JP3548156B2

JP3548156B2 - アダプティブアレイ無線装置

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Publication number: JP3548156B2
Application number: JP2001394485A
Authority: JP
Inventors: 真琴永井; 健雄宮田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2001-12-26
Filing date: 2001-12-26
Publication date: 2004-07-28
Anticipated expiration: 2021-12-26
Also published as: JP2003198508A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、リアルタイムにアンテナ指向性を変更可能な無線装置の構成に関し、特に、アダプティブアレイ無線基地局において用いられる無線装置の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、移動通信システムにおいて、周波数の有効利用を図るべく種々の伝送チャネル割当方法が提案されており、その一部のものは実用化されている。
【０００３】
図１０は周波数分割多重接続（ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅＡｃｃｅｓｓ：ＦＤＭＡ），時分割多重接続（ＴｉｍｅＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅＡｃｃｅｓｓ：ＴＤＭＡ）およびＰＤＭＡ（ＰａｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅＡｃｃｅｓｓ）の各種の通信システムにおけるチャネルの配置図である。
【０００４】
まず、図１０を参照して、ＦＤＭＡ，ＴＤＭＡおよびＰＤＭＡについて簡単に説明する。図１０（ａ）はＦＤＭＡを示す図であって、異なる周波数ｆ１〜ｆ４の電波でユーザ１〜４のアナログ信号が周波数分割されて伝送され、各ユーザ１〜４の信号は周波数フィルタによって分離される。
【０００５】
図１０（ｂ）に示すＴＤＭＡにおいては、各ユーザのデジタル化された信号が、異なる周波数ｆ１〜ｆ４の電波で、かつ一定の時間（タイムスロット）ごとに時分割されて伝送され、各ユーザの信号は周波数フィルタと基地局および各ユーザ移動端末装置間の時間同期とにより分離される。
【０００６】
一方、最近では、携帯型電話機の普及により電波の周波数利用効率を高めるために、ＰＤＭＡ方式が提案されている。このＰＤＭＡ方式は、図１０（ｃ）に示すように、同じ周波数における１つのタイムスロットを空間的に分割して複数のユーザのデータを伝送するものである。このＰＤＭＡでは各ユーザの信号は、周波数フィルタと基地局および各ユーザ移動端末装置間の時間同期とアダプティブアレイ（ａｄａｐｔｉｖｅａｒｒａｙ）などの相互干渉除去装置とを用いて分離される。
【０００７】
このようなアダプティブアレイ技術によれば、各ユーザ端末のアンテナからの上り信号は、基地局のアレイアンテナによって受信されアダプティブアレイ処理により受信指向性を伴って分離抽出される。一方、基地局から当該端末への下り信号は、端末のアンテナに対する送信指向性を伴ってアレイアンテナから送信される。
【０００８】
［従来のアダプティブアレイアンテナの構成および動作］
たとえば、アダプティブアレイを備えた無線基地局が、ユーザＡおよびＢの双方からの混合した電波信号を受信するものとする。このとき、この無線基地局では、ユーザＡおよびＢの双方からの信号が混じった信号を、アレイアンテナを構成する複数のアンテナを介して受信して、各アンテナからの受信信号に対して、適応的に重みベクトルを乗算することで、本来通話すべきユーザ、たとえば、ユーザＡからの信号を分離抽出する。
【０００９】
このようなアダプティブアレイ処理は周知の技術であり、たとえば、文献１：菊間信良著の「アレーアンテナによる適応信号処理」（科学技術出版）の第３５頁〜第４９頁の「第３章ＭＭＳＥアダプティブアレー」に詳細に説明されている。
【００１０】
なお、以下の説明においては、このようなアダプティブアレイ処理を用いて端末に対する下りの送信指向性制御を行なう基地局を、「アダプティブアレイ無線基地局」と称する。
【００１１】
［ユーザの識別、トレーニング信号］
なお、前記のユーザＡ，Ｂの識別は次のように行なわれる。
【００１２】
図１１は、携帯電話機の電波信号のフレーム構成を示す概略図である。携帯電話機の電波信号は大きくは、無線基地局にとって既知の信号系列からなるプリアンブルと、無線基地局にとって未知の信号系列からなるデータ（音声など）とから構成される。
【００１３】
プリアンブルの信号系列は、当該ユーザが無線基地局にとって通話すべき所望のユーザかどうかを見分けるための情報の信号系列を含んでいる。アダプティブアレイ無線基地局では、メモリ中に予め格納しておいたトレーニング信号と、受信した信号系列とを対比し、さらに、受信信号の受信タイミングに基づいて、ユーザＡに対応する信号系列を含んでいると思われる信号を抽出するようにウエイトベクトル制御（重みの決定）を行なう。このようにして抽出されたユーザＡの信号は、アダプティブアレイ無線基地局から外部に出力される。
【００１４】
一方、送信信号については、アダプティブアレイ無線基地局は、先に受信信号に基づいて算出されたウェイトベクトルをコピーして、この送信信号に乗算した信号をそれぞれ、アレイアンテナの対応するアンテナから送信する。
【００１５】
ここで、受信時と同じアレイアンテナを用いて送信される信号には、受信信号と同様にユーザＡをターゲットとする重み付けがされているため、送信された電波信号はあたかもユーザＡに対する指向性を有するかのようにユーザＡの携帯電話機により受信される。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ＰＤＭＡ方式では、同一チャネル干渉を除去する技術が必要である。この点で、干渉波に適応的にヌルを向けるアダプティブアレイは、希望波のレベルより干渉波のレベルが高い場合でも効果的に干渉波を抑制できるため、有効な手段である。
【００１７】
ところで、基地局にアダプティブアレイを用いた場合には、受信時の干渉除去だけではなく、送信時に不要な放射を低減することも可能である。
【００１８】
このとき、送信時のアレイパターンは、上述したように、受信時のアレイパターンを用いるばかりでなく、到来方向推定などの結果から新たに生成する手法が考えられる。後者はＦＤＤ（ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＤｉｖｉｓｉｏｎＤｕｐｌｅｘ）、ＴＤＤ（ＴｉｍｅＤｉｖｉｓｉｏｎＤｕｐｌｅｘ）を問わず適用することができるが、複雑な処理が必要となる。一方、前者をＦＤＤで用いる場合、送受信のアレイパターンが異なるため、アレイ配置やウエイトなどの補正が必要となる。このため、一般には、ＴＤＤでの適用が前提となる。
【００１９】
ここで、基地局にアダプティブアレイを用いたＴＤＤ／ＰＤＭＡ方式では、上り回線で得られたアレイパターン（ウェイトベクトルパターン）を下り回線で使用する際に、角度広がりのある動的なレイリー伝搬度を想定した場合には、上下回線間の時間差により下り回線で送信指向性が劣化する場合がある。
【００２０】
つまり、上り回線（アップリンク）でユーザ端末から基地局に電波が送信されてから、逆に基地局から下り回線（ダウンリンク）によりユーザ端末に電波を射出するまでに時間間隔があるため、ユーザ端末の移動速度が無視できない場合、基地局からの電波の射出方向と実際のユーザ端末の存在する方向との誤差のために送信指向性が劣化してしまうためである。このような送信指向性が劣化に対応するためには、たとえば、上り回線での受信応答ベクトルから外挿処理などにより、下り回線での応答ベクトルを推定して、この推定値に基づいて、送信時のウェイトベクトルを導出する等の手続きを行う必要がある。
【００２１】
しかしながら、受信信号のノイズやサンプリング誤差などにより上り回線で推定された受信応答ベクトルに推定誤差があれば、伝搬路のフェージングの程度に応じて外挿処理の結果に誤差が生じ、下り回線の送信応答ベクトルを正確に推定できず、ひいては良好な送信指向性制御を行なうことができなくなる。したがって、外挿誤差の発生を防止するには、伝搬路のフェージングの程度すなわちドップラー周波数を知る必要がある。
【００２２】
時間的に前後する受信信号に含まれる基準信号の相関値を求めてフェージングの程度を推定する方法が従来から提案されており、たとえば、一例として、特開平７−１６２３６０号公報に開示されている。しかしながら、このような従来の方法では、受信信号そのものに含まれる基準信号を用いて相関値の計算を行なっているため干渉成分を多く含み、正確な推定が困難であるという問題があった。
【００２３】
そればかりではなく、仮にフェージングの値の推定を行うことが可能であるとしても、アダプティブアレイアンテナを用いて通信を行っている場合に、ユーザ端末との間の通信のフェージングの影響を有効に抑制しつつ、かつ、良好な通信品質を維持することが、通信環境によっては困難であるという問題があった。
【００２４】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、受信信号における干渉成分の影響を抑制しつつ、ユーザ端末についてのドップラー周波数を複数のアンテナの各々に対して推定することにより、異なる時刻間でフェージングによる変動量の少ないアンテナを所定数だけ選択して使用し、移動端末に対して良好な下り通信品質を維持することが可能なアダプティブアレイ無線装置を提供することである。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
この発明は、リアルタイムにアンテナ指向性を変更し、複数の端末との間で信号の送受信を時分割で行なうアダプティブアレイ無線装置であって、離散的に配置された複数のアンテナと、前記複数のアンテナからの信号に基づいてアダプティブアレイ処理により前記複数の端末のうち特定の端末装置からの信号を分離するための受信信号分離手段と、前記特定の端末との間の伝搬路のドップラー周波数を前記アンテナごとに推定し、前記複数のアンテナのうち対応するドップラー周波数の小さいものから所定数のアンテナを選択するドップラー周波数推定手段と、前記複数のアンテナで受信した信号に基づいて、前記特定の端末からの伝搬路の受信応答ベクトルを推定する受信伝搬路推定手段と、前記受信伝搬路推定手段によって推定された時間的に前後する受信応答ベクトルに基づいて前記アンテナごとに相関値を算出する相関演算手段と、予め経験的に決定された相関値とドップラー周波数との対応関係に基づいて、前記相関演算手段によって算出された相関値に対応するドップラー周波数を推定し、前記所定数のアンテナを選択する推定選択手段と、を含み、前記受信伝搬路推定手段の推定結果と前記ドップラー周波数推定手段の推定結果とに基づいて、選択された前記所定数のアンテナを用いて、前記特定の端末に対して送信指向性を有する送信信号を送出するための送信指向性形成手段とを備える。
【００２６】
好ましくは、前記アダプティブアレイ無線装置において、前記相関演算手段は、同一スロットの前半における受信応答ベクトルと、後半における受信応答ベクトルとに基づいて前記相関値を算出する。
【００２７】
好ましくは、前記アダプティブアレイ無線装置において、前記相関演算手段は、現在のフレームのスロットにおける受信応答ベクトルと、直前のフレームのスロットにおける受信応答ベクトルとに基づいて前記相関値を算出する。
【００２８】
好ましくは、前記アダプティブアレイ無線装置において、前記相関演算手段は、現在のフレームのスロットにおける受信応答ベクトルと、過去のフレームのスロットのうち受信エラーが無かった最も直近のスロットにおける受信応答ベクトルとに基づいて前記相関値を算出する。
【００３０】
【発明の実施の形態】
［送信ウェイトベクトルを推定して送信指向性を制御する構成］
以下に詳しく説明するように、本発明のアダプティブアレイ無線基地局は、フェージングの推定を各アンテナごとに行い、アンテナを適応的に選択しつつ、良好な通信品質を維持することを目的とする。
【００３１】
そこで、まず、本発明のアダプティブアレイ無線基地局の構成を説明する前提として、ＰＤＭＡ用基地局の無線装置において、送信ウェイトベクトルを推定して送信指向性を制御する構成および動作について、説明しておく。
【００３２】
図１は、送信ウェイトベクトルを推定して送信指向性を制御するＰＤＭＡ用基地局の無線装置（無線基地局）１０００の構成を示す概略ブロック図である。
【００３３】
図１に示した構成においては、ユーザＰＳ１とＰＳ２とを識別するために、４本のアンテナ♯１〜♯４が設けられている。ただし、アンテナの本数としては、より一般的にＮ本（Ｎ：自然数）であってもよい。
【００３４】
図１に示した送受信システム１０００では、アンテナ♯１〜♯４からの信号を受けて、対応するユーザ、たとえば、ユーザＰＳ１からの信号を分離するための受信部ＳＲ１およびユーザＰＳ１への信号を送信するための送信部ＳＴ１が設けられている。アンテナ♯１〜♯４と受信部ＳＲ１および送信部ＳＴ１との接続は、スイッチ１０−１〜１０−４により、選択的に切換えられる。
【００３５】
すなわち、それぞれのアンテナで受信された受信信号ＲＸ１（ｔ），ＲＸ２（ｔ），ＲＸ３（ｔ），ＲＸ４（ｔ）は、対応するスイッチ１０−１，１０−２，１０−３，１０−４を介して受信部ＳＲ１に入り、受信ウェイトベクトル計算機２０、受信応答ベクトル計算機２２に与えられるとともに、対応する乗算器１２−１，１２−２，１２−３，１２−４の一方入力にそれぞれ与えられる。
【００３６】
これらの乗算器の他方入力には、受信ウェイトベクトル計算機２０からそれぞれのアンテナでの受信信号に対する重み係数ｗｒｘ１１，ｗｒｘ２１，ｗｒｘ３１，ｗｒｘ４１が印加される。これらの重み係数は、従来例と同様に、受信ウェイトベクトル計算機２０により、リアルタイムで算出される。
【００３７】
送信部ＳＴ１は、受信応答ベクトル計算機２２において算出された受信応答ベクトルを受けて、後に説明するように、送信時での伝搬路を推定、すなわち、送信時点での仮想的な受信応答ベクトルを推定することで送信応答ベクトルを求める送信応答ベクトル推定機３２と、送信応答ベクトル推定機３２との間でデータを授受し、データを記憶保持するメモリ３４と、送信応答ベクトル推定機３２の推定結果に基づいて、送信ウェイトベクトルを算出する送信ウェイトベクトル計算機３０と、それぞれ一方入力に送信信号を受け、他方入力に送信ウェイトベクトル計算機３０からの重み係数ｗｔｘ１１，ｗｔｘ２１，ｗｔｘ３１，ｗｔｘ４１が印加される乗算器１５−１，１５−２，１５−３，１５−４とを含む。乗算器１５−１，１５−２，１５−３，１５−４からの出力は、スイッチ１０−１〜１０−４を介して、アンテナ＃１〜＃４に与えられる。
【００３８】
なお、図１には図示していないが、受信部ＳＲ１および送信部ＳＴ１と同様の構成が、各ユーザに対しても設けられている。
【００３９】
［アダプティブアレイの動作原理］
受信部ＳＲ１の動作を簡単に説明すると以下のとおりである。
【００４０】
アンテナで受信された受信信号ＲＸ１（ｔ），ＲＸ２（ｔ），ＲＸ３（ｔ），ＲＸ４（ｔ）は、以下の式で表される。
【００４１】
【数１】

【００４２】
ここで、信号ＲＸｊ（ｔ）は、ｊ番目（ｊ＝１，２，３，４）のアンテナの受信信号を示し、信号Ｓｒｘｉ（ｔ）は、ｉ番目（ｉ＝１，２）のユーザが送信した信号を示す。
【００４３】
さらに、係数ｈｊｉは、ｊ番目のアンテナに受信された、ｉ番目のユーザからの信号の複素係数を示し、ｎｊ（ｔ）は、ｊ番目の受信信号に含まれる雑音を示している。
【００４４】
上の式（１）〜（４）をベクトル形式で表記すると、以下のようになる。
【００４５】
【数２】

【００４６】
なお式（６）〜（８）において、［…］^Ｔは、［…］の転置を示す。
ここで、Ｘ（ｔ）は入力信号ベクトル、Ｈｉはｉ番目のユーザの受信応答ベクトル、Ｎ（ｔ）は雑音ベクトルをそれぞれ示している。
【００４７】
アダプティブアレイアンテナは、図１に示したように、それぞれのアンテナからの入力信号に重み係数ｗｒｘ１ｉ〜ｗｒｘ４ｉを掛けて合成した信号を受信信号ＳＲＸ（ｔ）として出力する。
【００４８】
さて、以上のような準備の下に、たとえば、１番目のユーザが送信した信号Ｓｒｘ１（ｔ）を抽出する場合のアダプティブアレイの動作は以下のようになる。
【００４９】
アダプティブアレイからの出力信号ｙ１（ｔ）は、入力信号ベクトルＸ（ｔ）とウエイトベクトルＷ１のベクトルの掛算により、以下のような式で表わすことができる。
【００５０】
【数３】

【００５１】
すなわち、ウエイトベクトルＷ１は、ｊ番目の入力信号ＲＸｊ（ｔ）に掛け合わされる重み係数ｗｒｘｊ１（ｊ＝１，２，３，４）を要素とするベクトルである。
【００５２】
ここで式（９）のように表わされたｙ１（ｔ）に対して、式（５）により表現された入力信号ベクトルＸ（ｔ）を代入すると、以下のようになる。
【００５３】
【数４】

【００５４】
ここで、アダプティブアレイが理想的に動作した場合、周知な方法により、ウエイトベクトルＷ１は次の連立方程式を満たすようにウエイトベクトル制御部１１により逐次制御される。
【００５５】
【数５】

【００５６】
式（１２）および式（１３）を満たすようにウエイトベクトルＷ１が完全に制御されると、アダプティブアレイからの出力信号ｙ１（ｔ）は、結局以下の式のように表わされる。
【００５７】
【数６】

【００５８】
すなわち、出力信号ｙ１（ｔ）には、２人のユーザのうちの第１番目のユーザが送信した信号Ｓｒｘ１（ｔ）が得られることになる。
【００５９】
［無線装置１０００の動作の概要］
図２は、この発明の前提となる無線装置１０００の基本的な動作の概要を説明するためのフローチャートである。
【００６０】
無線装置１０００においては、アダプティブアレイのウエイトベクトル（重み係数ベクトル）が各アンテナ素子における受信応答ベクトルにより一意に表わせることに着目し、受信応答ベクトルの時間変動を推定することによって間接的にウエイトを推定する。
【００６１】
まず、受信部ＳＲ１において、受信信号に基づいて、受信信号の伝搬路の推定を行う（ステップＳ１００）。伝搬路の推定は、式（１）〜（４）において、ユーザから送られる信号のインパルス応答を求めることに相当する。
【００６２】
言い換えると、式（１）〜（４）において、たとえば、受信応答ベクトルＨ１が推定できれば、ユーザＰＳ１からの信号受信時の伝送路の推定が行えることになる。
【００６３】
つづいて、送信応答ベクトル推定機３２が、送信時の伝搬路の予測、すなわち、受信時の受信応答ベクトルから送信時点での受信応答ベクトルの予測を行う（ステップＳ１０２）。この予測された受信応答ベクトルが送信時の送信応答ベクトルに相当する。
【００６４】
さらに、送信ウェイトベクトル計算機３０が、予測された送信応答ベクトルに基づいて、送信ウェイトベクトルの計算を行い、乗算器１５−１〜１５−４に出力する（ステップＳ１０４）。
【００６５】
［受信応答ベクトル計算機２２の動作］
つぎに、図１に示した受信応答ベクトル計算機２２のこの発明の前提となる基本的な動作について説明する。
【００６６】
まず、アンテナ素子数を４本、同時に通信するユーザ数を２人とした場合、各アンテナを経て受信回路から出力される信号は、上述した式（５）〜（８）で表わされる。
【００６７】
【数７】

【００６８】
ここで、アダプティブアレイが良好に動作していると、各ユーザからの信号を分離・抽出しているため、上記信号Ｓｒｘｉ（ｔ）（ｉ＝１，２）はすべて既知の値となる。
【００６９】
このとき、信号Ｓｒｘｉ（ｔ）が既知の信号であることを利用して、受信応答ベクトルＨ１＝［ｈ１１，ｈ２１，ｈ３１，ｈ４１］およびＨ２＝［ｈ１２，ｈ２２，ｈ３２，ｈ４２］を以下に説明するようにして導出することができる。
【００７０】
すなわち、受信信号と既知となったユーザ信号、たとえば第１のユーザからの信号Ｓｒｘ１（ｔ）を掛け合わせて、アンサンブル平均（時間平均）を計算すると以下のようになる。
【００７１】
【数８】

【００７２】
式（１６）において、Ｅ［…］は、時間平均を示し、Ｓ＊（ｔ）は、Ｓ（ｔ）の共役複素を示す。この平均をとる時間が十分長い場合、この平均値は以下のようになる。
【００７３】
【数９】

【００７４】
ここで、式（１８）の値が０となるのは、信号Ｓｒｘ１（ｔ）と信号Ｓｒｘ２（ｔ）に互いに相関がないためである。また、式（１９）の値が０となるのは、信号Ｓｒｘ１（ｔ）と雑音信号Ｎ（ｔ）との間に相関がないためである。
【００７５】
したがって、式（１６）のアンサンブル平均は結果として以下に示すように、受信応答ベクトルＨ１に等しくなる。
【００７６】
【数１０】

【００７７】
以上のような手続により、第１番目のユーザＰＳ１から送信された信号の受信応答ベクトルＨ１を推定することができる。
【００７８】
同様にして、入力信号ベクトルＸ（ｔ）と信号Ｓｒｘ２（ｔ）のアンサンブル平均操作を行なうことで、２番目のユーザＰＳ２から送信された信号の受信応答ベクトルＨ２を推定することが可能である。
【００７９】
上述のようなアンサンブル平均は、たとえば、受信時の１つのタイムスロット内の先頭の所定数のデータシンボル列と最後尾の所定数のデータシンボル列について行われる。
【００８０】
［送信応答ベクトルの推定］
図３は、この発明の前提となる送信応答ベクトル推定機３２の基本的な動作を説明するための概念図である。ＰＤＭＡバーストとして上下回線にそれぞれ４ユーザずつ割当てた８スロット構成を考える。スロットの構成は、たとえば、先頭の３１シンボルを第１のトレーニングシンボル列、後続の６８シンボルをデータシンボル列、さらに最後尾の３１シンボルを第２のトレーニングシンボル列とする。
【００８１】
上述のとおり、上り回線スロットの先頭および最後尾にトレーニングシンボル列を設け、上述の受信応答ベクトル計算機２２のアルゴリズムを用いて両方の受信応答ベクトルを算出する。
【００８２】
そして、外挿処理（直線外挿）により下り回線用の受信応答ベクトルを推定する。
【００８３】
すなわち、受信応答ベクトルの要素の任意の１つの時刻ｔにおける値をｆ（ｔ）とすると、上り回線スロットの先頭トレーニングシンボル列の時刻ｔ０での値ｆ（ｔ０）と、上り回線スロットの最後尾トレーニングシンボル列の時刻ｔ１での値ｆ（ｔ１）とに基づいて、下り回線スロットの時刻ｔにおける値ｆ（ｔ）は、以下のように予測できる。
【００８４】
ｆ（ｔ）＝［ｆ（ｔ１）−ｆ（ｔ０）］／（ｔ１−ｔ０）×（ｔ−ｔ０）＋ｆ（ｔ０）
なお、以上の説明では、上り回線スロットの先頭と最後尾にトレーニングシンボル列を設け、一次外挿することとしたが、さらに、上り回線スロットの中央部にもトレーニングシンボル列を設け、受信応答ベクトルの上り回線スロット中の３点の値から、時刻ｔの値ｆ（ｔ）を２次外挿で推定する構成としてもよい。もしくは、上り回線スロット中のトレーニングシンボル列を設ける位置を増やせば、さらに高次の外挿を行うことも可能である。
【００８５】
このようにして推定を行った送信応答ベクトルに基づいて、送信ウェイトベクトル計算機３０が、送信ウェイトベクトルｗｔｘｊ１（ｊ＝１，２，３，４）を計算する。
【００８６】
［図３の送信応答ベクトル推定の問題点］
しかしながら、たとえば受信応答ベクトルが、ノイズやサンプリング誤差による推定誤差のために振幅方向にずれた場合、これらの受信応答ベクトルに基づいて、直線外挿を行なえば、送信タイミングにおける送信応答ベクトルはさらに大きく振幅方向にずれてしまい、誤った送信応答ベクトルを推定してしまうことになる。
【００８７】
したがって、このような誤った送信応答ベクトルに基づいて得られる送信ウェイトも誤ったものとなり、下り回線の指向性の誤りすなわち送信エラーを引き起こすことになる。特に、無線基地局と端末との間は長距離のため、わずかな指向性のエラーは大きな送信エラーの原因となる。
【００８８】
このとき、受信環境によっては、フェージングの影響が、複数のアンテナに均等に観測されない場合も存在し得る。
【００８９】
［実施の形態１］
［実施の形態１のＰＤＭＡ用無線基地局２０００の構成］
図４は、本発明の実施の形態１のＰＤＭＡ用アダプティプティブアレイ無線基地局２０００の構成を説明するための概略ブロック図である。
【００９０】
ＰＤＭＡ用無線基地局２０００の構成が、図１に示したＰＤＭＡ用無線基地局１０００の構成と異なる点は、以下のとおりである。
【００９１】
まず、第１には、この受信応答ベクトル計算機２４でのドップラー周波数の推定結果に応じて、アンテナ＃１〜＃４のうちの所定のアンテナにのみ送信信号を与えるためのスイッチ回路１８−１〜１８−４が設けられていることである。
【００９２】
すなわち、後により詳しく説明するように、アンテナ＃１〜＃４の各々について、対象となるユーザ端末ＰＳ１からの受信信号に基づいて、この端末ＰＳ１のフェージング速度、言い換えると、ドップラー周波数（ＦＤ）を推定する。ＰＤＭＡ用無線基地局２０００においては、受信応答ベクトル計算機２４は、各アンテナごとに推定されたフェージング速度のうち、小さい方からたとえば、２つのアンテナを選択する。ＰＤＭＡ用無線基地局２０００は、スイッチ回路１８−１〜１８−４を用いて、この選択された２本のアンテナのみを用いて、ユーザ端末ＰＳ１に対する指向性を有するように送信処理を行う。このような２本のアンテナの選択の可能な組み合わせは、４本から２本を選ぶ組み合わせの個数であって、６通りあることになる。より一般的には、Ｎ本のアンテナが設けられている場合は、個々のアンテナごとに推定されるフェージング速度、言い換えるとドップラー周波数の小さい方からｍ本を選び、このｍ本のアンテナを用いて、所望のユーザ端末への送信指向性を有する送信処理を行う。
【００９３】
すなわち、受信環境によっては、アレイアンテナを構成する複数本のアンテナのうち、特定のアンテナについて、他のアンテナよりもフェージングが大きく検出されてしまう場合があり、この場合は、推定する成分の劣化を招いていしまう。本発明では、フェージングの少ない安定なアンテナを選択することで、成分劣化を抑制することができるので、受信時点の受信応答ベクトルからより正確に送信時点での送信応答ベクトルを推定することが可能となる。
【００９４】
さらに、第２には、ＰＤＭＡ用無線基地局２０００においては、受信応答ベクトル計算機２２の代わりに、受信応答ベクトル計算機２４が設けられていることである。受信応答ベクトル計算機２４は、後に説明するように、ドップラー周波数推定部（図示せず）を含む。ドップラー周波数推定部は、上り回線の受信応答ベクトルに推定誤差が存在するものとして、伝搬路のフェージングの程度を表わすドップラー周波数を正確に推定する。このドップラー周波数の推定により、外挿処理のための適切なパラメータ、たとえば、外挿距離を調整して下り回線における正しい送信応答ベクトルを推定し、ひいはて正しい送信指向性を実現することが可能となる。
【００９５】
［受信応答ベクトル計算機２４の動作］
次に、図５は、この発明の実施の形態１による受信応答ベクトル計算機２４の構成を示す概略ブロック図である。以下に、図５を参照して、この発明の実施の形態によるドップラー周波数推定部の動作原理について説明する。
【００９６】
なお、図３ないし図４に示すような上下回線のそれぞれ所定数、たとえば４スロットからなる合計８スロットを１フレームと称する。そしてこのようなフレームが時系列的に連続して上下回線の通信が交互に行なわれることになる。また、伝搬路の伝搬環境は、伝搬路の受信係数の変動、すなわちフェージングの程度によって表わされる。前述のようにフェージングの程度は物理量としては、いわゆるドップラー周波数（ＦＤ）によって表現される。
【００９７】
図５において、受信応答ベクトル計算機２４は、上述した式（１６）および式（２０）に対応する処理を行って、所望のユーザ端末、たとえば端末ＰＳ１からの受信応答ベクトルを算出する受信応答ベクトル推定部１０１と、受信応答ベクトル推定部１０１からの現フレームの応答ベクトルに基づいて、端末ＰＳ１のフェージング速度、言い換えると、ドップラー周波数ＦＤを推定するドップラー周波数推定部１０３とを備える。
【００９８】
ドップラー周波数推定部１０３は、推定したアンテナごとのドップラー周波数により、対象端末ＰＳ１の推定されたフェージング速度が小さい方から所定数、たとえば、２本のアンテナを選択するための信号をスイッチ回路１８−１〜１８−４に対して出力する。
【００９９】
ドップラー周波数推定部１０３は、応答ベクトル推定部１０１で推定された現在のフレームのスロットにおける受信応答ベクトルを用いて、フレームのうち受信スロットの前縁部および当該受信スロットの後縁部に対する受信応答ベクトルから、受信応答ベクトルの相関値α１を、次式にしたがって算出する。
【０１００】
α１＝｜ｈ_ｉｊ１ｈ^＊ _ｉｊ２｜／｜ｈ_ｉｊ１｜｜ｈ_ｉｊ２｜
ここで、ｈ_ｉｊ１は、当該受信スロットの前縁部、たとえば、先頭部でのｉ番目のアンテナについてのｊ番目の端末に対する受信応答ベクトル要素を表し、ｈ_ｉｊ２は、当該スロットの後縁部、たとえば、最後尾でのｉ番目のアンテナについてのｊ番目の端末に対する受信応答ベクトル要素を表し、ｈ^＊ _ｉｊ２は、ｈ_ｉｊ２の複素共役を表わす。
【０１０１】
このようにして算出される相関値α１と、ドップラー周波数との正確な対応関係を求めることは一般には困難であるが、実験により、おおよその対応関係を経験的に求めることができる。たとえば、相関値が１から０．９５の範囲内にあれば、ドップラー周波数ＦＤは、ＦＤ＝０Ｈｚであると推定する。また、相関値が０．９５から０．８０の範囲内にあれば、ＦＤ＝１０Ｈｚであると推定する、等などである。
【０１０２】
このように経験的に得られた受信応答ベクトル相関値α１とドップラー周波数ＦＤとのおおよその対応関係が、相関演算およびドップラー周波数推定部１０３に予め格納されており、上述の計算式により求められた相関値から、該当するドップラー周波数推定値が選択され、ドップラー周波数推定部１０３において、アンテナごとのドップラー周波数が推定される。
【０１０３】
図５に示すような処理は、通常は、たとえばデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）を用いてソフトウェア的に実行される。
【０１０４】
図６は、このようにして推定されたドップラー周波数ＦＤに着目した送信ウェイトの決定処理を表わすフローチャートである。
【０１０５】
図６を参照して、ステップＳ１００において、まず、フレーム内の受信スロットについて、受信が行われると（ステップＳ１００）、図４の受信応答ベクトル計算機２４により、当該スロットについて伝搬路の推定がなされ、具体的には上り回線スロットについて、上述したような受信スロット内の異なる時刻での受信応答ベクトルＨ（１）およびＨ（２）が推定される（ステップＳ１０２）。
【０１０６】
次に、ステップＳ１０４において、ドップラー周波数推定部１０３によりアンテナごとにドップラー周波数ＦＤ（フェージング速度）が推定される（ステップＳ１０４）。
【０１０７】
次に、ステップＳ１０６において、各アンテナごとに推定されたドップラー周波数ＦＤ（フェージング速度）のうち、小さい方から、特に限定されないがたとえば、２つのアンテナを送信用のアンテナとして選択する。
【０１０８】
このとき、たとえば、４本のアンテナから２本のアンテナを選択する際の組み合わせは、選択されるアンテナを（＃ｉ，＃ｊ）で表すことにすると、（＃１，＃２）、（＃１，＃３）、（＃１，＃４）、（＃２，＃３）、（＃２，＃４）、（＃３，＃４）の６通りがある。
【０１０９】
送信時に使用するアンテナの組が決定されると、次に、ステップＳ１０８において、図４の送信応答ベクトル推定機３２により、選択されたアンテナに対応する送信応答ベクトルの推定がなされる。
【０１１０】
送信時点での送信応答ベクトルの推定値が求まると、送信ウェイトベクトル計算機３０により、送信ウェイトベクトルを求めることができる。したがって、ステップＳ１１０において、図４の送信ウェイトベクトル計算機３０により、上述のステップＳ１０８で決定された下り回線の送信応答ベクトルに基づいて送信ウェイトが推定される。
【０１１１】
このとき、送信ウェイトベクトル計算機３０は、ドップラー周波数推定部１０３により選択された、たとえば、Ｎ本のうちのｍ本のアンテナを用いて、指向性を生成する演算を行う。
【０１１２】
以上説明した手続きで、送信時のウェイトベクトルを決定して送信すれば、角度広がりなど動的なレイリー伝搬路を想定した場合、ＴＤＤ／ＰＤＭＡ方式においても上下回線間の時間差により発生する下り回線での送信指向性の劣化を抑制することが可能である。
【０１１３】
［実施の形態２］
図７は、この発明の実施の形態２のＰＤＭＡ用無線基地局において、実施の形態１のＰＤＭＡ用無線基地局２０００の受信応答ベクトル計算機２４の代わりに用いられる受信応答ベクトル計算機２６の構成を示す概略ブロック図である。以下に、図７を参照して、この発明の実施の形態２による受信応答ベクトル計算機２６の動作原理について説明する。
【０１１４】
応答ベクトル推定部１０１は、受信信号に対して先に説明したアンサンブル平均の手法を適用することにより、現在のフレームのスロットにおける受信応答ベクトルを推定し、ドップラー周波数推定部１０３およびメモリ１０２に与える。
【０１１５】
ドップラー周波数推定部１０３は、応答ベクトル推定部１０１で推定された現在のフレームのスロットにおける受信応答ベクトルと、メモリ１０２に保持されている前フレームの対応するスロットにおける受信応答ベクトルとに基づいて、アンテナごとの相関値α２を演算する。
【０１１６】
α２＝｜ｈ_ｉｊ１ｈ^＊ _ｉｊ２｜／｜ｈ_ｉｊ１｜｜ｈ_ｉｊ２｜
ここで、ｈ_ｉｊ１は、時間的に前後する２フレームのうちの前のフレームにおける受信スロットのｉ番目のアンテナについてのｊ番目の端末に対する受信応答ベクトル要素を表し、ｈ_ｉｊ２は、時間的に前後する２フレームのうちの後ろのフレームにおける受信スロットのｉ番目のアンテナについてのｊ番目の端末に対する受信応答ベクトル要素を表し、ｈ^＊ _ｉｊ２は、ｈ_ｉｊ２の複素共役を表わす。
【０１１７】
このようにして算出される相関値α２と、ドップラー周波数との正確な対応関係を求めることも、やはり困難であるが、実験により、これも、おおよその対応関係を経験的に求めることができる。
【０１１８】
このように経験的に得られた受信応答ベクトル相関値とドップラー周波数ＦＤとのおおよその対応関係が、相関演算およびドップラー周波数推定部１０３に予め格納されており、上述の計算式により求められたベクトル同士の相関値から、該当するドップラー周波数推定値が選択され、ドップラー周波数推定部１０３から出力されることになる。
【０１１９】
また、ドップラー周波数推定部１０３は、推定したアンテナごとのドップラー周波数により、対象端末ＰＳ１の推定されたフェージング速度が小さい方から所定数、たとえば、２本のアンテナを選択するための信号をスイッチ回路１８−１〜１８−４に対して出力する。
【０１２０】
図７に示すような処理も、通常は、たとえばデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）を用いてソフトウェア的に実行される。
【０１２１】
図８は、図７に示す回路構成による処理を示すフローチャートである。この図８に示す処理では、現在のフレームのスロットにおける受信応答ベクトルと、直前のフレームの対応するスロットにおける受信応答ベクトルとのベクトル相関値が求められる。
【０１２２】
まず、ステップＳ１において現在のフレームのスロットの受信応答ベクトルが推定される。
【０１２３】
次に、ステップＳ２において、ステップＳ１で推定された受信応答ベクトルが最初に推定された受信応答ベクトルであるか否かが判定され、最初に推定された受信応答ベクトルであれば、ステップＳ５においてメモリ（図７のメモリ１０２）に記憶される。
【０１２４】
一方、最初に推定された受信応答ベクトルでなければ、ステップＳ３において、メモリに保持されている直前のフレームの対応するスロットの受信応答ベクトルと、ステップＳ１で推定された現在のフレームの対応するスロットの受信応答ベクトルとの相関値ＣＯＲＲが算出される。
【０１２５】
そして、ステップＳ４において、前述のように予め実験的に求められ保持されているベクトル相関値とドップラー周波数ＦＤとの対応関係に基づいて、算出された相関値ＣＯＲＲに対応するドップラー周波数ＦＤが推定され、出力される。
【０１２６】
一方で、ステップＳ５において、ステップＳ１において推定された現在のフレームのスロットの受信応答ベクトルはメモリ（図７のメモリ１０２）に記憶される。
【０１２７】
以上のステップＳ１−Ｓ５を繰り返し実行することにより、時間的に前後する、すなわち連続する２フレーム間の対応するスロットの受信応答ベクトル同士の瞬時的なベクトル相関値を連続して得ることができる。
【０１２８】
次に、図９は、図８に示した処理の変形例を示すフローチャートである。
図９において、ステップＳ１１で受信エラーが検出されなければ、以後の動作は基本的に図８の例と同じであり、説明を繰り返さない。一方、ステップＳ１１で受信エラーが検出されれば、検出されなくなるまで次のステップＳ１に進むことはできない。
【０１２９】
受信エラーの検出がなくなれば、ステップＳ１からＳ５までの動作が実行されるが、この場合図８の例と異なるのは、ステップＳ３’の処理である。すなわち、受信エラーを含むスロットの応答ベクトル推定は、ステップＳ１１によって排除されているので、ステップＳ３’においては、メモリに保持されている過去のフレームのスロットのうち受信エラーが無かった最も直近のスロットにおける受信応答ベクトルと、ステップＳ１で推定された現在のフレームのスロットの受信応答ベクトルとの相関値ＣＯＲＲが推定される。以後の処理は、図８の例と同じである。
【０１３０】
この図９の例では、受信エラーの影響を排除することができ、より正確なドップラー周波数の推定が可能となる。
【０１３１】
以上のように、この発明によるドップラー周波数推定部１０３を用いると、正確に推定された端末ごとのドップラー周波数ＦＤの推定結果に基づいて、たとえば、フレーム間等での異なる時刻にわたるフェージングによる変動量の少ないアンテナを所定数だけ選択して使用することにより、受信信号の成分劣化を抑制し、さらに、下り回線の送信応答ベクトルを正確に推定し、良好な通信品質を実現することが可能である。
【０１３２】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。
【０１３３】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、受信信号そのものではなく受信応答ベクトル同士の相関値に基づいてドップラー周波数を推定することにより、受信信号における干渉成分の影響を受けることなく、ユーザ端末についてのドップラー周波数を複数のアンテナの各々に対して推定する。この発明では、この推定結果に基づいて、フェージングによる変動量の少ないアンテナを選択的に使用する。これにより、下り回線の送信応答ベクトルを正確に推定することができ、ひいては良好な送信指向性制御を行なうことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】送信ウェイトベクトルを推定して送信指向性を制御するＰＤＭＡ用無線基地局１０００の構成を示す概略ブロック図である。
【図２】無線装置１０００の基本的な動作の概要を説明するためのフローチャートである。
【図３】送信応答ベクトル推定機３２の基本的な動作を説明するための概念図である。
【図４】本発明の実施の形態１のＰＤＭＡ用アダプティプティブアレイ無線基地局２０００の構成を説明するための概略ブロック図である。
【図５】発明の実施の形態１による受信応答ベクトル計算機２４の構成を示す概略ブロック図である。
【図６】推定されたドップラー周波数ＦＤに着目した送信ウェイトの決定処理を表わすフローチャートである。
【図７】実施の形態２のＰＤＭＡ用無線基地局の受信応答ベクトル計算機２６の構成を示す概略ブロック図である。
【図８】図７に示す回路構成による処理を示すフローチャートである。
【図９】図８に示した処理の変形例を示すフローチャートである。
【図１０】周波数分割多重接続，時分割多重接続およびＰＤＭＡの各種の通信システムにおけるチャネルの配置図である。
【図１１】携帯電話機の電波信号のフレーム構成を示す概略図である。
【符号の説明】
ＳＲ１受信部、ＳＴ１送信部、＃１〜＃４アンテナ、１０−１〜１０−４スイッチ回路、１２−１〜１２−４乗算器、１３加算器、１５−１〜１５−４乗算器、２０受信ウェイトベクトル計算機、２２，２４，２６受信応答ベクトル計算機、３０送信ウェイトベクトル計算機、３２送信応答ベクトル推定機、３４，１０２，１０４メモリ、１０１応答ベクトル推定部、１０３ドップラー周波数推定部、１０００無線装置（無線基地局）。

Claims

リアルタイムにアンテナ指向性を変更し、複数の端末との間で信号の送受信を時分割で行なうアダプティブアレイ無線装置であって、
離散的に配置された複数のアンテナと、
前記複数のアンテナからの信号に基づいてアダプティブアレイ処理により前記複数の端末のうち特定の端末装置からの信号を分離するための受信信号分離手段と、
前記特定の端末との間の伝搬路のドップラー周波数を前記アンテナごとに推定し、前記複数のアンテナのうち対応するドップラー周波数の小さいものから所定数のアンテナを選択するドップラー周波数推定手段と、
前記複数のアンテナで受信した信号に基づいて、前記特定の端末からの伝搬路の受信応答ベクトルを推定する受信伝搬路推定手段と、
前記受信伝搬路推定手段によって推定された時間的に前後する受信応答ベクトルに基づいて前記アンテナごとに相関値を算出する相関演算手段と、
予め経験的に決定された相関値とドップラー周波数との対応関係に基づいて、前記相関演算手段によって算出された相関値に対応するドップラー周波数を推定し、前記所定数のアンテナを選択する推定選択手段と、を含み、
前記受信伝搬路推定手段の推定結果と前記ドップラー周波数推定手段の推定結果とに基づいて、選択された前記所定数のアンテナを用いて、前記特定の端末に対して送信指向性を有する送信信号を送出するための送信指向性形成手段をさらに備えた、アダプティブアレイ無線装置。
前記相関演算手段は、同一スロットの前半における受信応答ベクトルと、後半における受信応答ベクトルとに基づいて前記相関値を算出する、請求項１に記載のアダプティブアレイ無線装置。
前記相関演算手段は、現在のフレームのスロットにおける受信応答ベクトルと、直前のフレームのスロットにおける受信応答ベクトルとに基づいて前記相関値を算出する、請求項１に記載のアダプティブアレイ無線装置。
前記相関演算手段は、現在のフレームのスロットにおける受信応答ベクトルと、過去のフレームのスロットのうち受信エラーが無かった最も直近のスロットにおける受信応答ベクトルとに基づいて前記相関値を算出する、請求項１に記載のアダプティブアレイ無線装置。