JP2008175827A - 移動局方向推定方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】K個のアンテナ素子を有するアレーアンテナ1の受信信号は受信機2を介して、到来方向推定部3に入力され、MUSICアルゴリズムなどの超分解能到来方向推定技術により到来方向が推定される。Δθ内ピーク検索部4は、到来方向推定の結果、所定の角度Δθの範囲内に複数の到来方向が検出されたか否かを判定し、Δθの範囲内に複数の到来方向が検出されたときは、θf決定部5は、該所定の角度範囲内の複数の到来方向の内の一つの到来方向をその角度範囲内の最終的な到来方向と決定する。Δθの範囲外の到来方向とθf決定部5で決定された到来方向それぞれの受信電力を受信電力計算部6で計算し、移動局方向推定部7は、最大の受信電力を有する到来方向を移動局の方向と決定する。
【選択図】図1
Description
図7の(a)は、AOAを示す図であり、この図に示すようにAOAでは、3つ以上の基地局から移動局の方向(角度)を測定することにより移動局の位置を測定する方法である。また、図7の(b)は、極座標測定を示す図であり、極座標測定は、1つの基地局から移動局までの距離とその方向を同時に測定することにより、移動局の位置を推定する方法である。
このようなAOAや極座標測定において、移動局の方向を測定するためには、まず、電波の到来方向を測定することが必要であり、アレーアンテナを用いたMUSIC アルゴリズム、Root-MUSICアルゴリズム、ESPRITなどの超分解能到来方向推定技術は非常に有用な方法である。このような超分解能到来方向推定技術の詳細については非特許文献1を参照されたい。
図8の(a)は、アレーアンテナの構成を示す図である。ここで、アンテナの水平面内指向性は無指向であり、素子数をK、アンテナ素子間隔は全て等間隔でdとする。このようなアレーアンテナに素波であるパスがQ個到来してきた場合の受信ベクトルは、次式で与えられる。
まず、前記式(6)より相関行列Rxxの固有値を求め、雑音電力σ2 より大きい固有値の数から到来波数Qを推定する。到来波数の推定法として、例えば、AIC(Akaike Information Creteria )を用いる。次に、雑音電力に相当する固有値、及びそれに対応する固有ベクトルを求めて、式(10)によりMUSIC スペクトラムを計算する。
図8の(b)に、このようにして算出されたMUSIC スペクトラムの一例を示す。そして、このMUSIC スペクトラムから大きさが大きい順にQ個のピーク値を探索して、電波の到来方向{θ1 ,...,θQ }を決定する。
ここで、電波の到来方向が複数あるため、移動局の方向を一意に決定することはできない。そこで、推定したQ個のパスの受信電力をそれぞれ求め、受信電力の最も大きいパスが最短経路を経たパスであることに期待して、受信電力が最大となるパスの方向を移動局の方向と決定していた(本願発明者による非特許文献2を参照されたい。)。
各パスの受信電力は、到来方向{θ1 ,...,θQ }に対して次式に示すように逆行列演算を行い、その相関行列Sの対角成分から求めることができる。
しかしながら、MUSIC 等においてある一定の角度(Δθ)の範囲内に集中して複数の到来方向(N個)があると推定された場合、実際の伝搬環境を考慮すると、図9の(a)に示すように、移動局から送信された複数の電波が近傍の建物で反射され基地局に到達している可能性が高い。
このような場合、移動局の方向は角度Δθの範囲の間にあるが、分解能が非常に高い場合は複数のピークが表れ、そのうちの一つを移動局の方向として選択した場合には、実際の移動局の方向と誤差が生じる可能性が高い。
図9の(b)はこの様子を示す図である。図示する例1の場合は、角度Δθの範囲内に集中して複数の電波が到来しており、異なるアンテナ素子数で到来方向推定を行った場合にいずれの場合でも正しい移動局方向が得られているが、例2の場合は、アンテナ素子数が中程度(K=10)のときには、正しい移動局方向が得られていない。このように、ある一定の角度(Δθ)の範囲内に集中して複数の電波が到来している場合には、上述した方法により決定した移動局方向と実際の移動局方向の誤差は比較的大きいものであった。このため、実際の移動局の方向と、推定した方向には比較的大きな距離のずれが発生する。この距離のずれを可能な限り小さくすることが課題となり、換言すれば、実際の移動局方向と推定する移動局方向との誤差を可能な限り小さくすることが必要となる。
そして、本発明の移動局位置推定方法及び装置を、基地局から見た移動局までの距離と移動局からの電波の到来方向を用いて移動局の位置を推定する極座標測定、あるいは、3つの基地局から見た移動局の電波の到来方向を用いて移動局の位置を測定するAOAに導入することにより、移動局の位置を精度良く推定することができるようになる。
本発明の移動局方向推定方法は、MUSIC アルゴリズム、Root-MUSICアルゴリズム、ESPRITアルゴリズムなどアレーアンテナを用いる各種の超分解能到来方向推定処理を行なう場合に適用することができるが、ここでは、MUSIC アルゴリズムを用いる場合を例にとって説明する。
まず、本発明の移動局方向推定方法の第1の実施の形態について説明する。
図1は本発明の移動局方向推定方法の第1の実施の形態が実行される移動局方向推定装置の要部構成を示すブロック図、図2は本発明の移動局方向推定方法の第1の実施の形態の処理の流れを示すフローチャートである。
図1において、1は複数個(ここでは、K個)のアンテナ(#1〜#K)を有するアレーアンテナ、2は前記アレーアンテナ1に接続され、各アンテナの受信信号を出力する受信機、3は前記受信機2から出力される各アンテナの受信信号(受信ベクトルX(t))を、前述したMUSIC などの超分解能到来方向推定技術により解析して、到来方向を推定する到来方向推定部、4は、前記到来方向推定部3による到来方向推定結果において、各到来方向に対して相互に所定の角度(Δθ)の範囲内にピークが存在するか否かを検索する所定角度範囲内ピーク検索部(Δθ内ピーク検索部)、5は前記ピーク検索部において角度Δθ内に複数のピークが存在している場合に、そのうちの一つのピークをその角度範囲内における最終的な一つの到来方向(角度θf )として決定する所定角度内最終到来方向決定部(θf 決定部)、6は前記所定の角度(Δθ)範囲外の到来方向及び前記最終到来方向決定部5で決定された到来方向(θf )の受信電力を計算する受信電力計算部、7は、前記受信電力計算部6の計算結果に基づいて移動局の方向を決定する移動局方向推定部である。
処理が開始されると、前記到来方向推定部3において、前記受信機2から供給される前記各アンテナ素子(#1〜#K)の受信信号に対し、前述したMUSIC アルゴリズムを用いて解析処理が行われ、前記図8(b)に示したようなMUSIC スペクトラムが計算される(ステップS11)。ここでは、この結果M個のピークが計算されたものとする。
次に、前記Δθ内ピーク検索部4において、前記到来方向推定部3による計算結果に基づいて、各到来方向に対して相互に所定の角度(Δθ)内に存在するピークがあるか否かが判定される(ステップS12)。ここで、所定の角度Δθの値は、個々の場合に応じて任意に決定することができ、例えば、1°〜5°程度の値としてもよい。
この判定の結果、所定の角度(Δθ)内に複数のピークが存在しないときは、前記受信電力計算部6において、前記式(11)を用いて前記到来方向推定部3により検出された各到来方向の受信電力を計算し、前記移動局方向推定部7は、最大の受信電力を有する到来方向を移動局の方向であると決定する(ステップS20)。
まず、検出されたピークを所定の領域に記憶して保存し(ステップS13)、次に、前記受信機2から供給される受信信号のアンテナ数を一つ減少させて(ステップS14)、前記到来方向推定部3に対して、前記複数のピークが存在する所定の角度ΔθにマージンΔφを加えた角度範囲、すなわち、当該ピークを含むΔθ±Δφの角度範囲についてMUSICアルゴリズムによる解析処理を行わせる(ステップS15)。ここで、マージンΔφの値は、0°であってもよいし、Δθの値に応じた任意の値としても良く、例えば、0°〜1°程度としてもよい。また、解析処理を行うときに、前記K個のアンテナ素子のうち一方の端部に位置するアンテナ素子(#1或いは#K)のいずれかからの受信信号を演算に用いないようにして解析を行ってもよいし、あるいは、アンテナ素子(#1又は#K)のいずれかを用いずに再度信号を受信し、この受信信号を用いて解析処理を行うようにしてもよい。
そして、前記ステップS15による解析処理の結果得られるピークの数を判定し(ステップS16)、ピークが0となったとき(MUSIC スペクトラムが演算した角度範囲内で単調減少あるいは単調増加となったとき)は、前記ステップS13で保存した角度Δθ内に存在する複数のピークそれぞれの受信電力を計算し、最大の受信電力を有するピークを角度Δθの範囲内の到来方向θf と決定する(ステップS17)。また、ピークの数が1つのときは、その1つのピークの方向をその角度Δθの範囲内の到来方向θf と決定する(ステップS18)。一方、ピークの数が2以上のときは、前記ステップS13に戻り、新たに得られたピークを当該角度範囲内のピークとして保存し、前記ステップS14以下を繰り返し実行する。これにより、ステップS17或いはステップS18において、その角度Δθの範囲内の到来方向θf が決定される。
なお、前記受信電力計算部6は、前記角度Δθ外の到来方向についての受信電力の計算は、前記θf 決定部5からの指示にかかわらず、先に実行するようにしてもよい。
図3と前記図2とを比較すると明らかなように、図3のステップS21,S22,S23,S25,S26,S27,S28,S29,S30及びS31は、それぞれ、図2におけるステップS11,S12,S13,S14,S15,S16,S17,S18,S19及びS20にそれぞれ対応しており、この実施の形態においては、ステップS23の後に演算に用いたアンテナ素子数Kが予め設定した最小値Kmin よりも大きいか否かを判定するステップS24を設け、その時点での演算に用いたアンテナ素子数Kが最小値Kmin となっていたら、アンテナ素子数Kを減少させることなく、ステップS28に進んで、保存した該当ピークのうちの受信電力が最大のものをその角度Δθの範囲における最終的な一つの到来方向θf と決定するようにしている。
このように、演算に使用するアンテナ素子数の最小値を設定するようにしてもよい。
図4は、本発明のこの参考実施の形態の移動局方向推定方法が実行される移動局方向推定装置の構成を示すブロック図、図5は、この参考実施の形態の移動局方向推定方法の処理の流れを示すフローチャートである。
図4において、前記図1と同一の構成要素には、同一の番号を付す。図4と図1とを比較すると明らかなように、この実施の形態における所定角度内最終到来方向決定部(θf 決定部)8は、前記Δθ内ピーク検索部4と受信電力計算部6とに接続されており、到来方向推定部3とは接続されていない点で、前記図1の実施の形態と相違している。
前述した実施の形態と同様に、前記到来方向推定部3において、前記受信機2から供給される前記各アンテナ素子(#1〜#K)の受信信号に対し、前述したMUSIC アルゴリズムを用いて解析処理が行われ、MUSIC スペクトラムが計算される(ステップS41)。
次に、前記Δθ内ピーク検索部4において、前記到来方向推定部3による計算結果に基づいて、各到来方向に対して相互に所定の角度(Δθ)内に存在するピークがあるか否かが判定される(ステップS42)。
この判定の結果、所定の角度(Δθ)内に複数のピークが存在しないときは、前記受信電力計算部6において、前記式(11)を用いて前記到来方向推定部3により検出された各到来方向の受信電力を計算し、前記移動局方向推定部7は、最大の受信電力を有する到来方向を移動局の方向であると決定する(ステップS45)。
この図から、本発明の第1のアルゴリズムを適用することにより、従来法よりも推定精度の誤差が小さくなっていることが分かる。また、それに伴い、一例として基地局−移動局間距離が2kmであるとき、誤差の標準偏差値を用いると、従来法では実際の移動局の位
置に対して約40mのずれが生じているが、本発明の第1のアルゴリズムを適用した場合、約14m のずれに抑制できていることが分かる。
なお、本発明の第2の実施の形態及び第1の参考実施の形態の場合でも、同様の効果を得ることができる。
2 受信機
3 到来方向推定部
4 所定角度範囲内ピーク検索部(Δθ内ピーク検索部)
5,8 所定角度内最終到来方向決定部(θf 決定部)
6 受信電力計算部
7 移動局方向推定部
Claims (2)
- 移動通信システムにおける基地局において移動局の方向を推定する方法であって、
アレーアンテナを用いる超分解能到来方向推定技術により電波の到来角度を推定する第1のステップ、
前記第1のステップの結果、所定の角度範囲内に複数の到来方向が検出されたかどうかを検出する第2のステップ、
前記第2のステップにおいて所定の角度範囲内に複数の到来方向が検出された場合に、該所定の角度範囲内の複数の到来方向の中からその角度範囲内における最終的な一つの到来方向を決定する第3のステップ、及び、
検出された前記所定の角度範囲外の到来方向及び前記第3のステップにより決定された到来方向それぞれの受信電力を算出し、最大の受信電力を有する到来方向を移動局の方向と決定する第4のステップ
を含み、
前記第3のステップは、
前記アレーアンテナの演算に用いるアンテナ素子数を減少させることにより分解能を低下させて前記所定の角度範囲に所定のマージンを加えた角度範囲内で再度超分解能到来方向推定技術により到来角度推定を行うステップ、
該推定の結果得られたピーク数が0ならば、前回の推定により得られたピークの中から最大の受信電力を有するピークをその角度範囲内での最終的な一つの到来方向と決定し、ピーク数が1ならば、その到来方向をその角度範囲内での最終的な一つの到来方向と決定し、ピーク数が2以上ならば演算に用いるアンテナ素子数をさらに減少させて前記ステップを繰り返し実行するステップ
とを有することを特徴とする移動局方向推定方法。 - 移動通信システムにおける移動局の方向を推定する装置であって、
アレーアンテナと、
前記アレーアンテナからの受信信号に基づき、超分解能到来方向推定技術により電波の到来方向を推定する到来方向推定部と、
前記到来方向推定部により所定の角度範囲内に複数の到来方向が検出されたか否かを判定する所定角度範囲内ピーク検索部と、
前記所定角度範囲内ピーク検索部及び前記到来方向推定部の検出結果に基づき、所定角度範囲内に検出された複数の到来方向の中からその角度範囲内における最終的な一つの到来方向を決定する所定角度範囲内の最終到来方向決定部と、
前記所定の角度範囲外の到来方向と前記最終到来方向決定部において決定された到来方向のうち、最大の受信電力を有する到来方向を移動局方向と決定する移動局方向推定部
とを有し、
前記最終到来方向決定部は、前記アンテナ素子の素子数を減少させて前記超分解能到来方向推定を行い、その結果、検出されたピーク数が0のときは前回の推定により得られたピークの中から最大の受信電力を有するピークをその角度範囲内における最終的な一つの到来方向と決定し、ピーク数が1のときはその到来方向をその角度範囲内での最終的な一つの到来方向と決定し、ピーク数が2以上のときは、演算に用いるアンテナ素子数をさらに減少させて再度前記超分解能到来方向推定を行い、上述の処理を繰り返すことを特徴とする移動局方向推定装置。
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