JP2009236707A - Signal source position estimation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マルチビームアンテナを用いた信号源位置推定方法に関する。 The present invention relates to a signal source position estimation method using a multi-beam antenna.
従来から、単一性指向ビームを用いて干渉波の到来方向を推定する方法が知られている。図１８は、従来の干渉波到来方向の推定方法を示す図である。図１８に示すように、従来は、単一性指向ビームを、水平方向および垂直方法に物理的に走査させ、干渉波の到来方向を推定していた。 Conventionally, a method for estimating an arrival direction of an interference wave using a unitary directional beam is known. FIG. 18 is a diagram illustrating a conventional method for estimating the arrival direction of an interference wave. As shown in FIG. 18, conventionally, a unitary directional beam is physically scanned in a horizontal direction and a vertical method to estimate the arrival direction of an interference wave.
また、例えば、特開平１１−２６６２２８号公報（特許文献１）には、マルチビームアンテナシステムが開示されている。このマルチビームアンテナシステムは、ＣＤＭＡ無線基地局において、受信側アレーアンテナの複数のアンテナ素子で受信した信号に受信ビームフォーマＲＢＦでビームフォーミングを施して複数の上りビームを電気的に形成する。そして、これらの複数の上りビームのうち最適なビーム（例えば電力最大のビーム）に基づいて受信を行なう。また、送信信号にビームフォーミングを施す送信ビームフォーマＴＢＦを設け、制御部ＣＮＴは上り受信信号の有無に基づいて、下りビームフォーミングを行なって上り受信ビームと同一方向の下り送信ビームを形成するか、あるいは下りビームフォーミングを行なわないか制御する。 Further, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-266228 (Patent Document 1) discloses a multi-beam antenna system. In this multi-beam antenna system, in a CDMA radio base station, signals received by a plurality of antenna elements of a receiving-side array antenna are subjected to beam forming by a reception beam former RBF to electrically form a plurality of uplink beams. Then, reception is performed based on an optimum beam (for example, a beam having the maximum power) among the plurality of uplink beams. In addition, a transmission beam former TBF that performs beam forming on the transmission signal is provided, and the control unit CNT performs downlink beam forming based on the presence or absence of the uplink reception signal to form a downlink transmission beam in the same direction as the uplink reception beam, Alternatively, it is controlled whether or not downlink beamforming is performed.
また、伝搬路を推定する方法としては、単一の広帯域信号における受信スペクトル特性を観測して、伝搬路の状況を推定する方法が知られている。 As a method of estimating a propagation path, a method of estimating the state of the propagation path by observing a reception spectrum characteristic in a single wideband signal is known.
また、特開２０００−０４０９８７号公報（特許文献２）には、無線通信システムが開示されている。この無線通信システムでは、基地局装置に設けられた自動等価器で伝搬路特性を推定し、その推定結果に基づいて、端末装置に送信する下り送信データに対して伝搬路の逆特性を付加し、その伝搬路の逆特性が付加されたデータを送信データとして端末装置へ送信する。
しかしながら、図１８に示す方法では、信号源（希望波または干渉波）の位置（到来方向）を推定するためのビームの走査に大きな時間がかかり、装置も大掛かりになってしまう。また、伝搬路の推定においては、単一の広帯域信号の受信スペクトルの観測のみでは、伝搬路状況と関連するような顕著な特徴が現れないため、十分な伝搬路状況の推定は容易でない。 However, in the method shown in FIG. 18, it takes a long time to scan the beam for estimating the position (direction of arrival) of the signal source (desired wave or interference wave), and the apparatus becomes large. In addition, in the estimation of the propagation path, only the observation of the reception spectrum of a single wideband signal does not reveal a remarkable feature related to the propagation path situation, so that it is not easy to estimate the sufficient propagation path situation.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、無線を使う地上移動通信において、マルチビームアンテナの利用により信号源または干渉源の位置を特定することができる信号源位置推定方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and a signal source position estimation method capable of specifying the position of a signal source or an interference source by using a multi-beam antenna in ground mobile communication using radio. The purpose is to provide.
（１）上記の目的を達成するため、本発明は、以下のような手段を講じた。すなわち、本発明の信号源位置推定方法は、電子制御により水平方向および垂直方向へビームフォーミングが可能なマルチビームアンテナを備えた位置推定局による信号源位置推定方法であって、前記マルチビームアンテナで水平方向にビームフォーミングを行なって、隣接する一組のビームのアンテナ利得の差をビームの組毎に検出するステップと、受信信号に対して高速フーリエ変換を行なって、チャネル推定を行なうステップと、前記チャネル推定後の信号に対して逆高速フーリエ変換を行なって、インパルスレスポンスを算出するステップと、前記インパルスレスポンスに示される複数のパス相互の相対遅延時間を求めるステップと、前記インパルスレスポンスに示される各パスについて、予め取得した各ビームの組のアンテナ利得の差と方位角とが一対一に対応付けられたデータを参照して、前記検出したビームの組のアンテナ利得の差に対応する方位角を推定するステップと、地形情報、並びに建物の位置および形状を少なくとも示す建物情報を含む地図情報を取得し、前記位置推定局の位置を基準とし、少なくとも２つのパスの方位角並びに電波の伝達速度に基づいて、前記地図上に前記各パスに対応する到来予測経路線を前記相対遅延時間が大きい順序で描画するステップと、前記地図上で、すべての前記パスの到来予測経路線が同一時刻で交差する位置を判定するステップと、を少なくとも含むことを特徴としている。 (1) In order to achieve the above object, the present invention has taken the following measures. That is, the signal source position estimation method of the present invention is a signal source position estimation method by a position estimation station equipped with a multi-beam antenna capable of beam forming in the horizontal direction and the vertical direction by electronic control. Performing beam forming in the horizontal direction to detect a difference in antenna gain between a pair of adjacent beams for each set of beams, performing fast Fourier transform on the received signal, and performing channel estimation; An inverse fast Fourier transform is performed on the signal after channel estimation to calculate an impulse response, a step of obtaining a relative delay time between a plurality of paths indicated in the impulse response, and an impulse response. For each path, the antenna gain of each beam pair acquired in advance A step of estimating an azimuth corresponding to a difference in antenna gain of the detected beam set with reference to data in which the difference and the azimuth are associated one-to-one, topographic information, and the position and shape of the building Map information including at least building information indicating the location of the location estimation station, and the arrival position corresponding to each path on the map based on the azimuth angle and radio wave transmission speed of at least two paths with reference to the position of the position estimation station. Drawing at least a predicted route line in order of increasing relative delay time; and determining a position on the map where the predicted route lines of all the paths intersect at the same time. It is said.
このように、推定した方位角および各パス相互の相対遅延時間に基づいて、地図上で、すべてのパスの到来予測経路線が同一時刻で交差する位置を判定するので、見通し外であっても、高い精度で信号源の方向を推定することができる。また、電子制御により水平方向および垂直方向へビームフォーミングが可能であるため、水平方向にビームフォーミングされたアンテナパターンから、垂直方向にビームフォーミングされたアンテナパターンへ、瞬時に切り替えることができる。その結果、従来技術のように、信号源到来方向の検知のために、ビーム走査する必要が無く、短時間で信号源の位置推定を行なうことができる。また、干渉回避および周波数の有効利用を促進することが可能となる。さらに、ソフトウェア無線機を使用することにより、従来のハードウェアに大きな変更を加えることなく、本発明の実施が可能となる。 In this way, on the map based on the estimated azimuth angle and the relative delay time between the paths, the positions where the predicted arrival route lines of all the paths intersect at the same time are determined. The direction of the signal source can be estimated with high accuracy. Further, since the beam forming can be performed in the horizontal direction and the vertical direction by electronic control, it is possible to instantaneously switch from the antenna pattern beam-formed in the horizontal direction to the antenna pattern beam-formed in the vertical direction. As a result, unlike the prior art, it is not necessary to scan the beam for detecting the direction of arrival of the signal source, and the position of the signal source can be estimated in a short time. Further, it is possible to promote interference avoidance and effective use of frequency. Further, the use of the software defined radio makes it possible to implement the present invention without greatly changing the conventional hardware.
（２）また、本発明の信号源位置推定方法は、電子制御により水平方向および垂直方向へビームフォーミングが可能なマルチビームアンテナを備えた位置推定局による信号源位置推定方法であって、前記マルチビームアンテナで水平方向および垂直方向にビームフォーミングを行なって、隣接する一組のビームのアンテナ利得の差をビームの組毎に検出するステップと、受信信号に対して高速フーリエ変換を行なって、チャネル推定を行なうステップと、前記チャネル推定後の信号に対して逆高速フーリエ変換を行なって、インパルスレスポンスを算出するステップと、前記インパルスレスポンスに示される複数のパス相互の相対遅延時間を求めるステップと、前記インパルスレスポンスに示される各パスについて、予め取得した各ビームの組のアンテナ利得の差と方位角とが一対一に対応付けられたデータを参照して、前記検出したビームの組のアンテナ利得の差に対応する方位角および仰角を推定するステップと、地形情報、並びに建物の位置および形状を少なくとも示す建物情報を含む地図情報を取得し、前記位置推定局の位置を基準とし、少なくとも２つのパスの方位角または仰角並びに電波の伝達速度に基づいて、前記地図上に前記各パスに対応する到来予測経路線を前記相対遅延時間が大きい順序で描画するステップと、前記地図上で、すべての前記パスの到来予測経路線が同一時刻で交差する位置を判定するステップと、を少なくとも含むことを特徴としている。 (2) The signal source position estimation method of the present invention is a signal source position estimation method by a position estimation station having a multi-beam antenna capable of beam forming in the horizontal direction and the vertical direction by electronic control, Performing beam forming in the horizontal direction and vertical direction with a beam antenna, detecting a difference in antenna gain between a pair of adjacent beams for each set of beams, performing fast Fourier transform on the received signal, Performing estimation, performing inverse fast Fourier transform on the signal after channel estimation, calculating an impulse response, obtaining a relative delay time between a plurality of paths indicated in the impulse response, For each path indicated in the impulse response, for each beam acquired in advance. A step of estimating an azimuth angle and an elevation angle corresponding to the difference in antenna gain of the detected set of beams with reference to data in which a difference in antenna gain and an azimuth angle are in a one-to-one correspondence; Map information including building information indicating at least the position and shape of the building, and on the map based on the azimuth angle or elevation angle of at least two paths and the transmission speed of radio waves with reference to the position of the position estimation station. Drawing the predicted arrival route lines corresponding to the paths in the order of the relative delay time, and determining a position on the map where the predicted arrival route lines of all the paths intersect at the same time. And at least.
このように、推定した方位角、仰角および各パス相互の相対遅延時間に基づいて、地図上で、すべてのパスの到来予測経路線が同一時刻で交差する位置を判定するので、見通し外であっても、高い精度で信号源の方向を推定することができる。また、仰角を考慮することができるので、見通しにおいては大地反射のパスを用いて信号源の位置を特定することも可能となる。また、電子制御により水平方向および垂直方向へビームフォーミングが可能であるため、水平方向にビームフォーミングされたアンテナパターンから、垂直方向にビームフォーミングされたアンテナパターンへ、瞬時に切り替えることができる。その結果、従来技術のように、信号源到来方向の検知のために、ビーム走査する必要が無く、短時間で信号源の位置推定を行なうことができる。また、干渉回避および周波数の有効利用を促進することが可能となる。さらに、ソフトウェア無線機を使用することにより、従来のハードウェアに大きな変更を加えることなく、本発明の実施が可能となる。 In this way, the position where the predicted arrival route lines of all paths intersect at the same time is determined on the map based on the estimated azimuth angle, elevation angle, and relative delay time between the paths. However, the direction of the signal source can be estimated with high accuracy. In addition, since the elevation angle can be taken into consideration, it is possible to specify the position of the signal source using a ground reflection path in the line of sight. Further, since the beam forming can be performed in the horizontal direction and the vertical direction by electronic control, it is possible to instantaneously switch from the antenna pattern beam-formed in the horizontal direction to the antenna pattern beam-formed in the vertical direction. As a result, unlike the prior art, it is not necessary to scan the beam for detecting the direction of arrival of the signal source, and the position of the signal source can be estimated in a short time. Further, it is possible to promote interference avoidance and effective use of frequency. Further, the use of the software defined radio makes it possible to implement the present invention without greatly changing the conventional hardware.
（３）また、本発明の信号源位置推定方法において、各到来予測経路線の先頭位置相互の距離を示す先頭位置間距離を算出し、前記先頭位置間距離が最小となる時間を求め、この時間における各到来予測経路線上の位置がすべて含まれる領域を特定するステップをさらに含むことを特徴としている。 (3) Further, in the signal source position estimation method of the present invention, the distance between the head positions indicating the distance between the head positions of each arrival prediction route line is calculated, and the time when the distance between the head positions is the minimum is obtained. The method further includes a step of identifying a region including all positions on each arrival prediction route line in time.
このように、先頭位置間距離が最小となる時間を求め、この時間における各到来予測経路線上の位置がすべて含まれる領域を特定するので、位置推定誤差を補正することが可能となる。すなわち、角度の推定、地図上の描画およびインパルスレスポンスの算出時などにおいて、誤差が発生する可能性があるが、このような誤差があっても、一定の領域を特定する補正を行なうことによって、信号源の位置を推定することが可能となる。 As described above, the time at which the distance between the head positions is minimum is obtained, and the region including all the positions on each arrival prediction route line at this time is specified, so that the position estimation error can be corrected. In other words, errors may occur when estimating angles, drawing on maps, and calculating impulse responses, etc. Even if such errors exist, by performing correction to identify a certain area, It is possible to estimate the position of the signal source.
（４）また、本発明の信号源位置推定方法において、前記到来予測経路線が、前記地図上の障害物に衝突した場合、電波の反射および回折の原理に基づいて描画を行なうことを特徴としている。 (4) In the signal source position estimation method of the present invention, when the arrival prediction route line collides with an obstacle on the map, drawing is performed based on the principle of radio wave reflection and diffraction. Yes.
このように、電波の反射および回折の原理に基づいて描画を行なうので、より正確な描画を行なうことができる。例えば、レイトレーシング法を用いることによって、電波の反射および回折を地図上で表現することが可能となる。 Thus, since drawing is performed based on the principle of radio wave reflection and diffraction, more accurate drawing can be performed. For example, by using the ray tracing method, reflection and diffraction of radio waves can be expressed on a map.
本発明によれば、推定した方位角および各パス相互の相対遅延時間に基づいて、地図上で、すべてのパスの到来予測経路線が同一時刻で交差する位置を判定するので、見通し外であっても、高い精度で信号源の方向を推定することができる。また、電子制御により水平方向および垂直方向へビームフォーミングが可能であるため、水平方向にビームフォーミングされたアンテナパターンから、垂直方向にビームフォーミングされたアンテナパターンへ、瞬時に切り替えることができる。その結果、従来技術のように、信号源到来方向の検知のために、ビーム走査する必要が無く、短時間で信号源の位置推定を行なうことができる。また、干渉回避および周波数の有効利用を促進することが可能となる。さらに、ソフトウェア無線機を使用することにより、従来のハードウェアに大きな変更を加えることなく、本発明の実施が可能となる。 According to the present invention, the position where the predicted arrival route lines of all the paths intersect at the same time is determined on the map based on the estimated azimuth angle and the relative delay time between the paths. However, the direction of the signal source can be estimated with high accuracy. Further, since the beam forming can be performed in the horizontal direction and the vertical direction by electronic control, it is possible to instantaneously switch from the antenna pattern beam-formed in the horizontal direction to the antenna pattern beam-formed in the vertical direction. As a result, unlike the prior art, it is not necessary to scan the beam for detecting the direction of arrival of the signal source, and the position of the signal source can be estimated in a short time. Further, it is possible to promote interference avoidance and effective use of frequency. Further, the use of the software defined radio makes it possible to implement the present invention without greatly changing the conventional hardware.
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る無線通信システムの概略構成を示すブロック図である。図１において、無線基地局１００は、受信側のアレーアンテナＡＮＴ１を備えており、このアレーアンテナＡＮＴ１は、複数のアンテナ素子ＡＲ１〜ＡＲＮを有している。また、無線基地局１００は、送信側のアレーアンテナＡＮＴ２を備えており、このアレーアンテナＡＮＴ２は、複数のアンテナ素子ＡＴ１〜ＡＴＮを有している。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram illustrating a schematic configuration of a wireless communication system according to the present embodiment. In Figure 1, the radio base station 100 is provided with the receiving-side array antenna ANT 1, the array antenna ANT 1 has a plurality of antenna elements AR 1 to Ar N. The radio base station 100 is provided with an array antenna ANT 2 on the transmission side, the array antenna ANT 2 has a plurality of antenna elements AT 1 to AT N.
受信回路ＲＶ１〜ＲＶＮは、受信信号の高周波増幅、周波数変換などを行なう。送信回路ＳＤ１〜ＳＤＮは、周波数変換、高周波増幅などを行なう。受信ビームフォーマＲＢＦは、Ｎ個のアンテナ素子ＡＲ１〜ＡＲＮで受信した信号に対して受信ビームフォーミングを施し、Ｍ本の上り受信ビームＢ１〜ＢＭを電気的に形成する。送信ビームフォーマＴＢＦは、送信信号に送信ビームフォーミングを施してアンテナ素子入力信号を発生し、これら入力信号を各アンテナ素子に入力することにより所定方向の指向性を有する送信ビームを生成することができる。 The reception circuits RV 1 to RV N perform high frequency amplification, frequency conversion, and the like of the reception signal. Transmitting circuit SD 1 to SD N is frequency conversion, performs high-frequency amplification. The reception beam former RBF performs reception beam forming on the signals received by the N antenna elements AR 1 to ARN to electrically form M uplink reception beams B 1 to B M. The transmission beamformer TBF can generate a transmission beam having directivity in a predetermined direction by performing transmission beamforming on a transmission signal to generate an antenna element input signal and inputting the input signal to each antenna element. .
制御部ＣＮＴは、受信ビームフォーマＲＢＦおよび送信ビームフォーマＴＢＦを制御して希望するビームを生成する。受信部ＲＶは、信号検波や誤り訂正などを行ない、送信部ＳＤは、送信データに変調などを施す。電力モニターＰＷＭは、任意のビームにおける受信電力を観測し、信号源到来角の推定に利用される。スペクトルモニターＳＰＭは、任意のビームにおいて受信される信号スペクトルを観測し、伝送路の状況推定に利用される。なお、図１には、送信および受信の両方の構成を示しているが、信号源の位置を推定する場合には、受信機能だけを用いる。 The control unit CNT controls the reception beam former RBF and the transmission beam former TBF to generate a desired beam. The receiving unit RV performs signal detection and error correction, and the transmitting unit SD modulates transmission data. The power monitor PWM observes the received power in an arbitrary beam and is used for estimating the signal source arrival angle. The spectrum monitor SPM observes a signal spectrum received in an arbitrary beam and is used for estimating a transmission path condition. FIG. 1 shows both transmission and reception configurations, but only the reception function is used when estimating the position of the signal source.
図２は、本発明の信号源位置推定方法の基本的な考え方を、水平方向（方位角方向）に対して示す図である。本発明では、２つの隣接するビームにおける受信電力の差を検出し、その差（＝アンテナ利得の差）より信号源到来角度を求める。すなわち、位置推定局（以下、単に「推定局」と呼称することもある。）では、予め隣接ビームの利得差を計算しておき、２つの検出電力差から、到来角を算出する。例えば、図２に示すように、ビーム４の受信電力（アンテナ利得）と、ビーム５の受信電力（アンテナ利得）との差を求め、図２中、向かって右側に示すように、予め取得した各ビームの組のアンテナ利得の差と方位角とが一対一に対応付けられたデータを参照して、検出したビーム４と５のアンテナ利得の差に対応する方位角を推定する。垂直方向（仰角方向）に対しても、同様に考えられる。 FIG. 2 is a diagram showing the basic concept of the signal source position estimation method of the present invention with respect to the horizontal direction (azimuth angle direction). In the present invention, a difference in received power between two adjacent beams is detected, and a signal source arrival angle is obtained from the difference (= antenna gain difference). That is, in the position estimation station (hereinafter, simply referred to as “estimation station”), the gain difference between adjacent beams is calculated in advance, and the arrival angle is calculated from the difference between the two detected powers. For example, as shown in FIG. 2, the difference between the received power (antenna gain) of the beam 4 and the received power (antenna gain) of the beam 5 is obtained and acquired in advance as shown on the right side in FIG. The azimuth angle corresponding to the difference between the detected antenna gains of the beams 4 and 5 is estimated with reference to the data in which the difference between the antenna gains and the azimuth angles of the sets of beams is one-to-one. The same applies to the vertical direction (elevation direction).
図３（ａ）は、水平方向の信号源到来角を求める際に用いられる、水平方向にビームフォーミングを行なった場合のマルチビームアンテナ利得特性の一例を示している。また、図３（ｂ）は、垂直ビームを示している。また、図４は、垂直方向の信号源到来角を求める際に用いられる、垂直方向にビームフォーミングを行なった場合のマルチビームアンテナ利得特性を示している。図３の水平方向と垂直方向を入れ替え、アンテナから見て低仰角方向の４ビームを用いている。 FIG. 3A shows an example of multi-beam antenna gain characteristics when beam forming is performed in the horizontal direction, which is used when obtaining the signal source arrival angle in the horizontal direction. FIG. 3B shows a vertical beam. FIG. 4 shows multi-beam antenna gain characteristics when beam forming is performed in the vertical direction, which is used when obtaining the signal source arrival angle in the vertical direction. The horizontal direction and the vertical direction in FIG. 3 are interchanged, and four beams in a low elevation angle direction as viewed from the antenna are used.
本発明における信号源位置推定方法では、これらのマルチビームアンテナシステムを用いた位置推定局において、水平方向と垂直方向の信号源到来角度の推定を行なうことで信号源の位置を推定する。 In the signal source position estimation method according to the present invention, the position estimation station using these multi-beam antenna systems estimates the signal source position by estimating the horizontal and vertical signal source arrival angles.
次に、本発明の信号源の位置推定方法の手順について説明する。図５（ａ）に示す位置推定局のマルチビームアンテナにおいて、図３（ａ）に示す水平方向のビームフォーミングを行なう。この状態で、信号源の受信電力が最大となるビームと、それに隣接するビームのうち受信電力がより大きい方のビームとの間の受信電力差を求める。予め計算しておいた当該２ビーム間の利得差と方位角の関係より、方位角を算出し、水平方向の信号源到来角度の推定値とする。 Next, the procedure of the signal source position estimation method of the present invention will be described. In the multi-beam antenna of the position estimation station shown in FIG. 5 (a), horizontal beam forming shown in FIG. 3 (a) is performed. In this state, the received power difference between the beam having the maximum received power of the signal source and the beam having the higher received power among the adjacent beams is obtained. The azimuth angle is calculated from the relationship between the gain difference between the two beams calculated in advance and the azimuth angle to obtain an estimated value of the horizontal signal source arrival angle.
図５（ｂ）に示す位置推定局のマルチビームアンテナにおいて、図４に示す垂直方向のビームフォーミングを行なう。この状態で、信号源の受信電力が最大となるビームと、それに隣接するビームのうち受信電力がより大きい方のビームとの間の受信電力差を求める。予め計算しておいた当該２ビーム間の利得差と仰角の関係より、仰角を算出し、垂直方向の信号源到来角度の推定値とする。 In the multi-beam antenna of the position estimation station shown in FIG. 5B, vertical beam forming shown in FIG. 4 is performed. In this state, the received power difference between the beam having the maximum received power of the signal source and the beam having the higher received power among the adjacent beams is obtained. The elevation angle is calculated from the previously calculated relationship between the gain difference between the two beams and the elevation angle, and is used as an estimated value of the signal source arrival angle in the vertical direction.
水平方向と垂直方向の信号源到来角度の推定値より、信号源の位置推定を行なう。信号源の高さが未知の場合は信号源の方向のみ推定可能であるが、信号源の高さが既知の場合は、信号源の位置が推定可能である。 The position of the signal source is estimated from the estimated values of the signal source arrival angles in the horizontal and vertical directions. When the height of the signal source is unknown, only the direction of the signal source can be estimated. However, when the height of the signal source is known, the position of the signal source can be estimated.
マルチビームアンテナを用いて位置推定を行なう場合、そのままでは多重路伝搬した信号を伝搬路毎に分けることができない。この場合、多重成分のすべてから位置推定を行なわなければならない。その結果、伝搬減衰の小さい伝搬路を通った信号、すなわち、受信電力の大きな信号成分が支配的となり、誤差が大きくなってしまう。 When position estimation is performed using a multi-beam antenna, a signal propagated in multiple paths cannot be divided for each propagation path as it is. In this case, position estimation must be performed from all of the multiple components. As a result, a signal passing through a propagation path with small propagation attenuation, that is, a signal component having a large received power becomes dominant, and the error becomes large.
また、コグニティブ無線では、周囲の無線環境を測定し、無線方式やアンテナなどの最適な制御を行なう必要がある。無線環境のうち、基本的な特性の一つとして、伝搬路状況があるが、これを特別なハードウェア（測定器やアンテナ等）の追加をすることなく、容易に測定することが求められている。また、上記のような環境制御のためには、推定値を受信機内部において、リアルタイムで得られる必要がある。 In cognitive radio, it is necessary to measure the surrounding radio environment and perform optimal control of the radio system and antenna. One of the basic characteristics of the wireless environment is the propagation path condition, which requires easy measurement without the addition of special hardware (measuring instruments, antennas, etc.). Yes. For the environmental control as described above, it is necessary to obtain the estimated value in the receiver in real time.
本実施形態は、このような要望に応えるべく、以下のような手法を実現している。まず、伝搬路の伝達関数と、伝達関数から導かれるインパルスレスポンスについて説明する。図６は、受信信号から伝達関数を求める機能を有する伝搬状態モニター装置の概略構成を示す図である。例えば、ＷｉＭＡＸのようなＯＦＤＭ通信方式では、ＲＦ部６０において、受信波（受信信号）を得て、Ａ／Ｄ変換部６１でアナログ／ディジタル変換をした後で、ＦＦＴ回路６２でマルチキャリア復調を行なう。その後、チャネル推定部６３において、マルチパスで歪んだ信号を補償するために、チャネル推定を行なう。そして、チャネル等化部６４で伝搬路等化を行ない、復号部６５で復号化を行なう。チャネル推定には、送信側で付加されるプリアンブル信号を利用し、受信機側で持っている既知の信号と比較することにより行なう。この伝搬状態モニター装置５０は、チャネル推定部６３で得られた振幅および位相を出力する。なお、図６では、この振幅および位相をＰＣで表示できるように構成されている。 The present embodiment realizes the following method in order to meet such a demand. First, the transfer function of the propagation path and the impulse response derived from the transfer function will be described. FIG. 6 is a diagram illustrating a schematic configuration of a propagation state monitoring apparatus having a function of obtaining a transfer function from a received signal. For example, in an OFDM communication system such as WiMAX, the RF unit 60 obtains a received wave (received signal), performs analog / digital conversion in the A / D conversion unit 61, and then performs multicarrier demodulation in the FFT circuit 62. Do. Thereafter, the channel estimation unit 63 performs channel estimation in order to compensate for the multipath distorted signal. Then, channel equalization unit 64 performs channel equalization, and decoding unit 65 performs decoding. Channel estimation is performed by using a preamble signal added on the transmission side and comparing it with a known signal held on the receiver side. The propagation state monitoring device 50 outputs the amplitude and phase obtained by the channel estimation unit 63. In FIG. 6, the amplitude and phase are configured to be displayed on a PC.
図７は、伝搬状態モニター装置の試験構成例を示す図である。多重路伝搬を模擬的に再現するために、等価的なベースバンド信号を波形データとして作成し、それをＳＧ（信号発生器）に入力し、ＲＦ信号を得る。図８は、多重路伝搬モデルの振幅と位相を示す図である。図８の左上と左下に、図６で示した伝搬状態モニター装置で得られた各サブチャネルの振幅と位相のスペクトル（伝達関数）の一例を示す。また、図８の右上と右下に図７に示すＳＧで設定したパラメータから計算した各サブチャネルの振幅と位相のスペクトル（伝達関数）の一例を示す。図８に示すように、伝搬状態モニター装置で得られた各サブチャネルの振幅と位相のスペクトル（図６）と、ＳＧで設定したパラメータから計算した各サブチャネルの振幅と位相のスペクトル（図７）とは、よく一致している。 FIG. 7 is a diagram illustrating a test configuration example of the propagation state monitoring apparatus. In order to simulate multipath propagation, an equivalent baseband signal is created as waveform data and input to an SG (signal generator) to obtain an RF signal. FIG. 8 is a diagram showing the amplitude and phase of the multipath propagation model. In the upper left and lower left of FIG. 8, an example of the spectrum (transfer function) of the amplitude and phase of each subchannel obtained by the propagation state monitoring apparatus shown in FIG. In addition, examples of the amplitude and phase spectrum (transfer function) of each subchannel calculated from the parameters set in SG shown in FIG. 7 are shown in the upper right and lower right of FIG. As shown in FIG. 8, the amplitude and phase spectrum of each subchannel obtained by the propagation state monitoring apparatus (FIG. 6), and the amplitude and phase spectrum of each subchannel calculated from the parameters set in SG (FIG. 7). ) Is in good agreement.
図９は、伝搬状態モニター装置により測定した伝達関数の逆フーリエ変換した特性（インパルスレスポンス）を示す図である。このインパルスレスポンスは、伝搬路の遅延プロファイルとしての意味を有する。図９において、遅延時間に応じて発声するピーク（極値）は、マルチパスにおける各遅延成分を表している。このように、伝達関数を逆フーリエ変換することにより、多重伝搬した信号を遅延成分ごとに分けることができる。図１０は、パス（Path）１から３までが得られた場合のインパルスレスポンスの例を示す図である。図１０に示すように、インパルスレスポンスの時間軸の分解能以上の時間差を有する場合、受信電力の大きなインパルスを選択することが可能である。そして、受信電力の大きなインパルスを選択し、各パスの相対的な遅延時間（相対遅延時間）を算出する。 FIG. 9 is a diagram illustrating a characteristic (impulse response) obtained by inverse Fourier transform of the transfer function measured by the propagation state monitoring apparatus. This impulse response has a meaning as a delay profile of the propagation path. In FIG. 9, the peak (extreme value) uttered according to the delay time represents each delay component in the multipath. In this way, by performing inverse Fourier transform on the transfer function, it is possible to divide the multiple propagated signal for each delay component. FIG. 10 is a diagram illustrating an example of an impulse response when paths 1 to 3 are obtained. As shown in FIG. 10, it is possible to select an impulse having a large received power when it has a time difference equal to or greater than the resolution of the time axis of the impulse response. Then, an impulse having a large received power is selected, and a relative delay time (relative delay time) of each path is calculated.
（信号源位置推定の実施例）
図１１は、上記のように電波の到来方向推定方法を用いて、ビームの受信電力差から書くパスの到来方向を特定する様子を示す図である。任意の基準線を決定し、各パスの到来方向がこの基準線からどのくらいの角度を有しているかを測定する。具体的には、マルチビームアンテナをＯＮ／ＯＦＦしながら、各パスが、それぞれどのインパルスレスポンスに対応するのかを判断する。
(Example of signal source position estimation)
FIG. 11 is a diagram showing how the direction of arrival of a path to be written is specified from the difference in received power of beams using the radio wave arrival direction estimation method as described above. An arbitrary reference line is determined, and an angle of the arrival direction of each path is measured from the reference line. Specifically, it determines which impulse response each path corresponds to while turning on / off the multi-beam antenna.
図１２（ａ）および（ｂ）は、パスの到来方向とインパルスレスポンスを対応させる動作を示す図である。図１２（ａ）に示すように、右から２番目のビームだけをＯＮとし、図１２（ｂ）に示すインパルスレスポンスのパス１の受信レベルがその他のビームをＯＮとしたときよりも大きい場合、図１２（ａ）に示すパスＣと図１２（ｂ）に示すパス１とが対応すると判定する。 FIGS. 12A and 12B are diagrams illustrating an operation for associating the arrival direction of the path with the impulse response. As shown in FIG. 12A, when only the second beam from the right is turned ON and the reception level of the impulse response path 1 shown in FIG. 12B is higher than when other beams are turned ON, It is determined that the path C shown in FIG. 12A corresponds to the path 1 shown in FIG.
図１３は、パスの到来方向とインパルスレスポンスを対応させる動作を示す図である。図１３（ａ）に示すように、右から３番目のビームだけをＯＮとし、図１３（ｂ）に示すインパルスレスポンスのパス２の受信レベルがその他のビームをＯＮとしたときよりも大きい場合、図１３（ａ）に示すパスＢと図１３（ｂ）に示すパス２とが対応すると判定する。図１４は、パスの到来方向とインパルスレスポンスを対応させる動作を示す図である。図１４（ａ）に示すように、右から４番目のビームだけをＯＮとし、図１４（ｂ）に示すインパルスレスポンスのパス３の受信レベルがその他のビームをＯＮとしたときよりも大きい場合、図１４（ａ）に示すパスＡと図１４（ｂ）に示すパス３とが対応すると判定する。以上のようにして得られたパスの対応関係を位置推定用パラメータとしてまとめると、以下の表のようになる。 FIG. 13 is a diagram showing an operation for associating the arrival direction of the path with the impulse response. As shown in FIG. 13A, when only the third beam from the right is turned ON, and the reception level of the impulse response path 2 shown in FIG. 13B is higher than when other beams are turned ON, It is determined that the path B shown in FIG. 13A corresponds to the path 2 shown in FIG. FIG. 14 is a diagram illustrating an operation for associating the arrival direction of a path with an impulse response. As shown in FIG. 14A, when only the fourth beam from the right is turned ON, and the reception level of the impulse response path 3 shown in FIG. 14B is higher than when other beams are turned ON, It is determined that the path A illustrated in FIG. 14A corresponds to the path 3 illustrated in FIG. The correspondence relationships of the paths obtained as described above are summarized as position estimation parameters as shown in the following table.
図１６は、地図情報を用いた信号源の位置推定手順を示すフローチャートである。まず、ＧＰＳ等を使い、自局位置（位置推定局の位置）を検出し、地図上に自局位置をプロットする（ステップＳ１）。次に、自局位置から上記の表の到来角度方向に電波の伝達速度（３．０×１０８ｍ／ｓ）で到来予想経路線を引く（ステップＳ２）。各パスの到来予想経路線は一番到来時間が遅かったパスから引き始め、相対遅延時間後に次のパスを引いて行く。ここでは、例えば、パス３、パス２、パス１の順番で線を引くものとしている。ここで、到来予想経路線が地図上の建物等の障害物にぶつかった場合、レイトレーシング法の技術を用い、反射、回折させて到来予想経路線を描いて行く（ステップＳ３）。すべてのパスの到来予想経路線が同じ時刻に交わる場所が信号源であると判定（推定）する（ステップＳ４）。 FIG. 16 is a flowchart showing a procedure for estimating the position of a signal source using map information. First, the local station position (position estimation station position) is detected using GPS or the like, and the local station position is plotted on a map (step S1). Next, an expected arrival route line is drawn from the position of the own station in the direction of arrival angle in the above table at a radio wave transmission speed (3.0 × 10 8 m / s) (step S2). The predicted arrival route line of each path starts from the path with the latest arrival time, and draws the next path after the relative delay time. Here, for example, lines are drawn in the order of pass 3, pass 2, and pass 1. Here, when the predicted arrival route line hits an obstacle such as a building on the map, the predicted arrival route line is drawn by reflecting and diffracting using the ray tracing technique (step S3). It is determined (estimated) that the place where the expected arrival route lines of all paths intersect at the same time is the signal source (step S4).
図１７は、本実施形態に係る補正方法の一例を示す図である。すなわち、角度の推定、地図上の描画およびインパルスレスポンスの算出時などにおいて、誤差が発生する可能性がある。このため、誤差がある一定の範囲で存在することを考慮した補正を行なう。図１７に示すように、信号源の推定位置の補正には、まず、各パスの予想線の先頭点間距離を求める。そして、この先頭点間距離が最少となる時間を求め、この時間にプロットされる各パスの先頭点で囲まれたエリアの範囲内に干渉局があると予想する。これにより、誤差があっても、一定の領域を特定する補正を行なうことによって、信号源の位置を推定することが可能となる。また、別の推定位置補正例として、各パスの交点が任意に時間に合致するようにθ１、２、３にプラスマイナス１０度程度の誤差を付け、シミュレーションを行なう方法もある。 FIG. 17 is a diagram illustrating an example of a correction method according to the present embodiment. In other words, errors may occur during angle estimation, map drawing, and impulse response calculation. For this reason, correction is performed in consideration of the existence of errors within a certain range. As shown in FIG. 17, in order to correct the estimated position of the signal source, first, the distance between the leading points of the predicted lines of each path is obtained. Then, the time at which the distance between the head points is minimized is obtained, and it is predicted that the interfering station is within the area surrounded by the head points of the paths plotted at this time. As a result, even if there is an error, it is possible to estimate the position of the signal source by performing correction for specifying a certain region. As another estimated position correction example, there is a method of performing simulation by adding an error of about plus or minus 10 degrees to θ1, 2, 3 so that the intersection of each path arbitrarily matches the time.
なお、以上の説明では、３つのパスを用いた例を示したが、本発明は、これに限定されるわけではなく、少なくとも２つのパスを用いて信号源の位置を推定することが可能である。これにより、見通し外の無線環境において、信号源の位置を推定することができる。一方、見通しの無線環境においても、大地反射を考慮することによって、複数のパスを得ることができる。本実施形態では、電波の方向角のみならず、仰角も測定することができるからである。なお、地図上で建物の高さなどの３次元的な情報が得られる場合は、本実施形態を適用し、例えば、高さ方向で切断した断面図上に作図を行なうことにより、信号源の位置を推定することが可能となる。 In the above description, an example using three paths is shown, but the present invention is not limited to this, and the position of the signal source can be estimated using at least two paths. is there. As a result, the position of the signal source can be estimated in a radio environment that is out of sight. On the other hand, even in a line-of-sight wireless environment, a plurality of paths can be obtained by considering ground reflection. This is because in this embodiment, not only the direction angle of the radio wave but also the elevation angle can be measured. When three-dimensional information such as the height of a building is obtained on a map, this embodiment is applied. For example, by drawing on a cross-sectional view cut in the height direction, the signal source The position can be estimated.
また、見通しの無線環境において、パスが１つしか認識できない場合であっても、受信電力を考慮することによって、信号源の位置を特定することも可能である。この場合、受信電力値と距離との関係を予めテーブルとして持っておき、１つのパスの到来方向を特定し、受信電力を測定することによって、信号源までの距離を求めることができる。そして、地図情報を用いることによって、信号源の位置を特定することが可能となる。 Further, even when only one path can be recognized in a line-of-sight wireless environment, the position of the signal source can be specified by taking the received power into consideration. In this case, the relationship between the received power value and the distance is stored in advance as a table, the arrival direction of one path is specified, and the received power is measured to obtain the distance to the signal source. And it becomes possible to pinpoint the position of a signal source by using map information.
さらに、上記の説明では、信号源が停止している場合（固定されている場合）を例にとって示したが、信号源が移動している場合であっても、本発明を適用することが可能である。信号源が移動している場合であっても、瞬間の位置を求めることができるからである。 Furthermore, in the above description, the case where the signal source is stopped (in the case where the signal source is fixed) is shown as an example, but the present invention can be applied even when the signal source is moving. It is. This is because the instantaneous position can be obtained even when the signal source is moving.
以上説明したように、従来の信号源の位置推定方法では、受信機からみた信号源からの電波の到来角度方向しか分らなかった。本実施形態では、地図情報を活用するので、反射・回折を考慮することができ、位置推定精度を高めることが可能となった。なお、本発明は、災害時等など、あらかじめ置局設計を行なわずに基地局を配置したい場合などに、干渉源となり得る既存の基地局の位置を把握し、複数基地局の置局を容易に行なう為の手段としての活用が期待できる。また、本発明に係る信号源位置推定方法は、携帯電話のＩＰ化が進んだときの基地局へのエントランス回線、コグニティブ無線システムの基地局間リンクなどに適用することが可能である。 As described above, in the conventional signal source position estimation method, only the arrival angle direction of the radio wave from the signal source as seen from the receiver is known. In the present embodiment, since map information is used, reflection / diffraction can be taken into consideration, and position estimation accuracy can be improved. Note that the present invention makes it easy to place multiple base stations by grasping the position of existing base stations that can be sources of interference when, for example, disasters, etc., when it is desired to place base stations without performing station placement design in advance. It can be expected to be used as a means to perform In addition, the signal source position estimation method according to the present invention can be applied to an entrance line to a base station when a mobile phone has been converted to IP, a link between base stations of a cognitive radio system, and the like.
１００ 無線基地局
ＡＮＴ１ 受信アレーアンテナ
ＡＮＴ２ 送信アレーアンテナ
ＡＲ１〜ＡＲＮ 受信アンテナ素子
ＡＴ１〜ＡＴＮ 送信アンテナ素子
ＣＮＴ 制御部
ＰＷＭ 電力モニター
ＲＢＦ 受信ビームフォーマ
ＲＶ 受信部
ＲＶ１〜ＲＶＮ 受信回路
ＳＤ 送信部
ＳＤ１〜ＳＤＮ 送信回路
ＳＰＭ スペクトルモニター
ＴＢＦ 送信ビームフォーマ
100 radio base station ANT 1 reception array antenna ANT 2 transmission array antenna AR 1 to Ar N receiving antenna elements AT 1 to AT N transmit antenna elements CNT controller PWM power monitor RBF receive beamformer RV receiver RV 1 ~RV N receiver circuit SD transmission unit SD 1 to SD N transmission circuit SPM spectrum monitor TBF transmission beamformer
Claims (4)
前記マルチビームアンテナで水平方向にビームフォーミングを行なって、隣接する一組のビームのアンテナ利得の差をビームの組毎に検出するステップと、
受信信号に対して高速フーリエ変換を行なって、チャネル推定を行なうステップと、
前記チャネル推定後の信号に対して逆高速フーリエ変換を行なって、インパルスレスポンスを算出するステップと、
前記インパルスレスポンスに示される複数のパス相互の相対遅延時間を求めるステップと、
前記インパルスレスポンスに示される各パスについて、予め取得した各ビームの組のアンテナ利得の差と方位角とが一対一に対応付けられたデータを参照して、前記検出したビームの組のアンテナ利得の差に対応する方位角を推定するステップと、
地形情報、並びに建物の位置および形状を少なくとも示す建物情報を含む地図情報を取得し、前記位置推定局の位置を基準とし、少なくとも２つのパスの方位角並びに電波の伝達速度に基づいて、前記地図上に前記各パスに対応する到来予測経路線を前記相対遅延時間が大きい順序で描画するステップと、
前記地図上で、すべての前記パスの到来予測経路線が同一時刻で交差する位置を判定するステップと、を少なくとも含むことを特徴とする信号源位置推定方法。 A signal source position estimation method by a position estimation station equipped with a multi-beam antenna capable of beam forming in a horizontal direction and a vertical direction by electronic control,
Performing beam forming in the horizontal direction with the multi-beam antenna to detect a difference in antenna gain between a pair of adjacent beams for each set of beams;
Performing a fast Fourier transform on the received signal to perform channel estimation;
Performing an inverse fast Fourier transform on the signal after channel estimation to calculate an impulse response;
Obtaining a relative delay time between a plurality of paths indicated in the impulse response;
For each path indicated in the impulse response, the antenna gain difference of the detected beam pair and the azimuth angle obtained by referring to the data obtained in a one-to-one correspondence with each beam set are obtained in advance. Estimating an azimuth corresponding to the difference;
The map information including at least terrain information and building information indicating at least the position and shape of the building is acquired, and the map is based on the azimuth angle of at least two paths and the transmission speed of radio waves with reference to the position of the position estimation station. Drawing the predicted arrival route line corresponding to each path above in the order of the relative delay time;
And determining a position at which the predicted arrival route lines of all the paths intersect at the same time on the map.
前記マルチビームアンテナで水平方向および垂直方向にビームフォーミングを行なって、隣接する一組のビームのアンテナ利得の差をビームの組毎に検出するステップと、
受信信号に対して高速フーリエ変換を行なって、チャネル推定を行なうステップと、
前記チャネル推定後の信号に対して逆高速フーリエ変換を行なって、インパルスレスポンスを算出するステップと、
前記インパルスレスポンスに示される複数のパス相互の相対遅延時間を求めるステップと、
前記インパルスレスポンスに示される各パスについて、予め取得した各ビームの組のアンテナ利得の差と方位角とが一対一に対応付けられたデータを参照して、前記検出したビームの組のアンテナ利得の差に対応する方位角および仰角を推定するステップと、
地形情報、並びに建物の位置および形状を少なくとも示す建物情報を含む地図情報を取得し、前記位置推定局の位置を基準とし、少なくとも２つのパスの方位角または仰角並びに電波の伝達速度に基づいて、前記地図上に前記各パスに対応する到来予測経路線を前記相対遅延時間が大きい順序で描画するステップと、
前記地図上で、すべての前記パスの到来予測経路線が同一時刻で交差する位置を判定するステップと、を少なくとも含むことを特徴とする信号源位置推定方法。 A signal source position estimation method by a position estimation station equipped with a multi-beam antenna capable of beam forming in a horizontal direction and a vertical direction by electronic control,
Performing beam forming in the horizontal direction and the vertical direction with the multi-beam antenna, and detecting a difference in antenna gain between a pair of adjacent beams for each set of beams;
Performing a fast Fourier transform on the received signal to perform channel estimation;
Performing an inverse fast Fourier transform on the signal after channel estimation to calculate an impulse response;
Obtaining a relative delay time between a plurality of paths indicated in the impulse response;
For each path indicated in the impulse response, the antenna gain difference of the detected beam pair and the azimuth angle obtained by referring to the data obtained in a one-to-one correspondence with each beam set are obtained in advance. Estimating an azimuth and elevation corresponding to the difference;
Obtain map information including terrain information and building information indicating at least the position and shape of the building, based on the position of the position estimation station, and based on the azimuth or elevation angle of at least two paths and the transmission speed of radio waves, Drawing the predicted arrival route corresponding to each path on the map in the order of the relative delay time;
And determining a position at which the predicted arrival route lines of all the paths intersect at the same time on the map.
The signal according to any one of claims 1 to 3, wherein, when the predicted arrival route line collides with an obstacle on the map, drawing is performed based on a principle of reflection and diffraction of radio waves. Source location estimation method.
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