JP2010220078A - 無線装置、及び電波到来方向推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】時間経過とともにフェージングの状況が変わった場合でも、到来方向の推定精度を向上させる。
【解決手段】電力算出部２−１、２−２、…、２−Ｍは、対応するそれぞれの受信アンテナ群１−１〜１−Ｍの受信電力Ｐ_１、Ｐ_２、…、Ｐ_Ｍを算出する。受信アンテナ群選択部３は、例えば、一定時間Ｔ毎に、電力算出部２−１〜２−Ｍから供給される受信電力Ｐ_１、Ｐ_２、…、Ｐ_Ｍから、受信アンテナ群１−１〜１−Ｍ毎に平均受信電力を計算し、平均受信電力が最大となる受信アンテナ群１−ｉを選択する。電波到来方向推定部４は、一定時間Ｔ毎に、受信アンテナ群選択部３で選択された受信アンテナ群１−ｉの受信信号から到来方向を算出し、最後に全ての平均をとり、最終電波到来方向θ_{ｆｉｎａｌ}とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の受信アンテナを用いて電波到来方向を推定する無線装置、及び電波到来方向推定方法に関する。

図６は、従来技術による無線基地局装置の構成を示すブロック図である。従来技術による電波到来方向推定方法では、電波到来方向の推定方法として、複数の受信アンテナ＃１〜＃Ｎを装備し、到来方向推定部１０により、各受信アンテナ＃１〜＃Ｎの受信信号ｒ_＃１〜ｒ_＃Ｎの位相差を用いて受信信号の到来方向を推定する（例えば、非特許文献１参照）。

具体的には、到来電波を平面波近似して、送信源から各受信アンテナ＃１〜＃Ｎまでの経路差が電波到来方向に依存することを利用し、各受信アンテナの受信信号の位相差を算出し、該位相差を上記経路差に換算することによって電波到来方向を推定している。

R. O. Schmidet, "Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation", IEEE Trans, Antennas and Propagation, Vol. AP-34, No.3, pp276-280, Mar. 1986.

しかしながら、上述した従来技術では、フェージング環境下において、特に各マルチパス波が互いに逆位相で合成され、電力が低下するような環境では、各マルチパス波の位相関係がわずかに変化しても、その合成波の位相が大きく変化する。

したがって、そのような環境下では、受信位置がわずかに変化しても、各受信信号の位相差が大きく変動するために、各受信アンテナを到来方向推定で一般的に用いられる電波半波長間隔程度離した場合でも、各受信アンテナの位相差が経路差を正しく反映できなくなり、電波の到来方向の推定精度が劣化するという問題がある。本現象は、受信機に印加される雑音には無関係であるため、送信局の送信信号電力向上や、推定時に用いる信号長の拡張などにより、ＣＮＲ（Carrier vs. Noise Ratio）を向上させても改善できないという問題がある。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、時間経過とともにフェージングの状況が変わった場合でも、到来方向の推定精度を向上させることができる無線装置、及び電波到来方向推定方法を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明は、複数の受信アンテナ毎に受信された受信信号に基づいて送信元からの電波の到来方向を推定する無線装置において、２本以上の受信アンテナ素子からなり、互いに異なる場所に配置された２群以上の受信アンテナ群と、前記２群以上の受信アンテナ群の各々の受信電力を算出する電力算出手段と、前記電力算出手段により算出された各々の受信電力に基づいて、一定時間毎に、前記２群以上の受信アンテナ群から１つの受信アンテナ群を順次選択する受信アンテナ群選択手段と、前記受信アンテナ群選択手段により一定時間毎に順次選択された受信アンテナ群の受信信号に基づいて、前記送信元からの電波の到来方向を算出する電波到来方向推定手段とを具備することを特徴とする無線装置である。

本発明は、上記の発明において、前記受信アンテナ群選択手段は、前記電力算出手段により算出された各々の受信電力から一定時間毎の平均受信電力を算出し、該平均受信電力が最大となる受信アンテナ群を選択することを特徴とする。

本発明は、上記の発明において、前記受信アンテナ群選択手段は、前記電力算出手段により算出された各々の受信電力から一定時間毎の受信アンテナ群毎の最大受信電力、または最小受信電力を算出し、前記最大受信電力、または前記最小受信電力が最大となる受信アンテナ群を選択することを特徴とする。

本発明は、上記の発明において、前記受信アンテナ群選択手段は、前記電力算出手段により算出された各々の受信電力から一定時間毎の受信アンテナ群毎の最大受信電力、または最小受信電力を算出し、前記最大受信電力と前記最小受信電力との差が最小となる受信アンテナ群を選択することを特徴とする。

本発明は、上記の発明において、前記電波到来方向推定手段は、前記受信アンテナ群選択手段により順次選択される受信アンテナ群毎に電波の到来方向を算出し、全ての受信アンテナ群の電波の到来方向の平均値を算出し、該平均値を最終的な電波の到来方向とすることを特徴とする。

本発明は、上記の発明において、前記電波到来方向推定手段は、前記受信アンテナ群選択手段により順次選択される受信アンテナ群毎に、選択される受信アンテナ群の受信信号から伝搬チャネルの位相成分のみを除去し、前記位相成分が除去された受信信号と、前記順次選択される受信アンテナ群毎に任意に選択した基準となる基準アンテナの位相成分が除去された受信信号との位相差を検出し、前記順次選択される受信アンテナ群毎に対応する受信アンテナ毎に前記位相差の和をとり、該和をとった後の結果を用いて最終的な電波の到来方向を算出することを特徴とする。

また、上述した課題を解決するために、本発明は、複数の受信アンテナ毎に受信された受信信号に基づいて送信元からの電波の到来方向を推定する電波到来方向推定方法において、２本以上の受信アンテナ素子からなり、互いに異なる場所に配置された２群以上の受信アンテナ群の各々の受信電力を算出するステップと、前記算出された各々の受信電力に基づいて、一定時間毎に、前記２群以上の受信アンテナ群から１つの受信アンテナ群を順次選択するステップと、前記一定時間毎に順次選択された受信アンテナ群の受信信号に基づいて、前記送信元からの電波の到来方向を算出するステップとを含むことを特徴とする電波到来方向推定方法である。

この発明によれば、時間経過とともにフェージングの状況が変わった場合でも、受信状況が良い受信アンテナグループを選択して到来方向を推定するため、推定精度を向上させることができるという利点が得られる。

本発明の実施形態による無線基地局装置の構成を示すブロック図である。 本実施形態による電波到来方向推定部での電波の到来方向の推定方法の一例を示すブロック図である。 本実施形態による電波到来方向推定部での電波の到来方向の推定方法の他の例を示すブロック図である。 シミュレーション評価での本実施形態による無線基地局装置の略構成と、従来技術による無線基地局装置の略構成とを示すブロック図である。 シミュレーション評価結果を示す図である。 従来技術による無線基地局装置の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態による無線基地局装置の構成を示すブロック図である。図において、無線基地局装置は、受信アンテナ群１−１（＃１_１、＃２_１、…、＃Ｎ_１）、受信アンテナ群１−２（＃１_２、＃２_２、…、＃Ｎ_２）…、受信アンテナ群１−Ｍ（＃１_Ｍ、＃２_Ｍ、…、＃Ｎ_Ｍ）を装備し、各受信アンテナ群１−１〜１−Ｍは、互いのフェージング相関が低くなるように互いに離れた位置に配置されている。

無線基地局装置は、各受信アンテナ群１−１、１−２、…、１−Ｍ毎に設けられた電力算出部２−１、２−２、…、２−Ｍと、全受信アンテナ群１−１〜１−Ｍから一定時間毎に１つの受信アンテナ群１−ｉ（ｉ＝１、２、…、Ｍ）を選択する受信アンテナ選択部３と、選択した受信アンテナ群１−ｉで受信された受信信号から電波の到来方向を推定する電波到来方向推定部４を備えている。

電力算出部２−１、２−２、…、２−Ｍは、対応するそれぞれの受信アンテナ群１−１〜１−Ｍ毎の受信電力Ｐ_１、Ｐ_２、…、Ｐ_Ｍを算出し、受信アンテナ群選択部３に供給する。受信アンテナ群選択部３は、電力算出部２−１、２−２、…、２−Ｍからの受信電力Ｐ_１、Ｐ_２、…、Ｐ_Ｍに従って、全受信アンテナ群１−１〜１−Ｍから一定時間Ｔ毎に１つの受信アンテナ群１−ｉを順次選択し、選択した受信アンテナ群１−ｉの受信信号（受信アンテナ群１−１：ｒ_＃１１、ｒ_＃２１、…、ｒ_＃N１、受信アンテナ群１−２：ｒ_＃１２、ｒ_＃２２、…、ｒ_＃N２…、受信アンテナ群１−Ｍ：ｒ_＃1Ｍ、ｒ_＃２Ｍ、…、ｒ_＃ＮＭ）を電波到来方向推定部４に供給する。

（Ａ１）第１の受信アンテナ群選択方法
受信アンテナ群選択部３による第１の受信アンテナ群選択方法としては、例えば、一定時間Ｔ毎に、電力算出部２−１〜２−Ｍから供給される受信電力Ｐ_１、Ｐ_２、…、Ｐ_Ｍから、受信アンテナ群１−１〜１−Ｍ毎に平均受信電力を計算（受信アンテナ群１−１：ｒ_＃１１〜ｒ_＃N１からＰ_ａｖｅ1、受信アンテナ群１−２：ｒ_＃１２〜ｒ_＃N２からＰ_ａｖｅ２、…、受信アンテナ群Ｍ：ｒ_＃1Ｍ〜ｒ_＃ＮＭからＰ_ａｖｅＭ）し、一定時間Ｔ毎に平均受信電力Ｐ_ａｖｅ1〜Ｐ_ａｖｅＭが最大となる受信アンテナ群１−ｉを選択するという方法が考えられる。例えば、最初の時間ＴでＰ_ａｖｅ１、次の時間ＴでＰ_ａｖｅ３、その次の時間ＴでＰ_ａｖｅ２が最大となれば、順次、受信アンテナ群１−１、受信アンテナ群１−３、受信アンテナ群１−２を選択する。

（Ａ２）第２の受信アンテナ群選択方法
また、第２の受信アンテナ群選択方法としては、例えば、一定時間Ｔ毎に、受信アンテナ群１−１〜１−Ｍ毎の最大受信電力、または最小受信電力が最大となる受信アンテナ群１−ｉを同様に選択していく方法が考えられる。

（Ａ３）第３の受信アンテナ群選択方法
また、第３の受信アンテナ群選択方法としては、例えば、一定時間Ｔ毎に、受信アンテナ群１−１〜１−Ｍ毎の最大受信電力と最小受信電力との差が最小となる受信アンテナ群１−ｉを同様に選択していく方法が考えられる。

なお、いずれの選択方法においても、受信アンテナ群選択部３にて選択を行う一定時間Ｔは、１シンボル毎でも複数シンボル毎でも任意の間隔で構わない。

電波到来方向推定部４は、受信アンテナ群選択部３で一定時間Ｔ毎に選択された受信アンテナ群１−ｉの受信信号ｒ_＃１１〜ｒ_＃Ｎ１、ｒ_＃１２〜ｒ_＃Ｎ２、ｒ_＃１Ｍ〜ｒ_＃ＮＭから最終的な電波の到来方向、すなわち最終電波到来方向θ_{ｆｉｎａｌ}を算出する。

（Ｂ１）第１の到来方向推定方法
電波到来方向推定部４による第１の到来方向の算出の方法としては、例えば、図２に示すように、一定時間Ｔ毎に、受信アンテナ群選択部３で選択された受信アンテナ群１−ｉの受信信号ｒ_＃１ｉ〜ｒ_＃Nｉから到来方向θ_ｔ１２、θ_ｔ２３、θ_{ｔ（Ｌ−１）Ｌ}を算出し、最後に全ての平均（ａｖｅ）をとり、最終電波到来方向θ_{ｆｉｎａｌ}とする方法が考えられる。

（Ｂ２）第２の到来方向推定方法
また、第２の到来方向の算出の方法としては、例えば、図３に示すように、一定時間Ｔ毎に、受信アンテナ群選択部３で選択された受信アンテナ群１−ｉの受信信号ｒ_＃１ｉ〜ｒ_＃Nｉから伝搬チャネルの位相成分のみ除去し、該位相成分が除去された受信信号ｓｒ_＃１ｉ、ｓ_ｒ＃１ｉ、…、ｓｒ_＃１ｉと、受信アンテナ群１−１〜１−Ｍ毎に任意に選択した基準となる受信アンテナ（以下、基準アンテナという、図３中ではｓｒ_＃１１、ｓ_ｒ＃１３、…、ｓｒ_＃１２）の位相成分が除去された受信信号との位相差を検出し、基準アンテナに対しては基準アンテナ毎、Ｐ番目の受信アンテナに対してはＰ番目の受信アンテナ毎（１≦P≦Ｎ）というように、時間方向に加算（Σ）を行った後、最終電波到来方向θ_{ｆｉｎａｌ}を算出する。

ここで、選択された受信アンテナ群毎の到来方向の算出方法としては、ＣＭＡ（Constant Modulus Algorithm）やＭＭＳＥ（Minimum Mean Square Error）、ＭＵＳＩＣ（Multiple Signal Classification）法など、複数のアンテナを用いて到来方向推定を行うあらゆる方法が考えられる。

次に、本実施形態の具体的動作について説明する。
受信アンテナ群１−１〜１−Ｍの各々のアンテナ＃１_１〜＃１Ｎ_１、＃１_２〜＃Ｎ_２、…、＃１_Ｍ〜＃Ｎ_Ｍで受信された受信信号ｒ_＃１１〜ｒ_＃Ｎ１、ｒ_＃１２〜ｒ_＃Ｎ２、ｒ_＃１Ｍ〜ｒ_＃ＮＭは、電力算出部２−１〜２−Mと、受信アンテナ群選択部３とに入力される。

電力算出部２−１、２−２、…、２−Ｍは、対応するそれぞれの受信アンテナ群１−１〜１−Ｍの受信電力Ｐ_１、Ｐ_２、…、Ｐ_Ｍを算出し、受信アンテナ群選択部３に供給する。上記受信電力は、アナログ信号処理でＡＧＣ（Auto Gain Control）などを用いて算出しても、ディジタル信号処理で複素信号の二乗成分の移動平均などを用いて算出してもよく、受信電力を算出するいかなる方法を用いてもよい。また、受信電力算出処理は、ＲＦ（Radio Frequency）信号のまま行っても、ベースバンド信号で行ってもよい。

受信アンテナ群選択部３は、上述した選択方法のいずれかに従って、一定時間Ｔ毎に、電力算出部２−１〜２−Ｍから供給される受信電力Ｐ_１、Ｐ_２、…、Ｐ_Ｍに従って、受信アンテナ群１−ｉを選択し、選択した受信アンテナ群１−ｉの受信信号ｒ_＃１ｉ〜ｒ_＃Nｉを電波到来方向推定部４に供給する。次に、電波到来方向推定部４は、一定時間Ｔ毎に、受信アンテナ群選択部３によって選択される受信アンテナ群１−ｉの受信信号ｒ_＃１ｉ〜ｒ_＃Nｉから、上述した到来方向の算出方法のいずれかに従って、最終的な電波の到来方向θ_{ｆｉｎａｌ}を算出する。

次に、本実施形態と従来技術とのシミュレーション評価結果について説明する。
図４（ａ）、（ｂ）は、シミュレーション評価での本実施形態による無線基地局装置の略構成と、従来技術による無線基地局装置の略構成とを示すブロック図である。シミュレーション評価において、本実施形態では、図４（ａ）に示すように、複数のグループに分割した受信アンテナ群の受信信号の電力により、いずれかの受信アンテナ群を選択した後、到来方向を推定する一方、従来技術では、図４（ｂ）に示すように、各受信アンテナの受信信号の位相差を用いて受信信号の到来方向を推定する。

すなわち、シミュレーション条件は、アンテナ群数＝２、１つのアンテナ群のアンテナ数＝２、端末と基地局との距離＝３５００ｍ、無雑音環境、アンテナ群Ａ１とアンテナ群Ａ２とのチャネルは無相関、各アンテナ群Ａ１、Ａ２のアンテナ間距離は半波長、基地局到来波角度広がり＝３ｄｅｇｒｅｅ、ドップラー周波数＝１０Ｈｚとする。

図５は、シミュレーション評価結果を示す図である。
図示のシミュレーション評価では、実際の端末方向と、基地局で推定した電波到来方向との角度差を、到来方向推定誤差としてＣＤＦで表わしている。従来方式では、端末は時間ダイバーシチ効果が効かない静止（ドップラー周波数＝０Ｈｚ）の状態で評価している。このため、従来方式では、パケット長が１６ｂｙｔｅ、１２８ｂｙｔｅ共に、実線で示されるＣＤＦ曲線となる。

これに対して、本発明では、ＣＤＦ値９９％（到来方向推定誤差が９９％以内の確率でその値の中に収まる）で評価すると、約２２．５度（距離誤差に直すと１５００ｍ）であったのが、点線で示す、パケット長が１６ｂｙｔｅで約８度（距離誤差に直すと約５００ｍ）、一点鎖線で示す、１２８ｂｙｔｅで約４度（距離誤差に直すと約２５０ｍ）となる。

上述した実施形態によれば、フェージングによる落ち込み状態を時間的に回避可能となる。例えば、受シンボル毎に、受信アンテナ群の選択を行った場合、受信した全シンボルタイミングで一番フェージングの影響を受けない受信アンテナ群で到来方向推定を行うことが可能となり、到来方向の推定精度を向上させることができる。

＃１_１〜＃Ｎ_１，＃１_２〜＃Ｎ_２，＃１_Ｍ〜＃Ｎ_Ｍ 受信アンテナ
ｒ_＃１１〜ｒ_＃Ｎ１，ｒ_＃２１〜ｒ_＃Ｎ２，ｒ_＃１Ｍ〜ｒ_＃ＮＭ 受信信号
１−１〜１−Ｍ 受信アンテナ群
２−１〜２−Ｍ 電力算出部
３ 受信アンテナ群選択部
４ 電波到来方向推定部
θ_{ｆｉｎａｌ} 最終的な到来方向
ｓｒ_＃１１〜ｓｒ_＃Ｎ１，ｓｒ_＃２１〜ｓｒ_＃Ｎ２，ｓｒ_＃２Ｍ〜ｓｒ_＃ＮＭ チャネルの位相成分を除去した受信信号
Ｔ 受信アンテナ群受信電力算出時間

Claims (7)

1. 複数の受信アンテナ毎に受信された受信信号に基づいて送信元からの電波の到来方向を推定する無線装置において、
   ２本以上の受信アンテナ素子からなり、互いに異なる場所に配置された２群以上の受信アンテナ群と、
   前記２群以上の受信アンテナ群の各々の受信電力を算出する電力算出手段と、
   前記電力算出手段により算出された各々の受信電力に基づいて、一定時間毎に、前記２群以上の受信アンテナ群から１つの受信アンテナ群を順次選択する受信アンテナ群選択手段と、
   前記受信アンテナ群選択手段により一定時間毎に順次選択された受信アンテナ群の受信信号に基づいて、前記送信元からの電波の到来方向を算出する電波到来方向推定手段と
   を具備することを特徴とする無線装置。
2. 前記受信アンテナ群選択手段は、
   前記電力算出手段により算出された各々の受信電力から一定時間毎の平均受信電力を算出し、
   該平均受信電力が最大となる受信アンテナ群を選択することを特徴とする請求項１記載の無線装置。
3. 前記受信アンテナ群選択手段は、
   前記電力算出手段により算出された各々の受信電力から一定時間毎の受信アンテナ群毎の最大受信電力、または最小受信電力を算出し、
   前記最大受信電力、または前記最小受信電力が最大となる受信アンテナ群を選択することを特徴とする請求項１記載の無線装置。
4. 前記受信アンテナ群選択手段は、
   前記電力算出手段により算出された各々の受信電力から一定時間毎の受信アンテナ群毎の最大受信電力、または最小受信電力を算出し、
   前記最大受信電力と前記最小受信電力との差が最小となる受信アンテナ群を選択することを特徴とする請求項１記載の無線装置。
5. 前記電波到来方向推定手段は、
   前記受信アンテナ群選択手段により順次選択される受信アンテナ群毎に電波の到来方向を算出し、
   全ての受信アンテナ群の電波の到来方向の平均値を算出し、
   該平均値を最終的な電波の到来方向とすることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の無線装置。
6. 前記電波到来方向推定手段は、
   前記受信アンテナ群選択手段により順次選択される受信アンテナ群毎に、選択される受信アンテナ群の受信信号から伝搬チャネルの位相成分のみを除去し、
   前記位相成分が除去された受信信号と、前記順次選択される受信アンテナ群毎に任意に選択した基準となる基準アンテナの位相成分が除去された受信信号との位相差を検出し、
   前記順次選択される受信アンテナ群毎に対応する受信アンテナ毎に前記位相差の和をとり、該和をとった後の結果を用いて最終的な電波の到来方向を算出することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の無線装置。
7. 複数の受信アンテナ毎に受信された受信信号に基づいて送信元からの電波の到来方向を推定する電波到来方向推定方法において、
   ２本以上の受信アンテナ素子からなり、互いに異なる場所に配置された２群以上の受信アンテナ群の各々の受信電力を算出するステップと、
   前記算出された各々の受信電力に基づいて、一定時間毎に、前記２群以上の受信アンテナ群から１つの受信アンテナ群を順次選択するステップと、
   前記一定時間毎に順次選択された受信アンテナ群の受信信号に基づいて、前記送信元からの電波の到来方向を算出するステップと
   を含むことを特徴とする電波到来方向推定方法。

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