JP2004061467A - マルチパス伝播環境における周期定常信号の到来方向推定方法及びこれを用いた受信ビーム形成装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】アレー受信データの時空間特性を活用して、線形予測を用いて周期定常性をもつ多重波の到来方向を推定する際、到来方向の推定誤差を最小化にする。
【解決手段】複数個Ｍのアンテナ素子を同じ素子間隔で直線上の異なる空間位置に配列したアレーアンテナに到来する周期定常性を有する多重波の到来方向を推定する方法であって、前記複数個Ｍを互いにオーバーラップする
【数３６】
のアンテナ素子を含む複数個
【数３７】
のサブアレーに形成し、前記サブアレー毎に、前後向きに線形予測を行い、各線形予測モデルから得られる、周期相関領域の線形予測モデルにより予測係数を求め、前記予測係数に対応する予測多項式のスペクトルのピーク位置から前記多重波の到来方向を求めることを特徴とする。
【選択図】 図５
【解決手段】複数個Ｍのアンテナ素子を同じ素子間隔で直線上の異なる空間位置に配列したアレーアンテナに到来する周期定常性を有する多重波の到来方向を推定する方法であって、前記複数個Ｍを互いにオーバーラップする
【数３６】
のアンテナ素子を含む複数個
【数３７】
のサブアレーに形成し、前記サブアレー毎に、前後向きに線形予測を行い、各線形予測モデルから得られる、周期相関領域の線形予測モデルにより予測係数を求め、前記予測係数に対応する予測多項式のスペクトルのピーク位置から前記多重波の到来方向を求めることを特徴とする。
【選択図】 図５
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アレーアンテナを用いて電波到来方向を精度よく推定する電波到来方向推定方法に関し、特に、マルチパス伝播環境における周期定常信号の到来方向推定方法及び、その電波到来方向推定方法による推定結果に基づくアンテナのビーム指向性を可変制御する、基地局の受信ビーム形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、移動通信に適応アレーアンテナ （ａｄａｐｔｉｖｅ ａｒｒａｙ ａｎｔｅｎｎａ） を用いる研究開発が注目されている。複数個のアンテナ素子をある形状で異なる空間位置に配置したものをアレーアンテナと呼ぶ。アンテナに入射する電波 （以下、信号処理の立場から信号という場合がある） の到来方向を推定する問題は、適応アレーアンテナの重要な要素技術の一つと考えられる。特に、マルチパスに起因する多重波に関する到来方向推定は非常に重要となる。
【０００３】
従来、アレーアンテナに入射するコヒーレント信号である多重波 （相関性のある複数個の信号を含む） の到来方向を推定する方法として、計算の複雑さや推定精度などの立場から空間スムージング法を用いた部分空間手法 （ｓｕｂｓｐａｃｅ−ｂａｓｅｄｍｅｔｈｏｄ ｗｉｔｈ ｓｐａｔｉａｌ ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ） はよく知られている。
【０００４】
その代表手法例として、空間スムージングＭＵＳＩＣ （ｓｐａｔｉａｌ ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ ｂａｓｅｄ ＭＵＳＩＣ） があり、その手法の詳細については、文献Ｔ．−Ｊ． Ｓｈａｎ， Ｍ． Ｗａｘ ａｎｄ Ｔ． Ｋａｉｌａｔｈ， ”Ｏｎ ｓｐａｔｉａｌ ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ ｆｏｒ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ−ｏｆ−ａｒｒｉｖａｌ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｓｉｇｎａｌｓ，” ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ａｃｏｕｓｔ．， Ｓｐｅｅｃｈ， Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， ｖｏｌ． ３３， ｎｏ． ４， ｐｐ． ８０６−８１１ （１９８５） 及びＳ．Ｕ． Ｐｉｌｌａｉ ａｎｄ Ｂ．Ｈ． Ｋｗｏｎ， ”Ｆｏｒｗａｒｄ／ｂａｃｋｗａｒｄ ｓｐａｔｉａｌ ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｓｉｇｎａｌｓ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ，” ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ａｃｏｕｓｔ．， Ｓｐｅｅｃｈ， Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， ｖｏｌ． ３７， ｎｏ． １， ｐｐ． ８−１５ （１９８９） に記載がある。
【０００５】
空間スムージング法に基づく部分空間手法は、アレーアンテナに入射する信号間の相関を抑圧するため、線形等間隔に配置されたアレーアンテナ素子を最大アンテナ素子数より少ない数のアンテナ素子毎にサブアレー化し、各サブアレーの共分散行列の平均操作を行うことにより、空間的に平均された共分散行列の信号部分空間の次元を多重波の個数に回復するものである。
【０００６】
従って、従来の部分空間手法のように信号部分空間 （ｓｉｇｎａｌ ｓｕｂｓｐａｃｅ） と雑音部分空間 （ｎｏｉｓｅ ｓｕｂｓｐａｃｅ） の直交関係を利用して、多重波の到来方向を推定することが可能となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、かかる従来の空間スムージングＭＵＳＩＣはアレー受信データの空間的な特性だけを利用して多重波の到来方向を推定するが、入射する信号の時間的な特性を無視している。
【０００８】
従って、本発明の目的は、アレー受信データの時空間特性を活用して、線形予測を用いて周期定常性をもつ多重波の到来方向を推定する際、到来方向の推定誤差を最小化にする最適なサブアレーサイズを明らかにし、高性能な到来方向推定方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を達成する本発明に従うマルチパス伝播環境における周期定常信号の到来方向推定方法は、第１の態様として、複数個Ｍのアンテナ素子を同じ素子間隔で直線上の異なる空間位置に配列したアレーアンテナに到来する周期定常性を有する多重波の到来方向を推定する方法であって、前記
【００１０】
【数７】
【００１１】
のアンテナ素子を含む複数個
【００１２】
【数８】
【００１３】
のサブアレーに形成し、前記サブアレー毎に、前後向き線形予測（ＦＢＬＰ）を行い、各線形予測モデルから得られる、周期相関領域の線形予測モデルにより予測係数を求め、前記予測係数に対応する予測多項式のスペクトルのピーク位置から前記多重波の到来方向を求めることを特徴とする。
【００１４】
上記の課題を達成する本発明に従うマルチパス伝播環境における周期定常信号の到来方向推定方法は、第２の態様として、複数個Ｍのアンテナ素子を同じ素子間隔で直線上の異なる空間位置に配列したアレーアンテナに到来する周期定常性を有する多重波の到来方向を推定する方法であって、前記
【００１５】
【数９】
【００１６】
のアンテナ素子を含む複数個
【００１７】
【数１０】
【００１８】
のサブアレーに形成し、前記サブアレー毎に、前向き線形予測（ＦＬＰ）を行い、各線形予測モデルから得られる、周期相関領域の線形予測モデルにより予測係数を求め、前記予測係数に対応する予測多項式のスペクトルのピーク位置から前記多重波の到来方向を求めることを特徴とする。
【００１９】
更に、上記の課題を達成する本発明に従うマルチパス伝播環境における周期定常信号の到来方向推定方法は、第３の態様として、複数個Ｍのアンテナ素子を同じ素子間隔で直線上の異なる空間位置に配列したアレーアンテナに到来する周期相関性を有する多重波の到来方向を推定する方法であって、前記複数個Ｍを互いにオーバーラップする
【００２０】
【数１１】
【００２１】
のアンテナ素子を含む複数個
【００２２】
【数１２】
【００２３】
のサブアレーに形成し、前記サブアレー毎に、後向き線形予測（ＢＬＰ）を行い、各線形予測モデルから得られる、周期相関領域の線形予測モデルにより予測係数を求め、前記予測係数に対応する予測多項式のスペクトルのピーク位置から前記多重波の到来方向を求めることを特徴とする。
【００２４】
上記の課題を達成する本発明に従う到来方向推定システムは、上記のいずれかの周期定常信号の到来方向推定方法により多重波の到来方向を推定することを特徴とする。
また、上記の課題を達成する本発明に従う受信ビーム形成装置は、上記のいずれかの周期定常信号の到来方向推定方法により多重波の到来方向を推定する到来方向推定システムと、前記到来方向推定システムにより推定される多重波の到来方向に対応するようにアンテナビームを形成する装置を備えたことを特徴とする。
【００２５】
本発明特徴は、更に図面を参照して以下に説明する発明の実施の形態例から明らかになる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態例を説明するが、その説明に先立って、本発明の正しい理解のために従来の方法とその問題点について更に詳しく説明しておく。
【００２７】
従来の多重波到来方向推定に関する部分空間手法の代表例として、文献Ｔ．−Ｊ． Ｓｈａｎ， Ｍ． Ｗａｘ ａｎｄ Ｔ． Ｋａｉｌａｔｈ， ”Ｏｎ ｓｐａｔｉａｌ ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ ｆｏｒ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ−ｏｆ−ａｒｒｉｖａｌ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｓｉｇｎａｌｓ，” ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ａｃｏｕｓｔ．， Ｓｐｅｅｃｈ， ＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， ｖｏｌ． ３３， ｎｏ． ４， ｐｐ． ８０６−８１１ （１９８５） に記載された空間スムージングＭＵＳＩＣ （Ｓｐａｔｉａｌ ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ ｂａｓｅｄ ＭＵＳＩＣ） を説明する。
【００２８】
【数１３】
【００２９】
【数１４】
【００３０】
【数１５】
【００３１】
【数１６】
【００３２】
【数１７】
【００３３】
なお、信号部分空間はアレーの応答ベクトルを用いて表すことができる。信号部分空間と雑音部分空間の直交関係に基づく到来方向推定方法は部分空間手法と呼ばれる。
【００３４】
【数１８】
【００３５】
【数１９】
【００３６】
上記のとおり、図１に示した前向きサブアレー （ｆｏｒｗａｒｄ ｓｕｂａｒｒａｙ） を用いた空間スムージングＭＵＳＩＣを説明した。これに対し、文献Ｓ．Ｕ． Ｐｉｌｌａｉ ａｎｄ Ｂ．Ｈ． Ｋｗｏｎ， ”Ｆｏｒｗａｒｄ／ｂａｃｋｗａｒｄ ｓｐａｔｉａｌ ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｓｉｇｎａｌｓ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ，” ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ａｃｏｕｓｔ．， Ｓｐｅｅｃｈ， Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， ｖｏｌ． ３７， ｎｏ． １， ｐｐ． ８−１５ （１９８９） に記載したように、図２に示す後向きサブアレー （ｂａｃｋｗａｒｄ ｓｕｂａｒｒａｙ） を使って、前記の前向きサブアレーを用いた空間スムージングＭＵＳＩＣと同じ考え方で多重波の到来方向を推定できる。
【００３７】
さらに、図１と図２に示した前向きサブアレーと後向きサブアレーを同時に利用すると、多重波の到来方向推定の精度を向上することができる。
【００３８】
【数２０】
【００３９】
逆に、サブアレーのサイズが小さくなる場合には、多重波の相関を抑圧能力が強くなるが、スペクトルの分解能が劣化する。従って、前記の空間スムージング法を用いた部分空間手法または前記の空間特性を用いた多重波到来方向推定法において、サブアレーのサイズは到来方向の推定精度に影響を与える。しかも最適なサブアレーサイズは、信号対雑音比 （ＳＮＲ：Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ） や信号源の座標や到来方向の相対位相など要素に依存するので、一般的な最適なサイズの決定はかなり難しい。
【００４０】
また、前記の空間スムージングＭＵＳＩＣはアレー受信データの空間的な特性だけ利用して多重波の到来方向を推定するが、入射する信号の時間的な特性を無視している。
【００４１】
【数２１】
【００４２】
従って、干渉信号が存在する場合には、従来の空間スムージングＭＵＳＩＣにおいて、多重波の到来方向の推定性能が悪くなる。
【００４３】
さらに、推定精度がよくない入射する信号の到来方向の推定値を用いて基地局で受信／送信ビームを形成すると、基地局の受信及び送信システムの性能が劣化することが生じる。
【００４４】
従って、本発明はアレー受信データの時空間特性を活用して、線形予測を用いて周期定常性を持つ多重波の到来方向を推定する際、到来方向の推定誤差を最小化にする最適なサブアレーサイズを明らかにし、高性能な到来方向推定方法を提案するものである。
【００４５】
図３は、本発明の適用における送信源と受信側基地局との配置関係を説明する図である。送信源１０から発射された多重波は、基地局２０のアンテナに真っ直ぐに入射する直接波１１と、また、建物などの地物によって反射されてから基地局２０のアンテナに入射する反射波１２がある。
【００４６】
図３においては一例として、二つの反射波１２を示すが、以下の説明において、送信源１０からの直接波１１と反射波１２の個数をｐとする。また、ｐを既知と仮定する。さらに、直接波１１と反射波１２の関係は、次式８で表わせる。
【００４７】
【数２２】
【００４８】
図５に、到来方向推定部５０の本発明に従う処理工程を示す。なお、図５に示す各処理工程は、各々対応する処理機能を有する個別の装置として構成することも単一の演算装置により処理工程に対応してソフトウエアにより処理機能を実現することも可能であり、本発明の適用はこれら何れの態様に限定されるものではない。
【００４９】
最適なサブアレーサイズの決定工程（ステップＳ５１）において、適当なサブアレーのサイズｍを決める。このサイズの決め方については、後に説明する。
【００５０】
【数２３】
【００５１】
【数２４】
【００５２】
【数２５】
【００５３】
特に、図１は、前方のアレー受信信号から後方のアレー受信信号を推定する前向き線形予測（ＦＬＰ）の例である。図２は、後方のアレー受信信号から前方のアレー受信信号を推定する後前向き線形予測（ＢＬＰ）の例である。両方を同時に利用する場合は、前後向き線形予測（ＦＢＬＰ）である。
【００５４】
【数２６】
【００５５】
【数２７】
【００５６】
【数２８】
【００５７】
【数２９】
【００５８】
【数３０】
【００５９】
【数３１】
【００６０】
なお、受信データの長さＮと遅延パラメータＱをＮ＝５１２とＱ＝１０する。
【００６１】
まず、干渉信号が存在しない多重波の到来方向推定を考察する。ここで、６．４ＭＨｚボード速度 （ｂａｕｄ−ｒａｔｅ）を持つ２つの多重波ＢＰＳＫ１信号 （正規化した周期周波数はα＝０．２となる） は同じパワーで到来方向θ１＝４°とθ２＝２０°からアレーアンテナに入射する。アンテナ素子数をＭ＝１２，１６，２０，２４，３０とし、信号対雑音比 （ＳＮＲ） を２５ｄＢにする。
【００６２】
図８は、シミュレーションによる到来方向を推定するスペクトルの一例であり、ＳＮＲ＝２５ｄＢ， Ｍ＝１２， ｍ＝１０ の時のスペクトルである。到来方向θ１＝４°とθ２＝２０°において、鋭いピークが生じている。これにより、到来方向θ１＝４°とθ２＝２０°の推定が可能である。
【００６３】
【数３２】
【００６４】
次に、干渉信号が存在する場合の多重波の到来方向推定を検討する。ここで、同じパワーを持つ２つの多重波ＢＰＳＫ１信号は到来方向θ１＝−１０°とθ２ ＝４°から＝８個の素子をもつアレーアンテナに入射すると考える。
【００６５】
一方、８．０ＭＨｚボー速度をもつ干渉信号ＢＰＳＫ２ （正規化した周期周波数はα＝０．２５となる） は同じパワーで到来方向θ３ ＝０°からアレーアンテナに入射する。
【００６６】
また、干渉信号ＢＰＳＫ２のＳＮＲを１０ｄＢにし、多重波ＢＰＳＫ１のＳＮＲを−５ｄＢ〜３０ｄＢの範囲に変化させる。
【００６７】
【数３３】
【００６８】
従って、本発明の方法で明らかにした最適なサブアレーのサイズを用いて、高精度な多重波の到来方向の推定が可能である。
【００６９】
【数３４】
【００７０】
【数３５】
【００７１】
更に、本発明の到来方向推定方法を適用する図４に示した到来方向推定システムを用いて、希望の到来方向にピークが向くビームを形成する受信ビーム形成装置の構成し、これを基地局２０に備えることが可能である。
【００７２】
図１１は、基地局２０における受信ビーム形成装置構成例であり、図４に示した多重波到来方向推定システムを有し、更にベースバンド及びディジタル処理部４０からの複素ディジタル受信データ出力が入力され、且つ、上記に説明した本発明を適用した周期定常性を用いた到来方向推定部５０により推定された到来方向の情報が入力されるビーム形成器６０を備える。
【００７３】
かかるビーム形成器６０として本発明の方法により得られる到来方向の情報を利用して種々の構成が可能であるが、例えば、論文Ｏ．Ｌ． Ｆｒｏｓｔ， ”Ａｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｌｉｎｅａｒｌｙ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ ａｄａｐｔｉｖｅ ａｒｒａｙ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，” Ｐｒｏｃ． ＩＥＥＥ， ｖｏｌ． ６０， ｎｏ． ８， ｐｐ ９２６−９３５（１９７２）及び Ｊ． Ｘｉｎ， Ｈ． Ｔｓｕｊｉ， Ｙ． Ｈａｓｅ ａｎｄ Ａ． Ｓａｎｏ， ”Ａｒｒａｙ ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｙｃｌｉｃ ｓｉｇｎａｌ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，” Ｐｒｏｃ． ＩＥＥＥ ４８ｔｈ Ｖｅｈｉｃｕｌａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， ｐｐ． ８９０−８９４， Ｏｔｔａｗａ， Ｃａｎａｄａ（Ｍａｙ １９９８）等に記載されたビーム形成方法を用いて、複素ディジタル受信データ出力に対し、希望の信号到来方向にビームを形成することが可能である。
【００７４】
かかるビームを形成された受信信号をチャネル受信部７０において、従来の周知の方法で受信処理が行われ、受信データが得られる。
【００７５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は線形予測とサブアレーを用いて周期定常性をもつ多重波の到来方向を推定する。計算機シミュレーションの具体例で明らかにしたように、到来方向の推定性能を左右するサブアレーサイズをに設定することによって、到来方向の推定誤差が小さくなるので、多重波の到来方向推定時の精度向上を図ることが可能となる。また、本発明の到来方向推定手法から得られた信号の到来方向に関する情報を利用して、ある希望方向に指向性をもつビームを形成できる基地局の受信ビーム形成装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】線形等間隔アレーにおける前向きサブアレーを示す図である。
【図２】線形等間隔アレーにおける後向きサブアレーを示す図である。
【図３】送信源と基地局の配置関係を示す図である。
【図４】本発明の多重波到来方向推定システムの構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の多重波到来方向推定システムにおける多重波到来方向推定動作の工程を示すク図である。
【図６】本発明に従う、前向き線形予測（ＦＬＰ） とサブアレーを示す図である。
【図７】本発明に従う、後向き線形予測（ＢＬＰ） とサブアレーを示す図である。
【図８】シミュレーションによる到来方向を推定する予測多項式のスペクトルの一例を示す図である。
【図９】全アレーアンテナ素子数Ｍに対する推定の理論的な最小誤差を得るサブアレイの大きさｍを示す関係図である。
【図１０】サブアレイの大きさｍをパラメータとする信号対雑音比（ＳＮＲ）と推定の理論的な最小誤差との関係を示す図である。
【図１１】本発明の到来方向推定方法を適用した、基地局における受信ビーム形成装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０ 送信源
１１ 直接波
１２ 反射波
２０ 基地局
３０ アレーアンテナ
３１ アンテナ素子
４０ ベースバンド及びディジタル処理部
５０ 周期定常性を用いた到来方向推定部
６０ ビーム形成期
７０ チャネル受信部
【発明の属する技術分野】
本発明は、アレーアンテナを用いて電波到来方向を精度よく推定する電波到来方向推定方法に関し、特に、マルチパス伝播環境における周期定常信号の到来方向推定方法及び、その電波到来方向推定方法による推定結果に基づくアンテナのビーム指向性を可変制御する、基地局の受信ビーム形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、移動通信に適応アレーアンテナ （ａｄａｐｔｉｖｅ ａｒｒａｙ ａｎｔｅｎｎａ） を用いる研究開発が注目されている。複数個のアンテナ素子をある形状で異なる空間位置に配置したものをアレーアンテナと呼ぶ。アンテナに入射する電波 （以下、信号処理の立場から信号という場合がある） の到来方向を推定する問題は、適応アレーアンテナの重要な要素技術の一つと考えられる。特に、マルチパスに起因する多重波に関する到来方向推定は非常に重要となる。
【０００３】
従来、アレーアンテナに入射するコヒーレント信号である多重波 （相関性のある複数個の信号を含む） の到来方向を推定する方法として、計算の複雑さや推定精度などの立場から空間スムージング法を用いた部分空間手法 （ｓｕｂｓｐａｃｅ−ｂａｓｅｄｍｅｔｈｏｄ ｗｉｔｈ ｓｐａｔｉａｌ ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ） はよく知られている。
【０００４】
その代表手法例として、空間スムージングＭＵＳＩＣ （ｓｐａｔｉａｌ ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ ｂａｓｅｄ ＭＵＳＩＣ） があり、その手法の詳細については、文献Ｔ．−Ｊ． Ｓｈａｎ， Ｍ． Ｗａｘ ａｎｄ Ｔ． Ｋａｉｌａｔｈ， ”Ｏｎ ｓｐａｔｉａｌ ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ ｆｏｒ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ−ｏｆ−ａｒｒｉｖａｌ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｓｉｇｎａｌｓ，” ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ａｃｏｕｓｔ．， Ｓｐｅｅｃｈ， Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， ｖｏｌ． ３３， ｎｏ． ４， ｐｐ． ８０６−８１１ （１９８５） 及びＳ．Ｕ． Ｐｉｌｌａｉ ａｎｄ Ｂ．Ｈ． Ｋｗｏｎ， ”Ｆｏｒｗａｒｄ／ｂａｃｋｗａｒｄ ｓｐａｔｉａｌ ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｓｉｇｎａｌｓ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ，” ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ａｃｏｕｓｔ．， Ｓｐｅｅｃｈ， Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， ｖｏｌ． ３７， ｎｏ． １， ｐｐ． ８−１５ （１９８９） に記載がある。
【０００５】
空間スムージング法に基づく部分空間手法は、アレーアンテナに入射する信号間の相関を抑圧するため、線形等間隔に配置されたアレーアンテナ素子を最大アンテナ素子数より少ない数のアンテナ素子毎にサブアレー化し、各サブアレーの共分散行列の平均操作を行うことにより、空間的に平均された共分散行列の信号部分空間の次元を多重波の個数に回復するものである。
【０００６】
従って、従来の部分空間手法のように信号部分空間 （ｓｉｇｎａｌ ｓｕｂｓｐａｃｅ） と雑音部分空間 （ｎｏｉｓｅ ｓｕｂｓｐａｃｅ） の直交関係を利用して、多重波の到来方向を推定することが可能となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、かかる従来の空間スムージングＭＵＳＩＣはアレー受信データの空間的な特性だけを利用して多重波の到来方向を推定するが、入射する信号の時間的な特性を無視している。
【０００８】
従って、本発明の目的は、アレー受信データの時空間特性を活用して、線形予測を用いて周期定常性をもつ多重波の到来方向を推定する際、到来方向の推定誤差を最小化にする最適なサブアレーサイズを明らかにし、高性能な到来方向推定方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を達成する本発明に従うマルチパス伝播環境における周期定常信号の到来方向推定方法は、第１の態様として、複数個Ｍのアンテナ素子を同じ素子間隔で直線上の異なる空間位置に配列したアレーアンテナに到来する周期定常性を有する多重波の到来方向を推定する方法であって、前記
【００１０】
【数７】
のアンテナ素子を含む複数個
【００１２】
【数８】
のサブアレーに形成し、前記サブアレー毎に、前後向き線形予測（ＦＢＬＰ）を行い、各線形予測モデルから得られる、周期相関領域の線形予測モデルにより予測係数を求め、前記予測係数に対応する予測多項式のスペクトルのピーク位置から前記多重波の到来方向を求めることを特徴とする。
【００１４】
上記の課題を達成する本発明に従うマルチパス伝播環境における周期定常信号の到来方向推定方法は、第２の態様として、複数個Ｍのアンテナ素子を同じ素子間隔で直線上の異なる空間位置に配列したアレーアンテナに到来する周期定常性を有する多重波の到来方向を推定する方法であって、前記
【００１５】
【数９】
のアンテナ素子を含む複数個
【００１７】
【数１０】
のサブアレーに形成し、前記サブアレー毎に、前向き線形予測（ＦＬＰ）を行い、各線形予測モデルから得られる、周期相関領域の線形予測モデルにより予測係数を求め、前記予測係数に対応する予測多項式のスペクトルのピーク位置から前記多重波の到来方向を求めることを特徴とする。
【００１９】
更に、上記の課題を達成する本発明に従うマルチパス伝播環境における周期定常信号の到来方向推定方法は、第３の態様として、複数個Ｍのアンテナ素子を同じ素子間隔で直線上の異なる空間位置に配列したアレーアンテナに到来する周期相関性を有する多重波の到来方向を推定する方法であって、前記複数個Ｍを互いにオーバーラップする
【００２０】
【数１１】
のアンテナ素子を含む複数個
【００２２】
【数１２】
のサブアレーに形成し、前記サブアレー毎に、後向き線形予測（ＢＬＰ）を行い、各線形予測モデルから得られる、周期相関領域の線形予測モデルにより予測係数を求め、前記予測係数に対応する予測多項式のスペクトルのピーク位置から前記多重波の到来方向を求めることを特徴とする。
【００２４】
上記の課題を達成する本発明に従う到来方向推定システムは、上記のいずれかの周期定常信号の到来方向推定方法により多重波の到来方向を推定することを特徴とする。
また、上記の課題を達成する本発明に従う受信ビーム形成装置は、上記のいずれかの周期定常信号の到来方向推定方法により多重波の到来方向を推定する到来方向推定システムと、前記到来方向推定システムにより推定される多重波の到来方向に対応するようにアンテナビームを形成する装置を備えたことを特徴とする。
【００２５】
本発明特徴は、更に図面を参照して以下に説明する発明の実施の形態例から明らかになる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態例を説明するが、その説明に先立って、本発明の正しい理解のために従来の方法とその問題点について更に詳しく説明しておく。
【００２７】
従来の多重波到来方向推定に関する部分空間手法の代表例として、文献Ｔ．−Ｊ． Ｓｈａｎ， Ｍ． Ｗａｘ ａｎｄ Ｔ． Ｋａｉｌａｔｈ， ”Ｏｎ ｓｐａｔｉａｌ ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ ｆｏｒ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ−ｏｆ−ａｒｒｉｖａｌ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｓｉｇｎａｌｓ，” ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ａｃｏｕｓｔ．， Ｓｐｅｅｃｈ， ＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， ｖｏｌ． ３３， ｎｏ． ４， ｐｐ． ８０６−８１１ （１９８５） に記載された空間スムージングＭＵＳＩＣ （Ｓｐａｔｉａｌ ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ ｂａｓｅｄ ＭＵＳＩＣ） を説明する。
【００２８】
【数１３】
【数１４】
【数１５】
【数１６】
【数１７】
なお、信号部分空間はアレーの応答ベクトルを用いて表すことができる。信号部分空間と雑音部分空間の直交関係に基づく到来方向推定方法は部分空間手法と呼ばれる。
【００３４】
【数１８】
【数１９】
上記のとおり、図１に示した前向きサブアレー （ｆｏｒｗａｒｄ ｓｕｂａｒｒａｙ） を用いた空間スムージングＭＵＳＩＣを説明した。これに対し、文献Ｓ．Ｕ． Ｐｉｌｌａｉ ａｎｄ Ｂ．Ｈ． Ｋｗｏｎ， ”Ｆｏｒｗａｒｄ／ｂａｃｋｗａｒｄ ｓｐａｔｉａｌ ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｓｉｇｎａｌｓ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ，” ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ａｃｏｕｓｔ．， Ｓｐｅｅｃｈ， Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， ｖｏｌ． ３７， ｎｏ． １， ｐｐ． ８−１５ （１９８９） に記載したように、図２に示す後向きサブアレー （ｂａｃｋｗａｒｄ ｓｕｂａｒｒａｙ） を使って、前記の前向きサブアレーを用いた空間スムージングＭＵＳＩＣと同じ考え方で多重波の到来方向を推定できる。
【００３７】
さらに、図１と図２に示した前向きサブアレーと後向きサブアレーを同時に利用すると、多重波の到来方向推定の精度を向上することができる。
【００３８】
【数２０】
逆に、サブアレーのサイズが小さくなる場合には、多重波の相関を抑圧能力が強くなるが、スペクトルの分解能が劣化する。従って、前記の空間スムージング法を用いた部分空間手法または前記の空間特性を用いた多重波到来方向推定法において、サブアレーのサイズは到来方向の推定精度に影響を与える。しかも最適なサブアレーサイズは、信号対雑音比 （ＳＮＲ：Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ） や信号源の座標や到来方向の相対位相など要素に依存するので、一般的な最適なサイズの決定はかなり難しい。
【００４０】
また、前記の空間スムージングＭＵＳＩＣはアレー受信データの空間的な特性だけ利用して多重波の到来方向を推定するが、入射する信号の時間的な特性を無視している。
【００４１】
【数２１】
従って、干渉信号が存在する場合には、従来の空間スムージングＭＵＳＩＣにおいて、多重波の到来方向の推定性能が悪くなる。
【００４３】
さらに、推定精度がよくない入射する信号の到来方向の推定値を用いて基地局で受信／送信ビームを形成すると、基地局の受信及び送信システムの性能が劣化することが生じる。
【００４４】
従って、本発明はアレー受信データの時空間特性を活用して、線形予測を用いて周期定常性を持つ多重波の到来方向を推定する際、到来方向の推定誤差を最小化にする最適なサブアレーサイズを明らかにし、高性能な到来方向推定方法を提案するものである。
【００４５】
図３は、本発明の適用における送信源と受信側基地局との配置関係を説明する図である。送信源１０から発射された多重波は、基地局２０のアンテナに真っ直ぐに入射する直接波１１と、また、建物などの地物によって反射されてから基地局２０のアンテナに入射する反射波１２がある。
【００４６】
図３においては一例として、二つの反射波１２を示すが、以下の説明において、送信源１０からの直接波１１と反射波１２の個数をｐとする。また、ｐを既知と仮定する。さらに、直接波１１と反射波１２の関係は、次式８で表わせる。
【００４７】
【数２２】
図５に、到来方向推定部５０の本発明に従う処理工程を示す。なお、図５に示す各処理工程は、各々対応する処理機能を有する個別の装置として構成することも単一の演算装置により処理工程に対応してソフトウエアにより処理機能を実現することも可能であり、本発明の適用はこれら何れの態様に限定されるものではない。
【００４９】
最適なサブアレーサイズの決定工程（ステップＳ５１）において、適当なサブアレーのサイズｍを決める。このサイズの決め方については、後に説明する。
【００５０】
【数２３】
【数２４】
【数２５】
特に、図１は、前方のアレー受信信号から後方のアレー受信信号を推定する前向き線形予測（ＦＬＰ）の例である。図２は、後方のアレー受信信号から前方のアレー受信信号を推定する後前向き線形予測（ＢＬＰ）の例である。両方を同時に利用する場合は、前後向き線形予測（ＦＢＬＰ）である。
【００５４】
【数２６】
【数２７】
【数２８】
【数２９】
【数３０】
【数３１】
なお、受信データの長さＮと遅延パラメータＱをＮ＝５１２とＱ＝１０する。
【００６１】
まず、干渉信号が存在しない多重波の到来方向推定を考察する。ここで、６．４ＭＨｚボード速度 （ｂａｕｄ−ｒａｔｅ）を持つ２つの多重波ＢＰＳＫ１信号 （正規化した周期周波数はα＝０．２となる） は同じパワーで到来方向θ１＝４°とθ２＝２０°からアレーアンテナに入射する。アンテナ素子数をＭ＝１２，１６，２０，２４，３０とし、信号対雑音比 （ＳＮＲ） を２５ｄＢにする。
【００６２】
図８は、シミュレーションによる到来方向を推定するスペクトルの一例であり、ＳＮＲ＝２５ｄＢ， Ｍ＝１２， ｍ＝１０ の時のスペクトルである。到来方向θ１＝４°とθ２＝２０°において、鋭いピークが生じている。これにより、到来方向θ１＝４°とθ２＝２０°の推定が可能である。
【００６３】
【数３２】
次に、干渉信号が存在する場合の多重波の到来方向推定を検討する。ここで、同じパワーを持つ２つの多重波ＢＰＳＫ１信号は到来方向θ１＝−１０°とθ２ ＝４°から＝８個の素子をもつアレーアンテナに入射すると考える。
【００６５】
一方、８．０ＭＨｚボー速度をもつ干渉信号ＢＰＳＫ２ （正規化した周期周波数はα＝０．２５となる） は同じパワーで到来方向θ３ ＝０°からアレーアンテナに入射する。
【００６６】
また、干渉信号ＢＰＳＫ２のＳＮＲを１０ｄＢにし、多重波ＢＰＳＫ１のＳＮＲを−５ｄＢ〜３０ｄＢの範囲に変化させる。
【００６７】
【数３３】
従って、本発明の方法で明らかにした最適なサブアレーのサイズを用いて、高精度な多重波の到来方向の推定が可能である。
【００６９】
【数３４】
【数３５】
更に、本発明の到来方向推定方法を適用する図４に示した到来方向推定システムを用いて、希望の到来方向にピークが向くビームを形成する受信ビーム形成装置の構成し、これを基地局２０に備えることが可能である。
【００７２】
図１１は、基地局２０における受信ビーム形成装置構成例であり、図４に示した多重波到来方向推定システムを有し、更にベースバンド及びディジタル処理部４０からの複素ディジタル受信データ出力が入力され、且つ、上記に説明した本発明を適用した周期定常性を用いた到来方向推定部５０により推定された到来方向の情報が入力されるビーム形成器６０を備える。
【００７３】
かかるビーム形成器６０として本発明の方法により得られる到来方向の情報を利用して種々の構成が可能であるが、例えば、論文Ｏ．Ｌ． Ｆｒｏｓｔ， ”Ａｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｌｉｎｅａｒｌｙ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ ａｄａｐｔｉｖｅ ａｒｒａｙ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，” Ｐｒｏｃ． ＩＥＥＥ， ｖｏｌ． ６０， ｎｏ． ８， ｐｐ ９２６−９３５（１９７２）及び Ｊ． Ｘｉｎ， Ｈ． Ｔｓｕｊｉ， Ｙ． Ｈａｓｅ ａｎｄ Ａ． Ｓａｎｏ， ”Ａｒｒａｙ ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｙｃｌｉｃ ｓｉｇｎａｌ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，” Ｐｒｏｃ． ＩＥＥＥ ４８ｔｈ Ｖｅｈｉｃｕｌａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， ｐｐ． ８９０−８９４， Ｏｔｔａｗａ， Ｃａｎａｄａ（Ｍａｙ １９９８）等に記載されたビーム形成方法を用いて、複素ディジタル受信データ出力に対し、希望の信号到来方向にビームを形成することが可能である。
【００７４】
かかるビームを形成された受信信号をチャネル受信部７０において、従来の周知の方法で受信処理が行われ、受信データが得られる。
【００７５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は線形予測とサブアレーを用いて周期定常性をもつ多重波の到来方向を推定する。計算機シミュレーションの具体例で明らかにしたように、到来方向の推定性能を左右するサブアレーサイズをに設定することによって、到来方向の推定誤差が小さくなるので、多重波の到来方向推定時の精度向上を図ることが可能となる。また、本発明の到来方向推定手法から得られた信号の到来方向に関する情報を利用して、ある希望方向に指向性をもつビームを形成できる基地局の受信ビーム形成装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】線形等間隔アレーにおける前向きサブアレーを示す図である。
【図２】線形等間隔アレーにおける後向きサブアレーを示す図である。
【図３】送信源と基地局の配置関係を示す図である。
【図４】本発明の多重波到来方向推定システムの構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の多重波到来方向推定システムにおける多重波到来方向推定動作の工程を示すク図である。
【図６】本発明に従う、前向き線形予測（ＦＬＰ） とサブアレーを示す図である。
【図７】本発明に従う、後向き線形予測（ＢＬＰ） とサブアレーを示す図である。
【図８】シミュレーションによる到来方向を推定する予測多項式のスペクトルの一例を示す図である。
【図９】全アレーアンテナ素子数Ｍに対する推定の理論的な最小誤差を得るサブアレイの大きさｍを示す関係図である。
【図１０】サブアレイの大きさｍをパラメータとする信号対雑音比（ＳＮＲ）と推定の理論的な最小誤差との関係を示す図である。
【図１１】本発明の到来方向推定方法を適用した、基地局における受信ビーム形成装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０ 送信源
１１ 直接波
１２ 反射波
２０ 基地局
３０ アレーアンテナ
３１ アンテナ素子
４０ ベースバンド及びディジタル処理部
５０ 周期定常性を用いた到来方向推定部
６０ ビーム形成期
７０ チャネル受信部
Claims (5)
- 複数個Ｍのアンテナ素子を同じ素子間隔で直線上の異なる空間位置に配列したアレーアンテナに到来する周期定常性を有する多重波の到来方向を推定する方法であって、
前記複数個Ｍを互いにオーバーラップする
前記サブアレー毎に、前後向き線形予測を行い、
各線形予測モデルから得られる、周期相関領域の線形予測モデルにより予測係数を求め、
前記予測係数に対応する予測多項式のスペクトルのピーク位置から前記多重波の到来方向を求めることを特徴とする周期定常信号の到来方向推定方法。 - 複数個Ｍのアンテナ素子を同じ素子間隔で直線上の異なる空間位置に配列したアレーアンテナに到来する周期定常性を有する多重波の到来方向を推定する方法であって、
前記複数個Ｍを互いにオーバーラップする
前記サブアレー毎に、前向き線形予測を行い、
各線形予測モデルから得られる、周期相関領域の線形予測モデルにより予測係数を求め、
前記予測係数に対応する予測多項式のスペクトルのピーク位置から前記多重波の到来方向を求めることを特徴とする周期定常信号の到来方向推定方法。 - 複数個Ｍのアンテナ素子を同じ素子間隔で直線上の異なる空間位置に配列したアレーアンテナに到来する周期定常性を有する多重波の到来方向を推定する方法であって、
前記複数個Ｍを互いにオーバーラップする
前記サブアレー毎に、後向き線形予測を行い、
各線形予測モデルから得られる、周期相関領域の線形予測モデルにより予測係数を求め、
前記予測係数に対応する予測多項式のスペクトルのピーク位置から前記多重波の到来方向を求めることを特徴とする周期定常信号の到来方向推定方法。 - 請求項１乃至３のいずれかの方法により多重波の到来方向を推定することを特徴とする到来方向推定システム。
- 請求項１乃至３のいずれかの方法により多重波の到来方向を推定する到来方向推定システムと、
前記到来方向推定システムにより推定される多重波の到来方向に対応するようにアンテナビームを形成する装置を備えたことを特徴とする受信ビーム形成装置。
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