JP2009516403A - ユーザ装置における偏波修正の方法および装置 - Google Patents

Abstract

本願発明は、無線基地局（４）（ＲＢＳ）からの複数の信号成分を受信するために使われるユーザー装置（１）（ＵＥ）において、受信信号成分を補償するための方法および装置に関する。複数の信号成分には、それぞれ少なくとも第１偏波角度と第２偏波角度を有する。複数の信号成分が受信されたときに、送信信号成分（ｘ_ｈ（ｎ））（６） についての受信信号成分（ｙ_ｈ（ｎ））（８）の第１偏波角度が、送信信号成分（ｘ_ｈ（ｎ））（６） の第１偏波角度に比べて、第１角度（φ）のずれを生じ、送信信号成分 （ｘ_ｖ（ｎ））（７）についての受信信号成分 （ｙ_ｖ（ｎ））（９）の第２偏波角度が、該送信信号成分 （ｘ_ｖ（ｎ））（７）の第２偏波角度と比べて、第２角度（θ）のずれを生じる。この補償方法は、第１時刻（ｋ）および第２時刻（ｍ）において、少なくとも２つの異なる偏波角度を有する受信信号成分(ｙ_ｈ、 ｙ_ｖ)に関する相関値（Ｒｙ_ｖｖ、 Ｒｙ_ｖｙ、 Ｒｙ_ｙｖ、 Ｒｙ_ｙｙ)を決定し、その決定された前記相関値（Ｒｙ_ｖｖ、 Ｒｙ_ｖｙ、 Ｒｙ_ｙｖ、 Ｒｙ_ｙｙ)を用いて、ずれ角度（φ、θ）を決定し、更にこのずれ角度（φ、θ）を用いて、前記補償を行うステップを備える。

Description

本願発明は、無線基地局（ＲＢＳ）からの複数の信号成分を受信するために使われるユーザー装置（以下「ＵＥ」とも言う)において、受信信号成分を補償するための方法に関する。ここで複数の信号成分には、それぞれ少なくとも第１偏波角度と第２偏波角度を有するものがあり、その複数の信号成分は、ひとつのチャネルにより送信されたものである。そして、複数の信号成分が受信されたときに、送信信号成分 についての受信信号成分の第１偏波角度が、送信信号成分 の第１偏波角度に比べて、第１角度のずれを生じ、送信信号成分についての受信信号成分 の第２偏波角度が、送信信号成分の第２偏波角度と比べて、第２角度のずれを生じる。

また本発明は、移動通信ネットワークシステムで使用される、少なくとも第１アンテナおよび第２アンテナを備えるユーザー装置（ＵＥ）の形態を有するデバイスに関する。そして、これらのアンテナは、無線基地局（ＲＢＳ）から送信される、少なくとも第１偏波および第２偏波上のメッセージを受信するために使用される。

移動通信のための無線基地局（ＲＢＳ）は、様々な偏波角度のアンテナを配置することができる。異なる偏波を使用することで、いわゆる偏波ダイバーシティが過去に達成されてきた。つまり、利用可能な偏波により同一情報を送受信することでフェーディングのリスクを最小限にしてきたのである。つまり、この方法はフェーディングのリスクを最小限にする目標を達成する手段として、冗長性を有している。

今日では、利用可能な異なる偏波のそれぞれに、異なる情報を乗せて、より効率的に送信および受信ができるということがわかってきたので、この冗長手法はかなり普及している。例えば、利用可能な異なる偏波のそれぞれに異なる情報を乗せて送信および受信することは、ＭＩＭＯシステムにおいても普及している。

しかし、都市環境の無線チャネルでは、必須なものとして水平と垂直の偏波方向が主に利用されている。この主な理由は、都市環境では垂直方向に建物が、そして水平方向に地上が広がるという地形の幾何学によるものである。一般に、垂直偏波は複数の建物内で反射するが、地面に対しては反射しない。そして水平偏波については、この逆が言える。したがって、都市環境のチャネルにおいては、伝播中、垂直偏波は垂直に本質的にとどまり、水平偏波は水平に本質的にとどまる。

例えば、水平偏波を持つ入力信号には第１アンテナを、垂直偏波を持つ入力信号には第２アンテナを備えるユーザー装置（ＵＥ）は、都市環境における無線基地局（ＲＢＳ）から水平偏波および垂直偏波上で送信されるメッセージの受信のために用いられる。
ユーザー装置（ＵＥ）は、ある回転位置をとる。つまり、入力される水平および垂直偏波信号に関して、この２つのアンテナはある回転角度に配置される。この結果、第１アンテナの偏波角度と水平偏波入力信号の偏波角度の間にずれ角度が生じ、第２アンテナの偏波角度と垂直偏波入力信号の偏波角度との間にもうひとつのずれ角度が生じてしまう。観測されるアンテナ信号は、ＵＥのこの回転角に依存し、各々のアンテナがこの２つの入力信号に基づく信号を受信してしまうことは明らかである。

ここでひとつ問題は、水平偏波で送信された情報が、水平偏波として意図されたにも拘わらず、ＵＥの第１アンテナにより受信されるのみならず、垂直偏波として意図されたＵＥの第２アンテナにより、その情報の一部がまた受信されてしまうことである。これに類する問題は、垂直偏波で送信された情報にも現れる。一般に、偏波は、必ずしも水平と垂直でなくても良く、任意の角度として、一般の第１偏波および第２偏波として良い。したがって、第１偏波により送信された情報と第２偏波により送信された情報がＵＥの中で混合されるので、第１偏波により送信された情報と第２偏波により送信された情報とを分離する必要性がある。

本願発明により解決する主要課題は、第１偏波により送信された情報と第２偏波により送信された情報がＵＥの中で混合されるので、第１偏波により送信された情報と第２偏波により送信された情報とを分離することである。

この課題は、導入部で述べた方法により解決される。そしてこの方法は、少なくとも２つの異なる偏波角度で受信された信号について、第１時刻と第２時刻において、その相関値を決定し、その決定された相関値を用いて、送信された信号成分と受信された信号成分の間のずれ角度を決定し、そのずれ角度を用いて受信信号成分を補償する、というステップを更に含む。

本願発明の手段により、かなりの効果がもたされる。
− この方法は、あまり複雑性を伴わない構成で履行できる。
− チャネルによる漏れを補償できる。
− この方法は、受信後に偏波を区別するための手段を提供するので、ＭＩＭＯとダイバーシティー処理とを組み合せて使用することができる。

図１に示されるように、移動通信ネットワークシステムにおいて使用することが意図されるユーザー装置（ＵＥ）１は、第１アンテナ２と第２アンテナ３を備える。そして、本発明の実施例において、ある都市環境５の中にある無線基地局（ＲＢＳ）４から第１偏波および第２偏波上で送られるメッセージを受信するために、この２つのアンテナ２，３が用いられる。例えば、ＵＥ１は移動電話機またはラップトップコンピュータであると考えられる。チャネル自体は、本実施形態では理想状態に属すると仮定される。すなわち、信号の偏波回転は起きないとする。

ＵＥ１が空間内である回転位置をとることにより、水平偏波の受信を意図したアンテナである第１アンテナ２の偏波角度は、水平偏波で送信される信号６の偏波角度と、角度φだけずれる。さらに、垂直偏波の受信を意図するＵＥ１の第２アンテナ３のアンテナ偏波角度は、垂直に送信される信号７の偏波角度と、角度θだけずれる。従って、ＵＥ1は送信される水平偏波信号６と角度がφだけずれた水平偏波信号８を受信し、送信される垂直偏波信号７と角度がθだけずれた垂直偏波信号９を受信する。言い換えれば、２つのアンテナ２，３の偏波は、ＵＥ１に入射してきた２つの送信信号６，７の偏波角度と一致していない。この不一致は、ずれ角度、φとθにより測定される。

このずれ角度φとθは、第１ずれ項αと第２ずれ項βに関係付けられる。そして、このずれ項、αとβはある時刻に生じるずれ角と関係付けられる。つまり、αは、水平偏波の送信信号６がどの程度第２アンテナ３により受信されるかについての相対的尺度を表わす。同様に、βは垂直偏波の送信信号７がどの程度第１アンテナ２により受信されるかについての相対的尺度を表わす。数学的に、αとβの項は次のように表される。

この式はずれ角度θとφがゼロのとき、αとβの項もゼロとなり、ずれがないことを意味する。θとφが４５度のとき、αとβの項は１／√２となる。もしθとφが９０度ならば、αとβの項は１となり、第１アンテナ２は垂直偏波の送信信号７だけを受信し、第２アンテナ３は水平偏波の送信信号６だけを受信することになる。

ＵＥにより受信される信号は、次式で表される。

次式を満たす。

もしαとβがゼロならば、Ｙ（ｎ）＝ Ｘ（ｎ）となる。ここで、ｘ_ｈ（ｎ）は送信される水平偏波信号６をあらわし、またｘ_ｖ（ｎ）は送信される垂直偏波信号７を、 ｙ_ｈ（ｎ）は受信される水平偏波信号８を、そしてｙ_ｖ（ｎ）は受信される垂直偏波信号９を表わす。 従ってαは、水平偏波の受信が意図されるＵＥ1の第１アンテナ２に関する、ずれ項を表わす。言い換えれば、αは受信される水平偏波信号８、 ｙ_ｈ（ｎ）の偏波角度がどれくらい水平偏波で送信される信号６、ｘ_ｈ（ｎ）の偏波角度からずれているかについての相対的尺度を表わす。さらに、同様にβは垂直偏波の受信を意図するＵＥ１の第２アンテナ３に関する、ずれ項を表わす。言い換えれば、βは受信される垂直偏波信号９、ｙ_ｖ（ｎ）の偏波角度がどれくらい垂直偏波で送信される信号７、ｘ_ｖ（ｎ）の偏波角度からずれているかについての相対的尺度を表わす。ずれ項、αとβの特性は、すでに述べたとおりである。

このずれ項、αとβを補償するために、本発明は信号を戻し回転(de-rotation)する方法を備える。言い換えれば、この方法により、第１および第２アンテナ２，３の偏波と、ＵＥ１に入力される送信信号６，７の偏波との不一致は、信号６，７を回転させることにより補償される。このような回転を行なうには、αとβのずれ項とそれに対応するφとθのずれ角度を求める必要がある。

本発明は、２つの仮定、Ａ１およびＡ２に基づく。

第１仮定Ａ１は、信号ｘ_ｈ（ｎ）およびｘ_ｖ（ｎ）は相互に無相関な静止過程にあることである。第２仮定Ａ２は、信号、ｘ_ｈ（ｎ）およびｘ_ｖ（ｎ）の共分散関数はゼロ以外をカバーすること、つまり信号、ｘ_ｈ（ｎ）およびｘ_ｖ（ｎ）は白色信号ではないことである。

第１仮定は、信号が異なり無相関でなければならないので、必要である。第２仮定は、以下の理由から必要とされる。つまりこの仮定がないと、解の数が無限となり、言い換えれば、問題が特定されないことになる。

第１仮定は、数式の項として次のように表される。

すなわち、ｘ_ｈ（ｎ）およびｘ_ｖ（ｎ）の積の期待値は、ｎ１とｎ２のすべての値に関してゼロである。

第２仮定は、数式の項として次のように表される。

すなわち、少なくとも３つの相関値、Ｒ_ｘｈ（ｎ_１）、 Ｒ_ｘｖ（ｎ_２）の量は、ｎ_１とｎ_２のすべての値に関してゼロとはならない。期待値Eの条件がそれぞれ信号ｘ_ｈ（ｎ_１）とｘ_ｖ（ｎ_２）に適用されるとき、相関値、Ｒ_ｘｈ（ｎ_１）と Ｒ_ｘｖ（ｎ_２）の各々が求まる。

すでに述べたように、この実施形態ではチャネル自体は理想特性に属し、信号の偏波回転は生じないと仮定される。次の行列、

を（１）式に適用し、次の行列でスケール化する。

そうすると、

あるいは、もう少し簡単な形で、

すなわち、

従って、いま解きたい未知項はｂ_１２(ｎ) とｂ_２１（ｎ）である。

第１仮定Ａ１に基づき、２つの新しい信号、ｓ_ｈ(ｎ)および ｓ_ｖ(ｎ)を形成する。受信される信号ｙ_ｈ(ｎ)、 ｙ_ｖ(ｎ)から出発し、送信される信号ｘ_ｈ(ｎ)、 ｘ_ｖ(ｎ)を計算するために、この信号、ｓ_ｈ(ｎ)および ｓ_ｖ(ｎ)を数学ツールとして使用するとしよう。

新しい信号、ｓ_ｈ(ｎ)および ｓ_ｖ(ｎ)は次のベクトルを形成する。

次に行列Ｄを導入する。ここで、Ｄは２つの関数、ｄ_１２とｄ_２１を備える。

ＳとＤとＹの間の関係は、次のようになる。

あるいは、少し簡単な形であらわすと、

従って、

従って、（３）式を簡単な形であらわすと、

一般に、未知項、ｂ_１２(ｎ) とｂ_２１（ｎ）を解くために、行列積Ｄ(ｎ)・Ｂ(ｎ)が対角上かあるいは非対角上にゼロを有する対角行列かになるように、2つの関数、ｄ_１２(ｎ) とｄ_２１（ｎ）を選ぶ必要がある。もし

であれば、Ｄ(ｎ)・Ｂ(ｎ)について、次のように書ける。

（５）式を（４）式に代入して、

すなわち、Ｓ（ｎ）はＸ（ｎ）に比例する。つまり、

この定数について補償するために、代わりとして次の仮定を行う。

この仮定により、次式が導かれる。

従って、以上の式に従い（６）式を解くために、行列Ｄ（ｎ）を求める必要がある。
仮定Ａ１に従い、

従って、

が得られる。この式の必要十分条件として、次式が仮定される。

（３）式に従い、

望まれる条件として、

従って、

が導かれる。いま、期待値Ｅの条件が各信号に適用されると、その結果として対応する相関値Ｒが得られる。

この相関は、当業者に知られているように、一般に次のように定義される。

（６）式は、次の（８）式のように導かれる。

ｎ₁−ｎ₂＝ｐとし、ｄ_１２について解くと、

（９）式の一時的な変数ｐは時間差（ｌａｇ)を示す。従って、（８）式でｐの２つの異なる値を選ぶことにより、ｄ_１２に等しくなる２つの式が与えられる。ｐの２つの異なる値は、次のｍとｋと呼ぶものの中にある。言い換えれば、ｐを変化させることで、2つの未知項と2つの式が得られる。
の２つの異なる時刻値であるｍとｋは、（９）式に入れ、代入されることにより、（１０）式が得られる。

（１０）式から明らかなように、ｍ＝ｋの場合は、式全体が未決定性を有するので、特定の解が得られない。この結果、放物線に沿ったあらゆる無限の解となり、言い換えれば、問題はもはや特定できない。

（１０）式のたすき掛けにより、次式が導かれる。

これは、解ｄ_１２が双曲線上にある場合の式である。
Ｒｙ項はすべて、過去によく知られた方法を用いて、ＵＥの信号処理手段により評価可能であり、ここではこれ以上の詳細は記さない。

（１１）式により、２次多項式が解ｄ_１２に関し２つの根を持つことになる。
多項式は次の形で表される。

（１１）式を解くことで、次の係数が導かれる。

（９）式から、ｄ_１２は次のように解かれる。

図２のように、双曲線関数、Ｄ_１２（Ｒ）が、ｍとｋの値に関して示される。
ｍとｋのすべてについて、放物曲線のひとつの特別形状が得られる。これらの双曲線関数はＰ_１とＰ_２において交差するその場所で、ｄ_１２に関する２つの解が求まる。

この解のひとつが求めるものであり、他の点は垂直および水平偏波の交換される点に対応する。数学的に言えば、（５）式の対角行列が、もうひとつの（主）対角行列に対角線上のゼロを有することを意味する。どちらの解が求めているものかを見つけるために、固有のコーディングを信号に適用してよい。偏波に関し、異なる信号強度を用いてもよい

以上述べたように、本発明による方法は、２つの異なる偏波に対して適用されるが、もちろん、一般にいかなる数の偏波に対しても適用される。根や解の数は偏波の数に対応する数に等しい。例えば、３つの偏波が用いられれば、６つの異なる解が求められ、その解は順列となる。

信号がどのように補償されるかに関して、２つの主たる方法がある。両方法とも回転を含むが、これはずれ角度φとθが、φとθに対応する角度距離に対応する、それぞれの角度距離である偏波を、数学的に回転する手段により、補償されることを意味する。第１方法は、ＵＥ1でこの計算が行われ、戻し回転(de-rotation)を行うことによる。第２方法は、ＲＢＳ４内の事前回転(pre-rotation)により行われることによる。第１方法を採用する場合、戻し回転を実施するために、ＵＥ1とＲＢＳ4間で通信は必要ない。第２方法を採用する場合、ＵＥ1の中で計算は行われるので、ＲＢＳ４へ必要な事前回転の詳細を通信により伝える必要がある。また、これまで述べた２つの方法を組み合わせる方法も考えられる。

本発明は、これまで述べた実施形態に限定されるものでなく、請求項の範囲内で自由に形態が変えられても良い。例えば、本発明は、式の過剰決定体系に関して公式化されても良い。もし何らかの理由で数値解が困難ならば、例えば問題のたちが良くないようなとき、この公式化は有利になる。このタイプの解は、次式から得られる。

（１５）式において、行列Ｒ(Ｍ、Ｋ)の各行に関して２つの解が得られる。例えば、（１５）式は当業者には良く知られた最小自乗法の手段により解かれる。
さらに、本発明は２つ以上の数のいかなる偏波に対して適用できる。ＵＥ１のアンテナ数は、２つ以上の数に変化させてよい。水平および垂直偏波を用いたのは、説明の都合に過ぎない。本発明は、信号に対して第１仮定Ａ１と第２仮定Ａ２が満たされる限り、どのような偏波角度を用いてもよい。本発明の方法に従った目的を満たすならば、ずれ角度であるφとθと、ずれ項であるαとβとの関係は、わかっていればどのような関係でもよい。この環境は、説明の都合上、都市環境であったが、これは本発明には必要はなく、どのような環境でも本発明を履行してよい。理想的な場合、チャネルは、いかなる状態でも信号に影響や変化を与えないが、実際には、チャネルは信号に影響および／あるいは変化を与える。

本発明の無線基地局とユーザー装置を備えるシステムを示す図である。 本発明の第１実施形態に従う数学的問題に対する２つの解をグラフ化した図である。

Claims (10)

1. 無線基地局（４）からユーザー装置（１）へ送信され、受信される複数の信号成分の補償方法であって、
   前記複数の信号成分の１つは第１偏波角度を有し、前記複数の信号成分の他の１つは第２偏波角度を有し、それぞれ１つのチャネル上で送信され、
   前記複数の信号成分が受信されたときに、送信信号成分（ｘ_ｈ（ｎ））（６） についての受信信号成分（ｙ_ｈ（ｎ））（８）の第１偏波角度が、該送信信号成分（ｘ_ｈ（ｎ））（６） の第１偏波角度に比べて、第１角度（φ）のずれを生じ、送信信号成分 （ｘ_ｖ（ｎ））（７）についての受信信号成分 （ｙ_ｖ（ｎ））（９）の第２偏波角度が、該送信信号成分 （ｘ_ｖ（ｎ））（７）の第２偏波角度と比べて、第２角度（θ）のずれを生じ、前記補償方法が、
   第１時刻（ｋ）および第２時刻（ｍ）において、少なくとも２つの異なる偏波角度を有する２つの前記受信信号成分(ｙ_ｈ、 ｙ_ｖ)に関する相関値（Ｒｙ_ｖｖ、 Ｒｙ_ｖｙ、 Ｒｙ_ｙｖ、 Ｒｙ_ｙｙ)を決定するステップと、
   決定された前記相関値（Ｒｙ_ｖｖ、 Ｒｙ_ｖｙ、 Ｒｙ_ｙｖ、 Ｒｙ_ｙｙ)を用いて、前記送信信号成分（ｘ_ｈ（ｎ）、 ｘ_ｖ（ｎ））の偏波角度と前記受信信号成分 （ｙ_ｈ（ｎ）、 ｙ_ｖ（ｎ））の偏波角度との間のずれ角度（φ、θ）を決定するステップと、
   前記ずれ角度（φ、θ）を用いて、前記受信信号成分 （ｙ_ｈ（ｎ）、 ｙ_ｖ（ｎ））の補償を行うステップを備えることを特徴とする、補償方法。
2. 前記ずれ角度（φ、θ）が、対応する第１ずれ項（α）および第２ずれ項（β）と関係付けられ、さらに前記送信信号成分 （ｘ_ｈ（ｎ）、 ｘ_ｖ（ｎ）） は互いに無相関であり（Ａ１)、前記送信信号成分（ｘ_ｈ（ｎ）、 ｘ_ｖ（ｎ））の共分散関数は２値以上を有し、時間依存性を有する前記送信信号成分（ｘ_ｈ（ｎ）、 ｘ_ｖ（ｎ））のあらゆる時刻においてゼロにならないこと（Ａ２)を特徴とする、請求項１に記載の補償方法。
3. 前記第１ずれ項が第１角度の正弦に等しく、第２ずれ項が第２角度の正弦に等しいことを特徴とする、請求項２に記載の補償方法。
4. 前記送信信号成分 （ｘ_ｈ（ｎ）、 ｘ_ｖ（ｎ））と前記受信信号成分（ｙ_ｈ（ｎ）、 ｙ_ｖ（ｎ））との間の数学的関係を表わす第１関係式を決定するステップであって、前記第１関係式（（３）式）は、前記第１ずれ項（α）と前記第２ずれ項（β）に関する未知数を含み、その未知数の数は使用される偏波角度の数に応じた数となり、前記第１関係式は時間（ｎ）だけに依存する、ステップと、
   期待値の条件を前記第１関係式に適用させることで、前記送信信号成分（ｘ_ｈ（ｎ）、 ｘ_ｖ（ｎ））および前記受信信号成分 （ｙ_ｈ（ｎ）、 ｙ_ｖ（ｎ））に関する相関値を取得し、時刻差（ｎ１−ｎ２＝ｐ）だけに依存する第２関係式（（９）式）にとするステップと、
   前記第１時刻（ｋ）および前記第２時刻（ｍ）に関し前記第２関係式を決定するステップであって、前記第１時刻（ｋ）および前記第２時刻（ｍ）は互いに異なり、異なる時刻（ｍ、ｋ）についての各第２関係式を互いに等しくする数式表現（（１０）式））とする、ステップとを、さらに含む請求項２または３に記載の補償方法。
5. 前記決定された共分散値 (Ｒｙ_ｖｖ、 Ｒｙ_ｖｙ、 Ｒｙ_ｙｖ、 Ｒｙ_ｙｙ）を用い前記数式表現を解くとき、正しい解を得るため、前記送信信号成分（ｘ_ｈ（ｎ）、 ｘ_ｖ（ｎ）） に固有なコーディングを適用し、前記未知数を明らかにすることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載の補償方法。
6. 前記決定された共分散値 (Ｒｙ_ｖｖ、 Ｒｙ_ｖｙ、 Ｒｙ_ｙｖ、 Ｒｙ_ｙｙ)を用い前記数式表現を解くとき、その正しい解を得るため、前記送信信号成分（ｘ_ｈ（ｎ）、 ｘ_ｖ（ｎ）） に異なる信号強度を適用し、前記未知数を明らかにすることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項に記載の補償方法。
7. 前記補償が、前記ユーザー装置（１）内で戻し回転として実行される請求項１から６までのいずれか１項に記載の補償方法。
8. 前記ユーザー装置（１）内で行われる計算結果に基づき、前記補償が前記基地局（４）において事前回転として実行される請求項１から６までのいずれか１項に記載の補償方法。
9. 前記補償が、前記ユーザー装置（１）内での戻し回転と、前記ユーザー装置（１）内で行われる計算結果に基づき、前記補償が前記基地局（４）において行われる事前回転とにより、実行される請求項１から６までのいずれか１項に記載の補償方法。
10. 移動通信ネットワークシステムにおいて使用されるユーザー装置（１）の形態をしたデバイスであって、少なくとも第１アンテナ（２）および第２アンテナ（３）を有し、前記第１及び第２アンテナ（２，３）は、無線基地局（４）から第１および第２偏波で送信されるメッセージを受信するために使用され、請求項１から請求項９のいずれかの１項に記載の補償方法を実行するように構成されたことを特徴とする、デバイス。

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