JP2001500349A - 送信機から受信機へ送信された信号の角広がりを推定する方法、および対応する受信機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、送信機から送信され、受信機で受信された信号の角広がりを推定する方法に関する。本発明の方法では専ら、少なくとも所与の時間期間にわたって受信機アンテナアレイ（１００）の各アンテナ要素（２０₀〜２０_M-1）で受信された信号の振幅または電力のみに関連する変数を表すデータ(ＶＡＲ_z、ＶＡＲ_x)を観測することによって角広がりを推定する。

Description

【発明の詳細な説明】 送信機から受信機へ送信された信号の角広がりを推定する方法、および対応する 受信機 本発明の分野は無線伝送システム、特にセルラシステムの分野である。より正 確には、本発明は送信機から受信機へ送信された信号の角広がりを推定する方法 に関する。 本発明はＳＤＭＡ（空間分割多元接続）伝送ネットワークに有利に適用できる 。本発明はまた上記の方法を実施する受信機に関する。 以下の説明は、送信機と受信機の間で送信された信号の角広がりを決定すると いう文脈で行う。第１図に示すように、送信機１０が受信機１１に向けて信号を 送信するとき、送信機１０の環境内に障害物が存在することに起因する多重通路 伝搬により、送信された信号の角広がりが生じる。この角広がりは、第一近似ま で送信機１０と受信機１１との距離に反比例する角度αによって特徴付けられる 。 一般に、送信機から送信された信号を受信するどんな受信機 にとっても、その受信機がセルラネットワークの一部であるか否かにかかわらず 、角広がりは考慮すべき重要なパラメータである。例えば、受信機１１で受信さ れた信号を等化するアルゴリズムを角広がりαの値に適合させることが望ましい 。このような適合化の一つの目的は、角広がりが大きいときにはより強力な等化 アルゴリズムを用い、角広がりが小さいときにはあまり強力でない等化アルゴリ ズムを用いることである。 また、角広がりが大きいとき、例えばセルラネットワークのセルにおけるＳＤ ＭＡ伝送の場合（この場合受信機１１は基地局であり、送信機１０は通常移動端 末である）には、信号の正確な到来方向（ＤＯＡ）を関連付けること、したがっ て送信機１０の方向にローブを形成することは不可能である。その場合、再利用 ファクタは大きくなる。より正確に言えば、ＳＤＭＡ伝送の場合、送信機が基地 局の近くにあるとき、すなわちαの値が大きいときには送信機の方向にローブを 形成することはできない。 したがって、特に上記の理由で、受信機１１での角広がりαの値を知ることが 望ましい。 αの値を推定する様々な技法がある。受信機は通常、それぞ れ送信信号を受信するいくつかのアンテナ要素からなるアレイを含み、このアレ イは角広がりを計算する手段に接続される。従来技術の技法の主な欠点は、どれ も受信信号を大量に処理する必要があることである。例えば、ＭＵＳＩＣまたは ＥＳＰＲＩＴタイプのアルゴリズムは受信信号の角広がりを決定できるが、共分 散行列を計算する必要があり、それにはかなりの計算能力が必要である。別の欠 点は、受信信号を長い時間期間にわたって観測する必要があることである。また 、上記のアルゴリズムは収束の点でロバストネスに欠ける。 本発明の目的は上記の欠点を是正することである。 より正確に言えば、本発明の目的は、使い易く、処理能力をほとんど必要とし ない、送信機から受信機へ送信された信号の角広がりを推定する方法を提供する ことである。 本発明の別の目的は、角広がりを推定する手段を含む受信機を提供することで ある。 上記の目的は、以下で明らかになる他の目的と共に、送信機から送信され、受 信機で受信された信号の角広がりを推定する方法によって達成される。この方法 では専ら、少なくとも所与の時間期間にわたって、受信機アンテナアレイの各ア ンテナ要 素で受信された信号の振幅または電力のみに関連する変数を表すデータを観測す ることによって角広がりを推定する。 第１の実施形態では、データはアンテナ要素で受信された信号の振幅差の分散 の平均である。この振幅差はアンテナ要素を対として選んで計算される。 第２の実施形態では、データは各アンテナ要素で受信された信号の振幅の分散 の平均である。 好ましい適用例では、送信機は移動体端末であり、受信機はセルラ伝送ネット ワークの基地局である。 セルラ伝送ネットワークはＳＤＭＡ伝送を用いることが有利である。 推定された角広がりは、送信機がＳＤＭＡ伝送を実行できるようにする基準値 と選択的に比較されることが好ましい。 変形形態では、データは、送信機がＳＤＭＡ伝送を実行できるようにする基準 値と選択的に比較される。 本発明はまた、アンテナアレイで受信された信号の角広がりを推定できるよう になされたアンテナアレイを含む受信機であって、アレイの各アンテナで受信さ れた信号の振幅または電力のみに関連する変数を表すデータを供給する手段を含 む受信機 を提供する。 受信機は、角広がりの値を供給する変換器手段をさらに含むことが有利である 。 本発明のその他の特徴および利点は、非限定的な例を挙げて行う本発明の好ま しい一実施形態の以下の説明および添付の図面から明らかになる。 第１図は送信機から受信機へ送信された信号の角広がりを示す図である。 第２図はアンテナアレイの平面図である。 第３図はアンテナアレイのアンテナで受信された成分の電力の角広がりを示す図 である。 第４図は、様々な平均ＤＯＡについて角広がりの関数としてアンテナアレイの アンテナ要素の対について得られた電力差の分散の平均を示す図である。 第５図は、ＳＤＭＡネットワークの基地局およびＳＤＭＡ伝送が不可能な領域 を示す図である。 第６図は、本発明による第１の計算方法を用いて計算した角広がりの値が基準 値より大きくなる確率のシミュレーションの結果を示す図である。この確率は角 広がりの関数である。 第７図は、第１の計算方法を用いて計算した角広がりの値が基準値より大きく なる確率の別のシミュレーションの結果を示す図である。この確率も角広がりの 関数である。 第８図は、様々な平均ＤＯＡについて角広がりの関数としてアンテナアレイの アンテナ要素について得られた電力の分散の平均を示す図である。 第９図は、本発明による第２の計算方法を用いて計算した角広がりの値が基準 値より大きくなる確率のシミュレーションの結果を示す図である。この確率は角 広がりの関数である。 第１０図は本発明の方法を使用する受信機を示す図である。 第１図については従来技術に関して上記で説明した。 本発明は、受信機アンテナアレイで受信された信号の振幅または電力の空間的 変動および時間的変動の統計的特性を利用することを提案する。アンテナアレイ はＭ個のアンテナを含む。Ｍは少なくとも２に等しく、例えばＭ＝１２である。 このアレイは三次元アレイでもよいが、話を分かり易くするために以下では等間 隔に配置されたアンテナからなる平面（二次元）アレイについて説明する。 送信機から送信された信号ｓ（ｔ）は波長λを有する。アレ イの各アンテナは、アンテナ２０₀〜２０_M-1を示す第２図に示すように、角度α の範囲内に閉じこめられた信号の組を受信する。 第２図にアレイのアンテナ２０₀とアンテナ２０_nとの距離ｄ_0nを示す（ｎは０ からＭ−１までである）。パラメータθ_0nは、信号の平均ＤＯＡと、アンテナ２ ０₀と２０_nを結ぶ直線分への垂線とによってつくられる角度である。 特定の値を次に示す。 Ｄ₀₀＝０およびθ₀₀＝０ 平均方向θに到来した平均電力の角分布Ｐ（α）は、第３図に示すパラメータ α_rms（ｒｍｓは二乗平均を表す）によって特徴付けられる。 各変数αはゼロの（ガウス）平均値を有するので、次式が成り立つ。 実際には、Ｎ個の離散的な角度α_iに対応する受信されたＮ個の離散的な別個 の成分を考えることができる。したがって、アンテナアレイのＮ個のアンテナ要 素で受信された信号について 以下の一般式を決定できる。 ｎは０からＭ−１まで、またｇ_i（ｔ）は成分Ｉの複素利得、τ_iはその相対遅 延、ｂ_n（ｔ）はノイズ成分である。 次式が成り立つことが知られている。 したがって以下では、各アンテナ要素で受信された信号の振幅を考える。すな わち ｎは０からＭ−１まで、より簡潔には各アンテナ要素で受信された信号の電力 Ｘ_n ²を考える。 より正確に言えば、本発明は、少なくとも所与の時間期間にわたって、受信機 アンテナアレイの各アンテナ要素で受信された信号の振幅または電力のみに関連 する変数を表すデータの１回の観測から、送信機から送信され、受信機で受信さ れた信号の角広がりを推定する方法を提案する。実際には、以下で説明するよう に、Ｂ回の連続的な測定をＭ個のアンテナ要素につい て実行する。 アンテナ要素で受信された成分の電力の統計的特性は角広がりα_rmsの値に直 接関連する。測定された電力の組み合わせは統計的モデルによって特徴付けられ 、この統計的モデルは識別され、その後角広がりを推定するために用いられる。 その推定の意図する用途に応じて、適切な統計的モデルが得られる電力の組み合 わせを決定することができる。 以下では、必ずしも等しくない分散σ_n ²を有するガウスタイプのノイズを考え る。特定の場合（例えば既知の学習シーケンスを伝送する場合）、ノイズの寄与 はほぼ完全に除去できる。他の場合は、以下で提案する解決策により、ノイズ電 力を除去できない場合でもかなりの性能が得られる。例えば、提案する第１の方 法によれば、ノイズの分散がすべてのアンテナ要素について同じである場合にそ の分散が除去される。 本発明の方法の様々な実施形態について以下で説明する。これらすべての実施 形態では、シミュレーションのために、ノイズがガウスノイズであり、伝送チャ ネルがレイリーチャネルであり、分布角電力プロファイルが均一（Ｐ（α）が一 定）であり、Ｎ（多重通路の数）が１０に等しく、アンテナアレイがｄ ／λ＝０．５の間隔を置いて配置されたＭ＝１２個のアンテナ要素を含む平面ア レイであると仮定する。すべてのシミュレーションにおいて、平均ＤＯＡθはア ンテナアレイへの垂線に対して−６０°から＋６０°まで広がるセクタ内で均一 に分布する。 第１の方法 第１の方法では、複数のアンテナ要素を含むアレイで受信された信号の角広が りを決定する。この方法では、アンテナ要素で受信された信号の振幅差の分散の 平均を決定する。振幅差はアンテナ要素を対として選んで計算される。 より正確に言えば、次のように定義される変数の組Ｚⁿを考える。 Ｚ_n＝Ｘ_n−Ｘ_n+1、ｎは０からＭ−２までである。 これにより、ｄ／λの間隔を置いて配置された二つのアンテナで受信された信 号間の電力（または振幅）の差をそれぞれ表す変数の組Ｚ_nが得られる。角広が りの関数としての上記の差の分散の平均ＶＡＲ_zを、離散的角度θが０°（送信 機がアンテナアレイに対向する場合に対応する）、±３０°、±６０°に等しい 場合について第４図に示す。 θの各値ごとに、ＶＡＲ_zから単一の値αを決定することができる。ここでは １対１の関係が成り立つ。また、６０°のカバレージ角度に対応する±３０°の 範囲内の角度θに対してＶＡＲ_zの関数としてのαの値の広がりが小さいことに も留意されたい。 ここでは次の関係式が用いられる。 と および 言い換えれば、ＶＡＲ_zはＢ個の分散の平均であり、各分散は分析ｂについて 計算したＭ−１個の差Ｚ_n,bから評価される。 Ｂは、方法２に関して以下で説明するように大きい値を有することが好ましい 。これにより変数Ｚ_n,b（ｎは信号を示し、ｂは発生を示す）のＭ−１個の行と Ｂ個の列とを有する行列が得られる。ただしｂは１からＢまでである。 方法１の適用例 方法１は、計算した角広がりの値（または計算したＶＡＲ_zの値）が基準値α_{r ef} （またはＶＡＲ_ref）より大きくなる確率を示す場合に適用されることが有利 である。この確率は得られた推定値の確度に直接関連する。この確率は、推定値 がしきい値を下回る場合に０に等しくなるか、または推定値がしきい値を上回る 場合に１に等しくなることが理想的である。この確率を以下、正確な検出確率と 呼ぶ。 より正確に言えば、本発明をＳＤＭＡネットワークに適用する場合、第５図に 示すように基地局に向けて端末から送信された信号の角広がりの値を知る必要が ある。 第５図に（例えばＧＳＭまたはＣＤＭＡタイプの）ＳＤＭＡネットワークの基 地局およびＳＤＭＡ伝送が不可能な領域を示す。 基地局１１は、円形セルであることが理想的であるセル５０をカバーする。端 末１０₁〜１０₅、例えば移動体端末を有するＳＤＭＡ伝送は、基地局１１が端末 １０₁〜１０₅の方向にローブを形成できることを前提とする。ここでは、このロ ーブの形成によって四つのセクタ５１〜５４が形成され、それらのセク タ内で用いられる伝送資源は同じにできる（ＣＤＭＡ伝送の場合は同じ搬送周波 数および同じ広がりコード、ＴＤＭＡ伝送の場合は同じ時間間隔の割り当て）。 例えば、端末１０₁は端末１０₄と同じ伝送チャネルを使用できる。これは両者が 異なるセクタ内にあるためである。基地局１１の周辺の領域５５内では角広がり が大きすぎるためにこの領域内ではＳＤＭＡ伝送は不可能である。すなわち、基 地局１１の送信アンテナの二次ローブのために、別の端末がそれに向けられてい ないデータを受信する同じ資源を共有することなしに領域５５内の端末へデータ を送信することはできない。この状況では複数のセル間の相互干渉が起こる。 したがって、端末が領域５５の内側にあるのか外側にあるのかを検出すること が重要である。このために、本発明は、例えば端末が領域１１内に存在するのか 存在しないのかの判定基準として方法１によって得られた角広がりの値を使用す る方法を提案する。得られたαの値が基準値α_refを下回る場合、当該の端末は 領域１１の外側にあると考えられ、αの値が基準値α_refを上回る場合、当該の 端末は領域１１の内側にあると考えられる。したがって、α_refの値は、領域１ １の境界のすぐ近く にある端末から送信された信号の角広がりに対応する。 角広がり値の正確な検出の確率という上記の概念は、角広がりを決定するため に使用した方法が適切であることを示すのでこの判定基準に正確に対応する。 例えば、第６図に、ＶＡＲ_zが０．０３に等しい場合にほぼ対応する（第４図 を参照）基準値α_refが７に等しい場合について（方法１を用いて得られた）角 広がりの関数としての正確な検出確率Ｐ_bdのシミュレーションを示す。 図示の三つの特性６０、６１、６２はそれぞれＢ＝３、Ｂ＝１０、Ｂ＝３０に 対応する。勾配、したがって性能は処理される被測定サンプルＢの数と共に増大 することに留意されたい。 方法１の変形適用例 方法１の変形適用例では、Ｂ個の分散の平均を基準値と比較するのではなく、 ＶＡＲ_z ^b（隣接した二つのアンテナ要素について得られた電力差の分散）に基づ くＢ回の異なる決定を用いて多数決をとる。各ＶＡＲ_z ^bの値を同じ基準値と比較 し、ｂ回の比較の各比較の後で多数決をとって、応答が「ｙｅｓ」であった比較 の回数が、応答が「Ｎｏ」であった比較の回数より多いか否かを決定する。第７ 図の特性はこのようにして構成され たものであり、Ｐ_bdは正確な検出確率である。 特性７０、７１、７２はそれぞれＢ＝３、Ｂ＝１０、およびＢ＝３０について 得られたものである。特性７１と特性７２は一致する。これは、Ｂが１０より大 きい場合については確度がそれ以上改善されないことを示す。 これとは別に、性能は方法１の第１の適用例に匹敵する。 方法２ 提案する第２の方法も、各アンテナ要素で受信された信号の振幅に関連する変 数を表すデータの観測に基づくものである。ただしデータは、方法１のようにＶ ＡＲ_zの値ではなく、各アンテナ要素で受信された信号の振幅（または電力）の 分散の平均ＶＡＲ_xである。したがって方法２では、二つのアンテナ要素で受信 された信号の振幅の減算は行われない。 より正確に言えば、次式が成り立つ。 および ｂの値は１からＢ（Ｂ回の連続的な測定）までである。ＶＡ Ｒ_xは分散ＶＡＲ_x ^bの平均である。 第８図に、様々な平均ＤＯＡθについて角広がりαの関数としてアンテナアレ イのアンテナ要素で得られた電力の分散の平均ＶＡＲ_xを示す。 ここでもＶＡＲ_xとαの間に１対１の関係が成り立ち、また±３０°の範囲内 の角度θに対する推定値の広がりは小さい。 方法２の適用例 方法１の第１の適用例と同様に、例えばＳＤＭＡネットワークにおける伝送の 場合、計算した分散の平均を基準値ＶＡＲ_refまたはα_refと比較して、正確な検 出確率Ｐ_bdを決定することが有利である。 第９図に、Ｂ回の分析について計算した角広がりαの関数としての確率Ｐ_bdを 示す。Ｂは３、１０、３０に等しい。使用する基準値はＶＡＲ_ref＝０.７５に対 応するα_ref＝７である。Ｂが増大するにつれて性能が向上することに留意され たい。 実際的な実施例 本発明はまた上記の方法を使用する受信機を提供する。第１０図にこのような 一つの受信機を示す。 アンテナアレイ１００は複数のアンテナ要素２０₀〜２０_{M- 1} を含む。各アンテナ要素は、アレイ１００の各アンテナ要素で受信された信号 の振幅または電力のみに関連する変数を表すデータ（例えば、使用する方法に応 じてＶＡＲ_zまたはＶＡＲ_x）を供給する処理手段１０１に接続される。このデー タは、角広がりαの値を供給する変換手段１０２に供給される。処理手段１０１ はＣＤＭＡ伝送の場合にはチャネルを分離する。 下位レベルでは、前に示したように、ＶＡＲ_z（ＶＡＲ_x）の値またはαの値は 比較器手段１０３内でしきい値ＶＡＲ_refまたはα_refと比較され、この比較器手 段１０３から条件ＶＡＲ_z（またはＶＡＲ_x）＜ＶＡＲ_refまたはα＜α_refが満た されるか否かを示す比較信号ＣＯＭＰを供給することができる。 このような比較器手段はＳＤＭＡ受信機に適用した場合に特に有利である。 本発明は、受信機で受信された信号の角広がりの推定に適用されるだけでなく 、特に伝送資源（ＳＤＭＡ）を再利用できるように、セルラネットワークがＧＳ ＭかＣＤＭＡかまたは他のタイプかにかかわらず、セルラネットワークの基地局 にも適用される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．送信機から送信され、受信機で受信された信号の角広がり（α）を推定する 方法であって、専ら少なくとも所与の時間期間にわたって受信機アンテナアレイ （１００）の各アンテナ要素（２０₀〜２０_M-1）で受信された信号の振幅または 電力のみに関連する変数を表すデータ（ＶＡＲ_z、ＶＡＲ_x）を観測することによ って前記角広がり（α）を推定する方法。 ２．前記データが、前記アンテナ要素で受信された信号の振幅差の分散の平均で あり、前記振幅差が前記アンテナ要素を対として選んで計算されることを特徴と する請求の範囲第１項に記載の方法。 ３．前記データが各アンテナ要素で受信された信号の振幅の分散の平均であるこ とを特徴とする請求の範囲第１項に記載の方法。 ４．前記送信機が移動体端末であり、前記受信機がセルラ伝送ネットワークの基 地局であることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の方法。 ５．前記セルラ伝送ネットワークがＳＤＭＡ伝送を用いること を特徴とする請求の範囲第４項に記載の方法。 ６．推定された前記角広がり（α）が、前記送信機がＳＤＭＡ伝送を実行できる ようにする基準値（α_ref）と選択的に比較されることを特徴とする請求の範囲 第１項から第５項のいずれか一項に記載の方法。 ７．前記データ（ＶＡＲ_z、ＶＡＲ_x）が、前記送信機がＳＤＭＡ伝送を実行でき るようにする基準値（ＶＡＲ_ref）と選択的に比較されることを特徴とする請求 の範囲第１項から第５項のいずれか一項に記載の方法。 ８．アンテナアレイ（１００）で受信された信号の角広がりを推定できるように なされたアンテナアレイ（１００）を含む受信機であって、前記アレイ（１００ ）の各アンテナ要素で受信された信号の振幅または電力のみに関連する変数を表 すデータ（ＶＡＲ_z、ＶＡＲ_x）を供給する手段（１０１）を含むことを特徴とす る受信機。 ９．前記角広がり（α）の前記値を供給する変換器手段（１０２）をさらに含む ことを特徴とする請求の範囲第８項に記載の受信機。