JP2004061468A - 空間特性を用いた多重波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】受信データの長さが短い場合であっても、あるいは低いＳＮＲの場合でも少ない計算量で多重波の到来方向を高精度に推定できる手法を提案する。
【解決手段】複数個のアンテナ素子を同じ素子間隔で直線状の異なる空間位置に配置したアレーアンテナに到来する多重波の到来方向を推定する方法であって、前記複数個のアンテナ素子の受信信号よりアレー共分散行列を求め、前記アレー共分散行列の正規化した信号固有ベクトルから正規化した多重波の空間特性を求め、前記多重波の空間特性に対して前後向き線形予測及び、サブアレー平均を行なって、許されたモデル次数を持つ予測係数を求め、前記予測係数に対応する予測多項式のゼロ点の位相若しくは、前記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判定することを特徴とする。
【選択図】 図５
【解決手段】複数個のアンテナ素子を同じ素子間隔で直線状の異なる空間位置に配置したアレーアンテナに到来する多重波の到来方向を推定する方法であって、前記複数個のアンテナ素子の受信信号よりアレー共分散行列を求め、前記アレー共分散行列の正規化した信号固有ベクトルから正規化した多重波の空間特性を求め、前記多重波の空間特性に対して前後向き線形予測及び、サブアレー平均を行なって、許されたモデル次数を持つ予測係数を求め、前記予測係数に対応する予測多項式のゼロ点の位相若しくは、前記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判定す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、空間特性を用いた多重波の到来方向を推定する方法及び、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、アレーアンテナにおける多重波 （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−ｂａｓｅｄ ｍｅｔｈｏｄ 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】
一方、一つの信号源からの多重波に対するアレーアンテナの全体的な応答を表す空間特性を用いた多重波到来方向推定法が提案されている。その代表例として、高次統計量に基づく手法と２次統計量に基づく手法がある。これらの手法の詳細について、文献Ｎ． Ｙｕｅｎ ａｎｄ Ｂ． Ｆｒｉｅｄｌａｎｄｅｒ， ”ＤＯＡ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｉｎ ｍｕｌｔｉｐａｔｈ： Ａｎ ａｐｐｒｏａｃｈ ｕｓｉｎｇ ｆｏｕｒｔｈ−ｏｒｄｅｒ ｃｕｍｕｌａｎｔｓ，” ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， ｖｏｌ． ４５， ｎｏ． ５， ｐｐ． １２５３−１２６３ （１９９７） 及びＣ． Ｍａ， Ｙ． Ｐｅｎｇ， ａｎｄ Ｌ． Ｔｉａｎ， ”Ｂｌｉｎｄ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ ＤＯＡ’ｓ ｏｆ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｓｏｕｒｃｅｓ，” Ｐｒｏｃ． ４ｔｈ Ｉｎｔ． Ｃｏｎｆ． Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， ｐｐ． ３２７−３３０， Ｂｅｉｊｉｎｇ， Ｃｈｉｎａ （Ｏｃｔｏｂｅｒ １９９８） に記載がある。
【０００８】
これらの手法には、多重波の空間特性に到来方向に関する情報が含まれるから、この空間特性をアレーアンテナの受信“信号”と見なすことができる。従って、アレーアンテナの受信信号から前記の空間特性をブラインドに推定し、前記の空間スムージング法に基づく部分空間手法を活用して多重波の到来方向の推定をすることができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、かかる従来の部分空間手法を活用して多重波の到来方向を推定する手法においては、サブアレーのサイズ（一つのサブアレーに含まれるアンテナ素子数）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の要素に依存するので、一般的な最適サイズを決定することはかなり難しいという問題がある。
【００１０】
また、アレーアンテナの受信信号の長さが短い場合には、これらの手法の推定精度が劣化する。さらに、推定精度がよくない到来方向の推定値を用いて基地局の受信／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に劣化が生じるという問題がある。
【００１１】
従って、本発明の目的は、受信データの長さが短い場合であっても、あるいは低いＳＮＲの場合でも少ない計算量で多重波の到来方向を高精度に推定できる手法を提案することを目的とする。
【００１２】
更に、本発明の目的は、アレーアンテナ受信データの長さが短いまたはＳＮＲが低い場合でも、空間的に角度が近い多重波の到来方向を少ない演算量で精度よく推定できる手法を提案することにある。
【００１３】
【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空間特性を用いた多重波の到来方向推定方法の原理は、アレーアンテナを構成する複数個のアンテナ素子により到来電波を受信し、アレー共分散行列の信号固有ベクトルから一つの信号源からの多重波に対する空間特性 （ｓｐａｔｉａｌ ｓｉｇｎａｔｕｒｅ、即ち、各多重波に対するアレー応答ベクトルの線形組み合わせ） をブラインドに推定し、修正した線形予測法 （ＬＰ：ｌｉｎｅａｒ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ） を用いて空間特性の推定値から多重波の到来方向の推定を行うものである。
【００１４】
かかる原理に基づき、上記目的を達成するための本発明に従う空間特性を用いた多重波到来方向推定方法の第１の形態は、 複数個のアンテナ素子を同じ素子間悪化ｕで直線状の異なる空間位置に配列したアレー（線形等間隔アレー）アンテナに到来する多重波の到来方向を推定する方法であって、前記複数個のアンテナ素子の受信信号よりアレー共分散行列を求め、前記アレー共分散行列の正規化した信号固有ベクトルから正規化した多重波の空間特性を求め、前記多重波の空間特性に対して前後向き線形予測及び、サブアレー平均を行なって、許されたモデル次数を持つ予測係数を求め、前記予測係数に対応する予測多項式のゼロ点の位相若しくは、前記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判定することを特徴とする。
【００１５】
上記目的を達成するための本発明に従う空間特性を用いた多重波到来方向推定方法の第２の形態は、線形等間隔アレーアンテナに到来する多重波の到来方向を推定する方法であって、前記複数個のアンテナ素子の受信信号よりアレー共分散行列を求め、前記アレー共分散行列の正規化した信号固有ベクトルから正規化した多重波の空間特性を求め、前記多重波の空間特性に対して前後向き線形予測及び、サブアレー平均を求め、最大に許されたモデル次数を持つ予測係数を求め、前記予測係数に対応する予測多項式のゼロ点の位相若しくは、前記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判定することを特徴とする。
【００１６】
上記目的を達成するための本発明に従う空間特性を用いた多重波到来方向推定方法の第３の形態は、線形等間隔アレーのアンテナ素子からの受信信号よりアレー共分散行列を求め、前記アレー共分散行列の正規化した信号固有ベクトルから正規化した多重波の空間特性を求め、前記空間特性に対して前向き線形予測及びサブアレー平均を行い、許されたモデル次数をもつ予測係数を求め、前記予測係数に対応する予測多項式のゼロ点の位相若しくは、前記予測多項式のスペクトルのピークの位置から多重波の到来方向を判定することを特徴とする。
【００１７】
上記目的を達成するための本発明に従う空間特性を用いた多重波到来方向推定方法の第４の形態は、線形等間隔アレーのアンテナ素子からの受信信号よりアレー共分散行列を求め、前記アレー共分散行列の正規化した信号固有ベクトルから正規化した多重波の空間特性を求め、前記空間特性に対して後向き線形予測及びサブアレー平均を求め、許されたモデル次数をもつ予測係数を求め、前記予測係数に対応する予測多項式のゼロ点の位相若しくは、前記予測多項式のスペクトルのピークの位置より多重波の到来方向を判定することを特徴とする。
【００１８】
上記目的を達成するための本発明に従う空間特性を用いた多重波到来方向推定方法の第５の形態は、線形等間隔アレーのアンテナ素子からの受信信号よりアレー共分散行列を求め、前記アレー共分散行列の正規化した信号固有ベクトルから正規化した多重波の空間特性を求め、前記の空間特性に対してサブアレー平均を行い、部分空間方法を用いて多重波の到来方向を判定することを特徴とする。
【００１９】
上記目的を達成するための本発明に従う空間特性を用いた多重波到来方向推定方法の第６の形態は、第５の形態において、前記部分空間方法として、空間スムージングＭＵＳＩＣまたはｒｏｏｔ−ＭＵＳＩＣまたはＥＳＰＲＩＴの推定方法を用いることを特徴とする。
【００２０】
上記目的を達成するための本発明に従う空間特性を用いた多重波到来方向推定方法の第７の形態は、線形等間隔アレーアンテナ素子からの受信信号よりアレー共分散行列を求め、前記アレー共分散行列の正規化した信号固有ベクトルから正規化した多重波の空間特性を求め、前記空間特性を仮想的な線形等間隔アレーへの変換し、前記仮想的な線形等間隔アレーに変換された空間特性に対して、前向き、後向き、若しくは前後向き線形予測及びサブアレー平均を行って、許されたモデル次数を持つ予測係数を求め、前記予測係数に対応する予測多項式のゼロ点の位相若しくは、前記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判定することを特徴とする。
【００２１】
更に、上記目的を達成するための本発明に従う空間特性を用いた多重波到来方向推定システムは、第１の形態として、前記第１〜第７の形態のいずれか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、上記目的を達成するための本発明に従う空間特性を用いた受信ビーム形成装置は、前記第１〜第７のいずれかに記載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。
【００２２】
本発明の特徴は、更に図面を参照して以下に説明される発明の実施の形態例から明らかになる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に図面に従い、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手法とその問題について更に詳しく説明しておく。
【００２４】
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。
【００２５】
【数１】
【００２６】
【数２】
【００２７】
【数３】
【００２８】
【数４】
【００２９】
【数５】
【００３０】
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。
【００３１】
【数６】
【００３２】
【数７】
【００３３】
上記の通り、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） に記載されたように、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。
【００３４】
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。
【００３５】
【数８】
【００３６】
サブアレーのサイズｍが大きくなる場合には、スペクトルの分解能を向上できるが、入射する多重波の相関を抑圧する能力が弱くなる。
【００３７】
逆に、サブアレーのサイズｍが小さくなる場合には、多重波の相関を抑圧する能力が強くなるが、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では、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、ＳＮＲ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。このために一般的な最適なサイズの決定はかなり難しい。
【００３８】
また、アレーアンテナの受信信号の長さが短い場合には、これらの手法の推定精度は劣化する。さらに、推定精度が良くない到来方向の推定値を用いて基地局の受信／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の劣化が生じる。
【００３９】
従って、本発明は短い受信データの長さまたは低いＳＮＲの場合でも少ない計算量で多重波の到来方向を高精度に推定できる方法を提案するものである。
【００４０】
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。
【００４１】
【数９】
【００４２】
【数１０】
【００４３】
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かの形態に限定されるものではない。
【００４４】
【数１１】
【００４５】
【数１２】
【００４６】
【数１３】
【００４７】
【数１４】
【００４８】
【数１５】
【００４９】
特に、図１は、前方のアレー素子の空間特性から後方のアレー素子の空間特性を推定する前向き線形予測（ＦＬＰ）の例である。また、図２は、後方のアレー素子の空間特性から前方のアレー素子の空間特性を推定する後向き線形予測（ＢＬＰ）の例である。図１と図２を同時に使用するものを前後向き線形予測（ＦＢＬＰ）という。
【００５０】
【数１６】
【００５１】
【数１７】
【００５２】
図８から単位円に一番近い２個のゼロ点が求められ、あるいは、図９においてピークが、到来方向が５°及び１２°近傍に示されていることが理解できる。このように到来方向推定部５０で多重波の到来方向が推定できる。
【００５３】
以下、計算機シミュレーションの具体例を通して更に詳細を説明する。ここで、アンテナ素子数を１０とする。また、同じパワーを持つ２つの多重波 （ｐ＝２） は、到来方向θ１＝５°とθ２＝１２°でアレーアンテナに入射する。
【００５４】
まず、信号対雑音比 （ＳＮＲ） に対する本発明に基づく多重波到来方向の推定性能を考察する。ここで、受信データの長さＮを１２８とし、ＳＮＲを−１０から２５ｄＢまでの範囲に変化させる。各ＳＮＲに対して１０００回の計算を行った。
【００５５】
【数１８】
【００５６】
比較のため、到来方向推定の理論的な最小誤差を示すＣＲＢ （Ｃｒａｍｅｒ−Ｒａｏ ｌｏｗｅｒ ｂｏｕｎｄ） と従来の空間スムージングＭＵＳＩＣ （ｍ＝５） を用いた結果をプロットしている。
【００５７】
図１０Ａ，１０Ｂから明らかなように、かなり低いＳＮＲの場合にも本発明の方法Ｉは従来の空間スムージングＭＵＳＩＣより正確に到来方向を推定できる。一方、ＳＮ
Ｒが高い場合には、本発明の方法の推定誤差ＲＭＳＥは小さくなり、理論的な最小誤差ＣＲＢに近づく。
【００５８】
次に、受信データの長さに対する本発明に基づく多重波到来方向の推定性能を示す。ここで、ＳＮＲを５ｄＢとし、受信データの長さＮを１０〜１０００の範囲に変化させた。
【００５９】
図１１Ａ，１１Ｂはそれぞれ１０００回の計算で得られた
【００６０】
【数１９】
【００６１】
のＲＭＳＥを示す。図１１Ａ，１１Ｂに示すように、データの長さが大きくなる場合には、本発明の方法Ｉの推定誤差ＲＭＳＥはかなり理論的な最小誤差ＣＲＢに近づくが、受信データが少ない場合にも、本発明の方法は従来の空間スムージングＭＵＳＩＣより精確な到来方向の推定を与えられる。
【００６２】
上述の実施例では、最大に許されたモデル次数
【００６３】
【数２０】
【００６４】
また、式１１で推定した正規化した多重波の空間特性
【００６５】
【数２１】
【００６６】
に対してサブアレー平均を行い、空間スムージングＭＵＳＩＣまたはｒｏｏｔ−ＭＵＳＩＣまたはＥＳＰＲＩＴなど部分空間手法を使って、多重波の到来方向推定方法を実施できる。
【００６７】
また、アレーアンテナとして線形等間隔アレーを利用しているが、円形等間隔アレーの場合には、式１１で得られた正規化した多重波の空間特性
【００６８】
【数２２】
【００６９】
を仮想的な線形等間隔アレーでの空間特性に変換し、サブアレー平均を行い、空間スムージングＭＵＳＩＣまたはｒｏｏｔ−ＭＵＳＩＣまたはＥＳＰＲＩＴを用いて、多重波の到来方向推定方法を実施できる。
【００７０】
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。
【００７１】
図１２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、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。
【００７２】
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活用して、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。
【００７３】
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。
【００７４】
なお、上記の実施の形態例説明においては、専ら複数のアレーアンテナ素子を線形状に配置することを前提にしているが、本発明の適用はこれに科がいられない。即ち、複数のアレーアンテナ素子を同じ素子間隔で円形状の異なる空間位置に配列した構成においても本発明は適用可能である。かかる場合、円形状に配置された複数のアレーアンテナ素子を仮想的な線形等間隔アレーでの空間特性に変換することができれば、先に説明した本発明の到来方向推定方法が適用可能である。
【００７５】
円形状に配置された複数のアレーアンテナ素子を仮想的な線形等間隔アレーでの空間特性に変換する方法として、たとえば、文献（Ｍ． Ｗａｘ ａｎｄ Ｊ． Ｓｈｅｉｎｖａｌｄ，”Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｆｉｎｄｉｎｇ ｏｆ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｓｉｇｎａｌｓ ｖｉａ ｓｐａｔｉａｌ ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ ｆｏｒ ｕｎｉｆｏｒｍ ｃｉｒｃｕｌａｒ ａｒｒａｙｓ，” ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ａｎｔｅｎｎａｓ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ， ｖｏｌ． ４２， ｎｏ． ５， ｐｐ． ６１３−６２０ （１９９４）を参照） に記載の発明が知られている。したがって、かかる文献に記載の変換方法を用いて仮想的な線形等間隔アレーの空間特性に変換することにより、先に説明したように、サブアレー平均を行い、空間スムージングＭＵＳＩＣまたはｒｏｏｔ−ＭＵＳＩＣまたはＥＳＰＲＩＴを用いて多重波の到来方向を判定することが可能である。
【００７６】
（付記１）
複数個のアンテナ素子を同じ素子間隔で直線状の異なる空間位置に配列したアレー（線形等間隔アレー）アンテナに到来する多重波の到来方向を推定する方法であって、
前記複数個のアンテナ素子の受信信号よりアレー共分散行列を求め、
前記アレー共分散行列の正規化した信号固有ベクトルから正規化した多重波の空間特性を求め、
前記多重波の空間特性に対して前後向き線形予測及び、サブアレー平均を行なって、許されたモデル次数を持つ予測係数を求め、
前記予測係数に対応する予測多項式のゼロ点の位相若しくは、前記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判定する
ことを特徴とする多重波の到来方向推定方法。
【００７７】
（付記２）
線形等間隔アレーアンテナに到来する多重波の到来方向を推定する方法であって、
前記複数個のアンテナ素子の受信信号よりアレー共分散行列を求め、
前記アレー共分散行列の正規化した信号固有ベクトルから正規化した多重波の空間特性を求め、
前記多重波の空間特性に対して前後向き線形予測及び、サブアレー平均を行なって、最大に許されたモデル次数を持つ予測係数を求め、
前記予測係数に対応する予測多項式のゼロ点の位相若しくは、前記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判定する
ことを特徴とする多重波の到来方向推定方法。
【００７８】
（付記３）
線形等間隔アレーのアンテナ素子からの受信信号よりアレー共分散行列を求め、
前記アレー共分散行列の正規化した信号固有ベクトルから正規化した多重波の空間特性を求め、
前記空間特性に対して前向き線形予測及びサブアレー平均を行い、許されたモデル次数をもつ予測係数を求め、
前記予測係数に対応する予測多項式のゼロ点の位相若しくは、前記予測多項式のスペクトルのピークの位置から多重波の到来方向を判定する
ことを特徴とする多重波の到来方向推定方法。
【００７９】
（付記４）
線形等間隔アレーのアンテナ素子からの受信信号よりアレー共分散行列を求め、
前記アレー共分散行列の正規化した信号固有ベクトルから正規化した多重波の空間特性を求め、
前記空間特性に対して後向き線形予測及びサブアレー平均を求め、
許されたモデル次数をもつ予測係数を求め、
前記予測係数に対応する予測多項式のゼロ点の位相若しくは、前記予測多項式のスペクトルのピークの位置より多重波の到来方向を判定する
ことを特徴とする多重波の到来方向推定方法
（付記５）
線形等間隔アレーのアンテナ素子からの受信信号よりアレー共分散行列を求め、前記アレー共分散行列の正規化した信号固有ベクトルから正規化した多重波の
空間特性を求め、
前記の空間特性に対してサブアレー平均を行い、部分空間方法を用いて多重波の到来方向を判定する
ことを特徴とする多重波の到来方向推定方法。
【００８０】
（付記６）付記５において、
前記部分空間方法として、空間スムージングＭＵＳＩＣ （ｓｐａｔｉａｌ ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ ｂａｓｅｄＭＵＳＩＣ） またはｒｏｏｔ−ＭＵＳＩＣまたはＥＳＰＲＩＴの推定方法を用いることを特徴とする多重波の到来方向推定方法。
【００８１】
（付記７）
複数個のアンテナ素子を同じ素子間隔で円形状の異なる空間位置に配列したアレーアンテナ素子からの受信信号よりアレー共分散行列を求め、
前記アレー共分散行列の正規化した信号固有ベクトルから正規化した多重波の空間特性を求め、
前記空間特性を仮想的な線形等間隔アレーへの変換し、
前記仮想的な線形等間隔アレーに変換された空間特性に対して、前向き、後向き、若しくは前後向き線形予測及びサブアレー平均を行って、許されたモデル次数を持つ予測係数を求め、
前記予測係数に対応する予測多項式のゼロ点の位相若しくは、前記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判定する
ことを特徴とする多重波の到来方向推定方法。
【００８２】
（付記８）
請求項１から請求項７までのいずれかに記載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到来方向推定システム。
【００８３】
（付記９）
請求項１から請求項７までのいずれかに記載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受信ビーム形成装置。
【００８４】
【発明の効果】
以上図面に従い、説明したように本発明はアレー共分散行列の信号固有ベクトルから、一つの信号源からの多重波の空間特性をブラインドに推定し、修正した線形予測法を用いて推定した空間特性から多重波の到来方向の推定を行う。本発明により、短い受信データの長さまたは低い信号対雑音比（ＳＮＲ）の場合でも、基地局におけるアレーアンテナに入射する多重波の到来方向を正確に推定することができる。
【００８５】
また、本発明の方法により従来の空間スムージングＭＵＳＩＣ手法に比較して少ない演算量で非常に優れた推定性能が得られたことが確認された。従って、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。更に、本発明の到来方向推定方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、希望方向に指向性をもつビームを形成できる基地局を構成することが可能である。
【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を示すブロック図である。
【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】式１４に対応する予測多項式の単位円の一例を表す図である。
【図９】式１５に対応する予測多項式スペクトルの一例を表す図である。
【図１０】信号対雑音比（ＳＮＲ）に対する本発明に基づく多重波到来方向の推定性能を示す図である。
【図１１】受信データの長さに対する本発明に基づく多重波到来方向の推定性能を示す図である。
【図１２】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 到来方向推定部
６０ ビーム形成器
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、空間特性を用いた多重波の到来方向を推定する方法及び、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、アレーアンテナにおける多重波 （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−ｂａｓｅｄ ｍｅｔｈｏｄ 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】
一方、一つの信号源からの多重波に対するアレーアンテナの全体的な応答を表す空間特性を用いた多重波到来方向推定法が提案されている。その代表例として、高次統計量に基づく手法と２次統計量に基づく手法がある。これらの手法の詳細について、文献Ｎ． Ｙｕｅｎ ａｎｄ Ｂ． Ｆｒｉｅｄｌａｎｄｅｒ， ”ＤＯＡ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｉｎ ｍｕｌｔｉｐａｔｈ： Ａｎ ａｐｐｒｏａｃｈ ｕｓｉｎｇ ｆｏｕｒｔｈ−ｏｒｄｅｒ ｃｕｍｕｌａｎｔｓ，” ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， ｖｏｌ． ４５， ｎｏ． ５， ｐｐ． １２５３−１２６３ （１９９７） 及びＣ． Ｍａ， Ｙ． Ｐｅｎｇ， ａｎｄ Ｌ． Ｔｉａｎ， ”Ｂｌｉｎｄ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ ＤＯＡ’ｓ ｏｆ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｓｏｕｒｃｅｓ，” Ｐｒｏｃ． ４ｔｈ Ｉｎｔ． Ｃｏｎｆ． Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， ｐｐ． ３２７−３３０， Ｂｅｉｊｉｎｇ， Ｃｈｉｎａ （Ｏｃｔｏｂｅｒ １９９８） に記載がある。
【０００８】
これらの手法には、多重波の空間特性に到来方向に関する情報が含まれるから、この空間特性をアレーアンテナの受信“信号”と見なすことができる。従って、アレーアンテナの受信信号から前記の空間特性をブラインドに推定し、前記の空間スムージング法に基づく部分空間手法を活用して多重波の到来方向の推定をすることができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、かかる従来の部分空間手法を活用して多重波の到来方向を推定する手法においては、サブアレーのサイズ（一つのサブアレーに含まれるアンテナ素子数）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の要素に依存するので、一般的な最適サイズを決定することはかなり難しいという問題がある。
【００１０】
また、アレーアンテナの受信信号の長さが短い場合には、これらの手法の推定精度が劣化する。さらに、推定精度がよくない到来方向の推定値を用いて基地局の受信／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に劣化が生じるという問題がある。
【００１１】
従って、本発明の目的は、受信データの長さが短い場合であっても、あるいは低いＳＮＲの場合でも少ない計算量で多重波の到来方向を高精度に推定できる手法を提案することを目的とする。
【００１２】
更に、本発明の目的は、アレーアンテナ受信データの長さが短いまたはＳＮＲが低い場合でも、空間的に角度が近い多重波の到来方向を少ない演算量で精度よく推定できる手法を提案することにある。
【００１３】
【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空間特性を用いた多重波の到来方向推定方法の原理は、アレーアンテナを構成する複数個のアンテナ素子により到来電波を受信し、アレー共分散行列の信号固有ベクトルから一つの信号源からの多重波に対する空間特性 （ｓｐａｔｉａｌ ｓｉｇｎａｔｕｒｅ、即ち、各多重波に対するアレー応答ベクトルの線形組み合わせ） をブラインドに推定し、修正した線形予測法 （ＬＰ：ｌｉｎｅａｒ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ） を用いて空間特性の推定値から多重波の到来方向の推定を行うものである。
【００１４】
かかる原理に基づき、上記目的を達成するための本発明に従う空間特性を用いた多重波到来方向推定方法の第１の形態は、 複数個のアンテナ素子を同じ素子間悪化ｕで直線状の異なる空間位置に配列したアレー（線形等間隔アレー）アンテナに到来する多重波の到来方向を推定する方法であって、前記複数個のアンテナ素子の受信信号よりアレー共分散行列を求め、前記アレー共分散行列の正規化した信号固有ベクトルから正規化した多重波の空間特性を求め、前記多重波の空間特性に対して前後向き線形予測及び、サブアレー平均を行なって、許されたモデル次数を持つ予測係数を求め、前記予測係数に対応する予測多項式のゼロ点の位相若しくは、前記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判定することを特徴とする。
【００１５】
上記目的を達成するための本発明に従う空間特性を用いた多重波到来方向推定方法の第２の形態は、線形等間隔アレーアンテナに到来する多重波の到来方向を推定する方法であって、前記複数個のアンテナ素子の受信信号よりアレー共分散行列を求め、前記アレー共分散行列の正規化した信号固有ベクトルから正規化した多重波の空間特性を求め、前記多重波の空間特性に対して前後向き線形予測及び、サブアレー平均を求め、最大に許されたモデル次数を持つ予測係数を求め、前記予測係数に対応する予測多項式のゼロ点の位相若しくは、前記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判定することを特徴とする。
【００１６】
上記目的を達成するための本発明に従う空間特性を用いた多重波到来方向推定方法の第３の形態は、線形等間隔アレーのアンテナ素子からの受信信号よりアレー共分散行列を求め、前記アレー共分散行列の正規化した信号固有ベクトルから正規化した多重波の空間特性を求め、前記空間特性に対して前向き線形予測及びサブアレー平均を行い、許されたモデル次数をもつ予測係数を求め、前記予測係数に対応する予測多項式のゼロ点の位相若しくは、前記予測多項式のスペクトルのピークの位置から多重波の到来方向を判定することを特徴とする。
【００１７】
上記目的を達成するための本発明に従う空間特性を用いた多重波到来方向推定方法の第４の形態は、線形等間隔アレーのアンテナ素子からの受信信号よりアレー共分散行列を求め、前記アレー共分散行列の正規化した信号固有ベクトルから正規化した多重波の空間特性を求め、前記空間特性に対して後向き線形予測及びサブアレー平均を求め、許されたモデル次数をもつ予測係数を求め、前記予測係数に対応する予測多項式のゼロ点の位相若しくは、前記予測多項式のスペクトルのピークの位置より多重波の到来方向を判定することを特徴とする。
【００１８】
上記目的を達成するための本発明に従う空間特性を用いた多重波到来方向推定方法の第５の形態は、線形等間隔アレーのアンテナ素子からの受信信号よりアレー共分散行列を求め、前記アレー共分散行列の正規化した信号固有ベクトルから正規化した多重波の空間特性を求め、前記の空間特性に対してサブアレー平均を行い、部分空間方法を用いて多重波の到来方向を判定することを特徴とする。
【００１９】
上記目的を達成するための本発明に従う空間特性を用いた多重波到来方向推定方法の第６の形態は、第５の形態において、前記部分空間方法として、空間スムージングＭＵＳＩＣまたはｒｏｏｔ−ＭＵＳＩＣまたはＥＳＰＲＩＴの推定方法を用いることを特徴とする。
【００２０】
上記目的を達成するための本発明に従う空間特性を用いた多重波到来方向推定方法の第７の形態は、線形等間隔アレーアンテナ素子からの受信信号よりアレー共分散行列を求め、前記アレー共分散行列の正規化した信号固有ベクトルから正規化した多重波の空間特性を求め、前記空間特性を仮想的な線形等間隔アレーへの変換し、前記仮想的な線形等間隔アレーに変換された空間特性に対して、前向き、後向き、若しくは前後向き線形予測及びサブアレー平均を行って、許されたモデル次数を持つ予測係数を求め、前記予測係数に対応する予測多項式のゼロ点の位相若しくは、前記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判定することを特徴とする。
【００２１】
更に、上記目的を達成するための本発明に従う空間特性を用いた多重波到来方向推定システムは、第１の形態として、前記第１〜第７の形態のいずれか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、上記目的を達成するための本発明に従う空間特性を用いた受信ビーム形成装置は、前記第１〜第７のいずれかに記載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。
【００２２】
本発明の特徴は、更に図面を参照して以下に説明される発明の実施の形態例から明らかになる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に図面に従い、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手法とその問題について更に詳しく説明しておく。
【００２４】
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。
【００２５】
【数１】
【数２】
【数３】
【数４】
【数５】
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。
【００３１】
【数６】
【数７】
上記の通り、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） に記載されたように、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。
【００３４】
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。
【００３５】
【数８】
サブアレーのサイズｍが大きくなる場合には、スペクトルの分解能を向上できるが、入射する多重波の相関を抑圧する能力が弱くなる。
【００３７】
逆に、サブアレーのサイズｍが小さくなる場合には、多重波の相関を抑圧する能力が強くなるが、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では、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、ＳＮＲ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。このために一般的な最適なサイズの決定はかなり難しい。
【００３８】
また、アレーアンテナの受信信号の長さが短い場合には、これらの手法の推定精度は劣化する。さらに、推定精度が良くない到来方向の推定値を用いて基地局の受信／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の劣化が生じる。
【００３９】
従って、本発明は短い受信データの長さまたは低いＳＮＲの場合でも少ない計算量で多重波の到来方向を高精度に推定できる方法を提案するものである。
【００４０】
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。
【００４１】
【数９】
【数１０】
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かの形態に限定されるものではない。
【００４４】
【数１１】
【数１２】
【数１３】
【数１４】
【数１５】
特に、図１は、前方のアレー素子の空間特性から後方のアレー素子の空間特性を推定する前向き線形予測（ＦＬＰ）の例である。また、図２は、後方のアレー素子の空間特性から前方のアレー素子の空間特性を推定する後向き線形予測（ＢＬＰ）の例である。図１と図２を同時に使用するものを前後向き線形予測（ＦＢＬＰ）という。
【００５０】
【数１６】
【数１７】
図８から単位円に一番近い２個のゼロ点が求められ、あるいは、図９においてピークが、到来方向が５°及び１２°近傍に示されていることが理解できる。このように到来方向推定部５０で多重波の到来方向が推定できる。
【００５３】
以下、計算機シミュレーションの具体例を通して更に詳細を説明する。ここで、アンテナ素子数を１０とする。また、同じパワーを持つ２つの多重波 （ｐ＝２） は、到来方向θ１＝５°とθ２＝１２°でアレーアンテナに入射する。
【００５４】
まず、信号対雑音比 （ＳＮＲ） に対する本発明に基づく多重波到来方向の推定性能を考察する。ここで、受信データの長さＮを１２８とし、ＳＮＲを−１０から２５ｄＢまでの範囲に変化させる。各ＳＮＲに対して１０００回の計算を行った。
【００５５】
【数１８】
比較のため、到来方向推定の理論的な最小誤差を示すＣＲＢ （Ｃｒａｍｅｒ−Ｒａｏ ｌｏｗｅｒ ｂｏｕｎｄ） と従来の空間スムージングＭＵＳＩＣ （ｍ＝５） を用いた結果をプロットしている。
【００５７】
図１０Ａ，１０Ｂから明らかなように、かなり低いＳＮＲの場合にも本発明の方法Ｉは従来の空間スムージングＭＵＳＩＣより正確に到来方向を推定できる。一方、ＳＮ
Ｒが高い場合には、本発明の方法の推定誤差ＲＭＳＥは小さくなり、理論的な最小誤差ＣＲＢに近づく。
【００５８】
次に、受信データの長さに対する本発明に基づく多重波到来方向の推定性能を示す。ここで、ＳＮＲを５ｄＢとし、受信データの長さＮを１０〜１０００の範囲に変化させた。
【００５９】
図１１Ａ，１１Ｂはそれぞれ１０００回の計算で得られた
【００６０】
【数１９】
のＲＭＳＥを示す。図１１Ａ，１１Ｂに示すように、データの長さが大きくなる場合には、本発明の方法Ｉの推定誤差ＲＭＳＥはかなり理論的な最小誤差ＣＲＢに近づくが、受信データが少ない場合にも、本発明の方法は従来の空間スムージングＭＵＳＩＣより精確な到来方向の推定を与えられる。
【００６２】
上述の実施例では、最大に許されたモデル次数
【００６３】
【数２０】
また、式１１で推定した正規化した多重波の空間特性
【００６５】
【数２１】
に対してサブアレー平均を行い、空間スムージングＭＵＳＩＣまたはｒｏｏｔ−ＭＵＳＩＣまたはＥＳＰＲＩＴなど部分空間手法を使って、多重波の到来方向推定方法を実施できる。
【００６７】
また、アレーアンテナとして線形等間隔アレーを利用しているが、円形等間隔アレーの場合には、式１１で得られた正規化した多重波の空間特性
【００６８】
【数２２】
を仮想的な線形等間隔アレーでの空間特性に変換し、サブアレー平均を行い、空間スムージングＭＵＳＩＣまたはｒｏｏｔ−ＭＵＳＩＣまたはＥＳＰＲＩＴを用いて、多重波の到来方向推定方法を実施できる。
【００７０】
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。
【００７１】
図１２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、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。
【００７２】
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活用して、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。
【００７３】
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。
【００７４】
なお、上記の実施の形態例説明においては、専ら複数のアレーアンテナ素子を線形状に配置することを前提にしているが、本発明の適用はこれに科がいられない。即ち、複数のアレーアンテナ素子を同じ素子間隔で円形状の異なる空間位置に配列した構成においても本発明は適用可能である。かかる場合、円形状に配置された複数のアレーアンテナ素子を仮想的な線形等間隔アレーでの空間特性に変換することができれば、先に説明した本発明の到来方向推定方法が適用可能である。
【００７５】
円形状に配置された複数のアレーアンテナ素子を仮想的な線形等間隔アレーでの空間特性に変換する方法として、たとえば、文献（Ｍ． Ｗａｘ ａｎｄ Ｊ． Ｓｈｅｉｎｖａｌｄ，”Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｆｉｎｄｉｎｇ ｏｆ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｓｉｇｎａｌｓ ｖｉａ ｓｐａｔｉａｌ ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ ｆｏｒ ｕｎｉｆｏｒｍ ｃｉｒｃｕｌａｒ ａｒｒａｙｓ，” ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ａｎｔｅｎｎａｓ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ， ｖｏｌ． ４２， ｎｏ． ５， ｐｐ． ６１３−６２０ （１９９４）を参照） に記載の発明が知られている。したがって、かかる文献に記載の変換方法を用いて仮想的な線形等間隔アレーの空間特性に変換することにより、先に説明したように、サブアレー平均を行い、空間スムージングＭＵＳＩＣまたはｒｏｏｔ−ＭＵＳＩＣまたはＥＳＰＲＩＴを用いて多重波の到来方向を判定することが可能である。
【００７６】
（付記１）
複数個のアンテナ素子を同じ素子間隔で直線状の異なる空間位置に配列したアレー（線形等間隔アレー）アンテナに到来する多重波の到来方向を推定する方法であって、
前記複数個のアンテナ素子の受信信号よりアレー共分散行列を求め、
前記アレー共分散行列の正規化した信号固有ベクトルから正規化した多重波の空間特性を求め、
前記多重波の空間特性に対して前後向き線形予測及び、サブアレー平均を行なって、許されたモデル次数を持つ予測係数を求め、
前記予測係数に対応する予測多項式のゼロ点の位相若しくは、前記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判定する
ことを特徴とする多重波の到来方向推定方法。
【００７７】
（付記２）
線形等間隔アレーアンテナに到来する多重波の到来方向を推定する方法であって、
前記複数個のアンテナ素子の受信信号よりアレー共分散行列を求め、
前記アレー共分散行列の正規化した信号固有ベクトルから正規化した多重波の空間特性を求め、
前記多重波の空間特性に対して前後向き線形予測及び、サブアレー平均を行なって、最大に許されたモデル次数を持つ予測係数を求め、
前記予測係数に対応する予測多項式のゼロ点の位相若しくは、前記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判定する
ことを特徴とする多重波の到来方向推定方法。
【００７８】
（付記３）
線形等間隔アレーのアンテナ素子からの受信信号よりアレー共分散行列を求め、
前記アレー共分散行列の正規化した信号固有ベクトルから正規化した多重波の空間特性を求め、
前記空間特性に対して前向き線形予測及びサブアレー平均を行い、許されたモデル次数をもつ予測係数を求め、
前記予測係数に対応する予測多項式のゼロ点の位相若しくは、前記予測多項式のスペクトルのピークの位置から多重波の到来方向を判定する
ことを特徴とする多重波の到来方向推定方法。
【００７９】
（付記４）
線形等間隔アレーのアンテナ素子からの受信信号よりアレー共分散行列を求め、
前記アレー共分散行列の正規化した信号固有ベクトルから正規化した多重波の空間特性を求め、
前記空間特性に対して後向き線形予測及びサブアレー平均を求め、
許されたモデル次数をもつ予測係数を求め、
前記予測係数に対応する予測多項式のゼロ点の位相若しくは、前記予測多項式のスペクトルのピークの位置より多重波の到来方向を判定する
ことを特徴とする多重波の到来方向推定方法
（付記５）
線形等間隔アレーのアンテナ素子からの受信信号よりアレー共分散行列を求め、前記アレー共分散行列の正規化した信号固有ベクトルから正規化した多重波の
空間特性を求め、
前記の空間特性に対してサブアレー平均を行い、部分空間方法を用いて多重波の到来方向を判定する
ことを特徴とする多重波の到来方向推定方法。
【００８０】
（付記６）付記５において、
前記部分空間方法として、空間スムージングＭＵＳＩＣ （ｓｐａｔｉａｌ ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ ｂａｓｅｄＭＵＳＩＣ） またはｒｏｏｔ−ＭＵＳＩＣまたはＥＳＰＲＩＴの推定方法を用いることを特徴とする多重波の到来方向推定方法。
【００８１】
（付記７）
複数個のアンテナ素子を同じ素子間隔で円形状の異なる空間位置に配列したアレーアンテナ素子からの受信信号よりアレー共分散行列を求め、
前記アレー共分散行列の正規化した信号固有ベクトルから正規化した多重波の空間特性を求め、
前記空間特性を仮想的な線形等間隔アレーへの変換し、
前記仮想的な線形等間隔アレーに変換された空間特性に対して、前向き、後向き、若しくは前後向き線形予測及びサブアレー平均を行って、許されたモデル次数を持つ予測係数を求め、
前記予測係数に対応する予測多項式のゼロ点の位相若しくは、前記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判定する
ことを特徴とする多重波の到来方向推定方法。
【００８２】
（付記８）
請求項１から請求項７までのいずれかに記載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到来方向推定システム。
【００８３】
（付記９）
請求項１から請求項７までのいずれかに記載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受信ビーム形成装置。
【００８４】
【発明の効果】
以上図面に従い、説明したように本発明はアレー共分散行列の信号固有ベクトルから、一つの信号源からの多重波の空間特性をブラインドに推定し、修正した線形予測法を用いて推定した空間特性から多重波の到来方向の推定を行う。本発明により、短い受信データの長さまたは低い信号対雑音比（ＳＮＲ）の場合でも、基地局におけるアレーアンテナに入射する多重波の到来方向を正確に推定することができる。
【００８５】
また、本発明の方法により従来の空間スムージングＭＵＳＩＣ手法に比較して少ない演算量で非常に優れた推定性能が得られたことが確認された。従って、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。更に、本発明の到来方向推定方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、希望方向に指向性をもつビームを形成できる基地局を構成することが可能である。
【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を示すブロック図である。
【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】式１４に対応する予測多項式の単位円の一例を表す図である。
【図９】式１５に対応する予測多項式スペクトルの一例を表す図である。
【図１０】信号対雑音比（ＳＮＲ）に対する本発明に基づく多重波到来方向の推定性能を示す図である。
【図１１】受信データの長さに対する本発明に基づく多重波到来方向の推定性能を示す図である。
【図１２】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 到来方向推定部
６０ ビーム形成器
７０ チャネル受信部
Claims (5)
- 複数個のアンテナ素子を同じ素子間隔で直線状の異なる空間位置に配置したアレーアンテナに到来する多重波の到来方向を推定する方法であって、
前記複数個のアンテナ素子の受信信号よりアレー共分散行列を求め、
前記アレー共分散行列の正規化した信号固有ベクトルから正規化した多重波の空間特性を求め、
前記多重波の空間特性に対して前後向き線形予測及び、サブアレー平均を行なって、許されたモデル次数を持つ予測係数を求め、
前記予測係数に対応する予測多項式のゼロ点の位相若しくは、前記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判定する
ことを特徴とする多重波の到来方向推定方法。 - 線形等間隔アレーアンテナに到来する多重波の到来方向を推定する方法であって、
前記複数個のアンテナ素子の受信信号よりアレー共分散行列を求め、
前記アレー共分散行列の正規化した信号固有ベクトルから正規化した多重波の空間特性を求め、
前記多重波の空間特性に対して前後向き線形予測及び、サブアレー平均を行なって、最大に許されたモデル次数を持つ予測係数を求め、
前記予測係数に対応する予測多項式のゼロ点の位相若しくは、前記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判定する
ことを特徴とする多重波の到来方向推定方法。 - 線形等間隔アレーのアンテナ素子からの受信信号よりアレー共分散行列を求め、
前記アレー共分散行列の正規化した信号固有ベクトルから正規化した多重波の空間特性を求め、
前記空間特性に対して前向き線形予測及びサブアレー平均を行い、許されたモデル次数をもつ予測係数を求め、
前記予測係数に対応する予測多項式のゼロ点の位相若しくは、前記予測多項式のスペクトルのピークの位置から多重波の到来方向を判定する
ことを特徴とする多重波の到来方向推定方法。 - 線形等間隔アレーのアンテナ素子からの受信信号よりアレー共分散行列を求め、
前記アレー共分散行列の正規化した信号固有ベクトルから正規化した多重波の空間特性を求め、
前記空間特性に対して後向き線形予測及びサブアレー平均を求め、
許されたモデル次数をもつ予測係数を求め、
前記予測係数に対応する予測多項式のゼロ点の位相若しくは、前記予測多項式のスペクトルのピークの位置より多重波の到来方向を判定する
ことを特徴とする多重波の到来方向推定方法 - 線形等間隔アレーのアンテナ素子からの受信信号よりアレー共分散行列を求め、前記アレー共分散行列の正規化した信号固有ベクトルから正規化した多重波
の
空間特性を求め、
前記の空間特性に対してサブアレー平均を行い、部分空間方法を用いて多重波の到来方向を判定する
ことを特徴とする多重波の到来方向推定方法。
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