JP2013106161A

JP2013106161A - 無線信号の受信方法及び受信装置

Info

Publication number: JP2013106161A
Application number: JP2011248039A
Authority: JP
Inventors: Riichi Kudo; 理一工藤; Tomoki Murakami; 友規村上; Koichi Ishihara; 浩一石原; Masato Mizoguchi; 匡人溝口; Kazunori Hayashi; 和則林; Shinji Takenaka; 紳二竹中; Megumi Kaneko; めぐみ金子; Hideaki Sakai; 英昭酒井
Original assignee: Kyoto University; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Kyoto University; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2011-11-11
Filing date: 2011-11-11
Publication date: 2013-05-30
Anticipated expiration: 2031-11-11
Also published as: JP5754353B2

Abstract

【課題】非同期で到来するパケット信号に対し、干渉信号を抑圧しつつ、希望信号の受信を可能にする。
【解決手段】複数のアンテナを備える受信装置の受信方法であって、アナログフィルタを介して信号を受信するステップと、受信した信号が自受信装置宛であるか否かに基づき、干渉信号であるか希望信号であるかを判定するステップと、干渉信号であった場合に、干渉チャネル情報を用いて、干渉信号用と希望信号用の少なくとも一方のアナログフィルタのアレーウエイトをそれぞれ更新し、希望信号であった場合に、チャネル情報を用いて、希望信号用と干渉信号用の少なくとも一方のアナログフィルタのアレーウエイトをそれぞれ更新するステップとを有し、アレーウエイトの更新は、受信した信号が干渉信号であった場合には直ちにアレーウエイトをそれぞれ更新し、受信した信号が希望信号であった場合には、データの復号完了後に、アレーウエイトをそれぞれ更新する。
【選択図】図１

Description

本発明は、非希望端末からの干渉信号が到来する環境において、希望端末からの信号を受信する干渉キャンセラ技術に関する。

従来から複数のアンテナを有し、アナログフィルタを用いて主信号に指向性を向け、干渉信号を抑圧する方式についての研究が盛んに行われている。予めアナログ回路で信号対雑音電力比を高めるように受信することで、アナログ・デジタル変換器の数を減らしたり、干渉信号の影響を除去した信号を受信するため、信号検出・ＡＧＣ（Automatic gain control）・ＡＦＣ（Automatic frequency control）の精度を高めることができる（例えば、非特許文献１参照）。

アナログ・デジタル変換器の数がアンテナ素子数より少ない構成では、アナログフィルタの係数を決定するための方法として、ブラインドアルゴリズムを用いる必要がある。主信号および干渉信号が継続的に到来する通信環境では、従来の技術で有効に動作させることができる。しかしながら、パケット送信に基づくシングルキャリア方式およびＯＦＤＭ方式による通信では、主信号と干渉信号が独立のタイミングで到来するため、従来方式で干渉除去を行うことは難しい。

図６に従来の送受信装置の構成を示す。図６において、１−１〜１−Ｐはアンテナ、３はアナログフィルタ部、３−１−１〜３−１−Ｐはアナログフィルタ、４は結合器、５は受信装置、６は信号検出回路、７は復号回路、９はフィルタ係数設定回路である。まず、送信されている信号として、サイクリックプリフィックスを用いた送信信号の場合、時刻ｎにおけるＭ×１の情報信号ブロックｓ（ｎ）にＫポイントのガードインターバルとしてサイクリックプリフィックスが付与され、（Ｍ＋Ｋ）×１の送信信号ブロックｓ’（ｎ）が生成される。

ここで、Ｔｃｐは（Ｍ＋Ｋ）×ＭのＧＩ付加行列であり、

で定義される。

ただし、０Ｋ×（Ｍ−Ｋ）はＫ×（Ｍ−Ｋ）の零行列を表し、ＩＭ×ＭはＭ×Ｍの単位行列を表す。ここで、ｓ（ｎ）は直交周波数分割多重方式（ＯＦＤＭ）の信号であってもよいし、シングルキャリア伝送方式（ＳＣ）の信号であってもよい。

受信アンテナ素子数をＰとし、通信路のインパルス応答長をＬとすると、ｐ番目のアンテナ素子における通信路の（Ｍ×１）のインパルス応答ベクトルは

と表せる。受信ブロックに付加される（Ｍ＋Ｋ）×１の雑音ベクトルをｎｐ（ｎ）とする。ただし、ｎｐ（ｎ）の各成分は平均０、分散σ^２の白色雑音であるとする。このときアレー出力におけるインパルス応答ベクトル

および雑音ベクトルｎ’（ｎ）は、Ｐ×１のアレーウエイトベクトル

を用いて、

と書ける。ここで、（・）^Ｈはエルミート転置を表す。

以下に、各アンテナにより受信された信号についての処理動作を説明する。まず、ｐ番目のアンテナ１−ｐにおいて受信される、時刻ｎに対応する（Ｍ＋Ｋ）×１の受信信号ｒ’ｐ（ｎ）が得られる。アナログフィルタ部３では、ｐ番目のアンテナに対応するアナログフィルタ３−ｐ（１≦ｐ≦Ｐ）が、フィルタ係数設定回路９により設定された係数ｗｉを受信信号に乗算し、結合器４において各アナログフィルタ３−１〜３−Ｐからの出力信号を結合し、受信装置５において周波数変換され、デジタル信号として取得された後、信号検出回路６により時刻ｎの送信信号に対応する受信信号ブロックが

として得られる。

ＧＩ除去前の受信信号ブロックは、インパルス応答および熱雑音を用いて、

で与えられる。ここで、Ｈ０およびＨ１は、アレー出力におけるインパルス応答ベクトルの係数を用いて

で定義される（Ｍ＋Ｋ）×（Ｍ＋Ｋ）の行列である。

復号回路７は、まずサイクリックプリフィックスの除去を行う。ＧＩ除去行列は

と表せ、これを用いることで、サイクリックプリフィックスが除去され、Ｍ×１の受信信

を得る。ただし、インパルス応答の次数がサイクリックプリフィックス長以下であること、すなわちＫ≧Ｌ−１を仮定している。

さらに、

とすると、

と表せる。Ｃはその成分を書き下すことで、

と書ける。

ここで、Ｃｉｒ［ａ］は、第１列がベクトルａである巡回行列を表す。巡回行列の逆行列は巡回行列であり、また巡回行列は離散フーリエ変換（ＤＦＴ）行列により対角化される。したがって、行列Ｃは（ｋ，ｎ）成分が

で与えられるＭ×ＭのＤＦＴ行列Ｄを用いて、

従来の方式では、アダプティブアレーのフィルタ係数ｗを、アレー出力のＳＮＲを最大化したり、ＭＭＳＥアルゴリズムを用いたりして決定することができる。ここで、相関行列〜Ｒｍ（〜はＲの頭に付く、以下同様）を以下のように定義する。

フィルタ係数ｗは

を最大化するように決定でき、〜Ｒｍのｍ＝１〜Ｍの総和として得られる行列の最大固有値に対応する固有ベクトルをｗとして決定することができる。

またはＭＭＳＥアルゴリズムの最急降下法を用いて、

ここで、ｗ（ｋ）はｋ回目のイタレーションでのアレーウエイト、μはステップサイズパラメータであり、０＜μ＜１として設定される。このようにしてアレーウエイトを得ることができる。復号回路７は受信した信号を復号するとともに、（２３）式や（２４）式において固有ベクトルｗを決定するのに必要な係数をフィルタ係数設定回路８へ出力する。フィルタ係数設定回路８は新たなフィルタ係数を計算し、アナログフィルタ３−１〜３−Ｍのフィルタ係数を更新する。

ＯＦＤＭに対しても上記アルゴリズムは同様に用いることができる。ＯＦＤＭでは、（１）式の情報信号ブロックｓ（ｎ）が、周波数領域で生成されたＫポイントの送信信号ｄ（ｎ）にＩＤＦＴを用いて、

と定義され、受信側では、周波数領域で等化した後にＩＤＦＴを行うことなく復号することで送信信号が得られる。

M. L. Leou and C. C. Yeh, "Novel Hybrid of Adaptive Array and qualizer for Mobile Communications," IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 49, pp. 1-10, Jan. 2000.

しかしながら、従来の方法では、干渉信号と希望信号を定常的に受信し続ける状態であれば、最適なフィルタ係数ｗを得ることができるが、干渉信号および希望信号が、パケットとして、非同期に到来する環境において、ｗを決定することができなかった。例えば、（２４）式によれば、希望信号が受信されておらず、干渉信号のみが受信されているタイミングで用いれば、干渉を増幅するフィルタ係数が算出され、希望信号が受信された際の信号品質が著しく劣化する。また、相関行列を得るためには、（２２）式においてＤＨを得る必要があり、受信装置５が一つしかないにも拘わらず、全Ｐ本分のアンテナにおける受信情報を得るのが困難であるという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、非同期で到来するパケット信号に対し、干渉信号を抑圧しつつ、希望信号の受信を可能にすることができる無線信号の受信方法及び受信装置を提供することを目的とする。

本発明は、複数のアンテナを備え、アナログフィルタを介して、希望端末からの無線信号を受信する受信装置における受信方法であって、前記アナログフィルタを介して信号を受信する信号受信ステップと、前記受信した信号が自受信装置宛であるか否かに基づき、前記受信した信号が干渉信号であるか希望信号であるかを判定する受信信号判定ステップと、前記受信した信号が干渉信号であった場合に、干渉チャネル情報を用いて、干渉信号用と希望信号用の少なくとも一方の前記アナログフィルタのアレーウエイトをそれぞれ更新し、前記受信した信号が希望信号であった場合に、チャネル情報を用いて、希望信号用と干渉信号用の少なくとも一方の前記アナログフィルタのアレーウエイトをそれぞれ更新するアレーウエイト更新ステップとを有することを特徴とする。

本発明は、前記アレーウエイト更新ステップは、前記アレーウエイトが乗算されて推定された前記チャネル情報または干渉チャネル情報に対し、前記アレーウエイトから構成されるアレーウエイト行列の疑似逆行列を乗算することで、前記アンテナと前記希望端末間または前記アンテナと干渉端末間の干渉チャネル情報を復元し、得られたチャネル情報または干渉チャネル情報を用いて、前記アレーウエイトを決定して更新することを特徴とする。

本発明は、前記アレーウエイト更新ステップは、前記受信した信号が干渉信号であった場合に、前記干渉チャネル情報の相関行列を用いて前記干渉用アレーウエイトを更新するとともに、前記干渉チャネル情報の相関行列の逆行列を用いて前記希望信号用アレーウエイトを更新し、前記受信した信号が希望信号であった場合に、前記チャネル情報の相関行列を用いて前記希望信号用アレーウエイトを更新するとともに、前記チャネル情報の相関行列の逆行列を用いて前記干渉信号用アレーウエイトを更新することを特徴とする。

本発明は、前記アレーウエイト更新ステップは、前記受信した信号が干渉信号であった場合には直ちに前記アレーウエイトをそれぞれ更新し、前記受信した信号が希望信号であった場合には、データの復号完了後に、前記アレーウエイトをそれぞれ更新することを特徴とする。

本発明は、複数のアンテナを備え、アナログフィルタを介して、希望端末からの無線信号を受信する受信装置であって、前記アナログフィルタを介して信号を受信する信号受信手段と、前記受信した信号が自受信装置宛であるか否かに基づき、前記受信した信号が干渉信号であるか希望信号であるかを判定する受信信号判定手段と、前記受信した信号が干渉信号であった場合に、干渉チャネル情報を用いて、干渉信号用と希望信号用の少なくとも一方の前記アナログフィルタのアレーウエイトをそれぞれ更新し、前記受信した信号が希望信号であった場合に、チャネル情報を用いて、希望信号用と干渉信号用の少なくとも一方の前記アナログフィルタのアレーウエイトをそれぞれ更新するアレーウエイト更新手段とを備える、ことを特徴とする。

本発明は、前記アレーウエイト更新手段は、前記アレーウエイトが乗算されて推定された前記チャネル情報または干渉チャネル情報に対し、前記アレーウエイトから構成されるアレーウエイト行列の疑似逆行列を乗算することで、前記アンテナと前記希望端末間または前記アンテナと干渉端末間の干渉チャネル情報を復元し、得られたチャネル情報または干渉チャネル情報を用いて、前記アレーウエイトを決定して更新することを特徴とする。

本発明は、前記アレーウエイト更新手段は、前記受信した信号が干渉信号であった場合に、前記干渉チャネル情報の相関行列を用いて前記干渉用アレーウエイトを更新するとともに、前記干渉チャネル情報の相関行列の逆行列を用いて前記希望信号用アレーウエイトを更新し、前記受信した信号が希望信号であった場合に、前記チャネル情報の相関行列を用いて前記希望信号用アレーウエイトを更新するとともに、前記チャネル情報の相関行列の逆行列を用いて前記干渉信号用アレーウエイトを更新することを特徴とする。

本発明によれば、非同期で到来するパケット信号に対し、干渉信号を抑圧しつつ、希望信号の受信を可能にすることができるという効果が得られる。

本発明の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。本発明の第２の実施形態の構成を示すブロック図である。図１に示す受信装置の動作を示すフローチャートである。干渉信号と希望信号が重複して受信された際の受信装置の動作を示す説明図である。干渉信号と希望信号が重複して受信された際の受信装置の動作を示す説明図である。従来技術による受信装置の構成を示すブロック図である。

＜第１の実施形態＞
以下、図面を参照して、本発明の第１の実施形態による無線信号の受信装置を説明する。図１は同実施形態の構成を示すブロック図である。この図において、図６に示す従来の装置と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。この図に示す装置が図６に示す装置と異なる点は、分配器２−１〜２−Ｐを設け、複数系統のアナログフィルタ部３−１〜３−Ｑ、アナログフィルタ部３−１〜３−Ｑと同数の接合器４−１〜４−Ｑ及び受信装置５−１〜５−Ｑが設けられており、さらに、通信相手判定回路８が設けられている点である。

Ｑは分配器で受信信号を分岐する数であり、２以上が設定される。アナログフィルタ３−ｉ−１〜３−ｉ−ＰのＰ個を１つのｉ番目のアナログフィルタグループとし、このグループで用いられるアナログフィルタのアレーベクトルを

と定義する。

送信信号および伝搬環境の条件は、（１）〜（４）式と同様である。分配器２−１〜２−Ｐのそれぞれにより分岐されるＱ個の系列のうち、ＱＳ個の系列は、希望信号の信号電力を強め、干渉信号の信号を打ち消すアナログフィルタの係数を用い、ＱＩ個の系列は干渉信号の信号電力を強め、希望信号を打ち消すアナログフィルタの係数が用いられる。ここで、Ｑ≧ＱＳ＋ＱＩである。Ｑ−（ＱＳ＋ＱＩ）の系列は、任意の係数を設定でき、あるアンテナからの受信信号のみ受信されるように、アレーベクトルの要素のうち一つを１とし、それ以外を０にするように設定することもできる。アナログフィルタ出力はＱ系列得られる。

アンテナ１−１〜１−Ｐにおいて、信号が受信されると、２−１〜２−ＰにおいてＱ系列に信号が分岐される。分岐された信号は、アナログフィルタ部３−１〜３−Ｑに入力され、各アナログフィルタで係数が乗算され、結合部４−１〜４−Ｑにそれぞれ出力する。アナログフィルタのアレーベクトルｗ１〜ｗＱは初期値として、互いに直交する条件の係数を設定するために、ｗｉ^Ｈｗｊ＝０、（ｉ≠ｊ）となるように設定する。すなわち、それぞれのフィルタによる信号処理は、互いに相関の低い指向性ビームを構成し、当該各ビームを介して受信された信号を出力することと等価である。

受信装置５−１〜５−Ｑにおいて、周波数変換され、デジタル信号に変換されると、信号検出回路６により信号位置が検出される。このとき、信号検出回路６は、それぞれの受信装置５−１〜５−Ｑからの出力に対して個別に信号位置を検出して、これらの信号位置のうち、たとえば最も受信電力の高いものを対象として検出したブランチの信号位置を採用する。当該信号位置に基づいて検出されたＧＩ除去前のｉ番目の系列の受信信号ブロックは、インパルス応答および熱雑音を用いて

で与えられる。

ここで、

であり、Ｈ’ｉ，０およびＨ’ｉ，１は

で定義される（Ｍ＋Ｋ）×（Ｍ＋Ｋ）の行列である。（２８）式のＨは（３）式および（７）式で定義される。

復号回路７は、ＧＩ除去行列Ｒｃｐを用いてサイクリックプリフィックスの除去を行う。

を得る。ただし、インパルス応答の次数がサイクリックプリフィックス長以下であること、すなわちＫ≦Ｌ−１を仮定している。さらに、

とすると、

と表せる。
Ｃｉはその成分を書き下すことで、

と書ける。よって、Ｍ×ＭのＤＦＴ行列Ｄを用いて、

ここでは、アダプティブアレーのフィルタ係数ｗｉの更新をする際に、受信信号が干渉信号であるか、希望信号であるかでｗｉの更新方法を選択する。復号回路７において、受信されたパケットの制御信号部分が復号されると、送信している端末が自身宛に送信をしているのかを判定する。そして、自身宛の信号であると判定した場合、復号回路７は、Ｑ系列で受信された信号の既知信号部分を用いて、希望信号を送信している送信端末のＣｉを推定する（１≦ｉ≦Ｑ）。これはｓ（ｎ）として既知の系列を送信することで得ることができる。よって、ＣｉにＤＦＴを行うことで、Λｉ、すなわちＤＨｗｉを得る。１〜Ｑ系列の周波数領域でのチャネル行列Ｇを以下のように定義できる。

よって、ＤＨはＧを用いて、以下のように推定できる。

ここで†は疑似逆行列を表す。（３９）式で表せる行列をＧｗと定義すると、Ｑ＜Ｐの場合には、Ｇｗは［ｗ１ｗ２．．．ｗＱ］の逆行列の精度が低いため、本来のＤＨと完全には一致しない。これは、Ｑ≧Ｐの場合には、十分な自由度が得られるため、逆行列の精度は高くなるが、アナログフィルタ、結合器、受信装置の数を増やす必要がありコストが増大する。また、Ｑ≧Ｐの場合でも、熱雑音に対応する誤差は存在するため、得られたＧｗを忘却係数μｇを用いて逐次的に更新することで精度を高めることもできる。

ｋはｋ番目のステップを表す。Ｇｗの精度を高めるために、パケットの受信が終了するたびに、ｗｊ（ＱＳ＋ＱＩ＋１≦ｊ≦Ｑ）のアレーベクトルを変更することもできる。Ｇｗ、またはこのように得られたＧｗ（ｋ）をＧｗとして、相関行列〜Ｒ’ｍ（〜はＲの頭に付く、以下同様）は以下のように定義される。

このようにして得られた〜Ｒ’ｍを従来方法における〜Ｒ’ｍとして用いることで、アレーベクトルを更新できる。例えば、（２４）式と同様に

としてｗｉとしてｗｉ（ｋ＋１）を用いることで更新できる。また、このとき、ｗ１〜ｗＱｓがそれぞれ異なるベクトルに収束するように、異なる送信アンテナに対応するＨをそれぞれのアレーベクトルの計算に用いることができる。

すなわち、希望端末がＺ本の送信アンテナを有する場合に、各送信アンテナに対し、Ｈ（１）〜Ｈ（Ｚ）を推定する。ｐ番目の受信アンテナ素子におけるｑ番目の送信アンテナに対する通信路の（Ｍ×１）のインパルス応答ベクトルは

と定義される。

このＨ（ｑ）をＨとして、

Ｇｗ，ｑ、またはこのように得られたＧｗ，ｑ（ｋ）をＧｗとして、相関行列〜Ｒ’ｍ、ｑは以下のように定義される。

のようにして、Ｚ本の送信アンテナに対しそれぞれ相関行列を演算でき、ｑ番目の送信アンテナに対し、

として、送信アンテナに対し、それぞれアレーベクトルを演算できる。ここで、Ｑｓ＜Ｚの場合には、送信アンテナのうちＱｓ個を選択し、フィルタ係数を演算し、Ｑｓ＝Ｚの場合は、各送信アンテナに対し最適化したフィルタ係数を用いて受信装置５−１〜５−Ｑに出力し、Ｑｓ＞Ｚの場合には、受信装置５−１〜５−Ｑｓのうち複数の受信装置が同一の送信アンテナに対応し、フィルタ係数を演算する。このようにすると、いくつかの受信ウエイトが同一のフィルタ係数に収束するが、以下の方法を用いることにより解決できる。

また、このときｗ１〜ｗＱｓが同じベクトルに収束しないように、ｗ１〜ｗＱｓをノルムが１になるように規格化したうえで、

として、グラムシュミットの直交化法や、ＱＲ分解を用いて、互いに直交条件を満たすように制御することもできる。ここでμｗを１とすれば、完全に直交する条件となり、０＜μｗ＜１とすれば、直交条件を緩めることができ、完全な直交性は得られないが、信号電力が著しく低下することを防ぐことができる。

また、干渉信号に対するウエイトｗｉ（ＱＳ＋１≦ｉ≦ＱＳ＋ＱＩ）に対しては、相関行列〜Ｒ’ｍの代わりに、相関行列の逆行列〜Ｒ’ｍ^−１を用いることで、

の最大固有値に対応する固有ベクトル、すなわち

の最小固有値に対応する固有ベクトルに対応するアレーウエイトを得ることができる。

（２４）式の方式の例では、

としてｗｉとしてｗｉ（ｋ＋１）を用いることで更新できる。また、このときｗＱｓ＋１〜ｗＱｓ＋ＱＩが同じベクトルに収束しないように、それぞれ異なる送信アンテナについてのチャネル情報を用いてアレーベクトルを演算したり、ｗＱｓ＋１〜ｗＱｓ＋ＱＩをノルムが１になるように規格化したうえで、ＱＳ＋１≦ｉ≦ＱＳ＋ＱＩとなるｉに対して

と互いに直交条件を満たすように制御することもできる。ここでμｗを１と完全に直交する条件となり、０＜μｗ＜１とすれば、直交条件を緩めることができる。

次に、自身宛の信号ではないと判定した場合の制御動作を説明する。この場合受信している信号は干渉信号である。復号回路７は、Ｑ系列で受信された信号の既知信号部分を用いて、干渉信号を送信している送信端末のＣＩ，ｉを推定する（１≦ｉ≦Ｑ）。受信信号は以下のように表せる。

ここで、ＣＩ，ｉは干渉源となる通信相手との間で定義できる干渉チャネルＨＩを用いて

と表せる。ＣＩ，ｉは干渉源から送信される既知信号ｓ（ｎ）を送信することで得ることができる。よって、ＣＩ，ｉにＤＦＴを行うことで、ΛＩ，ｉ、すなわちＤＨＩｗｉを得る。

１〜Ｑ系列の周波数領域での干渉チャネル行列ＧＩを以下のように定義できる。

よって、ＤＨＩはＧＩを用いて、以下のように推定できる。

ここで†は疑似逆行列を表す。（５８）式で表せる行列をＧＩｗと定義すると、Ｑ＜Ｐの場合、ＧＩｗは［ｗ１ｗ２．．．ｗＱ］の逆行列の精度が低いため、本来のＤＨＩと完全には一致しない。Ｑ≧Ｐの場合は高い精度でＧＩｗを得ることができるが、熱雑音に対応する誤差は有する。このため、得られたＧＩｗを忘却係数μｇを用いて逐次的に更新することでＧＩｗの精度を高めることもできる。

ｋはｋ番目のステップを表す。ＧＩｗの精度を高めるために、パケットの受信が終了する度に、ｗｊ（ＱＳ＋ＱＩ＋１≦ｊ≦Ｑ）のアレーベクトルを変更することもできる。

ＧＩｗ、またはこのように得られたＧＩｗ（ｋ）をＧＩｗとして、相関行列〜Ｒ”ｍは以下のように定義される。

このようにして得られた〜Ｒ”ｍを用いることで、アレーベクトルを更新できる。例えば、（２４）式と同様に

としてｗｉとしてｗｉ（ｋ＋１）を用いることで更新できる。また、このときｗＱｓ＋１〜ｗＱｓ＋ＱＩが同じベクトルに収束しないように、複数の送信アンテナに対する相関行列〜Ｒ”ｍ，Ｉ〜〜Ｒ”ｍ，ｚを演算し、

として、それぞれ異なる送信アンテナに対して、アレーウエイトを演算することもできる。

または、ｗＱｓ＋１〜ｗＱｓ＋ＱＩをノルムが１になるように規格化したうえで、

と互いに直交条件を満たすように制御することもできる。ここでμｗを１とすれば、完全に直交する条件となり、０＜μｗ＜１とすれば、直交条件を緩めることができ、完全な直交性は得られないが、信号電力が著しく低下することを防ぐことができる。

また、希望信号に対するウエイトｗｉ（１≦ｉ≦ＱＳ）に対しては、相関行列〜Ｒ”ｍの代わりに、相関行列の逆行列〜Ｒ”ｍ^−１を用いることで、

の最大固有値に対応する固有ベクトル、すなわち

の最小固有値に対応する固有ベクトルに対応するアレーウエイトを得ることができる。（２４）式の方式の例では、

としてｗｉとしてｗｉ（ｋ＋１）を用いることで更新できる。

また、このときｗ１〜ｗＱｓが同じベクトルに収束しないように、ｗ１〜ｗＱｓをノルムが１になるように規格化したうえで、１≦ｉ≦ＱＳとなるｉに対して

＜第２の実施形態＞
前述した第１の実施形態では、アナログフィルタ３−ｉ−ｊとして、一つの係数ｗｉ，ｊを乗算することでアナログフィルタを実現する構成を示したが、￣ｗｉ，ｊ，１〜￣ｗｉ，ｊ，Ｎ（￣はｗの頭に付く、以下、同様）のＮ個の係数を畳み込み演算することで広帯域アダプティブアレーとして利用することができる。ブロードバンドフィルタは、図６に示すアナログフィルタ部３の各アナログフィルタに複数の係数を指定し、畳み込み演算を行うことが特徴である。広帯域アナログフィルタの構成を図２に示す。結合器４−ｉに出力するｊ番目のアンテナにフィルタ係数ｗｉ，ｊを用いていたところを、￣ｗｉ，ｊ，１〜￣ｗｉ，ｊ，Ｎを畳み込み演算することで得られる信号を出力している。結合器４−ｉ、受信装置５−ｉに出力する広帯域アナログフィルタのフィルタ係数ｗｉは，

と定義でき、（ＮＰ）×１ベクトルとなる。

広帯域アダプティブアレーにおける受信装置５−ｉにおける受信信号ベクトルは

で与えられる。ここで、Ｗｉ，ｐ，０とＷｉ，ｐ，１は

で定義される（Ｍ＋Ｋ）×（Ｍ＋Ｋ）の行列である。

サイクリックプリフィックス除去後のＭ×１の受信信号ブロックは、

と与えられる。ここで、Ｎ−１≦Ｋを満たすとすると、ＲｃｐＷｉ，ｐ，１＝０であり、Ｌ＋Ｎ−２≦Ｋのもとで、ＲｃｐＷｐ，０Ｈｐ，１＝０である。

よって、受信信号ｒ（ｎ）は

と表せる。周波数領域等化（ＦＤＥ）を行った際の出力となる時間領域の信号は

と推定でき、周波数領域の送信信号ｄ（ｎ）は、

と推定される。

ここで、

と定義すると、ＲｃｐＨｗ，ｉＴｃｐは巡回行列であることから、

と対角化できる。（７５）式におけるΓはΛＷ，ｉ^−１で与えられる。ＯＦＤＭにおけるＦＤＥ後の受信ブロックは、

となる。ただし、

である。

結合器４−ｉ、受信装置５−ｉに出力するｉ番目のフィルタ係数ベクトルｗｉは，ここでは、雑音電力を最小化するタップ重みを使用することができる。（７８）式の右辺第２項の雑音電力に係る項Λ_Ｗ，ｉ ^−１ＤＲ_ｃｐＮ_Ｗ，ｉ（ｎ）をタップ重みで微分する際に取り扱いやすい形にする。フィルタ係数ベクトルｗｉに対応する雑音電力Ｐ_ｎは

と表せる。

ＮＷ（ｎ）の相関行列は、付加雑音の白色性から

となる。（７５）式は

と書き直せる。

ここで、Ｗｉ，ｐは、

であり、

である。

ＤＦＴ行列のｋ行ｍ列の要素｛Ｄ｝ｋｍをｄｋ，ｍと定義すると、ΛＷ，ｉ^−１ＤＷｉ，ｐのｋ行目の非ゼロ成分は、テプリッツ行列の性質を利用することにより、下記のように計算できる。

また、

と定義することで、雑音電力は

と表せる。

ここで、ｗｉはアンテナ１〜Ｐの受信信号にかかるアレーウエイト全てを結合させたＰＮ×１の集合アレーウエイトであり、ΦｋはＤｋ^ＨＤｋをＰ個対角に並べたブロック対角行列であり、以下のＰＮ×ＰＮ行列で表せる。ｗｉは広帯域アナログフィルタの構成では、ＰＮ×１であることに注意する。

次に、λｉ，ｋを集合アレーウエイトｗｉを用いて表現することを考える。チャネルインパルス応答に注目すると、

と表記できる。ここで、テプリッツ行列の性質から、

ここで、Ｈｐは（Ｎ＋Ｌ−１）×Ｎの巡回行列、￣Ｈ（￣はＨの頭に付く、以下、同様）はＨ１〜ＨＰを用いて表せ、

と定義される。［λＷ，ｉ，１…λＷ，ｉ，Ｍ］は伝搬環境および図２におけるアナログフィルタ部を含めた通信路の周波数応答であり、

よって、

となる。ただし、ｄｋ＝［ｄｋ，１，．．．ｄｋ，Ｎ＋Ｌ−１］^Ｔである。これより、雑音電力Ｐｎ，ｉは

と表せる。

よって、このＰｎ，ｉを最小化するｗｉを決定することで、雑音電力を低減できる。ここで決定できるｗｉは希望端末からの受信信号を強めるものであり、第１の実施形態におけるｗｉ（１≦ｉ≦Ｑｓ）に対応する。ここで得られるｗｉもｗ１〜ｗＱｓが同一のベクトルに収束しないように、複数の送信アンテナに対し、それぞれアレーベクトルを演算できる。この場合、チャネル￣Ｈを希望端末の送信アンテナに対し、得られる￣Ｈ１〜￣ＨＺを用いることができる。また、ＱＳ＜Ｚの場合には、送信アンテナのうちＱｓ個を選択し、アレーベクトルを演算し、Ｑｓ＝Ｚの場合は、各送信アンテナに対し最適化したフィルタ係数を用いて受信装置５−１〜５−Ｑｓに出力し、Ｑｓ＞Ｚの場合には、受信装置５−１〜５−Ｑｓのうち複数の受信装置が同一の送信アンテナに対応し、アレーベクトルを演算する。このようにすると、いくつかのアレーベクトルが同一のフィルタ係数に収束するが、以下の方法を用いることにより解決できる。

ｗ１〜ｗＱｓが同じベクトルに収束しないように、ｗ１〜ｗＱｓをノルムが１になるように規格化したうえで、

また、チャネル￣Ｈ１〜￣ＨＺが干渉信号に対応するチャネルだとすると、干渉信号に対するアレーベクトルｗＱｓ＋１〜ｗＱｓ＋Ｑｎのウエイトを（９６）式から決定できる。

次に、干渉信号の受信信号を考える。干渉波のインパルス応答長をＲ、ｐ番目の受信アンテナ素子における通信路のインパルス応答ベクトルを［ｈＩ，ｐ，１，ｈＩ，ｐ，２，．．．，ｈＩ，ｐ，Ｒ］^Ｔとし、希望信号に対し定義されたＨｐ，０とＨｐ，１に対応するものとして、干渉信号に対しＨＩ，ｐ，０とＨＩ，ｐ，１をそれぞれ

で定義される（Ｍ＋Ｋ）×（Ｍ＋Ｋ）の行列とする。（７６）式における干渉信号に対応する受信信号￣ｒｉ，Ｐ（ｎ）（￣はｒの頭に付く、以下、同様）はＨＩ，ｐ，０とＨＩ，ｐ，１、および干渉ブロック信号￣ｉ（ｎ）（￣はｉの頭に付く、以下、同様）を用いて、

と書ける。

ただし、￣ｉ（ｎ）は希望信号に対するＤＦＴのタイミングと同期していない。Ｒ＋Ｎ−２≦Ｋを仮定するとＷｐ，０ＨＩ，ｐ，１＝０となることから、広帯域アレー出力で干渉信号成分をゼロにするための条件は

と与えられる。

ここで、

と定義すると、

となるようにフィルタ係数を設定すればよい。

雑音電力の低減と干渉除去を同時に満たすフィルタ係数を得るためには、例えば

を満たすｗｉを用いることもできる。ここで、γは雑音電力と干渉電力の重みを決定するパラメータである。この問題に対し、最急降下法を適用することにより局所最適解を導出し、これをウエイトとする。具体的なタップの更新式は、μをステップサイズパラメータとして、ｊ回目のイタレーション後のタップ重みをｗｉ（ｊ）と定義すると

で与えられる。ここで、

であり、第１の実施形態におけるｗｉ（１≦ｉ≦ＱＳ）に対応する。

ここで得られるｗ１〜ｗＱｎが同一のベクトルに収束しないように、ｗ１〜ｗＱｎをノルムが１になるように規格化し、

また、チャネル￣ＨＩ，１〜￣ＨＩ，Ｚを希望端末の信号に対応するチャネルだと考え、非希望端末の信号に対するアレーベクトルｗＱｓ＋１〜ｗＱｓ＋Ｑｎのウエイトを（１０４）式や（１０６）式から決定できる。

次に、図３を参照して、通信動作を説明する。図１に示す受信装置において、パケット信号が受信されると（ステップＳ１）、受信された信号の制御信号部から、パケット信号が自身宛であるかを判定し、自身宛であれば、希望信号として、自身宛でなければ干渉信号として判断する（ステップＳ２）。干渉信号であると判断された場合には、受信したパケットに含まれる既知信号から、干渉チャネル情報を取得し、（６１）式や（６２）式に基づき干渉信号に対するアレーウエイトを計算し（ステップＳ６）、干渉信号に対するアレーウエイトを更新する（ステップＳ７）。この干渉信号に対するアレーウエイトの更新はデータの受信中であっても行うことができる。また、さらに、（６６）式により、希望信号に対するアレーウエイトを計算し（ステップＳ６）、干渉信号に対するアレーウエイトを更新する（ステップＳ７）こともできる。

一方、希望信号であると判断された場合には、受信したパケットに含まれる既知信号から、チャネル情報を取得し、（４２）式や（４９）式を用いて希望信号に対するアレーウエイトを計算する（ステップＳ３）。または、（５３）式により、希望信号に対する受信電力を低減するように干渉信号に対するアレーウエイトを計算することもできる。チャネル情報を用いて、受信されたデータを復号し（ステップＳ４）、このデータの復号が完了した後（ステップＳ５）、希望信号に対する、または、干渉信号に対する、またはその両方のアレーウエイトの更新を行い（ステップＳ８）、パケット信号の受信を待つ。このように制御することで、アレーウエイトｗ１〜ｗＱｓから常に干渉パケットの影響が少なく、希望信号電力を高める受信信号が得られるため、干渉信号が到来している環境においても安定して希望信号を復号できる。また、アレーウエイトｗＱｓ＋１〜ｗＱｓ＋ＱＩは常に干渉をとらえているため、干渉パケットの受信を検出でき、干渉チャネル推定結果からアレーウエイトｗ１〜ｗＱｓ＋ＱＩの更新を円滑に行うことができる。

干渉信号と希望信号が重複して受信された際の受信装置の動作を図４と図５を参照して説明する。図４は、干渉信号のパケットが先に到来し、希望信号のパケットが重複して受信された例を示している。まず受信装置は、干渉信号の先頭の制御信号部（Ｐ）を受信し、この信号に含まれる既知信号からチャネル情報を推定し、宛先情報から自身が当該パケットの宛先でないことを判断し、干渉チャネル情報を得たことを判定する（図４（１））。このとき、ｗＱｓ＋１〜ｗＱｓ＋ＱＩの受信電力が、ｗ１〜ｗＱｓの受信電力より大きいことから、干渉信号であると判定することもできる。干渉チャネルと分かった場合にはただちに干渉チャネルを用いてアレーウエイトの更新を行う（図４（２））。アレーウエイトの更新により、ｗ１〜ｗＱｓは干渉信号を大きく抑圧するアレーウエイトになっており、ｗ１〜ｗＱｓのアレーウエイトで受信された受信信号により希望信号を検出できる。データの復号が終了した後、希望信号パケットと干渉信号パケットから得られたチャネル情報を用い、アレーウエイトの更新を行う（図４（４））。ただし、希望信号パケットの既知信号は干渉信号により劣化していることが考えられるため、干渉信号パケットの既知信号から推定されるチャネル情報のみを用いて、（６１）式、（６２）式により干渉信号に対し受信電力が高くなるように干渉信号に対するアレーウエイトｗＱｓ＋１〜ｗＱｓ＋ＱＩの更新をしたり、（６６）式により干渉信号に対する受信電力を低下させるように希望信号に対するアレーウエイトｗ１〜ｗＱｓを更新し、希望信号パケットの既知信号から推定されるチャネル情報を用いないこともできる。

また、図５は、希望信号のパケットが先に到来し、干渉信号のパケットが重複して受信された例を示している。まず受信装置は、希望信号の先頭の制御信号部（Ｐ）を受信し、この信号に含まれる既知信号からチャネル情報を推定し、宛先情報から自身が当該パケットの宛先であることを判断し、チャネル情報を得たことを判定する（図５（１））。このとき、ｗ１〜ｗＱｓの受信電力が、ｗＱｓ＋１〜ｗＱｓ＋ＱＩの受信電力より大きいことから、希望信号であると判定することもできる。希望信号のチャネルと分かった場合には、まずデータ信号の復号を行う。データの復号中にも、ｗＱｓ＋１〜ｗＱｓ＋ＱＩの受信信号に対し、信号位置検出をかけることもできる（図５（２））。データの復号が終了した後、希望信号パケットと干渉信号パケット希望信号から得られたチャネル情報を用い、アレーウエイトの更新を行う（図５（３））。ただし、干渉信号パケットの既知信号から推定されるチャネル情報の精度は希望信号により劣化していることが考えられるため、希望信号パケットの既知信号から推定されるチャネル情報のみを用い、希望信号に対するアレーウエイトと干渉信号に対するアレーウエイトを更新することができる。

以上説明したように、複数の受信アンテナのそれぞれに接続された複数のアナログフィルタのフィルタ係数を制御することにより、希望波の信号品質を改善するためのアンテナ指向性制御において、従来の技術では、干渉信号と希望信号とが異なるタイミングで受信される場合に、適切なフィルタ係数を算出できないという問題があった。本発明では、受信信号をＱ個の系列にコピーしてそれぞれの系列に対してフィルタ係数の集合であるアレーベクトルを互いに直交するように設定する。また、Ｑ個のうち、Ｑｓ個は希望信号の電力を高めるように、Ｑｉ個は干渉信号の電力を高めるようにフィルタ係数を設定する。そして、信号を受信した場合に、当該信号が希望信号か否かを判定し、希望信号である場合には、当該希望信号に含まれる既知信号を用いて相関行列を算出し、当該相関行列からＱｓ個のアレーベクトルを決定して更新する。また、当該相関行列の逆行列からＱｉ個のアレーベクトルを決定して更新する。一方、受信した信号が、干渉信号である場合には、当該干渉信号に含まれる既知信号を用いて相関行列を算出し、当該相関行列からＱｉ個のアレーベクトルを決定して更新する。また、当該相関行列の逆行列からＱｓ個のアレーベクトルを決定して算出する。このように構成することにより、干渉信号と希望信号とが同時に受信されない場合にも、それぞれの信号を検出した上で、適切なフィルタ係数（アレーベクトル）を設定することが可能となる。

なお、図１における処理部の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより無線信号の受信処理（フィルタ係数の算出処理）を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（ＲＡＭ）のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。

また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。

到来する信号が通信相手からのものか、非通信相手のものかを判断し、希望信号用のアレーウエイトと、干渉信号用のアレーウエイトを更新することで、非希望端末からの干渉信号をキャンセルしつつ、希望端末からの信号を受信する通信システムを実現することが不可欠な用途に適用できる。

１−１〜１−Ｐ・・・アンテナ、２−１〜２−Ｐ・・・分配器、３−１、３−２、３−Ｑ・・・アナログフィルタ部、３−１−１〜Ｐ、３−２−１〜Ｐ、３−Ｑ−１〜Ｐ・・・アナログフィルタ、４−１、４−２、４−Ｑ・・・結合器、５−１、５−２、５−Ｑ・・・受信装置、６・・・信号検出回路、７・・・復号回路、８・・・通信相手判定回路、９・・・フィルタ係数設定回路

Claims

複数のアンテナを備え、アナログフィルタを介して、希望端末からの無線信号を受信する受信装置における受信方法であって、
前記アナログフィルタを介して信号を受信する信号受信ステップと、
前記受信した信号が自受信装置宛であるか否かに基づき、前記受信した信号が干渉信号であるか希望信号であるかを判定する受信信号判定ステップと、
前記受信した信号が干渉信号であった場合に、干渉チャネル情報を用いて、干渉信号用と希望信号用の少なくとも一方の前記アナログフィルタのアレーウエイトをそれぞれ更新し、前記受信した信号が希望信号であった場合に、チャネル情報を用いて、希望信号用と干渉信号用の少なくとも一方の前記アナログフィルタのアレーウエイトをそれぞれ更新するアレーウエイト更新ステップとを有する、
ことを特徴とする受信方法。
前記アレーウエイト更新ステップは、
前記アレーウエイトが乗算されて推定された前記チャネル情報または干渉チャネル情報に対し、前記アレーウエイトから構成されるアレーウエイト行列の疑似逆行列を乗算することで、前記アンテナと前記希望端末間または前記アンテナと干渉端末間の干渉チャネル情報を復元し、得られたチャネル情報または干渉チャネル情報を用いて、前記アレーウエイトを決定して更新することを特徴とする請求項１に記載の受信方法。
前記アレーウエイト更新ステップは、
前記受信した信号が干渉信号であった場合に、前記干渉チャネル情報の相関行列を用いて前記干渉用アレーウエイトを更新するとともに、前記干渉チャネル情報の相関行列の逆行列を用いて前記希望信号用アレーウエイトを更新し、
前記受信した信号が希望信号であった場合に、前記チャネル情報の相関行列を用いて前記希望信号用アレーウエイトを更新するとともに、前記チャネル情報の相関行列の逆行列を用いて前記干渉信号用アレーウエイトを更新することを特徴とする請求項１に記載の受信方法。
前記アレーウエイト更新ステップは、前記受信した信号が干渉信号であった場合には直ちに前記アレーウエイトをそれぞれ更新し、前記受信した信号が希望信号であった場合には、データの復号完了後に、前記アレーウエイトをそれぞれ更新することを
特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の受信方法。
複数のアンテナを備え、アナログフィルタを介して、希望端末からの無線信号を受信する受信装置であって、
前記アナログフィルタを介して信号を受信する信号受信手段と、
前記受信した信号が自受信装置宛であるか否かに基づき、前記受信した信号が干渉信号であるか希望信号であるかを判定する受信信号判定手段と、
前記受信した信号が干渉信号であった場合に、干渉チャネル情報を用いて、干渉信号用と希望信号用の少なくとも一方の前記アナログフィルタのアレーウエイトをそれぞれ更新し、前記受信した信号が希望信号であった場合に、チャネル情報を用いて、希望信号用と干渉信号用の少なくとも一方の前記アナログフィルタのアレーウエイトをそれぞれ更新するアレーウエイト更新手段とを備える、
ことを特徴とする受信装置。
前記アレーウエイト更新手段は、
前記アレーウエイトが乗算されて推定された前記チャネル情報または干渉チャネル情報に対し、前記アレーウエイトから構成されるアレーウエイト行列の疑似逆行列を乗算することで、前記アンテナと前記希望端末間または前記アンテナと干渉端末間の干渉チャネル情報を復元し、得られたチャネル情報または干渉チャネル情報を用いて、前記アレーウエイトを決定して更新することを特徴とする請求項５に記載の受信装置。
前記アレーウエイト更新手段は、
前記受信した信号が干渉信号であった場合に、前記干渉チャネル情報の相関行列を用いて前記干渉用アレーウエイトを更新するとともに、前記干渉チャネル情報の相関行列の逆行列を用いて前記希望信号用アレーウエイトを更新し、
前記受信した信号が希望信号であった場合に、前記チャネル情報の相関行列を用いて前記希望信号用アレーウエイトを更新するとともに、前記チャネル情報の相関行列の逆行列を用いて前記干渉信号用アレーウエイトを更新することを特徴とする請求項５に記載の受信装置。