JP2000504194A - 受信信号に対する自己相関行列の最大固有値に対応する固有ベクトルを利用した信号処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は望ましいビームパターンで干渉及びノイズの影響を減少することによって通信品質を向上し、通信品質を通信容量を増加させるための信号処理方法である。信号処理方法は配列アンテナシステムで受信された信号の自己相関行列の最大固有値に相応する固有ベクトルを計算することによってビームパターンを提供する。本発明の信号処理方法は望みの信号の方向によって最大利得を持って、可能な低いレベルの干渉信号の方向によって利得を維持する望ましいビームパターンを生成するための単純化されたコンピュータ技術に関するものである。

Description

【発明の詳細な説明】 受信信号に対する自己相関行列の最大固有値に対応する固有ベクトルを利用し た信号処理方法 背景技術 本発明は無線通信システムのための信号処理技術に関し、特に配列アンテナを 利用する通信システムにおいて、リアルタイムでビームパターンを調節すること によって干渉及び雑音に影響を減らすための信号処理方法に関するものである。 従来技術 一般に、ある送信機により伝送される元来の信号（簡略に元信号という）は他 の多数の干渉信号と共に受信機で雑音と共に常に受信されられる。通信歪曲の程 度は元信号電力と元信号の干渉とあらゆる干渉信号の総電力間における割合で決 定されるので、元信号のレベルが各干渉信号よりはるかに大きくても干渉信号の 数がより多ければあらゆる干渉信号の総電力が増加して通信歪曲が深刻な問題を 生じ ることができる。 従来の通信システムにおいて、このような干渉信号は元信号から情報を抽出す ることを非常に難しくようにする。配列アンテナシステムが干渉信号により引き 起こされる問題点を改善する対策として考慮されているが、実質的な通信システ ム、特に移動通信システムにおいて配列アンテナを同期させる実質的な方法がま だ提案されていない。固有値分離(Eigen Decomposition)方法に基づいた従来の 配列アンテナシステムを適用する問題は通信システムにおいてリアルタイム処理 のためにあまり大きい動作速度と複雑性に主に起因する。 配列アンテナシステムに関する従来技術が次の参照文献に紹介されている。 ［参照文献］ [１]M．Kaveh and A.J.Barabell、The Statistical Performance of the MU SIC and Minimun-NormAlgorithms for Resolving Plane Wavesin Noise、"IEEE Trans.、Acoust.、speech and signal process.、vol.ASSP-34、pp.331-341、Ap ril 1986。 [2]T.Denidni and G.Y.Delisle、"ANonlinear Algorithm for Output Power M aximization of an Indoor Adaptive Phased Array、"IEEE Electronmagnetic Compatib ility、vol．37、no．2、pp．201-209、May，1995。 [3] B.G．Agee，S.V.Schell，and W.A．Gardner，"Spectral Self-Coherence Restoral：A New Approach to Blind Adaptive Signal Extraction Using Anten na Arrays"，Proc．of IEEE，Vol．78，No．4，pp．753-767，Apr.1990。 上記参照文献[3]に紹介されている方法を除いて、配列アンテナシステムをデ ザインする大部分の従来方法における問題点は、第一、元信号の位置に関する事 前情報を必要とし、第二、リアルタイム処理が遂行されることができないほどの 多くの計算を必要とするということである。特に、元信号の方向または信号源の 総数が分からない時要求される計算量が非常に大きいので移動通信システムのよ うな実質的な信号環境に配列アンテナシステムを同期させる方法を適用すること は不可能である。 配列アンテナシステムをデザインする大部分の従来の方法のもう一つの短所は 、内装されているシステムの性能及びその複雑性が干渉信号に対して元信号のコ ヒアランス及び相関(cross correlation)により影響を受けるということである 。これは信号が完全にまたは部分的にコヒアラントする時、配列アンテナシステ ムが付加的な複雑性を必要とするということを意味し、それで特に通信システム で非 常に重要なリアルタイム処理に対して最終システムがあまり複雑になるというこ とを意味する。参照文献[3]に言及されたまた別の従来の方法は、元信号が干渉 信号から適切な時間遅延で特定周波数分離で抽出されることができない場合は全 く作動しない。 本発明は、干渉信号の方向によっては相対的に非常に低いレベルの利得を維持 し、元信号の方向によっては最大利得を持つビームパターンを提供する配列アン テナシステムをデザインする新しい信号体系を提示している。元信号が各干渉信 号より十分に大きいという仮定下で本発明は干渉信号だけでなく元信号に関する いかなる事前情報も要求しなくて要求されたビームパターンを発生する。本発明 の主要長所は総計算量が非常に少ないのでリアルタイムを基盤として配列アンテ ナシステムの最適のパラメタが生成されるということである。実際に、本発明で 提示された配列アンテナシステムのビーム形成モジュールを形成する信号処理装 置は、現在流通されているデジタル信号処理で容易に具現されることができる。 本発明は、それぞれのセル加入者に個別的に提供されている良好なビームパタ ーンで各セル加入者の信号を送受信する移動通信システムの基地局に適用するた めに配列アンテナのビーム形成モジュールをデザインする新しい信号処 理方法を提供することである。 また本発明は、移動通信だけマなくWLL(無線ローカルループ）のような他の信 号環境及び他の固定通信に適用されることができる。 発明の開示 上記問題点を解決するための本発明は、良好なビームパターンで干渉及び雑音 の影響を減少させることによって通信品質を向上して通信用量を増加させる信号 処理方法を提供するのにその目的がある。また本発明の目的は、配列アンテナシ ステムで受信された信号の自己相関行列の最大固有値に相応する固有ベクトルを 改善することによってビームパターンを提供するのにその目的がある。 本発明の目的は、干渉信号の方向によっては可能ならば非常に低いレベルの利 得を維持し、元信号の方向によっては最大利得を持つビームパターンを提供する ための単純化された計算方法を提供することである。 上記目的を達成するための本発明は、受信信号に対する自己相関行列の最大固 有値に対応する固有ベクトルを利用した配列アンテナシステムの信号処理方法に おいて、a)所定値で初期推定値v(0)を設定し、正規化された推定ベクト ル(すなわち、v(0)=x(0))で初期利得ベクトルw(0)を設定し、スナップショット インデックスnをn=1に設定する段階、b)現在のスナップショットで受信された新 規信号ベクトルx(n)を受信して自分相関行列Rx(n)をRx(n)=fRx(n-1)+(1-f)x(n)x H(n)に更新し、Rx(0)=x(0)xH(0)により初期行列が初期信号ベクトルに設定され て忘却因子(0≦f<1)が0と1間の値に設定される段階、c)新規自己相関行列からの 推定ベクトルv(n)及び利得ベクトルw(n)を各々v(n)=Rx(n)w(n-1)及びw(n)=v(n)/ ‖v(n)‖に更新する段階、d)現在のスナップショットでこれ以上の反復が要求さ れれば次の段階e)に進行し、現在のスナップショットでこれ以上の反復が要求さ れなければ上記f段階に復帰する段階、e)現在のスナップショットでこれ以上の 反復が要求されればw(n-1)←w(n)に置いて段階c)に復帰する段階、及びf)現在の スナップショットで最終配列アンテナ出力値y(n)をy(n)=wH(n)x(n)に更新して次 のスナップショットでの進行を続けるため増分されたスナップショットインデッ クスn←n+1に上記段階b)に復帰する段階でなる。 また、上記目的を解決するため本発明は、a)所定の値で初期推定ベクトルv(0) を設定し、正規化された推定ベクトル(すなわち、v(0)=x(O)及びw(0)=v(0)/‖v( 0)‖)で初期利得ベクトルw(0)を設定し、スナップショットインデックス nを1(すなわち、n=1)に設定する段階、b)現在のスナップショットで新規信号ベ クトルx(0)を受信する段階、c)上記新規信号ベクトルからの上記推定ベクトルv( n)及び利得ベクトルw(n)を各々v(n)=fv(ｎ-1)+(1-f)x(n)xH(n)w(n-1)及びw(n)=v (n)/‖v(n)‖に更新して忘却因子を0と1間の値(0≦f<1)に設定する段階、d)現在 のスナップショットでこれ以上の反復が要求されれば次のe)段階に進行し、現在 のスナップショットでこれ以上の反復が要求されなければ上記f)段階に復帰する 段階、e)現在のスナップショットでこれ以上の反復が要求されればv(n-1)←v(n) 及びw(n-1)←w(n)として上記c)段階に復帰する段階、f)現在のスナップショット で最終配列アンテナ出力値y(n)をy(n)=wH(n)x(n)に更新して次のスナップショッ トでの進行を続けるため増分されたスナップショットインデックス(n←n+1)に上 記段階b)に復帰する段階でなる。 また上記目的を達成するため本発明は、a)初期推定ベクトルv(0)をv(0)=x(0) になるように初期信号ベクトルx(0)に設定してw(0)=v(0)/‖v(0)‖を初期利得ベ クトルw(0)を正規化された推定ベクトルに設定し、スナップショットインデック スnを1(n=1)に設定する段階、b)現在のスナップショットで新規信号ベクトルx(n )を受信する段階、c)上記新規信号べクトルからの上記推定ベクトルv(n)及び利 得ベ クトルw(n)を各々v(n)=ｆv(n-1)+(1-f)x(n)xH(n)w(n-1)及びw(n)=v(n)/‖v(n)‖ に設定し、忘却因子ｆを0と1間の値(0≦f<1)に設定する段階、d)現在のスナップ ショットでの最終配列アンテナ出力値y(n)をy(n)=wH(n)x(n)に発生して、次のス ナップショットを続けるためスナップショットインデックスnをn←n+1に増分さ せて上記段階b)に復帰する段階でなる。 図面の簡単な説明 本発明の特徴及び長所だけでなく他の新しい特徴が添付した図面と関連した特 定実施例の詳細な説明によってよく分かるはずである。 図1は本発明に係る信号処理方法を適用した配列アンテナシステムのブロック 図、 図2Aは本発明が第1実施例に係る利得ベクトル(w)を計算する4段階を説明する 流れ図、 図2Bは本発明の第2実施例に係る利得ベクトル(w)を計算する6段階を説明する 流れ図、 図2Cは本発明の第3実施例に係る利得ベクトル(w)を計算する4段階を説明する 流れ図、 図2Dは本発明の第4実施例に係る利得ベクトル(w)を計算 する6段階を説明する流れ図、 図3Aはマイクロプロセッサーを利用してターゲット利得ベクトルを求めるのに 要求されるクロック数を示したグラフ図、 図3Bは本発明によって具現された配列アンテナのSIR及びSNR性能を示したグラ フ図。 発明の最良の実施形態 以下、図面を参照して本発明の望ましい実施例を説明する。 本発明で提示する信号処理方法は所望している信号方向への利得は最大とし、 その他の方向には利得を最小化するビームパターンを持つようにする適切な利得 ベクトルw(weight vector)を提供し、これを具現するのには二つの方案がある 。 その第１は配列アンテナの各アンテナ素子にかける複素利得値を最適化する方 案があり、第２は各アンテナ素子に加える位相遅延値を最適化する方案がある。 上記第１の方案で上記利得ベクトルの各要素が信号ベクトルの各要素にかけられ るため、上記利得ベクトルをウェイトベクトル(weight vector)ということもあ る。 次の２種類の理由のため本明細書では上記第１番目方案に対するだけ詳細に説 明する：第一で上記２種類の方案は数学的に等価で、第二で上記２度目の方案が そのビーム形成の性能もハードウェア面でより高く、角度の正確性面で上記第１ 番目の方案より劣等である。しかし、上記第２番目の方案は本明細書で説明され る内容によりとても容易に実施可能である。したがって、第２番目の方案で具現 される信号処理方法はここに紹介されたアイディアを利用するかぎり本発明に属 する。 すなわち、本発明は望みのビームパターンを形成するように複素利得ベクトル wの値を決定することにより、窮極的にはアンテナ素子に誘起された信号等と上 記複素利得ベクトルwの内積(Euclidean inner product)結果の配列アンテナの 出力を望みの値に近接させようとすることである。 上記複素利得べクトルwの全ての要素(element)の大きさを1に正規化すれば各 アンテナ素子に誘起された信号値に上記複素利得ベクトルwをかけるということ はその信号に複素利得ベクトルwの位相ぐらいの位相遅延を加えることになる。 したがって、配列アンテナを構成している各アンテナ素子に付加する位相遅延の 値を決定することと帰結できる。上記した通り、i番目アンテナ素子に付加する 位相遅延をφiといえば、キャリア周波数(fc)の２π倍でφiを 分けた値ぐらいの時間遅延を附加しても同じ効果を得ることができる。 隣接したアンテナ素子間の距離をλc /2(ただ、λcは入力信号のキャリア周 波数の波長）にきめた線形配列アンテナの場合、m番目アンテナ素子に誘起され る信号は周波数低域遷移後に次の通り表すことができる。 ただ、θkはk番目信号の入射角で、S(t)は受信端で見たk番目送信信号である 。 数式(1)で下添字mは、次のページで定義される、基準アンテナの場合をm=1に して受信あるいは送信信号の位相大きさの順にm=2、3、…、Nのように番号が付 けられる。 上記数式(1)で、M個の信号成分中いずれかの一つが元信号であり(本発明では 、便宜上最初信号Sl(t)を"元信号"とし、元信号の入射角は"θ1"という）、残り M-1個の信号は干渉信号として雑音nm(t)と共に通信を妨害する要素である。また 、上記数式(1)は均等間隔の線形配列アンテナの場合のための式であるが、本発 明で提供されている技術はアンテナ間の距離が均等でなかったり、線形配列でな い場合にも一般的に適用される技術である。 あるアンテナ(m番目アンテナ)と基準アンテナとの距離をdmといえばそのアン テナの信号は基準アンテナの信号と2π・dm／(λ csinθk )だけの位相差が起 こるようになる。したがって、非均等間隔または非線形配列の場合m番目アンテ ナに誘起される信号は次の通り表すことができる。 本発明では上記各アンテナ素子に加える位相遅延あるいは時間遅延を全部正数 (+)に作るために、受信モードでは最も位相が遅い信号が誘起されるアンテナ素 子を基準アンテナ素子とし、送信モードでは信号の伝達方向が反対であるから最 も位相が速いアンテナ素子が基準アンテナ素子になるようにする。このように基 準アンテナ素子を定義すれば、実際に配列アンテナを設計するにあって、上記基 準アンテナ素子に誘起される信号には常に0位相を加えて(変化を加えないことを 意味する)、その他のアンテナ素子には全部陽の位相差を加えて難無く設計でき るようになる。万一、上記配列アンテナがN個のアンテナ素子で構成されている ならば、毎スナップショットごとにN-by-1信号ベクトルを受けるようになる。受 信される信号の自己相関行列は下記数式(2)で表すことができる。 ここで"2スナップショット"ということは配列アンテナに入射される信号を観 測して新しい利得ベクトルw(あるいは位相遅延ベクトル)を計算する時間をいっ て、本発明では、毎スナップショットごとに新しく入射される信号値に適応する 利得ベクトル(あるいは、位相遅延ベクトル)を算出することで、現在入射された 信号値に適応する配列アンテナを毎スナップショットごとに設計できる。 ただ、上記数式でアンダーライン(underline)はベクトルを表示したことであ って、TSはスナップショットの周期で、上添字Hはハミシャン(Hermitian)演算子 である。要素の個数がN個のN-by-1信号ベクトルx(t)は上記数式(1)に説明された 入力信号xm(t)、m=1、2、・・・、Nで、次の通り構成される。 ただ、上添字Tは転置(transpose)演算子である。 しかし、上記数式(2)はM個の信号成分の入射角が変わらない時だけ有効で、時 変換環境、すなわち移動通信環境と 共にそれぞれの信号源が通信途中に動く時は入射角が毎スナップショットごとに 変わるので上記数式(2)では正しい自己相関行列を構成出来なくなる。 したがって、時変換環境では次の通り忘却因子を導入して反復的な方法で自己 相関行列を近似的に計算することが望ましい。 ただ、Rx(J+1)とRx(J)は各々J+1番目とJ番目スナップショットの自己相関行列 で、ｆは0と1間の値を取る忘却因子である。通信環境は時変換であるため、本発 明では、特に移動通信環境で上記数式(2)よりは上記数式(4)を利用して自己相関 行列を計算する。 多様なコンピュータ模擬実験の結果、本発明の技術を一般的な陸上移動通信環 境に適用する場合、忘却因子の値を0.8〜0.99範囲内ですることが最適の性能を 発揮することが分かった。 これから、最適配列アンテナ設計に関して実施例でもう少し具体的に説明する 。上記数式(2)あるいは数式(4)により決定される自己相関行列の固有値λiを大 きさ順に羅列すればλ1≧λ2≧・・・≧λNのようになるのに、上記最 大の固有値｛λ1}は信号の総個数Mとアンテナ素子の個数Nに関係なく信号成分ら により決定される固有値である。 したがって、上記最大固有値λ1に対応する正規化された固有ベクトルをe1と いえば、e1は次の通り信号サブ功間(signal subspace)に存在することが分かる 。 ただ、複素値ξiは元信号及び干渉信号等の大きさ及び入射角の分布により決 定される常数であり、a(θi )はi番目入射信号の入射角θiにより決定される方 向ベクトルとして、 に決定される。 ここで、望みの信号のレベルがその他の信号、すなわち干渉信号、それぞれの レベルより顕著に大きいと仮定してみよう。 すなわち、 数式(7)の条件が満足される信号環境では数式(5)の固有ベクトルe1を次の通り 近似化できる。 すなわち、ξ1は望みの信号の入射角により決定される方向ベクトルa(θ1)と ほとんど同じ方向になる。したがって、望みの信号レベルが干渉信号それぞれの レベルより十分に大きいという条件では、各アンテナ素子に加える位相遅延ベク トルwを最大固有値の相応ベクトルe1に決定すれば、配列アンテナのビームパタ ーンは最大利得を元信号方向のθ1の方に近似するようになることである。 したがって、本発明では配列アンテナの位相遅延ベクトルを次の通り提示して いる。 ここで、固有ベクトルを常数で分けたことは配列アンテナの性能を分析する時 に計算上の便利のためのことである。次いで、いかなる方法で最適の位相遅延ベ クトルを求めるかに対し注意深くみるようにする。前で説明した通り、元 信号の電力が干渉派それぞれの電力より飛び切り強い信号環境では、元信号方向 に最大利得を形成する理想的なビームパターンを持つ配列アンテナは、上記最大 固有値λ1に対応する正規化された固有ベクトルe1でwを決定することにより、近 似的に求めることができる。しかし、自己相関行列を求める自体も上記数式(2) と数式(4)の通り少なくない計算が必要とし、さらに最大固有値に対応する固有 ベクトルを求めることは簡単ではない。 問題をより一層難しくすることは移動通信と共に信号環境が時変換である場合 毎スナップショットごとに元信号の入射角が変化するので変化した入射角に合せ て固有ベクトルを求めるべきだということである。時変換信号環境を考慮して、 本発明は反復的な方法で最大固有値ベクトルe1の近似値で利得ベクトルwを算出 する方案を提示する。これは毎スナップショットごとに主に到着角(arrival an gles)の差に基づく時変換状態を持っている新たな信号ベクトルの受信によりそ の直前に求めたウェイトベクトルが更新されることを意味する。自己相関行列の 最大固有値に相応する正規化された固有ベクトルを利用して上記ウェイトベクト ルを決める反復的な方法が以下で詳細に説明される。 一般に行列の最大固有値に対応する固有ベクトルは公知の技術である冪級数方 法(Power Series Method：以下P SMという）を利用して求めることができる。本発明で考慮している信号環境は望 みの信号の強さがそれぞれの干渉信号より飛び切り力強い信号環境であるから、 上記PSMを利用すれば受信信号の自己相関行列の最大固有値に対応する固有ベク トルを比較的敦率的に求めることができる。PSMに対する事項は下の参考文献[3] に詳細に説明されている。 [4] Howard Anton，Elementary Linear Algebra:chapter 8，section 3，John Wiley & SonsInc.、1984。 本発明の核心技術は、毎スナップショットごとに入射する受信信号によって新 しく更新される自己相関行列の最大固有値に対応する近似的な固有ベクトルを、 算出するための簡略な方法を提供することである。すなわち、ある与えられた行 列Rがある時、その行列の最大固有値に対応する固有ベクトルを求めるための方 法としてPSMは上記参考文献[4]に説明されているように次の通り要約できる。 〈1段階〉 求めようとする固有ベクトルの初期推定値v(0)を任意に設定する 。 〈2段階〉 行列Rと現在の推定値v(n)をかけて推定値を更新する。すなわち、 v(n+1)=R v(n) 〈3段階〉 推定ベクトルの更新を反復することかを決定 し、反復する場合には増加されたインデックスnを持って(v(n)←v(n+1))〈2段階 〉に戻り再度推定ベクトルを更新し、そうでない場合には〈4段階〉へ行く。 〈4段階〉 最終的に計算された推定値w(n+1)を正規化して正規化された値w(n +1)=v(n+1)／‖v(n+1)‖を与えた行列Rの最大固有値に対応する固有ベクトルへ の最終的な近似ベクトルにして過程を終結する。 上のような方法を利用すれば、与えられた行列で一つ以上の最大固有値らが存 在する限り有限の反復回数を介して最大固有値に対応する固有ベクトルを求める ことができる。また、前述したとおり本発明で考慮している信号環境、即ち所望 の信号の大きさがそれぞれの干渉信号より顕著に大きい場合では反復回数を小さ くしても正確な固有べクトルに近いベクトルを求めることができる。しかし、上 記方法の最も大きい弱点はある行列に対する固有べクトルを求めるにあって上の 〈2段階〉のように行列計算をしなければならないことである。与えられた行列 に対して固有べクトルを求めるにあって初期推定からL回の反復過程が必要なら ば、行列計算による計算量は0(LN2)に比例する。しかも、上に説明した4個の段 階は与えられたある行列に対する最大固有ベクトルを求める遂行手順であるから PSMを実際の通信信号環境に適用するためには前述したPSM手順の遂行 前にそれぞれのスナップショットで受信信号ベクトルを受信する段階と新しく受 信した信号ベクトルで自己相関行列を更新する段階が追加されなければならない 。したがって、毎スナップショットごとに自己相関行列を更新しなければならな いことを含んで総必要計算量を考慮すれば、上記のような4個の段階のPSM方法は あまり複雑であるので実際の通信環境では適用できなくなる。 このような短所を補完するために本発明では上の本来のPSM方法の〈2段階〉に ある行列計算をベクトルだけの計算で簡略化する簡単な方法を提示する。また、 最初の推定ベクトル値(v0)を入力受信信号ベクトル(x0)から算出することにより 要求される反復の回数も減らす方案を提示する。即ち、v(0)=x(0)。 PSM方法にあって、最も問題になる事項は上の4個の段階中で〈2段階〉で、こ の段階を経る時ごとに、行列とベクトルの掛け算を遂行しなければならないので N2に比例するほどの掛け算とたし算が要求される。 本発明では、毎スナップショットごとに数式(4)によって更新される受信信号 の自己相関行列に対して、その行列の最大固有値に対応する固有ベクトルを求め るために、上で4個の段階で要約整理したPSM方法を修正改良することにより適応 的に求める方案を提示する。 現スナップショットで受信した信号を考慮して数式(4)に基づいて現スナップ ショットでの自己相関行列を求める。 すなわち、 但し、fはあらかじめ設定した忘却因子で、0<=f<1の範囲である。 数式(4)で更新した自己相関行列に対して直前スナップショットでの計算結果 のw(n-1)を利用してv(n)ベクトルをv(n)=Rx(n) w(n-1)に基づいて計算する。以 前スナップショットで求めた自己相関行列Rx(n-1)の最大固有値に対応する固有 ベクトルをw(n-1)で成功的に求めたとすれば、本発明で考慮している信号環境が 所望している信号の大きさが干渉信号の各々より大きい環境であるから上の行列 計算式v(n)=Rx(n) w(n-1)と行列計算式の結果を正規化（すなわち、w(n)=v(n)/ ｜(n)｜)する過程を反復遂行すればw(n)はRx(n)の最大固有値に対応する固有ベ クトルに近接する。この時、行列計算と正規化の反復遂行回数は初期推定値の正 確度及び行列の最大固有値がその他の固有値に比べてどのくらい大きいかにかか っている。本発明では初期推定ベクトルv(0)を初期の受信信号ベクトルx(0)で設 定すること を提案する。 上で提示した手順は設計しようとする配列アンテナシステムの各アンテナ素子 に適用する利得ベクトルw(n)を毎スナップショットごとに適応的に(adaptively) 求める方案を提示している。しかし、全過程の複雑度においては相変らず行列計 算v(n)=Rx(n) w(n-1)を毎スナップショットごとにそのスナップショットでの反 復回数ぐらい遂行すべき問題点が残っている。これからは行列計算v(n)=Rx(n) w(n-1)を与えた信号環境を考慮して簡略化する方案を提示する。遂行すべき行列 計算は次の通り分析することができる： v(n)=Rx(n)w(n-1)=(fRx(n-1)+(1-f)x(n) xH(n))w(n-1) (10) 数式(10)の結果はf Rx(n-1)w(n-1)項とx(n) xH(n)w(n-1)項に分けて考えるこ とができる。最初、Rx(n-1)w(n-1)項は、以前スナップショットで求めた自己相 関行列Rx(n-1)の最大固有値に対応する固有ベクトルをw(n-1)に成功的に求めた と仮定するならば次の通り近似できる： 但し、λ1は直前スナップショットでの自己相関行列Rx(n-1)の最大固有値であ る。ところが、以前スナップショットで求めた自己相関行列Rx(n-1)の最大固有 値に対応する固有ベクトルをw(n-1)に成功的に求めたとすればλ1は ‖v(n-1) ‖に近似するので、結局、数式(11)は次の通り近似できる： したがって、行列計算が含まれた数式(10)は次の通りベクトルだけの式で簡略 に近似化できる： 毎スナップショットで自己相関行列の最大固有値に相応する正規化された固有 ベクトルを求める過程を下記のように簡略化されられる。 上で提示された、簡略化された適応化幕級数方法を整理すれば次の通りである ： 〈1段階〉最初の受信信号ベクトルx(0)を受信して初期推定ベクトル(v(0))をv (0)=x(0)で設定してx(0)を正規化して初期利得ベクトル(w(0))をw(0)=v(0)／‖v (0)‖に設定し、スナップショットインデックスnを1に設定する。すなわち、n=1 〈2段階〉現スナップショットでの受信信号ベクトルx(n)を受信する。 〈3段階〉最大固有値に対応する固有ベクトルに近似する推定ベクトルv(n)と 利得ベクトル推定値w(n)を次の通り更新する:v(n)=f v(n-1)+(1-f)x(n)xH(n) w(n-1)、w(n)=v(n)／‖v(n)‖。 〈4段階〉推定ベクトルの更新を現スナップショットで反復するかの可否を決 定して反復する場合には〈5段階〉に、反復を終了する場合には〈6段階〉へ行く 。 〈5段階〉v(n-1)とw(n-1)を現スナップショットで直前に計算して求めたv(n) とw(n)値に各々また設定して(すなわち、v(n-1)←v(n)、w(n−1)←w(n))、上記 〈３段階〉に戻ってまた推定値を更新する。 〈6段階〉現スナップショットでの配列アンテナシステムの出力をy(n)=wH(n)x (n)にし、信号の受信を続ける場合にはスナップショットインデックスを増加し て(n=n+1)次のスナップショットで新しい受信信号を受信する〈2段階〉に 戻り、新しい受信信号に対して反復的に上の過程を繰り返す。 例え、斯く斯くの干渉信号に比べ元信号がはるかに大きい場合の信号環境では 反復的な計算過程を要しない。このような信号環境では上記のような手続きが次 のように簡略化されられる。 〈１段階〉最初の受信信号ベクトルx(0)を受信して初期推定ベクトル(v(0))を v(O)=x(0)で設定してx(0)を正規化して初期利得ベクトル(w(0))をw(0)=v(0)/‖v (0)‖に設定し、スナップショットインデックスnを1に設定する。すなわち、n=1 〈2段階〉現スナップショットでの受信信号ベクトルx(n)を受信する。 〈3段階〉最大固有値に対応する固有ベクトルに近似する推定ベクトルv(n)と 利得トル推定値w(n)を次の通り更新する:v(n)=fv(n-1)+(1-f)x(ｎ)xH(n)w(n-1) 、w(n)=v(n)／‖v(n)‖。 〈４段階〉現スナップショットでの配列アンテナシステムの出力をy(n)=wH(n) x(n)にし、信号の受信を続ける場合にはスナップショットインデックスを増加し て(n=n+1)次のスナップショットで新しい受信信号を受信する〈2段階〉に戻り、 新しい受信信号に対して反復的に上の過程を繰り返 す。 多様なコンピュータ模擬実験の結果、本発明のPSMを採用な配列アンテナシス テムのアンテナ素子の数が12個である場合、単一アンテナシステムの場合と比べ 、元信号電力対(全体)干渉信号電力面(SIR)で8dBないし10dBの改善を得ることが 分かる。SIRの改善の程度を決定する主要要因は、第1はウェイトベクトルが毎ス ナップショットごとに上記数式(4)により得た自己相関行列から算出されるか、 そうでなければ上記数式13の簡略化された過程を介して算出されるかの可否で、 第２は毎スナップショットごとに指定されるウェイトベクトルを算出するために 十分な反復計算を実行するかの可否である。信号対雑音比(SNR)は配列アンテナ システムのアンテナ素子の数の増加に比例しながら改善されることがわかる。す なわち、配列アンテナシステムの出力端でのSNRは入力端SNRの1/N(ただ、Nはア ンテナ素子の数である)となる。 図3は本発明で提示するPSMにより設計された配列アンテナシステムの例示図で ある。図3Aで必要なクロック数は最近に開発されたまた別の技術、すなわち変形 された共役傾斜方法(modified conjugate gradient method)と比較し示す。 図3Bは本発明の方法により設計された配列アンテナシステムのSIR及びSNRを図示 する。図面に図示した通り、 提案されたシステムはSIRで概略8dBを提供する。前述したように、SNRは配列増 加でアンテナ素子の数ほど線形的に改善される。図3に図示した性能で提案され た方法により設計された配列アンテナシステムが性能及び複雑性側面で優秀であ る。 提案された方法を利用してウェイトベクトルを獲得するために必要な計算量は 自己相関行列が(数式4)により実際に計算できるかまたは(数式13)の近似化手順 が各スナップショットに発生できるかによって0(2N2+2N)または0(5N)に対して前 述された手順でカウンティングされることができる。前述したように、各スナッ プショットでウェイトベクトルの反復計算は初期推定ベクトルが本発明で提案さ れた通り初期信号ベクトルと共に設定される時は必要しない。必要しないスナッ プショットで反復に対する一次的な理由は前述したように望みの信号が各干渉信 号よりはるかに大きいと仮定するためである。このような条件は、基地局の各受 信カードであらゆる加入者の伝送信号でなる受信信号は加入者の信号が受信され るコードシークエンスと相関されているためにCDMA移動通信を自然に満足させる 。したがって、受信される加入者のコードシークエンスと相関させることによっ て望みの信号は各々他の加入者の信号よりはるかに大きいということは明白であ る。配列アンテナシス テムを設計する方法がCDMA基地局に適用されれば必要な条件は各受信カードの相 関機の出力を自動的に満足させる。 厳格に言わば、CDMA移動通信で相関を取った後に望みの信号は各干渉信号より PG倍ぐらい大きく、ここでPGはコードシークエンスのチップレートと元信号のビ ットレートの比率のCDMAシステムの処理利得を示す。受信及び送信モードを持つ 全体配列アンテナシステムを具現するために、本発明で図示された手順を利用す ることによって受信モードの間計算されたウェイトベクトルは送信モードの間利 用されることができる。前述したように本発明の配列アンテナシステムのウェイ トベクトルを計算する信号処理方法は通信品質を向上し、通信容量を増加させる ことができる。提案された配列アンテナシステムを採択する基地局が各ターゲッ ト加入者の方向によって最大利得を提供するビームパターンと共に效率的に各加 入者からの信号を受信するために各加入者が持っているバッテリーの寿命がまた 拡張されることができる。 これから、実施例を参照して提案された装置及び方法を詳細に説明する。 図1は本発明で開示された信号処理方法を採択する配列アンテナシステムの概 念的なブロック図である。図面に図示にされた通り、本発明に係る配列アンテナ システムは多 数のアンテナ素子(11)でなる配列アンテナ(1)、各スナップショットでの信号ベ クトルxを生成するための信号受信装置(7)及びウェイト(または利得)ベクトルw を生成するための信号処理装置(8)を具備する。配列アンテナ(1)は多数のアンテ ナ素子でなる。 入射角によって位相遅延を持つ各アンテナ素子で誘導された信号はセルで加入 者から伝送される信号を含む。信号受信装置(7)が配列アンテナ(1)から信号を受 信する。信号受信装置(7)は受信された信号の同位相及び直交位相成分を表す信 号ベクトルxを生成するために必要な雑音増幅、周波数下方変換、類似-直交位相 検出などのような共通信号受信手順を遂行する。本発明で提案された方法はCDMA 通信に適用される時、信号受信装置(7)は各受信信号と、伝送信号が受信される 加入者のコードシークエンスを相関させる相関機を含む。信号受信装置(7)の出 力は信号ベクトルｘを形成し、信号処理装置(8)に連結される。 まず、信号処理装置(8)は本発明で示した手順を通じて信号ベクトルxを処理す ることによってウェイトベクトルwを生成する。この時、ウェイトべクトルは信 号べクトルx及びウェイトベクトルwのユークリッド内積すなわち、y=wHxを逐行 する配列アンテナシステムの最終算出値yを生成するために利用される。図1に図 示された配列アンテナ システムの主要部分は信号処理装置(8)である。信号処理装置(8)はターゲット信 号ソースの方向によって最大利得を持つビームパターンを提供する各スナップシ ョットでウェイトベクトルwを生成する。 図2Aは本発明の方法の第1実施例に係るウェイトベクトルwを計算する4段階の 流れ図である。図2Aの流れ図は次の段階を含む。初期推定ベクトルv(0)及び初期 利得ベクトルw(0)を初期信号ベクトルx(0)及び正規化された推定ベクトルすなわ ち、v(0)=x(0)及びw(0)=v(0)／‖v(0)‖と共に設定し、スナップショットインデ ックス(n)を'1'に設定する(n=1)(21)。現在のスナップショットで新規信号ベク トルx(n)を受信する(22)。忘却因子(forgetting factor)のfが'０'と'1'間に設 定(0≦ｆ＜1)される場合v(n)=fv(n-1)+(1-f)x(n)xH(n)w(n-1)及びw(n)=v(n)／‖ v(n)‖による新規ベクトルから推定ベクトルv(n)及び利得ベクトルw(n)を更新す る(23)。y(n)=wH(n)x(n)で計算して現在のスナップショットでの最終配列アンテ ナ出力値y(n)を算出する(24)。信号処理を続けることかを確認して(25)信号処理 を続ければ次のスナップショットでの手順をずっと進行するためにスナップショ ットインデックスnを'1'増加させ(n←n+1)(26)新規信号ベクトルを受信する過程 から反復遂行する。 図2Bは本発明の第2実施例に係るウェイトベクトルwを計算する6段階の流れ図 である。図2A及び図2Bに図示された方法たちの間の差異点はターゲットベクトル は図2Bの各スナップショットで多数の反復により計算できる反面、図2Aに図示さ れた方法は1回反復によりベクトルを生成する。図2Bの流れ図は次の段階を含む 。初期推定ベクトルv(0)及び初期利得ベクトルw(0)を初期信号ベクトルx(0)及び 正規化された推定ベクトルすなわち、v(0)=x(0)及びw(0)=v(0)/‖v(0)‖に設定 し、スナップショットインデックス(n)を'1'に設定する(n=1)(31)。 現在のスナップショットで新規信号ベクトルx(n)を受信する(32)。 忘却因子 のfが'0'と'1'間で(0≦ｆ＜1)される場合v(n)=fv(n-1)+(1-f)x(n)xH(n)w(n-1)及 びw(n)=v(n)／‖v(n)‖による新規ベクトルから推定ベクトルv(n)及び利得ベク トルw(n)を更新する(33)。以後、現在のスナップショットでより多くの反復を遂 行しなければならないかを判断して(34)より多い反復を遂行しなければならなけ れば推定ベクトル及びウェイトベクトルをv(n-1)←v(n)及びw(n-1)←w(n)に設定 し(35)、より多い反復を逐行しないとy(n)=wH(n)x(n)に計算して現在のスナップ ショットでの最終配列アンテナ出力値y(n)を算出する(36)。以後、信号処理を続 けることかを確認して(37)信号処理を続ければ次の スナップショットでの手順をずっと進行するためにスナップショットインデック スnを'1'増加させて(n←n+1)(38)新規信号ベクトルを受信する過程から反復遂行 する。 図2Cは本発明の方法の第3実施例に係るウェイトベクトルwを計算する4段階の 流れ図である。図2A及び図2Bに図示された二方法と比較して図2Cの違う点は図2C に導入された方法で新規信号ベクトル受信時各スナップショットで数式4によっ て計算される。一方、図2A及び図2Bで説明された方法で自己相関行列は正確に各 スナップショットで計算されない。代りに、行列は(数式13)に図示された通りベ クトル演算で近似化される。たとえ、図2Cに図示された方法が図2A及び図2Bの方 法と比較してより多い計算を要求するが、ウェイトベクトル及び最終配列アンテ ナ出力値を計算することにあってより正確性を持つ。 図2Cの流れ図は次の段階を含む。初期推定ベクトルv(0)及び初期利得ベクトル w(0)を初期信号ベクトルx(0)及び正規化された推定ベクトルすなわち、v(0)=x(0 )及びw(0)=v(0)/‖v(0)‖設定し、スナップショットインデックス(n)を'1'に設 定する(n=1)(41)。初期行列がRx(0)=x(0)xH(0)により初期信号ベクトルに設定さ れ、忘却因子のfが'0'と'1’間で設定(0≦ｆ＜1)される場合Rx(n)=fRx(n-1)+(1- f)x(n)xH(n)により現在のスナップショットで受信 された新規ベクトルx(n)と共にRX(n)を更新する(42)。数式による新規自己相関 行列から推定ベクトルv及び利得ベクトルwを更新する(43)。数式を計算して現在 のスナップショットで最終配列アンテナ出力値y(n)を生成する(44)。以後、信号 処理を続けることかを確認して(45)信号処理を続ければ次のスナップショットで の手順をずっと進行するためにスナップショットインデックスnを'1'増加させて (n←n+1)(46)新規信号ベクトルを受信する過程から反復遂行する。 図2Dは本発明の方法の第4実施例に係るウェイトベクトルwを計算する6段階の 流れ図である。図2Dに図示した方法は図2Cに図示した通り各スナップショットで 自己相関行列を計算する。図2Cに図示した方法と図2Dに図示した方法を比較した 差異点は推定ベクトル及びウェイトベクトルに対する反復された計算が図2Dで遂 行できるということである。 たとえ図2Dに図示した方法は本発明で導入された他の方法と比較してより多い 計算を要求するが、図2Dに図示した方法はウェイトベクトル及び最終配列アンテ ナ出力値を計算するにあって最上の正確性を持つ。 図2Dは次の段階を含む。初期推定ベクトルv(0)及び初期利得ベクトルw(0)を初 期信号ベクトルx(0)及び正規化された推定ベクトルすなわち、v(0)=x(0)及びw(0 )=v(0)／‖ｖ (o)‖に設定し、スナップショットインデックス(n)を'1'に設定する(n=1)(51)。 初期行列がRx(0)=x(0)xH(0)により初期信号ベクトルに設定され、忘却因子のfが '0'と'1'間で設定(0≦ｆ＜1)される場合Rx(n)=fRx(n-1)+(1-f)x(n)xH(n)により 現在のスナップショットで受信された新規ベクトルx(n)と共にRx(n)を更新する( 52)。数式による新規自己相関行列から推定ベクトルv及び利得ベクトルwを更新 する(53)。以後、現在のスナップショットでより多い反復を遂行しなければなら ないかを判断して(54)より多い反復を遂行しなければならなければ推定ベクトル 及びウェイトベクトルをv(n-1)←v(n)及びw(n-1)←w(n)に設定する(55)。 より多い反復を遂行しないとy(n)=wH(n)x(n)に計算して現在のスナップショッ トでの最終配列アンテナ出力値y(n)を算出し(56)、以後、信号処理を続けること かを確認して(57)信号処理を続ければ次のスナップショットでの手順をずっと進 行するためにスナップショットインデックスnを'1'増加させ(n←n+l)(58)新規信 号ベクトルを受信する過程から反復遂行する。 図3は本発明のPSMにより設計された配列アンテナシステムの性能に関する説明 図である。図3Aはマイクロプロセッサーを利用したターゲットウェイトベクトル を獲得するために必要なクロック数に関する説明図である。図3Aのデー タに対するシミュレーションで、デジタル信号処理器（例えば、TMS320C30)が任 意に選択された。図3Aで必要なクロック数は最近に開発されたまた別技術すなわ ち変形された共役傾斜方法と比較してしめす。 図3Bは本発明の方法により設計された配列アンテナシステムのSIR及びSNRを図 示する。図面に図示された通り、提案されたシステムはSIRで概略8dBを提供する 。 前述したように、SNRは配列増加でアンテナ素子の数ほど線形的に改善される 。図3に図示された性能で提案された方法により設計された配列アンテナシステ ムが性能及び複雑性側面で優秀である。 前述したように、本発明で提供された信号処理方法は次のような利点がある。 第１、通信容量がSIが増加するだけ増加されることができ、第二、通信品質がSN R及びSIRが増加するだけ向上する。 本発明で提案された技術の特徴は全ての点を獲得するために必要な計算量がき わめて少ないので提案された技術がリアルタイム処理で正常なデジタル信号処理 器で容易に具現されることができるということである。図3に図示された通り、 提案された方法の簡素化は従来の方法と比較して計算量を顕著に減らすことがで きる。 本発明は、提示された実施例及び添附図面で限定される ことがなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲内で本発明が属する技術分野の 当業者により容易になされることができるいろいろ置換、変形及び変更も本発明 の範囲に属することである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リー ヒョン ベ 大韓民国 133―791 ソウル セオンドン ―ク ハエンダン―ドン ハンヤン ユニ バーシティ デパートメント オブ エレ クトロニック コミュニケーション エン ジニアリング

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．配列アンテナを具備した通信システムのビームパターンを調節することで干 渉を最小化しかつ雑音の効果を減少させる信号処理方法において、 最初信号ベクトルで初期推定ベクトルを設定し、上記初期推定ベクトルの正 規化された値で初期利得ベクトルを設定し、スナップショットインデックスの初 期値を1に設定する第1段階と、 現在のスナップショットに対する新たな信号ベクトルを受信する第2段階と 、 推定ベクトルを更新し、上記推定ベクトルを正規化して利得ベクトルを更新 する第3段階と、 現スナップショットに対して更新された利得ベクトルと現スナップショット での信号ベクトルを相互内積してそのスナップショットでの配列アンテナシステ ムの出力とする第4段階と を含む信号処理方法。 ２．請求項1において、 次のスナップショットについての手続きを持続するためスナップショットイ ンデックスを増加させ新たな信号ベクトルを受信する上記第2段階から反復遂行 する第5段 階をさらに含む信号処理方法。 ３．請求項2において、上記利得ベクトルを更新する上記第3段階は、 直前スナップショットで求めた上記推定ベクトルの各要素に0と1との間の大 きさであらかじめ定めた忘却因子をかける第6段階と、 現スナップショットで上記受信された信号ベクトルの各要素の複素共役と上 記以前スナップショットでの利得ベクトルの各要素を互いにかけてからそのかけ た結果たちを全て足す第7段階と、 上記第7段階の結果値を現スナップショットで受信された信号ベクトルの各 要素にかける第8段階と、 上記6段階および第8段階の結果の相応する要素たちを夫々足して更新された 上記推定ベクトル値を定める第9段階と、 上記更新された推定ベクトルの各要素たちを上記更新された推定ベクトルの 大きさで夫々分けて上記利得ベクトルを決める第10段階と を含む信号処理方法。 ４．請求項3において、上記第6段階は、 直前スナップショットで求めた利得ベクトルの各要素に0と1間の大きさであ らかじめ定めた忘却因子をかける 第11段階と、 上記第11段階の結果の各要素に直前スナップショットで求めた上記推定ベク トルの大きさをかける第12段階と を含む信号処理方法。 ５．請求項1において、上記利得ベクトルは、 上記第3段階で求めた上記推定ベクトルのビームパターン特性に影響を与え ないながら上記利得ベクトルを変化させるために、上記第3段階で求めた上記推 定ベクトルの各要素にあらかじめ決めた常数をかけて決めること を特徴とする信号処理方法。 ６．請求項1において、上記利得ベクトルは、 上記第3段階で求めた上記推定ベクトルの第1番目要素で上記推定ベクトルを 分けることで基準アンテナに誘起された信号には常に実数(real number)の利得 をかける ことを特徴とする信号処理方法。 ７．請求項6において、上記利得ベクトルは、 上記割り算の結果を正規化して最終の結果として生じる上記推定ベクトルの 大きさが1になるようにしたこと を特徴とする信号処理方法。 ８．請求項7において、上記基準アンテナの素子は、 現スナップショットで上記配列アンテナ全てのアンテナ素子中で位相が最も 遅い信号が誘起されるアンテナ素 子にきめることを特徴とする信号処理方法。 ９．請求項7において、上記基準アンテナの素子は、 上記多数のアンテナ素子中で、現スナップショットで通信しようとする信号源 と物理的に距離が最も遠方に位置したアンテナ素子にきめることを特徴とする信 号処理方法。 10．請求項1において、 現スナップショットでの反復のために以前の利得ベクトルを代替する更新さ れた利得ベクトルを持って上記第3段階に戻る第5段階をさらに含むことを特徴と する信号処理方法。 11．請求項2において、 現スナップショットでの反復のために以前の利得ベクトルを代替する更新さ れた利得ベクトルを持って上記第3段階に戻る第6段階をさらに含むことを特徴と する信号処理方法。 12．配列アンテナを具備する通信システムのビームパターンを制御することによ って干渉を最小化し、ノイズの効果を減少させるための信号処理方法において、 初期スナップショットで受信された信号ベクトルで初期推定ベクトルを設定し 、正規化された推定ベクトルで初 期利得ベクトルを設定し、初期スナップショットを設定する第1段階と、 現スナップショットで受信された新規信号ベクトルで自己相関行列を更新する 第2段階（ここで、上記初期行列は初期信号ベクトルに設定され、忘却因子が'0' と'1'間で設定される）と、 上記新規自己相関行列から上記推定ベクトル及び上記利得ベクトルを各々更新 する第3段階と、 上記利得ベクトル及び上記信号ベクトル間でユークリッド内積を計算すること によって上記現スナップショットで最終配列アンテナ出力を算出する第4段階と を含む信号処理方法。 13．請求項第12項において、 次のスナップショットで手順をずっと進行するように増加されたスナップシ ョットインデックスで新規信号ベクトルを受信するために上記第２段階から遂行 する第５段階をさらに含む信号処理方法。 14．請求項12において、上記利得ベクトルは、 上記第３段階で獲得された上記推定べクトルのビームパターン特性を変更し ないながら上記利得ベクトルを変 形するために上記第3段階で獲得された上記推定ベクトルの各要素に所定の変数 をかけることによって決定される信号処理方法。 15．請求項12において、上記利得ベクトルは、 基準アンテナ素子から受信された信号が常に実数の利得ぐらいかけられるよ うに上記推定ベクトルの各要素を上記第3段階で獲得された上記推定ベクトルの 第1番目要素で分けることで決定される信号処理方法。 16．請求項15において、 上記利得ベクトルは、 最終結果利得ベクトルの大きさが1になるように分けた結果を正規化することに よって決定される信号処理方法。 17．請求項16において、 上記基準アンテナ素子は、 上記信号の位相が現スナップショットの上記配列アンテナで最も遅いアンテナ素 子により決定される信号処理方法。 18．請求項16において、 上記基準アンテナ素子は、 現スナップショットで通信される信号源からの物理的距離が上記配列アンテナで 他のアンテナと比較して最も遠い所に位置したアンテナ素子により決定される信 号処理 方法。 19．請求項12において、 上記基準アンテナ素子は、 現スナップショットでより多い反復遂行のために以前利得ベクトルを更新された 利得ベクトルに代えて上記第3段階に戻る第6段階をさらに含む信号処理方法。 20．請求項13において、 上記基準アンテナ素子は、 現スナップショットでより多い反復遂行のために以前利得ベクトルを更新された 利得ベクトルに代えて上記第3段階に戻る第7段階をさらに含む信号処理方法。