JP2002540706A - ビーム形成方法及び装置 - Google Patents

ビーム形成方法及び装置

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JP2002540706A
JP2002540706A JP2000608472A JP2000608472A JP2002540706A JP 2002540706 A JP2002540706 A JP 2002540706A JP 2000608472 A JP2000608472 A JP 2000608472A JP 2000608472 A JP2000608472 A JP 2000608472A JP 2002540706 A JP2002540706 A JP 2002540706A
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エルンスト ボネック
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ノキア ネットワークス オサケ ユキチュア
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Abstract

(57)【要約】 幾つかのアンテナ素子（１．１〜１．Ｍ）を有する適応アンテナアレイのための周波数デュプレックスシステムのダウンリンクにおけるビーム形成方法及び装置であり、アンテナ重み（Ｗk（ｆs））は、アップリンクの方向情報に基づいてダウンリンク送信のためにアンテナ素子（１．１〜１．Ｍ）について決定される。詳細には、ダウンリンク送信のためのアンテナ重み（Ｗk（ｆs））は、個々のユーザ（Ｂ１〜ＢＫ）のアップリンクのパワー角スペクトル（ＡＰＳk）に基づいて決定され、ここでパワー角スペクトル（ＡＰＳk）は不所望の領域をマスキングで除くことによって変更される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、幾つかのアンテナ素子を含んだ適応アンテナアレイのための、周波
数デュプレックスシステム（複信方式）のダウンリンクにおけるビーム（電波）
形成方法に関するものであり、この方法において、アンテナ重みはアップリンク
の方向情報に基づいてダウンリンク送信のためにアンテナ素子について決定され
る。
【０００２】 更に、本発明は、幾つかのアンテナ素子を含んだ適応アンテナアレイのための
、周波数デュプレックスシステム（複信方式）のダウンリンクにおけるビーム形
成装置に関するものであり、ダウンリンク送信のためにアンテナ素子についての
アンテナ重みをアップリンクの方向情報に基づいて決定するのに用いられる信号
処理装置を備える。
【０００３】
【従来の技術】
幾つかの個々のアンテナから成るアレイアンテナをそれらの方向特性に関して
電子的に変更し、それを各チャネル情報に対して最適な方法で適合させることが
知られている。適応アンテナは当初はレーダ技術で用いられていたが、移動通信
システムにおけるそれらの使用もかなり長い間研究されていた。適応アンテナの
使用は、方向性受信による受信干渉を減少させ、方向性送信による発生干渉を減
少させ、移動無線チャネルの時間分散を減少させ、故に、ビットエラーレートを
明確に相互決定（co-determining）する符合間干渉を減少させる。
【０００４】 これらの改良はキャパシティゲインのために使用され、スペクトル効率を増大
させ、アンテナアレイゲインによる必要な送信パワーを減少させ、送信品質を改
善し（ビットエラーレートを減少させ）、データレートを増大させ、作用範囲を
拡張する。
【０００５】 全ての利点を一度に且つ同時に得られるわけではないが、それにもかかわらず
、個々の場合において上述した幾つかの改良を達成することは可能である。した
がって、適応アンテナによって周波数スペクトルのより効率的な利用を可能とし
、それと同時に、キャパシティ、故に、ある１つのセルにおいて同じ周波数帯域
で可能なユーザ数を増大させることを可能とし、また、同じ数の基地局を可能と
することが絶対に不可欠である。
【０００６】 移動セルラー無線通信ネットは、一般には干渉で、つまり、１つの同じ無線チ
ャネルの空間的再利用で制限され、一方、スペクトル効率は共通チャネル干渉（
混信）によって制限される。無線チャネルは、その周波数、及び／又は、その（
時間多重−ＴＤＭＡ−時分割多元アクセスにおける）タイムスロット、若しくは
、その（符号多重−ＣＤＭＡ−符号分割多元アクセスにおける）符号によって定
義される。ＴＤＭＡ及びＦＤＭＡ（周波数分割多元アクセス）方式において１つ
の同じ無線チャネルによって２つ以上のユーザを供給するため、ユーザ信号のダ
ウンリンク（基地局送信、移動機受信）における方向選択送信に加え、空間可分
性及びアップリンク（移動機送信、基地局受信）における方向選択受信に基づく
方法が提案されている（いわゆるＳＤＭＡ、スペース分割多重アクセス方式）。
ＣＤＭＡ方式における方向選択送信／受信もまた、ある１つの周波数における可
能なユーザ数を増大させ、それ故、スペクトル効率や移動セルラー無線方式のキ
ャパシティを高めるために使用され得る。従って、ある通信チャネルにおける可
能なユーザ数（これは基地局によって線形適応アンテナアレイを通じてアップリ
ンクで検出されダウンリンクで付与される）は、干渉を残したまま増大される。
【０００７】 共通チャネル干渉抑制によって個々のユーザの信号を分割してそれを検出する
ために３つの基本的な方法が知られている。（１）アンテナアレイの空間構造の
知識に基づく方法（いわゆる空間参照法）、Ｒ．RoyとＲ.Kailrathによる“ESPR
IT−Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques
”、IEEE Trans. Acoust, Speech and Signal Processing, Vol.37、 1989年７
月、984頁〜995頁参照、（２）既知の信号シーケンスに基づく方法（いわゆる時
間参照法）、S. Ratnavel, A. Paulraj, A.B. Constantinidesによる“MMSE Spa
ce-Time Equalization for GSM Cellular Systems"、Pric.IEEE, Vehicular Tec
hnology Conference 1996、VTC96, Atlanta, Georgia、 331頁〜335頁参照、（
３）信号分割と検出のために既知の構造信号特性を用いる、いわゆる「ブライン
ド」方法、A-J. van der Veeen, S. Talwar, A. Paulrajによる“A Subspace Ap
proach to Blind Space-Time Signal Processing for Wireless Communication
Systems"MMSE Space-Time Equalization for GSM Cellular Systems"、IEEE Tra
nsactions on Signal Processing, Vol.45, No.1, 1997年１月、173頁〜190頁参
照。
【０００８】 移動無線チャネルの異なる推定に基づく様々な方法がダウンリンクのために使
用される。原則として、移動機の信号のいずれの入射方向も（例えば、米国特許
第５、１５５３７８号若しくは欧州特許公開７５５０９０号）使用され、また、
空間的な共分散行列（空間的相関行列）がビーム形成のために使用される（米国
特許第５６３４１９９参照）。
【０００９】 困難な問題は周波数デュプレックスシステム（ＦＤＤシステム）における異な
るキャリア周波数によって生じる。ＦＤＤシステムでは、アップリンクとダウン
リンクの双方の信号が異なる周波数で送信されることから、送信データと受信デ
ータの間の必要な分割を、移動機と基地局の双方で確実なものとしなければなら
ない。同じ物理アンテナアレイと同じアンテナ重み（振幅及び位相）が異なる周
波数で使用された場合、周波数の差によって、アンテナの指向性パターンは異な
ってしまうだろう。この理由から、同じアンテナ重みを送受信に関し移動セルラ
ー通信システムの基地局で使用することは勧められることではない。アップリン
クで推定された入射方向の排他的使用は、その周波数オフセットについてなんら
の問題も有しないが、ビーム情報を単一の離散的な入射方向に制限してしまう。
これは移動無線チャネルの物理特性に矛盾するものであり、故に、適応アンテナ
によってキャパシティゲインは制限されることになる。アップリンクの空間的な
共分散行列の使用は、しかしながら、周波数オフセットの欠点を有する。
【００１０】 空間的共分散行列における周波数デュプレックス距離を補償するために、様々
な解決策が既に述べられている。このため、アップリンクにおいて、入射方向、
信号パワー、各ユーザの関連する角拡散を推定することが提案されている（T. T
rump, B. Ottestenによる“Maximum Likelihood Estimation of Nominal Direct
ion of Arrival and Angular Spread Using an Array of Sensors"、Signal Pro
cessing, Vol. 50, No.1-2, 1996年４月、57頁〜69頁参照）。アップリンクにつ
いてのこの推定から、ダウンリンクについて空間的な共分散行列の推定がなされ
る（P. Zetterbergによる論文“Mobile Cellular Communications with Base St
ation Antenna Arrays: Spectrum Efficiency, Algorithms and Propagation Mo
dels"、Royal Institute of Technology, ストックホルム、スウェーデン、1997
年も参照）。この方法は、しかしながら、各移動機が基地局に関して単一の公称
入射方向を有している場合にのみ機能する。地方領域の山における反射や、都市
領域の大きな建物の集合体によって、この状態はしばしば満たされず、従って、
この解決策を適用するのは不可能となる。
【００１１】 他の従来技術の提案は、基地局において、周波数デュプレックスシステムにお
ける送受信のために、使用される波長を用いてスケール（評価）される２つの異
なるアンテナアレイを用いることを目的とするものである（G.G. Rayleigh, S.N
. Diggave, V.K. Jones及びA. Paulrajによる“A Blind Adaptive Transmit Ant
enna Algorithm for Wireless Communication"、Proceedings IEEE Internation
al Conference on Communications (ICC95)、IEEE 1995、1494頁〜1499頁、若し
くは、対応するＷＯ９７／００５４３Ａ参照）。ここで２つの「適応」アンテナ
アレイは、しかしながら、非常に高い精度で製造され且つ較正され、また、全く
同じ位置に位置付けられねばならない。更に、第２のアンテナアレイが必要とさ
れ、このようにコストは正に正比例的に高くなる。
【００１２】 既に上述した米国特許第５６３４１９９号によれば、ダウンリンクの空間的共
分散行列は、基地局からテスト信号を送信し且つ測定信号を移動機によって再送
することによって、直接的に測定されることとなっている（テスト信号の送信に
も言及しているＷＯ９６／３７９７５号も参照のこと）。しかしながら、このテ
スト信号方法は、含有されるフィードバックプロセスのためのシステムキャパシ
ティを必要とし、この結果、何がしかの可能なキャパシティの増大を減少させる
。更に言えば、既に現存する移動セルラー通信システムの標準を変更しなければ
ならない。なぜなら、移動セルラー局によるそのようなフィードバックは、これ
まではいずれの移動セルラー通信システムにおいても設けられていなかったから
である。
【００１３】 米国特許第５８４８０６０号には、それの受信信号からのアップリンクの空間
的共分散行列の推定が記述されている。発生中の行列素子の相対位相はその後、
送信周波数対受信周波数（ｆS／ｆE）の比によって評価される。個々の信号の多
重路伝播によって、周波数はしかしながら、個々のアンテナ素子と非線形的な位
相関係となる。この応用例は、それ故、例えば衛星通信におけるもののように異
なる方向からの反射無しで送信機と受信器の間に直接視覚接続（direct visual
contact）が設けられる場合に限られる。
【００１４】 ダウンリンクのための共分散行列を得るために、回転行列をアップリンクの共
分散行列に適用することも提案されていた。この回転行列は、規定された方向か
ら来る波の位相を送信周波数対受信周波数ｆS／ｆEの比によって矯正するという
ものである（G.G. Rayleigh, S.N. Diggave, V.K. Jones及びA. Paulrajによる
“A Blind Adaptive Transmit Antenna Algorithm for Wireless Communication
"、Proceedings IEEE International Conference on Communications (ICC95)、
IEEE 1995、1494頁〜1499頁参照）。けれども、ここでは基地局に関する入射方
向の位相関係だけしか適当に矯正されない。幾つかの異なる入射方向が存在する
場合、この方法は失敗に終わり、それ故、それは主要な（支配的な）入射方向を
有する地方領域においてのみ適用が可能である。
【００１５】 上述した論文“Mobile Cellular Communications with Base Station Antenna
Arrays: Spectrum Efficiency, Algorithms and Propagation Models"、Royal
Institute of Technology, ストックホルム、スウェーデン、1997年も、補償行
列をアップリンクの共分散行列に適用する提案を含んでいる。この補償行列は、
非常に小さな相対デュプレックス距離２（ｆS−ｆE）／ｆS＋ｆEについてのみ有
効であり、適応アンテナの使用角の全域において平均化される。この方法は周波
数の差を矯正することはせず、偏差を減少させるだけであり、こうして共分散行
列に含まれる移動無線チャネルの空間構造を全角度領域にわたって「ブラーリン
グ」する。この結果、この方法は全く適用不可能となる。
【００１６】 最後に、フーリエ係数でアップリンクの共分散行列を分解し、それを送信周波
数で復元することが既に提案されている（J.M. Goldberg and J.R. Fonollosa,
“Downlink beamforming for spatially distributed sources in mobile cellu
lar communications"、Signal Processing Vol.65, No.2, 1998年３月、181頁〜
199頁参照）。この方法は、個々の信号経路の正確な位相関係を送信周波数で復
元しようとするものであるが、同様に、共分散行列の空間構造をブラーリングす
る。
【００１７】 従って、ＦＤＤシステムのダウンリンクにおけるそのようなビーム形成を実効
的に可能として、基地局から送信されまた移動機によって受信される信号の干渉
を減少させ、また、供給されるべきユーザの数つまり移動機を増大させることが
できるような、最初に規定した種類の方法と装置を提供することが、本発明の目
的である。
【００１８】 このように、最初に規定した種類の本発明による方法は、ダウンリンク送信の
ためのアンテナ重みが、個々のユーザのアップリンクのパワー角スペクトルに基
づいて決定されることを特徴とし、ここでパワー角スペクトルは、不所望の領域
をマスキングで除くことによって変更される。
【００１９】 対応的に、最初に規定した種類の本発明の装置は、信号処理装置が、ダウンリ
ンク送信のためのアンテナ重みを個々のユーザのアップリンクのパワー角スペク
トルに基づいて前者の変更時に不所望の領域をマスキングで除くことによって決
定するよう構成されていること、を特徴とする。
【００２０】 本発明による技術では、ダウンリンクビーム形成はこのように、それぞれのユ
ーザの方向に関して主ローブの最適な方向付けを確実にするため、個々のユーザ
のアップリンクのパワー角スペクトルに基づいており、不所望な角度領域が前記
パワー角スペクトルにおいてゲート制御で排除されるように、つまり、可能な干
渉がパワー角スペクトルで妨害排除されるようになっている。このように、本発
明によれば、重要で有用なパワー角スペクトルの領域が抽出され、ダウンリンク
情報のためのアンテナ重みを決定するために基礎として採用される。パワー角ス
ペクトルの主要部分だけをそれから「切断」した場合に、干渉抑制に関して特に
良好な結果が得られることが調査によって明らかとなっている。
【００２１】 これを行うにあたり、拡張符号やミッドアンブル等のような送信信号の既知の
信号シーケンスを用いてパワー角スペクトルが推定される場合にそれは有用であ
る。また、アップリンクのパワー角スペクトルが、個々のユーザのアップリンク
の空間的共分散行列、若しくは、任意的にそれらの平均値に基づいて推定される
場合にもそれは有用である。更に、ダウンリンクのそれぞれの空間的共分散行列
が、個々のユーザの変更パワー角スペクトル、若しくは、その平均値に基づいて
決定される場合にそれは有用であることが分かっている。最後に、ダウンリンク
の空間的共分散行列、若しくは、その平均値が送信のアンテナ重みを計算するた
めに用いられる場合にそれは有用である。
【００２２】 このように、移動無線チャネルの空間的共分散行列に関する空間特性のビーム
形成が好適に成し遂げられ、これは４つのステップ、 −アップリンクの空間的共分散行列を推定するステップと、 −スペクトルサーチ法によって受信周波数においてパワー角スペクトルを決定
するステップと、 −推定された変更パワー角スペクトルを用いて送信周波数においてダウンリン
クの空間的共分散行列を再構築するステップと、 −物理チャネルの各ユーザについてアンテナ重みを計算するステップと、 を備える。
【００２３】 この発明の技術は、電磁波の伝播状態によっては制限されない方法で適用され
得る。それは各ユーザのための単一の主要な入射方向に関して何らの制限も受け
ず、何らのハードウェア装置を追加することなく実行され得る。送信の場合と受
信の場合との周波数の差に関する仮定は一切なく、それ故、ここに記述した技術
は、相対デュプレックス距離とは独立に機能する。これを行うにあたり、面倒で
反復する近似手続も、高解像度方向推定アルゴリズムも、必要とせず、従って、
非常に計算効率の良い解放が提供される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
適応アンテナを含んだ移動セルラー通信システムのダウンリンクにおける基地
局でのビーム形成の仕事は、ほとんどのエネルギーは所望のユーザによって受信
され且つできるだけ少ないエネルギーが他のユーザに送信される（それは干渉と
して生じる）といった方法で個々のユーザの信号を基地局から送信すること、か
ら成っている。そのような要求を満たすダウンリンクビーム形成は、各ユーザに
関して十分に高い干渉比を、それ故、十分に高い送信品質（ビットエラーレート
ＢＥＲ）を、確実なものとする。この目的に達成するには、アンテナパターンの
主ローブは所望のユーザの方向に位置付けられ、アンテナパターンにおけるゼロ
係数（zero coefficient）は同じ周波数で供給されるそれらのユーザの方向に位
置付けられねばならない。この原理が図１に示されている。
【００２５】 図１は詳細には、ダウンリンクビーム形成を行う適応アンテナを概略的に示し
たものであり、ここで、信号プロセッサ２は、個々のアンテナ素子１．１、１．
２…１．Ｍを異なる位相と振幅でトリガして、所望のアンテナパターン３若しく
は４をそれぞれ発生する。アンテナパターン３若しくは４の主ローブ５、６はそ
れぞれ、ユーザ７若しくは８の方向にそれぞれ向けられており、アンテナパター
ン３若しくは４におけるゼロ係数９、１０はそれぞれ、他の各ユーザ８若しくは
７の方向にそれぞれ向けられている。
【００２６】 アンテナパターン３、４の形態はそれぞれ、アンテナアレイ１の個々の素子の
異なる重み付けの関数として決定される。図２を参照して、これを線形アンテナ
アレイを例として以下に説明する。図２は、ある方向θからアンテナ素子１．１
、１．２、１．３〜１．Ｍに来る波を概略的に示している。
【００２７】 図２は更に、個々のアンテナ素子間の距離ｄと、１つのアンテナ素子、例えば
１．２からそれに連続するアンテナ素子、例えば１．３までの波の経路差ΔＬを
示す。距離ｄは例えば波長のオーダ（程度）であり、好ましくは波長よりも小さ
い（例えば波長のほぼ半分）。
【００２８】 アンテナ素子の電磁波の、それに連続するものまでの経路差ΔＬは、以下に記
載されている受信信号の位相差に対応し、送信された信号の波長に依存する。
【００２９】
【数１】
【００３０】 この関係において、ｆは送信信号のキャリア周波数、ｃは光の速度を示す。この
関係から、この入射波に対する適応アンテナ１のアレイ応答（それはアレイステ
アリングベクトルａ（θ，ｆ）とも呼ばれる）に関し、
【００３１】
【数２】
【００３２】 という結果が生ずる。
【００３３】 この関係から明らかなように、アンテナアレイ１のアレイ応答は、波の入射方
向とキャリア周波数の双方の関数である。
【００３４】 移動セルラー通信ネットは、単一の伝播経路のみならず、多重路伝播を有する
。これは、基地局と移動機の間に異なる波長と異なる方向を有した幾つかの伝播
経路が存在することを意味する。系統的に、この多重路伝播が図３に概略的に示
されている。
【００３５】 より詳細には、図３は、９つのアンテナ素子１．１〜１．９を含む適応アンテ
ナ１を備えた基地局１１と、この基地局１１と移動機（ＭＳ）７、８との間の多
重路伝播を示しており、多重路伝播は例えば、建物１２における反射によって誘
導される。
【００３６】 個々の信号は、線形アンテナアレイ１のアンテナ素子１．１〜１．９における
アップリンクと、それぞれのセル電話７、８のアンテナにおけるダウンリンクで
重畳する。個々の信号が建設的に重畳するか破壊的に重畳するかは、個々の波の
相互位相関係に依存する。ＦＤＤシステムでは異なるキャリア周波数がアップリ
ンクとダウンリンクのために使用されていることから、波の相互位相関係も変化
する。この理由から、アップリンクにおける及びダウンリンクにおけるフェージ
ング（建設的及び破壊的な重畳）は絶対に相関されない。にもかかわらず、フェ
ージングのみならずアンテナパターンも周波数シフトのために変化する。主ロー
ブの位置とゼロ係数の位置の双方、及び、アレイ方向特性におけるそれらの形態
は、図４Ａ、４Ｂに示されるようにかなり変化する。図４Ａは、アップリンク周
波数についてのアンテナパターンを示し、図４Ｂはダウンリンク周波数について
のそれぞれのアンテナパターンを示す。図４Ａから明らかなように、ユーザＢ１
についての信号は方向−２０°と４０°からのものであり、ユーザＢ２について
は方向−５０°と１０°からである。これに対し、同じアンテナ重みをダウンリ
ンクで使用するときは（図４Ｂ参照）、ユーザＢ１についての主ローブは、−１
８°と３５°の間に存在し、ユーザＢ２については−４５°と８°である。（キ
ャリア周波数として以下の値が採用されている、即ち、ｆE＝１９２０ＭＨｚ、
ｆS／＝２１１０ＭＨｚである）。
【００３７】 図４Ａ、４Ｂから明らかなように、ゼロ係数と主ローブは共に、異なる周波数
に起因してそれらの方向がシフトされている。主ローブにおける影響は、しかし
ながら、それほど大きくはない。なぜなら、いずれにせよ、これらは非常に幅広
いからであり、それ故に、最大でも０．５ｄＢだけ小さいアンテナゲインが生じ
るだけだからである。しかしながら、他の各ユーザの方向におけるゼロ係数は非
常に狭く、アップリンクにつき、ダウンリンクのためのアンテナ重みと同じもの
を使用した場合、発生する干渉は他の各ユーザについては劇的に増大してしまう
だろう。この理由から、基地局１１において送信と受信につき同じアンテナ重み
を使用することは賢明ではない。
【００３８】 周波数シフトのせいで、送信の場合と受信の場合の間のフェージングも相関さ
れず、同じアンテナ重みを使用すると他のアンテナパターンが生じてしまう。
【００３９】 全ての経路長が知られていなければならず、これは不可能であることから、相
関されないフェージングは補償され得ない。アンテナパターンにおけるキャリア
周波数の影響は、しかしながら、適当なビーム形成によって補償され得る。その
結果、他のユーザに関して発生された影響は減少され、送信品質とシステムキャ
パシティは改善される。
【００４０】 信号処理装置２は、基地局１１において、この信号の形成のために使用される
。図３を参照すると、この装置は受信信号に基づいてアンテナ重みを決定し、特
にダウンリンクについてもアンテナ素子１．１〜１．Ｍをトリガする。これを行
うにあたり、ユーザＢ１〜ＢＫは、例えば、移動無線通信システムにおいて同時
に供給される。アンテナアレイ１は一般的な方法で、Ｍ個のアンテナ素子１．１
〜１．Ｍを備える。受信信号は、１３で帯域制限され（チャネル選択フィルタを
用いたフィルタリング）、ベースバンド１４に混合され、１５で増幅され、１６
でデジタル化され、信号処理装置２で、それらの信号は適応アルゴリズムを用い
て検出される。ダウンリンクで、それらの信号はそれに応じて重み付けされ、変
調され、アンテナ２から送られる。図３は更に、基地局１１とアクセスネット１
７の間の信号交換を概略的に示している。
【００４１】 図５は、ダウンリンクにおける所望のビーム形成のための、アンテナ重みの決
定までの入力信号の評価を、概略的に示したフローチャートである。
【００４２】 図５に示されているように、幾つかの共通チャネル信号の雑音を有する入力信
号の行列Ｘは、信号処理装置２に更に送られることになっている入力データセッ
トとして働く。行列Ｘは、同じ周波数を使用する隣接セルからの干渉信号に加え
てグループアンテナ１のＭ個の個々の素子から引き出されたＫ個の共通チャネル
信号の臨界サンプリング（サンプリングレート１／Ｔ）を有するＮ個のサンプル
値を含む。ＣＤＭＡシステムにおける拡張符号やＴＤＭＡシステムにおけるプリ
アンブル若しくはミッドアンブルのような、送信信号の既知の信号シーケンスＳ k （ｋ＝１〜Ｋを有する）（図５のブロック３１）を用いることによって、Ｋ人
の各ユーザＢ１〜ＢＫのチャネルパルス応答は、ステップ３０で、各アンテナ素
子１．１〜１．Ｍで順に推定される（「ユーザ認識」）。これを行うにあたり、
各ユーザＢ１〜ＢＫのチャネルパルス応答は、それ自体知られた方法によって（
例えば、既知の信号シーケンスＳkとの相関によって）互いに独立に、若しくは
、ある１つのステップで全て同時に（例えば、誤差最小２乗法（method of the
smallest error squares）によって）推定され得る。
【００４３】 より詳細には、チャネルパルス応答は、受信データＸと既知の信号シーケンス
Ｓk（ＴＤＭＡシステムにおけるプリアンブル、ミッドアンブル、若しくは、Ｃ
ＤＭＡシステムにおける拡張符号）から推定され、これにより、受信信号を以下
のように表すことができる。
【００４４】
【数３】
【００４５】 ここで、ｈk（ｔ，τ）とＳk（ｔ）は、時間ｔにおける時間によって変動するパ
ルス応答とｋ番目のユーザの送信信号を示し、Ｎ（ｔ）はアンテナ素子１．１〜
１．Ｍ上にサーマルノイズを有するベクトルを表す。合計は、Ｋ人全てのユーザ
Ｂ１〜ＢＫの信号が受信されることを考慮したものである。
【００４６】 ＴＤＭＡシステムでは、上述したプリアンブル、若しくは、ミッドアンブルは
、同時に全てのユーザ（結合推定）、若しくは、別々に個々のユーザのいずれか
のため、その目的に使用され得る。分離推定も同様に誤差最小２乗法（method o
f least error squares）によって求めることができる。これは時間離散法の書
き方では以下のように表すことができる。
【００４７】
【数４】
【００４８】 結合推定は、以下のように表すことができる。
【００４９】
【数５】
【００５０】 これは誤差最小２乗法を用いた結合推定に対応する。行列の擬似逆分解方程式
（pseudo-inverse resolvent）の形成は「＃」によって示されている。
【００５１】 ＣＤＭＡシステムでは、使用される拡張符号に適合したフィルタ信号の出力信
号が使用される。この信号適応型フィルタは、ＣＤＭＡシステムの標準の受信装
置であり、推定のための適当な関係を記述することはここでは不要であろう。
【００５２】 （ユーザＢ１〜ＢＫについての）チャネルパルス応答行列Ｈk（ｋ＝１〜Ｋ）
は、ビーム形成処理に必要な情報の全てを含む。チャネルパルス応答行列は、以
下の構造を有する。
【００５３】
【数６】
【００５４】 ここで、ｈk（ｔ）は、時間ｔにおけるチャネルパルス応答のベクトルである。
この表示では、チャネルパルス応答はＬ個のサンプル値の長さを有するものと仮
定されている。
【００５５】 この後、個々のユーザのアップリンクの空間的共分散行列が、これらのチャネ
ルパルス応答を用いて計算される（図５のステップ４０参照）。
【００５６】 方向θからアンテナアレイ１に達する信号は、既述のアレイステアリングベク
トルａ（θ，ｆ）に等しいアレイ応答を作り出す。この信号の空間的共分散行列
Ｒ（ｆ）はこの場合、以下のように定義される。
【００５７】
【数７】
【００５８】 普通は異なる受信性能を有する多数の伝播経路が存在する。この理由から、空
間共分散行列は以下のように表すことができる。
【００５９】
【数８】
【００６０】 チャネルパルス応答は、アレイ信号と関連信号強度とを含んだ全ての信号を含
む。この理由から、また、期待値形成（expected value formation）を（サンプ
ル値の時間離散平均値における）時間平均値によって置換することによって、空
間的共分散行列は以下のように表すことができる。
【００６１】
【数９】
【００６２】 この関係によって、ユーザＢ１〜ＢＫのアップリンクの共分散行列はそれ故、
推定される。空間的共分散行列Ｒkも周波数に依存する。アップリンクの空間的
共分散行列Ｒkは一般に、適応アンテナによる受信のための複雑なアンテナ重み
を計算するために用いられる。ダウンリンクのためのこれらのアンテナ重みの使
用は、しかしながら、既に説明したようにゼロ係数に取って代わる。この理由か
ら、ダウンリンクのためのアンテナ重みの計算ができるように、基地局の受信周
波数ｆEから送信周波数ｆSへ空間的共分散行列Ｒkを変形しようとしなければな
らない。
【００６３】 この周波数変形は図５のステップ５０に示されており、これは、空間的共分散
行列Ｒkに含まれる移動無線チャネルの空間構造を、基地局の受信周波数（アッ
プリンク周波数）ｆEから基地局の送信周波数（ダウンリンク周波数）ｆsへ変形
する。この技術は図６により詳細に示されており、以下により詳細に記述する。
【００６４】 ダウンリンクのＫ人のユーザの推定空間的共分散行列Ｒkは秘密になるように
形成される。これは、全ての入射方向が互いに独立とみなされることを意味する
。ステップ５０の最後に得られた、送信周波数ｆsにおける共分散行列Ｒk（ｆs
）は、ダウンリンク送信に最適なアンテナ重みを計算するために使用される。こ
れは図５のステップ６０で実行される。空間的共分散行列の知識に基づく全ての
ビーム形成アルゴリズムは、この目的のために使用され得る。個々のユーザのた
めの信号は、その後、基地局１１によって送信され、それらのアンテナ重みによ
って多重化（重み付け）される。
【００６５】 以下、図６による周波数変形（ステップ５０）との関連で説明する。既に述べ
たように、個々の信号経路のフェージング（位相関係）はダウンリンクとアップ
リンクで相関される。個々の部分波の入射方向とそれらの平均信号強度（パワー
）だけが、アップリンクとダウンリンクで等しい。それ故、空間的共分散行列を
再構築するため、推定パワー角スペクトルがビーム形成のために使用される。パ
ワー角スペクトルは、それぞれの角領域から受信したパワーを含む。それは正に
、アップリンクとダウンリンクの双方で等しいそのパラメータである。この理由
から、ダウンリンク送信のために利用され得る全ての情報は、再構築共分散行列
に再び含まれる。瞬間のものではなく平均信号強度だけが一定のままであること
から、時間平均化が含まれることもある。時間平均化は、３つの時点で実行され
得る。即ち、 （１）受信周波数（アップリンク）における共分散行列の平均化 （２）パワー角スペクトルの平均化（図６のステップ５２の後） （３）送信周波数（ダウンリンク）における共分散行列の平均化 である。
【００６６】 原則として、どこで平均化が生じるかは問題ではないが、研究によって、共分
散行列の平均化は受信周波数において特によい結果を作り出すことが分かってい
る。
【００６７】 図６は、ブロック５２のパワー角スペクトル推定を示す。これにより、それは
ｋ番目のユーザのためのアップリンクの共分散行列Ｒk（ｆE）から離される。基
本的には、それ自体知られているいずれのスペクトルサーチ法も、このパワー角
スペクトル推定で使用され得る。
【００６８】 パワー角スペクトルＡＰＳk（方位パワースペクトル）は、最尤法（最小分散
法、若しくは、カポンの方法とも呼ばれており、D.H. Johnson、D.E. Dugeonに
よる“Array Signal Processing- Concepts and Tecniques”、Prentice Hall,
Inc.、Englewood Cliffs (New Jersey) 533頁に記載されている）を適用するこ
とによって、以下に示すようにして推定され得る。
【００６９】
【数１０】
【００７０】 この関係において、ａ（θ，ｆ）はアップリンクのアレイステアリングベクト
ルであり、それは以下に示すように、受信周波数ｆE、Ｍ個の素子を有する線形
アレイの内部成分距離ｄ、方向θの関数である。
【００７１】
【数１１】
【００７２】 これは、一様な線形アンテナアレイ１の幾何学知識（受信波長ｆEに対するア
ンテナ成分距離ｄの比、つまり、ｄ／ｆE）に基づいて、Ｋ人の各ユーザのパワ
ー角スペクトルＡＰＳkが推定されることを意味する。このステップは他の同様
のスペクトルサーチ方法によっても実行され得ることを理解すべきである。パワ
ー角スペクトルＡＰＳkは、必要でも適当でもない、移動無線チャネルの個々の
信号経路の何らの相互位相関係も含んでいない。なぜなら、フェージング及び位
相関係は、周波数デュプレックスシステムで行き渡っている異なる送受信周波数
に因って、多重路伝播のため絶対に相関されないからである。
【００７３】 図７は、基地局１１から見た、方向＋１０°におけるユーザＢｋの推定パワー
角スペクトルＡＰＳkの一例を示している。図７の破線は、−３０°、＋１２°
及び５０°における、幾つかの共通チャネル干渉の推定パワー角スペクトルを示
している。
【００７４】 図６のステップ５４において、パワー角スペクトルＡＰＳkの主な領域がその
後、抽出される。これを行うにあたり、空間的共分散行列の再構築のために総パ
ワー角スペクトルＡＰＳkを使用することは絶対に必要なことではないが、それ
らから信号の主要部がアップリンクにおいて受信されるような、それら角領域の
みを使用することは実現可能であり、これにより、アンテナローブが結果として
これらの角領域に方向付けられ、アンテナパターンのゼロ係数がそのような角領
域においてのみ干渉に関して描かれる。例えば、ゼロ係数だけを主要な干渉方向
に位置付け、若しくは、所望のユーザとほぼ同じ方向に配置されたそれら干渉の
方向ではゼロ係数を避けて、アンテナパターンに影響を与えないようにするため
に、幾つかの角領域をマスキングで除く技術が図９、１０に加え図８に（図７と
の関係で）例示されている。図７は、所望のユーザの推定パワー角スペクトルと
干渉を示し、一方、図８は、この場合のアンテナ方向特性を示す。
【００７５】 図７から、干渉と所望のユーザははほぼ同じ方向（それぞれ＋１２°と１０°
）に配置されていることは明らかである。基地局から見て＋１２°に配置された
その１つの干渉方向で送信されるエネルギーを減少させようとする場合、主ロー
ブは所望のユーザの方向を正確には示さないだろう。
【００７６】 この影響を抑制するため、パワー角スペクトルにおける前記１つの干渉の一部
を抑制し、主ローブがずらされることを防止する。パワー角スペクトルのこの変
更使用は、それに応じて変更されたアンテナパターンを示す図９、図１０に示さ
れている。
【００７７】 ダウンリンクビーム情報のための変更パワー角スペクトルを使用する際、アン
テナパターン（図１０）の主ローブは、再び所望のユーザ（＋１０°）の方向を
示す。特に１つのチャネルに当てられるユーザ数が多数であるＣＤＭＡシステム
（ＵＭＴＳのような第３の移動通信発生のシステムは全てＣＤＭＡに基づく）で
は、ユーザの角可分性（幾人かのユーザは、それらユーザが配置されている角度
の最小距離を必要とするような同じ方向には配置されない）を保護することは全
くできない。この理由から、ここに示したケースはＣＤＭＡシステムでたびたび
生じ得る。
【００７８】 ユーザ若しくは妨害の共分散行列における推定誤差はそれぞれ、ここに示した
影響を増幅するだろう。実際のオペレーションシステムでは、それ故に結果とし
て、パワー角スペクトルの規定領域からのマスキングによる排除がたびたび必要
とされる。
【００７９】 この後、Ｋ人のユーザのダウンリンクの移動無線チャネルの空間的共分散行列
（相関行列）Ｒk（ｆs）は、推定された変更パワー角スペクトルＡＰＳk,modに
よって図６のステップ５６で再構築される。これは以下の手続に従って行われる
。
【００８０】
【数１２】
【００８１】 パワー角スペクトルはもともと、連続的ではなく、規定の角度解像度において
離散的にのみ決定され得る。約１度の解像度で十分であることが、大規模なコン
ピュータシミュレーションで明らかになった。故に、上述した積分の結果は、比
較的少数の加数を含んだ別個の合計と置換され得る。この別個の合計は以下のも
のである。
【００８２】
【数１３】
【００８３】 Ｐk,mod（θi）は、ｋ番目のユーザの変更パワー角スペクトルを示す。
【００８４】 ここに述べた方法は、デュプレックス周波数のための誤差を生じさせずに、移
動無線チャネルのいずれの方向情報もダウンリンクビーム形成のために利用され
ることから、周波数デュプレックスを有する移動セルラー通信システムのダウン
リンクにおいて時間デュプレックスシステムにおけるのと同じゲインを可能にす
ることができることを特徴とする。これを行うにあたり、離散的な（個別の）入
射方向の数、若しくは、僅かなデュプレックス距離に関して何らの仮定も用いら
れず、故に、ここに述べた技術は制限なく適用することができる。更に、アップ
リンク検出のために必要とされるチャネルパルス応答と空間的共分散行列は、ダ
ウンリンクビーム形成のためにも使用されることから、別々に計算される必要は
ない。
【００８５】 こうして、ブロック５０による周波数変形出力で、ｋ番目のユーザのためのダ
ウンリンク（Ｒk（ｆs））の共分散行列Ｒkが得られ、これらは最終的に、図５
によるステップ６０でビーム形成のための、つまり、ダウンリンクアンテナ重み
を決定するために、基礎として採用される。既述のように、空間的共分散行列の
知識に基づくいずれの既知のアルゴリズムもビーム形成のために使用することが
できる。以下に、アップリンクアンテナ重みを計算するために論文で使用される
標準的なアルゴリズムの一例が明らかにされている（例えば、P. ZetterbergとB
. Otterstenによる“The Spectrum Efficiency of a Base Station Antenna Arr
ay System for Spatially Selective Transmission”、IEEE Transactions on V
ehicular Technology, Vol.44、1995年８月、651頁〜660頁参照）。
【００８６】 個々のユーザと干渉の共分散行列が知られている場合、アンテナ重みはその情
報から計算され得る。Ｒk（ｆS）は、送信周波数ｆSにおけるｋ番目のユーザの
共分散行列を示し、Ｑk（ｆS）は、ｋ番目のユーザの干渉の共分散行列を示す。
重みベクトルは、行列対［Ｒk（ｆS）,Ｑk（ｆS）］の主要な普遍固有ベクトル
としてこの情報から計算される。アップリンクの受信時に、この方法は受信した
信号対雑音比ＳＮＩＲｋの比を最大にする。ダウンリンクでは、所望のユーザの
ために発生される信号パワーの、他のユーザのために発生される干渉パワーに対
する比は、最大にされる。数学的には、この問題は以下ように表すことができる
。
【００８７】
【数１４】
【００８８】 アップリンク検出に関しては、受信周波数における共分散行列が、ダウンリンク
アンテナ重みの計算に関しては、周波数変換共分散行列が（基地局の送信周波数
において）使用される。更に、適応アンテナ１を用いて送受信のための複雑なア
ンテナ重みを計算するために、同じアルゴリズムが使用される。この理由から、
及び、空間的共分散行列は一般にアップリンク受信に使用されることから、周波
数デュプレックスを備えるシステムのダウンリンクのためのこのビーム形成方法
は非常に簡易であり、アップリンクに比べて更に付加的に必要とされるのは、図
１１で７０に示されているような空間的共分散行列の周波数変形だけである。
【００８９】 図１１は、適応アンテナ１のためのアンテナ重みを計算するために用いられる
信号処理装置２の構造を示し、受信信号は、７１に概略的に示されている。７２
に、アップリンク共分散行列Ｒkを推定するために使用される装置が示されてお
り、７３には、ビーム形成装置が示されている。決定されたアンテナ重みは、ダ
ウンリンクについてはＷk（ｆs）によって、アップリンクについてはＷk（ｆE）
によって示されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ダウンリンクビーム形成を有する適応アンテナの概略図である。
【図２】 経路差を示すため、入射波を有した線形アンテナアレイを概略的に示した図で
ある。
【図３】 基地局と幾つかの移動機とを示したビーム形成デバイスを示す図である。
【図４Ａ】 アップリンク周波数におけるアンテナパターンを示す図である。
【図４Ｂ】 ダウンリンク周波数における対応するアンテナパターンを示す図である。
【図５】 ダウンリンクビーム形成のためのアンテナ重みの決定を示すフローチャートで
ある。
【図６】 図５に示した周波数変換中の手続を解明する詳細なフローチャートである。
【図７】 「干渉」を有するユーザのパワー角スペクトルを示す図である。
【図８】 図７に関係するアンテナパターンであるが変更前である図。
【図９】 図７に対応するパワー角スペクトルとアンテナ特性図であるが干渉をマスキン
グにより除いた後である図。
【図１０】 図８に対応するパワー角スペクトルとアンテナ特性図であるが干渉をマスキン
グにより除いた後である図。
【図１１】 ビーム形成のためのアンテナ重みを計算するために使用される信号処理装置の
構造を示す図である。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１３年３月１日（２００１．３．１）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ， ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，Ｃ Ｎ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ， ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，Ｋ Ｐ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ， ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，Ｓ Ｇ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ Ｆターム(参考） 5J021 AA05 AA06 DB01 EA04 FA14 FA15 FA16 FA17 FA20 FA32 GA02 HA05 5K059 CC04 CC07

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 幾つかのアンテナ素子（１．１〜１．Ｍ）を含んだ適応アン
    テナアレイのための、周波数デュプレックスシステムのダウンリンクにおけるビ
    ーム形成方法であって、アンテナ重み（Ｗk（ｆS））はアップリンクの方向情報
    に基づいてダウンリンク送信のために前記アンテナ素子（１．１〜１．Ｍ）につ
    いて決定される前記方法において、 ダウンリンク送信のためのアンテナ重み（Ｗk（ｆS））が、個々のユーザ（Ｂ
    １〜ＢＫ）のアップリンクのパワー角スペクトル（ＡＰＳk）に基づいて決定さ
    れ、ここでパワー角スペクトル（ＡＰＳk）は、不所望の領域をマスキングで除
    くことによって変更されることを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の方法において、前記パワー角スペクトル（Ａ
    ＰＳk）は、拡張符号若しくはミッドアンブルのような送信信号の既知の信号シ
    ーケンスを用いて推定される前記方法。
  3. 【請求項３】 請求項１または２記載の方法において、前記パワー角スペク
    トル（ＡＰＳk）は、個々のユーザ（Ｂ１〜ＢＫ）のアップリンクの空間的共分
    散行列（Ｒk（ｆE））に基づいて推定される前記方法。
  4. 【請求項４】 請求項３記載の方法において、前記パワー角スペクトル（Ａ
    ＰＳk）は、個々のユーザ（Ｂ１〜ＢＫ）のアップリンクの空間的共分散行列（
    Ｒk（ｆE））の平均値に基づいて推定される前記方法。
  5. 【請求項５】 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法において、前記
    ダウンリンクのそれぞれの空間的共分散行列（Ｒk（ｆS））は、個々のユーザの
    変更パワー角スペクトル（ＡＰＳk）に基づいて推定される前記方法。
  6. 【請求項６】 請求項５記載の方法において、前記ダウンリンクの空間的共
    分散行列（Ｒk（ｆS））は、変更パワー角スペクトル（ＡＰＳk）の平均値に基
    づいて決定される前記方法。
  7. 【請求項７】 請求項５記載の方法において、前記ダウンリンクの空間的共
    分散行列（Ｒk（ｆS））は、送信のためのアンテナ重み（Ｗk（ｆS））を計算す
    るために使用される前記方法。
  8. 【請求項８】 幾つかのアンテナ素子（１．１〜１．Ｍ）を含んだ適応アン
    テナアレイのための、周波数デュプレックスシステムのダウンリンクにおけるビ
    ーム形成装置であって、ダウンリンク送信のためにアンテナ素子（１．１〜１．
    Ｍ）についてのアンテナ重み（Ｗk（ｆS））をアップリンクの方向情報に基づい
    て決定するために用いられる信号処理装置（２）を備える、前記装置において、 前記信号処理装置（２）は、ダウンリンク送信のためのアンテナ重み（Ｗk（
    ｆS））を、個々のユーザ（Ｂ１〜ＢＫ）のアップリンクのパワー角スペクトル
    （ＡＰＳk）に基づいて、前記パワー角スペクトル（ＡＰＳk）の変更時に不所望
    の領域をマスキングで除くことによって決定するように構成されていることを特
    徴とする装置。
  9. 【請求項９】 請求項８記載の装置において、前記信号処理装置（２）には
    、パワー角スペクトル（ＡＰＳk）を推定するために、拡張符号若しくはミッド
    アンブルのような送信信号の既知の信号シーケンス（Ｓk）が付与される前記装
    置。
  10. 【請求項１０】 請求項８または９記載の方法において、前記信号処理装置
    （２）は、個々のユーザ（Ｂ１〜ＢＫ）のアップリンクの空間的共分散行列（Ｒ k （ｆE））に基づいてパワー角スペクトル（ＡＰＳk）を推定するように構成さ
    れている前記装置。
  11. 【請求項１１】 請求項１０記載の装置において、前記信号処理装置（２）
    は、前記アップリンクの空間的共分散行列（Ｒk（ｆE））の平均値を形成する前
    記装置。
  12. 【請求項１２】 請求項８乃至１１のいずれか１項に記載の装置において、
    前記信号処理装置（２）は、個々のユーザ（Ｂ１〜ＢＫ）の変更パワー角スペク
    トル（ＡＰＳk）に基づいて、ダウンリンクのそれぞれの空間的共分散行列（Ｒk （ｆS））を決定するように構成されている前記装置。
  13. 【請求項１３】 請求項１２記載の装置において、前記信号処理装置（２）
    は、前記ダウンリンクのそれぞれの空間的共分散行列（Ｒk（ｆS））を決定する
    ために、変更パワー角スペクトル（ＡＰＳk）の平均値を形成する前記装置。
  14. 【請求項１４】 請求項１２記載の装置において、前記信号処理装置（２）
    は、送信のためのアンテナ重み（Ｗk（ｆS））を計算するために前記ダウンリン
    クの空間的共分散行列（Ｒk（ｆS））の平均値を形成する前記装置。
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