JP2008543237A - ソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの実現方法及びスマートアンテナの実現システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明はＩＭＴ−２０００ＣＤＭＡシステムに用いられるソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの実現方法及びスマートアンテナの実現システムを提供する。
【解決手段】無線通信チャネル環境特徴に基づき、チャネルの環境を分類し、空間平滑差分の処理方法を採用し、アレイ受信信号の共分散マトリックスに対して、一つ一つ次元数を下げ、相関（信号）を解除することで、相関信号を順次に独立信号に変換させ、受信信号の相関構造が得られ、環境の識別を実現できる。チャネル環境を分類した結果により、相応の受信適応ビーム形成アルゴリズムと送信適応ビーム形成アルゴリズムを選択し、受信重み付け値と送信重み付け値を算出する。本発明は、従来の適応ビーム形成方法と比べ、適応性が広く、単一の適応ビーム形成方法の制限を避け、ベースステーションシステムのグレートアップとメンテナンスが容易になり、且つ妨害の影響を効果的に抑制できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、通信分野のＩＭＴ−２０００コードディビジョンマルチプルアクセス（ＣＤＭＡ、Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）システムのスマートアンテナの技術に関し、特に、広帯域のＣＤＭＡシステムにおける、ソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの実現方法と、ソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの実現システムなどの技術に関する。

ＩＭＴ−２０００（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｍｏｂｉｌｅ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ−２０００）ＣＤＭＡ通信システムの中で、無線チャネルがデジタル信号に対する影響は、主に二つある。一つはチャネルに関するノイズ（雑音）と干渉であり、もう一つはチャネルのマルチパスの効果（状況）である。ノイズは、すべての通信システムの中で存在するが、移動通信の環境特徴で言えば、干渉はノイズより影響が大きく、そのうち同一チャネル妨害はシステムの性能を制限する主な要素である。

特に、ＩＭＴ−２０００ ＣＤＭＡシステムの中で、遠近の効果とマルチパスの干渉が存在し、同一団地の中でも、複数の干渉ユーザが存在する可能性もある。また、無線環境が複雑であるので、無線チャネルによって送信される１つの信号は、異なるパスに沿って受信側に到着する可能性もある。信号が異なるパスをパスする場合、遅延も異なる。その遅延の差が大きくなった場合、パス間の干渉を引き起こす可能性がある。

通常、受信機を設計する際に、干渉の抑制を考慮しなければならない。理想的なガウスホワイトノイズの環境において、マッチフィルタリング逆伸張装置（ｍａｔｃｈ ｆｉｌｔｅｒ ｄｅ−ｅｘｐａｎｄｅｒ）を使うことができる。マルチパスの干渉が存在している場合には、通常、Ｒａｋｅマルチパスダイバーシティ逆伸張受信機を使う。それは、遅延と幅に対する予測が必要である。狭帯域の干渉が存在するチャネルの中では、通常の方法はマッチフィルターの前に適応予測フィルターを追加し、狭帯域の干渉を予測することによって、広帯域のスプレッドスペクトル信号との分離を実現する。

マルチプルアクセス干渉が存在するＩＭＴ−２０００ ＣＤＭＡシステムの中では、マルチユーザ検出受信機は一時期に非常に注目されたことがあり、それは一組のマッチフィルターとマルチユーザ検出器から構成されたものである。最も典型的なのは、解の相関するマルチユーザ検出器である。それは線形の複雑度と最適な遠近効果の抑制能力があるが、その欠点は全ての干渉ユーザのダミーコード、タイミング、位相などの情報が必要である。

上述の方法は通常、それぞれの干渉を抑えることに対して、各自で独立して行うが、実際には以下の二つの状況が良くある。一つは、どんな干渉環境にあるかを知らず、干渉のパラメーターもよく知らないことであり、もう一つは、時には複数の干渉が同時に存在することである。この場合に、ある１種類の干渉を抑制できる受信機は、他種類の干渉あるいは複数の干渉が同時に存在しているチャネル環境に対して通常の動作をすることが困難である可能性がある。

もう一つの方法としては、狭帯域の干渉トラップフィルターと、Ｒａｋｅ受信機と解の相関するマルチユーザ検出器を組み合わせることである。その欠点は受信機が非常に複雑で、殆ど実現できないこともある。

従来の適応スマートアンテナは、信号空間分布特性の変化によって所定の基準に従って重み付け値をより絶えず更新することができ、重み付け値の幅と位相は、すべて自由に更新することができる。更新アルゴリズムが収束する時に、このような方法によっては、期待ユーザ信号と干渉信号の空間特性を十分利用して、受信した信号の信号／干渉／ノイズの比を最大にする。

例えば、特許文献１に開示された「広帯域のＣＤＭＡシステムに適用するビーム形成方法」は、このような技術案を提出した。この方法の具体的な手順は、アレイ信号に対して、重み付け値更新やビーム形成を含む空域の処理を行い、タイムドメインの中に逆干渉／逆拡散と、チャネル予測と、補償を含むマッチフィルタリングを行う。該発明はビームに対して再拡散妨害繰り返し（ｒｅ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ａｄｄｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｉｔｅｒａｔｉｎｇ）を行って、参照信号を形成することにより、システムの構成を簡略化して、技術の難さと運算の量を大幅に低減することができる。しかし、この方法は、任意の通信環境では最適にすることができない。

特許文献２に開示された「ソフトウェアにより定義されるＲＦトランシーバ」は、新しい無線移動通信システムの構成が公開されている。即ち、ソフトウェアによる被定義ラジオ（ＳＤＲ、Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｄｅｆｉｎｅｄ Ｒａｄｉｏ）技術及びＳＤＲサポート技術は、無線通信システムのベースステーションで、多重機能ＲＦトランシーバの設計方法を有する。多重機能ＲＦトランシーバは、複数のプログラマブル、配置可能な広帯域ＲＦレシーバと、複数のＲＦトランスミターと、局部発振信号発生装置と、中間周波デジタル信号処理装置のようなユニットから構成される。異なる無線通信準則に基づくソフトウェアを該ＲＦトランシーバにインストールして、ソフトウェアのプログラミングの制御によって、異なるＲＦ信号と、中間周波信号とクロック信号を発生し、異なる作動帯域、搬送波帯域、二重方式をセットして、相応の搬送波の個数を処理し、相応の信号処理アルゴリズムを実行させる。この特許文献２は、ＳＤＲ技術をスマートアンテナ技術に用いているが、どのように通信環境に応じて、異なる処理アルゴリズムを適用するかについては説明していない。
中国特許第０３１１５４１５号 中国特許第０３１１４２８６号

上記のことから明らかなように、適応アレイアンテナを利用する無線通信システムは、最適なシステム性能に達することができる。しかし、現実に使用するには、いくつかの重要な技術問題を解決しなければならない。その中には、適応ビーム形成アルゴリズム計算の複雑度と安定性は、適応アンテナの発展を制約する一つの課題である。現在の各種の適応ビーム形成アルゴリズムには、それ自身の特徴と適用条件があって、アルゴリズムの性能が使用環境による影響に大きく左右されているので、様々な環境の中にも優れた妨害防止性能を有すると共に迅速に収束し、且つ計算の複雑度が低い適応ビーム形成アルゴリズムを見つけることは、非常に困難である。

そのため、無線チャネルが信号に対する影響は、主に、妨害信号や、マルチパス信号や、比較的に大きな遅延があるマルチパス信号により引き起こされるパス間の干渉がある。

本発明の目的としては、ソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの実現方法およびスマートアンテナの実現システムを提供することであって、単一適応ビーム形成方法が用いられるスマートアンテナは各種の複雑な通信環境に対応し難いという問題を解決して、より広範な適用性を有し、且つ実施し易く、妨害の影響を効果的に抑えることにある。

前述した目的を実現するために、本発明は、ＩＭＴ−２０００ ＣＤＭＡシステムに用いられる、ソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの実現方法を提供し、それによって、無線通信チャネル環境特徴に基づき相応の適応ビーム形成アルゴリズムを選択し重み付け値を算出して、該重み付け値によってビームを形成して出力する。

前記ソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの実現方法において、環境分類識別モジュールでは、前記無線通信チャネル環境特徴によって、無線通信チャネルを分類し識別するステップ１と、受信適応ビームアルゴリズム選択計算モジュールでは、前記環境分類識別モジュールからの出力結果によって、受信適応アルゴリズムを選択し、受信ビーム形成モジュールからの出力によって前記受信重み付け値を算出し、前記受信ビーム形成モジュールへ出力するステップ２と、前記受信ビーム形成モジュールでは、前記受信重み付け値とベースバンド信号により、複数の単一チャネル信号を併合し、受信ビームを形成して出力するステップ３と、送信適応ビームアルゴリズム選択計算モジュールでは、前記環境分類識別モジュールからの出力結果によって、送信適応アルゴリズムを選択し、前記受信ビーム形成モジュールからの出力によって送信重み付け値を算出し、前記送信ビーム形成モジュールへ出力するステップ４と、前記送信ビーム形成モジュールでは、前記送信重み付け値と送信チャネルのアレイデータにより送信ビームを形成し出力するステップ５とを含むことを特徴とする。

前記ソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの実現方法において、ステップ１には具体的に、前記アレイ構成を等価の一様ラインアレイに変換するステップ１０と、複数のアレイエレメントを有する一様ラインアレイを各対のサブアレイが複数のアレイエレメントから構成される複数対の前記サブアレイに分割するステップ１１と、各サブ空間の平滑な差分マトリックスを算出するステップ１２と、前記平滑な差分マトリックスのランクを算出し、ランクの順序により独立信号源の個数及び相関グループの個数を算出するステップ１３と、前記独立信号源の個数及び前記相関グループの個数により、チャネルを分類するステップ１４とを更に含むことを特徴とする。

前記ソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの実現方法において、アレイエレメントの間隔が半波長である一様ラインアレイにＮ個のアレイエレメントが含まれた場合には、前記ステップ１１において、前記一様ラインアレイをＫ対のサブアレイに分割し、各対の前記サブアレイは、ｍ個のアレイエレメントから構成され、そのうち、第ｋ番目の順方向サブアレイの受信信号は、

、第ｋ番目の逆方向サブアレイの受信信号は、

であり、その中、（・）^Ｔは転置演算子、（・）^＊は共役演算子、（・）^Ｈは共役転置演算子であり、前記ステップ１２において、各空間の対応する平滑な差分マトリックス

を算出し、その内、

は、第ｋ番目の順方向サブアレイの相関マトリックスであり、

は、第ｋ番目の逆方向サブアレイの相関マトリックスであり、その内、Ｅ（・）は数学期待演算子であり、前記ステップ１３において、第ｋ番目の空間の平滑差分マトリックスのランク

を算出し、ランクの順序により、独立信号源の個数及び相関グループの個数を算出し、前記ステップ１４において、前記独立信号源の個数及び前記相関グループの個数により、チャネルを分類することを特徴とする。

前記ソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの実現方法において、前記ステップ１４では、前記相関グループの個数が０で、且つ前記独立信号源の個数が１である無線通信チャネルを第１タイプチャネルに分類するステップ１４１と、前記相関グループの個数が０で、且つ前記独立信号源の個数は１より大である無線通信チャネルを第２タイプチャネルに分類するステップ１４２と、前記相関グループの個数が０より大きい、且つ前記独立信号源の個数が１である無線通信チャネルを第３タイプチャネルに分類するステップ１４１と、前記相関グループの個数が０より大きい、且つ独立信号源の個数は１より大である無線通信チャネルを第４タイプチャネルに分類するステップ１４２とを具体的に含むことを特徴とする。

前述したソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの実現方法において、前記ステップ２において、前記受信適応ビームアルゴリズム選択計算モジュールでは、最大比率併合、改善した定数母数アルゴリズム、ウィーナー解とパイロットビット支援ＬＭＳ＿ＤＲＭＴＡをそれぞれ選択し、前記第１タイプチャネルと、前記第２タイプチャネルと、前記第３タイプチャネルと前記第４タイプチャネルの対応する受信重み付け値をそれぞれ算出し、前記ステップ４において、前記送信適応ビームアルゴリズム選択計算モジュールでは、送信ダイバーシティ、改善した定数母数アルゴリズムをそれぞれ選択し、ビーム形成の固有値とビーム到達方向予測アルゴリズムに基づき、前記第１タイプチャネルと、前記第２タイプチャネルと、前記第３タイプチャネルと前記第４タイプチャネルの対応する送信重み付け値をそれぞれ算出することを特徴とする。

前述した目的を実現するために、本発明は、更に、ＩＭＴ−２０００コードディビジョンマルチプルアクセスシステムの中に用いられるソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの実現システムを提供する。該システムにおいて、一様ラインアレイに配列された複数のアレイエレメントを含むアレイアンテナと、入力端子が前記アレイアンテナの出力端子に１つ１つ対応して接続されるＲＦチャネルと、前記受信重み付け値とＲＦチャネルのベースバンド信号により、複数の単一チャネル信号を併合し、受信ビームを形成し出力する受信ビーム形成モジュールと、前記送信重み付け値と送信チャネルのアレイデータに基づき、送信ビームを形成して出力する送信ビーム形成モジュールとを含み、該システムにおいて、前記アレイアンテナの順方向出力ベクトル及び逆方向出力ベクトルの出力によって、無線通信チャネル環境特徴を予測識別し分類する環境分類識別モジュールと、前記環境分類識別モジュールの出力結果によって、受信適応アルゴリズムを選択し、受信ビーム形成モジュールの出力によって、前記受信重み付け値を算出する受信適応ビームアルゴリズム選択計算モジュールと、前記環境分類識別モジュールの出力結果によって、送信適応アルゴリズムを選択し、受信ビーム形成モジュールの出力によって、前記送信重み付け値を算出する送信適応ビームアルゴリズム選択計算モジュールとを更に含むことを特徴とする。

前記ソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの実現システムにおいて、前記環境分類識別モジュールでは、複数のアレイエレメントを有する一様ラインアレイを、各対のサブアレイが複数のアレイエレメントから構成される複数対の前記サブアレイに分割し、アレイエレメント分割ユニットと、各空間の平滑差分マトリックスを算出する第１計算ユニットと、前記平滑差分マトリックスのランクを算出し、ランクの順序によって独立信号源の個数及び相関グループの個数を算出する第２計算ユニットと、前記独立信号源の個数及び前記相関グループの個数により、無線通信チャネルを分類し識別する分類識別ユニットとを含むことを特徴とする。

前記ソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの実現システムにおいて、前記分類識別ユニットでは、前記相関グループの個数が０で、且つ前記独立信号源の個数が１であるチャネルを第１タイプチャネルに分類し、前記相関グループの個数が０で、且つ前記独立信号源の個数が１より大であるチャネルを第２タイプチャネルに分類し、前記相関グループの個数が０より大きい、且つ前記独立信号源の個数が１であるチャネルを第３タイプチャネルに分類し、前記相関グループの個数が０より大きい、且つ前記独立信号源の個数が１より大であるチャネルを第４タイプのチャネルに分類することを特徴とする。

前記ソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの実現システムにおいて、前記受信適応ビームアルゴリズム選択計算モジュールでは、最大比率併合、改善した定数母数アルゴリズム、ウィーナー解及びパイロットビット支援ＬＭＳ＿ＤＲＭＴＡをそれぞれ選択し、前記第１タイプチャネルと、前記第２タイプチャネルと、前記第３タイプチャネルと前記第４タイプチャネルの対応する受信重み付け値を算出し、前記送信適応ビームアルゴリズム選択計算モジュールでは、送信ダイバーシティと、改善した定数母数アルゴリズムをそれぞれ選択し、ビーム形成の固有値とビーム到達方向予測アルゴリズムに基づき、前記第１タイプチャネルと、前記第２タイプチャネルと、前記第３タイプチャネルと前記第４タイプチャネルの対応する送信重み付け値を算出することを特徴とする。

本発明は、ソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの適応ビーム形成方法を用いるので、従来の適応ビーム形成方法と比べると優れている。それは、チャネルの特性を分析し比較的に適切なビーム形成方法を選ぶことで、スマートアンテナのベースステーションに更に広範な適応性を持たせる。ソフトウェアラジオの技術による適応アルゴリズム選択方法を用いることで、１種の適応ビーム形成方法の制限を避けて、方法の切替が簡単で、計算も高速、ハードウエア構成の困難さを低減して、容易に実施できる。ソフトウェアラジオの技術によるビーム形成アルゴリズムを用いるので、ベースステーションシステムのグレートアップとメンテナンスは容易である。アルゴリズムは、ユーザのビーム到達方向を追従でき、適応的に重み付きのベクトルを調整でき、期待ユーザのビーム到達方向にビームの最大な指向を形成できる。しかも、妨害方向には零欠陥が形成するので、妨害の影響を有効に抑制することができる。

従って、本発明による方法を使って実現するソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの実現システムは、ハードウエアのコストが低減した上で、スマートアンテナのベースステーションの価格性能の比は極めて大きく向上させ、容易に実施できるとともに、スマートベースステーションの処理性能も大きく向上させた。従来のスマートアンテナと比べて、高いコストのハードウエアが必要でなく、ソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの実現システムの価格性能比を大きく高めた。

以下、図面を参照して、本発明に係る実施例について詳しく説明する。

本発明は、空間平滑差分処理方法によってアレイ受信信号の共分散マトリックスに対して一つ一つ次元数を下げ、相関（信号）を解除することによって相関信号を徐々に独立信号源に変換させることで、受信信号の相関構造が得られ、環境の識別を実現できる。本発明の実施例において、通信環境が以下４つのタイプに分られている。

通信チャネルタイプ１では、ガウスのホワイトノイズに単一の期待信号を加える。

通信チャネルタイプ２では、マルチパスの効果を考慮せず、期待信号に妨害信号を加える。

通信チャネルタイプ３では、期待信号に妨害信号を加え、且つマルチパスの効果から引き起こされる、遅延拡張が小さいマルチパスの信号が存在する。

通信チャネルタイプ４では、期待信号に妨害信号を加え、且つマルチパスの効果から引き起こされる、遅延拡張が大きいマルチパスの信号が存在し、または遅延拡張が小さいマルチパスの信号も存在可能である。

信号の伝播環境を識別する時に、アレイアンテナは、空間の情報を得て、中から適切な特徴を取り出して異なっている環境を識別する。ＩＭＴ−２０００ ＣＤＭＡ（Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）システムでは、直交するＰＮコードを採用したので、妨害信号と期待信号がそれらの間にほとんど相関しない。

しかし、マルチパスによる信号については、相対的に遅延が小さい時、それぞれマルチパス信号の間に依然として相関していると考えても良い。伝播の遅延が１つのコードピース周期を超えた場合、マルチパス信号は、実際には互いに相関しないと考えてもよい。このように、妨害信号と期待信号が、各自のマルチパス信号とは互いに相関しないグループだと見なされても良い。遅延拡張に対して比較的に大きなマルチパス信号も独立して、期待信号と相関しないグループとなることも可能である。従って、相関ソース（信号源）の相関構造を得ることによって、即ちソースの個数を予測し、その中の相関ソースのグループの個数、相関ソースのグループの中の相関ソースの個数など特徴を利用して、異なる通信チャネルのタイプを識別する。

通信チャネル環境が分類された上で、異なったタイプの通信チャネルに対して異なったアップリンク（ｕｐｌｉｎｋ）またはダウンリンク（ｄｏｗｎｌｉｎｋ）のビーム形成方法を採用することによって、異なった通信環境でのアップリンク／ダウンリンクの適応ビーム形成を完成したので、通信チャネルの時間変動の特性を有効に克服し、異る環境での通信要求を満足し、通信の質を高める。

図１は本発明に係るソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナを実現するシステムの構造を示す図である。

本発明に係るソフトウェアラジオに基づくＩＭＴ−２０００ ＣＤＭＡシステムにおける、ソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの実現システムには、アンテナアレイ１０と、環境分類識別モジュール１１と、ＲＦチャネルと、受信ビーム形成モジュール１２と、送信ビーム形成モジュール１４と、受信適応ビームアルゴリズム選択計算モジュール１３と、送信適応ビームアルゴリズム選択計算モジュール１５を備える。

ソフトウェアラジオのスマートアンテナの実現システムの中では、妨害コードの発生、スペクトラム拡散コードの発生、コードの同期、逆妨害逆拡散（ｄｅｓｃｒａｍｂｌｉｎｇ ａｎｄ ｄｅ−ｓｐｒｅａｄｉｎｇ）、クロック制御などのモジュールの機能は、本発明に関連する内容ではないため、本実施例の中では、一般的にこれらのモジュールを述べず、必要とする時、直接これらのモジュールあるいはそれらの出力信号を利用する。

前記アンテナアレイ１０は、複数のアレイエレメント１０．１、１０．２…１０．Ｎを含み、その出力端子はＲＦチャネルの入力端子に接続する。アレイエレメントの輻射方向は任意であってもよい。アンテナアレイ１０の配列は一様ラインアレイ（ｌｉｎｅ ａｒｒａｙ）である。ほかの非一様ラインアレイのアレイ構造は、相応の処理によって等価のラインアレイに転換する必要があり、再度処理を行う。

ＲＦチャネルは、低ノイズの増幅、利得自動調整、チャネルの補正、ベースバンドの転換、Ａ／ＤとＤ／Ａの転換、マッチフィルタリングなどの機能を実現する。ＲＦチャネル数は、アレイエレメント１０．１、１０．２…１０．Ｎと１つ１つ対応するもので、一つのＲＦチャネルの入力端子は一つのアレイエレメントの出力端子に接続され、全てのＲＦチャネルの出力端子は、それぞれ受信ビーム形成モジュール１２の入力端子と環境分類識別モジュール１１の入力端子に接続される。

受信適応ビームアルゴリズム選択計算モジュール１３／送信適応ビームアルゴリズム選択計算モジュール１５によって、重み付け値更新の計算アルゴリズムを完成し、一組の新しい重み付け値を得てから、これらの重み付け値をそれぞれ受信ビーム形成モジュール１２／送信ビーム形成モジュール１４に出力する。

受信適応ビームアルゴリズム選択計算モジュール１３への入力信号は、受信ビーム形成モジュール１２の出力信号と、環境分類識別モジュール１１の出力信号を含む。

送信適応ビームアルゴリズム選択計算モジュール１５の入力信号は、受信ビーム形成モジュール１２の出力信号と、環境分類識別モジュール１１の出力信号を含む。

環境分類識別モジュール１１は、前述したアンテナアレイ１０の順方向出力ベクトルと逆方向出力ベクトルの出力により、無線通信チャネル環境特徴に対し、予測識別し分類を行う。

受信ビーム形成モジュール１２は、ＲＦチャネルからの複数の信号に対して、複数の重み（ｃｏｍｐｌｅｘ ｎｕｍｂｅｒ ｗｅｉｇｈｉｎｇ）を重み付け値で付加し、和を求める。受信ビーム形成モジュール１２の入力端子は、ＲＦチャネルからのデジタル信号のほか、受信適応ビームアルゴリズム選択計算モジュール１３からの重み付け値をも受信する。この受信ビーム形成モジュール１２の出力端子は、マルチユーザ検出の入力端子に接続される。

送信ビーム形成モジュール１４の入力端子は、送信チャネルからのアレイデータ信号のほか、送信適応ビームアルゴリズム選択計算モジュール１５からの重み付け値をも受信する。送信ビーム形成モジュール１４の出力端子はＲＦチャネルに接続される。

前述した構成のモジュールは、一部のモジュールをＤＳＰの中でソフトウェアにより実現可能なソフトウェアモジュールであってもよく、これらのモジュールが専用集積回路のチップ（ＡＳＩＣ）あるいはＦＰＧＡの中に集積されるハードウエアモジュールであってもよい。

無線信号は、アンテナアレイ１０を介してシステムに入る。アンテナアレイは、Ｎ個のアレイエレメント１０．１、１０．２、…１０．Ｎから構成される。アレイエレメントの受信した信号は、それぞれＮ個のＲＦチャネルの処理によって、Ｎ本のベースバンド信号となる。信号が、ＲＦチャネルの中で既に離散化され、その出力はＸ_ｒ＝［ｘ_ｒ１，ｘ_ｒ２，…，ｘ_ｒＮ］である。後の処理はすべてデジタル信号の処理である。アンテナアレイ１０の出力は、ＲＦチャネルを通して対応する受信ビーム形成モジュール１２と環境分類識別モジュール１１とに送られる。

環境分類識別モジュール１１は、受信したアレイデータに基づき予測し、その予測された結果を受信適応ビームアルゴリズム選択計算モジュール１３と送信適応ビームアルゴリズム選択計算モジュール１５に入力する。

受信適応ビームアルゴリズム選択計算モジュール１３は、環境分類識別モジュール１１の出力結果により、適切な受信ビーム形成アルゴリズムを選択して、受信ビーム形成モジュール１２の出力により処理を行う。受信適応ビームアルゴリズム選択計算モジュール１３により新しい重み付け値Ｗｒが算出され、受信ビーム形成モジュール１２に転送される。新しい受信重み付け値 Ｗ_ｒ＝［ｗ_ｒ１，ｗ_ｒ２，…，ｗ_ｒＮ］は、Ｎ個の成分からなる。

受信ビーム形成モジュール１２は、Ｎ個の乗算器１２．１、１２．２、…、１２．Ｎと１つの加算器１２．Ｒからなる。ＲＦチャネルからのアレイデータと受信適応ビームアルゴリズム選択計算モジュール１３から出力した新受信重み付け値により受信ビームを形成する。ベースバンド受信信号Ｘｒと受信重み付け値Ｗｒとを乗算して、加算することで、出力信号 Ｙ_ｒ＝［ｙ_ｒ１，ｙ_ｙ２，…，ｙ_ｒＮ］を算出する。

送信適応ビームアルゴリズム選択計算モジュール１５は、環境分類識別モジュール１１の出力結果により、適正な送信ビーム形成アルゴリズムを選択し、また、受信ビーム形成モジュール１２の出力信号と送信チャネルからのアレイデータ Ｙ_ｔ＝［ｙ_ｔ１，ｙ_ｔ２，…，ｙ_ｔＮ］によって処理を行う。送信適応ビームアルゴリズム選択計算モジュール１５により新重み付け値Ｗｔを算出し、送信ビーム形成モジュール１４に送る。新重み付け値 Ｗ_ｔ＝［ｗ_ｔ１，ｗ_ｔ２，…，ｗ_ｔＮ］はＮ個の成分からなる。

送信ビーム形成モジュール１４は、Ｎ個の乗算器１４．１、１４．２、…、１４．Ｎからなり、送信チャネルからのアレイデータ Ｙ_ｔ＝［ｙ_ｔ１，ｙ_ｔ２，…，ｙ_ｔＮ］と送信適応ビームアルゴリズム選択計算モジュール１５から出力した送信重み付け値 Ｗ_ｔ＝［ｗ_ｔ１，ｗ_ｔ２，…，ｗ_ｔＮ］に対して、送信ビームを形成して、ＲＦチャネルにより出力する。

図２は本発明に係る方法のフローチャートである。適応方式のスマートアンテナでは、空域あるいは空／時域処理の重み付け値に対応して、一定の適応アルゴリズムに基づいて自在（任意）調整し、現在の伝送環境に対して最大限のマッチングを行う。相応のスマートアンテナの受信／送信ビームは任意の指向である。

実際、通信する際に、通信チャネルの状況は非常に複雑である。現在、単一のある適応ビーム形成方法を採用することにより、各種の環境の中にも良好な性能を持つ事を実現するのは困難である。そのため、通信チャネルの特性を分析することで、比較的適するビーム形成アルゴリズムを選び、それによって、スマートアンテナのベースステーションに更に広い適応性を持たせる。本発明で述べた方法は次の通り幾つのステップによって実現することができる。

ステップ２１において、スタートする。

ステップ２２において、環境分類識別モジュールは、無線通信チャネルのタイプを識別し分類する。

ステップ２３において、受信適応ビームアルゴリズム選択計算モジュールは、前述の分類識別した結果に基づき、受信適応ビームアルゴリズムを選択し、受信重み付け値を算出する。通信チャネルタイプ１と、通信チャネルタイプ２と、通信チャネルタイプ３と通信チャネルタイプ４に対して、最大比率併合、改善した定数母数アルゴリズム（Ａｄｖａｎｃｅｄ ＣＡＭ、 Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｍｏｄｕｌｕｓ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）、ウィーナー解とパイロットビット支援ＬＭＳ＿ＤＲＭＴＡ （Ｌｅａｓｔ−Ｍｅａｎ−Ｓｑｕａｒｅｓ Ｄｅ−ｓｐｒｅａｄ Ｒｅ−ｓｐｒｅａｄ Ｍｕｌｔｉ−Ｔａｒｇｅｔ Ａｒｒａｙ）などビーム形成方法をそれぞれ選択し、受信重み付け値を算出する。

ステップ２４において、受信ビーム形成を行う。即ち受信ビーム形成モジュールは、複数の単一のチャネル信号を組合せ、ビーム

を形成する。

ステップ２５において、送信適応ビームアルゴリズム選択計算モジュールは、前述の分類識別した結果に基づき、送信適応ビームアルゴリズムを選択し、受信重み付け値を算出する。通信チャネル環境分類結果により、通信チャネルタイプ１と、通信チャネルタイプ２と、通信チャネルタイプ３と通信チャネルタイプ４とに対して、それぞれ相応の送信ダイバーシティ（ＴＤ、Ｔｒａｎｓｍｉｔ Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ）と、改善した定数母数（Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｍｏｄｕｌｕｓ）と、ビーム形成基づく固有値（ＥＢＢ、Ｅｉｇｅｎｖａｌｕｅ Ｂａｓｅｄ Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ）とビーム到達方向（ＤＯＡ、Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ａｒｒｉｖａｌ）予測など、送信適応ビーム形成方法を選択し、送信重み付け値を算出する。

ステップ２６において、送信ビーム形成を行う。即ち転送ビーム形成モジュールは、前述した送信重み付け値と送信チャネルのアレイデータにより送信ビームを形成して出力する。

ステップ２７において、終了する。

前述のステップよって、異なる通信環境でのアップリンク／ダウンリンク適応ビームが形成されたことで、適応ビーム受信／送信アルゴリズムのデータベースが構成できる。使用するアルゴリズムは前述したアルゴリズムに限られない。

図３は無線通信の環境検出およびチャネル識別のフローチャートであり、下記のステップを含む。

ステップ３１において、サブアレイを区分する。即ちＮ個のアレイエレメントを有する一様ラインアレイ（アレイエレメントの間隔は半分の波長とする）をＫ対のサブアレイに分割し，各サブアレイはｍ個のアレイエレメントから構成される。第ｋ番目の順方向サブアレイの受信信号

は、［ｘ_ｋ，ｘ_ｋ＋１，…，ｘ_{ｋ＋ｍ−１}］^Ｔで示され，第ｋ番目の逆方向サブアレイの受信信号

は、

で示される。そのうち、（・）^Ｔは転置演算子、（・）^＊は共役演算子、（・）^Ｈは共役転置演算子である。

ステップ３２において、各空間の対応の平滑差分マトリックスを算出する。即ち第ｋ番目の順方向サブアレイの相関マトリックスを

とし、第ｋ番目の逆方向サブアレイの相関マトリックスを

とすることで、第ｋ番目の空間平滑差分マトリックス

を算出する。そのうち、Ｅ（・）は数学期待演算子である。

ステップ３３において、ランクの順序を算出する。即ち、第ｋ番目の空間平滑差分マトリックスのランク

を求めて、ランクの順序によって独立信号源の個数ｐと相関グループの個数ｑを算出する。その中において、ｒａｎｋ（．）は、マトリックスのランクを求めることを表す。詳細な判断の方法は、文献ＣＯＺＺＥＮＳ Ｊ Ｈ ＳＯＵＤＡ Ｍ Ｊ． Ｓｏｕｒｃｅ ｅｎｕｍｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ ａ ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ｓｉｎｇｅｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ＳＰ， １９９４， ４２ （２）を参照する。

ステップ３４において、前述した独立信号源の個数及び相関グループの個数によってチャネルを分類する。

チャネルタイプ１では、相関グループの個数ｑ＝０、且つ独立信号源の個数ｐ＝１である場合には、チャネルの中には期待信号とアディティブガウスのホワイトノイズしかなく、遅延拡張は比較的小さい。

チャネルタイプ２では、相関グループの個数ｑ＝０、且つ独立信号源の個数ｐ＞１である場合には、チャネルには、期待信号もあり、妨害信号もあるが、遅延拡張は大きくなく、ある程度の角度拡張はあり、主に同チャネル内での妨害として表される。

通信チャネルタイプ３では、相関グループの個数ｑ＞０、且つ独立信号源の個数ｐ＝１である場合には、期待信号の遅延拡張は比較的に大きく、角度拡張は小であり、主に符号間妨害として表される。

チャネルタイプ４では、相関グループの個数ｑ＞０、且つ独立信号源の個数ｐ＞１である場合には、期待信号と妨害信号は共に一定の遅延拡張と角度拡張が存在している。
図４は、サブアレイの区分を示す図である。１つのアレイエレメントがＮ個である一様ラインアレイが、Ｋ対のサブアレイに区分される。対毎には、各サブアレイが左から順次に右へシフトされる一つのｍアレイエレメントの順方向サブアレイと、各サブアレイが右から順次に左へシフトされる一つのｍアレイエレメントの逆方向サブアレイを含む。順方向のサブアレイの出力ベクトルはそれぞれ、

であり、逆方向のサブアレイの出力ベクトルはそれぞれ、

である。

説明の必要があるのは、空間平滑差分法は、一様ラインアレイのみに適用できないので、ほかのアレイ構造にそのまま応用できない。且つ、一様ラインアレイのエレメントの個数Ｎと、空間ソースの個数Ｌと、サブアレイの個数Ｋは、Ｎ≧Ｌ＋Ｋ／２を満足すべきである。円形アレイなどのほかアレイ構造については、補間処理などの方法を使い、円形アレイなど他のアレイ構造を等価ラインアレイに転換してから、上記の方法を使う。

図５は無線通信環境分類の説明図を示す。チャネルタイプ１には、独立信号源とアディティブガウスのホワイトノイズがあり、メインビームを直接に期待信号の方向に合わせるので、妨害信号のゼロ抑制を考慮する必要はない。

図５（ａ）はビームの方向を示す。図５（ｂ）が示すように、チャネルタイプ２には、独立信号源以外にも、妨害信号源もあって、妨害ソースの個数は複数あるかもしれないが、マルチパスの効果を考慮しない。この場合、複数の独立信号源を有することを示す。この場合には、ビームを期待信号に合わせるとともに、妨害信号に対して零点抑制を行う必要がある。

図５（ｃ）が示すように、チャネルタイプ３には、マルチパスの効果を考慮するが、期待信号の各マルチパス信号の遅延の差は大きくないと思われる。各マルチパス信号の間は相関し、妨害信号に対して独立するグループを構成する。妨害信号は、複数の独立する妨害ソースから構成してもよいし、１つの妨害ソースのマルチパス信号から構成してもよい。この場合には、複数のビームを期待信号に合わせる各マルチパス信号を形成することができ、マルチパス信号を十分利用するとともに、妨害信号に対して零点抑制を行う。

図５（ｄ）が示すように、チャネルタイプ４は、複雑な通信環境であるので、マルチパスの効果を考慮した上、期待信号のマルチパスの遅延の差が大きく、相関性も表さないので、符号間干渉に類似するパス間妨害が発生し易い。この場合には、ビームを期待信号内、相対遅延が比較的小さいマルチパス信号に合わせて、相対遅延が比較的大きいマルチパス信号を期待信号に相関しない独立信号源と見なし、該方向でゼロ抑制を行う。

もちろん、本発明については、様々な実施例もあり、本発明の技術思想と本質を逸脱しない場合に、当業者は本発明に対して相応の改善や変形を実施することもできる。但し、これらの改善や変形もすべて本発明の特許請求範囲内に含まれる。

本発明は、ソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの適応ビーム形成方法を採用するので、従来の適応ビーム形成方法と比べると沢山の長所を持っている。即ち、通信チャネルの特性を分析し、比較的適応するビーム形成アルゴリズムを選択することによって、スマートアンテナのベースステーションに更に広範な適応性を持たせることができる。ソフトウェアラジオ技術の適応アルゴリズムの選択方法を採用することによって、単一種類のビーム形成方法の制限を避けることができ、方法の切替が簡単で、計算が高速で、ハードウエアで実現する難しさも低減され、容易に実施できる。

ソフトウェアラジオ技術に基づくビーム形成アルゴリズムを採用することによって、ベースステーションシステムのアップグレートとメンテナンスは容易になり、これらのアルゴリズムは、ユーザのビーム到達方向に追従でき、重み付きベクトルを適応的に調整し、期待ユーザのビーム到達方向にビームの最大指向を形成でき、ユーザを干渉する方向には零欠陥になり、妨害の影響を有効に抑えることができる。

前述したように、本発明に係る方法によって実現する、ソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの実現システムは、ハードウエアのコストが低減した状況で、スマートアンテナベースステーションシステムの価格性能比は極めて高く、実施も便利になるとともに、スマートのベースステーションの処理能力を極めて向上させ、従来のスマートアンテナと比べると、高価なハードウエアのコストは必要でなく、ソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの実現システムの価格性能比を極めて向上させることができる。

本発明に係るソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナを実現するシステムの構成を示す概略図である。 本発明に係るソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナを実現する方法を示すフローチャート概略図である。 本発明に係る無線通信環境の識別分類のフローチャートを示す概略図である。 本発明に係るサブマトリックスが区分する説明図である。 無線通信チャネルの分類を示す概略図である。 無線通信チャネルの分類を示す概略図である。 無線通信チャネルの分類を示す概略図である。 無線通信チャネルの分類を示す概略図である。

Claims (10)

1. ＩＭＴ−２０００コードディビジョンマルチプルアクセスシステムに用いられるソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの実現方法であって、
   無線通信チャネル環境特徴に基づき相応の適応ビーム形成アルゴリズムを選択し、重み付け値を算出して、前記重み付け値によりビームを形成し出力すること
   を特徴とするソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの実現方法。
2. 前記ソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの実現方法であって、
   環境分類識別モジュールでは、前記無線通信チャネル環境特徴によって、無線通信チャネルを分類し識別するステップ１と、
   受信適応ビームアルゴリズム選択計算モジュールでは、前記環境分類識別モジュールの出力結果によって、受信適応アルゴリズムを選択し、受信ビーム形成モジュールの出力によって受信重み付け値を算出し、前記受信ビーム形成モジュールへ出力するステップ２と、
   前記受信ビーム形成モジュールでは、前記受信重み付け値とベースバンド信号により、複数の単一チャネル信号を併合し、受信ビームを形成して出力するステップ３と、
   送信適応ビームアルゴリズム選択計算モジュールでは、前記環境分類識別モジュールの出力結果によって、送信適応アルゴリズムを選択し、前記受信ビーム形成モジュールの出力によって送信重み付け値を算出し、送信ビーム形成モジュールへ出力するステップ４と、
   前記送信ビーム形成モジュールでは、前記送信重み付け値と送信チャネルのアレイデータにより送信ビームを形成し出力するステップ５と
   を含むことを特徴とする請求項１に記載のソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの実現方法。
3. 前記ソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの実現方法であって、
   前記ステップ１では、
   アレイ構成を等価の一様ラインアレイに変換するステップ１０と、
   複数のアレイエレメントを有する一様ラインアレイを、各対のサブアレイが複数のアレイエレメントから構成される複数対の前記サブアレイに分割するステップ１１と、
   各サブ空間の平滑差分マトリックスを算出するステップ１２と、
   前記平滑差分マトリックスのランクを算出し、ランクの順序により独立信号源の個数及び相関グループの個数を算出するステップ１３と、
   前記独立信号源の個数及び前記相関グループの個数により、チャネルを分類するステップ１４と
   を含むことを特徴とする請求項２に記載のソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの実現方法。
4. 前記ソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの実現方法であって、
   前記アレイエレメントの間隔が半波長になる一様ラインアレイは、Ｎ個のアレイエレメントを含んだ場合には、
   前記ステップ１１において、前記一様ラインアレイをＫ対のサブアレイに分割し、各対の前記サブアレイは、ｍ個のアレイエレメントから構成され、そのうち、第ｋ番目の順方向サブアレイの受信信号は、
   

   

   であり、第ｋ番目の逆方向サブアレイの受信信号は、
   

   

   であり、その中、（・）^Ｔは転置演算子、（・）^＊は共役演算子、（・）^Ｈは共役転置演算子であり、
   前記ステップ１２において、各空間の対応の平滑差分マトリックス
   

   

   を算出し、そのうち、
   

   

   は、第ｋ番目の順方向サブアレイの相関マトリックスであり、
   

   

   は、第ｋ番目の逆方向サブアレイの相関マトリックスであり、その内、Ｅ（・）は数学期待演算子であり、
   前記ステップ１３では、第ｋ番目の空間の平滑差分マトリックスのランク
   

   

   を算出し、ランクの順序により、独立信号源の個数及び相関グループの個数を算出し、
   前記ステップ１４では、前記独立信号源の個数及び前記相関グループの個数により、チャネルを分類する
   ことを特徴とする請求項３に記載のソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの実現方法。
5. 前記ソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの実現方法において、
   前記ステップ１４では、
   前記相関グループの個数が０で、且つ前記独立信号源の個数が１である無線通信チャネルを第１タイプチャネルに分類するステップ１４１と、
   前記相関グループの個数が０で、且つ前記独立信号源の個数は１より大である無線通信チャネルを第２タイプチャネルに分類するステップ１４２と、
   前記相関グループの個数が０より大きい、且つ前記独立信号源の個数が１である無線通信チャネルを第３タイプチャネルに分類するステップ１４１と、
   前記相関グループの個数が０より大きい、且つ独立信号源の個数は１より大である無線通信チャネルを第４タイプチャネルに分類するステップ１４２と
   を含むことを特徴とする請求項３又は４に記載のソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの実現方法。
6. 前記ソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの実現方法において、
   前記ステップ２において、前記受信適応ビームアルゴリズム選択計算モジュールでは、最大比率併合、改善した定数母数アルゴリズム、ウィーナー解とパイロットビット支援ＬＭＳ＿ＤＲＭＴＡをそれぞれ選択し、前記第１タイプチャネルと、前記第２タイプチャネルと、前記第３タイプチャネルと前記第４タイプチャネルの対応する受信重み付け値をそれぞれ算出し、
   前記ステップ４において、前記送信適応ビームアルゴリズム選択計算モジュールでは、送信ダイバーシティ、改善した定数母数アルゴリズムをそれぞれ選択し、ビーム形成の固有値とビーム到達方向予測アルゴリズムに基づき、前記第１タイプチャネルと、前記第２タイプチャネルと、前記第３タイプチャネルと前記第４タイプチャネルの対応する送信重み付け値をそれぞれ算出する
   ことを特徴とする請求項５に記載のソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの実現方法。
7. 一様ラインアレイに配列された複数のアレイエレメントを含むアレイアンテナと、
   入力端子が前記アレイアンテナの出力端子に１つ１つ対応して接続されるＲＦチャネルと、
   受信重み付け値とＲＦチャネルのベースバンド信号により、複数の単一チャネル信号を併合し、受信ビームを形成し出力する受信ビーム形成モジュールと、
   送信重み付け値と送信チャネルのアレイデータにより、送信ビームを形成して出力する送信ビーム形成モジュールとを含むＩＭＴ−２０００コードディビジョンマルチプルアクセスシステムに用いるソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの実現システムであって、
   前記アレイアンテナの順方向出力ベクトル及び逆方向出力ベクトルの出力によって、無線通信チャネル環境特徴を予測識別し分類する環境分類識別モジュールと、
   前記環境分類識別モジュールの出力結果によって、受信適応アルゴリズムを選択し、受信ビーム形成モジュールの出力によって、前記受信重み付け値を算出する受信適応ビームアルゴリズム選択計算モジュールと、
   前記環境分類識別モジュールの出力結果によって、送信適応アルゴリズムを選択し、受信ビーム形成モジュールの出力によって、前記送信重み付け値を算出する送信適応ビームアルゴリズム選択計算モジュールと
   を更に含むことを特徴とするソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの実現システム。
8. 前記ソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの実現システムであって、
   前記環境分類識別モジュールでは、
   複数のアレイエレメントを有する一様ラインアレイを、各対のサブアレイが複数のアレイエレメントから構成される複数対の前記サブアレイに分割し、アレイエレメント分割ユニットと、
   各空間の平滑差分マトリックスを算出する第１計算ユニットと、
   前記平滑差分マトリックスのランクを算出し、ランクの順序によって独立信号源の個数及び相関グループの個数を算出する第２計算ユニットと、
   前記独立信号源の個数及び前記相関グループの個数により、無線通信チャネルを分類し識別する分類識別ユニットと
   を含むことを特徴とする請求項７に記載のソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの実現システム。
9. 前記ソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの実現システムにおいて、
   前記分類識別ユニットでは、前記相関グループの個数が０で、且つ前記独立信号源の個数が１であるチャネルを第１タイプチャネルに分類し、前記相関グループの個数が０で、且つ前記独立信号源の個数が１より大であるチャネルを第２タイプチャネルに分類し、前記相関グループの個数が０より大きい、且つ前記独立信号源の個数が１であるチャネルを第３タイプチャネルに分類し、前記相関グループの個数が０より大きい、且つ前記独立信号源の個数が１より大であるチャネルを第４タイプチャネルに分類する
   ことを特徴とする請求項８に記載のソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの実現システム。
10. 前記ソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの実現システムにおいて、
    前記受信適応ビームアルゴリズム選択計算モジュールでは、最大比率併合、改善した定数母数アルゴリズム、ウィーナー解及びパイロットビット支援ＬＭＳ＿ＤＲＭＴＡをそれぞれ選択し、前記第１タイプチャネルと、前記第２タイプチャネルと、前記第３タイプチャネルと前記第４タイプチャネルの対応する受信重み付け値を算出し、
    前記送信適応ビームアルゴリズム選択計算モジュールでは、送信ダイバーシティと、改善した定数母数アルゴリズムをそれぞれ選択し、ビーム形成の固有値とビーム到達方向予測アルゴリズムに基づき、前記第１タイプチャネルと、前記第２タイプチャネルと、前記第３タイプチャネルと前記第４タイプチャネルの対応する送信重み付け値を算出すること
    を特徴とする請求項９に記載のソフトウェアラジオに基づくスマートアンテナの実現システム。

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