JP3559231B2 - 複数ビーム制御適応アンテナ装置及びそれを用いた通信方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アンテナに複数ビームの指向性パターンを形成して通信する無線通信システムに用いる複数ビーム制御適応アンテナ装置及びそれを用いた通信方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、鈴木達他「アダプティブアレーを用いたＳＤＭＡ方式におけるチャネル利用効率の検討」信学技報ＡＰ９９−１９７，ｐｐ．９−１４）に示されるように、従来の適応アンテナ装置を複数用いることにより、アンテナに複数ビームの指向性パターンを形成して通信することができる。
【０００３】
また、例えばＲ． Ａ． Ｍｏｎｚｉｎｇｏ ａｎｄ Ｔ． Ｗ． Ｍｉｌｌｅｒ， 「Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ａｒｒａｙｓ」， Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ， Ｉｎｃ． １９８０に示される従来の適応アンテナ装置は、図１２のように構成されている。
すなわち、複数のアンテナ素子９０１（１）〜９０１（Ｎ）と、各アンテナ素子出力に複素数の重みを課す重み付け回路９０２（１）〜９０２（Ｎ）と、重みを制御する重み制御装置９０３と、基準信号発生装置９０４と、重み付けされた各アンテナ素子からの信号を合成する合成器９０５とを備えている。
【０００４】
図１２の適応アンテナ装置において、複数のアンテナ素子９０１（１）〜９０１（Ｎ）で受信された信号をｘ（１）〜ｘ（Ｎ）とし、重み付け回路９０２（１）〜９０２（Ｎ）に与えられる重みの値をｗ（１）〜ｗ（Ｎ）とし、希望信号成分をｄで表す場合、
合成器９０５の出力信号と希望する信号との誤差の２乗を最小にするための指向性を形成する重みＷｏｐｔの値は次式で与えられる。
【数１】
例えば、無線基地局と複数の無線端末局との間で無線通信を行う場合、無線基地局のアンテナの指向性パターンを制御して、それぞれの無線端末局の方向に複数のビームを形成すれば、ビームパターンによって複数の無線端末局を分離することができるため、同じ周波数チャネルを同時に使用して無線基地局と複数の無線端末局との間で無線通信を行うことができる。すなわち、空間分割多重伝送を実現して周波数の利用率を改善することができる。
【０００５】
無線基地局のアンテナに複数ビームの指向性パターンを形成する場合、各ビームの形成に利用されるビーム形成回路（適応アンテナ装置）の希望信号は、各ビーム形成回路に対応付けられた無線端末局からの信号になる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
複数ビーム制御適応アンテナ装置を用いて空間分割多重伝送を実現するためには、通信を開始する前にそれぞれの無線端末局に対応した指向性パターンを形成しなければならない。
ところが、多数の無線端末局の中でどの無線端末局が送信を行うかを無線基地局で認識できない場合には、指向性パターンの形成に必要な希望信号が不明であるため、通信を開始する前に各無線端末局に合わせた指向性パターンを形成することができない。
【０００７】
本発明は、通信を開始する前に各無線端末局に合わせた指向性パターンを形成可能な複数ビーム制御適応アンテナ装置及びそれを用いた通信方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１は、複数の無線端末局と空間分割多重伝送によって通信を行うための複数ビームアンテナ制御適応アンテナ装置であって、複数のアンテナ素子と、複数の可変ビーム形成回路と、各可変ビーム形成回路に接続された復調器とを備え、前記可変ビーム形成回路には、各アンテナ素子からの信号を重み付けする重み付け手段と、前記重み付け手段によって重み付けされた各アンテナ素子からの信号を合成する信号合成手段とを設けた複数ビーム制御適応アンテナ装置において、
前記複数のアンテナ素子の各々の受信信号に基づいて求められる複数のアンテナ素子間の相関行列から複数の固有ベクトルを求め、求められた複数の固有ベクトルの各要素の複素共役値を前記重み付け手段の重みの値として与える固有ベクトル取得手段と、前記複数の可変ビーム形成回路のそれぞれについて受信機の同期確立に関する識別を行う同期識別手段を設け、前記同期識別手段の識別結果に基づき、前記複数の可変ビーム形成回路のうち同期が確立していない可変ビーム形成回路に対しては、求められた複数の固有ベクトルの各要素の複素共役値を前記重み付け手段の重みの値として与え、前記同期識別手段の識別結果に基づき、前記複数の可変ビーム形成回路のうち受信機の同期が確立した可変ビーム形成回路については、前記信号合成手段の出力信号と所望信号との誤差の２乗が最小となるように、前記重み付け手段の重みの値を制御することを特徴とする。
【０００９】
複数のアンテナ素子のそれぞれが受信した信号に基づいて、アンテナ素子間の相関行列を求めることができる。相関行列Ｒｘｘは次式で表される。
【数２】
なお、期待値（Ｅｘｐｅｃｔｅｄ Ｖａｌｕｅ）Ｅ［・］については、例えばディジタル信号処理を用いた適応アンテナの場合には、Ａ／Ｄ変換のサンプリングによって平均化した値として得ることができる。
【００１０】
また、例えば複数の端末局からの信号が基地局で同時に受信され、各信号が互いに異なった受信レベルで受信される場合には、相関行列Ｒｘｘから複数の固有値の情報を取り出すことができる。各々の固有値は、各端末局からの受信信号に対応する。
また、各々の固有値に対応する固有ベクトルが存在する。この固有ベクトルは、特定の固有値の信号を取り出すための適応アンテナ装置の重みベクトルに相当する。
【００１３】
固有ベクトルの各要素の複素共役値を前記重み付け手段の重みの値として与えることにより、目的とする送信局の方向に合わせてアンテナの指向性パターンを制御することができるため、目的とする送信局の信号を抽出するとともに干渉波を抑制することができる。その結果、特定の受信信号に対して受信機（復調器）を同期させることができる。
【００１４】
受信機の同期が確立した後は、受信信号から所望信号を取り出すことができるので、前記信号合成手段の出力信号と所望信号との誤差の２乗が最小となるように重み付け手段の重みの値を制御することができる。
請求項１においては、相関行列から求められた複数の固有ベクトルの各要素の複素共役値を前記重み付け手段の重みの値として与えることにより、各々の送信局の信号成分（固有値）を抽出するようにアンテナの指向性パターンを定めることができる。この場合には、希望信号が不明であっても各々の送信局の方向に合わせてアンテナの指向性パターンを制御することができる。
また、受信機の同期が確立した後は従来と同様の制御を行うので、固有ベクトルに基づいて重み付け手段の重みを制御する場合よりも高い精度でアンテナの指向性パターンを制御することができる。
【００１５】
請求項２は、複数のアンテナ素子と、複数の可変ビーム形成回路と、各可変ビーム形成回路に接続された復調器とを備え、前記可変ビーム形成回路には、各アンテナ素子からの信号を重み付けする重み付け手段と、前記重み付け手段によって重み付けされた各アンテナ素子からの信号を合成する信号合成手段とを設け、さらに前記複数のアンテナ素子の各々の受信信号に基づいて求められる複数のアンテナ素子間の相関行列から複数の固有ベクトルを求め、求められた複数の固有ベクトルの各要素の複素共役値を前記重み付け手段の重みの値として与える固有ベクトル取得手段を設けた複数ビーム制御適応アンテナ装置を備える無線基地局と複数の無線端末局との間で通信するための複数ビーム制御適応アンテナ装置を用いた通信方法であって、前記無線基地局と複数の無線端末局との間で同一周波数を用いて同時に通信が可能な空間分割多重伝送を実施する場合に、前記複数ビーム制御適応アンテナ装置を無線端末局から無線基地局に向かう方向の上りの通信に利用するとともに、前記無線基地局における既知信号を、無線端末局から前記無線基地局に対して送信するためのトレーニング区間を情報伝送時刻の前に割り当て、前記トレーニング区間では、前記無線基地局で受信される無線端末局からの信号の受信レベルに複数の無線端末局の間で差が生じるように制御し、前記トレーニング区間で、前記無線基地局の受信信号に基づいて求められる複数のアンテナ素子間の相関行列から複数の固有ベクトルを求めることを特徴とする。
請求項３は、請求項１の複数ビーム制御適応アンテナ装置を備える無線基地局と複数の無線端末局との間で通信するための複数ビーム制御適応アンテナ装置を用いた通信方法であって、前記無線基地局と複数の無線端末局との間で同一周波数を用いて同時に通信が可能な空間分割多重伝送を実施する場合に、前記複数ビーム制御適応アンテナ装置を無線端末局から無線基地局に向かう方向の上りの通信に利用するとともに、前記無線基地局における既知信号を、無線端末局から前記無線基地局に対して送信するための第１のトレーニング区間とそれに続く第２のトレーニング区間とを情報伝送時刻の前に割り当て、前記第１のトレーニング区間では、前記無線基地局で受信される無線端末局からの信号の受信レベルに複数の無線端末局の間で差が生じるように制御し、前記第２のトレーニング区間では、前記無線基地局で受信される無線端末局からの信号の受信レベルが複数の無線端末局の間で同一になるように制御し、前記第１のトレーニング区間では、複数の可変ビーム形成回路のうち受信機の同期が確立していない可変ビーム形成回路について、無線基地局のアンテナ素子間の相関行列から求められた複数の固有ベクトルの各要素の複素共役値を前記重み付け手段の重みの値として与え、複数の可変ビーム形成回路のうち、前記第１のトレーニング区間で受信機の同期が確立した回路については、同期が確立した無線端末局からの受信信号に基づいて前記複数のアンテナ素子の応答を推定するとともに、前記第２のトレーニング区間では、受信機の同期追従を停止し、前記応答に基づいて前記信号合成手段の出力信号と所望信号との誤差が最小となるように前記重み付け手段の重みの値を決定し、複数の可変ビーム形成回路のうち、前記第１のトレーニング区間で受信機の同期に失敗した回路については、少なくとも同期が確立するまでは、前記第２のトレーニング区間で前記固有ベクトルの各要素の複素共役値を前記重み付け手段の重みの値として与えることを特徴とする。
【００１６】
請求項２、３においては、無線基地局に複数ビーム制御適応アンテナ装置を備えることにより、複数の無線端末局をアンテナの複数の指向性パターンを用いて空間的に分離する場合を想定している。このため、複数の無線端末局は互いに共通の同一周波数を用いて同時に通信を行う。
【００１７】
また、請求項２、 ３では情報の伝送を開始する前に、トレーニング区間で既知信号を各無線端末局から無線基地局に対して送信する。この既知信号は、アンテナの適応制御や受信機の同期確立に利用できる。また、トレーニング区間では、無線基地局で受信される複数の無線端末局からの信号の受信レベルに互いに差が生じるように制御する。各無線端末局の送信出力を制御することにより、無線基地局における信号の受信レベルを変更することができる。
【００１８】
前記固有ベクトルに基づいて可変ビーム形成回路の重みを制御する場合には、複数の無線端末局から無線基地局に同時に到来する信号の受信レベルが互いに異なる必要がある。もしも、無線基地局に同時に到来した複数の信号の受信レベルが等しい場合には、それらの信号を分離するように複数の指向性パターンを形成することができない。
【００１９】
請求項２、３では、無線基地局で受信される複数の無線端末局からの信号の受信レベルに互いに差が生じるように制御するので、トレーニング区間では、固有ベクトルに基づいて可変ビーム形成回路の重みを制御し、複数の無線端末局から到来した信号をそれぞれ分離可能な複数の指向性パターンをアンテナに形成することができる。
【００２０】
請求項４は、複数のアンテナ素子と、複数の可変ビーム形成回路と、各可変ビーム形成回路に接続された復調器とを備え、前記可変ビーム形成回路には、各アンテナ素子からの信号を重み付けする重み付け手段と、前記重み付け手段によって重み付けされた各アンテナ素子からの信号を合成する信号合成手段とを設け、さらに前記複数のアンテナ素子の各々の受信信号に基づいて求められる複数のアンテナ素子間の相関行列から複数の固有ベクトルを求め、求められた複数の固有ベクトルの各要素の複素共役値を前記重み付け手段の重みの値として与える固有ベクトル取得手段を設けた複数ビーム制御適応アンテナ装置を備える無線基地局を備える無線基地局と複数の無線端末局との間で通信するための複数ビーム制御適応アンテナ装置を用いた通信方法であって、前記無線基地局と複数の無線端末局との間で同一周波数を用いて同時に通信が可能な空間分割多重伝送を実施する場合に、前記複数ビーム制御適応アンテナ装置を無線端末局から無線基地局に向かう方向の上りの通信に利用するとともに、前記無線基地局における既知信号を、無線端末局から前記無線基地局に対して送信するための第１のトレーニング区間とそれに続く第２のトレーニング区間とを情報伝送時刻の前に割り当て、前記第１のトレーニング区間では、前記無線基地局で受信される無線端末局からの信号の受信レベルに複数の無線端末局の間で差が生じるように制御し、前記第２のトレーニング区間では、前記無線基地局で受信される無線端末局からの信号の受信レベルが複数の無線端末局の間で同一になるように制御し、前記第１のトレーニング区間では、複数の可変ビーム形成回路のうち受信機の同期が確立していない可変ビーム形成回路について、無線基地局のアンテナ素子間の相関行列から求められた複数の固有ベクトルの各要素の複素共役値を前記重み付け手段の重みの値として与え、複数の可変ビーム形成回路のうち、前記第１のトレーニング区間で受信機の同期が確立した回路については、同期が確立した無線端末局からの受信信号に基づいて前記複数のアンテナ素子の応答を推定するとともに、前記第２のトレーニング区間では、受信機の同期追従を停止し、前記応答に基づいて前記信号合成手段の出力信号と所望信号との誤差が最小となるように前記重み付け手段の重みの値を決定し、複数の可変ビーム形成回路のうち、前記第１のトレーニング区間で受信機の同期に失敗した回路については、少なくとも同期が確立するまでは、前記第２のトレーニング区間で前記固有ベクトルの各要素の複素共役値を前記重み付け手段の重みの値として与えることを特徴とする。
請求項５は、請求項１の複数ビーム制御適応アンテナ装置を備える無線基地局と複数の無線端末局との間で通信するための複数ビーム制御適応アンテナ装置を用いた通信方法であって、前記無線基地局と複数の無線端末局との間で同一周波数を用いて同時に通信が可能な空間分割多重伝送を実施する場合に、前記複数ビーム制御適応アンテナ装置を無線端末局から無線基地局に向かう方向の上りの通信に利用するとともに、前記無線基地局における既知信号を、無線端末局から前記無線基地局に対して送信するための第１のトレーニング区間とそれに続く第２のトレーニング区間とを情報伝送時刻の前に割り当て、前記第１のトレーニング区間では、前記無線基地局で受信される無線端末局からの信号の受信レベルに複数の無線端末局の間で差が生じるように制御し、前記第２のトレーニング区間では、前記無線基地局で受信される無線端末局からの信号の受信レベルが複数の無線端末局の間で同一になるように制御し、前記第１のトレーニング区間では、複数の可変ビーム形成回路のうち受信機の同期が確立していない可変ビーム形成回路について、無線基地局のアンテナ素子間の相関行列から求められた複数の固有ベクトルの各要素の複素共役値を前記重み付け手段の重みの値として与え、複数の可変ビーム形成回路のうち、前記第１のトレーニング区間で受信機の同期が確立した回路については、同期が確立した無線端末局からの受信信号に基づいて前記複数のアンテナ素子の応答を推定するとともに、前記第２のトレーニング区間では、受信機の同期追従を停止し、前記応答に基づいて前記信号合成手段の出力信号と所望信号との誤差が最小となるように前記重み付け手段の重みの値を決定し、複数の可変ビーム形成回路のうち、前記第１のトレーニング区間で受信機の同期に失敗した回路については、少なくとも同期が確立するまでは、前記第２のトレーニング区間で前記固有ベクトルの各要素の複素共役値を前記重み付け手段の重みの値として与えるこ とを特徴とする。
【００２１】
請求項４、５においては、無線基地局に複数ビーム制御適応アンテナ装置を備えることにより、複数の無線端末局をアンテナの複数の指向性パターンを用いて空間的に分離する場合を想定している。このため、複数の無線端末局は互いに共通の同一周波数を用いて同時に通信を行う。
また、請求項４、５では情報の伝送を開始する前に、第１のトレーニング区間及び第２のトレーニング区間で既知信号を各無線端末局から無線基地局に対して送信する。この既知信号は、アンテナの適応制御や受信機の同期確立に利用できる。
【００２２】
また、第１のトレーニング区間では、無線基地局で受信される複数の無線端末局からの信号の受信レベルに互いに差が生じるように制御し、第２のトレーニング区間では、無線基地局で受信される複数の無線端末局からの信号の受信レベルが互いに等しくなるように制御する。各無線端末局の送信出力を制御することにより、無線基地局における信号の受信レベルを変更することができる。
【００２３】
第１のトレーニング区間では、無線基地局で受信される複数の無線端末局からの信号の受信レベルが互いに異なるので、アンテナ素子間の相関行列から求められた固有ベクトルに基づいて可変ビーム形成回路の重みを制御することにより、アンテナの指向性パターンで複数の無線端末局の信号を分離することができる。第１のトレーニング区間で受信機の同期が確立した回路については、同期を確立した特定の無線端末局からの信号ｄｉに対する複数のアンテナ素子の応答ｒｘｄｉを推定する。応答ｒｘｄｉは次式で表される。
【００２４】
ｒｘｄｉ＝Ｅ［Ｘｄｉ ＊］ ・・・（６）
Ｘ：入力信号ベクトル
Ｅ［・］：期待値
添字＊：共役転置
なお、第１のトレーニング区間では他に比べて無線基地局の受信レベルが大きい信号を送信した無線端末局に対して各受信機の同期が確立される。
【００２５】
一般に、受信機は同期を確立した後で、同期が外れないように受信信号に追従するように同期を自動的に制御する。ところが、第２のトレーニング区間では複数の無線端末局からの信号に対する無線基地局の受信レベルが同一になるように制御されるので、同期を確立した受信機で復調された信号の品質は第１のトレーニング区間に比べて劣化する。
【００２６】
従って、同期を確立した後で第２のトレーニング区間で同期の追従制御を継続すると、信号品質の劣化により同期が外れる可能性もある。そこで、既に同期を確立した回路については、第２のトレーニング区間では受信機の同期追従を停止する。
また、同期を確立した回路については、前記応答ｒｘｄｉに基づいて信号合成手段の出力信号と所望信号との誤差が最小となるように前記重み付け手段の重みの値を決定する。同期を確立した特定の無線端末局に対する前記重み付け手段の重みベクトルＷｉは次式で表される。
【００２７】
Ｗｉ＝Ｒｘｘ −１ｒｘｄｉ ・・・（７）
Ｗｉ＝［ｗｉ（１），ｗｉ（２），・・・ｗｉ（Ｎ）］Ｔ
ｗｉ（１）〜ｗｉ（Ｎ）：アンテナ素子毎の重み
添字Ｔは転置
また、第１のトレーニング区間で受信機の同期確立に失敗した回路については、同期が確立するまでは、前記第２のトレーニング区間においても固有ベクトルの各要素の複素共役値を重み付け手段の重みの値として与える。
【００２８】
受信機が同期確立に失敗する信号は、第１のトレーニング区間で送信出力を大幅に抑制した無線端末局からの信号であると考えられる。このような信号については、第２のトレーニング区間では無線端末局の送信出力が増大するので、無線基地局の受信レベルが増大し、受信品質が改善されるため受信機の同期を確立しやすくなる。
【００２９】
請求項６は、請求項２から請求項５の何れか一つに記載の複数ビーム制御適応アンテナ装置を用いた通信方法において、前記無線基地局における既知信号を無線端末局から前記無線基地局に対して送信するためのトレーニング区間の少なくとも一部分については、前記無線基地局で受信される無線端末局からの信号の受信レベルが複数の無線端末局について同一になるように制御し、前記トレーニング区間で複数の無線端末局が信号を送信する時刻が互いにずれるように制御することを特徴とする。
【００３０】
複数の無線端末局から同時に到来する信号を受信して前記相関行列を求める場合には、複数の信号を分離するために無線基地局の受信レベルが信号毎に異なっている必要がある。
しかし、請求項６においてはトレーニング区間においてそれぞれの無線端末局が信号の送信を開始する時刻が異なるので、トレーニング区間の全体あるいは一部分の受信信号から求められるアンテナ素子間の相関行列には、信号毎に受信レベルが異なる場合と同様の情報が含まれる。つまり、相関行列から求めた固有ベクトルを用いて可変ビーム形成回路の重み付けを行うことにより、複数の無線端末局から到来する信号をそれぞれ分離することができる。
【００３１】
請求項７は、請求項２から請求項５の何れか一つに記載の複数ビーム制御適応アンテナ装置を用いた通信方法において、前記無線基地局における既知信号を無線端末局から前記無線基地局に対して送信するためのトレーニング区間の少なくとも一部分については、前記無線基地局で受信される信号の受信レベルを予め定められた範囲内に限定するための特定の条件の下で、複数の無線端末局の各々の送信信号レベルをランダムに決定することを特徴とする。
【００３２】
請求項７においては、複数の無線端末局の各々の送信信号レベルをランダムに決定するので、多数の無線端末局から無線基地局に同時に信号が到来する場合であっても、複数の無線端末局からの信号の受信レベルが同一になる可能性は極めて小さくなる。従って、相関行列から求めた固有ベクトルを用いて可変ビーム形成回路の重み付けを行うことにより、複数の無線端末局から到来する信号をそれぞれ分離することができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
本発明の複数ビーム制御適応アンテナ装置の１つの実施の形態について、図１を参照して説明する。この形態は請求項１に対応する。
図１はこの形態の複数ビーム制御適応アンテナ装置の構成を示すブロック図である。
【００３４】
この形態では、請求項１のアンテナ素子，可変ビーム形成回路，復調器，重み付け手段，信号合成手段及び固有ベクトル取得手段は、それぞれアンテナ素子１１，ビーム形成回路１４，復調器１６，重み付け回路９０２，合成器９０５及び固有ベクトルビーム制御装置１５に対応する。
【００３５】
図１を参照すると、この複数ビーム制御適応アンテナ装置には、アンテナ素子１１，周波数変換器１０，準同期検波器１２，Ａ／Ｄ変換器１３，ビーム形成回路１４，固有ベクトルビーム制御装置１５，復調器１６，第１局部発振器１７，第２局部発振器１８及びサンプリングクロック発生器１９が備わっている。
この例では、アンテナに指向性を形成するためにＮ個のアンテナ素子１１（１）〜１１（Ｎ）が設けてある。アンテナ素子１１（１）〜１１（Ｎ）のそれぞれが受信した信号を処理するために、周波数変換器１０，準同期検波器１２及びＡ／Ｄ変換器１３もそれぞれＮ個設けてある。
【００３６】
また、同時にＭ種類の指向性ビームを形成するために、Ｍ個のビーム形成回路１４（１）〜１４（Ｍ）が設けてある。また、Ｍ個の送信局からの独立した信号を同時に受信するために、Ｍ個の復調器１６（１）〜１６（Ｍ）が設けてある。Ｍ個の復調器１６（１）〜１６（Ｍ）は、それぞれビーム形成回路１４（１）〜１４（Ｍ）の出力に接続されている。
【００３７】
各アンテナ素子１１で受信された高周波信号は、第１局部発振器１７から出力される信号を利用して各周波数変換器１０で周波数変換され、中間周波数の信号として準同期検波器１２に入力される。
各準同期検波器１２においては、周波数変換器１０から入力される中間周波数の信号を準同期検波処理する。この準同期検波では第２局部発振器１８が出力する信号を利用する。準同期検波器１２の出力には、Ｉチャネル及びＱチャネルの２つの信号に分解された受信信号が得られる。
【００３８】
なお、準同期検波器１２については、例えば（「ディジタル無線通信の変復調」斉藤洋一著、電子情報通信学会出版）に示された技術で実現することができる。
各準同期検波器１２から出力されるＩチャネル及びＱチャネルのアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換器１３でサンプリングされ、チャネル毎にディジタル信号に変換される。
【００３９】
Ａ／Ｄ変換器１３の出力においては、各アンテナ素子１１で受信した信号は複素数で表すことができる。すなわち、ｎ番目のアンテナ素子１１（ｎ）で受信されｋ番目にＡ／Ｄ変換器１３（ｎ）でサンプリングされて得られた複素受信信号ｘ（ｎ，ｋ）は次式で表される。
【数３】
ビーム形成回路１４（１）〜１４（Ｍ）のそれぞれは、図１２に示す適応アンテナ装置の場合と同様に、アンテナ素子毎の重み付け回路９０２（１）〜９０２（Ｎ）及び合成器９０５を内蔵している。すなわち、各重み付け回路９０２に与える重みの値の組み合わせによりアンテナの指向性パターンを形成し、形成した指向性パターンに応じた受信信号を合成器９０５の出力に得ることができる。
【００４０】
図１の例では独立したＭ個のビーム形成回路１４（１）〜１４（Ｍ）をＡ／Ｄ変換器１３の出力に並列に接続してあるので、Ｍ種類の指向性パターンを同時に形成し、各々の指向性パターンで受信された受信信号をＭ個の復調器１６（１）〜１６（Ｍ）に同時に与えることができる。
固有ベクトルビーム制御装置１５は、Ａ／Ｄ変換器１３の出力に得られた受信信号に基づき、Ｍ個のビーム形成回路１４（１）〜１４（Ｍ）のそれぞれについて、アンテナ素子１１毎に独立した重みを生成し、各ビーム形成回路１４に内蔵された重み付け回路９０２に与える。
【００４１】
一般的な適応アンテナ装置の適応制御においては、目的とする送信局に合わせた指向性パターンの形成に必要な重みを生成するために、希望信号を受信してそれと対応する基準信号（既知信号）との誤差を検出する必要がある。しかし、多数の送信局が同時に送信する信号のうち、どれが希望信号かが定まっていない場合には、適応制御を実施して重みを決定することができない。
【００４２】
図１に示す固有ベクトルビーム制御装置１５は、複数のアンテナ素子１１間の相関行列から求めた固有ベクトルに基づいて各ビーム形成回路１４の重みを決定する。固有ベクトルビーム制御装置１５の動作について、以下に説明する。
まず、前記第（８）式で表される複素受信信号ｘ（ｎ，ｋ）を利用して、複数のアンテナ素子１１間の相関行列を求める。相関行列Ｒｘｘは次式により求めることができる。
【数４】
次に、相関行列Ｒｘｘに対応する複数の固有ベクトルを、例えば以下に示すような手順で求める。
（１）まず、直交するベクトルを複数用意する。最も簡単な例では、次のようなベクトルを用いればよい。
（１，０，０，０）Ｔ，（０，１，０，０）Ｔ，（０，０，１，０）Ｔ，（０，０，０，１）Ｔ
（２）次に、求められた相関行列Ｒｘｘを用いて上記（１）のベクトルをそれぞれ一次変換する。その結果、４つのベクトルが求められる。
【００４３】
（３）上記（２）で得られた４つのベクトルに対して、「グラムシュミットの直交化」を実施する。
（４）上記（２）に戻り、収束するまで処理を繰り返す。
「グラムシュミットの直交化」では、次のような処理を行う。
例えば、任意の線形独立なベクトルの集合（ａ１，ａ２，・・・，ａｎ）が存在する場合に、まずベクトルｖ１にベクトルａ１を割り当てる。次に、ｉ番目のベクトルｖｉを次式により求め、それより前に位置するｖ１〜ｖｉ−１に対して直交するように変換する。
【００４４】
このようにして、相関行列Ｒｘｘに対応する全ての固有ベクトルを求めることができる。
ここで、相関行列Ｒｘｘの固有ベクトルをＶで表し、固有値をλで表す場合、次の関係が成立する。固有値λは各々の送信局について受信した信号に相当する。
【００４５】
Ｒｘｘ Ｖ＝λＶ ・・・（１１）
図１の複数のビーム形成回路１４に対してそれぞれ異なる固有ベクトルＶを用いて重み付けした場合、各ビーム形成回路１４から出力される信号は、固有ベクトルＶに対応する固有値λ、すなわち各送信局が送信した信号に近づく。
但し、複数の送信局から到来した複数の信号の受信レベルに差がない場合には、複数の信号を分離することができない。
【００４６】
各ビーム形成回路１４には、固有値の大きさの大きい順に、各々の固有値に対応する固有ベクトルＶを重みとして割り当てればよい。すなわち、ｍ番目の大きさの固有値に対応するビーム形成回路１４にはその固有値に対応する固有ベクトルＶｍを重みベクトルＷｍとして割り当てれば、各送信局が送信した信号をビーム形成回路１４の出力から取り出すことができる。
【００４７】
この場合、ビーム形成回路１４の出力信号Ｙｋは次式により求められる。
Ｙｋ＝Ｗｍ ＊Ｘｋ ・・・（１２）
以上のように、固有ベクトルビーム制御装置１５を用いて各ビーム形成回路１４の重みの値を生成する場合には、基準信号を必要とせず、各アンテナ素子１１で受信した信号に基づいて重みの値を決定することができる。従って、受信機の同期が確立していない状態であっても、複数の送信局からの信号を互いに分離するように、アンテナの指向性パターンを形成することができる。
【００４８】
送信局として２つの端末局が存在する場合に、図１の複数ビーム制御適応アンテナ装置を用いて形成したアンテナの指向性パターンの例が図１１（ａ）に示されている。この例では、端末局（１）は０度方向に存在し、端末局（２）は３０度方向に存在する場合を想定している。また、図１１（ａ）では端末局（１）から到来する信号に対するアンテナ素子１１の受信レベルと、端末局（２）から到来する信号に対するアンテナ素子１１の受信レベルとの間には１０ｄＢの電力差が存在する場合を想定している。
【００４９】
図１１（ａ）を参照すると、端末局（１）の方向と端末局（２）の方向との両方に向いた２つのビームがアンテナの指向性パターンとして同時に形成されている。従って、端末局（１），端末局（２）のそれぞれから到来する信号を互いに分離して同時に受信することができる。
なお、図１には受信系だけが示してあるが、送信系についても同様にアンテナ素子１１毎に重み付けを行うことにより、送信時のアンテナの指向性パターンを制御することができる。
【００５０】
（第２の実施の形態）
本発明の複数ビーム制御適応アンテナ装置のもう１つの実施の形態について、図２を参照して説明する。この形態は請求項１に対応する。この形態では、請求項１の同期識別手段はアルゴリズム選択スイッチ２２に対応する。
図２はこの形態の複数ビーム制御適応アンテナ装置の構成を示すブロック図である。この形態は第１の実施の形態の変形例である。図２において、図１と対応する要素は同一の符号を付けて示してある。第１の実施の形態と同じ部分については、以下の説明を省略する。
【００５１】
図２を参照すると、図１に示した要素の他に、２乗誤差最小制御装置２１及びアルゴリズム選択スイッチ２２が備わっている。
２乗誤差最小制御装置２１は、一般的な適応アンテナ装置と同様のアルゴリズムを用いて各ビーム形成回路１４に与える重みを生成する。すなわち、復調器１６（１）〜１６（Ｍ）のそれぞれが出力する受信信号と希望信号のそれぞれの送信局の成分ｄとの２乗誤差が最小になるように、ビーム形成回路１４（１）〜１４（Ｍ）の重みの値を適応的に制御する。つまり、前記第（１）式と同様の計算により、ビーム形成回路１４（１）〜１４（Ｍ）の各々について重みの値Ｗｏｐｔを求めることができる。
【００５２】
アルゴリズム選択スイッチ２２は、復調器１６（１）〜１６（Ｍ）のそれぞれの動作状態を識別してビーム形成のアルゴリズムを切り替える。すなわち、ビーム形成回路１４（１）〜１４（Ｍ）の各々の重みの値として、固有ベクトルビーム制御装置１５が生成した値と２乗誤差最小制御装置２１が生成した値とのいずれか一方を選択する。
【００５３】
具体的には、アルゴリズム選択スイッチ２２は、各々の復調器１６においてキャリア同期及びタイミング同期が確立したか否かを識別して復調器１６毎に切替を行う。
すなわち、キャリア同期及びタイミング同期が確立していない復調器１６に対応付けられたビーム形成回路１４に対しては、固有ベクトルビーム制御装置１５が生成した重みの値を入力する。また、キャリア同期及びタイミング同期が確立した復調器１６に対応付けられたビーム形成回路１４に対しては、２乗誤差最小制御装置２１が生成した重みの値を入力する。
【００５４】
最初に通信を開始する際には、復調器１６の同期が確立していないので、アルゴリズム選択スイッチ２２は固有ベクトルビーム制御装置１５を選択する。固有ベクトルビーム制御装置１５の制御により生成された重みをビーム形成回路１４に与えることにより、複数の送信局から到来する信号の中から特定の送信局の信号だけを抽出するようにアンテナの指向性パターンが形成される。
【００５５】
このため、特定の送信局に対応する受信信号だけが特定の復調器１６に入力されることになり、復調器１６ではその受信信号に対してキャリア同期及びタイミング同期を確立することができる。
特定の送信局から到来する信号に対して各復調器１６のキャリア同期及びタイミング同期が確立すると、その信号を処理する系統については、アルゴリズム選択スイッチ２２の選択状態が切り替わり、２乗誤差最小制御装置２１が選択される。
【００５６】
アルゴリズム選択スイッチ２２が２乗誤差最小制御装置２１を選択した系統については、復調器１６の同期が確立しているので、２乗誤差最小制御装置２１は受信信号と希望信号成分ｄとの２乗誤差が最小になるように、ビーム形成回路１４の重みの値を適応的に制御することができる。
【００５７】
固有ベクトルビーム制御装置１５だけを用いてアンテナの指向性を制御する場合には、十分な伝送品質が得られない場合もある。しかし、図２の装置においては復調器１６の同期が確立した後は２乗誤差最小制御装置２１を用いて誤差がより小さくなるように制御するので、伝送品質を改善することができる。
（第３の実施の形態）
本発明の複数ビーム制御適応アンテナ装置を用いた通信方法の１つの実施の形態について、図３及び図８を参照して説明する。この形態は、請求項２、 ３に対応する。
【００５８】
図３はこの形態の各端末局の動作を示すフローチャートである。図８は基地局における受信タイミングの例（１）を示すタイムチャートである。
この形態では、第１の実施の形態又は第２の実施の形態として説明した複数ビーム制御適応アンテナ装置を搭載した基地局が複数の無線端末局との間で同一周波数を用いて同時に通信する場合を想定している。また、ここでは各無線端末局の送信電力が可変である場合を想定している。
【００５９】
図１，図２に示す固有ベクトルビーム制御装置１５を用いてアンテナの指向性パターンを制御する場合には、複数の無線端末局からこの基地局に同時に到来する複数の信号の受信レベルに差があることが必要である。
複数の信号の受信レベルに差がある場合には、固有ベクトルビーム制御装置１５の制御により形成した指向性パターンは図１１（ａ）のようになる。しかし、複数の信号の基地局における受信レベルが等しい場合には、指向性パターンは図１１（ｂ）のようになる。１１（ｂ）の指向性パターンでは、端末局（１）と端末局（２）とを分離することができない。
【００６０】
そこで、この形態では固有ベクトルビーム制御装置１５を使用してアンテナの指向性パターンを形成する場合に、複数の信号の基地局における受信レベルに差が生じるように制御する。実際には、各端末局が図３に示す制御を実施して送信電力を制御する。
また、この例では図８に示すように、実際にデータが伝送される情報区間の前にトレーニング区間と呼ばれる時間区分を設けてある。トレーニング区間においては、予め定めた既知の信号系列を端末局と基地局との間で伝送する。
【００６１】
更に、トレーニング区間においては、複数の端末局からそれぞれ到来する信号の基地局における受信レベルに差が生じるように制御され、情報区間では、複数の端末局からそれぞれ到来する信号の基地局における受信レベルが等しくなるように制御される。
この例では、各端末局の送信電力を端末局自身の自律的な制御によって決定している。そのために、各端末局は基地局から送信される信号を受信してその受信レベルから基地局における受信レベルを推定している。
【００６２】
例えば、基地局が送信電力Ｐｔで送信した信号を端末局が受信レベルＰｒで受信した場合には、下り回線の伝搬損失は（Ｐｒ／Ｐｔ）となる。送信電力Ｐｔが予め定めた（端末局において既知の）値であるとすれば、各端末局は受信レベルＰｒから下り回線の伝搬損失を求めることができる。上り回線の伝搬損失は、下り回線の伝搬損失と同一であるとみなすこともできる。
【００６３】
従って、上り回線において基地局の受信レベルをＰ１にするためには、端末局は（Ｐ１／（Ｐｒ／Ｐｔ））の送信電力で送信すればよい。つまり、端末局は受信レベルＰｒと基地局の受信レベルＰ１とに基づいて自律的に送信電力を決定することができる。
図３を参照し、端末局の動作について説明する。
【００６４】
ステップＳ１１では、基地局が送信する信号を受信してその受信レベルＬａ１を測定する。そして、受信レベルＬａ１に基づいて送信電力Ｐａ１を決定する。この送信電力Ｐａ１は、図８に示す基地局の受信レベルＬ２と対応関係にある。つまり、端末局が送信電力Ｐａ１で送信した場合に、前記伝搬損失（Ｐｒ／Ｐｔ）により減衰した信号が受信レベルＬ２で基地局に受信される。
【００６５】
ステップＳ１２では、当該端末局が基地局に対して初めてアクセスするのか、既に通信中かを識別する。最初のアクセスであればステップＳ１３に進み、通信中であればステップＳ１４に進む。
ステップＳ１３では、ステップＳ１１で決定した送信電力Ｐａ１と定数ｋ１とを用いて送信電力Ｐａ２を決定する。また、ステップＳ１４ではステップＳ１１で決定した送信電力Ｐａ１と定数ｋ２とを用いて送信電力Ｐａ２を決定する。但し、定数ｋ１，ｋ２は互いに異なる値である。
【００６６】
従って、端末局が最初に基地局にアクセスする場合と既に通信中の場合とでは送信電力Ｐａ２の大きさが異なる。この例では、ステップＳ１３で決定される送信電力Ｐａ２と図８の基地局の受信レベルＬ１（１）とが対応関係にあり、ステップＳ１４で決定される送信電力Ｐａ２と図８の基地局の受信レベルＬ１（２）とが対応関係にある。
【００６７】
つまり、最初にアクセスする端末局が送信電力Ｐａ２で送信した場合には、基地局の受信レベルはＬ１（１）になり、通信中の端末局が送信電力Ｐａ２で送信した場合には、基地局の受信レベルはＬ１（２）になる。
トレーニング区間においては、端末局はステップＳ１５からＳ１６に進み、既知の信号系列をステップＳ１３又はＳ１４で決定された送信電力Ｐａ２で基地局に対して送信する。
【００６８】
また、情報区間においては、端末局はステップＳ１７からＳ１８に進み、データを送信電力Ｐａ１で送信する。
各端末局が図３に示す処理を実行することにより、基地局においては図８に示すような受信レベルで各端末局からの信号を受信することができる。
【００６９】
また、最初に基地局にアクセスする端末局から基地局に到来するトレーニング区間の信号は基地局において受信レベルＬ１（１）になり、通信中の端末局から基地局に到来するトレーニング区間の信号は基地局において受信レベルＬ１（２）になるので、トレーニング区間においては、図８に示すように複数の端末局からの信号の基地局における受信レベルに差が生じる。
【００７０】
このため、固有ベクトルビーム制御装置１５に誤動作が生じることはなく、トレーニング区間の制御により、図１１（ａ）のような指向性パターンを形成することができる。
また、情報区間においては、いずれの端末局についても基地局における受信レベルがＬ２になる。従って、情報区間では基地局はそれぞれの端末局から送信された信号を十分に大きなレベルで受信することができる。
【００７１】
なお、図２に示す２乗誤差最小制御装置２１を備える場合には、トレーニング区間で固有ベクトルビーム制御装置１５が決定した重みを、情報区間の初期値としてビーム形成回路１４に与え、その後で２乗誤差最小制御装置２１に切り替えて更に指向性パターンを制御することもできる。
（第４の実施の形態）
本発明の複数ビーム制御適応アンテナ装置を用いた通信方法のもう１つの実施の形態について、図４，図５及び図９を参照して説明する。この形態は、請求項４、５に対応する。
【００７２】
図４は、この形態の各端末局の動作を示すフローチャートである。図５は、この形態における複数ビーム制御適応アンテナ装置の動作を示すフローチャートである。図９は、基地局における受信タイミングの例（２）を示すタイムチャートである。
この形態は、第３の実施の形態の変形例であり、図２の複数ビーム制御適応アンテナ装置を基地局に備える場合を想定している。また、図４において図３と対応する処理には同じステップ番号を付けて示してある。第３の実施の形態と同一の部分については、以下の説明を省略する。
【００７３】
この形態では、図９に示すように２つのトレーニング区間が設けてある。第１トレーニング区間においては、端末局が図４のステップＳ１６で送信電力Ｐａ２で送信するので、基地局の受信レベルは図９のＬ１（１）又はＬ１（２）になる。また、第２トレーニング区間においては、端末局が図４のステップＳ２２で送信電力Ｐａ１で送信するので、基地局の受信レベルは図９のＬ２になる。情報区間についても、基地局の受信レベルは図９のＬ２になる。
【００７４】
この形態では、基地局においては図５に示すような制御が実施される。すなわち、第１トレーニング区間においてはステップＳ５０からＳ５１に進む。従って、アルゴリズム選択スイッチ２２が固有ベクトルビーム制御装置１５を選択し、固有ベクトルビーム制御装置１５の制御によりビーム形成回路１４の重みを決定する。
【００７５】
第２トレーニング区間においては、復調器１６及びビーム形成回路１４の系統毎に独立した制御を行う。
第２トレーニング区間においては、ステップＳ５２からＳ５３に進み、復調器１６（１）〜１６（Ｍ）のそれぞれについて受信同期が確立済みか否かを識別する。復調器１６がまだ受信同期を確立していない系統については、ステップＳ５６の処理を実行する。つまり、第１トレーニング区間と同様に、固有ベクトルビーム制御装置１５の制御によりビーム形成回路１４の重みを決定する。
【００７６】
受信同期を確立した系統については、第２トレーニング区間ではステップＳ５４の処理を実行する。ステップＳ５４では、受信機（復調器１６）内部における同期追従制御を停止する。また、次のステップＳ５５ではアルゴリズム選択スイッチ２２を切り替えて２乗誤差最小制御装置２１を選択し、２乗誤差最小制御装置２１の制御によりビーム形成回路１４の重みを決定する。
【００７７】
情報区間においては、アルゴリズム選択スイッチ２２の制御によりＭ個の全ての系統について２乗誤差最小制御装置２１を選択し、２乗誤差最小制御装置２１の制御により各ビーム形成回路１４の重みを決定する。
図５に示す制御を行うことにより、情報区間になる前に２乗誤差最小制御を適用し、より伝送品質が高くなるように指向性パターンを形成した後でデータを転送することができる。
【００７８】
図５のステップＳ５４において既に同期が確立された受信機について、同期の追従を停止する理由は次の通りである。第１トレーニング区間で同期確立に成功するのは、第１トレーニング区間で基地局の受信レベルが大きい端末局からの信号である。従って、同期確立に成功した受信機については、第２トレーニング区間で目的の端末局以外からの信号電力が増大するため伝送品質が劣化し、同期の追従制御を継続すると同期が外れる可能性がある。そこで、同期確立に成功した場合には同期の追従制御を停止する。もちろん、情報区間では同期の追従を再開する必要がある。
【００７９】
なお、第１トレーニング区間で同期確立に失敗した信号については、第２トレーニング区間で基地局の受信レベルが増大するため、伝送品質が改善され、受信機において同期の確立が容易になる。
また、情報区間においては、端末局の送信した信号系列が未知であるため、２乗誤差最小制御装置２１においては希望信号を正確に知ることができない。そこで、受信機が復調した信号を希望信号とみなして制御を行う。この方法は判定帰還型アルゴリズムとして知られている（例えば、堀越淳監修「ディジタル移動通信のための波形等化技術」トリケップス、１９９６年６月、Ｐ．４９〜７５）。
【００８０】
（第５の実施の形態）
本発明の複数ビーム制御適応アンテナ装置を用いた通信方法のもう１つの実施の形態について、図６及び図１０を参照して説明する。この形態は、請求項６に対応する。
【００８１】
図６はこの形態の各端末局の動作を示すフローチャートである。図１０は基地局における受信タイミングの例（３）を示すタイムチャートである。
この形態は、第４の実施の形態の変形例であり、図２の複数ビーム制御適応アンテナ装置を基地局に備える場合を想定している。また、図６において図４と対応する処理には同じステップ番号を付けて示してある。第４の実施の形態と同一の部分については、以下の説明を省略する。
【００８２】
この形態では、図１０に示すように、第１トレーニング区間において端末局が信号の送信を開始するタイミングが端末局毎にずれている。
すなわち、第１トレーニング区間が始まるタイミングで、端末局の処理は図６のステップＳ１５ＣからＳ３１に進む。この場合、Ｓ３１でランダムに決定した遅延時間Ｔｄが経過するまでステップＳ３２で待機し、ステップＳ２６で信号の送信を開始する。このため、各端末局が信号の送信を開始するタイミングは端末局毎に異なる。
【００８３】
基地局の固有ベクトルビーム制御装置１５は、第１トレーニング区間でアンテナ素子１１間の相関行列を求め、ビーム形成回路１４の重みを決定する。
この形態では、図９のように複数の端末局に対する受信レベルが異なるように制御する場合と等価な相関行列を求めることができる。
従って、各端末局の送信電力を高精度で制御する必要はないので、例えば基地局の受信装置におけるＡ／Ｄ変換器のビット数が少なく量子化誤差が大きい場合であっても、固有ベクトルビーム制御装置１５に誤動作が生じないように制御することができる。
【００８４】
また、基地局の受信装置にマッチトフィルタを用いたシステムにおいては、各端末局からの送信信号を拡散する際に用いる拡散符号として、基地局の受信装置におけるマッチトフィルタとの相関値が異なる拡散符号を用いることにより、送信時間を変化させた場合と同じ効果が得られる。
【００８５】
（第６の実施の形態）
本発明の複数ビーム制御適応アンテナ装置を用いた通信方法のもう１つの実施の形態について、図７を参照して説明する。この形態は、請求項７に対応する。
図７はこの形態の各端末局の動作を示すフローチャートである。この形態は、第３の実施の形態の変形例であり、図１又は図２の複数ビーム制御適応アンテナ装置を基地局に備える場合を想定している。また、図７において図３と対応する処理には同じステップ番号を付けて示してある。第３の実施の形態と同一の部分については、以下の説明を省略する。
【００８６】
この形態では、図７のステップＳ４１において、予め定められた条件の範囲内でランダムに決定した係数ｋ１を用いて送信電力Ｐａ２を決定するので、トレーニング区間においては、基地局における受信レベルに全ての端末局の間で差が生じるように制御することができる。
このため、予め各端末局に特別な送信電力の割り当てを行う必要はない。
【００８７】
【発明の効果】
本発明によれば、受信信号から求められるアンテナ素子間の相関行列に基づいてビーム形成回路の重みを決定するので、基準信号を用いることなくアンテナの指向性を制御することができる。そのため、各ビーム形成回路においては、目的の端末局から到来する信号の受信レベルが高くなり、他の端末局からの干渉を抑えることができる。従って、基地局が事前に通信を開始する端末局を認識できない場合であっても、空間分割多重伝送が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の複数ビーム制御適応アンテナ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】第２の実施の形態の複数ビーム制御適応アンテナ装置の構成を示すブロック図である。
【図３】第３の実施の形態の各端末局の動作を示すフローチャートである。
【図４】第４の実施の形態の各端末局の動作を示すフローチャートである。
【図５】第４の実施の形態における複数ビーム制御適応アンテナ装置の動作を示すフローチャートである。
【図６】第５の実施の形態の各端末局の動作を示すフローチャートである。
【図７】第６の実施の形態の各端末局の動作を示すフローチャートである。
【図８】基地局における受信タイミングの例（１）を示すタイムチャートである。
【図９】基地局における受信タイミングの例（２）を示すタイムチャートである。
【図１０】基地局における受信タイミングの例（３）を示すタイムチャートである。
【図１１】アンテナの指向性パターンの例を示すグラフである。
【図１２】適応アンテナ装置の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０ 周波数変換器
１１ アンテナ素子
１２ 準同期検波器
１３ Ａ／Ｄ変換器
１４ ビーム形成回路
１５ 固有ベクトルビーム制御装置
１６ 復調器
１７ 第１局部発振器
１８ 第２局部発振器
１９ サンプリングクロック発生器
２１ ２乗誤差最小制御装置
２２ アルゴリズム選択スイッチ
１０１，１０２ 特性
９０１ アンテナ素子
９０２ 重み付け回路
９０３ 重み制御装置
９０４ 基準信号発生装置
９０５ 合成器
【発明の属する技術分野】
本発明は、アンテナに複数ビームの指向性パターンを形成して通信する無線通信システムに用いる複数ビーム制御適応アンテナ装置及びそれを用いた通信方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、鈴木達他「アダプティブアレーを用いたＳＤＭＡ方式におけるチャネル利用効率の検討」信学技報ＡＰ９９−１９７，ｐｐ．９−１４）に示されるように、従来の適応アンテナ装置を複数用いることにより、アンテナに複数ビームの指向性パターンを形成して通信することができる。
【０００３】
また、例えばＲ． Ａ． Ｍｏｎｚｉｎｇｏ ａｎｄ Ｔ． Ｗ． Ｍｉｌｌｅｒ， 「Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ａｒｒａｙｓ」， Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ， Ｉｎｃ． １９８０に示される従来の適応アンテナ装置は、図１２のように構成されている。
すなわち、複数のアンテナ素子９０１（１）〜９０１（Ｎ）と、各アンテナ素子出力に複素数の重みを課す重み付け回路９０２（１）〜９０２（Ｎ）と、重みを制御する重み制御装置９０３と、基準信号発生装置９０４と、重み付けされた各アンテナ素子からの信号を合成する合成器９０５とを備えている。
【０００４】
図１２の適応アンテナ装置において、複数のアンテナ素子９０１（１）〜９０１（Ｎ）で受信された信号をｘ（１）〜ｘ（Ｎ）とし、重み付け回路９０２（１）〜９０２（Ｎ）に与えられる重みの値をｗ（１）〜ｗ（Ｎ）とし、希望信号成分をｄで表す場合、
合成器９０５の出力信号と希望する信号との誤差の２乗を最小にするための指向性を形成する重みＷｏｐｔの値は次式で与えられる。
【数１】
【０００５】
無線基地局のアンテナに複数ビームの指向性パターンを形成する場合、各ビームの形成に利用されるビーム形成回路（適応アンテナ装置）の希望信号は、各ビーム形成回路に対応付けられた無線端末局からの信号になる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
複数ビーム制御適応アンテナ装置を用いて空間分割多重伝送を実現するためには、通信を開始する前にそれぞれの無線端末局に対応した指向性パターンを形成しなければならない。
ところが、多数の無線端末局の中でどの無線端末局が送信を行うかを無線基地局で認識できない場合には、指向性パターンの形成に必要な希望信号が不明であるため、通信を開始する前に各無線端末局に合わせた指向性パターンを形成することができない。
【０００７】
本発明は、通信を開始する前に各無線端末局に合わせた指向性パターンを形成可能な複数ビーム制御適応アンテナ装置及びそれを用いた通信方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１は、複数の無線端末局と空間分割多重伝送によって通信を行うための複数ビームアンテナ制御適応アンテナ装置であって、複数のアンテナ素子と、複数の可変ビーム形成回路と、各可変ビーム形成回路に接続された復調器とを備え、前記可変ビーム形成回路には、各アンテナ素子からの信号を重み付けする重み付け手段と、前記重み付け手段によって重み付けされた各アンテナ素子からの信号を合成する信号合成手段とを設けた複数ビーム制御適応アンテナ装置において、
前記複数のアンテナ素子の各々の受信信号に基づいて求められる複数のアンテナ素子間の相関行列から複数の固有ベクトルを求め、求められた複数の固有ベクトルの各要素の複素共役値を前記重み付け手段の重みの値として与える固有ベクトル取得手段と、前記複数の可変ビーム形成回路のそれぞれについて受信機の同期確立に関する識別を行う同期識別手段を設け、前記同期識別手段の識別結果に基づき、前記複数の可変ビーム形成回路のうち同期が確立していない可変ビーム形成回路に対しては、求められた複数の固有ベクトルの各要素の複素共役値を前記重み付け手段の重みの値として与え、前記同期識別手段の識別結果に基づき、前記複数の可変ビーム形成回路のうち受信機の同期が確立した可変ビーム形成回路については、前記信号合成手段の出力信号と所望信号との誤差の２乗が最小となるように、前記重み付け手段の重みの値を制御することを特徴とする。
【０００９】
複数のアンテナ素子のそれぞれが受信した信号に基づいて、アンテナ素子間の相関行列を求めることができる。相関行列Ｒｘｘは次式で表される。
【数２】
【００１０】
また、例えば複数の端末局からの信号が基地局で同時に受信され、各信号が互いに異なった受信レベルで受信される場合には、相関行列Ｒｘｘから複数の固有値の情報を取り出すことができる。各々の固有値は、各端末局からの受信信号に対応する。
また、各々の固有値に対応する固有ベクトルが存在する。この固有ベクトルは、特定の固有値の信号を取り出すための適応アンテナ装置の重みベクトルに相当する。
【００１３】
固有ベクトルの各要素の複素共役値を前記重み付け手段の重みの値として与えることにより、目的とする送信局の方向に合わせてアンテナの指向性パターンを制御することができるため、目的とする送信局の信号を抽出するとともに干渉波を抑制することができる。その結果、特定の受信信号に対して受信機（復調器）を同期させることができる。
【００１４】
受信機の同期が確立した後は、受信信号から所望信号を取り出すことができるので、前記信号合成手段の出力信号と所望信号との誤差の２乗が最小となるように重み付け手段の重みの値を制御することができる。
請求項１においては、相関行列から求められた複数の固有ベクトルの各要素の複素共役値を前記重み付け手段の重みの値として与えることにより、各々の送信局の信号成分（固有値）を抽出するようにアンテナの指向性パターンを定めることができる。この場合には、希望信号が不明であっても各々の送信局の方向に合わせてアンテナの指向性パターンを制御することができる。
また、受信機の同期が確立した後は従来と同様の制御を行うので、固有ベクトルに基づいて重み付け手段の重みを制御する場合よりも高い精度でアンテナの指向性パターンを制御することができる。
【００１５】
請求項２は、複数のアンテナ素子と、複数の可変ビーム形成回路と、各可変ビーム形成回路に接続された復調器とを備え、前記可変ビーム形成回路には、各アンテナ素子からの信号を重み付けする重み付け手段と、前記重み付け手段によって重み付けされた各アンテナ素子からの信号を合成する信号合成手段とを設け、さらに前記複数のアンテナ素子の各々の受信信号に基づいて求められる複数のアンテナ素子間の相関行列から複数の固有ベクトルを求め、求められた複数の固有ベクトルの各要素の複素共役値を前記重み付け手段の重みの値として与える固有ベクトル取得手段を設けた複数ビーム制御適応アンテナ装置を備える無線基地局と複数の無線端末局との間で通信するための複数ビーム制御適応アンテナ装置を用いた通信方法であって、前記無線基地局と複数の無線端末局との間で同一周波数を用いて同時に通信が可能な空間分割多重伝送を実施する場合に、前記複数ビーム制御適応アンテナ装置を無線端末局から無線基地局に向かう方向の上りの通信に利用するとともに、前記無線基地局における既知信号を、無線端末局から前記無線基地局に対して送信するためのトレーニング区間を情報伝送時刻の前に割り当て、前記トレーニング区間では、前記無線基地局で受信される無線端末局からの信号の受信レベルに複数の無線端末局の間で差が生じるように制御し、前記トレーニング区間で、前記無線基地局の受信信号に基づいて求められる複数のアンテナ素子間の相関行列から複数の固有ベクトルを求めることを特徴とする。
請求項３は、請求項１の複数ビーム制御適応アンテナ装置を備える無線基地局と複数の無線端末局との間で通信するための複数ビーム制御適応アンテナ装置を用いた通信方法であって、前記無線基地局と複数の無線端末局との間で同一周波数を用いて同時に通信が可能な空間分割多重伝送を実施する場合に、前記複数ビーム制御適応アンテナ装置を無線端末局から無線基地局に向かう方向の上りの通信に利用するとともに、前記無線基地局における既知信号を、無線端末局から前記無線基地局に対して送信するための第１のトレーニング区間とそれに続く第２のトレーニング区間とを情報伝送時刻の前に割り当て、前記第１のトレーニング区間では、前記無線基地局で受信される無線端末局からの信号の受信レベルに複数の無線端末局の間で差が生じるように制御し、前記第２のトレーニング区間では、前記無線基地局で受信される無線端末局からの信号の受信レベルが複数の無線端末局の間で同一になるように制御し、前記第１のトレーニング区間では、複数の可変ビーム形成回路のうち受信機の同期が確立していない可変ビーム形成回路について、無線基地局のアンテナ素子間の相関行列から求められた複数の固有ベクトルの各要素の複素共役値を前記重み付け手段の重みの値として与え、複数の可変ビーム形成回路のうち、前記第１のトレーニング区間で受信機の同期が確立した回路については、同期が確立した無線端末局からの受信信号に基づいて前記複数のアンテナ素子の応答を推定するとともに、前記第２のトレーニング区間では、受信機の同期追従を停止し、前記応答に基づいて前記信号合成手段の出力信号と所望信号との誤差が最小となるように前記重み付け手段の重みの値を決定し、複数の可変ビーム形成回路のうち、前記第１のトレーニング区間で受信機の同期に失敗した回路については、少なくとも同期が確立するまでは、前記第２のトレーニング区間で前記固有ベクトルの各要素の複素共役値を前記重み付け手段の重みの値として与えることを特徴とする。
【００１６】
請求項２、３においては、無線基地局に複数ビーム制御適応アンテナ装置を備えることにより、複数の無線端末局をアンテナの複数の指向性パターンを用いて空間的に分離する場合を想定している。このため、複数の無線端末局は互いに共通の同一周波数を用いて同時に通信を行う。
【００１７】
また、請求項２、 ３では情報の伝送を開始する前に、トレーニング区間で既知信号を各無線端末局から無線基地局に対して送信する。この既知信号は、アンテナの適応制御や受信機の同期確立に利用できる。また、トレーニング区間では、無線基地局で受信される複数の無線端末局からの信号の受信レベルに互いに差が生じるように制御する。各無線端末局の送信出力を制御することにより、無線基地局における信号の受信レベルを変更することができる。
【００１８】
前記固有ベクトルに基づいて可変ビーム形成回路の重みを制御する場合には、複数の無線端末局から無線基地局に同時に到来する信号の受信レベルが互いに異なる必要がある。もしも、無線基地局に同時に到来した複数の信号の受信レベルが等しい場合には、それらの信号を分離するように複数の指向性パターンを形成することができない。
【００１９】
請求項２、３では、無線基地局で受信される複数の無線端末局からの信号の受信レベルに互いに差が生じるように制御するので、トレーニング区間では、固有ベクトルに基づいて可変ビーム形成回路の重みを制御し、複数の無線端末局から到来した信号をそれぞれ分離可能な複数の指向性パターンをアンテナに形成することができる。
【００２０】
請求項４は、複数のアンテナ素子と、複数の可変ビーム形成回路と、各可変ビーム形成回路に接続された復調器とを備え、前記可変ビーム形成回路には、各アンテナ素子からの信号を重み付けする重み付け手段と、前記重み付け手段によって重み付けされた各アンテナ素子からの信号を合成する信号合成手段とを設け、さらに前記複数のアンテナ素子の各々の受信信号に基づいて求められる複数のアンテナ素子間の相関行列から複数の固有ベクトルを求め、求められた複数の固有ベクトルの各要素の複素共役値を前記重み付け手段の重みの値として与える固有ベクトル取得手段を設けた複数ビーム制御適応アンテナ装置を備える無線基地局を備える無線基地局と複数の無線端末局との間で通信するための複数ビーム制御適応アンテナ装置を用いた通信方法であって、前記無線基地局と複数の無線端末局との間で同一周波数を用いて同時に通信が可能な空間分割多重伝送を実施する場合に、前記複数ビーム制御適応アンテナ装置を無線端末局から無線基地局に向かう方向の上りの通信に利用するとともに、前記無線基地局における既知信号を、無線端末局から前記無線基地局に対して送信するための第１のトレーニング区間とそれに続く第２のトレーニング区間とを情報伝送時刻の前に割り当て、前記第１のトレーニング区間では、前記無線基地局で受信される無線端末局からの信号の受信レベルに複数の無線端末局の間で差が生じるように制御し、前記第２のトレーニング区間では、前記無線基地局で受信される無線端末局からの信号の受信レベルが複数の無線端末局の間で同一になるように制御し、前記第１のトレーニング区間では、複数の可変ビーム形成回路のうち受信機の同期が確立していない可変ビーム形成回路について、無線基地局のアンテナ素子間の相関行列から求められた複数の固有ベクトルの各要素の複素共役値を前記重み付け手段の重みの値として与え、複数の可変ビーム形成回路のうち、前記第１のトレーニング区間で受信機の同期が確立した回路については、同期が確立した無線端末局からの受信信号に基づいて前記複数のアンテナ素子の応答を推定するとともに、前記第２のトレーニング区間では、受信機の同期追従を停止し、前記応答に基づいて前記信号合成手段の出力信号と所望信号との誤差が最小となるように前記重み付け手段の重みの値を決定し、複数の可変ビーム形成回路のうち、前記第１のトレーニング区間で受信機の同期に失敗した回路については、少なくとも同期が確立するまでは、前記第２のトレーニング区間で前記固有ベクトルの各要素の複素共役値を前記重み付け手段の重みの値として与えることを特徴とする。
請求項５は、請求項１の複数ビーム制御適応アンテナ装置を備える無線基地局と複数の無線端末局との間で通信するための複数ビーム制御適応アンテナ装置を用いた通信方法であって、前記無線基地局と複数の無線端末局との間で同一周波数を用いて同時に通信が可能な空間分割多重伝送を実施する場合に、前記複数ビーム制御適応アンテナ装置を無線端末局から無線基地局に向かう方向の上りの通信に利用するとともに、前記無線基地局における既知信号を、無線端末局から前記無線基地局に対して送信するための第１のトレーニング区間とそれに続く第２のトレーニング区間とを情報伝送時刻の前に割り当て、前記第１のトレーニング区間では、前記無線基地局で受信される無線端末局からの信号の受信レベルに複数の無線端末局の間で差が生じるように制御し、前記第２のトレーニング区間では、前記無線基地局で受信される無線端末局からの信号の受信レベルが複数の無線端末局の間で同一になるように制御し、前記第１のトレーニング区間では、複数の可変ビーム形成回路のうち受信機の同期が確立していない可変ビーム形成回路について、無線基地局のアンテナ素子間の相関行列から求められた複数の固有ベクトルの各要素の複素共役値を前記重み付け手段の重みの値として与え、複数の可変ビーム形成回路のうち、前記第１のトレーニング区間で受信機の同期が確立した回路については、同期が確立した無線端末局からの受信信号に基づいて前記複数のアンテナ素子の応答を推定するとともに、前記第２のトレーニング区間では、受信機の同期追従を停止し、前記応答に基づいて前記信号合成手段の出力信号と所望信号との誤差が最小となるように前記重み付け手段の重みの値を決定し、複数の可変ビーム形成回路のうち、前記第１のトレーニング区間で受信機の同期に失敗した回路については、少なくとも同期が確立するまでは、前記第２のトレーニング区間で前記固有ベクトルの各要素の複素共役値を前記重み付け手段の重みの値として与えるこ とを特徴とする。
【００２１】
請求項４、５においては、無線基地局に複数ビーム制御適応アンテナ装置を備えることにより、複数の無線端末局をアンテナの複数の指向性パターンを用いて空間的に分離する場合を想定している。このため、複数の無線端末局は互いに共通の同一周波数を用いて同時に通信を行う。
また、請求項４、５では情報の伝送を開始する前に、第１のトレーニング区間及び第２のトレーニング区間で既知信号を各無線端末局から無線基地局に対して送信する。この既知信号は、アンテナの適応制御や受信機の同期確立に利用できる。
【００２２】
また、第１のトレーニング区間では、無線基地局で受信される複数の無線端末局からの信号の受信レベルに互いに差が生じるように制御し、第２のトレーニング区間では、無線基地局で受信される複数の無線端末局からの信号の受信レベルが互いに等しくなるように制御する。各無線端末局の送信出力を制御することにより、無線基地局における信号の受信レベルを変更することができる。
【００２３】
第１のトレーニング区間では、無線基地局で受信される複数の無線端末局からの信号の受信レベルが互いに異なるので、アンテナ素子間の相関行列から求められた固有ベクトルに基づいて可変ビーム形成回路の重みを制御することにより、アンテナの指向性パターンで複数の無線端末局の信号を分離することができる。第１のトレーニング区間で受信機の同期が確立した回路については、同期を確立した特定の無線端末局からの信号ｄｉに対する複数のアンテナ素子の応答ｒｘｄｉを推定する。応答ｒｘｄｉは次式で表される。
【００２４】
ｒｘｄｉ＝Ｅ［Ｘｄｉ ＊］ ・・・（６）
Ｘ：入力信号ベクトル
Ｅ［・］：期待値
添字＊：共役転置
なお、第１のトレーニング区間では他に比べて無線基地局の受信レベルが大きい信号を送信した無線端末局に対して各受信機の同期が確立される。
【００２５】
一般に、受信機は同期を確立した後で、同期が外れないように受信信号に追従するように同期を自動的に制御する。ところが、第２のトレーニング区間では複数の無線端末局からの信号に対する無線基地局の受信レベルが同一になるように制御されるので、同期を確立した受信機で復調された信号の品質は第１のトレーニング区間に比べて劣化する。
【００２６】
従って、同期を確立した後で第２のトレーニング区間で同期の追従制御を継続すると、信号品質の劣化により同期が外れる可能性もある。そこで、既に同期を確立した回路については、第２のトレーニング区間では受信機の同期追従を停止する。
また、同期を確立した回路については、前記応答ｒｘｄｉに基づいて信号合成手段の出力信号と所望信号との誤差が最小となるように前記重み付け手段の重みの値を決定する。同期を確立した特定の無線端末局に対する前記重み付け手段の重みベクトルＷｉは次式で表される。
【００２７】
Ｗｉ＝Ｒｘｘ −１ｒｘｄｉ ・・・（７）
Ｗｉ＝［ｗｉ（１），ｗｉ（２），・・・ｗｉ（Ｎ）］Ｔ
ｗｉ（１）〜ｗｉ（Ｎ）：アンテナ素子毎の重み
添字Ｔは転置
また、第１のトレーニング区間で受信機の同期確立に失敗した回路については、同期が確立するまでは、前記第２のトレーニング区間においても固有ベクトルの各要素の複素共役値を重み付け手段の重みの値として与える。
【００２８】
受信機が同期確立に失敗する信号は、第１のトレーニング区間で送信出力を大幅に抑制した無線端末局からの信号であると考えられる。このような信号については、第２のトレーニング区間では無線端末局の送信出力が増大するので、無線基地局の受信レベルが増大し、受信品質が改善されるため受信機の同期を確立しやすくなる。
【００２９】
請求項６は、請求項２から請求項５の何れか一つに記載の複数ビーム制御適応アンテナ装置を用いた通信方法において、前記無線基地局における既知信号を無線端末局から前記無線基地局に対して送信するためのトレーニング区間の少なくとも一部分については、前記無線基地局で受信される無線端末局からの信号の受信レベルが複数の無線端末局について同一になるように制御し、前記トレーニング区間で複数の無線端末局が信号を送信する時刻が互いにずれるように制御することを特徴とする。
【００３０】
複数の無線端末局から同時に到来する信号を受信して前記相関行列を求める場合には、複数の信号を分離するために無線基地局の受信レベルが信号毎に異なっている必要がある。
しかし、請求項６においてはトレーニング区間においてそれぞれの無線端末局が信号の送信を開始する時刻が異なるので、トレーニング区間の全体あるいは一部分の受信信号から求められるアンテナ素子間の相関行列には、信号毎に受信レベルが異なる場合と同様の情報が含まれる。つまり、相関行列から求めた固有ベクトルを用いて可変ビーム形成回路の重み付けを行うことにより、複数の無線端末局から到来する信号をそれぞれ分離することができる。
【００３１】
請求項７は、請求項２から請求項５の何れか一つに記載の複数ビーム制御適応アンテナ装置を用いた通信方法において、前記無線基地局における既知信号を無線端末局から前記無線基地局に対して送信するためのトレーニング区間の少なくとも一部分については、前記無線基地局で受信される信号の受信レベルを予め定められた範囲内に限定するための特定の条件の下で、複数の無線端末局の各々の送信信号レベルをランダムに決定することを特徴とする。
【００３２】
請求項７においては、複数の無線端末局の各々の送信信号レベルをランダムに決定するので、多数の無線端末局から無線基地局に同時に信号が到来する場合であっても、複数の無線端末局からの信号の受信レベルが同一になる可能性は極めて小さくなる。従って、相関行列から求めた固有ベクトルを用いて可変ビーム形成回路の重み付けを行うことにより、複数の無線端末局から到来する信号をそれぞれ分離することができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
本発明の複数ビーム制御適応アンテナ装置の１つの実施の形態について、図１を参照して説明する。この形態は請求項１に対応する。
図１はこの形態の複数ビーム制御適応アンテナ装置の構成を示すブロック図である。
【００３４】
この形態では、請求項１のアンテナ素子，可変ビーム形成回路，復調器，重み付け手段，信号合成手段及び固有ベクトル取得手段は、それぞれアンテナ素子１１，ビーム形成回路１４，復調器１６，重み付け回路９０２，合成器９０５及び固有ベクトルビーム制御装置１５に対応する。
【００３５】
図１を参照すると、この複数ビーム制御適応アンテナ装置には、アンテナ素子１１，周波数変換器１０，準同期検波器１２，Ａ／Ｄ変換器１３，ビーム形成回路１４，固有ベクトルビーム制御装置１５，復調器１６，第１局部発振器１７，第２局部発振器１８及びサンプリングクロック発生器１９が備わっている。
この例では、アンテナに指向性を形成するためにＮ個のアンテナ素子１１（１）〜１１（Ｎ）が設けてある。アンテナ素子１１（１）〜１１（Ｎ）のそれぞれが受信した信号を処理するために、周波数変換器１０，準同期検波器１２及びＡ／Ｄ変換器１３もそれぞれＮ個設けてある。
【００３６】
また、同時にＭ種類の指向性ビームを形成するために、Ｍ個のビーム形成回路１４（１）〜１４（Ｍ）が設けてある。また、Ｍ個の送信局からの独立した信号を同時に受信するために、Ｍ個の復調器１６（１）〜１６（Ｍ）が設けてある。Ｍ個の復調器１６（１）〜１６（Ｍ）は、それぞれビーム形成回路１４（１）〜１４（Ｍ）の出力に接続されている。
【００３７】
各アンテナ素子１１で受信された高周波信号は、第１局部発振器１７から出力される信号を利用して各周波数変換器１０で周波数変換され、中間周波数の信号として準同期検波器１２に入力される。
各準同期検波器１２においては、周波数変換器１０から入力される中間周波数の信号を準同期検波処理する。この準同期検波では第２局部発振器１８が出力する信号を利用する。準同期検波器１２の出力には、Ｉチャネル及びＱチャネルの２つの信号に分解された受信信号が得られる。
【００３８】
なお、準同期検波器１２については、例えば（「ディジタル無線通信の変復調」斉藤洋一著、電子情報通信学会出版）に示された技術で実現することができる。
各準同期検波器１２から出力されるＩチャネル及びＱチャネルのアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換器１３でサンプリングされ、チャネル毎にディジタル信号に変換される。
【００３９】
Ａ／Ｄ変換器１３の出力においては、各アンテナ素子１１で受信した信号は複素数で表すことができる。すなわち、ｎ番目のアンテナ素子１１（ｎ）で受信されｋ番目にＡ／Ｄ変換器１３（ｎ）でサンプリングされて得られた複素受信信号ｘ（ｎ，ｋ）は次式で表される。
【数３】
【００４０】
図１の例では独立したＭ個のビーム形成回路１４（１）〜１４（Ｍ）をＡ／Ｄ変換器１３の出力に並列に接続してあるので、Ｍ種類の指向性パターンを同時に形成し、各々の指向性パターンで受信された受信信号をＭ個の復調器１６（１）〜１６（Ｍ）に同時に与えることができる。
固有ベクトルビーム制御装置１５は、Ａ／Ｄ変換器１３の出力に得られた受信信号に基づき、Ｍ個のビーム形成回路１４（１）〜１４（Ｍ）のそれぞれについて、アンテナ素子１１毎に独立した重みを生成し、各ビーム形成回路１４に内蔵された重み付け回路９０２に与える。
【００４１】
一般的な適応アンテナ装置の適応制御においては、目的とする送信局に合わせた指向性パターンの形成に必要な重みを生成するために、希望信号を受信してそれと対応する基準信号（既知信号）との誤差を検出する必要がある。しかし、多数の送信局が同時に送信する信号のうち、どれが希望信号かが定まっていない場合には、適応制御を実施して重みを決定することができない。
【００４２】
図１に示す固有ベクトルビーム制御装置１５は、複数のアンテナ素子１１間の相関行列から求めた固有ベクトルに基づいて各ビーム形成回路１４の重みを決定する。固有ベクトルビーム制御装置１５の動作について、以下に説明する。
まず、前記第（８）式で表される複素受信信号ｘ（ｎ，ｋ）を利用して、複数のアンテナ素子１１間の相関行列を求める。相関行列Ｒｘｘは次式により求めることができる。
【数４】
（１）まず、直交するベクトルを複数用意する。最も簡単な例では、次のようなベクトルを用いればよい。
（１，０，０，０）Ｔ，（０，１，０，０）Ｔ，（０，０，１，０）Ｔ，（０，０，０，１）Ｔ
（２）次に、求められた相関行列Ｒｘｘを用いて上記（１）のベクトルをそれぞれ一次変換する。その結果、４つのベクトルが求められる。
【００４３】
（３）上記（２）で得られた４つのベクトルに対して、「グラムシュミットの直交化」を実施する。
（４）上記（２）に戻り、収束するまで処理を繰り返す。
「グラムシュミットの直交化」では、次のような処理を行う。
例えば、任意の線形独立なベクトルの集合（ａ１，ａ２，・・・，ａｎ）が存在する場合に、まずベクトルｖ１にベクトルａ１を割り当てる。次に、ｉ番目のベクトルｖｉを次式により求め、それより前に位置するｖ１〜ｖｉ−１に対して直交するように変換する。
【００４４】
ここで、相関行列Ｒｘｘの固有ベクトルをＶで表し、固有値をλで表す場合、次の関係が成立する。固有値λは各々の送信局について受信した信号に相当する。
【００４５】
Ｒｘｘ Ｖ＝λＶ ・・・（１１）
図１の複数のビーム形成回路１４に対してそれぞれ異なる固有ベクトルＶを用いて重み付けした場合、各ビーム形成回路１４から出力される信号は、固有ベクトルＶに対応する固有値λ、すなわち各送信局が送信した信号に近づく。
但し、複数の送信局から到来した複数の信号の受信レベルに差がない場合には、複数の信号を分離することができない。
【００４６】
各ビーム形成回路１４には、固有値の大きさの大きい順に、各々の固有値に対応する固有ベクトルＶを重みとして割り当てればよい。すなわち、ｍ番目の大きさの固有値に対応するビーム形成回路１４にはその固有値に対応する固有ベクトルＶｍを重みベクトルＷｍとして割り当てれば、各送信局が送信した信号をビーム形成回路１４の出力から取り出すことができる。
【００４７】
この場合、ビーム形成回路１４の出力信号Ｙｋは次式により求められる。
Ｙｋ＝Ｗｍ ＊Ｘｋ ・・・（１２）
以上のように、固有ベクトルビーム制御装置１５を用いて各ビーム形成回路１４の重みの値を生成する場合には、基準信号を必要とせず、各アンテナ素子１１で受信した信号に基づいて重みの値を決定することができる。従って、受信機の同期が確立していない状態であっても、複数の送信局からの信号を互いに分離するように、アンテナの指向性パターンを形成することができる。
【００４８】
送信局として２つの端末局が存在する場合に、図１の複数ビーム制御適応アンテナ装置を用いて形成したアンテナの指向性パターンの例が図１１（ａ）に示されている。この例では、端末局（１）は０度方向に存在し、端末局（２）は３０度方向に存在する場合を想定している。また、図１１（ａ）では端末局（１）から到来する信号に対するアンテナ素子１１の受信レベルと、端末局（２）から到来する信号に対するアンテナ素子１１の受信レベルとの間には１０ｄＢの電力差が存在する場合を想定している。
【００４９】
図１１（ａ）を参照すると、端末局（１）の方向と端末局（２）の方向との両方に向いた２つのビームがアンテナの指向性パターンとして同時に形成されている。従って、端末局（１），端末局（２）のそれぞれから到来する信号を互いに分離して同時に受信することができる。
なお、図１には受信系だけが示してあるが、送信系についても同様にアンテナ素子１１毎に重み付けを行うことにより、送信時のアンテナの指向性パターンを制御することができる。
【００５０】
（第２の実施の形態）
本発明の複数ビーム制御適応アンテナ装置のもう１つの実施の形態について、図２を参照して説明する。この形態は請求項１に対応する。この形態では、請求項１の同期識別手段はアルゴリズム選択スイッチ２２に対応する。
図２はこの形態の複数ビーム制御適応アンテナ装置の構成を示すブロック図である。この形態は第１の実施の形態の変形例である。図２において、図１と対応する要素は同一の符号を付けて示してある。第１の実施の形態と同じ部分については、以下の説明を省略する。
【００５１】
図２を参照すると、図１に示した要素の他に、２乗誤差最小制御装置２１及びアルゴリズム選択スイッチ２２が備わっている。
２乗誤差最小制御装置２１は、一般的な適応アンテナ装置と同様のアルゴリズムを用いて各ビーム形成回路１４に与える重みを生成する。すなわち、復調器１６（１）〜１６（Ｍ）のそれぞれが出力する受信信号と希望信号のそれぞれの送信局の成分ｄとの２乗誤差が最小になるように、ビーム形成回路１４（１）〜１４（Ｍ）の重みの値を適応的に制御する。つまり、前記第（１）式と同様の計算により、ビーム形成回路１４（１）〜１４（Ｍ）の各々について重みの値Ｗｏｐｔを求めることができる。
【００５２】
アルゴリズム選択スイッチ２２は、復調器１６（１）〜１６（Ｍ）のそれぞれの動作状態を識別してビーム形成のアルゴリズムを切り替える。すなわち、ビーム形成回路１４（１）〜１４（Ｍ）の各々の重みの値として、固有ベクトルビーム制御装置１５が生成した値と２乗誤差最小制御装置２１が生成した値とのいずれか一方を選択する。
【００５３】
具体的には、アルゴリズム選択スイッチ２２は、各々の復調器１６においてキャリア同期及びタイミング同期が確立したか否かを識別して復調器１６毎に切替を行う。
すなわち、キャリア同期及びタイミング同期が確立していない復調器１６に対応付けられたビーム形成回路１４に対しては、固有ベクトルビーム制御装置１５が生成した重みの値を入力する。また、キャリア同期及びタイミング同期が確立した復調器１６に対応付けられたビーム形成回路１４に対しては、２乗誤差最小制御装置２１が生成した重みの値を入力する。
【００５４】
最初に通信を開始する際には、復調器１６の同期が確立していないので、アルゴリズム選択スイッチ２２は固有ベクトルビーム制御装置１５を選択する。固有ベクトルビーム制御装置１５の制御により生成された重みをビーム形成回路１４に与えることにより、複数の送信局から到来する信号の中から特定の送信局の信号だけを抽出するようにアンテナの指向性パターンが形成される。
【００５５】
このため、特定の送信局に対応する受信信号だけが特定の復調器１６に入力されることになり、復調器１６ではその受信信号に対してキャリア同期及びタイミング同期を確立することができる。
特定の送信局から到来する信号に対して各復調器１６のキャリア同期及びタイミング同期が確立すると、その信号を処理する系統については、アルゴリズム選択スイッチ２２の選択状態が切り替わり、２乗誤差最小制御装置２１が選択される。
【００５６】
アルゴリズム選択スイッチ２２が２乗誤差最小制御装置２１を選択した系統については、復調器１６の同期が確立しているので、２乗誤差最小制御装置２１は受信信号と希望信号成分ｄとの２乗誤差が最小になるように、ビーム形成回路１４の重みの値を適応的に制御することができる。
【００５７】
固有ベクトルビーム制御装置１５だけを用いてアンテナの指向性を制御する場合には、十分な伝送品質が得られない場合もある。しかし、図２の装置においては復調器１６の同期が確立した後は２乗誤差最小制御装置２１を用いて誤差がより小さくなるように制御するので、伝送品質を改善することができる。
（第３の実施の形態）
本発明の複数ビーム制御適応アンテナ装置を用いた通信方法の１つの実施の形態について、図３及び図８を参照して説明する。この形態は、請求項２、 ３に対応する。
【００５８】
図３はこの形態の各端末局の動作を示すフローチャートである。図８は基地局における受信タイミングの例（１）を示すタイムチャートである。
この形態では、第１の実施の形態又は第２の実施の形態として説明した複数ビーム制御適応アンテナ装置を搭載した基地局が複数の無線端末局との間で同一周波数を用いて同時に通信する場合を想定している。また、ここでは各無線端末局の送信電力が可変である場合を想定している。
【００５９】
図１，図２に示す固有ベクトルビーム制御装置１５を用いてアンテナの指向性パターンを制御する場合には、複数の無線端末局からこの基地局に同時に到来する複数の信号の受信レベルに差があることが必要である。
複数の信号の受信レベルに差がある場合には、固有ベクトルビーム制御装置１５の制御により形成した指向性パターンは図１１（ａ）のようになる。しかし、複数の信号の基地局における受信レベルが等しい場合には、指向性パターンは図１１（ｂ）のようになる。１１（ｂ）の指向性パターンでは、端末局（１）と端末局（２）とを分離することができない。
【００６０】
そこで、この形態では固有ベクトルビーム制御装置１５を使用してアンテナの指向性パターンを形成する場合に、複数の信号の基地局における受信レベルに差が生じるように制御する。実際には、各端末局が図３に示す制御を実施して送信電力を制御する。
また、この例では図８に示すように、実際にデータが伝送される情報区間の前にトレーニング区間と呼ばれる時間区分を設けてある。トレーニング区間においては、予め定めた既知の信号系列を端末局と基地局との間で伝送する。
【００６１】
更に、トレーニング区間においては、複数の端末局からそれぞれ到来する信号の基地局における受信レベルに差が生じるように制御され、情報区間では、複数の端末局からそれぞれ到来する信号の基地局における受信レベルが等しくなるように制御される。
この例では、各端末局の送信電力を端末局自身の自律的な制御によって決定している。そのために、各端末局は基地局から送信される信号を受信してその受信レベルから基地局における受信レベルを推定している。
【００６２】
例えば、基地局が送信電力Ｐｔで送信した信号を端末局が受信レベルＰｒで受信した場合には、下り回線の伝搬損失は（Ｐｒ／Ｐｔ）となる。送信電力Ｐｔが予め定めた（端末局において既知の）値であるとすれば、各端末局は受信レベルＰｒから下り回線の伝搬損失を求めることができる。上り回線の伝搬損失は、下り回線の伝搬損失と同一であるとみなすこともできる。
【００６３】
従って、上り回線において基地局の受信レベルをＰ１にするためには、端末局は（Ｐ１／（Ｐｒ／Ｐｔ））の送信電力で送信すればよい。つまり、端末局は受信レベルＰｒと基地局の受信レベルＰ１とに基づいて自律的に送信電力を決定することができる。
図３を参照し、端末局の動作について説明する。
【００６４】
ステップＳ１１では、基地局が送信する信号を受信してその受信レベルＬａ１を測定する。そして、受信レベルＬａ１に基づいて送信電力Ｐａ１を決定する。この送信電力Ｐａ１は、図８に示す基地局の受信レベルＬ２と対応関係にある。つまり、端末局が送信電力Ｐａ１で送信した場合に、前記伝搬損失（Ｐｒ／Ｐｔ）により減衰した信号が受信レベルＬ２で基地局に受信される。
【００６５】
ステップＳ１２では、当該端末局が基地局に対して初めてアクセスするのか、既に通信中かを識別する。最初のアクセスであればステップＳ１３に進み、通信中であればステップＳ１４に進む。
ステップＳ１３では、ステップＳ１１で決定した送信電力Ｐａ１と定数ｋ１とを用いて送信電力Ｐａ２を決定する。また、ステップＳ１４ではステップＳ１１で決定した送信電力Ｐａ１と定数ｋ２とを用いて送信電力Ｐａ２を決定する。但し、定数ｋ１，ｋ２は互いに異なる値である。
【００６６】
従って、端末局が最初に基地局にアクセスする場合と既に通信中の場合とでは送信電力Ｐａ２の大きさが異なる。この例では、ステップＳ１３で決定される送信電力Ｐａ２と図８の基地局の受信レベルＬ１（１）とが対応関係にあり、ステップＳ１４で決定される送信電力Ｐａ２と図８の基地局の受信レベルＬ１（２）とが対応関係にある。
【００６７】
つまり、最初にアクセスする端末局が送信電力Ｐａ２で送信した場合には、基地局の受信レベルはＬ１（１）になり、通信中の端末局が送信電力Ｐａ２で送信した場合には、基地局の受信レベルはＬ１（２）になる。
トレーニング区間においては、端末局はステップＳ１５からＳ１６に進み、既知の信号系列をステップＳ１３又はＳ１４で決定された送信電力Ｐａ２で基地局に対して送信する。
【００６８】
また、情報区間においては、端末局はステップＳ１７からＳ１８に進み、データを送信電力Ｐａ１で送信する。
各端末局が図３に示す処理を実行することにより、基地局においては図８に示すような受信レベルで各端末局からの信号を受信することができる。
【００６９】
また、最初に基地局にアクセスする端末局から基地局に到来するトレーニング区間の信号は基地局において受信レベルＬ１（１）になり、通信中の端末局から基地局に到来するトレーニング区間の信号は基地局において受信レベルＬ１（２）になるので、トレーニング区間においては、図８に示すように複数の端末局からの信号の基地局における受信レベルに差が生じる。
【００７０】
このため、固有ベクトルビーム制御装置１５に誤動作が生じることはなく、トレーニング区間の制御により、図１１（ａ）のような指向性パターンを形成することができる。
また、情報区間においては、いずれの端末局についても基地局における受信レベルがＬ２になる。従って、情報区間では基地局はそれぞれの端末局から送信された信号を十分に大きなレベルで受信することができる。
【００７１】
なお、図２に示す２乗誤差最小制御装置２１を備える場合には、トレーニング区間で固有ベクトルビーム制御装置１５が決定した重みを、情報区間の初期値としてビーム形成回路１４に与え、その後で２乗誤差最小制御装置２１に切り替えて更に指向性パターンを制御することもできる。
（第４の実施の形態）
本発明の複数ビーム制御適応アンテナ装置を用いた通信方法のもう１つの実施の形態について、図４，図５及び図９を参照して説明する。この形態は、請求項４、５に対応する。
【００７２】
図４は、この形態の各端末局の動作を示すフローチャートである。図５は、この形態における複数ビーム制御適応アンテナ装置の動作を示すフローチャートである。図９は、基地局における受信タイミングの例（２）を示すタイムチャートである。
この形態は、第３の実施の形態の変形例であり、図２の複数ビーム制御適応アンテナ装置を基地局に備える場合を想定している。また、図４において図３と対応する処理には同じステップ番号を付けて示してある。第３の実施の形態と同一の部分については、以下の説明を省略する。
【００７３】
この形態では、図９に示すように２つのトレーニング区間が設けてある。第１トレーニング区間においては、端末局が図４のステップＳ１６で送信電力Ｐａ２で送信するので、基地局の受信レベルは図９のＬ１（１）又はＬ１（２）になる。また、第２トレーニング区間においては、端末局が図４のステップＳ２２で送信電力Ｐａ１で送信するので、基地局の受信レベルは図９のＬ２になる。情報区間についても、基地局の受信レベルは図９のＬ２になる。
【００７４】
この形態では、基地局においては図５に示すような制御が実施される。すなわち、第１トレーニング区間においてはステップＳ５０からＳ５１に進む。従って、アルゴリズム選択スイッチ２２が固有ベクトルビーム制御装置１５を選択し、固有ベクトルビーム制御装置１５の制御によりビーム形成回路１４の重みを決定する。
【００７５】
第２トレーニング区間においては、復調器１６及びビーム形成回路１４の系統毎に独立した制御を行う。
第２トレーニング区間においては、ステップＳ５２からＳ５３に進み、復調器１６（１）〜１６（Ｍ）のそれぞれについて受信同期が確立済みか否かを識別する。復調器１６がまだ受信同期を確立していない系統については、ステップＳ５６の処理を実行する。つまり、第１トレーニング区間と同様に、固有ベクトルビーム制御装置１５の制御によりビーム形成回路１４の重みを決定する。
【００７６】
受信同期を確立した系統については、第２トレーニング区間ではステップＳ５４の処理を実行する。ステップＳ５４では、受信機（復調器１６）内部における同期追従制御を停止する。また、次のステップＳ５５ではアルゴリズム選択スイッチ２２を切り替えて２乗誤差最小制御装置２１を選択し、２乗誤差最小制御装置２１の制御によりビーム形成回路１４の重みを決定する。
【００７７】
情報区間においては、アルゴリズム選択スイッチ２２の制御によりＭ個の全ての系統について２乗誤差最小制御装置２１を選択し、２乗誤差最小制御装置２１の制御により各ビーム形成回路１４の重みを決定する。
図５に示す制御を行うことにより、情報区間になる前に２乗誤差最小制御を適用し、より伝送品質が高くなるように指向性パターンを形成した後でデータを転送することができる。
【００７８】
図５のステップＳ５４において既に同期が確立された受信機について、同期の追従を停止する理由は次の通りである。第１トレーニング区間で同期確立に成功するのは、第１トレーニング区間で基地局の受信レベルが大きい端末局からの信号である。従って、同期確立に成功した受信機については、第２トレーニング区間で目的の端末局以外からの信号電力が増大するため伝送品質が劣化し、同期の追従制御を継続すると同期が外れる可能性がある。そこで、同期確立に成功した場合には同期の追従制御を停止する。もちろん、情報区間では同期の追従を再開する必要がある。
【００７９】
なお、第１トレーニング区間で同期確立に失敗した信号については、第２トレーニング区間で基地局の受信レベルが増大するため、伝送品質が改善され、受信機において同期の確立が容易になる。
また、情報区間においては、端末局の送信した信号系列が未知であるため、２乗誤差最小制御装置２１においては希望信号を正確に知ることができない。そこで、受信機が復調した信号を希望信号とみなして制御を行う。この方法は判定帰還型アルゴリズムとして知られている（例えば、堀越淳監修「ディジタル移動通信のための波形等化技術」トリケップス、１９９６年６月、Ｐ．４９〜７５）。
【００８０】
（第５の実施の形態）
本発明の複数ビーム制御適応アンテナ装置を用いた通信方法のもう１つの実施の形態について、図６及び図１０を参照して説明する。この形態は、請求項６に対応する。
【００８１】
図６はこの形態の各端末局の動作を示すフローチャートである。図１０は基地局における受信タイミングの例（３）を示すタイムチャートである。
この形態は、第４の実施の形態の変形例であり、図２の複数ビーム制御適応アンテナ装置を基地局に備える場合を想定している。また、図６において図４と対応する処理には同じステップ番号を付けて示してある。第４の実施の形態と同一の部分については、以下の説明を省略する。
【００８２】
この形態では、図１０に示すように、第１トレーニング区間において端末局が信号の送信を開始するタイミングが端末局毎にずれている。
すなわち、第１トレーニング区間が始まるタイミングで、端末局の処理は図６のステップＳ１５ＣからＳ３１に進む。この場合、Ｓ３１でランダムに決定した遅延時間Ｔｄが経過するまでステップＳ３２で待機し、ステップＳ２６で信号の送信を開始する。このため、各端末局が信号の送信を開始するタイミングは端末局毎に異なる。
【００８３】
基地局の固有ベクトルビーム制御装置１５は、第１トレーニング区間でアンテナ素子１１間の相関行列を求め、ビーム形成回路１４の重みを決定する。
この形態では、図９のように複数の端末局に対する受信レベルが異なるように制御する場合と等価な相関行列を求めることができる。
従って、各端末局の送信電力を高精度で制御する必要はないので、例えば基地局の受信装置におけるＡ／Ｄ変換器のビット数が少なく量子化誤差が大きい場合であっても、固有ベクトルビーム制御装置１５に誤動作が生じないように制御することができる。
【００８４】
また、基地局の受信装置にマッチトフィルタを用いたシステムにおいては、各端末局からの送信信号を拡散する際に用いる拡散符号として、基地局の受信装置におけるマッチトフィルタとの相関値が異なる拡散符号を用いることにより、送信時間を変化させた場合と同じ効果が得られる。
【００８５】
（第６の実施の形態）
本発明の複数ビーム制御適応アンテナ装置を用いた通信方法のもう１つの実施の形態について、図７を参照して説明する。この形態は、請求項７に対応する。
図７はこの形態の各端末局の動作を示すフローチャートである。この形態は、第３の実施の形態の変形例であり、図１又は図２の複数ビーム制御適応アンテナ装置を基地局に備える場合を想定している。また、図７において図３と対応する処理には同じステップ番号を付けて示してある。第３の実施の形態と同一の部分については、以下の説明を省略する。
【００８６】
この形態では、図７のステップＳ４１において、予め定められた条件の範囲内でランダムに決定した係数ｋ１を用いて送信電力Ｐａ２を決定するので、トレーニング区間においては、基地局における受信レベルに全ての端末局の間で差が生じるように制御することができる。
このため、予め各端末局に特別な送信電力の割り当てを行う必要はない。
【００８７】
【発明の効果】
本発明によれば、受信信号から求められるアンテナ素子間の相関行列に基づいてビーム形成回路の重みを決定するので、基準信号を用いることなくアンテナの指向性を制御することができる。そのため、各ビーム形成回路においては、目的の端末局から到来する信号の受信レベルが高くなり、他の端末局からの干渉を抑えることができる。従って、基地局が事前に通信を開始する端末局を認識できない場合であっても、空間分割多重伝送が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の複数ビーム制御適応アンテナ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】第２の実施の形態の複数ビーム制御適応アンテナ装置の構成を示すブロック図である。
【図３】第３の実施の形態の各端末局の動作を示すフローチャートである。
【図４】第４の実施の形態の各端末局の動作を示すフローチャートである。
【図５】第４の実施の形態における複数ビーム制御適応アンテナ装置の動作を示すフローチャートである。
【図６】第５の実施の形態の各端末局の動作を示すフローチャートである。
【図７】第６の実施の形態の各端末局の動作を示すフローチャートである。
【図８】基地局における受信タイミングの例（１）を示すタイムチャートである。
【図９】基地局における受信タイミングの例（２）を示すタイムチャートである。
【図１０】基地局における受信タイミングの例（３）を示すタイムチャートである。
【図１１】アンテナの指向性パターンの例を示すグラフである。
【図１２】適応アンテナ装置の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０ 周波数変換器
１１ アンテナ素子
１２ 準同期検波器
１３ Ａ／Ｄ変換器
１４ ビーム形成回路
１５ 固有ベクトルビーム制御装置
１６ 復調器
１７ 第１局部発振器
１８ 第２局部発振器
１９ サンプリングクロック発生器
２１ ２乗誤差最小制御装置
２２ アルゴリズム選択スイッチ
１０１，１０２ 特性
９０１ アンテナ素子
９０２ 重み付け回路
９０３ 重み制御装置
９０４ 基準信号発生装置
９０５ 合成器
Claims (7)
- 複数の無線端末局と空間分割多重伝送によって通信を行うための複数ビームアンテナ制御適応アンテナ装置であって、複数のアンテナ素子と、複数の可変ビーム形成回路と、各可変ビーム形成回路に接続された復調器とを備え、前記可変ビーム形成回路には、各アンテナ素子からの信号を重み付けする重み付け手段と、前記重み付け手段によって重み付けされた各アンテナ素子からの信号を合成する信号合成手段とを設けた複数ビーム制御適応アンテナ装置において、
前記複数のアンテナ素子の各々の受信信号に基づいて求められる複数のアンテナ素子間の相関行列から複数の固有ベクトルを求め、求められた複数の固有ベクトルの各要素の複素共役値を前記重み付け手段の重みの値として与える固有ベクトル取得手段と、
前記複数の可変ビーム形成回路のそれぞれについて受信機の同期確立に関する識別を行う同期識別手段を設け、
前記同期識別手段の識別結果に基づき、前記複数の可変ビーム形成回路のうち同期が確立していない可変ビーム形成回路に対しては、求められた複数の固有ベクトルの各要素の複素共役値を前記重み付け手段の重みの値として与え、
前記同期識別手段の識別結果に基づき、前記複数の可変ビーム形成回路のうち受信機の同期が確立した可変ビーム形成回路については、前記信号合成手段の出力信号と所望信号との誤差の２乗が最小となるように、前記重み付け手段の重みの値を制御する
ことを特徴とする複数ビーム制御適応アンテナ装置。 - 複数のアンテナ素子と、複数の可変ビーム形成回路と、各可変ビーム形成回路に接続された復調器とを備え、前記可変ビーム形成回路には、各アンテナ素子からの信号を重み付けする重み付け手段と、前記重み付け手段によって重み付けされた各アンテナ素子からの信号を合成する信号合成手段とを設け、
さらに前記複数のアンテナ素子の各々の受信信号に基づいて求められる複数のアンテナ素子間の相関行列から複数の固有ベクトルを求め、求められた複数の固有ベクトルの各要素の複素共役値を前記重み付け手段の重みの値として与える固有ベクトル取得手段を設けた複数ビーム制御適応アンテナ装置を備える無線基地局と複数の無線端末局との間で通信するための複数ビーム制御適応アンテナ装置を用いた通信方法であって、
前記無線基地局と複数の無線端末局との間で同一周波数を用いて同時に通信が可能な空間分割多重伝送を実施する場合に、前記複数ビーム制御適応アンテナ装置を無線端末局から無線基地局に向かう方向の上りの通信に利用するとともに、
前記無線基地局における既知信号を、無線端末局から前記無線基地局に対して送信するためのトレーニング区間を情報伝送時刻の前に割り当て、
前記トレーニング区間では、前記無線基地局で受信される無線端末局からの信号の受信レベルに複数の無線端末局の間で差が生じるように制御し、
前記トレーニング区間で、前記無線基地局の受信信号に基づいて求められる複数のアンテナ素子間の相関行列から複数の固有ベクトルを求める
ことを特徴とする複数ビーム制御適応アンテナ装置を用いた通信方法。 - 請求項１の複数ビーム制御適応アンテナ装置を備える無線基地局と複数の無線端末局との間で通信するための複数ビーム制御適応アンテナ装置を用いた通信方法であって、
前記無線基地局と複数の無線端末局との間で同一周波数を用いて同時に通信が可能な空間分割多重伝送を実施する場合に、前記複数ビーム制御適応アンテナ装置を無線端末局から無線基地局に向かう方向の上りの通信に利用するとともに、
前記無線基地局における既知信号を、無線端末局から前記無線基地局に対して送信するためのトレーニング区間を情報伝送時刻の前に割り当て、
前記トレーニング区間では、前記無線基地局で受信される無線端末局からの信号の受信レベルに複数の無線端末局の間で差が生じるように制御し、
前記トレーニング区間で、前記無線基地局の受信信号に基づいて求められる複数のアンテナ素子間の相関行列から複数の固有ベクトルを求める
ことを特徴とする複数ビーム制御適応アンテナ装置を用いた通信方法。 - 複数のアンテナ素子と、複数の可変ビーム形成回路と、各可変ビーム形成回路に接続された復調器とを備え、前記可変ビーム形成回路には、各アンテナ素子からの信号を重み付けする重み付け手段と、前記重み付け手段によって重み付けされた各アンテナ素子からの信号を合成する信号合成手段とを設け、
さらに前記複数のアンテナ素子の各々の受信信号に基づいて求められる複数のアンテナ素子間の相関行列から複数の固有ベクトルを求め、求められた複数の固有ベクトルの各要素の複素共役値を前記重み付け手段の重みの値として与える固有ベクトル取得手段を設けた複数ビーム制御適応アンテナ装置を備える無線基地局を備える無線基地局と複数の無線端末局との間で通信するための複数ビーム制御適応アンテナ装置を用いた通信方法であって、
前記無線基地局と複数の無線端末局との間で同一周波数を用いて同時に通信が可能な空間分割多重伝送を実施する場合に、前記複数ビーム制御適応アンテナ装置を無線端末局から無線基地局に向かう方向の上りの通信に利用するとともに、
前記無線基地局における既知信号を、無線端末局から前記無線基地局に対して送信するための第１のトレーニング区間とそれに続く第２のトレーニング区間とを情報伝送時刻の前に割り当て、
前記第１のトレーニング区間では、前記無線基地局で受信される無線端末局からの信号の受信レベルに複数の無線端末局の間で差が生じるように制御し、
前記第２のトレーニング区間では、前記無線基地局で受信される無線端末局からの信号の受信レベルが複数の無線端末局の間で同一になるように制御し、
前記第１のトレーニング区間では、複数の可変ビーム形成回路のうち受信機の同期が確立していない可変ビーム形成回路について、無線基地局のアンテナ素子間の相関行列から求められた複数の固有ベクトルの各要素の複素共役値を前記重み付け手段の重みの値として与え、
複数の可変ビーム形成回路のうち、前記第１のトレーニング区間で受信機の同期が確立した回路については、同期が確立した無線端末局からの受信信号に基づいて前記複数のアンテナ素子の応答を推定するとともに、前記第２のトレーニング区間では、受信機の同期追従を停止し、前記応答に基づいて前記信号合成手段の出力信号と所望信号との誤差が最小となるように前記重み付け手段の重みの値を決定し、
複数の可変ビーム形成回路のうち、前記第１のトレーニング区間で受信機の同期に失敗した回路については、少なくとも同期が確立するまでは、前記第２のトレーニング区間で前記固有ベクトルの各要素の複素共役値を前記重み付け手段の重みの値として与える
ことを特徴とする複数ビーム制御適応アンテナ装置を用いた通信方法。 - 請求項１の複数ビーム制御適応アンテナ装置を備える無線基地局と複数の無線端末局との間で通信するための複数ビーム制御適応アンテナ装置を用いた通信方法であって、
前記無線基地局と複数の無線端末局との間で同一周波数を用いて同時に通信が可能な空間分割多重伝送を実施する場合に、前記複数ビーム制御適応アンテナ装置を無線端末局から無線基地局に向かう方向の上りの通信に利用するとともに、
前記無線基地局における既知信号を、無線端末局から前記無線基地局に対して送信するための第１のトレーニング区間とそれに続く第２のトレーニング区間とを情報伝送時刻の前に割り当て、
前記第１のトレーニング区間では、前記無線基地局で受信される無線端末局からの信号の受信レベルに複数の無線端末局の間で差が生じるように制御し、
前記第２のトレーニング区間では、前記無線基地局で受信される無線端末局からの信号の受信レベルが複数の無線端末局の間で同一になるように制御し、
前記第１のトレーニング区間では、複数の可変ビーム形成回路のうち受信機の同期が確立していない可変ビーム形成回路について、無線基地局のアンテナ素子間の相関行列から求められた複数の固有ベクトルの各要素の複素共役値を前記重み付け手段の重みの値として与え、
複数の可変ビーム形成回路のうち、前記第１のトレーニング区間で受信機の同期が確立した回路については、同期が確立した無線端末局からの受信信号に基づいて前記複数のアンテナ素子の応答を推定するとともに、前記第２のトレーニング区間では、受信機の同期追従を停止し、前記応答に基づいて前記信号合成手段の出力信号と所望信号との誤差が最小となるように前記重み付け手段の重みの値を決定し、
複数の可変ビーム形成回路のうち、前記第１のトレーニング区間で受信機の同期に失敗した回路については、少なくとも同期が確立するまでは、前記第２のトレーニング区間で前記固有ベクトルの各要素の複素共役値を前記重み付け手段の重みの値として与える
ことを特徴とする複数ビーム制御適応アンテナ装置を用いた通信方法。 - 請求項２から請求項５の何れか一つに記載の複数ビーム制御適応アンテナ装置を用いた通信方法において、
前記無線基地局における既知信号を無線端末局から前記無線基地局に対して送信するためのトレーニング区間の少なくとも一部分については、前記無線基地局で受信される無線端末局からの信号の受信レベルが複数の無線端末局について同一になるように制御し、
前記トレーニング区間で複数の無線端末局が信号を送信する時刻が互いにずれるように制御する
ことを特徴とする複数ビーム制御適応アンテナ装置を用いた通信方法。 - 請求項２から請求項５の何れか一つに記載の複数ビーム制御適応アンテナ装置を用いた通信方法において、
前記無線基地局における既知信号を無線端末局から前記無線基地局に対して送信するためのトレーニング区間の少なくとも一部分については、前記無線基地局で受信される信号の受信レベルを予め定められた範囲内に限定するための特定の条件の下で、複数の無線端末局の各々の送信信号レベルをランダムに決定する
ことを特徴とする複数ビーム制御適応アンテナ装置を用いた通信方法。
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