Signals, das in dem n-ten Rahmen empfangen wurde. Die horizontale Achse ist eine Zeitachse und die führende Welle τ₀ und die folgenden verzögerten Wellen (Pfadkomponenten) τ₁ bis zu τ_Np-1 sind dargestellt. Die gewünschten Impulsantworten werden erzeugt, um die verzögerten Wellen zu eliminieren, die nach einer vorbestimmten Verzögerungszeit von der führenden Wellen eintreffen.
Z. B. unter der Annahme, dass eine Periode von τ₀ bis zu τ_NDeinem Schutzintervall entspricht, repräsentieren Pfadkomponenten nach τ_ND verzögerte Wellen, die nach Verzögerungen des Schutzintervalls ankommen. Folglich repräsentieren Impulsantworten, die die Pfadkomponenten (2) nach τ_ND eliminieren und sich auf Pfadkomponenten (1) von τ₀ bis τ_ND beziehen, die idealen Impulsantworten, die erhalten werden würden durch Einstellen der Richtcharakteristik der Array-Antenne, um verzögerte Wellen nach dem Schutzintervall zu unterdrücken und verzögerte Wellen innerhalb des Schutzintervalls zu empfangen. Im genaueren sind die gewünschten Impulsantworten hⁿ(k) für den n-ten Rahmen identisch mit den gemessenen Antworten h₀ ⁿ(k) für k = 0, 1, ..., ND, und identisch mit Null für k = N, D + 1, ..., NP – 1. Ein Wert von ND kann so eingestellt werden, dass dieser jeder gewünschter Zeitperiode nicht nur für OFDM Symbol Schutzintervalle entspricht. Beispielsweise kann der ND-Wert geändert werden in Abhängigkeit des Modulationsverfahrens, und es ist möglich, die 64QAM Zeitperiode zu verschmälern, die ein höheres S/N Verhältnis als das 16QAM Verfahren benötigt.
Und dann wird ein Referenzsignal r(k) durch die folgende Gleichung berechnet.
k = 0,1, ..., ND
hierbei ist k eine ganze Zahl von 0 bis NP – 1; NP bedeutet eine Gesamtabtastzahl; und * bedeutet eine Komplexkonjugierte. Das heißt, dass das Referenzsignal r(k) ein ideales Signal repräsentiert, das erhalten werden würde, wenn das bekannte Signal d erhalten wird unter dem Einfluss von idealen Impulsantworten
(Übertragungsfunktion).
Schritt 210 berechnet einen Korrelationswert ρ1 des empfangenen Präambel-Signals y_pre ¹ (das erste Rahmen-Präambel-Signal y_pre ¹ auf dieser Stufe) und das Referenzsignal r(k). Die Korrelationsberechnung wird in dem Korrelator 122 durchgeführt. Im allgemeinen wird ein Korrelationswert des n-ten Rahmen-Präambel-Signals und des Referenzsignals berechnet durch die folgende Formel
Als nächstes wird die Störungsprozedur 211 durchgeführt für jeden erneuten Schritt, um die Bias-Spannung (Gewichtungskoeffizient) jedes Reaktanz-Elements 111 sukzessiv zu erneuern.
Bei Schritt 212 wird eine minimale Veränderung der Bias-Spannung des n-ten Reaktanz-Elements durchgeführt. Momentan wird eine minimale Veränderung der Bias-Spannung des ersten Reaktanz-Elements (m = 1) in dem ersten Erneuerungsschritt (i = 1) durchgeführt. D. h. ν11 = ν11 + Δν
Die Bias-Spannungen der Reaktanz-Elemente können minimal geändert werden durch den ersten Einsteller 128. Als ein Ergebnis wird die Richtcharakteristik der Array-Antenne verändert.
Die Schritte 214, 216 warten auf das nächste Rahmen-Präambel-Signal. Momentan wird das zweite Rahmen-Präambel-Signal y_pre ² erwartet (n = 2).
Schritt 218 berechnet einen Korrelationswert ρ² eines neu empfangenen Präambel-Signals y_pre ² an der Array-Antenne nach Verändern dessen Richtcharakteristik und des Referenzsignals r(k). Diese Korrelationsberechnung wird auch in dem Korrelator 122 durchgeführt.
Bei Schritt 220 wird basierend auf einer Differenz zwischen dem Korrelationswert ρ¹, der in dem vorherigen Schritt 210 berechnet wurde, und dem Korrelationswert ρ², der bei dem aktuellen Schritt 218 berechnet wurde, die erste Komponente eines Gradienten der Korrelationswerte berechnet. D. h., dass der Gradient erhalten wird basierend auf den Korrelationswerten vor und nachdem die Bias-Spannung (Gewichtungskoeffizient) minimal verändert wurde. Jede Komponente des Gradientenvektors ∇ρ der Korrelationswerte wird berechnet durch den Gradientenberechner 124. Z. B., (∇ρ)1 = Δρ/Δν = (ρ2 – ρ1)/ΔνAndere Komponenten werden ähnlich erhalten durch die folgende Gleichung. (∇ρ)j = Δρ/Δν = (ρj+1 – ρj)/Δν.wobei (j = 1, 2, ..., M)
Bei Schritt 222 wird der minimal veränderte Bias ν₁ ¹ zurück verändert zu der originalen Bias-Spannung. Daher wird die Richtcharakteristik der Array-Antenne, die bei Schritt 212 verändert wurde, zurückgebracht zur originalen Richtcharakteristik.
Um die Bias-Spannung des nächsten Reaktanz-Elements zu verändern, wird bei Schritt 224 die Reaktanz-Element-Identifikationsnummer m um eins erhöht.
Schritt 226 bestimmt, ob alle M Reaktanz-Elemente in den Bias-Spannungen minimal verändert wurden zum Berechnen aller M Komponenten des Gradientenvektors. Wenn die Antwort NEIN ist, dann geht der Prozess zurück zu 212. Das nächste Reaktanz-Element wird minimal in dessen Bias-Spannung verändert (ν₂ ¹ = ν₂ ¹ + Δν) . Ein bekanntes Signal y_pre ³ im nächsten Rahmen wird gemessen, und ein Korrelationswert ρ³ wird berechnet. Basierend auf eine Differenz zwischen den Korrelationen ρ³ – ρ² wird die zweite Komponente des Gradientenvektors berechnet, und dann wird die minimal veränderte Bias-Spannung zurück verändert zur originalen Spannung. Ähnliche Prozeduren werden auf allen Reaktanz-Elementen wiederholt.
Wenn die Antwort bei Schritt 226 JA ist, fährt der Prozess fort zu Schritt 228, wo die Bias-Spannungen aller Reaktanz-Elemente erneuert werden durch die folgende Gleichung νi+1 = νi + μ∇ρ
Hierbei bedeutet ein Parameter i eine Erneuerungsschrittzahl, die aktuell identisch mit 1 ist, und ein Parameter μ bedeutet eine Erneuerungsschrittgröße, die momentan identisch ist mit 1. Die Bias-Spannungen werden erneuert durch einen zweiten Einsteller 130.
In Vorbereitung für einen nächsten Erneuerungsschritt werden bei Schritt 230 Parameter, so wie die Erneuerungsschrittzahl i, die Rahmenzahl n inkrementiert, und die Reaktanz-Element-Identifikationszahl m wird auf 1 zurückgesetzt.
Bei Schritt 232 wird als nächstes das Präambel-Signal y_pre gemessen, und der Prozess kehrt zurück zu Schritt 210 zum Berechnen der Korrelationswerte. Auf eine ähnliche Art und Weise werden die Gewichtungskoeffizienten erneuert.
Der Korrelationswert ρ ist eine multivariable skalare Funktion, die in Abhängigkeit von M Bias-Spannungen (ν₁, ν₂, ..., ν_M) variiert. Der Gradientenvektor ∇ρ bedeutet die Richtung, die die schärfste Veränderung in den Bias-Spannungen auf einer kurvigen Oberfläche gibt, die repräsentiert wird durch die Korrelationswerte ρ. Daher führt das entlang des Gradientenvektors ∇ρ dazu, dass der minimale Wert oder der maximale Wert der Korrelationswerte ρ am schnellsten erreicht wird. Da die Korrelationswerte ρ, die bei den Schritten 210, 218 berechnet wurden, exakt aussagen, wie sehr das Präambel-Signal y_pre mit dem Referenzsignal r korrespondiert, werden die Bias-Spannungen so erneuert, dass der Korrelationswert ρ groß wird.
3 zeigt ein Schemadiagramm eines OFDM Signals, das in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Wie oben erklärt, empfängt das adaptive Array-Antennensystem gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sukzessiv Signale, wobei ein Rahmen eine Präambel und folgende Lasten bzw. Nutzlasten umfasst. Zu der Zeit des „EMPFANGSSTART", die an der linken Seite von 3 gezeigt ist, wird das Präambel-Signal empfangen, und Schritt 204 wird ausgeführt. Der Initialisierungsschritt 202 sollte ausgeführt werden vor dem Empfang des ersten Rahmens. Bevor der erste Rahmen beendet ist, wird Präambel-Signal-y_pre Messung (Schritt 204), Impulsantwortenmessung (Schritt 206), gewünschte Impulsantworten und Referenzsignalerzeugung (Schritt 208), Korrelationswertberechnung (Schritt 210) und Bias-Spannung-Einstellung (Schritt 212) ausgeführt.
In dem zweiten Rahmen wird Präambel-Signal-y_pre Messung (Schritt 216) Korrelationswertberechnung (Schritt 218) Gradientenberechnung (220), Bias-Spannung-Einstellung (Schritt 222), Elementzahlbestimmung (Schritt 224, 226), und Bias-Spannung-Einstellung (Schritt 212) ausgeführt. Auf eine ähnliche Weise wird der Prozess von Schritt 216 bis 226 und Schritt 212 wiederholt für jeden Rahmen bis m = M + 1 ist. Im M + 1 Rahmen wird die Bias-Spannung erneuert (Schritt 228).
In dem nächsten Erneuerungsprozess, der vom M + 2 Rahmen an beginnt, werden Präambel-Signal-y_pre Messung (Schritt 232), Korrelationswertberechnung (Schritt 210) und Bias-Spannung-Einstellung (Schritt 212) durchgeführt. Vom M + 3 Rahmen wird der Prozess von Schritt 216 bis Schritt 226 und Schritt 212 wiederholt, und die gleichen Prozesse folgen. Daher benötigt es eine Länge von M + 1 Rahmen Zeit (M = die Anzahl der einzustellenden Antennenelemente) zum einmaligen Erneuern der Gewichtungskoeffizienten.
5 zeigt ein Blockdiagramm eines adaptiven Array-Antennensystems gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im allgemeinen umfasst das adaptive Array-Antennensystem 500 eine Array-Antenne 502, und einen Analog/Digital-Konverter 504, der mit dem Ausgang der Array-Antenne 502 gekoppelt ist, und eine adaptive Array-Antennen-Steuereinheit 506, die mit dem Ausgang des Analog/Digital-Konverters 504 gekoppelt ist. Die Array-Antenne 502 umfasst ein angetriebenes Antennenelement 508 und eine Vielzahl von nicht angetriebenen Antennenelementen 510. Das angetriebene Antennenelement 508 ist gekoppelt mit einer Eingangsvorrichtung 512, die eine Bandpassbegrenzung und eine Frequenzkonversion und andere Sachen ausführt. Ein Ausgang der Eingangsvorrichtung 512 bildet einen Ausgang der Array-Antenne 502 und ist verbunden mit dem Analog/Digital-Konverter 504. Jedes der nicht angetriebenen Antennenelemente 510 ist mit dem Erdpotential über ein Reaktanz-Element 512 verbunden, das durch die adaptive Array-Antenne-Steuereinheit 506 gesteuert wird. Das angetriebenen Antennen-Element 508 und die nicht angetriebenen Antennen-Elemente 510 interagieren miteinander elektromagnetisch und bilden eine räumlichen Kombinationstyp einer Array-Antenne, die ihre Richtungscharakteristik verändern kann in Abhängigkeit von räumlichen Beziehungen unter den Antennenelementen und Impedanzen der Reaktanz-Elemente 511.
Die adaptive Array-Antennen-Steuereinheit 506 umfasst eine Impulsantwort-Messvorrichtung 514 und eine Verzögerungsvorrichtung 515, die mit dem Ausgang des Analog/Digital-Konverters 504 verbunden sind. Die Verzögerungsvorrichtung 514 verzögert die Signalausgabe von dem Analog/Digital-Konverter 504 für eine vorbestimmte Verzögerungszeit und führt das verzögerte Signal der Impulsantwort-Messvorrichtung 514 zu. Die Impulsantwort-Messvorrichtung 514 berechnet die Korrelation des Signals vom Analog/Digital-Konverter 504 und dem verzögerten Signal von der Verzögerungsvorrichtung 515 zum Messen der Impulsantworten. Die Verzögerungszeit in der Verzögerungsvorrichtung 515 ist identisch mit dem Kehrwert (1/f₀) des Frequenzintervalls f₀ zwischen Unter-Wellenträgern, die in OFDM Signalen verwendet werden.
6 zeigt eine zeitliche Beziehung zwischen dem digitalen Signal, das in die Impulsantwort/Messvorrichtung 514 eingegeben wird, und dessen verzögertem Signal. Ein Symbol weist eine Gesamtzeitperiode T_s auf, die eine Schutzintervallzeit T_g aufweist, und effektive Symbole besitzen eine Länge von 1/f₀ Länge. Wie in 6 gezeigt, ist das niedrigere Signal um eine Periode 1/f₀ verzögert. Der Endabschnitt in den effektiven Symbolen (1/f₀) wird auf das Schutzintervall kopiert. Deshalb bedeutet die Berechnung der Korrelation eines Signals und eines anderen um 1/f₀ verzögerten Signals eine Selbstkorrelationsberechnung für den Schutzintervallabschnitt, und das Ergebnis zeigt eine Impulsantwort.
Mit Bezug auf 5 werden daher gemessene Impulsantworten in einen Impulsantworterzeuger 516 eingegeben zum Erzeugen gewünschter Impulsantworten, wie oben beschrieben. Der Impulsantworterzeuger 116 erzeugt basierend auf den gemessenen Impulsantworten gewünschte Impulsantworten, wie unten beschrieben. Eine Ausgabe des Impulsantworterzeugers 516 ist mit einem Referenzsignalerzeuger 518 verbunden. Der Referenzsignalerzeuger 518 erzeugt basierend auf den gewünschten Impulsantworten und dem bekannten Signal d ein Referenzsignal. Dieses Referenzsignal und das digitale Signal von dem Analog/Digital-Konverter 504 werden in eine adaptive Steuereinheit 520 eingeben, die adaptiv einen Gewichtungskoeffizienten jedes Antennenelements steuert. Die adaptive Steuereinheit 520 stellt den Gewichtungskoeffizienten jedes Antennenelements auf dieselbe oben beschriebene Art und Weise ein.
Gemäß dieser Ausführungsform wird kein bekanntes Signal, so wie ein Präambel-Signal y_pre, benötigt zum Messen der Impulsantworten und Erzeugen des Referenzsignals, und die Berechnung kann einfach durchgeführt werden basierend auf der Selbstkorrelation von den Lastteilen und dem Analog/Digital-Konverter 104.
In den oberen Ausführungsformen können die Array-Antennen 102, 502 einen räumlichen Bearbeitungstyp einsetzen, können aber auch andere Typen von Antennensystemen einsetzen.
7 zeigt einen RF-Bearbeitungstyp System (oder Phasen-Array-System) als ein Beispiel eines anderen Typs eines Antennensystems. Wie gezeigt ist jedes einer Vielzahl von Antennenelementen 708 bereitgestellt mit einer Eingangsvorrichtung 712. Ein Ausgang jeder Eingangsvorrichtung 712 ist verbunden mit einem Gewichtungseinsteller 711, der eine Amplitude und Phase eines empfangenen Signals einstellt. Ausgaben aus den Gewichtungseinstellern 711 sind alle verbunden mit einer Kombiniervorrichtung 714, die ein gewichtetes und kombiniertes analoges Signal ausgibt. Dieses analoge Signal wird in den folgenden Analog/Digital-Konverter 104 (nicht dargestellt) eingegeben. Die Einstellungen der Amplituden und Phasen in den Gewichtungseinstellern 711 werden durchgeführt basierend auf Steuerungssignalen von der adaptiven Array-Steuereinheit 106 (nicht dargestellt).
In den räumliche Bearbeitungstypsystemen, die in 1 gezeigt sind, und den RF-Bearbeitungstypsystem, das in 7 gezeigt ist, wird das gewichtete und kombinierte analoge Signal konvertiert durch einen Analog/Digital-Konverter, um ein Signal zu bilden, das einem Digitalbearbeitungsteil zugeführt wird (dem Demodulations-Schaltkreis und adaptiven Array-Antenne-Steuereinheit folgend), und daher werden hinsichtlich Energieverbrauch, Schaltkreis-Größe und Kosten Vorteile erreicht. Das RF Bearbeitungstypsystem, das in 7 gezeigt ist, kann die Amplitude und Phase unabhängig voneinander einstellen, und die größte Verhältniskombination ist möglich in der Kombinierungsvorrichtung 714, und daher ist diese vorteilhaft in der Durchführung hochgenauer Steuerung, verglichen mit dem System aus 1. Das räumliche Bearbeitungssystem, das in 1 gezeigt ist, steuert lediglich Reaktanz-Elemente, und ist vorteilhaft im Bilden eines einfachen Systems verglichen mit dem System aus 7, das separat ein Reaktanz-Element und ein Kapazitätselement für jedes Antennenelement steuert.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen werden Pfadkomponenten (angezeigt durch (1) in 4), die innerhalb einer vorbestimmten Zeit von der führenden Welle enthalten sind, extrahiert von allen Pfadkomponenten, die in den Pulsantworten enthalten sind, um gewünschte Impulsantworten und ein Referenzsignal zu erzeugen, und um einen Korrelationswertes zu berechnen, der größer zu machen ist. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf dies limitiert. Beispielsweise ist es möglich, Pfadkomponenten ((1) in 4) innerhalb einer vorbestimmten Zeit von der führenden Welle zu löschen und die übrigen Pfadkomponenten ((2) in 4) nach der vorbestimmten Zeit zu extrahieren, um Impulsantworten zu erzeugen. Ein Referenzsignal r, das erhalten wird durch eine Faltungsberechnung von so erzeugten Impulsantworten und einem bekannten Signal d resultiert in Signalen, die erhalten werden durch lediglich Empfangen von Verzögerungssignalen, die nach der vorbestimmten Zeit ankommen. Daher können in diesem Fall die Gewichtungsfaktoren so gesteuert werden, um eine Korrelation des Referenzsignals und ein Präambel-Signal auf Null zu bringen, so dass die verzögerten Signale, die nach einer vorbestimmten Zeit ankommen, entfernt werden.
Einige verzögerte Wellen (selbst innerhalb einer gewünschten Zeitdauer), die Signalniveaus aufweisen, die größer sind als notwendig, können ein DU-Verhältnis verschlechtern (gewünscht zu ungewünscht Verhältnis, Englisch: desired to undesired ratio, Leistung der führenden Welle/Durchschnittsleistung der verzögerten Wellen) und ein Symbol-Zu-Fehlerverhältnis verschlechtern. Folglich ist es vorteilhaft Pfadkomponenten zu entfernen, die Niveaus aufweisen, die größer sind als ein vorbestimmtes Niveau bei Impulsantworterzeugern 116, 516.
In einem in 8 gezeigten Beispiel werden nicht nur verzögerte Pfadkomponenten τ_ND+1 bis τ_ND-1 sondern auch eine Pfadkomponente τ₁, die eine vorbestimmte Grenze A_TH übersteigt, entfernt. Die so erzeugte Faltungsberechnung der Impulsantworten und des bekannten Signals d stellt das ideal empfangene Signal her, das empfangen werden würde mit Pfadkomponenten τ₁ und τ_ND+1, und nachdem diese unterdrückt wurden. Daher ist es durch Einstellen der Gewichtungsfaktoren, so dass das aktuell empfangene Signal in der Nähe des Referenzsignals ist, möglich, ein Strahlmuster zu bilden, das verzögerte Wellen und Wellen unterdrückt, die das DU-Verhältnis verschlechtern.
Wie oben beschrieben, können adaptive Steuereinheiten gemäß den Ausführungsformen zum Steuern von räumlichen Bearbeitungstypen oder RF Bearbeitungstypen von Array-Antennen adaptiv die Gewichtungsfaktoren der Array-Antenne steuern, und können Pfadkomponenten unterdrücken, die nach einer bestimmten Verzögerung ankommen, während der Leistungsverbrauch reduziert wird.
In den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird vor dem Starten des Gewichtungskoeffizient-Erneuerungsprozesses (Schritt 210 und danach) eine Array-Antenne 102 so eingestellt, dass diese nicht gerichtet ist, Impulsantworten werden gemessen (Schritt 204), gewünschte Impulsantworten werden erzeugt (Schritt 206) und ein Referenzsignal wird erzeugt (Schritt 208). Daher ist es möglich, genau die Stärken und Richtungen der führenden Welle und verzögerten Wellen zu ermitteln, um genau zu unterdrückende Pfadkomponenten zu ermitteln, und um den Antennenstrahl zu einer gewünschten Welle zu dirigieren oder zum Dirigieren der Null zu einer verzögerten Welle.
Des weiteren ist es auch vorteilhaft, zu Regulieren oder wenn gewünscht, die Array-Antenne nicht auszurichten, und die Schritte nach dem Initialisierungsschritt 202, der in Schritt 2 gezeigt ist, auszuführen, da die Kommunikationsumgebung des mobilen Kommunikationssystems sich während der Zeit kontinuierlich ändert. Wenn sich die Kommunikationsumgebung verändert, verändern sich die Impulsantworten (auf denen gewünschte Impulsantworten und ein Referenzsignal basieren). Folglich ist es gewünscht, die Impulsantworten zusammen mit der Veränderung der Kommunikationsumgebung geeignet zu verändern.
Beispielsweise gibt es eine Tendenz, dass die Gewichtungskoeffizienten konvergiert werden in einen Wert, um ein stärkeres gerichtetes Antennenmuster bereitzustellen, wenn sich die Erneuerungsschrittzahl vergrößert. Jedoch gibt es in einem Fall, wo eine Gewichtungskoeffizientvariation zwischen vor und nach Erneuerung übermäßig groß ist, eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass eine gewünschte Wellenrichtung oder eine ungewünschte Wellenrichtung verändert wird aufgrund der Veränderung in der Kommunikationsumgebung. Folglich ist es vorteilhaft, wenn die Gewichtungskoeffizientvariation größer ist als ein vorbestimmter Wert, anzunehmen, dass sich die Kommunikationsumgebung verändert, und die Array-Antenne auf ungerichtet einzustellen.
Wenn sich die Kommunikationsumgebung verändert, wird sich die Richtung oder die Zeitverzögerung einer gewünschten oder ungewünschten Welle sehr wahrscheinlich verändern. In diesem Fall, wenn eine Pfadkomponentenvariation größer wird als ein vorbestimmter Wert, ist es vorteilhaft anzunehmen, dass sich die Kommunikationsumgebung verändert, und die Array-Antenne auf ungerichtet einzustellen.
Gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es möglich, Pfadkomponenten zu unterdrücken, die nach einer Verzögerung über eine vorbestimmte Verzögerungszeit von einer führenden Welle empfangen wurden, während der Energieverbrauch reduziert wird.
Des weiteren ist die vorliegende Erfindung nicht begrenzt auf diese Ausführungsformen, sondern unterschiedliche Variationen und Modifikationen können durchgeführt werden, ohne sich von dem Bereich der vorliegenden Erfindung zu entfernen, wie dieser offenbart ist in den beigefügten Zeichnungen.
Die vorliegende Anmeldung basiert auf der japanischen Prioritätsanmeldung Nr. 2002-380640, die am 27. Dezember 2002 beim japanischen Patentamt eingereicht wurde.

Claims

Eine adaptive Array-Antennen-Steuereinheit, die adaptive Gewichtungskoeffizienten einer Vielzahl von Antennenelementen einer Array-Antenne basierend auf einem digitalen Signal steuert, das von einem ein gewichtetes analoges Signal empfangenden Analog/Digital-Konverter ausgegeben wird und von einer Array-Antenne empfangen wird, umfassend: eine Impulsantwort-Messvorrichtung (114) zum Erhalten von Impulsantworten basierend auf einer Korrelationsberechnung des digitalen Signals und eines bekannten Signals, das ein vorbestimmtes Muster aufweist; einen Impulsantwort-Erzeuger (116) zum Extrahieren von innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer existierenden Pfadkomponenten aus einer Vielzahl von Pfadkomponenten, die in den Impulsantworten enthalten sind, und zum Erzeugen von gewünschten Impulsantworten; einen Referenzsignal-Erzeuger (118) zum Bilden eines Referenzsignals, das ein gewünschtes Muster aufweist, basierend auf einer Faltungsberechnung der gewünschten Impulsantworten und des bekannten Signals; und eine adaptive Steuereinheit (120) zum Einstellen der Gewichtungskoeffizienten basierend auf dem digitalen Signal und dem Referenzsignal.
Die adaptive Array-Antennen-Steuereinheit nach Anspruch 1, wobei die adaptive Array-Antennen-Steuereinheit ein kombiniertes gewichtetes analoges Signal empfängt, das von der Array-Antenne, die die empfangenen Signale von den Antennenelementen kombiniert, empfangen wurde.
Die adaptive Array-Antennen-Steuereinheit nach Anspruch 1, wobei die adaptive Array-Antennen-Steuereinheit das gewichtete analoge Signal empfängt, das von der Array Antenne, die eine Vielzahl von nicht betriebenen Antennenelementen und ein betriebenes Antennenelement umfasst, empfangen wurde.
Die adaptive Array-Antennen-Steuereinheit nach Anspruch 1, wobei der Impulsantwort-Erzeuger die gewünschten Impulsantworten durch Extrahieren von Pfadkomponenten, die innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer existieren, von einer führenden Wellenform von den Pfadkomponenten erzeugt, die in den Impulsantworten enthalten sind; und die adaptive Steuereinheit einen Korrelationswert des digitalen Signals und des Referenzsignals berechnet und die Gewichtungskoeffizienten einstellt, um den Korrelationswert groß zu machen.
Die adaptive Array-Antennen-Steuereinheit nach Anspruch 1, wobei der Impulsantwort-Erzeuger die gewünschten Impulsantworten durch Extrahieren von Pfadkomponenten, die außerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer existieren, von einer führenden Wellenform von den Pfadkomponenten erzeugt, die in den Impulsantworten enthalten sind; und die adaptive Steuereinheit einen Korrelationswert des digitalen Signals und des Referenzsignals berechnet und die Gewichtungskoeffizienten einstellt, um den Korrelationswert klein zu machen.
Die adaptive Array-Antennen-Steuereinheit nach Anspruch 1, wobei das digitale Signal einen Präambelteil und einen Ladungsteil umfasst, und die Impulsantwort-Messvorrichtung die Impulsantworten durch Verwenden eines Signals erhält, das im Präambelteil enthalten ist.
Die adaptive Array-Antennen-Steuereinheit nach Anspruch 1, wobei das digitale Signal einen Präambelteil und einen Ladungsteil umfasst, und die Impulsantwort-Messvorrichtung die Impulsantworten durch Verwenden eines Signals erhält, das im Ladungsteil enthalten ist.
Die adaptive Array-Antennen-Steuereinheit nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Verzögerungsvorrichtung, wobei ein Eingang mit dem Ausgang eines Analog/Digital-Konverters verbunden ist, zum Verzögern eines Eingangssignals um eine vorbestimmte Verzögerungszeit; wobei die Impulsantwort-Messvorrichtung mit dem Ausgang des Analog/Digital-Konverters und dem Ausgang der Verzögerungsvorrichtung verbunden ist, und die vorbestimmte Verzögerungszeit gleich der Differenz ist, die durch Subtrahieren einer Schutzintervalllänge von einer Symbollänge einer Vielzahl von die Ladung bildenden OFDM-Symbolen erhalten wird.
Die adaptive Array-Antennen-Steuereinheit nach Anspruch 1, wobei die adaptive Steuereinheit ferner umfasst: einen Korrelator (122) zum Berechnen eines Korrelationswertes des digitalen Signals und des Referenzsignals; einen Einsteller (126) zum Ändern der Gewichtungskoeffizienten der Antennenelemente; und einen Gradientenberechner (124) zum Berechnen eines Gradienten basierend auf Korrelationswerte vor und nach Änderung der Gewichtungskoeffizienten; wobei die Gewichtungskoeffizienten erneuert sind basierend auf dem Gradienten der Korrelationswerte.
Die adaptive Array-Antennen-Steuereinheit nach Anspruch 1, wobei die Impulsantworten, die gewünschten Impulsantworten und das Referenzsignal basierend auf dem digitalen Signal erzeugt werden, das erhalten wird, wenn die Array-Antenne ein ungerichtetes Antennenmuster bildet.
Die adaptive Array-Antennen-Steuereinheit nach Anspruch 10, wobei die Impulsantworten, die gewünschten Impulsantworten und das Referenzsignal erzeugt werden, wenn eine Impulsantwortvariation, die durch die Impulsantwort-Messvorrichtung erhalten wird, größer wird als ein vorbestimmter Grenzwert.
Die adaptive Array-Antennen-Steuereinheit nach Anspruch 10, wobei die Impulsantworten, die gewünschten Impulsantworten und das Referenzsignal erzeugt werden, wenn eine Variation in den sukzessiv erneuerten Gewichtungskoeffizienten größer wird als ein vorbestimmter Grenzwert.
Die adaptive Array-Antennen-Steuereinheit nach Anspruch 1, wobei der Impulsantworterzeuger die gewünschten Impulsantworten erzeugt, um jede Pfadkomponente zu eliminieren, die in den Impulsantworten enthalten ist, die einen vorbestimmten Signalpegel übersteigen, mit Ausnahme einer führenden Wellenkomponente.