JP2007228494A - アダプティブアレーアンテナ装置及び適応制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】適応制御における最良の同期タイミング及び最良のアレー重みを得ることができるとともに、計算量の削減を図る。
【解決手段】受信信号の複数のタイミングで、適応制御処理の誤差を算出するとともに、該誤差の比較結果に基づき、適応制御処理の計算リソースを解放する演算部５を備え、該誤差が最小と判断された受信信号のタイミングに基づき、アンテナ素子毎の重み付け制御を行うことを特徴とする。
【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適応制御方法に関する。

従来、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構成され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に基づいて適応制御処理を行い、アンテナ素子毎の制御を行っている。その適応制御処理では、例えばＭＭＳＥ（Minimum Mean Square Error；最小平均二乗誤差）ベースの適応アルゴリズムを用いる場合、受信信号中の既知部分（以下、トレーニングシーケンスと称する）と参照信号との二乗誤差が最小になるように、アレー重みを計算する。ここで、アレー重みを精度よく計算するためには、受信信号中のトレーニングシーケンスと参照信号とのタイミングを合わせることが肝要である。そして、従来より、トレーニングシーケンスと参照信号とのタイミングを同期させるためのスライディング相関方式が知られている（図１０参照）。スライディング相関方式では、受信信号中のトレーニングシーケンスと参照信号との同期タイミング毎に相関を取り、そのピークから、採用する同期タイミングを決定している。しかし、そのスライディング相関技術においては、通常、アンテナ毎に相関ピークタイミングが異なることから、適応制御における最良の同期タイミングを得ることは難しい。このため、例えば特許文献１記載の従来技術では、各同期タイミングにおいてそれぞれ適応制御処理を実行し、その適応制御処理結果から最良の同期タイミングを決定している。
特開２００３−２４４１１０号公報

しかし、上述した特許文献１記載の従来技術では、各同期タイミングに対応する適応制御処理をそれぞれに実行するので、計算量が多く、コストアップの問題が懸念される。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、適応制御における最良の同期タイミングを得ることができるとともに、計算量の削減を図ることのできるアダプティブアレーアンテナ装置及び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、アレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子の各々で受信された受信信号に基づいて適応制御処理を行うアダプティブアレーアンテナ装置において、前記受信信号の誤差を算出する演算部と、前記誤差を比較する誤差比較部と、前記比較の結果に基づいて、重み合成を行う重み合成部と、を備え、前記演算部は、前記比較の結果に基づき、計算リソースの少なくとも一部を解放し、且つ、前記誤差比較部の比較結果により、前記誤差計算を終了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、前記演算部は、前記誤差が極小と判断することにより、前記計算リソースの解放を行うことを特徴とする。

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、前記演算部は、前記誤差が所定値よりも小さくなったときに、前記計算リソースの解放を行うことを特徴とする。

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、前記演算部は、前記誤差の変化が時間の経過に伴い減少から上昇に転じたときに、前記計算リソースの解放を行うことを特徴とする。

本発明に係る適応制御方法は、アレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子の各々で受信された受信信号に基づいて適応制御処理を行う適応制御方法であって、前記受信信号の誤差を算出する誤差算出ステップと、前記誤差を比較する誤差比較ステップと、前記比較により前記誤差が小さいと判断された場合、前記誤差の算出の計算リソースを解放する演算ステップと、前記比較により前記誤差が小さいと判断された前記計算リソースに基づき、前記アンテナ素子毎の重み付け制御を行う制御ステップとを含むことを特徴とする。

本発明に係る適応制御方法においては、前記演算ステップにおいて、前記誤差の極小となるタイミングが得られたと判断することにより、前記計算リソースの解放を行うことを特徴とする。

本発明に係る適応制御方法においては、前記演算ステップにおいて、前記誤差が所定値よりも小さくなったときに、前記計算リソースの解放を行うことを特徴とする。

本発明に係る適応制御方法においては、前記演算ステップにおいて、前記誤差の変化が時間の経過に伴い減少から上昇に転じたときに、前記計算リソースの解放を行うことを特徴とする。

本発明に係る適応制御方法においては、前記制御ステップにおいて、前記所定の時間範囲内での前記誤差の最小となるタイミングを検出することを特徴とする。

本発明によれば、適応制御処理の誤差の小さいタイミングが得られるとともに、誤差の大きい適応制御処理の計算リソースを解放することができる。これにより、適応制御における最良の同期タイミングを得ることができるとともに、計算量の削減を図ることができる。

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、本発明の一実施形態に係るアダプティブアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。図１に示されるアダプティブアレーアンテナ装置は、アレーアンテナを構成する複数（Ｎ個）のアンテナ素子１−１〜Ｎと、無線部（ＲＦ）２と、遅延部３と、重み付け合成部４と、演算部５と、誤差比較部６とを備える。

図１において、無線部２は、各アンテナ素子１−１〜Ｎで受信された信号の無線受信処理（ベースバンド変換、デジタル化等）を行い、受信信号ｘ_１（ｊ）〜ｘ_Ｎ（ｊ）を出力する。但し、ｊはサンプル時間を表す。また、説明の便宜上、「ｊ＝１」は無線フレームの先頭のサンプル（第１番目の受信サンプル）を表し、ｘ_１（ｊ）〜ｘ_Ｎ（ｊ）はそれぞれ無線受信処理後の各アンテナの第ｊ番目の受信サンプルを表すものとする。

遅延部３は、演算部５から重み付け合成部４に出力されるアレー重みベクトルに合わせるように、受信信号ｘ_１（ｊ）〜ｘ_Ｎ（ｊ）を遅延させて重み付け合成部４に出力する。その遅延量は、図２に示されるように、受信フレームの先頭（受信信号ｘ_１（１）〜ｘ_Ｎ（１））の出力タイミングと演算部５のアレー重みベクトル出力タイミングとを合わせるものであり、演算部５の計算の所要時間に基づいている。

重み付け合成部４は、受信信号ｘ_１（ｊ）〜ｘ_Ｎ（ｊ）を演算部５から入力されたアレー重みベクトル［ｗ_１，ｗ_２，・・・，ｗ_Ｎ］で重み付けした後に合成し出力する。図３には、重み付け合成部４の構成が示されている。図３に示されるように、各受信信号ｘ_１（ｊ）〜ｘ_Ｎ（ｊ）は、それぞれ対応するアレー重みｗ_１〜ｗ_Ｎと乗算器４１で乗算された後に、加算器４２で加算され、アレー出力となる。

演算部５は、受信信号ｘ_１（ｊ）〜ｘ_Ｎ（ｊ）に基づき、適応制御処理を行う。図４には、演算部５の構成が示されている。図４において、アレー重み計算部５１は、ＭＭＳＥベースの適応アルゴリズム（ＬＭＳ、ＲＬＳ、ＳＭＩ等）を用いて、複数のタイミングＫ（Ｋ＝１，２，・・・，Ｍ−Ｌ＋１）において、複数のアレー重みベクトル（ｗ１Ｋ（ｊ），・・・，ｗＮＫ（ｊ））を並行して計算する。但し、ｗ１Ｋ（ｊ），・・・，ｗＮＫ（ｊ）はそれぞれタイミングＫにおけるアンテナ素子１−１〜Ｎの重み係数、Ｍは重み計算の範囲（図６参照）Ｌは参照信号／トレーニングシーケンスの長さである。また、演算部５は、誤差比較部６からの制御信号に従ってアレー重みベクトル計算を中止する。なお、計算中止指示のあったアレー重みベクトルについての計算が既に終了している場合には、演算部５はその計算結果を破棄する。そして、最後に残ったアレー重みベクトル計算の結果のアレー重みベクトルを重み付け合成部４に出力する。

誤差計算部５２は、（１）式に従って、タイミングＫにおける、ｊ−Ｋ＋１番目の参照信号との誤差を計算する。二乗誤差の移動平均の計算結果は、誤差比較部６へ出力される。

誤差比較部６は、誤差計算部５２で計算された二乗誤差の移動平均値を、複数のアレー重みベクトルについて比較する。この比較の結果、移動平均値が大きい方のアレー重みベクトルについては、その計算を中止するように、演算部５に制御信号で指示する。この指示に応じて演算部は、当該指示に該当するアレー重みベクトル計算を中止する。

次に、図５を参照して、本実施形態の演算部５（アレー重み計算部５１、誤差計算部５２）及び誤差比較部６に係る動作を説明する。図５は、本実施形態に係る適応制御処理の手順を示すフローチャートである。

図５において、アレー重み計算部５１は、複数のタイミングＫにおいて、並行して、複数のアレー重みベクトル計算を行う（ステップＳ１）。誤差計算部５２は、そのアレー重みベクトル計算毎に、計算中のアレー重みベクトルに関し、参照信号との二乗誤差及びその移動平均をそれぞれ計算する（ステップＳ２）。図６には、複数のアレー重みベクトル計算が並行して行われるタイミングが説明されている。図６に示されるように、重み計算範囲Ｍ内で、時間的にずらして複数のアレー重みベクトル計算が行われ、又、それぞれのアレー重みベクトル計算によるアレー重みベクトルの二乗誤差ｅ^２ _Ｋ（ｊ）及びその移動平均値ｅ_Ｋａｖｇ（ｊ）が計算される。また、図６に示されるように、現在の受信サンプルｊ時点においては、既に計算終了のアレー重みベクトル計算、計算中のアレー重みベクトル計算、計算が未だ開始されていないアレー重みベクトル計算が存在している。

次いで、誤差比較部６は、誤差計算部５２で計算された二乗誤差の移動平均値ｅ_Ｋａｖｇ（ｊ）を、複数のアレー重みベクトルについて比較する（ステップＳ３）。この比較対象には、ある程度の収束が完了したアレー重みベクトルを選択する。具体的には、図７に示されるように、アレー重みベクトル計算が所定時間Ｋだけ経過したものを比較対象とする。なお、所定時間Ｋは、アレー重みベクトルがある程度の収束が完了するために要する計算回数に対応する時間である。

次いで、誤差比較部６は、その比較の結果に基づき、移動平均値ｅ_Ｋａｖｇ（ｊ）が大きい方のアレー重みベクトルについての計算を中止させる（ステップＳ４）。これにより、図８に示されるように、現在の受信サンプルｊ時点で計算中のアレー重みベクトル計算のうち、移動平均値ｅ_Ｋａｖｇ（ｊ）が大きい方のアレー重みベクトルについての計算（アレー重みベクトル計算、二乗誤差及びその移動平均の計算）が中止される。なお、演算部５は、計算中止指示のあったアレー重みベクトルについての計算が既に終了している場合には、その計算結果を破棄する。また、誤差比較部６は、残った方を次回の比較のためにメモリに保持する。

次いで、演算部５は、残っているアレー重みベクトルが一つになり、且つ、当該アレー重みベクトルの計算回数がＬになっている場合には（ステップＳ５、ＹＥＳ）、当該アレー重みベクトルの計算結果を重み付け合成部４に出力する。一方、それ以外の場合（ステップＳ５、ＮＯ）にはステップＳ１に戻る。また、ｊ＝Ｍになっても、残ったアレー重みベクトルが複数ある場合には、二乗誤差が一番小さいアレー重みベクトルを選択し、重み付け合成部４に出力する。

上述したように本実施形態によれば、重み計算範囲内でタイミングＫ（Ｋ＝１，２，・・・，Ｍ−Ｌ＋１）において、複数のアレー重みベクトル計算が行われるが、アレー重みベクトル計算によるそれぞれのタイミングに対する二乗誤差の移動平均値が大きいものから順番に、アレー重みベクトルの計算が中止される。この結果として、計算量の削減が可能になる最良のアレー重みベクトル及び最良の同期タイミングを得ることができる。

また、本実施形態において、アレー重みベクトルがある程度の収束が完了するために要する時間としての所定時間Ｋを適切な値に設定することにより、より大きな計算量の削減効果が期待できる。一般的にアレー重みベクトル計算の前半部分では二乗誤差の減少が早く、後半部分では二乗誤差の減少が遅いことが知られている。このことから、所定時間Ｋは、参照信号長Ｌの１／３〜１／２程度に設定することが好ましい。これにより、例えば所定時間Ｋを参照信号長Ｌの１／２とした場合、特許文献１記載の従来技術に比して約半分に計算量を削減することが可能である。

なお、本実施形態では、二乗誤差の移動平均値を逐一比較することにより、移動平均値の最小となるタイミングを判断しているが、他の方法によりその判断を行ってもよい。例えば、二乗誤差の移動平均値が所定値よりも小さくなったときに、アレー重みベクトルの計算を中止し、当該アレー重みベクトルを選択し、重み付け合成部４に出力する。この場合、演算量を削減できるとともに、アレー重みベクトルを受信信号に適用するまでの所要時間を短縮できるメリットがある。

なお、本実施形態では、適応制御処理の誤差として二乗誤差の移動平均値を用いたが、これに限定されず、各種の誤差値を用いることができる。

また、本実施形態では、適応制御処理の誤差の比較を受信サンプル毎に行ったが、図９に示されるように、一定間隔Ｑで行ってもよい。

なお、他の方法としては、適応信号処理の誤差として二乗誤差の移動平均値を用いたが、これに限定されず、各種の値を誤差値として用いることができる。
この例として、受信信号に含まれる既知信号であるトレーニングシーケンスを用いて相関演算を行なうことにより、適応制御を行うタイミングを得る方法について説明する。
相関演算は受信波に含まれるトレーニングシーケンスと相関演算部が持つ既知信号とのタイミングが近い場合、つまり前記実施例の誤差値が小さい場合には、相関値の絶対値が１に近づき、逆に誤差が大きくなる場合には相関値の絶対値が０に近づく。このことから、１−（相関値の絶対値）を誤差として用いることができる。
この実施例では、図４の誤差計算部５２に相関演算を用いている。
適応制御を行うタイミングを得るため、誤差計算部５２が複数のタイミングにて相関演算を行ない、誤差を算出する。誤差比較部６は、誤差を比較し、比較の結果、誤差が大きいと判断された側のタイミングにおける相関演算リソース（記憶部にあるエラー値記憶、タイミング情報記憶及び相関演算動作に必要なメモリ、演算部の演算能力を占有する時間、このタイミングにおける受信信号を記憶した記憶領域など）を解放する。比較の結果、誤差の小さい側であったタイミングにおいて誤差が極小となることを見出した場合に、誤差算出演算を停止し、見出されたタイミングを保持し、保持したタイミングにおける重み付け計算を行う。
以上、２つの実施例について示したが、本発明に係るアンテナ装置は、各種の無線通信装置（基地局装置、移動局装置等）に適用することができる。

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係るアダプティブアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。 図１に示す遅延部３の動作を説明するための図である。 図１に示す重み付け合成部４の構成を示すブロック図である。 図１に示す演算部５の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る適応制御処理の手順を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る適応制御処理を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る適応制御処理を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る適応制御処理を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る適応制御処理を説明するための図である。 従来のスライディング相関方式を説明するための図である。

符号の説明

１−１〜Ｎ…アンテナ素子、２…無線部（ＲＦ）、３…遅延部、４…重み付け合成部、５…演算部、６…誤差比較部、５１…アレー重み計算部、５２…誤差計算部

Claims (9)

1. アレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子の各々で受信された受信信号に基づいて適応制御処理を行うアダプティブアレーアンテナ装置において、
   前記受信信号の誤差を算出する演算部と、
   前記誤差を比較する誤差比較部と、
   前記比較の結果に基づいて、重み合成を行う重み合成部と、を備え、
   前記演算部は、前記比較の結果に基づき、計算リソースの少なくとも一部を解放し、且つ、前記誤差比較部の比較結果により、前記誤差計算を終了する、
   ことを特徴とするアダプティブアレーアンテナ装置。
2. 前記演算部は、前記誤差が極小と判断することにより、前記計算リソースの解放を行うことを特徴とする請求項１に記載のアダプティブアレーアンテナ装置。
3. 前記演算部は、前記誤差が所定値よりも小さくなったときに、前記計算リソースの解放を行うことを特徴とする請求項２に記載のアダプティブアレーアンテナ装置。
4. 前記演算部は、前記誤差の変化が時間の経過に伴い減少から上昇に転じたときに、前記計算リソースの解放を行うことを特徴とする請求項２に記載のアダプティブアレーアンテナ装置。
5. アレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子の各々で受信された受信信号に基づいて適応制御処理を行う適応制御方法であって、
   前記受信信号の誤差を算出する誤差算出ステップと、
   前記誤差を比較する誤差比較ステップと、
   前記比較により前記誤差が小さいと判断された場合、前記誤差の算出の計算リソースを解放する演算ステップと、
   前記比較により前記誤差が小さいと判断された前記計算リソースに基づき、前記アンテナ素子毎の重み付け制御を行う制御ステップと、
   を含むことを特徴とする適応制御方法。
6. 前記演算ステップにおいて、前記誤差の極小となるタイミングが得られたと判断することにより、前記計算リソースの解放を行うことを特徴とする請求項５に記載の適応制御方法。
7. 前記演算ステップにおいて、前記誤差が所定値よりも小さくなったときに、前記計算リソースの解放を行うことを特徴とする請求項５に記載の適応制御方法。
8. 前記演算ステップにおいて、前記誤差の変化が時間の経過に伴い減少から上昇に転じたときに、前記計算リソースの解放を行うことを特徴とする請求項５に記載の適応制御方法。
9. 前記制御ステップにおいて、前記所定の時間範囲内での前記誤差の最小となるタイミングを検出することを特徴とする請求項５に記載の適応制御方法。
   
   
   

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