JP3771151B2 - 適応アンテナ送信装置の制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、適応アンテナ装置を用いた無線通信システムにおける伝搬環境推定、指向性パターンの制御及び干渉除去等を行う適応アンテナの制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
適応アンテナは、希望する信号と相関の高い到来波を合成し、相関の低い到来波を抑圧するように指向性制御を行うアンテナである。以下に従来の下り回線の適応アンテナの指向性パターンの制御方法について説明する。
図４に下り通信の伝搬環境を推定を行わない従来の適応アンテナ装置を示す（例えばR.A.Monzingo and T.W.Miller,Introduction to Adaptive Arrays ,John Wiley & Sons,lnc.1980 ）。
【０００３】
図４において、従来の適応アンテナ装置は、複数のアンテナ素子４０１１〜４０１Ｎと、各アンテナ素子４０１１〜４０１Ｎに接続され入力信号に複素重みを課す重み付け装置４０２１〜４０２Ｎと、各重み付け装置４０２１〜４０２Ｎの重みを制御する重み制御装置４０３と、基準信号発生装置４０４と、受信時には各アンテナ素子４０１１〜４０４Ｎで受信され重み付け装置４０２１〜４０２Ｎで複素重み付けされた信号を合成し、送信時には入力信号を重み付け装置４０２１〜４０２Ｎに分岐するための合成／分岐装置４０５から構成される。尚、Ｎは１以上の整数である。
【０００４】
一般に適応アンテナ装置の複数のアンテナ素子４０１１〜４０１Ｎで受信された信号をｘ1 〜ｘN とし、重み付け装置４０２１〜４０２Ｎに設定される重みの値をｗ1 〜ｗN とし、希望信号成分をｄと表すと、希望信号との誤差の２乗が最小になるように指向性パターンを形成する重みの値は
【０００５】
【数５】
【０００６】
で与えられる。
【０００７】
上り通信時の伝搬環境と下り通信時の伝搬環境が全く同一と見なせる場合には、上記（２）式のアンテナ間の相関行列Ｒxx、及び上記（３）式の希望ユーザに対するステアリングベクトルｒxdに変化が生じないため、上り通信時の重みの値を下り通信にもそのまま適用すれば、通信路の２乗誤差を最小とする指向性を形成することができる。従って、上り通信と下り通信の伝搬環境がほぼ等しい場合には、単に複数のアンテナ素子で構成するアレーアンテナを構成すればよい。
【０００８】
ところが、上り通信と下り通信での周波数が異なるＦＤＤシステム（Frequency Division Duplex System) や、環境変動の大きい環境では、（２）式で定義したアンテナ間の相関行列Ｒxxを推定することができず、適応アンテナ装置が動作しないという問題がある。
【０００９】
下り通信において受信局で伝搬環境を推定し、伝搬環境の推定結果を送信局にフィートバックし、下り回線用の指向性形成を行う方法が提案されている(Derlek Gerlacha，Arlogyaswami Paulraj,“Base Station Antenna Arrays withMobile to Base Feedback，" Conference Reccord of The Twenty-Seventh Asilomar Conference,1993)。以下にその動作について説明する。
【００１０】
下り通信では、情報信号の間にプロービング信号を周期的に挿入して信号を伝送する。プロービング信号は、送信局の各アンテナと受信局との間の伝達関数の推定に用いる。ブロービング信号を伝送する区間では、各アンテナから異なったプロービング信号系列を送信する。ここで各アンテナから送信するプロービング信号は、全受信局が既知の信号系列とする。受信局では、受信信号に対して、各アンテナから送信する各ブロービング信号との相関演算を行い、各アンテナのプロービング信号毎に複素相関値を求める。この複素相関値を上り通信において送信局にフィードバックし、適応アンテナの指向性パターンの形成に反映させる。
【００１１】
この方法によれば、各アンテナのプロービング信号との相関値を受信局において求めることによって、送信局の各アンテナと受信局との間の伝搬環境を推定することができる。
【００１２】
しかしながら、この方法を利用する場合には、各アンテナから異なる信号が送信されるため、指向性パターンを形成することができない。従って、同一チャネルを利用する周辺セルに対して干渉を与えてしまうという問題がある。また、アンテナ素子数が増大すると、プロービング信号の信号系列長が長くなるため、スループットが低下するという問題が生じる。
【００１３】
下り回線の送信局の複数のアンテナと受信局のアンテナとの間の伝達関数を推定する方法として、Space-Time-Coding が提案されている(Vahid Tarokh,et al“Space-Time Codes for High Data Rate Wireless Communication: Performance Criterion and Code Construction"， IEEE Trans.Information Theory，Vo.1．44，N0．2 MARCH 1998) 。このSpace-Time-Coding によれば、送信局の各アンテナからは異なった信号を送信し、受信局で伝達関数を推定することができる。
【００１４】
以下に、送信局のアンテナ素子数が２素子、受信局のアンテナ素子数が１素子、Space-Time-Coding の符号化にSpace-Time-Block-Coding を用いた場合の伝搬環境推定方法を示す。送信信号系列は２信号ごとに１つのブロックを形成する。例えば送信信号をs1、s2、s3、‥・ とした場合には、
１つ目のブロックはs(1)、s(2)
２つ目のブロックはs(3)、s(4)
となる。ここで、s(n)はｎ番目の送信信号を表す。
【００１５】
次に、各アンテナで送信する信号系列を以下のように決定する。
アンテナ１からの送信信号は、偶数番目の信号に対しては共役値をとり
s(1)、-s(2) * 、s(3)、-s(4) * 、s(5)、-s(6) * ‥‥
とする。ここで *は複素共役を表す。また、アンテナ２からの送信信号は、奇数番目の信号に対しては共役値をとり、さらに各ブロックで送信する順番を逆にする。すなわち、アンテナ２からの送信信号は
ｓ(2) 、ｓ(1) * 、ｓ(4) 、ｓ(3) * 、ｓ(6) 、ｓ(5) * ‥‥
となる。このとき、受信局での時刻k 、k+1 での受信信号r(k)、r(k+1)は、次の（５）式で表される。
【００１６】
【数６】
【００１７】
ここで、ｈ1 は送信局のアンテナ１と受信局との間のチャネル応答、ｈ2 は送信局のアンテナ２と受信局との間のチャネル応答であり、いずれも複素数値である。従って、受信局の受信信号からｈ1 、ｈ2 を推定できれば、送信局のアンテナと受信局の間の伝搬環境を推定できたことになる。上記（５）式を変形すると以下の（６）式が得られる。
【００１８】
【数７】
【００１９】
送信局、受信局間でs(k)が既知である場合には、（６）式からただちにｈ1 、ｈ2 を求めることができる。また、s(k)が情報区間の信号である場合には、受信信号データはメモリに保存し、復号時に決定したs(k)を利用することで、情報伝送中にも伝達関数を推定することができる。
ただし、この方法を用いた場合にも、各アンテナから異なった信号が送信されるため、指向性パターンを形成することができない。従って、同一チャネルを利用する周辺セルに対して干渉を与えてしまうという問題がある。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
ディジタル無線伝送での下り通信における指向性パターン制御では、送信局アンテナと受信局との間の伝達関数を推定する必要がある。ところが上述したように、伝達関数を推定するために、各アンテナから信号を送信すると、伝達関数推定時に指向性パターンを形成することがができないため、他システムや同一周波数チャネルを利用する他セルに多大な干渉を与えてしまうという問題があった。また、従来の伝達関数推定方法では、送信局アンテナと受信局との間の伝達関数を推定するためには、予め定められた信号系列を送信する必要があるため、スループットが低下するという問題があった。
【００２１】
本発明は上記の問題を解決するためになされたもので、送信局アンテナと受信局との間の伝達関数を推定する場合に、他のセルに対する干渉を低減すると共に、スループットの向上を図ることのできる適応アンテナ送信装置の制御方法を提供することを目的としている。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明による適応アンテナ送信装置の制御方法は、Ｎ個のアンテナ素子と、搬送信号をＮ個に分岐する分岐手段と、分岐された各搬送信号をそれぞれ重み付けして各アンテナに与えるＮ個の重み付け手段とから構成される適応アンテナ送信装置の制御方法において、各重み付け手段によるＮ個の重みの組み合わせを複数組生成し、受信局への送信信号に基づいて前記複数組の重みの組み合わせを推定することによって復調を行うとともに、推定した重みの組み合わせを用いた場合の下り回線の伝達関数を推定し、１つ以上の重みの組み合わせに対して推定した伝達関数を送信局にフィードバックし、送信局では受信局が推定した伝達関数をもとに、上記重み付け手段に設定する少なくとも２つ以上の重みの組み合わせを決定することを特徴とする。また、後述する（８）〜（１１）式に基づいて各時刻毎の重みベクトルを求め、この重みベクトルに基づいて送信信号の指向性を時刻に応じて変更した後、その送信信号を送信し、受信局において、各時刻における受信信号から、後述する（１２）（１３）式に基づいて伝達関数を推定することを特徴とするものである。
【００２３】
また、本発明による適応アンテナ送信装置の制御方法は、Ｎ個のアンテナ素子と、搬送信号をＭ個（Ｍは２以上の整数）に分岐する第１の分岐手段とを備え、第１の分岐手段で分岐された搬送信号の１つをＮ個に分岐する第２の分岐手段と、第２の分岐手段で分岐された各信号をそれぞれ重み付けするＮ個の重み付け手段と、各重み付け手段によるＮ個の重みの組み合わせを複数組生成する生成手段と、受信局への送信信号に基づいて前記複数組の重みの組み合わせから１つの組を選択する選択手段とからなる部分をＭ個設け、各重み付け手段で重み付けされた信号を対応するアンテナ素子毎に合成して各アンテナ素子に与えるＮ個の合成手段を備えてなる適応アンテナ送信装置を有する送信局における前記適応アンテナ送信装置の制御方法であって、送信局において、後述する（１４）〜（１８）式に基づいて各時刻毎の重みベクトルを求め、この重みベクトルに基づいて送信信号の指向性を時刻に応じて変更した後、この送信信号を送信し、各受信局において、各時刻における受信信号から、後述する（１９）（２０）式に基づいて伝達関数を推定することを特徴とするものである。
【００２４】
【作用】
従って、本発明によれば、１つ又は複数の受信局において前記推定された伝達関数を送信局にフィードバックすることにより、送信局においてフィードバックされた伝達関数に基づいて複数の重みの組み合わせによる複数の指向性パターンを生成することができる。このため、他セルへの干渉を低減できると共に、スループットを向上させることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の第１の実施形態による適応アンテナ送信装置を示すブロック図である。本実施の形態は、送信信号に対して複数の重みの組み合わせによる複数の指向性パターンを割り当て、通信中に受信局において送信局の各アンテナとの間の伝達関数の推定を可能とするものである。
【００２６】
図１において、１０１１〜１０１Ｎは複数のアンテナ素子、１０２１〜１０２Ｎは重み付け装置、１０５は搬送波発生装置、１０２は搬送波信号を重み付け装置１０２１〜１０２Ｎに分岐する分岐装置、１０４は入力信号をＮシンボル毎に区切る指向性形成装置、１０６はＮシンボル毎に指向性パターンを生成する複数指向性パターン生成装置である。尚、Ｎは１以上の整数である。
【００２７】
次に動作について説明する。
受信局へ送信する入力信号は、指向性形成装置１０４に入力される。指向性形成装置１０４では、まず、入力信号系列をＮシンボル（符号）毎に区切り、Ｎシンボル毎に信号系列に応じた指向性パターンを複数指向性パターン生成装置１０６から選択する。ここで、入力信号系列はＢＰＳＫ（Bynary Phase shift keying)変調の場合には1、-1の２値の信号、ＱＰＳＫ（Quadurature Phase shift keying) 変調の場合には(1,1)、(1,-1)、(-1,1)、(-1,-1) の４値の信号となる。
【００２８】
複数指向性パターン生成装置１０６では、Ｌ個（Ｌは２以上の整数）の異なる指向性パターンを生成する。Ｌ個の指向性パターンは、例えば送信局の各アンテナ素子と受信局との間の伝達関数が推定できている場合には、以下のようにして決定する。
送信局のアンテナｎ（１≦ｎ≦Ｎ）と受信局の間の伝達関数ｈn は、推定した伝達関数と、誤差Δｈn によって以下のように記述できる。尚、次式における〜は推定を表す。
【００２９】
【数８】
【００３０】
このとき、複数指向性パターン生成装置１０６での１番目の指向性パターンの重み付け装置１０２１〜１０２Ｎの重みの値を、
【００３１】
【数９】
【００３２】
と決定する。ここで、Ｔは転置（トランスポーズ）を表す。また、Ｗl はｌ番目の指向性パターンを生成する重みベクトルで、
【００３３】
【数１０】
【００３４】
であり、Ｗl,n はｌ番日の指向性パターンの重み付け装置１０２Ｎの重みの値を表す。また、
【００３５】
【数１１】
【００３６】
である。また、Ｃl は１個の異なるベクトルであり、１次独立になるようにｌ個のベクトルを選択する。αは定数であり、適当な値に決定する。αを可変にする場合には、伝搬環境の時間変動が大きい場合はαを大きな値とし、伝搬環境が静的な場合にはαを小さい値とする。ある時刻の信号系列をs(n+1),s(n+2),‥・,s(n+N)としたとき、複数指向性パターン生成装置１０６では以下のように重みベクトルを決定する。
【００３７】
【数１２】
【００３８】
このように決定して信号を送信すると、受信局での受信信号は以下のようになる。
【００３９】
【数１３】
【００４０】
送信信号を誤りなく復調できた場合、時刻ｎ1 〜ｎN における各受信信号から以下の式によって伝達関数を推定することができる。
【００４１】
【数１４】
【００４２】
上記（１３）式を用いることにより、受信局での伝達関数の推定が可能となり、この推定結果を送信局にフィードバックすることにより、（８）式により送信用の複数の指向性パターンを生成することが可能となる。従って、本実施の形態により、通信中の信号から伝達関数を推定することが可能になる。
【００４３】
図３に本実施の形態による方法を適用した場合と、図４の従来方法を適用した場合の伝搬環境推定時の他セルヘの干渉量を示す。
図３から明らかなように従来方法では、下り回線の伝達関数の推定を行う際に、送信局で指向性形成を行うことができないため、伝達関数推定時の他セルヘの干渉量は同一となる。これに対して本実施の形態では、指向性パターンの形成によってアンテナ素子数を増加させると、干渉量を低減できることが分かる。
また、プロービング信号を用いる従来方法では、伝搬環境推定時に指向性パターンの形成ができないため、アンテナ素子数の増大に伴って干渉量が増大していることが分かる。
【００４４】
上述したように、本実施の形態によれば、（８）〜（１１）式に基づいて各時刻毎の重みベクトルを求め、この重みベクトルに基づいて送信信号の指向性を各時刻に応じて変更し、この送信信号を送信局から送信し、受信局において（１２）（１３）式に基づいて各時刻における受信信号を比較して伝達関数を推定することにより、従来のように指向性のないプロービング信号を用いる必要がないので、他セルへの干渉を低減できると共に、スループットを向上させることができる。
【００４５】
図２は本発明の第２の実施の形態による適応アンテナ送信装置を示すブロック図である。本実施の形態は、１つの送信局に対して複数の受信局がある場合に、各受信局と送信局のアンテナとの間の伝達関数を受信局で推定し、推定結果を送信局にフィードバックし、指向性パターンを形成することによって、同一周波数、同一タイミングで複数の受信局と下り通信を行う場合を示している。
【００４６】
図２において、１０１１〜１０１Ｎは複数のアンテナ素子、１０４は搬送波発生器、２０６は搬送波信号をＭ個に分岐する分岐装置、２０３１〜２０３Ｍは分岐された搬送波信号をさらにＮ個に分岐する分岐装置、２０７１〜２０７Ｍは各受信局へ送信する入力信号の入力端子、２０４１〜２０４Ｍは各入力信号に対する指向性形成装置、２０５１〜２０５Ｍは、各指向性形成装置に対する複数指向性パターン生成装置、２０２１１〜２０２ＭＮは重み付け装置、２０１１〜２０１Ｎは合成器である。尚、Ｍは１以上の整数である。
上記のように、本実施の形態は、図１の分岐装置１０２、指向性形成装置１０４及び複数指向性パターン生成装置１０６からなる部分を、受信局の数であるＭ個設けたものである。
【００４７】
次に動作について説明する。
入力端子２０７１〜２０７Ｍから入力される各受信局へ送信する入力信号は、まず指向性形成装置２０４１〜２０４Ｍに入力される。指向性形成装置２０４１〜２０４Ｍでは、まず入力信号系列をＬシンボル毎に区切り、Ｌシンボル毎に信号系列に応じた指向性パターンを複数指向性パターン生成装置２０５１〜２０５Ｍから選択する。
【００４８】
ここで、入力信号系列は、ＢＰＳＫ変調の場合は1,-1の２値の信号、ＱＰＳＫ変調の場合は(1,1)、(1,-1)、(-1,1)、(-1,-1) の４値の信号となる。複数指向性パターン生成装置２０５１〜２０５Ｍでは、Ｌ個の異なる指向性パターンを生成する。指向性パターンの総数Ｌは、全受信局数をＭ局とした場合、N-M+1 個の指向性パターンとする。
【００４９】
送信局の各アンテナ素子と各受信局との間の伝達関数が推定できている場合には、伝達関数は（７）式のように表され、受信局ｍ（１〜Ｍの整数）に対する指向性パターンは以下のようにして決定する。
【００５０】
【数１５】
【００５１】
ここで、Ｗm,0 は次の（１５）式から求める。
【００５２】
【数１６】
【００５３】
ここで、ｈknは受信局ｋと送信局のアンテナ素子ｎとの間の伝達関数である。また、列ベクトルＣm,l は以下の（１６）式を満たすように選択する。
【００５４】
【数１７】
【００５５】
ここで、
【００５６】
【数１８】
【００５７】
である。ある時刻の受信局ｍへの送信信号系列をｓm(n+1)，ｓm(n+2)，‥・ ，ｓm(n+N)としたとき、指向性形成装置では以下のように重みベクトルを決定する。
【００５８】
【数１９】
【００５９】
このように決定して信号を送信すると、受信局ｍでの受信信号は以下のようになる。
【００６０】
【数２０】
【００６１】
送信信号を誤りなく復調できた場合、時刻ｎ1 〜ｎN における各受信信号から以下の式によって伝達関数を推定することができる。
【００６２】
【数２１】
【００６３】
上述の手順により、下り回線での伝達関数を指向性パターン形成を行いながら推定し、さらに、下り回線用の重みの値を決定することができる。上記（２０）式を用ることにより、受信局での伝達関数の推定が可能となり、この推定結果を送信局にフィードバックすれば、（１５）式によって送信用の複数の指向性パターンを生成することが可能となる。
【００６４】
上述したように、本実施の形態によれば、（１４）〜（１８）式に基づいて各時刻毎の重みベクトルを求め、この重みベクトルに基づいて送信信号の指向性を各時刻に応じて変更し、この送信信号を送信局から送信し、複数の受信局において、（１９）（２０）式に基づいて各時刻における受信信号を比較して伝達関数を推定することにより、従来のように指向性のないプロービング信号を用いる必要がないので、他セルへの干渉を低減できると共に、スループットを向上させることができる。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、送信局と１つ又は複数の受信局との間の伝達関数を推定する場合に、他セルへの干渉を低減できると共に、スループットを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態による適応アンテナ送信装置を示すブロック図である。
【図２】 本発明の第２の実施の形態による適応アンテナ送信装置を示すブロック図である。
【図３】 第１の実施の形態による方法と従来方法とを比較する特性図である。
【図４】 従来の適応アンテナ装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０１１〜１０１Ｎ アンテナ素子
１０２１〜１０２Ｎ 重み付け装置
１０２ 分岐装置
１０４ 指向性形成装置
１０５ 搬送波発生装置
１０６ 複数指向性パターン生成装置
２０１１〜２０１Ｎ 合成器
２０２１１〜２０２ＭＮ 重み付け装置
２０３１〜２０３Ｍ 分岐装置
２０４１〜２０４Ｍ 指向性形成装置
２０５１〜２０５Ｍ 複数指向性パターン生成装置
２０６ 分岐装置
２０７１〜２０７Ｍ 入力端子
【発明の属する技術分野】
本発明は、適応アンテナ装置を用いた無線通信システムにおける伝搬環境推定、指向性パターンの制御及び干渉除去等を行う適応アンテナの制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
適応アンテナは、希望する信号と相関の高い到来波を合成し、相関の低い到来波を抑圧するように指向性制御を行うアンテナである。以下に従来の下り回線の適応アンテナの指向性パターンの制御方法について説明する。
図４に下り通信の伝搬環境を推定を行わない従来の適応アンテナ装置を示す（例えばR.A.Monzingo and T.W.Miller,Introduction to Adaptive Arrays ,John Wiley & Sons,lnc.1980 ）。
【０００３】
図４において、従来の適応アンテナ装置は、複数のアンテナ素子４０１１〜４０１Ｎと、各アンテナ素子４０１１〜４０１Ｎに接続され入力信号に複素重みを課す重み付け装置４０２１〜４０２Ｎと、各重み付け装置４０２１〜４０２Ｎの重みを制御する重み制御装置４０３と、基準信号発生装置４０４と、受信時には各アンテナ素子４０１１〜４０４Ｎで受信され重み付け装置４０２１〜４０２Ｎで複素重み付けされた信号を合成し、送信時には入力信号を重み付け装置４０２１〜４０２Ｎに分岐するための合成／分岐装置４０５から構成される。尚、Ｎは１以上の整数である。
【０００４】
一般に適応アンテナ装置の複数のアンテナ素子４０１１〜４０１Ｎで受信された信号をｘ1 〜ｘN とし、重み付け装置４０２１〜４０２Ｎに設定される重みの値をｗ1 〜ｗN とし、希望信号成分をｄと表すと、希望信号との誤差の２乗が最小になるように指向性パターンを形成する重みの値は
【０００５】
【数５】
で与えられる。
【０００７】
上り通信時の伝搬環境と下り通信時の伝搬環境が全く同一と見なせる場合には、上記（２）式のアンテナ間の相関行列Ｒxx、及び上記（３）式の希望ユーザに対するステアリングベクトルｒxdに変化が生じないため、上り通信時の重みの値を下り通信にもそのまま適用すれば、通信路の２乗誤差を最小とする指向性を形成することができる。従って、上り通信と下り通信の伝搬環境がほぼ等しい場合には、単に複数のアンテナ素子で構成するアレーアンテナを構成すればよい。
【０００８】
ところが、上り通信と下り通信での周波数が異なるＦＤＤシステム（Frequency Division Duplex System) や、環境変動の大きい環境では、（２）式で定義したアンテナ間の相関行列Ｒxxを推定することができず、適応アンテナ装置が動作しないという問題がある。
【０００９】
下り通信において受信局で伝搬環境を推定し、伝搬環境の推定結果を送信局にフィートバックし、下り回線用の指向性形成を行う方法が提案されている(Derlek Gerlacha，Arlogyaswami Paulraj,“Base Station Antenna Arrays withMobile to Base Feedback，" Conference Reccord of The Twenty-Seventh Asilomar Conference,1993)。以下にその動作について説明する。
【００１０】
下り通信では、情報信号の間にプロービング信号を周期的に挿入して信号を伝送する。プロービング信号は、送信局の各アンテナと受信局との間の伝達関数の推定に用いる。ブロービング信号を伝送する区間では、各アンテナから異なったプロービング信号系列を送信する。ここで各アンテナから送信するプロービング信号は、全受信局が既知の信号系列とする。受信局では、受信信号に対して、各アンテナから送信する各ブロービング信号との相関演算を行い、各アンテナのプロービング信号毎に複素相関値を求める。この複素相関値を上り通信において送信局にフィードバックし、適応アンテナの指向性パターンの形成に反映させる。
【００１１】
この方法によれば、各アンテナのプロービング信号との相関値を受信局において求めることによって、送信局の各アンテナと受信局との間の伝搬環境を推定することができる。
【００１２】
しかしながら、この方法を利用する場合には、各アンテナから異なる信号が送信されるため、指向性パターンを形成することができない。従って、同一チャネルを利用する周辺セルに対して干渉を与えてしまうという問題がある。また、アンテナ素子数が増大すると、プロービング信号の信号系列長が長くなるため、スループットが低下するという問題が生じる。
【００１３】
下り回線の送信局の複数のアンテナと受信局のアンテナとの間の伝達関数を推定する方法として、Space-Time-Coding が提案されている(Vahid Tarokh,et al“Space-Time Codes for High Data Rate Wireless Communication: Performance Criterion and Code Construction"， IEEE Trans.Information Theory，Vo.1．44，N0．2 MARCH 1998) 。このSpace-Time-Coding によれば、送信局の各アンテナからは異なった信号を送信し、受信局で伝達関数を推定することができる。
【００１４】
以下に、送信局のアンテナ素子数が２素子、受信局のアンテナ素子数が１素子、Space-Time-Coding の符号化にSpace-Time-Block-Coding を用いた場合の伝搬環境推定方法を示す。送信信号系列は２信号ごとに１つのブロックを形成する。例えば送信信号をs1、s2、s3、‥・ とした場合には、
１つ目のブロックはs(1)、s(2)
２つ目のブロックはs(3)、s(4)
となる。ここで、s(n)はｎ番目の送信信号を表す。
【００１５】
次に、各アンテナで送信する信号系列を以下のように決定する。
アンテナ１からの送信信号は、偶数番目の信号に対しては共役値をとり
s(1)、-s(2) * 、s(3)、-s(4) * 、s(5)、-s(6) * ‥‥
とする。ここで *は複素共役を表す。また、アンテナ２からの送信信号は、奇数番目の信号に対しては共役値をとり、さらに各ブロックで送信する順番を逆にする。すなわち、アンテナ２からの送信信号は
ｓ(2) 、ｓ(1) * 、ｓ(4) 、ｓ(3) * 、ｓ(6) 、ｓ(5) * ‥‥
となる。このとき、受信局での時刻k 、k+1 での受信信号r(k)、r(k+1)は、次の（５）式で表される。
【００１６】
【数６】
ここで、ｈ1 は送信局のアンテナ１と受信局との間のチャネル応答、ｈ2 は送信局のアンテナ２と受信局との間のチャネル応答であり、いずれも複素数値である。従って、受信局の受信信号からｈ1 、ｈ2 を推定できれば、送信局のアンテナと受信局の間の伝搬環境を推定できたことになる。上記（５）式を変形すると以下の（６）式が得られる。
【００１８】
【数７】
送信局、受信局間でs(k)が既知である場合には、（６）式からただちにｈ1 、ｈ2 を求めることができる。また、s(k)が情報区間の信号である場合には、受信信号データはメモリに保存し、復号時に決定したs(k)を利用することで、情報伝送中にも伝達関数を推定することができる。
ただし、この方法を用いた場合にも、各アンテナから異なった信号が送信されるため、指向性パターンを形成することができない。従って、同一チャネルを利用する周辺セルに対して干渉を与えてしまうという問題がある。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
ディジタル無線伝送での下り通信における指向性パターン制御では、送信局アンテナと受信局との間の伝達関数を推定する必要がある。ところが上述したように、伝達関数を推定するために、各アンテナから信号を送信すると、伝達関数推定時に指向性パターンを形成することがができないため、他システムや同一周波数チャネルを利用する他セルに多大な干渉を与えてしまうという問題があった。また、従来の伝達関数推定方法では、送信局アンテナと受信局との間の伝達関数を推定するためには、予め定められた信号系列を送信する必要があるため、スループットが低下するという問題があった。
【００２１】
本発明は上記の問題を解決するためになされたもので、送信局アンテナと受信局との間の伝達関数を推定する場合に、他のセルに対する干渉を低減すると共に、スループットの向上を図ることのできる適応アンテナ送信装置の制御方法を提供することを目的としている。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明による適応アンテナ送信装置の制御方法は、Ｎ個のアンテナ素子と、搬送信号をＮ個に分岐する分岐手段と、分岐された各搬送信号をそれぞれ重み付けして各アンテナに与えるＮ個の重み付け手段とから構成される適応アンテナ送信装置の制御方法において、各重み付け手段によるＮ個の重みの組み合わせを複数組生成し、受信局への送信信号に基づいて前記複数組の重みの組み合わせを推定することによって復調を行うとともに、推定した重みの組み合わせを用いた場合の下り回線の伝達関数を推定し、１つ以上の重みの組み合わせに対して推定した伝達関数を送信局にフィードバックし、送信局では受信局が推定した伝達関数をもとに、上記重み付け手段に設定する少なくとも２つ以上の重みの組み合わせを決定することを特徴とする。また、後述する（８）〜（１１）式に基づいて各時刻毎の重みベクトルを求め、この重みベクトルに基づいて送信信号の指向性を時刻に応じて変更した後、その送信信号を送信し、受信局において、各時刻における受信信号から、後述する（１２）（１３）式に基づいて伝達関数を推定することを特徴とするものである。
【００２３】
また、本発明による適応アンテナ送信装置の制御方法は、Ｎ個のアンテナ素子と、搬送信号をＭ個（Ｍは２以上の整数）に分岐する第１の分岐手段とを備え、第１の分岐手段で分岐された搬送信号の１つをＮ個に分岐する第２の分岐手段と、第２の分岐手段で分岐された各信号をそれぞれ重み付けするＮ個の重み付け手段と、各重み付け手段によるＮ個の重みの組み合わせを複数組生成する生成手段と、受信局への送信信号に基づいて前記複数組の重みの組み合わせから１つの組を選択する選択手段とからなる部分をＭ個設け、各重み付け手段で重み付けされた信号を対応するアンテナ素子毎に合成して各アンテナ素子に与えるＮ個の合成手段を備えてなる適応アンテナ送信装置を有する送信局における前記適応アンテナ送信装置の制御方法であって、送信局において、後述する（１４）〜（１８）式に基づいて各時刻毎の重みベクトルを求め、この重みベクトルに基づいて送信信号の指向性を時刻に応じて変更した後、この送信信号を送信し、各受信局において、各時刻における受信信号から、後述する（１９）（２０）式に基づいて伝達関数を推定することを特徴とするものである。
【００２４】
【作用】
従って、本発明によれば、１つ又は複数の受信局において前記推定された伝達関数を送信局にフィードバックすることにより、送信局においてフィードバックされた伝達関数に基づいて複数の重みの組み合わせによる複数の指向性パターンを生成することができる。このため、他セルへの干渉を低減できると共に、スループットを向上させることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の第１の実施形態による適応アンテナ送信装置を示すブロック図である。本実施の形態は、送信信号に対して複数の重みの組み合わせによる複数の指向性パターンを割り当て、通信中に受信局において送信局の各アンテナとの間の伝達関数の推定を可能とするものである。
【００２６】
図１において、１０１１〜１０１Ｎは複数のアンテナ素子、１０２１〜１０２Ｎは重み付け装置、１０５は搬送波発生装置、１０２は搬送波信号を重み付け装置１０２１〜１０２Ｎに分岐する分岐装置、１０４は入力信号をＮシンボル毎に区切る指向性形成装置、１０６はＮシンボル毎に指向性パターンを生成する複数指向性パターン生成装置である。尚、Ｎは１以上の整数である。
【００２７】
次に動作について説明する。
受信局へ送信する入力信号は、指向性形成装置１０４に入力される。指向性形成装置１０４では、まず、入力信号系列をＮシンボル（符号）毎に区切り、Ｎシンボル毎に信号系列に応じた指向性パターンを複数指向性パターン生成装置１０６から選択する。ここで、入力信号系列はＢＰＳＫ（Bynary Phase shift keying)変調の場合には1、-1の２値の信号、ＱＰＳＫ（Quadurature Phase shift keying) 変調の場合には(1,1)、(1,-1)、(-1,1)、(-1,-1) の４値の信号となる。
【００２８】
複数指向性パターン生成装置１０６では、Ｌ個（Ｌは２以上の整数）の異なる指向性パターンを生成する。Ｌ個の指向性パターンは、例えば送信局の各アンテナ素子と受信局との間の伝達関数が推定できている場合には、以下のようにして決定する。
送信局のアンテナｎ（１≦ｎ≦Ｎ）と受信局の間の伝達関数ｈn は、推定した伝達関数と、誤差Δｈn によって以下のように記述できる。尚、次式における〜は推定を表す。
【００２９】
【数８】
このとき、複数指向性パターン生成装置１０６での１番目の指向性パターンの重み付け装置１０２１〜１０２Ｎの重みの値を、
【００３１】
【数９】
と決定する。ここで、Ｔは転置（トランスポーズ）を表す。また、Ｗl はｌ番目の指向性パターンを生成する重みベクトルで、
【００３３】
【数１０】
であり、Ｗl,n はｌ番日の指向性パターンの重み付け装置１０２Ｎの重みの値を表す。また、
【００３５】
【数１１】
である。また、Ｃl は１個の異なるベクトルであり、１次独立になるようにｌ個のベクトルを選択する。αは定数であり、適当な値に決定する。αを可変にする場合には、伝搬環境の時間変動が大きい場合はαを大きな値とし、伝搬環境が静的な場合にはαを小さい値とする。ある時刻の信号系列をs(n+1),s(n+2),‥・,s(n+N)としたとき、複数指向性パターン生成装置１０６では以下のように重みベクトルを決定する。
【００３７】
【数１２】
このように決定して信号を送信すると、受信局での受信信号は以下のようになる。
【００３９】
【数１３】
送信信号を誤りなく復調できた場合、時刻ｎ1 〜ｎN における各受信信号から以下の式によって伝達関数を推定することができる。
【００４１】
【数１４】
上記（１３）式を用いることにより、受信局での伝達関数の推定が可能となり、この推定結果を送信局にフィードバックすることにより、（８）式により送信用の複数の指向性パターンを生成することが可能となる。従って、本実施の形態により、通信中の信号から伝達関数を推定することが可能になる。
【００４３】
図３に本実施の形態による方法を適用した場合と、図４の従来方法を適用した場合の伝搬環境推定時の他セルヘの干渉量を示す。
図３から明らかなように従来方法では、下り回線の伝達関数の推定を行う際に、送信局で指向性形成を行うことができないため、伝達関数推定時の他セルヘの干渉量は同一となる。これに対して本実施の形態では、指向性パターンの形成によってアンテナ素子数を増加させると、干渉量を低減できることが分かる。
また、プロービング信号を用いる従来方法では、伝搬環境推定時に指向性パターンの形成ができないため、アンテナ素子数の増大に伴って干渉量が増大していることが分かる。
【００４４】
上述したように、本実施の形態によれば、（８）〜（１１）式に基づいて各時刻毎の重みベクトルを求め、この重みベクトルに基づいて送信信号の指向性を各時刻に応じて変更し、この送信信号を送信局から送信し、受信局において（１２）（１３）式に基づいて各時刻における受信信号を比較して伝達関数を推定することにより、従来のように指向性のないプロービング信号を用いる必要がないので、他セルへの干渉を低減できると共に、スループットを向上させることができる。
【００４５】
図２は本発明の第２の実施の形態による適応アンテナ送信装置を示すブロック図である。本実施の形態は、１つの送信局に対して複数の受信局がある場合に、各受信局と送信局のアンテナとの間の伝達関数を受信局で推定し、推定結果を送信局にフィードバックし、指向性パターンを形成することによって、同一周波数、同一タイミングで複数の受信局と下り通信を行う場合を示している。
【００４６】
図２において、１０１１〜１０１Ｎは複数のアンテナ素子、１０４は搬送波発生器、２０６は搬送波信号をＭ個に分岐する分岐装置、２０３１〜２０３Ｍは分岐された搬送波信号をさらにＮ個に分岐する分岐装置、２０７１〜２０７Ｍは各受信局へ送信する入力信号の入力端子、２０４１〜２０４Ｍは各入力信号に対する指向性形成装置、２０５１〜２０５Ｍは、各指向性形成装置に対する複数指向性パターン生成装置、２０２１１〜２０２ＭＮは重み付け装置、２０１１〜２０１Ｎは合成器である。尚、Ｍは１以上の整数である。
上記のように、本実施の形態は、図１の分岐装置１０２、指向性形成装置１０４及び複数指向性パターン生成装置１０６からなる部分を、受信局の数であるＭ個設けたものである。
【００４７】
次に動作について説明する。
入力端子２０７１〜２０７Ｍから入力される各受信局へ送信する入力信号は、まず指向性形成装置２０４１〜２０４Ｍに入力される。指向性形成装置２０４１〜２０４Ｍでは、まず入力信号系列をＬシンボル毎に区切り、Ｌシンボル毎に信号系列に応じた指向性パターンを複数指向性パターン生成装置２０５１〜２０５Ｍから選択する。
【００４８】
ここで、入力信号系列は、ＢＰＳＫ変調の場合は1,-1の２値の信号、ＱＰＳＫ変調の場合は(1,1)、(1,-1)、(-1,1)、(-1,-1) の４値の信号となる。複数指向性パターン生成装置２０５１〜２０５Ｍでは、Ｌ個の異なる指向性パターンを生成する。指向性パターンの総数Ｌは、全受信局数をＭ局とした場合、N-M+1 個の指向性パターンとする。
【００４９】
送信局の各アンテナ素子と各受信局との間の伝達関数が推定できている場合には、伝達関数は（７）式のように表され、受信局ｍ（１〜Ｍの整数）に対する指向性パターンは以下のようにして決定する。
【００５０】
【数１５】
ここで、Ｗm,0 は次の（１５）式から求める。
【００５２】
【数１６】
ここで、ｈknは受信局ｋと送信局のアンテナ素子ｎとの間の伝達関数である。また、列ベクトルＣm,l は以下の（１６）式を満たすように選択する。
【００５４】
【数１７】
ここで、
【００５６】
【数１８】
である。ある時刻の受信局ｍへの送信信号系列をｓm(n+1)，ｓm(n+2)，‥・ ，ｓm(n+N)としたとき、指向性形成装置では以下のように重みベクトルを決定する。
【００５８】
【数１９】
このように決定して信号を送信すると、受信局ｍでの受信信号は以下のようになる。
【００６０】
【数２０】
送信信号を誤りなく復調できた場合、時刻ｎ1 〜ｎN における各受信信号から以下の式によって伝達関数を推定することができる。
【００６２】
【数２１】
上述の手順により、下り回線での伝達関数を指向性パターン形成を行いながら推定し、さらに、下り回線用の重みの値を決定することができる。上記（２０）式を用ることにより、受信局での伝達関数の推定が可能となり、この推定結果を送信局にフィードバックすれば、（１５）式によって送信用の複数の指向性パターンを生成することが可能となる。
【００６４】
上述したように、本実施の形態によれば、（１４）〜（１８）式に基づいて各時刻毎の重みベクトルを求め、この重みベクトルに基づいて送信信号の指向性を各時刻に応じて変更し、この送信信号を送信局から送信し、複数の受信局において、（１９）（２０）式に基づいて各時刻における受信信号を比較して伝達関数を推定することにより、従来のように指向性のないプロービング信号を用いる必要がないので、他セルへの干渉を低減できると共に、スループットを向上させることができる。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、送信局と１つ又は複数の受信局との間の伝達関数を推定する場合に、他セルへの干渉を低減できると共に、スループットを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態による適応アンテナ送信装置を示すブロック図である。
【図２】 本発明の第２の実施の形態による適応アンテナ送信装置を示すブロック図である。
【図３】 第１の実施の形態による方法と従来方法とを比較する特性図である。
【図４】 従来の適応アンテナ装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０１１〜１０１Ｎ アンテナ素子
１０２１〜１０２Ｎ 重み付け装置
１０２ 分岐装置
１０４ 指向性形成装置
１０５ 搬送波発生装置
１０６ 複数指向性パターン生成装置
２０１１〜２０１Ｎ 合成器
２０２１１〜２０２ＭＮ 重み付け装置
２０３１〜２０３Ｍ 分岐装置
２０４１〜２０４Ｍ 指向性形成装置
２０５１〜２０５Ｍ 複数指向性パターン生成装置
２０６ 分岐装置
２０７１〜２０７Ｍ 入力端子
Claims (5)
- Ｎ個のアンテナ素子と、搬送信号をＮ個に分岐する分岐手段と、分岐された各搬送信号をそれぞれ重み付けして各アンテナ素子に与えるＮ個の重み付け手段とから構成される適応アンテナ送信装置の制御方法であって、
送信する信号系列に応じて、上記Ｎ個の重み付け手段に設定する重みの組み合わせを設定し、
受信局では、受信信号に基づいて、送信局で送信された重みの組み合わせを推定することによって復調を行うとともに、
推定した重みの組み合わせを用いた場合の下り回線の伝達関数を推定し、
１つ以上の重みの組み合わせに対して推定した伝達関数を送信局にフィードバックし、
送信局では、受信局が推定した伝達関数をもとに、上記重み付け手段に設定する少なくとも２つ以上の重みの組み合わせを決定することを特徴とする適応アンテナ送信装置の制御方法。 - 下記の式
この重みベクトルに基づいて送信信号の指向性パターンを時刻に応じて変更した後、その送信信号を受信局に送信し、
受信局において、各時刻における受信信号から、下記の式
- 前記受信局は、前記推定された伝達関数を前記送信局にフィードバックし、送信局は、フィードバックされた推定された伝達関数に基づいて前記複数組の重みの組み合わせを生成することを特徴とする請求項１または２に記載の適応アンテナ送信装置の制御方法。
- Ｎ個のアンテナ素子と、搬送信号をＭ個（Ｍは２以上の整数）に分岐する第１の分岐手段とを備え、第１の分岐手段で分岐された搬送信号の１つをＮ個に分岐する第２の分岐手段と、第２の分岐手段で分岐された各信号をそれぞれ重み付けするＮ個の重み付け手段と、各重み付け手段によるＮ個の重みの組み合わせを複数組生成する生成手段と、受信局への送信信号に基づいて前記複数組の重みの組み合わせから１つの組を選択する選択手段とからなる部分をＭ個設け、各重み付け手段で重み付けされた信号を対応するアンテナ素子毎に合成して各アンテナ素子に与えるＮ個の合成手段を備えてなる適応アンテナ送信装置を有する送信局における前記適応アンテナの制御方法であって、下記の式
この重みベクトルに基づいて送信信号の指向性パターンを時刻に応じて変更した後、この送信信号をＭ個の受信局に送信し、
各受信局において、各時刻における受信信号から、下記の式
- 前記Ｍ個の受信局においてそれぞれ前記推定された伝達関数を前記送信局にフィードバックし、送信局は、フィードバックされた伝達関数に基づいて前記複数組の重みの組み合わせを生成することを特徴とする請求項４に記載の適応アンテナの制御方法。
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