JP2007124411A - アダプティブアレーアンテナ装置及びその適応制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アダプティブアレーアンテナ装置において、イタレーション回数が制限されても適応制御による利点を十分に発揮することを実現する。
【解決手段】アダプティブアレーアンテナ装置２０は複数のアンテナ素子を備えるアレーアンテナ１１を備え、アンテナ素子の各々で受信された受信信号を重み係数で重み付けした後に合成して合成信号として出力する。アダプティブ制御部２１は重み係数を算出する際の適応アルゴリズムとしてＬＭＳを用い、ステップサイズ制御部２２ではイタレーション回数に応じてＬＭＳにおける重み係数更新割合を調整するステップサイズを変更して、アダプティブ制御部２１による適応制御を変更する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アダプティブアレーアンテナ装置及びその適応制御方法に関するものである。

一般に、アダプティブアレーアンテナ装置においては、複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナを備え、各アンテナ素子で受信された受信信号を、重み係数を用いて重み付けした後に合成しており、重み係数を算出する際の適応アルゴリズムとして、例えば、ＬＭＳ（Ｌｅａｓｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）が用いられている。つまり、アダプティブアレーアンテナ装置では、複数のアンテナ素子に相関を有する希望波と別の相関を有する妨害波が受信されている際に、所望波を増幅し、妨害波を打ち消すようにしている。

ここで、図３を参照して、従来のアダプティブアレーアンテナ装置（以下単にアンテナ装置と呼ぶ）について説明する。図示のアンテナ装置１０は複数のアンテナ素子１１ａ及び１１ｂを備えるアレーアンテナ１１を有しており（図３においては２つのアンテナ素子が示されている）、さらに、アンテナ装置１０は乗算器１２ａ及び１２ｂ、加算器１３、アダプティブ制御部１４、及び記憶部１５を有している。そして、後述する加算器１３の出力信号が、無線通信装置に備えられた受信処理部１６に与えられて、加算器１３の出力信号に対して復調処理等が行われる。

なお、図３に示す例では、アンテナ素子１１ａ及び１１ｂで受信された受信信号がそれぞれ直接乗算器１２ａ及び１２ｂに与えられているものの、図示はしないが、アンテナ素子１１ａ及び１１ｂと乗算器１２ａ及び１２ｂとの間には例えば、無線部が配置され、無線部はアンテナ素子１１ａ及び１１ｂからの受信信号を増幅してベースバンド信号に変換した後、Ａ／Ｄ変換器によってデジタル信号（以下このデジタル信号を単に受信信号と呼ぶ）ＳＲ１及びＳＲ２に変換して乗算器１２ａ及び１２ｂに与える。

乗算器１２ａ及び１２ｂにはそれぞれアンテナ素子１１ａ及び１１ｂに対応する受信信号ＳＲ１及びＳＲ２が与えられ、乗算器１２ａ及び１２ｂではアダプティブ制御部１４から与えられる重み係数Ｗ１及びＷ２と受信信号ＳＲ１及びＳＲ２とを乗算して重み付け受信信号ＳＷとして出力する。そして、これら重み付け受信信号ＳＷは加算器１３に与えられて、ここで加算されて加算受信信号（出力信号）ＳＯとなる。この出力信号ＳＯは受信処理部１６に与えられるとともに、アダプティブ制御部１４に与えられる。

アダプティブ制御部１４は、例えば、適応アルゴリズムとしてＬＭＳを用いて、アンテナ素子１１ａ及び１１ｂからなるアレーアンテナの指向性を制御するための重み係数Ｗ１及びＷ２を算出して、重み係数Ｗ１及びＷ２をそれぞれ乗算器１２ａ及び１２ｂに与える。図示のように、アダプティブ制御部１４には、記憶部１５から参照信号Ｓｒｅｆが与えられるとともに、受信信号ＳＲ１及びＳＲ２が与えられており、例えば、記憶部１５には既知のパイロット信号に対応する参照信号Ｓｒｅｆが予め記憶されている。

アダプティブ制御部１４では、参照信号Ｓｒｅｆ、受信信号ＳＲ１及びＳＲ２、及び出力信号ＳＯを用いて、ＬＭＳによって適応制御を行って重み係数Ｗ１及びＷ２を算出する。ＬＭＳによる重み係数の演算は次のように表される。

Ｗ（ｍ＋１）＝Ｗ（ｍ）＋μＸ（ｍ）ｅ＊（ｍ）
ここで、Ｗ（ｍ）はｍサンプリング目の重み係数（ｍは１以上の整数）、μはステップサイズ（重み係数更新の割合を調整する）、Ｘ（ｍ）はｍサンプリング目の受信信号、ｅ＊（ｍ）は受信信号と参照信号との誤差（ベクトル）であり、数１は、受信信号の１サンプリング毎に重み係数を更新する例を示している（参考文献：菊間信良著「アレーアンテナによる適応信号処理」科学技術出版）。

ここで、アダプティブ制御部１４における適応制御（適応処理）の演算回数（イタレーション回数）と二乗誤差（｜ｅ（ｍ）｜^２）の変化を見てみる。図４は受信信号に妨害波が含まれている状況において、数１で示すＬＭＳによって適応制御を行った際のイタレーション回数毎の二乗誤差の変化を示す図であり、曲線Ｌ１はμ＝１の場合の二乗誤差の変化を示し、曲線Ｌ２はμ＝０．５の場合の二乗誤差の変化を示している。

図４に示すように、曲線Ｌ１及びＬ２ともにイタレーション回数が増加すると二乗誤差が減少し、イタレーション回数がある回数に達すると、二乗誤差が停滞する。この停滞した状態は、重み係数の演算を行っても、つまり、適応制御をしても妨害波（雑音成分を含む）がそれ以上打ち消すことができない状態であって、適応制御が収束した状態を示している。

なお、環境の変化に応じて重み付けアルゴリズムを適応的更新して、反響路のインパルス応答が変化した際に、収束速度の高速化を図るようにしたものがある（特許文献１参照）。
特開２００２−１３５１７０号公報

ところで、従来のアンテナ装置においては、ステップサイズμが大きいと、少ないイタレーション回数で適応制御が収束した状態となる（図４参照）。一方、適応制御収束後の二乗誤差はステップサイズμが小さい方が小さいことが分かる。一般に、ステップサイズμを”１”に近づけると、収束は比較的早くなるものの、収束後の値（二乗誤差）が安定しない二乗誤差の揺らぎが比較的大きい）。そして、ステップサイズμを小さくすると、収束は遅くなるものの、収束後の値（二乗誤差）は比較的安定する。

ところが、アンテナ装置においては、ステップサイズμが固定されており、収束の速さと収束後の誤差との間で所謂トレードオフが生じてしまい、イタレーション回数が制限されるとなると、適応制御を行った際の利点（効果）を十分に得られないという課題がある。

本発明の目的は、イタレーション回数が制限されても適応制御による利点を十分に発揮することのできるアダプティブアレーアンテナ装置及びその適応制御方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係るアダプティブアレーアンテナ装置は、複数のアンテナ素子を備えるアレーアンテナを備え、該アンテナ素子の各々で受信された受信信号を重み係数で重み付けした後に合成して合成信号として出力するアダプティブアレーアンテナ装置において、前記アンテナ素子に対応して前記受信信号の重み係数を適応制御によって求める重み係数算出手段と、前記重み係数算出手段による重み係数の演算回数に応じて前記重み係数算出手段による適応制御を変更する適応制御変更手段と、を有することを特徴とする。

本発明に係るアダプティブアレーアンテナ装置においては、前記適応制御変更手段は、前記演算回数に応じて重み係数更新割合を小さくするようにして、前記重み係数算出手段による適応制御を変更するようにしたことを特徴とする。

本発明に係るアダプティブアレーアンテナ装置においては、前記重み係数算出手段は前記重み係数を算出する際の適応アルゴリズムとしてＬＭＳを用いており、前記重み係数算出手段は前記演算回数を前記適応制御変更手段に与え、前記適応制御変更手段は前記演算回数に応じて前記ＬＭＳにおける重み係数更新割合を調整するステップサイズを変更するようにして、前記重み係数算出手段による適応制御を変更するようにしたことを特徴とする。

本発明に係るアダプティブアレーアンテナ装置においては、前記適応制御変更手段は、前記演算回数が予め規定された閾値回数に達する前では前記ステップサイズとして前記適応制御が急速に収束するステップサイズを選択し、前記演算回数が前記閾値回数に達すると前記ステップサイズとして前記適応制御における二乗誤差が安定するステップサイズを選択するようにしたことを特徴とする。

本発明に係る適応制御方法は、複数のアンテナ素子を備えるアレーアンテナのアンテナ素子の各々で受信された受信信号を重み係数で重み付けした後に合成して合成信号として出力する際に用いられる適応制御方法であって、前記アンテナ素子に対応して前記受信信号の重み係数を適応制御によって求める重み係数算出ステップと、前記重み係数算出ステップにおける重み係数の演算回数に応じて前記重み係数算出ステップにおける適応制御を変更する適応制御変更ステップと、を有することを特徴とする。

本発明に係る適応制御方法においては、前記適応制御変更ステップでは、前記演算回数に応じて重み係数更新割合を小さくして、前記重み係数算出ステップにおける適応制御を変更するようにしたことを特徴とする。

本発明に係る適応制御方法においては、前記重み係数算出ステップでは前記重み係数を算出する際の適応アルゴリズムとしてＬＭＳを用いており、前記適応制御変更ステップでは前記演算回数に応じて前記ＬＭＳにおける重み係数更新割合を調整するステップサイズを変更して、前記重み係数算出ステップにおける適応制御を変更するようにしたことを特徴とする。

本発明に係る適応制御方法においては、前記適応制御変更ステップでは、前記演算回数が予め規定された閾値回数に達する前では前記ステップサイズとして前記適応制御が急速に収束するステップサイズが選択され、前記演算回数が前記閾値回数に達すると前記ステップサイズとして前記適応制御における二乗誤差が安定するステップサイズが選択されるようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、重み係数の演算回数（イタレーション回数）に応じて適応制御を変更するようにしたので、イタレーション回数が制限された際においても、適応制御を安定的に収束状態とすることができ、適応制御による利点を十分に発揮することができる。

以下、図面を参照し、本発明の一実施形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態によるアダプティブアレーアンテナ装置２０の一例を示すブロック図であり、図示の例において、図３に示すアダプティブアレーアンテナ装置と同一の構成要素については同一の符号が付されている。図示のアダプティブアレーアンテナ装置（以下、単にアンテナ装置と呼ぶ）２０は、複数のアンテナ素子１１ａ及び１１ｂ、乗算器１２ａ及び１２ｂ、加算器１３、及び記憶部１５を有しており、さらに、アダプティブ制御部（重み係数算出手段）２１及びステップサイズ制御部（適応制御変更手段）２２を有している。

なお、図１に示す例においても、図示はしないが、アンテナ素子１１ａ及び１１ｂと乗算器１２ａ及び１２ｂとの間には、例えば、無線部が配置され、無線部はアンテナ素子１１ａ及び１１ｂからの受信信号を増幅してベースバンド信号に変換した後、Ａ／Ｄ変換器によってＡ／Ｄ変換した受信信号ＳＲ１及びＳＲ２乗算器１２ａ及び１２ｂに与えている。

アダプティブ制御部２１は、例えば、適応アルゴリズムとしてＬＭＳを用いてアンテナ素子１１ａ及び１１ｂからなるアレーアンテナの指向性を制御するための重み係数Ｗ１及びＷ２を算出して、重み係数Ｗ１及びＷ２をそれぞれ乗算器１２ａ及び１２ｂに与える。図示のように、アダプティブ制御部２１には、記憶部１５から参照信号Ｓｒｅｆが与えられるとともに、受信信号ＳＲ１及びＳＲ２が与えられており、アダプティブ制御部２１は参照信号Ｓｒｅｆを用いて受信信号ＳＲ１及びＳＲ２に含まれる希望信号成分の利得を高めるように重み係数Ｗ１及びＷ２を算出することになる。

適応制御の開始に当たっては、所望信号に含まれる参照信号（例えば、パイロット信号）を検出して適応制御が開始されることになる。適応制御を開始する際には、ステップサイズ制御部２２からステップサイズμの初期値が設定され、この初期値に応じてアダプティブ制御部２１はＬＭＳによって適応制御を開始する。

一方、ステップサイズ制御部２２には図示しない入力装置等から切り替えイタレーション回数が閾値Ｔｈとして与えられるとともに、複数のステップサイズが設定されている（図示の例では、２つのステップサイズμ_１及びμ_２が設定されている）。アダプティブ制御部２１は適応制御を行ってそのイタレーション回数Ｃをステップサイズ制御部２２に出力しており、ステップサイズ制御部２２はアダプティブ制御部２１から与えられるイタレーション回数Ｃが閾値に達すると、ステップサイズμを変更して、変更後のステップサイズμをアダプティブ制御部２１に与える。そして、アダプティブ制御部２１は変更後のステップサイズμに基づいて適応制御を継続する。

適応制御の開始に当たっては、収束速度が速くなるステップサイズ（例えば、μ_１＝１）がアダプティブ制御部２１に与えられ、イタレーション回数Ｃが閾値Ｔｈに達すると、ステップサイズ制御部２２は二乗誤差が安定するステップサイズ（例えば、μ_２＝０．５）をアダプティブ制御部２１に与える。つまり、適応制御が収束に近づくと、ステップサイズ制御部２２は二乗誤差が安定するステップサイズをアダプティブ制御部２１に与えることになる。

図２は受信信号に妨害波が含まれている状況において、前述の数１で示すＬＭＳによって適応制御を行った際のイタレーション回数毎の二乗誤差の変化を示す図であり、曲線Ｌ１はステップサイズを”１”に固定した際の二乗誤差の変化を示し、曲線Ｌ２はステップサイズを”０．５”に固定した際の二乗誤差の変化を示している。そして、曲線Ｌ３はイタレーション回数に応じてステップサイズを変更した際の二乗誤差の変化を示している（なお、図２においては、閾値Ｔｈ＝１５とされ、μ_１＝１、μ_２＝０．５の場合を示している）。

図２の曲線Ｌ３に示すように、イタレーション回数Ｃ＝１５までは、ステップサイズとしてμ_１＝１が設定され、曲線Ｌ１と同様に二乗誤差が変化し、収束速度が速くなっていることが分かる。そして、イタレーション回数Ｃが１５に達すると、ステップサイズとして、μ_２＝０．５が設定されて（つまり、イタレーション回数が１６以降においては、ステップサイズとして、μ_２＝０．５が設定されて）、曲線Ｌ２と同様に二乗誤差が変化することになる。ここでは、イタレーション回数が１６回以降では、二乗誤差が２×１０^−４以下となる重み係数Ｗ（ｍ）から、あたかも曲線Ｌ２を引き継ぐことになって（図示の例ではｍ＝３１に相当する）、曲線Ｌ２よりも少ないイタレーション回数で安定した低い二乗誤差となる。

このようにして、イタレーション回数に応じて、収束速度の速いステップサイズから二乗誤差が低い状態で安定するステップサイズに変更して適応制御を行うようにしたので、簡単な構成でしかも比較的速く安定した収束状態に達することができる。

なお、切り替えイタレーション回数（つまり、閾値Ｔｈ）及びステップサイズは無線通信装置が受信する受信信号フォーマット、電波伝搬環境、使用用途、及び使用環境に応じて適宜決定される。そして、無線通信装置の初期化（イニシャル時）に閾値Ｔｈ及びステップサイズが設定されることになる。

さらに、上述の実施形態においては、切り替えイタレーション回数及びステップサイズは一度無線通信装置に対して設定すれば後程変更する必要がなく、運用時においてステップサイズに切り替えが無線通信装置のリソースを圧迫することはない。

また、イタレーション回数を少なくしても妨害波抑圧に効果的な重み係数を得られ、ステップサイズの変更のみで済むから、簡単な構成で適応制御による利点を十分に発揮することができる。

上述したように本実施形態によれば、重み係数のイタレーション回数に応じて適応制御を変更するようにしたので、イタレーション回数が制限された際においても、適応制御を安定的に収束状態とすることができ、適応制御による利点を十分に発揮することができる。

また、重み係数を算出する際の適応アルゴリズムとしてＬＭＳを用いて、イタレーションに応じてＬＭＳにおける重み係数更新割合を調整するステップサイズを変更するようにしたので、イタレーション回数が予め規定された閾値回数に達する前においては、ステップサイズとして適応制御が急速に収束するステップサイズを選択し、イタレーション回数が閾値回数に達するとステップサイズとして適応制御における二乗誤差が安定するステップサイズを選択するこよにより、簡単な構成で安定して適応制御を収束させることができる。

以上、本発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明の一実施形態によるアダプティブアレーアンテナ装置の一例を示すブロック図である。 図１に示すアダプティブアレーアンテナ装置を用いた際の二乗誤差とイタレーション回数との関係を説明するための図である。 従来のアダプティブアレーアンテナ装置を示すブロック図である。 図３に示すアダプティブアレーアンテナ装置を用いた際の二乗誤差とイタレーション回数との関係を説明するための図である。

符号の説明

１０，２０…アダプティブアレーアンテナ装置、１１…アレーアンテナ、１１ａ，１１ｂ…アンテナ素子、１２ａ，１２ｂ…乗算器、１３…加算器、１４，２１…アダプティブ制御部、１５…記憶部、１６…受信処理部、２２…ステップサイズ制御部

Claims (8)

1. 複数のアンテナ素子を備えるアレーアンテナを備え、該アンテナ素子の各々で受信された受信信号を重み係数で重み付けした後に合成して合成信号として出力するアダプティブアレーアンテナ装置において、
   前記アンテナ素子に対応して前記受信信号の重み係数を適応制御によって求める重み係数算出手段と、
   前記重み係数算出手段による重み係数の演算回数に応じて前記重み係数算出手段による適応制御を変更する適応制御変更手段と、
   を有することを特徴とするアダプティブアレーアンテナ装置。
2. 前記適応制御変更手段は、前記演算回数に応じて重み係数更新割合を小さくするようにして、前記重み係数算出手段による適応制御を変更するようにしたことを特徴とする請求項１記載のアダプティブアレーアンテナ装置。
3. 前記重み係数算出手段は前記重み係数を算出する際の適応アルゴリズムとしてＬＭＳを用いており、
   前記重み係数算出手段は前記演算回数を前記適応制御変更手段に与え、
   前記適応制御変更手段は前記演算回数に応じて前記ＬＭＳにおける重み係数更新割合を調整するステップサイズを変更するようにして、前記重み係数算出手段による適応制御を変更するようにしたことを特徴とする請求項１記載のアダプティブアレーアンテナ装置。
4. 前記適応制御変更手段は、前記演算回数が予め規定された閾値回数に達する前では前記ステップサイズとして前記適応制御が急速に収束するステップサイズを選択し、前記演算回数が前記閾値回数に達すると前記ステップサイズとして前記適応制御における二乗誤差が安定するステップサイズを選択するようにしたことを特徴とする請求項２又は３に記載のアダプティブアレーアンテナ装置。
5. 複数のアンテナ素子を備えるアレーアンテナのアンテナ素子の各々で受信された受信信号を重み係数で重み付けした後に合成して合成信号として出力する際に用いられる適応制御方法であって、
   前記アンテナ素子に対応して前記受信信号の重み係数を適応制御によって求める重み係数算出ステップと、
   前記重み係数算出ステップにおける重み係数の演算回数に応じて前記重み係数算出ステップにおける適応制御を変更する適応制御変更ステップと、
   を有することを特徴とする適応制御方法。
6. 前記適応制御変更ステップでは、前記演算回数に応じて重み係数更新割合を小さくして、前記重み係数算出ステップにおける適応制御を変更するようにしたことを特徴とする請求項５記載の適応制御方法。
7. 前記重み係数算出ステップでは前記重み係数を算出する際の適応アルゴリズムとしてＬＭＳを用いており、
   前記適応制御変更ステップでは前記演算回数に応じて前記ＬＭＳにおける重み係数更新割合を調整するステップサイズを変更して、前記重み係数算出ステップにおける適応制御を変更するようにしたことを特徴とする請求項５記載の適応制御方法。
8. 前記適応制御変更ステップでは、前記演算回数が予め規定された閾値回数に達する前では前記ステップサイズとして前記適応制御が急速に収束するステップサイズが選択され、前記演算回数が前記閾値回数に達すると前記ステップサイズとして前記適応制御における二乗誤差が安定するステップサイズが選択されるようにしたことを特徴とする請求項６又は７に記載の適応制御方法。
   
   
   

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