JP3064945B2 - 受信方法および受信装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、受信方法および
受信装置に関し、特に、ディジタル移動通信や無線ＬＡ
Ｎにおいて問題となるマルチパス対策のために、アダプ
ティブアレーアンテナと適応等化器の結合処理を行う受
信方法および受信装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ディジタル移動通信において高速伝送を
行うと周波数選択性フェージングの影響を受け伝送特性
が著しく劣化する。この周波数選択性フェージングを克
服するための強力な技術が必要となっている。従来のマ
ルチパス対策技術として代表的なものにアダプティブア
レーアンテナ技術と適応等化技術がある。アダプティブ
アレーアンテナ技術は遅延時間の長い遅延波は直接波と
は異なった方向から到来すると考えられることに基づい
ており、空間的パス分離の効果がある。アダプティブア
ンテナは複数のアンテナエレメントで構成され、各エレ
メントで受信される各到来パスの受信位相はそれぞれの
到来方向とエレメント配置から生ずる経路差に応じて異
なることを利用して指向性を制御する。

【０００３】アダプティブアンテナの制御法としては種
々の指導原理が公知であるが、図９に示すようなフィー
ドバックタイプが一般的であり、アレー出力と参照信号
との平均２乗誤差が最小となるように適応アルゴリズム
を用いてアレーウェイトを制御すると、指向性のナル点
を遅延波の到来方向に向け遅延波が抑圧される。アダプ
ティブアンテナは遅延時間の長い遅延波に対して抑圧効
果が高いという特徴がある。

【０００４】アダプティブアンテナに用いられるウェイ
ト決定アルゴリズムとしては、CMA(Constant Modulus A
lgorithm)アダプティブアレー、LMS(Least Mean Squar
e)アダプティブアレー、RLS(Recursive Least Squares)
アダプティブアレーやSMI(Sample Matrix Inversion)ア
レー等がある。なお、このようなアダプティブアンテナ
信号処理方式は、例えば、鷹尾和昭：”アダプティブア
ンテナ理論体系”，信学論（B-II），Vol.J75-B-II，N
o.11，pp.713-720（1992年11月発行）、小川恭孝，菊間
信良：”アダプティブアンテナ理論の進展と今後の展
望”，信学論（B-II），Vol.J75-B-II，No.11，pp.721-
732（1992年11月発行）あるいは、「ディジタル移動通
信のための波形等化技術」1996年6月トリケッフ゜ス発行、101-
116ヘ゜ーシ゛に記載されているように周知である。

【０００５】一方、適応等化技術は時間的パス合成の効
果がある。陸上移動通信用としては判定帰還形等化器(
DFE : Decision Feddback Equalizer )と最尤系列推定
器( MLSE : Maximum Likelihood Sequence Estimator )
が精力的に研究されている。MLSEは直接波と遅延波を有
効に合成できるため、その等化特性はDFEより優れてい
る。図１０は、MLSEの構成例を示すブロック図である。
MLSEにおいては、まず受信側で候補信号として既知のト
レーニング信号を入力し、受信信号からLMSアルゴリズ
ムやRLSアルゴリズムなどの適応アルゴリズムを用いて
チャネルインパルス応答を推定する。そして、推定され
たチャネルインパルス応答に基づき、レプリカ生成器が
候補信号から送信信号系列のレプリカを生成し、どのよ
うな送信信号系列が送信されたとすると受信信号系列に
近くなるかという基準で送信信号が推定される。

【０００６】この送信信号系列の推定には演算が効率的
なビタビアルゴリズムが使用される。更に、ビタビアル
ゴリズムの各状態毎にチャネルインパルス応答の推定を
行うことにより、判定遅延によるチャネルインパルス応
答推定における遅れ誤差を無くし、伝送路変動への追従
性が高められる。なお、MLSEについては、例えば「ディ
ジタル移動通信のための波形等化技術」1996年6月トリケッフ
゜ス発行,77-100ヘ゜ーシ゛に記載されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】アダプティブアレーア
ンテナにおいては、各到来パス間の角度が小さい場合に
は、不要波の到来方向にアンテナ指向性のナル点を向け
ようとするアレーの原理上、アレー出力SINR特性が劣化
するという問題点があり、またアダプティブアレーアン
テナはマルチパス波の中から選択的に1波のみを選択し
ていることから、到来波電力を有効に利用できないとい
う問題があった。

【０００８】一方、適応等化器は、設定している遅延波
の遅延シンボル数を越える長い遅延波が存在すると誤り
率特性が劣化するという問題点があり、また遅延シンボ
ル数の大きな遅延波に対処しようとすると、遅延シンボ
ル数の増加に伴い演算量が膨大になるといった問題があ
り、特にMLSEでは遅延シンボル数の増加と共に演算量が
指数関数的に増加してしまうという問題点があった。

【０００９】そのため、アダプティブアレーアンテナと
適応等化器はともに一長一短があり、それぞれを単独に
使用しただけでは効果的なマルチパス対策技術となりに
くいといった問題を生じていた。

【００１０】本発明の目的は、前記した従来技術の問題
点を解決し、アダプティブアレーアンテナにおける希望
波に対する近接遅延波存在下における特性劣化とMLSEに
おける遅延シンボル数の増加による演算量の増大を同時
に解決する、アダプティブアレーアンテナとMLSEの結合
処理を行う受信装置および受信方法を提供することにあ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決するために、お互いの欠点を補完できるような親和
性の高い構成とアルゴリズム採用して、アダプティブア
レーアンテナと適応等化器の結合を行ったところに特徴
がある。本発明においては、まず全てのアンテナからの
受信信号について直接波と遅延波のチャネルインパルス
応答の推定を行う。

【００１２】次に、直接波のインパルス応答をアレー出
力における直接波成分の応答を決定する拘束ベクトルと
して、アレーウェイトと最尤系列推定器のチャネルイン
パルス応答を同時に制御かつ推定する。また、同様の操
作を遅延波についても同様に行う。即ち、遅延波の応答
を拘束して遅延波を抽出する。このときビタビアルゴリ
ズムから直接波と遅延波の両方のチャネルインパルス応
答推定タップを用意しておく。

【００１３】トラッキングモードにおいては候補信号に
対してアレー出力と最尤系列推定器からのレプリカとの
誤差を計算する。また、同じ候補信号に対して遅延波抽
出用のアレーについても同様に行い、誤差を計算する。
これらの誤差からブランチメトリック合成を行ってビタ
ビアルゴリズムを用いて送信信号系列の推定を行う。そ
して、ビタビアルゴリズムの各状態毎の生き残りパスに
応じてアレーウェイトと最尤系列推定器におけるチャネ
ルインパルス応答を同時に更新する。

【００１４】本発明においては、各到来パスの到来角が
離れている場合、例えば直接波抽出用アレーは１シンボ
ル遅延波、２シンボル遅延波を抑圧して直接波成分を出
力する。MLSE部では直接波と１シンボル遅延波に対する
候補信号と推定インパルス応答によりアレー出力信号に
対するレプリカを生成することができるため、受信系列
の推定が可能である。

【００１５】また、遅延波抽出用アレーは例えば直接波
と２シンボル遅延波を抑圧して１シンボル遅延波成分を
出力する。MLSE部では直接波と１シンボル遅延波に対す
る候補信号と推定インパルス応答によりアレー出力信号
に対するレプリカを生成することができるため、やはり
系列の推定が可能である。更にこれらをブランチメトリ
ック合成を行って系列推定することにより直接波と１シ
ンボル遅延波の両方を用いて系列推定を行えるので、誤
り率特性が向上する。

【００１６】直接波と１シンボル遅延波の到来角が接近
している場合、直接波抽出用アレーには２シンボル遅延
波を抑圧して直接波成分と１シンボル遅延波が出力され
る。MLSE部では直接波と１シンボル遅延波に対する候補
信号と推定インパルス応答によりアレー出力信号に対す
るレプリカを生成することができるため、系列の推定が
可能である。

【００１７】また、遅延波抽出用アレーには２シンボル
遅延波を抑圧して直接波と１シンボル遅延波成分が出力
される。同様にMLSE部では直接波と１シンボル遅延波に
対する候補信号と推定インパルス応答によりアレー出力
信号に対するレプリカを生成することができるため、系
列の推定が可能である。更にこれらをブランチメトリッ
ク合成を行って系列推定することにより、SNR特性が向
上するので誤り率特性が向上する。なお、本発明の方式
は１シンボル遅延波だけでなく２シンボル遅延波や３シ
ンボル遅延波についても拡張することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して、本発明
の実施の形態を詳細に説明する。図２は、本発明の受信
装置のハードウェア構成例を示すブロック図である。ア
ダプティブアレーアンテナ１には、例えば、４素子から
８素子程度のリニアアレーアンテナや平面アレーアンテ
ナ等が使用される。線形復調器２は、例えば受信信号を
増幅し、周波数変換し、直交検波して、ベースバンドま
でダウンコンバートする。Ａ／Ｄ変換器３は、受信ベー
スバンド信号をＡ／Ｄ変換する。信号処理部４は、例え
ばＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）等により構成
され、後述するような、本発明に関するアダプティブア
レーアンテナ処理および適応形最尤系列推定器に関する
処理を実行する。

【００１９】図１は、図２の信号処理部４における本発
明の信号処理の実施例の構成を示す機能ブロック図であ
る。信号処理機能は大きく３つの部分に分けられる。直
接波抽出用アレー処理部は、直接波抽出用ステアリング
ベクタアレー１０および拘束条件付き適用アルゴリズム
１１からなり、各アレーアンテナの復調信号から直接波
を抽出するように動作する。

【００２０】拘束条件付き適用アルゴリズム１１は、ア
レー出力と参照信号との誤差から公知の適応アルゴリズ
ムを用いてアダプティブアレーのウェイトを制御する。
適応アルゴリズムとしては、簡易なLMS(Least Mean Squ
are)アルゴリズム、収束特性の優れるRLS(Recursive Le
ast Squares)アルゴリズム等を使用できる。

【００２１】１シンボル遅延波抽出用アレー処理部は、
直接波抽出用アレー処理部と同様に１シンボル遅延波抽
出用ステアリングベクタアレー１３および拘束条件付き
適用アルゴリズム１４からなる。アルゴリズム１４はア
ルゴリズム１１と同じものであり、各アレーアンテナの
復調信号から１シンボル遅延波を抽出するように動作す
る。

【００２２】アレー処理とMLSEの結合処理部は、アレー
出力推定器であるレプリカ生成器１２、１５および最尤
系列推定器１６等からなる。レプリカ生成器１２、１５
は、トランスバーサルフィルタ等を使用して、求められ
たチャネルインパルス応答（CIR）と既知のトレーニン
グ信号あるいは候補信号を畳み込んで希望波に対する参
照信号あるいはレプリカを生成する。最尤系列推定器１
６は、合成されたブランチメトリックに基づいて受信信
号系列を推定し、候補信号を出力する。

【００２３】図５は、各到来パスの到来角が離れている
場合のアレー処理部の動作を示す説明図である。このと
き、直接波抽出用アレー（#0）は１シンボル遅延波と２
シンボル遅延波を抑圧して直接波成分を出力する。図７
に示すMLSE部では直接波と１シンボル遅延波に対する候
補信号と推定インパルス応答によりアレー出力信号に対
するレプリカを生成することができるため、系列の推定
が可能である。遅延波抽出用アレー（#1）は直接波と２
シンボル遅延波を抑圧して１シンボル遅延波成分を出力
する。図７に示すMLSE部では直接波と１シンボル遅延波
に対する候補信号と推定インパルス応答によりアレー出
力信号に対するレプリカを生成することができるため、
やはり系列の推定が可能である。さらにこれらをブラン
チメトリック合成を行って系列推定することにより、直
接波と１シンボル遅延波の両方を用いて系列推定を行え
るので、誤り率特性が向上する。

【００２４】図６は、直接波と１シンボル遅延波の到来
角が接近している場合のアルゴリズムの動作を示す説明
図である。このとき直接波抽出用アレー（#0）には２シ
ンボル遅延波を抑圧して直接波成分と１シンボル遅延波
が出力される。図７に示すMLSE部では直接波と１シンボ
ル遅延波に対する候補信号と推定インパルス応答により
アレー出力信号に対するレプリカを生成することができ
るため、系列の推定が可能である。

【００２５】遅延波抽出用アレー（#1）には２シンボル
遅延波を抑圧して直接波と１シンボル遅延波成分が出力
される。MLSE部では直接波と１シンボル遅延波に対する
候補信号と推定インパルス応答によりアレー出力信号に
対するレプリカを生成することができる。よって系列の
推定が可能である。更にこれらをブランチメトリック合
成を行って系列推定することにより、アルゴリズムの収
束が十分でない場合の劣化を改善できるので誤り率特性
が向上する。また、１シンボル遅延波だけでなく２シン
ボル遅延波や３シンボル遅延波についても拡張すること
ができる。

【００２６】図７は、アレーアンテナ処理とMLSEの結合
処理構成を示す機能ブロック図である。受信信号をアレ
ーに通すと直接波と１シンボル遅延波がそれぞれ出力さ
れる。希望波レプリカ生成器であるアレー出力推定器
は、例えばトランスバーサルフィルタにより構成され、
直接波および１シンボル遅延波に相当する候補信号とそ
れぞれの推定チャネルインパルス応答とを畳み込んで、
各アレー出力に対するレプリカをそれぞれ生成する。そ
して、アレー出力とレプリカとの誤差の絶対値の２乗を
ブランチメトリックとしてビタビアルゴリズムを採用し
て送信信号の推定を行う。次にビタビアルゴリズムにお
ける生き残りパスに従って、ビタビアルゴリズムの各状
態毎にアレーウェイトベクトルとインパルス応答ベクト
ルの更新を行う。

【００２７】図８は、本発明の具体的実施例を示すブロ
ック図である。アレーウェイト制御用適応アルゴリズム
としては、例えば周知の単拘束LMSアルゴリズム等を使
用する。また、最尤系列推定器としてはビタビアルゴリ
ズムを使用することができる。動作について説明する
と、まず、各アレー処理部において、全てのアンテナか
らの受信信号について、直接波と１シンボル遅延波のチ
ャネルインパルス応答の推定を行う。次に、直接波のイ
ンパルス応答をアレー出力における直接波成分の応答を
決定する拘束ベクトルとしてアレーウェイトと最尤系列
推定器のチャネルインパルス応答を同時に制御かつ推定
する。また、同様の操作を１シンボル遅延波についても
同様に行う。すなわち、１シンボル遅延波の応答を拘束
して１シンボル遅延波を抽出する。このときビタビアル
ゴリズムから直接波と１シンボル遅延波の両方のチャネ
ルインパルス応答推定タップも用意しておく。

【００２８】トラッキングモードでは、候補信号に対し
てアレー出力と最尤系列推定器からのレプリカとの誤差
を計算する。また、同じ候補信号に対して１シンボル遅
延波抽出用のアレーについても同様に行い、誤差を計算
する。これらの誤差からブランチメトリックを求め、か
つ合成を行ってビタビアルゴリズムを用いて送信信号系
列の推定を行う。更に、ビタビアルゴリズムの各状態毎
の生き残りパスに応じてアレーウェイトと最尤系列推定
器におけるチャネルインパルス応答を同時に更新する。
図３、４に計算機シミュレーションによる結果を示す。
条件は変調方式がQPSK、復調方式は準同期検波とする。
アルゴリズムは上記の実施の形態のとおりであり、アレ
ーでは２組の処理を行ってそれぞれ直接波と１シンボル
遅延波の抽出を行う。また、MLSE部では、アレー出力信
号に対する直接波成分と１シンボル遅延波成分のインパ
ルス応答を推定するため、レプリカ生成用のタップはシ
ンボル間隔の２タップとする。そのため、ビタビアルゴ
リズム状態数は４状態とする。また、アンテナ配置は4
素子のＹ形アレーとしている。

【００２９】図３は、本発明による特性改善効果の一例
を示すグラフである。到来波の条件は３波とし、直接波
が10度方向から、1シンボル遅延波が-50度方向から、2
シンボル遅延波が40度方向から到来しているものとして
いる。本発明によれば、直接波だけでなく１シンボル遅
延波も利用できるため、直接波だけを利用する場合に比
べてビット誤り率特性が改善されていることがわかる。

【００３０】図４は、本発明による特性改善効果の他の
例を示すグラフである。到来波の条件は３波とし、直接
波が-50度方向から、1シンボル遅延波が-50度方向か
ら、2シンボル遅延波が40度方向から到来しているもの
とする。直接波と１シンボル遅延波が同一方向から到来
しているため、アレー出力には直接波成分だけでなく１
シンボル遅延波成分も出力されている。従って、直接波
に対してシンボル判定を行うと誤り率特性が劣化する。
しかし、本発明によれば、MLSE部で直接波と１シンボル
遅延波に対する系列推定器を用意してあるので誤り率特
性が改善される。

【００３１】

【発明の効果】以上述べたように、本発明においては、
直接波および遅延波の到来角度差によらず各希望波成分
をそれぞれ別のアレーで取り込んで、最尤系列推定器で
合成することができ、また、複数のブランチメトリック
を合成してビタビアルゴリズムを適用するので、ビタビ
アルゴリズムの状態数も実現可能な範囲に抑えることが
できる。従って、マルチパス分離・合成性能が向上する
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】信号処理部４における本発明の信号処理の実施
例の構成を示す機能ブロック図である。

【図２】本発明の受信装置のハードウェア構成例を示す
ブロック図である。

【図３】本発明による特性改善効果の一例を示すグラフ
である。

【図４】本発明による特性改善効果の他の例を示すグラ
フである。

【図５】各パスの到来角が離れている場合のアレー処理
部の動作を示す説明図である。

【図６】各パスの到来角が接近している場合のアレー処
理部の動作を示す説明図である。

【図７】アレー処理とMLSEの結合処理構成を示す機能ブ
ロック図である。

【図８】本発明の具体的実施例を示すブロック図であ
る。

【図９】従来のアレーアンテナの制御法を示す機能ブロ
ック図である。

【図１０】従来のMLSEの構成例を示す機能ブロック図で
ある。

【符号の説明】

１…アレーアンテナ、２…線形復調器、３…Ａ／Ｄ変換
器、４…信号処理部、１０、１３…アダプティブアレー
処理部、１１、１４…適応アルゴリズム、１２、１５…
レプリカ生成器、１６…最尤系列推定器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−41607（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−36638（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−182968（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01Q 3/26 - 3/42 H04B 1/10 H04B 7/26

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】下記の（１）から（５）の工程を含む、ア
   ダプティブアレーアンテナ処理と適応形最尤系列推定処
   理を結合した受信方法。 （１）すべてのアンテナからの受信信号について直接波
   および遅延波のチャネルインパルス応答の推定を行う工
   程。 （２）直接波および遅延波のインパルス応答をアレー出
   力における直接波および遅延波成分の応答を決定する拘
   束ベクトルとして、直接波抽出用アレーと遅延波抽出用
   のアレーのアレーウェイトおよび対応する最尤系列推定
   器のチャネルインパルス応答をそれぞれ同時に制御かつ
   推定する工程。 （３）候補信号に対して直接波抽出用アレーと遅延波抽
   出用のアレーの出力および対応する最尤系列推定器から
   のレプリカとの誤差をそれぞれ計算する工程。 （４）工程（３）の誤差に基づきブランチメトリック合
   成を行って最尤系列推定器を用いて送信信号系列の推定
   を行う工程。 （５）最尤系列推定器の各状態毎の生き残りパスに応じ
   て直接波抽出用アレーと遅延波抽出用のアレーのアレー
   ウェイトおよび対応する最尤系列推定器におけるチャネ
   ルインパルス応答を同時に更新する工程。
2. 【請求項２】前記適応形最尤系列推定器としてビタビア
   ルゴリズムを採用したことを特徴とする請求項１に記載
   の受信方法。
3. 【請求項３】直接波抽出用のステアリングベクタアレー
   手段と、 遅延波抽出用のステアリングベクタアレー手段と、 前記複数のアレー手段に対応し、アレー手段の出力とア
   レー出力推定器の出力との誤差信号に基づきアレーウェ
   イトおよびチャネルインパルス応答をそれぞれ同時に制
   御かつ推定するアレーウェイト制御手段と、 前記複数のアレー手段に対応し、アレーウェイト制御手
   段から出力されるチャネルインパルス応答に基づいて直
   接波および遅延波の合成波であるレプリカを生成する複
   数のアレー出力推定手段と、 前記誤差信号に基づき、それぞれブランチメトリックを
   計算し、複数のブランチメトリックの合成を行うブラン
   チメトリック合成手段と、 ブランチメトリック合成手段の出力に基づきビタビアル
   ゴリズムを用いて送信信号系列の推定を行い、前記アレ
   ー出力推定手段に候補信号を出力する最尤系列推定手段
   とを備えたことを特徴とするアダプティブアレーと最尤
   系列推定器の結合した受信装置。