JP3701334B2

JP3701334B2 - 多重経路環境における信号受信方法及び装置

Info

Publication number: JP3701334B2
Application number: JP28465094A
Authority: JP
Inventors: パルデバジョテ
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1993-11-19
Filing date: 1994-11-18
Publication date: 2005-09-28
Anticipated expiration: 2020-09-28
Also published as: US5542101A; EP0654915A2; EP0654915B1; CA2133596A1; DE69434616T2; KR100346316B1; JPH07202777A; EP0654915A3; KR950016042A; DE69434616D1; CA2133596C

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、無線通信に関し、特に多重経路環境における通信に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
セルラーシステムやＴＤＭＡ（時分割多重アクセス）システムのような多くの通信システムは、受信機と送信機間の多重信号経路から生じる性能損失をこうむる。この問題は、符号を用いて情報を送信する通信システムの符号間干渉と呼ばれることがある。従来の通信システムは、多重経路状態のようなチャンネル状態を補償する適応イコライザを含む受信機を用いて、この問題に取り組んでいる。適応イコライゼーション技術は、"Adaptive Equalization for TDMA Digital Mobile Radio",J.G.Proakis,IEEE Transactions on Vihicular Technology,pp.333-41,Vol.40,No.2,May 1991に論じられている。システムが移動受信機、例えば自動車内の受信機、を含む場合、チャンネル状態は比較的早く変化し、受信機のイコライザによる補償が不正確になることがある。例えば、自動車の移動は、イコライザが適応できる速度より早い速度で信号経路を遅らせたり進ませたりするので、補償が不正確になることがある。その結果、信号経路が遅れると、受信機の性能は、受信機のイコライザの不正確な補償と、信号経路の遅れで与えられる信号電力の損失の両方で劣化し、信号経路が進むと、不正確な補償は符号間干渉になる。
【０００３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、種々の経路を介して到達する信号を分離し、前記信号を時間合わせし、前記信号を加算して、出力信号対雑音比を最大にすることにより、多重信号経路から生じる干渉を減少させる。本発明は各信号経路の到達角度を確認するために多数のアンテナ素子からの信号を用いる。また、本発明は到達角度に対応する受信ビームを生成するビーム生成回路網を用いる。
【０００４】
本発明を具体化した受信機は、信号経路の損失があると、その経路に関連した信号電力を減じるが、イコライザによる不正確な補償から生じるさらなる性能損失を避ける。さらに、新しい信号経路があっても、この追加の経路は符号間干渉にならない。
【０００５】
【実施例】
図１は、ｎ経路、ここでは例えばｎ＝３とする、を有する多重経路環境において、受信機４に信号を送信する送信機２を示す。多重経路環境は受信機４への信号経路６，８及び１０を作り出す。信号経路は長さが異なるので、信号経路からの信号はわずかに異なる時間に受信機４で受信される。到達時間の相違は符号間干渉のような干渉を引き起こし得る。
【０００６】
図２は、受信機４のアンテナ２０と、信号経路６，８及び１０に沿って進んだ信号の到達角度を示す。この例では、到達角度はアンテナ２０に垂直な線に対して測定される。本発明は、３つの信号経路の到達角度θ₁ 乃至θ₃ を確認し、信号経路からの３つの信号のうちの１つまたは全部を選択的に受信するビーム生成回路網を用いることにより、多重信号経路を補償する。ビーム生成回路網が１つだけの信号を受信するように用いられる場合、最も強い信号すなわち最も高い信号対雑音比を有する信号経路が選択され、出力として供給される。出力信号対雑音比を増加させることが望ましい場合は、３つの信号経路からの信号が時間合わせされて加算され、信号対雑音比が増加した出力信号を生成する。信号は、最も強い信号を選び、次いで他の２つの信号をこの最も強い信号のデータすなわちトレーニングシーケンスと相関させることによって時間合わせされる。相関は３つの信号の時間ずれを確かめ、その結果、３つの信号は時間合わせされて加算され、出力信号対雑音比を増加させることができる。
【０００７】
図３は、ｅ素子を有する多素子アンテナ２０を含む。素子数ｅは、予測される信号経路の最大数プラス１より大きくまたは等しくすべきである。各素子はフィルタ／復調器３２に出力を供給する。フィルタ／復調器３２からの信号は（アナログ／デジタルコンバータ）Ａ／Ｄ３４を通ってビーム生成回路網３６に進む。ビーム生成回路網３６の出力は信号処理器３８に送られ、信号処理器３８は信号経路の数とそれらに関連した到達角度を確認する。信号処理器３８は、マイクロプロセッサまたはＤＳＰ（デジタル信号処理）デバイスのようなデバイスを用いて提供することができる。到達角度に関連する加重値は信号処理器３８からビーム生成回路網３６に送られる。ビーム生成回路網３６は、各到達角度の受信ビームを生成し、各受信ビームに対応する出力を発生する。ビーム生成回路網３６は、信号処理器３８を提供するために用いられるデバイスと同一タイプのものを用いて提供することができる。また、同一のデバイスを用いて信号処理器３８とビーム生成回路網３６を提供することも可能である。
【０００８】
図４はビーム生成回路網３６を示す。ビーム生成回路網３６は技術上周知であり、Ａ／Ｄ３４の出力に加重値Ｗを掛け、その結果生じる積を加算して１つの受信ビームを生成することにより、それぞれ異なる受信ビームを生成する。これらの演算のうちのいくつかを並列形式にして多数の受信ビームを生成することができる。各入力５０には、アンテナ２０の素子からの信号がフィルタ／復調器３２及びＡ／Ｄ３４を介して入力される。１組の入力５０が信号処理器３８に送られる。さらに、各入力５０は乗算器５２に送られ、ここで加重値Ｗが掛けられる。乗算器５２の出力は加算器５４に送られ、受信ビームに対応する受信信号が生成される。同様に、乗算器５６及び加算器５８は第２の受信ビームを生成するために用いられる。追加の受信ビームは同じやり方で生成することができる。受信ビームが特定の到達角度から到達する信号を選択的に受け入れるように加重値Ｗを選択する方法は、技術上周知である。
【０００９】
受信ビームに対応するビーム生成回路網３６からの出力は信号処理器４０に送られる。信号処理器４０は受信ビームから最も強い信号を選び、その信号を出力として供給する。信号処理器４０は、マイクロプロセッサまたはＤＳＰデバイスのようなデバイスを用いて提供することができる。また、信号処理器４０は、信号処理器３８及び／またはビーム生成回路網３６に用いられるものと同一のデバイスを用いて提供することができる。
【００１０】
また、信号処理器４０として、最も強い信号を他の受信ビームからの弱い信号の各々と相関させて、弱い信号と最も強い信号間の時間ずれを確認することが可能である。この情報を用いて、信号処理器４０は受信信号を時間合わせして加算し、より高い信号対雑音比を有する出力信号を生成することができる。
【００１１】
ビーム生成回路網３６を介して信号処理器３８に送られるＡ／Ｄコンバータ３４の出力は、式１の形になり、これは受信ベクトルを示す。
【数１】

受信ベクトルＹ_k は、時間ｋのアンテナ２０の各素子からのサンプルを含む。これらのサンプルは、例えばクォードラチャ振幅変調信号を受信する場合には合成値になる。この手順はＬ個のサンプルが収集されるまで実行される。ここでＬ≧ｅである。各受信ベクトルＹ_k について、行列Ｒ_k は式２に従って生成される。
【００１２】
【数２】

行列Ｒ_k は、行列Ｙ_k と行列Ｙ_k ^* の積で生成されるｅ×ｅ行列である。ここで、行列Ｙ_k ^* は行列Ｙ_k の共役転置行列である。行列またはベクトルＹ_k ^* は行列Ｙ_K を用いて生成される。行列Ｙ_k の入力はそれらの合成共役と転置され、その結果生じる行列の列は行列Ｙ_k ^* の行を形成する。
【００１３】
式３は、ｋ＝１乃至Ｌの行列Ｒ_k の和を生成し、次にその和をＬで割ることによって、受信ベクトルの自動共変行列を生成するために用いられる。
【数３】

行列Σを生成するために式４に従って特異値分解（ＳＶＤ）が用いられる。
【数４】

【数５】

【００１４】
特異値分解は技術上周知であり、例えば、Matrix Computations,pp.16-20,by G.H.Golub and C.F.Van Loan,The John Hopkins University Press,Baltimore,Maryland 1983に見ることができる。特異値分解は、例えばジャコビ法、ＱＲアルゴリズムまたはゴルブ(Golub) ／カハン(Kahan) ＳＶＤステップを用いて実行することができる。行列Σはｅ×ｅ対角行列である。すなわち、全入力は対角上の入力を除いてゼロである。Σ行列の対角上の入力は、入力の大きさがかなり減少する場合を確認するために調べられる。Σ行列の対角に沿った入力の大きさに変化がある点は、送信機２と受信機４間の信号経路数の値ｎを定義する。図１及び図２の例では、ｎは３に等しい。
【００１５】
入力１，１から入力ｅ，ｅまで移動する場合の対角に沿った１点で、入力の値に減少がある。この値の減少はｎを確認するために用いられる。入力ｎｎは、入力ｎ＋１，ｎ＋１乃至ｅ，ｅに対して大きな値を有する最後の入力である。この値の変化は、対角上の隣接入力間の比を単純比較することによって確認することができる。比が対角上の先行入力の比に対して大きくなる場合、位置ｎ，ｎを決定することができる。このことは式６を観察して説明される。
【数６】

【００１６】
比Δ₁ はσ₁₁をσ₂₂で割ることにより確認され、比Δ₂ はσ₂₂をσ₃₃で割ることにより確認される。これは、σ_nn／σ_n+1,n+1 に等しい比Δ_n が見つかるまで続けられる。これはスレショールドを設定することにより確認することができる。例えば、アンテナ素子からの信号の信号対雑音比の平均が３０ｄＢ以上なら、１００というスレショールドを用いることができる。この例では、Δ_n は１００以上の比として確認される。信号対雑音比が小さければ、低いスレショールドを用いるのが望ましい。ｎの値は、入力σ_nnを含むΣ行列の行または列の数である。
【００１７】
ＳＶＤの結果として、行列Ｕを式７に見られるように書くことができる。
【数７】

【００１８】
Ｕ行列の最後のｅ−ｎ列、すなわち列ｎ＋１乃至ｅは、ｅ−ｎ多項式群を生成するために用いられる。多項式は式８に示されるように行列Ｕからの入力を用いて生成される。
c_1,n+1＋c_2,n+1z ＋c_3,n+1z²＋…＋c_e,n+1z^e-1＝ 0 根P_1,1→根P_1,e-1
：（８）
c_1,e＋c_2,ez ＋c_3,ez²＋…＋c_e,ez^e-1＝ 0 根P_e,1→根P_e,e-1
【００１９】
各多項式の根は、ニュートン反復のような周知の方法を用いて決定される。多項式１からの根はＰ_1,1 乃至Ｐ_1,e-1 と名付けられる。多項式２からの根はＰ_2,1 乃至Ｐ_2,e-1 と名付けられ、多項式３からの根はＰ_3,1 乃至Ｐ_3,e-1 と名付けられる。ｅ−ｎ多項式の全部の根を計算する必要はないが、多数の多項式の根の計算すれば雑音から生じる誤差が減少する。
【００２０】
図５は、横軸が実軸で縦軸が虚軸の単位円を示す。３つの多項式の根がいくつか記入されている。明快にするため、３つの多項式の各々のｅ−ｎ根の全部は図示されていない。単位円上または単位円の近くにある各多項式のｎ根が重要な根である。雑音に起因して、各３多項式のｎ根は単位円上の位置に正確に来ず、他の多項式からの根と正確に一致しないことに注目すべきである。その結果、単位円上またはその近傍に３つの根からなる集団がｎ個できる。
【００２１】
根の大きさは、その根の実部及び虚部の２乗の和の平方根であり、根が単位円上またはその近傍にあるかどうかを確認するために用いられる。根の大きさが１に等しければ、その根は単位円上にある。根の大きさが上限スレショールド以下で下限スレショールド以上ならば、その根は単位円の近傍にあるものとみなされる。アンテナ素子からの信号の信号対雑音比の平均が１５ｄＢ以下の状態では、１．１の上限スレショールドと０．９の下限スレショールドを用いることができる。信号対雑音比の平均がもっと高ければ、もっと狭い１組のスレショールドを用いることができる。例えば、信号対雑音比の平均が３０ｄＢ以上ならば、１．０５の上限スレショールドと０．９５の下限スレショールドを用いることができる。
【００２２】
根の集団が単位円上またはその近傍にあるｎ個の集団を構成しているのを確認後、各々の根集団と関連する点Ｔ_m （ｍ＝１乃至ｎ）が求められる。点Ｔ_m は、特定の根集団の図心に最も近い、単位円上の点である。各々の根集団の図心は、集団中の根の虚部の平均と実部の平均を生成するような方法を用いて計算される。虚平均及び実平均はそれぞれ図心の虚部及び実部となる。
【００２３】
図５に関して、３つの根からなる３つの集団（Ｐ_1,1 ，Ｐ_2,1 ，Ｐ_3,1 ；Ｐ_1,3 ，Ｐ_2,3 ，Ｐ_3,3 ；Ｐ_1,5 ，Ｐ_2,5 ，Ｐ_3,5 ）は、単位円の近傍に集まっており、単位円上またはその近傍にあるとみなすことができる。この例では、送信機と受信機間に３つの経路があり（ｎは３に等しくなる）、したがって、３つの根集団が単位円上またはその近傍にあるということに一致している。各々の根集団について、図心は点Ｔ_m=1 乃至Ｔ_m=n=3 を求めて計算される。
【００２４】
点Ｔ_m と到達角度θ_m の関係は式９に明示される。
【数８】

ここで、ωは送信信号の搬送周波数の２π倍、ｄはアンテナ素子間の間隔、ｃは光の速度である。点Ｔ_m が求められれば、式９の全ての他の変数の値はわかっているので、到達角度が確認される。到達角度の実際値θ_m ＝１乃至θ_m ＝ｎ＝３は式９に従って計算され、ビーム生成回路網３６の加重値を得ることができるが、到達角度の値を計算してビーム生成回路網の加重値ｗを計算する必要はない。到達角度θ_m の受信ビームに対応する加重値は式１０に見られる行列Ａ_m を生成することにより計算される。
【数９】

【００２５】
行列Ａ_m は式１１に従って用いられ、到達角度θ_m に対応する受信ビームを生成するための加重値を含む加重値行列Ｗ_m を生成する。
【数１０】

ここで、Ｒ^-1は式３の自動共変行列の逆数、Ａ^* _mはＡ_m の共役転置行列である。ｍ＝１の場合、加重値Ｗ_1,1 ，Ｗ_1,2 乃至Ｗ_1,e は行列Ｗ_m=1 の入力である。ここで、加重値は図４の乗算器５２に供給され、到達角度θ_m=1 に対応する受信ビームを生成する。同様に、ｍ＝２の場合、加重値Ｗ_2,1 乃至Ｗ_2,e は図４の乗算器５６に供給され、到達角度θ_m=2 に対応する受信ビームを生成する。
【００２６】
各到達角度の加重値の決定後、処理器３８はビーム生成回路網３６に前記加重値を供給し、それにより各到達角度の受信ビームが生成される。その結果、送信機２と受信機４間の各信号経路の信号は別々の受信ビームで受信される。各受信ビームからの出力は信号処理器４０に送られる。信号処理器４０は、最も強い信号、すなわち最も高い信号対雑音比を有する信号を選び出し、その信号を出力に送る。また、各々の弱い信号を最も強い信号と相関させて、弱い信号と最も強い信号間の時間ずれを確認することもできる。時間ずれがわかれば、信号を時間合わせして加算することにより、出力信号の信号対雑音比を増加させることができる。各ビームは受信機２から受信機４まで異なる距離を進み、したがって進むのに異なる時間がかかるので、各ビームからの信号は時間合わせすべきである。
【００２７】
前記の相関は、最も強い信号のデータまたは符号を弱い信号のデータまたは符号と相関させることにより行われる。また、最も強い信号のトレーニングシーケンスを弱い信号のトレーニングシーケンスと相関させることにより、信号を相関させることもできる。トレーニングシーケンスは必要なく、本発明は信号経路数を確認してそれらを盲目的にすなわちトレーニングシーケンスを用いることなく補償することができることに注目すべきである。
【００２８】
また、信号を時間合わせするために、Ａ／Ｄ３４は符号すなわちデータレートを少なくとも８回サンプリングするのが望ましく、信号経路と到達角度を確認するためには、Ａ／Ｄ３４は符号すなわちデータレートを２回サンプリングすれば十分であることに注目すべきである。
【００２９】
セルラー通信システムのように、１台以上の送信機が同一周波数またはチャンネルによる送信に用いられる通信システムでは、本発明は送信機間すなわちセル間干渉を補償するために用いることができる。送信機間干渉は、重要な送信機、これはセルラーシステムにおいて受信機が配置されるセルと関連する送信機である、からの信号が１台以上の送信機（干渉送信機）から受信された信号で損なわれる場合に生じる。この干渉は干渉送信機からの信号を除去することによって減少する。これは２ステップで信号経路及び到達角度を確認することによって行われる。第１のステップは、重要な送信機すなわちセルが受信されるべき信号の送信を始める前に、干渉送信機すなわちセルからの信号と関連した信号経路及び到達角度を確認することを含む。干渉セルすなわち送信機と関連した到達角度の確認後、信号経路及び到達角度は重要なセルと干渉セルの両方からの信号を受信して確認される。全ての到達角度の確認後、干渉セルから到来したものとして以前に識別された到達角度の受信ビームは生成されず、重要なセルから到来する信号と関連した到達角度の受信ビームが生成される。
【００３０】
また、本発明は、ＣＤＭＡ（コード分割多重アクセス）のような広帯域通信システムにおける送信機間干渉を減少させることができる。ＣＤＭＡでは、受信信号は疑似ランダムコードと相関させられて干渉送信機からの信号を除去するが、干渉送信機が特に強い場合は、干渉信号は相関で除去することができない。上述のように、干渉送信機からの信号は、望ましい信号に対応する受信ビームを生成し、干渉信号に対応する受信ビームを生成しないことによって減少または除去することができる。
【００３１】
図６はセルラー電話７０の正面図及び背面図を示す。正面図は表示部とキーパッドを示す。背面図は素子７２，７４，７６及び７８を有する多素子アンテナを示す。セルラー電話７０は、前記アンテナ素子を用いて、上述の手法に従って到達角度に対応する受信ビームを生成する。受信ビームは１つ以上の信号経路から信号を受信するために用いることができると共に、セル間すなわち送信機間干渉を減少させるために用いることができる。
【００３２】
電話７０は多くの他のアンテナ形態を備えてもよい。電話は、図６と同じ形態の追加素子または異なる形態の追加素子を用いることができる。また、電話から遠方にある多素子アンテナを用いることも可能であり、例えば、電話７０は自動車に搭載されている多素子アンテナと通信し合うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】多重経路環境を示す。
【図２】到達角度を示す。
【図３】受信機のブロック図である。
【図４】ビーム生成回路網を示す。
【図５】単位円及び多項式根を示す。
【図６】本発明を具体化したセルラー電話の正面図及び背面図を示す。

Claims

多重経路環境において通信信号を受信する方法であって、
複数のアンテナ要素を用いて複数の到着角度を有する複数の信号を受信する段階からなり、該複数のアンテナ要素は複数の要素信号を提供するものであり、さらに、
第１の時間において該複数の要素信号をサンプリングして第１のサンプルセットを生成し、そして第２の時間において該複数の要素信号をサンプリングして第２のサンプルセットを生成する段階からなり、該第１と該第２のサンプルセットは、少なくとも２つのサンプルセットを有する複数のサンプルセットに属するものであり、さらに、
該複数のサンプルセットを用いて少なくとも第１と第２の加重セットを計算する段階からなり、該第１の加重セットを用いて第１の到達角度に対応する第１の受信ビームを生成し、該第２の加重セットを用いて第２の到達角度に対応する第２の受信ビームを生成するものであり、そして該第１と該第２の到達角度は該複数の到達角度に属するものであり、さらに、
該第１のビーム信号のシーケンスと該第２のビーム信号に含まれているのと同じシーケンスとを相関させることによって、第１のビーム信号と第２のビーム信号との時間合わせと加算とを行う段階からなり、該第１のビーム信号が該第１の受信ビームによって受信され、該第２のビーム信号が該第２の受信ビームによって受信されるものであり、そして該第１と該第２のビーム信号は該複数の信号に属することを特徴とする方法。
通信信号を受信するとともに送信機間の干渉を減少させる方法であって、
第２の送信機が送信していない間に、複数のアンテナ要素を用いて第１の送信機から第１の複数の信号を受信する段階からなり、該複数のアンテナ要素は、第１の複数の要素信号と第１の到着角度を有する該第１の複数の信号とを提供するものであり、さらに、
第１の時間において該第１の複数の要素信号をサンプリングして第１のサンプルセットを生成し、そして第２の時間において該第１の複数の要素信号をサンプリングして第２のサンプルセットを形成する段階からなり、該第１と該第２のサンプルセットは、少なくとも２つのサンプルセットを有する第１の複数のサンプルセットに属するものであり、さらに、
該第１の複数のサンプルセットを用いて該第１の複数の到着角度に属する第１の到着角度を計算する段階と、
該複数のアンテナ素子を用いて、該第１の送信機からの第１の信号と該第２の送信機からの第２の信号とからなる第２の複数の信号を受信する段階からなり、該複数のアンテナ要素は第２の複数の要素信号と第２の複数の到着角度を有する該第２の複数の信号とを提供するものであり、さらに、
第３の時間において該第２の複数の要素信号をサンプリングして第３のサンプルセットを生成し、そして第４の時間において該第２の複数の要素信号をサンプリングして第４のサンプルセットを生成する段階からなり、該第３と該第４のサンプルセットは、少なくとも２つのサンプルセットを有する第２の複数のサンプルセットに属するものであり、さらに、
該第２の複数のサンプルセットを用いて少なくとも第１と第２の加重セットを計算する段階からなり、該第１の加重セットを用いて第２の到着角度に対応する第１の受信ビームを生成し、該第２の加重セットを用いて第３の到着角度に対応する第２の受信ビームを形成するものであり、そして該第２と該第３の到着角度は、該第２の複数の到着角度には属するが該第１の到着角度とは等しくないものであり、さらに、
該第１のビーム信号のシーケンスと該第２のビーム信号に含まれているのと同じシーケンスとを相関させることによって、第１のビーム信号と第２のビーム信号との時間合わせと加算とを行う段階からなり、該第１のビーム信号が該第１の受信ビームによって受信され、該第２のビーム信号が該第２の受信ビームによって受信されるものであり、そして該第１と該第２のビーム信号は該第２の複数の信号に属することを特徴とする方法。